DE2613891C3

DE2613891C3 - Anzeigevorrichtung zur Darstellung von Zeichen aller Art

Info

Publication number: DE2613891C3
Application number: DE19762613891
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Baur; Waldemar 7809 Denzlingen Greubel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1976-03-31
Publication date: 1980-10-02
Also published as: DE2613891A1; JPS52120698A; GB1573846A; FR2346794A1; CH622637A5; DE2613891B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Display ist aus der US-PS 33 76 092 bekannt Diese Anzeigevorrichtung arbeitet folgendermaßen: Lichtstrahlen werden in ein Prisma geschickt, und zwar unter solchen Winkeln, daß sie an der Prismenrückwand eine Totalreflexion erfahren und wieder nach vorn reflektiert werden. Hinter der Prismenrückseite befindet sich ein Raster aus stempelartigen Elementen. Diese Elemente haben eine sehr glatte Vorderfläche und nähern sich, wenn man sie ansteuert, der Prismenrückseite bis auf Bruchteile einer Lichtwellenlänge. Diese kurze Entfernung zwischen dem Prisma und dem Stempel bewirkt aufgrund wellenoptischer Ge&itzmäßigkeiten, daß das Licht auf dem Bereich der Prismenrückseite, der dem nach vorn bewegten Stempel gegenüberliegt, nicht mehr total reflektiert, sondern nach hinten ausgekoppelt wird. Auf diese Weise läßt sich ein optisch gegen einen Hintergrund kontrastierendes Bild aufbauen.

Bei der geschilderten Displayausführung ist von Nachteil, daß man gebündeltes, intensives Kunstlicht benötigt, daß ohne Zusatzvorkehrungen nur ein sehr begrenzter Betrachtungswinkelbereich zur Verfügung steht, und daß das Display für jeden Bildpunkt einen Stempel braucht, der zudem sehr präzise zu gestalten und zu bewegen ist. Hinzu kommt, c" -ß die Anzeigevorrichtung die eingegebenen Informationen nicht speichern kann.

Die von der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht demnach darin, ausgehend von dem eingangs genannten Display, eine Anzeigevorrichtung mit guten optischen Qualitäten, geringem Leistungsbedarf und einfacher Bauweise zu schaffen, die übersprechfrei ist und über gute Schalt- und Speichereigenschaften verfügt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus: Der konstruktive Aufbau ist einfach; die Einzelteile des Displays brauchen nicht besonders maßhaltig gearbeitet zu sein; es ist möglich, die Anzeigevorrichtung im wesentlichen aus leicht verarbeitbarem Kunststoff herzustellen. Eine besondere Lichtquelle ist nicht erforderlich. Der Leistungsverbrauch ist außerordentlich gering. Die Darstellung hat einen guten Kontrast und kann auch aus schrägen Richtungen einwandfrei abgelesen werden. Hinzu kommt, daß das Display rasch geschaltet Werden kann, über eine nahezu unbegrenzte Speicherfähigkeit verfügt und in einem großen Temperaturbereich funktionsfähig ist. Übersprechprobierrie können nicht auftreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen Und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche,

Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. Die Figuren haben

λ ο ο r» λ

1JO31

folgenden Inhalt:

F i g. 1 den Grobaufbau eines Matrixbildschirms unter Verwedung einer Fluoreszenzplatte als Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 den Detailaufbau eines Bildpunktes der Matrix aus F ig. 1,

F i g. 3 die Steuerung des Fluoreszenzlichtaustritts an einem Bildpunkt,

F i g. 4 schenatisch die elektrische Adressierung des Bildschirms,

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Fluoreszenzlichtaustritt durch Ausdehnung einer ferroelektrischen Keramikplatte in Abhängigkeit von der remanenten elektrischen Polarisation gesteuert wird.

