SE508272C2 - Vätskekristall-slutarkonstruktion, och en ljusskä rmningsanordning innefattande en sådan konstruktion - Google Patents

Description

15 IQ 508 272 kristallcell placerad mellan korsade polarisatorer har cellkonstruktionen hög trans- mission, d.v.s. låg transrnissionsdensitet, vid frånvaro av eventuell stimulerings- spänning, och betecknas vara i normalt vitt tillstånd. I kontrast häremot medför en placering av cellen mellan parallella polarisatorer en cellkonstruktion som har låg transmittans, d.v.s. hög optisk densitet, vid frånvaro av en stimulerande spänning, och säges vara i normalt svart tillstånd.

En typisk cellkonstruktion består av en vätskekristallcell av typ twisted nematic (TN), insatt mellan två inbördes korsade polarisationsñlter, där de avgränsande väggarna är behandlade med ett plastskikt, som borstats eller gnidits i bestämda riktningar, de s.k. uppriktningsriktriingarna (upplinjeringsriktriingarna), så att strukturen i vätskekristallens definierande ytor tvingar de nematiska molekylema att intaga särskilda vinkellägen och så att molekylema vrides inbördes genom 90” mellan dessa definierande ytor. Andra ytbehandlingsmetoder, som har motsvarande effekter, är också kända för fackmannen. Vid ett elektriskt icke-aktiverat tillstånd kommer polarisationsplanet att vridas 90° när ljus passerar genom filtret, så att verkan av de korsade polarisatorerna kompenseras, och cellen blir transparent.

Denna rotation hos de nematiska molekylema kan i större eller mindre gad stoppas genom att lägga på ett elektriskt fält och därmed erhålla en filtereffekt, som även kan styras. Emellertid har en cell av detta slag relativt stark asymmeni i sitt mörka, elektriskt aktiverade tillstånd, med varierande absorption av ljus som infaller med andra vinklar än rät vinkel, vilken asymmetri ytterligare förstärkes av det faktum, att de nematiska molekyler som ligger närmast ytan, bundna av yteffekten, fortfarande ger upphov till kvarstående optisk aktivitet. När därför vinklarna för infallande ljus ökar relativt en vinkelrät axel för slutarens yta, kommer filtret i de två bisektrisriktningarna mellan uppriktningsriktningaina att bli mera transparenta och relativt konstanta, i relation till rikmingarna för de korsade polarisatorerna utefter den ena bisektrisen, medan ett mörknande iakttages utefter den andra bisektrisens riktning. 10 15 20 b) 508 272 När en slutare i enlighet med ovan beskrivna teknikens ståndpunkt används som ljusfilter vid exempelvis en ögonskyddsanordning såsom en automatiskt mörkinstäl- lande svetshjälm, där svetsglaset aktiveras och mörknari motsvarighet till detekterat svetsljus är det av säkerhetsskäl viktigt att tillförsälaa uppnående av snabbast möjli- ga svarstid från ljust tillstånd till mörkt tillstånd. I det väsentliga är två omslagstider invecklade i en vätskekristallcells funktion. Den första avser ornkoppling av cellen från oaktiverat tillstånd till aktiverat tillstånd vid påläggning av en drivspärming, vilket tar typiskt mindre än en rnillisekurid för att kristallen skall reagera. Den andra omkopplingstiden inträffar i samband med den motsatta processen, där kristall- relaxation äger rum vid eliminering av drivspänningen, och detta tar omkring tjugo gånger längre tid. För slutare, där mycket snabba omkopplingstider erfordras från ljust tillstånd till mörkt tillstånd, är det därför vanligt att använda vätskekristallcell- konstruktioner i normalt vitt tillstånd. Emellertid har de optiska vinkelegenskapema hos vätskekristallslutare enligt känd teknik, som fungerar i normalt vitt arbetssätt en transmittans, som är kraftigt beroende av vinkeln för infallande ljus. En förbätuing i detta hänseende har åstadkommits i ännu opublicerade patentansökningama SE-940l423-0 och motsvarande PCT/SE95/OO455, där slcuvvinklar understigande 90° och ned till 0° mellan molekylupprikmingarna i glasplattorna beskrivits.

