DE69920225T2 - Verstellbar lichtschwächende vorrichtung mit dichroitischem flüssigkristall - Google Patents

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Description

  • Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt eine bezahlte Lizenz an dieser Erfindung und kann berechtigt sein, unter eingeschränkten Umständen den Patentinhaber zu ersuchen, unter angemessenen Bedingungen die Lizenz an andere zu erteilen, wie es durch die Bedingungen des Vertrags Nr. F41624-97-C-6010, gewährt durch das Ministerium für Luftstreitkräfte, vorgesehen ist.
  • TECHNISCHER BEREICH
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine dichroitische Flüssigkristallzelle mit elektronisch geschwächter Lichtübertragung.
  • STAND DER TECHNIK
  • Heutzutage gibt es auf dem Markt viele Vorrichtungen, insbesondere Sonnenbrillen, die eine lichtempfindliche Lichtdurchlässigkeit aufweisen. Bei manchen von diesen Vorrichtungen werden chemische Verbindungen verwendet, die bei Einwirkung von Licht in einen erregten Zustand eintreten, und in diesem erregten Zustand mehr Licht absorbieren. Der Hauptnachteil dieser Technik ist, daß diese Verbindungen auf eine Änderung der Lichtbedingungen nur langsam ansprechen. Beispielsweise hat der Träger einer Sonnenbrille, der an einem sonnigen Tag in einen Tunnel fährt, auf Grund einer langsamen Änderung der Lichtabsorptionsfähigkeit beim Einfahren eine Brille, die zu dunkel (zu sehr lichtabsorbierend) ist, und die beim Ausfahren aus dem Tunnel zu hell (zu sehr lichtdurchlässig) ist. Infolgedessen kommt der Träger in eine unbehagliche und potentiell gefährliche Lage.
  • Sonnenbrillen mit Verwendung von Flüssigkristallen sind ebenfalls bekannt. Typischerweise ist zwischen zwei polarisierenden Schichten eine Flüssigkristallzelle eingesetzt. Der Flüssigkristall modifiziert den Polarisierungszustand des hindurchlaufenden Lichts. Zur Absorption des Lichts werden die Polarisatoren und keine Farbstoffe verwendet. Die einzige Verwendung von Farbstoffen nach dem Stand der Technik erfolgt unfunktionell, im allgemeinen zur Schattierung, wie als Beispiel in dem USA-Patent Nr. 4,968,127 angegeben ist. Die mindestens zwei Nachteile an dieser Konstruktion sind, daß erstens der Lichtdurchlässigkeitsgrad von dem Sichtwinkel abhängt und sie zweitens nur schwer auf einem Substrat aus Kunststoff ausführbar ist. Wie wohlbekannt ist, vermindern Polarisatoren sehr stark den Sichtwinkel der Zelle. Des weiteren ist der Lichtdurchlässigkeitsgrad typischerweise zu klein zur Verwendung bei schwachen Beleuchtungsbedingungen. Beispielsweise betrug in dem USA-Patent Nr. 5,015,086 der höchste genannte Durchlässigkeitsgrad 35 %.
  • Deshalb besteht Bedarf an einer Vorrichtung, bei welcher der Lichtdurchlässigkeitsgrad bei allen Sichtwinkeln gleichbleibend ist, bei welcher die Schwächung des durchgelassenen Lichts kontinuierlich und schnell steuerbar ist, und bei welcher die Vorrichtung auf Substraten aus Kunststoff ausgeführt werden kann.
  • Uns ist auch USA-5067795 bekannt, das den Oberbegriffsteil von Anspruch 1 bildet. Die in USA-5067795 offenbarte Vorrichtung schwächt einfach das gesamte durch die Vorrichtung laufende Licht.
  • Die vorliegende Erfindung ist durch den Gegenstand der Ansprüche 1 – 11 definiert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1A und 1B sind vergrößerte schematische Querschnittsdarstellungen einer Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung, jeweils entweder bei Fehlen oder bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes.
  • 2 ist ein schematisches Schaltbild eines Leistungsschaltkreises, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
  • 3 ist eine graphische Darstellung, die prozentuale Lichtdurchlässigkeiten durch die Zelle hindurch bei verschiedenen Höhen einer angelegten Spannung über einen Bereich von Wellenlängen zeigt.
  • 4 ist eine Ansprechkurve, welche die Lichtdurchlässigkeit der Zelle als Funktion der Zeit zeigt.
  • BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Nunmehr wurde eine elektronisch gesteuerte Zelle entwickelt, mit der die Lichtdurchlässigkeit kontinuierlich steuerbar ist. Wie in 1A–1B zu erkennen, ist eine verstellbare lichtschwächende Zelle gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die Zelle 10 umfaßt zwei Substrate 12a, 12b, vorzugsweise mit einer im wesentlichen gleichbleibenden Trennung zwischen diesen und auf allen Seiten von einem Dichtmaterial 13 eingeschlossen, beispielsweise einem Zweikomponenten-Epoxidharz. Wie weiter unten ausführlicher erläutert, ist zwischen den Substraten 12a und 12b eine Lösung eines dichroitischen Farbstoffs und eines flüssigkristallinen Materials angeordnet.
  • Die Substrate 12a und 12b sind lichtdurchlässige Materialien, die entweder gleich oder verschieden sind und vorzugsweise dauerhaft sind, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff. Die Innenflächen der Substrate sind mit einer leitenden Schicht 14a, 14b überzogen, beispielsweise mit Indium-Zinn-Oxid (ITO). Beide leitenden Schichten 14a, 14b sind mit einem Leistungsschaltkreis 15 verbunden. Der Leistungsschaltkreis 15 umfaßt mindestens eine verstellbare Spannungsversorgung, die in 1A und 1B mit dem eingekreisten V schematisch dargestellt ist. Die Innenseite jeder leitenden Schicht 14 ist wahlweise mit einer (auch als isolierende Schicht oder „Hartschicht" bekannten) Passivierungsschicht 16a, 16b überzogen, beispielsweise aus einem Si-Ti-Alcoxid. Der Hauptzweck der Passivierungsschicht 16a, 16b ist es, die Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den leitenden Schichten 14a und 14b zu mi nimieren. Die innerste Schicht, die über der Passivierungsschicht 16 angeordnet ist, ist eine Ausrichtungsschicht 18a, 18b, die ebenfalls als Passivierungsschicht wirken kann.
  • Die Substrate 12a, 12b können planar oder gebogen sein. Obwohl der Abstand zwischen den Substraten 12a, 12b keine innewohnenden Einschränkungen aufweist, weist er wesentliche Abweichungen bei den Eigenschaften der Zelle auf. Wenn das Wirtsmaterial ein Flüssigkristallmaterial ist, kann durch Vergrößerung des Abstands zwischen den Substraten 12a, 12b die Möglichkeit vermindert werden, daß eine gegen Polarisation unempfindliche Vorrichtung hergestellt wird; durch Verkleinerung des Abstands nimmt möglicherweise das Lichtabsorptionvermögen der Zelle ab und die Herstellung wird schwieriger. Dieser Abstand definiert eine Zellendicke 20 und beträgt vorzugsweise etwa 5 bis etwa 20 μm und bevorzugterweise etwa 8 bis etwa 12 μm. Als Hilfe zum Aufrechterhalten der Trennung können wahlweise Abstandshalter 21, beispielsweise Stäbchen oder Kügelchen aus Glas oder Kunststoff, zwischen die Substrate 12a und 12b eingelegt werden.
  • Die flüssigkristalline Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung kann nicht weniger als 100 Prozent dichroitisches flüssigkristallines Material enthalten. Die Lösung kann wahlweise auch andere Materialien, beispielsweise Farbstoffe zur Schattierung oder Polymer für die Festigkeit, enthalten.
  • Die Zelle 10 befindet sich entweder im Ruhezustand, in dem keine Spannung angelegt ist, oder in erregtem Zustand, in dem über zwei Substrate eine Spannung angelegt ist. Die vorliegende Erfindung kann so konstruiert werden, daß durch das Anlegen einer Spannung die Lichtdurchlässigkeit entweder vergrößert oder verkleinert werden kann. Es wird jedoch für möglich gehalten, daß eine bevorzugte Ausführungsform in der in 1A gezeigten Weise im Ruhezustand eine maximale Lichtdurchlässigkeit aufweist und in der in 1B gezeigten Weise im aktiven Zustand eine minimale Lichtdurchlässigkeit aufweist. Das läßt sich durch Anwendung einer homöotropen Oberflächenbehandlung bei den Ausrichtungsschichten 18a,b in Verbindung mit einem Flüssigkristallmaterial mit negativer dielektrischer Anisotropie zustande bringen.
