DE69925221T2

DE69925221T2 - Reflektives ferroelektrisches Flüssigkristalllichtventil mit hoherem Lichtdurchsatz

Info

Publication number: DE69925221T2
Application number: DE69925221T
Authority: DE
Inventors: Peter R. San Francisco Robrish; Andreas Redwood City Weber
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1999-07-21
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: EP0997767A3; EP0997767B1; JP2000137225A; EP0997767A2; DE69925221D1; US6243065B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft reflektive, auf ferroelektrischen Flüssigkristallen beruhende Lichtventile, wie jene, die in Videobildschirmen verwendet werden, und insbesondere betrifft sie solche Lichtventile, die einen wesentlich erhöhten Lichtdurchsatz aufweisen.
Hintergrund der Erfindung
Es besteht ein Bedarf für verschiedene Arten von Video- und Grafikanzeigevorrichtungen mit einer verbesserten Leistung bei geringeren Kosten. Zum Beispiel besteht ein Bedarf für Miniaturvideo- und Grafikanzeigevorrichtungen, die klein genug sind, um in einem Helm oder einer Brille integriert zu werden, so daß sie von dem Benutzer getragen werden können. Solche tragbaren Anzeigevorrichtungen würden herkömmliche Computerbildschirme und andere Vorrichtungen ersetzen oder ergänzen. Es besteht auch ein Bedarf für eine Ersetzung der herkömmlichen Kathodenstrahlröhre, die in vielen Anzeigevorrichtungen benutzt wird, einschließlich von Computermonitoren, herkömmlichen und hochauflösenden Fernsehempfängern und großflächigen Bildschirmen. Beide Bedürfnisse können durch Anzeigevorrichtungen befriedigt werden, die ein Lichtventil enthalten, das als ihr Lichtsteuerelement einen räumlichen Lichtmodulator verwenden, der auf einem Material eines oberflächenstabilisierten ferroelektrischen Flüssigkristalls (SSFLC) beruht.
Ein auf einem SSFLC beruhender räumlicher Lichtmodulator umfaßt eine Schicht eines SSFLC-Materials, das zwischen zwei transparenten Elektroden eingeschlossen ist. Eine dieser Elektroden ist in ein Array von Pixelelektroden aufgeteilt, um die Bildelemente (Pixel) des räumlichen Lichtmodulators festzulegen. Die Richtung eines elektrischen Felds, das zwischen jeder Pixelelektrode und der anderen Elektrode angelegt wird, bestimmt, ob das entsprechende Pixel des räumlichen Lichtmodulators die Polarisationsrichtung des auf das Pixel einfallenden Lichts dreht oder nicht. Der räumliche Lichtmodulator ist als ein λ/2-Plättchen konstruiert und dreht die Polarisationsrichtung über 90°, so daß das polarisierte Licht, das von den Pixeln des räumlichen Lichtmodulators übertragen wird, entweder durch einen Polarisationsanalysator hindurchtritt oder von dem Polarisationsanalysator absorbiert wird, abhängig von der Richtung des elektrischen Felds, das an jedem Pixel angelegt wird. Die entstehenden optischen Eigenschaften jedes Pixels des räumlichen Lichtmodulators sind binär: das Pixel überträgt Licht (sein Zustand 1) oder absorbiert Licht (sein Zustand 0) und wirkt demzufolge in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Felds hell oder dunkel.
Um die Grauskalierung zu erzeugen, die für herkömmliche Anzeigevorrichtungen benötigt wird, wird die sichtbare Helligkeit jedes Pixels variiert, indem das von jedem Pixel übertragene Licht temporär moduliert wird. Das Licht wird durch Definieren einer Grundzeitperiode moduliert, welche die Beleuchtungsperiode des räumlichen Lichtmodulators aufhebt. Die Pixelelektrode wird durch ein Ansteuersignal angesteuert, das das Pixel von seinem Zustand 1 in seinen Zustand 0 umschaltet. Die Dauer des Zustands 1 gegenüber der Dauer der Beleuchtungsperiode bestimmt die erscheinende Helligkeit des Pixels.
Auf ferroelektrischen Flüssigkeitskristallen beruhende räumliche Lichtmodulatoren leiden unter dem Nachteil, daß jedes Mal, nachdem das Ansteuersignal an eine Pixelelektrode angelegt wurde, um das Pixel dazu zu bringen, das durch es hindurchtretende Licht, zu modulieren, der DC-Ausgleich des Pixels wiederhergestellt werden muß. Dies geschieht durch Festlegen einer zweiten Grundzeitperiode, die sogenannte Ausgleichsperiode, die in der Länge gleich der Beleuchtungsperiode ist, und durch Ansteuern der Pixelelektrode mit einem komplementären Ansteuersignal, welches Zeitdauern des Zustands 1 und des Zustands 0 aufweist, die komplementär zu den Zeitdauern des Zustands 1 und des Zustands 0 des Ansteuersignals während der Beleuchtungsperiode sind. Die Beleuchtungsperiode und die Ausgleichsperiode bilden zusammen eine Anzeigeperiode. Um zu vermeiden, daß das komplementäre Ansteuersignal die Anzeige einer im wesentlichen gleichmäßigen grauen Abbildung auf der Anzeigevorrichtung hervorruft, wird die Lichtquelle, welche das Lichtventil beleuchtet, so moduliert, daß das Lichtventil nur während der Beleuchtungsperiode beleuchtet wird und während der Ausgleichsperiode nicht beleuchtet wird. Das Modulieren der Lichtquelle, wie eben beschrieben, verringert jedoch den Lichtdurchsatz des Lichtventils auf ungefähr die Hälfte von dem, was erreicht werden könnte, wenn die DC-Ausgleichswiederherstellung nicht notwendig wäre. Das bedeutet, daß eine Lichtquelle mit etwa der doppelten Intensität und mit entsprechend höheren Kosten benötigt wird, um eine vorgegebene Anzeigenhelligkeit zu erzielen. Zusätzlich oder alternativ sind Projektionsoptiken mit einer größeren Apparatur und ebenfalls mit entsprechend höheren Kosten notwendig, um eine vorgegebene Helligkeit zu erzielen.
Kürzlich ist ein Bedarf für reflektive Lichtventile, die auf reflektiven räumlichen Lichtmodulatoren beruhen, entstanden. Reektive räumliche Lichtmodulatoren nutzen reflektive Pixelelektroden und haben den Vorteil, daß sie kein transparentes Substrat benötigen. Daher können solche räumlichen Lichtmodulatoren auf einem Silikonsubstrat gebildet werden, das auch die Ansteuerschaltungen aufnimmt, welche die Ansteuersignale für die Pixelelektroden aus dem eingegebenen Videosignal hervorbringen. Ein reflektives Lichtventil besitzt den Vorteil, daß seine Pixelelektrodenansteuerschaltungen das von dem Pixel modulierte Licht nicht teilweise abdeckt. Dies ermöglicht einem reflektiven Lichtventil einen größeren Lichtdurchsatz als einem vergleichbar dimensionierten transmittierenden Lichtventil und ermöglicht das Einbringen von größeren und höher entwickelten Ansteuerschaltungen.
1A zeigt einen Teil einer Anzeigevorrichtung, die ein herkömmliches reflektives Lichtventil 10 einschließt, das einen reflektiven räumlichen Lichtmodulator 25 umfaßt (vgl. z.B. das US-Patent: US 574 8 164 , Handschy et al.). Andere Hauptkomponenten des Lichtventils sind der Polarisator 17, der Strahlteiler 19 und der Analysator 21. Das Lichtventil wird mit Licht aus der Lichtquelle 15 beleuchtet. Die Lichtausgabe des Lichtventils durchquert die Ausgabeoptik 23, die das Licht fokussiert, um eine Abbildung (nicht gezeigt) zu bilden. Das Lichtventil, die Lichtquelle und die Ausgabeoptik können in verschiedenen Arten von Anzeigevorrichtungen enthalten sein, einschließlich miniaturisierter tragbarer Vorrichtungen, Kathodenstrahlröhrenersetzungen und Projektionsbildschirmen.
Das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht durchquert den Polarisator 17. Der Polarisator polarisiert die Lichtausgabe von der Lichtquelle. Der Strahlteiler 19 reflektiert einen Teil der polarisierten Lichtausgabe von dem Polarisator zu dem räumlichen Lichtmodulator 25. Der räumliche Lichtmodulator ist in eine zweidimensionale Anordnung von Bildelementen (Pixeln), welche die räumliche Auflösung des Lichtventils festlegen. Der Strahlteiler überträgt einen Teil des von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierten Lichts zu dem Analysator 21.
Die Richtung eines elektrischen Felds in jedem Pixel des räumlichen Lichtmodulators 25 bestimmt, ob die Polarisationsrichtung des von dem Pixel reflektierten Lichts um 90° gegenüber der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts gedreht wird oder nicht. Das von jedem Pixel reflektierte Licht des räumlichen Lichtmodulators durchquert den Strahlteiler 19 und den Analysator 21 und wird von dem Lichtventil abhängig davon ausgegeben, ob seine Polarisati onsrichtung von dem räumlichen Lichtmodulator gedreht wurde oder nicht. Die Lichtausgabe aus dem Lichtventil 10 durchquert die Ausgabeoptik 23.
Die Lichtquelle 15 kann aus LEDs gebildet sein. In einer Farbanzeige besitzen die LEDs drei verschiedene Farben. Andere lichtemittierende Einrichtungen, deren Ausgang schnell moduliert werden kann, können alternativ zu der Lichtquelle 15 verwendet werden. Als eine weitere Alternative kann eine weiße Lichtquelle und ein Lichtmodulator (nicht gezeigt) verwendet werden. Der Lichtmodulator modelliert die Amplitude des von der weißen Lichtquelle erzeugten Lichts, um die Beleuchtungsperiode und die Ausgleichsperiode des räumlichen Lichtmodulators festzulegen. In einem Lichtventil zur Benutzung in einer farbigen Anzeigevorrichtung moduliert der Lichtmodulator außerdem die Farbe des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts.
Der Polarisator 17 polarisiert das von der Lichtquelle 15 erzeugte Licht. Die Polarisation ist vorzugsweise eine lineare Polarisation. Der Strahlteiler 19 reflektiert die polarisierte Lichtausgabe von dem Polarisator zu dem Lichtmodulator 25 und transmittiert das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierte polarisierte Licht zu dem Analysator 21. Die Richtung der maximalen Transmission des Analysators ist in diesem Beispiel orthogonal zu der des Polarisators.
Der räumliche Lichtmodulator 25 umfaßt eine transparente Elektrode 33, die auf der Oberfläche der transparenten Abdeckung 37 aufgebracht ist, die reflektive Elektrode 35, die an der Oberfläche des Halbleitersubstrat 39 angeordnet ist, und eine Schicht 31 eines oberflächenstabilisierten ferroelektrischen Flüssigkristalls (SSFLC), die zwischen der transparenten Elektrode und der reflektiven Elektrode eingeschlossen ist. Die reflektive Elektrode ist in ein zweidimensionales Array von Pixelelektroden aufgeteilt, welche die Pixel des räumlichen Lichtmodulators und des Lichtventils festlegen. Um die Zeichnung zu vereinfachen, ist eine erheblich reduzierte Anzahl von Pixelelektroden gezeigt. Beispielsweise könnte in einem Lichtventil zum Gebrauch in einem großflächigen Computermonitor die reflektive Elektrode in ein zweidimensionales Array von 1600 × 1200 Pixelelektroden aufgeteilt sein. Eine beispielhafte Pixelelektrode ist bei 41 gezeigt. Jede Pixelelektrode reflektiert den Teil des einfallenden polarisierten Lichts, das auf sie einfällt, zu dem Strahlteiler 19.
