EP0988010A1 - Aktive elektrooptische filtereinrichtung - Google Patents

Aktive elektrooptische filtereinrichtung

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Publication number
EP0988010A1
EP0988010A1 EP98923968A EP98923968A EP0988010A1 EP 0988010 A1 EP0988010 A1 EP 0988010A1 EP 98923968 A EP98923968 A EP 98923968A EP 98923968 A EP98923968 A EP 98923968A EP 0988010 A1 EP0988010 A1 EP 0988010A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
active
light
protection
filter device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98923968A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franco Del Bon
Philipp Syr
Leo Keller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optrel AG
Original Assignee
Optrel AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Optrel AG filed Critical Optrel AG
Publication of EP0988010A1 publication Critical patent/EP0988010A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F9/00—Methods or devices for treatment of the eyes; Devices for putting-in contact lenses; Devices to correct squinting; Apparatus to guide the blind; Protective devices for the eyes, carried on the body or in the hand
    • A61F9/04—Eye-masks ; Devices to be worn on the face, not intended for looking through; Eye-pads for sunbathing
    • A61F9/06—Masks, shields or hoods for welders
    • A61F9/065—Masks, shields or hoods for welders use of particular optical filters
    • A61F9/067—Masks, shields or hoods for welders use of particular optical filters with variable transmission

Definitions

  • the invention relates to an active electro-optical filter device, in particular as a glare protection device for use in welding protection masks, helmets or goggles, with a light protection filter with at least one active optical filter element, with electronics for controlling the at least one active filter element, with 5 interacting with the electronics Light sensor, with a power supply, in particular a solar cell, for the electronics and the at least one active filter element
  • Anti-glare devices of this type are, for example, from WO 96/10767 and EP-A 0 678 288
  • LC cell liquid crystal cell
  • the filter devices described in the cited documents are designed as so-called “monoblocks", ie they consist physically of a single component which contains all the functional elements of the filter device.
  • the functional elements are cast into a thin plate and are thus protected from environmental influences
  • As a thin plate-shaped monoblock physical compatibility with the common passive light protection filters (dark glasses) is achieved, so that the filter device can be exchanged directly for such passive light protection filters.
  • This makes it possible to easily use anti-glare devices equipped with passive light protection filters with the more effective and more advantageous active ones to upgrade electro-optical filter devices
  • a first aspect of the present invention is intended to eliminate this disadvantage and to improve the economy and variety of possible uses of an active electro-optical filter device of the generic type
  • the light protection filter is arranged in a filter unit and the electronics, the light sensor and the power supply are arranged in a physically separate control unit, the filter unit and the control unit being detachably mechanically and electrically together to form an overall unit connectable and equipped with mutually interacting mechanical and electrical connecting elements
  • the filter unit containing the light protection filter and the control unit containing the electronics, the light sensor and the power supply are each designed as a potted plate with a constant thickness of in particular 1-5 mm, the filter unit and control unit also being able to have different thicknesses
  • the filter device is therefore divided into two (or more) separate structural units which are detachably connected to one another.
  • This division means that if one functional element fails, only the corresponding structural unit needs to be replaced. and filter units have greater design flexibility, since, for example, one and the same control unit can be used together with different filter units. This results in considerable practical and economic advantages not only in use, but also in production
  • the conventional filter devices described in the publications mentioned at the beginning consist of active and passive filter elements with optical polarizers, which offer adequate protection against ultraviolet, visible and infrared radiation, and their design, in normal cases, complies with common product standards such as EN 379 (90x35mm). and EN 166 (96x25mm) designed viewing window These viewing windows, especially if they use certain, optically anisotropic technologies or are installed in an unfavorable position in an anti-glare cassette and welding protection mask, are in the human eye perception - J
  • protective devices should enable physiologically undisturbed vision.
  • Physiologically undisturbed vision facilitates spatial vision, thus ensuring a sufficient sense of balance and maintaining protection from approaching objects are better recognized and thus facilitate your own actions
  • electro-optical filter devices When used as an anti-glare device, electro-optical filter devices must be designed in such a way that the temporal and local occurrence is minimally influenced by the filter device in terms of the effect on the eyes.This can only be ensured if the geometric dimensions of the filter and its physical properties only determine the information change and limit
  • the visual angle is thus determined by means of optically active or passive phase delay elements (so-called optical retarder). compensated for the intensity of the light transmitted through the active optical filter element in order to obtain a more homogeneous intensity distribution that is less dependent on the viewing angle.
  • the light protection filter is equipped with a field of view that is adapted to natural visual perception.
  • the combination of these two measures that is to say the homogenization of the light distribution for both eyes in any shape and size of the filter device through the use of active and / or passive ones optical retarder and the enlargement of the lateral (lateral) field of view of the filter device, in the filter device according to the invention, helps to meet the need for better visual perception under extreme light conditions, such as, for example, in electric welding
  • FIG. 1 shows a first example of the inventive filter device with separate control and filter assemblies
  • FIG. 2 is a side view along the line II-II of FIG. 1,
  • ig 3 is a second example of a nutshell with two filter assemblies
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment, similar to FIG. 3, but with filter units arranged at an angle to the control unit,
  • ig 7 is a filter assembly of cylindrical curvature
  • ig 8 is a spherically curved filter assembly
  • ig 9 is a sketch to explain the internal structure of one in the or
  • ig 10-11 isocontrast diagrams to explain the mode of operation of the compensation element contained in the light protection filter
  • Fig. 12-13 two sketches to explain the geometric relationships and the field of view size of the light protection filter
  • the active electro-optical filter device designated as a whole by F in FIG. 1 comprises, as shown, two separate structural units, namely a control unit SE and a filter unit FE, which are each designed as thin plates with a thickness of approximately 1-5 mm.
