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IXennX,Tort : Faserdisplay11, Fall 203 Vorrichtung zur digitalen Anzeige
von Meßdaten, insbesondere bei einer Waage Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung
zur digitalen Anzeige von Meßdaten eines Meßwerks, insbesondere einer Waage, umfassend
eine Flüssigkristall-Zelle mit lichtdurchlcissigen Zellwänden, die transparente
Elektroden aufweisen, die Elektroden entsprechend dem Gesamtmuster aller an einer
Stelle wahlweise darzustellenden Zeichen in Matrixelemente gegliedert sincl und
diese elernentweise, gemäß dem nach dem jeweiligen Meßergebnis anzuzeigenden Zeichen,
elektrisch ansteuerbar sind von einer ans Meßwerk angeschlossenen Schalteinrichtung.
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Pei diesen Vorrichtungen entsteht die Sichtharmachunq des dar zum
stellenden Zeichens in der Zelle durch die Ansteuerung der maßgeblichen Matrixelemente
einander gegenüberliegender Elektroden, wodurch die optischen Eigenschaften ini
dazwischenliegenden Flüssigkeits-Kristall geändert werden. Im Strahlengang des hier
durchgehenden Lichtes treten Änderungen gegenüber den übrigen, nicht elektrisch
angesteuerten Bereichen der Zelle auf. Durch den Profilumriß der angesteuerten Matrixelemente
erscheint an dieser Stelle plötzlich das ausgewählte Zeichen, welches sich optisch
gegenüber dem latent bleibenden Mintergrund der übrigen Zeichen abhebt. Oftmals
wird eine solche Zelle mit durchfallendem Licht betrieben.
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Hier erscheint auf dem hellen Hintergrund der unsichtharen übrigen
Zeichen
mit derngeaeniiher qeringerer helligkeit, das darzustellende Zeichen. Der nachteil
bekannter Vorrichtungen besteht in dem unzureichenden Kontrast der in der Zelle
dargestellten Zeichen gegenüber dem Ilintergrund. Dies führt zu einer Frschwernis
in der Ablesung, die oft Anlaß von Ablesefehlern ist.
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Die Stärke der maßgeblichen nematischen Substanz einer solchen Flüssigkristall-Zelle
beträgt nur wenige Mikron. Es wäre zwar möglich, durch Vergrößerung der Substanz-Stärke
den Kontrast in der Zeichenanzeige zu erhöhen, doch ergibt sich durch diese Maßnahme
nachteiligerweise eine erhebliche Verlängerung der Zeitdauer, die beim Umschalten
der elektrisch angesteuerten Zellenbereiche für die Pnderung der optischen Eigenschaften
der nematischen Substanz erforderlich ist. Diese Zeitspanne wächst nämlich ungefähr
mit dem Quadrat der Substanz-Stärke. Um in solchen Fällen eine Erhöhung der Umschaltdauer
zu vermeiden, ist es auch bekannt, die gesamte Zellsubstanz in mehrere hintereinanderliegende
Zellkammern kleiner Stärke aufzuteilen, die jeweils mit Elektroden versehen sind
und gleichzeitig angesteuert werden (DT-OS 2 059 427). Hier ist durch Vervielfachung
der zum Aufbau und zur Steuerung der Zelle erforderlichen Bauteile ein hoher Aufwand
notwendig. Weiterhin ergibt sich durch die vielfachen Zwischennde ein größerer Raumbedarf
für die Zelle und ein unernsünschter Lichtverlust des durchfallenden Lichts infolge
von Spiegelungen und Prechungen in den zahlreichen Schichten. Letzteres wirkt der
Kontrasterhöhung entgegen. Weil das menschliche Auge eine logarithmische Empfindlichkeit
hat und folglich nur Kontraststeigerungen als beachtlich verzeichnet, wenn sich
die Helligkeitsunterschiede um Zehnerpotenzen verändern, ist hierdurch vor allem
keine ausreichende Kontrasterhöhung zu erwarten. Eine solche Steigerung des Kontrastes
über eine etwa zehn- oder hundertfache erhöhte Dicke der Zelle ist praktisch nicht
mehr realisierbar und ledialich eine Verdoppelung oder Verdreifachung der Zellendicke
bringt nichts.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu entwickeln, deren anzuzeigende Zeichen in einem deutlichen Kontrast
sich gegenüber dem Hintergrund der Meßwertanzeige abheben und einwandfrei ablesbar
sind.
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Dies wird dadurch erreicht, daß vor der Schauseite der Flüssigkristall-Zelle
eine Faseroptikplatte angeordnet ist, durch welche hindurch die in der Zelle dargestellten
Zeichen ablesbar sind.
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Damit lassen sich, wie noch genauer erklärt werden wird, die Belliqkeitsunterschiede
zwischen dem abgerufenen Zeichen einerseits und dem Hintergrund der unsichtbar bleibenden
restlichen Zeichen wesentlich verstärken, denn durch die Faseroptikplatte wird das
von den anzuzeigenden Zeichen kommende Licht durchgelassen, aber das von den übrigen
Bereichen der Zelle stammende Licht ganz zurückgehalten. Gegegenüber einer üblichen
Flüssigkristall-Zelle erhält man dadurch auch eine Umkehrung der Hell-Dunkel-Beziehung.
