DE2508822C3

DE2508822C3 - Elektrooptisch« Farbbildwiedergabevorrichtung

Info

Publication number: DE2508822C3
Application number: DE2508822A
Authority: DE
Inventors: Masakazu Nishinomiya Hyogo Fukai; Katsuji Uji Kyoto Hattori; Akio Katano Osaka Moriyama
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1974-02-28
Filing date: 1975-02-26
Publication date: 1979-11-08
Also published as: US4017156A; DE2508822B2; FR2262844B1; GB1499453A; FR2262844A1; DE2508822A1; CA1036699A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Farbbildwiedergabevorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der Zeitschrift wi »]. of Applied Physics«, 44 (1973), Seiten 4799 bis 4803, bekanntgeworden ist.

Die bekannte elektrooptische Bildwiedergabevorrichtung besitzt, in Strahlrichtung gesehen, einen linearen Polarisator und eine elektrooptische Zelle mit ^ einem nematischen, schraubenförmig angeordneten Flüssigkristall. Diese Teile werden umfaßt von einem Paar transparenter, mit transparenten Elektroden versehener Platten. Der elektrooptischen Zelle ist eine ein- und abschaltbare Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Zelle zugeordnet Auf der dem linearen Polarisator abgewandten Seite der Zelle sitzt ein Phasenverschiebungsplättchen. Dabei besitzt die bekannte Bildwiedergabevorrichtung eine Ausrichtung des Phasenverschiebungsplättchens unter 45% zum linearen Polarisator und eine Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle, die zwischen den beiden Platten um 90° gedreht und die entweder senkrecht oder parallel zur Polarisationsebene des linearen Polarisa tors orientiert ist Das Phasenverschiebungsplättchen besitzt einen bestimmten Verzögerungswert für eine Anordnung von Farben und es ist daher nicht beliebig bei anderen Bildwiedergabevorrichtungen einsetzbar. Es kann die Bilddarstellung stören oder auch verhindern, und zwar in Abhängigkeit von der selektiven Reflexion der cholesterischc-n Flüssigkristallschicht für zirkulär polarisiertes Licht einer bestimmten Wellenlänge.

Es ist ferner eine Bildwiedergabevorrichtung mit einer elektrooptischen Flüssigkristallzelle und einem linearen Polarisator bekannt (»IEEE Trans, on Electron. Devices« ED 21 [Febr. 1974, S. 171 und 172]), die zur Umsetzung der Variationen des Drehsinns und der Elliptizität des Lichts in verschiedene Farben eine cholesterische Flüssigkristallschicht vorsieht. Die Flüssigkristallmoleküle sind homogen parallel ausgerichtet. Das hat Eur Folge, daß das übertragene Licht praktisch nicht zirkulär polarisiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Farbbildwiedergabevorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich das einfallende Licht vollständig ausnutzen und eine wirkungsvolle Bildwiedergabe erreichen läßt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Von besonderem Vorteil bei der Erfindung ist der Umstand, daß das im wesentlichen zirkulär polarisierte weiße Licht in die Durchlaß- oder Reflexionsebene der cholesterischen Flüssigkristallschicht gestrahlt wird, um so die hohe Bildqualität erhalten zu können. Durch die Erfindung wird ferner erreicht, daß sich die Drehrichtung der zirkularen Polarisation steuern läßt. Mit der erfindungsgemäßen Farbbildwiedergabevorrichlung lassen sich kompliziert gestaltete Figuren und Diagramme auch mehrfarbig wiedergeben.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen herausgestellt. Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Farbbildwiedergabe vorrichtung;

Fig. 2 ist eine Farbbildwiedergabcvorrichtung des Durchgangstyps bei der die Bilderzeugung durch elektrische Steuerung der Drehrichtung der zirkularen Polarisation erfolgt;

Fig. 3 ist eine Farbbildwiedergabevorrichtung des Reflexionstyps, bei der die Bilderzeugung durch elektrische Steuerung der Drehrichtung einer zirkularen Polarisation erfolgt;

Fig.4 ist eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Farbbildwiedergabevorrichtung des Reflexionstyps nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ist eine Ansicht eines weiteren Beispiels einer Vorrichtung, bei der die Bilddarstellung durch Steuerung der Drehrichtung der zirkularen Polarisation erfolgt;

Fig. 6 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungs-

A. λ.

form der vorliegenden Erfindung, bei der die Bilddarstellung durch Steuerung der Drehrichtung der zirkulären Polarisation geschieht;

Fig.7 zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine Einrichtung bei der Zifferndarstellung und

Fig.8 ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine mehrfarbige Zeichendarstellung.