  • the two units are molded.
  • the thickness of the plates of the filter unit FE and the control unit SE can be different
  • the filter assembly FE there is a light protection filter 1 which essentially comprises an active optical filter element 21 and its associated passive filter elements, such as in particular UV and IR filters and upstream and downstream polarization filters 22 and 23.
  • the active filter element 21 is preferably designed as a liquid crystal cell (LC cell).
  • the light protection filter 1 also contains at least one optically active or passive compensation element 24 to improve its homogeneity of light transmission, which is dependent in particular on the viewing angle.
  • the detailed structure of the light protection filter 1 can be seen in FIG. 9 and will be described further below explained in more detail
  • the light protection filter 1 can also have a plurality of active optical filter elements and, accordingly, a number of associated passive filter elements and also a number of active or passive compensation elements
  • the control module SE comprises control electronics 2, a light sensor 4 interacting with it and a power supply, which in turn comprises a solar cell 5 and two rechargeable battery cells 6 and 7.
  • a power supply which in turn comprises a solar cell 5 and two rechargeable battery cells 6 and 7.
  • the power supply can also be implemented differently, for example only with one or more solar cells or only with one or more battery cells
  • the control unit SE is provided with mechanical and electrical connecting elements 8, 9 and 10, which interact with complementary mechanical and electrical connecting elements 11, 12 and 13 on the filter unit FE in such a way that the control and filter unit can be mechanically and electrically detachably connected to one another in the exemplary embodiment shown the connecting elements form a plug connection, but other types of connection are also possible.
  • the filter device F is shown in the assembled state
  • the battery cells 6 and 7 can be charged by the solar cell 5 via the control electronics 2 or serve as a safety backup system. If the light sensor 4 hits a predetermined intensity threshold, the control electronics 2 generates a control signal for the active electro-optical filter element 1, whereby this becomes more or less opaque. Conversely, the active filter element becomes transparent again when the light sensor 4 is no longer exposed to light of sufficient intensity
  • the filter device for example in accordance with FIG. 3 or FIG. 6, can be provided with two or more filter structural units FE, possibly also of different sizes, which each interact with the same control structural unit SE.
  • the filter structural units In this case, FE can also be arranged at a mutual distance, as in normal eyeglasses
  • the two structural units SE and FE are in the assembled state in one plane and thus externally result in a filter device analogous to WO 96/10767, without however having their specific disadvantages.
  • the structural units SE and FE can also be so be designed so that they are in the assembled state in two mutually parallel planes, as is shown in simplified form in FIG. 4.
  • the control unit SE and the filter units FE can also be assembled at an angle to one another, as is shown in FIG. 6
  • the filter assemblies FE can be designed as flat plates ( Figures 1-6) or spatially curved ( Figures 7 and 8) By dividing the filter device into two or more units, they are smaller and can be manufactured with less construction effort, stiff and self-supporting.Furthermore, they can be made thinner and correspondingly lighter.It is also easier and easier to achieve dimensional adjustment to existing conditions - in the case of one Anti-glare mask, for example, can bring the filter units closer to the eye
  • control module SE can also be designed in such a way that it is intended to remain essentially stationary in the context of an anti-glare device, for example a welding mask. In this case, only the filter module FE can be easily replaced
  • An essential aspect of the present invention consists in the compensation measures for the transmission properties dependent on the viewing angle and thus inhomogeneous intensity distribution of the at least one active filter element 21 in the form of an LCD.
  • This compensation is carried out by means of an optically active or passive compensation element which detects the phase behavior of the
  • the electromagnetic field vector is influenced in every spatial direction in such a way that a homogenization of the local and angle-dependent radiation distribution is achieved through the light protection filter.
  • Active or passive phase retardation elements are particularly suitable as compensation elements.
  • Passive phase compensation foils resistive phase compensation foils (retarder foils, “phase matched bi-axial Compensation Film ”) used.
  • the structure and mode of operation of such compensation elements, in particular retarder films, are known to the person skilled in the art and, for example, in an article by S -T Wu in SLD 95 DIGEST, pp 555-558
  • FIG. 10 shows, in the form of an isocontrast diagram, the transmission properties of a conventional light protection filter without compensation according to the invention. Contrast here is to be understood as the ratio of the transmitted light intensities in the opaque and in the transparent state of the light protection filter.
  • the rectangular field 31 defines a minimum field of view, at according to the standard, a minimum of stereoscopic vision is still possible.
  • Curves 32-35 connect the locations of the same contrast, from the inside out for 1 100, 1 80, 1 50 and 1 10 As you can see, the transmittance is dependent on the viewing angle and extremely inhomogeneous across the field of view 11 shows an analog isocontrast diagram for a light protection filter equipped according to the invention with a compensation element.
  • the minimum field of view is marked by a rectangle 41, the curves 42-44 again connect the locations of the same contrast, from the inside out for 1,100. 1 80 and 1 50 As you can see, the transmittance is now much more homogeneous, and in particular over the entire field of view 41 not less than 1 80. The field of view can therefore be significantly enlarged with this configuration
  • the adaptation of the field of view which is defined, inter alia, by the dimensions of the light protection filter to the natural visual perception, is a further essential aspect of the present invention. Essentially, this relates to the lateral (lateral) field of vision
  • FIGS. 12 and 13 illustrate this.
  • Working point AP is to be understood as the location on which the gaze is concentrated when working, that is, in the case of welding work, the location of the welding arc.
