CN101592794B - 全自动分区明暗调节太阳镜 - Google Patents

Abstract

全自动分区明暗调节太阳镜属于液晶太阳镜领域，其特征在于，含有：位于鼻托前端的光角度探测器，位于鼻托内的CPU芯片和后盖以及位于左、右镜架内的液晶镜片和太阳能电池，该镜片的一面整个地覆盖着一片导电透光膜，另一面从上到下覆盖着许多水平条块的导电透光膜，在入射角为θ的入射光照射下，角度传感器的两个光电管产生不同大小的光电流，当其和使CPU芯片的输入电压大于工作电压阈值时，便计算出入射角度θ及对应的条块序号，对该水平条块及其上下各一条块施加方波形的电压，使其透过率下降，以遮挡强光。本发明具有结构简单、体积小、省电的优点。

Description

全自动分区明暗调节太阳镜

技术领域

本发明属于液晶太阳镜技术领域。

本发明是有关这样一种电子控制的液晶太阳镜：该镜片对光的透过率及其分布，可随入射光的角度和环境光照度的变化而改变。其效果为：人眼通过镜片看强光时，镜片上强光所对应区域的透过率低，而镜片的其它区域透过率相对高，同时镜片的平均透过率随外界光照度增加而自动减小，以适应在强光环境下，处于动态中的人眼依然能看清周围的环境。

背景技术

在先前的发明技术中有一些液晶眼镜的设计，其眼镜镜片被划分为多个相邻的条块，并顺着一个方向排列，每一个条块加上不同的电压，结果镜片上可以出现梯度式的阴影效果。这种先前技术的镜片不能自动调整从而适应入射光方向的改变，因为相邻条块之间光的透过率的差异是固定不变的。先前的发明中也有一些液晶眼镜设计，通过两维控制的栅格条块，动态地遮挡某一个区域的入射光。这些眼镜设计要通过较大、较重、昂贵的电子控制装置来实现功能。

发明内容

本发明的目的是克服现有梯度式太阳镜其梯度不可改变的缺点。对于梯度不可改变的太阳镜来说，当强光光源在一个较低的位置，眼镜配戴者不得不低头遮挡光线，其结果是，只有在太阳位于天空中较高位置时，这种眼镜才能发挥最佳效果。针对视野中光照强度的不同，需要有可变的光照透过率与其对应，也就是说，在有较高光照强度的区域，更多光照应被镜片遮挡，在有较低光照强度的区域，更少光照应被镜片遮挡。

此项发明是为了响应光源(如太阳光)的位置来调节太阳镜不同区域的明暗程度。如视野中距离阳光较近的区域，镜片透过较少光线；视野中距离阳光较远的区域，镜片透过较多光线；且镜片不同区域的透过率呈相对低与高的状态，使人眼通过镜片看周围环境时，即使在逆光情况下，也可以看清周围的环境。

全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，含有：眼镜架，液晶镜片，太阳能电池，印刷电路板，CPU芯片，后盖，以及光入射角度和光照度传感器，其中：

眼镜架，由左、右镜框及连接所述左、右镜框的鼻托组成，所述左、右镜框都是带夹层的；

液晶镜片，透过率是所施加电压的函数，该镜片的镜面为平面形，由分别嵌入到所述左、右镜框内的两块液晶镜片构成，每个镜片采用正性TN-液晶，所述镜片的两面的玻璃片各自的内侧都有一层导电透光膜，其中，有一面的导电透光膜覆盖了该镜片的整个区域，连接到附着在该镜片的连接器的一个公共管脚上，构成公共电极，另一面的导电透光膜分成许多水平条块，排列为一个纵向组合，延伸到该液晶镜片的同样或接近的宽度，每一个条块连接到所述连接器上的一个单独的管脚，构成许多控制电极，该镜片上每一个水平条块对太阳光的透过率和加在所述每一个水平条块的控制电极与公共电极上的控制电压有关：当控制电压低于设定的镜片工作电压阈值时，相对于该水平条块的子区域在空间各点的透过率不变；当控制电压高于设定的镜片工作电压阈值时所述该子区域的透过率下降，如果在相邻的水平条块上加与该条块相同的控制电压，则这些条块会组成一个同黑同暗的水平遮光带，同时其它各条块加不同的控制电压，使其对应区域的透过率与此带的透过率相比，相对高。整个镜片的透视呈现有些区域明，有些区域暗的效果

