DE102020131139A1

DE102020131139A1 - Mit nanopartikeln dotierte flüssigkristallvorrichtung zur verringerung von laser-speckle

Info

Publication number: DE102020131139A1
Application number: DE102020131139.7A
Authority: DE
Inventors: Kai-Han Chang; John Harden; Liang-Chy Chien
Original assignee: Kent State University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Kent State University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2040-11-26
Also published as: CN112946963B; DE102020131139B4; CN112946963A; US20210181522A1; US11016308B1

Abstract

Eine optische Anzeigevorrichtung enthält eine kohärente Lichtquelle, die einen kohärenten Lichtstrahl im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Bereich erzeugt. Der kohärente Lichtstrahl ist auf eine Flüssigkristallkomponente gerichtet. Eine Vielzahl von Flüssigkristallen und eine Vielzahl von Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von ≤ etwa 450 nm sind in einem Innenraum angeordnet. Eine elektrische Quelle steht mit der ersten und der zweiten Elektrode in elektrischer Verbindung. Wenn keine Spannung oder kein Strom angelegt ist, weist ein gefilterter Lichtstrahl, der von der Flüssigkristallkomponente durchgelassen oder reflektiert wird, einen ersten Speckle-Kontrast ≥ etwa 0,28 auf. Wenn Spannung oder Strom angelegt wird, werden eine Bewegung der Mikropartikel induziert und weist der gefilterte Lichtstrahl einen zweiten Speckle-Kontrast auf, der ≤ etwa 0,2 ist und in bestimmten Aspekten ≤ etwa 0,03 sein kann. Ein Verfahren zum Reduzieren von Speckle in einer optischen Vorrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle ist ebenfalls vorgesehen.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen bezüglich der vorliegenden Offenbarung, die nicht notwendigerweise zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine optische Vorrichtung wie etwa eine Anzeigevorrichtung, die eine kohärente Lichtquelle, die einen kohärenten Lichtstrahl in einem sichtbaren Bereich, einem ultravioletten Bereich oder einem Infrarotbereich erzeugt, und eine Flüssigkristallkomponente enthält, die eine Vielzahl von Flüssigkristallen und eine Vielzahl von Nanopartikeln aufweist. In bestimmten Aspekten reduziert die optische Vorrichtung den Speckle-Kontrast des kohärenten Lichtstrahls auf weniger als oder gleich etwa 0,2. Verfahren zum Reduzieren von Speckle in einer optischen Vorrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle werden ebenfalls bereitgestellt.
Anzeigevorrichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken sind im Allgemeinen auf eine Vielzahl von Anzeigevorrichtungen einschließlich einer beliebigen Flachschirmanzeige entweder vom Transmissions- oder Reflexionstyp, insbesondere dreidimensionale Projektionsanzeigen anwendbar. Zum Beispiel kann ein Fahrzeug eine oder mehrere Anzeigen wie etwa ein Infotainment-System oder ein Head-up-Display (HUD), das Informationen auf einer Windschutzscheibe des Fahrzeugs anzeigt, enthalten. Ein HUD kann zum Beispiel eine Fahrzeuggeschwindigkeit und andere Fahrzeuginformationen (z. B. Warnungen wie Warnungen vor einem Verlassen der Spur und Warnungen zur Kollisionsvermeidung) anzeigen. Viele Anzeigesysteme enthalten eine Flüssigkristallanzeige (LCD).
Verschiedene Anzeigesysteme verwenden oft eine Quelle kohärenten Lichts wie etwa einen Laser in Verbindung mit den anderen Anzeigekomponenten wie etwa LCD-Komponenten. Die Verwendung eines Lasers als Beleuchtungsquelle kann jedoch potenziell einen großen Betrag an Speckle erzeugen, die aus der Kohärenz des Lasers resultiert. Wenn kohärentes Licht von einer diffusen Oberfläche reflektiert wird, emittieren verschiedene Punkte auf der Oberfläche jeweils eine Lichtwelle. Typischerweise haben alle reflektierten Lichtwellen die gleiche Frequenz, können aber die Phase und Amplitude des von verschiedenen Punkten auf der Oberfläche reflektierten Lichts variieren. Das Licht kann somit konstruktiv und destruktiv interferieren, um ein Muster aus hellen und dunklen Flecken oder Bändern zu erzeugen, die zufällig erscheinen und als Sprenkel bzw. Speckle bezeichnet werden. Bei der Erzeugung eines Bildes aus dem reflektierten Licht kann sich der Speckle-Effekt dem Bild Rauschen hinzufügen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung dar und ist keine umfassende Offenbarung des vollen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung. Eine kohärente Lichtquelle erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge in einem sichtbaren Bereich, einem ultravioletten Bereich oder einem Infrarotbereich. Die optische Vorrichtung enthält auch eine Flüssigkristallkomponente, wobei der kohärente Lichtstrahl auf die Flüssigkristallkomponente gerichtet ist. Die Flüssigkristallkomponente enthält eine erste Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen, eine zweite Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen oder zu reflektieren, und zumindest einen Abstandshalter, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um dazwischen einen Innenraum zu definieren. Die Flüssigkristallkomponente enthält auch eine Vielzahl von Flüssigkristallen und eine Vielzahl von Nanopartikeln, die in dem Innenraum angeordnet sind. Die Vielzahl von Flüssigkristallen weist einen ersten Brechungsindex aus und ist aus der Gruppe ausgewählt, die aus ferroelektrischen Flüssigkristallen und nematischen Flüssigkristallen besteht. Die Vielzahl von Nanopartikeln weist einen zweiten Brechungsindex und einen durchschnittlichen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 450 nm auf. Eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex ist größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5. Die optische Vorrichtung enthält auch eine elektrische Quelle in elektrischer Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. In einem ersten Zustand ohne angelegte Spannung oder Strom weist ein gefilterter Lichtstrahl, der von der Flüssigkristallkomponente transmittiert oder reflektiert wird, einen ersten Speckle-Kontrast auf, der größer als oder gleich etwa 0,28 ist. In einem zweiten Zustand, in dem eine Spannung oder ein Strom von der elektrischen Quelle an die erste und zweite Elektrode angelegt wird, erzeugt die Vielzahl von Nanopartikeln einen zeitlichen Mittelungseffekt und weist der gefilterte Lichtstrahl einen zweiten Speckle-Kontrast auf, der kleiner als oder gleich etwa 0,2 ist.
In einem Aspekt ist der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 100 nm. Ferner hat die Vielzahl von Nanopartikeln eine Form, die aus der aus Kugeln, Ellipsoiden, Rechtecken, Polygonen, Diskoiden, Ellipsoiden, Toroiden, Kegeln, Pyramiden, Stäben, Zylindern, Kreuzen und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl von Flüssigkristallen ferroelektrische Flüssigkristalle und ist der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 10 nm.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl von Flüssigkristallen negative nematische Flüssigkristalle und ist der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 100 nm.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material, das aus der aus Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂2), Titandioxid (TiO₂) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material mit einem Brechungsindex von größer als oder gleich etwa 0,48 bis kleiner als oder gleich etwa 2.
In einem Aspekt ist der zweite Speckle-Kontrast bei einer angelegten Spannung von größer als oder gleich etwa 30 V geringer als oder gleich etwa 0,1.
In einem Aspekt enthält der Innenraum mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln.
In einem weiteren Aspekt enthält der Innenraum optional weiterhin ein Polymer mit weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, ein Tensid mit weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% und als Rest die Vielzahl von Flüssigkristallen.
In einem Aspekt ist die elektrische Quelle so konfiguriert, dass sie eine Frequenz elektrischer Energie von mehr als 0 Hz bis weniger als oder gleich etwa 1 kHz anlegt und eine Spannung von mehr als oder gleich etwa 1 V bis weniger als oder gleich etwa 1 kV aufweist.
In einem Aspekt sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils auf transparenten Substraten angeordnet und enthalten die erste Elektrode und die zweite Elektrode unabhängig voneinander ein elektrisch leitfähiges Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Indium-Zinn-Oxid, metallischen Nanodrähten, metallischen Partikeln, Gallium-Zink-Oxid, Aluminium-Gallium-Zink-Oxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Kombinationen davon besteht.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf eine Anzeigevorrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle, die einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge in einem sichtbaren Bereich erzeugt. Die Anzeigevorrichtung enthält ein Abbildungssystem, das aus dem kohärenten Lichtstrahl ein Anzeigebild erzeugt. Das Abbildungssystem enthält eine Flüssigkristallkomponente, die eine erste Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen, eine zweite Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen oder zu reflektieren, und zumindest einen Abstandshalter enthält, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um dazwischen einen Innenraum zu definieren. In dem Innenraum ist eine Vielzahl von Flüssigkristallen angeordnet, die einen ersten Brechungsindex aufweisen und aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ferroelektrischen Flüssigkristallen und nematischen Flüssigkristallen besteht. Eine Vielzahl von Nanopartikeln mit einem zweiten Brechungsindex und einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 450 nm ist im Innenraum angeordnet. Eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex ist größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5. Die Anzeigevorrichtung enthält ferner eine elektrische Quelle in elektrischer Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei in einem ersten Zustand ohne angelegte Spannung oder Strom ein gefilterter Lichtstrahl, der von der Flüssigkristallkomponente durchgelassen oder reflektiert wird, einen ersten Speckle-Kontrast von größer als oder gleich etwa 0,28 zeigt. In einem zweiten Zustand, wenn eine Spannung oder ein Strom von der elektrischen Quelle an die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, erzeugt die Vielzahl von Nanopartikeln einen zeitlichen Mittelungseffekt und weist der gefilterte Lichtstrahl einen zweiten Speckle-Kontrast auf, der kleiner als oder gleich etwa 0,2 ist.
In einem Aspekt enthält das Abbildungssystem eine Abbildungsvorrichtung und ist die Flüssigkristallkomponente im Abbildungssystem angeordnet:

bevor das Anzeigebild von einer Abbildungsvorrichtung erzeugt wird;
nachdem das Anzeigebild von einer Abbildungsvorrichtung erzeugt ist, wobei die Flüssigkristallkomponente ein Projektionsschirm für das Anzeigebild ist; oder
nachdem das Anzeigebild von einer Abbildungsvorrichtung erzeugt ist, wobei das Abbildungssystem ferner einen Projektionsschirm enthält und die Flüssigkristallkomponente zwischen einer Abbildungsvorrichtung und dem Projektionsschirm angeordnet ist.

