DE69409977T2

DE69409977T2 - Beleuchtungssystem und ein solches System umfassendes Anzeigegerät

Info

Publication number: DE69409977T2
Application number: DE69409977T
Authority: DE
Inventors: Paulus Bartholomeus Schaareman; Adrianus Johannes S De Vaan
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-01-11
Filing date: 1994-01-06
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2014-01-07
Also published as: DE69409977D1; EP0606939B1; CN1052309C; CN1092528A; EP0606939A1; TW249836B; JPH06324333A; JP3363565B2; US5721603A

Description

Die Erfmdung betrifft ein Beleuchtungssystem zum Liefern eines Beleuchtungstrahlenbündels mit einem selektierten Polarisationszustand, welches System hintereinander eine Strahlungsquelle und ein Zerstreuungsglied umfaßt. Die Erfindung betrifft auch eine Anzeigeeinrichtung einschließlich eines solchen Beleuchtungssystems.
Die betrachteten Anzeigeeinrichtungen können in zwei Typen unterteilt werden, nämlich Bildprojektionseinrichtungen und Flachbildschirm-Einrichtungen. Eine Bildprojektionseinrichtung ist eine Einrichtung, bei der ein mit Hilfe eines Anzeigeschirms, beispielsweise eines Flüssigkristallschirms, erzeugtes Bild in relativ großem Abstand und vergrößert auf einem Projektionsschirm mit Hilfe eines Projektionslinsensystems abgebildet wird. In einer Flachbildschirm-Einrichtung wird ein Bild auch mit einem Anzeigeschirm erzeugt. Die Abmessung dieser Einrichtung in der Richtung quer zum Anzeigeschirm ist relativ klein, viel kleiner als die Abmessung einer Bildprojektionseinrichtung. In einer Flachbildschirm-Einrichtung schaut ein Betrachter direkt auf den Anzeigeschirm, so daß diese Einrichtung auch als Direktsichteinrichtung bezeichnet werden kann. Für eine solche Einrichtung ist es wünschenswert, daß das Beleuchtungssystem zum Beleuchten des Anzeigeschirms in Richtung quer zum Schirm eine kleine Abmessung hat.
Die Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise eine Video-Anzeigeeinrichtung oder ein Monitor eines Computersystems oder die Anzeigeeinrichtung eines Gerätepultes sein.
Ein Beleuchtungssystem der eingangs erwähnten Art, das für eine Flachbildschirm-Einrichtung geeignet ist, ist aus dem US-Patent US-A 4.737.896 bekannt.
Das in diesem Patent beschriebene Beleuchtungssystem ist direkt hinter einem Transmissionsanzeigeschirm angeordnet und umfaßt eine Strahlungsquelle, deren Strahlung auf ein strahlunglenkendes Glied einfällt, das eine strahlungstreuende Austrittsebene hat, die die Strahlung zu einem Flüssigkristall Anzeigeschirm hin streut, im weiteren als LCD-Schirm bezeichnet.
In einer Anzeigeeinrichtung mit einem LCD-Schirm ist die Lichtausbeute, d.h. der von der Strahlungsquelle abgegebene Prozentsatz der Strahlung, der für einen Betrachter an der Anzeigeseite sichtbar ist, infolge der geringen Transmission des LCD- Schirms relativ klein. Der Grund hierfür ist, daß die durchsichtigen Pixel zusammen nur einen Teil der Oberfläche des Anzeigeschirms bedecken. Der andere Teil dieser Oberfläche wird von den Ansteuerungselementen für die Pixel eingenommen. Der LCD- Schirm arbeitet auf Basis einer durch jedes individuelle Pixel bewirkten Änderung des Polarisationszustandes des auf das flüssigkristalline Material des Elements einfallenden Lichtes. Daher sollte der Anzeigeschirm mit Strahlung angestrahlt werden, die einen bestimmten Polarisationszustand hat, wie linear polarisiertes Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung, oder links- oder rechtsdrehendes zirkular polarisiertes Licht. Die bekannten Anzeigeeinrichtungen sind daher mit Polarisationsmitteln versehen, die das unpolarisierte Licht aus der Quelle in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umwandeln. Diese Umwandlung geht mit dem Verlust von ungefähr der Hälfte der Lichtmenge einher.
Die in den herkömmlichen Direktsicht-Anzeigeeinrichtungen verwendeten Polarisationsmittel absorbieren das Licht mit dem nicht gewünschten Polarisationszustand. Damit für den Betrachter genügend viel Licht zur Verfügung steht, sollte in dieser Einrichtung eine Strahlungsquelle hoher Intensität verwendet werden. Eine solche Strahlungsquelle hat relativ große Abmessungen und verbraucht viel Energie, so daß sie für eine kompakte Anzeigeeinrichtung, die vorzugsweise getrennt von einer Netzversorgung verwendet werden kann, weniger geeignet ist. Da das auf die Polarisationsmittel einfallende Licht hohe Intensität hat, werden die Polarisationsmittel erheblich stark aufgeheizt. Da diese Polarisatoren sich bei den betrachteten Einrichtungen in der Nähe des LCD-Schirms befinden, kann es notwendig scin, ein Kühlsystem einzubauen, das die Anzeigeeinrichtung komplizierter und teurer macht.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 407 830 beschreibt ein Beleuchtungssystem für LCD-Schirme, bei denen ein cholesterisches Filter mit einem Spiegelreflektor kombiniert wird, der den Polarisationszustand eines von dem cholesterischen Filter reflektierten Strahlenbündels invertiert. Anschließend wird das genannte Strahlenbündel wieder zu dem cholesterischen Filter reflektiert, wo es jetzt durchgelassen wird. Auf diese Weise wird auch das Licht, das ursprünglich den nicht für das Filter geeigneten Polarisationszustand hat, zum LCD-Schirm durchgelassen. Ein Nachteil eines solchen Spiegelreflektors ist jedoch, daß er die vom cholesterischen Filter reflektierte Strahlung auf der Strahlungsquelle in Form einer Lampe bündelt. Da diese Lampe auf ihre eigene Strahlung absorbierend wirkt, bleibt die Lampenform in dem von der Anzeigeeinrichtung gebildeten, endgültigen Bild sichtbar, was für den Betrachter lästig ist. Der Oberbegriff von Anspruch 1 beruht auf diesem Dokument.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirkungsvolles Beleuchtungssystem zu verschaffen, in dem eine maximale Menge Strahlung aus der Quelle in Strahlung mit der gewünschten Polarisationsrichtung umgewandelt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Beleuchtungssystem gelöst, wie in Anspruch 1 definiert.
Unter Entpolarisation wird hier zumindest partielle Umwandlung von Strahlung mit einem bestimmten Polarisationszustand in unpolarisierte Strahlung, d.h. Strahlung mit verschiedenen Polarisationskomponenten verstanden.
Cholesterische Filter haben eine optische Schicht aus einem flüssigkristallinen Polymermaterial mit cholesterischer Ordnung. Das bedeutet, daß die Moleküle des Materials in Lösung spontan geordnet sind und eine Schraubenstruktur mit einer Steigung p bilden. Nachdem eine solche Lösung als dünne, optisch aktive Schicht zwischen zwei parallelen Substraten eingebracht worden ist, wird die Schraubenstruktur so gelenkt, daß die Achse der Helix quer zur Schicht liegt. Die Ausrichtung der Helix kann durch Anbringen einer Orientationsschicht auf den einander zugewandten Oberflächen der Substrate verbessert werden.
Wenn ein unpolarisiertes Strahlenbündel auf ein solches Filter einfallt, wird eine zirkular polarisierte Strahlungskomponente mit einer der Richtung der molekularen Helix entsprechenden Drehrichtung (linksdrehend oder rechtsdrehend) und mit einer der Steigung p der Helix entsprechenden Wellenlänge reflektiert, während eine zirkular polarisierte Komponente mit der entgegengesetzten Drehrichtung und einer nicht an das Filter angepaßten Wellenlänge durchgelassen wird. Die Reflexionswellenlänge λ&sub0; des cholesterischen Filters wird definiert durch:
