АВТОМОБИЛЬНЫЙ ДИСПЛЕЙ НА ЛОБОВОМ СТЕКЛЕ
AUTOMOTIVE DISPLAY ON WINDSHIELD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электронной технике, более конкретно к дисплеям на лобовом стекле автомобиля, еще более конкретно к проекционным жидкокристаллическим дисплеям с биологически адекватной подсветкой на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) для отображения на лобовом стекле автомобиля изображений с дополненной реальностью.
Уровень техники
Из уровня техники известен патент США US 8269652 В2, 18.09.2012, в котором предлагается устройство отображения графической информации, отличающееся тем, что практически прозрачный экран на выделенной заранее части лобового стекла содержит светоизлучающие частицы одного или нескольких видов или микроструктуру, которые формируют светящийся дисплей. То есть информация отображается непосредственно на лобовом стекле. Недостатком такого технического решения является низкий контраст изображения при дневной солнечной засветке.
Для решения острой проблемы ухудшения различимости изображения на лобовом стекле транспортного средства при высоком уровне внешней засветки в патенте США US 8436952 В2, 07.05.2013, предлагается гибридное устройство отображения информации на лобовом стекле, включающее систему подсветки со специальным оптическим элементом, который смешивает излучение из внешней среды с излучением внутреннего источника света, подключенного к внутреннему электрическому питанию, и тем самым обеспечивает равномерное освещение проекционного жидкокристаллического дисплея (ЖКД), обеспечивая высокую яркость картинки в условиях дневного света. Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и низкий цветовой контраст изображения при дневной солнечной засветке, являющийся следствием одного из главных недостатков дисплеев на лобовом стекле, создаваемых на основе ЖКД - исчезновению изображения при некотором предельном значении пропускаемого светового потока подсветки из-за недостаточной стойкости жидкокристаллических материалов к повышению температуры в центральной зоне ЖКД вследствие возрастающего нагрева излучением при повышении светового потока подсветки. Паразитное поглощение излучения подсветки, например, в элементах активноматричных ЖКД (поляроиды, цветные микрофильтры, электроды и тонкопленочные транзисторы и др.) может достигать 90%, приводя к перегреву наиболее плохо охлаждаемой центральной части активноматричного ЖКД и размытию изображения в центре дисплея.
Техническое решение, предлагаемое в известном патенте RU 2424541, 20.10.2011, который описывает устройство отображения информации на лобовом стекле транспортного средства, включающее источник изображения, представляющий собой жидкокристаллическую матрицу со светодиодной подсветкой, зеркало, принимающее свет от источника изображения, и вогнутое асферическое зеркало, направляющее свет на лобовое стекло, отличается тем, что зеркало, принимающее свет от источника изображения, выполнено выпуклым асферическим. Данное решение хотя и обеспечивает коррекцию дисторсионных искажений, улучшение коррекции кривизны и астигматизма формируемого изображения в широком поле зрения, но не избавляет от упомянутого принципиального ограничения предельной мощности подсветки.
Из уровня техники известно устройство дисплея на лобовом стекле для транспортных средств (патент US 6636277 В2, 21.10.2003), в котором информация от устройства отображения проецируется на прозрачную область проецирования на лобовом стекле, устройство отображения имеет две прозрачные пластины, между которыми расположены жидкокристаллическое вещество и электроды, поляризованный свет проникает через жидкокристаллическое вещество, вращающее плоскость поляризации поляризованного света в зависимости от возбуждающего электроды напряжения. Поляризованный свет, исходящий из жидкокристаллического вещества, не пропускается через поляризатор, а поляризуется отражением в прозрачной проекционной области или на одном или нескольких других отражателях, которые расположены на пути луча поляризованного света между жидкокристаллическое веществом и прозрачной областью проекции. Однако, несмотря на определенное облегчение теплового режима работы благодаря отсутствию передачи паразитного тепла от поляроидов в жидкокристаллическое вещество, недостатками известного устройства являются низкий контраст изображения при усложненной конструкции.
Известен патент US 7031067 В2, 2005-09-15, в предпочтительном варианте осуществления которого наиболее близком к настоящему изобретению и принятому за прототип, предлагается устройство дисплея на лобовом стекле свободное от упомянутого принципиального недостатка ЖКД, поскольку включает в себя источник изображения, такой как лазерный сканер, формирующий изображении с относительно низким коэффициентом заполнения рабочего поля дисплея, средство рассеивания света и прозрачный элемент, который может включать в себя голографический элемент. Лазерный сканер излучает видимый свет для генерации изображения. Средство для рассеивания света принимает видимый свет от лазерного сканера для проецирования изображения на него и предпочтительно применяет к нему усиление. Прозрачный элемент создает виртуальное или реальное изображение изображения из средства для рассеивания света. В транспортном средстве дисплей на лобовом стекле выполнен с возможностью отражать изображение внутрь транспортного средства, чтобы формировать виртуальное изображение впереди водителя.
Недостатками дисплея на лобовом стекле по патенту US 7031067 В2 являются низкая энергетическая эффективность сканера и использование когерентного излучения, вредного для глаз, особенно при длительном воздействии на глаза человека, зачастую характерном для применения в автомобилях в дальних поездках.
Вредным для глаз человека является и излучение жидкокристаллических дисплеев с белой светодиодной подсветкой, которые завоевали рынок дисплейной техники, благодаря достижениям в разработке эффективных светодиодов (СИД), особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят самое широкое применение в устройствах подсветки жидкокристаллических дисплеев, в том числе проекционных.
В некоторых известных технических решениях белый свет светодиодной подсветки получался в результате смешения излучения комбинации СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного, или синего и оранжевого и др.
Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении излучения светодиодного чипа, эмиттирующего первичное относительно коротковолновое излучение, в конверсионную фотолюминесцентную среду, которая при облучении указанным относительно коротковолновым излучением, возбуждается, излучая в ответ второе, относительно более длинноволновое излучение. В конкретном исполнении, монохромное синее или УФ излучение, выходящее из чипа, конвертируется в белый свет упаковкой чипа в органические и/или неорганические фотолюминофоры в полимерной матрице. Белые СИД часто включают синий СИД, покрытый фотолюминофором YAG:Ce. Мощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно 30-45%, при приблизительно 550-700 мВт, выделяемых на нагревание прибора из каждого приложенного ватта. Кроме того, считается, что при преобразовании фотолюминофором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7% при температуре 25-125°С, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 20% при той же самой температуре. Таким образом, в мощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.
Разработка светодиодных заменителей традиционных люминесцентных ламп подсветки с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение для проекционных дисплеев сильно затруднено относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких системах подсветки.
Общим серьезным недостатком существующих светодиодных источников белого света, в том числе используемых в светодиодных системах дисплейной подсветки, является вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения с длиной волны 450-470 нм, попадающего в глаз человека от светодиодов в силу принципа их работы, при котором синее излучение СИД с относительно высокой интенсивностью именно в диапазоне длин волн 450-470 нм непосредственно формирует спектр белого излучения светодиодного светильника, смешиваясь, например, с желтым излучением фотолюминофора, возбуждаемого СИД, как это наглядно показано на Фиг. 1, показывающей спектр излучения типичного «синего» нитридного СИД, покрытого фотолюминофором YAG:Ce, в сравнении со спектром лампы накаливания, который соответствует солнечному спектру на закате и де факто принят за эталон в отношении безвредности для человека.
В связи с быстрым распространением светодиодных источников света обострился интерес к медико-биологическим аспектам их применения, в первую очередь, влиянию «нового» света на психофизиологическое состояние человека, а также возможным отдаленным последствия светодиодного освещения на здоровье. Актуальность проблемы сопряжена с тем, что спектр излучения наиболее массовых белых СИД с люминофорным покрытием на основе YAG:Ce заметно отличается от такового для ламп других типов, а также от спектра солнечного света наличием сильной полосы именно в синей области спектра 450-470 нм («избыточный синий») и провалом в области голубого света 480 нм, оказывающих сильное влияние на циркадный ритм (биоритм) человеческого организма.
Человеческие биоритмы, являясь плодом эволюции человека, происходившей под непосредственным воздействием Солнца, контролируются гормональной системой, которая, в свою очередь управляется воздействием внешнего освещения, практически единственным источником которого на протяжении существования человека как вида было Солнце, которое управляло биоритмами человеческого организма. Пламя костра или лучины, а затем свет свечи или лампочки накаливания, использовавшиеся для освещения в вечернее время на протяжении многих веков истории человека, не нарушали биоритмов человеческого организма, благодаря подобию их спектров солнечному спектру на закате. В вечернее время человеческий глаз ориентирован на восприятие красно-желтого цвета, синий свет повышает напряжение глаз и может снизить остроту зрения.
Последние зарубежные исследования по светодиодному освещению выявили механизмы влияния спектра прямого светодиодного освещения на биологические часы человека и его гормональную систему. Это влияние обусловлено значительным содержанием синей составляющей в спектре белого светодиода, возрастающей со временем вследствие высокой рабочей температуры светодиода и старения его люминофора.
«Избыточный синий» свет в вечернее время суток воспринимается гормональной системой как пребывание человека при дневном свете. Таким образом блокируется выработка мелатонина - гормона, который отвечает за качество сна - циркадные ритмы человека сбиваются и появляются проблемы со сном и нарушения режима работы гормональной системы, что мешает важным физиологическим процессам и ведет к ослаблению иммунной защиты, депрессивным расстройствам. снижению работоспособности и другим негативным последствиям для здоровья человека.
Влияние синей составляющей спектра на циркадный ритм осуществляется через пигменты глаз (меланопсин) и гормональную систему человека.
По современным представлениям человеческий глаз имеет два канала восприятия излучения:
- зрительный, сенсорами для которого являются известные 3 типа колбочек (цветное дневное зрение) и палочки («серое» сумеречное зрение);
- открытый сравнительно недавно [1] незрительный или биологический канал на основе меланопсинсодержащих ганглиозных клеток, который определяет секрецию гормона мелатонина в кровь и, тем самым, регулирует состояния активности и расслабления. Неправильное освещение и, как следствие, нарушение биохимического состава крови, может вызывать не только расстройство сна и психики, но, при длительной экспозиции, способствовать развитию рака груди.
По этой причине при длительном нахождении человека при искусственном освещении особенно важен спектр света и соотношения его составляющих. Это говорит о том, что культивируемая концепция построения световых приборов для освещения на основе непосредственного использования излучения светодиодов не гарантирует безопасности для глаз человека и его здоровья в целом. Так, например, международная группа исследователей из Университета Хайфы (Израиль), Национального центра геофизических данных (США) и научно-технологического института светового загрязнения (Италия) выяснила [2], что светодиодные лампы наиболее опасны для здоровья, так как снижают выработку гормона мелатонина, регулирующего биологические часы и имеющего противоопухолевое и иммуностимулирующее действие. Желтые натриевые лампы, например, также обладают этим воздействием, однако в пять раз меньшим и не оказывают столь сильного влияния на здоровье человека.
