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基于液晶光阀的防眩目眼镜

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基于液晶光阀的防眩目眼镜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工程学院,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设计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...
基于液晶光阀的防眩目眼镜
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. 参考文献: [1]汽车液晶智能防眩目:ADS晶望镜[EBIOI].ht— tp://www.37378.cn/company/home.asp?id= 1403. [2]刘英杰.李庆泉,王文高,等.表面反射镜镀膜技术 理论的探讨l-J].玻璃,2002(5):41,43. [3]余理富,汤晓安,刘雨.信息显示技术[M].北京: 电子工,l出版社,2004. 第3期陈伟.等:基于液晶光阀的防眩目眼镜15 [4]曲喜新.电子元件材料手册[M].北京:电子工业 出版社,1989. Is]许君华,莫玮.一种基于TN型液晶的自控光阀 [J].光电工程.2003.30(4):59,6O. [6] [7] 刘榴娣.常本康.党长民.显示技术[M].北京:北 京理工大学出版社.1993. 甘巧强,周立辉.谢斌平,等.液晶光阀图像输出特 性的研究[J].物理实验,2002.22(10):45,48. 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) 参考文献:[3] [1]方俊鑫.陆栋.固体物理学(下册)[M].上海:上海L4J 科学技术出版社,1981.139. [2]李国朝.基于相关原理的虚拟相位差计的设计[J]. 物理实验,2005.25(7):18,19. 冷国华.电脑示波器[J].物理实验.2004.24(3):28 , 3O. 胡险峰.用微机观测交流磁滞回线[J].物理实验, 1997,17(1):19,20. Experimentalobservationoffeedbackinterferenceinlaserdiode HUXian—feng,ZHUShi—guo (PhysicsCollege,SichuanUniversity,Chengdu610064,China) Abstract:Thearticleintroducesexperimentalobservationoffeedbackinterferenceinlaserdi ode withvirtualinstrumentsbyLabViewsoftware.Theexperimentsdemonstratethatthedirectio nand intensityoftheincidentlightfeedingbacktOthelaserdiodeandthebandwidthofsignal— processing circuithavesignificanteffectonthefeedbackinterferencesigna1. Keywords:laserdiode;self—mixinginterference;virtualinstrument
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