ES2199300T3 - Obturador de cristales liquidos. - Google Patents

Abstract

UNA ESTRUCTURA OBTURADORA DE CRISTAL LIQUIDO (18), ADECUADA PARA UN PROTECTOR DE VIDRIO Y UN FILTRO DE VIDRIO PARA LA SOLDADURA, EN DONDE TAL ESTRUCTURA OBTURADORA PUEDE PASAR DE UN ESTADO OSCURO DE ALTA ABSORCION DE LA LUZ A UN ESTADO TRANSPARENTE DE BAJA ABSORCION DE LA LUZ, Y VICEVERSA, QUE CONSTA DE CELDAS DE CRISTAL LIQUIDO DEL TIPO NEMATICO POCO ALABEADO CON UN ANGULO DE ALABEO DE 0º A POCO MENOS DE 90º, Y CIRCUITO ELECTRONICO CUYA SALIDA GENERA UNA TENSION DE ACCIONAMIENTO DE LA CELDA VARIABLE APROXIMADAMENTE DOS VECES MAYOR QUE LA TENSION UMBRAL PARA AL MENOS UNA DE LAS CELDAS DE CRISTAL LIQUIDO Y CON UNA FRECUENCIA DE CONMUTACION DE LA POLARIDAD INFERIOR A 1 HERTZIO.

Description

Obturador de cristales líquidos.

El presente invento se refiere a persianas de cristal líquido adecuadas para dispositivos electro-ópticos de protección de los ojos, pantallas antideslumbramiento, y filtros de vidrio para soldadura de oscurecimiento automático y además, más específicamente, a construcciones de acuerdo con el preámbulo de la Reivindicación 1 siguiente.

Antecedentes

Las persianas de cristal líquido son útiles en varias aplicaciones relativas a la transmitancia de luz a través de una abertura en la cual deberá ser posible conmutar la persiana entre un estado de baja absorción de la luz con un bajo valor de la densidad de la transmisión, y un estado de alta absorción de la luz con un valor alto de la densidad de la transmisión. Combinando filtros de polarización y celdas de cristal líquido que sean susceptibles de alineación por medio de una influencia eléctrica, se hace variable la transmitancia de las persianas de cristal líquido del estado del arte en respuesta a un cambio en la influencia eléctrica.

Las persianas de esta clase son de aplicación favorablemente como filtros de la luz en, por ejemplo, dispositivos para la protección de los ojos, tales como pantallas de vidrio para soldadura de oscurecimiento automático. No obstante, las persianas de cristal líquido de la técnica anterior adolecen del problema de que la densidad de la transmisión es asimétrica y dependiente del ángulo de incidencia de la luz transmitida. Esta dependencia angular es debida a una alineación molecular incompleta con el campo eléctrico aplicado cuando se efectúa la excitación en un margen de voltaje intermedio, típicamente entre 2 y 10 voltios, y es especialmente desventajosa en aplicaciones que requieran un gran campo de visión. Otro problema es el del elevado consumo de energía eléctrica de tales persianas de la técnica anterior, lo que conduce a un rápido agotamiento de las celdas de las baterías en equipo móvil, y presenta aspectos bien conocidos tanto en el aspecto económico como en el de seguridad y ambiental.

En este contexto, una celda de cristal líquido del estado del arte consiste en una mezcla líquida de moléculas alargadas emparedadas entre dos placas de vidrio que las delimitan. Las capas superficiales de las placas de vidrio que miran hacia la mezcla líquida están tratadas de modo que hay formados directores de alineación, por ejemplo estrías, que tienen una dirección uniforme, y las moléculas de cristal líquido próximas a tal capa superficial tienden a alinearse paralelas a los directores. Sometiendo a torsión a las placas de vidrio, de modo que los directores no sean paralelos, se forma una estructura helicoidal de moléculas de cristal líquido entre las placas de vidrio. Por ejemplo, la celda nemática con aplicación de torsión (TN) de 90º normal está formada con un ángulo de torsión entre las direcciones de alineación de las moléculas de las placas de vidrio de 90º. Las moléculas de cristal líquido normalmente usadas en este contexto tienen una anisotropía dieléctrica positiva inherente y pueden por lo tanto ser alineadas predominantemente al tener lugar la aplicación de un campo eléctrico con un voltaje más alto que un valor umbral específico de la celda. La estructura de las moléculas helicoidal en la celda se disuelve bajo la influencia eléctrica, y las moléculas de cristal quedan en cambio orientadas según el campo eléctrico. Cuando se coloca entre polarizadores, se puede controlar la densidad de la transmisión de tal conjunto de celdas variando para ello el campo eléctrico aplicado por encima del voltaje umbral, con lo que la característica de la transmisión es típicamente asintótica. Sin embargo, la mencionada asimetría angular óptica aparece en este estado activado eléctricamente.

