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Vorrichtung zur elektrischen Steuerung
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der Farbe eines Lichtbündels" Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur elektrischen Steuerung der Farbe eines Lichtbündels mit einer
als steuerbares Farbfilter ausgebildeten Flüssigkristallzelle, die zwischen zwei
bezüglich ihrer Polarisationsebenen gekreuzten Polarisationsfiltern angeordnet ist
sowie mit einer optischen Abbildung- oder Bildwiedergabeeinrichtung.
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Es ist bekannt, daß man mittels einer elektrisch steuerbaren Flüssigkristallzelle
(FK-Zelle), die zwischen zwei bezuglich der Polarisationsebenen gekreuzten Polfiltern
angeordnet ist
und von weißem Licht durchstrahlt wird, Interferenzfarben
erzeugen kann. Interferenzerscheinungen entstehen dadurch, daß sich die optische
Achse der doppelbrechenden Flüssigkristallschicht der FK-Zelle in Abhängigkeit von
der anliegenden elektrischen Spannung mehr oder weniger gegenüber der Richtung des
Lichts, das die Zelle durchquert, neigt, wobei der Gangunterschied zwischen dem
ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl verändert wird.
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Die Auslenkung der optischen Achse entsteht durch ein Drehmoment,
das infolge der Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten der FK-Moleküle durch
die Feldstärke ausgeübt wird, die zwischen den Elektroden herrscht, wenn eine Spannung
angelegt wird. Die Elektroden solcher FK-Zellen bestehen aus transparenten leitfähigen
Schichten, die auf den der FK-Schicht zugewandten Oberflächen der Glasscheiben der
Zelle angeordnet 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.
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Für die opitsche Abbildung eines jeden Punktes dieses Bildes benötigt
man jeweils ein von diesem Punkt ausgehendes homozentrisches Lichtbündel; dessen
Kegelwinkel ist um so größer je lichtstärker die Abbildungsoptik gewählt wird. Bei
großer numerischer Apertur differieren die Neigungen der Lichtstrahlen
im
Bildpunkt des Objekts sehr stark, und zwar nicht nur untereinander, sondern auch
gegenüber der optischen Achse. Dadurch werden bei der Abbildung für jeden Punkt
des Objekts verschiedene Interferenzfarben gemischt, was zu einer Verringerung der
Farbsättigung führt. Reine Interferenzfarben erhält man in der Regel nur bei Verwendung
einer Abbildungsoptik mit sehr geringer Lichtstärke.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art eine Verbesserung der Farbsättigung bei gegebener Lichtstärke
zu erzielen.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in dem optischen Strahlengang
Mittel zur Erzielung eines fächerförmigen Lichtbündels mit einem länglichen Querschnitt
vorgesehen sind, derart, daß dessen kürzere Achse parallel zu denjenigen Ebenen
verläuft, in welchen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Flüssigkristallzelle
die optische Achse der Flüssigkristallschicht bewegt.
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Die beschriebenen Vorrichtungen bestehen aus Beleuchtungseinrichtungen,
FK-Zelle, einem Polfilterpaar (Polarisator und Analysator) und einer Einrichtung
zur Abbildung oder Darstellung des durch die FK-Zelle erzeugten farbigen Musters.
Zur Abbildung dienen außer der Beleuchtungseinrichtung in der Regel optische Linsen
oder Spiegel, die das farbige Muster auf einen Schirm projizieren; es soll hier
aber auch die Abbildung
durch die Linse des menschlichen Auges
mit einbezogen werden, das das Bild unmittelbar oder auf einer lichtstreuenden Fläche
(z. B. Mattscheibe) erblickt, die, von der Lichtquelle aus gesehen, hinter dem Analysator
angebracht ist und ein farbiges Schattenbild der Elektroden zeigt. Auch in diesem
Schattenbild entstehen die Farben dadurch, daß aus dem Spektrum des weißen Lichts
ein oder mehrere Wellenlängenbereiche durch Interferenz ausgelöscht werden. Je vollständiger
die Auslöschung ist, umso.reiner ist die wiedergegebene Interferenzfarbe.
