DE2706405C3 - Anzeigeanordnung zur Darstellung von hellen Bildern vor dunklem Hintergrund - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigeanordnung gemäß

dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der DE-AS 25 54 226 ist eine Anzeigeanordnung zur Darstellung von hellen Bildern vor dunklem Hintergrund, mit einer Flüssigkristall/. ¹Ic, bei der eine bercichsweise zwischen mindestens zwei optisch vcrschiedenen Zuständen (Ruhezustand, Hinschaltzustand) schaltbare Flüssigkristallschicht von zwei Trägerplatten mit einer vorgegebenen Wandorientierung eingeschlossen ist, und mit einer Lichtfalle in Form eines Körpers (Fluoreszenzkörper), der aus einem Material mit einem

Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel in seinem Volumen verteilt enthält sowie mit in Blickrichtung jeweils hinter den schaltbaren Bereichen der Flüssigkristallschicht angeordneten Lichtaustrittstenstern versehen ist und auftreffc 'fes Umgebungslicht durch Fluoreszenzstreuung und nachfolgende Totalreflexionen einfängt, weiterleitet und mit erhöhter Intensität durch die Lichtaustrittsfenster wieder auskoppelt. Diese Anzeigeanordnung liefert eine besonders leuchtstarke Anzeige, da der Fluoreszenzkörper

auftreffendes Umgebungslicht durch Fluoreszenzsireuung und nachfolgende Totalreflexionen einfängt, weiterleitet und mit erhöhter Intensität durch seine Austrittsfenster wieder auskoppelt. Dabei ist die Helligkeitsverstärkung im wesentlichen gegeben durch

^o0 das Verhältnis der lichtsammclnden /ur lichtabgeben den Fläche des im allgemeinen plattenförmig ausgebildeten Fluoreszenzkörpers.

Anzeigevorrichtungen mit bildaufhellcnden Elementen gehören auch schon zum Stand der Technik. So \\ ird

^b' beispielsweise im DE-GM 74 26 201 eine Flüssigkristallanzeige beschrieben, bei der die eigentliche Flüssigkn- stallzelle in einer transparenten Umienkpiuttc eingebettet ist. Diese Platte besitzt abgeschrägte, verspiegelte

Seitenflächen und eine hinter dem Display befindliche, mit. einer Leuchtmasse versehene Einkerbung auf ihrer Rückseite; die Anordnung ist dabei so getroffen, daß ein Teil des Utngebungslichtes durch Reflexion an der Seitenflächen und Streuung an der Kerbe von hinten auf die Zelle gelenkt wird und deren Anzeigefeld ausleuchtet. Die DE-OS 25 03 663 diskutiert eine Platte mit in ihrem Volumen verteilten, transparenten Partikeln. Diese Einschlüsse bestehen aus einem Werkstoff, Jessen Brechungsindex von dem des Trägermaterials abweicht, so daß die Platte wie ein diffuser Reflektor wirkt Den gleichen Effekt hat die in der DE-OS 22 21 441 erwähnte Schicht, die eine fluoreszierende oder phosphoreszierende Substanz enthält und hinter einer Flüssigkristallzelle angeordnet ist. Alle diese vorbekannten Platten- bzw. Schichtausführungen haben ein nur relativ bescheidenes Aufhellungsvermögen, da sie die aufgefangene Strahlung nicht oder allenfalls nur sehr geringfügig intensivieren, und eignen sich im Grunde nur für die Darstellung von dunklen Bildern auf hellem Grund.

Betreibt man die Flüssigkristallzelle auf der tasis von Polarisationseffekten, dann wird die Flüssigkristallschicht gewöhnlich zwischen zwei (Linear-)PoIarisatoren gesetzt. Polarisatoren sollten jedoch nach Möglichkeit vermieden werden, da sie — abgesehen von noch immer bestehenden Montage- und Haltbarkeitsproblemcn — 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 polarisationsbedingtcn Beschränkungen bei einer Anzeigevorrichtung mit Fluoreszenzkörpern wenigstens teilweise aufzuheben und ein sehr helles, auch aus schrägen Richtungen gut ablesbares Bild zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anzeigeanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs i geiöst.

