技術領域

本發明涉及響應于入射光從明透射狀態變為暗透射狀態的彎曲濾光器的制造方法。彎曲的可切換濾光器具有設置在薄型、柔性、玻璃基片之間的至少一個液晶層。

背景技術：

自動變暗濾光器通常具有響應于入射光從明透射狀態自動地變成暗透射狀態的可切換濾光器。通常通過利用位于個體防護設備上或者作為個體防護設備的部分的光電探測器來實現該切換。光電探測器識別待過濾的入射光的存在，并且電子模塊生成控制電壓，所述控制電壓在被施加到可切換濾光器時導致濾光器從明透射狀態變成暗透射狀態。

自動濾光器已被設計成包含位于偏振膜之間的液晶盒。授予的美國專利4,240,709描述了可切換濾光器，所述可切換濾光器具有被夾在一對相互交叉的偏振器之間的單個扭轉向列型液晶盒。液晶盒通常為包括透明電極和對齊層的平坦的、光學透明的玻璃基片。當在電子模塊的控制下將電壓施加在液晶盒上時，液晶分子沿特定方向對其自身進行取向。許多可商購獲得的產品利用這種類型的可切換濾光器。

自動變暗濾光器在防護罩中的應用提供重要的人體工程學有益效果。以前，焊工例如在打接焊弧時不得不向下“擺動”他們的焊接防護罩，以確保他們的眼睛不受焊炬光危害。自動焊接濾光器消除了這種動作，因為焊接防護罩能夠被連續地放置在向下的位置。因此，焊接模式質量已得到大體改善，因為可實現更精確的電極布置。生產力改善也已被注意到，因為碾磨和返工已得到相應地降低。

然而，現有的平坦玻璃自動變暗濾光器可將相當大的重量添加到最終產品(諸如焊接防護罩)，這繼而可對使用者頸部和肩部產生應力和張力。典型玻璃夾心構造的矩形構造還往往會限制佩戴者的視野。已知的焊接濾光器通常因刻劃和斷裂剛性玻璃基片方面的困難已被局限于矩形構造。

術語表

下文說明的術語具有以下含義：

“自動變暗濾光器”是指響應于來自光本身的輸入并且在沒有來自人的輸入的情況下使光衰減的裝置；

“帶通濾光器”是指允許一定頻率范圍內的光穿過其中但是拒絕其他頻率的光通過的裝置；

“彎曲的”是指當沿橫截面觀察時不遵循直線；

關于玻璃層的“變形”是指能夠在距固定點50mm的懸臂距離上彎曲5毫米(mm)而不斷裂；

“電場”是指電荷周圍的區域，該區域可生成可施加到帶電粒子和分子上的力；

“柔性的”是指能夠經受變成彎曲形狀的變形而不破裂；

“玻璃”是指能夠透射可見光的無機的無定形的非結晶固體材料；

“玻璃層”或者“玻璃片”是指具有寬度和長度顯著大于厚度的維度的玻璃；

“并置的”是指并列型放置但不一定相互接觸；

“液晶層”是指具有處于液相的分子的層，該分子相對于彼此具有一些取向次序并且具有響應于電場而對齊的能力；

“低扭轉性”是指具有小于90度的扭轉角度；

“向列型分子”是指響應于電場表現出平行軸的分子；

“光學透明的”是指可見光可充分地穿過其中以在結構的相對側上看到期望的圖像；

“正交的”是指相互成直角；

“偏振”是指致使光按照明確的模式振動；

“偏振器”是指具有使可見光偏振的能力；

“偏振方向”是指由光的偏振導致的取向；

“旋轉”是指改變取向；

“傳感器”是指可檢測限定光源的存在并且可將信號傳送到另一個裝置的裝置；

“信號”是指電量，諸如電壓；并且

“扭轉角度”是指兩個表面之間的取向角度差。

技術實現要素：

本發明提供了可切換濾光器，所述可切換濾光器包括第一偏振器、第二偏振器和第一液晶盒。第一偏振器具有第一偏振方向，并且第二偏振器具有第二偏振方向。第二偏振方向與第一偏振方向相同或不同。第一液晶盒設置在第一偏振器和第二偏振器之間。第一液晶盒包含第一光學透明的柔性玻璃層和第二光學透明的柔性玻璃層，并且具有位于第一光學透明的柔性玻璃層和第二光學透明的柔性玻璃層之間的液晶層。