Närmare bestämt reduceras i enlighet med dessa ansökningar vinkelvariationen i transmittansen till ett minimum genom att sänka produkten mellan den optiska anisotropin An och tjockleken d hos vätskekristallcellen, d.v.s. pararnetem An*d. och genom att reducera den molekylära sknivvinkeln för vätskekristallen till under 90°.

På grund av den optiska arrisotropirr har ljus, som transmitteras genom ett material eller en materialblandning olika hastigheter i olika riktningar, d.v.s. för olika polarisationsplans riktningar. I detta sammanhang är en snabb axel den axel, utefter vilken ljus går med högsta hastigheten genom materialet ifråga, och på liknande sätt en långsam axel den axel, utefter vilken ljus går med lägsta hastigheten. Ett retardationsvärde för ljushastighet i ett specifikt material definieras genom 10 20 25 508 272 4 skillnaden mellan brytningsindex n(f.a.) för den snabba axeln och brytningsindex n(s.a.)' för den långsarruna axeln.

Ett specifikt värde för parametern An*d resulterar i en retardering av polariserat ljus vid oaktiverad fas och med tillräckligt högt retardationsvärde hålles Uansmittans- värdet för det ljusaste tillståndet vid hög nivå. Detta är särskilt viktigt vid skydds- tillämpningar, såsom automatiskt mörknande svetsglassköldar, där glassköldens användare kräver klart syrifält före början av en operation. Detta medför ett lägre värde på parametern An*d än som kan erhållas i praktiken.

Vätskeloistallcell-slutarkonstruktioner med låga skruvvinklar har den nackdelen, att det uppstår en förlust av cellkontrast på grund av den kvarstående retardation som föreligger i cellen, när den drives vid spänningar understigande typiskt 10 volt.

Denna nackdel accentueras när skruvvinklar ned mot 0° uppnås, vilket därmed sätter en praktisk undre gräns för värdet på skruvvinkeln i cellen på grund av oacceptabelt låg kontrast. l dokumenten SE-940 1423-0 och motsvarande PCT/SE95/00455 har visats att det föreligger en koppling mellan parametern An*d och skruvvinkeln i cellen, och där finns också ett kurvdiagram som visar optimalt värde på An*d för en given skmvvinkel. En naturlig följd av skruvvinkelreduktionen är att parametern An*d även måste sänkas för att alstra den önskade rotafionen för polariserat ljus när den inaktiverade fasen föreligger.

I SID 95 Digest, P-49: A High-Contrast Wide-Viewing-Angle Low-Tivisted-Nemazic LCD Mode av Hirakata et al. har föreslagits att det är möjligt att kompensera för kvarstående retardation som finns i en vätskelaistallcell när den är i aktiverad fas medelst retardationsfilrner med lågt värde. Med retardationsñlrnsvärden liggande inom intervallen 20-50 nm erhålles ökad cellkontrast för en lågskruvvinkelcell upp till täthetsgraden 10 för en automatisk cell med standardskmvvinkeln 90°. Detta dokument är inriktat mot vätskelqistallslutarskärmar, där det är önskvärt att ha hög kontrastkvot med liten pålagd spänning, och därför framstår retardationsvärden om typiskt 23 nm för en 70° skmvvinkelcell klart lämpliga. 10 25 5 508 272 Det problem som skall lösas med föreliggande uppfinning och sålunda utgör ett syfte, är att uppnå en elektriskt styrbar vätskekiistallslutare med förbättrad kontrast och minskat vinkelberoende i transmissionen i elekniskt aktiverat tillstånd.

Ett ytterligare syfte är att åstadkomma en slutare av angivet slag med starkt sym- metrisk svärtningsgeometri i dess mörka tillstånd och brett kontrastintervall i akti- verat mörktillstånd.

Ytterligare syften med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en glasskydds- anordning och en svetsglaskonstruktion med förbättrad kontrast och minskat vinkel- transmissionsberoende.

