АВТОМАТИЧЕСКИ ТЕМНЕЮЩИЙ ФИЛЬТР СО СМЕЩЕННЫМИ ПОЛЯРИЗАТОРАМИ
AUTOMATICALLY DARKENING FILTER WITH DISPLACED POLARISERS

Настоящее изобретение относится к автоматически темнеющим жидкокристаллическим защитным щиткам или светофильтрам, которые могут быть использованы в сварочных шлемах для защиты сварщика от света, излучаемого сварочной горелкой.
Предшествующий уровень техники
Автоматически темнеющие жидкокристаллические защитные щитки, известные также как автоматически темнеющие фильтры (или АТФ), часто конструируют из комбинации поляризационных светофильтров и слоев жидких кристаллов. Примеры таких светофильтров описаны в патентах США № 6097451 и № 5825441.
АТФ переходят из светлого (прозрачного) состояния в темное (почти непрозрачное) состояние в соответствии с управляющим сигналом. Для применений, подобных сварке, где требуется защита от высоких уровней падающего света, светофильтры обыкновенно вмонтированы в лицевую маску, и управляющий сигнал инициируется падающим светом от сварочной дуги. Падающий свет засвечивает датчик на сварочном шлеме, который, в свою очередь, посылает сигнал в АТФ. Таким образом, когда светофильтр не освещается ослепительно ярким светом сварочной дуги, он чист или прозрачен, но он немедленно темнеет, когда засвечивается таким ослепительно ярким светом. Это дает возможность сварщику выполнять сварочные операции, а также выполнять другие работы за пределами области сварки, не удаляя защитный щиток.
Обычные светофильтры имеют один специфический недостаток, а именно: фильтрующий эффект жидкокристаллических слоев имеет угловую зависимость. Иными словами, может оказаться, что площадь светофильтра, попадающая в поле зрения пользователя, темнеет неравномерно. Разброс зазора между ячейками и нежелательное двойное лучепреломление в адгезивных слоях или поляризаторах также может уменьшить равномерность потемнения, в результате возникает неравномерное потемнение видимой площади светофильтра.
Краткое изложение изобретения
Объектом заявляемого изобретения является конструкция защитного автоматически темнеющего фильтра, решающая проблему неравномерности потемнения его видимой площади. Конструкция обеспечивает пользователю более равномерное затемнение под большим углом зрения в темном состоянии. Заявляемый фильтр содержит две слабо закрученные оптически вращаемые жидкокристаллические ячейки, размещенные между тремя поляризаторами. Угол закручивания жидкокристаллической ячейки меньше 90°. Два внешних поляризатора (первый и третий) имеют направление поляризации, которое смещено от нормальной оси в направлении поляризации второго (центрального) поляризатора.
Один из вариантов воплощения заявляемого изобретения представляет собой устройство, содержащее первый, второй и третий поляризаторы и первую и вторую слабо закрученные жидкокристаллические ячейки, при этом каждый жидкий кристалл имеет угол закручивания менее 90°. Первая слабо закрученная жидкокристаллическая ячейка расположена между первым и вторым поляризаторами, а вторая слабо закрученная жидкокристаллическая ячейка расположена между вторым и третьим поляризаторами. Направление поляризации по меньшей мере одного поляризатора, первого или третьего, смещено от нормальной оси в направлении поляризации второго поляризатора.
Второй из вариантов воплощения заявляемого изобретения представляет собой автоматически темнеющий фильтр, содержащий сварочный лицевой щиток с вмонтированным в него переключаемым светофильтром. Автоматически темнеющий фильтр включает также датчик, который детектирует падающий на него свет, и блок управления, принимающий сигнал от датчика о наличии или отсутствии падающего света. В присутствии падающего света блок управления подает электрическое напряжение на переключаемый светофильтр. Переключаемый светофильтр содержит первый, второй и третий поляризаторы и первую и вторую слабо закрученные жидкокристаллические ячейки с углом закручивания менее 90°. Первая слабо закрученная жидкокристаллическая ячейка установлена между первым и вторым поляризаторами. Вторая слабо закрученная жидкокристаллическая ячейка установлена между вторым и третьим поляризаторами. Направление поляризации по меньшей мере одного поляризатора, первого или третьего, смещена от нормальной оси в направлении поляризации второго поляризатора.
