DE3443567C2 - - Google Patents

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DE3443567C2
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Kenichi Tenri Nara Jp Nakagawa
Fumiaki Yamatokoriyama Nara Jp Funada
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Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-OS 26 55 166 ist bereits eine Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung bekannt, mit
  • - einer Lichtquelle,
  • - einer mittels der Lichtquelle bestrahlten Flüssigkri­ stallzelle,
  • - einem Paar von Polarisatoren, zwischen denen die Flüssig­ kristallzelle angeordnet ist,
  • - einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an sich kreuzenden Elektroden der Flüssigkristallzelle, und mit
  • - einer an der vorderen Oberfläche der Flüssigkristallzelle angeordneten optischen Einrichtung, durch die das die Flüs­ sigkristallzelle durchsetzende Licht zu einem Beobachter hin ablenkbar ist.
Diese bekannte Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung wird in Reflexion betrieben.
Eine weitere Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung ist aus der US-PS 42 91 949 bekannt. Diese Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung enthält einen nematischen Flüssigkristall, bei dem die longitudinalen Achsen der Moleküle unter einem Winkel von 3° bis 30° relativ zur Normalen geneigt sind, wenn keine Spannung anliegt. Es ist somit möglich, bei der in Trans­ mission arbeitenden Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung das Licht praktisch entlang einer einzigen spezifischen Rich­ tung zu bündeln.
Die US-PS 43 84 764 offenbart eine weitere und in Transmis­ sion arbeitende Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung, an de­ ren Rückseite eine Lichtlenkeinrichtung vorhanden ist. Durch sie wird einfallendes Licht unter einem definierten Winkel auf die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung gerich­ tet. Es tritt nach vorn innerhalb eines bestimmten Winkel­ bereichs aus.
In den letzten Jahren wurden Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtungen vom Transmissionstyp mit verdreht- nematischem Flüssigkristall zur Darstellung von Mehr­ farbenbildern entwickelt, die mit drei primären Farb­ filtern 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 einzusetzenden Flüssig­ kristallmaterialien eingehend untersucht. Die im Vordergrund stehende Frage war, wie möglichst klare Farben und ein weiter Farbbereich erhalten werden konnten. Im Zusammenhang mit Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtungen, 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 Überschneidungszone zwischen einer X- und einer Y-Elektrode, die matrix­ förmig angeordnet sind, entspricht. Die drei primären Farben, die durch die auf den Bildelementen angeordneten einzelnen Farbfiltern erzeugt werden, werden mit Hilfe optischer Verschlüsse, die durch einen Flüssigkristall vom ver­ dreht-nematischen Typ gebildet sind, miteinander gemischt.
Dementsprechend ist es erforderlich, daß die Anzeige­ charakteristik 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 Fig. 1(A) zeigt einen Querschnitt einer Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung zur Erläuterung ihrer prinzipiellen Betriebsweise bei der Mehrfarbendarstellung.
Zwischen zwei Polarisatoren 1, 1′ sind zwei Glas­ substrate 2, 2′ bzw. Glasplatten parallel zueinander­ liegend angeordnet, zwischen denen sich eine Flüssig­ kristallmaterialschicht 20 befindet. Zwischen der Flüssigkristallmaterialschicht 20 und jeweils einem Substrat 2, 2′ 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 1′ arbeitet als Analysator.
Auf den transparenten Elektroden 3′ sind entsprechend den Bildelementen jeweils die einzelnen Farbfilter angeordnet, beispielsweise ein Rotfilter 4, ein Grün­ filter 5 und ein Blaufilter 6.
Die Flüssigkristallmaterialschicht 20 enthält Flüssig­ kristallmoleküle 7, die in verdreht-nematischer An­ ordnung orientiert sind.
