DE2616669C2

DE2616669C2 - Strahlungskollektor und -verdichter in Form einer fluoreszierenden Kunststoffplatte und Anzeigevorrichtung hiermit

Info

Publication number: DE2616669C2
Application number: DE19762616669
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Baur; Walter 7809 Denzlingen Greubel
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-04-15
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1986-10-09
Also published as: DE2616669A1

Abstract

Die Anordnung ist eine Weiterfuehrung der A 2973, DPA 25 54 226. Die Fluoreszenzplatte wird haubenartig ueber die FK-Anzeige gestuelpt, so dass sowohl Vorder- wie Hinterseite Raumlicht aufnehmen koennen. Die FK-Anordnung kann Teil der Lichtfalle sein, so dass nun auch dynamisch streuende Anzeigen verwendet werden koennen, ebenso wie elektrochrome, elektrophoretische u.a. Licht kann auch ueber eine Zusatzbeleuchtung in die Lichtfalle eingekoppelt werden. Als Zusatzbeleuchtung koennen auch phosporeszierende Stoffe enthaltende Platten verwendet werden. at den Vorteil, dass keine pn-Grenzschicht zum Substrat vorhan

Description

reflexion ar_/o/ auf die Oberfläche trifft, die Platte verläßt und das Licht des übrigen Winkelbereichs infolge Totalreflexion in der Platte eingefangen bleibt Der Winkel der Totalreflexion ergibt sich aus der Beziehung

π - sin

— 1

(für den Brechungsindex η von 1,49 für PMMA-Glas ergibt sich &_m — 42°). Der Anteil des nicht totalreflektierten Fluoreszenzlichtes — hier als Verlustfaktor V bezeichnet — beträgt

V = 1 - cos a_l0

η -·

15

(bein= 1,49 ist V= 25%).

Alles innerhalb des Winkels der Totalreflexion emittierte Licht (im Beispiel also 75%) wird durch fortgesetzte verlustfreie Totalreflexion in der Plattenebene geführt Die Fluoreszenzplatte wirkt also als Lichtfalle.

Das in der Fluoreszenzplatte infolge Totalreflexion eingefangene Fluoreszenzlicht kann nun durch Umlenkung an reflektierenden, im folgenden zur Abkürzung als Fluoreszenzlicht-Austrittsfenster bezeichneten Flächen, die an der Fluoreszenzplatte angebracht sind, zum Austritt aus dieser Platte veranlaßt werden. Unter Vernachlässigung unvermeidlicher Wiederaustrittsverluste und unter der Annahme, daß sonst keine Verluste in der Platte vorhanden sind, ist der »Helligkeitsverstärkungsfaktor«, d. h. der Faktor, der die Anhebung der Leucht- dichte der Austrittsfenster der Fluoreszenzplatte gegenüber der Leuchtdichte eines Farbanstrichs mit dem gleichen Fluoreszenzstoff angibt im wesentlichen gegeben durch das Verhältnis von lichtabsorbierender Fläche der Anordnung zur Gesamtfläche der Austrittsfen- ster des Fluoreszenzlichtes.

Erfindungsgemäß wird die Fluoreszenzplatte mit Anzeigevorrichtungen kombiniert, die als Lichttore oder Lichtventile funktionieren. Hiermit sind Anzeigevorrichtungen gemeint bei denen die Anzeigeelemente über transparente Elektroden durch Anlegen eines elektrischen Feldes an eine dünne Schicht von elektrooptischen! Material zwischen lichtdurchlässigen und lichtsperrenden oder lichtstreuenden Zuständen geschaltet wird. Diese Anzeigevorrichtungen erfordern oft die Verwendung von polarisiertem Licht und enthalten dann dünne Polarisationsfolien. Es ist bekannt, daß bei Anzeigen, bei deinen zwischen transparentem und lichtstreuendem Zustand geschaltet wird, wie z. B. bei dynamischer Streuung in Flüssigkristallen, durch Anordnung der Anzeige zwischen gekreuzten Polarisatoren eine Umsetzung in eine Anzeige erreicht wird, bei der zwischen einem lichtsperrenden und einem lichtdurchlässigen Zustand gesteuert werden kann, da mit der Lichtrtreuung immer eine Depolarisation des Lichtes ver- bunden ist.

