DE69333703T2

DE69333703T2 - Verdrillt-nematische Flüssigkristallanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69333703T2
Application number: DE69333703T
Authority: DE
Inventors: Gunther Haas
Original assignee: Thomson Multimedia SA
Current assignee: Technicolor SA
Priority date: 1992-06-26
Filing date: 1993-06-22
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2013-06-23
Also published as: DE69333703D1; ES2231316T3; JP3923992B2; ES2186673T3; JP2006091931A; US5375006A; FR2693020A1; EP1103839A3; JP3268069B2; EP1103839A8; JPH07128656A; EP1103839B1; EP1103839A2; EP0576342A1; JP2002182217A; EP0576342B1; DE69332479T2; FR2693020B1; JP3799257B2; DE69332479D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrisch gesteuerte, elektro-optische Vorrichtungen, die eine Wiedergabe von Bildern ermöglichen, entweder direkt auf einem Schirm, der das Licht durch die Durchlässigkeit moduliert, oder indirekt durch Projektion auf einen Schirm. Die Erfindung betrifft insbesondere Vorrichtungen, die mit Flüssigkristall arbeiten, das zwischen zwei einander kreuzenden Polarisatoren liegt und bei Abwesenheit eines modulierenden elektrischen Feldes eine tordierte oder gedrehte (twisted) nematische Struktur aufweist. In dieser Konfiguration kann die Transparenz abnehmend ausgebildet werden, wenn die Flüssigkristallzelle einer zunehmenden elektrischen Spannung unterworfen wird. Das wiedergegebene Bild hat einen Ungleichmäßigkeits-Defekt, der von den Winkelbedingungen der Betrachtung (Betrachtungswinkel) abhängig ist. Um diesen Nachteil zu verringern, wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere in der EP-A-0 350 383, der Flüssigkristallschicht einen oder mehrere Kompensationsfilme zuzuordnen, die aus einem uniaxialen, doppelbrechenden, optischen Medium bestehen, wobei die Anordnung zwischen den beiden gekreuzten Polarisatoren liegt. Diese Lösung ermöglicht ein homogeneres Kontrastverhältnis über einen breiteren Betrachtungswinkel. In den Dokumenten WO90/16005 und DE-A-39 11 620 wurde bereits vorgeschlagen, einen Film aus einer diskotischen Flüssigkristallschicht anzuwenden. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Verbesserung vor, die für Flüssigkristallschichten vom Typ TN besonders interessant ist.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Wiedergabevorrichtung mit elektrischer Steuerung und Anwendung einer gedrehten nematischen Flüssigkristallschicht vom Typ TN, die zwischen zwei Polarisatoren liegt, wobei uniaxiale Kompensationsmittel mit negativer Doppelbrechung der Schicht im Inneren der durch die Polarisatoren gebildeten optischen Kammer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel durch eine diskotische Flüssigkristallschicht mit einer homogenen Vorneigung gebildet sind.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Figuren besser verständlich. In der Zeichnung zeigen:
1 eine isometrische Ansicht einer Wiedergabevorrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine Profilansicht der Vorrichtung von 1,
3 ein Diagramm zur Erklärung der Wirkungsweise der Flüssigkristallzelle von 1,
4 ein Diagramm, das die Winkelkennlinie der Flüssigkristallzelle von 1 bei der Abwesenheit von Kompensationsmitteln zeigt,
5 eine Profilansicht (a) und eine Vorderansicht (b) eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
6 eine Profilansicht (a) und eine Vorderansicht (b) eines nicht beanspruchten Beispiels,
7 eine Projektions-Wiedergabevorrichtung bekannter Art,
8 und 9 die Winkelabhängigkeit des Kontrastverhältnisses mit Kompensationselementen, wobei die optische Achse entweder zu den Flächen der Flüssigkristallschicht oder zu ihrer Normalen leicht geneigt ist.
