DE69925604T2 - Reflektierende anzeigevorrichtung - Google Patents

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine reflektierende Anzeigevorrichtung wie eine reflektierende Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung (LCD). Insbesondere betrifft sie eine reflektierende Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle, die für Beleuchtung bei z.B. Bedingungen mit schlechtem Licht, sorgt. Sie beschreibt auch eine Lichtquelle, die insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise, zur Verwendung bei einer Anzeigevorrichtung dient.
  • HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK
  • In der Technik sind reflektierende LCDs bekannt. Zum Beispiel verfügt das von Sharp Kabushiki Kaisha hergestellte "supermobile", hoch reflektierende LCD im Wesentlichen über einen Polarisator, Wellettplatten und eine vor einer reflektierenden Schicht angeordnete Flüssigkristallschicht. Die reflektierende Schicht verfügt über eine metallisierte Reliefstruktur mit unsymmetrischer Oberfläche, die die Polarisation des auf sie fallenden Lichts im Wesentlichen aufrechterhält, um den Kontrast der Anzeige zu maximieren. Die reflektierende Schicht ist eine reflektierende Streueinrichtung "mit hohem Gewinn" unter Verwendung einer Refliefstruktur entsprechend einer nicht-Lambertschen Oberfläche.
  • Ein derartiges reflektierende LCD kann Umgebungslicht benutzen, so dass der Energieverbrauch des LCD im Vergleich zu demjenigen bei einem LCD verringert ist, das über eine Lichtquelle hinter der Flüssigkristallschicht verfügt. Dies ist für ein tragbares Anzeigegerät wie persönliche digitale Assistenten (PDA), Camcorder, tragbare Rechneranlagen und Digitalkameras von Bedeutung.
  • Ein derartiges herkömmliches reflektierendes LCD verfügt über eine Anzahl von Nachteilen. Es ist ersichtlich, dass das Display in schlecht beleuchte ten Umgebungen schlecht arbeitet. Darüber hinaus wird das Farbgleichgewicht der Anzeige durch das Farbspektrum des Umgebungslichts beeinflusst. Demgemäß kann die Anzeigevorrichtung bei Sonnenlicht gut arbeiten, jedoch wird bei einer Beleuchtung mit einer Leuchtstoff- oder insbesondere einer Wolframlampe das Farbgleichgewicht beeinträchtigt. Wenn das LCD mit Farbfiltern versehen ist, können auch diese das Farbgleichgewicht der Anzeige beeinträchtigen.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine reflektierende Schicht mit hohem Gewinn dann am besten arbeitet, wenn das auf das LCD fallende Licht einer hoch kollimierten, von oben unter einem definierten Winkel auf den Schirm des LCD fallender Beleuchtung entspricht. So ist es möglich, dass die Anzeigeposition vom Benutzer des LCD fixiert werden muss, um das beste Funktionsvermögen zu erzielen, was unerwünscht ist. So ist es ersichtlich, dass es von Vorteil wäre, ein reflektierendes LCD mit einer Hilfs-Lichtquelle zu schaffen, um die Qualität des angezeigten Bilds zu verbessern und um es dem LCD auch zu ermöglichen, bei Bedingungen mit geringem Umgebungslicht zu arbeiten.
  • Wie oben beschrieben, verfügt das herkömmliche reflektierende LCD über eine reflektierende Schicht, die einer reflektierenden Streueinrichtung mit hohem Gewinn entspricht. Wenn eine Lichtquelle dicht an der Oberfläche des LCD platziert wird, wird eine Anzahl von Effekten erzeugt. Erstens bedeutet der Gewinn der reflektierenden Schicht, dass der Betrachter die Beleuchtungsstruktur über die Fläche des LCD hinweg erkennt. Diese Beleuchtungsstruktur hängt vom Beleuchtungsprofil der Lichtquelle und vom Gewinn der reflektierenden Schicht ab.
  • Zweitens wird einiges an Licht der Lichtquelle durch die Vorderseite des LCD und von Schichten innerhalb desselben speigelnd reflektiert. Wenn die Lichtquelle und ein Benutzer so positioniert sind, dass Licht von der Lichtquelle spiegelnd zum Benutzer reflektiert wird, verringert dies den Kontrast der Anzeige, und es ist auch für den Benutzer unangenehm. Um es zu verhindern, dass der Benutzer die spiegelnde Reflexion der Lichtquelle sieht, kann diese gegenüber der Anzeigefläche seitlich verschoben, d.h. versetzt, werden. Ein Verschieben der Lichtquelle auf diese Weise führt jedoch zu einem weiteren Problem. Das LCD kann für Licht innerhalb wohl definierter Eingangs- und Ausgangspegel für den höchsten Anzeigekontrast sorgen. Wenn die Lichtquelle auf die oben beschriebene Weise verschoben wird, liegt das Eingangslicht nicht mehr innerhalb des bevorzugten Ein gangskegels des LCD, was die Bilderzeugungseffizienz verringert.
  • Die 1A und 1B zeigen ein bekanntes reflektierendes LCD. Genauer gesagt, ist die 1A eine Schnittansicht einer bekannten reflektierenden LCD-Vorrichtung mit einem holografischen Element zur Helligkeitsverbesserung bei Frontbeleuchtung, und die 1D veranschaulicht das einfallende und das reflektierte Licht für die Vorrichtung der 1A.
  • Die dargestellte Vorrichtung ist auf einem Glassubstrat 1 aufgebaut, auf dem, aufeinanderfolgend, eine reflektierende Schicht (interner Spiegel) 2, eine Flüssigkristallschicht 3, Farbfilter 4, ein oberes Glassubstrat 5, ein Polarisator 6 und ein Transmissionshologramm 7 angeordnet sind. Auf den Glassubstraten 1 und 5 sind Elektroden zum Ansteuern der Flüssigkristallschicht 3 vorhanden.
  • Das Transmissionshologramm 7 lenkt auf es fallendes Licht ab. Demgemäß läuft einiges des Lichts durch die Flüssigkristallschicht 3, und es wird durch die reflektierende Schicht 2 reflektiert, und es wird viel näher an der Achse des Displays als das spiegelnd reflektierte Licht zu einem Betrachter reflektiert. Wie es in der 1B dargestellt ist, wird das Licht vom Display unter einem Winkel von 14° zur Normalachse zurückreflektiert, wohingegen das spiegelnd reflektierte Licht ("Spiegelung") unter 34° zur Normalachse reflektiert wird. So ist die Helligkeit des LCD erhöht, da das Anzeigelicht winkelmäßig von der Spiegelung getrennt ist.
  • Das in der 1A dargestellte bekannte Display muss mit einer entfernten Lichtquelle beleuchtet werden, die auf die Flüssigkristalltafel kollimiert zu sein scheint, und es würde keine effiziente Funktion vorliegen, wenn sich die Lichtquelle dicht am LCD befinden würde.
  • US 5 663 816 offenbart ein transmissives LCD, bei dem eine reflektierende, holografische, gerichtete Streueinrichtung an der Rückseite des LCD vorhanden ist. Die holografische Streueinrichtung ist zur Beleuchtung durch eine Hintergrundbeleuchtung transparent, jedoch reflektiert sie Licht in gerichteter Weise, wenn das LCD durch eine äußere, von oben scheinende Quelle beleuchtet wird. Die Reflexion ist um die Achse orthogonal zur Reflexionsseite des LCD kegelförmig. Die 2 zeigt ein weiteres bekanntes reflektierendes LCD mit einem holografischen Lichtkontrollfilm. Dieses bekannte LCD ist von T. Hotta et al. in SPIE Proc., Vol. 329, Practical Holography WII, Seiten 190–195, 1998 offenbart.
  • Das LCD der 2 verfügt über eine Flüssigkristallschicht 15, die zwischen zwei Glassubstraten 13, 17 angeordnet ist, die mit Elektrodenschichten 14, 16 versehen sind, um Spannungen an die Flüssigkristallschicht 15 anzulegen. Hinter der unteren Glasplatte (Substrat) 13 ist ein erster Polarisator 12 vorhanden, und über der oberen Glasplatte (Substrat) 17 ist ein zweiter Polarisator 18 vorhanden. Hinter dem unteren Polarisator 12 ist ein Volumenreflexionshologramm (holografischer Lichtkontrollfilm) 11 vorhanden, um reflektiertes Licht einer einzelnen Farbe in ein spezielles Betrachtungsgebiet zu konzentrieren (das in der 2 dargestellte bekannte LCD ist ein einfarbiges LCD).
  • Beim in der 2 dargestellten bekannten LCD ist der holografische Film 11 durch das untere Glassubstrat 13 von der Flüssigkristallschicht 15 getrennt, und es liegt eine relativ große Dicke vor. Die räumliche Trennung des holografischen Films 11 und der Flüssigkristallschicht 15 führt zu Parallaxe bei der Anzeige, und dies verringert die Auflösung des LCD.
  • Die in US 5 663 816 beschriebene bekannte holografische leitet ebenfalls unter Parallaxeproblemen.
  • US 5 659 408 offenbart ein LCD, das bei Umgebungslicht betrachtbar ist und über eine Flüssigkristalltafel sowie eine holografische, reflektierende Streueinrichtung verfügt, die hinter der Flüssigkristallschicht positioniert ist. Die Streueinrichtung ist als Transmissionshologramm ausgebildet, und an der Rückseite der holografischen Streueinrichtung ist eine Licht reflektierende Schicht angeordnet. Ein derartiges holografisches Element ist als Breitbandreflektor billiger herstellbar als die anderen oben beschriebenen holografischen Reflektoren aus dem Stand der Technik. Jedoch erfordert die in US 5 659 508 beschriebene bekannte Vorrichtung wiederum eine Beleuchtung durch kollimiertes Licht, und sie ist nicht zur Verwendung mit einer dicht positionierten Lichtquelle oder einer Farbtafel hoher Auflösung geeignet.
  • Die 3A und 3B veranschaulichen weitere reflektierende LCDs aus dem Stand der Technik. Diese sind mit die Polarisation aufrechterhaltenden optischen Streufilmen versehen um das Funktionsvermögen und den Betrachtungswinkel des Displays zu verbessern. Derartige die Polarisation aufrechterhaltende Filme werden von Microsharp hergestellt.
  • Das in der 3A dargestellte LCD verfügt über ein Glassubstrat 20, eine reflektierende Pixelelektrode 21, eine Flüssigkristallschicht 22, eine Elektrodenschicht 23 aus Indiumzinnoxid (ITO), eine Schicht mit Farbfiltern 24, ein Glassubstrat 25, eine Transmissions-Streuschicht 26 MicrosharpTM, einen Verzögerungsfilm 27 und einen Polarisator 28.
  • Die in der 3B dargestellte Vorrichtung ist derjenigen in der 3A ähnlich, jedoch ist die Streueinrichtung 26 MicrosharpTM weggelassen, und die reflektierende Pixelelektrode 21 der 3A ist durch eine Elektrodenschicht 21' aus transparentem ITO ersetzt. Ferner ist hinter dem unteren Glassubstrat 20 ein Polarisator 29 platziert, und hinter diesem ist eine metallisierte, reflektierende Streueinrichtung 30 platziert.
  • Eine Transmissions-Streueinrichtung 26, 30 ist eine relativ dicke (100 μm) Kunststofffolie mit einer Zufallsmusterverteilung, einem auswählbaren Lichtstrahlprofil und einer auf 10° eingeschränkten Funktionalität betreffend eine Achsversatz-Schrägverzerrung. Die in den 3A und 3B dargestellten bekannten Vorrichtungen benötigen daher eine Beleuchtung mit kollimiertem Licht, und sie sind zur Verwendung mit einer dicht am LCD positionierten Lichtquelle ungeeignet. Diese Vorrichtungen zeigen darüber hinaus einen weiteren Nachteil, da sie gestreutes Ausgangslicht erzeugen, so dass der Anzeigekontrast schlecht ist.
  • Die 4 veranschaulicht ein bekanntes Projektions-LCD, wie es von C. Joubert et al., SPIE Proc. Vol. 265, Seiten 243–252, 1996, und von C. Joubert et al. in "Applied Optics", Vol. 36, Nr. 20, Seiten 4761–4771, 1997, beschrieben ist. Die Konfiguration der 4 enthält ein holografisches Mikrolinsenarray für das LCD-Projektionssystem.
  • Die Konfiguration der 4 verfügt über ein vollfarbiges Flüssigkristalldisplay 31 mit roten Pixeln 31R, grünen Pixeln 31G und blauen Pixeln 31B. Licht von einer Lichtquelle 32 wird durch einen Parabolreflektor 33 auf ein holografisches Mikrolinsenarray 34 fokussiert. Jedes Einzelelement des Mikrolinsenarrays 34 ist eine Transmissionshologrammlinse, die gleichzeitig weißes Licht in Lichtkomponenten zerlegt und die zerlegten RGB-Lichtkomponenten selektiv auf die entsprechenden Farbpixel fokussiert (d.h., die rote Komponente wird auf ein entsprechendes rotes Pixel 31R fokussiert, usw.). Das holografische Mikrolinsenarray 34 wirkt sowohl als Linse als auch als Beugungsgitter.
  • Das holografische Mikrolinsenarray 34 der 4 erfordert eine achsversetzte Beleuchtung durch eine gute kollimierte weiße Lichtquelle mit einer Divergenz von weniger als 1,9°. Ein derartiges Element zur Beleuchtung durch eine divergierende Lichtquelle, die dicht an einem LCD positioniert ist, ist ungeeignet.
