DE69632554T2

DE69632554T2 - Lichtleiteranordnung für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE69632554T2
Application number: DE69632554T
Authority: DE
Inventors: Masaru Yokohama-shi Suzuki
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: AU Optronics Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1996-02-28
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JP2915317B2; JPH08248224A; KR960032022A; EP0730187B1; EP0730187A3; US6079841A; KR100230884B1; DE69632554D1; EP0730187A2; US5917565A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verstärkung der Polarisationskomponenten eines Lichtstrahls sowie eine Lichtwellenleitereinheit zur Verwendung in einer Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung.
Wenn man eine polarisierte, das heißt eine aus bestimmten Polarisationskomponenten bestehende Lichtwelle durch Bestrahlen einer Polarisationsplatte mit einem unpolarisierten Lichtstrahl erzeugte, wurde bisher entweder die in s-Richtung oder die in p-Richtung polarisierte Komponente absorbiert. Folglich blieben dabei grundsätzlich mehr als 50% der Lichteinstrahlung ungenutzt und wurden zu etwa 58% absorbiert. Bei einer herkömmlichen Flüssigkristall-Anzeige (LCD) wird in der Regel nicht nur eine Polarisationsvorrichtung (Polarisationsplatte), sondern auch noch Pixelstreufolie verwendet, auf die weitere 20% ungenutzten Lichts entfallen.
15 zeigt ein LCD-Modul 100 einer herkömmlichen LCD-Anzeigevorrichtung. Da das in der Lichtquelle 101 erzeugte Licht in der Lichtwellenleiterplatte 102 einen Transmissionsgrad von etwa 96%, in der Streufolie 103 einen Transmissionsgrad von etwa 80%, in der unteren Polarisationsplatte 104 einen Transmissionsgrad von etwa 42%, in der Trägerglasplatte 105 ein Matrix-Öffnungsverhältnis von etwa 40%, im Farbfilter 106 einen Transmissionsgrad von etwa 30% und in der oberen Polarisationsplatte 107 einen Transmissionsgrad von etwa 90% hat, verbleiben von dem in der Lichtquelle 101 erzeugten Licht nur 3,5% der Lichtintensität für die eigentliche Nutzung, und dieser geringe Anteil stellt ein großes Hindernis bei der effektiven Energieausnutzung dar. Dies ist insbesondere bei tragbaren Rechnern von Bedeutung, da man mit einer bestimmten Akkukapazität eine längere Betriebsdauer erreichen will. Da der Stromverbrauch für die Hintergrundbeleuchtung 108 einen großen Teil des gesamten Stromverbrauchs ausmacht, wird dringend ein System zur Hintergrundbeleuchtung benötigt, das für eine Flüssigkristallanzeige (LCD) mit hoher Leuchtdichte und geringem Stromverbrauch geeignet ist.
Die in der unteren Polarisationsplatte 104 und dergleichen absorbierte Lichtenergie wird in Wärmeenergie umgewandelt, die zur Schädigung von Teilen der LCD-Anzeigevorrichtung führen kann. Insbesondere bei Flüssigkristallen vom STN-Typ (Super Twisted Nematic, stark verdrehte nematische Phase) wird die Anzeigequalität durch die Wärme verschlechtert, sodass die Verringerung der Wärmeerzeugung auch bei der Konstruktion von LCD-Anzeigevorrichtungen eine wichtige Rolle spielt.
Bei dieser Umwandlung von Lichtenergie in Wärmeenergie entfallen 66,4% der Lichtenergie (69% der Wärmeerzeugung durch Lichtenergie) auf die Lichtabsorption in der unteren Polarisationsplatte 104 und in der Streufolie 103 in 15.
In der veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldung Nr. 4-271 324 ist ein Verfahren zur verbesserten Lichtausnutzung gezeigt, bei dem ein Lichtwellenleiter eine Vielzahl übereinander geschichteter lichtbrechender Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfasst und die Dicke des optischen Systems verringert wird, indem ein einfallender Lichtstrahl von einer Lichteintritts-Endfläche zur Grenzfläche jeder lichtbrechenden Schicht hin gebrochenen werden kann und somit die Austrittsfläche unter einem kleineren Winkel als dem kritischen Winkel erreicht, wodurch die Lichtausbeute erhöht wird.
Ferner wird in der veröffentlichten ungeprüften Patentanmeldung Nr. 2-201 316 die Lichtausbeute einer Lichtquelle erhöht, indem man die Transmission der Polarisationsplatte dadurch verringert, dass diese insgesamt aus einer Flüssigkristallzelle, einer dahinter angebrachten Lichtwellenleiterplatte, einem auf der Lichtwellenleiterplatte angebrachten Farbfilter, einer Reflexionsplatte mit Polarisationsplatte an der Rückfläche der Lichtwellenleiterplatte und einer an der Seitenfläche der Lichtwellenleiterplatte angebrachten Lichtquelle besteht.
Die US-Patentschrift A-4 798 448 zeigt zwar nicht das im kennzeichnenden Teil des geänderten Anspruchs 1 enthaltene Merkmal des Lichtwellenleiters, aber alle anderen Merkmale dieses Anspruchs sind Bestandteil einer in dieser US-Patentschrift beschriebenen Lichtwellenleitereinheit.
Alle diese Verfahren unterscheiden sich jedoch insofern nicht vom oben beschriebenen Stand der Technik, als die Polarisationsplatte nicht mit Licht, das viele Polarisationskomponenten umfasst, beleuchtet wird und man polarisiertes Licht durch Absorption entweder der s-Komponente oder der p-Komponente erhält und dadurch nicht wenigstens einen Teil dieser absorbierten und ungenutzten Komponente nutzen kann.
Es gibt allerdings einige herkömmliche Systeme zur Hintergrundbeleuchtung, welche größenordnungsmäßig 2,7% polarisierte Komponenten enthalten, jedoch kommt es bei diesen nicht darauf an, das aus der Lichtquelle der Hintergrundbeleuchtung stammende Licht zu polarisieren.
Als Verfahren zum Erzeugen von Polarisationskomponenten durch Ausnutzung von Reflexions- oder Transmissionseigenschaften ohne Polarisationsplatte kommen der Polarisationsstrahlteiler (polarising beam splitter, PSB), lineare Transmissionspolarisatoren und dergleichen in Frage. Zwar kann man bei diesen Verfahren nur eine der beiden Komponenten s oder p oder beide Komponenten jeweils getrennt voneinander nutzen, jedoch ist keines der Verfahren in der Lage, beide Komponenten gleichzeitig wirksam zu nutzen.
Allerdings kann man bei einem herkömmlichen linearen Transmissionspolarisator einen austretenden konvergenten Lichtstrahl nicht auf eine breite Austrittsfläche streuen, da das einfallende Licht direkt unter dem Brewster-Winkel in den Polarisator eintritt. Da sich außerdem die Systemdicke nur unter Schwierigkeiten verringern lässt, hat man als Lichtwellenleitereinheit für die LCD-Anzeigevorrichtung bisher noch kein Verfahren zur Erzeugung von polarisiertem Licht ohne Verwendung einer Polarisationsplatte eingesetzt.
Im Folgenden wird eine Vorrichtung zur Verstärkung der Polarisationskomponente eines Lichtstrahls beschrieben, welche ein Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung eines Lichtstrahls umfasst, der entweder an der Grenzfläche zwischen zwei Substanzen mit unterschiedlichem Brechungsindex für einfallendes Licht mit einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente reflektiert oder durch diese hindurchgelassen wird; und ferner ein Mittel zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls mit der geänderten Polarisationsrichtung oder des anderen Lichtstrahls in eine solche Richtung, dass diese Lichtstrahlen gleichzeitig genutzt werden können.