In der F i g. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Zelle mit einem verdrillten nematischen Flüssigkristall mit Mitteln 6 zum Anlegen einer Spannung, wobei die Zelle 2 zwischen dem linearen Polarisator 1 und dem Viertelwellenplättchen 3 liegt

Die Flüssigkristallzelle 2 ist mit einem nematischen Flüssigkristall mit positiver dielektrischer Anisotropie gefüllt Dieser befindet sich zwischen den transparenten Platten 7, 10, die mit den transparenten Elektroden 11 bzw. 12 versehen sind. Hinsichtlich der Molekularstruktur des Flüssigkristalls verläuft dessen Längsachse parallel zur Oberfläche der Platten 7, 10 und ist um 90° um eine zu den Platten senkrechte Achse vei drillt.

Unter dem Bezugszeichen 8 ist die Anordnung der Flüssigkristallmoleküle im verdrillten Zustand bei fehlendem elektrischem Feld dargestellt, unter dem Bezugszeichen 9 der Zustand bei angelegtem Feld, wobei die angelegte Spannung über der Schwellspannung der Flüssigkristallmoleküle liegt.

Verwendet man die Zelle, deren Flüssigkristallschicht einen Drillungswinkel von 90° hat, sind der lineare Polarisator 1 und das Vierielwellenplättchen 3 zueinander so angeordnet, wie es unten ausgeführt ist. Das heißt, daß die Polarisationsebene des linearen Polarisators 1 und die optische Achse des Viertelweüenplättchens 3 zueinander einen Winkel von 45° aufweisen.

Zusätzlich ist die Zelle 2 so angeordnet, daß die Polarisationsebene des linearen Polarisators 1 rechtwinklig oder parallel zur Ausrichtrichtung der Achse des Flüssigkristallmoleküls auf der Innenfläche der Platte 7 der angrenzenden Zelle 2 verläuft.

Bei einer solchen Anordnung und beim Fehlen einer auf die Flüssigkristallschicht 8 der Zelle wirkenden Spannung dreht sich beim Durchlauf von polarisiertem Licht aus dem linearen Polarisator 1 durch die Zelle 2 die Polarisationsrichtung um 90°. Nach dem Durchlaufen des Viertelwellenplättchens 3 ist das austretende polarisierte Licht rechts- oder linksdrehend zirkulär polarisiert.

Legt: man Spannung über die Flüssigkristallschicht 8 in der Zelle 2, dreht, da das polarisierte Licht aus dem linearen Polarisator 1 die Zelle 2 unbehindert durchläuft, das Viertelwellenplättchen 3 die Polarisationsrichtung des Lichts im gegenüber fehlender Spannung umgekehrten Sinn.

F i g. 2 zeigt die grundlegende Anordnung des Durchgangstyps, bei dem zusätzlich zu den Elementen der F i g. 1 eine cholesterische Flüssigkristallschicht 4 hinter dem Viertelwellenplättchen 3 sitzt, um eine Bilddarstellung zu ermöglichen.

F i g. 3 zeigt die grundsätzliche Anordnung des Reflexiionstyps zur Bilddarstellung, bei der die Bilddarstellung mittels eines zusätzlichen lichtabsorbierenden Mediums 5 erfolgt.

Die cholesterische Flüssigkristallschicht hat besondere optische Eigenschaften. Projiziert man weißes Licht auf sie, reflektiert sie Licht einer bestimmten Wellenlänge zu einem klaren, hellen und spektral reinen Abbild, ι Bei der Bildwiedergabe sichert dieser Effekt eine sehr gute Sichtbarkeit. Weiterhin wird beim Aufprojizieren von weißem Licht eine der komponenten des zirkulär polarisierten Lichts mit einer bestimmten Wellenlänge durchgelassen, die Übertragung anderer Bestandteile jedoch erheblich gedämpft

Wenn beispielsweise Licht der Wellenlänge Ao (= np mit η uls mittlerem Brechungsindex und ρ als Schraubenganghöhe auf die rechtsdrehende cholesterische Flüssigkristallschicht fällt, wird rechtsdrehend zirkulär polarisiertes Licht durchgelassen, linksdrehend polarisiertes Licht reflektiert Diese Eigenschaft bezeichnet man als zirkulären Dichroismus der Schicht.