An jede der Elektroden 3, 3′ ist mittels einer Spannungsquelle 9 durch Betätigung jeweils eines Schalters 8 a, 8 b und 8 c, die den jeweiligen Farb­ filtern 4, 5 und 6 zugeordnet sind, eine sich ändernde Spannung anlegbar. Die Orientierungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle im jeweiligen Überschneidungs­ bereich zwischen den Elektroden 3, 3′ 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 Licht­ quelle 10 Licht durch die Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung hindurchtritt, und mit Hilfe der den einzelnen Farbfiltern 4, 5 und 6 zugeordneten Schalter 8 a, 8 b und 8 c die genannte Wechselspannung an die Elektroden 3, 3′ angelegt wird, läßt sich ein Mehrfarbenbild auf der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinheit darstellen.
In der Fig. 1(B) ist die Transmission des Lichtes in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen, wenn jeder der Schalter 8 a, 8 b und 8 c ein- bzw. ausgeschaltet ist.
Ist ein Schalter 8 a, 8 b oder 8 c eingeschaltet, so wird das Licht mit derjenigen Farbe, die dem dem entsprechenden Schalter zugeordneten primären Farb­ filter 4, 5 oder 6 entspricht, maximal transmittiert. Durch entsprechende Betätigung der Schalter 8 a, 8 b und 8 c läßt sich somit eine Mehrfarbendarstellung erzeugen.
Bei Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtungen mit verdreht- nematischen Flüssigkristallen ist die elektro-optische Charakteristik abhängig vom Beobachtungswinkel R, wie in Fig. 2 dargestellt. Blickt ein Beobachter 11, wie in Fig. 3 gezeigt, auf die Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D, 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-Anzeigeein­ richtung im Abstand voneinander angeordnet sind. Der Beobachtungswinkel zwischen den beiden Bildelementen, die in vertikaler Richtung voneinander beabstandet sind, sei beispielsweise Δξ, während der Beobachtungswinkel zwischen den beiden in horizontaler Richtung voneinander beabstandeten Bildelementen mit Δ bezeichnet sein soll. Das unterschiedliche Anzeigeverhalten der jeweiligen Bild­ elemente führt zu einer Farbdiffusion bzw. Farbver­ waschung und zur Verminderung des Farbkontrastes.
Entsprechend der Fig. 2(A) sind die Flüssigkristall­ moleküle 7 in der Nähe des Glassubstrats 2 in Richtung des Vektors r 1 orientiert, während die Flüssigkristall­ moleküle 7 in der Nähe des Glassubstrats 2′ in Richtung des Vektors r 2 orientiert sind. Die Polarisatoren 1 bzw. 1′ haben Polarisationsrichtungen, die jeweils durch die Pfeile A und P gekennzeichnet sind.
Die X-, Y- und Z-Koordinaten sind, wie in Fig. 2(A) angegeben, in bezug auf die Anzeigefläche der Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung definiert. Die Richtung des ein­ fallenden Lichtes ist durch den Vektor B 1 angegeben. Die Beobachtungsrichtung des Beobachters 11 wird durch den Vektor B 2 angezeigt. Der Winkel R liegt zwischen der Beobachtungsrichtung B 2 und der Z-Achse. Der Winkel ϕ liegt zwischen der X-Achse und der Projektion des Vektors B 2 der Beobachtungsrichtung auf die X-Y- Ebene.
In der Fig. 2(B) ist die Transmission des Lichtes für verschiedene Winkel R, beispielsweise für R = 0, 15, 30 und 45 Grad, in Abhängigkeit der angelegten Spannung dargestellt. Dabei ist der Winkel ϕ konstant und beträgt im vorliegenden Fall 45 Grad. Wie aus der Fig. 2(B) hervorgeht, ist die Lichttransmission abhängig vom Beobachtungswinkel R. Wird dieser Winkel R größer, so kann eine hohe Lichttransmission schon bei Anwendung einer geringeren Spannung erhalten werden.
Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine konventionelle Bilddarstellungsvorrichtung, die eine Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D vom Transmissions­ typ mit verdreht-nematischem Flüssigkristall, eine Lichtstreueinrichtung 12, Lichtquellen 10 und ein Gehäuse G umfaßt.