Wir betrachten eine wenige Millimeter dicke ebene Plexiglasplatte mit glatter Oberfläche, in welcher ein Fluoreszenzstoff in solcher Konzentration gelöst ist, daß beispielsweise aus dem auftreffenden Tageslicht der blaue Anteil voll absorbiert und in grünes Fluoreszenzlicht umgesetzt wird. Des weiteren soll diese Platte senkrecht zur Plattenebene verlaufende Surnflächen besitzen, die ideal lichtreflektierend sein sollen, so daß an den Rändern der Platte kein Fluoreszenzlicht austreten kann. Für den Wiederaustritt des Fluoreszenzlichts aus der Platte ist die Reflexion am dünneren Medium maßgebend. Man kann in guter Näherung so rechnen, als ob alles Licht, das unter einem Winkel tx,_o< (α,ο; = Winkel der Totalreflexion) auf die Oberfläche trifft, die Platte verläßt und das Licht des übrigen Winkelbereichs infolge Totalreflexion in der Platte eingefangen bleibt. Der Winkel der Totalreflexion ergibt sich aus der Beziehung η ■ sin a,_o,= l (für den Brechungsindex π von 1,49 für Plexiglas ergibt sich οί,οι = 42°). Der Anteil des nicht totalreflektierten Fluoreszenzlichtes — hier als Verlustfaktor V bezeichnet — beträgt

1=1- cos

/i - ί /τ² - 1

(in Beispiel /?= 1,49, V= 25%).

Alles innerhalb des Winkels der Totalreflexion emittierte Licht (im Beispiel also 75%) wird durch fortgesetzte verlustfreie Totalrelexion in der Plattenebene geführt.

Das in der Fluoreszenzplatte infolge Totalreflexion eingefangene Fluoreszenzücht kann nun durch Umlenkung an lichtstreuenden Flächen (im folgenden zur Abkürzung als Austrittsfenster bezeichnet), die mit der Fluoreszenzplatte elektrisch steuerbar in optischen Kontakt gebracht werden können, zum Austritt gebracht werden und auf diese Weise zur optischen Darstellung von Zeichen aller Art verwendet werden. Unter Vernachlässigung unvermeidlicher Wiederaustrittsverluste und unter der Annahme, daß sonst keine Verluste in der Platte vorhanden sind, ist der »Helligkeitsverstärkungsfaktor« d. h. der Faktor, der die Anhebung der Leuchtdichte der Austrittsfenster der Fluoreszenzplatte gegenüber der Leuchtdichte eines Farbanstnchs mit dem gleichen Fluoreszenzstoff angibt, im wesentlichen: gegeben durch das Verhältnis;⁷vori Ikhtabsorbiefender Fläche der Anordnung zur Gesamtfläche der Austrittsfenster des Fluoreszenzlichtes.

Als Ausführüngäbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig, 1 der Grobaüfbaü des Matrixbild^ jchirms unter Verwendung einer Fluoreszenzpiätte in iüseinändefgezögener Darstellung gezeigt.

Eine Kunststoffplatte (Plexiglas) 3 trägt Rückelektroden 1 und Stege 2. Eine zweite Plexigiasplaf.e (Fluoreszenzplatte) 5 enthält den gelösten Fluoreszenzstoff und besitzt verspiegelte Stirnkanten 6, gekennzeichnet durch Schraffierung. Diese zweite Plexiglasplatte, die hier als Fluoreszenzplatte bezeichnet wird, trägt Vorderelektroden 8 und Stege 7 in identischer Anordnung wie die Plexiglasplatte 3. Zwischen diesen beiden Stegsystemen befinden sich streifenförmige

