АДАПТИВНЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ФИЛЬТР (АПФ)
ADAPTIVE POLARISATION FILTER (APF)

Изобретение относится к устройствам защиты от ослепления и может использоваться в антиослепительных системах, базирующихся в своей работе как на поляризованном, так и на неполяризованном излучении для обеспечения безопасности, и, в частности, для обеспечения безопасности движения транспортных средств.
Известны устройства для транспортных средств, использующие фильтр для защиты от излучения [1, 2, 3], а также использующие козырек или очки для защиты от поляризованного и неполяризованного излучения [4, 5].
Недостатками известных устройств являются большие потери принимаемого излучения [1, 2], существенная засветка глаз при рассеивании излучения [3], а также возможные помехи от бокового излучения и неодинаковость отражения ортогональных поляризационных составляющих излучения [4, 5].
Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является "Адаптивный поляризационный рефлекторный фильтр" [5], содержащий поляризационный отражающий фильтр и, по крайней мере, один приемник излучения.
Недостатки прототипа.
1. При наклонном падении внешнего бокового излучения на пилообразные структуры фильтра, ортогонально вершинам их, при отражении этого излучения от поверхностей структуры возможно попадание его на приемник излучения, что может быть ошибочно идентифицировано как излучение источника встречного транспортного средства, а применение в отражающих структурах фильтра светопоглощающих перегородок, защищающих от бокового излучения, усложнит устройство и может вызвать дополнительные помехи видимости (блики).
2. При применении отражающих структур на основе многослойных пленок с различными показателями преломления с использованием жидких кристаллов (ЖК) в одной из последовательно установленных отражающих структур в режиме "отражение" большие оси молекул ЖК расположены в горизонтальной плоскости, ортогонально нормально падающему излучению и их показатели преломления для одной из поляризационных составляющих излучения будут изменяться в зависимости от угла падения слепящего излучения в азимутальной плоскости, что отрицательно скажется на эффективности работы отражающих структур, и в значительной мере это проявится при применении фильтра в боковых зеркалах транспортных средств.
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 рефлекторного фильтра" (АПРФ), содержащего, по крайней мере, две последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), противоположные поверхности каждой из которых имеют системы оптически прозрачных электродов (СОПЭ), расположение которых на одной поверхности отличается от расположения их на другой поверхности, причем поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат, по крайней мере, один ориентант, ориентирующий молекулы ЖК в заданном направлении, а показатели преломления пленок двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК близки к показателям преломления оптически прозрачного диэлектрического вещества для оптического излучения, падающего на поверхность фильтра при расположении больших осей молекул ЖК вдоль направления этого излучения, и соответственно, различаются в каждой из, по крайней мере, двух последовательно установленных оптически прозрачных систем для одной из ортогональных поляризационных составляющих оптического излучения, при изменении расположения больших осей молекул ЖК в направлении, заданном, по крайней мере, одним ориентантом, а также содержащий систему обработки сигналов и управления, включающую датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН), падающего на фильтр и далее на приемник оптического излучения, процессор выработки решений, датчик фиксации положения приемника (ДФПП) оптического излучения относительно фильтра и, по крайней мере, одно управляющее устройство, с выхода которого управляющие сигналы распределяются между системами оптически прозрачных электродов (СОПЭ) для локального изменения свойств зон, заданных процессором выработки решений для каждой из, по крайней мере, двух последовательно установленных оптически прозрачных систем, при этом молекулы двулучепреломляющего вещества, имеющие начальную ориентацию, при которой оптическое излучение беспрепятственно проходит через них, и расположенные в зоне прохождения через фильтр к, по крайней мере, одному приемнику оптического излучения, интенсивность которого превышает заданный датчиком фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения порог, изменяют свою ориентацию в пространстве, в адаптивном поляризационном фильтре (АПФ), по крайней мере, две последовательно установленные оптически прозрачные системы, ослабляющие интенсивность оптического излучения, проходящего через них, выполнены и расположены однотипно, а ориентант в каждой из них согласует большие оси молекул двулучепреломляющего вещества на ЖК с соответствующей поляризационной составляющей проходящего оптического излучения таким образом, что для одной или обоих поляризационных составляющих входного излучения выполняются условия рассеяния и/или отражения.
2. Кроме того, между, по крайней мере, двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами введен вращатель плоскости поляризации.
3. Кроме того, электроды системы оптически прозрачных электродов (СОПЭ) с одной стороны каждой из последовательно установленных оптически прозрачных систем выполнены широкими, а электроды с другой стороны установлены ортогонально им, и при подаче на них управляющих сигналов формируют в пленках двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК цилиндрические линзы, фокусное расстояние которых зависит от формирующих их управляющих сигналов.
4. Кроме того, вращатель плоскости поляризации содержит, по крайней мере, одну систему оптически прозрачных электродов.
5. Кроме того, с выходной стороны содержит светопоглотитель.
6. Кроме того, с выходной стороны содержит отражатель оптического излучения.
7. Кроме того, дополнительно содержит, по крайней мере, один жидкокристаллический слой, обладающий эффектом управляемого рассеяния света.
8. 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.
9. Кроме того, поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат электрически управляемые согласующие, просветляющие пленки, а его показатель преломления меньше минимального значения показателя преломления двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК с положительной диэлектрической анизотропией и больше максимального значения показателя преломления двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией, при этом величина показателя преломления электрически управляемых согласующих, просветляющих пленок имеет промежуточное значение между показателями преломления для поляризации оптического излучения, совпадающей с длинной осью молекул ЖК двулучепреломляющего вещества и ей ортогональной.