Abhängig von dem Anliegen oder Fehlen einer Spannung an der Zelle 2 wird nun bei der Anordnung der F i g. 1 die Drehrichtung des zirkulär polarisierten Lichtes verändert Folglich läßt sich bei einem Aufbau nach F i g. 2 oder 3 die Übertragung bzw. Reflexion des Lieh's durch den cholesterischen Flüssigkristall durch Einstellen der an der Zelle 2 anstehenden Spannung steuern. Das so erzeugte Bild kann von einem Betrachter gesehen werden.

Die Erfindung soll nun anhand von Beispielen erläutert werden.

Fig. 2 und 3 zeigen eine Anordnung mit einer Flüssigkristallschicht aus beispielsweise einem linksdrehenden cholesterischen Flüssigkristall mit gelbgrüner Färbung, wobei der lineare Polarisator 1, d-e Flüssigkristallzelle 2 und die optische Achse des Viertelwellenplättchens 3 so eingestellt sind, daß beim Fehlen einer Spannung an der Zelle linksdrehend zirkulär polarisiertes Licht durchgelassen wird. Die sich ergebende Farbvariation ist in Tabelle 1 aufgeführt. Um die Durchlaßbedingungen des Lichts für diesen Fall anzugeben, bedeuten in den Figuren die Buchstaben (a) und (b) senkrecht bzw. waagerecht polarisiertes Licht und (c) und (d) rechts- bzw. linksdrehend polarisiertes Licht.

Tabelle 1

Durchgang

Reflexion

Ohne
Mit

kein farbiges schwarz

Licht

rötlichblau gclblichgrün

Für die Anordnung des Reflexionstyps, die bei der Tabelle 1 oben verwendet wurde, war das eingesetzte lichtabsorbierende Medium schwarz. Das mit der Anordnung des Reflexionstyps erhaltene Bild war klar, hell und kontrastreich.

Für das lichtabsorbierende Medium kann man in der Anordnung des Reflexionstyps auch andere Farben als schwarz verwenden. Verwendet man beispielsweise beim Versuch der Tabelle 1 eine rote Farbe, lassen sich die Farben Gelblichgrün und Rot erzeugen.

Wie oben erläutert, erreicht man mit einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine Bildwiedergabevorrichtung durch Kombinieren einer Einrichtung zur elektrischen Steuerung zirkulär polarisierten Lichtes und einer Wiedergabeeinrichtung, die innerhalb des sichtbaren Bereiches für polarisiertes Licht zirkulär dichroitisch ist.

Die cholesterische Flüssigkristallschicht läßt sich nach dem 'inten beschriebenen Verfahren leicht herstellen.

Da es sich beim cholesterischen Flüssigkristall um eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität handelt, kann man ihn auf flache Gegenstände — beispielsweise Folien, Papier oder Holzplatten — aufbringen. Für die

praktische Anwendung ist jedoch erwünscht, einen Kontakt mit Fremdkörpern zu verhindern, um eine Umwandlung und Zersetzung zu verhindern. Auch ist es nicht zu empfehlen, die Schicht zwischen flexiblen Materialien wie Folien einzuschließen,, die eine ungleichmäßige Bildwiedergabe ergeben. Um eine Schicht zu erhalten, die die Ebenheit der Farbwiedergabe gewährleistet, ist es am besten, die Schicht zwischen flachen Materialien wie Glas oder Kunststoff einzuschließen, von denen eines transparent ist.

Durch einfaches Einschließen zwischen den Platten läßt sich mit dem cholesterischen Flüssigkristall noch keine Farbe darstellen. Es muß daher Schubspannung aufgebracht werden, um die Molekülanordnung zu orientieren.

Um einen Film in gleichmäßiger Färbung durch Umordnen der Moleküle zu erhalten, gibt es ein weiteres Verfahren, das sehr zu empfehlen ist. Man verwendet hierbei eine Mischung aus cholesterischem und nematischem Flüssigkristall, wobei letzterer negative dielektrische Anisotropie aufweist, und legt das elektrische Feld an diese dünne Schicht.

In diesem Fall legt man ein Wechselfeld von 10⁴ bis 10'kV/cm* Stärke an.

Der cholesterische Flüssigkristall ist selbständig oder mit anderen Mischungen vermischt einsetzbar, läßt sich aber auch in Mischung mit einem nematischen Flüssigkristall oder einem anderen als einem nematischen Flüssigkristall einsetzen.