ίο Kunststoffmembranen 4, die mit leitfähigen Belägen sowie einer Pigment- und einer Isolierschicht versehen sind. Der Detailaufbau des Bildschirms ist in Fig.2 anhand einer Ausschnittsvergrößerung eines Bildpunktes gezeigt. Darin bedeuten 5 die Fluoreszenzplatte und 9 die lichtstreuende Pigmentschicht, die zur Auskopplung des Fluoreszenzlichtes dient Mit 11 und 12 sind leitfähige Schichten bezeichnet Diese Schichten befinden sich zu beiden Seiten der Kunststoffmembran 4 und sind elektrisch miteinander verbunden; sie werden im folgenden Membranelektroden ge j.nnt 13 ist eine Isolierschicht, 3 ist die andere Kunststoff; latte, 1 ist eine streifenförmige Rückelektrode 8 ist eine streifenförmige Vorderelektrode, 10 ist ein Kontaktfilm zur optischen Kontaktierung, ζ. B. ein geeigneter Flüssigkeitsfilm in sehr flachen kreisförmigen Vertiefungen, und 7 sind die erwähnten Stege.

Wird zwischen die Membranelektrode 11,12 und die Vorderelektrode 8 eine elektrische Spannung gelegt, so wird die Kunststoffmembran 4 aufgrund der elektri-

jo sehen Feldkräfte zur Vorderelektrode hin gezogen und kommt schließlich in Berührung mit dem optischen Kontaktfilm 10, welcher den optischen Kontakt zwischen der Fluoreszenzplatte 5 und der lichtstreuenden Schicht 9 herstellt. Indem zwischen die Rückelektrode 1 und die Membranelektroden 11, 12 eine elektrische Spannung gelegt wird, wird die Membran in Richtung der Rückelektrode gezogen und mit der Kunststoffplatte 3 in optischen Kontakt gubracl^. Der Kontaktfilm 10 bewirkt aufgrund von Oberflächenspannung das Haften der Membran in diesen beiden AuJenkungszuständen.

In F i g, 3 ist im Detail die Steuerung des Fluoreszenz· Iichtausfritts an einem Bildpunkt dargestellt, in (ajisl die Membranstellung an einem Bildpunkt in Position »ein« gezeigt: Fluoreszenzlicht tritt am Bildpunkt aus. In (b)m die Membran im Ablösungsstadium während des »Löschens« dargestellt. Das Abreißen des flüssigen Kontaktfilms ist angedeutet. In (ty ist die Membranstellung an einem Bildpunkt in Position »aus« gezeichnet:

so Es tritt kein Fluoreszenzlicht am Bildpunkt aus.

In F i g. 4 ist ein Schema der elektrischen Ansteuerung des Bildschirms gezeig'. In dem gezeigten Beispiel werd^p.i zwei gekennzeichnete Bildpunkte »ein« geschaltet durch das gezeigte Spannungsimpulsschema.

Man kann sich ar diesem Schema klarmachen, daß elektrische Feldkräfte auf die Membran nur an den beiden gekennzeichneten Punkten auftreten, d. h. das sonst in üblichen Matrixanordnungen auftretende Übersprechproblem ist in dem hier behandelten MatriJtaufbuu völlig eliminiert, Zur Klarstellung sei darauf hingewiesen, daß hier Vorder- und Rüpkeiektroden bezüglich ihrer elektrischen Ansteuerung starr miteinander gekoppelt sind: äquivalente Elektroden erhalten die gleichen Spannungsimpulse nur mit

as umgekehrten Vorzeichen, Die Matrix wird also nach wie vor über zwei unabhängige gekreuzte Elektrodenfeihen angesteuert.
Es folgen stichpunktartiB noch einiee Qualitative

Angaben zu Aufbau und Punktion des Bildschirms.

— Als Leiterbahnen sind Aluminium- oder Silberelektroden wegen hoher Leitfähigkeit, hohem Refle^ xiohsverrhögeri für das Flüöreszerizlicht und Korn* patibiiität mit Kunststoff von Vorteil; möglich sind auch transparente Elektroden aus SriO* oder IriaOj.