10. Кроме того, содержит датчик оценки средней интенсивности оптического излучения.
11. Кроме того, содержит анализатор спектрального состава принимаемого оптического излучения.
12. Кроме того, содержит светофильтр, корректирующий спектр проходящего оптического излучения.
13. Кроме того, внешние поверхности имеют просветляющее покрытие.
14. Кроме того, содержит систему поддержания температуры АПФ в рабочем интервале.
Предлагаемое техническое решение поясняется с помощью Фиг.1 - Фиг.7.
На Фиг.1 показан фрагмент фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с рассеивающими оптическое излучение структурами, с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества во взаимно ортогональных направлениях, в которых под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием.
На Фиг.2а, b, с показаны фрагменты двух последовательно установленных оптически прозрачных систем с пилообразными отражающими структурами, между которыми введен управляемый внешним электрическим полем вращатель плоскости поляризации, и их работа при наличии и отсутствии внешнего управляющего потенциала на оптически прозрачных электродах, где на Фиг.2а ортогональные поляризационные составляющие внешнего оптического излучения последовательно отражаются соответственно от первой и второй отражающих структур, а на Фиг.2b, с соответственно одна из поляризационных составляющих внешнего оптического излучения отражается от первой или второй отражающей пилообразной структуры.
На Фиг.3а, b показаны фрагменты АПФ, который установлен на лобовое стекло транспортного средства (или совмещен с ним), содержащие две однотипно построенные оптически прозрачные системы с отражающими структурами с управляемым коэффициентом отражения и с вращателем плоскости поляризации между ними, причем на Фиг.3а дополнительно введен жидкокристаллический слой (18), обладающий эффектом динамического рассеяния света (ДРС).
На Фиг.3с, d показаны фрагменты двух последовательно установленных оптически прозрачных систем с отражающими структурами на основе чередующихся слоев оптически прозрачных диэлектрических пленок и пленок на ЖК, с вращателем плоскости поляризации между ними, и их работа при наличии и отсутствии внешнего управляющего потенциала на оптически прозрачных электродах.
На Фиг.3е показан фрагмент двух последовательно установленных оптически прозрачных систем фильтра АПФ, выполненный с использованием двух слоев ЖК, обладающих эффектом ДРС с асимметричной индикатрисой, для каждой из ортогональных поляризационных составляющих оптического излучения.
На Фиг.3f, g, h показан фрагмент фильтра АПФ соответственно с двумя и четырьмя последовательно установленными оптически прозрачными системами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК (Фиг.3f, g) и планарной (Фиг.3h) и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества в одном направлении, с вращателем плоскости поляризации между ними, в которых под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием», причем в фильтре Фиг.3g в каждой из систем введен дополнительный ЖК-слой, в котором система оптически прозрачных электродов сдвинута в вертикальной плоскости, а в фильтре Фиг.3h введены дополнительные системы оптически прозрачных электродов.
На Фиг.4а, b показан фрагмент зеркала транспортного средства на основе фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с отражающими структурами на основе чередующихся слоев оптически прозрачных диэлектрических пленок и пленок на ЖК с оптически прозрачными электродами, вращателем плоскости поляризации между ними и светопоглотителем с выходной стороны фильтра и его работа (зоны "А" и "В") при наличии и отсутствие внешнего управляющего потенциала на оптически прозрачных электродах, а зеркало Фиг.4b содержит дополнительную систему оптически прозрачных электродов.
На Фиг.4с показан фрагмент зеркала транспортного средства на основе фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с рассеивающими структурами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества во взаимно ортогональных направлениях, в которых под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием и отражателем с выходной стороны фильтра.
На Фиг.4d показан фрагмент зеркала транспортного средства на основе фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества в одном направлении, с вращателем плоскости поляризации между ними, в которых под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК - линзы с изменяемым фокусным расстоянием и отражателем с выходной стороны фильтра.
1,2,3,4
1
2
31
1
2
31
На Фиг.5а…Фиг.5f показаны фрагменты многослойной отражающей структуры и прохождение оптического излучения через них для различных положений больших осей молекул ЖК, причем Фиг.5с…Фиг.5f содержат дополнительные слои электрически управляемых согласующих, просветляющих пленок (зоны "А"), и кроме того, на Фиг.5с и Фиг.5d используется планарное расположение молекул ЖК (N<N<N), а на Фиг.5е, и Фиг.5f соответственно гомеотропное, (N>N>N).
На Фиг.6 показана эквивалентная схема работы АПФ, где А - плоскость, соответствующая выходной плоскости датчика фиксации направлений, в котором введена коррекция с учетом двух приемников, В - отражающий фильтр АПФ, С - плоскость, соответствующая выходной плоскости датчика положения приемников.
На Фиг.7а, b показано расположение на совмещенном фильтре-козырьке транспортного средства фильтра АПФ, датчика фиксации положения приемника излучения (ДФПП) и ДФИН (7), соответственно вид сбоку и со стороны водителя.