光入射角度传感器，是一个光电传感器单元，上、下各有一个光电管PA和PB，中间固定连接着一块遮光板，共同构成两个测光部分，嵌在所述眼镜架的鼻托内的前镜框架中，光电流输出端和所述印刷电路板电连接，当入射光垂直入射到所述光电管时，两个光电管检测的光电流I_a与I_b相等，当入射光以一定角度θ入射时，在遮光板的影响下，两个光电管的有效感光面积不相等，光电流I_a、I_b也不相等，则(I_a-I_b)/(I_a+I_b)的量与入射角成正比，而(I_a+I_b)的值则正比于太阳光的照度；

CPU芯片，位于所述印刷电路板上，该CPU芯片的各控制信号电压输出端依次经过所述印刷电路板、连接器和所述液晶镜片上的各个控制电极和一个公共电极分别相连，该CPU芯片的光电流输入端通过印刷电路板分别和所述两个光电管PA和PB的光电流输出端相连，用以把反映相对于所述法线方向的入射角和光照度的两个光电流I_a、I_b按以下步骤进行处理，从而确定所述每个子区域的运行状态：设定：人眼到所述镜片的距离L，所述各条块的纵向宽度为W，人眼平视时的法线方向与镜片的法线方向重合，所述法线作为坐标轴的X轴，该法线与镜片的焦点为坐标原点，以镜片内从所述坐标原点出发做垂线，该垂线为坐标轴的Y轴，对该坐标原点所在的子区域进行编号，其编号为零，位于所述X轴以上及以下的子区域分别标以正号和负号，再分别依序编号；

步骤(1)，当光照度低于其临界值时，光电流I_a+I_b就小于预先存储于CPU中的阈值，该CPU芯片控制，所述镜片的所有全部电极无任何控制信号输入；

步骤(2)，当太阳光的光照度高于设定的光照度临界值，光电流I_a+I_b大于所述阈值，该CPU芯片控制，向所述液晶镜片的公共电极输出一个频率、占空比都设定的方波电压信号，同时执行步骤(3)；

步骤(3)，CPU芯片判断光电流I_a是否等于光电流I_b：

若：I_a＝I_b，则所述传感器接收的是垂直于镜片的入射光，入射角为零，该CPU芯片使所述液晶镜片上各控制电极分别输入一个与加在所述公共电极上的方波同形的电压相同的控制信号，该控制信号与输往所述公共电极上的方波电压信号相位差180度，使得液晶镜片各条块上透过率相同，因而各水平条块的透光率分布一样；

若：I_a≠I_b，这里设定，相对于入射角为θ的那一个子区域的序号为n，所述θ角为人眼和太阳之间的连线相对于所述X轴的夹角，所述序号n就是该连线和液晶镜片的交点所在的那个条块的编号，

其中，tanθ＝n·W/L，而θ∝(I_a-I_b)/(I_a+I_b)，该CPU对与所述法线方向的水平条块相对应的第n个水平条块施加控制电压，所述控制电压相对于加在所述公共电极上的方波电压信号存在相位差，使得加在所述液晶镜片第n块水平条块上的等效电压值最大，从而使该条块的透过率最小，以遮挡强光。相应地，除了所述第n块水平条块外，与其相邻的第n-1、n+1的条块也加相同的控制电压，由三条相邻的条块组成的一个水平带同黑同暗，遮挡强光。除此三个条块外其余条块加的控制电压使其透过率相对较高。

后盖，嵌入在所述眼镜架鼻托的靠近人体鼻梁的后面框架中，从而由该鼻托的前、后面框架，左、右镜框以及所述光入射角度传感器和光照度传感器共同形成了一个内腔；

太阳能电池，左、右各一个，被装配在所述眼镜架靠近左、右眼镜腿部分的第二内腔中，并通过印刷电路板向所述CPU芯片、光入射角度传感器和供电。

根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述光入射角度传感器是一个一维角度探测器。

根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的镜片呈曲面形。

根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的各水平条块的宽度是不等的。

根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的太阳能电池用锂离子充电电池、或镍镉充电电池代替。

这项发明是一种适用眼镜的设计，镜片的透过率可以调节。每个镜片被划分为一组有序排列的条块，根据测量到的光强产生公共信号，根据测量到的光的入射角度，确定第n个条块及上下相邻的n-1和n，将三个条块组成一个遮光带，加相同的控制电压使这个遮光带的透过率比其它条块的透过率更低，遮挡视场中的强光。镜片上透过率的分布使镜片呈现相对暗与相对明的透视效果。达到遮挡强光多而遮挡弱光少的目的。

