專利名稱：配有偏移偏振器的自動變光濾光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用在焊接頭盔上以過濾從焊接設(shè)備的焊炬入射的光的自動變光液 晶防護罩或濾光器。
背景技術(shù)：
自動變光液晶防護罩也稱為自動變光濾光器(automaticdarkening filter)或 者ADF，其通常由偏振濾光器和液晶層的組合構(gòu)成。在授予Hornell和Palmer的美國專利 6，097，451和5，825，441中描述了這種濾光器的實例。ADF響應(yīng)控制信號而從亮(透光)態(tài)轉(zhuǎn)變到更暗(幾乎不透光)態(tài)。對于諸如焊 接等需要保護人不受強烈入射光傷害的應(yīng)用領(lǐng)域，濾光器通常安置在面罩內(nèi)，而且通過來 自焊弧的入射光起動控制信號。入射光入射到位于焊接頭盔上的探測器上，該探測器轉(zhuǎn)而 將信號發(fā)送到ADF。這樣，當沒有經(jīng)受焊弧的強光時濾光器是透明的或者透光的，而當暴露 在這樣的強光下時該濾光器立即變暗。這使得焊工可以進行焊接操作，也可以在不摘除防 護罩的情況下在焊接區(qū)域外執(zhí)行任務(wù)。傳統(tǒng)濾光器具有一個特有的缺陷，即液晶層的濾光效果與角度有關(guān)。換句話說，用 戶看到的觀察區(qū)域可能呈現(xiàn)不均勻的變暗。液晶盒間隙的變化以及粘接劑層或者偏振器中 的不需要的雙折射也可以降低均勻性，從而造成焊接濾光器的觀察區(qū)域內(nèi)的遮光度發(fā)生變 化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供用于解決觀察區(qū)域內(nèi)的不均勻性問題的防護型自動變光濾光器結(jié)構(gòu)。 該結(jié)構(gòu)為用戶提供在大觀察角內(nèi)在暗態(tài)下更均勻的遮光度。本發(fā)明的濾光器包括置于三個 偏振器之間的兩個低扭轉(zhuǎn)旋光液晶盒。所述液晶盒的扭轉(zhuǎn)角小于90度。兩個外側(cè)偏振器 (第一偏振器和第三偏振器)的偏振取向相對于第二(中間)偏振器的偏振方向的法線軸 偏移。在一個實施例中，本發(fā)明涉及這樣一種裝置，其包括第一、第二和第三偏振器以及 第一和第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒，其中每個液晶盒具有小于90度的扭轉(zhuǎn)角。所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶 盒設(shè)置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第二 偏振器和所述第三偏振器之間。所述第一偏振器和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取 向相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移。在另一個實施例中，本發(fā)明涉及自動變光濾光器，其包括內(nèi)部設(shè)置有可控濾光器 的焊接面罩。所述自動變光濾光器還包括傳感器，其探測入射光；以及控制電路，其接收 與入射光的有無相對應(yīng)的來自傳感器的信號。所述控制電路響應(yīng)指示入射光存在的信號而使得在所述可控濾光器上施加電壓。所述可控濾光器包括第一、第二和第三偏振器以及第 一和第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒，每個液晶盒具有小于90度的扭轉(zhuǎn)角。所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置 在所述第一偏振器和所述第二偏振器之間。所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第二偏振器 和所述第三偏振器之間。所述第一偏振器和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取向相對 于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移。本發(fā)明與已知自動變光濾光器的不同之處在于所述第一偏振器和所述第三偏振 器中的至少一個相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移。