DE69637426T2

DE69637426T2 - Polarisierte Anzeige mit hohem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE69637426T2
Application number: DE69637426T
Authority: DE
Inventors: Brent D. Cave Creek Larson
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1995-04-07
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2009-02-05
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: EP1273959A3; EP1258749A3; US6310671B1; EP1273959A2; DE69637376D1; JPH11502036A; EP1258748B1; IL117777A0; DE69636661T2; DE69637376T2; EP1258746A2; HK1053871B; DE69636582D1; DE69636582T2; EP1258747A3; HK1052975A1; EP1258746A3; DE69637426D1; HK1052974A1; EP1258748A2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet polarisierter Projektionsdisplays.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Das Leistungspotential und die Flexibilität polarisierter Displays, insbesondere jener, die die elektrooptischen Eigenschaften eines flüssigkristallinen Materials verwenden, hat zu einem dramatischen Wachstum bei dem Einsatz dieser Displays für eine große Vielzahl von Anwendungen geführt. Flüssigkristalldisplays (LCDs) bieten den ganzen Bereich von extrem preiswert und leistungsarmer Leistung (z. B. Displays für Armbanduhren) bis sehr hohe Leistung und hohe Helligkeit (z. B. AMLCDs für Avionikanwendungen, Computermonitore und HDTV-Projektoren). Vieles von dieser Flexibilität rührt von der Lichtventilnatur dieser Einrichtungen her, weil der Abbildungsmechanismus von dem Lichterzeugungsmechanismus entkoppelt ist. Wenngleich dies ein immenser Vorteil ist, ist es oftmals erforderlich, einen Kompromiß bei der Leistung in bestimmten Kategorien wie etwa Luminanzfähigkeit oder Lichtquellenstromverbrauch einzugehen, um die Bildqualität oder die Erschwinglichkeit zu maximieren. Diese reduzierte optische Effizienz kann auch zu Leistungseinschränkungen bei starker Beleuchtung aufgrund von Erhitzen oder Verblassen der üblicherweise in den Displays verwendeten lichtabsorbierenden Mechanismen führen.
Bei tragbaren Displayanwendungen wie etwa hintergrundbeleuchteten Laptopcomputermonitoren oder anderen Instrumentendisplays wird die Lebensdauer der Batterie durch die Leistungsanforderungen der Displayhintergrundbeleuchtung stark beeinflußt. Somit muß die Funktionalität eingeschränkt werden, um Größe, Gewicht und Kosten zu minimieren. Avionikdisplays und andere Hochleistungssysteme erfordern eine hohe Luminanz, legen jedoch aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich Wärme und Zuverlässigkeit dem Stromverbrauch Einschränkungen auf. Projektionsdisplays sind extrem hohen Beleuchtungspegeln ausgesetzt, und sowohl Erwärmung als auch Zuverlässigkeit müssen verwaltet werden. Am Kopf angebrachte Displays, die Ventile für polarisiertes Licht verwenden, sind gegenüber Leistungsanforderungen besonders empfindlich, da die Temperatur des Displays und der Hintergrundbeleuchtung auf akzeptablen Niveaus beibehalten werden müssen.
Displays nach dem Stand der Technik unterliegen einer geringen Effizienz, schlechter Luminanzgleichförmigkeit, unzureichender Luminanz und übermäßigem Stromverbrauch, der inakzeptabel hohe Wärmemengen in dem Display und um dieses herum erzeugt. Displays nach dem Stand der Technik weisen auch aufgrund der Abführung von Energie in temperaturempfindlichen Komponenten einen nicht-optimalen Umgebungsbereich auf. Hintergrundbeleuchtungsbaugruppen sind oftmals übermäßig groß, um die Gleichförmigkeit und Effizienz des Systems zu verbessern.
Für die Effizienzverbesserung lassen sich ohne weiteres mehrere Bereiche identifizieren. Erhebliche Bemühungen sind für das Verbessern der Effizienz der Lichtquelle (z. B. Fluoreszenzlampen) und Optimieren des Reflexionsvermögens und der Lichtverteilung von Hintergrundbeleuchtungshohlräumen aufgewendet worden, um hinter dem Display eine räumlich gleichförmige Lichtquelle mit hoher Luminanz bereitzustellen. Pixelöffnungsverhältnisse werden so hoch ausgelegt, wie es der jeweilige LCD-Ansatz und das jeweilige LCD-Herstellungsverfahren wirtschaftlich gestatten. Wenn Farbfilter verwendet werden, sind diese Materialien optimiert worden, um einen Kompromiß zwischen Effizienz und Farbumfang zu liefern. Es sind reflektierende Farbfilter vorge schlagen worden, um unbenutzte Spektralkomponenten zu einem Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurückzuführen. Wenn die Displayanforderungen dies gestatten, kann man eine gewisse Verbesserung auch dadurch erreichen, daß der Bereich von Beleuchtungswinkeln für die Displays über Richttechniken eingeschränkt wird.
Selbst bei dieser Optimierung nach dem Stand der Technik müssen Lampenleistungspegel unerwünscht hoch sein, damit man die erwünschte Luminanz erzielt. Wenn Fluoreszenzlampen bei ausreichend hohen Leistungspegeln betrieben werden, damit man einen hohen Grad an Helligkeit beispielsweise für eine Cockpitumgebung erhält, kann die erzeugte überschüssige Hitze das Display beschädigen. Um eine derartige Beschädigung zu vermeiden, muß diese überschüssige Hitze abgeleitet werden. Wärme wird in der Regel abgeleitet, indem ein Luftstrom so gerichtet wird, daß er auf die Komponenten in dem Display auftrifft. Leider enthält die Cockpitumgebung Schmutz und andere Verunreinigungen, die mit dieser auftreffenden Luft ebenfalls in das Display getragen werden, falls solche Zwangsbelüftung überhaupt zur Verfügung steht. Gegenwärtig erhältliche LCD-Displays können das Einströmen von Staub nicht tolerieren und sind bald zu trübe und zu schmutzig, um effektiv zu arbeiten.
Ein weiterer Nachteil beim Erhöhen der Leistung zu einer Fluoreszenzlampe liegt darin, daß die Langlebigkeit der Lampe dramatisch abnimmt, wenn immer noch höhere Niveaus an Oberflächenluminanz gefordert werden. Das Ergebnis davon ist, daß die Alterung beschleunigt wird, was einen abrupten Ausfall in kurzen Zeitperioden verursachen kann, wenn die Arbeitseinschränkungen überschritten werden.
Eine erhebliche Betonung wurde auch auf das Optimieren der Polarisatoren für diese Displays gelegt. Indem die Transmittanz der Durchlaßachse verbessert wird (unter Annäherung an die theoretische Grenze von 50%), wurden die Leistungsanforderungen reduziert, doch wird der größte Teil des zur Verfügung stehenden Lichts immer noch absorbiert, was die Effizienz beschränkt und zu Problemen hinsichtlich Polarisatorzuverlässigkeit bei Systemen mit hohem Durchsatz sowie potentiellen Bildqualitätsbedenken führt.
Polarisationsmittel nach dem Stand der Technik beinhalten die Verwendung von Brewster-Winkel-Reflexionen, Dünnfilmpolarisatoren, doppelbrechenden Kristallpolarisatoren und cholesterischen Zirkularpolarisatoren. Diese Ansätze nach dem Stand der Technik sind zwar etwas effektiv, doch sind sie hinsichtlich Beleuchtungs- oder Betrachtungswinkel sehr beschränkt, wobei mehrere auch eine signifikante Wellenlängenabhängigkeit aufweisen. Durch viele von diesen werden die Komplexität, die Größe oder die Kosten des Projektionssystems erheblich erhöht, und sie sind bei Direktbetrachtungsdisplays unpraktisch. Keine dieser Lösungen nach dem Stand der Technik läßt sich ohne weiteres auf Hochleistungsdirektbetrachtungssysteme anwenden, die eine breite Betrachtungswinkelleistung erfordern.
EP 0 573 905 beschreibt einen Overheadprojektor, der in Verbindung mit einem LCD-Panel verwendet werden kann. Ein System, das einen retroreflektierenden Polarisator umfaßt, ist zum Polarisationsrecycling vorgesehen.
US 2,180,114 beschreibt ein optisches System, das in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer verwendet werden kann. Das System kann ein Blatt aus Material umfassen, das eine erstarrte Suspension aus doppelbrechenden Kristallen in einer transparenten Matrix mit einem Brechungsindex umfassen kann, im wesentliche gleich einem der Brechungsindizes der Kristalle und ausgelegt, einen einfallenden Lichtstrahl gewöhnlichen Lichts in zwei Komponenten zu zerlegen: eine im wesentlichen nicht-diffundierte Komponente und eine diffundierte Komponente. Weitere Komponenten, einschließlich linsenförmiger Elemente und einem Element mit Bereichen unterschiedlicher Verzögerung sind vorgesehen, um sicherzustellen, daß sowohl die nicht-diffundierte Komponente als auch die diffundierte Komponente das System mit im wesentlichen gleichen Polarisationscharakteristiken verlassen.
