DE2808440A1

DE2808440A1 - Anzeigevorrichtung mit einem in einem zeitmultiplexverfahren angesteuerten lichtventil

Info

Publication number: DE2808440A1
Application number: DE19782808440
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl Phys Greubel; Hans Dipl Phys Krueger
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1978-02-27
Filing date: 1978-02-27
Publication date: 1979-08-30
Also published as: GB2015225B; DE2808440B2; DE2808440C3; GB2015225A; IT7920471A0; JPS54123898A; US4265516A; IT1111797B; FR2418508A1

Description

SIEMENS AETIENGESELISCHAi¹T unser Zeichen Berlin und München TPA 78 ρ $ Q & 2 BRS

Anzeigevorrichtung mit einem in einem Zeitmultiplexverfahren angesteuerten Lichtventil

Die Erfindung "betrifft eine Anzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Display ist beispielsweise aus dem deutschen Gebrauchsmuster 7724216 bekannt.

Bei elektrooptischen Anzeigen mit relativ langen Übergangszeiten zwischen den verschiedenen optischen Zuständen, etwa bei Flüssigkristallanzeigen auf der Basis des DAP-Effektes oder des Schadt-Helfrich-Sffektes, hängt das erreichbare Multiplexverhältnis vor allem davon ab, wie steil die Kontrast-Spannungs-Kennlinie im Übergangsbereich gestaltet werden kann (vergl. hierzu beispielsweise J. Appl. Phys. 48 (1977) 1426). Diese Steilheit kann Werte erreichen, die mehr als 100 Multiplexschritte ermöglichen, allerdings nur bei Verwendung von stark gebündeltem Licht, da die

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Kontrast-Spannungs-Charakteristik auch noch empfindlich von der Richtung der auftreffenden Strahlung abhängt (vergl. hierzu IEES Trans, on Electron Devices ED-H (1974) 146).

Zur Erzeugung des bei hochmultipiexbaren Anzeigen erforderlichen Lichtkegels hat man sich bisher mit einer stark gerichteten Beleuchtung oder mit einer geeigneten Projektion beholfen. Derartige Maßnahmen sind besonders unbefriedigend, weil sie den Aufbau verkomplizieren, zusätzliche Leistung verzehren und vor allem das passive Display in eine quasi aktive Anzeige mit einem umgebungsabhängigem Kontrast umwandeln .

Darstellungskontrast und Bildhelligkeit eines Lichtyentils lassen sich auf rein passive Weise, also ohne Energieverbrauch, erheblich steigern, wenn man das Ventil mit einer als Lichtfalle wirkenden, mit Lichtaustrittsfenstern versehenen Pluoreszenzplatte kombiniert. Ein solches "Pluoreszenzaktiviertes Display" (PLAD) ist bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 25 54 226 oder aus Electronics, 8.12.77, S. 113-116 Bei einem PLAD ließe sich der Raumwinkelbereich des die Pluoreszensplatte verlassenden Lichtes durch speziell geformte Austrittsfenster einengen; Beispiele hierfür sind in der genannten Offenlegungsschrift angegeben. Bei diesen Penstergestaltungen ist jedoch von Fachteil, daß der von den Penstern nicht ausgekoppelte Lichtanteil in der Pluoreszenzplatte verbleibt und somit durch die Begrenzung des Lichtaustrittskegels der Helligkeitsverstärkungsfaktor reduziert wird.

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- Y- YPA ?8Ρ 80 0 2 BRD

Die vorliegende Erfindung stellt sich, die Aufgabe, ein multiplexbares FLAD zu schaffen, das über eine besonders steile Eontrast-Spannungs-Charakteristik und zugleich über gute optische Qualitäten verfügt. Diese Aufgabe viird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination gelöst.

