ES2231316T3 - Dispositivo de presentacion de cristal liquido nematico helicoidal. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de presentación gobernado eléctricamente, que implementa una capa de cristal líquido nemático helicoidal tipo TN dispuesta entre dos polarizadores (2, 5), unos medios compensadores (11) monoaxiales de birrefringencia negativa asociados a dicha capa, situados en el interior de la cavidad óptica formada por dichos polarizadores, caracterizado porque los medios compensadores están formados por una capa de cristal líquido discótico (18) con una preinclinación homogénea (â).

Description

Dispositivo de presentación de cristal líquido nemático helicoidal.

La presente invención hace referencia a los dispositivos electro-ópticos gobernados eléctricamente, que permiten la presentación de imágenes directamente sobre un panel de modulación de luz por transmisión o indirectamente mediante proyección sobre una pantalla. La invención se refiere, más especialmente, a dispositivos que incorporan un cristal líquido dispuesto entre dos polarizadores cruzados y que presenta, en ausencia de campo eléctrico modulador, una estructura nemática helicoidal. En esta configuración puede conseguirse que la transparencia disminuya cuando se somete la célula de cristal líquido a una tensión eléctrica creciente. La imagen visualizada presenta una falta de uniformidad que está en función de las condiciones angulares de observación. Para reducir este inconveniente, ya se ha propuesto, en especial en el documento EP-A-0350383, asociar a la capa de cristal líquido una o varias películas compensadoras construidas con un medio óptico birrefringente monoaxial, situándose el conjunto entre los dos polarizadores cruzados. Esta técnica permite obtener una relación de contraste más homogénea con un ángulo de observación más abierto. También se ha propuesto, en los documentos WO90/16005 y DE-A-3911620 la utilización de una película constituida por una capa de cristal líquido discótico. La presente invención propone un perfeccionamiento especialmente interesante en las capas de cristal líquido tipo TN.

Por lo tanto, el objeto de la invención lo constituye una pantalla controlada eléctricamente, que incorpora una capa de cristal líquido nemático helicoidal tipo TN dispuesta entre dos polarizadores, unos medios de compensación monoaxiales birrefringentes negativos asociados a dicha capa y situados en el interior de la cavidad óptica formada por dichos polarizadores, caracterizados porque los medios de compensación están formados por una capa de cristal líquido discótica con una preinclinación homogénea.

La invención se comprenderá mejor mediante la descripción que se facilita seguidamente y las figuras adjuntas, en las cuales:

La figura 1 es una vista en perspectiva isométrica de un dispositivo de presentación de acuerdo con la invención.

La figura 2 es una vista de perfil del dispositivo de la figura 1.

La figura 3 es un diagrama explicativo del funcionamiento de la célula de cristal líquido de la figura 1.

La figura 4 es un diagrama en el que se precisa la respuesta angular de la célula de cristal líquido de la figura 1, en ausencia del medio de compensación.

La figura 5 es una vista de perfil (a) y una vista frontal (b) de un ejemplo de realización de la invención.

La figura 6 es una vista de perfil (a) y una vista frontal (b) de un ejemplo no reivindicado.

La figura 7 es un esquema de un dispositivo de presentación por proyección de un tipo ya conocido.

Las figuras 8 y 9 muestran la dependencia angular de la relación de contraste con unos elementos compensadores cuyo eje óptico se encuentra ligeramente inclinado, bien respecto de las caras de la capa de cristal líquido, bien respecto de su normal.

En la figura 1 pueden verse dos láminas de apoyo transparentes 3 y 4 que delimitan una cavidad de caras paralelas tratadas mediante surfactante y mediante un procedimiento de alineación a fin de imprimir unas orientaciones específicas a las moléculas de un cristal líquido nemático que llena dicha cavidad. La zona cilíndrica 7 muestra dicha orientación específica helicoidal en ausencia de un campo eléctrico de mando. En la proximidad inmediata de la lámina 3, las moléculas están orientadas en la dirección 10, que tiene una inclinación de 45 grados respecto de los ejes X e Y. En la proximidad inmediata de la lámina 4, las moléculas se orientan en la dirección 9 ortogonal a la dirección 10. A media distancia de las caras internas de las láminas 3 y 4, las moléculas de cristal líquido se orientan según el eje X, que se supone que corresponde a la dirección vertical del dispositivo de presentación. Las láminas 3 y 4 están equipadas con electrodos transparentes conectados a un generador eléctrico 6, a fin de crear un campo eléctrico de dirección Z y con una intensidad proporcional a la tensión eléctrica u aportada por el generador 6. Dicho campo eléctrico de mando modifica la orientación molecular helicoidal, como se muestra en la zona cilíndrica 8. En ausencia de un campo de mando, la orientación molecular es simétrica y capaz de hacer que se produzca un giro de 90 grados en la polarización rectilínea de un rayo luminoso que penetre en la capa de cristal líquido a través de una de sus caras principales y que emerja a través de su otra cara principal. Si el conjunto 3-4 se sitúa entre un polarizador 2 y un analizador 5, de tal forma que dichos elementos impongan las direcciones 10 y 9, puede apreciarse que la orientación helicoidal 7 permitirá a la luz generada por la fuente luminosa 1 atravesar el dispositivo de presentación lo mejor posible, en ausencia de campo eléctrico de mando, lo que caracteriza un estado "abierto". Por el contrario, la acción de un campo eléctrico de mando tendrá por efecto la disminución de la potencia de giro de la capa de cristal líquido y, simultáneamente, los polarizadores cruzados 2 y 5 ejercerán sobre la luz un efecto obturador correspondiente a un estado "cerrado".

