SE509569C2 - Vätskekristallslutarkonstruktion - Google Patents

Description

15 20 25 lx) 509 569 nära ett dylikt ytskikt tenderar att rikta sig parallellt med direktorema. Genom att vrida glasplattoma, så att direktorema är icke-parallella bildas en skruvstrulcttir av vätskelcristallrnolekyler mellan glasplattorna. Exempelvis bildas standardcellen av typ 90° twisted nematic (TN) med en skruvvinkel mellan molekyluppriktningsrikt- ningarna för glasplattoma om 90°. Molekylema i de vätskekiistaller som normalt användes i detta sammanhang har en inneboende positiv dielektrisk anisotropi och kan därför i huvudsak uppriktas vid påläggning av ett elektriskt fält med en spän- ning, som är högre än ett för cellen specifikt tröskelvärde. Den skruvfonnade mole- kylstnikturen i cellen upplöses under den elektriska påverkan, och kristallmoleky- lema blir i stället orienterade utefter det elektriska fältet. Placerad mellan polarisa- torer kan transmissionsdensiteten för en dylik celluppsättriing styras genom att variera det pålagda elektriska fältet över nöskelvärdet, varvid transmissionskarak- teristikan är typiskt asymptotisk. Den nämnda optiska vinkelasymmenin uppträder emellertid vid detta elekniskt aktiverade tillstånd.

Föroreningar i en vätskekristallcell tenderar att störa vätskekristallstrukturen, och särskilt närvaron av som det verkar oundvikliga alkaliska jordaitsmetallj oner medför i det elektriskt aktiverade tillståndet ett läckströmsflöde över cellen. Om omkopp- lingen av cellen drives med en likströms- eller lågfrekvensspänning kan sådana förorenande joner migrera mot uppiiktningsskikten och bli inbäddade vid innercells- ytoma. Vid drivspäriningens eliminering kan ett elektriskt fält över kristallen fort- farande kvarstå, på grund av infångade joner, och kan påverka cellorrmopplingen.

Därför drives vätskekristallceller normalt med en växelspänning, exempelvis en fyrkantvågsspänning, där polariteten snabbt växlas för att hindra migration av förorenande joner och därav följande cellförsärming. Under dessa förhållanden kommer cellen att uppträda ungefär som en kondensator med parallella plattor och måste kontinuerligt laddas och urladdas vid polaritetsväxling. Läckströmsflödet tillsammans med den kontinuerliga laddningen och urladdningen av cellen medför stor effektkonsumtion vid det elektriskt aktiverade tillståndet.

UI 10 15 20 25 b.) 5 Û 9 5 6 9 Enligt patentskriften US-A-S J 15 099 (Gunz et al) föreslås att minska effektkonsurn- tionen i en vätskekristallcell, som omfattar ett korrosionsmotståndskraftigt skikt och en korrosionsneutral vätska eller korrosionshindrande tillsatser, genom att pålägga en relativt lågfiekvent spänning vid ungefär 0,1 Hertz. För att minska cellens käns- lighet för ändringar i den optiska densiteten på grund av temperaturfluktuationer och instabiliteteri spänningskällan drives cellen vid en diivspäririing, som är mycket högre än tröskelspäriningen, vilket även har en modererande effekt på asymrnetrin i optisk transmission för de två spänningspolaiiteterna. Emellertid drives vätske- kristallcellen enligt US-A-S 315 099 vid en spänning, som är väsentligt högre än vad som erfordras för att nå intervallet för asymptotiskt toppvärde för transmissionsden- siteten, och följaktligen är denna cell i det väsentliga en tvåtillstånds-slutare.

Andra nackdelar med att driva en vätskekristallcell med låga frekvenser eller till och med likström är exempelvis minskad användbar livstid, elektrokemiska förändringar och uppladdning av skikt inom cellstiukturerna. När man använder spänningar nära tröskelspänningen medför närmare bestämt uppladdningseffektema en optisk asym- metti och en tidsberoende transmission. Dessa nackdelar bekräftas även av tekniska specifikationer från tillverkare av vätskekristallceller, där det anges att endast en mycket låg likströmskomponent kan accepteras.

I detta sammanhang består en typisk cellkonstiuktion av en vätskekristallcell av typ twisted nematic (TN), insatt mellan två inbördes korsade polarisationsfilter, där de definierande väggarna är behandlade med ett plastskikt, som borstats eller gnidits i bestämda riktningar, de s.k. uppriktningsiiktningaina, så att suukturen i vätske- kristallens defmierande ytor kommer att tvinga de nematiska molekylema till att anta bestämda vinkellägen och så att molekylerna kommer att inbördes skruvas genom 90° mellan dessa definierande ytor. Andra ytbehandlingsmetoder, som har motsvarande effekter, är också kända för fackmarmen. Vid ett elektriskt icke-akti- verat tillstånd kommer polaiisatíonsplanet att vridas 90° när ljus passerar genom ñltret, och cellen blir transparent. Denna vridning av de nematiska molekylerna kan i större eller mindre utsträckning stoppas genom att pålägga ett elektriskt fält och 10 25 509 569 därigenom erhålla en ñltereffekt, som även kan styras. Emellertid har en cell av detta slag relativt stark vinkelvariation för transmittansen i dess mörka, elektriskt aktiverade tillstånd, med varierande absorption för ljus som infaller vid andra vink- lar än rät vinkel, och denna asymrnetri förstärkes ytterligare därigenom att de nema- tiska molekyler som ligger närmast ytan, bundna av yteffekten, :fortfarande ger upp- hov till en kvarstående optisk aktivitet. När sålunda vinklarna för infallande ljus ökar i förhållande till normalen (d.v.s. den vinkelräta riktningen), kommer filtret i de två bissektrisrikmingarna i förhållande till uppriktningsrikmingarna att vara mera transparent och relativt konstant i förhållande till riktningarna för de korsade pola- risatorerna utefter den ena bissektrisen och mörkna utefter riktningen för den andra bissektrisen.

