DE69521898T2

DE69521898T2 - Verbesserter polarisator

Info

Publication number: DE69521898T2
Application number: DE69521898T
Authority: DE
Inventors: Paul Ferm; Michael Mcfarland; Lawrence Shacklette; Scott Zimmerman
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1995-08-15
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2015-08-16
Also published as: EP0777866B1; KR100359537B1; DE69521898D1; DE777866T1; US5521726A; EP0777866A1; JPH10508115A; AU3327895A; JP4129991B2; TW309595B; WO1996007115A1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Polarisator, der aus einem Polarisatorelement und einem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern, die das Polarisatorelement im wesentlichen berühren, besteht.
Optische Wellenleiter, die in der Technik auch als lichtdurchlässige Einrichtungen oder Lichtleiter bekannt sind, werden in Displayeinrichtungen, wie etwa beispielsweise Projektionsdisplayeinrichtungen, vom Bildschirm abgesetzten Displayeinrichtungen und Direktsichtanzeigen, verwendet. Siehe zum Beispiel die US-Patente 3,218,924 und 3,279,314 an Miller und das US-Patent 4,767,186 an Bradley Jr. et al. Solche Displays werden in vielen Anwendungsbereichen eingesetzt, unter anderem für Computerterminals, Flugzeugcockpitdisplays, Instrumententafeln für Kraftfahrzeuge, bei Fernsehgeräten und anderen Einrichtungen, die Text-, Graphik- oder Videoinformationen bereitstellen.
Derartige Displays bestehen üblicherweise aus einem Laminat aus einem Flüssigkristallelement zwischen zwei Teilen Glas oder Kunststoffolie. Die Innenfläche des Glases wird gerieben oder anderweitig behandelt, um den Flüssigkristallmolekülen in der Nähe ihrer Oberfläche eine bevorzugte Orientierung zu verleihen. Der Betrieb eines Flüssigkristallbauelements unter einer Rückbeleuchtungsanordnung erfordert, daß auf der inneren (hinteren) und äußeren Seite Polarisierer verwendet werden. Die Orientierungsrichtung der Flüssigkristalle zusammen mit der Spezifizierung eines "normalerweise eingeschalteten" oder "normaler ausgeschalteten" Bauelements diktiert die erforderliche Orientierung des inneren und äußeren Polarisators. Es ist allgemein erwünscht, daß sich das Licht von einer Displayeinrichtung aus anisotrop ausbreitet und somit größere Lichtmengen in die horizontale Ebene (zx) und geringere in die vertikale Ebene (zy) geschickt werden.
Eine Ausführungsform einer Direktsichtdisplayeinrichtung, die auf einem Flüssigkristallmaterial basiert, ist die verdrillte nematische (TN) Flüssigkristalldisplayeinrichtung. Bei dieser Ausführungsform ist das nematische Flüssigkristallmedium zwischen Substraten geschichtet, die so behandelt sind, daß die eine spontane Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen parallel zu der Ebene des Substrats bewirken. Falls die beiden Substrate so orientiert sind, daß die Ausrichtung bei jedem Substrat um 90 Grad differiert, dann erfahren die Flüssigkristallmoleküle über die gesamte Dicke des Mediums hinweg eine Änderung der Orientierung um 90 Grad. Damit die Substrate einen geeigneten Abstand aufweisen (in der Regel etwa 5 Mikrometer), weist diese Konfiguration die Eigenschaft auf, daß sie die Polarisation von senkrecht auf die Ebene der Substrate auftreffendem Licht um 90 Grad dreht. Wenn zwischen den Substraten ein elektrisches Potential angelegt wird (in der Regel einige wenige Volt), dann wird die Orolnung der Flüssigkristallmoleküle verändert. Wenn das Potential anliegt, richten sich die Moleküle im allgemeinen senkrecht zu dem Substrat aus, und die Drehung um 90 Grad wird zerstört. Somit wird die Polarisation von senkrecht auf die Oberfläche des Substrats auftreffendem Licht bei Anliegen des elektrischen Potentials nicht verändert. Auf der Basis dieser Prinzipien können verdrillte nematische (TN) Direktsichtflüssigkristalleinrichtungen konstruiert werden, die bei Fehlen des Potentials normalerweise schwarz (NB) oder bei Fehlen des Potentials normalerweise weiß (NW) sind.
So besteht beispielsweise ein normalerweise weißes Display in der Regel aus einer TN-Flüssigkristallzelle wie oben beschrieben, die auf beiden Seiten der Zelle mit Polarisatorelementen versehen ist, so daß senkrecht zu der Ebene der Einrichtung einfallendes, unpolarisiertes Licht bei Eintritt in die Einrichtung linear polarisiert wird. Wenn das Licht die Zelle durchquert, wird die Polarisation um 90 Grad gedreht. Das Licht wird dann von dem zweiten Polarisatorelement, das unter 90 Grad zu dem ersten Polarisatorelement orientiert ist, durchgelassen. Wenn kein elektrisches Potential anliegt, wird deshalb senkrecht zu der Einrichtung einfallendes Licht durch die Struktur durchgelassen. Wenn zwischen den Substraten ein elektrisches Potential angelegt wird, dann dreht das Medium nicht länger die Polarisation um 90 Grad. Somit wird senkrecht zu der Struktur einfallendes Licht von dem zweiten Polarisatorelement zurückgeworfen und nicht durchgelassen. Auf diese Weise werden in dem Muster eines angelegten elektrischen Potentials enthaltene Bildinformationen dem Beobachter bei der Betrachtung als eine Lichtabnahme dargestellt. Dies ist das Funktionsprinzip eines einfachen verdrillten nematischen, normalerweise weißen (NW) Displays.
Derartige Displaybauelemente weisen im allgemeinen dahingehend einen Mangel auf, daß zu wenig Licht in höhere Winkel projiziert wird und die Betrachtbarkeit dadurch auf einen schmalen Winkelbereich um die Senkrechte auf der Ebene der Flüssigkristalleinrichtung, das heißt die z-Achse, begrenzt ist. Ein weiterer Mangel besteht darin, daß bei Betrachtung unter einem großen Winkel zu der Senkrechten auf der Ebene die Bildqualität abnimmt, d. h., es weist eine unerwünschte Farbverschiebung, eine begrenzte Grauskala, wenig Kontrast und eine geringe Schärfe auf.
In der Technik besteht somit ein Bedarf an einer Displayeinrichtung, bei der die Betrachtbarkeit um die Senkrechte auf der Ebene der Flüssigkristalleinrichtung und auch die Qualität eines Bilds bei Betrachtung unter einem großen Winkel verbessert ist.