Sammandrag I enlighet med uppfinningen löses problemet och uppnås syftena genom att anordna en spänningsstyrd vätskelcristallcell, placerad mellan inbördes vinkelräta polarisato- rer och med en vinkelförskjutning mellan molekyluppriktriingsrikmingama hos de cellavgränsande plattorna inom intervallet 0-85°, med en kompenserande retarda- tionsfilrn.

I enlighet med en aspekt av uppfinningen är en vätskektistallcell med normalt vit mod med optimalt symmetrisk mörkhetsgeometri med parallella molekylupprikt- ningsiiktningar, d.v.s. O° skruninkel, försedd med en retardationsfilm, för att minska den kvarstående retardationen i cellen när den är i elektriskt aktiverat tillstånd.

Vid tillämpningar såsom för automatiskt mörknande svetsfilter är det önskvärt att ha en gråskalekapacitet, där en maximal mörkhetsgrad uppnås med spänningar uppåt 10 volt. Vid dylika utföranden av uppfinningen erfordras retardationsvärden som för en 70° cell är nära 10 nm, och på liknande sätt en 23 nm ñhn närmare anpassad till lO 508 272 6 retardationsvärdet för en cell med 40° sknivvinkel. För att erhålla maximal kompen- sation för kvarstående retardation som fmns i en vätskelaistallcell i aktiverad fas bör retardationsfilrnen vara orienterad så att den snabba axeln ligger vinkelrätt mot bissektiisen för vinkeln mellan de två molekyluppriktriingsrikmingania vid ytorna till de cellbegränsande plattorna. Med detta arrangemang erhålles ej blott maxirnal kompensationseffekt, utan dessutom blir vätselqistallcellens optiska vinkelegen- skaper i aktiverad fas väsentligt mera symrnetriska kring en axel, som är vinkelrät mot ytan till vätskecellkonstruktionen enligt uppfinningen, jäinfört med kända vätskekiistallceller.

Retardationsfiliner med värden om mellan 5 nm - 50 mn har visat sig vara synner- ligen lämpliga för att kompensera för den nämnda kvarstående retardationen. Ehuru de optiska vinkelegenskaperna för vätskekristallceller kan förbättras genom minsk- ning av molekylsknivvinkeln i cellen, är det praktiska sknivvinkelintervallet begrän- sat från 50° till 85°, på grund av förlusten av cellkontrast. Med en retardationsfilrns- kompensation i enlighet med uppfinningen kan emellertid enligt uppfinningen an- vändas skruvvinklar från 0° till 85° utan att det uppträder några cellkontrastrestrik- tioner. Den minsta möjliga skruvvinkeln, d.v.s. 0° eller parallell uppriktning, svarar mot den vätskekiistallcell som har optimala vinkelegenskaper i aktiverad fas. För att bibehålla ljustransrriittans på hög nivå är det nödvändigt att anordna de korsade polarisatorerna så att deras vinkelbissektris är parallell med bisektiisen mellan de två molekylupprikmingsriktriingarna vid cellsidomas ytor.

I enlighet med en annan aspekt av uppfinningen medför användningen av en kom- penserande retardationsñlrn i en vätskekristallslutarkonstruktion icke blott en ökning av cellkontrasten, utan den erforderliga spänningen minskas också för uppnående av en specifik nivå av optisk densitet eller mörkhet i cellen. Detta medför nettobespa- ring av elektrisk effekt, eftersom effektkonsumtionen hos en cell är proportionell mot kvadraten på drivspäriningen. 10 15 20 7 508 272 Kompensationsskiktet kan antingen ha formen av en enda, enaxligt sträckt retarda- tionsfilm med ett värde om mellan 5 nm och 50 nm, eller två eller flera retardations- filmer, som är riktade så att den totala nettoretardation som alstras av retardations- filmema ligger inom det nämnda retardationsintervallet.