Ebenfalls im Stand der Technik ( US-Patent 4,688,897 ) wird der Austausch der hinteren Pixelelektrode in einem LCD mit einem Drahtgitterpolarisator gelehrt, um die effektive Auflösung von reflektierenden TN-Displays (twisted nematic) zu verbessern, wenngleich es dieser Literaturstelle nicht gelingt, das reflektierende polarisierende Element auf die Polarisationskonversion und das Wiedereinfangen anzuwenden. Die Vorteile, die durch den Ansatz erzielt werden können, wie in dem Stand der Technik verkörpert, sind recht begrenzt. Er gestattet prinzipiell, daß der Spiegel in einem reflektierenden LCD zwischen dem LC-Material und dem Substrat plaziert wird, wodurch der TN-Modus im reflektierenden Modus mit einem Minimum an Parallaxeproblemen verwendet werden kann. Wenngleich dieser Ansatz auch als eine transflektive Konfiguration vorgeschlagen worden ist, wobei der Drahtgitterpolarisator anstelle des teilweise versilberten Spiegels oder eines vergleichbaren Elements verwendet wird, stellt der Stand der Technik kein Mittel bereit, um einen hohen Kontrast über normale Beleuchtungskonfigurationen für transflektive Displays aufrechtzuerhalten, weil der Displaykontrast in dem hintergrundbeleuchteten Modus in dem entgegengesetzten Sinne dessen für Umgebungsbeleuchtung ist. Folglich wird es einen erheblichen Bereich an Umgebungsbeleuchtungsbedingungen geben, bei denen sich die beiden Lichtquellen gegenseitig aufheben und das Display unlesbar sein wird. Ein weiterer Nachteil bei dem Stand der Technik besteht darin, daß es überhaupt nicht einfach ist, auf diese Weise einen diffus reflektierenden Polarisator zu erhalten, und somit läßt sich der reflektierende Modus am meisten auf Systeme vom spiegelnden Projektionstyp anwenden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liefert eine Polarisationsprojektionsdisplayvorrichtung wie in Anspruch 1 definiert.
Bevorzugt umfaßt die Vorrichtung die Merkmale von Anspruch 2.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann in der Verbesserung der optischen Effizienz von polarisierten Projektionsdisplays liegen, insbesondere von jenen, die Flüssigkristalldisplays (LCDs) verwenden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann in der Bereitstellung dieser Effizienzerhöhung unter gleichzeitiger Beibehaltung einer breiten Betrachtungswinkelfähigkeit und dem Minimieren der Einführung chromatischer Verschiebungen oder räumlicher Artefakte liegen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Absorption von Licht durch polarisierte Displays zu reduzieren, wodurch die Erwärmung der Displays und die Degradation der Displaypolarisatoren auf ein Minimum reduziert wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, ein LCD mit vergrößerter Displayhelligkeit bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Leistungsanforderungen für LCD-Hintergrundbeleuchtungssysteme zu reduzieren.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, die Displayhintergrundbeleuchtungsgleichförmigkeit zu verbessern, ohne die Leistung in anderen Bereichen zu opfern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin bestehen, diese Aufgaben auf kostenffektive und kompakte Weise mit nur einem nominellen Redesign des Displaysystems in den meisten Fällen auf eine Weise zu lösen, die mit einer großen Vielfalt von Beleuchtungsquellen vereinbar ist, und ohne die Notwendigkeit zur Modifikation der Lichtventile.
Diese und weitere Aufgaben können durch die vorliegende Erfindung gelöst werden, indem die Absorption optischer Energie innerhalb des polarisierten Projektionsdisplaysystems verwaltet wird. Insbesondere werden die Verluste und Nebeneffekte, die mit dem Polarisieren des Lichts assoziiert sind, über die vernünftige Verwendung von spezialisierten nicht-absorbierenden Polarisationsmechanismen insbesondere mikrostrukturellen Verbundwerkstoffen aus Materialien mit unterschiedlicher Doppelbrechung, im weiteren als polarisationsempfindliche Streuelemente (PSSE – polarization sensitive scattering elements) bezeichnet.
In dem Fall einer weitwinkligen diffusen Hintergrundbeleuchtung wird eine volle Betrachtungswinkelkompatibilität beibehalten, indem die Symmetrie des PSSEs an die Symmetrie des herkömmlichen absorbierenden Polarisators angepaßt wird. Freiheit von chromatischen Verschiebungen mit sich änderndem Winkel erhält man durch Vermeiden kohärenter Strukturen mit Periodizitäten in der Nähe der Wellenlänge von sichtbarem Licht.
Die Absorption von Licht durch das Display wird minimiert, indem das PSSE benutzt wird, um das normalerweise von einem herkömmlichen Polarisator polarisierte Licht zu polarisieren oder zu vorpolarisieren.
Kosteneffektivität erhält man durch Einführen einer Reihe kompatibler PSSE-Strukturen und Variationen davon, in vielen Fällen als ein einfaches Zusatz- oder Austauschelement für herkömmliche Ansätze.
Diese PSSE-Konfigurationen werden in einer Reihe neuartiger und nicht-offensichtlicher Ausführungsformen angewendet, um die Leistung von hintergrundbeleuchteten Direktbetrachtungsdisplays, reflektierenden Displays und Projektionsdisplays zu verbessern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt die erste Ausführungsform.
2 zeigt vorhergesagte Verbesserungen, die sich aus der ersten Ausführungsform ergeben.
3a–h zeigen auseinandergezogene Ansichten mehrerer infrage kommender Elemente.
4 zeigt die zweite Ausführungsform.
5 zeigt die dritte Ausführungsform.
6 zeigt die vierte Ausführungsform.
7 zeigt die fünfte Ausführungsform.
8 zeigt die sechste Ausführungsform.
9 zeigt die siebte Ausführungsform.
10 zeigt die achte Ausführungsform, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht.
11 zeigt eine Nahansicht des Polarisationskonverters von 10.
12 zeigt die neunte Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wendet die neuartigen Polarisationssteuereigenschaften der nicht-absorbierenden Polarisatorelemente, insbesondere von polarisa tionsempfindlichen Streuelementen (PSSE) darauf an, die Leistung von polarisierten Displays auf Weisen signifikant zu verbessern, die bisher nicht möglich waren oder nicht in Betracht gezogen wurden. Es werden hierin Ausführungsformen für jede dieser Displaysystemarten beschrieben, um die Vielseitigkeit solcher Anordnungen zu veranschaulichen.
Das Grundkonzept wird am besten durch eine erste bevorzugte Ausführungsform dargestellt, die in 1 gezeigt ist. Die erste Ausführungsform enthält eine innerhalb eines diffus reflektierenden Hohlraums 11 angeordnete Lichtquelle 13. Licht von der Lichtquelle tritt durch den Diffusor 14 sowie durch ein polarisationsempfindliches Streuelement (PSSE) 17 hindurch. Licht von dem PSSE 17 läuft dann zum LCD-Plattenabschnitt des Displays, das aus der LCD-Platte 10, einem hinteren Polarisator 16 und einem vorderen Polarisator 15 besteht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird mit dem PSSE das Licht vorpolarisiert, bevor es den hinteren Displaypolarisator erreicht. Andere Ausführungsformen bauen auf diesen Prinzipien auf und werden durch dieses erste Beispiel gut eingeführt. Die polarisierte Displayplatte 10 ist beispielsweise ein monochromes oder vollfarbiges AMLCD, STNLCD, ferroelektrisches LCD oder ein anderer Lichtmodulator, der dahingehend funktioniert, daß die Polarisation des ankommenden Lichts zwischen dem hinteren und vorderen Polarisator 16 und 15 manipuliert wird. Die Hintergrundbeleuchtung ist in Form eines diffus reflektierenden Hohlraums 11, der aus weißen Wänden besteht und eine oder mehrere Fluoreszenzlampen 13 enthält. Das einzigartige Attribut dieser Ausführungsform ist der Zusatz des polarisationsempfindlichen Streuelements (PSSE) 17. Bei diesem handelt es sich um ein flaches, dünnes optisches Element, das bei dieser Ausführungsform als ein nicht-absorbierender Vorpolarisator dient. Das PSSE läßt den größten Teil des entlang einer optischen Achse polarisierten Lichts durch und schickt den größten Teil des Lichts mit der orthogonalen Polarisation zu dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurück, wo sein Polarisationszustand geändert wird, wodurch er eine weitere Gelegenheit erhält, zur Ausgabe der ersten Polarisation beizutragen. PSSE-Strukturen mit diesen Eigenschaften sind unten beschrieben.
