DE69835470T2

DE69835470T2 - Breitbandige cholesterische optische Vorrichtung, Polarisator, Filter, Flüssigkristallvorrichtung und polarisierender Strahlteiler

Info

Publication number: DE69835470T2
Application number: DE69835470T
Authority: DE
Inventors: James Duncan Abingdon Anderson; Robert George Waling Thame Brown; Gillian Margaret Huntingdon Davis; Kathryn Caversham Reading Walsh
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-01-24
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2018-01-24
Also published as: JP3523042B2; US6175400B1; EP0860717A3; EP0860717A2; EP0860717B1; GB9702078D0; JPH10213709A; GB2321530A; DE69841065D1; GB2321529A; DE69835470D1; GB9701472D0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine breitbandige cholesterische optische Vorrichtung, beispielsweise zur Verwendung in Polarisatoren, Filtern, Flüssigkristallvorrichtungen und polarisierenden Strahlteilern. Derartige Vorrichtungen können in Displays, wie Flüssigkristalldisplays, und als Farb- oder Sperrfilter eingesetzt wurden. Derartige Vorrichtungen können ebenfalls in kopfmontierten Displays, optischen und elektronischen Mess- und Sensorsystemen, Kompensatoren und für Hochflussanwendungen eingesetzt werden.
Wie im Stand der Technik wohlbekannt ist, ist ein cholesterischer Flüssigkristall einer, in dem der Leiter durch das Material rotiert und eine Helixstruktur bildet. Der Begriff "cholesterisch" ist synonym mit "chiral-nematisch".
Die EP 0 720 041 offenbart mit Mustern versehene cholesterische Farbfilter und Polarisatoren, die einige Schichten umfassen, die in verschiedenen definierten Spektralbanden aktiv sind.
Die EP 0 634 674 offenbart einen weiten spektralen und winkelförmig breitbandigen Rückpolarisator für Displays mit direkter Ansicht. Der breitbandige Polarisator wird unter Verwendung hochdoppelbrechender cholesterischer Materialien oder unter Verwendung von Stapeln niedriger doppelbrechender cholesterischer Filme hergestellt.
Die EP 0 606 940 offenbart einen breitbandigen cholesterischen Polarisator, der unter Verwendung einer Kombination von Ultraviolett(UV)-Intensitätsprofil und Diffusion, um die Polarisatorbandbreite zu vergrößern, hergestellt wird. Das Intensitätsprofil resultiert aus der Verwendung einer polymerisierenden Wellenlänge in einem Bereich, wo das Maximum der Summe der Absorptionen des cholesterischen Materials und des Photoinitiators existiert. Alternativ wird ein geeigneter UV-absorbierender Farbstoff zur cholesterischen Mischung zugegeben. Der Polarisator umfasst eine abgestufte Steigungsstruktur, die monoton von einer Oberfläche des Polarisators zur anderen variiert.
Obwohl nicht gezeigt, treten ähnliche doppelbrechende Effekte außerhalb der Achse auf, wenn eine dicke cholesterische Schicht nach jeder reflektierenden Schicht vorgesehen wird.
"Optics of cholesteric liquid crystals", V. A. Belyakov et al., Sov. Phys. Usp. 22(2), S. 63–88, Februar 1979, und "Optical properties of the interface between a twisted liquid crystal and an isotropic transparent medium", G. Joly et al., J. Optics, Bd. 25, S. 177–186 (1994), offenbaren, dass für einen einzelnen steigungscholesterischen Film der Polarisationszustand von reflektiertem und transmittiertem Licht eine komplexe Abhängigkeit von der Wellenlänge und dem Beleuchtungswinkel aufweist. Für abgestufte cholesterische Steigungsfilme, die weitere Reflexionsbandbreiten bereitstellen, ist die Win kelabhängigkeit noch komplexer, wurde aber nicht studiert. "Theory of light reflexion by cholesteric liquid crystals possessing a pitch gradient", L. E. Hajdo et al., J. Opt. Soc. Am., Bd. 69, Nr. 7, Juli 1979, betrachtet nur den normalen Einfall.
Die WO 96/02016 offenbart ein Hintergrund-Beleuchtungssystem für eine Flüssigkristallvorrichtung (LCD), umfassend einen breitbandigen cholesterischen Polarisator. Dieses Patent offenbart, dass verbesserte Leistungsfähigkeit außerhalb der Achse erreicht werden kann durch Orientieren des cholesterischen Flüssigkristallpolymer(CLCP)-Polarisators derart, dass die größte Steigung nahe der Beleuchtungsquelle ist. Auch ein negativer doppelbrechender Viertelwellenfilm kann verwendet werden, um eine weitere Verbesserung der Leistungsfähigkeit außerhalb der Achse, genauso wie die Umwandlung von Licht in einen linear polarisierten Zustand, bereitzustellen.
Es ist bekannt, Kompensatoren in LCDs zu verwenden, um unerwünschte Doppelbrechungseffekte zu reduzieren oder zu eliminieren. Verschiedene Typen von Kompensatoren, die sich mit spezifischen LCD-Doppelbrechungsproblemen beschäftigen, wurden offenbart. Beispielsweise ein negativer doppelbrechender Film, dessen optische Achse senkrecht zur Filmebene ist, wird in dem japanischen Display '92 247–250 zum Verbessern des Blickwinkels auf ein normales weißes modengetwistetes nematisches LCD offenbart. Winkelkompensation für ein normal weißes modengetwistetes nematisches oder supergetwistetes nematisches LCD unter Verwendung eines cholesterischen Flüssigkristallpolymerfilms kurzer Steigung derart, dass der Zwischenebenen-Brechungsindex im Wesentlichen gemittelt wird und größer ist als der Brechungsindex in Dickenrichtung wird ebenfalls in der EP 0 531 120 offenbart. Der Kompensationsfilm weist im Wesentlichen eine negative einachsige Struktur auf, deren optische Achse senkrecht zur Ebene des Films ist. Mehrschichtfilme und holographisch gebildete Gitterstrukturen wurden ebenfalls als negative Doppelbrechungs-Kompensatoren für normale weiße modusgetwistete nematische LCDs verwendet. SID'95, P47, 555–558, S. T. Wu, offenbart die Verwendung von biaxialen Kompensatoren, um das Kontrastverhältnis sowohl auf der Achse als auch außerhalb der Achse zu verbessern.
SID'95, P50 Nishimura "Colour compensation" offenbart die Verwendung eines Flüssigkristallpolymerfilms mit einer supergetwisteten nematischen Struktur und kontrollierbarer Retardation, einem Twistwinkel und Dispersion zur Verbesserung des Kontrastverhältnisses von supergetwisteten nematischen LCDs über das sichtbare Spektrum bei normalem Einfall.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine breitbandige cholesterische optische Vorrichtung bereitgestellt, umfassend eine breitbandige cholesterische Schicht sowie einen ersten Kompensator zur Bereitstellung einer gewünschten Leistungsfähigkeit der Vorrichtung außerhalb der Achse, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompensator eine erste Schicht mit positiver Doppelbrechung und einer optischen Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Achse und einer zweiten Schicht mit negativer Doppelbrechung und einer optischen Achse im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Schicht umfasst.
Die gewünschte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung außerhalb der Achse kann eine verringerte Winkelabhängigkeit darstellen.
Die cholesterische Schicht kann eine abgestufte Steigung aufweisen, die von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche hiervon monoton zunimmt.
Die cholesterische Schicht kann einen abgestuften Brechungsindex aufweisen, der von einer ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche hiervon monoton zunimmt.
Die Summe der Doppelbrechung außerhalb der Achse der ersten und der zweiten Schicht kann für eine Wellenlänge, entsprechend der kürzesten Steigung der cholesterischen Schicht, im Wesentlichen gleich Null sein und im Wesentlichen gleich aber entgegengesetzt zu derjenigen der cholesterischen Schicht für eine Wellenlänge, korrespondierend zur längsten Steigung der cholesterischen Schicht, sein, und der erste Kompensator kann benachbart zur ersten Oberfläche der cholesterischen Schicht angeordnet sein.
