DE69632813T2

DE69632813T2 - Beleuchtungssystem für eine flachtafel-bildanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69632813T2
Application number: DE69632813T
Authority: DE
Inventors: Neeltje Grietje MOL; Jan Dirk BROER; Rosette Christianne DE WITZ
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-08-23
Filing date: 1996-08-16
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2016-08-17
Also published as: JP3821849B2; DE69632813D1; JPH10508152A; KR100427904B1; US5856855A; KR970707460A; EP0789857B1; WO1997008583A1; EP0789857A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem, das einen Lichtwellenleiter aus einem optisch transparenten Material mit einer Austrittsfläche und einer Vielzahl von Endflächen umfasst, wobei gegenüber zumindest einer davon eine Lichtquelle liegt, deren Licht bei einer Endfläche des Lichtwellenleiters eingekoppelt werden kann, und das mit dem Lichtwellenleiter integrierte Polarisationsmittel zum Polarisieren des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes umfasst.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Flachbildschirm-Wiedergabeeinrichtung mit einem derartigen Beleuchtungssystem.
Eine Flachbildschirm-Wiedergabeeinrichtung, die mit einem Beleuchtungssystem der eingangs beschriebenen Art versehen ist, ist aus dem US-Patent US-A 4.212.048 bekannt. Bei der in diesem Patent beschriebenen Bildwiedergabeeinrichtung wird ein Bildwiedergabeschirm mit Hilfe eines Beleuchtungssystems beleuchtet, das aus einer keilförmigen transparenten Platte und einer Lichtquelle besteht. Die von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahlen werden an der Endfläche des Lichtwellenleiters eingekoppelt und pflanzen sich durch den Wellenleiter fort, weil sie an der Grenzfläche zwischen dem Lichtwellenleiter und Luft innere Totalreflexion erfahren. Da bei jeder Reflexion der Einfallswinkel der Lichtstrahlen an der Wellenleiter/Luft-Grenzfläche abnimmt, wird dieser Winkel zu einem bestimmten Zeitpunkt kleiner als der kritische Winkel und die betreffenden Lichtstrahlen verlassen den Lichtwellenleiter. Weiterhin umfasst der Lichtwellenleiter Polarisationsmittel in Form eines Streifens aus polarisierendem Material, das über die Dicke des Lichtwellenleiters in der Nähe der Lichtquelle verläuft. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass das den Lichtwellenleiter verlassende Licht polarisiert ist.
Ein Nachteil des in dem genannten US-Patent beschriebenen Beleuchtungssystems ist, dass nahezu 50% des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes verloren geht, ohne dass es zur Bildung des Bildes beitragen kann, weil der Polarisator dichroitisch ist und somit die ungewünschte Polarisationsrichtung absorbiert. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Lichtwellenleiter keilförmig sein muss, damit das Licht an der Austrittsfläche des Lichtwel lenleiters ausgekoppelt werden kann. Wegen der Forderung nach einem ausreichenden Lichtstrom wird die Entwurfsfreiheit oder die Wahl des Materials für den Lichtwellenleiter eingeschränkt. Das Licht erreicht nämlich kurz, nachdem es in den Lichtwellenleiter eingekoppelt worden ist, den Polarisator und wird somit polarisiert. Dieses polarisierte Licht pflanzt sich durch den Lichtwellenleiter fort, bis es auf die Austrittsfläche unter einem Winkel einfällt, der kleiner ist als der kritische Winkel für innere Totalreflexion, und wird daher ausgekoppelt. Da in der Praxis isotropes Material nicht perfekt isotrop ist, wird während der Fortpflanzung durch den Lichtwellenleiter weiterhin die Polarisation auftreten. Daher wird der Strom des polarisierten Lichts mit der gleichen Polarisationsrichtung erheblich reduziert. Entweder sollte daher der vor der Auskopplung zurückgelegte Abstand relativ kurz sein, was die Entwurfsfreiheit des Lichtwellenleiters einschränkt, oder das Material des Lichtwellenleiters sollte sehr isotrop sein, was die Wahl des Materials einschränkt.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungssystem zu verschaffen, in dem nahezu alles von der Lichtquelle abgegebene Licht beim Verlassen des Lichtwellenleiters den gleichen Polarisationszustand hat, sodass der Lichtstrom größer ist, und das eine größere Entwurfsfreiheit und eine breitere Wahl des Materials für den Lichtwellenleiter verschafft.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsmittel von einem reflektierenden Polarisator gebildet werden, der sich auf der gegenüber der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters gelegenen Oberfläche des Lichtwellenleiters befindet, wobei eine von dem Lichtwellenleiter abgewandte Oberfläche des Polarisators mit einem Streukörper versehen ist.
Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht ist nicht polarisiert. Wenn ein Lichtstrahlenbündel dieses Lichtes auf den reflektierenden Polarisator auftrifft, wird dieses Strahlenbündel in zwei Bündelkomponenten aufgespaltet, die komplementäre Polarisationszustände haben. Wenn der Polarisator ein linearer Polarisator ist, werden die beiden Bündelkomponenten zueinander senkrechte Polarisationsrichtungen haben. Wenn der Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, werden eine linksdrehend zirkular polarisierte Strahlenbündelkomponente und eine rechtsdrehend zirkular polarisierte Strahlenbündelkomponente gebildet werden.
Eine der beiden komplementären Strahlenbündelkomponenten wird von dem Polarisator reflektiert werden. Die reflektierte Strahlenbündelkomponente wird im Weiteren als die ungewünschte Strahlenkomponente bezeichnet werden. Die andere Strahlenbündelkomponente, mit anderen Worten die gewünschte Komponente, wird von dem Polarisator durchgelassen werden. Unter der gewünschten Strahlenbündelkomponente soll die Komponente verstanden werden, die den Polarisationszustand hat, der von dem Beleuchtungssystem geliefert wird. Welche Strahlenbündelkomponente durchgelassen wird und welche reflektiert wird, wird von der Struktur des Polarisators bestimmt.
Die von dem Polarisator reflektierte Strahlenbündelkomponente wird sich in dem Lichtwellenleiter weiter fortpflanzen und nach Zurücklegen eines bestimmten Abstandes depolarisieren. Dieser Abstand ist vom Ausmaß der Doppelbrechung des Materials des Lichtwellenleiters abhängig. Nach diesem Abstand wird ein Teil dieser Strahlenbündelkomponente somit die gewünschte Polarisationsrichtung haben und daher von dem reflektierenden Polarisator zum Streukörper hin durchgelassen werden. Der Streukörper streut das darauf einfallende Strahlenbündel teilweise vorwärts und teilweise rückwärts. Das vorwärts gestreute Licht, dessen größerer Teil aus Licht mit der gewünschten Polarisationsrichtung besteht, trifft wieder auf den reflektierenden Polarisator und wird somit eine reinere Polarisationsrichtung annehmen. Die Lichtmenge nämlich, die nach dem ersten Durchgang noch immer die ungewünschte Polarisationsrichtung haben würde, wird jetzt zum größten Teil auch reflektiert. Infolge des zweiten Durchgangs durch den reflektierenden Polarisator wird die Polarisationsrichtung der gewünschten Strahlenbündelkomponente verbessert. Auf diese Weise wird in einer Bildwiedergabeeinrichtung, in der dieses Beleuchtungssystem verwendet wird, ein besserer Kontrast erhalten. Dieser verbesserte Kontrast könnte nicht realisiert werden, wenn beispielsweise der Polarisator nicht mit dem Lichtwellenleiter integriert wäre, sondern sich oberhalb des Wellenleiters befände, weil das von der Lichtquelle ausgesandte Licht dann den Polarisator nur einmal durchlaufen würde.
Ein reflektierender Polarisator hat an sich den Vorteil, dass nahezu kein Licht vom Polarisator absorbiert wird, sodass nahezu keine Erwärmung auftritt.
Die Integration des Polarisators in den Lichtwellenleiter sorgt dafür, dass das Beleuchtungssystem relativ dünn ist und dass weniger unerwünschte Lichtleitung und weniger Reflexionsverluste auftreten.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass an der von dem reflektierenden Polarisator abgewandten Seite des Streukörpers ein Reflektor angeordnet ist.
Das Licht mit der ungewünschten Polarisationsrichtung, das den Lichtwellenleiter über den Streukörper verlässt, wird von diesem Reflektor zum Lichtwellenleiter hin reflektiert. Die Strahlenbündelkomponente mit der gewünschten Polarisationsrichtung wird von dem Polarisator durchgelassen und anschließend über die Austrittsfläche ausgekoppelt, während die Strahlenbündelkomponente mit der ungewünschten Polarisationsrichtung vom Polarisator wieder zum Streukörper hin reflektiert wird.
Durch wiederholte Streuung und Reflexion ohne merkliche Absorption wird nahezu alles von der Lichtquelle abgegebene Licht in Licht mit dem gleichen Polarisationszustand umgewandelt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor ein die Polarisation drehender oder ein depolarisierender Reflektor ist.
Wenn der Polarisator zirkular ist und die beiden Polarisationskomponenten ein linksdrehendes zirkular polarisiertes Bündel und ein rechtsdrehendes zirkular polarisiertes Bündel sind, ist das die Polarisation drehende Element vorzugsweise ein Spiegelreflektor. Die Polarisationsrichtung eines zirkular polarisierten Strahlenbündels wird bei einem solchen Reflektor umgekehrt.