Las impurezas en una celda de cristal líquido tienen a interferir con la estructura del cristal líquido, y en particular la presencia de los al parecer inevitables iones de metales alcalino-térreos hace que, en el estado de activado eléctricamente, circule una corriente de fuga a través de la celda. Si se excita la conmutación de una celda con un voltaje de corriente continua o de baja frecuencia, tales iones de impurezas pueden migrar hacia las capas de alineación y quedar embebidos en las superficies interiores de la celda. Al retirar el voltaje de excitación, puede todavía existir un campo eléctrico a través del cristal, debido a los iones capturados, y que puede afectar a la conmutación de la celda. Por lo tanto, las celdas de cristal líquido son normalmente excitadas con un voltaje alterno, por ejemplo un voltaje de onda cuadrada, en el que la polaridad se conmuta rápidamente a fin de evitar la migración de iones de impurezas y la consiguiente degradación de la celda. En estas condiciones, la celda se aproxima a lo que es un condensador de placas paralelas, y debe ser cargada y descargada continuamente al tener lugar la inversión de la polaridad. El flujo de la corriente de fuga, junto con la continua carga y descarga de la celda, da por resultado un gran consumo de energía eléctrica en el estado de activado eléctricamente.

En la Patente de EE.UU. Nº 5.315.099, concedida a Gunz y otros, se ha sugerido reducir el consumo de energía eléctrica de una celda de cristal líquido, la cual comprende una capa resistente a la corrosión y un líquido neutro frente a la corrosión, o bien aditivos que inhiben la corrosión, aplicando para ello un voltaje de frecuencia relativamente baja, en el margen de 0,1 Hz. Con el fin de reducir la sensibilidad de la celda a los cambios de la densidad óptica debidos a fluctuaciones de la temperatura y a inestabilidades de la fuente de voltaje, se hace funcionar la celda con un voltaje de excitación mucho más alto que el voltaje umbral, lo cual tiene también un efecto de moderación en la asimetría de la transmisión óptica para las dos polaridades del voltaje. No obstante, la celda de cristal líquido tal como la descrita en el documento US 5.315.099, se excita con un voltaje considerablemente más alto que el requerido para alcanzar el margen del valor de pico asintótico de la densidad de la transmisión, y por consiguiente esa celda es básicamente una persiana de dos estados.

Otros inconvenientes de alimentar una celda de cristal líquido con bajas frecuencias, o incluso con una corriente continua, son, por ejemplo, la de una disminución de la vida útil, la de cambios electroquímicos, y la de la carga de las capas dentro de las estructuras de la celda. En particular, cuando se usan voltajes de excitación próximos al voltaje umbral, los efectos de la carga dan por resultado una asimetría óptica y una transmisión dependiente del tiempo. Estos inconvenientes se ven también confirmados por las especificaciones técnicas de los fabricantes de celdas de cristal líquido, en las que se dice que solamente se puede aceptar un componente de corriente continua muy bajo.

En este contexto, una construcción de celda típica consiste en una celda de cristal líquido del tipo nemático con torsión aplicada (TN) entre dos filtros de polarización mutuamente cruzados, donde las paredes de definición están tratadas con una capa de plástico que ha sido cepillada o frotada en direcciones específicas, las denominadas direcciones de alineación, de modo que la estructura en las superficies que definen el cristal líquido obligará a las moléculas nemáticas a que cada una toma una posición angular específica, y a que por lo tanto las moléculas sean sometidas a torsión mutuamente un ángulo de 90º entre dichas superficies de definición. Son también conocidos en la técnica otros métodos de tratamiento superficial que tienen efectos correspondientes. En un estado no activado eléctricamente, el plano de polarización será girado 90º al pasar la luz a través del filtro, y la celda se hace transparente. Esta rotación de las moléculas nemáticas puede ser detenida en mayor o menor medida, aplicando para ello un campo eléctrico, y para obtener así un efecto de filtro que puede ser también controlado. No obstante, una celda de esta clase tiene una variación angular relativamente intensa de la transmitancia en su estado de activada eléctricamente, oscura, con absorción variable de la luz que incida con ángulos que no sean un ángulo recto, quedando esta asimetría amplificada más todavía por el hecho de que las moléculas nemáticas más próximas a la superficie, limitadas por el efecto de superficie, seguirán dando lugar a una actividad óptica residual. Así, cuando los ángulos de la luz incidente aumenten con relación a la normal (es decir, a la perpendicular), el filtro será, en las dos direcciones de las bisectrices entre las direcciones de alineación, más transparente y relativamente constante con relación a las direcciones de los polarizadores cruzados, a lo largo de la dirección de una bisectriz, mientras que oscurece a lo largo de la dirección de la otra bisectriz.

Se sabe como compensar el efecto de la variación de la transmitancia, combinando para ello dos celdas TN que han sido sometidas a 90º de torsión, de tal modo que la bisectriz ``débil'' de una celda TN coincida con la bisectriz de la otra bisectriz ``fuerte'', y viceversa. Sin embargo, a pesar de esa compensación, el campo de visión sigue siendo desigual, lo cual es molesto para el usuario.

Se ha proporcionado una mejora con respecto a la asimetría de la transmisión dependiente del ángulo, mediante la tecnología descrita en las solicitudes de patente pendientes de tramitación junto con la presente SE 9401423-0 y la correspondiente PCT/SE95/00455, publicada como WO97/15254 y que forma parte de la técnica anterior, según el Artículo 5413TEPC. Estos documentos dan a conocer una construcción de celda de cristal líquido que comprende dos celdas de cristal líquido de tipo nemático, estando provista cada celda de placas de orientación de las moléculas que definen las direcciones de alineación de las moléculas con desplazamiento angular mutuo en un estado desactivado, y medios de alineación de las moléculas accionables eléctricamente para alineación de las moléculas controlable en un estado activado. Cada una de las celdas de cristal líquido está montada entre filtros de polarización que se extinguen mutuamente, y las direcciones de alineación de las moléculas de las celdas están giradas de modo que se obtenga un efecto de compensación entre las respectivas absorciones de la luz asimétrica de las celdas cuando se aplica un voltaje. El problema de la transmisión dependiente del ángulo se reduce, de acuerdo con esas Solicitudes de Patente, por tener al menos alguna de las celdas un ángulo formado entre los directores de alineación de las moléculas de la superficie que es menor que el ángulo de torsión de 90º anteriormente conocido. A fin de poder aplicar el mismo voltaje a dos celdas de cristal líquido diferentes, y simplificar con ello la electrónica requerida, es ventajoso en la tecnología de los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455 publicada como WO97/15254, usar dos celdas idénticas entre sí.

