DE69027415T2

DE69027415T2 - Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69027415T2
Application number: DE69027415T
Authority: DE
Inventors: Donald Earl Castleberry
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-12-26
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2010-12-15
Also published as: EP0435526A3; US5107356A; SG44506A1; KR100186777B1; DE69027415D1; KR910012777A; JP3217354B2; EP0435526B1; JPH03200213A; EP0435526A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Flüssigkristallanzeige (LCD) -Vorrichtungen.
Eine LCD Vorrichtung weist üblicherweise eine Vielzahl von Bildelementen oder "pixeln" auf, die zwischen zwei ebenen Platten (gewöhnlich einem Glassubstrat und einem Deckglas) gebildet sind, die abgedichtet eine Menge von verdrehtem nematischem Flüssigkristallmaterial enthalten. Wenn die LCD Vorrichtung durch reflektiertes Licht arbeiten soll, braucht nur die eine der Platten transparent zu sein und die andere Platte ist mit einer reflektierenden Oberfläche versehen. Wenn die LCD Vorrichtung lichtdurchlässig sein soll, dann sollten beide ebenen Platten transparent sein. Eine detaillierte Beschreibung von einer LCD Struktur und der Betrieb sind in dem US-Patent 4 565 424, erteilt am 3. Mai 1987, beschrieben und beansprucht, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen ist und durch diese Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Offenbarung eingeschlossen wird.
Eine aktive Matrix bildende LCD Pixel sind gewöhnlich in gleichförmigen Reihen und Spalten angeordnet, um eine X-Y Matrixstruktur zu bilden. Ein Halbleiterschalter, wie beispielsweise ein Dünnfilm-Feldeffekttransistor (FET) oder ähnliches, ist einstückig mit jedem Pixel ausgebildet, um den Betrieb von diesem Pixel in dem Display zu steuern. Eine elektrische Kommunikation mit den einzelnen Pixel-FETs wird durch mehrere X-Adreßleitungen oder Abtastleitungen und eine Anzahl von Y-Adreßleitungen oder Datenleitungen herbeigeführt, die beide während der Fertigung der Vorrichtung ausgebildet werden. Die Abtastleitungen sind gewöhnlich mit den Gate-Elektroden von den Pixel-FETs verbunden, die Datenleitungen sind gewöhnlich mit der Source- oder Drain-Elektrode verbunden und die andere von der Sourceoder Drain-Elektrode ist mit einer Pixelelektrode von jedem Pixel verbunden. Somit bewirkt eine an eine Abtastleitung angelegte Spannung mit richtiger Polarität und Amplitude, daß die FETs in der der Abtastleitung entsprechenden Reihe in einen leitenden Zustand "durchgeschaltet" werden. Wenn eine Datenspannung an eine Datenleitung angelegt wird, während ein FET in der der Datenleitung entsprechenden Spalte in einem "Ein"-Zustand ist, wird die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle geändert in Abhängigkeit von der Größe der Datenspannung, die zwischen die Pixelelektrode und eine Groundebenen-Elektrode angelegt ist, die allen Pixeln gemeinsam ist. Die Datenspannungsgröße kann so sein, um: keine Lichtdurchlässigkeit durch das Pixel zu gestatten (Aus); maximale Lichtdurchlässigkeit durch das Pixel zu gestatten (Ein); oder einen dazwischen liegenden Grauskalawert der Lichtzulässigkeit zu liefern. Idealerweise sollte ein Pixel in dem "Aus"-Zustand jeden Lichtdurchlaß vollständig blockieren und für das Display schwarz aussehen, um den gewünschten Kontrast und die gewünschte Auflösung aufzuweisen.
