УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРОТИВОСЛЕПЯЩИЙ ФИЛЬТР (УПФ)
CONTROLLED ANTI-GLARE FILTER

Изобретение относится к устройствам защиты от ослепления и может быть использовано для существенного повышения безопасности движения наземных, воздушных и др. транспортных средств, за счет полного исключения ослепления, в частности, водителей светом фар встречных и попутных транспортных средств.
Известны устройства для транспортных средств, использующие фильтр для защиты от излучения [1, 2], а также использующие козырек или очки для защиты от поляризованного и неполяризованного излучения [3, 4].
Недостатками известных устройств являются большие потери принимаемого излучения [1], существенная взаимная засветка глаз при рассеивании излучения [2], недостаточное подавление слепящего излучения [3], а также технологические сложности при построении оптической системы фильтра [4].
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является "Адаптивный поляризационный фильтр" (АПФ) [4], содержащий управляемый поляризационный фильтр, по крайней мере, один приемник внешнего оптического излучения, по крайней мере, один датчик положения в пространстве зрачков глаз водителя транспортного средства и процессор выработки решений.
Недостатки прототипа:
1. Невозможность регулирования в динамике величины рассеяния слепящего излучения в горизонтальной плоскости.
2. Приемники излучения глаза водителя необходимо придерживать в пределах небольшого, заданного интервала расстояний до фильтра.
3. Предложенная структура не позволит получить большую степень рассеяния без существенного усложнения устройства.
Заявляемое техническое решение в приложении к транспортным средствам направлено на создание эффективного противоослепительного фильтра с минимальными потерями и адаптивного к слепящим источникам излучения.
1. Это достигается тем, что в отличие от известного "Адаптивного поляризационного фильтра" (АПФ), содержащего последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек и последовательностей жидкокристаллических (ЖК) пленок, противоположные поверхности которых имеют системы электродов (СЭ), направление расположения которых на одной поверхности отличается от направления расположения их на другой поверхности, причем поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек содержат ориентанты, а также содержащий систему обработки сигналов и управления, включающую, по крайней мере, один датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения (ДФИН) (6), проходящего через фильтр к приемникам внешнего оптического излучения (4), по крайней мере, один процессор выработки решений, по крайней мере, один датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения (9) относительно фильтра, и, по крайней мере, одну систему формирования, с выхода которой управляющие потенциалы распределяются между системами электродов (13) соответствующих жидкокристаллических пленок для локального изменения свойств зон, заданных, по крайней мере, одним процессором выработки решений, при этом молекулы жидкокристаллических пленок фильтра, имеющие начальную ориентацию, при которой внешнее оптическое излучение беспрепятственно проходит через них, и расположенные в зонах прохождения через фильтр к приемникам внешнего оптического излучения, интенсивность которого превышает заданный датчиком фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения порог, под действием управляющих потенциалов на соответствующих системах электродов, формируют посредством одного из ориентантов в одной, или в части, или во всех последовательно установленных жидкокристаллических пленках (10), пространственную оптическую анизотропию, параметры которой существенно соответствуют параметрам цилиндрических линз, рассеивающую проходящее через фильтр излучение, в управляемом противослепящем фильтре (УПФ) для каждой из ортогональных поляризационных составляющих проходящего через фильтр внешнего оптического излучения, в последовательностях жидкокристаллических пленок, в соответствующих зонах фильтра, при превышении внешним оптическим излучением заданного порога на приемниках излучения, под действием управляющих потенциалов формируются системы линз, существенно соответствующих цилиндрическим, согласованных посредством ориентанта с соответствующей поляризационной составляющей излучения, и, таким образом, что, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка для каждой поляризационной составляющей внешнего оптического излучения рассеивает проходящее через нее излучение преимущественно в вертикальной плоскости и/или в пределах заданного угла/углов относительно вертикальной плоскости, и, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка для каждой поляризационной составляющей внешнего оптического излучения рассеивает проходящее через нее излучение преимущественно в горизонтальной плоскости и/или в пределах заданного угла/углов относительно горизонтальной плоскости, при этом, для каждой формируемой управляющими потенциалами зоны фильтра, рассеивающей внешнее оптическое излучение, превышающее заданный порог, для каждой поляризационной составляющей этого излучения, на соответствующие электроды жидкокристаллических пленок, система формирования подает управляющие потенциалы, величины которых могут существенно различаться.
2. Кроме того, введена система, корректирующая в соответствующих последовательностях жидкокристаллических пленок углы рассеяния в горизонтальной плоскости излучения, превышающего заданный порог, учитывающая расстояние между приемником излучения и фильтром.
3. Кроме того, введены жидкокристаллические пленки, в которых формируемые под действием управляющих потенциалов системы линз, существенно соответствующих цилиндрическим линзам, сдвинуты относительно первых на половину апертуры.