Diejenigen Bereiche der Zelle, wo keine Elektroden elektrisch angesteuert werden,
lassen bei der Erfindung kein Licht auf der Schauseite der Vorrichtung austreten,
weshalb diese Bereiche, die den Hintergr;und der Anzeige bilden, schwarz erscheinen.
Dies liegt daran, daß durch die Faserplatte nur diejenigen Lichtstrahlen hindurchgelassen
werden, die einen Neigungswinkel gegenüber den Faser-Achsen aufweisen, der kleiner
ist, als ein bestimmter Grenzwinkel einer Totalreflexion des Lichtes in den Fasern,
von dem ab es im Faserinneren zu einer Totalreflexion des Lichtes an der Mantelwand
der Fasern kommt. Letzteres ereignet sich nur an den elektrisch angesteuerten Bereichen
der Zelle durch Komponenten des hier erzeugten Streulichts. Es erscheint das gewünschte
Zeichen in heller Schrift auf einem schwarzen Hintergrund. Dies führt zu einem scharfen
Hell-Dunkel-Kontrast und läßt eine einwandfreie Ablesung zu. Die Faseroptikplatte
wirkt somit als " "Rontrast-Verstärker',
wobei sogar die Lichtverhältnisse
umgekehrt werden. Unerwünschte Lichtanteile im Bereich nicht angesteuerter Elektroden
werden, selbst wenn sie hohe Lichtintensität besitzen, ganz beseitigt, während die
erwünschten Flächenbereiche, wo das dargestellte Zeichen erscheinen soll, mit den
innerhalb eines bestimmten Grenzwinkels der Neigung zur Faser-Achse liegenden Lichtkomponenten
ungestört durchgelassen werden.
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Platzaufwendige Bauteile sind bei der Erfindung nicht erforderlich,
denn durch die Faseroptikplatte wird die Dimension der Vorrichtung nicht in Richtung
der Tiefe wesentlich erhöht und kann sogar gleiche Dimensionen aufweisen, wenn,
nach einem besonderen Vorschlag der Erfindung, die Faseroptikplatte die dem Betrachter
zugekehrte Abschlußwand der Flüssigkristall-Zelle zugleich bildet. In diesem Falle
befindet sich die Faseroptikplatte an der Stelle, wo sonst eine Glasplatte die Zelle
wandungsmäßig abzuschließen hatte. Als weitere Wirkung der Frfindung ergibt sich,
daß durch die schauseitig liegende Faseroptikplatte auch falsch einfallendes, z.B.
spiegelndes Licht, abgeschirmt wird.
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Hinsichtlich der Beleuchtung läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
in beliebiger Weise betreiben, nämlich im auffallenden Licht oder im durchfallenden
Licht, wobei man im letzten Falle hinsichtlich des Lichtverlaufs hinter der Zelle
einen bestimmten, nachfolgend noch näher anzugebenden Neigungswinkel einzuhalten
hat. Schließlich wäre es auch möglich, sowohl im auffalenden als auch im durchscheinenden
Licht gleichzeitig die Anzeige der Vorrichtung ablesbar zu machen, womit die Vorrichtung
wahlweise in hellen Räumen als auch in dunklen Räumen verwendet werden kann, ohne
daß jeweils spezielle Vorrichtungen der einen oder anderen Sorte vorliegen müßten.
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Sofern man die Außenfläche der Faseroptikplatte mit einer Mattierung
versieht, erhält man sogar einen sehr großen Ablesewinkel auf der Schauseite, der
auch bei schräger Betrachtungsweise die in der Anzeige erscheinenden Meßdaten abzulesen
gestattet.
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Weitere Vorteile und Maßnahmen der Erfindung sind aus den nachfolgenden
Beschreibungen ersichtlich. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Anwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei einer Waage, Fig. 2 in starker, nicht maßstabsgetreuer
Vergrößerung eine Schnittansicht durch ein Teilstück der erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Zelle
von Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Teilstück der Zelle mit bestimmten Matrixelementen,
mit welchen die digitale Anzeige erfolgt, Fig. 4 eine perspektivische Detailansicht
der Faseroptikplatte von Fig. 2, Fig. 5 in sehr starker Vergrößerung eine Schnittansicht
durch ein Teilstück der Faseroptikplatte, woran, anhand von drei verschiedenen Neigungswinkeln
im Lichteinfall, die Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert ist, Fig. 6 eine
Schnittansicht durch eine andersartige Ausbildung einer Zelle nach der Erfindung,
Fig. 7 eine perspektivische Detailansicht der Faseroptikplatte bei der Zelle von
Fig. 6,
Fig. 8 eine abgewandelte Ausführung der Zelle von Fig. 1,
Fig. 9 eine in auffallendem Licht arbeitende Zelle nach der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt die Anwendung der Vorrichtung 10 bei einer Waage 11.
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Das auf einer Waagschale 13 befindliche Objekt, wie eine Packung 12,
belastet das nicht näher gezeigte Meßwerk der Waage 11 mit seinem durch einen Pfeil
verdeutlichten Gewicht 14. Das ermittelte Gewicht wird von einer nicht näher gezeigten
elektronischen Schalteinrichtung im unteren Teil der Waage 11 über eine Steuerleitung
15 an eine in Fig. 2 und 3 näher gezeigte Flüssigkristall-Zelle 20 weitergegeben.