Die langgestreckten Moleküle von dem gedrehten (twisted), nematischen (TN) Flüssigkristallmaterial bewirken, daß sich die Polarisation des durch die LCD ausbreitenden Lichtes um einen Winkel θ drehen entsprechend der Änderung der Orientierung oder Ausrichtung der Flüssigkristall (LC) Moleküle zwischen den zwei ebenen Platten. Jedes der Flüssigkristallmoleküle hat eine Längsachse; die Längsachse von den LC Molekülen, die der Eingangsplatte (oder Glassubstrat) am nähesten gelegen sind, sind in der einen Richtung (beispielsweise θ&sub1; = 0º) orientiert, und die Längsachsen von nachfolgenden LC Molekülen zwischen den zwei ebenen Platten sind jeweils um einen inkrementalen Winkel (Δθ) relativ zu den Achsen der unmittelbar vorhergehenden Moleküle θn = θn-1 + Δθ) gedreht. Die letzten LC Moleküle, die der Ausgangsplatte (oder Deckglas) an nähesten liegen, sind dann in einem Winkel (beispielsweise θn = 90º) relativ zu den ersten LC Molekülen orientiert. Der Winkel zwischen den ersten Molekülen und den letzten Molekülen ist als der Verdrehungs- bzw. Twistwinkel der LC Zelle bekannt. Für eine dicke LCD Vorrichtung mit einem Drehwinkel von 90º mit linearen Eingangs- und Ausgangs-Polarisierern, die jeweils eine parallele Polarisationsausrichtung haben und die jeweils auf entsprechende Weise benachbart zu den LCD Eingangs- und Ausgangsplatten angeordnet sind, wird ein dunkler Ausgang von jedem Pixel geliefert, das in dem "Aus"-Zustand ist. Der Eingangs-Polarisator läßt durch oder regt an einen von den zwei normalen Moden und blockiert die andere Mode des sich ausbreitenden linear polarisierten Lichtes. Die LC Moleküle drehen diesen Mode 90º, wenn sich das Licht durch die LC Zelle ausbreitet, und der Ausgangs-Polarisator, der parallel zu dem Eingangs-Polärisator ausgerichtet ist, blockiert diesen gedrehten Mode des sich ausbreitenden Lichtes.
In dünnen LCDs, wie beispielsweise den schnellen Displays, die für Colour-Video erforderlich sind, oder in stark gedrehten Zellen (θ = 270º), wie beispielsweise den hoch multiplexierbaren Super-Twist-Displays, ist der "Aus"- Zustand nicht schwarz, weil die zwei normalen Moden des sich in der LCD ausbreitenden Lichtes elliptisch polarisiert sind als eine Folge der optischen Drehung und der Doppelbrechung von den TN Molekülen; somit sind beie Moden angeregt und können beim Verlassen der Zelle mit einem linearen Ausgangs-Polarisator nicht vollständig blockiert bzw. gesperrt werden. Der Grad an Elliptizität (β) der zwei Normalmoden von einer LC Zelle wird durch die Gleichung ausgedrückt:
β = 1/2 arc tan (2λ)/Δnp
wobei λ die Wellenlänge des Lichtes ist, An die LC Doppelbrechung ist und p die Steigung der gedrehten LC Moleküle ist. Die Steigung ist direkt proportional zu der Dicke (d) der LC Zelle; für eine 90º gedrehte nematische Zelle, p = 4d und die Elliptizitäts-Gleichung wird:
β = 1/2 arc tan (λ)/2Δnd
Der Azimut von den zwei Normalmoden des sich durch die LC Zelle ausbreitenden Lichtes sind jeweils auf entsprechende Weise parallel und senkrecht zu der LC Molekularrichtung; deshalb werden die zwei Normalmoden um den Twistwinkel von der LC Zelle gedreht.
In Farb-LCDs wird jede unterschiedliche Lichtfarben, jede mit einer unterschiedlichen Wellenlänge (λ) deshalb eine unterschiedliche elliptische Polarisation oder Elliptizität (β) beim Austritt aus der LCD haben. Die Farb- LCD kann mit einer speziellen Kombination von LC Doppelbrechung (Δn), Zellendicke (d) und Zellentwistwinkel (θ) versehen werden, um für einen minimalen Durchlaß von Licht bei einer bestimmten Wellenlänge zu sorgen, wie beispielsweise grünes Licht (λg = 540 nm), aber wesentliches Licht wird bei den roten (λr = 650 nm) und blauen (λb = 470 nm) Wellenlängen durchlecken, damit der "Aus"-Zustand farbig oder nicht schwarz erscheint.
