DE2461239A1 - Vorrichtung zur digitalen anzeige von messdaten, insbesondere bei einer waage - Google Patents

Vorrichtung zur digitalen anzeige von messdaten, insbesondere bei einer waage

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DE2461239A1
DE2461239A1 DE19742461239 DE2461239A DE2461239A1 DE 2461239 A1 DE2461239 A1 DE 2461239A1 DE 19742461239 DE19742461239 DE 19742461239 DE 2461239 A DE2461239 A DE 2461239A DE 2461239 A1 DE2461239 A1 DE 2461239A1
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optic plate
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Aloysius Johannes Van Riet
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Maatschappij Van Berkels Patent BV
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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Fig. 1 zeigt die Anwendung der Vorrichtung 10 bei einer Waage 11.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der oben erwähnte Grenzwinkel αG läßt sich bei gegebenen Verhältnissen anhand des mittleren Bildes der Fig. 5 rechnerisch exakt ermitteln.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (6)

  1. Kennwort: Faserdisplay Ansy>rüche: 1. Vorrichtung zur digitalen Anzeige von Meßdaten eines Meßwerks, insbesondere einer Waage, umfassend eine Flüssigkristall-Zelle mit lichtdurchlässigen Zellwänden, die transparente Elektroden aufweisen, die Elektroden entsprechend dem Gesamtmuster aller an einer Stelle wahlweise darzustellenden Zeichen in Matrixelemente gegliedert sind und diese elementweise, gemäß dem nach dem jeweiligen Meßergebnis anzuzeigenden Zeichen, elektrisch ansteuerbar sind von einer ans Meßwerk angeschlossenen Schalteinrichtung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß vor der Schauseite (46) der Flüssigkristall-Zelle (20) eineFaseroptikplatte (22, 52) angeordnet ist, durch welche hindurch die in der Zelle (20) elektro-optisch dargestellten Zeichen ablesbar sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faseroptikplatte (22, 52) die dem Betrachter zugekehrte Abschlußwand der Flüssigkristall-Zelle (20) bildet.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablesbarkeit der Meßdaten in der Zelle durch von der Schauseite (46) der Vorrichtung (10) aus, in Blickrichtung auf die Faseroptikplatte (22, 52)'einfallendes Licht (56, 56', 56") erzeugt ist (Fig. 9).
  4. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablesbarkeit der Meßdaten in der Zelle (20) durch ein von der Rückseite (51) der Zelle (20) aus durch die Zelle und die davorliegende Faseroptikplatte hindurchtretendes Lichtbündel (26, 26', 26") erzeugt ist, wobei die Verlaufsrichtung des Lichtbündels mit der Achse (28) der Fasern (27) in der Faseroptikplatte (22, 52) einen Meiguncrswinkel(O( einschließt, der größer als derjenige Grenzwinkel (αG) ausgebildet ist, bei dem im Fasermaterial (27) gerade noch eine Totalreflexion an der übergangsfläche (34, 34") zum lichtabsorbierenden Einb'ettungsmedium (31) der Fasern (27, 27'') ~eintritt (Fig. 2 bis 8)
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) durch schrägen Achsverlauf (54) der Fasern (53) in der Faseroptikplatte (52) zum Lot (47) auf die Plattenebene erzeugt ist (Fig. 6 und 7).
  6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schauseite (46) der Faseroptikplatte (22) mit einer Mattierung (49) versehen ist (Fig. 8).
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