На Фиг.1 - Фиг.7 и в тексте приняты следующие обозначения:
1 - пилообразные структуры на основе оптически прозрачного диэлектрического вещества,
2 - двулучепреломляющее вещество,
3 - системы оптически прозрачных электродов,
4 - вращатель плоскости поляризации,
5 - просветляющее покрытие,
6 - оптически прозрачное диэлектрическое вещество,
7 - светопоглотитель,
8 - дополнительная система оптически прозрачных электродов,
9 - система оптически прозрачных электродов, общая для обеих структур, ослабляющих излучение, проходящее к приемнику,
10 - приемник излучения,
11 - источник внешнего оптического излучения,
12 - зоны АПФ отражающие лучи внешнего оптического излучения, которое направлено к приемнику излучения,
13 - совмещенный фильтр-козырек,
14 - датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих внешнего оптического излучения,
15 - датчик фиксации положения приемника,
16 - адаптивный поляризационный фильтр,
17 - структуры, ослабляющие излучение, проходящее к приемнику,
18 - жидкокристаллический слой, обладающий эффектом динамического рассеяния света (ДРС),
19 - отражатель (зеркало).
Таким образом, адаптивный поляризационный фильтр (АПФ) (Фиг.7) содержит, по крайней мере, две последовательно установленные оптически прозрачные системы с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК, противоположные поверхности которых содержат системы оптически прозрачных электродов (СОПЭ) (3), направление расположения которых на одной поверхности отличается от направления расположения их на другой поверхности, поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат, по крайней мере, один ориентант, структуры АПФ выполнены и расположены однотипно, а также содержит систему обработки сигналов и управления, включающую датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН), процессор выработки решений, датчик фиксации положения приемника оптического излучения (ДФПП) и, по крайней мере, одно управляющее устройство, а также дополнительно содержит вращатель плоскости поляризации, электроды широкие и электроды, формирующие цилиндрические линзы, дополнительную систему оптически прозрачных электродов (ДСОПЭ), светопоглотитель, отражатель оптического излучения, по крайней мере, один жидкокристаллический слой (18), обладающий эффектом управляемого рассеяния света, выполнен в виде очков и содержит корпус очков и внешний блок, оптически прозрачное вещество с меньшим или с большим показателем преломления, имеющее просветляющее покрытие, электрически управляемые согласующие, просветляющие пленки, содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего излучения, анализатор спектрального состава, светофильтр, внешние поверхности АПФ имеют просветляющее покрытие, а также содержит систему поддержания температуры АПФ.
Устройство работает следующим образом:
Адаптивный поляризационный фильтр (АПФ) укреплен в транспортном средстве 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 (Фиг.7) или установлен на лобовом стекле транспортного средства (или совмещен с лобовым стеклом). При этом внешнее оптическое излучение падает на, по крайней мере, две последовательно установленные оптически прозрачные системы, содержащие взаимно независимые структуры, ослабляющие интенсивность соответствующих поляризационных составляющих оптического излучения, проходящего через них к, по крайней мере, одному приемнику оптического излучения - рассеивающие и/или отражающие, с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов, с управляемым коэффициентом ослабления, которые выполнены и расположены однотипно, а ориентант в каждой из них в режимах управляемого коэффициента ослабления согласует большие оси молекул двулучепреломляющего вещества на ЖК с соответствующей поляризационной составляющей проходящего оптического излучения.
Предложены структуры, рассеивающие и/или отражающие приходящее оптическое излучение.
На Фиг.1 показан фильтр АПФ, выполненный с использованием ЖК- пленок, в которых под действием внешнего управляющего потенциала на системе оптически прозрачных электродов в соответствующих зонах фильтра формируются фокусирующие (рассеивающие) оптическое излучение цилиндрические линзы [6, 7]. Начальная ориентация больших осей молекул в пленках ЖК устанавливается параллельно приходящему излучению и может быть гомеотропной или наклонной (в случае установки фильтра на лобовое стекло транспортного средства), а в случае применения ЖК с планарной ориентацией (Фиг.3h) вводятся дополнительные электроды (8), потенциалы (или управляющие сигналы), на которых обеспечивают соответствующую ориентацию молекул. При этом показатели преломления ЖК-пленок и оптически прозрачного диэлектрического вещества для проходящего через них излучения будут близки, и фильтр беспрепятственно пропустит его.
С одной стороны ЖК-пленок электроды могут быть выполнены широкими, близкими по размеру к апертуре цилиндрических линз, а с другой стороны ортогонально расположены управляющие и формирующие линзу узкие электроды, причем они расположены в горизонтальной плоскости, что позволяет рассеивать в соответствующей зоне фильтра превышающее порог излучение в вертикальной плоскости таким образом, чтобы оно не попадало на второй (соседний) приемник излучения (глаза водителя), а изменение потенциалов на оптически прозрачных электродах, формирующих линзы, приводит к изменению их фокусного расстояния и соответственно степени рассеяния слепящего излучения. В фильтре Фиг.1, ориентант определяющий направление наклона молекул ЖК при подаче управляющих потенциалов на оптически прозрачные электроды в обеих оптически прозрачных системах, нанесен на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества во взаимно ортогональных направлениях. На Фиг.3f, g показан фрагмент фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК с напылением на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества, например углеродных нанотрубок, и формированием ориентирующей поверхности обработкой поверхностной электромагнитной волной (ПЭВ) [8] в каждой из них в одном направлении, с вращателем плоскости поляризации между ними, согласующим фильтр с соответствующей плоскостью поляризации приходящего излучения, в которых под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием, причем в фильтре Фиг.3g в каждой из систем введен дополнительный ЖК-слой, в котором система оптически прозрачных электродов сдвинута в вертикальной плоскости. Этот слой может иметь существенно меньшую эффективность, но достаточную для рассеяния части излучения, прошедшего через первую систему линз в местах, где технологически трудно обеспечить достаточную эффективность линз, например вблизи управляющих электродов.