Die Brechungsindex-Streuung der ersten und zweiten Schichten kann derart sein, dass: |Δn1(400)/Δn1(700) – Δn2(400)/Δn2(700)| > 0wobei Δn₁(400) und Δn₁(700) die Doppelbrechungen der ersten Schicht bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 nm darstellen, und Δn₂(400) und Δn₂(700) die Doppelbrechungen der zweiten Schicht bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 nm darstellen, d.h. Δn ist die Größendifferenz zwischen den Brechungsindices in der Ebene und senkrecht zur Ebene.
Die Summe der Doppelbrechung außerhalb der Achse der ersten und der zweiten Schicht für eine Wellenlänge, entsprechend der längsten Steigung der cholesterischen Schicht, kann im Wesentlichen gleich Null sein, und kann im Wesentlichen gleich sein, aber entgegengesetzt zu derjenigen der cholesterischen Schicht für eine Wellenlänge, korrespondierend zur kürzesten Steigung der cholesterischen Schicht, und der erste Kompensator kann benachbart zur zweiten Oberfläche der cholesterischen Schicht angeordnet sein.
Die Brechungsindex-Streuung der ersten und zweiten Schichten kann derart sein, dass: |Δn2(400)/Δn2(700) – Δn1(400)/Δn1(700)| > 0wobei Δn₁(400) und Δn₁(700) die Doppelbrechungen der ersten Schicht bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 nm darstellen, und Δn₂(400) und Δn₂(700) die Doppelbrechungen der zweiten Schicht bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 nm darstellen.
Die erste Schicht kann ein reaktives mesogenes Material umfassen. Die erste Schicht kann eine homeotrop ausgerichtetes reaktives mesogenes Material umfassen.
Die erste Schicht kann einen Teil der cholesterischen Schicht mit einer vorbestimmten Ausrichtung umfassen.
Die erste Schicht kann mindestens einen gedehnten Polymerfilm umfassen.
Die erste Schicht kann eine Vielzahl von uniaxialen Filmen umfassen, von denen jeder negative Doppelbrechung aufweist, und eine optische Achse, die im Wesentlichen in der Ebene hiervon liegt, wobei die optischen Achsen des oder jedes benachbarten Paars der uniaxialen Filme in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind. Die erste Schicht kann zwei uniaxiale Filme umfassen, deren optische Achsen im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Die erste Schicht kann eine Vielzahl von biaxialen Filmen umfassen, von denen jeder einen Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zum Film aufweist, der größer ist als der Durchschnitt der Brechungsindices in der Ebene des Films, wobei die optischen Achsen, korrespondierend zu dem kleineren der Brechungsindices in der Ebene des oder jedes Paars von benachbarten Filmen, in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind. Die erste Schicht kann zwei biaxiale Filme umfassen, deren optische Achsen korrespondierend zu dem kleineren der Brechungsindices in der Ebene, im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Die zweite Schicht kann eine cholesterische Schicht mit einer Steigung entsprechend einer Wellenlänge von nicht weniger als im Wesentlichen 440 nm umfassen. Die zweite Schicht kann einen Teil der cholesterischen Schicht umfassen.
Die zweite Schicht kann einen gegossenen Polymerfilm umfassen. Das Polymer kann ein Polyimid sein.
Die zweite Schicht kann ein diskotisches Flüssigkristallmaterial umfassen.
Die zweite Schicht kann mindestens einen gedehnten Polymerfilm umfassen.
Die zweite Schicht kann eine Vielzahl von Filmen umfassen, von denen jeder ein uniaxiales Material umfasst, mit einer optischen Achse in der Ebene hiervon, wobei die optischen Achsen des oder jedes benachbarten Paars von Filmen in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind. Die zweite Schicht kann zwei Filme umfassen, und die optischen Achsen können im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Die zweite Schicht kann eine Vielzahl von biaxialen Filmen umfassen, von denen jeder einen Brechungsindex, in einer Richtung senkrecht zum Film aufweist, der kleiner ist als der Durchschnitt der Brechungsindices, in der Ebene des Films, wobei die optischen Achsen, korrespondierend zu dem größeren der Brechungsindices in der Ebene des oder jedes Paars von benachbarten Filmen, in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind. Die zweite Schicht kann zwei biaxiale Filme umfassen, deren optische Achsen, die zu dem größeren der Brechungsindices in der Ebene korrespondieren, im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Der erste Kompensator kann einen Retarder in der Achse umfassen. Der Retarder kann eine Viertelwellenplatte darstellen.
Die cholesterische Schicht kann zwischen dem ersten Kompensator und einem zweiten Kompensator, der eine Vielzahl von Schichten aufweist, angeordnet sein, wobei eine erste dieser eine positive Doppelbrechung und eine optische Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Schicht aufweist, und eine zweite dieser eine negative Doppelbrechung und eine optische Achse im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Schicht aufweist.
Die zweite Schicht kann einen Retarder in der Achse umfassen. Der Retarder kann eine Viertelwellenplatte darstellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Polarisator bereitgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass er eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Filter bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Flüssigkristallvorrichtung bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung enthält.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein polarisierender Strahlteiler bereitgestellt, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst.
Es ist somit möglich, eine Vorrichtung bereitzustellen, die von Streuung Gebrauch macht, um das Maß der Doppelbrechung außerhalb der Achse mit der Wellenlänge zu variieren, um die Wellenlängenabhängige Doppelbrechung außerhalb der Achse einer breitbandigen cholesterischen Schicht zu reduzieren oder zu kompensieren. Beispielsweise kann die Intenstität und Polarisation von transmittiertem und reflektiertem Licht aus einer cholesterischen Schicht als Funktion der Wellenlänge, Polarisation und Einfallswinkel des Beleuchtungslichts kontrolliert werden. Weitere retardierende Schichten auf bzw. in der Achse können enthalten sein, um die Input- oder Output-Polarisationszustände zu einem Polarisationszustand, der für eine spezielle Anwendung erforderlich ist, umzuwandeln. Die Abhängigkeit vom Einfallswinkel und/oder dem Ausfallswinkel der optischen Leistungsfähigkeit der Vorrichtung kann wesentlich reduziert werden. Es ist daher möglich, Vorrichtungen, wie Polarisatoren und spektrale Filter mit verbesserter Leistungsfähigkeit über einen relativ großen Bereich an Einfallswinkel und/oder Ausfallswinkel bereitzustellen.
