DE2364951C3

DE2364951C3 - Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen Modulationseinrichtungen

Info

Publication number: DE2364951C3
Application number: DE2364951A
Authority: DE
Inventors: Michel Arpajon Hareng; Michel Longjumeau Roncillat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-12-29
Filing date: 1973-12-28
Publication date: 1981-05-21
Also published as: GB1453733A; US4088400A; JPS4999499A; DE2364951A1; FR2212559A1; FR2212559B1; DE2364951B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen Modulationseinrichtungen, die mit polarisiertem Licht beleuchtet sind, mit einer Linearpolarisationseinrichtung, die beobachtungsseitig das aus den Modulationseinrichtungen kommende Licht empfängt, und mit einer Streueinrichtung, auf die das aus der einen Linearpolarisationseinrichtung austretende polarisierte Licht trifft.

Es ist bekannt, daß die elektrooptischen Anzeigevorrichtungen im Gegensatz zu Anzeigevorrichtungen, die selbst Licht erzeugen, wie beispielsweise Kathodenstrahlröhren, Entladungsröhren und Elektrolumineszenzdioden, das durchgelassene oder reflektierte Licht modulieren, das aus einer äußeren Lichtquelle kommt.

Die meisten dieser elektrooptischen Vorrichtungen arbeiten mit polarisiertem Licht. Für viele von ihnen ist das eine zwangsläufige, an ihr Arbeitsprinzip gebundene Bedingung, wie z. B. bei Vorrichtungen, bei welchen eine dünne Materialschicht einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, welches entweder ihre Doppelbrechung (K.D.P, nematische Flüssigkristalle) oder ihr Drehvermögen (cholesterische Flüssigkristalle mit Wendelstruktur) verändert Bei anderen Vorrichtungen, wie beispielsweise den Flüssigkristallen, bei welchen das Phänomen der dynamischen Streuung ausgenutzt wird, gestattet das Arbeiten mit polarisiertem Licht, auf einfache Weise den Kontrast zu steigern. In dem einen Fall wie in dem anderen wird die dünne elektrooptische Schicht mit linear polarisiertem Licht beleuchtet, entweder durch einen Laser oder, allgemeiner, durch eine klassische natürliche Lichtquelle, die mit einem Polarisator verbunden ist Das von der dünnen Platte kommende Licht erreicht das Auge des Beobachters, nachdem es einen als Analysator dienenden Polarisator durchquert hat

Bei den meisten derartigen Vorrichtungen muß der Modulator mit parallelem Licht beleuchtet werden, was den Winkel begrenzt, unter welchem er sichtbar ist Es ist möglich, diesen Nachteil zu beseitigen, indem zwischen dem Beobachter und dem Ausgangspolarisator ein Streuschirm angeordnet wird. Eine solche Anzeigevorrichtung ist aus der DE-OS 2119 339 bekannt Nun ergibt sich durch den Streuschirm jedoch ein Verlust an Kontrast, der umso erheblicher ist, je höher das Niveau der Umgebungsbeleuchtung ist. Tatsächlich empfängt das Auge des Beobachters nun einen dem aus dem Modulator kommenden Licht überlagerten erheblichen Teil des Umgebungslichtes, welches durch den Streuschirm rückgestreut wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anzeigeeinrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der durch die Streuscheibe verursachte Kontrastverlust stark reduziert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anzeigevorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Licht nach Durchstrahlen der Streueinrichtung auf eine weitere Linearpolarisationseinrichtung trifft, die mit der Streueinrichtung verbunden und so gerichtet ist, daß sie das austretende Licht ungehindert hindurchläßt Durch die weitere Polarisationseinrichtung wird das auf die Streuscheibe auftreffende und durch diese Polarisationseinrichtung wieder austretende Umgebungslicht stark gedämpft, während das polarisierte Licht aus der Modulationseinrichtung ungehindert durchgelassen wird.