  • Die 5A und 5B veranschaulichen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer bekannten Lichtquelle zur Beleuchtung eines Strichcodes. Die bekannte Lichtquelle ist in US 5 743 633 beschrieben. Sie verfügt über eine Leuchtdiode (LED) 35, eine Licht formende Streueinrichtung 36 und eine Linse 37. Die Licht formende Streueinrichtung 36 ist eine Streueinrichtung mit holografischer Oberfläche, die ein streifenförmiges Gebiet gleichmäßiger Beleuchtung erzeugt.
  • Das Beleuchtungssystem der 5A und 5B sorgt über ein Zielgebiet 38 eine Barcodes dadurch für gleichmäßige Beleuchtung (d.h. das gleichmäßig beleuchtete Zielgebiet 38), dass sie das Licht von der LED 35 homogenisiert und konzentriert.
  • WO95/12826 offenbart eine reflektierende Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung 500, wie sie schematisch in der 5C dargestellt ist, die über eine transmissive Flüssigkristalltafel (transmissiver RLM) 510 und ein reflektierendes holografisches Element (Streueinrichtung) 520, das hinter der Flüssigkristalltafel 510 angeordnet ist, verfügt. Wenn diffuses Licht oder im Wesentlichen kollimiertes Licht auf das LCD 500 fällt, wandelt das holografische Element 520 den achsversetzten, kollimierten Strahl in einen kollimierten Strahl, der sich im Wesentlichen in der Achse ausbreitet. Jeder Punkt des holografischen Elements 520 des LCD 500 gemäß WO95/12826 verfügt über denselben Bragg-Winkel.
  • WO97/34174 und WO96/37805 offenbaren beide eine reflektierende Anzeigevorrichtung, die mit einem holografischen Element versehen ist. In beiden Fällen fungiert das holografische Element als Streueinrichtung, und es ist vorgesehen, für eine gleichmäßige Beleuchtung des Displays zu sorgen und die Helligkeit der Anzeige zu erhöhen. Diese bekannte Dokumente sind darauf ausgerichtet, das Erfordernis des Bereitstellens einer Hilfs-Lichtquelle zu beseitigen.
  • Das US-Patent Nr. 5 594 560 offenbart eine reflektierende Anzeigevorrichtung, die mit einem reflektierenden, holografischen optischen Element ver sehen ist. Das holografische Element ist vorhanden, um die Helligkeit der Anzeige zu erhöhen, und die Vorrichtung verfügt über eine Fluoreszenzschicht, um das spektrale Band des Hologramms zu erhöhen.
  • G. T. Valliath et al. offenbaren in "Design of Hologram for Brightness Enhancement in Colour LCDs" SID Digest 98, S. 1138–1142 eine Anzeigevorrichtung mit einer transmissiven, holografischen Streueinrichtung, die vor einem reflektierenden Raumlichtmodulator diffus angeordnet ist. Im Gebrauch wird die Vorrichtung erneut mit einem achsversetzten Strahl kollimierten Lichts beleuchtet, und die holografische Streueinrichtung wandelt diesen in einen kollimierten Strahl, der sich im Wesentlichen in der Achse ausbreitet. Jeder Punkt der holografischen Streueinrichtung verfügt über denselben Bragg-Winkel.
  • Das Dokument EP-A-0 826 986, auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 beruht, offenbart eine Anzeigevorrichtung mit: einem Transmissionshologramm mit einer optischen Modulationsschicht; einem hinter der optischen Modulationsschicht angeordneten Reflektor und einer holografischen Feldlinse.
  • JP-A-9 233 263 offenbart eine Farbeleuchtungsvorrichtung mit roten, grünen und blauen Leuchtdioden, die hinter einer Hologrammplatte angeordnet sind.
  • Durch die Erfindung ist eine Anzeigevorrichtung mit Folgendem geschaffen: einem Raumlichtmodulator mit einer optischen Modulationsschicht; einem Reflektor, der hinter der optischen Modulationsschicht in Bezug auf eine Anzeigerichtung angeordnet ist; und einer Holografie-Feldlinse, die im Pfad des Lichts durch die optische Modulationsschicht angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseffizienz der Holografie-Feldlinse über dieselbe hinweg variiert.
  • Eine holografische Feldlinse ist ein holografisches optisches Element, das im Wesentlichen in der Bildebene der Anzeigevorrichtung angeordnet ist und das über optische Beuge- und Umlenkeigenschaften verfügt. Demgemäß kann eine holografische Feldlinse einen einfallenden Strahl divergierenden Lichts in einen Strahl kollimierten Lichts wandeln, und sie kann auch das einfallende Licht umlenken. Dagegen lenkt die Hologrammschicht 7 bei der bekannten Vorrichtung der 1A das einfallende Licht einfach ab, weswegen sie einen einfallenden Strahl kollimierten Lichts benötigt, wohingegen die holografische Feldlinse gemäß der Erfindung gleichzeitig einfallendes Licht konzentriert und es in einer bevorzugten Richtung umlenkt, und sie kann mit einer dicht angeordneten, versetzten Lichtquelle verwendet werden.
  • Die Erfindung funktioniert dann, wenn die Anzeigevorrichtung mit divergierendem Licht beleuchtet wird, wie es der Fall ist, wenn sie durch eine in der Nähe vorhandene Lichtquelle beleuchtet wird, was jedoch für die bekannte Vorrichtung der 1A nicht der Fall ist.
  • Der Reflektor kann innerhalb des Transmissionshologramms angeordnet sein. Dies verhindert, dass auf Grund von Parallaxe Probleme auftreten.
  • Der Reflektor kann ein nicht-Lambertscher Reflektor sein. Dies erhöht die Intensität des durch ihn reflektierten Lichts.
  • Die holografische Feldlinse kann achsversetztes, divergierendes, auf das holografische Feldelement fallendes Licht kollimieren. In diesem Fall arbeitet die Anzeigevorrichtung so, als würde sie durch eine virtuelle Quelle kollimierten Lichts beleuchtet werden.
  • Das kollimierte Licht kann unter einem Winkel Θ zur Normalachse auf das Display gerichtet werden, wobei Θ größer als der halbe Eintrittswinkel der holografischen Feldlinse ist. Dies verhindert, dass zur holografischen Feldlinse zurück reflektiertes Licht mit dieser wechselwirkt. Für den Winkel kann Θ ≥ 3° gelten.
  • Die holografische Feldlinse kann ein holografisches Mikrolinsenarray sein. Die Anzeigevorrichtung kann ferner über Farbfilter verfügen, wobei die Schrittweite des holografischen Mikrolinsenarrays im Wesentlichen das Dreifache der Schrittweite der Farbfilter ist. Wenn eine derartige Vorrichtung mit weißem Licht beleuchtet wird, wird dieses aufgeteilt, wobei rotes Licht auf ein rotes Farbfilter gelenkt wird, grünes Licht auf ein grünes Farbfilter gelenkt wird und blaues Licht auf ein blaues Farbfilter gelenkt wird. Da die Schrittweite des Mikrolinsenarrays das Dreifache derjenigen der Farbfilter ist, sind Herstelltoleranzen für das Lichtquelle gelockert.
  • Die holografische Feldlinse kann vor der optischen Modulationsschicht angeordnet werden. Alternativ können die holografische Feldlinse und der Reflektor als einzelnes Element ausgebildet sein.
  • Die holografische Feldlinse kann innerhalb des Transmissionshologramms angeordnet sein, und sie kann dicht an der optischen Modulationsschicht posi tioniert sein. Dies verringert einen Kontrastverlust, wie er durch Hologrammstreuung verursacht werden kann. Die holografische Feldlinse kann von der optischen Modulationsschicht getrennt werden, um zu verhindern, dass holografische Materialien die Flüssigkristallschicht verunreinigen.
  • Die Anzeigevorrichtung kann ferner über eine Lichtquelle verfügen, die so angeordnet ist, dass sie den Transmissionshologramm mit divergierendem Licht beleuchtet. Dies ermöglicht es, die Anzeigevorrichtung bei geringem Umgebungslicht zu betreiben.
  • Die Lichtquelle kann in Bezug auf den Transmissionshologramm so versetzt sein, dass spiegelnde reflektiertes Licht nicht zu einem Benutzer reflektiert wird.
  • Die Anzeigevorrichtung kann ferner über eine Homogenisierungseinrichtung verfügen, die zwischen der Lichtquelle und dem Transmissionshologramm angeordnet ist. Die Homogenisierungseinrichtung formt das Profil des Lichtstrahls von der Lichtquelle so, dass es zur Form des Transmissionshologramms passt. Sie macht auch die Intensität über den Strahl und so über die Anzeigevorrichtung gleichmäßig. Die Homogenisierungseinrichtung kann eine holografische Homogenisierungseinrichtung sein. Sie kann eine reflektierende, holografische Homogenisierungsrichtung, wie eine reflektierende, holografische Volumen-Homogenisierungseinrichtung sein.
  • Die Lichtquelle kann im Wesentlichen einfarbig sein, oder sie kann eine Weißlichtquelle sein. Alternativ kann die Lichtquelle über mindestens eine erste Lichtquelle, die Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert, und eine zweite Lichtquelle, die Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, verfügen. Dies ermöglicht es, das Farbgleichgewicht des Lichts von der Lichtquelle z.B. so einzustellen, dass es zu Farbfiltern passt, wie sie in einer Vollfarben-Anzeigevorrichtung verwendet werden.
  • Die Lichtquelle kann eine Leuchtdiode sein. Alternativ kann die erste Lichtquelle über eine erste Leuchtdiode zum Emittieren von Licht der ersten Wellenlänge verfügen, und die zweite Lichtquelle kann über eine zweite Leuchtdiode zum Emittieren von Licht der zweiten Wellenlänge verfügen. Eine Leuchtdiode ist eine Vorrichtung geringer Leistung, und so ist sie zur Verwendung bei einer tragbaren, batteriebetriebenen Anzeigevorrichtung von Vorteil.
  • Die Streueffizienz der holografischen Feldlinse kann auf der der Lichtquelle naheliegenden Seite des Transmissionshologramms niedriger sein, und sie kann auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite desselben höher sein. Dies verbessert die Gleichmäßigkeit der Intensität der Anzeige.
  • Die holografische Feldlinse kann chromatisch sein, und die erste und die zweite Lichtquelle können in den jeweiligen Brennpunkten der holografischen Feldlinse für das Licht der ersten Wellenlänge bzw. das Licht der zweiten Wellenlänge angeordnet sein.
  • Die Anzeigevorrichtung kann ferner über ein Abdeckelement verfügen, auf dem die Lichtquelle angeordnet ist. Dies bildet eine einfache Art zum Bereitstellen einer Anzeigevorrichtung mit einer Lichtquelle zur Verwendung bei geringem Umgebungslicht. Alternativ kann die Anzeigevorrichtung ferner über ein Halteelement zum Halten der Lichtquelle verfügen, wobei das Lichtquelle zwischen einer Verstauposition und einer Position beweglich sein kann, in der die Lichtquelle den Transmissionshologramm beleuchten kann.
  • Die optische Modulationsschicht kann eine Flüssigkristallschicht sein:
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Nun werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung durch veranschaulichende Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Beispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
  • 1A ist eine Schnittansicht eines bekannten reflektierenden LCD mit einer holografischen Schicht;
  • 1B veranschaulicht das einfallende und das reflektierende Licht für die Vorrichtung der 1A;
  • 2 ist eine Schnittansicht eines bekannten LCD mit einem reflektierenden, holografischen Film;
  • 3A ist eine Schnittansicht eines bekannten LCD unter Verwendung eines Lichtstreufilms;
  • 3B ist eine Schnittansicht eines bekannten LCD mit einer reflektierenden Streuschicht;
  • 4 ist eine schematische Ansicht eines bekannten LCD-Projektionssystems mit einem holografischen Mikrolinsenarray;
  • 5A und 5B sind Darstellungen eines bekannten Beleuchtungssystems zum Beleuchten eines Strichcodes;
  • 5C ist eine schematische Darstellung der reflektierenden Anzeigevorrichtung gemäß WO95/12826 mit einem reflektierenden holografischen Element;
  • 6A und 6B sind schematische Darstellungen des Effekts einer Homogenisierungseinrichtung auf die durch eine LED erzeugte Beleuchtung;
  • 6C ist eine schematische Darstellung der Beleuchtung, wie sie durch das bekannte Beleuchtungssystem der 5A und 5B erzeugt wird;
  • 6D ist eine schematische Darstellung einer einen reflektierten Strahl formenden Homogenisierungseinrichtung für ein LED-Beleuchtungssystem;
  • 7A ist eine schematische Darstellung eines bekannten reflektierenden LCD, und sie zeigt die Probleme in Zusammenhang mit der Beleuchtung durch eine in der Nähe positionierte Frontlichtquelle;
  • 7B zeigt die Winkelverteilung der Intensität von Licht, das an drei verschiedenen Gebieten des LCD der 7A reflektiert wird;
  • 8A ist ein Schnitt eines bekannten LCD mit einer reflektierenden Schicht hohen Gewinns;
  • 8B veranschaulicht die Winkelverteilung der Intensität von Licht, das an drei gesonderten Gebieten des LCD der 8A reflektiert wird;
  • 9A ist ein Schnitt eines reflektierenden LCD gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 9B ist ein Schnitt eines reflektierenden LCD gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 9C zeigt die Winkelverteilung der Intensität von Licht, das von drei gesonderten Gebieten des LCD der 9A reflektiert wird;
  • 9D zeigt die Winkelverteilung der Intensität von Licht, das von drei gesonderten Gebieten des LCD der 9B reflektiert wird;
  • 9E veranschaulicht das Betriebsprinzip eines erfindungsgemäßen reflektierenden LCD;
  • 10A bis 10H veranschaulichen mögliche Anordnungen eines Frontbeleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD;
  • 11A und 11B veranschaulichen die Beleuchtung eines erfindungsgemäßen reflektierenden LCD;
  • 12A und 12B veranschaulichen den minimalen Beugungswinkel in einer holografischen Feldlinse zum Unterdrücken einer Wechselwirkung mit einem zurückkehrenden Strahl;
  • 13 zeigt die Intensitätsverteilung in der Normalrichtung für drei gesonderte Anzeigegebiete eines erfindungsgemäßen LCD;
  • 14 veranschaulicht schematisch ein Aufzeichnungsverfahren für die holografische Feldlinse für ein erfindungsgemäßes LCD;
  • 15 ist ein schematischer Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 16 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 17A und 17B veranschaulichen schematisch die Verwendung eines erfindungsgemäßen reflektierenden LCD in einem 3D-Display;
  • 18 ist ein schematischer Schnitt einer Berührungsschirm-Anzeigevorrichtung auf Grundlage eines erfindungsgemäßen reflektierenden LCD;
  • 19 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 20 veranschaulicht: (a) einen schematischen Schnitt einer reflektierenden Streueinrichtung hohen Gewinns; (b) einen schematischen Schnitt einer achsversetzten holografischen Streueinrichtung; und (c) einen schematischen Schnitt einer Ausführungsform der reflektierenden Streueinrichtung des LCD der 19;
  • 21a und 21B veranschaulichen ein Aufzeichnungsverfahren für eine holografische Streueinrichtung für drei Farben und mit Achsversatz;
  • 22 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 23 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 24 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 25 ist ein Schnitt eines LCD gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 26A ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Lichtquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • 26B zeigt eine Lichtquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;
  • 27 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist;
  • 28 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist;
  • 29 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist;
  • 30 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist;
  • 31 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist; und
  • 32 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Lichtquelle, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD geeignet ist.
  • BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
  • Die 9A zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des vorgeschlagenen Frontbeleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD gemäß der Erfindung mit umgekehrter holografischer Beleuchtung einer Tafel. Genauer gesagt, ist in der 9A ein reflektierendes LCD 40 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
  • Das LCD 40 ist mit einer Hilfs-Lichtquelle 41 zur Verwendung unter Bedingungen mit geringem Umgebungslicht versehen. Die Lichtquelle 41 ist über dem LCD 40 versetzt gegen dieses platziert. Die Lichtquelle 41 ist nahe am LCD 40 angeordnet.
  • Bei der Ausführungsform der 9A verfügt die Hilfs-Lichtquelle 41 über eine Leuchtdiode (LED) 42. Eine LED 42 zeigt niedrigen Energieverbrauch, was sie zur Verwendung bei einem batteriebetriebenen, tragbaren Gerät geeignet macht. Bei der Ausführungsform der 9A ist die Lichtquelle 41 ferner mit einer Strahl-formenden Homogenisierungseinrichtung 43, oder einer Strahl-formenden Streueinrichtung, versehen, um das vom LED 42 emittierte Licht umzulenken und zu formen, um eine gleichmäßige, helle Beleuchtung der Anzeigevorrichtung 40 zu erzielen.
  • In den 6A bis 6C ist die Wirkung (optische Funktion) der Homogenisierungseinrichtung 43 für die LED veranschaulicht.
  • Wie es in der 6A dargestellt ist, emittiert eine LED 42 Licht mit einem im Wesentlichen kreisförmigen oder elliptischen Strahlprofil (Intensitätsprofil). Dieses Strahlprofil ist jedoch unerwünscht, das die meisten Anzeigegeräte über einen rechteckigen Anzeigeschirm verfügen. Wenn ein rechteckiger Anzeigeschirm als Zielgebiet mit einem kreisförmigen Strahl (d.h. einem Strahl mit kreisförmigem Intensitätsprofil), wie in der 6A beleuchtet wird, werden entweder einige Gebiete des Anzeigeschirms nicht beleuchtet, oder einiges Licht des Strahls fällt aus dem aktiven Gebiet des Anzeigeschirms heraus und wird vergeudet. Ein weiteres Problem besteht darin, dass das Intensitätsprofil über den Strahl ungleichmäßig ist, was zu einer ungleichmäßigen Beleuchtung des Anzeigeschirms führt.
  • Um diese Probleme zu überwinden, ist die Lichtquelle 41 mit einer Strahl-Homogenisierungseinrichtung 43 zum Umformen des von der LED 42 emittierten Lichtstrahls versehen. Wie es in der 6B dargestellt ist, wandelt die Strahl-Homogenisierungseinrichtung 43 das kreisförmige Strahlprofil in ein rechteckiges Strahlprofil (Intensitätsprofil), und dieses ist zum Beleuchten eines rechteckigen Anzeigeschirms (Zielgebiet) geeignet. Die Strahl-Homogenisierungseinrichtung 43 homogenisiert auch die Intensität des Lichts über dem Strahl, so dass die Intensität über das Display hinweg im Wesentlichen gleichmäßig ist.
  • Im Vergleich zum bekannten System der 6C (die der 5A entspricht) benötigt die Erfindung die Linse 37 gemäß dem Stand der Technik nicht.
  • Die Transmissions-Homogenisierungseinrichtung 43 kann vom Hologrammtyp mit einem Transmissionshologramm sein, oder sie kann von einem Nicht-Hologrammtyp einschließlich Beugungslinsenarrays sein.
  • Genauer gesagt, kann die Hologramm-Homogenisierungseinrichtung 43 ein Transmissionshologramm sein, wie es in der 6B dargestellt ist, ein mit Spiegeln hinterlegtes Transmissionshologramm für Reflexionsbetrieb, oder eine reflektierende Volumenhologramm-Homogenisierungseinrichtung 433, wie sie in der 6D dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Hologramms 432 wird so aufgezeichnet, dass ein Gebiet mit der Größe der aktiven LCD-Gebiete beleuchtet wird. Das reflektierende, holografische Element als reflektierende Hologramm-Homogenisierungseinrichtung 433 kann ein durch einen Spiegel hinterlegtes Transmissionshologramm, eine metallisierte, geprägte Struktur oder ein reflektierendes Volumenhologramm sein.
  • Die Hologramm-Homogenisierungseinrichtung 43 wird dicht an der Austrittsfläche der LED 42 positioniert, so dass ihre Größe in Bezug auf das LCD 40 minimiert ist. So sieht ein Element an der Oberfläche des LCD 40 eine Lichtquelle 41 geringer Größe, und das Hologramm kann für eine einzelne Quelle an einer speziellen Position optimiert werden.
  • Als Beispiel kann eine LED 42 eine Emissionsapertur von ungefähr 3 mm aufweisen, die mit einem Abstand von 50 mm über der Oberfläche einer LCD-Tafel von 4'' platziert wird. Wenn die Helligkeit der LED 42 6 Cd beträgt (wie es für blaue LEDs berichtet wurde), und wenn der Raumwinkel des Ausgangskegels der LED 42, der das LCD 40 beleuchtet, in der Größenordnung von 0,013 sterad ist, erzeugt die LED 40 2 Lumen an optischer Leistung. Ein PDA-Display von 4'' verfügt über eine Gesamtfläche von ungefähr 5 × 10–3 m2. Bei einer Vollfarben-Lichtquelle mit roten, grünen und blauen LEDs ergibt sich dann, wenn das Display über ein Lambertsches Ausgangssignal (2π sterad) verfügt, schließlich eine Displayleuchtstärke von 9 Cdm–2, wenn angenommen wird, dass die roten und grünen LEDs dieselbe Helligkeit wie die blaue LED haben. Bei Beleuchtung mit breitbandigem weißem Licht ist zu erwarten, dass Verluste von Polarisatoren und Farbfiltern in Kombination mit nicht-Lambertschen Streueinrichtungen zu Systemverlusten von ungefähr 70% führen, so dass sich eine Ausgangshelligkeit in der Größenordnung von 3 Cdm–2 ergibt. In der Praxis verfügen LEDs über eine ausreichend schmalbandige Ausgangswellenlänge, so dass es möglich ist, dadurch wesentlich geringere Verluste zu erzielen, dass die Wellenlängen auf die Absorptionsprofile der Farbfilter des LCD abgestimmt werden. Wenn hellere LEDs entwickelt werden, wird es möglich sein, eine größere Ausgangshelligkeit zu erzielen, als sie diesem Wert von 3 Cdm–2 entspricht. Darüber hinaus kann ein Array von LEDs verwendet werden, um die Ausgangshelligkeit zu erhöhen.
  • Um das LCD 40 effizient zu beleuchten, sollte die Hilfs-Lichtquelle 41 so positioniert werden, dass sie die Sichtbarkeit des Displays 40 für einen Betrachter nicht verdeckt. Dies bedeutet, dass sie im Allgemeinen zu einer Seite des Displays 40 versetzt ist.
  • Eine weitere, und wichtigere, Überlegung betrifft den Effekt spiegelnder Reflexionen an der LCD-Tafel 40. Diese treten auf Grund von Fresnel-Reflexionen am Frontglasschirm der Tafel und auch auf Grund von Reflexionen innerhalb des LCD 40 von den Schichten, die es aufbauen, her.
  • Der Effekt der Position der Hilfs-Lichtquelle 41 auf Frontreflexionen ist in der 7A dargestellt. Um das Funktionsvermögen des Displays 410 zu maximieren, dürfen die spiegelnden Reflexionen der Lichtquelle 41 nicht mit der Betrachtungszone der Tafel 410 zusammenfallen (wie es in der 7A dargestellt ist, erstreckt sich die Betrachungszone um die Normalachse auf der Displaytafel 410 herum).
  • Genauer gesagt, veranschaulicht die 7A schematisch Probleme in Zusammenhang mit einer dicht positionierten Lichtquelle 41 bei einem reflektierenden Display 410. Die Lichtquelle 41 ist so versetzt, dass ein Betrachter keine spiegelnde Reflexion von der Vorderfläche der Tafel 410 und den Schichten innerhalb derselben (z.B. von der ITO-Elektrodenschicht 48) innerhalb des Betrachtungskegels sieht. Dieses Problem gilt für alle Displays mit dicht positionierten Lichtquellen.
  • Das in der 7A dargestellte LCD 410 verfügt über ein Glassubstrat 45, das mit Elektroden versehen ist. Auf dem Glassubstrat 45 sind eine reflektierende Schicht (interner Spiegel) 46, eine Flüssigkristallschicht 47, eine ITO-Elektrodenschicht 48, Farbfilter 49, ein Glassubstrat 50 und ein Polarisator 51 angeordnet.
  • Die 7A zeigt, dass der Winkel der spiegelnden Reflexionen am Rand der Tafel 410, am dichtesten bei der Lichtquelle 41, der Betrachtungszone am nächsten liegt.
  • Die 7B veranschaulicht Variationen reflektierten Lichts aus einer typischen spiegelnden Reflexion unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln. Anders gesagt, zeigt die 7B die Winkelpositionen der spiegelnden Reflexion an der Vorderseite der LCD-Tafel für drei Positionen über die Oberfläche der Tafel hinweg, wobei die Position 1 am nächsten bei der Lichtquelle 41 liegt und die Position 3 am entferntesten von dieser liegt.
  • Die spiegelnde Reflexion verfügt über eine definierte Winkelgröße, d.h., dass um sie herum eine Verteilung der Intensität existiert, wie es durch (A) in der 7B dargestellt ist, was aus der endlichen Größe der Lichtquelle herrührt. Der Nutzungsbereich von Betrachtungswinkeln (d.h. die nutzbare Betrachtungszone oder der nutzbare Winkelfreiheitsgrad der Anzeige) ist ebenfalls in der 7B, als (B), dargestellt.
  • Wie es aus der 7B erkennbar ist, sieht ein orthogonal zur Tafel positionierter Betrachter von nirgendwo her auf der Tafel eine spiegelnde Reflexion von einer versetzten Lichtquelle.
  • Die Versatzposition der Hilfs-Lichtquelle wird durch das Erfordernis bestimmt, die spiegelnde Reflexion beim vorgesehenen Betrachtungswinkel vom angezeigten Bild zu trennen. Der erforderliche Minimalversatz kann wie folgt abgeschätzt werden: x = LtanΘwobei der x der Horizontalabschnitt zwischen einer Projektion der Lichtquelle und dem dichtesten Rand der Tafel ist, L der Vertikalabstand zwischen der Lichtquelle und dem LCD ist und Θ der erforderliche Betrachtungs winkel ist, gemessen von der Normalachse der LCD-Tafel aus.
  • Im Allgemeinen wird die Lichtquelle vertikal in Bezug auf die Tafel positioniert, so dass die spiegelnden Reflexionen zur Brust des Betrachters oder über seinen Kopf gelenkt werden. So simuliert die Hilfs-Lichtquelle im Allgemeinen von oben kommendes Licht.
  • Die 8A ist eine schematische Schnittansicht eines bekannten reflektierenden LCD 420. Dieses ist dem in der 7A dargestellten LCD 410 ähnlich, jedoch mit einer reflektierenden Schicht hohen Gewinns (interner Spiegel) 46', die als "Gewinn > 1"-Streueinrichtung wirkt. Die anderen Elemente in der 8A sind dieselben wie die entsprechenden in der 7A. Sie tragen dieselben Bezugszahlen, und die zugehörige Beschreibung wird hier weggelassen.
