WO1991006889A1 - Lichtsteuereinrichtungen mit flüssigkristallen - Google Patents

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WO1991006889A1
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Jürg FÜNFSCHILLING
Martin Schadt
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    • G02F1/133543—Cholesteric polarisers

Definitions

  • the invention relates to light control devices which consist of a combination of liquid crystal cells and polarizers.
  • the invention is therefore characterized in that light control devices of the type mentioned at the outset are provided with means for supplying circularly polarized light to liquid crystal cells.
  • 1 shows an arrangement with a TN cell in a conventional operating manner 2 shows an arrangement with a TN cell in operation with circularly polarized light in transmission
  • Fig. 3 shows an arrangement similar to that in Fig. 2 but in reflection
  • FIG. 4 shows an arrangement with a parallel-oriented cell in reflection mode with circularly polarized light.
  • Fig. 5 shows an arrangement with a vertically oriented so-called DAP cell in operation with circularly polarized light
  • FIG. 1 contains a light source 1, the light of which is converted in a circular polarizer 3 into clockwise circular light.
  • a ⁇ / 4 plate 4 is arranged behind the circular polarizer 3 and converts the circularly polarized light into linearly polarized.
  • the direction of polarization is indicated by a double arrow.
  • a TN cell 5 is arranged behind the ⁇ / 4 plate 4 and, in the switched-off state, rotates the direction of polarization of the light by 90 ° in a known manner. This rotated light can pass a linear polarizer 6 rotated behind the TN cell 5 at an angle of 90 ° with respect to the direction of polarization in front of the cell without weakening.
  • the TN cell 5 thus operates in the conventional operating mode, in which the direction of polarization of the incident light when switched off State is turned (wave guiding mode).
  • a linear polarizer with a low degree of polarization can be inserted between the ⁇ / 4 plate and TN cell, which improves the linear polarization without reducing the brightness of the Systems deteriorate significantly.
  • FIG. 2 Another operating mode is shown in FIG. 2.
  • the right-handed circularly polarized light generated as described above is fed directly to a TN cell 7.
  • the TN cell 7 is switched on and thus optically becomes uniaxial, it does not influence the polarization state of the light, so that it is blocked by the circular polarizer 8.
  • circular polarizers can be used as the circular polarizer 8, e.g. B. also wavelength-selective reflecting cholesteric layers with a small pitch.
  • the light reflected by them is known to be circularly polarized. In color projection systems, this light is controlled by downstream liquid crystal cells. It is advantageous if a previous conversion into linearly polarized light can be dispensed with.
  • FIGS. 1 and 2 provide a positive contrast if display cells are constructed according to this principle. Negative contrast is easily possible in each case, namely in FIG. 1 in a known manner by rotating the linear polarizers on the output side by 90 °. In Fig. 2, this is done by using a right-handed circular polarizer instead of a left-handed one.
  • FIG. 3 The arrangement shown in FIG. 3 is also based on the fact that, as in FIG. 2, circularly polarized light is fed directly to a TN cell 9.
  • the right circularly polarized input light passes through the TN cell.
  • the reflector 10 can also be integrated directly on the inside of the rear substrate of the TN cell.
  • any other liquid crystal cell can be used for this arrangement, which allows the desired optical path difference between the switched-off and switched-on state to be achieved.
  • Other liquid crystal cells with a helical molecular arrangement ie for example the highly twisted so-called supertwist, SBE and STN cells, are particularly suitable. Liquid crystal cells with a non-twisted structure can also be used in this new mode of operation.
  • Fig. 4 shows an operating in reflection arrangement with a planar 'oriented nematic cell 11 having positive dielectric anisotropy of the liquid crystal, that is, ⁇ > 0,.
  • the cell thus acts like a ⁇ / 4 plate, ie the circularly polarized light is converted into linearly polarized.
  • the reverse process takes place, ie the linearly polarized light is converted back to circularly polarized in the ⁇ / 4 cell, passes through the circular polarizer 3 unhindered and is available at the output with full intensity.
  • the reflector 10 can be arranged directly on the substrate or the rear wall of the liquid crystal cell, so that light-absorbing structures, such as e.g. Thin film transistors etc., are located behind the reflector and thus do not reduce the aperture or the brightness of the active area of the picture element.
  • Another significant advantage is that the path of the light behind the liquid crystal to the reflector and back is shorter due to the lack of an intermediate glass substrate, so that when the light is at an angle, i.e. large viewing angle, the parallax error is smaller than in conventional arrangements.
  • the circularly polarized light reaches a DAP-cell 13, which is characterized in that it uniaxially t in the off state is * and thus so the light unaffected by leaves larisa tion
  • the polyvinyl is therefore front of and behind equal to the cell.
  • a second circular polarizer 14 is arranged, which depending on its direction of rotation transmitted light transmits or blocks.
  • the cell 13 changes the polarization state of the light such that the circular polarizer 14 now blocks the previously transmitted light or transmits the previously blocked light.