Uppfmnjngen skall nu beskrivas mera i detalj med hänvisning till utföringsexempel jämte hänvisning till ritningarna, där: fig. 1 visar en sprängskiss av en vätskelnistallcell, anordnad mellan korsade polarisationsfilter; fig. 2 visar en vätskekristallcellkonstruktion med två vätskekristallceller; fig. 3 visar ett utföringsexempel av en vätskekristallcellkombinafion i enligfhet med uppfinningen; fig. 4 visar de elektrooptiska egenskapema för lågsknivvinkelceller med optisk den- sitet eller mörkhetstal D för cellkombinationer med olika skmvvinklar, uppntad som funktion av pålagd spänning; fig. 5 visar den retardationskvantitet som föreligger i en vätskekristallcell som inm- tion av pålagd drivspänning för celler med olika skruvvinklar; fig. 6 visar likaså kvantiteten kvarstående retardation i en vätskelaistallcell som funktion av skmvvinkel för ett antal olika specifika drivspänningar; fig. 7 visar en foredragen orientering för polarisatorer och uppiiktning för kompen- serande retardationsfilm relativt de molekylära uppriktningsdirektorema i en tvâ- cellskombination; och fig. 8 visar transmissionsegenskaper med mörkhetstal som funktion av pålagd spän- ning för en tvåcellskombination med lågskruvvinkels-vätskeloistaller med och utan kompenserande retardafionsfilrn.

Beskrivning av utfóringsexempel Fig. 1 visar de olika komponentema i ett utföringsexempel av den uppfinningsmäs- siga slutarkonsuukfionen, en optiskt roterande vätskelaistallcell 2 är placerad mellan ett första polarisationsfilter 3 och ett andra polatisationsfilter 4, anordnade ömsesi- UI 10 508 272 3 digt utsläckande. Ett interferensfilter 6 och ett bandpassfilter 5 kan eventuellt vara anordnade utanför endera av polarisatorerna, och dessa filter kan även vara integre- rade i en enhet. När en dylik slutarkonstruktion, anpassad för ett svetsfilter, tages i bruk, aktiveras styrlcretsar, och den optiska densiteten kan på i och för sig känt sätt styras genom att variera pålagd celldrivriingsspänmng. En sensor (ej visad) kan detektera huruvida svetsljus kommer till slutaren eller ej. Om svetsljus upptäckes, låter styrkretsen (ej visad) en styrspänning påläggas på cellen, vilket medför ökad optisk densitet i cellkonstruktionen.

Fig. 2 visar en liknande cellkonstruktion, ehum med den första cellen 2 placerad mellan ömsesidigt utsläckande första polarisator 3 och andra polaiisator 4, och en andra cell 6, placerad mellan endera av den första och andra polarisatom 3, 4 och en tredje polarisator 7. Den tredje polarisatom 7 och den närmaste första eller andra polarisatom 3, 4 är också anordnade till att vara ömsesidigt utsläckande. På liknande sätt som i utförandet enligt fig. l finns också ett interferensfilter och/eller ett band- passfilter 5, som kan ingå i utföringsexemplen för uppfinningen. l fig. 1 liksom i fig. 2 anges skruvvinklama 9 mellan molekylupprikmingsriktriirigarria i en cell 2, 6 an- givna med korsande pilar.

Som nämnts ovan, föreligger en kvarstående retardation i en vätskelcristallcell, när den är i aktiverat tillstånd, vilket ger upphov till en minskad kontrast, ehuru vinkel- beroendet är optimerat. De kvarstående retardationseffekterna kan kompenseras genom att använda en retardationsfilm med lågt värde mellan polarisationsfiltren i en vätskekristallslutarkonstruktion.

F ig. 3 visar i princip en dylik slutarkonstmktion, som omfattar en vätskekristallcell 2, placerad mellan första och andra ömsesidigt utsläckande polarisatorer 3 och 4, anordnad med en retardationsfilm 10, anordnad mellan polarisatorema 3 och 4. Vid en tvåcellskombination av detta slag bör de korsade polaiisatorema för bästa mör- kersymmetri vara så anordnade, att deras vinkelbissektris är parallell med vinkel- bissektrisen för de två molekylupprikmingsdirektorema vid ytoma till de cellbe- 10 25 9 508 272 gränsande plattorna. I sådana utföranden är den minsta skruvvinkeln 0°, vilket även ger de optimala optiska vinkelegenskaperna, d.v.s. mörkersyrnmetri, när den akti- verade fasen föreligger.

