Очки с регулируемой прозрачностью

 

Сущность изобретения: в качестве жидкого кристалла, размещенного между подложками, использован в первом варианте выполнения кристалл холестерического типа с дихроичной добавкой, обладающий отрицательной диэлектрической анизотропией с двулучепреломлением не более 0,12 и шагом спирали от 0,9 до 4 толщин слоя жидкого кристалла. Молекулы ориентированы под углом 1-10 град. к вертикали, к подложке. Шаг спирали может быть выбран от 1,1 до 1,7 толщины слоя, а молекулы кристалла ориентированы под углом от 2 град. до 5 град. к вертикали, к подложке. Молекулы ориентированы в плоскостях, угол между которыми равен углу скручивания по толщине слоя. Во втором варианте выполнения использован кристалл с положительной анизотропией, двулучепреломлением не более 0,12, углом скручивания между 90 град. и 720 град., молекулы ориентированы под углом не более 25 град, к поверхности подложки. Угол скручивамия можно выбрать от 180 град. до 940 град. Молекулы ориентированы под углом от 2 град. до 15 град. к поверхности подложки. Очки имеют электрическую схему управления прозрачностью. 2 с. и 15 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к очкам с регулируемой прозрачностью стекол. Более точно, изобретение касается очков, снабженных жидкокристаллическими средствами, позволяющими пользователю приспосабливать прозрачность линз к изменению, даже неожиданному, состояния наружной освещенности.

Для применения в очках линз с регулируемой прозрачностью они должны удовлетворять следующим требованиям: отсутствие явления диффузии света, ширина, равная углу видимости, равномерность в пропускании света, достаточная прозрачность, отсутствие необходимости в поляризаторах.

Очки с регулируемой прозрачностью стекол, включающие жидкокристаллические элементы, описаны в (1). Однако, в этом случае линзы снабжаются слоями поляризационного материала.

Для выполнения линз для очков с регулируемой прозрачностью стекол, отвечающих перечисленным выше требованиям, что является главной целью изобретения, было принято целесообразным принять прежде всего во внимание жидкокристаллические элементы дихроичного типа.

Существует несколько типов дихроичных элементов, известных как элементы с холестерико-нематическим изменением фазы, или типа Уайт-Тэйлора, которые позволяют исключить использование поляризующих устройств.

Возможны следующие состояния ориентации молекул (для точности описания в последующем тексте описания термин "горизонтальный" используется для того, чтобы показать направление, параллельное плоскостям стенок, содержащим жидкий кристалл внутри элемента, а термин "вертикальный" для определения ортогонального направления. В первом состоянии достигаются различные ориентации молекул в горизонтальной плоскости, или под небольшим углом к ней, таким образом, что все компоненты света поглощаются. Во втором состоянии ориентация молекул вертикальная или близкая к ней и распространяющийся вертикально свет не поглощается (в идеальном случае).

Промежуточные состояния между этими состояниями, соответствуя промежуточным углам молекул относительно горизонтальной плоскости, позволяют непрерывно изменять поглощение света.

Эти состояния могут быть получены в элементах с холестерико-нематическими фазовым переходом, которые способны изменять свою прозрачность без проявления световой диффузии.

Такие элементы подходят для осуществления настоящего изобретения.

Первый тип таких дихроничных элементов это жидкие кристаллы, имеющие положительную диэлектрическую анизотропию. Под действием электрического поля молекулы стремятся расположиться параллельно полю и следовательно, вертикально (в присутствии плоских электродов на поверхности) структура холестерического типа переходит к нематическому типу и элемент из абсорбента становится прозрачным.

Ориентация накладывается на жидкий кристалл от, по меньшей мере, одной или обоих стенок параллельно или почти параллельна им, согласно заранее заданному направлению.

Предпочтительными являются элементы такого типа, в которых ориентация почти параллельна, т.е. она наклонена относительно горизонтальной плоскости, предпочтительно на 2-15^o, но не более 25^o.

Кроме того, ориентация жидкого кристалла по толщине элемента должна иметь эффективной общий угол скручивания между около 1/4 угла и 2 углов полного оборота, но предпочтительно между 0,5 и 1,5 углов полного оборота. Это достигается посредством выбора шага спирали в отношении к толщине жидкого кристалла.

Ориентация должна быть заранее зафиксирована равномерно по второй стенке: однако, могут быть приняты все наклоны, заключенные между вертикалью и горизонталью.