本發明的可切換濾光器的有益效果在于，相對于已知的可商購獲得的產品而言可減少總體產品重量。通過低重量的柔性玻璃層實現重量的減少。這些柔性層趨于比已用于先前常規產品中的玻璃基片更薄。另外，本發明的可切換濾光器可被制作為具有非矩形形狀，這可改善使用者的視野。可為使用者提供沿水平維度和垂直維度兩者的擴展的周邊視力范圍。還可將可切換濾光器構造成不同形狀，例如，以符合佩戴者面部的輪廓并且適應護目鏡或眼鏡。

附圖說明

圖1為根據本發明的彎曲的可切換濾光器10的分解圖；

圖2示出了根據本發明的彎曲的可切換濾光器10'的分解圖。

圖3為根據本發明可用于可切換濾光器的彎曲液晶盒34的示意性橫截面；

圖4為根據本發明的設置在自動濾光器變暗設備60中的可切換濾光器10(或10')的框圖；

圖5為根據本發明的焊接頭盔68的透視圖；

圖6為根據本發明的防護罩72的透視圖；并且

圖7示出了根據本發明的護目鏡76的透視圖。

具體實施方式

在本發明的實踐中，柔性的玻璃層限定封閉區，在該封閉區液晶分子在電場的影響下自由旋轉以產生濾光效應。在制造可切換濾光器的過程中使用柔性的玻璃層能夠使得可切換濾光器的部件以彎曲形式層合在一起。就相同(或甚至更小)重量而言，這種組件能夠實現更大的觀察面積。

圖1示出了彎曲的可切換濾光器10，其中該濾光器10的最外側部件為帶通濾光器12，該帶通濾光器用于衰減來自高密度入射光的紅外線(IR)波長分量和紫外線(UV)波長分量。帶通濾光器12可為反射紅外線輻射并且吸收入射光的紫外線-A、紫外線-B和紫外線-C分量的干涉濾光器。帶通濾光器12還可為獨立的紅外線和紫外線反射和/或吸收濾光器的組合。彎曲的可切換濾光器10還包括第一偏振濾光器14、第一光學旋轉的液晶盒16和第二偏振濾光器18。偏振濾光器14和18具有基本上正交的偏振方向，其中第一偏振濾光器14的偏振方向與第二偏振濾光器18的偏振方向成大約90°，但處于平行位置。第一光學旋轉的液晶盒16可為位于第一和第二正交相關的偏振濾光器14和18之間的扭轉向列型液晶盒。與這些部件平行對齊的是第二液晶盒20，其被設置在一對偏振濾光器18和22之間。偏振濾光器18和22各自具有基本上平行的偏振方向。平行偏振方向能夠在沒有施加電壓時使得盒為暗的，在施加了電壓時為明的。默認的黑暗狀態提供通知使用者產品處于“關閉”狀態的安全功能。液晶盒16和20中的每一個分別具有連接器24和26，通過該連接器可將控制電壓施加到這些盒。將電壓施加到連接器24在液晶盒16的柔性玻璃層之間產生電場。向列型液晶分子與垂直于限定表面的電場對齊，該限定表面包封盒的主要面。這種垂直對齊，而不是平行的那個，在激活的盒中實現變暗狀態。因此，當將控制電壓施加到液晶盒16時，實現了濾光器效應。液晶盒控制光的偏振，并且光由偏振器吸收。可通過改變控制電壓來控制向列型分子的旋轉角度，并且因此也可控制對應的濾光器效果。結果是液晶盒16在不存在施加電壓的情況下處于明透射狀態，并且在存在施加電壓的情況下處于暗透射狀態。根據所使用的液晶材料、盒間隙幾何形狀等等，電壓水平針對不同的盒設計可不同。在使用中，明透射狀態對應于焊接明暗度2至4中的任一個，并且可為用戶能夠選擇的暗透射狀態對應于焊接明暗度7至14中的任一個。焊接明暗度已經在眼睛防護標準ANSI 287.1:2010和169:2001中有所限定—還可參見EN 379:2003。