4. Кроме того, система электродов одной из поверхностей каждой жидкокристаллической пленки содержит массивы металлических стержней нанометровых размеров, упорядоченно установленных в ортогональных плоскостях, на которых выращены многослойные углеродные нанотрубки, причем плотность установки их в одной плоскости существенно больше, чем в ортогональной плоскости, и таким образом, что при подаче на системы электродов соответствующих зон/зоны фильтра управляющих потенциалов, под действием сформированных многослойными углеродными нанотрубками профилей электрических полей, в жидкокристаллических пленках/пленке формируются фазовые профили, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, рассеивающих излучение соответствующих поляризационных составляющих.
5. Кроме того, между последовательностями жидкокристаллических пленок (10), рассеивающих ортогональные поляризационные составляющие излучения при подаче на соответствующие системы электродов управляющих потенциалов, введен согласующий вращатель плоскости поляризации (15), а ориентант ориентирует молекулы жидких кристаллов в них однотипно.
6. Кроме того, содержит систему установки плавающего порога, определяющую усредненную интенсивность отраженного поверхностью дороги излучения из ближней зоны, в данный момент времени, и установки относительно ее, порога включения системы формирования в заданных зонах фильтра систем линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, учитывающую адаптационную характеристику глаз водителя.
7. Кроме того, фильтр установлен под углом к проходящему излучению и содержит светопоглотитель, расположенный таким образом, что на него падает отраженное от поверхности фильтра со стороны водителя излучение.
8. Кроме того, жидкокристаллические пленки (10) оптически согласованы с просветляющим покрытием с оптически прозрачным диэлектрическим веществом - тонкими оптически прозрачными подложками (11), между которым заключены.
9. Кроме того, с выходной стороны содержит отражатель внешнего оптического излучения.
10. Кроме того, содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего оптического излучения.
11. Кроме того, содержит анализатор спектрального состава принимаемого внешнего оптического излучения.
12. Кроме того, содержит светофильтр, корректирующий спектр проходящего внешнего оптического излучения.
13. Кроме того, выполнен в виде очков и содержит корпус очков и внешний блок, при этом часть узлов системы обработки сигналов и управления установлена в корпусе очков, а другая часть, имеющая больший вес, габариты и энергопотребление, установлена во внешнем блоке и между ними введен канал двухсторонней автоматической связи.
14. Кроме того, внешние поверхности имеют просветляющее покрытие.
15. Кроме того, содержит систему поддержания температуры фильтра в рабочем интервале.
Предлагаемое техническое решение поясняется с помощью Фиг.1-11:
На Фиг.1 показано рассеяние фильтром (3) УПФ внешнего слепящего излучения (1) при превышении им заданного порога.
На Фиг.2a, b показаны фрагменты ЖК-пленки фильтра, соответственно с исходной гомеотропной и планарной ориентацией молекул ЖК, содержащие многослойные углеродные нанотрубки (12).
На Фиг.3a, b показан профиль электрического поля, формируемого углеродными нанотрубками, при подаче на электроды фильтра управляющих потенциалов, и расположение молекул ЖК в этом поле, при исходной гомеотропной ориентации молекул ЖК, Фиг.3a [5].
На Фиг.4 представлен рисунок, на котором показано расположение многослойных нанотрубок на оптически прозрачных подложках, для формирования систем линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам.
На Фиг.5a, b показан фрагмент последовательностей ЖК-пленок, в которых при подаче на электроды соответствующих зон фильтра управляющих потенциалов, под действием сформированных углеродными нанотрубками (12) профилей электрических полей, формируются системы линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, рассеивающих излучение соответствующих поляризационных составляющих в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
На Фиг.6 показан фрагмент последовательностей ЖК-пленок, в которых при подаче на электроды соответствующих зон фильтра управляющих потенциалов, под действием сформированных системой узких электродов профилей электрических полей, формируются системы цилиндрических линз, рассеивающих излучение соответствующих поляризационных составляющих в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
На Фиг.7 показан вариант установки фильтра, под углом к проходящему через него излучению, для устранения возможных бликов от его поверхности со стороны водителя, с применением светопоглотителя.
На Фиг.8 показана ближняя зона излучения, "A" - зона поверхности дороги, по яркости которой задается опора, относительно которой устанавливается порог срабатывания системы защиты от ослепления.
На Фиг.9 показана зона "B" приемной матрицы (ДФИН) (6), дающая информацию об уровне плавающей опоры - усредненной интенсивности отраженного излучения в данный момент времени, областью "A" поверхности дороги.
На Фиг.10 показан возможный вариант построения датчика ДФИН, в котором перед приемной матрицей установлен оптический аттенюатор, для стабилизации яркости излучения, отраженного от опорного участка дороги на заданном уровне.
На Фиг.11 представлена таблица №1 отношений яркостей источника встречного излучения, рассеянного фильтром и пятна собственного излучения фар транспортного средства, отраженного от дорожного полотна, для углов рассеивания пучков света фар, собственного излучения - 18 град и встречного - 18 град.