An diese Zelle ist in der Vorrichtung 10 über eine weitere Steuerleitung 16 ein
mit einer Tastatur 19 versehender Rechner 18 angeschlossen, der seine Eingangsimpulse
über eine Eingangsleitung 17 von der Waage 11 aus erhält. Mit der Tastatur 19 läßt
sich beispielsweise der Kilopreis der auf der Waage zu bestimmenden Masse einstellen.
Entsprechend dem ermittelten Gewicht 14 der Ware 12 wird von dem Rechner 18 der
zugehörige Preis ermittelt.
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und über die Leitung 16 in der Vorrichtung 10 angezeigt. Die Vorrichtung
10 trägt nämlich auf ihrer Schauseite, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, zwei Ablesefenster
40, 40'. In dem einen Fenster 40 erscheint der über die Steuerleitung 15 eingegebene
Gewichtswert der auf der Waage 11 befindlichen Ware 12. Im anderen Fenster 40' erscheint
der gemäß dem Gewicht vom Rechner 18 ermittelte Verkaufspreis, den die Vorrichtung
18 über die Steuerleitung 16 eingegeben hat.
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Im vorliegenden Falle wird, wie Fig. 2 zeigt, die Zelle 20 von hinten
durch eine nicht näher gezeigte Lichtquelle schräg angestrahlt unter einem Winkel
6 . Das verwendete Licht braucht nicht in sichtbarem
Frequenzbereich
des menschlichen Auges zu liegen. Der gewählte Frequenzbereich der Strahlung richtet
sich vielmehr nach den Eigenschaften der Zelle 20. Eingedenk der Tatsache, daß elektromagnetische
Strahlung beliebiger Wellenlänge verwendet werden kann, wird nachfolgend der Einfachheit
wegen immer von "Licht" gesprochen. Die Zelle besteht aus einer vorderen Abschlußwand
21 aus Glas, während ihre hintere Abschlußwand aus einer Faseroptikplatte 22 gebildet
ist. Die Stärke dieser Wände 21, 22 beträgt etwa 2 mm.
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Die Wände sind, was nicht näher gezeigt ist, üblicherweise randseitig
abgedichtet und in einem kleinen Abstand 23 zueinander angeordnet, der nur wenige
Mikrometer beträgt. Der dazwischen entstehende Raum wird mit einer an sich bekannten
nematischen Substanz 29 ausgefüllt, die im erwünschten Arbeitsbereich einen erforderlichen
flüssigkristauinen Zustand aufweist. Die einander zugekehrten Innenflächen der Wände
21, 22 sind mit einer durchgehenden Elektrode 25 einerseits und mit in einzelne
Elemente 24, 24', 24" gegliederten Elektrode andererseits gegliedert, die durch
Aufdampfen metallischer Oxyde erzeugt sind und für das verwendet Licht transparent
sind.
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In Fig. 3 ist ein Beispiel einer solchen Gliederung der einen Elektrode
gezeigt. Als Matrixelemente zum Aufbau der darzustellenden Zeichen ist eine Segmentstruktur
aus siebzehn Elementen verwendet.
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Innerhalb der Dimension der Anordnung all dieser Segmente befindet
sich die, in der dargestellten Draufsicht,nicht näher gezeigte Gegenelektrode 25.
Die maßgebliche Anschlußstelle für diese Gegenelektrode 25 ist bei 45 in Fig. 3
angedeutet. Die aus Fig. 2 erkennbaren Elemente sind als Segmente 24, 24', 24''
in Fig. 3 angedeutet. Die Anschlußstellen für die Elektrodenbereiche und die nicht
näher dargestellten Verbindungsleitungen sind durch Aufdampfen einer Oxydschicht
und geeignete ätzung erzeugt. Sie liegen außerhalb
des von der Elektrode
25 bestimmten Feldes, welches mit der Zeichenhöhe 43 und der Zeichenbreite 44 die
maximalen Dimensionen bestimmt. Die zur Bildung des dargestellten Zeichens, nämlich
der Zahl "7" dienenden Anschlußstellen für die einzelnen Elemente, sind in Fig.
3 durch Schraffur hervorgehoben. Werden diese Anschlußstellen 41 gegenüber der Anschlußstelle
45 der Gegenelektrode 25 unter Spannung gesetzt, so bildet sich im Bereich der Substanz
29 der Zelle dort, wo die angesteuerten Elektrodenelemente liegen, eine Parallelorientierung
der Moleküle aus. In der Darstellung der Fig.2 vollzieht sich dies bei den Elektrodenelementen
24, 24''. Im Raumbereich der nicht angesteuerten übrigen Elektroden, wie bei 24'
in un Fig. 2, liegen weiterhin/orientierte Moleküle in der Substanz 29 vor. Infolge
der Orientierung der Moleküle ergeben sich Änderungen hinsichtlich der Elektrizitätskonstante,
der elektrischen Leitfähigkeit, der Brechzahl usw. in der Substanz. Dieser Raumbereich
wird daher anisotrop. Die hier einfallenden Lichtstrahlen 26, 26" werden stark gestreut,
wie durch Pfeile an den betreffenden Stellen in Fig. 2 angedeutet ist. Im Bereich
der spannungslos gebliebenen Elektrodenelemente 24' gelangt dagegen ein zugehöriger
Lichtstrahl 26' praktisch ungestört durch die Substanz 29 hindurch.
