CH688292A5

CH688292A5 - Electro=optical light protection device for safety spectacles or helmet

Info

Publication number: CH688292A5
Application number: CH01796/93A
Authority: CH
Inventors: Livio Ghisleni; Stefan Gunz
Original assignee: Xelux Holding Ag
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1993-06-16
Publication date: 1997-07-15

Abstract

The light protection device has at least one photodetector (3), responding to the incident light to provide a signal for a switch (4). This controls a driver circuit (5) for a light filter (6) with at least one liquid crystal cell (7). The light filter is supplied with a bias voltage which is below the optical characteristic switching threshold, provided by a separate voltage source (A) to the voltage source (B) used to switch the filter.

Description

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Beschreibung description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Blendschutzvorrichtung gemäss Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1. The present invention relates to an anti-glare device according to the preamble of the present claim 1.

Solche Blendschutzvorrichtungen sind dem Fachmann in verschiedenen Ausführungsformen bekannt und umfassen im wesentlichen eine Lichtfilteranordnung, wie sie bspw. in der DE 2 553 976 beschrieben wird, mit mindestens einer Flüssigkristallzelle und verschiedenen passiven Lichtfilterelementen, bspw. Polarisationsfolien, IR- und W-Sperrfilter, sowie eine ein Fotoelement aufweisende Ansteue-rungselektronik und eine Stromversorgung, insbesondere eine Kleinbatterie. Die in dieser Druckschrift beschriebene Ansteuerelektronik erzeugt eine Rechteck-Wechselspannung von 1 bis 6 Volt bei 50 Hz. Die Schwellspannung, bei der die beabsichtigte Verdunkelung ausgelöst wird, liegt bei ca. 1 Volt. Obwohl mit dieser Vorrichtung eine den Schweisserschutzanforderungen genügende Verdunkelung erreicht wird, erweist sich die Zeitspanne zur Erlangung des gewünschten Verdunkelungseffekts als zu lang, um wirklich blendfrei arbeiten zu können. Such glare protection devices are known to the person skilled in the art in various embodiments and essentially comprise a light filter arrangement, as described, for example, in DE 2 553 976, with at least one liquid crystal cell and various passive light filter elements, for example polarizing films, IR and W blocking filters, and a control electronics having a photo element and a power supply, in particular a small battery. The control electronics described in this publication generate a square-wave alternating voltage of 1 to 6 volts at 50 Hz. The threshold voltage at which the intended darkening is triggered is approximately 1 volt. Although this device achieves a blackout that meets the welding protection requirements, the time period to achieve the desired blackout effect turns out to be too long to be able to work really glare-free.

Um die Einschaltzeit zu verkürzen wurde beispielsweise in der DE 2 606 416 vorgeschlagen, eine handelsübliche Flüssigkristallzelle zu verwenden, deren Flüssigkristall eine frequenzabhängige Anisotropie der dielektrischen Konstanten aufweist, welche unterhalb 100 Hz positiv und oberhalb 100 Hz negativ ist, um entweder die homöotrope Orientierung (bei niedrigen Frequenzen von ca. 50 Hz) oder die homogene Orientierung (bei hohen Frequenzen von ca. 30 kHz) in einem stabilen Gleichgewichtszustand vorliegen zu haben. Damit sind Umschaltzeiten vom homöotropen Zustand in den homogenen Zustand von 20 bis 50 ms realisierbar. Leider erweist sich diese Lösung als nicht sehr praktikabel, da für die Aktivierung der Zelle eine Wechselspannung von ca. 50 Volt benötigt wird und damit die Verwendung einer unhandlichen Spannungsquelle erforderlich wird. In order to shorten the switch-on time, it was proposed in DE 2 606 416, for example, to use a commercially available liquid crystal cell, the liquid crystal of which has a frequency-dependent anisotropy of the dielectric constants, which is positive below 100 Hz and negative above 100 Hz in order to either improve the homeotropic orientation (at low frequencies of approx. 50 Hz) or the homogeneous orientation (at high frequencies of approx. 30 kHz) in a stable state of equilibrium. This enables switching times from the homeotropic state to the homogeneous state of 20 to 50 ms. Unfortunately, this solution proves to be not very practical, since an AC voltage of approximately 50 volts is required for the activation of the cell and therefore the use of an unwieldy voltage source is necessary.