Kurze Darstellung der Erfindung

Es wurde eine verbesserte Displayeinrichtung mit einem Polarisator entwickelt, die eine Antwort auf den obigen Bedarf in der Technik darstellt. Die vorliegende Erfindung umfaßt im wesentlichen folgendes: (a) ein Polarisatorelement und (b) ein das Polarisatorelement im wesentlichen berührendes Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern, wobei: (i) sich das konisch zulaufende Ende jedes der Wellenleiter von dem Polarisatorelement aus nach außen erstreckt, (ii) jeder der Wellenleiter eine Lichteintrittsfläche neben dem Polarisatorelement (b) und eine von der Lichteintrittsfläche entfernte Lichtaustrittsfläche aufweist, (iii) der Flächeninhalt der Lichteintrittsfläche jedes der Wellenleiter größer ist als der Flächeninhalt seiner Lichtaustrittsfläche und (iv) die Wellenleiter in dem Array durch Zwischenbereiche voneinander getrennt sind, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als die Wellenleiter. Der Zwischenbereich enthält vorzugsweise ein lichtabsorbierendes Material, wie etwa Ruß, um nicht geleitetes Licht zu absorbieren und das Oberflächenreflexionsvermögen des Polarisators zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft beim Einsatz, da die Betrachtbarkeit um die Senkrechte auf der Ebene der Flüssigkristalleinrichtung verbessert ist und die Qualität des Bilds bei Betrachtung unter einem großen Winkel dahingehend verbessert ist, daß es einen besseren Kontrast und eine bessere Schärfe aufweist.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Seitenguerschnittsansicht des in der verbesserten Displayeinrichtung verwendeten Polarisators.
Fig. 2 ist eine Perspektivansicht eines Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern mit rechteckigen Querschnitten.
Fig. 3 ist eine Perspektivansicht eines Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern mit runden Querschnitten.
Fig. 4 zeigt einen Prozeß für die Ausbildung des Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des vorliegenden verbesserten Polarisators.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es hat sich herausgestellt, daß das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern, wenn es durch irgend etwas anderes als perfekt kollimiertes Licht beleuchtet wird, zunehmend schlechter funktioniert, wenn das Array von der Flüssigkristallzelle um eine Entfernung getrennt ist, die größer ist als etwa die Quadratwurzel des Flächeninhalts der Eintrittsfläche des Wellenleiters. Da die normale Struktur eines Polarisators aus mindestens drei, wenn nicht sogar fünf Schichten besteht, führt die einfache Laminierung eines herkömmlichen Polarisators mit einem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern auf ein Substrat zu einer unerwünscht großen Lücke zwischen dem Flüssigkristallelement und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern. Wie in dem Vergleichsbeispiel unten gezeigt, führt diese Lücke zu einer besonders signifikanten Abnahme der Schärfe und des Kontrastes.
Somit umfaßt die vorliegende Erfindung: (a) ein Polarisatorelement und (b) ein das Polarisatorelement im wesentlichen berührendes Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern. Unter dem Ausdruck "im wesentlichen berührend" wird hier verstanden, daß der Abstand zwischen dem Polarisatorelement und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern weniger als etwa 250 Mikrometer beträgt. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Polarisatorelement und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern etwa 50 Mikrometer bis etwa 0 Mikrometer und ganz besonders bevorzugt etwa 25 Mikrometer bis etwa 0 Mikrometer. Wenn das Polarisatorelement und das Array aus konisch verjüngten Wellenleitern in unmittelbarer Nähe angeordnet wird, dann hat dies den einen Vorteil, daß der Abstand zwischen den Flüssigkristalldisplayeinrichtungselementen (Pixeln) und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern auf ein Minimum reduziert wird, was zu einem Bild mit größerer Schärfe, mehr Kontrast und größerer Farbreinheit führt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 befindet sich ein Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 in wesentlichem Kontakt mit einem Polarisatorelement 12. Das konisch zulaufende Ende jedes Wellenleiters erstreckt sich von dem Polarisatorelement 12 nach außen. Jeder konisch zulaufende Wellenleiter weist neben dem Polarisatorelement 12 eine Lichteintritts und eine von der Lichteintrittsfläche entfernte Lichtaustrittsfläche auf. Der Flächeninhalt der Lichteintrittsfläche jedes konisch zulaufenden Wellenleiters ist größer als der Flächeninhalt seiner Lichtaustrittsfläche. Die Wellenleiter sind durch Zwischenbereiche 14 voneinander getrennt, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als die Wellenleiter.
Der Querschnitt der Lichteintrittsfläche jedes Wellenleiters beträgt bevorzugt etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer, und der Querschnitt der Lichtaustrittsfläche jedes Wellenleiters beträgt etwa 5 bis etwa 50 Mikrometer. Der Querschnitt eines konisch zulaufenden Wellenleiters in einer parallel zu der Oberfläche des Polarisatorelements 12 verlaufenden Ebene kann jede beliebige Form aufweisen, einschließlich Kreis, Quadrat, Sechseck, Ellipse und Rechteck. Fig. 2 zeigt eine Perspektivansicht eines Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 mit rechteckigen Querschnitten. Fig. 3 zeigt eine Perspektivansicht eines Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 mit kreisförmigen Querschnitten. Die Seitenwände der konisch zulaufenden Wellenleiter 10 können gerade oder gekrümmt sein.
Wenn der Wellenleiter 10 derart konisch zuläuft, daß der Flächeninhalt der Lichtaustrittsfläche kleiner ist als der Flächeninhalt der Lichteintrittsfläche, dann ist die Winkelverteilung des aus der Lichtaustrittsfläche austretenden Lichts größer als die Winkelverteilung des in die Lichteintrittsfläche eintretenden Lichts. Durch den vorliegenden verbesserten Polarisator wird bei Verwendung in einem Display die Winkelverteilung des ausgegebenen Lichts von einem Modulationsmittel derart verändert, daß das Bild von dem Modulationsmittel unter größeren Winkeln betrachtet werden kann. Die Größe des Flächeninhalts der Lichtaustrittsfläche jedes konisch zulaufenden Wellenleiters 10 liegt bevorzugt bei etwa 1 bis etwa 50 Prozent des Flächeninhalts der Lichteintrittsfläche, besonders bevorzugt bei etwa 3 bis etwa 25 Prozent des Flächeninhalts der Lichteintrittsfläche und ganz besonders bevorzugt bei etwa 4 bis etwa 12 Prozent des Flächeninhalts der Lichteintrittsfläche.
Damit ein Display mit dem vorliegenden verbesserten Polarisator darin einen hohen Gesamtlichtdurchsatz aufweist, ist die Summe der Flächeninhalte für alle Wellenleiterlichteintrittsflächen vorzugsweise größer als etwa 40 Prozent der Gesamtflächeninhalte des Substrates, besonders bevorzugt größer als etwa 60 Prozent der Gesamtflächeninhalte des Substrats und ganz besonders bevorzugt etwa 80 Prozent der Gesamtflächeninhalte des Substrats.
