DE69634849T2

DE69634849T2 - Elektrolumineszentes beleuchtungssystem und flachtafelbildanzeigevorrichtung mit einem solchen system

Info

Publication number: DE69634849T2
Application number: DE69634849T
Authority: DE
Inventors: Jan Dirk BROER; B. David BRAUN; Henricus Antonius VENHUIZEN; Rosette Christianne DE WITZ
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-09-25
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2016-09-13
Also published as: KR19980701208A; EP0793814B1; DE69634849D1; CN1153088C; CN1165565A; US5928801A; KR100440365B1; WO1997012276A1; EP0793814A1; JPH10510671A

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem mit einer optisch transparenten Elektrodenschicht, einer reflektierenden Elektrodenschicht, einer zwischen der optisch transparenten Elektrodenschicht und der reflektierenden Elektrodenschicht vorhandenen und ein elektrolumineszierendes Material umfassenden aktiven Schicht und einem an einer der aktiven Schicht abgewandten Seite der transparenten Elektrodenschicht vorhandenen Polarisator.
Die Erfindung betrifft auch eine Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung mit einem derartigen Beleuchtungssystem.
Ein Beleuchtungssystem der eingangs beschriebenen Art ist beispielsweise aus US 4772885 bekannt, das ein Beleuchtungssystem offenbart, dass alle Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 umfasst. Ein anderes Beleuchtungssystem ist aus dem Artikel „Polymer LEDs" von R. Friend, D. Bradly und A. Holmes in Physics World, November 1992, Seite 42–46 bekannt. Das in diesem Artikel beschriebene Beleuchtungssystem umfasst einen Halbleiterpolymerfilm als aktive Schicht, der auf einer ersten Elektrodenschicht gebildet ist, die ihrerseits auf einem Glassubstrat aufgebracht ist. Auf dem Polymerfilm ist eine zweite Elektrodenschicht aufgebracht. Eine der beiden Elektrodenschichten sollte optisch transparent sein, um Licht in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Beleuchtungssystems durchzulassen. Wenn an den zwei Elektrodenschichten eine Spannung angelegt ist, emittiert die aktive Schicht Licht entsprechend dem Elektrolumineszenzprozess. Die aktive Schicht und die zwei Elektrodenschichten bilden zusammen eine planare Leuchtdiode (LED). Ein derartiges Beleuchtungssystem ist beispielsweise besonders zur Verwendung als Hintergrundbeleuchtung für eine Bildwiedergabeeinrichtung mit einem Flüssigkristall-Bildwiedergabeschirm geeignet.
Bei einer großen Zahl von Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtungen mit einem Flüssigkristall-Bildwiedergabeschirm wird der Polarisationszustand des auf den Bildwiedergabeschirm einfallenden Lichtes entsprechend der Bildinformation moduliert, um das wiederzugebende Bild zu erzeugen. Hierzu wird das auf den Bildwiedergabeschirm einfallende Licht vorzugsweise zuvor polarisiert, was bedeutet, dass das Beleuchtungssystem polarisiertes Licht liefern muss. Um dies realisieren zu können, kann beispielsweise auf der dem Bildwiedergabeschirm zugewandten Oberfläche des Beleuchtungssystems ein dichroitischer Polarisator angeordnet sein. Ein Nachteil ist jedoch, dass ungefähr 50% des von dem Beleuchtungssystem gelieferten Lichtes von diesem Polarisator absorbiert wird und daher nicht zu dem Lichtstrom des Beleuchtungssystems beitragen wird.