Wenn der Polarisator linear ist und die beiden Polarisationskomponenten zwei zueinander senkrecht linear polarisierte Strahlenbündel sind, kann das die Polarisation drehende Element beispielsweise ein λ/4-Plättchen mit einem dahinter angeordneten Reflektor sein.
Wenn der Reflektor eine depolarisierende Wirkung hat, wird das vom Polarisator durchgelassene Licht mit der ungewünschten Polarisationsrichtung depolarisiert, sodass ungefähr die Hälfte davon unmittelbar die gewünschte Polarisationsrichtung hat. Diese Wahl des Polarisators ist sowohl auf linear als auch auf zirkular polarisiertes Licht anwendbar.
Das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine Folie ist, die nahezu vollständig reflektierende Teilchen umfasst.
Auf diese Weise ist die Absorption minimal und wird ein relativ hoher Lichtstrom erhalten.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor, der eine depolarisierende Wirkung hat, auf zumindest einer von einer Lichtquelle abgewandten Endfläche angeordnet ist.
Es ist an sich bekannt, den Lichtwellenleiter eines Beleuchtungssystems für eine Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung an den Endflächen, wo kein Licht eingekoppelt wird, mit einem Reflektor zu versehen, um zu verhindern, dass dort eintreffendes Licht verloren geht und somit nicht zum Lichtstrom des Beleuchtungssystems beiträgt. Wegen des Reflektors bleibt das Licht in dem Lichtwellenleiter. Auf diese Weise hat dieses Licht eine weitere Chance, zumindest teilweise in Licht umgewandelt zu werden, das den gewünschten Polarisationszustand hat, und somit doch noch an der Austrittsfläche ausgekoppelt zu werden.
Wenn die Reflektoren an den Endflächen eine depolarisierende Wirkung haben, wird darauf einfallendes Licht, das einen zum Auskoppeln aus der Austrittsfläche ungewünschten Polarisationszustand hat, depolarisiert, sodass ungefähr die Hälfte dieses Lichtes unmittelbar die geeignete Polarisationsrichtung annimmt und aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt werden kann. In Abhängigkeit von dem Material des Lichtwellenleiters wird die andere Hälfte des Lichtes während der Fortpflanzung polarisiert oder nicht polarisiert. Der Vorteil der depolarisierenden Reflektoren ist, dass Depolarisation unabhängig vom Ausmaß der Doppelbrechung des Lichtwellenleitermaterials auftritt.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein cholesterischer Polarisator ist.
Ein cholesterischer Polarisator ist ein Polarisator mit einer Schicht aus Flüssigkristallmaterial mit einer cholesterischen Ordnung. Ein derartiger Polarisator ist besonders als reflektierender Polarisator geeignet. Bei diesem Typ Flüssigkristallmaterial haben die chiralen Moleküle eine derartige Struktur, dass sie sich in Lösung spontan in einer spiral- oder helixartigen Struktur ordnen. Diese helixartige Struktur kann so gerichtet werden, dass die Achse der Helix quer zur Schicht liegt.
Wenn auf einen solchen Polarisator nicht polarisiertes Licht einfällt, wird die Strahlenbündelkomponente des Lichtes, das zu der (linksdrehenden oder rechtsdrehenden) Richtung der Helix passt und dessen Wellenlänge zur Steigung der Helix passt, reflektiert werden, während die andere Strahlenbündelkomponente durchgelassen wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator als einzelne Schicht eines flüssigkristallinen Polymermaterials ausgeführt ist, in welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix nahezu kontinuierlich zwischen zwei Werten verläuft, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist.
Da die Steigung der Helix sich über die Schicht hin ändert, kann eine relativ große Reflexionsbandbreite erhalten werden und ist es sogar möglich, den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich mit einem cholesterischen Einzelschicht-Polarisator abzudecken. Für die gleiche Reflexionsbandbreite ist ein cholesterischer Einzelschicht-Polarisator dünner als ein Mehrschichtstapel, bei dem jede der Schichten eine begrenzte Bandbreite hat.
Ein weiterer Vorteil einer Steigung, die über die Schicht des Polarisators hin variabel ist, ist, dass die Reflexionsbandbreite so breit gewählt werden kann, dass die Bandverschiebung, die bei Lichteinfall unter einem großen Winkel zu der Normalen auf den Polarisator auftritt, keinen nachteiligen Einfluss auf die polarisierende Wirkung der cholesterischen Schicht hat.
Für ausführliche Informationen hinsichtlich der Herstellung eines cholesterischen Einzelschicht-Polarisators sei auf die europäische Patentanmeldung EP 0 606 940 verwiesen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem ein n·λ/4-Plättchen umfasst, wobei n eine ganze, ungerade Zahl ist.
