DD250191A1

DD250191A1 - DEVICE FOR GENERATING CLEARLY VISIBLE INFORMATION IN OPTICAL RADIATION

Info

Publication number: DD250191A1
Application number: DD29162286A
Authority: DD
Inventors: Michael Keil; Klaus Nitsche; Ruediger Salomon
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1986-06-20
Publication date: 1987-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung deutlich sichtbarer Informationen in optischen Strahlengaengen und ist anwendbar, um Informationen wie Skalen, Marken und Zeichen, zu erzeugen, die sich scharf und deutlich auch von lichtarmen Objekten abheben. Ziel der Erfindung war die Entwicklung einer im Strahlengang angeordneten beleuchteten Fluessigkristallzelle, die eine kostenguenstige Fertigung mit geringem Aufwand erlaubt und eine hohe Zuverlaessigkeit, Genauigkeit und Lebensdauer gewaehrleistet. Die Aufgabe der Realisierung einer Fluessigkristallzelle, deren Informationen unabhaengig von den herrschenden Lichtverhaeltnissen einen hohen Kontrast zum Hintergrund aufweisen, wird mit der Einrichtung, bestehend aus zwei parallelen, eine pneumatische Fluessigkeit einschliessenden, Glasplatten, die jeweils ueber einen Satz multiplex ansteuerbar transparenter Leiter verfuegen, dadurch geloest, dass in eine Glasscheibe der Fluessigkristallzelle ein paralleler polarisierter Lichtstrahl seitlich unter einem definierten Winkel, der geringfoermig ueber dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzflaeche Glas-Fluessigkristall liegt, eingeblendet wird. Fig. 1The invention relates to a device for generating clearly visible information in optical beam lengths and is applicable to produce information such as scales, marks and characters, which stand out sharply and clearly from low-light objects. The aim of the invention was the development of an arranged in the beam path illuminated liquid crystal cell, which allows a cost-effective production with little effort and ensures high reliability, accuracy and durability guaranteed. The object of the realization of a liquid crystal cell, the information regardless of the prevailing Lichtverhaeltnissen have a high contrast to the background, with the device consisting of two parallel, a pneumatic fluid enclosing, glass plates, each having a set of multiplex controllable transparent conductor, characterized solved that in a glass pane of the liquid crystal cell, a parallel polarized light beam laterally at a defined angle which is slightly above the critical angle of total reflection at the interface glass-liquid crystal, is superimposed. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung ist anwendbar, um in optischen Strahlengängen von Meß- und Beobachtungsgeräten, Mikroskopen, Kameras u.a. Informationen, wie Skalen, Marken, alphanumerischen Zeichen oder andere Prüfzeichen, zu erzeugen, die sich scharf und deutlich auch von lichtarmen Objekten abheben.The invention is applicable to in optical beam paths of measuring and observation equipment, microscopes, cameras u.a. Generate information such as scales, marks, alphanumeric characters or other marks that stand out sharply and clearly from low-light objects.

Characteristic of the known technical solutions

Aus der Fach- und Patentliteratur sind eine Reihe technischer Lösungen zur Darstellung von Meß- und Visiermarken in optischen Strahlengängen bekannt.From the technical and patent literature, a number of technical solutions for the representation of measuring and visor marks in optical beam paths are known.

Im folgenden wird nur auf solche Lösungen eingegangen, bei denen verschiedenste Informationen, wie Skalen, Marken und Zeichen, direkt im Strahlengang erzeugt werden bzw. nach der Erzeugung in den Strahlengang eingespiegelt werden. Hierfür hat sich die Anwendung von LC-Bauelementen auf der Basis des DSM-Effektes (Dynamik-Scattering-Mode) als besonders effektvoll erwiesen.In the following, only those solutions are considered in which a wide variety of information, such as scales, marks and characters, are generated directly in the beam path or are mirrored into the beam path after the generation. For this purpose, the application of LC components based on the DSM effect (dynamic scattering mode) has proven to be particularly effective.

