DE4343808A1 - Lichtventil für Video-, Graphik und Datendisplay ohne Polarisationsfilter - Google Patents
Lichtventil für Video-, Graphik und Datendisplay ohne PolarisationsfilterInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Lichtventil für Video-, Graphik-
und Datendisplay ohne Polarisationsfilter gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Flüssigkristall-Lichtventil, abgekürzt LCLV (Liquid Crystal
Light Valve), ist heutezutage das meistbenutzte Displaybauele
ment in verschiedenen Video-, Graphik- und Datendisplaysystemen.
Das Flüssigkristall befindet sich zwischen zwei Polarisations
filtern, deren Durchlaßachsen normalerweise senkrecht zueinander
stehen. Den Polarisationsfilter, der zur Lichtquelle steht,
nennt man Polarisator und den anderen Analysator. Aus der
Lichtquelle fällt unpolarisiertes Licht auf LCLV, welches in
zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten zerlegt werden
kann. Bei konventionellen LCLVs wird das eine Komponent des
Lichts vom Polarisator absorbiert, und das andere Komponent geht
durch. Es gehen daher mindestens 50% vom Licht aus der Licht
quelle verloren. Die typische Transmission von LCLV liegt
zwischen 20%-30%. Auf Grund dieses erheblichen Lichtverlusts
zwingt man, die Lampe mit hoher Leistung oder mehrere Lampen
gleichzeitig zu benutzen, um ein helles Bild für Beobachter oder
auf einem Projektionsschirm zu bekommen. Das führt aber zur ver
mehrten Wärmebelastung und damit zum Problem der Kühlung von
LCLV. Auch eine Kontrastminderung könnte hervorgerufen werden.
Bei tragbaren Fernsehern und Computern bringt eine erhöhte
Leistungsaufnahme der Hinterleuchtung mehr Probleme mit Akku,
z. B. Gewicht und Entladungsdauer. Fast zwei Drittel der Energie
aus dem Akku wird von der Hinterleuchtung verbraucht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Lichtventil
für Video-, Graphik- und Datendisplay zu konzipieren, welches das
Licht in allen Polarisationsrichtungen durchläßt und dadurch bei
einer Lampe mit weniger Leistung einsetzbar ist. Diese Aufgabe
wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Um die oben erwähnten Probleme optimal zu lösen, muß angestrebt
werden, das Licht in allen Polarisationsrichtungen voll auszu
nutzen. Bei der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiges
Lichtventil ohne Polarisationsfilter konzipiert. Beim Einschal
ten des Lichtventils geht das ganze darauf fallende Licht durch,
während das Licht beim Ausschalten totalreflektiert wird. Das
Ein- und Ausschalten des Lichtventils erfolgt für jedes Pixel
durch optische Ein- und Entkopplung einer lichtdurchlässigen
Vorrichtung. Im Vergleich zu konventionellen LCLVs hat das
Konzept den Vorteil, daß kein polarisiertes Licht erforderlich
ist. Daher kann das Licht in allen Polarisationsrichtungen für
die Beobachtung benutzt werden.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß an jedem Pixel des
Lichtventils eine optische Ein- und Entkopplungsvorrichtung
angebracht wird, die durch elektronische Signale angesteuert ist
und das Licht moduliert. Dabei wird die Totalreflexion aus
genutzt. Die Totalreflexion tritt an der gegen Luft stehenden
Fläche des Pixelelements ein, wenn die Vorrichtung entkoppelt
wird. Anderseits kann die Totalreflexion durch Nähern der Vor
richtung auf einen Abstand in der Größenordnung der Licht
wellenlänge gestört werden. Das Licht wird hier ausgekoppelt.
Vorteilhaft ist dabei, daß das Lichtventil in Transmission-Mode
ohne Anwendung des Polarisators verwendet wird. Durch die
Totalreflexion ist eine höhere Lichtausbeute bzw. eine geringere
Leistungsaufnahme möglich. Die geringere Leistungsaufnahme er
leichtert die Wärmebelastung des Lichtventils. Das vorgeschlage
ne Lichtventil ist gleichermaßen geeignet für Video- Grafik- und
Datendisplay in Direct-View- und Projektionssystemen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Darin
zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Lösung,
Fig. 2 das Detail des Lichtventils mit Strahlenverlauf,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel mit einer Lichtleitplatte,
Fig. 4 das Detail von Fig. 3 mit Strahlenverlauf,
Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel mit beweglichen
Mikroprismen und
Fig. 6 das Detail von Fig. 5 mit Strahlenverlauf.