Es sind bekannte Vorrichtungen vorgeschlagen worden, die einen einzelnen doppeltbrechenden Film (BF) verwenden, der in einem optischen Pfad nach der LCD angeordnet ist, um einen neutraleren "Aus"-Zustand zu erzeugen. Diese einzelnen BFs erfordern eine präzise Orientierung des Films, um den eine neutrale Farbe aufweisenden "Aus"-Zustand zu optimieren, und sie haben auch Verzögerungen (d.h. das Produkt der Doppelbrechung Dn' des Films und der Dicke d' des Films), die größer als etwa 300 nm für eine optimale Leistungsfähigkeit mit LC Zellen von verschiedener Steigung, Doppelbrechung und Polarisator-Orientierungen sind. LCD Vorrichtungen mit einem einzigen großen Verzögerungswert BF sind recht leistungsempfindlich gegenüber Polarisations-Orientierung, BF Orientierung und LC Zellendicke. Alle diese Parameter müssen richtig koordiniert sein, um den dunklen Ausgang während des "Aus"-Zustandes zu optimieren.
Bekannte Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in SID International Symposium. Digest of Technical Papers, Band XX, Mai 1989, Seiten 390-392; M. Ohgawara et al, EP-A- 0246842, EP-A-0350075 und EP-A-0382460 beschrieben sind, haben die Verwendung von zwei doppeltbrechenden Elementen zwischen dem Flüssigkristall und dem Polarisator, eines auf jeder Seite des Kristalls, vorgeschlagen. Jedoch ist die Verzögerung, die durch die vorgeschlagenen doppeltbrechenden Elemente hervorgerufen wird, relativ groß und bewirkt eine signifikante Farbtrennung und sie bewirkt auch Durchlässigkeitsprobleme.
Es sei darauf hingewiesen, daß EP-A-0350075 und EP- A-0382460 nach dem Prioritätsdatum der vorliegenden Anmeldung, aber mit Prioritätsdaten veröffentlicht wurden, die früher als die vorliegende Anmeldung sind und deshalb einen Stand der Technik gemäß Artiel 54 (3) EPC darstellen.
Ausführungsbeispiele der hier offenbarten Erfindung versuchen:
eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung zu schaffen, die nicht den vorgenannten Nachteilen unterliegt; und/oder
eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit einem für einen schwarzen Ausgang sorgenden "Aus"-Zustand für alle Wellenlängen von farbigem Licht zu schaffen; und/oder eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung zu schaffen, die gegenüber LC Zellendicke, Polarisator-Orientierung, Orientierung des doppeltbrechenden Films und des Sichtwinkels unempfindlich ist; und/oder
eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung zu schaffen, die zwei doppeltbrechende Filme aufweist, um für einen schwarzen Aus-Zustand zu sorgen.
Gemäß der Erfindung wird eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung geschaffen enthaltend einen Eingangs-Polarisator mit einer Polarisationsachse zum linearen Polarisieren von in die Vorrichtung eintretendem Licht in einer ersten gewählten Richtung; einen ersten doppeltbrechenden Film, der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu dem Eingangs-Polarisator angeordnet ist, um das linear polarisierte eintretende Licht in elliptisch polarisiertes Licht mit einer gewählten Elliptizität bzw. Abplattung β umzuwandeln; eine nematische Verdrehungs-Flüssigkristallzelle, die im wesentlichen parallel zu dem ersten doppeltbrechenden Film und benachbart dazu angeordnet und in der Lage ist, das elliptisch polarisierte Licht, das in die Zelle eintritt, von der ersten gewählten Richtung in eine zweite gewählte Richtung (16e) zu drehen, wenn die Zelle in einem nicht-angeregten "Aus"-Zustand ist, wobei der dem Licht erteilte Drehwinkel dem Verdrehungswinkel der Zelle entspricht; einen zweiten doppeltbrechenden Film, der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu der Flüssigkristallzelle angeordnet ist, um das elliptisch polarisierte Licht, das aus der Flüssigkristallzelle austritt, in Licht umzuwandeln, das in der zweiten gewählten Richtung linear polarisiert ist; und
