DE69903640T2 - Verbesserung des blickwinkels eines lcd-bildschirms durch eine neuartige schichtung doppelbrechender filme - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrooptische Anzeigevorrichtungen, die das sie durchquerende Licht modulieren, insbesondere auf Flüssigkristallbildschirme.
• Diese Bildschirme besitzen interessante Eigenschaften für Bildschirme in der Luftfahrt. Sie brauchen weniger Platz als übliche Kathodenstrahlröhren und verbrauchen wenig Energie.
• Auf einem Flüssigkristallbildschirm wird ein Bild mithilfe von nebeneinanderliegenden elementaren Punkten dargestellt, die entweder farbig oder schwarz sind. Ein Elementarpunkt entspricht dem an seine Vorderseite durch eine von der Rückseite beleuchtete Flüssigkristallzelle übertragenen Licht. Von hinten nach vorne gesehen enthält eine Flüssigkristallzelle im allgemeinen die Stapelung eines Polarisators, eines ersten transparenten Substrats, einer dünnen Flüssigkristallschicht, eines zweiten transparenten Substrats und eines Analysators.
• Diese transparenten Substrate enthalten ebenfalls transparente Elektroden, wobei die an diese angelegte Spannung die Flüssigkristallmoleküle einem elektrischen Feld senkrecht zur Ebene der Zelle aussetzen können.
• Ein Flüssigkristallmolekül besitzt zwei bemerkenswerte Eigenschaften: Einerseits kann es abhängig von seiner räumlichen Ausrichtung die Polarisation eines das Molekül durchquerenden Lichtstrahls verändern und andrerseits kann ein elektrisches Feld diese Ausrichtung verändern.
• So führen die Ruhestellung (keine Spannung) und das Anlegen einer Spannung an die Flüssigkristallschicht zu zwei unterschiedlichen Anordnungen der Flüssigkristallmoleküle in der Schicht, wodurch zwei Zustände der Zelle definiert werden (aktivierter und nicht aktivierter Zustand), sodaß zum Beispiel in einem Zustand die Zelle das Licht durchläßt und im anderen absorbiert. Je nach dem Zustand der Zelle kann man einen weißen oder einen schwarzen Punkt darstellen. Grauwerte ergeben sich durch Zwischenspannungen, die andere Orientierungen der Flüssigkristallmoleküle hervorrufen. Außerdem ermöglicht ein Farbfilter, das in den Stapel einer Zelle eingefügt wird, die Darstellung eines farbigen Punkts. Diese Technologie ergibt also Bilder in schwarzweiß oder in Farbe.
• Bei einem Flüssigkristallschirm hängt jedoch das vom Betrachter wahrgenommene Bild vom Winkel ab, unter dem der Bildschirm beobachtet wird. Ein Bild guter Qualität, wie es vom Betrachter gesehen wird, wenn er es in einer senkrechten Richtung bezüglich der Ebene des Bildschirms betrachtet, wird verformt, wenn seine Blickrichtung schräg bezüglich dieser Senkrechten verläuft. Dies beschränkt im allgemeinen die Verwendung eines Flüssigkristallschirms auf Betrachtungsrichtungen, die nur wenig von der Senkrechten bezüglich des Bildschirms abweichen: Der Schirm hat einen beschränkten Betrachtungswinkel.
• Für einen Bildschirm, der von einem Betrachter gelesen werden soll, dessen Position sich ändert, und/oder von mehreren Betrachtern, die sich um den Bildschirm scharen, wie zum Beispiel einen Bildschirm im Cockpit eines Flugzeugs, bildet die Beschränkung des Betrachtungswinkels des Flüssigkristallbildschirms einen ernsthaften Nachteil.
• Für den Benutzer des Bildschirms erzeugt die Flüssigkristallschicht Fehler im optischen Verhalten. Die Fehler beruhen insbesondere auf dem Helligkeitskontrast zwischen den Zuständen einer Zelle, der die störende Eigenschaft hat, sich mit dem Betrachtungswinkel zu verändern und damit die Betrachtung des Schirms zu stören.
• Dieser Effekt erklärt sich aus der natürlichen Doppelbrechung eines Flüssigkristallmoleküls, gemäß der die Veränderung der Polarisation des das Molekül durchquerenden Lichts von der relativen Orientierung zwischen diesem Licht und dem Molekül abhängt. Der Wechsel des Betrachtungswinkels führt zu einer Veränderung der Polarisation des vom Analysator empfangenen Lichts und damit zu einer Veränderung der Lichttransmission der Zelle.
• Gemäß dem Stand der Technik werden partielle Korrekturen dieser Doppelbrechung in bestimmten Situationen vorgeschlagen, in denen diese für verschiedene Arten von Flüssigkristallzellen störend ist.
