專利名稱：光學角度性能改進的液晶焊接玻璃屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學角度性能改進的液晶焊接玻璃屏，更具體地涉及根據(jù)下述權(quán)利要求1的前序部分的濾光片構(gòu)造。
液晶保護性玻璃屏對于本技術(shù)已經(jīng)公知許多年了。這種玻璃屏由交叉組合的偏振濾光片和液晶層組成，而該保護性玻璃屏能夠隨電影響的變化而從不透明狀態(tài)變化為透明度提高的狀態(tài)，這種影響受焊接進行中落在檢測器上的光或受電磁檢測的控制。這使得焊接工能夠不移走保護屏就進行焊接操作并同時在焊接區(qū)外進行工作，因為保護屏沒有受到焊接電弧照射時是清晰的或透明的，而當受到電弧照射時立即變暗。
濾光片通常安裝在面罩上，一個特殊問題是，由于密度濾光片效應取決于周圍光的入射角度，因此可見區(qū)的變暗不均勻。
US—A4,398,803敘述了這方面的一種改進，其中液晶做成相當薄，使得層厚度和光學各向異性(即正常光線和反常光線的折射系數(shù)之差△n)的乘積達到150和600納米之間。
由于這個原因，一個典型的元件構(gòu)造包括一個插在兩人互相交叉的偏振濾光片之間的扭轉(zhuǎn)的向列(TN)型液晶元件，其中界定的壁用沿特定方向(所謂準直方向)刷/擦過的塑料層處理過，使得液晶界定表面中的結(jié)構(gòu)迫使向列分子每個取特定的角度位置并使得分子在上述界定表面之間相互扭轉(zhuǎn)90°。(具有相應效果的其它表面處理方法對本技術(shù)也是公知的。)在非電激活的狀態(tài)下，當光通過濾光片時，偏振平面將轉(zhuǎn)動90°，從而補償交叉偏振片的效果并使元件成為透明。通過外加電場，可以在更大或更小的程度上停止向列分子的轉(zhuǎn)動，由此獲得也可以控制的濾光效果。但是，一個這種類型的元件在其黑暗的電激活狀態(tài)中具有相當強的不對稱性，可以變化地吸收除了直角以外的角度入射的光，這種不對稱性還由于最靠近表面的受表面效應約束的向列分子仍然產(chǎn)生殘余的光學活性而繼續(xù)放大。這樣，當入射光相對于法線(即垂直線)的角度增大時，在準直方向之間的沿兩個等分線方向的濾光片相對于交叉的偏振濾光片的方向沿一個等分線的方向?qū)⒏油该骱拖喈敽愣?，而沿另一等分線的方向?qū)⒆儼怠?br> 已知通過組合兩個扭轉(zhuǎn)90°的TN元件來補償不對稱性效果，使得一個TN元件的“弱”等分線將與另一“強”等分線符合一致，反之亦然。但是，盡管有這種補償，視覺場仍然是不均勻的，這對于使用人很麻煩。本發(fā)明的一個目的是在這方面作出改進。
本發(fā)明的一個特定目的是提供一種與玻璃的透明態(tài)中的低吸收有關(guān)的改進。另一個目的是提供一種保護性焊接玻璃，它在其變暗狀態(tài)下具有可變的暗度，使一個和同一個保護性玻璃屏能夠用于極強的焊接光和弱得多的焊接光，使得所有類型的焊接工作都能在可能的最好程度上用一個和同一個保護性玻璃屏完成。本技術(shù)領(lǐng)域公知，光學活性可以通過外加不同的電壓而變化，雖然在早期的公知技術(shù)中當跨越元件的電壓增大時取決于角度的光密度的不均勻性易于變得更為復雜。
根據(jù)具有在引言部分中說明的那種類型的液晶焊接玻璃濾光片構(gòu)造的本發(fā)明可以獲得最重要的目的，該構(gòu)造具有下述權(quán)利要求1的特征部分中提出的特征特點。
這樣，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，發(fā)明的概念不同于“扭轉(zhuǎn)向列”中90°的典型扭轉(zhuǎn)角，相反，利用了一個小于85°的較小的角，最好位于20°和85°之間。改進在90°和80°之間不太顯著，但在80°和70°之間比較顯著，在60°時更加明顯，在50°時也是如此。厚度為4μm的液晶優(yōu)選60—70°的扭轉(zhuǎn)角，由Merck ZLI 3700100液晶物質(zhì)構(gòu)成。雖然每個單個元件的不對稱性更有功效，但當組合兩個此類液晶時，場的均勻性得到改進。