Es ist deshalb bspw. in der US 3 575 491 auch schon vorgeschlagen worden, an die Flüssigkristallzelle nur kurzzeitig d.h. während ca. 10 ms eine Spannung von 180 Volt anzulegen, um damit die Zeit für die gewünschte Umorientierung der Flüssigkristallmoleküle zu reduzieren. Dazu wird die Ansteuerelektronik mit einem «fast-turn-on»-Schalt-kreis bestückt, welcher sicherstellt, dass die Flüssigkristallzelle mit einem Gleich- oder Wechselspannungssignal betrieben wird, welches über dem Flüssigkristall kurzzeitig ein elektrisches Feld nahe dem dielektrischen Durchbruch erzeugt. Mit dieser Vorrichtung kann eine ausreichende Verdunkelung in weniger als 500 ps erzeugt werden. Leider erweist sich auch bei dieser Ausführungsform die benötigte Spannungsversorgung als äusserst unhandlich. It has therefore already been proposed, for example in US Pat. No. 3,575,491, to attach the liquid crystal cell only briefly, i.e. apply a voltage of 180 volts for approx. 10 ms in order to reduce the time for the desired reorientation of the liquid crystal molecules. For this purpose, the control electronics are equipped with a "fast turn-on" circuit, which ensures that the liquid crystal cell is operated with a direct or alternating voltage signal, which briefly generates an electric field near the dielectric breakdown above the liquid crystal. With this device, sufficient darkening can be generated in less than 500 ps. Unfortunately, the required power supply also proves to be extremely unwieldy in this embodiment.

All diese bekannten Ausführungsformen sind darauf ausgerichtet, über dem Flüssigkristall möglichst rasch ein möglichst hohes äusseres elektrisches Feld aufzubauen, um den Zustand des inneren Feldes des Flüssigkristalls zu verändern. Es liegt aber in der Natur der Flüssigkristallmoleküle, dass diese dem angelegten äusseren Feld nur mit einer von ihren inneren Eigenschaften abhängigen Verzögerung folgen und damit die Umschaltzeit begrenzt ist. All of these known embodiments are designed to build up the highest possible external electric field over the liquid crystal in order to change the state of the inner field of the liquid crystal. However, it is in the nature of the liquid crystal molecules that they only follow the applied external field with a delay which is dependent on their internal properties and the switching time is therefore limited.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Blendschutzvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und insbesondere auch ohne aufwendige Stromversorgung genügend rasche Umschaltzeiten für ein blendfreies Arbeiten ermöglicht. It is therefore an object of the present invention to provide an anti-glare device which does not have the disadvantages of the known devices and, in particular, enables sufficiently rapid changeover times for glare-free work even without a complex power supply.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale des vorliegenden Anspruchs 1 aufweist und welche sich im wesentlichen dadurch auszeichnet, dass die mit einer niedrigen Betriebsspannung betriebene Flüssigkristallzelle zur Verminderung der intrinsisch bedingten Verzögerung der Umschaltzeit einer Vorspannung ausgesetzt ist, welche wenig unterhalb der Schwellspannung liegt, bei welcher der Flüssigkristall in einen Zustand kippt, der den Verdunkelungseffekt verursacht. Dieser Zustand wird mit einer wenig oberhalb dieser Schwellwertspannung liegenden Hauptbetriebsspannung aufrecht erhalten. This object is achieved according to the invention by a device which has the features of the present claim 1 and which is essentially characterized in that the liquid crystal cell operated at a low operating voltage is subjected to a bias voltage which is slightly below that in order to reduce the intrinsically caused delay in the switching time There is a threshold voltage at which the liquid crystal tilts into a state which causes the darkening effect. This state is maintained with a main operating voltage slightly above this threshold voltage.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfin-dungsgemässen Vorrichtung werden die Vorspannung und die Hauptbetriebsspannung in unterschiedlicher Weise generiert, d.h. sind mehrere voneinander unabhängige Spannungsquellen vorgesehen und/oder weisen die Vorspannung und die Hauptbetriebsspannung zusätzlich unterschiedliche Frequenzen auf. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the bias voltage and the main operating voltage are generated in different ways, i.e. If several independent voltage sources are provided and / or the bias voltage and the main operating voltage also have different frequencies.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsge-mässen Blendschutzvorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der vorliegenden abhängigen Ansprüche. Further embodiments of the anti-glare device according to the invention result from the features of the present dependent claims.

