УПРАВЛЯЕМЫЙ ПРОТИВОСЛЕПЯЩИЙ РАССЕИВАЮЩИЙ ФИЛЬТР (УПРФ)
CONTROLLED ANTI-GLARE DIFFUSING FILTER (CAGDF)

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, а также других источников излучения.
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, 5].
Недостатками известных устройств являются большие потери принимаемого излучения [1], существенная взаимная засветка глаз при рассеивании излучения [2], требуется не менее двух жидкокристаллических (ЖК) пленок для рассеивания каждой из поляризационных составляющих излучения [3], а также технологические сложности при построении оптической системы фильтра [4] и взаимное влияние управляющих потенциалов близко расположенных жидкокристаллических пленок [3, 4, 5].
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является "Управляемый противослепящий рассеивающий фильтр - 1 (УПРФ - 1)" [5], содержащий управляемый рассеивающий излучение, оптически прозрачный фильтр, по крайней мере, один приемник внешнего оптического излучения, по крайней мере, один датчик положения в пространстве зрачков глаз водителя транспортного средства, процессор и блок управления.
Недостатки прототипа:
1. В большинстве случаев в отраженном излучении слепящей является только одна из поляризационных составляющих излучения, но взаимное влияние управляющих потенциалов близко расположенных ЖК - пленок не позволяет рассеивать независимо только одну из поляризационных составляющих излучения, слепящую, не затрагивая другую, информативную, или требует увеличения расстояния между ЖК - пленками, и соответственно существенного увеличения толщины оптической части фильтра и массы.
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 "Управляемого противослепящего рассеивающего фильтра - 1 (УПРФ - 1)" [5], содержащего последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек и последовательностей жидкокристаллических пленок (ЖК), противоположные поверхности которых имеют системы электродов, 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 содержащего систему обработки сигналов и управления, включающую, по крайней мере, один датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения, проходящего через фильтр к приемникам внешнего оптического излучения, по крайней мере, один процессор выработки решений, по крайней мере, один датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения относительно фильтра, и, по крайней мере, одну систему формирования, с выхода которой управляющие потенциалы распределяются между системами электродов соответствующих жидкокристаллических пленок (ЖК) для локального изменения свойств зон, заданных, по крайней мере, одним процессором выработки решений, при этом, при соответствующем сигнале системы обработки сигналов и управления, 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, по крайней мере, одного из ориентантов в одной, или в части, или во всех последовательно установленных жидкокристаллических пленках (ЖК), пространственную оптическую анизотропию, рассеивающую проходящее через фильтр излучение, и кроме того, содержит, по крайней мере, один облучатель (7), работающий в оптическом или в инфракрасном диапазоне, а также, с одной стороны каждой из жидкокристаллических пленок (10), системы электродов выполнены в виде последовательностей параллельно нанесенных, на одну из поверхностей оптически прозрачных подложек, между которыми заключены жидкокристаллические пленки (10), систем узких полос сеток, а, с противоположной стороны каждой жидкокристаллической пленки (10), в направлении, которое отличается от направления расположения систем электродов на другой поверхности, например, ортогонально, расположены системы широких, оптически прозрачных электродов (13) или системы электродов, в виде последовательностей параллельно нанесенных, на оптически прозрачные подложки, систем узких полос сеток, ячейки которых расположены напротив, симметрично, относительно ячеек, систем узких полос сеток на оптически прозрачных подложках с противоположной стороны жидкокристаллических пленок (10), при этом размер каждой ячейки нанесенных на оптически прозрачные подложки систем узких полос сеток, определяет размер апертуры формируемых в жидкокристаллических пленках (10) микролинз, при подаче на соответствующие электроды управляющих потенциалов, в Управляемом противослепящем рассеивающим фильтре (УПРФ), между жидкокристаллическими пленками, содержащими системы электродов, и рассеивающими ортогональные поляризационные составляющие слепящего излучения, при подаче потенциалов на соответствующие системы электродов, введен, по крайней мере, один оптически прозрачный экранирующий электрод (18).
2. Кроме того, со стороны жидкокристаллической пленки (10), дополнительно введены системы узких электродов (15), отделенные от первых оптически прозрачной, диэлектрической изолирующей пленкой.