In der GB-PS 1403 575 wird eine technische Lösung beschrieben, bei der mittels einer Flüssigkristallzelle verschiedene Informationen erzeugt werden, die über ein Linsen- und Spiegelsystem in den Hauptstrahlengang des optischen Gerätes eingeblendet werden. Als nachteilig bei dieser technischen Lösung erweist sich, daß für die Informationserzeugung mit der Flüssigkristallzelle ein zweiter Strahlengang vorhanden sein muß, wodurch das Bauvolumen des Gerätes vergrößert wird. Durch das Linsen- und Spiegelsystem zum Einblenden der Informationen in den Hauptstrahlengang kann es auch zu Ungenauigkeiten aufgrund von Justierungsproblemen kommen. Besonders nachteilig wirkt sich aus, daß sich die Anzeigen, die als scharfe schwarze Linien sichtbar sind, bei geringen Lichtintensitäten nur schlecht vom Objekt abheben. Es wurde keine Möglichkeit für eine eventuelle Beleuchtung der Informationen zur Erhöhung der Kontrastwirkung angegeben. Eine weitere technische Lösung zur Anwendung einer Flüssigkristallzelle zur Informationserzeugung in optischen Strahlengängen ist in der DE-AS 2347788 beschrieben. Diese Erfindung betrifft eine digitale verstellbare Visiermarke, bei der die Flüssigkristallzelle, die direkt im Strahlengang angeordnet ist, aus zwei, eine nematische Flüssigkeit einschließenden, parallelen Glasplatten besteht, die zur Informationserzeugung mit horizontalen bzw. vertikalen parallelen transparenten Leitern versehen sind. Durch separate Ansteuerung einzelner Leiter können neben Visiermarken auch alphanumerische Zeichen und andere Prüfzeichen erzeugt werden, die sich als schwarze scharfe Linien abzeichnen. Der Kontrast zwischen der Information und dem Objekt ist bei hohen Lichtintensitäten ausgezeichnet, da die Steuerung einen Transmissionsverlust eines festen Prozentsatzes des auftreffenden Lichtes erzeugt, der unabhängig vom Beleuchtungsgrad ist. Der Nachteil dieser Erfindung liegt darin, daß die Möglichkeit zur Erzeugung heller Informationen bei niedriger Lichtintensität durch Beleuchtung der Flüssigkristallzelle zwar genannt ist, jedoch keine realisierbare technische Lösung unter Ausnutzung der genannten Refiexionseigenschaften offenbart wird.In GB-PS 1403 575 a technical solution is described in which by means of a liquid crystal cell various information is generated, which are superimposed on a lens and mirror system in the main beam path of the optical device. A disadvantage of this technical solution proves that for the generation of information with the liquid crystal cell, a second beam path must be present, whereby the physical volume of the device is increased. The lens and mirror system for fading information into the main beam path can also result in inaccuracies due to adjustment problems. A particularly disadvantageous effect is that the displays, which are visible as sharp black lines, only stand out at low light intensities from the object. There was no indication of any illumination of the contrast enhancement information. Another technical solution for the application of a liquid crystal cell for information generation in optical beam paths is described in DE-AS 2347788. This invention relates to a digitally adjustable sighting mark in which the liquid crystal cell located directly in the beam path consists of two parallel glass plates enclosing a nematic liquid and provided with horizontal and vertical parallel transparent conductors for information generation. Separate control of individual conductors can be used to generate not only visor marks but also alphanumeric characters and other test marks, which appear as black sharp lines. The contrast between the information and the object is excellent at high light intensities since the control produces a transmission loss of a fixed percentage of the incident light which is independent of the degree of illumination. The disadvantage of this invention is that while the possibility of generating bright information at low light intensity by illuminating the liquid crystal cell is mentioned, no realizable technical solution is disclosed by utilizing the mentioned reflection properties.