Eine weitere Schwächung des Kontrastverlustes wird durch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei Phasenverschiebungseinrichtungen mit der einen bzw. der weiteren Linearpolarisationseinrichtung verbunden sind, die jeweils zwischen zwei bevorrechtigten zueinander senkrechten Schwingungsrichtungen einen optischen Gangunterschied einführen, der gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der mittleren Wellenlänge des polarisierten Lichts ist, daß die bevorrechtigten Schwingungsrichtungen jeweils mit der Polarisationsrichtung ihrer jeweils zugeordneten Linearpolarisationseinrichtung einen Winkel von 45° bilden, und daß die beiden Phasenver-Schiebungseinrichtungen zwischen der einen Linearpolarisationseinrichtung und der Streueinrichtung bzw. zwischen der Streueinrichtung und der weiteren Linearpolarisationseinrichtung angeordnet sind.
Die Erfindung und die Vorteile, die sie bietet, werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen besser verständlich. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig.2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin-

F i g. 3 und 4 eine Weiterbildung der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen, und

Fig.5 eine Anordnung zur Erläuterung der Wirkungsweise der in den Fig.3 und 4 dargestellten Vorrichtungen.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der elektrooptischen Anzeigevorrichtung nach der Erfindung, und zwar für den Fall, daß der Modulator der Vorrichtung direkt betrachtet wird.

F i g. 1 zeiyi eine natürliches Licht aussendende Lichtquelle 1, die im Brennpunkt einer Linse 10 angeordnet ist, von der ein paralleles Lichtbündel 11 ausgeht Auf dem Weg dieses Bündels sind ein erster Polarisator 21 und eine dünne Schicht 3 aus einem elektrooptischen Material angeordnet, die auf ihren beiden Stirnflächen mit zwei durchsichtigen Elektroden 31 und 32 versehen ist, die mit einem Generator 30, der eine variable Spannung erzeugt, elektrisch verbunden sind. Das parallele Bündel trifft danach auf einen zweiten Polarisator 22, einen Streuschirm 4 und einen dritten Polarisator 23, der parallel zu dem Polarisator 22 orientiert ist

Die aus der dünnen Schicht 3, ihren Elektroden 31 und 32, dem Generator 30 und dem Polarisator 22 bestehende Anordnung bildet einen elektrooptischen Modulator herkömmlicher Art Damit der Modulator richtig arbeitet, muß er mit linear polarisiertem Licht beleuchtet werden. Er ist deshalb außerdem entweder mit einer Laserlichtquelle, die ein solches Licht direkt aussendet, oder, wie in F i g. 1 gezeigt, mit einer Quelle natürlichen bzw. weißen oder monochromatischen Lichts verbunden, die ihrerseits mit einem Linearpolarisator verbunden ist.

Die dünne Schicht 3 kann aus einem geeigneten kristallinen, festen Material, beispielsweise aus KDP, oder aus einer dünnen Schicht aus cholesterischem, smektischem oder nematischem Flüssigkristall gebildet sein und einen elektrooptischen Effekt ins Spiel bringen, wie etwa die Doppelbrechung, das Drehvermögen oder ^o die dynamische Streuung.

Die transparenten Elektroden 31 und 32, die beispielsweise durch Zinnoxidüberzüge gebildet sind, haben die Form des Symbols, das die Vorrichtung anzeigen soll. Durch Anlegen der von dem Generator 30 « gelieferten Spannung erscheint dieses Symbol gemäß der Art der Quelle, dem verwendeten elektrooptischen Effekt und der gegenseitigen Orientierung der Polarisatoren 21 und 22 hell auf dunklem Hintergrund, dunkel auf hellem Hintergrund oder andersfarbig als der Hintergrund. Die eine der Elektroden kann auch gleichförmig sein. Andere, aufwendigere herkömmliche Vorrichtungen können den elektrooptischen Modulator in Fig. 1 ersetzen; beispielsweise kann eine der Stirnflächen der dünnen Schicht 3 verschiedene Elektroden aufweisen, deren Kombination das Anzeigen verschiedener Symbole gestattet. Jede Stirnfläche der dünnen Schicht kann auch einen Satz von Elektroden in Form von parallelen, in regelmäßigen Abständen angeordneten Streifen tragen, wobei die *>o beiden Sätze zueinander senkrecht sind. Zum Anzeigen mehrerer Symbole mit demselben Modulator ist es auch möglich, mehrere Elektroden, von denen jede eines der Symbole darstellt, zu überlagern, indem sie durch eine dünne Schicht eines Dielektrikums gegeneinander &⁵ isoliert werden.

