DE2620015A1

DE2620015A1 - Vorrichtung zur steuerung eines lichtstrahlenbuendels

Info

Publication number: DE2620015A1
Application number: DE19762620015
Authority: DE
Inventors: Helmut Probst
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1976-05-06
Publication date: 1977-11-24
Also published as: DE2619144A1

Description

Vorrichtung zur Steuerung eines Lichtstrahlenbündels
Zusatz zu DBP . .,. ... (Aktz, P 26 19 144.6 v. 30.4.76 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels mit einer zwischen zwei Polarisationsfiltern angeordneten elektrooptischen Schicht deren Doppelbrechung durch eine elektrische Feldstärke steuerbar ist, die mittels einer an wenigstens zwei benachbart zu der elektroop tischen Schicht befindlichen Elektroden angelegten Spannung erzeugt wird, und mit optischen Mitteln zur Beeinflussung des durch die elektroontische Schicht hindurchrehen- den Strahlenbündels#nach DBP . , ... (Aktz.: P 2619 144,6 vom 30.4.76) Es ist bekannt, daß man mittels einer Flüssigkristallzelle (FK-Zelle), die zwischen gekreuzten Polarisationsfiltern angeordnet ist und von weißem Licht durchstrahlt wird, Interferenzfarben erzeugen kann. Sie entstehen dadurch, daß sich die optische Achse (OA) der doppelbrechenden FK-Schicht mehr oder weniger gegenüber der Richtung des Lichts neigt, das die Zelle durchquert. Die Auslenkung der OA entsteht durch das Drehmoment, das infolge der Anisotropie der Dielektrizitätskonstante der FK-Moleküle durch die Feldstärke ausgeübt wird, die zwischen den Elektroden herrscht, wenn eine Spannung angelegt wird. Die Elektroden bestehen aus transparenten leitfähigen Schichten, die auf den Glasscheiben der Zelle haften und der FK-Schicht zugewandt sind. Bei geeigneter Konfiguration der Elektroden ist es auf diese Weise möglich, sowohl alphanumerische und andere Zeichen farbig darzustellen, als auch ein gerastertes Farbbild zu erzeugen.
Bekannt ist auch, daß eine FK-Zelle ähnlicher Art, die zwischen zwei Polarisationsfiltern angeordnet ist, als Transmissionsschalter verwendet werden kann. Bei diesen Zellen wird die Schwingungsebene des polarisierten Lichts beim Durchgang durch die FK-Schicht gedreht. Die Drehung wird aufgehoben, wenn man an die Elektroden eine Spannung legt. Dabei richtet das durch die Feldstärke auf die FK-Moleküle ausgeübte Drehmoment deren OA ungefähr lotrecht zu den Begrenzungsflächen aus, so daß ein in gleicher Richtung hindurchtretender Lichtstrahl unbeeinflußt bleibt. Das bedeutet, daß bei gekreuzten Polarisationsfiltern die Lichtdurchlässigkeit von einem hohen auf einen sehr niedrigen Wert umgeschaltet wird, wenn man eine Spannung anlegt, und daß bei parallelen Polarisationsfiltern beim Einschalten der Zelle die Transmission von einem geringen auf einen hohen Wert geändert wird. Diese Eigenschaft benutzt man zur Darstellung von Zeichen, die sich nur durch den Kontrast von ihrer Umgebung abheben, wie z.B. die Ziffern von Quarzuhren mit LCD-Anzeige (Liquid Crystal Display), Sowohl bei den als elektrisch steuerbares Farbfilter dienenden Zellen (11Farbzellen'1) als auch bei den als elektrisch steuerbar re Transmissionsschalter verwendeten Zellen ("Drehzellen") hängen Interferenzfarbe bzw. Transmission für jeden Lichtstrahl von dem Winkel ab, den er gegenüber der mit der Spannung veränderlichen Richtung der OA bildet. Deren Orientierung längs des Lichtwegs durch die FK-Schicht ist in der Regel nicht einheitlich; hier ist dann im wesentlichen der Mittelwert der Orientierung ("mittlere OA") maßgebend. Bei FK-Zellen, deren farbig oder schwarz-weiß dargestellte Zeichen man optisch abbildet oder als Schattenbild auf einer lichtstreuenden Fläche sichtbar macht, geht von jedem Punkt der (sehr dünnen) FK-Schicht ein homozentrisches Lichtbündel mit einem mehr oder weniger weiten Kegelwinkel aus. Die Winkel, die die einzelnen Strahlen des Lichtbündels mit der mittleren OA der FK-Schicht bilden, sind verschieden groß und bei der Abbildung, beispielsweise durch das Objektiv eines Projektors, vermischen sich demzufolge die entsprechenden Interferenzfarben. Diesem Nachteil kann man durch geeignete Ausbildung oder Begrenzung des Lichtbündelquerschnitts begegnen. Die Neigungswinkel des Mittelstrahls dieses Lichtbündels gegenüber der mittleren OA ist bei Farbzellen für den Farbton, bei Drehzellen für den Grad der Lichtsperrwirkung ausschlaggebend.
