Жидкокристаллический затвор - RU2204973C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к жидкокристаллическим затворам для электрооптических устройств защиты глаз, для экранов яркого света и для автоматически затемняющихся сварочных стеклянных фильтров и, более определенно, к устройствам согласно преамбуле п.1 формулы изобретения.

Уровень техники
Жидкокристаллические затворы полезны в различных применениях, касающихся коэффициента пропускания света через аппаратуру, в которой можно переключать затвор между состоянием низкого поглощения света с низким значением плотности пропускания (оптической плотности) и состоянием высокого поглощения света с высоким значением плотности пропускания. Комбинируя поляризационные фильтры и жидкокристаллические ячейки, которые могут ориентироваться посредством электрического воздействия, коэффициент пропускания жидкокристаллических затворов известного уровня техники делается переменным в ответ на изменение электрического воздействия.

Эти виды затворов выгодно применять в качестве световых фильтров, например, в устройствах защиты глаз, таких как автоматически затемняющиеся сварочные стеклянные экраны. Однако жидкокристаллические затворы известного уровня техники имеют тот недостаток, что плотность пропускания является асимметричной и зависящей от угла падения проходящего света. Эта угловая зависимость обусловлена неполной молекулярной ориентацией под действием приложенного электрического поля, когда затвор возбуждается в промежуточном диапазоне напряжений, обычно между 2 и 10 вольтами, и она особенно неблагоприятна в применениях, которые требуют большого поля зрения. Другой проблемой является высокое потребление мощности таких затворов известного уровня техники, которое приводит к быстрому расходованию элементов батареи в передвижном оборудовании и имеет хорошо известные экономические аспекты, также как и аспекты безопасности (сохранности) и экологические.

Известная жидкокристаллическая ячейка в этом контексте состоит из жидкой смеси удлиненных молекул, помещенной в середине между двумя разграничивающими стеклянными пластинами. Поверхностные слои стеклянных пластин, обращенные к жидкой смеси, обрабатываются так, что ориентирующие директоры (направляющие устройства - пассивные элементы), например штрихи, формируются имеющими одинаковое направление, и жидкокристаллические молекулы, расположенные близко к такому поверхностному слою, стремятся ориентироваться параллельно директорам. При закручивании стеклянных пластин так, чтобы директоры были непараллельны, между стеклянными пластинами формируется спиральная структура жидкокристаллических молекул. Например, стандартная, закрученная на 90^o нематическая (TN) ячейка формируется с углом закручивания между направлениями ориентации молекул стеклянных пластин, равным 90^o. Молекулы жидкого кристалла, обычно используемые в этом контексте, имеют характерную положительную диэлектрическую анизотропию и могут поэтому быть преимущественно ориентированы при приложении электрического поля с напряжением выше, чем характерное пороговое значение ячейки. Спиральная структура молекулы в ячейке исчезает под электрическим воздействием, и вместо этого кристаллические молекулы ориентируются в соответствии с электрическим полем. Если поместить ячейку между поляризаторами, то плотность пропускания такого узла ячейки может управляться путем изменения приложенного электрического поля выше порогового напряжения, поэтому характеристика пропускания является, как правило, асимптотической. В этом электрически активизированном состоянии, однако, проявляется отмеченная оптическая угловая асимметрия.

Примеси в жидкокристаллической ячейке стремятся взаимодействовать с жидкокристаллической структурой, и, в частности, присутствие, по-видимому, неизбежных щелочноземельных ионов вызывает в электрически активизированном состоянии ток утечки через ячейку. Если переключение ячейки приводится в действие постоянным током (DC) или низкочастотным напряжением, такие примесные ионы могут мигрировать по направлению к ориентированным слоям и внедряться во внутренние поверхности ячейки. После снятия возбуждающего напряжения электрическое поле через кристалл может все еще существовать из-за захваченных ионов и может воздействовать на переключение ячейки. Поэтому жидкокристаллические ячейки обычно возбуждаются переменным напряжением, например, напряжением прямоугольной формы, где полярность быстро переключается, чтобы предотвратить перемещение иона примеси и последующее ухудшение ячейки. При таких условиях ячейка становится подобной конденсатору с параллельными пластинами и должна непрерывно заряжаться и разряжаться при изменении полярности. Ток утечки протекает наряду с непрерывным зарядом и разрядом ячейки, что приводит к большому потреблению мощности в электрически активизированном состоянии.

В патенте США 5315099 Gunz с соавторами предлагается уменьшить потребление мощности жидкокристаллической ячейки, которая содержит коррозионностойкий слой и коррозионнонейтральную жидкость или препятствующие коррозии добавки, путем применения напряжения относительно низкой частоты в диапазоне 0,1 Гц для сокращения чувствительности ячейки к изменениям оптической плотности из-за температурных колебаний и нестабильности источника напряжения, ячейка используется при возбуждающем напряжении, намного большем, чем пороговое напряжение, которое также имеет сдерживающее влияние на асимметрию оптического пропускания для двух полярностей напряжения. Однако жидкокристаллическая ячейка, как описано в патенте США 5315099, возбуждается при напряжении, значительно большем, чем требуется, чтобы достичь области асимптотического пикового значения плотности пропускания, и, следовательно, эта ячейка является в основном затвором с двумя состояниями.