An dem Ausgang des Polarisators 22 bleibt das Lichtbündel ein paralleles Bündel. Das Beobachtungsfeld der Vorrichtung ist folglich umso begrenzter, je besser die Parallelität des Bündels 11 ist Es ist bekannt zur Überwindung dieser Schwierigkeit die Vorrichtung durch einen Streuschirm 4 zu vervollständigen, auf welchem aufgrund der Parallelität des Bündels 11 die durch den Modulator angezeigten Symbole im Schattenbild erscheinen. Wenn jedoch der Streuschirm 4 in Gegenwart einer Umgebungsbeleuchtung betrachtet wird, erfolgt durch ihn eine Rückstreuung eines Teils des Umgebungslichts auf das Auge des Betrachters, wodurch der Kontrast zwischen den angezeigten Symbolen und dem Hintergrund merklich verringert wird.

Die Verbesserung, die es gestattet, die Auswirkung des Umgebungslichts sehr wesentlich zu verringern, besteht darin, dem Streuschirm 4 den Polarisator 23 zuzuordnen, der parallel zu dem Polarisator 22 orientiert ist Das Umgebungslicht welches natürliches, nicht polarisiertes Licht ist wird nun vor dem Erreichen des Streuschirms 4 zur Hälfte gedämpft und zwar unter der Voraussetzung, daß die Absorption des Polarisators bei der Polarisation des Lichts, das er durchläßt Null ist

Wenn darüberhinaus der Polarisator, wie es bei den dichroitischen Polarisatoren der Fall ist, eine nicht vernachlässigbare Absorption A aufweist, wird das von dem Streuschirm 4 empfangene Umgebungslicht um einen Wert 0,5 χ (1 — A) gedämpft. Dagegen durchqueren das aus dem Modulator kommende Licht, dessen durch den Polarisator 22 vorgegebene Richtung der Linearpolarisation zu der Polarisationsrichtung des Polarisators 23 parallel ist, sowie das durch den Streuschirm 4 rückgestreute Umgebungslicht den Polarisator 23 ohne Dämpfung, wenn derselbe ideal ist, und mit der Dämpfung (1 — A), wenn seine Absorption von Null verschieden ist.

Für das Auge des Betrachters wird durch das Vorhandensein des Polarisators 23 das aus dem Modulator stammende Licht um einen Faktor (1 — A) und das rückgestreute Umgebungslicht um einen Faktor 0,5(1-Abgedämpft

Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Elemente 3, 22 und 4 in F i g. 1 voneinander entfernt angeordnet dargestellt. In der Praxis sind diese verschiedenen Elemente so eng wie möglich aneinander gefügt, damit kein genau paralleles Beleuchtungsbündel verwendet zu werden braucht und sich trotzdem eine gute Konturzeichnung der angezeigten Symbole ergibt. Der Streuschirm 4 ist derart gewählt, daß die Polarisation des Lichts, welches er durchläßt, so wenig wie möglich verändert wird, und er wird bei Bedarf derart in bezug auf die Polarisatoren 22 und 23 orientiert, daß er das Maximum des aus dem Modulator kommenden Lichts durchläßt. Um die Reflexion des Umgebungslichts auf der Stirnfläche des Polarisators 23 in Hinblick auf den Betrachter zu vermeiden, kann dieselbe reflexmindernd behandelt oder mattiert sein.

Die oben beschriebene Verbindung eines Linearpolarisators und eines Streuschirms ist bei einer Zeichenanzeigevorrichtung unter Ausnutzung der Doppelbrechungseigenschaften von nematisclien Flüssigkristallen, die einem elektrischen Feld ausgesetzt sind, angewendet worden. Sie gestattet, bei Vorhandensein einer Umgebungsbeleuchtungsstärke von 12 000 Lux die Anzeige mit eii.sr nutzbaren Beleuchtungsstärke, die 1500 Lux nicht überschreitet vollständig sichtbar zu machen.

F i g. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem das aus dem Modulator kommende Licht durch eine Optik auf den Streuschirm

4 projiziert wird. In dieser Figur finden sich die gleichen Elemente wieder, denen die gleichen Bezugszahlen wie in F i g. 1 entsprechen. F i g. 2 zeigt außerdem ein Objektiv 5, welches die Schicht 3 auf den Streuschirm 4 abbildet Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist im übrigen in jeder Hinsicht mit der der in Fig. 1 dargestellten Vor ι ichtung identisch.