Es ist günstig, zum Verstehen dieser Konfiguration ein einfaches Modell zu errichten. Es wird ohne weiteres gezeigt, daß unter der Annahme einer gleichförmigen Intensität in dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum die abgegebene Intensität I_out (z. B. Watt/cm², Foot-Lambert, Candela/m², je nach der Wahl der Einheiten und der Gewichtungsfunktionen) ungefähr gegeben ist durch
wo P_in die (in der entsprechenden Form) eingegebene optische Leistung, T_port die Transmittanz des oder der Elemente ist, die den Port des Hohlraums bedecken (üblicherweise die Displayplatte), R_port das Reflexionsvermögen des oder der den Port bedeckenden Elemente ist, A_port die Fläche des Ports ist und l_box die äquivalente Schwarzverlustfläche des Rests des Hohlraums ist. Die Größe von l_box im Vergleich zu A_port liefert eine nützliche Charakterisierung der Verlustbehaftetheit des Hintergrundbeleuchtungshohlraums. l_box ist die gewichtete Summe aller Oberflächeninhalte in dem Hohlraum mal ihrem jeweiligen Verlust (Absorptionsvermögen plus Transmittanz, wenn das durchgelassene Licht den Hohlraum verläßt) und stellt somit den Flächeninhalt eines äquivalenten schwarzen Flecks dar, wenn alle Hohlraumverluste in einem Gebiet zusammengefaßt würden.
Der Diffusor und das PSSE können natürlich so angesehen werden, daß sie entweder zu dem Hohlraum gehören oder den Port bedecken, und zwar mit identischen Ergebnissen. Dazu ist es erforderlich zu erkennen, daß Verluste effektiv weiter durch das Verhältnis der lokalen Intensität an dem Fleck mit der an dem Port einfallenden Intensität gewichtet werden, wodurch sowohl die Dämpfung durch den Diffusor als auch die unvermeidbare Ungleichförmigkeit innerhalb der meisten Hohlräume in der Praxis berücksichtigt werden.
Es sei beispielsweise angenommen, daß die Transmittanz der Platte 3% beträgt und sie ein Reflexionsvermögen von 0% aufweist, und daß der Diffusor als Teil des Hohlraums angesehen wird, aber ein PSSE zwischen dem Diffusor und der Platte zu den Portparametern (Plattenparametern) in der Gleichung beiträgt. Wenn man annimmt, daß das PSSE die Form eines rückstreuenden Polarisators aufweist (Durchlaßachsentransmittanz von T_pass und Gesamtreflexionsvermögen von R_total), führt dies zu einer direkten Verbesserung von
2 zeigt diese Beziehung für mehrere Vorpolarisatorleistungspegel. Bei idealen Komponenten existiert das Potential für eine Verbesserung um 100%. Wir haben (unten beschriebene) PSSE mit T_pass und R_total in der Umgebung von 90% bzw. 45% hergestellt und tatsächlich eine Zunahme der Durchlaßachsenausgabe gemessen, die sich bei Hohlraumdesigns mit einem sehr niedrigen Verlust 40% annähern, ohne daß die chromatische oder Winkelgleichförmigkeit des Lichts beeinträchtigt wird. Dies bestätigt die Gültigkeit des Modells und demonstriert zum ersten Mal ein durchführbares Verfahren zum Wiedereinfangen eines signifikanten Teils der Polarisation, der normalerweise bei dem Direktbetrachtungsdisplaysystem mit breitem Betrachtungswinkel verloren geht.
Der Schlüssel dazu, diesen Ansatz durchführbar zu machen, ist die Anwendung eines nicht-absorbierenden polarisierenden Mechanismus mit geeigneten Eigenschaften. Zu den idealen Eigenschaften zählen eine sehr geringe Absorption, eine sehr hohe Durchlaßachsentransmittanz, ein signifikantes Gesamtreflexionsvermögen, eine minimale Winkelabhängigkeit, eine spektrale Breitbandigkeit, eine vergleichbare optische Achsensymmetrie mit einem parallel ausgerichteten absorbierenden Polarisator und Freiheit von anderen Artefakten. Außerdem sollte der Vorpolarisator das Potential haben, dünn, großflächig, leicht, robust und preiswert zu sein. Im Stand der Technik beschriebene Polarisatoren für den Einsatz in Polarisationskonversionsverfahren erfüllen diese umfangreiche Liste von Anforderungen nicht.
Als Teil der vorliegenden Erfindung wird eine Klasse von polarisierenden Strukturen vorgelegt, die die oben aufgeführten Anforderungen erfüllt, wodurch die Effizienzverbesserungen und andere Leistungsverbesserungsverfahren der vorliegenden Erfindung auf effektive und praktische Weise implementiert werden können. Die neuen Polarisatoren und Anwendungen, die hierin beschrieben werden, werden unter Verwendung von polarisationsempfindlichen Streuelementen erzielt, die in Form von mikrostrukturellen Verbundwerkstoffen aus Materialien mit Differenzen bei der Doppelbrechung hergestellt werden. Materialien, die statische Streueigenschaften besitzen, die polarisationsabhängig sind, sind seit Jahrzehnten bekannt, haben jedoch wenig Aufmerksamkeit erhalten. Land beschrieb 1951, daß eine Suspension aus ausgerichteten doppelbrechenden Kristallen, die in eine Polymermatrix eingebettet sind, für eine Polarisation diffus und für die andere klar ist. Das US-Patent 4,685,771 beschreibt eine PDLC-Struktur (polymer dispersed liquid crystal), und andere haben über damit verwandte Polymernetz-LC-Strukturen mit ähnlichen polarisationsempfindlichen Streueigenschaften berichtet.
Es sei angemerkt, daß das Vorliegen von polarisationsempfindlichen Streueigenschaften nicht von sich aus ausreicht, um in dem Display eine Polarisation oder sogar eine Vorpolarisation zu erhalten. Die meisten PSSE-Strukturen sind von Natur aus vorwärtsstreuend und besitzen einen gewissen Grad an Streuung für beide Polarisationsachsen, wenngleich mit einer Differenz bei der Größe. Es ist erforderlich, eine der Polarisationen bezüglich der anderen irgendwie physisch zu trennen oder auszuschließen. Bei den Ausführungsformen erfolgt dies durch Kombinationen aus drei verschiedenen Mechanismen. Diese sind hoch-multiple Streuung, Totalreflexion (TIR – total internal reflection) und Öffnungseffekte (zum Beispiel räumliche Filtrierung).
Die 3a–h zeigen eine Vielfalt von PSSE-Ausführungsformen, die als Teil der vorliegenden Erfindung nützlich sind. Während einige der hierin beschriebenen PSSE-Strukturen oder Herstellungsverfahren bekannt sind, werden andere hier zum ersten Mal vorgestellt. Zusätzliche Verfahren und verwandte Strukturen sind möglich, ohne von dem Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Das PSSE 20 in 3a ist eine uniaxiale homogen ausgerichtete PDLC-Struktur 20. LC-Tröpfchen 22 werden in einer Polymermatrix 21 eingebettet unter Verwendung von in der Technik wohlbekannten Verfahren ausgebildet. Dazu zählen polymerisationsinduzierte Phasentrennungs- und Emulgierungs-/Verkapselungsverfahren, und sie können auch die Form einer Polymernetz-/LC-Struktur annehmen, in denen die "Tröpfchen" nicht ausgeprägt, sondern vielmehr miteinander verbunden sind. Bei diesen Strukturen wird der LC aufgrund des mit der Dehnung des Tröpfchens oder Netzes assoziierten Zustands geringster freier Energie ausgerichtet. Die Dehnung wird bei spielsweise induziert, indem der Film entlang einer Achse 23 nach dem Ausbilden der Tröpfchen und mit der Polymermatrix in einem thermisch aufgeweichten Zustand physisch gereckt wird. Die Brechungsindizes der LC werden derart ausgewählt, daß entweder der ordentliche oder der außerordentliche Index der LC dem entsprechenden Index des Polymers entspricht und derart, daß der andere Index in hohem Maße fehlangepaßt ist. Es sei angemerkt, daß das Polymer, insbesondere wenn er gereckt wird, auch doppelbrechend sein kann, daß aber die Doppelbrechung der beiden Materialien unterschiedlich sein sollte, um eine Fehlanpassung bei der Streueffizienz für die beiden Polarisationsachsen sicherzustellen.
Dieser gereckte PDLC ist die weiter oben bezüglich der Demonstration eines effektiven Polarisationswiedereinfangungsverfahrens für Weitwinkel-Direktbetrachtungsdisplays erörterte Struktur. Ein geeigneter LC mit starker Doppelbrechung wurde in einer PVA-Wasser-Lösung emulgiert. Ein Film wurde hergestellt, indem die emulgierte Lösung auf ein Substrat aufgebracht und getrocknet wurde. Der entstehende Film wurde unter Wärmeeinwirkung gereckt und danach zwischen tragenden Substraten laminiert, um die Ausrichtungsgeometrie aufrechtzuerhalten.