Das Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichtes enthält Phasenplatten zur Änderung der Phase wie zum Beispiel eine λ/4-Platte oder eine λ/2-Platte und optische Drehvorrichtungen zur Drehung einer Polarisationsebene wie zum Beispiel ein Faraday-Element, während das Mittel zur Änderung der Ausbreitungsrichtung eine Reflexionsplatte oder eine Prismenfolie enthält. Ein Mittel zur gleichzeitigen Änderung der Polarisationsrichtung und der Ausbreitungsrichtung des Lichts enthält ein rhombisches Fresnel-Prisma. Die Verwendung dieser Bauelemente liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde. Als Grenzfläche zwischen zwei Substanzen mit unterschiedlichem Brechungsindex stehen außerdem bereits Polarisatoren wie zum Beispiel ein Polarisationsstrahlteiler oder ein linearer Transmissionspolarisator zur Verfügung. Somit kann man die Erfindung durch Verwendung eines vorhandenen Polarisators, eines Mittels zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts und eines Mittels zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts oder allein durch Verwendung eines vorhandenen Polarisators und eines rhombischen Fresnel-Prismas realisieren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Lichtwellenleitereinheit für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung bereitgestellt, welche Folgendes umfasst: einen aus einer Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter bestehenden Grundkörper mit einer Austrittsfläche an einer Seite; eine an der anderen Seite des Grundkörpers angebrachte Reflexionsplatte; und ein zwischen dem Grundkörper und der Reflexionsplatte zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts angebrachtes Mittel; wobei die Vielzahl der Lichtwellenleiter unter einem Winkel dem Brewster-Winkel entsprechenden Winkel schräg zur seitlichen Ausdehnung des Grundkörpers übereinander geschichtet sind; und wobei die Endflächen der Vielzahl der Lichtwellenleiter zur Reflexionsplatte hin die Form einer Ebene haben.
Die Vielzahl der Lichtwellenleiter besteht vorzugsweise aus einem Material mit geringem Absorptionsgrad wie zum Beispiel Polyacrylnitrilfolie und vorzugsweise aus einem Material mit hohem Transmissionsgrad wie zum Beispiel Polycarbonat, Polyethylen, Se und AgCl. Die Form eines Lichtwellenleiters beschränkt sich nicht auf Platten oder Folien, sondern kann zum Beispiel in Form von stabförmigen Lichtwellenleitern oder solchen mit gekrümmter Oberfläche an die Anwendungen angepasst werden. Darüber hinaus ist die Vielzahl der Lichtwellenleiter nicht auf dieselbe Form oder dasselbe Material beschränkt, sondern kann auch so dick oder so dünn ausgeführt werden, dass ein Bauelement mit hoher oder sehr geringer Festigkeit entsteht, oder die Anzahl der übereinander geschichteten Schichten aus Material mit unterschiedlichem Brechungsindex kann in einem Lichtwellenleiter unter Beibehaltung der Festigkeit erhöht werden. Wenn Polyacrylnitrilfolien als Lichtwellenleiter dienen, beträgt die Breite aus Sicht der Festigkeit und der Lichtausbeute vorzugsweise 0,1 bis 4,0 mm.
Das in der vorliegenden Erfindung erwähnte Übereinanderschichten beschränkt sich allerdings nicht auf das Einfügen von Luft zwischen die Lichtwellenleiter, sondern kann auch das Einfügen von Wasser oder Klebstoffen oder anderen Substanzen mit einem vom Lichtwellenleiter abweichenden Brechungsindex betreffen, um die Beeinträchtigung eines Lichtwellenleiters durch das Eindringen von Feuchtigkeit oder durch das Abblättern eines Lichtwellenleiters zu verhindern.
Besonders bevorzugt weist die Reflexionsplatte einen hohen Reflexionsgrad auf, wobei besonders mit Aluminium beschichtete Folien, mit Silber beschichtete Folien, Metallfolien und dergleichen in Frage kommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zur Hintergrundbeleuchtung mit zwei Lichtquellen, bei dem die Lichtwellenleitereinheiten an beiden Seiten angeordnet sind.
Außerdem wird im Folgenden erwähnt, dass die Lichtausbeute steigt, wenn das Ende der Vielzahl der Lichtwellenleiter zur Reflexionsplatte hin eine gleichmäßige Ebene bildet. Außerdem ist diese Oberfläche zur Steigerung des Reflexionsgrades vorzugsweise poliert.
Eine verbesserte Lichtwellenleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert die Lichtausbeute durch parallele Bündelung der am Ende der Reflexionsplatte einfallenden Lichtstrahlen. Als Mittel zur Bündelung eines Lichtstrahls kann ein Bündelungsmittel unter Verwendung einer Linse oder eines Konvexspiegels oder ein Mittel, bei dem die Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters die Form einer Konvexlinse erhält, oder ein aus beiden bestehendes Mittel dienen.
Eine verbesserte Lichtwellenleitereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung erhöht die Lichtausbeute, indem man die Austrittsfläche des die Enden einer Vielzahl von Lichtwellenleitern umfassenden Grundkörpers stufenförmig so gestaltet, dass sie eine Fläche enthält, welche zum Austrittswinkel einer bestimmten die Austrittsfläche verlassenden Polarisationskomponente parallel ist.
Eine verbesserte Lichtwellenleitereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung erhöht die Lichtausbeute durch Korrigieren der Reflexionsrichtung von einer Reflexionsplatte. Dies lässt sich durch Neigen der Reflexionsplatte, durch Ändern des Austrittswinkels, durch Verwenden eines rhombischen Fresnel-Prismas, durch Verwenden einer Prismenfolie und so weiter erreichen. Aus Gründen der Platzersparnis kann das Neigen dieser Reflexionsplatte auch durch eine Stufenform der Reflexionsplatte dargestellt werden. Außerdem kann man die Reflexion beim Wiedereintritt in die Lichtwellenleiter auch durch schrittweise Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts unterdrücken, indem man die der Reflexionsplatte zugewandte Seite des Grundkörpers durch Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex beschichtet. Durch eine solche Anordnung kann man auch die Lichtstreuung an der Austrittsfläche beeinflussen.
Eine verbesserte Lichtwellenleitereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung verbessert den Gebrauchswert durch Änderung der Lichtaustrittsrichtung an der Austrittsfläche. Dies erreicht man Verwendung einer Prismenfolie, durch Einarbeiten einer Nut in die Austrittsfläche und so weiter. Der Gebrauchswert nimmt weiter zu, wenn man die Form dieser Prismenfolie so wählt, dass ihr Winkel dem Brewster-Winkel entspricht.
Eine Lichtwellenleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Grundkörper, welcher aus einer Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter mit einer Austrittsfläche an einer Seite besteht, sowie eine auf der anderen Seite des Grundkörpers gelegene Reflexionsplatte.
Die Vielzahl der Lichtwellenleiter sind unter einem dem Brewster-Winkel entsprechenden Winkel schräg zur seitlichen Ausdehnung des Grundkörpers übereinander geschichtet.
Im Folgenden wird beschrieben, dass ein Verfahren zum Polarisieren von Licht aus den folgenden Schritten besteht: Auftreffen von Licht mit einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente auf die Grenzfläche zwischen zwei Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes, wobei ein Teil des Lichts reflektiert und ein anderer Teil des Lichtes durchgelassen wird; Ändern der Polarisationsrichtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts; und Ändern der Ausbreitungsrichtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts in eine solche Richtung, dass sowohl das reflektierte als auch das durchgelassene Licht gleichzeitig genutzt werden kann.
Im Folgenden wird ausführlich beschrieben, dass ein Verfahren zum Polarisieren von Licht aus den folgenden Schritten besteht: Auftreffen von Licht mit einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente auf die einer Austrittsfläche eines Grundkörpers benachbarte Fläche, wobei der Grundkörper aus einer Vielzahl schräg übereinander geschichteter Lichtwellenleiter besteht und an einer Seite eine Austrittsfläche hat; Reflektieren des eine erste und eine zweite Polarisationskomponente umfassenden Lichts an der der Austrittsfläche benachbarten Fläche; Durchlassen von Licht mit einem gegenüber einer zweiten Polarisationskomponente größeren Anteil einer ersten Polarisationskomponente mit einer ersten Austrittsrichtung und Reflektieren eines Teils des Lichts mit einem gegenüber einer ersten Komponente größeren Anteil einer zweiten Komponente; Austreten jedes Lichtstrahls mit einem gegenüber einer ersten Polarisationskomponente größeren Anteil der zweiten teilreflektierten Polarisationskomponente aus dem Grundkörper; Ändern der Polarisationsrichtung des Lichts jedes Lichtstrahls mit einem gegenüber einer ersten Polarisationskomponente größeren Anteil der zweiten aus dem Grundkörper tretenden Polarisationskomponente; Reflektieren jedes der Lichtstrahlen mit geänderter Polarisationsrichtung; ferner Ändern der Polarisationsrichtung und Reflektieren dieser Lichtstrahlen in der weise, dass diese einen gegenüber einer zweiten Polarisationskomponente größeren Anteil einer ersten Polarisationskomponente mit einer zweiten Austrittsrichtung haben; Eintreten jedes der Lichtstrahlen mit einem gegenüber einer zweiten Polarisationskomponente größeren Anteil einer ersten Polarisationskomponente mit einer zweiten Austrittsrichtung in den Grundkörper; Durchlassen jedes der Lichtstrahlen mit einem gegenüber einer zweiten Polarisationskomponente größeren Anteil einer ersten Polarisationskomponente mit einer zweiten Austrittsrichtung durch die Austrittsendfläche jedes aus der Vielzahl der Lichtwellenleiter.
Eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Lichtquelle; Trägerglasplatten zum Einschließen von Flüssigkristallen; und eine obere Polarisationsplatte; ein Mittel zum Ändern der Polarisationsrichtung entweder eines an der Grenzfläche zwischen zwei Substanzen, deren Brechungsindizes sich für einfallendes Licht mit einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente unterscheiden, reflektierten oder eines durch diese Grenzfläche durchgelassenen Lichtstrahls; und ein Mittel zum Ändern der Ausbreitungsrichtung entweder des Lichtstrahls mit der geänderten Polarisationsrichtung oder des anderen Lichtstrahls derart, dass diese Lichtstrahlen gleichzeitig genutzt werden können.
Eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Lichtquelle; Trägerglasplatten zum Einschließen von Flüssigkristallen; eine obere Polarisationsplatte; einen aus einer Vielzahl von Lichtwellenleitern bestehenden Grundkörper, wobei die Lichtwellenleiter schräg zu dessen seitlicher Ausdehnung übereinander geschichtet sind und an einer Seite eine Austrittsfläche haben; eine an der Austrittsfläche des Grundkörpers angebrachte Prismenfolie; eine an der anderen Seite des Grundkörpers angebrachte Reflexionsplatte; und ein zwischen dem Grundkörper und der Reflexionsplatte angebrachtes Mittel zum Ändern der Polarisationsrichtung des Lichtes.
Durch Verwendung einer bisher in der Polarisationsplatte absorbierten Polarisationskomponente und deren Umwandlung ist es mittels der vorliegenden Erfindung möglich, die bis dahin ungenutzte Polarisationskomponente zumindest teilweise zu nutzen und so die Lichtausbeute zu erhöhen. Gemäß einem verbesserten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, eine Lichtausbeute von nahezu 100% zu erreichen und ein System zur Hintergrundbeleuchtung (Lichtwellenleitereinheit) mit geringem Stromverbrauch und hoher Leuchtdichte bereitzustellen.
Ferner wird die bis dahin in der Polarisationsplatte erzeugte Wärmemenge verringert. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung in der Lage, ein System zur Hintergrundbeleuchtung (Lichtwellenleitereinheit) bereitzustellen, deren Teile nicht so leicht beschädigt werden, wie dies bei thermisch instabilen LCD-Anzeigen der Fall ist.
Gemäß einem weiteren verbesserten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann man eine LCD-Anzeigevorrichtung ohne untere Polarisationsplatte bauen, die in früheren LCD-Anzeigevorrichtungen einen wichtigen Bestandteil darstellte.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine Lichtwellenleitereinheit bereit, durch welche ein konvergenter Lichtstrahl auf eine breite Austrittsfläche gestreut wird oder ein aufgeweiteter Lichtstrahl in Richtung einer begrenzten Austrittsfläche verläuft und man gleichzeitig eine konstante Polarisationskomponente erhält.
Im Folgenden werden Ausführungsarten der Erfindung als Beispiel und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 und 2 den Aufbau einer Polarisationsvorrichtung gemäß den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
3 und 4 eine LCD-Anzeigevorrichtung gemäß den Ausführungsarten der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
5 bis 7 den Aufbau von Ausführungsarten der Lichtwellenleitereinheiten gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
8 den Lichteinfall an der Endfläche einer Lichtwellenleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 den Reflexionsgrad und den Transmissionsgrad zeigt, die man beim Eintreten eines Lichtstrahls unter dem Brewster-Winkel von einer Substanz mit einem Brechungsindex von 1,00 in eine Substanz mit einem Brechungsindex von 1,49 beobachtet;
10 bis 12 den Aufbau einer Prismenfolie gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zeigen;
13 bis 14 eine Lichtwellenleitereinheit gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung zeigen;
15 eine herkömmliche LCD-Anzeigevorrichtung zeigt;
16 die Lichtbrechung zwischen unterschiedlichen Substanzen zeigt;
17 eine charakteristische Kurve des Reflexionsgrades zeigt, die man beim Eintreten eines Lichtstrahls von einer Substanz mit einem Brechungsindex von 1,00 in eine Substanz mit einem Brechungsindex von 1,49 beobachtet; und
18 eine charakteristische Kurve des Reflexionsgrades zeigt, die man beim Eintreten eines Lichtstrahls von einer Substanz mit einem Brechungsindex von 1,49 in eine Substanz mit einem Brechungsindex von 1,00 beobachtet.
Bevor unter Bezug auf 1 und 2 das Funktionsprinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, sollen zum besseren Verständnis zunächst anhand von 16, 17 und 18 die Änderungen der Polarisationskomponenten beschrieben werden, wenn ein Lichtstrahl an der Grenzfläche zwischen zwei Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes durchgelassen, gebrochen oder reflektiert wird.
Wenn ein Lichtstrahl 204 in 16 auf die Grenzfläche 203 zwischen den beiden Substanzen 201 und 202 mit den unterschiedlichen Brechungsindizes n₁ und n₂ trifft, wird ein Teil 205 des Lichtes reflektiert und ein anderer Teil 206 durchgelassen, wenn der Einfallswinkel Φ₁ gleich dem kritischen Winkel oder kleiner ist. Nimmt man nun eine durch das am Einfallspunkt der Grenzfläche einfallende Licht gebildete Ebene als Einfallsebene an, kann man die Polarisationskomponenten des einfallenden Lichts 204 in eine zur Einfallsebene parallele p-Komponente und eine zur Einfallsebene senkrechte s-Komponente aufteilen.
Durch Umformen einer Maxwell'schen Gleichung für Dielektrika erhält man den Transmissionsgrad der einzelnen Polarisationskomponenten p und s an diesem Punkt wie folgt: Tp = sin(2Φ1) × sin(2Φ2)/(sin2(Φ1 + Φ2) × cos2(Φ1 – Φ2)) Ts = sin(2Φ1) × sin(2Φ2)/sin2(Φ1 + Φ2) n1 × sin(Φ1) = n2 × sin(Φ2),wobei Tp: Transmissionsgrad für die p-Komponente (1 – Reflexionsgrad Rp)
Ts: Transmissionsgrad für die s-Komponente (1 – Reflexionsgrad Rs)
Φ₁: Lichteinfallswinkel
Φ₂: Lichtaustrittswinkel
n₁: Brechungsindex der Substanz 201 vor Lichteinfall
n₂: Brechungsindex der Substanz 202 nach Lichteinfall
oder Rp = (((n1/cos(Φ1)) – (n2/cos(Φ2)))/((n1/cos(Φ1)) + (n2/cos(Φ2)))2 Rs = (((n1/cos(Φ1)) – (n2 × cos(Φ2)))/(n1 × cos(Φ1)) + (n2 × cos(Φ2)))2
17 und 18 zeigen, dass sich die Brechungsindizes der p- und der s-Komponente je nach Einfallswinkel Φ₁ und Ausfallswinkel Φ₂ voneinander unterscheiden (die Reflexions- /Transmissionskurven der p-Komponente und der s-Komponente weichen voneinander ab). Wenn beispielsweise ein Lichtstrahl von Polyacrylnitril mit dem Brechungsindex von 1,49 in Luft mit dem Brechungsindex von 1,00 übergeht (18), beträgt der kritische Winkel für Totalreflexion 42,1 Grad. Wenn ein Lichtstrahl unter einem kleineren Winkel von beispielsweise 40 Grad einfällt, ergibt sich aus dem Snellius'schen Brechungsgesetz ein Ausfallswinkel Φ₂ zu 77,8 Grad. Setzt man diese Werte in der obigen Gleichung für Rs und Rp ein, erhält man für die s-Komponente einen Reflexionsgrad von 35,69% und für die p-Komponente einen Transmissionsgrad von 7,98%.