通過使所述第一偏振器 和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取向偏移，可以得到在暗態(tài)下更均勻的遮光度。使 所述第一偏振器和所述第三偏振器中的一個或者兩個的偏振取向偏移，使得少量漏光可以 透射通過所述濾光器，從而產(chǎn)生總體柔光效果，該總體柔光效果減少從所述濾光器觀察到 的遮光度變化。通過減少遮光度變化，可以提高透過所述濾光器的可見度。提高可見度對 焊工特別有益，這是因為他們需要看清所加工物件的細節(jié)。在附圖和下面的說明中描述了本發(fā)明的一個或多個實施例的細節(jié)。從說明內(nèi)容、 附圖以及權(quán)利要求書將了解本發(fā)明的其它特征、目的以及優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的防護型可控濾光器10的結(jié)構(gòu)的實施例的分解圖。圖2是示出用于圖1所示可控濾光器10的偏振器和液晶盒的排列實例的示意圖。圖3是安置在自動變光濾光器60內(nèi)的圖1所示可控濾光器10的框圖。圖4是示出圖1所示可控濾光器結(jié)構(gòu)在不同視角下的濾光效果的極坐標圖。
具體實施例方式圖1是可以用于自動變光濾光器應(yīng)用的可控濾光器10的結(jié)構(gòu)的實施例的分解圖。 最外側(cè)元件是干涉濾光器22，其起到部分地消除紫外光和紅外光的作用并且限制波長范 圍。濾光器10還包括第一偏振濾光器24、第一旋光液晶盒26、第二偏振濾光器28、第二旋 光液晶盒30和第三偏振濾光器32?？蛇x的是，該結(jié)構(gòu)也可以包括所謂的賓主盒34。第一液晶盒26和第二液晶盒30是低扭轉(zhuǎn)液晶盒。本文中所用的術(shù)語“低扭轉(zhuǎn)(low twist) ”是指具有小于90度的扭轉(zhuǎn)角。例如，第一液晶盒26和第二液晶盒30中的至少一 個具有小于90度的扭轉(zhuǎn)角，具有代表性的是0或者1到89度。更具體地說，第一液晶盒和 第二液晶盒中的至少一個的扭轉(zhuǎn)角可以在大約20度到大約85度之間。液晶盒26和30分 別設(shè)置有連接件52和54，并通過連接件施加控制電壓。第一偏振器24、第二偏振器28和第三偏振器32中的每一個分別具有圖1箭頭所 示的相關(guān)聯(lián)的偏振取向。本文中所用的術(shù)語“偏振器(polarizer) ”是指沿一個軸傳播光波 而沿另一個軸吸收光波的偏振濾光器。具有代表性的是，偏振透光軸和偏振吸收軸彼此以 90度夾角取向。可以相對于第二偏振器28的取向描述第一偏振器24和第三偏振器32的 上述偏振軸或者偏振取向。第二偏振器28具有偏振取向47。法線軸56垂直于偏振器28 的偏振取向47。換句話說，在圖1所示的實施例中法線軸56和偏振取向47之間的夾角為 90度。第一偏振器24和第三偏振器32的偏振取向都相對于法線軸56“偏移”。換句話說， 第一偏振器24的偏振取向41以偏斜角40 (下文稱為第一偏斜角40)相對于法線軸56偏移。相似地，第三偏振器32的偏振取向53以偏斜角46(下文稱為第二偏斜角46)相對于 法線軸56偏移。由第一偏斜角40和第二偏斜角46提供的可能偏移量可以在1度和20度 之間。在一個實施例中，第一偏斜角40和第二偏斜角46可以在2度到8度之間。圖1進一步示出第一偏振器24和第三偏振器32都相對于法線軸56偏移。然而， 在一些實施例中，僅僅第一偏振器24和第三偏振器32中之一相對于法線軸56偏移。例如， 在一個實施例中，第一偏振器24的偏振取向41相對于法線軸56偏移，而第三偏振器32的 偏振取向53與法線軸56基本平行。在另一個實施例中，第一偏振器24的偏振取向41可 以與法線軸56基本平行，而第三偏振器32的偏振取向53相對于法線軸56偏移。這樣，第 一偏振器24和第三偏振器32中至少一個的偏振取向相對于法線軸56偏移。第一偏斜角40可以相對于法線軸56沿順時針方向(或正向)偏移，而第二偏斜 角46可以相對于法線軸56沿逆時針方向(或負向)偏移。第一偏斜角40和第二偏斜角 46的方向可以顛倒，或者在一些實施例中，它們可以沿相同的方向(例如，都為正向或者都 為負向)偏移。第一偏斜角40和第二偏斜角46的量值在一些實施例中可以相同，或者在 另一些實施例中可以不同。液晶盒26和30是“低扭轉(zhuǎn)”盒。即，它們的扭轉(zhuǎn)角小于90度。這種低扭轉(zhuǎn)盒的 代表性結(jié)構(gòu)包括安置在玻璃板之間的扭轉(zhuǎn)向列(TN)型液晶材料。液晶盒的朝內(nèi)玻璃板設(shè) 置有透明導(dǎo)電電極層(例如氧化銦錫層)，在該電極層上施加有例如在特定排列方向上經(jīng) 過機械處理(例如刷或者擦)的聚酰亞胺層。