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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anzeige von
Bildern.
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Eine
solche Einrichtung kann bei einer autostereoskopischen dreidimensionalen
Anzeige, einer umschaltbaren zweidimensionalen (2D)/dreidimensionalen
(3D) autostereoskopischen Anzeige oder einem umschaltbaren Anzeigesystem
hoher Helligkeit verwendet werden. Solche Systeme können in
Computerbildschirmen, Telekommunikationshandgeräten, Digitalkameras, Laptoprechnern
und Desktoprechnern, Spielevorrichtungen, Kraftfahrzeug- und anderen
mobilen Anzeigeanwendungen sowie bei Telekommunikationsschaltanwendungen
verwendet werden.
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Anzeigesysteme,
die Mikrooptikkomponenten nutzen, um ihre Funktionalität zu verbessern,
umfassen Projektoren mit Flüssigkristallanzeige
(LCD), autostereoskopische 3D-Anzeigen und Helligkeit verstärkende reflektive
Anzeigen.
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Bei
jedem System wird eine Mikrooptikkomponente, beispielsweise eine
Mikrolinsenanordnung, mit mindestens einem Bildpunkt der räumlichen Lichtmodulatorkomponente
ausgerichtet. Ein mögliches
System wird in 1 in Draufsicht gezeigt. Eine Hintergrundbeleuchtung 2 erzeugt
Beleuchtung 4 eines LCD-Eingangspolarisators 6.
Das Licht wird durch ein Dünnschicht-Transistor-Substrat (TFT) 8 durchgelassen
und fällt
auf eine Bildpunktschicht 10, die einzeln steuerbare phasenmodulierende
Bildpunkte 12–26 umfasst.
Die Bildpunkte sind in Zeilen und Spalten angeordnet und umfassen
eine Bildpunktapertur 28 sowie eine trennende schwarze Maske 30.
Dann passiert das Licht ein LCD-Gegensubstrat 32 und ein
Linsenträgersubstrat 36,
woraufhin eine doppelbrechende Mikrolinsenanordnung 38 ausgebildet
ist. Die doppelbrechende Mikrolinsenanordnung 38 umfasst
eine isotrope Linsenmikrostruktur 40 und ein ausgerichtetes
doppelbrechendes Material mit einer optischen Achsenrichtung 42.
Die Ausgabe der doppelbrechenden Linse passiert dann ein Linsensubstrat 44 und
eine Polarisation modifizierende Vorrichtung 46.
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Jede
doppelbrechende Linse der Linsenanordnung ist zylindrisch; die Linsenanordnung 38 ist ein
Linsenrasterschirm und die geometrische Achse der Linsen liegt außerhalb
der Seite. Der Abstand der Linsen ist in diesem Beispiel so ausgelegt,
dass er im Wesentlichen der doppelte Abstand der Bildpunkte der
Anzeige ist, so dass eine autostereoskopische Anzeige mit zwei Ansichten
erzeugt wird.
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In
einer ersten Betriebsart ist die Polarisation modifizierende Vorrichtung 46 dafür ausgelegt,
Licht mit einem Polarisationszustand durchzulassen, der parallel
zur gewöhnlichen
Achse des doppelbrechenden Materials der Mikrolinsenanordnung ist.
Der gewöhnliche
Brechungsindex des Materials (beispielsweise ein Flüssigkristallmaterial)
ist im Wesentlichen dem Index der isotropen Mikrostruktur 40 angepasst. Somit
haben die Linsen keine optische Wirkung und es gibt im Wesentlichen
keine Änderung
der Richtungsverteilung der Ausgabe der Anzeige. In dieser Betriebsart
sieht ein Betrachter alle Bildpunkte 12–26 der Anzeige mit
jedem Auge, und es wird ein 2D-Bild erzeugt.
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In
einer zweiten Betriebsart ist die Polarisation modifizierende Vorrichtung 46 dafür ausgelegt, Licht
mit einem Polarisationszustand durchzulassen, der parallel zur außergewöhnlichen
Achse der doppelbrechenden Mikrolinsenanordnung ist. Der außergewöhnliche
Brechungsindex des Materials (beispielsweise ein Flüssigkristallmaterial)
unterscheidet sich vom Index der isotropen Mikrostruktur 40.
Somit haben die Linsen eine optische Wirkung und es gibt eine Änderung
der Richtungsverteilung der Ausgabe der Anzeige. Diese Richtungsverteilung
kann, wie auf dem Gebiet bekannt ist, so festgelegt werden, dass
ein an der Vorderseite der Anzeige korrekt positionierter Betrachter
ein dem Licht von linken Bildpunkten 12, 16, 20, 24 entsprechendes
linkes Bild in seinem linken Auge sieht und ein den rechten Bildpunkten 14, 18, 22, 26 entsprechendes
rechtes Bild in seinem rechten Auge sieht. Auf diese Weise kann eine
von 2D auf 3D umschaltbare autostereoskopische Anzeige erzeugt werden.
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Linsenanordnungen
sind für
autostereoskopische Anzeigen besonders geeignet, da sie die Funktionalitäten hoher
Effizienz, kleiner Punktgröße und Herstellbarkeit
mit Hilfe gut bekannter lithographischer Verarbeitungsverfahren
kombinieren.
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Es
wurde vorgeschlagen, elektrisch schaltbare doppelbrechende Linsen
für die
Zwecke des Schaltens der Richtung von Licht vorzusehen, zum Beispiel
um eine Anzeige zwischen einer 2D-Betriebsart und einer 3D-Betriebsart
umzuschalten.
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Zum
Beispiel werden elektrisch schaltbare doppelbrechende Flüssigkristall-Mikrolinsen in European
Optical Society Topical Meetings Digest Series: 13, 15.–16. Mai
1997 L.G. Commander et al „Electrode
designs for tuneable microlenses",
Seiten 48–58, beschrieben.