λ&sub0; = 1/2(no + ne)p wobei no und ne die entsprechenden ordentlichen und außerordentlichen Brechzahlen des Materials des Filters sind und p die Steigung der molekularen Helix ist.
Das Licht mit der nicht gewünschten Polarisationsrichtung wird somit nicht mehr absorbiert, sondern von dem cholesterischen Filter reflektiert. Dieses Licht wird anschließend vom Reflektor zu dem cholesterischen Filter durchgelassen und wird vom Zerstreuungsglied entpolarisiert, so daß ein Teil davon wieder die gewünschte Polarisationsrichtung hat und doch noch von dem Filter zum Anzeigeschirm durchgelassen wird. Der übrige Teil wird von dem Filter und anschließend am Reflektor reflektiert, so daß infolge der Verwendung des Zerstreuungsgliedes ein Teil des Lichtes im richtigen Polarisationszustand auf das cholesterische Filter einfallt und zum LCD- Schirm durchgelassen wird. Somit können beispielsweise 80% des Lichtes des Wellenlängenbandes, für das das cholesterische Filter aktiv ist, in den gewünschten Polarisationszustand gebracht werden. Da außerdem das cholesterische Filter über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich aktiv ist, wird für alle Strahlung in diesem Wellenlängenbereich die Komponente mit dem nicht gewünschten Polarisationszustand von dem Filter zum Reflektor reflektiert und wieder zum Filter durchgelassen, so daß die genannten 80% Ausbeute für den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich gelten. Das von dem cholesterischen Filter durchgelassene Licht ist zum Beleuchten sowohl eines monochromen als auch eines Farbanzeigeschirms geeignet.
Durch Kombination eines cholesterischen Filters und eines entpolarisierenden Zerstreuungsgliedes mit einer Strahlungsquelle und einem Reflektor wird ein einmaliges Beleuchtungssystem erhalten, das weißes Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand liefert und dessen Lichtausbeute weitgehend von der Strahlungsquelle bestimmt wird. Wenn eine effiziente Lampe als Strahlungsquelle verwendet wird, kann eine gewünschte Lichtleistung bei einem relativ geringen Verbrauch an elektrischer Leistung erhalten werden. Obwohl das Beleuchtungssystem in erster Linie für eine Direktsicht-Anzeigeeinrichtung bestimmt ist, kann es auch vorteilhaft in einer Bildprojektionseinrichtung und in optischen Einrichtungen verwendet werden, in denen Licht mit einem bestimmten Polarisationszustand verwendet werden muß.
Es sei bemerkt, daß es an sich bekannt ist, ein cholesterisches Filter als Polarisator zu verwenden. Cholesterische Filter sind beispielsweise aus dem Artikel "Polarizing Color Filters made from Cholesteric LC Silicones" von R. Maurer et al. in SID International Symposium 1990, Digest of Technical Papers, S. 110-113 bekannt. Die in diesem Artikel beschriebenen cholesterischen Filter haben eine optisch aktive Schicht, die ein Polymermaterial mit einer cholesterischen Ordnung auf Basis von Silikonen umfaßt. Der genannte Artikel von Maurer schlägt nicht vor, das cholesterische Filter mit einem entpolarisierenden Zerstreuungsglied und einem Reflektor zu kombinieren, um den Wirkungsgrad der Polarisationsumwandlung zu erhöhen.
Es sei weiterhin bemerkt, daß aus EP-A-407 88 und dem dieser europäischen Patentanmeldung weitgehend entsprechenden Artikel "New Liquid Crystal Polarized Color Projection Principle" in Japanese Journal of Applied Physics, Bd. 29, Nr.10, Oktober 1990, S.1974-1984 von M. Schadt und J. Fünfschilling, an sich bekannt ist, ein cholesterisches Filter in einem Beleuchtungssystem für LCD-Schirme mit einem Spiegelreflektor zu kombinieren, der den Polarisationszustand eines von dem Filter reflektierten Strahlenbündels invertiert und anschließend dieses Strahlenbündel wieder zu dem Filter hin durchlaßt.
Wenn außerdem die Selektivität des cholesterischen Filters für linksdrehende und rechtsdrehende zirkular polarisierte Strahlung genügend groß ist, kann der Polarisator, der vor dem LCD-Schirm angeordnet ist und Teil eines herkömmlichen LCD-Schirms ist und der zusammen mit einem hinter dem LCD-Schirm angeordneten Analysator für einen ausreichenden Kontrast des erzeugten Bildes sorgt, eventuell weggelassen werden.
In den heutigen Anzeigeeinrichtungen werden vorzugsweise LCD-Schirme verwendet, die je nach der Erregung eines bestimmten Pixels linear polarisierte Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung in linear polarisierte Strahlung mit einer zweiten Polarisationsrichtung senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung umwandeln. Ein Beleuchtungssystem, das für eine solche Anzeigeeinrichtung sehr geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Breitband-λ/4-Plättchen an einer dem Zerstreuungsglied abgewandten Seite des cholesterischen Filters angeordnet ist.
Dieses Plättchen wandelt die aus dem Filter austretende zirkular polarisierte Strahlung in linear polarisierte Strahlung mit einer für den LCD-Schirm geeigne ten Polarisationsrichtung um. Ein Breitband-λ/4-Plättchen ist ein transparentes Element, das sich beispielsweise aus einer Vielzahl Schichten zusammensetzt und eine solche Phasenverschiebung in einem Strahlenbündel bei allen Wellenlängen (λ) im sichtbaren Wellenlängenbereich bewirkt, daß zirkular polarisierte Strahlung in linear polarisierte Strahlung umgewandelt wird. Ein solches λ/4-Plättchen wird beispielsweise in der Veröffentlichung "Retardation Film for STN-LCD's 'NRF'" der Firma Nitto Denko in SID '92 Exhibit Guide, Society for Information Display, 17.-22. Mai 1992, Boston, Massachusetts, USA beschrieben.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemaßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das cholesterische Filter aus einer Vielzahl von Schichten aus flüssigkristallinem Material zusammengesetzt ist, wobei jede Schicht für ein anderes Wellenlängenband aktiv ist, wobei die Wellenlängenbänder zusammen zumindest den sichtbaren Wellenlängenbereich abdecken.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemaßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das cholesterische Filter eine einzelne Schicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial hat, innerhalb welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix sich zwischen zwei Werten ändert, die der unteren bzw. der oberen Grenze des Reflexionsbandes entspricht, das erforderlich ist, um zumindest den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abzudecken.
Diese Ausführungsform beruht auf der neu erworbenen Erkenntnis, daß die Steigung der molekularen Helix eines flüssigkristallinen Polymermaterials mit einer cholesterischen Ordnung stetig verändert werden kann und nutzt die Tatsache, daß es der Anmelderin gelungen ist, ein cholesterisches Einzelschicht-Filter mit genügend großer Änderung der Steigung innerhalb dieser Schicht zu verwirklichen, so daß es nicht mehr notwendig ist, eine Vielzahl Schichten, die jeweils von einem flüssigkristallinen Material mit einem anderen Wellenlängen-Reflexionsband gebildet werden, zu stapeln. In dem erfindungsgemaßen cholesterischen Filter mit stetig variierender Steigung ist die Polymerschicht in imaginäre Teuschichten unterteilt, die jeweils ihre eigene Steigung haben und daher Strahlung in dem für den LCD-Schirm nicht gewünschten Polarisationszustand in ihrem eigenen Wellenlängenband reflektieren. Alle Teilschichten zusammen realisieren die gewünschte Reflexion in dem gewünschten Wellenlängenbereich, so daß eine einzelne Schicht ausreicht, um den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich (zwischen 400 und 780 nm) abzudecken. Durch stetige Veränderung der Steigung innerhalb einer einzelnen Schicht genügt es, eine Schichtdicke zu verwenden, die kleiner ist als die gesamte Dicke, die bei einer Stapelung des Stapels aus einzelnen Schichten notwendig ist, um die gewünschte Reflexion im gleichen Wellenlängenband zu realisieren.