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Entwicklung einer im Strahlengang optischer Geräte angeordneten Flüssigkristallzelle, deren erzeugte Informationen unabhängig von den herrschenden Lichtverhältnissen deutlich erkennbar sind, die bei geringem Aufwand eine kostengünstige Fertigung erlaubt und eine hohe Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Lebensdauer gewährleistet.The aim of the invention is the development of a arranged in the beam path optical devices liquid crystal cell, the information generated regardless of the prevailing lighting conditions are clearly visible, which allows low cost and low cost manufacturing and ensures high reliability, accuracy and durability.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkristallzelle mit einer Beleuchtungseinrichtung zu realisieren, die auch bei niedrigen Lichtintensitäten eine hohe Kontrastwirkung zwischen Information und Hintergrund erreicht. Diese Aufgabe wird mit der Einrichtung zur Erzeugung deutlich sichtbarer Informationen in optischen Strahlengängen, bestehend aus einer im Strahlengang optischer Geräte angeordnete Flüssigkristallzelle auf der Basis des dynamischen Streueffektes, deren die nematische Flüssigkeit einschließenden zwei parallele Glasplatten jeweils über einen Satz streifenförmigertransparenter Leiter, die multiplex ansteuerbar sind, verfügen, wobei die parallelen Leiter beider Sätze senkrecht zueinander angeordnet sind, dadurch gelöst, daß zur seitlichen Einblendung eines Lichtstrahles in die Flüssigkristallzelle, die dem Objektiv zugewandte Glasplatte entsprechend abgeschrägt ist, daß der Winkel α für die Einblendung geringfügig über dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche Giasplatte-Flüssigkristall bei nicht angelegtem elektrischen Feld liegt, daß das die Lichtquelle einschließende Gehäuse über eine Blendenöffnung mit einer vorgeordneten Linse zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahles verfügt und daß zwischen Linse und Glasplatte ein Polarisator zur Gewährleistung eines einheitlichen Brechungsindexes der nematischen Flüssigkeit angeordnet ist. Dabei ist der Polarisator so zu orientieren, daß die Polarisationsebene senkrecht zur Längsachse der Moleküle der kristallinen Flüssigkeit liegt. Mit der Erfindung wurde eine Vorrichtung geschaffen, mit der Informationen in Strahlengängen optischer Geräte erzeugt werden, die unabhängig von den herrschenden Lichtverhältnissen deutlich erkennbar sind. Die mit geringem Kosten- und Fertigungsaufwand herstellbare Flüssigkristallzelle gewährleistet durch kleine Leiterbreiten und -abstände eine hohe Genauigkeit und weist außerdem eine geringe Störanfälligkeit auf.The invention has for its object to realize a liquid crystal cell with a lighting device that achieves a high contrast effect between information and background even at low light intensities. This object is achieved with the device for generating clearly visible information in optical beam paths, consisting of a arranged in the beam path optical devices liquid crystal cell based on the dynamic scattering effect, the nematic liquid enclosing two parallel glass plates each have a set strip-transparent conductor, which are multiplex controllable have, wherein the parallel conductors of both sets are arranged perpendicular to each other, achieved in that for lateral insertion of a light beam in the liquid crystal cell, the glass plate facing the lens is chamfered according to that the angle α for the insertion slightly above the critical angle of total reflection at the interface Giasplatte liquid crystal with not applied electric field is that the housing enclosing the light source via an aperture with an upstream lens to produce a p Arranged light beam and that between the lens and the glass plate, a polarizer to ensure a uniform refractive index of the nematic liquid is arranged. In this case, the polarizer is to be oriented so that the polarization plane is perpendicular to the longitudinal axis of the molecules of the crystalline liquid. With the invention, a device was created with the information in beam paths of optical devices are generated, which are clearly visible regardless of the prevailing lighting conditions. The manufacturable with low cost and manufacturing cost liquid crystal cell ensures small conductor widths and distances high accuracy and also has a low susceptibility to interference.