Заявляемый автоматически темнеющий фильтр отличается от известных тем, что по меньшей мере один из поляризаторов, первый или третий, смещен от нормальной оси в направлении поляризации второго поляризатора. Благодаря этому смещению ориентации поляризации достигается лучшая равномерность затемнения. В случае смещения направления поляризации первого или третьего поляризатора, или их обоих только небольшое количество света может пройти через фильтр, вызывая повсюду смягчающий эффект, вызывающий уменьшение неоднородности затемнения, наблюдаемого через фильтр. Уменьшение неоднородности затемнения улучшает видимость через фильтр. Улучшение видимости особенно благотворно для сварщиков, так как им необходимо видеть детально объекты, с которыми они работают.
Ниже приведено подробное описание вариантов изобретения и поясняющие их графические материалы. Другие особенности изобретения и достигаемые преимущества также станут очевидными из описания, чертежей и формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлен в разобранном виде пример конструкции 10 защитного переключаемого светофильтра, выполненного в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.2 схематически показан пример ориентации поляризаторов и жидкокристаллических ячеек в переключаемом светофильтре 10, изображенном на фиг.1;
на фиг.3 приведена блок-схема переключаемого светофильтра 10, изображенного на фиг.1, вмонтированного в автоматически темнеющий фильтр 60;
на фиг.4 показан в полярной системе координат эффект фильтрации света при различных углах зрения для конструкции переключаемого светофильтра 10, изображенной на фиг.1.
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации изобретения
На фиг.1 представлен в разобранном виде пример конструкции защитного переключаемого светофильтра 10, пригодного для использования в автоматически темнеющем фильтре. Самый дальний от центра элемент - это интерференционный светофильтр 22, предназначенный для исключения ультрафиолетового и инфракрасного излучений и ограничения диапазона пропускаемых длин волн. Светофильтр 10 содержит также первый поляризационный светофильтр 24, первую оптически поворачиваемую жидкокристаллическую ячейку 26, второй поляризационный светофильтр 28, вторую оптически поворачиваемую жидкокристаллическую ячейку 30 и третий поляризационный светофильтр 32. Устройство может также содержать (но это не обязательно) ячейку 34, условно называемую "гость-хозяин".
Первая и вторая жидкокристаллические ячейки 26 и 30 - это слабо закрученные жидкокристаллические ячейки. Термин "слабо закрученные" в настоящем документе означает, что угол закручивания меньше 90°. Например, по меньшей мере одна из ячеек 26 или 30 имеет угол закручивания меньше 90°, как правило от нуля или 1° до 89°. В частности, угол закручивания первой или второй ячеек 26 или 30 лежит в диапазоне от примерно 20° до примерно 85°. Первая и вторая жидкокристаллические ячейки 26 и 30 снабжены соединителями 52 и 54 соответственно, с помощью которых может быть приложено управляющее напряжение.
Каждый из поляризаторов, первый 24, второй 28 и третий 32, имеют соотнесенные друг с другом направления поляризации, показанные на фиг.1. Термин "поляризатор" в настоящем документе означает поляризационный светофильтр, пропускающий световые волны вдоль одной оси и поглощающий их вдоль других. Обычно пропускающая и поглощающая оси поляризации направлены под углом 90° друг к другу. Оси поляризации или направления поляризации первого поляризатора 24 и третьего поляризатора 32 могут быть охарактеризованы по отношению к направлению второго поляризатора 28. Второй поляризатор 28 имеет направление поляризации 47. Нормаль 56 перпендикулярна направлению 47 поляризации поляризатора 28. Иными словами, угол между нормалью 56 и направлением 47 поляризации составляет 90° в варианте реализации изобретения, показанном на фиг.1. Направления поляризации как первого поляризатора 24, так и третьего поляризатора 32, смещены от нормали 56. Иными словами направление 41 поляризации первого поляризатора 24 смещено от нормали на угол 40 (в дальнейшем первый угол 40 смещения). Аналогично направление 53 поляризации третьего поляризатора 32 смещено от нормали 56 на угол 46 смещения (в дальнейшем второй угол 46 смещения). Диапазон смещения, обеспечиваемый первым и вторым углами смещения, может составлять 1-20°. В одном из вариантов изобретения углы 40 и 46 лежат в диапазоне 2-8°.