Das unreflektierte Licht wird durch den Lichtwellenleiter 202 durchgelassen. Der Anteil des durchgelassenen Lichts beträgt für die s-Komponente (100 – 35,69 = 64,31)% und für die p-Komponente (100 – 7,98 = 92,02)%. Wenn also in 16 einfallendes Licht 204 mit 100% s-Polarisationskomponente und 100% p-Polarisationskomponente von Polyacrylnitril mit einem Brechungsindex von 1,49 unter einem Winkel von 40 Grad in Luft mit einem Brechungsindex von 1,00 übergeht, weist das reflektierte Licht 205 einen Anteil von 35,69% der s-Polarisationskomponente und 7,98% der p-Polarisationskomponente und das durchgelassene Licht 206 einen Anteil von 64,31% der s-Polarisationskomponente und 92,02% der p-Polarisationskomponente auf, wobei vorausgesetzt wird, dass keine Strahlungsverluste durch Streuung an der Grenzfläche bzw. durch innere Absorption von Strahlung in den Substanzen 1 und 2 auftreten.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Polarisieren von Licht gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung, bei der Licht 204 mit einer ersten Polarisationskomponente und einer zweiten Polarisationskomponente auf die Grenzfläche 203 zwischen der Substanz mit einem Brechungsindex n₁ und der Substanz 202 mit einem Brechungsindex n₂ auftrifft, wobei ein Teil 205 des Lichts reflektiert und ein anderer Teil 206 durchgelassen wird.
Aufgrund der später zu beschreibenden unterschiedlichen Transmissions-/Reflexionskurven enthalten dabei der reflektierte Teil 205 des Lichts und der andere durchgelassene Teil 206 eine erste Polarisationskomponente und eine zweite Polarisationskomponente in unterschiedlichen Verhältnissen.
Ferner wird durch das Mittel 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung des durchgelassenen Lichts 206 das Verhältnis zwischen einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente in diesem durchgelassenen Licht 206 geändert.
Ferner wird die Austrittsrichtung dieses durchgelassenen Lichts 206 durch das Mittel 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts so geändert, dass man sowohl das reflektierte Licht 205 als auch das durchgelassene Licht 206 nutzen kann. Auf diese Weise kann zumindest ein Teil der bisher ungenutzt gebliebenen Polarisationskomponente genutzt und somit die Lichtausbeute erhöht werden.
2 zeigt, dass man das Mittel 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung von Licht und das Mittel 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht jeweils entweder an der Seite eines reflektierten Teils 205 des Lichts oder an der Seite eines anderen durchgelassenen Teils 205 anordnen kann, da es keinen Unterschied macht, an welcher Seite man das Merkmal zur Änderung der Polarisationsrichtung und das Merkmal zur Änderung der Ausbreitungsrichtung für mindestens einen der beiden Teile des Lichts (reflektierter Teil 205 bzw. durchgelassener Teil 206) anordnet, und die Anordnung somit beliebig ist. Somit stehen selbst dann acht Kombinationsmöglichkeiten zur Verfügung, wenn man das Mittel 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts und das Mittel 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts jeweils auf eins beschränkt.
Außerdem kann man auch die Polarisationsrichtung sowohl eines reflektierten Teils 205 des Lichts und eines anderen durchgelassenen Teils 206 oder die Ausbreitungsrichtung der beiden ändern oder eine Vielzahl von Mitteln 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts und von Mitteln 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts kombinieren, und ferner kann man die Austrittsrichtung oder -streuung des austretenden Lichts durch Wahl der Brechungsindizes der Substanzen 201 und 202, durch Einstellen des Einfallswinkels und durch Einstellen des Winkels und des Abstands des Mittels 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts von der Grenzfläche ändern. In solchen Fällen sind zahllose Kombinationen denkbar.
Als Beispiel soll der Fall mit konkreten Zahlen beschrieben werden, bei dem die s-Komponente und die p-Komponente des reflektierten Lichts 205 mittels einer λ/2-Platte umgekehrt (zu Beschreibungszwecken wird die Umkehrung verwendet, jedoch erreicht man die Vorteile der vorliegenden Erfindung durch Änderung des Verhältnisses zwischen den Polarisationskomponenten zum Beispiel mittels einer λ/4-Platte) und so durch eine Reflexionsplatte reflektiert werden, dass sie senkrecht auf die (nicht gezeigte) Grenzfläche 203 auftreffen; bei Vernachlässigung von Verlusten im Strahlengang hat dieses Licht dann einen Anteil von 7,98% der s-Komponente und von 35,69% der p-Komponente, und man kann dann insgesamt 72,29% der s-Komponente und 127,71% der p-Komponente nutzen, wenn man das durchgelassene Licht 206 hinzunimmt, da dieses 64,31% der s-Komponente und 92,02% der p-Komponente umfasst. Geht von dem einfallenden Licht 204 aus, welches 100% der s-Komponente und 100% der p-Komponente umfasst, so kann einen größeren Teil der p-Komponente genutzt werden.
Das Mittel 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts enthält eine Phasenplatte zur Phasenänderung wie zum Beispiel eine λ/4-Platte oder eine λ/2-Platte oder eine optische Drehvorrichtung zur Drehung der Schwingungsebene wie zum Beispiel ein Faraday-Element und dergleichen. Das Umwandeln der s-Komponente in die p-Komponente und umgekehrt kann man durch einmaliges Durchleiten durch eine λ/2-Platte gemäß 1 oder durch zweimaliges Durchleiten durch eine λ/4-Platte gemäß 2 erreichen. Das Mittel 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts enthält eine Reflexionsplatte und eine Prismenfolie. Ferner enthält das Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts und zur gleichzeitigen Änderung der Ausbreitungsrichtung ein rhombisches Fresnel-Prisma. Das Mittel 211 zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts und das Mittel 212 zur Änderung der Ausbreitungsrichtung des Lichts in 2 können durch ein einziges rhombisches Fresnel-Prisma mit einem bestimmten Reflexionswinkel ersetzt werden.
3 zeigt eine Ausführungsart einer LCD-Anzeigevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine LCD-Anzeigevorrichtung 600 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter 411 mit schräg liegenden Flächen 401, eine Reflexionsplatte 413 und ein Mittel 412 zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts. Eine Ausführungsart der vorliegenden Erfindung umfasst ein LCD-Glastableau 621, eine Polarisationsplatte 624 und eine Lichtwellenleitereinheit 626, wobei das LCD-Glastableau 621 zwei an den Außenkanten mit einer Kantenversiegelung 631 beispielsweise aus Epoxidharz versiegelte gläserne Trägerplatten 622 und 623 und ein zwischen die gläsernen Trägerplatten 622 und 623 eingeschlossenes flüssiges Material umfasst. Die Lichtwellenleitereinheit 626 umfasst eine Leuchtstoffröhre 414, eine Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter 411, eine Reflexionsplatte 413, eine λ/4-Platte 412 und eine Prismenfolie 629.
5 und 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsart einer Lichtwellenleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Lichtwellenleitereinheit 400 umfasst einen Grundkörper 430, der aus einer Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter 411 besteht und eine Austrittsfläche 403 an einer Seite hat; eine an der anderen Seite 401 des Grundkörpers 430 angeordnete Reflexionsplatte 413; und ein zwischen dem Grundkörper 430 und der Reflexionsplatte 413 angeordnetes Mittel 412 zum Ändern der Polarisationsrichtung des Lichts.
Die Vielzahl der Lichtwellenleiter 411 sind schräg zur seitlichen Ausdehnung des Grundkörpers 430 übereinander geschichtet und so angeordnet, dass das Licht in Richtung ihres zur Reflexionsplatte 413 zeigenden Endes verläuft.