Существует второй тип дихроичных элементов, которые не обнаруживают диффузии.

В этом случае также ориентация накладывается стенками почти вертикально, но соотношение между толщиной и шагом меньше, чем критическая величина и следовательно, ориентация получается почти вертикальной.

В этих элементах используется жидкий кристалл с отрицательной диэлектрической анизотропией, молекулы которого стремятся установиться перпендикулярно электрическому полю. Для реализации изобретения будут предпочтительными элементы, в которых почти вертикальная ориентация по стенкам будет хорошо контролироваться с направлениями с отклонениями на 1-10 градусов от вертикальной, предпочтительно на 2-5 градусов и по плоскостям, угол между которыми равен углу скручивания жидкого кристалла по толщине слоя жидкого кристалла, равной толщине элемента, которая в этом случае заключается между 1/4 и 1,1 угла полного поворота.

Эти последние элементы наиболее подходят для очков с регулируемой прозрачностью, поскольку в них отсутствует риск, что при отсутствии электрического возбуждения, очки могут быть опасно затемнены.

Для создания очков с регулируемой прозрачностью, линзы которых образованы дихроичными жидкокристаллическими элементами с холестерико-нематическим фазовым переходом с отсутствием диффузии света, необходим источник электрического напряжения и средства для регулирования этого напряжения. Предпочтительно, чтобы используемый жидкий кристалл имел величину двойной рефракции ниже 0,12.

Наибольший эффект достигается, если элементы являются диффундирующими дихроичными, которые передают свет в состоянии покоя и поглощают его в состоянии возбуждения, и отличаются отрицательной диэлектрической анизотропией жидкого кристалла, вертикальной или почти вертикальной ориентацией, накладываемой стенками на молекулы кристалла, и величиной шага спирали, ненамного больше толщины элемента и примерно равной ей. Шаг равен 1-4 толщинам элемента, причем, лучше, если он равен 1,1-1,7 этой толщины; этим толщинам соответствует угол скручивания жидкого кристалла соответственно от 1/4-1,1 угла полного оборота до 6/10-9/10 угла полного оборота.

Выгодно, когда упомянутая ориентация имеет отклонение от вертикали равное 1^o-10^o и имеет место вдоль плоскостей, угол между которыми равен углу скручивания по толщине слоя жидкого кристалла. Наиболее предпочтительная величина этого отклонения составляет 2^o-5^o.

Кроме того, могут использоваться также недиффундирующие дихроичные элементы, которые поглощают свет в состоянии покоя и передают его в состояние возбуждения. Эти жидкие кристаллы имеют положительную диэлектрическую анизотропию. Ориентация кристалла параллельна или почти параллельна стенке, величина шага спирали выше половины толщины и угол скручивания равен 1/4-2 углам полного оборота, предпочтительно 1/2-3/2 углов полного оборота.

Молекулы жидкого кристалла ориентированы под углом не более 45° к поверхности подложки, наиболее предпочтительно под углом около 50-25^o.

Для осуществления регулируемой прозрачности в очках предлагается использовать линзы, обработанные по меньшей мере с их внутренней стороны, с помощью улучшенной технологии, упомянутой выше, с такой точностью, чтобы получить разность в размерах и кривизне, относительно идеальной поверхности, соответственно ограничиваясь в пределах нескольких микрометров и в пределах нескольких микрометров/кв. см.

Упомянутые линзы будут изготовлены из стекла или пластикового материала и они будут предпочтительно обработаны или подцвечены таким образом, чтобы поглощать ультрафиолетовые лучи, чтобы защитить дихроичные элементы от потери цвета.

Помимо этого, эффективная величина напряжения, вырабатываемого источником питания, выше порогового значения, не содержит постоянные составляющие и имеет частоту, достаточно высокую, чтобы исключить ионизацию жидкого кристалла.

Упомянутая электронная схема включает индуктор, электрически резонанcный с емкостями элементов.

Напряжение вырабатывается электронной схемой, регулируется вручную или/и автоматическими средствами. Последние могут быть выполнены, в частности, посредством электронных схем, приводимых в действие фотоэлементом.

Ручные средства образуются электронными схемами, регулируемыми сенсорными клавишами или потенциометром, переменным конденсатором или переменным индуктором или их комбинацией.