Die Erfindung geht aus von der an sich bekannten Beobachtung, daß von einer 3?luoreszenzplatte mehr Fluoreszenzlicht abgegeben -wird, wenn ihre Schmalseiten mit einen - in einem endlichen Abstand gehaltenen diffusen Reflektor statt mit einer - optisch gekoppelten - Spiegelschicht versehen sind. Die höhere Lichtausbeute ist darauf zurückzuführen, daß zunächst einmal der Reflexionsfaktor bei diffusen Reflektoren höher sein kann als bei Spiegelschichten. Hinzukommt, daß Licht an diffusen Reflektoren vor allem in Richtung der Reflektornormalen zurückgeworfen wird und somit bis zu seinem Austritt einen kürzeren Weg mit entsprechend geringeren Verlusten als im Falle von spiegelnden Reflexionen zurücklegt (vergl. hierzu auch. Nucl. Instr.and Meth. 87 (1970) 111).

Bei dem vorliegenden Lösungsvorschlag wird die Tatsache, daß ein diffuser Reflektor gebündelt zurüekstreut, ferner dazu benutzt, ein multiplexbares Lichtventil mit Licht aus einem engen Winkelbereich, zu bestrahlen. Dabei ergibt eine überschlägige Rechnung, daß eine erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung nicht nur eine Vielzahl von Multiplsxschritten zuläßt, sondern auch in ihren optischen Eigenschaften den bisher bekannt gewordenen J¹LAD-Aus führungen nicht nachsteht.

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- >r- YPA 78 P 30 0 2 BRD

Die MuItipiexbarkeit des vorgeschlagenen Displays läßt sich noch verbessern, wenn man das Lichtaustrittsfenster der Fluoreszenzplatte mit einem Fenster versieht, das den Austrittskegel des Fluoreszenzlichtes noch weiter einengt. Dieses Fenster besteht vorzugsweise aus einer dielektrischen Mehrfachschicht, wie sie an sich bereits bei einem FLAD zur Variation der Bildfarbe diskutiert v/orden ist (beispielsweise DE-OS 26 19 368 ). Die dielektrische Mehrfachschicht beeinträchtigt die Bildhelligkeit des Displays praktisch nicht, denn das von einem solchen Spiegel nicht hindurchgelassene Licht wird reflektiert und gelangt schließlich auf den diffusen Reflektor, von dem es in eine neue Richtung zurückgeworfen wird, in der es mit großer Wahrscheinlichkeit die dielektrische Mehrfachschicht durchsetzen kann. Ein dielektrischer Spiegel wirkt also mit dem diffusen, als Winj£elkonverter fungierenden Reflektor derart zusammen, daß der öffnungswinkel des Lichtaustrittskegels durch (verlustarme) Bündelung und nicht etwa durch (verlustreiche) Ausblendung verkleinert wird.

Wird das Lichtventil noch mit einem zweiten Fenster nach Art der in Anspruch 6 angegebenen Merkmalskombination ausgestattet, so kann man polar!satorfreie Flüssigkristallanzeigen auf Feldeffekt-Basis erhalten.

Eine weitere Steigerung des Multiplexverhältnisses ist möglich, wenn man die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung in der in Anspruch 8 charakterisierten Weise ausbildet. Der Zusammenhang zwischen dem Winkel,den die

eil)
Polarisationsrichtung^oer beiden Linearpolarisatoren

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β
- r - 7PA 78 P 8 0 0 2 BRD

miteinander bilden, und der Steilheit der Kontrast-Spannungs-Charakteristik wird in J. Appl. Phys. 43 (1977) 1426 näher untersucht.

V/eitere vorteilhafte Ausgestaltungen und V/eiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die Erfindung soll nun anhand von "bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren der "beigefügten Zeichnung näher erläutert v/erden. In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ss zeigen: Fig. 1 in einem Seitenschnitt ein erstes Ausführungs-"beispiel einer erfindungs gemäß en Anaeigevorrichtung, eingebaut in einem Taschenrechner, und

Fig. 2 von einem zweiten Ausführungsbeispiel einen teilweise weggebrochenen Seitenschnitt.

Die Figuren sind sehr schematisch gehalten. Alle für ein Verständnis der Erfindung nicht unbedingt erforderlichen Einselteile, beispielsweise die Elektronik oder das Tastenfeld eines Taschenrechners, sind der Einfachhs.t halber weggelassen.