Im vorliegenden Fall bestehen die Vielzahl der Lichtwellenleiter 411 vorzugsweise aus einem Material mit geringen optischen Verlusten an der reflektierenden Fläche, niedrigem Absorptionsgrad in den Lichtwellenleitern und einem hohen Brechungsindex wie zum Beispiel Polyacrylatfolie, das durch ein lichtdurchlässiges Material wie zum Beispiel Polycarbonat, Polyethylen, Se und AgCl ersetzt werden kann. Die Form eines Lichtwellenleiters beschränkt sich nicht auf eine Platte oder Folie, sondern der Lichtwellenleiter kann eine für die Anwendungen geeignete Form annehmen wie zum Beispiel stabförmige Lichtwellenleiter oder solche mit gekrümmter Oberfläche. Außerdem sind die Vielzahl der Lichtwellenleiter nicht auf dieselbe Form oder dasselbe Material beschränkt, sondern können für ein Bauelement mit hoher Festigkeitsanforderung entsprechend dick und für ein Bauelement ohne Festigkeitsanforderung entsprechend dünn gestaltet werden, oder die Anzahl der übereinander geschichteten Schichten kann unter Beibehaltung der Festigkeit erhöht werden, indem man auf einem hochfesten Lichtwellenleiter Mehrfachschichten eines Materials mit anderem Brechungsindex abscheidet. Bei Verwendung von Polyacrylnitrilfolien als Lichtwellenleiter beträgt die Breite unter Berücksichtigung der Festigkeit und der Lichtausbeute vorzugsweise 0,1 bis 4,0 mm.
Dabei beschränkt sich das in der vorliegenden Erfindung erwähnte Übereinanderschichten nicht auf das Einfügen von Luft zwischen die Lichtwellenleiter, sondern kann auch das Einfügen von Wasser oder Klebstoffen oder anderer Substanzen mit vom Lichtwellenleiter unterschiedlichen Brechungsindizes betreffen, um die Verschlechterung eines Lichtwellenleiters durch Eindringen von Feuchtigkeit oder durch Abblättern eines Lichtwellenleiters zu verhindern.
Bei der Reflexionsplatte gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine hohe Reflexion besonders bevorzugt, wobei insbesondere mit Aluminium beschichtete Folien, mit Silber beschichtete Folien, Metallfolien und dergleichen zu erwähnen sind.
Die besonders bevorzugte Ausführungsart einer Lichtwellenleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Lichtquelle 414 an der Endfläche 402 und ermöglicht das Durchtreten eines Lichtstrahls durch einen oder mehrere aus einer Vielzahl von Lichtwellenleitern 411 in Richtung der Fläche 401.
8 zeigt, wie das Licht an der Endfläche 402 in den Lichtwellenleiter eintritt und sich darin ausbreitet. Das durch eine Leuchtstoffröhre (Lichtquelle) 414 emittierte Licht tritt durch die Endfläche des Lichtwellenleiters in diesen ein.
Obwohl die Lichtstrahlen unter allen möglichen Winkeln an der Endfläche in den Lichtwellenleiter eintreten, breiten sich die Lichtstrahlen nach dem Eintreten in das Medium entsprechend dem Snellius'schen Brechungsgesetz innerhalb eines Winkels von ±42,1 Grad aus. Am Punkt 434 in der später beschriebenen 6 tritt ein einfallender Lichtstrahl 421 vorzugsweise unter dem Brewster-Winkel in die Fläche 404 ein, sodass man durch paralleles Bündeln des Lichtstrahls 421 die Lichtausbeute erhöhen kann. Ein Mittel zur Bündelung eines solchen Lichts beinhaltet ein Bündelungsmittel, bei dem man eine Linse oder einen Konvexspiegel verwendet oder indem man der für den Lichteinfall in den Lichtwellenleiter vorgesehenen Endfläche 402 die Form einer Konvexlinse verleiht oder indem man beides miteinander kombiniert.
Da die Lichtwellenleiter 411 durch eine dünne Luftschicht 415 voneinander getrennt sind, wird ein Lichtstrahl in einem Lichtwellenleiter aufgrund der Beziehung Brechungsindex (Lichtwellenleiter) n = 1,49 > Brechungsindex (Luft) n = 1,00 bei Einfallswinkeln größer als der kritische Winkel total reflektiert und breitet sich gemäß 8 zur anderen Endfläche des Lichtwellenleiters verlustfrei aus, ohne dass hierfür Bündelungsmittel erforderlich sind. Infolge der wiederholten Totalreflexion weist das einfallende Licht 421 an diesem Punkt keine Polarisation auf. Bei dem in der Ausführungsart gezeigten Neigungswinkel von 14 Grad wird der Lichtstrahl in Richtung des keilförmigen Teils (siehe 6) der Endfläche des Lichtwellenleiters an den Punkten 431, 432 und 433 dreimal total reflektiert und der Einfallswinkel wird kleiner als der kritische Winkel (der Einfallswinkel verringert sich mit kleiner werdendem Neigungswinkel eines Lichtwellenleiters), sodass der Lichtstrahl den Lichtwellenleiter 411 am Punkt 434 verlässt.
9 zeigt, dass der Reflexionsgrad der p-Komponente am Punkt 434 für einen Einfallswinkel von 33,9 Grad gleich null wird. Desgleichen erreicht der Reflexionsgrad der p-Komponente für den Übergang von einer Luftschicht in einen Lichtwellenleiter bei einem Einfallswinkel von 56,1 Grad, also dem Brewster-Winkel, einen Wert von null. Der Reflexionsgrad der s-Komponente beim Brewster-Winkel beträgt 14,5%. Wenn ein Lichtstrahl aus einem Lichtwellenleiter 411 mit einem Brechungsindex von n = 1,49 unter dem Einfallswinkel von 33,9 Grad in Luft mit einem Brechungsindex von n = 1,00 übergeht, beträgt gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz der Brechungswinkel 56,1 Grad. Dieser Winkel stimmt mit dem Brewster-Winkel beim Übergang von Luft in eine Substanz mit dem Brechungsindex von n = 1,49 überein.
17 und 18 zeigen, dass der Transmissionsgrad der p-Komponente (100 – 0) × (100 – 0) = 100% erreicht, d.h., dass 100% der p-Komponente durchgelassen werden, während nur (100 – 14,5) × (100 – 14,5) = 73,1% der s-Komponente durchgelassen werden. Jedes Mal, wenn ein erster austretender Lichtstrahl 422 in 5 einen einzelnen Lichtwellenleiter 411 durchläuft, werden somit nur 73,1% der s-Komponente durchgelassen und (14,5 + 12,4)% reflektiert, während 100% der p-Komponente durchgelassen werden. Während der Lichtstrahl einen der plattenförmigen Lichtwellenleiter nach dem anderen durchläuft, wiederholt sich die Reflexion nur bei der s-Komponente und der Polarisationsgrad des durchgelassenen Lichtstrahls nimmt zu.
Wenn ein erster austretender Lichtstrahl 422 zunächst etwa 10 Schichten der plattenförmigen Lichtwellenleiter durchläuft und dann durch die obere Fläche (Austrittsfläche) 403 austritt, beträgt an diesem Punkt der Gesamttransmissionsgrad für die p-Komponente (1,00)¹⁰ = 100% und für die s-Komponente (0,73)¹⁰ = 4%. Halbiert man die Dicke eines einzelnen Lichtwellenleiters und verwendet nun 20 Schichten übereinander, lässt sich der Transmissionsgrad der s-Komponente bis auf (0,73)²⁰ = 0,2% verringern. Auf diese Weise kann man zwar den Polarisationsgrad erhöhen, indem man die Dicke eines einzelnen Lichtwellenleiters verringert und die Zahl der übereinander liegenden Schichten erhöht, jedoch beträgt die Dicke eines einzelnen Lichtwellenleiters unter Berücksichtigung der Festigkeit der Lichtwellenleiter-Folie bei Verwendung von Polyacrylnitrilfolien als Lichtwellenleiter vorzugsweise 0,1 bis 4,0 mm. Außerdem macht man die Luftschicht zwischen zwei benachbarten Lichtwellenleitern vorzugsweise so dünn wie möglich und verwendet für die Lichtwellenleiter eher ein steifes Material.