In einem Aspekt ist die elektrische Quelle so konfiguriert, dass sie eine Frequenz elektrischer Energie von mehr als 0 Hz bis weniger als oder gleich etwa 1 kHz anlegt und eine Spannung von mehr als oder gleich etwa 1 V bis weniger als oder gleich etwa 1 kV aufweist.
In einem Aspekt umfasst der Innenraum mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln und enthält die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material, das aus der aus Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und Kombinationen davon, und entweder:

(i) enthält die Vielzahl von Flüssigkristallen ferroelektrische Flüssigkristalle und ist der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 10 nm; oder
(ii) enthält die Vielzahl von Flüssigkristallen negative nematische Flüssigkristalle und ist der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 100 nm.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Reduzierung von Speckle in einer optischen Vorrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle. Das Verfahren umfasst das Richten eines von der kohärenten Lichtquelle erzeugten kohärenten Lichtstrahls mit einer Wellenlänge in einem sichtbaren Bereich, einem ultravioletten Bereich oder einem Infrarotbereich auf eine Flüssigkristallkomponente, die eine erste Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen, eine zweite Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen oder zu reflektieren, und zumindest einen Abstandshalter enthält, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um dazwischen einen Innenraum zu definieren. Die Flüssigkristallkomponente enthält auch eine Vielzahl von im Innenraum angeordneten Flüssigkristallen, die einen ersten Brechungsindex aufweisen und aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ferroelektrischen Flüssigkristallen und negativen nematischen Flüssigkristallen besteht. Eine Vielzahl von Nanopartikeln mit einem zweiten Brechungsindex und einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als oder gleich etwa 450 nm ist ebenfalls in dem Innenraum angeordnet. Eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex ist größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5. Eine elektrische Quelle ist in elektrischer Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode steht. Das Verfahren umfasst das Anwenden elektrischer Energie über die elektrische Quelle auf die erste Elektrode und die zweite Elektrode der Flüssigkristallkomponente, um Zufallsdomänen in der Vielzahl von Flüssigkristallen zu induzieren und einen Speckle-Kontrast des von der Flüssigkristallkomponente übertragenen oder reflektierten kohärenten Lichtstrahls auf weniger als oder gleich etwa 0,2 zu reduzieren.
In einem Aspekt hat die elektrische Energie eine Frequenz von mehr als 0 Hz bis weniger als oder gleich etwa 1 kHz und eine Spannung von mehr als oder gleich etwa 1 V bis weniger als oder gleich etwa 1 kV.
In einem Aspekt ist der Speckle-Kontrast kleiner als oder gleich etwa 0,1, wenn die elektrische Energie bei einer Spannung größer als oder gleich etwa 30 V angewendet wird.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl der Flüssigkristalle negative nematische Flüssigkristalle und erzeugt das Anwenden elektrischer Energie ein elektrisches Feld von oben nach unten, um eine Instabilität zu induzieren und Zufallsdomänen in der Vielzahl der Flüssigkristalle zu erzeugen, um einen zeitlichen Mittelungseffekt zu erzeugen.
In einem Aspekt umfasst die Vielzahl von Flüssigkristallen ferroelektrische Flüssigkristalle und umfasst das Anwenden elektrischer Energie das Anlegen eines Wechselstroms (AC), so dass die ferroelektrischen Flüssigkristalle auf Mikrosekundenskala schwingen, um einen zeitlichen Mittelungseffekt durch konstruktivedestruktive Interferenz zu erzeugen.
In einem Aspekt enthält der Innenraum mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln, wobei die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material enthält, das aus der aus Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und entweder:

Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier vorliegenden Beschreibung ersichtlich. Die Beschreibung und spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglichen Implementierungen und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.

1 zeigt ein Beispiel eines Systems für Head-up-Display (HUD) für ein Fahrzeug, das ein optisches Anzeigesystem gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung enthalten kann.
2A-2B zeigen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellte Flüssigkristallkomponenten, die eine Vielzahl von Nanopartikeln zum Reduzieren eines Speckle-Kontrasts eines kohärenten Lichtstrahls enthalten. 2A zeigt einen ersten Betriebszustand ohne angewandte elektrische Energie, während 2B einen zweiten Betriebszustand mit elektrischer Energie zeigt, das zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angewendet wird.

