DE69428682T2

DE69428682T2 - Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit einem reflektierenden holographischen optischen Element

Info

Publication number: DE69428682T2
Application number: DE69428682T
Authority: DE
Inventors: G. Chen; W. Jelley; T. Vallaith
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Mobility LLC
Priority date: 1993-11-01
Filing date: 1994-10-19
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2014-10-20
Also published as: JPH08505716A; CN1116003A; US5663816A; CN1049500C; AU686279B2; WO1995012826A1; JP3691848B2; EP0677173A1; EP0677173A4; CA2151056C; EP0677173B1; AU1082995A; DE69428682D1; CA2151056A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, die für eine Beleuchtung durch Umgebungslicht geeignet ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine solche Flüssigkristallanzeigevorrichtung, die ein reflektierendes holographisches optisches Element enthält, das diffuses Licht zurück durch ein Flüssigkristallfeld ("liquid crystal panel") mit einem bevorzugten Reflexionsmuster richtet. Bei einem Gesichtspunkt dieser Erfindung ist das reflektierende holographische optische Element ein Transflektor, um die Flüssigkristallanzeige alternierend von hinten zu beleuchten.
Eine typische Flüssigkristallvorrichtung umfasst ein Flüssigkristallfeld zum Bilden einer Anzeige, die durch eine Vorderseite des Feldes betrachtet wird. Die Flüssigkristallplatte umfasst eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial, die zwischen vorderen und hinteren transparenten Polymer- oder Glasplatten und zwischen vorderen und hinteren Polarisierern eingeschichtet ist, die senkrechte Polarisationsachsen aufweisen. Transparente Elektroden sind an den inneren Oberflächen der transparenten Platten befestigt, um die Lichttransmissionseigenschaften des Flüssigkristallmaterials in dem benachbarten Gebiet des Feldes zu ändern. Auf diese Weise definieren die Elektroden Pixel, die die Anzeige erzeugen. Wie vorliegend verwendet, beziehen sich Pixel auf ein Gebiet des Flüssigkristallfeldes, das eine helle oder eine dunkle Fläche der Anzeige bildet. Eine herkömmliche Anzeige wird aus Pixeln gebildet, die in einer regelmäßigen Matrix angeordnete Punkte sind. Ein anderer herkömmlicher Typ einer Anzeige umfasst Pixel, die als " Fig. 8" angeordnet sind und selektiv geschaltet werden, um alphanumerische Zeichen zu bilden.
In Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes ist es erlaubt, dass polarisiertes Licht durch einen Polarisierer tritt und durch die Flüssigkristallschicht neu orientiert wird, um durch den gegenüberliegenden Polarisierer zu treten, wodurch verursacht wird, dass die Platte transparent ist und ein helles Pixel für die Anzeige erzeugt wird. Allerdings ändert ein elektrisches Potential, das zwischen den Elektroden angelegt wird, das dazwischen liegende Flüssigkristallmaterial, so dass verhindert wird, dass Licht durch das Feld hindurchtritt, wodurch ein getrübtes Gebiet in dem Feld erzeugt wird, das als dunkles Pixel erscheint. Somit können durch selektives Anlegen eines elektrischen Stroms an die Elektroden Pixel individuell zwischen einem durchsichtigen oder hellen Zustand und einem getrübten oder dunklen Zustand umgeschaltet werden.
Während das Flüssigkristallfeld eine Anzeige durch das lokale Ändern der Lichttransmissionseigenschaften der Pixel erzeugt, erzeugt das Flüssigkristallfeld kein Licht, das zum Betrachten der Anzeige benötigt wird. Es gibt zwei grundlegende Ansätze zum Bereitstellen von Licht für die Anzeige. Ein Ansatz verwendet Umgebungslicht und umfasst einen Reflektor, der der Rückseite des Flüssigkristallfeldes zugewandt ist. Bei einem transparenten Gebiet wird Umgebungslicht durch den vorderen Polarisierer gefiltert, es durchtritt das Feld, es wird von dem Reflektor reflektiert, und es durchtritt das Feld erneut, um ein helles Pixel zu erzeugen. Bei einem Gebiet, das getrübt ist, durchtritt Licht selbstverständlich nicht das Feld, wodurch ein dunkles Pixel erzeugt wird. Bei einem zweiten Ansatz umfasst die Vorrichtung eine Lichtquelle zum Beleuchten der Rückseite des Flüssigkristallfeldes, woraufhin das Licht durch den hinteren Polarisierer hindurchtritt, und es durchtritt transparente Gebiete des Flüssigkristallfeldes, um helle Pixel zu erzeugen. Es wurden Versuche angestellt, um diese beiden Ansätze in einer Vorrichtung zu kombinieren, indem ein Transflektor zwischen der Rückseite des Flüssigkristallfeldes und einer Lichtquelle verwendet wurde. Der Transflektor reflektiert Umgebungslicht zum Betrieb bei Umgebungslichtbedingungen und sendet Licht von der Lichtquelle zum Betrieb in diesem Modus. Ein Problem bei konventionellen Transflektoren besteht darin, dass die Effizienz der Reflexion, das heißt das Verhältnis von reflektiertem Licht zu einfallendem Licht notwendigerweise durch die Transmissionseigenschaften des Transflektors reduziert wird, und in ähnlicher Weise wird die Transmissionseffizienz durch die Reflexionseigenschaften es Transflektors reduziert, so dass beispielsweise ein Reflektor, der zu 50% transmissiv ist, nur etwa 50% des Lichtes reflektiert, wodurch der Anteil von sichtbarem Licht in beiden Betriebsarten reduziert wird.
Während bei der Beleuchtung von hinten eine erwünschte Helligkeit durch das Bereitstellen einer Lichtquelle mit einer vorbestimmten Intensität erreicht wird, hängt die Beleuchtung mit Umgebungslicht von der Helligkeit des Lichtes in der Umgebung ab, das aus beliebigen Richtungen stammen und in der Intensität variieren kann. Um eine adäquate Helligkeit unter derartigen variierenden Bedingungen zur Verfügung zu stellen, wurden Reflektoren entwickelt, die eine diffuse Reflexion erzeugen. Im Gegensatz zu einem Spiegel, der eine hochgradig gerichtete Reflexion, basierend auf dem Winkel des einfallenden Lichts, erzeugt, reflektiert ein diffuser Reflektor Licht gleichförmig über einen großen Winkelbereich, so dass die Intensität des reflektierten Lichtes relativ unabhängig von der Richtung des Umgebungslichts ist. Jedoch reduziert eine solche diffuse Reflexion notwendigerweise die Intensität des Lichtes, das durch den Betrachter wahrgenommen wird. Darüber hinaus wird die sichtbare Helligkeit der Anzeige weiterhin durch Verluste bei der doppelten Transmission durch das Feld verringert, beispielsweise durch die Polarisierer. Als Ergebnis leidet die Umgebungslichtbeleuchtung unter einer verringerten sichtbaren Helligkeit, die von dem Betrachter wahrgenommen wird. Dies ist insbesondere in Situationen mit wenig Umgebungslicht spürbar. Daher besteht eine Notwendigkeit, die Effizienz von reflektiertem Licht zu erhöhen, das verfügbar ist, um die Anzeige zu sehen, um die sichtbare Helligkeit zu erhöhen, die von dem Betrachter wahrgenommen wird.