• Hier seien insbesondere die Zellen betrachtet, die einen spiralförmig nematischen Flüssigkristall und gegenseitig gekreuzte Polarisatoren (ein Polarisator, ein Analysator) zu beiden Seiten der Flüssigkristallschicht besitzen. In ihrem nicht aktivierten Zustand ergeben die Zellen einen hohen Durchlaßgrad für das empfangene Licht. Ihr aktiver Zustand entspricht einer erheblichen Absorption des Lichts. Eine senkrecht zum Bildschirm beobachtete aktivierte Zelle ergibt einen sehr geringen Licht-Transmissionsgrad. Der wesentliche Mangel dieser Zellen ist im aktivierten Zustand eine deutliche Vergrößerung des Licht-Transmissionsgrads bei einer Betrachtung aus einem Winkel bezüglich der Senkrechten zur Zelle. Ein von einem Beobachter senkrecht zur Zelle als schwarz erkannter Punkt hellt sich auf, wenn der Beobachter sich von dieser senkrechten Position entfernt. Der Kontrast zwischen weiß und schwarz nimmt also hierbei gegenüber der Betrachtung aus senkrechter Richtung ab. Der Kontrast ist das Verhältnis der Transmissionsgrade der beiden Zustände, also der Quotient aus dem Transmissionsgrad im aktivierten Zustand und dem Transmissionsgrad im nicht aktivierten Zustand.
• Im aktivierten Zustand ist die Doppelbrechung der Flüssigkristallmoleküle störend.
• Nach dem Stand der Technik wird vorgeschlagen, diese Doppelbrechung durch Hinzufügung einer doppelbrechenden Kompensationsfolie in den Stapel der Zelle zu korrigieren, wenn auch unvollkommen.
• Eine erste bekannte Korrektur besteht darin, eine doppelbrechende einachsige Folie zu verwenden, die eine Anisotropie mit negativem Brechungsindex in der Richtung senkrecht zur Ebene der Zelle aufweist. Die Folie ist einachsig negativ und besitzt eine außerordentliche optische Achse senkrecht zur Zelle.
• Es wurden auch bereits Korrekturen mit besseren Ergebnissen entwickelt. So schlägt zum Beispiel das Patent EP 0 646 829 eine doppelbrechende Korrekturfolie mit einer Trägerschicht vor, die die Merkmale der bekannten ersten Korrektur besitzt und auf der ein durch Reibung ausgerichteter diskotischer Flüssigkristall polymerisiert ist. Es beschreibt einen T-Typ einer doppelbrechenden Folie mit einer Übereinanderschichtung von zwei einachsig negativen Milieus, die je eine außerordentliche optische Achse besitzen, von denen eine parallel zur Senkrechten auf der Zelle und die andere einerseits bezüglich dieser Senkrechten und andrerseits bezüglich der Ebene der Zelle geneigt verläuft.
• Das US-Patent 5 528 400 beschreibt eine Struktur einer Flüssigkristallzelle mit einer Flüssigkristallschicht zwischen zwei Polarisatoren sowie mit einer Kompensationsstruktur, die zwei einachsig negative Milieus enthält.
• Das Problem besteht darin, das Betrachtungsfeld eines Flüssigkristallbildschirms zu verbreitern, der in der Stapelung der Zelle und zu beiden Seiten der Flüssigkristallschicht der Zelle mindestens zwei einachsig negative Milieus derart besitzt, daß die außerordentliche Achse eines dieser Milieus parallel zur Senkrechten auf der Ebene der Zelle und die außerordentliche Achse eines anderen dieser Milieus sowohl bezüglich der Senkrechten als auch bezüglich der Ebene der Zelle geneigt ist.
• Insbesondere für einen Bildschirm, wie er zum Beispiel für die zivile Luftfahrt verwendet wird, der senkrecht angeordnet ist; möchte man den Betrachtungswinkel insbesondere bezüglich der Horizontalen weiter vergrößern.
• Die Erfindung schlägt eine neue Lösung vor, die darin besteht, bei der Stapelung der Flüssigkristallzelle eine doppelbrechende einachsig positive Kompensationsfolie den oben erwähnten doppelbrechenden Folien des Typs T hinzuzufügen.
• Genauer betrachtet ist Gegenstand der Erfindung eine Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallzelle, die eine spiralförmig nematische Flüssigkristallschicht zwischen zwei Polarisatoren in gekreuzter Lage aufweist sowie zwischen der Flüssigkristallschicht und mindestens einem der Polarisatoren eine Struktur zur Kompensation der Kontrastschwankungen der Zelle abhängig vom Betrachtungswinkel enthält, wobei diese Struktur mindestens zwei übereinanderliegende einachsig negative Milieus enthält derart, daß die außerordentliche Achse eines der Milieus parallel zur Senkrechten auf der Zelle verläuft und die des anderen Milieus einerseits bezüglich dieser Senkrechten und andrerseits bezüglich der Ebene der Zelle geneigt verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsstruktur eine zusätzliche Schicht aus einem doppelbrechenden einachsig positiven Material enthält.