La tecnología descrita proporciona también una mejora con respecto a la baja absorción en el estado transparente de la construcción de persiana. Además, esta construcción de persiana aplicada por ejemplo en un vidrio de protección para soldadura tendrá una oscuridad variable en su estado oscurecido, de modo que haga posible que se use el mismo vidrio protector con luz de soldar muy intensa y con luz de soldar mucho más débil, de modo que se puedan llevar a cabo trabajos de soldadura de todo tipo con una misma pantalla protectora de vidrio, en la mejor medida posible. Era conocido anteriormente en la técnica que se puede variar la actividad óptica aplicando para ello diferentes voltajes, aunque la desigualdad en la densidad de la transmisión que depende del ángulo tiende a resultar más molesta cuando se aumenta el voltaje a través de las celdas en las técnicas anteriores conocidas.

Uno de los problemas que se plantean cuando se usan celdas que tienen un ángulo de torsión de menos de 90º, a las que se hará referencia convenientemente como a ``celdas de baja torsión'', radica en conseguir una alta transmisión de la luz en el estado transparente, obteniendo al mismo tiempo una transmisión de la luz lo suficientemente baja en el estado oscuro. En consecuencia, de acuerdo con un aspecto de la tecnología según los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455, se prefiere una colocación ``simétrica'' del filtro de polarización. Cuando los filtros de polarización están dispuestos con ángulos de intersección mutua de 90º, es adecuado montar una celda de baja torsión de tal modo que la bisectriz entre las direcciones de tratamiento de la superficie coincida esencialmente con una bisectriz entre las direcciones de polarización de los filtros. Se obtendrá entonces la máxima transmisión de la luz en el estado no activado eléctricamente del dispositivo, es decir, en su estado transparente.

De acuerdo con una realización de la tecnología según los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455, publicado como WO97/15254, es conveniente también reducir el grosor de las celdas de cristal líquido. Esto se traduce, en particular, en un tiempo de conmutación reducido, debido a que el tiempo de conmutación es inversamente proporcional al cuadrado del grosor de la celda. Por consiguiente, el tiempo de conmutación puede ser reducido en un orden de magnitud del 50%, reduciendo para ello el grosor de las celdas de cristal líquido de 4 mm a 3 mm, bajo condiciones que por lo demás sean iguales. Esta reducción del grosor de la celda se requiere también cuando se usan celdas de baja torsión, en virtud de una dependencia que se ha comprobado que existe entre el valor del grosor multiplicado por la anisotropía óptica, el ángulo de torsión, y la transmisión de la luz en el estado de luz o transparente. Esta dependencia puede utilizarse para construir un vidrio de protección para soldadura, que tenga buenas propiedades angulares ópticas, una alta transmisión de la luz en el estado transparente, y propiedades de conmutación rápida del estado. Esto es únicamente posible usando celdas de baja torsión con los filtros de polarización situados de la manera simétrica antes descrita.

La causa fundamental de este problema del grosor es que una celda que no tenga un grosor apreciable no funcionará para girar limpiamente la luz polarizada incidente ópticamente, y será emitida en cambio luz polarizada elípticamente. Cuando esta celda esté situada entre dos filtros de polarización que se crucen mutuamente, la transmisión variará periódicamente con el grosor de la celda.

De acuerdo con otra realización de la tecnología según los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455, publicado como WO97/15254, se puede situar una celda de baja torsión antisimétricamente, lo que significa que la dirección de la bisectriz del ángulo agudo entre las direcciones de la alineación de las moléculas de la superficie tratada de la celda (direcciones de frotamiento) está situada de modo que coincide con la dirección de polarización de uno de los polarizadores cruzados mutuamente. En un estado no activado, tal construcción presentará transmisión de la luz relativamente baja, pero se obtiene un estado más transparente cuando se aplica un voltaje moderado, retornando ese estado más transparente a un estado en general más oscuro cuando se aumente de nuevo el voltaje. Una ventaja de esta construcción es la de que una pérdida de voltaje no dará por resultado una pérdida de absorción de la luz, y la de que permanecerá un efecto protector dado. Esto hace posible mantener más fácilmente la norma existente para vidrio de protección para soldar, incluso para un alto grado de oscuridad. La norma requiere que la diferencia entre un estado ajustado y un estado que se produzca al tener lugar la pérdida de suministro de corriente sea como máximo de nueve grados de oscuridad. Esto hace posible el uso de dos celdas de baja torsión asimétricas con polarizadores situados antisimétricamente, o bien una celda con polarizadores situados simétricamente y una celda de baja torsión con polarizadores antisimétricos.