Abstract

Für Lichtsteuereinrichtungen, die aus einer Kombination aus Flüssigkristallzellen und Polarisatoren bestehen, wird eine neue Betriebsart vorgeschlagen. In mancher Hinsicht vorteilhaft ist der direkte Betrieb von Flüssigkristallzellen (7), mit zirkular polarisiertem Licht. Das zirkular polarisierte Licht wird entweder mit herkömmlichen Zirkularpolarisatoren (3) oder mit monomeren oder polymeren cholesterischen Flüssigkristallen erzeugt. Die neue Betriebsart ist unter bestimmten Bedingungen für alle Flüssigkristallzellen möglich, die bisher mit linear polarisiertem Licht betrieben werden mussten.

Description

Lichtsteuereinrichtungen mit Flüssigkristallen
Die Erfindung betrifft Lichtsteuereinrichtungen die aus einer Kombina¬ tion aus Flüssigkristallzellen und Polarisatoren bestehen.
In den herkömmlichen Anordnungen mit Flüssigkristallzellen werden diese in der Regel mit einem oder mehreren Linearpolarisator(en) betrieben. Wenn zirkulär polarisiertes Licht zur Verfügimg stand und gesteuert werden musste, wurde es z.B. mit einer λ/4-Platte in linear polarisiertes Licht umge¬ wandelt und ggf. hinter der Flüssigkristallzelle wiederum mit einer λ/4-Platte in zirkulär polarisiertes Licht zurückgewandelt. Vor allem die sog. Drehzelle oder TN (=Twisted Nematic)-Zelle benötigt für ihre Betriebsweise, bei der im ausgeschalteten Zustand die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts mit der Helixstruktur gedreht wird (Wave-Guiding Mode), linear polarisiertes Licht.
Es wurde nun gefunden, dass eine Betriebsart möglich und in mancher Hinsicht vorteilhaft ist, nämlich der direkte Betrieb von Flüssigkristallzellen mit zirkular polarisiertem Licht, wobei das zirkulär polarisierte Licht entweder mit herkömmlichen Zirkularpolarisatoren oder mit monomeren oder poly¬ meren cholesterischen Flüssigkristallen erzeugt wird.
Die Erfindung zeichnet sich demnach dadurch aus, dass Lichtsteuerein¬ richtungen der eingangs erwähnten Art mit Mitteln zur Zuführung von zir¬ kulär polarisiertem Licht zu Flüssigkristallzellen versehen sind.
Im folgenden wird die Erfindimg anhand der in den Zeichnungen darge¬ stellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung mit einer TN-Zelle in herkömmlicher Betriebs¬ weise Fig. 2 eine Anordnung mit einer TN-Zelle im Betrieb mit zirkulär polari¬ siertem Licht in Transmission
Fig. 3 eine Anordnung ähnlich wie in Fig. 2 aber in Reflexion
Fig. 4 eine Anordnung mit einer parallel orientierten Zelle im Reflexi¬ onsbetrieb mit zirkulär polarisiertem Licht.
Fig. 5 eine Anordnimg mit einer senkrecht orientierten sog. DAP-Zelle im Betrieb mit zirkulär polarisiertem Licht
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung enthält eine Lichtquelle 1, deren Licht in einem Zirkularpolarisator 3 in rechtsdrehend zirkuläres Licht umgewandelt wird. Hinter dem Zirkularpolarisator 3 ist eine λ/4-Platte 4 angeordnet, die das zirkulär polarisierte Licht in linear polarisiertes umwandelt. Die Polarisations¬ richtung ist durch einen Doppelpfeil angezeigt. Hinter der λ/4-Platte 4 ist eine TN-Zelle 5 angeordnet, welche im ausgeschalteten Zustand die Polarisations¬ richtung des Lichtes in bekannter Weise um 90° dreht. Dieses gedrehte Licht kann einen hinter der TN-Zelle 5 im Winkel von 90° gegenüber der Polarisa¬ tionsrichtung vor der Zelle verdrehten Linearpolarisator 6 ungeschwächt pas¬ sieren. Wenn Spannung an der Zelle 5 anliegt, wird die Drehwirkung aufge¬ hoben und das nicht mehr gedrehte Licht kann den Polarisator 6 nicht passie¬ ren. Die TN-Zelle 5 arbeitet also in der herkömmlichen Betriebsart, in der die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts im ausgeschalteten Zustand ge¬ dreht wird (Wave-Guiding Mode).
