DE3438756A1 - Doppeldrehzellen-anzeigeeinrichtung - Google Patents

Description

FP 818
Fg/kr

BORG INSTRUMENTS GMBH, D - 7537 REMCHINGEN Doppeldrehzellen-Anzeiqeeinrichtunq

Die Erfindung betrifft eine Doppeldrehzellen-Anzeigeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Anzeigeeinrichtung ist aus der DE-PS 30 48 024 bekannt. ■""■* 05 Bei ihr sind zwei Flüssigkristall-Zellen hintereinander angeordnet; wobei die aus der ellyptischen Polarisierung einer nematischen Drehzelle resultierende Resttransmission im optisch gesperrten Zellenzustand durch eine zweite solche Drehzelle kompensiert werden soll, die entgegengesetzten Drehsinn aufweist. Theoretisch ist dadurch zwar optimaler Kontrast zwischen hellen und benachbarten dunklen Bereichen einer Informationsdarstellung erzielbar. In der Praxis ergeben sich aber große Schwierigkeiten aufgrund des Erfordernisses, zwei exakt gleiche aber gegensinnig drehende Zellen zu realisieren und in optischer Serienschaltung miteinander zu verbinden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Doppeldrehzellen-Anzeigeeinrichtung zu schaffen, deren Realisierung - insbesondere in der Massenproduktion für Einsatzfälle wie in Kraftfahrzeug-Armaturenbrettern - technologisch weniger kritisch ist und die weitergehende elektrooptisch^ Einflußmöglichkeiten zur optimalen Reduzierung der Resttransmission in optisch gesperrten Bereichen der Anzeigeeinrichtung eröffnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Anzeigeeinrichtung dadurch gelöst, daß sie die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 aufweist.

Diese Lösung macht also von der Möglichkeit Gebrauch, die Absorption und damit das Kontrastverhältnis in einer Flüssigkristall-Drehzelle durch Dye-Dotierung ganz wesentlich zu verbessern, wie es als solches beispielsweise bekannt ist aus der

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DE-OS 33 14 654 oder aus dem Beitrag von Pötzsch, Baeger, Nichol, Purtzel und Voß "Elektro-optische Eigenschaften von TN-Zellen mit dichroitischen Farbstoffen" (12. Freiburger Arbeitstagung Flüssigkristalle 31.3. - 2.4.1982), dort insbesondere Seite 4. der dort aufgezeigte schwerwiegende Nachteil einer dye-dotierten Flüssigkristall zelle, nämlich die aufgrund unumgänglich vergrößerter Viskosität bei vergrößerter Schichtdicke insbesondere unter tieferen Arbeitstemperaturen untragbar stark verminderte elektrooptische Umschaltdynamik, ist nach der erfindungsgemäßen Lösung aber nun vermieden, da die Informationsdarstellung und die Unterdrückung der Resttransmission nacheinander in unterschiedlichen, jeweils elektrooptisch getrennt optimierbaren Zellen erfolgt.

Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche und nicht maßstabsgerecht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
Es zeigt:

Fig. 1 im Längsschnitt qualitativ den Aufbau einer erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung unter Berücksichtigung unterschiedlicher elektrischer Einflußnahmemöglichkeiten auf die elektrooptischen Eigenschaften ihrer

beiden Teil-Zellen

und

Fig. 2 die optischen Wirkungen solcher unterschiedlichen An-Steuerungsmöglichkeiten der hintereinandergeschalte-

ten Informations- und Absorptionszellen (Fig. 2a - Fig.2d).

