DE4332699A1

DE4332699A1 - Verfahren zur Erhöhung des effektiven Öffnungsverhältnisses von Flüssigkristall-Lichtventilen

Info

Publication number: DE4332699A1
Application number: DE19934332699
Authority: DE
Inventors: Fang Dr Ing Lei
Original assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Current assignee: Deutsche Thomson Brandt GmbH
Priority date: 1993-09-25
Filing date: 1993-09-25
Publication date: 1995-03-30

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Erhöhung des ef fektiven Öffnungsverhältnisses bei Flüssigkristall-Lichtventi len.

Es ist bekannt aus SID 92 Digest, Seite 269 bis 272 in einem Ar tikel von H. Hamada et al., ein Flüssigkristall-Lichtventil (Liguid Crystal Light Valve LCLV) mit einem Mikrolinsenarray zur Erhöhung des effektiven Öffnungsverhältnisses zu verwenden. Das parallel zur optischen Achse einfallende Licht wird durch Mikrolinsen auf einzelne Pixeln von Flüssigkristall-Lichtventi len fokussiert und geht dann durch eine Pixelblende durch. Mit einem konventionellen Flüssigkristall-Lichtventil kann dagegen nur das Teil vom Licht, das auf das Blendenloch einfällt, durch die Pixelblende hindurchgehen. Das Licht, das außerhalb des Blendenloches eintritt, wird von der Pixelblende abgeblendet.

Das effektive Öffnungsverhältnis ist definiert durch den Quotienten des durchgehenden Lichts zum gesamten einfallenden Licht. Das effektive Öffnungsverhältnis beim konventionellen Flüssigkristall-Lichtventil beträgt 40%. Das Flüssigkristall- Lichtventil mit einem Mikrolinsenarray hat nach Angabe im Artikel von H. Hamada et al. ein effektives Öffnungsverhältnis von über 60% erreicht, wenn der Einfallwinkel des Lichtes kleiner als 7,5 Grad (Feldwinkel) ist. Es zeigt sich, daß trotz Anwendung des Mikrolinsenarrays noch ein Teil des einfallenden Lichts verloren geht.

Grund dafür ist, daß nur das parallel zur optischen Achse ein fallende Licht durch Fokussierung der Mikrolinsen voll von der Pixelblende durchgelassen wird. Das schräg einfallende Licht wird teilweise abgeblendet. Das heißt, daß ein effektives Öff nungsverhältnis von 100% nur beim Einfallwinkel vom 0 Grad erreicht wird. Aufgrund der bestimmten Lampengröße im Beleuch tungssystem wird das Licht aber nicht ganz kollimiert, sondern leicht divergiert. Normalerweise ist bei einem gut optimierten Beleuchtungssystem noch eine Divergenz von 6 Grad vorhanden. Um das effektive Öffnungsverhältnis bei kleinem Feldwinkel noch weiter zu verbessern, wird in dieser Erfindung ein neues Konzept mit Anwendung von Lichtfasern durchgedacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das effektive Öff nungsverhaltnis von Flüssigkristall-Lichtventilen zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das Licht einer Licht quelle, wie beispielsweise einer Halogen-Metalldampf-(metal ha lide)Lampe oder einer Flutkathode-Lampe, mit Hilfe eines Lichtfasernarrays, dessen einzelne Elemente an einem Ende die zur Pixelblende passende Öffnung besitzen, an Pixelblenden vom Flüssigkristall-Lichtventilen angekoppelt und gebündelt wird. Aufgrund von unterschiedlichen Öffnungsgrößen an den beiden En den von Lichtfasern wird die Pixelblende praktisch vergrößert und mehr Licht durchgelassen. Das Licht, das bei konventionellen Flüssigkristall-Lichtventilen abgeblendet wird, kann mit Hilfe von Lichtfasern infolge Totalreflexion umgelenkt und zur Pixelblende geleitet werden. Daher wird das effektive Öffnungs verhaltnis von Flüssigkristall-Lichtventilen erhöht.

