DE2310455A1

DE2310455A1 - Farbfernsehgeraet

Info

Publication number: DE2310455A1
Application number: DE19732310455
Authority: DE
Inventors: Michael N Ernstoff; Eric R Fehr; William C Hoffman; Richard N Winner
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-03-08
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: US3781465A; FR2175117A1; DE2310455C3; DE2310455B2

Description

^.nmelderin: Stuttgart, den 27. Februar 1973

Hughes Aircraft Company P 2653

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V.St.A.

Farbferns ehgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein Farbfernsehgerät mit einer auf ihrem Bildschirm eine Folge von Teilbildern schreibenden Kathodenstrahlröhre und einer Farbfilteranordnung, die einen zur Folge der Teilbilder synchronen V/echsel der Farbe der Bilder bewirkt·

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Bei bekannten Fernsehgeräten, die von der Lochmasken— technik Gebrauch machen oder drei mit Farbfiltern versehene Projektionsröhren aufweisen, ist es nicht möglich, eine hohe Auflösung, große Helligkeit und eine gute Qualität der Farbdarstellung zu erreichen. Eine verhältnismäßig gute Auflösung, große Helligkeit und ein gutes Farbbild liefert bisher nur ein Farbfernsehsystem, bei dem die Farbbilder in drei zeitlich aufeinanderfolgende Teilbilder oder,bei einer 2:1 Verschachtelung, sechs Halbbilder aufgeteilt werden, von denen jedes einfarbige Teilbild für eine der drei primären Farbkomponenten charakteristisch ist und die dann zeitlich nacheinander übertragen und von dem Auge wieder zusammengesetzt werden, wenn sie im Empfänger betrachtet werden. Der Empfänger kann aus einem Schwarz-V/eiß-Empfänger mit einem Satz von drei sich bewegenden Farbfiltern bestehen, die nacheinander vor dem Empfänger vorbeilaufen und deren Bewegung so synchronisiert ist, daß jedes Teilbild durch das ihm zugeordnete Farbfilter hindurch dargestellt wird. Dieses Farbfernsehsystem kann entweder ein verschachteltes Übertragungsformat oder ein solches aufweisen, bei dem alle aufeinanderfolgenden Zeilen nacheinander abgetastet werden. Da die Teilbilder verhältnismäßig rasch nacheinander dargestellt werden, erscheinen die Bilder für das Auge des Betrachters zu einem zusammengesetzten vollständigen Farbbild verschmolzen· Ein anderer Vorteil der Farbbilddarstellung mit zeitlich nacheinander übertragenen Teilbildern besteht darin, daß sie auch funktionsfähig ist, wenn Erschütterungen in der Umgebung die Anwendung von Farb-

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bildröhren mit Lochmasken oder von drei Projektions*- röhren nicht zulassen. Andererseits bereiten jedoch die Einrichtungen zur Lagerung und zum Antrieb der großflächigen Filter, die mit hoher Geschwindigkeit bewegt werden müssen, erhebliche Schwierigkeiten, die die praktische Anwendung von Farbfernsehgeräten mit solchen Filtern bisher verhindert haben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Farbfernsehgerät der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem die Schwierigkeiten und der große Raumbedarf, die bisher mit der Lagerung und dem Antrieb von Farbrädern, -bändern oder -scheiben verbunden waren, vermieden sind·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich vor dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre ein Flüssigkristallfilter mit wählbaren Farben befindet und mit dem Flüssigkristallfilter eine Schaltsteuerung gekoppelt ist, die die Farbe des Flüssigkristallfilters in Abhängigkeit von der zeitlichen Folge der Teilbilder verändert.

Sine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Farbfernsehgerätes benützt ein Flüssigkristallfilter mit roten, grünen und blauen Flüssigkristallzellen, von denen jede einen Flüssigkristall als Wirtssubstanz und einen Farbstoff der entsprechenden Farbe als Zusatzsubstanz enthält. Das zusammengesetzte dreifarbige Flüssigkristallfilter ist vor einer nach einem Raster schreibenden Kathodenstrahlröhre angeordnet und weist auf der