Die Farbe der cholesterischen Flüssigkristallschicht ändert sich mit der Art des Flüssigkristalls selbst und dem Mischungsverhältnis mit anderen Substanzen, außerdem auch mit der Temperatur und dem Betrachtungswinkel.

In dieser Hinsicht ist eine Flüssigkristallschicht wünschenswert, die als Flüssigkristallphase einen breiten mesomorphen Bereich bei gleichzeitiger Farbstabilität innerhalb eines breiten Temperaturänderungsbereiches sowie Unabhängigkeit vom Betrachtungswinkel aufweist. Als vorzugsweise eingesetzte Flüssigkristallschicht 4, die diese Forderungen erfüllt, sei auf eine cholesterische Flüssigkristallzubereitung aus einer Mischung von ChoIesteryl-2-(2-äthoxyäthoxy)-äthylcarbonat und Cholesterylbutyrat und Cholesterylgeranylcarbonat zusammen mit einem nematischen Flüssigkristall aus P-Anistliden-p'-n-heptylanilin, P-Äthoxybenzylidenp'-n-butylanilin und P-n-Propoxybenzyliden-p'-n-pentylanilin verwiesen.

Diese Zubereitung ergibt eine linksdrehende Flüssigkristallschicht, die innerhalb eines breiten Temperaturbereiches von 0 bis 6O⁰C keine Farbänderung zeigt.

Die Fig.4 zeigt ein weiteres Versuchsheispiel mit einer Reflexionsanordr.ung, bei der das lichtabsorbierende Medium aus einer Platte 5 (diese kann auch hinter dem transparenten Plättchen liegen) mit aufgebrachtem mikro-verkapseltem cholesterischem Flüssigkristall 14 als Flüssigkristallschicht besteht

Mit dieser Anordnung läßt sich die Dicke des reflektierenden Teils reduzieren, die resultierende Anordnung sehr kompakt ausgestalten und gleichzeitig leicht herstellen.

Die F i g. 5 zeigt die Vorrichtung, auf deren Rückseite rechts- bzw. linksdrehende cholesterische Flüssigkristallschichten 16,15 angeordnet sind, deren Farben sich unterscheiden. Nur eine von beiden erreicht dabei den Betrachter, und zwar abhängig von der Zusammensetzung des zirkulär polarisierten Lichts, das unter Spannungssteuerung der Zelle 2 durch das Viertelwellenlängenplättchen 3 übertragen wird. Durch Ausnutzung der Eigenschaften des cholesterischen Flüssigkri Stalls wird also eine zweifarbige Bilddarstellung möglich.

ι F i g. 6 zeigt eine Anordnung, bei der zwei zur elektrischen Steuerung von zirkulär polarisiertem Licht fähige Einrichtungen auf den beiden Seiten des cholesterischen Flüssigkristallfilms 4 angeordnet sind Diese Anordnung hat den zusätzlichen Vorteil, daß mit

ι» ihr die Darstellung auch komplizierter Figuren und Diagramme mehrfarbig unter Steuerung durch ein elektrisches Signal, das man wahlweise auf die beiden nematischen Flüssigkristallzellen 2A, 2ß mit der Drilllingsstruktur gibt, möglich ist.

i'i Die Tabelle 2 zeigt die speziellen Eigenschaften dieser Anordnung bei wahlweisem Anlegen von Spannung an die Zellen 2/4,2ß:

Tabelle	2(1	2	Zelle 2 A	Zelle 2 B	l-arbcn
1 II 2-, III IV	ohne Sp. mit Sp. ohne Sp. mit Sp.	ohne Sp. mit Sp. mit Sp. ohne Sp.	rötlichblau gelblichgrün liefschwarz rötlichblau

Zunächst ist die Flüssigkristallschicht 4 linksdrehend die cholesterische Flüssigkristallschicht 4, die eine

in gclblichgrüne Färbung darstellt, und die Vorrichtungen beiderseits der Schicht 4, die das zirkulär polarisierte Licht elektrisch steuern können, müssen mit den Lichtachsen ausgerichtet sein, so daß jede von ihnen bei fehlender Spannung den Durchgang von linksdrehend

j-, zirkulär polarisiertem Licht aus dem Viertelwellenplätt chen erlaubt. Die Symbole I, II, III und IV der Tabelle 2 zeigen, wie man wahlweise Spannung an die Zellen 2A 25 !egt, wobei »mit Spannung« bzw. »ohne Spannung« das Anliegen oder Fehlen der Spannung an der

4(i entsprechende Zelle angeben.