Mit der erfindungsgemässen Vorrichtung wird einerseits die Schwellwert- resp. die Hauptbetriebsspannung rascher erreicht; nennenswert ist jedoch die Verringerung der intrinsischen Verzögerung. Dies führt zu einer wesentlich rascheren Verdunkelung und macht Beschleunigerschaltungen, wie sie heute verwendet werden, weniger aufwendig oder sogar überflüssig. Die erfindungsgemässe Vorrichtung erlaubt ein absolut blendfreies Arbeiten auch unter häufig wechselnden Bedingungen. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich aus der verbrauchsarmen elektronischen Schaltung und deren niedriger Betriebsspannung, welche im wesentlichen den Einsatz von zwei unabhängigen Spannungsquellen erlaubt. Insbesondere ermöglicht diese Schaltung die Verwendung von Solarzellen zur Speisung der Flüssigkristallzelle während der «stand-by»-Phase. With the device according to the invention the threshold value resp. reaches the main operating voltage more quickly; However, the reduction in intrinsic delay is noteworthy. This leads to a much faster darkening and makes accelerator circuits, as they are used today, less complex or even unnecessary. The device according to the invention allows absolutely glare-free work even under frequently changing conditions. A major advantage results from the low-consumption electronic circuit and its low operating voltage, which essentially allows the use of two independent voltage sources. In particular, this circuit enables the use of solar cells for feeding the liquid crystal cell during the “stand-by” phase.

Im folgenden soll die Erfindung an einem Beispiel und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. The invention will be explained in more detail below using an example and with the aid of the figures.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1a: Ein Transmissions-Zeit-Diagramm einer Vorrichtung bekannter Art; Fig. 1a: A transmission-time diagram of a device of known type;

Fig. 1b: Ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer Vorrichtung bekannter Art; 1b: a voltage-time diagram of a device of known type;

Fig. 2a: Ein Spannungs-Zeit-Diagramm einer er-findungs gemässen Vorrichtung; 2a: A voltage-time diagram of a device according to the invention;

Fig. 2b: Ein Transmissions-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemässen Vorrichtung; 2b: a transmission-time diagram of a device according to the invention;

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Fig. 3: Ein Blockschema einer erfindungsgemässen Vorrichtung. 3: A block diagram of a device according to the invention.

Das in Fig. 1a dargestellte Diagramm verdeutlicht den Verdunkelungseffekt beim Einschalten der Flüssigkristallzelle bekannter Vorrichtung. Insbesondere lässt die ausgezogene Kurve im wesentlichen drei Bereiche erkennen: ein erster Bereich I, in dem die Flüssigkristallzelle optisch transparent ist, was immer dann vorliegt, wenn kein grelles Licht auf den Sensor der Blendschutzvorrichtung fällt; ein Bereich III, in welchem die Flüssigkristallzelle eine maximale Verdunkelung aufweist und ein Übergangsbereich II, in welchem die optische Transmission der Flüssigkristallzelle ihren Wert ändert. Wenn zur Zeit t0 ein Einschaltsignal generiert wird, wird die Speisespannung für die Flüssigkristallzelle auf den Wert der Hauptbetriebsspannung Vm erhöht. Dabei wird die Schwellwertspannung Vt dieser Flüssigkristallzelle traversiert und das Umkippen der homöotro-pen Situation ausgelöst. Diese Umlagerung vom homöotropen in den regellosen Zustand führt zur genannten intrinsischen Verzögerung At. Fig. 1b zeigt das zu Fig. 1a korrelierende Spannungs-Zeit-Diagramm. Die hier angegebene Schwellwertspannung liegt bei 2-3 Volt und genügt, um eine Flüssigkristallzelle in die Umklapp-Phase zu bringen. Um die Verdunkelung aufrecht zu erhalten, wird die Flüssigkristallzelle mit einer konstanten Hauptbetriebsspannung, hier 3—4 Volt, gespeist. Die in diesen Diagrammen dargestellte gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der optischen Transmission resp. der angelegten Spannung bei einer Blendschutzvorrichtung mit einer Beschleunigerschaltung. Mit einer solchen Schaltung beginnt der Umklapp-Prozess etwas früher. Die intrinsische Verzögerung wird damit jedoch nicht genügend beeinflusst. The diagram shown in Fig. 1a illustrates the darkening effect when switching on the liquid crystal cell known device. In particular, the solid curve reveals essentially three areas: a first area I, in which the liquid crystal cell is optically transparent, which is always the case when no bright light falls on the sensor of the anti-glare device; an area III in which the liquid crystal cell has a maximum darkening and a transition area II in which the optical transmission of the liquid crystal cell changes its value. If a switch-on signal is generated at time t0, the supply voltage for the liquid crystal cell is increased to the value of the main operating voltage Vm. The threshold voltage Vt of this liquid crystal cell is traversed and the homeotropic situation is triggered. This rearrangement from the homeotropic to the random state leads to the intrinsic delay At. FIG. 1b shows the voltage-time diagram correlating to FIG. 1a. The threshold voltage specified here is 2-3 volts and is sufficient to bring a liquid crystal cell into the flip-over phase. In order to maintain darkening, the liquid crystal cell is supplied with a constant main operating voltage, here 3-4 volts. The dashed line shown in these diagrams shows the course of the optical transmission resp. the voltage applied to a glare protection device with an accelerator circuit. With such a circuit, the flip process begins a little earlier. However, the intrinsic delay is not influenced enough.