Det är känt att kompensera för denna transmissionsvariationseffekt genom att kom- binera två TN-celler, som skruvar sig i 90°, så att den "svaga" bissektrisen för den ena TN-cellen sammanfaller med den andra "starka" bissektrisen och vice versa.

Trots denna kompensation är emellertid synfältet fortfarande ojämnt, vilket är be- svärande för användaren.

En förbättring beträffande den vinkelberoende transmissionsasymmetrin åstadkom- mes genom den teknik som beskrives i inlämnade men ej offentliga patentansök- ningama SE 9401423-0 och motsvarande PCT/SE95/O0455. Dessa dokument visar en vätskekristallcellkonstruktion, som omfattar två vätskekristallceller av nematisk typ, där vardera cellen har molekylorienteringsplattor, som definierar molekylupp- riktningsriktningarna med ömsesidig vinkelförflytming i oaktiverat tillstånd och elektriskt aktiverbara molekyluppriktningsmedel för styrbar molekyluppriktriing i ett aktiverat tillstånd. Vätskekristallcelleina är vardera monterade mellan ömsesidigt utsläckande polarisationsñlter, och molekylupprikmingsriktriingaina i cellerna är så vända, att en kompensationseffekt uppnås mellan respektive asyrnmetriska ljus- absorptioner för cellerna, när en spänning pålägges. Problemet med vinkelberoende transmission minskas enligt dessa patentansökningar genom att åtminstone en av cellerna har en vinkel mellan molekyluppriktningsdirektorerna som är mindre än den 10 l5 20 25 5 Û 9 5 6 9 tidigare kända skruvvinkeln om 90°. För att lägga på samma spänning till två olika vätskekristallceller och därmed förenkla den erforderliga elektroniken är det enligt SE 9401423-0 och PCT/SE95/OO455 lämpligt att använda två inbördes identiska celler.

Genom den beskrivna tekniken erhålles även en förbättring när det gäller låg absorption vid slutarkonstruktionens transparenta tillstånd. Vidare har denna slutar- konstruktion, tillämpad exempelvis i ett svetsskyddsglas, variabel mörkheti sitt mörka tillstånd för att möjliggöra att samma skyddsglas kan användas med mycket starkt svetsljus och med mycket svagare svetsljus, så att alla slag av svetsarbete kan utföras med ett och samma slq/ddsglas i största möjliga utsträckning. Det var tidi- gare känt för fackmarmen att den optiska aktiviteten kan varieras genom att pålägga olika spärmingar, ehuru ojämnheten i den vinkelberoende transmissionsdensiteten tenderar att bli besvärligare när spänningen över cellerna ökar vid tidigare kända metoder.

Ett av de problem som möter när man använder celler med mindre skruvvinkel än 90°, lämpligen benämnda "low-twist-celler", ligger i att uppnå hög ljustransmission i det transparenta tillståndet och samtidigt åstadkomma tillräckligt låg ljustransmis- sion i det mörka tillståndet. Följaktligen föredrages enligt en aspekt i SE 9401423-0 och PCT/SE95/00455 en "symmetrisk" polaiisationsfilteiplacering. När polatisa- tionsfiltren är anordnade med ömsesidigt skärande vinklar om 90° är det lämpligt att montera en low-twist-cell så att bissektrisen mellan ytbehandlingsiiktriirigaina sam- manfaller väsentligen med en bissektris mellan ñltrens polarisationsrilctrtingar. Den största ljustransmissionen kommer då att erhållas i anordningens elektriskt icke- aktiverade tillstånd, dvs. dess transparenta tillstånd.

I enlighet med ett utförande enligt SE 9401423-0 och PCT/SE95/00455 är det lämp- ligt att även minska tjockleken på vätskekristallcellema. Detta leder särskilt till minskad omkopplingstid, ty omkopplingstiden är omvänt propoitionell mot kvadra- ten på celltjockleken. Sålunda kan ornkopplingstiden minskas med storleksord- 10 15 IQ Un 509 569 ningen 50 % genom att minska vätskekristallcellemas tjocklek från 4 um till 3 um under i övrigt lika förhållanden. Denna minskning av celltjockleken kan uppnås genom att använda low-twist-celler, tack vare ett beroende som befiinnits föreligga mellan värdet av tjockleken multiplicerad med den optiska anisotropin, slcruvvinkeln och Ijustransmissionen vid ljust eller transparent tillstånd. Detta beroende kan an- vändas för att konstruera ett svetsskyddsglas, som har goda optiska vinkelegenska- per, hög transmission i transparent tillstånd och snabb tillståndsomkoppling. Detta är endast möjligt genom att använda low-tvvist-celler med polarisationsfiltren place- rade på ovan beskrivet symmetriskt sätt.

Den fundamentala orsaken till detta tjockleksproblem är att en cell som inte har närrmvärd tjocklek ej kommer att fimgera så att optiskt infallande polariserat ljus blir rent vridet, så att i stället elliptiskt polariserat ljus utkommer. När denna cell place- ras mellan två inbördes korsade polarisationsfilter kommer transmissionen att varie- ra periodiskt med cellens tjocklek.