На Фиг.1-7 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - источник внешнего оптического излучения,
2 - зоны фильтра, рассеивающие лучи внешнего оптического излучения,
3 - оптическая система фильтра УПФ,
4 - приемники внешнего оптического излучения (глаза водителя),
5 - плоскости рассеяния внешнего оптического излучения,
6 - датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения,
7 - облучатель, для подсветки приемников внешнего оптического излучения,
8 - система обработки сигналов и управления,
9 - датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения,
10 - жидкокристаллические пленки,
11 - оптически прозрачное диэлектрическое вещество - тонкие оптически прозрачные подложки,
12 - многослойные углеродные нанотрубки,
13 - системы оптически прозрачных электродов,
14 - жидкокристаллическая пленка, рассеивающая вертикальную поляризационную составляющую, преимущественно в вертикальной плоскости,
15 - жидкокристаллическая пленка, рассеивающая вертикальную поляризационную составляющую, преимущественно в горизонтальной плоскости,
16 - жидкокристаллическая пленка, рассеивающая горизонтальную поляризационную составляющую, преимущественно в вертикальной плоскости,
17 - жидкокристаллическая пленка, рассеивающая горизонтальную поляризационную составляющую, преимущественно в горизонтальной плоскости.
Таким образом, управляемый противослепящий фильтр (УПФ) (Фиг.1) содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек и последовательностей жидкокристаллических пленок (10), противоположные поверхности которых имеют системы электродов (СЭ) (13), направление расположения которых на одной поверхности отличается от направления расположения их на другой поверхности, поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества (11) содержат ориентанты, а также содержит систему обработки сигналов и управления, включающую, по крайней мере, один датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения (ДФИН) (6), по крайней мере, один процессор выработки решений, по крайней мере, один датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения (ДПП) (9), по крайней мере, одну систему формирования, по крайней мере, один облучатель (7), и кроме того, фиксирует геометрические параметры приемников внешнего оптического излучения (4), молекулы ЖК формируют посредством одного из ориентантов пространственную оптическую анизотропию, для каждой из ортогональных поляризационных составляющих проходящего через фильтр внешнего оптического излучения, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка рассеивает проходящее через нее излучение преимущественно в вертикальной плоскости и/или в пределах заданного угла/углов относительно вертикальной плоскости, и, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка рассеивает проходящее через нее излучение преимущественно в горизонтальной плоскости и/или в пределах заданного угла/углов относительно горизонтальной плоскости, система формирования подает управляющие потенциалы, величины которых могут существенно различаться, и дополнительно введена система, корректирующая в последовательностях жидкокристаллических пленок углы рассеяния излучения, введены жидкокристаллические пленки, в которых формируемые системы линз, сдвинуты относительно первых на половину апертуры, и кроме того, система электродов одной из поверхностей каждой жидкокристаллической пленки содержит массивы металлических стержней нанометровых размеров, упорядоченно установленных в ортогональных плоскостях, на которых выращены многослойные углеродные нанотрубки, причем плотность установки их в одной плоскости существенно больше, чем в ортогональной плоскости, а также введен, по крайней мере, один согласующий вращатель плоскости поляризации (15), ориентант ориентирует молекулы жидких кристаллов однотипно, содержит систему установки плавающего порога, и установки относительно ее порога включения системы формирования систем линз, фильтр установлен под углом к проходящему излучению и содержит светопоглотитель, ЖК-пленки оптически согласованы просветляющим покрытием с оптически прозрачным диэлектрическим веществом - тонкими оптически прозрачными подложками (11), содержит отражатель внешнего оптического излучения, содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего оптического излучения, анализатор спектрального состава, светофильтр выполнен в виде очков и содержит корпус очков и внешний блок, внешние поверхности фильтра (3) имеют просветляющее покрытие, а также содержит систему поддержания температуры УПФ в рабочем интервале.
Устройство работает следующим образом:
Управляемый противослепящий фильтр (УПФ) (Фиг.1) укреплен в транспортном средстве (наземном, воздушном и т.п.), при этом фильтр (3) может быть расположен в собранном (сложенном) виде таким образом, чтобы при необходимости он мог быть введен перед глазами водителя транспортного средства, для защиты от внешнего оптического излучения повышенной яркости, на расстоянии, например, 200…1000 мм, или установлен на лобовом стекле транспортного средства, или совмещен с лобовым стеклом, или выполнен в виде очков, а также опускающегося козырька на шлеме, например, мотоциклиста, и кроме того, фильтр (3) может быть применен и для пассажиров транспортного средства.
На держателе фильтра (3) или вблизи него установлены, по крайней мере, один датчик фиксации (приемник) интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения (ДФИН) (6), проходящего через фильтр к приемникам внешнего оптического излучения (4), из заданного сектора передней полусферы, по крайней мере, один датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения (9) - зрачков глаз водителя (4), и, по крайней мере, один облучатель (7), работающий в оптическом или в инфракрасном диапазоне, обеспечивающий необходимую подсветку зрачков глаз водителя для надежного определения положения их в пространстве. На держателе или в приборной панели транспортного средства установлена система обработки сигналов и управления, а также, по крайней мере, один процессор выработки решений, и, по крайней мере, одна система формирования, с выхода которой управляющие сигналы распределяются между системами электродов (13) соответствующих жидкокристаллических пленок, для локального изменения свойств зон, заданных, по крайней мере, одним процессором выработки решений.