• In bekannter Weise kann ein einachsig positives Material durch ein einachsig negatives Material kompensiert werden. Man geht davon aus, daß ein Flüssigkristallmolekül sich annähernd wie eine Stapelung von einachsig positiven Materialien verhält. Die Flüssigkristallschicht kann also ausreichend durch die Stapelung von einachsigen Materialien kompensiert werden, die eine negative Doppelbrechung besitzen, das heißt, eine Doppelbrechung entgegengesetzten Vorzeichens zu der natürlichen Doppelbrechung des Flüssigkristalls.
• Im Stand der Technik wird eine Kompensation der positiven Doppelbrechung der Moleküle der Flüssigkristallschicht durch eine besondere Stapelung zweier einachsig negativer Materialien in einer Folie des Typs T vorgeschlagen.
• Die neue Lösung gemäß der Erfindung besteht darin, die Kompensation der positiven Doppelbrechung der Moleküle der Flüssigkristallschicht dadurch zu verbessern, daß die besondere Stapelung nach dem Stand der Technik durch eine zusätzliche Schicht aus einem Material ergänzt wird, deren Doppelbrechung nicht entgegengesetztes Vorzeichen zu der des Flüssigkristalls besitzt, sondern wie dieser eine positive Doppelbrechung aufweist.
• Das Material der zusätzlichen Schicht ist ein einachsig positives doppelbrechendes Material. Die außerordentliche Achse dieses Materials verläuft im wesentlichen parallel zur Ebene der Flüssigkristallschicht. Die Achse verläuft im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtungsachse der Moleküle auf der nächstliegenden Oberfläche der Flüssigkristallschicht.
• In der Dicke der Zelle vergrößern die relativen Ausrichtungen der spiralförmigen Flüssigkristallschicht, der Paare von Polarisatoren und der außerordentlichen optischen Achsen des zweiten Milieus der Kompensationsstruktur und des Materials der zusätzlichen Schicht den Betrachtungswinkel der Vorrichtung in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Zelle.
• Die zusätzliche Schicht liegt vorzugsweise zwischen der Flüssigkristallschicht und der Kompensationsfolie des Typs T. Die zusätzliche Schicht liegt in unmittelbarer Nachbarschaft der Flüssigkristallschicht.
• In der Flüssigkristallschicht verlaufen die Ausrichtungen der Moleküle an den Oberflächen der Schicht vorzugsweise senkrecht zueinander.
• Vorzugsweise wird jeder Polarisator mit der Ausrichtung der nächstliegenden Oberfläche der Flüssigkristallschicht überkreuz angeordnet. Die außerordentliche Achse des Materials der zusätzlichen Schicht ist zum nächstliegenden Polarisator überkreuz angeordnet.
• Die Erfindung erlaubt es, das Betrachtungsfeld eines Flüssigkristallschirms durch Verbesserung der Kontrastniveaus zu verbessern, ohne eine Umkehr des Kontrasts einzuführen. Sie ergibt insbesondere einen vertikalen Bildschirm, der unter einem von der Horizontalen erheblich abweichenden Winkel betrachtet werden kann, typisch unter einem Winkel von etwa 60º, und unter einem erheblichen Winkel in vertikaler Richtung von bis zu 40º für einen Betrachter, der einen Bildschirm betrachtet, der unter seiner Augenhöhe angeordnet ist.
• Der vertikale Bildschirm zeichnet sich sowohl durch die nicht vorhandene Kontrastumkehr als auch durch einen Kontrast größer als 40 für einen Betrachtungswinkel in einem Winkelbereich aus, der bezüglich der Geraden senkrecht zum Bildschirm zwischen +60º und -60º in horizontaler Richtung und zwischen 0º und 40º in vertikaler Richtung oberhalb der zum Bildschirm senkrechten Geraden liegt.
• Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt schematisch eine Flüssigkristallzelle in einer bekannten Konfiguration mit gekreuzten Polarisatoren, wobei die Fig. 1a den nicht aktivierten Zustand und Fig. 1b den aktivierten Zustand der Zelle zeigt.
• Fig. 2 zeigt eine bekannte Zelle mit zwei optischen Kompensationsstrukturen.
• Fig. 3 zeigt einen Zeil einer Kompensationsfolie nach dem Stand der Technik.
• Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.
• Eine Flüssigkristallzelle ist schematisch in Fig. 1 gezeigt. Sie enthält in bekannter Weise entlang der Achse Oz gestapelt einen Polarisator 16, ein erstes transparentes Substrat 12, Flüssigkristallmoleküle 11, ein zweites transparentes Substrat 14 und einen Analysator, der ein bezüglich des ersten Polarisators 16 überkreuz angeordneter Polarisator 18 ist. Die Gesamtheit der beiden Substrate 12 und 14 und der Moleküle 11 bildet eine ebene Flüssigkristallschicht 10, die zur Ebene Oxy parallel ist.
