DE2364951A1

DE2364951A1 - Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen modulationseinrichtungen

Info

Publication number: DE2364951A1
Application number: DE2364951A
Authority: DE
Inventors: Georges Assouline; Michel Hareng; Eugene Leiba; Michel Roncillat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-28
Publication date: 1974-07-04
Also published as: FR2212559B1; DE2364951C3; DE2364951B2; FR2212559A1; GB1453733A; JPS4999499A; US4088400A

Description

173» Bd. Haussmann

75008 Paris
Frankreich

Unser Zeichen: T 1505

Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen Modulationseinrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung von Anzeigevorrichtungen, die mit polarisiertem Licht arbeiten. Es¹ ist bekannt, daß, im Unterschied zu Anzeigevorrichtungen _f die selbst Licht erzeugen, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren, Entladungsröhren und Elektrolumineszenzdioden, die elektrooptischen Anzeigevorrichtungen das durchgelassene oder reflektierte Licht modulieren, welches aus einer äußeren Lichtquelle kommt.

Die meisten dieser elektrooptischen Vorrichtungen arbeiten mit polarisierter?. Licht. Für viele von ihnen ist das

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eine zwangsläufige Bedingung, denn sie ist an ihr Arbeitsprinzip gebunden. Das ist der Fall bei Vorrichtungen, bei welchen eine dünne Mater iaüschidit einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, welches entweder ihre Doppelbrechung (K.D.P., nematische Flüssigkristalle)oder ihr Drehvermögen Ccholesterische Flüssigkristalle oder nematische Flüssigkristalle mit Wendelstruktur) verändert.. Bei anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise den Flüssigkristallen, bei welchen das Phänomen der dynamischen Streuung ausgenutzt wird, gestattet das Arbeiten mit polarisiertem Licht, auf einfache Weise den Kontrast zu steigern. In dem einen Fall wie in dem anderen wird die dünne elektrooptisch^ Schicht mit linear polarisiertem Licht beleuchtet, entweder durch einen Laser oder, allgemeiner, durch eine klassische natürliche Lichtquelle, die mit einem Polarisator verbunden ist. Das von der dünnen Platte kommende Licht erreicht das Auge des Beobachters, nachdem es einen als Analysator dienenden Polarisator durchquert hat.

Bei den meisten derartigen Vorrichtungen muß der Modulator mit parallelem Licht beleuchtet werden, was den Winkel begrenzt, unter welchem er sichtbar ist. Es ist möglich, diesen Nachteil zu beseitigen, indem zwischen dem Beobachter und dem Ausgangspolarisator ein Streuschirm angeordnet wird« Nun ergibt sich dadurch jedoch ein Verlust an Kontrast, der um so erheblicher ist, je höher das Niveau der Umgebungsbeleuchtung ist. Tatsächlich empfängt das Auge des Beobachters nun einen dem aus dem Modulator kommenden Licht überlagerten erheblichen Teil des Umgebungslichts, welches durch den Streuschirm rückgestreut wird.

Die Erfindung zielt genau darauf ab, die oben genannten Nachteile zu beseitigen. Um ohne Verlust an Kontrast den Sehwinkel der Anzeigevorrichtungen, die mit Modulation eines parallelen Bündels von polarisiertem Licht arbeiten, zu vergrößern, schlägt sie vor, diese Vorrichtungen dadurch

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zu vervollständigen, daß zwischen dem Ausgangspolarisator, den sie zwangsläufig aufweisen, und dem Auge des Beobachters ein Streuschirm angeordnet wird, der mit einem weiteren Polarisator verbunden ist.

Die Erfindung und die Vorteile, die sie bietet, werden anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

die Fig.

3 und 4 j eine Weiterbildung der in den Fig. 1 und 2 * dargestellten Vorrichtungen nach, der Erfindung,

Fig. 5 eine Anordnung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der elektrooptischen Anzeigevorrichtung nach der Erfindung, und zwar für den Fall, daß der Modulator der Vorrichtung direkt betrachtet wird.