在液晶限定表面上所得到的結(jié)構(gòu)迫使向列分 子具有特定的角度排列，從而使得分子在限定表面之間以它們各自的扭轉(zhuǎn)角扭轉(zhuǎn)。在非電 激活(即，未施加電壓)的狀態(tài)下，當光通過液晶盒時，偏振平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，濾光器變成透光 的。向列液晶分子的取向可以通過在限定表面之間施加電場來控制。施加電壓會在限定表 面之間產(chǎn)生電場。向列液晶分子排列成與垂直于而非平行于限定表面的電場平行，此時液 晶盒達到暗態(tài)。這樣，當向低扭轉(zhuǎn)盒施加控制電壓時，得到濾光效應(yīng)?？梢酝ㄟ^改變控制電 壓來控制向列分子的旋轉(zhuǎn)程度，從而也可以控制相應(yīng)的濾光效果。得到的結(jié)果是液晶盒 26和30在不施加電壓時處于亮態(tài)，而在施加電壓時處于暗態(tài)。賓主盒34可以包括向列液晶，其分子和原子可以排列成與偏振器28的法線軸56 平行。經(jīng)過處理的玻璃表面可以幫助形成這樣的排列方式。在排列狀態(tài)下，具有規(guī)則各向 異性吸收性的內(nèi)混顏料具有高吸收性。當施加電壓時，向列液晶分子自動排列成與處理表 面成直角，使得顏料分子移動到吸收最少量光的位置。因此在不施加電壓時，賓主盒34提 供濾光效果，而在不施加電壓時，液晶盒26和30是透光的。這樣，當發(fā)生非預(yù)期的電壓降 低時，濾光器10向用戶提供最低級別的保護和安全。在圖1所示的實施例中，液晶盒26和30的相應(yīng)排列方向(alignment direction) 布置成相對于彼此基本平行且取向非對稱。例如，液晶盒26的排列方向45布置成相對于 液晶盒30的排列方向49基本平行且取向非對稱(即，在相反的方向上)。類似地，液晶盒 26的排列方向43布置成相對于液晶盒30的排列方向51基本平行且取向非對稱(即，在相 反的方向上)。在圖1中，由指示排列方向43、45和49、51的方向相反的箭頭示出這種非對 稱取向。圖2是示出第一液晶盒26、第二偏振器28和第二液晶盒30相對彼此如何布置的 實例的示意圖。圖2示出法線軸56和第二偏振器28的偏振取向47如何如上所述彼此垂直。二等分線58將偏振取向47和法線軸56之間的角度二等分。這樣，在該實例中，二等 分線58與偏振取向47和法線軸56形成45度角。為了優(yōu)化亮態(tài)下的性能，液晶盒26和 30的排列方向45、43和49、51可以分別相對于二等分線58對稱地布置。例如，如果液晶盒 26和30的扭轉(zhuǎn)角等于70度，那么排列方向45和43可以與二等分線58成35度角度對稱 布置。類似地，排列方向49和51也可以與二等分線58成35度角度對稱地布置。這樣，在 該實例中，排列方向43,51和二等分線58之間的夾角57是35度，排列方向45,49和二等 分線58之間的夾角59也是35度。以另一種方式描述，在該實例中，法線軸56和排列方向 43,51之間的夾角為10度，而法線軸56和排列方向45和49之間的夾角為80度。盡管對稱取向可以優(yōu)化亮態(tài)性能，但是也可以采用其它取向，本發(fā)明并不局限于 本文中參照圖1和圖2示出并描述的構(gòu)造。也可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下采用多 種其它構(gòu)造。圖3是自動變光濾光器(ADF) 60的框圖。自動變光濾光器60包括可控濾光器 10，其具有上面參照圖1和圖2所述類型的偏移偏振器?？煽貫V光器10安置在焊接面罩66 內(nèi)，用戶可以在焊接過程中或者在其它需要由可控濾光器10提供防護的情況下佩戴該焊 接面罩。ADF 60還包括傳感器64，其用于探測入射到濾光器10的前表面上的光，例如焊 弧?？刂齐娐?2接收與入射光的有無相對應(yīng)的來自傳感器64的信號，并且使相應(yīng)的控制電 壓施加到濾光器10上，從而控制濾光器10所提供的遮光度。例如，當傳感器64探測到存 在焊弧或者其它入射光源時，控制電路62可以使得控制電壓施加到液晶盒26和30上，同 時消除賓主盒34上的電壓。這會使得濾光器變暗并且保護用戶不受焊弧強光的傷害。在 沒有焊弧或者其它入射光源時，控制電路62可以降低或者消除施加在液晶盒26和30上的 電壓，從而使得濾光器變得更加透光。這使得焊工能夠進行焊接操作，并且也能夠在不摘除 防護面罩的情況下在焊接區(qū)域外執(zhí)行任務(wù)。此外，本文描述的濾光器結(jié)構(gòu)使得在大角度范 圍內(nèi)由用戶觀察到的暗態(tài)的均勻性得到提高?？