Eine andere Möglichkeit, das Beleuchtungssystem polarisiertes Licht liefern zu lassen, ist, dafür zu sorgen, dass die aktive Schicht der planaren LED selbst polarisiertes Licht aussendet. Ein Beispiel für eine solche LED wird in der internationalen Patentanmeldung WO 92/16023 beschrieben. Ein Nachteil ist der relativ geringe Polarisationswirkungsgrad, sodass ein erheblicher Teil des ausgesendeten Lichtes nicht den geeigneten Polarisationszustand haben wird, um moduliert zu werden, sodass es nicht zur Bildung des Bildes beitragen wird.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein elektrolumineszierendes Beleuchtungssystem zu verschaffen, in dem nahezu alles von der aktiven Schicht emittierte Licht den gleichen Polarisationszustand hat, wenn es aus dem Beleuchtungssystem ausgekoppelt wird, wobei dieser Polarisationszustand geeignet ist, von einem Flüssigkristall-Bildwiedergabeschirm mit Bildinformation moduliert zu werden. Auf diese Weise wird der Lichtstrom von für die Bildung des Bildes nutzbarem Licht erheblich erhöht. Es ist möglich, einem solchen Beleuchtungssystem eine sehr flache Form zu geben.
Hierzu ist das erfindungsgemäße Beleuchtungssystem dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein reflektierender Polarisator und die aktive Schicht eine depolarisierende Schicht ist.
Wenn an die Elektrodenschichten eine Spannung angelegt wird, wird eine der Elektrodenschichten, nämlich die Kathode, in die aktive Schicht Elektronen injizieren, während die andere Elektrodenschicht, die Anode, in diese Schicht Löcher injizieren wird. Diese Löcher und Elektronen rekombinieren in der aktiven Schicht, was zum Auslösen von Energie führt, sodass die Moleküle der aktiven Schicht ein höheres Energieniveau erreichen. Wenn ein Molekül zurück in seinen Grundzustand fällt, wird diese Energie als Licht frei. Das Licht kann aus der planaren LED über die transparente Elektrodenschicht ausgekoppelt werden.
Indem auf der transparenten Elektrodenschicht ein reflektierender Polarisator vorgesehen wird, wird das Licht, das von der Elektrodenschicht durchgelassen wird und das im Allgemeinen unpolarisiert ist, sich in zwei Bündelkomponenten aufspalten, die komplementäre Polarisationszustände haben. Wenn der Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, wird ein unpolarisiertes Strahlenbündel in eine linksdrehende zirkular polarisierte Bündelkomponente und in eine rechtsdrehende zirkular polarisierte Bündelkomponente aufgespalten. Wenn der Polarisator linear ist, werden die beiden Bündelkomponenten zueinander senkrechte lineare Polarisationsrichtungen haben.
Eine der Bündelkomponenten wird von dem reflektierenden Polarisator durchgelassen und aus dem Beleuchtungssystem ausgekoppelt, während die andere Bündelkomponente in dem Beleuchtungssystem reflektiert wird, wo sie nochmals eine Möglichkeit erhält, infolge der Depolarisation in der aktiven Schicht und eine oder mehrere Reflexionen auf der reflektierenden Elektrodenschicht in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt zu werden. Beispiele für ähnliche Arten von Lichtumlaufanordnungen werden in EP 0606939 und WO 9517699 offenbart.
Bei Verwendung in einer Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung ist der reflektierende Polarisator vorzugsweise so ausgebildet, dass der Polarisationszustand, für den der Polarisator durchlässig ist, der für den Flüssigkristall-Bildwiedergabeschirm geeignete Polarisationszustand ist. Dieser Polarisationszustand soll im Weiteren als der gewünschte Polarisationszustand bezeichnet werden.
Die von dem Polarisator reflektierte Bündelkomponente, in anderen Worten die ungewünschte Bündelkomponente, durchläuft die transparente Elektrodenschicht und die aktive Schicht bis hin zu der reflektierenden Elektrodenschicht. Beim Durchlaufen der aktiven Schicht wird diese Bündelkomponente infolge der Doppelbrechung dieser Schicht zumindest teilweise depolarisieren. Trotz der geringen Dicke der aktiven Schicht hat diese Schicht beispielsweise im Fall einer polymeren LED für streifend einfallendes Licht eine Depolarisationswirkung, weil für die Brechzahlen gilt, dass n_x = n_y > n_z, wobei z die Richtung senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht ist (x, y-Ebene). Infolge der Depolarisation zerfällt die ungewünschte Bündelkomponente in eine Teilbündelkomponente mit dem gewünschten Polarisationszustand und eine Teilbündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand. Die Teilbündelkomponente mit dem gewünschten Polarisationszustand wird beim nächsten Mal, wenn sie bei dem reflektierenden Polarisator ankommt, zur Austrittsfläche des Beleuchtungssystems durchgelassen. Die Teilbündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand bleibt in dem Beleuchtungssystem, um in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt zu werden. Nach einer Anzahl von Reflexionen auf der reflektierenden Elektrodenschicht und dem reflektierenden Polarisator, also nach einer Anzahl Durchgänge durch die aktive Schicht, kann ein großer Teil des Lichtes der ursprünglich ungewünschten Bündelkomponente auch an der Austrittsfläche des Beleuchtungssystems über die transparente Elektrodenschicht und den reflektierenden Polarisator ausgekoppelt werden, wobei dieses Licht den gewünschten Polarisationszustand hat.