Um die Polarisationsqualität nach der λ/4-Platte in dieser Anordnung noch zu erhöhen, kann zwischen λ/4-Platte und TN-Zelle ein Linearpolarisa¬ tor mit geringem Polarisationsgrad eingefügt werden, der die linear Polarisa¬ tion verbessert, ohne die Helligkeit des Systems wesentlich zu verschlechtern.
Eine andere Betriebsart ist in Fig. 2 dargestellt. Das wie vorhin beschrie¬ ben erzeugte, rechtsdrehend zirkulär polarisierte Licht wird direkt einer TN- Zelle 7 zugeführt. Für diese Betriebsart muss die Zelle einen minimalen opti¬ schen Gangunterschied von δ = Δn.d = λ/2 zwischen ausgeschaltetem und ein¬ geschaltetem Zustand aufweisen. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ändert sich beim Durchgang des zirkulär polarisierten Lichts dessen Drehrichtung, d.h. im vorliegenden Fall von rechtssinnig (+) auf linkssinnig (-). Hinter der TN-Zelle 7 befindet sich ein weiterer Zirkularpolarisator 8, der diesmal für den ersten Zirkularpolarisator 3 entgegengesetzten Drehsinn, d.h. also linksdre¬ hend, durchlässig ist. Wenn die TN-Zelle 7 eingeschaltet und somit optisch uniaxial wird, beeinflusst sie den Polarisationszustand des Lichts nicht, so dass es durch den Zirkularpolarisator 8 blockiert wird.
Als Zirkularpolarisator 8 kommt jede bekannte Form von Zirkularpola¬ risatoren in Frage, z. B. auch wellenlängen-selektiv reflektierende cholesteri- sche Schichten mit kleiner Ganghöhe. Das von ihnen reflektierte Licht ist be¬ kanntlich zirkular polarisiert. In Farbprojektionssystemen wird dieses Licht durch nachgeschaltete Flüssigkristallzellen gesteuert Dabei ist es vorteilhaft, wenn auf eine vorgängige Umwandlung in linear polarisiertes Licht verzich¬ tet werden kann.
Durch den Betrieb von TN-Zellen mit zirkular polarisiertem Licht ergibt sich, wie erwähnt, eine deutliche Verschiebung der erforderlichen Steuer¬ spannungen zu niedrigeren Werten. Ferner können steilere Spannungs- Transmissions-Kennlinien, wie sie z.B. für den Multiplexbetrieb erforderlich sind, erzeugt werden.
Die Anordnungen gemäss Fig. 1 und 2 liefern einen positiven Kontrast, wenn nach diesem Prinzip Anzeigezellen aufgebaut werden. Negativer Kon¬ trast ist jeweils ohne weiteres möglich und zwar in Fig. 1 in bekannter Weise durch Drehen der Linearpolarisatoren an der Ausgangsseite um 90°. In Fig. 2 erfolgt dies durch Verwendung eines rechtsdrehenden Zirkularpolarisators statt eines linksdrehenden.
Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung beruht ebenfalls darauf, dass wie in Fig. 2 zirkular polarisiertes Licht direkt einer TN-Zelle 9 zugeführt wird. Die TN- Zelle 9 weist im Unterschied zu der TN-Zelle 7 gemäss Fig. 2 jedoch einen mi¬ nimalen optischen Gangunterschied zwischen aus- und eingeschaltetem Zu¬ stand von δ = λ/4 auf. Sie wirkt im ausgeschalteten Zustand somit als λ/4- Platte, die zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes umwandelt Hinter der Zelle 9 ist ein Reflektor 10 angeordnet, der das linear polarisierte Licht zur Zelle 9 zurück reflektiert. Diese wandelt - aus Symmetriegründen - das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes zurück, das den Zirkularpolarisator 3 passieren kann. Im eingeschalteten Zustand passiert das rechts