Мелатонин регулирует работу биологических часов в организме человека, положительно влияет на иммунитет и как следствие частично препятствует развитию опухолей. О том, что синий свет подавляет выработку этого гормона, известно достаточно давно, еще в 2004 году установлена зависимость степени подавления выработки мелатонина от спектрального состава света [3], однако впервые удалось выяснить количественные показатели того, как на человека воздействуют различные типы электрических ламп. Исследователи взяли за единицу уровень подавления выработки мелатонина, который вызывают дающие желтый свет натриевые лампы высокого давления. По сравнению с ними светодиодные лампы подавляют выработку мелатонина в пять с лишним раз сильнее (на единицу мощности).
Ряд зарубежных исследований показал, что светодиодные источники света могут нанести заметный вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза. Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет, который в спектре таких источников света имеет в ряде случаев повышенную до 30% интенсивность по сравнению с обычными лампами накаливания. Это коротковолновое излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов: фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии), фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки) и фотохимические (фотоны синего и фиолетового света могут вызывать химические изменения в структурах сетчатки). Зеленый и естественный белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не было обнаружено.
λ
λ
λ
λ
Обобщенные данные по чувствительности к спектральному распределению воспринимаемого глазом света приведены на Фиг. 2 [4], на которой показаны зависимости острой УФ-синей фототоксичности (А), спектральной чувствительности меланопсина (М', максимальная чувствительность, 479-483 нм), скотопической световой чувствительности (V') и чувствительности к подавлению мелатонина (М'., пиковая чувствительность, 459-464 нм). Потенциальная опасность острой фототоксичности УФ-синего света увеличивается с уменьшением длины волны. Острая фототоксичность синего света для сетчатки имеет спектр действия, сходный со скотопической чувствительностью, поскольку родопсин опосредует оба процесса. Подавление мелатонина и чувствительность к меланопсину в большей степени зависят от синего света, чем зрительные функции, опосредованные палочками (родопсином).
Солнечный свет является основополагающим для всего живого на земле. Каждое живое существо в силу структурной организации светочувствительных клеток воспринимает ту часть спектра солнечного света, которая жизненно важна для него. Это часть спектра биологически адекватна для физиологии и может служить основой для качественной и количественной оценки того, насколько спектр излучения искусственных источников света подходит для данного биологического объекта, и, соответственно, для создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. Впервые понятие «биологически адекватный светодиодный источник белого света» было введено в работе [5] и развито в работе [6]. Биологически адекватный спектр света - совокупность фотонных потоков, которые формируют матрицу управляющих сигналов, обеспечивающую гармоничную работу функциональных элементов (клеток) зрительного анализатора, гормональной системы человека и биоритмов функционирования мозга.
В значительной степени биологическая адекватность спектра искусственного белого света может оцениваться по эффективности управления диаметром зрачка.
Защитные функции сетчатки глаза адаптированы к условиям солнечного света. Человеческий глаз функционирует как естественная диафрагма: большой поток света сужает зрачок, благодаря чему к сетчатке глаза проходит лишь малый поток света. В условиях же недостаточного освещения зрачок, наоборот, расширяется.
Коротковолновый синий свет может беспрепятственно проходить через роговицу, вызывая воспалительные процессы глаза. Главным механизмом защиты сетчатки от излучения синего света является желтое пятно (макула) в центре сетчатки глаза. Через расширенный зрачок весь избыточный поток синего света напрямую устремляется на сетчатку и попадает на край желтого пятна, которое служит защитой центральной части макулы, то есть туда, где ее плотность мала. Чем ниже плотность желтого пятна, тем выше вероятность возникновения окислительного стресса клеток сетчатки. Адекватное управление зрачком при солнечном свете сокращает диаметр зрачка, тем самым обеспечивая естественную защиту сетчатке глаза. В работах [7, 8] констатируется, что для источников белого света с биологически адекватным спектром, в том числе лампы накаливания при гигиенически безопасной цветовой температуре менее 4000К, фотонный поток при 450-460 нм должен быть меньше фотонного потока при 480 нм.
Провал в спектре традиционных светодиодных источников белого света при 480 нм, которого нет в солнечном спектре ни в дневное время, ни на закате, приходится на область максимальной чувствительности меланопсина, определяющего раскрытие зрачка глаза, и, тем самым ведет к неадекватному управлению раскрытием зрачка в условиях обычного светодиодного освещения, приводящему к увеличению площади зрачка и суммарной избыточной дозы синего света, увеличивая риск развития глазных заболеваний.
Положение особенно осложняется у детей, поскольку хрусталик детского глаза очень прозрачен и пропускает на 70% больше света, чем у взрослого человека. В таких условиях суммарная избыточная доза синего света травмирует сетчатку глаза, увеличивая риск развития глазных заболеваний. Острота проблемы особо отмечена в решении последнего третьего Всемирного конгресса педиатров-офтальмологов [9], в котором выделено, что общая тенденция безопасного освещения полупроводниковыми источниками света и видеобезопасного излучения дисплеев такова: необходимо иметь биологически адекватный спектр, который обеспечит гармоничную работу зрительного анализатора и гормональной системы человека.
Поэтому проблема создания дисплея на лобовом стекле со светодиодной подсветкой с биологически адекватным спектром, решаемая в частности настоящем изобретении, становится все более актуальной, особенно для жидкокристаллических дисплеев с высокояркостными светодиодными системами подсветки, предназначенных для использования не только в условиях интенсивной дневной солнечной засветки, но и в вечернее и ночное время.
Заявленное изобретение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, которую решает предлагаемое изобретение, является создание проекционного жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля с подсветкой на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами с биологически адекватным спектром излучения, в которых значительно уменьшено вредное воздействие излучения на человеческий организм, присущее известным техническим решениям, и предназначенных для использования в автомобильных системах отображения информации с дополненной реальностью, а также обладающих упрощенной конструкцией, увеличенными надежностью и эффективностью работы при высокой внешней засветке.