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung D, die Licht­ streueinrichtung 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 Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung D erst nach Streuung der von der Lichtquelle 10 ausgesandten Strahlung in die ver­ schiedenen 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 Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung die Verminderung des Farb­ kontrastes 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 Flüssigkri­ stall-Anzeigeeinrichtung der eingangs genannten Art so wei­ terzubilden, daß sie einen sehr hohen Bildkontrast aufweist und sich gleichzeitig zum Multiplexbetrieb bei Ansteuerung der Elektroden mit nur geringen Spannungen eignet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß
  • - die Flüssigkristallzelle vom verdreht-nematischen Typ ist,
  • - die Lichtquelle in Beobachtungsrichtung hinter der Flüs­ sigkristallzelle angeordnet und letztere in Transmission betreibbar ist,
  • - an die Elektroden eine relativ kleine, definierte Span­ nung angelegt wird, so daß das auf die Flüssigkristallzelle auftreffende Licht diese in praktisch nur einer einzigen spezifischen Richtung durchsetzt, und daß
  • - zwischen der Lichtquelle und der Flüssigkristallzelle ei­ ne Lichtlenkeinrichtung angeordnet ist, durch die das von der Lichtquelle kommende Licht in die spezifische Richtung lenkbar ist, bevor es die Flüssigkristallzelle durchsetzt.
Vorteilhafterweise kann die Lichtlenkeinrichtung als plat­ tenförmiges Lichtraster ausgebildet sein.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind den Bildelemen­ ten der Flüssigkristallzelle Farbfilter zur Mehrfarbendar­ stellung zugeordnet.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist wenig­ stens einer der Polarisatoren ein Mehrfarben-Polarisations­ film zur Erzeugung von Mehrfarbenbildern.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden erhalten, wenn das in der Flüssigkristallzelle vorhandene Flüssigkristallmate­ rial vom Biphenyl- bzw. Pyrimidin-Typ ist, die Dicke der Flüssigkristallmaterialschicht etwa 6 µm beträgt und die angelegte Spannung einen Wert von etwa 1,8 V aufweist.
Die Zeichnung stellt neben einer konventionellen Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung dar. Es zeigt
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 Aus­ schaltung von Schaltern 8 a, 8 b und 8 c,
Fig. 2(A) den Aufbau einer Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtung mit verdreht-nematischem Flüssig­ kristall,
Fig. 2(B) die Beziehung zwischen der Transmission des Lichtes in Abhängigkeit der angelegten Spannung bei verschiedenen Winkeln R von 0, 15, 30 und 45 Grad und bei konstantem Winkel ϕ von 45 Grad,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung D zur Erläuterung von Beobachtungswinkeln Δ und Δξ,
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine konventionelle Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Trans­ missionstyp mit verdreht-nematischem Flüssig­ kristall,
Fig. 5 eine weitere Darstellung der Transmission in Abhängigkeit der angelegten Spannung bei ϕ = 45 Grad,
Fig. 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Licht­ transmission bei einer verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in Ab­ hängigkeit des Winkels ϕ sowie unterschied­ licher Spannungen,
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall ent­ sprechend einem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,
Fig. 8 eine Darstellung der Rot-, Grün- und Blau- Charakteristik der Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtung nach Fig. 7 bei einer Spannung von etwa 1,8 bzw. 2,1 V,
Fig. 9(A) den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm vom Transmissionstyp,
Fig. 9(B) den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm vom Reflektionstyp,
Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall ent­ sprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, und
Fig. 11 eine Darstellung der Farbcharakteristik der drei Primärfarben für den Fall, daß beim Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 10 die vorgegebene Spannung bei etwa 1,8 V liegt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird zunächst das ihr zugrundeliegende Prinzip näher erläutert.
Bei einer Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung vom Trans­ missionstyp mit verdreht-nematischem Flüssigkristall ist bei einer angelegten Spannung, wie etwa in Fig. 5 ange­ nommen, die Lichttransmission abhängig vom Beobachtungs­ winkel entsprechend der Fig. 6.