Датчики положения в пространстве приемников оптического излучения (9) (ДПП) - зрачков глаз водителя могут быть выполнены с использованием технологии Шведской Компании Tobii Technology, разработавшей такую систему для транспортных средств в целях повышения безопасности дорожного движения, которая одинаково работает с любым водителем, независимо от возраста, цвета глаз, носит ли человек очки или линзы, и в любых условиях, начиная от ночного вождения до яркого солнца.
Аналогичная система с небольшой доработкой м.б. применена и в узле отслеживания положения в заданном секторе обзора, слепящих источников излучения (ДФИН).
На входе датчиков могут быть установлены узкополосные светофильтры, согласованные по спектру с облучателем/облучателями, что повысит помехозащищенность системы. Облучатели, подсвечивающие приемники излучения (4), могут работать в непрерывном режиме, импульсном или иметь другой вид модуляции, а также луч/лучи облучателей могут сканировать сектор, в котором расположены приемники излучения (4), а датчики положения приемников излучения (9) в своей работе могут использовать, например, эффект "красных глаз". При применении импульсного режима, для устранения влияния внешнего излучения на работу системы определения координат зрачков глаз, зрачки подсвечиваются через кадр, с последующим вычитанием следующих друг за другом кадров, а для устранения отражений от линз очков - облучатель излучает одну поляризацию, а ДПП принимает ортогональную.
Кроме того, датчики положения в пространстве приемников излучения (9) фиксируют геометрические параметры приемников излучения (4), например, диаметр зрачков глаз водителя, относительные параметры которых могут изменяться и при расширении/сужении зрачков и в зависимости от расстояния их от фильтра (3), и в соответствии с этим, а также с учетом быстродействия систем слежения за положением приемников излучения, устройство управления увеличивает или уменьшает рассеивающие области (зоны) фильтра (3), что позволит оптимизировать информативность просматриваемого через фильтр пространства.
Датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН) (6) может быть выполнен с использованием, по крайней мере, одной цветной матрицы, разделенной на две части, перед которыми установлены входные линзы, аттенюатор, управляемый решающим устройством (РУ) (Фиг.10), пропускающий ортогональные поляризационные составляющие внешнего излучения, соответственно в разные части матрицы, или может быть выполнен с использованием двух матриц, перед которыми аналогично установлены линзы и аттенюатор.
Оптическая система фильтра (3) (Фиг.1) содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы (Фиг.5) с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек (11) и последовательностей жидкокристаллических (ЖК) пленок (10), противоположные поверхности которых имеют системы электродов (СЭ) (13), расположение которых на одной поверхности отличается от расположения их на другой поверхности, например, ортогональны, при этом поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат ориентанты, задающие исходную ориентацию молекул ЖК, например, планарную, гомеотропную или наклонную, а также ориентацию молекул ЖК, которую они обретают под воздействием электрического поля, формируемого при подаче на электроды соответствующих зон фильтра управляющих потенциалов. Например, исходная гомеотропная ориентация молекул ЖК устанавливается напылением на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества (11) - углеродных нанотрубок, с последующим формированием дополнительного ориентирующего рельефа, обработкой поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ) [7].
При этом, каждая из поляризационных составляющих внешнего оптического излучения проходит, по крайней мере, через две согласованные с ней, посредством ориентанта последовательно установленные жидкокристаллические пленки (10), а молекулы жидкокристаллических пленок фильтра (3), имеющие начальную ориентацию, при которой внешнее оптическое излучение беспрепятственно проходит через них, и расположенные в зонах прохождения через фильтр к приемникам излучения - глазам водителя (4) внешнего оптического излучения, интенсивность которого превышает заданный датчиком фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения (ДФИН) порог, под действием управляющих потенциалов на соответствующих системах электродов, формируют посредством одного из ориентантов в одной, или в части пленок, или во всех последовательно установленных ЖК-пленках пространственную оптическую анизотропию, рассеивающую частично или с максимальной эффективностью проходящее через фильтр излучение.
