DE3443567A1 - Fluessigkristall-anzeigeeinrichtung - Google Patents

Fluessigkristall-anzeigeeinrichtung

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crystal display
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Yutaka Nara Ishii
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Description

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER
3 kl-. ^ VJ
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In den letzten Jahren wurden Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen vom Transmissionstyp mit verdrehtnematischem Flüssigkristall zur Darstellung von Mehrfarbenbildern entwickelt, die mit drei primären Farbfiltern für die Farben Rot, Grün und Blau arbeiten.
Dabei wurden zur Erzeugung von Farbfernsehbildern mit Hilfe der verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen Ansteuermethoden, der Aufbau von primären Farbfiltern sowie einzusetzende Flüssigkristallmaterialien eingehend untersucht. Die im Vordergrund stehende Frage war, wie möglichst klare Farben und ein weiter Farbbereich erhalten werden konnten. Im Zusammenhang mit Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen, deren Ansteuerung im Multiplexbetrieb erfolgt, wurde das oben genannte Problem nicht diskutiert.
Bei Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen mit drei primären Farbfiltern ist jedes einzelne Farbfilter jeder Kombination von drei primären Farbfiltern für die Farben Rot, Grün und Blau auf jeweils einem Bildelement angeordnet, das der Uberschneidungszone zwischen einer X- und einer Y-Elektrode, die matrixförmig angeordnet sind, entspricht. Die drei primären Farben, die durch die auf den Bildelementen angeordneten einzelnen
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Farbfilter erzeugt werden, werden mit Hilfe optischer Verschlüsse, die durch einen Flüssigkristall von verdreht-nematischem Typ gebildet sind, miteinander gemischt.
Dementsprechend ist es erforderlich, daß die Anzeigecharakteristik der Bildelemente bei verdreht-nematischer Betriebsart gleich bzw. einheitlich und unabhängig vom Anzeigebereich auf der Anzeigefläche bzw. von demjenigen Winkel ist, unter dem ein Beobachter auf die Anzeigefläche schaut.
Die Figur 1 (A) zeigt einen Querschnitt einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung zur Erläuterung ihrer prinzipiellen Betriebsweise bei der Mehrfarbendarstellung.
Zwischen zwei Polarisatoren 1, I1 sind zwei Glassubstrate 2, 2' bzw. Glasplatten parallel zueinanderliegend angeordnet, zwischen denen sich eine Flüssigkristallmaterialschicht 20 befindet. Zwischen der Flüssigkristallmaterialschicht 20 und jeweils einem Substrat 2, 21 sind transparente Elektroden 3, 3' angeordnet. Die Bildelemente werden durch die sich überschneidenden Bereiche der Elektroden 3, 3', welche matrixförmig angeordnet sind, gebildet. Der Polarisator I1 arbeitet als Analysator.
Auf den transparenten Elektroden 31 sind entsprechend den Bildelementen jeweils die einzelnen Farbfilter angeordnet, beispielsweise ein Rotfilter 4, ein Grünfilter 5 und ein Blaufilter 6.
Die Flüssigkristallmaterialschicht 20 enthält Flüssigkristallmoleküle 7, die in verdreht-nematischer Anordnung orientiert sind.
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An jeder der Elektroden 3, 3' ist mittels einer Spannungsquelle 9 durch Betätigung jeweils eines Schalters 8a, 8b und 8c, die den jeweiligen Farbfiltern 4, 5 und 6 zugeordnet sind, eine sich ändernde Spannung anlegbar. Die Orientierungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle im jeweiligen Überschneidungsbereich zwischen den Elektroden 3, 31 ist daher in Abhängigkeit der sich ändernden Spannung, die beispielsweise eine sinusförmige, rechteckförmige oder in anderer Weise ausgebildete Wechselspannung sein kann, veränderbar.