In der Fig. 6 ist die Lichttransmission bei verdreht- nematischem Betrieb in Abhängigkeit der Beobachtungs­ richtung aufgetragen. Dabei liegt an der Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung die Spannung V TS R an, wobei der Wert TS die Lichttransmission angibt. Bei den Spannungen V 10% 0°, V 10% 5° und V 10% 15° beträgt die Lichttransmission jeweils 10%, während der Winkel R die Werte 0°, 5° und 15° annimmt, jeweils bei einem Winkel ϕ von etwa 45°, in Übereinstimmung mit der besten Beobachtungsrichtung. Ist der Winkel R jeweils konstant, z. B. 45° oder dergleichen, so zeigt die Kurve 1 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten Spannung V 10% 0° ist, die Kurve 2 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten Spannung V 10% 5° ist, die Kurve 3 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten Spannung V 10% 15° ist, und die Kurve 4 einen Zustand, bei dem der effektive Wert der angelegten Spannung V = 0 ist.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, kann das einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in ver­ schiedenen Richtungen über einen Bereich von etwa 270° (-90° = ϕ = +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 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.
Es ist unmittelbar ersichtlich, daß das auf die Bild­ elemente der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung in ver­ schiedenen Richtungen auftreffende bzw. einfallende Licht unter einer bestimmten Richtung von der Anzeige­ fläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung abgegeben bzw. abgestrahlt werden kann, wenn die an die Flüssig­ kristall-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 ent­ sprechend einem ersten Merkmal nach der Erfindung ausge­ nutzt 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 Fig. 3 und 4 durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nur in dieser be­ stimmten Richtung hindurchtretende Licht zur Bild­ darstellung 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, während eine niedrige Spannung Ursache für eine zu dunkle Bilddarstellung ist.
Um einen akzeptablen Grenzwert der anzulegenden Spannung herauszufinden, wurde die Anzeigequalität verschiedener Flüssigkristallmaterialien 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 Schwellwert­ spannung sein kann, wenn der Winkel R etwa 15° und der Winkel ϕ etwa 45° bezüglich der besten Beobachtungs­ richtung 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 obengenannten 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 R zwecks Verbesserung des Anzeigekontrastes das relativ gute Kontrastbild von einem vor der Anzeige­ fläche 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 die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung verlaufenden Richtung wird umgelenkt bzw. gebrochen, und zwar in Richtung senkrecht zu der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung oder in Richtung auf den Beobachter.
Zur Brechung des Lichtes wird ein Brechungselement ver­ wendet, welches das in der spezifischen Richtung ein­ fallende 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 Refraktions- bzw. Brechungselement befindet sich in Kontakt mit der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung, um einen guten Anzeigekontrast in Beobachtungsrichtung zu erhalten.
Ist das obengenannte Brechungselement mit der Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung verbunden, so wird das ein­ fallende und durch die Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung quer bzw. schräg verlaufende Licht durch das Brechungselement in eine Richtung umgelenkt, die z. B. parallel zur Normalen des Glassubstrates 2 verläuft.
Die obengenannte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung kompakter und tragbarer Einrichtungen, beispielsweise im Taschenformat.
Obwohl bereits gegenüber den konventionellen Anzeige­ einrichtungen die Bildqualität mit Hilfe der zuvor be­ schriebenen Maßnahmen erheblich verbessert worden ist, kann diese noch weiter erhöht werden, wie nachfolgend beschrieben.
Bei einer verdreht-nematischen Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtung kann das in verschiedene Richtungen ein­ tretende Licht nicht vollständig blockiert bzw. unter­ brochen werden, selbst wenn in einer bestimmten Aus­ schalt-Betriebsart feldfreie Bedingungen erzeugt werden. Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung wird vielmehr auch dann von einem Teil des einfallenden Lichtes durch­ setzt. 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 n des Flüssigkristall­ materials und durch die Dicke d der Flüssigkristall­ materialschicht. Dabei kann das einfallende Licht die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung dann merklich durch­ setzen, wenn Δ n( λ ) d ≲ 1,2 ist. λ ist hierbei die Lichtwellenlänge, die im Bereich zwischen etwa 400 nm und 700 nm liegt.