Wenn die konisch zulaufenden geraden Seitenwände eines konisch zulaufenden Wellenleiters 10 so weit verlängert werden, bis sie sich schneiden, bilden sie einen Konuswinkel. Der Wert des Konuswinkels liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 2 Grad bis etwa 14 Grad, besonders bevorzugt von etwa 4 Grad bis etwa 12 Grad und ganz besonders bevorzugt von etwa 6 Grad bis etwa 10 Grad.
Der konisch zulaufende Wellenleiter 10 weist eine Höhe und eine Basisabmessung auf, die der kleinste Querabstand über die Wellenleiterlichteintrittsfläche ist. Wenn beispielsweise die Lichteintrittsfläche die Form eines Quadrats aufweist, dann ist die Basisdimension die Länge einer Seite des Quadrats. Wenn, als anderes Beispiel, die Lichteintrittsfläche die Form eines Rechtecks aufweist, dann ist die Basisdimension die kleinere der beiden Seitenabmessungen des Rechtecks. Die spezifischen Werte für die Basisdimension können je nach dem Mittenabstand zwischen benachbarten Pixeln eines Modulationsmittels stark variieren. Damit die Auflösung des durch ein Modulationsmittel gebildeten Bilds nicht verschlechtert wird, sollte die Basisdimension gleich dem Mittenabstand zwischen benachbarten Pixeln eines Modulationsmittels oder kleiner als dieser sein. Wenn beispielsweise der Mittenabstand zwischen benachbarten Pixeln in einem Modulationsmittel 200 Mikrometer beträgt, dann liegt die Basisdimension bevorzugt im Bereich von etwa 5 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer, besonders bevorzugt im Bereich von etwa 15 Mikrometer bis etwa 200 Mikrometer und ganz besonders bevorzugt von etwa 25 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer.
Nach der Auswahl der Basisdimension kann die Höhe des konisch zulaufenden Wellenleiters 10 durch das Verhältnis Höhe zu Basisdimension festgelegt werden. Das Verhältnis Höhe zu Basisdimension kann, je nach dem, wie stark die Winkelverteilung von aus der Lichtaustrittsfläche austretendem Licht im Vergleich zu der Winkelverteilung von in die Lichteintrittsfläche eintretendem Licht angehoben werden soll, stark variieren. Das Verhältnis Höhe zu Basisdimension beträgt bevorzugt etwa 0,25 bis etwa 20, besonders bevorzugt etwa 1 bis etwa 8 und ganz besonders bevorzugt etwa 2 bis etwa 4.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Array so ausgelegt sein kann, daß Licht derart gezielt aufgeteilt wird, daß beispielsweise die Betrachtbarkeit (oder Helligkeit) von einer Seite zur anderen, d. h. horizontale Winkel in der zx-Ebene, auf Kosten der Betrachtbarkeit an der Oberseite und Unterseite, d. h. vertikalen Winkeln in der zy-Ebene, verbessert ist. Die Polarisationsrichtung des an der Basis jedes konisch zulaufenden Wellenleiters eintretenden Lichts stellt einen Faktor dar, der dazu beiträgt, daß man die gewünschte Anisotropie beim größten Betrachtungswinkel erhält. Die Polarisationsrichtung des sich durch den Wellenleiter ausbreitenden Lichts wird durch die relative Orientierung der Polarisationsrichtung in dem Polarisatorelement zu der Orientierung der Wellenleiter bestimmt. So erhält man beispielsweise eine verbesserte Transmission in die horizontale Ebene, wenn die Polarisationsrichtung des Lichts parallel zu der zx- Ebene verläuft. Die relativen Anteile des Lichts, die durchgelassen und an der Austrittsfläche (Oberseite) des Wellenleiters total reflektiert werden, hängen von der Orientierung der Polarisationsrichtung des Lichts bezüglich der Einfallsebene auf der Austrittsfläche ab. Durch eine Polarisation parallel zu der Einfallsebene wird ein höherer Anteil an durchgelassenem Licht erzeugt. Bei großen Betrachtungswinkeln, die über etwa 45 Grad liegen, erzeugt dieser Effekt, der alleine darauf zurückzuführen ist, daß die Polarisationsrichtung so orientiert wird, daß sie parallel zu der zx- Ebene liegt, selbst dann Unterschiede von über 10% bei der Lichtintensität bei entsprechenden Winkeln in der vertikalen und horizontalen Ebene, wenn die Wellenleiter selbst stark symmetrisch sind (mehr als eine zweifache Symmetrie), wie etwa diejenigen mit einer quadratischen, kreisförmigen oder sechseckigen Symmetrie.
Bei Anwendungen, die in der zx-Ebene eine höhere Betrachtbarkeit erfordern als in der yz-Ebene können bevorzugt auch zweifachsymmetrisch konisch verjüngte Wellenleiterformen zum Einsatz kommen, wie etwa diejenigen mit einem elliptischen oder rechteckigen Querschnitt. Die konisch zulaufenden Wellenleiter sind bevorzugt derart orientiert, daß die Hauptachse ihres Querschnitts oder ihrer Basis parallel zu der y-Achse liegt und die Nebenachse parallel zu der x-Achse liegt. In diesem Fall kann die Anisotropie der Lichtverteilung dadurch noch weiter verbessert werden, daß das Polarisatorelement wieder so orientiert wird, daß es in der zx-Ebene polarisiertes Licht liefert.
Noch andere Anwendungen erfordern möglicherweise, daß das aus dem Array von verjüngten Wellenleitern austretende Licht isotropisch ist. In dem vorliegenden Fall würde die bevorzugte Polarisationsrichtung, falls verjüngte Wellenleiter mit mehrfacher Symmetrie, z. B. mit quadratischem, hexagonalem oder kreisförmigem Querschnitt, eingesetzt werden, zur x-Achse und zur y- Achse unter einem Winkel von 45 Grad verlaufen. Andere Polarisationsrichtungen könnten zur Erzielung von isotropen Ergebnissen berücksichtigt werden durch gezielte Dehnung der verjüngten Wellenleiter beispielweise auf einen rechteckigen oder elliptischen Querschnitt. Nach der Bestimmung der bevorzugten Polarisationsrichtung bezüglich den Referenzrichtungen der Flüssigkristallzelle, d. h. der x-, y- und z- Richtung von Fig. 1, muß sich auch der Rest des ganzen Displays danach richten. Dies ist die Reibrichtung des Flüssigkristalldisplays, und die Positionierung des hinteren Polarisators muß insgesamt mit der für den verbesserten Polarisator getroffenenen Wahl der Polarisationsrichtung koordiniert werden.
Das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern ist aus transparenten massiven Polymermaterialien hergestellt, die einen Brechungsindex zwischen etwa 1,45 und etwa 1,65 aufweisen und zu denen im Handel erhältliches Polymethylmethacrylat, Poly(4-methylpenten), Polycarbonat, Polyester, Polystyrol und durch Photopolymerisation von Acrylat- oder Methacrylatmonomeren hergestellte Polymere zählen. Das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern wird bevorzugt aus einem photopolymerisierbaren Material hergestellt, das aus zwei wesentlichen Bestandteilen besteht. Bei dem ersten wesentlichen Bestandteil handelt es sich um ein photopolymerisierbares Monomer, insbesondere ein ethylenisch ungesättigtes Monomer, das ein transparentes festes Polymermaterial liefert. Zu den besonders bevorzugten Materialien mit einem Brechungsindex zwischen etwa 1,50 und etwa 1,60 zählen durch Photopolymerisation von Acrylat- oder Methacrylatmonomerenmischungen aus Urethanacrylaten oder -methacrylaten, Esteracrylaten oder -methacrylaten, Epoxyacrylaten und -methacrylaten, Poly(ethylenglykol)acrylaten und -methacrylaten oder vinylgruppenhaltigen organischen Monomeren gebildete Polymere. Man kann in der photopolymerisierbaren Mischung ein Monomerengemisch einsetzen, um eine Feinabstimmung der Eigenschaften der Zusammensetzung zu erzielen, wie etwa die Feinabstimmung der Vernetzungsdichte, der Viskosität, der Haftung, der Härtungsgeschwindigkeit und des Brechungsindex, und um Verfärbung, Rißbildung und Delaminierungseigenschaften des aus der Zusammensetzung gebildeten Photopolymers zu verringern.