Der Vorteil hiervon ist eine bessere optische Qualität des Filters. Die Qualität solcher Filter nimmt nämlich infolge von Fehlern, die für cholesterische Materialien typisch sind, und infolge von Verlust an molekularer Ordnung relativ schnell mit zunehmender Zahl Schichten ab. Da eine cholesterische Schicht mit einem Reflexionsband von 50 nm polarisierende Wirkung hat, sollte die Schicht eine minimale Dicke von 5 um haben. Um den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abzudecken, ist somit eine minimale Anzahl von sieben bis acht Schichten erforderlich, wenn die Zunahme der erforderlichen Reflexionsbandbreite infolge der Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel nicht berücksichtigt wird. Dies ergibt eine minimale Schichtdicke von 35 um. In einem cholesterischen Einzelschicht-Filter, in dem sich die Steigung stetig über die Schichtdicke verändert, genügt eine Schichtdicke von 20 um, um als Polarisator zu wirken. Außerdem nimmt die Betrachtungswinkelabhängigkeit des Filters mit zunehmender Dicke zu. Das bedeutet, daß die Wirksamkeit des Filters für Strahlung, die unter einem Winkel einfällt, der größer ist als ein bestimmter Einfallswinkel, bei größeren Schichtdicken beträchtlich abnimmt.
Der relevante Erfindungsgedanke kann auch verwendet werden, wenn cholesterische Materialien verwendet werden, die zum Realisieren einer genügend großen Änderung der Steigung der Helix in einer einzelnen Schicht nicht geeignet sind.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemaßen Beleuchtungssystems, bei dem das der Fall ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Vielzahl von Schichten des cholesterischen Filters ein flüssigkristallines Polymer umfaßt, in dem die Steigung der molekularen Helix sich stetig ändert, wobei jede Schicht in einem anderen Wellenlängenband aktiv ist.
Durch Veränderung der Steigung in einer Vielzahl von Schichten oder in jeder Schicht des Filters, wird der Wellenlängenbereich der relevanten Schicht vergrößert. Daher kann die Anzahl Schichten, die notwendig ist, um den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abzudecken, beträchtlich begrenzt werden, so daß die zuvor genannten Vorteile einer geringeren Anzahl von Filterschichten auch in diesem Fall gelten.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemaßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial des cholesterischen Filters ein dreidimensionales Netzwerk bildet und einen selbsttragenden Film, der geeignet ist, an anderen Elementen des Systems befestigt zu werden.
Optisch aktive Schichten, die ein dreidimensionales Netzwerk bilden, sind sehr robust und können daher als selbsttragende Schichten verwendet werden.
Substrate, die während der Fertigung zum Ausrichten und zur Polymerisation der optisch aktiven Schicht des cholesterischen Filters notwendig sind, können dann nach Ausführung dieser Prozeßschritte entfernt werden, was zur Kompaktheit des Beleuchtungssystems beiträgt.
Da die Wirksamkeit eines cholesterischen Filters nicht nur von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung, sondern auch vom Einfallswinkel anhängt, unter dem diese Strahlung auf das Filter einfallt, kann das in dem Beleuchtungssystem vorhandene Zerstreuungsglied, das für eine Entpolarisation von Strahlung sorgt, die einen nicht gewünschten Polarisationszustand hat, und insbesondere in einer Direktsicht-Anzeigeeinrichtung dafür sorgt, daß der gesamte Anzeigeschirrn beleuchtet ist, den Nachteil haben, soweit es das cholesterische Filter betrifft, daß Strahlung zum cholesterischen Filter auch unter großen Winkeln gestreut wird. Wenn der Einfallswinkel verändert wird, verschiebt sich das Wellenlängenband, für das das Filter polarisationsselektiv reflektiert. Das bedeutet, daß das Wellenlängenband, für das das Filter reflektierend sein sollte, gleich der Summe des tatsächlichen Wellenlängenbandes des sichtbaren Wellenlängenbereiches, beispielsweise zwischen 400 nm und 780 nm, und eines fiktiven Wellenlängenbandes ist, so daß es auch für Strahlung, die unter einem von 90º abweichenden Einfallswinkel einfallt, polarisationselektiv ist. Die Verschiebung des Wellenlängenbandes als Funktion einer Änderung des Einfallswinkels beträgt beispielsweise 2 nm pro Grad, so daß für den extremen Fall von 180º für den Bereich von Einfallswinkeln das fiktive Wellenlängenband 360 nm beträgt. Das gesamte Reflexionsband müßte dann 380 nm + 360 nm = 740 nm betragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Anforderungen an das cholesterische Filter verringert und das Beleuchtungssystem besser zum Beleuchten beispielsweise eines LCD-Schirms geeignet gemacht werden, wenn das Beleuchtungssystem weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß zwischen dem Zerstreuungsglied und dem cholesterischen Filter ein optisch transparentes Element angeordnet ist, wobei eine dem Filter zugewandte Seite dieses Elements eine sich in zumindest einer Richtung erstreckende periodische und strahlungbrechende Struktur aufweist, um aus dem Zerstreuungsglied stammende Strahlung unter einem gegebenen Winkel zu bündeln.
Da das strahlenbündelnde Element den Bereich von Einfallswinkeln, unter denen die Strahlung auf das cholesterische Filter einfällt, verkleinert, wird das erforderliche fiktive Wellenlängenband und damit das erforderliche Reflexionsband des Filters kleiner. Daher erfordert ein Einzelschicht-Filter keine so große Veränderung der Helixsteigung, und ein Mehrschicht-Filter benötigt weniger Schichten.
Je nach der Struktur der Anzeigeeinrichtung kann die periodische Struktur eine eindimensionale oder zweidirnensionale Struktur sein.
In einer Anzeigeeinrichtung mit einem LCD-Schirm ist es wünschenswert, daß der Schirm so viel wie möglich unter einem bestimmten Winkel angestrahlt wird, um so maximalen Kontrast zu erhalten. Durch Anpassen des strahlenbündelnden Elements kann der mittlere Winkel, unter dem die Strahlung das Element verläßt, angepaßt werden, was zur Realisierung dieses Wunsches beiträgt.
Die periodische Struktur des strahlenbündelnden Elements kann auf verschiedene Weise realisiert werden.
Eine erste Möglichkeit wird in einer Ausführungsform des Beleuchtungssystems verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Element sich aus einer ersten Platte, von der eine dem Filter zugewandte Oberfläche eine erste periodische Struktur hat, die in einer ersten Richtung in der Ebene der Platte verläuft, und einer zweiten Platte, von der eine dem Filter zugewandte Oberfläche eine zweite periodische Struktur hat, die in einer zweiten Richtung in der Ebene der Platte und unter einem Winkel zur ersten Richtung verläuft, zusammensetzt.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine einzelne Platte ist, von der eine dem Filter zugewandte Oberfläche eine zweidirnensionale strahlungbrechende Struktur hat.
Die Elemente der periodischen Struktur können weiterhin in verschiedener Weise ausgeführt sein. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem dadurch gekennzeichnet sein, daß die strahlungbrechende Struktur von ersten Oberflächengebieten gebildet wird, die mit zweiten Oberflächengebieten abwechseln, wobei die ersten Gebiete einen ersten Winkel und die zweiten Gebiete einen zweiten Winkel mit der Normalen auf das Element bilden.