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dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre benachbarten Seite einen Polarisator auf. Jede der Flüssigkristallzellen wirkt als Farbfilter, wenn die pleochroitischen Farbstoffmoleküle parallel zur Polarisationsrichtung des auftreffenden Lichtes und senkrecht zum Lichtweg durch das Filter ausgerichtet sind· Es ist eine Schaltsteuerung vorgesehen, durch die die Flüssigkristallzellen so geschaltet werden, daß drei Teilfarbbilder nacheinander mit einer Geschwindigkeit dargestellt werden, die oberhalb der Flimmerfrequenz für die Bildverschmelzung liegt, so daß für den Beobachter ein vollständiges Farbbild erzeugt wird. Jedes einfarbige Teil- / bild der mit zeitlich nacheinander erzeugten Teilbilder arbeitenden Darstellung wird dadurch erzeugt, daß die Flüssigkristallzellen des zusammengesetzten Dreifarbenfilters zwischen einem durchsichtigen und einem farbigen Zustand derart umgeschaltet werden, daß für jede Primärfarbe zwei Zellen durchsichtig und eine Zelle gefärbt ist. Um einen raschen Übergang der Zellen von dem farbigen in den durchsichtigen Zustand zu^ ermöglichen, kann an die Flüssigkristallzellen ein Potential angelegt werden, das die Umorientierung der Moleküle in die dem durchsichtigen Zustand entsprechende Position erleichtert·

Durch die Erfindung wird demnach ein Farbfernsehgerät geschaffen,' das mit zeitlich nacheinander erzeugten Teilbildern arbeitet und demgemäß Bilder hoher Auflösung und großer Helligkeit liefert, jedoch keine sich bewegenden mechanischen Teile erfordert, so daß es aus einer

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äußerst geringen Zahl von Einzelteilen raumsparend aufgebaut werden kann und eine große Betriebssicherheit aufweist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen \

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Farbfernsehsystems mit einer Kamera und einem Farbfernsehgerät nach der Erfindung,

Fig. 2 eine teilweise perspektivische Darstellung der Einrichtung zur Darstellung des Farbbildes eines Farbfernsehgerätes nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine der Flüssigkristallzellen der Einrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 durch die Flüssigkristallzelle nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch die Flüssigkristallzelle nach Fig. 3»

Fig. 6 und 7 eine schematische Darstellung des Abschnittes einer Flüssigkristallzelle im farbigen bzw. durchsichtigen Zustand,

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Pig. 8 Absorptionskurven der verschiedenen Flüssigkristallzellen und

Pig. 9 ein Zeitdiagramm der Steuerspannungen für die Flüssigkristallzellen.

Das in Fig. 1 dargestellte Fernsehsystem umfaßt eine Kamera 10, die eine Szene 14 durch ein rotierendes Farbfilterrad 12 hindurch aufnimmt und über eine geeignete Leitung 16 Signale und Synchronisierimpulse an eine Steuereinrichtung 20 für die Bilddarstellung abgibt. Der Elektronenstrahl einer Kathodenstrahlröhre 22 wird rasterartig abgelenkt und schreibt eine Anzahl von Teilbildern, die zusammen ein die Szene 14 wiedergebendes vollständiges Farbbild ergeben. Die Kathodenstrahlröhre kann in der Steuereinrichtung* 20 für die Bilddarstellung enthalten sein und weißes licht an einen variablen Flüssigkristallfilter 24 abgeben, der zeitlich nacheinander dem Auge eines Betrachters 26 die Grundfarben rot, grün und blau darbietet. Erfindungsgemäß wird das Filter 24 von der Steuereinrichtung 20 über ein geeignetes mehradriges Kabel 28 elektronisch gesteuert.

Wie Fig. 2 zeigt, umfaßt das elektronisch gesteuerte Flüssigkristallfilter 24 einen Polarisator 30, der von dem Bildschirm 35 der Kathodenstrahlröhre 22 weißes Licht empfängt und polarisiertes Licht an rote, grüne und blaue Flüssigkristallzellen 32» 34· und 36 abgibt. Es ist festgestellt worden, daß ein Polarisator in Verbindung mit Flüssigkristallzellen die Farbsättigung erhöht· Wenn polarisiertes Licht in die Flüssigkristallzellen eintritt, wird

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es durch eine der*, Zellen 32, 34 oder 36 beeinflußt, · weil stets zwei Zellen durchsichtig sind und nur eine absorbierend ist. Nach Durchtritt durch das Flüssigkristallfilter 24 erreichen die Lichtwellen den Betrachter und werden dann in dessen Auge oder Gehirn zusamnengesetzt· Eine Schaltsteuerung 40, die in der Steuereinrichtung 20 für die Bilddarstellung enthalten sein kann, gibt über Leitungen 41 bis 46 Schaltimpulse zur Steuerung der drei Flüssigkristallzellen 32, 34- und 36 üb.

