SE502868C2 - Svetssnabbfilter med förbättrade vinkelegenskaper - Google Patents

Description

lO l5 f' L", -)L.'__ O: IQ Lf\ 8 2 också kända.) I elektriskt oaktiverat läge kommer då pola- risationsplanet vid ljusets genomgång att vridas 90°, så att de korsade polaroidernas verkan kompenseras och cellen blir ljus. Vid påläggning av elektriskt fält kan denna vridning bringas att i större eller mindre grad upphävas, så att man får en filterverkan, som till och med kan göras reglerbar.

Emellertid uppvisar en dylik cell i sitt mörka, elektriskt aktiverade tillstånd en ganska kraftig asymmetri med var- ierande absorption för från vinkelrätt infall skilda vinklar, ytterligare förstärkt av att de nematiska molekylerna närmast ytorna, bundna av yteffekten, fortfarande ger upphov till en kvarvarande optisk aktivitet. För ökande vinklar i förhållan- de till normalen kommer då filtret i de båda bissektrisrikt- ningarna mellan uppriktningsriktningarna att i förhållande till de korsade polaroidfiltrens riktningar utefter den ena bissektrisens riktning vara ljusare och ganska konstant, utefter den andra bissektrisens riktning mörknande med ökande vinkel.

För att kompensera för den asymmetriska verkan är det känt att kombinera två i 90” vridande TN-celler på så sätt att den enas "svaga" bissektris sammanfaller med den andras "starka" bissektris och tvärtom. Emellertid visar det sig att även efter denna kompensation kvarstår en ojämnhet i synfältet, som upplevs som besvärande av användaren. Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en förbättring i det avseendet.

Ett särskilt syfte är att åstadkomma en dylik förbättring med tillika låg absorption i det ljusa läget. Dessutom vill man gärna åstadkomma ett svetsfilter, som har variabel mörkhet i sitt mörka läge, så att samma filter kan användas både vid mycket kraftigt svetsljus och vid mindre kraftigt svetsljus, så att möjligast alla förekommande svetsarbeten skall kunna utföras med ett och samma filter. Det är i och för sig tidi- gare känt att variera den optiska aktiviteten genom att pålägga olika spänningar, men med tidigare känd teknik har ojämnheten i densitetens vinkelberoende tenderat att för- svåras om spänningen över cellerna ökas.

F' f .f 3 De väsentligaste syftena uppnås enligt uppfinningen genom ett svetssnabbfilter enligt vad som inledningsvis anförts, som uppvisar de särdrag som anges i den kännetecknande delen av nedanstående patentkrav 1.

I enlighet med en aspekt av uppfinningen frångàr man alltså den vanliga vridningsvinkeln 90° vid "twisted nematics" till förmån för en mindre vinkel som är mindre än 85°, och helst är mellan 20° och 85°. Mellan 90 och 80° är förbättringen mindre och ökar mera från 80° till 70° och ytterligare till 60° samt förblir lika till 50°. För vätskekristaller med 4 um och kristallsubstansen Merck ZLI 3700100 föredrages därför en vridningsvinkel om 60 - 70”. För var och en enkelcell blir då asymmetrin kraftigare, men när två dylika kristaller kom- bineras, erhålles ändå en förbättrad fälthomogeneitet.

Vid i dag förekommande svetssnabbfilter har man ofta utöver TN-celler också en färgcell (guest-host-cell) för att få tillräcklig absorption och ett säkerhetsläge vid spännings- bortfall. Dylika celler har i och för sig goda vinkelegenska- per men innebär en komplikation och kan vara ägnade att göra filtret långsammare än nödvändigt, och ett speciellt syfte är därför att kunna eliminera färgceller, genom att möjliggöra tillräcklig absorption i de vridande cellerna.

För att kunna pålägga samma spänning på två olika flytande kristall-celler, något som förenklar elektroniken, föredrages för närvarande att använda två inbördes likadana celler.

Genom att släppa detta villkor kan emellertid fler frihets- grader vinnas, och en användning av en med 90° vridande cell för den ena med korsade polaroider ger dessutom låg absorp- tion vid ljus inställning utan spänning, samt högre mörkhets- grad vid aktivering.

