DE2310455B2

DE2310455B2 - Farbfernsehgerät mit einer vor dem Bildschirm befindlichen Farbfilteranordnung

Info

Publication number: DE2310455B2
Application number: DE2310455A
Authority: DE
Inventors: Michael N. Mar Vista Ernstoff; Eric R. Los Angeles 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: 1975-01-30
Also published as: DE2310455C3; DE2310455A1; US3781465A; FR2175117A1

Description

einer Flüssigkristallzelle im wesentlichen senkrecht und in den anderen beiden Zellen im wesentlichen parallel zum Lichtweg orientiert sind.

Fernsehgerätes werden von einer starren Filterplatte gebildet, die entsprechend den Grundfarben sich gruppenweise wiederholende Farbfilterstreifen aufweist und vor der eine Schlitzblende angeordnet ist, deren Schlitze der Breite der Farbfilterstreifen entsprechen. Die Schlitzblende wird mechanisch hin- und herbewegt, um jeweils die Farbfilterstreifen mit der ausgewählten Grundfarbe für den Lichtdurchtritt freizugeben. Es ist ohne weiteres verständlich, daß es schwierig ist, die

Wechsel der Farbe der Teilbilder bewirkt, da- io Schlitzblende mechanisch so schnell zu bewegen und durch gekennzeichnet, daß die drei Färb- jeweils genau in die gewünschte Position zu bringen, filter aus drei Flüssigkristallzellen (32,34, 36) beste- wie es erforderlich ist, um dem sehr schnellen Wechsel hen, von denen jede außer einem Flüssigkristall der Teilbilder eines Farbfernsehgerätes zu folgen, einen Farbstoff mit einer von den Farbstoffen der Aus der Zeitschrift »radio fernsehen elektronik«

anderen Flüssigkristallzellen verschiedenen Grund- 15 ;369, Heft 21, S.674 und 675, ist es bekannt, für die farbe enthält und für das von dem Bildschirm (35) farbige Bildwiedergabe flüssige Kristalle zu verwenden, der Kathodenstrahlröhre (22) ausgehende Licht Hierbei handelt es sich jedoch nicht um Farbfilter, weldurchlässig ist, wenn die Domänen des in ihr enthal- ehe die .-nechanische Filteranordnung des vorstehend tenen Farbstoffes im wesentlichen parallel zum beschriebenen Fernsehgerätes ersetzen konnten, son-Lichtwegoriejriert sind, aber nur das der Grundfar- 20 dem um ohne Kathodenstrahlröhren nach dem Sireube ihres Farbsioffes entsprechende Licht passieren effekt arbeitende Bildschirme, die derart punktweise läßt, wenn die Farbstoffdomänen im wesentlichen angesteuert werden, daß sie ein von Punkt zu Punkt senkrecht zum Lichtweg orientiert sind, und daß die anderes Reflexionsvermögen haben. Auf diese Weise Schaltsteuerung (40) für jede Farbe solche elektri- lassen sich Bilddarstellungen erzeugen. Normalerweise sehen Steuerfelder in den Flüssigkristallzellen (32, 25 weisen diese Bilddarstellungen nur eine Graustufung 34,36) erzeugt, daß die FarbstoffHornänen in jeweils auf. Die Herstellung eines Farbbildschirmes ist am anr-i.~...:_i._·.._■· ., - ... . gegebenen Ort nur als Möglichkeit der Ausnutzung der

Eigenschaften von cholesterinischen Kristallen erwähnt, die eine feld- und temperaturabhängige farbse-

2. Farbfernsehgerät nach Anspruch !,dadurch ge- 30 lektive Reflexion aufweisen. Solche Farbbildschirme kennzeichnet, daß jede Flüssigkristallzelle (32, 34, sind für Farbfernsehgeräte der eingangs beschriebenen 36) ein den Flüssigkristall und de Farbstoff aufneh- Art völlig ungeeignet.