Die veröffentlichte japanische Patentanmeldung JP-A- 05027226 beschreibt eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung. Die Flüssigkristallanzeigevorrichtung verwendet ein Hintergrundlicht und umfasst einen holographischen Spiegel, der zwischen einem Flüssigkeitsfeld und dem Hintergrundlicht angeordnet ist, um die Beleuchtung zu ergänzen. Das Flüssigkristallfeld kann transparent sein. Der Spiegel stellt eine "reguläre" Reflexion des Lichts zur Verfügung, abhängig von der Ankunftsrichtung des Lichtes in Richtung auf das Feld. Der Spiegel leitet diffuses Licht aus unterschiedlichen Richtungen nicht in ein bevorzugtes Betrachtungsmuster für optimale Helligkeit um.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung, wie es in dem unabhängigen Anspruch ausgeführt ist, die durch diffuses Umgebungslicht beleuchtbar ist, wie zum Beispiel Licht innerhalb eines Raums, das die Vorrichtung aus unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlicher Intensität bestrahlt.
Somit durchquert an einem transparenten Gebiet des Flüssigkristallfeldes diffuses Umgebungslicht, das die Vorderseite beleuchtet, das Feld zu dem reflektierenden holographischen optischen Element, und es wird umgeleitet, um wiederum das Gebiet zu durchqueren, wodurch ein helles Pixel erzeugt wird.
Bei einem Gesichtspunkt dieser Erfindung leitet das reflektierende holographische optische Element das Licht in ein eingeschränktes Reflexionsmuster um eine bevorzugte Achse um, die einen bevorzugten Blickwinkel bildet. Das diffuse Umgebungslicht, das an dem Reflexionsort bei Einfallswinkeln empfangen wird, die außerhalb des Reflexionsmuster liegen, wird in das Innere des Musters umgeleitet, um die sichtbare Helligkeit der Anzeige zu erhöhen.
Bei einem anderen Gesichtspunkt dieser Erfindung ist das reflektierende holographische optische Element ein Transflektor. Die Flüssigkristallanzeigevorrichtung enthält weiterhin eine Lichtquelle in einer Anordnung, so dass das reflektierende holographische optische Element zwischen der Lichtquelle und der Rückseite des Flüssigkristallfeldes angeordnet ist. Umgebungslicht, das das Flüssigkristallfeld durchquert wird durch das reflektierende holographische optische Element umgeleitet, so dass es das Flüssigkristallfeld wiederum durchquert, um Helligkeit für die Anzeige zur Verfügung zu stellen. Alternativ wird Licht von der Lichtquelle durch das reflektierende holographische optische Element gesendet, um die Rückseite des Flüssigkristallfeldes zu beleuchten, und es durchquert das Flüssigkristallfeld, um eine zusätzliche Helligkeit für die Anzeige zur Verfügung zu stellen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird weiterhin mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen veranschaulicht:
Fig. 1 ist ein Graph, der die reflektierte Lichtintensität als Funktion des Reflexionswinkels für einen diffusen Reflektor und für ein reflektierendes holographisches optisches Element zeigt, das bei dieser Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das schematisch ein Reflexionsmuster in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist eine Schnittansicht, einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung, mit einem reflektierenden holographischen Element in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung zum Belichten einer photographischen Schicht beim Bilden eines reflektierenden holographischen optischen Elementes für die Verwendung in der Flüssigkristallanzeigevorrichtung in Fig. 3 zeigt;
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Anordnung zum Belichten eines photographischen Materials beim Bilden eines reflektierenden holographischen optischen Elementes für die Verwendung in der Flüssigkristallanzeigevorrichtung in Fig. 3 zeigt;
Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit einem reflektierenden holographischen Element in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit einem reflektierenden holographischen Element in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 8 ist ein Graph, der eine reflektierte Lichtintensität als eine Funktion der Frequenz für das reflektierende holographische Element in Fig. 7 zeigt; und
Fig. 9 ist eine Schnittansicht einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung mit einem reflektierenden holographischen Element in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung hilfreich, wenn man erkennt, dass ein Reflektor aus einer Vielzahl von Reflexionsstellen gebildet ist, so dass ein individueller Lichtstrahl durch den Reflektor an einer speziellen Stelle aufgefangen wird und umgeleitet wird, wie es durch die Charakteristika der Stelle bestimmt ist. Es ist ebenfalls nützlich, sich daran zu erinnern, dass ein Lichtstrahl von einer Stelle einer Spiegeloberfläche in einer speziellen Richtung relativ zu einer senkrechten Achse zu der Spiegeloberfläche reflektiert wird, so dass der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel ist. Ein diffuser Reflektor von dem Typ, der gewöhnlich innerhalb einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung verwendet wird, streut Licht über einen Bereich von Winkeln, so dass die Helligkeit im Allgemeinen von dem Einfallswinkel oder dem