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Das in der geschilderten unterschiedlichen Weise bei den Strahlen
26, 26" einerseits und dem Strahl 26' andererseits in der Substanz 29 der Zelle
behandelte Licht gelangt auf die bereits erwähnte Faseroptikplatte 22, die als Verstärker
des Kontrastes zwischen diesen Strahlen wirkt, wie nachfolgend anhand der Fig. 5
näher erklärt werden wird.
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Fig. 4 zeigt dabei zunächst, in perspektivischer Darstellung, anhand
seines Teilstücks das Aussehen einer solchen Faseroptikplatte 22. Diese besteht
aus einer großen Anzahl dicht nebeneinander liegender,
parallel
zueinander verlaufender Fasern, die in einem Einbettungsmedium 31 zur Bildung der
Platte zusammengefaßt sind. Das Einbettungsmedium besteht aus einem lichtabsorbierenden
Werkstoff hinsichtlich der verwendeten Lichtfrequenz der Strahlen 26, 26', 26''.
Im vorliegenden Falle verlaufen die Achsen 28 der Fasern 27 vertikal zur gestrichelt
in Fig. 4 angedeuteten Plattenebene 32.
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In Fig. 5 sind in starker Vergfößerung drei Fasern 27, 27', 27" mit
zugehörigen Faser-Achsen 28, 28', 28" dargestellt. Zu diesen Achsen soll jeweils
ein Lichtstrahl 50, 50', 50'' unter verschiedenen Neigungswinkeln iGt 'einfallen.
Jede dieser Fasern ist mit dem vorerwähnten Einbettungsmedium 31 umgeben, deren
lichtabsorbierende Substanz eine Brechzahl n2 aufweist, die kleiner ist als die
Brechzahl n1 der Glassubstanz der Fasern 27, 27', 27".
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Auf der Lichteinfall seite der Fasern 22 befindet sich ein Medium
mit der Brechzahl nO, wobei in der Ausführung von Fig. 2 dieses Medium aus der nematischen
Substanz 29 gebildet ist.
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Ausgehend von einem bestimmten Neigungswinkel 0<6 des in die mittlere
Faser 27 einfallenden Lichtstrahls 50 gibt es unterschiedliche Wirkungsweisen, in
Abhängigkeit davon, ob der Lichtstrahl, wie bei 50' an der Faser 27', mit einem
größeren Neigungswinkel i'als dieser Grenzwinkelo(r in die Faser 27' eintritt, oder
aber, ob ein solcher Neigungswinkel «tut, wie am Lichtstrahl 50'' verdeutlicht,
mit einer kleineren Neigung zur Faser-Achse 28 in die Faser 27'' eintritt.
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Es sind somit gegenüber der in der mittleren Faser 27 der Fig. 5 eingezeichneten
beiden Winkelbereiche 37, 58 für die Neigungslage des einfallenden Lichtstrahls
zu unterscheiden.
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Liegt der einfallende Lichtstrahl im Winkelbereich 37, so liegt die
Situation vor, wie sie anhand der Faser 27' in Fig. 5 verdeutlicht
ist.
Bei diesen, gegenüber dem Grenzwinkelo(G gewählten grösseren 9t', kommt es bei der
Auftreffstelle 33 des Lichtstrahls 508 im Inneren der Faser 27' auf die Mantelfläche
34' zum Einbettungsmedium 31 auch zu einem Übergang eines Lichtanteils mit beträchtlicher
Intensität in dieses Einbettungsmedium 31, wie es die Brechungsgesetzte der Physik
vorschreiben. Zum besseren Verständnis dieser Wirkungsweise ist in Fig. 5 die jeweils
herrschende Intensität des Lichtstrahls 50' durch eine Anzahl von nebeneinander
gezeichneten Linien veranschaulicht. Durch die Stirnfläche 35' der Faser 27' ist
der Durchgang des Lichtstrahls 50 in seiner Intensität durch fünf Linien angedeutet,
die auf die erste Auftreffstelle 33' der Fasermantelwand 34' gelangten. Durch Weiterführung
einer der Linien 36' im Einbettungsmedium 31 ist angedeutet, daß ein Teil der Lichtintensität
des Strahls 50' hier verlorengeht, denn diese Lichtkomponente 36' wird recht bald
im Medium 31 absorbiert. Zu der gegenüberliegenden Auftreffstelle 53' läuft dann
ein entsprechend schwächerer Strahl 50 weiter, wie durch Weiterführung von lediglich
vier Linien verdeutlicht ist. An dieser nächsten Auftreffstelle 53 vollzieht sich
in entsprechender Weise ein weitere Verlust der Lichtenergie. Dies erfolgt in gleicher
Weise bei jeder weiteren Auftreffstelle, so daß, wie durch Wegfall jeweils einer
Linie nach jeder Auftreffstelle 53' veranschaulicht ist, die Energie des in der
Faser 27' weiterlaufenden Strahls 50' durch Brechungsverluste immer kleiner wird.