Falls erwünscht ist, dass das von dem Beleuchtungssystem abgegebene Licht linear polarisiert ist, muss das von dem cholesterischen Polarisator zur Austrittsfläche des Lichtwellenleiters durchgelassene Licht in linear polarisiertes Licht umgewandelt werden, bevor es den Lichtwellenleiter verlässt.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das n·λ/4-Plättchen sich auf der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters befindet.
Ein λ/4-Plättchen, speziell ein breitbandiges λ/4-Plättchen, ist hierzu sehr geeignet. Ein solches Plättchen ist an sich aus dem Artikel "Retardation Film for STN- LCDs 'NRF" der Firma Nitto Denko in SID '92 Exhibit Guide, Society for Information Display, 17.–22. Mai 1992, Boston, Massachusetts, USA, bekannt.
Die cholesterische Schicht kann ein selbsttragender Film sein, aber kann auch auf einem Substrat aufgebracht sein. Wenn die Schicht auf einem Substrat aufgebracht ist, kann eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems dadurch gekennzeichnet sein, dass das n·λ/4-Plättchen sich zwischen der cholesterischen Schicht und dem Lichtwellenleiter befindet.
Wenn die cholesterische Schicht kein selbsttragender Film ist, kann das zusätzliche Substrat entfallen und die cholesterische Schicht auf dem λ/4-Plättchen aufgebracht sein, das dann als Substrat dient.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das n·λ/4-Plättchen als Lichtwellenleiter wirkt.
Statt das Beleuchtungssystem mit einem separaten Lichtwellenleiter und einem separaten Polarisationsdreher zu versehen, können diese beiden Funktionen in einem einzigen Element in Form eines λ/4-Plättchens kombiniert werden. Das Beleuchtungssystem kann somit noch dünner werden.
Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein linearer Polarisator ist, der als Stapel aus Schichten mit einem doppelbrechenden Material oder als Stapel aus Schichten, die abwechselnd doppelbrechend und nicht doppelbrechend sind, ausgeführt ist.
Bei dieser Ausführungsform sind die Strahlenbündelkomponenten linear polarisiert und ein λ/4-Plättchen ist daher überflüssig.
Ein solcher Polarisator kann mit Hilfe einer einstufigen Extrusion hergestellt werden. Ein Beispiel für einen solchen Polarisator wird ausführlich in dem US-Patent US-A 5.217.794 beschrieben.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper ein auf der Oberfläche des reflektierenden Polarisators aufgebrachter dünner Film ist.
Ein solcher Film kann in einfacher Weise auf der cholesterischen Schicht oder ihrem Substrat aufgebracht werden.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper eine in der Oberfläche des reflektierenden Polarisators angebrachte, Licht streuende Struktur ist.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Struktur von einem Muster aus diskreten streuenden Gebieten gebildet wird.
Der Vorteil eines solchen Musters ist, dass seine Konfiguration an die gewünschte Lichtverteilung auf der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters angepasst werden kann. Bei einem regelmäßigen Muster wird die Intensität abnehmen, je weiter diese Gebiete von der Lichtquelle entfernt sind. Durch Anpassen des Musters der Licht streuenden Gebiete, beispielsweise durch Erhöhen der Dichte mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle, kann dafür gesorgt werden, dass die Intensitätsverteilung auf der vollständigen Oberfläche des Lichtwellenleiters homogen wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 schematisch eine Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung;
2 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, in dem auch der Strahlengang angegeben ist und
3a bis 3d einige Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems mit unterschiedlichen Lichtquellenkonfigurationen.
Die in 1 schematisch dargestellte Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung 1 umfasst ein Beleuchtungssystem 3, einen Bildwiedergabeschirm 5 und einen Analysator 7. Das Beleuchtungssystem 3 umfasst einen Lichtwellenleiter 9 aus einem optisch transparenten Material und eine Lichtquelle 11. Der Lichtwellenleiter 9 hat vier Endflächen 13, 14, 15, 16, von denen zumindest zwei einander zugewandt sind. An eine der Endflächen, beispielsweise 13, wird das aus der Lichtquelle 11 kommende Licht in den Lichtwellenleiter 9 eingekoppelt. Die Lichtquelle 11 kann beispielsweise eine stabförmige Leuchtstofflampe oder eine Leuchtdiode (LED) sein, wenn das Beleuchtungssystem in Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtungen mit kleinen Bildwiedergabeschirmen verwendet wird, wie z. B. einem Mobiltelefon. Der Lichtwellenleiter kann aus Kunststoff bestehen, beispielsweise PMMA oder Polycarbonat. Die Lichtquelle 11 ist zumindest teilweise von einem Reflektor 17 umgeben, der dafür sorgt, dass von der Lichtquelle 11 ausgesandtes Licht in einer von dem Lichtwellenleiter 9 abgewandten Richtung doch noch zum Lichtwellenleiter 9 geschickt wird. Die Austrittsfläche 19 des Lichtwellenleiters 9 ist zum Bildwiedergabeschirm 5 hin gerichtet.