Eine Ansteuerschaltung (nicht gezeigt), die in dem Halbleitersubstrat 39 angeordnet sein kann, legt ein Ansteuersignal an die Pixelelektrode jedes Pixels des räumlichen Lichtmodulators 25 an. Das Ansteuersignal besitzt zwei verschiedene Spannungsniveaus, und die transparente Elektrode 33 wird auf einem festen Potential in der Mitte zwischen den Spannungsniveaus des Steuersignals gehalten. Die Potentialdifferenz zwischen der Pixelelektrode und der transparenten Elektrode erzeugt ein elektrisches Feld über einen Teil der Flüssigkristallschicht 31 zwischen den Pixel- und transparenten Elektroden. Die Richtung des elektrischen Felds bestimmt, ob der Flüssigkristall die Polarisationsrichtung des von der Pixelelektrode reflektierten Lichts dreht oder die Polarisationsrichtung ungeändert läßt.
Der reflektive räumliche Lichtmodulator 25 ist als ein λ/4-Plättchen konstruiert im Unterschied zu einem transmittiven räumlichen Lichtmodulator, der als ein λ/2-Plättchen konstruiert ist. Dieser Unterschied ergibt sich, weil das Licht durch den reflektiven räumlichen Lichtmodulator zweimal durchtritt, einmal vor und einmal nach der Reflexion durch die reflektiven Pixelelektroden. Die Dicke der Schicht des ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials in der Flüssigkristallschicht 31 wird gewählt, um eine optische Phasenverschiebung von 90° zwischen dem Licht, das parallel zu dem Direktor des Flüssigkristallmaterials polarisiert ist, und dem Licht, das senkrecht zu dem Direktor polarisiert ist, zu liefern. Das Flüssigkristallmaterial ist vorzugsweise ein smektisches-C* ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial mit einem Winkel von 22,5° zwischen seinem Direktor und der Normalen zu seinen smektischen Lagen. Das Umkehren der Richtung des elektrischen Felds, das auf ein solches Flüssigkristallmaterial angewandt wird, schaltet den Direktor des Materials über einen Winkel von etwa 45°. Wenn demzufolge der Direktor parallel zu der Richtung der maximalen Transmission des Analysators 21 mit einer Polarität des elektrischen Felds ausgerichtet ist, wird das Umkehren der Richtung des elektrischen Felds die Polarisationsrichtung des von dem Pixel reflektierten Lichts über 90° drehen. Dies wird die Polarisationsrichtung des Lichts senkrecht zu der Richtung der maximalen Transmission des Analysators ausgerichtet und wird den Pixel von seinem Zustand 1, in dem der Pixel hell erscheint, zu seinem Zustand 0 ändern, in dem der Pixel dunkel erscheint.
In einer tragbaren Miniaturanzeige umfaßt die Ausgangsoptik 23 ein Okular, welches das Licht, das von der reflektiven Elektrode 35 reflektiert wird, empfängt und ein virtuelles Bild in einem vorgegebenen Abstand vor dem Benutzer erzeugt (nicht gezeigt). In einer Kathodenstrahlröhrenersetzung oder in einer Projektiansanzeige umfassen die Ausgangsoptiken Projek tionsoptiken, die ein Bild auf eine reflektive Elektrode auf einem transmittiven oder reflektiven Schirm (nicht gezeigt) fokussieren. Optische Anordnungen, die als ein Okular oder Projektionsoptiken geeignet sind, sind im Stand der Technik gut bekannt und werden hierin nicht beschrieben.
Da die Richtung der maximalen Transmission des Analysators 21 senkrecht zu der Polarisationsrichtung steht, die durch den Polarisator 17 definiert wird, wird das Licht, dessen Polarisationsrichtung um 90° von einem Pixel des räumlichen Lichtmodulators 25 gedreht wurde, den Analysator passieren und von dem Lichtventil 10 ausgegeben werden, während Licht, dessen Polarisationsrichtung nicht gedreht wurde, den Analysator nicht passieren wird. Der Analysator transmittiert nur Licht zu der Austrittsoptik 23, dessen Polarisationsrichtung von Pixeln des räumlichen Lichtmodulators gedreht wurde. Die Pixel des räumlichen Lichtmodulators werden abhängig von der Richtung des elektrischen Felds, das an jeden Pixel angelegt wird, hell oder dunkel erscheinen. Wenn ein Pixel hell erscheint, wird er als in seinem Zustand 1 befindlich bezeichnet, und wenn ein Pixel dunkel erscheint, wird er als in seinem Zustand 0 befindlich bezeichnet.
Die Richtung der maximalen Transmission des Analysators 21 kann alternativ parallel zu der des Polarisators 17 angeordnet sein, und ein nicht polarisierender Strahlteiler kann anstelle des Strahlteilers 19 benutzt werden. In diesem Fall funktioniert der räumliche Lichtmodulator 25 im umgekehrten Sinn, wie gerade beschrieben.
Zur Erzeugung von Graustufen, die von einer Anzeigevorrichtung trotz der binären optischen Eigenschaft der Pixel des Lichtventils 10 benötigt werden, wird die erscheinende Helligkeit jedes Pixels durch temporäres Modulieren des von dem Pixel reflektierten Lichts variiert, wie vorhergehend beschrieben. Die Ansteuerschaltung (nicht gezeigt) für jeden Pixel des räumlichen Lichtmodulators bestimmt die Dauer des Zustands 1 des Pixels in Reaktion auf einen Teil des Eingabevideosignals 43, der dem Ort des Pixels in dem räumlichen Lichtmodulator entspricht.
Die 1B bis 1F stellen den Betrieb eines beispielhaften Pixels 41 des herkömmlichen Lichtventils 10 dar, das in 1A bei drei aufeinanderfolgenden Anzeigeperioden gezeigt ist. Die verbleibenden Pixel funktionieren entsprechend. In einer Ausführungsform eines herkömmlichen Lichtventils entspricht jede Anzeigeperiode einem Bild in dem Videoeingabesi gnal 43. In einer anderen Ausführungsform entspricht jede Anzeigeperiode einem Teil eines Bildes des Eingabevideosignals. Jede Anzeigeperiode umfaßt eine Beleuchtungsperiode (ILLUM) und eine Ausgleichsperiode (BALANCE) mit gleicher Dauer, wie in der 1B gezeigt ist.
Die 1C zeigt das Ansteuersignal, das an eine beispielhafte Pixelelektrode 41 angelegt wird. Die transparente Elektrode 33 wird auf einem Spannungsniveau von V/2 gehalten, so daß eine Änderung des Spannungsniveaus an der Pixelelektrode von 0 bis V die Richtung des elektrischen Felds, das an die ferroelektrische Flüssigkristallschicht 31 angelegt ist, umkehrt. Das Niveau des Ansteuersignals beträgt V für einen ersten zeitlichen Abschnitt 1 TP für jede Beleuchtungsperiode. Das Niveau des Ansteuersignals beträgt 0 für den zweiten zeitlichen Abschnitt 2 TP, welcher den Rest der Beleuchtungsperiode bildet, und auch für den ersten zeitlichen Abschnitt 1 TP der nachfolgenden Ausgleichsperiode. Der erste zeitliche Abschnitt der Ausgleichsperiode besitzt eine Dauer, die gleich zu der des ersten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode ist. Das Niveau des Ansteuersignals ist jedoch 0 während des ersten zeitlichen Abschnitts der Ausgleichsperiode, während das Niveau des Ansteuersignals V während des ersten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode beträgt. Schließlich ändert sich das Niveau des Ansteuersignals auf V für den zweiten zeitlichen Abschnitt 2 TP, der den Rest der Ausgleichsperiode bildet. Demzufolge beträgt während der Ausgleichsperiode das Niveau des Ansteuersignals 0 und V für Zeitabschnitte, die gleich zu den Zeitabschnitten sind, in denen es V bzw. 0 während der Beleuchtungsperiode betrug. Im Ergebnis mittelt sich das elektrische Feld, das an das Flüssigkristallmaterial des Pixels angelegt ist, über eine Anzeigeperiode zu 0.
In dem gezeigten Beispiel ist die Dauer des ersten zeitlichen Abschnitts 1 TP des Ansteuersignals in jeder der drei Beleuchtungsperioden unterschiedlich. Die Dauer des ersten zeitlichen Abschnitts, und damit die des zweiten zeitlichen Abschnitts, jeder Beleuchtungsperiode hängt von dem Spannungsniveau der entsprechenden Probe des Eingabevideosignals 43 ab.
Die 1D zeigt die Wirkung des räumlichen Lichtmodulators 25 auf die Polarisationsrichtung des auf den Analysator 21 einfallenden Lichts. Die Polarisationsrichtung wird durch den absoluten Wert des Winkels α zwischen der Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den Analysator einfällt, und der Richtung der maximalen Transmission des Analysators angegeben. Der Analysator transmittiert Licht mit einem Winkel α nahe bei 0 und absorbiert Licht mit einem Winkel α nahe bei 90°. In jeder Anzeigeperiode besitzt der Winkel α Werte, die dem Pixel entsprechen, das für gleiche Zeiträume hell und dunkel ist, aufgrund der Notwendigkeit, den DC-Ausgleich des Pixels wiederherzustellen.
Die 1E zeigt die Modulation der Lichtquelle 15. Die Lichtquelle ist über die Beleuchtungsperiode jeder Anzeigeperiode eingeschaltet und während der nachfolgenden Ausgleichsperiode ausgeschaltet.
Die 1F zeigt die Lichtausgabe aus dem beispielhaften Pixel des Lichtventils 10, das von der Pixelelektrode 41 gesteuert wird. Licht wird aus dem Pixel nur während des ersten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode jeder Anzeigeperiode ausgegeben. Während des zweiten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode wird kein Licht ausgegeben. Darüber hinaus wird kein Licht während der Ausgleichsperiode der Anzeigeperiode ausgegeben, weil die Lichtquelle 15 während der Ausgleichsperiode ausgeschaltet ist. Die Lichtquelle, die für die halbe Anzeigeperiode ausgeschaltet ist, verringert die wahrgenommene maximale Helligkeit des Pixels und jedes Bilds, das von einer Anzeigevorrichtung, die eine solche konventionelle Lichtquelle enthält, erzeugt wird, erheblich.