zirkular polari¬ sierte Eingangslicht die TN-Zelle. Dieses ändert bei der Reflexion am Spiegel 10 den Drehsinn, so dass der nun links zirkular polarisierte, reflektierte Strahl den Zirkularpolarisator 3 nicht mehr passieren kann. Der Reflektor 10 kann auch direkt auf der Innenseite des rückwärtigen Substrats der TN-Zelle inte¬ griert werden. Anstelle einer TN-Zelle kann für diese Anordnung auch jede andere Flüssigkristallzelle verwendet werden, die es erlaubt, den gewünschten opti¬ schen Gangunterschied zwischen aus- und eingeschaltetem Zustand zu erzie¬ len. Speziell kommen andere Flüssigkristallzellen mit helixförmiger Mole¬ külanordnung, d.h. beispielsweise die hochverdrillten sog. Supertwist-, SBE- und STN-Zellen in Frage. Auch Flüssigkristallzellen mit nicht verdrillter Struktur können in dieser neuern Betriebsweise eingesetzt werden.
So zeigt Fig. 4 eine in Reflexion arbeitende Anordnung mit einer planar ' orientierten nematischen Zelle 11 mit positiver dielektrischer Anisotropie des Flüssigkristalls, d.h. Δε>0. Diese Anordnung entspricht der vorstehend be¬ schriebenen Alternative mit einer TN-Zelle, deren optischer Gangunterschied zwischen ausgeschaltetem und eingeschaltetem Zustand δ = λ/4 beträgt. Im ausgeschalteten Zustand wirkt die Zelle also wie eine λ/4-Platte, d.h. das zirku¬ lär polarisierte Licht wird in linear polarisiertes umgewandelt. Nach Reflexion an einem Spiegel 10 läuft der umgekehrte Vorgang ab, d.h. das linear polari¬ sierte Licht wird in der λ/4-Zelle wieder in zirkular polarisiertes umgewandelt, passiert den Zirkularpolarisator 3 ungehindert und ist mit voller Intensität am Ausgang verfügbar. Wenn Spannung an der Zelle 11 anliegt und diese somit optisch uniaxial wird, beeinflusst sie den Polarisationszustand des Lichts nicht. Hinter der Zelle gelangt also rechtszirkular polarisiertes Licht zum Reflektor 12, das wie schon erwähnt bei der Reflexion seinen Drehsinn ändert. Dieses nach Reflexion linkszirkulare Licht gelangt, durch die planare Zelle 11 unbe- einflusst zum Zirkularpolarisator 3 und wird von diesem blockiert.
Ein Vorteil auch bei dieser reflektiven Konfiguration besteht darin, dass der Reflektor 10 direkt auf dem Substrat bzw. der Rückwand der Flüssigkri¬ stallzelle angeordnet sein kann, so dass lichtabsorbierende Strukturen, wie z.B. Dünnfilmtransistoren etc., hinter dem Reflektor liegen und damit die Apertur bzw. die Helligkeit der aktiven Fläche des Bildelements nicht verringern. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass der Weg des Lichtes hinter dem Flüssigkristall zum Reflektor und zurück infolge des Fehlens eines da¬ zwischenliegenden Glassubstrates kürzer ist, so dass bei schrägem Lichteinfall, d.h. grossem Blickwinkel der Parallaxenfehler kleiner ist als bei herkömmli¬ chen Anordnungen.
In der in Fig. 5 gezeigten Anordnung gelangt das zirkular polarisierte Licht auf eine DAP-Zelle 13, die sich dadurch auszeichnet, dass sie im ausgeschalteten Zustand uniaxial is*t und somit also das Licht unbeeinflusst durchlässt Die Po¬ larisation ist also vor und hinter der Zelle gleich. Hinter der Zelle 13 ist ein zweiter Zirkularpolarisator 14 angeordnet, der je nach seinem Drehsinn das transmittierte Licht durchlässt oder blockiert. Im eingeschalteten Zustand ver¬ ändert die Zelle 13 den Polarisationszustand des Lichts so, dass der Zirkularpo¬ larisator 14 nun das vorher durchgelassene Licht sperrt bzw. das vorher ge¬ sperrte Licht durchlässt.