Fig. 1 zeigt eine' natürliches Licht aussendende Lichtquelle 1, die im Brennpunkt einer Linse 10 angeordnet ist, von der ein paralleles Lichtbündel· 11 ausgeht. Auf dem Weg dieses Bündels sind ein erster Polarisator 21 und eine dünne Schicht 3 aus einem 'elektrooptischen Material angeordnet, die auf ihren beiden Stirnflächen mit zwei durchsichtigen Elektroden 31 und 32 versehen ist, die mit einem Generator 30,

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der eine¹ variable Spannung erzeugt, elektrisch verbunden sind. Das parallele Bündel trifft danach auf einen zweiten Polarisator 22, einen Streuschirm 4 und einen dritten Polarisator 23, der parallel zu dem Polarisator 22 orientiert ist.

Die aus der dünnen Schicht 3, ihren Elektroden 31 und 32, dem Generator. 30 und dem Polarisator 22 bestehende Anordnung bildet einen elektrooptischen Modulator herkömmlicher Art. Damit der Modulator richtig arbeitet, muß er mit linear polarisiertem Licht beleuchtet werden. Er ist deshalb außerdem entweder mit einer Laserlichtquelle, die ein solches Licht direkt aussendet, oder, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einer Quelle natürlichen bzw. weißen oder monochromatischen Lichts verbunden, die ihrerseits mit einem Linearpolarisator verbunden ist.

Die dünne Schicht 3 kann aus einem geeigneten kristallinen, festen Material, beispielsweise aus KDE, oder aus einer dünnen Schicht aus cholesterischem, smektischem oder nematischem Flüssigkristall gebildet sein und einen elektrooptischen Effekt ins Spiel bringen, wie etwa die Doppelbrechung, das Drehvermögen oder die dynamische Streuung.

Die transparenten Elektroden 31 und 32, die beispielsweise durch Zinnoxidüberzüge gebildet sind, haben die Form des Symbols, das die Vorrichtung anzeigen soll. Durch Anlegen der von dem Generator 30 gelieferten Spannung erscheint dieses Symbol gemäß der Art der Quelle, dem verwendeten elektrooptischen Effekt und der gegenseitigen Orientierung der Polarisatoren 21 und 22 hell auf dunklem Hintergrund, dunkel auf hellem Hintergrund oder andersfarbig als der Hintergrund. Die eine der Elektroden kann auch gleichförmig sein. Andere, aufwendigere herkömmliche Vorrichtungen können den elektrooptischen Modulator in Fig. 1 ersetzen;

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beispielsweise kann eine der Stirnflächen der dünnen Schicht 3 verschiedene Elektroden aufweisen, deren Kombination das Anzeigen verschiedener Symbole gestattet. Jede Stirnfläche der dünnen Schicht kann auch einen Satz von Elektroden in Form von parallelen, in regelmäßigen Abständen angeordneten Streifen tragen, wobei die beiden Sätze zueinander senkrecht sind. Zum Anzeigen mehrerer Symbole mit demselben Modulator ist es auch möglich, mehrere Elektroden, von denen Jede eines der Symbole darstellt, zu überlagern, indem sie durch eine dünne Schicht eines Dielektrikums gegeneinander isoliert werden.

An dem Ausgang des Polarisators 22 bleibt das Lichtbündel ein paralleles Bündel. Das Beobachtungsfeld der Vorrichtung ist folglich umso, begrenzter, je besser die Parallelität des Bündels 11 ist. Es ist bekannt, zur Überwindung dieser Schwierigkeit die Vorrichtung durch einea Streuschirm 4 zu vervollständigen, auf welchem aufgrund der Parallelität des Bündels 11 die durch den Modulator angezeigten Symbole im Schattenbild erscheinen. Wenn jedoch der Streuschirm 4 in Gegenwart einer Umgebungsbeleuchtung betrachtet wird, erfolgt durch ihn eine Rückstreuung eines Teils des Umgebungslichts auf das Auge des Betrachters, wodurch der Kontrast zwischen den angezeigten Symbolen und dem Hintergrund merklich verringert wird.