Die Notwendigkeit, den DC-Ausgleich des ferroelektrischen Flüssigkristallmaterials des räumlichen Lichtmodulators 25 zu erhalten, bedeutet, daß das eben beschriebene reflektive Lichtventil an einem ähnlichen Lichtdurchsatzproblem leidet, wie die transmittiven Lichtventile, die vorhergehend beschrieben wurden. Demzufolge besteht ein Bedarf an einem auf einem ferroelektrischen Flüssigkristall beruhenden Lichtventil, das während der Ausgleichsperiode beleuchtet bleibt, so daß der Lichtdurchsatz des Lichtventils etwa das Doppelte von dem eines herkömmlichen Lichtventils betragen kann.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung sieht ein ferroelektrisches, auf Flüssigkeitskristallen beruhendes Lichtventil vor, das einen Lichteingang, einen Lichtausgang, einen polarisierenden Strahlteiler, einen reflektiven räumlichen Lichtmodulator und ein schaltbares λ/2-Plättchen aufweist. Licht mit einer Polarisationsrichtung parallel zu einer ersten Richtung wird durch den Lichteingang empfangen. Das Licht, das an dem Lichteingang empfangen wird, wird von dem Lichtausgang nach einer Reflexion durch den räumlichen Lichtmodulator ausgegeben. Der reflektive räumliche Lichtmodulator ist als ein λ/4-Plättchen konstruiert und besitzt eine Hauptachse, die über einen Drehwinkel Φ schaltet. Der polarisierende Strahlteiler besitzt orthogonale Richtungen maximaler Transmission und maximaler Reflexion. Eine der Richtungen ist parallel zu der ersten Richtung. Der polarisierende Strahlteiler ist in Bezug auf den Lichteingang, den Lichtausgang und den räumlichen Lichtmodulator angeordnet und ausgerichtet, um das Licht, das an dem Lichteingang empfangen wird, zu dem räumlichen Lichtmodulator zu reflektieren oder zu transmittieren, und um das Licht, das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird, und eine Polarisationsrichtung im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung aufweist, zu dem Lichtausgang zu transmittieren bzw. zu reflektieren. Das schaltbare λ/2-Plättchen ist zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem reflektiven räumlichen Lichtmodulator angeordnet, als ein λ/2-Plättchen konstruiert und weist eine Hauptachse auf, die über einen Drehwinkel θ geschaltet wird, der im wesentlichen gleich zu Φ/2 ist.
Das schaltbare λ/2-Plättchen umfaßt ein Paar von gegenüberliegenden transparenten Elektroden und eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das zwischen den Elektroden eingeschlossen ist. Das Flüssigkristallmaterial kann eine ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial oder ein nematisches Flüssigkristallmaterial sein. Alternativ kann die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens mechanisch geschaltet werden.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Erhöhen des Lichtdurchsatzes eines reflektiven Lichtventils vor, das einen DC-Ausgleich erfordert. In dem Verfahren sind ein reflektives Lichtventil, das einen reflektiven räumlichen Lichtmodulator aufweist, und ein polarisierender Strahlteiler vorgesehen. Der polarisierende Strahlteiler besitzt orthogonale Richtungen maximaler Transmission und maximaler Reflexion, von denen eine die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den reflektiven räumlichen Lichtmodulator einfällt, definiert und die andere die Polarisationsrichtung des Lichtausgangs aus dem Lichtventil definiert. Der räumliche Lichtmodulator besitzt eine Hauptachse, die zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung schaltbar ist. Die zweite Richtung liegt bei einem Winkel Φ zu der ersten Richtung. Ebenso ist ein schaltbares λ/2-Plättchen vorgesehen, das eine Hauptachse aufweist, die zwischen einer dritten Richtung und einer vierten Richtung schaltbar ist. Die vierte Richtung liegt bei einem Winkel θ zu der dritten Richtung.
Das schaltbare λ/2-Plättchen wird in das Lichtventil zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem reflektiven räumlichen Lichtmodulator mit der dritten Richtung parallel zu der ersten Richtung ausgerichtet eingesetzt. Der räumliche Lichtmodulator wird in einer ersten Zeitperiode und einer zweiten Zeitperiode, die gleich zu der ersten Zeitperiode ist, mit seiner Hauptachse in der ersten Richtung für einen Teil der ersten Zeitperiode betrieben, in der zweiten Richtung für den Rest der ersten Zeitperiode und einem Teil der zweiten Zeitperiode und in der dritten Richtung für den Rest der zweiten Zeitperiode. Der Teil der zweiten Zeitperiode ist in der Dauer gleich dem Teil der ersten Zeitperiode, und der Teil der zweiten Zeitperiode und der Rest der zweiten Zeitperiode befinden sich in einer beliebigen zeitlichen Ordnung. Das schaltbare λ/2-Plättchen wird mit seiner Hauptachse in der dritten Richtung über die erste Zeitperiode und in der vierten Richtung über die zweite Zeitperiode betrieben, wobei der Winkel θ im wesentlichen gleich zu Φ/2 ist.
Ein schaltbares λ/2-Plättchen kann vorgesehen sein, bei dem die Hauptachse zwischen der dritten Richtung und der vierten Richtung in einer Schaltzeit umschaltet und das Verfahren kann zusätzlich ein Beleuchten des Lichtventils mit Licht umfassen und ein Reduzieren der Lichtintensität während der Schaltzeit des schaltbaren λ/2-Plättchens.
Das Schalten des schaltbaren λ/2-Plättchens invertiert die Richtung des Lichtventils gegenüber der Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators angelegt wird. Wenn die erste Zeitperiode und die zweite Zeitperiode der Beleuchtungsperiode und der Ausgleichsperiode einer Anzeigeperiode entsprechen, ermöglicht das Invertieren der Richtung des Lichtventils während der Ausgleichsperiode einer Anzeigevorrichtung, die ein Lichtventil einschließt, ein positives Bild sowohl in der Beleuchtungsperiode als auch in der Ausgleichsperiode der Anzeigeperiode zu erzeugen. Demnach kann das Lichtventil sowohl während der Beleuchtungsperiode als auch während der Ausgleichsperiode beleuchtet werden. Dies verdoppelt beinahe den Lichtdurchsatz des Lichtventils der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Lichtventilen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A ist ein schematisches Diagramm eines Teils der Anzeigevorrichtung, die ein herkömmliches reflektives Lichtventil einschließt.
1B bis 1F stellen den Betrieb des herkömmlichen reflektiven Lichtventils, das in 1A gezeigt ist, dar.
2A ist ein schematisches Diagramm eines Teils einer Anzeigevorrichtung, die ein Lichtventil gemäß der Erfindung einschließt.
2B bis 2G stellen den Betrieb eines Lichtventils gemäß der Erfindung dar, das in 2A gezeigt ist.
3A ist eine Explosionsansicht eines reflektiven Lichtventils gemäß der Erfindung.
3B bis 3E zeigen das Verhältnis zwischen der Polarisationsrichtung des Lichts an den Punkten A bis D, die in der 3A gezeigt sind, und die Elemente des reflektiven Lichtventils, das in 3A gezeigt ist.
4 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Anzeigevorrichtung, die eine Ausführungsform eines reflektiven Lichtventils gemäß der Erfindung mit einem elektrisch betriebenen schaltbaren λ/2-Plättchen einschließt.
5 ist eine Vorderansicht eines Teils einer Ausführungsform eines reflektiven Lichtventils gemäß der Erfindung mit einem mechanisch betriebenen schaltbaren λ/2-Plättchen.
6 ist eine Seitenansicht eines Teils einer Anzeigevorrichtung, die eine Ausführungsform eines Lichtventils gemäß der Erfindung mit einem elektrisch betriebenen achromatischen schaltbaren λ/2-Plättchen einschließt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
2A ist ein schematisches Diagramm, das einen Teil einer Anzeigevorrichtung zeigt, die ein reflektives Lichtventil 100 gemäß der Erfindung einschließt. Das Lichtventil kann in verschiedenen Arten von Anzeigevorrichtungen eingesetzt werden, einschließlich tragbarer Miniaturvorrichtungen, Kathodenstrahlröhrenersetzungen und Projektionsanzeigen. Das Lichtventil 100 kann kontinuierlich oder weitestgehend kontinuierlich beleuchtet werden, wodurch eine Anzeigevorrichtung, die ein Lichtventil gemäß der Erfindung einschließt, mit einer maximalen Helligkeit ermöglicht wird, die etwa doppelt so groß ist, wie sie unter Verwendung eines herkömmlichen Lichtventils erzielt wird. Die in 2A gezeigten Elemente des Lichtventils, die identisch zu den Elementen des in 1A gezeigten herkömmlichen Lichtventils sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Anzeigevorrichtung umfaßt ein Lichtventil 100 mit einem Lichteingang 106, das dafür eingerichtet ist, polarisiertes Licht zu empfangen, das von der polarisierten Lichtquelle 115 erzeugt wird, und einen Lichtausgang 108, aus dem räumlich moduliertes Licht zu der Ausgangsoptik 23 ausgegeben wird. Das Lichtventil umfaßt außerdem einen polarisierenden Strahlteiler 119, den räumlichen Lichtmodulator 25 und das schaltbare λ/2-Plättchen 102. Das schaltbare λ/2-Plättchen ist zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem räumlichen Lichtmodulator angeordnet.
Die polarisierte Lichtquelle 115 erzeugt polarisiertes Licht. Das Lichtventil 100 empfängt das Licht, das von der polarisierenden Lichtquelle erzeugt wurde, an einem Lichteingang 106. Das Licht tritt von dem Lichteingang zu dem polarisierenden Strahlteiler 119 durch. Der polarisierende Strahlteiler besitzt eine Richtung maximaler Reflexion und eine Richtung maximaler Transmission, die im wesentlichen senkrecht zu der Richtung maximaler Reflexion ist. Die polarisierte Lichtquelle ist so ausgerichtet, daß die Richtung des polarisierten Lichts, das von der polarisierten Lichtquelle erzeugt wird, parallel zu der Richtung der maximalen Reflexion des polarisierenden Strahlteilers liegt. Der polarisierende Strahlteiler reflektiert das polarisierte Licht, das von der polarisierten Lichtquelle erzeugt wird, zu dem räumlichen Lichtmodulator 25. Der polarisierende Strahlteiler transmittiert auch das Licht, das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird, zu dem Lichtausgang 108, wenn die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts parallel zu seiner Richtung maximaler Transmission ist.
Alternativ können die Positionen des Lichteingangs 106 und des Lichtausgangs 108 untereinander ausgetauscht werden, und die Position der polarisierten Lichtquelle 115 und der Ausgabeoptik 23 können untereinander ausgetauscht werden. Dann kann der polarisierende Strahlteiler 119 das polarisierte Licht, das von der Lichtquelle erzeugt wird, zu dem räumlichen Lichtmodulator 25 transmittieren und kann das Licht zu dem Lichtausgang reflektieren, das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird, wenn die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts parallel zu seiner Richtung maximaler Reflexion ist.
Wenn die Lichtausgabe aus der Lichtquelle 115 nicht stark polarisiert ist, kann das Lichtventil 100 zusätzlich den Polarisator 17 aufweisen. Der Polarisator ist zwischen dem Lichteingang 106 und dem polarisierenden Strahlteiler 119 angeordnet. Der Polarisator legt die Polarisationsrichtung des Lichts fest, das von dem Lichtventil gesteuert wird, und sollte mit seiner Polarisationsrichtung parallel zu der Richtung maximaler Reflekion des polarisierenden Strahlteilers orientiert sein. Wenn die Winkeluntereilung der Transmission des polarisierenden Strahlteilers nicht ausreicht, um einen gewünschten Kontrast in dem Bild zu liefern, das von einer Anzeigevorrichtung erzeugt wird, welche das Lichtventil 100 enthält, kann das Lichtventil zusätzlich oder alternativ einen Analysator 21 aufweisen. Der Analysator ist zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem Lichtausgang 108 angeordnet. Die Bezugnahmen in dieser Offenbarung auf einen polarisierenden Strahlteiler sind so zu verstehen, daß ein polarisierender Strahlteiler alleine, ein polarisierender Strahlteiler in Kombination mit einem Polarisator oder einem Analysator oder einem Polarisator und einem Analysator und einen nicht polarisierenden Strahlteiler in Kombination mit einem Polarisator und einem Analysator umfassen.