Wenn der Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, wird die reflektierende Elektrodenschicht vorzugsweise als Spiegelreflektor ausgeführt. In diesem Fall wird der Polarisationszustand auf dem Reflektor umgekehrt und die Umwandlung in Licht des gewünschten Polarisationszustandes wird schneller erfolgen als in dem Fall, bei dem nur die Doppelbrechung der aktiven Schicht für die Depolarisation sorgt.
Ein reflektierender Polarisator hat den Vorteil, dass nahezu kein Licht absorbiert wird, sondern dass das Licht, das ursprünglich den ungewünschten Polarisationszustand hat, wiederverwendet wird, sodass der größere Teil doch noch in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt werden kann.
Eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein cholesterischer Polarisator ist.
Ein cholesterischer Polarisator ist ein Polarisator, der eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial mit einer cholesterischer Ordnung umfasst. Ein derartiger Polarisator ist besonders als reflektierender Polarisator geeignet. Bei diesem Typ Flüssigkristallmaterial haben die chiralen Moleküle eine solche Struktur, dass sie sich in Lösung spontan zu einer spiralförmigen oder helixähnlichen Struktur ordnen. Diese helixähnliche Struktur kann so gerichtet werden, dass die Achse der Helix quer zur Schicht liegt.
Wenn unpolarisiertes Licht auf einen solchen Polarisator einfällt, wird die zirkular polarisierte Bündelkomponente des Lichtes, die zu der (linksdrehenden oder rechtsdrehenden) Richtung der Helix passt und bei der die Wellenlänge zu der Steigung der Helix passt, reflektiert, während die andere Bündelkomponente durchgelassen wird.
Die Reflexionsbandbreite λ₀ einer cholesterischen Schicht wird gegeben durch: λ0 = 1/2 (no + ne)p wobei p die Steigung der molekularen Helix ist und n_o und n_e die ordentlichen bzw. außerordentlichen Brechzahlen des Materials der cholesterischen Schicht sind. Der cholesterische Polarisator kann eine schmalbandige cholesterische Schicht umfassen. Dies bedeutet, dass die Schicht in einem begrenzten Wellenlängenbereich eine Polarisationswirkung hat, sodass das polarisierte Licht eine diesem Wellenlängenbereich entsprechende Farbe haben wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator als eine Einzelschicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial 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 sich die Steigung der Helix über die Schicht verändert, kann eine relativ große Reflexionsbandbreite erreicht werden und ist es sogar möglich, den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich mit einem cholesterischen Einzelschichtpolarisator abzudecken. Für die gleiche Reflexionsbandbreite ist ein cholesterischer Einzelschichtpolarisator dünner als ein Mehrschichtstapel, in dem jede der Schichten eine gegebene Bandbreite hat.
Ein weiterer Vorteil einer Steigung, die über die Schicht des Polarisators variabel ist, ist, dass die Reflexionsbandbreite so breit gewählt werden kann, dass die bei Lichteinfall unter einem großen Winkel in Bezug auf die Normale auf den Polarisator auftretende Bandverschiebung keinen großen Einfluss auf die Polarisationswirkung der cholesterischen Schicht hat.
Für ausführliche Informationen hinsichtlich der Herstellung eines cholesterischen Einzelschichtpolarisators sei auf die europäische Patentanmeldung EP 0 606 940 verwiesen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass sich an der der transparenten Elektrode abgewandten Seite des cholesterischen Polarisators ein n·λ/4-Plättchen befindet.