  • Bei einer Anwendung der vorliegenden Erfindung bildet die Zelle 10 die Linse einer Brilleneinrichtung, beispielsweise einer Sonnenbrille. Ein Vorteil der vorlie genden Erfindung, wie sie sich in der Brilleneinrichtung verkörpert, besteht darin, daß sie „störungssicher" ist; sollte der Leistungsschaltkreis ausfallen, ist der Benutzer der Brilleneinrichtung mit maximaler Sichtweite versehen. Wie noch ausführlicher erläutert wird, umfaßt der Leistungsschaltkreis 15 eine Photozelle, die als Energiequelle verwendet wird. Mithin fungiert der Leistungsschaltkreis 15 unter minimalen Lichtverhältnissen als offener Schalter, um die Anlegung eines elektrischen Feldes an die leitenden Schichten 14a, 14b zu beseitigen. Unter maximalen Lichtverhältnissen fungiert der Leistungsschaltkreis 15 als geschlossener Schalter, um ein elektrisches Feldes über die leitenden Schichten 14a,b anzulegen und auf das Verhalten des dichroitischen flüssigkristallinen Materials 22, 24 einzuwirken.
  • Zur Schaffung eines stark lichtdurchlässigen Ruhezustandes sollte die Richtebene der flüssigkristallinen Moleküle in der in 1A dargestellten Weise relativ parallel zu den meisten eintretenden Lichtstrahlen liegen. Dazu werden die Ausrichtungsschichten 18a, 18b derart behandelt, daß sie eine homöotrope Oberflächenstruktur des Materials 22, 24 ohne aufgebrachtes elektrisches Feld erzeugen.
  • Wenn auf die Moleküle, die das dichroitische flüssigkristalline Material 22, 24 bilden, beispielsweise durch das Anlegen einer Spannung über die leitenden Schichten 14a, 14b, ein elektrisches Feld einwirkt, wechselt die Richtebene von einer, die relativ senkrecht zu den Substratoberflächen liegt, zu einer über, die in der in 1B gezeigten Weise weniger senkrecht oder mehr parallel ist. Das Reinergebnis ist eine Abnahme in dem durchgelassenen Licht 26b im erregten Zustand, die in 1B schematisch durch einen geschlossenen Schalter 28 in dem Leistungsschaltkreis 15 dargestellt ist.
  • Die vorliegende Erfindung könnte auch polymerisierbare Monomere zur Schaffung eines Polymernetzes umfassen, um die Zelle zu stabilisieren und sie widerstandsfähiger gegen mechanischen Druck zu machen. Zur Schaffung eines Netzes werden dem dichroitischen kristallinen Material 22, 24 Monomere hinzugefügt, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 10 %, bevorzugterweise von etwa 1 bis etwa 2 %.
  • Es wird für möglich gehalten, daß eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung Sonnenbrillen, Helmsichtgläser oder andere Arten von Schutzbrillen einrichtungen wären. Es wird ebenso für möglich gehalten, daß die vorliegende Erfindung zum Schutz von irgendeinem lichtempfindlichen Objekt benutzt werden könnte, insbesondere von Sensoren, beispielsweise von Videokameras. Weiterhin ist zwar die Verwendung von einem oder mehreren Polarisatoren zur Erfüllung der Aufgaben der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, jedoch könnte deren ergänzende Verwendung bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein, um das Lichtabsorptionsvermögen der vorliegenden Erfindung weiter zu erhöhen.
  • Beispiel
  • Es wurde ein Beispiel für eine verstellbare lichtschwächende dichroitische, flüssigkristalline Vorrichtung gemäß dem folgenden Protokoll hergestellt. Es wurden Testzellen hergestellt, wobei zwei 1 mm dicke Glasplatten als Substrate verwendet wurden. Eine Seite jedes Substrats wurde vom Hersteller, Donnelly Applied Films (Boulder, Colorado), mit Indium-Zinn-Oxid (ITO) vorbeschichtet, das als lichtdurchlässige leitende Schicht wirkt. Auf den Überzug aus ITO wurde eine Passivierungsschicht aus einem auf Si, Ti-Alcoxid basierendem Material (AT720 von Nissau Chemical, Rolla, Missouri) mit der wohlbekannten Technik des Schleuderbeschichtens gebracht und anschließend eine Stunde lang auf 200 °C aufgeheizt. Dann wurde oben auf die Passivierungsschicht durch Schleuderbeschichten eine Ausrichtungsschicht aus Silan aufgebracht. Durch das Verfahren wird eine homöotrope Oberflächenausrichtung geschaffen. Als nächstes wurden in Methanol suspendierte Glasstäbchen von 5 μm Durchmesser (erworben von EM Industries, Hawthorne, New York) auf eines der Substrate aufgesprüht, dann wurden die beiden Substrate unter Verwendung eines UV-härtbaren Epoxidharzes (NO68 von Norland Products, Inc., New Brunsiwck, New Jersey) miteinander verklebt.
