DE3626146C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine transparente Flüssigkristall­ anzeige zur Anordnung im Strahlengang zwischen einer Projektionslichtquelle und einer Projektionsoptik, insbesondere zur Overheadprojektion des Bildschirm­ inhalts eines EDV-Monitors, wobei die Flüssigkristall­ anzeige aus einer Flüssigkristallzelle mit zwei, eine Flüssigkristallschicht einschließenden Glasplatten und mehreren, auf den Innenseiten der Glasplatten ange­ brachten transparenten Elektroden, sowie aus zwei, auf beiden Seiten der Flüssigkristallzelle angeordneten Polarisatoren besteht.

Übliche transparente Flüssigkristallanzeigen bestehen aus einer Flüssigkristallzelle mit zwei, eine Flüssig­ kristallschicht einschließenden Glasplatten und mehreren, auf den Innenseiten der Glasplatten angebrachten, trans­ parenten Elektroden, sowie aus zwei, auf den Außen­ flächen der die Flüssigkristallschicht einschließenden Glasplatten unmittelbar aufliegenden Polarisatoren. Wird eine derartige transparente Flüssigkristallan­ zeige von einer Seite beleuchtet, so lassen sich die angezeigten Symbole auf der anderen Seite optisch wahrnehmen oder auch mittels einer Optik auf eine Leinwand projizieren.

Beim letztgenannten Anwendungsfall ist die verwendete Flüssigkristall­ anzeige über ein Interface an einen Personalcom­ puter angeschlossen und gibt den gleichen Bildinhalt wieder wie der mit der üblichen Kathodenstrahlröhre ausgestattete Monitor des Personalcomputers. Um den Bildschirminhalt einer größeren Betrachtergruppe vor­ führen zu können, wird die Darstellung der Flüssig­ kristallanzeige mittels eines handelsüblichen Over­ headprojektors auf eine Leinwand projiziert. Zu diesem Zweck wird die Flüssigkristallanzeige in dem Strahlen­ gang zwischen der Projektionslichtquelle und der Pro­ jektionsoptik des Projektors angeordnet, indem sie statt der üblichen Overheadfolie auf den Projektions­ tisch des Projektors gelegt wird. Auf diese Weise lassen sich beliebig großformatige Projektionen des Bildschirminhalts erzeugen.

Es hat sich gezeigt, daß bei besonders lichtstarken Projektoren die Gefahr einer übermäßigen Erwärmung der Flüssigkristallzelle besteht. Dies kann dazu führen, daß die für das Funktionsprinzip entscheidende Übergangsphase zwischen der kristallinen- und der flüssigen Phase der Flüssigkristall-Verbindung ver­ lassen und eine überwiegend flüssige Phase einge­ nommen wird. Dabei ändern sich die charakteristischen Eigen­ schaften der Flüssigkristalle mehr und mehr. Dieser Effekt könnte im Betriebsbereich in engen Grenzen noch durch eine Veränderung der Ansteuerspannung an den Elektroden ausgeglichen werden. Bei einer weiteren steigenden Erwärmung wird sich dann aber eine end­ gültige Zerstörung der gesamten Flüssigkeitskristall­ zelle ergeben, die durch eine Veränderung der Ansteuer­ spannung nicht ausgeglichen werden kann. Eine sich als Ausweg anbietende Reduzierung der Lichtstärke der verwendeten Projektoren ist unerwünscht, da hier­ durch die Projektionsqualität in höherer Umgebungs­ helligkeit, einem besonders interessanten Einsatz­ gebiet für eine derartige Flüssigkristallanzeige, leiden würde.

Aus der EP-OS 01 27 701 ist bereits eine transparente Flüssigkristallanzeige zur Anordnung im Strahlengang zwischen einer Projektionslichtquelle und einer Projek­ tionsoptik bekannt, bei der Polarisatoren im Abstand der Flüssigkristallzelle angeordnet sind,. Durch Absorb­ tion eines Teils der von der Projektionslichtquelle aus­ gehenden Strahlung erwärmen sich die Polarisatoren, je­ doch wird durch den Abstand der Polarisatoren von der Flüssigkristallzelle erreicht, daß ein direkter Wärme­ übergang durch Wärmeleitung von den Polarisatoren auf die Flüssigkristallzelle etwas vermindert wird. Darüber hinaus sieht die bekannte Vorrichtung noch ein Infrarot­ filter und ein Ultraviolettfilter vor, die eine weitere Absorbtion des nicht sichtbaren Lichts bewirken und dadurch die Polarisatoren und in weiterer Konsequenz auch die Flüssigkristallzelle vor übermäßiger Erwärmung schützen. Diese Filter sind im übrigen so ausgebaut, daß sie über ihrer Fläche eine gleichmäßige Filterwirkung zeigen.