Der in Fig. 1 dargestellte Taschenrechner enthält ein Gehäuse 1, eine Flüssigkristallanzeige 2 und eine Fluoreszenzplatte 3. Das Gehäuse ist oberhalb der Fluoreszensplatte mit einem Filter 4 abgedeckt, aas lediglich Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel hindurchläßt. Die Flüssigkristallanzeige ist auf ihrer Frontseite mit einem transparenten. diffus streuenden Film 5 überzogen.* Die Darstellung erfolgt mittels einer'X-Y-Matrix; das Display kann Buchstabenfolgen sowie eine

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- β - VPA ⁷SP 30 0 2 9RD

■mehrstellige Ziffer anzeigen, wird in einem Zeitmultiplexverfahren adressiert und arbeitet im vorliegenden Fall auf der Sasis des DAF-Effektes. Der Figur entnimmt man, daß die Flüssigkristallanzeige gegen die Fluoreszenzplatte geneigt ist. Neigungsachse und --winkel sind dabei so gewählt, daß die Flüssigkristallmoleküle, die bei einer DAP-Flüssigkristallanzeige im Ruhezustand verkippt homöotrop orientiert sind, parallel zur Hauptaustrittsrichtung des Fluoreszenzlichtes liegen. Unter dieser Bedingung ist die Flanke der Kontrast-Spannungs-Kennlinie - soweit ihr Verlauf vom Einfallswinkel des Lichtes abhängt - am steilsten.

Die Fluoreszenzplatte ist an ihrer von der Fllissigkristallanzeige abgewandten Schmalseite mit einer diffus reflektierenden Schicht 7 versehen und trägt an ihrer Vorderseite eine dielektrische Mehrfachschicht 8. Die übrigen beiden Plattenschmalseiten können ebenfalls mit diffus reflektierenden Schichten oder aber mit spiegelnden Reflektoren abgeschlossen werden. Die diffus reflektierende Schicht besteht zweckmäßigerweise aus TiOp und steht mit der Fluoreszenzplatte optisch nicht in Kontakt. Eine solche Entkopplung ist bereits dann gegeben, wenn der Reflektor auf ein anderes Substrat, beispielsweise das Gehäuse, aufgebracht wird und man dann die Fluoreszenzplatte gegen der Reflektor drückt. Der vorgeschriebene endliche Abstand zwischen der diffus reflektierenden Schicht und der Fluoreszenzplatte ist nämlich nur dann nicht gewahrt, wenn die Reflexionsschicht direkt auf die Platte aufgetragen wird.

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die Winkelverteilung des Lichtes, das von einem diffusen Reflektor in ein optisch vom Reflektor entkoppeltes Medium gestreut wird, gilt die folgende, aus dem Lambertschen Gesetz abgeleitete Beziehung I = V 1-n².jiitAc

(I = Anteil des diffus reflektierten Lichtes, bezogen auf die Intensität bei£C⁼O; <?C = Winkel des Lichtes mit der Reflektornorraalen; η = Brechungsindex des Mediums). Dem Ausdruck entnimmt man, daß mit waehsendem η der Streukegel immer schmaler wird. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß sich ein diffuser Reflektor auch so ausführen läßt, daß er selbst eine noch ausgeprägtere Richtcharakteristik als die vom Lambertschen Gesetz beschriebene Yerteilung hat. Derartige Reflektoren sind kommerziell erhältlich.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich von der geschilderten Ausführung im wesentlichen in der Lage und im Aufbau der Flüssigkristallanzeige.

Die Flüssigkristallzelle ist unverkippt an die Vorderseite der 3?luoreszenzplatte gesetzt. Sie enthält im Einzelnen eine transparente, diffus streuende Schicht 5, eine jpluoreszenzplatte 14, eine vordere dielektrische Mehrfachschicht 16, eine vordere Trägerplatte 17, die mit einer segmentierten Leitschicht (Elektrodensegmente 18) versehen ist, eine hintere Trägerplatte 19, die eine durchgehende Leitschicht (Rückelektrode 22) trägt und außerdem noch mit einer dielektrischen Ifehrfachschicht 21 überzogen ist. Die beiden Trägsrplatten sind über einen Rahmen 23 miteinander in einem vorgegebenen Abstand verbunden. Die vom Rahmen und den bei-

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den Trägerplatten begrenzte Kammer ist mit einer Flüssigkristallschicht 24 gefüllt.