einen Ausgangs-Polarisator, der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu dem zweiten doppeltbrechenden Film angeordnet ist und eine Polarisationsachse hat, die im wesentlichen orthogonal zu der zweiten gewählten Richtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle eine Normalmode-Elliptizität bzw. -Abflachung hat, die im wesentlichen gleich der gewählten Elliptizität- bzw. Abflachung β ist, und jeder der Filme eine maximale Verzögerung von 100 Nanometer für alle sichtbaren Wellenlängen hat, wodurch Licht, das aus dem zweiten doppeltbrechenden Film austritt, gelöscht wird, wenn die Flüssigkristallzelle in dem "Aus"-Zustand ist.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun als Beispiel auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
Figur 1 eine schematische Ansicht von einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
Figur 2 ein Poincaré-Kugeldiagramm ist, das einen elliptischen Polarisationszustand zeigt;
Figur 3 ein Kurvenbild von einem elliptischen Polarisationszustand auf einem orthogonalen Koordinatensystem ist;
Figur 4 ein Poincaré-Kugeldiagramm ist und den Polarisationszustand von Licht zeigt, das sich durch die LCD Vorrichtung gemäß Figur 1 ausbreitet;
Figur 5A ein Poincaré-Kugeldiagramm ist und den Prozentsatz des Lichtdurchsatzes durch eine LCD Vorrichtung ohne doppeltbrechende Filme zeigt;
Figur 5B ein Poincaré-Kugeldiagramm ist und den Prozentsatz des Lichtdurchsatzes durch eine LCD Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
Figur 6 ein Kurvenbild von dem gemessenen Prozentsatz des Lichtdurchsatzes in dem "Aus"-Zustand über der Wellenlänge für die Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß Figur 1 mit doppeltbrechenden Filmen zeigt, die unterschiedliche Verzögerungen haben.
In Figur 1 enthält eine Flüssigkristallanzeige(LCD)-Vorrichtung eine Flüssigkristallzelle 12, die zwei parallele, ebene, transparente Platten 14a und 14b, vorzugsweise aus Glas, enthält, die abgedichtet eine Menge an nematischem Flüssigkristallmaterial enthalten. Das LC Material enthält eine Vielzahl von LC Molekülen, die in Gruppen unterteilt sind; die LC Moleküle in jeder Gruppe sind relativ zueinander orientiert, um eine verdrehte (twisted) Struktur zwischen den Platten 14a und 14b zu bilden. Ein erstes LC Molekül 16a (in Figur 1 ist zu Darstellungszwecken nur eine Gruppe gezeigt), benachbart zu einer ersten oder Eingangsplatte 14a ist, in einer gewählten Richtung (θ&sub1; = θº) in bezug auf eine Bezugslinie r orientiert. Jedes nachfolgende LC Molekül 16b, 16c, 16d und 16e hat einen inkrementalen Winkel (Δθ) der Orientierung relativ zu dem unmittelbar vorhergehenden Molekül θn = θn-1 +Δθ), und das letzte LC Molekül 16e, das der zweiten oder Ausgangsplatte 14b am nähesten gelegen ist, ist unter einem Winkel θn = 90º) relativ zu dem ersten Molekül 16a orientiert. Die Differenz zwischen dem Winkel oder der Orientierung des ersten Moleküls 16a und des letzten Moleküls 16e ist der Verdrehungs- bzw. Twistwinkel der LC Zelle. Ein Verdrehungswinkel von 90º ist in Figur 1 für eine einfache Darstellung gezeigt, und die vorliegende Erfindung kann auch mit LC Zellen benutzt werden, die unterschiedliche Verdrehungs- bzw. Twistwinkel haben, wie beispielsweise super-twisted nematische Zellen (θ = 270º) und ähnliches. Der Fachmann wird erkennen, daß mehrere LC Moleküle 10 zwischen den Platten 14a und 14b angeordnet sind und daß in Figur 1 zur Klarheit nur fünf Moleküle gezeigt sind.
Licht, das sich durch die LC Zelle 12 ausbreitet, hat eine lineare Kombination von zwei Normalmoden der LC Zelle. Die zwei Normalmoden sind elliptisch polarisiert durch die LC Zelle 12 und haben eine Elliptizität bzw. Abplattung β, die eine Funktion der Lichtwellenlänge (λ), der Doppelbrechung (Δn) der Zelle und der Steigung bzw. Pitch (p) der LC Moleküle in der verdrehten nematischen Struktur zwischen der Eingangsplatte 14a und der Ausgangsplatte 14b ist.
