Aufhellende Lichtschutzvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufhellende Lichtschutzvorrichtung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1.

Von Natur aus kann sich das menschliche Auge auf unterschiedliche Helligkeiten einstellen. Bei zu viel Lichteinstrahlung zieht sich dessen Pupille zusammen und reduziert so die Blendung. Dies geht jedoch nur bis zu einem gewissen Grad: Ist die Umgebung zu hell, wird das Auge geblendet und kann nichts mehr erkennen. Die Blendung lässt sich durch einen Blendschutz, wie beispielsweise eine Sonnenbrille mit einer genügend hohen Lichttönung, senken.

Bei grellen und rasch wechselnden Lichtverhältnissen, also beispielsweise beim Schweissen, ist ein aktiver, d.h. elektro-optischer Blendschutz erforderlich. Für einen aktiven Blendschutz eignen sich Flüssigkristallzellen in besonderer Weise. Blendschutz- Vorrichtungen mit grossflächigen Flüssigkristallzellen sind bekannt. US 4'279'474 offenbart einen elektro- optischen Blendschutz mit Gläsern, welche im Wesentlichen aus je zwei Polarisationsfiltern und einer dazwischen liegenden Flüssigkristallzelle bestehen. Die Flüssigkristallzelle wird zwischen zwei Zuständen geschaltet: Wenn ein Lichtsensor Licht detektiert, dessen Intensität über einem bestimmten Schwellenwert liegt, so wird die Flüssigkristallzelle eingeschaltet und dunkelt das einfallende Licht um einen vorgegebenen Faktor ab. Sinkt die Lichtintensität unter den vorgegebenen Schwellenwert, so schaltet der Lichtsensor die Flüssigkristallzelle wieder aus und die Flüssigkristallzelle ist wieder transparent. Bei sämtlichen bekannten, mit Flüssigkristallzellen ausgerüsteten elektro-optischen Blendschutzvorrichtungen funktioniert die Abblendfunktion nach diesem Prinzip. Wird ein solcher Blendschutz grellem Licht ausgesetzt, so wird die Flüssigkristallzelle aktiviert, d.h. unter Spannung gesetzt und der Blendschutz nimmt seinen verdunkelten Zustand an. Wird dieser Blendschutz dem grellen Licht nicht mehr ausgesetzt, wird die Flüssigkristallzelle ausgeschaltet und der Blendschutz fällt in seinen transparenten Ruhezustand.

Nachteilig bei der Verwendung von Flüssigkristallzellen ist, dass diese nicht mit Gleichspannung betrieben werden können, um nicht temporär oder

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irreversibel beschädigt zu werden. Flüssigkristallzellen müssen aus Zuverlässigkeits- und Stabilitätsgründen mit Wechselspannung betrieben werden. Dies hat zur Folge, dass die Flüssigkristallzelle beim Wechseln der Spannungspolarität einen spannungslosen Zustand durchlaufen muss und damit der Blendschutz für einen kurzen Moment unterbrochen oder eingeschränkt wird, d.h. von seinem verdunkelnden Zustand kurzfristig in seinen transparenten oder aufgehellten Zustand einbricht. Ausserdem muss diese Wechselfrequenz sehr genau und stabil sein, und derart abgestimmt sein, dass möglichst keine störenden Interferenz mit der Frequenz der Raumbeleuchtung auftreten. Ein solcher Blendschutz lässt also in regelmässigen Abständen kurzfristig eine erhöhte Lichtstrahlung passieren. Der Benutzer eines solchen Blendschutzes ist also, je nach Wechseifrequenz, regelmässigen Lichtblitzen oder einem konstanten Flimmern ausgesetzt. Bei relativ tiefen Wechselfrequenzen, also Frequenzen kleiner als 50 Hz werden diese Unterbrechungen des Lichtschutzes vom menschlichen Auge mühelos wahrgenommen und als äusserst störend empfunden. Bei höheren Wechselfrequenzen nimmt der Benutzer diese Unterbrechungen nur noch als Flimmern wahr. Bei längerfristiger Benutzung eines solchen Blendschutzes treten dabei in der Regel Kopfschmerzen, Schwindelgefühle und/oder andere Nebenwirkungen auf.

