基于液晶光阀的防眩目眼镜
基于液晶光阀的防眩目眼镜 第26卷第3期
2006年3月
物理实验
PHYSICSEXPERIMENTATION Vo1.26NO.3
Mar..2006
基于液晶光阀的防眩目眼镜
陈伟,张强,江文杰,周金鹏,何焰蓝z
(1.国防科技大学光电科学与
学院,湖南长沙410073; 2.国防科技大学理学院,湖南长沙410073)
摘要:基于常开型液晶光阀的电光特性
了一种司机夜间行车时佩戴的液晶眼
镜.液晶眼镜能够主动根据外
界光强变化改变自身的透射率,从而使透射光强趋于稳定值.实验结果
明液晶眼
镜能有效防止对面车灯引起的眩目.
同时不影响司机对路面的观察.
关键词:液晶光阀;透射率;眩目;眼镜
中图分类号:0493.3文献标识码:A文章编号:1005—4642(2006)03+0011-05
1引言
夜间行车时,对面行驶车辆若违规采用"大
灯",司机就会产生眩目的感觉,而且在较长一段
t~1~7内视觉难以恢复正常状态,极易造成交通事
故.为解决此安全隐患,国内外现行主要有2类
:
1)电子学与光学相结合的方法,例如ADS晶
望镜?j.此产品是汽车遮阳板的升级换代产品,
可以有效防止眩目,并且有随外界光强自动调整
透射率的优点.但它是与车型相匹配的,其他车 型若想采用此产品必须另行安装,大大降低了其 通用性,而且此类产品的价格偏高.
2)纯光学的方法.比如采用镀膜技术来滤去 对人眼敏感的一部分波段的光【2].此方法可有效 的将强光衰减为人眼能够接受的光,但镀膜一经 完成,对光的衰减程度也随之确定,不能够自动的 加以调整.
而基于液晶光阀的防眩目夜视眼镜(下文简 称液晶眼镜),既可以根据外界光强的变化自动调 整对光照的衰减程度,又兼有小巧灵活,成本低廉 的优点,有着巨大的市场潜力.
2眩目机理分析
2.1明适应与暗适应
当人从强光环境下进入暗处,或从暗处到明 处,眼睛都需要经历一段适应时间才能看清周围 物体,相应的适应称为暗适应(darkadaptation)
和明适应(1ightadaptation).有关资料表明口],这 种适应需要的时间大约为5,10min,而完全适 应新的亮度环境需要20~30min.夜问行车过程 中,当对面车辆迎面驶来时,司机就会有一个明适 应的过程,而车辆驶过时,又有一个暗适应的过 程,极易造成人眼疲劳.而液晶眼镜能自动根据 外界光强改变自身透射率,使进入人眼的光强趋 于定值,从而有效解决了视觉疲劳的问
. 2.2主观亮度
人眼看物体感到亮与不亮,即为主观亮度. 主观亮度与观察者的生理和心理特性直接相关. 此外,在客观上也决定于眼睛视网膜上所接受到
的光的照度.
视网膜上接受到的光的照度为
Ev,
式中:E为视网膜上的照度(Ix),B为被观察物 体的亮度(cd/m),-』,为眼睛的透射率(约0.55, 0.75),A为瞳孔的面积(rn.),为光线的入射角, 常数K===视网膜成像面积(rn)/视场角立体角 (sr).
当眼睛直视物体时,一O.,Ev--.BAT. 当对人眼的光的照度小于2000lx时,人不会 收稿日期:2005—09—30
作者简介:陈伟(1983一).男.山东肥城人.国防科技大学光电科学与工程学院本科
生.
12物理实验第26卷
感到刺眼.液晶眼镜即是将外界光强控制在该阈 值以下,从而满足人眼对亮度的适应要求. 2.3视觉锐度
人通过视觉器官辨认外界事物的敏锐程度称 为视觉锐度.一个人能辨认物体细节的尺寸越 小,其视觉锐度就越高;反之,视觉锐度越差.人 眼的生理因素决定了只有在较高亮度条件下才能 得到较高的视觉锐度.视觉锐度不仅与被观察物 体的亮度有关,而且还与相对对比度有关.对比 度定义为
C—IB一B.I/B;,
式中:B,为背景亮度,B.为被观察目标的亮度. 视觉锐度与亮度,对比度之间有如下的经验公式: V----LCv/~,,
式中,L为比例常数.由上式可见,在亮度比较小 (暗视觉环境)的情况下,对视觉锐度起主要作用 的是对比度.液晶眼镜同等程度的改变了被观察 目标与背景的亮度,即对比度没有发生改变,因而 不会影响视觉锐度.