Im Betrieb arbeitet das LC Display 10 wie eine Kamerablende, um die Lichtmenge zu steuern, die durch die Vorrichtung 10 hindurchtritt. Die LC Zelle 12 kann in einen "Ein"-Zustand angeregt sein, um einen Durchtritt von Licht zu gestatten, oder nicht angeregt oder in einem "Aus"-Zustand sein; idealerweise sollte die LC Zelle in dem "Aus - Zustand jeden Lichtdurchlaß vollständig blockieren bzw. sperren und für das Display schwarz aussehen, um den gewünschten Kontrast aufzuweisen, aber etwas Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen kann durch die LC Zelle lecken.
Ein Front- bzw. Eingangs-Polarisator 18 ist im wesentlichen parallel zu der Eingangsplatte 14a angeordnet, und ein hinterer oder Ausgangs-Polarisator 20 ist im wesentlichen parallel zur Ausgangsplatte 14b angeordnet. Der Eingangs-Polarisator 18 hat eine Polarisation oder Durchlaßrichtung (angegeben durch Pfeile 22), die vorzugsweise der Orientierungsrichtung des ersten LC Moleküls 16a entspricht, und der Ausgangs-Polarisator 20 hat eine Durchlaßrichtung (angegeben durch Pfeile 24), die vorzugsweise orthogonal zum letzten LC Molekül 16e ist, um die Größe des Lichtdurchlasses durch die Vorrichtung 10 in dem "Aus"-Zustand zu minimieren. Die Vorrichtung 10 würde auch arbeiten, wenn die Eingangs- und Ausgangs-Polarisatoren um 90º gedreht und dadurch mit der anderen der zwei Normalmoden der LC Zelle 12 gekoppelt wären.
Ein erster doppeltbrechender Film (BF von Birefringent Film) 26 ist zwischen dem Eingangs-Polarisator 18 und der Eingangsplatte 14a der LC Zelle und im wesentlichen parallel zu beiden angeordnet; ein zweiter doppeltbrechender Film 28 ist auch zwischen der Ausgangsplatte 14b und dem Ausgangs-Polarisator 20 und im wesentlichen parallel zu beiden angeordnet. Der erste doppeltbrechende Film 26 hat eine gewählte Doppelbrechung (Δn'&sub1;) und hat eine schnelle Achse (durch Pfeile 30 gezeigt) , die in einer gewählten Richtung angeordnet ist, die lineares polarisiertes Licht von dem Eingangs-Polarisator 18 in elliptisch polarisiertes Licht mit einer Elliptizität β und einem Azimut α transformiert, die beide einer der zwei Normalmoden der LC Zelle 12 entsprechen. Der zweite doppeltbrechende Film 28 hat eine gewählte Doppelbrechung (Δn'&sub2;) und eine schnelle Achse (Pfeile 32), die in einer gewählten Richtung orientiert ist, damit elliptisch polarisiertes Licht, das aus der LC Zelle 12 austritt, in linear polarisiertes Licht transformiert wird, das orthogonal zu der Durchlaßrichtung 24 des Ausgangs-Polarisators 20 ist; deshalb absorbiert der Ausgangs-Polarisator 20 das Licht, und der Ausgang der Vorrichtung 10 erscheint schwarz, wenn die LC Zelle 12 in einem nicht angeregten "Aus"-Zustand ist. Die schnelle Achse 30 des ersten doppeltbrechenden Films 26 ist vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45º relativ zu sowohl der Richtung des Eingangs-Polarisators (Pfeile 22) als auch der Orientierungsrichtung des ersten LC Moleküls 16a orientiert, und die schnelle Achse 32 des zweiten doppeltbrechenden Films 28 ist vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45º relativ zu sowohl der Richtung des Ausgangs-Polarisators (Pfeile 24) als auch der Orientierungsrichtung des letzten LC Moleküls 16e orientiert. Diese Orientierungsrichtungen der doppeltbrechenden Filme gestatten die Verwendung von doppeltbrechenden Filmen mit kleinen Werten der Doppelbrechung oder Verzögerung; kleine Verzögerungswerte minimieren die Farb- oder Wellenlängenverteilung der Vorrichtung und gestatten, daß der Ausgang am Ausgangs-Polarisator 20 in dem "Aus"-Zustand schwarz ist. Diese Orientierungsrichtungen gestatten auch, daß die Doppelbrechung von beiden doppeltbrechenden Filmen 26 und 28 im wesentlichen gleich ist. Die Polarisationsrichtungen in Figur 1 sind lediglich zu Darstellungszwecken angegeben, und es können auch andere Richtungen verwendet werden, vorausgesetzt, daß die relativen Polarisationsrichtungen der unterschiedlichen Bestandteile für eine optimale Leistungsfähigkeit im wesentlichen so bleiben, wie es oben beschrieben wurde.