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In
einer anderen Art von schaltbarer 2D-3D-Anzeige, die in
US 6,069,650 (worauf die zweiteilige
Form von Anspruch 1 beruht) und WO 98/21620 offenbart wird, werden
schaltbare Mikrolinsen mit einem mit Flüssigkristallmaterial gefüllten Linsenrasterschirm
zum Ändern
der optischen Wirkung eines Linsenrasterschirms verwendet.
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Bekannte
organische elektrolumineszente Anzeigen können reflektierende Elektroden
vor oder hinter dem emissiven Teil der Bildpunkte verwenden. Die
Bildpunktapertur ist in einen emissiven Bereich und einen Spaltbereich
unterteil, der eine emissive Bildpunktapertur umfasst. Das vertikale
Aperturverhältnis
des emissiven Bereichs kann zum Beispiel durch die erforderliche
Breite des Spalts in der Zeilenelektrode beschränkt sein. Elektrolumineszente Anzeigen
können
auch aktive Matrixrückebenen
einsetzten, ähnlich
wie sie für
LCD-Anzeigen verwendet werden. Das Ergebnis ist wiederum eine Reduzierung
des Aperturverhältnisses
(emittierende Fläche/gesamte
Bildpunktfläche).
Solche Bildschirme sind somit gut zur Helligkeitsverstärkung geeignet, wie
in WO-03/015424 beschrieben wird. Bei einer solchen Helligkeitsverstärkung wird
eine Mikrolinsenanordnung verwendet, um ein Bild des Bildpunkts
zu einer optischen Pupille oder einem ,Fenster' in der Sollsichtebene zu lenken. In
dem Fenster sieht der Betrachter eine Helligkeitszunahme proportional
zu dem vertikalen Aperturverhältnis
des Bildschirms.
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Außerhalb
des Betrachtungsfensters sieht ein Betrachter die Spalte zwischen
den Bildpunkten, und die Anzeige weist reduzierte Helligkeit auf.
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Emissive
Anzeigen, wie anorganische und organische elektrolumineszente Anzeigen,
die Polymer enthalten, und niedermolekulare organische elektrolumineszente
Anzeigen, erzeugen typischerweise eine nicht polarisierte optische
Ausgabe. Die optischen Schaltsysteme mit Richtungsverteilung können aber
auf einem Schalten von Polarisation bauen, um ein Umkonfigurieren
einer Anzeige zwischen einer ersten Betriebsart, die zum Beispiel
lambertian sein kann, und einer zweiten Betriebsart, die zum Beispiel
aus autostereoskopischen 3D-Fenster bestehen kann, zu ermöglichen.
Unpolarisierte Anzeigen zeigen daher bei Kombination mit optischen Schaltsystemen
mit Polarisationsrichtungsverteilung einen Polarisationsverlust.
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Es
ist auf dem Gebiet bekannt, einen Kreis-Polarisator zu verwenden,
um Reflexionen von diesen Elektrodenschichten zu vermeiden, in denen die
Emission im Wesentlichen wahllos polarisiert wird. Der Kreis-Polarisator
dient zum Aufheben der Reflexion von Außenlicht von den Elektroden
und umfasst im Allgemeinen einen linearen Polarisator und eine Viertelwellenplatte.
Es wäre
wünschenswert,
einen solchen Kreis-Polarisator bei einer Anzeigeeinrichtung mit
einer Linse anzuwenden, die die Richtungsverteilung des ausgegebenen
Lichts modifizieren kann, zum Beispiel um eine autostereoskopische
3D-Wirkung oder eine Wirkung verbesserter Helligkeit zu erzeugen.
Wenn die Linse aber eine doppelbrechende Linse ist, die verwendet
wird, um ein Schalten der von der Linse vorgenommenen Modifizierung
zu ermöglichen,
wobei die Linse abhängig von
der Polarisation von Licht arbeitet, das durch die Anzeige verläuft, ist
es nicht offensichtlich, wie der Kreis-Polarisator implementiert
werden soll, der ebenfalls auf der Polarisation des Lichts beruht.
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Erfindungsgemäß wird eine
Anzeigeeinrichtung an die Hand gegeben, welche umfasst: einen emissiven
räumlichen
Lichtmodulator, der eine Anordnung von Bildpunkten umfasst, die
jeweils so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen wahllos polarisiertes
Licht ausgeben; eine doppelbrechende Mikrolinsenanordnung, die zum
Empfangen von Licht von dem räumlichen
Lichtmodulator und zum Lenken von Licht einer ersten Polarisationskomponente
in eine erste Richtungsverteilung und zum Lenken von Licht einer
zweiten anderen Polarisationskomponente in eine sich von der ersten
Richtungsverteilung unterscheidende zweite Richtungsverteilung angeordnet
ist, eine Viertelwellenplatte und einen linearen Polarisator, wobei
die Viertelwellenplatte zwischen dem räumlichen Lichtmodulator und
der doppelbrechender Mikrolinsenanordnung angeordnet ist und die
Viertelwellenplatte an der dem linearen Polarisator gegenüberliegenden
Seite der doppelbrechenden Mikrolinsenanordnung angeordnet ist.
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Die
Viertelwellenplatte und der lineare Polarisator dienen kombiniert
als Kreis-Polarisator,
um Reflexionen in der oben erwähnten
bekannten Weise zu mindern. Diese Wirkung wird in einer Anzeigeeinrichtung
mit einer doppelbrechenden Linse verwirklicht, die ein Modifizieren
der Richtungsverteilung des ausgegebenen Lichts ermöglicht,
wobei die Modifizierung schaltbar ist. Die vorliegenden Erfinder
haben gewürdigt,
dass die Position der Elemente des Kreis-Polarisators, nämlich der
Viertelwellenplatte und des linearen Polarisators, an gegenüberliegenden
Seiten der doppelbrechenden Linse immer noch sowohl ein ordnungsgemäßen Umschalten
der Wirkung der doppelbrechenden Linse als auch einen ordnungsgemäßen Betrieb
des Kreis-Polarisators in beiden Betriebsarten der doppelbrechenden
Linse ermöglicht,
obwohl beide Wirkungen polarisationsabhängig sind.