Beispiele für brauchbare, besonders bevorzugte Monomere sind Methylmethacrylat; n-Butylacrylat (BA); 2-Ethylhexylacrylat (EHA); Isodecylacrylat; 2-Hydroxyethylacrylat; 2-Hydroxypropylacrylat; Cyclohexylacrylat (CHA); 1,4-Butandioldiacrylat; ethoxyliertes Bisphenol- A-diacrylat; Neopentylglykoldiacrylat (NPGDA); Diethylenglykoldiacrylat (DEGDA); Diethylenglykoldimethacrylat (PEGDMA); 1,6-Hexandioldiacrylat (HDDA); Trimethylolpropantriacrylat (TMPTA); Pentaerythrittriacrylat (PETA); Pentaerythrittetraacrylat (PETTA); Phenoxyethylacrylat (PEA); β-Carboxylethylacrylat (β-CEA); Isobornylacrylat (IBOA); Tetrahydrofurfurylacrylat (THFFA); Propylenglykolmonoacrylat (MPPGA); 2-(2-Ethoxyethoxy)ethylacrylat (EOEOEA); N-Vinylpyrrolidon (NVP); 1,6-Hexandioldimethacrylat (HDDMA); Triethylenglykoldiacrylat (TEGDA) oder -dimethacrylat (TEGDMA); Tetraethylenglykoldiacrylat (TTEGDA) oder -dimethacrylat (TTEGDMA); Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) oder -dimethacrylat (PEGDMA); Dipropylenglykoldiacrylat (DPGDA); Tripropylenglykoldiacrylat (TPGDA); ethoxyliertes Neopentylglykoldiacrylat (NPEOGDA); propoxyliertes Neopentylglykoldiacrylat (NPPOGDA); aliphatisches Diacrylat (ADA); alkoxyliertes aliphatisches Diacrylat (AADA); aliphatisches Carbonatdiacrylat (ACDA); Trimethylolpropantrimethacrylat (TMPTMA); ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat (TMPEOTA); propoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat (TMPPOTA); glycerylproxyliertes Triacrylat (GPTA); Tris(2-hydroxyethyl)- isocyanurattriacrylat (THEICTA); Dipentaerythritpentaacrylat (DPEPA); Ditrimethylolpropantetraacrylat (DTMPTTA) sowie alkoxyliertes Tetraacrylat (ATTA).
Besonders geeignet sind Mischungen, in denen es sich bei mindestens einem Monomer um ein multifunktionelles Monomer wie ein Diacrylat oder Triacrylat handelt, da diese in dem abreagierten Photopolymer durch Vernetzung ein Netzwerk bilden. Ganz besonders bevorzugt für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren sind durch die Photopolymerisation von Mischungen aus ethoxyliertem Bisphenol-A-diacrylat und Trimethylolpropantriacrylat gebildete, vernetzte Polymere. Der Brechungsindex der ganz besonders bevorzugten Materialien liegt im Bereich von etwa 1,53 bis etwa 1,56. Ob der Brechungsindex des transparenten festen Materials über das gesamte Wellenleiterelement homogen ist, ist nicht wesentlich. Es kann günstig sein, Brechungsindexinhomogenitäten herbeizuführen, etwa Streifen oder streuende Teilchen oder Gebiete, da diese Inhomogenitäten zu einer weiteren Steigerung der Divergenz von Licht aus dem Ausgang des Wellenleiterarrays führen können.
Die Monomermenge im photopolymerisierbaren Material kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Die Monomermenge oder die Gesamtmenge eines Monomerengemischs beträgt üblicherweise etwa 60 bis etwa 99,8 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material, vorzugsweise etwa 80 bis etwa 99 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material, und besonders bevorzugt etwa 85 bis etwa 99 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material.
Als weitere wesentliche Komponente enthält das polymerisierbare Material einen Photoinitiator, der durch aktinische Strahlung aktiviert wird und dabei aktivierte Spezies erzeugt, die zur Photopolymerisation des Monomers führen. Das Photoinitiatorsystem enthält einen Photoinitiator und vorzugsweise einen herkömmlichen Sensibilisator, durch den die spektrale Empfindlichkeit in spektral nützliche Bereiche, z. B. den Bereich des nahen Ultravioletts und die sichtbaren Spektralbereiche, ausgedehnt wird, in dem Lasererregung stattfindet und viele allgemein übliche optische Materialien durchlässig sind. Gewöhnlich handelt es sich bei dem Photoinitiator um einen Radikale erzeugenden Additionspolymerisationsinitiator, der durch aktinisches Licht aktiviert wird und bei und unter Zimmertemperatur (z. B. etwa 20ºC bis etwa 25ºC) vorzugsweise thermisch inaktiv ist.
Beispielhaft für derartige Initiatoren sind die in der US-Patentschrift 4,943,112 und den dort zitierten Literaturstellen beschriebenen Initiatoren. Bevorzugte Radikalinitiatoren sind 1-Hydroxycyclohexylphenylketon (Irgacure 184), Benzoin, Benzoinethylether, Benzoinisopropylether, Benzophenon, Benzidimethylketal (Irgacure 651), α,α-Diethyloxyacetophenon, α,α-Dimethyloxy-α-hydroxyacetophenon (Darocur 1173) 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl]-2-hydroxy-2-methylpropan- 1-on (Darocur 2959), 2-Methyl-1-1-[4-methylthio)phenyl]- 2-morpholinopropan-1-on (Irgacure 907), 2-Benzyl-2- dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-butan-1-on (Irgacure 369), Poly{1-[4-(1-methylvinyl)phenyl]-2-hydroxy- 2-methylpropan-1-on} (Esacure KIP), [4-(4-Methylphenylthio)phenyl]phenylmethanon (Quantacure BMS), Dicampherchinon sowie 50% 1-Hydroxycyclohexylphenylketon und 50% Benzophenon (Irgacure 500).
Zu den besonders bevorzugten Photoinitiatoren zählen Benzidimethylketal (Irgacure 651), α,α -Diethyloxyacetophenon, α,α-Dimethyloxy-α-hydroxyacetophenon (Darocur 1173), 1-Hydroxycyclohexylphenylketon (Irgacure 184), 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl]-2-hydroxy-2- methylpropan-1-on (Darocur 2959), 2-Methyl-1-[4- (methylthio)phenyl]-2-morpholinopropan-1-on (Irgacure 907), 2-Benzyl-2-dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)- butan-1-on (Irgacure 369) sowie 50% 1-Hydroxycyclohexylphenylketon und 50% Benzophenon (Irgacure 500). Ganz besonders bevorzugt werden jene Photoinitiatoren, die bei Bestrahlung nicht zur Vergilbung neigen und daher bei Einwirkung einer Temperatur von 190ºC über einen Zeitraum von 24 Stunden eine Verfärbung der Zusammensetzung auf der Gardner-Farbskala von höchstens 8, bestimmt gemäß ASTM D1544-80, ergeben. Zu derartigen Photoinitiatoren gehören Benzidimethylketal (Irgacure 651), α,α-Dimethyloxy-α-hydroxyacetophenon (Darocur 1173), 1-Hydroxycyclohexylphenylketon (Irgacure 184), 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)phenyl]-2-hydroxy-2-methylpropan-1-on (Darocur 2959) sowie 50% 1-Hydroxycyclohexylphenylketon und 50% Benzophenon (Irgacure 500).
Die Menge an Photoinitiator, deren Anwesenheit zur Bildung eines Gradienten von weitgehend kollimiertem ultraviolettem Licht über die Dicke der photopolymerisierbaren Mischung erforderlich ist, beträgt etwa 0,1 bis etwa 12 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des photopolymerisierbaren Materials. Die Menge an Photoinitiator beträgt vorzugsweise etwa 0,5 bis etwa 12 Gewichtsprozent, und besonders bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 8 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gesamtgewicht des photopolymerisierbaren Materials. Freilich wird der gewünschte Gradient nicht nur durch die Konzentration des Initiators beeinflußt, sondern auch durch die Wahl der in der Belichtungsquelle vorhandenen Bestrahlungswellenlängen, deren Regelung dem Fachmann offensteht.