Hinter der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ist eine Lichtquelle 10 angeordnet. Wenn von dieser Lichtquelle 10 Licht durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung hindurchtritt,und mit Hilfe der den einzelnen Farbfiltern 4,5 und 6 zugeordneten Schalter 8a, 8b und 8c die genannte Viechsei spannung an die Elektroden 3, 3? angelegt wird, läßt sich ein Mehrfarbenbild auf der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinheit darstellen.
In der Figur 1(B) ist die Transmission des Lichtes in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen, wenn jeder der Schalter 8a, 8b und 8c ein- bzw. ausgeschaltet ist.
Ist ein Schalter 8a, 8b oder 8c eingeschaltet, so wird das Licht mit derjenigen Farbe, die dem dem entsprechenden Schalter zugeordneten primären Farbfilter 4, 5 oder 6 entspricht, maximal transmittiert. Durch entsprechende Betätigung der Schalter 8a, 8b und 8c läßt sich somit eine Mehrfarbendarstellung erzeugen.
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Bei Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen mit verdrehtnematischen Flüssigkristallen ist die elektro-optische Charakteristik abhängig vom Beobachtungswinkel θ , wie in Figur 2 dargestellt.Blickt ein Beobachter 11, wie in Figur 3 gezeigt, auf die Anzeigefläche der Flüssigkristall-AnzeigeeinrichtungD,so erkennt er eine unterschiedliche Anzeigecharakteristik zwischen zwei Bildelementen, die zum Beispiel in vertikaler Richtung auf der Anzeigefläche oder in horizontaler Richtung auf der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind. Der Beobachtungswinkel zwischen den beiden Bildelementen, die in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind, sei beispielsweise Δ £, während der Beobachtungswinkel zwischen den beiden in horizontaler Richtung voneinander beabstandeten Bildelementen raitAX bezeichnet sein soll. Das unterschiedliche Anzeigeverhalten der jeweiligen Bildelemente führt zu einer Farbdiffusion bzw. Farbverwaschung und zur Verminderung des Farbkontrastes.
Entsprechend der Figur 2(A) sind die Flüssigkristallmoleküle 7 in der Nähe des Glassubstrats 2 in Richtung des Vektors r*, orientiert, während die Flüssigkristallmoleküle 7 in der Nähe des Glassubstrats 2' in Richtung des Vektors rt, orientiert sind. Die Polarisatoren 1 bzw. I1 haben Polarisationsrichtungen, die jeweils durch die Pfeile A und P gekennzeichnet sind.
Die X-, Y- und Z-Koordinaten sind, wie in Figur 2 (A) angegeben, in Bezug auf die Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung definiert. Die Richtung des einfallenden Lichtes ist durch den Vektor B1 angegeben. Die Beobachtungsrichtung des Beobachters 11 wird durch den Vektor iL angezeigt. Der Winkel θ liegt zwischen der Beobachtungsrichtung B„ und der Z-Achse. Der Winkel *f liegt zwischen der X-Achse und der Projektion
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des Vektors "67-, der Beobachtungsrichtung auf die X-Y-Ebene.
In der Figur 2(B) ist die Transmission des Lichtes für verschiedene Winkel θ , beispielsweise für©= 0, 15, und 45 Grad in Abhängigkeit der angelegten Spannung dargestellt. Dabei ist der Winkel j konstant und beträgt im vorliegenden Fall 45 Grad. Wie aus der Figur 2(B) hervorgeht, ist die Lichtransmission abhängig vom Beobachtungswinkel θ . Wird dieser Winkel θ größer, so kann eine hohe Lichttransmission schon bei Anwendung einer geringeren Spannung erhalten werden.
Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch eine 15..konventionelle Bilddarstellungsvorrichtung, die eine
Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall, eine Lichtstreueinrichtung 12, Lichtquellen 10 und ein Gehäuse G umfaßt.
20
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D, die Lichtstreueinrichtung 12 und die Lichtquellen 10 sind innerhalb des Gehäuses G angeordnet. Die Lichtquelle 10 kann beispielsweise eine Fluoreszenzlichtquelle zur Aussendung weißen Lichts sein, die hinter der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D angeordnet ist.