Reflexionswinkel unabhängig ist. Fig. 1 ist ein Graph, der die Intensität von reflektiertem Licht zeigt, dass von einer vorbestimmten Stelle eines Reflektors stammt, als Funktion des Reflexionswinkels, der relativ zu einer Achse gemessen wird, die senkrecht zu der Stelle ist. Die Kurve A zeigt ein bevorzugtes Reflexionsmuster, das von einer Stelle eines diffusen Reflektors erzeugt wird. Im Gegensatz verwendet diese Erfindung ein reflektierendes holographisches optisches Element, das geeignet ist, durch diffuses Umgebungslicht beleuchtet zu werden und das Licht in das Innere eines vorbestimmten Reflexionsmusters umzuleiten. Ein bevorzugtes Reflexionsmuster wird durch die Kurve B gezeigt, wobei Licht gezeigt wird, das in das Innere eines Winkelbereiches um die Achse eingeschränkt ist, so dass das Licht innerhalb des Musters ein erhöhte Intensität aufweist, was eine erhöhte Helligkeit zum Ergebnis hat.
Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen; ein bevorzugtes reflektierendes holographisches optisches Element 10 zur Verwendung bei dieser Erfindung, hier auch als ein holographischer Reflektor bezeichnet, wird aus einem Kontinuum von Reflexionsstellen gebildet, für die die Stelle 12 repräsentativ ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das reflektierende Element ein holographisches optisches Volumenelement, das aus einem photographischen Film mit Regionen mit unterschiedlichen Brechungsindizes zusammengesetzt ist, die in einer Weise zusammenarbeiten, die ähnlich einem Brechungsgitter ist, um Licht in ein Interferenzmuster umzuleiten, auf das als Reflexionsmuster Bezug genommen wird. Wie hier verwendet, bezeichnet eine Reflexionsstelle ein Gebiet des Reflektors, von dem das Interferenzmuster zu stammen scheint. Vorzugsweise wird das Element 10 aus Stellen gebildet, die im Wesentlichen einförmige Reflexionseigenschaften aufweisen. In diesem Beispiel tritt das Reflexionsmuster aus eine konischen Raum um eine Achse 14 in Erscheinung, die senkrecht zu dem Element 10 an der Stelle 12 ist und durch Grenzlinien 16 begrenzt ist, die sich an der Stelle 12 mit einem Winkel zur Achse 14 schneiden. Der Winkel beträgt vorzugsweise 60º oder weniger und ist effektiv, um diffuses Licht zu konzentrieren, um die Helligkeit innerhalb des Musters dramatisch zu erhöhen.
Es ist ein signifikantes Merkmal dieser Erfindung, dass das reflektierende holographische Element 10 optisch mit einem Flüssigkristallfeld gekoppelt ist, um polarisiertes Licht zu empfangen, das von dem diffusen Umgebungslicht abgeleitet ist, und um die Betrachtung einer Anzeige entlang eines bevorzugten Beobachtungswinkels zu verbessern, der der Achse 14 in Fig. 2 entspricht. Wie hier verwendet, bezeichnet Umgebungslicht solches Licht, wie es in einem gut beleuchteten Raum zu finden ist, wobei das Licht dazu neigt, eine Stelle aus mehreren Richtungen und mit verschiedenen Intensitäten zu bestrahlen. Wenn das reflektierende holographische Element 10 von diffusem Umgebungslicht belichtet wird, können Lichtstrahlen, die die Stelle 12 bestrahlen, Strahlen enthalten, die durch den Pfeil 18 angezeigt sind, wobei diese außerhalb des Reflexionsmuster liegen, und Strahlen, die durch den Pfeil 20 angezeigt sind, wobei diese innerhalb des Reflexionsmuster liegen. In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform werden diese Strahlen in das Innere des Reflexionsmusters umgeleitet, beispielsweise in der Richtung, die durch den Pfeil 22 angezeigt ist. Im Gegensatz zu einem diffusen Reflektor, der auch Licht in die Richtung von Pfeil 24 außerhalb des erwünschten Reflexionsmuster richten würde, wird das Licht, das von der Stelle 12 herrührt, im Wesentlichen auf das Innere des Reflexionsmusters eingegrenzt. Als ein Ergebnis wird Licht außerhalb des Reflexionsmusters, wie zum Beispiel entlang des Pfeils 18, durch den holographischen Reflektor in das Innere des Reflexionsmusters umgeleitet, wodurch das Licht auf das Innere des Reflexionsmusters konzentriert wird. Dies führt zu einer Verstärkung bezüglich der Intensität des Lichtes, das zum Betrachten innerhalb des Reflexionsmusters verfügbar ist, wie es durch die Kurve B in Fig. 1 angezeigt ist. Dies erhöht wiederum die sichtbare Helligkeit der Anzeige, die von dem Betachter wahrgenommen wird.
Bei diesem Beispiel erzeugen die mehreren Reflexionsstellen des reflektierenden holographischen Elementes 10 Reflexionsmuster um die Achsen, die senkrecht zu dem Element sind, wobei die Achse einem bevorzugten Blickwinkel für die Anzeige entspricht. Ebenfalls ist bei diesem Beispiel das Reflexionsmuster kreisförmig um die Achse. Jedoch kann diese Erfindung in geeigneter Weise ein Element verwenden, das ein Reflexionsmuster erzeugt, in dem Licht vorzugsweise entlang einer Achse umgeleitet wird, die nicht senkrecht zu dem Element ist, beispielsweise zum optimalen Betrachten, wenn die Anzeigevorrichtung relativ zu dem Betrachter gekippt ist. Weiterhin können die Achsen von Reflexionsmustern von unterschiedlichen Stellen nicht parallel sein. Darüber hinaus können die Charakteristika des Interferenzmusters geeignet modifiziert sein, um ein Reflexionsmuster zu erzeugen, das nicht kreisförmig ist. Beispielsweise kann der holographische Reflektor ein Reflexionsmuster erzeugen, das symmetrisch um eine bevorzugte Betrachtungsachse ist, das jedoch einen elyptischen Querschnitt hat, um den Bereich der Betrachtungswinkel horizontal zu erhöhen und den Betrachtungsbereich vertikal einzuengen.
Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen; bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung umfasst eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung 30 ein Flüssigkristallfeld 32 und ein reflektierendes holographisches optisches Element 34.