В управляемом противослепящем фильтре (УПФ) для каждой из ортогональных поляризационных составляющих проходящего через фильтр внешнего оптического излучения, в последовательностях жидкокристаллических пленок, в соответствующих зонах фильтра, при превышении внешним оптическим излучением заданного порога на приемниках излучения, под действием управляющих потенциалов формируются системы линз, существенно соответствующих цилиндрическим, согласованных посредством ориентанта с соответствующей поляризационной составляющей излучения, и, таким образом, что, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка для каждой поляризационной составляющей внешнего оптического излучения (для каждой из ортогональных поляризационных составляющих) рассеивает с максимально необходимой эффективностью проходящее через нее излучение преимущественно в вертикальной плоскости, и/или в пределах заданного угла/углов относительно вертикальной плоскости, для исключения попадания рассеянного излучения в соседний приемник излучения - зрачок глаз водителя, или для существенного снижения яркости этого излучения, которое может создать эффект наличия еще, по крайней мере, одного источника излучения, и, по крайней мере, одна жидкокристаллическая пленка для каждой поляризационной составляющей внешнего оптического излучения (для каждой из ортогональных поляризационных составляющих) рассеивает проходящее через нее излучение преимущественно в горизонтальной плоскости и/или в пределах заданного угла/углов относительно горизонтальной плоскости, что позволит увеличить степень (площадь) рассеяния фильтром излучения, превышающего заданный порог, а угол рассеяния излучения в горизонтальной плоскости при относительно небольшой интенсивности слепящего излучения может быть ограничен системой управления таким образом, чтобы рассеянное в этой плоскости излучение не могло попасть на соседний приемник излучения - зрачок глаз водителя, и величина угла рассеяния изменялась в зависимости от расстояния между приемником излучения и фильтром, а в случае существенного превышения слепящим излучением заданного порога, система формирования приведет соответствующие зоны фильтра в режим максимального рассеяния излучения как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, и/или в пределах заданных углов относительно этих плоскостей, при этом, для каждой формируемой управляющими потенциалами зоны фильтра, рассеивающей внешнее оптическое излучение, превышающее заданный порог, для каждой поляризационной составляющей этого излучения, на соответствующие электроды жидкокристаллических пленок, система формирования подает управляющие потенциалы, величины которых могут существенно различаться, что позволит оптимизировать степень рассеяния излучения, превышающего заданный порог как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях, и установить фильтр на различных расстояниях от приемника излучения, а также, при применении раздельных фильтров для каждого глаза, например, в очках или козырьке мотоциклиста, позволит получить эффективное, управляемое рассеяние слепящего излучения.
Дополнительно, введена система, корректирующая в соответствующих последовательностях жидкокристаллических пленок углы рассеяния в горизонтальной плоскости, относительно положения каждого из зрачков глаз водителя излучения, превышающего заданный порог, учитывающая расстояние между приемником излучения и фильтром для исключения при возможности (когда слепящее излучение недостаточно велико) попадания в область зрачков части рассеянного слепящего излучения из соседней рассеивающей зоны.
При необходимости, для исключения возможного прохождения части слепящего излучения между сформированными в жидкокристаллических пленках цилиндрическими линзами, фильтр дополнительно может содержать аналогичные жидкокристаллические пленки для рассеяния ортогональных поляризационных составляющих, при превышении излучением заданного порога, в которых формируемые под действием управляющих потенциалов системы линз, существенно соответствующих цилиндрическим линзам, сдвинуты относительно первых на половину апертуры - Фиг.3b.
В управляемом противослепящем фильтре (УПФ) может быть применена технология совмещения ЖК с вертикально выращенными углеродными нанотрубками, разработанная группой ученых под руководством доктора Тима Уилкинсона (Tim Wilkinson) из Кембриджского университета (University of Cambridge), где система электродов одной из поверхностей каждой жидкокристаллической пленки содержит массивы металлических стержней нанометровых размеров, упорядоченно установленных в ортогональных плоскостях, на которых выращены многослойные углеродные нанотрубки, причем в УПФ плотность равномерной установки их в одной плоскости существенно больше, чем в ортогональной плоскости (Фиг.4), и таким образом, что при подаче на электроды соответствующих зон/зоны фильтра управляющих потенциалов, под действием сформированных многослойными углеродными нанотрубками профилей электрических полей, в жидкокристаллических пленках/пленке формируются системы линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, рассеивающих излучение соответствующих поляризационных составляющих (Фиг.5a, b).
На Фиг.2a, b показаны фрагменты фильтра, построенного с использованием упорядоченных, вертикальных массивов из многослойных углеродных нанотрубок (12), например, длиной 2 мкм и диаметром 50 нм, выращенных на одной из прозрачных подложек [5], между которыми введены гомеотропно (Фиг.2a) или планарно (Фиг.2b) ориентированные молекулы ЖК, а на подложки нанесены системы оптически прозрачных электродов, которые расположены взаимно ортогонально, при этом ширина электродов может составлять, например, 0,5…1,0 мм, и определяться минимальным разрешением рассеивающих зон фильтра, минимальный размер которых соответствует минимальному размеру зрачка, с коррекцией на величину, зависящую от точностных характеристик систем, определяющих положение зрачков в пространстве и источников слепящего излучения, а также быстродействия системы обработки данных, а толщина жидкокристаллических пленок (10) (Фиг.5a, b) может составлять 10 микрон.
На Фиг.3 показан профиль электрического поля [5], формируемого одной многослойной углеродной нанотрубкой при подаче на электроды фильтра управляющих потенциалов, и расположение молекул ЖК в этом поле при исходной гомеотропной ориентации молекул ЖК. При этом плоскость, в которой молекулы ЖК переориентируются в электрическом поле, задается ориентантом, нанесенным на оптически прозрачные подложки, и соответственно в пленках, рассеивающих ортогональную поляризационную составляющую, ориентант ориентирует молекулы ЖК при подаче управляющих потенциалов в ортогональном направлении.