Технический результат заключается в уменьшении вредного воздействия излучения дисплея на организм водителя и пассажиров автомобиля, упрощении конструкции, повышении надежности и эффективности проекционных дисплеев на лобовом стекле автомобиля в условиях дневной солнечной засветки.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата дисплей на лобовом стекле включает размещенные последовательно вдоль оптической оси светодиодную подсветку, включающую, по меньшей мере, один светодиод с пиковой длиной волны голубого излучения 475-490 нм, размещенный на светоотражающей теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения подсветки к источнику электропитания, систему оптических пленок, включающую диффузно рассеивающую и растровые призматические пленки, предназначенные для обеспечения равномерности излучения подсветки, и составную (зонированную) композитную фотолюминесцентную пленку, содержащую в прозрачной основе фотолюминофоры для конверсии голубого светодиодного излучения в зелено-голубое и красное излучение, монохромный жидкокристаллический дисплей (формирователь изображения), подключенный к электронной системе управления (контроллеру), линзу Френеля, проецирующую изображение, сформированное на жидкокристаллическом дисплее, в пространство перед автомобилем через прозрачную полиэтилентерефталатную пленку, размещенную на лобовом стекле автомобиля и предназначенную для устранения двоения изображения (при необходимости).
Формирователь изображения может выдавать информацию о скорости движения автомобиля, запасе топлива, состоянии двигателя и бортовой аппаратуры, навигационную информацию, в том числе в формате дополненной реальности. Вся информация к формирователю изображения поступает от контроллера, имеющего связь с бортовым компьютером автомобиля и навигационной системой. Кроме того, контроллер при необходимости корректирует относительную яркость изображений по рабочему полю дисплея, связанную с зонированием и различием излучательных характеристик композитной фотолюминесцентной пленки.
Благодаря отсутствию цветных микрофильтров в монохромном ЖКД ослабляется паразитное поглощение излучения подсветки, приводящее к перегреву наиболее плохо охлаждаемой центральной части ЖКД и размытию изображения в центре дисплея.
В заявленном решении, в отличии от известных, светодиодная подсветка включает, по крайней мере, один светодиод с голубым излучением в диапазоне 475-490 нм, и дополнительно составную зонированную композитную фотолюминесцентную пленку, содержащую в прозрачной основе фотолюминофоры, частично преобразующую указанное голубое излучение в зеленое излучение со спектральной линией, пик которой расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина линии составляет не менее 105 нм, причем в суммарном белом излучении указанного светодиодного источника белого света максимальная интенсивность излучения в спектральном диапазоне 459-464 нм не превышает минимальной интенсивности излучения в спектральном диапазоне 479-483 нм. При определенной толщине композитной фотолюминесцентной пленки и концентрации фотолюминофора в ней обеспечивается выполнение условия биологической адекватности, в том числе обеспечивается максимальное закрытие зрачка глаза в ночное время, что в свою очередь снижает требования к коллимационной системе дисплея на лобовом стекле и позволяет использовать для коллимации изображения всего одну линзу Френеля.
Толщина композитных фотолюминесцентных пленок составляет 50-200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.
3-y-z
y
z
5-x
x
12
Композитная фотолюминесцентная пленка в своей части, предназначенной для отображения информации дополненной реальности, содержит новый фотолюминофор с составом, описываемым стехиометрической формулой YLuCeAlGaO, где 1,8<х<2,1, 0≤у≤2,86, 0,12≤z≤0,15.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1. Спектр излучения типичного «синего» нитридного чипа СИД - 101, покрытого фотолюминофором YAG:Ce со спектром излучения - 102, и спектр лампы накаливания - 103.
λ
λ
λ
λ
Фиг. 2. Графики спектральных зависимостей: острой УФ-синей фототоксичности (А) - 201, чувствительности к подавлению генерации мелатонина (М., пиковая чувствительность, 459-464 нм) - 202, спектральной чувствительности меланопсина (М', максимальная чувствительность, 479-483 нм) - 203 и скотопической афакической световой чувствительности (V') - 204. На Фиг. 2 обозначенные в работе [4] поддиапазоны длин волн видимого спектра указаны числами: 205 - УФ < 400 нм, 206 - фиолетовый 400-440 нм, 207 - синий 440-500 нм, 208 - зеленый 500-570 нм, 209 - желтый 570-590 нм, 210 - оранжевый 590-610 нм, 211 - красный 610-700 нм.
Фиг. 3. Схематичное изображение проекционного дисплея на лобовом стекле;
Фиг. 4. Схематичное изображение в увеличенном виде в разрезе жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля со светодиодной подсветкой с биологически адекватным спектром излучения;
Фиг. 5. Спектр светодиодной подсветки жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля с биологически адекватным спектром излучения для зоны отображения дополненной реальности;
Фиг. 6. Спектр светодиодной подсветки жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля с биологически адекватным спектром излучения для зоны отображения предупреждающей информации.
Осуществление изобретения
В основу предлагаемого изобретения поставлена техническая задача создания высокояркостного автомобильного дисплея на лобовом стекле со светодиодной подсветкой, использующей для формирования изображений дополненной реальности монохромный ЖКД с подсветкой на основе конверсии нитридных СИД, излучающих в биологически безвредном спектральном диапазоне 475-490 нм, с помощью композитных фотолюминесцентных материалов на основе гранатовых фотолюминофоров, при этом максимальная интенсивность излучения подсветки в диапазоне 445-475 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм.