  • the mean eye distance D and the distance r from the working point are practical constant standard sizes (64 mm or 400 mm), so that the approximation formula essentially represents the relationship between the distance d of the light protection filter from the eye, the lateral field of view size S and the field of view constant k.
  • the distance d is at least for the common anti-glare masks around 60 mm
  • the lateral field of view size S is to be understood as the lateral outer dimension of the configuration formed from the two light protection filters (FIG. 3)
  • the geometric conditions of the filter device are now modified so that they satisfy the above relationship, but the value for the field of view constant k is at least 1.15.
  • k is a value greater than 2, especially 2 , 22
  • the last-mentioned value for the field of view constant k results in a lateral field of view size, which ensures optimal stereoscopic vision and thus optimal spatial orientation.
  • the dimensioning of the filter device according to the invention amounts to a relative enlargement of the lateral field of view.
  • the desired effect only arises when the degree of transmission of the light protection filter over this enlarged field of view is sufficiently homogeneous, as explained above, the latter is ensured by the compensation measures according to the invention
  • Electro-optical filter devices available on the market often do not meet these requirements of a larger lateral field of view due to the anti-glare device due to the liquid crystal technology used or as a result of structural deficiency and are possibly limited to the fulfillment of common norms.
  • the present invention enables the realization of a safety-relevant viewing angle range that is optimally adapted to human vision Glare protection device through the combined use of suitable geometrically constructive and optically phase correcting measures, which are used in addition to the light protection filter
  • Optically active and passive delaying measures enable the angle-dependent transmission properties of the electro-optical filter to be influenced in a targeted manner to improve the binocular visual impression, the maximum possible resolution and the spatial perception by the visual apparatus
  • the filter device according to the first aspect of the invention described above By dividing the filter device according to the first aspect of the invention described above into two or more separate, detachably interconnected units, these are smaller and can be made self-rigid and self-supporting with less design effort.Furthermore, they can be made thinner and correspondingly lighter. Moreover, it is easier and It is easier to achieve dimensional adjustment to existing conditions - in the case of an anti-glare mask, for example, the filter units can be brought closer to the eye. Furthermore, if one of the functional elements fails, only the corresponding unit needs to be replaced

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Abstract

Die aktive elektrooptische Filtereinrichtung, die sich insbesondere als Blendschutzvorrichtung zum Einsatz in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen eignet, ist in an sich bekannter Weise mit einem Lichtschutzfilter mit mindestens einem aktiven optischen Filterelement (1) und mit einer Elektronik (2) zur Steuerung des mindestens einen aktiven Filterelements sowie mit einem mit der Elektronik zusammenwirkenden Lichtsensor (4) und einer Stromversorgung (5-7), insbesondere einer Solarzelle, für die Elektronik und das mindestens eine aktive Filterelement ausgestattet. Um die Wirtschaftlichkeit sowohl bezüglich Herstellung als auch bezüglich Anwendung zu verbessern, sind der Lichtschutzfilter (1) in einer Filterbaueinheit (FE) und die Elektronik (2), der Lichtsensor (4) und die Stromversorgung (5-7) in einer körperlich separaten Steuerbaueinheit (SE) angeordnet, wobei die Filterbaueinheit (FE) und die Steuerbaueinheit (SE) lösbar mechanisch und elektrisch miteinander zu einer Gesamteinheit (F) verbindbar und dazu mit gegenseitig zusammenwirkenden mechanischen und elektrischen Verbindungselementen (8-13) ausgestattet sind. Un dem Anwender bei seiner Arbeit ein physiologisch möglichst ungestörtes Sehempfinden für alle durch das Filterelement möglichen Blickrichtungen zu vermitteln und somit sicherheitsrelevante Grundanforderungen, wie besseres räumliches Sehen und somit ungestörtes Gleichgewichtsempfinden und Erkennen von herannahenden Objekten, zu erfüllen, ist der Lichtschutzfilter (1) mit mindestens einem optisch aktiven oder passiven Kompensationselement, beispielsweise einer optischen Phasenverzögerungsfolie oder einem elektrooptischen Filter, zur Verbesserung seiner insbesondere sichtwinkelabhängigen Homogenität der Lichttransmission versehen. Zusätzlich ist der Lichtschutzfilter (1) mit einem dem natürlichen Sehempfinden angeglichenen Sichtfeld ausgestattet.