Entre el polarizador 2 y la lámina transparente 3, o bien entre la lámina 4 y el analizador 5 se ha previsto, de acuerdo con la invención, añadir un elemento compensador 11 que, a título de ejemplo no limitativo, puede adoptar forma de lámina de caras paralelas tallada en un medio birrefringente monoaxial. En ausencia de dicho elemento, el dispositivo de las figuras 1 y 2 es de un tipo conocido, y sus propiedades electro-ópticas se describen en los diagramas de las figuras 3 y 4. A título de ejemplo, las características de un dispositivo de presentación de cristal líquido nemático helicoidal son:

Cristal líquido de tipo MERCK ZLI-3347

Diferencia de marcha óptica (n_{e}-n_{o})d: 476 nm

Ángulo de la hélice: 90º

Preinclinación de las moléculas de cristal líquido en ausencia de campo eléctrico: 2º

Polarizadores de tipo SANRITZ LLC2 8218S

Tensión de estado "abierto": 1,74 V

Tensión de estado "cerrado": 5,40 V

Longitud de onda de la luz: 550 nm.

La figura 3 expresa el factor de transmisión T en función de la tensión de control u. La figura 4 expresa mediante dos curvas las propiedades angulares, es decir, la variación de la relación de contraste CR con la dirección del rayo luminoso R. En relación con la figura 1, se ve que las coordenadas angulares del rayo luminoso son \Phi y \Theta. La coordenada \Phi facilita la orientación del plano \pi que contiene R y Z. La coordenada \Theta fija la orientación de R respecto de Z.

La curva \Phi = 0 muestra cómo varía la relación de contraste cuando se efectúa un barrido angular horizontal, mientras que la curva \Phi = \pi/2 se refiere a un barrido angular vertical. Cabe señalar que el resultado es simétrico para un barrido horizontal, mientras que es asimétrico y está desviado a la derecha para un barrido vertical. La asimetría y el desvío a la derecha se comprenden con facilidad al examinar la vista de perfil de la figura 2. Se ve que las moléculas basculan en la dirección OZ girando sobre sí mismas en la dirección determinada por el ángulo de preinclinación, en lugar de permanecer sensiblemente paralelas a las caras de la capa de cristal líquido. En estas condiciones, cuando se produce un barrido angular vertical, como el indicado mediante la flecha 14, la birrefringencia residual de la capa no hace sino aumentar, lo que explica la desviación de la figura 4.

Las curvas de las figuras 3 y 4 se establecen en la hipótesis de un elemento 11 que no introduce compensación por birrefringencia.

De acuerdo con un ejemplo de realización de la invención ilustrado en la figura 5, el medio de compensación 11 adopta la forma de un medio monoaxial de birrefringencia negativa cuyo eje óptico OA se encuentra en el plano XZ y forma con la cara de la capa de cristal líquido un ángulo (\beta) de entre 75º y 90º. La flecha 16 indica la preinclinación molecular. En (b) puede apreciarse que la sección 17 del elipsoide de los índices es circular para una propagación paralela al eje OA. Para medir el rendimiento de un dispositivo de presentación puede hacerse referencia a una relación de contraste integrado ICR cuya expresión matemática es la siguiente:

ICF(\alpha)=\frac{\int^{2x}d\Phi\int\limits_{0}^{\alpha}T(\theta (\Phi,U_{off})}{\int^{2x}d\Phi\int\limits_{0}^{\alpha}T(\theta (\Phi,U_{on})}

Donde: \alpha es el semi-ángulo de abertura de un cono de integración,

y T(\Theta, \Phi, U_{off}) y T(\Theta, \Phi,U_{on}) son los factores de transmisión para los estados "abierto" y "cerrado".