3 ist ein Diagramm, das den Speckle-Kontrast gegen Spannung für einen bei einer Variante einer gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Flüssigkristallanzeigekomponente gerichteten kohärenten Laserlichtstrahl zeigt.
4 ist ein Diagramm, das den Speckle-Kontrast gegen Spannung für einen bei einer anderen Variante einer gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Flüssigkristallanzeigekomponente gerichteten kohärenten Laserlichtstrahl zeigt.
5A-5B zeigen Laserlicht im sichtbaren Bereich, das durch eine gemäß einer bestimmten Variante der vorliegenden Offenbarung präparierte Flüssigkristallkomponente in einem ersten Betriebszustand ohne angewandte elektrische Energie (0 V) und einem zweiten Betriebszustand mit angewandter elektrischer Energie (60 V) hindurchgeht.
6 zeigt eine Konfiguration einer Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallanzeigekomponente, die vor einer gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Abbildungsvorrichtung angeordnet ist.
7 zeigt eine weitere Konfiguration einer Anzeigevorrichtung mit einer hinter einer Abbildungsvorrichtung angeordneten Flüssigkristallanzeigekomponente, wobei die Flüssigkristallkomponente als Projektionsschirm dient, der gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präpariert ist.
8 zeigt noch eine weitere, gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierte Konfiguration einer Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallanzeigekomponente, die nach einer Abbildungsvorrichtung angeordnet ist, und einem Projektionsschirm, wobei die Flüssigkristallkomponente Speckle eines angezeigten Bildes auf einem Projektionsschirm reduziert.
9 zeigt einen definierten Bewegungskegel, der für ferroelektrische Flüssigkristallmoleküle auftritt, wenn Wechselspannungen (AC) angelegt werden. Entsprechende Referenznummern bezeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen sind vorgesehen, damit diese Offenbarung gründlich ist und dem Fachmann den Umfang vollständig vermittelt. Zahlreiche spezifische Details werden dargelegt wie etwa Beispiele für spezifische Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu vermitteln. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausführungsformen in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden können und dass keine dahingehend aufgefasst werden sollte, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. In einigen beispielhaften Ausführungsformen werden bekannte Verfahren, bekannte Vorrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur zur Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Die hier verwendeten Singularformen „ein“, und „der, die, das‟ sollen auch die Pluralformen einschließen, sofern der Kontext nicht klar etwas anderes angibt. Die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „einschließend“ und „aufweisend“ sind einschließend und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obgleich der offene Begriff „aufweisend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der verwendet wird, um verschiedene hierin dargelegte Ausführungsformen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff in bestimmten Aspekten alternativ so verstanden werden, dass er stattdessen ein mehr einschränkender und restriktiverer Begriff ist, wie beispielsweise „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Somit schließt die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausführungsform, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte anführt, auch ausdrücklich Ausführungsformen ein, die aus solchen angeführten Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Fall von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausführungsform alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte aus, während im Fall von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften wesentlich beeinflussen, von einer solchen Ausführungsform ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Operationen und/oder Verfahrensschritte, die die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften nicht wesentlich beeinflussen, in der Ausführungsform enthalten sein können.
Alle hier beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen sind nicht so auszulegen, dass sie unbedingt in der diskutierten oder speziellen Reihenfolge ausgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge einer Ausführung bezeichnet. Es versteht sich auch, dass, sofern nicht anders angegeben, zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
Wenn auf eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“, „in Eingriff mit“, „verbunden mit“ oder „gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schichtverwiesen wird, kann sie/es direkt auf, in Eingriff mit, verbunden oder gekoppelt mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht sein, oder es können dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Im Gegensatz dazu können, wenn auf ein Element als „direkt auf‟, „direkt in Eingriff mit“, „direkt verbunden mit“ oder „direkt gekoppelt mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht verwiesen wird, keine dazwischenliegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, (z. B. „zwischen“ im Gegensatz zu „direkt zwischen“, „benachbart“ im Gegensatz zu „direkt angrenzend“ usw.) sollen in gleicher Weise interpretiert werden. Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ beliebige und alle Kombinationen von eines oder mehrerer der zugehörigen aufgeführten Elemente ein.
Obwohl die Begriffe „erster“, „zweiter“, „dritter“ etc. hier verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollen diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte, sofern nicht anders angegeben, nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden. Diese Begriffe können nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erster“, „zweiter“ und andere numerische Begriffe, wenn sie hier verwendet werden, implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, es sei denn, dies geht eindeutig aus dem Kontext hervor. Somit könnte ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Schicht oder ein erster Abschnitt, der im Folgenden beschrieben wird, auch als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Schicht oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innen“, „außen“, „unter“, „unterhalb“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen können hier zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element (Elementen) oder Merkmal Merkmalen) zu beschreiben, wie in den Abbildungen dargestellt. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu dienen, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung oder des Systems im Einsatz oder Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umfassen.
In dieser gesamten Offenbarung repräsentieren die numerischen Werte Näherungsmaße oder Bereichsgrenzen, um sowohl geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen mit etwa dem erwähnten Wert als auch solche mit genau dem erwähnten Wert zu umfassen. Anders als in den Arbeitsbeispielen, die am Ende der detaillierten Beschreibung vorgesehen sind, sind alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Größen oder Bedingungen) in dieser Beschreibung, einschließlich der beigefügten Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert werden, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem numerischen Wert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene numerische Wert eine gewisse Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an den exakten Wert; ungefähr oder einigermaßen nahe am Wert; fast). Falls die durch „ungefähr“ angegebene Ungenauigkeit mit dieser gewöhnlichen Bedeutung in der Fachwelt nicht anders verstanden wird, gibt dann „ungefähr“, wie hier verwendet, zumindest Abweichungen an, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zum Messen und Verwenden solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „etwa“ eine Variante von weniger als oder gleich 5 %, optional weniger als oder gleich 4 %, optional weniger als oder gleich 3 %, optional weniger als oder gleich 2 %, optional weniger als oder gleich 1 %, optional weniger als oder gleich 0,5 % und in bestimmten Aspekten optional weniger als oder gleich 0,1 % umfassen.
Außerdem umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs einschließlich für die Bereiche angegebener Endpunkte und Teilbereiche.
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
In verschiedenen Aspekten bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein verbessertes Anzeigesystem, das den Speckle-Kontrast minimiert, wobei das System eine kohärente Lichtquelle wie etwa einen Laser und eine Flüssigkristallkomponente enthält, die eine Vielzahl von Flüssigkristallen und eine Vielzahl von Flüssigkristallplatten umfasst. Als Hintergrund kann eine Größenordnung des Laser-Speckle durch einen Speckle-Kontrast dargestellt werden. Der Speckle-Kontrast von einer kohärenten Lichtquelle wie etwa Laserlicht, das von einer Oberfläche reflektiert wird, wird als Standardabweichung einer gemessenen Lichtintensität auf dieser Oberfläche, dividiert durch eine durchschnittliche Lichtintensität, betrachtet (z. B. ein Wert, der erhalten wird, indem die Standardabweichung der Intensitätsverteilung durch den Durchschnitt der Intensitätsverteilung dividiert wird). Falls ein Bildschirm überall die gleiche Helligkeit aufweist, betrüge somit die Standardabweichung vom Mittelwert Null, gäbe es also keine Flecken bzw. kein Speckle. Aufgrund der Kohärenz und des engen Spektrums eines Laserlichtstrahls treten jedoch Interferenzmuster auf. Daher erscheinen auf einer mit Laserlicht beleuchteten Oberfläche dunkle Bereiche und helle Bereiche oder Laser-Speckle. Diese Laser-Speckle-Muster bilden sich auf der Retina des Betrachters ab und können sich bei der kleinsten Bewegung verändern, was für Betrachter wie etwa Fahrer und Passagiere in einem Fahrzeug sehr störend sein kann. Außerdem können Anzeigen mit einer hochkohärenten Laserlichtquelle (z. B. eines Lasers) aufgrund des hohen Speckle-Kontrasts an körnigen Bildern leiden.
Entsprechend verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann jedoch der Speckle-Kontrast reduziert werden, indem eine Flüssigkristallanzeigekomponente eingebaut wird, die sowohl eine Vielzahl von Flüssigkristallen als auch eine Vielzahl von Nanopartikeln aufweist. Ein „Nanopartikel“, wie es hier verwendet wird, kann zumindest eine Abmessung haben, die kleiner als oder gleich etwa 450 nm ist. In bestimmten Varianten hat das Nanopartikel zumindest eine Abmessung, die optional kleiner als oder gleich etwa 400 nm, optional kleiner als oder gleich etwa 350 nm, optional kleiner als oder gleich etwa 300 nm, optional kleiner als oder gleich etwa 250 nm, optional kleiner als oder gleich etwa 200 nm, optional kleiner als oder gleich etwa 150 nm und in bestimmten Aspekten optional kleiner als oder gleich etwa 100 nm ist.