Die Verbesserung gemäß der Erfindung, die es gestattet, die Auswirkung des Umgebungslichts sehr wesentlich zu verringern, besteht darin, dem Streuschirm 4 den Polarisator 23 zuzuordnen, der parallel zu dem Polarisator 22 orientiert ist. Das Umgebungslicht, welches natürliches, nicht polarisiertes Licht ist, wird nun vor dem Erreichen des Streuschirms 4 zur Hälfte gedämpft, und zwar.unter der Voraussetzung, daß die Absorption des Polarisators bei der Polarisation des Lichts, das er durchläßt, Null ist.

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Wenn darüberhinaus der Polarisator, wie es bei den dichroltisehen Polarisatoren, z.B. des Typs "Polaroid", der Fall ist, eine nicht vernachlässigbare Absorption A (in der Größenordnung von 25% bei den Polarisatoren des Typs "Polaroid") aufweist, wird das von dem Streuschirm 4 empfangene Umgebungslicht um einen Wert 0,5 x (3-A) gedämpft. Dagegen durchqueren das aus dem Modulator kommende Licht, dessen durch den Polarisator 22 vorgegebene Richtung der Linearpolarisation zu der Polarisationsrichtung des Polarisators 23 parallel ist, sowie das durch den Streuschii^ 4 rückgestreute Umgebungslicht den Polarisator 23 ohne Dämpfung, wenn derselbe Ideal ist, und mit der Dämpfung (1-A) , wenn seine Absorption von Null verschieden 1st.

Für das Auge des Betrachters wird durch das Vorhandensein des Polarisators 23 das aus dem Modulator stammende Licht um einen Paktor U-A) und das rückgestreute Umgebungs-

licht um einen Faktor O,5 C1-A) gedämpft.

Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Elemente 3f 22 und 4 in Fig. 1 voneinander entfernt angeordnet dargestellt. In der Praxis sind diese verschiedenen Elemente so eng wie möglich aneinander gefügt, damit kein genau paralleles Beleuchtungsbündel verwendet zu werden braucht und sich trotzdem eine gute Konturzeichnung der angezeigten Symbole ergibt. Der Streuschirm 4 ist derart gewählt, daß die Polarisation des Lichts, welches er durchläßt, so wenig wie möglich verändert wird, und er wird bei Bedarf derart in bezug auf die Polarisatoren 22 und 23 orientiert, daß er das Maximum des aus dem Modualtor kommenden Lichts durchläßt. Um die Reflexion des Umgebungslichts auf der Stirnfläche des Polarisators 23 in Hinblick auf den Betrachter zu vermeiden, kann dieselbe reflexmindernd behandelt oder mattiert sein.

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Die oben beschriebene Verbindung eines Linearpolarisators und-eines Streuschirms ist Bei einer Zeichenanzeigevorrichtung unter Ausnutzung der Doppelbrechungseigenschaften von nematischen Flüssigkristallen, die einem elektrischen Feld ausgesetzt sind, angewendet worden. Sie gestattet, bei Vorhandensein einer Umgebungsbeleuchtungsstärke von 12.000 Lux die Anzeige mit einer nutzbaren Beleuchtungsstärke, die 1.500 Lux nicht überschreitet, vollständig sichtbar zu machen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausfühi-ungsbeispiel der Erfindung, bei welchem das aus dem Modulator kommende Licht durch eine Optik auf den Streuschirm 4 projiziert wird. In dieser Figur finden sich die gleichen Elemente wieder_f denen die gleichen Bezugszahlen wie in Fig. 1 entsprechen. Fig. 2 zeigt außerdem ein Objektiv 5, welches die Schicht auf den Streuschirm 4 abbildet. Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist im übrigen in jeder Hinsicht mit der der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung identisch.