Die hintere Mehrfachschicht 21 bildet zusammen mit der Rückelektrode 22 und der Flüssigkristallschicht eine einsige dielektrische Vielfachschicht. Diese Vielfachschicht ist so auf die Fluoreszenzplatte abgestimmt, daß sie im Ruhezustand der Flüssigkristallschicht das Fluoreszenzlicht nur in einem engen, am die Senkrechte zur Plattenvorderfläche zentrierten Lichtkegel ("Zentralkegel") passieren läßt. Die vordere, von der Vielfachschicht durch die relativ dicke Trägerplatte 17 optisch entkoppelte Mehrfachschicht 16 ist so aufgebaut, daß sie nur für das Fluoreszenzlicht aus dem Zentralkegel durchlässig ist.

¥ird die Flüssigkristallschicht in einem bestimmten Bereich angesteuert, so ändert sie ihren Brechungsindex und damit die Transmissionscharakteristik der Vielfachschicht derart, da3 das Fluoreszenzlicht nicht mehr in dem Zentralkegel durchtritt; es wird entweder reflektiert oder passiert die Vielfachschicht in einem Hohlkegel, dessen kleinerer Grenzwinkel größer ist als der Öffnungswinkel des Zentralkegels« Da die vordere Mehrfachsdlcht für Fluoreszenzlicht aus solchen Richtungen undurchlässig ist, ergibt sich folgende Darstellung: Der Anzeigeschirm erscheint außerhalb der Anzeigebereiche sowie an den nicht angesteuerten Anzeigebereichen in einer Farbe, die durch Reflexion des Urngebungslichtes an der Mehrfachschicht und durch.

das aus der Fluoressenzplatte stammende Fluoreszenzlicht bestimmt wird. An den angesteuerten Anzeige-

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Bereichen fehlt der Beitrag des Fluoreszenzlichtes. Es entsteht ein Bild in einer zur Fluoressenzfarbe komplementären Farbe auf einem in der Fluoreszenzfarbe getönten, hellen Untergrund. Mit einem vorgeschalteten Farbfilter läßt sich der Kontrast noch erhöhen.

Das lichtventil aus Jig. Z könnte auch komplementär in dem Sinne aufgebaut sein, daß die gesamte Anordnung im Ruhezustand kein Fluoreszenzlicht passieren läßt, in den aktivierten Bereichen dagegen für das Fluoreszenzlicht durchlässig wird.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So lassen sich auch andere Lichtventile einsetzen, bei denen die MuItipiexbarkeit von der Steilheit der Kontrast-Spannungs-Charakteristik abhängt und diese Kennlinie wiederum mit den Einfallswinkel des Lichtes variiert. Insbesondere kommen dabei andere Feldeffekt-Flüssigkristallanseigen *wie beispielsweise die sog. "Drehzells" infrage. Auch hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus besteht noch ein erheblicher Spielraum. Beispielsweise erhält man die gleiche Wirkung, wenn das Lichtventil vor eine der beiden großen Oberflächen der Fluoressenzplatte statt vor einer der Plattenschmalseiten gesetzt v/ird. In diesem Fall ist es ebenfalls zweckmäßig, die den Austrittsfenstern gegenüberliegenden Flächenbereiche mit dielektrischen Spiegeln zu versehen. Im übrigen braucht die Fluoreszenzplatte keine streng auaderförmige Gestalt zu haben; denkbar sind auch Abwandlungen der rechteckigen Grundform oder Knickungen der Platte. 1st die Fluoreszenzplatte mit einem Hoch-

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paß-Filter bedeckt, so könnte dieses Filter zugleich auch dazu dienen, aus der eingefangenen Sonnenenergie - über einen Fo to empfänger - eine Batterie aufzuladen, die ggf. eine Lichtquelle für das Lichtventil 5 oder etwa die Elektronik eines Taschenrechners speist. Zu diesem Zweck sollte das Filter in der gleichen Weise wie die Floureszenzplatte als Lichtfalle ausgebildet sein, also mit einem Fluoreszenzstoff versehen werden und so beschaffen sein, daß es seine Fluoreszenzstrahlung auf einen Fotoempfänger leitet. Der Fluoreszenzstoff ist so zu wählen, daß er die Filterwirkung selbst hervorruft oder zumindest nicht beeinträchtigt.