I enlighet med ett annat utförande enligt SE 9401423-0 och PCT/SE95/0O455 kan en low-tvvist-cell placeras antisynirnetriskt, d.v.s. så att riktningen för bissektrisen för den spetsiga vinkeln mellan de behandlade molekyluppriktriingsriktriingarna för cellen (griidriktningarna) placeras så att den sainmanfaller med polarisationsrikt- ningen för en av de korsade polarisatorerna. Vid icke-aktiverat tillstånd kommer en dylik konstruktion att uppvisa relativt låg ljustransmíssion, men ett mera transparent tillstånd uppnås när en måttlig spänning pålägges, och detta mera transparenta till- stånd återgår till ett allmänt mörkare tillstånd när spänningen åter ökas. En fördel med denna konstruktion är att en förlust i spänning ej medför förlust av ljusabsorp- tion, så att en viss skyddseffekt kvarstår. Detta uppfyller existerande standard för svetsskyddsglas, som kräver att skillnaden mellan ett justerat tillstånd och ett till- stånd, som uppträder vid förlust av strömförsörjning får vara högst nio täthets- grader, och kan upprätthållas lättare, även vid höga täthetsgrader. Detta möjliggör användning av två asymrneniska low-twist-celler med antisymmetriskt placerade 10 15 25 5o9i5e9 polarisatorer, eller en cell med symmetriskt placerade polaiisatorer och en low- twist-cell med antisynirneniska polaiisatorer.

Den low-twist-teknik som utläres i SE 9401423-0 och PCT/SE95/OO455 medför för- bättring i vinkelberoendeproblemet vid en vätskekristallcellkonstruktion samt åstad- kommer även en konstruktion med spärmingsberoende, variabel transmissionsdensi- tet, men med elekuiska drivmetoder av känd typ blir effektkonsumtionen fortfarande relativt hög.

Det problem som skall lösas genom föreliggande uppfinning och således dess syfte är att åstadkomma en vätskekristallslutare med vaiiabel transmissionsdensitet och förbättrade vinkelegenskaper, d.v.s. minskat vinkelberoende hos transmissionsdensi- teten, tillsammans med låg effektkonsumtion.

Ytterligare syften med uppfinningen är att åstadkomma en bländskyddsanordning och en svetsglaskonstniktion med variabel transmissionsdensitet och förbätuade vinkelegenskaper tillsammans med låg effektkonsumtion.

I enlighet med uppfinningen löses problemet och uppnås uppñnningens syften genom en low twist-vätskeloistallkonstniktion som drives med låg fiekvens eller likspäiining. Den allmänna lösningspiincipen för problemet är att modifiera de elektrooptiska egenskaperna hos cellkonstmktionen så att skillnaden mellan värdet på den drivspänning som erfordras för en viss transmissions-(optisk)densitet och tröskelvärdet är större än som tidigare varit känt. Med andra ord utsträckes den asymptotiska transmissionskarakteristikan i beroende av pålagd spänning till ett större spänningsinteivall. Följaktligen varieras den spänning som användes i prak- tiken för att styra transmissionen över ett bredare intervall till högre värden än enligt känd teknik, vilket minimerar begränsningama vid lågfrekventa drivspänriingar.

I enlighet med en aspekt av uppfinningen flyttar, för att ändra transmissionskaralce- ristikan för en vätskekristallcellkonstruktion, begreppen bort från den tidigare kända, 10 509 569 typiska skmvvinkeln om 90° vid "twisted nematics", och i stället användes en mindre vinkel, som understiger 85° och som företrädesvis ligger mellan 20° och 85°, och i vissa utföringsexempel till och med i intervallet fiån alldeles över O° till 20°.

Ehuru synfältsasynirnetrin för den optiska transmissionen blir mera accentuerad i varje enskild cell, erhålles icke desto mindre en förbättrad fälthomogenitet, när två sådana kristaller kombineras.

Andra aspekter av uppfinningen avser variabel transmissionsdensitet och efiektkon- surntion, och hittills har en dylik cellkombination drivits med högfiekvent drivspän- ning i enlighet med de välkända vätskekristallspecifikationerna och för att undvika de ovarmärnnda nackdelarna med lågfrekventa drivspänningar. Genom att utsträcka transmissionsegenskapema i en low twist-konstruktion kan Uansmissionsdensitets- värdet i det övre mörkintervallet varieras medelst högre drivspänning, och i enlighet med föreliggande uppfinning har det nu befunnits att därmed möjliggöres lägre frekvens för drivspänriingen. För svetsglasfiltertillärnpningar definieras transmis- sionsdensitetsvärdet eller täthetsgraden konvenfionellt såsom D=l+7/3 x l°log( l/T), där T är transmissionskoefficienten, och för praktiska ändamål är de lcritiska värdena inom intervallet 9-14. Följaktligen drives föredragna utföringsexernpel av slutaren enligt uppfinningen med en spänningsfrekvens understigande l Hertz eller till och med med likspänning, vars polaritet då omkopplas med förinställbar hastighet.

Kort figurbeslaivningfl Uppfinriingen kommer nu att beskrivas mera i detalj med hänvisning till utförings- exempel av densamma och även med hänvisning till iimingama, där: fig. 1 visar en sprängskiss av en tidigare känd vätskelcristallslutarkonstruktion omfat- tande 90° twisted nemafic-celler; fig. 2 visar två vätskelcristallbegränsande plattor i en vätskekiistallcell i enlighet med uppfinningen; fig. 3 visar transmissionsegenskaper hos olika vätskela-istallcellkombiriationer; 10 20 30 5o9is69 fig. 4a, b och c visar exempel på transmissionsasyrrirnetrieffekter för tidigare kända slutarkonstruktioner; fig. 4d visar graden av transmissionsasynirneni, som erhålles vid lågfrekvensdrift för olika transrnissionsdensitetsvärden och olika cellkombinationer enligt uppfinningen, jämfört med tidigare känd teknik; fig. Sa och Sb är blockscheman, som visar utföringsexempel för elektriska kretsar för drivning av en vätskekristallslutare i enlighet med uppfinningen; fig. 6 visar hur den optimala skiuvvinkeln varierar med produkten mellan optisk anisotropi och celltjocklek; fig. 7 visar transmissionsegenskapeina för en anordning enligt uppfinningen, inne- fattande en retarderingsfilm och transmissionsegenskapema för anordningen utan kompenserande retardationsfilrn; fig.8 visar ett utförande av uppfinningen, med retardationsfilm.