Die Verwendung typischer PDLC-Filmbeschichtungsdicken führt zu einer relativ geringen Rückstreuung, insbesondere nach dem zum Maximieren der Ausrichtung der LC verwendeten hohen Reckverhältnis. Um die optischen Parameter in Richtung derer für ein effektives polarisierendes Element für die Konfiguration in 1 zu treiben, wurde ein stark mehrfachstreuendes Design implementiert. Die Fehlanpassung beim außerordentlichen Brechungsindex wurde maximiert, und die Fehlanpassung beim ordentlichen Index wurde minimiert, während immer noch ein akzeptabler Nutztemperaturbereich beibehalten wurde. Die Dicke des gereckten Films wurde vergrößert, bis die Reststreuung durch die relativ gut angepaßten ordentlichen Achsen die (gering streuende) Transmission der Durchlaßachse bei Anwesenheit des diffusen Hintergrundbeleuchtungshohlraums zu reduzieren begann. Um diesen Verlust bei Transmittanz der Durchlaßachse weiter zu minimieren, wurde ein hohes Reckverhältnis verwendet, um die Ausrichtung der LC zu maximieren. Die Rückstreuung wurde weiter verbessert, indem ein Luftspalt nach dem PSSE-Substrat aufrechterhalten wurde, der ausreicht, um die Totalreflexion vieler der vorwärtsgestreuten außerordentlichen Strahlen zu unterstützen. Nach der internen Reflexion werden diese Strahlen wieder von der PSSE-Schicht gestreut, wobei eine signifikante Wahrscheinlichkeit besteht, daß sie von der Baugruppe heraus und zurück in Richtung der Quelle nach einer einzelnen Totalreflexion gestreut werden.
Photopische Messungen mit einer diffusen integrierenden Kugellichtquelle haben gezeigt, daß frühe Prototypen (auf der Achse gemessen) etwa 90% bzw. 30% der Polarisationskomponenten auf der Durchlaßachse und der Zurückweisungsachse übertragen. Das typische Gesamtreflexionsvermögen wurde als etwa 45% von den gleichen Elementen gemessen. Wie oben angedeutet, reichte dies aus, um bei Hohlräumen mit sehr geringem Verlust Verbesserungen von annähernd 40% zu erreichen. Tests, die diese frühen Prototypen mit weniger optimierten Hohlraumdesigns verwendeten, führten zu geringfügig niedrigeren, aber immer noch signifikanten Gewinnen.
Diese Daten zeigen auch, daß zusätzlich zu der Effizienzverbesserung das so demonstrierte rückstreuende PSSE die von dem hinteren absorbierenden Polarisator absorbierte optische Energie um einen Faktor von etwa 3 reduziert, wodurch die optische Erwärmung des Displays und etwaige assoziierte Effekte auf die Bildqualität oder Zuverlässigkeit stark reduziert werden.
Freiheit von Farbverschiebungen erhält man, weil die Mikrostruktur nicht kohärent periodisch ist. Die aus dem Einsetzen des Elements in das Displaysystem resultierende Farbverschiebung war klein, wenngleich die Transmittanz in den tiefblauen Wellenlängen geringfügig niedriger war. Was jedoch noch wichtiger ist: über den ganzen Betrachtungswinkelbereich von ±60° und darüber hinaus wurde so gut wie keine Farbverschiebung und nur eine minimale Durchlaßachsen-Transmittanzvariation beobachtet, wenn die polarisierenden Effekte von Oberflächenreflexionen mit geeigneten Antireflexbeschichtungen eliminiert wurden. Dies bestätigt leicht die Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung für die Effizienzverbesserung in den schwierigen Anwendungen mit breitem Betrachtungswinkel im Gegensatz zu Polarisationskonversionsverfahren des Standes der Technik, die auf eine stark gerichtete Beleuchtung beschränkt sind.
Diese Kompatibilität mit einem breiten Betrachtungswinkel wird in dem beschriebenen Fall erwartet, da die Wellenlängenabhängigkeit der Streuung stetig variiert und die Symmetrie der optischen Achse identisch zu der des entsprechenden Polarisators auf der Rückseite der LCD-Platte ist, vorausgesetzt der Polymermatrixindex ist dem ordentlichen Index des LC in den ausgerichteten Tröpfchen angepaßt.
Die zweite PSSE-Struktur 30 in 3b ist ebenfalls eine PDLC-Struktur. In diesem Fall wird die LC-Ausrichtung in den Tröpfchen 32 durch angelegte seitliche elektrische Felder anstatt durch ein physisches Mittel wie etwa Recken induziert. Da die Feldrichtung orthogonal zu herkömmlichen angelegten Feldern in LCDs verläuft, ist eine spezielle Ansteuerkonfiguration erforderlich. Eine Möglichkeit, um eine derartige mittlere Feldverteilung durch die Matrix 31 und Tröpfchen 32 zu erzielen, besteht in dem Anlegen einer ersten Spannung an Elektroden 33 und einer zweiten Spannung an Elektroden 35, wodurch die richtige Feldausrichtung in dem Volumen zwischen dem Elektrodenpaar 34 induziert wird. Dieses angelegte Spannungsmuster wird unter Verwendung von Elektroden 34 und 36 mit einem ähnlichen Muster abgewechselt, um das Gebiet zwischen dem Elektrodenpaar 35 auszurichten. Das Muster wird über die ganze Polarisatorfläche hinweg beispielsweise unter Verwendung von Sätzen von verzahnten Elektroden auf jedem Substrat wiederholt. Wenngleich der mit einer Ansteuerelektronik assoziierte Overhead unerwünscht sein kann, ist unter Einsatz dieses Verfahrens ein effektives Element möglich.
Die PSSE-Struktur 40 stellt einen verwandten Ansatz ohne Ansteueranforderungen dar. Bei diesem Beispiel werden wieder nematische LC-Tröpfchen 42 innerhalb der Polymermatrix 41 ausgebildet. Ein ausrichtendes Feld wird angelegt, doch dieses Mal durch einen Felderzeugungsmechanismus außerhalb der Baugruppe. Feldpole 43 bis 46 stellen Elektroden dar, die paarweise angesteuert werden, um ein ausrichtendes Feld adäquater Größe innerhalb der PDLC-Schicht zu erzeugen. Das Gebiet kann gegebenenfalls in ein geeignetes dielektrisches Fluid eingetaucht werden, damit eine ausreichende Feldstärke angelegt werden kann. In dem Gebiet mit gleichförmigem seitlichen Feld wird die induzierte Ausrichtung über einen von mehreren Mechanismen fixiert. Zu diesen kann das Anwenden von lokalisiertem UV-Licht 47 zählen, maskiert durch eine Öffnung 48, vorausgesetzt der verwendete LC ist UV-härtbar. Solche polymerisierbaren LC-Materialien existieren im Stand der Technik. Alternativ ist über LC-Polymer-Netze berichtet worden, bei denen die UV-Exposition einen UV-härtbaren Monomerdotierstoff polymerisiert, um ein offenes Netz auszubilden, das eine Ausrichtung effektiv beibehalten kann, nachdem das Feld entfernt worden ist. Als noch weitere Option existieren polymere LC, die bei Erwärmung über den Glasübergang feldausgerichtet werden können, aber die induzierte Ausrichtung beibehalten können, wenn sie bei angelegtem Feld gekühlt werden. In diesem Fall würde ein Wärmeimpuls anstelle der UV-Exposition angelegt werden. Noch eine weitere Variation zu diesem Verfahren ist die Verwendung von smektischen LC-Mischungen, die ausgerichtete Orientierungsgeometrien beim Kühlen von der nematischen zu der niedrigeren Temperatur und einer oder mehreren geordneten smektischen Phasen fixieren können.
Die Ausrichtung in 40 könnte alternativ magnetisch induziert werden, vorausgesetzt eine adäquate Feldstärke steht zur Verfügung. Für sinnvolle Tröpfchengrößen und diamagnetische Anisotropie könnten die Elektroden 43–46 durch starke Magnete ersetzt werden, die derart ausgerichtet sind, daß die jeweiligen Nordpole von allen Magneten identisch nach rechts oder links ausgerichtet sind. Es könnten ohne weiteres auch Elektromagnete verwendet werden. Bei allen diesen Verfahren würde die relative Position des Ausrichtungsmechanismus entlang der Achse 49 parallel verschoben werden, damit der ganze Elementbereich ausgerichtet werden kann.
Die Struktur 50 in 3d zeigt eine weitere allgemeine Möglichkeit, wie PSSE konstruiert werden können. In diesem Fall werden einen kleinen Durchmesser aufweisende doppelbrechende (z. B. gezogene oder gereckte) Polymerfasern 52 auf eine Form aufgewickelt oder anderweitig miteinander ausgerichtet und in eine Polymermatrix 51 eingebettet. Das Streuprofil hängt von dem Faserdurchmesser und der Anzahl von Fasern sowie von anderen Parametern ab, doch ist die Symmetrie ähnlich zu der von Element 20. Ein signifikanter Unterschied ist die größere Länge der Fasern, was die Symmetrie der Streuung ändert. Zu Variationen bei diesem Ansatz würden Fasern mit wenig oder keiner Doppelbrechung (z. B. Glas oder viele Polymere) in einer doppelbrechenden Matrix (z. B. polymerer Flüssigkristall oder ähnlich ausgerichtetes Material) zählen. Dieser Ansatz kann so erweitert werden, daß er drei Arten von Domänen beinhaltet, wo die gereckten Fasern selbst Dotierstoffteilchen oder -tröpfchen (z. B. Glas oder LC) mit einer Indexanpassung für eine Polarisation, aber nicht die andere enthalten.