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Die Verbesserung der Farbsättigung wird durch einen flachen Querschnitt
des zur Abbildung und/oder des zur Beleuchtung verwendeten Lichtbündels dann erzielt,
wenn die kürzere Achse der Querschnittsfigur in derjenigen Ebene liegt, in der sich
die optische Achse der FK-Zelle bewegt, wenn eine Spannung an die Elektroden der
Zelle gelegt wird. Bei einer Betrachtung des wiedergegebenen farbigen Schattenbildes
auf einer mattierten Fläche ist die erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen
nur dann wirksam, wenn die Gestaltung des Lichtbündels in der Beleuchtungseinrichtung
vorgenommen ist.
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Der mit der Erfindung erzielbare Effekt , die Farbsättigung durch
Verwendung eines fächerförmigen Lichtbündels zu verbessern, beruht darauf, daß sich
in dem doppelbrechendem Material einer FK-Zelle der Gangunterschied zwischen dem
ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl - und damit
zugleich
auch die Farbe- nur relativ wenig ändert, wenn der veränderliche Einfallswinkel
des Lichts in einer ersten Ebene liegt, die zu derjenigen Ebene senkrecht steht,
die durch die Bündelachse (Hauptstrahl) und die optischaAchse der doppelbrechenden
Schicht bestimmt ist.
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Im Idealfall müßte der Querschnitt des Lichtbündels dem Sektor eines
weiten Kreisringes mit geringer Radiendifferenz entsprechen.
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Im allgemeinen genügt aber ein rechteckiger Querschnitt des Lichtbündels,
für den die lange Achse mindestens dreimal so groR ist wie die kürzere Achse.
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Anhand der in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbei spiele
wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. In Fig. 1 ist die Verringerung der
Farbsättigung durch die unterschiedlichen Neigungen der Lichtstrahlen gegenüber
der optischen Achse veranschaulicht. Das von einer weißen Lichtquelle kommende Lichtbündel,
von dem zur Verdeutlichung nur die zwei Randstrahlen 1 und 2 dargestellt sind, durchquert
zuerst den Polarisator 3, dessen Durchlanrichtung etwa unter 450 gegen die Zeichenebene
geneigt ist, dann die Zelle 4, in der die planparallele FK-Schicht zwischen zwei
mitkransparenten Elektroden versehenen Glasscheiben eingeschlossen ist, und schließlich
den Analysator 5, dessen Durchlaßrichtung mit derjenigen des Analysators einen rechten
Winkel bildet. Der Pfeil 6 deutet die Richtung der optischen Achse des" Flüssigkristalls
an; sie bildet mit der Achse 7 des abbildenden Systems den in der Zeichenebene liegenden
Winkel, der von der Spannung an den Elektroden der FK-Zelle 4 abhängt. Die einzelnen
Strahlen des zur Abbildung verwendeten Lichtbündels füllen einen Raumwinkel aus,
der umso weiter ist, je größer die relative Öffnung der Sammellinse 8 ist, deren
Hauptebene strichpunktiert dargestellt ist. In dem
Lichtbündel,
das durch die Linse 8 hindur.chgehts varlieren die Neigungswinkel der Strahlen gegenüber
der optischen Achse zwischen den Winkeln B und Dieser große Winkelbereich bewirkt,
daß die Abbildungslinse für jeden Dingpunkt ein Bündel von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen
Interferenzfarben erfaßt und daß auf dem entsprechenden Bildpunkt des Bildschirms
(hier nicht eingezeichnet) eine mehr oder weniger blasse Mischfarbe entsteht.
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In Fig. 2 ist die Verteilung der Interferenzfarben in der Hauptebene
der Linse 8 angegeben, beispielsweise im Übergangsbereich zwischen den Interferenzfarben
erster und zweiter Ordnung. Die Linien gleicher Farbe sind nur schwach gekrümmt;
ihre Krümmungsmittelpunkte liegen, von der Achse 7 aus gesehen, in der gleichen
Richtung wie der Spurpunkt 9 der optischen Achse der Flüssigkristallschicht in der
Hauptebene der Linse 8, jedoch viel weiter entfernt. Die Pfeile im Punkt 9 bezeichnen
die Durchlaßrichtungen der beiden Polarisationsfilter, z. B. 3 und 5 in Fig. 1.