煽貫V光器10、傳感器64和控制電路62通常作為整體由焊接面罩66的頭盔 殼支撐，并且通常作為這樣的可替換單元，即該單元安裝在頭盔殼內(nèi)，當使用者佩戴頭盔 時該單元位于佩戴者眼睛的正前方。該單元可以具有支撐濾光器、傳感器和電路的矩形 (或者其它形狀的)框架或者外殼的形式。可以在例如美國專利6，185，739,5, 533，206、 5，191，468,5, 140，707,4, 875，235以及4，853，973中看到頭盔殼的實例。焊接頭盔也可 以具有供應(yīng)到其內(nèi)部的清潔空氣，因而可以包括用于將呼吸區(qū)與周圍空氣隔離的面部密封 件。在美國專利申請 No. 10/987，512、10/987，641、10/988，789、29/217，155,29/217, 153、 29/217，154,29/217, 107,29/217, 156中示出了這種面部密封件的實例。濾光效果的一個量度是所謂的遮光號。遮光號S與光透射率TL(以分數(shù)形式表 示)有關(guān)，由以下表達式表示S = 1+7/3 X IOlog (1/TL)本文所述類型的濾光器構(gòu)造可以使得濾光效果從亮態(tài)下的大約3. 3 (遮光號)改 變?yōu)榘祽B(tài)下的在大約9 (遮光號)到大約13(遮光號)范圍內(nèi)的數(shù)值?？梢酝ㄟ^使施加的 電壓從大約2. OV改變到大約4. 5V來改變?yōu)V光效果。圖4是示出不同觀察角度下的遮光號數(shù)值的極坐標圖80。圖4是采用如圖1所 示的可控濾光器結(jié)構(gòu)進行測量的結(jié)果，其中第一偏振器24在順時針方向上具有6度的偏斜角，第三偏振器32在逆時針方向上具有6度的偏斜角，液晶盒26和30具有80度的扭轉(zhuǎn)角。 極坐標圖80的最外圈代表與垂直入射角(由示意圖的中心表示)偏移30度的情況。該示 意圖在將傾角的步進量取為2. 5度并且將方位角的步進量取為10度的條件下在步進機內(nèi) 制作出來。其中每個灰度等級代表相同濾光效果的區(qū)域以遮光號為0. 5的步進量制作。DIN 遮光等級由附圖標記82示出。因為液晶盒26和30的扭轉(zhuǎn)角不為90度，并且第一偏振器 24和第三偏振器32的取向偏移，因此，相對于傳統(tǒng)濾光器結(jié)構(gòu)，在變動的觀察角范圍內(nèi)，暗 態(tài)下的濾光效果更均勻。該測量結(jié)果涉及到使用兩個相同的液晶盒。在該類實施例中，液晶盒26和30可 以由相同的控制電壓驅(qū)動，并且可以改變該控制電壓，以產(chǎn)生不同的非透光度并由此產(chǎn)生 暗態(tài)下的不同遮光度。該供電方式可以簡化所需的電子裝置。然而不需要液晶盒26和30為相同的。例如，在一個實施例中，可以將扭轉(zhuǎn)角為90 度的液晶盒和扭轉(zhuǎn)角介于20度和85度之間的低扭轉(zhuǎn)盒布置在偏移偏振器之間。在另一個 實施例中，可以將各自具有不同扭轉(zhuǎn)角度的兩個低扭轉(zhuǎn)盒布置在偏移偏振器之間。根據(jù)期 望的最終結(jié)果，可以將不同液晶盒進行組合以得到最優(yōu)化的全面解決方案。例如，可以將對 稱和非對稱設(shè)置的液晶盒、具有不同扭轉(zhuǎn)角和厚度的液晶盒等進行組合。以上提到的所有專利和專利申請(包括在背景技術(shù)中提到的文獻)的全部內(nèi)容都 通過引用并入本文。已經(jīng)描述了本發(fā)明的不同實施例。這些和其它實施例都在下面的權(quán)利要求書的范 圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種可控濾光裝置，包括第一、第二和第三偏振器；以及第一和第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒，每個液晶盒具有1度至小于90度的扭轉(zhuǎn)角，其中所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，而所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第二偏振器和所述第三偏振器之間；其中所述第一偏振器和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取向相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移；所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶盒包括相應(yīng)的第一和第二排列方向，所述第一排列方向和所述第二排列方向相對于所述第二偏振器的偏振取向與所述第二偏振器的偏振取向的法線軸的二等分線基本對稱地布置。
