DE3486342T2

DE3486342T2 - Schaltbarer Farbfilter und seine Verwendung in einer Anzeigevorrichtung mit sequentieller Rasterfolge und voller Farbwiedergabe.

Info

Publication number: DE3486342T2
Application number: DE3486342T
Authority: DE
Inventors: Philip J Bos; Philip A Johnson
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1983-09-26
Filing date: 1984-09-26
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2004-09-27
Also published as: EP0138454A3; JPH0449928B2; EP0138454A2; US5714970A; JPS6095515A; DE3486342D1; EP0138454B1; US5387920A

Description

Diese Erfindung betrifft Farbschalter, und insbesondere ein schaltbares Farbfilter mit einer Lichtpolarisiervorrichtung und einem Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen, wobei eine bevorzugte Verwendung dieser in einer Anzeigevorrichtung mit sequentieller Rasterfolge und farbiger Wiedergabe zur Erzeugung von Ausgangszuständen von Licht dreier unterschiedlicher Farben ist, um ein Bild in voller Farbe zu erstellen.
Es war bislang bekannt, schaltbare Farbfilter mit doppelbrechenden Materialien vor Schwarz/Weiß-Kathodenstrahlröhren von Anzeigevorrichtungen mit sequentieller Rasterfolge und farbiger Wiedergabe anzubringen, um auf diese Weise Lichtbilder in voller Farbe zu erzeugen. Eine derartige Anzeigevorrichtung ist in der U.S.-Patentschrift Nr. 2,638,816 (Stolzer) offenbart, in der ein Adapter beschrieben ist, der von einem Schwarz/Weiß-Fernsehgerät emittiertes Licht empfängt und ein Lichtbild in verschiedenen Farben erzeugt. Der Adapter umfaßt passive doppelbrechende Schichten, die Licht unterschiedlicher Farben entwickeln. Eine optische Halbwellen-Verzögerungsvorrichtung fungiert als Lichtgatter, das Licht der gewünschten Farbe in der richtigen Sequenz synchron zu den Vollbildern der Bildinformation, die auf dem Schwarz/Weiß-Bildschirm erscheinen, überträgt.
Ein dieser Vorrichtung nach Stolzer innewohnender Nachteil besteht darin, daß die durch die Übertragung von Licht durch passive doppelbrechende Schichten entwickelten Farben allgemein unrein sind und in ihrer Erscheinung in Abhängigkeit vom Betrachtungswinkel variieren. Bei dem Adapter werden auch ineinandergreifende Elektroden verwendet, die ein Zeilenmuster auf dem Anzeigebildschirm erzeugen. Die Vorrichtung nach Stolzer erzeugt daher Farbbilder, die für die meisten Bildanzeigeanwendungen nicht geeignet sind.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4,003,081 (Hilsum et al.) ist eine Farbanzeigevorrichtung beschrieben, die eine auf Licht reagierende Flüssigkristallzelle mit verdrehter nematischer Kristallanordnung umfaßt, welche eine separate Schicht eines passiven doppelbrechenden Materials aufweist, um Licht unterschiedlicher Farben zu erzeugen. Licht der gewünschten Farbe wird als Reaktion auf eine Veränderung der Frequenz oder Intensität eines elektrischen Feldes, das an die Flüssigkristallzelle angelegt wurde, wählbar durch ein System neutraler Polarisationsvorrichtungen übertragen.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4,019,808 (Scheffer) ist eine Farbanzeigevorrichtung beschrieben, die derjenigen nach Hilsum et al. ähnlich ist. Bei Scheffer wird eine Flüssigkristallzelle mit verdrehter nematischer Kristallanordnung in Kombination mit einer passiven doppelbrechenden Lichtverzögerungsplatte oder -schicht verwendet, um Licht verschiedener Farben zu erzeugen. Sowohl die von Hilsum et al. als auch die von Scheffer beschriebene Anzeigevorrichtung erzeugen Lichtbilder, die Farben einer unreinen Qualität aufweisen, wie sie allgemein typisch für die mittels passiver doppelbrechender Materialien erzeugten Farben ist. Die Flüssigkristallzellen mit verdrehter nematischer Kristallanordnung werden in beiden Vorrichtungen verwendet, um die Polarisationsebene von durch sie verlaufendem Licht zu drehen.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4,097,128 (Matsumoto et al.) und der U.S.-Patentschrift Nr. 4,232,948 (Shanks) sind Farbanzeigevorrichtungen beschrieben, die eine abstimmbare doppelbrechende Flüssigkristallzelle aufweisen, welche als variable optische Verzögerungsvorrichtung fungiert, deren Doppelbrechung verändert wird, um Licht verschiedener Farben zu entwickeln. Bei jeder Vorrichtung ist die Flüssigkristallzelle in einer Anordnung neutraler Polarisationsvorrichtungen enthalten, die Licht verschiedener Farben als Reaktion auf eine Veränderung der Doppelbrechung der Flüssigkristallzellen übertragen, um ein Bild in voller Farbe wiederzugeben. Die Veränderung der Doppelbrechung wird dadurch erzielt, daß der Betrag einer an die Zelle angelegten Spannung verändert wird. Wie in Fig. 4 des Patents von Matsumoto et al. angegeben ist, geht der maximale Transmissionsgrad von Licht einer bestimmten Primärfarbe, die durch Veränderung der Doppelbrechung einer Flüssigkristallzelle erzeugt wird, nicht mit einem minimalen Transmissionsgrad von Licht der übrigen Primärfarben einher. Die Vorrichtungen nach Matsumoto et al. und Shanks sind daher nicht in der Lage, Licht reiner Qualität bereitzustellen. Außerdem haben Vorrichtungen, die sich für die Erzeugung von Licht verschiedener Farben die Doppelbrechungseigenschaften eines Flüssigkristallmaterials zunutzemachen, im typischen Fall ein langsames Schaltansprechverhalten und begrenzte Betrachtungswinkel.
Schaltbare Farbfilter, die auf Licht reagierende Polarisations-Schaltvorrichtungen in Kombination mit farbselektiven Polarisationsfiltern umfassen, wurden bislang ebenfalls in Farbanzeigevorrichtungen mit sequentieller Rasterfolge eingesetzt. Ein Beispiel einer derartigen Anzeigevorrichtung ist in "IBM Technical Disclosure Bulletin", Band 22, Nr. 5, Okt. 1979, S. 1769-1772 unter dem Titel "Liquid Crystal Apparatus for Converting Black and White CRT Display into Colored Display" von A. N. Brinson und A. D. Edgar offenbart, die ein schaltbares Farbfilter beschreiben, bei dem Flüssigkristall- Vorrichtungen zur Umwandlung eines Schwarz/Weiß-Bildes einer Kathodenstrahlröhre in ein Bild mit voller Farbwiedergabe vorgesehen sind.
Die Flüssigkristallvorrichtung dreht die Polarisationsrichtung der Lichtstrahlen aller Farben, die die Vorrichtung passieren, um 90º. Die Fähigkeit zur Drehung von Lichtstrahlen aller Wellenlängen um 90º vereinfacht die Aufgabe der Auslegung eines schaltbaren Farbfilters dahingehend, daß hinsichtlich der Festlegung der Ausrichtung der Polarisationsachsen der Polarisationsfilter und der von diesen übertragenen Farben die Abstimmung, Doppelbrechungseigenschaften und Dicke der Flüssigkristallvorrichtung nicht in Betracht gezogen werden müssen, um ein Lichtausgangssignal der gewünschten Farbe zu erhalten. Die Verwendung von auf Licht reagierenden Flüssigkristallvorrichtungen hat den Nachteil, daß dabei Hochspannungs-Treibsignale mit zwei Frequenzen angelegt werden müssen, um die Vorrichtung auf Videogeschwindigkeit zu schalten, damit ein Bild in voller Farbe erhalten wird.
In der US-A-2834254 ist ein schaltbares Farbfilter zum Empfang von Licht von einer Lichtquelle beschrieben, welches folgendes umfaßt: drei Polarisationsvorrichtungen, die im Betrieb optisch mit der Lichtquelle gekoppelt sind, wobei mindestens zwei der drei Polarisationsvorrichtungen farbselektive Polarisationsfilter umfassen; ein Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen, von denen jede eine Lichtverzögerung von im wesentlichen Null bis zu einer Halbwelle erzeugt, wobei jede der Verzögerungsvorrichtungen zwischen einem unterschiedlichen Paar der drei Polarisationsvorrichtungen angeordnet ist; und eine Steuervorrichtung, die mit den variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen kommuniziert, um aus drei Primärfarben die Farbe des Lichtes auszusuchen, die von dem Filter übertragen wird. In der GB-A-667310 ist eine ähnliche Offenbarung beschrieben. Keine der beiden Schriften offenbart die Verwendung variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen auf Flüssigkristallbasis, die beispielsweise zum Erzielen hoher Schaltgeschwindigkeiten besonders wünschenswert sind. Außerdem wird in diesen Schriften nicht die Problematik erörtert, daß wenigstens ein Teil der ausgegebenen erzeugten Farben bei Verwendung schaltbarer Filter mit Verzögerungsvorrichtungen unrein ist.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein schaltbares Farbfilter zum Empfang von Licht von einer Lichtquelle zur Verfügung gestellt, wobei das Filter folgendes umfaßt:
drei Polarisationsvorrichtungen, die sequentiell auf einer Achse angeordnet sind, wobei mindestens zwei der drei Polarisationsvorrichtungen farbselektive Polarisationsfilter umfassen;
ein Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen, wobei jede dieser Verzögerungsvorrichtungen zwischen einem unterschiedlichen Paar der drei Polarisationsvorrichtungen angeordnet ist; und
eine Steuervorrichtung, die mit den variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen in Verbindung steht, um unter den drei Primärfarben die Farbe des vom Filter übertragenen Lichtes auszuwählen, indem erste und zweite Steuersignale selektiv an die Verzögerungsvorrichtungen angelegt werden und diese Signale für jede der Verzögerungsvorrichtungen entsprechende erste und zweite Grade einer Verzögerung entwickeln, der das durch diese hindurch übertragene Licht unterzogen wird, wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten Graden im wesentlichen einer Halbwellen-Verzögerung von Licht einer bestimmten Farbe entspricht;
dadurch gekennzeichnet, daß jede variable optische Verzögerungsvorrichtung eine Flüssigkristall-Verzögerungsvorrichtung ist und daß die bestimmte Farbe für jede Verzögerungsvorrichtung eine der drei Primärfarben ist und in Zusammenwirken mit den polarisationsabhängigen Farbübertragungscharakteristiken der drei Polarisationsvorrichtungen und der Betriebssequenz, durch die die Steuervorrichtung die variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen steuert, so ausgewählt ist, daß das Filter drei im wesentlichen reine Farbausgangszustände hat.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein schaltbares Farbfilter, das Licht von einer Lichtquelle empfängt. Das schaltbare Farbfilter verwendet drei Polarisationsvorrichtungen, die optisch mit der Lichtquelle gekoppelt sind. Mindestens zwei der drei Polarisationsvorrichtungen weisen farbselektive Polarisationsfilter auf. Eine jede eines Paars variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen ist zwischen einem unterschiedlichen Paar der drei Polarisationsvorrichtungen angeordnet. Eine Steuervorrichtung, die mit dem Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen kommuniziert, leitet selektiv ein Lichtausgangssignal einer von mindestens drei Farben weiter.
Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, einen bestimmten Satz von Ausgangszuständen, die Licht der gewünschten Farben ergeben, welche beispielsweise die drei Primärfarben oder die drei Primärfarben und weißes Licht sein können, synthetisch zu erzeugen. Dies wird durch Wahl des Übertragungsspektrums der farbselektiven Polarisationsvorrichtungen bewirkt. In jedem einzelnen Fall hängt die Spezifizierung der Farbe von Licht, auf die die variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen abgestimmt sind, von der Wahl der Farben der Lichtstrahlen ab, die von den farbselektiven Polarisationsfiltern übertragen werden. In der nachstehend angegebenen Beschreibung der ersten bevorzugten Ausführungsform ist der Vorgang zum Bestimmen eines geeigneten Satzes von Polarisationsfiltern und zum Festlegen der Abstimmung der variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen für den speziellen Fall angegeben, in dem die Achsen linearer Polarisationsfilter komplementär sind. Es wird betont, daß die Einschränkung der Art der Polarisationsvorrichtungen nur deshalb gemacht wird, um eine umfassende Anwendungsmöglichkeit der Lehre einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anzugeben. Die zweite, dritte und vierte Ausführungsform geben empirisch abgeleitete Beispiele schaltbarer Farbfilter an, für die die Einschränkung der komplementären Art der Polarisationsfilter nicht erforderlich ist.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters umfaßt jede einzelne der drei Polarisationsvorrichtungen ein lineares Polarisationsfilter, das erste und zweite im wesentlichen orthogonal zueinander in Beziehung stehende Polarisationszustände oder -achsen hat, welche Licht der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau übertragen und absorbieren. Mindestens zwei der drei Polarisationsfilter haben farbselektive Polarisationsachsen, die Licht mit mindestens einer der Primärfarben übertragen und Licht der anderen Primärfarbe(n) absorbieren. Eines der Polarisationsfilter kann ein neutrales Polarisationsfilter umfassen, welches eine erste Polarisationsachse hat, die Licht der drei Primärfarben, d. h. weißes Licht, überträgt, und eine zweite Polarisationsachse, die Licht der drei Primärfarben absorbiert. Die Polarisationsachsen eines jeden der drei Polarisationsfilter sind dahingehend komplementär, daß keine der beiden Polarisationsachsen Licht einer Primärfarbe überträgt, das von der jeweils anderen Polarisationsachse übertragen wird.
Eine jede der zwei variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen umfaßt einen optischen Verzögerer mit einer Verzögerung von Null bis zu im wesentlichen einer Halbwelle, der zwei lichtübertragende Oberflächen aufweist und in der Lage ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht einer vorbestimmten Farbe zu erzeugen. Ein jeder variable Verzögerer ist derart ausgerichtet, daß die Projektion seiner optischen Achse auf seine beiden lichtübertragenden Oberflächen im wesentlichen bezüglich der Polarisationsachsen der drei Polarisationsfilter in einem Winkel von 450 angeordnet ist.
Die Übertragung von Licht einer der drei verschiedenen Farben wird durch eine Steuervorrichtung selektierbar gesteuert, welche ein unterschiedliches Ausgangsschaltsignal an jeden einzelnen des Paares variabler optischer Verzögerer anlegt. Das Ausgangssignal der Steuervorrichtung ist ein Befehl an den variablen optischen Verzögerer, in einen ersten Zustand ("EIN") zu schalten, in dem fast null optische Verzögerung von durch diesen hindurchgehendem Licht erzeugt wird, oder einen zweiten Zustand ("AUS"), der im wesentlichen eine Halbwellen- Verzögerung für Licht einer Farbe oder Wellenlänge erzeugt, die durch die Dicke des Bauteils bestimmt wird. Die vier möglichen Kombinationen von Schaltzuständen für das Paar variabler optischer Verzögerer ergeben das schaltbare Farbfilter mit vier möglichen Lichtausgangszuständen. Drei der vier möglichen Lichtausgangszustände werden ausgewählt, um am Ausgang des schaltbaren Farbfilters Licht mit drei Farben zu erzeugen.
In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters hat nur das lineare Polarisationsfilter, das zwischen dem Paar variabler optischer Verzögerer angeordnet ist, Polarisationszustände oder -achsen, die komplementär sind, wie oben definiert. Jedes einzelne der anderen beiden Polarisationsfilter überträgt Licht mindestens einer gemeinsamen Farbe durch seine beide Polarisationsachsen, um Lichtausgangszustände mit drei verschiedenen Farben zu erzeugen.
In einer dritten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters hat keines der drei linearen Polarisationsfilter komplementäre Polarisationszustände oder -achsen und jedes Polarisationsfilter hat eine Polarisationsachse, die weißes Licht überträgt. Alle vier Ausgangszustände erzeugen eine Auswahl von Licht dreier verschiedener Farben und weißes Licht am Ausgang des schaltbaren Farbfilters.
In einer vierten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters hat jedes der drei linearen Polarisationsfilter mindestens einen Polarisationszustand oder eine Polarisationsachse, der/die Licht mindestens zweier Farben überträgt. Jeder einzelne der drei Ausgangszustände erzeugt Licht einer unterschiedlichen der von den Polarisationsachsen übertragenen Farben und der vierte Ausgangszustand erzeugt Licht einer Farbe, die eine Kombination von Licht aus zwei durch die Polarisationsachsen übertragenen Farben ist.
In den bevorzugten Ausführungsformen des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung besteht jeder variable optische Verzögerer aus einer nematischen Flüssigkristallzelle, die disklinationsfrei bleibt und prellfrei schaltet, wenn sie zwischen den beiden optischen Verzögerungszuständen umgeschaltet wird, die die Ausrichtung der die Oberfläche nicht-berührenden Richtelemente des Flüssigkristallmaterials in der Zelle ändern. Die Verwendung einer Flüssigkristallzelle dieses Aufbaus als variable optische Verzögerungsvorrichtung ergibt einen Hochgeschwindigkeitsschalter mit einer einzigen Frequenz, der einen Schaltungsaufbau mit niedriger Leistung benötigt, um ein hochwertiges Bild mit voller Farbwiedergabe zu erzeugen, das in einem breiten Bereich von Betrachtungswinkeln angesehen werden kann.
Eine Anzeigevorrichtung mit :sequentieller Rasterfolge und Farbwiedergabe, das eine der bevorzugten Ausführungsformen des schaltbaren Farbfilters einschließt, erzeugt, wenn es auf die Rasterwechselvorrichtung synchronisiert ist, eine flimmerfreie Anzeige mit einem Bild in voller Farbe mit scharfem Kontrast und hoher Einzelheitengenauigkeit.
Anordnungen, bei denen die vorliegende Erfindung ausgeführt ist, werden nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschreiben

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anzeigevorrichtung mit sequentieller Rasterfolge und Farbwiedergabe, das eine erste Ausführungsform eines schaltbaren Farbfilters enthält, welches eine Lichtpolarisiervorrichtung und ein Paar variabler optischer Verzögerer aufweist, um ein Bild mit voller Farbwiedergabe gemäß vorliegender Erfindung zu erstellen.
Fig. 2 ist ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung, bei dem jedes Polarisationsfilter komplementäre Polarisationsachsen hat.
Fig. 3 ist ein Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung, bei dem nur das mittlere Polarisationsfilter komplementäre Polarisationsachsen hat.
Fig. 4 ist ein Schaltbild der dritten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung, bei dem keines der Polarisationsfilter komplementäre Polarisationsachsen hat und jedes Polarisationsfilter eine Polarisationsachse hat, die weißes Licht überträgt.
Fig. 5 ist ein Schaltbild der vierten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung, bei dem jedes der drei Polarisationsfilter mindestens eine Polarisationsachse hat, die Licht mindestens zweier Farben überträgt.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung in seitlichem Aufriß in Querschnittsansicht der Flüssigkristallzelle, welche als optischer Verzögerer mit einer Verzögerung von Null bis im wesentlichen einer Halbwelle gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird.
Fign. 7A, 7B, 7C und 7D sind schematische Darstellungen der Ausrichtungskonfiguration der Richtelemente der Flüssigkristallzelle des optischen Verzögerers mit einer Verzögerungskapazität von Null bis zu im wesentlichen einer Halbwelle, wie er in den bevorzugten Ausführungsformen des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, und zwar jeweils im "EIN"-Zustand mit Feldausrichtung, im teilweise entspannten "AUS"-Zustand, im π Radiant-Verdrehungs- Zustand und im gespreizten Zustand.
In Fig. 8 ist das optische Ansprechen einer Flüssigkristallzelle des optischen Verzögerers mit Null- bis im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung dargestellt, der in den bevorzugten Ausführungsformen des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, wenn dieser durch Wegnehmen eines Wechselstromsignalimpuls von 20 Veff aus dem "EIN"-Zustand in den "AUS"-Zustand geschaltet wird.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Allgemeiner Aufbau und Betrieb der Farbanzeigevorrichtung

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 weist eine Anzeigevorrichtung 10 mit sequentieller Rasterfolge und Farbwiedergabe, die eine erste bevorzugte Ausführungsform eines gemäß vorliegender Erfindung ausgelegten schaltbaren Farbfilters 11 enthält, drei Polarisationsvorrichtungen oder lineare Polarisationsfilter 12, 14 und 16 auf, die eine Lichtpolarisiervorrichtung 18 bilden. Mindestens zwei der drei Polarisationsfilter 12, 14 und 16 stellen farbselektive Polarisationsfilter dar, wie es nachstehend weiter ausgeführt ist.
Jedes der Polarisationsfilter 12, 14 und 16 hat erste und zweite orthogonal zusammenhängende Polarisationszustände oder -achsen. Die erste Polarisationsachse eines jeden Polarisationsfilters 12, 14 und 16 ist jeweils eine vertikale Polarisationsachse 20, 22 bzw. 24; und die zweite Polarisationsachse eines jeden Polarisationsfilters 12, 14 und 16 ist jeweils eine horizontale Polarisationsachse 26, 28 bzw. 30.
Die vertikale Polarisationsachse und die horizontale Polarisationsachse eines jeden Polarisationsfilters übertragen zusammen Licht des Satzes der Primärfarben Rot, Grün und Blau. Im Fall eines farbselektiven Polarisationsfilters bildet die Farbe(n) des von der vertikalen Polarisationsachse übertragenen Lichtes einen ersten Untersatz des Satzes von Primärfarben und die restliche(n) Farbe(n) des von der horizontalen Polarisationsachse übertragenen Lichtes bilden einen zweiten Untersatz des Satzes von Primärfarben. Im Fall eines neutralen Polarisationsfilters läßt eine Polarisationsachse Licht des gesamten Satzes von Primärfarben durch und die andere Polarisationsachse überträgt Licht mit keiner der Farben im Satz. In jedem der beiden Fälle eines farbselektiven Polarisationsfilters oder eines neutralen Polarisationsfilters sind die Achsen komplementär, wie voranstehend definiert.
Der Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird verstehen, daß ein farbselektives Polarisationsfilter, welches farbiges Licht sowohl durch seine vertikale als auch durch seine horizontale Polarisationsachse überträgt, durch Kombinieren zweier Polarisationsfilterelemente gebildet werden kann, von denen jedes eine erste Polarisationsachse hat, die weißes Licht überträgt, zum Beispiel Licht der Primärfarben Rot, Grün und Blau, und eine zweite Polarisationsachse, die Licht einer vorausgewählten Farbe überträgt. Durch Anordnung der Filterelemente auf eine Art und Weise, bei der die Polarisationsachsen, die weißes Licht übertragen, orthogonal zusammenhängen, ergibt sich ein zusammengesetztes Filter, welches farbiges Licht durch beide Achsen überträgt. Die Tatsache, daß im vorliegenden Text auf ein farbselektives Polarisationsfilter Bezug genommen wird, soll die Elemente, die ein Filter mit den angegebenen Übertragungscharakteristika bilden, nicht auf eine bestimmte Anzahl einschränken.
Die Zuordnung der Farben des Lichtes, das von jeder der ersten und zweiten Polarisationsachsen der drei Polarisationsfilter der ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters übertragen wird, wird unter Verwendung von vier Ausdrücken aus der Booleschen Logik bestimmt, welche nachstehend für Polarisationsfilter mit komplementären vertikalen und horizontalen Polarisationsachsen abgeleitet sind.
Von einer Lichtquelle 32 abgegebene Lichtstrahlen werden von Polarisationsfilter 12 empfangen, das als Eingabevorrichtung der Lichtpolarisiervorrichtung 18 dient. Die Lichtstrahlen werden optisch an jedes Polarisationsfilter angelegt, um einen optischen Pfad 34 durch die Lichtpolarisiervorrichtung zu bilden. Licht einer der drei Primärfarben tritt durch Polarisationsfilter 16 aus, das als Ausgabevorrichtung der Lichtpolarisiervorrichtung 18 dient.
Ein jeder eines Paares variabler optischer Verzögerer oder Verzögerungsvorrichtungen 36 und 38 ist zwischen einem unterschiedlichen Paar benachbarter Polarisationsfilter 12, 14 und 16 angeordnet. Die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 sind jeweils zwischen den Polarisationsfiltern 12 und 14 bzw. den Polarisationsfiltern 14 und 16 angeordnet. Die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 umfassen Verzögerer, die eine Verzögerung von Null bis im wesentlichen einer Halbwelle erzeugen, welche selektiv eine im wesentlichen einer Halbwellen-Verzögerung von Licht einer vorbestimmten Farbe in Reaktion auf die Ausgangssignale einer Steuerschaltung oder -vorrichtung 40 erzeugen. Jeder einzelne der variablen optischen Verzögerer 36 und 38 ist eine nematische Flüssigkristallzelle, die eine Verzögerung von fast Null für Licht aller Farben und eine Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle für Licht einer vorausgewählten Farbe als Reaktion auf eine Veränderung des Betrags einer Wechselstrom- Spannung erzeugt, die von der Steuerschaltung 40 an die Zelle angelegt wird.
Der Begriff "optische Verzögerung", insofern er im vorliegenden Text die Doppelbrechung betrifft und auf diese bezogen ist, ist in der nachstehenden Erläuterung definiert. Ein auf eine Vorrichtung mit Doppelbrechung einfallender Lichtstrahl wird bekanntlich in zwei Komponenten zerlegt, die als ordentlicher Strahl und außerordentlicher Strahl bekannt sind. Diese Lichtkomponenten pflanzen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in der Doppelbrechungsvorrichtung fort und beim Austreten aus der Vorrichtung wird einer der Strahlen bezüglich des anderen verzögert. Die Verzögerung bewirkt eine relative Phasenverschiebung zwischen den beiden austretenden Strahlen, wobei diese Verzögerung auch im Zusammenhang mit der Wellenlänge des austretenden Lichtstrahls steht. Beispielsweise wird eine Vorrichtung, die eine effektive Doppelbrechung von
Δnd/λ = 1/2
hat, als Halbwellen-Verzögerer bezeichnet, wobei Δn die effektive Doppelbrechung ist, d die Dicke der Vorrichtung, und λ die Wellenlänge des austretenden Lichtstrahles.
Das durch die Polarisationsfilter 12, 14 und 16 und die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 gebildete schaltbare Farbfilter 11 wird vor der Lichtquelle 32 angeordnet, die über den Leuchtschirm 42 Licht vieler Wellenlängen, einschließlich derjenigen der Primärfarben abstrahlt, um ein Leuchtbild in den Farben Rot, Grün und Blau zu erzeugen. Die Lichtquelle 32 stellt eine Kathodenstrahlröhre oder eine Projektionsvorrichtung dar, die ein Anzeigebild in Schwarz-Weiß erzeugt. Ein von einem Rastergenerator 44 als Reaktion auf eines der Ausgangssignale einer Bildsynchronisierschaltung oder -vorrichtung 46 erzeugtes Signal erstellt eine fernsehartige Rasterabtastung, die Bilder der Bildinformation in sich wiederholenden Sequenzen dreier Zeitintervalle darstellt.
Im ersten Zeitintervall wird Information, die sowohl die Form des Bildes, das in einer ersten Farbe, beispielsweise Rot, erscheinen soll, als auch die Form des Bildes, das in einer Farbe erscheinen soll, die eine Kombination aus der Farbe Rot und einer zweiten bzw. dritten Farbe, wie Grün bzw. Blau, ist, betrifft, auf den Leuchtschirm 42 geschrieben. Im zweiten Zeitintervall wird Information, die sowohl die Form des Bildes, das in der Farbe Grün erscheinen soll, als auch die Form des Bildes, das in einer Farbe erscheinen soll, welche eine Kombination der Farben Rot, Grün und Blau ist, betrifft, auf den Leuchtschirm 42 geschrieben. Im dritten Zeitintervall wird Information, die sowohl die Form des Bildes, welches in der Farbe Blau erscheinen soll, als auch die Form des Bildes, welches in einer Farbe erscheinen soll, die eine Kombination der Farben Rot, Grün und Blau ist, betrifft, auf den Leuchtschirm 42 geschrieben.
Die Steuerschaltung 40 empfängt an ihrem Eingang ein Signal von einem Ausgang der Bildsynchronisierschaltung 46 und erzeugt zwei Signale an den Ausgängen 48 und 50, um die entsprechenden variablen optischen Verzögerer 36 und 38 synchron mit der sequentiellen Bildgeschwindigkeit der von der Lichtquelle 32 erzeugten Bildinformation zu treiben.
Die sequentiell angezeigten Bilder der in den drei Zeitintervallen bereitgestellten Bildinformation werden über das Polarisationsfilter 12 übertragen und synchron durch die Polarisationsfilter 14 und 16 und die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 übertragen. Hierdurch entsteht in jedem Zeitintervall ein Leuchtbild in der Farbe, die der Bildinformation entspricht, welche an die Lichtquelle geleitet wurde. Durch die optische Trägheit der Augen des Betrachters wird die aus dem Polarisationsfilter 16 während der drei Zeitintervalle austretenden Information entsprechend den drei Bildern des Fernseh-Rastersignals integriert, um den Eindruck eines einzigen Anzeigebildes mit voller Farbwiedergabe zu erzeugen. Eine Intensitätsmodulation der Lichtbildquelle ergibt einen Farbtonumfang über den vollen Spektralbereich von sichtbarem Licht.