  • Das dichroitische flüssigkristalline Material wurde hergestellt, indem das flüssigkristalline Material ZLI2806 (EM Industries, Hawthorne, New York) und eine neutrale Farbstoffmischung S428 und das chirale Dotierungsmittel CE2 (EM Industries) jeweils in ein einem Gewichtsverhältnis von 95,5 : 3 : 1,5 gemischt wurde. Dann wurde die flüssigkristalline Lösung durch Kapillarwirkung in die Zelle eingebracht, und die Zelle wurde unter Verwendung des UV-härtbaren Epoxidharzes versiegelt, und an die Elektroden aus ITO wurden elektrische Zuleitungen angelötet.
  • Wie in 2 zu sehen ist, umfaßt der Leistungsschaltkreis 15, der das Anlegen einer Spannung an die Zelle 10 steuert, eine Photozelle 44, bei der ein Ende mit Erde 45 verbunden ist. Die Photozelle 44 ist derart konfiguriert, daß sie bei Vorhandensein von Licht 26a einen maximalen Gleichspannungswert und bei Fehlen von vorhandenem Umgebungslicht einen minimalen oder keinen Gleichspannungswert erzeugt. Mit anderen Worten, die Photozelle 44 stellt ihren Spannungsausgang abhängig von der Menge an Umgebungslicht ein. Bei der bevorzugten Ausführungsform erzeugt die Photozelle 44 etwa 3 Volt Gleichspannung. Der Spannungsausgang durch die Zelle 44 wird von einer astabilen Kippschaltung 46 zur Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung empfangen. Die Kippschaltung 46 ist mit einem Spannungsverstärker 47 zur Verstärkung des Spannungswerts von 3V Gleichstrom auf 6V Gleichstrom verbunden. Demgemäß wird der Ausgang der Kippschaltung 46 von einer astabilen Kippschaltung 48 empfangen, die 6V Wechselstrom ausgibt. Dann wird die erzeugte Spannung über mit den leitenden Schichten 14a,b verbundene Elektroden an die Zelle 10 angelegt. Die entgegengesetzte Seite der Zelle 10 ist mit Erde 45 verbunden. Wie weiter oben erläutert, ändert sich durch das Anlegen der Spannung die Ausrichtung des dichroitischen flüssigkristallinen Materials 22, 24 und des dichroitischen Farbstoffs 24. Der Leistungsschaltkreis 15 eignet sich ideal für eine in Sonnenbrillen oder in sich geschlossenen Anordnungen verwendete Zelle 10. Natürlich können auch andere Schaltungskonfigurationen mit geeigneten Energiequellen verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wurden die Kippschaltungen 46 und 48 unter Verwendung von CMOS-NAND-Gattern und eines externen RC-Zeitglieds gebaut. Sämtliche notwendigen Verknüpfungsglieder sind als Paket in einer integrierten Schaltung im Handel erhältlich.
  • Wie in 3 zu sehen, wurde die Lichtdurchlässigkeit durch die Zelle 10 hindurch als Funktion der angelegten Spannung und der Wellenlänge des eintretenden Lichts gemessen. Wie in dieser Fig. zu sehen, kann die Lichtdurchlässigkeit abhängig von der Wellenlänge des eintretenden Lichts und von der an die Zelle 10 angelegten Spannung irgendwo im Bereich von etwa 2 % bis etwa 85 % liegen.
  • Die Schwächungsrate – die Änderung in der Größe der Lichtdurchlässigkeit als Funktion der Zeit – ist in 4 für die Zelle 10 dargestellt, bei welcher der Leistungsschaltkreis 15 verwendet wird. Kurve A zeigt eine rasche Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit innerhalb von 2ms an, wenn 10V an die Zelle 10 angelegt werden. Kurve B zeigt eine rasche Erhöhung der Lichtdurchlässigkeit innerhalb von 25 – 100ms an, nachdem die Spannung von der Zelle 10 weggenommen wurde.