在目前的液晶焊接玻璃中，在TN元件外常常使用一個顏料元件(客主元件)，以便獲得充分的吸收，并保證電壓損失情況下的安全狀態(tài)。雖然此種元件本身具有良好的角度性能，但它們組成復雜，可以使濾光片比必要的反應得更慢，因此一個特定的目的是能夠通過轉(zhuǎn)動或扭轉(zhuǎn)元件充分吸收光而取消顏料元件。
為了能夠?qū)⑼浑妷杭釉趦蓚€不同的液晶元件上，并從而簡化所需的電子技術(shù)，現(xiàn)時最好采用兩個完全相同的液晶元件。但是，放棄這種條件可以得到更大的自由度，而在交叉的偏振片之一中使用一個90°扭轉(zhuǎn)元件將進一步造成在不存在電壓時透明狀態(tài)下光的低吸收，以及在激活時更大的暗度。
當使用扭轉(zhuǎn)角小于90°的元件(為方便起見稱為“小扭轉(zhuǎn)元件”)時遇到的問題之一是在透明狀態(tài)下獲得高的光透射率，同時在黑暗狀態(tài)下獲得足夠低的光透射率。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，寧可采用一種“對稱的”偏振濾光片布局。當偏振濾光片設(shè)置成以90°相交時，安裝一個小扭轉(zhuǎn)元件使表面處理方向之間的等分線基本上與濾光片的偏振方向之間的等分線符合一致是合適的。最大的光透射率而后將在器件的電學上非激活的狀態(tài)即其透明態(tài)下獲得。
根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，將液晶元件的厚度減小到大于上述美國專利說明書中推薦的程度也是方便的。這尤其導致縮短開關(guān)時間，因為開關(guān)時間與元件厚度的平方成反比。這樣，通過在其它相等條件下將液晶元件的厚度從4μm減小到3μm就可以將開關(guān)時間減小50％的數(shù)量級?？梢酝ㄟ^下述方法來獲得這種元件厚度的減小，即利用小扭轉(zhuǎn)元件，根據(jù)在厚度和光學各向異性的乘積、扭轉(zhuǎn)角與光透射率或透明狀態(tài)之間存在的依賴關(guān)系來獲得?？梢岳眠@種依賴關(guān)系來制造一種具有良好光學角度性能、透明狀態(tài)下高的光透射率和快速開關(guān)性能的保護性焊接玻璃。這只有利用具有安置在上述對稱狀態(tài)下的偏振濾光片的小扭轉(zhuǎn)元件才有可能。
這種厚度問題的基本原因是，不具有顯著厚度的元件不會起使光學入射的偏振光清晰地旋轉(zhuǎn)的作用，而相反地會發(fā)射橢圓偏振光。當這種元件安置在兩個互相交叉的偏振濾光片之間時，透射率將隨元件厚度而周期性地變化。當使用扭轉(zhuǎn)角小于90°的元件時，這個問題稍許緩解。但是，光學厚度由扭轉(zhuǎn)角決定，如圖7所示和以后要說明的。因此，根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，厚度和光學各向異性(一種材料常數(shù))的乘積與扭轉(zhuǎn)角的組合是由這條曲線決定的。
根據(jù)另一個優(yōu)選實施例，一個小扭轉(zhuǎn)元件可以非對稱地安置，意味著銳角等分線的方向安置在元件的處理方向(擦的方向)之間，從而與一個偏振片的偏振方向符合一致。在一種非激活狀態(tài)中，這樣一種結(jié)構(gòu)將顯示相當?shù)偷墓馔干渎?，但當外加中等電壓時將得到較透明的狀態(tài)，當電壓再增高時，該較透明的狀態(tài)恢復到一般較暗的狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是電壓的損失不會造成光吸收的損失而仍然保留一定的保護效果。這使得能夠即使在高暗度時也更易于保持保護性焊接玻璃的現(xiàn)有標準，該標準要求調(diào)整狀態(tài)和損失電流源時出現(xiàn)的狀態(tài)之間的差別最多為9暗度。這使得能夠使用兩個非對稱的小扭轉(zhuǎn)元件或者一個對稱元件和一個非對稱的小扭轉(zhuǎn)元件。現(xiàn)在將參照示范性實施例和附圖更詳細地說明本發(fā)明。


