АДАПТИВНЫЙ СВЕТОЗАЩИТНЫЙ ФИЛЬТР
ADAPTIVE PROTECTIVE LIGHT FILTER

Область техники
Изобретение относится к светозащитным средствам для глаз или иных светочувствительных сенсоров и может быть использовано для обеспечения зрению человека нормальных условий наблюдения окружающей сцены и экранов информационных индикаторов и дисплеев при резких перепадах яркости сцены, например для соответствующей защиты зрения пилотов космических, авиационных, водных, наземных транспортных средств.
Уровень техники
Известен адаптивный светозащитный фильтр [1], содержащий аналоговый оптически управляемый модулятор света (ОУМС), включающий в себя примыкающие друг к другу слой фотополупроводника (ФП) и слой жидкого кристалла (ЖК), при этом первым и вторым электрическими входами ОУМС являются нанесенные с первой и второй внешних сторон слоев ФП и ЖК первый и второй слои прозрачного проводника, подключенные к внешнему источнику напряжения, входная апертура слоя ФП является одновременно информационным и управляющим входами устройства, выходом которого является выходная апертура слоя ЖК, сопряженная с входом защищаемого светочувствительного сенсора (с глазами наблюдателя).
Аналоговый ОУМС характеризуется полутоновой (многоградационной) характеристикой оптического пропускания. Слои ФП и ЖК электрически соединены последовательно, и соотношение между их электрическими импедансами (комплексными сопротивлениями) определяет перераспределение напряжения внешнего источника между ними. Под действием энергии света меняется импеданс слоя ФП и соответственно меняется напряжение на ЖК слое. За счет электрооптических свойств ЖК слоя аналоговый ОУМС автоматически меняет величину своего оптического пропускания. Чем больше средняя интенсивность падающего со стороны сцены света, тем меньше оптическое пропускание ОУМС, тем самым на его выходе (на глазах) поддерживается постоянное значение интенсивности света. Аналогичной реакцией светозащитного фильтра на мешающие короткие интенсивные импульсы света, поступающие от сцены, обеспечивается их быстрая блокировка.
Недостатком известного устройства является нарушение функции адаптации к среднему значению интенсивности света от сцены при кратковременной реакции устройства на мешающие импульсы света. Кратковременное полное затемнение всей апертуры ОУМС, необходимое для полного подавления мешающих импульсов света, ведет к потере возможности для наблюдателя воспринимать, наблюдать сцену на время данного затемнения. Кроме того, в известном устройстве проблематично осуществить точную адаптацию к полутоновым (многоградационным) изменениям интенсивности света от сцены в широком динамическом диапазоне. Для точной адаптации закон изменения интенсивности света на выходе устройства должен быть согласован с характеристикой восприятия глазами различных градаций интенсивности света. Такое согласование осуществить непосредственно в ОУМС проблематично не только технологически, но и физически из-за разных материалов, разности в толщине и других параметров слоев ФП и слоя ЖК. Также затруднительно реализовать подобный ОУМС с достаточно большой и однородной (по оптическим и электрическим свойствам) апертурой.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому устройству является адаптивный светозащитный фильтр [2], содержащий аналоговый модулятор света, измерительный фотоприемник и процессорный блок, вход которого соединен с выходом измерительного фотоприемника, выход процессорного блока соединен с управляющим входом аналогового модулятора света, при этом вход измерительного фотоприемника является управляющим входом устройства, вход апертуры аналогового модулятора света является информационными входом устройства, выход апертуры аналогового модулятора света сопряжен с входом защищаемого светочувствительного сенсора.
В известном устройстве используется электрически управляемый аналоговый (полутоновой) модулятор света, в котором многоградационное изменение величины оптического пропускания осуществляется под действием внешнего управляющего электрического сигнала с нужным числом градаций амплитуды. Требуемый закон изменения интенсивности на выходе устройства (на входе защищаемого светочувствительного сенсора) реализуется заданием соответствующей переходной характеристики процессорного блока, которая может иметь любую физически реализуемую форму в случае, например, цифрового электронного процессорного блока. Размер апертуры аналогового модулятора света, например, выполненного в виде ЖК модулятора с матричной электрической адресацией, может быть любым в пределах, соответствующих предельным размерам апертуры стандартных ЖК дисплеев при обеспечении высокой степени однородности оптических свойств по апертуре модулятора света.