Vidare är det möjligt att anordna retardationsfilmen inuti vätskelcristallcellen 2 i samband med eller mellan cellbegränsningsplattorna. En vätskelcristallcell med en retardationsfilrn kan innefattas i vilken som helst vätskekristallcellkombirration, såsom l-cellkombinationen i tig. l eller 2-eellkombinationen i fig. 2.

En bländskyddsanordning enligt uppfinningen innefattar en sensor för avgivande av en sensorsigrial i motsvarighet till intensiteten för ett detekterat ljus. Sensorsignalen är anordnad att levereras till ett styrorgan, som innefattar en signalgenerator. Signal- generatom är anordnad att avge en styrsigrial i motsvarighet till sensorsignalen.

En vätskekristallkonstruktion enligt uppfinningen innefattar en vätskekristalleell med två ytor, försedda med elektroder för anordnande av ett elektriskt fält mellan dessa ytor. Det elektriska fältet alstras genom påläggning av styrsigrialen på elektroderna. När styrsignalen pålägges på elektrodema, kommer en viss styrsignal att alstra ett motsvarande elektriskt fält i vätskekristalleellen mellan elektroderna.

Fig. 4 visar de elektrooptiska egenskaperna för 4 um lågslcruvvinkelceller med optisk densitet eller mörkertal D för cellkombinationer med olika slcruvvinklar, uppritat som funktion av pålagd spänning. Det framgår klart i fig. 4 att kontrasten för en given spänning sjunker med lägre skruvvinklar.

För att öka kontrasten i en tvåcellskombination med låg skruvvinkel, såsom beskri- ves mera i detalj i dokumenten SE-9401423-0 och motsvarande PCT/SE95/O0455, som har vad som förmodas vara ett optimalt värde An*d om omkring 0,275, är den försedd med en kompenserande retardationsfihn med ett retardationsvärde i inter- vallet 25-30 nm. Retardationsfilrnen bör då företrädesvis vara så orienterad, att den snabba axeln är vinkelråt mot vinkelbissektrisen mellan de två molekylupprikmings- 10 15 20 25 508 272 10 direktorema i den cell-polarisatorkombination, inom vilken retardationsfilmen är anordnad.

F ig. 5 visar kvantiteten retardation som föreligger i en vätskekristallcell som funk- tion av pålagd drivspänrung, och med retardationsegenskaper för olika skruvvinklar från 40° till 130°. För en tvvisted-nematic cell av standardtyp med 90° kompenserar retardationseffekterna på grund av de två skikten av molekyler nära uppriktnings- ytorna bort varandra, och följaktligen firms föga retardation kvar i cellen. Detta betyder att man får en hög cellkontrast i den aktiverade fasen i en sådan cell. När emellertid skruvvinkeln i cellen varieras över skruvvinklar skilda från 90°, minskas kompensationseffekten, och den kvarstående retardationskvantiteten ökar, så att cellkonuasten försämras. Med andra ord gäller att ju mindre skruvvinkel, desto större är mängden kvarstående retardation i cellen. Fig. 6 visar också kvantiteten kvarstående retardation i en vätskekristallcell, denna gång dock som funktion av slcruvvinkeln för ett antal specifika drivspänriingar.

Fig. 7 visar en föredragen orientering för polarisatorer och kompenserande retarda- tionsfilm relativt molekyluppriktriingsdirektorerna vid en tvåcellig kombination med en ingående molekyluppriktriingsdirektor och en utgående molekyluppriktnings- direktor. För att maximera transmíssionen i oaktiverad fas är de korsade polarisa- torenia företrädesvis så uppriktade, att vinkelbissektrisen är parallell med vinkel- bissekuísen mellan de två upprikmingsdirektorvektorerna på vardera sidan om cellen. För att vidare maximera kompensationseffekten i aktiverad fas bör retarda- tionsfilrnens snabba axel vara orienterad vinkelrätt mot vinkelbissektrisen mellan uppriktningsdirektorvektorema.