3. Кроме того, введена система, корректирующая в соответствующих жидкокристаллических пленках (10) углы рассеяния излучения, превышающего заданный порог в горизонтальной плоскости, учитывающая расстояние между приемником излучения и фильтром.
4. Кроме того, содержит систему установки плавающего порога, которая определяет усредненную интенсивность отраженного поверхностью дороги излучения из ближней зоны и общую освещенность в данный момент времени, и вычисляет в соответствии с этим, и с учетом адаптационной характеристики глаз водителя, порог включения системы формирования в заданных зонах фильтра оптической анизотропии, а также величину управляющих потенциалов на соответствующих электродах.
5. Кроме того, фильтр установлен под углом к проходящему излучению (Фиг. 9), и содержит светопоглотитель, расположенный таким образом, что на него падает отраженное от поверхности фильтра со стороны водителя излучение.
6. Кроме того, жидкокристаллические пленки (10), ориентант, оптически прозрачные электроды (13), оптически прозрачный экранирующий электрод (18), и оптически прозрачное диэлектрическое вещество (11), между которым заключены жидкокристаллические пленки, оптически согласованы между собой для минимизации потерь проходящего излучения.
7. Кроме того, с выходной стороны содержит отражатель (17) внешнего оптического излучения (Фиг. 7).
8. Кроме того, содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего оптического излучения.
9. Кроме того, содержит анализатор спектрального состава принимаемого внешнего оптического излучения.
10. Кроме того, содержит светофильтр, корректирующий спектр проходящего внешнего оптического излучения.
11. 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.
12. Кроме того, внешние поверхности имеют просветляющее покрытие.
13. Кроме того, содержит систему поддержания температуры фильтра в рабочем интервале.
14. Кроме того, содержит систему, контролирующую состояние водителя транспортного средства, сопряженную с другими системами предупреждения аварийных ситуаций.
15. Кроме того, на оптически прозрачный фильтр выведена дополнительная, необходимая водителю информация.
Предлагаемое техническое решение поясняется с помощью Фиг. 1…Фиг. 12:
На Фиг. 1а показано рассеяние фильтром (3) УПРФ внешнего слепящего излучения (1) при превышении им заданного порога. На Фиг. 1b показана структурная схема фильтра УПРФ.
На Фиг. 1с показана структурная схема датчика фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения (ДФИН), с системой установки плавающего порога, в котором перед приемной матрицей установлен оптический аттенюатор, для стабилизации яркости излучения, отраженного от опорного участка дороги на заданном уровне, с учетом внешней освещенности.
На Фиг. 2а, b, с показаны фрагменты систем электродов выполненных в виде последовательностей параллельно нанесенных, на поверхности оптически прозрачных подложек, между которыми заключены жидкокристаллические пленки (10), систем узких полос сеток (14).
На Фиг. 2е показаны фрагменты дополнительных систем узких электродов.
На Фиг. 2е показаны фрагменты электродов в виде систем узких полос сеток (14) и ортогонально расположенные системы широких, оптически прозрачных электродов (13), между которыми устанавливается жидкокристаллическая пленка.
На Фиг. 2f показаны фрагменты электродов в виде систем узких полос сеток (14), расположенных взаимно ортогонально, между которыми устанавливается жидкокристаллическая пленка.
На Фиг. 2g, h, i показаны фрагменты систем узких электродов, содержащих отводы - системы узких, коротких электродов (14) [4].
На Фиг. 2j показаны фрагменты систем узких электродов, содержащих отводы-системы узких, коротких электродов (14) и ортогонально расположенные системы широких, оптически прозрачных электродов (13), между которыми устанавливается жидкокристаллическая пленка (10).
На Фиг. 2k показаны фрагменты систем узких электродов, содержащих отводы-системы узких, коротких электродов (14), расположенных взаимно ортогонально, между которыми устанавливается жидкокристаллическая пленка (10).
На Фиг. 3а показан возможный вариант взаимного расположения электродов в виде систем узких полос сеток (14), и дополнительных, узких электродов (15), разделенных оптически прозрачной изолирующей пленкой (12).
На Фиг. 3b показан фрагмент ЖК - пленки и системы узких, сетчатых электродов.