Die in Fig. 1 skizzierte Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung 1 trägt auf ihrer durchsichtigen Rückplatte 2 einen einer Lichtquelle 3 (oder einem Reflektor)zugewandten Polarisator 4 und auf ihrer durch-

sichtigen Frontplatte 5 einen weiteren, quer zum rückwärtigen Polarisator 4 orientierten Polarisator, den Analysator 6. Zwischen diesen Platten 2, 5 ist in der Anzeigeeinrichtung 1 eine möglichst dünne, durchsichtige Trennplatte 7 angeordnet, die den Innenraum der Anzeigeeinrichtung lin eine rückwärtige Informationszelle 8 und eine davor, also zwischen der Trennplatte 7 und der Frontplatte 5 sich erstreckende, Absorptionszelle 9 unterteilt. Die Platten 2, 7 tragen auf ihren der Informations-Zelle 8 zugewandten Oberflächen segmentierte Informations-Elektroden 10, während die Oberflächen der Platten 7,5 zur Absorptionszelle 9 hin mit dagegen großflächigen Elektroden 11 belegt sind. Zwischen diese Elektroden 10-10 und 11-11 sind die Zellen 8 bzw. 9 mit nematischen Flüssigkristallmaterialien 12 gefüllt. Die Grenzflächen der Zellen 8 bzw. 9 zu den Elektroden 10 bzw. 11 sind mit Orientierungsschichten 13 versehen, die bekanntlich (aufgrund vorgegebener Bedampfungs- oder Reibungs-Richtungen) die Ausrichtung der anliegenden Moleküle der Flüssigkristallmaterialien 12 bestimmen. Dabei liegt die Flüssigkristall-Molekülausrichtung an der Schicht 13' parallel zur Polarisationsebene des benachbarten Polarisators 4, an den Schichten 13'' und 13'''beiderseits der Trennplatte 7 parallel zueinander und an der Schicht 13'¹'¹ quer zur Polarisationsebene des benachbarten Analysators 6 (s. Fig. 1).

Die Flüssigkristallmaterialien 12 in den Zellen 8 und 9 und die Orientierungsschichten 13 sind so eingestellt, daß ohne elektrische Zellenansteuerung aufgrund der verdrehten nematischen Molekülstruktur das durch die Anzeigeeinrichtung 1 hindurchtretende polarisierte Licht zunächst in der Informationszelle 8 eine Verdrehung um bis zu 90° (nämlich je nach der gewünschten Informationsfarbe auch um einen kleineren Twist-Winkel als 90°) erfährt; danach kann der Drehsinn beliebig sein, wenn das Licht in der Absorptionszelle 9 eine weitere entsprechende Verdrehung erfährt.

Λ-

Die, eine Information darstellende, Zelle 8 ist möglichst dünn ausgelegt und mit einer Mischung aus Flüssigkristallmaterialien 12 von möglichst niedriger Viskosität gefüllt, damit die Umschaltzeiten auch bei niedrigen Temperaturen möglichst klein bleiben. Dabei ist die Mischung der Flussigkristallmaterialien 12 in dieser Inforamtionszelle 8 in ihrer optischen Anisotropie dem Farbenspektrum der Informationsdarstellung möglichst optimal angepaßt, wie als solches in der DE-OS 33 10 444 und in der DE-OS 33 10 427 näher erläutert. Eine derartige, bezüglich der Spektralanpassung und der Umschaltdynamik optimierte Zelle 8 weist allerdings zwangsläufig eine, insbesondere bei der Negativ-Kontrastdarstellung kontrastmindernde und deshalb für den Betrachter 14 störende, Resttransmission auch in optisch gesperrten Bereichen der Zelle 8 auf, also in den möglichst dunkel angestrebten, eine helle Informationsdarbietung umgebenden Bereichen der Anzeigeeinrichtung 1.

Bekanntlich läßt sich solche störende Resttransmission zwar durch den Zuschlag von dichroitischen Farbstoffen zum Flüssigkristallmaterial 12 in der Informationszelle 8 verringern; was aber, um effektiv zu sein, eine größere Schichtdicke der Zelle 8 bedingt und auch zu einer höheren Viskosität führt, also die Umschaltdynamik der Informationsdarstellung (und damit die Möglichkeit eines Multiplexbetriebes) entscheidend beeinträchtigt.