Недостатком известного устройства является невозможность обеспечения оптической защиты от мешающих коротких интенсивных импульсов света одновременно с обеспечением возможности бесперебойно воспринимать внешнюю сцену сквозь апертуру аналогового модулятора света, поскольку кратковременная адаптация на мешающие световые импульсы ведет к временной потере функции адаптации устройства к средней величине интенсивности света от сцены.
Кроме того, известное устройство не может обеспечить корректную светозащитную функцию, когда защищаемым от света объектом является оптический модуль, состоящий, например, из информационного индикатора (в частности, дисплея) и глаз наблюдателя, воспринимающих информацию с экрана дисплея. Кратковременные резкие затемнения аналогового модулятора света во время адаптации устройства к мешающим импульсам света ведут к ухудшению способности глаз корректно воспринимать информацию с экрана дисплея, поскольку световая чувствительность глаз резко возрастает в условиях темноты, и яркость дисплея становится чрезмерной для корректного восприятия информации во время таких затемнений.
Решаемой задачей является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения защиты от мешающих интенсивных коротких импульсов света одновременно с сохранением функции адаптации устройства к средней интенсивности света от сцены при расширении класса защищаемых от света объектов.
Сущность изобретения
1
2
1
2
1
1
2
Поставленная задача в адаптивном светозащитном фильтре, содержащем модулятор света, измерительный фотоприемник и процессорный блок, выход которого соединен с управляющим входом модулятора света, вход процессорного блока соединен с выходом измерительного фотоприемника, апертура которого является управляющим входом устройства, входная апертура модулятора света является информационным входом устройства, а выходная апертура модулятора света является выходом устройства, оптически сопряженным с входом защищаемого оптического модуля, решается тем, что модулятор света выполнен бинарным, рабочий цикл устройства разбит на рабочие интервалы, длительность каждого из которых равна сумме времен τ+τ где τ и τ - времена нахождения бинарного модулятора света соответственно в открытом и закрытом состояниях, а отношение τ/(τ+τ) определяет среднее за рабочий интервал оптическое пропускание между входом и выходом устройства, при этом фаза нахождения бинарного модулятора света в закрытом состоянии имеет возможность изменения в пределах рабочего интервала.
sensor
flicker
В случае, когда защищаемым оптическим модулем является светочувствительный сенсор (глаза наблюдателя), частота следования рабочих интервалов выбирается не меньше критической частоты f усреднения для защищаемого светочувствительного сенсора (не меньше низшей частоты f заметности мерцаний света для глаз).
Технический результат в виде улучшения светозащитных свойств за счет блокирования мешающих коротких импульсов света, поступающих от сцены, достигается за счет реализации в бинарном модуляторе света закрытого состояния в течение каждого рабочего интервала, причем фаза реализации закрытого состояния совпадает с фазой появления мешающих коротких импульсов света от сцены. При этом сохраняется среднее значение оптического пропускания бинарного оптического модулятора (между входом и выходом устройства), обеспечивающее сохранение функции адаптации устройства к среднему значению интенсивности света от сцены.
Когда защищаемым от света оптическим модулем являются светочувствительный сенсор (глаза) вместе с информационным индикатором (дисплеем), то в соответствующем частном варианте выполнения устройства время существования закрытого бинарного модулятора света выбрано не меньшим, чем время отображения информации в информационном индикаторе (дисплее). Достоинством такого частного варианта устройства является обеспечение комфортных условий считывания глазами информации с экрана дисплея, поскольку на время появления изображения на экране весь свет от сцены, включая мешающие импульсы света, блокирован закрытым состоянием бинарного модулятора света, поэтому одна и та же яркость дисплея остается оптимальной как при блокировке мешающих импульсов света, так и в их отсутствие.