Для предупреждения возможного экранирования ввиду электропроводности слоев углеродных нанотрубок они могут быть нанесены на поверхность оптически прозрачного диэлектрического вещества с разрывами, параллельно узким электродам, а в ортогональной плоскости совмещены с широкими электродами.
На (Фиг.2а, b, с) показаны оптически прозрачные системы с ослабляющими интенсивность оптического излучения структурами, которые выполнены на основе пилообразных структур оптически прозрачного диэлектрического вещества, содержащих пленку двулучепреломляющего вещества на жидких кристаллах (ЖК) с вращателем плоскости поляризации между ними, а на (Фиг.3а, b, с, d)- на основе чередующихся слоев пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК с вращателем плоскости поляризации между ними, начальная (заданная) ориентация больших осей молекул которых технологически [9] или под действием внешнего управляющего потенциала устанавливается параллельно лучам приходящего внешнего оптического излучения, при этом показатели преломления пилообразной структуры или пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества АПФ и таким образом ориентированных слоев молекул ЖК подбираются так, чтобы они были близки или равны, и для внешнего оптического излучения такие отражающие структуры однородны и прозрачны.
На Фиг.3е показан фрагмент двух последовательно установленных оптически прозрачных систем фильтра АПФ с вращателем между ними, выполненный с использованием двух слоев ЖК в каждой из них, обладающих эффектом динамического рассеяния излучения (ДРС) с асимметричной индикатрисой, для каждой из ортогональных поляризационных составляющих оптического излучения [9], которые одну из ортогональных поляризационных составляющих излучения рассеивают больше другой, при этом, увеличивая количество последовательно установленных пленок, можно существенно повысить рассеивающую способность фильтра и асимметрию в ослаблении ортогональных поляризационных составляющих излучения. При этом асимметрия индикатрисы используется так, чтобы это излучение рассеивалось преимущественно в вертикальной плоскости и в минимальной степени попадало на второй приемник оптического излучения (глаз водителя).
Аналогично, пройдя вращатель плоскости поляризации, в вертикальной плоскости рассеивается вторая поляризационная составляющая оптического излучения.
АПФ (Фиг.3а, b, с, d) выполнен на основе чередующихся слоев оптически прозрачных пленок толщиной λ/4 или нечетной кратной λ/4 с большим и малым показателями преломления, в котором чередуются диэлектрические оптически прозрачные пленки и ориентированные в заданном направлении соответствующим ориентантом (например, натиранием или напылением) ЖК-пленки, например, нематические ЖК (НЖК) с планарной или гомеотропной ориентацией молекул, в которых принудительное, управляемое изменение ориентации молекул происходит под действием внешнего электрического поля.
При использовании, например, НЖК с планарной ориентацией молекул с положительной анизотропией, δN=Ne-No, где показатель преломления No, совпадающий с малой осью молекул, меньше показателя преломления Ne, совпадающего с большой осью, показатель преломления оптически прозрачной диэлектрической пленки выбирается равным или близким к No.
При этом одна из поляризационных составляющих внешнего излучения, плоскость поляризации которой совпадает с малой осью молекул ЖК, проходит через слои без отражений, так как для нее показатели преломления диэлектрической пленки и ЖК равны, а ортогональная поляризационная составляющая излучения отражается от чередующихся слоев пленок с большим и малым показателями преломления.
Противоположные поверхности АПФ содержат системы оптически прозрачных электродов (3), причем направление расположения их на одной поверхности отличается от направления расположения на другой, например ортогональны.
При подаче потенциала на оптически прозрачные электроды молекулы НЖК поворачиваются большими осями вдоль электрического поля, устанавливаясь, таким образом, вдоль направления внешнего излучения, и для обеих поляризационных составляющих этого излучения слои НЖК становятся изотропны, а их показатели преломления (для проходящего излучения) совпадают с показателями преломления слоев диэлектрических пленок и таким образом излучение проходит через фильтр без отражений.
Аналогично работает АПФ с НЖК, имеющим гомеотропную ориентацию молекул, с той лишь разницей, что анизотропия отрицательна δN=Ne-No, и в исходном состоянии молекулы ЖК расположены вдоль направления внешнего излучения, и для него показатель преломления No больше чем Ne, и соответственно показатель преломления диэлектрической пленки должен быть близок к No. При подаче внешнего электрического поля молекулы НЖК поворачиваются малыми осями вдоль этого поля, а большими осями вдоль направления заданного, по крайней мере, одним ориентантом, нанесенным на поверхностях диэлектрических пленок, и таким образом, как и описано выше, отражающий фильтр приобретает анизотропию для одной из ортогональных поляризационных составляющих внешнего излучения и отражает ее, а вторая поляризационная составляющая излучения проходит через фильтр без потерь.
Управляемый внешним электрическим полем вращатель плоскости поляризации может иметь, по крайней мере, одну дополнительную систему оптически прозрачных электродов, которая позволит изменять его вращательную способность в заданных зонах фильтра и которая может быть совмещена с системами оптически прозрачных электродов отражающих структур или выполнена независимой от них, при этом их расположение на одной поверхности вращателя отличается от расположения на другой поверхности, например ортогональное.