Deshalb ist bei der erfindungsgemäßen Anzeigeeinrichtung 1 vorgesehen, die störende Resttransmission der elektrooptisch optimierten Informationszelle 8 dadurch zu unterdrücken, daß eine hinsichtlich ihrer Schichtdicken-Dimensionierung und hinsichtlich Dye-Zuschlagmaterialien 15 optimierte Absorptionszelle 9 optisch mit der Informationszelle 8 in Serie angeordnet ist. Da in dieser Absorptionszelle 9 keine Informationsdarstellungen und deshalb keine in ihrer Dynamik kritischen elektrooptischen Umschaltvorgänge vorgesehen sind, kann die Absorptionszelle 9 dicker, und damit technologisch einfacher beherrschbar, ausgelegt sein; sowie mit Flussigkristallmaterialien 12 gefüllt werden, die auf eine optimale Löslichkeit der Dye-Zuschlagmaterialien

ausgewählt sind, also zu optimaler Absorption im gesperrten Zustand dieser Zelle 9 führen.

Das Gesamtsystem dieser Anzeigeeinrichtung 1 weist also die Kombination der Vorteile einer schnellschaltenden, deshalb auch multiplexbaren, Informationszelle 8 mit für den Betrachter 14 minimierter Resttransmission in den nicht angesteuerten Darstellbereichen auf.

Für die Informationsdarstellung (Fig. 2b) werden, wie als solches bekannt, einander gegenüberliegende Bereiche der segmentierten Elektroden 10 aus einem Informations-Darstellsteuergerät 16 angesteuert, um mittels des dann dazwischen sich erstreckenden elektrischen Feldes die Verdrehung der Molekülanordnung des Flüssigkristallmaterials 12 zwischen den Elektroden 10 bereichsweise aufzuheben. Im Flüssigkristallmaterial 12 in der nicht elektrisch angesteuerten Absorptionszelle 9 erfolgt danach aber eine Verdrehung der Schwingungsebene des polarisierten Lichts entsprechend der fortschreitenden Orientierung der Moleküle (auf Durchlaß geschaltetes optisches Polarisationsventil) und deshalb im entsprechend gewählten Dye-Zuschlagmaterial 15 eine nur noch minimale Absorption; d.h., das durch die Anzeigeinrichtung 1 hindurchtretende Licht wird (in der Absorptionszelle 9) nur geringfügig geschwächt, weil die Lichtpolarisationsebene senkrecht zur Absorptionsachse der Dye-Moleküle des Zuschlagsmaterials 15 steht, bevor es durch den Analysator 6 hindurchgeht. In dagegen nicht elektrisch angesteuerten Bereichen der segmentierten Elektroden 10 ist aber (Fig. 2 a) die schraubenförmige Orientierung der Flüssigkristall-Moleküle in der Informationszelle 8 ungestört, weshalb dort durchtretendes polarisiertes Licht in seiner durch den Polarisator 4 gegebenen Schwingungsorientierung mit der Tiefenstaffelung der Flüssigkristall-Moleküle, um z.B. 90° verdreht, durch die Trennplatte 7 hindurchtritt. Die weitere Verdrehung um 90°, die in der nicht elektrisch angesteuerten Absorptionszelle 9 erfolgt, führt, weil die Lichtpolarisationsebene dann parallel zur Absorptionsachse des Dyes orientiert ist, in den Dye-Zuschlagmaterialien 15 zu maximaler Absorption, deren Moleküle wirken nun also als Farbfilter. Deshalb erreicht nur ein stark geschwächter Lichtanteil den Analysator 6; und dort

wird er aufgrund Quer-Orientierung der Schwingungsebene ohnehin praktisch nicht durchgelassen.Der Betrachter 14 sieht also in den zwischen den segmentierten Elektroden 10 angesteuerten Bereichen eine helle Information; umgeben von dunklem Umfeld aufgrund dort nicht angesteuerter segmentierter Elektroden 10 und sowohl vom Analysator 6 wie auch von den, zur Vergrößerung der Absorption vorgesehenen, Dye-Zuschlagmaterialien 15 außerordentlich gut unterdrückter Lichttransmission.Wenn dagegen eine Positiv-Darstellung, also dunkle Information auf hellem Umfeld, aus Sicht des Betrachter 14 gewünscht wird, dann braucht lediglich die schraubenförmig gestaffelte Struktur der Moleküle der Flüssigkristallmaterialien 12 in der Absorptionszelle 9 dadurch aufgehoben zu werden, daß mittels eine Kontrastart-Umschalteinrichtung 17 (Fig. 1) ein elektrisches Feld zwischen den großflächigen Elektroden 11 der Absorptionszelle 9 angelegt wird.