Auch in dem Aufsatz "Anzeigeelemente mit Flüssigkristallen", Zeitschrift Feinwerktechnik+Micronic 77 (1973), Heft 2, Seiten 46-51, wird im Zusammenhang mit Flüssigkristall­ zellen in Projektionsanordnungen vorgeschlagen, die an der Lichtquelle entstehende Wärme und Infrarotstrahlung abzuführen bzw. zu sperren, damit sie die Flüssigkristall­ zelle nicht erreichen kann. Zu erreichen sei dies mit einer guten Lüftung mit Gebläse sowie durch Vorschalten von Ab­ sorptions- und Reflexionsfiltern.

Im Gegensatz zu diesen Anwendungen, die Wärme von der Flüssigkristallzelle fernhalten sollen, gibt es auch Bei­ spiele für den umgekehrten Fall, daß nämlich die Flüssig­ kristallzelle kontrolliert erwärmt wird, um ein bestimmtes Betriebsverhalten zu erreichen.

So ist aus der US-PS 43 68 963 eine Anordnung zu entnehmen, bei der Flüssigkristallzellen mittels Warmluftgebläsen er­ wärmt werden, damit sich eine Temperatur von etwa 60°C bis 80°C einstellt. Der Sinn dieser Maßnahme besteht darin, schnellere Schaltzeiten der Zellen zur Wiedergabe bewegter Fernsehbilder zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine trans­ parente Flüssigkristallanzeige zu schaffen, bei der eine die charakteristischen Eigenschaften und die Lebens­ dauer beeinträchtigende Erwärmung der Flüssigkristall­ zelle auch unter Bestrahlung mit einer extrem licht­ starken Projektionslichtquelle vermieden und gleich­ zeitig eine hohe Lichtdurchlässigkeit erzielt wird.

Ausgehend von einer transparenten Flüssigkristall­ anzeige nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 löst die Erfindung diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Erwärmung der Flüssigkristallzelle im wesentlichen durch die Absorbtionsverluste des einfallenden Lichts in den Polarisatoren und dem direkten Wärmeübergang auf die angrenzenden Glasplatten der Flüssigkristallzelle ver­ ursacht wird. Dabei entfällt auf den der Projektions­ lichtquelle zugewandten Polarisator der größte Anteil der Absorptionsverluste, da dieser aus dem gesamten einfallenden Licht nur das in seiner Polarisations­ ebene schwingende Licht durchläßt und das übrige Licht absorbiert. Der in diesem Polarisator absorbierte An­ teil des einfallenden Lichts beträgt etwa 60%.

Der auf der anderen Seite der Flüssigkristallzelle an­ geordnete, also der Projektionsoptik zugewandte Po­ larisator, absorbiert Licht nur an den Stellen, an denen die Flüssigkristallzelle dunkel gesteuert wird, im übrigen läßt er das Licht passieren. In Abhängig­ keit des dunkelgesteuerten Flächenanteils der Flüssig­ kristallzelle kann sein Anteil an den Absorbtionsver­ lusten bis zu 40% betragen. Daraus ergibt sich, daß eine Erwärmung der Flüssigkristallzelle dann vermindert werden kann, wenn es gelingt, die Absorptionsverluste in wenigstens einem der Polarisatoren oder den Wärme­ übergang auf die Flüssigkristallzelle zu vermindern. Dies gilt zwar in erster Linie für den der Projektions­ lichtquelle zugewandten Polarisator, jedoch wird durch die Einbeziehung des zweiten Polarisators eine weitere Verringerung der Erwärmung erreicht.

Gemäß der erfindungsgemäßen Lösung werden die Absorptionsverluste dadurch vermindert, daß wenigstens einer der Polarisatoren eine solche spektrale Charak­ teristik aufweist, daß der infrarote Spektralanteil des von der Projektionslichtquelle ausgestrahlten Lichtes unpolarisiert hindurchtritt. Dieser infra­ rote Spektralanteil, der bei Projektionslichtquellen mit Glühlampen einen erheblichen Anteil der gesamten Lichtstrahlung umfaßt, kann dann den Polarisator bzw. die Polarisatoren passieren, ohne daß es zu einer Ab­ sorption und Erwärmung kommt. Dadurch wird die Er­ wärmung der Flüssigkristallzelle vermindert, was be­ reits in den meisten Anwendungsfällen für einen sicheren Betrieb der Flüssigkristallzelle ausreichen wird. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die kompakte Bauform und die leichte Handhabbarkeit ebenso wie die gute Lichtdurchlässigkeit üblicher Flüssigkristall­ anzeigen beibehalten wird.