mendes Gehäuse umfaßt und au^f der einen Seite Aus der GB-PS I 123 117 ist weiterhin ein von Flüs-

dieses Gehäuses zwei Kammeiektioden und auf der sigkristallen Gebrauch machender, reflektierender anderen Seite des Gehäuses eine Flächenelektrode 35 Bildschirm bekannt, der durch Anlegen verschiedener angeordnet sind. Spannungen selektiv Licht verschiedener Farben ?.u re

flektieren vermag und bei dem das RefiexionsvLrmögen ferner durch eine photoleitendr Schicht besti'nmt wird, auf die ein farbig wiederzugebendes Bild projiziert werden kann. Die Projektion des Bildes kann beispielsweise mittels einer Kathodenstrahlröhre erfolgen, die jedoch kein sichtbares Licht zu emittieren braucht, sondern beispielsweise auch mit UV-Licht arbeiten

_β kann. Auch hier handelt es sich jedoch wiederum um

zelle an die erste Kammelektrode (60) ein positives 45 einen reflektierenden Bildschirm, der als Filter für ein und an die zweite Kammelektrode (62) ein negati- Farbfernsehgerät der eingangs beschriebenen Art nicht

geeignet ist.

Aus der GB-PS I 228 606 ist endlich ein Lichtmodulator bekannt, bei dem eine in einem Schirm enthaltene, dünne Schicht aus flüssigen Kristallen durch Anlegen von Spannungen mehr oder weniger durchsichtig gemacht wird. Dabei kann der flüssige Kristall einen Farbstoff enthalten, so daß nur Licht einer bestimmten Farbe mehr oder weniger stark durchgelassen wird. Auf diese Weise lassen sich insbesondere monochromatische Lichtquellen modulieren. Ein Polarisator kann

die Wirkung der Modulation erhöhen. Es ist auch möglich. Farbstoffe zu verwenden, bei denen auch eine Farbänderung die Durchlässigkeit des Filters für mo-

)ie Erfindung bezieht sich auf ein Farbfernsehgerät 60 nochromatisches Licht beeinflußt, um den gewünschten einer auf ihrem Bildschirm eine Folge von Teilbil- Modulationseffekt zu erzielen. Auch ein solcher Modun schreibenden Kathodenstrahlröhre, mit einer vor lator ist jedoch nicht als Filter für ein Farbfernsehg-rät 1 Bildschirm der Kathodenstrahlröhre befindlichen der eingangs beschriebenen Art geeignet, weil bei bfilteranordnung aus drei Farbfiltern und einer einem solchen Farbfernsehgerät die Filter nicht mehr (ansteuerung, die einen zur Folge der Tcilbilder syn- 65 oder weniger stark durchlässig sein dürfen, sondern ein onen Wechsel der Farbe der Teilbilder bewirkt. Wechsel zwischen praktisch vollständiger Lichtdurch-

WS der DT-AS I 265 781 ist ein solches Farbfern- lässigkeit und Durchlässigkeit für nur einen bestimmten gerät bekannt. Die Farbfilter dieses bekannten Snektralbereich stattfinden muß.

3. Farbfernsehgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkristallfilter (24) einen dem Bildschirm (35) benachbarten Polarisator (30) umfaßt.

4. Farbfernsehgerät nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltsteuerung (40) für die Dauer eines jeden Teilbildes bei der zur Erzeugung einer Farbe ausgewählten Flüssigkristall-

ves Potential und bei den anderen beiden Flüssigkristallzellen an die Flächenelektrode (66) Erdpotential sowie an die beiden Kammelektroden (60, 62) ein positives Potential anlegt.

5. Farbfernsehgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirtssubstanz ein nematischer Flüssigkristall und die Zusatzsubstanz ein pleochroitischer Farbstoff ist.

pemgemöß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Farbfernsehgerät der eingangs beschriebenen Art *u schaffen, bei dem die Schwierigkeiten, die bisher dyrch die Anwendung mechanisch bewegter Filtereinrichtungen bedingt waren, vermieden sind,

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die drei Farbfilter aus drei Flüssigkristallzellen bestehen, von denen jede außer einem Flüssigkristall einen Farbstoff mit einer von den Farbstoffen der anderen Flüssigkristallzellen verschiedenen Grundfarbe enthSlt und für das von dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre ausgehende Licht durchlässig ist, wenn die Pomänen des in ihr enthaltenen Farbstoffes im wesentlichen parallel zum Lichtweg orientiert sind, aber nur das der Grundfarbe ihres Farbstoffes entsprechende rs Licht passieren läßt, wenn dte Farbstoffdomänen im wesentlichen senkrecht zum Lichtweg orientiert sind, und daß die Schaltsteuerung für jede Farbe solche elektrischen Steuerfelder in den Flüssigkristallzellen ergeugt, daß die Farbstoffdomänen in jeweils einer FlOsijgkristallzelle im wesentlichen senkrecht und in den anderen beiden Zellen im wesentlichen parallel zum lichtweg orientiert sind.