Neben den wesentlichen Bestandteilen kann das photopolymerisierbare Material auch verschiedene fakultative Bestandteile enthalten, wie Stabilisatoren, Inhibitoren, Weichmacher, optische Aufheller, Trennmittel, Kettenübertragungsmittel, andere photopolymerisierbare Monomere und dergleichen.
Das photopolymerisierbare Material enthält vorzugsweise einen Stabilisator zur Verhinderung oder Verringerung eines Abbaus, der zu Eigenschaftsverschlechterung wie Rißbildung und Delaminierung nach thermischer Alterung bei 190ºC an der Luft über einen Zeitraum von 24 h gemäß ASTM D 4538-90A und sich danach ergebender Vergilbung (Verfärbung von mehr als 8 auf der Gardner- Farbskala gemäß ASTM D 1544-80) führt. Derartige Stabilisatoren sind u. a. UV-Absorber, Lichtschutzmittel und Antioxidantien.
Zu den UV-Absorbern zählen Hydroxyphenylbenzotriazole wie 2-[2-Hydroxy-3,5-di(1,1-dimethylbenzyl)phenyl]-2-H- benzotriazol (Tinuvin 900), Poly(oxy-1,2-ethandiyl), α- (3-(3-(2H-Benzotriazol-2-yl)-5-(1,1-dimethylethyl)-4- hydroxyphenyl)-1-oxopropyl)-w-hydroxy (Tinuvin 1130) und 2-[2-Hydroxy-3,5-di(1,1-dimethylpropyl)phenyl]-2-H- benzotriazol (Tinuvin 238) sowie Hydroxybenzophenone wie 4-Methoxy-2-hydroxybenzophenon und 4-n-Octoxy-2- hydroxybenzophenon. Zu den Lichtstabilisatoren zählen gehinderte Amine wie 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl- piperidin, 4-Hydroxy-1,2,2,6,6-pentamethylpiperidin, 4-Benzoyloxy-2,2,6,6-tetramethylpiperidin, Bis(2,2,6,6- tetramethyl-4-piperidinyl)sebacat (Tinuvin 770), Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)sebacat (Tinuvin 292), Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4- piperidinyl)-2-n-butyl-2-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxybenzyl)malonat (Tinuvin 144) sowie Polyester der Bernsteinsäure mit N-β-Hydroxyethyl-2,2,6,6-tetramethyl-4-hydroxypiperidin (Tinuvin 622). Zu den Antioxidantien gehören substituierte Phenole wie 1,3,5- Trimethyl-2,4,6- tris(3,5-ditert.-butyl)-4-hydroxybenzyl)benzol, 1,1,3-Tris-(2-methyl-4-hydroxy-5-tert.- butyl)phenyl)butan, 4,4'-Butyliden-bis-(6-tert.-butyl- 3-methyl)phenol, 4,4'-Thiobis-(6-tert.-butyl-3-methyl)- phenol, Tris-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxybenzyl) isocyanurat, Cetyl-3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxybenzol (Cyasorb UV2908), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzoesäure, 1,3,5-Tris-(tert.-butyl-3-hydroxy-2,6- dimethylbenzyl) (Cyasorb 1790), Stearyl-3-(3,5-di- tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)proprionat (Irganox 1076), Pentaerythrit tetrabis (3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl) (Irganox 1010) sowie Thiodiethylen-bis-(3,5-di- tert.-butyl-4-hydroxy)hydrocinnamat (Irganox 1035).
Als Stabilisatoren werden erfindungsgemäß Antioxidantien bevorzugt. Bevorzugte Antioxidantien wählt man aus der Reihe der substituierten Phenole wie 1,3,5- Trimethyl-2,4,6- tris(3,5-di-tert.-butyl)-4-hydroxybenzyl) benzol, 1,1,3-Tris-(2-methyl-4-hydroxy-5-tert.- butyl phenyl)butan, 4,4'-Butyliden-bis-(6-tert.-butyl- 3-methyl phenol, 4,4'-Thiobis-(6-tert.-butyl-3- methylphenol, Tris(3, 5-di-tert.-butyl-4-hydroxybenzyl)isocyanurat, Cetyl-3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxybenzol (Cyasorb UV 2908), 3,5-Di-tert.-butyl-4-hydroxybenzoesäure, 1,3,5-Tris-(tert.-butyl-3-hydroxy-2,6- dimethylbenzyl) (Cyasorb 1790), Stearyl-3-(3,5-di- tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)proprionat (Irganox 1076), Pentaerythrittetrabis (3, 5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl) (Irganox 1010) sowie Thiodiethylen-bis-(3,5-di- tert.-butyl-4-hydroxy)hydrocinnamat (Irganox 1035) aus. Zu den ganz besonders bevorzugten Stabilisatoren zählen Pentaerythrittetrabis (3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl) (Irganox 1010), Thiodiethylen-bis-(3,5-di- tert.-butyl-4-hydroxy)hydrocinnamat (Irganox 1035) sowie Stearyl-3-(3,5-di-tert.butyl-4-hydroxyphenyl)proprionat (Irganox 1076).
Die Menge an Stabilisatoren in der Zusammensetzung kann stark variieren und beträgt in der Regel etwa 0,1 bis etwa 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material, bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 5 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material, und besonders bevorzugt etwa 0,2 bis etwa 3 Gewichtsprozent, bezogen auf das photopolymerisierbare Material.
Zur Herstellung des vorliegenden verbesserten Polarisators kann das Polarisatorelement 12 direkt auf dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 hergestellt werden, indem ein anisotrop absorbierendes Material, wie etwa ein vollständig oder teilweise konjugierter Oligomer- oder Polymer- und/oder Iodkomplex unter Einfluß eines externen Orientierungsfelds, wie etwa eines elektrischen, magnetischen oder Scherfelds, abgeschieden wird.
Das Array aus sich konisch verjüngenden Wellenleitern 10 kann aber auch direkt auf dem Polarisatorelement 12 hergestellt werden. Das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 kann durch eine Vielzahl von Verfahren wie beispielsweise Spritzgießen, Formpressen, Heißwalzen-Druckgießen und Photopolymerisationsprozesse hergestellt werden. Eine bevorzugte Technik ist ein in Fig. 4 dargestellter Photopolymerisationsprozeß, bei dem das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 durch Bestrahlung einer Schicht des photopolymerisierbaren Materials mit ultraviolettem Licht durch eine strukturierte Maske ausgebildet wird. In Fig. 4A ist das Polarisatorelement 12 auf einer Schicht aus photopolymerisierbarem Material 16 angeordnet, die wiederum über einer Bodenstützplatte 18 mit einer Trennschicht 20 angeordnet ist. Die Maske 22 trägt ein Muster aus undurchsichtigen Bereichen, die den Durchtritt von ultraviolettem Licht 24 nur in denjenigen Bereichen gestatten, die das gewünschte Muster des Arrays von konisch zulaufenden Wellenleitern 10 umfassen. Ultraviolettes Licht 24, wie beispielsweise von einer Quecksilber- oder Xenon-Lampe, wird so gerichtet, daß es auf die Oberfläche der Maske 22 fällt. Durch die klaren Bereiche der Maske 22 durchtretendes ultraviolettes Licht 24 bewirkt in den belichteten Gebieten 26 der photopolymerisierbaren Schicht 16, die sich direkt unter den klaren Bildbereichen der Maske 22 befinden, eine Photopolymerisationsreaktion. In denjenigen Bereichen der photopolymerisierbaren Schicht 16, die durch die undurchsichtigen Bereiche der Maske 22 vom ultravioletten Licht abgeschirmt sind, kommt es zu keiner Photoreaktion. Nach der Bestrahlung mit ultraviolettem Licht werden, wie in Fig. 4B gezeigt, sowohl die Maske 22 als auch die Bodenstützplatte 18 mit der Trennschicht 20 entfernt. Die nicht umgesetzten Monomere werden mit einem geeigneten Lösungsmittel wie etwa Aceton, Methanol oder Isopropanol abgewaschen, wobei auf dem Polarisatorelement 12 ein Muster aus photopolymerisierten Bereichen 26 zurückbleibt. Die photopolymerisierten Gebiete 26 entsprechen dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 der vorliegenden Erfindung.