Die F i g. 3 und 4 zeigen Weiterbildungen der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen. Es finden sich darin unter den gleichen Bezugszahlen die gleichen Elemente wieder. Außerdem erkennt man darin eine Viertelwellenlänge-Platte 61, die zwischen dem Polarisator 22 und dem Streuschirm 4 angeordnet ist, und eine weitere Viertelwellenlänge-Platte 62, die zwischen dem Streuschirm 4 und dem Polarisator 23 angeordnet ist. Im Gegensatz zu den F i g. 1 und 2 ist die Orientierung des Polarisators 23 mit Bezug auf den Polarisator 22 beliebig. Die Orientierungen der Viertelwellenlänge-Platten in bezug auf die Polarisatoren sind für einen Betrachter, der die Vorrichtung von der Quelle 1 her betrachtet, so, daß er die Polarisationsrichtung des Polarisators 22 um einen Winkel von —45° im Winkelbzw, trigonometrischen Sinn drehen müßte, um sie mit der Achse der geringeren Lichtgeschwindigkeit der Viertelwellenlänge-Platte 61 in Übereinstimmung bzw. Koinzidenz zu bringen, und er müßte die Polarisationsrichtung des Polarisa tors 23 um einen Winkel von +45° drehen, um sie mit der Achse der geringeren Lichtgeschwindigkeit der Viertelwellenlänge-Platte 62 in Übereinstimmung bzw. Koinzidenz zu bringen.

Die Verbindung eines Linearpolarisators und einer Viertel wellenlänge-Platte, deren neutrale Linien mit der Polarisationsrichtung des Polarisators einen Winkel von 45° einschließen, bildet einen Zirkularpolarisator, der aus einem natürlichen oder linear polarisierten Licht ein zirkulär polarisiertes Licht herstellt Dieses Licht ist rechts-zirkular polarisiert oder links-zirkular polarisiert, je nachdem, ob der Winkel von 45°, um den man die Polarisationsrichtung drehen muß, um sie mit der Achse der geringeren Lichtgeschwindigkeit in Übereinstimmung zu bringen, negativ oder positiv ist Ein Zirkuiarpoiarisator, der ein zirkulär polarisiertes Licht eines Vorzeichens liefert, läßt dieses Licht vollständig durch. Dagegen löscht er das polarisierte Licht mit entgegengesetztem Vorzeichen vollständig aus.

Wie Fig.5 zeigt wird das linear polarisierte Licht welches aus der elektrooptischen Schicht 3 kommt und von dem Linearpolarisator 22 durchgelassen wird, durch die Viertel wellenlänge-Platte 61 in rechts-zirkular polarisiertes Licht umgewandelt Dieses Licht welches nach dem Durchqueren des Streuschirms 4 seinen Drehsinn beibehält ist nach dem Durchqueren der Viertelwellenlänge-Platte 62 erneut umgeformt und zwar in ein parallel zu der Polarisationsrichtung des Linearpolarisators 23 linear polarisiertes Licht Das aus dem Modulator kommende Licht wird folglich vollständig zu dem Auge des Betrachters übertragen.

Dagegen muß das Umgebungslicht vor dem Erreichen des Streuschirms 4 ein erstes Mal den Polarisator 23 und die Vierteiwellenlänge-Platte 62 durchqueren. Nach der Rückstreuung durchquert es von neuem die Vierteiwellenlänge-Platte 62 und wird durch den Polarisator 23 gesperrt. Der durch den Polarisator 23 und die Vierteiwellenlänge-Platte 62 gebildete Zirkuiarpoiarisator erzeugt nämlich aus dem Umgebungslicht ein rechts-zirkular polarisiertes Licht. Nun kehrt aber ein zirkulär polarisiertes Licht bei der Reflexion seine Fortpflanzungsrichtung um und behält dabei seinen Drehsinn bei. Das rechts-zirkular polarisierte Licht wird deshalb nach Rückstreuung an dem Streuschirm 4 in ein

ίο links-zirkular polarisiertes Licht umgewandelt dessen Drehsinn deshalb zu dem des aus dem Modulator stammenden gestreuten Lichts entgegengesetzt ist. Dieses rückgestreute Licht ist nach dem Durchqueren der Vierteiwellenlänge-Platte 62 in ein linear polarisiertes Licht unter einem Winkel von 90° zur Linearpolarisäliün des aus dem Modulator stammenden Lichts umgewandelt d. h. unter einem Winkel von 90° zu der Polarisationsrichtung des Linearpolarisators 23, und wird folglich vollständig aufgefangen.