11 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

- Ζ- γ?Α .78 P 80 0 2 BRD

Patentansprüche

M ."= Anzeigevorrichtung mit einem in einem Zeitmultiplexverfahren angesteuerten Lichtventil, insbesondere einer Flüssigkristallanzeige, sowie mit einem plattenförmigen Körper ("JFluoreszenzpiatte"), der aus einem Material mit einem Brechungsindex größer 1 besteht, fluoreszierende Partikel enthält, an seinen vier Schmalseiten zumindest teilweise mit einer refiektierenden Schicht versehen ist und mindestens ein Lichtaustrittsfenster hat, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, daß sich die reflektierende Schicht(7) in einem endlichen Abstand parallel zur Schmalseite der Fluoreszenzplatte (3) erstreckt und diffus reflektiert.
2. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß sich das Lichtventil (2) in Blickrichtung vor einer der vier Schmalseiten der Pluoreszenzplatte ("Vorderseite") befindet, wobei das Lichtaustrittsfenster dadurch gebildet ist, daß der vom Lichtventil bedeckte Seil der Plattenvorder·= seite keine reflektierende Schicht hat.
3* Anzeigevorrichtung nach Anspruch 2_? dadurch gekennzei chnet » daß nur die der Vorderseite gegenüberliegende Schmalseite der Fluoreszenzplatte ("Rückseite") mit einer diffus reflektierenden Schicht (7) versehen ist.

ORiGJNAL INSPEC1ED

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4. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch die beiden übrigen Schmalseiten der Fluoressenzplatte (5) Kit einer diffus reflektierenden Schicht (7) versehen sind.
5. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis A-, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtaustrittsfenster mit einer dielektrischen Mehrfachschicht (8) versehen ist, die das von den fluoreszierenden Partikeln (12) emittierte Licht (Fluoreszenzlicht) nur in einem relativ begrenzten Raumv;inkelbereich austreten läßt.
6. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichne t,daß das durch Ansteuerung des Lichtventils (2) zwischen verschiedenen optischen Zuständen schaltbare Medium in Betrachtungsrichtung unmittelbar vor der dielektrischen Mehrfachschicht

(8) angeordnet ist und sich im Abstand vcr dem Medium eine weitere dielektrische Mehrfachschicht (16) befindet, die das das Medium durchsetzende Fluoreszenzlicht nur in einem relativ begrenzten Raumwinkelbereich austreten läßt.
7. Anzeigevorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor der vorderen Mehrfachschicht (16) ein Farbfilter angeordnet ist, das insbesondere nur für Fluoresgenzlicht durchlässig

3C ist.

S. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtventil eine Flüssigkristallanzeige mit einer

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i„ -J J O *r *4

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zwischen zwei Trägerplatten (17,19) und zwei Linearpolarisatoren befindlichen Flüssigkristallschicht ist, deren Moleküle plattenparallel orientiert sind und dabei in Richtung der Plattennormalen eine Drehung von insgesamt 90° beschreiben, und daß die Polarisationsrichtungen der beiden Linearpolarisatoren einen endlichen Winkel < 15°, insb. zwischen 5° und 12°, miteinander bilden.
9. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Senkrechte auf die Brstreckungsebene des Lichtventils (2) mit derjenigen Richtung, in der der größte Anteil des iluoreszenziichtes in das Lichtventil (2) eintritt (Haupteintrittsrichtung), einen endlichen Winkel bildet.
10. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Lichtventil (2) auf seiner Frontseite eine transparente, diffus streuende Schicht (5) trägt.
11. Anzeigevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Fluoreszenzplatte (3) nit einerü Filter (4) bedeckt ist, das nur das Anregungslicht für die fluoreszierenden Partikel (11) der Fluoreszenzplatte (5) hindurchläßt, ebenfalls einen Fluoreszensstcff enthält und derart ausgebildet ist. daB sein Fluoressenzlicht gebündelt an einem Ort austritt.

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