Ausrichtung der optischen Komponente

In Fig. 2 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei jedes der drei Polarisationsfilter 12, 14 und 16 orthogonal zusammenhängende Polarisationsachsen hat, die dahingehend komplementär sind, als daß keine der beiden Achsen Licht einer Farbe überträgt, die von der anderen Achse übertragen wird. Zum Zwecke der Ableitung von Ausdrücken Boolescher Logik für die Lichtausgangsübertragungsfunktionen der ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters in jedem seiner vier Lichtausgangszustände, ist die vertikale Polarisationsachse eines jeden Polarisationsfilters 12, 14 und 16 jeweils mit A, B bzw. C bezeichnet, und die horizontale Polarisationsachse eines jeden Polarisationsfilters 12, 14 und 16 jeweils mit A', B' bzw. C' bezeichnet.
Die Projektion 52 der optischen Achse des variablen optischen Verzögerers 36 auf jede seiner beiden lichtübertragenden Oberflächen 54 und 56 und die Projektion 58 der optischen Achse des variablen optischen Verzögerers 38 auf jede seiner beiden lichtübertragenden Oberflächen 60 und 62 sind bezüglich jeder der Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12, 14 und 16 im wesentlichen in Winkeln von 450 angeordnet. Jeder der variablen optischen Verzögerer 36 und 38 wird zwischen zwei Zuständen umgeschaltet, dem "EIN"-Zustand, der eine optische Verzögerung von fast Null von senkrecht einfallendem Licht erzeugt, und dem "AUS"-Zustand, der eine Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle für Licht einer gewissen vorbestimmten Wellenlänge erzeugt. Die vier möglichen Kombinationen von Schaltzuständen für die beiden variablen optischen Verzögerer ergeben das schaltbare Farbfilter mit vier Ausgangszuständen zur Übertragung von Licht verschiedener Farben.
Die Lichtausgangs-Übertragungsfunktion für jeden der Lichtausgangszustände des schaltbaren Farbfilters läßt sich durch Terme Boolescher Logik ausdrücken. Diese Terme sind in Tabelle I in der Spalte mit dem Titel "Lichtausgangsübertragungsfunktion" aufgeführt und auf die nachstehend erläuterte Art und Weise abgeleitet worden. Für alle hierin beschriebenen Lichtausgangszustände wird angenommen, daß die auf die vertikale Polarisationsachse A und die horizontale Polarisationsachse A' am Eingang von Polarisationsfilter 12 einfallenden- Lichtstrahlen zusammengesetzte Wellenlängen der Primärfarben Rot, Grün und Blau einschließen.
Der Lichtausgangszustand 1 ist als Lichtausgangsübertragungsfunktion für das schaltbare Farbfilter definiert, wenn die beiden variablen optischen Verzögerer 36 und 38 jeweils von den Steuerschaltungsausgängen 48 bzw. 50 auf die "EIN"-Zustände geschaltet werden, um eine Verzögerung von fast Null aller Wellenlängen von Licht, welches dieses durchschreitet, zu bewirken. Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse A und die horizontale Polarisationsachse A' des Polarisationsfilters 12 einfallen, werden jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung linear polarisiert, und behalten in ihrem Verlauf durch das schaltbare Farbfilter und beim Austritt aus dem Polarisationsfilter 16 ihre Polarisationsrichtungen bei.
Die Lichtfarben, die aus dem Ausgang der horizontalen Polarisationsachse C' des Polarisationsfilters 16 austreten, stellen die logische Schnittmenge der Sätze von Lichtfarben dar, die durch die Polarisationsachsen A', B' und C' übertragen werden können. Die Lichtfarben, die aus dem Ausgang der vertikalen Polarisationsachse C des Polarisationsfilters 16 austreten, stellen die logische Schnittmenge des Satzes von Lichtfarben dar, die durch die Polarisationsachsen A, B und C übertragen werden können. Wenn somit beispielsweise die Polarisationsachsen A, B und C jeweils Licht der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;; C&sub1; und C&sub2;; bzw. C&sub1; und C&sub3; übertragen, dann ist nur Licht der Farbe C&sub1; allen drei vertikalen Polarisationsachsen gemeinsam und durchläuft die Polarisationsachse C am Ausgang von Polarisationsfilter 16. Die Lichtausgangsübertragungsfunktion für vertikal polarisiertes Licht ist in allgemeinen Ausdrücken als logische konjunktive Funktion ABC dargestellt, die für die den vertikalen Polarisationsachsen A, B und C in diesem Beispiel zugeordneten Farben gleich C&sub1; ist.
Die Lichtausgangsübertragungsfunktion für horizontal polarisiertes Licht wird allgemein als A'B'C' ausgedrückt. Die Übertragungsfunktion für Lichtausgangszustand 1 ist die Überlagerung der logischen Ausdrücke für Licht, das aus der horizontalen Polarisationsachse C' und der vertikalen Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 austritt und wird als
A'B'C' + ABC
ausgedrückt.
Der Lichtausgangszustand 2 ist als Lichtausgangsübertragungsfunktion für das schaltbare Farbfilter definiert, wenn der variable optische Verzögerer 36 von dem Steuerschaltungsausgang 48 in den "EIN"-Zustand geschaltet wird, um eine Verzögerung von fast Null aller Lichtwellenlängen, die durch diesen hindurchgehen, zu erzeugen, und der variable optische Verzögerer 38 wird von dem Steuerschaltungs-Ausgang 50 in den "AUS"- Zustand geschaltet, um eine Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle für Licht einer Farbe zu erzeugen, welche sich durch die Dicke der Verzögerungsvorrichtung bestimmt.
Auf die vertikale Polarisationsachse A und die horizontale Polarisationsachse A' des Polarisationsfilters 12 einfallende Lichtstrahlen werden jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung polarisiert und behalten im Verlauf durch das Polarisationsfilter 14 ihre Polarisationsrichtungen bei, da der variable optische Verzögerer 36 in den "EIN"-Zustand geschaltet ist. Der variable optische Verzögerer 38 ist in den "AUS"- Zustand geschaltet, der die Projektion 58 seiner optischen Achse auf seine lichtübertragenden Oberflächen 60 und 62 bezüglich beider Polarisationsachsen C und C' von Polarisationsfilter 16 im wesentlichen in Winkeln von 450 ausrichtet.
Durch das Umschalten des optischen Verzögerers 38 in den "AUS "-Zustand ergibt sich eine Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle für Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, und Lichtstrahlen aller anderen Wellenlängen oder Farben, die durch diesen hindurchgehen, werden in Komponenten aufgeteilt, die mit den Polarisationsachsen des Polarisationsfilters 16 ausgerichtet sind. Lichtstrahlen, die durch die Polarisationsachse B von Polarisationsfilter 14 und den variablen optischen Verzögerer 38 übertragen werden, haben daher Komponenten, die sowohl auf die Polarisationsachse C als auch die Polarisationsachse C' von Polarisationsfilter 16 einfallen. Ähnlich hat Licht, das durch die Polarisationsachse B' von Polarisationsfilter 14 und den variablen optischen Verzögerer 38 übertragen wird, Komponenten, die auf beide Polarisationsachsen, C und C', von Polarisationsfilter 16 einfallen.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die horizontale Polarisationsachse C' von Polarisationsfilter 16 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 38 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird wie folgt ausgedrückt:
A'B'K&sub2;'C'+ ABK&sub2;C'
wobei K&sub2; = sin² δ/2, K&sub2;' = cos² δ/2, und δ die optische Verzögerung des variablen optischen Verzögerers 38 gegeben durch 6 = 2πΔnd/λ ist, wobei
Δn die effektive Doppelbrechung ist;
d die Dicke der Vorrichtung darstellt; und
λ die Wellenlänge der austretenden Lichtstrahlen ist.
Der Term A'B'K&sub2;'C' stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die horizontale Polarisationsachse B' hindurchgegangen sind, und der Term ABK&sub2;C' stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die vertikale Polarisationsachse B hindurchgegangen sind.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 projiziert wurden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 38 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
A'B'K&sub2;C + ABK&sub2;'C.
Der Term A'B'K&sub2;C stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die horizontale Polarisationsachse B' hindurchgegangen sind, und der Term ABK&sub2;'C stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die vertikale Polarisationsachse B hindurchgegangen sind.
Die Übertragungsfunktion für den Lichtausgangszustand 2 ist die Überlagerung der logischen Ausdrücke für Licht, das aus der horizontalen Polarisationsachse C' und der vertikalen Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 austritt und wird wie folgt ausgedrückt:
(A'B'K&sub2;'C'+ ABK&sub2;C') + (A'B'K&sub2;C + ABK&sub2;'C).
Der Lichtausgangszustand 3 ist definiert als die Lichtausgangsübertragungsfunktion des schaltbaren Farbfilters, wenn der variable optische Verzögerer 36 von dem Steuerschaltungsausgang 48 in den "AUS"-Zustand geschaltet wird, um eine Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle einer Farbe zu bewirken, welche durch die Dicke der Verzögerungsvorrichtung bestimmt wird, und der variable optische Verzögerer 38 von dem Steuerschaltungsausgang 50 in den "EIN"-Zustand geschaltet wird, um eine Verzögerung von fast Null für alle Wellenlängen von Licht, die durch diesen hindurchgehen, zu bewirken.
Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse A und die horizontale Polarisationsachse A' von Polarisationsfilter 12 fallen, werden bei ihrem Verlauf durch das Polarisationsfilter 12 jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung linear polarisiert. Der variable optische Verzögerer 36 wird in den "AUS"-Zustand geschaltet, was die Projektion 52 seiner optischen Achse auf seine lichtübertragenden Oberflächen 54 und 56 bezüglich beider Polarisationsachsen B und B' von Polarisationsfilter 14 im wesentlichen im Winkel von 45º ausrichtet.
Durch das Schalten des optischen Verzögerers 36 in den "AUS"- Zustand ergibt sich eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, und Lichtstrahlen aller anderen Wellenlängen oder Farben, die durch diesen hindurchgehen, werden zu Komponenten aufgeteilt, die mit den Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 14 ausgerichtet sind. Lichtstrahlen, die von der Polarisationsachse A von Polarisationsfilter 12 durch den variablen optischen Verzögerer 36 übertragen werden, haben daher Komponenten, die sowohl auf die Polarisationsachse B als auch die Polarisationsachse B' von Polarisationsfilter 14 einfallen. Ähnlich hat Licht, das von der Polarisationsachse A' von Polarisationsfilter 12 durch den variablen optischen Verzögerer 36 übertragen wird, Komponenten, welche auf beide Polarisationsachsen B und B' von Polarisationsfilter 14 einfallen.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die horizontale Polarisationsachse B' von Polarisationsfilter 14 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 36 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
A'K&sub1;'B'+ AK&sub1;B'
wobei K&sub1; = sin² δ/2, K&sub1;' = cos² δ/2 und δ die optische Verzögerung des variablen optischen Verzögerers 36 gegeben durch 6 wie oben definiert ist. Der Term A'K&sub1;'B' stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die horizontale Polarisationsachse A' hindurchgegangen sind, und der Term AK&sub1;B' stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die vertikale Polarisationsachse A hindurchgegangen sind.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse B von Polarisationsfilter 14 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 36 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
A'K&sub1;B + AK&sub1;'B.
Der Term A'K&sub1;B stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, dies durch die horizontale Polarisationsachse A' hindurchgehen haben, und der Term AK&sub1;'B stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die vertikale Polarisationsachse A hindurchgegangen sind.
Lichtstrahlen, die durch die horizontale Polarisationsachse B' übertragen wurden, behalten ihre Polarisationsrichtung bei und verlaufen durch die horizontale Polarisationsachse C' von Polarisationsfilter 16, da der variable optische Verzögerer 38 in den "EIN"-Zustand geschaltet ist. Die Übertragungsfunktion wird ausgedrückt als
A'K&sub1;'B'C' + AK&sub1;B'C'.
Ähnlich behalten Lichtstrahlen, die durch die vertikale Polarisationsachse B übertragen wurden, ihre Polarisationsrichtung bei und verlaufen durch die vertikale Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16. Die Übertragungsfunktion wird ausgedrückt als
A'K&sub1;BC + AK&sub1;'BC.
Die Übertragungsfunktion für Lichtausgangszustand 3 ist die Überlagerung der logischen Ausdrücke für Licht, das aus der horizontalen Polarisationsachse C' und der vertikalen Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 austritt, und wird ausgedrückt als
(A'K&sub1;'B'C'+ AK&sub1;B'C') + (A'K&sub1;BC + AK&sub1;'BC).
Der Lichtausgangszustand 4 ist definiert als die Lichtausgangsübertragungsfunktion des schaltbaren Farbfilters, wenn die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 jeweils von den Steuerschaltungsausgängen 48 bzw. 50 in die "AUS"-Zustände geschaltet werden, um im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht einer Farbe oder von Farben zu erzeugen, die durch die Dicken der Verzögerungsvorrichtungen bestimmt werden.