Die Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Anwendung der Vorrichtung nach F i g. 6 für die Zifferndarstellung eines Elektronenrechners. In dieser Ausführungsform ist eine (2B) der beiden Zellen im Muster E angeordnet, die

4-, andere (F) ungemustert. Die folgende Beschreibung der Arbeitsweise bezieht sich auf die Tabelle 2. Mit derart eingerichtetem Elektronenrechner, daß die digitale Zifferndarstellung im normalen Arbeitszustand erfolgt und die ungemusterte Zelle durch ein Fehlersignal

-,(ι erregt wird, werden bei normalem Betrieb (G) die Ziffern tiefschwarz auf rötlichblauem Hintergrund, bei vorliegendem Fehlersienal (H) rötlichblau auf einem gelblichgrünen Hintergrund dargestellt.

Der Benutzer erkennt also, daß er einen Fehler zu beachten hat.

Die Fig.8 zeigt ein weiteres Beispiel für die Anwendung der Anordnung nach Fig.6. In der Anordnung nach Fig.8 sind die Zellen A und B so angeordnet, daß ihre Muster einander hinsichtlich des

bo Lichtdurchtritts überlappen, wie es die Skizzen /und K der Fig.8 anzeigen. Beim wahlweisen Anlegen von Spannung an die Zellen sind mehrfarbige Zeichendarstellungen entsprechend den Skizzen L, M, N und Oder Fig.8 — und somit die Darstellung komplizierter

b5 Figuren und Diagramme — leicht möglich.

Die Skizze L zeigt den Fall, daß keine Spannung an j und K liegt, M den Fall, daß Spannung an J liegt, Λ Spannungan Kund OSpannungan/und K.

Hierzu 4 Hlalt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrooptische Farbbildwiedergabevorrichtung mit in Strahlrichtung gesehen einem linearen Polarisator, einer elektrooptischen Zelle, die zwischen einem Paar transparenter, mit transparenten Elektroden versehener Platten, einen nematischen, schraubenförmig angeordneten Flüssigkristall, bei dem die Molekülausrichtungen an den Oberflächen ι ο der beiden Platten bei fehlendem Feld um 90° gegeneinander verdreht und zu der Polarisationsebene des linearen Polarisators entweder senkrecht oder parallel ausgerichtet ist, aufweist, und der eine ein- und abschaltbare Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Zelle zugeordnet ist, sowie mit einem auf der dem linearen Polarisator abgewandten Seite der Zelle angeordneten Phasenverschiebungsplättchen, dessen optische Achsen unter einem Winkel von etwa 45° zu der Polarisationsebene des linearen Polarisators geneigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenverschiebungsplättchen ein λ/4-Plättchen (3) ist, und daß in Strahlrichtung hinter dem λ/4-Plältchen eine cholesterische Flüssigkristallschicht (4) vorgesehen ist, die zirkulär polarisiertes Licht einer bestimmten Wellenlänge selektiv reflektiert.

2. Elektrooptische Farbbildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites λ/4-Plättchen auf der dem ersten ίο λ/4-Plättchen abgewandten Seite des cholestcrischen Flüssigkristalls vorgesehen ist, das das durch die cholesterwche Flüssigkristallschicht laufende Licht aufnimmt und in linear polarisiertes Licht umwandelt, daß eine zweite elektrooptische Zelle r> mit einem schraubenförmigen Flüssigkristall auf der der choleslerischen Flüssigkristallschicht entgegengesetzten Seite des zweiten λ/4-Plättchens vorgesehen ist, um den Polarisationszustand des aus dem zweiten λ/4-Plättchen austretenden Lichts zu andem, und daß auf der dem zweiten λ/4-Plättchen abgewandten Seite der zweiten elektrooptischen Zelle ein zweiter linearer Polarisator angeordnet ist, der Licht von der zweiten elektrooptischen Zelle aufnimmt und linear polarisiertes Licht abgibt. 4 >

3. Elektrooptische Farbbildwiedergabevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einer Wiedergabevorrichtung des Reflexionstyps ist, und daß auf der dem λ/4-Plättchen abgewandten Seite der cholesterischen Flüssigkristallschicht (4) ν ein lichtabsorbierendes Medium vorgesehen ist, das durch die cholesterische Flüssigkristallschicht tretendes Licht absorbiert.