На Фиг. 4 показано рассеивание проходящего через фильтр излучения, сформированной в жидкокристаллической пленке линзой [10], с использованием нематических ЖК - пленок с гомеотропной ориентацией.
На Фиг. 5 показан фрагмент последовательностей ЖК - пленок (10), с изначально гомеотропно ориентированными молекулами, в которых при подаче на электроды соответствующих зон фильтра управляющих потенциалов, под действием профилей электрических полей, сформированных системой узких электродов, расположенных с обеих сторон каждой ЖК -пленки, содержащих системы узких полос сеток (14) (Фиг. 2а, b, с,) или отводы -системы узких, коротких электродов (Фиг. 2g, h, i) [4], формируется оптическая анизотропия, приводящая к рассеянию излучения соответствующих поляризационных составляющих.
На Фиг. 6 показан фрагмент последовательностей ЖК - пленок (10), с изначально гомеотропно ориентированными молекулами, в которых при подаче на электроды соответствующих зон фильтра управляющих потенциалов, под действием профилей электрических полей, сформированных системой электродов, содержащих системы узких полос сеток (14) (Фиг. 2а, b, с,) или отводы - системы узких, коротких электродов (Фиг. 2g, h, i) [4], расположенных с одной стороны ЖК - пленок, и системы оптически прозрачных широких электродов (13), расположенных с другой стороны ЖК -пленок, формируется оптическая анизотропия, приводящая к рассеянию излучения соответствующих поляризационных составляющих.
На Фиг. 7 показан фрагмент последовательностей ЖК - пленок (10), с изначально гомеотропно ориентированными молекулами, установленных на отражатель (17) в которых при подаче управляющих потенциалов на электроды соответствующих зон фильтра, рассеивается излучение соответствующих поляризационных составляющих.
На Фиг. 8 показан вариант козырька с выдвигающимся из него оптически прозрачным фильтром (3).
На Фиг. 9 показан вариант установки фильтра (3), под углом к проходящему через него излучению, для устранения возможных бликов от его поверхности со стороны водителя (4), с применением выдвигающегося светопоглотителя.
На Фиг. 10 показана ближняя зона излучения, "А" - зона поверхности дороги, по яркости которой и общей освещенности задается опора, относительно которой устанавливается порог срабатывания системы защиты от ослепления.
На Фиг. 11а показан вариант козырька с выдвигающимся из него оптически прозрачным фильтром (3).
На Фиг. 11b показан вариант совмещения оптической части фильтра УПРФ с лобовым стеклом транспортного средства.
На Фиг. 12 показан график рассеяния слепящего излучения зонами фильтра, при уровне порога, изменяющемся в соответствии с общей освещенностью и яркостью опорной области поверхности дороги, учитывающего адаптационную характеристику глаз водителя.
На Фиг. 1…Фиг. 11 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - источник внешнего оптического излучения,
2 - зоны фильтра, рассеивающие лучи внешнего оптического излучения,
3 - оптическая система фильтра УПРФ,
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 - излучатель, для подсветки приемников внешнего оптического излучения,
8 - система обработки сигналов и управления,
9 - датчик положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения (зрачков глаз водителя),
10 - жидкокристаллические пленки (ЖК),
11 - оптически прозрачное диэлектрическое вещество - тонкие оптически прозрачные подложки,
12 - оптически прозрачная изолирующая пленка,
13 - системы оптически прозрачных широких электродов,
14 - электроды в виде систем узких полос сеток или системы узких, коротких электродов,
15 - дополнительные, системы узких электродов,
16 - просветляющее покрытие,
17 - отражатель,
18 - оптически прозрачный экранирующий электрод,
19 - датчик внешней освещенности,
20 - блок обработки данных датчиков фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения,
21 - блок обработки данных датчиков положения в пространстве приемников внешнего оптического излучения (зрачков глаз водителя),
22 - интерфейс связи системы обработки сигналов и управления с оптической системой фильтра,
23 - вход датчика внешней освещенности,
24 - вход установки плавающего порога,
25 - аттенюатор,
26 - светопоглотитель,
27 - линзы,
28 - приемная матрица (матрицы),
29 - выход горизонтальной поляризационной составляющей излучения,
30 - усилители,
31 - выход вертикальной поляризационной составляющей излучения,
32 - распределитель поляризационных составляющих излучения,
33 - решающее устройство,
34 - ориентант,
35 - установка параметров системы обработки сигналов и управления. Таким образом, Управляемый противослепящий рассеивающий фильтр