Detalierad beskrivning av utföringsexemnel Den principiella sprängskissen i fig. l visar de olika komponentema i ett svets- skyddsglas. Den yttersta komponenten ett interferensñlter l, som även fimgerar för att eliminera UV-ljus och IR-ljus och begränsar våglängdsintervallet. Därefter följer ett första polarisationsfilter 2 eller en polarisator, en första optiskt vridande vätskekrisallcell 3, ett andra polarisationsfilter 4, vars polarisationsriktnirig är i rät vinkel mot polarisationsiiktriingen för det första polaiisationsfiltret 2, en andra optiskt vridande vätskekristallcell 5, och ett tredje polarisationsñlter 6, som har samma polarisationsriktning som det första polarisationsfiltret 2. Arrangemanget kan eventuellt också innefatta en s.k. guest-host-cell 7. Den senare cellen är ej en optiskt roterande cell utan innfattar i stället en nematisk vätskekristall, vars mole- kyler är normalt upplinjerade parallellt med polarisationsriktningen för det tredje polarisationsfiltret med hjälp av preparerade glasytor. Iblandade dikroitiska färg- molekyler med ordnad anisotropisk absorption är kraftigt absorberande i upplinjerat tillstånd. När en spänning pålägges, kommer molekylerna i den nematiska kristallen att placera sig i rät vinkel mot ytorna och därmed bringa molekylerna i det dikroi- 10 15 20 25 10 509 569 tiska fárgämnet att röra sig till orienteringar, där minsta mängden ljus absorberas.

Celler av detta slag är välkända för fackrnannen. En fördel som dylika celler ger jämfört med andra celler är att de ger en filtereffekt vid frånvaro av pålagd spän- ning, under det att den andra cellen är ljustransparent vid frånvaro av pålagd spän- ning. När en dylik slutarkonstniktion i ett svetsfilter tages i användning, aktiveras dess styrkretsar, och en spänning lägges på guest-host-cellen 7, och filtret blir mera öppet för ljus. En sensor (ej visad) kan nu detektera huruvida svetsljus kommer mot filtret eller ej, och styrkretsen (ej visad) låter en styrspänning påläggas på cellerna 3 och 5 under det att spänningen på cellen 7 elimineras. Ett arrangemang av detta slag är gemensamt både för uppfinningen och tidigare känd teknik, såtillvida att uppfin- ningen avser naturen av vätskelaistallerna.

De iriåtvända glasplattoma i cellema är försedda med transparenta elektriskt ledande eleklrodskíkt (tex. indium-tennoxidskikt), på vilka är pålagt exemelvis ett polyimid- skikt, som behandlats mekaniskt, normalt genom borstning/griidning i specifika rikt- ningar, i enlighet med kända metoder, i riktningar som är vinkelräta i mot varandra vända ytor. I enlighet med denna kända telmik är cellerna 3 och 5 monterade inbör- des antiparallella, exempelvis så att den första cellytan som mottar ljus i cellen 3 är behandlad i rät vinkel mot polarisationsriktningen för polaiisationsfiltret 2, under det att den forsta yta som mottar ljus i cellen 5 är behandlad parallellt med polarisationsriktningen för polarisationsfiltret 2. Den inledningsvis beskrivna kompensationen uppnås därmed.

Ett svetsglasfilterarrangemang av detta slag av känd typ kan bringas att övergå från sitt transparenta tillstånd med en densitet av omkring 3 till densitetsvärden 'från 9 till 14, genom att variera pålagd spänning mellan omkring 3 volt och omkring 5 volt.

Normalt pålägges samma spämiing till båda cellema.

Densiteten varierar eftersom den spänning som strävar att orientera de nematiska molekylerna parallellt med det elektriska fältet motverkas av plastskikten på glasets irmerytor, vilka bringar molekylerna till att inriktas parallellt med ytorna, och följ- 10 15 20 11 509 569 aktligen har den elektriskt påverkade orienteringen största effekten i mitten av cellen, och minskar mot dessa ytor. I praktiken kommer emellertid en viss optisk aktivitet alltid att kvarstå, på gnind av yteffektema.

Transmissionsdensiteten eller mörkvärdet definieras enligt svetsstandarder som D = 1 + 7/3 x “log (i/T), där T är ttansmissionskoefficienten.

Trots den kompensation som uppnås för sneda infallsvinklar, kvarstår icke obetyd- liga skillnader i synfältet, när denna kända teknik tillämpas.