— Wenn die Kunststoffplatten Und die Kunststoff-Membranen den gleichen Ausdehnungskoeffizient ten haben, ist der Einfluß der Temperatur auf die Membranspannung und damit auf die elektrischen Kenndaten beseitigt

— Die Herstellung genügend ebener Plexiglasplatten (z. B. Ebenheit von optisch poliertem Glas 0,2 μιτι/cm) ist sehr billig, im Gegensatz zu Glasplatten gleicher Ebenheit. H

— Der skizzierte Aufbau besitzt den Vorteil, daß keine Membranschwingungen mit den daraus folgenden Komplikationen auftreten.

— Verkoppelung durch Druckimpulse wird vermieden durch Evakuieren des Anzeigen-Innenraums bis auf etwa 10 Torr, was wegen des dichten Stegsystems problemlos ist. Durch den äußeren Luftdruck werden die Membranen an den Stegen durch Anpressen fixiert, wodurch man sich das Fixieren durch ein Klebemittel erspart.

— Die Gesamtfläche der Anzeige liegt für alphanumerische oder graphische Darstellungen üblicher Art im ungünstigsten Fall weit über eine Größenordnung höher als die von den Bildpunkten der Zeichen (Lichtaustrittsfenster) eingenommene Fläche. Dies gewährleistet ausreichend große Bildhelligkeit.

Der Umstand, daß bei sehr gering werdender Zahl von aktivierten Bildpunkten die Fluoreszenzlicht-Laufzeit und damit der Absorptionsverlust an den verspiegelten Stirnflächen rapide anwächst, wirkt J3 sich, wie gewünscht, stark in Richtung einer Nivellierung der Bildpunkthelligkeit in Abhängigkeit von der Zahl der aktivierten Bildpunkte aus. Es ist empirisch sichergestellt worden, daß die mäßig von der Gesamtinformationsmenge abhängige Bildpunkthelligkeit für einen Beobachter völlig problemlos ist.

— Das optische K.ontaktiermittel soll dauerhaft örtlich fixiert sein an den Bildpunkten. Das wird erreicht durch die kleinen Vertiefungen 10 in Fig.2 und dadurch, daß das Kontaktiermittel die Plexiglasoberfläche benetzt (kleiner Randwinkel), die Pigmentschicht bzw. die Isolierschicht auf den Membranen jedoch nicht benetzt (Randwinkel >90°). Nichtbenetzung der Membran bedeutet jedoch nicht, daß die Membran nicht an den Kunststoffplatten haften kann.

— Durch Vorgabe der Vertiefungsform wird die Bildpunktform und -größe reproduzierbar festgelegt Weiterhin wird dadurch auch der Verlauf der Wiederablösung der Membran reproduzierbar gemacht

— Im Kontaktier- bzw. Ablösevorgang ist keine wesentliche Ausbreitung des Kontaktiermittels in der Bildebene notwendig.

— Während der Adressierung kann die Membran durch einen Spannungsimpuls einen Kraftstoß erhalten, der ausreicht, um ein Element zum Ansprechen zu bringen, wenn auch mit zeitlicher Verzögerung. Das heißt dadurch, daß ein mechanischer frnpuis in der Membran gespeichert werden kann, ist eine zusätzliche weitere Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit möglich.

— Die lichtstPeuemle Schicht auf den Membranen muff die Bedingung erfüllen, daß sie das Flüöreszenziicht um größe Winkel (>ca. 40°) streut, was zum Beispiel bei Pigmentschichten der Fall ist Elektrisch gesteuerte lichtstreuende Flüssigkristallschichten oder fefroelektrische Keramikschichten mit elektrisch gesteuerter Lichtstreuung erfüllen diese Bedingung nicht Und kommen deshalb als Steuerme^ dien nicht in Frage;

Es folgen einige quantitative Angaben zur Funktion^ weise des Bildschirms anhand typischer Beispiele:
I.: Anziehungskraft K zweier Elcklrodenplälten durch elektrisches Feld:

^K ⁼ ί "° (]0 ^F
Elektrodenabstand D=A · 10-⁴Cm.