Wie es für Lichtausgangszustand 3 der Fall ist, haben auch Lichtstrahlen, die durch die vertikale Polarisationsachse A von Polarisationsfilter 12 und den variablen optischen Verzögerer 36 übertragen werden, separate Komponenten von Lichtstrahlen, die mit beiden Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 14 ausgerichtet sind, und Lichtstrahlen, die durch die horizontale Polarisationsachse A' von Polarisationsfilter 12 und den variablen optischen Verzögerer 36 übertragen werden, haben separate Komponenten von Lichtstrahlen, die mit beiden Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 14 ausgerichtet sind.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die horizontale Polarisationsachse B' von Polarisationsfilter 14 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 36 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
A'K&sub1;'B'+ AK&sub1;B'.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse B von Polarisationsfilter 14 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 36 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
AK&sub1;'B + A'K&sub1;B.
Wie es beim Lichtausgangszustand 2 der Fall ist, haben auch Lichtstrahlen, die durch die vertikale Polarisationsachse B von Polarisationsfilter 14 und den variablen optischen Verzögerer 38 übertragen werden, separate Komponenten von Lichtstrahlen, die mit beiden Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 16 ausgerichtet sind, und Lichtstrahlen, die durch die horizontale Polarisationsachse B' von Polarisationsfilter 14 und den variablen optischen Verzögerer 38 übertragen werden, haben separate Komponenten von Lichtstrahlen, die mit beiden Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 16 ausgerichtet sind.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die horizontale Polarisationsachse C' von Polarisationsfilter 16 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 38 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird wie folgt ausgedrückt:
(A'K&sub1;'B'K&sub2;'C' + AK&sub1;B'K&sub2;'C') + (AK&sub1;'BK&sub2;C' + A'K&sub1;BK&sub2;C').
Der Term (A'K&sub1;'B'K&sub2;'C' + AK&sub1;B'K&sub2;'C') stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die horizontale Polarisationsachse B' treten, und der Term (AK&sub1;'BK&sub2;C' + A'K&sub1;BK&sub2;C') stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die von der vertikalen Polarisationsachse B weitergeleitet wurden.
Die Übertragung von Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 projiziert werden und durch die Funktion des variablen optischen Verzögerers 38 im "AUS"-Zustand durch diesen hindurchgehen, wird ausgedrückt als
(A'K&sub1;'B'K&sub2;C + AK&sub1;B'K&sub2;C) + (AK&sub1;'BK&sub2;'C + A'K&sub1;BK&sub2;'C).
Der Term (A'K&sub1;'B'K&sub2;C + AK&sub1;B'K&sub2;C) stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die horizontale Polarisationsachse B' verlaufen sind, und der Term (AK&sub1;'BK&sub2;'C + A'K&sub1;BK&sub2;'C) stellt die Lichtstrahlen der Farben dar, die durch die vertikale Polarisationsachse B verlaufen sind.
Die Übertragungsfunktion für Lichtausgangszustand 4 ist die Überlagerung der logischen Ausdrücke für Licht, das aus der horizontalen Polarisationsachse C' und der vertikalen Polarisationsachse C von Polarisationsfilter 16 austritt, und wird wie folgt ausgedrückt:
[(A'K&sub1;'B'K&sub2;'C' + AK&sub1;B'K&sub2;'C') + (AK&sub1;'BK&sub2;C' + A'K&sub1;BK&sub2;C')] + [(A'K&sub1;'B'K&sub2;C + AK&sub1;B'K&sub2;C) + (AK&sub1;'BK&sub2;'C + A'K&sub1;BK&sub2;'C)].
Umgestellte und faktorisierte Versionen der voranstehenden logischen Ausdrücke für die Lichtausgangsübertragungsfunktionen der Lichtausgangszustände 1-4 sind in Spalte 4 von Tabelle I aufgeführt. TABELLE I Lichtausgangszustand Schaltzustand des variablen optischen Verzögers Lichtausgangs-Übertragungs-Funktion EIN AUS
Die Farben der Lichtstrahlen, für die die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung erzeugen, werden durch die Ausdrücke für die vier Übertragungsfunktionen der Lichtausgangszustände bestimmt, die in Tabelle I angegeben sind. Bei der Farbanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung müssen nur drei der vier möglichen Lichtausgangszustände des schaltbaren Farbfilters verwendet werden, um den gewünschten Lichtausgang der drei verschiedenen Farben zu erzeugen. Die Steuerschaltung 40 ist entsprechend ausgelegt, daß ihre Ausgänge 48 und 50 nicht die entsprechenden variablen optischen Verzögerer 36 und 38 auf die Kombination von Schaltzuständen schalten, die dem nichtverwendeten Lichtausgangszustand entspricht.
Wie voranstehend angegeben ist, erzeugen die drei Lichtausgangszustände Lichtausgänge der drei Primärfarben Rot, Blau und Grün. Die variablen optischen Verzögerer 36 und 38 der geeigneten Dicke werden ausgewählt, um eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung für Licht der entsprechenden Farbe zu erzeugen, wie sie gemäß dem oben ausgeführten Verfahren bestimmt wurde.
Wie es auch aus der Tabelle I hervorgeht, werden die Lichtausgangszustände 1, 2 und 4 nur beispielhaft als diejenigen ausgewählt, die jeweils Lichtausgänge der Farben C&sub1;, C&sub2; bzw. C&sub3; erzeugen.
Der Lichtausgangszustand 1 erzeugt einen Lichtausgang der Farbe C&sub1;, wenn der Term ABC gleich C&sub1; und A'B'C' gleich Null ist. Wie es für die Wahl der Werte für andere Termen in den Lichtausgangsübertragungsgleichungen der Fall sein wird, unterliegt die Zuordnung der Farbe C&sub1; zum Term ABC und die Abwesenheit von Farbe in Term A'B'C' lediglich der Wahlentscheidung des Designers.
Der Lichtausgangszustand 2 erzeugt einen Lichtausgang der Farbe C&sub2;, wenn der Term ABC' gleich C&sub2; und A'B'C gleich Null ist. Um Licht einer reinen Farbe C&sub2; zu erhalten, müssen beide Terme in der Übertragungsgleichung, die auf K&sub2;' bezogen sind, gleich Null sein. Der Term A'B'C' wurde in der Übertragungsgleichung für den Lichtausgangszustand 1 auf Null gesetzt; daher ist der Term A'B'K&sub2;'C' in der Übertragungsgleichung für den Lichtausgangszustand 2 ebenfalls Null. Der Term ABC entspricht Licht der Farbe C&sub1;; daher muß der variable optische Verzögerer 38, der im Lichtausgangszustand 2 in den "AUS"- Zustand geschaltet wird, so abgestimmt sein, daß er eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung für Licht der Farbe C&sub1; erzeugt. Dies schreibt den Wert von und für den variablen optischen Verzögerer 38 vor. Die Tatsache, daß die Farbe C&sub1; des Lichtausgangszustandes 1 als diejenige ausgewählt wird, die der variable optische Verzögerer 38 im wesentlichen um eine Halbwelle verzögert, ist in Spalte 4, Fall 2 von Tabelle 2 angegeben.
Der Lichtausgangszustand 4 ergibt einen Lichtausgang der Farbe C&sub3;, wenn der Term AB'C gleich C&sub3; ist und der Term A'BC' gleich Null ist. Um Licht einer reinen Farbe C&sub3; zu erhalten, müssen die restlichen sechs Terme in der Übertragungsgleichung gleich Null sein. Der Term A'B'C' wurde in der Übertragungsgleichung für den Lichtausgangszustand 1 auf Null gestellt, und der Term A'B'C wurde in der Übertragungsgleichung für Lichtausgangszustand 2 auf Null gesetzt. Da der variable optische Verzögerer 38 im Lichtausgangszustand 4 in den "AUS"-Zustand geschaltet ist, erzeugt er im wesentlichen eine optische Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub1;, die unter Bezugnahme auf die Übertragungsgleichung von Lichtausgangszustand 2 ausgewählt wurde.
Die restlichen Terme der Übertragungsgleichung für Lichtausgangszustand 4 sind A'BCK&sub2;'K&sub1;, AB'C'K&sub1;K&sub2;' und ABC'K&sub2;K&sub1;'. Die früheren Wahlentscheidungen, die festlegen, daß ABC gleich C&sub1; für Lichtausgangszustand 1, ABC' gleich C&sub2; für Lichtausgangszustand 2 sein sollen, und die vertikalen und horizontalen Polarisationsachsen für jedes farbselektive Polarisationsfilter komplementär sein sollen, erfordern, daß in der Übertragungsgleichung für Lichtausgangszustand 4 beide Terme A'BC und AB'C' gleich Null sein müssen.
Der Term ABC' erzeugt einen Lichtausgang der Farbe C&sub2; für Lichtausgangszustand 2, in dem der variable optische Verzögerer 36 in den "EIN"-Zustand geschaltet ist. Der variable optische Verzögerer 36 ist im Lichtausgangszustand 4 in den "AUS"-Zustand geschaltet und daher so gewählt, daß er eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; erzeugt. Dies schreibt den Wert von und für den variablen optischen Verzögerer 36 vor. Die Tatsache, daß die Farbe C&sub2; des Lichtausgangszustands 2 als diejenige ausgewählt wird, die der variable optische Verzögerer 36 um im wesentlichen eine Halbwelle verzögert, ist in Spalte 3, Fall 2 von Tabelle II angegeben.
Die Tabelle II ist eine Zusammenfassung der vier Fälle, für die die erste bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters Lichtausgangszustände in drei Farben erzeugt. Spalte 2 von Tabelle II gibt die ausgewählten Lichtausgangszustände an; und die Spalten 3 und 4 geben die Farben an, auf die jeweils die variablen optischen Verzögerer 36 bzw. 38 abgestimmt sein müssen, um im wesentlichen eine optische Halbwellen-Verzögerung zu erzeugen. Die in den Spalten 3 und 4 für die Fälle 1, 3 und 4 gezeigten Farben werden durch ein Verfahren bestimmt, welches analog zu dem voranstehend beschriebenen ist. TABELLE II Fall ausgewählte Lichtausgangszustände für eine i.w. Halbwellen-Verzögerung durch die vari opt. Verzögerer ausgewählte Lichtausgangszustandsfarbe (Verzögerer)
In Tabelle III ist eine beispielhafte Auswahl von Farben für jede der Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12, 14 und 16 aufgeführt. TABELLE III Polarisationsachse übertragene Farben
A (20) C&sub1;, C&sub2;, C&sub3;
A' (26) -
B (22) C&sub1;, C&sub2;
B' (28) C&sub3;
C (24) C&sub1;, C&sub3;
C' (30) C&sub2;
Die den Polarisationsachsen zugeordneten Farben erfüllen die Erfordernisse, daß ABC gleich C&sub1;, ABC' gleich C&sub2;, A'BC gleich C&sub3; sein sollen und jedes der farbselektiven Polarisationsfilter 14 und 16 komplementäre Achsen haben soll. Das Polarisationsfilter 12 ist ein neutrales Polarisationsfilter und hat daher zwangsläufig komplementäre Polarisationsachsen.
Ist C&sub1; die Farbe Rot zugeordnet, C&sub2; die Farbe Grün und C&sub3; die Farbe Blau, dann erzeugt das schaltbare Farbfilter der vorliegenden Erfindung in seinen Lichtausgangszuständen 1, 2 und 4 Licht jeweils der Farben Rot, Grün bzw. Blau. Der variable optische Verzögerer 36 erzeugt im wesentlichen eine Halbwellen-Verzögerung von grünem Licht und der variable optische Verzögerer 38 erzeugt im wesentlichen eine Halbwellen-Verzögerung von rotem Licht.
Es versteht sich, daß den Polarisationsachsen Farben zugeordnet werden können, so daß alle drei Polarisationsfilter farbselektive Filter werden.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein direktes Ersetzen der ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters durch deren zweite bevorzugte Ausführungsform in der Farbanzeigevorrichtung 10, wie in Fig. 1 gezeigt, läßt sich mit entsprechenden Modifikationen der Steuerschaltung 40 zum Schalten der variablen optischen Verzögerer in die Schaltzustände, die dem gewünschten Ausgang farbigen Lichts entsprechen, erzielen. Die zweite bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie Lichtausgangszustände der drei Primärfarben unter Verwendung dreier linearer Polarisationsfilter erzeugt, von denen nur eines komplementäre Polarisationszustände oder -achsen hat, erzeugt. Die optischen Komponenten, die denjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform entsprechen, sind in Fig. 3 gezeigt, wobei identischen Bezugszeichen ein Kleinbuchstabe "a" hinzugefügt ist.
Die Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; von Licht, das durch die Polarisationszustände oder -achsen der Polarisationsfilter 12a, 14a und 16a übertragen wurden, sind in Fig. 3 angegeben und stellen vorzugsweise den Satz der Primärfarben Rot, Grün und Blau dar.
Die drei Polarisationsfilter 12a, 14a und 16a haben jeweils farbselektive Polarisationsachsen 20a, 22a bzw. 28a, 30a. Die horizontale Polarisationsachse 26a des Polarisationsfilters 12a und die vertikale Polarisationsachse 24a des Polarisationsfilters 16a leiten Licht der drei Primärfarben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; oder weißes Licht weiter. Die Polarisationsachsen 20a und 26a des Polarisationsfilters 12a leiten Licht der Farbe C&sub1; weiter und die Polarisationsachsen 24a und 30A des Polarisationsfilters 16a leiten Licht der Farbe C&sub3; weiter. Daher hat weder Polarisationsfilter 12a noch Polarisationsfilter 16a komplementäre Polarisationsachsen.
Die vertikale Polarisationsachse 22a des Polarisationsfilters 14a leitet Licht der Farben C&sub1; und C&sub3; weiter, und die horizontale Polarisationsachse 28a des Polarisationsfilters 14a leitet Licht der Farbe C&sub2; weiter. Das Polarisationsfilter 14a hat komplementäre Polarisationsachsen, da weder die Polarisationsachse 22a noch die Polarisationsachse 28a Licht einer gemeinsamen Farbe weiterleitet.
Der variable optische Verzögerer 36a erzeugt eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2;, und der variable optische Verzögerer 38a erzeugt im wesentlichen eine Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub1;.