圖1是根據(jù)一種已知技術(shù)(扭轉(zhuǎn)向列90°)的焊接用防護玻璃屏構(gòu)造的分解圖；圖2例示根據(jù)本發(fā)明的兩塊液晶元件定界板；圖3示意例示一種灰色標度，表示由較早的已知技術(shù)得到的使用人感覺到的不均勻吸收；圖4—6為極性圖，表示不同入射角處的光吸收；圖4例示所用標度；圖5是例示已知類型的保護性焊接玻璃的極性圖；圖6是例示本發(fā)明的保護性焊接玻璃的相應極性圖；圖7例示光扭轉(zhuǎn)角隨光各向異性和元件厚度的乘積而變化。
圖1的分解原理圖表示一個焊接防護玻璃屏的各個部件。最外層的部件是一個干涉濾光片1，它也起消除紫外線和紅外線并限制波長范圍的作用。其后為第一偏振濾光片2(偏振片)、第一旋光液晶元件(液晶屏)3、一個其偏振方向與第一偏振濾光片2的偏振方向成直角的第二偏振濾光片4、第二旋光液晶元件5和第三偏振濾光片6，后者的偏振方向與第一偏振濾光片2的方向相同。該配置也可以任選地包括一個所謂客主元件7。后一元件不是旋光元件而是包括一個向列液晶，其分子和原子在制備的玻璃表面的幫助下通常與第三偏振濾光片的偏振方向準直平行。一種具有有序的各向異性吸收的非混合顏料在準直狀態(tài)下是高度吸收的。當外加電壓時，向列液晶的分子將使它們自己安置成與上述表面成直角，并由此使顏料分子移動到吸收最小光量的位置。此類液晶元件在本技術(shù)領(lǐng)域中是公知的。此種元件比起其它液晶元件來具有的一個優(yōu)點是在沒有外加電壓時形成濾光效果，而其它液晶元件在沒有外加電壓時是透光的。當使用焊接濾光片并激勵其控制電路時，濾光片對光更為開放。一個傳感器(未示出)可以檢測焊接光是否進入濾光片，由此控制電路(未示出)使控制電壓加在元件3和5上而消除元件7上的電壓。一種此類裝置對本發(fā)明和較早的已知技術(shù)是共同的，因此本發(fā)明與液晶的性質(zhì)有關(guān)。
液晶元件的面向內(nèi)的玻璃板具有透明導電電極層(如二氧化錫層)，其上外加例如一層聚酰亞胺，該聚酰亞胺層通常已經(jīng)按照公知技術(shù)沿垂直于互相面對的表面的特定方向通過刷/擦進行過機械處理。根據(jù)這種公知技術(shù)，液晶元件3和5彼此非對稱地相對轉(zhuǎn)動，例如使得在元件3中接受光的第一元件表面在對偏振濾光片2的偏振方向的直角方向處受到處理，而在元件5中接受光的第一表面在平行于偏振濾光片2的偏振方向的方向處受到光。在這里達到了引言部分說明的補償作用。
通過將外加電壓從約3.3V變化到約4.4V，可以使這一類的焊接玻璃濾光片裝置從密度為3.6的透明狀態(tài)變化為密度值為9至13的范圍。同一電壓外加到兩個液晶元件上。
密度發(fā)生變化是因為力求使向到分子的取向平行于電場的電壓受到玻璃內(nèi)表面上的塑料層的補償，后者使分子沿平行于表面的方向準直，因此電影響的取向作用在其間具有其最大的效果并向著上述表面降低。但是，在實際中，由于表面效應，始終保持一定的光學活性。因此可以預期，在設(shè)有液晶元件時兩個互相交叉的偏振片將對應于10—11的密度，而當包括一個液晶元件并具有如上所述的各自的外加電壓時，密度實際上將在4.5和6.5之間變化。(密度一般定義如下；D＝1＋7/3×10log(1/T)，式中T為透射系數(shù)。)盡管對傾斜的入射角獲得了補償，但當實施該公知技術(shù)時，在視覺領(lǐng)域中仍然存在并非不顯著的差異。
至今為止，液晶保護性焊接玻璃構(gòu)造的構(gòu)思是以當液晶取向隨邊界表面處受力狀態(tài)而扭轉(zhuǎn)90°所得到的預期天然幾何形狀為基礎(chǔ)的。根據(jù)本發(fā)明，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)可以通過減小扭轉(zhuǎn)液晶的角度而得到改進。這例示于圖2，該圖表示一對液晶元件板。板10和11的互相面對的表面每個具有導電層和薄塑料涂層。這些導電層和涂層根據(jù)白色箭頭12和13但以相互角θ刷或擦，根據(jù)較早的公知技術(shù)，該角為90°，但根據(jù)本發(fā)明該角小于90°。如圖所示，板的配置預定用于沿逆時針方向自然旋轉(zhuǎn)的液晶元件，雖然以順時針方向旋轉(zhuǎn)的液晶元件也是公知的。在14和15處設(shè)置有施加電壓的機構(gòu)。參考編號16和17表示板邊緣上做的識別記號。