Другими недостатками включения жидкокристаллической ячейки на низких частотах или даже постоянным током являются, например, уменьшенный полезный срок службы, электрохимические изменения и зарядка слоев в пределах структур ячейки. В частности, при использовании возбуждающих напряжений, близких к пороговому напряжению, эффекты зарядки приводят к оптической асимметрии и пропусканию, зависящему от времени. Эти недостатки также подтверждаются техническими характеристиками изготовителей жидкокристаллических ячеек, где констатируется, что допустима только очень низкая составляющая постоянного тока.

В этом контексте типичное устройство ячейки состоит из жидкокристаллической ячейки твистнематического (TN) типа, вставленной между двумя взаимно скрещенными поляризационными фильтрами, в которых задающие стенки обработаны пластиковым слоем, который прочищался или протирался в определенных направлениях, так называемых направлениях ориентации, так, чтобы структура задающих поверхностей в жидком кристалле вынудила каждую из нематических молекул выбрать определенные угловые положения, и так, чтобы молекулы были взаимно закручены на 90^o между упомянутыми определяющими поверхностями. Другие способы поверхностной обработки, которые имеют соответствующие результаты, также известны в технике. В электрически не активизированном состоянии плоскость поляризации будет вращаться на 90^o по мере того, как свет проходит через фильтр и ячейка становится прозрачной. Это вращение нематических молекул можно останавливать в большей или меньшей степени, путем приложения электрического поля, и к тому же получать эффект фильтра, которым можно также управлять. Однако ячейка этого типа имеет относительно сильное угловое изменение коэффициента пропускания в темном, электрически активизированном состоянии, с изменяющимся поглощением света, который падает под углами, отличными от прямого угла; эта асимметрия усиливается далее тем фактом, что нематические молекулы, ближайшие к поверхности, связанные поверхностным эффектом, все еще вызывают подъем остаточной оптической активности. Таким образом, когда углы падения света увеличиваются по отношению к нормали, то есть перпендикуляру, фильтр в направлениях двух биссектрис между направлениями ориентации будет более прозрачным и относительно постоянным по отношению к направлениям скрещенных поляризаторов вдоль направления одной биссектрисы, в то же время затемняясь вдоль направления другой биссектрисы.

Известно, как компенсировать эффект изменения коэффициента пропускания, комбинируя две TN ячейки, которые закручены на 90^o так, чтобы "слабая" биссектриса одной TN ячейки совпала с сильной биссектрисой другой ячейки, и наоборот. Однако, несмотря на эту компенсацию, поле зрения все еще оказывается неровным, что является неприятным для пользователя.

Усовершенствование в отношении угловой асимметрии зависимости пропускания обеспечивается технологией, раскрытой в находящихся на рассмотрении, но еще не опубликованных патентных описаниях SE 9401423-0 и соответствующем PCT/SE95/00455. Эти документы представляют устройство жидкокристаллической ячейки, содержащее две жидкокристаллические ячейки нематического типа, каждая ячейка обеспечивается ориентирующими молекулы пластинами, задающими направления ориентации молекулы с взаимным угловым смещением в неактивизированном состоянии и электрически возбуждаемое средство ориентации молекулы для управляемой ориентации молекулы в активированном состоянии. Каждая из жидкокристаллических ячеек устанавливается между взаимно гасящими поляризационными фильтрами, и направления ориентации молекул ячеек поворачиваются так, чтобы получить компенсирующий эффект между соответствующим асимметричным поглощением света ячеек, когда прикладывается напряжение. Проблема угловой зависимости пропускания является, согласно этим патентным описаниям, уменьшенной по меньшей мере одной из ячеек, имеющей угол между поверхностными директорами ориентации молекулы, который является меньше ранее известного угла закручивания 90^o. Для того чтобы иметь возможность прикладывать то же самое напряжение к двум различным жидкокристаллическим ячейкам, и к тому же упрощая требуемую электронику, в патентах SG 9401423-0 и PCT/SE95/00455 описана технология, в которой выгодно использовать две взаимно идентичных ячейки.

Описанная технология также обеспечивает усовершенствование устройства (конструкции) затвора в отношении низкого поглощения в прозрачном состоянии. Кроме того, это устройство затвора, примененное, например, в защитном сварочном стекле, будет иметь переменное затемнение (темноту) в его затемненном состоянии так, чтобы позволить то же самое защитное стекло использовать с очень сильным сварочным светом и с намного более слабым сварочным светом, так, чтобы все типы сварочных работ могли бы быть выполнены с одним и тем же защитным стеклянным экраном в наилучшей возможной степени. Ранее в технике было известно, что оптическая активность может изменяться путем прикладывания различных напряжений, хотя неравномерность в зависящей от угла плотности пропускания стремится стать более неприятной, когда напряжение через ячейки возрастает в ранее известных методах.