Im Lichtausgangszustand 1 werden die variablen optischen Verzögerer 36a und 38a jeweils von den Steuerschaltungsausgängen 48a bzw. 50a in den "EIN"-Zustand geschaltet und lassen daher die Richtungen der Polarisation von durch diese verlaufendem Licht unverändert. Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse 20a und die horizontale Polarisationsachse 26a von Polarisationsfilter 12a einfallen, werden daher jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung linear polarisiert und erfahren bei ihrem Verlauf durch das schaltbare Farbfilter keine Veränderung in der Polarisationsrichtung. Da keiner der Lichtstrahlen der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; durch jede der horizontalen Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12a, 14a und 16a verläuft, tritt kein Licht durch die horizontale Polarisationsachse 30a des Polarisationsfilters 16a aus dem schaltbaren Farbfilter aus. Nur Licht der Farbe C&sub1; wird von jeder der vertikalen Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12a, 14a und 16a übertragen und tritt daher über die vertikale Polarisationsachse 24a von Polarisationsfilter 16a aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 2 wird der variable optische Verzögerer 36a von dem Ausgang 48a der Steuerschaltung in den "EIN"- Zustand geschaltet, und der variable optische Verzögerer 38a wird von dem Ausgang 50a der Steuerschaltung in den "AUS "-Zustand geschaltet. Da sich der variable optische Verzögerer 36a im "EIN"-Zustand befindet, bleiben die Polarisationsrichtungen der ihn durchlaufenden Lichtstrahlen unverändert. Somit verläuft Licht der Farbe C&sub1; durch die vertikale Polarisationsachse 22a, und Licht der Farbe C&sub2; verläuft durch die horizontale Polarisationsachse 28a von Polarisationsfilter 14a. Da sich der variable optische Verzögerer 38a im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub1; zu erzielen, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden von der horizontalen Polarisationsachse 30a des Polarisationsfilters 16a vollkommen absorbiert.
Da der variable optische Verzögerer 38a im "AUS"-Zustand keine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht anderer Farben als C&sub1; erzeugt, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2;, die durch den variablen optischen Verzögerer 38a hindurchgehen, unter einem anderen Winkel als 90º gedreht. Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; werden daher in Komponenten aufgespalten, die auf der vertikalen und der horizontalen Polarisationsachse von Polarisationsfilter 16a liegen. Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; schließen Hauptkomponenten von Licht ein, die auf die vertikale Polarisationsachse 24a projiziert und durch diese übertragen werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die horizontale Polarisationsachse 30a projiziert und von dieser absorbiert werden. Licht der Farbe C&sub2; tritt im Lichtausgangszustand 2 aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 4 wird der variable optische Verzögerer 36a von dem Ausgang 48a der Steuerschaltung in den "AUS"- Zustand geschaltet, der eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; erzeugt, und der variable optische Verzögerer 38a wird von dem Ausgang 50a der Steuerschaltung in den "AUS"-Zustand geschaltet, der im wesentlichen eine optische Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub1; erzeugt. Licht der Farbe C&sub1; verläuft durch die vertikale Polarisationsachse 20a; und Licht der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; verläuft durch die horizontale Polarisationsachse 26a von Polarisationsfilter 12a.
Da der variable optische Verzögerer 36a sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; zu erzeugen, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden von der vertikalen Polarisationsachse 22a von Polarisationsfilter 14a vollständig absorbiert. Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub3; werden in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die vertikale Polarisationsachse 22a projiziert werden und diese durchlaufen, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die horizontale Polarisationsachse 28a projiziert werden und von dieser absorbiert werden. Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; werden in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die horizontale Polarisationsachse 28a von Polarisationsfilter 14a projiziert und von dieser absorbiert werden, und Nebenkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 22a von Polarisationsfilter 14a projiziert und durch diese übertragen werden. Somit besteht Licht der Farbe C&sub1;, welches auf die vertikale Polarisationsachse 22a projiziert wird und diese durchtritt, aus Lichtkomponenten, die durch die vertikale Polarisationsachse 20a und durch die horizontale Polarisationsachse 26a von Polarisationsfilter 12a hindurchgehen.
Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub3; verlaufen durch den variablen optischen Verzögerer 38a, der darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub1; zu erzeugen. Die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; wird 900 gedreht und die Lichtstrahlen werden von der horizontalen Polarisationsachse 30a von Polarisationsfilter 16a vollständig absorbiert. Lichtstrahlen der Farbe C&sub3; werden in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die horizontale Polarisationsachse 30a projiziert werden und diese durchlaufen, und Nebenkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 24a von Polarisationsfilter 16a projiziert werden und diese durchlaufen. Licht der Farbe C&sub3; tritt daher aus beiden Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 16a im Lichtausgangszustand 4 aus.
Die drei Lichtausgangszustände, die Licht reiner Farben erzeugen, sind in Tabelle IV zusammengefaßt. TABELLE IV Lichtausgangszustand Schaltzustand d. variab., opt. Verzögerers Farbe des Lichtausgangs EIN AUS nicht verwendet
Eine dritte bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Ein direktes Ersetzen der ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters durch deren dritte bevorzugte Ausführungsform in der Farbanzeigevorrichtung 10 aus Fig. 1 ergibt sich durch entsprechende Modifikationen der Steuerschaltung 40 zum Schalten der variablen optischen Verzögerer in die Schaltzustände, die dem gewünschten Ausgang farbigen Lichts entsprechen. Die dritte bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie Lichtausgangszustände der drei Primärfarben und weißes Licht unter Verwendung dreier linearer Polarisationsfilter erzeugt, von denen keiner komplementäre Polarisationszustände oder -achsen hat, und jeder eine Polarisationsachse hat, die weißes Licht durchläßt. Die optischen Komponenten, die denjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform entsprechen, sind in Fig. 4 mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet, denen ein Kleinbuchstabe "b" hinzugefügt ist.
Die Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; von Licht, das von den Polarisationszuständen oder -achsen der Polarisationsfilter 12b, 14b und 16b übertragen wurde, sind in Fig. 4 angegeben und stellen vorzugsweise den Satz der Primärfarben Rot, Grün und Blau dar.
Die drei Polarisationsfilter 12b, 14b und 16b haben jeweils Polarisationsachsen 20b, 28b bzw. 24b, die farbselektiv sind, und Polarisationsachsen 26b, 22b bzw. 30b, die Licht der Primärfarben C&sub1;, C&sub2; bzw. C&sub3; oder weißes Licht durchlassen. Die vertikale Polarisationsachse 20b von Polarisationsfilter 12b läßt Licht der Farbe C&sub1; durch; die horizontale Polarisationsachse 28b von Polarisationsfilter 14b läßt Licht der Farbe C&sub2; durch; und die vertikale Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b läßt Licht der Farbe C&sub3; durch. Keines der Polarisationsfilter hat komplementäre Polarisationsachsen. Die variablen optischen Verzögerer 36b und 38b erzeugen im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2;.
Im Lichtausgangszustand 1 werden die variablen optischen Verzögerer 36b und 38b jeweils von den Ausgängen 48b bzw. 50b der Steuerschaltung in den "EIN"-Zustand geschaltet und lassen daher die Polarisationsrichtungen von durch diese hindurchgehendem Licht unverändert. Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse 20b und die horizontale Polarisationsachse 26b von Polarisationsfilter 12b fallen, werden daher jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung linear polarisiert und erfahren bei ihrem Verlauf durch das schaltbare Farbfilter keine Veränderung der Polarisationsrichtung. Da keiner der Lichtstrahlen der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; durch jede der vertikalen Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12b, 14b und 16b verläuft, tritt kein Licht durch die vertikale Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b aus dem schaltbaren Farbfilter aus. Nur Licht der Farbe C&sub2; wird von jeder der horizontalen Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12b, 14b und 16b übertragen und tritt daher über die horizontale Polarisationsachse 30b von Polarisationsfilter 16b aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 2 wird der variable optische Verzögerer 36b von dem Ausgang 48b der Steuerschaltung in den "EIN"- Zustand geschaltet und der variable optische Verzögerer 38b wird von dem Ausgang 50b der Steuerschaltung in den "AUS"- Zustand geschaltet. Da der variable optische Verzögerer 36b sich im "EIN"-Zustand befindet, bleiben die Polarisationsrichtungen der ihn durchlaufenden Lichtstrahlen unverändert. Somit verläuft Licht der Farbe C&sub1; durch die vertikale Polarisationsachse 22b, und Licht der Farbe C&sub2; verläuft durch die horizontale Polarisationsachse 28b von Polarisationsfilter 14b. Da der variable optische Verzögerer 38b sich im "AUS "-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; zu bewirken, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden von der vertikalen Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b vollständig absorbiert.
Da der variable optische Verzögerer 38b im "AUS "-Zustand keine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht anderer Farben außer C&sub2; erzeugt, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub1;, die durch den variablen optischen Verzögerer 38b verlaufen, unter einem anderen Winkel als 900 gedreht. Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; werden daher in Komponenten aufgeteilt, die auf der vertikalen und der horizontalen Polarisationsachse des Polarisationsfilters 16b liegen. Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; enthalten Hauptkomponenten von Licht, die auf die horizontale Polarisationsachse 30b projiziert und durch diese übertragen werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 24b projiziert und von dieser absorbiert werden. Licht der Farbe C&sub1; tritt aus dem schaltbaren Farbfilter im Lichtausgangszustand 2 aus.
Im Lichtausgangszustand 3 wird der variable optische Verzögerer 36b von dem Ausgang 48b der Steuerschaltung in den "AUS"- Zustand geschaltet, und der variable optische Verzögerer 38b wird von dem Ausgang 50b der Steuerschaltung in den "EIN"- Zustand geschaltet. Licht der Farbe C&sub1; verläuft durch die vertikale Polarisationsachse 20b, und Licht der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; verläuft durch die horizontale Polarisationsachse 26b von Polarisationsfilter 12b.
Da der variable optische Verzögerer 38b sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; zu erzeugen, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden nur durch die vertikale Polarisationsachse 22b von Polarisationsfilter 14b übertragen. Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; werden in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die horizontale Polarisationsachse 28b projiziert und von dieser absorbiert werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 22b des Polarisationsfilters 14b projiziert und von dieser übertragen werden. Ähnlich enthalten Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub3; Hauptkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 22b projiziert und durch diese übertragen werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die horizontale Polarisationsachse 28b von Polarisationsfilter 14b projiziert und von dieser absorbiert werden. Aufgrund der Wirkung des variablen optischen Verzögerers 36b, der sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen- Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; zu erzeugen, soll Licht der Farben C&sub1;, C&sub2;, C&sub3; durch die vertikale Polarisationsachse 22b und kein Licht durch die horizontale Polarisationsachse 28b von Polarisationsfilter 14b durchgelassen werden.
Da der variable optische Verzögerer 36b sich im "EIN"-Zustand befindet, bleiben die Polarisationsrichtungen von Lichtstrahlen, die durch diesen hindurchgehen, unverändert. Somit verläuft nur Licht der Farbe C&sub3; durch die vertikale Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b. Licht der Farbe C&sub3; tritt aus dem schaltbaren Farbfilter im Lichtausgangszustand 3 aus.