Es können bekannte Display-Vorrichtungen, die einer der folgenden Gruppen von elektrooptischen Effekten zugeordnet werden, mit einer Fluoreszenzplatte kombiniert werden.

a) Lineare und quadratische elektrooptische Doppelbrechungseffekte in ferroelektrischer Keramik (G. H. Haertling, C. E. Land, Journal of the American Ceramic Society, Vol. 54, p. 1,1971, J. R. Maldonado, A. H. Meitzler, Proc. IEEE, Vol. 59, p. 368,1971)

b) Elektrochrome Effekte wie z. B. in Festkörperfilmen aus WO3 oder MoO₃ mit Redoxreaktionen in der Grenzschicht mit einem Elektrolyten wie H₂SO₄ (S. K. Deb, AppL Opt SuppL, VoI 3, p. 192, 1969)

c) Elektrooptischer Streueffekt in ferroelektrischer Keramik (W. D. Smith, C. E. Land, AppL Phys. Lett, Vol.20, p. 169,1972)

d) alle bekannten elektroopt Effekte in Flüssigkristallen.

Die in Fig. 1 dargestellte Anzeigevorrichtung besteht aus einem elektrooptischen Lichtventil 4 mit einzeln ansteuerbaren Elektrodensegmenten 5. Die Elektrodensegmente im Beispiel erlauben eine Zifferndarstellung nach der 7-Segment-Methode. Hinter dem Lichtventil 4 befindet sich eine fluoreszierende Kunststoffplatte (Fluoreszenzplatte 1) mit verspiegelten Stirnflächen 2 und Fluoreszenzlichtaustrittsfenstem 3, bestehend aus verspiegelten Kerben. Die Austrittsfenster 3 bilden die Elektrodensegmente 5 nach, ihre Breite ist jedoch größer als die Elektrodensegmentbreite, um die Parallaxe zwischen Elektrodensegmenten und Austrittsfenstern zu kompensieren. Falls der jeweils in dem Lichtventil 4 verwendete Effekt es nötig macht polarisiertes Licht zu verwenden, sind auf der Vorder- und der Rückseite des Lichtventils 4 im Bereich der Ziffern Polarisatoren 6 und 7 angebracht Das Anregungslicht gelangt von vorne aus allen Richtungen durch das Lichtventil (4) in die Fluoreszenzplatte 1. Das in der Figur mit ß bezeichnete Fluoreszenzlicht verläßt die Fluoreszenzplatte 1 nach vorne in Richtung des Lichtventils 4 durch die Austrittsfenster 3. Nur solche Elektrodensegmente 5, an die eine elektrische Spannung gelegt wird, werden lichtdurchlässig; die anderen sperren das Fluoreszenzlicht Angezeigte Ziffern erscheinen in diesem Fall hell auf dunklem Grund. Bisher wurde angenommen, daß die Polarisatoren 6 und 7 neutrale Polarisatoren sind, also Licht aller Wellenlängen im sichtbaren Bereich polarisieren. Einen Vorteil erreicht man, wenn man statt dessen zwei selektive Polarisatoren verwendet, die im Bereich des Anregungslichtes beide Polarisationsrichtungen passieren lassen und nur den Rest des Spektrums polarisieren. In diesem Fall kann die gesamte Displayfläche als Lichtkollektorfläche ausgenutzt werden, da das Anregungslicht die Polarisatoren ungeschwächt passiert

Ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig.2 gezeigt Hier ist die Fluoreszenzplatte 21, die das Umgebungslicht aufnimmt, vor das Lichtventil gestellt. Der Beobachter — in der Figur durch ein Auge 14 symbolisiert — betrachtet also das Lichtventil 4 durch die Fluoreszenzplatte hindurch. Das Fluoreszenzlicht 8 wird über Ansätze 9 an der Fluoreszenzplatte und über die verspiegelten Stirnflächen 2 um 180° umgelenkt und in eine zweite Fluoreszenzplatte 1 mit Fluoreszenzlichtaustrittsfenstern 3 geleitet Das Fluoreszenzlicht 8 verläßt durch Elektrodensegmente 5, die lichtdurchlässig gesteuert sind, die Anzeige. Der aus den beiden Platten 1, 21 mit den die Platten verhindernden Ansätzen 9 gebildete Körper, der das Lichtventil 4 an drei ihrer vier Schmalseiten ümgiut, stellt cine Ai i Haube dar, die über das Lichtventil 4 gestülpt ist. Auch hier werden wie in F i g. 1 im Bedarfsfall Polarisatoren 6 und 7 verwendet. In diesem zweuen Ausführungsbeispiel hat man den Vorteil, daß das Umgebungslicht besser ausgenutzt werden kann, da es nicht erst die Lichtventilvorrichtung 4 passieren muß. Außerdem kann man ohne Lichtverlust als Polarisatoren neutrale statt selektiver verwenden. Die Herstellung

5 6 η

eines solchen haubenförmigen Fluoreszenzkörpers im
Spritzgußverfahren bereitet keinerlei Schwierigkeiten.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge- l

mäßen Anordnung ist in F i g. 3 gezeigt Hier wird eine .,

Anzeigevorrichtung mit passiver Helligkeitsverstär- 5 1

kung gezeigt, bei der die Fluoreszenzplatte vor einer i^; elektrisch steuerbaren Flüssigkristallanzeige angebracht ist und bei der die Flüssigkristallanzeige Bestandteil der Lichtfalle ist Die Anordnung besteht aus der

Fluoreszenzplatte 21 mit Ansätzen 9 der Fluoreszenz- 10 ; platte und verspiegelten Stirnflächen 2 zur 180°-Licht-

umlenkung. Das Lichtventil 4 besteht aus einer Flüssig- , u

kristallanzeige, die einen Flüssigkristall enthält, der un- C

ter Einwirkung eines elektrischen Feldes lichtstreuend |j|

wird, z. B. den Effekt der dynamischen Streuung zeigt 15 ||

(Heiimeier, Zanoni, Barton, Proc. IEEE, Vol. 56, p. 1162, jj|

1968). Diese Flüssigkristallanzeige ist an drei Stirnflä- §|

chen mit den Ansätzen 9 in optischem Kontakt, ist also ||

Bestandteil der Lichtfalle. Fluoreszenzlicht wird an ff

Elektrodensegmenten 5, zwischen denen eine elektri- 20 |f

sehe Spannung liegt, infolge dynamischer Lichtstreuung 1

teilweise so abgelenkt, daß es die Flüssigkristallzelle S

verlassen kann. Da die Streuwinkel bei der dynamischen $

Streuung relativ klein sind, verläßt das Fluoreszenzlicht V

die Flüssigkristallzelle jedoch unter spitzem Winkel. Da- 25 '■ mit dieses austretende Fluoreszenzlicht in das Auge des
Beobachters treffen kann, wird es an einer Folie 10 mit

einer Fluoreszenzstoffpigmentschicht oder einer licht- ·;■ ;■;

streuenden Schicht nochmals abgelenkt Damit die Folie oi

10 mit Fluoreszenzstoffpigmentschicht nicht vom Um- 30 V_f

gebungslicht zur Fluoreszenz angeregt werden kann, ist ,>

sie mit einer Filterfolie abgedeckt, die nur das Fluores- ■

zenzlicht der Folie 10 durchläßt Das Ausführungsbei- ;.;-

spiel nach F i g. 3 zeichnet sich dadurch aus, daß keine >

ortsfeste Fluoreszenzlichtaustrittsfenster vorhanden 35 ■.'■'.'■

sind, sondern daß der Austritt des Fluoreszenzlichtes , :

aus der Lichtfalle von den Anzeigeelementen selbst ge- :

steuert wird, also ortsvariabel ist Deshalb ist diese An- '