Durch die Erfindung wird demnach ein Farbfei nseh-•erät geschaffen, das mit zeitlich nacheinander erzeuglen Teilbildern arbeitet und demgemäß Bilder hoher Auflösung und großer Helligkeit liefert. Die Flüssigleitszellen, die das zusammengesetzte Dreifarbenfilter lüden, werden derart zwischen einem durchsichtigen gnd einem farbigen Zustand umgeschaltet, daß füi jede Primärfarbe zwei Zellen durchsichtig und eine Zelle gefärbt ist. Dabei sind keine bewegenden mechanischen Teile erforderlich, so daß das erfindungsgemäße Farblernsehgerät aus einer äußerst geringen Zahl von Einlelteilen raumsparend aufgebaut werden kann und eine •roße Betriebssicherheit aufweist.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführ, ngsbeispiels näher beschrieben und erläutert wird. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen einzeln für sich oder zu mthreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Farbfernsehsy-Sterns mit einer Kamera und einem Fsibfernsehgerät nach der Erfindung,

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

F i g. 3 einen Schnitt durch eine der Flüssigkristallzellen der Einrichtung nach F i g. 2,

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

F i g. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 durch die Flüssigkristallzelle nach F i g. 3,

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

F i g. 8 Absorptionskurven der verschiedenen FlüssigkHstallzellen und

F i g. 9 ein Zeitdiagramm der Steuerspannungen für die Flüssigkristallzellen.

Das in F i g. 1 dargestellte Fernsehsystem umfaßt eine Kamera 10, die eine Szene 14 durch ein rotieren- &5 des 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 22 kann ir. 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 F i g. 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 Fiüssigkristallzellen 32, 34 und 36 abgibt Es ist festgestellt worden, daß ein Polarisator in Verbindung mit Fiüssigkristallzellen die Farbsättigung erhöht. Wenn polarisiertes Licht in die Fiüssigkristallzellen eintritt, wird es dprch eine der Zellen 32, 34 oder 36 beeinflußt, weil stets zwei Zellen durchsich''g sind und nur eine absorbierend ist. Nach Durchtritt durch das Flüssigkristallfilter 24 erreichen die Lichtwellen den Betrachter und werden dann in dessen Auge oder Gohirn zusammengesetzt. Eint Schaltsteuerung 40, die in der Steuereinrichtung 20 für die Bilddarstellung enthalten sein kann, gibt über Leitungen 41 bis 46 Schaltimpulse zur Steuerung der drei Fiüssigkristallzellen 32, 34 und 36 ab.

An Hand der F i g. 3, 4 und 5 werden weitere Einzelheiten einer typischen Flüssigkristallzelle erläutert. Jede einzelne Flüssigkristallzelle umfaßt zwei Glasplatten 50 und 51, zwischen denen mit Hilfe einer den Abstand der Platten bestimmenden Dichtung 54 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.

Bzi tiner Ausführungsform der Erfindung wird der gleiche Flüssigkristall als Wirtssubstanz für jeden von drei Farbstoffen benutzt, die die drei Grundfarben erzeugen. Der als Wirtssubstanz benutzte Flüssigkristall kann aus einer Mischung dreier ähnlicher Materialien bestehen, wofür Bc'.spiele in einem Artikel von G. H. Heilmyer, L A. Z inone und J. A. Castelano in der Zeitschrift »Molecular Crystal and Liquid Crystals«, Band 8,1969, S. 293 bis 304, beschrieben sind. Die Wirtssubstanz, ein bekannter nematische 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-Äthoxy-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 Wirtssubstanz verwendeten Flüssigkristall in einem Verhältnis von etwa 1 Gewichtsprozent zugegeben werden. Ein pleochroitischer Farbstoff weist in Abhängigkeit von seiner Orientierung zu der Lichtquelle verschiedene Absorptionseigenschaften auf. Beispielsweise kann bei Verwendung des obenerwähnten 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 Zusatzsubstanzen beschränkt ist. sondern alle verträglichen Kombinationen, wie sie in dem erwähnten Artikel über die Wechselwirkung von Wirts- und Zusatzsubstanzen 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 82 und mit ihnen die pleoehroitischen Farbstoffmoleküle oder -domänen senkrecht zum Lichtweg ausrichten, wenn an die Kammelektrode 56 Impulse zur Erzeugung eines Feldes in Richtung des Pfeils 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 F i g. 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 Pfeils 81 verlaufenden elektrischen Feldes den Übergang in den farbigen Zustand. Eine gemäß F i g. 7 angelegte Spannung erzeugt ein Feld in Richtung eines Pfeils 83 zur Ausrichtung der Domänen 82 und der Farbstoffmoleküle 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 Pfeils 83 zur raschen Löschung einer Farbe angelegt wird, so kehrt die Zelle schnell in ihren durchsichtigen Zustand zurück.