Es ist an sich bekannt, pleochroitische Farbsioffmoleküle in Flüssigkristallsubstanzen einzulagern: vgl. hierzu beispielsweise »Appl. Phys. Lett.« 1968, Nr. 3, S. 91 /92.

Die Farbstoffbeigabe macht mindestens einen der sonst normalerweise verwendeten zwei Polarisatoren überflüssig (»Journal of Applied Physics«, 1974. VoI 45, Nr. 11. S. 4718 ff.). Diese Einsparung wirkt sich bei einer erfindiingsgemäßcn Anordnung besonders vorteilhaft aus: Enthält das Display weniger unerwünscht lichtschwächcnde 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. Hinzu kommt, 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 Fluoreszenzkörpers empfangene l.ichi mil hoher Ausbeute und unter einem großen Öffnungswinkel ohne merkliche Parallaxe austreten lassen kann.

Der Darstellungskontrast ist bei der erfinderischen Anordnung besonders ausgeprägt, wenn man einen Farbstoff nimmt, tier im Ruhezustand der Flüssigkri- 6: stallzclle zwar das Fl'ioreszenzlicht absorbiert, das Anregiingslicht für die fluoreszierenden Partikel dagegen ungehindert passieren IaBl 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 Anregungslicht 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 dem im Fluoreszenzkörper eingefangenen Licht nur ein ganz geringer Anteil außerhalb der Fenster wieder en» .;icht und die Strahlung hinter dem Fiuoreszenzkörpcr durch eine Absorptionsfolie abgefangen werden kann; die zum Aufbau des Bildes nicht benötigten und dementsprechend angesteuerten Anzeigeelemente sind schwarz, weil sich ^.ort die Flüssigkristallzelle im lichtsperrenden Zustand befindet.

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 Anordnung mit einer Flüssigkristallzelle zur einstelligen Ziffernanzeige. Das Display enthält im Einzelnen einen Linearpolarisator 1, eine vordere Trägerplatte 2, eine hintere Trägerplatte 3, eine Fluoreszenzplatte 4 und eine Absorptionsfoiie 5. Alle Teile sind in der Reihenfolge ihrer Aufzählung in Betrachtungsrichtung hintereinander angeordnet. Die beide.i Trägerplatten sind auf ihren einander zugewandten Innenseiten mit leitenden Belägen versehen, und zwar die hintere Plane mit einer durchgehenden Rückelektrode 6 und die vordere Platte mit einer segmentierten Vorderelektrode (Segmentelektroden 7). 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 eiir.r Einkerbung 10 in Jer Plattenrückseite und einer auf der Vorderseite plazierten Streufläche 11 beispielsweise einer i^gmentschicht oder einen 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 gioßen Betrachtungswinkelbereich mit parallaxefreier Anzeige.

Die Flüssigkristallschicht 7 ist nematisch, hat eine Dielektrizitätskonstante mit negativer Anisotropie und enthält einen geringen Zusatz eines pleochroitischen Farbstoffes. Die Farbstoffmolcküle haben die Eigenschaft, parallel zur Moleküllängsachse schwingendes Licht zu absorbieren, daeeeen 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 Wandorieniierung hat die Flüssigkristallschicht einschließlich des in ihr gelösten Farbstoffes im nicht geschalteten Zustand (Ruhezustand) eine einheitlich verkippt homöotrope Textur. Die Kipprichtung liegt zwar parallel zur Polarisationsrichtung (Polansationsachse) des Linearpolarisators 1, der Kippwinkel ist jedoch klein und beträgt nur einige wenige Grad, weil dadurch nur die Kipprichtung vorgegeben werden soll, in welche die Vorzugsrichuing der Flüssigkristallmoleküle beim Anlegen einer genügend hohen Spannung kippen soll. Die Vorzugsrichtung im Ruhezustand weicht daher trotz der Verkippung nur unwesentlich von der homöotropen Textur ab.