附图说明

图1同比例展示了该眼镜发明的外观。镜架1内组装两片液晶镜片3，角度探测器4探测入射光的角度。

图2展示了该眼镜发明的俯视图。印刷电路板5和其它电子元件被装配在镜架的第一个内腔9中，控制电路确定液晶镜片3上哪些条块被启动并确定每个条块的光透过率。驱动该装置的电源来自电池12，被装配在第二个内腔11中。

图3展示了所述太阳镜选取的剖视方向。

图4展示了所述太阳镜所要选取的放大部位。

图5按图4所示的部位，沿图3所示的方向剖开后形成的剖视图。

图5展示了该眼镜鼻托部分的剖面图。镜架1包含一个放置电子元件的内腔9，角度探测器4和印刷电路板5连接，微型控制器6和其它电子元件连接在印刷电路板5上。液晶镜片3和印刷电路板5通过连接器7电路连通，连接器7穿过孔洞10，孔洞10可能被密封以避免水进入内腔9，一个后盖8密封内腔。

图6是一个说明该眼镜操作过程的示意图。入射光角度和光照强度16被传感器模组测量，传感器模组将数据信息提供给控制电路。控制电路确定液晶镜片3上面需要被启动的条块，这些条块用来遮挡进入人眼15的光线，控制电路也确定每一个有较小透过率状态的数值。第一个信号加在公共电极17上，相同的信号加载在第一个被选条块14上，以防止其被启动。根据单个条块期望的透过率，每一个被启动的条块上加载的信号相对于第一个信号存在一个相差。

图7展示了该眼镜的前视图。该眼镜镜架1包含两片液晶镜片，每个液晶镜片被划分为纵向的一组条块2，角度探测器4测量入射光的角度，控制电路确定哪些条块被启动，如果有条块被启动，控制电路也确定每个被启动的条块的透过率。

图8是一组波形图，展示了加载在镜片中单独条块上的信号的时序。波形a加载在被所有条块共享的公共极上。波形b相对于波形a没有相移，当任何条块上加载波形b，其电极上的电压和公共极上的电压没有差异，因而该条块不会呈现透过率的减弱。波形c相对于波形a存在一个相差，当任何条块上加载波形c，其电极上的电压和公共极上的电压有相对小的差异，则该条块透过率有较小程度减弱。波形d和波形c相比，相对于波形a存在一个较大的相差，当任何条块上加载波形d，则该条块透过率有较大程度减弱。同样地，波形e相对于波形a存在一个最大的相差，当任何条块上加载波形e，则该条块透过率有最大程度减弱。

图9是控制***的程序流程框图。当光源的能量高于限定值，微处理机6被启动，微处理机6从角度探测器4读取模拟输入值，然后此模拟输入值被转化为数字数值，通过运算来决定是否有条块和哪个条块2被启动。根据选定的明暗度，加载在每个条块2上的信号被产生，该信号相对于参考地信号有相应的相移。

图10是计算入射角度θ的示意图：

10a：入射光与液晶镜片的相对关系图：

tanθ＝nw/L

10b：入射光与所述光传感器的相对关系图：

S为遮光板。

10c：液晶镜片的入射角特征曲线：

θ＝(I_a-I_b)/(I_a+I_b)

I_a与I_b分别为工作表面a、b的输出电流。

图11为液晶镜片上各水平条块的管脚连接图。

图12为CPU芯片连接图。

具体实施方式

本发明的眼镜要实现的功能是：根据光源来自的方向，要使一定视野范围光的透过率高于其它视野范围。通过一个角度传感器感应周围环境光的强度和平均角度。每一片镜片都被划分成多个条块，条块有序分布，使各条块都单独被控制电路调控。中央控制模组对光强和光入射角度信号进行处理分析，从而确定每个条块的运行状态，每个条块要么处于关停状态，要么此条块单独或与多个条块处于启动状态。