  • Die reflektierende Schicht 46' hohen Gewinns verteilt das reflektierte Licht in einen Kegel um die Richtung der spiegelnden Reflexion herum, wie es schematisch in der 8A dargestellt ist. Dies trägt dazu bei, die scheinbare Helligkeit des Displays 420 in dessen Umgebungsbeleuchtungsmodus dadurch zu verbessern, dass Licht von einer über dem Kopf liegenden Umgebungs-Lichtquelle effizient genutzt wird, während immer noch ein gewisses Ausmaß an Gleichmäßigkeit der Beleuchtung über die Tafel 420 aufrechterhalten wird und der Betrachtungsfreiheitsgrad erhöht ist, während die direkte Sichtbarkeit der über dem Kopf vorhandenen Umgebungs-Lichtquelle beseitigt ist.
  • Ein bekanntes LCD 420, wie es in der 8A dargestellt ist, ist jedoch nicht zufriedenstellend, wenn dicht bei ihm eine Hilfs-Lichtquelle 41 vorhanden ist. Dies wird in Bezug auf die 8B erläutert.
  • Die 8B veranschaulicht Variationen reflektierten Lichts von einer typischen Streueinrichtung mit hohem Gewinn unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln. Anders gesagt, zeigt die 8B die Winkelverteilung reflektierten Lichts für den Fall einer dicht positionierten, versetzten Lichtquelle. Die Position der spiegelnden Reflexion ist für drei Positionen über die Tafel hinweg veranschaulicht, wobei die Position 1 der Lichtquelle am nächsten liegt und die Position 3 am weitesten von ihr entfernt ist. Die 8B zeigt auch die Intensitätsverteilung von Licht nach Reflexion an einem internen Reflektor hohen Gewinns. In der 8B ist die spiegelnde Reflexion (d.h. die Intensitätsverteilung auf Grund der spiegelnden Refle xion einer Lichtquelle endlicher Größe) mit (A) gekennzeichnet, während die Intensitätsverteilung um die spiegelnde Reflexion auf Grund einer Streueinrichtung mit hohem Gewinn mit (C) gekennzeichnet ist, und zwar für jedes der Diagramme in der 8B für die Positionen 1, 2 und 3.
  • Der nutzbare Bereich von Betrachtungswinkeln ist ebenfalls so, wie es im (B) in der 8B dargestellt ist. Außerdem sind die jeweiligen Intensitäten, wie sie von einem Beobachter unter 0° in Bezug auf die Tafel an den Positionen 1, 2 und 3 gesehen werden, mit I1, I2 bzw. I3 gekennzeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass ein orthogonal zur Tafel positionierter Betrachter die drei Intensitäten I1, I2 und I3 sieht, die durch die 0-Grad-Linie an jeder der Positionen über die Anzeige hinweg markiert sind. Darüber hinaus ist es erkennbar, dass die Intensitäten I1, I2 und I3, wie sie von einem das LCD entlang der Normalachse betrachtenden Betrachter gesehen werden, von der Position 1 zur Position 2 sowie von der Position 2 zur Position 3 beträchtlich variieren. Dies, da das LCD der 8A zur Verwendung mit einer entfernten Lichtquelle vorgesehen ist, die an der Tafel einen Strahl kollimierten Lichts liefert.
  • Wie oben beschrieben, verteilt, bei Displays mit einer dicht positionierten Lichtquelle und einem Reflektor (d.h. einem "Gewinn > 1"-Reflektor) derselbe das reflektierte Licht in einen Kegel um die Richtung der spiegelnden Reflexion herum. Daher sieht ein Betrachter an der Betrachtungsposition, die dazu erforderlich ist, die spiegelnde Reflexion zu vermeiden, eine Intensitätsvariation über das Display hinweg.
  • Wenn das in der 1A dargestellte bekannte LCD mit einer dicht positionierten Lichtquelle verwendet würde, würde es unter den Nachteilen leiden, die unter Bezugnahme auf die 8B beschrieben wurden. Dieses bekannte LCD verfügt über ein holografisches Element mit einem konstanten Bragg-Beugungswinkel über seine Fläche hinweg, so dass es auf es fallendes kollimiertes Licht in einer speziellen Richtung lenkt, unabhängig davon, auf welchen Teil seiner Oberfläche das Licht fällt. Wenn jedoch das bekannte LCD mit divergierendem Licht von einer dicht und versetzt angeordneten Hilfs-Lichtquelle beleuchtet wird, variiert der Eintrittswinkel des Lichts über die Tafel hinweg. Bestimmte Gebiete der Tafel erfüllen die Bragg-Bedinung nicht, und verarbeiten demgemäß das einfallende Licht nicht.
  • Die 10A bis 10H veranschaulichen eine mögliche Anordnung zum Versehen eines LCD-Displays 40, wie eines PDA, mit einer Hilfs-Lichtquelle 41 für Bedingungen geringen Umgebungslichts (d.h. mögliche Aussehen eines vorgeschlagenen Frontbeleuchtungssystems für ein erfindungsgemäßes reflektierendes LCD).
  • In der 10A ist die Hilfs-Lichtquelle 41 (z.B. eine LED mit einer Lichtformungs-Homogenisierungseinrichtung) an der Abdeckung des LCD 40 an einer zentralen Position befestigt, und ein Zielgebiet 40A des LCD 40 wird mit der Lichtquelle 41 beleuchtet. Die 10B ist ähnlich, jedoch sind zwei Hilfs-Lichtquellen 41 verwendet, wobei jeweils eine an jeder Seite der Abdeckung des LCDs 40 befestigt ist.
  • In der 10C ist die Hilfs-Lichtquelle 41 an einem beweglichen Abschnitt 52 des LCD 40 befestigt, und ein Zielgebiet 40a des LCD 40 wird mit dieser Lichtquelle 41 beleuchtet. Der Arm 52 kann aus dem Weg geklappt werden, wenn die Intensität des Umgebungslichts dazu ausreicht, das LCD 40 zu betreiben, so dass die Hilfs-Lichtquelle 41 nicht erforderlich ist (siehe die 10D).
  • Die 10E ist eine Schnittansicht des LCD 40, und sie zeigt die Hilfs-Lichtquelle 41, die bei dieser Ausführungsform über eine LED und ein Homogenisierungselement (nicht dargestellt) verfügt, im Gebrauch. Die 10F ist der 10E ähnlich, jedoch verfügt bei dieser Ausführungsform die Hilfs-Lichtquelle 41 über ein Array roter, grüner und blauer LEDs sowie eine Homogenisierungseinrichtung (nicht dargestellt). Bei jeder der 10E und 10F ist die Lichtquelle 41 an einem Klapparm 52 des LCD 40 befestigt.
  • Die 10H ist eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Frontbeleuchtungssystems für ein LCD (BRLCD), wobei die Lichtquelle 41 über ein Array 42 von LEDs verfügt und durch sie ein Zielgebiet 40a des LCD 40 beleuchtet wird. In diesem Fall ist ein Array 43 von Hologramm-Homogenisierungseinrichtungen für die LED-Arrays 42 in der Lichtquelle 41 vorhanden (statt dessen könnte eine Einzel-Homogenisierungseinrichtung verwendet werden). Wenn ein Array von LEDs als Lichtquelle 41 verwendet wird, kann es an der Abdeckung des LCD 40 montiert werden, wie es in der 10G dargestellt ist.
  • Bei der in der 9A dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das LCD 40 auf einem Glassubstrat 60 ausgebildet. Auf diesem Glassubstrat 60 sind eine reflektierende Schicht (interner Spiegel) 61, eine Flüssigkristallschicht 62, eine ITO-Elektrodenschicht 63, eine Schicht von Farbfil tern 64, ein oberes Glassubstrat 65 und ein Polarisator 66 ausgebildet. An der Grenzfläche zwischen dem Substrat 60 und der reflektierenden Schicht 61 sind Elektroden (nicht dargestellt) angebracht, so dass dadurch ein elektrisches Feld an die Flüssigkristallschicht 62 angelegt werden kann, dass eine Spannung zwischen die Elektroden auf dem Glassubstrat 60 und die ITO-Elektrodenschicht 64 gelegt wird.
  • Ferner ist auf dem Polarisator 66 ein holografisches Element (holografisches Feldelement) 67 angeordnet. Dieses holografische Element 67 unterscheidet sich von dem in der 1A Dargestellten dadurch, dass die in der 9A dargestellte Erfindung eine holografische Feldlinse 67 verwendet. Bei der Ausführungsform der 9A ist die holografische Feldlinse 67 eine holografische Transmissions-Feldlinse. Die Verwendung einer derartigen Linse 67 als holografisches Element 67 bedeutet, dass dieses nur dann funktioniert, wenn es durch die nahe positionierte Hilfs-Lichtquelle 41 beleuchtet wird, wohingegen es im Wesentlichen keinen Effekt hat, wenn es unter Umgebungslichtbedingungen verwendet wird.
  • Die durch die holografische Feldlinse 67 gestrahlten Lichtstrahlen verlaufen unter umgekehrten Winkeln. Die holografische Feldlinse 67 konzentriert Licht von der Lichtquelle 41, und sie lenkt kollimiertes Licht zur Flüssigkristallschicht 62. Dies hat den Effekt des Erzeugens einer virtuellen Lichtquelle im Unendlichen, wie es schematisch in der 11A dargestellt ist.
  • Die 9E ist eine schematische Darstellung des Betriebsprinzips des LCD 40 der 9A. Wie es in der 9E dargestellt ist, wird das erfindungsgemäße LCD 40 durch divergierendes Licht von einer Hilfs-Lichtquelle 41 beleuchtet, die nahe am Display 40, jedoch versetzt gegen dieses, angeordnet ist. Das auf das LCD 40 fallende divergierende Licht wird durch die holografische Feldlinse 67 kollimiert und in einen kollimierten Strahl umgelenkt, der sich im Wesentlichen in der Achse ausbreitet. Im Gegensatz zu den holografischen Elementen der oben beschriebenen bekannten Vorrichtungen variiert der Bragg-Winkel des holografischen Feldelements 67 bei der Erfindung über dasselbe.
  • Die spiegelnden Reflexionen an der Vorderseite des LCD 40 und den Innenschichten desselben sind in der 9A dargestellt. Die 9C erläutert, wie der Effekt dieser spiegelnden Reflexionen minimiert wird.
  • Die 9C veranschaulicht Variationen von Licht, das von einer holografisch beleuchteten Streueinrichtung mit hohem Gewinn unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln beleuchtet wird. Anders gesagt, zeigt die 9C die Intensität von durch das LCD zurückgeworfenem Licht als Funktion des Winkels (gemessen von der Normalachse zur LCD-Tafel). Die Intensität ist für drei gesonderte Positionen über die LCD-Tafel hinweg dargestellt, wobei die Position 1 der Lichtquelle am nächsten liegt und die Position 3 von ihr am entferntesten liegt.
  • Die Reflexion an der LCD-Tafel ist in die folgenden drei Komponenten aufgeteilt: (1) die spiegelnde Reflexion (A1) an der Vorderfläche; (2) die spiegelnde Reflexion (A2) der holografischen Beleuchtung an den internen CD-Schichten, z.B. an der ITO-Elektrodenschicht 63; und (3) die diffuse Reflexion (C) am LCD (d.h. die Verteilung der Intensität von der Streueinrichtung hohen Gewinns).
  • Der Winkel, unter dem die spiegelnde Reflexion (A1) an der Vorderfläche des LCD auftritt, variiert über das LCD, wie es in den 9A und 9C dargestellt ist. Da jedoch das in das LCD 40 gerichtete Licht durch das holografische Feldelement 67 kollimiert wird, tritt die spiegelnde Reflexion (A2) an den internen LCD-Schichten über die LCD-Tafel unter einem festen Winkel auf. Die Winkelverteilung (C) des durch die reflektierende Schicht 61, die eine reflektierende Streuschicht hohen Gewinns is, reflektierte Licht ist ebenfalls über die LCD-Tafel 40 konstant, wiederum da die reflektierende Schicht 61 Licht empfängt, das durch das holografische Feldelement 67 kollimiert wurde. Da die Winkelverteilung der Intensität (C) des durch die reflektierende Schicht 61 reflektierten Lichts über die LCD-Tafel 40 konstant ist, ergibt es sich, dass ein Betrachter, der dieselbe entlang ihrer Normalachse betrachtet, über sie hinweg eine konstante Intensität sieht, wie es in der 9C als I1, I2, I3 dargestellt ist. Demgemäß scheint das LCD 40 über die Tafel 40 hinweg gleichmäßig beleuchtet zu sein, so dass, wenn sich der Betrachter seitlich in Bezug auf dieselbe bewegt, die Intensität des Displays 40 keine Änderung zeigt.
  • Die 9C zeigt auch die maximal mögliche Betrachtungszone (oder den "nutzbaren Winkelfreiheitsgrad") des Displays als (B). Der Betrachtungsfreiheitsgrad (B) des Displays ermöglicht eine gleichmäßige Displaybeleuchtung im Bereich zwischen den spiegelnden Reflexionen und dem Abfallpunkt des diffusen Ausgangslichts des hinteren Reflektors. So ist der Betrachtungsfreiheitsgrad (B) des Displays in der Position 1 durch die spiegelnde Reflexion (A2) an den internen LCD-Schichten und die spiegelnde Reflexion (A1) an der Vorderseite der LCD-Tafel bestimmt.
  • In der 9B ist eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Struktur der LCD-Tafel 40' ist bei dieser Ausführungsform, wie sie in der 9B dargestellt ist, ähnlich derjenigen der 9A, jedoch mit der Ausnahme, dass das holografische Feldelement 67' so ausgebildet ist, dass es einfallendes Licht unter einem Vorwärtswinkel durchlässt. Demgegenüber lässt das holografische Feldelement 67 in der 9A Licht unter einem Umkehrwinkel durch. Dieselben Elemente in den 9A und 9B sind mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und zugehörige Beschreibungen werden hier weggelassen.