圖2示出了彎曲的自動變暗濾光器10'的分解圖，該濾光器包括液晶盒16、20和28。第一液晶盒16被設置在第一和第二偏振濾光器14和18之間，第二液晶盒20被設置在第一和第三偏振濾光器18和22之間，并且第三液晶盒28被設置在偏振濾光器30和14之間。兩個液晶盒16和28可為基本上相同的，但是它們通常相對于彼此旋轉約180°，以針對不同的觀察角度賦予較小的光學變化。將電壓施加到連接器24和32在透明導電電極之間產生電場。向列型液晶分子與垂直于包封分子的表面的電場對齊，以使得盒限制明透射。液晶盒16和28的對齊方向被布置成彼此基本上平行并且相對于彼此不對稱地取向。將兩個基本上相同的液晶盒定位在一起使得面對面分子對齊方向為基本上垂直的優勢補償濾光效應的角度依賴性。可利用偏置偏振器實現暗狀態中明暗度的變化(改善的均質性)，即偏振器偏置約1至20度–參見授予Magnusson等人的美國專利7,884,888。偏置偏振器可消除觀察區的不均勻的明暗度，該不均勻的明暗度由盒間隙幾何結構中的變化、構造的粘合劑層中多余的雙折射和不同的觀察角度所致。

圖3示出了液晶盒34，諸如第一、第二和第三盒16、20和28。層狀構造包含兩個光學透明的柔性玻璃層40和42。本發明可利用多種此類玻璃層進行實施。層中的每一個的厚度可為約10微米(μm)至200μm，更典型地約30至150μm，并且仍更典型地約75至125μm。柔性的玻璃層40和42可以片材或輥的形式供應。彎曲的層40、42通常具有小于無限曲率的半徑，通常約5至30厘米(cm)，更典型地為約7至20cm。曲率還可表現出非恒定半徑，例如，它可為拋物線的、懸鏈線的、外擺線的和自由形式。在光學透明的玻璃層40和42的面向內的表面上的分別是透明導電電極層44和46(例如氧化銦錫層)。通過將電壓施加到電極44和46，電場在液晶層48上產生以使液晶分子的取向偏移。與電極44和46并置的分別是對齊層50和52，例如已經沿特定對齊方向進行機械處理(諸如通過刷涂或擦涂)的聚酰亞胺層。在盒內部利用等尺寸間隔件54將對齊層50和52間隔開。可利用邊緣粘合劑56密封盒邊緣，例如可購自新澤西州克蘭伯里的諾蘭德公司(Norland Products(Cranbury,NJ))的Norland 68。在盒被完全密封之前，將向列型分子58被泵入層50和52之間的間隙48中。對齊層50和52迫使液晶向列型分子58在表面處呈特定角位置，使得分子在這些表面之間在它們相應的扭轉角度內進行扭轉。向列型液晶58的旋轉狀況允許或阻止通過盒的明投射。所使用的液晶可為夾在兩個光學透明的柔性玻璃層40和42之間的向列型，具有約08至14的Δn(普通和特殊光線折射率之間的差值)。層50和52之間的間隙通常為約3-5μm。本發明中使用的光學透明的柔性玻璃層40和42通常具有基本上均勻的光學透射，通常在380納米(nm)至750納米的波長范圍內大于80％。可通過溢流引下法形成玻璃層以具有如上文所指出的厚度。玻璃層的組合物可為硅酸鹽玻璃等的各種玻璃組合物，諸如二氧化硅玻璃和硼硅酸鹽玻璃。非堿性玻璃可包括基本上不包含堿性成分的玻璃，具體地講，包含百萬分(ppm)之1000或更少(優選地500ppm或更少，還更優選地300ppm或更少)的堿金屬氧化物的玻璃。玻璃層可具有與其并置的防護片材。當卷繞玻璃層時，防護片材防止由玻璃層的一部分與另一部的接觸導致的裂縫發生。防護片材吸收施加到玻璃輥的外部壓力。防護片材的厚度可為10μm至2000μm。防護片材可為離聚物膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚氯乙烯膜、聚偏二氯乙烯膜、聚乙烯醇膜、聚丙烯膜、聚酯膜、聚碳酸酯膜、聚苯乙烯膜、聚丙烯腈膜、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物膜、乙烯乙烯醇共聚物膜、乙烯甲基丙烯酸膜、尼龍膜(聚酰胺膜)、聚酰亞胺膜、玻璃紙或者由樹脂制成的其他緩沖材料。通過將賦予導電性的成分(諸如聚乙二醇)添加到防護片材中，可將導電性賦予防護片材。在防護片材由插入紙材制造的情況下，可能的是通過添加導電纖維來賦予導電性。另外，可能的是，還可通過將導電層，諸如氧化銦錫(ITO)膜層合到防護片材的表面上來賦予導電性。參見授予Tomamoto等人的美國專利8,241,751；還參見授予Mueller等人的美國專利7,735,338和美國專利申請公布2011/0059296。可商購獲得的柔性玻璃的實例為肖特(Schott)D263T玻璃。