Das von der Lichtquelle 10 emittierte Licht wird an der Lichtstreueinrichtung 12 gestreut und tritt dann nach Durchlaufen der Flüssigkristallmaterialschicht aus der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D aus.
Da das Licht den einzelnen Bildelementen der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D erst nach Streuung der von
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der Lichtquelle 10 ausgesandten Strahlung in die 'verschiedenen Richtungen zugeführt wird, ist der Nutzfaktor bzw. wirksame Anteil des einfallenden Lichtes relativ klein, so daß ein Kontrastwert gegenüber einem maximal möglichen Kontrastwert erheblich reduziert ist. Aufgrund der genannten Anordnung kann bei der konventionellen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung die Verminderung des Farbkontrastes nicht verhindert werden. Die Qualität der Bilder bzw. Mehrfarbenbilder auf der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ist daher nicht befriedigend.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie eine verbesserte Bildqualität und insbesondere eine geringere Farbverwaschung bzw. Farbdiffusion und einen höheren Bild- bzw. Farbkontrast aufweist.
Die Lösung der Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp besitzt wenigstens eine eine Flüssigkristallschicht enthaltende Flüssigkristallzelle, ein Paar von Polarisatoren, zwischen denen die Flüssigkristallzelle angeordnet ist, um das einfallende Licht zu polarisieren, und an der vorderen Oberfläche der Flüssigkristallzelle angeordnete optische Einrichtungen, durch die das die Flüssigkristallzelle durchsetzende Licht zu einem Beobachter hin umgelenkt wird, z.B. durch Lichtbrechung.
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung besitzt vorteilhafterweise weiterhin Farbfiltereinrichtungen, die mit
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"9" 3 4 43;;;?
jedem der Bildelemente der Flüssigkristallzelle zur Mehrfarbendarstellung verbunden sind. Statt der genannten Farbfiltereinrichtungen oder in Ergänzung dazu kann wenigstens einer der Polarisatoren ein Mehrfarben-Polarisationsfilm zur Erzeugung von Mehrfarbenbildern sein.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zweite optische Einrichtungen hinter der Flüssigkristallzelle angeordnet, um zu ermöglichen, daß das einfallende Licht schräg zur Flüssigkristallschicht verlaufen kann. Die Ausdrücke "vor" und "hinter" der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung beziehen sich jeweils auf die Beobachtungsrichtung, unter der ein Beobachter auf die Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung schaut. Vorteilhafterweise besitzt die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung einen verdrehtnematischen Flüssigkristall.
Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:
Fig. 1(A) einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung zur Erläuterung des Prinzips der Mehrfarbendarstellung,
Fig. 1(B) die Transmission des Lichtes in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge bei Ein- oder Ausschaltung der Schalter 8a, 8b und 8c, Fig. 2(A) den Aufbau einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung mit verdreht-nematischem Flüssigkristall ,
Fig. 2(B) die Beziehung zwischen der Transmission des Lichtes in Abhängigkeit der angelegten Spannung bei verschiedenen Winkeln θ von 0, 15, 30 und 45 Grad und bei konstantem Winkel J von 45 Grad,
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-ίο-
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Flüssig-
kristall-Anzeigeeinrichtung D zur Erläuterung von BeobachtungswinkelnΔΊ& und Δ j , Fig. 4 einen Querschnitt durch eine konventionelle
Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall,
Fig. 5 eine weitere Darstellung der Transmission in Abhängigkeit der angelegten Spannung bei J = 45 Grad,
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Lichttransmission bei einer verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in Abhängigkeit des Winkels J sowie unterschied-. licher Spannungen,
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall-Anze.igeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall entsprechend einem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
Fig. 8 eine Darstellung der Rot-, Grün- und Blau-Charakteristik der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Fig. 7 bei einer Spannung von etwa 1,8 bzw. 2,1 V,
Fig. 9(A) den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm
vom Transmissionstyp ("NEXY-Transparentfolie"), Fig. 9(B) den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm
vom Reflektionstyp ("NEXY-Transparentfolie"), Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, und
Fig. 11 eine Darstellung der Farbcharakteristik der
drei Primärfarben für den Fall, daß beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 die vorgegebene Spannung bei etwa 1,8 V liegt.