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Weiterhin
verwirklicht die Position dieser Elemente folgende wesentlichen
Vorteile. Verglichen mit der denkbaren Möglichkeit, den Kreis-Polarisator
als Ganzes zwischen dem räumlichen
Lichtmodulator und der doppelbrechenden Linse anzuordnen, wird zunächst nur
die Viertelwellenplatte dort angeordnet. Dadurch kann der Abstand
zwischen dem räumlichen
Lichtmodulator und der doppelbrechenden Linse minimiert werden.
Dies ist ein wesentlicher Vorteil. Bei der Linse, die eine verbesserte
Helligkeitswirkung vorsieht, wird zum Beispiel die Betrachtungsfreiheit
der Anzeige durch die Trennung der Linse von der Bildpunktebene
und den vertikalen Verlauf der Bildpunkte der Anzeige bestimmt,
so dass die von der vorliegenden Erfindung verwirklichte Minimierung der
Trennung die Betrachtungsfreiheit der Anzeige in der Richtungsbetriebsart
optimiert. Das Minimieren dieses Abstand verbessert dagegen bei
einer Standard-2D-Anzeige die Betrachtungsfreiheit nicht.
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Ein
anderer Vorteil betrifft die Verluste. Eine unpolarisierte emissive
Anzeige ist billiger und leichter herzustellen als eine polarisierte
emissive Anzeige. Bei Verwendung in Kombination mit einer unpolarisierten
emissiven Anzeige reduziert aber die Verwendung einer doppelbrechenden
Linse zum Vorsehen umschaltbarer Modifizierung der Richtungsverteilung
die Sollausgabe aufgrund der Wirkung der Polarisationssteuerung
um 50%. Analog reduziert der lineare Polarisator eines Kreis-Polarisators bei Verwenden
bei einer unpolarisierten emissiven Anzeige ohne doppelbrechende
Linse die Sollausgabe um 50%. Die Anordnung der ersten Ausgestaltung der
vorliegenden Erfindung erlaubt aber das Implementieren sowohl des
Kreis-Polarisators als auch der schaltbaren doppelbrechenden Linse
mit einem Gesamtverlust von nur 50%, d.h. die Verluste des Kreis-Polarisators
und der schaltbaren doppelbrechenden Linse kumulieren sich getrennt
nicht. Dies ist ein wesentlicher Vorteil, da es das Integrieren
beider Merkmale ohne eine entsprechende Zunahme der Verluste ermöglicht.
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Bevorzugt
ist eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale vorhanden.
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Das
emissive Material kann ein polymeres elektrolumineszentes Material
oder ein niedermolekulares elektrolumineszentes Material sein.
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Die
geometrische optische Achse der Linse kann mit den Bildpunkten des
räumlichen
Lichtmodulators ausgerichtet werden.
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Die
Bildpunkte können
in Zeilen und Spalten angeordnet werden.
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Die
Linsenanordnung kann zum Modifizieren der Richtungsverteilung der
Anzeigevorrichtung in einer oder beiden Betriebsarten verwendet
werden, um eine Vielzahl verschiedener Wirkungen zu erreichen, einschließlich aber
nicht ausschließlich
das Vorsehen einer autostereoskopischen 3D-Wirkung, verbesserter
Helligkeit oder eines Anzeigesystems für mehrere Nutzer.
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Somit
können
solche Vorrichtungen verwendet werden für:
ein autostereoskopisches
Anzeigemittel, das praktischerweise ein sich bewegendes stereoskopisches 3D-Bild
voller Farbe, das von dem bloßen
Auge in einer Betriebsart betrachtet werden kann, und ein 2D-Bild
voller Auflösung
in einer zweiten Betriebsart vorsehen kann;
ein schaltbares
Anzeigesystem hoher Helligkeit, das in einer ersten Betriebsart
eine im Wesentlichen nicht gerichtete Helligkeitsleistung aufweisen
kann, und in einer zweiten Betriebsart eine im Wesentlichen gerichtete
Helligkeitsleistung aufweisen kann; oder
ein Anzeigemittel
für mehrere
Betrachter, das in einer Betriebsart praktischerweise einem Betrachter
sich bewegende 2D-Bilder voller Farbe und mindestens einem zweiten
Betrachter mindestens ein zweites anderes 2D-Bild und in einer zweiten
Betriebsart ein von allen Betrachtern gesehenes 2D-Bild voller Auflösung bieten
kann.
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Vorteilhafterweise
kann durch Anwenden der verbesserten Helligkeitsleistung bei einer
organischen elektrolumineszenten Anzeige die Lebensdauer der Anzeige
verlängert
werden. Die Helligkeitsverbesserung kann verwendet werden, um den
erwünschten
Helligkeitswert für
eine reduzierte elektrische Antriebslast der Bildpunkte der Anzeige
zu verwirklichen. Eine Reduzierung der elektrischen Antriebslast
der Bildpunkte kann zum Verlängern
der Lebensdauer der in der Anzeige verwendeten Materialien genutzt
werden.
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Die
nachstehend beschriebenen Ausführungen
der vorliegenden Erfindung können
die folgenden Vorteile einzeln oder in Kombination bieten: Eine schaltbare
gerichtete Anzeigeeinrichtung unter Verwendung einer emissiven Anzeige
kann mit hoher optischer Leistungsfähigkeit konfiguriert werden.
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Die
Einrichtung erlaubt das effiziente Schalten zwischen einer 2D-Betriebsart
hoher Auflösung und
hoher Helligkeit und einer 3D-Betriebsart hoher Helligkeit.
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Die
Einrichtung erlaubt das effiziente Schalten zwischen einer 2D-Betriebsart
standardmäßiger Helligkeit
und einer 3D-Betriebsart verbesserter Helligkeit, was die optische
Apertur der Anzeige effektiv vergrößert.
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Die
Einrichtung kann kostengünstig
hergestellt werden.
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Das
optische Kanalübersprechen
der 3D-Betriebsart kann optimiert werden.