  • Die 9D veranschaulicht Variationen reflektierten Lichts an einer holografisch beleuchteten Streueinrichtung hohen Gewinns am LCD der 9B unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln. Anders gesagt, zeigt die 9D die Intensitätsvariation von am LCD der 9B reflektiertem Licht als Funktion des Betrachtungwinkels. Wie in der 9C verfügt das an der LCD-Tafel reflektierte Licht über drei Komponenten: die spiegelnde Reflexion (A1) an der Frontfläche, deren Winkel über die Tafel variiert; die spiegelnde Reflexion (A2) von Licht an den internen LCD-Schichten; und die diffuse Reflexion (C) an der reflektierenden Schicht 61. Da das auf die LCD-Tafel 40' fallende Licht durch das holografische Feldelement 67' kollimiert wird, tritt die spiegelnde Reflexion (A2) an den internen Schichten im LCD 40' über dasselbe hinweg mit konstantem Winkel auf. Die diffuse Reflexion (C) an der reflektierenden Schicht 61, die erneut aus einer reflektierenden Schicht hohen Gewinns besteht, zeigt ebenfalls über das gesamte LCD 40' hinweg konstante Intensität über der Winkelverteilung.
  • Wie es in der 9D dargestellt ist, ist der nutzbare Betrachtungswinkel (B9 des Displays 40' der 9B durch den Bereich zwischen der spiegelnden Reflexion an den internen LCD-Schichten einerseits und den Abfallpunkt des diffusen Ausgangslichts des hinteren Reflektors andererseits bestimmt. Die 9D zeigt, dass die Intensität von Licht, wie es zu einem Betrachter entlang der Normalachse des LCD reflektiert wird, über das Gebiet des LCD-Displays konstant bleibt, wie es aus I1, I2, I3 ersichtlich ist.
  • Demgemäß sind die in den 9A und 9B dargestellten LCDs zur Verwendung mit einer dicht bei ihnen angeordneten Hilfs-Lichtquelle geeignet. Die Verwendung eines holografischen Feldelements bedeutet, dass es möglich ist, die Hilfs-Lichtquelle nahe am LCD anzuordnen und immer noch über den LCD-Schirm eine gleichmäßige Beleuchtung zu erzielen. Dies bedeutet, dass die Hilfs-Lichtquelle herkömmlich angebracht werden kann, z.B. durch eines der Verfahren, wie sie unter Bezugnahme auf die 10A bis 10H beschrieben wurden.
  • Obwohl die reflektierende Feldlinse bei den in den 9A und 9B dargestellten Ausführungsformen Licht von der Hilfs-Lichtquelle kollimiert, ist es nicht erforderlich, dass diese holografische Feldlinse 67 dieses ausführt. Die 11B veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das holografische Feldelement 70 über seine Fläche mit einer Effizienz von 50% arbeitet, um eine zweite dicht positionierte Lichtquelle 41' nachzubilden. Dies sorgt für eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Beleuchtung im Vergleich zu einer einzelnen dicht beabstandeten Lichtquelle beim Fehlen einer holografischen Feldlinse.
  • In der 12A ist das Betriebsprinzip der holografischen Feldlinse 67 (und ihres in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Äquivalents) zusammengefasst. Diese zeigt, dass das Licht von der Hilfs-Lichtquelle 61 durch das holografische Feldelement 67 gebeugt wird und unter einem Winkel Θ zur Normalachse des LCD 40 als kollimierter Lichtstrahl in dieses gelenkt wird. Die 12A veranschaulicht auch die Beugung des zurücklaufenden Lichts nach der Reflexion durch den internen Spiegel im LCD.
  • Der Beugungswinkel Θ des kollimierten Lichtstrahls in der holografischen Feldlinse der 9A oder 9B sollte so gewählt werden, dass er zwei Haupterfordernissen genügt. Erstens sollte die Lichtquelle als virtuelle, im Wesentlichen auf der Achse liegende Quelle eine Wiederabbildung erfahren. Dies dient zum Maximieren und Vergleichmäßigen der Helligkeit der Anzeige in der Richtung eines Betrachters auf der Achse, wie es oben hinsichtlich der 9A bis 9D erläutert wurde. Andererseits sollte Θ auch so gewählt werden, dass jegliche Wechselwirkung des gebeugten Strahls, wenn er durch die holografische Feldlinse läuft, nachdem er durch das reflektierende Element des LCD reflektiert wurde, so weit wie möglich minimiert wird. Wenn das zurückkehrende Licht wesentlich mit der holografischen Feldlinse wechselwirken würde, würde es zur Lichtquelle zurückgebeugt werden, und es würde nicht zum Benutzer laufen. Außerdem sollte die spiegelnde Reflexion von internen Komponenten des LCD nicht in die Betrachtungszone gelenkt werden.
  • Die Wechselwirkung zwischen den zurückkehrenden, gebeugten Strahlen und der holografischen Feldlinse wird minimiert, wenn der Austrittswinkel des Hologramms (Θ) so eingestellt wird, dass er außerhalb des Bragg-Eintrittswinkels des holografischen Feldelements 67 liegt, wie es in der 12B dargestellt ist. Wenn in der 12B der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls (des durch den internen Spiegel im LCD reflektierten Lichts) innerhalb des Eintrittskegels um den Beugungswinkel herum liegt (die zugehörige Breite ist in der 12B mit 2ΔΘ gekennzeichnet), wie es durch den einfallenden Strahl Ia dargestellt ist, zeigt dieser mit dem holografischen Feldelement 67 eine Wechselwirkung, und er wird als gebeugter Strahl D gebeugt. Wenn jedoch der Eintrittswinkel des einfallenden Lichtstrahls außerhalb des Eintrittskegels liegt, wie es durch den einfallenden Strahl Ib dargestellt ist, läuft dieser ungebeugt als Lichtstrahl L zum holografischen Feldelement 67. So zeigt das durch die reflektierende Linse reflektierte Licht keine Wechselwirkung mit dem holografischen Feldelement 67, wenn es zur holografischen Feldlinse 67 zurück reflektiert wird.
  • Um die Beugung des zur Lichtquelle zurückkehrenden Lichts zu minimieren, sollte der Beugungswinkel so gewählt werden, dass er größer als die halbe Breite des mittleren Winkels des Eintrittskegels des Hologramms 67 ist, wie es in der 12B dargestellt ist.
  • Die 13 zeigt den Effekt von Variationen der Beugungseffizienz des holografischen Feldelements 67 auf die Ausgangshelligkeit des LCD 40. Genauer gesagt, zeigt die 13 die Helligkeitsverteilung von Ausgangslicht Itot in der Normalrichtung für eine LCD-Vorrichtung 40 mit einer vorderen Beleuchtungseinrichtung unter Verwendung einer holografischen Feldlinse 67 für verschiedene Anzeigegebiete (Positionen) 1, 2 und 3 als Funktion der Beugungseffizienz eines holografischen Feldelements 67.
  • In der Position 1 ist die Lichtquelle 41 der Zweckdienlichkeit halber so dargestellt, dass sie sich direkt über der Tafel 40 befindet. Wenn das holografische Feldelement 67 eine Beugungseffizienz von 100 zeigt, wird das gesamte einfallende Licht unter einem Winkel weg von der Normalachse zur Tafel 40 gebeugt, und die Reflexion am reflektierenden Element (interner Spiegel) hohen Gewinns des LCD 40 entlang der Normalachse ist verringert. wenn andererseits die Beugungseffizienz des Hologrammelements 67 0% beträgt, bereitet sich das gesamte Licht in der Normalrichtung im LCD 40 aus, und die Intensität des in der Normalrichtung zu einem Benutzer reflektierten Lichts ist maximal. Demgemäß ist die Helligkeit der Platte 40 an der Position 1, wie von einem Betrachter entlang der Normalachse gesehen, ver ringert, wenn das Hologrammelement 67 eine Beugungseffizienz von 100 aufweist, was auf dem reflektierenden Element hohen Gewinns beruht.
  • Demgegenüber nimmt an der Position 3 in der 13 am entfernten Rand der Tafel 40, entfernt von der Lichtquelle 41, die Ausgangshelligkeit entlang der Normalachse zu, wenn die Beugungseffizienz des Hologramms zunimmt. Demgemäß ist es wünschenswert, an der Position 3 für das holografische Feldelement 67 über eine hohe Beugungseffizienz zu verfügen.
  • Daher ist es erkennbar, dass die Gleichmäßigkeit der Ausgangsintensität der LCD-Tafel, über diese hinweg, durch Variieren der Beugungseffizienz der holografischen Feldlinse 67 über diese hinweg maximiert werden kann. Es ist bevorzugt, dass die holografische Feldlinse 67 an der Position 1 eine geringe Effizienz zeigt, so dass eine Reflexion des Lichts nullter Ordnung für den Großteil des Ausgangslichts sorgt. An der Position 3 sollte das holografische Element 67 demgegenüber eine hohe Beugungseffizienz zeigen, um die Ausgangshelligkeit in der Betrachtungsrichtung zu maximieren.
  • Zusätzlich zu Lichtverlusten auf Grund des LC-Modus mit Einzelpolarisator werden Lichtverluste bei den in den 9A und 9B dargestellten LCDs hauptsächlich durch das holografische Feldelement, das Licht absorbiert oder streut, sowie durch Reflexion von Licht an der Frontfläche der LCD-Tafel verursacht. Diese Effekte können dadurch minimiert werden, dass auf die Frontfläche des holografischen Feldelements eine Antireflexionsbeschichtung aufgetragen wird und dass es direkt auf ein Glassubstrat des LCD laminiert wird.
  • Die Erfindung zeigt eine Anzahl von Vorteilen. Am LCD ist nur ein einzelnes Beugungselement befestigt, das außen liegt und an einem vorhandenen LCD angebracht werden kann. Das holografische Feldelement verfügt über keine Struktur vom Typ mit internen Pixeln, so dass es nicht erforderlich ist, es mit Pixeln des LCDs auszurichten. Darüber hinaus bedeutet die interne Struktur der holografischen Feldlinse im Submikrometer-Maßstab, dass keine Moiréeffekte auftreten.
  • Ferner ist eine holografische Feldlinse ein winkelspezifisches Element für Betrieb unter speziellen Beleuchtungsbedingungen, und es beeinflusst die Anzeigeeigenschaften bei anderen Beleuchtungsbedingungen nicht wesentlich. Dies bedeutet, dass das holografische Feldelement die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung von der Hilfs-Lichtquelle verbessert, jedoch die Eigenschaften der Beleuchtung nicht beeinflusst, wenn das Display durch Umgebungslicht beleuchtet wird.
  • Die 14 veranschaulicht ein Verfahren zum Aufzeichnen eines holografischen Feldelements 67 zur Verwendung bei einem LCD, wie es in der 9A oder 9B dargestellt ist.
  • Genauer gesagt, zeigt die 14 ein Prinzipschema für das Aufzeichnen einer holografischen Feldlinse (Umkehrbeugung), wobei ein Aufzeichnungslaser 61, ein Raumfilter und eine Kollimierlinse (gemeinsam mit 72 gekennzeichnet), ein Strahlteiler 73, Rührspiegel 74 und 75, eine Linse 76 und eine lichtempfindliche Probe 77 verwendet werden. Das Transmissionshologramm Feldelement kann als einzelnes, flaches Element hergestellt werden, das unter Verwendung des in der 14 veranschaulichten Schemas aufgezeichnet wird, wobei seine zentrale Wellenlänge an die Spektralcharakteristik der Hilfs-Lichtquelle angepasst wird. Es kann jegliches herkömmliches holografische Material hoher Effizienz verwendet werden. Beispiele sind DCG, Dupont oder die Familien Omnidex oder HRF, und die Wahl eines speziellen Materials hängt von der Wellenlänge des Aufzeichnungslasers 71 und der zentralen Wellenlänge der Hilfs-Lichtquelle ab. Es können mehrstufige Techniken zum Korrigieren von Abberationen verwendet werden, wie sie durch Unterschiede der Aufzeichnungs- und Auslesebedingungen verursacht werden, wie es in der Technik bekannt ist. Siehe z.B. "Holographic elements with high efficiency and low abberations for elements displays", Y. Amitai et al. in "Applied Optics", Vol. 28, Seiten 3405–3417, 1989.
  • In der 15 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die 15 zeigt die Verwendung chromatischer Dispersion eines Transmissionshologramms bei einer Grundausführungsform einer Frontbeleuchtungseinrichtung für ein reflektierendes LCD 40 unter Verwendung einer holografischen Feldlinse 67 und einer verteilten Farb-Lichtquelle 88.
  • Genauer gesagt, verfügt die Hilfs-Lichtquelle 88 bei dieser Ausführungsform über ein verteiltes Farb-LED-Array, das rote, grüne und blaue LEDs 88R, 88G, 88B enthält. Diese LEDs 88R, 88G, 88B sind räumlich voneinander getrennt. Jede der LEDs 88R, 88G, 88B im Array ist mit einem Homogenisierungselement (nicht dargestellt) versehen, um die Form des Ausgangsstrahls zu ändern und die Intensität über die Fläche des Strahls gleichmäßig zu machen. Alternativ könnte ein einzelnes Homogenisierungselement dazu verwendet werden, die Ausgangsstrahlen von allen LEDs 88R, 88G, 88B zu homoge nisieren. Die Peakwellenlängen der LEDs 88R, 88G, 88B werden vorzugsweise so gewählt, dass sie mit denjenigen der Farbfilter des LCD 40 übereinstimmen.