In dem Lichtventil 100 ist das schaltbare λ/2-Plättchen 102 zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 119 und dem räumlichen Lichtmodulator 25 angeordnet. Das schaltbare λ/2-Plättchen wird simultan mit der Beleuchtungs- und Ausgleichsperiode des räumlichen Lichtmodulators betrieben, um die Richtung des Lichtventils in Bezug auf die Richtung des elektrischen Feldes zu invertieren, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators während der Ausgleichsperiode für jede Anzeigeperiode angelegt wird. Das Invertieren der Richtung des Lichtventils während der Ausgleichsperiode der Anzeigeperiode ermöglicht einer Anzeigevorrichtung, die ein Lichtventil enthält, ein positives Bild in sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode der Anzeigeperiode zu erzeugen. Somit kann das Lichtventil sowohl bei der Beleuchtungsperiode als auch bei der Ausgleichsperiode beleuchtet werden. Dies verdoppelt fast den Lichtdurchsatz durch das Lichtventil 100 im Vergleich zu dem herkömmlichen Lichtventil 10, das in 1A gezeigt ist.
Zum Invertieren der Richtung des Lichtventils 100 in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 während der Ausgleichsperiode für jede Anzeigeperiode angelegt wird, wird die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 elektrisch, magnetisch, mechanisch oder in anderer Weise zwischen zwei Zuständen umgeschaltet. In dem ersten der zwei Zustände, dem Zustand 0, beläßt das schaltbare λ/2-Plättchen die Betriebsrichtung des Lichtventils gegenüber der Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 angelegt wird, ungeändert. In diesem Zustand ist die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens vorzugsweise parallel zu der Polarisationsrichtung des Lichtausgangs von der polarisierten Lichtquelle 115 ausgerichtet. Dies entspricht der Richtung der maximalen Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119. Die Richtung der Hauptachse kann alternativ zu einem Winkel ausgerichtet sein, der ein beliebiges Vielfaches von 90° zu der Polarisationsrichtung des Lichts ist, das von der polarisierten Lichtquelle erzeugt wird. In dem zweiten der zwei Zustände, dem Zustand 1, invertiert das schaltbare λ/2-Plättchen die Betriebsrichtung des Lichtventils in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators angelegt wird. In diesem Zustand befindet sich die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens in einem von 0 verschiedenen Winkel θ in Bezug auf die Richtung der Hauptachse in dem Zustand 0.
Der Winkel θ, über den die Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 geschaltet wird, sollte die Hälfte des tatsächlichen Winkels Φ betragen, über den die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 25 geschaltet wird, d.h. θ = Φ/2. Die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators schaltet nominell über einen Winkel von 45°, wodurch die Polarisationsrichtung des Lichts, das zu dem polarisierenden Strahlteiler 119 reflektiert wird, um 90° gedreht wird. In diesem Fall sollte der Wert von θ bei 22,5° oder bei einem beliebigen gradzahligen Vielfachen von 22,5° liegen. Wenn jedoch die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators tatsächlich z.B. über 44° schaltet, wodurch die Polarisationsrichtung des zu dem Strahlteiler reflektierten Lichts um 88° gedreht wird, sollte der Wert von θ bei 22,0° liegen.
Ein Unterschied zwischen dem Winkel θ, über den die Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 geschaltet wird, und der Hälfte des tatsächlichen Winkels Φ, über den die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 25 geschaltet wird, verringert den Kontrast des Lichtventils 100. Der Kontrast des Lichtventils ist das Verhältnis zwischen der Lichtausgabe von dem Lichtventil mit seinen Pixeln in ihrem Zustand 1 und der Ausgabe von dem Lichtventil mit seinen Pixeln in ihrem Zustand 0. Die Verringerung des Kontrasts beruht im we sentlichen auf einer Erhöhung der Lichtausgabe von dem Lichtventil mit seinen Pixeln in ihrem Zustand 0. Die maximal zulässige Differenz zwischen θ und Φ/2 hängt von dem Kontrast ab, der für das Lichtventil benötigt wird, wobei eine kleinere Differenz für hohen Kontrast benötigt wird. Beispielsweise wird eine Differenz zwischen θ und Φ/2 von weniger als etwa ± 3,5° benötigt, um einen Kontrast von 10:1 zu liefern, und eine Differenz von weniger als etwas ± 1,5° wird benötigt, um einen Kontrast von 110:1 zu liefern.
2A zeigt das schaltbare λ/2-Plättchen 102, das in Reaktion auf ein Steuersignal betrieben wird, das von der Steuerschaltung 104 erzeugt wird. Die Steuerschaltung erzeugt das Steuersignal mit zwei Zuständen, die den zwei Zuständen des schaltbaren λ/2-Plättchens entsprechen. Während der Beleuchtungsperiode jeder Anzeigeperiode befindet sich das Steuersignal in einem Zustand, der das schaltbare λ/2-Plättchen auf seinen Zustand 0 einstellt. In dem Zustand 0 des schaltbaren λ/2-Plättchens befindet sich die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens parallel zu der Polarisationsrichtung des Lichts, das von dem polarisierenden Strahlteiler 119 reflektiert wird. Während der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode ist das Steuersignal in einem Zustand, der das schaltbare λ/2-Plättchen auf seinen Zustand 1 einstellt. In dem Zustand 1 des schaltbaren λ/2-Plättchens befindet sich die Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens in einem Winkel θ in Bezug auf die Richtung der Hauptachse in dem Zustand 0.
Die Steuerschaltung 104 wird außerdem gezeigt, wie sie ein zweites Steuersignal erzeugt, das die polarisierte Lichtquelle 115 steuert, um die Intensität des Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird, zu modulieren. Die Intensität des Lichts wird vorzugsweise polarisiert, weil die derzeit erhältlichen Ausführungsformen von schaltbaren λ/2-Plättchen 102 nicht instantan zwischen ihren Zuständen 0 und 1 umschalten. Das Beleuchten des Lichtventils 100 während der Zeit, in der das schaltbare λ/2-Plättchen seinen Zustand ändert, verringert die Kontrastleistung des Lichtventils. Um dieses Problem zu vermeiden, wird die Lichtquelle so moduliert, daß sie ausgeschaltet ist oder ihre Intensität erheblich reduziert ist, immer wenn der Zustand des schaltbaren λ/2-Plättchens geändert wird. Die Ausschaltzeit entspricht der Zeit, die zum Ändern des Zustands des schaltbaren λ/2-Plättchens benötigt wird.
Die Steuerschaltung 104 ist gezeigt, wie sie Steuersignale in Abhängigkeit von dem Eingangsvideosignal 43 erzeugt. Die Steuerschaltung könnte alternativ die Steuersignale in Reak tion auf ein Synchronisierungssignal erzeugen, das aus dem Eingabevideosignal von dem räumlichen Lichtmodulator 25 erzeugt wird. Als eine weitere Alternative kann das schaltbare λ/2-Plättchen 102 und die polarisierte Lichtquelle 115 durch Steuersignale gesteuert werden, die von dem räumlichen Lichtmodulator erzeugt werden. In diesem Fall wäre eine separate Steuerschaltung nicht notwendig. Schaltungsanordnungen, die geeignete Steuersignale zum Steuern des schaltbaren λ/2-Plättchens und der polarisierten Lichtquelle in Abhängigkeit zu einem Eingangsvideosignal oder einem anderen Synchronisationssignal erzeugen, sind in dem Stand der Technik gut bekannt und werden hierin nicht beschrieben.
Die praktische Ausführungsform, die nachfolgend mit Bezug auf 4 beschrieben wird, enthält ein schaltbares λ/2-Plättchen, das auf einem ferroelektrischen Flüssigkristall beruht. In dieser Ausführungsform betrug die Ausschaltzeit der polarisierten Lichtquelle 115 0,1 ms und die Beleuchtungsperiode und die Ausgleichsperiode betrugen jeweils 3,3 ms. Dadurch reduziert in dieser Ausführungsform die Modulation der Lichtquelle, wie eben beschrieben, den Lichtdurchsatz nur um ein paar Prozent.
In Anzeigevorrichtungen, in denen Einfachheit oberste Priorität hat und bei denen ein verringerter Kontrast akzeptiert wird, kann die polarisierte Lichtquelle 115 kontinuierlich eingeschaltet bleiben. Ein verringerter Kontrast ist beispielsweise in Anzeigen akzeptabel, die bei hohen Umgebungslichtstärken betrieben werden. Darüber hinaus kann es für eine Lichtquelle möglich sein, kontinuierlich eingeschaltet zu bleiben, wenn die Schaltzeiten des schaltbaren λ/2-Plättchens und des räumlichen Lichtmodulators kurz im Vergleich zu der Beleuchtungs- und Ausgleichsperiode ist.
Die 2B bis 2H zeigen den Betrieb eines beispielhaften Pixels, das von der Pixelelektrode 41 in dem Lichtventil 100, das in 2A gezeigt ist, während drei aufeinanderfolgenden Bildern des Eingabevideosignals 43 gesteuert werden. Die Pixel, die von den verbleibenden Pixelelektroden gesteuert werden, werden genauso betrieben. Jede der Anzeigenperioden entspricht einem Bild des Eingabevideosignals und enthält eine Beleuchtungsperiode (ILLUM) und eine Ausgleichsperiode (BALANCE) mit gleichen Zeitdauern, wie in der 2B gezeigt ist. Die 2C zeigt das Ansteuersignal, das an die Pixelelektrode 41 angelegt wird. Das Ansteuersignal ist das gleiche, wie vorhergehend im Zusammenhang mit 1D beschrieben wurde, und wird nicht noch einmal hier beschrieben, außer daß darauf hingewiesen wird, daß während der Ausgleichsperiode das Niveau des Ansteuersignals 0 und V für die gleichen Zeiträume ist, wie es V bzw. 0 während der Beleuchtungsperiode war, so daß das elektrische Feld, das an das Flüssigkristallmaterial des Pixels angelegt wird, sich über eine Zeitperiode zu 0 mittelt.
Die 2D zeigt den Zustand des schaltbaren λ/2-Plättchens 102. In dem Zustand 0 ist die Richtung der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens parallel zu der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts ausgerichtet, das von der polarisierten Lichtquelle 115 erzeugt wird. Dies entspricht der Richtung der maximalen Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119. Im Ergebnis verbleibt die Polarisationsrichtung des Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird, ungeändert, nachdem das Licht durch das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 0 durchgetreten ist. Wenn daher das Licht, das durch das schaltbare λ/2-Plättchen in seinen 0-Zustand durchgetreten ist, auf den räumlichen Lichtmodulator 25 auftrifft, ist seine Polarisationsrichtung parallel zu der Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators ausgerichtet, wenn der räumliche Lichtmodulator sich in seinem Zustand 0 befindet, und liegt in einem Winkel von Φ = 2θ zu der Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators, wenn der räumliche Lichtmodulator sich in seinem Zustand 1 befindet.