In Fig. 1 ist das Lichtventil schematisch gezeigt. Ein paralleles
Lichtbündel 1 aus der Lichtquelle tritt durch das sogenannte
"Black Matrix" 2 ein. Das obere transparente Substrat 3 (aus
Glas oder aus Kunststoffolie) besitzt eine Struktur mit
zahlreichen Mikroprismen auf der einen Seite, welche nach dem
heutigen Stand der Technik mit einer Genauigkeit im Bereich der
Wellenlänge sichtbaren Lichts hergestellt werden können, und
eine sehr glatte Oberfläche auf der anderen. Die dünnen, wie
Ventil funktionierenden Plättchen oder Folien werden an jeder
Fläche der Mikroprismen untergebracht, die einem Pixel des Dis
plays entspricht. Das untere transparente Substrat 6 ist eine
planparallele Platte. Zwischen Substraten 3 und 6 wird eine Art
Flüssigkeit 4 gefüllt, die die gleiche Brechzahl wie die
Substrate 3 und 6 hat und mit dem Verschluß 5 abgedichtet ist.
In Fig. 2 ist das Operationsprinzip des Lichtventils in Detail
dargestellt. Vier Pixelelemente sind hier als Beispiel gezeigt.
Die zwei linken Pixels seien im Zustand "on" und die zwei rech
ten in "off". Im Zustand "off" wird die sehr dünne und licht
durchlässige Platte oder Folie 7 weg von der Oberfläche des Mi
kroprismas entkoppelt. Zwischen dem oberen Substrat 3 und der
dünnen Platte 7 entsteht ein sehr kleiner, freier Luftraum mit
einer Brechzahl von ungefähr 1. Die Oberfläche des Mikroprismas
an der Stelle "off" wird die Grenzfläche zwischen einem optisch
dichteren (Glas) und einem optisch dünneren Medium (Luft). Wenn
das Licht vom optisch dichteren Medium mit einem Einfallwinkel,
der größer als der Grenzwinkel ist, auf diese Grenzfläche ein
fällt, tritt Totalreflexion ein. Der Grundwinkel von Mikropris
men wird so konstruiert, daß er gleich oder größer ist als der
Grenzwinkel. Die senkrecht zum Lichtventil einfallenden Licht
strahlen 1′ und 1′′ aus der Lichtquelle werden dann im Zustand
"off" an der prismatischen Oberfläche totalreflektiert und hier
wieder zur Einfallsrichtung zurückgebrochen. In diesem Fall ent
steht ein dunkler Bildpunkt für den Beobachter oder auf dem Pro
jektionsschirm. Im Zustand "on" wird die sehr dünne und licht
durchlässige Platte oder Folie 7 dicht an der Oberfläche des Mi
kroprismas eingekoppelt. Die Totalreflexion wird durch Nähern der
dünnen Platte 7 auf einen Abstand in der Größenordnung der
Lichtwellenlänge gestört. An der Stelle "on" wirken dann das
obere Substrat 3, die dünne Platte 7, Flüssigkeit 4 und das un
tere Substrat 6 zusammen wie eine planparallele Platte, weil die
Flüssigkeit 4 die gleiche Brechzahl wie Substrate 3 und 6 hat.
Die Lichtstrahlen 1 aus der Lichtquelle gehen hier durch. Man
sieht einen hellen Bildpunkt. Auf diese Weise wird das austre
tende Licht aus dem Lichtventil moduliert und die Graustufen des
entstehenden Bildes werden von der Umschaltfrequenz der Ein- und
Entkopplung der dünnen Platte 7 bestimmt.
Die mechanische Ein- und Entkopplung der dünnen Platte 7 kann
durch elektronische Signale, z. B. Video-Signale, die über Bus-
und Gatelinien 8 in jedes Pixel gelangen, elektrostatisch ange
steuert werden. Zur Spannungskontrolle kann eine winzige elek
tronische Schaltung, z. B. ein Thin Film Transistor (TFT) an der
Stelle 8 untergebracht werden. Sie sorgt dafür, daß beim Anlie
gen einer Spannung die dünne Platte 7 vom Aktuator 9 oder ela
stischen Material, z. B. viskoelastischen Silikon-Gel oder Piezo-
Material bewegt wird.