La tecnología de baja torsión dada a conocer en los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455, publicada como WO97/15254, remedia el problema de la dependencia angular de una construcción de celda de cristal líquido, y proporciona además una construcción con una densidad de la transmisión variable, dependiente del voltaje, pero con métodos de excitación eléctrica del estado del arte el consumo de energía eléctrica sigue siendo relativamente alto.

El problema a resolver mediante el presente invento, y por consiguiente un objeto del mismo, es el de conseguir una persiana de cristal líquido con densidad de la transmisión variable y propiedades angulares mejoradas, junto con un bajo consumo de energía eléctrica.

Otros objetos del presente invento son los de proporcionar un dispositivo de protección antideslumbramiento y una construcción de vidrio para soldadura de densidad de la transmisión variable y con propiedades angulares mejoradas, junto con un bajo consumo de energía eléctrica.

Sumario

De acuerdo con el invento, se resuelve el problema y se consiguen los objetos por medio de la construcción de celda de cristal líquido de baja torsión según la Reivindicación 1, que puede ser excitada con un voltaje de baja frecuencia o de corriente continua. El principio general de la solución del problema consiste en modificar las características electro-ópticas de la construcción de la celda, de modo que la diferencia entre el valor del voltaje de excitación requerido para una densidad de la transmisión óptica específica, y el voltaje umbral, sea mayor que la anteriormente conocida. En otras palabras, se extiende la característica de transmisión asintótica dependiendo del voltaje aplicado a un margen de voltaje más amplio. Como consecuencia, se varía en un margen más amplio el voltaje usado en la práctica para controlar la transmisión para valores más altos que los del estado del arte, reduciéndose con ello al mínimo las limitaciones de los voltajes de excitación de baja frecuencia.

Así, de acuerdo con un aspecto del invento, con el fin de alterar las características de transmisión de una construcción de celda de cristal líquido, el concepto se cambia con respecto al ángulo de torsión típico de 90º anteriormente conocido en las ``nemáticas con torsión'', y se emplea en cambio un ángulo más pequeño, que preferiblemente es menor que 85º, y que todavía más preferiblemente está comprendido entre 20º y 85º, y que en algunas realizaciones está comprendido incluso en el margen desde 0º a 20º. Aunque la asimetría de la visión de la transmisión óptica se acentúa más con cada celda individual, se obtiene sin embargo una mejor homogeneidad del campo cuando se combinan dos de tales celdas.

El invento concierne a la densidad de transmisión variable y al consumo de energía eléctrica y, hasta ahora, tal combinación de celdas ha sido hecha funcionar con un voltaje de excitación de alta frecuencia, de acuerdo con las bien conocidas especificaciones del cristal líquido, y a fin de evitar los antes mencionados inconvenientes de los voltajes de excitación de baja frecuencia. Extendiendo la característica de la transmisión en una construcción de baja torsión, se puede variar el valor de la densidad de la transmisión en el margen oscuro superior por medio de un voltaje de excitación más alto y, de acuerdo con el presente invento, se ha comprobado ahora que ese hecho permite una más baja frecuencia del voltaje de excitación. Para aplicaciones de filtro de vidrio para soldar, el valor de la densidad de transmisión o números de sombra se define usualmente como D = 1 + 7/3 x ^{10}log(I/T), donde T es el coeficiente de transmisión, y para los fines prácticos los valores críticos están comprendidos en el margen de 9 - 14. Así, las realizaciones preferidas de la construcción de persiana del invento son excitadas con una frecuencia del voltaje más baja que 1 Hz, o incluso con un voltaje de corriente continua, cuya polaridad se conmuta después a un régimen que puede ser previamente establecido.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirá el invento con más detalle, con referencia a realizaciones que sirven de ejemplos del mismo, y también con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:

La Fig. 1 es una vista en despiece ordenado de una construcción de persiana de cristal líquido anteriormente conocida, que comprende celdas nemáticas con 90º de torsión;

La Fig. 2 representa las características de transmisión de diferentes combinaciones de celdas de cristal líquido;

Las Figs. 3a, 3b y 3c presentan ejemplos de efectos de asimetría de la transmisión para construcciones de persiana de la técnica anterior;

La Fig. 3d representa el grado de asimetría de la transmisión resultante de la operación en baja frecuencia para diferentes valores de la densidad de transmisión y diferentes combinaciones de celdas del invento, comparado con el de la técnica anterior;

Las Figs. 4a y 4b son diagramas bloque que ilustran realizaciones de circuitos eléctricos para hacer funcionar una celda de cristal líquido de acuerdo con el invento;

La Fig. 5 ilustra cómo varía el ángulo de torsión óptimo con el producto de la anisotropía óptica y el grosor de la celda;

La Fig. 6 ilustra las características de transmisión de un dispositivo de acuerdo con el invento, que incluye una película de retardo y las características de transmisión del dispositivo sin película de retardo de compensación alguna;

La Fig. 7 presenta en principio una realización del invento provista de una película de retardo.