In dem Zustand 1 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 liegt die Richtung der Hauptachse an dem von 0 verschiedenen Winkel θ zu der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts. Der Wert von θ wird nachfolgend beschrieben. Im Ergebnis wird die Polarisationsrichtung des Lichts von der polarisierten Lichtquelle 115 über einen Winkel von 2θ beim Durchtritt durch das schaltbare λ/2-Plättchen in diesem Zustand gedreht. Wenn daher das Licht, das durch das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 1 durchgetreten ist, auf den räumlichen Lichtmodulator 25 auftrifft, befindet sich seine Polarisationsrichtung in einem Winkel Φ = 2θ zu der Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators, wenn der räumliche Lichtmodulator in seinem Zustand 0 ist, und ist parallel zu der Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators, wenn der räumliche Lichtmodulator in seinem Zustand 1 ist.
Die 2E zeigt die kombinierte Wirkung des räumlichen Lichtmodulators 25 und des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 auf die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler 119 auftrifft, nachdem es durch das schaltbare λ/2-Plättchen 102 durchgetreten ist. Die Polarisationsrichtung wird durch den absoluten Wert des Winkels α zwischen der Polarisationsrichtung des auf den polarisierenden Strahlteiler auftreffenden Lichts und der Richtung der maximalen Transmission des polarisierenden Strahlteilers angegeben. Der polarisierende Strahlteiler transmittiert Licht mit einem Winkel α nahe bei 0 und reflektiert Licht mit einem Winkel α nahe bei 90°. In dieser Figur ist die polarisierte Lichtquelle 115 unmoduliert, um die Zeitabfolge der Änderungen in der Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler auftrifft, zu zeigen.
Im Unterschied zur 1D ist die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler 119 auftrifft, die gleiche während der ersten zeitlichen Abschnitte 1 TP von sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode und ist die gleiche während der zweiten zeitlichen Abschnitte 2 TP von sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode. Dadurch invertiert das Schalten des schaltbaren λ/2-Plättchens in seinen Zustand 0 während der Beleuchtungsperiode und in seinen Zustand 1 während der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode die Richtung des Lichtventils 100 in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 angelegt wird. Dies bewirkt, daß das Lichtventil in der gleichen Richtung sowohl während der Beleuchtungsperiode als auch während der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode betrieben wird. Dadurch kann das Lichtventil während sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode beleuchtet werden und eine Anzeigevorrichtung, welche das Lichtventil enthält, erzeugt ein positives Bild in sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode.
Die 2F zeigt die Modulation des Lichts, das von der polarisierten Lichtquelle 115 erzeugt wird. Die Lichtquelle ist die meiste Zeit über die Beleuchtungsperiode und die meiste über die Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode eingeschaltet und ist nur während der kurzen Perioden ausgeschaltet, in denen das schaltbare λ/2-Plättchen 102 den Zustand ändert.
Die 2G zeigt die Lichtausgabe aus dem Lichtventil 100. In dieser Figur wird die polarisierte Lichtquelle 115 moduliert, wie in 2F gezeigt ist. Die Dauern der zeitlichen Abschnitte von sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode, während denen Licht ausgegeben wird, sind die gleichen. Da die polarisierte Lichtquelle 115 moduliert wird, wie in 2F gezeigt ist, wird das Lichtventil während der Schaltungsübergänge des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 nicht beleuchtet.
Die 3A bis 3E stellen die Einwirkungen des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25 auf die Polarisationsrichtung des Lichts, das durch das Lichtventil 100 durchtritt, an vier verschiedenen Punkten entlang des optischen Weges des Lichtventils und in vier möglichen Kombinationen der Zustände 0 und 1 des schaltbaren λ/2-Plättchens und des räumlichen Lichtmodulators dar. Die Punkte entlang des optischen Weges sind als A bis D in der Explosionsansicht des Lichtventils, die in 3A gezeigt ist, markiert. Die Punkte sind der Punkt A, an dem das an dem Lichteingang 106 empfangene polarisierte Licht in das schaltbare λ/2-Plättchen 102 nach der Reflexion an dem polarisierendem Strahlteiler 119 eintritt; der Punkt B, an dem das durch das schaltbare λ/2-Plättchen transmittierte Licht in den räumlichen Lichtmodulator eintritt; der Punkt C, an dem das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierte Licht in das schaltbare λ/2-Plättchen eintritt; und der mit D bezeichnete Punkt, an dem das durch das schaltbare λ/2-Plättchen transmittierte Licht in den polarisierenden Strahlteiler 119 eintritt.
In dem gezeigten Beispiel sind in den Zuständen 0 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25 die Hauptachsen 110 und 114 dieser Elemente beide parallel zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119 ausgerichtet, die der Polarisationsrichtung des Lichts entspricht, das an dem Lichteingang empfangen wird. Ferner dreht die Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens über einen Winkel von 22,5° und die Hauptachse 114 des räumlichen Lichtmodulators dreht über einen Winkel von 45° zwischen dem Zustand 0 und dem Zustand 1 dieser Elemente.
Die 3B zeigt die Wirkungen des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25, wenn sich beide in ihren Zuständen 0 befinden. In diesem Zustand sind die Hauptachse 110 und 114 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 bzw. des räumlichen Lichtmodulators 25 beide parallel zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119. Demzufolge liegt die Polarisationsrichtung 112 des Lichts, das an dem Lichteingang 106 empfangen wird und von dem polarisierendem Strahlteiler reflektiert wird, parallel zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens in seinem Zustand 0, wie bei A gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen transmittiert daher das an der Lichteingabe empfangene Licht ohne eine Änderung der Polarisationsrichtung dieses Lichts.
Die Polarisationsrichtung 116 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchens transmittierten Licht liegt parallel zu der Hauptachse 114 des räumlichen Lichtmodulators 25 in seinem Zustand 0, wie bei B gezeigt ist. Der räumliche Lichtmodulator reflektiert daher das Licht, das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittiert wird, ohne eine Änderung der Polarisationsrichtung dieses Lichts.
Die Polarisationsrichtung 118 des von dem räumlichen Lichtmodulator 25 reflektierten Lichts liegt parallel zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 in seinem Zustand 0, wie bei C gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen transmittiert daher das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierte Licht ohne eine Änderung der Polarisationsrichtung dieses Lichts.
Die Polarisationsrichtung 120 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts ist senkrecht zu der Richtung maximaler Transmission 122 des polarisierenden Strahlteilers 119, wie bei D gezeigt ist. Der Strahlteiler reflektiert das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierte Licht von dem Lichtausgang 108 weg, so daß das Pixel, das von der Pixelelektrode 41 gesteuert wird, dunkel erscheint.
Die 3C zeigt die Wirkungen des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25, wenn sich das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 0 und der räumliche Lichtmodulator in seinem Zustand 1 befinden. In diesem Zustand liegt die Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 parallel zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119 und die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 25 liegt in einem Winkel von Φ = 45° zu dieser Achse. Demzufolge liegt die Polarisationsrichtung 112 des Lichts, das an dem Lichteingang 106 empfangen und von dem polarisierenden Strahlteiler reflektiert wird, parallel zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens in seinem Zustand 0, wie bei A gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen transmittiert daher das an dem Lichteingang empfangene Licht ohne eine Änderung der Polarisationsrichtung dieses Lichts.
Die Polarisationsrichtung 116 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts liegt bei einem Winkel von Φ = 45° zu der Hauptachse 114 des räumlichen Lichtmodulators 25 in seinem Zustand 1, wie bei B gezeigt ist. Der räumliche Lichtmodulator dreht daher die Polarsationsrichtung des Lichts, das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittiert wird, über 90°, wenn es dieses Licht reflektiert. Die Polarisationsrichtung des Lichts bei B nach der Reflexion ist bei 124 gezeigt.
Die Polarisationsrichtung 118 des von dem räumlichen Lichtmodulator 25 reflektierten Lichts liegt bei einem Winkel von 90° zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 in seinem Zustand 0, wie bei C gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen beläßt daher die Polarisationsrichtung des Lichts, das von dem räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird, ungeändert, wenn es dieses Licht transmittiert.
Die Polarisationsrichtung 120 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts liegt parallel zu der Richtung der maximalen Transmission 122 des polarisierenden Strahlteilers 119, wie bei D gezeigt ist. Der Strahlteiler transmittiert daher das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierte Licht zu dem Lichtausgang 108, und das von der Pixelelektrode 41 gesteuerte Pixel erscheint hell.
Die 3D zeigt die Wirkungen des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25, wenn das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 1 und der räumliche Lichtmodulator in seinem Zustand 0 ist. In diesem Zustand liegt die Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 bei einem Winkel von θ = 22,5° zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteiler 119 und die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 25 liegt parallel zu dieser Richtung. Demzufolge liegt die Polarisationsrichtung 112 des Lichts, das an dem Lichteingang 106 empfangen wird und von dem polarisierenden Strahlteiler reflektiert wird, bei einem Winkel von 22,5° zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens in seinem Zustand 1, wie bei A gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen dreht daher die Polarisationsrichtung des Lichts, das an dem Lichteingang empfangen wird, über 45°, wenn es dieses Licht transmittiert.
Die Polarisationsrichtung 116 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts liegt bei einem Winkel von 45° zu der Hauptachse 114 des räumlichen Lichtmodulators 25 in seinem Zustand 0, wie bei B gezeigt ist. Der räumliche Lichtmodulator dreht daher die Polarisationsrichtung des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierten Lichts über 90°, wenn er dieses Licht reflektiert. Die Polarisationsrichtung des Lichts bei B nach der Reflexion ist bei 124 gezeigt.
Die Polarisationsrichtung 118 des von dem räumlichen Lichtmodulators 25 reflektierten Lichts liegt bei einem Winkel von 67,5° zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 in seinem Zustand 1, wie bei C gezeigt ist. Die Polarisationsrichtung, die bei 118 gezeigt ist, ist das Spiegelbild der Polarisationsrichtung, die bei 124 gezeigt ist, weil die Ansicht in C in der entgegengesetzten Richtung zu der Ansicht in B ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen dreht daher die Polarisationsrichtung des von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierten Lichts über 135°, wenn es dieses Licht transmittiert.
Die Polarisationsrichtung 120 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts liegt parallel zu der Richtung maximaler Transmission 122 des polarisierenden Strahlteilers 119, wie bei D gezeigt ist. Der Strahlteiler transmittiert daher das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierte Licht zu dem Lichtausgang 108, und das von der Pixelelektrode 41 gesteuerte Pixel erscheint hell.
Die 3E zeigt die Wirkungen des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 und des räumlichen Lichtmodulators 25, wenn sich beide in ihrem Zustand 1 befinden. In diesem Zustand liegt die Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 bei einem Winkel von θ = 22,5° zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119, und die Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 25 liegt bei einem Winkel von Φ = 45° zu dieser Richtung. Demzufolge liegt die Polarisationsrichtung 112 des Lichts, das an dem Lichteingang 106 empfangen wird und von dem polarisierenden Strahlteiler 119 reflektiert wird, bei einem Winkel von 22,5° zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens in seinem Zustand 1, wie bei A gezeigt ist. Das schaltbare λ/2-Plättchen dreht daher die Polarisationsrichtung des Lichts, das an dem Lichteingang empfangen wird, über 45°, wenn es dieses Licht transmittiert.