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, worin:
Die 1a bis 1c Darstellungen der Transmission in Prozent gegen die Wellenlänge in Nanometer eines bekannten cholesterischen Breitband-Polarisators für verschiedene Einfallswinkel sind;
die 2a bis 2c Darstellungen jeweils ähnlich zu den 1a bis 1c sind, die die Leistungsfähigkeit für in die entgegengesetzte Richtung passierendes Licht zeigen;
die 3a bis 3c Darstellungen jeweils ähnlich zu den 1a bis 1c sind, die simulierte Leistungsfähigkeit einer cholesterischen Vorrichtung eines bekannten Typs veranschaulichen;
die 4a bis 4c jeweils ähnlich zu den 2a bis 2c sind, die simulierte Leistungsfähigkeit einer cholesterischen Vorrichtung eines bekannten Typs veranschaulichen;
5a eine Diagrammdarstellung eines bekannten cholesterischen Einzelschicht-Reflektors darstellt;
5b als Diagramm eine vereinfachte Struktur eines Teils der Schicht von 5a veranschaulicht;
die 6a bis 6d Darstellungen der Transmission gegen die Wellenlänge in Nanometer sind, und die simulierte Leistungsfähigkeit einer Vorrichtung des in 5a gezeigten Typs für verschiedene Einfallswinkel veranschaulichen;
die 7a bis 7d jeweils ähnlich zu den 6a bis 6d sind, die für eine Vorrichtung mit einer dünnen reflektierenden Schicht sind;
die 8a bis 8d jeweils ähnlich zu den 6a bis 6d sind, die die simulierte Leistungsfähigkeit einer dicken reflektierenden Schicht veranschaulichen;
die 9a bis 9d jeweils ähnlich zu den 7a bis 7d sind, die die simulierte Leistungsfähigkeit einer dicken reflektierenden Schicht, die durch eine dicke Infrarot(IR)schicht abgedeckt wird, veranschaulichen;
10 ein Diagramm ist, das die Struktur einer optischen Vorrichtung für eine erste Ausführungsform der Erfindung, veranschaulicht;
die 11a bis 11d Darstellungen der Transmission gegen die Wellenlänge in Nanometern sind, die die simulierte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung von 10 für verschiedene Einfallswinkel veranschaulichen;
die 12a bis 12d jeweils ähnlich zu den 11a bis 11d sind, für eine Vorrichtung des in 10 gezeigten Typs, von der ein Kompensator weggelassen wurde;
die 13a bis 13d jeweils ähnlich zu den 11a bis 11d sind, für Licht, das in entgegengesetzter Richtung durch die Vorrichtung passiert;
die 14a bis 14d jeweils ähnlich zu den 12a bis 12d sind, für Licht, das in entgegengesetzter Richtung passiert;
15 ein Diagramm ist, das eine optische Vorrichtung zeigt, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung darstellt;
16 als Diagramm eine Hintergrund-Beleuchtungsanordnung für ein LCD veranschaulicht, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
17 ein Diagramm ist, das die Struktur einer optischen Vorrichtung gemäß eines Vergleichsbeispiels veranschaulicht;
die 18a bis 18d jeweils ähnlich zu den 11a bis 11d sind, für die optische Vorrichtung von 17;
die 19 und 20 Diagramme sind, die zwei Anwendungen der in 15 gezeigten Vorrichtung veranschaulichen;
die 21 und 22 Diagramme sind, die optische Vorrichtungen zeigen, die die vierte und fünfte Ausführungsform der Erfindung darstellen;
23 ein Diagramm ist, das eine optische Vorrichtung zeigt, die eine sechste Ausführungsform der Erfindung darstellt;
die 24 und 25 perspektivische Diagramme sind, die optische Vorrichtungen zeigen, die die siebte und achte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
26 ein Diagramm ist, das eine optische Vorrichtung zeigt, die eine neunte Ausführungsform der Erfindung darstellt;
die 27 und 28 perspektivische Diagramme sind, die optische Vorrichtungen zeigen, die die zehnte und elfte Ausführungsform der Erfindung darstellen; und
die 29 und 30 als Diagramm eine Hintergrund-Beleuchtungsanordnungen für LCDs veranschaulichen, die die zwölfte und dreizehnte Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Ähnliche Bezugszeichen beziehen sich auf ähnliche Teile in den gesamten Zeichnungen.
1a der beigefügten Zeichnungen ist eine Darstellung der Transmission in Prozent gegen die Wellenlänge in Nanometern, die die Leistungsfähigkeit eines bekannten Polarisators veranschaulicht. Der Polarisator umfasst einen breitbandigen linksgängigen monotonen cholesterischen Film abgestufter Steigung, der auf seiner kürzeren Steigungsoberfläche mit weißem Licht mit einem Einfallswinkel von Null Grad beleuchtet wird. Die nicht unterbrochene Linie veranschaulicht die Transmission des rechtsgängigen zirkular polarisierten Lichts, wohingegen die unterbrochene Linie die Transmission des linksgängigen zirkular polarisierten Lichts veranschaulicht. Um als achromatischer Breitbandpolarisator zu wirken, wäre die ideale Leistungsfähigkeit für das Linksgängige zirkular polarisierte Licht so, dass es mit einer gleichmäßigen Transmission über die Gesamtheit des sichtbaren Spektrums mit minimalem Einschubverlust transmittiert wird, wohingegen das rechtsgängige zirkular polarisierte Licht gleichmäßig über das sichtbare Spektrum mit maximaler Abschwächung abgeschwächt würde. Wie in 1a gezeigt, nähert sich die Leistungsfähigkeit auf der Achse des bekannten Polarisator-Typs der idealen Leistungsfähigkeit an und ist für viele praktische Anwendungen ausreichend.
1b ist eine Darstellung ähnlich zu derjenigen von 1a, veranschaulicht aber die Leistungsfähigkeit für Licht, das auf der kurzen Steigungsfläche mit 20 Grad auftrifft. Die Abschwächungsleistungsfähigkeit für rechtsgängiges zirkular polarisiertes Licht ist geringfügig herabgesetzt, und die Kurve für linksgängig zirkular polarisiertes Licht zeigt Zeichen eines gewissen Abbaus der achromatischen Leistungsfähigkeit.
1c veranschaulicht den Betrieb für Licht, das bei 40 Grad auftrifft. Die Transmissionskurven für linksgängiges und rechtsgängiges zirkular polarisiertes Licht sind ähnlich, so dass das Extinktionsverhältnis (Verhältnis von Transmission der gewünschten Polarisation zur Transmission der unerwünschten Polarisation) sehr schlecht ist und über einen Teil des sichtbaren Spektrums negativ ist. Somit wird die Leistungsfähigkeit des breitbandigen Polarisators beeinträchtigt, wenn der Einfallswinkel ansteigt, bis bei Einfallswinkeln der Größenordnung von 40 Grad der Polarisator aufhört, überhaupt als Polarisator zu funktionieren.
Die 2a bis 2c der beigefügten Zeichnungen entsprechen jeweils den 1a bis 1c, veranschaulichen aber die Leistungsfähigkeit für Licht, das bei Winkeln von 0, 20 und 40 Grad auf der langen Steigungsfläche des Breitbandpolarisators auftrifft. Wieder wird die Leistungsfähigkeit mit dem ansteigenden Einfallswinkel derart beeinträchtigt, dass die Achromatizität des Polarisators und das Extinktionsverhältnis verringert werden, bis für höhere Einfallswinkel der Polarisator aufhört, für mindestens einen Teil des sichtbaren Spektrums überhaupt wirksam zu sein.
Die 3a bis 3c und 4a bis 4c entsprechen jeweils den 1a bis 1c und 2a bis 2c, veranschaulichen aber das Ergebnis einer Simulation unter Verwendung eines 4 × 4-Transfermatrix-Optik-Modellprogramms. Die simulierte Leistungsfähigkeit stellt eine vernünftig genaue Näherung an die Leistungsfähigkeit dar, die tatsächlich erhalten wird und hilft beim Verständnis der Mechanismen im Zusammenhang mit dem Abbau der optischen Leistungsfähigkeit des Breitbandpolarisators.
Die Reaktion kann verstanden werden im Hinblick auf die Doppelbrechung außerhalb der Achse der dicken cholesterischen Schicht, die optisch vor den Schichten des cholesterischen Materials in einigem Abstand von der beleuchteten Fläche des Polarisators liegt. Beispielsweise ist die Region des Breitbandpolarisators, der zirkular polarisiertes Licht bei einer Wellenlänge von 550 nm reflektiert, von der Lichtquelle durch eine dicke Schicht von cholesterischem Flüssigkristallpolymer (CLCP) getrennt, die den Polarisationszustand des auftreffenden polarisierten Lichts außerhalb der Achse verändert. Dies ist in 5a veranschaulicht, die den Polarisator 1 mit einer kurzen Steigungsfläche 2 und einer langen Steigungsfläche 3 zeigt. Eine Zwischenschicht 4 ist für Reflexion bei 550 nm verantwortlich, aber der Abschnitt des Polarisators zwischen der Schicht 4 und der Oberfläche 2 ändert den Polarisationszustand des auftreffenden Lichts außerhalb der Achse.
Der Effekt dieser dicken Zwischenschicht 5, die eine kleinere Steigung als diejenige der Schicht 4 zum Reflektieren von Licht bei 550 nm bei normalem Einfall aufweist, kann als Annäherung der Schicht 5 mit variierender Steigung mittels einer Schicht mit konstanter Steigung, die viel kleiner ist als die Steigung der Schicht 4, angesehen werden. In diesem Fall ist die chirale Natur der dicken Schicht 5 nicht "sichtbar" für auftreffendes Licht von 550 nm Wellenlänge. Für eine erste Näherung sieht das Licht die "gemittelte Struktur", die in 5b veranschaulicht ist. Die Schicht 5 wird somit simuliert als eine Schicht, deren Steigung den UV-Wellenlängen entspricht.