角度传感器由两个光电管PA，PB组成，如图10所示，传感器法线与眼镜片法线重合。在两个测光单元中间有一个遮挡层，当入射光垂直入射角度传感器时，PA与PB检测的光电流I_a与I_b相同，当光束以一定角度入射时，由于这挡板的影响，PA与PB的有效感光面积会有所不同，I_a与I_b检测的光电流也不同。(I_a-I_b)/(I_a+I_b)与入射角度成正比且最大检测角度为正负50度。CPU芯片计算此量即可求得入射光角度如图10。同时将I_a+I_b量与设定的光照度阈值进行比较，而决定是否对镜片的单元进行控制。

人眼到镜片的距离为L，镜片上条块的宽度为W，镜片上共用N各条块，第n个条块与水平方向的夹角为θ，根据三角形特性有：tanθ＝nw/L。CPU芯片根据角度传感器检测的角度θ，利用上式可以计算得到n，并将n+1及n-1的各条块加相同的控制电压，形成一水平带遮挡强光。

在液晶镜片的一侧引出多个电极，一侧引出一个单独的公共电极，如图b所有条块的公共端上始终加一频率与占空比相同的波形，通过改变其与公共端信号的相位差，就可控制该条块的透过率。例如b相对于波形a没有相移，当任何条块上加载波形b时，实际控制液晶的电压为两个电极上的电压差，此电压差在任何时段内总为零，因而该条块的透过率不变。波形c相对于波形a存在一个相差，当任何条块上加载波形c时，其电极上的电压和公共极上的电压差在某个时段不为零，则该条块透过率有较小程度减弱。波形d和波形c相比，相对于波形a存在一个较大的相差，当任何条块上加载波形d，则该条块透过率有较大程度减弱。同样地，波形e相对于波形a存在一180度的相差，当任何条块上加载波形e，则该条块透过率有最大程度减弱。所以在0-180度范围内改变控制端的信号相位，便可连续控制该条块的透过率。

这项发明的样机包括一个组合光感应器，一个微型控制器，一个电池，和两片液晶显示屏与眼镜架组装而成的眼镜。其中，组合光感应器包括角度探测器和光照度传感器；微型控制器包括两个运作算大器。

角度探测器和光照度传感器是由两个光敏二极管构成，安置在一个遮挡片后面。角度探测器和光照度传感器被安置在眼镜架某一位置，和液晶镜片保持相对固定的连接方式。角度探测器可以采用Hamamatsu Photonics公司提供的产品，零件号是S6560。它可以根据每一个光敏二极管感应到的光照度，输出电流到探测器的两个管脚。任何其它光电探测器的组合，如果能够感应到光照的强度和入射角度，也可以用作角度探测器和光照度感应器，两个能感应可见光和紫外线的光敏二级管，其组合可以作为S6560探测器的替代品。一个对方位感应灵敏的探测器可以替代角度探测器和光照度传感器中的两个光敏二级管。运算放大器将每一个电流信号转换为电压信号，微型控制器中的模数转换器将所有模拟信号转换为数字信号，光源的方向和光照的强度因此而被计算出来。通过每个光敏二极管和其它类型光传感器的电压可以直接测量得出，而不需要这样的电流和电压的转换。

现有样机使用的微型控制器型号是MSP430F2234，这种微型控制器在其设计中已含两个运算放大器，可以直接测量角度探测器中光敏二级管的电流，从而缩小电路板的尺寸。还有其它种类的微型处理器可以作为适合的替代品，使用运算放大器并不必需。

为了将从光敏二级管测量的光照度以适当的数值范围反映给模数转换器，考虑到此应用中光源在一个动态范围变化，必需选用一个决定运算放大器增益的反馈电阻器，这个电阻器可以是不变的，也可以是通过电位计可调节的。

电池是必需的，需要它提供至少足够的电压来启动微型控制器和液晶显示屏。电池可以用太阳能电池替代，附带或不附带调压器均可，也可以用角度探测器产生的电力替代。

现有样机使用的液晶显示屏是STN-黄/绿型，尽管TN型、STN-灰型、FSTN型也同样适用，这些液晶显示屏的结构和制造众所周知。液晶显示屏的每一面都有一层透明的导电膜层，显示屏内有一个取向层。显示屏其中一面的透明导电膜层有一种构成模式，将水平的条块排列为一个纵向的组合，每一个条块连接到附着在液晶显示屏的连接器上单独的一个管脚。显示屏另一面的透明导电膜层覆盖了液晶屏的整个区域，连接到相同的液晶屏连接器上另外一个管脚，这个电极(管脚)就被考虑为公共极。水平条块一直延伸到和液晶显示屏同样的宽度或接近同样的宽度，当交流电压加到一个条块上，并且电压大到可以启动液晶显示屏，则通过光-电作用的影响，液晶显示屏上会出现一个水平的条纹。当同样的电压加到其它条块上，在同一时间会有多于一个的条纹被启动。