Damit das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 die richtige sich verjüngende Form aufweist, muß die optische Absorption der nicht umgesetzten photopolymerisierbaren Schicht 16 bei den Wellenlängen des ultravioletten Lichts so hoch sein, daß sich bei der Belichtung mit ultraviolettem Licht ein Gradient von Ultraviolettlichtintensität über den Film einstellt. Das heißt, daß die in der Monomerschicht zur Initiierung der Photoreaktion verfügbare Menge an ultraviolettem Licht sich infolge der endlichen Absorption der Monomerschicht von der Oberseite bzw. der Bildmaskenseite zum Boden bzw. der Bodenstützplattenseite verringert. Durch diesen Gradienten von ultraviolettem Licht ergibt sich ein Gradient des Ausmaßes der von oben nach unten auftretenden Photopolymerisationsreaktion, was zu der einzigartigen, konisch zulaufenden Geometrie der entwickelten Wellenleiterstrukturen führt, einer Geometrie, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht zugänglich ist.
Der Gradient des Ausmaßes der von der Oberseite zur Unterseite des Films auftretenden Photopolymerisation kann weiter durch Gegenwart von in der photopolymerisierbaren Schicht 16 gelöstem Sauerstoffgas beeinflußt werden, wobei die Photopolymerisationsreaktion durch den Sauerstoff eingeschränkt oder abgebrochen wird, außer in denjenigen Bereichen, in denen der gesamte Sauerstoff von den bei dem Photopolymerisationsprozeß erzeugten Radikalen verbraucht worden ist. Eine derartige Wirkung von gelöstem Sauerstoffgas auf den Verlauf von Photopolymerisationsreaktionen ist dem Fachmann gut bekannt. Ferner kann die erforderliche Geometrie der Photopolymerstrukturen auch durch den Prozeß der Selbstfokussierung beeinflußt werden. Das heißt, daß das auf die Oberfläche der Monomerschicht fallende Licht eine Photopolymerisation an dieser Oberfläche initiiert, und das verfestigte Polymermaterial bewirkt infolge seines im Vergleich zum flüssigen Monomer höheren Brechungsindexes eine Brechung des durch dieses lindurchtretenden Lichts. So wird das Luftbild von Licht, das näher der Unterseite der Monomerschicht auf das Monomer fällt, durch von dem darüberliegenden, bereits polymerisierten Material bewirkte Brechung verändert. Dieser Effekt kann zu einer Verschmälerung der so gebildeten polymerisierten Struktur von der oberen Oberfläche aus, auf die das abbildende Licht gerichtet war, zur Unterseite oder Stützplattenseite der Schicht hin führen.
Der Brechungsindex der Zwischenbereiche 14 zwischen den konisch zulaufenden Wellenleitern muß kleiner sein als der Brechungsindex der konisch zulaufenden Wellenleiter. Bevorzugte Materialien für die Zwischenbereiche 14 sind u. a. Luft mit einem Brechungsindex von 1,00 und Fluorpolymermaterialien mit einem Brechungsindex im Bereich von etwa 1,30 bis etwa 1,40 und Silikonmaterialien mit einem Brechungsindex im Bereich von etwa 1,40 bis etwa 1,44. Ganz besonders bevorzugt sind Luft und fluorierte Polyurethane.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Zwischenbereiche 14 zwischen den konisch zulaufenden Wellenleitern auch ein lichtabsorbierendes Material, wie zum Beispiel lichtabsorbierendes schwarzes teilchenförmiges Material. Durch Verwendung eines lichtabsorbierenden Materials in den Zwischenbereichen 14 weist der vorliegende verbesserte Polarisator einen höheren Kontrast auf, und es wird weniger Umgebungslicht zum Betrachter zurückreflektiert. Vorzugsweise verwendet man für die Zwischenbereiche 14 statt eines kontinuierlichen schwarzen Materials lichtabsorbierende Teilchen, damit der Flächenanteilan schwarzem Material, das mit den Seitenflächen der konisch zulaufenden Wellenleiter in Kontakt steht, möglichst klein ist. Ein kontinuierliches schwarzes Material in den Zwischenbereichen 14 würde durch den Mechanismus der abgeschwächten Totalreflexion zu übermäßigem Absorptionsverlust bei dem durch die Wellenleiter übertragenen Licht führen. Die lichtabsorbierende Komponente wird bevorzugt mindestens etwa 1 Mikrometer und bevorzugt mehr als etwa 3 Mikrometer von der Seitenfläche des Wellenleiters entfernt gehalten. Zur Ausbildung der Teilchen kann jedes beliebige lichtabsorbierende Material verwendet werden. Als lichtabsorbierendes schwarzes teilchenförmiges Material eignen sich beispielsweise Flammrußpulver, Mischungen aus Ruß und Toner sowie Mischungen aus Ruß und Fluorpolymer. Bei Betrachtung von der Betrachterseite der Displayeinrichtung aus läßt das lichtabsorbierende schwarze teilchenförmige Material das Array dunkelmattschwarz erscheinen und sorgt für eine gute Lichtdurchlässigkeit und geringe Oberflächenreflexion (weder spiegelnd noch diffus).
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird der vorliegende verbesserte Polarisator dem Benutzer zweckmäßigerweise in einer Form geliefert, die sich zum direkten Bonden an die Deckplatte eines Flüssigkristalldisplays eignet. Der verbesserte Polarisator befindet sich auf einer Stützschicht 28 mit einer Klebstoffschicht 30. Zu den Beispielen für geeignete Materialien für die Stützschicht 28 zählen Poly(ethylenterephthalat), Glas, Poly(ethylenterephthalatglycol) und Polycarbonat. Die Stützschicht 28 weist bevorzugt eine Dicke von etwa 12 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer auf. Besonders bevorzugt weist die Stützschicht 28 eine Dicke von etwa 12 Mikrometer bis etwa 50 Mikrometer auf. Zu Beispielen für geeignete Klebstoffe für die Klebstoffschicht 30 zählen selbsthaftende Klebstoffe, wie etwa ethylenische Klebstoffe und Vinylacetatklebstoffe; wärmehärtende Klebstoffe wie etwa Epoxide, Urethane und Silicone; und photopolymerisierbare Klebstoffe, wie etwa Acrylate, Methacrylate und Urethane und Mischungen davon.
Bei einer in Fig. 5 gezeigten, weniger bevorzugten Ausführungsform ist das Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 auf einer Stützschicht 32 hergestellt. Diese erste Stützschicht 32 weist eine Klebstoffschicht 34 auf. Die Stützschicht 32 ist zumindest für Licht im Wellenlängenbereich von etwa 400 bis etwa 700 nm durchlässig, da dieser Bereich sichtbarer Wellenlänge den wünschenswertesten Bereich darstellt, in dem die auszubildenden optischen Wellenleiter arbeiten. Es wird besonders bevorzugt, daß die Stützschicht 32 auch ultraviolettes Licht im Bereich von etwa 250 bis etwa 400 nm durchläßt, da dies den Bereich darstellt, in dem viele brauchbare Photoinitiatoren Licht absorbieren. Sollte überdies eine Verwendung des vorliegenden verbesserten Polarisators im Nahinfrarotbereich, von etwa 700 nm bis etwa 2000 nm, wünschenswert sein, so wäre der Einsatz einer Stützschicht 32 vorzuziehen, die auch in diesem Bereich durchlässig ist. Der Brechungsindex der Stützschicht 32 kann im Bereich von etwa 1,45 bis etwa 1,65 liegen. Ganz besonders bevorzugt wird ein Brechungsindex von etwa 1,50 bis etwa 1,60. Die erste, zweite oder dritte Stützschicht 32 von Fig. 5 kann aus jedem beliebigen durchlässigen, festen Material bestehen. Bevorzugte Materialien sind im Handel erhältlich; hierzu gehören transparente Polymere, Glas sowie Quarzglas. Als transparente Polymere kommen unter anderem Polyester, Polyacrylate und -methacrylate, Polystyrol und Polycarbonate in Frage. Erwünscht sind dabei Materialeigenschaften wie mechanische und optische Stabilität bei typischen Betriebstemperaturen der Displayeinrichtung. Gegenüber Glas haben durchsichtige Polymere den zusätzlichen Vorteil der strukturellen Flexibilität, wodurch Produkte als große Flächengebilde geformt und dann je nach Bedarf zerschnitten und laminiert werden können. Als Materialien für die Stützschicht 32 werden Glas und Polyester, wie Polyethylenterephthalat, bevorzugt. Die Dicke der Stützschicht 32 kann innerhalb weiter Grenzen variieren. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Stützschicht 32 etwa 0,5 Millizoll (0.0005 Zoll oder 12 Mikrometer) bis etwa 10 Millizoll (0,01 Zoll oder 250 Mikrometer).