Demgegenüber zeigen die Fig. 2a und 2b entsprechende Diagramme für eine erfindungsgemäs-se Vorrichtung. So liegt die an der Flüssigkristallzelle angelegte «stand-by»-Spannung V, in diesem Ausführungsbeispiel bei 2 bis 3 Volt, und braucht nach Auslösen des Einschaltsignals lediglich auf 3 bis 4 Volt angehoben zu werden. Damit wird vorerst wiederum der Schwellwert geringfügig früher traversiert. Wesentlich jedoch erweist sich, dass damit der Umklapp-Prozess nennenswert früher einsetzt, was darauf zurückzuführen ist, dass dafür kein starkes inneres Feld verändert zu werden braucht. In contrast, FIGS. 2a and 2b show corresponding diagrams for a device according to the invention. The “stand-by” voltage V applied to the liquid crystal cell, in this exemplary embodiment is 2 to 3 volts, and only needs to be raised to 3 to 4 volts after the switch-on signal has been triggered. For the time being, the threshold value is traversed slightly earlier. However, it turns out to be essential that the folding process starts earlier, which is due to the fact that there is no need to change a strong inner field.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung in einem einfachen Blockschema. Das vom Wandler 3 erzeugte Signal wird einer Schalteinheit 4, welche insbesondere eine Verstärker- und Flip-Flop-Schaltung umfasst, zugeführt, um ein Ein/Aus-Signal zu erzeugen. Die Schalteinheit 4 ist mit einer Treiberschaltung 5 verbunden, welche insbesondere auch einen Oszillator und/oder einen Regler umfassen kann, wobei die Treiberschaltung 5 eine Lichtfilteranordnung 6 treibt. Vorzugsweise umfasst diese Lichtfilteranordnung 6 mehrere optisch hintereinander angeordnete Flüssigkristallzellen 7, bei besonderen Bauweisen genügt aber auch eine einzelne Flüssigkristallzelle. Erfindungsge-mäss liegt an mindestens einer dieser Flüssigkristallzellen 7 während der «stand-by» Phase eine Vorspannung und wird zur Verdunkelung während der Arbeitsphase eine Hauptbetriebsspannung angelegt. Für die jeweils anzulegende Spannung sorgt eine Wechselschaltung der Treiberschaltung 5. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Wechselschaltung und die Flüssigkristallzellen während der «stand-by»-Phase von einer Solarzelle A gespeist, während in der Arbeitsphase eine Spannungsquelle B dazugeschaltet oder als unabhängige Spannungsquelle allein eingeschaltet wird, um die mindestens eine Flüssigkristallzelle mit der erforderlichen Hauptbetriebsspannung Vm zu versorgen. 3 shows an anti-glare device according to the invention in a simple block diagram. The signal generated by the converter 3 is fed to a switching unit 4, which in particular comprises an amplifier and flip-flop circuit, in order to generate an on / off signal. The switching unit 4 is connected to a driver circuit 5, which in particular can also include an oscillator and / or a controller, the driver circuit 5 driving a light filter arrangement 6. This light filter arrangement 6 preferably comprises a plurality of liquid crystal cells 7 arranged optically one behind the other, but in the case of special designs a single liquid crystal cell is also sufficient. According to the invention, a bias voltage is applied to at least one of these liquid crystal cells 7 during the “stand-by” phase and a main operating voltage is applied to darken it during the working phase. An alternating circuit of the driver circuit 5 provides the voltage to be applied in each case. In a preferred embodiment, the alternating circuit and the liquid crystal cells are fed by a solar cell A during the “stand-by” phase, while in the working phase a voltage source B is added or as an independent voltage source alone is switched on in order to supply the at least one liquid crystal cell with the required main operating voltage Vm.

In einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung und insbesondere der Wechselschaltung ist vorgesehen, die normalerweise elektronisch parallelgeschalteten Flüssigkristallzellen 7, während der «stand-by»-Phase in Serie zueinander zu schalten. Dadurch kann die während der Arbeitsphase an den Flüssigkristallzellen 7 anliegende Hauptbetriebsspannung auf einen Wert unterhalb der Schwellwertspannung pro Zelle reduziert werden. Um einen als Vorspannung geeigneten Spannungswert zu erzielen, stehen dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Beispielsweise kann eine zusätzliche und entsprechend dimensionierte Last, insbesondere eine kapazitive Last, in Serie zu der mindestens einen Flüssigkristallzelle geschaltet werden. Die geeignete Dimensionierung eines Schaltkreises zum Wechseln zwischen Vorspannungs- und Hauptbetriebsspannung liegt im Bereich des fachmännischen Könnens. In a further development of the device according to the invention and in particular of the changeover circuit, it is provided that the normally electronically connected liquid crystal cells 7 are connected in series to one another during the “stand-by” phase. As a result, the main operating voltage applied to the liquid crystal cells 7 during the working phase can be reduced to a value below the threshold voltage per cell. Various possibilities are available to the person skilled in the art to achieve a voltage value suitable as a preload. For example, an additional and appropriately dimensioned load, in particular a capacitive load, can be connected in series with the at least one liquid crystal cell. The appropriate dimensioning of a circuit for changing between the bias voltage and the main operating voltage lies within the range of the skilled person.

In einer anderen Ausführungsform wird zusätzlich die Frequenzabhängigkeit der Transparenz der Flüssigkristallzellen benutzt, um diese zwischen ihrem geordneten und ihrem regellosen Zustand wechseln zu lassen. Eine entsprechende Wechselschaltung kann der Fachmann ohne weiteres Dazutun erarbeiten. In another embodiment, the frequency dependency of the transparency of the liquid crystal cells is additionally used in order to make them switch between their ordered and their random state. A person skilled in the art can work out a corresponding changeover circuit without further ado.

Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Blendschutzvorrichtung vom Fachmann ohne erfinderisches Tun mit anderen bekannten Massnahmen zur Verkürzung der Verdunklungszeit kombiniert werden kann. Insbesondere mit zusätzlichen Sensoren, besonderer Wahl der Flüssigkristallzelle und Optimierung der Elektronik. Es versteht sich auch, dass bei längerem Nichtgebrauch der Blendschutzvorrichtung auch die «stand-by»-Schaltung ausgeschaltet werden kann, resp. dass die Treiberschaltung Regler umfasst, mit welchen der Transmissionswert und/oder die Verdunkelungsverzögerung manuell eingestellt werden kann. It goes without saying that the anti-glare device according to the invention can be combined by the person skilled in the art without other inventive measures with other known measures to shorten the darkening time. Especially with additional sensors, special choice of the liquid crystal cell and optimization of the electronics. It also goes without saying that if the anti-glare device is not used for a long time, the "stand-by" circuit can also be switched off, or that the driver circuit comprises controllers with which the transmission value and / or the blackout delay can be set manually.

Claims

1. Electro-optical anti-glare device for protective glasses, protective helmets or protective masks with at least one detector (3), a switching unit (4) for generating an on / off signal and a driver circuit (5) for a light filter arrangement (6) with at least one liquid crystal cell (7) and at least one voltage source (B), characterized in that before a main operating voltage is generated by a signal from the switching unit

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(4) for darkening the light filter arrangement (6), on which at least one liquid crystal cell (7) there is a bias voltage which is below a threshold voltage at which the liquid crystal tilts into a state with optical activity preferably changed by 90 degrees.

2. Anti-glare device according to claim 1, characterized in that the bias voltage and the main operating voltage for the liquid crystal cell (7) can be generated in different ways.

3. Anti-glare device according to claim 2, characterized in that the bias voltage can be generated with the aid of a separate bias voltage source (A).

4. Anti-glare device according to claim 3, characterized in that the bias voltage source (A) comprises a photovoltaic element.

5. Anti-glare device according to claim 2, characterized in that at least one liquid crystal cell (7) for the supply with the main operating voltage is connected in parallel with an impedance, and for the supply with the bias voltage is connected in series with this impedance.

6. Anti-glare device according to claim 5, characterized in that the impedance is a separate capacitive load.

7. Anti-glare device according to claim 2, characterized in that the bias voltage has a different frequency than the main operating voltage required for darkening the liquid crystal cell.

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