Im Lichtausgangszustand 4 werden die variablen optischen Verzögerer 36b und 38b jeweils von den Ausgängen 48b bzw. 50b der Steuerschaltung in den "AUS"-Zustand geschaltet, in dem sie eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; erzeugen. Wie es für den Lichtausgangszustand 3 der Fall ist, in dem der variable optische Verzögerer 36b sich im "AUS"-Zustand befindet, verlaufen Lichtstrahlen der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; durch die vertikale Polarisationsachse 22b und kein Licht verläuft durch die horizontale Polarisationsachse 28b von Polarisationsfilter 14b.
Da der variable optische Verzögerer 38b sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub2; zu erzeugen, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen durch die horizontale Polarisationsachse 30b von Polarisationsfilter 16b übertragen. Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub3; werden in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die horizontale Polarisationsachse 30b projiziert werden und durch diese verlaufen, sowie Nebenkomponenten von Licht, welche auf die vertikale Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b projiziert werden. Die Nebenkomponenten von Licht der Farbe C&sub3; werden durchgelassen und die Nebenkomponenten von Licht der Farbe C&sub1; werden von der vertikalen Polarisationsachse 24b von Polarisationsfilter 16b absorbiert. Licht der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;, d. h. weißes Licht, tritt im Lichtausgangszustand 4 aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Es versteht sich, daß aufgrund der Aufteilung und selektiven Absorption der Lichtstrahlen der Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3;, die weißes Licht bilden, ein geringfügiges Farbungleichgewicht entsteht. Dieses Farbungleichgewicht läßt sich durch Veränderung der Konzentration der mehrfarbigen Farbstoffe während der Herstellung der Polarisationsfilter kompensieren.
Die vier Lichtausgangszustände, die Licht dreier reiner Farben und weißes Licht ergeben, sind in Tabelle V summarisch aufgeführt. TABELLE V Lichtausgangszustand Schaltzustand variab., opt. Verzögerer Farbe des Lichtausgangs EIN AUS
Eine vierte bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein direktes Ersetzen der ersten bevorzugten Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters durch deren vierte bevorzugte Ausführungsform in der Farbanzeigevorrichtung 10 wie in Fig. 1 gezeigt läßt sich mit entsprechenden Modifikationen der Steuerschaltung 40 zum Schalten der variablen optischen Verzögerer in die Schaltzustände, die dem gewünschten Ausgang von farbigem Licht entsprechen, erzielen. Die vierte bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß sie Lichtausgangszustände der drei Primärfarben sowie eine Farbe, die eine Kombination von zwei der drei Primärfarben ist, erzeugt. Dies wird unter Verwendung dreier linearer Polarisationsfilter erreicht, von denen jedes mindestens einen Polarisationszustand oder -achse hat, der oder die Licht von mindestens zwei Farben überträgt. Die optischen Komponenten, die denjenigen der ersten bevorzugten Ausführungsform entsprechen, sind in Fig. 5 dargestellt, wobei identische Bezugszeichen mit einem nachgestellten Kleinbuchstaben "c" versehen sind.
Die Farben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; von Licht, welches von den Polarisationszuständen oder -achsen der Polarisationsfilter 12c, 14c und 16c übertragen wird, sind in Fig. 5 angegeben und stellen vorzugsweise den Satz der Primärfarben Rot, Grün und Blau dar.
Jedes der drei Polarisationsfilter 12c, 14c und 16c hat mindestens eine farbselektive Polarisationsachse. Die vertikale Polarisationsachse 20c von Polarisationsfilter 12c überträgt Licht der Farben C&sub1; und C&sub2;, und die horizontale Polarisationsachse 26c von Polarisationsfilter 12c überträgt Licht der Farben C&sub2; und C&sub3;. Die vertikale Polarisationsachse 22c von Polarisationsfilter 14c absorbiert Licht aller Farben, und die horizontale Polarisationsachse 28c von Polarisationsfilter 14c überträgt Licht der drei Primärfarben C&sub1;, C&sub2; und C&sub3; oder weißes Licht. Die vertikale Polarisationsachse 24c von Polarisationsfilter 16c überträgt Licht der Farben C&sub1; und C&sub2;, und die horizontale Polarisationsachse 30c von Polarisationsfilter 16c überträgt Licht der Farben C&sub1; und C&sub3;. Lediglich Polarisationsfilter 14c hat komplementäre Polarisationsachsen. Die variablen optischen Verzögerer 36c und 38c erzeugen eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3;.
Im Lichtausgangszustand 1 werden die variablen optischen Verzögerer 36c und 38c jeweils von den Ausgängen 48c bzw. 50c in den "EIN"-Zustand geschaltet und lassen somit die Polarisationsrichtungen von durch diese verlaufendem Licht unverändert. Lichtstrahlen, die auf die vertikale Polarisationsachse 20c und die horizontale Polarisationsachse 26c von Polarisationsfilter 12c fallen, werden daher jeweils in vertikaler bzw. horizontaler Richtung linear polarisiert und erfahren bei ihrem Verlauf durch das schaltbare Farbfilter keine Veränderung ihrer Polarisationsrichtung. Da keine Lichtstrahlen durch die vertikale Polarisationsaches 22c von Polarisationsfilter 14c verlaufen, tritt kein Licht durch die vertikale Polarisationsachse 24c von Polarisationsfilter 16c aus dem schaltbaren Farbfilter aus. Nur Licht der Farbe C&sub3; wird von jeder der horizontalen Polarisationsachsen der Polarisationsfilter 12c, 14c und 16c übertragen und tritt daher durch die horizontale Polarisationsachse 30c von Polarisationsfilter 16c aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 2 wird der variable optische Verzögerer 36c von dem Ausgang 48c der Steuerschaltung in den "EIN"- Zustand geschaltet, und der variable optische Verzögerer 38c wird vom Ausgang 50c der Steuerschaltung in den "AUS"-Zustand geschaltet. Da der variable optische Verzögerer 36c sich im "EIN"-Zustand befindet, bleiben die Polarisationsrichtungen von diesen durchlaufenden Lichtstrahlen unverändert. Somit verläuft kein Licht durch die vertikale Polarisationsachse 22c, und Lichtstrahlen der Farben C&sub2; und C&sub3; verlaufen durch die horizontale Polarisationsachse 28c von Polarisationsfilter 14c. Da der variable optische Verzögerer 38c sich im "AUS"- Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3; zu erzeugen, wird die Polarisationsrichtung von Licht der Farbe C&sub3; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden von der vertikalen Polarisationsachse 24c von Polarisationsfilter 16c vollständig absorbiert.
Da der variable optische Verzögerer 38c im "AUS"-Zustand keine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht anderer Farben außer C&sub3; erzeugt, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2;, die durch den variablen optischen Verzögerer 38c verlaufen, unter einem anderen Winkel als 90º gedreht. Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; werden daher in Komponenten aufgeteilt, die auf der vertikalen und der horizontalen Polarisationsachse von Polarisationsfilter 16c liegen. Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; enthalten Hauptkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 24c projiziert und durch diese übertragen werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die horizontale Polarisationsachse 30c projiziert und von dieser absorbiert werden. Licht der Farbe C&sub2; tritt im Lichtausgangszustand 2 aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 3 wird der variable optische Verzögerer 36c von dem Ausgang 48c der Steuerschaltung in den "AUS"- Zustand geschaltet, und der variable optische Verzögerer 38c wird vom Ausgang 50c der Steuerschaltung in den "EIN"-Zustand geschaltet. Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub2; verlaufen durch die vertikale Polarisationsachse 20c und Lichtstrahlen der Farben C&sub2; und C&sub3; verlaufen durch die horizontale Polarisationsachse 26c von Polarisationsfilter 12c.
Da der variable optische Verzögerer 38c sich im "AUS "-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3; zu erzeugen, wird die Polarisationsrichtung von Lichtstrahlen der Farbe C&sub3; um 90º gedreht und die Lichtstrahlen werden von der vertikalen Polarisationsachse 22c von Polarisationsfilter 14c absorbiert. Da Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; durch beide Polarisationsachsen von Polarisationsfilter 12c übertragen werden, werden Haupt- und Nebenkomponenten von Lichtstrahlen der Farbe C&sub2; auf die vertikale Polarisationsachse 22c projiziert und von dieser absorbiert und durch die horizontale Polarisationsachse 28c von Polarisationsfilter 14c übertragen. Lichtstrahlen der Farbe C&sub1; enthalten Hauptkomponenten von Licht, welche auf die horizontale Polarisationsachse 28c projiziert und durch diese übertragen werden, sowie Nebenkomponenten von Licht, die auf die vertikale Polarisationsachse 22c von Polarisationsfilter 14c projiziert und von dieser absorbiert werden. Aufgrund der Wirkung des variablen optischen Verzögerers 36c, der sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3; zu erzeugen, soll kein Licht durch die vertikale Polarisationsachse 22c und Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub2; durch die horizontale Polarisationsachse 28c von Polarisationsfilter 14c durchgelassen werden.
Da der variable optische Verzögerer 36c sich im "EIN"-Zustand befindet, bleiben die Polarisationsrichtungen der ihn durchlaufenden Lichtstrahlen unverändert. Somit verläuft nur Licht der Farbe C&sub1; durch die horizontale Polarisationsachse 30c des Polarisationsfilters 16c. Licht der Farbe C&sub1; tritt im Lichtausgangszustand 3 aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Im Lichtausgangszustand 4 werden die variablen optischen Verzögerer 36c und 38c jeweils von den Ausgängen 48c bzw. 50c der Steuerschaltung in die "AUS"-Zustände geschaltet, die eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3; bewirken. Wie es im Lichtausgangszustand 3 der Fall ist, in dem der variable optische Verzögerer 36c sich im "AUS"-Zustand befindet, verläuft kein Licht durch die vertikale Polarisationsachse 22c und Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub2; verlaufen durch die horizontale Polarisationsachse 28 von Polarisationsfilter 14c.
Da der variable optische Verzögerer 38 sich im "AUS"-Zustand befindet und darauf abgestimmt ist, eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht der Farbe C&sub3; zu erzeugen, werden Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub2; in Komponenten aufgeteilt, die Hauptkomponenten von Licht enthalten, welche auf die vertikale Polarisationsachse 24c projiziert werden und durch diese verlaufen, sowie Nebenkomponenten von Licht, welche auf die horizontale Polarisationsachse 30c von Polarisationsfilter 16c projiziert werden. Die Nebenkomponenten von Licht der Farbe C&sub1; werden durch die horizontale Polarisationsachse 30c von Polarisationsfilter 16c durchgelassen und die Nebenkomponenten von Licht der Farbe C&sub2; werden von dieser absorbiert. Lichtstrahlen der Farben C&sub1; und C&sub2; treten in Lichtausgangszustand 4 aus dem schaltbaren Farbfilter aus.
Die vier Lichtausgangszustände, die Licht dreier reiner Farben und Licht, welches eine Kombination aus zwei Farben ist, erzeugen, sind in Tabelle VI zusammengefaßt. TABELLE VI Lichtausgangszustand Schaltzustand variabl., opt. Verzögerer Farbe des Lichtausgangs EIN AUS
Ist C&sub1; die Farbe Rot, C&sub2; die Farbe Grün und C&sub3; die Farbe Blau zugeordnet, dann erzeugt das schaltbare Farbfilter der vorliegenden Erfindung in seinen Lichtausgangszuständen 1, 2, 3 und 4 Licht jeweils der Farben Blau, Grün, Rot bzw. Gelb. Die variablen optischen Verzögerer 36c und 38c erzeugen eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von blauem Licht.
Für die zweite, dritte und vierte bevorzugte Ausführungsform des schaltbaren Farbfilters wurden die Farben von Licht, welches durch die Polarisationsachsen der Polarisationsfilter übertragen wurde und einer im wesentlichen Halbwellen- Verzögerung durch die variablen optischen Verzögerer unterzogen wurde, empirisch bestimmt. Es wird jedoch angenommen, daß Lichtausgangsübertragungsfunktionen für die zweite, dritte und vierte bevorzugte Ausführungsform ableitbar sind, um die Bestimmung der Farben des Lichtes, das durch die Polarisationsfilter übertragen und einer im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung durch die variablen optischen Verzögerer unterzogen werden kann, um die gewünschten Lichtausgangszustände zu ergeben, zu erleichtern.
Es versteht sich, daß obgleich die hierin beschriebenen vier bevorzugten Ausführungsformen des schaltbaren Farbfilters Lichtpolarisiervorrichtungen mit Polarisationsfiltern aufweisen, die sich dadurch auszeichnen, daß jedes Licht der drei Primärfarben weiterleitet, auch Polarisationsfilter zur Erzeugung von Lichtausgangszuständen dreier reiner Farben verwendet werden können, welche Licht anderer Farben und Farben, die sich von denjenigen unterscheiden, die von den anderen Polarisationsfiltern in einer Lichtpolarisiervorrichtung durchgelassen werden, weiterleiten. Die variablen optischen Verzögerer können darauf abgestimmt sein, daß sie eine im wesentlichen Halbwellen-Verzögerung von Licht in Farben, die sich von den Primärfarben unterscheiden, erzielen.