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Die
Verwendung einer emissiven Anzeige lässt das Herstellen einer dünnen Vorrichtung
ohne Verwenden eines Hintergrundbeleuchtungselements zu.
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Die
Elemente können
mit Hilfe bekannter Verfahren hergestellt werden.
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Die
Anzeige kann in einem breiten Bereich an Einsatzumgebungen arbeiten.
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Nun
werden lediglich beispielhaft unter Bezug auf die Begleitzeichnungen
erfindungsgemäße Ausführungen
beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine
Art von schaltbarerer autostereoskopischer 2D-3D-Anzeigeeinrichtung
unter Verwendung einer Flüssigkristallanzeige;
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2 eine
andere Art von schaltbarerer autostereoskopischer 2D-3D-Anzeigeeinrichtung
unter Verwendung einer polarisierten emissiven Anzeige;
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3 die
andere Art von schaltbarerer autostereoskopischer 2D-3D-Anzeigeeinrichtung
unter Verwendung einer polarisierten emissiven Anzeige;
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4 eine
andere Art von schaltbarerer autostereoskopischer 2D-3D-Anzeigeeinrichtung
unter Verwendung einer polarisierten emissiven Anzeige;
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5 eine
andere Art von schaltbarerer Anzeigeeinrichtung verbesserter Helligkeit
unter Verwendung einer polarisierten emissiven Anzeige;
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6 eine
Einrichtung mit einer Viertelwellenplatte zum Aufheben vorderer
Reflexionen von Elektroden in einer wahllos polarisierten emissiven OEL-Anzeige;
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7 einen Prozess für OEL-Bildschirmkonstruktion,
um eine kurze Betrachtungsentfernung bei Wahren struktureller Stabilität zu ermöglichen;
und
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8 eine
Anzeige, die eine aktive doppelbrechende Linse und Viertelwellenplatte
enthält.
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Die
nachstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungen teilen eine Reihe von
gemeinsamen Merkmalen. Der Kürze
halber werden bezüglich gemeinsamer
Merkmale gemeinsame Bezugszeichen verwendet, und eine Beschreibung
derselben wird nicht bei jeder Ausführung wiederholt.
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2 zeigt
eine erste Anzeigeeinrichtung, die nicht erfindungsgemäß ist, aber
zum Verständnis nützlich ist.
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Eine
Anordnung von Bildpunkten 50 ist an einem Anzeigesubstrat 48 ausgebildet,
um einen räumlichen
Lichtmodulator zu bilden. Das Substrat 48 kann eine Anordnung
von adressierenden Dünnschichttransistoren
und Elektroden umfassen, so dass jeder der Bildpunkte unabhängig mit
einem elektrischen Signal adressiert werden kann. Die Dünnschichttransistoren
können
anorganisch sein oder können
in organischen Materialien verkörpert sein.
Alternativ können
die Bildpunkte durch ein passives Addressierschema adressiert werden,
bei dem an den Bildpunkten keine adressierende Transistoren vorhanden
sein müssen.
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Jeder
der Bildpunkte 50 umfasst einen emissiven Bereich, in dem
das Chromophore umfassende emissive Material einaxial ausgerichtet
ist, so dass die Polarisation der Emission im Wesentlichen linear und
für den
gesamten Bildpunkt im Wesentlichen in der gleichen Ausrichtung ist.
Bevorzugt ist jeder Bildpunkt so angeordnet, dass er im Wesentlichen
die gleiche Polarisationsrichtung hat.
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Das
emissive Material der Bildpunkte 50 kann ein organisches
elektrolumineszentes Material, zum Beispiel ein polymeres elektrolumineszentes Material
oder ein niedermolekulares elektrolumineszentes Material, sein.
Das emissive Material kann so angeordnet sein, dass es durch Ausrichten
der Moleküle
des emittierenden Materials mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens
polarisierte Emission erzeugt. Das emissive Material kann zum Beispiel
das in „Polarized
Electroluminescence from an Anisotropic Nematic Network on a Non-contact
Photoalignment Layer",
A.E:A. Contoret, S.R. Farrar, P.O. Jackson, S.M. Khan, L. May, M.
O'Neill, J.E: Nicholls,
S.M. Kelly und G.J. Richards, Adv. Mater, 2000, 12, Nr. 13, 5. Juli,
S. 971, offenbarte Material sein, das demonstriert, dass Polarisationsleistungen
von 11:1 in praktischen Systemen erreicht werden können.
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An
den Bildpunkten ist ein weiteres Decksubstrat 52 angebracht.
Das Substrat 52 kann Barriereschichten und Schwarzmaskenschichten
zur Kontrastverbesserung enthalten.
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An
dem Substrat 52 kann ein optionaler Polarisator 54 angebracht
sein. Alternativ können
Polarisatormaterialien an oder nahe der Bildpunktebene, zum Beispiel
an der Innenfläche
des Substrats 52, aufgenommen werden.
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Zum
Beispiel weist eine bekannte polarisierte organische elektrolumineszente
Anzeige ein Polarisationsverhältnis
von 11:1 auf. In Kombination mit einem typischen Polarisator mit
einer Polarisationsleistung von 45% liegt der Gesamtdurchsatz der Lichtquelle
bei 82,5% verglichen mit 45% bei einer unpolarisierten Lichtquelle
in Kombination mit einem Säuberungspolarisator.