Um zu erreichen, daß im Bildpunkt eine möglichst reine Interferenzfarbe entsteht,
könnte man in der Nähe der Linse 8 eine Spaltblende einfügen, deren Öffnung dem
Verlauf der Linien gleichen Farbe angepaßt ist. In diesem Beispiel würden die Interferenzfarben
Rotorange und Indigo ausgeblendet werden und nur ein schmaler Bereich mit tiefrotem
Farbton würde auf dem Bildschirm wiedergegeben werden. Im allgemeinen erzielt man
aber auch schon eine deutliche Verbesserung der Farbsättigung, wenn die Blende einen
schmalen rechteckigen Durchlaßquerschnitt aufweist; dessen lange Achse sollte aber
mindestens 3mal größer als die kurze Achse sein.
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In Fig. 3 ist der zur optischen Abbildung verwendete- Strahlengang
durch die Begrenzungslinien des Strahlenflusses gezeigt. Das von der Lichtquelle
10 ausgehende Licht wird mittels eines Kondensors mit der Hauptebene 11 auf die
FK-Zelle 4 gelenkt. Der von rückwärts
beleuchtete Bildpunkt 12
wird durch den Strahlenkegel, der die erfindungsgemäß vorgesehene Blende 13 passiert,
auf einem Bildschirm abgebildet (dieser sowie auch die beiden Polarisationsfilter,
die beidersaits der Zelle im Strahlengang angeoYdnet sind, sind hier der Deutlichkeit
halber nicht dargestellt).
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Die Blende 13 befindet sich in der Nähe der Hauptehene der Abbindungslinse
8 (z. B. Objektiv eines Projektions geränes).
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Unweit dieser Hauptebene liegt in der Regel das Bild der Lichtquelle
10.
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In den Fig. 4 bis 6 ist der Strahengang in derjenigen Ebene dargestellt,
in der sich die optische Achse des Flüssigkristalls neigt, wenn eine elektrische
Spannung an die Elektroden der Flüssigkristallzelle angelegt wird. Gemäß Fig. 4
kann die Farbsättigung dadurch verbessert werden, daß die Blende 13 spaltförmig
ausgebildet wird, so daß nur ein fächerförmiges Strahlenbündel mit nahezu einheitlichen
Farbton zur Abbildung benutzt wird. In diesem Fall trägt nur ein kleiner Teil des
von der flächenhaften Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels zur Helligkeit des Schirmbildes
bs, Es ist daher zweckmäßig, den nutzlosen Teil der Lichtquelle fortzulassen und
eine annähernd linienförmige Lichtquelle zu verwendens In Fig. 5 ist gezeigt, daß
man ggf. auf die Blende 13 verzichten kann, wenn die Abmessungen der Lichtquelle
14 so gewählt werden, daß ihre Abbildung in der Nähe der Linse 8 die Form des Spaltes
der Blende 13 in Fig. 4 hat. Bei gleicher Farbsättigung läßt sich vorteilhaft eine
größere Helligkeit erzielen, wenn hinter der langgestreckten
Lichtquelle-
1t ein Zylinderspiegel konzentrisch angebracht ist. Eine andere Möglichkeit, die
Helligkeit zu erhöhen, besteht darin, daß man eine breitere LIchtquelle in Verbindung
mit einer Zylinderlinse oder einer astigmatischen Linse verwendet. Die Hauptebene
einer solchen Linse ist in Fig. 6 durch Die Linie 15 dargestellt Die Querschnittsabmessungen
des Strahlenbündels sind zweckmäßig so zu wählen, daß die lange Ausdehnung wenigstens
dreimal so groß ist wie die kurze Ausdehnung.
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L e e r s e i t e