3液晶眼镜的原理分析
3.1液晶眼镜的结构
液晶眼镜实质上是一种液晶光阀,它是一主 控系统,由执行机构和光电控制系统2部分组成, 具体原理框图如图1所示.图中的光电转换电路 是将探测到的外界光强信号转化为电信号输入到 控制电路,控制电路根据接收到的电信号合理控 制液晶光阀两端的电压.
图1液晶眼镜原理图
3.2液晶光阀的原理分析
同许多光调制器一样,本文所使用的液晶光 阀采用的是一种多层膜结构,由加在2个偏振片 之间的玻璃基板,透明电极,分子配向层和液晶层 组成,其中液晶层作为光调制材料.选用的工作 方式为透射式,它是利用长螺距液晶分子的旋光 性和2片偏振方向一致的偏振片来工作的.在电 场的作用下,液晶分子的初始排列改变为其他的 t4~-N形式,从而使液晶层的光学性质发生变化. 也就是说,以"电"通过液晶对"光"进行了调制. 通常,液晶光阀可分为常开型和常闭型,这里采用 的是常开型.图2分别为液晶光阀开态和关态的 工作示意图.
当液晶层两端不加电压时,液晶分子不会使 通过起偏器的偏振光的偏振方向发生变化,该偏
振光可完全透过检偏器,偏振片的理论透射率为 40,5O,透射光强大约变为原来的一半;当加 上电压时,在外加电场的作用下,液晶分子的取向 发生改变,使得通过起偏器的偏振光的偏振方向 发生变化,该偏振光不能完全透过检偏器,从而改 变了液晶光阀的透射率.通过实验测得,当外加 电场发生变化时,透射率变化曲线如图3所示. 可以看到,对于实验采用的常开型液晶光阀来说, 当所加电压小于阈值电压2.3V时,透射率维持 在0.4O,O.45之间,变化不大,光阀处于开态;当 所加电压大于3.5V时,透射率降到了0.05以 下,光阀处于关态;当所加电压在2.3,3.5V之 间时,透射率随外加电压的增大而减小且线性程 度较好+当对面没有车灯时.光阀处于开态;当对 面有车灯时,光阀处于线性工作区从而保证最终 进入人眼的光强趋于一个定值.
图3透射率变化曲线
第3期陈伟,等:基于液晶光阀的防眩目眼镜 3.3控制电路及分析
控制部分主要是在光阀的阈值附近实现,对 于这段透射率呈线性变化的部分,可以采用线性 元器件(如光敏电阻)加以控制,为保持电路响应 的光谱范围和峰值波长与人眼的一致性,这里选 用GdS:Ag材料的光敏电阻[4],其峰值波长为 560nm.
实验电路如图4所示,其中A是光电开关部 分,B是分压控制部分.
图4实验电路图
当光照强度较弱时,A中的晶闸管是截止的, 通过分压电路加在液晶片两端的电压不足以引起 透射率的变化;当光强达到设定的参量(可通过电 阻元件设定)时,光电开关导通,这时通过B部分 的分压使加在液晶片两端的电压达到阈值电压. 同时由于光敏电阻在光照度小于lOlx时,能够 很好的线性变化,从而使加在液晶片两端的电压 也能够线性变化,这样就达到了根据外界光强来 改变液晶片透射率的目的,使透射光稳定在合理 的强度.