Одна из проблем, встречающихся при использовании ячеек, имеющих угол закручивания меньше 90^o, для удобства называемых как "ячейки с низким закручиванием", состоит в достижении высокого пропускания света в прозрачном состоянии, тогда как в то же самое время в темном состоянии получается достаточно низкое пропускание света. Следовательно, в соответствии с одним аспектом технологии SE 9401423-0 и PCT/SE95/00455 предпочтительно "симметричное" размещение поляризационного фильтра. Когда поляризационные фильтры расположены под углами взаимного пресечения 90^o, удобно устанавливать ячейки с низким закручиванием так, чтобы биссектриса между направлениями обработки поверхности по существу совпала с биссектрисой между направлениями поляризации фильтров. Самое большое пропускание света тогда будет получено в электрически неактивизированном состоянии устройства, то есть в его прозрачном состоянии.

В соответствии с одним вариантом воплощения технологии SE 9401423-0 и PCT/SE95/00455 удобно также уменьшать толщину жидкокристаллических ячеек. Это приводит, в частности, к уменьшению времени переключения, потому что время переключения обратно пропорционально квадрату толщины ячейки. Таким образом, время переключения может быть уменьшено на значение порядка 50% путем уменьшения толщины жидкокристаллических ячеек с 4 до 3 мкм при прочих равных условиях. Это уменьшение толщины ячейки также требуется при использовании ячеек с низким закручиванием благодаря зависимости, которая, как обнаружилось, существует между значением толщины, умноженным на оптическую анизотропию, углом закручивания и пропусканием света в светлом или прозрачном состоянии. Эта зависимость может быть использована, чтобы сконструировать защитное сварочное стекло, которое имеет хорошие оптические угловые свойства, высокое пропускание света в прозрачном состоянии и быстрые характеристики переключения состояний. Это возможно только при использовании ячеек с низким закручиванием с поляризационными фильтрами, расположенными вышеупомянутым симметричным способом.

Фундаментальной причиной этой проблемы толщины является то, что ячейка, которая не имеет подходящей толщины, не будет функционировать и оптически чисто поворачивать падающий поляризованный свет, а вместо этого будет испускаться эллиптически поляризованный свет. Когда эта ячейка помещается между двумя взаимно скрещенными поляризационными фильтрами, пропускание будет изменяться периодически с толщиной ячейки.

В соответствии с другим вариантом воплощения технологии SE 9401423-0 и PCT/SE95/00455 ячейка с низким закручиванием может быть установлена антисимметрично, имеется ввиду, что направление биссектрисы острого угла между направлениями ориентации молекулы обработанной поверхности ячейки (направления натирания) устанавливается таким, чтобы совпасть с направлением поляризации одного из взаимно скрещенных поляризаторов. В неактивизированном состоянии такое устройство проявит относительно низкое пропускание света, но более прозрачное состояние получается, когда прикладывается умеренное напряжение, это более прозрачное состояние, возвращающееся, как правило, к более темному состоянию, когда напряжение снова увеличивается. Одно преимущество этого устройства состоит в том, что потери в напряжении не приведут к потерям за счет поглощения света и что данный защитный эффект останется. Это позволяет легче поддерживать существующий стандарт для защитного сварочного стекла даже при высокой степени темноты (черноты). Этот стандарт требует, чтобы разница между отрегулированным состоянием и состоянием, которое бывает при потере тока питания, составляла самое большее девять степеней темноты. Это дает возможность использовать две асимметричные ячейки с низким закручиванием с поляризаторами, помещенными антисимметрично, или одной ячейки с симметрично установленными поляризаторами и одной ячейки с низким закручиванием с антисимметричными поляризаторами.

Технология низкого закручивания, изложенная в патентах SE 9401423-0 и PCT/SE95/00455, решает проблему угловой зависимости устройства жидкокристаллической ячейки и также обеспечивает устройство изменяемой плотностью пропускания, зависящей от напряжения, но в способах электрического управления уровня техники потребление мощности остается еще относительно высоким. Проблема, которая должна быть решена настоящим изобретением, и, следовательно, задача изобретения состоит в том, чтобы получить жидкокристаллический затвор с переменной плотностью пропускания и улучшенными угловыми свойствами, то есть уменьшенную угловую зависимость плотности пропускания, наряду с низким потреблением мощности. Далее задача настоящего изобретения - обеспечить устройство, экранирующее яркий свет, и конструкцию сварочного стекла с переменной плотностью пропускания и улучшенными угловыми свойствами наряду с низким потреблением мощности.

Сущность изобретения
В соответствии с изобретением проблема решена и задачи достигнуты посредством устройства слабо закрученной жидкокристаллической ячейки, возбуждаемой низкочастотным напряжением или напряжением постоянного тока (DC). Основным принципом решения проблемы является изменение электрооптических характеристик ячейки устройства так, чтобы разность между значением возбуждающего напряжения, требуемого для характерной оптической плотности пропускания и пороговым напряжением была больше, чем известная ранее. Другими словами, асимптотическая характеристика пропускания, зависящая от приложенного напряжения, расширена на более широкий диапазон напряжения. Как следствие, напряжение, используемое на практике для того, чтобы управлять пропусканием, варьируется в более широком диапазоне при более высоких значениях, чем в уровне техники, таким образом, минимизируя ограничения низкочастотных возбуждающих напряжений.