Das Flüssigkristallfeld 32 ist von dem Typ, der ohne weiteres käuflich erworben werden kann, und es ist geeignet, eine Anzeige zu bilden, die durch eine Vorderseite 36 betrachtet wird. Das Feld 32 hat die Merkmale einer planaren, laminaren Struktur und enthält eine Rückseite 38 gegenüber der Vorderseite 36. Das Feld umfasst eine Schicht 40, die beispielsweise aus einem gedrehten nematischen ("twisted nematic") Flüssigkristallmaterial gebildet ist, das zwischen vorderen und hinteren transparenten Polymerplatten 42 beziehungsweise 44 angeordnet ist. Das Feld 32 umfasst weiterhin einen vorderen Polarisierer 46, der an der äußeren Oberfläche der Platte 42 befestigt ist, und einen hinteren Polarisierer 48, der an der äußeren Oberfläche der hinteren Platte 44 befestigt ist. Die Polarisierer 46 und 48 haben Polarisationsachsen, die in senkrechten Richtungen orientiert sind.
Das Flüssigkristallfeld 32 hat eine Achse 50, die im Allgemeinen senkrecht zu den mehreren Elementen ist, und es enthält ein Gebiet um die Achse 50, das allgemein mit 51 bezeichnet ist, in dem die Elemente zusammenarbeiten, um ein Pixel für die Anzeige zu definieren, wobei das Pixel zwischen einem transparenten Zustand oder einem getrübten Zustand umschaltbar ist. Am Beispiel eines herkömmlichen Flüssigkristallfeldes umfasst das Feld 32 transparente Elektroden 52 und 54, die an der inneren Oberfläche der Platten 42 beziehungsweise 44 befestigt sind, die der Flüssigkristallschicht 40 benachbart sind. Geeignete Elektroden sind aus einem transparenten Indiumzinnoxid-Material gebildet. In der Abwesenheit eines elektrischen Potentials, das an den Elektroden 52 und 54 angelegt wird, wird die diffuses Umgebungslicht, das die Vorderseite 36 des Feldes beleuchtet, von dem vorderen Polarisierer 46 gefiltert, um polarisiertes Licht zu dem Feld zu lassen. Das polarisierte Licht wird durch die Flüssigkristallschicht 40 neu orientiert, um die Polarisation parallel zu der Polarisationsachse des hinteren Polarisierers 48 einzustellen. Auf diese Weise ist das Gebiet 51 transparent für das polarisierte Licht. Alternativ unterbricht die Zuführung eines elektrischen Potentials zu den Elektroden 52 und 54 die Flüssigkristallschicht 40, so dass das polarisierte Licht nicht neu orientiert wird, um zurück durch den Polarisierer 48 hindurchzutreten. In diesem Modus ist das Gebiet 51 trübe. Zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet diese Ausführungsform einfache Elektroden, die an gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet sind. Jedoch können die Elektroden in irgendeiner Konfiguration geeignet gemustert sein, um eine Anzeige mit einem erwünschten Design zu erzeugen. Bei einem anderen Beispiel sind die Elektroden, die an der vorderen Platte befestigt sind, in Zeilen angeordnet, und die Elektroden, die an der hinteren Platte befestigt sind, sind in Spalten angeordnet, wodurch Pixel an den Schnittpunkten definiert sind, bei denen eine Zeile eine Spalte kreuzt.
Der Reflektor 34 ist ein holographisches optisches Volumenelement mit einer Schicht 60 aus photographischem Material, das zwischen der vorderen und der hinteren transparenten Platte 62 und 64 angeordnet ist. Der Reflektor 34 umfasst eine reflektierende vordere Oberfläche 63, von der reflektiertes Licht zu stammen scheint, und eine hintere Oberfläche 65. Die vordere Oberfläche 63 ist aus einer Mehrzahl von im Wesentlichen gleichförmigen Reflexionsstellen zusammengesetzt, wobei die Stelle 66 für diese repräsentativ ist. Bei dieser Ausführungsform entsteht das Licht, das die Stelle 66 beleuchtet, in einem konischen Reflexionsmuster, das durch die Linien 68 gezeigt ist. Ein geeignetes holographisches optisches Element ist käuflich von der Polaroid Corporation unter der Handelsbezeichnung "Mirage Hologramm" erhältlich und enthält eine Schicht 60, die aus einem Photopolymer mit der Handelsbezeichnung "DMP-128" zusammengesetzt ist, die von Laserlicht belichtet wird und entwickelt wird, um Gebiete mit variierenden Brechungsindizes zu bilden, die beim Umleiten des Lichtes in ein Interferenzmuster wirksam sind, das einem bevorzugten Reflexionsmuster zur Verwendung in der Vorrichtung 30 entspricht.
Fig. 4 zeigt eine typische Anordnung für eine photographische Schicht 60 mit Laser-Bilderzeugung, um ein geeignetes Reflexionsmuster zu erzeugen. Während der Belichtung und der Entwicklung wird die Schicht 60 auf einer Platte 62 getragen, wird jedoch abgedeckt, um eine nachfolgende Behandlung mit Entwicklungslösungen zu gestatten. Ein Lichtstrahl 70, der von einer geeigneten Laservorrichtung 72 emittiert wird, wird von einem Strahlaufteiler 74 aufgeteilt. Ein erster Teil 76 des Lichts wird von einem geeigneten Muster 78, wie zum Beispiel einem weißen Reflektor, reflektiert und beleuchtet die photographische Schicht 60. Ein zweite Teil 82 wird von einem Spiegel 84 reflektiert und beleuchtet gleichzeitig die Schicht 60, wodurch ein Interferenzmuster erzeugt wird, das in dem photographischen Material aufgezeichnet wird. Daraufhin wird die Schicht 60 mit einförmigen weißen Licht flutbelichtet ("flood exposed") entwickelt, um das Interferenzmuster innerhalb der Schicht permanent zu fixieren, und mit der zweiten Platte 64 bedeckt.
Alternativ kann ein Reflexionsmuster gebildet werden, indem die photographische Schicht 90 belichtet wird, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Die Schicht 90 wird auf einer Platte 91 getragen und umfasst gegenüberliegende Oberflächen 92 und 93, die simultan mit aufgespalteten Laserstrahlen 94 und 95 belichtet wird. Eine Oberfläche 92, die der Oberfläche entspricht, welche der Rückseite des Flüssigkristallfeldes zugewandt sein soll, wird von einem Laserstrahl abgetastet, der durch eine Linse 96 mit einer großen Apertur und einer kleiner Brennweite fokussiert ist, wobei jede Reflexionsstelle mit Licht über einen großen Winkelbereich belichtet wird, vergleichbar mit gleichmäßigem, diffusem Umgebungslicht. Die entgegengesetzte Oberfläche 93 wird von dem Laserlicht durch einen transmissiven optischen Diffusor 97 belichtet, der ein Emissionsmuster erzeugt, das dem erwünschten Reflexionsmuster entspricht. Nach der Belichtung zum Bilden des erwünschten Interferenzmusters innerhalb des photographischen Materials, wird die Schicht 90 flutbelichtet ("flood exposed"), entwickelt und mit der zweiten transparenten Platte zu dem kompletten reflektierenden holographischen optischen Element bedeckt.