Заявленный дисплей на лобовом стекле включает светодиодную подсветку с биологически адекватным спектром излучения, включающую, по меньшей мере, один или группу светодиодов, эмитирующих голубое излучение в спектральном диапазоне 475-490 нм, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и общеизвестную, широко используемую в дисплейной технике систему оптических пленок, включающую диффузно рассеивающую пленку и две растровые микропризматические пленки, предназначенную для создания равномерного однородного распределения излучения подсветки на входной поверхности монохромного ЖКД, причем в непосредственной близости к указанной входной поверхности ЖКД, полностью перекрывая указанную входную поверхность, расположена отсутствующая в известных аналогах составная (зонированная) композитная фотолюминесцентная пленка, содержащая в прозрачной основе фотолюминофорный материал, конвертирующий излучение голубых светодиодов:
3-y-z
y
z
5-x
x
12
- для зоны отображения дополненной реальности в зелено-голубое излучение, спектральный максимум которого расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина спектральной линии составляет не менее 105 нм. В качестве материала, использующегося в фотолюминесцентной пленке заявленного изобретения, отвечающего указанным требованиям, предлагается новый люминофор, состав которого описывается стехиометрической формулой YLuCeAlGaO, где 1,8<х<2,1, 0≤у≤2,86, 0,12≤z≤0,15;
- для зоны отображения предупреждающей информации в красное излучение, спектральный максимум которого расположен при 650 нм. В качестве материала, использующегося в фотолюминесцентной пленке заявленного изобретения, отвечающего указанным требованиям, предлагается стандартный сульфидно-кальциевый фотолюминофор ФЛС-650.
Толщина фотолюминесцентных пленок может составлять 50-200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.
Спектры излучения СИД находятся в спектральной области возбуждения предложенных фотолюминофоров с зелено-голубым излучением, причем максимум спектра голубого излучения СИД попадает в область в пределах спектрального диапазона с границей, расположенной на коротковолновом крае излучения фотолюминофора на расстоянии равном полуширине спектра излучения фотолюминофора от положения максимума его спектра излучения. Это позволяет при определенных толщинах фотолюминесцентных пленок и концентрациях фотолюминофора в них обеспечить выполнение условия биологической адекватности спектра излучаемого света (максимальная спектральная интенсивность излучения подсветки вблизи 460 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм, отсутствие спектрального провала при 480 нм) при достаточно высокой эффективности подсветки.
Заявленное изобретение детально поясняется Фиг. 3-6.
На Фиг. 3, показано схематичное изображение конструктивно-оптической схемы заявленного дисплея на лобовом стекле, включающего в себя расположенные на одной оптической оси проекционный жидкокристаллический матричный дисплей со светодиодной подсветкой с биологически адекватным спектром излучения и проекционной линзой 301, совместно формирующих мнимое увеличенное изображение 302, которое попадает в глаз водителя 303 автомобиля после отражения от пленки 304, размещенной на лобовом стекле 305 автомобиля, формирующей промежуточное изображение 306, расположенное за лобовым стеклом. Конструктивные элементы дисплея детально показаны далее на Фиг. 4.
Пленка 304 представляет собой прозрачную полиэтилентерефталатную (ПЭТ) пленку, наклеенную изнутри на лобовое стекло автомобиля, и при необходимости может быть использована для устранения двоения изображения, наблюдаемого водителем при двухслойной конструкции ветрового стекла. Такая пленка, ставшая практически стандартным атрибутом для автомобильных дисплеев на лобовом стекле, размещается в области попадания света от проектора на лобовое стекло и позволяет получать более четкое изображение, особенно в темное время суток, при этом оставаясь практически незаметной для водителя и не отвлекая его от контроля дорожной обстановки.
На Фиг. 4 схематически показано в разрезе (вид сверху) устройство проекционного жидкокристаллического дисплея со светодиодной подсветкой с биологически адекватным спектром излучения на основе предлагаемого в изобретении одного из вариантов осуществления дисплея на лобовом стекле автомобиля, включающей в себя теплопроводящую печатную плату 401 с припаянными к ней группой (матрицей) светодиодов 402 с излучением в голубой области спектра (475-490 нм), белый диффузно отражающий экран 403 и набор 404 призматических компенсаторных и диффузно рассеивающей пленок, предназначенных для обеспечения равномерного освещения составной фотолюминесцентной пленки в зоне отображения дополненной реальности 405 и в зоне отображения предупреждающей информации 406, соответственно, жидкокристаллический дисплей 407, корпус 408, проекционную плоско-выпуклую линзу Френеля 409 и защитную пленку 410. Проводники, соединяющие светодиоды с драйвером питания и печатной платой не показаны.
Расстояние от выходной поверхности жидкокристаллического дисплея 407 до проекционной линзы Френеля 409 определяет увеличение изображения, отображаемого на лобовом стекле и его расстояние от водителя и должно быть меньше фокусного расстояния линзы Френеля 409 для формирования мнимого увеличенного изображения согласно известным законам оптики.
Использование тонких широкоформатных пластиковых линз Френеля, изготовленных по современным технологиям из оптического пластика (РММА) с использованием ультраточных литьевых форм, обеспечивающих высокую оптическую эффективность линз (более 80%), позволяет значительно улучшить массогабаритные характеристики дисплея на лобовом стекле, обеспечивая достаточно высокую разрешающую способность дисплея, стойкость к ультрафиолетовому излучению и рабочую температуру до 80°С.
В подсветке предлагаемого дисплея используются светодиоды с голубым излучением в спектральном диапазоне 475-490 нм, например, SMD СИД типа L135-В475003500001 производства фирмы Lumileds, обеспечивающие в силу излучаемого спектра максимальное долговременное сужения зрачка глаза в вечернее и ночное время и, как следствие, минимизацию требований к аберрациям используемой линзы Френеля.
Для изготовления отражающего экрана 403 могут использоваться белые диффузно отражающие пленки, например, пленка White98 Film F-16 производств компании WhiteOptics LLC, имеющая высокий коэффициент отражения 98%. Такие пленки предназначены для размещения в камерах смешения излучения светодиодов и поверх светодиодных печатных плат, чтобы максимизировать эффективность светодиодных источников света, повышают эффективность осветительных приборов, рассеивают свет и сводят к минимуму «горячие точки» светодиодов.