Bei den gegebenen Dimensionen der Fasern müßte der Strahl 50', um am gegenüberliegenden
Ende der Faser 27' austreten zu können, mehrere hundert solcher Auftreffstellen
53' überstehen, denn die Länge der Fasern 27' beträgt etwa das Tausendfache ihres
Durchmessers. Der Durchmesser der Fasern liegt bei nur wenigen Mikron, z.B. 29kLr,
während die Faserlänge bei 2 mm liegt. Damit ist festzustellen, daß bei dem angenommenen
großen Neigungswinkel o(' zur Achse 28' der Fasern der Lichtstrahl 50' im
Inneren
dieser Faser 27' aufgrund von Brechungsverlusten schließlich ganz ausgelöscht wird,
weshalb hier auf der Austrittsseite der Platte kein Licht dieses Strahls 50' austreten
kann.
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Im mittleren Bild der Fig. 5 ist, wie bereits erwähnt wurde, die Grenzsituation
gezeigt, von der ab eine sogenannte "Totalreflexion" des Lichtes im Inneren der
Fasern an der Mantelwand 34 beginnt.
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Nach den Gesetzen der optischen Brechung müßte in diesem Fall das
in das Einbettungsmedium 31 übergehende gebrochene Licht einen Winkel ? gleich 900
zum strichpunktiert eingezeichneten Lot bezüglich der Mantelfläche 34 aufweisen,
wie beim Strahl 50' an der Auftreffstelle 33 angedeutet ist. Der gebrochene Lichtstrahl
36 würde hier längs der Mantelwand weiterlaufen. Von diesem Grenzwinkel o<G ab
für Strahlen, die im schraffierten Winkelfeld 38 liegen, gibt es keine Brechung.
Dies ist anhand des Strahls 50'' im linken Bild der Fig. 5 verdeutlicht, worauf
nun hingewiesen wird.
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Der Lichtstrahl 50" hat hier einen kleineren Neigungswinkel α"
als dem vorerwähnten Grenzwinkel o( G entspricht. Der Lichtstrahl gelangt somit
mit einem entsprechend kleinen Winkel " durch die Stirnfläche 34" ins Innere der
Fasern 27", weshalb an seiner Auftreffstelle 33" ein sehr großer Einfallswinkel
(900 -sich ergibt. Wendet man das Brechungsgesetz für die Verhältnisse an dieser
Auftreffstelle 33'' an, so zeigt sich, daß es keinen reellen gebrochenen Strahl
mehr geben kann, der in das Einbettungsmedium 31 mit der kleineren Brechzahl n2
übertreten könnte, denn in diesem Fall müßte der Sinus des betreffenden Winkels
größer als eins sein. An der Auftreffstelle 33" wird die gesamte Lichtenergie des
Strahls 50" mit einem Ausfallswinkel (900 - 6'') reflektiert.
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Hier treten keine Lichtverluste durch Brechung auf. Die Auftreffstelle
33" wirkt wie ein vollkommener Spiegel, was durch Schraffür
an
dieser Stelle der Fig. 5 verdeutlicht wurde.
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Der oben erwähnte Grenzwinkel αG läßt sich bei gegebenen Verhältnissen
anhand des mittleren Bildes der Fig. 5 rechnerisch exakt ermitteln.
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Der auf die Stirnfläche 35 der Faser 27 auftreffende Lichtstrahl 50
erfährt an der Stirnfläche 35 der Faser 27 eine Brechung, weil hier ein Übergang
zwischen dem Medium mit der Brechungszahl n0 und der Brechungszahl n1 stattfindet.
Der bezüglich der Faser-Achse 28 gemessene Einfallswinkel αG im Medium n einerseits
und Brechungs-G 0 winkel FG im Medium n1 andererseits hängen durch folgende physikalische
Formel zusammen: n1 sin αG = no # sin ßG (1) 0 Wendet man das Brechungsgesetz
in entsprechender Weise auf die Verhältnisse an der nachfolgenden Auftreffstelle
33 des Strahls 50 an der Mantelwand 34 der Faser 27 an, wo auf der Einfallsseite
die Glas substanz mit der Brechungszahl n1 und auf der gegenüberliegenden Seite
dieser Wand 34 das Einbettungsmedium 31 mit der Brechungszahl n2 sich befindet,
und berücksichtigt man, daß für diesen angenommenen Grenzfall, wie hinsichtlich
des mantelparallelen gebrochenen Strahls 36 gezeigt ist, ein Brechungswinkel von
t= 900 herrschen soll, so erhält man hier zunächst die Beziehung n2 sin (90° - ßG)
= n1 n1 Wendet man die beiden trigonometrischen Beziehungen auf vorstehende Formel
an, wonach die einerseits der sin (900 - /9G) gleich ist dem
Kosinus
B,, und andererseits die Summe des Quadrats vom Sinus eines Winkels und dem Quadrat
des Kosinus des gleichen Winkels gleich eins ist, so erhält man damit die Formel
Setzt man die Formel (1) in die Formel nach (2) ein, so erhält man als Grenz-Neigungswinkel
okrG, bei dem im Faserinneren gerade noch die Totalreflexion eintritt, den folgenden
Wert:
Für alle Neigungswinkel, die wieo('', kleiner als dieser Grenzwinkel O(G sind, erhält
man eine Totalreflexion und damit eine verlustfreie Durchführung des Lichtstrahls
50'' durch die Faser. Für alle Neigungswinkel, die, wie oi' größer als dieser errechnete
Grenzwinkel O(G sind, ergibt sich, wie anhand des Strahls 50' erläutert wurde, eine
Auslöschung des Lichts.