Указанные проблемы решаются путем создания жидкокристаллического затвора для экрана яркого света или сварочного стеклянного фильтра, выполненного с возможностью переключения из темного состояния высокого поглощения света в прозрачное состояние низкого поглощения света, и наоборот, в ответ на электрический сигнал, и содержащего две жидкокристаллические ячейки нематического типа, каждая из которых расположена между прозрачными нагруженными электродами пластинами, присоединенными к источнику напряжения, и которые обеспечиваются покрытиями, обработанными так, чтобы задавать направление молекулярной ориентации на их обращенных друг к другу поверхностях, посредством чего взаимное угловое смещение θ между упомянутыми пластинами побуждает жидкие кристаллы формировать закрученную спиральную структуру в отсутствие напряжения между электродными покрытиями на пластинах, причем каждая из ячеек устанавливается между двумя взаимно гасящими поляризационными фильтрами соответственно, и направления ориентации молекул повернуты так, чтобы получить эффект компенсации между соответствующим асимметричным поглощением света двух ячеек, когда прикладывается напряжение, причем по меньшей мере одно из закручивающих угловых смещений θ ячеек между упомянутыми направлениями ориентации молекул отличается от 90^o. В соответствии с настоящим изобретением средство для генерации переменного напряжения, возбуждающего ячейку, прикладывается к упомянутым пластинам, нагруженным электродами, причем упомянутое средство выполнено с возможностью выработки напряжения, возбуждающего ячейку, более чем вдвое превышающего пороговое напряжение по меньшей мере для одной из жидкокристаллических ячеек и с частотой переключения полярности менее чем 1 Гц.

Таким образом, в соответствии с одним аспектом изобретения, с изменения характеристики пропускания устройства жидкокристаллической ячейки, концепция уходит дальше от ранее известного типичного угла закручивания в 90^o в "твист-нематических" ячейках и вместо этого применяет меньший угол, который меньше 85^o и который предпочтительно находится в диапазоне между 20 и 85^o, а в некоторых вариантах воплощения даже в диапазоне от 0 до 20^o. Хотя видимая асимметрия оптического пропускания становится более отчетливой у каждой отдельной ячейки, тем не менее наблюдается улучшенная однородность поля, когда комбинируются две таких ячейки.

Другие аспекты изобретения касаются переменной плотности пропускания и потребления мощности, и до настоящего времени такая комбинация ячейки использовалась с высокой частотой возбуждающего напряжения в соответствии с хорошо известными характеристиками жидких кристаллов, и для того, чтобы избежать вышеупомянутых недостатков низкочастотных возбуждающих напряжений. Расширяя характеристику пропускания на устройство со слабым закручиванием, значение плотности пропускания в верхнем наиболее темном диапазоне может варьироваться посредством более высокого возбуждающего напряжения, и в соответствии с настоящим изобретением было установлено, что этот факт допускает более низкую частоту возбуждающего напряжения. Для применений в сварочных стеклянных фильтрах значение плотности пропускания, или число затемнения, определяется традиционно как D=1+7/3x¹⁰log (1/Т), где Т - коэффициент пропускания, и для практических целей критические значения находятся в диапазоне 9-14. Таким образом, в предпочтительных вариантах воплощения изобретенного затвора устройство возбуждается с частотой напряжения ниже чем 1 Гц или даже постоянным напряжением, полярность которого тогда переключается с установленной скоростью.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложен жидкокристаллический затвор для экрана яркого света или сварочного стеклянного фильтра, выполненный с возможностью переключения из темного состояния высокого поглощения света в прозрачное состояние низкого поглощения света, и наоборот, в ответ на электрический сигнал и который включает в себя две жидкокристаллические ячейки нематического типа, расположенные между прозрачными нагруженными электродами пластинами, присоединяемыми к источнику напряжения, которые обеспечиваются покрытиями, обработанными так, чтобы задавать направление молекулярной ориентации на их обращенных друг к другу поверхностях, посредством чего взаимное угловое смещение между упомянутыми пластинами побуждает жидкие кристаллы формировать закрученную спиральную структуру в отсутствие напряжения между электродными покрытиями на пластинах, причем каждая из ячеек устанавливается между взаимно гасящими поляризационными фильтрами, и направления ориентации молекул повернуты так, чтобы получить эффект компенсации между соответствующим асимметричным поглощением света двух ячеек, когда прикладывается напряжение, в котором по меньшей мере одно из закручивающих угловых смещений ячеек между упомянутыми направлениями ориентации молекул отличается от 90^o, в соответствии с изобретением средство для генерации переменного напряжения, возбуждающего ячейку, прикладывается к упомянутым пластинам, нагруженным электродами, причем упомянутое средство выполнено с возможностью выработки напряжения, возбуждающего ячейку, более чем вдвое превышающего пороговое напряжение по меньшей мере для одной из жидкокристаллических ячеек.