Description

Aktive elektrooptische Filtereinrichtung
Die Erfindung betrifft eine aktive elektrooptische Filtereinrichtung, insbesondere als Blendschutzvorrichtung zum Einsatz in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen, mit einem Lichtschutzfilter mit mindestens einem aktiven optischen Filterelement, mit einer Elektronik zur Steuerung des mindestens einen aktiven Filterelements, mit einem 5 mit der Elektronik zusammenwirkenden Lichtsensor, mit einer Stromversorgung, insbesondere einer Solarzelle, für die Elektronik und das mindestens eine aktive Filterelement
Blendschutzvorrichtungen dieser Art sind z B aus WO 96/10767 und EP-A 0 678 288
10 bekannt Sie enthalten als aktives Filterelement meistens mindestens eine Flussigkri- stallzelle (LC-Zelle), welche den Lichtdurchgang mehr oder weniger sperrt, sobald der Lichtsensor über eine vorgegebene Intensitatsschwelle mit Licht beaufschlagt wird Der Einsatz solcher Filtereinrichtungen ist vielfaltig, ein typisches Beispiel ist die Verwendung als Sichtfenster für Schweissschutzmasken, -helme und -brillen ι5
Die in den genannten Druckschriften beschriebenen Filtereinrichtungen sind als sogenannte „Monoblocke" ausgebildet, d h sie bestehen körperlich aus einem einzigen Bauteil, welches samtliche Funktionselemente der Filtereinrichtung enthalt Die Funktionselemente sind dabei zu einer dünnen Platte vergossen und so vor Umgebungsein- 0 flussen geschützt Durch die Ausbildung als dunner plattenfbrmiger Monoblock wird körperliche Kompatibilität mit den verbreiteten passiven Lichtschutzfiltern (Dunkelglaser) erreicht, so dass die Filtereinrichtung direkt gegen solche passiven Lichtschutzfilter ausgetauscht werden können Dadurch ist es möglich, mit passiven Lichtschutzfiltern ausgestattete Blendschutzeinrichtungen auf einfache Weise mit den wirkungs- volleren und vorteilhafteren aktiven elektrooptischen Filtereinrichtungen aufzurüsten
Die Ausbildung der Filtereinrichtung als Monoblock hat aber den entscheidenden wirtschaftlichen und auch aus Umweltschutzgrunden bedenklichen Nachteil, dass die Filtereinrichtung bei Ausfall auch nur eines ihrer Funktionselemente stets als Ganzes er- 0 setzt werden muss - eine Reparatur der Funktionselemente ist aufgrund der vergossenen Bauweise so gut wie ausgeschlossen Durch einen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung soll nun dieser Nachteil beseitigt und die Wirtschaftlichkeit und Vielfalt der Einsatzmoglichkeiten einer aktiven elektrooptischen Filtereinrichtung der gattungsgemassen Art verbessert werden
Diese erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird erfindungsgemass dadurch gelost, dass der Lichtschutzfilter in einer Filterbaueinheit und die Elektronik, der Lichtsensor und die Stromversorgung in einer körperlich separaten Steuerbaueinheit angeordnet sind, wobei die Filterbaueinheit und die Steuerbaueinheit losbar mecha- nisch und elektrisch miteinander zu einer Gesamteinheit verbindbar und dazu mit gegenseitig zusammenwirkenden mechanischen und elektrischen Verbindungselementen ausgestattet sind
Vorzugsweise sind dabei die den Lichtschutzfilter enthaltende Filterbaueinheit und die die Elektronik, den Lichtsensor und die Stromversorgung enthaltende Steuerbaueinheit je als insbesondere vergossene Platte mit einer konstanten Dicke von insbesondere 1-5 mm ausgebildet, wobei Filterbaueinheit und Steuerbaueinheit auch unterschiedliche Dicken aufweisen können
Gemass diesem ersten grundlegenden Gedanken der Erfindung ist also die Filtereinrichtung in zwei (oder mehrere) separate Baueinheiten aufgeteilt, die losbar miteinander verbunden sind Durch diese Aufteilung braucht bei Ausfall eines Funktionselements jeweils nur die entsprechende Baueinheit ausgewechselt zu werden Ausserdem erlaubt die erfindungsgemasse Aufteilung in Steuer- und Filterbaueinheiten eine gros- sere Konstruktions-Flexibilitat, da z B ein und dieselbe Steuerbaueinheit zusammen mit unterschiedlichen Filterbaueinheiten verwendet werden kann Dadurch ergeben sich nicht nur im Einsatz, sondern auch in der Fertigung erhebliche praktische und wirtschaftliche Vorteile
Die in den eingangs genannten Druckschriften beschriebenen herkömmlichen Filtereinrichtungen bestehen aus aktiven und passiven Filterelementen mit optischen Polarisatoren, welche einen ausreichenden Schutz gegen ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung bieten, und in ihrer Ausfuhrung, im Normalfall, ein an gangige Produktenormen wie EN 379 (90x35mm) und EN 166 (96x25mm) ausgestaltetes Sichtfenster aufweisen Diese Sichtfenster, speziell wenn sie bestimmte, optisch anisotrope Technologien verwenden oder in ungunstiger Lage in eine Blendschutzkassette und Schweissschutzmaske eingebaut werden, sind dem menschlichen Sehempfinden in der - J
Homogenitat der Lichtverteilung auf das rechte und linke Auge meist nicht ausreichend angepasst Nebst dem Schutz vor optischer Strahlung sollten Schutzvorrichtungen ein physiologisch ungestörtes Sehen ermöglichen Physiologisch ungestörtes Sehen erleichtert das raumliche Sehen, stellt somit genügendes Gleichgewichtsempfinden sicher und gewahrt Schutz vor herannahenden Objekten Beeinträchtigende Umweltsituationen können vom Anwender besser erkannt werden und erleichtern damit das eigene Handeln