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3 A- 4 ο
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst das ihr zugrundeliegende Prinzip näher erläutert.
Bei einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall ist bei einer angelegten Spannung, wie etwa in Figur 5 angenommen, die Lichttransmission abhängig vom Beobachtungswinkel entsprechend der Figur 6.
In der Figur 6 ist die Lichttransmission bei verdrehtnematischem Betrieb in Abhängigkeit der Beobachtungsrichtung aufgetragen. Dabei liegt an der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung die Spannung VQ an, wobei der Wert TS die Lichttransmission angibt. Bei den Spannungen v9lo, V,no und V1no beträgt die Lichttransmission
XU5S XU-S XU-S
jeweils 10%, während der Winkel θ die Werte 0°, 5° und 15° annimmt, jeweils bei einem Winkel J von etwa 45°, in Übereinstimmung mit der besten Beobachtungsrichtung. Ist der Winkel θ jeweils konstant, z.B. 45° oder dergleichen, so zeigt die Kurve 1 einen Zustand, bei dem der effektive
0 °
Wert der angelegten Spannung V-, Qo ist, die Kurve 2 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten
5 °
Spannung V,no ist, die Kurve 3 einen Zustand, bei
IU-S 0
dem der effektive Wert der angelegten Spannung V1no
XU-S ist, und die Kurve 4 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten Spannung V=O ist.
Wie aus Figur 6 hervorgeht, kann das einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in verschiedenen Richtungen über einen Bereich von etwa 270° (-90° = / = +180°) durchsetzen, wenn die angelegte Spannung relativ hoch ist, während das einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nur in einer spezifischen Richtung durchsetzen kann, wenn die angelegte Spannung klein ist. Aus diesem Grunde kann die Richtwirkung bzw. die Richtcharakteristik der Flüssig-
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kristall-Anzeigeeinrichtung gebündelt bzw. eingestellt werden, und zwar durch Verminderung der angelegten Spannung bis auf eine solche, die z.B. größer als eine Schwellwertspannung ist.
5
Es ist unmittelbar ersichtlich, daß das auf die Bildelemente der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in verschiedenen Richtungen auftreffende bzw. einfallende Licht unter einer bestimmten Richtung von der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung abgegeben bzw. abgestrahlt werden kann, wenn die an die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung angelegte bzw. voreingestellte Spannung innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs bis zu einer Spannung, die größer als die genannte Schwellwertspannung ist, vermindert wird. Dies kann wirkungsvoll bei verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen mit primären Farbfiltern entsprechend einem ersten Merkmal nach der Erfindung ausgenutzt werden.
Da die Anzeigecharakteristika bezüglich des einfallenden Lichtes in der bestimmten Richtung für die einzelnen Bildelemente gleich sind, kann das bei den Vorrichtungen nach den Figuren 3 und 4 durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nur in dieser bestimmten Richtung hindurchtretende Licht zur Bilddarstellung herangezogen werden, wenn die angelegte Spannung relativ gering ist. Hierdurch können die Farbdiffusion bzw. Farbverwaschung und die Verminderung des Farbkontrastes verbessert werden.
Die angelegte Spannung kann die Anzeigecharakteristik jedoch auch negativ beeinflussen. So ruft eine hohe Spannung einen relativ niedrigen Kontrast hervor,
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während eine niedrige Spannung Ursache für eine zu dunkle Bilddarstellung ist.
Um einen akzeptablen Grenzwert der anzulegenden Spannung herauszufinden, wurde die Anzeigequalität verschiedener Flussigkristallmaterialien untersucht, wie zum Beispiel Flüssigkristallmaterialien vom Biphenyl-Typ, Cyclohexen-Typ, Ester-Typ, Dioxan-Typ, Pyrimidin-Typ und deren Mischungen.