Bei der einen oder den mehreren Klebstoffschichten 34 handelt es sich vorzugsweise um ein organisches Material, das lichtdurchlässig ist. Die erste, oberste Klebstoffschicht 34 bindet die Stützschicht für die Wellenleiter an die oberste Stützschicht für das Polarisatorelement 12. Die zweite, unterste Klebstoffschicht 34 ist dafür vorgesehen, ein Mittel bereitzustellen, damit das Polarisatorlaminat an dem Flüssigkristalldisplay haften kann. Die Dicke der Klebstoffschicht 34 kann stark variieren. Die Dicke der Klebstoffschicht 34 ist gewöhnlicherweise so wie bei der Verwendung in der Endanwendung, wie etwa bei herkömmlichem Direktsicht-Flachdisplayeinrichtungen. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Klebstoffschicht 34 unter etwa 1 Mikrometer dick. Falls bestimmt wird, daß die Wellenleiter direkt auf der blanken Stützschicht 32 des Polarisatorelements 12 ausgebildet werden können, dann können die erste Klebstoffschicht 34 und die erste Stützschicht 32 wegfallen.
Außerdem können entweder zwischen den Schichten von Fig. 1 oder 5 oder auf dem Substrat, auf dem der Polarisator angebracht werden soll, Verbindungsschichten und Haftvermittler eingesetzt werden. Sie können alle oder einen Teil der einen oder mehreren Klebstoffschichten 34 umfassen. Derartige Materialien sind dem Fachmann gut bekannt und im Handel erhältlich und werden hier nicht ausführlicher beschrieben. Handelt es sich beispielsweise bei der Stützschicht 32 um Glas, so kann eine entsprechende Haftvermittlung erzielt werden, indem die Glasoberfläche einer Umsetzung mit bestimmten Arten von Silanverbindungen, wie etwa 3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylat, 3-Acryloxypropyltrichlorsilan sowie Trimethylsilylpropylmethacrylat, ausgesetat wird. Handelt es sich beispielsweise bei der Stützschicht 32 um Polyethylenterephthalat (PET), so kann die Haftvermittlung durch den Einsatz einer haftvermittelnd vorbehandelten PET-Folie wie Hostaphan 4500 (Hoechst- Celanese) erzielt werden. Ist die Stützschicht 32 mit einer Emulsion beschichtet, so kann die Haftvermittlung durch 3-Acryloxypropyltrichlorsilan (Hüls America A0396) erzielt werden.
Ein Farbfiltergitterarray 36 ist ein typisches Displayelement, das üblicherweise in das Flüssigkristalldisplay integriert wird. Bei einem mehrfarbigen Display besteht der Farbfilter aus einem Array von roten, grünen und blauen Elementen, die von einer schwarzen Maske umgeben sind. Es ist im allgemeinen wichtig, daß dieses Element sehr nahe an dem Flüssigkristallelement angeordnet wird. Diese Elemente sind genau so groß wie ein Pixel. Um Moire-Effekte zu vermeiden, sollte die Abmessung der Wellenleiterbasen relativ zu der Größe des Pixels (Filtergitter) gering sein. Eine bevorzugte lineare Abmessung der Basis des konisch zulaufenden Wellenleiters wäre gleich 1/4 der kleinen Abmessung der Farbfilterelemente oder weniger. Es ist außerdem erwünscht, daß die Entfernung zu dem Analysator, das heißt dem oberen (vorderen) Polarisator, so klein wie möglich ist. Die Tatsache, daß in der üblichen Auslegung eines Flüssigkristalldisplays zwischen dem Analysator und dem Flüssigkristallelement eine Dicke aus Glas angeordnet wird, trägt zu dem Problem der Farbverschiebung bei schrägen Betrachtungswinkeln bei, da Lichtstrahlen, die nicht senkrecht zu der Ebene des Schirms sind, d. h. nicht parallel zu der z-Achse verlaufen, zu benachbarten, d. h. falschen, Farbelementen übergehen. Da in dem Polarisator der vorliegenden Erfindung prismaförmige Wellenleiter integriert sind, die Licht nach Durchquerung des Displays zu schrägen Winkeln weiterleiten, kann zur Begrenzung dieses Problems der Farbverschiebung ein stark kollimiertes Hintergrundlicht eingesetzt werden. Die Integrierung des Farbfilters in das Flüssigkristalldisplay erfordert eine komplizierte mehrstufige Vorgehensweise. Da der vorliegende verbesserte Polarisator bevorzugt mit einer Hintergrundlichtquelle verwendet wird, die größtenteils entlang der z-Achse kollimiertes Licht erzeugt, kann das Farbfiltergitter wahlweise von dem Flüssigkristalldisplay aus versetzt sein, so daß es in der Nähe des Analysators liegt, wie in Fig. 5 gezeigt, wodurch die Herstellung des Flüssigkristalldisplays stark vereinfacht wird.
In Fig. 5 verhindert die Schutzschicht 38 über den Austrittsenden des Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 eine mechanische Beschädigung der Austrittsflächen des Arrays von konisch zulaufenden Wellenleitern 10 und dient außerdem dazu, das lichtabsorbierende teilchenförmige Material in den Zwischenbereichen 14 zwischen den konisch zulanfenden Wellenleitern zu halten. Als Schutzschicht 38 kann eine extrudierte oder laminierte Deckschicht dienen. Man kann auch vor dem Füllen der Zwischenräume 14 mit einem lichtabsorbierenden schwarzen teilchenförmigen Material auf den Austrittsflächen des Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 eine Schutzschicht aufbringen. Die Schutzschicht 38 besteht aus einem transparenten Unterlagenmaterial, wie zum Beispiel dem Material, das zur Bildung der Stützschicht 32 verwendet wird, und gegebenenfalls und vorzugsweise aus einem Antireflexfilm, der aus einem Material wie Magnesiumfluorid besteht und spiegelnde Reflexionen von Umgebungslicht an der Oberfläche des Arrays aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 verringert. Eine Antireflexbeschichtung kann auch direkt auf die Lichtaustrittsenden der konisch zulaufenden Wellenleiter und die Zwischenbereiche 14 aufgedampft werden. Als Antireflexbeschichtungen eignen sich beispielsweise die in den eigenen US-Patentschriften 5,061,769, 5,118,579, 5,139,879 sowie 5,178,955 von Aharoni et al. gelehrten Fluorpolymere.
Der vorliegende verbesserte Polarisator kann in den Direktsicht-Flachdisplayeinrichtungen der am 1. Juli 1993 eingereichten, eigenen US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 86,414, die unter Bezugnahme hier aufgenommen ist, verwendet werden. Derartige Displayeinrichtungen werden in Computerterminals, Fernsehgeräten, Flugzeugcockpitdisplays, Armaturentafeln in Kraftfahrzeugen und anderen Einrichtungen verwendet, die Text-, Graphik- oder Videoinformationen liefern. Der vorliegende verbesserte Polarisator kann aber auch dazu verwendet werden, die optischen Eigenschaften von anderen Informationsanzeigemitteln zu verändern oder zu verbessern, wie etwa von Straßenschildern, Kathodenstrahlröhrendisplays (CRT-Displays), Frontaldisplays und anderen Text-, Graphik- oder Videoinformationsdisplays, die nicht in die Kategorie der Flachschirmeinrichtungen fallen, oder um die Helligkeit oder die optischen Eigenschaften von Beleuchtungssystemen zu verändern oder zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung wird durch das folgende, nicht einschränkende Beispiel eingehender dargestellt.