Die Elemente der periodischen Struktur können beispielsweise kleine Linsen oder Prismen sein, die mit innerer Totalreflexion arbeiten und die durch eine geeignete Wahl der Prismenwinkel und/oder der Brechzahl des Prismenmaterials optimiert werden können.
Es sei bemerkt, daß die Verwendung einer Platte mit Prismen in einem Beleuchtungssystem zum Bündeln der Strahlung unter einem bestimmten Raumwinkel an sich unter anderem aus der englischsprachigen Zusammenfassung von JP-A 2-257188 bekannt ist. Diese Veröffentlichung beschreibt jedoch nicht die Kombination mit einem cholesterischen Filter und die Vorteile der Prismenplatte in einer solchen Kombination.
Die Erfindung betrifft auch eine Bildprojektionseinrichtung mit einem Beleuchtungssystem und einer Anzeigeeinrichtung mit zumindest einem Transmissionsanzeigeschirm zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes sowie einem Projektionslinsensystem zum Projizieren des erzeugten Bildes auf einem Projektionsschirm. Eine solche erfindungsgemaße Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem ein wie vorstehend beschriebenes System ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin insbesondere eine Flachbildschirm-Einrichtung mit einem Beleuchtungssystem und einem Transmissionsanzeigeschirm, welche erfindungsgemäße Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß das Beleuchtungssystem ein wie vorstehend beschriebenes System ist.
Die Lichtausbeute einer solchen mit einem Farbanzeigeschirm versehenen Einrichtung kann weiterhin verbessert werden, wenn diese Einrichtung weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß ein in das Muster der Pixel des Anzeigeschirms hinein passendes Muster aus dichroitischen Spiegeln vor und nahe den genannten Pixeln angeordnet ist, wobei jeder Spiegel Strahlung in einem zu dem entsprechenden Pixel gehörenden Wellenlängenband durchläßt und Strahlung außerhalb des genannten Wellenlängenbandes nahezu vollständig reflektiert.
US-Patent US-A 5.029.986 beschreibt einen Farbanzeigeschirm mit einer eingebauten Matrix aus dichroitischen Spiegeln und beschreibt auch, wie die Lichtausbeute durch Kombinieren einer solchen Spiegelmatrix mit einem Reflektor verbessert werde kann. Eine sehr effiziente Farbanzeigeeinrichtung wird durch Kombinieren eines solchen Schirms mit einem Beleuchtungssystem der oben beschriebenen Art erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flachbildschirm-Einrichtung einschließlich eines cholesterischen Filters,
Fig. 2 die Reflexionsspektren eines cholesterischen Filters (a), in dem die Steigung p über die Schichtdicke konstant ist und (b) in dem die Steigung p sich über die Schichtdicke stetig ändert,
Fig. 3a und 3b die Streuung eines Strahlenbündels ohne und mit einer Prismenfolie,
Fig. 4 schematisch eine Ausführungsform einer Anzeigeeinrichtung mit einer Prismenfolie,
Fig. 5a und 5b den Streumechanismus einer Prismenfolie,
Fig. 6a, 6b, 6c und 6d einige Ausführungsformen einer Prismenfohe zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung,
Fig. 7 eine Ausführungsform einer Einrichtung mit flachem Farbbildschirm einschließlich eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems und
Fig. 8 eine Ausführungsform einer Bildprojektionseinrichtung einschließ lich eines erfmdungsgemäßen Beleuchtungssystems.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Direktsicht-Anzeigeeinrichtung 1 umfaßt einen Transmissionsanzeigeschirm 3 mit einer Beleuchtungsseite 5 und einer Anzeigeseite 7, die zu einem Betrachter 9 hin gerichtet sind. Die Anzeigeeinrichtung 1 umfaßt weiterhin ein erfindungsgemäßes Beleuchtungssystem 11. Das Beleuchtungssystem 11 umfaßt eine Strahlungsquelle 13 und einen dahinter angeordneten Reflektor 15. Ein Zerstreuungsglied 17 zum Streuen der aus der Strahlungsquelle 13 kommenden Strahlung zum Anzeigeschirm 3 ist für eine gleichmäßige Beleuchtung des Schirms zwischen der Strahlungsquelle 13 und dem Anzeigeschirm 3 angeordnet.
Der Anzeigeschirm kann beispielsweise ein Flüssigkristallanzeigeschirm (LCD, Liquid Crystal Display) sein, der von zwei Glassubstraten gebildet wird, zwischen denen eine orientierte Flüssigkristallschicht eingebracht ist. Derartige Schirme, deren Funktionsweise auf einer Änderung oder Nichtänderung des Polarisationszustandes des sie durchlaufenden Lichtes beruht, müssen mit Licht angestrahlt werden, die einen bestimmten Polarisationszustand haben. Da die von der Strahlungsquelle 13 emittierte Strahlung unpolarisiert ist, sollte sie erst in einen Polarisationszustand umgewandelt werden, der für den Schirm geeignet ist.
Die Umwandlung des Polarisationszustandes in dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem 11 wird sehr effizient mit Hilfe eines neuartigen cholesterischen Filters 19 erreicht, das im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich aktiv ist. Dieses Filter ist so entworfen, daß seine Transmissionspolarisation für diesen Wellenlängenbereich der für den Anzeigeschirm 3 geeigneten Polarisation entspricht. Das cholesterische Filter 19 ist zwischen dem Zerstreuungsglied 17 und dem Anzeigeschirm 3 angeordnet. Die unpolarisierte Strahlung aus der Strahlungsquelle 13 fallt auf das cholesterische Filter 19 über das Zerstreuungsglied 17 ein.
Die in bekannten Anzeigeeinrichtungen verwendeten cholesterischen Filter sind nur innerhalb eines begrenzten Wellenlängenbandes aktiv, beispielsweise 50 nm, wobei das Band viel schmaler ist als der sichtbare Wellenlängenbereich, beispielsweise 380 nm. Strahlung bei einer Wellenlänge außerhalb des Reflexionsbandes des bekannten Filters wird unpolarisiert durchgelassen, was bedeutet, daß das Filter nur für einen begrenzten Wellenlängenbereich als Polarisator arbeitet. Aus diesem Grund sind die bekannten Filter zur Verwendung als Farbfilter sehr geeignet, aber die Reflexionsbandbreite ist nicht groß genug, um sie als Polarisationsfilter in den obengenannten Anwendungen in Einrichtungen wie Bildprojektionseinrichtungen und Flachbildschirm-Einrichtungen zu verwenden.
Die Breite des Reflexionsbandes Δλ wird durch Δλ = λ&sub0;Δn/ definiert, wobei Δn = ne-no die Doppelbrechung, ne und no die außerordentliche bzw. ordentliche Brechzahl, und = (ne+no)/2 die mittlere Brechzatil ist. λ&sub0; ist die zentrale Wellenlänge des selektiven Reflexionsbandes bei senkrechtem Einfall der Strahlung und wird
definiert durch λ&sub0; = p = (ne+no) / 2 p,
wobei p die Steigung der molekularen Helix des Filters ist. Im sichtbaren Wellenlängenbereich wird die Breite des Reflexionsbandes hauptsächlich durch die Doppelbrechung Δn des cholesterischen Materials bestimmt, welche Doppelbrechung nur in geringem Maße verändert werden kann. Allgemein wird Δn kleiner als 0,3 sein, so daß die Bandbreite kleiner als 100 nm ist und allgemein ungefahr 50 nm beträgt.
Um ein cholesterisches Filter zu erhalten, das für eine Anzeigeeinrichtung geeignet ist, d.h. ein cholesterisches Filter, das im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet, kann eine Anzahl schmalbandiger cholesterischer Schichten mit jeweils einem anderen Reflexionsband gestapelt werden. Das zusammengesetzte Filter hat dann eine totale Reflexionsbandbreite, die gleich der Summe der Reflexionsbandbreiten der gesonderten Schichten ist und die genügend groß sein kann, um das Licht im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich zu polarisieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein cholesterisches Filter verwendet, das im Prinzip aus einer einzelnen Schicht besteht und dessen Steigung p der molekularen Helix sich über die Schichtdicke zwischen einer Untergrenze und einer Obergrenze ändert, so daß die resultierende Reflexionsbandbreite der Bandbreite entspricht, die notwendig ist, damit das Filter im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitet.