В соответствии со следующим аспектом изобретения предложен жидкокристаллический затвор для экрана яркого света или сварочного стеклянного фильтра, выполненный с возможностью переключения из темного состояния высокого поглощения света в прозрачное состояние низкого поглощения света, и наоборот, в ответ на электрический сигнал, и который включает в себя две жидкокристаллических ячейки нематического типа, расположенные между прозрачными нагруженными электродами пластинами, присоединяемыми к источнику напряжения, которые обеспечиваются покрытиями, обработанными так, чтобы задавать направление молекулярной ориентации на их обращенных друг к другу поверхностях, посредством чего взаимное угловое смещение между упомянутыми пластинами побуждает жидкие кристаллы формировать закрученную спиральную структуру в отсутствие напряжения между электродными покрытиями на пластинах, причем каждая из ячеек устанавливается между взаимно гасящими поляризационными фильтрами, и в котором направления ориентации молекул повернуты так, чтобы получить эффект компенсации между соответствующим асимметричным поглощением света двух ячеек, когда прикладывается напряжение, в котором по меньшей мере одно из закручивающих угловых смещений ячеек между упомянутыми направлениями ориентации молекул отличается от 90^o, в соответствии с изобретением средство для генерации переменного напряжения, возбуждающего ячейку, прикладывается к упомянутым пластинам, нагруженным электродами, причем упомянутое средство выполнено с возможностью выработки напряжения, возбуждающего ячейку, более чем вдвое превышающего пороговое напряжение по меньшей мере для одной из жидкокристаллических ячеек, в котором возбуждающее ячейку напряжение является напряжением переменного тока.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения предложен жидкокристаллический затвор для экрана яркого света или сварочного стеклянного фильтра, выполненный с возможностью переключения из темного состояния высокого поглощения света в прозрачное состояние низкого поглощения света, и наоборот, в ответ на электрический сигнал, и который включает в себя две жидкокристаллических ячейки нематического типа, расположенные между прозрачными нагруженными электродами пластинами, присоединяемыми к источнику напряжения, которые обеспечиваются покрытиями, обработанными так, чтобы задавать направление молекулярной ориентации на их обращенных друг к другу поверхностях, посредством чего взаимное угловое смещение между упомянутыми пластинами побуждает жидкие кристаллы формировать закрученную спиральную структуру в отсутствие напряжения между электродными покрытиями на пластинах, причем каждая из ячеек устанавливается между взаимно гасящими поляризационными фильтрами, и в котором направления ориентации молекул повернуты так, чтобы получить эффект компенсации между соответствующим асимметричным поглощением света двух ячеек, когда прикладывается напряжение, в котором по меньшей мере одно из закручивающих угловых смещений ячеек между упомянутыми направлениями ориентации молекул отличается от 90^o, в соответствии с изобретением средство для генерации переменного напряжения, возбуждающего ячейку, прикладывается к упомянутым пластинам, нагруженным электродами, причем упомянутое средство выполнено с возможностью выработки напряжения, возбуждающего ячейку, более чем вдвое превышающего пороговое напряжение по меньшей мере для одной из жидкокристаллических ячеек, в котором напряжение, возбуждающее ячейки, является напряжением постоянного тока.

Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных вариантов его воплощения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 дано трехмерное изображение известного ранее устройства жидкокристаллического затвора, содержащего закрученные на 90^o нематические ячейки,
фиг. 2 иллюстрирует две жидкокристаллические разграничивающие пластины жидкокристаллической ячейки в соответствии с изобретением,
фиг.3 изображает характеристики пропускания различных комбинаций жидкокристаллических ячеек,
фиг. 4а, 4b и 4c изображают примеры эффектов асимметрии пропускания для устройств затворов известного уровня техники,
фиг.4d изображает степень асимметрии пропускания, получающуюся в результате работы на низкой частоте, для различных значений плотности пропускания и различных изобретенных комбинаций ячеек, по сравнению с известным уровнем техники,
фиг. 5а и 5b изображают блок-схемы, иллюстрирующие варианты воплощения электрических схем для работы жидкокристаллического затвора в соответствии с изобретением,
фиг.6 изображает, как оптимальный угол закручивания изменяется в зависимости от произведения оптической анизотропии на толщину ячейки,
фиг. 7 изображает характеристики пропускания устройства в соответствии с изобретением, включая задерживающую пленку, и характеристики пропускания устройства без какой-либо компенсирующей задерживающей пленки,
фиг.8 изображает в принципе вариант воплощения изобретения, обеспеченный задерживающей пленкой.