Wenn man das einfallende Licht 421 zu parallelen Strahlen bündelt, zeigt eine geometrische Betrachtung, dass die Lichtwellenleiter 411 unter dem folgenden Winkel α [rad] geneigt sein müssen, damit der Einfallswinkel am Punkt 434 mit dem Brewster-Winkel übereinstimmt, wobei
α: (π/2 – Θ₁)/2m;
Θ₁: Brewster-Winkel beim Übergang von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ zu einer Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin√(n₂ ²/n₁ ² + n₂ ²));
n₁: Brechungsindex einer Substanz zwischen den Lichtwellenleitern; und
n₂: Brechungsindex der Lichtwellenleiter.
Hierbei ist m eine natürliche Zahl gleich oder größer als 1. Wenn der einfallende Lichtstrahl 421 am Punkt 434 nicht total reflektiert, sondern teilweise durchgelassen wird, weil Licht mit einem hohen Anteil an p-Komponente gemäß 17 durchgelassen wird, verringert sich die Lichtausbeute bei der Umwandlung in Licht mit einem hohen Anteil an s-Komponente durch ein später erwähntes Mittel 412 (λ/4-Platte) zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts. Auch wenn der Lichtstrahl am Punkt 432 nicht total reflektiert wird, sinkt die Lichtausbeute. Unter Berücksichtigung des kritischen Winkels für die Totalreflexion des einfallenden Lichtstrahls 421 ist der Wert vorzugsweise wie folgt zu wählen: m < (π/2 – Θ1)/(Θ2 – Θ1),wobei
Θ₂: der kritische Winkel beim Übergang von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ zu einer Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin(n₂/n₁)) ist.
Wählt man für m einen großen Wert, so ist dies insofern von Vorteil, als man die Austrittsfläche 403 viel größer als die Endfläche 402 machen und so eine dünnere Lichtwellenleitereinheit erzeugen kann, jedoch erfordert dies einen Mehraufwand für die Herstellung. Die Lichtwellenleiter der Ausführungsart bestehen aus Polyacrylnitrilfolien mit einem Brechungsindex von 1,49. Werden die Lichtwellenleiter in Luft mit einem Brechungsindex von 1,00 übereinander geschichtet, wählt man vorzugsweise einen Neigungswinkel der Lichtwellenleiter von 28/m Grad. 7 zeigt eine Ausführungsart für m = 3 und einen Neigungswinkel 405 = 9,3 Grad.
Die Herstellung des Neigungswinkels α eines Lichtwellenleiters 411 entsprechend (π/2 – Θ1)/2m ist jedoch oft schwierig. Wenn der Reflexionsgrad der p-Komponente eines ersten austretenden Lichtstrahls 422 in jeder Schicht gleich oder kleiner als 0,1% ist, kommt es nach Durchlaufen von 20 Schichten gemäß der Beziehung (0,999)²⁰ = 0,98 zu einem Verlust von lediglich 2% und bereitet kaum Probleme. Da die Toleranz des Einfallswinkels von 0,1% oder weniger für den Reflexionsgrad der p-Komponente am Punkt 434 ±3 Grad beträgt, muss man für die Toleranz eines Neigungswinkels in einem Lichtwellenleiter 3/2m [Grad] (= π/120 m [rad]) ansetzen.
Da der Winkel zwischen der reflektierten s-Komponente und den Lichtwellenleitern nicht größer als der kritische Winkel ist, wird die s-Komponente von jeder Schicht des Lichtwellenleiters nach unten zur Fläche 401 reflektiert. Dieser Lichtstrahl 423 durchläuft eine λ/4-Platte 412, die ein Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts darstellt, wird von der Reflexionsplatte 413 reflektiert und durchläuft erneut die λ/4-Platte 412. Auf diese Weise wird die λ/4-Platte zweimal durchlaufen, die Phase wird um λ/2 verschoben und die s-Komponente wird zur p-Komponente. Dann tritt der reflektierte Lichtstrahl 425 wieder in den Lichtwellenleiter 411 ein und tritt als zweiter Austrittslichtstrahl 427 aus der Austrittsfläche 403 aus. Betrachtet man die Lichtwellenleitereinheit als Ganzes, so besteht das aus der Austrittsfläche austretende Licht fast nur aus p-Komponente; wenn man die Polarisationsachse des Lichts in der Lichtwellenleitereinheit mit der Polarisationsachse der Flüssigkristalle in Übereinstimmung bringt, kann man zumindest einen Teil des bisher ungenutzten Lichts ausnutzen und so die Lichtausbeute erhöhen.
Bei einer LCD-Anzeigevorrichtung gemäß einer Ausführungsart der vorliegenden Erfindung (Modul 600 in 4) haben eigene Messungen des in der Lichtquelle 414 erzeugten Lichts ergeben, dass der Transmissionsgrad in der Lichtwellenleitereinheit 400 ca. 96% und in der Prismenfolie 629 (ohne untere Polarisationsplatte) ca. 95%, das Öffnungsverhältnis der Anzeigematrix in den Trägerglasplatten 622 ca. 40%, der Transmissionsgrad im Farbfilter 628 ca. 30% und in der oberen Polarisationsplatte 624 ca. 90% beträgt. Somit kann man 9,8% des in der Lichtquelle erzeugten Lichts ausnutzen und die Lichtausbeute gegenüber der in 15 gezeigten Lichtausbeute von 3,5% auf das 2,8-fache steigern.
Während bereits anhand 5 bis 7 ein Aspekt einer Vielzahl von Lichtwellenleitern 411 beschrieben wurde, bei denen die Endfläche 401 gegenüber der Reflexionsplatte als einheitliche Ebene ausgeführt wurde, ist auch ein weiterer Aspekt möglich, bei welchem eine Vielzahl von Lichtwellenleitern 411 eine andere Form aufweisen und die Haupt-Lichtwellenleitereinheit aus handelsüblichen Polyacrylnitrilfolien mit rechtwinkligen Ecken besteht. In einem solchen Fall umfasst der in 6 gezeigte keilförmige Teil eine Luftschicht. Wenn das einfallende Licht 412 vom Lichtwellenleiter 411 in die keilförmige Luftschicht übergeht, wird ein Teil dieses Lichts an der Grenzfläche reflektiert. Wenn das einfallende Licht nicht vollständig aus parallelen Strahlen besteht, da der Brechungsindex des Lichtwellenleiters > als der Brechungsindex der Luftschicht beim Austreten aus dem Lichtwellenleiter 411 ist, kann das Licht gestreut werden, wenn es aus dem Lichtwellenleiter 411 in die Luftschicht übergeht. Ferner verschwindet am Punkt 434 in 6 die Reflexion der s-Komponente. Wenn man eine solche Anordnung wählt, sinkt zwar die Lichtausbeute, aber die Herstellung wird sehr einfach (siehe auch die US-Patentschrift 4 798 448).
Wenn man eine Lichtwellenleitereinheit gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung in einer LCD-Anzeigevorrichtung einsetzt, bildet bei dem Typ mit einem Neigungswinkel von 14 Grad in 5 der erste austretende Lichtstrahl 422 einen Winkel von 20 Grad und der zweite austretende Lichtstrahl 427 einen Winkel von 55 Grad, während bei dem Typ mit einem Neigungswinkel von 9,3 Grad in 7 der erste austretende Lichtstrahl 422 einen Winkel von 24,5 Grad und der zweite austretende Lichtstrahl 427 einen Winkel von 57,7 Grad bildet. Zur Realisierung einer dünneren LCD-Anzeigevorrichtung muss die Austrittsrichtung des Lichts so korrigiert werden, dass die Lichtstrahlen 422 und 427 senkrecht zur Austrittsfläche 403 austreten.
Hierfür sind Verfahren denkbar, bei denen entweder eine Prismenfolie auf die Austrittsfläche aufgebracht oder eine Nut in die Austrittsfläche selbst eingearbeitet wird.
10 bis 12 zeigen Beispiele zur Korrektur der Austrittsrichtung des Lichts durch Verwendung einer Prismenfolie.
10 und 11 zeigen den Fall, bei dem der Neigungswinkel in einem Lichtwellenleiter 14 Grad beträgt, während 12 den Fall zeigt, bei dem der Neigungswinkel in einem Lichtwellenleiter 9,3 Grad beträgt.