(УПРФ) (Фиг. 1) содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек (11) и последовательностей жидкокристаллических пленок (ЖК) (10), противоположные поверхности которых имеют системы электродов (СЭ) (13, 14, 15), 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, а также, молекулы ЖК (10) формируют посредством одного из ориентантов пространственную оптическую анизотропию, для каждой из ортогональных поляризационных составляющих проходящего через фильтр внешнего оптического излучения, системы электродов выполнены в виде последовательностей параллельно нанесенных, на поверхности оптически прозрачных подложек, между которыми заключены жидкокристаллические пленки (10), систем узких полос сеток, ячейки которых расположены напротив, симметрично, относительно ячеек, систем узких полос сеток на оптически прозрачных подложках с противоположной стороны жидкокристаллических пленок (10), размер каждой ячейки систем узких полос сеток, определяет размер апертуры формируемых в жидкокристаллических пленках (10) микролинз, а также, содержит системы широких, оптически прозрачных электродов (13), и кроме того, содержит, по крайней мере, один облучатель (7) работающий в оптическом или в инфракрасном диапазоне, введен, по крайней мере, один оптически прозрачный экранирующий электрод (18), и, дополнительно, параллельно электродам (14), расположены дополнительные, узкие электроды (15), отделенные от первых оптически прозрачной диэлектрической изолирующей пленкой (12), введена система, корректирующая в последовательностях жидкокристаллических пленок (10) углы рассеяния излучения, а также, ориентант ориентирует молекулы жидких кристаллов (10) однотипно, содержит систему установки плавающего порога, и установки относительно ее, порога включения системы формирования оптической анизотропии, фильтр (3) установлен под углом к проходящему излучению, и содержит светопоглотитель, ЖК - пленки, ориентант и оптически прозрачное диэлектрическое вещество - тонкие оптически прозрачные подложки (11) оптически согласованы между собой, содержит отражатель (17) 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 (16), а также содержит систему поддержания температуры УПРФ в рабочем интервале, систему, контролирующую состояние водителя транспортного средства, сопряженную с другими системами предупреждения аварийных ситуаций и на оптически прозрачный фильтр выведена дополнительная, необходимая водителю информация.
Устройство работает следующим образом:
Управляемый противослепящий рассеивающий фильтр (УПРФ) (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 (Фиг. 11а), 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 (Фиг. 11b), 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, 14, 15) соответствующих жидкокристаллических пленок (10), 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, например, 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 (1).
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, например, могут подсвечиваться через кадр, с последующем вычитании следующих друг за другом кадров, а для устранения отражений от линз очков - облучатель может излучать одну поляризацию, а ДПП принимать 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, 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, управляемый решающим устройством (РУ) (Фиг. 1с).
Оптическая система фильтра (3) (Фиг. 1) содержит последовательно установленные оптически прозрачные системы (Фиг. 5…Фиг. 7) с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества - тонких оптически прозрачных подложек (11) и последовательностей жидкокристаллических (ЖК) пленок (10) толщиной, например, 10…150 мкм, противоположные поверхности которых имеют системы электродов, которые выполнены в виде последовательностей параллельно нанесенных, на поверхности оптически прозрачных подложек, между которыми заключены жидкокристаллические пленки (10), систем узких полос сеток (14) (Фиг. 2а, b, с, f, Фиг. 5), шириной, например, 0,5…2 мм каждая, или систем узких электродов, содержащих отводы - системы узких, коротких электродов (Фиг. 2g, h, i) [4], или на одной из сторон могут быть нанесены оптически прозрачные электроды (13) (Фиг. 2е, g, Фиг. 6), шириной, например, 0,5…2 мм, прозрачность которых может быть выше 91…99% [7, 8], расположение которых на одной поверхности, отличается от расположения их на другой поверхности, например, ортогональны.
При этом поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества (11) 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) [6].