Im Ergebnis wurde herausgefunden, daß die anzulegende Spannung gleich oder auch kleiner als eine Schwellwertspannung sein kann, wenn der Winkel θ etwa 15° und der Winkel f etwa 45° bezüglich der besten Beobachtungsrichtung betragen. Die Schwellwertspannung ist dabei diejenige Spannung, bei der eine Lichttransmission von etwa 10% erhalten wird. Auf diese Weise können die Richtwirkung der Anzeigecharakteristik durch Anlegen der oben genannten Spannung an die Elektroden der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung verbessert und eine optimale Bildhelligkeit bzw. 'ein guter Bildkontrast erhalten werden. Wie bereits beschrieben, kann bei größerem Winkel θ zwecks Verbesserung des Anzeigekontrastes das relativ gute Kontrastbild von einem vor der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung positionierten Betrachter nicht beobachtet werden.
Obwohl also das genannte Bild in der spezifischen Richtung auf der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung projiziert werden kann, sind weitere Maßnahmen gemäß einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung erforderlich, um das oben angesprochene Problem zu lösen.
Das einfallende Licht in einer quer bzw. schräg durch
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die F lüs s igkr is ta 11-Anzeigeeinrichtung verlaufenden Richtung wird umgelenkt bzw. gebrochen, und zwar in Richtung senkrecht zu der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung oder in Richtung auf den Beobachter. 5
Zur Brechung des Lichtes wird ein Brechungselement verwendet, welches das in der spezifischen Richtung einfallende Licht in eine andere Richtung ablenkt. Beispielsweise kann das Brechungselement ein optisches Element wie etwa ein Prisma, eine Glasfaserplatte, ein Streuelement oder dergleichen sein. Das Refraktionsbzw. Brechungselement befindet sich in Kontakt mit der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung, um einen guten Anzeigekontrast in Beobachtungsrichtung zu erhalten. 15
Ist das oben genannte Brechungselement mit der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung verbunden, so wird das einfallende und durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung quer bzw. schräg verlaufende Licht durch das Brechungselement in eine Richtung umgelenkt, die z.B. parallel zur Normalen des Glassubstraes 2 verläuft.
Die oben genannte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung kompakter und tragbarer Einrichtungen, beispielsweise im Taschenformat.
Obwohl bereits gegenüber den konventionellen Anzeigeeinrichtungen die Bildqualität mit Hilfe der zuvor beschriebenen Maßnahmenerheblich verbessert worden ist, kann diese noch weiter erhöht werden, wie nachfolgend beschrieben.
Bei einer verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung kann das in verschiedene Richtungen eintretende Licht nicht vollständig blockiert bzw. unterbrochen werden, selbst wenn in einer bestimmten Aus-
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schalt-Betriebsart feldfreie Bedingungen erzeugt werden. Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung wird vielmehr auch dann von einem Teil des einfallenden Lichtes durchsetzt. Bei der Ausschaltbetriebsart verlaufen die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisatoren parallel zueinander.
Das Verhalten der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung während der genannten Ausschaltbetriebsart wird bestimmt durch die Doppelbrechung Δ, η des Flüssigkristallmaterials und durch die Dicke d der Flüsigkristallmaterialschicht. Dabei kann das einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung dann merklich durchsetzen, wenn An(X) d~l,2 ist. ?\ ist hierbei die Lichtwellenlänge, die im Bereich zwischen etwa 400 nm und 700 nm liegt.
Bei der Anzeigeeinrichtung nach Figur 4, die in Kontakt mit einer Streuplatte 12 steht, kann ein Teil des einfallenden Lichtes aufgrund der unvollkommenen Blockiermöglichkeit des Flüssigkristalls auch dann die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung durchsetzen, wenn diese mittels einer niedrigen Spannung angesteuert wird, so daß dadurch wiederum eine Reduktion des Farbkontrastes sowie eine Farbschwächung unvermeidlich hervorgerufen werden.