Das Farbdisplay kann durch zusätzlich auf dem Lichtventil
untergebrachte Farbfilter realisiert werden. Für Projektions
systeme können drei Lichtventile für RGB-Farben eingesetzt
werden, oder ein RGB-Filter (Farbrad) kann vor der Lichtquelle
synchronisiert eingeschaltet werden.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Lichtleitplatte
10. Die Lichtstrahlen 1 aus der Lichtquelle werden durch die
Lichtleitplatte 10 seitlich eingekoppelt. Der Strahlverlauf in
nerhalb der Platte 10 erfüllt die Totalreflexionsbedingung, wenn
Lichtventil im Zustand "off" ist. Das Licht geht dann durch
mehrfache Totalreflexion von der anderen Seite der Platte 10
aus. An der Stelle von Pixels mit dem Zustand "on" wird also die
Totalreflexion aufgehoben, und das Licht wird hier ausgekoppelt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Grundprinzip, nämlich
Ausnutzen der Totalreflexionserscheinung gleich wie in Fig. 1,
aber die Konfiguration des Lichtventils ist anderes. Wie in Fig.
4 genauer gezeichnet, werden das "Black Matrix" 2 und Pixelele
mente 7, 8, 9 auf der Lichtleitplatte 10 untergebracht. Daher
entfällt das obere Substrat. Das untere Substrat 6 ist hier
keine planparallele Platte und hat zu jedem Pixel eine sphäri
sche Hohlfläche. Die Brechzahl des unteren Substrats 6 ist
niedriger als die der Flüssigkeit 4, dessen Brechzahl gleich der
der Lichtleitplatte 10 ist. Bei Auskopplung des Lichts wirkt
dann die Flüssigkeit 4 mit der Abgrenzung zum unteren Substrat 6
wie eine Konvexlinse. Dadurch werden, wie in Fig. 4 gezeigt, die
vom linken Pixel ausgekoppelten Lichtstrahlen 1 abgelenkt und ge
sammelt. Die seitliche Anbringung der Lichtquellen in diesem
Ausführungsbeispiel erlaubt eine bessere Abführung der Verlust
wärme und verringert deren schädlichen Einfluß auf das Licht
ventil.
In Fig. 5 ist ein anderes Ausführungsbeispiel mit Ein- und Ent
kopplung von Mikroprismen dargestellt. Das obere Substrat 3 mit
dem "Black Matrix" 2 ist identisch wie in Fig. 1. Anstatt dünner
Plättchen und Flüssigkeit werden hier bewegliche Mikroprismen
11, die auf dem unteren Substrat 6 untergebracht sind, zur Aus
kopplung des Lichts mit der prismatischen Oberfläche des oberen
Substrats 3 in Berührung gebracht. Fig. 6 zeigt das Detail von
dieser Konfiguration.
Claims (6)
1. Lichtventil für Video-, Graphik- und Datendisplay ohne
Polarisationsfilter, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes
Pixel durch optische Ein- und Entkopplung einer
lichtdurchlässigen Vorrichtung eine Steuerung der
Lichtdurchlässigkeit vorgesehen ist.
2. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ein- und Entkopplungsvorrichtung durch elektronische Signale
angesteuert ist und das Licht moduliert.
3. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
der Einkopplung das Lichtventil das Licht durchläßt.
4. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei
der Entkoppelung eine Totalreflexion an der gegen Luft
stehenden Fläche des Pixelelements auftritt.
5. Lichtventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei
Substratschichten (3, 6) mit zwei Verschlüssen (5) eine
Flüssigkeit (4) beinhalten, wobei die Brechzahlen der
Flüssigkeit und Substratschichten gleich sind.
6. Lichtventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der einen Substratschicht (3) und der Flüssigkeit
(4) sich eine dünne Platte (7), ein Aktuator (9) und die
Leiterverbindung (8) befindet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934343808 DE4343808A1 (de) | 1993-12-22 | 1993-12-22 | Lichtventil für Video-, Graphik und Datendisplay ohne Polarisationsfilter |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19934343808 DE4343808A1 (de) | 1993-12-22 | 1993-12-22 | Lichtventil für Video-, Graphik und Datendisplay ohne Polarisationsfilter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4343808A1 true DE4343808A1 (de) | 1995-06-29 |
Family
ID=6505749
Family Applications (1)
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DE19934343808 Withdrawn DE4343808A1 (de) | 1993-12-22 | 1993-12-22 | Lichtventil für Video-, Graphik und Datendisplay ohne Polarisationsfilter |
Country Status (1)
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