.SnanniintT IJ= ΉΠ VnIt

ElektrodenflächeF= 1 mmxO.l mm=10-'m².

K=2,5 ■ 10-6 kp.

Für ein Membran-Element gilt

Fcldkrafl
Schwerkraft

5 -10·'.

Dies möge als Kriterium dafür gelten, daß mechanische Erschütterungen keine Auswirkungen auf die Anzeige haben.
2.: Maximale Durchbiegung <5 der elastischen Membran

Stegabstand b= I mm.

Elastizitätsmodul £=3 · lfr'kp/cm².

Membrandicke c/= 10 μηι.

(5«2μιτι.

Unter der Annahme, daß die Massenträgheit die Schaltzeit tbestimmt, gilt

] 4 D d^l η

Massendichteo = !

f«2 · 10-⁵s.
4.: Adhäsionsarbeit

Wird eine Flüssigkeit mit einem Festkörper in Kontakt gebracht, dann wird einerseits Energie gewonnen, denn es verschwindet eine Festkorpsrund eine Flüssigkeitsoberfläche, andererseits muß Energie aufgebracht werden, um eine neue Grenzfläche zu erzeugen. Die Differenz der je Flächeneinheit gewonnenen zur aufgewandten freien Energie ist die Adhäsionsarbeit W₅. r.

J₅= Oberflächenspannung des festen Körpers.
Of= Oberflächenspannung der Flüssigkeit
γs. γ= Oberflächenspannung zwischen dem festen und dem flüssigen Körper.

Wj./kann für eine Grenzfläche Festkörper/Flüssigkeit sowohl positiv als auch negativ sein.
Die Trennarbeit zur Ablösung der Membran an einem Bildpunkt ist nun
Trennarbeit = w\ r. Biidpunktfiäche

= 2 · 10—ⁱdyncm
mit Bildpunktfläche«2 - 10"³cm²

dyh
' cm'

Nimmt man zur Vereinfachung an, daß näherüngs-Weisegilt

_ . ,, Trennärbeit
Trennkraft = ^s

Trennweg

(Trennweg »1 μηι), so erhält man als notwendige ; Trennkraft 2 MO-⁶ kp. lö

: Die durch das elektrische Feld erzeugte Trennkraft wird so bemessen, daß unter Berücksichtigung aller Fertigungstoleranzen und der schwachen Temperaturabhängigkeit der Oberflächenspannungen die Schwelle zum Trennen der Membranen nicht unterschritten wird, la Das elektrische Feld kann im übrigen beliebig groß gemacht werden, da keine Übersprechwirkungen vorhanden sind.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung verwendet statt elektromechanisch gesteuerter Membranen die Oberflächendeformation von ferroelektrischer Keramik in Abhängigkeit von der remanenten elektrischen Polarisation zur lokalen Steuerung des Fluoreszenzlichtatlstritts. Mit der Pölarisation der ferroelektfisehen Keramik direkt verknüpft ist nämlich ihre Ausdehnung in Polarisatiönsrichtung, d. h. senkrecht zur Oberfläche. Variiert der Polarisationszustarid über die Keramikfläche, so bildet sich als Abbild dessen an der Keramikoberfläche ein flaches Relief aus (siehe: CE. Land, W, D. Smith, Digest of Techn, Papers p. 26, Soa Inform. Display 1973). An den Erhöhungen des Reliefs wird der optische Kontakt mit der FlUofeszehzplatte hefgestellt. Der Bildinhalt kann durch lokale Änderung der remanenten Polarisation über Leiterbahnänordnuhgen zu beiden Seiten der ferroelektrischen Keramik verändert werden. Auch hier ist eine dauerhafte Speicherung des Bildinhalts gegeben. In diesem Beispiel besteht der Bildschirm, wie in F i g. 5 im Querschnitt dargestellt, aus der fluoreszierenden Kunststoffplatte 5 und einer ferroelektrischen Keramikplatte (beispielsweise aus Bleizirkönat/Bleititanat mit 7 Atom-% Lanthanzusatz) 14 von etwa 250 μπι Dicke, verbunden durch Abstandshalter 19. Die Leiterbahnen l5,16 in gekreuzter Anordnung tragende Keramikplatte ist auf der der fluoreszierenden Kunststoffplatte zugewandten Seite mit einer lichtstreuenden Schicht 9 und einem Kontaktfilm 18 zum optischen Kontaktieren überzogen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen •30 240/292