Подробное описание изобретения
Принципиальное трехмерное изображение фиг.1 показывает различные компоненты защитного сварочного стекла. Самым дальним от середины компонентом является интерференционный фильтр 1, который также функционирует, чтобы исключить ультрафиолетовый (УФ) и инфракрасный (ИК) свет и ограничить диапазон длин волн. Затем следуют первый поляризационный фильтр 2, или поляризатор, первая оптически вращающая жидкокристаллическая ячейка 3, второй поляризационный фильтр 4, направление поляризации которого находится под прямым углом к направлению поляризации первого поляризационного фильтра 2, вторая оптически вращающая жидкокристаллическая ячейка 5 и третий поляризационный фильтр 6, который имеет такое же направление поляризации, как и первый поляризационный фильтр 2. Устройство может также дополнительно включать, так называемую ячейку гость-хозяин 7. Последняя ячейка не является оптически вращающей ячейкой, но вместо этого включает в себя нематический жидкий кристалл, молекулы которого обычно ориентированы параллельно с направлением поляризации третьего поляризационного фильтра с помощью подготовленных стеклянных поверхностей. Смешанные молекулы дихроичного красителя, имеющие направленное анизотропное поглощение, являются высоко поглощающими в ориентированном состоянии. Когда прикладывается напряжение, молекулы нематического кристалла установятся под прямыми углами к упомянутым поверхностям и вместе с тем заставят молекулы дихроичного красителя двигаться к ориентациям, в которых поглощается малейшее количество света. Ячейки этого вида известны в технике. Одно преимущество, даваемое такими ячейками по сравнению с другими ячейками, то, что они обеспечат фильтрующий эффект при отсутствии приложенного напряжения, тогда как другие ячейки прозрачны для света при отсутствии приложенного напряжения. Когда такое устройство затвора, примененное к сварочному фильтру, принимается для использования, его схемы управления активизируются, и напряжение прикладывается к ячейке гость-хозяин 7, фильтр становится более открытым для света. Датчик (не показан) теперь может обнаружить, поступает или нет свет сварки на фильтр, с помощью чего схема управления (не показана) вызывает подачу управляющего напряжения к ячейкам 3 и 5, в то же время временем исключая подачу напряжения к ячейке 7. Устройство этого типа является общим как для изобретения, так и для ранее известной техники, поскольку это изобретение касается природы жидких кристаллов.

Обращенные внутрь поверхности стеклянных пластин ячеек обеспечиваются прозрачными электрически проводящими электродными слоями (например, слои окиси индия-олова), на которые наносится, например, слой полиимидного пластика, который обрабатывался механически, обычно путем прочистки/протирки в определенных направлениях, в соответствии с известной техникой в направлениях, которые являются перпендикулярными в обращенных друг к другу поверхностях. В соответствии с этой известной техникой ячейки 3 и 5 ориентируются противоположно друг относительно друга, например так, чтобы поверхность первой ячейки, которая получает свет в ячейке 3, обрабатывается в направлении, находящемся антипараллельно к первой поверхности, которая получает свет в ячейке 5. Посредством этого достигается компенсация, описанная во введении.

Можно заставить сварочный стеклянный фильтр уровня техники со структурой такого типа сделать переход из его прозрачного состояния, имеющего плотность приблизительно 3, к значениям плотности в пределах от 9 до 14 путем изменения приложенного напряжения приблизительно между 3 и 5 вольтами. Обычно к обеим ячейкам прикладывается одно и то же напряжение.

Плотность изменяется, потому что напряжение, которое стремится ориентировать нематические молекулы параллельно с электрическим полем, противодействует пластиковым слоям на внутренних поверхностях стекла, которые заставляют молекулы быть выровненными параллельно с поверхностями, и, следовательно, электрически наведенная ориентация имеет самый большой эффект в центре ячейки и уменьшается по направлению к упомянутым поверхностям. Однако на практике некоторая оптическая активность будет всегда оставаться из-за эффектов поверхностного слоя.

Плотность пропускания или значение затемнения определяется в соответствии со стандартами сварки как
D=1+7/3х¹⁰log (1/Т),
где Т - значение пропускания.

Несмотря на компенсацию, которая достигается в отношении наклонных углов падения, при применении этого известного метода в поле зрения все еще остаются существенные различия.

Концепция жидкокристаллических защитных сварочных стеклянных структур в известном уровне техники основывалась на ожидаемой естественной геометрии, которая имеет место, когда ориентация кристалла закручивается на угол θ, равный 90^o, в ответ на вынужденные состояния на граничных поверхностях. Усовершенствование может быть достигнуто путем уменьшения угла, на который кристалл закручивается. Фиг. 2 иллюстрирует пару пластин жидкокристаллической ячейки. Обращенные друг к другу поверхности пластин 10 и 11 обеспечены каждая электрически проводящими слоями и тонкими пластиковыми покрытиями. Эти слои и покрытия прочищены или протерты в соответствии со стрелками 12 и 13, но под углом θ между ними. В соответствии с известным методом этот угол 90^o, но в соответствии с настоящим изобретением он меньше 90^o. Как иллюстрируется, расположение пластины предназначено для ячейки, которая вращает плоскость поляризации естественно против часовой стрелки, хотя ячейки, которые вращают по часовой стрелке, также известны. Пластины обеспечиваются в позициях 14 и 15 средством, через которое может прикладываться напряжение. Номера позиций 16 и 17 обозначают идентификационные метки, сделанные на краях пластины.

Жидкокристаллический затвор в соответствии с изобретением, примененный в качестве фильтра в защитном сварочном стекле, включенном в сварочный шлем, видится тому, на ком надет шлем как затемненное окно. Фильтр активизируется и имеет оптическую плотность в прямом направлении, эта оптическая плотность, однако, имеет угловую вариацию. Как было показано в SE 9401423-0 и PCT/SE95/00455, полученный эффект фильтрации будет гораздо более однородным по изменяющимся углам зрения, когда угол θ отличается от 90^o, чем в нематических ячейках, закрученных на 90^o известного уровня техники.