圖3例示焊接頭盔中包括的保護性焊接玻璃中的濾光片并表示由頭盔戴用人看到的濾光片。濾光片受到激活，沿向前方向具有密度因子或系數(shù)，但是，該系數(shù)沿兩個方向減小，使得區(qū)域18處的視覺場具有減小的吸收。這是由戴用人接受到的主觀圖象，雖然實際上不均勻性在場中并未局部化而是將自身表現(xiàn)在與角度有關(guān)的偏轉(zhuǎn)中。這種角度關(guān)系表示于圖4—6，其中圖4例示圖5和6中使用的極坐標系統(tǒng)，圖中陰影環(huán)表示根據(jù)上述定義光吸收從光亮的或透明的效果到較暗的效果的單位增量的增加。圖5例示根據(jù)已知技術(shù)用一個具有兩個90°扭轉(zhuǎn)液晶元件的裝置得到的測量結(jié)果，而圖6例示當一對編振濾光片之間包括兩個60°扭轉(zhuǎn)的液晶元件時得到的結(jié)果。在兩種場合在0°旋轉(zhuǎn)的情況下沿向前方向的密度為12。
因為角度θ不同于90°，所獲得的濾光效果遠比變化的視角更為均勻。在兩種情況下使用了同一液晶物質(zhì)，在兩種情況下都外加了按照上述13的定義形成所要密度的電壓，從而形成適合于在產(chǎn)生極強焊接光的條件下焊接的極高阻尼效應。在兩種情況下的構(gòu)造是相同的，如圖1所示，唯一的差別是圖5例示的液晶元件3和5扭轉(zhuǎn)90°，而圖6例示的液晶元件扭轉(zhuǎn)一個較小的60°角。兩個圖都是極性圖，最外邊的圓圈代表從垂直直射角偏離30°。這些圖是在步進機中產(chǎn)生的，步進機中采用的傾斜步進為2°，方位步進為10°。代表相等吸收的曲線以單獨的單位步進產(chǎn)生。
至今所提到的例子涉及采用兩種相同的液晶元件。這方面的優(yōu)點是兩種液晶元件都可以用一個和同一個電壓驅(qū)動，該電壓可以變化而產(chǎn)生不同的密度。這簡化了要求的電子線路。但是，當使用更昂貴的電子線路時，不再施加該強制條件，此種電子線路提供獲得上述補償?shù)母笞杂啥取?br> 然后變得有吸引力的是在互相交叉的偏振片之間配置一個第一已知90°扭轉(zhuǎn)液晶元件和在其它互相交叉的偏振片之間配置另一個具有20—85°扭轉(zhuǎn)的液晶元件，從而優(yōu)化對第一元件中吸收誤差的補償。這種自由度數(shù)目的增加也能夠影響黑暗狀態(tài)用的極性圖中的結(jié)構(gòu)。
也可以組合不同的液晶元件以獲得一種優(yōu)化的總的解決辦法，其中這種優(yōu)化適合于所要的最終結(jié)果。例如，可以組合對稱地和非對稱地安裝的扭轉(zhuǎn)角和厚度等不同的液晶或液晶元件。
如上所述，對于較早公知的技術(shù)，有充公的理由不僅將扭轉(zhuǎn)角而且將液晶元件厚度減小到相應程度。上述美國專利說明書NO.4,398,803提出，已知的90°扭轉(zhuǎn)液晶的厚度受到限制，使得用微米表示的光學各向異性和層厚度在150和600納米之間。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，發(fā)現(xiàn)對于每個扭轉(zhuǎn)角存在一個最佳厚度(或更準確地說是最佳的光學各向異性和厚度的乘積)。在這個最佳厚度得到可能的最好透明態(tài)。該作用示于圖7。
權(quán)利要求