Der Bildwiedergabeschirm 5 kann beispielsweise ein Flüssigkristallmaterial umfassen und kann mit einer Matrix aus Pixeln versehen sein, deren Funktionsweise auf dem verdrillten nematischen Effekt (TN: twisted nematic), dem hochverdrillten nematischen Effekt (STN: super twisted nematic) oder dem ferroelektrischen Effekt beruht, um die Polarisationsrichtung des darauf einfallenden Lichtes zu modulieren.
In dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem 3 wird nahezu alles von der Lichtquelle 11 abgegebene unpolarisierte Licht in Licht mit nahezu der gleichen Polarisationsrichtung umgewandelt. Hierzu umfasst das Beleuchtungssystem 3 Polarisationsmittel. 2 zeigt eine Ausführungsform. Die Polarisationsmittel werden von einem reflektierenden Polarisator 21 in Kombination mit einem Streukörper 23 gebildet. Der reflektierende Polarisator 21 ist mit dem Lichtwellenleiter 9 integriert und bildet die Oberfläche 25 des Lichtwellenleiters, die gegenüber der Austrittsfläche 19 liegt. Der Streukörper 23 befindet sich auf der Oberfläche 25.
2 veranschaulicht den Strahlengang in dem Lichtwellenleiter 9. Ein unpolarisiertes Lichtstrahlenbündel b, das von der Lichtquelle 11 ausgesandt worden ist, wird in den Lichtwellenleiter 9 über die Endfläche 13 eingekoppelt und trifft auf den reflektierenden Polarisator 21. Dieser Polarisator 21 wird das einfallende Strahlenbündel b in zwei Strahlenbündelkomponenten b₁, b₂ mit komplementären Polarisationszuständen aufspalten. Die Polarisation der Strahlenbündelkomponente b₁, die von dem Polarisator 21 durchgelassen wird, wird im Weiteren als die gewünschte Polarisationsrichtung bezeichnet, weil diese Strahlenbündelkomponente die Polarisationsrichtung hat, die von dem Beleuchtungssystem geliefert werden soll. Die reflektierte Strahlenbündelkomponente b₂ hat die ungewünschte Polarisationsrichtung. Die durchgelassene Strahlenbündelkomponente b₁ erreicht den Streukörper 23, wo sie teilweise aus dem Beleuchtungssystem 3 heraus zurück, aber hauptsächlich vorwärts zum Bildwiedergabeschirm 5 hin gestreut wird. Das zum Bildwiedergabeschirm 5 gestreute Licht fällt wieder auf den reflektierenden Polarisator 21 ein, der die gewünschte Polarisationsrichtung zum Bildwiedergabeschirm 5 durchlassen wird und die ungewünschte Polarisationsrichtung zurück zum Streukörper 23 reflektieren wird. Der Streukörper 23 behält vorzugsweise die Polarisation bei. In diesem Fall wird die Polarisation des gewünschten Strahlenbündels beim zweiten Durchgang durch den Polarisator 21 verbessert werden.
Die ungewünschte Strahlenbündelkomponente b₂, die in den Lichtwellenleiter vom Polarisator 21 reflektiert wird, pflanzt sich weiter durch den Lichtwellenleiter 9 fort und wird nach einiger Zeit depolarisiert werden, je nach der Doppelbrechung des Materials des Lichtwellenleiters 9. Auf diese Weise nimmt zumindest ein Teil dieser Strahlenbündelkomponente die zum Auskoppeln aus dem Lichtwellenleiter 9 geeignete Polarisationsrichtung an.
Um zu verhindern, dass Licht das Beleuchtungssystem 3 über den Streukörper 23 verlässt, was zu einer Verringerung des Lichtstroms führen würde, ist an der vom Polarisator 21 abgewandten Seite des Streukörpers 23 ein Reflektor 27 angeordnet. Dieser Reflektor 27 sorgt dafür, dass Licht, das das Beleuchtungssystem 3 an der vom Bildwiedergabeschirm 5 abgewandten Seite verlässt, zum Lichtwellenleiter 9 reflektiert wird, um wieder eingekoppelt zu werden.
Der Reflektor 27 kann beispielsweise eine Aluminiumfolie sein. Der Reflektor 27 ist vorzugsweise als Folie ausgeführt, die Teilchen umfasst, die keine oder nahezu keine Absorption aufweisen. Die Teilchen können beispielsweise BaSO₄ oder TiO₂ sein.
In dem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem 3 ist der reflektierende Polarisator in dem Lichtwellenleiter 9 integriert und es gibt zwischen diesen Komponenten keinen Zwischenraum, sodass die Bildwiedergabeeinrichtung 1 in sehr dünner Form ausgeführt sein kann. Wegen der Integration mit dem Lichtwellenleiter 9 wird ein relativ geringer Lichtverlust infolge unerwünschter Lichtleitung und unerwünschter Reflexionen auftreten.