  • Das holografische Feldelement 67 der 15 zur Verwendung mit dem verteilten Farb-LED-Array 88 kann erneut als einzelnes, nicht in Pixel unterteiltes Element hergestellt werden. Die chromatischen Streueigenschaften eines Volumen-Transmissionshologramms können dazu verwendet werden, Licht zu kombinieren, das von den räumlich getrennten roten, grünen und blauen LEDs 88R, 88G, 88B herrührt, so dass die holografische Feldlinse 67 der 15 als Strahllenkelement, als Kollimator und als Farbkombinierer fungiert. Ein einzelnes holografisches Feldelement erfüllt die Bragg-Bedingungen für effektivere Konstruktion einer holografischen Linse für Licht von den roten, grünen und blauen LEDs 88R, 88G, 88B.
  • Die Ausführungsform der 15 erfordert wiederum nur ein einzelnes Beugungselement, obwohl eine vollfarbige Lichtquelle verwendet wird. Das holografische Feldelement 67 verfügt wiederum über keine Pixelstruktur mit den sich ergebenden Vorteilen, wie sie oben skizziert sind. Darüber hinaus erlaubt es die Verwendung eines verteilten Farb-Lichtquelle 88, die spektralen Eigenschaften der Hilfs-Lichtquelle z.B. so einzustellen, dass die Farbfilter zu einem speziellen reflektierenden LCD 40 passen. Dies verbessert das Farbgleichgewicht eines LCD 40. Ferner beeinflusst das holografische Feldelement 67, wie oben skizziert, die Eigenschaften des LCD 40 bei Betrieb im Umgebungslicht nicht wesentlich.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein holografisches Feldelement, das in Verbindung mit einer als Einzelchip aufgebauten Hilfs-Lichtquelle für weißes Licht verwendet werden kann, als zweistufige Regenbogenkonfiguration ausgebildet werden.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein holografisches Feldelement, das in Verbindung mit einer mit einem Einzelchip aufgebauten Weiß-Lichtquelle verwendet wird, als in Pixel unterteiltes Einzelschichtelement in solcher Weise hergestellt werden, dass einzelne Unterelemente mit entsprechenden Farbpixeln eines LCD übereinstimmen. Dann ist es möglich, die spektralen Eigenschaften jedes einzelnen Unterelements des holografischen Feldelements an die Eigenschaften der LCD-Pixel anzupassen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform fungiert das holografische Feldelement außerdem als schwache achsversetzte Transmissions-Streueinrichtung, und seine Bildebene liegt in der Ebene der Flüssigkristallschicht, wenn es an der Vorderseite eines LCD angebracht ist. Ein derartiges holografisches Feldelement wirkt auf die oben beschriebene Weise als Feldlinse, und es zeigt zusätzlich schwache Streueigenschaften, die dazu dienen, den Betrachtungswinkel zu vergrößern und jegliche Variation der Helligkeit über ein LCD weiter zu verringern. Der gestreute, gebeugte Strahl ist so beschaffen, dass er sich unter einem Winkel von 3 bis 5° zur Normalachse ausbreitet. Ein derartiges holografisches Feldelement kann durch Techniken aufgezeichnet werden, die denen ähnlich sind, wie sie in der 14 veranschaulicht sind.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der 16 veranschaulicht. Die 16 zeigt eine Schnittansicht einer Grundkonfiguration einer Frontbeleuchtungseinrichtung unter Verwendung einer verteilten Farb-Lichtquelle 88 und eines holografischen Mikrolinsenarrays 87.
  • Bei dieser Ausführungsform verfügt das LCD 40 über ein Glassubstrat 80, eine reflektierende Schicht (interner Spiegel) 81, eine Flüssigkristallschicht 82, eine ITO-Elektrodenschicht 83, eine Schicht von Farbfiltern 84, ein Glassubstrat 85, einen Polarisator 86 und eine holografische Feldlinse, die als holografisches Mikrolinsenarray 87 realisiert ist. Das LCD 40 wird durch eine Hilfs-Lichtquelle 88 mit drei LEDs 88R, 88G, 88B zum Emittieren blauen, grünen bzw. roten Lichts beleuchtet. Die Farbfilter 84 verfügen über ein rotes Filter 84R, ein blaues Filter 84B und ein grünes Filter 84G.
  • Die LEDs 88R, 88G, 88B sind gegen das LCD 40 versetzt, und sie sind mit einem zugehörigen Strahlformungs-Homogenisierungselement (nicht dargestellt) versehen. Das Array der einzelnen LEDs 88R, 88G, 88B mit den Homogenisierungseinrichtungen ist so angeordnet, dass Anpassung an Bedingungen für effektive Beugung in einem entsprechenden Emissionsspektralbereich existiert. Darüber hinaus sind die drei einzelnen LEDs 88R, 88G, 88B zur Ausrichtung der Farbflecke auf die Farbfilter 84R, 84G bzw. 84B abgestimmt.
  • Die Brennebene des holografischen Transmissions-Mikrolinsenarrays 87 liegt in der Flüssigkristallschicht 83 oder nahe bei dieser. Das holografische Mikrolinsenarray 87 lenkt das eintretende Licht von den LEDs 88R, 88G, 88B in solcher Weise, dass rotes Licht zum roten Filter 84R gelenkt wird, grünes Licht zum grünen Filter 84G gelenkt wird und blaues Licht zum blauen Filter 84B gelenkt wird. Die optische Achse jeder Mikrolinse steht unter einem Winkel von 3° bis 5° zur Normalachse der Anzeigefläche.
  • Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das gesamte Licht einer LCD in die Apertur einer passenden Flüssigkristallzelle konzentriert wird. Diese Ausführungsform ist auch zur Verwendung mit einer verteilten Farb-Lichtquelle besonders günstig, da es möglich ist, ein einzelnes Mikrolinsenelement dazu zu verwenden, dadurch drei Farbpixel (ein rotes Pixel, ein grünes Pixel und ein blaues Pixel) zu beleuchten, das eine geeignete räumliche Anordnung der LEDs verwendet wird. Die Anordnung ermöglicht es, dass das Mikrolinsenarray eine Farbaufteilung in solcher Weise ausführt, dass im Wesentlichen das gesamte Licht einer speziellen Farbe zu einem Pixel dieser Farbe läuft. Dies vermeidet Absorptionsverluste in Pixeln anderer Farbe.
  • Das holografische Mikrolinsenarray 87 der 16 wirkt nicht als Strahlkombinierer (wie im Fall der 15), und Licht jeder Wellenlänge wird durch das Mikrolinsenarray 87 separat verarbeitet. Dies ermöglicht es, dass jede Mikrolinse mit der Größe dreier einzelner Farbpixel hergestellt wird, was die Toleranzerfordernisse für das LCD 40 verringert.
  • Die Beugungsnatur des holografischen Mikrolinsenarrays 87 ist wesentlich, um eine Wechselwirkung von Licht, das von der reflektierenden Schicht 81 zurückkehrt, mit ihm zu vermeiden. Die Reflexion durch die reflektierende Schicht 81 verdoppelt den Beugungswinkel, so dass das reflektierte Licht jenseits des Bragg-Eintrittswinkels liegt, so dass Ausgangslicht in der nutzbaren Betrachtungsrichtung nicht gebeugt wird, wenn es zum holografischen Mikrolinsenarray 87 zurückkehrt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt), ist die verteilte Farb-Lichtquelle der 16 durch eine versetzte, auf einem Einzelchip ausgebildete Weißlicht-LED ersetzt. Bei dieser Ausführungsform muss das holografische Transmissions-Mikrolinsenarray mit einer zusätzlichen Pixelstruktur versehen sein, die mit derjenigen des LCD ausgerichtet ist, so dass die spektralen Eigenschaften einzelner Unterelemente des holografischen Mikrolinsenarrays an die Eigenschaften der Farbfilter angepasst sind.
  • Die Verwendung eines LCD 40 mit einem Hologrammelement 67 gemäß der Erfindung bei einem 3D-Anzeigesystem ist in sowohl der 17A (2D-Modus) als auch der 17B (3D-Modus) dargestellt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass das LCD 40 z.B. der 9A mit einem Array von Wellenplatten (z.B. 2D/3D-Verzögerersperre) 88 versehen wird. Dies ist detailliert in der UK-Patentanmeldung Nr. 9713985.1/2 317 295, deren Inhalt hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
  • Beim in der 17B dargestellten 3D-Modus ist ferner ein Polarisator 89 vorhanden. Dadurch wird eine Parallaxesperre erzeugt, so dass ein 3D-Bild angezeigt werden kann. Im in der 17A veranschaulichten 2D-Modus ist kein Polarisator vorhanden, so dass die Verzögererersperren 88 keinen Effekt zeigen.
  • In der 18 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die 18 ist eine Schnittansicht einer Grundkonfiguration einer Berührungsschirm-Anzeigevorrichtung auf Grundlage eines reflektierenden LCD, und sie zeigt, wie ein LCD modifiziert werden kann, um als LCD-Berührungsschirm hoher Auflösung zu wirken. Dies erfolgt durch Anbringen einer Infrarot(IR)-LED 90 der Hilfs-Lichtquelle und eines positionsempfindlichen Detektors (PSD) 91 benachbart zueinander. Wenn die Hilfs-Lichtquelle an einem Arm 52 des LCD montiert ist, wie es in der 10C dargestellt ist, können die IR-LED 90 und der positionsempfindliche Detektor 91 am Arm 52 montiert werden.
  • Ein Stift 92 ist mit einer wiederspiegelnden Stiftspitze 93 versehen. Licht von der IR-LED 90 wird durch die wiederspiegelnde Stiftspitze 93 reflektiert und den positionsempfindlichen Detektor 91 erfasst. Die Koordinaten der Stiftspitze 93 können aus dem erfassten Bild berechnet werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der 19 dargestellt, die eine Schnittansicht einer Grundkonfiguration einer möglichen Ausführungsform eines Frontbeleuchtungssystems für ein BRLCD 40'' unter Verwendung eines Elements 61' mit einer hinteren, holografischen, reflektierenden Streueinrichtung in Kombination mit einem internen LCD-Spiegel (reflektierende Schicht) zeigt.
  • Die Konfiguration der 19 ist der der Ausführungsform der 9A ähnlich. Jedoch beinhaltet, wie oben beschrieben, anstatt dass eine gesonderte holografische Feldlinse 67 und eine reflektierende 61 wie in der 9A vorliegen würden, die reflektierende Schicht 61'' der 19 auch eine holografische, achsversetzte Streueinrichtung, und demgemäß fungiert die sich ergebende Schicht 61'' als holografische Feldlinse. Die Elemente, die bereits unter Bezugnahme auf die vorigen Figuren beschrieben wurden, sind mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und die zugehörigen Beschreibungen werden hier weggelassen.
  • Die 20 zeigt schematische Schnittansichten einer vorgeschlagenen Konfiguration eines internen Reflektors für ein BRLCD, bei dem eine herkömmliche Streueinrichtung mit hohem Gewinn, wie in (a) dargestellt, und eine achsversetzte, holografische Streueinrichtung, wie in (b) dargestellt, zu einer einzelnen Einheit kombiniert sind, wie es in (c) dargestellt ist.
  • Genauer gesagt, zeigt der Teil (a) der 20 eine herkömmliche reflektierende Streueinrichtung 96a hohen Gewinns, wie sie zur Verwendung als reflektierende Schicht (interner Spiegel) 61 in der 9A verwendbar ist. Diese Streueinrichtung 96a verfügt über eine Reliefstruktur 95 einer metallisierten Oberfläche, die in einem lichtempfindlichen Material 96 wie einem Fotoresist ausgebildet ist. Andererseits ist im Teil (b) der 20 eine achsversetzte, holografische Oberflächenrelief-Streueinrichtung 96b mit einer ebenfalls in einem lichtempfindlichen Material 96 ausgebildeten Oberflächenstruktur 97 dargestellt. Die reflektierende Streueinrichtung 96a mit hohem Gewinn und die achsversetzte, holografische Oberflächenrelief-Streueinrichtung 96b können sequenziell in einem einzelnen Substrat 96 eines lichtempfindlichen Materials aufgezeichnet werden und gemeinsam so verarbeitet werden, dass auf der Oberfläche des Substrats 96 die Überlagerung der zwei Oberflächenstrukturen 95 und 97 vorhanden ist, wie es im Teil (c) der 20 dargestellt ist. Die sich ergebende Struktur 96c wird als reflektierende Schicht 61' der 19 verwendet. Wie oben angegeben, ist bei dieser Ausführungsform keine separate holografische Feldlinse erforderlich.
  • Eine holografische, achsversetzte, reflektierende Streueinrichtung wird als Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Licht von einer achsversetzten Punktlichtquelle und einer auf der Achse liegenden Streueinrichtung mit einer Bildebene, die mit der Flüssigkristallschicht übereinzielt, aufgezeichnet. Die achsversetzte Punktlichtquelle verfügt über eine Winkelcharakteristik und eine Position, die diejenigen einer vorgesehenen Beleuchtungseinrichtung simulieren. Ein derartiges Element kann in einem zweistufigen Prozess aufgezeichnet werden, der unten unter Bezugnahme auf die 21A und 21B beschrieben wird, die ein Prinzipschema für die Aufzeichnung einer holografischen, achsversetzten Dreifarben-Streueinrichtung veranschaulichen.
  • In der 21A ist die erste Stufe dargestellt. Diese beinhaltet das Aufzeichnen eines Objekts 98, d.h. einer in der Achse liegenden Streuebene 98 mit einer Winkelcharakteristik, die dem gewünschten nutzbaren Betrachtungsbereich einer Anzeigevorrichtung ähnlich ist. Die Form der Streuebene 98 entspricht der Form der Anzeigevorrichtung. Diese wird in der Ebene H1 unter Verwendung eines Bezugsstrahls 99 ebener Wellen aufgezeichnet.