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Claims

Patentansprüche:

1. Anzeigevorrichtung zur Darstellung von Zeichen aller Art, mit einer normaJerweise totalreflek- ϊ tierenden Darstellungsfläche, die an frei auswählbaren Rasterpunkten mit einem Element, das auf seiner der Darstellungsfläche zugewandten Seite eine Schicht aufweist, in optischen Kontakt gebracht werden kann, derart, daß an den kontaktierten Rasterpunkten keine Totalreflexion mehr stattfindet, und mit einem Elektrodensystem zur elektrischen Steuerung der Kontaktierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellungsfläche

zu einer an ihren Stirnflächen vorspiegelten, fluoreszierenden Kunststoffplatte (Fluoreszenzplatte 5) gehört, die als Lichtfalle für das Fluoreszenzlicht wirkt, daß die Schicht (9) des Elements (4,14) lichtstreuend ausgebildet ist und daß die optische Kontaktierung über einen JContaktfilm (10,18) erfolgt, so daß an den optisch kontaktierten Rasterpunkten das Fluoreszenzlicht durch Umlenkung bzw. Streuung an der Schicht (9) aus der Fluoreszenzplatte (5) austritt

2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus streifenförmigen Kunststoffmembranen (4) besteht, die über ein dem Bildpunklraster entsprechendes doppeltes Stegsystem (2, 7) gespannt sind und die beidseitig elektrisch leitende Schichten (!II, 12) und darüber nichtleitende Oberzüge (9, 13), von denen der der Fluoreszenzplatte zugewandte die lichtstreuende Schicht (9) ist, tragen, wobei die Stege auf der einen Seite der Membranen uuf die SiUoreszierende Platte (5) und die Stege auf der anderen Membranseite auf eine zweite Platte (3) aufgebracht sind, und daß 3ί jeweils zwischen den Stegen auf beiden Platten Leiterbahnen (1, 8) aufgebracht sind, die mit den Leiterbahnen (11, 12) auf den Membranen (4) ein Kreuzgittermuster bilden.

3. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtstreuende Schicht (9) aus einer Farbpigmentschicht besteht.

4. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfilm (10) sich in flachen Vertiefungen befindet, die 4', dem Bildpunktraster entsprechend, auf beiden Platten (5,3) vorhanden sind.

5. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktfilm (10) die Plattenoberfläche benetzt, die lichtstreuende Schicht (9) bzw. die Isolierschicht (13) auf den Membranen nicht benetzt.

6. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspannungen der Stoffe, zwischen denen der π optische Kontakt hergestellt wird, so aufeinander abgestimmt sind, daß Membranelemente, die durch Anlegen von entsprechenden Spannungsimpulsen an die betreffenden Elektroden durch Feldkräfte in optischen Kontakt mit den Platten gebracht werden, bei Abschalten der Feldkräfte mechanisch haften bleiben. - ■-

7. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche ibis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (5,3) und die Künststoffmembranen (4) den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

8. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membranen enthaltende Zwischenraum zwischen den beiden Platten (5,3) luftdicht abgedichtet ist und daß der Zwischenraum evakuiert ist,

9, Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element aus einer ferroelektrischen Keramikplatte (14) besteht, deren Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche über die remanente elektrische Polarisation gesteuert wird.