Далее на фиг.1 показано, что оба поляризатора: первый 24 и третий 32, смещены от нормали 56. Тем не менее, в некоторых вариантах реализации изобретения только первый поляризатор 24 или третий поляризатор 32 смещены от нормали 56. Например, в одном варианте направление поляризации 41 первого поляризатора 24 смещено от нормали 56, в то время как направление поляризации 53 третьего поляризатора 32, по существу, параллельно нормали 56. В другом варианте направление поляризации 41 первого поляризатора 24 может быть, по существу, параллельно нормали 56, в то время как направление поляризации 53 третьего поляризатора 32 смещено от нормали 56. Таким образом, направление поляризации по меньшей мере одного из поляризаторов: первого 24 или третьего 32, смещено от нормали 56.
Первый угол 40 смещения может быть смещен по часовой стрелке, т.е. в положительном направлении, в то время как второй угол 46 смещения может быть смещен против часовой стрелки, т.е. в отрицательном направлении. Углы 40 и 46 смещения могут поменять направления на обратные или, в некоторых вариантах изобретения, они могут быть иметь одинаковые направления (например, оба могут быть положительными или оба - отрицательными). Величина углов 40 и 46 смещения может быть в некоторых случаях одинаковой, в других случаях - различной.
Жидкокристаллические ячейки 26 и 30 - это «слабо закрученные» ячейки. Это означает, что они имеют угол закручивания меньше 90°. Типичная конструкция такого типа слабо закрученных ячеек включает твист-нематический жидкокристаллический материал, расположенный между стеклянными пластинами. Внутренние поверхности стеклянных пластин жидкокристаллической ячейки покрыты прозрачными электропроводящими электродными слоями (например, слоями оксидов индия и олова), на которые нанесен, например, предварительно механически обработанный слой полиимида, например очищен щеткой или протерт вдоль определенного направления. Полученные в результате определяющие поверхности жидкого кристалла заставляют нематические молекулы занять определенные угловые положения, так что молекулы оказываются закрученными на определенный угол между определяющими поверхностями. В электрически неактивированном состоянии (когда напряжение не приложено) плоскость поляризации оказывается повернутой, как только свет проходит через ячейку, и фильтр становится прозрачным. Ориентацией нематических жидкокристаллических молекул можно управлять путем приложения электрического поля между определяющими поверхностями. Приложенное напряжение создает электрическое поле между определяющими поверхностями. Нематические жидкокристаллические молекулы выстраиваются в основном по электрическому полю перпендикулярно определяющим поверхностям, а не параллельно им, и ячейка переходит в непрозрачное состояние. Таким образом, когда управляющее напряжение приложено к слабо закрученным ячейкам, достигается фильтрующий эффект. Угол поворота нематических молекул может управляться изменением управляющего напряжения, и, таким образом, соответствующий фильтрующий эффект также может быть управляем. В результате жидкокристаллические ячейки 26 и 30 находятся в прозрачном состоянии в отсутствие приложенного напряжения и темнеют в присутствии приложенного напряжения.
Ячейка 34, условно называемая "гость-хозяин", может включать нематический жидкий кристалл, чьи молекулы и атомы могут быть выровнены параллельно нормали 56 в поляризаторе 28. Подготовленная стеклянная поверхность может содействовать этому выравниванию. Несмешиваемый пигмент, имеющий упорядоченное анизотропное поглощение, является сильным поглотителем в выровненном состоянии. Когда приложено электрическое напряжение, молекулы нематического кристалла располагаются сами под прямыми углами к подготовленным поверхностям, заставляя молекулы пигмента занимать положения, в которых поглощается минимальное количество света. Следовательно, ячейка 34 обеспечивает эффект фильтрации в отсутствие приложенного электрического напряжения, тогда как жидкокристаллические ячейки 26 и 30 в отсутствие приложенного напряжения пропускают свет. Таким образом, светофильтр 10 обеспечивает некоторый минимальный уровень защиты и безопасности пользователя в случае непреднамеренного пропадания напряжения.