液晶盒16、20和28可為扭轉向列型液晶盒類型的盒，該盒在電子模塊失效的情況下提供“故障保險”中間傳輸狀態。具有低扭轉液晶盒的自動變暗濾光器在授予Palmer等人的美國專利6,097,451中有所描述；還可參見授予等人的美國專利5,825,441。扭轉向列型液晶盒可具有小于100度的扭轉角度，通常為0或1至99度。液晶盒還具有1至85度的低扭轉角度。更具體地，低扭轉液晶盒的扭轉角度可為約30至70度。“故障保險”液晶盒在許多方面與低扭轉液晶盒的設計相似，但是其操作不同，因為它被夾在平行的偏振器之間，與交叉或正交的偏振器截然相反。當沒有電壓施加到連接器26時，液晶盒20處于暗透射狀態(幾乎光學不透明的狀態，其中阻止入射光中的大部分)。當施加了一定電壓時，液晶盒20可變為光學透明的。

圖4為自動變暗濾光器(ADF)60的框圖。自動變暗濾光器60包括彎曲的可切換濾光器10(或10')，該濾光器具有相對于圖1和圖2在上文所述的類型的偏置偏振器。在焊接程序期間或在需要可切換濾光器10所提供類型的防護的其他情況下，將可切換濾光器10安裝在由使用者佩戴的防護安全帽62中。ADF60還包括用于檢測入射到濾光器10的前表面上的光(諸如焊弧)的傳感器64。傳感器檢測入射光并且致使信號被發送，這導致液晶層內的分子轉動。傳感器64可具有偏振構件，該偏振構件防止非正態光激活傳感器。此類裝置防止來自其他焊炬和傳感器的光到達傳感器–參見授予Migashita等人的美國專利6,934,967。控制電路66接收來自傳感器64的有關入射光是否存在的信號，并且使得相應的控制電壓被施加到濾光器10，從而控制由濾光器10提供的明暗度的程度。當由傳感器64檢測到焊弧或其他入射光源的存在時，例如，控制電路66可使得控制電壓被施加到液晶盒16和20(圖1和圖2)，同時消除施加到客戶-主機盒28的電壓(圖2)。這使得濾光器60變暗并且防止使用者遭受入射光的炫光。在不存在焊弧或其他入射光源的情況下，控制電路66可降低或消除已施加到液晶盒16和20的電壓，從而使得濾光器對光更開放。這種透光率方面的提高使得焊工，例如，能夠進行焊接操作，并且還能夠在不移除防護面罩或頭盔的前提下執行焊接區域之外的任務。此外，本文所述的濾光器構造導致暗狀態下增強的均質性，如由使用者在大角度范圍上可見。可切換濾光器10、傳感器64和控制電路66作為單元通常被支撐在防護安全帽上，該單元通常為在使用者佩戴頭盔時被直接安裝在佩戴者眼睛前方的殼體中的可替換的單元。該單元可采用支撐濾光器、傳感器和電路的矩形(或其他形狀)的框架或外殼。例如，頭盔殼體的實例可參閱美國專利6,185,739、5,533,206、5,191,468、5,140,707、4,875,235、和4,853,973。