Das reflektierende holographische optische Element 34 wird dann mit dem Flüssigkristallfeld 32 kombiniert, um die Flüssigkristallanzeigevorrichtung 30 in Fig. 3 zu bilden. Bei dieser Anordnung ist die reflektierende Oberfläche 63 der Rückseite 38 des Feldes 32 zugewandt, und die Stelle 66 ist axial mit dem Gebiet 51 ausgerichtet, so dass der holographische Reflektor 34 optisch mit dem Flüssigkristallfeld 32 gekoppelt ist, um Licht zu empfangen, das durch das Feld gesendet wird, und um das Licht in Richtung auf das Feld umzuleiten. Somit wird in Abwesenheit eines angelegten elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 52 und 54 diffuses Umgebungslicht, das die Oberfläche 36 beleuchtet, durch den vorderen Polarisierer 42 gefiltert, durch die Flüssigkristallschicht 40 neu orientiert und durch den hinteren Polarisierer 48 geleitet. Das polarisierte Licht, das von der Rückseite 38 des Feldes herrührt, beleuchtet die Stelle 66 des holographischen Elementes 34, und es wird durch das holographische Element in das Innere des Reflexionsmusters umgeleitet, das durch die Linien 68 angezeigt ist, woraufhin das Licht durch den hinteren Polarisierer 48 hindurchtritt, durch die Flüssigkristallschicht 40 neu orientiert wird und durch den vorderen Polarisierer 46 hindurchtritt, um ein helles Pixel für die Anzeige zu erzeugen. Wenn natürlich ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden 52 und 54 angelegt wird, wird das Feld in dem Gebiet 51 getrübt, so dass Umgebungslicht das Feld 32 nicht durchquert, um die Stelle 66 zu beleuchten, und so, dass beliebiges Licht, das von der Stelle 66 reflektiert wird, beispielsweise Licht, das durch benachbarte Gebiete des Flüssigkristallfeldes 32 empfangen wurde, das Feld nicht durchquert, wodurch ein dunkles Pixel für die Anzeige erzeugt wird. Nichtsdestoweniger ist es ein signifikantes Merkmal dieser Erfindung, dass Licht, das das Feld zu der Stelle 66 mit Winkeln außerhalb des Reflexionsmusters durchquert, wie es zum Beispiel durch die Pfeile 69 angezeigt ist, in das Innere des Reflexionsfeldes umgeleitet. Solches Licht kann Licht enthalten, das das Feld durch Gebiete um die erwünschten Pixel durchquert, sowie Licht, das das Gebiet bei scharfen Winkeln zu dem Feld durchquert. Diesbezüglich wird herausgestellt, dass die Dicke der jeweiligen Elemente in Fig. 3 zum Zwecke der Veranschaulichung übertrieben sind. In jedem Fall wird solches diffuses Licht innerhalb des Reflexionsmusters umgeleitet, was zu einem substantiellen Ansteigen bei der sichtbaren Helligkeit des in der Nähe der Achse 50 betrachteten Pixels führt, entsprechend zu der bevorzugten Blickrichtung. Diese erhöhte Helligkeit ist insbesondere dramatisch im Vergleich zu Reflektoren, die eine diffuses Reflexion erzeugen.
Während in Fig. 3 das Flüssigkristallfeld 32 und das reflektierende holographische optische Element 34 einen Abstand aufweisen, kann das reflektierende Element auf die Rückseite 38 des Feldes laminiert sein, um eine integrale Struktur zu bilden.
Es wird auf Fig. 6 Bezug genommen, wo eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt ist. Die Vorrichtung 100 umfasst ein Flüssigkristallfeld 102, welches ähnlich zu dem Flüssigkristallfeld 32 in Fig. 3 ist, und hat eine Vorderseite 104 zum Betrachten einer Anzeige und eine Rückseite 106. In Übereinstimmung mit dieser Erfindung umfasst die Vorrichtung 100 weiterhin ein reflektierendes holographisches optisches Element 108 mit einer vorderen Oberfläche 110, die der Rückseite 106 des Flüssigkristallfeldes 102 zugewandt ist. Das reflektierende Element 108 umfasst eine Vielzahl von Stellen, für welche die Reflexionsstelle 112 repräsentativ ist. Die Reflexionsstelle 112 ist geeignet, eine diffuse Beleuchtung zu empfangen und die Beleuchtung innerhalb eines Reflexionsmuster umzuleiten, das durch die Linien 114 angezeigt ist. Das reflektierende Element enthält eine hintere Oberfläche 116 gegenüber der vorderen Oberfläche 110. In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform enthält die Vorrichtung 100 weiterhin einen diffusen Reflektor 118 mit einer Oberfläche 120, die der Oberfläche 116 zugewandt ist, um Licht mit einem diffusen Muster zu empfangen und zu reflektieren.
In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform verwendet die Vorrichtung 100 diffuses Umgebungslicht, das die Oberfläche 104 beleuchtet, um eine Anzeige zu bilden. Das diffuse Umgebungslicht wird durch die Polarisierer und das zwischenliegende Flüssigkristallmaterial gefiltert, um polarisiertes Licht zu der Beleuchtungsstelle 112 zu übertragen. An der Reflexionsstelle 112 wird der Hauptteil des diffusen Lichts durch das Feld 102 in das erwünschte Reflexionsmuster umgeleitet. Beliebiges Licht, das nicht durch den Reflektor 108 reflektiert wird, wie zum Beispiel Licht außerhalb des effektiven Spektralbereichs des Reflektors, wird durch das diffuse Reflexionselement 118 in Richtung auf das Feld 102 reflektiert, um die Helligkeit der Anzeige weiterhin zu erhöhen.