Таким образом, каждая из поляризационных составляющих внешнего оптического излучения проходит, по крайней мере, через одну согласованную с ней, посредством ориентанта жидкокристаллическую пленку (10), а молекулы жидкокристаллических пленок фильтра (3), при соответствующих управляющих потенциалах системы обработки сигналов и управления, 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 [9, 10].
В основу работы фильтра положено свойство линзы рассеивать проходящее через нее излучение, что осуществляется формированием в заданных зонах жидкокристаллических пленок множества микролинз.
В Управляемом противослепящем рассеивающем фильтре (УПРФ), с одной стороны каждой из жидкокристаллических пленок (10), системы электродов выполнены в виде последовательностей параллельно нанесенных, на одну из поверхностей оптически прозрачных подложек, между которыми заключены жидкокристаллические пленки (10), систем узких полос сеток (Фиг. 2а, b, с) или систем узких электродов, содержащих отводы - системы узких, коротких электродов (Фиг. 2g, h, i) [4], а, с противоположной стороны каждой жидкокристаллической пленки (10), в направлении, которое отличается от направления расположения систем электродов на другой поверхности, например, ортогонально, расположены системы широких, оптически прозрачных электродов (13) (Фиг. 2е) или системы электродов, в виде последовательностей параллельно нанесенных, на оптически прозрачные подложки, систем узких полос сеток (Фиг. 2а, b, с), ячейки которых расположены напротив, симметрично, относительно ячеек, систем узких полос сеток на оптически прозрачных подложках с противоположной стороны жидкокристаллических пленок (10), при этом размер каждой ячейки нанесенных на оптически прозрачные подложки систем узких полос сеток, определяет размер апертуры формируемых в жидкокристаллических пленках (10) микролинз, при подаче на соответствующие электроды управляющих потенциалов и может составлять, например, 100…600 мкм, или систем узких электродов, содержащих отводы - системы узких, коротких электродов (Фиг. 2g, h, i) [4], в которых под действие управляющих потенциалов по периметру ячеек, формируется оптическая анизотропия, и соответственно, проходящее излучение рассеивается в вертикальной и горизонтальной плоскостях, обеспечивая максимальное ослабление проходящего излучения.
При этом между жидкокристаллическими пленками (10), содержащими системы электродов, и рассеивающими ортогональные поляризационные составляющие слепящего излучения, при подаче потенциалов на соответствующие системы электродов, введен, по крайней мере, один оптически прозрачный экранирующий электрод (18).
При необходимости рассеивания одной из поляризационных составляющих излучения, возможно существенное влияние управляющих потенциалов на соседнюю ЖК - пленку, предназначенную для рассеивания ортогональной поляризационной составляющей излучения, что приведет к некоторому рассеянию и этой поляризационной составляющей, что в некоторых случаях ухудшит прохождение через эти зоны фильтра полезной, информативной составляющей излучения, например, в случаях отражения солнечного или другого излучения от мокрой поверхности дороги, водоема или других отражающих поверхностей, ослепляющая поверхность имеет большую площадь, при этом отражается и слепит водителя преимущественно одна из поляризационных составляющих излучения - горизонтальная.
Рассеивая только эту, горизонтальную поляризационную составляющую излучения, фильтр работает в соответствующих зонах, как поляризационный фильтр, пропускает без потерь вторую, не слепящую, информативную составляющую излучения, и позволяет сохранить хорошую видимость дороги и в этой области.
И соответственно для уменьшения влияния управляющих потенциалов соседних ЖК - пленок, рассеивающих ортогональные поляризационные составляющие, необходимо их пространственно разносить, а это приведет к существенному увеличению толщины и утяжелению оптической части фильтра (3), что усложнит конструкцию и неприемлемо, например, при совмещении фильтра с лобовым стеклом транспортного средства, установки фильтра на шлеме козырька мотоциклиста или в очках.
В случае многочисленных источников излучения, яркость которых превышает установленный порог, и/или протяженных источников слепящего излучения сложной формы, последовательная подача управляющих потенциалов в соответствующие зоны ЖК - пленок потребует значительного времени, ввиду инерционности молекул ЖК, время включения которых составляет 20…100 мс, и кроме того, необходимо учитывать время релаксации молекул ЖК после снятия управляющих потенциалов, которое потребует возобновления подачи потенциалов в соответствующие зоны ЖК - пленок фильтра.