При использовании вращателя плоскости поляризации пилообразные структуры установлены горизонтально, и вершины одной из них параллельны вершинам другой, а, в отражающих структурах с применением чередующихся слоев оптически прозрачных диэлектрических пленок и пленок двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК большие оси молекул ЖК в режиме отражения внешнего оптического излучения, в обеих последовательно расположенных отражающих структурах, посредством ориентанта, технологически или под действием управляющих потенциалов устанавливаются взаимно параллельно и ортогонально внешнему оптическому излучению и, например, азимутальной плоскости.
При превышении интенсивности оптического излучения заданного порога на соответствующие электроды фильтра АПФ подаются управляющие потенциалы, изменяющие в заданных зонах фильтра напряженность электрического поля, под действием которого молекулы ЖК в слоях переориентируются в положение, определяемое нанесенным на оптически прозрачные диэлектрические пленки ориентантом, который в ослабляющих структурах нанесен однотипно, а во вращателе на противоположных поверхностях взаимно ортогонально, причем направление нанесения ориентанта на входной поверхности вращателя совпадает с направлением нанесения ориентанта в первой (входной) ослабляющей структуре. При этом для одной поляризационной составляющей входного излучения в первой структуре выполняются условия рассеяния и/или отражения, а другая ортогональная поляризационная составляющая излучения проходит через вращатель, где ее плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов и аналогично первой, она рассеивается и/или отражается во второй ослабляющей структуре и выходит из фильтра, а при необходимости одна из поляризационных составляющих излучения, наиболее информативная, может частично пропускаться к приемнику излучения.
Вблизи фильтра, например в месте его крепления, установлены датчик фиксации интенсивности и направлений прихода поляризационных составляющих оптического излучения (ДФИН) (14), падающего на АПФ, датчик фиксации положения приемника (ДФПП) оптического излучения (15), например, глаза водителя транспортного средства (10), система обработки сигналов и управления, процессор выработки решений и, по крайней мере, одно управляющее устройство, с выхода которого управляющие сигналы распределяются между системами оптически прозрачных электродов (СОПЭ) (3).
При некоторой разнице в показателях преломления пилообразных структур (Фиг.2а, b, с) и слоя ЖК в режимах пропускания обеих или одной из поляризационных составляющих, для снижения потерь проходящего излучения поверхности пилообразных структур содержат просветляющее покрытие. При этом ввиду косого падения излучения на поверхность пилообразных структур (45 град) значение показателей преломления просветляющего покрытия для ортогональных поляризационных составляющих в зависимости от требований к фильтру АПФ может быть оптимизировано. Это достаточно сделать для одной из поляризационных составляющих, а во второй, последовательно установленной и однотипно расположенной пилообразной структуре оно будет аналогично оптимизировано ввиду поворота плоскости поляризации излучения введенным между ними вращателем.
При падении на поверхность АПФ и на ДФИН (14) внешнего оптического излучения и при превышении этим излучением заданного порога ДФИН выдает на процессор выработки решений сигнал, содержащий информацию об интенсивности поляризационных составляющих и направлении его прихода, который в соответствии с этими данными и данными с ДФПП о расположении в пространстве, по крайней мере, одного приемника излучения (10) посредством, по крайней мере, одного управляющего устройства распределяет управляющие сигналы между системами оптически прозрачных электродов (3), которые используют, например, мультиплексный метод или метод активной матричной адресации с применением запоминающих ячеек [10] таким образом, что на пути лучей внешнего оптического излучения к приемнику излучения, например, глазам водителя транспортного средства, молекулы слоя ЖК или слоев ЖК в соответствующей зоне фильтра АПФ под действием локально модулируемого этими сигналами электрического поля изменяют свою ориентацию в пространстве, при этом данная зона фильтра приобретает анизотропию для одной или обоих поляризационных составляющих излучения таким образом, что выполняется условие рассеяния и/или отражения, а при необходимости - управляемого рассеяния и/или отражения.
А в случаях, когда внешнее оптическое излучение линейно поляризовано, при наклонах (колебаниях при движении) плоскости поляризации этого излучения относительно плоскости поляризации структур фильтра, для исключения возможной цветовой дисперсии его при прохождении через вращатель плоскости поляризации (при несогласованности плоскости поляризации падающего излучения с директором слоя ЖК на входе вращателя) первая ослабляющая структура включается в режим коррекции плоскости поляризации проходящего через нее излучения - согласует плоскость поляризации излучения с директором ЖК на его входе.
В целях облегчения режима работы устройства допустимо уменьшение тактовой частоты управляющих сигналов на электродах фильтра АПФ, что возможно при объединении электродов зоны или зон рассеяния и/или отражения 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 и повысить их прозрачность.
Таким образом, в случае, когда внешнее оптическое излучение не поляризовано и интенсивность его превышает порог, одна из поляризационных составляющих этого излучения рассеивается и/или отражается в соответствующей зоне от первой структуры АПФ, а вторая поляризационная составляющая проходит далее или через вращатель плоскости поляризации, где ее плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов и падает на вторую рассеивающую и/или отражающую структуру, которая выполнена и расположена однотипно с первой, и соответственно ослабляется в ней, а неполяризованное излучение для других зон поверхностей фильтра, интенсивность которого ниже пороговой, без потерь проходит к приемнику излучения.
Однотипное выполнение и расположение последовательно установленных структур позволит создать одинаковые условия для ортогональных поляризационных составляющих излучения в обеих отражающих структурах при падении внешнего оптического излучения на АПФ под различными углами в азимутальной плоскости. При этом системы цилиндрических линз формируются в горизонтальной плоскости, также как и пилообразные отражающие структуры расположены в горизонтальной плоскости (Фиг.2а, b, с), а при применении в отражающих структурах чередующихся слоев пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК большие оси молекул ЖК в режиме отражения расположены ортогонально падающему излучению и азимутальной плоскости или, например, могут быть расположены параллельно азимутальной плоскости.