Es wird auf Fig. 7 Bezug genommen, wo eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung 150 in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt ist. Die Vorrichtung 150 umfasst ein Flüssigkristallfeld 152 ähnlich zu dem Feld 32 in Fig. 3, und sie umfasst eine Vorderseite 154 zum Betrachten einer Anzeige und eine Rückseite 156 gegenüber der Vorderseite 154. Die Vorrichtung 150 umfasst weiterhin ein reflektierendes holographisches optisches Element 158, das in dieser Ausführungsform ein Transflektor ist. Der Transflektor 158 umfasst eine vordere Oberfläche 160, die der Rückseite 156 des Feldes zugewandt ist, und eine hintere Oberfläche 162. Der Transflektor 158 umfasst eine Mehrzahl von Reflexionsstellen, für welche die Reflexionsstelle 164 repräsentativ ist. Bei einem ersten Betriebsverfahren ist die Vorrichtung 150 geeignet, eine Anzeige unter Verwendung von reflektiertem Umgebungslicht zu bilden. Entsprechend wird die Vorderseite 154 durch diffuses Umgebungslicht beleuchtet, woraufhin ein polarisierter Teil von diesem Licht das Flüssigkristallfeld 154 durchquert und den Transflektor 158 beleuchtet, einschließlich der Stelle 164. An der Stelle 164 wird das Umgebungslicht in Richtung auf die Rückseite 156 in ein Reflexionsmuster umgeleitet, das durch die Linien 166 angezeigt ist. Alternativ ist die Vorrichtung 150 geeignet, eine Anzeige zu erzeugen, die eine Hintergrundbeleuchtung verwendet, beispielsweise unter Bedingungen von schwachem Umgebungslicht. Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung 150 weiterhin eine Lichtquelle 170 zum Beleuchten der Rückseite 162 des Transflektors 158. Licht von der Quelle 170 wird durch den Transflektor 158 übertragen, um die Rückseite 156 zu beleuchten, und es durchquert das Flüssigkristallfeld 152 zum Erzeugen einer Anzeige. Somit kann die Anzeige unter Verwendung von entweder reflektiertem Umgebungslicht oder von Licht von einer internen Quelle 170 gebildet werden oder durch eine Kombination von beidem, um eine erwünschte Helligkeit zu erreichen.
Vorzugsweise ist die Lichtquelle 170 so gewählt, um Licht bei einer Frequenz zu emittieren, die nicht innerhalb des effektiven Reflexionsspektralbereiches des Transflektors 158 liegt. Im Sinne eines bevorzugten Beispiels, mit Bezug auf Fig. 8, kann der Transflektor 158 gebildet werden, indem photographisches Material in geeigneter Weise durch sichtbares Licht mit Frequenzen belichtet wird, die kleiner sind als a und größer sind als b, so dass der resultierende holographische Reflektor Interferenzmuster umfasst, die effektiv sind, um Licht bei Frequenzen zu reflektieren, die kleiner sind als a und größer sind als b, jedoch nicht innerhalb des Bereiches zwischen a und b liegen. Dieser Bereich wird als spektrales Durchgangsband oder spektrales Loch bezeichnet. Durch Verwendung einer Lichtquelle 170, die Licht innerhalb des spektralen Lochs emittiert, wird ein hoher Anteil des Lichts durch den Transflektor zum Beleuchten der Anzeige transmittiert, wodurch die Effizienz der Hintergrundbeleuchtung erhöht wird.
Alternativ kann der holographische Transflektor mehrere spektrale Löcher aufweisen, und er kann mit einer oder mehreren Lichtquellen verwendet werden, die Licht mit Frequenzen innerhalb der mehreren Löcher emittieren, wodurch eine Farboptimierung für die Anzeige ermöglicht wird.
Es wird auf Fig. 9 Bezug genommen, wo eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung 200 in Übereinstimmung mit noch einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung gezeigt ist. Die Vorrichtung 200 umfasst ein Flüssigkristallfeld 202, das ähnlich zu dem Feld 32 in Fig. 3 ist und eine Vorderseite 204 zum Betrachten einer Anzeige und eine Rückseite 206 umfasst. Die Vorrichtung 200 umfasst weiterhin ein reflektierendes holographisches optisches Element 208, das in dieser Ausführungsform ein Transflektor ist. Das reflektierende Element 208 umfasst eine vordere Oberfläche 210, welche der Rückseite 206 des Feldes zugewandt ist, und eine hintere Oberfläche 212. Das Feld 208 ist aus einer Mehrzahl von reflektierenden Stellen gebildet, für die die Reflexionsstelle 214 repräsentativ ist.
In Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform ist der Transflektor 208 elektrisch zwischen einem ersten Zustand, in dem die Stelle 214 diffuses Licht in Richtung auf die Rückseite 206 in ein Reflexionsmuster umleitet, das durch die Linien 218 angezeigt ist, und einem zweiten Zustand umschaltbar, in dem Licht durch das Feld transmittiert wird. Ein geeignetes holographisches Material umfasst Tröpfchen von Flüssigkristallmaterial, die in einer Polymermatrix dispergiert sind, wie es in einer Veröffentlichung von Richard T. Ingwall und Timothy Adams beschrieben ist, mit dem Titel: "Hologram: Liquid Crystal Composites" SPIE, Vol. 1555, Seiten 279-290 (1991). Die Oberflächen 210 und 212 sind mit transparenten elektrisch leitenden Schichten 216 und 221 beschichtet, die beispielsweise aus einer Indiumzinkoxidverbindung zusammengesetzt sind. In der Abwesenheit eines zwischen den Schichten 214 und 216 angelegten elektrischen Potentials bilden die Flüssigkristalltröpfchen ein Interferenzmuster, das ein holographisches Reflexionsmuster 218 erzeugt. Jedoch ändert ein elektrisches Potential 219, das zwischen den Schichten 216 und 218 angelegt wird, das Flüssigkristallmaterial, um das Interferenzmuster auszulöschen, woraufhin der Transflektor 208 transparent wird.
Somit ist die Vorrichtung 200 geeignet, eine Anzeige zu bilden, wobei entweder ein reflektiertes Umgebungslicht oder ein Hintergrundlicht verwendet werden und welche eine Lichtquelle 220 zum Beleuchten der Rückseite 212 das Transflektors 208 umfasst. In dem ersten Modus ohne elektrisches Potential 219, das zwischen den Schichten 214 und 216 angelegt wird, wird diffuses Umgebungslicht, das das Feld 202 zu der Stelle 214 des Transflektors 208 durchquert, in das Muster 218 reflektiert, um ein helles Pixel für die Anzeige zu erzeugen. Alternativ wird ein elektrisches Potential 219 an die Schichten 214 und 216 angelegt, um das holographische Reflexionsmuster zu löschen, und die Lichtquelle 220 wird betätigt. Licht von der Lichtquelle 220 wird durch den Transflektor 208 transmittiert, und es beleuchtet die Rückseite 206 des Feldes, um Licht zum Bilden der Anzeige zur Verfügung zu stellen.
Während diese Erfindung mit Begriffen von gewissen Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, dass sie auf die obige Beschreibung beschränkt wäre, sondern vielmehr nur in dem Umfang, der in den nachfolgenden Ansprüchen ausgeführt ist.
Die Ausführungsform der Erfindung, bezüglich derer ein ausschließliches Eigentum beansprucht wird, wird wie folgt definiert.