В комбинации пленок 404 для гомогенизации излучения подсветки используются широко известные микропризматические пленки Vikuiti BEF производства фирмы 3М, а также любые матовые рассеивающие пленки.
Защитная пленка 410 со структурой микрожалюзи выполняет двойную функцию, защищая рабочую профилированную поверхность линзы Френеля 409 от пыли и механических воздействий, сопровождающих протирку выходного окна дисплея на лобовом стекле, а также уменьшая ухудшение контраста изображения, возникающее при высокой внешней солнечной засветке, благодаря ослаблению прямого солнечного света, попадающего внутрь корпуса 408 через линзу Френеля 409 на ЖКД 407. Однако, при этом принципиально важно, чтобы пленка 410 использовалась не в предусмотренном спецификациями стандартном положении относительно поверхности дисплея, при котором пленка затемняется при изменении угла наблюдения в горизонтальной плоскости, а расположена так, чтобы затемнение происходило при изменении угла наблюдения в вертикальной плоскости.
В качестве защитной пленки 410 могут использоваться, например, фильтры конфиденциальности 3М High Clarity производства компании 3М, которые полностью теряют прозрачность, начиная с бокового угла 30°, сохраняя при этом разрешающую способность дисплея.
Светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения работает следующим образом. Излучение голубых светодиодов 402, в том числе частично отраженное белым диффузно отражающим экраном 403, проходит через набор 404 призматических компенсаторных и диффузно рассеивающей пленок, далее проходит фотолюминесцентную пленку с частичным преобразование в зелено-голубое излучение в зоне 405 отображения дополненной реальности и с частичным преобразование в красное излучение в зоне отображения предупреждающей информации 406, далее проходит через жидкокристаллический дисплей 407 и проекционную плоско-выпуклую линзу Френеля 409, формирующую увеличенное мнимое изображение 302, показанное на Фиг. 3, и после отражения в лобовом стекле попадает в глаз водителя, формируя на сетчатке глаза увеличенное изображение, отображаемое ЖКД, с увеличенной резкостью благодаря сужению зрачка светодиодным излучением 475-490 нм, попадающим спектральную область максимального поглощения света меланопсином 479-483 нм.
Заявленное решение позволяет исключить или значительно уменьшить вредное воздействие на человеческий организм интенсивного светодиодного излучения, а также упростить и облегчить оптическую часть дисплея на лобовом стекле автомобиля.
В связи с использованием в предлагаемом дисплее, по крайней мере, двух фотолюминофоров выбор фотолюминофоров имеет большое значение.
Фотолюминофорами для конверсионных слоев обычно являются оптические неорганические материалы, допированные ионами редкоземельных элементов (лантанидов), или альтернативно, ионами типа хрома, титана, ванадия, кобальта или неодима. Лантанидные элементы - лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций.
3
5
12
2
3
4
2
4
2
4
2
4
2
4
1-x-y-a-b
x
y
3
1-z
z
5
12
a
b
3
5
12
3
5
12
1-a-b
b
c
x
y
z
a
2
2
2
1-u-v-x
u
v
x
2-y-z
y
z
4
2
4
1-x
x
4
3+
3+
3+
2+
3+
2+
2+
3+
3+
3+
3+
2+
2+
2+
2+
2+
Для возбуждения в диапазоне длин волн 475-490 нм или вблизи него, типичные оптические неорганические фотолюминофоры включают алюмоиттриевый гранат (YAG или YAlO), тербий содержащий гранат, окись иттрия (YO), YVO, SrGaS, (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)S, SrS, и нитридосиликаты. Типичные фотолюминофоры для СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-490 нм включают YAG:Ce, YAG:Ho, YAG:Pr, SrGaS:Eu, SrGaS:Ce, SrS:Eu и нитридосиликаты, допированные Eu; (LuYGd) (AlGa)O:CePr, где 0<x<1, 0<y<1, 0<z<=0,1, 0<a<=0,2 и 0<b<=0,l включая, например, LuAlO:Ce and YAlO:Се; (SrCaBa)SiNO:Eu (а=0,002-0,2, b=0,0-0,25, с=0,0-0,25, х=1,5-2,5, y=l,5-2,5, z=l,5-2,5), включая, например, SrSiNO:Eu; (SrMgCaBa)(GaAlInS):Eu, включая, например, SrGaS:Eu и SrBaSiO:Eu.
3-y-z
y
z
5-x
x
12
В предлагаемом дисплее на лобовом стекле используются специально разработанные фотолюминофоры зелено-голубого свечения с общей стехиометрической формулой: YLuCeAlGaO, где 1,8<х<2,1, 0≤у≤2,86.
2,79
0,12
0,09
3,1
1,9
12.
На Фиг. 5 показан спектр созданной светодиодной подсветки с биологически адекватным спектром излучения для зоны отображения дополненной реальности жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля, формируемый пленкой, содержащей фотолюминофор СДЛ-4940 (YCeLuAlGaO)
На Фиг. 6 показан спектр созданной светодиодной подсветки с биологически адекватным спектром излучения для зоны отображения предупреждающей информации жидкокристаллического дисплея на лобовом стекле автомобиля, формируемый пленкой, содержащей фотолюминофор ФЛС-650 красного свечения.