Ordnung besonders für Matrixanzeigen geeignet ^:

40

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 einer nachleuchtenden Masse beschichtet Patentansprüche: Zum Gegenstand des Hauptpatents gehört eine Anzeigevorrichtung mit einem Flüssigkristall-Lichtventil

1. Strahlungskollektor und -verdichter in Form ei- das mindestens ein Anzeigeelement aufweist und sich in ner an ihren Stirnflächen zumindest teilweise ver- 5 Blickrichtung vor einer Fluoreszenzplatte befindet; die spiegelten Kunststoffplatte, in der Fluoreszenzstoffe Fluoreszenzplatte ist an ihren Stirnflächen zumindest gelöst sind und die mit mindestens einem Lichtaus- teilweise verspiegelt, enthält in ihr gelöste Fluoreszenztrittsfenster versehen ist (»Fluoreszenzplatte 1«), stoffe und hat mindestens ein Lichtaustrittsfenster. Ein der zur passiven Helligkeitsverstärkung von Anzei- solches »fluoreszenzaktiviertes Display (»FLAD«) Hegevorrichtungen verwendet wird, dadurch ge- 10 fert leuchtstarke Bilder mit hohem Darstellungskonkennzeichnet, daß anstelle einer Flüssigkri- trast, da die Fluoreszenzplatte auftreffendes Umgestall-Anzeigevorrichtung gemäß Patent 2554 226 bungslicht mit hohem Wirkungsgrad sammelt, an ihrem allgemein eine elektrooptische üchtventilvorrich- Inneren weiterleitet und an den Lichtaustrittsfenstern tung (4) vorgesehen ist wieder auskoppelt

2. Strahlungskollektor nach Anspruch 1, dadurch 15 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Lögekennzeichnet, daß die Lichtventilvorrichtung (4) sungsprinzip des Hauptpatents so zu verallgemeinern, auf einem linearen oder quadratischen Doppelbre- daß die Darstellungsqualitäten erhalten bleiben und dachangs- oder einem elektrooptischen Streueffekt in bei der Spielraum für die Ausgestaltung der Anzeigeferroelektrischer Keramik beruht vorrichtung vergrößert wird, so daß man das Display

3. Strahlungskollektor nach Anspruch 1, dadurch 20 den Erfordernissen des konkreten Falles noch besser gekennzeichnet, daß die Lichtventilvorrichtung (4) anpassen kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf einem elektrochromen Effekt beruht durch eine Anzeigevorrichtung mit den Merkmalen des

4. Anzeigevorrichtung mit einem Strahlungskol- Patentanspruchs 1 wie des Patentanspruchs 4 gelöst,
lektor und -verdichter, der eine an ihren Stirnflächen Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß man auf zumindest teilweise verspiegelte Kunststoffplatte 25 dem vom Hauptpatent gewiesenen Weg auch dann zum umfaßt, in der Fluoreszenzstoffe gelöst sind, die mit Erfolg kommt, wenn die Fluoreszenzplatte keine spemindestens einem Lichtaustrittsfenster versehen ist ziellen Lichtaustrittsfenster hat, wenn das Lichtventil an (»Fluoreszenzplatte 21«) und der zur passiven HeI- anderer Stelle als vor der Fluoreszenzplatte plaziert ist ligkeitsverstärkung der Anzeigevorrichtung ver- und wenn man ein anderes elektrooptisches Lichtventil wendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als An- 30 anstelle einer Flüssigkristallanzeige verwendet.
Zeigevorrichtung allgemein eine elektrooptische Eine Fluoreszenzplatte ist an sich nicht mehr neu; Lichtventilvorrichtung (4) mit mehreren, getrennt vergl. hierzu beispielsweise »Research Disclosure« Jan. ansteuerbaren Ventilbereichen (»Anzeigeelemen- 1975, S. 20 f. Die dort beschriebene Platte dient allerte«) vorgesehen ist und daß die Lichtventilvorrich- dings anderen Zwecken — sie fungiert als Strahlenkoltung (4) in optischem Kontakt mit der Fluoreszenz- 35 lektor und -verdichter einer Anordnung zur Gewinnung platte (21) steht derart, daß sie Bestandteil des Strah- und Umwandlung von Sonnenenergie,
lungskollektors und -Verdichters ist und die Anzeige- Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung elemente ortsvariable Lichtaaitrittsfenster bilden. sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

5. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch Die Erfindung soll nun anhand mehrerer Ausfühgekennzeichnet, daß sich vor der Lichtventilvorrich- 40 rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte tung (4) eine Folie (10) mit Fluoreszenzstoffpigment- Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

schicht oder lichtstreuender Schicht befindet. F i g. 1 in einer auseinandergezogenen Darstellung ειδ. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ne elektrooptische Anzeigevorrichtung mit einer Fluogekennzeichnet, daß sich vor der Folie (10) eine FiI- reszenzplatte, die hinter dem elektrisch steuerbaren terfolie (11), die nur das Fluoreszenzlicht der Folie 45 Lichtventil angebracht ist;

(10) durchläßt, befindet. F i g. 2 in einem Querschnitt eine elektrooptische Anzeigevorrichtung mit einer Fluoreszenzplatte, die vor

dem elektrisch steuerbaren Lichtventil angebracht ist;

F i g. 3 in einem Querschnitt eine elektrooptische An-50 Zeigevorrichtung, bei der die Fluoreszenzplatte vor ei-

Die Erfindung betrifft einen Strahlungskollektor ge- ner elektrisch steuerbaren Flüssigkristallanzeige angemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anzei- bracht ist und bei der die Flüssigkristallanzeige Bestandgevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4. teil der Lichtfalle (Strahlungskollektor und -verdichter) Derartige Einrichtungen sind Gegenstand des Hauptpa- ist.

tents 25 54 226. 55 Wir betrachten eine wenige Millimeter dicke Platte,

Ein Display mit einer Flüssigkristallanzeige vom dy- die aus Polymethylmethacrylat (PMMA) besteht, eben

namisch streuenden Typ als Lichtventilvorrichtung ist und eine glatte Oberfläche hat. In der Platte sei ein

(kurz: Lichtventil) ist aus DE-GM 74 26 201 bekannt. In Fluoreszenzstoff in solcher Konzentration gelöst, daß

einem Ausführungsbeispiel der Gebrauchsmusterschrift beispielsweise aus dem auftreffenden Tageslicht der

ist die Flüssigkristallanzeige in einer Lichtsammeiplatte 60 blaue Anteil voll absorbiert und in grünes Fluoreszenz-

mit abgeschrägten, spiegelnden Stirnflächen und einer licht umgesetzt wird. Des weiteren soli diese Flaue

an einer Stelle eingekerbten Rückseite eingebettet. In senkrecht zur Plattenebene verlaufende Stirnflächen

die Platte eintretendes Umgebungslicht, das auf die besitzen, die ideal lichtreflektierend sind, so daß an den

Stirnflächen fällt und von dort auf die Kerbe gelangt, Rändern der Platte kein Fluoreszenzlicht austreten

wird zur Flüssigkristallanzeige hin ausgekoppelt und 65 kann. Für den Wiederaustritt des Fluoreszenzlichts aus

leuchtet deren Anzeigefeld aus. Zur Steigerung des der Platte ist die Reflexion am dünneren Medium muß-

Kontrastes ist die Plattenrückseite gefärbt; um einen gebend. Man kann in guter Näherung so rechnen, als ob

Betrieb im Dunkeln zu ermöglichen, ist die Kerbe mit alles Licht, das unter einem Winkel < Winkel der Total-