Um die unvollständige Blockiermöglichkeit zu beheben, wird das auf die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung 0 auf treffende Licht parallel zueinander verlaufend emittiert bzw. parallelisiert, so daß dieses parallel zueinander verlaufende einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in einer schräg zu ihr verlaufenden Richtung gemäß einem dritten Merkmal der vorliegenden Erfindung durchsetzen kann.
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Da das parallel einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung unter ansonsten gleichen Bedingungen nunmehr schräg durchsetzt, ergibt sich eine gleichmäßigere Anzeigecharakterisitk der Bildelemente bei einer verbesserten Orientierung des einfallenden Lichtes. Das einfallende Licht wird jetzt daran gehindert, in senkrechter Richtung gegen die Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung zu laufen.
Wie der Figur 2(B) zu entnehmen ist, kann die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung mittels einer geringen Spannung unter Einhaltung enger Operationsgrenzen (geringer Spannungsbereich) angesteuert werden, da beim Niedrigspannungsbetrieb eine relativ steile Schwellwertcharakteristik vorhanden ist. Die Transmission ist zwischen ihren Grenzwerten mittels nur einer geringen Spannungsänderung steuerbar. Der Niedrigspannungsbetrieb mit geringen Operationsgrenzen ist daher geeignet, die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung im Multiplexverfahren zu betreiben.
Mit Hilfe eines Lichtrasters, einer Glasfaserplatte oder eines anderen geeigneten optischen Systems, das Linsen oder Spiegel aufweist, kann das in die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung eintretende und sie durchlaufende Licht parallelisiert werden, wobei der schräge Lichtverlauf durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung mit Hilfe der genannten Elemente angestellt wird.
Der Einfallswinkel des in die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung eintretenden Lichtes kann innerhalb eines Winkelbereichs von etwa 15° bis etwa 80° liegen, wobei der Einfallswinkel derjenige Winkel ist, der zwischen der Normalen auf dem Glassubstrat 2' und der einfallenden Lichtrichtung I?, liegt. In diesem Fall besitzt die Anzeigecharakteristik
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eine besonders gute Richtwirkung.
Wie bereits beschrieben, kann bei einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdrehtnematischem Flüssigkristall und unter Einsatz einiger Farbfilter eine merkliche Verbesserung der Anzeigeeigenschaften gegenüber denjenigen bei konventionellen Einrichtungen für die Mehrfarbendarstellung erzielt werden, wenn die Ansteuerbedingungen der Flüssigkristallzelle, die Einfallsbedingungen für das in die Flüssigkristallzelle einfallende Licht und die Transmissionbedingungen für das sie durchsetzende Licht optimiert sind.
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann zum Beispiel als Anzeigeeinrichtung in einem Automobil, als graphische Anzeigeeinrichtung, als Farbbuchstaben-Anzeigeeinrichtung, als Schwarzweißfernseher oder als Farbfernseher eingesetzt werden. Die zur Darstellung eines Mehrfarbenbildes erforderlichen Bauteile sind dabei nicht auf die bereits genannten primären Farbfilter begrenzt. Beispielsweise kann auch ein primärer Farbpolarisator eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht nur auf Mehrfarben-Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen, sondern umfaßt selbstverständlich auch Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen vom Einfarbentyp.
Beispiel I
Die Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmisstionstyp gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Ein Beobachter 111 steht vor der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom verdreht-nematischen Typ, welche ein Primsa 114, einen vorderen Polarisator 101, ein vorders Glassubstrat 102, ein hinteres Glassubstrat 102', einen hinteren Polarisator 101' und ein Lichtstreuelement 113 enthält. Zwischen dem vorderen und dem hinteren Glassubstrat 102 bzw. 102' ist eine Flüssigkristallmaterialschicht angeordnet. Vordere Elektroden und hintere Elektroden sind auf den inneren bzw. der Flüssigkristallschicht zugewandten Oberflächen der vorderen und hinteren Glassubstrate 102 bzw. 102' jeweils angeordnet. Die vorderen und hinteren Elektroden sind dabei matrixförmig zueinander positioniert. Jedes einzelne Farbfilter der Rotfilter, Grünfilter und Blaufilter ist für sich in einem Bereich angeordnet, der einem Überschneidungsbereich zwischen den vorderen und den hinteren Elektroden entspricht.