Der reflektierende Polarisator 21 kann auf verschiedene Weise ausgeführt sein. Bei einer ersten Ausführungsform umfasst der Polarisator eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial mit cholesterischer Ordnung. In diesem Typ Flüssigkristallmaterial haben die chiralen Moleküle eine solche Struktur, dass sie in Lösung sich spontan zu einer spiral- oder helixartigen Struktur mit einer Steigung p ordnen. Diese helixartige Struktur kann so gerichtet werden, dass die Achse der Helix quer zur Schicht liegt.
Wenn unpolarisiertes Licht auf einen solchen Polarisator trifft, wird die Strahlenbündelkomponente des Lichtes, die zu der (linksdrehenden oder rechtsdrehenden) Rotationsrichtung der Helix passt und deren Wellenlänge zur Steigung der Helix passt, reflektiert, während die andere Strahlenbündelkomponente durchgelassen wird. Die Reflexionswellenlänge λ_o einer cholesterischen Schicht wird gegeben durch λ0 = 1/2(no + ne)p
Hierin ist p die Steigung der molekularen Helix und n_o und n_e sind die ordentliche bzw. außerordentliche Brechzahl des Flüssigkristallmaterials.
Der cholesterische Polarisator kann aus einer Vielzahl von Schichten zusammengesetzt sein, in denen die Steigung konstant ist, aber in denen jede Schicht in einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich aktiv ist. Die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche können so gewählt werden, dass alle Schichten kombiniert den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abdecken. Auf diese Weise ist es möglich, das Beleuchtungssystem in einer Farbbildwiedergabeeinrichtung zu verwenden.
Der cholesterische Polarisator besteht vorzugsweise aus einer einzelnen Schicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial, in der die Steigung der molekularen Helix nahezu kontinuierlich zwischen zwei Werten verläuft, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist (zwischen 400 und 780 nm). Auf diese Weise genügt es, einen viel dünneren Polarisator zu verwenden als im Fall von gestapelten Schichten. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Einzelschicht-Polarisator eine bessere optische Qualität aufweist. Die Qualität von cholesterischen Polarisatoren nimmt infolge von Fehlern, die für Cholesterika typisch sind, mit zunehmender Anzahl Schichten ab. Außerdem nimmt der Einfallswinkelbereich für zu polarisierendes Licht, innerhalb dem der Polarisator wirksam ist, mit zunehmender Dicke ab. Ein Vorteil eines Polarisators, der aus einer einzelnen cholesterischen Schicht besteht, ist, dass die Bandbreite so gewählt werden kann, dass die Bandverschiebung, die bei Lichteinfall unter einem großen Winkel zu der Normalen auf den Polarisator auftritt, keinen nachteiligen Einfluss auf die polarisierende Wirkung hat. Bei einem nicht senkrechten Einfall auf die cholesterische Schicht tritt nämlich zusätzliche Doppelbrechung auf, die mit zunehmendem Einfallswinkel zunimmt. Die Verschiebung der Reflexionswellenlänge λ_α hinsichtlich der Reflexionswellenlänge λ_o bei senkrechtem Einfall ändert sich entsprechend der folgenden Beziehung: λα = λ0cos{arcsin[2sinα/(ne + no)]}wobei α der Betrachtungswinkel in Bezug auf die Normale auf die cholesterische Schicht ist und n_e und n_o die außerordentliche bzw. ordentliche Brechzahl des cholesterischen Materials sind.
Für einen Einfallswinkel α = 80° und für Reflexion von Licht im Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm sollte beispielsweise die Bandbreite des Polarisators zwischen 400 und 890 nm liegen.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung eines cholesterischen Polarisators ist, eine Vielzahl von cholesterischen Schichten zu stapeln, von denen zumindest eine Anzahl eine Steigung hat, die sich kontinuierlich über die Schichtdicke hin ändert. Auf diese Weise genügt es, eine viel kleinere Anzahl Schichten zu verwenden als im erstgenannten Fall.
Es sei bemerkt, dass es an sich bekannt ist, dass cholesterische Schichten als Polarisatoren geeignet sind. Cholesterische Polarisatoren sind beispielsweise aus dem Artikel "Polarizing Color Filters made from Cholesteric LC Silicones" von R. Maurer et al. in SID International Symposium 1990, Digest of Technical Papers, S. 110–113 bekannt.
Der reflektierende Polarisator kann als Linearpolarisator mit einem Stapel aus doppelbrechenden Schichten oder einem Stapel aus abwechselnd doppelbrechenden und nicht doppelbrechenden Schichten ausgeführt sein.