Die in 3e gezeigte analoge Struktur 60 ist von der Form her ähnlich der von Land beschriebenen, bei der doppelbrechende Kristalle (oder ähnliche Teilchen) 62 entlang einer Achse 63 ausgerichtet und in einer nicht-doppelbrechenden Matrix 61 eingebettet sind. Das Element 60 könnte auch die Form eines homogen ausgerichteten Polymers wie etwa eines UV-härtbaren LCs, polymeren LCs oder gereckten Polymerfilms annehmen, in das oder in den nicht-doppelbrechende Teilchen wie etwa Glas eingebettet worden sind.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen eines derartigen Elements besteht in der Herstellung eines Films mit Domänen von zwei Polymerarten. Diese Polymerdomänen teilen sich einen gemeinsamen ordentlichen Index und eine gemeinsame ordentliche Dispersion, besitzen aber unterschiedliche oder entgegengesetzte Doppelbrechung, bevorzugt eine hohe. Die Doppelbrechung wird während der Filmherstellung oder Filmverarbeitung wie etwa durch Extrudieren, Ziehen oder Recken induziert, wobei der entstehende Film entsprechende Eigenschaften für die vorliegenden Displayverbesserungen besitzt.
Element 70 in 3f zeigt noch eine weitere Konfiguration. Bei diesem Beispiel werden die Domänen in der Mikrostruktur aus einem einzelnen Material wie etwa einem UV-härtbaren LC erzeugt. Abwechselnde Domänen 72 und 71 werden durch lokales Polymerisieren der separaten Gebiete ausgebildet, wobei ein querverlaufendes ausrichtendes Feld angelegt bzw. nicht angelegt ist. Die UV-Exposition kann unter Verwendung eines abgetasteten Lasers oder durch Exposition durch eine Maske 73 erfolgen und die Ausrichtung kann bei Abwesenheit des Feldes mit standardmäßigen Ausrichtungsschichtverfahren stabilisiert werden.
Ein Spezialfall der PSSE-Struktur ist ein in 3g gezeigtes Element 80. Hier sind vergleichbare Materialien und eine vergleichbare Physik involviert, doch nehmen die Domänen die Form von abwechselnden Schichten an, wo nur ein Index angepaßt ist. Beispielsweise bestehen bei dem gezeigten Beispiel die Schichten 81 aus dünnen Folien aus gerecktem oder anderweitig doppelbrechendem Polymer. Diese sind durch Klebeschichten 82 zusammengebondet, wobei der Brechungsindex des Klebers nur einem Brechungsindex für die Folien 81 entspricht. Wenngleich das Ergebnis eine spiegelnde Reflexion ist, werden wir zu Zwecken der vorliegenden Erfindung dies aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit mit den anderen Verfahren als ein PSSE ansehen, jedoch in dem Verständnis, daß die "Streuung" wohldefiniert ist. Die für eine effiziente Polarisation erforderliche Anzahl von Schichten kann je nach der Doppelbrechung, der relativen Kohärenzlänge des Lichts und des Einfallswinkels recht groß sein.
Das in 3h gezeigte Element 90 stellt einen weiteren Ansatz zu einem nicht-zufälligen polarisationsempfindlichen "Streuer" dar. Hier wird ein Array aus Linsen oder Mikrolinsen 91 (als eine Zylinderlinse gezeigt, aber optional linsenförmig in beiden Achsen) oder anderen linsenförmigen Mikrostrukturen aus einem doppelbrechenden Material und bevorzugt indexangepaßt zwischen nicht-doppelbrechenden Substraten 92 und 93 ausgebildet. Bei der gezeigten Ausführungsform ist 91 aus einem Polymer mit einer hohen Doppelbrechung konstruiert, wobei die optische Achse des Polymers entlang der Linsenachse verläuft. Der Nettoeffekt besteht darin, daß jede Linse 91 eine Brennpunkt position aufweist, die mit der Polarisationsachse variiert. Zusätzlich zu der variablen Fokussierung der beiden Polarisationen kann es zu Reflexionen wie etwa Totalreflexionen an den Grenzflächen kommen. Ein Beispiel für eine derartige Struktur ist ein ausgerichtetes LC-Material zwischen einem flachen Substrat und einem strukturierten Substrat. Eine weitere Herstellungsoption ist das Bonden eines gereckten geprägten Films an einen zweiten Film, wobei die linsenförmige Oberfläche Bestandteil einer der Substrate ist. Dieses Beispiel eignet sich besonders gut für leicht streuende (diffuse) Konfigurationen, wo ein bekanntes Diffusionsprofil erwünscht ist.
Zahlreiche Variationen zu der Ausführungsform von 1 sind möglich. Wenn die Lichtquelle zu dem Hohlraum wenig absorbierenden Verlust beiträgt, wie etwa der Fall mit Miniaturglühlampen, Laserdioden oder LEDs wäre, kann das rückstreuende PSSE 17 vollständig ausgenutzt werden. Der Diffusor, falls verwendet, kann zwischen dem PSSE und der Displayplatte plaziert werden, vorausgesetzt, sie entpolarisiert nicht. Viele Richtmechanismen können verwendet werden, wie etwa der von 3M hergestellte prismatische Brightness Enhancing Film. Oftmals können abwechselnde Diffusoren verwendet werden, da das von dem Vorpolarisator rückgestreute Licht eine Tendenz besitzt, die Gleichförmigkeit des Displays zu verbessern. Wenn von dem Diffusor diese Bürde genommen wird, kann dies zumindest in einem gewissen Ausmaß die Verwendung eines Diffusors mit höherer Transmission gestatten. Das Ergebnis ist, daß es durch Justieren des Systems in Richtung auf maximalen Vorteil oftmals möglich ist, die durch das einfache Modell in 3 vorhergesagte direkte Leistung signifikant zu übertreffen. Das PSSE kann auch direkt auf eine Fluoreszenzlampe oder über eine der gegenwärtig erhältlichen flachen Fluoreszenzlampen angewendet werden, wodurch man optimalen Vorteil erzielt, wenn die Lampenoberfläche eine sehr weiße Erscheinung aufweist.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform. Hier ist eine kompakte Hintergrundbeleuchtungskonfiguration integriert, wie sie etwa in einem tragbaren Computermonitor verwendet werden könnte. Die Displaytafel 101 wird einschließlich vorderem und hinterem Polarisator von der Hintergrundbeleuchtung 100 beleuchtet, wobei das rückstreuende PSSE 109 zwischen der Tafel und dem effektiven Lichthohlraum dieser Ausführungsform plaziert ist. Die Fluoreszenzlampen 103 koppeln Licht in die Enden des Lichtleiters 102 ein. Das Licht wird durch Totalreflexion (TIR) innerhalb von 102 gehalten, ausgenommen dort, wo die TIR durch diffundierende Gebiete 104 vereitelt wird. Diese diffundierenden Gebiete können zahlreiche Formen annehmen, die alle das Licht derart effektiv streuen oder ablenken, daß ein Teil davon die Winkelanforderungen für TIR übersteigt. Dieses gestreute Licht, von dem ein Teil vom Spiegel 105 umgelenkt wird, tritt aus dem Lichtleiter 102 durch die Fläche 106 aus und tritt durch den Diffusor 107 und durch eine Viertelwellenplatte 108 hindurch, bevor es das PSSE 109 erreicht. Die Viertelwellenplatte 108 ist bevorzugt eine achromatische Viertelwellenplatte, wie in der Technik bekannt ist, und ist derart orientiert, daß von dem PSSE Vorpolarisator rückgestreutes oder reflektiertes Licht in Zirkularpolarisation konvertiert wird. Bei dieser Ausführungsform sind die Elemente 102, 104, 105 und 107 alle so ausgewählt, daß sie nicht-entpolarisierend sind. Somit wird vom PSSE rückgestreutes Licht durch 108 in Zirkularpolarisation umgewandelt, tritt durch 107, 106, 102 und möglicherweise Gebiete 104 hindurch, bevor es den Spiegel 105 erreicht. Nach Reflexion bei 105 wird die Zirkularhändigkeit der Polarisation umgekehrt und wird danach so konvertiert, daß sie der Durchlaßachse des PSSEs beim nächsten Durchlauf durch die Viertelwellenplatte 108 entspricht. Auf diese Weise wird das rückgestreute Licht noch effektiver ausgenutzt als bei der ersten Ausführungsform, was zu noch höheren Gewinnen führt als durch das einfache Modell vorhergesagt, das einen voll entpolarisierten Hohlraum annahm. Zusätzliche Elemente, die nicht gezeigt sind, können ebenfalls beibehalten werden, wie etwa ein richtungsinduzierendes Element (z. B. linsenförmiges oder prismatisches Array) vor oder bevorzugt hinter dem PSSE 109. Wenn die Viertelwellenplatte 108 entfällt, sollten andere Entpolarisierungs- oder Polarisierungsdrehungsmittel bereitgestellt werden.