Die Fig, 3 und 4 zeigen Weiterbildungen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen. Es finden sich darin unter den gleichen Bezugszahlen die gleichen Elemente wieder. Außerdem erkennt man darin eine Viertelwellenlänge-Platte

61, die zwischen dem Polarisator 22 und dem Streuschirm 4 angeordnet ist, und eine weitere Viertelwellenlänge-Platte

62, die zwischen dem Streuschirm 4 und dem Polarisator 23 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den Fig. J und 2 ist die Orientierung des Polarisators 23 mit Bezug auf den Polarisator 22 beliebig. Die Orientierungen der Viertelwellenlänge-Platten in bezug auf die Polarisatoren sind für einen Betrachter, der die Vorrichtung von der Quelle J her betrachtet, so, daß er die Polarisationsrichtung des Polarisators 22 um einen Winkel von -45° im Winkel- bzw.trigonometrischen Sinn drehen müßte, um sie mit der Achse der ge-

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ringeren Lichtgeschwindigkeit der Viertelwellenlänge-Platte 61 in Übereinstimmung bzw. Koinzidenz zu bringen, und er müßte die Polarisationsrichtung des Polarisators 23 um einen Winkel von +45° drehen, um sie mit der Achse der geringeren Lichtgeschwindigkeit der Viertelwellenlänge-Platte 62 in Übereinstimmung bzw. Koinzidenz zu bringen. ,

Die Verbindung eines Linearpolarisators und einer Viertelwellenlänge-Platte, deren neutrale Linien"mit der Polarisationsrichtung des Polarisators einen Winkel von 45 einschließen, bildet einen Zirkularpolarisator_f der aus einem natürlichen oder linear polarisierten Licht ein zirkulär polarisiertes Licht herstellt. Dieses Licht ist rechts-zirkular polarisiert oder links-zirkular polarisiert, je nachdem, ob der Winkel von 45 ,um den man die Polarisa'-tionsrichtung drehen muß, um sie mit der Achse der geringeren Lichtgeschwindigkeit in Übereinstimmung zu bringen, negativ oder positiv ist. Ein Zirkularpolarisator, der ein zirkulär polarisiertes Licht eines Vorzeichens liefert, läßt dieses Licht vollständig durch. Dagegen löscht er das polarisierte Licht mit entgegengesetztem Vorzeichen vollständig aus.

Wie Fig.. 5 zeigt, wird das linear polarisierte Licht, welches aus der elektrooptischen Schicht 3 kommt. und von dem Linearpolarisator 22 durchgelassen wird, durch die Viertelwellenlänge-Platte 61 in rechts-zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Dieses Licht, welches nach dem Durchqueren des Streuschirms 4 seinen Drehsinn beibehält, ist nach dem Durchqueren der Viertelwellenlänge-Platte 62 erneut umgeformt, und zwar in ein parallel zu der Polarisationsrichtung des Linearpolarisators 23 linear polarisiertes Licht. Das aus dem Modulator kommende Licht wird folglich vollständig zu dem Auge des Betrachters übertragen.

Dagegen muß das Umgebungslicht vor dem Erreichen des Streu-A 0 9 8 2 7 / 0 8 3 U

schirms 4 ein erstes Mal den Polarisator 23 und die Viertelwellenlänge-Platte 62 durchqueren. Nach der Rückstreuung durchquert es von neuem die Viertelwellenlänge-Platte 62 und wirdsdurcti den Polarisator 23 gesperrt. Der durch den Polarisator 23 und die Viertelwellenlänge-Platte 62 gebildete Zirkularpolarisator erzeugt nämlich aus dem ümgebungslicht ein rechts-zirkular polarisiertes Licht. Nun kehrt aber ein zirkulär polarisiertes Licht bei der Reflexion seine Fortpflanzungsrichtung um und behält dabei seinen Drehsinn bei. Das rechts-zirkular polarisierte Licht wird deshalb nach Rückstreuung an dem Streuschirm 4 in ein links-zirkular polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Drehsinn deshalb zu dem des aus dem Modulator stammenden gestreuten Lichts entgegengesetzt ist. Dieses rückgestreute Licht ist nach dem Durchqueren der Viertelwellenlänge-Platte 62 in ein linear polarisiertes Licht unter einem Winkel von 90 zur Linearpolarisation des aus dem Modulator stammenden Lichts umgewandelt, d.h. unter einem Winkel von 90° zu der Polarisationsrichtung des Linearpolarisators 23, und wird folglich vollständig aufgefangen.

