DE2706405A1

DE2706405A1 - Anordnung zur darstellung von hellen bildern vor dunklem hintergrund

Info

Publication number: DE2706405A1
Application number: DE19772706405
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl Phys Dr Baur; Waldemar Dipl Phys Greubel; Hans Dipl Phys Krueger; Alois Dipl Phys Dr Schauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-02-15
Filing date: 1977-02-15
Publication date: 1978-08-17
Also published as: DE2706405C3; IT1092683B; US4405210A; FR2380567B1; FR2380567A1; SE7801776L; DE2706405B2; GB1585752A; CA1106951A; BE863990A; JPS53101999A; CH618833GA3; CH618833B5; IT7820208A0; NL7801661A

Description

SIEMENS AZTIENGESELLSCHAPT Unser Zeichen Berlin und München I VPA 77 P 8 0 0 6 BRD

Anordnung zur Darstellung von hellen Bildern vor dunklem Hintergrund

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Darstellung von hellen Bildern vor dunklem Hintergrund, mit einer Flüssigkristallzelle, bei der eine bereichsweise zwischen mindestens zwei optisch verschiedenen Zuständen (Ruhezustand, Einschaltzustand) schaltbare Flüssigkristallschicht von zwei Träger platten mit einer vorgegebenen Wandorientierung eingeschlossen ist, und mit einer Lichtfalle in Form eines fluoreszierende Partikel aufweisenden Körpers (Fluoreszenzkörper), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht und mit in Blickrichtung jeweils hinter den schaltbaren Bereichen der Flüssigkristallschicht angeordneten Lichtaustrittsfenstern versehen ist.

Ein derartiges Display ist bereits vorgeschlagen worden (vergl.

beispielsweise die ältere Patentanmeldung P 25 54 226.1). Es liefert eine besonders leuchtstarke Anzeige, da der Fluoreszenzkörper auftreffendes Umgebungslicht durch Fluoreszenzstreuung und nachfolgende Totalreflektionen einfängt, weiterleitet und mit erhöhter Intensität durch seine Austritts- fenster ,wieder auskoppelt. Dabei ist die Helligkeitsverstärkung im wesentlichen gegeben durch das Verhältnis der lichtsammelnden zur lichtabgebenden Fläche des im allgemeinen plattenförmig ausgebildeten Fluoreszenzkörpers.

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Betreibt man die Flüssigkristallzelle auf der Basis von Polarisationseffekten, dann wird die flüssigkristallschicht gewöhnlich zwischen zwei (Linear-)Polarisatoren gesetzt. Polarisatoren sollten jedoch nach Möglichkeit vermieden werden, da sie - abgesehen von noch immer bestehenden Montage- und Haltbarkeits problemen - die Intensität von durchtretendem Licht durch Ausfilterung einer Schwingungsebene und zusätzlich durch unvermeidliche Absorption drastisch verringern und somit gerade die vom Fluoreszenzkörper her mögliche Kontrastverbesserung und Ablesewinkelvergrößerung nicht voll zum Tragen kommen lassen.

Zweck der Erfindung ist es, die polar!satorbedingten Beschränkungen bei einer Anzeigevorrichtung mit Fluoreszenzkörper wenig- stens teilweise aufzuheben, vorallem ein sehr helles, auch aua schrägen Richtungen gut ablesbares Bild zu schaffen. Hierzu wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Flüssigkristallschicht mindestens einen pleochroitisehen Farbstoff enthält. Der Farbstoff ist dabei vorzugsweise so beschaffen, daß der Spektralbereich seiner maximalen Absorption mit dem Spektralbereich maximaler Emission der fluoreszierenden Partikel im wesentlichen übereinstimmt.

Es ist an sich bereits seit langem bekannt, pleochroitische Farbstoffmoleküle in Flüssigkristallsubstanzen einzulagern ("Guest-Host-Effect"). Ein solcher Zusatz wurde auch schon bei einer Flüssigkristallanzeige mit Fluoreszenzplatte beansprucht, allerdings nur in Verbindung mit zusätzlichen Maßnahmen wie einer Zusatzbeleuchtung (P 26 19 367.9) oder einem frequenzselektiv auskoppelnden Lichtaustrittsfenster (P 26 19 368.0).