Die Neigungswinkel können bei Abbildung der FK-Zelle auch bei einheitlicher Orientierung der OA deutliche Unterschiede aufweisen, wenn ein lichtstarkesObjektivverwendet wird. Die Unterschiede wirken besonders störend, wenn noch größere Einfalls-oder Austrittswinkel des Mittelstrahls möglich sind, beispielsweise bei direkter Betrachtung einer Farbzelle aus verschiedenen Richtungen oder bei Verwendung ebener Drehzellen in einer Lichtschutzbrille.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die FK-Zelle nebst zugehorigen Polarisationsfiltern mit optischen Einrichtungen zu kombinieren, die in der FK-Schichteinen telezentrischen Strahlengang bewirken, d. h. daß die FK-Schicht lediglich von Scharen nahezu paralleler Lichtstrahlen durchsetzt wird, unabhängig von der Richtung des nutzbaren Lichtbündels vor oder hinter dieser Anordnung.
Anhand der in den Figuren 1 bis 8 dargestellen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.
Fig. 1 soll den Lichtstrahlengang bei Abbildung einer FK-Zelle veranschaulichen. Das nutzbare Lichtbündel, von dem zwei Randstrahlen 1 und 2 gezeichnet sind, durchquert den Polarisator 3, dessen Durchlaßrichtung bei Farbzellen in der Regel etwa unter 450 gegen die Zeichenebene geneigt ist, dann die FK-Zelle 4, in der die planparallele FK-Schicht durch zwei mit transparenten Elektroden versehene Glasscheiben begrenzt ist, und anschließend den Analysator 5, dessen Durchlaßrichtung mit derjenigen des Polarisators vorzugsweise einen rechten Winkel bildet. Der Pfeil 6 deutet die Richtung der OA des FK an; sie bildet mit dem Mittelstrahl den hier in der Zeichenebene liegenden Winkel a, der von der Spannung an den Elektroden abhängt.
Dieser Mittelstrahl ist im vorliegenden Beispiel zugleich die Achse 7 der die FK-Zelle abbildenden Linse 8.
Wie Figur 2 veranschaulicht, ist bei Abbildung achsenferner Punkte auf der FK-Zelle 4, die über dem Kondensor 10 von der Lichtquelle 11 beleuchtet wird, im allgemeinen der Mittelstrahl 9 sowohl gegenüber der Achse 7 des abbildenden Systems als auch gegenüber der OA 6 mehr oder weniger geneigt.
Das hat zur Folge, daß der Farbton und die Sperrwirkung der Zelle nicht nur von der angelegten Spannung, sondern auch vom Ort des abgebildeten Punktes auf der FK-Schicht abhängt. Diese Winkelabhängigkeit ist erfindungsgemäß zu beseitigen, indem man in der FK-Schicht mittels zusätzlicher optischer Mittel dingseitig einen telezentrischen Strahlengang erzeugt. So bewirken beispielsweise in Fig. 3 die Linsen 12 und 13, daß in der FK-Schicht der Mittelstrahl 9 des nutzbaren Lichtbündels stets parallel zur Achse 7 verläuft. Bei einer solchen Einrichtung zur Projektion des auf der FK-Zelle dargestellten Musters befindet sich die Lichtquelle 11 nahe der Brennebene der Linse 12 (im Abstand der Brennweite f1) und das abbildende Objektiv 8 ungefähr in der Brennebene der Linse 13 (im Abstand der Brennweite f2). Der Polarisator 3 und der Analysator 5, beide meist in Gestalt von Folien verwendet, können auch vor der Linse 12 bzw. hinter der Linse 13 angebracht sein. Statt der Sammellinse 12 kann ein Hohlspiegel verwendet werden, in dessen Brennebene sich die Lichtquelle 11 befindet.
Auch bei einer Anordnung gemäß Fig. 4 befindet sich die FK-Schicht im telezentrischen Strahlengang; für alle von der Linse 8 zur Abbildung der Zelle genutzten Lichtbündel verlaufen dort nicht nur die Mittelstrahlen 9 zueinander parallel, sondern auch alle übrigen Strahlen dieser Lichtbündel bilden in der FK-Schicht Scharen von Parallelstrahlen. Hier dient als Lichtquelle eine von hinten beleuchtete lichtstreuende Fläche 14 (Mattscheibe), wie sie beispielsweise zur Durchleuchtung von Röntgenfilmen Verwendung findet. Der Polarisator muß nun zwischen der Mattscheibe 14 und der FK-Zelle 4 angeordnet sein. Die Mattierung kann auch auf der der Lichtquelle zugewandten Seite des Polarisators 3 angebracht sein.
Zwecks Gewichtsersparnis kann man die Linsen 12 und/oder 13 als Stufenlinsen (Fresnelsche Ringlinsen) ausbilden, wie in Fig. 5 und 6 skizziert ist. Diese Linsen können auch mit ihren ebenen Flächen mit transparenten (evtl. mit einer isolierenden Schicht abgedeckten) Elektroden versehen sein und die Begrenzungsflächen der FK-Schicht bilden.