Wenn der reflektierende Polarisator als cholesterischer Polarisator ausgeführt ist und das Bildwiedergabesystem ausgebildet ist, um linear polarisiertes Licht zu modulieren, sollte das Beleuchtungssystem 3 weiter ein n·λ/4-Plättchen 29 umfassen, das vorzugsweise eine große Bandbreite aufweist.
Ein breitbandiges λ/4-Plättchen ist ein transparentes Element, das beispielsweise aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt ist und das für alle Wellenlängen im sichtbaren Wellenlängenbereich eine solche Phasendrehung in einem Strahlenbündel realisiert, das zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht umgewandelt wird. Ein solches λ/4-Plättchen ist beispielsweise aus dem Artikel "Retardation Film for STN-LCDs 'NRF'" der Firma Nitto Denko in SID '92 Exhibit Guide, Society for Information Display, 17.–22. Mai 1992, Boston, Massachusetts, USA, bekannt.
Das λ/4-Plättchen 29 kann sich auf der Austrittsfläche 19 des Lichtwellenleiters 9 befinden, wie in 2 gezeigt. Wenn die cholesterische Schicht auf einem separaten Substrat aufgebracht werden soll, kann das λ/4-Plättchen 29 zwischen dem Substrat und der cholesterischen Schicht liegen statt auf der Austrittsfläche 19 des Lichtwellenleiters 9. Anstelle eines separaten Substrats kann das λ/4-Plättchen 29 als Substrat wirken, welches mit der cholesterischen Schicht zu versehen ist.
Im Fall eines linear reflektierenden Polarisators ist ein λ/4-Plättchen überflüssig, weil das Licht direkt im Lichtwellenleiter 9 linear polarisiert wird.
Der Streukörper 23 kann auch auf unterschiedliche Weise ausgeführt werden. Der Streukörper 23 kann als dünner Film auf der Oberfläche des reflektierenden Pola risators 21 vorhanden sein. Während oder nach der Herstellung des Polarisators kann die gewünschte streuende Struktur in der Oberfläche des Polarisators angebracht werden, beispielsweise mit Hilfe einer heißen Stanzform oder mit Hilfe einer Replikatechnik. Eine andere Möglichkeit ist, die Oberfläche des Polarisators mechanisch aufzurauen.
Allgemein umfasst eine Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung jedoch Streumittel, um die Intensität über die Austrittsfläche 19 des Lichtwellenleiters 9 zu verteilen. Wenn der Streukörper als Muster aus Licht streuenden Gebieten ausgeführt ist, kann die Konfiguration des Musters so angepasst werden, dass die Intensitätsverteilung des von dem Beleuchtungssystem 3 abgegebenen Lichtes an der Austrittsfläche 19 homogen ist. Da das an der Austrittsfläche 19 ausgekoppelte Licht aus streuenden Gebieten stammt, die weiter von der Endfläche entfernt sind, über die das Licht in den Lichtwellenleiter 9 eingekoppelt wurde, nimmt nämlich seine Intensität ab. Dieses Phänomen kann kompensiert werden, indem die Dichte der Licht streuenden Gebiete mit zunehmendem Abstand zur Lichtquelle erhöht wird. Dieses Prinzip ist bereits aus bisher bekannten Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtungen bekannt, die herkömmliche absorbierende Polarisatoren verwenden. Ein Beispiel wird im US-Patent US-A 4.985.809 beschrieben.
Statt eine Leuchtstofflampe oder eine LED an nur einer Endfläche 13 anzubringen, kann eine Lichtquelle 11 auch an der entgegengesetzten Endfläche 15 angebracht werden, um so eine größere Helligkeit zu erreichen. Es ist auch möglich, eine Lichtquelle an einer dritten Endfläche 14 anzubringen und eventuell an einer vierten Endfläche 16. Im Fall stabförmiger Lampen als Lichtquellen kann, um drei oder vier Endflächen zu beleuchten, eine einzige stabförmige Lampe 6, 8 mit einer Anzahl Biegungen verwendet werden, statt pro Endfläche eine separate Lichtquelle vorzusehen. Der Wirkungsgrad des Beleuchtungssystems wird dadurch verbessert. Die genannten Möglichkeiten werden in den 3a bis 3d veranschaulicht.
Um einen maximalen Lichtstrom zu realisieren, kann jede Endfläche, auf der sich keine Lichtquelle befindet, mit einem Reflektor 31 versehen werden, um das dort eintreffende Licht in dem Lichtwellenleiter zu halten und doch noch zu ermöglichen, dass es mit der gewünschten Polarisationsrichtung zum Bildwiedergabeschirm 5 hin ausgekoppelt wird. Dieser Reflektor hat vorzugsweise eine depolarisierende Wirkung. Licht mit der ungewünschten Polarisationsrichtung, das den Reflektor erreicht, wird dann depolarisiert werden, sodass ungefähr die Hälfte davon unmittelbar die geeignete Polarisationsrichtung an nimmt. Wenn der Reflektor nicht depolarisiert, hängt die Depolarisation vom Ausmaß der Doppelbrechung des Materials ab, aus dem der Lichtwellenleiter besteht.