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Die Farbstoffbeigabe macht mindestens einen der sonst normalerweise verwendeten zwei Polarisatoren überflüssig. Diese Einsparung wirkt sich bei einer erfindungsgemäßen Anordnung besonders vorteilhaft aus: Enthält das Display weniger unerwünscht lichtschwächende Teile, so läßt sich eine vorgegebene Bildhelligkeit mit einem knapper bemessenen Fluoreszenzkörper realisieren, ein Vorzug, der insbesondere bei Instrumenten mit gedrängtem Aufbau wie beispielsweise Armbanduhren ins Gewicht fällt. Hinzukommt, daß bei Wegnahme des hinteren Polarisators der Fluoreszenzkörper und die lichtstreuende Schicht nahe an die Flüssigkristallschicht herangebracht werden können und damit die Voraussetzungen geschaffen sind, daß die Zelle das vom Fluoreszenzkörper empfangene Licht mit hoher Ausbeute und unter einem großen öffnungswinkel ohne merkliche Parallaxe austreten lassen kann.

Der Darstellungskontrast ist bei der vorgeschlagenen Anordnung besonders ausgeprägt, wenn man einen Farbstoff nimmt, der im Ruhezustand der Flüssigkristallzelle zwar das Fluoreszenz·» licht absorbiert, das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel dagegen ungehindert passieren läßt und der im Einschaltzustand zumindest für das Fluoreszenzlicht transparent ist. In diesem Fall kann der Fluoreszenzkörper auch noch auf seiner von der Zelle bedeckten Seite Nutzlicht aufnehmen.

Die gleiche Wirkung läßt sich auch ohne Verwendung eines frequenzmäßig auf die fluoreszierenden Partikel abgestimmten Farbstoffes erreichen, und zwar durch folgende Vorkehrungen: Die Flüssigkristallschicht absorbiert im Ruhezustand das An regungslicht für die fluoreszierenden Partikel sowie das Fluoreszenzlicht wenig und absorbiert im Einschaltzustand das Fluoreszenzlicht stark. Zugleich werden die einzelnen Bereiche der Flüssigkristallschicht dann und nur dann eingeschaltet, wenn sie zum Bildhintergrund gehören.

Auch wenn die Zelle im Ruhezustand transparent ist, so bleibt der Bildhintergrund dennoch nahezu schwarz: Zunächst ist der von den Anzeigeelementen nicht eingenommene Schirmbereich dunkel, weil von den im Fluoreszenzkörper eingefangenen Licht

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nur ein ganz geringer Anteil außerhalb der Fenster wieder entweicht und die Strahlung hinter dem Fluoreszenzkörper durch eine Absorptionsfolie abgefangen werden kann; die zum Aufbau des Bildes nicht benötigten und dementsprechend angesteuerten Anzeigeelemente sind schwarz, weil sich dort die Flüssigkristallzelle im lichtsperrenden Zustand befindet. Nähere Angaben über komplementär angesteuerte Lichtventile mit lichtdurchlässigem Ruhezustand sind in der prioritätsgleichen Patentanmeldung mit dem Titel "Anordnung zur Darstellung von hellen Bildern auf dunklem Hintergrund und Ver fahren zur Ansteuerung einer solchen Anordnung" enthalten.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figur der Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt in einem schematischen Seitenschnitt eine An- Ordnung mit einer Flüssigkristallzelle zur einstelligen

Ziffernanzeige. Das Display enthält im Einzelnen einen Linearpolarisa tor 1, eine vordere Trägerplatte 2, eine hintere Trägerplatte 3» eine Fluoreszenzplatte 4 und eine Absorptionsfolie 5. Alle Teile sind in der Reihenfolge ihrer Aufzählung in Betrachtungsrichtung hintereinander angeordnet. Die beiden Trägerplatten sind auf ihren einander zugewandten Innenselten mit leitenden Belägen versehen, und zwar die hintere Platte mit einer durchgehenden Rückelektrode 6 und die vordere Platte mit einer segmentierten Vorderelektrode (Segmentelektroden7).

Zwischen den beiden Platten befindet sich ein hermetisch abdichtender Distanzierungsrahmen 8. Die vom Rahmen und den beiden Trägerplatten gebildete Kammer ist mit einer Flüssigkristallschicht 9 gefüllt. Die Fluoreszenzplatte enthält Lichtaustrittsfenster, und zwar in Betrachtungsrichtung je ein Fenster hinter einer der Segmentelektroden. Diese Fenster bestehen jeweils aus einer Einkerbung 10 in der Plattenrückseite und einer auf der