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An
dem Polarisator 54 ist ein optionales Substrat 56 angebracht
und weist eine an dessen Oberfläche
ausgebildete doppelbrechende Mikrolinse auf. Die doppelbrechende
Mikrolinse enthält
einen Oberflächenreliefstruktur,
beispielsweise eine lentikulare Oberflächenreliefstruktur. Die Oberflächenreliefstruktur
kann an der Grenzfläche
eines doppelbrechenden Materials und eines isotropen Materials gebildet
werden. Die doppelbrechende Mikrolinse enthält ein doppelbrechendes Material 42 mit
einer in 2 gezeigten Ausrichtungsrichtung
sowie ein isotropes Material 40. Die doppelbrechende Mikrolinse
kann zum Beispiel ein ausgerichtetes Flüssigkristallmaterialumfassen,
beispielsweise einen nematischen Flüssigkristall, der zwischen
homogenen Ausrichtungsschichten auf dem Substrat 56 und
an der Oberfläche des
isotropen Materials 40 eingeschlossen ist. Es können auch
homöotrope
Ausrichtungsschichten verwendet werden. Das doppelbrechende Material 42 kann
ein UV-gehärtetes
Flüssigkristallmaterial
wie reaktiver mesogener Flüssigkristall
sein. Die relative Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 42 an den
beiden Oberflächen
der doppelbrechenden Linse kann parallel oder antiparallel sein
oder es kann zwischen den beiden Oberflächen eine Verdrehung vorliegen,
so dass einfallende Polarisation vor dem Auftreffen auf die Oberflächenreliefstruktur
in der doppelbrechenden Linse gedreht wird. Der Brechungsindex und
die Streuung des isotropen Materials 40 können im
Wesentlichen gleich wie die Brechungsindizes und die Streuung des
doppelbrechenden Materials 42 sein. Ausführungen
von doppelbrechenden Mikrolinsen, die auf die vorliegende Erfindung
anwendbar sind, werden in WO-03/015,424 beschrieben.
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Nach
der doppelbrechenden Mikrolinse wird eine Polarisationsschalterzelle
an einem Substrat 41 gebildet. Der Schalter dient zum Schalten
der durch einen linearen Endausgangspolarisator 66 durchgelassenen
Polarisation und kann eine Schicht nematischen Flüsskristallmaterials 60,
das zwischen transparenten ITO-Elektroden und der Ausrichtungsschicht 58 eingeschlossen
ist, umfassen. Um die Ausgangspolarisation von der Schalterzelle
zu schalten, wird über
der Flüssigkristallzelle
eine elektrische Spannung 62 angelegt.
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Die
Einrichtung von 2 arbeitet in folgender Weise.
Die emissive Anzeige erzeugt eine im Wesentlichen linear polarisierte
Ausgangspolarisation. Die Ausgangspolarisation von der polarisierten
emissiven Bildpunktanordnung 50 wird durch den linearen Polarisator 54 gesäubert, der
eine Transmissionsrichtung parallel zur Hauptachse der Polarisationsrichtung
des emissiven Materials hat. Dieser Polarisationszustand ist bei
45 Grad zur Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 42 ausgerichtet,
so dass es von der Linse in zwei senkrechte Komponenten aufgelöst wird.
Das Polarisationsschaltmaterial 60 ist in einem ersten
Zustand so ausgerichtet, dass der durch den Ausgangspolarisator 66 durchgelassene
Polarisationszustand parallel zum normalen Brechungsindex des Flüssigkristallmaterials
in der doppelbrechenden Linse 42 ist. Dieser Brechungsindex ist
im Wesentlichen dem Brechungsindex des isotropen Materials 40 angepasst,
und somit liegt im Wesentlichen keine Linsenwirkung vor, wenngleich
eine geringe optische Restwirkung insofern vorliegen kann, dass
es nicht möglich
ist, eine präzise
Anpassung des Brechungsindexes zu erhalten. Die Anzeige hat dann
eine Richtungsverteilung, die im Wesentlich gleich der optischen
Ausgabe der Bildpunktebene ist.
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In
einer zweiten Betriebsart passt der Schalter 62 das Material 60 so
an, dass die durchgelassene Polarisation durch den Polarisator 66 den äußergewöhnlichen
Brechungsindex des doppelbrechenden Materials 42 gesehen
hat, und somit liegt eine Indexstufe zu dem isotropen Material an
der Linsenoberfläche
vor, und die Linse hat eine optische Funktion. Dies bewirkt eine Änderung
der Richtungsverteilung der optischen Ausgabe. Die Linse kann so
angeordnet werden, dass sie an einer Fensterebene ein Bild der Bildpunktebene
erzeugt.
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In
dieser Beschreibung wird die Richtung der optischen Achse des doppelbrechenden
Materials (die Direktorrichtung oder die außergewöhnliche Achsenrichtung) als
die doppelbrechende optische Achse bezeichnet. Dies sollte nicht
mit der optischen Achse der Linsen verwechselt werden, die in üblicher Weise
durch geometrische Optik definiert wird.
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Die
Ausrichtung des doppelbrechenden Materials 42 in der Linse
kann durch die Dicke der Zelle als parallel festgelegt werden. Die
Ausrichtung an der Linsenoberfläche
kann parallel zur geometrischen Linsenachse der Zylinderlinsen sein.
Alternativ kann die doppelbrechende optische Achse so angeordnet werden,
dass sie durch die Zelle dreht, so dass die Polarisationsausrichtungsrichtung
der emissiven Anzeige und der Säuberungspolarisator
bei einem zur geometrischen Linsenachse anderen Winkel vorliegen.
Dies kann zum Beispiel zum Lockern von Herstellungstoleranzen bei
der Fertigung der polarisierten emissiven Vorrichtungen oder zum
Verbessern des Betrachtungswinkels der Vorrichtung vorteilhaft sein,
wenn der Betrachtungswinkel durch die polarisierten Emissionsbedingungen
Beschränkungen
unterliegt.
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Die
Linsen können
in Spalten mit einem Abstand angeordnet werden, der im Wesentlichen
(aber nicht exakt) der doppelte Abstand der Spalten von Bildpunkten
der Anzeige ist. Wenn einer Nutzer seine Augen in der Fensterebene
positioniert, können
abwechselnde Spalten von Bildpunkten des Bildschirms gesehen werden
und es kann ein Stereobild gesehen werden. Diese optische Ausgabe
wird in WO-03/015424
beschrieben.
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Alternativ
kann die Linse als Zeilen von Zylinderlinsen angeordnet werden,
wobei ein Abstand im Wesentlich gleich (aber nicht exakt) der Abstand
der Zeilen der Anzeige ist. Wenn das Aperturverhältnis der Bildpunkte in der
vertikalen Richtung unter 100% liegt, dann erzeugen die Linsen in
der gerichteten Betriebsart Bereiche, aus denen die Anzeige aufgrund der
Fokussierung der Linsen von der Mitte der Bildpunkte eine höhere Helligkeit
getrennt durch Bereiche niedrigerer Helligkeit hat.