Bei den bisher bekannten, mit Flüssigkristallzellen ausgerüsteten Blendschutz- Vorrichtungen kann dieses Flimmern nicht vollständig unterdrückt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass das menschliche Auge ab einer gewissen Wechselfrequenz das Flimmern kaum mehr wahrnimmt. Aus diesem Grund wird in US β'501'443 eine elektro-optische Blendschutzvorrichtung mit einer Wechselfrequenz von mindestens 200 Hz vorgeschlagen. Bei flimmernden Lichtverhältnissen und beim Betrachten punktförmiger Lichtquellen ist mit einem derartigen Blendschutz eine akzeptable Sicht möglich. Ein solcher Blendschutz eignet sich auch für das Elektroschweissen, wenn die Schaltfrequenz der Flüssigkristallzelle mit der Frequenz des Lichtbogens des Schweissgerätes richtig abgestimmt ist.

Verwendet man einen derartigen Blendschutz jedoch in einem relativ ruhigen Blickfeld, also beispielsweise in einer hellen Berg- oder Wüstenlandschaft oder einem von der Sonne beschienenen Schneefeld, so erweist sich ein auch noch so schwaches Flimmern des Blendschutzes als unangenehm und störend. Eine

derartige Sonnenbrille ist beispielsweise aus der US 5'608'567 bekannt. Zudem treten die bereits erwähnten Nebenwirkungen weiterhin auf. Darüber hinaus erweist sich der hohe Stromverbrauch dieser Blendschutzvorrichtungen beim längeren Einsatz als besonders nachteilig. Der hohe Stromverbrauch derartiger Blendschutzvorrichtungen verbietet die Verwendung im täglichen Leben und insbesondere bei längerfristiger Verwendung, wie bspw. beim Auto-, Motorrad- oder Skifahren, beim Pilotieren eines Flugzeugs.

Fährt man beispielsweise mit einem Fahrzeug aus einer von der Sonne beschienenen Landschaft in ein Tunnel, so soll sich der abgedunkelte Blendschutz möglichst rasch aufhellen, um dann später beim Verlassen des Tunnels rasch wieder abzudunkeln, wobei der verwendete Blendschutz im verdunkelten Zustand (grelle Lichtverhältnisse) nicht flimmern sollte und möglichst wenig oder gar keinen Strom verbrauchen sollte.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektro-optische Lichtschutzvorrichtung zu schaffen, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist und die insbesondere bei grellen Lichtverhältnissen flackerfrei und stromarm, resp. stromlos arbeitet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist überraschend einfach. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einer aufhellenden Lichtschutzvorrichtung gelöst, welche die Merkmale des Hauptanspruchs 1 aufweist und die elektro-optischen Teile derselben insbesondere derart betrieben werden, dass diese im Zustand niedriger Lichtdurchlässigkeit - also im abgedunkelten Zustand - vollständig stromlos betrieben wird, und nur im Zustand hoher Lichtdurchlässigkeit - also im aufgehellten Zustand - einen Betriebsstrom erforderlich macht. Vollständig stromlos heisst also auch, dass keine Wechselfrequenz angelegt ist und damit kein Flimmern und keine andere optische Störung auftritt. Die erfindungsgemässe Lichtschutzvorrichtung wird also im Vergleich zu herkömmlichen Blendschutzvorrichtungen umgekehrt betrieben.

Das hat den Vorteil, dass der Benutzer der erfindungsgemässen Lichtschutzvorrichtung grundsätzlich bei grellen Umgebungsverhältnissen keinen Lichtblitzen und keinem Flimmern mehr ausgesetzt ist und bei längerfristigem Einsatz der Stromverbrauch minimiert ist.

Eine bevorzugte Anwendungsform der aufhellenden Lichtschutzvorrichtung weist einen Schalter auf, mit welchem die Vorrichtung manuell oder automatisch eingeschaltet werden kann, wenn diese bestimmungsgemäss getragen werden soll und ausgeschaltet werden kann, wenn diese abgelegt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Flüssigkristallzelle mit einer alternativen Energiequelle, d.h. mit einer Solarzelle statt mit einer herkömmlichen Batterie, betrieben.