Die Polarisatoren 101 und 101' sind jeweils an den äußeren Oberflächen der vorderen und hinteren Glassubstrate 102 und 102' befestigt.
Die Flüssigkristallmaterialschicht enthält Flüssigkristallmoleküle, die entsprechend dem verdrehtnematischen Zustand orientiert sind. Das Flüssigkristallmaterial kann beispielsweise vom Biphenyl-Pyrimidin-Typ sein ("RO-TN-403", hergestellt durch Hoffmann-La Roche Inc.). Die Dicke der Flüssigkristallmaterialschicht beträgt im vorliegenden Fall etwa 6μπ\, während die Schwellspannungen vJQ%, V*jj%, V1Q% und V1Q% des Flüssigkristallmaterials jeweils bei etwa 2,1 V, 1,8 V, 1,5 V und 1,3 V liegen (Ansprechspannungen).
Das Lichtstreuelement 113 ist an der rückwärtigen Seite des Polarisators 101' angebracht. Das Prisma 114 liegt
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dagegen an der vorderen Seite des Polarisators 101 vor der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung.
Das von der hinter der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung angeordneten Lichtquelle 103 ausgesandte Licht fällt zunächst auf das Lichtstreuelement 113, so daß das dieses Lichtstreuelement 113 durchsetzende Licht gestreut wird.
Dieses gestreute Licht tritt in die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ein. Beim Durchlaufen durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung wird ein Teil des gestreuten Lichts in gleichförmiges und in einer schrägen Richtung verlaufendes Licht umgewandelt. Anschließend wird dieses in der schrägen Richtung verlaufende gleichförmige Licht durch das Prisma 114 in Frontrichtung der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung gebrochen, so daß ein Betrachter gegebenenfalls ein Mehrfarbenbild beobachten kann. Die Frontrichtung verläuft zum Beispiel senkrecht zur Oberfläche des vorderen Glassubstrates 102.
Die Figur 8 zeigt die Rot-, Grün- und Blaucharakteristik der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Figur 7 für den Fall, daß vorher eine Spannung von etwa 1,8 V festgelegt worden ist. Sie zeigt darüberhinaus die entsprechenden Farbcharakteristika für eine festgesetzte Spannung von 2,1 V, wobei das Prisma 114 von der Vorderseite des Polarisators 101 entfernt worden ist.
Durch einen Vergleich beider Charakteristika lassen sich die vorteilhaften Eigenschaften der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach der Erfindung klar erkennen.
Statt des Prismas 114 können selbstverständlich auch eine Glasfaserplatte, ein Lichtstreuelement, eine transparente optische Folie ("NEXY-Transparentfolie,
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hergestellt durch Nisyogiken & Co.) oder andere geeignete optische Systeme verwendet werden. Die Glasfaserplatte besitzt eine Vielzahl von Glasfasern mit sehr kleinem Durchmesser, die in Form einer Platte angeordnet sind. Die Glasfaserplatte kann das in sie eintretende schräg verlaufende Licht in die Frontrichtung der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung bzw. zu einem Beobachter hin umlenken. Das umzulenkende Licht verläuft dabei in einer schrägen Richtung durch die ebene Flüssigkristal1-Anzeigeeinrichtung hindurch, welche von der Richtung der Normalen der Glassubstrate 102, 102' abweicht.
Grundsätzlich kann die Umlenkung des durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung schräg hindurchlaufenden Lichtes durch Brechung oder Reflektion erfolgen. In der Figur 9(A) ist der Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm vom Transmissiontyp ("NEXY-Transparentfolie") dargestellt. Die Figur 9(B) zeigt dagegen den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm vom Reflektionstyp ("NEXY-Transparentfolie").