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Die
Einrichtung von 2 weist eine Sollhelligkeit
von 50% auf, da der Eingangspolarisationszustand zu den Linsen in
zwei senkrechte Komponenten aufgelöst ist, die jeweils parallel
und senkrecht zur doppelbrechenden optischen Achse der doppelbrechenden
Mikrolinsen sind.
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3 zeigt
eine zweite Anzeigeeinrichtung, die nicht erfindungsgemäß, aber
für das
Verständnis nützlich ist.
Die Einrichtung von 3 kann eine Betriebsart voller
Helligkeit zeigen. Verglichen mit 2 sind die
Position des Polarisationsschalters und der doppelbrechenden Mikrolinsenanordnung
umgedreht. Die Ausgangspolarisation von der polarisierten emissiven
Anzeige und dem Säuberungspolarisator 54 trifft
auf den Polarisation schaltenden Mechanismus 60, 58, 62.
In einer ersten Betriebsart findet kein Polarisationsschalten statt,
so dass die auf die doppelbrechende Mikrolinsenanordnung 42 auftreffende Polarisation
parallel zur gewöhnlichen
Komponente des Brechungsindex der Linsenoberfläche ist, und es wird aufgrund
der Indexanpassung an das isotrope Material 40 im Wesentlichen
keine Linse gesehen. Das Licht fällt
durch ein Endsubstrat 68, das zum Beispiel Entspiegelungsschichten
umfassen kann. Somit weist das Licht im Wesentlichen die gleiche
Richtungsverteilung wie der emissive Bildschirm auf.
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In
der zweiten Betriebsart dreht der Polarisationsschalter die Polarisation
von dem Bildschirm, so dass sie parallel zur doppelbrechenden optischen Achse
der doppelbrechenden Mikrolinse ist, und die Linse hat eine optische
Funktion.
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Bei
dieser Konfiguration sieht das gesamte Licht die richtige Linsenachse,
und somit gibt es im Wesentlichen keine Verluste im System.
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Eine
solche Konfiguration weist aufgrund der Dicke der zusätzlichen
Schichten eine größere Betrachtungsentfernung
auf. Die Dicke kann durch Entfernen des Substrats 64 und
Verwenden eines gehärteten
Flüssigkristallmaterials
für die
doppelbrechende Linse vermindert werden, wie in 4 gezeigt wird.
Ein optionales Substrat 70 ist auf dem Polarisator 54 ausgebildet
und weist an seiner gegenüberliegenden
Oberfläche
ITO- und Ausrichtungsschichten 58 auf. Die doppelbrechende
Mikrolinse und das isotrope Material können auf einem Substrat 68 mit
einer ITO-Beschichtung 72 ausgebildet werden. Die doppelbrechende
Mikrolinsenanordnung 42 kann aus einem UV-gehärteten Material,
beispielsweise reaktivem Mesogen, gefertigt werden, und eine Ausrichtungsschicht 74 kann
auf seiner Oberfläche
ausgebildet werden. Ein schaltbares Polarisation modulierendes Material
wie ein nematischer Flüssigkristall 60 kann
zwischen der Mikrolinsenanordnungsschicht 42 und der ITO
und der Ausrichtungsschicht 58 eingeschlossen sein. Alternativ
kann die ITO-Beschichtung 72 auf der Oberfläche der
UV-gehärteten
doppelbrechenden Mikrolinse 42 in Kombination mit der Ausrichtungsschicht 74 ausgebildet
werden. An den ITO-Beschichtungen
wird durch eine Stromquelle 62 elektrische Spannung angelegt.
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Auf
diese Weise kann die Trennung der Linse von der Bildpunktebene reduziert
werden. Dies ist insbesondere bei Vorrichtungen mit kleinen Bildpunktgrößen vorteilhaft.
Das Substrat 70 kann auch entfernt werden, so dass die
Schichten 58 zum Beispiel an dem Polarisator 54 gebildet
werden.
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5 zeigt
eine schaltbare Anzeigeeinrichtung verbesserter Helligkeit, die
eine polarisierte emissive Anzeige verwendet, die nicht erfindungsgemäß, aber
für das
Verständnis
nützlich
ist.
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Wie
in 5 gezeigt, können
die polarisierten emissiven Bildpunkte in einer Bildpunktebene 50 emissive
Bereiche 80 und Spalte 82 zwischen den emissiven
Bildpunkten umfassen. Die Spaltbereiche können Elektroden oder zum Beispiel
adressierende Transistoren umfassen. Die Linsen können bezüglich der
Anzeige in Zeilen angeordnet sein. Der Abstand der Linsen wird so
festgelegt, dass er im Wesentlichen gleich dem Abstand der Zeilen
der Bildpunkte ist. Der Rest der Elemente der Anzeige kann zum Beispiel
wie in 4 konfiguriert sein und arbeiten. In einer ersten
Betriebsart ist die Linse dafür
ausgelegt, keine optische Funktion zu haben, so dass das Licht von
dem emissiven Bereich im Wesentlichen unmodifiziert von den Linsen
der Zylinderlinsenanordnung ist. In einer zweiten Betriebsart sind
die Linsen dafür ausgelegt,
eine optische Funktion zu haben, so dass jeder der Bildpunkte von
einer jeweiligen Linse auf eine Fensterebene bei einem Sollabstand
von der Anzeige abgebildet wird. Wenn ein Betrachter sein Auge am
Bild der Bildpunkte an der Fensterebene positioniert, dann hat die
Anzeige verglichen mit der nicht modifizierten Anzeige eine höhere Helligkeit. Wenn
der Betrachter sein Auge an den Spalt zwischen den Bildern positioniert,
dann hat die Anzeige eine geringere Helligkeit als die modifizierte
Anzeige. Auf diese Weise kann die Anzeigehelligkeit in Fällen vorteilhaft
verbessert werden, da das Aperturverhältnis des Bildpunkts in einer
ersten Richtung kleiner als 100% ist.