Перечень фигур
Фиг.1 - структурная схема адаптивного фильтра для защиты светочувствительного сенсора (глаз наблюдателя).
Фиг.2 - диаграммы двух состояний оптического пропускания бинарного модулятора света в течение рабочего интервала.
Фиг.3 - структурная схема адаптивного фильтра для одновременной защиты глаз наблюдателя и экрана дисплея.
Фиг.4 - синхронизация фазы закрытого состояния бинарного модулятора света с фазой прибытия мешающего импульса света от сцены.
Осуществление изобретения
work
1
2
work
1
2
1
1
2
work
work
work
sensor
work
sensor
closed
closed
work
Адаптивный светозащитный фильтр (фиг.1) содержит бинарный модулятор 1 света (с двумя возможными состояниями оптического пропускания, которым соответствуют открытое и закрытое состояния бинарного модулятора 1 света), измерительный фотоприемник 2 и процессорный блок 3, измерительный вход которого соединен с выходом измерительного фотоприемника 2. Выход процессорного блока 3 соединен с управляющим входом бинарного модулятора 1 света, входная апертура которого является информационным входом устройства, выходная апертура бинарного модулятора 1 света является выходом устройства, оптически сопряженным с входом защищаемого оптического модуля, конкретно выполненным в виде светочувствительного сенсора 4, управляющим входом устройства является апертура измерительного фотоприемника 2. Рабочий цикл устройства разбит на рабочие интервалы, длительность τ каждого из которых равна сумме времен τ и τ нахождения модулятора 1 света соответственно в открытом и закрытом состояниях (τ=τ+τ), при этом отношение τ/(τ+τ) определяет величину среднего за рабочий интервал оптического пропускания устройства (определяемого средним оптическим пропусканием бинарного модулятора 1 света), а частота f следования рабочих интервалов (f=1/τ) выбрана не меньше критической частоты f усреднения (f≥f) для защищаемого светочувствительного сенсора 4. Фаза φ закрытого состояния бинарного модулятора 1 света имеет возможность изменения в пределах рабочего интервала (фиг.2). В рабочем интервале отсчет фазы φ закрытого состояния бинарного модулятора 1 света соответствует отсчету центра закрытого состояния, представленному в угловых единицах (градусах), где фазы, соответствующие началу и концу интервала, приняты равными соответственно 0° и 180°. Минимальный и максимальный уровни бинарного сигнала на диаграммах обозначают соответственно закрытое состояние (с минимальным оптическим пропусканием) и открытое состояние (с максимальным оптическим пропусканием) бинарного модулятора 1 света. С целью идентификации положения центра закрытого состояния бинарного модулятора 1 света на диаграммах обозначены пунктиром теоретические (вне пределов рабочего интервала длительностью τ) величины оптического пропускания, при этом физически реализуются только обозначенные сплошными прямыми величины оптического пропускания в пределах рабочего интервала.
sensor
flicker
flicker
В частности, когда защищаемым светочувствительным сенсором 4 являются глаза наблюдателя, критической частотой f усреднения является низшая частота f заметности мерцаний света для зрения наблюдателя (значение f равно 100-200 Гц в зависимости от условий наблюдения).
closed
display
display
close
sync
Когда защищаемым оптическим модулем является светочувствительный сенсор 4 (глаза) совместно с информационным индикатором, конкретно - с дисплеем 6 (фиг.3), экран которого оптически сопряжен с входом светочувствительного сенсора 4, то в соответствующем частном варианте выполнения устройства время τ существования закрытого состояния бинарного модулятора 1 света выбрано не меньшим, чем время τ отображения информации (τ≤τ) на экране дисплея 6. Процессорный блок 3 в частном варианте выполнения снабжен входом I внешней синхронизации. Информационный индикатор в альтернативном исполнении является, в частности, мнемоническим индикатором (например, светодиодной матрицей информационных символов).