Beim Einsatz als Blendschutzvorrichtung müssen elektrooptische Filtereinrichtungen derart beschaffen sein, dass das zeitliche und ortliche Geschehen durch die Filtereinrichtung in der Wirkung auf die Augen möglichst minimal beeinflusst wird Dies kann nur sichergestellt werden, wenn die geometrischen Abmessungen des Filters und dessen physikalische Eigenschaften die Information nur bestimmt verandern und begrenzen
Für den ungestörten stereoskopischen Seheindruck bzw für die Empfindung raumlicher Tiefe und damit für die Orientierung im Raum ist es wichtig, dass beide Augen die gleiche Helligkeit für dasselbe Objekt bei ausreichender Sichtfeldgrosse wahrnehmen Das gesamte Blickfeld muss dabei nicht homogen um das gleiche Mass ge- schwächt werden Lediglich in gleicher Blickrichtung von linkem und rechtem Auge müssen jedem Auge für das gleiche Objekt dieselben Leuchtdichten dargeboten werden
Diese Schwierigkeit zu überwinden und eine elektrooptische Filtereinrichtung vor- zugsweise zusatzlich oder alternativ noch dahingehend zu verbessern, dass sie dem Anwender bei seiner Arbeit ein physiologisch möglichst ungestörtes Sehempfinden für alle durch das Filterelement möglichen Blickrichtungen vermittelt und somit sicherheitsrelevante Grundanforderungen, wie besseres raumliches Sehen und somit ungestörtes Gleichgewichtsempfinden und Erkennen von herannahenden Objekten, besser erfüllt, ist ein weiterer wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung
Die Losung dieser weiteren bzw zusatzlichen Aufgabe ergibt sich aus den im Anspruch 9 beschriebenen Merkmalen Diesbezüglich besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 10-14
Gemass diesem weiteren Hauptaspekt der Erfindung wird also mittels optisch aktiver oder passiver Phasenverzogerungselemente (sog optischen Retardera) die Sichtwin- kelabhangigkeit der Intensität des vom aktiven optischen Filterelement durchgelassenen Lichts kompensiert, um so eine homogenere, vom Sichtwinkel weniger abhangige Intensitatsverteilung zu erhalten. Gemass einem zusatzlichen Hauptaspekt der Erfindung wird der Lichtschutzfilter mit einem dem naturlichen Sehempfinden angegliche- nen Sichtfeld ausgestattet Insbesondere die Kombination dieser beiden Massnahmen, also die Homogenisierung der Lichtverteilung für beide Augen bei jeder Form und Grosse der Filtereinrichtung durch den Einsatz von aktiven und/oder passiven optischen Retardem und die Vergrosserung des seitlichen (lateralen) Gesichtsfeldes der Filtereinrichtung, tragt bei der erfindungsgemassen Filtereinrichtung dazu bei, das Be- durfnis nach besserer visueller Wahrnehmung unter extremen Lichtbedingungen, wie z B beim Elektroschweissen, zu erfüllen
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung naher erläutert Es zeigen
Fig 1 ein erstes Nusführungsbeispiel der erfindungsgemassen Filtereinrichtung mit getrennten Steuer- und Filterbaueinheiten,
Fig 2 eine Seitenansicht nach der Linie II-II der Fig 1,
ig 3 ein zweites Nusführungsbeispiel mit zwei Filterbaueinheiten,
ig 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
ig 5 die Filtereinrichtung nach Fig 1 in zusammengefügtem Zustand,
ig 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel ahnlich Fig 3, jedoch mit zur Steuerbaueinheit geneigt angeordneten Filterbaueinheiten,
ig 7 eine zylindrisch gekrümmt ausgebildete Filterbaueinheit,
ig 8 eine sphärisch gekrümmt ausgebildete Filterbaueinheit,
ig 9 eine Skizze zur Erläuterung des inneren Aufbaus eines in der oder den
Filterbaueinheiten enthaltenen Lichtschutzfilters,
ig 10-11 zwei Isokontrast-Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des im Lichtschutzfilter enthaltenen Kompensationselements und Fig 12-13 zwei Skizzen zur Erläuterung der geometrischen Verhaltnisse und der Sichtfeldgrosse des Lichtschutzfilters
Die in Fig 1 als Ganzes mit F bezeichnete aktive elektrooptische Filtereinrichtung umfasst darstellungsgemass zwei separate Baueinheiten, und zwar eine Steuerbaueinheit SE und eine Filterbaueinheit FE, die jeweils als dünne Platten mit einer Starke von etwa 1-5 mm ausgebildet sind Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, sind die beiden Baueinheiten vergossen ausgebildet Die Starke der Platten von Filterbaueinheit FE und Steuerbaueinheit SE kann unterschiedlich sein
In der Filterbaueinheit FE befindet sich ein Lichtschutzfilter 1, welcher im wesentlichen ein aktives optisches Filterelement 21 und dessen zugehörige, passive Filterelemente, wie insbesondere UV- und IR-Filter und vor- und nachgeschaltete Polarisati- onsfilter 22 und 23, umfasst Das aktive Filterelement 21 ist vorzugsweise als Flussig- kristallzelle (LC-Zelle) ausgebildet Ausserdem enthalt der Lichtschutzfilter 1 erfin- dungsgemass mindestens ein optisch aktives oder passives Kompensationselement 24 zur Verbesserung seiner insbesondere sichtwinkelabhängigen Homogenitat der Lichttransmission Der Detailaufbau des Lichtschutzfilters 1 ist in Fig 9 erkennbar und wird weiter unten noch naher erläutert Selbstverständlich kann der Lichtschutzfilter 1 auch mehrere aktive optische Filterelemente und entsprechend mehrere zugehörige passive Filterelemente und auch mehrere aktive oder passive Kompensationselemente aufweisen
Die Steuerbaueinheit SE umfasst eine Steuerelektronik 2, einen mit dieser zusammenwirkenden Lichtsensor 4 und eine Stromversorgung, die ihrerseits eine Solarzelle 5 und zwei aufladbare Batteriezellen 6 und 7 umfasst Selbstverständlich kann die Stromversorgung auch anders realisiert sein, beispielsweise etwa nur mit einer oder mehreren Solarzellen oder nur mit einer oder mehreren Batteriezellen