Grundprincipen för svetsskyddsglas med vätskeloistallstrulcturer har i tidigare känd teknik baserats på den förutsedda naturliga geometti som erhålles när kristallens orientering är skruvad genom en vinkel 9 om 90° på grund av tvängsvillkor vid gränsytoma. En förbättring kan uppnås genom att minska den vinkel, genom vilken kristallen är skruvad. Detta visas i fig. 2, som visar ett par plattor i en vätskekristall- cell. De mot varandra vända ytoma i plattoma 10 och 11 har var sina elektriskt ledande skikt och tunna plastbeläggningar. Dessa skikt och beläggningar borstas eller gnides i enlighet med de vita pilarna 12 och 13, men med en inbördes vinkel 9. l enlighet med tidigare känd teknik är denna vinkel 90° men är enligt uppfinningen mindre än 90°. Så som visats är plattarrangemanget avsett för en cell, som naturligen skruvar i moturssriktningen, ehuru celler som skruvar sig i medursrikmingen också är kända. Plattorna är vid 14 och 15 försedda med medel, genom vilka en spänning kan påläggas. Referenssiffrorna 16 och 17 betecknar identifieringsmarkeringar på plattomas kanter.

En vätskeloistallslutare i enlighet med uppfinningen, tillämpad som filter i ett svets- skyddsglas i en svetshjälm ses av bäraren som ett skuggat fönster. Filtret aktiveras och har en optisk densitet i fiamåtriktningen, vilken optiska densitet emellertid har en vinkelvariation. Som visats i SE 9401423-0 och PCT/SE95/00455, blir den er- 10 15 25 12 509 569 hållna filtereffekten långt likformigare över varierande synvinklar, när vinkeln 6 är skild fiån 90° än vid kända 90° twisted nemafic-celler.

Genom användning av två identiska vätskelaistallceller erhålles fördelen att båda cellema kan drivas med en och samma spänning, vilken spänning kan varieras för att alstra olika densiteter. Detta förenklar den elektronik som erfordras. Emellertid gäller ej detta tvångsvillkor längre, när dyrbarare elektronik användes, och sådan elektronik ger flera frihetsgrader för att erhålla denna kompensation.

Som nämnts ovan, fmnes goda skäl att icke blott minska skruvvinkeln utan också att minska tjockleken av cellen i motsvarande grad. Det befinnes att det finns en opti- mal tjocklek (eller riktigare uttryckt en optimal produkt mellan optisk anisotropi och tjocklek) för varje skruvvinkel, och detta uttryck visas i fig. 6. Bästa möjliga trans- parenstillstånd erhålles vid denna optimala tjocklek.

I enlighet med uppfinningen skall drivspärmingen levereras vid låg frekvens och med en spänning som är väsentligt högre än tröskelspäririingen för vätskelcristallcell- materialet. För att vätskeltristallcellkonstruktionen skall vara variabel i mörktillstån- det erfordras att transmissionskarakteiistikan utstrâckes över ett stort spänningsinter- vall. Fig. 3 visar förhållandet mellan transmissionsdensitet eller täthetsgrad och pålagd spänning för olika vätskekristallkombinationer. Kurvan 100 beskriver karak- teristikan för en tvåcellskombination med 90° slcruvvinkel och kurvan 102 en två- cellskombination med 70° sknivvinkel, under det att kurvoma 104 och 106 visar enkelceller med 90° respektive 70° skmvvinkel. Det framstår tydligt ur diagrammet att ju mindre skmvvinkel, desto högre är spänningsintervallet mellan transmissions- minirnum vid omkring 1,5 volt och det asymptotiska transmissionsmaximum för varje celltyp.

Fig. 4a, b och c visar den typiska effekten av polaritetsberoende transmissionsasym- metri när en vätskelctistallslutare enligt känd teknik drives vid låg frekvens, där stegen i kurvoma uppträder i samband med varje polaritetsväxling. Fig. 4a visar en UI 10 20 25 509 569 transmissionsasynirnetiieffekt, som orsakas av en permanent uppladdningseffekt; fig. 4b en optisk asymmettieffekt orsakad av laddningsbildning under polaritets- växlingsintervallet, vilken laddning gradvis minskar den effektiva spänningen över vätskekristallskiktet; och fig. 4c visar en typisk kombination av de två effekterna. De specifika transmissionsvärdena för asyrmnetrieffekten är starkt beroende av det material som användes i vätskeloistallcellen liksom av operationsförhållandena.

Pig. 4d visar i ett diagram över provningsresultat graden av transmissionsasyrmnetri för olika transmissionsdensitetsvärden och olika low twist-cellkombinationer enligt uppfinningen, jämfört med tidigare kända 90° twisted nematics-celler, när de drives med lågfrekvent polatitetsväxlande likspänning. Transmissionsdensitetsvärdet eller mörktalet anges i diagrammets horisontella axel, och asyrnmetriförhållandet anges på den vertikala axeln. Asymrnetriförhållandet är här uttryckt såsom skillnaden mel- lan det mörktal som uppnås med två olika pålagda spänningspolariteter.

Det framstår klart ur fig. 4d att asymmetriförhållandet för ett visst densitetsvärde är väsentligt lägre för skmvvinklar om exempelvis 60° eller 70° än för en skruvvinkel om 90°. Sålunda är exempelvis asymrnetriförhållandet för densitetsvärdet 10 mellan 2 och 3 gånger lägre med en skmvvinkel om 70° än med 90°. En liknande jämförelse för densitetsvärdet 12 visar att asymxnetiivärdet är 5-10 gånger lägre med 70° skruv- vinkel. Förbättringarna är till och med bättre för den lägre skmvvinkeln 60°. Minsk- ning av skruvvinklartia under 60° medför ytterligare minskning i asymmetiigraden, och då blir erforderliga drivspänningar större.