Die in 5 gezeigte dritte Ausführungsform nutzt die einzigartigen Eigenschaften des PSSEs auf verwandte, aber etwas andere Weise. Hier ist die Totalreflexion der Hauptmechanismus, der verwendet wird, um ein moderat (z. B. vorwärts) streuendes PSSE zu einem effektiven nicht-absorbierenden Polarisator zu machen, wobei eine potentielle Verbesserung sich sogar ohne ein stark rückstreuendes PSSE einer Verbesserung von Faktor 2 annähert. Die Displaytafel 111 wird einschließlich vorderem und hinterem Polarisator durch Hintergrundlicht 110 beleuchtet. Die Fluoreszenzlampe 113 koppelt unpolarisiertes Licht in das Ende des Lichtleiters 112 ein. Das Licht wird durch Totalreflexion (TIR) innerhalb 112 gehalten, außer dort, wo die TIR durch diffundierende Gebiete 114 vereitelt wird. In dieser Ausführungsform nehmen diese diffundierenden Gebiete die Form eines für eine Polarisation, aber nicht für die orthogonale Polarisation angepaßten PSSE-Indexes an. Das Ergebnis ist, daß die TIR für nur eine ausgewählte Polarisation vereitelt wird, aber nicht für die andere. Dieses im wesentlichen linear polarisierte gestreute Licht, ein Teil dessen vom Spiegel 115 umgeleitet wird, tritt aus dem Lichtleiter 112 durch die Fläche 116 aus und läuft durch den polarisationsbewahrenden Diffusor 117 zur Displaytafel 111. Die Achse der selektiv gestreuten Polarisation ist derart ausgewählt, daß sie der Durchlaßachse des hinteren Polarisators der Displaytafel 111 entspricht. Man beachte, daß dies die umgekehrte Situation wie bei den vorausgegangenen Ausführungsformen ist. Aus diesem Grund kann ein Vorteil darin bestehen, eine Indexanpassung des außerordentlichen Indexes in dem PSSE 114 vorzunehmen anstelle des ordentlichen Indexes, wie in dem ersten PSSE-Beispiel oben beschrieben wurde. Die ungestreute Polarisation bleibt in dem Lichtleiter gefangen, bis seine Polarisation gedreht wird, wie etwa durch die Viertelwellenplatte 118 und den Spiegel 119 am fernen Ende des Lichtleiters. Alternativ könnten andere polarisationsbeeinflussende Mittel an anderer Stelle im Lichtleiter bereitgestellt werden. Natürlich können mehrere Lampen verwendet werden, auch kann ein stark rückstreuendes PSSE verwendet werden und das PSSE braucht sich nicht an der hinteren Oberfläche zu befinden. Zu relevanten PSSE-Konfigurationen zählen die Ansätze mit doppelbrechender Faser und Linsenform, als Elemente 50 und 90 in 3 gezeigt, zwischen transparente Substrate gebondet, um den Lichtleiter 112 auszubilden.
Eine in 6a und 6b gezeigte vierte Ausführungsform kombiniert eine Reihe von Versuchen nach dem Stand der Technik hinsichtlich hoher Flachbildschirmeffizienz zusammen mit dem vorliegenden Verfahren, um zum ersten Mal eine integrierte Lösung für das LCD-Effizienzproblem zu ermöglichen. Mit typischen Farb-AMLCD-Transmittanzwerten in der Größenordnung von 3% ist leicht aus dem weiter oben vorgestellten einfachen Modell zu ersehen, daß eine Verbesserung um eine Größenordnung erzielt werden könnte, wenn die äquivalente schwarze Fläche für den Hohlraum und die Platte zusammen um einen Faktor von etwa 10 reduziert würden. Bei Abwesenheit der vorliegenden Erfindung war dies nicht möglich, da zum Wiedereinfangen des Polarisationsverlustes in einem diffus hintergrundbeleuchteten Display dieser Art kein effektives Verfahren bekannt war. Das Beste, was erreicht werden konnte, war somit eine Verlustfläche äquivalent mehr als der Hälfte der Plattengröße. Somit waren die Effektivität aller Effizienzverbesserungsverfahren nach dem Stand der Technik bisher stark eingeschränkt. Die vorliegende Erfindung dient als ein Ermöglichungsverfahren, durch das der volle Vorzug der ganzen Menge von Verfahren erzielt werden kann. Diese Verfahren nach dem Stand der Technik können individuell in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung oder in Kombination wie etwa in der Konfiguration von 6 verwendet werden.
Bei der Ausführungsform der 6a ist ein Lichtkasten 140 aus einer gekrümmten Innenwand 143 und zwei Endwänden (nicht gezeigt) konstruiert. Diese bestehen aus Materialien mit einem sehr hohen diffusen Reflexionsvermögen wie etwa Spectralon (erhältlich von Labsphere). Eine Lichtquelle 144 mit geringer Absorption, beispielsweise eine Fluoreszenzlampe oder ein Satz von Glühbirnen, ist hinter einem Lichtblock 145 derart positioniert, daß die inneren Oberflächen relativ gleichförmig beleuchtet werden, aber 144 nicht direkt sichtbar ist bei Betrachtung durch den Port des Hohlraums. Ein rückstreuendes vorpolarisierendes Element 141 ist beispielsweise ein PSSE mit verbesserter Rückstreuung wie weiter oben beschrieben, das dazu dient, die unerwünschte Polarisation effizient zum Hintergrundbeleuchtungshohlraum zurückzuführen und dabei die gewünschte Polarisation an die polarisierte Displayplatte 120 weiterzuleiten. Die erweiterte Ansicht zeigt, wie das Gesamtreflexionsvermögen des Vorpolarisators und der Displayplatte noch weiter erhöht werden. Wie in dem Querschnitt von 6b gezeigt, ist 120 ein Farb-AMLCD, wobei sich Flüssigkristallmaterial 123 zwischen parallelen transparenten Substraten 121 und 122 befindet. Farbe wird durch Filtern benachbarter Gebiete der Displayplatte mit Rot, Grün und Blau absorbierenden Filtern 125, 127 bzw. 129 bereitgestellt, wie gezeigt. Um die Absorption von Licht durch diese Filter herabzusetzen, sind reflektierende Farbvorfilter 124, 126 und 128 zwischen den absorbierenden Farbfiltermitteln und der Hintergrundbeleuchtung angeordnet. Wenngleich die Filter so gezeigt sind, daß sie sich bei dieser Ausführungsform auf gegenüberliegenden Substraten befinden, könnten sie gewiß zusammen auf einem der Substrate konfiguriert sein. Jeder reflektierende Farbfilter, beispielsweise in Form eines mehrschichtigen dielektrischen Filters konstruiert, wie in der Technik wohlbekannt ist, läßt die gewünschten Spektralkomponenten für diesen Bereich über den erforderlichen Betrachtungswinkel hindurch und schickt dabei so viel wie möglich von dem ungenutzten Spektralbereich zurück. Beispielsweise läßt der reflektierende Filter 124, entsprechend dem Rot absorbierenden Filter 125, Rot durch und reflektiert dabei Grün und Blau. Analog läßt 126 Grün durch und reflektiert dabei Rot und Blau, und 128 läßt Blau durch und reflektiert dabei Grün und Rot. Das Durchlaßband jedes Filters kann auf der langwelligen Seite erweitert werden, um gegebenenfalls breite Betrachtungswinkel zu berücksichtigen. Zudem sind das Gebiet zwischen den aktiven Matrixpixeln von einem Rückreflektor 130 auf der hinteren Seite sowie einer schwarzen Matrix 131 auf der vorderen Seite bedeckt. Das Display wird durch den Zusatz eines effizienten hinteren und vorderen Polarisators 132 und 133 sowie die aktive Matrix adressierende Struktur, die nicht gezeigt ist, vervollständigt. Diese Konfiguration maximiert die zum Hohlraum zurückgeschickte Lichtmenge. Die Effektivität dieser Verfahren nach dem Stand der Technik wie etwa den reflektierenden Farbfiltern ist signifikant verbessert. Beispielsweise könnte im Stand der Technik das maximale Reflexionsvermögen eines idealen roten Punkts bis zu 33% betragen, was die Rückkehr von 2/3 des Lichts (Grün und Blau, aber nicht Rot) sowie die Dämpfung um 50% durch den absorbierenden Polarisator darstellt. Der Zusatz des Vorpolarisators gestattet, daß dieses ideale Reflexionsvermögen 83% beträgt (die gleichen 33% plus die von dem Vorpolarisator zurückgeschickten 50%) mit einem entsprechend signifikanten Potential zur Effizienzverbesserung.
Wenngleich die absorbierenden Elemente 125, 127, 129, 131 und 132 wegen der Leistung in dieser Ausführungsform enthalten sind, können diese gewiß entfallen, wenn sie aufgrund eingeschränkter Betrachtungswinkel oder einer geringen Vorderbeleuchtung wie etwa am Kopf angebrachten oder Projektionsanwendungen nicht benötigt werden. Außerdem könnte gegebenenfalls ein Diffusor hinzugefügt werden, um Gleichförmigkeit sicherzustellen, und es können noch Richtungssteuerelemente hinzugefügt werden, wodurch das Gesamtreflexionsvermögen des Ports noch weiter erhöht wird.