При этом, излучение этих источников может быть разной интенсивности, а также, неполяризованным, частично поляризованным, или поляризованным в вертикальной и/или горизонтальной плоскостях, и соответственно, необходимо подавать управляющие потенциалы различной величины, в разные зоны ЖК - пленок, рассеивающих ортогональные поляризационные составляющие излучения, что приведет к взаимному влиянию управляющих потенциалов на молекулы соседней ЖК - пленки, на зоны, которые не должны воздействовать на проходящее через фильтр излучение.
Таким образом, невысокое быстродействие электрооптического отклика для ЖК, определяющееся временем переориентации молекул ЖК, а также время релаксации молекул при снятии управляющих потенциалов, не позволят существенно увеличить тактовую частоту и одновременно, последовательно управлять ЖК - пленками, рассеивающими ортогональные поляризационные составляющие излучения, в случаях многочисленных и/или протяженных источников слепящего излучения.
Введение оптически прозрачного экранирующего электрода (18) между ЖК - пленками (10), рассеивающими ортогональные поляризационные составляющие излучения, устранит влияние управляющих потенциалов на соседнюю ЖК - пленку, и позволит одновременно и независимо подавать потенциалы на электроды соседних ЖК - пленок (10), рассеивающих ортогональные поляризационные составляющие слепящего излучения, снизив тактовую частоту, а также выполнить оптическую часть фильтра (3) тонкой и легкой, а при необходимости и гибкой, что имеет значение, и, с точки зрения, безопасности конструкции оптической части фильтра (3).
Дополнительно, со стороны жидкокристаллической пленки (10), введены системы узких электродов (15) (Фиг. 2d), отделенные от систем узких полос сеток (Фиг. 2а, b, с) оптически прозрачной, диэлектрической изолирующей пленкой (12) (Фиг. 3а).
При этом, при недостаточно интенсивном слепящем излучении, система обработки сигналов и управления подает управляющие потенциалы, только на соответствующие, дополнительные узкие электроды (15), которые формируют в заданных зонах фильтра системы линз, существенно соответствующих цилиндрическим линзам, рассеивающих слепящее излучение в вертикальной плоскости, исключая попадания этого излучения в соседний глаз водителя. С ростом интенсивности слепящего излучения, система обработки сигналов и управления подключает к работе системы электродов, в виде последовательностей параллельно нанесенных, на оптически прозрачные подложки, систем узких полос сеток (14) (Фиг. 2а, b, с), изменяя на них величину потенциала, в зависимости от интенсивности слепящего излучения, что приводит к его рассеиванию и в горизонтальной плоскости, увеличивая, таким образом, при необходимости, площадь рассеяния до максимальной.
И таким образом, для каждой из ортогональных поляризационных составляющих проходящего через фильтр внешнего оптического излучения, в соответствующих зонах фильтра, при превышении внешним оптическим излучением заданного порога на приемниках излучения, под действием управляющих потенциалов формируются системы линз, согласованных посредством ориентанта с соответствующей поляризационной составляющей излучения, цилиндрических, рассеивающим излучение в вертикальной плоскости, и/или существенно соответствующих сферическим, рассеивающим излучение как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости, обеспечивая максимальное рассеяние (площадь рассеяния) слепящего излучения.
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 всех источников слепящего излучения, различной интенсивности.
Дополнительно, введена система, корректирующая в соответствующих жидкокристаллических пленках (10), углы рассеяния излучения, превышающего заданный порог в горизонтальной плоскости, относительно положения каждого из зрачков глаз водителя, учитывающая расстояние между приемником излучения и фильтром для исключения при возможности (когда слепящее излучение не достаточно велико) попадания в область зрачков части рассеянного слепящего излучения из соседней рассеивающей зоны.