Die Steuerbaueinheit SE ist mit mechanischen und elektrischen Verbindungselementen 8, 9 und 10 versehen, welche mit komplementären mechanischen und elektrischen Verbindungselementen 11, 12 und 13 an der Filterbaueinheit FE derart zusammenwirken, dass Steuer- und Filterbaueinheit mechanisch und elektrisch losbar miteinander verbindbar sind Im gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Verbindungselemente eine Steckverbindung, wobei jedoch auch andere Verbindungsarten möglich sind In Fig 5 ist die Filtereinrichtung F im zusammengefügten Zustand dargestellt Die Batteriezellen 6 und 7 können im dargestellten Ausführungsbeispiel von der Solarzelle 5 über die Steuerelektronik 2 aufgeladen werden oder dienen dieser als Sicherheits-Backup-System Wenn auf den Lichtsensor 4 eine vorgegebene Intensitats- schwelle übersteigendes Licht auftrifft, erzeugt die Steuerelektronik 2 ein Steuersignal für das aktive elektrooptische Filterelement 1 , wodurch dieses mehr oder weniger lichtundurchlassig wird Umgekehrt wird das aktive Filterelement wieder lichtdurchlässig, wenn der Lichtsensor 4 nicht mehr mit Licht ausreichender Intensität beaufschlagt ist
Abgesehen von der Aufteilung in körperlich getrennte Baueinheiten und den weiter unten noch erläuterten zusatzlichen Details (Kompensationselement 24, Sichtfeldgrosse) entspricht der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemassen Filterein- richtung vollumfanglich den in den eingangs angeführten Dokumenten beschriebenen Filtereinrichtungen, so dass der Fachmann diesbezüglich keiner näheren Erläuterungen bedarf
Die Aufteilung in getrennte Baueinheiten erlaubt u a a eine grossere konstruktive Ge- staltungsfreiheit So kann die Filtereinrichtung z B gemass Fig 3 oder Fig 6 auch mit zwei oder mehreren Filterbaueinheiten FE, ggf auch unterschiedlicher Grossen, versehen sein, welche jeweils mit derselben Steuerbaueinheit SE zusammenwirken Die Filterbaueinheiten FE können dabei auch wie bei einer normalen Sehbrille in gegenseitigem Abstand angeordnet sein
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 5 befinden sich die beiden Baueinheiten SE und FE in zusammengefügtem Zustand in einer Ebene und ergeben damit ausserlich eine Filtereinrichtung analog der WO 96/10767, ohne allerdings deren spezifische Nachteile aufzuweisen Die Baueinheiten SE und FE können jedoch auch so ausgebildet sein, dass sie sich in zusammengefügtem Zustand in zwei zueinander pa- rallelen Ebenen befinden, wie dies in Fig 4 vereinfacht dargestellt ist Schliesslich können die Steuerbaueinheit SE und die Filterbaueinheiten FE auch im Winkel zu einander zusammengefügt werden, wie dies in Fig 6 dargestellt ist
Die Filterbaueinheiten FE können als ebene Platten (Figuren 1-6) oder auch raumlich gekrümmt (Figuren 7 und 8) ausgebildet sein Durch die Aufteilung der Filtereinrichtung in zwei oder mehrere Baueinheiten sind diese kleiner und können mit geringerem konstruktiven Aufwand eigensteif und selbsttragend hergestellt werden Ferner können sie dunner und dementsprechend leichter ausgebildet werden Ausserdem lasst sich leichter und einfacher eine abmessungsmassige Anpassung an vorhandene Verhaltnisse erreichen - im Falle einer Blendschutzmaske zum Beispiel können die Filterbaueinheiten naher an das Auge gebracht werden
Es versteht sich, dass die Steuerbaueinheit SE auch so konzipiert sein kann, dass sie zum im wesentlichen ortsfesten Verbleib im Rahmen einer Blendschutzvorrichtung, z B einer Schweissmaske bestimmt ist Ohne weiteres ausgetauscht kann in diesem Fall nur die Filterbaueinheit FE werden
Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht, ie schon erwähnt, in den Kompensationsmassnahmen für die sichtwinkelabhängigen Transmissionseigen- schaffen und damit inhomogene Intensitatsverteilung des mindestens einen, als LCD ausgebildeten aktiven Filterelements 21 Diese Kompensation erfolgt mittels eines optisch aktiven oder passiven Kompensationselements, welches das Phasenverhalten des elektromagnetischen Feldvektors in jeder Raumrichtung so beeinflusst, dass eine Homogenisierung der ortlichen und winkelabhangigen Strahlungsverteilung durch den Lichtschutzfilter erreicht wird Als Kompensationselement sind aktive oder passive Phasenverzogerungselemente (sog optischen Retarder) geeignet Besonders bevorzugt werden passive Phasenkompensationsfolien (Retarder-Folien, „Phase Matched Bi-Axial Compensation Film") eingesetzt Aufbau und Wirkungsweise solcher Kompensationselemente, insbesondere Retarder-Folien, sind dem Fachmann bekannt und z B in einem Artikel von S -T Wu im SLD 95 DIGEST, pp 555-558 beschrieben