Descripción detallada de realizaciones

La vista principal en despiece ordenado de la Fig. 1 presenta los diversos componentes de un vidrio de protección para soldadura, El componente más exterior es un filtro de interferencia 1 que funciona también para eliminar la luz de UV y la luz de IR, y que limita el margen de longitudes de onda. Sigue después un primer filtro de polarización o polarizador 2, una primera celda de cristal líquido que gira ópticamente 3, un segundo filtro de polarización 4 cuya dirección de polarización es en ángulo recto con la dirección de polarización del primer filtro de polarización 2, una segunda celda de cristal líquido 5 que gira ópticamente, y un tercer filtro de polarización 6 que tiene la misma dirección de polarización que el primer filtro de polarización 2. La disposición puede incluir también, opcionalmente, una denominada celda de invitado-anfitrión 7. Esta celda no es una celda que gire ópticamente, sino que incluye en cambio un cristal líquido nemático, cuyas moléculas están normalmente alineadas paralelas a la dirección de polarización del tercer filtro de polarización, con la ayuda de superficies de vidrio preparadas. Las moléculas de tinte dicroico no mezcladas que tienen una absorción anisotrópica ordenada son sumamente absorbentes en el estado de alineadas. Cuando se aplica un voltaje, las moléculas del cristal nemático se situarán por sí mismas en ángulo recto con dichas superficies y harán con ello que las moléculas del tinte dicroico se muevan pasando a orientaciones en las cuales se absorbe la mínima cantidad de luz. Las celdas de esta clase son conocidas en la técnica. Una ventaja que tales celdas proporcionan sobre otras celdas es la de que las mismas proporcionarán un efecto de filtro en ausencia de un voltaje aplicado, mientras que la otra celda es transparente a la luz en ausencia de un voltaje aplicado. Cuando se pone en uso tal construcción de persiana aplicada a un filtro para soldar, se activan sus circuitos de control y se aplica un voltaje a la celda 7 de invitado-anfitrión, el filtro pasa a ser más abierto a la luz. Un sensor (no representado) puede entones detectar si entra o no la luz para soldar en el filtro, con lo que el circuito de control (no representado) hace que sea aplicado un voltaje de control a las celdas 3 y 5, al tiempo que elimina el voltaje a la celda 7. Una disposición de esta clase es común tanto al invento como a la técnica anterior conocida, en la medida en que el invento concierne a la naturaleza de los cristales
líquidos.

Las placas de vidrio que miran hacia dentro de las celdas están provistas de capas de electrodo conductor eléctrico transparentes (por ejemplo, capas de indio-óxido de estaño) sobre las cuales hay aplicada, por ejemplo, una capa de poliimida que ha sido tratada mecánicamente, normalmente por cepillado/frotamiento en direcciones específicas, de acuerdo con técnicas conocidas, en direcciones que son perpendiculares en las superficies mutuamente enfrentadas. De acuerdo con esta técnica conocida, las celdas 3 y 5 están alineadas en oposición cada una con respecto a la otra, por ejemplo de modo que la primera superficie de la celda que recibe la luz en la celda 3 está tratada en una dirección que es antiparalela a la primera superficie que recibe la luz en la celda 5. Con ello se consigue la compensación descrita en la introducción.

Se puede hacer que una disposición de filtro de vidrio para soldadura de la técnica anterior, de esta clase, cambie de su estado transparente, en el que tiene una densidad de aproximadamente 3, a valores de la densidad comprendidos entre 9 y 14, variando para ello el voltaje aplicado entre aproximadamente 3 voltios y aproximadamente 5 voltios. Normalmente se aplica el mismo voltaje a ambas celdas.

La densidad varía debido a que el voltaje que trata de orientar las moléculas nemáticas paralelas al campo eléctrico es contrarrestado por las capas de plástico en la superficies interiores del vidrio, lo cual hace que las moléculas sean eliminadas paralelas a las superficies, y en consecuencia la orientación influenciada eléctricamente tiene su máximo efecto en el centro de la celda, y disminuye hacia dichas superficies. No obstante, en la práctica siempre permanecerá una cierta actividad óptica, debido a los efectos de la capa superficial.

La densidad de la transmisión o valor de la sombra se define de acuerdo con las normas para soldadura como:

D = 1 + 7/3 x ^{10}log(1/T),

donde T es el valor de la transmisión.

A pesar de la compensación que se consigue con respecto a los ángulos de incidencia oblicua, subsisten las diferencias no insignificantes en cuanto al campo de visión cuando se pone en práctica esta técnica conocida.

El concepto de estructuras de vidrio para soldadura protectoras de cristal líquido ha estado basado, en la téconstrucciónica anteriormente conocida, en la configuración geométrica natural esperada que se obtiene cuando se somete a torsión la orientación del cristal en lo correspondiente a un ángulo \theta de 90º en respuesta a condiciones forzadas en las superficies límite. Se puede conseguir una mejora reduciendo el ángulo con el que se somete a torsión al cristal. Una celda de cristal líquido tiene un par de placas. Cada una de las superficies mutuamente enfrentadas de las placas está provista de capas conductoras eléctricas y delgados recubrimientos de plástico. Estas capas y recubrimientos son cepillados, o frotados, con un ángulo mutuo q. De acuerdo con la téconstrucciónica anterior conocida, ese ángulo es de 90º, pero de acuerdo con el presente invento es menor que 90º. Como se ha ilustrado, la disposición de las placas está destinada a una celda que gire naturalmente en sentido a izquierdas, aunque son también conocidas celdas que giran en sentido a derechas. Las placas están provistas de medios a través de los cuales se puede aplicar un voltaje.

Una persiana de cristal líquido de acuerdo con el invento, aplicada como un filtro en un vidrio de protección para soldadura incluido en un casco de soldados, es vista por el portador del casco como una ventana sombreada. El filtro se activa y tiene una densidad óptica en dirección hacia delante, teniendo esa densidad óptica, sin embargo, una variación angular. Como se ha ilustrado en los documentos SE 9401423-0 y PCT/SE95/00455, publicado como documento WO97/15254, el efecto de filtro obtenido será bastante más uniforme sobre ángulos de vista que varíen cuando el ángulo q difiera de 90º que con las celdas nemáticas sometidas a torsión de 90º del estado del arte.