Beispiel II
Die Figur 10 zeigt einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissiontyp mit
einem verdreht-nematischen Flüssigkristall entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung. Entsprechende Elemente wie in Figur 7 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. 30
Zwischen dem Lichtstreuelement 113 und dem hinteren Polarisator 101' ist ein Lichtraster 115 angeordnet, durch das das einfallende Licht gegenüber der Normalen des plattenförmig ausgebildeten Lichtrasters 115 um etwa 60° abgelenkt wird.
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Auf diese Weise wird das von der Lichtquelle 103 stammende Licht in einen gleichgerichteten parallelen Lichtstrcm umgewandelt, der die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in einer schrägen Richtung, also in einer von der Normalen der Glasplatte 102 abweichenden Richtung, durchläuft. Dieser die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung schräg durchlaufende Lichtstrom wird mit Hilfe des an der Vorderseite angeordneten Prismas 114 so umgelenkt bzw. gebrochen, daß er in Frontrichtung der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung (Richtung der Normalen des Glassubstrats 102) bzw. auf einen Beobachter 111 zu verläuft.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann als Flüssigkristallmaterial "RO-TO-403" verwendet werden.
In Figur 11 ist die Farbcharakteristik bezüglich der drei Primärfarben für den Fall dargestellt, daß die angelegte Spannung beim Ausführungsbeispiel nach Figur 10 auf etwa 1,8 V festgelegt ist (Beispiel II). Gleichzeitig ist in Figur 11 die Charakteristik gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 7 und 8 als Beispiel I eingetragen. Ein Vergleich läßt unmittelbar erkennen, daß mit dem Beispiel II (Ausfuhrungsbeispiel nach Figur 10) ein weiterer Fortschritt erzielt worden ist.
Selbstverständlich können beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 10 statt des Lichtrasters 115 auch eine Glasfaserplatte mit einer Vielzahl von Glasfasern zur Umlenkung bzw. Ausrichtung des Lichtes, ein optisches System, welches Linsen oder Spiegel zur Erzeugung parallelen Lichts enthält, oder optische Folien, wie in den Figuren 9(A) und 9(B) gezeigt, eingesetzt werden.
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Claims (6)

TER MEER-MULLER-STEINMEISTER PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-Ing. H. Steinmeister DipWn0. F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51 Tnftstrasse A, _ _ _ D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1 J 4 4 O 0 0 / MÜ/tM/Ur/b 2363-GER-H 29. November 1984 SHARP KABUSHIKI KAISHA 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka 545, Japan F1üssigkrista11-AnZeigeeinrichtung Priorität: 29. November 1983, Japan, Ser.No. 58-227294 (P) PATENTANSPRÜCHE
1. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp, gekennzeichnet durch wenigstens
- eine eine Flüssigkristallschicht enthaltende Flüssigkristallzelle (102, 1021),
- ein Paar von Polarisatoren (101, 101'), zwischen denen die Flüssigkristallzelle (102, 102') angeordnet ist, um das einfallende Licht zu polarisieren, und durch
- an der vorderen Oberfläche der Flüssigkristallzelle (102, 102') angeordnete optische Einrichtungen (114), durch die das die Flüssigkristallzelle durchsetzende Licht zu einem Beobachter (111) hin umgelenkt wird.
2. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung durch Lichtbrechung erfolgt.
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3. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ferner Farbfiltereinrichtungen (4, 5, 6) jedem Bildelement der Flüssigkristallzelle (102, 102') zur Mehrfarbendarstellung zugeordnet sind.
4. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Polarisatoren (101, 101') ein Mehrfarben-Polarisationsfilm zur Erzeugung von Mehrfarbenbildern ist.
5. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, 2,
3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zweite optische Einrichtungen (115) hinter der Flüssigkristallzelle (102, 102') angeordnet sind, um zu ermöglichen, daß das einfallende Licht schräg zur Flüssigkristallschicht verläuft.
6. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen verdrehtnematischen Flüssigkristall besitzt.
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