1 zeigt zwei transparente Stützplatten 3 und 4, die einen Hohlraum mit parallelen Flächen begrenzen, die durch grenzflächenaktive Stoffe oder sogenannte Tenside und durch ein Ausrichtverfahren bearbeitet sind, um mit einer besonderen Orientierung für die Moleküle eines diesen Hohlraum ausfüllenden nematischen Flüssigkristalls zu arbeiten. Der zylinderförmige Bereich 7 zeigt diese tordierte oder gedrehte molekulare Orientierung bei Abwesenheit des elektrischen Steuerfelds. In unmittelbarer Nähe der Platte 3 sind die Moleküle in der Richtung 10 orientiert, die um 45° relativ zu den Achsen X und Y geneigt ist. In unmittelbarer Nähe der Platte 4 sind die Moleküle in der Richtung 9 orientiert, die senkrecht zu der Richtung 10 steht. Bei einem mittleren Abstand von den Innenflächen der Platten 3 und 4 sind die Moleküle des Flüssigkristalls entlang der Achse X orientiert, von der angenommen wird, daß sie der Vertikalrichtung der Wiedergabevorrichtung entspricht. Die Platten 3 und 4 sind mit transparenten Elektroden versehen, die mit einem elektrischen Generator 6 verbunden sind, um ein elektrisches Feld mit der Richtung Z und einer Intensität proportional zu der durch den Generator 2 gelieferten elektrischen Spannung U zu bilden. Dieses elektrische Steuerfeld ändert die gedrehte molekülare Orientierung, wie es in dem zylinderförmigen Bereich 8 gezeigt ist. Bei Abwesenheit des Steuerfelds ist die molekulare Orientierung symmetrisch und in der Lage, eine Drehung von 90° in der geradlinigen Polarisation einer Lichtstrahlung zu bewirken, die in eine der Hauptflächen der Flüssigkristallschicht eintritt und an ihrer anderen Hauptfläche austritt. Wenn die Anordnung 3–4 zwischen einem Polarisator 2 und einem Analysator 5 derart liegt, daß diese Elemente die Richtungen 10 und 9 bestimmen, ist ersichtlich, daß die gedrehte Orientierung 7 es ermöglicht, daß das durch die Lichtquelle 1 erzeugte Licht die Wiedergabevorrichtung so effizient wie möglich durchdringt. Dieses Ergebnis wird erreicht bei der Abwesenheit eines elektrischen Steuerfelds, was den Zustand EIN oder "Offen" bezeichnet. Im Gegensatz dazu hat die Wirkung eines elektrischen Steuerfelds den Effekt einer Verringerung des Drehvermögens der Flüssigkristallschicht, und dadurch haben die gekreuzten Polarisierer 2 und 5 auf das Licht eine abschattende Wirkung, die einem Zustand AUS oder "Geschlossen" entspricht.
Zwischen dem Polarisator 2 und der transparenten Platte 3 oder auch zwischen der Platte 4 und dem Analysator 5, sind gemäß der Erfindung zusätzliche Kompensationselemente 11 vorgesehen, die in einem nicht-einschränkenden Beispiel die Form einer Platte mit parallelen Flächen haben, herausgeschnitten aus einem uniaxialen, doppelbrechenden Medium. Ohne dieses Element ist die Vorrichtung der 1 und 2 vom bekannten Typ, und ihre elektro-optischen Eigenschaften sind durch die Diagramme der 3 und 4 beschrieben. Als ein Beispiel sind die Eigenschaften einer Wiedergabevorrichtung mit einem gedrehten nematischen Flüssigkristall folgende:
Flüssigkristall vom Typ MERCK ZLI-3347
Differenz in dem optischen Weg (n_e – n_o)d: 476 nm
Drehungswinkel: 90°
Vorneigung der Flüssigkristallmoleküle bei Abwesenheit des elektrischen Felds: 2°
Polarisatoren vom Typ SANRITZ LLC2 8218S
Spannung im Zustand EIN: 1,74 Volt
Spannung im Zustand AUS: 5,40 Volt
Wellenlänge des Lichtes: 550 nm
3 drückt den Übertragungsfaktor T in Abhängigkeit von der Steuerspannung U aus. 4 drückt durch zwei Kurven die Winkeleigenschaften aus, das heißt die Änderung des Kontrastverhältnisses CR mit der Richtung des Lichtstrahls R. Aus 1 ist ersichtlich, daß die Winkelkoordinaten des Lichtstrahls Φ und Θ sind. Die Koordinate Φ gibt die Orientierung der Ebene Π an, die R und Z enthält. Die Koordinate Θ setzt die Orientierung von R im Verhältnis zu Z fest.