Die 6a und 6b sind Darstellungen der Transmission gegen die Wellenlänge für Licht, das auf die simulierte Struktur auftrifft, umfassend die UV-Schicht und die Schicht 4, bei Einfallswinkeln von jeweils 0, 15,3, 31,3 und 49,5 Grad. Die 7a bis 7d entsprechen jeweils den 6a bis 6d, aber für eine Simulation, in der die UV-Schicht weggelassen wird. Diese Ergebnisse veranschaulichen, dass außerhalb der Achse der Polarisationszustand des eintreffenden Lichts im Wesentlichen durch die dicke UV-Schicht derart beeinflusst wird, dass rechtsgängiges zirkular polarisiertes Licht teilweise zu linksgängigem zirkular polarisierten Licht umgewandelt wird, das nicht durch die Schicht 4 reflektiert wird, die bei 550 nm reflektiert. Weiterhin wird das linksgängige zirkular polarisierte Licht teilweise zu rechtsgängigem zirkular polarisiertem Licht umgewandelt, das durch die Schicht 4 reflektiert wird. Somit hat die gemittelte Struktur, die in 5b veranschaulicht wird, eine Leistungsfähigkeit, die mit den Effekten der Doppelbrechung außerhalb der Achse konsistent ist, und es wird angenommen, dass dies der Mechanismus ist, der die Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit außerhalb der Achse bewirkt.
Die 8a bis 8d entsprechen jeweils den 7a bis 7d, veranschaulichen aber das simulierte Ergebnis, wo die dünne CLCP-Schicht 4, die bei 550 nm Wellenlänge reflektiert, durch eine dicke CLCP derselben Steigung abgedeckt ist, und somit bei derselben Wellenlänge wie die Schicht 4 reflektiert. Ein Mitteln der chiralen Struktur findet nicht statt, und für die veranschaulichten Parameter und Winkel gibt es eine vernachlässigbare Differenz zwischen dem Verhalten der dünnen und dicken "grünen" Schichten außerhalb der Achsen, wie durch Vergleich der 7a bis 7d mit jeweils den 8a bis 8d gesehen werden kann.
Die 9a bis 9d entsprechen den 7a bis 7d, veranschaulichen aber den Effekt des Abdeckers der dünnen Schicht 4 mit einer dicken Schicht, die eine größere Steigung aufweist, derart, dass diese für Infrarotstrahlung auf der Achse reflektiv ist. Die Gegenwart dieser Schicht beeinflusst die Leistungsfähigkeit, wie in den 9a bis 9d veranschaulicht. Wie jedoch durch Vergleich der 6a bis 6d mit jeweils den 9a bis 9d gesehen werden kann, hängt der Effekt der dicken Schicht davon ab, ob deren Steigung größer oder kleiner ist als diejenige der Schicht 4, mit einer Steigung, die in der Lage ist, das einfallende Licht zu reflektieren.
Die in 10 gezeigte Vorrichtung bildet eine Ausführungsform der Erfindung und ist ein Breitbandpolarisator zum Reflektieren zirkular polarisierten Lichts einer ersten Händigkeit und zum Transmittieren zirkular polarisierten Lichts einer zweiten Händigkeit über das sichtbare Spektrum. Die Vorrichtung umfasst einen breitbandigen cholesterischen Film 1 mit einer abgestuften Steigung, die monoton von einer kurzen Steigungsfläche 2 des Films 1 zu einer langen Steigungsfläche 3 variiert. Der Film 1 ist beispielsweise vom selben Typ wie derjenige, der in 5a gezeigt ist.
Eine positiv doppelbrechende Schicht 8 wird benachbart oder in Kontakt mit der kurzen Steigungsfläche 2 des Films 1 angeordnet. Die Schicht 8 ist 14,3 μm dick und hat übliche und außergewöhnliche Brechungsindices n4 und n3, derart, dass n4 kleiner ist als n3, und die optische Achse ist im Wesentlichen senkrecht zur Schicht 8 und parallel zur Achse der Vorrichtung. Beispielsweise kann der außergewöhnliche Brechungsindex n3 einen Wert von 1,7 bei einer Wellenlänge von 400 nm und 1,55 bei einer Wellenlänge von 700 nm aufweisen. Der übliche Brechungsindex n4 kann einen Wert von 1,5 bei einer Wellenlänge von 400 nm und 1,36 bei einer Wellenlänge von 700 nm aufweisen.
Die positiv doppelbrechende Schicht 8 ist zwischen dem breitbandigen cholesterischen Film 1 und einer negativ doppelbrechenden Schicht 9 angeordnet, die 11 μm dick ist.
Die optische Achse der Schicht 9 ist im Wesentlichen senkrecht zur Schicht und parallel zur optischen Achse der Vorrichtung. Die Schicht 9 hat einen üblichen Brechungsindex n2 von 1,70 bei einer Wellenlänge von 400 nm, und 1,5 bei einer Wellenlänge von 700 nm. Die Schicht 9 hat einen außerge wöhnlichen Brechungsindex n1 von 1,55 bei 400 nm und 1,41 bei 700 nm. Die Schichten 8 und 9 sind uniaxial.
Die Phasenretardation der Filme 8 und 9 bei schrägen Einfallswinkeln wird angegeben durch: δ(θ, λ) = 2πdΔn/λcosθ (1)worin θ der Einfallswinkel des Lichts in dem LC-Medium ist, λ ist die Wellenlänge, d ist die Filmdicke und Δn ist gegeben durch: Δn(1,2) = n1n2(n1 2cos2θ + n2 2sin2θ)–1/2 – n2 (2)für die Schicht 9 und Δn(3,4) = n3n4(n3 2cos2θ + n4 2sin2θ)–1/2 – n4 (3)für die Schicht 8 des Doppelschichtkompensators.
Die Gesamtphasenretardation der zwei Schichten 8, 9 wird durch die Summe der Phasenretardationen der beiden Filme angegeben: δ(θ, λ)1,2 + δ(θ, λ)3,4 = 2π(d12Δn(1,2) + d34Δn(3,4)/λcosθ (4)
Diese Phasenretardation hängt von der Wellenlänge sowohl des expliziten λ-Terms in Gleichung (4) ab, als auch von der Streuung der Brechungsindices n₁, n₂, n₃ und n₄.
Die Streuung und Dicke der Schichten 8, 9 sind derart eingestellt, dass der Grad der Phasenretardation außerhalb der Achse oder der Doppelbrechung außerhalb der Achse mit der Wellenlänge variiert, um der Tiefenabhängigkeit der Doppelbrechung außerhalb der Achse des cholesterischen abgestuften Steigungsfilms 1 entgegen zu wirken. Vorausgesetzt, dass die Steigung des cholesterischen Films monoton von einer Fläche zur anderen variiert, kann eine verbesserte Winkelreaktion mit einem einfachen Doppelschichtkompensator der in 10 gezeigten Form erreicht werden. Kompensation kann ebenfalls durch Platzieren der negativ doppelbrechenden Schicht 9 näher an der cholesterischen Schicht 1 als der positiv doppelbrechenden Schicht 8 erreicht werden.
Wo der Kompensator am nächsten zur kurzen Steigungsoberfläche 2 liegt, sollte die Streuung der Materialien der Schichten 8 und 9 derart sein, dass: (Δn9(400)/Δn9(700)) – (Δn8(400)/Δn8(700)) > 0worin Δn der Größenbetrag der Differenz zwischen den Brechungsindices in der Ebene und senkrecht zur Ebene ist, Δn₉(400) und Δn₉(700) sind die Differenzen für die Schicht 9 bei Wellenlängen von 400 bzw. 700 nm, und Δn₈(400) und Δn₈(700) sind die Differenzen für die Schicht 8 bei Wellenlänge von 400 bzw. 700 nm.
Die Ausbreitung polarisierten Lichts durch eine Platte bzw. Scheibe cholesterischen Materials einer längeren Steigung als der Wellenlänge des Lichts erfährt signifikante zirkulare Doppelbrechung zusätzlich zur linearen Doppelbrechung. Dies wird nicht durch die vorliegende Anordnung behoben. Folglich ist es bevorzugt, die Kompensation am nächsten zur kurzen Steigungsoberfläche 2 des cholesterischen Films zu haben, wenn eine Kompensation an nur einer Seite der Vorrichtung erforderlich ist.