Denn dann erfolgt (Fig. 2 c, Fig. 2 d) in der Absorptionszelle 9 keine Verdrehung der Schwingungsorientierung des aus der Informationszelle 8 eintretenden polarisierten Lichts.

Während herkömmliche, für die Massenfabrikation technologisch geeignete TN-Multiplexzellen heute allenfalls einen Kontrast in der Größenordnung 1 : 3 zwischen angesteuerten und nicht angesteuerten Sichtbereichen (bei einem Mulitplexgrad von 1 : 4) erzielen lassen, erbringt die erfindungsgemäße Anzeigeeinrichtung 1 ohne besondere zusätzliche technologische Schwierigkeiten ohne weiteres ein Kontrastverhältnis von 1 : 100 und besser. Weil die Kontrastoptimierung durch die Dye-Bemessung in der separaten, einen zweiten Teil der Gesamtdrehung ausführenden Absorptionszelle 9 (und damit ohne abträgliche Beeinflussung der optimierten elektrooptischen Dynamik in der Informationszelle 8) erfolgt, erbringt also die erfindungsgemäße Doppelzellen-Anzeigeeinrichtung 1 die Möglichkeit der Realisierung sehr kontrastreicher, insbesondere auch für Matrix-Darstellungen geeigneter TN-Multiplexzellen sowohl für Negativ- wie auch für Positivkontrastdarstellung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist die zweckmäßige Möglichkeit berücksichtigt, die auf der Trennplatte 7 aufgebrachten, der Absorptionszelle 9

zugehörigen großflächigen Elektroden 11 als Heizelemente einer elektrischen Widerstandsheizung einzusetzen, indem sie von Strom aus einer Heizenergie-Leistungsquelle 18 durchflossen werden. Deren Heizstrom kann nach Maßgabe der Umgehungstemperatur der Anzeigeeinrichtung 1 gesteuert sein (in der Zeichnung nicht berücksichtigt). Dadurch werden über die aufgeheizte dünne Trennplatte 7 die Flüssigkristallmaterialien 12 in der Informationszelle 8 erwärmt, wodurch eine Verschlechterung der elektrooptischen Umschaltdynamik bei sinkender Umgebungstemperatur vermeidbar ist.

Da die als Heizschicht dienenden großflächigen Elektroden 11 auf der Trennplatte 7 große Abstände vom Polarisator 4 wie auch vom Analysator 6 aufweist, ist es praktisch ausgeschlossen, daß diese durch jene Heizmaßnahme beeinträchtigt werden können.

Da die Absorptionszelle 9 keine informationsabhängige elektrooptisch^ Ansteuerung erfährt, allenfalls eine Kontrast-Umschaltung über die Einrichtung 17, kann - wie in Fig. 1 berücksichtigt- vorgesehen sein, die Doppelbrechungswirkung der dyedotierten Flüssigkristallmaterialien 12 in der Absorptionszelle 9 elektrisch dahingehend zu beeinflussen, daß bei nicht angesteuerten Informations-Elektroden

10 im Gesamtsystem der Anzeigeeinrichtung 1 sich eine minimale Resttransmission für eine gewünschte Farbe der Informationsdarstellung einstellt; indem über die Doppelbrechung in der Zelle 9 der Gangunterschied des Gesamtsystems der Hintereinanderschaltung aus Informationszelle 8 und Absorptionzelle 9 entsprechend eingestellt wird. Eine solche geringfügige Aufrichtung der Moleküle entspricht optisch einer Variation der wirksamen Schicktdicke in der Zelle 9, also der Blockierung eines bestimmten Spektralbereiches. Für diese leichte elektrostatische Verformung der Molekül-Orientierungen zwischen den Elektroden 11 ist eine Steuerspannungsquelle 19 vorgesehen, die einen entsprechenden Potentialunterschied zwischen den Elektroden

11 hervorruft. Wenn außerdem die Kontrastart-Umschalteinrichtung 17

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zusätzlich vorgesehen ist, kann eine einfache additive Zusammenschaltung erfolgen, wie in Fig 1 durch einen Spannungssummierer 20 symbolisch berücksichtigt.