Fig. 5a och b är blockscheman, som visar utföiingsexempel för en elektrisk krets 20 för att driva en vätskeloistallslutare 18 i enlifiet med uppfinningen. Pig. 5 visar vanliga komponenter i en sådan elektrisk drivkrets, omfattande en styrbar spän- ningspolaritetsväxlare, som är anslutningsbar till en spänningskälla 22 via en spän- ningsingång 24. Spänningspolaritetsväxlaren 26 är kopplad till ett celldrivspännings- styrmedel 28, som har en styrsignalingång 30 och är kopplad till vätskekristallsluta- ren 18. Den elektroniska kretsen 20 år avsedd för att leverera en celldrivspänning, 10 25 14 509 569 som är väsentligt högre, tex. 1,5 till 10 gånger högre för det mörkaste tillståndet, än tröskelvärdet för vätskekristallmaterialet för cellerna i slutaren.

I fig. Sb visas ett annat utförande av den elektriska dzivkretsen 20 i fig. Sa. En lik- strömsspärmingskälla 22 äri tig. 5b kopplad till en spänningsregulator 34, som i sin tur är kopplad till en diivkrets 36. Diivkretsen 36 är kopplad till en polaritetsväxlare i form av en oscillator eller vippkrets, som styr drivfrekvensen eller polariteten hos den spänning som levereras till vätskekiistallcellen 18 från diivkretsen 36. Detta ut- förande har två styrsignalingångar, först en ljusdetektoringång 24 och för det andra en transmissionsdensitetsstyringång, genom vilken slutarens resulterande mörkhet kan väljas. En omgivningsljusdetektor 22 med en fotokänslig sensor 21 är lämpligen kopplad till ljusdetektoiingången 24.

Polariteten för drivspänningen kan exempelvis omkopplas med föiutbestäinbar hastighet eller alternera i motsvarighet till varje detekterad plötslig ökning i om- givningsljuset. Det senare lämpligt för tillämpningen vid svetsglasfilter.

På grund av både låg skruvvinkel och minskad parameter An*d befinnes de optiska vinkelegenskaperna för en O° dubbelbxytande cell med An*d om omkring 0,25 mikrometer vara synnerligen förmånliga och klart lämpliga både för enkelcells- och dubbelcellsvätskekristallslutarkonstniktioner, där man kräver stort och symmetriskt synfält. På gund av den stora kvarstående retardation som föreligger i O° cellen, när den drives med spänningar under 10 volt befinnes den tillgängliga cellkontrasten från en dylik anordning vara låg i förhållande till motsvarande för en 90° twisted nematic-vätskekristallcell. l enlighet med ett utförande enligt uppfinningen förbätt- ras cellkontrasten medelst tillsats av en kompenserande retardationsfilin. Vid utfö- randet med en O° dubbelbrytande cell är ett litet retardationsvärde om omkring 25 till 30 nm lämpligt. För att maximera kompensationseffekten bör retardationsfilinen företrädesvis vara så riktad, att dess snabba axelriktning är vinkelrät mot de moleky- lära direktorvektorerna på in- och utgångssidan av cellen. Det kompenserande retar- dationsskiktet för en 0° dubbelbiytande cell kan exempelvis ha formen av en enda, 10 15 20 25 509 569 enaxlig retardationsfilm med ett värde om mellan 10-50 nm. Vid ett annat utförande kan det kompenserande retardationsskiktet vara åstadkommet medelst retardations- filmer, som är så upplinjerade, att den totala nettoretardation som alstras av filmerna ligger inom detta intervall. Med exempelvis en kompenserande retardationsfilin med 27 nm anordnad i slutarkonstniktionen ökas det optimala värdet An*d för cellkombi- nationen från omkring 0,27 mikrometer till 0,277 mikrometer.

Fig. 6 visar hm' den optimala sknivvinkeln varierar med produkten mellan den optiska anisotropin och celltjockleken.

Fig. 7 visar de elektrooptiska egenskaperna hos en vätskekristallkonstruktion som innefattar en 4 mikrometer O° dubbelbiymingscell. Dubbelbiytiiingscellen omfattar i detta fall vätskekristallen Merck ZLI-4246, som ger ett värde An*d om omkring 0,52 mikrometer, och är placerade mellan korsade polaiisatorer, som bildar vinklama 45° och 135° mot molekyldirektowektoin på ingången. Cellen är, i motsvarighet till ett utföringsexempel av uppfinningen, placerad tillsammans med ett bandpassfilter, som har hög optisk uansmittans över det synliga spektrums mittparti, d.v.s. inom intervallet 500 till 600 nm. Kun/an 20 visar det optiska svaret för cellkombinationen utan kompenserande retardationsfilm, under det att kun/an 22 visar en cellkombina- tion med en 26 nm kompenserande retardationsfilm, så orienterad att den snabba axeln är vinkelrät mot molekyldirektorn på ingången. Förbättringen i cellkontzrast med den kompenserande retardationsfilmen är tydligt synbar i figuren.

Fig. 8 visar principen för ett utföiingsexempel enligt uppfinningen, försett med en retardationsfilm, placerad vid ena sidan av en av vätskekiistallcellema 2 mellan polarisationsfiltren 3 och 4. Det är även möjligt att placera en retardationsfilm inuti vätskekrlstallcellen 2, mellan de molekyluppriktningsstyrande plattorna.