Im Falle, wo der Kompensator am nächsten zur längeren Steigungsoberfläche 3 (wie nachfolgend beschrieben) liegt, kann eine sinnvolle Kompensation erreicht werden, wenn die Streuung der Materialien der Schichten 8 und 9 derart ist, dass: (Δn8(400)/Δn8(700)) – (Δn9(400)/Δn9(700)) > 0
Für die in 10 gezeigte Vorrichtung ist bei der Wellenlänge, entsprechend der kürzesten Steigung des cholesterischen Films 1, keine Doppelbrechung außerhalb der Achse erforderlich, und die Retardation außerhalb der Achse der zwei Schichten des Kompensators im Wesentlichen aufgehoben. Insbesondere, weil die Retardationen der Schichten 8 und 9 von entgegengesetztem Vorzeichen sind, ist es möglich, die relative Dicke der Schichten 8 und 9 so zu wählen, dass bei einer Wellenlänge, entsprechend der kürzesten Steigung des cholesterischen Films 1, die Retardationen der Schichten 8 und 9 über einen weiten Winkelbereich im Wesentlichen gegeneinander aufgehoben werden.
Umgekehrt, bei der Wellenlänge, entsprechend der längsten Steigung des cholesterischen Films 1, ist eine Doppelbrechung außerhalb der Achse von gleicher Größe aber entgegengesetztem Vorzeichen zur Doppelbrechung des cholesterischen Films 1 außerhalb der Achse bei derselben Wellenlänge erforderlich. Die Streuung der negativ doppelbrechenden Schicht 9 ist größer als die Streuung der positiv doppelbrechenden Schicht 8. Mit anderen Worten die Doppelbrechung der negativ doppelbrechenden Schichten 9 nimmt mit einer schnelleren Rate mit zunehmender Wellenlänge ab als die positiv doppelbrechende Schicht 8. Für Wellenlängen, entsprechend der längsten Steigung des cholesterischen Films 1, kann die Kombination der positiv und negativ doppelbrechenden Filme 8 und 9 angenähert werden als eine positiv doppelbrechende Struktur, und der cholesterische Film 1 kann angenähert werden als eine negativ doppelbrechende Struktur. Die Gesamtdicke der Schichten 8 und 9 wird ausgewählt, um die Effekte der negativen Doppelbrechung des cholesterischen Films 1 annähernd zu beseitigen.
Für noch komplexere Steigungsvariationen kann ein Kompensator, umfassend mehr als zwei Schichten, erforderlich sein. Auch der Kompensator kann vor und/oder nach dem cholesterischen Film 1 angeordnet sein, um größere Kontrolle des Winkelverhaltens bereitzustellen. Die korrekte Stelle des oder jeden Kompensators hängt von der Anwendung ab.
Die 11a bis 11d sind Darstellungen, die die Leistungsfähigkeit der in 10 gezeigten Vorrichtung, erhalten durch Simulation, veranschaulichen. Die ununterbrochene Kurve veranschaulicht die Transmission von rechtsgängigem zirkular polarisiertem Licht, wohingegen der unterbrochene Linienzug die Transmission von linksgängigem zirkular polarisierten Licht veranschaulicht. 11a veranschaulicht die Leistungsfähigkeit auf der Achse, d.h. für Licht, das bei 0 Grad einfällt, wohingegen die 11b, 11c und 11d die Leistungsfähigkeit für Licht veranschaulichen, das jeweils bei 15, 31 und 49 Grad einfällt. Wie in jeder dieser Zeichnungen gezeigt, ist die Transmission von linksgängig zirkular polarisiertem Licht hoch und variiert gering über das sichtbare Spektrum, selbst im Falle von Licht, das bei 49 Grad einfällt, wie in 11d gezeigt. Auch die Abschwächung des rechtsgängig zirkular polarisierten Lichts bleibt hoch über das sichtbare Spektrum und im Wesentlichen achromatischer Leistungsfähigkeit. Die Vorrichtung hierfür arbeitet als ein hochgradig achromatischer Breitbandpolarisator und hält ein gutes Extinktionsverhältnis über das sichtbare Spektrum für große Einfallswinkel aufrecht.
Die 12a bis 12d entsprechen jeweils den 11a bis 11d, aber veranschaulichen den Betrieb der in 10 gezeigten Vorrichtung, wobei der die Schichten 8 und 9 umfassende Kompensator entfernt wird. Wie in den 12a und 12b gezeigt, ist die Leistungsfähigkeit auf der Achse und die Leistungsfähigkeit für Licht, das bei 15 Grad auf die kurze Steigungsoberfläche 2 auftrifft, ähnlich zur Leistungsfähigkeit mit dem Kompensator, wie in den 11a und 11b veranschaulicht. Jedoch wird die Leistungsfähigkeit für größere Einfallswinkel beeinträchtigt, wie in den 12c und 12d gezeigt. Für einen Einfallswinkel von 31 Grad funktioniert die Vorrichtung nach wie vor als Polarisator, aber das Extinktionsverhältnis wird für Licht längerer Wellenlänge ernsthaft reduziert und ist nicht länger annährend achromatisch. Bei einem Einfallswinkel von 49 Grad wird die Leistungfähigkeit bis zu einem Punkt beeinträchtigt, wo die Vorrichtung tatsächlich für den unerwünschten Polarisationszustand transmissiver ist, als für den gewünschten Polarisationszustand. Somit vergrößert die Gegenwart des Kompensators in hohem Maße die Leistungsfähigkeit außerhalb der Achse.
Die 13a bis 13d sind Darstellungen jeweils ähnlich zu den 11a bis 11d, veranschaulichen aber die Leistungsfähigkeit einer alternativen Ausführungsform. Der cholesterische Film 1 ist derart orientiert, dass Licht in Richtung der langen Steigungsfläche 3 auftrifft. Die positiv doppelbrechende Schicht 8 und die negativ doppelbrechende Schicht 9 sind zwischen der Lichtquelle und dem Film 1 angeordnet, aber unterscheiden sich von den hier zuvor beschriebenen Schichten darin, dass der positiv doppelbrechende Film 8 eine Dicke von 19,8 μm, einen gewöhnlichen Brechungsindex n₄ von 1,56 bei einer Wellenlänge von 400 nm und 1,50 bei einer Wellenlänge von 700 nm und einen außerordentlichen Brechungsindex n₃ von 1,80 bei 400 nm und 1,70 bei 700 nm aufweist, wohingegen der Film 9 eine Dicke von 15 μm, einen gewöhnlichen Brechungsindex n₂ von 1,75 bei 400 nm und 1,72 bei 700 nm und einen außerordentlichen Brechungsindex n₁ von 1,56 bei 400 nm und 1,51 bei 700 nm aufweist. Die simulierte Leistungsfähigkeit außerhalb der Achse und die Leistungsfähigkeit für bei 15 Grad auftreffendes Licht ist in den 13a und 13b gezeigt und veranschaulicht gute achromatische Leistungsfähigkeit und Extinktionsverhältnis über das sichtbare Spektrum. Obwohl die Leistungsfähigkeit für Einfallswinkel von 31 und 49 Grad beeinträchtigt wird, wie in den 13c und 13d gezeigt, stellt die Leistungsfähigkeit eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen dar, insbesondere beim Film 1, wobei der die Schichten 8 und 9 umfassende Kompensator entfernt wurde, wie in den 14a bis 14d gezeigt. Die Leistungsfähigkeit auf der Achse und für einen Einfallswinkel von 15 Grad ist ähnlich zur Leistungsfähigkeit mit dem Kompensator, aber die Leistungsfähigkeit für höhere Einfallswinkel wird wesentlich beeinträchtigt, wie in den 14c und 14d gezeigt.