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6 zeigt
im Querschnitt eine Helligkeitsverstärkungs-Anzeigeeinrichtung,
die die vorliegende Erfindung verkörpert und eine unpolarisierte
Anzeige aufweist.
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Die
Anzeigeeinrichtung umfasst eine an einem Anzeigesubstrat 48 ausgebildete
Anordnung von Bildpunkten 50 zum Bilden eines räumlichen Lichtmodulators
mit der gleichen Konstruktion und Anordnung wie in den vorstehend
beschriebenen emissiven Einrichtung, wobei sie lediglich im Wesentlichen
wahllos polarisiertes Licht ausgeben. Somit kann das emissive Material
der Bildpunkte 60 ein organisches elektrolumineszentes
Material, zum Beispiel ein polymeres elektrolumineszentes Material oder
ein niedermolekulares elektrolumineszentes Material, sein. Alternativ kann
die Anordnung von Bildpunkten 50 und Substrat 48 durch
eine andere Art von emissivem räumlichen
Lichtmodulator ersetzt werden, der eine Anordnung von Bildpunkten
umfasst, die jeweils zum Ausgeben von wahllos polarisiertem Licht
angeordnet sind.
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Die
Anordnung der Bildpunkte 50 weist ein vertikales Aperturverhältnis von
unter 100% auf und gibt Licht hin zu einer Viertelwellenplatte 84 ab.
Wenn das Licht im Wesentlichen wahllos polarisiert wird, treffen
erste und zweite aufgelöste
lineare Komponenten von im Wesentlichen gleicher Intensität auf die
Linsenanordnung 42 auf. Die erste aufgelöste lineare
Polarisationskomponente parallel zur optischen Achse des doppelbrechenden
Materials sieht eine Phasenstufe an der Linsenoberfläche, und
daher wird das Licht von einer Bildpunktapertur hin zu einem Fenster
an der Sollbetrachtungsposition gelenkt. Die aufgelöste Komponente
senkrecht zur optischen Achse des doppelbrechenden Materials sieht eine
Indexanpassung an der refraktiven Oberfläche, und daher wird im Wesentlichen
keine Linsenfunktion erzeugt. Das Licht wird dann durch den schaltbaren Polarisationsrotator 58–62 geleitet.
In dem Aus-Zustand wird der erste aufgelöste lineare Polarisationszustand
gedreht und von dem Ausgangspolarisator 66 aufgehoben,
wogegen der zweite aufgelöste
lineare Polarisationszustand gedreht und durch den Ausgangspolarisator 66 durchgelassen
wird. Wenn an der Schicht 60 ein elektrisches Feld angelegt
wird, werden die Zustände
in der Drehung aufgehoben, so dass der erste Polarisationszustand
durchgelassen und der zweite Zustand absorbiert wird. Somit arbeitet
die Anzeige in der herkömmlichen
Betriebsart.
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In
der ersten Betriebsart wird von einer externen Lichtquelle 86 vor
der Anzeige einfallendes Licht von dem Polarisator 66 polarisiert
und von dem Rotator 58–62 gedreht,
so dass an der Linse 42, 40 keine Phasenstufe
sichtbar ist. Das Licht passiert dann die Wellenplatte 84,
wo es zu einem Kreispolarisationszustand umgewandelt wird. Insbesondere
weist das einfallende Licht der Lichtquelle 86 eine Polarisationsrichtung
von dem Polarisator 66 auf. Das Licht passiert dann den
Polarisationsschalter, so dass der Polarisationszustand das Substrat 41 passiert.
Der Polarisationszustand fällt
auf die doppelbrechende optische Achse der doppelbrechenden Linse 42.
Die Richtung der optischen Achse der Viertelwellenplatte 84 wird
45 Grad zur Richtung der Ausrichtung des doppelbrechenden Materials
in der doppelbrechenden Linse an der Oberfläche, die am nächsten zur Viertelwellenplatte 84 ist,
gesetzt. Die Viertelwellenplatte 84 erzeugt einen im Wesentlichen
kreisförmigen
Polarisationszustand. Das Licht reflektiert von der Bildpunktebene 50 mit
einem kreisförmigen
Polarisationszustand und sieht die Achse 100 der Viertelwellenplatte,
um eine Polarisationszustandsausgabe zu geben. Die Viertelwellenplatte 84 dient
somit zum Ausgeben eines Polarisationszustands, der bei 90 Grad
zur Richtung an der reflektierten Strecke ist. Dieser Polarisationszustand
ist senkrecht zur Richtung der doppelbrechenden optischen Achse
an der Linse. An dem Polarisationsschalter wird der Polarisationszustand
in der Drehung aufgehoben, so dass der Polarisationszustand das
Substrat 64 passiert und auf den Polarisator 66 fällt, wo
er im Wesentlichen absorbiert wird.
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Bei
Reflexion von den Elektroden in der Bildpunktebene 50 erfolgt
eine Phasenverschiebung. Dann läuft
das Licht zurück
durch die Wellenplatte 84, um eine lineare Polarisation
senkrecht zur Eingabe zu erzeugen, so dass eine Phasenstufe an der Linsenoberfläche sichtbar
ist. Der Polarisationszustand wird wiederum durch den Rotator 58–62 gedreht
und durch den Eingabepolarisator 66 gelöscht. In dem geschalteten Zustand
erfolgt die gleiche Phasenverschiebung am Reflektor, so dass die
Reflexionen wiederum von der Kombination aus Viertelwellenplatte
und Polarisator gelöscht
werden. Somit werden die vorderen Reflexionen von den Reflektoren
gelöscht,
während
Schalthelligkeitsverstärkung bzw.
die autostereoskopische Anzeigefunktion gewahrt werden.