El uso de dos celdas de cristal líquido idénticas comporta la ventaja de que ambas celdas pueden ser excitadas con un mismo voltaje, cuyo voltaje puede ser variado para producir diferentes densidades. Esto simplifica la electrónica que se requiere. No obstante, esta condición forzada deja de ser de aplicación cuando se usa una electrónica más costosa, proporcionando tal electrónica más grados de libertad para obtener dicha compensación.

Como antes de ha mencionado, hay una buena razón para no solamente reducir el ángulo de torsión sino para reducir también el grosor de la celda en una medida correspondiente. Se ha comprobado que existe un grosor óptimo (o, más correctamente, un producto óptimo entre la anisotropía óptica y el grosor óptico) para cada ángulo de torsión, y la relación se ha ilustrado en la Fig. 5. Con este grosor óptimo se obtiene el mejor estado transparente posible.

De acuerdo con el invento, el voltaje de excitación será suministrado a una baja frecuencia y será un voltaje significativamente más alto que el voltaje umbral para el material de la celda de cristal líquido. Para que la construcción de celda de cristal líquido sea variable en el estado oscuro, esto requiere una característica de transmisión que esté extendida sobre un amplio margen de voltajes. En la Fig. 2 se ha ilustrado la relación entre la densidad de la transmisión o número de sombra y el voltaje aplicado, para diferentes combinaciones de celdas de cristal líquido. La curva 100 describe la característica de una combinación de dos celdas con ángulo de torsión de 90º y la curva 102 una combinación de dos celdas con ángulo de torsión de 70º, mientras que las curvas 104 y 106 representan celdas simples con ángulos de torsión de 90º y 70º, respectivamente. Se ve claramente en el diagrama que cuanto menor sea el ángulo de torsión, tanto mayor será el margen del voltaje entre el mínimo de la transmisión para aproximadamente 1,5 voltios y el máximo de la transmisión asintótico para cada variedad de celda.

En las Figs. 3a, 3b y 3c se ha ilustrado el efecto típico de la polaridad dependiente de la asimetría de la transmisión, cuando se opera en una persiana de cristal líquido del estado del arte a una baja frecuencia, teniendo lugar los escalones de las curvas en relación con cada inversión de la polaridad. En la Fig. 3 se ha ilustrado un efecto de asimetría de la transmisión originado por un efecto de carga permanente; la Fig. 3b ilustra un efecto de asimetría óptica originado por una formación de carga durante el intervalo de conmutación de la polaridad, cuya carga reduce gradualmente el voltaje efectivo sobre la capa de cristal líquido; y en la Fig. 3c se ha ilustrado una combinación típica de los dos efectos. Los valores de la transmisión específicos del efecto de la asimetría dependen en muy gran medida del material usado en la celda de cristal líquido, así como de las condiciones de funcionamiento.

En la Fig. 3d se ha ilustrado en un diagrama de resultados del ensayo el grado de asimetría de la transmisión para diferentes valores de la densidad de la transmisión y diferentes combinaciones de celdas de baja torsión del invento, comparado con el de la nemática con torsión de 90º de la téconstrucciónica anterior cuando se excita con un voltaje de corriente continua invertido de una polaridad de baja frecuencia. El valor de la densidad de la transmisión, o número de sombra, viene indicado en el eje horizontal del diagrama, y el valor de la asimetría va indicado en el eje vertical. El régimen de asimetría se expresa aquí como la diferencia entre el número de sombra alcanzado con dos polaridades diferentes del voltaje aplicado.

Se ve claramente en la Fig. 3d que el régimen de asimetría para un cierto valor de la densidad es considerablemente más bajo para ángulos de torsión de, por ejemplo, 60º o 70º, que para un ángulo de torsión de 90º. Así, por ejemplo, el régimen de asimetría para el valor de densidad 10 es entre 2 y 3 veces más bajo con un ángulo de torsión de 70º que con uno de 90º. Una comparación similar para el valor de densidad 12 muestra que el valor de la asimetría es de 5 a 10 veces más bajo con el ángulo de torsión de 70º. Las mejoras son incluso mejores para el ángulo de torsión e menos de 60º. La reducción de los ángulos de torsión hasta por debajo de 60º da por resultado una reducción adicional del grado de asimetría, y se aumenta además el voltaje de excitación requerido.

Las Figs. 4 a y b son diagramas bloque en los que se han ilustrado realizaciones de un circuito eléctrico 20 para hacer funcionar una persiana de cristal líquido 18 de acuerdo con el invento. En la Fig. 4a se han ilustrado componentes generales de tal circuito eléctrico de funcionamiento, que comprenden un conmutador de la polaridad de voltaje controlable, el cual es conectable a una fuente de voltaje 22 a través de una entrada de voltaje 24. El conmutador 26 de la polaridad del voltaje está acoplado a unos medios 28 de control del voltaje de excitación de la celda que tienen una entrada 30 de señal de control y que están acoplados a la persiana de cristal líquido 18. El circuito electrónico 20 está ideado para producir un voltaje de excitación de la celda sustancialmente más alto, por ejemplo, de 1,5 a 10 veces más alto para el estado más oscuro, que el voltaje umbral del material de cristal líquido de las celdas en la persiana.