Кроме того, очки могут быть выполнены в виде одного непрерывного элемента из пластического материала.

Изобретение иллюстрируется чертежом, где, на фиг.1 приведена упрощенная схема очков согласно изобретению, на фиг.2 вариант конструкции с использованием технологии, печатных плат, на фиг.3 очки, выполненные из одного пластичного элемента, где жидкокристаллический элемент 1, образующий одну линзу, подложки 2 из стекла или пластического материала, уплотненные смолой или фриттой 3 таким образом, чтобы образовывать внутреннее пространство 4, заполненное жидким кристаллом и подходящее для создания дихроичного элемента.

По поверхностям 5 размещен прозрачный проводящий слой, а также слои, необходимые для ориентации жидкого кристалла, в то время, как между упомянутыми поверхностями расположены прокладки 6.

Периферическое уплотнение 3 имеет разрыв (не показано) для заполнения под вакуумом внутреннего пространства жидким кристаллом, который затем уплотняется. Этот разрыв также может быть заменен одним отверстием в любом из стекол.

Контакты 7 подсоединены через провода 8 к электронной схеме 9. Схема вырабатывает регулируемое напряжение, с эффективной величиной выше порога, без постоянных составляющих и с частотой достаточно высокой, чтобы не позволить ионам проходить в жидкий кристалл.

Источник питания 10 для питания схемы, образуемый на практике одной батарейкой, может отсутствовать, если фотоэлемент 11 вырабатывает достаточно энергии. Фотоэлемент 11 и ручные средства управления 12 для регулирования напряжения, которые могут быть, например, электронной схемой, контролируемой сенсорными клавишами, осуществляют вместе или попеременно, регулировку напряжения, вырабатываемого схемой, а также управление прозрачностью.

Показанное устройство, оформленное соответствующей оправой для очков, которая может содержать миниатюрную схему, или альтернативно, схема может быть заключена в небольшой контейнер, подвешенный к дужкам посредством струны.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Прозрачные линзы (возможно градуированные) выполняются из стекла или органического материала, известного как СR39, подкрашиваются в расплавленном состоянии таким образом, чтобы поглощать ультрафиолетовые лучи с толщиной около 0,7 мм для стекла и около 1 мм для пластика, обрабатываются парами с разницей в кривизне, равной около 2μm/см²,, на поверхностях для размещения жидкого кристалла и они выступают за контуры оправы.

Внутренние поверхности активируются "плазменным травлением" и обрабатываются "магнетронным напылением", вначале осаждая блокирующий слой 0,1 μm Al₂O₃ и затем, второй слой, толщиной 0,1 μm индия и окиси олова (IТО), имеющего поверхностное сопротивление около 100 см/см² и прозрачность более 85% Упомянутая обработка выполняется и по кромкам, где выпаривается некоторое количество золота для получения зон контакта. Посредством вакуумного термического испарения 0,04 мкм SiO под углом скольжения, равным приблизительно 60^o от нормали с последующим шлифованием абразивом можно получить поверхности, которые позволят получить почти горизонтальную ориентацию жидкого кристалла с наклоном, равным 3^o относительно стенок. На кромке выпуклой поверхности имеется дополнительно осажденные посредством шелкографии периферическое кольцо эпоксидной смолы, не полимеризованной (Allestik N 517), с разрывом, через который будет введен жидкий кристалл. Частицы стеклянного волокна с диаметром 8 мкм рассыпаются поверх выпуклой поверхности и затем вогнутая поверхность прижимается поверх последней. Эта операция осуществляется посредством уплотнения в вакууме пакета термопластичного материала, содержащего линзы. Затем, следует спекание смолы при температуре 80^oС в течение 5 часов Внутренние поверхности сжимаются с прокладками и таким образом, достигается требуемая равномерность толщины внутреннего пространства Жидкий кристалл затем вводится в вакуум.

Эта операция осуществляется при примерно 80^oС внутри вакуумной камеры посредством погружения в течение достаточного времени (несколько минут) в жидкий кристалл кромки линзы. Разрыв затем уплотняется некоторым количеством смолы.