Führt die Anordnung und Ausbildung der Projektions­ lichtquelle zu einer ungleichmäßigen Strahlungsdichte der auf die Flüssigkristallanzeige einfallenden Strahlung mit der Folge einer ungleichmäßigen Erwärmung und damit verbundenen Spannungen im Glas oder einer Kontrast­ minderung der Flüssigkristallanzeige, so kann in Weiter­ bildung der Erfindung ein Filter vorgesehen werden, welches eine inhomogene Lichtdurchlässigkeit aufweist und in den Strahlengang auf der der Projektionslicht­ quelle zugewandten Seite der Flüssigkristallzelle, vorzugsweise vor dem Polarisator, angeordnet wird. Mit diesem Filter läßt sich die ungleichmäßige Strahlungs­ dichte weitgehend ausgleichen. Wird die Lichtdurch­ lässigkeit des Filters so bemessen, daß sie für jeden Flächenbereich im umgekehrten Verhältnis zu der auf diesen Flächenbereich einfallenden Strahlungsdichte liegt, so läßt sich eine völlig gleichmäßige Strahlungs­ dichte erzielen.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der weiteren Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführung einer Flüssigkristallanzeige als schematische Darstellung,

Fig. 2 eine zweite Ausführung einer Flüssigkristallanzeige mit zusätzlichen Weiterbildungen als schematische Darstellung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine transparente Flüssigkristallanzeige 10, die in dem Strahlengang zwischen einer Projektionslichtquelle 12 mit Kondensor- Linse und einer Projektionsoptik 14 angeordnet ist. Bei dieser An­ ordnung wird der auf der Flüssigkristallanzeige 10 dargestellte Bildinhalt auf eine Projektionsleinwand 15 projiziert. Die Flüssigkristallanzeige 10 wird z.B. über ein Interface 17 von einer nicht dargestellten EDV-Anlage angesteuert und gibt den Bildschirmin­ halt des zu der EDV-Anlage gehörenden Monitors wieder. Die transparente Flüssigkristallanzeige 10 umfaßt im einzelnen eine Flüssigkristallzelle 16 sowie zwei, auf beiden Seiten der Flüssigkristallzelle 16 ange­ ordnete Polarisatoren 22 und 24. Die Flüssigkristall­ zelle 16 selbst besteht aus einer Flüssigkristall­ schicht 18, die zwischen Glasplatten 20 eingeschlossen ist. An den beiden anderen Seiten der Glasplatten 20 sind mehrere transparente Elektroden 21 angebracht, die mit dem Interface 17 über Leitungen verbunden sind. Die Elektroden 21 enthalten entsprechend ihrer räum­ lichen Anordnung und dem jeweiligen Bildschirminhalt unterschiedliche Spannungen, die dazu führen, daß sich zwischen gegenüberliegenden Elektroden unterschied­ liche elektrische Felder ausbilden. Die elektrischen Felder bewirken wiederum eine Änderung der Ausrichtung der die Flüssigkristallschicht 18 bildenden Flüssig­ kristallmoleküle. Entsprechend der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle wird die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes orientiert.

Wird nun die Flüssigkristallanzeige 10 von der Pro­ jektionslichtquelle 12 angestrahlt, so erreicht das Licht zunächst den Polarisator 22. Dieser läßt nur das Licht hindurchtreten, welches in seiner Polari­ sationsebene schwingt. Das übrige Licht, etwa 60% des einfallenden Lichtes, wird absorbiert und führt zu einer Erwärmung des Polarisators. Das hindurch­ getretene Licht gelangt durch die untere Glasscheibe 20 und die transparenten Elektroden 21 zu der Flüssig­ kristallschicht 18. Hier erfolgt entsprechend der Aus­ richtung der Flüssigkristallmoleküle eine entsprechende Orientierung der von dem Polarisator 22 ausgewählten Polarisationsebene. Die Polarisationsebene kann dabei unbeeinflußt bleiben oder z.B. um 90° gedreht werden. Die unter verschiedenen Polarisationsebenen austretenden Lichtanteile gelangen durch die oberen transparenten Elektroden 21 und die obere Glasscheibe 20 zu dem Polarisator 24. Entspricht die Polarisationsebene des Lichtanteils derjenigen des Polarisators 24, so kann dieser Lichtanteil ungehindert hindurchtreten. Die Flüssigkristallanzeige 10 ist an diesen Stellen hell gesteuert. Steht die Polarisationsebene des Lichtan­ teils dagegen senkrecht auf derjenigen des Polarisators 24, so wird dieser Lichtanteil im Polarisator 24 ab­ sorbiert und in Wärme umgewandelt. An dieser Stelle ist die Flüssigkristallanzeige 10 dunkel gesteuert. Wird die gesamte Flüssigkristallanzeige 10 dunkel ge­ steuert, so wird der restliche Teil des Lichtes, d.h. 40% absorbiert. Ansonsten gelangen die durch den Po­ larisator 24 hindurchtretenden Lichtanteile durch die Projektionsoptik 14 auf die Projektionsleinwand 15.