Ett av de problem som visat sig föreligga vid användning av celler med mindre vridningsvinkel än 90°, som lämpligen kallas "low twist-celler", är att erhålla en hög ljustrans- mission i det ljusa läget, samtidigt som ljustransmissionen i det mörka läget skall göras tillräckligt låg. Enligt en P 0 0.1 Ü¿ ous 4 aspekt av föreliggande uppfinning föredrar man därför en "symmetrisk" polarisationsfilterplacering. När polarisations- filtren anordnas i 90° korsande vinklar är det lämpligt att montera en cell med mindre än 90° vridningsvinkel så att bissektrisen mellan dess ytbehandlingsriktningar väsentligen sammanfaller med en bissektris mellan filtrens polarisations- riktningar. Man får nämligen då den största ljustransmiss- ionen i anordningens elektriskt oaktiverade, ljusa läge.

I enlighet med en föredragen utföringsform är det lämpligt att även minska tjockleken på vätskekristallcellerna mera än vad som är känt genom det förutnämnda amerikanska patentet.

Särskilt uppnås då en minskad omkopplingstid, i det att omkopplingstiden är omvänt proportionell mot kvadraten på celltjockleken. Genom att minska på tjockleken från 4 um till 3 um kan man sålunda under i övrigt lika förhållanden minska omslagstiden med storleksordningen 50%. En sådan minskning av tjockleken kan göras genom användning av "làgvridningsceller" genom ett beroende som visat sig föreligga mellan värdet på tjocklek gånger optisk anisotropi, vridningsvinkeln och ljustransmissionen i ljust läge. Genom att utnyttja detta beroende kan ett svetsglas konstrueras, som samtidigt har bra vinkelegenskaper, hög ljustransmission i ljust läge samt snabbt omslag. Detta är endast möjligt genom att använda lågvridningsceller med polarisationsfiltren placerade på det tidigare beskrivna symmetriska sättet.

Bakgrunden till tjockleksproblemet är att en cell, som inte är ganska tjock, inte egentligen är rent optiskt vridande för ett infallande polariserat ljus, utan elliptiskt polariserat ljus kommer att utträda. Man får då vid placering mellan två korsande polarisationsfilter en med tjockleken periodiskt varierande transmission. Med lägre vridningsvinkel än 90° är problemet något underlättat, men man får en av vridnings- vinkeln bestämd optimal tjocklek, som framgår av Fig. 7, som kommer att beskrivas nedan. I enlighet med en föredragen utföringsform skall därför kombinationer av produkten av tjocklek och optisk anisotropi (en materialkonstant) och vridningsvinkel vara bestämd av denna kurva. lO ¿f J) kd..

LH F? (b 03 I enlighet med en annan föredragen utföringsform kan man placera en lågvridningscell antisymmetriskt, innebärande att man förlägger bissektrisriktningen för den spetsiga vinkeln mellan behandlingsriktningarna för cellen sammanfallande med den ena polarisatorns polarisationsriktning. I oaktiverat läge kommer en sådan konstruktion att uppvisa en relativt låg ljustransmission, men när spänning pàlägges i måttlig grad erhålles då ett ljusare läge, som vid ytterligare ökad spän- ning ånyo blir väsentligt mörkare. En fördel med en sådan konstruktion är att ett bortfall av spänning inte medför att all ljusabsorption bortfaller, utan en viss skyddseffekt kvarstår. Vidare blir det då lättare, även vid höga mörkhets- grader, att upprätthålla den existerande norm för svetssnabb- filter som säger att skillnaden mellan ett inställt läge och ett vid bortfall av strömmatningen inträffande läge skall vara högst 9 mörkhetsgrader. - Man kan därvid använda två antisymmetriska lågvridningsceller eller en symmetrisk och en antisymmetrisk làgvridningscell.

Uppfinningen skall nu beskrivas utgående från utföringsexem- pel i anslutning till ritningarna.

Fig. l visar en sprängskiss av ett svetssnabbfilter i enlig- het med känd teknik (twisted nematic 90°).

Fig. 2 visar två begränsningsplattor för en kristallcell enligt uppfinningen.

Fig. 3 visar schematiskt i gråskala hur den ojämna absorptio- nen enligt tidigare känd teknik ter sig för en användare.

Fig. 4 - 6 åskådliggör i polärdiagram hur absorptionen för olika vinklar ser ut. Därvid visar Fig. 4 den använda skalan.

Fig. 5 visar ett polärdiagram för ett svetssnabbfilter av känd typ. Pig. 6 visar motsvarande för ett svetssnabbfilter enligt uppfinningen.