为使液晶眼镜更为小巧,采用钮扣电池作为 电源.直接采用直流供电会造成器件老化,因此 设计了合理的电路将直流信号转化为交流信号. 因液晶片在一定驱动条件下的电光响应特性 即电光响应的速度(以ms计),它有如下共性: rdocr;/(AE--E),rf.c. 式中rd为下降时间为上升时间,'7为液晶材料 的黏度,?e为液晶材料的介电各向异性值,h为 液晶层的厚度,E为电场强度.电光响应特性曲 线如图5所示.这是在温度为25.5?,驱动电压 为3.2V,电压频率为50Hz,暗视觉的条件下测 得的曲线,下降时间为i0ms,上升时间为15ms. 实际操作中,为了消除透射率上升过程对人眼造 成的闪烁感,在B部分中加入了电感L来延长上 升时间.此时的电光响应特性曲线如图6所示. 测量条件不变,得到的下降时间仍为i0ms,上升 时间(与电感L选择有关)变为2000ms,可以消 除上升过程对人眼的闪烁感.
,十1^芯——一
7.....-1
r问—-上升时
电压
0
下降时间关闭延迟时间
响应时间
_-1
L时间
图5液晶光阀的时间响应曲线(未加电感) 开启延
十1^:?;——一
7/——
电压
0
下降时问关闭延迟时间上升时间
响应时间
__]
L时间
图6液晶光阀的时间响应曲线(增加电感) 3.4实物照片
图7是液晶眼镜的实物照片.
图7液晶眼镜的实物照片
14物理实验第26卷
4实验
4.1模拟观察
在实验室条件下.用台灯模拟车灯,分别拍摄 了人眼直接观察与通过液晶眼镜观察的效果图如 图8所示.对比2张图片可以看出,戴液晶眼镜 可有效的防止眩目.
(a)直接观察
(b)通过液晶眼镜观察
图8模拟观察效果
4.2实地观察
在实地条件下,分别拍摄了人眼直接观察与 通过液晶眼镜观察的效果如图9所示. (a)直接观察
(b)通过液晶眼镜观察
图9车外实地观察效果
图l0给出了在车内人眼直接观察与通过液 晶眼镜观察路面的效果图.
(a)直接观察
I
(b)通过液晶眼镜观察
图1O车内观察路面的效果图
结合图9和图10的实地观察结果可以看 出,戴液晶眼镜既可以有效的防止眩目,同时又 不影响司机对路面的观察.达到了预期的设计效 果.
5结论
分析了人眼的视觉因素,对液晶材料的时间 响应作了讨论,通过合理设计电路得到的液晶眼 镜能够主动根据外界光强变化改变自身的透射 率,从而使透射光强趋于稳定值,既可有效的防止 眩目,又不影响对路面的观察.液晶光阀的应用 前景广泛,不仅可以作为汽车司机戴的"变色"镜, 同时可以应用于其它需要控制光强变化的领域 中,如微光设备,摄像器材等,可以预见,这种液晶 光阀器件有着良好的市场前景.
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Glassesavoidingdazzlingbyusingliquidcrystallightvalves
CHENWei,ZHANGQiang,JIANGWen-jie,ZHOUJinpeng,HEYan—fan
(1.CollegeofPhoto—ElectronicScience,NationalUniversityof DefenseandTechnology,Changsha410073,China; 2.CollegeofScienceandEngineering,NationalUniversityof DefenseandTechnology,Changsha410073,China) Abstract:Akindofliquidcrystalglassesfordriversatnightisdesigned.Itisbasedonelectric—
opticeffectofliquidcrystallightvalves.Thiskindofglassescanadjustthelransmissivityacco
rding
tothelightintensity.ThusthetransmittedintensitYremainsSteady.Theexperimentsshowth
atdaz—
zlingcausedbyoppositelightcanbeavoidedeffectively,andthelinesofsightofdriverscouldn
otbe
influenced.
Keywords:liquidcrystallightvalves;transmissivity;dazzling;glasses (上接第7页)
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Experimentalobservationoffeedbackinterferenceinlaserdiode HUXian—feng,ZHUShi—guo
(PhysicsCollege,SichuanUniversity,Chengdu610064,China) Abstract:Thearticleintroducesexperimentalobservationoffeedbackinterferenceinlaserdi
ode
withvirtualinstrumentsbyLabViewsoftware.Theexperimentsdemonstratethatthedirectio
nand
intensityoftheincidentlightfeedingbacktOthelaserdiodeandthebandwidthofsignal—
processing
circuithavesignificanteffectonthefeedbackinterferencesigna1. Keywords:laserdiode;self—mixinginterference;virtualinstrument