Der Vorteil dieses Einzelschicht-Filters gegenüber einem gestapelten Filter ist, daß die optische Qualität des erstgenannten Filters beträchtlich besser ist, weil das Stapeln von Schichten wegen des Vorhandenseins von Fehlern in den cholesterischen Materialien und des Verlustes an planarer Molekularordnung bei zunehmender Anzahl Schichten zu einer abnehmenden optischen Qualität führt. Außerdem nimmt die Betrachtungswinkelabhängigkeit mit zunehmender Schichtdicke und damit mit zunehmender Anzahl Schichten zu. Das bedeutet, daß für Strahlung, die unter einem Einfallswinkel einfallt, der größer ist als ein bestimmter Wert, die Wirksamkeit des Filters bei zunehmender Schichtdicke beträchtlich abnimmt.
Für den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich ist eine Reflexionsbandbreite von 780 nm - 400 nm = 380 nm erforderlich. Die Wirksamkeit eines cholesterischen Filters wird auch durch den Einfallswinkel bestimmt, unter dem die zu polarisierende Strahlung einfallt. Das Reflexionsband des Filters verschiebt sich als Funktion des Einfallswinkels, beispielsweise um 2 nm pro Grad. Das bedeutet, daß infolge von variierenden Einfallswinkeln das für den sichtbaren Wellenlängenbereich benötigte Reflexionsband um ein fiktives Wellenlängenband ergänzt werden muß. Für den maximalen Bereich von Einfallswinkeln, nämlich 180º, sollte das totale Reflexionsband 360 nm + 180 x 2 nm = 740 nm sein. Da die Breite des Reflexionsbandes für eine bekannte cholesterische Schicht im sichtbaren Wellenlängenbereich im Mittel 50 nm beträgt, sollte ein herkömmliches gestapeltes Filter ungefähr 15 Schichten haben.
Ein aus einer einzelnen Schicht bestehendes cholesterisches Filter, in dem die Steigung p sich über die Schichtdicke stetig ändert, kann folgendermaßen hergestellt werden. Zuerst wird eine Mischung aus reaktiven Monomeren hergestellt. Diese Mischung umfaßt unterschiedliche Gewichttsprozentsätze einer chiralen Komponente und einer nematogenen Komponente, wobei die Komponenten eine unterschiedliche Anzahl reaktiver Gruppen haben, beispielsweise zwei bzw. eine, so daß die beiden Monomere unterschiedlich Reaktivität haben. Ein Stabilisator und eine Farbstoffmenge werden anschließend dieser Mischung hinzugefügt. Die so hergestellte Mischung wird dann zwischen zwei transparenten Substraten eingebracht, die jeweils beispielsweise eine Schicht aus Polyimid aufweisen können. Diese Schichten werden zum Ausrichten der molekularen Helix verwendet, die spontan in der cholesterischen Mischung entsteht. Um die Bildung von Disklinationen zu verhindern, werden die beiden Substrate über einen kleinen Abstand weggeschoben, bis eine planare Ordnung erzeugt worden ist. Anschließend wird die reaktive Mischung bei Raumtemperatur mittels UV-Strahlung photopolymerisiert, so daß ein dreidimensionales Netzwerk gebildet wird. Wegen der Stärke der so gebildeten optisch aktiven Schicht ist es möglich, die optische Schicht von den Substraten zu lösen und diese Schicht als selbsttragendes cholesterisches Filter zu verwenden. Die gewünschte Reflexionsbandbreite, beispielsweise eine dem vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich entsprechende Reflexionsbandbreite, kann durch Variieren der Farbstoffmenge, der Wellenlänge und der Leistung des UV-Lichtes erhalten werden.
Kurve a in Fig. 2 stellt das Reflexionsspektrum eines cholesterischen Filters dar, in dem die Steigung p über die Schichtdicke konstant ist. Dieses Filter wurde ohne Zugabe eines Farbstoffes erhalten. Die Reflexionsbandbreite des Filters beträgt nur ungefähr 45 nm.
Kurve b in Fig. 2 stellt das Reflexionsspektrum eines cholesterischen Filters dar, in dem während der Polymerisation ein Farbstoff vorhanden war. Die Reflexionsbandbreite des Filters ist ungefähr 230 nm.
Für weitere Einzelheiten hinsichtlich der Herstellung eines cholesterischen Einzelschicht-Filters mit einer sich über die Schichtdicke stetig ändernden Steigung p sei auf die von der Anmelderin gleichzeitig eingereichte Anmeldung (PHN 14.345) verwiesen.
Eine Ausführungsform, bei der die optische Qualität des Filters beträchtlich besser ist und die Betrachtungswinkelabhängigkeit weniger ausgeprägt ist als bei einem aus einer Vielzahl schmalbandiger cholesterischer Schichten zusammengesetzten cholesterischen Filter ist ein cholesterisches Filter, das aus einer Vielzahl Schichten aufgebaut ist, von denen zumindest einige eine Steigung p der molekularen Helix haben, die sich über die Schichtdicke stetig ändert.
Die Schichten, innerhalb deren die Steigung p sich über die Schichtdicke ändert, können in gleichartiger Weise gebildet werden, wie vorstehend für ein Einzelschicht-Filter beschrieben worden ist.
Wenn die Bandbreite einer cholesterischen Schicht wie von der Erfindung vorgeschlagen vergrößert wird, beispielsweise auf 150 nm, kann die Anzahl benötigter Schichten für den sichtbaren Wellenlängenbereich von 15 auf 5 verringert werden.
Infolge der oben beschriebenen Eigenschaften eines cholesterischen Filters wird die Strahlung, die in der der Richtung der molekularen Helix entsprechenden Richtung zirkular polarisiert ist, in Richtung der Strahlungsquelle 13 reflektiert, während die entgegengesetzt zirkular polarisierte Strahlung von dem Filter 19 durchgelassen wird. Die reflektierte Strahlung erreicht anschließend wieder das Zerstreuungsglied 17, bei dem die Strahlung entpolarisiert wird. Die entpolarisierte Strahlung fällt dann auf den Reflektor 15 ein, an dem Reflexion in Richtung des Filters 19 erfolgt. Ein Teil der unpolarisierten Strahlung, das das Filter wieder erreicht hat, wird einen zirkularen Polarisationszustand haben, der zur Transmission geeignet ist. Der übrige Teil durchläuft wieder den beschriebenen Strahlungsweg, während jedesmal ein Teil der Strahlung durchgelassen wird. Abgesehen von Reflexionverlusten wird nahezu alle unpolarisierte Strahlung auf diese Weise in für den Anzeigeschirm geeignete zirkular polarisierte Strahlung umgewandelt.
Das aus der Strahlungsquelle 13 kommende Licht wird vom Zerstreuungsglied 17 über einen Winkelbereich von nahezu 180º gestreut, wie in Fig. 3a gezeigt wird. Da die Wirksamkeit eines cholesterischen Filters nicht nur von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung, sondern auch vom Einfallswinkel dieser Strahlung bestimmt wird, streut ein solches Zerstreuungsglied auch Strahlung unter großem Einfallswinkel in Richtung des Filters. Infolgedessen muß das zum Abdecken eines bestimmten Wellenlängenbereiches erforderliche Reflexionsband des Filters um ein fiktives Wellenlängenband vergrößert werden, um auch für große Einfallswinkel wirksam zu sein. Die Verschiebung des Reflexionsbandes als Funktion des Einfallswinkels beträgt beispielsweise 2 nm pro Grad. Daher muß für einen Winkelbereich von 180º das Reflexionsband um 180 x 2 nm = 360 nm vergrößert werden.