Bei der Anzeigeeinrichtung nach Fig. 4, die in Kontakt mit einer Streuplatte 12 steht, kann ein Teil des ein­ fallenden Lichtes aufgrund der unvollkommenen Blockier­ möglichkeit des Flüssigkristalls auch dann die Flüssig­ kristall-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 auftreffende 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.
Da das parallel einfallende Licht die Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung unter ansonsten gleichen Bedingungen nunmehr schräg durchsetzt, ergibt sich eine gleich­ mäßigere Anzeigecharakteristik 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 Fig. 2(B) zu entnehmenb ist, kann die Flüssig­ kristall-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 Licht­ verlauf durch die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung mit Hilfe der genannten Elemente eingestellt wird.
Der Einfallswinkel des in die Flüssigkristall-Anzeige­ einrichtung 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 B 1 liegt. In diesem Fall besitzt die Anzeigecharakteristik eine besonders gute Richtwirkung.
Wie bereits beschrieben, kann bei einer Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit verdreht- nematischem Flüssigkristall und unter Einsatz einiger Farbfilter eine merkliche Verbesserung der Anzeige­ eigenschaften gegenüber denjenigen bei konventionellen Einrichtungen für die Mehrfarbendarstellung erzielt werden, wenn die Ansteuerbedingungen der Flüssigkristall­ zelle, die Einfallsbedingungen für das in die Flüssig­ kristallzelle einfallende Licht und die Transmissions­ bedingungen für das sie durchsetzende Licht optimiert sind.
Die Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach der vor­ liegenden Erfindung kann zum Beispiel als Anzeige­ einrichtung in einem Automobil, als graphische Anzeige­ einrichtung, als Farbbuchstaben-Anzeigeeinrichtung, als Schwarzweißfernseher oder als Farbfernseher ein­ gesetzt werden. Die zur Darstellung eines Mehrfarben­ bildes 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 Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch eine Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Er­ findung.
Ein Beobachter 111 steht vor der Flüssigkristall- Anzeigeeinrichtung vom verdreht-nematischen Typ, welche ein Prisma 114, einen vorderen Polarisator 101, ein vorderes Glassubstrat 102, ein hinteres Glassubstrat 102′, einen hinteren Polarisator 101′ und ein Licht­ streuelement 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 Glas­ substrate 102 und 102′ befestigt.
Die Flüssigkristallmaterialschicht enthält Flüssig­ kristallmoleküle, die entsprechend dem verdreht- nematischen Zustand orientiert sind. Das Flüssigkristall­ material 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 6 µm, während die Schwellspannungen V 10% 0°, V 10% 15°, V 10% 30° und V 10% 45° 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 dagegen an der vorderen Seite des Polarisators 101 vor der Anzeigefläche der Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung.
Das von der hinter der Flüssigkristall-Anzeigeein­ richtung 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 Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung gebrochen, so daß ein Betrachter gegebenenfalls ein Mehrfarbenbild beobachten kann. Die Frontrichtung verläuft zum Beispiel senkrecht zur Oberfläche des vorderen Glassubstrates 102.
Die Fig. 8 zeigt die Rot-, Grün- und Blaucharakteristik der Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Fig. 7 für den Fall, daß vorher eine Spannung von etwa 1,8 V festgelegt worden ist. Sie zeigt darüber hinaus die entsprechenden Farbcharakteristika für eine festge­ setzte 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 oder andere ge­ eignete optische Systeme verwendet werden. Die Glasfaser­ platte 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 Be­ obachter hin umlenken. Das umzulenkende Licht verläuft dabei in einer schrägen Richtung durch die ebene Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung hindurch, welche von der Richtung der Normalen der Glassubstrate 102, 102′ abweicht.