Claims (23)

UI 10 Ix) UI 16 509 569 Patentkrav

1. Vätskelcristallslutarkonstruktion (18), lärnplig för ett bländskydd och ett svetsglas- filter, vilken slutarkonstruktion förmår omkoppla mellan ett högabsorberande mörkt tillstånd och ett lågabsorberande transparent tillstånd och vice versa i motsvarighet till en elektrisk signal och som innefattar två vätskekristallceller av nematisk typ, anordnade mellan transparenta, elektrodförsedda plattor, som är inkopplingsbara till en spänningskälla (22) och vilka celler är försedda med beläggningar, behandlade för att definiera riktningen för molekyluppriktning vid deras mot varandra vända ytor, varvid en inbördes vinkelförskjuming mellan plattorna medför att vätskekristal- lerna bildar en vriden skruvstrulctur vid fiånvaro av en spänning rnellan plattornas elektrodbeläggriingar, vari cellema vardera är monterade mellan ömsesidigt utsläc- kande polarisationsfilter, och vari molekyluppriktningsriktriinganra är så vända, att en kompensationseffekt erhålles mellan respektive asyrnmetriska ljusabsorptioner i de två cellema när en spänning är pålagd, och varvid minst en av de skruvande vin- kelförskjutningarna mellan molekylupprikmingsriktriingarria i cellerna är skild från 90°, kännetecknad av en elektronisk krets (20) för alstring av en variabel celldriv- spänning, som är påläggbar på de elektrodförsedda plattoma, vilken elektroniska krets (20) omfattar en spänningsingång (24), som är anslutbar till en spänningskälla (22), ett spännningspolaritetsväidande medel för styrning av polariteteten för en utgående celldrivspänning, vilket spänningspolarítetsväxlande medel är kopplat till ett drivspänningsstyrrnedel (28), som är anordnat med en styrsigrialirigång (30) och är kopplat till en celldrivspäririingsingång (32), och den elektroniska kretsen (20) är anordnad att avge en celldrivspärming som är högre än två gånger tröskelvärdet för åtminstone den ena av vätskekristallcellema och med en polaritetsväxlingsfrekvens om mindre än 1 Hertz.

2. Vätskelaistallslutarkonstruktion (18), lärnplig för ett bländskydd och ett svetsglas- filter, vilken slutarkonstruktion förmår omkoppla mellan ett högabsorberande mörkt tillstånd och ett lågabsorberande transparent tillstånd och vice versa i motsvarighet till en elektrisk signal och som innefattar två vätskekristallceller av nematisk typ, 10 17 5 09 5 6 9 anordnade mellan transparenta, elektrodförsedda plattor, som är inkopplingsbara till en spärrningskälla (22) och vilka celler är försedda med beläggmingar, behandlade för att definiera riktningen för molekylupprikming vid deras mot varandra vända ytor, varvid en inbördes vinkelförskjutning mellan plattorna medför att vätskekristal- lema bildar en vriden sknrvstrulctur vid frånvaro av en spänning mellan plattomas elektrodbeläggnirigar, vari cellema vardera är monterade mellan ömsesidigt utsläc- kande polarisationsfilter, och vari molekyluppríktriingsrilcmingarrra är så vända, att en kompensationseffekt erhålles mellan respektive asymmetriska ljusabsorptioner i de två cellema när en spänning är pålagd, och varvid minst en av de skruvande vin- kelftirskjutrringarna mellan molekylupprikmingsrikmingama i cellema är skild från 90°, kännetecknad av medel (20) for alstring av en variabel celldrivspänrring, som är påläggbar på de elektrodförsedda plattoma, varvid nänmda medel (20) är anordnat att avge en celldrivspänning som är högre än två gånger tröskelvärdet för åtminstone den ena av vätskelcristallcellema.

3. Vätskelnistallslutarkonsnuktion (18), lämplig för ett bländskydd och ett svetsglas- filter, vilken slutarkonstruktion fönnår omkoppla mellan ett högabsorberande mörkt tillstånd och ett lågabsorberande transparent tillstånd och vice versa i motsvarighet till en elektrisk signal och som innefattar två vätskelcristallceller av nematisk typ, anordnade mellan transparenta, elektrodförsedda plattor, som är inkopplingsbara till en spänningskälla (22) och vilka celler är försedda med beläggningar, behandlade för att definiera riktningen för molekyluppriktning vid deras mot varandra vända ytor, varvid en inbördes vinkelförskjutning mellan plattorna medför att vätskekristal- lema bildar en vriden skruvstruktur vid frånvaro av en spänning mellan plattomas elektrodbelägfgningar, vari cellema vardera är monterade mellan ömsesidigt utsläc- kande polarisationsfilter, och vari molekyluppriktningsriktningarna är så vända, att en kompensationseffekt erhålles mellan respektive asymrnetriska ljusabsorptioner i de två cellema när en spänning är pålagd, och varvid minst en av de skruvande vin- kelförskjutriingaina mellan molekyluppriktningsriktriingarna i cellema är skild från 90°, kännetecknad av medel (20) för alstring av en variabel celldrivspänrring, som är påläggbar på de elektrodförsedda plattorna, varvid nämnda medel (20) är Un 10 is 509 569 anordnat att avge en celldrivspänning som är högre än två gånger tröskelvärdet för åtminstone den ena av vätskekristallcellerna och varvid celldrivspänningen är en växelspännjng.

4. Slutarkonstruktion enligt krav 3, kännetecknad av att celldrivspänningen har en polaritetsväxlingsfrekvens om mindre än 1 Hz.