  • Die zweite Stufe des Prozesses ist in der 21B dargestellt. In dieser Stufe wird die Ebene H1 unter Verwendung eines Strahls 99A rekonstruiert, der zum zum Aufzeichnen der Ebene H1 in der 1A verwendeten Bezugsstrahl 99 konjugiert ist, und demgemäß wird ein Bild der Streuebene 98 rekonstruiert. Dieses Sekundärbild (d.h. das rekonstruierte Bild) wird als neues Objekt für die Aufzeichnung in der Ebene H2 verwendet, mit einer achsversetzten Punktlichtquelle 100 mit Eigenschaften, die nahe bei denen der vorgesehenen LCD-Beleuchtungseinrichtung liegen. Ein lichtempfindliches Substrat 102 wird hinter der Bildebene der Ebene H1 so positioniert, dass eine durch die Ebene H2 in der Bildebene rekonstruierte holografische Streueinrichtung räumlich mit der Ebene der Flüssigkristallschicht zusammenfällt (der Begriff "Flüssigkristallschicht" bezeichnet die Flüssigkristallschicht im vorgesehenen LCD). Die Streueinrichtung liefert das Aussehen einer räumlich gleichmäßigen Verteilung in der Richtung eines Betrachters orthogonal zu ihrer Anzeigefläche. Um eine chromatisch korrigierte Vollfarben-Streueinrichtung zu erhalten, kann eine Modifizierung der bekannten Regenbogenhologrammtechnik verwendet werden.
  • Beim oben beschriebenen Prozess verfügt die Ebene H2 über dieselbe lichtempfindliche Schicht wie der interne Reflektor des LCD. Darüber hinaus sind der Eintrittswinkel und die Winkelcharakteristik des Bezugsstrahls durch die Position der Beleuchtungsquelle definiert.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der 22 veranschaulicht, die eine Schnittansicht einer möglichen Ausführungsform einer LCD-Vorrichtung unter Verwendung einer internen holografischen Feldlinse zeigt.
  • Die Konfiguration der 22 ist der Ausführungsform der 9A ähnlich, jedoch ist die externe holografische Feldlinse 67 der 9A in der 22 durch eine interne holografische Linse 67'' ersetzt. Dieselben Komponenten in der 9A und der 22 sind mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet, und die zugehörigen Beschreibungen werden hier weggelassen.
  • In der 22 ist durch Platzieren der holografischen Linse 67'' nahe an der Flüssigkristallschicht 62 die Hologrammstreuung verringert. Bei dieser Ausführungsform ist die holografische Linse 67'' beabstandet zwischen einer dünnen, transparenten Schicht 103 (einem dünnen Stück Glas, das die Farbfilter 64, die ITO-Schicht 63 und die Ausrichtungsschichten (nicht dargestellt) trägt) und dem oberen Substrat 65 als dickerem Stück, das für konstruktive Abstützung sorgt, z.B. mit einer Glasdicke von 0,2 mm, angeordnet. Die dünne Schicht 103 kann z.B. aus Glas bestehen. Das Trennen der holografischen Linse 67'' von der Flüssigkristallschicht 62 verhindert eine mögliche Verunreinigung derselben durch holografische Materialien, und so verhindert es Probleme mit dem Standhaltevermögen der Vorrichtung.
  • Die interne holografische Linse 67'' der 22 funktioniert auf dieselbe Weise, wie es oben für die externe holografische Linse 67 der 9A beschrieben ist.
  • Ferner zeigt die 23 eine Schnittansicht einer möglichen Ausführungsform einer LCD-Vorrichtung unter Verwendung einer internen holografischen Feldlinse und eines internen Polarisators.
  • Die Ausführungsform der 23 ist derjenigen der 22 ähnlich. Bei dieser Ausführungsform ist der Polarisator 66 ebenfalls innerhalb des LCD, zwischen der internen holografischen Linse 67'' und der Farbfilterschicht 64, angeordnet. Bei dieser Ausführungsform bildet der Polarisator 66 eine Sperre zwischen der holografischen Linse 67'' und der Flüssigkristallschicht 62, so dass die dünne Schicht 103 der 22 weggelassen werden kann. Die holografische Linse 67'' ist wiederum dicht bei der Flüssigkristallschicht 62 platziert, so dass die Verwendung eines derartigen internen Hologramms 67'' eine Verringerung von Kontrastverlusten auf Grund einer Hologrammstreuung ermöglicht.
  • Die 24 zeigt, als weitere Ausführungsform der Erfindung, eine Schnittansicht einer möglichen Ausführungsform einer LCD-Vorrichtung unter Verwendung einer internen holografischen Feldlinse. Die Konfiguration in der 24 entspricht derjenigen in der 22, jedoch ist die dünne Schicht 103 der 22 nicht vorhanden. Diese Ausführungsform verfügt wiederum über verringerten Kontrastverlust auf Grund einer Hologrammstreuung, da die holografische Linse 67'' dicht bei der Flüssigkristallschicht 62 liegt. Jedoch existiert eine Verunreinigung der Flüssigkristallschicht 62 durch Materialien aus der holografischen Schicht 67''.
  • Die 25 zeigt, als weitere Ausführungsform der Erfindung, eine Schnitt ansicht einer möglichen Ausführungsform einer LCD-Vorrichtung unter Verwendung einer internen holografischen Feldlinse 67'' und eines internen Polarisators 66, die durch das dünne Glassubstrat 103 vom Farbfilter 64 beabstandet sind. Die Konfiguration der 25 entspricht derjenigen in der 22, jedoch ist der Polarisator 66 im LCD zwischen der holografischen Linse 67'' und der Farbfilterschicht 64 platziert.
  • Jede der 26A und 26B zeigt eine Lichtquelle gemäß der Erfindung. Die dargestellte Lichtquelle verfügt über ein reflektierendes LCD (in der 26A ist die zugehörige Anzeigefläche nur dargestellt, während in der 26B das LCD nicht dargestellt ist) und eine lokale Front-Lichtquelle 41, die z.B. der Abdeckung eines LCD oder einem LCD-Rahmen zugeordnet sein kann. Die lokale Lichtquelle 41 der 26A verfügt über eine LED-Gruppe 104 mit einer roten LED 104R, einer blauen LED 104B und einer grünen LED 104G, die räumlich voneinander getrennt sind, während diejenige der 6B über ein Array 104a mit jeweils derartigen Gruppierungen 104 verfügt, von denen jede die rote LED 104R, die blaue LED 104B und die grüne LED 104G aufweist. Die lokale Lichtquelle 41 ist ferner mit einer holografischen Strahl-Homogenisierungseinrichtung 105 versehen, die z.B. eine reflektierende, holografische Homogenisierungseinrichtung mit einer metallisierenden, reflektierenden Fläche sein kann. Die Homogenisierungseinrichtung 105 erzeugt ein Bild einer rechteckigen Streueinrichtung in der Ebene einer Flüssigkristallschicht mit einer optischen Achse, die mit der Normalachse auf der Anzeigefläche zusammenfällt. Die Homogenisierungseinrichtung 105 beinhaltet die Funktion der holografischen Feldlinse der obigen LCDs bei der vorliegenden Erfindung. Diese Lichtquellen können so bei einem LCD ohne holografische Feldlinse verwendet werden.
  • Die 27 bis 32 veranschaulichen jeweils weitere Ausführungsformen von Lichtquellen, die zur Verwendung als Hilfs-Lichtquelle für ein reflektierendes LCD geeignet sind.
  • Die 27 veranschaulicht eine Grundkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung eines Arrays einzelner reflektierender, holografische Farb-Homogenisierungseinrichtungen. Genauer gesagt, zeigt die 27 eine Lichtquelle 101. In der 27 wirkt die Lichtquelle 101 als Hilfs-Lichtquelle für ein LCD 100 z.B. unter Bedingungen mit geringer Umgebungsbeleuchtung. Die Lichtquelle 101 ist gegen die Achse des LCD 100 versetzt, und sie ist wenig von diesem beabstandet.
  • Die Lichtquelle 101 verfügt über rote, grüne und blaue Leuchtdioden (LEDs) 102R, 102G, 102B. Diese LEDs 102R, 102G, 102B sind vor einem Array 103 einzelner reflektierender, holografischer Farb-Homogenisierungseinrichtungen angeordnet. Das Array 103 enthält mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für blaues Licht, mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für grünes Licht und mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für rotes Licht. Die Homogenisierungseinrichtungen dienen zum Umverteilen des Integritätsprofils des von den LEDs 102R, 102G, 102B emittierten Lichts auf eine Weise, wie sie oben unter Bezugnahme auf die 6B beschrieben wurde.
  • Einiges von den LEDs emittiertes Licht 116 luft durch das Array 103 holografischer Homogenisierungseinrichtungen, ohne gebeugt zu werden. Jedoch wird einiges des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das auf die holografischen Homogenisierungseinrichtungen fällt, gebeugt, und so wird es zum LCD 100 reflektiert.
  • Das LCD 100 verfügt über ein unteres Glassubstrat 104, auf dem eine reflektierende Schicht (interner Spiegel) 105 angeordnet ist. Das LCD 100 verfügt auch über ein oberes Glassubstrat 106, auf dem eine ITO-Elektrodenschicht 107 und Farbfilter 108 angeordnet sind. Zwischen dem oberen und dem unteren Substrat 104 und 106 ist eine Schicht aus einem Flüssigkristall 109 angeordnet. Bildelementelektroden und zugeordnete Schaltelemente (nicht dargestellt) sind an der Grenzfläche zwischen dem unteren Substrat 104 und der reflektierenden Schicht 105 angeordnet, so dass durch Anlegen einer Spannung zwischen die Elektroden auf dem Substrat 104 und die ITO-Elektrodenschicht 107 ein elektrisches Feld an die Flüssigkristallschicht 109 angelegt werden kann.
  • Ferner ist über dem oberen Substrat 106 des LCD 100 ein Linearpolarisator 110 vorhanden.
  • Die LEDs 102R, 102G, 102B erzeugen jeweils einfarbige Bilder. Die LEDs 102R, 102G, 102B und das Array 103 reflektierender Homogenisierungseinrichtungen sind so angeordnet, dass die durch die LEDs 102R, 102G, 102B erzeugten einfarbigen Bilder in der Ebene des LCD 100 überlappen, so dass die LEDs 102R, 102G, 102B so kombiniert sind, dass sie als Weißlichtquelle wirken. Da das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch das Array 103 von Homogenisierungseinrichtungen gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, erzeugt das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Die 28 veranschaulicht eine andere Grundkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung eines Arrays einfarbiger, reflektierender, holografischer Homogenisierungseinrichtungen.
  • Genauer gesagt, ist die Lichtquelle 101 der 28 derjenigen der 27 mit der Ausnahme im Wesentlichen ähnlich, dass das Array 103 einfarbiger, reflektierender, holografischer Homogenisierungseinrichtungen der 27 durch ein Array 111 einfarbiger, transmissiver, holografischer Homogenisierungseinrichtungen 111R, 111G, 111B ersetzt ist. Das Array 111 enthält mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für blaues Licht, mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für grünes Licht und mindestens eine Homogenisierungseinrichtung für rotes Licht. Das Array 111 der transmissiven, holografischen Homogenisierungseinrichtungen ist zwischen den LEDs 102R, 102G, 102B und dem LCD 100 angeordnet.
  • Einiges des Lichts 116 von LEDs 102R, 102G, 102B durchläuft das Array 111 der transmissiven holografischen Homogenisierungseinrichtungen 111 ohne Beugung und geht verloren. Jedoch wird einiges des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B durch das Array 111 des transmissiven, holografischen Homogenisierungseinrichtungen gebeugt und auf das LCD 100 gelenkt. Die durch die LEDs 102R, 102G, 102B erzeugten einfarbigen Bilder sind so angeordnet, dass sie in der Ebene des LCD 100 überlappen, so dass die Lichtquelle 101 als Weißlichtquelle fungiert. Da das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch das Array 111 von Homogenisierungseinrichtungen gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, erzeugt das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Das LCD 100 in der 21 verfügt über dieselbe Konfiguration, wie sie in der 27 vorliegt. Dieselben Elemente tragen in beiden 27 und 28 dieselben Bezugszahlen, weswegen die zugehörigen Beschreibungen hier weggelassen werden.
  • Die 29 veranschaulicht die Grundkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung eines Arrays einfarbiger, reflektierender holografischer Homogenisierungseinrichtungen, die durch einen Spiegel hinterlegt sind.
  • Genauer gesagt, verfügt bei der Ausführungsform der 29 die Lichtquelle 101 erneut über ein Array 111 von transmissiven, holografischen Homogeni sierungseinrichtungen. Jedoch ist bei dieser Ausführungsform das Array 111 der holografischen Homogenisierungseinrichtungen hinter den LEDs 102R, 102G, 102B angeordnet.
  • Die Lichtquelle der 29 verfügt ferner über einen Spiegel 112, der hinter dem Array 111 holografischer Homogenisierungseinrichtungen angeordnet ist. Der Spiegel 112 ist so positioniert, dass Licht von den LEDs 102R, 102G, 102B, das gebeugt wird, wenn es durch das Array 111 der transmissiven, holografischen Homogenisierungseinrichtungen läuft, durch den Spiegel 111 zum LCD 100 gelenkt wird. Licht 116 von den LEDs 102R, 102G, 102B, das ohne Beugung durch das Array 111 holografischer Homogenisierungseinrichtungen läuft, wird jedoch nicht zum LCD 100 gelenkt, sondern es wird durch den Spiegel 112 von diesem weg gelenkt.