Die Arbeitsweise der LCD Vorrichtung 10 kann am einfachsten beschrieben werden durch die Verwendung einer Poincaré-Kugelgrafikanalyse, die in vielen Fachbüchern der Optik beschrieben ist, wie beispielsweise Principles of Optics, von M. Born und E. Wolf (Pergamon, Oxford, 1965).
Kurz beschrieben, kann jeder Polarisationszustand von sich ausbreitendem Licht durch einen Punkt auf der Oberfläche von einem Poincaré-Kugeldiagramm dargestellt werden (Figur 2). Der Äquator der Kugel ist der geometrische Ort von allen linear polarisierten Zuständen, und die Pole CL bzw. CR stellen die linken und rechten kreisförmigen polarisierten Zustände dar. Alle anderen Punkte auf der Poincaré-Kugeloberfläche stellen elliptische Polarisationszustände dar. Beispielsweise kann ein elliptischer Polarisationszustand auf einem X-Y orthogonalen Koordinatensystem (Figur 3) als ein gewisser Azimut α und eine Elliptizität bzw. Abflachung β dargestellt werden. Dieser gleiche elliptische Polarisationszustand würde durch den Punkt P(2α, 2β) auf dem Poincaré-Kugeldiagramm (Figur 2) dargestellt werden. Alle Winkel werden verdoppelt, wenn sie von einem orthogonalen Koordinatensystem auf die Poincaré-Kugel übertragen werden, und die X-Y Achse wird von 90º in 180º gedreht.
Linear polarisiertes Licht breitet sich durch die LCD Vorrichtung 10 vorzugsweise in der Richtung aus, die durch den Pfeil 34 angegeben ist (Figur 1). Der Eingangs- Polarisator 18 läßt denjenigen Mode der zwei Normalmoden von linear polarisiertem Licht durch, der der Polarisationsorientierung 22 des Eingangs-Polarisators 18 entspricht, und blockiert den anderen Normalmode. Der lineare Polarisationszustand am Ausgang des Eingangs-Polarisators 18 kann durch einen Punkt A auf der Poincaré-Kugel dargestellt werden (Figur 4). Der erste doppeltbrechende Film 26 wandelt das linear polarisierte Licht in elliptisch polarisiertes Licht um, das einen Azimut von Null (α = 0) und eine Elliptizität (β) hat, die gleich der Elliptizität der LC Zelle ist; dieser elliptische Polarisationszustand ist durch einen Punkt B (0,2β) dargestellt. Es wird nur der eine Normalmode der Zelle 12 angeregt, weil Licht, das den ersten doppeltbrechenden Film 26 verläßt, im wesentlichen die gleiche Elliptizität und Azimut hat wie der Normalmode der LC Zelle 12; deshalb wird dieser elliptisch polarisierte Normalmode eine reine optische Drehung durchlaufen, die gleich dem Verdrehungs- bzw. Twistwinkel der LC Zelle 12 ist. Für einen Verdrehungswinkel von 90º (2α = 180º) ist der Polarisationszustand am Ausgang der LC Zelle 12 der Punkt C (180, 2β). Der zweite doppeltbrechende Film 28 wandelt das elliptisch polarisierte Licht in einen linear polarisierten Zustand am Punkt D um, weil der zweite doppeltbrechende Film 28 eine gewählte Doppelbrechung (Δn'&sub2;) und eine gewählte Orientierung der schnellen Achse 32 hat, um den Polarisationszustand zum Äquator der Poincaré-Kugel am Punkt D (2α, 0) zurückzudrehen. Das lineare polarisierte Licht am Punkt D hat dann eine Polarisationsrichtung gleich der Orientierungsrichtung des letzten LC Moleküls 16e. Der Ausgangs-Polarisator 20 wird das lineare polarisierte Licht löschen und der Ausgang der LCD Vorrichtung 10 wird in dem "Aus"-Zustand schwarz sein, weil der Ausgangs-Polarisator 20 orthogonal zu dem letzten LC Molekül 16e (Figur 1) orientiert ist.