1-a-b-c
b
c
2
5
8
a
1-x-a
x
a
1-a
2
a
1-x-a
x
7
10
a
1-x
x
1-x-y
x
y
2-z
5-a
a
8-a
a
z
2
5
8
2+
2+
2+
2+
2+
Излучающий красный свет люминофор может выбираться из известной группы, включающей (SrBaCa)SiN:Eu (а=0,002-0,2, b=0,0-1,0, с=0,0-1,0); (CaSr)S:Eu, (а=0,0005-0,01, х=0,0-1,0); CaSiN:Eu (а=0,002-0,2); и (ВаCa) SiN:Eu (a=0,002-0,2, х=0,0-0,25); (CaSr)S:Eu, где 0<х<=l, включая, например, CaS:Eu и SrS:Eu; (SrBaCa)SiAlNO:Eu где 0<=а<5, 0<х<=l, 0<=у<=l и 0<z<=1, включая, например, SrSiN:Eu.
2
4
В настоящем изобретении использован фотолюминофор красного цвета свечения ФЛС-650, производства ЗАО «Люминофор», относящийся к люминофорам с общей формулой (Ba,Ca,Zn,Eu)S при следующем соотношении составляющих (Ва: 0,9-1,4; Са: 0,9-0,4; Zn: 0,05-0,15; Eu 0,02-0,05), изменяя соотношение которых можно в достаточно широких пределах менять положение максимума и полуширину спектра излучения
В качестве красных фотолюминофоров могут также использоваться наноструктурированные кремнийорганические люминофоры (NOL41, NOL42) производства ООО «Люминнотех», обладающие высоким квантовым выходом фотолюминесценции до 91% и большим псевдостоксовым сдвигом 101 нм.
В качестве фотолюминофоров могут кроме того использоваться квантово-точечные материалы - мелкие частицы неорганических полупроводников, имеющие размеры менее, чем приблизительно 30 нм. Типичные квантово-точечные материалы включают (но не ограничиваются ими) частицы CdS, CdSe, ZnSe, InAs, GaAs и GaN. Квантово-точечные материалы могут поглощать свет одной длины волны и затем переизлучать свет с различными длинами волн, которые зависят от размера частицы, свойств поверхности частицы, и неорганического материала полупроводника.
Фотолюминесцентные пленки могут включать как единственный тип материала фотолюминофора или квантово-точечного материала, так и смесь материалов фотолюминофора и квантово-точечных материалов.
Фотолюминесцентные пленки изготавливаются в виде дисперсии в оптически прозрачном для излучений СИД и фотолюминофора материале.
Прозрачные материалы могут включать полимерные и неорганические материалы. Полимерные материалы включают (но не ограничиваются): акрилаты, поликарбонат, флуороакрилаты, перфлуороакрилаты, флуорофосфинатные полимеры, флуоросиликоны, флуорополиимиды, политетрафлуорэтилен, флуоросиликоны, золь-гели, эпоксидные смолы, термопласты, термоусадочные пластмассы и силиконы. Фторсодержащие полимеры особенно полезны в диапазонах ультрафиолетовых длин волн менее, чем 400 нм, и инфракрасных длин волн более, чем 700 нм, вследствие их низкого светопоглощения в этих диапазонах длин волн. Типичные неорганические материалы включают (но не ограничиваются): диоксид кремния, оптические стекла и халькогенидные стекла.
3
5
12
В некоторых случаях предпочтительно введение фотолюминофора в материал фотолюминесцентной пленки, например, прозрачной пластмассы типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила, сформированных экструзией. Фотолюминесцентная пленка при этом может быть предварительно изготовлена в листах. При этом суспензия фотолюминофора, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимера готовится в органическом растворителе. Суспензия затем может быть сформована в лист экструзией или литьем в форму, или выливаться на плоскую подложку, например, стеклянную, с последующим высыханием. Полученный лист может быть отделен от временной подложки и раскроен. В конкретном случае из суспензии частиц экспериментального фотолюминофора на основе алюмограната иттрия-гадолиния-церия (Y,Gd,Ce)AlO в растворе поликарбоната в хлористом метилене были сформованы экструзией листы разной толщины. Пленка должна иметь достаточно большую толщину, чтобы обеспечить достижение необходимых спектральных значений смешанного белого света. Эффективная толщина определяется процессами оптического рассеяния в используемых фотолюминофорах и лежит, например, между 50 и 200 мкм.
3-y-z
y
z
5-x
x
12
Использованные в примерах к настоящему изобретению фотолюминесцентные пленки изготовлены на основе двухкомпонентного силиконового компаунда ОЕ 6636 производства фирмы Dow Corning (ОЕ) с добавлением специально разработанных фотолюминофоров (ЛФ) с общей стехиометрической формулой: YLuCeAlGaO, где 1,8<х<2,1, 0≤у≤2,86, 0,12≤z≤0,15, а также серийно выпускаемо сульфидно-кальциевого фотолюминофора ФЛС-650.
В частности:
2,85
0,15
4
1
12
p
- ЛФ-5870 [LuCeAlGaO] с λ=510,8 нм;
2,79
0,12
0,09
3,1
1,9
12
p
- ЛФ-4940 [YCeLuAlGaO] с λ=528 нм;
2,88
0,12
3
2
12
p
- ЛФ-5115 [YCeAlGaO] с λ=525 нм;
2,88
0,12
2,9
2,1
12
p
- ЛФ-5260 [YCeAlGaO] с λ=525 нм.
p
- ФЛС-650 с λ=650 нм.
В таблице 1 представлены данные по весовым соотношениям силиконовой основы (ОЕ) и люминофоров (ЛФ), а также толщинам использованных пленок:
Фотолюминесцентные пленки изготавливались путем тщательного размешивания соответствующих навесок фотолюминофора в предварительно подготовленной смеси из двух исходных компонент силиконового оптического компаунда ОЕ 6636 с последующим нанесением на лавсановую пленку фотолюминесцентной смеси нужной толщины с помощью аппликатора и последующего отжига в воздушной среде в течение 1 часа при температуре 100°С. После отжига фотолюминесцентная пленка легко отделяется от лавсановой пленки и после раскройки устанавливается в светодиодную подсветку.