Al adoptar para el compensador una diferencia de marcha de -390 nm y un ángulo del eje óptico de 83º, la magnitud ICR (20º) adopta un valor de 187, mientras que para una célula de cristal líquido sin compensador se obtiene un valor de 77. Un compensador de este tipo puede obtenerse mediante una capa de cristal líquido discótico con una preinclinación homogénea. Las curvas indicadas con la referencia HRTI en las figuras 8 y 9 se refieren a esta variante de realización. Puede verse en la figura 9 que la desviación de la curva HRTI queda anulada, mientras que aparece en la curva TN, que representa la variación angular de una célula de cristal líquido sin compensador 11. La figura 8 muestra que, en la dirección horizontal, el compensador 11 aumenta la distribución angular de la relación de contraste CR.

La compensación mostrada en la figura 5 utiliza un solo elemento 11 con birrefringencia negativa que presenta unas propiedades isótropas para una onda luminosa que se propaga a lo largo del eje óptico. Las curvas DRTI de las figuras 8 y 9 ofrecen, con fines de comparación, unos indicadores de la distribución angular de la relación de contraste CR cuando la compensación se realiza mediante dos elementos compensadores de birrefringencia positiva, como se representa, por ejemplo, en la figura 6.

En la figura 7 se ha representado un sistema de proyección que incluye un dispositivo de presentación de cristal líquido nemático helicoidal 25 asociado a una fuente luminosa 1 equipada con un reflector 100. La proyección sobre la pantalla se efectúa mediante un objetivo 26 y, teniendo en cuenta la desviación del contraste máximo observada en dirección vertical para un dispositivo de presentación no compensado, se ve que es necesario inclinar el dispositivo 25 en relación con el eje óptico 27, a fin de que la iluminación sea óptima en la dirección del eje óptico. También se podría desviar el dispositivo 25 en relación con el eje óptico del objetivo, para conseguir el mismo resultado. En ambos casos se constata que estas medidas no permiten obtener el máximo rendimiento del objetivo de proyección, ya que el dispositivo 25 no estaría correctamente situado desde el punto de vista de la imagen óptica. Ya se ha propuesto más arriba una solución a este problema, que consiste en utilizar unos medios de compensación monoaxiales de birrefringencia negativa cuyo eje óptico se encuentre ligeramente inclinado con respecto de la normal a las caras de la capa de cristal líquido.

De la descripción que antecede se desprende que el hecho de asociar un compensador de birrefringencia negativa monoaxial a una capa de cristal líquido nemático helicoidal proporciona en todos los casos una mejor distribución angular horizontal de la relación de contraste. Inclinando adecuadamente el eje óptico del medio birrefringente que constituye el compensador con respecto a las caras de la capa de cristal líquido, puede asimismo eliminarse la desviación de la distribución angular vertical.

Las mejoras incorporadas a los dispositivos de cristal líquido nemático helicoidal son de tipo óptico. Estas se aplican, especialmente, a los dispositivos de presentación de matriz pasiva o activa, como los utilizados en monitores de ordenador, o para aplicaciones de pantalla plana en televisiones. También se pueden aplicar estos perfeccionamientos a los sistemas de proyección, así como a los visores de cámaras de vídeo y video cámaras.

Claims (5)

1. Dispositivo de presentación gobernado eléctricamente, que implementa una capa de cristal líquido nemático helicoidal tipo TN dispuesta entre dos polarizadores (2, 5), unos medios compensadores (11) monoaxiales de birrefringencia negativa asociados a dicha capa, situados en el interior de la cavidad óptica formada por dichos polarizadores, caracterizado porque los medios compensadores están formados por una capa de cristal líquido discótico (18) con una preinclinación homogénea (\beta).

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la orientación molecular (7) de dicha capa, en ausencia de una tensión eléctrica de mando, está ajustada para provocar un giro de 90º en la polarización rectilínea de una onda luminosa que la atraviesa en la dirección normal (Z) a sus caras principales, teniendo dichos polarizadores (2, 5) unas polarizaciones cruzadas respectivamente alineadas con la polarización rectilínea de la onda luminosa en dichas caras principales.

3. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el eje óptico de los medios compensadores presenta una inclinación con respecto a la normal (Z) a las caras principales de dicha capa, siendo el ángulo de inclinación > 0º con respecto a la normal (Z') de forma que se elimina la desviación de la distribución angular vertical.

4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque el ángulo de inclinación es >0º y <15º.

5. Sistema de proyección de imágenes sobre una pantalla que incorpora un objetivo de proyección, caracterizado porque incluye un dispositivo de presentación de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones que anteceden, y porque dicho dispositivo de presentación incluye una capa de cristal líquido cuyas caras principales están dispuestas perpendiculares y centradas con respecto al eje óptico de dicho objetivo de proyección.