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Vorderseite plazierten Streufläche 11, beispielsweise einer Pigmentschicht oder einem aufgerauhten Bereich in der Plattenfläche. Im vorliegenden Fall enthalten die Streuflächen einen Leuchtstoff, der durch Tritium angeregt werden kann, und sind mit einem Tritiumfilm 12 überzogen. Die gewählte Geometrie mit einer Streuebene sehr dicht hinter der Flüssigkristallschicht ermöglicht einen extrem großen Betrachtungswinkelbereich mit parallaxefreier Anzeige. Eine mehr ins Einzelne gehende Darstellung geeigneter Fensterausführungen wird in der am gleichen Tag eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel "Anordnung mit einem Lichtventil, insbesondere einer Flüssigkristallzelle" gegeben; Näheres über Zusatzbeleuchtungen mit radioaktiven Substanzen ist in der prioritätsgleichen Anmeldung mit dem Titel "Anordnung mit einem Lichtventil" zu finden.

Die Flüssigkristallschicht 7 ist nematisch, hat eine Dielektrizitätskonstante mit negativer Anisotropie und enthält einen geringen Zusatz eines pleochroitischen Farbstoffes. Die Farbstoffmoleküle haben die Eigenschaft, parallel zur Moleküllängsachse schwingendes Licht zu absorbieren, dagegen Licht mit einer hierzu senkrechten Schwingungsebene ungeschwächt passieren zu lassen. Der Farbstoff braucht nicht im gesamten sichtbaren Bereich zu absorbieren, es genügt, wenn sein Bereich maximaler Absorption mit dem Bereich maximaler Emission der fluoreszierenden Partikel in etwa übereinstimmt.

Durch geeignete Wandorientierung hat die Flüssigkristallsubstanz einschließlich des in ihr gelösten Farbstoffes im nicht geschalteten Zustand (Ruhezustand) eine einheitlich verkippt homöotrope Textur. Die Kipprichtung liegt parallel zur Polarisationsrichtung (Polarisationsachse) des Linearpolarisators 1, der Kippwinkel ist klein und beträgt nur einige wenige Grad.

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Die Flüssigkristallzelle ist im Ruhezustand transparent, so daß Licht, das lediglich durch einen einzigen Polarisator geschwächt ist, von vorn in die Fluoreszenzplatte eintreten kann, legt man an eine der Segaentelektroden eine genügend hohe Spannung, dann nehmen die Flüssigkristall- und damit auch die Farbstoffmoleküle in diesem Bereich eine einheitlich homogene Orientierung mit einer zur Polarisationsachse parallelen Vorzugsrichtung ein. Die Zelle absorbiert im eingeschalteten Zustand.
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Das (nicht dargestellte) Ansteuerteil ist so ausgelegt, daß gerade die nicht zum Aufbau des darzustellenden Bildes benötigten Segmentelektroden angesteuert werden. Es entsteht ein sehr helles Bild auf dunklem Grund.

Hätte die Flüssigkristallschicht im Ruhezustand keine einheitliche Kipprichtung, sondern wäre die Kipprichtung an der polarisatorfernen Trägerplatte um 90° verdreht, dann würden die Moleküle der Schicht im Einschaltzustand in eine homogene Textur mit einer 90°-Verdrillung in Richtung der Plattennormalen übergehen. In dieser von den Kipprichtungen vorgegebenen Orientierung absorbieren die Farbstoffmoleküle besonders stark.

Statt von einer im Ruhezustand transparenten, komplementär anzusteuernden Flüssigkristallzelle könnte man natürlich auch von einem Zellentyp ausgehen, der im nicht angesteuerten Zustand gesperrt und im angeregten Zustand offen ist. Bei dieser Version reicht es aus, wenn die Plüssigkristallschicht im Ruhezustand das Anregungslicht wenig, das Fluoreszenzlicht dagegen stark absorbiert und im Einschaltzustand zumindest das Fluoreszenzlicht wenig absorbiert. Ein solches, nicht komplementär zu schaltendes Lichtventil ließe sich folgendermaßen relativ einfach realisieren:

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2706Λ05 -f-ΑΌ· 77P 8 0 06 BRD

Abweichend von den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen hat die Flüssigkristallschicht eine Dielektrizitätskonstante mit einer positiven Anisotropie, ist in Ruhezustand einheitlich homogen orientiert, und zwar mit einer zur Polarisatorachse wenigstens angenähert parallelen Vorzugsrichtung, und nimmt im Einschaltzustand eine im wesentlichen homöotrope Textur an. Die Zelle absorbiert im Ruhezustand noch etwas stärker, wenn der Flüssigkristall nicht einheitlich homogen sondern verdrillt homogen eingespannt ist, und zwar mit einer 9O°-Verdrillung und einer an der polarisatornahen Grenzfläche zur Polarisatorachse parallelen Vorzugsrichtung.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann man insbesondere auch Farbstoffe bzw. Farbstoffgemische mit Komponenten beimengen, die im wesentlichen dann absorbieren, wenn ihre Moleküllängsachsen parallel zur lichtfortpflanzungsrichtung liegen. Mit welchen Flüssigkristallsubstanzen, Texturen und Ansteuertechniken derart "invers" reagierende Farbstoffe sinnvollerweise zu kombinieren sind, läßt sich anhand der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ermitteln.