Indem zwischen dem Zerstreuungsglied 17 und dem cholesterischen Filter 19 ein strahlenbündelndes Element 21 angebracht wird, wie in Fig. 4 gezeigt, kann der Bereich der Einfallswinkel beträchtlich verkleinert werden, was zu einer Verkleinerung des gesamten erforderlichen Reflexionsbandes des cholesterischen Filters führt.
Dies wird anhand eines numerischen Beispiels erläutert. Indem beispielsweise ein Zerstreuungsglied in Form einer Prismenfohe verwendet wird, für die der Bereich der Einfallswinkel auf 90º verkleinert worden ist, wird die zum Abdecken des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderliche Anzahl herkömmlicher Schichten mit einer Reflexionsbandbreite von 50 nm gegeben durch [780 nm - 400 nm + (2 x 90)]/50 = 11 Schichten statt 15 Schichten ohne Prismenfolie.
Für ein Filter mit cholesterischen Schichten, in denen die Steigung sich stetig ändert und das daher ein Reflexionsband von 150 nm hat, genügt es, [780 nm - 400 nm + (2 x 90)]/150 = 4 Schichten statt 5 Schichten zu verwenden. Für ein Filter mit einer veränderlichen Steigung liegen die Werte der Untergrenze und der Obergrenze der Steigung p dichter beieinander.
Das strahlenbündelnde Element 21 ist aus einem optisch transparenten Material hergestellt und kann beispielsweise direkt auf dem Zerstreuungsglied 17 angebracht werden, wie in Fig. 4 gezeigt wird. Die dem Filter 19 zugewandte Oberfläche des Elements 21 hat eine periodische und strahlungbrechende Struktur, beispielsweise eine Prismenstruktur.
Fig. 3b zeigt die Wirkung eines Elements 21 mit einer solche Struktur, beispielsweise einer eindimensionalen Prismenstruktur, im weiteren als Prismenfolie bezeichnet, auf die aus dem Zerstreuungsglied 17 kommende Strahlung. Ein Vergleich dieser Figur mit Fig. 3a zeigt, daß die Strahlung innerhalb eines Winkels fl gebündelt wird, der kleiner ist als der Winkel α. Daher nimmt die Helligkeit des Zerstreuungsgliedes in Vorwärtsrichtung zu. Dieser Winkelbereich β kann durch Veränderung der Anstiegswinkel der Prismenflanken verändert werden.
Fig. 5a und 5b veranschaulichen die Funktionsweise einer Prismenfolie anhand einer Ausführungsform mit einer sich in einer Richtung erstreckenden Struktur. Ein Strahlenbündel 23, das senkrecht auf die Grenzfläche 25 zwischen dem Zerstreuungsglied 17 und der Prismenfolie 21 einfallt, erfänrt an den Flanken 33 und 34 der Prismenfolie 21 innere Totalreflexion, weil der Einfallswinkel größer als der kritische Winkel ist. Andererseits können Strahlenbündel 27, 29, die auf die Flanken 33 und 34 unter einem Winkel einfallen, der kleiner ist als der kritische Winkel, die Prismenfolie 21 durch die Flanken 33 und 34 hindurch verlassen. Somit sorgt die Prismenfohe 21 dafür, daß die Strahlung nur unter einem Winkel im Bereich zwischen 90º-Θ&sub1; und 90º-Θ&sub2;, d.h. den von PrismenfLanken mit der Normalen auf die Folie gebildeten Winkeln, austreten kann. Durch Anpassen der Winkel Θ&sub1; und Θ&sub2;, d.h. der von den Flanken 33, 34 der Folienstruktur mit der Fläche des Zerstreuungsgliedes 17 gebildeten Winkel, ist es möglich, die Richtung des Strahlenbündels festzulegen. Das an der Prismenfolie 21 reflektierte Strahlenbündel 31 kehrt über das Zerstreuungsglied 17 zum Reflektor 15 hinter der Strahlungsquelle 13 zurück und wird nach Reflexion wieder dem System zugeführt.
Fig. 6a, 6b, 6c und 6d zeigen eine Anzahl verschiedener Ausführungsformen von Prismenfolien. Fig. 6a zeigt eine Prismenfolie mit einer einzelnen Platte, deren dem Filter zugewandte Oberfläche eine symmetrische Dreieckstruktur hat, mit Θ&sub1; = Θ&sub2;. Fig. 6b zeigt eine Prismenfolie, die auch eine einzelne Platte umfaßt, die auf der dem Filter zugewandten Oberfläche eine sägezahnförmige Struktur hat, mit Θ&sub1; ≠ Θ&sub2;. Auf diese Weise wird die Strahlung nicht nur unter einem bestimmten Winkel gebündelt, sondern die Achse des aus der Prismenfolie austretenden Strahlenbündels kann durch Verändern von Θ&sub1; und Θ&sub2; justiert werden. Fig. 6c zeigt eine zweidimensional arbeitende Prismenfolie. Hierbei wird die Strahlung in zwei Dimensionen gebündelt. Diese Prismenfolie umfaßt zwei Platten 20, 22, die jeweils mit einem strahlenbündelnden Element versehen sind. Die erste Platte 20 hat auf der dem Filter zugewandten Oberfläche eine erste periodische Struktur, die sich in einer ersten Richtung erstreckt, beispielsweise eine regelmäßige Dreieckstruktur wie in Fig. 6a, die zweite Platte 22 hat auf der dem Filter zugewandten Oberfläche eine zweite periodische Struktur, beispielsweise eine Struktur wie in Fig. 6a. Die beiden Strukturen sind zueinander unter einem bestimmten Winkel orientiert, beispielsweise unter einem rechten Winkel. Eine Kombination aus zwei Strukturen wie in Fig. 6b oder eine Kombination einer Struktur wie in Fig. 6a und einer Struktur wie in Fig. 6b ist möglich, je nach der beabsichtigten Bündelung der Strahlung. Ein zweidimensional arbeitendes strahlenbündelndes Element kann auch eine Platte mit einer Matrix aus Linsen oder pyramidenförmigen Prismen umfassen. Eine Ausführungsform einer solchen Prismenfolie mit einer Matrix aus Prismen auf der dem Filter zugewandten Oberfläche der Prismenfohe wird in Fig. 6d gezeigt.
Die Moiré-Effekte, die in einer einzelnen oder einer zusammengesetzten Prismenfolie in Kombination mit einem LCD-Schirm auftreten können, können durch Anpassen der Periode der Struktur der Folie an die Periode der Pixel in dem Anzeigeschirm verringert werden.
Sowohl in der Einrichtung von Fig. 1 als auch der von Fig. 3 kann wahlweise ein λ/4-Plättchen 23 hinter dem cholesterischen Filter 19 angeordnet werden, so daß zirkular polarisierte Strahlung in linear polarisierte Strahlung umgewandelt wird. Die derzeit am häufigsten verwendeten Flüssigkristallanzeigeschirme arbeiten mit linear polarisierter Strahlung. Da die Verwendung eines λ/4-Plättchens von der Art des Anzeigeschirm 3 abhängt, wird das Plättchen 23 in den beiden Figuren gestrichelt dargestellt. Da die Umwandlung von zirkular in linear im sichtbaren Wellenlängenbereich verwirklicht werden soll, wird ein Breitband-λ/4-Plättchen verwendet, wie es beispielsweise in US-A 5.029.986 beschrieben wird.
Wenn das cholesterische Filter ein Einzelschicht-Filter mit einer ein dreidimensionales Netzwerk bildenden optisch aktiven Schicht ist und wegen seiner besonderen Stärke einen selbstragenden Film bildet, kann dieses Filter an anderen Elementen befestigt werden, wie z.B. dem Zerstreuungsglied 17 oder dem eventuellen λ/4-Plättchen 23. Auf diese Weise wird ein sehr kompaktes Beleuchtungssystem erhalten.
Vorstehend ist beschrieben worden, auf welche Weise in einem Beleuchtungssystem die verfügbare Strahlung der Quelle sehr effizient genutzt werden kann, sowohl hinsichtlich der Polarisationsrichtung als auch der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung, sowie welche Vorteile ein solches System in einer Anzeigeeinrichtung hat.
Wenn diese Einrichtung eine Direktsicht-Farbanzeigeeinrichtung ist, kann die Strahlungsausbeute durch eine neuartige Kombination der vorstehend beschriebenen Erfindung mit der im US-Patent US-A 5.029.986 beschriebenen Erfindung weiter erhöht werden. Die Lichtausbeute kann dann auch hinsichtlich der Farbe verbessert werden.