Zum Bündeln des auf das Flüssigkristall-Lichtventil einfallenden Lichtes ist ein Lichtfasernarray vorgesehen. Das Flüssigkri stall-Lichtventil mit dem Lichtfasernarray hat den Vorteil, daß es auch bei schräg einfallendem Licht ein höheres Öffnungsver hältnis aufweist. Das Flüssigkristall-Lichtventil mit dem Lichtfasernarray findet Anwendung beim Projektionsfernsehen und -video.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: zeigt die erfindungsgemaße Lösung,

Fig. 2: zeigt die bekannte Lösung, (konventionelles Flüssigkeitskristall-Lichtventil),

Fig. 3: stellt den Strahlenverlauf durch die Mikrolinse dar,

Fig. 4 stellt den Strahlenverlauf durch die Lichtfaser dar,

Fig. 5, 6 stellen Ausführungsbeispiele der Lichtfaser dar und

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Gradient-Index- Faser-Array.

Fig. 1 zeigt dieses Prinzip schematisch. Ein Lichtbündel 1 aus der Lichtquelle tritt durch das Verbindungsblatt 2 an dem brei ten Ende in die einzelne Faser des Lichtfasernarrays 3 ein. Die Form der einzelnen Faser kann z. B. ein gerader Kegelstumpf oder ein Obelisk sein. Ihre Schnittfläche durch die Achse ist ein Trapez. Das mittlere Teil des Lichtbündels geht direkt durch und sein Außenteil wird an den Wänden der Fasern, die von einem Me dium geringerer Brechzahl umgeben sind (z. B. Luft), total reflektiert und dadurch nach Pixelblende auf dem sogenannten "Black Matrix" 5 umgeleitet. Das "Black Matrix" 5 liegt zwischen dem oberen Substrat 4 und dem Flüssigkristall 6 und hat dort Blendenlöcher, wo Pixelelektroden 8 sind. An jeder Pixelelektrode 8 ist ein TFT 7 (Thin Film Transistor) und Buslinien angeordnet, welche vom lichtundurchlässigen Teil des "Black Ma trix" 5 gedeckt und zusammen mit den Pixelelektroden 8 auf dem unteren Substrat 9 montiert sind. Am schmalen Ende der Lichtfa sern kommt ein Lichtbündel 10 heraus, das gerade noch von der Pixelblende durchgelassen wird und sich bei weiterer Ausbreitung zum Projektionsobjektiv verbreitert.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kommen die Lichtfasern am breiten Ende zur Berührung. Die Berührungsstellen der Fasern gegeneinander heben zwar die Totalreflexion auf. Sofern aber kein Bild übertragen werden soll, was bei Beleuchtung von Flüssigkristall-Lichtventil der Fall ist, stören diese Berührungsstellen nur wenig. Die Be rührung führt sogar zur maximalen Öffnung mit einem geeigneten Querschnitt, z. B. mit einem rechteckigen Querschnitt wie beim Obelisk. Ein effektives Öffnungsverhaltnis von 100% ist somit möglich.

In Fig. 2 ist so ein konventionelles TFT-LCLV schematisch dargestellt. Es zeigt, daß das durchgehende Licht 10 nur ein Teil des gesamten einfallenden Lichtes 1 ist.

Das effektive Öffnungsverhaltnis beim konventionellen LCLV beträg 40%. Mit einem Mikrolinsenarray konnte eine Erhöhung des effektiven Öffnungsverhältnisses lediglich auf 60% erzielt werden.

Um den Vorteil der Lichtfaser gegenüber der Mikrolinse klarzu machen, wird jeweils in Fig. 3 und Fig. 4 der Strahlenverlauf durch die Mikrolinse 11 und die Lichtfaser 3 analysiert und ver glichen. In Fig. 3 wird der Abstand h zwischen der Mikrolinse 11 und dem "Black Matrix" 5 so gewählt, daß das parallel zur optischen Achse der Linse einfallende Strahlenbündel 1 gerade noch durch das Blendenloch durchgeht. h kann mit der folgenden Formel gerechnet werden:

wobei d₁ und d₂ jeweils der Durchmesser der Mikrolinse 11 und des Blendenloches sind. α ist der Aperturwinkel der Mikrolinse 11. Der Aperturwinkel soll dem Öffnungsverhältnis des Projek tionsobjektivs angepaßt werden. Ist K die Blendenzahl des Pro jektionsobjektivs, dann gilt:

Wird Gl. (2) in Gl. (1) eingesetzt, so erhalten wir

h = K(d₁ - d₂) (3).