Die Flüssigkristallzelle ist deshalb im Ruhezustand trotz der leichten Verkippung transparent, so daß Licht. das lediglich durch einen einzigen Polarisator geschwächt ist. von vorn in die Fluoreszenzplatie eintreten kann. Erst wenn man an eine der Segmentelektroden eine genügend hohe Spannung anlegt, dann kippen die Flüssigkristall- und damit auch die Farbstoffmoleküle in diesem Bereich in eine zur Polarisationsachse parallele Vorzugsrichtung. Die Zelle absorbiert im eingeschalteten Zustand.

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 wurden die rvioieküie 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 Ruhestand 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 Flüssigkristallschicht 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: Abweichend von den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen hat die Flüssigkristallschicht eine Dielektrizitätskonstante mit einer positiven Anisotropie, ist im Ruhezustand einheitlich homogen orientiert, und zwar mit einer zur Polarisatorachse wenigstens angenähert parallelen Vorzugsrichtung, und nimmt im Einschaitzustand 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 90°-Verdrillung und einer an der polarisatornahen Grenzfläche zur Poiarisaiorachse parallelen Vorzugsrichtung.

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

Hk ν.) 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anzeigeanordnung 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 Trägerpiatten 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 Berei chen der Flüssigkristallschicht angeordneten Lichtaustrittsfenstern versehen ist, nach Patent 25 54 226, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (9) mindestens einen pleochroiiischen Farbstoff ennult.

2. Anzeigeanordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralbereich maximaler Emission der fluoreszierenden Partikel mit dem Spektralbereich maximaler Absorption des pleochroitischen Farbstoffs im wesentlichen übereinstimmt.

3. Anzeigeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (9) im Ruhezustand das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel wenig, das Emissionslicht der fluorej Jerenden Partikel (Fluoreszenzlicht) dagegen stark absorbiert und "n Einschaltzustand zumindest das Fluoreszenzlicht wenig absorbiert.

4. Anzeigeanordnung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, mit einer elektrisch gescharteten Flüssigkristallschicht und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (9) eine Dielektrizitätskonstante mit positiver Anisotropie hat, im Ruhezustand einheitlich homogen orientiert ist, und zwar mit einer zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators (Polarisationsachse) wenigstens angenähert parallelen Vorzugsrichtung, und im Einschaltzustand eine im wesentlichen homöotrope Textur annimmt.

5. Anzeigeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschicht und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet, 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. Anzeigeanordnung nach Anspruch I oder 2, mit einem Anstc:icrteil zum Schalten der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallschicht (9) im Ruhezustand das Anregungsiicht für die fluoreszierenden Partikel sowie das Emissionslicht der fluoreszierenden Partikel (Fluoreszcnzlicht) wenig ubsorbiert und im Einschaltzustand das Fluoreszenzlicht stark absorbiert und daß das Ansteuerteil so ausgelegt ist, daß im Betrieb der Anordnung lic einzelnen Bereiche der Flüssigkristallschicht (9) dann, und nur dann eingeschaltet sind, wenn sie zum Bildhintergrund gehören (»Anordnung mit komplementärer Ansteuerung«).

7. Anzeigeanordnung 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 mit 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. Anzeigeanordnung nach Anspruch 6, mit einer elektrisch geschalteten Flüssigkristallschich; und einem Linearpolarisator in Blickrichtung vor oder hinter der Flüssigkristallschicht, dadurch gekennzeichnet, uaB die Flüisigkfisiäiischicht 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 Träger-

platte (2) zur Polarisationsrichtung des Linearpolarisators (Polarisationiachse) parallelen Kipprichtung, und im Einschaltzustand eine verdrillt homogene Orientierung annimmt, und zwar mit einer durch die Kipprichtungen vorgegebene Vorzugsrichtung.