In bestimmten Aspekten kann die Vielzahl von Nanopartikeln, die in der Flüssigkristallkomponente enthalten sind, einen durchschnittlichen Partikelgrößendurchmesser von größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 200 nm, optional größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 100 nm aufweisen. Wie weiter unten beschrieben wird, kann das Nanopartikel für bestimmte Arten von Flüssigkristallen einen durchschnittlichen Durchmesser größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 20 nm und optional größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 10 nm aufweisen.
Die Nanopartikel können eine Vielzahl von Formen aufweisen, die im Wesentlichen runde Formen wie Kugeln und Ellipsoide/Ovale, Rechtecke, Polygone, Diskusse/Scheiben, Ellipsoide, Toroide, Kegel, Pyramiden, Stäbe/Zylinder, Kreuze und dergleichen als nicht einschränkendes Beispiel umfassen. Nanopartikel mit unterschiedlichen Formen können ebenso miteinander kombiniert werden. In anderen Aspekten kann das Nanopartikel eine im Wesentlichen runde Form wie etwa Kugeln, Ellipsoide, Halbkugeln und dergleichen aufweisen.
Aufgrund der Größe der Nanopartikel sind sie im Allgemeinen kleiner als die Wellenlänge des durchgehenden Lichts. Während die Nanopartikel also nicht notwendigerweise transparent sein müssen, sind folglich die Nanopartikel in gewissen Aspekten transparent und für die Wellenlänge oder das Wellenlängenband des kohärenten Lichtstrahls, der von der Lichtquelle oder dem Laser erzeugt wird, nicht absorbierend. Wie hier verwendet, soll „transparent“ bedeuten, dass ein Material oder eine Komponente für einen Zielbereich von Wellenlängen elektromagnetischer Energie zum Beispiel in sichtbaren, Infrarot- und/oder ultravioletten Wellenlängenbereichen durchlässig ist. So lässt ein transparentes Material oder eine transparente Komponente in gewissen Aspekten mehr als oder gleich etwa 70 % der elektromagnetischen Energie in dem vorbestimmten Bereich von Wellenlängen, optional mehr als oder gleich etwa 75 %, optional mehr als oder gleich etwa 80 %, optional mehr als oder gleich etwa 85 %, optional mehr als oder gleich etwa 90 %, optional mehr als oder gleich etwa 95 % durch, und in bestimmten bevorzugten Aspekten wird optional mehr als oder gleich etwa 98 % der elektromagnetischen Energie bei einer vorbestimmten Wellenlänge oder einem vorbestimmten Wellenlängenbereich (z. B. im sichtbaren und/oder infraroten Bereich des Spektrums) durch das Material oder die Komponente durchgelassen.
Die vorbestimmte Wellenlänge oder der vorbestimmte Wellenlängenbereich des kohärenten Lichts kann im sichtbaren, ultravioletten (UV) und infraroten (IR) Bereich liegen. Eine besonders geeignete elektromagnetische Strahlung umfasst sichtbares Licht mit Wellenlängen im Bereich von etwa 390 bis etwa 750 nm, Infrarotstrahlung (IR) (einschließlich nahen Infrarots (NIR) im Bereich von etwa 0,75 bis etwa 1,4 µm), ultraviolettes Licht (UV) mit Wellenlängen von etwa 100 nm bis etwa 390 nm. Zum Beispiel kann sichtbares Licht eine Wellenlänge in einem Bereich von etwa 625 nm bis 740 nm für Rot, von etwa 590 nm bis etwa 625 nm für Orange, von etwa 565 nm bis etwa 590 nm für Gelb, von etwa 520 nm bis etwa 565 nm für Grün, von etwa 500 nm bis etwa 520 nm für Blau oder Cyan, von etwa 435 nm bis etwa 500 nm für Blau oder Indigo und von etwa 380 nm bis etwa 435 nm für Violett aufweisen.
Die Nanopartikel können je nach Anwendung, in der die Anzeige verwendet wird, für alle Wellenlängen im vorbestimmten Bereich transparent sein. Zum Beispiel ist Transparenz für Wellenlängen im sichtbaren Bereich (oder zumindest einem Teil des sichtbaren Bereichs) für Anzeigen erwünscht, ist Transparenz bei IR-Wellenlängen (oder einem Teil des IR-Bereichs) ist für LIDAR erwünscht und ist Transparenz bei UV-Wellenlängen (oder einem Teil des UV-Bereichs) ist für Lithografie erwünscht.
Somit können die Nanopartikel aus einem transparenten Material für die vorbestimmte Wellenlänge oder den vorbestimmten Bereich von Wellenlängen gebildet werden. Darüber hinaus können die Nanopartikel so ausgewählt werden, dass sie einen Brechungsindex (n oder den Realteil des Brechungsindex) in Bezug auf eine Vielzahl von Flüssigkristallen in der Flüssigkristallkomponente aufweisen. Genauer gesagt ist eine Differenz zwischen einem Brechungsindex der Flüssigkristalle und einem Brechungsindex der Nanopartikel größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5, optional größer als oder gleich etwa 0,01 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5, optional größer als oder gleich etwa 0,02 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5. Im Allgemeinen ist eine größere Differenz der Brechungsindizes zwischen den Flüssigkristallen und den Nanopartikeln erwünscht, um die Reduzierung des Speckle-Kontrasts zu verbessern. In bestimmten Varianten ist der Brechungsindex des Materials der Nanopartikel größer als oder gleich etwa 0,48 bis kleiner als oder gleich etwa 2.
Die Nanopartikel können aus einem Material gebildet werden, das aus der aus Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂), anderen Metalloxiden und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt wird. In bestimmten Aspekten wird, wenn Wechselstrom angelegt wird, die Erzeugung einer elektrostatischen Ladung (auch als triboelektrische Ladung bekannt) minimiert, so dass das Zeta-Potential in den Nanopartikeln nicht vorhanden oder nahezu Null ist.
Die Vielzahl der Flüssigkristalle kann nematische Flüssigkristalle mit einer positiven dielektrischen Anisotropie (z. B. solche nematischen Flüssigkristalle, die für verdrillte nematische oder in der Ebene schaltende Anzeigen verwendet werden) oder einer negativen dielektrischen Anisotropie (z. B. solche nematischen Flüssigkristalle, die für im Streifenfeld schaltende oder vertikal ausgerichtete Anzeigen verwendet werden) oder ferroelektrische Flüssigkristalle umfassen. In bestimmten Varianten kann die Vielzahl der Flüssigkristalle negative nematische Flüssigkristalle mit einer negativen dielektrischen Anisotropie oder ferroelektrische Flüssigkristalle umfassen. Geeignete negative nematische Flüssigkristalle umfassen den Flüssigkristall HNG715600-100 Merck MLC 2079. Geeignete ferroelektrische Flüssigkristalle umfassen Felix-M4851. Die Flüssigkristalle wie etwa ferroelektrische Flüssigkristalle können mit einem Dotierstoff dotiert sein. Der Dotierstoff kann ein Tensid, ein chiraler Dotierstoff und/oder Polymere sein. Für das Flüssigkristallmaterial kann ein gewöhnlicher Brechungsindex (_no) kleiner als oder gleich etwa 1,5 sein.
Gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden Nanopartikel wie etwa Nanokugeln mit Flüssigkristallen gemischt und in einem Raum einer Flüssigkristallkomponente oder -vorrichtung angeordnet. Wenn ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung angelegt wird, erzeugt dies ein elektrisches Feld innerhalb der Flüssigkristallkomponente, die die Nanopartikel und Flüssigkristalle aufweist. Der Speckle-Kontrast wird durch eine zeitliche Mittelwertbildung reduziert, die induziert wird, indem Zufallsdomänen im Flüssigkristallmedium variiert werden, wenn Spannung oder Strom angelegt wird. Genauer gesagt erzeugt in Anbetracht der hier beschriebenen besonderen Kombination von Nanopartikeln und Flüssigkristallen, die eine signifikante Differenz in Brechungsindizes aufweisen, das angelegte elektrische Feld ferner einen zeitlichen Mittelungseffekt in der Mischung aus Flüssigkristallen und Nanopartikeln. Anders ausgedrückt induziert ein Anwenden elektrischer Energie auf die Flüssigkristallkomponente einen zeitlichen Mittelungseffekt. Das bedeutet, dass das elektrische Feld eine Bewegung von Flüssigkristallmolekülen und Nanopartikeln verursacht, um lokalisierte Zufallsdomänen innerhalb des Flüssigkristallraums zu erzeugen, die Änderungen im Brechungsindex zeigen, die, wenn sie über die Zeit gemittelt werden, dazu dienen, Laser-Speckle zu reduzieren, indem sie das Licht streuen und die Phase des Lichts ändern, das durch die Mischung aus Flüssigkristallen und Nanopartikeln hindurchgeht. Dies kann für verschiedene Flüssigkristallmaterialien durch unterschiedliche Mechanismen geschehen; der Nettoeffekt ist jedoch eine Bewegung der Flüssigkristalle, so dass eine zeitliche Mittelung auftritt, um das beobachtete Laser-Speckle zu reduzieren. Im Allgemeinen können bestimmte Klassen von Flüssigkristallen eine Fähigkeit zur Streuung unter niederfrequenten elektrischen Feldern über eine elektro-hydrodynamische Instabilität bereitstellen, die eine Reduzierung des Laser-Speckle fördern kann. Ferner liefern Nanopartikel und Flüssigkristalle, die eine signifikante Differenz in Brechungsindizes aufweisen, eine stärkere Intensität der Vorwärtsstreuung.
Wenn die Flüssigkristalle ein negativer nematischer Flüssigkristall sind, erzeugt das Anwenden elektrischer Energie ein elektrisches Feld von oben nach unten, um Instabilität und Bewegung (z. B. Brownsche Bewegung) in der Vielzahl der Flüssigkristalle zu induzieren. Dies erzeugt lokalisierte Zufallsdomänen in der Vielzahl von Flüssigkristallen. Die zeitlich variierenden Zufallsdomänen liefern einen zeitlichen Mittelungseffekt des Laser-Speckle und reduzieren den Speckle-Kontrast. Die Vorwärtsstreuung von Nanopartikeln, die in der Mischung mit den negativen nematischen Flüssigkristallen verteilt sind, erhöht die Intensität eines transmittierten (oder reflektierten) Lichts. Im Fall der ferroelektrischen Flüssigkristallmoleküle tritt dieses Schwingen innerhalb eines definierten Kegels auf, wenn Wechselspannungen (AC) angelegt werden. Ein solches Konzept ist in vereinfachter Form in 9 dargestellt, wo sich ein ferroelektrisches Flüssigkristallmolekül 20 an einer ersten Position innerhalb eines Kegels 22 befindet, dargestellt mit einem elektrischen Feld 24, das eine erste Richtung (-E-Feld bzw. -E field in 9)) hat. Das ferroelektrische Flüssigkristallmolekül 20 schwingt in eine zweite Position innerhalb des Kegels 22, wenn ein elektrisches Feld 26 mit einer zweiten Richtung (+ E-Feld bzw. +E field in 9) angelegt wird. Ein solches Verhalten ist in Pandey et al., Anti-Ferroelectric Liquid Crystals: Smart Materials for Antiferroelectric Future Displays, Advanced Energy Materials, Kap. 10, S. 389-432 (2014) weiter beschrieben, dessen relevante Teile hier durch Verweis einbezogen werden. Die Geschwindigkeit der Schwingung erfolgt auf einer Mikrosekundenskala. Die zeitliche Mittelung des Speckle-Musters aus der konstruktiv-destruktiven Interferenz reduziert den Speckle-Kontrast. Wenn die Vielzahl von Flüssigkristallen ferroelektrische Flüssigkristalle aufweist und Wechselstrom (AC) angelegt wird, bewegen sich die ferroelektrischen Flüssigkristalle durch Schwingen auf einer Mikrosekundenskala, um einen zeitlichen Mittelungseffekt durch konstruktiv-destruktive Interferenz zu erzeugen. Das Vorhandensein der Nanopartikel in der Mischung mit den ferroelektrischen Flüssigkristallen reduziert die notwendige Ansteuerungsspannung von der elektrischen Quelle und erhöht die Intensität der Vorwärtsstreuung des Lichts weiter.