Fig. 8 visar transmissionsegenskaperna med optisk densitet eller mörkhetsnurnmer som funktion av pålagd spänning för en 4 u 40° tvåcellskombination med vätske- kristaller, med och utan en 44 nm kompenserande retardationsfihn, och skillnaden i kontrast framgår tydligt. 11 ses 272 Olika slag av cellkombinationer för slutarkonstruktioner med vätskekristaller kan sålunda förses med ett kompenserande retaxdationsskikt, som är valt för optimal kompensering av inbyggd kvarstående cellretardation i enlighet med uppfinnings- tanken.

Claims (9)

10 15 20 25 508 272 n Patentlcrav

1. Vätskelcristall-slutarkonstruktion, lämplig för glasskärmar och automatiskt mörk- nande svetsglasfilter, vilken slutarkonstruktion är omkopplingsbar mellan ett första tillstånd med hög ljustransmíssion och ett andra tillstånd med låg ljustransrnission och vice versa, i motsvarighet till en elektrisk styrsignal, vilken slutarkonstruktion har en vätskekristallcell av nematisk typ, anordnad mellan transparenta plattor med elektroder för anordnande av ett elektriskt fält i motsvarighet till styrsignalen, vilka plattor har mot varandra vända ytor, vardera försedd med upplinjeringsmedel för att definiera var sin molekyluppriktningsriktriing för molekyler i närheten av upplinje- ringsmedlen vid frånvaro av det nämnda elektriska fältet, vilken vätskekristallcell är monterad mellan polarisatorer, kännetecknad av en retardationsñlrn anordnad mel- lan polarisatorerna för att minska kvarstående retardation i vätskelaistallcellen när den är i elektriskt aktiverat tillstånd, vilken retardationsfilm är anordnad så att dess snabba axel är skild från den snabba axeln för cellens inbyggda retardation.

2. Slutarkonstruktion enligt krav 1, kännetecknad av att vinkeln mellan retarda- tionsfilmens snabba axel och den snabba axeln för den inbyggda retardationen i cellen är inom intervallet mellan 45° och 90°.

3. Slutarkonstruktion enligt laav 1 eller 2, kännetecknad av att retardationsfilmens snabba axel är väsentligen vinkelrät mot den snabba axeln för den inbyggda retarda- tionen i cellen.

4. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att retarda- tionsfilmens snabba axel är skild från riktningen för bissektrisen för vinkeln mellan molekyluppriktningsriktningama.

5. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att retarda- tionsfilmens snabba axel är anordnad vinkelrät mot bissektrisen för vinkeln mellan molekylupprikmingsrikmingarria. Un 10 13 sus 272

6. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att vinkel- skillnaden mellan molekylupprikmingsriktriingatna är inom intervallet mellan 0° och 85°.

7. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av att upprikt- ningsriktningama är parallella, d.v.s. vinkelförflytlningen mellan uppriktningsrikt- ningarna är O”.

8. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av en första cell enligt något av föregående krav i kombination med en andra cell och ett andra polarisationsfilter.

9. Slutarkonstruktion enligt något av föregående krav, kännetecknad av ett band- passfilter med en transmissionskarakteristika som har ett transmittansmaximum vid mittpaniet av det synliga våglängdsonirâdet, väsentligen mellan 500 och 600 nm. och av att vätskekristallcellen är så vald, att den har transmissionsegenskaper som ar väsentligen komplementära till bandpassfiltrets transmissionskarakteristika. 10, Ljusskärmningsanordning som innefattar en slutarkonstruktion enligt något av föregående krav. ll. Ljusskärmningsanordning enligt krav 10, kännetecknad av att den innefattar ett sensonnedel för avgivning av en sensorsignal i motsvarighet till ljusintensiteten; och en signalgenerator för alsuing av nämnda elektriska styrsignal i motsvarighet till den narrmda sensorsignalen.