При этом в одной плоскости углеродные нанотрубки выращены, например, на расстоянии 10 мкм друг от друга [5], а в ортогональной плоскости, например, на расстоянии 1,0…3,0 мкм (Фиг.4), что приведет к частичному перекрытию профилей формируемых полей и, в итоге, позволит при подаче управляющих потенциалов на соответствующие электроды фильтра, под действием сформированного профиля электрического поля, получить системы линз, с параметрами, существенно соответствующими цилиндрическим линзам, апертура которых составит 10 микрон.
Вследствие частичного перекрытия профилей формируемых полей, часть излучения будет рассеиваться и в ортогональной плоскости, так, например, для ЖК-пленки, рассеивающей слепящее излучение в вертикальной плоскости, при шаге между углеродными нанотрубками, формирующими системы цилиндрических линз, 2 мкм, на расстоянии от фильтра 450 мм, рассеивание излучения в ортогональной плоскости, т.е. относительно зрачка глаз водителя составит ±32 мм, а при шаге в 3 мкм, соответственно ±48 мм, что позволит получить достаточное рассеяние слепящего излучения и предотвратить попадание его в соседний зрачок или существенно снизить его яркость.
Или, например, системы цилиндрических линз могут быть сформированы в ЖК-пленках, толщиной, например, 50…100 мкм системой узких электродов - Фиг.6, расстояние между которыми определяет величину апертуры таких линз и может составлять десятки или сотни микрон, причем с другой стороны ЖК-пленки, ортогонально расположенные электроды могут быть выполнены широкими, и аналогично, изменение потенциалов на электродах, формирующих линзы, приводит к изменению их фокусного расстояния и соответственно степени рассеяния слепящего излучения. Здесь аналогично, каждая поляризационная составляющая излучения, превышающего заданный порог, рассеивается, по крайней мере, одной ЖК-пленкой в вертикальной плоскости и, по крайней мере, одной ЖК-пленкой в горизонтальной плоскости, и степень рассеяния определяется величиной управляющих потенциалов, которые могут существенно различаться для каждой из ЖК-пленок.
Или, например, в фильтре УПФ, часть ЖК-пленок выполнена по технологии, показанной на Фиг.5, например, для рассеяния излучения в вертикальной плоскости, а другая по технологии, показанной на Фиг.6, для рассеяния излучения в горизонтальной плоскости.
Начальная ориентация больших осей молекул в пленках ЖК может устанавливаться параллельно приходящему излучению, например, гомеотропно или наклонно, или может быть планарной.
При этом последовательная установка систем управляемых посредством электродов ЖК-пленок для рассеяния поляризационных составляющих слепящего излучения позволит при минимальной толщине фильтра получить ослабление слепящего излучения на приемнике (глаза водителя) в 500…1000 раз и более.
Дополнительно, между последовательностями ЖК-пленок (10), рассеивающих ортогональные поляризационные составляющие излучения при подаче на соответствующие системы электродов управляющих потенциалов, введен согласующий вращатель плоскости поляризации (15), поворачивающий плоскость поляризации проходящего через него излучения на 90 град, для согласования второй, ортогональной поляризационной составляющей проходящего излучения с ориентантом, который ориентирует молекулы жидких кристаллов в них однотипно и может иметь одинаковые параметры.
В исходном состоянии, при отсутствии внешнего слепящего излучения, на электроды не подаются управляющие потенциалы, в ЖК-пленках отсутствует оптическая анизотропия и фильтр прозрачен (Фиг.5).
При наличии внешнего слепящего излучения и превышении им заданного порога, датчик/датчики фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН) (6) выдает на, по крайней мере, один процессор выработки решений сигналы, содержащие информацию об интенсивности поляризационных составляющих внешнего оптического излучения, спектральном составе и направлении их прихода, который в соответствии с этими данными и данными с датчика/датчиков положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения относительно фильтра (ДПП) (9) выстраивает в соответствии с их координатами между ними (виртуально) прямую линию и определяет точки или зоны прохождения этой линии через фильтр (3), и далее посредством, по крайней мере, одного управляющего устройства распределяет управляющие сигналы между системами электродов (13), используя, например, мультиплексный метод или метод активной матричной адресации с применением запоминающих ячеек, таким образом, что на пути лучей внешнего оптического излучения к приемникам излучения - глазам водителя (4) транспортного средства молекулы ЖК-пленок (10) в соответствующих зонах фильтра УПФ под действием локально модулируемого этими сигналами электрического поля изменяют свою ориентацию в пространстве, при этом системы узких электродов Фиг.6 формируют в ЖК-пленках системы цилиндрических линз, или многослойные углеродные нанотрубки Фиг.5 выполняют роль точечных электродов в общем массиве - происходит формирование объемного профиля электрического поля и образование профиля показателя преломления в ЖК-пленке (Фиг.3), а серии близко расположенных многослойных углеродных нанотрубок (Фиг.4) формируют общий фазовый профиль - системы линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, и таким образом, данные зоны фильтра (3) приобретают оптическую анизотропию для одной или обеих поляризационных составляющих, и соответственно выполняются условия управляемого рассеяния внешнего оптического излучения посредством сформированных цилиндрических линз (Фиг.5), а изменение потенциалов на оптически прозрачных электродах (13), формирующих системы линз, приведет к управляемому изменению их фокусного расстояния и соответственно степени рассеяния слепящего излучения.