Da ein cholesterischer Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, muss ein Polarisationswandler vorgesehen werden, wenn wünschenswert ist, dass das Beleuchtungssystem linear polarisiertes Licht liefert. Zu diesem Zweck ist ein n·λ/4-Plättchen und insbesondere ein breitbandiges n·λ/4-Plättchen sehr geeignet. Ein solches 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, an sich bekannt.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator ein Linearpolarisator ist, der von einem Stapel aus Schichten gebildet ist, von denen zumindest eine Anzahl doppelbrechendes Material umfasst.
Bei dieser Ausführungsform sind die Bündelkomponenten linear polarisiert und daher kann ein n·λ/4-Plättchen entfallen.
Ein solcher Polarisator kann in einem einzigen Schritt mittels 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 Beleuchtungssystemsist dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator und die transparente Elektrodenschicht ein gemeinsames Substrat haben.
Im Allgemeinen ist die aus den zwei Elektrodenschichten mit der aktiven Schicht dazwischen bestehende Gesamtheit auf einem gesonderten optisch transparenten Substrat aufgebracht. Wenn der reflektierende Polarisator kein selbstragender Film ist und daher auf einem gesonderten Substrat aufgebracht werden muss, kann jetzt eines der Substrate entfallen. Daher kann die Anzahl unterschiedlicher Schichten verringert werden.
In der Praxis wird der cholesterische Polarisator als Substrat für die transparente Elektrodenschicht fungieren und für die Gesamtheit, die aus den zwei Elektrodenschichten mit dazwischen der aktiven Schicht besteht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystemsist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolumineszierende Material eine orientierte organische Verbindung ist, die angeordnet ist, um beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten polarisierte Licht zu erzeugen.
Das Vorsehen eines Polarisators ist nicht nur vorteilhaft, wenn die aktive Schicht unpolarisiertes Licht liefert, sondern auch wenn die aktive Schicht selbst bereits polarisiertes Licht liefert, wie z.B. eine orientierte organische Verbindung, beispielsweise ein Polymer, dass in einer Richtung lang gestreckt ist. Tatsächlich hat ein derartiges Material keinen so hohen Polarisationswirkungsgrad, sodass ein viel höherer Lichtstrom realisiert werden kann, indem auch ein solches Beleuchtungssystem mit einem Polarisator versehen wird.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem reflektierenden Polarisator und der transparenten Elektrodenschicht ein λ/4-Plättchen befindet.
Da das von einer orientierten organischen Verbindung erzeugte Licht zumindest teilweise linear polarisiert ist, muss ein zusätzliches n·λ/4-Plättchen zwischen der transparenten Elektrode und dem reflektierenden Polarisator angeordnet werden, wenn der Polarisator ein Zirkularpolarisator ist, um das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umzuwandeln.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Weiteren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems und
2 eine Ausführungsform einer Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung, die mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem versehen ist.
Das in 1 gezeigte elektrolumineszierendes Beleuchtungssystem 1 hat eine optisch aktive Schicht 3 aus elektrolumineszierendem Material. Die Schicht 3 ist von zwei Elektrodenschichten 5, 7 umgeben. Eine der Elektrodenschichten, beispielsweise Schicht 5, ist optisch transparent. Diese Elektrodenschicht 5 sorgt für die Injektion von Löchern in die Schicht 3 aus aktivem Material. Sie soll als Anode bezeichnet werden. Für diese Elektrodenschicht 5 geeignetes Material ist beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) oder eine transparente elektrisch leitende Polymerschicht wie z.B. Polyanilin (PANI). Die andere Elektrodenschicht 7, als Kathode bezeichnet, ist reflektierend und sorgt für die Injektion von Elektronen in die aktive Schicht 3. Die Kathode besteht beispielsweise aus Kalzium, Indium, Aluminium, Barium oder Magnesium.