Techniken, um Laser-Speckle in Flüssigkristallkomponenten zu reduzieren, haben sich bisher darauf konzentriert, Flüssigkristallpartikel über Rotation oder Vibration physikalisch oder mechanisch zu bewegen. Ein Verfahren, um Speckle zu reduzieren, kann zum Beispiel einen Einbau eines Diffusors beinhalten, der sich in den Pfad des Laserstrahls bewegt oder vibriert. Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Offenbarung optische Vorrichtungen bereit, die frei von jeglichen motorgetriebenen oder mechanisierten Teilen zum Rotieren Vibrieren sind, wie im Folgenden erläutert wird. Ferner liefern die durch die vorliegende Offenbarung bereitgestellten Varianten einen reduzierten Speckle-Kontrast, der durch Anlegen eines elektrischen Feldes induziert wird, im Gegensatz zu anderen Techniken, die den Speckle-Kontrast (z. B. bei Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes) reduzieren könnten. Während in der Vergangenheit Nanopartikel in Flüssigkristallkomponenten einbezogen wurden, wurde überdies nicht erwogen, eine aktive zeitliche Mittelung vom externen elektrischen Feld zu erzeugen. Vielmehr waren diese Flüssigkristallzellen verdrillte nematische Flüssigkristallmodule, die allein auf den Mehrfachstreueffekt der Nanopartikel angewiesen waren. Außerdem wurde, selbst wenn die Flüssigkristallzellen durch Anlegen eines elektrischen Feldes aktiviert wurden, eine Laser-Speckle-Reduktion von über 0,4 bis 0,6 erreicht.
In verschiedenen Aspekten stellt die vorliegende Offenbarung eine optische Vorrichtung bereit. Die optische Vorrichtung kann als nicht einschränkendes Beispiel eine Anzeigevorrichtung sein oder, wie oben erwähnt, Teil eines LIDAR-Systems oder eines lithografischen Systems sein. 1 zeigt ein Beispiel eines Anzeigesystems, das in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Konkreter enthält 1 zu Veranschaulichungszwecken eine Implementierung eines nicht einschränkenden Beispiels eines Head-up-Display- (HUD-) Systems 50 zur Projektion auf die Frontscheibe für ein Fahrzeug. Das HUD 50 projiziert von einer Öffnung 56 in einem Armaturenbrett 60 ein Bild 52 (ein virtuelles Bild) auf einen Teil der Windschutzscheibe 54. Das Bild 52 enthält verschiedene Fahrzeuginformationen wie etwa eine aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Warnungen, einen aktuellen bzw. eingelegten Gang eines Getriebes des Fahrzeugs, eine Motordrehzahl, eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs, aktuelle Einstellungen des Infotainmentsystems und/oder andere Fahrzeuginformationen. Das Bild 52 zeigt dem Fahrer des Fahrzeugs diese Informationen an, ohne dass der Fahrer seine Kopfstellung ändern oder seine Blickrichtung abwenden muss (z. B. ohne dass er von Objekten vor dem Fahrzeug wegschauen muss).
Eine Bildquelle 70 erzeugt (z. B. projiziert) basierend auf Signalen 72 von einem HUD-Steuerungsmodul 74 das Bild 52. Nur beispielhaft kann die Bildquelle 70 eine kohärente Lichtquelle enthalten, die einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich erzeugt. So kann die Bildquelle 70 einen oder mehrere Laser 76 enthalten. Der/die Laser 76 kann/können beispielsweise rotes, grünes und blaues Licht erzeugen. Sofern vorhanden ist in der Bildquelle 70 auch eine Komponente (LCD) 78 einer Flüssigkristallvorrichtung (LCD) enthalten. Das HUD-Steuerungsmodul 74 erzeugt basierend auf den vom Fahrzeug empfangenen Fahrzeugdaten 80 Signale 72, die an die Bildquelle 70 gesendet werden.
Das HUD-Steuerungsmodul 74 kann die Fahrzeugdaten 80 beispielsweise von einem Kommunikationsbus des Fahrzeugs erhalten. Die Fahrzeugdaten 80 können zum Beispiel die aktuelle Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Warnungen, einen aktuellen Gang eines Getriebes des Fahrzeugs, eine Motordrehzahl, eine Fahrtrichtung des Fahrzeugs, aktuelle Einstellungen des Infotainmentsystems und/oder andere Fahrzeuginformationen enthalten.
Ein optionaler Reflektor 82 reflektiert das von der Bildquelle 70 erzeugte Bild 52 durch die Öffnung 56 auf die Windschutzscheibe 54. Ein Betrachter kann das Bild 52 auf der Fläche betrachten, auf die das Bild 52 auf die Windschutzscheibe 54 projiziert wird. In verschiedenen Implementierungen kann der Reflektor 82 weggelassen werden und kann stattdessen die Bildquelle 70 so konfiguriert sein, dass das Bild 52 direkt auf die Windschutzscheibe 54 projiziert wird.
2A und 2B zeigen als nicht einschränkendes Beispiel eine Flüssigkristallkomponente 100 zur Verwendung in einem Anzeigesystem wie dem in 1 dargestellten HUD. Die Flüssigkristallkomponente 100 ist dafür konfiguriert, einen kohärenten Lichtstrahl 110, der von einer kohärenten Lichtquelle oder einem Laser (wie dem Laser 76 in 1) erzeugt wird, zu empfangen und in bestimmten Betriebszuständen durchzulassen.
Die Flüssigkristallkomponente 100 kann eine erste Ausrichtungsschicht 130 und eine zweite Ausrichtungsschicht 140 enthalten. Die Flüssigkristallkomponente 100 enthält ferner eine erste Elektrode 132 und eine zweite Elektrode 142. Die erste Elektrode 132 kann für den kohärenten Lichtstrahl 110 transparent sein. Wie weiter unten beschrieben wird, kann die zweite Elektrode 142 in bestimmten Varianten für den kohärenten Lichtstrahl 110 entweder transparent oder reflektierend sein. Die elektrisch leitfähigen Elemente (erste und zweite Elektrode 132, 142) sind einer jeweiligen ersten oder zweiten Ausrichtungsschicht 130, 140 benachbart angeordnet (die jeweils eine Oberflächenmorphologie aufweisen, die eine vorbestimmte Orientierung von Flüssigkristallen bei Anlegen von Strom an diese induziert). Die erste und die zweite Ausrichtungsschicht 130, 140 können komplementäre Oberflächenmorphologien aufweisen, die in bestimmten Varianten eine bevorzugte Orientierung - planar, homöotrop oder Kombinationen aus beidem - für die (unten beschriebenen) Flüssigkristalle induzieren können, wenn Spannung oder Strom angelegt wird, um zu gestatten, dass Licht durch die Flüssigkristalle hindurchgeht und gedreht wird. Wie der Fachmann erkennt, sind die erste Ausrichtungsschicht 130 und die zweite Ausrichtungsschicht 140 optionale Komponenten und können ferner in bestimmten Varianten, obgleich nicht dargestellt, mit der ersten Elektrode 132 und der zweiten Elektrode 142 kombiniert werden, wenn eine Oberfläche jeder jeweiligen Elektrode, die den Flüssigkristallen zugewandt ist, strukturiert ist. Die erste Elektrode 132 und die zweite Elektrode 142 können unabhängig aus einer elektrisch leitfähigen Schicht gebildet werden. Wenn die erste Elektrode 132 und die zweite Elektrode 142 transparent sind, kann das elektrisch leitfähige Material beispielsweise unabhängig aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Indium-Zinn-Oxid (ITO), metallischen Nanodrähten, metallischen Partikeln, Gallium-Zink-Oxid, Aluminium-Gallium-Zink-Oxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Kombinationen davon besteht. Wenn die zweite Elektrode 142 reflektierend ist, kann sie als nicht einschränkendes Beispiel aus reflektierenden, elektrisch leitfähigen Metallen wie etwa Aluminium oder Aluminiumlegierungen gebildet sein. Somit können die erste Elektrode 132 und die zweite Elektrode 142 aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden.
Obwohl in 2A-2B nicht gezeigt, kann in alternativen Varianten die transparente leitfähige Schicht strukturiert werden. Es sollte besonders betont werden, dass für einen Einsatz bestimmter Flüssigkristalle keine Ausrichtungsschichten oder Strukturierung erforderlich sein können. Ferner kann eine Vielzahl von Schichten einschließlich einer Vielzahl strukturierter Elektroden als Beispiel enthalten sein.
Die erste Elektrode 132 ist auf einem ersten transparenten Substrat 134 angeordnet. Die erste Elektrode 132 und das erste Substrat 134 sind dafür konfiguriert, zumindest einen Teil des kohärenten Lichtstrahls 110 durchzulassen. Die zweite Elektrode 142 ist auf einem zweiten transparenten Substrat 144 angeordnet. In Varianten, bei denen das Anzeigesystem ein System zur Rück- bzw. rückseitigen Projektion ist, sind die zweite Elektrode 142 und das zweite Substrat 144 dafür konfiguriert, zumindest einen Teil des kohärenten Lichtstrahls 110 durchzulassen. In anderen Varianten, bei denen das Anzeigesystem ein System zur Aufprojektion ist, sind/ist die zweite Elektrode 142 und/oder das zweite Substrat 144 dafür konfiguriert, zumindest einen Teil des kohärenten Lichtstrahls 110 zu reflektieren. Die Flüssigkristallkomponente 100 kann somit als Projektionsschirm fungieren. Für ein Anzeigesystem zur rückseitigen Projektion, bei dem sich der Projektor und der Betrachter auf unterschiedlichen Seiten des Bildschirms (z. B. der Flüssigkristallkomponente 100) befinden, müssen die zweite Elektrode 142 und das zweite Substrat 144 in der Lage sein, Licht durchzulassen. Bei einem Anzeigesystem zur Aufprojektion, bei dem sich der Projektor und der Betrachter auf der gleichen Seite des Bildschirms (z. B. der Flüssigkristallkomponente 100) befinden, können/kann die zweite Elektrode 142 und/oder das zweite Substrat 144 reflektierend sein. Somit kann das Anzeigesystem wie etwa ein Head-up-Display mittels der Flüssigkristallauf-Silizium-Technologie (LCoS) hergestellt werden, bei der eine Flüssigkristallanzeige (Flüssigkristallkomponente 100) direkt auf einer Rückwand eines Siliziumsubstrats hergestellt wird und ein Reflektor unter dem Siliziumsubstrat angeordnet wird.
In bestimmten Varianten können/kann das erste Substrat 134 und/oder das zweite Substrat 144 aus einem Material bestehen, das für den kohärenten Lichtstrahl 110 transparent ist, können/kann z. B. aus einem Glas (z. B. Siliziumdioxid oder einem Borsilikat) oder einem Polymer gebildet sein. Die erste Elektrode 132 ist auf einem ersten transparenten Substrat 134 angeordnet. In bestimmten Varianten kann die erste Elektrode 132 auf dem ersten Substrat 134 beschichtet sein und kann die erste Ausrichtungsschicht 130 auf die erste Elektrode 132 beschichtet sein. Desgleichen kann die zweite Elektrode 142 auf das zweite Substrat 144 beschichtet werden und kann die zweite Ausrichtungsschicht 140 auf die zweite Elektrode 142 beschichtet werden.