Beispiel 1

Auf einem transparenten Film wurde ein Bild aus Text und eng beabstandeten Linien hergestellt. Das Bild wurde durch eine faseroptische Lichtquelle, die durch die Verwendung einer Linse so eingestellt wurde, daß ein innerhalb von ±5º kollimiertes Licht erzeugt wurde, von hinten beleuchtet. Ein Betrachtungsschirm, der mit einem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10, einer Stützschicht 28, einem mit Schwarz gefüllten Zwischenbereich 14 und einer Schutzschicht 38 aufgebaut war, wie in Fig. 1 gezeigt, wurde direkt vor das Bilddiapositiv gesetzt. Das Bild wurde dann unter einem Winkel von 45º betrachtet. Das Bild erschien scharf. Der Betrachungsschirm wurde dann um 0,28 cm von dem Bildtransparent wegbewegt. Bei diesem Punkt erschien das Bild erheblich unscharf, was veranschaulicht, wie wichtig es ist, den Abstand zwischen der Bildebene und der Basis des vorliegenden verbesserten Polarisierers so klein wie möglich zu halten. Bei einem festen Abstand von 0,28 cm wurde nach Beobachtung das Bild immer schlechter, wenn der Kollimationsgrad des Hintergrundlichts verringert wurde (in Richtung auf Kollimationswinkel von über 5º).

Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel

Ein Polarisator der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichs-Polarisator wurden wie folgt aufgebaut. Der Polarisator von Beispiel 2 umfaßte Zwischenbereiche 14 in einem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10, die durch eine Schicht aus selbsthaftendem Klebstoff an ein Polarisatorelement 12, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, befestigt waren, um einen Polarisator herzustellen, bei dem der Abstand zwischen dem Polarisatorelement 12 und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 bei etwa 50 Mikrometern lag. Der VergleichsPolarisator umfaßte Zwischenbereiche 14 in einem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 aus einer 75 Mikrometer dicken Polyethylenterephthalat-Stützschicht 32 mit einem selbsthaftenden Klebstoff 34, wie in Fig. 5 gezeigt. Die Stützschicht 32 mit einer Klebstoffschicht 34 wurde an eine 165 Mikrometer dicke Polyethylenterephthalat-Stützschicht 32 mit einer an einem Polarisatorelement 12 befestigten selbsthaftenden Klebstoffschicht 34 befestift, um einen Polarisator herzustellen, bei dem der Abstand zwischen dem Polarisatorelement 12 und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern 10 bei etwa 315 Mikrometern lag.
Durch ein Diapositiv wurde ein Bild erzeugt, das Text mit einer Punktgröße von 4 Punkten bis 8 Punkten in Schritten von einem Punkt zeigte. Dieses Bild wurde durch eine durch ein weißes Muster auf einem CRT- Computermonitorschirm erzeugte unkollimierte Lichtquelle beleuchtet. Jeder der Polarisatoren wurde über dem Diapositiv angeordnet, und das Bild wurde unter einem Winkel von 45 grad zur Senkrechten betrachtet. Das durch den Vergleichs-Polarisator betrachtete Bild war unschärfer und verschwommener als das durch den Polarisator von Beispiel 2 betrachtete Bild. Der relative Unterschied bestand darin, daß durch den Polarisator von Beispiel 2 Text bis zu einer Punktgröße von 5 Punkten gelesen werden konnte, während durch den Vergleichs-Polarisator Text bis zu einer Punktgröße von nur 7 Punkten gelesen werden konnte.
Mit dem Polarisator von Beispiel 2 und dem Vergleichs- Polarisator wurde ein zweiter Test durchgeführt, in dem jeder Polarisator über ein Bild gelegt wurde, das durch einen Flüssigkristalldisplayschirm erzeugt wurde, der mit einer innerhalb 12 Grad zur Schirmsenkrechten kollimierten Lichtquelle beleuchtet wurde. Die Schirme wurden derart orientiert, daß das Polarisatorelement in dem Schirm parallel zu dem äußersten Polarisator des Displays orientiert war. Wieder wurde das Bild unter einem Winkel von 45 Grad zur Senkrechten betrachtet. Das durch das System von Beispiel 2 betrachtete Bild war wesentlich schärfer als das Bild, das durch das Vergleichssystem betrachtet wurde, das zwischen dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern und dem Polarisatorelement 12 einen viel größeren Abstand aufwies.

Claims

1. Displayeinrichtung, die folgendes umfaßt:

(a) ein Lichtmodulationsmittel mit einer Lichteintrittsseite und einer Bildseite;

(b) ein Polarisatorelement mit einer Lichteintrittsseite und einer Lichtaustrittsseite, das auf der Bildseite des Lichtmodulationsmittels positioniert ist, wobei die Lichteintrittsseite des Polarisators neben der Bildseite des Lichtmodulationsmittels angeordnet ist;

(c) ein Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern, das auf der Lichtaustrittsseite des Polarisators in einer Entfernung von 0 bis etwa 250 Mikrometer von dem Polarisator angeordnet ist, und wobei:

(i) sich das konisch zulaufende Ende jedes der Wellenleiter von dem Polarisatorelement aus nach außen erstreckt,

(ii) jeder der Wellenleiter eine Lichteintrittsfläche neben dem Polarisatorelement

(b) und eine von der Lichteintrittsfläche entfernte Lichtaustrittsfläche aufweist, (iii) der Flächeninhalt der Lichteintrittsfläche jedes der Wellenleiter größer ist als der Flächeninhalt seiner Lichtaustrittsfläche und

(iv) die Wellenleiter in dem Array durch Zwischenbereiche voneinander getrennt sind, die einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als die Wellenleiter.

2. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes umfaßt:

(d) ein Substrat, bei dem das Polarisatorelement (b) das Array von konisch zulaufenden Wellenleitern (c) von dem Substrat (d) trennt, und

(e) eine Klebeschicht, bei der das Substrat (d) den Polarisator (b) von der Klebeschicht (e) trennt.

3. Displayeinrichtung nach Anspruch 2, die weiterhin folgendes umfaßt:

(f) eine Schutzschicht neben dem konisch zulaufenden Ende der Wellenleiter.

4. Displayeinrichtung nach Anspruch 3, bei der das Lichtmodulationsmittel eine Flüssigkristallzelle ist.

5. Displayeinrichtung nach Anspruch 4, die weiterhin folgendes umfaßt:

(g) ein Farbfiltergitterarray.

6. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Polarisatorelement so ausgerichtet ist, daß es Licht liefert, das parallel zu der durch die horizontale Blickachse und die senkrecht zu der horizontalen Blickachse stehende Achse definierten Ebene polarisiert ist.

7. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Polarisatorelement so ausgerichtet ist, daß es Licht liefert, das parallel zu der durch die Nebenachse des Wellenleiterquerschnitts und die senkrecht zu dem Wellenleiterquerschnitt stehende Achse definierten Ebene polarisiert ist.

8. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Querschnitt der Lichteintrittsfläche jedes der Wellenleiter von etwa 10 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer und der Querschnitt der Lichtaustrittsfläche jedes der Wellenleiter von etwa 5 bis etwa 50 Mikrometer beträgt.

9. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen dem Polarisatorelement (b) und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern (c) weniger als etwa 250 Mikrometer beträgt.

10. Displayeinrichtung nach Anspruch 1, bei der der Abstand zwischen dem Polarisatorelement (b) und dem Array aus konisch zulaufenden Wellenleitern (c) von etwa 25 Mikrometer bis etwa 0 Mikrometer beträgt.