Die elliptische Polarisation von unterschiedlich gefärbtem Licht, das sich durch die doppeltbrechenden Filme und die LC Zelle ausbreitet, ändert sich, weil die Elliptizität des sich durch diese Bestandteile ausbreitenden Lichtes eine Funktion der Wellenlänge des Lichtes ist. Der Prozentsatz des Lichtdurchlasses für das unterschiedlich gefärbte Licht am Ausgang des Ausgangs-Polarisators 20 kann graphisch geschätzt werden, wenn man die Poincaré-Kugeldiagramme (Figuren 5A und 5B) verwendet und in den Ausgangs- Polarisator 20 zurückblickt. Konturen mit konstantem Durchlaß sind für 0,1%, 1% und 10% Lichtdurchlaß in den Figuren 5A und 5B überlagert. Figur 5A gilt für eine LCD Vorrichtung ohne doppeltbrechende Filme 26 und 28, aber die LC Zelle ist ausgelegt mit einer bestimmten Kombination von LC Doppelbrechung (Δn), Zellendicke (d) und Zellenverdrehungswinkel (θ = 90º), um den Gooch-Tarry-Minimalzustand (Δnd/λ = (1/2) 4m² - 1), wobei m=1, 2, 3) zu erfüllen und für einen minimalen Durchlaß von grünem Licht (λg = 540 nm) in dem "Aus"-Zustand zu sorgen. Ohne die doppeltbrechenden Filme lecken etwa 1% von blauem Licht λb = 470 nm) durch die Vorrichtung 10 in dem "Aus"-Zustand und nahezu 10% von rotem Licht (λr = 640 nm). Mit den doppeltbrechenden Filmen kann die Leckage von rotem und blauem Licht auf weniger als etwa 0,5% begrenzt werden (Figur 5B).
Figur 6 zeigt den prozentualen Lichtdurchsatz über der Wellenlänge für eine 90º verdrehte nematische LC Zelle, die mit Merck ZLI-3376 Flüssigkristallmaterial gefüllt ist, das ein Δn von 0,085 bei einer Wellenlänge von 590 nm und einer Zellendicke von etwa 5,9 µm hat. Es sind Kurven für die LC Zelle ohne doppeltbrechende Filme (tn) und mit doppeltbrechenden Filmen gezeigt, die Verzögerungen von etwa 25, 32 und 40 nm haben. Die doppeltbrechenden Filme wurden gebildet, indem ein Polymer-Blatt über ein dünnes Glassubstrat gespannt und das Blatt mit dem Substrat mit einem ultraviolett-härtbarem Klebstoff verbunden wurde, um eine stabile Verzögerung beizubehalten. Der Ausgang des Ausgangs-Polarisators 20 ist unter etwa 0,5% über dem größten Teil des Spektrums des sichtbaren Lichtes für die LCD Vorrichtungen mit doppeltbrechenden Filmen 26 und 28, und der Ausgang war im wesentlichen schwarz für den "Aus"-Zustand. Diese Ergebnisse waren überlegen gegenüber den Ergebnissen, die mit bekannten Vorrichtungen erhalten wurden, die einen einzelnen doppeltbrechenden Film mit Verzögerungen von mehreren hundert Nanometern verwendeten. Die doppeltbrechenden Filme mit Verzögerungen unter etwa 100nm scheinen auch relativ unempfindlich zu sein gegenüber der Dicke der LC Zelle, der Polarisator-Orientierung, der Orientierung des doppeltbrechenden Films, des Sichtwinkels und unterschiedlichen Wellenlängen.
Für den Fachmann ist auf einfache Weise verständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, die hier beschrieben und dargestellt sind. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Adaptionen neben denjenigen, die hier gezeigt und beschrieben sind, und auch viele Variationen, Modifikationen und äquivalente Anordnungen werden nun deutlich oder werden verständlich nahegelegt durch die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen, ohne von der Substanz oder dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Somit wurde zwar die vorliegende Erfindung hier im Detail anhand von ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, es sei aber darauf hingewiesen, daß diese Offenbarung nur darstellend und beispielhaft für die vorliegende Erfindung ist.