• Im Fall eines spiralförmig nematischen Flüssigkristalls sind die Flüssigkristallmoleküle in der Nähe eines der beiden transparenten Substrate 12 in einer ersten Richtung, zum Beispiel parallel zur Achse Ox ausgerichtet, während die dem anderen Substrat 14 benachbarten Moleküle gemäß einer zweiten Richtung, zum Beispiel parallel zur Achse Oy ausgerichtet sind. Die beiden Richtungen stehen vorzugsweise aufeinander senkrecht.
• Die Ausrichtung der Moleküle kann zum Beispiel durch Behandlung der Oberflächen der Substrate 12 und 14 erhalten werden, die mit dem Flüssigkristall in Kontakt stehen, zum Beispiel durch Reiben der Oberfläche in der gewünschten Richtung.
• Ist die Zelle im Ruhezustand, dann befindet sie sich in dem in Fig. 1a gezeigten nicht aktivierten Zustand, in dem die Moleküle 11 der Flüssigkristallschicht zur Ebene Oxy der Zelle parallel liegen und aufgrund der zueinander senkrechten Ausrichtungen der Substrate in der Dicke der Schicht 10 eine Spirale bilden. Das auf die Rückseite der nicht aktivierten Zelle auftreffende Licht wird durch den Polarisator 16 geradlinig polarisiert und durchquert dann die Dicke der Schicht 10 aus spiralförmig angeordneten Flüssigkristallen. Diese geradlinige Polarisation wird durch die Doppelbrechung der durchquerten Moleküle 11 verändert und ergibt eine Drehung um 90º aufgrund der Spirale. Am Ausgang der Schicht 10 liegt das Licht senkrecht zum ersten Polarisator 16 polarisiert vor und kann somit den zweiten, gekreuzt angeordneten Polarisator 18 frei durchqueren, dessen Durchlaßrichtung senkrecht zu der des ersten Polarisators 16 verläuft. Die nicht aktivierte Zelle bietet also einen hohen Licht-Transmissionsgrad.
• Wird die Zelle unter Spannung gesetzt, dann ist sie im in Fig. 1b gezeigten aktivierten Zustand, in dem sich ein elektrisches Feld senkrecht zur dünnen Schicht 11 zwischen den an Spannung liegenden transparenten Elektroden auf den Substraten 12 und 14 ausbildet. Die Moleküle 11 der Schicht 10 haben die Tendenz, sich entlang der elektrischen Feldlinien anzuordnen und richten sich bezüglich der Ebene der Zelle auf. Die vorher beobachtete Spirale wird in der Dicke der Schicht 10 zerstört. Im aktivierten Zustand durchquert das Licht ebenfalls die Schicht 11, aber die Anordnung der dabei angetroffenen Moleküle läßt es tendenziell eine geradlinige Polarisation in der durch den Polarisator 16 vorgegebenen Richtung beibehalten. Das Licht am Ausgang der Schicht 10 wird dann durch den zweiten Polarisator 18 absorbiert, der zum ersten Polarisator überkreuz angeordnet ist.
• Im aktivierten Zustand überträgt die in senkrechter Richtung zu ihrer Ebene betrachtete Zelle praktisch kein Licht mehr. Wenn jedoch die Betrachtungsrichtung bezüglich der Senkrechten geneigt ist, unterliegt das schräg verlaufende Licht der Doppelbrechung der Moleküle, die seine Polarisation verändert, sodaß ein Teil des Lichts dann den zweiten Polarisator durchquert.
• Die Anordnung der Moleküle in der unter Spannung stehenden Flüssigkristallschicht ist ziemlich komplex, da die Zerstörung der im Ruhezustand beobachteten Spirale nur eine unvollkommene ist.
• Ein Flüssigkristallmolekül ist länglich. Angenähert verhält es sich optisch wie ein doppelbrechendes einachsig positives Milieu, dessen außerordentliche Achse in Längsrichtung des Moleküls verläuft. Die unter Spannung stehende Flüssigkristallschicht kann sehr vereinfacht durch die Stapelung von Teilschichten dargestellt werden, in denen die Doppelbrechung homogen ist und die Moleküle eine gleiche Ausrichtung besitzen. In diesem Anschauungsmodell ist jede Teilschicht ein einachsig positives doppelbrechendes Milieu, dessen Richtung der außerordentlichen Achse die Teilschicht kennzeichnet.