Es versteht sich von selbst, dass die erfindungsgemässe Lichtschutzvorrichtung in alle Arten von Brillen, wie beispielsweise

Sonnenbrillen, Skibrillen, Schnee- und Gletscherbrillen, Taucher- oder Fliegerbrillen und andere Augen- oder Gesichtsschutzvorrichtungen eingebaut werden kann. Die erfindungsgemässe Lichtschutzvorrichtung kann auf dem Kopf getragen, von Hand geführt, Teil eines Helmes oder Teil einer Schutzwand oder einer Schutzverglasung sein, wie sie beispielsweise in der Automobilindustrie oder in Giessereien für die Beobachtung von automatisierten Schweissstationen, verwendet werden.

Die oben genannte Lichtschutzvorrichtung, die Vorteile und besonderen Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert werden oder gehen offensichtlich aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform hervor.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Anwendungsform einer Lichtschutzvorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Augenschutzglas samt schematischem Schaltbild einer dazugehörigen Steuerelektronik;

Fig. 3 das Transmissionsverhalten einer in herkömmlicher Weise betriebenen elektro-optischen Blendschutzvorrichtung;

Fig. 4 das Transmissionsverhalten einer erfindungsgemäss betriebenen elektro-optischen Lichtschutzvorrichtung;

Fig. 5 ein Schaltbild für die Steuerung der Flüssigkristallzelle;

Fig. 6 eine Darstellung der einzelnen Signale für die erfindungsgemässe Steuerung der Flüssigkristallzelle der Lichtschutzvorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Lichtschutzvorrichtung 1 in Form einer Brille, welche einen Rahmen 2 und zwei Augenschutzgläsem 3, 3' umfasst, sowie einen Lichtsensor 7 und eine Steuerelektronik 8 mit Stromversorgung (nicht dargestellt). Unter dem Begriff Augenschutzglas soll im Folgenden jede Art und jedweder Aufbau von Sichtfenstern zum Schutz der Augen verstanden werden. Im Folgenden soll der Aufbau eines bevorzugten Augenschutzglases 3 beispielhaft näher erläutert werden. Das Augenschutzglas 3 umfasst einen ersten Polarisationsfilter 4, eine Flüssigkristallzelle 5 und einen zweiten Polarisationsfilter 6, welcher gegenüber dem ersten Polarisationsfilter 4 um 90° gedreht ist. Im Rahmen 2 ist ein Lichtsensor 7, eine Stromversorgung und eine Elektronik (ale nicht dargestellt) zur Steuerung der Flüssigkristallzelle 5 vorgesehen. Es versteht sich, dass in bevorzugten Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ein Schalter zwischen der Stromversorgung und der Steuerelektronik vorgesehen sein kann. Die Stromversorgung kann in Form herkömmlicher Batterien oder in Form von Solarzellen vorliegen.

Beim Betrieb dieser Lichtschutzvorrichtung erzeugt der Lichtsensor 7 ein erstes Steuersignal, welches der Steuerelektronik 8 zugeführt wird. Diese Steuerelektronik 8 erzeugt ein davon abhängiges zweites Steuersignal, welches an der Flüssigkeitszelle 5 angelegt wird, um die Transmission des Augenschutzglases 3 zu steuern. Bei genügendem Lichteinfall erzeugt die Steuerelektronik 8 keine oder eine sehr niedrige Anlegespannung V, um die Flüssigkristallzelle 5 zu deaktivieren. Das Augenschutzglas 3 ist derart ausgelegt, dass im Ruhezustand (bei heller Umgebung) ein tiefer Transmissionsgrad T vorliegt, d.h. das Augenschutzglas 3 verdunkelt ist. Bei geringem Lichteinfall (dunkler Umgebung) erzeugt die Steuerelektronik 8 eine erhöhte Anlegespannung V an der Flüssigkristallzelle 5 und aktiviert diese, d.h. erhöht den Transmissionsgrad T der Augenschutzgläser 3.