Использование двух идентичных жидкокристаллических ячеек влечет за собой то преимущество, что обе ячейки могут возбуждаться одним и тем же напряжением, которое можно варьировать, чтобы производить различные плотности. Это упрощает требуемую электронику. Однако, это вынужденное состояние более не применяется, когда используется более дорогая электроника, такая электроника обеспечивает большую степень свободы для получения упомянутой компенсации.

Как отмечено ранее, имеется хорошая причина не только для того, чтобы уменьшить угол закручивания, но также и уменьшить толщину ячейки до соответствующей степени. Обнаружено, что существует оптимальная толщина (или более правильно, оптимальное произведение оптической анизотропии на толщину) для каждого угла закручивания, и это соотношение изображено на фиг.6. Наилучшее возможное прозрачное состояние получается с этой оптимальной толщиной.

В соответствии с изобретением возбуждающее напряжение должно подаваться на низкой частоте, и это напряжение значительно выше, чем пороговое напряжение для материала жидкокристаллической ячейки. Что касается устройства жидкокристаллической ячейки, которое должно варьироваться в темном состоянии, для него требуется характеристика пропускания, которая распространяется по широкому диапазону напряжения. Фиг.3 изображает соотношение между плотностью пропускания или числом затенения, и приложенным напряжением для различных комбинаций жидкокристаллических ячеек. Кривая 100 описывает характеристику комбинации из двух ячеек с углом закручивания 90^o, кривая 102 - комбинацию из двух ячеек с углом закручивания 70^o, тогда как кривые 104 и 106 изображают характеристики отдельных ячеек с углами закручивания 90 и 70^o, соответственно. Из графика ясно, что чем меньше угол закручивания, тем больше диапазон напряжения между минимумом пропускания приблизительно на 1,5 вольт и асимптотическим максимумом пропускания для каждой разновидности ячеек.

Фиг.4а, 4b и 4c изображают типичный эффект асимметрии пропускания, зависящей от полярности, когда жидкокристаллический затвор уровня техники работает на низкой частоте; ступеньки кривых возникают в связи с каждым изменением полярности. Фиг.4а изображает эффект асимметрии пропускания, вызванный эффектом перманентной зарядки; фиг. 4b изображает оптический эффект асимметрии, вызванный формированием заряда во время интервала переключения полярности, этот заряд постепенно уменьшает эффективное напряжение по жидкокристаллическому слою, и фиг.4c изображает типичную комбинацию двух эффектов. Характерные значения пропускания эффекта асимметрии сильно зависят от материала, используемого в жидкокристаллической ячейке, также как от условий работы. Фиг.4d изображает на графике контрольных результатов степень асимметрии пропускания для различных значений плотности пропускания и различных изобретенных комбинаций ячеек с низким закручиванием, по сравнению с нематическими ячейками, закрученными на 90^o известного уровня техники, когда они возбуждаются постоянным напряжением с низкой частотой изменения полярности. Значение плотности пропускания, или число затенения, показано на горизонтальной оси графика, а значение асимметрии показано на вертикальной оси. Степень асимметрии здесь выражена как разность между числами затенения, достигнутыми с двумя различными полярностями приложенного напряжения.

Из фиг.4d ясно, что степень асимметрии для некоторых значений плотности существенно ниже для углов закручивания, например 60 или 70^o, чем для угла закручивания 90^o. Так, например, степень асимметрии для значения плотности 10 в 2-3 раза ниже с углом закручивания 70^o, чем с 90^o. Подобное сравнение для значения плотности 12 показывает, что значение асимметрии в 5-10 раз ниже с углом закручивания 70^o. Усовершенствования даже лучше для более низкого угла закручивания 60^o. Уменьшение углов закручивания ниже 60^o приводит к дальнейшему уменьшению степени асимметрии, и тогда требуемое возбуждающее напряжение возрастает.

Фиг.5а и 5b представляют собой блок-схемы, иллюстрирующие варианты воплощения электрической схемы 20 для работы жидкокристаллического затвора 18 в соответствии с изобретением. Фиг.5а изображает общие компоненты такой электрической управляющей схемы, содержащей управляемый напряжением переключатель полярности, который подсоединяется к источнику 22 напряжения через вход 24 напряжения. Переключатель 26 полярности напряжения подсоединяется к средству 28 управления возбуждающим напряжением ячейки, имеющему вход 30 сигнала управления и которое подсоединяется выходом 32 к жидкокристаллическому затвору 18. Электронная схема 20 разработана, чтобы производить напряжение, возбуждающее ячейку, значительно выше, например, для самого темного состояния в 1,5-10 раз выше, чем пороговое напряжение жидкокристаллического материала ячеек в затворе.