Fig. 7 zeigt schematisch eine Anzeigeeinrichtung, in der die neuartige Kombination verwendet wird. Das Beleuchtungssystem 11 umfaßt wieder eine Strahlungsquelle 13, ein Zerstreuungsglied 17, ein cholesterisches Polarisationsfilter 19 und wahlweise ein straalenbündelndes Element 21. Die Strahlungsquelle ist beispielsweise eine mäanderförmige Lampe, die in einem Halter angeordnet ist, der reflektierende Innenwände 15 hat. Der Farbanzeigeschirm 40 umfaßt eine große Anzahl Pixel, die in drei mit den Bezugszeichen 41, 42 und 43 bezeichnete Gruppen unterteilt sind, die jeweils ein Bild einer bestimmten Farbe, nämlich rot, grün bzw. blau, erzeugen. Eine Matrix 50 aus Farbfiltern, die in das Muster der Pixel passen, ist vor dem Schirm 40 angeordnet, wobei die Farbfilter ebenfalls in drei mit den Bezugszeichen 51, 52 und 53 bezeichnete Gruppen unterteilt sind. Diese Farbfilter, die nur Licht der geeigneten Farbe zu den zugehörigen Pixeln 41, 42, 43 durchlassen, sind in dieser Ausführungsform dichroitische Spiegel. Ein derartiger Spiegel reflektiert die nicht zu dem Pixel gehörenden Farbkomponenten des einfallenden Teilbündels zur Strahlungsquelle. Die reflektierenden Innenwände des Halters senden das Teilbündel wieder zum System zurück. Wenn dieses Teilbündel bei der Matrix 50 eintrifft, trifft es auf einen anderen Spiegel als den, an dem es ursprünglich reflektiert worden war, weil sich unterwegs die Richtung dieses Teilbündels geändert hat. Eine zweite Farbkomponente dieses Teilbündels wird dann doch noch zu einem zugehörigen Pixel durchgelassen. Die übrige Farbkomponente des Teilbündels durchläuft erneut den Weg zum Strahlungsquellenhalter und davon weg und kann dann von einem weiteren Farbfilter zu einem zugehörigen Pixel durchgelassen werden. Da alle Teilbündel das System mehrere Male in der oben beschriebenen Weise durchlaufen, wird erreicht, daß der größere Teil der Quellenstrahlung in der richtigen Farbe auf die Pixel einfallt, so daß auch hinsichtlich der Farbe eine hohe Ausbeute erhalten wird.
Fig. 7 zeigt das λ/4-Plättchen 23 wieder gestrichelt, weil das Anbringen des λ/4-Plättchens davon abhängt, ob der LCD-Schirm mit linear polarisierter oder mit zirkular polarisierter Strahlung arbeitet.
Wenn die Selektivität des cholesterischen Filters 19 für linksdrehende und rechtsdrehende zirkular polarisierte Strahlung groß genug ist, kann ein herkömmlicher Polarisator 54, der vor dem LCD-Schirm 3 angeordnet ist und Teil eines herkömmlichen LCD-Schirms ist und der zusammen mit einem hinter dem LCD-Schirm 3 angeordneten Analysator 53 für einen ausreichenden Kontrast des erzeugten Bildes sorgt, weggelassen werden.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer Bildprojektionseinrichtung. In 5 dieser Figur stellt der Block A ein erfmdungsgemäßes Beleuchtungssystem dar, das ein Lichtstrahlenbündel b emittiert, dessen Hauptachse mit der optischen Achse OO' der Bildprojektionseinrichtung zusammenfällt. Dieses Strahlienbündel fällt auf ein Anzeigesystem B ein, das einen einzigen Anzeigeschirm 3 hat, wenn ein einfarbiges Bild projiziert werden soll. Dieser Schirm ist beispielsweise ein Flüssigkristall-Schirm mit einer Schicht aus flüssigkristallinem Material 60, beispielsweise vom nematischen Typ, die zwischen zwei transparenten Platten 61 und 63 eingeschlossen ist, beispielsweise Glasplatten. Auf jeder Platte sind Ansteuerungselektroden 65 bzw. 67 angebracht. Diese Elektroden können in eine große Anzahl Zeilen und Spalten unterteilt sein, so daß eine große Anzahl Pixel in dem Anzeigeschirm definiert wird. Die verschiedenen Pixel werden dann durch Ansteuerung der Matrixelektroden angesteuert, wie schematisch mit Hilfe der Ansteuerungsanschlüsse 69 und 68 gezeigt wird. Somit kann an gewünschten Stellen ein elektrisches Feld an das flüssigkristalline Material 60 gelegt werden. Ein derartiges elektrisches Feld bewirkt eine Änderung der effektiven Brechzahl des Materials 60, so daß das durch ein bestimmtes Pixel laufende Licht eine Änderung des Polarisationszustandes erfahrt oder nicht, je nach dem Nichtvorhandensein oder Vorhandensein eines örtlichen elektrischen Feldes am Ort des betreffenden Pixels.
Anstelle dieses passiv gesteuerten Anzeigeschirms ist es möglich, alternativ einen aktiv gesteuerten Schirm zu verwenden. Bei dem letztgenannten Schirm hat eine der Trägerplatten eine Elektrode, während die andere Platte mit der Halbleiter- Ansteuerungselektronik versehen ist. Jedes Pixel wird jetzt von seinem eigenen aktiven Ansteuerungselement angesteuert, wie z.B. einem Dünnfilmtransistor Beide Typen direktgesteuerter Anzeigeschirme werden beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 266 184 beschrieben.
Das auf den Anzeigeschirm 3 einfallende Strahlenbündel sollte polarisiert sein, vorzugsweise linear polarisiert. Hierzu ist das Beleuchtungssystem mit einem Polarisator in Form eines cholesterischen Einzelschicht- oder Mehrschicht-Filters und mit einem wie vorstehend beschriebenen Zerstreuungsglied versehen. Im Weg des vom Anzeigeschirm durchgelassenen Lichtes ist weiterhin ein Analysator 53 angeordnet, der beispielsweise das von den Pixeln, die erregt sind und den Polarisationszustand des Strahlenbündeis nicht ändern, kommende Licht zu einem Projektionsimsensystem C durchläßt. Das von den nichterregten Pixeln, die den Polarisationszustand des Strahlenbündels ändern, kommende Licht wird vom Analysator 53 blockiert. Der Analysator wandelt somit die Polarisationsmodulation des Strahlenbündels in eine Intensitätsmodulation um. Das Projektionslinsensystem C projiziert das auf dem Schirm 3 gebildete Bild auf einen Projektionsschirm D. Dies projizierte Bild kann von einem Betrachter 9 in dem hinter dem Projektionsschirm liegenden Raum beobachtet werden.
Wie bereits bemerkt, wird der Anzeigeschirm vorzugsweise mit linear polarisiertem Licht angestrahlt, wobei die Schirmelemente die Polarisationsrichtung um 90º drehen oder nicht. Im Prinzip ist es auch möglich, eine Bildprojektionseinrichtung mit Flüssigkristallanzeigeschirmen mit zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht statt mit linear polarisiertem Licht zu betreiben. Der Anzeigeschirm kann dann die Drehrichtung des zirkular polarisierten Lichtes oder das Verhältnis der Ellipsenachsen des elliptisch polarisierten Lichtes ändern. Diese Änderungen können mit Hilfe von zusätzlichen Polarisationsmitteln in eine Intensitätsmodulation umgewandelt werden.
Wenn die Bildprojektionseinrichtung eine Farbbildprojektionseinrichtung ist, umfaßt das Anzeigesystem B drei Anzeigeschirme, einen für jede der Primärfarben rot, grün und blau, sowie eine Anzahl dichroitische Spiegel, die das Strahlenbündel b in ein rotes, ein grünes und ein blaues Strahlenbündel aufspalten, die jeweils auf einen zugehörigen Schirm einfallen. Ein weiterer Satz dichroitischer Spiegel kombiniert die durch diese Schirme tretenden Strahlenbündel zu einem einzigen Strahlenbündel, das das Projektionslinsensystem durchläuft.
Es ist alternativ möglich, in einer Farbbildprojektionseinrichtung einen einzigen Farbanzeigeschirm zu verwenden. Vorzugsweise wird dann wieder eine vor den Pixeln angeordnete Matrix aus dichroitischen Spiegeln verwendet, wie anhand von Fig. 7 beschrieben, so daß die anhand dieser Figur beschriebenen Vorteile auch in einer Farbbildprojektionseinrichtung erhalten werden können.
Obwohl die Erfindung anhand einer Anzeigeeinrichtung mit einem Flüssigkristallanzeigeschirm beschrieben worden ist, der vom verdrillten nematischen Typ oder superverdrilllten Typ sein kann, ist sie nicht darauf beschränkt. Der Schirm kann alternativ ein SCD(Solid Ceramic Display)-Schirm sein, in dem das polykristalline Material PZLT (Lanthanum doped Lead Zirconate Titanate) verwendet wird, oder ein Schirm, in dem der superdoppeibrechende Effekt verwendet wird.