В целях облегчения работы устройства и существенного уменьшения тактовой частоты управляющих сигналов на электродах фильтра, возможно объединение в динамике электродов зоны или зон рассеяния в группы, на которые адресно подаются управляющие сигналы и которые во времени обновляются, дополняются новыми сегментами (точками) или появляются новые зоны, а также происходит исключение из групп не возобновляемых сегментов или зон, и, кроме того, это позволит существенно снизить требования к электропроводности оптически прозрачных электродов.
Кроме того, содержит систему установки плавающего порога, определяющую усредненную интенсивность отраженного поверхностью дороги излучения из ближней зоны, составляющей, например, 10…15 метров от транспортного средства, в данный момент времени, в непрерывном режиме, и установки относительно ее порога включения системы формирования в заданных зонах фильтра систем линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам.
На Фиг.8 показана ближняя зона излучения, "А" - зона поверхности дороги, по яркости которой задается опора, относительно которой устанавливается порог срабатывания системы защиты от ослепления, а "В" - зона приемной матрицы (ДФИН) (6) (Фиг.9), дающая информацию об уровне плавающей опоры - усредненной интенсивности отраженного излучения в данный момент времени, областью "А" поверхности дороги, для установки относительно ее порога срабатывания системы защиты от ослепления, учитывающего адаптационную характеристику глаз водителя.
В темное время суток данная зона матрицы принимает отраженное от поверхности дороги излучение собственных фар, в сумеречное время, плюс излучение внешнее, естественное излучение, а в дневное время суток - в основном внешнее, естественное излучение.
На Фиг.10 показан возможный вариант построения датчика ДФИН, в котором перед приемной матрицей установлен аттенюатор, для стабилизации яркости излучения, отраженного от опорного участка дороги на заданном уровне, при любом освещении этого участка.
Аттенюатор может быть выполнен с использованием поляроидов, между которыми заключен управляемый вращатель плоскости поляризации, при этом плоскости поляризации поляроидов установлены взаимно ортогонально, для приема соответствующих поляризационных составляющих излучения, а уровень сигнала опорной зоны, например, для горизонтальной поляризационной составляющей может использоваться аттенюаторами обеих систем.
ДФИН (Фиг.10) выполнен с использованием одной цветной матрицы, которая разделена на две части, перед которыми установлены входные линзы, аттенюатор, управляемый решающим устройством (РУ), пропускающий ортогональные поляризационные составляющие внешнего излучения, соответственно в разные части матрицы, и возможно автодиафрагма, или может быть выполнен на двух матрицах, перед которыми аналогично установлены линзы и аттенюатор.
Цветная матрица необходима для идентификации таких сигналов, как например, сигналы светофора, "стоп" - сигналы движущихся впереди транспортных средств и т.п., для которых фильтр должен быть прозрачен.
В качестве датчика уровня сигнала, принятого из опорной зоны, может быть применен отдельный фотоприемник.
Дополнительно, может быть введена ручная корректировка уровня порога, например, в сырую погоду. Возможно введение датчиков дождя, для автоматической корректировки уровня порога, а также датчиков внешней освещенности, а в сложных условиях анализируется и яркость встречных источников излучения (фар).
Датчики внешней освещенности определяют интегральную яркость излучения в конусе с углом, например, 120…160 градусов.
При необходимости информация с датчика (ДФИН) может вводиться в запоминающее устройство, для контроля дорожной обстановки.
Для устранения возможных бликов от поверхности фильтра со стороны водителя, фильтр установлен под углом к проходящему через него излучению (Фиг.7), например, под углом 30 град относительно вертикали и содержит светопоглотитель, расположенный таким образом, что на него падает отраженное от поверхности фильтра со стороны водителя излучение.
Для повышения прозрачности фильтра, ЖК-пленки (10) оптически согласованы просветляющим покрытием с оптически прозрачным диэлектрическим веществом - тонкими оптически прозрачными подложками (11), между которым заключены.
При установке с выходной стороны фильтра УПФ отражателя внешнего оптического излучения, он может применяться на транспортном средстве в качестве противослепящих боковых зеркал и зеркала заднего вида, в которых аналогично, под действием управляющих потенциалов на системах электродов (13), в заданных процессором зонах фильтра (3) при превышении внешним оптическим излучением порога, формируются системы линз, параметры которых существенно соответствуют цилиндрическим линзам, (12) с изменяемым фокусным расстоянием, рассеивающие проходящее излучение, которое с выходной стороны фильтра отражается и вновь проходит через системы фильтра (3), рассеивающие это излучение, а оптическое излучение меньшей интенсивности, ниже порога проходит через фильтр (3) без изменений, отражается от отражателя (зеркала) и проходит к приемнику оптического излучения, глазам водителя (4). И аналогично фильтру Фиг.1, изменение фокусного расстояния систем цилиндрических линз, посредством управляющих потенциалов на электродах, позволит регулировать интенсивность проходящего к приемнику излучения (4).
При этом система обработки сигналов и управления может быть общей для управления системами зеркал и для фильтра Фиг.1, расположенного перед глазами водителя транспортного средства, в передней полусфере.