Die Polarisationsrichtung 116 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts liegt parallel zu der Hauptachse 114 des räumlichen Lichtmodulators 25 in seinem Zustand 1, wie bei B gezeigt ist. Der räumliche Lichtmodulator reflektiert das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierte Licht daher ohne eine Änderung der Polarisationsrichtung dieses Lichts. Die Polarisationsrichtung des Lichts bei B nach der Reflexion ist bei 124 gezeigt, die sich in der Richtung mit 116 deckt.
Die Polarisationsrichtung 118 des von dem räumlichen Lichtmodulator 25 reflektierten Lichts liegt bei einem Winkel von 22,5° zu der Hauptachse 110 des schaltbaren λ/2-Plättchens 102 in seinem Zustand 1, wie bei C gezeigt ist. Die bei 118 gezeigte Polarisationsrichtung ist das Spiegelbild der Polarisationsrichtung, die bei 124 gezeigt ist, weil die Ansicht in C in der entgegengesetzten Richtung zu der Ansicht in B liegt. Das schaltbare λ/2-Plättchen dreht daher die Polarisationsrichtung des von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierten Lichts über 45°, wenn es dieses Licht transmittiert.
Die Polarisationsrichtung 120 des von dem schaltbaren λ/2-Plättchen 102 transmittierten Lichts ist orthogonal zu der Richtung maximaler Transmission 122 des polarisierenden Strahlteilers 119, wie bei D gezeigt ist. Der Strahlteiler reflektiert daher das von dem schaltbaren λ/2-Plättchen transmittierte Licht von dem Lichtausgang 108 weg, so daß das von der Pixelelektrode 41 gesteuerte Pixel dunkel erscheint.
Durch Vergleich der 3B und 3D sieht man, daß, wenn der räumliche Lichtmodulator 25 in seinem Zustand 0 ist, die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler 119 auftrifft, orthogonal zu (Pixel dunkel) und parallel zu (Pixel hell) der Richtung der maximalen Transmission 122 liegt, wenn sich das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 0 bzw. in seinem Zustand 1 befindet. Gleichzeitig kann man durch Vergleich der 3C und 3E sehen, daß, wenn der räumliche Lichtmodulator sich in seinem Zustand 1 befindet, die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler auftrifft, parallel zu (Pixel hell) und orthogonal zu (Pixel dunkel) der Richtung der maximalen Transmission ist, wenn sich das schaltbare λ/2-Plättchen in seinem Zustand 0 bzw. in seinem Zustand 1 befindet. Die Dauer des Zustands 1 des räumlichen Lichtmodulators während der Beleuchtungsperiode ist die gleiche wie die Dauer des Zustands 0 während der folgenden Ausgleichsperiode. Die Zustandsänderung des schaltbaren λ/2-Plättchens zwischen der Beleuchtungsperiode und der Ausgleichsperiode invertiert jedoch die Richtung des Lichtventils 100 in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an das Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 angelegt wird. Demzufolge liegt die Polarisationsrichtung des Lichts, das auf den polarisierenden Strahlteiler auftrifft, bei dem gleichen Winkel gegenüber der Richtung der maximalen Transmission während des gleichen zeitlichen Abschnitts von sowohl der Beleuchtungsperiode als auch der Ausgleichsperiode.
Die 4 zeigt eine Ausführungsform 200 eines Lichtventils gemäß der Erfindung, in welchem der Zustand des schaltbaren λ/2-Plättchens elektrisch geschaltet wird. Das Lichtventil ist als ein konstituierender Teil einer Anzeigevorrichtung gezeigt. In dieser Ausführungsform beruht das schaltbare λ/2-Plättchen 202 auf einer Schicht eines Flüssigkristallmaterials, das zwischen zwei transparenten Elektroden eingeschlossen ist, und ist auf der transparenten Abdeckung des räumlichen Lichtmodulators 225 aufgebaut. Elemente der in 4 gezeigten Ausführungsform, die der 2 gezeigten Ausführungsform entsprechen, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hierin nicht noch einmal beschrieben.
In dem Lichtventil 200 umfaßt der räumliche Lichtmodulator 225 die erste transparente Abdeckung 237, welche die transparenten Elektroden 233 und 251 an gegenüberliegenden Hauptoberflächen trägt. Die transparente Elektrode 233 ist die transparente Elektrode des räumlichen Lichtmodulators. Die transparente Elektrode 251 ist eine der transparenten Elektroden des schaltbaren λ/2-Plättchens 202. Das schaltbare λ/2-Plättchen umfaßt zusätzlich eine zweite transparente Abdeckung 253, welche die transparente Elektrode 255 trägt. Der Abstandshalter 257 trennt die transparenten Abdeckungen 237 und 253 voneinander. Die Schicht des Flüssigkristallmaterials 259 ist zwischen den transparenten Elektroden 251 und 255 eingeschlossen.
Die Steuerschaltung 104 erzeugt ein Steuersignal, das zwei Spannungszustände 0 und V₂ aufweist. In Reaktion auf das Videoeingangssignal 43 erzeugt die Steuerschaltung das Steuersignal in seinem Zustand 0 während der Beleuchtungsperiode und in seinem Zustand V₂ während der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode. Das Steuersignal, das von der Steuerschaltung erzeugt wird, ist mit der transparenten Elektrode 255 verbunden. Die transparente Elektrode 251 ist mit einer Konstantspannungsquelle (nicht gezeigt) verbunden, die eine Spannung von V₂/2 erzeugt. Wenn der Wert von V₂ der gleiche wie V ist, d.h. der Spannung, welche die Pixelelektroden des räumlichen Lichtmodulators 225 ansteuert, können die transparenten Elektroden 251 und 255 mit der gleichen Konstantstromquelle verbunden werden.
Die Flüssigkristallschicht 259 kann eine Schicht aus einem Material eines oberflächenstabilisierten ferroelektrischen Flüssigkristalls (SSFLC) sein, das mit seiner Hauptachse parallel zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119 orientiert ist. Beispielsweise kann das SSFLC-Material ein smektisches-C* ferroelektrisches Flüssigkristallma terial mit einem Winkel von 11,25° zwischen seinem Direktor und der Normalen zu seinen smektischen Schichten sein. Ein Umkehren der Richtung des elektrischen Felds, das an dieses Flüssigkristallmaterial angelegt wird, schaltet den Direktor des Materials über 22,5°. Ein smektisches-C* ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial mit einem Winkel von 11,25° zwischen seinem Direktor und der Normalen zu seinen smektischen Schichten ist nicht kommerziell erhältlich, kann jedoch kundenspezifisch durch Anbieter von Flüssigkristallmaterialien hergestellt werden. Alternativ kann ein kommerziell erhältliches smektisches-C* ferroelektrisches Flüssigkristallmaterial mit einem Winkel von 22,5° zwischen seinem Direktor und der Normalen zu seinen smektischen Schichten bei Temperaturen innerhalb eines normalen Betriebstemperaturenbereichs mit einem Winkel von 11,25° zwischen seinem Direktor und der Normalen zu seinen smektischen Schichten durch ein Betreiben des Flüssigkristallmaterials bei einer geeigneten Temperatur außerhalb seines normalen Betriebstemperaturbereichs festgelegt werden.
Die Dicke der Flüssigkristallschicht 259 ist durch den Abstand zwischen den transparenten Elektroden 251 und 255 definiert. Dieser Abstand wird auf eine Distanz eingestellt, die gleich zu λ/(2Δn) ist, wobei λ eine Wellenlänge in der Mitte des sichtbaren Bereichs (550 nm in diesem Beispiel) und Δn die Differenz zwischen dem schnellen und langsamen Brechungsindex des SSFLC-Materials ist. Eine Schicht dieser Dicke erzeugt eine Phasenverschiebung von 90° an der Konstruktionswellenlänge λ und eine Phasenverschiebung nahe bei 90° bei anderen Wellenlängen.
Alternativ kann das SSFLC-Material der Flüssigkristallschicht 259 ein smektisches Typ A* Flüssigkristallmaterial sein. Mit diesem Material als Flüssigkristallschicht wird die transparente Elektrode 251 mit Masse (0 V) verbunden. Der Winkel, über den die Hauptachse eines solchen Materials in Reaktion auf ein elektrisches Feld dreht, hängt von der angelegten Spannung zwischen den Elektroden 251 und 255 ab. Dies ermöglicht den Wert von θ, d.h. den Drehwinkel der Hauptachse des schaltbaren λ/2-Plättchens 202, auf exakt die Hälfte des tatsächlichen Drehwinkels Φ der Hauptachse des räumlichen Lichtmodulators 225 einzustellen. Dies kann durch eine geeignete Wahl der Spannung V ausgeführt werden, die an die transparente Elektrode 255 in dem Zustand 1 des schaltbaren λ/2-Plättchens angelegt wird.
Die 4 zeigt die transparente Elektrode 251, die von der gleichen transparenten Abdeckplatte 237 getragen wird, wie die transparente Elektrode 233 des räumlichen Lichtmodulators 225. Dies ist jedoch nicht kritisch. Das schaltbare λ/2-Plättchen 202 und der räumliche Lichtmodulator 225 können als unabhängige Komponenten konstruiert sein. In diesem Fall wird eine dritte transparente Abdeckplatte vorgesehen, und jede der transparenten Elektroden 233, 251 und 255 wird von einer unterschiedlichen transparenten Abdeckplatte getragen. Es ist bevorzugt, wenigstens die transparenten Abdeckplatten, die die transparenten Elektroden 237 und 251 tragen, mit einer Schicht aus einem Antireflexionsmaterial zu beschichten, um Mehrfachreflexionen zwischen benachbarten Abdeckplatten vorzubeugen.
Andere Formen von elektrisch betriebenen schaltbaren λ/2-Plättchen können benutzt werden. Zum Beispiel kann das schaltbare λ/2-Plättchen aus einem elektrooptischen Material gebildet werden, an das eine Spannung angelegt wird, um die Doppelbrechung des optischen Materials während der Ausgleichsperiode jeder Anzeigeperiode zu ändern.
Schließlich kann das schaltbare λ/2-Plättchen 102 mechanisch geschaltet werden. Beispielsweise zeigt 5 einen Teil einer Ausführungsform 300 eines Lichtventils gemäß der Erfindung, das ein Beispiel eines mechanisch betriebenen schaltbaren λ/2-Plättchens 302 umfaßt. Das Rad 361 ist drehbar an dem Stift 363 zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 119 (3) und dem räumlichen Lichtmodulator 25 montiert. In dem Rad sind in regelmäßigen Winkelabständen Fenster ausgebildet, die eine Abmessung aufweisen, die etwas größer als die aktive Fläche des räumlichen Lichtmodulators ist. Ein beispielhaftes Fenster ist bei 365 gezeigt. Das Rad ist so angeordnet, daß das Fenster nacheinander die aktive Fläche 367 des räumlichen Lichtmodulators aufdeckt, wenn sich das Rad dreht.