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Diese besonderen Wirkungen werden nun bei der Erfindung ausgenutzt,
wie sich aus Fig. 2 ergibt. Der Lichtstrahl 26' fällt unter einem Neigungswinkel
0( ein, der größer als der nach der oben stehenden Formel (3) sich ergebende GrenzwinkeldG
der Totalreflexion ausge-G bildet ist. Dies erreicht man, indem das auf die Zelle
20 einfallende Lichtbündel, wie bereits erwähnt wurde, einen ausreichend großen
Schrägwinkeldzum eingezeichneten Lot 30 aufweist. Dieser Schrägwinkel 8 berücksichtigt
die in den davorliegenden Medien 29, 21 eintretenden Lichtbrechungen. Für den Lichtstrahl
26' ergeben sich in der Faseroptikplatte 22' die Verhältnisse, wie sie im Zusammenhang
mit dem Lichtstrahl 50' von Fig. 5 beschrieben worden sind;
Wie
bereits erwähnt wurde, ist die Elektrode 24', durch welche dieser Lichtstrahl 26'
tritt, nicht unter einer elektrischen Spannung gegenüber der Gegenelektrode 25.
Der Lichtstrahl 26' wird somit, wie in Fig. 2 angedeutet ist, im Bereich der Faseroptikplatte
22 ausgelöscht.
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Die Lichtstrahlen 26, 26" gelangen aber, wie Fig. 2 zeigt, in den
Bereich der unter elektrischer Spannung gegenüber der Gegenelektrode 25 stehenden
Elektrodenelementen 24, 24" und werden folglich in der Substanz 29 gestreut. Bei
dem auftretenden Streulicht ergeben sich nunmehr Lichtkomponenten, die, entgegen
der ursprünglichen Einfallsrichtung OC, auch einen Winkel zur Achse 28 der Fasern
27 einnehmen, der kleiner als der nach Formel (3) sich ergebende Grenzwinkel O(G
ausgebildet sind. Damit ergeben sich für die entsprechenden Streulichtkomponenten
Verhältnisse, wie sie in Fig. 5 anhand des Lichtstrahls 50'' erläutert worden sind.
Diese Komponenten des Streulichts werden an den Innenwänden der Fasern verlustfrei
reflektiert und treten auf der gegenüberliegenden Flächenseite dieser Platte 22
wieder aus. Diese Seite ist die Schauseite der Ablesevorrichtung 10. Die entsprechenden
Streulichtkomponenten sind in Fig. 2 mit 39 bzw. 39'' bezeichnet. Das aus den betreffenden
Fasern 27 auf der Schauseite 46 austretende Licht 39, 39" nimmt einen Raumwinkel
zwei ç ein. Die Begrenzungen dieses Raumwinkels schließen mit dem strichpunktiert
in Fig. 2 eingezeichneten Lot 47 zur Fläche der Schauseite 46 der Faseroptikplatte
22 einen Winkel 9 ein, der unter Berücksichtigung des auf dieser Seite der Faseroptikplatte
22 liegenden Mediums, nämlich der Luft, wieder eine Art Grenzwinkel der Totalreflexion
ist, der sich unter Berücksichtigung der hier vorliegenden Brechungszahlen anhand
einer Formel ähnlich denjenigen zur Formel (3) errechnen ließe.
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Blickt man auf die Anzeigevorrichtung 10 nach der Erfindung bezüglich
des vorerwähnten Lots 47 unter einem Winkel v auf die Schauseite 46 der Faseroptikplatte
22, so erscheint an den einzelnen Stellen der Anzeige 40, 40' in heller Schrift
das durch die Ansteuerung der zugehörigen Elektrodenelemente sichtbar gemachte,
darzustellende Zeichen. Schräg einfallendes Licht aus der Umgebung, wie es durch
den in Fig. 2 eingezeichneten Lichtpfeil 48 verdeutlicht wurde, welches, wie gegenüber
dem Lot 47 in Fig. 2 angedeutet wurde, einen Einfallswinkel größer als diesen Grenzwinkel
aufweist, kann nicht zur Belichtung im Inneren der Zelle beitragen, weil dieses
Licht 48 jenen Verhältnissen unterliegt, wie sie im Zusammenhang mit dem Lichtstrahl
50' von Fig. 5 erläutert worden sind Dieses Licht wird nicht durch die Faseroptikplatte
22 durchgelassen und kann nicht die Bildqualität im Inneren der Zelle beeinträchtigen,
Hiermit ist es bereits bei herkömmlichen Leuchtbildanzeigen mit optischer Projektion
der Meßergebnisse auf einer Mattscheibe möglich, den Kontrast der Projektion zu
steigern. Die sonst in solchen Fällen verwendeten Blenden vor den Ablesefenstern
können damit bei der Erfindung entfallen.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 8 der Erfindung liegen ähnliche Verhältnisse,
wie bei der Ausführung von Fig. 2 vor, weshalb zur Bezeichnung gleicher Bauteile
die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind. Insoweit gilt die bisherige Beschreibung.
Ein Unterschied besteht darin, daß auch hier die Gegenelektrode in mehrere Elemente
25, 25', 25" gegliedert worden ist, womit sich in Zusammenwirkung mit den anderen
Elektrodenelementen 24, 24', 24'' mehr Möglichkeiten in der Ansteuerung der Elektroden
ergeben. Zur Erhöhung des Ablesewinkels in dem Raumbereich beidseitig des auf die
Schauseite 46 der Faseroptikplatte 22 gerichteten Lots 47 ist die dem Beschauer
zugewandte Flächenseite mit einer Mattierung 49 verversehen.