  • Wie bei den Ausführungsformen der 27 und 28 sind die einzelnen Farbbilder, wie sie durch die LEDs 102R, 102G, 102B erzeugt werden, so angeordnet, dass sie in der Ebene des LCD 100 überlappen, so dass die Lichtquelle 101 als Weißlichtquelle fungiert. Da das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch das Array 11 der Homogenisierungseinrichtungen gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, bildet das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Das LCD 100 in der 29 verfügt über dieselbe Konfiguration wie diejenigen in den 27 und 28. Dieselben Elemente tragen in diesen Figuren dieselben Bezugszahlen, weswegen die zugehörigen Beschreibungen hier weggelassen werden.
  • Die 30 veranschaulicht eine Grundkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung reflektierender, holografischer Homogenisierungseinrichtungen vom Sandwichtyp und einer kompakten Baugruppe einfarbiger LEDs.
  • Genauer gesagt, verfügt in der 30 die Lichtquelle 101 erneut über rote, grüne und blaue LEDs 102R, 102G, 102B. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die LEDs 102R, 102G, 102B mit Δ- oder Dreieckskonfiguration 102 statt als lineares Array angeordnet. Die einfarbigen, reflektierenden, holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 vom Sandwichtyp sind hinter den LEDs 102R, 102G, 102B platziert. In der 30 ist auch eine vergrößerte Ansicht der einfarbigen, reflektierenden, holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 vom Sandwichtyp dargestellt. In der vergrößerten Ansicht repräsentiert jeder Kreis die Beleuchtung einer anderen Farbe auf einer Sandwichstruktur der holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 vom Sandwichtyp.
  • Licht, das durch die holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 gebeugt wird, wird auf das LCD 100 gelenkt. Die holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 beinhalten drei separate Homogenisierungsstrukturen, die entweder in einer dreischichtigen Sandwichstruktur mechanisch überlappen, oder die in einer oder mehreren Schichten, jeweils mit anderer Wellenlängenantwort, wellenmäßig gemultiplext werden, so dass Licht von jeder LED 102R, 102G, 102B zum LCD 100 gelenkt wird. Die LEDs 102R, 102G, 102B und die reflektierenden, holografischen Homogenisierungseinrichtungen 113 sind so angeordnet, dass die durch jede LED 102R, 102G, 102B erzeugten einfarbigen Bilder in der Ebene des LCD 100 überlappen, so dass die Lichtquelle 101 als Weißlichtquelle fungiert. Da das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch die Homogenisierungseinrichtungen 113 gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, erzeugt das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Das in der 30 dargestellte LCD 100 verfügt über dieselbe Konfiguration wie diejenigen in den vorigen Figuren. Dieselben Elemente tragen in diesen Figuren dieselben Bezugszahlen, weswegen die zugehörigen Beschreibungen hier weggelassen werden.
  • Die 31 veranschaulicht eine Gruppenkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung räumlich getrennter einfarbiger LEDs und einer holografischen Transmissions-Homogenisierungseinrichtung unter einem achromatischen Winkel.
  • Genauer gesagt, verfügt, bei der Ausführungsform der 31, die Lichtquelle 101 über ein Array 122 einfarbiger LEDs 102R, 102G, 102B, die in einem linearen Array angeordnet sind. Das Array 122 ist unter einem achromatischen Winkel angeordnet, und hinter den LEDs 102R, 102G, 102B ist eine einzelne transmissive, holografische Homogenisierungseinrichtung 114 angeordnet. Ein achromatischer Winkel bezeichnet den Winkel, der zwei Objektpunkte verbindet, die zu zwei überlappenden Bildern verschiedener Wellenlängen führen (siehe z.B. EOS/SPIE Short Course SC2, "Advanced Display Holography" von S. Benton, Holographic International '92, Seiten 4–6.) Hinter der holografischen Homogenisierungseinrichtung 114 ist ein Reflektor 115 angeordnet. Licht von den LEDs 102R, 102G, 102B, das gebeugt wird, wenn es durch den holografischen Homogenisierungseinrichtung 114 läuft, wird durch den Reflektor 115 so reflektiert, dass es auf das LCD 100 fällt. Licht 116 von den LEDs 102R, 102G, 102B, das ohne Beugung durch die holografische Homogenisierungseinrichtung 114 läuft, wird jedoch vom LCD 100 weg gelenkt.
  • Die einfarbigen Bilder der LEDs 102R, 102G, 102B werden durch die einzelne holografische Transmissions-Homogenisierungseinrichtung 114 unter Ausnutzung deren chromatischer Dispersion kombiniert, um eine Weißlichtbeleuchtung des LCD 100 zu erzeugen. Das das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch die Homogenisierungseinrichtung 114 gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, erzeugt das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Das LCD 100 in der 31 verfügt über dieselbe Konfiguration wie diejenigen in den vorigen Figuren. Dieselben Elemente tragen in diesen Figuren dieselben Bezugszahlen, weswegen die zugehörigen Beschreibungen hier weggelassen werden.
  • Die 32 veranschaulicht eine andere Grundkonfiguration eines Beleuchtungssystems für ein reflektierendes LCD unter Verwendung räumlich getrennter, einfarbiger LEDs und einer holografischen Transmissions-Homogenisierungseinrichtung unter einem achromatischen Winkel.
  • Genauer gesagt, ist die Ausführungsform der 32 dahingehend der Ausführungsform der 31 ähnlich, dass sie ein lineares Array 122 einfarbiger LEDs 102R, 102G, 102B verwendet, die unter einem achromatischen Winkel angeordnet sind. Bei der Ausführungsform der 32 ist jedoch eine einzelne holografische Transmissions-Homogenisierungseinrichtung 114 zwischen den LEDs 102R, 102G, 102B und dem LCD 100 angeordnet. Licht, das beim Durchlaufen der holografischen Homogenisierungseinrichtung 114 gebeugt wird, wird auf das LCD 100 gerichtet, wohingegen Licht 116, das ohne Beugung durch die holografische Homogenisierungseinrichtung 114 läuft, nicht auf das LCD 100 fällt.
  • Wie bei der Ausführungsform der 31 werden die einfarbigen, durch die einzelnen LEDs 102R, 102G, 102B erzeugten Bilder durch die einzelne holografische Transmissions-Homogenisierungseinrichtung 114 unter Verwendung der chromatischen Dispersion derselben kombiniert, um eine Weißlichtbe leuchtung des LCD 100 zu erzeugen. Da das Intensitätsprofil des Lichts von den LEDs 102R, 102G, 102B, das durch die einzelne Homogenisierungseinrichtung 114 gebeugt wird, durch diese umgeformt wird, erzeugt das gebeugte Licht in der Bildebene des LCD 100 ein gleichmäßig beleuchtetes Gebiet.
  • Das LCD 100 in der 32 verfügt über dieselbe Konfiguration wie diejenigen in den vorigen Figuren. Dieselben Elemente tragen in diesen Figuren dieselben Bezugszahlen und daher werden die zugehörigen Beschreibungen hier weggelassen.
  • Bei den Ausführungsformen der 27–32 sind nur eine rote LED 102R, eine grüne LED 102G und eine blaue LED 102B dargestellt. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, und es ist möglich, dass die Lichtquellen zwei oder mehr LEDs jeder Farbe enthalten.
  • Die in den 27 bis 32 dargestellten Lichtquellen können z.B. als Hilfs-Lichtquellen für ein herkömmliches LCD oder für ein eine holografische Feldlinse enthaltendes LCD verwendet werden.
  • Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese eingeschränkt. Zum Beispiel ist die Lichtquelle nicht auf eine LED eingeschränkt, sondern sie könnte z.B. ein Halbleiterlaser, ein Elektrolumineszenzdisplay oder eine Mikroglühlampe sein. Darüber hinaus könnte das holografische Homogenisierungselement durch eine brechende optische Anordnung ersetzt werden, obwohl diese voluminöser als ein holografisches Homogenisierungselement wäre.
  • In der obigen Beschreibung der Erfindung fungiert die Schichtstruktur in der Anzeigevorrichtungs als Raumlichtmodulator mit einer optischen Modulationsschicht. Die optische Modulationsschicht kann eine Flüssigkristallschicht, wie in der obigen Beschreibung angegeben, sein.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Gemäß der Erfindung ist eine holografische Feldlinse als holografisches optisches Element im Wesentlichen in der Bildebene einer Anzeigevorrichtung angeordnet. Die holografische Feldlinse verfügt über optische Brechkraft und Umlenkeigenschaften. So kann die holografische Feldlinse einen einfallenden Strahl divergierenden Lichts in einen Strahl kollimierten Lichts wandeln, und sie kann auch das einfallende Licht umlenken. Während die Ho logrammschicht bei der bekannten Vorrichtung einfach das einfallende Licht ablenkt und demgemäß einen einfallenden Strahl kollimierten Lichts benötigt, führt die holografische Feldlinse gemäß der Erfindung gleichzeitig eine Konzentration einfallenden Lichts und eine Umlenkung desselben in einer bevorzugten Richtung aus, und sie kann mit einer dicht beabstandeten, versetzten Lichtquelle verwendet werden.
  • Die Erfindung funktioniert dann, wenn die Anzeigevorrichtung mit divergierendem Licht beleuchtet wird, wie es der Fall ist, wenn sie durch eine in der Nähe angeordnete Lichtquelle beleuchtet wird, was jedoch nicht für die bekannte Vorrichtung gilt.

Claims (30)

  1. Anzeigevorrichtung mit: – einem Raumlichtmodulator mit einer optischen Modulationsschicht (62, 82); – einem Reflektor (61, 81), der hinter der optischen Modulationsschicht in Bezug auf eine Anzeigerichtung angeordnet ist; und – einer Holografie-Feldlinse (61, 67, 61'', 87), die im Pfad des Lichts durch die optische Modulationsschicht angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungseffizienz der Holografie-Feldlinse über dieselbe hinweg variiert.
  2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Reflektor innerhalb des Raumlichtmodulators angeordnet ist.
  3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Reflektor ein nicht-Lambertscher Reflektor ist.
  4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Holografie-Feldlinse so ausgebildet ist, dass sie auf sie fallendes divergierendes Licht kollimiert.
  5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, bei der das kollimierte Licht unter einem Winkel Θ zur normalen Achse auf der Anzeigevorrichtung gelenkt wird, wobei Θ größer als die Hälfte des Eintrittswinkels der Holografie-Feldlinse ist.
  6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, bei der Θ ≥ 3° gilt.
  7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Holografie-Feldlinse ein holografisches Mikrolinsenarray (87) ist.
  8. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 7, ferner mit Farbfiltern (64, 84), wobei die Schrittweite des holografischen Mikrolinsenarrays im Wesentlichen das Dreifache der Schrittweite der Farbfilter ist.
  9. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Holografie-Feldlinse vor der optischen Modulationsschicht (62, 82) angeordnet ist.
  10. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Holografie-Feldlinse den Reflektor enthält, um ein einzelnes Element (61) zu bilden.
  11. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Holografie-Feldlinse innerhalb des Raumlichtmodulators angeordnet ist.
  12. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 11, bei der die Holografie-Feldlinse dicht an der optischen Modulationsschicht positioniert ist.
  13. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Holografie-Feldlinse von der optischen Modulationsschicht getrennt ist.
  14. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Lichtquelle (41, 42), die so angeordnet ist, dass sie den Raumlichtmodulator mit divergierendem Licht bestrahlt.
  15. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Holografie-Feldlinse in Bezug auf den Raumlichtmodulator versetzt ist.
  16. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, ferner mit einer Homogenisiereinrichtung (43, 105), die im optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und dem Raumlichtmodulator angeordnet ist.
  17. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Homogenisiereinrichtung eine holografische Homogenisiereinrichtung (105) ist.
  18. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Homogenisiereinrichtung eine reflektierende, holografische Homogenisiereinrichtung ist.
  19. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Homogenisiereinrichtung eine reflektierende, holografische Volumen-Homogenisiereinrichtung ist.
  20. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Lichtquelle im Wesentlichen monochromatisch ist.
  21. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Lichtquelle eine Weißlichtquelle ist.
  22. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Lichtquelle mindestens eine erste Lichtquelle (104R, 104G, 104B), die Licht mit einer ersten Wellenlänge emittiert, und eine zweite Lichtquelle (104R, 104G, 104B), die Licht mit einer zweiten Wellenlänge emittiert, aufweist.
  23. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 20, bei der die Lichtquelle eine Leuchtdiode ist.
  24. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 22, bei der die erste Lichtquelle eine erste Leuchtdiode zum Emittieren von Licht der ersten Wellenlänge aufweist und die zweite Lichtquelle eine zweite Leuchtdiode zum Emittieren von Licht der zweiten Wellen aufweist.
  25. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 15, bei der die Beugungseffizienz der Holografie-Feldlinse auf der Versatzseite der Lichtquelle in Bezug auf den Raumlichtmodulator niedriger und auf der Seite entfernt von der Versatzseite der Lichtquelle höher ist.
  26. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 22 oder 24, bei der die Holografie-Feldlinse chromatisch ist und die erste und die zweite Lichtquelle im jeweiligen Brennpunkt der Lichtquelle für die erste bzw. zweite Wellenlänge angeordnet sind.
  27. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, ferner mit einem Abdeckelement, auf dem die Lichtquelle angeordnet ist.
  28. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 14, ferner mit einem Halteelement (52) zum Halten der Lichtquelle.
  29. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 28, bei der das Halteelement zwischen einer Verstauposition und einer Position, in der die Lichtquelle den Raumlichtmodulator beleuchten kann, verstellbar ist.
  30. Anzeigevorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die optische Modulationsschicht eine Flüssigkristallschicht ist.
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