Herkömmliche λ/2-Plättchen sind in jedem der Fenster angebracht. Das beispielhafte λ/2-Plättchen 396 ist in dem Fenster 371 angebracht und gezeigt. Jedes sich abwechselnde λ/2-Plättchen ist so orientiert, daß die Hauptachse 373 des λ/2-Plättchens in einem Winkel θ zu der Polarisationsrichtung des am Lichteingang 106 (3) empfangenen Lichts liegt und auch in einem Winkel θ zu der Richtung der maximalen Reflexion des polarisierenden Strahlteilers 119, wenn das Fenster, in dem das λ/2-Plättchen angebracht ist, zu dem räumlichen Lichtmodulator 25 ausgerichtet ist. Jedes weitere λ/2-Plättchen ist so orientiert, daß die Hauptachse des λ/2-Plättchens parallel zu der Polarisationsrichtung des an dem Lichteingang 106 (3) empfangenen Lichts liegt und parallel zu der Richtung maximaler Reflexion des polarisierenden Strahlteilers, wenn das Fenster, in dem das λ/2-Plättchen angebracht ist, zu dem räumlichen Lichtmodulator ausgerichtet ist. Die λ/2-Plättchen, deren Hauptachse parallel zu der Polarisationsrichtung des Lichts liegen, das von der polarisierten Lichtquelle erzeugt wird, können auch weggelassen werden.
Das Rad 361 kann schrittweise durch einen Schrittmotor 357 in Reaktion auf ein Steuersignal, das von der Steuerung 304 erzeugt wird, gedreht werden. Die Steuerschaltungen, die in der Lage sind, ein geeignetes Steuersignal aus dem Eingangsvideosignal 43 oder aus einem Synchronisationssignal hervorzubringen, sind im Stand der Technik gut bekannt und werden daher hierin nicht beschrieben. Der Motor dreht das Rad schrittweise und ist stationär über die Zeiträume, in die polarisierte Lichtquelle (nicht gezeigt) das Lichtventil beleuchtet. Die 5 zeigt die Position des Rades während der Beleuchtungsperiode einer willkürlichen Anzeigeperiode. In dieser ist die aktive Fläche 367 des räumlichen Lichtmodulators 25 dem Licht ausgesetzt, das durch das an dem Fenster 365 angebrachten λ/2-Plättchens transmittiert. Da die Hauptachse des λ/2-Plättchens, das in dem Fenster 365 angebracht ist, parallel zu der Polarisationsrichtung des an dem Lichteingang 106 empfangenen Lichts und parallel zu dem von dem räumlichen Lichtmodulator reflektierten Lichts liegt, ändert das λ/2-Plättchen 302 in der gezeigten Position die Polarisationsrichtung des Lichts, das durch es hindurch zu dem räumlichen Lichtmodulator 25 transmittiert wird, nicht.
Während der Periode keiner Beleuchtung zwischen der Beleuchtungsperiode und der nachfolgenden Ausgleichsperiode dreht der Schrittmotor 375 schrittweise das Rad 302 über 60° in die Richtung des Pfeils 377, so daß die aktive Fläche 367 des räumlichen Lichtmodulators 25 über dem Fenster 371 während der Ausgleichsperiode aufgedeckt ist. Das λ/2-Plättchen 369, das in dem Fenster 371 angebracht ist, bewirkt durch das λ/2-Plättchen 302 eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts, das durch es hindurch zu dem räumlichen Lichtmodulator 25 tritt und nach der Reflexion an dem räumlichen Lichtmodulator. Im Ergebnis invertiert das schaltbare λ/2-Plättchen 302 die Richtung des Lichtventils 300 in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an dem Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 angelegt ist, wie vorhergehend beschrieben.
Alternativ können die Fenster 365 und 371 in dem Rad 361 oder einer anderen geeignet geformten drehbaren Struktur ausgebildet sein. λ/2-Plättchen sind in Fenstern angebracht, eines mit seiner Hauptachse parallel zu der Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle erzeugten Lichts und eines mit seiner Hauptachse in einem Winkel von θ zu der Polarisationsrichtung des von der Lichtquelle erzeugten Lichts. In diesem Fall dreht der Motor 375 das Rad schrittweise in die Richtung, die durch den Pfeil 377 angezeigt ist, zwischen der Beleuchtungsperiode und der Ausgleichsperiode einer gegebenen Anzeigeperiode, und dreht anschließend das Rad schrittweise in die entgegengesetzte Richtung zwischen der Ausgleichsperiode der Anzeigeperiode und der Beleuchtungsperiode der nächsten Anzeigeperiode. Das λ/2-Plättchen mit seiner Hauptachse parallel zu der Polarisationsrichtung des von der polarisierten Lichtquelle erzeugten Lichts kann optional auch weggelassen werden, wie vorhergehend beschrieben.
In einem Lichtventil für eine Farbanzeige, in der die polarisierte Lichtquelle (nicht gezeigt) nacheinander das Lichtventil 300 mit Licht verschiedener Farben beleuchtet, besitzen die drei λ/2-Plättchen, deren Hauptachsen in einem Winkel von θ zu der Polarisationsrichtung des von der polarisierten Lichtquelle erzeugten Lichts liegen, vorzugsweise drei verschiedene Dicken und das schrittweise Drehen des Rades 361 ist synchronisiert mit der Farbe des Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird, so daß Licht einer gegebenen Farbe immer durch das gleiche der λ/2-Plättchen hindurchtritt. Das schaltbare λ/2-Plättchen 302 liefert dann eine Phasenverschiebung von exakt 180° für jede Farbe des Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird. Dies maximiert den Kontrast, der durch das Lichtventil 300 bei allen drei Farben des von der Lichtquelle erzeugten Lichts geliefert wird.
Wie eben erwähnt, ist der Kontrast des Lichtventils gemäß der Erfindung maximiert, wenn das schaltbare λ/2-Plättchen als ein λ/2-Plättchen konstruiert ist, das eine Phasenverschiebung von exakt 180° liefert. In der praktischen Ausführungsform des Lichtventils, die in 4 gezeigt ist, liefert das schaltbare λ/2-Plättchen 202 eine Phasenverschiebung von exakt 180° nur bei einer Wellenlänge, die als Konstruktionswellenlänge bezeichnet wird. In einer Farbanzeige entspricht die Konstruktionswellenlänge normalerweise der Wellenlänge des grünen Lichts, das von der polarisierten Lichtquelle 115 erzeugt wird. Bei den Wellenlängen des roten und blauen Lichts, das von der Lichtquelle erzeugt wird, weicht die Phasenverschiebung, die von dem schaltbaren λ/2-Plättchen erzeugt wird, üblicherweise von den erforderlichen 180° ab. Im Ergebnis ist der Kontrast üblicherweise geringer, wenn das Lichtventil mit rotem Licht oder blauem Licht beleuchtet wird, als der Kontrast bei einer Beleuchtung mit grünem Licht.
6 zeigt eine Ausführungsform des Lichtventils gemäß der Erfindung, bei dem das achromatische schaltbare λ/2-Plättchen 402 die gleiche Phasenverschiebung bei allen drei Beleuchtungswellenlängen liefert. Elemente der in 6 gezeigten Ausführungsformen, die den Elementen der in 2A und 4 gezeigten Ausführungsformen entsprechen, sind unter Verwendung der gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden hier nicht wieder beschrieben.
In dem in 6 gezeigten Lichtventil 400 invertiert das achromatische schaltbare λ/2-Plättchen 402 während jeder Ausgleichsperiode die Richtung des Lichtventils in Bezug auf die Richtung des elektrischen Felds, das an dem Flüssigkristallmaterial des räumlichen Lichtmodulators 25 angelegt ist. Ein geeignetes achromatisches schaltbares λ/2-Plättchen wird von Sharp et al. in dem US-Patent Nr. 5 658 490 beschrieben, dessen gesamter Offenbarungsumfang in dieser Offenbarung im Wege der Bezugnahme aufgenommen wird. Alternativ können andere Arten von achromatischen schaltbaren λ/2-Plättchen als das achromatische schaltbare λ/2-Plättchen anstelle des gezeigten Beispiels benutzt werden.
In dem in 6 gezeigten Beispiel umfaßt das achromatische schaltbare λ/2-Plättchen 402 das feste λ/4-Plättchen 481, wobei das schaltbare λ/2-Plättchen 483 und das feste λ/4-Plättchen 485 hintereinander entlang des optischen Wegs zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 119 und dem räumlichen Lichtmodulator 25 angeordnet sind.
Die festen λ/4-Plättchen 481 und 485 können aus einem beliebigen geeigneten doppelbrechenden Material, wie Quarz, Mika, gedehnte Filme solcher Polymere wie Polyester oder Polykarbonaten, Polymerflüssigkristallfilmen oder anderen geeigneten Materialien hergestellt sein. Die festen λ/4-Plättchen sollten jeweils eine Dicke besitzen, die eine Phasenverschiebung von 90° bei der oben beschriebenen Konstruktionswellenlänge liefern.
Die Struktur des schaltbaren λ/2-Plättchens 483 ist ähnlich zu der des schaltbaren λ/2-Plättchens 202, das vorhergehend im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde. Das schaltbare λ/2-Plättchen 483 umfaßt jedoch eine transparente Abdeckplatte 487 und teilt sich daher keine gemeinsamen Elemente mit dem räumlichen Lichtmodulator 25.
Die 6 zeigt die festen λ/4-Plättchen 481 und 485, das geschaltete λ/2-Plättchen 483 und den räumlichen Lichtmodulator 25 als separate Elemente. In einer praktischen Ausführungs form sind die Elemente jedoch mit einem brechungsindexanpassenden Kitt aneinander angebracht, um eine strukturelle Einheitlichkeit zur Verfügung zu stellen und optische Verluste zu reduzieren.
Das schaltbare λ/2-Plättchen der in 5 gezeigten Ausführungsform kann achromatisch gemacht werden, wie in der Beschreibung dieser Figur beschrieben, oder durch Ersetzen jedes der λ/2-Plättchen, die in dem Rad 361 angebracht sind, durch ein dreikomponentiges achromatisches λ/2-Plättchen, das ähnlich zu dem vorhergehend im Zusammenhang mit der 6 beschriebenen ist. Anstelle des schaltbaren λ/2-Plättchens 483, das vorhergehend im Zusammenhang mit der 6 beschrieben wurde, würde jedes dreikomponentige achromatische λ/2-Plättchen ein festes λ/2-Plättchen mit einer Dicke enthalten, die eine Phasenverschiebung von exakt 180° bei der Konstruktionswellenlänge liefert.
Die Erfindung wurde in Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators orthogonal zueinander sind. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht kritisch. Die Richtung des räumlichen Lichtmodulators kann umgekehrt werden und die Polarisationsrichtungen des Polarisators und des Analysators können parallel zueinander sein. Dies erfordert jedoch, daß der Strahlteiler ein nicht polarisierender Strahlteiler ist.