Wie am Anfang erwähnt, wird das Lichtbündel 12 mit einem Einfallwinkel R₁ durch die Mikrolinse 11 teilweise von Pi xelblende abgeblendet. Die laterale Versetzung Δ des schrägen Strahlenbündels 12 in der Blendenebene ist

Δ = h · tanR₁ = K(d₁ - d₂)tanR₁ (4).

Wird Gl. (4) umgeschrieben, ergibt sich

Dabei ist d₂/d₁ gleich der Wurzel des effektiven Öffnungsver hältnisses ohne Mikrolinse 11. Das effektive Öffnungsverhältnis unter dem Einfallwinkel R₁ mit Mikrolinse 11 wird gegeben durch

Dieses Beispiel zeigt, daß nur 76,8% vom unter dem Winkel von 6 Grad einfallenden Lichtbündel 12 durchgelassen ist.

In Fig. 4 tritt das schräg einfallende Strahlenbündel 12 mit einem Eintrittswinkel R₁ in die Lichtfaser 3 hinein. Durch Totalreflexion an den Wänden der Lichtfaser 3 geht der Strahl unter einem Austrittswinkel R₂ aus der Lichtfaser 3 heraus. Bei einer trapezförmigen Lichtfaser gilt die folgende Beziehung zwischen dem Eintritts- und Austrittswinkel:

d₁ sinR₁ = d₂ sinR₂ (7).

Hierbei sind d₁ und d₂ jeweils der Durchmesser des breiten und schmalen Endes der Lichtfaser 3. Wie bei der Mikrolinse 11 wird der Austrittswinkel R₂ dem Öffnungsverhältnis des Projektions objektivs angepaßt, d. h. sinR₂≈1/2K. Der Eintrittswinkel, unter dem der einfallende Strahl durch die Lichtfaser durchgeht, wird dann ermittelt nach

Bei diesem Zahlenbeispiel geht das innerhalb von 6 Grad einfallende Lichtbündel voll durch. Das heißt, daß ein effektives Öff nungsverhältnis von 100% auch unter dem Einfallwinkel von 6 Grad erreicht werden kann.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Lichtfaser in der Form eines geraden Kegelstumpfs. In Fig. 6 ist ein anderes Ausfüh rungsbeispiel mit einem Obelisk dargestellt. Das schmale Ende der Lichtfaser wird auf das Blendenloch gerichtet und ihm ange paßt.

Weiterhin ist denkbar, daß statt konventioneller Stufe-Index- Faser die sogenannte Gradient-Index-Faser zu diesem Zweck ver wendet werden kann. Fig. 7 zeigt das Ausführungsbeispiel mit einem Gradient-Index-Faser-Array 13. Der Brechungsindex in einer Gradient-Index-Faser nimmt von innen nach außen kontinuierlich ab. Das parallel einfallende Licht 1 wird bei Ausbreitung in der Gradient-Index-Faser gebündelt und tritt mit kleinerem Durchmesser aus der Faser heraus. Der Durchmesser des austretenden Strahls wird dem des Blendenloches angepaßt.

Claims

1. Verfahren zur Erhöhung des effektiven Öffnungsverhältnisses von Flüssigkristall-Lichtventilen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bündeln des auf das Flüssigkristall-Lichtventil einfallenden Lichtes ein Lichtfaserarray vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Lichtfaserarray das Öffnungsverhältnis erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfaserarray in der Form eines geraden Kegelstumpfes ausgebildet ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfaserarray in Form eines Obelisk ausgeführt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtfaserarray durch ein Gradient-Index-Faser-Array gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex von innen nach außen kontinuierlich abnimmt.

7. Anordnung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bündeln des Lichtes ein Lichtfaserarray (3) vorgesehen ist, welches zwischen einem oberen Verbindungs blatt (2) und dem oberen Substrat (4) angeordnet ist.

8. Anordnung für ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung der Totalreflexion die Lichtfasern von einem Medium geringerer Brechzahl umgeben sind.