Используется жидкий кристалл, имеющий положительную диэлектрическую анизотропию ΔΣ=5 и низкое двойное лучепреломление (Δn 0,08) с добавлением дихроического красителя и хиральной добавки. Конструкция оправы совершенно не имеет значения. Как можно видеть на приложенной фиг.2 она выполнена из трех частей 13,14,15 соединенных специальными покрытыми платиной металлическими шарнирами 16 и 17, обеспечивая несколько отделенных между собой электрических соединений. Один из шарниров 17 кроме того, выполнен таким образом, чтобы прерывать подачу питания в цепи при его закрывании. Центральная часть 14 имеет один стержень (толщиной один миллиметр) из смолы, наполненной углеродным волокном, чередующимся со слоями медного соединения и соответствующим шарнирным элементом, и упомянутые части окружены смолой. Линзы 18 вплавлены под давлением в центральной части оправы, которая для этого имеет в нижней части термопластичную смолу. Конструкция описанных дужек допускает их изгиб в горячем состоянии для лучшей подгонки для любого пользователя.

Таким образом, получена пара очков с весом около 55 г, обычно темных с прозрачностью около 15-25% соответственно для лучей света, падающих под прямым углом или под углом 45^o к поверхности. Указанные величины могут регулироваться до максимальной прозрачности, равной приблизительно 70-60% при подаче на линзы максимального напряжения.

Встроенные цепи управляют автоматически прозрачностью линз; кроме того, пользователь может посредством нажатия на две клавиши 19 осветлить или затемнить их. Линзы могут работать между 5^o и 40^oС, при использовании жидкого кристалла и длительности службы батарейки в течение по меньшей мере 200 часов в зависимости от условий использования.

Пример 2.

Показан также вариант конструкции, изготовленный в виде обычной печатной платы.

На таком стержне припаяны электронные компоненты и пружинные контакты для линз. В зоне 20 между обеими линзами размещена монолитная интегральная схема, работающая также как фотоэлемент, и дискретные компоненты. Посредством процесса горячего формования накладываются два наружных слоя термопластичной смолы. Дужки 13 и 15 изготавливаются из термопластичной смолы с гнездами 21,22 для литиевой батарейки и для ферритового микротрансформатора по их концам. Трансформатор выполняет функцию минимизации потребления электроэнергии и позволяет использовать батарею, имеющую напряжение ниже порога жидкого кристалла.

Был использован микротрансформатор специального изготовления, рассеянная индуктивность которого резонирует с емкостью жидкокристаллического элемента как вспомогательная частота.

Регулирование амплитуды напряжения на вторичной обмотке достигается посредством изменения длительности импульсов, которые возбуждают первичную обмотку.

Каждая соединительная пружина изготавливается из одного кусочка стали вместе с электрической частью, подходящей для линз коррективного типа также как и для очков, которые носятся длительное время, и обеспечивает использование различных ориентирующих слоев и другого жидкого кристалла. В этом случае выпаривание осуществляется при 80^oС с использованием CaF₂ с последующей поверхностной обработкой погружением в разбавленный раствор DМОАР ( N, N-диметил-N-октадецил-3-амино-пропилтриметоксилил хлорид).

В качестве жидкого кристалла используется смесь, имеющая низкое двойное лучепреломление (Δn= 0,08) и отрицательную диэлектрическую анизотропию ((ΔΣ≠ -1,5),), плюс хиральная добавка и некоторое количество дихроичного красителя.

Интегральный фотодиод дифференциально подключен к остальной схеме таким образом, чтобы инвертировать ее действие. Таким образом, получается пара очков нормально прозрачных (80-70% ), имеющих способность затемняться до 30-40% (для ортогонального направления и для наклонного под углом 45^oС, соответственно). Длительность службы батареи зависит от условий пользования и составляет по меньшей мере 400 часов.

Пример 3.

Другой пример конструкции показывает использование слоистых листов, выполненных из прозрачного и эластичного пластического материала, для размещения жидкого кристалла. Таким образом, получаются очки, в которых линзы заменяются непрерывным элементом, показанном на приложенной фиг.3. Центральная часть очков выполнена процессом наслаивания, в котором слои полиэфирной смолы (Милар) собираются вместе с жидким кристаллом и эпоксидным клеем. Используется процесс непрерывного изготовления, начиная от лент листового милара 0,5 мм толщиной, которые пропускаются через вакуумные камеры и машины, в которых они подвергаются тем же самым обработкам, которые уже описаны. В этом случае, равномерность толщины внутреннего пространства гарантируется остаточным внутренним разряжением после заполнения жидким кристаллом и полимеризации эпоксидной смолы. Последнее происходит в форме, в которой поверхности шлифуются до их окончательной изогнутой формы после вырезания из ленты требуемой формы. Проводящие дорожки погружены в слой и получается козырек 23, цилиндрический изогнутый как показано на фиг.3. Он шлифуется в дугу 24, несущую схемы и шарниры 16 и 17, соединяющие их с дужками 13 и 15, которые выполняются как в предыдущем случае. Таким образом, получается довольно легкая конструкция (40г), которая также более экономична в случае достаточного массового производства.