Ausführungsbeispielembodiment

Im folgenden soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigtIn the following, the invention will be described with reference to an embodiment. In the accompanying drawing shows

Fig. 1 den schematischen Aufbau der im Strahlengang angeordneten Flüssigkristallzelle mit Beleuchtungseinrichtung.Fig. 1 shows the schematic structure of the arranged in the beam path liquid crystal cell with illumination device.

Zur Erzeugung deutlich sichtbarer Informationen in Strahlengängen optischer Geräte dient eine Flüssigkristallzelle auf der Basis des dynamischen Streueffektes, die direkt in der optischen Achse 1 dieser Geräte, wenn vorhanden, zwischen Objektiv und Okular, angeordnet ist. Die verwendete Flüssigkristallzelle besteht aus zwei parallelen Glasplatten 2 a und 2 b, die die nematische Flüsigkeit 3 einschließen und jeweils über einen Satz streifenförmiger transparenter elektrischer Leiter 4a und 4b verfügen. Die elektrischen Leiter beider Sätze 4a und 4b, die eine Breite und einen Abstand von jeweils kleiner als 25/*m aufweisen, sind senkrecht zueinander angeordnet und multiplex ansteuerbar. Die transparenten Leiter bestehen dabei aus Indium-Zinn-Oxid. Die Beleuchtung der erzeugten Informationen erfolgt durch seitliches Einblenden eines Lichtstrahles in die Flüssigkristallzelle. Dazu ist die Glasplatte 2a entsprechend abgeschrägt.To generate clearly visible information in beam paths of optical devices is a liquid crystal cell based on the dynamic scattering effect, which is located directly in the optical axis 1 of these devices, if present, between the lens and eyepiece. The liquid crystal cell used consists of two parallel glass plates 2 a and 2 b, which include the nematic liquid 3 and each have a set of strip-shaped transparent electrical conductors 4 a and 4 b. The electrical conductors of both sets 4a and 4b, which have a width and a spacing of less than 25 / * m each, are arranged perpendicular to one another and can be driven in a multiplex manner. The transparent conductors consist of indium tin oxide. The illumination of the generated information takes place by lateral fading of a light beam in the liquid crystal cell. For this purpose, the glass plate 2a is beveled accordingly.