2.—種可控濾光裝置，包括 第一、第二和第三偏振器；以及第一和第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒，每個液晶盒具有1度至小于90度的扭轉(zhuǎn)角，其中所述第一 低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，而所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè) 置在所述第二偏振器和所述第三偏振器之間；其中所述第一偏振器和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取向相對于所述第二偏振器 的偏振取向的法線軸偏移；所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒包括相應(yīng)的第一和第二排列方向，所述第一排列方向和所述第 二排列方向相對于所述第二偏振器的偏振取向與所述第二偏振器的偏振取向的法線軸的 二等分線基本對稱地布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述第一偏振器的偏振取向相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移，所述第 三偏振器的偏振取向相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中，所述第一偏振器和所述第三偏振器中之一的偏振取向沿順時針方向以第一偏斜角相 對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移，而第一偏振器和所述第三偏振器中的另一 個的偏振取向沿逆時針方向以第二偏斜角相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏 移。
5.一種自動變光濾光單元，包括 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置；傳感器，其用于探測來自焊接設(shè)備的焊炬的入射光；以及控制電路，其響應(yīng)于所述入射光產(chǎn)生并發(fā)送信號到所述裝置，從而使得所述裝置變暗。
6.一種焊接頭盔，包括 外殼；以及根據(jù)權(quán)利要求5所述的自動變光濾光單元，所述外殼以如下方式支撐所述自動變光濾 光單元，即當用戶佩戴所述焊接頭罩時，所述自動變光濾光單元位于佩戴者的眼睛前方。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的焊接頭盔，其中 所述自動變光濾光單元是可替換的。
8.一種焊接頭盔，包括焊接面罩；可控濾光器，其設(shè)置在所述焊接面罩內(nèi)； 傳感器，其用于探測入射光；以及控制電路，其接收與入射光的有無相對應(yīng)的來自傳感器的信號，并響應(yīng)指示入射光存 在的信號而使得在所述可控濾光器上施加電壓；所述可控濾光器包括根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種可控濾光裝置，包括第一、第二和第三偏振器；以及第一和第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒，每個液晶盒具有1度至小于90度的扭轉(zhuǎn)角，其中所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之間，而所述第二低扭轉(zhuǎn)液晶盒設(shè)置在所述第二偏振器和所述第三偏振器之間；其中所述第一偏振器和所述第三偏振器中的至少一個的偏振取向相對于所述第二偏振器的偏振取向的法線軸偏移；所述第一低扭轉(zhuǎn)液晶盒包括相應(yīng)的第一和第二排列方向，所述第一排列方向和所述第二排列方向相對于所述第二偏振器的偏振取向與所述第二偏振器的偏振取向的法線軸的二等分線基本對稱地布置。
文檔編號G02F1/1335GK101881910SQ20101017505
公開日2010年11月10日 申請日期2006年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月9日
發(fā)明者佩爾-奧拉夫·達林, 克里斯蒂娜·M·芒努松, 肯尼思·亞雷福斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司