1.一種焊接玻璃濾光片構(gòu)造，該構(gòu)造能夠隨焊接光強度的變化而在高的光吸收態(tài)和低的光吸收態(tài)之間迅速轉(zhuǎn)變，反之亦然，該構(gòu)造包括兩設(shè)置在透明的安裝了電極的板之間的向列型液晶元件，這些板可以連接到電壓源上并敷有涂層，所述涂層決定分子取向并確定在其限制表面上具有相互角位移的分子準直方向，由此使液晶在板上電極涂層之間不存在電壓時產(chǎn)生光學扭轉(zhuǎn)，其中每個所述元件安裝在相互消光的偏振濾光片之間，而且其中分子準直方向是這樣轉(zhuǎn)動的，使得當外加一個電壓時得到一個在所述元件的相應的非對稱光吸收之間的補償效果，其特征在于，所述元件的在上述分子準直方向之間的至少一個角位移不同于90°并小于或等于85°。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1的濾光片構(gòu)造，其特征在于，該不同于90°的準直方向呈現(xiàn)一個在90°和85°之間的角度。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2的濾光片的構(gòu)造，其特征在于，至少在上述準直方向之間的角扭轉(zhuǎn)不同于90°的液晶的厚度是這樣適配的，使得對于不同偏振方向的最高和較低的折射系數(shù)之間的差異和厚度的乘積最大為0.4um，而每個元件具有一個在上述決定分子方向的涂層之間最大為70°的角度差。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求2—3中任何一項的濾光片構(gòu)造，其特征在于，上述厚度最大為3um。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1的濾光片構(gòu)造，其特征在于，所述兩個元件相互間一般是相同的，而電壓源適合于給所述元件施加相等的電壓。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1的濾光片構(gòu)造，其特征在于，在其間安裝了相應元件的偏振濾光片具有互相交叉90°角的偏振方向。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的濾光片構(gòu)造，其特征在于，至少一個其決定分子方向的涂層具有小于90°的相互角位移的所述元件被安裝在其偏振方向與相應的最近涂層的方向相一致的偏振濾光片之間。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1的濾光片構(gòu)造，其特征在于，不同于90°的準直方向之間的銳角的等分線通常平行于兩個圍繞的偏振濾光片的偏振方向之間的等分線。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1的濾光片構(gòu)造，其特征在于，不同于90°的準直方向之間的銳角的等分線通常平行于兩個圍繞的偏振濾光片之一的偏振方向。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求2的濾光片構(gòu)造，其特征在于，至少一個所述液晶有一個一方面為厚度和不同偏振方向的最高及最低折射系數(shù)之差的乘積而另一方面為上述準直方向之間角度的這兩者之間的比值，該比值對應于圖7中所示曲線上的一個點。
11.一種根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一項的濾光片構(gòu)造，其特征在于，所述元件在其各自涂層的方向之間有一個為90°的相互角位移，而各自的偏振濾光片也以小于90°的角度互相交叉。
全文摘要
一種液晶焊接玻璃構(gòu)造，其密度在焊接時增大，它包括兩個設(shè)置于偏振濾光片之間的液晶元件，這些偏振濾光片具有相互消光的作用。在安裝濾光片時，使濾光片轉(zhuǎn)動，使各自的對于光學密度的角度相關(guān)性彼此抵消。通過改進這種補償作用，將確定分子方向的相互對置的限定壁的刷/擦被限制在至少一個液晶元件(3)該元件的相對角位移不同于90°，并小于或等于85°。此角最好為20°至85°。
文檔編號G02F1/13GK1127555SQ9519034
公開日1996年7月24日 申請日期1995年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1994年4月26日
發(fā)明者阿克·霍耐爾, 斯提芬·帕爾莫 申請人:豪涅耳電光學股份有限公司