焊接頭盔還可具有供應至其內部的清潔空氣，因此可包括面密封件以隔離呼吸區與環境空氣。此類面密封件的實例在授予Curran等人的美國專利7,197,774中示出；還可參見美國設計專利D517,744、D517,745、D518,923、D523,728和D532,163；以及美國專利申請公開2006-0101552和2006-0107431。

圖5為焊接頭盔68的透視圖，該焊接頭盔具有頭盔主體70，該頭盔主體包括安裝在頭盔主體70中的開口內的自動變暗濾光器設備60。頭盔主體70可包括冠構件，該冠構件在裝置68被佩戴上時接合佩戴者的頭部。合適的冠構件的實例在授予Lilenthal等人的美國專利7,865,968中有所描述；還可參見授予Ahlgren等人的美國專利申請2010/229286A1。自動變暗濾光器設備60包括彎曲的自動變暗濾光器10，該自動變暗濾光器被放置在適當位置以阻止電磁輻射(例如，可見光、紫外光、紅外線等)。自動變暗濾光器60可被定位在防護罩主體70中，使得在使用者佩戴防護罩時該防護罩直接位于佩戴者眼睛前方。自動變暗濾光器60可包括電子控制單元66(圖5)，該電子控制單元用于分別通過連接器24、26和32(圖2)接收各種信號并控制各種信號至彎曲的自動焊接濾光器10，并且，更具體地，液晶盒16、20和28，–參見例如，美國專利申請US2010265421(Sundell)。電子控制單元還可包括能夠檢測至少來自所存在的高密度光的輸入的輸入檢測器。檢測器可被物理地定位在靠近自動變暗濾光器設備60的一些或全部其他部件(硬件等等)的位置，或者可被物理地定位在遠離這些部件中的一些或全部的位置。可利用各種光電探測器裝置和技術來實施檢測器。另選地，指示高強度焊接光的存在的輸入可響應于由例如焊接工具或焊炬生成的激活信號而由電子控制單元生成—參見授予Garbergs等人的WO2007/047264。

圖6為在本發明的彎曲的可切換濾光器10被安裝在合適的覆蓋面的設備72中的情況下的實施例。可切換濾光器10可被安裝到覆蓋面的設備，使得它可圍繞樞轉點73旋轉。另選地，彎曲的自動焊接濾光器10可被安裝在如圖7所示的被設置在一組護目鏡76中的自動變暗濾光器設備中。

本發明的可切換濾光器可圍繞一個、兩個或三個軸彎曲。通常，用于焊接頭盔(圖5)的可切換濾光器將圍繞一個或兩個軸彎曲。柔性玻璃層的物理特性允許彎曲的可切換濾光器被制造成具有約5cm至20cm的曲率半徑和約10至600平方厘米(cm²)的觀察面積，更典型地30cm²至250cm²。常規的焊接濾光器通常具有約50至100cm²的觀察面積。本發明可能夠使得可切換濾光器具有至少100cm²至125cm²的觀察面積。