Die Flüssigkristallkomponente 100 enthält auch Abstandshalter 150, die zwischen der ersten Ausrichtungsschicht 130 und der ersten Elektrode 132 sowie der zweiten Ausrichtungsschicht 140 und der zweiten Elektrode 142 angeordnet sind. Die Abstandshalter 150 definieren somit einen Umfang 152 eines Innenraumes 160 der Flüssigkristallkomponente 100. Der Innenraum 160 kann folglich ein abgedichteter Raum sein. In bestimmten Aspekten kann die (mit 120 bezeichnete) Dicke der inneren Komponente größer als oder gleich etwa 1 Mikrometer (µm) bis kleiner als oder gleich etwa 100 µm, optional größer als oder gleich etwa 3 Mikrometer (µm) bis kleiner als oder gleich etwa 50 µm, optional größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer (µm) bis kleiner als oder gleich etwa 50 µm und in bestimmten Varianten optional größer als oder gleich etwa 10 Mikrometer (µm) bis kleiner als oder gleich etwa 20 µm sein.
Eine Vielzahl von Flüssigkristallen 162 ist im Innenraum 160 angeordnet. Die Flüssigkristalle 162 können eine Vielzahl verschiedener Flüssigkristalle sein, wie sie in der Technik bekannt sind, die positive dielektrische Anisotropie (bei der eine Ausrichtungsschicht oder eine strukturierte Elektrode erforderlich ist) oder negative Anisotropie (bei der eine strukturierte Elektrode nicht erforderlich ist) einschließen.
Ferner ist gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung auch eine Vielzahl von Nanopartikeln 170, wie sie zuvor beschrieben wurden, im Innenraum 160 angeordnet. Wie oben erwähnt wurde, haben die Nanopartikel 170 wünschenswerterweise eine maximale Abmessung von weniger als oder gleich etwa 450 nm. Die Nanopartikel 170 sind für das kohärente Licht 110 transparent.
Ein Medium oder eine Mischung kann mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 20 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln 170 und mehr als oder gleich etwa 80 Gew.-% bis weniger als 100 Gew.-% der Vielzahl von Flüssigkristallen 162 aufweisen, optional mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln 170 und mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als 100 Gew.-% der Vielzahl von Flüssigkristallen 162, und optional mehr als 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln 170 und mehr als oder gleich etwa 90 Gew.-% bis weniger als 95 Gew.-% der Vielzahl von Flüssigkristallen 162. In einer Variante weist das Medium etwa 6 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln 170 und etwa 94 Gew.-% der Vielzahl von Flüssigkristallen 162 (z. B. ferroelektrische Flüssigkristalle) auf. In bestimmten anderen Varianten enthält der Innenraum 160 ein Medium, das nicht nur Flüssigkristalle 162 und Nanopartikel 170 aufweist, sondern kann auch zumindest eine zusätzliche Komponente wie etwa Polymere (bis zu etwa 30 Gew.-%), oberflächenaktive Stoffe (bis zu etwa 1 Gew.-%), die dazu dienen, die elektrooptische Reaktion der Materialien im Innenraum 160 der Flüssigkristallkomponente 100 zu verbessern. Die oben genannten Mengen an Nanopartikeln und Flüssigkristallen würden dementsprechend angepasst werden, wenn solche zusätzlichen Komponenten vorhanden sind. In bestimmten Varianten kann ein Beispiel eines Polymers zur Einbringung in den Innenraum einen optischen Klebstoff wie etwa NorlandTM Optical Adhesives, reaktive Monomere und dergleichen umfassen. Geeignete oberflächenaktive Stoffe umfassen als nicht einschränkendes Beispiel Natriumdodecylsulfonat, Natriumdodecylbenzolsulfonat, polyethoxyliertes Octylphenol, Dimethylether der Tetradecylphosphonsäure, Tetrabutylammoniumbromid, Poly(alkohole), Ethylenoxid/Propylenoxid-Copolymere und dergleichen.
Obgleich nicht dargestellt, können zusätzliche bekannte Komponenten wie etwa ein oder mehrere Diffusoren, Polarisatoren, Filter und dergleichen mit der Flüssigkristallkomponente 100 verbunden sein.
Die Flüssigkristallkomponente 100 steht in elektrischer Verbindung mit einer elektrischen Quelle 180. Die erste Elektrode 132 kann über eine erste Leitung 182 mit der elektrischen Quelle 180 elektrisch verbunden sein. Die zweite Elektrode 142 kann über eine zweite Leitung 184 mit der elektrischen Quelle 180 elektrisch verbunden sein. In der Schaltung ist beispielsweise zumindest ein Schalter 186 vorgesehen, der wie dargestellt mit der zweiten Leitung 184 verbunden ist. Wie der Fachmann erkennt, können, wenngleich nicht dargestellt, zusätzliche elektrische Kontakte und Kontaktbrücken in der Flüssigkristallkomponente 100 vorgesehen sein.
Wie in 2A dargestellt ist, befindet sich der Schalter 186 in einem ersten Betriebszustand in einer offenen oder nicht aktivierten Position, so dass kein Stromkreis vorliegt und keine Spannung oder kein Strom durch die zweite Leitung 184 fließt. Wie in 2A dargestellt ist, ist das elektrische Feld ausgeschaltet und tritt kohärentes Licht 110 als eine erste Abgabe 190 aus der Flüssigkristallkomponente 100 aus. Die erste Abgabe 190 ist ein kohärenter Lichtstrahl, der durch den Innenraum 160 der Flüssigkristallkomponente 100 durchgelassen wird und einen Speckle-Kontrast beispielsweise über etwa 0,25 ± 0,02 und in bestimmten Aspekten optional über 0,3 ± 0,02, was als über 0,28 angesehen werden kann, wie weiter unten beschrieben wird, zeigt.
In einem in 2B dargestellten zweiten Betriebszustand befindet sich der Schalter 186 in einer geschlossenen oder aktivierten Position, so dass ein Stromkreis gebildet wird und elektrische Energie (z. B. Wechselspannung) durch die erste Leitung 182 und die zweite Leitung 184 fließt. In 2B ist das elektrische Feld eingeschaltet. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristalle 162 im Innenraum 160 werden die Flüssigkristalle destabilisiert, um Zufallsdomänen zu induzieren, und wird ein zeitlicher Mittelungseffekt im Innenraum 160 erzeugt, der vorteilhafterweise Laser-Speckle reduziert. Wenn beispielsweise eine Wechselspannung an die transparenten leitfähigen Schichten auf dem ersten und zweiten Substrat angelegt wird, induziert die angelegte Spannung eine Instabilität in einem negativen nematischen Flüssigkristallen (N-NLC) oder ein Schwingen in ferroelektrischen Flüssigkristallen (FLC). Die zeitliche Varianz der Zufallsdomänen von N-NLC oder der Mikrosekunden-Schwingung von FLC liefert eine zeitliche Mittelung.
Eine zweite Abgabe 192, die während des zweiten Betriebszustands erzeugt wird, ist nicht kohärent und reduziert vorteilhafterweise den Speckle-Kontrast. Für einen theoretischen Laser ohne Flüssigkristallkomponente, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präpariert wurde, kann beispielsweise ein unpolarisierter Laserfleck einen Speckle-Kontrast von etwa 1/Quadratwurzel(2) = etwa 0,7 aufweisen. Wenn das kohärente Licht des Lasers durch eine Flüssigkristallkomponente, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde, in einem zweiten Betriebszustand hindurchgeht, ist ein Speckle-Kontrast kleiner als oder gleich etwa 0,2, optional kleiner als oder gleich etwa 0,15, optional kleiner als oder gleich etwa 0,1, optional kleiner als oder gleich etwa 0,05, optional kleiner als oder gleich etwa 0,04 und in bestimmten Varianten optional kleiner als oder gleich etwa 0,03. Ein Speckle-Kontrast von etwa 0,04 steht für mehr als 90 % Speckle-Reduktion im Vergleich zum unbehandelten Laser.
In bestimmten Aspekten kann eine Frequenz der elektrischen Energie, die von der elektrischen Quelle 180 angelegt wird, eine Frequenz von größer als 0 Hz bis kleiner als oder gleich etwa 1 kHz, optional größer als oder gleich etwa 1 Hz bis kleiner als oder gleich etwa 500 Hz und in bestimmten Varianten größer als oder gleich etwa 1 Hz bis kleiner als oder gleich etwa 250 Hz aufweisen. Das Vorhandensein der oben beschriebenen Nanopartikel 170 im Flüssigkristall-Innenraum 160 bietet gewisse Vorteile wie etwa eine Reduzierung der Ansteuerspannung und eine Erhöhung der Intensität der Vorwärtsstreuung. In bestimmten Aspekten ist eine Zunahme der Intensität der Vorwärtsstreuung größer als oder gleich etwa 20 % eines kohärenten Lichtstrahls für eine Flüssigkristallkomponente mit Nanopartikeln im Vergleich zu einer vergleichbaren Intensität der Vorwärtsstreuung für einen kohärenten Lichtstrahl in einer Flüssigkristallkomponente, in der die Nanopartikel nicht vorhanden sind.
In bestimmten Aspekten kann eine von der elektrischen Quelle 180 angelegte Spannung größer als oder gleich etwa 1 V bis kleiner als oder gleich etwa 1 kV sein, optional größer als oder gleich etwa 10 V bis kleiner als oder gleich etwa 100 V und in bestimmten Varianten größer als oder gleich etwa 10 V bis kleiner als oder gleich etwa 60 V. Angewandte elektrische Felder mit diesen Eigenschaften induzieren eine Instabilität der Flüssigkristalle 162 und bewegen daher die Nanopartikel 170 (z. B. Nanokugeln) zufällig. Dadurch wird der Speckle-Kontrast somit aufgrund eines Mittelungseffekts von den sich bewegenden Nanokugeln reduziert. Das Umfang einer Reduzierung des Speckle-Kontrasts kann durch die Bedingungen der Ansteuerspannung gesteuert werden, wobei eine höhere Spannung tendenziell eine größere Bewegung der Nanopartikel 170 (z. B. Nanokugeln) und eine größere Reduzierung des Speckle-Kontrasts liefert.
3 ist ein Diagramm, das den Speckle-Kontrast in einer gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Flüssigkristallkomponente darstellt. Die Flüssigkristalle sind ferroelektrische Flüssigkristalle (eine Mischung verschiedener Arten von Molekülen) wie etwa Felix M4851, das von Clariant, Deutschland, erhältlich ist, und die Nanopartikel weisen Siliziumdioxid auf und sind entweder Aerosil® 812 oder Aerosil® R972, das von Evonik Industries AG erhältlich ist. Genauer gesagt ist der (durch die y-Achse 200 repräsentierte) Speckle-Kontrast in Abhängigkeit von der (durch die x-Achse 210 in Volt repräsentierte) Spannung einer kohärenten Lichtquelle (z. B. Laser) mit einer Wellenlänge von 488 nm dargestellt. Eine erste Flüssigkristallkomponente weist die ferroelektrischen Flüssigkristalle und 6 Gew.-% von entweder Aerosil® 812-Nanopartikel (bezeichnet als 220) oder Aerosil® R972-Nanopartikel (bezeichnet als 220) auf. Die Ergebnisse, wenn elektrische Energie mit 60 Hz von mehr als 0 bis zu 60 Volt angelegt wird, sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