Claims

1. Flüssigkristallanzeigevorrichtung (30), die für eine Beleuchtung durch diffuses Umgebungslicht und zum Betrachten einer Anzeige geeignet ist, wenn sie aus einer bevorzugten Blickrichtung betrachtet wird, wobei die Flüssigkristallanzeigevorrichtung umfasst

ein Flüssigkristallfeld (32) mit einer Vorderseite (36) zum Betrachten der Anzeige und einer Rückseite (38) gegenüber der Vorderseite, wobei das Flüssigkristallfeld wenigstens ein Gebiet (66) mit einem transparenten Zustand umfasst, bei dem Licht, das die Vorderseite beleuchtet, das Flüssigkristallfeld zu der Rückseite durchquert, und

ein reflektierendes holographisches optisches Element (34), das optisch mit der Rückseite des Feldes gekoppelt ist, um Licht zu empfangen, das das Flüssigkristallfeld durchquert, und zum Umleiten des Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass das holographische optische Element angeordnet ist, um das Licht in das Innere eines vorbestimmten Winkelbereiches relativ zu der bevorzugten Betrachtungsrichtung umzuleiten, so dass Lichtstrahlen, die die Flüssigkristallanzeigevorrichtung in einer ersten Richtung innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches beleuchten, in das Innere des vorbestimmten Winkelbereiches umgeleitet werden, und weiterhin so, dass Lichtstrahlen, die die Anzeige in einer zweiten Richtung außerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches beleuchten, in das Innere des vorbestimmten Winkelbereiches umgeleitet werden, wodurch die Helligkeit von dem wenigstens einen Gebiet in dem transparenten Zustand erhöht wird, wenn es aus der bevorzugten Betrachtungsrichtung betrachtet wird.

2. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das reflektierende holographische optische Element eine Mehrzahl von Reflexionsstellen umfasst und wobei jede dieser Stellen eine Achse hat und das Licht in ein Reflexionsmuster umleitet, das um die Achse symmetrisch ist.

3. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das reflektierende holographische optische Element ein holographisches optisches Volumenelement (34) ist.

4. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei

polarisiertes Licht, das von diffusem Umgebungslicht stammt, welches die Vorderseite des Flüssigkristallfeldes (32) beleuchtet, das Flüssigkristallfeld durchquert und

das reflektierende holographische optische Element eine Mehrzahl von Reflexionsstellen umfasst, wobei jede dieser Reflexionsstellen eine Achse aufweist und die ersten und zweiten Lichtstrahlen in Richtung auf das Flüssigkristallfeld in ein Reflexionsmuster mit einem Querschnitt umleiten, der um die Achse symmetrisch ist, wobei Licht, das in Richtung auf das wenigstens eine Gebiet umgeleitet wird, das Flüssigkristallfeld durchquert und ein helles Pixel für die Anzeige erzeugt.

5. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Reflexionsmuster auf einen Winkel relativ zu der Achse begrenzt ist, der nicht größer ist als 60º, so dass Licht, das an der Reflexionsstelle bei einem Winkel empfangen wird, der größer ist als der Winkel, in das Innere des Reflexionsmuster umgeleitet wird.

6. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 4, wobei das Reflexionsmuster konisch um die Achse ist.

7. Flüssigkristallanzeigevorrichtung Anspruch 4, wobei die Achse im Allgemeinen senkrecht zu der Reflexionsstelle ist.

8. Flüssigkristallanzeigevorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei das reflektierende holographische optische Element (108) eine vordere Oberfläche (112) umfasst, die der Rückseite des Feldes zugewandt ist, und eine hintere Oberfläche (116), die der vorderen Oberfläche gegenüberliegt, und wobei die Flüssigkristallanzeigevorrichtung weiterhin ein trübes reflektierendes Element (118) aufweist, das der hinteren Oberfläche benachbart ist, um Licht zu reflektieren, das durch das reflektierende holographische optische Element in Richtung auf die Rückseite des Flüssigkristallfeldes transmittiert wird.

9. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei das reflektierende holographische optische Element ein Transflektor (158) ist, mit einer der Rückseite des Feldes zugewandten vorderen Oberfläche (160), die durch Licht beleuchtet wird, das das Flüssigkristallfeld durchquert, und einer hintere Oberfläche (162) gegenüber der vorderen Oberfläche, wobei das reflektierende holographische optische Element Licht, das die vordere Oberfläche beleuchtet, in ein Reflexionsmuster in Richtung auf die Rückseite des Flüssigkristallfeldes umleitet, wobei die Flüssigkristallanzeigevorrichtung weiterhin eine Lichtquelle (170) zum Beleuchten der hinteren Oberfläche des reflektierenden holographischen optischen Elementes umfasst.

10. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei das reflektierende holographische optische Element ein holographisches optisches Volumenelement ist, das aus einem Photopolymermaterial mit Gebieten mit variierenden Brechungsindizes gebildet ist und welches im Hinblick auf das Umleiten von Licht in das Reflexionsmuster effektiv ist.

11. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Transflektor ein spektrales Durchgangsband hat, so dass Licht, das durch die Lichtquelle bei Frequenzen innerhalb des spektralen Durchgangsbandes emittiert wird, durch den Transflektor transmittiert wird, um die Rückseite des Feldes zu beleuchten, und Umgebungslicht mit Frequenzen außerhalb des spektralen Durchgangsbandes, das die Flüssigkristallanzeige durchquert, durch den Transflektor in Richtung auf das Flüssigkristallfeld umgeleitet wird.

12. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 9, wobei das reflektierende holographische Element ein Transflektor (208) ist und zwischen einem reflektierenden Zustand, bei dem Licht, das die vordere Oberfläche beleuchtet, in Richtung auf das Flüssigkristallfeld umgeleitet wird, und einem durchsichtigen Zustand umschaltbar ist, bei dem Licht, das die hintere Oberfläche beleuchtet, den Transflektor durchquert, um das Flüssigkristallfeld zu beleuchten.

13. Flüssigkristallanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, wobei

das reflektierende holographische optische Element (108) eine der Rückseite des Feldes zugewande vordere Oberfläche (110) und eine hintere Oberfläche (116) gegenüber der vorderen Oberfläche hat, wobei das reflektierende holographische optische Element eine Mehrzahl von Reflexionsstellen hat, die Licht empfangen, welches die vordere Oberfläche beleuchtet, und das Licht in ein Reflexionsmuster in Richtung auf die Rückseite des Flüssigkristallfeldes umleiten, und

ein getrübtes reflektierendes Element (118), das der Rückseite zugewandt ist, um Licht zu reflektieren, das durch das reflektierende holographische optische Element transmittiert wird.