Die Polarisationssteuerung der diffus hintergrundbeleuchteten Ausführungsformen erhöhen inhärent die Gleichförmigkeit dieser Systeme. Diese Gleichförmigkeitsverbesserung kann gegen noch weitere Effizienzgewinne eingetauscht werden durch Erhöhen der diffusen Transmittanz des traditionellen Diffusorelements, selbst zu dem Punkt, daß überhaupt kein Diffusor vorliegt, wie in 6. Eine noch größere Gleichförmigkeitsverbesserung kann durch Verwendung einer zusätzlichen Polarisationssteuerung in dem Hintergrundbeleuchtungshohlraum bereitgestellt werden.
7 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei der eine noch größere Gleichförmigkeitsverbesserung durch die Verwendung zusätzlicher Polarisationssteuermechanismen bereitgestellt wird. Der Lichtkasten 150 enthält Lampen 151, und sein Port ist von einem PSSE-Vorpolarisator 152 und Diffusor 153 (bevorzugt nicht-polarisierend) bedeckt, wodurch man eine Hintergrundbeleuchtung für die Displaytafel 160, einschließlich vorderer und hinterer Polarisatoren, erhält. Diese Konfiguration unterstützt Anwendungen mit starker Helligkeit, was die effiziente Verwendung von relativ großen Fluoreszenzlampen gestattet, zum Beispiel. Das Optimieren der Effizienz dieses Systems impliziert, in 153 gerade ausreichende Diffusion zu haben, damit sich die erforderliche Gleichförmigkeit ergibt. Eine ergänzende Lampe 157 wird verwendet, um Licht unter alternativen Beleuchtungsbedingungen bereitzustellen, beispielsweise bei Nacht, wenn eine sehr geringe Luminanz erforderlich ist, oder wenn spektrale Einschränkungen gelten. In diesem Fall wird die Beleuchtung von der Lampe 157 vor dem Eintritt in den Haupthohlraum vorpolarisiert. Bei der gezeigten Ausführungsform erfolgt dies, indem 157 in einem separaten Hohlraum 154 plaziert und sie mit dem rückstreuenden PSSE 155 teilweise polarisiert wird. Die Polarisation könnte alternativ durch andere Mittel erzielt werden, wie durch die Verwendung einer inhärent polarisierten Quelle oder durch Verwendung eines absorbierenden Polarisators anstelle von 155. Die Achse von 155 ist so orientiert, daß sie die Achse des Vorpolarisators 152 kreuzt. Der Nettoeffekt besteht darin, daß eine sehr hohe Diffusion (Verdunkelung) für eine direkte Betrachtung der ergänzenden Lampe 157 bereitgestellt wird, aber eine geringe Diffusion für die Displaydurchlaßachsenpolarisation in allen anderen Fällen, einschließlich indirektes (und deshalb gleichförmigeres) Licht von der ergänzenden Lampe. Das von 155 bereitgestellte Polarisationsniveau kann so ausgewählt werden, daß man die maximale Gleichförmigkeit erhält, so daß der Bereich der ergänzenden Lampe weder zu hell noch zu dunkel ist. Auf diese Weise wurde ein Hohlraum entworfen, der hinsichtlich Effizienz in dem Modus mit hoher Helligkeit optimiert ist und gleichzeitig für Gleichförmigkeit in dem alternativen Beleuchtungsmodus optimiert ist und auf eine Weise, daß die ergänzende Lampe die Effizienz des Modus mit hoher Helligkeit nicht signifikant stört.
Eine sechste Ausführungsform ist in 8 gezeigt.
Hier ist ein stark rückstreuendes polarisationsempfindliches Streuelement als ein Vorpolarisator in einem leistungsstarken Projektionssystem wie etwa einem Diaprojektorsystem oder einem anderen Einzeldisplaytafelprojektor verwendet. Ein Ventil 170 für polarisiertes Licht mit einem vorderen und hinteren absorbierenden Polarisator wird von einer Hochintensitätslichtquelle 173 beleuchtet. Das von dem Lichtventil modulierte und durchgelassene Licht wird von einer Optik 174 auf einen nichtgezeigten Schirm projiziert. Der Vorpolarisator 175 ist zwischen der Lichtquelle und der Displaytafel positioniert und dient dazu die von dem hinteren Polarisator der Displaytafel absorbierte Lichtmenge stark zu reduzieren. Der Vorpolarisator ist bevorzugt ein für signifikante Rückstreuung optimiertes PSSE, wie weiter oben beschrieben, wenngleich weniger Rückstreuung erforderlich ist, wenn der Abstand zwischen 175 und 170 größer gemacht wird. Wenngleich diese Ausführungsform kein signifikantes Wiedereinfangen der ausgeschlossenen Polarisation bereitstellt, gestattet sie eine indirekte Luminanzverbesserung, weil stärkere Lichtquellen und potentiell effizientere Polarisatoren verwendet werden können. Wenigstens wird eine Reduzierung der Displayerwärmung die Zuverlässigkeit verbessern. Dieser Ansatz besitzt deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, weil er flach, frei von Artefakten und relativ achromatisch ist und so gut wie keine Absorption besitzt, leicht in den Lichtweg eingesetzt wird, eine sehr hohe Transmission aufweisen kann und weiterhin die unerwünschte Polarisation breit diffundiert, wodurch thermische Probleme in nahegelegenen Komponenten auf ein Minimum reduziert werden.
Eine in 9 gezeigte siebte Ausführungsform verwendet die Polarisationsmanagementverfahren zu noch größerem Nutzen in einem polarisierten Projektionsdisplay. Hier wird die Displaytafel 180 durch Lampe 183, Reflektor 184 und Linse 185 beleuchtet. Das Erwärmen des Lichtventils wird reduziert, indem einer oder bei dieser Ausführungsform beide der Displaypolarisatoren 181 und 182 durch PSSEs ersetzt werden. Eine Projektionsoptik 186 wird verwendet, um die Displaytafel auf den Schirm 188 abzubilden. Die Projektionsoptik 186 enthält eine effektive Öffnung 187, die den größten Teil des von einem oder beiden der PSSE 181 und 182 gestreuten Lichts ausschließt. Auf diese Weise ist das einzige von der Displaytafel absorbierte Licht das, das von der Lichtventilmatrixstruktur selbst absorbiert wird.
Sowohl die sechste als auch die siebte Ausführungsform lassen sich ohne weiteres auf Mehrfachplattenprojektoren anwenden, wie sie oftmals verwendet werden, um eine Vollfarbleistung bereitzustellen. Die Effektivität der hier gelehrten streuenden Projektionsdisplaypolarisatoren sind von dem Abstand zwischen ihnen und den anderen Elementen wie etwa der Projektionslinsenöffnung abhängig.
9 zeigt auch noch ein weiteres Merkmal der siebten Ausführungsform. Um die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig einen hohen Kontrast, eine hohe Auflösung und einen sehr breiten Betrachtungswinkel bei dem gezeigten Frontprojektionsschirm aufrechtzuerhalten wird ein rückstreuendes PSSE als der Schirm 188 verwendet. Dies bietet ein recht hohes diffuses Reflexionsvermögen, vorausgesetzt die projizierte Polarisation entspricht der Streuachse des Schirms. Dennoch wird die Reflexion für Umgebungslicht dramatisch reduziert, indem nur eine Polarisation durch das PSSE durchgelassen wird, möglicherweise zu einem nicht gezeigten schwarzen Hintergrund. Der Horizontalbetrachtungswinkel ist von Natur aus sehr breit, und die Auflösung wird hoch gehalten, indem die Schicht relativ dünn gehalten wird. Das Ausmaß an Streuung in der vertikalen Achse kann durch Oberflächentextur gesteuert werden oder durch Steuern der Längenskala der Tröpfchen oder einer anderen Brechungsindexvariation in der vertikalen Achse. Ähnliche Strukturen können für Rückprojektionsschirme verwendet werden, wodurch viele mit linsenförmigen Ansätzen bei hoher projizierter Auflösung assoziierte Schwierigkeiten überwunden werden, und in diesem Fall wäre keine starke Rückstreuung erforderlich.