При этом последовательная установка систем управляемых посредством электродов ЖК - пленок для рассеяния поляризационных составляющих слепящего излучения, позволит при минимальной толщине фильтра, получить управляемое, независимое для каждой рассеивающей зоны фильтра, ослабление слепящего излучения на приемнике (глаза водителя) в 10…100…1000 раз и более. В таблице №1 показано снижение слепящего излучения на зрачках глаз водителя в зависимости от расстояния (D, мм) до рассеивающих линз фильтра, где α = 23 - максимальный угол рассеяния слепящего излучения при применении одной ЖК - пленки для каждой поляризационной составляющей излучения, и α = 45 - максимальный угол рассеяния слепящего излучения при применении двух, последовательно установленных ЖК - пленок для каждой поляризационной составляющей излучения, при этом возможное частичное прохождение излучения вблизи электродов, в патенте УПФ [3] решается взаимным сдвигом электродов в этих ЖК - пленках на половину апертуры формируемых линз.
S1/S2 - отношение площади рассеяния слепящего излучения к площади зрачков глаз водителя для углов максимального рассеяния соответственно 23 и 45 градусов.
В исходном состоянии, при отсутствии внешнего слепящего излучения, на электроды не подаются управляющие потенциалы, в ЖК - пленках отсутствует оптическая анизотропия и фильтр (3) прозрачен.
При наличии внешнего слепящего излучения и превышении им заданного порога, датчик/датчики фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН) (6) (Фиг. 1с) 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, 14, 15), 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 УПРФ под действием локально модулируемого этими сигналами электрического поля изменяют свою ориентацию в пространстве, 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 линз (Фиг. 5…Фиг. 7), а изменение потенциалов на электродах (13, 14, 15), формирующих системы линз приведет к управляемому изменению их фокусного расстояния и соответственно степени рассеяния слепящего излучения.
На Фиг. 4 показано рассеивание проходящего излучения сформированной в жидкокристаллической пленке линзой [10], с использованием нематических ЖК - пленок с гомеотропной ориентацией, где для зрачка диаметром 8 мм, диаметр рассеиваемой области на расстоянии 500 мм от фильтра составляет 420 мм, и соответственно отношение площади рассеивания слепящего излучения к площади зрачка глаз составит 2800.
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 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, и общую освещенность в данный момент времени, в непрерывном режиме, и вычисляет в соответствии с этим, и с учетом адаптационной характеристики глаз водителя, порог включения системы формирования в заданных зонах фильтра оптической анизотропии, а также величину управляющих потенциалов на соответствующих электродах.
На Фиг. 10 показана ближняя зона излучения, "А" - зона поверхности дороги, по яркости которой, с учетом общей освещенности, задается опора, относительно которой устанавливается порог срабатывания системы защиты от ослепления, а, "В" - зона приемной матрицы (ДФИН) (6), дающая информацию об уровне плавающей опоры - усредненной интенсивности отраженного излучения в данный момент времени областью "А" поверхности дороги, системы защиты от ослепления, учитывающей 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.
ДФИН может быть выполнен, например, с использованием одной цветной матрицы, или может быть выполнен на двух матрицах, перед которыми 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 установка параметров системы обработки сигналов и управления (35) (Фиг. 1а), а также ручная корректировка уровня порога.
Возможно введение датчиков дождя, для автоматической корректировки уровня порога.
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 и фиксации дорожной обстановки.
Для устранения возможных бликов от поверхности фильтра (3) со стороны водителя (4), фильтр установлен под углом к проходящему через него излучению (Фиг. 9), например, под углом 30 град, относительно вертикали, и содержит светопоглотитель, который может выдвигаться вместе с фильтром, расположенный таким образом, что на него падает отраженное от поверхности фильтра со стороны водителя излучение.
Для повышения прозрачности фильтра, жидкокристаллические пленки (10), ориентант, оптически прозрачные электроды (13), оптически прозрачный экранирующий электрод (18), и оптически прозрачное диэлектрическое вещество (11), между которым заключены жидкокристаллические пленки, оптически согласованы между собой, а также с жидкокристаллическими пленками для минимизации потерь проходящего излучения.
При установке с выходной стороны фильтра УПРФ отражателя внешнего оптического излучения (Фиг. 7), 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, 14, 15), в заданных процессором зонах фильтра (3) при превышении внешним оптическим излучением порога, формируются системы линз 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, в зеркалах Фиг. 7, изменение фокусного расстояния систем 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 (Фиг. 7) и для фильтра Фиг. 1, расположенного перед глазами водителя (4) транспортного средства, в передней полусфере.