Anhand der Fig. 3» 4- und 5 werden v/eitere Einzelheiten einer typischen Flüssigkristallzelle erläutert. Jede einzelne Flüssigkristallzelle umfaßt ewei Glasplatten 50 und 519 zwischen denen mit Hilfe einer den Abstand der Platten bestimmenden Dichtung 5^ ein Flüssigkristall 52 gehalten ist. Auf die Innenfläche der einen Glasplatte 50 ist eine manchmal als interdigitale Steueranordnung bezeichnete Kammelektrode 56 aufgebracht, die beispielsweise aus einer Zinnoxid- oder Goldschicht oder einem anderen geeigneten, durchsichtigen und leitenden Material bestehen kann. Die Kammelektrode umfaßt einen ersten Kamm oder Rechen 60, der mit der Leitung 41 verbunden ist, und einen zweiten Kamm oder Rechen 62, der mit der Leitung 42 verbunden ist. Auf die andere Glasplatte 51 ist eine ihre Oberfläche bedeckende Flächenelektrode 66 aufgebracht, die wieder aus einer Zinnoxid- oder Goldschicht oder einem anderen geeigneten, durchsichtigen und leitenden Material bestehen kann. Die Flächenelektrode 66 ist über eine geeignete Leitung 67 geerdet, während der Kammelektrode 56 über die Leitungen 41 und 42 Steuerimpulse zugeführt werden können.

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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der gleiche Flüssigkristall als Yiirtβsubstanz für jeden von drei Farbstoffen benutzt, die die drei Grundfarben erzeugen. Der als V/irtssubstanz benutzte Flüssigkristall kann aus einer Mischung dreier ähnlicher Materialien bestehen, wofür Beispiele in einem Artikel von G. H. Heilmyer, L. A. Zinone und J· A. Castelano in der Zeitschrift "Molecular Crystal and Liquid Crystals", Band 8, 1969, Seiten 293 bis 3CW-, beschrieben sind. Die V/irtssubstanz, ein bekannter nematischer Flüssigkristall, weist schraubenähnliche Ketten organischer Moleküle auf, die sich sowohl von einer Seite zur anderen als auch von oben nach unten bewegen können und um ihre Längsachse rotieren können. Beispielsweise kann als Wirtssubstanz, wie in der erwähnten Zeitschrift ausgeführt ist, p-lthoxy-benzyliden· p'-aminobenzonitril verwendet werden. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung nematischer Flüssigkristalle beschränkt ist, sondern daß jeder geeignete Flüssigkristall verwendbar ist, dessen Molekülstruktur die gewünschte Farbumschaltung ergibt. Der als Zusatzsubstanz verwendete pleochroitische Farbstoff bestimmt die Farbe der Zelle und kann beispielsweise dem als T/irtasubstanz verwendeten Flüssigkristall in einem. Verhältnis von etwa 1 Gew.% zugegeben werden. Ein pleochroitischer Farbstoff weist in Abhängigkeit von seiner Orientierung zu der Lichtquelle verschiedene Absorptionseigenschaften auf. Beispielsweise kann bei Verwendung des oben erwähnten Flüssigkristalls als Wirtssubstanz für die rote Farbe Methylrot, für die blaue Farbe Indophenolblau und für die grüne Farbe Isolargrün benutzt werden. Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf spezielle Wirts- und

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Zusatzsubstanzen beschränkt ist, sondern alle verträglichen Kombinationen, wie sie in dem erwähnten Artikel über die Wechselwirkung von Wirts- und Zusatzaubstanzen beschrieben sind, und alle sonstigen geeigneten Substanzen, die die gewünschten Färb- und Schalteigenschaften aufweisen, umfaßt.