Claims

1. Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung (10) enthaltend: einen Eingangs-Polarisator (18) mit einer Polarisationsachse (22) zum linearen Polarisieren von in die Vorrichtung eintretendem Licht (34) in einer ersten gewählten Richtung (16a);

einen ersten doppeltbrechenden Film (26), der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu dem Eingangs-Polarisator (18) angeordnet ist, um das linear polarisierte eintretende Licht in elliptisch polarisiertes Licht mit einer gewählten Elliptizität bzw. Abplattung β umzuwandeln;

eine nematische Verdrehungs-Flüssigkristallzelle (12), die im wesentlichen parallel zu dem ersten doppeltbrechenden Film (26) und benachbart dazu angeordnet und in der Lage ist, das elliptisch polarisierte Licht, das in die Zelle (12) eintritt, von der ersten gewählten Richtung (16a) in eine zweite gewählte Richtung (16e) zu drehen, wenn die Zelle (12) in einem nicht-angeregten "Aus"-Zustand ist, wobei der dem Licht erteilte Drehwinkel dem Verdrehungswinkel der Zelle (12) entspricht;

einen zweiten doppeltbrechenden Film (28), der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu der Flüssigkristallzelle (12) angeordnet ist, um das elliptisch polarisierte Licht, das aus der Flüssigkristallzelle (12) austritt, in Licht umzuwandeln, das in der zweiten gewählten Richtung (16e) linear polarisiert ist; und

einen Ausgangs-Polarisator (20), der benachbart zu und im wesentlichen parallel zu dem zweiten doppeltbrechenden Film (28) angeordnet ist und eine Polarisationsachse (24) hat, die im wesentlichen orthogonal zu der zweiten gewählten Richtung (16e) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (12) eine Normalmode-Elliptizität bzw. -Abflachung hat, die im wesentlichen gleich der gewählten Elliptizität- bzw. -abflachung β ist, und jeder der Filme eine maximale Verzögerung von 100 Nanometer für alle sichtbaren Wellenlängen hat, wodurch Licht, das aus dem zweiten doppeltbrechenden Film (28) austritt, gelöscht wird, wenn die Flüssigkristallzelle (12) in dem "Aus" -Zustand ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Normalmode-Elliptizität bzw. -Abflachung der Flüssigkristallzelle (12) so gewählt ist, daß eine gewählte Wellenlänge des Lichtes durch den Ausgangs-Polarisator (20) vollständig gesperrt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten doppeltbrechenden Filme (26, 28) enthält: ein Glas-Substrat; und

ein Blatt aus Polymermaterial, das über das Glas-Substrat gespannt und mit dem Substrat verbunden ist durch einen ultraviolett-härtbaren Klebstoff, um eine stabile Verzögerung auszubilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten doppeltbrechenden Filme (26, 28) eine schnelle Achse (30, 32) hat, wobei jede der schnellen Achsen (30, 32) in der gleichen Richtung orientiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die schnelle Achse (30) des ersten doppeltbrechenden Films bei etwa 45º relativ zu der Polarisationsachse (22) des Eintritts-Polarisators (18) bzw. der ersten gewählten Richtung (16a) orientiert ist, und die schnelle Achse (32) des zweiten doppeltbrechenden Films bei etwa 45º relativ zu der Polarisationsachse (24) des Ausgangs-Polarisators (20) bzw. der zweiten gewählten Richtung (16e) orientiert ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten und zweiten doppeltbrechenden Filme (26, 28) eine Verzögerung von etwa 25 Nanometer hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite doppeltbrechende Film (28) eine gewählte Doppelbrechung hat, um Licht mit der gewählten Elliptizität bzw. Abflachung β in linear polarisiertes Licht umzuwandeln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzelle (12) einen Verdrehungs- bzw. Twistwinkel von etwa 90º hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzelle (12) ein super-verdrehtes nematisches Material aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkristallzelle (12) den Gooch-Tarry-Minimumzustand erfüllt, damit Licht gewählter Wellenlänge durch den Ausgangs-Polarisator (24) vollständig gesperrt wird.