Der Winkel afür die Einblendung liegt geringfügig über dem Grenzwinkel der Totalreflexion an der Grenzfläche Glas-Flüssigkristall, bei nicht angelegtem elektrischen Feld. Das die Lichtquelle 5 einschließende Gehäuse 6 ist mit einer Blendenöffnung 7 und mit einer davor angeordneten Linse 8 versehen, um einen parallelen Strahl zu erzeugen. Des weiteren ist zwischen der Linse 8 und der Glasplatte 2a ein Polarisator 9 angeordnet, mit dem ein einheitlicher Brechungsindex der nematischen Flüssigkeit 3 gewährleistet wird. Die Orientierung des Polarisators ist so zu wählen, daß die Polarisationsebene senkrecht zur Längsachse der Moleküle der kristallinen Flüssigkeit liegt, so daß der Brechungsindex bei Umorientierung der Moleküle erhöht wird. Die Vorrichtung basiert auf der Ausnutzung der optischen Anisotropie von Flüssigkristallen und dem Auftreten von Totalreflexion an der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex. Die nematische Flüssigkeit 3 mit negativer Anisotropie der Dielektrizitätskonstante weist in ihrer Ausgangsorientierung einen minimalen Brechungsindex auf, der beim Anlegen eines elektrischen Feldes durch Veränderung der Ausgangsorientierung vergrößert werden kann. Zur Erzeugung beliebiger Informationen werden die streifenförmigen transparenten Leiter 4a und 4b multiplex angesteuert. Bei der Ansteuerung muß beachtet werden, daß der Lichtstreueffekt erst nach Überschreiten eines Schwellwertes auftritt. Di-s Darsteflung von senkrechten oder waagerechten Linien erfolgt derart, daß der entsprechende flächenhafte transparente Leiter 4a und 4b mit einer Rechteckspannung mit wechselndem Potential, die oberhalb des Schwellwertes liegt, beaufschlagt wird. Beliebige andere Informationen werden dadurch gebildet, daß der Lichtstreueffekt nur in einzelnen Punkten erzeugt wird,, aus denen die Informationen zusammengesetzt sind. Dazu werden die entsprechenden transparenten Leiter 4 a und 4b mit einer Rechteckspannung beaufschlagt, die jedoch unterhalb des Schwellenwertes liegt. In den Kreuzungsbereichen kommt es bei unterschiedlicher Polarität der Spannungen der sich kreuzenden Leiter 4a und 4b zu einer Addition und somit zur Überschreitung des Schwellenwertes und zum Auftreten des Lichtstreueffektes. Die so erzeugten Informationen zeichnen sich als schwarze scharfe Linien bzw. Zeichen auf einem hellen Hintergrund ab. Um bei niedrigen Lichtintensitäten die Informationen deutüehzu erkennen, wird die Flüssigkristallzelle mittels einer Lichtquelle 5 beleuchtet. Dazu wird ein parallelisierter, polarisierter Lichtstrahl; unter dem genannten Winkel α seitlich in die dem Objektiv zugewandte Glasscheibe 2a der Flüssigkristallzelle eingeblendet Durch die nematische Flüssigkeit 3 mit negativer Anisotropie der Dielektrizitätskonstanten, die in der Ausgangsonfentierung einen minimalen Brechungsindex besitzt, wird das polarisierte Licht an der Grenzfläche Glas-FlüssigkrfsSaEE total reflektiert. Bei anlegen eines elektrischen Feldes an die Flüssigkristallzelle kommt es zur Zerstörung der Ausgangswiiemtierung und der Brechungsindex der nematischen Flüssigkeit 3 wird erhöht. Dadurch kommt es zur Vergrößerung des Grenzwiiinfefs eier Totalreflexion und der eingestrahlte Lichtstrahl liegt somit unterhalb dieses Grenzwinkels.The angle for the insertion is slightly above the critical angle of total reflection at the glass-liquid crystal interface, with no electric field applied. The housing 6 enclosing the light source 5 is provided with an aperture 7 and a lens 8 arranged in front to produce a parallel beam. Furthermore, a polarizer 9 is arranged between the lens 8 and the glass plate 2 a, with which a uniform refractive index of the nematic liquid 3 is ensured. The orientation of the polarizer should be chosen so that the polarization plane is perpendicular to the longitudinal axis of the molecules of the crystalline liquid, so that the refractive index is increased when reorienting the molecules. The device is based on exploiting the optical anisotropy of liquid crystals and the occurrence of total reflection at the interface of two different refractive index media. The nematic liquid 3 having the dielectric constant negative anisotropy has a minimum refractive index in its initial orientation, which can be increased upon application of an electric field by changing the output orientation. To generate arbitrary information, the strip-shaped transparent conductors 4a and 4b are driven in multiplex. When controlling, it must be ensured that the light scattering effect only occurs after a threshold value has been exceeded. Di-s Darsteflung of vertical or horizontal lines is such that the corresponding planar transparent conductor 4a and 4b with a square wave voltage with alternating potential, which is above the threshold, is applied. Any other information is formed by the fact that the light scattering effect is generated only in individual points, from which the information is composed. For this purpose, the corresponding transparent conductors 4a and 4b are subjected to a square-wave voltage, which, however, is below the threshold value. In the intersection regions, with different polarity of the voltages of the intersecting conductors 4a and 4b, an addition occurs and thus the threshold value is exceeded and the light scattering effect occurs. The information generated in this way is characterized by black sharp lines or characters on a light background. In order to clearly recognize the information at low light intensities, the liquid crystal cell is illuminated by means of a light source 5. For this purpose, a parallelized, polarized light beam; Through the nematic liquid 3 with negative anisotropy of the dielectric constant, which has a minimum refractive index in the Ausgangssonfentierung, the polarized light at the interface Glas-FlüssigkrfsSaEE total is reflected. Upon application of an electric field to the liquid crystal cell, destruction of the output direction occurs and the refractive index of the nematic liquid 3 is increased. As a result, the total size of the boundary is increased, and the incident light beam is thus below this critical angle.