Формула изобретения

1. Очки с регулируемой прозрачностью, содержащие линзы, каждая из которых состоит из двух подложек верхней и нижней с проводящими слоями на их обращенных друг к другу поверхностях, между которыми размещен слой жидкого кристалла, фотоприемник, схему управления напряжением, два входа которой соединены с выводами фотоприемника, а два выхода с проводящими слоями линз, источник напряжения, выводы которого соединены с шинами схемы управления напряжением, отличающиеся тем, что, с целью повышения степени регулировки прозрачности, между подложками размещен жидкий кристалл холестерического типа с дихроичной добавкой, обладающий отрицательной диэлектрической анизотропией с двулучепреломлением не более 0,12 и шагом спирали от 0,9 до 4 толщин слоя жидкого кристалла, а на по крайней мере один проводящий слой нанесен слой, ориентирующий молекулы жидкого кристалла под углами от 1 до 10° к вертикали к подложке.

2. Очки по п. 1, отличающиеся тем, что шаг спирали от 1,1 до 1,7 толщины слоя жидкого кристалла.

3. Очки по пп. 1 и 2, отличающиеся тем, что молекулы жидкого кристалла ориентированы под углом от 2 до 5° к вертикали к подложке.

4. Очки по пп. 1-3, отличающиеся тем, что молекулы жидкого кристалла ориентированы в плоскостях, угол между которыми равен углу скручивания по толщине слоя жидкого кристалла.

5. Очки по пп.1-4, отличающиеся тем, что источник напряжения содержит микротрансформатор, который находится в электрическом резонансе с электрическими емкостями линзы.

6. Очки по пп. 1-5, отличающиеся тем, что схема управления напряжением содержит элемент ручного контроля.

7. Очки по пп. 1-6, отличающиеся тем, что линзы содержат слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение.

8. Очки по пп. 1-7, отличающиеся тем, что подложки выполнены с кривизной.

9. Очки по пп.1-8, отличающиеся тем, что верхние и нижние подложки выполнены в цельных элементах из пластикового материала.

10. Очки с регулируемой прозрачностью, содержащие линзы, каждая из которых состоит из двух подложек верхней и нижней с проводящими слоями на их обращенных друг к другу поверхностях, между которыми размещен слой жидкого кристалла, фотоприемник, схему управления напряжением, два входа которой соединены с выводами фотоприемника, а два выхода с проводящими слоями линз, источник напряжения, выводы которого соединены с шинами схемы управлениям напряжением, отличающиеся тем, что, с целью повышения степени регулирования прозрачностью, между подложками размещен слой жидкого кристалла холестерического типа с дихроичной добавкой, обладающий положительной диэлектрической анизотропией с двулучепреломлением не более 0,12 и углом скручивания между 90 и 720°, а на по крайней мере один проводящий слой нанесен слой, ориентирующий молекулы жидкого кристалла под углом не более 25° к поверхности подложки.

11. Очки по п. 10, отличающиеся тем, что использован жидкий кристалл с углом скручивания от 180 до 540°.

12. Очки по пп. 10 и 11, отличающиеся тем, что молекулы жидкого кристалла ориентированы под углом от 2 до 15° к поверхности подложки.

13. Очки по пп. 10-12, отличающиеся тем, что источник напряжения содержит микротрансформатор, который находится в электрическом резонансе с электрическими емкостями линзы.

14. Очки по пп. 10-13, отличающиеся тем, что схема управления напряжением содержит элемент ручного контроля.

15. Очки по пп. 10-14, отличающиеся тем, что линзы содержат слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение.

16. Очки по пп. 10-15, отличающиеся тем, что подложки выполнены с кривизной.

17. Очки по пп. 10-16, отличающиеся тем, что верхние и нижние подложки выполнены в цельных элементах из пластикового материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3