本發明的自動變暗濾光器設備可結合工業操作使用，例如焊接(如弧焊接、焊炬焊接、乙炔焊接)、切割(例如激光切割、乙炔切割)、硬釬焊、軟釬焊等等。它們還可以結合涉及高強度光的醫療過程(例如激光手術、除毛、去除紋身、牙科用樹脂的光固化等)以及其它用途進行使用。一個或多個自動變暗濾光器設備可被提供于其他任何合適的設備或制品中以及用于其他應用。例如，自動變暗濾光器設備可被提供作為護目鏡的部分，而不是全面罩式覆蓋頭盔。另選地，自動變暗濾光器設備可被提供于手持裝置中，或者被提供于允許檢視其中可能存在高強度光的房間、機柜、機艙等的窗口或小孔中。

實例

液晶盒組件

用于自動焊接濾光器的彎曲液晶盒以下述方式進行制造。

起始的柔性玻璃層為得自位于德國Rheinallee 145,55120Mainz的Schott Glass(Schott Glas Export,GmbH)的0.1mm厚的D263T玻璃。利用氧化銦錫(ITO)濺鍍沉積玻璃。涂覆的ITO的導電性大致為100歐姆/平方。ITO玻璃涂覆有聚酰胺聚合物薄層。利用旋涂技術將可商購獲得的聚酰亞胺對齊材料涂覆到玻璃上。干燥的涂層厚度在80納米(nm)和200nm之間。通過利用旋轉氈布刷涂薄型聚酰胺層來對齊薄型聚酰胺層。這種刷涂的聚酰胺ITO/玻璃塊被切成多條，以用于液晶盒的頂部部分和底部部分。玻璃的第一條(頂部)從玻璃的第二(底部)條的取向旋轉90°，以提供適當的對齊。

可利用具有大約90毫米(mm)半徑的金屬圓筒(作為模板)形成彎曲的液晶盒。利用3M Magic Tape^TM將盒的底部部分、具有揉擦的聚酰亞胺涂層的ITO玻璃貼到金屬圓筒。利用注射器和針將邊緣粘合劑(紫外線固化Norland 68光學粘合劑)施加到底部部分。扭轉向列型液晶混合物與按重量計1％的4微米(μm)陶瓷隔珠混合。利用移液管將液晶/隔珠混合物放置在盒的底部部分。利用3M Removable Tape^TM將盒的頂部部分附接到底部部分的前緣處。被附接到金屬圓筒一端的聚酯膜用于將盒的頂部部分包繞和彎曲到底部部分上。橡膠輥用于將頂部部分壓縮到底部部分上。在聚酯膜上保持張力以使盒的部件保持緊密接觸。利用紫外線光源5分鐘，然后使紫外線固化邊緣粘合劑固化。然后通過移除聚酯膜和帶條從圓筒移除整個盒。利用壓敏粘合劑將偏振膜附接到底部和頂部部分。偏振膜為彼此正交的并且對應于被揉擦到聚酰亞胺層中的對齊狀態。將具有導電粘合劑的銅帶在頂部部分上附接到ITO，并且將具有導電粘合劑的另一條銅帶在底部部分上附接到ITO。在盒上通過銅帶布置10福特電勢。當施加電壓時盒從明狀態切換到暗狀態。已完成的盒的尺寸為大約75mm寬和75mm長(5625mm²；56.25cm²)，具有稍微小于初始圓筒的100mm半徑的曲率。

在不脫離本發明的實質和范圍的前提下，可對本發明進行各種修改和更改。因此，本發明并不限于上述內容，而是受以下權利要求書及其任何等同物提及的限制的控制。

本發明也可以在不存在本文未具體描述的任何元件的情況下適當地實施。

將上面引用的所有專利和專利申請(包括背景部分中的那些)全部以引用的方式并入本文中。當在此類并入的文件中的公開內容與上述說明書之間存在沖突或差異時，應以上述說明書為準。