Claims

Patentansprüche
1. Lichtsteuereinrichtung aus einer Kombination aus Flüssigkristallzelle und Polarisator, gekennzeichnet durch Mittel (3) zur Zuführung von zirkular polarisiertem Licht zur Flüssigkristallzelle (5).
2. Lichtsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zuführung von zirkular polarisiertem Licht einen Zirkularpo¬ larisator (3) enthalten.
3. Lichtsteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zuführung von zirkular polarisiertem Licht eine wellen- längen-selektiv reflektierende cholesterische Flüssigkristallschicht enthalten.
4. Lichtsteuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallschicht aus monomeren oder polymeren cholesteri- schen Flüssigkristallen besteht.
5. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallzelle eine TN-Drehzelle (7) ist und die Bedingimg δjj^ = Δn.d = λ/2 für den optischen Gangunterschied zwi¬ schen aus- und eingeschaltetem Zustand gilt.
6. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallzelle eine TN-Drehzelle (9) ist und die Bedingung δmjn = Δn.d = λ/4 für den optischen Gangunterschied zwischen aus- und eingeschaltetem Zustand gilt.
7. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallzelle einen hochverdrillten Flüssigkristall enthält.
8. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkristallzelle (11) einen planaren Flüs¬ sigkristall mit paralleler Molekülausrichtung enthält.
9. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüssigkristallzelle eine sog. DAP-Zelle (13) mit homöotroper Molekülausrichtung ist.
10. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat der Fl ssigkristallzelle ein Re¬ flektor (10) angeordnet ist
11. Lichtsteuereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge¬ kennzeichnet durch einen Linearpolarisator mit geringem Polarisationsgrad im Strahlengang des nach der Umwandlung aus zirkular polarisiertem Licht gegebenenfalls unvollständig linear polarisierten Lichts.
PCT/CH1990/000251 1989-11-01 1990-10-26 Lichtsteuereinrichtungen mit flüssigkristallen WO1991006889A1 (de)

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