En la Fig. 4b se ha ilustrado otra realización del circuito eléctrico de funcionamiento 20 de la Fig. 5a. Una fuente 22 de voltaje de corriente continua está conectada en la Fig. 5b a un regulador del voltaje 34, el cual está a su vez conectado a un circuito excitador 28. El circuito excitador 28 está conectado a un conmutador de la polaridad en forma de un oscilador o de un circuito de báscula biestable que controla la frecuencia de excitación o la polaridad del voltaje suministrado a la celda de cristal líquido 18 desde el circuito excitador 28. Esta realización está provista de dos entradas de señal de control, en primer lugar una entrada 24 del detector de luz, y en segundo lugar una entrada de control de la densidad de la transmisión, a través de la cual es seleccionable la sombra resultante de la persiana. Un detector de luz ambiente 22, que comprende un sensor fotosensible 21, está convenientemente acoplado a la entrada 24 del detector de luz ambiente.

La polaridad del voltaje de excitación puede ser conmutada, por ejemplo, a un régimen que puede ser previamente establecido, o alternar en respuesta a cada aumento brusco detectado en la luz ambiente. Esto último es adecuado para la aplicación a un filtro de vidrio para soldadura.

Debido tanto a un bajo ángulo de torsión como a un parámetro \Deltan*d reducido, se ha comprobado que las propiedades angulares ópticas de la celda birrefringente de 0º con \Deltan*d en el margen de 0,27 micrómetros, son sumamente favorables y claramente adecuadas tanto para una construcción de persiana de cristal líquido de una sola celda como para una de doble celda, que requiera un campo de visión amplio y simétrico. Debido al gran retardo residual presente en la celda de 0º cuando es excitada con voltajes de menos de 10 voltios, se ha comprobado que el contraste de la celda disponible de tal dispositivo es pequeño en comparación con el de una celda de cristal líquido nemática con torsión de 90º. De acuerdo con una realización del invento, se mejora el contraste de la celda por medio de la adición de una película de retardo de compensación. En la celda birrefringente de 0º, es apropiada la realización de un pequeño valor del retardo de aproximadamente 25 a 30 nm. A fin de hacer máximo el efecto de la compensación, la película de retardo deberá estar preferiblemente alineada de tal modo que la dirección del eje rápido sea perpendicular a los vectores de entrada y salida directores de las moléculas de la superficie de la celda. La capa de retardo de compensación para la celda birrefringente de 0º puede estar, por ejemplo, en forma de una sola película de retardo uniaxial, con un valor comprendido entre 10 y 50 nm. En otra realización, la capa de retardo de compensación puede ser materializada por medio de películas de retardo que estén alineadas de tal modo que el retardo total neto generado por las películas esté dentro de dicho intervalo. Con una película de retardo de compensación de, por ejemplo, 27 nm, aplicada en la construcción de la persiana, el valor óptimo de \Deltan*d de la combinación de celdas aumenta desde aproximadamente 0,27 micrómetros a 0,277 micrómetros.

En la Fig. 5 se ha ilustrado cómo varía el ángulo de torsión óptimo con el producto entre la anisotropía óptica y el grosor de la celda.

En la Fig. 6 se han ilustrado las propiedades electro-ópticas de una construcción de cristal líquido que incluye una celda birrefringente de 0º de 4 micrómetros. La celda birrefringente, que en este caso comprende el cristal líquido ``Merck ZLI-4246'' que da un valor de \Deltan*d de aproximadamente 0,52 micrómetros, está situada entre polarizadores mutuamente cruzados alineados a 45º y a 135º con relación al vector director molecular de entrada. La celda, en correspondencia con una realización del invento, está situada junto con un filtro de paso de banda de una alta transmitancia óptica sobre la parte central del espectro visible, es decir, en el margen de 500 a 600 nm. La curva 20 representa la respuesta óptica de la combinación de celdas sin película de retardo de compensación alguna, mientras que la curva 22 representa una combinación de celdas que incluye una película de retardo de compensación de 26 nm, orientada de tal modo que el eje rápido es perpendicular al director molecular de entrada. En esta figura se ve claramente la mejora en el contraste de la celda con la película de retardo de compensación.

En la Fig. 7 se ha ilustrado en principio una realización del invento provista de una película de retardo 10, situada en un lado de las celdas de cristal líquido 2 entre los filtros de polarización 3 y 4. Es asimismo posible situar una película de retardo dentro de la celda de cristal líquido 2, entre las placas de dirección de alineación molecular.

Claims (23)

1. Una construcción de persiana de cristal líquido (18), adecuada para protección antideslumbrante o para un filtro de vidrio para soldadura, cuya construcción de persiana es capaz de conmutar entre un estado oscuro de alta absorción de la luz y un estado transparente de baja absorción de la luz, y viceversa, en respuesta a una señal eléctrica, y que incluye dos celdas de cristal líquido del tipo nemático dispuestas entre placas transparentes cargadas por electrodos conectables a una fuente de voltaje (22) y cuyas celdas están provistas de recubrimientos tratados para definir la dirección de alineación molecular en sus superficies mutuamente enfrentadas, con lo que un desplazamiento angular mutuo entre dichas placas hace que los cristales líquidos formen una estructura de hélice con torsión en ausencia de un voltaje entre los recubrimientos de los electrodos en las placas, en que las celdas están montadas cada una entre filtros de polarización que se extinguen mutuamente, y en que las direcciones de alineación de las moléculas están giradas de modo que se obtiene un efecto de compensación entre las respectivas absorciones de la luz asimétricas de las dos celdas cuando se aplica un voltaje, en que al menos uno de los desplazamientos angulares de torsión de las celdas entre dichas direcciones de alineación molecular difiere de 90º, teniendo dicha persiana medios (20) para generar un voltaje de excitación de celda variable, aplicable a dichas placas cargadas por electrodos, estando ideados dichos medios (20) para producir un voltaje de excitación de las celdas más alto que el doble del voltaje umbral para al menos una de las celdas de cristal líquido.

2. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 1, caracterizada porque dichos medios tienen una frecuencia de conmutación de la polaridad de menos de 1 Hz.

3. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 1, en la que el voltaje de excitación de la celda es un voltaje de corriente alterna.

4. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 3, caracterizada porque el voltaje de excitación de la celda tiene una frecuencia de conmutación de la polaridad de menos de 1 Hz.

5. Una construcción de acuerdo con la Reivindicación 1, en la que el voltaje de excitación de la celda es un voltaje de corriente continua.

6. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 5, caracterizada porque la polaridad del voltaje de excitación de la celda es conmutada a intervalos seleccionables.

7. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 5, caracterizada porque la polaridad del voltaje de excitación de la celda es conmutada a un régimen que puede ser previamente establecido.

8. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 5, caracterizada porque la polaridad del voltaje de excitación de la celda es conmutada en respuesta a un suceso seleccionado, por ejemplo, en respuesta a un aumento detectado de la luz ambiente.

9. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 5, 6 ó 7, caracterizada porque la frecuencia de conmutación de la polaridad del voltaje de excitación de la celda es de menos de 1 Hz.

10. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el ángulo entre las direcciones de alineación es tal que el valor de la densidad de la transmisión o número de sombra de la persiana es variable en el margen de 9 a 15, con un voltaje de excitación de la celda más alto que el doble del voltaje umbral para al menos una de las celdas de cristal líquido.

11. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el desplazamiento angular entre las direcciones de alineación de al menos una de las celdas tiene un ángulo comprendido entre 0º y 85º.

12. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el grosor de la celda de cristal líquido, que difiere de una torsión angular de 90º entre dichas direcciones de alineación, está adaptado de tal modo que el producto del grosor por la diferencia entre los índices de refracción más alto y más bajo del material de cristal líquido para las diferentes direcciones de polarización es como máximo de 0,4 mm, y que cada celda tiene una diferencia angular entre dichos recubrimientos que determinan la dirección molecular de cómo máximo 70º.

13. Una construcción de persiana de acuerdo con la Reivindicación 12, caracterizada porque dicho grosor es como máximo de 0,3 mm.

14. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las dos celdas son esencialmente idénticas; y porque la fuente de voltaje está adaptada para aplicar voltajes iguales a las celdas.

15. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los filtros de polarización entre los cuales están montadas las respectivas celdas tienen direcciones de polarización que se cruzan entre sí con un ángulo de 90º.

16. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos una de las celdas, cuyos recubrimientos que definen la dirección de alineación molecular tienen un desplazamiento angular mutuo inferior a 90º, está montada entre filtros de polarización cuyas direcciones de polarización coinciden con las direcciones de los respectivos recubrimientos más próximos.

17. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la bisectriz del ángulo agudo entre las direcciones de alineación que difieren de 90º es en general paralela a una bisectriz entre las direcciones de polarización de los dos filtros de polarización que la rodean.

18. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos uno de los cristales líquidos tiene una relación entre, por una parte, el producto del grosor y la diferencia entre el más alto y el más bajo de los índices de refracción de las celdas de cristal líquido para diferentes direcciones de polarización y, por otra parte, el ángulo entre dichas direcciones de alineación que corresponde a un punto en la curva representada en la Fig. 6.

19. Una construcción de persiana de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque para al menos una de las celdas el desplazamiento angular entre las direcciones de alineación presenta un ángulo comprendido entre 0º y 50º, y porque hay dispuesta una película de retardo en conexión con las celdas de cristal líquido.

20. Una construcción de persiana de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los medios para generar un voltaje variable de excitación de la celda comprenden un circuito electrónico (20) que está provisto de una entrada de voltaje (24) conectable a una fuente de voltaje (22), unos medios de conmutación de la polaridad (26) para controlar la polaridad de un voltaje de excitación de la celda de salida, estando acoplados dichos medios de conmutación de la polaridad del voltaje (26) a unos medios de control del voltaje de excitación (28), los cuales están provistos de una entrada de señal de control (30) y que está acoplada a una entrada de voltaje de excitación de la celda (32).

21. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los medios (20) para generar un voltaje variable de excitación de la celda están provistos de una entrada (24) de detector que es conectable a un detector (22) de la luz ambiente; y porque la misma comprende un regulador de voltaje (34) que es conectable a unos medios (30) de selección de la sombra.

22. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los medios de conmutación de la polaridad del voltaje son un oscilador, o bien un circuito de báscula biestable.

23. Una construcción de persiana de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque es un filtro de vidrio para soldadura aplicado en una protección de vidrio para soldadura, o bien que está aplicado en un instrumento óptico, tal como en un telescopio amplificador óptico o en binoculares.