3
Представленная таблица №2 (для транспортных средств с включенным "дальним" светом) 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 - 10 град., и встречного - 10 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 дальнем светом, водители, не подвергаясь ослеплению, могут просматривать дорогу на расстоянии, более 100 метров, с учетом того, что максимальный диапазон интенсивности света, который соответствует динамическому диапазону зрительной системы человека, составляет около 10000:1 (около 4 порядков).
А при переключении света фар транспортных средств с дальнего на ближний, луч опускается и освещает полотно дороги на расстоянии до 50…70 метров, 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 (Фиг. 12).
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, габаритных огней, "стоп" - сигналов транспортных средств или других сигналов.
При необходимости изменить спектральный состав принимаемого излучения содержит светофильтр, корректирующий его спектр.
УПРФ построенный по данной технологии может быть выполнен достаточно тонким, что позволит на его основе построить опускающийся козырек на шлеме, например, мотоциклиста.
При применении фильтра в виде козырька на шлеме или очков, блок управления, процессор выработки решений и другие узлы, могут быть выведены за пределы их конструкции 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, существенно облегчить их вес, габариты, а при автономном питании 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 УПРФ в жестких климатических условиях, например, мотоциклистом в холодное время года, введена система поддержания температуры фильтра (3) в рабочем интервале температур, где в качестве подогревающего элемента может быть использован оптически прозрачный экранирующий электрод (18).
Дополнительно, содержит систему, контролирующую состояние водителя транспортного средства по движению век и направлению взгляда, сопряженную с другими системами предупреждения аварийных ситуаций, например, системой автоматического торможения, что является весьма надежной и точной мерой, позволяющей предупредить водителя транспортного средства о возможности неконтролируемого сна или критического ослабления внимания во время движения.
Кроме того, на оптически прозрачный фильтр выведена дополнительная, необходимая водителю для безопасного движения информация, например, о наличие вблизи других транспортных средств и их скорости, дублирование показаний приборов и т.п..
Таким образом, фильтр УПРФ 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 установленного сектора обзора, если его интенсивность превышает заданный порог, причем степень рассеяния зависит от яркости каждого из источников внешнего оптического излучения.
Использование изобретения позволит:
Существенно повысить безопасность движения транспортных средств, при использовании технологичного и эффективного управляемого противослепящего фильтра УПРФ, независимо рассеивающего поляризационные составляющие входящего излучения, яркость которых превышает заданный порог и прозрачный для других направлений.
ЛИТЕРАТУРА.
1. US Patent 5.422.756. G02B 005/3, 18.05.1992.
2. РФ Патент 2.077.069, С1, кл. 6 G02C 7/10, B60J 3/06, 10.04.1997.
3. РФ Патент 2.530.172, кл. 7 G02B 5/30, B60J 3/06, 20.05.2013.
4. РФ Патент 2.609.278, кл. 7 G02B 5/30, B60J 3/06, 12.11.2015.
5. РФ Патент 2.607.822, кл. 7 G02B 5/30, B60J 3/06, 15.04.2016.
6. 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.
7. Study of the growth of conductive single-wall carbon nanotube films with ultra-high transparency. Dachuan Shi, Daniel E. Resasco Chemical Physics Letters 511 (2011) 356-362.
8. Твердые растворы на основе оксида цинка для прозрачных электродов. Гаськов A.M., Воробьева Н.А., Жукова А.А., Кривецкий В.В., Марикуца А.В., Петухов И.А., Шатохин А.Н. Кафедра неорганической химии МГУ, 31.12.2014.
9. High-resistance liquid-crystal lens array for rotatable 2D/3D autostereoscopic display.
Yu-Cheng Chang, Tai-Hsiang Jen, Chih-Hung Ting, and Yi-Pai Huang. Department of Photonics & Institute of Electro-Optical Engineering, National Chiao Tung University, Hsinchu 30010, Taiwan. 2014 Optical Society of America.
10. An Autostereoscopic Device for Mobile Applications Based on a Liquid Crystal Microlens Array and an OLED Display. Jose Francisco Algorri, Virginia Urruchi del Pozo, Jose Manuel Sanchez-Pena, Jose Manuel Oton. September 2014.