Nanopartikel - Aerosil 812 Nanopartikel - Aerosil R972

Mittlere Partikelgröße 7 nm 16 nm

Reduzierung des Speckle-Kontrasts 39% 20%
Um Speckle zu messen, wird ein Laserstrahl so aufgeweitet, dass ein 3 mm großer Fleck auf die Flüssigkristallvorrichtung trifft. Es wird ein Bild des Flecks an der Vorrichtung unter einem Winkel aufgenommen (es wird ein Winkel von 22,5 Grad verwendet; aber jeder beliebige Winkel kann gemessen werden). Die Lichtquelle und die Kamera befinden sich auf entgegengesetzten Seiten der Flüssigkristallvorrichtung. Es können auch Bilder des Laserpunkts auf einem Bildschirm aufgenommen werden, der an einer beliebigen Stelle im Strahlengang platziert werden kann.
Die Bilder werden als Bitmap-Bilder gespeichert. Die Bilder sind 3000 x 4000 Pixel, und jedes Pixel hat drei Zahlen (Kanäle), die von 0-255 reichen können. Es gibt jeweils einen Kanal für die Farben Rot, Blau und Grün. Dieses Bild wird in Schwarz und Weiß umgewandelt, was einen Kanal ergibt, der die Leuchtdichte jedes Pixels angibt. Die Leuchtdichte ist ein skalierter Faktor der Intensität; daher ist sie ein für die Nutzung geeigneter Wert.
An dieser Stelle werden die Leuchtdichtewerte für ein Schwarz-Weiß-Bild gemittelt. Angesichts der großen Anzahl an Datenpunkten wird die Information aus dem Durchmesser des Laserspots extrahiert, der mehr als 1000 Datenpunkte liefert. Die äußeren Ränder des Flecks werden außer Acht gelassen, da die Leuchtdichte näher zu dem (den) Rand (Rändern) abnimmt. Viele bekannte Software-Produkte können den Durchschnitt und die Standardabweichung eines Satzes von Datenpunkten liefern. Einfache Softwareprogramme Easy PlotTM und MatlabTM können verwendet werden, um die hierin beschriebene Analyse durchzuführen. Sobald diese bestimmt sind, ist die Kontrastmessung durchgeführt.
Da die Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichts liegen, wird eine Kamera eingerichtet, um die Bedingungen des Auges zu simulieren. Die Kamera wird auf manuell eingestellt. Es wird eine Belichtung von 1/30 Sekunde verwendet, da dies der Bedingung beim Menschen nahekommt. Die Apertur wird auf 6 eingestellt, um die menschliche Pupille darzustellen. ISO wird auf 80 eingestellt. Die Vergrößerung wird eingestellt, um einen Fleckdurchmesser von 1500 Pixeln zu erreichen. Der Raum ist so dunkel wie möglich. Anschließend werden die Speckle-Kontrastwerte gemessen und berechnet.
4 ist ein Diagramm, das den Speckle-Kontrast in einer gemäß bestimmten anderen Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Flüssigkristallkomponente zeigt. Die Flüssigkristalle sind negative nematische 10 µm planare quadratische Flüssigkristalle HNG715600) und die Nanopartikel weisen ZrO₂ mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 100 nm auf, das im Handel von Sigma Aldrich erhältlich ist und zu etwa 7,3 Gew.-% vorhanden ist. Konkreter ist der (durch die y-Achse 230 repräsentierte) Speckle-Kontrast gegen die (durch die x-Achse 232 in Volt repräsentierte) Spannung einer kohärenten Lichtquelle (z. B. einem Laser) mit einer Wellenlänge von 488 nm, Laserlicht bei einer Wellenlänge von - nm, dargestellt. Die Ergebnisse, wenn 90 Hz (bezeichnet mit 240), 60 Hz (bezeichnet mit 242) und 30 Hz (bezeichnet mit 30 Hz) elektrischer Energie von mehr als 20 bis zu 60 Volt angelegt werden, sind dargestellt. Der niedrigste Speckle-Kontrast, der mit diesem Ansatz erreicht wird, beträgt etwa 0,04.
5A-5B zeigen Laserlicht im sichtbaren Bereich, das durch eine gemäß einer bestimmten Variante der vorliegenden Offenbarung präparierte ferroelektrische Flüssigkristallkomponente hindurchgeht. Die verwendeten Flüssigkristalle sind Felix M4851, ein dotierter ferroelektrischer Flüssigkristall. Die Nanopartikel sind Silica Aerosil® 812 mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von etwa 7 nm, das mit etwa 5,8 Gew.-% LC bereitgestellt wird. 5A-5B zeigen einen Laser mit einer Wellenlänge von etwa 488 nm, was blauem Licht entspricht. 5A zeigt das Laserlicht, das durch die Flüssigkristallkomponente in einem ersten Betriebszustand hindurchgeht, in dem kein elektrisches Feld angelegt ist. Wie man sehen kann, tritt Speckle oder treten körnige dunkle Flecken auf. 5B zeigt das Laserlicht, das durch die Flüssigkristallkomponente in einem zweiten Betriebszustand hindurchgeht, in dem ein elektrisches Feld eines Rechteckimpulses mit 14 V und 120 Hz angelegt wird. Wie man sehen kann, wird der Speckle-Kontrast reduziert und liegt eine erhebliche Speckle-Reduzierung vor. Eine Speckle-Reduzierung von etwa 39% unter Verwendung einer gepulsten Wellenform und eines dotiertem Ferroelektrikums.
Tabelle 2 zeigt weitere Ergebnisse aus diesen Tests. TABELLE 2