Фиг. 5b изображает другой вариант воплощения электрической управляющей схемы 20 фиг. 5а. Источник 22 напряжения постоянного тока на фиг.5b соединяется с регулятором 34 напряжения, который сам соединяется со средством 28 управления возбуждающим напряжением, таким как возбуждающая схема 28. Возбуждающая схема 28 соединяется с переключателем 26 полярности в виде генератора или схемы опрокидывания (мультивибратора), которая управляет возбуждающей частотой или полярностью напряжения, подводимого к жидкокристаллической ячейке 18 от возбуждающей схемы 28. Эти воплощения обеспечиваются двумя входами сигналов управления, во-первых, входом 25 светового детектора и, во-вторых, входом 30 сигнала управления плотностью пропускания, благодаря которому выбирается результирующее затенение затвора. Внешний световой детектор 23, содержащий фоточувствительный датчик 21, подходящим образом присоединен к входу 25 внешнего светового детектора.

Полярность возбуждающего напряжения, например, может переключаться с заданной скоростью или изменяться в ответ на каждое обнаруженное внезапное увеличение в окружающем свете. Последнее является подходящим для применения в сварочном стеклянном фильтре.

Вследствие как низкого угла закручивания, так и уменьшенного параметра Δn•d, оптические угловые свойства двулучепреломляющей ячейки с 0^o с Δn•d в диапазоне 0,27 микрометров оказались очень благоприятными и, очевидно, подходящими как для конструкции затвора из одиночной ячейки, так и из двойной жидкокристаллической ячейки, которой требуется широкое и симметричное поля зрения. Из-за большой остаточной задержки, существующей в 0^o-ячейке, когда она возбуждается при напряжениях меньше 10 вольт, достигаемый контраст ячейки из такого устройства оказывается меньшим по сравнению с аналогичным для закрученной на 90^o нематической жидкокристаллической ячейки. В соответствии с вариантом воплощения изобретения контраст ячейки улучшается посредством добавления компенсирующей задерживающей пленки. В 0^o-двулучепреломляющей ячейке подходящим является воплощение небольшого значения задержки, приблизительно от 25 до 30 нм. Для того чтобы максимизировать компенсирующий эффект, задерживающая пленка должна быть предпочтительно ориентирована так, чтобы направление быстрой оси было перпендикулярным к входу и к векторам молекулярного директора выходной поверхности ячейки. Компенсирующий задерживающий слой для 0^o-двулучепреломляющей ячейки, например, может быть в виде отдельной одноосной задерживающей пленки, со значением толщины между 10 и 50 нм. В другом варианте воплощения компенсирующий задерживающий слой может быть выполнен посредством задерживающих пленок, которые ориентированы так, что чистая полная задержка, произведенная пленками, находится в пределах упомянутого интервала. Например, с компенсирующей задерживающей пленкой в 27 нм, добавленной в устройство затвора, оптимальное значение Δn•d комбинации ячейки возрастает приблизительно от 0,27 до 0,277 микрометров.

Фиг. 6 иллюстрирует, как оптимальный угол закручивания изменяется в зависимости от произведения оптической анизотропии на толщину ячейки.

Фиг.7 изображает электрооптические свойства жидкокристаллического устройства, включающего 4 микронную 0^o -двулучепреломляющую ячейку. Двулучепреломляющая ячейка, в этом случае содержащая жидкий кристалл Merck ZLI-4246, дающий значение Δn•d приблизительно 0,52 микрометра, помещается между взаимно скрещенными поляризаторами, ориентированными под углами 45 и 135^o относительно входного вектора молекулярного директора. Ячейка в соответствии с одним вариантом воплощения изобретения помещается вместе с полосовым фильтром, который имеет высокий оптический коэффициент пропускания в центральной части видимого спектра, который находится в диапазоне от 500 до 600 нм. Кривая 20 показывает оптический отклик комбинации ячейки без какой-либо компенсирующей задерживающей пленки, тогда как кривая 22 показывает комбинацию ячейки, включающую компенсирующую задерживающую пленку толщиной 26 нм, ориентированную так, что быстрая ось является перпендикуляром ко входному молекулярному директору. На фиг.7 ясно видно улучшение контраста ячейки с компенсирующей задерживающей пленкой.

Фиг.8 изображает в принципе воплощение изобретения, обеспеченное задерживающей пленкой 8, помещенной на одной стороне одной жидкокристаллической ячейки 3 между поляризационными фильтрами 2 и 4. Также возможно разместить задерживающую пленку в пределах жидкокристаллической ячейки 3 между пластинами, направляющими молекулярную ориентацию.

Реферат

Изобретение относится к жидкокристаллическим затворам, а именно к устройству жидкокристаллического затвора, использующегося для стеклянного экрана и сварочного стеклянного фильтра. Устройство затвора способно переключаться между темным состоянием высокого поглощения света и прозрачным состоянием низкого поглощения света и наоборот. Устройство содержит слабо закрученные жидкокристаллические ячейки нематического типа с углом закручивания между 0^o и чуть меньше 90^o, источник напряжения, электронную схему, генерирующую измеряемое напряжение, возбуждающее ячейку. Напряжение более чем вдвое превышает пороговое напряжение хотя бы для одной из жидкокристаллических ячеек. Частота переключения полярности менее чем 1 Гц. Техническим результатом является получение жидкокристаллического затвора с переменной плотностью пропускания и улучшенными угловыми свойствами, уменьшенной угловой зависимостью плотности пропускания и низкой потребляемой мощностью. 4 с. и 19 з.п. ф-лы, 8 ил.

Формула