Claims

1. Beleuchtungssystem (11) zum Liefern eines Beleuchtungstrahlenbündels mit einem selektierten Polarisationszustand, welches System einen Reflektor (15), eine Strahlungsquelle (13) und ein cholesterisches Filter (19) umfaßt, das zumindest im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich aktiv ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein entpolarisierendes Zerstreuungsglied (17) zwischen dem cholesterischen Filter (19) und der Lichtquelle (13) angeordnet ist und daß der genannte Reflektor (15) an der dem Filter (19) abgewandten Seite des Zerstreuungsgliedes angeordnet ist zum Umwandeln der Fortpflanzungsrichtung eines von dem cholesterischen Filter (19) reflektierten Strahlenbündels.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Breitband-λ/4-Plättchen (23) an einer dem Zerstreuungsglied (17) abgewandten Seite des cholesterischen Filters (19) angeordnet ist.

3. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das cholesterische Filter (19) aus einer Vielzahl von Schichten aus flüssigkristallinem Material zusammengesetzt ist, wobei jede Schicht für ein anderes Wellenlängenband aktiv ist, wobei die Wellenlängenbänder zusammen zumindest den sichtbaren Wellenlängenbereich abdecken.

4. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß das cholesterische Filter (19) eine einzelne Schicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial hat, innerhalb welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix sich stetig zwischen zwei Werten ändert, die der unteren bzw. der oberen Grenze des Reflexionsbandes entspricht, das erforderlich ist, um zumindest den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abzudecken.

5. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Vielzahl von Schichten des cholesterischen Filters ein flüssigkristallines Polymer umfaßt, in dem die Steigung der molekularen Helix sich ändert, wobei jede Schicht in einem anderen Wellenlängenband aktiv ist.

6. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymermaterial des cholesterischen Filters ein dreidimensionales Netzwerk bildet und einen selbsttragenden Film, der geeignet ist, an anderen Elementen des Systems befestigt zu werden.

7. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Zerstreuungsglied (17) und dem cholesterischen Filter (19) ein optisch transparentes Element (21) angeordnet ist, wobei eine dem Filter (19) zugewandte Seite dieses Elements (21) eine sich in zumindest einer Richtung erstreckende periodische und strahlungbrechende Struktur aufweist, um aus dem Zerstreuungsglied (17) stammende Strahlung unter einem gegebenen Winkel zu bündeln.

8. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (21) sich aus einer ersten Platte (20), von der eine dem Filter (19) zugewandte Oberfläche eine erste periodische Struktur hat, die in einer ersten Richtung in der Ebene der Platte verläuft, und einer zweiten Platte (22), von der eine dem Filter (19) zugewandte Oberfläche eine zweite periodische Struktur hat, die in einer zweiten Richtung in der Ebene der Platte und unter einem Winkel zur ersten Richtung verläuft, zusammensetzt.

9. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine einzelne Platte ist, von der eine dem Filter (19) zugewandte Oberfläche eine zweidimensionale strahlungbrechende Struktur hat.

10. Beleuchtungssystem (11) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungbrechende Struktur von ersten Oberflächengebieten gebildet wird, die mit zweiten Oberflächengebieten abwechseln, wobei die ersten Gebiete einen ersten Winkel und die zweiten Gebiete einen zweiten Winkel mit der Normalen auf das Element bilden.

11. Bildprojektionseinrichtung mit einem Beleuchtungssystem (A) und einer Anzeigeeinrichtung (13) mit zumindest einem Transmissionsanzeigeschirm (3) zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes sowie einem Projektionslinsensystem (C) zum Projizieren des erzeugten Bildes auf einen Projektionsschirm (D), dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem (A) ein System (11) nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 10 ist.

12. Flachbildschirm-Einrichtung mit einem Beleuchtungssystem (11) und einem Transmissionsanzeigeschirm (3), dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungssystem (11) ein System nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.

13. Flachbildschirm-Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein in das Muster der Pixel des Anzeigeschirms hinein passendes Muster aus dichroitischen Spiegeln vor und nahe den genannten Pixeln angeordnet ist, wobei jeder Spiegel Strahlung in einem zu dem entsprechenden Pixel gehörenden Wellenlängenband durchläßt und Strahlung außerhalb des genannten Wellenlängenbandes nahezu vollständig reflektiert.