Таким образом, фильтр АПФ пропускает без потерь поляризованное и неполяризованное излучение к приемнику излучения (10) с любого направления в пределах заданных углов, если его интенсивность ниже порога, и одновременно рассеивает и/или отражает поляризованное и неполяризованное излучение независимо с любого направления в пределах заданных углов, если его интенсивность превышает заданный порог, а при совместном применении фильтров АПФ и поляризованного излучения фар транспортных средств позволит:
а) детально различать встречные транспортные средства даже при включенном у них "дальнем" свете фар;
в) улучшить видимость при движении в тумане в 5…15 раз [11];
с) повысить эффективность использования собственных фар при применении в них горизонтальной поляризации;
d) при применение фар с горизонтальной (или вертикальной) поляризацией излучения позволит исключить влияние наклона ветрового стекла на качество приема и отражения внешнего излучения.
АПФ при установке за ним светопоглотителя (Фиг.4а, b) может применяться на транспортном средстве в качестве противослепящих боковых зеркал и зеркала заднего вида [5]. Излучение выше порогового такой фильтр пропускает, и оно поглощается светопоглотителем, а для слабого излучения с других направлений работает в режиме отражения. При этом в режиме отражения внешнего оптического излучения к приемнику излучения, когда его интенсивность ниже порога, молекулы ЖК обеих оптически прозрачных систем с отражающими структурами технологически или под действием управляющих потенциалов устанавливаются ортогонально азимутальной плоскости, что позволяет получить неизменный показатель преломления слоев ЖК для излучения, падающего под различными углами в азимутальной плоскости.
Для улучшения согласования больших осей молекул ЖК с направлением прихода внешнего оптического излучения в режиме поглощения этого излучения светопоглотителем (при превышении порога), а также в режиме отражения ортогональных поляризационных составляющих излучения одна из внешних поверхностей оптически прозрачных систем с отражающими структурами содержит дополнительную систему оптически прозрачных электродов (ДСОПЭ) (8), расположение которых параллельно расположению СОПЭ (9) на противоположной поверхности, со сдвигом по отношению к ним и ортогонально расположению СОПЭ (3) на одноименной поверхности (Фиг.4b) и установленную с внешней стороны по отношению к ним, при этом при превышении внешним излучением заданного порога на электроды систем с параллельно расположенными СОПЭ (8, 9) подаются управляющие потенциалы со сдвигом в пространстве таким образом, чтобы в создаваемом ими электрическом поле большие оси молекул ЖК устанавливались параллельно направлению внешнего оптического излучения в зонах фильтра, соответствующих направлениям прихода излучения к приемнику излучения в случае его отражения от фильтра в пределах заданного сектора обзора. А для зон фильтра, отраженное излучение от которых ниже порогового, на соответствующие ортогонально расположенные электроды (3) система управления подает потенциалы, близкие к потенциалам на СОПЭ (9), с другой стороны фильтра, снимая, таким образом, электрическое поле в системе чередующихся слоев оптически прозрачных пленок, в которых большие оси молекул ЖК устанавливаются в направлении, заданном, по крайней мере, одним ориентантом на поверхностях оптически прозрачных диэлектрических пленок в положение, близкое к ортогональному, к направлению внешнего оптического излучения и азимутальной плоскости.
Электроды ДСОПЭ (9) могут быть установлены с шагом, отличным от шага установки электродов СОПЭ (8) с другой стороны фильтра и параллельных им, что необходимо для лучшего согласования больших осей молекул ЖК с направлением прихода внешнего оптического излучения к приемнику при применении выпуклого (панорамного) зеркала.
Аналогичная система оптически прозрачных электродов может быть применена в фильтре (АПФ), установленном на лобовом стекле транспортного средства (Фиг.3а, b) в целях ориентирования молекул ЖК в положение, соответствующее большей эффективности фильтра.
На Фиг.4с показан фрагмент зеркала транспортного средства на основе фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с рассеивающими структурами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества во взаимно ортогональных направлениях, в которых под действием управляющих потенциалов на системе оптически прозрачных электродов, в заданных зонах фильтра при превышении оптическим излучением порога, формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием и отражателем с выходной стороны фильтра, рассеивающие это излучение, а оптическое излучение меньшей интенсивности, ниже порога проходит через фильтр, отражается от отражателя (зеркала) и проходит к приемнику оптического излучения. А изменяемое фокусное расстояние линз позволяет регулировать интенсивность проходящего к приемнику излучения.
На Фиг.4d показан фрагмент зеркала транспортного средства на основе фильтра АПФ с двумя последовательно установленными оптически прозрачными системами с использованием оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на молекулах жидких кристаллов (ЖК), с начальной гомеотропной ориентацией молекул ЖК и ориентантом, нанесенным в каждой из них на поверхности оптически прозрачного диэлектрического вещества в одном направлении, что позволяет сделать введенный между ними вращатель плоскости поляризации, в которых аналогично под действием управляющих потенциалов формируются цилиндрические ЖК-линзы с изменяемым фокусным расстоянием и отражателем с выходной стороны фильтра.