Die Erfindung wurde in Bezug auf Beispiele beschrieben, in denen der polarisierende Strahlteiler das Licht, das von der polarisierenden Lichtquelle erzeugt wird, reflektiert und das Licht, das von dem reflektiven räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird, transmittiert. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht kritisch. Die Positionen des Lichteingangs und des Lichtausgangs können untereinander ausgetauscht werden, die Positionen der polarisierten Lichtquelle und der Ausgabeoptik kann untereinander ausgetauscht werden und der polarisierende Strahlteiler kann das Licht transmittieren, das von der polarisierenden Lichtquelle erzeugt wird, und kann das Licht reflektieren, das von dem reflektiven räumlichen Lichtmodulator reflektiert wird. In diesem Fall werden die Verweise in dieser Offenbarung auf die Richtung maximaler Reflexion des Strahlteilers zu Verweisen auf die Richtung maximaler Transmission, und die Verweise auf die Richtung maximaler Transmission des Strahlteilers werden zu Verweisen auf die Richtung maximaler Reflexion.
Die Erfindung wurde mit Bezug auf Beispiele beschrieben, in denen Pixel des Lichtventils während des ersten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode und der Ausgleichsperiode hell sind und während des zweiten zeitlichen Abschnitts der Beleuchtungsperiode und der Ausgleichsperiode dunkel sind. Dies ist jedoch für die Erfindung nicht kritisch. Die Pixel des Lichtventils können während der zweiten zeitlichen Abschnitte hell sein, wobei sie in diesem Fall während der ersten zeitlichen Abschnitte dunkel sind. Wenn der erste zeitliche Abschnitt dem zweiten zeitlichen Abschnitt der Beleuchtungsperiode vorausgeht, kann als eine weitere Alternative der erste zeitliche Abschnitt dem zweiten zeitlichen Abschnitt der Ausgleichsperiode nachfolgen.
Obgleich diese Offenbarung veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung detailliert beschreibt, so ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht durch die präzise beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird, ausgeführt werden können.

Claims

Ferroelektrisches, auf Flüssigkristallen beruhendes Lichtventil (100, 200, 300, 400), das folgendes umfaßt: einen Lichteingang (106), durch den Licht mit einer Polarisationsrichtung parallel zu einer ersten Richtung empfangen wird, einen reflektierenden, räumlichen Lichtmodulator (25, 225), der als ein Lambda/4-Plättchen strukturiert ist und eine Hauptachse (114) besitzt, die über einen Drehwinkel ϕ geschaltet wird, eine Lichtausgabe (108), durch die das am Lichteingang empfangene Licht nach einer Reflexion von den räumlichen Lichtmodulator ausgegeben wird, einen polarisierenden Strahlteiler (119) mit orthogonalen Richtungen maximaler Transmission und maximaler Reflexion, wobei eine der Richtungen parallel zu der ersten Richtung ist, der polarisierende Strahlteiler gegenüber der Lichteingabe, der Lichtausgabe und dem räumlichen Lichtmodulator so angeordnet und ausgerichtet ist, um das an dem Lichteingang empfangene Licht zu dem räumlichen Lichtmodulator zu reflektieren oder zu transmitieren, und um das von den räumlichen Lichtmodulator reflektierte Licht zu dem Lichtausgang zu transmitieren oder zu reflektieren, und der eine Polarisationsrichtung aufweist, die im wesentlichen senkrecht zu der ersten Richtung liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lambda/2-Plättchen (102, 202, 302, 402) zwischen dem polarisierende Strahlteiler und dem reflektierenden räumlichen Lichtmodulator angeordnet ist, wobei das schaltbare Lambda/2-Plättchen als ein Lambda/2-Plättchen aufgebaut ist und eine Hauptachse (110) aufweist, die über einem Drehwinkel B geschaltet wird, der im wesentlichen gleich zu ϕ/2 ist.
Lichtventil nach Anspruch 1, bei dem das schaltbare Lambda/2-Plättchen folgendes umfaßt: ein Paar sich gegenüberliegender transparenter Elektroden (251, 255), eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials (259), die zwischen den Elektroden eingeschlossen ist, und eine Steuerschaltung (104), die ein Steuersignal mit einem Zustand 0 und einem Zustand 1 erzeugt, die dem Zustand 0 und dem Zustand 1 des schaltbaren Lambda/2-Plättchen entsprechen, wobei das Steuersignal mit den Elektroden gekoppelt ist, um ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden zu erzeugen, wobei sich das elektrische Feld in Reaktion auf den Zustand 1 und den Zustand 0 des Steuersignals ändert.
Lichtventil nach Anspruch 1, bei dem das schaltbare Lambda/2-Plättchen eine Platte eines elektrooptischen Materials umfaßt und das Lichtventil zusätzlich eine Steuerschaltung umfaßt, die ein Steuersignal mit einem Zustand 0 und einem Zustand 1 entsprechend dem Zustand 0 und dem Zustand 1 des schaltbaren Lambda/2-Plättchens erzeugt, wobei das Steuersignal mit dem elektrooptischen Material gekoppelt ist, um eine doppelbrechende Eigenschaft des elektrooptischen Materials in einem der Zustände des schaltbaren Lambda/2-Plättchens zu ändern.
Lichtventil nach Anspruchs 1, bei dem das schaltbare Lambda/2-Plättchen folgendes umfaßt: ein erstes Lambda/2-Plättchen mit einer Hauptachse, die im wesentlichen parallel zu der ersten Richtung ausgerichtet ist, ein zweites Lambda/2-Plättchen (369) mit einer Hauptachse, die um einen Winkel B gegenüber der ersten Richtung ausgerichtet ist (373), und mechanische Mittel (361, 375) zum abwechselnden Anordnen des ersten Lambda/2-Plättchens und des zweiten Lambda/2-Plättchens zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und dem polarisierenden Strahlteiler.
Lichtventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtventil zusätzlich ein Steuersystem (104) umfaßt, das ein erstes Steuersignal erzeugt, das mit dem schaltbaren Lambda/2-Plättchen gekoppelt ist, und ein zweites Steuersignal, das mit dem räumlichen Lichtmodulator gekoppelt ist, wobei das erste und zweite Steuersignal jeweils einen Zustand 0 und einen Zustand 1 entsprechend dem Zustand 0 und dem Zustand 1 des schaltbaren Lambda/2-Plättchens bzw. des räumlichen Lichtmodulators aufweisen, das erste Steuersignal eine erste Periode und eine zur Länge der ersten Periode gleiche zweite Periode aufweist und sich in einem der Zustände in der ersten Periode und in dem anderen der Zustände in der zweiten Periode befindet, und das zweite Steuersignal in einem der Zustände für einen Teil der ersten Periode sich in dem anderen der Zustände für einen Rest der ersten Periode und für einen Teil der zweiten Periode, die in der Länge gleich dem Teil der ersten Periode ist, befindet und sich in dem einen der Zustände für den Rest der zweiten Periode befindet.
Lichtventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das schaltbare Lambda/2-Plättchen ein achromatisches schaltbares Lambda/2-Plättchen (402) ist.
Lichtventil nach Anspruch 6, bei dem das achromatische schaltbare Lambda/2-Plättchen folgendes umfaßt: ein Paar fester Lambda/4-Plättchen (481, 485) und ein schaltbares Lambda/2-Plättchen (483), das zwischen den festen Lambda/4-Plättchen angeordnet ist.
Verfahren zum Erhöhen des Lichtdurchsatzes eines reflektierenden Lichtventils, das einen DC-Ausgleich erfordert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Bereitstellen eines reflektierenden Lichtventils (100, 200, 300, 400), das einen reflektierenden räumlichen Lichtmodulator (25, 225) und einen polarisierenden Strahlteiler (119) umfaßt, wobei der polarisierende Strahlteiler orthogonale Richtungen maximaler Transmission und maximaler Reflexion aufweist, eine der Richtungen eine Polarisationsrichtung für Licht festlegt, das auf den reflektierenden räumlichen Lichtmodulator auftrifft, die andere Richtung eine Polarisationsrichtung für Licht festlegt, das aus dem Lichtventil ausgegeben wird, und der räumliche Lichtmodulator eine Hauptachse (114) aufweist, die zwischen einer ersten Richtung und einer zweiten Richtung schaltbar ist, wobei die zweite Richtung in einem Winkel ϕ zu der ersten Richtung liegt, Bereitstellen eines schaltbaren Lambda/2-Plättchens (102, 202, 302, 402) mit einer Hauptachse (110), die zwischen einer dritten und einer vierten Richtung schaltbar ist, wobei die vierte Richtung in einem Winkel θ zu der dritten Richtung liegt, Einsetzen des schaltbaren Lambda/2-Plättchens in das Lichtventil zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und dem reflektierenden räumlichen Lichtmodulator, wobei die dritte Richtung parallel zu der ersten Richtung ausgerichtet wird, Betreiben des räumlichen Lichtmodulators in einer ersten Zeitperiode und einer zweiten Zeitperiode, die der ersten Zeitperiode gleich ist, wobei sich dessen Hauptachse für einen Teil (1TP) der ersten Zeitperiode in der ersten Richtung befindet und in der zweiten Richtung für den Rest der ersten Zeitperiode und einen Teil der zweiten Zeitperiode, der in der Dauer gleich dem Teil der ersten Zeitperiode ist, und Zurückkehren zu der ersten Richtung für einen Rest (2TP) der zweiten Zeitperiode, wobei sich der erste und der zweite Teil der zweiten Zeitperiode in einer beliebigen zeitlichen Ordnung befindet, Betreiben des schaltbaren Lambda/2-Plättchens mit dessen ersten Hauptachse (110) in der dritten Richtung über die erste Zeitperiode und in der vierten Richtung über die zweite Zeitperiode, wobei der Winkel θ etwa gleich ϕ/2 ist.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem beim Bereitstellen des schaltbaren Lambda/2-Plättchens ein schaltbares Lambda/2-Plättchen vorgesehen wird, das folgendes umfaßt: ein Paar sich gegenüberliegender transparenter Elektroden (251, 255), und eine Schicht eines Flüssigkristallmaterials (259), die zwischen den Elektroden eingeschlossen ist, und wobei das Betreiben des schaltbaren Lambda/2-Plättchens folgendes umfaßt: Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden über die erste Zeitperiode und Anlegen eines anderen elektrischen Feldes zwischen den Elektroden über die zweite Zeitperiode.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem beim Bereitstellen des schaltbaren Lambda/2-Plättchens ein schaltbares Lambda/2-Plättchen vorgesehen wird, das folgendes umfaßt: ein erstes festes Lambda/2-Plättchen mit einer Hauptachse in der dritten Richtung; ein zweites festes Lambda/2-Plättchen (369) mit einer Hauptachse (373) in der vierten Richtung; und wobei das Betreiben des schaltbaren Lambda/2-Plättchens ein abwechselndes Einsetzen des ersten festen Lambda/2-Plättchens und des zweiten festen Lambda/2-Plättchens zwischen den polarisierenden Strahlteiler und den reflektierenden räumlichen Lichtmodulator umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem beim Bereitstellen des schaltbaren Lambda/2-Plättchens ein achromatisches schaltbares Lambda/2-Plättchen (402) vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem beim Bereitstellen des schaltbaren Lambda/2-Plättchens ein schaltbares Lambda/2-Plättchen vorgesehen wird, bei dem die Hauptachse zwischen der dritten Richtung und der vierten Richtung in einer Schaltzeit geschaltet wird, und das Verfahren zusätzlich folgendes umfaßt: Beleuchten des Lichtventils mit Licht einer Intensität und Verringern der Lichtintensität während der Schaltzeit des schaltbaren Lambda/2-Plättchens.