10 zeigt, wie ein erster aus einer Austrittsfläche 403 der Lichtwellenleitereinheit 400 austretender Lichtstrahl 422 in die untere Fläche 406 einer Prismenfolie eintritt. Nimmt hierfür einen Einfallswinkel A an, so ist dieser gegenüber dem Einfallswinkel (bei der am stärksten bevorzugten Ausführungsart gleich dem Brewster-Winkel) am Punkt 434 in 6 um den Neigungswinkel α der Lichtwellenleiter 411 geneigt.
Somit lässt sich A darstellen durch: A = arcsin(n1sinΘ1) + α.
Nimmt man dann für den Brechungsindex dieser Prismenfolie den Wert n₃ an, kann man gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz den Austrittswinkel B in die Prismenfolie wie folgt darstellen: B = arcsin (sin A/n3).
Aus dem Snellius'schen Brechungsgesetz ergibt sich der zwei Seiten eines rechteckigen Dreiecks einschließende Spitzenwinkel C einer Prismenfolie, durch welchen dieses Licht senkrecht zur Austrittsfläche 403 der Lichtwellenleitereinheit 400 gebrochen wird und aus dieser austritt, zu: n3 × sin((π/2) – B – C) = 1 × sin((π/2) – C)und folglich C = arctan((n3 × cosB – 1)/sinA)oder, nach Eliminieren von B, C = arctan(n3cos(sin–1(sinA/n3) – 1)/sinA).
Außerdem dürfte bei einem Prisma wie in 11 mit der Form gleichschenkliger Dreiecke klar sein, dass man das austretende Licht 422 senkrecht zur Austrittsfläche 403 ausrichten kann, indem man den Spitzenwinkel dieser Dreiecke doppelt so groß macht wie den Spitzenwinkel der rechtwinkligen Dreiecke. Dabei ist die in 11 gezeigte Prismenfolie mit dem Spitzenwinkel zwischen den beiden Schenkeln eines gleichschenkligen Dreiecks insofern von Nachteil, als das austretende Licht leicht wieder in die benachbarten Spitzen eintreten kann, jedoch weist sie insofern Vorteile auf, als die Lichtausbeute hoch und die Herstellungskosten niedrig sind. Außerdem kann der Spitzenwinkel eines rechtwinkligen oder gleichschenkligen Dreiecks gemäß 12 durch eine gekrümmte Linie begrenzt sein, da die Korrektur der Richtung des austretenden Lichts an der Schräge 437 erfolgt.
Dabei ist die Neigung in der Größenordnung von ±2 Grad für das menschliche Auge selbst dann nicht wahrnehmbar, wenn dieses korrigierte austretende Licht nicht genau einen rechten Winkel zur Austrittsfläche 403 bildet, sodass man bei der Prismenfolie für den Spitzenwinkel zwischen den beiden Schenkeln eines rechtwinkligen Dreiecks eine Toleranz von ±2 Grad (π/90 [rad]) und für den Spitzenwinkel zwischen den beiden Schenkeln eines gleichschenkligen Dreiecks eine Toleranz von ±4 Grad (π/45 [rad]) erhält.
Zwar wurde bei der vorliegenden Ausführungsart ein Konstruktionswert für eine Prismenfolie gezeigt, jedoch ist ein Fachmann in der Lage, diesen Wert maschinell als Nut in die Austrittsfläche selbst einzuarbeiten und die Form einer solchen Nut zu bestimmen.
Da die in 5 und 6 gezeigte Reflexionsplatte 413 parallel zur Fläche 401 angeordnet ist, beträgt bei einem Neigungswinkel von 14 Grad in 5 der Austrittswinkel 407 eines ersten austretenden Lichtstrahls 422 20 Grad und der Austrittswinkel 408 eines zweiten Lichtstrahls 427 55 Grad, während bei einem Neigungswinkel von 9,3 Grad in 7 der Austrittswinkel 407 eines ersten austretenden Lichtstrahls 422 24,5 Grad und der Austrittswinkel 408 eines zweiten austretenden Lichtstrahls 427 57,7 Grad. Dadurch kommt es selbst dann zu Verlusten, wenn der zweite austretende Lichtstrahl 427 die Austrittsfläche 403 (423) verlässt und durch eine λ/4-Platte in eine p-Komponente umgewandelt wird, da dieser zweite Lichtstrahl 427 nicht unter dem Brewster-Winkel in den Lichtwellenleiter 411 eintritt.
Es dürfte eine Reihe von Fällen geben, bei denen man gern einen ersten Lichtstrahl 422 und einen zweiten Lichtstrahl 427 in derselben Richtung nutzen möchte. Dadurch lässt sich die Lichtausbeute erhöhen, und zwar, indem man die Reflexionsrichtung mittels der Reflexionsplatte korrigiert und so den Ausfallswinkel 408 einer zweiten Austrittsrichtung 427 an den Ausfallswinkel 407 einer ersten Austrittsrichtung 422 anpasst. Dadurch allein ist es jedoch nicht möglich, den Ausfallswinkel 408 einer zweiten Austrittsrichtung 427 gleich dem Ausfallswinkel 407 einer ersten Austrittsrichtung 422 zu machen. Das liegt daran, dass das an der Basisfläche 401 reflektierte Licht 425 nicht durch einen Lichtwellenleiter 411 durchtritt, sondern aufgrund der schrägen Anordnung der Lichtwellenleiter total reflektiert wird.
Zur Lösung dieser Probleme kann man auch Substanzen mit unterschiedlichen Brechungsindizes übereinander schichten, sodass der Lichtstrahl schrittweise gebrochen wird und durch die Basisfläche 401 eintritt (nicht gezeigt). Dabei lässt sich die Korrektur des Austrittswinkels 408 eines zweiten austretenden Lichtstrahls 427 nicht nur durch Neigen einer Reflexionsplatte, sondern auch durch Verwendung eines rhombischen Fresnel-Prismas zur Änderung des Austrittswinkels und durch Verwendung einer Prismenfolie erreichen. In Verbindung mit dem Neigen dieser Reflexionsplatte ist auch denkbar, diese Platte stufenförmig auszubilden und so Platz zu sparen.
Im Folgenden soll die Form der Austrittsfläche eines Lichtwellenleiters betrachtet werden. Wenn die Fläche 409 wie in 7 senkrecht ist, kann das austretende Licht wieder in den Lichtwellenleiter eintreten, wodurch die Lichtausbeute sinkt. Daher ist es von Vorteil, wenn man die Fläche 409 entsprechend dem Austrittswinkel 407 eines ersten austretenden Lichtstrahls anschrägt.
Im Folgenden wird ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben. 13 und 14 zeigen eine Lichtwellenleitereinheit gemäß dem vorliegenden Aspekt, die im Großen und Ganzen die Form der oben beschriebenen Lichtwellenleitereinheit 400 hat, mit dem Unterschied, dass sie weder eine Reflexionsplatte noch ein Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts umfasst und dass die der Reflexionsplatte zugewandte Endfläche 401 als einheitliche Ebene ausgebildet ist und der Neigungswinkel der Lichtwellenleiter dem Brewster-Winkel entspricht.
Da es allein mit einer solchen Anordnung möglich ist, einen in 5 gezeigten ersten austretenden Lichtstrahl 422 zu nutzen und den Neigungswinkel eines Lichtwellenleiters (Winkel, unter dem der Lichtstrahl 421 mit einer ersten und einer zweiten Polarisationskomponente eintritt) kleiner zu wählen als den Winkel der Lichtwellenleiter in einem herkömmlichen linearen Transmissionspolarisator, ist dieser Aspekt insofern von großem Vorteil, als der Lichtstrahl 422, der einen größeren Anteil einer ersten Polarisationskomponente als einer zweiten Polarisationskomponente umfasst, über eine größere Austrittsfläche gestreut werden kann als bei einem herkömmlichen linearen Transmissionspolarisator (umgekehrt kann man einen Lichtstrahl auch zum Verlassen der Austrittsfläche bündeln). Dabei ist es überflüssig zu beschreiben, dass diese Lichtwellenleitereinheit 500 ähnliche Eigenschaften wie die oben beschriebene Lichtwellenleitereinheit 400 aufweist.