• Ganz allgemein wird ein erstes einachsig doppelbrechendes Material durch ein zweites einachsig doppelbrechendes Material entgegengesetzten Vorzeichens so kompensiert, daß die außerordentlichen Achsen der beiden Materialien parallel verlaufen und die Doppelbrechungen sich kompensieren. Die einachsig negativen Materialien sind also gut für die Kompensation der einachsig positiven Doppelbrechung der nematischen Flüssigkristalle geeignet.
• Das Patent 0 646 829 beschreibt eine Struktur vom Typ T auf der Basis von einachsig negativen Materialien für eine partielle optische Kompensation einer Flüssigkristallzelle. Die T-Struktur ergibt eine partielle Kompensation der Veränderungen des Kontrasts der Zelle abhängig vom Betrachtungswinkel. Jede Struktur vom Typ T ist parallel zu einer Ebene, die im Stapel der Zelle mit der Stapelebene zusammenfällt, und enthält eine erste Schicht eines einachsig negativen doppelbrechenden Materials mit einer außerordentlichen Achse senkrecht zu dieser Ebene und darüber eine zweite Schicht aus einem einachsig negativen doppelbrechenden Material mit einer außerordentlichen Achse, die bezüglich dieser Ebene und bezüglich der Senkrechten auf dieser Ebene geneigt ist.
• Fig. 2 zeigt die bekannte Stapelung mit einer von hinten durch Lichtstrahlen 30 beleuchteten Flüssigkristallzelle in Richtung der Achse Z. Die Zelle enthält zwei optische Kompensationsfolien 25 und 27 zu beiden Seiten der ebenen Flüssigkristallschicht 20 und zwischen den Polarisatoren 26 und 28. Die Ebene der Zelle ist die Ebene XY. Die hintere Folie 25 und die vordere Folie 27 sind wie zum Beispiel in dem Patent 0 646 829 beschrieben aufgebaut. Jede Folie vom Typ T 25 und 27 enthält in ihrer Dicke ein einachsig negatives Milieu 22, 24 mit einer außerordentlichen Achse Z senkrecht zur Ebene XY der Zelle sowie ein einachsig negatives Milieu 21, 23 mit einer bezüglich der Senkrechten Z auf der Zelle und bezüglich der Ebene XY der Zelle geneigten außerordentlichen Achse. Das geneigte einachsige Milieu 21, 23 liegt näher bei der Flüssigkristallschicht 20.
• Die Polarisatoren 26 und 28 dieser Zelle sind gekreuzt, das heißt, daß ihre Durchlaßrichtungen P26 und P28 senkrecht aufeinander stehen. Die Flüssigkristallschicht 20 besitzt eine Ausrichtung A31 der Moleküle an der hinteren Oberfläche 31 in der Ebene XY senkrecht zu der A33 an der vorderen Oberfläche 33, die sich ebenfalls in der Ebene XY befindet. Die Flüssigkristallschicht hat im Ruhezustand eine negative Spirale, deren Rotation über ihre Dicke 90º beträgt. Die Rotation beträgt -90º um die Achse Z. Die Durchlaßrichtung P26, P28 jedes Polarisators kreuzt sich mit der Ausrichtung A31, A33 an der jeweils nächstliegenden Oberfläche der Flüssigkristallschicht.
• Die Ausrichtung der geneigten Achse des einachsigen Milieus 21 neben der hinteren Oberfläche 31 der Schicht 20 ist in der Ebene XY durch die Richtung F21 angedeutet, die durch Reiben bei der Herstellung der Folie 25 gemäß dem erwähnten Patent erhalten wird. Die Richtung F21 verläuft parallel zur Ausrichtung A31 der Moleküle an der hinteren Oberfläche 31, hat aber entgegengesetzte Richtung. Entsprechend ist die Ausrichtung der geneigten Achse des einachsigen Milieus 23 an der vorderen Oberfläche 33 der Schicht 20 durch die Richtung F23 angedeutet, die parallel und entgegengesetzt zur Ausrichtung A33 der Moleküle an der vorderen Oberfläche 33 verläuft. Die-Richtung F23 entspricht der Reibung für die Bildung der Folie 27 vom Typ T. Die Richtungen F21 und F23 stehen aufeinander senkrecht.
• Fig. 3 zeigt einen Teil der hinteren Kompensationsfolie 25 aus Fig. 2. Diese Folie 25 vom Typ T enthält ein einachsig negatives Milieu 22, dessen außerordentliche schnelle Achse entlang der Senkrechten 34 auf der Folie verläuft und dessen Oberseite 35 in der Richtung F31 gerieben wurde. Sie enthält auch ein einachsig negatives Milieu 21, dessen außerordentliche Achse n bezüglich dieser Senkrechten 34 um einen Winkel λ in der die Senkrechte 34 und die Reibrichtung F21 einschließenden Ebene geneigt ist. Das Ellipsoid der Indizes, das das Milieu 21 kennzeichnet, ist drehsymmetrisch um die Achse n, die die optische oder außerordentliche Achse dieses Milieus 21 ist. Eine ordentliche Achse p liegt sowohl in der Ebene XY der Zelle als auch senkrecht zur außerordentlichen Achse n, während eine zweite ordentliche Achse q senkrecht zu den Achsen n und p verläuft. Eine senkrecht zum Substrat 21 entlang der Geraden 34 einfallende Lichtwelle sieht zwei neutrale Linien: Die langsame Achse ist die Achse p und die schnelle Achse ist die Projektion der Achse q auf die Ebene des Substrats.
• Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform enthält die Flüssigkristallzelle, die von hinten durch Lichtstrahlen 30 beleuchtet wird, denselben Stapel von Elementen in ihrer Dicke wie die Zelle nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2: Eine Flüssigkristallschicht 40 zwischen zwei Kompensationsfolien, zum Beispiel vom Typ T, eine hintere Folie 45 und eine vordere Folie 47, und das Ganze liegt zwischen zwei Polarisatoren 46 und 48. Außerdem enthält die Zelle eine zusätzliche Schicht 49, 50 aus doppelbrechendem Material, die die Besonderheit aufweist, einachsial positiv zu sein, und vorzugsweise zwischen jeder Kompensationsfolie 45 beziehungsweise 47 und der Flüssigkristallschicht 40 liegt. Das einachsig positive Material jeder zusätzlichen Schicht ist so ausgerichtet, daß die zusätzliche Schicht oder vorzugsweise beide zusätzliche Schichten den Betrachtungswinkel eines solche Zellen enthaltenden Bildschirms verbessern.
• Die Zelle aus Fig. 4 wird in der negativen Richtung der senkrechten Achse Z zur Zelle betrachtet. Die erfindungsgemäße Zelle enthält hintereinander zwischen dem vorderen Polarisator 48 und dem hinteren Polarisator 46 die Kompensationsfolie 47, zum Beispiel vom Typ T aus einem ersten einachsig negativen Material 44 mit einer Achse parallel zur Achse Z und einem zweiten einachsig negativen Material 43 mit einer bezüglich der Achse Z und bezüglich der Ebene XY parallel zur Ebene der Zelle geneigten Achse, wobei die Ausrichtung des zweiten Materials in der Ebene XY durch eine Richtung F43 gegeben ist, die zusätzliche Schicht 50 aus einem einachsig positiven dritten Material, die Schicht 40 aus einem nematischen Flüssigkristall mit einer Ausrichtung A53 der Moleküle an der vorderen Oberfläche und A51 an der hinteren Oberfläche, die zusätzliche Schicht 49 aus einem einachsig positiven vierten Material, und die Kompensationsfolie 45 zum Beispiel vom Typ T, die ein fünftes einachsig negatives Material 41, das so geneigt ist, daß seine Ausrichtung in der Ebene XY durch eine Richtung F41 gegeben ist, und ein sechstes einachsig negatives Material 42 der Achse Z besitzt.
• Die Ausrichtung A53 an der vorderen Oberfläche und A51 an der hinteren Oberfläche entspricht der Reibrichtung der Substrate der Flüssigkristallschicht bei der Herstellung dieser Schicht 40.
• Erfindungsgemäß verläuft die außerordentliche Achse A50 bzw. A49 des Materials der zusätzlichen Schichten 50, 49 im wesentlichen in der Ebene der Zelle und senkrecht zur Ausrichtung A53 bzw. A51 der nächstliegenden Oberfläche der Flüssigkristallschicht 40.
• Fig. 4 zeigt die möglichen Ausrichtungen der außerordentlichen Achse A50 A49. Wichtig ist deren Richtung.
• Erfindungsgemäß besitzt die außerordentliche Achse A50, A49 eine Neigung zwischen 0º und 10º bezüglich der Ebene XY der Zelle. Diese Neigung ist vergleichbar mit der der Moleküle an der vorderen bzw. hinteren Oberfläche 53, 51 der Flüssigkristallschicht. Die Moleküle fluchten nämlich nicht genau mit der Ebene der Zelle gemäß den Ausrichtungen A53, A51, sondern besitzen eine leichte Neigung in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Zelle und parallel zu den Ausrichtungen A53, A51.