Eine achte Ausführungsform, die eine die vorliegende Erfindung darstellende Ausführungsform ist, ist in 10 gezeigt. Diese Ausführungsform geht einen Schritt weiter als vorherige Projektionsdisplayausführungsformen, weil sie eine Polarisationskonversion (Wiedereinfangen) für gerichtetes Licht zusätzlich dazu bereitstellt, daß die von dem absorbierenden Displaypolarisator absorbierte Leistung reduziert wird. Die Lichtquelle 190 ist eine Quelle von kollimierten oder teilweise kollimierten Strahlen 191 mit einem Kegelwinkel oder einer Divergenz des Winkels 192. Diese Strahlen fallen auf den Polarisationskonverter 193 ein, der unpolarisiertes Licht mit wenig Verlust in hauptsächlich polarisiertes Licht konvertiert. Wie aus Polarisationskonversionsverfahren für Projektionsdisplays nach dem Stand der Technik ohne weiteres zu verstehen ist, impliziert eine effektive Polarisationskonversion entweder eine Verbreiterung des Divergenzwinkels oder eine Vergrößerung der Querschnittsgröße des Beleuchtungsstrahls oder beides. In dem vorliegenden Fall verbreitert der Polarisationskonverter 193 den Divergenzwinkel von Winkel 192 zu Winkel 194 in mindestens einer Achse. Dieses größtenteils polarisierte Licht beleuchtet dann das Ventil 195 für polarisiertes Licht, wobei die Ausgangspolarisation von 193 der Durchlaßachse des hinteren Polarisators 198 entspricht. Das modulierte Licht wird dann nach dem Durchlaufen des vorderen Polarisators 199 von einer Optik 196 auf einen nicht gezeigten Schirm projiziert oder zur direkten Betrachtung wie etwa mit einem kollimierten, am Kopf angebrachten Display. Um den maximalen Effizienzvorteil zu erhalten, liefert die Optik 196 einen ausreichenden Sammelwinkel, um den größten Teil der von dem Lichtventil modulierten Strahlen zu enthalten.
Die erweiterte Ansicht von Element 193 in 11 zeigt wie die vorliegende Erfindung in dieser Ausführungsform konfiguriert ist. Das gerichtete Licht 201 fällt auf die linsenförmige Oberfläche 210 des Substrats 211 auf. Dieses Substrat ist an ein Substrat 203 gebondet, wobei eine dazwischenliegende PSSE-Schicht 202, wobei die PSSE-Schicht nur geringfügig vorwärts streut, wie weiter oben beschrieben konstruiert ist. Strahlen, die das PSSE durchlaufen haben, ohne gestreut zu werden, durchlaufen die Löcher 205 in der Halbwellenplatte 204, wobei sich die Löcher dort befinden, wo die Strahlen von den individuellen kleinen Linsen fokussiert werden. Die meisten der Strahlen, die von der orthogonalen Polarisation sind und die vorwärts gestreut werden, verfehlen die Löcher und laufen durch die Halbwellenplatte 204 und werden so gedreht, daß sie die gleiche Polarisation wie die fokussierten Strahlen besitzen. Die Konversionseffizienz kann je nach der f-Zahl und der optischen Qualität der kleinen Linsen und dem Grad an ankommender Kollimation sowie der Höhe von Reflexionsverlusten durch das Element recht hoch sein. Zahlreiche alternative Formen werden ohne weitres in Betracht gezogen, wie etwa die Aufnahme eines polarisationsbewahrenden Diffusors zwischen 203 und 204, wie in einer kollimierten Displayanwendung erforderlich sein könnte. Zahlreiche Strukturen aus kleinen Linsen und Halbwellenplatten können verwendet werden, einschließlich zusätzlicher kleiner Linsen hinter der Halbwellenplatte. Eine linsenförmige PSSE-Struktur, wie etwa Element 90 in 3h, könnte sowohl als die linsenförmige Struktur als auch das polarisationsempfindliche Element fungieren lediglich durch Fokussieren einer Polarisation und nicht der anderen.
Wie bei den anderen Ausführungsformen liefert das PSSE nicht von sich aus einen effektiven polarisierenden Mechanismus. Auch hier wird die Polarisation erzielt, indem das PSSE mit einem geeigneten und neuartigen Öffnungsmechanismus kombiniert wird.
Eine neunte Ausführungsform, 12, veranschaulicht, wie die von dem PSSE angebotene einzigartige Polarisationssteuerung angewendet werden kann, um die Effizienz und Leistung von reflektierenden LCDs wie etwa üblichen segmentierten Displays, wo Umgebungslicht als die Lichtquelle verwendet wird, zu verbessern. Bei diesem einfachen Beispiel wird ein LCD, die aus einem vorderen und hinteren transparenten Substrat 220 und 221, einer LC-Schicht 222 und nicht gezeigten elektrisch adressierenden Strukturen besteht, durch vordere Lichtstrahlen wie etwa Strahl 225 beleuchtet wird. Eine Modulation des Lichts erfolgt durch selektive Modifikation des Polarisationszustands der Strahlen in Anwesenheit eines vorderen und hinteren absorbierenden Polarisators 223 und 224. Bei herkömmlichen Displays dieser Art ist der hinter dem hinteren Polarisator angeordnete Reflektor entweder polarisationsbewahrend oder vollständig diffus, aber nicht beides. Bei dieser Ausführungsform wird ein PSSE 226 hinter dem hinteren Polarisator plaziert und wird gefolgt von einem Spiegel 227 (nur erforderlich, wenn das PSSE nicht stark rückstreuend ist). Die Streuachse des PSSEs ist auf die Durchlaßachse von 224 ausgerichtet. Dadurch erhält man das stark diffuse Streuprofil, das in vielen Anwendungen erwünscht ist, ohne Einführen der mit einer Entpolarisation assoziierten Verluste, da das PSSE die Polarisation recht gut beibehält. Wenn ein PSSE mit ausreichender Rückstreueffizienz gegeben ist, können die Elemente 224 und 227 entfallen und eine hinter 226 plazierte schwarze Schicht zum Absorbieren der unerwünschten Polarisation. Wenngleich dieser Ansatz in gewisser Weise Drahtgitterpolarisatorverfahren für reflektierende Displays nach dem Stand der Technik ähnlich ist, besitzt er erhebliche Vorteile für den Direktbetrachtungsfall wegen seines diffusen Reflektanzprofils und seiner hohen Effizienz.
Das oben Gesagte ist eine Beschreibung eines neuartigen und nicht-offensichtlichen High-Efficiency-Polarized-Display-Verfahrens. Der Anmelder beabsichtigt nicht, die Erfindung durch die vorausgegangene Beschreibung zu beschränken, sondern vielmehr die Erfindung durch die hieran angehängten Ansprüche zu definieren.

Claims

Polarisationsprojektionsdisplayvorrichtung, die zur Polarisationssteuerung ein polarisationsempfindliches Streuelement (PSSE – polarization-sensitive scattering element) verwendet, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: einen Polarisationskonverter (193), der folgendes enthält: ein PSSE-Element (202), wobei das PSSE-Element ein mikrostrukturelles Verbundmaterial aus Materialbereichen mit unterschiedlicher Doppelbrechung ist mit einer ersten Streuverteilung für Lichtstrahlen einer ersten Polarisation, die gering nach vorne streut; und mit einer zweiten Streuverteilung für Lichtstrahlen einer zweiten Polarisation, die im wesentlichen transparent ist; und weiterhin umfassend linsenförmige Fokussierungsmittel (210) bei dem PSSE-Element; und räumlich modulierte Verzögerungsmittel (204, 205), wobei eine erste Menge für Lichtstrahlen mit der ersten Polarisation und eine zweite Menge von Lichtstrahlen mit der zweiten Polarisation durch das PSSE-Element im wesentlichen räumlich getrennt sind und das Verzögerungsmittel die Polarisation einer Menge von Lichtstrahlen derart dreht, daß die erste Menge und zweite Menge von Lichtstrahlen mit der gleichen Polarisation aus dem Polarisationskonverter austreten; wobei die Vorrichtung auch folgendes umfaßt: ein polarisiertes Lichtventil (195) mit einem hinteren und vorderen Polarisierer (198, 199), wobei das polarisierte Lichtventil bei dem räumlich modulierten verzögernden Mittel positioniert ist, der hintere Polarisierer (198) eine Durchlaßachse aufweist, die der Polarisation der aus dem Verzögerungsmittel austretenden ersten Menge und zweiten Menge von Lichtstrahlen entspricht, und das polarisierte Lichtventil das auf es einfallende Licht moduliert; und eine Optik (196), die auf der gegenüberliegenden Seite des polarisierten Lichtventils zu dem räumlich modulierten Verzögerungsmittel positioniert ist, wobei der größte Teil der von dem Lichtventil modulierten Strahlen von der Optik gesammelt und projiziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das räumlich modulierte Verzögerungsmittel folgendes umfaßt: eine erste Apertur (205), die eine Menge von Aperturöffnungen mit der ersten Polarisationsoptik umfaßt; eine zweite Apertur (204), die ein Gebiet außerhalb der ersten Apertur mit einer zweiten Polarisationsoptik umfaßt; wobei Lichtstrahlen eine erste Polarisation, die auf das PSSE-Element (202) einfallen, überwiegend durch die erste Apertur hindurchgehen und von der ersten Polarisationsoptik in eine dritte Polarisation konvertiert werden; Lichtstrahlen einer zweiten Polarisation, die auf das PSSE-Element einfallen, von dem PSSE-Element gestreut werden und überwiegend durch die zweite Apertur hindurchgehen und von der zweiten Polarisationsoptik in die dritte Polarisation konvertiert werden.