5. Vätskelcristallslutarkonstruktion (18), lämplig för ett bländskydd och ett svetsglas- filter, vilken slutarkonstruktion förrnår omkoppla mellan ett högabsorberande mörkt tillstånd och ett lågabsorberande transparent tillstånd och vice versa i motsvarighet till en elektrisk signal och som innefattar två vätskekristallceller av nematisk typ, anordnade mellan transparenta, elektrodförsedda plattor, som är inkopplingsbara till en spänningskälla (22) och vilka celler är försedda med beläggningar, behandlade för att definiera riktningen för molekyluppriktriing vid deras mot varandra vända ytor, varvid en inbördes vinkelförskjuming mellan plattorna medför att vätskekristal- lema bildar en vriden skruvstrulctur vid frånvaro av en spänning mellan plattornas elektrodbeläggningar, vari cellerna vardera är monterade mellan ömsesidigt utsläc- kande polarisationsfilter, och vari molekylupprikmingsriktriingarria är så vända, att en kornpensationseffekt erhålles mellan respektive asymmeniska. ljusabsorptioner i de två cellema när en spänning är pålagd, och varvid minst en av de slcruvande vin- kelförskjutriingarna mellan molekylupprilctningsriktriingarna i cellerna är skild från 90°, kännetecknad av medel (20) för alstring av en variabel celldrivspänning, som är påläggbar på de elektrodförsedda plattorna, varvid nämnda medel (20) är anordnad att avge en celldrivspänning som är högre än två gånger Uöskelvärdet för åtminstone den ena av vätskelcristallcellerria och och varvid celldrivspänningen är en likspänning.

6. Slutarkonstruktion enligt krav 5, kännetecknad av att celldrivspänningens polaritet växlas med selekterbara intervall. 10 15 19 509 569

7. Slutarkonstruktion enligt krav 5, kännetecknad av att celldrivspänningens polaritet omkopplas med förinställbar hastighet.

8. Slutarkonstruktion enligt krav 5, kännetecknad av att celldrivspäruiingens polaritet omkopplas i beroende av en vald händelse, t.ex. i beroende av en detekterad ökning i omgivningsljuset.

9. Slutarkonstruktion enligt krav 5, 6 eller 7, kännetecknad av att de två cellerna är väsentligen identiska och av att spänningskällan är anpassad för att pålägga likstora spänningar till cellerna. Celldrivspänningen har en polaritetsväxlingsfiekvens om mindre än 1 Hz.

10. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att vinkeln mellan upprikmingsriktriingaina är sådan, att transmissionsdensitetsvärdet eller filtertalet för slutaren är varierbart inom intervallet 9-15 med en celldrivspänrljng, som är större än två gånger tröskelvârdet för minst en av vätskekrístallcellerna.

11. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att vinkelförskjutningen mellan uppriktningsrikmingarna i minst en av cellema har en vinkel om mellan 0° och 85°.

12. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att tjockleken för vätskelcristallcellen, vilken skiljer sig från en 90° vinkelförskjuming mellan de nämnda uppriktningsrikmirigaina, är så anpassad, att produkten mellan tjockleken och skillnaden mellan det högsta och det lägsta brytningsindex för vätskelaistallmaterialet för olika polarisationsriktnmgar är högst 0,4 rnikrometer, och att varje cell har en vinkelskillnad mellan de nämnda molekylriktnings- bestämmande beläggningaina om högst 70°.

13. Slutarkonsttuktion enligt krav 12, kännetecknad av att tjockleken är högst 0,3 mikrometer. 10 20 zo 509 569

14. Slutarkonstruktion enligt något av föregående lcrav, kännetecknad av att de två cellerna är väsentligen identiska och av att spärmingskällan är anpassad för att på- lägga likstora spänningar till cellema.

15. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att polari- sationsfiltren, mellan vilka respektive celler är monterade, har polarisations- riktningar som korsar varandra med en vinkel om 90°.

16. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att minst en av cellerna, vars molekylupprikmingsiikming-defiriierade beläggning har en inbördes vinkelförskjuming understigande 90° och är monterad mellan polarisationsfilter, vilkas polarisationsriktningar sanimarifaller med riktningama för respektive närmaste beläggningar.

17. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att bissektrisen för den spetsiga vinkeln mellan upprikmingsrilcmingarna, vilka skiljer sig fiån 90°, är väsentligen parallell med en bissektris mellan polarisationsrikt- ningarna för de två omgivande polarisationsfiluen.

18. ; Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att minst en av vätskelaistallema har ett förhållande mellan å ena sidan produkten mellan tjockleken och skillnaden mellan högsta och lägsta brytningsindex för vätskelcristall- cellema för olika polarisationsriktningar, och å andra sidan vinkeln mellan nämnda upplinjeringsrikmingar, som motsvarar en punkt på den kurva som visas i fig. 7.

19. Slutarkonstruktion enligt något av föregående lcav, kännetecknad av att för minst en av cellerna, vinkelförskjutningen mellan uppriktningsrikmingarna uppvisar en vinkel om mellan 0° och 50°, och av att en retardationsfilm är anordnad i förbin- delse med vätskekristallcellerna. 10 20 509 569

20. Slutarkonstrukfion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att nämnda medel (20) för alstring av en variabel celldrivspämiing innefattar en elektronisk krets (20) försedd med en spänningsingång (24), som är anslutbar till en spänningskälla (22), ett spämiingspolaritetsväatlande medel (26) för styrning av polariteten hos en utgående celldrivspänning, vilket spänningspolaritetsväxlande medel (26) är kopplat till ett drivspänningsstyrmedel (28), som är försett med en styrsigrialingång (30) och är kopplat till en celldrivspänningsingång (32).

21. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den elektroniska kretsen (20) är försedd med en detektoringång (24), som är anslutbar till en omgivningsljusdetektor (22) och av att den omfattar en spänningsregulator (34), som är inkopplingsbar till ett mörkhetsgradsmedel (30).

22. Kristallslutarkonstruktion enligt något av föregående lcrav, kännetecknad av att spänningspolariseringsomkopplingsmedlet är en oscillator eller vippkrets.

23. Slutarkonsuuktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att den är ett svetsglasfilter, monterat i ett svetsglasskydd, elleri ett optisk: instrument såsom ett optiskt förstärkningsteleskop eller en dubbelkikare.