При необходимости вращатель плоскости поляризации содержит, по крайней мере, одну независимую систему оптически прозрачных электродов, которая при ее подключении изменяет его вращательную способность в заданных управляющим устройством зонах фильтра. Это позволит в случае применения поляризованного излучения с заданной плоскостью поляризации, например горизонтальной, в соответствующих зонах АПФ на электроды вращателя подавать управляющий потенциал, который поворачивает оси молекул ЖК вдоль электрического поля, исключая (или уменьшая), таким образом, его вращательную способность, при этом часть поляризованного излучения рассеивается в первой структуре, а другая часть проходит через вращатель без изменений и рассеивается во второй структуре, а излучение ортогональной поляризации интенсивностью меньше пороговой проходит через эти зоны АПФ без потерь.
Многослойная отражающая структура с использованием пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества и двулучепреломляющего вещества на жидких кристаллах (ЖК) для получения достаточного отражающего эффекта требует большого количества таких слоев. В целях уменьшения количества слоев, по крайней мере, одна отражающая структура на входе содержит, по крайней мере, один ЖК слой, обладающий эффектом динамического рассеяния света (18) (ДРС) (Фиг.3а) [9]. При этом, например, при использовании соответствующей смеси нематических ЖК (НЖК) с δε<0 и исходной гомеотропной ориентацией молекул, при подаче управляющих сигналов небольшой величины вначале происходит переход Фредерикса, приводящий к планарной ориентации НЖК, который при дальнейшем увеличении потенциала сменяется эффектом ДРС, что приведет к начальному рассеянию излучения в пределах угла светорассеяния и дальнейшему отражению его в последующих слоях пленок, которых в этом случае потребуется меньше, а рассеивающие слепящее излучение зоны такой пленки могут быть существенно меньше зон последующих отражающих пленок АПФ.
Близкий эффект может быть получен и при применении на входе каждой из отражающих структур, например линз или пилообразной поверхности, сформированных с использованием ЖК, которые под действием управляющих потенциалов на электродах проявляются, рассеивая проходящее через них излучение или исчезают, пропуская излучение без изменений.
АПФ может быть выполнен в виде очков, а также опускающегося козырька на шлеме, например, мотоциклиста.
При исполнении АПФ в виде очков блок управления, процессор и другие узлы могут быть выведены за пределы конструкции очков во внешний блок, например, установлены непосредственно в транспортном средстве, а автоматическая двухсторонняя связь между ними и АПРФ 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 АПФ.
Дополнительно внешние поверхности фильтров АПФ могут иметь различную кривизну для случаев коррекции ослабленного зрения водителей, и такие фильтры могут быть съемными и подбираться индивидуально, или АПФ может иметь дополнительное крепление для установки линз корректирующих ослабленное зрение.
Для увеличения величины угла полного внутреннего отражения при использовании пилообразных структур (Фиг2а, b, с), по крайней мере, одна из поверхностей пилообразных структур содержит оптически прозрачную диэлектрическую пленку с меньшим (или большим), чем у пилообразной структуры показателем преломления и имеющую электрически управляемые согласующие, просветляющие пленки с использованием ЖК для лучшего согласования проходящего излучения, что позволит снизить требования к δN ЖК, и кроме того, такие пленки позволят не уменьшать для этих же целей показатель преломления пилообразных структур, что может привести к заметному расхождению лучей.
Аналогично, для отражающих структур с чередующимися слоями пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества и ЖК поверхности пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества содержат электрически управляемые согласующие, просветляющие пленки, а показатель преломления пленок оптически прозрачного диэлектрического вещества меньше минимального значения показателя преломления двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК с положительной диэлектрической анизотропией и больше максимального значения показателя преломления двулучепреломляющего вещества на молекулах ЖК с отрицательной диэлектрической анизотропией, при этом величина показателя преломления электрически управляемых согласующих, просветляющих пленок имеет промежуточное значение между показателями преломления для поляризации излучения, совпадающей с длинной осью молекул ЖК двулучепреломляющего вещества и ей ортогональной.
31
2
1
21
31
1
1
2
31
1
31
21
1
2
21
31
При ориентировании больших осей молекул ЖК в направлении, перпендикулярном поверхности пленок, внешнее оптическое излучение проходит через фильтр без потерь, а при ориентировании их параллельно поверхности пленок одна из поляризационных составляющих этого излучения отражается при прохождении через слои пленок. При этом для δε>0 Фиг.5с, N>N>N, а для Фиг.5d N>N>N, и при δε<0 Фиг.5е, N>N>N, а для Фиг.5f N>N>N, где δε- диэлектрическая анизотропия двулучепреломляющего вещества, N-показатель преломления диэлектрических оптически прозрачных пленок, N и N-показатели преломления двулучепреломляющего вещества, совпадающие с короткой и длинной осями молекул ЖК, и N-показатель преломления электрически управляемых согласующих, просветляющих пленок. Таким образом, достигается большее значение δN между показателями преломления диэлектрической оптически прозрачной пленки и двулучепреломляющего вещества и соответственно потребуется меньшее количество слоев для достижения требуемого коэффициента отражения.
1,2,3,4
На Фиг.5с, d, е, f, зоны "A" показана работа электрически управляемых согласующих, просветляющих пленок на ЖК, нанесенных на оптически прозрачные подложки, показатели преломления которых согласованы с показателями преломления близлежащего слоя ЖК или другого оптически прозрачного вещества, заменяющего этот слой ЖК и способного смешиваться с другим слоем ЖК, создавая градиент показателя преломления по толщине пленки. Такие пленки могут быть выполнены, например, с использованием ЖК с гомеотропной ориентацией молекул, причем состоящих из двух слоев, имеющих различное значение δε и подобранных таким образом, чтобы показатели преломления для поляризации света, совпадающей с поперечной осью молекул верхнего слоя, был больше показателя преломления нижнего слоя и равен или близок ему для поляризации света, совпадающей с длинной осью молекул ЖК. При этом в исходном состоянии ЖК-пленки будут состоять из двух слоев с различными значениями δε и иметь градиент показателя преломления по толщине при смешивании приграничных слоев, которые согласованы с предыдущим и последующим слоями оптически прозрачной диэлектрической пленки и пленки ЖК, выполняя функции просветляющего покрытия.