  • Entsprechend der vorstehenden Offenbarung sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung ohne weiteres erkennbar. Wenn eine verstellbare Energiequelle verwendet wird, die eine veränderliche, auf der Menge des Umgebungslichts basierende Spannung erzeugt, wird mit der vorliegenden Erfindung eine dichroitische flüssigkristalline Vorrichtung mit verstellbaren lichtschwächenden Eigenschaften ohne Notwendigkeit von Polarisatoren bereitgestellt. Demgemäß sorgt die vorliegende Erfindung für störungssicheren Betrieb, bei dem durch die verstellbare elektrische Energie eine schattenfreie Betrachtung ermöglicht wird. Des weiteren können die Zelle oder die Linsen abhängig von dem verwendeten dichroitischen Flüssigkristall reguliert und mit jeder Farbe oder Schattierung versehen werden. Demgemäß kann die Zelle 10 von Piloten, Motorradfahrern, Skifahrern und dergleichen beispielsweise in Form einer Schutzbrille oder von Sichtgläsern verwendet werden. Es ist auch vorgesehen, daß die vorliegende Erfindung verwendet werden kann, um andere Sensoren als das menschliche Auge gegen eine Vielzahl von Lasern und anderen bedrohlichen, Licht emittierenden Vorrichtungen zu schützen.
  • Auf Grund der vorstehenden Offenbarung sollte nunmehr zu erkennen sein, daß durch Verwendung der Zelle und deren hier beschriebenen Herstellungsverfahren die weiter oben dargelegten Aufgaben erfüllt werden. Es sollte sich deshalb verstehen, daß im Umfang der Erfindung alle Modifizierungen und Variationen umfaßt sind, die innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche liegen.

Claims (11)

  1. Verstellbare lichtschwächende dichroitische Vorrichtung (10) aufweisend: ein Paar gegenüberliegende Substrate (12a,b) mit einer Trennung zwischen diesen, die eine Zellendicke (20) definiert und worin innere Flächen des Substrates mit einer leitenden Schicht (14a,b) bedeckt sind; eine auf jeder leitenden Schicht (14a,b) angeordnete Ausrichtungsschicht (18a,b); eine Lösung, die im wesentlichen aus einem dichroitischen, 100% flüssigkristallinen Material (22,24) besteht, welche zwischen den Substraten angeordnet wird; eine mit den leitenden Schichten verbundene variable Spannungsversorgung aufweisende Spannungsversorgung (15); die Anordnungsschichten (18a,b) erzeugen ohne ein angelegtes elektrisches Feld eine homeotropische Struktur des flüssigkristallinen Materials (22, 24), so daß die Orientierung der molekularen Achse des flüssigkristallinen Materials (22, 24) dazu parallel steht, wobei die Anwendung einer Spannung mittels der Spannungsversorgung (15) die Orientierung des flüssigkristallinen Materials von relativ rechtwinklig zu den Substraten zu einer Orientierung mehr parallel zu den Substraten ändert, um die Absorption des eingehenden und durch die Vorrichtung laufenden Lichtes (26a) mittels des flüssigkristallinen Materials (22, 24) zu erhöhen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Passivierungsschicht (16) zwischen jeder leitenden Schicht (14) und jeder Ausrichtungsschicht (18).
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Lichtdurchlässigkeit relativ hoch ist, wenn keine Elektrizität von der Spannungsversorgung (15) erzeugt wird und relativ niedrig ist, wenn Elektrizität von der Spannungsversorgung (15) erzeugt wird.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spannungsversorgung (15) eine Fotozelle (44) aufweist, welche einen Spannungswert bei Anwesenheit von Umgebungslicht erzeugt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Fotozelle (44) einen variablen Spannungswert in Abhängigkeit der Menge von Umgebungslicht erzeugt und wobei der variable Spannungswert die Orientierung des dichroitischen flüssigkristallinen Materials (22, 24) ändert, um die Lichtdurchlasseigenschaften der Vorrichtung anzupassen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Spannungsversorgung (15) weiterhin aufweist: eine astabile Kippschaltung (46), um die von der Fotozelle (44) erzeugte Gleichspannungsausgabe in eine von den leitenden Schichten (14) empfangene Wechselspannung umzuwandeln.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Spannungsversorgung (15) weiterhin aufweist: einen die mittels der astabilen Kippschaltung (46) erzeugte Wechselspannung empfangenden Spannungsverstärker (47) zum Erzeugen eines verstärkten Gleichspannungssignals; und eine zweite das verstärkte Gleichspannungssignal empfangende astabile Kippschaltung (48) zum Erzeugen einer von den leitenden Schichten (14) empfangenen verstärkten Wechselspannung.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Mehrzahl von zwischen den Substraten angeordneten Abstandshaltern (21), hergestellt aus Kunststoff.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Substrate (12a,b) im wesentlichen planar sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die ersten und zweiten Substrate (12a,b) gewölbt sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend ein oder mehrere Polarisatoren.
DE69920225T 1998-06-24 1999-06-18 Verstellbar lichtschwächende vorrichtung mit dichroitischem flüssigkristall Expired - Lifetime DE69920225T2 (de)

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