Im Rahmen der Erfindung kann selbstverständlich in den F i g. 3,4 und 5 die Orientierung der Viertelwellenlänge-Platten 61 und 62 mit Bezug auf die Polarisationsrichtungen der Polarisatoren 22 und 23 geändert werden, indem diese beiden Platten gleichzeitig um 90° gedreht werden. Die durch das Zusammenfügen des Linearanalysators und der Vierteiwellenlänge-Platte gebildeten Zirkularpolarisatoren liefern nun jeweils ein links-zirkular polarisiertes Licht anstelle eines rechtszirkular polarisierten Lichts.

Außerdem ist klar, daß in der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen die eine der Viertelwellenlänge-Platten oder beide gleichzeitig durch Dreiviertelwellenlänge- Platten, Fünf viertelwellenlänge- Platten, usw. ersetzt werden können, sofern die neutralen Linien in bezug auf die durch den Linearanalysator vorgegebene Polarisationsrichtung passend orientiert sind. Es sei diesbezüglich daran erinnert, daß der Drehsinn des von einem Zirkuiarpoiarisator gelieferten zirkulär polarisierten Lichts unverändert bleibt wenn man die

4i) Vierteiwellenlänge-Platte durch eine (1 + 4 k)Vierteiwellenlänge-Platte ersetzt die dieselbe Orientierung der neutralen Linien hat oder durch eine (3 + 4 k)Viertelwellenlänge-Platte, deren neutrale Linien unter einem Winkel von 90° zu der vorhergehenden

J 5 Viertelwellenlänge- Platte orientiert sind.

Für ein gutes Arbeiten der oben beschriebenen Weiterbildung der Erfindung ist es wesentlich, daß nicht nur der Streuschirm 4 das Licht das er zerstreut nicht depolarisiert sondern daß er auch gegenüber dem polarisierten Licht vollständig isotrop ist damit er nicht das zirkulär polarisierte Licht das er zerstreut oder rückstreut in elliptisch polarisiertes Licht umwandelt Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines solchen Streuschirms beschränkt

Im Rahmen der in F i g. 3 dargestellten Vorrichtung kann ein sehr kompakter Aufbau verwirklicht werden, indem auf beiden Seiten eines Streublattes rechts-zirkulare oder links-zirkulare Polarisatoren angebracht werden, die aus demselben Zirkularpolarisatorblatt

bo herausgeschnitten sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anzeigevorrichtung mit elektrooptischen Modulationseinrichtungen, die mit polarisiertem Licht beleuchtet sind, mit einer Linearpolarisationseinrichtung, die beobachtungsseitig das aus den Modulationseinrichtungen kommende Licht empfängt, und mit einer Streueinrichtung, auf die das aus der einen Linearpolarisationseinrichtung austretende polarisierte Licht trifft, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht nach Durchstrahlen der Streueinrichtung auf eine weitere Linearpolarisationseinrichtung trifft, die mit der Streueinrichtung verbunden und so gerichtet ist, daß sie das austretende Licht ungehindert hindurchläßt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtungen der einen und weiteren Linearpolarisationseinrichtung zueinander parallel sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Streueinrichtung abgewandte Stirnfläche der weiteren Linearpolarisationseinrichtung mit einer reflexmindernden Schicht versehen ist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Phasenverschiebungseinrichtungen mit der einen bzw. der weiteren Linearpolarisationseinrichtung verbunden sind, die jeweils zwischen zwei bevorrechtigten zueinander senkrechten Schwingungsrichtungen einen optischen Gangunterschied einführen, der gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der mittleren Wellenlänge des polarisierten Lichts ist, daß die bevorrechtigten Schwingungsrichtungen jeweils mit der Polarisationsrichtung ihrer jeweils zugeordneten Linearpolarisationseinrichtung einen Winkel von 45° bilden, und daß die beiden Phasenverschiebungseinrichtungen zwischen der einen Linearpolarisationseinrichtung und der Stelleinrichtung bzw. zwischen der Streueinrichtung und der weiteren Linearpolarisationseinrichtung angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine optische Projektionseinrichtung, die das Bild der Modulationseinrichtungen auf die Streueinrichtung projiziert.