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Eine
solche Ausführung
mit externem Polarisator hat den Vorteil, dass die Sichtbarkeit
der Linsen in externem Umgebungslicht reduziert wird. Externe Lichtquellen,
die auf die Anzeigevorderseite auftreffen, passieren den Eingabepolarisator,
erfahren an der Linse und an anderen Oberflächen mit Phasenstufen Fresnelsche
Reflexionen (zum Beispiel von reflektierenden Beschichtungen wie
ITO) und laufen dann zurück
durch den Ausgabepolarisator. Daher absorbiert der externe Polarisator
einen Anteil des in jede Richtung laufenden Lichts und vermindert
somit Linsenreflexionen, was den Anzeigekontrast vorteilhaft verbessert.
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Die
Betrachtungsfreiheit der Anzeige in der Betriebsart verbesserter
Helligkeit bzw. die Sollbetrachtungsentfernung in der 3D-Betriebsart
wird durch die Trennung der Bildpunkt- und Linsenebenen bestimmt.
Es ist wünschenswert,
die Dicke der zusätzlichen
Schichten zwischen diesen beiden Flächen zu minimieren. Die Viertelwellenplatte 84 kann eine
dünne Wellenplatte
sein, zum Beispiel eine beschichtete, ausgerichtete härtbare Flüssigkristallschicht.
Ein Beispiel für
ein solches Material ist RM257, das von Merck Ltd. erhältlich ist
und nach Ausrichtung auf einer geeigneten Ausrichtungsschicht UV-gehärtet werden
kann. Eine typische Dicke würde
weniger als zwei Mikron für
diese Schicht betragen. Mehrere Schichten können die spektrale Leistungsfähigkeit
der Viertelwellenplatte verbessern, wie auf dem Gebiet bekannt ist.
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Das
Substrat 56 kann zum Beispiel ein dünnes Glas-Microsheet (Schott
A.G.) sein oder es kann durch die Verwendung eines gehärteten Flüssigkristallmaterials
in der Linse 42 darauf verzichtet werden. Um strukturelle
Stabilität
des Gegensubstrats 52 der Einkapselungsschicht sicherzustellen,
kann die OEL-Vorrichtung mit den Linsen an Ort und Stelle zusammengebaut
werden.
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Ein
solche Montageprozess wird in 7 beschrieben.
Ein Substrat 41 mit einer ITO-Schicht 58 an einer Seite weist
eine isotrope Linsenstruktur 40 auf, die durch bekannte
Mittel wie UV-Gießen
oder Prägen
an der zweiten Oberfläche
gebildet wird. Die Oberfläche
kann von einer Ausrichtungsschicht, beispielsweise Polyimid, beschichtet
sein oder kann eine diffraktive Ausrichtungsschichtstruktur darauf ausgebildet
aufweisen. Die diffraktive Schichtstruktur kann in dem Urformwerkzeug
zum Prägen
der Oberflächenreliefstruktur
gebildet werden, so dass ein einziger Prägeschritt erforderlich ist.
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7b zeigt
eine auf der Oberfläche
der Linsen 40 ausgebildete härtbare Flüssigkristallmaterialschicht 42.
Die Ausrichtung der Linsenoberfläche
ist durch die Ausrichtungsschicht an der isotropen Linse festgelegt.
Die Ausrichtung der gegenüberliegenden Fläche kann
durch eine Ausrichtungsschicht an einem (nicht dargestellten) zweiten
Substrat durch eine diffraktive Struktur an einer ebenen Unterlegscheibe festgelegt
werden oder kann durch den entspannten Ausrichtungszustand des Flüssigkristallmaterials (d.h.
keine Ausrichtung im Material festgelegt) sein. Wird ein zweites
Substrat verwendet, kann es nach Verfestigen der Linse entfernt
werden, um die Gesamtdicke der Vorrichtung zu senken.
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7c zeigt
die Anbringung der Wellenplatte. Diese kann eine beschichtete Wellenplatte
sein, beispielsweise ein härtbares
Flüssigkristallpolymer, oder
kann eine laminierte Schicht sein. Alternativ kann diese Schicht
an dem Anzeigengegensubstrat 52 angebracht werden.
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7d zeigt
das Anbringen an dem Anzeigengegensubstrat 52. Das zusammengesetzte
Gegensubstrat wird dann an dem emissiven OEL-Substrat angebracht,
um wie in 7e gezeigt eine Verkapselung
vorzusehen. Wenn Farbfilter an dem Gegensubstrat angebracht sind,
können
diese an der Glasscheibe 52 oder an dem zusammengesetzten Substrat
angebracht werden.
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7f zeigt
die Endmontage der Schaltzelle an der zusammengebauten Vorrichtung.
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In
einer weiteren Ausführung
der Erfindung können
der Polarisationsrotator und die passive doppelbrechende Linse durch
eine aktive Linse ersetzt werden, wie im Querschnitt in 8 gezeigt
wird. Die emissive Bildpunktebene 50 lenkt Licht durch
die Viertelwellenplatte 84 und weiter zu einer aktiven
Linse, die transparente Elektroden 92, 94 und
eine Flüssigkristallschicht 88 umfasst.
Eine Oberflächenrelieflinse 90 weist
einen Brechungsindex auf, der im Wesentlichen gleich dem gewöhnlichen
Brechungsindex des Flüssigkristalls 88 ist.
In einer ersten Betriebsart wird an der Zelle kein Feld angelegt,
und die Linse ist ausgerichtet, so dass es an der Linsenoberfläche eine
Phasenstufe gibt, was eine Linsenfunktion ergibt. Die Linse ist
so angeordnet, dass sie die Betrachtungsfenster erzeugt. In einer
zweiten Betriebsart wird zwischen den Elektroden 92, 94 ein
Feld angelegt, so dass sich das Flüssigkristallmaterial 88 neu
ausrichtet und eine Indexanpassung an der Linsenoberfläche erfolgt.
Von einer Umgebungslichtquelle auftreffendes Licht sieht aufgrund
der Kombination aus Viertelwellenplatte 84 und Polarisator 66 eine
Löschfunktion,
wie vorstehend beschrieben wurde.