Wenn an die zwei Elektrodenschichten 5, 7 eine elektrische Spannung angelegt wird, mit Hilfe einer Spannungsquelle 6, werden in die aktive Schicht 3 Löcher und Elektronen injiziert, wo sie rekombinieren, sodass die Moleküle dieser Schicht ein höheres Energieniveau annehmen. Wenn ein Molekül zurück auf ein niedrigeres Energieniveau fällt, wird diese Energie in Form von Licht frei. Dieser Prozess ist als Elektrolumineszenz bekannt.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten für das Material der aktiven Schicht 3. Das elektrolumineszierende Material kann sowohl ein organisches als auch ein anorganisches Material sein. Die Verwendung von anorganischen Materialien wie z.B. III-V- oder II-VI-Halbleiter oder -Leuchtstoffe für die aktive Schicht ist an sich bekannt. Metallchelatkomplexe wie z.B. 8-Hydroxychinolinaluminium und halbleitende organische Polymere wie z.B. Polyphenylenvinylen (PPV) sind als organische Materialien bekannt. Diese Materialien können in einer Einzelschicht oder in mehreren Schichten als aktives Gebiet wirken. Der Vorteil von polymeren LEDs ist, dass das Beleuchtungssystem in extrem dünner Form ausgeführt werden kann, nämlich als Film. Darüber hinaus können zusätzlich zu den transparenten und reflektierenden Elektrodenschichten 5, 7 zusätzliche Schichten vorgesehen werden, um die Elektronen und Löcherinjektion zu erhöhen, was den Wirkungsgrad des Beleuchtungssystems verbessert.
Ein wie oben beschriebenes Beleuchtungssystem liefert unpolarisiertes Licht. Wenn das System in Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtungen mit einem Flüssigkristall-Bildwiedergabeschirm verwendet wird, ist es in einer großen Zahl von Fällen wünschenswert, dass das Licht, dem die Bildinformation über den Bildwiedergabeschirm zugeführt werden soll, bereits vorher polarisiert ist, weil der Bildwiedergabeschirm den Polarisationszustand des darauf einfallenden Lichtes moduliert. Das bedeutet, dass das Beleuchtungssystem vorzugsweise polarisiertes Licht liefert. Um dies zu realisieren, schlägt die vorliegende Erfindung vor, einen reflektierenden Polarisator 11 an der der aktiven Schicht 3 abgewandten Seite 9 der transparenten Elektronenschicht 5 einen reflektierenden Polarisator vorzusehen. Wenn auf einen solchen Polarisator ein unpolarisiertes Strahlenbündel einfällt, wird dieses Strahlenbündel in zwei Bündelkomponenten mit komplementären Polarisationszuständen aufgespalten, weil eine der Bündelkomponenten von dem Polarisator durchgelassen wird, während die andere reflektiert wird. In der Praxis ist gewährleistet, dass der Polarisator so angepasst ist, dass die Bündelkomponente mit dem für den Bildwiedergabeschirm gewünschten Polarisationszustand durchgelassen wird, während die Bündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand in dem Beleuchtungssystem reflektiert wird, wo die Bündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand eine Möglichkeit erhält, doch noch in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt zu werden.
Wenn durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektrodenschichten 5, 7 an der aktiven Schicht 3 ein elektrisches Feld angelegt wird, wird von dieser Schicht infolge von Elektrolumineszenz Licht ausgesendet. Ein großer Teil dieses Lichtes fällt über die transparente Elektrode 5 auf den reflektierenden Polarisator 11, sodass eine der Bündelkomponenten in der planaren LED reflektiert wird, während die andere Bündelkomponente zur Austrittsfläche 13 des Beleuchtungssystems 1 durchgelassen wird. Die Bündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand wird von dem Polarisator 11 über die optisch aktive Schicht zu der reflektierenden Elektrodenschicht 7 gesendet. In der aktiven Schicht 3 wird diese Bündelkomponente infolge der Doppelbrechung dieser Schicht 3 zumindest teilweise depolarisieren. Daher zerfällt die ungewünschte Bündelkomponente in eine Teilbündelkomponente mit dem gewünschten Polarisationszustand und eine Teilbündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand. Die Teilbündelkomponente mit dem gewünschten Polarisationszustand wird beim Eintreffen am reflektierenden Polarisator durchgelassen und aus dem Beleuchtungssystem ausgekoppelt. Die Teilbündelkomponente mit dem ungewünschten Polarisationszustand wird von dem reflektierenden Polarisator reflektiert, zumindest teilweise in der aktiven Schicht wieder depolarisiert, usw. Licht mit dem ungewünschten Polarisationszustand wird somit immer zwischen dem reflektierenden Polarisator 11 und der reflektierenden Elektrodenschicht 7 reflektiert, bis Umwandlung in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand erreicht worden ist.