Wenn das Beleuchtungssystem in einer Bildwiedergabeeinrichtung verwendet wird, in der ein sehr hoher Kontrast gewünscht ist, kann ein zusätzlicher Polarisator an der dem Bildwiedergabeschirm zugewandten Seite des Beleuchtungssystems angeordnet werden, um den Durchgang von Licht mit der ungewünschten Polarisationsrichtung zum Bildwiedergabeschirm hin zu verhindern. Wenn dieser Polarisator ein reflektierender Polarisator ist, kann das reflektierte Licht in dem Beleuchtungssystem zurückgewonnen werden und es tritt dort nahezu kein Lichtverlust auf.
Außerdem kann das Beleuchtungssystem 3 mit einem Element 33 versehen werden, das die Strahlung bündelt (siehe 1). Dieses Element 33 kann beispielsweise als eindimensionale oder zweidimensionale Prismastruktur ausgeführt sein. Das vom Beleuchtungssystem ausgehende Licht kann dann unter einem Winkel gebündelt werden, der kleiner ist als der Winkel, unter dem das Licht den Lichtwellenleiter verlässt, was innerhalb eines gegebenen Betrachtungswinkels zu einer Erhöhung der Helligkeit führt. Der Winkelbereich, in dem das Licht gebündelt wird und somit der Betrachtungswinkel, in dem eine große Helligkeit gewünscht ist, wird durch die Neigungswinkel der Prismakanten bestimmt und durch die Brechzahl des Materials des Elements 33. Die Verwendung eines solchen die Strahlung bündelnden Elementes in Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtungen ist beispielsweise aus der englischsprachigen Zusammenfassung von JP-A 2-257188 bekannt.

Claims

Beleuchtungssystem (3), das einen Lichtwellenleiter (9) aus einem optisch transparenten Material mit einer Austrittsfläche (19) und einer Vielzahl von Endflächen (13, 14, 15, 16) umfasst, wobei gegenüber zumindest einer davon eine Lichtquelle (11) liegt, deren Licht bei einer Endfläche (13) des Lichtwellenleiters eingekoppelt werden kann, und das mit dem Lichtwellenleiter integrierte Polarisationsmittel zum Polarisieren des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsmittel von einem reflektierenden Polarisator (21) gebildet werden, der sich auf einer gegenüber der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters gelegenen Oberfläche (25) des Lichtwellenleiters befindet, wobei eine von dem Lichtwellenleiter abgewandte Oberfläche des Polarisators mit einem Streukörper (23) versehen ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der von dem reflektierenden Polarisator abgewandten Seite des Streukörpers ein Reflektor angeordnet ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor ein die Polarisation drehender oder ein depolarisierender Reflektor ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor eine Folie ist, die nahezu vollständig reflektierende Teilchen umfasst.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reflektor, der eine depolarisierende Wirkung hat, auf zumindest einer von einer Lichtquelle abgewandten Endfläche angeordnet ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein cholesterischer Polarisator ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator als einzelne Schicht eines flüssigkristallinen Polymermaterials ausgeführt ist, in welcher Schicht die Steigung der molekularen Helix nahezu kontinuierlich zwischen zwei Werten verläuft, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem ein n·λ/4-Plättchen umfasst, wobei n eine ganze, ungerade Zahl ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das n·λ/4-Plättchen sich auf der Austrittsfläche des Lichtwellenleiters befindet.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das n·λ/4-Plättchen sich zwischen der cholesterischen Schicht und dem Lichtwellenleiter befindet.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das n·λ/4-Plättchen als Lichtwellenleiter wirkt.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein linearer Polarisator ist, der als Stapel aus Schichten mit einem doppelbrechenden Material oder als Stapel aus Schichten, die abwechselnd doppelbrechend und nicht doppelbrechend sind, ausgeführt ist.
Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper ein auf der Oberfläche des reflektierenden Polarisators aufgebrachter dünner Film ist.
Beleuchtungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Streukörper eine in der Oberfläche des reflektierenden Polarisators angebrachte, Licht streuende Struktur ist.
Beleuchtungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht streuende Struktur von einem Muster aus diskreten streuenden Gebieten gebildet wird.
Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung, die ein mit einem Bildwiedergabeschirm zum Modulieren der Polarisationsrichtung von Licht, das von dem Beleuchtungssystem entsprechend wiederzugebender Bildinformation erzeugt wird, versehenes Beleuchtungssystem und einen Analysator enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem ein Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.