Damit
läßt sich das aus der Platte 22 kommende Licht praktisch in einem Raumwinkel von
180° mit dem Auge erfassen. Auch bei schräger Betrachtungsweise der mattierten Fläche
der Faseroptikplatte 22 ist dabei das angesteuerte Zeichen in der Zelle 20 ablesbar.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist eine weitere Gestaltungsmcglichkeit
einer Zelle 20 gezeigt, wo ebenfalls zur Bezeichnung entsprechender Bauteile die
gleichen Bezugszeichen wie in den vorausgehenden Figuren verwendet sind. Die Besonderheit
besteht darin, daß hier das rückseitig auf die Zelle 20 einfallende Licht senkrecht
auf die rückseitige Ebene 51 der Zelle 20 einfällt, wie aus den drei Lichtstrahlen
26, 26', 26" zu erkennen ist, die im Zellinneren durch eine gleiche Steuerung der
dort vorliegenden Elektrodenelemente 24 bis 25" zur Erzeugung des gewünschten Zeichens
beitragen.
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Eine Besonderheit besteht in der eigentümlichen Ausbildung der Faseroptikplatte
52, die auch hier die schauseitige Begrenzungswand der Zelle 20 bildet. Die einzelnen
Fasern 53 dieser Platte verlaufen hier nicht, wie allgemein üblich, vertikal zur
Plattenebene 46, sondern die strichpunktiert eingezeichneten Faser-Achsen 54 sind
um einen Winkel « gegenüber einer solchen vertikalen RichtungggeOßer neigt, wie
aus Fig. 6 hervorgeht. Dieser Winkels( ist auch hier/als ein sich ergebender Grenzwinkel
o(G der Totalreflexion ausgebildet, der ebenfalls eingezeichnet ist. Damit ergeben
sich auch in diesem Ausführungsbeispiel die Bedingungen der oben erwähnten Formel
(3), weshalb hier die gleichen Wirkungen zustande kommen. Der Lichtstrahl 26' wird,
wie in Fig. 6 angedeutet ist, innerhalb der Fasern 53 ausgelöscht. Lediglich die
Komponenten des Streulichts der beiden Strahlen 26, 26", deren Elektrodenelemente
24, 25 bzw. 24'',
25" unter Spannung zueinander stehen, werden
durch Totalreflexionen durch die zugehörigen Fasern 53 verlustfrei bis zur Schauseite
46 der Faseroptikplatte 52 hindurchgeführt, wie durch den, der Einfachheit wegen,
geradlinig zur Faser-Achse 54 einvezeichnetenVerlauf 55 bzw. 3C5" der Lichtanteile
durch die zugehörigen Fasern 53 veranschaulicht wurde. Die Lichtanteile 5, 55" sind
jene Komponenten des Streulichts, die mit einem Winkel zur Achse 54 der Fasern in
die Platte 52 eindringen, der kleiner als der oben erwähnte Grenzwinkel cC der Totalreflexion
ist. Auf der Schauseite 46 G der Platte 52 kommt es, wie schon in Fig. 2 erklärt
wurde, zu einer Abstrahlung dieses Lichts in einem Raumwinkelbereich, der bezüglich
der eingezeichneten Vertikale 47 zur Ebene der Schauseite 46 einen Winkel t'einschließt.
Die sich hier ergebenden, zur Ablesung des Zeichens dienlichen Komponenten, die
den Raumwinkel begrenzen, sind mit 39, 39" bezeichnet.
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In Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines Meßteilstücks
der Faseroptikplatte 52 gezeigt. Die Ebene 51 der Platte 52 ist gestrichelt eingezeichnet.
Man erkennt, daß die strichpunktiert angedeutete Faser-Achse 54 einen Winkel oc:zur
Vertikalen 47 einschließt. Die Stirnenden der Fasern 53 verlaufen nicht rechtwinklig
zur Achse 54, sondern schließen mit der Achse 54 einen entsprechenden Winkel 0(
ein.
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In Fig. 9 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit auflichtseitiger
Beleuchtung gezeigt. Der Aufbau der Zelle 20 ist, abgesehen von der Einfallsrichtung
des Lichts, der gleiche, wie in Fig. 2, weshalb zur Benennung gleicher Bauteile
die dortigen Bezugszeichen verwendet sind. Es gilt insoweit die dortige Beschreibung.
Die Faseroptikplatte 22 wird von ihrer Schauseite 46 aus beleuchtet durch das im
Beobachtungsraum ohnehin vorhandene Umgebungslicht. Gewunschtenfalls
könnte
auch eine von außen auf die Vorrichtung 20 einstrahlende Lampe verwendet werden.