Mittlere Intensität σ (Standardabweichung) Speckle-Kontrast

Burst (zweiter Betriebszustand) 118 20.5 0.174

Aus-Zustand (zweiter Betriebszustand) 97.3 27.6 0.284
Die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung präparierten Flüssigkristallkomponenten können in verschiedene Anzeigesystemkonfigurationen eingebaut werden. So wird eine Flüssigkristallkomponente bereitgestellt, die Speckle von Projektionsanzeigen reduziert, die kohärente Lichtquellen verwenden. Die Flüssigkristallkomponente oder -vorrichtung kann in einer Vielzahl verschiedener Anzeigekonfigurationen verwendet werden, einschließlich bevor eine Abbildung erfolgt, um eine Speckle-Reduzierung von einer kohärenten Lichtquelle zu erreichen; nachdem eine Abbildung erfolgt, wobei die Flüssigkristallkomponente als Projektionsschirm dient, oder nachdem eine Abbildung erfolgt, wobei aber die Flüssigkristallkomponente als Filter vor einem Projektionsschirm, auf dem das Bild erzeugt wird, dient.
In einem in 6 gezeigten Beispiel enthält ein Anzeigesystem 250 eine Flüssigkristallkomponente 260 wie die im Zusammenhang mit 2A-2B beschriebene. Der Kürze halber werden die verschiedenen Komponenten nicht wieder beschrieben, sofern sie nicht speziell diskutiert werden, sondern können dahingehend verstanden werden, dass sie in der gleichen Weise vorhanden sind und funktionieren, wie im Kontext der 2A-2B beschrieben wurde. Kurz gesagt enthält ein Innenraum 262 eine Vielzahl von Flüssigkristallen 270 und eine Vielzahl von Nanopartikeln 272. Die Flüssigkristallkomponente 260 ist in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein elektrisches Feld an den Innenraum 262 angelegt ist, dargestellt.
Während die Flüssigkristallkomponente 260 als Teil eines Abbildungssystems, das aus dem kohärenten Lichtstrahl ein Anzeigebild erzeugt, betrachtet werden kann, ist in 6 die Flüssigkristallkomponente 260 vor Abbildungskomponenten angeordnet, so dass eine Speckle-Reduzierung von der Lichtquelle erreicht wird. Wie dargestellt ist, wird kohärentes Laserlicht 274 von einer (nicht dargestellten) Lichtquelle auf die Flüssigkristallkomponente 260 gerichtet. Nach einem Durchgang durch die Flüssigkristallkomponente 260 wird ein nichtkohärentes Licht 276 erzeugt. Das nichtkohärente Licht 276 gelangt in eine zusätzliche Anzeigekomponente(n) 280, die kollimierende und abbildende optische Vorrichtungen enthalten kann (können). Nach einem Durchgang durch die zusätzliche(n) Anzeigekomponente(n) 280 wird ein Bild 290 erzeugt.
7 stellt ein Anzeigesystem 300 dar, bei dem eine Flüssigkristallkomponente 310 wie die im Kontext von 2A-2B beschriebene in einem Abbildungssystem angeordnet ist, nachdem ein Bild erzeugt ist (z. B. dient die Flüssigkristallkomponente 310 als Projektionsschirm). Der Kürze halber werden die verschiedenen Komponenten nicht wieder beschrieben, sofern sie nicht speziell diskutiert werden, können aber dahingehend verstanden werden, dass sie in der gleichen Weise vorhanden sind und funktionieren, wie im Kontext der 2A-2B beschrieben wurde. Kurz gesagt enthält ein Innenraum 320 eine Vielzahl von Flüssigkristallen 330 und eine Vielzahl von Nanopartikeln 332. Die Flüssigkristallkomponente 310 ist in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein elektrisches Feld an den Innenraum 320 angelegt ist, dargestellt.
In 7 ist die Flüssigkristallkomponente 310 nach Abbildungskomponenten angeordnet, so dass eine Speckle-Reduktion in dem durch kohärentes Licht erzeugten Bild auftritt. Wie dargestellt ist, wird kohärentes Laserlicht 340 auf eine Abbildungsvorrichtung 342 gerichtet. Die Abbildungsvorrichtung 342 erzeugt ein Anzeigebild 344, das auf die Flüssigkristallkomponente 310 projiziert wird. Die Abbildungsvorrichtung 342 kann typische Komponenten einschließlich der oben beschriebenen aufweisen. Speckle im Bild 344 wird reduziert, wenn es auf die Flüssigkristallkomponente 310 projiziert wird.
Noch eine weitere Variante eines Anzeigesystems 350 ist in 8 dargestellt, wobei eine Flüssigkristallkomponente 360 wie die im Kontext der 2A-2B beschriebene, nachdem ein Bild erzeugt ist, aber vor einem Projektionsschirm angeordnet ist. Wieder werden die verschiedenen Komponenten der Kürze halber nicht noch einmal beschrieben, sofern sie nicht speziell diskutiert werden, können aber dahingehend verstanden werden, dass sie in der gleichen Weise wie im Kontext der 2A-2B beschrieben vorhanden sind und funktionieren. Kurz gesagt enthält ein Innenraum 370 eine Vielzahl von Flüssigkristallen 380 und eine Vielzahl von Nanopartikeln 382. Die Flüssigkristallkomponente 360 ist in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein elektrisches Feld an den Innenraum 370 angelegt ist, dargestellt.
In 8 ist die Flüssigkristallkomponente 360 hinter einer Abbildungsvorrichtung 390, die verschiedene Abbildungskomponenten enthält, angeordnet, so dass eine Speckle-Reduzierung im durch kohärentes Licht erzeugten angezeigten Bild auftritt. Wie dargestellt ist, wird kohärentes Laserlicht 392 auf die Abbildungsvorrichtung 390 gerichtet. Die Abbildungsvorrichtung 390 erzeugt ein Bild 394, das durch die Flüssigkristallkomponente 360 hindurchgeht. Nach der Flüssigkristallkomponente 360 ist ein Projektionsschirm 398 angeordnet. Speckle im Bild 394 wird reduziert, wenn es durch die Flüssigkristallkomponente 310 hindurchgeht und auf den Projektionsschirm 398 projiziert wird. Es ist zu beachten, dass die in 5-7 gezeigten Varianten für Konfigurationen, die in Anzeigeanwendungen verwendet werden können, lediglich repräsentativ und nicht einschränkend sind. Darüber hinaus können solche Systeme eine Vielzahl von Komponenten enthalten, die auf den Gebieten der Anzeige und Optik bekannt sind, aber nicht dargestellt werden.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen wurde zu Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken geliefert. Sie soll weder vollständig sein noch die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, wo anwendbar, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht konkret dargestellt oder beschrieben sind. Selbige können auch in vielerlei Hinsicht geändert werden. Solche Varianten sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sollen in den Umfang der Offenbarung einbezogen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Pandey et al., Anti-Ferroelectric Liquid Crystals: Smart Materials for Antiferroelectric Future Displays, Advanced Energy Materials, Kap. 10, S. 389-432 (2014) [0049]

Claims

Optische Vorrichtung, aufweisend: eine kohärente Lichtquelle, die einen kohärenten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge in einem sichtbaren Bereich, einem ultravioletten Bereich oder einem Infrarotbereich erzeugt; und eine Flüssigkristallkomponente, wobei der kohärente Lichtstrahl auf die Flüssigkristallkomponente gerichtet ist und die Flüssigkristallkomponente aufweist: eine erste Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen; eine zweite Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen oder zu reflektieren; zumindest einen Abstandshalter, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um dazwischen einen Innenraum zu definieren; eine Vielzahl von Flüssigkristallen, die in dem Innenraum angeordnet sind, einen ersten Brechungsindex aufweisen und aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ferroelektrischen Flüssigkristallen und nematischen Flüssigkristallen besteht; eine Vielzahl von Nanopartikeln mit einem zweiten Brechungsindex und einem durchschnittlichen Durchmesser kleiner als oder gleich etwa 450 nm, die in dem Innenraum angeordnet sind, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5 ist; und eine elektrische Quelle in elektrischer Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei in einem ersten Zustand ohne angelegte Spannung oder Strom ein gefilterter Lichtstrahl, der von der Flüssigkristallkomponente durchgelassen oder reflektiert wird, einen ersten Speckle-Kontrast azeigt, der größer als oder gleich etwa 0,28 ist, und in einem zweiten Zustand, wenn eine Spannung oder ein Strom von der elektrischen Quelle an die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, die Vielzahl von Nanopartikeln einen zeitlichen Mittelungseffekt erzeugt und der gefilterte Lichtstrahl einen zweiten Speckle-Kontrast aufweist, der kleiner als oder gleich etwa 0,2 ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Flüssigkristallen ferroelektrische Flüssigkristalle aufweist und der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 10 nm ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Flüssigkristallen negative nematische Flüssigkristalle aufweist und der durchschnittliche Durchmesser der Vielzahl von Nanopartikeln größer als oder gleich etwa 1 nm bis kleiner als oder gleich etwa 100 nm ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material aufweist, das aus der aus Siliziumoxid (SiO₂), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Titandioxid (TiO₂) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanopartikeln ein Material mit einem Brechungsindex größer als oder gleich etwa 0,48 bis kleiner als oder gleich etwa 2 aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Speckle-Kontrast bei einer angelegten Spannung größer als oder gleich etwa 30 V kleiner als oder gleich etwa 0,1 ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Innenraum mehr als 0 Gew.-% bis weniger als oder gleich etwa 10 Gew.-% der Vielzahl von Nanopartikeln aufweist und ferner optional ein Polymer mit weniger als oder gleich etwa 30 Gew.-%, einen oberflächenaktiven Stoff mit weniger als oder gleich etwa 1 Gew.-% und als Rest die Vielzahl von Flüssigkristallen aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Quelle so konfiguriert ist, dass eine Frequenz elektrischer Energie von mehr als 0 Hz bis weniger als oder gleich etwa 1 kHz anlegt und eine Spannung größer als oder gleich etwa 1 V bis kleiner als oder gleich etwa 1 kV aufweist
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode jeweils auf transparenten Substraten angeordnet sind und die erste Elektrode und die zweite Elektrode unabhängig ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen, das aus der aus Indium-Zinn-Oxid, metallischen Nanodrähten, metallischen Partikeln, Gallium-Zink-Oxid, Aluminium-Gallium-Zink-Oxid, Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT) und Kombinationen davon bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren zum Reduzieren von Speckle in einer optischen Vorrichtung mit einer kohärenten Lichtquelle, wobei das Verfahren aufweist: ein Richten eines von der kohärenten Lichtquelle erzeugten kohärenten Lichtstrahls mit einer Wellenlänge in einem sichtbaren Bereich, einem ultravioletten Bereich oder einem Infrarotbereich auf eine Flüssigkristallkomponente, aufweisend: eine erste Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen; eine zweite Elektrode, die dafür konfiguriert ist, den kohärenten Lichtstrahl durchzulassen oder zu reflektieren; zumindest einen Abstandshalter, der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist, um dazwischen einen Innenraum zu definieren; eine Vielzahl von Flüssigkristallen, die in dem Innenraum angeordnet sind, einen ersten Brechungsindex aufweisen und aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus ferroelektrischen Flüssigkristallen und nematischen Flüssigkristallen besteht; eine Vielzahl von Nanopartikeln mit einem zweiten Brechungsindex und einem durchschnittlichen Durchmesser kleiner als oder gleich etwa 450 nm, die in dem Innenraum angeordnet sind, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Brechungsindex und dem zweiten Brechungsindex größer als 0 bis kleiner als oder gleich etwa 0,5 ist; und eine elektrische Quelle in elektrischer Verbindung mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode; und ein Anwenden elektrischer Energie über die elektrische Quelle auf die erste Elektrode und die zweite Elektrode der Flüssigkristallkomponente, um Zufallsdomänen in der Vielzahl von Flüssigkristallen zu induzieren und einen Speckle-Kontrast des von der Flüssigkristallkomponente durchgelassenen oder reflektierten kohärenten Lichtstrahls auf weniger als oder gleich etwa 0,2 zu reduzieren.