In F i g. 8 veranschaulicht eine Absorptionskurve 90, die als Folge der zwischen den Leitern 56 und 66 gemäß F i g. 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 % mit einem niedrigen Wert der Absorption bei kürzeren Wellenlängen und der Grün-Zustand durch eine Absorptionskurve mit einem niedrigen Wert der Absorption bei mittleren Wellenlängen im grünen Bereich des Spektrums charakterisiert

Gemäß F i g. 9 bestehen die Steuersignale zur BiIdverschachtelung nach dem Zeilensprungverfahren in bekannter Weise aus einer Folge von Steuerimpulsen «ι Gi 0i, Ri, Gi und Bi, wobei sich der Index 1 auf die obere und der Index 2 auf die untere itweier Zeilen einer Halbbilddarstellung bezieht. Die während des R\-Intervalls an die geradzahligen und ungeradzahligen Kämme 60 und 62 der Kammelektrode % der Rot-Zelle 32 über die Leitungen 41 und 42 angelegten Impulse sind durch die Kurven 102 und 103 dargestellt und betragen + 5 V bzw. - 5 V und erzeugen ein Feld in ίο Richtung des Pfeils 81 in F i g. 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 4 !0V und erzeugen zwischen der Kammelektrode 56 und der Flächenelektrode 66 ein Potential. Daher weist wahrend des Λι-lntervalls nur die Rot-Zelle 32 eine in F i g. 6 dargestellte normale Orientierung der Domänen auf und ist damit im rotfarbigen Zustand. Da die an der Kammelektrode anliegende mittlere Spannung Null ist (+ 5 und - 5 V), ist zwischen der Kammelektrode 56 und der Flächenelektrode 66 der Rot-Zelle 32 kein effektives Potential vorhanden. Während des Gf-lritervalls weist nur die Grün-Zelle 34 kein Potential zwischen der Kammelektrode und der Flächenelektrode auf und erfüllt als Folge der an den geradzahligen und ungeradzahligen Kämmen der Kannmelektrode anliegenden Spannungen von + 5 und - 5 V. durch die die Domänen so orientiert sind, daß Licht absorbiert wird, die Gün-Bedingung. Während des ßi-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 Kammelektrode und der Flächenelektrode durchsichtig gemacht werden können, ein Vorgang, der schnell durchführbar ist. Während der Ri-. Ci- und Bi-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 FlüssigkristallfÜte' mit einem Polarisator zur Verbesserung ucr Farbquali tat benutzt. Elektronisch abstimmbare Filter haben eine 50 Verminderung der Größe und des Gewichts des Färb fernsehgerätes und wegen des Fehlens sich bewegen der Teile eine erhöhte Zuverlässigkeit zur Folge. D auch mechanische Antriebsmittel und rotierende Schei ben oder Trommeln nicht benötigt werden, ergibt «ic 55 ein stark vereinfachter Aufbau des erfindungsgemäße! Systems. Da drei Flüssigkristallzellen nacheinander bei spielsweise mit einer Geschwindigkeit von 3600 Folge von je drei Farben pro Minute geschaltet werden müi sen, stellt das erfindungsgemäße elektronische Schal 60 system ein stark vereinfachtes und störungsfreies S: stern dar.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Farbfernsehgerät mit einer auf ihrem Bildschirm eine Folge von Teilbildern schreibenden Kathodenstrahlröhre, mit einer vor dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre befindlichen Farbfilteranordnung aus drei Farbfiltern und einer Schaltsteuerung, die einen zur Folge der Teilbilder synchronen