В варианте реализации изобретения, показанной на фиг.1, соответствующие направления выравнивания жидкокристаллических ячеек 26 и 30, по существу, параллельны между собой и ориентированы асимметрично одна другой (направлены в противоположные стороны). Например, направление 45 выравнивания жидкокристаллической ячейки 26 упорядочено в значительной степени параллельно по отношению к направлению 49 жидкокристаллической ячейки 30, но имеет противоположную направленность. Аналогично направление 43 выравнивания жидкокристаллической ячейки 26 упорядочено в значительной степени параллельно по отношению к направлению 51 жидкокристаллической ячейки 30, но имеет противоположную направленность. Эта асимметрия направлений отражена на фиг.1 указательными стрелками.
На фиг.2 - схематически показан пример расположения первой жидкокристаллической ячейки 26, второго поляризатора 28 и второй жидкокристаллической ячейки 30 по отношению друг к другу. На фиг.2 показано, что направление 47 поляризации второго поляризатора 28 перпендикулярно нормали 56, как это описано выше. Биссектриса 58 делит пополам угол между направлением 47 поляризации и нормалью 56. Таким образом, в этом примере биссектриса 58 образует угол 45° с направлением 47 поляризации и нормалью 56. Для оптимизации качества функционирования в прозрачном состоянии направления выравнивания 45, 43 и 49, 51 жидкокристаллических ячеек 26 и 30, соответственно, могут быть расположены симметрично по отношению к биссектрисе 58. Например, если бы угол закручивания жидкокристаллических ячеек 26 и 30 был равен 70°, то направления 45 и 43 выравнивания расположились бы симметрично относительно биссектрисы 58 под углом 35°. Таким образом, в этом примере угол 57 между направлениями 43, 51 выравнивания и биссектрисой 58 равен 35°, так же, как угол 59 между направлениями 45, 49 и биссектрисой 58. В другом примере угол между нормалью 56 и направлениями 43, 51 мог бы быть 10°, а угол 59 между нормалью 56 и направлениями 45, 49 тогда составлял бы 80°.
Несмотря на то что симметричная ориентация является оптимальной для прозрачного состояния, можно использовать и другие ориентации, изобретение не ограничено показанным на фиг.1 и фиг.2 и описанным выше примером. Не выходя за рамки изобретения, можно использовать и другие конфигурации.
На фиг.3 показана блок-схема автоматически темнеющего фильтра (АТФ) 60. Автоматически темнеющий фильтр 60 содержит переключаемый светофильтр 10, снабженный смещенными поляризаторами такого типа, как описано со ссылкой фиг.1 и фиг.2. Переключаемый светофильтр 10 вмонтирован в лицевой щиток 66 сварщика, который пользователь носит во время сварки или в других ситуациях, где необходима защита, обеспечиваемая переключаемым светофильтром 10. АТФ 60 содержит также датчик 64 для детектирования светового излучения, падающего на переднюю поверхность светофильтра 10, например, от сварочной дуги. Блок 62 управления принимает сигнал от датчика 64, соответствующий присутствию светового излучения или его отсутствию, и вырабатывает соответствующее управляющее напряжение, подаваемое на светофильтр 10, управляя, таким образом, уровнем затемнения, обеспечиваемого светофильтром 10. Когда датчик 64 фиксирует излучение сварочной дуги или другого источника света, блок 62 управления может, например, подать управляющее напряжение на жидкокристаллические ячейки 26 и 30, снимая при этом напряжение с ячейки 34 "гость-хозяин". Это заставляет фильтр темнеть, защищая тем самым пользователя от ослепительно яркой сварочной дуги. В отсутствие сварочной дуги или иного источника света блок 62 управления может уменьшить приложенное к ячейкам 26 и 30 напряжение или вообще отключить его, при этом фильтр становится более прозрачен световому потоку. Это позволяет сварщику выполнять сварочные операции, а также выполнять работы вне зоны сварки, не снимая защитного щитка. В заключение: описанная здесь конструкция фильтра обеспечивает улучшенную равномерность освещенности того, что видит пользователь в темном состоянии фильтра при большом угле зрения.