• In dieser besonderen Ausführungsform besitzt die nematische Flüssigkristallschicht 40 im Ruhezustand in ihrer Dicke einen Spirale, deren Rotation zum Beispiel einen positiven Wert von 90º um die Achse Z der Fig. 4 zu den Ausrichtungen A51, A53 auf der dazu senkrechten vorderen beziehungsweise hinteren Oberfläche der Schicht 40 besitzt. Im Ruhezustand, wenn der Flüssigkristall nicht aktiviert ist, verlaufen die Flüssigkristallmoleküle, die sich im Zentrum der Dicke der Schicht 40 in einer Ebene parallel zur Ebene XY befinden, im wesentlichen parallel zur Achse Y. Die Achse Y zeigt von unten nach oben im Bildschirm, der die erfindungsgemäßen Zellen enthält. Die Achse Y stellt die Winkelhalbierende des Winkelsektors dar, der sich in Richtung der Drehung der Spirale der Schicht 40 im Ruhezustand von der hinteren Oberfläche 51 zur vorderen Oberfläche 53 zwischen der Ausrichtung A51 oder hinteren Oberfläche und der Ausrichtung A53 der vorderen Oberfläche erstreckt.
• Die Polarisatoren sind nicht parallel zueinander ausgerichtet, sondern überkreuz, und die Zelle absorbiert stark das Licht, wenn der Flüssigkristall der Schicht 40 unter Spannung steht. Die Durchlaßrichtung P48, P46 jedes Polarisators 48, 46 ist vorzugsweise bezüglich der Ausrichtung A53 beziehungsweise A51 der nächstliegenden Oberfläche 53, 51 der Flüssigkristallschicht 40 gekreuzt. Diese Relativ-Ausrichtungen zwischen einem Polarisator und der Ausrichtung der benachbarten Flüssigkristallmoleküle hat den Vorteil, die Kontrastumkehr in Grenzen zu halten. So ergibt sich für eine ziemlich weite Zone des Betrachtungsraums keine Kontrastumkehr.
• Die Durchlaßrichtung P48 des ersten Polarisators 48 an der Vorderseite des Stapels gemäß Fig. 4 verläuft im wesentlichen parallel zur Ausrichtung A51 der hinteren Oberfläche der Flüssigkristallschicht 40.
• Die Richtung F43 beziehungsweise F41 ist parallel und entgegengesetzt zur orthogonalen Projektion der außerordentlichen geneigten Achse des einachsig negativen zweiten Materials 43 beziehungsweise fünften Materials 41 in der Ebene XY. Das zweite beziehungsweise das fünfte Material 43, 41 liegt in dem Stapel so, daß die Richtung F43 beziehungsweise 41 senkrecht zur Durchlaßrichtung P48 beziehungsweise P46 des nächstliegenden Polarisators verläuft und im wesentlichen der Ausrichtung A53 beziehungsweise A51 der nächstliegenden Oberfläche der Flüssigkristallschicht 40 entgegengerichtet.
• In der Dicke der Zelle maximieren die relativen Ausrichtungen der spiralförmigen Flüssigkristallschicht, der beiden Polarisatoren und der außerordentlichen optischen Achsen des zweiten beziehungsweise fünften Milieus 43, 41 der Kompensationsstruktur und die der Materialien des Paars von zusätzlichen Schichten 49, 50 den Betrachtungswinkel der Vorrichtung in einer waagrechten Ebene XZ, die senkrecht zur Ebene der Zelle und zur Achse Y verläuft, die die vertikale Richtung der Vorrichtung bezeichnet.
• Die erfindungsgemäße Zelle enthält vorzugsweise eine zusätzliche Schicht auf jeder Seite der Flüssigkristallschicht 40, was den Vorteil ergibt, daß eine Korrektur durchgeführt wird, die die Rechts-Links-Symmetrie bezüglich der Achse Y beibehält. Der Betrachtungswinkel wird bei Beachtung dieser Symmetrie verbessert. Varianten der Erfindung können auch mit einer einzigen zusätzlichen Schicht realisiert werden, beispielsweise wenn der Benutzer eines erfindungsgemäßen vertikalen Bildschirms in seiner Bewegungsfreiheit horizontal eingeschränkt ist und den Bildschirm nur von einer Seite betrachtet.
• Die zusätzliche Schicht ist ein einachsig positives Material einer für die Korrektur der Kontrastveränderungen sehr wirkungsvollen optischen Verzögerung abhängig vom Betrachtungswinkel, aber mit einem ziemlich niedrigen Wert von 15 bis 90 nm gleich dem Produkt aus der Dicke der Schicht mit der Differenz der optischen Indizes der außerordentlichen Achse und der ordentlichen Achsen. Die Dicke der Schicht beträgt vorzugsweise etwa 1 um.
• Die zusätzliche Schicht aus einachsig positivem Material wird beispielsweise von einem geriebenen Substrat gebildet, auf das eine Flüssigkristallschicht aufgebracht und dann polymerisiert wird. Das geriebene Substrat kann ein neutrales Substrat wie eine Glasscheibe sein, auf das eine Polyimidschicht aufgebracht wird. Diese Schicht wird in bekannter Weise mechanisch gerieben. Das Verfahren zur Herstellung der Oberflächen der spiralförmigen Flüssigkristallschicht kann dann weitergeführt werden, wobei die auf die Ebene der Zelle bezogenen Neigungen der außerordentlichen Achse des Materials der zusätzlichen Schicht und die Ausrichtungen der auf jeder der Oberflächen der Flüssigkristallschicht ausgerichteten Moleküle miteinander vergleichbar sind.