8 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

VP 8 00 6 BRD

1} Anordnung zur Darstellung von hellen Bildern vor dunklem Hintergrund, mit einer Flüssigkristallzelle, bei der eine bereichsweise zwischen mindestens zwei optisch verschiedenen Zuständen (Ruhezustand, Einschaltzustand) schaltbare Flüssigkristallschicht von zwei Trägerplatten mit einer vorgegebenen Wandorientierung eingeschlossen ist, und mit einer Lichtfalle in Form eines fluoreszierende Partikel aufweisenden Körpers (Fluoreszenzkörper), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht und mit in Blickrichtung jeweils hinter den schaltbaren Bereichen der Flüssigkristallschicht angeordneten Lichtaustritt sf ens tern versehen ist, dadurch gekenn -zeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (9) mindestens einen pleochroitisehen Farbstoff enthält.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d ad u r c h gekenn -zeichnet , daß der Spektralbereich maximaler Emission der fluoreszierenden Partikel mit dem Spektralbereich maximaler Absorption des pleochroitisehen Farbstoffs im wesentlichen übereinstimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht (9) im Ruhezustand das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel wenig, das Emissionslicht der fluoreszierenden Partikel (Fluoreszenzlicht) dagegen stark absorbiert und im Einschaltzustand zumindest das Fluoreszenzlicht wenig absorbiert.

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ORIGINAL INSPECTED

~ TfP 80 0 8 BRD
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschicht und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekenn -zeichnet , daß die Flüssigkristallschicht (9) eine Dielektrizitätskonstante mit positiver Anisotropie hat, im Ruhezustand einheitlich homogen orientiert ist, und zwar mit einer zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators (Folarisationsachse) wenigstens angenähert parallelen Vorzugsrichtung,und im Einschaltzustand eine im wesentlichen homöotrope Textur annimmt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschicht uiü einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekenn -zeichnet , daß die Flüssigkristallschicht eine Dielektrizitätskonstante mit positiver Anisotropie hat, im Ruhezustand verdrillt homogen orientiert ist, und zwar mit einer in Richtung der Plattennormalen um 90° verdrillten, an der polarisatornahen Trägerplatte (2) parallel zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators (Polarisationsachse) liegenden Vorzugsrichtung, und im Einschaltzustand eine im wesentlichen homöotrope Textur annimmt.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Ansteuerteil zum Schalten der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht (9) im Ruhezustand das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel sowie das Emissionslicht der fluoreszierenden Partikel (Fluoreszenzlicht) wenig absorbiert und im Einschaltzustand das Fluoreszenzlicht stark absorbiert und daß das Ansteuerten so ausgelegt ist, daß im Betrieb der Anordnung die einzelnen Bereiche der Flüssigkristallschicht (9) dann und nur dann eingeschaltet sind, wenn sie zum Bildhintergrund gehören ("Anordnung mit komplementärer Ansteuerung").

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7. Anordnung nach Anspruch 6, mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschicht und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht (9) eine Dielektrizitätskonstante tnit negativer Anisotropie hat, im Ruhezustand einheitlich verkippt homöotrop orientiert ist, und zwar mit einer zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators (Polarisationsachse) parallelen Kipprichtung, und im Einschaltzustand eine im wesentlichen einheitlich homogene Textur annimmt, und zwar mit einer durch die Kipprichtung vorgegebenen Vorzugsrichtung.
8. Anordnung nach Anspruch 6, mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschicht und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet , daß die Flüssigkristallschicht eine Dielektrizitätskonstante mit negativer Anisotropie hat, im Ruhezustand verkippt homöotrop orientiert ist, und zwar mit einer in Richtung der Plattennormalen um 90° verdrillten und an der polarisatornahen Trägerplatte (2) zur Polarisationsrichtung dee Linearpolarisators (Polarisationsachse) parallelen Kipprichtung, und im Einschaltzustand eine verdrillt homogene Orientierung annimmt, und zwar mit einer durch die Kipprichtungen vorgegebenen Vorzugsrichtung.

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