Die Kurve Φ = 0 zeigt, wie sich das Kontrastverhältnis während einer horizontalen Winkelabtastung ändert, während die Kurve Φ = Π/2 die vertikale Winkelabtastung betrifft. Es ist ersichtlich, daß das Ergebnis für eine Horizontalabtastung symmetrisch ist, während es für eine Vertikalabtastung asymmetrisch und nach rechts verschoben ist. Die Asymmetrie und die Verschiebung nach rechts sind durch Prüfung der Profilansicht in 2 leicht verständlich. Es ist ersichtlich, daß die Moleküle in der Richtung OZ schwingen, indem sie sich um sich selbst in der Richtung drehen, die durch den Winkel der Vorneigung bestimmt ist, anstatt im wesentlichen parallel zu den Flächen der Flüssigkristallschicht zu bleiben. Unter diesen Bedingungen nimmt während einer vertikalen Winkelabtastung, wie durch den Pfeil 14 angedeutet, die verbleibende Doppelbrechung der Schicht nur zu, was die Verschiebung in 4 erklärt.
Die Kurven der 3 und 4 beruhen auf der Annahme, daß ein Element 11 keine Kompensation durch Doppelbrechung bewirkt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 5 dargestellt ist, nehmen die Kompensationsmittel 11 die Form eines uniaxialen Mediums mit einer negativen Doppelbrechung an, deren optische Achse OA in der Ebene XZ liegt, und bilden mit der Fläche der Flüssigkristallschicht einen Winkel (β) zwischen 75 und 90°. Der Pfeil 16 zeigt die molekulare Vorneigung an. Bei (b) ist ersichtlich, daß der Abschnitt 17 des Ellipsoids für eine parallele Ausbreitung auf der Achse A zirkular ist. Zur Bezifferung der Werte der Leistungsfähigkeit einer Wiedergabevorrichtung kann man sich auf ein integriertes Kontrastverhältnis ICR (Integrated Contrast Ratio) beziehen, dessen mathematischer Ausdruck folgendermaßen ist:
wobei α der Öffnungshalbwinkel eines Integrationskonus ist
und T(Θ, Φ, U_off) und T(Θ, Φ, U_on) die Übertragungsfaktoren für die Zustände EIN und AUS sind.
Unter Annahme einer Differenz in dem optischen Weg von –390 nm für das Kompensationselement und eines Winkels der optischen Achse von 83° ist die Größe ICR(20°) gleich 187, wohingegen man für eine Flüssigkristallzelle ohne Kompensator einen Wert von 77 erhält. Ein derartiger Kompensator kann realisiert werden durch eine diskotische Flüssigkristallschicht mit einer homogenen Vorneigung. Die mit HRTI bezeichneten Kurven in den 8 und 9 beziehen sich auf diese alternative Ausführungsform. 9 zeigt, daß die Verschiebung der Kurve HRTI beseitigt ist, während aus der Kurve TN ersichtlich ist, die die Winkeländerung eines einer Flüssigkristallzelle ohne Kompensationselement 11 zeigt. 8 zeigt, daß in der Horizontalrichtung der Kompensator 11 die Winkelverteilung des Kontrastverhältnisses CR aufweitet.
Die in 5 dargestellte Kompensation benutzt nur ein einziges Element 11 mit negativer Doppelbrechung, das isotropische Eigenschaften für eine sich entlang der optischen Achse ausbreitende Lichtwelle zeigt. Die Kurven DRTI der 8 und 9 geben zum Vergleich der Indikationen auf der winkelförmigen Verteilung des Kontrastverhältnisses an, wenn die Kompensation durch zwei Kompensationselemente mit positiver Doppelbrechung realisiert wird, wie es durch das Beispiel in 6 dargestellt ist.