Wenn die aktive Schicht beispielsweise ein Polymer umfasst, ist das Material für streifend einfallendes Licht genügend doppelbrechend, um bei einem einzigen Durchgang Depolarisation zu bewirken. Praktisch gilt für die Brechzahlen, dass n_x = n_y > n_z, wobei die z-Richtung senkrecht zur Ebene der aktiven Schicht 3 liegt (x, y-Ebene). Wenn weniger doppelbrechendes Material vorliegt, kann mehr als ein Durchgang notwendig sein, um Depolarisation zu bewirken.
Das Licht mit dem ungewünschten Polarisationszustand wird somit nicht absorbiert, sondern wiederverwendet, sodass es doch noch eine Möglichkeit erhält, in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand umgewandelt zu werden.
Der reflektierende Polarisator 11 kann auf unterschiedliche Weise ausgeführt sein. Bei einer ersten Ausführungsform umfasst der Polarisator 11 eine Schicht aus Flüssigkristallmaterial mit einer cholesterischen Ordnung. Bei diesem Typ Flüssigkristallmaterial haben die chiralen Moleküle eine solche Struktur, dass sie in Lösung sich spontan zu einer spiralförmigen oder helixartigen Struktur mit einer Steigung p ordnen. Diese heli xartige Struktur kann so gerichtet werden, dass die Achse der Helix quer zu der Schicht liegt.
Wenn auf einen solchen Polarisator unpolarisiertes Licht einfällt, wird die Bündelkomponente des zu der (linksdrehenden oder rechtsdrehenden) Drehrichtung der Helix passenden Lichtes, wobei die Wellenlänge zu der Steigung p der Helix passt, reflektiert werden, während die andere zirkular polarisierte Bündelkomponente durchgelassen wird. Die Reflexionsbandbreite λ₀ einer cholesterischen Schicht wird gegeben durch: λ0 = 1/2 (no + ne)p
Hier ist p die Steigung der molekularen Helix und n_o und n_e sind die ordentlichen bzw. außerordentlichen Brechzahlen 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 anderen Wellenlängenbereich aktiv ist. Die verschiedenen Wellenlängenbereiche können so gewählt werden, dass alle Schichten in Kombination den vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich abdecken. Auf diese Weise ist es möglich, das Beleuchtungssystem in einer Farbbildwiedergabeeinrichtung zu verwenden, vorausgesetzt dass die aktive Schicht des Beleuchtungssystems Licht im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich aussendet.
Der cholesterische Polarisator besteht vorzugsweise aus einer Einzelschicht aus Flüssigkristallmaterial, in der die Steigung der molekularen Helix nahezu kontinuierlich zwischen zwei Werten variiert, die der Untergrenze bzw. der Obergrenze des Reflexionsbandes entsprechen, das zum Abdecken des vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereiches erforderlich ist. Auf diese Weise genügt es, einen viel dünneren Polarisator zu verwenden, als in dem Fall bei der Verwendung gestapelter Schichten. Ein weiterer Vorteil ist, dass ein Einzelschichtpolarisator eine bessere optische Qualität aufweist. Die Qualität von cholesterischen Polarisatoren nimmt infolge von Fehlern, die für Cholesterika typisch sind, mit zunehmender Anzahl von Schichten ab. Darüber hinaus nimmt der Einfallswinkelbereich von zu polarisierendem Licht, in 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 groß gewählt werden kann, dass die Bandverschiebung, die bei Lichteinfall unter großem Winkel in Bezug auf die Normale zum Polarisator auftritt, auf den Polarisationseffekt keinen nachteiligen Einfluss hat. Bei nicht senkrechtem Einfall auf die cholesterische Schicht tritt nämlich zusätzliche Doppelbrechung auf, die mit zunehmendem Einfallswinkel zunimmt.