Die Fig 10 zeigt in Form eines Isokontrast-Diagramms die Transmissionseigenschaften eines herkömmlichen Lichtschutzfilters ohne erfindungsgemasse Kompensation Unter Kontrast ist hier das Verhältnis der durchgelassenen Lichtintensitaten im un- durchlassigen und im durchlassigen Zustand des Lichtschutzfilters zu verstehen Das rechteckige Feld 31 definiert ein Minimal-Sichtfeld, bei dem gemass Norm gerade noch ein Mindestmass an stereoskopischem Sehen möglich ist Die Kurven 32-35 verbinden jeweils die Orte gleichen Kontrasts, und zwar von innen nach aussen für 1 100, 1 80, 1 50 und 1 10 Wie man erkennt, ist der Transmissionsgrad blickwinkelabhangig und über das Sichtfeld ausserst inhomogen Die Fig 11 zeigt ein analoges Isokontrast -Diagramm für einen erfindungsgemass mit einem Konpensationselement ausgestatteten Lichtschutzfilter Das minimale Sichtfeld ist durch ein Rechteck 41 markiert, die Kurven 42-44 verbinden wiederum jeweils die Orte gleichen Kontrasts, und zwar von innen nach aussen für 1 100, 1 80 und 1 50 Wie man erkennt, sind die Transmissionsgrade jetzt wesentlich homogener, und insbesondere über das gesamte Sichtfeld 41 nicht unter 1 80 Das Sichtfeld kann bei dieser Konfiguration also ohne weiteres wesentlich vergrossert werden
Die Anpassung des u a durch die Abmessungen des Lichtschutzfilters definierten Sichtfelds an das naturliche Sehempfinden ist ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung Im wesentlichen geht es dabei um das seitliche (laterale) Sichtfeld
Wie eingangs schon erwähnt, wird gemass Produktenormen EN/DIN eine Mindest - sichtfeldgrosse von 96mm x 25mm (EN 166) resp 90mm x 35mm (EN 379) gefordert, um ein Mindestmass an stereoskopischem Sehen zu gewahrleisten Dies entspricht etwa einem Sichtwinkelbereich von ± 20° horizontal und ± 15° vertikal
Die geometrischen Verhaltnisse beim praktischen Einsatz der Filtereinrichtung z B als Blendschutzvorrichtung lassen sich durch die folgende Naherungsformel beschreiben
r + d
wobei D = mittlerer Augenabstand [mm] d - Abstand Auge - Lichtschutzfilter [mm] r = Abstand Lichtschutzfilter - Arbeitspunkt [mm] S = Laterale (horizontale) Sichtfeldgrosse [mm] k = "Sehfeldkonstante" (dimensionslos)
Die Figuren 12 und 13 verdeutlichen dies Unter Arbeitspunkt AP ist der Ort zu verstehen, auf den sich der Blick beim Arbeiten konzentriert, im Falle von Schweissar- beiten also der Ort des Schweisslichtbogens Der mittlere Augenabstand D und der Abstand r zum Arbeitspunkt sind für die Praxis konstante Norm-Grossen (64 mm bzw 400 mm), so dass die Naherungsformel also im wesentlichen den Zusammenhang zwi- sehen dem Abstand d des Lichtschutzfilters vom Auge, der lateralen Sichtfeldgrosse S und der Sehfeldkonstante k darstellt Der Abstand d betragt zumindest bei den gangi- gen Blendschutzmasken rund 60 mm Die laterale Sichtfeldgrosse S ist im Falle von zwei getrennten Filtereinheiten FE als das laterale Aussenmass der aus den beiden Lichtschutzfiltern gebildeten Konfiguration zu verstehen (Fig 3)
Für ein Mindestmass an stereoskopischem Sehen errechnet sich, unter Zugrundelegung der vorstehenden Normgrossen für das Sichtfeld und mit r = 400 mm und einem gross- ten Abstand d von 60 mm eine Sehfeldkonstante von k = 0,85 Mit anderen Worten Mit einer Sehfeldkonstante k = 0,85 ergibt sich unter den üblichen praktischen Verhaltnissen eine laterale Sichtfeldgrosse, welche das normgemasse Mindestmass an ste- reoskopischem Sehen gewahrleistet (Fig 12)
Gemass einem weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung werden nun die geometrischen Verhaltnisse der Filtereinrichtung so abgeändert, dass sie der obenstehenden Beziehung genügen, wobei aber der Wert für die Sehfeldkonstante k mindestens 1, 15 be- tragt Vorzugsweise liegt k bei einem Wert grosser 2, speziell 2,22 Mit dem letztgenannten Wert für die Sehfeldkonstante k ergibt sich eine laterale Sichtfeldgrosse, welche optimales stereoskopisches Sehen und damit optimale raumliche Orientierungs- moglichkeit gewahrleistet Fig 13 verdeutlicht die Verhaltnisse beispielsweise für einen Wert der Sehfeldkonstante von k = 1,38
Im wesentlichen lauft die erfindungsgemasse Dimensionierung der Filtereinrichtung auf eine relative Vergrosserung des lateralen Sichtfelds hinaus Die gewünschte Wirkung ergibt sich aber erst dann, wenn der Transmissionsgrad des Lichtschutzfilters über dieses vergrosserte Sichtfeld ausreichend homogen ist Letzteres ist, wie weiter vorne dargelegt, durch die erfindungsgemassen Kompensationsmassnahmen gewahrleistet
Im Markt erhaltliche elektrooptische Filtereinrichtungen erfüllen diese Anforderungen eines grosseren lateralen Gesichtsfeldes durch die Blendschutzeinrichtung aufgrund der verwendeten Flussigkristalltechnologie oder als Resultat konstruktiver Mangel oft nicht und beschranken sich gegebenenfalls auf die Erfüllung gangiger Normen Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Realisation eines dem menschlichen Sehempfinden optimal angepassten sicherheitsrelevanten Sichtwinkelbereiches der Blendschutzvorrichtung durch den kombinierten Einsatz von geeigneten geometrisch konstruktiven und optisch phasenkorrigierenden Massnahmen, welche zusatzlich zum Lichtschutz- filter eingesetzt werden Optisch aktive und passive Verzogerungsmassnahmen ermöglichen eine gezielte Beeinflussung der winkelabhangigen Transmissionseigenschaften des elektrooptischen Filters zur Verbesserung des binokularen Seheindruckes, der maximal möglichen Auflosung und der raumlichen Wahrnehmung durch den Sehapparat
Die beiden zuletzt beschriebenen Hauptaspekte der Erfindung erhohen die Sicherheit der Schutzvorrichtung durch die Anwendung von optisch aktiven oder passiven Retar- dern unabhängig von der Sichtfeldgrosse zum Ausgleich der winkelabhangigen Transmission eines beliebigen elektrooptischen Filters und zweitens durch eine geometrische Anpassung des elektrooptischen Lichtschutzfilters an die physiologischen Sehbedurfnisse des Beobachters