• Die Betrachtung eines Bildschirms mit erfindungsgemäßen Zellen ist für Betrachtungswinkel in einem weiten Bereich um die Senkrechte zum Bildschirmgut. In diesem Winkelbereich beobachtet der Benutzer keine Kontrastumkehr, und der Kontrast besitzt einen Wert oberhalb eines Mindestwerts 40, der für eine angenehme Betrachtung akzeptabel ist. Der Kontrast ist der Quotient aus dem Transmissionsgrad einer Zelle im aktiven Zustand zu dem im nicht aktivierten Zustand.
• Für einen vertikalen Bildschirm, dessen Y-Achse in Fig. 4 von unten nach oben auf dem Schirm ausgerichtet ist, ermöglicht die Erfindung eine Verbreiterung des Winkelbereichs der Betrachtung in horizontaler Richtung und damit eine gute Lesbarkeit eines Bildschirms, der unterhalb der Augenhöhe des Benutzers liegt. Insbesondere ergibt sich ein Kontrast von mindestens 40 für einen Betrachtungswinkel in einem Winkelbereich, der sich bezüglich der senkrechten Geraden auf dem Bildschirm zwischen +60º und -60º in horizontaler Richtung und zwischen 0º und 40º in vertikaler Richtung oberhalb der Senkrechten auf dem Bildschirm erstreckt.
• Gemäß einer Ausführungsvariante besitzt die Flüssigkristallschicht im Ruhezustand eine negative Spirale bezüglich der Achse Z wie die bekannte Zelle gemäß Fig. 2. Die Verbesserung der Kompensation ergibt sich, indem zu beiden Seiten der Flüssigkristallschicht eine zusätzliche Schicht aus einachsig positivem Material hinzugefügt wird, deren Achse wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 4 parallel zur Durchlaßrichtung des nächstliegenden Polarisators verläuft.

Claims (9)

1. Anzeigevorrichtung mit einer Flüssigkristallzelle, die eine spiralförmig nematische Flüssigkristallschicht (40) zwischen zwei Polarisatoren (46, 48) in gekreuzter Lage aufweist sowie zwischen der Flüssigkristallschicht und mindestens einem der Polarisatoren eine Struktur zur Kompensation der Kontrastschwankungen der Zelle abhängig vom Betrachtungswinkel enthält, wobei diese Struktur mindestens zwei übereinanderliegende einachsig negative Milieus enthält derart, daß die außerordentliche Achse eines der Milieus (44, 42) parallel zur Senkrechten auf der Zelle verläuft und die, des anderen Milieus (43, 41) einerseits bezüglich dieser Senkrechten und andrerseits bezüglich der Ebene der Zelle geneigt verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsstruktur eine zusätzliche Schicht (50, 49) aus einem doppelbrechenden einachsig positiven Material enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das einachsig positive Material so ausgerichtet ist, daß die zusätzliche Schicht den Betrachtungswinkel eines Bildschirms mit solchen Zellen verbessert, indem der Betrachtungswinkel in einer Ebene senkrecht zu einem solche Zellen enthaltenden Bildschirm vergrößert wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die außerordentliche Achse (A50, A49) des einachsig positiven Materials der zusätzlichen Schicht parallel zur Ebene (XY) der Zelle und senkrecht zur Ausrichtung (A53, A51) der Flüssigkristall-Moleküle an der nächstliegenden Oberfläche (53, 49) der Flüssigkristallschicht (40) verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schicht (50, 49) zwischen den einachsig negativen Milieus (41, 42; 43, 44) und der Flüssigkristallschicht (40) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Kompensationsstrukturen (44, 43 und 50; 49, 41 und 42) enthält, die zwischen den Polarisatoren (48, 46) und zu beiden Seiten der Flüssigkristallschicht (40) liegen und je eine zusätzliche Schicht (50, 49) enthalten.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale, die die Moleküle der Flüssigkristallschicht (40) im Ruhezustand bilden, eine Drehung von 90º umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Polarisator (48, 46) gekreuzt bezüglich der Ausrichtung (A53, A51) der Flüssigkristallschicht (40) an deren nächstliegender Oberfläche angeordnet ist, und daß die außerordentliche Achse des Materials der zusätzlichen Schicht (50, 49) bezüglich des nächstliegenden Polarisators (48, 46) gekreuzt angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der außerordentlichen Achse des Materials der zusätzlichen Schicht bezüglich der Oberflächen der Zelle kleiner als 10º ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Verzögerung aufgrund der zusätzlichen Schicht zwischen 15 und 50 nm beträgt.