Es ist auch möglich, ohne Verwendung von Linsen oder Spiegeln einen telezentrischen Strahlengang in der FK-Zelle zu erzeugen, nämlich dadurch, daß man, wie in Fig. 7 dargestellt, in den Strahlengang eine Kanalplatte 15 (Raumwinkelfilter) einbringt, wie sie von der Firma Corning unter den Bezeichnungen "Fotoform" und t'Fotoceramle hergestellt werden; solche Platten enthalten eine Vielzahl von dicht beieinander und regelmäßig angeordneten Löchern, deren Länge gleich der Plattendicke ist und ein Vielfaches der Querabmessungen betragen kann. Dieses Verhältnis bestimmt die größtmöglichen Neigungswinkel aller Strahlen gegenüber den zueinander parallelen Mittelstrahlen. Die Löcher können einen flachen rechteckigen oder ovalen Querschnitt haben; die auf diese Weise gebildeten fächerförmigen Lichtbündel sind in vielen Fällen vorteilhafter als Lichtbündel mit kreisförmigem oder quadratischem Querschnitt. Wenn, wie in Figß 7, das Licht einer beleuchteten mattierten Fläche 14 nach Durchqueren des Polarisators 3, der Kanalplatte 15, der FK-Zelle 4 und des Analysators 5 auf eine zweite mattierte Fläche 15 trifft, kann für jeden Punkt derselben die Farbe oder die Helligkeit unabhängig von der Richtung, in der das Auge 16 die Anordnung erblickt, wahrgenommen werden. Auch hier können die üblicherweise als Folien hergestellten Polarisationsfilter mit den Mattscheiben je eine Einheit bilden.
Die Verwendung einer FK-Drehzelle in einer Lichtschutzbrille mit elektrisch steuerbarer Transmission erfordert ebenfalls einen telezentrischen Strahlengang im Bereich der FK-Schicht, wenn man nicht FK-Zellen einsetzen will, deren doppelbrechende zum Auge Schicht konzentrisch/gekrümmt ist. Wie in Fig. 8 gezeigt, muß das von dem betrachteten Gegenstandspunkt ausgehende Lichtbündel 17 einen Polarisator 3 und eine Zerstreuungslinse 18, dann hinter der FK-Schicht der Zelle 4 eine Zammellinse 19 und einen Analysator 5 passieren, bevor es das Auge 16 erreicht. Die Brechkraft der Linsen ist so zu wählen, daß der Drehpunkt des Auges sich ungefähr in deren Brennebenen im Abstand f1 bzw. f2 befindet.
Bei Fehlsichtigkeit kann es zweckmäßig sein, diese durch entsprechende Krümmung der lichtbrechenden Flächen auszugleichen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e g Vorrichtung zur Steuerung eines von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlenbündels mit einer zwischen zwei Polarisationsfiltern angeordneten elektrooptischen Schicht deren Doppelbrechung durch eine elektrische Feldstärke steuerbar ist, die mittels einer an wenigstens zwei benachbart zu der elektrooptischen Schichtbfindlichen Elektroden angelegten Spannung erzeugt wird, und mit optischen Mitteln zur Beeinflussung des durch die elektrooptische Schicht hindurchgehenden Strahlenbündels P 26 19 144.6) , dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie in der elektrooptischen Schicht einen telezentrischen Strahlengang des Strahlenbündels bewirken und daß die elektrooptische Schicht eine Flüssigkristallschicht ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Mittel vor der Flüssigkristallschicht eine Sammellinse angeordnet ist, in deren Brennebene sich die Lichtquelle befindet, und hinter der Flüssigkristallschicht eine zweite Sammellinso angeordnet ist, deren Brennebene sich in der Nähe der abbildenden Linse befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle als beleuchtete lichtstreuende Fläche ausgebildet ist und eine hinter der Flüssigkristallschicht angeordnete Sammellinso den telezentrischen Strahlengang hervorruft.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Sammellinse als Stufenlinse ausgebildet ist,
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als optische Mittel zwischen Lichtquelle und Flüssigkristallschicht eine Kanalplatte vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Parallelbündel hinter der Flüssigkristallschicht und dem Analysator auf eine lichtstreuende Flache trifft.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtstreuenden Flächen auf dem tor und/oder auf dem Analysator angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von jedem Punkt des Gesichtsfeldes einer Schutzbrille oder sonstigen Lichtschutz-Vorrichtung ausgehende Lichtbündel vor der Flüssigkristallschicht eine Zerstreuungslinse und hinter der Flüssigkristallschicht eine Sammellinse passiert, bevor es das Auge oder eine andere vor übermäßiger Licht einwirkung zu schützende Fläche erreicht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen als Stufenlinsen ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Augenschutzes eine Fehlsichtigkeit des Auges durch entsprechende Form der lichtbrechenden Linsenflächen ausgeglichen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zumindest teilweise als Gehäuseteile der Flüssigkristallzelle ausgebildet sind.