Variabler optischer Verzögerer auf Flüssigkristallbasis

Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten ein Paar Flüssigkristallzellen, die als optische Verzögerer mit einer Verzögerung von Null bis im wesentlichen einer Halbwelle arbeiten. Eine jede derartige Flüssigkristallzelle steuert die Verzögerung von diese durchlaufendem Licht als Reaktion auf die Stärke eines elektrischen Feldes, das von einer an den Zellelektrodenaufbau angelegten Erregerspannung erzeugt wird.
Wie es in Fig. 6 zu sehen ist, weist eine Flüssigkristallzelle 100 ein Paar allgemein paralleler, beabstandeter Elektroden 102 und 104 mit zwischen diesen angeordnetem nematischen Flüssigkristallmaterial 106 auf. Die Elektrode 102 umfaßt ein dielektrisches Glassubstrat 108, welches auf seiner inneren Oberfläche eine Schicht 110 aus stromleitfähigem, aber optisch transparenten Material wie Indiumzinnoxid aufweist. Die Filmschicht 112 zur Ausrichtung der Richtelemente ist auf der stromleitfähigen Schicht 110 aufgebracht und bildet einen Grenzbereich zwischen der Elektrode 102 und dem Flüssigkristallmaterial 106. Die Oberfläche von Film 112, die mit dem Flüssigkristallmaterial in Kontakt ist, ist gemäß einem von zwei bevorzugten Verfahren aufbereitet, um eine bevorzugte Ausrichtung der Richtelemente des mit diesen in Kontakt befindlichen Flüssigkristallmaterials zu fördern. Die Materialien, die den Film 112 zur Ausrichtung der Richtelemente bilden, und die entsprechenden Verfahren zu deren Aufbereitung sind im einzelnen nachstehend beschrieben. Die Elektrode 104 hat einen ähnlichen Aufbau wie derjenige der Elektrode 102, und die Komponenten, die denjenigen der Elektrode 102 entsprechen, sind mit identischen Bezugzeichen, gefolgt von Strichindexen, bezeichnet.
Die kurzen Ränder der Elektroden 102 und 104 sind relativ zueinander versetzt, um Zugang zu den stromleitfähigen Schichten 110 und 110' zum Anschließen der Leiter eines ausgewählten Ausganges einer Steuerschaltung 40 an den Anschlüssen 113 zu erhalten. Abstandselemente 114 können aus jedwedem geeigneten Material wie Glasfaser hergestellt sein, um die allgemeine Parallelität zwischen den Elektroden 102 und 104 zu bewahren.
Es wird nunmehr auf die Fig. 7A-7D Bezug genommen. Die darin gezeigte nematische Konfiguration der Ausrichtung der Richtelemente der Schichten 112 und 112' in Flüssigkristallzelle 100 ist in Spalte 7, Zeilen 48-55 der U.S.-Patentschrift Nr. 4,333,708 (Boyd et al.) beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß sich die im Patent von Boyd et al. beschriebene Flüssigkristallzelle von derjenigen der vorliegenden Erfindung darin unterscheidet, daß erstere eine Konfiguration des Typs einer wechselweise geneigten Geometrie aufweist, von der die Ausrichtung der Richtelemente von Zelle 100 nur einen Teil umfaßt. Die Zelle nach dem Patent von Boyd et al. ist so aufgebaut, daß sie eine Neigungsbewegung innerhalb der Zelle fördert, in dem Bestreben, eine bistabile Schaltvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Die Filmschicht 112 von Elektrode 102 ist so aufbereitet, daß die Richtelemente 116, die die Elektrodenoberfläche kontaktieren, parallel zueinander unter einem Vorspannungs-Neigungswinkel +e ausgerichtet sind, welcher bezüglich der Oberfläche von Filmschicht 112 entgegen dem Uhrzeigersinn gemessen wird. Die Filmschicht 112' von Elektrode 104 ist so aufbereitet, daß die die Elektrodenoberfläche kontaktierenden Richtelemente 118 parallel zueinander unter einem Vorspannungs-Neigungswinkel -e ausgerichtet sind, welcher bezüglich der Oberfläche von Filmschicht 112' im Uhrzeigersinn gemessen wird. Somit wird die Flüssigkristallzelle 100 so hergestellt, daß die die Oberfläche kontaktierenden Richtelemente 116 und 118 der entgegengesetzten Oberflächen der Schichten 112 und 112' zur Ausrichtung der Richtelemente jeweils der Elektroden 102 bzw. 104 in entgegengesetzten Richtungen vorgespannt geneigt sind.
Ein erstes bevorzugtes Verfahren zum Erzielen der gewünschten Ausrichtung der die Oberfläche kontaktierenden Richtelemente umfaßt die Verwendung von Polyimid als das Material, das die Ausrichtungsfilmschichten 112 und 112' auf jeweils den Elektroden 102 bzw. 104 umfaßt. Jede Ausrichtfilmschicht wird gerieben, um einen Vorspannungs-Neigungswinkel R zu erzeugen, wobei 2º bis 5º der bevorzugte Bereich ist. Ein zweites bevorzugtes Verfahren zur Bewirkung der gewünschten Ausrichtung der die Oberfläche kontaktierenden Ausrichtelemente sieht die Verwendung von Siliziummonoxid als das Material, welches die Ausrichtungsfilmschichten 112 und 112' jeweils der Elektroden 112 bzw. 112' umfaßt, vor. Die Siliziummonoxidschicht wird verdampft und unter einem Winkel von vorzugsweise 5º, gemessen von der Oberfläche der Elektrode, einer Metallaufdampfung einer Menge unterzogen, die ausreicht, um einen Vorspannungs-Neigungswinkel R von zwischen 10º bis 30º zu erzeugen, wobei 15º bis 25º der bevorzugte Bereich ist.
Es versteht sich, daß Verfahren zur Aufbringung von Siliziummonoxid oder anderer Ausrichtmaterialien zur Ausrichtung von Flüssigkristallmolekülen in einer vorbestimmten Richtung bereits früher von anderen beschrieben wurden und dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der U.S.-Patentschrift NR. 4,165,923 (Janning) offenbart.
In Fig. 7A ist die Ausrichtung von die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelementen 120 bei Anlegen eines Wechselstromsignals V&sub1; von ca. 2 kHz und 20 Veff an die leitenden Schichten 110 und 100' jeweils der Elektroden 102 bzw. 104 dargestellt. Das Signal V&sub1; auf der leitenden Schicht 110' stellt einen ersten Schaltzustand dar, der am ausgewählten Ausgang von Steuerschaltung 40 erzeugt wird, und erzeugt ein wechselndes Stromfeld, E, zwischen den Elektroden 102 und 104 innerhalb der Flüssigkristallzelle 100, um die Zelle in ihren "EIN"-Zustand zu schalten. Eine erhebliche Anzahl der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 eines Flüssigkristallmaterials 106, das einen positiven Anisotropie-Wert hat, richtet sich im wesentlichen in einer Ende-an-Ende-Stellung in Richtung 121 der Flußlinien des elektrischen Feldes innerhalb der Zelle aus, wobei diese Richtung senkrecht zu den aufbereiteten Oberflächen der Elektroden ist. Somit werden, wenn die Zelle 100 erregt und in ihren "EIN"-Zustand geschaltet wird, die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 rechtwinklig zu den Oberflächen der Zelle ausgerichtet. Es ist zu bemerken, daß die die Oberfläche kontaktierenden Richtelemente 116 und 118 in den beiden topologischen Zuständen der Zelle im wesentlichen ihre Vorspannungs-Neigungswinkel beibehalten, wobei der erste dieser Zustände in den Fig. 7A bis 7C dargestellt ist, und der zweite in Fig. 7D gezeigt ist.
In Fig. 7B ist die Ausrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 dargestellt, nachdem das Signals V&sub1; nicht mehr anliegt, so daß die Ausrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente nicht durch ein elektrisches Feld beeinflußt wird, welches zwischen den Elektroden 102 und 104 innerhalb der Zelle erzeugt wird, sondern durch die intermolekularen elastischen Kräfte, die eine Entspannung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente aus der Ende-an-Ende-Ausrichtung des "EIN"-Zustandes bewirken. Durch das Wegfallen des Signals V&sub1; entsteht ein zweiter Schaltzustand, der am ausgewählten Ausgang der Steuerschaltung 40 erzeugt wird. Die in Fig. 7B dargestellte Ausrichtung der Richtelemente entspricht derjenigen des "AUS"- Zustandes der Zelle.
Die Zelle 100 kann auch dadurch in den "AUS"-Zustand geschaltet werden, daß an die Zelle ein Wechselstromsignal V&sub2; angelegt wird, welches an dem ausgewählten Ausgang von Steuerschaltung 40 erzeugt wird und einen Spannungspegel hat, der unter demjenigen von Signal V&sub1; liegt und allgemein ca. 0,1 V beträgt. Die Frequenz von Signal V&sub2; ist allgemein dieselbe wie diejenige von Signal V&sub1;.
Während des Überganges aus dem "EIN"-Zustand in den "AUS"- Zustand der Flüssigkristallzelle geben die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente ihre Ende-an-Ende-Ausrichtung senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden auf und streben eine allgemein parallele Stellung zu den benachbarten Richtelementen an. Somit drehen sich die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120a und 120b im Uhrzeigersinn, wie es von den Richtungspfeilen 122a angezeigt wird, um bezüglich jeweils der Richtelemente 116 bzw. 120a eine fast-parallele Stellung einzunehmen; und die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120c und 120d drehen sich entgegen den Uhrzeigersinn, wie es von den Richtungspfeilen 122b angezeigt wird, um eine fast-parallele Stellung jeweils zu den Richtelementen 118 bzw. 120c zu erhalten. Wenn sich somit die Zelle 100 wieder in ihren "AUS"-Zustand entspannt, wird jedes einer beträchtlichen Anzahl der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente derart ausgerichtet, daß es eine Richtelementkomponente auf die Oberflächen der Zelle projiziert. Die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente liegen jedoch ungefähr in einer Ebene, die rechtwinklig zu den Oberflächen der Zelle ist.
Es ist zu bemerken, daß die Oberflächengeometrie von Zelle 100 sich von derjenigen einer herkömmlichen Flüssigkristallzelle mit variabler Verzögerung unterscheidet, beispielsweise von derjenigen, die in der Veröffentlichung "Transient Behavior of Twisted Nematic Liquid-Crystal Layer in an Electric Field", Journal De Physioue, Band 36, Seiten C1-261 - C1-263 von C. F. Van Doorn beschrieben ist, bei der die Vorspannungs-Neigungswinkel dieselben Drehrichtungen, gemessen von den inneren Oberflächen der Elektrode, haben. Die Konfiguration der die Oberfläche kontaktierenden Richtelemente von Zelle 100 induziert eine schnelle Entspannung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente ohne jedweden optischen Spannungssprung vom "EIN"-Zustand in den "AUS"-Zustand. Es wird gegenwärtig angenommen, daß die schnelle Entspannung ohne optischen Spannungssprung der Richtelemente durch den Fluß von Flüssigkristallmaterial in derselben Richtung 124 entlang beider aufbereiteter Oberflächen der Zelle bedingt ist. Ein derartiger Fluß in nur einer Richtung tritt in der herkömmlichen Zelle, die in der Veröffentlichung von Van Doorn beschrieben ist, nicht auf, wobei bei dieser Zelle ein Flüssigkristallmaterialfluß in entgegengesetzten Richtungen entlang den aufbereiteten Oberflächen auftritt. Die positive Wirkung des Materialflusses in nur eine Richtung in Zelle 100 besteht darin, daß kein "umgekehrtes" Drehmoment durch einen derartigen Fluß in der sich entspannenden Zelle an die in der Mitte befindlichen, die Oberfläche nicht berührenden Richtelemente 120e angelegt wird. Das Ergebnis ist, daß ein schneller elektro-optischer Schaltvorgang ohne Spannungssprung erhalten wird.
In Fig. 7C ist die Ausrichtung der Richtelemente nach einer Zeit T&sub1; dargestellt, während der die Flüssigkristallzelle 100 sich weiter über den in Fig. 7B gezeigten "AUS"-Zustand hinaus entspannen kann. Dies tritt allgemein dann auf, wenn ein elektrisches Feld nicht wieder in der Zelle aufgebaut wird, nachdem eine Periode von ca. 50 ms seit dem Zeitpunkt des Wegfalls des elektrischen Feldes verstrichen ist. Die in Fig. 7C gezeigte Richtelementkonfiguration der Zelle zeichnet sich dadurch aus, daß die die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 ihre Konfiguration in der Ebene aufgeben und eine Stellung einnehmen, die als Verdrehung um π Radiant oder Helixkonfiguration bekannt ist. Bei weiterer Entspannung wird die sich in der π Radiant-Verdrehungs-Konfiguration befindliche Zelle eine Neigungsbewegung erfahren und über eine Zeitperiode T&sub2; von ungefähr mehreren Minuten hinweg zu der gespreizten Konfiguration übergehen, die in Fig. 7D dargestellt ist. Es ist zu bemerken, daß das periodische Anlegen eines Wechselstromsignals V&sub3; von ca. 1,0 V an die Zelle eine weitere Entspannung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelementen in den π Radiant-Verdrehungs-Zustand verhindert.
Das Verfahren zum Betrieb der Flüssigkristallzelle 100 als optische Verzögerungsvorrichtung mit einer Verzögerungskapazität von Null bis zu im wesentlichen einer Halbwelle ist auf die Entspannung ohne Neigung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente aus dem ausgerichteten elektrischen Feld oder "EIN"-Zustand, wie in Fig. 7A dargestellt, in die ebene Konfiguration oder "AUS"-Zustand, wie in Fig. 7B gezeigt, gerichtet.
In der vorliegenden Erfindung wird die Flüssigkristallzelle 100 als optische Verzögerungsvorrichtung mit einer Verzögerungskapazität von Null bis zu im wesentlichen einer Halbwelle betrieben, deren optische Achse der Ausrichtungsrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 entspricht.
Linear polarisiertes Licht, welches sich in einer Richtung 126 senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden 102 und 104 ausbreitet, fällt mit der Richtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelementen 120 zusammen, wenn sich die Flüssigkristallzelle im "EIN"-Zustand befindet. Die Richtelemente 120 sind in einem derartigen "EIN"-Zustand so ausgerichtet, daß eine vernachlässigbar geringe Projektion der optischen Achse auf die Oberflächen der Elektroden der Zelle stattfindet. Unter diesen Bedingungen erzeugt die Flüssigkristallzelle 100 eine erheblich verringerte optische Verzögerung für einfallendes Licht, welches sich in der Richtung 126 fortpflanzt.
Linear polarisiertes Licht, welches sich in Richtung 126 senkrecht zu den Oberflächen der Elektroden 102 und 104 fortpflanzt, fällt nicht mit der Ausrichtungsrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente zusammen, wenn sich die Flüssigkristallzelle im "AUS"-Zustand befindet. Die Richtelemente 120 sind in diesem "AUS "-Zustand derart ausgerichtet, daß jedes einer erheblichen Anzahl dieser Elemente eine Komponente auf die Oberflächen der Elektroden der Zelle projiziert. Unter diesen Bedingungen hat die Flüssigkristallzelle 100 eine wirkungsvolle Doppelbrechung für allgemein senkrecht einfallendes Licht. Die Ausrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente 120 ergibt eine optische Verzögerung von im wesentlichen einer Halbwelle für Licht der Wellenlänge, die die folgende mathematische Gleichung erfüllt:
Δnd/λ = 1/2
wobei d die Dicke 128 und Δn die effektive Doppelbrechung der Zelle darstellt.
In Fig. 8 ist das optische Übertragungsansprechen einer Flüssigkristallzelle dargestellt, die zwischen einem Paar neutraler Polarisationsfilter angeordnet ist, deren Übertragungsachsen parallel ausgerichtet sind, wobei dieses ungefähr eine 1,0 ms Übergangszeit zwischen dem "EIN"- und dem "AUS"-Zustand der Zelle ergibt. Diese Ansprechdauer wurde mit einer Zelle erreicht, die mit Flüssigkristallmaterial des Typs E-44, hergestellt von BDH Chemicals Ltd., Poole, England, mit einer Dicke von 3 Mikron und getrieben durch einen Impuls von +20 Veff mit einer Frequenz von 2 kHz hergestellt wurde. Dieses relativ schnelle optische Ansprechen wird auf die Eliminierung des optischen Spannungssprunges zurückgeführt, welche aufgrund der Förderung des Flusses von Flüssigkristallmaterial in nur einer Richtung innerhalb der Zelle während der Neuausrichtung der die Oberfläche nicht kontaktierenden Richtelemente, die zwischen dem Übergang vom "EIN"-Zustand in den "AUS"-Zustand erfolgt, erzielt wurde.