In 7 ist ein Projektionssystem dargestellt, das eine Wiedergabevorrichtung mit gedrehtem, nematischem Flüssigkristall 25 enthält, dem eine mit einem Reflektor 100 versehene Lichtquelle 1 zugeordnet ist. Die Projektion auf einen Schirm erfolgt durch ein Objektiv 26, und unter Berücksichtigung der Verschiebung des Kontrastmaximums, beobachtet in der Vertikalrichtung für eine nicht-kompensierte Wiedergabevorrichtung, ist ersichtlich, daß es notwendig ist, die Vorrichtung 25 relativ zur optischen Achse 27 zu neigen, damit die Beleuchtung in Richtung der optischen Achse optimal ist. Es ist auch möglich, die Vorrichtung 25 gegenüber der optischen Achse des Objektivs zu verschieben, um dasselbe Ergebnis zu erhalten. In diesen beiden Fällen stellt man fest, daß diese Messungen nicht die am meisten effiziente Anwendung eines Projektionsobjektivs ergeben, da die Vorrichtung 25 hinsichtlich der optischen Bilddarstellung nicht genau positioniert ist. Es wurde bereits eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, die darin besteht, uniaxiale Kompensationsmedien mit negativer Doppelbrechung zu verwenden, die eine optische Achse aufweisen, die gegenüber der Normalen auf den Flächen der Flüssigkristallschicht leicht geneigt ist.
Aus der obigen Beschreibung ist ersichtlich, daß die Tatsache der Zuordnung eines Kompensators mit einer uniaxialen, negativen Doppelbrechung zu einer gedrehten nematischen Flüssigkristallschicht in allen Fällen eine bessere Winkelverteilung des Kontrastverhältnisses ergibt. Durch eine geeignete Neigung der optischen Achse des doppelbrechenden Medium, das den Kompensator darstellt, relativ zu den Flächen der Flüssigkristallschicht kann man außerdem die Verschiebung der vertikalen Winkelverteilung beseitigen.
Die Verbesserungen, die bei den Vorrichtungen mit dem gedrehten, nematischen Flüssigkristall durchgeführt wurden, sind von optischer Art. Sie werden hauptsächlich bei Wiedergabevorrichtungen mit einer passiven oder einer aktiven Matrix angewendet, wie denjenigen, die als Computerbildschirme oder für Anwendungen von flachen Bildschirmen im Fernsehen benutzt werden. Man kann diese Verbesserungen ebenso bei Projektionssystemen sowie bei Suchern für eine Videokamera und sogenannten Camcordern anwenden.

Claims

Wiedergabevorrichtung mit elektrischer Steuerung und Anwendung einer gedrehten nematischen Flüssigkristallschicht vom Typ TN, die zwischen zwei Polarisatoren (2, 5) liegt, wobei uniaxiale Kompensationsmittel (11) mit negativer Doppelbrechung der Schicht im Inneren der durch die Polarisatoren gebildeten optischen Kammer angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel durch eine diskotische Flüssigkristallschicht (18) mit einer homogenen Vorneigung (β) gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die molekulare Orientierung (7) der Schicht bei Abwesenheit der elektrischen Steuerspannung so eingestellt ist, daß eine Drehung um 90° der geradlinigen Polarisation einer Lichtwelle entsteht, die sie in der Richtung der Normalen (Z) relativ zu ihren Hauptflächen durchdringt, und daß die Polarisatoren (2, 5) gekreuzte Polarisationen aufweisen, die jeweils mit der geradlinigen Polarisation der Lichtwelle bei den Hauptflächen ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Kompensationsmittel eine Neigung gegenüber der Normalen (Z) auf den Hauptflächen der Schicht aufweisen und dass der Neigungswinkel > 0° gegenüber der Normalen (Z') ist, derart, dass der Versatz der vertikalen winkelförmigen Verteilung eliminiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel > 0° und < 15° beträgt.
System zur Projektion von Bildern auf einen Schirm mit einem Projektionsobjektiv, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Wiedergabevorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche enthält und daß die Wiedergabe-vorrichtung eine Flüssigkristallschicht mit Hauptflächen enthält, die senkrecht und zentriert zu der optischen Achse des Projektionsobjektivs liegen.