Переключаемый светофильтр 10, датчик 64 и блок 62 управления обычно закрепляют на каркасе щитка 66 сварочного шлема в виде съемного узла, устанавливаемого на каркасе непосредственно перед глазами сварщика, когда на него надет шлем. Этот узел может иметь форму прямоугольной (или иной формы) рамки или корпуса, на котором размещены светофильтр 10, датчик 64 и блок 62 управления. С примерами шлемов можно ознакомиться, например, в патентах США 6185739, 5533206, 5191468, 5140707, 4875235 и 4853973. В подшлемное пространство сварочного шлема может принудительно подаваться чистый воздух, поэтому шлем может включать лицевое уплотнение, чтобы отделить дыхательную зону от окружающего воздуха. Примеры лицевых уплотнений приведены в заявках на изобретения США, серийные №№ 10/987512, 10/987641, 10/988789, 29/217155, 29/217153, 29/217154, 29/217107, 29/217156.
Мерой фильтрующего эффекта является так называемое число затенения. Число затенения S связано с коэффициентом пропускания света TL (выраженным в виде дроби) следующим уравнением:
S=I+7/3×10 log (1/TL).
В фильтре описанной здесь структуры эффект фильтрации может изменяться в диапазоне величин затенения от примерно 3,3 в светлом состоянии до величин затенения от примерно 9 до примерно 13 в темном состоянии. Эффект фильтрации может быть выбран путем изменения приложенного напряжения от примерно 2 В до примерно 4,5 В.
На фиг.4 приведена полярная диаграмма 80, показывающая величину затенения при различных углах зрения. Данные, приведенные на фиг.4, были получены путем измерений с использованием переключаемого светофильтра, конструкция которого подобна показанной на фиг.1 с первым поляризатором 24, имеющим угол смещения по часовой стрелке 6°, третьим поляризатором 32, имеющим угол смещения против часовой стрелки 6°, и жидкокристаллическими ячейками 26 и 30, имеющими угол закручивания 80°. Максимально удаленная от центра окружность полярной диаграммы 80 представляет собой отклонение в 30° от перпендикулярного угла падения (отмеченного в центре диаграммы). Диаграмма была построена с помощью шагового устройства с шагом отклонения в 2,5° и с шагом по азимуту в 10°. Области, где каждый серый уровень означает одинаковый фильтрующий эффект, были получены при шаге затенения 0,5. DIN шкала затенения обозначена номером 82. Так как угол закручивания жидкокристаллических ячеек 26 и 30 отличается от 90° и поскольку ориентации первого и третьего поляризаторов смещены, фильтрующий эффект в темном состоянии - более однородный при разных углах зрения, чем в обычных конструкциях фильтров.
При измерениях использовались две идентичные жидкокристаллические ячейки. В упомянутом варианте изобретения обе жидкокристаллические ячейки 26 и 30 могут управляться одним и тем же управляющим напряжением, и его можно изменять для достижения различной плотности и, таким образом, получать различную степень затемнения в темном состоянии. Такое решение может упростить применяемую электронику.
Однако жидкокристаллические ячейки 26 и 30 не обязательно должны быть идентичными. В одном из вариантов изобретения, например, между смещенными поляризаторами могут быть размещены жидкокристаллическая ячейка с углом закручивания 90° и слабо закрученная ячейка с углом закручивания в диапазоне 20-85°. В другом варианте две слабо закрученные ячейки с различной степенью закрученности могут быть расположены между смещенными поляризаторами. Различные ячейки могут быть скомбинированы так, чтобы достичь оптимального общего эффекта в зависимости от желаемого конечного результата. Например, возможно скомбинировать симметрично и асимметрично установленные жидкокристаллические ячейки, ячейки с различными углами закручивания, ячейки различной толщины и т.п.
Все упомянутые выше патенты и заявки на изобретения, включая также упомянутые в разделе "предшествующий уровень техники", включены в итоге в качестве ссылок в настоящий документ.
Выше приведены описания различных вариантов реализации изобретения. Эти и другие варианты реализации не выходят за рамки формулы изобретения.