Fig. 7 visar hur den optimala twistvinkeln varierar med produkten mellan den optiska anisotropin och tjockleken.

Den principiella sprängskissen i Fig. l visar de olika kompo- nenterna i ett svetsfilter. Ytterst sitter ett interferens- filter l, som också eliminerar UV-ljus och IR-ljus och be- lO PSU /O 6 ß.) gränsar vàglängdsomràdet. Därefter följer ett första pola- risationsfilter 2 (polaroid), en första optiskt vridande flytande kristallcell 3, ett andra polarisationsfilter 4 med ipolarisationsriktning vinkelrät mot det första polarisations- filtrets 2, en andra optiskt vridande flytande kristallcell 5 och ett tredje polarisationsfilter 6 med samma polarisations- riktning som det första polarisationsfiltrets 2. Slutligen följer eventuellt en s.k. guest-host-cell 7. Denna, som inte är optiskt vridande, har i stället en nematisk vätskekris- tall, normalt upplinjerad parallellt med polarisationsrikt- ningen för det tredje polarisationsfiltret med hjälp av preparerade glasytor. Ett inblandat färgämne med i ordnad form anisotropisk absorption är i det upplinjerade läget starkt absorberande. Om en växelspänning pàlägges, kommer de nematiska molekylerna att ställa sig vinkelrätt mot ytorna och därvid styra färgämnets molekyler till att ställa sig för minsta ljusabsorption. Dylika celler är förut kända. En fördel med en dylik cell är att den i motsats till övriga celler ger filtereffekt vid frånvaro av pálagd spänning, medan övriga celler vid frånvaro av pálagd spänning är ljusa.

När man då tar ett svetsfilter i bruk och tillkopplar dess styrkretsar, så blir filtret ljusare. - En icke visad sensor kan nu avkänna om svetsljus inkommer, varvid styrkretsen, ej visad, anbringar styrspänning på cellerna 3 och 5 samt elimi- nerar spänningen till cellen 7. En dylik uppställning är gemensam för uppfinningen och för tidigare känd teknik, i det att uppfinningen har att göra med beskaffenheten av vätskek- ristallerna.

Cellernas inátvända glasplattor är försedda med genomskinliga ledande elektrodskikt (t.ex. av tennoxid), på vilka lagts t.ex. ett polyimidskikt, vilket mekaniskt behandlats, i regel genom borstning/strykning i bestämda riktningar, enligt känd teknik vinkelrätt i mot varandra vända ytor. Vid denna kända teknik är cellerna 3 och 5 vända osymmetriskt, exempelvis så att den första sådana yta som möter ljuset i cellen 3 är behandlad vinkelrätt mot polarisationsriktningen i polaroid- filtret 2, medan den första sàdana yta som möter ljuset i cellen 5 är behandlad parallellt med polarisationsriktningen '35 ) af» \.-' 'J rv/ 0 u:DO l\ 7 i polarisationsfiltret 2. Den inledningsvis beskrivna kompen- seringen uppnås därvid.

Ett dylikt känt svetsfilter kan drivas från sitt ljusa läge med densiteten 3,6 mot värden från 9 till 13 genom att va- riera pálagd spänning från cza 3,3 V till cza 4,4 V. Samma spänning pàlägges på båda cellerna.

Att densiteten varierar beror på att spänningen, som vill driva de nematiska molekylerna parallella med det elektriska fältet, motverkas av att plastskikten på glasens insidor drar molekylerna till parallellitet med ytorna, varför den elekt- riskt verkande orienteringen får största verkan mitt emellan men minskar mot ytorna. En viss optisk aktivitet kvarstår emellertid i praktiken alltid genom yteffekterna. Således kan man räkna med att två korsade polaroider utan cell motsvarar en densitet om 10 - ll, medan densiteten med cell insatt i praktiken varierar mellan 4,5 och 6,5 med resp spänning pálagd enligt ovan.

(Densiteten definieras konventionellt som D = 1 + 7/3 X ”log (1/T), där T är transmissionsfaktorn.) Trots den kompensation som erhålles beträffande sneda in- fallsvinklar kvarstår vid denna kända teknik ej obetydliga skillnader i synfältet.