3
Представленная таблица №1 показывает отношение яркости источника встречного излучения, рассеянного фильтром с Kf=10, где Kf - коэффициент снижения яркости слепящего излучения фильтром, к яркости пятна собственного излучения фар транспортного средства, отраженного от дороги с Kd=0,1, где Kd - коэффициент отражения дорожного полотна, для углов рассеивания пучков света фар собственного излучения - 18 град, и встречного - 18 град, где Dc - расстояние в метрах до встречного транспортного средства и Ds - расстояние в метрах до пятна, отраженного от дороги собственного излучения.
3
Согласно приведенной таблице при максимальном рассеянии фильтра, например, Kf=10, даже в худших условиях - встречные транспортные средства движутся с включенным дальним светом, водители, не подвергаясь ослеплению, могут просматривать дорогу на расстоянии более 50 м.
А при переключении света фар транспортных средств с дальнего на ближний, луч опускается и освещает полотно дороги на расстоянии до 50-70 м, при этом яркость света фар практически остается прежней и соответственно яркость пятна, отраженного от полотна дороги, существенно не изменяется, а яркость света фар встречного транспортного средства, при переключении их на ближний свет, уменьшается как минимум на порядок - фара слепит не прямым лучом, а рассеянным светом. Исходя из чего величины отношений яркостей, источников встречного излучения и яркости пятна собственного излучения, отраженного от дороги, приведенные в таблицах, можно уменьшить как минимум на порядок.
Дополнительно содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего оптического излучения (1), например, естественных излучателей и отражателей (солнце, облака, дорога, растительность и т.п.), естественной подсветки в сумеречное время, что позволит оптимизировать работу ДФИН, изменяя уровень порога применительно к адаптационной характеристике глаз водителя (4) к освещенности.
Дополнительно содержит анализатор спектрального состава принимаемого внешнего оптического излучения (1), который может быть использован для анализа входящей информации с целью исключения рассеяния излучения с полезной и необходимой информацией, например, сигналов светофора повышенной яркости или других сигналов.
При необходимости изменить спектральный состав принимаемого излучения содержит светофильтр, корректирующий его спектр.
УПФ, построенный по данной технологии, может быть выполнен достаточно тонким, что позволит на его основе построить легкие очки, а также опускающийся козырек на шлеме, например, мотоциклиста.
При применении фильтра в виде очков, блок управления, процессор выработки решений и другие узлы могут быть выведены за пределы конструкции очков во внешний блок, например, установлены непосредственно в приборной панели транспортного средства, а автоматическая, двухсторонняя связь между ними может осуществляться, например, излучением и приемом сигналов в инфракрасном или другом частотном диапазоне, что позволит оставить в очках только необходимые согласующие узлы, существенно облегчив их вес, габариты, а для очков с автономным питанием и снизить потребляемую мощность. При этом внешний блок может содержать пульт управления режимами работы фильтра.
Для снижения отражений от внешних поверхностей фильтра, они содержат просветляющее покрытие, например, пленку компании Nippon Electric Glass, которая позволит достичь прозрачности поверхностей в пределах 99,5%.
При использовании фильтра УПФ в жестких климатических условиях, например, мотоциклистом в холодное время года, введена система поддержания температуры фильтра (3) в рабочем интервале температур.
Таким образом, фильтр УПФ пропускает без потерь поляризованное и неполяризованное излучение к приемникам излучения - зрачкам глаз водителя (4) транспортного средства с любого направления в пределах заданного сектора обзора из передней полусферы, и/или через зеркала транспортного средства, если его интенсивность ниже заданного порога, и одновременно рассеивает поляризованное и неполяризованное излучение независимо, с любого направления в пределах заданного сектора обзора, если его интенсивность превышает заданный порог, причем степень рассеяния зависит от яркости источников внешнего оптического излучения. Использование изобретения позволит создать технологичный и эффективный противослепящий фильтр, с минимальными потерями, адаптивный к источникам поляризованного и неполяризованного излучения для существенного повышения безопасности движения транспортных средств.
ЛИТЕРАТУРА.
1. US Patent 5.422.756. G02B 005/3, 18.05.1992 г.
2. РФ Патент 2.077.069, C1, кл.6 G02C 7/10, B60J 3/06, 10.04.1997 г.
3. РФ Патент 2.464.596, кл.7 G02B 5/30, B60J 3/06, 14.03.2011 г.
4. РФ Патент 2.413.256, кл.7 G02B 5/30, B60J 3/06, 07.09.2009 г.
5. Sparse multiwall carbon nanotube electrodes arrays for liquid crystal photonic devices. T.D. Wilkinson, X. Wang, H. Butt, Ranjith R., W.I. Milne. Advanced Materials, volume 20, issue 2, pages 363-366, January, 2008.
6. РФ Патент 2.373.558, кл. G02F 1/13, 01.07.2008 г.
7. Каманина Н.В., Васильев П.Я. О возможности получения гомеотропной ориентации нематических элементов при использовании наноструктур. Письма в ЖТФ, 2009, т.35, вып.11, стр.39-43.