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.
Wenn der Polarisator 11 ein Zirkularpolarisator ist, wird die reflektierende Elektrodenschicht 7 vorzugsweise als Spiegelreflektor ausgeführt. Dadurch wird ein zirkularer Polarisationszustand umgekehrt, sodass die Umwandlung in Licht mit dem gewünschten Polarisationszustand schneller erfolgen kann, als in dem Fall, wo einzelne Depolarisation infolge einer Doppelbrechung des Materials der aktiven Schicht auftritt.
Wenn der Polarisator 11 ein Zirkularpolarisator ist und wenn linear polarisiertes Licht gewünscht wird, kann das Beleuchtungssystem 1 mit einem n·λ/4-Plättchen 15 zum Umwandeln des von dem Polarisator 11 zirkular polarisierten Lichtes in linear polarisiertes Licht versehen werden. Das n·λ/4-Plättchen 15 ist vorzugsweise an der Austrittsfläche 13 des Beleuchtungssystems 1 vorgesehen. Das n·λ/4-Plättchen kann wellenlängenempfindlich sein, aber ist vorzugsweise breitbandig. In diesem Fall können Farbbilder wiedergegeben werden, vorausgesetzt, dass der Polarisator 11 auch im vollständigen sichtbaren Wellenlängenbereich aktiv ist und die aktive Schicht Licht in diesem Wellenlängenbereich aussendet. Ein solches 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, an sich bekannt.
Die cholesterische Schicht kann ein selbsttragender Film sein. Wenn dies nicht der Fall ist, sollte diese Schicht auf einem Substrat vorgesehen sein. Wenn die aktive Schicht 3 ein Polymerfilm ist, ist die LED im Allgemeinen auch auf einem Substrat aufgebracht, beispielsweise einer Glas- oder einer Kunststoffplatte. Durch Vorsehen der LED 3, 5, 7 und des Polarisators 11 an jeder Seite des gleichen Substrats, kann das zweite Substrat entfallen, sodass die Anzahl verschiedener Schichten begrenzt wird.
Der reflektierende Polarisator kann auch als Linearpolarisator ausgeführt sein, mit einem Stapel aus doppelbrechenden Schichten oder einem Stapel aus Schichten, die abwechselnd doppelbrechend und nicht doppelbrechend sind. Ein solcher Polarisator kann in einem einzelnen Schritt mit Hilfe von Extrusion hergestellt werden, wobei ein Beispiel im US-Patent US-A 5.217.794 beschrieben wird. In diesem Fall kann das n·λ/4-Plättchen entfallen.
Aus der Literatur, beispielsweise aus der internationalen Patentanmeldung WO 92/16023 ist bekannt, dass das Polymer in einer Richtung gestreckt werden kann, wenn die aktive Schicht der planaren LED ein Polymerfilm ist, sodass das ausgesendete Licht bereits polarisiert ist. Da sein Polarisationswirkungsgrad relativ gering ist, ist es vorteilhaft, einen reflektierenden Polarisator auch in einem Beleuchtungssystem vorzusehen, indem die aktive Schicht von einem solchen Polymer gebildet wird.
Das von einer solchen LED gelieferte polarisierte Licht ist linear polarisiert. Wenn der Polarisator 11 ein Zirkularpolarisator ist, muss ein zusätzliches n·λ/4-Plättchen 14 zwischen der transparenten Elektrodenschicht 5 und dem Polarisator 11 angeordnet werden, damit dieses Licht die Austrittsfläche 13 des Beleuchtungssystems 1 erreichen kann. Das von der LED ausgesendete Licht durchläuft dann die Elektrodenschicht 5 zum λ/4-Plättchen 14. Hier wird das linear polarisierte Licht in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Die gewünschte Bündelkomponente wird von dem reflektierenden Polarisator durchgelassen und anschließend wieder in linear polarisiertes Licht von dem λ/4-Plättchen 15 umgewandelt, wenn linear polarisiertes Licht gewünscht wird.