I enlighet med uppfinningen uppnås nu överraskande en för- bättring därigeom att man fràngàr den hittills som den natur- liga uppfattade geometrin med en vridning av kristallens orientering genom tvángsvillkor vid gränsytorna med 90° och minskar denna vridning. Fig. 2 visar ett par plattor till en flytande kristallcell, som áskàdliggör detta. Plattorna 10 och ll är pà sina mot varandra vända ytor försedda med ledan- de skikt och tunna plastbeläggningar. Dessa är borstade i enlighet med de vita pilarna 12 och l3, med den inbördes vinkeln 6. Denna vinkel är enligt känd teknik 90” men enligt uppfinningen mindre. Som visad är denna plattuppsättning f",^. .É/Û Dtfg DCEO 3 avsedd för en naturligen motursvridande cell - även medurs- vridande finnes. Vid 14 och 15 finns anslutningspunkter för spänning. Vid l6 och 17 är identifieringsmärken gjorda på kanterna.

I Fig. 3 visas ett svetsfilter, sådant det ses av en använda- re av en svetshjälm, där filtret är monterat. Filtret är aktiverat och har en densitetsfaktor i framåtriktningen, som emellertid åt två håll är förminskad, så att synfältet vid områdena 18 har förminskad absorption. Detta är den subjekti- va bild som användaren får, men i själva verket är ojämnheten inte lokaliserad i fältet utan utgör ett utslag av ett vin- kelberoende. Detta vinkelberoende har visats i Fig. 4 - 6, där Fig. 4 visar det polärkoordinatsystem som används i Fig. och 6, där de använda schatteringarna betecknar enhetssteg- steg i ökad absorption från ljust till mörkare, enligt ovan angiven definition. Därvid visas i Fig. 5 mätresultatet för en anordning med två 90° celler enligt känd teknik. Fig. 6 visar motsvarande resultat med två 60° celler mellan par av polarisationsfilter. I båda fallen är densiteten 12 för O°, alltså i framàtriktningen.

Genom att vinkeln 9 skiljer sig från 90” kommer man alltså att få en långt jämnare filterverkan över olika synvinklar i ett filter. I båda fallen har använts samma kristallmaterial, och i båda fallen har spänningar pålagts, vilka ger en avsedd densitet enligt ovanstående definition om 13, alltså en ganska hög dämpning, lämplig för svetsning med mycket kraftig ljusutveckling. I båda fallen är uppbyggnaden i enlighet med Fig. 1, och enda skillnaden är att i Fig. 5 cellernas 3 och 5 vridning är 90°, medan den i Fig. 6 för båda de ingående cellerna är förminskad till 60°. Båda figurerna utgör polära diagram med den yttersta cirkeln representerande 30° avvikel- se från vinkelrät infallsvinkel. Diagrammen har upptagits i en stegande maskin med inklinationen upptagen i steg om 2° och med azimutsteg om lO°. Kurvor för likstor absorption har upptagits i steg om en enhet. lO zó, 1 CJ 9 Û 2 É3f>8 I de hittills nämnda exemplen har använts två likadana fly- tande kristallceller. Fördelen därmed är att man kan driva båda med en och samma spänning, som kan varieras för att ge olika densitet. Den nödvändiga elektroniken förenklas därav.

Med en mera påkostad elektronikdel bortfaller emellertid detta tvångsvillkor, och man får flera frihetsgrader för att utföra kompensationen.

Det är då en attraktiv möjlighet att anordna en första cell av det kända slaget med 90” vridning mellan korsade polaroi- der och en andra cell mellan korsade polaroider, vilken har -85” vridning och en optimering för att åstadkomma kompen- sation av den första cellens absorptionsfel. Den ökade fri- hetsgraden ger nämligen också möjlighet att påverka struktu- ren i polärdiagrammet för det mörka läget.

Det är då möjligt att anordna kombinationer av olika celler för att kunna nå en optimerad totallösning, där optimeringen är avpassad till det önskade slutresultatet. Till exempel kan man kombinera symmetriskt och antisymmetriskt monterade kristaller, celler med olika grader av twist och tjocklek etC .

Som inledningsvis angivits, föreligger det en god anledning att i förhållande till tidigare känd teknik inte bara minska twistvinkeln, utan också att minska tjockleken i motsvarande mån. Enligt den ovan nämnda patentskriften US-A-4 398 803 föreslås att tjockleken vid de kända kristallerna med 90° twist skall begränsas så att produkten av den optiska anisot- ropin och skikttjockleken, skall uppgå till mellan l5O och 600 nanometer. I enlighet med en aspekt av föreliggande uppfinning visar det sig att det existerar en optimal tjock- lek (eller rättare en optimal produkt mellan optisk anisotro- pi och tjocklek) för varje twistvinkel. Vid denna optimala tjocklek erhålles bästa möjliga ljusa läge. Funktionen är visad i Fig. 7.