0
1
2
1
2
work
flicker
0
1
1
2
0
1
1
2
0
1
work
1
2
0
1
1
2
Адаптивный светозащитный фильтр работает следующим образом. Когда защищаемым светочувствительным сенсором 4 являются глаза (фиг.1), а от сцены 5 во входную апертуру бинарного модулятора 1 света и в апертуру измерительного фотоприемника 2 поступает свет с интенсивностью J, то с выхода измерительного фотоприемника 2 сигнал поступает на измерительный вход процессорного блока 3, который вырабатывает управляющий сигнал, подаваемый на управляющий вход бинарного модулятора 1 света. Бинарный модулятор 1 света находится в течение времени τ в открытом состоянии и в течение времени τ в закрытом состоянии. Тем самым задается общая длительность τ в общем случае для пары информационных импульсов света (один проходит раньше, а другой - позже интервала блокировки длительностью τ, если последний расположен не на концах рабочего интервала), проходящих в каждом рабочем интервале сквозь бинарный модулятор 1 света на вход защищаемого светочувствительного сенсора 4 (например, в глаза наблюдателя сцены 5). Поскольку частота f следования рабочих интервалов выбрана не ниже критической частоты f заметности мерцаний света для глаз, то зрение наблюдателя будет воспринимать последовательность информационных световых импульсов как непрерывный свет с интенсивностью J, умноженной на коэффициент τ/(τ+τ) передачи. Коэффициент передачи и передаточная характеристика процессорного блока 3 выбраны такими, что величина ослабленной интенсивности Jτ/(τ+τ) света, поступающего в глаза от сцены 5, является комфортной для зрения наблюдателя. При изменении интенсивности J света от сцены 5 автоматически меняется длительность τ закрытого состояния при неизменной длительности τ рабочего интервала (при неизменной сумме τ+τ), что обеспечивает поддержание постоянного среднего уровня интенсивности Jτ/(τ+τ) света, достигающего глаз.
Тем самым для защиты светочувствительного сенсора (глаз) осуществляется адаптивная оптическая широтно-импульсная (ШИМ) модуляция, реализуемая бинарным модулятором 1 света.
closed
2
pulse
0
1
1
2
При наличии мешающих коротких интенсивных импульсов света, поступающих от сцены 5, фазу φ закрытого состояния с длительностью τ в каждом рабочем интервале выбирают равной фазе φ появления мешающих импульсов света (фиг.2). В таком случае закрытое состояние бинарного модулятора 1 появляется синхронно с появлением мешающих импульсов света, обеспечивая их максимальное затухание без влияния на среднюю величину оптического пропускания бинарного модулятора 1 света. Тем самым при полной блокировке мешающих импульсов света сохраняется среднее за рабочий интервал значение Jτ(τ+τ) интенсивности света, поступающего в глаза наблюдателя.
Детектирование мешающих импульсов света от сцены 5 с целью определения фазы их прибытия осуществляется, например, за счет дифференцирования сигнала от измерительного фотоприемника 2, которое выполняется процессорным блоком 3. Выбором постоянной времени дифференцирования и порога чувствительности к амплитуде дифференцированного сигнала (к величине его производной) задаются параметры селекции импульсной составляющей сигнала от измерительного фотоприемника 2.
closed
pulse
2
1
work
1
2
В итоге достигается технический результат в виде улучшения светозащитных свойств устройства за счет блокировки мешающих импульсов света (вследствие синхронизации фазы φ закрытого состояния модулятора 1 света с фазой φ прибытия импульса света) с сохранением адаптации устройства к среднему значению интенсивности света от сцены 5 (за счет поддержания постоянным отношения τ/τ, между длительностями закрытого и открытого состояний модулятора 1 света вследствие неизменности длительности τ=τ+τ рабочих интервалов).