Die Polarisatoren 22 und 24 liegen unmittelbar an den äußeren Flächen der Flüssigkristallzelle 16 an. Dadurch erfolgt ein unmittelbarer Wärmeübergang, der in den Polarisatoren 22 und 24 erzeugten Absorptionsverluste auf die Flüssigkristallzelle 16 und damit insbesondere die Flüssigkristallschicht 18. Die Flüssigkristall­ schicht 18 ändert jedoch mit der Temperatur ihre Eigen­ schaften und würde oberhalb einer bestimmten Temperatur ihre Funktionen verlieren und eine Verkürzung der Lebens­ dauer erleiden. Um die Absorptionsverluste zu ver­ ringern, sind die Polarisatoren 22 und 24 so ausge­ bildet, daß sie eine spektrale Charakteristik aufweisen, bei der der infrarote Spektralanteil des von der Pro­ jektionslichtquelle 12 ausgestrahlten Lichtes unpo­ larisiert durchgelassen wird. Dieser infrarote Spektral­ anteil umfaßt einen erheblichen Anteil der gesamten von der Projektionslichtquelle 12 ausgesandten Lichtstrah­ lung. Die Verringerung der auf dem infraroten Spektral­ anteil entfallenden Absorptionsverluste führt so zu einer Verringerung der Erwärmung der Polarisatoren 22 und 24 und damit der Flüssigkristallzelle 16, wodurch diese unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur betrieben werden kann.

Die in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte Flüssigkristall­ anzeige 10 entspricht hinsichtlich ihrer Anordnung im Strahlengang zwischen der Projektionslichtquelle 12 und der Projektionsoptik 14 sowie ihrer Ansteuerung durch das Interface 17 der in Fig. 1 beschriebenen, so daß hierauf verwiesen werden kann. Auch ihre Funk­ tionsweise entspricht der bereits beschriebenen Flüssig­ kristallanzeige. Im Gegensatz zu Fig. 1 liegen die Po­ larisatoren 22 und 24 jedoch nicht unmittelbar an den äußeren Flächen der Flüssigkristallzelle 16 an, sondern sind in einem räumlichen Abstand angeordnet. Dadurch wird ein Wärmeübergang durch Wärmeleitung vermieden. Ein Wärmeübergang kann somit nur durch Konvektion erfolgen, was jedoch um Größenordnungen niedriger anzusetzen ist als ein Wärmeübergang durch Wärmeleitung.

Der Abstand a zwischen den benachbarten Oberflächen der Flüssigkristallzelle 16 und dem Polarisator 22 ist größer als der Abstand b zwischen den benachbarten Oberflächen der Flüssigkristallzelle 16 und dem Polarisator 24. Der Unterschied liegt darin begründet, daß in dem Po­ larisator 22 der größere Lichtanteil des ausgestrahlten Lichtes absorbiert wird, so daß eine Vergrößerung des Abstandes a eine wirksamere Verringerung der Erwärmung der Flüssigkristallzelle 16 bewirkt, als eine Vergrößerung des Abstandes b. Im Interesse einer möglichst geringen Dicke der Flüssigkristallanzeige 10 liegt es, die Ab­ stände a bzw. b so gering wie möglich zu bemessen und zu optimieren.

Um den Wärmeübergang bei gegebenem Abstand a weiter zu verringern, ist in dem von der Flüssigkristallzelle 16 und dem Polarisator 22 begrenzten Raum 26 eine licht­ durchlässige Trennwand 28 angeordnet. Diese Trennwand 28 vermindert den Wärmeübergang durch Konvektion von dem Polarisator 22 auf die Flüssigkristallzelle 16, indem sie die Zirkulation der an der Polarisatorober­ fläche entlangstreichenden und dessen Wärme aufnehmenden Luft einschränkt und so eine Berührung dieser Luft mit der Oberfläche der Flüssigkristallzelle 16 unterbindet. Zur weiteren Verringerung des Wärmeübergangs ist eine Belüftung mittels eines Ventilators 31 vorgesehen. Dieser Ventilator 31 erzeugt einen Luftstrom durch den Raum 26 (und/oder den entsprechenden Raum auf der ande­ ren Seite), der die durch die Absorptionsverluste in dem Polarisator 22 erwärmte Luft nach außen drückt und gegen kühle Luft austauscht.