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Von dem Licht der Umgebung, welches im allgemeinen mit einem beliebigen
Winkel auf die Schauseite 46 einfällt, ist nur jenes Licht für den Durchgang durch
die Faseroptikplatte 22 geeignet, welches, in entsprechender Anwendung der Formel
(3) ,für die vor dieser Optikplatte liegenden Verhältnisse einen Winkel zur Vertikalen
einschließt, auf den später noch näher einzugehen sein wird. Der Einfachheit wegen
sind von diesem Licht nur drei Lichtstrahlen 56, 56', 26" eingezeichnet, die vertikal
auf die Schauseite 46 der Platte 22 fallen. Die Substanz ist durch Ansteuerung der
Elektroden 24, 24", ähnlich wie in den vorausgehenden Beispielen, elektrisch aktiviert,
weshalb die Strahlen 56 und 56'' wieder gestreut werden. Unter Anwendung der im
Zusammenhang mit der Formel (3) und Fig. 5 erläuterten Verhältnisse, crelangen die
innerhalb des eingezeichneten Grenzwinkels O(G zur vertikalen Verlaufsrichtung der
Faser-Achsen 28 liegenden Streulichtkomponenten wieder zurück in die Faseroptikplatte
22, ohne darin ausgelöscht zu werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig.
9 ist nun wieder nur jene Streulichtkomponente eingezeichnet, die vertikal, also
wieder parallel zur Faser-Achse 28 in die Platte 22 eintritt; jedoch gelten diese
Erläuterungen praktisch für alle vorerwähnten Streulichtkomponenten, die innerhalb
des eigezeichneten Grenzwinkels o( G zur Faserachse in die Platte 22 wieder zurückfallen.
Die entsprechende Streulichtkomponente 57, 57'' ist eingezeichnet. Andere Strahlen,
die innerhalb des vorerwähnten Grenzwinkels °¢G G in die Fasern eintreten, liegen
innerhalb des in Fig. 9 eingezeichneten Raunwinkelbereichs f zur Vertikalen, wie
schon im Zusammenhang mit Fig. 2 veranschaulicht wurde. Dieser Winkel t ist auch
jener Grenzwinkel, innerhalb welchem das oben erwähnte, aus der Umgebung einfallende
Licht
ohne Auslöschung im Bereich der Platte 22 bis in den aktivierten Bereich der Flüssigkeit
29 der Zelle 20 eindringen kann.
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Wie auch bei den vorausgehenden Beispielen, wird angenommen, daß im
Raumbereich zwischen den Elektrodenelementen 24', 24 keine Spannung eintritt. Das
hier einfallende Licht, welches, wie erwähnt wurde, durch den Lichtstrahl 56' repräsentiert
ist, geht ungehindert durch die Zelle hindurch und erzeugt keine rückstrahlenden
Komponenten auf der Schauseite 46 der Platte 22. Damit ist festzustellen, daß lediqlich
das rückgestrahlte Streulicht 57 bzw. 57" der Strahlen 56 bzw. 56'' auf der Schauseite
46 helle Punkte bilden, während an der Stelle des Strahls 56' ein dunkler Punkt
der Faseroptikplatte 22 verbleibt, weil hier kein Licht zurückgelangt.
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Die hellen Punkte, wie bei den Strahlen 57 und 57'', erzeugen nunmehr
punktweise das darzustellende Zeichen, und zwar in heller Schrift auf schwarzem
Hintergrund. Damit kommt es auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel zu einem großen
Kontrast der Zeichendarstellung, womit sich eine gute Ablesung der Vorrichtung ergibt.
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IXennwort: "Faserdisplay" Aufstellung der Bezugszeichen: 10 Vorrichtung
11 Waage 12 Packung, Ware 13 Waagschale 14 Gewicht 15 Steuerleitung 16 Steuerleitung
17 Eingangsleitung von 18 18 Rechner 19 Tastatur von 18 20 Flüssigkristall-Zelle
21 vordere Abschlußwand von 20 22 Faseroptikplatte 23 Abstand in der Zelle 24, 24',24''Elektrode
bei 21 25,25',25" Elektrode bei 22 26,26',26" Lichtstrahl 27,27',27" Faser von 22
23,28',28" Achse von 27, 27', 27'' 29 nematische Substanz 30 Lot auf Ebene von 20
31 Einbettungsmedium von 22 32 Plattenebene von 22 33,33',33" Auftreffstelle der
Strahlen 34,34',34'' Mantelwand von 27,27',27" 35,35',35" Stirnfläche der Fasern
36,36' Teillinie von 50, 50' 37 Winkelbereich o<>occ 38 Winkelbereichα<αG
39,39" Komponente des Streulichts bei 26, 26" 40,40' Ablesefenster von 10
41,41"
Anschlußstelle 42 43 Zeichenhöhe 44 Zeichenbreite 45 Anschlußstelle für 25 46 Schauseite
von 22 47 Lot auf 46 48 Lichtstrahl des Umgebungslichts 49 Mattierung von 46 (Fig.
8) 50,50',50" Lichtstrahl 51 rückseitige Ebene von 20 (Fig. 6) 52 Faseroptikplatte
(Fig. 6) 53 Faser 54 Faser-Achse 55,55" Lichtanteil 56,56',56" Lichtstrahl 57,57"
Streulichtkomponenten von 56, 56' αG Grenzwinkel des Neigungseinfalls bei
35 für G Totalreflexion im Faserinneren α, α', α'1 Neigungswinkel
des Lichteintritts in den Fasern G' #'' Brechungswinkel an der Stirnfläche 35 bei
Neigungseinfall αG bzw. α'' Winkel der Brechung an der Faser-Mantelwand
Schrägwinkel des Lichteinfalls zum Lot 30 auf die Zelle 20 # Austrittswinkel des
Lichts an der Schauseite