closed
display
3
closed
3
closed
Особенность работы частного варианта устройства (фиг.3) состоит в том, что защищаемый оптический модуль состоит из светочувствительного сенсора (глаз) 4 и информационного индикатора, выполненного в виде дисплея 6, с экрана которого глаза воспринимают световой поток изображения в условиях, когда в глаза и на экран дисплея 6 поступает отрегулированный по интенсивности бинарным модулятором 1 света световой поток от сцены 5. Фаза φ наступления закрытого состояния бинарного модулятора 1 света соответствует фазе φ формирования изображения на экране дисплея 6. Когда длительность τ активного состояния информационного индикатора (длительность появления изображения на экране дисплея 6) выбрана не больше чем длительность τ закрытого состояния бинарного модулятора 1 света (τ≤τ), то во время существования светового потока изображения на экране дисплея 6 свет от сцены 5 не будет проходить к глазам и к экрану дисплея 6 (будет полностью блокирован бинарным модулятором 1 света). Это обеспечивает возможность успешного считывания зрительным аппаратом наблюдателя изображения с экрана дисплея 6 при нормальном уровне яркости экрана даже в условиях прихода от сцены 5 высокоинтенсивного светового потока (например, прямого солнечного света).
sync
sync
Если электроника процессорного блока 3 и электроника дисплея 6 не снабжены единым задающим генератором, то требуемая фазовая синхронизация осуществляется, например, за счет подачи на вход I внешней синхронизации процессорного блока 3 соответствующего синхроимпульса (например, за счет оптоэлектронной связи между входом I внешней синхронизации и экраном дисплея 6).
close
display
Дополнительным достоинством частного варианта устройства является его помехозащищенность от паразитной интерференции световых потоков в случае одновременной независимой работы нескольких адаптивных светофильтров (АСФ). Действительно, поскольку в течение каждого рабочего интервала экран дисплея 6 создает световой поток изображения только в то время, когда бинарный модулятор 1 света находится в закрытом состоянии (в соответствии с условием τ≥τ), то световой поток изображения с экрана данного дисплея 6 не выходит наружу из АСФ (не появляется со стороны входной апертуры бинарного модулятора 1 света, входящего в состав данного АСФ). Когда двое или несколько наблюдателей, снабженных такими индивидуальными АСФ, обращены друг у другу, то каждый из них может видеть лица других наблюдателей, но для него не видны - блокированы - световые потоки изображений с экранов посторонних дисплеев. Если бы выход наружу светового потока каждого дисплея не был бы блокирован соответствующим бинарным модулятором соответствующего АСФ, то каждый наблюдатель видел бы, например, мешающие мерцающие блики на лицах других наблюдателей. В итоге каждый наблюдатель имеет возможность наблюдать как лица других наблюдателей, так и световой поток изображения с экрана своего дисплея без паразитных помех (интерференции) от световых потоков изображений с экранов посторонних дисплеев.
Промышленная применимость
Бинарный модулятор 1 света может быть выполнен, например, на основе жидкокристаллической структуры MEMOMI (MEMory Optical Interference Mode) [3], которая имеет два оптических состояния при управлении импульсным управляющим напряжением. Другой вариант выполнения модулятора света - на ферроэлектрических (сегнетоэлектрических) структурах [4], характеризующихся очень высоким быстродействием (десятки микросекунд).
Адаптивный светозащитный фильтр может быть выполнен, например, в составе защитного стекла в шлемах, очков пилотов или в стеклах кабин, иллюминаторов в кабинах средств передвижения.
Литература
1. Efron U Wu S.T., Hsu T.Y., Schoenmakers W. Liquid crystal light valve goggles for eye protection. - US Patent No. 5,081,542, G02F 1/133, publication date 14.01.1992.
2. Russel J.P., Russel T.J. Controllable, variable transmissivity eyewear. - US Patent No. 4,968,127, G02C 7/10, publication date 06.11.1990 (прототип).
3. Брежнев В.А., Ежов В.А., Студенцов С.А., Симоненко Г.В. Пассивно-матричный ЖК-дисплей и метод его управления. - Патент РФ No. 2206914, G02F 1/1337, G09G 3/36, приоритет от 24.04.2001.
th
4. Andreev A.L., Ezhov V.A., Kompanets I.N., Sobolev A.G. Fast LC Devices with Lowest Control Voltage. Proc. 17 International Display Workshops (IDW'10), Fukuoka, Japan, 1-3 December 2010, pp.1811-1812.