Im Rahmen der Erfindung kann selbstverständlich in den Fig. 3, 4 und 5 die Orientierung der Viertelwellenlänge-Platten 61 und 62 mit Bezug auf die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 22 und 23 geändert werden, indem diese beiden Platten gleichzeitig um 90 gedreht werden. Die durch das Zusammenfügen des Linearanalysators und der Viertelwellenlänge-Platte gebildeten Zirkularpolarisatoren liefern nun jeweils ein links-zirkular polarisiertes Licht anstelle eines rechts-zirkular polarisierten Lichts.

Außerdem ist klar, daß in der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtung die eine der ■Viertelwellenlänge-Platten oder beide gleichzeitig durch Dreiviertelwellenlänge-Platten, Fünfviertelwellenlänge-Platten, usw. ersetzt werden können, sofern die neutralen Linien in bezug auf die

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durch den Linearanalysator vorgegebene Polarisationsrichtungpassend orientiert sind. Es sei diesbezüglich daran erinnert, daß der Drehsinn des von einem Ζί^μΙ^ΓροΙαΓΪ-sator gelieferten zirkulär polarisierten Lichts unverändert bleibt, wenn man die Viertelwellenlänge-Platte durch eine (1+4k)Viertelwellenlänge-Platte ersetzt, die dieselbe Orientierung der neutralen Linien hat, oder durch eine (3+4k)Viertelwellenlänge-Platte, deren neutrale Linien unter einem Winkel von 90 zu der vi
wellenlänge-Platte orientiert sind.

unter einem Winkel von 90 zu der vorhergehenden Viertel-

Für ein gutes Arbeiten der oben beschriebenen Weiterbildung der Erfindung ist es wesentlich, daß nicht nur der Streuschirm 4 das Licht, das er zerstreut, nicht depolarisiert, sondern daß er auch gegenüber dem polarisierten Licht vollständig isotrop ist, damit er nicht das zirkulär polarisierte Licht, das er zerstreut oder rückstreut, in elliptisch polarisiertes Licht umwandelt ,· Beispielsweise bildet das Papier "Kodatrace" einen geeigneten Streuschirm. Die Erfindung,ist jedoch nicht auf die Verwendung eines solchen Streuschirms beschränkt.

Im Rahmen der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung kann ein sehr kompakter Aufbau verwirklicht werden, indem auf beiden Seiten eines "Kodatrace"-Streublattes rechts-zirkulare oder links-zirkuläre Polarisatoren angebracht werden, die aus demselben Zirkularpolarisatorblatt des Typs "Polaroid HNCP 37" herausgeschnitten sind.

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Claims

Patentansprüche:

(χ/ Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen Modulationseinrichtungen, die mit polarisiertem Licht beleuchtet sind, und mit einer Linearpolarisationseinrichtung, die das aus den Modulationseinrichtungen kommende Licht empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der einen Linearpolarisationseinrichtung austretende polarisierte Licht nacheinander auf eine Streueinrichtung und auf eine weitere Linearpolarisationseinrichtung trifft, die mit der Streueinrichtung verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen der einen und weiteren Linearpolarisationseinrichtung zueinander parallel sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Streueinrichtung abgewandte Stirnfläche der weiteren Linearpolarisationseinrichtung mit einer reflexmindernden Schicht versehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Phasenverschiebungseinrichtungen mit der einen bzw. der weiteren Linearpolarisationseinrichtung verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasenverschiebungseinrichtungen zwischen zwei bevorrechtigten zueinander senkrechten Schwingungsrichtungen einen optischen Gangunterschied einführen, der gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der mittleren Wellenlänge des polarisierten Lichts ist, daß die bevorrechtigten Schwingungsrichtungen jeweils mit der Polarisationsrichtung ihrer jeweils zugeordneten Linearpolarisationseinrichtung einen Winkel von 45 bilden_f und

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daß die beiden Phasenverschiebungseinrichtungen zwischen der einen Linearpolarisationseinrichtung und der Streueinrichtung bzw. zwischen der Streueinrichtung und der weiteren Linearpolarisationseinrichtung angeordnet sind'.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine optische Projektionseinrichtung, die das Bild der Modulationseinrichtungen auf die Streueinrichtung projiziert.

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