Fig. 2 zeigt des Schema einer Lichtschutzvorrichtung 1, umfassend ein Augenschutzglas 3 (im Querschnitt dargestellt), eine Steuerelektronik 8 und einen Lichtsensor 7. Eine Stromversorgung (nicht dargestellt) besteht in

konventioneller Weise aus einer 3V-Batterie oder aus einem aufladbaren Aku. Es versteht sich, dass zum Aufladen des Aku eine Fotozelle verwendet werden kann. Das Augenschutzglas 3 umfasst in dieser Ausführungsform einen ersten Polarisationsfilter 4 und einen zweiten Polarisationsfilter 6, welcher gegenüber dem ersten Polarisationsfilter 4 um 90° gedreht ist. In einer besonderen Ausführungsform weisen die beiden Polarisationsfilter demgegenüber einen kontrollierten Fehlwinkel von 0 - 40° auf. Eine zwischen diesen Polarisationsfiltern 4, 6 angeordnete Flüssigkristallzelle 5 wird von Abstandshaltern 9 umschlossen und wird von der Steuerelektronik 8 gesteuert. Dabei wird die Lichtschutzanordnung 1 erfindungsgemäss wie folgt betrieben: Detektiert der Lichtsensor 7 Licht mit einer Intensität unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes (dunkle Umgebung), so erzeugt der Lichtsensor 7 ein Steuersignal, welches der Steuerelektronik 8 zugeführt wird. Die Steuerelektronik 8 aktiviert in dieser Situation die Flüssigkristallzelle 5, d.h. baut über einer ersten Elektrode 10 und einer zweiten Elektrode 11 eine Spannung V auf. Umgebungslicht, welches vom ersten Polarisationsfilter 4 linear polarisiert wurde, wird beim Durchgang durch die Flüssigkristallzelle 5 um beispielsweise 90° gedreht und trifft nun auf den zweiten Polarisationsfilter 6, welcher ebenfalls gegenüber dem ersten Polarisationsfilter 4 um diese beispielsweise 90° gedreht ist. Damit wird das Augenschutzglas für das durch die Flüssigkristallzelle 5 dringende Licht durchlässig, resp. wird das Augenschutzglas 3 transparent. Die Lichtdurchlässigkeit bzw. der Transmissionsgrad T der erfindungsgemässen Lichtschutzvorrichtung 1 ist erfindungsgemäss proportional zu der an der Flüssigkristallzelle 5 angelegten Spannung und kann mit folgender Formel beschrieben werden:

T ≡ a + xλ/

a: entspricht dem minimalen Transmissionsgrad durch das Augenschutzglas 3; x: ist ein Proportionalitätsfaktor, welcher von der verwendeten Flüssigkristallzelle abhängt; V: entspricht der an die Flüssigkristallzelle 5 angelegten Spannung.

Detektiert der Lichtsensor 7 Licht mit einer Intensität oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes (helle Umgebung), so minimiert die Steuerelektronik 8 die Spannung über der Flüssigkristallzelle 5. Durch den ersten Polarisationsfilter 4 polarisiertes Licht passiert die ausgeschaltete

Flüssigkristallzelle 5, ohne von derselben gedreht zu werden, und trifft auf den zweiten Polarisationsfilter 6, welcher gegenüber dem Polarisationsfilter 4 um beispielsweise 90° gedreht ist und damit das einfallende Licht im Wesentlichen blockiert. Das Augenschutzglas 3 ist in diesem stromlosen Zustand dunkel.

Fig. 3 zeigt das Transmissionsverhalten einer herkömmlich geschalteten elektro-optischen Blendschutzvorrichtung in abgedunkeltem und in aufgehelltem Zustand. Bei heller Umgebung ist die elektro-optische Blendschutzvorrichtung abgedunkelt, d.h. ist die Flüssigkristallzelle 5 aktiviert und steht unter Spannung. Wegen der erforderlichen Wechselspannung treten bei dieser in herkömmlicher Weise geschalteten elektro-optischen

Blendschutzvorrichtung periodische Unterbrechungen 13 auf, welche als Lichtblitze oder Flimmern wahrgenommen werden. Bei dunkler Umgebung, d.h. bei wenig Umgebungslicht wird die Flüssigkristallzelle 5 passiv, d.h. im Wesentlichen stromlos betrieben. Die elektro-optische Blendschutzvorrichtung ist im deaktivierten Zustand lichtdurchlässig.