Claims (11)

KT! UI 10 15 20 25 30 35 G2 :se lo Patentkrav

1. l. Svetssnabbfilter styrbart mellan ett högabsorberande läge och ett làgabsorberande läge i beroende av förekommande svetsning och vari ingår tvà flytande-kristall-celler av nematisk typ, upptagna mellan genomskinliga, elektrodbelagda och till en spänningskälla inkopplingsbara plattor, vilka är försedda med molekylriktningsstyrande beläggningar, som definierar uppriktningsriktningar med inbördes vinkelför- skjutning vid deras begränsningsytor, vilket medför att de flytande kristallerna vid frånvaro av spänning mellan plat- tornas elektrodbeläggningar är optiskt vridande, och cellerna är var för sig monterade mellan inbördes släckverkande pola- risationsfilter, samt uppriktningsriktningarna är så vända, att en kompenseringsverkan föreligger mellan cellernas re- spektive asymmetriska, vid spänningspàläggning uppkommande ljusabsorptioner, kånnetecknat av att minst en av de nämnda cellernas vinkelförskjutning mellan dess uppriktningsrikt- ningar är skild från 90” och understiger 85”.

2. Svetssnabbfilter enligt krav 1, kännetecknat av att de fràn 90° skilda uppriktningsriktningarna uppvisar en vinkel om mellan 20° och 85°.

3. minstone den nämnda, med fràn 90° skild vinkelförskjutning Svetssnabbfilter enligt krav 2, kännetecknat av att åt- mellan dess uppriktningsriktningar anordnande kristallens tjocklek är så avpassad, att produkten mellan tjocklek och skillnad mellan högsta och lägsta brytningsindex för olika polarisationsriktningar är högst 0,4 um och vardera cellen har en skillnad i vinkel mellan dess molekylriktningsstyrande beläggningar uppgående till högst 70°.

4. Svetssnabbfilter enligt krav 3, kännetecknat av att den nämnda tjockleken är högst 0,3 um.

5. nämnda två cellerna är inbördes väsentligen likadana och Svetssnabbfilter enligt krav l, kännetecknat av att de 10 l5 20 25 30 35 bl 11 att spänningskällan är anordnad att till cellerna inkoppla lika stora spänningar.

6. Svetssnabbfilter enligt krav l, kânnetecknat av att de polarisationsfiíter, mellan vilka respektive celler är monterade, uppvisar inbördes under 90” korsande polarisa- tionsriktningar.

7. Svetssnabbfilter enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att åtminstone en av cellerna, vars molekylriktningsstyran- de beläggningar har en inbördes vinkelförskjutning under- stigande 90°, är monterad mellan polarisationsfilter, vilkas polarisationsriktningar sammanfaller med respektive närmaste beläggningars riktningar.

8. Svetssnabbfilter enligt krav l, kännetecknat av att bissektrisen för den spetsiga vinkeln mellan de från 90° skilda upplinjeringsriktningarna i huvudsak är parallell med en bissektris mellan polarisationsriktningarna för de båda omgivande polarisationsfiltren.

9. Svetssnabbfilter enligt krav l, kännetecknat av att bissektrisen för den spetsiga vinkeln mellan de från 90° skilda uppriktningsriktningarna i huvudsak är parallell med en polarisationsriktning för ett av de båda omgivande pola- risationsfiltren.

10. Svetssnabbfilter enligt något av krav l eller 2, känne- tecknat av att minst en av de flytande kristallerna upp- visar ett förhållande mellan å ena sidan produkten av tjockleken och skillnaden mellan högsta och lägsta bryt- ningsindex för olika polarisationsriktningar och å andra sidan vinkeln mellan dess uppriktningsriktningar, vilket förhållande motsvarar en punkt på den kurva som är uppritad i Fig. 7.

11. ll. Svetssnabbfilter enligt något av föregående krav, kännetecknat av att en av cellerna har en inbördes nr 0 LÖO f) kr I O L) [\) CB 10 “N 12 vinkelförskjutning mellan dess beläggningars riktningar, vilken uppgår till 90°, samt dess resp. polarisationsfilter också uppvisar en under 90° korsande vinkel.