In Fig, 6 ist dargestellt, wie sich die nematischen Moleküle oder Domänen 80 und die pleochroitischen Farbstoffmüleküle oder -domänen 82 senkrecht zum Lichtweg ausrichten, wenn an die Kammelektrode 56 Impulse zur Erzeugung eines Feldes in Richtung des Pfeiles 81 angelegt werden, so daß der Farbstoff einfallendes Licht absorbiert und im Fall der Zelle 32 diese rot färbt. Die Moleküle der Zelle kehren, nachdem ein parallel zu dem Lichtweg gerichtetes Feld, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, abgeschaltet worden ist, zwar spontan in ihren normalen oder farbigen Zustand zurück, jedoch beschleunigt das Anlegen des senkrecht zum Lichtweg in Richtung des Pfeiles 81 verlaufenden elektrischen Feldes den Übergang in den farbigen Zustand. Eine gemäß Fig. 7 angelegte Spannung erzeugt ein Feld in Richtung eines Pfeiles 83 zur Ausrichtung der Domänen 80 und der Farbstoffmoleküle 82, mit dem Ergebnis, daß kein Licht absorbiert wird und die Zelle in der Farbe des Lichtes erscheint, also durchsichtig ist. Es ist bekannt, daß ein Polarisator 30 die Sättigung der in den Zellen erzeugten Farben, erhöht. Wenn das elektrische Feld in Richtung des Pfeiles 83 zur raschen Löschung einer Farbe angelegt wird, so kehrt die Zelle schnell in ihren durchsichtigen Zustand zurück.

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In Fig. 8 veranschaulicht eine Absorptionskurve 90, die als Folge der zwischen den Leitern 56 und 66 gemäß Fig. 7 angelegten Spannung im Bereich des sichtbaren Spektrums eine niedrige Absorption anzeigt, den durchsichtigen Zustand. Ein Rot-Zustand ist durch eine Absorptionskurve 92 mit einem niedrigen Wert der Absorption bei größeren Wellenlängen, der Blau-Zustand durch eine Absorptionskurve 96 mit einem niedrigen V/ert der Absorption bei kürzeren Wellenlängen und der Grün-Zustand durch eine Absorptionskurve 94- mit einem niedrigen V/ert der Absorption bei mittleren Wellenlängen im grünen Bereich des Spektrums charakterisiert.

Gemäß Fig. 9 bestehen die Steuersignale zur Bildverschachtelung nach dem Zeilensprungverfahren in bekannter V/eise aus einer Folge von Steuerimpulsen R^, Gg» ^i ^E2* ^1 ^xa^^L Bp, wobei sich der Index 1 auf die obere und der Index 2 auf die untere zweier Zeilen einer Halbbilddarstellung bezieht. Die während des E^-Intervalls an die geradzahligen und ungeradzahligen Kämme 60 und 62 der Kammelektrode 56 der Rot-Zelle 32 über die Leitungen 4-1 und 4-2 angelegten Impulse sind durch die Kurven 102 und 103 dargestellt und betragen +5 V bzw. «*5 V und erzeugen ein Feld in Richtung des Pfeiles 81 in Fig. 6. Die an die geradzahligen und ungeradzahligen Kämme der Kammelektrode der Grün-Zelle 34· angelegten Impulse, die durch die Kurven 104· und 105 dargestellt sind, und die durch die Kurven 106 und 107 dargestellten, an die Blau-Zelle 36 angelegten Impulse betragen währenddessen +10 V und erzeugen zwischen der Kammelektrode 56 und der Flächenelektrode 66 ein Potential. Daher weist

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wählend des R,.—Intervalles nur die Rot-Zelle 32 eine in Fig. 6 dargestellte normale Orientierung der Domänen auf und ist damit im rotfartigen Zustand. Da die an der Kanmelektrode anliegende mittlere Spannung Null ist (+5 und -5 V) ist zwischen der Kamnelektrode 56 und der Flächenelektrode 66 der Rot-Zelle 32 kein effektives Potential vorhanden. Y/ährend des G^-Intervalls weist nur die Grün—Zelle 34- kein Potential zwischen der Kamm— elektrode und der Flächenelektrode auf und erfüllt als Folge der an den geradzahligen und ungeradzahligen Kämmen der Kamnelektrode anliegenden Spannungen von +5 und -5 V₁ durch die die Domänen so orientiert sind, daß Licht absorbiert wird, die Grün-Bedingung· Während des B^-Intervalls weist nur die Blau-Zelle 36 zur Erfüllung der Blau-Bedingung ein Potential zwischen den geradzahligen und ungeradzahligen Kämmen der Kammelektrode auf. Es versteht sich, daß die Zellen durch Anlegen eines +10 V Potentials zwischen der Kaltelektrode und der Flächenelektrode durchsichtig gemacht werden können, ein Vorgang, der schnell durchführbar ist. Während der Rp-» G*j- "und B^-Intervalle sind jeweils die Rot-, Grün- und Blau-Zelle die einzigen, an denen ein Feld senkrecht zum Lichtweg angelegt ist. Diese Folge wird fortlaufend periodisch synchron mit dem Abtasten des Bildschirmes 35 der Kathodenstrahlröhre wiederholt.