Bei einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls nicht von entscheidender Bedeutung, dass die Fläche 401 wie bei der oben beschriebenen Lichtwellenleitereinheit 400 als Ebene ausgeführt ist, da hier eine Reflexionsplatte einen wesentlichen Bestandteil darstellt. In diesem Fall umfasst der in 6 gezeigte keilförmige Teil eine Luftschicht gemäß der Beschreibung der Lichtwellenleitereinheit 400, jedoch wird hier ein Teil des Lichtstrahls 421 an der Grenzfläche reflektiert, wenn dieser die Lichtwellenleiter 411 in Richtung einer keilförmigen Luftschicht verlässt. Wenn das Licht den Lichtwellenleiter 411 verlässt und in die Luftschicht übergeht, kommt es zur Lichtstreuung, wenn die einfallenden Lichtstrahlen nicht völlig parallel sind, da der Brechungsindex des Lichtwellenleiters größer ist als der Brechungsindex der Luftschicht beim Verlassen des Lichtwellenleiters 411. Außerdem wird die Reflexion der s-Komponente an dem in 6 gezeigten Punkt 434 unterdrückt. Bei einer solchen Anordnung verringert sich die Lichtausbeute, jedoch hat man den Vorteil einer einfacheren Herstellung.
Aus dem oben Gesagten ergibt sich, dass die vorliegende Erfindung Lichtausbeuten von nahezu 100% erzielt, indem man die bisher in einer Polarisationsplatte absorbierte Polarisationskomponente in eine gewünschte Polarisationskomponente umwandelt, und somit ein System zur Hintergrundbeleuchtung mit geringem Stromverbrauch und hoher Leuchtdichte bereitstellen kann.
Ferner löst die vorliegende Erfindung die Probleme, die mit der durch die Polarisationsplatte erzeugten Wärme verbunden waren, und kann somit ein System zur Hintergrundbeleuchtung von wärmeempfindlichen LCD-Anzeigevorrichtungen bereitstellen, da es hierdurch kaum zu Beeinträchtigungen kommt.
Außerdem kann man durch die vorliegende Erfindung eine LCD-Anzeigevorrichtung bauen, ohne hierfür eine Polarisationsplatte zu verwenden, die bisher einen wesentlichen Bestandteil bildete.
Ferner kann die vorliegende Erfindung eine Lichtwellenleitereinheit bereitstellen, durch welche ein gebündelter Lichtstrahl beim Verlassen des Lichtwellenleiters in einen großen Winkel gestreut wird, oder durch welche ein aufgefächerter Lichtstrahl zum Verlassen der Austrittsfläche gebündelt wird und man gleichzeitig eine konstante Polarisationskomponente erhält.

Claims

Lichtwellenleitereinheit für eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung, wobei die Lichtwellenleitereinheit Folgendes umfasst: einen aus einer Vielzahl übereinander geschichteter Lichtwellenleiter (411) bestehenden Grundkörper mit einer Lichtaustrittsfläche an einer Seite; eine an der gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers liegende Reflexionsplatte (413); und ein zwischen dem Grundkörper und der Reflexionsplatte angeordnetes Mittel (412) zum Ändern der Polarisationsrichtung von Licht; wobei die Vielzahl der Lichtwellenleiter unter einem dem Brewster-Winkel entsprechenden Winkel schräg zur seitlichen Ausdehnung des Grundkörpers übereinander geschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die der Reflexionsplatte zugewandten Enden (401, 430) der Vielzahl von Lichtwellenleitern in gleicher Weise zu einer Form abgeschnitten sind, die einer in der seitlichen Ausdehnung liegenden Ebene (401) entspricht.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 1, deren Lichtaustrittsfläche eine Stufenform aufweist, welche die Enden der Vielzahl von Lichtwellenleitern umfasst, wobei die Stufenform eine zum Austrittswinkel parallele Fläche beinhaltet und der Austrittswinkel sich auf eine bestimmte polarisierte Komponente bezieht, die durch die Lichtaustrittsfläche austritt.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 1, bei welcher der Neigungswinkel der der Reflexionsplatte zugewandten Enden der Vielzahl der Lichtwellenleiter α[rad] beträgt, wobei α: (π/2 – Θ₁)/2m; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin(n₂ ²/n₁ ² + n₂ ²)^1/2; n₁: Brechungsindex einer zwischen die Lichtwellenleiter eingefügten Substanz; n₂: Brechungsindex eines Lichtwellenleiters; m: natürliche Zahl kleiner als (π/2 – Θ₁)/(Θ₂ – Θ₁); Θ₂: kritischer Einfallswinkel von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin(n₂/n₁)) ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 1, bei welcher der Neigungswinkel der der Reflexionsplatte zugewandten Enden der Vielzahl der Lichtwellenleiter α ± π/120m [rad] beträgt, wobei α: (π/2 – Θ₁)/2m; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin(n₂ ²/n₁ ² + n₂ ²)^1/2; n₁: Brechungsindex einer zwischen die Lichtwellenleiter eingefügten Substanz; n₂: Brechungsindex eines Lichtwellenleiters; m: natürliche Zahl kleiner als (π/2 – Θ₁)/(Θ₂ – Θ₁); Θ₂: kritischer Einfallswinkel von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂ (= arcsin (n₂/n₁)) ist.
Lichtwellenleitereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Mittel zur Änderung der Polarisationsrichtung des Lichts eine λ/4-Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Lichtwellenleiter Polyacrylnitrilplatten sind.
Lichtwellenleitereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner ein Mittel zum Korrigieren der Reflexionsrichtung der Reflexionsplatte umfasst.
Lichtwellenleitereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche ferner ein Mittel zum Korrigieren der Austrittsrichtung des Lichts aus der Austrittsfläche umfasst.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 8, bei der das Mittel zum Korrigieren der Austrittsrichtung des Lichts aus der Austrittsfläche eine prismatische Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 9, bei der die prismatische Platte an der Lichtaustrittsfläche die beiden Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Spitzenwinkel C [C] beinhaltet, wobei C: arctan((n₃cos(arcsin(sinA/n₃)) – 1)/sin A); A: arcsin (n₁sinΘ₁) + α; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂; α: Neigungswinkel der Vielzahl der Lichtwellenleiter; n₃: Brechungsindex der prismatischen Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 9, bei der die prismatische Platte an der Lichtaustrittsfläche die beiden Seiten eines gleichschenkligen Dreiecks mit dem Spitzenwinkel 2C [rad] beinhaltet, wobei C: arctan((n₃cos(arcsin(sinA/n₃)) – 1)/sin A); A: arcsin(n₁sinΘ₁) + α; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂; α: Neigungswinkel der Vielzahl der Lichtwellenleiter; n₃: Brechungsindex der prismatischen Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 9, bei der die prismatische Platte an der Lichtaustrittsfläche die beiden Seiten eines rechtwinkligen Dreiecks mit dem Spitzenwinkel C ± π/90 [rad] beinhaltet, wobei C: arctan((n₃cos(arcsin(sinA/n₃)) – 1)/sinA); A: arcsin(n₁sinΘ₁) + α; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂; α: Neigungswinkel der Vielzahl der Lichtwellenleiter; n₃: Brechungsindex der prismatischen Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 9, bei der die prismatische Platte an der Lichtaustrittsfläche die beiden Seiten eines gleichschenkligen Dreiecks mit dem Spitzenwinkel 2C ± π/45 [rad] beinhaltet, wobei C: arctan((n₃cos(arcsin(sinA/n₃)) – 1)/sin A); A: arcsin(n₁sinΘ₁) + α; Θ₁: Brewster-Winkel für den Lichteinfall von einer Substanz mit dem Brechungsindex n₁ in eine Substanz mit dem Brechungsindex n₂; α: Neigungswinkel der Vielzahl der Lichtwellenleiter; n₃: Brechungsindex der prismatischen Platte ist.
Lichtwellenleitereinheit nach Anspruch 8, bei der das Mittel zum Korrigieren der Austrittsrichtung des Lichts an der Austrittsfläche eine in die Lichtausgangsfläche eingearbeitete Nut ist.
Flüssigkristallanzeige, welche Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (414); eine Lichtwellenleitereinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche; Trägerglasplatten (622) zum Einschließen von Flüssigkristallen; und eine obere Polarisationsplatte (624).