Da diese Steuerspannung, zur Feinabstimmung des gesperrten Spektralbereiches, nur geringfügig oberhalb der Schwellspannung liegt, kann es wegen der starken Temperaturabhängigkeit der Doppelbrechungseigenschaften einer solchen Zelle 9 zweckmäßig sein, wie in Fig. 1 berücksichtigt die Steuerspannungsquelle 19 mit einer temperaturgeführten Störgröße zu beaufschlagen, die von einer Temperaturmeßeinrichtung 21 geliefert wird. Als solche, kann eine Kapazitätsmeßeinrichtung vorgesehen sein, die die temperaturabhängige Kapazität über die dyedotierten Flüssigkeitsmaterialien 12/15 zwischen den großflächigen Elektroden 11 der Absorptionszelle 9 mißt.Es kann aber auch vorgesehen sein, über ein optisches Meßgerät 22 die Resttransmission (Helligkeit) in einem nicht auf optische Durchlässigkeit angesteuerten Bereich der Anzeigeeinrichtung 1 zu messen und daraus die Störgrößenaufschaltung auf die Steuerspannungsquelle 19,für optimierte und möglichst temperaturkonstante Resttransmissionsunterdrückung aufgrund elektrischer Anpassung der Doppelbrechungseigenschaften in der Absorptionszelle 9, abzuleiten.

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- Leerseite -

Claims (9)

1. Patentansprüche

   ( 1.J- Doppeldrehzellen-Anzeigeeinrichtung (1) mit einer Trennplatte (7) zwischen einer mit einem Polarisator (4) ausgestatteten Rückplatte (2) und einer mit einem Analysator (6) ausgestatteten Frontplatte (5),
   ^ dadurch gekennzeichnet,

   daß auf der Rückseite der Trennplatte (7) eine Informationszelle (8) mit Flüssigkristallmaterialien (12) zwischen segmentierten Informations-Elektroden (10) und auf der Vorderseite der Trennplatte (7) eine dagegen dickere Absorptionszelle (9) mit Dye-Zuschlagmaterialien (15) in ihren Flüssigkristallmaterialien (12) zwischen großflächigen Elektroden (11) ausgebildet sind.
2. 2. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   ■*· daß die Zellen (8,9) auf den beiden Seiten der Trennplatte (7) Orientierungsschichten (13'', 13' '')mit zueinander parallelen Orientierungsrichtungen ausfweisen.
3. 3. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

   . daß jede Zelle (8,9) eine Molekül-Drehung von bis zu 90° aufweist.
4. 4. Anzeigeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

   daß eine auf der Trennplatte (7) ausgebildete großflächige Elektrode (11) im Stromkreis einer Heizenergie-Leistungsquelle (18) liegt.

   ...2 30
5. 5. Anzeigeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen großflächigen Elektroden (11) beiderseits der Absorptionszelle (9) eine Steuerspannungsquelle (19) zur elektrischen Einstellung der optischen Doppelbrechung in der Absorptionszelle (9; eingeschaltet ist.
6. 6. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungsquelle (19) eine Störgrößenbeaufschlagung aus einer Temperaturmeßeinrichtung (21) erfährt.
7. 7. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (21) als Kapazitätsmeßschaltung zwischen den großflächigen Elektroden (11) beiderseits der Absorptionszelle (9) ausgebildet ist.
8. 8. Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 5,oder 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Steuerspannungsquelle (19) eine Störgrößenbeaufschlagung, nach Maßgabe der Resttransmissions-Helligkeit in einem nicht auf optischen Durchlaß angesteuerten Bereich der Anzeigeeinrichtung (1), aus einem optischen Meßgerät (22) erfährt. 25
9. 9. Anzeigeeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die großflächigen Elektroden (11) beiderseits der Absorptionszelle (9) eine Kontrastarten-Umsehalteinrichtung (17) eingeschaltet ist.