Es ist ein verbessertes, nach dem Zeitfolgeverfahren arbeitendes Farbfernsehgerät beschrieben worden, das einen elektronisch umschaltbaren Flüssigkristallfilter mit einem Polarisator zur Verbesserung der Farbqualität benutzt. Elektronisch abstimmbare Filter haben eine Verminderung

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der Größe und des Gewichts des Farbfernsehgerätes und wegen des Fehlens sich bewegender Teile eine erhöhte Zuverlässigkeit zur Folge. Da auch mechanische Antriebsmittel und rotierende Scheiben oder Trommeln nicht benötigt werden, ergibt sich ein stark vereinfachter Aufbau des erfindungsgemäßen Systems. Da drei Flüssigkristallzellen nacheinander beispielsweise mit einer Geschwindig keit von 3600 Folgen von je drei Farben¹ pro Minute geschaltet werden müssen, stellt das erfindungsgeraäße elek tronische Schaltsystem ein stark vereinfachtes und störungsfreies System dar.

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Claims

Patentansprüche . /

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/Q/Tarbfernsehgerät mit einer auf ihrem Bildschirm eine Folge von Teilbildern schreibenden Kathodenstrahlröhre und einer Farbfilteranordnung, die einen zur Folge der Teilbilder synchronen V/echsel der Farbe der Teilbilder bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß sich vor dem Bildschirm (35) der Kathodenstrahlröhre (22) ein Flüssigkristallfilter (24) mit wählbaren Farben befindet und mit dem Flüssigkristallfilter (24) eine Schaltsteuerung (40) gekoppelt ist, die die Farbe des Flüssigkristallfilters in Abhängigkeit von der zeitlichen Folge der Teilbilder verändert.
2. Farbfernsehgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallfilter (24) drei / Flüssigkristallzellen (32; 34; 36) mit verschiedenen Farbeigenschaften umfaßt.
3. Farbfernsehgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Flüssigkristallzelle (32; 34; 36) als Wirtssubstanz einen Flüssigkristall und als Zusatzsubstanz einen Farbstoff mit einer von den Farbstoffen der anderen Flüssigkristallzellen verschiedenen Grundfarbe enthält·
4. Farbfernsehgerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallfilter (24) für das von dem Bildschirm (35) der Kathodenstrahlröhre (22) ausgehende Licht durchlässig ist und die Schaltsteuerung (40) für jede Farbe solche elektrischen

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Steuerfelder in den Flüssigkristallzellen (32; 3²H 36) erzeugt, daß in einer Flüssigkristallzelle die Färbst offdomänen im wesentlichen senkrecht zum Lichtweg und in den anderen beiden Zellen die Farbstoffdomänen im wesentlichen parallel zum Lichtweg orientiert sind.
5. Farbfernsehgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Flüssigkristallzelle (32; 34; 36) ein den Flüssigkristall und den Farbstoff aufnehmendes Gehäuse umfaßt und auf der einen Seite dieses Gehäuses zwei Kammelektroden und auf der anderen Seite des Gehäuses eine Flächenelektrode angeordnet sind,
6. Farbfernsehgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallfilter (24) einen dem Bildschirm (35) benachbarten Polarisator (30) umfaßt.
7· Farbfernsehgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuerung (40) für die Dauer eines jeden Teilbildes bei der zur Erzeugung einer Farbe ausgewählten Flüssigkristallzelle an die erste Kammelektrode (60) ein positives und an die zweite Kammelektrode (62) ein negatives Potential und bei den anderen beiden Flüssigkristallzellen an die Flächenelektrode (66) Erdpotential sowie an die beiden Kammelektroden (60, 62) ein positives Potential anlegt.

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8. Farbfernsehgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Wirtssubstanz ein nematischer Flüssigkristall und die Zusatzsubstanz ein pleochroitischer Farbstoff ist.
9. Farbfernsehgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilbilder verschachtelt sind.

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