Fig. 4 zeigt das Transmissionsverhalten einer erfindungsgemäss betriebenen Lichtschutzvorrichtung 1 in abgedunkeltem und aufgehelltem Zustand. Bei dunkler Umgebung, d.h. bei wenig Umgebungslicht ist die Flüssigkristallzelle 5 aktiviert und steht unter Spannung. Der Transmissionsgrad des Lichtes ist bei diesen Verhältnissen maximiert, d.h. die Lichtschutzvorrichtung 1 ist soweit wie möglich aufgehellt. Bei heller Umgebung schaltet die Steuerelektronik 8 die Flüssigkristallzelle 5 aus und der Transmissionsgrad ist minimal bzw. entspricht dem Faktor a. Bei Dunkelheit ist die Flüssigkristallzelle 5 aktiviert. Die durch den Wechselstrombetrieb der aktivierten Flüssigkristallzelle 5 erzeugten Unterbrechungen erzeugen in regelmässigen Abständen

Verdunkelungsmomente 15, wie sie auch bei jedem Lidschlag auftreten. Solche Verdunkelungsmomente 15 führen beim Benutzer zu keinerlei Beeinträchtigung oder Nebenwirkung.

Figuren 5 und 6 machen den Aufbau und Funktionsweise der Steuerelektronik der erfindungsgemässe Lichtschutzvorrichtung deutlich. Eine Fotozelle Z

(Photodiode) erzeugt bei Lichtwechsel von dunkel nach hell ein erstes von der Helligkeit abhängiges Steuersignal A, welches einem Schwellwertschalter S zugeführt wird. Dieser Schwellwertschalter S generiert ein Steuersignal B, welches einem Oszillator O zugeführt wird. Dieser unterbricht die Erzeugung

von Schwingungssignalen C, welche sonst einer Flip-Flop-Schaltung F zugeführt werden, um die Flüssigkristallzelle (LCD) mit geeigneten Wechselspannungssignalen D1 und D2 zu versorgen. Durch diese Unterbrechung liegen an der Flüssigkristallzelle keine oder keine genügend starken Spannungsimpulse an und bleibt diese in ihrem Ruhezustand (dunkel). Die Stromversorgung der einzelnen elektronischen Bauteile Z, S, O und F von einer Gleichstromquelle U _B mit der Ausgangsspannung UDC gewährleistet.

Es versteht sich, dass anstelle des oben beschriebenen Augenschutzglases 3 auch andersartige Flüssigkristallanordnungen verwendet werden können, insbesondere solche mit cholesterischen Flüssigkristallen, bei denen auf die Polarisatioren verzichtet werden kann.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemässen Lichtschutzvorrichtung weist eine Solarzelle auf, welche insbesondere für das Speisen eines aufladbaren Aku's verwendet wird. Es versteht sich, dass das Augenschutzglas zusätzliche Filterelemente für den Schutz gegen IR- und UV-Strahlen aufweisen kann, dass dieses mit augenoptischen Korrekturen, insbesondere mit Vergrösserungseffekt, oder mit zusätzlichen Beschichtungen und/oder Einfärbungen, insbesondere für einen wirksamen Kratzschutz und/oder Farbkorrekturen versehen sein kann. Insbesondere umfasst das Augenschutzglas Mittel, welche eine richtungsabhängige Transmission vermindern. Vorzugsweise liegt der Transmissionsgrad T im aktivierten, aufgehellten Zustand im Bereich von 20 - 40%, was demjenigen einer leichtgetönten Sonnenbrille entspricht, mit welcher auch noch in einem Autotunnel gefahren werden darf. Der Transmissionsgrad T im deaktivierten Zustand liegt im Bereich von 5 - 10%, was demjenigen einer sehr dunklen Sonnenbrille entspricht, mit welcher das Autofahren nicht mehr gestattet ist.

In einer weiteren Ausführungsform ist im deaktivierten Zustand die Stromversorgung nicht ausgeschaltet, sondern liegt an der Flüssigkristallzelle eine Spannung an, welche direkt unterhalb einer Schwellwertspannung V ₀ liegt und typischerweise im Bereich von 0.5 - 1V liegt.

In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemässe Lichtschutzvorrichtung einen Schalter auf, mit welchem diese manuell oder automatisch ein- und ausschaltbar ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäss betriebenen Lichtschutzvorrichtung sind dem Fachmann unmittelbar ersichtlich und insbesondere in der Benutzerfreundlichkeit und in der Stromverbrauchsarmut zu sehen.