Поверхность фотолюминесцентной пленки может быть дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем, который предохраняет от проникновения влаги и/или кислорода в пленку, увеличивая надежность источника света, поскольку некоторые типы фотолюминофоров, например, сульфидных, подвержены повреждениям от воздействия влаги. Защитный слой может быть изготовлен из любого прозрачного материала, который задерживает влагу и кислород, например, из неорганических материалов типа двуокиси кремния, нитрида кремния или окиси алюминия, а также органических полимерных материалов или комбинации полимерных и неорганических слоев. Предпочтительные материалы для защитного слоя - двуокись кремния и нитрид кремния.
Защитный слой может также выполнять функцию оптического просветления границы зерна фотолюминофора с прозрачной основой фотолюминесцентной пленки и уменьшать отражение первичного излучения СИД и вторичного излучения зерен фотолюминофора на данной границе, уменьшая поглотительные потери собственного излучения фотолюминофора в его зернах, и тем самым увеличивая эффективность светодиодной подсветки.
Защитный слой может наноситься также путем финишной поверхностной обработки зерен фотолюминофора, при которой, например, на поверхности зерен формируется наноразмерная пленка силиката цинка толщиной 50-100 нм, просветляющая границу зерна фотолюминофора. Состав и толщина пленок подбираются опытным путем для получения максимальной светоотдачи.
Пример 1.
Автомобильный дисплей на лобовом стекле изготовлен с использованием монохромного активноматричного ЖКД типа WF35NTVAJDNN0# диагональю 3,5'' разрешающей способностью 240×320 пикселей производства фирмы Winstar Display Co., LTD, пластиковой (PMMA) линзы Френеля типа MY-D112*73F100 толщиной 2 мм с фокусным расстоянием 100 мм производства фирмы Shenzhen Meiying Technology Со, Ltd, подсветка с биологически адекватным спектром излучения изготовлена на основе голубых SMD СИД типа L135-B475003500001 производства фирмы Lumileds. Фотолюминесцентные пленки для зоны отображения дополненной реальности толщиной 130 мкм созданы на основе оптического силиконового компаунда ОЕ 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора ЛФ-4940 в соотношении 1:1,3. Фотолюминесцентные пленки для зоны отображения предупреждающей информации толщиной 140 мкм также созданы на основе оптического силиконового компаунда ОЕ 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора ФЛС-650 производства ЗАО «Люминофор» в соотношении 1:1,5. Печатная плата и корпус дисплея выполнены из алюминиевого сплава, имеющего высокую теплопроводность. Белый отражательный экран изготовлен из диффузно отражающей пленки White98 Film F-16 с коэффициентом отражения 98% производств компании WhiteOptics LLC. Использованы призматические компенсаторные пленки Vikuiti BEF и защитная пленка High Clarity Privacy Filters производства фирмы 3М. Для наклейки на лобовое стекло автомобиля использована стандартная прозрачная ПЭТ пленка размером 150*125 мм толщиной 0,2 мм.
Пример 2.
Автомобильный дисплей на лобовом стекле изготовлен с использованием монохромного активноматричного ЖКД типа LCD Module LS027B7DH01LCD диагональю 2,7'' и разрешающей способностью 240×400 пикселей производства фирмы Sharp Corporation LCD Group, пластиковой (PMMA) линзы Френеля типа MY-D110*90F90 толщиной 2 мм с фокусным расстоянием 90 мм производства фирмы Shenzhen Meiying Technology Со, Ltd. Остальные элементы дисплея соответствуют аналогичным из Примера 1.
Литература
1. G.C. Brainard, J.P. Hanifin, J.M. Greesonetal. J. of Neuroscience 21 (16), 6405 (2001)
2. Fabio Falchi, Pierantonio Cinzano, Christopher D. Elvidge, David M. Keith, Abraham Haim, "Limiting the impact of light pollution on human health, environment and stellar visibility". Journal of Environmental Management, v. 92, N 10, pp. 2714-2722 (2011).
3. Hollan J. Metabolisminfluencing light: measurement by digital cameras. Poster at "Cancer and Rhythm", Oct. 14-16, Graz, Austria, 2004. (http://amper.ped.muni.cz/noc/english/canc_rhythm/g_camer.pdf)
4. M.A. Mainster. Violet and blue light blocking intraocular lenses: photoprotection versus photoreception. British Journal of Ophthalmology, 90, pp. 784-792 (2006).
5. V. Ulasyuk, N. Soschin. Biologically adequate white LED lamps based on rare earth phosphors 4th International Workshop on PHOTOLUMINESCENCE IN RARE EARTHS: PHOTONIC MATERIALS AND DEVICES (PRE'12). Kyoto, Japan, 28-30 March 2012.
6. B.A. Капцов, B.H. Уласюк, B.H. Дейнего. Полупроводниковые источники белого света с биологически адекватным спектром излучения. «Глаз», Журнал для офтальмологов и оптометристов. 1 (119), с. 25-32 (2018).
7. Капцов В.А., Дейнего В.Н. Нарушение меланопсинового эффекта сужения зрачка - фактор риска заболевания глаз // Анализ риска здоровью. №1, с. 132-148 (2017).
8. В.Н. Дейнего, В.А. Капцов. Биологически адекватный свет для метро. «МЕТРО INFO International» №1 с. 11-13 (2018).
9. Final resolution of the 3rd Global Pediatric Congress, London 2018: https://d2cax41o7ahm5l.cloudfront.net/cs/pdfs/pediatric-ophthalmology-2018-23511-final-resolution-of-the-3rd-global-pediatric-conqress-london-201846825.pdf)