Es gibt eine Anzahl von Techniken und geeigneten Materialien, um den Doppelschicht-Kompensator bereitzustellen. Beispielsweise kann die negativ doppelbrechende Schicht 9 aus einem cholesterischen Material mit kurzer Steigung hergestellt werden. Diese Schicht 9 kann in den breitbandigen cholesterischen polarisierenden Film 1 einbezogen werden oder kann getrennt vorliegen. Alternativ kann ein geeignet hergestellter Polyimidfilm verwendet werden, wie offenbart in S. T. Wu, P-47, SID'95. Die negativ doppelbrechende Schicht 9 kann aus einem geeigneten diskotischen LC-Material hergestellt werden, wie offenbart in der US 5 518 783 . Eine weitere Alternative kann ein biaxial gestreckter Polymerfilm mit geringer Anisotropie in der Ebene sein. Weiterhin kann eine wirksame negativ doppelbrechende Schicht hergestellt werden aus zwei (oder mehr) Filmstapel(n) von positiven uniaxialen oder biaxialen Materialien. Geeignete Materialien können die nematischen LC-Polymere sein, mit planarer Ausrichtung, oder gestreckte Polymerfilme von Materialien, die positive Doppelbrechung zeigen (d.h. einen erhöhten Brechungsindex entlang der Richtung der Streckung). Die geeignetsten Materialien hängen davon ab, ob der Kompensator am nächsten zur Oberfläche mit kurzer Steigung 2 oder zur Oberfläche mit langer Steigung 3 liegt. Wenn der Kompensator am nächsten zur Oberfläche mit kurzer Steigung 2 liegt, ist ein hochstreuendes Material bevorzugt. Geeignete hochstreuende Materialien können biaxial orientiertes Polyethylennaphthalat (Goodfellows, Cambridge, GB) mit Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,45 oder spinnbeschichtbare Polyimide, z.B. Ultradel PI-7505 (Amoco Chemical Company, Naperville, USA) Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,3 umfassen. Für den Kompensator am nächsten zur Oberfläche mit langer Steigung 3, umfassen geeignete niedrigstreuende Materialien: einen VAC-Kompensationsfilm (Sumitomo Chemical Co., Japan) Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,02 oder gestapelte Filme von gestrecktem PVA (z.B. Polatechno, Japan) Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,03.
Die positiv doppelbrechende Schicht 8 kann herkömmlicherweise aus einem gehärteten homeotrop ausgerichteten Flüssigkristall oder Flüssigkristall-Polymermaterial hergestellt werden, beispielsweise wie in der EP 524 028 offenbart. Auch kann es möglich sein, einen cholesterischen Flüssigkristall oder ein Flüssigkristallpolymer in geeigneter Weise durch Verwendung von Oberflächeneffekten oder Anwendung eines elektrischen oder magnetischen Felds, um die positiv doppelbrechende Schicht 8 bereitzustellen, zu orientieren. In einem derartigen Fall kann diese Schicht ein wesentlicher Teil des cholesterischen Films 1 sein. Zusätzlich kann die positiv doppelbrechende Schicht aus einem biaxial gestreckten Polymerfilm, der so gestreckt ist, dass sehr wenig Anisotropie in der Ebene vorhanden ist, hergestellt werden. Ein derartiger Film kann aus einem Material hergestellt werden, das negative Doppelbrechung zeigt, wenn es gestreckt wird, d.h. einen abnehmenden Brechungsindex in der Richtung der Streckung zeigt. Polymermaterialien, die diese Eigenschaft zeigen, umfassen Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Ethylenmethacrylat und Acrylonitrilpolymere und -Copolymere, einschließlich Styrolacrylonitril (SAN).
Weiterhin kann eine wirksame positiv doppelbrechende Schicht aus zwei (oder mehr) Filmstapel(n) von negativ uniaxialen oder biaxialen Materialien hergestellt werden. Für negative uniaxiale Materialien sind die optischen Achse in der Filmebene, aber in einem Winkel (90 Grad für zwei Filme) zueinander. Für biaxiale Materialien ist der Brechungsindex senkrecht zur Ebene größer als der Durchschnitt der Brechungsindices in der Ebene. Die optischen Achsen, entsprechend den kleinsten Brechungsindices in der Ebene, sind in einem Winkel (90 Grad für zwei Filme) zueinander. Die Filme, die die positiv doppelbrechende Schicht aufbauen, haben ähnliche optische Streuungseigenschaften.
Für den Kompensator am nächsten zur Oberfläche mit kurzer Steigung 2 ist eine gering streuende positiv doppelbrechende Schicht erforderlich. Ein geeignetes Material kann ein biaxial orientierter Polystyrolfilm, z.B. OPS (Mitshubishi Chemical Co., Tokyo, Japan) Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,15 sein. Für den Kompensator am nächsten zur Oberfläche mit der langen Steigung 3 ist ein höher streuendes Material erwünscht. Ein geeignetes Material kann ein unterschiedlich abgestuftes Polystyrol sein, z.B. AKD-biaxial orientiertes Polystyrol (AKD American Investment Corporation, Los Angeles, USA) Δn₄₀₀/Δn₇₀₀ ~ 1,29 oder ein hochgradig doppelbrechendes homeotrop ausgerichtetes Flüssigkristallpolymer, beispielsweise wie in der EP 524 028 offenbart. Im Allgemeinen ist für Flüssigkristallmaterialien hohe Doppelbrechung mit einem hohen Zerstreuungsfaktor, wie zuvor definiert, verknüpft.
Obwohl in der Theorie der vollständige "externe" Kompensator aus dem cholesterisch reflektierenden Filmmaterial hergestellt sein kann, ist dies nur üblich oder machbar, wenn es ausreichende Kontrolle der Brechungsindices und Streuung gibt.
Das letzte Abstimmen der Doppelbrechung außerhalb der Achse des externen Kompensators kann an Ort und Stelle erreicht werden, beispielsweise durch Verwendung von Temperatureinstellung eines der Brechungsindices.
Zusätzlich kann anstelle der abnehmenden Winkelabhängigkeit die optimale Reaktion der cholesterischen Film/Kompensator-Kombination von der Anwendung abhängig sein. Der Kompensator kann verwendet werden, um eine Angleichung der Winkelreaktion des cholesterischen Films auf die spezifische Anwendung bereitzustellen, wie die Anwendung mit einem speziellen LCD. In einem derartigen Fall kann die Leuchtkraftverstärkung, die durch Verwendung eines cholesterischen Films in einem rezirkulierenden Hintergrund-Beleuchtungssystem erreichbar ist, erhalten werden, ohne andere Merkmale des Systems, wie Blickwinkel oder Farbausgleich zu verschlechtern.
Viertelwellenfilme oder andere geeignete Retarder auf der Achse können integral mit dem doppelbrechenden Kompensator außerhalb der Achse kombiniert werden.
15 veranschaulicht eine Vorrichtung, die sich von derjenigen in 10 dadurch unterscheidet, dass ein weiterer Kompensator 10 für austretendes Licht, das den cholesterischen Film 1 verlässt, bereitgestellt wird. Der Kompensator 10 umfasst beispielsweise eine positiv doppelbrechende Schicht 8' und eine negativ doppelbrechende Schicht 9' desselben Typs wie die Schichten 8 und 9 des ersten Kompensators. Licht, das über die Schicht in Film 1 transmittiert wird, das linksgängig zirkular pola risiertes Licht derselben Wellenlänge reflektiert, passiert durch den verbliebenen cholesterischen Film 1 und unterliegt den Effekten der Doppelbrechung außerhalb der Achse. Folglich ist Licht, das vom Film 1 hervorgeht, nicht rechtsgängig zirkular polarisiert für sämtliche Wellenlängen und bei Austrittswinkeln außerhalb der Achse. Der zweite Kompensator 10 kann verwendet werden, um diesen Effekten entgegen zu wirken, so dass das Licht, das durch die gesamte Vorrichtung transmittiert wird, über das sichtbare Spektrum hauptsächlich rechtsgängig zirkular polarisiert über einen großen Austrittswinkelbereich ist.
16 veranschaulicht die Verwendung einer Vorrichtung, umfassend einen cholesterischen Polarisator 1 und einen Ausgabe-Kompensator 10 in einer Hintergrundbeleuchtung für ein LCD 12. Die Hintergrundbeleuchtung umfasst eine Lichtquelle 14 und einen Reflektor 15, der Licht zu einem Lichtleiter 16 führt. Licht vom Leiter 16 wird durch einen Diffusor 17 gestreut und zum cholesterischen Polarisator 1 geführt. Zirkular polarisiertes Licht einer Händigkeit wird vom Polarisator 1 reflektiert und kann nach Umkehrung dessen Polarisationshändigkeit zurückgeführt werden. Licht der anderen Händigkeit der zirkularen Polarisation wird durch den Polarisator transmittiert, und der Kompensator 10 stellt sicher, dass das Ausgabelicht im Wesentlichen die Einzelhändigkeit der zirkularen Polarisation aufweist. Ein breitbandiger Viertelwellenfilm 18 wandelt das zirkular polarisierte Licht zu linear polarisiertem Licht mit einem Polarisationsvektor, geeignet für die Anwendung für das LCD 12 um. Die Hintergrund-Beleuchtungsanordnung, die in 16 gezeigt ist, erreicht somit hohe Effizienz zur Verwendung des von der Lichtquelle 14 zur Verfügung gestellten Lichts.