Durch die Aufteilung der Filtereinrichtung gemass dem zuerst beschriebenen Hauptaspekt der Erfindung in zwei oder mehrere separate, losbar miteinander verbundene Baueinheiten sind diese kleiner und können mit geringerem konstruktiven Aufwand eigensteif und selbsttragend hergestellt werden Ferner können sie dunner und dementsprechend leichter ausgebildet werden Ausserdem lasst sich leichter und einfacher eine abmessungsmassige Anpassung an vorhandene Verhaltnisse erreichen - im Falle einer Blendschutzmaske zum Beispiel können die Filterbaueinheiten naher an das Auge ge- bracht werden Ferner braucht bei Ausfall eines Funktionselements jeweils nur die entsprechende Baueinheit ausgewechselt zu werden
Die Kombination der erwähnten drei Hauptaspekte der Erfindung führt zu einer sowohl in fertigungstechnischer Hinsicht als auch in ihrem praktischen Einsatz optimalen Filtereinrichtung

Claims

Patentansprüche
Aktive elektrooptische Filtereinrichtung, insbesondere als Blendschutzvorrichtung zum Einsatz in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen, mit einem Lichtschutzfilter mit mindestens einem aktiven optischen Filterelement (1) und mit einer Elektronik (2) zur Steuerung des mindestens einen aktiven Filterelements sowie mit einem mit der Elektronik zusammenwirkenden Lichtsensor (4) und einer Stromversorgung (5-7), insbesondere einer Solarzelle, für die Elektronik und das mindestens eine aktive Filterelement, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtschutzfilter (1) in einer Filterbaueinheit (FE) und die Elektronik (2), der Lichtsensor (4) und die Stromversorgung (5-7) in einer körperlich separaten Steuerbaueinheit (SE) ange- ordnet sind, wobei die Filterbaueinheit (FE) und die Steuerbaueinheit (SE) losbar mechanisch und elektrisch miteinander zu einer Gesamteinheit (F) verbindbar und dazu mit gegenseitig zusammenwirkenden mechanischen und elektrischen Verbindungselementen (8-13) ausgestattet sind
Filtereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den Lichtschutzfilter enthaltende Filterbaueinheit (FE) als ebene oder gekrümmte Platte mit einer Dicke von insbesondere 1-5 mm ausgebildet ist
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die die Elektronik, den Lichtsensor und die Stromversorgung enthaltende
Steuerbaueinheit (SE) als Platte mit einer Dicke von insbesondere 1-5 mm ausgebildet ist
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass die Filter- und die Steuerbaueinheit (FE, SE) vergossen ausgebildet sind
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Filterbaueinheiten (FE) vorgesehen sind, welche mit der Steuerbaueinheit (SE) losbar mechanisch und elektrisch verbindbar sind
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbaueinheit (SE) und die Filterbaueinheit (FE) im aneinander befestigten Zustand in einer Ebene oder in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerbaueinheit (SE) und die Filterbaueinheit (FE) im aneinander befestigten Zustand zueinander geneigt angeordnet sind
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterbaueinheit (FE) zylindrisch oder sphärisch gekrümmt ausgebildet ist
Aktive elektrooptische Filtereinrichtung, insbesondere als Blendschutzvorrichtung zum Einsatz in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen, mit einem Lichtschutzfilter (1) mit mindestens einem aktiven optischen Filterelement (21) und mit einer Elektronik (2) zur Steuerung des mindestens einen aktiven Filterelements (21) sowie mit einem mit der Elektronik zusammenwirkenden Lichtsensor (4) und mit einer Stromversorgung (5-7), insbesondere einer Solarzelle, für die Elektronik und für das mindestens eine aktive Filterelement, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lichtschutzfilter (1) mit mindestens einem optisch aktiven oder passiven Kompensationselement (24) zur Verbesserung seiner insbesondere sichtwinkelabhängigen Homogenitat der Lichttransmission versehen ist
Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtschutzfilter (1) mit mindestens einem optisch aktiven oder passiven Kompensationselement (24) zur Verbesserung seiner insbesondere sichtwinkelabhängigen Homogenitat der Lichttransmission versehen ist
Filtereinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Kompensationselement (24) als optische Phasenkompensationsfolie ausgebildet ist
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Einsatz als Blendschutzvorrichtung in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Lichtschutzfilter (1) im Einsatz ein dem naturlichen Sehempfinden angeglichenes Sichtfeld aufweist
Filtereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Einsatz als Blendschutzvorrichtung in Schweissschutzmasken, -helmen oder -brillen, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Lichtschutzfilter (1) eine im Einsatz laterale Sichtfeldgrosse
(S) aufweist, welche im Einsatz der Beziehung - u
2 • D • d , ,
S ≡ D - — + k • d r + d
genügt, worin D den mittleren Augenabstand, d den Abstand des Lichtschutzfilters zum Auge, r den mittleren Abstand zwischen Lichtschutzfilter und Arbeitspunkt (AP) und k eine Sehfeldkonstante bedeuten, und wobei die Sehfeldkonstante k mindestens 1,15 beträgt.
14. Filtereinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sehfeldkonstante k mindestens 1,8, vorzugsweise mindestens 2,2 beträgt.
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