Aufgrund dessen wird der Lichtstrahl nun in die nematische Flüssigkeit 3 hineingebrochen und infolge der Turbulenzen diffus gestreut. Ein Teil des eingeblendeten Lichtes wird in den Strahlengang gestreut und kann vom Betrachter als matt leuchtender Lichtfleck wahrgenommen werden. Die sich zuvor dunkel abzeichenden Informationen heben sich nun als scharfe helle Informationen deutlich vom dunklen Hintergrund ab.Due to this, the light beam is now broken into the nematic liquid 3 and scattered diffusely due to the turbulence. Part of the light is scattered in the beam path and can be perceived by the viewer as a dull glowing light spot. The information, which had previously become dark, is now clearly distinguished from the dark background as sharp, bright information.

Die Erfindung kann im Strahlengang der verschiedensten optischen Geräte, wie Meß- und Beobachtungsgeräten, Visiereinrichtungen, Mikroskopen, Kameras o.a. eingesetzt werden, da mit der Flüssigkristallzelle eine Vielfalt von Informationen dargestellt werden kann. Die spezifischen Vorteile dieser Vorrichtung zur Erzeugung deutlich sichtbarer Informationen zu optischen Strahlengängen liegen in folgendem. Die Flüssigkristallzelle kann aufgrund ihrerTransparenz im nicht erregten Zustand direkt im Strahlengang angeordnet werden, so daß bewegliche Teile sowie Spiegel- und Linsensysteme entfallen. Der Kontrast der dargestellten Informationen ist bei hohen und niedrigen Lichtintensitäten gleichermaßen ausgezeichnet, da der durch den Streueffekt erzeugte Transmissionsverlust eines festen Prozentsatzes des eintretenden Lichtes unabhängig vom Beleuchtungsgrad ist. Das schräge Einblenden des Lichtstrahles gewährleistet eine gleichmäßige Ausleuchtung der Flüssigkristallzelle. Außerdem sind derartige Flüssigkristallzellen, die äußerst zuverlässig arbeiten und kostengünstig in ihrer Herstellung sind, als digitale Einrichtung konstruiert und können ohne Komplikationen mit Meßgeräten sowie Steuerungs- oder Auswertesystemen gekoppelt werden.The invention may in the beam path of a variety of optical devices, such as measuring and observation devices, sighting, microscopes, cameras o.a. can be used, since a variety of information can be displayed with the liquid crystal cell. The specific advantages of this device for generating clearly visible information about optical beam paths lie in the following. The liquid crystal cell can be arranged directly in the beam path due to their transparency in the non-excited state, so that there are no moving parts and mirror and lens systems. The contrast of the displayed information is equally excellent at high and low light intensities, since the transmission loss of a fixed percentage of the incoming light generated by the scattering effect is independent of the degree of illumination. The oblique fading of the light beam ensures a uniform illumination of the liquid crystal cell. In addition, such liquid crystal cells, which are extremely reliable and cost-effective to manufacture, are designed as digital devices and can be coupled without complications to meters and control or evaluation systems.

Claims

1. Device for generating clearly-visible information in optical beam paths, consisting of a optical path in the beam, between lens and eyepiece, arranged liquid crystal cells based on the dynamic scattering effect, the nematic fluid enclosing, two parallel glass plates each have a set of strip-shaped transparent Heads, which are multiplex controllable, have, wherein the transparent conductors of both sets are arranged perpendicular to each other, characterized in that for temporally superimposed a light beam in the liquid crystal cell, the glass plate facing the lens is chamfered accordingly, α , the angle a for the Fade slightly above the critical angle of total reflection at the interface glass-liquid crystal, with not applied electric field is that an illumination optical system for generating a parallel light beam is provided and that between this Illumination optics and the beveled glass plate a polarizer is arranged to ensure a uniform refractive index of the nematic liquid.

2. Device according to item 1, characterized in that the polarizer is oriented so that the polarization plane of the light beam is perpendicular to the longitudinal axis of the crystalline molecules.

3. Device according to item 1, characterized in that a light source, which is located in a housing with an upstream lens, is provided as the illumination optics.