Verschiedene Modifikationen können im Umfang der Erfindung gemacht werden. In einem Vergleichsbeispiel, wie in 17 gezeigt, wird die negativ doppelbrechende Schicht 9 von der in 10 gezeigten Vorrichtung weggelassen, um eine vereinfachte Vorrichtung bereitzustellen, deren Leistungsfähigkeit nicht so gut ist wie die der in 10 gezeigten Vorrichtung, aber für einige Anwendungen akzeptabel sein kann. Die positive Doppelbrechung der Schicht 8 kann ausgewählt werden, um die erhaltene negative Doppelbrechung auszugleichen, beispielsweise durch grünes Licht mit einem Wellenlängenbereich im Zentrum des sichtbaren Spektrums. Die Leistungsfähigkeit einer derart vereinfachten Vorrichtung ist in den 18a bis 18d veranschaulicht. Die Schicht 8 hat einen außergewöhnlichen Brechungsindex n3 von 1,7 bei 400 nm und 1,66 bei 700 nm. Der übliche Brechungsindex n4 der Schicht beträgt 1,65 bei 400 nm und 1,62 bei 700 nm.
Wie in den 18a bis 18c gezeigt, bleibt die Leistungsfähigkeit bis zu relativ hohen Einfallswinkeln gut und stellt eine Verbesserung gegenüber bekannten Vorrichtungen dar, worin kein Kompensator bereitgestellt wird. Selbst für einen Einfallswinkel von 40 Grad, wie in der 18d veranschaulicht, tritt eine Polarisationsseparation für Wellenlängen zentriert um die Mitte des sichtbaren Spektrums auf.
Die hier offenbarten optischen Vorrichtungen sind zur Verwendung in Anwendungen, die einen polarisierenden Strahlteiler für den Betrieb über einen weiten Bereich von Wellenlängen und Winkeln oder um bei hohen Winkeln für einen auftreffenden Strahl, wie in der Größenordnung von 45 Grad, zu arbeiten, geeignet. Beispielsweise veranschaulicht 19 die Verwendung eines breitbandigen cholesterischen Polarisators des in 15 gezeigten Typs als ein polarisierender Strahlteiler. Unpolarisiertes Licht fällt bei einem Winkel von etwa 45 Grad zur Ebene des Films auf den Filter. Wenn der Eingabe-Kompensator 8, 9 weggelassen wurde, wäre der Polarisator nicht geeignet, hinsichtlich links- und rechtsgängig zirkular polarisierten Lichts bei diesem Winkel zu unterscheiden. Jedoch mit dem Eingabe-Kompensator 8, 9 unterscheidet der Polarisator gut zwischen reflektiertem linksgängig zirkular polarisiertem Licht und transmittiertem rechtsgängig zirkular polarisiertem Licht. In Abwesenheit des Kompensators 10 wäre der Polarisationszustand des transmittierten Lichts im Wesentlichen gestört. Jedoch stellt der Kompensator 10 sicher, dass das transmittierte Licht im Wesentlichen im gewünschten Zustand der zirkularen Polarisation ist.
Ein derartiger polarisierender Strahlenteiler kann in anderen Anwendungen eingesetzt werden, wie Strahlenkombinieren oder Pfadfalten für polarisiertes Licht. Die 20 veranschaulicht die Verwendung einer Vorrichtung des in 15 gezeigten Typs zum Falten eines optischen Systems. Wieder hält der Eingabe-Kompensator 8, 9 die Reflektivität des Polarisators über einen weiten Bereich von Wellenlängen und Winkeln aufrecht. Der Kompensator 10 wird bereitgestellt, wenn es notwendig ist, ein hohes Maß an zirkularer Polarisation des transmittierten Lichts aufrechtzuerhalten.
21 veranschaulicht eine Vorrichtung, die sich von der in 15 dadurch unterscheidet, dass eine Viertelwellenplatte 20 benachbart zur negativ doppelbrechenden Schicht 9 angeordnet ist. Ähnlich veranschaulicht 22 eine Vorrichtung, die sich von der in 15 dadurch unterscheidet, dass eine Viertelwellenplatte 20' benachbart zum Kompensator 10 angeordnet ist. Wie wohlbekannt ist, kann eine derartige Viertelwellenplatte verwendet werden, um zwischen linear polarisiertem und zirkular polarisiertem Licht umzuwandeln.
Obwohl die Viertelwellenplatten 20 und 20' benachbart der äußeren Oberflächen der negativ doppelbrechenden Schichten 9 bzw. 9' gezeigt sind, kann die Viertelwellenplatte in der Praxis an irgendeiner Position in der Vorrichtung angeordnet sein, beispielsweise benachbart zwischen irgendwelchen der Schichten oder Filme, einschließlich des Films 1, oder sogar intern in einer Schicht oder einem Film des Kompensators 8, 9 oder 10.
Es ist möglich, dass die Viertelwellenplatte einstückig mit dem Kompensator 8 und 9 oder mit dem Kompensator 10 hergestellt wird. Insbesondere können die Viertelwellenplatte und eine der Schichten 8, 9, 8', 9' in einer Einzelschicht kombiniert werden. Beispielsweise kann die Viertelwellenplatte 20 oder 20' und der Kompensator 8, 9 oder 10 als eine erste Schicht oder ein erster Film eines biaxialen Materials, dessen größter Brechungsindex senkrecht zur Ebene, und einer Schicht oder einem Film von negativem uniaxialen Material, dessen optische Schicht senkrecht zur Ebene, ist, ausgeführt werden. Eine andere Möglichkeit für diese Kombination umfasst eine Schicht oder einen Film eines biaxialen Materials, dessen kleinster Brechungsindex senkrecht zur Ebene ist, sowie eine Schicht oder einen Film eines positiven uniaxialen Materials, dessen optische Achse senkrecht zur Ebene ist. Wenn alternativ die Viertelwellenplatte vom Kompensator 8, 9 oder 10 getrennt ist, kann diese als ein Separatorfilm aus verschiedenen Materialien, wie einer Mehrschichtstruktur für optimierte breite Bandbreite, hergestellt werden.
Die in 23 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen, die in 10 gezeigt ist, dadurch, dass die positiv doppelbrechende Schicht 8 zwischen und in Kontakt mit der Oberfläche mit langer Steigung 3 des Films 1 und der negativ doppelbrechenden Schicht 9 angeordnet ist. Die Streuung der Materialien der Schichten 8 und 9 wurde zuvor für den Kompensator 8, 9, benachbart zur Oberfläche mit langer Steigung 3, beschrieben.
Die in 24 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen in 10 gezeigten dadurch, dass die positiv doppelbrechende Schicht 8 zwei negative uniaxiale Filme 8a und 8b umfasst, deren optische Achsen n_ea und n_eb im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Insbesondere weisen die Filme 8a und 8b außerordentliche Brechungsindices n_ea und n_eb in den Ebenen der Filme 8a bzw. 8b auf, und übliche Brechungsindices n_oa bzw. n_ob in den orthogonalen Richtungen, die in 24 gezeigt sind. Die Brechungsindices sind derart, dass: neb < nob nea < noa
Die in 25 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 24 gezeigten dadurch, dass die Filme 8a und 8b biaxial sind, und die kleineren Brechungsindices n_2a und n_1b in der Ebene im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Die Filme 8a und 8b weisen Brechungsindices, bezeichnet als n_1a, n_2a, n_3a, n_1b, n_2b und n_3b in orthogonalen Richtungen derart auf, dass: n1b < n2b n1b < n3b n2a < n1a n2a < n3a n3b > (n1b + n2b)/2 n3a > (n1b + n2b)/2
Die in 26 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 10 gezeigten darin, dass die positiv doppelbrechende Schicht 8 einen Teil der cholesterischen Schicht 1 mit einer vorbestimmten Ausrichtung umfasst.