Die Polarisatoren 22 und 24 besitzen eine spektral­ neutrale Polarisationscharakteristik. Infrarote Licht­ anteile, die nicht in der Polarisationsebene dieser Polarisatoren schwingen, werden deshalb ebenso absor­ biert, wie sichtbare Lichtanteile und tragen ebenfalls zur Erwärmung der Polarisatoren bei. Im Vergleich zu Polarisatoren, die den Spektralanteil des infraroten Lichtes unpolarisiert durchlassen, erfordern diese Po­ larisatoren besondere Maßnahmen, um die gleiche Ver­ ringerung der Erwärmung der Flüssigkristallzelle 16 zu erzielen. Diese Maßnahmen könnten z.B. in einer Ver­ größerung der Abstände a und b der Polarisatoren 22 und 24 von der Flüssigkristallzelle 16 liegen. Als weitere Möglichkeit sieht die Darstellung in Fig. 2 jedoch ein Infrarotfilter 32 vor, das als Infrarot­ licht absorbierende Glasscheibe ausgebildet ist.

Schließlich ist im Strahlengang vor dem Polarisator 22 noch ein Filter mit inhomogener Lichtdurchlässig­ keit angeordnet. Die Inhomogenität der Lichtdurchlässig­ keit wird hier in einfacher Weise durch eine entsprechende Inhomogenität der Schichtdicke erreicht. Das Filter 30 gleicht die auf dem Polarisator 22 auftretende in­ homogene Strahlungsdichte, wie sie sich durch An­ ordnung und Ausbildung der Projektionslichtquelle 12 anschaulich aus der Zeichnung ergibt, aus. Dadurch wird eine ungleichmäßige Absorption des Lichtes in dem Polarisator 22 und Erwärmung der Flüssigkristall­ zelle 16 vermieden. Die Gefahr von Spannungen in den Glasscheiben 20, die zu einer mechanischen Zerstörung der Flüssigkristallzelle 16 führen könnten, sowie die Gefahr von Kontrastverlusten innerhalb bestimmter Be­ reiche des Anzeigefeldes wird dadurch beseitigt. Die Einflüsse unterschiedlicher Erwärmung der Polarisatoren 22 und gegebenenfalls 24 auf die Flüssigkristallzelle 16 werden bei der Ausführung nach Fig. 2 aber auch schon dadurch verringert, daß in der zwischen den Ober­ flächen der Polarisatoren 22, 24 und der Flüssigkristall­ zelle 16 zirkulierenden Luft ein ständiger Temperatur­ ausgleich stattfindet.

Claims (3)

1. Transparente Flüssigkristallanzeige (10) zur An­ ordnung im Strahlengang zwischen einer Projektionslichtquelle (12) und einer Projektionsoptik (14), insbesondere zur Overheadprojektion des Bildschirminhalts eines EDV- Monitors, bestehend aus einer Flüssigkristallzelle (16) mit zwei, eine Flüssigkristallschicht (18) einschließen­ den Glasplatten (20) und mehreren auf den Innenseiten der Glasplatten (20) angeordneten transparenten Elektroden (21), sowie aus zwei, auf beiden Seiten der Flüssigkristall­ zelle (16) angeordneten Polarisatoren (22, 24), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden Polarisa­ toren (22, 24) eine solche spektrale Polarisationscharak­ teristik aufweist, daß der infrarote Spektralanteil des von der Projektionslichtquelle (12) ausgestrahlten Lichtes unpolarisiert durch den Polarisator (22, 24) hindurchtritt.

2. Transparente Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Projektionslicht­ quelle (12) zugewandten Seite der Flüssigkristallzelle (16), vorzugsweise im Strahlengang vor dem Polarisator (22), ein Filter (30) mit über der Fläche inhomogener Lichtdurchlässig­ keit angeordnet ist.

3. Transparente Flüssigkristallanzeige nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdurchlässigkeit für jeden Flächenbereich des Filters (30) im umgekehrten Ver­ hältnis zu der auf diesen Flächenbereich einfallenden Strah­ lungsdichte bemessen ist.