Grundsätzlich kann die Umlenkung des durch die Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung schräg hindurchlaufenden Lichtes durch Brechung oder Reflektion erfolgen. In der Fig. 9(A) ist der Lichtweg bei einem Bildverstärkungs­ film vom Transmissionstyp darge­ stellt. Die Fig. 9(B) zeigt dagegen den Lichtweg bei einem Bildverstärkungsfilm vom Reflektionstyp.
Beispiel II
Die Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch eine Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung vom Transmissionstyp mit einem verdreht-nematischen Flüssigkristall entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Entsprechende Elemente wie in Fig. 7 sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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.
Auf diese Weise wird das von der Lichtquelle 103 stammende Licht in einen gleichgerichteten parallelen Lichtstrom 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 Flüssig­ kristall-Anzeigeeinrichtung (Richtung der Normalen des Glassubstrats 102) bzw. auf einen Beobachter 111 zu ver­ läuft.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann als Flüssig­ kristallmaterial "RO-TN-403" verwendet werden.
In Fig. 11 ist die Farbcharakteristik bezüglich der drei Primärfarben für den Fall dargestellt, daß die angelegte Spannung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 auf etwa 1,8 V festgelegt ist (Beispiel II). Gleichzeitig ist in Fig. 11 die Charakteristik gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 als Beispiel I eingetragen. Ein Vergleich läßt unmittelbar erkennen, daß mit dem Beispiel II (Ausführungsbeispiel nach Fig. 10) ein weiterer Fortschritt erzielt worden ist.
Selbstverständlich können beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 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 Er­ zeugung parallelen Lichts enthält, oder optische Folien, wie in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigt, eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung, mit
  • - einer Lichtquelle (103),
  • - einer mittels der Lichtquelle (103) bestrahlten Flüssig­ kristallzelle (102, 102′),
  • - einem Paar von Polarisatoren (101, 101′), zwischen denen die Flüssigkristallzelle (102, 102′) angeordnet ist,
  • - einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung an sich kreuzenden Elektroden der Flüssigkristallzelle (102, 102′), und mit
  • - einer an der vorderen Oberfläche der Flüssigkristallzelle (102, 102′) angeordneten optischen Einrichtung (114), durch die das die Flüssigkristallzelle (102, 102′) durch­ setzende Licht zu einem Beobachter (111) hin ablenkbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Flüssigkristallzelle (102, 102′) vom verdreht-nemati­ schen Typ ist,
  • - die Lichtquelle (103) in Beobachtungsrichtung hinter der Flüssigkristallzelle (102, 102′) angeordnet und letztere in Transmission betreibbar ist,
  • - an die Elektroden eine relativ kleine, definierte Span­ nung angelegt wird, so daß das auf die Flüssigkristall­ zelle (102, 102′) auftreffende Licht diese in praktisch nur einer einzigen spezifischen Richtung durchsetzt, und daß
  • - zwischen der Lichtquelle (103) und der Flüssigkristall­ zelle (102, 102′) eine Lichtlenkeinrichtung angeordnet ist, durch die das von der Lichtquelle (103) kommende Licht in die spezifische Richtung lenkbar ist, bevor es die Flüssigkristallzelle (102, 102′) durchsetzt.
2. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtlenkeinrichtung ein plat­ tenförmig ausgebildetes Lichtraster (115) enthält.
3. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Bildelementen der Flüssig­ kristallzelle (102, 102′) Farbfilter (4, 5, 6) zur Mehrfarben­ darstellung zugeordnet sind.
4. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Pola­ risatoren (101, 101′) ein Mehrfarben-Polarisationsfilm zur Er­ zeugung von Mehrfarbenbildern ist.
5. Flüssigkristall-Anzeigeeinrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Flüs­ sigkristallzelle (102, 102′) vorhandene Flüssigkristallmate­ rial vom Biphenyl/Pyrimidin-Typ ist, die Dicke der Flüssigkri­ stallmaterialschicht etwa 6 µm beträgt und daß die anlegbare Spannung einen Wert von etwa 1,8 V besitzt.
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