Das n·λ/4-Plättchen 15 ist erforderlich, wenn der reflektierende Polarisator 11 ein Zirkularpolarisator ist und wenn das Beleuchtungssystem 1 linear polarisiertes Licht liefern soll, unabhängig davon ob die aktive Schicht 3 zumindest teilweise linear polarisiertes Licht oder unpolarisiertes Licht liefert. Das n·λ/4-Plättchen 14 ist erforderlich, wenn die aktive Schicht 3 selbst bereits teilweise linear polarisiertes Licht liefert und wenn der reflektierende Polarisator 11 ein Zirkularpolarisator ist. Da beide λ/4-Plättchen 14, 15 nur in bestimmten Fällen erforderlich sind, sind sie in der Zeichnung mit gestrichelten Linien dargestellt.
2 zeigt eine Ausführungsform einer Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung 17, die mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungssystem versehen ist. Das von dem Beleuchtungssystem 1 gelieferte polarisierte Licht fällt auf einen Bildwiedergabeschirm 19 ein, der den Polarisationszustand des einfallenden Lichtes mit Bildinformation moduliert. Der Bildwiedergabeschirm 19 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 zu modulieren.
Das modulierte Licht fällt anschließend auf einen Analysator 21 ein, bevor es den Zuschauer 23 erreicht. Der Analysator 21 sorgt dafür, dass Licht aus Bildelementen in dem Bildwiedergabeschirm, die als dunkle Bildelemente in dem endgültigen Bild auftreten sollen, abgedunkelt wird.
Durch Verwendung eines erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems, wird eine sehr flache Bildwiedergabeeinrichtung mit relativ hoher Helligkeit erhalten, weil nahezu alles von der aktiven Schicht ausgesendete Licht zur Bildung des Bildes genutzt wird.

Claims

Beleuchtungssystem (1) mit einer optisch transparenten Elektrodenschicht (5), einer reflektierenden Elektrodenschicht (7), einer zwischen der optisch transparenten Elektrodenschicht (5) und der reflektierenden Elektrodenschicht (7) vorhandenen und ein elektrolumineszierendes Material umfassenden aktiven Schicht (3) und einem an einer der aktiven Schicht abgewandten Seite der transparenten Elektrodenschicht vorhandenen Polarisator (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisator ein reflektierender Polarisator (11) und die aktive Schicht eine depolarisierende Schicht ist.
Beleuchtungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator (11) ein cholesterischer Polarisator ist.
Beleuchtungssystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der cholesterische Polarisator (11) als eine Einzelschicht aus flüssigkristallinem Polymermaterial 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 (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der der transparenten Elektrode abgewandten Seite des cholesterischen Polarisators (11) ein n·λ/4-Plättchen (15) befindet.
Beleuchtungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator (11) ein Linearpolarisator ist, der von einem Stapel aus Schichten gebildet ist, von denen zumindest eine Anzahl doppelbrechendes Material umfasst.
Beleuchtungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der reflektierende Polarisator (11) und die transparente Elektrodenschicht (5) ein gemeinsames Substrat haben.
Beleuchtungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolumineszierende Material eine orientierte organische Verbindung ist, die angeordnet ist, um beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenschichten (5, 7) polarisierte Licht zu erzeugen.
Beleuchtungssystem (1) nach Anspruch 7, bei dem der reflektierende Polarisator (11) ein Zirkularpolarisator ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem reflektierenden Polarisator (11) und der transparenten Elektrodenschicht (5) ein λ/4-Plättchen (14) befindet.
Flachbildschirm-Bildwiedergabeeinrichtung (17) mit einem Beleuchtungssystem (1) zum Liefern eines polarisierten Lichtbündels und einem Bildwiedergabeschirm (19) zum Modulieren des Polarisationszustandes des von dem Beleuchtungssystem (1) gelieferten Lichtbündels entsprechend wiederzugebender Bildinformation, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungssystem (1) ein Beleuchtungssystem nach einem der vorhergehenden Arsprüche ist.