Claims

1. Schaltbares Farbfilter zum Empfangen von Licht von einer Lichtquelle (32), worin das Filter folgendes umfaßt:

drei Polarisationsvorrichtungen (12,14, 16;12a, 14a, 16a; 12b,14b,16b;12c,14c,16c), die sequentiell auf einer Achse (34;34a;34b;34c) angeordnet sind, wobei mindestens zwei der drei Polarisationsvorrichtungen farbselektive Polarisationsfilter umfassen;

ein Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen (36,38;36a,38a;36b,38b;36c,38c), wobei jede dieser Verzögerungsvorrichtungen zwischen einem unterschiedlichen Paar der drei Polarisationsvorrichtungen angeordnet ist; und

eine Steuervorrichtung (40), die mit den variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen in Verbindung steht, um unter den drei Primärfarben die Farbe des vom Filter übertragenen Lichtes auszuwählen, indem erste und zweite Steuersignale selektiv an die Verzögerungsvorrichtungen angelegt werden und diese Signale für jede der Verzögerungsvorrichtungen entsprechende erste und zweite Verzögerungsgrade entwickeln, die auf das durch diese hindurch übertragene Licht aufgebracht werden, wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten Graden im wesentlichen einer Halbwellen-Verzögerung von Licht einer bestimmten Farbe entspricht;

dadurch gekennzeichnet, daß jede variable optische Verzögerungsvorrichtung eine Flüssigkristall-Verzögerungsvorrichtung ist und daß die bestimmte Farbe für jede Verzögerungsvorrichtung eine der drei Primärfarben ist, die in Zusammenwirkung mit den polarisationsabhängigen Farbübertragungscharakteristiken der drei Polarisationsvorrichtungen und der Betriebssequenz, durch die die Steuervorrichtung die variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen steuert, so ausgewählt ist, daß das Filter drei im wesentlichen reine Farbausgangszustände hat.

2. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1, worin die Polarisationsvorrichtungen (12,14, 16;12a,14a,16a; 12b,14b,16b; 12c, 14c, 16c) erste Polarisationszustände aufweisen, die alle parallel zueinander sind, wobei jede Polarisationsvorrichtung auch einen zweiten Polarisationszustand hat, der im wesentlichen orthogonal zu ihrem ersten Polarisationszustand ist, und worin jede variable optische Verzögerungsvorrichtung (36,38;36a,38a;36b;38b;36c,38c) in der Lage ist, im wesentlichen eine Halbwellen-Verzögerung von Licht einer Farbe zu erzielen, die durch entsprechende Polarisationszustände einer Polarisationsvorrichtung durchgelassen wird, die im Weg des Lichtes zur Verzögerungsvorrichtung angeordnet ist, und einer Polarisationsvorrichtung, die im Weg des Lichtes von der Verzögerungsvorrichtung angeordnet ist und die durch die anderen entsprechenden Polarisationszustände dieser Polarisationsvorrichtungen blockiert wird.

3. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, in dem mindestens einer (12,14,16;14a) der farbselektiven Polarisationsfilter erste und zweite im wesentlichen orthogonal zusammenhängende Polarisationszustände hat, die sich dadurch auszeichnen, daß keiner der beiden Polarisationszustände Licht einer Farbe durchläßt, die von dem jeweils anderen Polarisationszustand durchgelassen wird.

4. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwei (12c,16c) der farbselektiven Polarisationsfilter erste und zweite im wesentlichen orthogonal zusammenhängende Zustände haben, die Licht eines vorbestimmten Zustandes von Farben durchlassen, wobei die ersten Polarisationszustände der farbselektiven Polarisationsfilter Licht erster Teilmengen des Farbensatzes durchlassen und die zweiten Polarisationszustände der farbselektiven Polarisationsfilter Licht zweiter Teilmengen des Farbensatzes durchlassen, wobei jedes der zwei farbselektiven Polarisationsfilter sich dadurch auszeichnet, daß seine erste Teilmenge mindestens eine Farbe einschließt, die in seiner zweiten Teilmenge enthalten ist.

5. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jede der drei Polarisationsvorrichtungen (12b,14b,16b) ein farbselektives Polarisationsfilter mit einem Paar orthogonal zusammenhängender Polarisationszustände, von denen ein Polarisationszustand weißes Licht durchläßt, umfaßt, und die Steuervorrichtung (40) so betrieben werden kann, daß sie wählbar einen Lichtausgangszustand von weißem Licht erzeugt.

6. Schaltbares Farbfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die drei Polarisationsvorrichtungen erste und zweite im wesentlichen orthonal zusammenhängende Polarisationszustände aufweisen, von denen mindestens ein Polarisationszustand einer jeden der drei Polarisationsvorrichtungen Licht mit mindestens zwei Farben durchläßt.

7. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zwei (12c,14c) der farbselektiven Polarisationsfilter erste und zweite im wesentlichen orthogonal zusammenhängende Polarisationszustände haben, von denen jeder Polarisationszustand Licht mit zwei Farben durchläßt.

8. Schaltbares Farbfilter nach Anspruch 1, 2, 3 oder 6, bei dem eine (14c) der drei Polarisationsvorrichtungen zwischen dem Paar variabler optischer Verzögerungsvorrichtungen angeordnet ist und ein neutrales Polarisationsfilter umfaßt.

9. Schaltbares Farbfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede der variablen optischen Verzögerungsvorrichtungen eine Flüssigkristallzelle (100) aufweist, die Flüssigkristallmaterial (106) umfaßt, welches Richtelemente (116,118,120) aufweist und zwischen einem Paar gegenüberliegender, beabstandeter lichtdurchlässiger Elektrodenanordnungen (102,104) enthalten ist, wobei jede Elektrodenanordnung eine Schicht lichtdurchlässigen und elektrisch leitenden Materials (110,110') aufweist und die innere Oberfläche einer jeden Elektrodenanordnung so aufbereitet ist, daß die Richtelemente (116,118) des

Flüssigkristallmaterials (106) in Kontakt damit im wesentlichen gleichförmig ausgerichtet werden, so daß sie mit den aufbereiteten Oberflächen geneigte Vorspannungswinkel (+R,-R) bilden, wobei die geneigten Vorspannungswinkel (-R) der mit einer aufbereiteten Oberfläche in Kontakt befindlichen Richtelemente (116) in einer Drehrichtung entgegengesetzt zu den geneigten Vorspannungswinkeln (-R) der mit der anderen aufbereiteten Oberfläche in Kontakt befindlichen Richtelemente (118) definiert sind.

10. Farbanzeigevorrichtung mit einem schaltbaren Farbfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Kombination mit einer Lichtquelle (32) in Form einer Kathodenstrahlröhre, die ein Schwarz-Weiß-Bild ausgibt, das Komponenten der Wellenlängen von Licht einschließt, welches von den farbselektiven Polarisationsfiltern übertragen wird.