1/2
В случае, когда верхний слой имеет значение δε1>δε2 нижнего слоя, при подаче внешнего управляющего потенциала выше заданного порога Uп1, согласно Uп=π(4π kii/|δε|), где kii - коэффициент, различный для исходной планарной или гомеотропной ориентации [9], молекулы верхнего слоя переориентируются и для одной из поляризационных составляющих оба слоя ЖК будут однородны (Фиг.5d, Фиг.5f) (при соответствующем подборе ЖК по показателям преломления), и фильтр обретет для нее максимальную отражающую способность.
Могут быть применены и другие виды начальной ориентации молекул ЖК и количество согласующих слоев, например, верхний слой ориентирован гомеотропно, а нижний планарно с изначально наклонной ориентацией, и при небольшом потенциале этот слой переориентируется, создавая условия градиента показателя преломления по толщине пленки, а при дальнейшем увеличении управляющего потенциала изменяют свою ориентацию молекулы гомеотропно ориентированного слоя и также при равных или близких значениях показателей преломления для поляризации света, совпадающей с малой осью молекул слоев ЖК, среда будет однородна.
Дополнительно содержит датчик оценки средней интенсивности внешнего оптического излучения, например естественных излучателей и отражателей (солнце, облака, дорога, растительность и т.п.), естественной подсветки в сумеречное время - это позволит оптимизировать работу ДФИН, изменяя уровень порога применительно к адаптационной характеристике глаз водителя к освещенности.
Кроме того, для уменьшения модуляции подавляемого излучения при кренах транспортных средств процессор выработки решений отслеживает величину модуляции для каждого из источников внешнего излучения и подает соответствующие сигналы на управляющее устройство, изменяя глубину модуляции ЖК слоя или время включения и компенсируя, таким образом, возникающую модуляцию.
Дополнительно с пульта управления транспортного средства может быть введена коррекция величины (площади) отражающей зоны АПРФ, что позволит водителю индивидуально подобрать ее оптимальную величину.
А для уменьшения величины технологических отклонений молекул в слое ЖК от заданного направления, а также отклонений при колебаниях температуры двулучепреломляющее вещество содержит внутренний ориентант [12, 13].
Дополнительно содержит анализатор спектрального состава принимаемого излучения, который может быть использован для анализа входящей информации с целью исключения отражения излучения с полезной и необходимой информацией, например света светофора повышенной яркости или других сигналов.
При необходимости изменить спектральный состав принимаемого излучения содержит светофильтр, корректирующий его спектр.
Для снижения отражений от внешних поверхностей АПФ они содержат просветляющее покрытие.
Для поглощения части внешнего излучения, проходящего через вершины пилообразной структуры, где технологически трудно выполнить условия полного внутреннего отражения, вершины содержат светопоглотители или отражатели.
При использовании фильтра АПФ в жестких климатических условиях, например мотоциклистом в холодное время года, введена система поддержания температуры фильтра в рабочем интервале температур.
Использование изобретения позволит:
Создать эффективный противоослепительный фильтр с минимальными потерями и адаптивный к источникам поляризованного и неполяризованного излучения, который позволит осуществить плавное введение поляризованных источников излучения - фар для существенного повышения различимости встречных транспортных средств и соответственно безопасности движения.
Источники информации
1. РФ Патент 2173472. кл. 7 G02В 5/30, 07.07.1999.
2. US Patent 5422756. G02В 005/3, 18.05.1992.
3. РФ Патент 2077069. С1, кл. 6 G02С 7/10, В60J 3/06, 10.04.1997.
4. РФ Патент 2325675. кл. G02В 5/30, В60J 3/06, 06.04.2006.
5. Заявка на изобретение РФ №2008104946/28(005384), 01.02.2008.
6. Вдовин Г.В., Гуральник И.Р., и др.. Жидкокристаллические линзы с перестраиваемым фокусным расстоянием. 1. Теория. Квантовая электроника, 26, №3, 1999 г., стр.256-260.
7. Грязнова М.В., Данилов В.В., и др. Жидкокристаллические микролинзы в системе оптического ограничения. Письма в ЖТФ, 2001 г., т.27, вып.2, стр.24-29.
8. 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.
9. Томилин М.Г. Взаимодействие жидких кристаллов с поверхностью. Политехника, СП/б, 2001 г., стр.84, 113, 120, 126-131.
10. Зарубежная радиоэлектроника, 1988 г., №5, стр.67-68, М-ва, Р.и Св.
11. Nathan A.M. Journ. Opt. Soc. Amer., 48, 285 (1958).
12. Каманина Н.В., Денисюк И.Ю. и др. Новый эффект внутреннего ориентанта. Оптический журнал №3, март 2004 г., т.71, стр.72-77.
13. Ракчеев Л.П., Каманина Н.В. Перспективы использования фуллеренов для ориентации ЖК композиций. Письма в ЖТФ, 2002 г., т.28, №11, стр.28-36.