Die in 27 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 10 gezeigten darin, dass die negagiv doppelbrechende Schicht 9 zwei Filme 9a und 9b aus uniaxialem Material mit optischen Achsen in den Ebenen der Filme, die im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, aufweist. Die Brechungsindices n_oa, n_ea, n_ob und n_eb in den in 27 veranschaulichten Richtungen sind derart, dass: nea > noa neb > nob
Die in 28 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von der in 27 gezeigten darin, dass die Filme 9a und 9b biaxiale Filme darstellen, deren optische Achsen, die dem größeren der Brechungsindices in der Ebene entsprechen, im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Die Filme 9a und 9b haben Brechungsindices n_1a, n_2a, n_3a, n_1b, n_2b und n_3b in den gezeigten Richtungen derart, dass: n3b < n1b n3b < n2b n3a < n1a n3a < n2a n3a < (n1a + n2a)/2 n3b < (n1b + n2b)/2
29 veranschaulicht ein LCD und eine Hintergrund-Beleuchtungsanordnung, die sich von der in 16 gezeigten darin unterscheidet, dass die unpolarisierte Lichtquellanordnung 14, 15, 16 durch eine polarisierte Lichtquelle 14 und ein kollimatisches optisches Element 22 ersetzt ist. Auch der Diffusor 17 wird weggelassen, der Kompensator 10 ist zwischen dem kollimatischen optischen Element 22 und dem cholesterischen Polarisator 1 angeordnet, und der breitbandige Viertelwellenfilm 18 ist zwischen dem Polarisator 1 und der LCD 12 angeordnet. Der Kompensator 10, der cholesterische Polarisator 1 und der breitbandige Viertelwellenfilm 18 umfassen effektiv einen Teil der Flüssigkristallvorrichtung und wirken als Eingabe-Polarisator für das LCD 12.
Die in 30 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in 29 gezeigten dadurch, dass der cholesterische Polarisator 1 zwischen dem kollimatischen optischen Element 22 und dem Kompensator 10 angeordnet ist. Somit, während die in 29 gezeigte Anordnung eine Vorkompensation für in den Polarisator 1 eintretendes Licht aufweist, hat die in 30 gezeigte Anordnung Nachkompensation für Licht, das den Polarisator 1 verlässt.

Claims

Breitbandige cholesterische optische Vorrichtung, umfassend eine breitbandige cholesterische Schicht (1) und einen ersten Kompensator (8, 9) zur Bereitstellung einer gewünschten Leistungsfähigkeit der Vorrichtung außerhalb der Achse, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompensator (8, 9) eine erste Schicht (8) mit positiver Doppelbrechung und einer optischen Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Schicht (8) und eine zweite Schicht (9) mit negativer Doppelbrechung und einer optischen Achse im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Schicht (9) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung außerhalb der Achse eine verringerte Winkelabhängigkeit darstellt.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die cholesterische Schicht (1) eine abgestufte Steigung aufweist, die von einer ersten Oberfläche (2) zu einer zweiten Oberfläche (3) hiervon monoton zunimmt.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die cholesterische Schicht (1) einen abgestuften Brechungsindex aufweist, der von einer ersten Oberfläche (2) zu einer zweiten Oberfläche (3) hiervon monoton zunimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Doppelbrechung außerhalb der Achse der ersten und zweiten Schicht (8, 9) für eine Wellenlänge, entsprechend der kürzesten Steigung der cholesterischen Schicht (1) im Wesentlichen gleich null ist und im Wesentlichen gleich, aber entgegengesetzt zu derjenigen der cholesterischen Schicht (1) für eine Wellenlänge, korrespondierend zur längsten Steigung der cholesterischen Schicht (1) und dass der erste Kompensator (8, 9) benachbart zur ersten Oberfläche (2) der cholesterischen Schicht (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexstreuung der ersten und zweiten (8, 9) Schichten so ist, dass: |Δn1(400)/Δn1(700)| – |Δn2(400)/Δn2(700)| > 0wobei Δn₁(400) und Δn₁(700) die Doppelbrechungen der ersten Schicht (8) bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 Nanometer darstellen, und Δn₂(400) und Δn₂(700) die Doppelbre chungen der zweiten Schicht (9) bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 Nanometer darstellen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Doppelbrechung außerhalb der Achse der ersten und zweiten Schicht (8, 9) für eine Wellenlänge, entsprechend der längsten Steigung der cholesterischen Schicht (1) im Wesentlichen gleich null ist und im Wesentlichen gleich, aber entgegengesetzt zu derjenigen der cholesterischen Schicht (1) für eine Wellenlänge, korrespondierend zur kürzesten Steigung der cholesterischen Schicht (1) und dass der erste Kompensator (8, 9) benachbart zur zweiten Oberfläche (3) der cholesterischen Schicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexstreuung der ersten und zweiten Schichten (8, 9) so ist, dass: |Δn2(400)/Δn2(700)| – |Δn1(400)/Δn1(700)| > 0wobei Δn₁(400) und Δn₁(700) die Doppelbrechungen der ersten Schicht (8) bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 Nanometer darstellen, und Δn₂(400) und Δn₂(700) die Doppelbrechungen der zweiten Schicht (9) bei Wellenlängen von jeweils 400 und 700 Nanometer darstellen.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) ein reaktives mesogenes Material umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) ein homeotrop ausgerichtetes reaktives mesogenes Material umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) einen Teil der cholesterischen Schicht (1) mit einer vorbestimmten Ausrichtung umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) mindestens einen gedehnten bzw. gestreckten Polymerfilm umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) eine Vielzahl uniaxialer Filme umfasst, von denen jeder negative Doppelbrechung aufweist und eine optische Achse, die im Wesentlichen in der Ebene hiervon liegt, wobei die optischen Achsen des oder jedes benachbarten Paars der uniaxialen Filme in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) zwei uniaxiale Filme umfasst, deren optische Achsen im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) eine Vielzahl von biaxialen Filmen umfasst, von denen jeder einen Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zum Film aufweist, der größer ist als der Durchschnitt der Brechungsindices in der Ebene des Films, wobei die optischen Achsen, korrespondierend zu dem kleineren der Brechungsindices in der Ebene des oder jedes Paars von benachbarten Filmen, in Bezug auf die Winkel durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (8) zwei biaxiale Filme umfasst, deren optische Achsen, korrespondierend zu dem kleineren der Brechungsindices in der Ebene, im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) eine cholesterische Schicht mit einer Steigung entsprechend einer Wellenlänge von nicht weniger als im Wesentlichen 400 Nanometer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) einen Teil der cholesterischen Schicht (1) umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) einen gegossenen Polymerfilm umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Polyimid ist.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) ein diskotisches Flüssigkristallmaterial umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) mindestens einen gedehnten Polymerfilm umfasst.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) eine Vielzahl von Filmen umfasst, von denen jeder ein uniaxiales Material umfasst, mit einer optischen Achse in der Ebene hiervon, wobei die optischen Achsen des oder jedes benachbarten Paars der Filme durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) zwei Filme umfasst und die optischen Achsen im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) eine Vielzahl von biaxialen Filmen umfasst, von denen jeder einen Brechungsindex in einer Richtung senkrecht zum Film aufweist, der kleiner ist als der Durchschnitt der Brechungsindices in der Ebene des Films, wobei die optischen Achsen, korrespondierend zu dem größeren der Brechungsindices in der Ebene, des oder jedes Paars von benachbarten Filmen durch einen von Null verschiedenen Winkel getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (9) zwei biaxiale Filme umfasst, deren optische Achsen, die zu dem größeren der Brechungsindices in der Ebene korrespondieren, im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kompensator (8, 9) einen Retarder (20) in der Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Retarder eine Viertelwellenplatte (quarter waveplate) (20) darstellt.
Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die cholesterische Schicht (1) angeordnet ist zwischen dem ersten Kompensator (8, 9) und einem zweiten Kompensator (10), der eine Vielzahl von Schichten aufweist, eine erste (8'), die eine positive Doppelbrechung und eine optische Achse im Wesentlichen senkrecht zur ersten Schicht (8') aufweist, und eine zweite (9'), die eine negative Doppelbrechung und eine optische Achse im Wesentlichen senkrecht zur zweiten Schicht (9') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kompensator (10) einen Retarder (20') auf der Achse umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Retarder eine Viertelwellenplatte (20') darstellt.
Polarisator, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Filter, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 31 aufweist.
Flüssigkristallvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 31 umfasst.
Polarisierender Strahlteiler, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüch 1 bis 31 aufweist.