任何其它类型的透镜(镜片)，当加上电压后对应的光的透过率随之发生改变，这样的透镜都可能成为液晶显示屏的替代产品。如果其它材料的光透过率响应所加电压并随之改变，这些材料也同样适用，其中包括染料，染料和液晶材料构成一种宾主关系。现有样机当施加电压时遮挡光线，对某些应用，一个镜片也可以在通常情况下遮挡光线，当施加电压时透过光线。条块也可以是纵向条纹水平方向排列或按照其它方向排列组合。

控制***将光的入射角度和光强读数反映到特定的条块，并加上特定的电压给液晶显示屏。在每一段时间内，平均时间加在所有条块上的电压应尽可能接近零值。给液晶显示屏加直流电压会导致离子移动，减低液晶显示屏的寿命。加给每个条块的标准差电压可能因振幅、占空比或相移而不同，相移涉及信号中的驱动模式，一个信号在确定的占空比下加到公共条块，在相同的占空比下其它信号加到其它条块上。当加在单个条块上的信号和加在公共条块上的信号之间没有相移时，加在液晶屏这一区域的标准差电压为零。当加在单个条块上的信号和加在公共条块上的信号之间的相差不是零值，如果相差大到足以启动液晶显示屏幕，那么镜片的这一区域就会变暗。这种驱动模式被用来启动一个或多个条块，同时其它条块保持不被启动。这种驱动模式采用数字式输出且不能提供负电压，可以被用来驱动有一个公共条块的多条块液晶显示屏。

Claims (5)

1.全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，含有：眼镜架，液晶镜片，太阳能电池，印刷电路板，CPU芯片，后盖，以及光入射角度传感器，其中：

眼镜架，由左、右镜框及连接所述左、右镜框的鼻托组成，所述左、右镜框都是带夹层的；

液晶镜片，其透过率是所施加电压的函数，该镜片由多层组成，其中构成液晶盒的两层是基片，基片外侧是偏光片，每个镜片采用正性TN-液晶，所述镜片的两面基片各自的内侧都有一层导电透光膜，其中，有一面的导电透光膜覆盖了该镜片的整个区域，并连接到附着在该镜片的连接器的一个公共管脚上，构成公共电极，另一面的导电透光膜分成许多水平方向呈条形的长方形块，以下简称水平条块，排列为一个纵向组合，横向延伸到该液晶镜片的边沿，每一个水平条块连接到所述连接器上的一个单独的管脚，构成各自所述水平条块的控制电极，该镜片上每一个水平条块对太阳光的透过率和加在所述每一个水平条块的控制电极上的控制电压有关：当控制电压低于设定的镜片工作电压阈值时，该水平条块的透过率不变；当控制电压高于设定的镜片工作电压阈值时所述该条块的透过率下降；

光入射角度传感器，是一个光电传感器单元，上、下各有一个光电管(PA)和(PB)，中间固定连接着一块遮光板，共同构成两个测光部，嵌在所述眼镜架的鼻托内的前镜框架中，光电流输出端和所述印刷电路板电连接，当入射光垂直入射到所述光电管时，两个光电管检测的光电流I_a与I_b相等，当入射光以一定角度θ入射时，在遮光板的影响下，两个光电管的有效感光面积不相等，光电流I_a、I_b也不相等，则(I_a-I_b)/(I_a+I_b)的量与入射角成正比，而(I_a+I_b)的值则正比于太阳光的照度； 

CPU芯片，位于所述印刷电路板上，该CPU芯片的各控制信号电压输出端依次经过所述印刷电路板、连接器和所述液晶镜片上的各个控制电极、一个公共电极分别相连，该CPU芯片的光电流输入端通过印刷电路板分别和所述两个光电管PA和PB的光电流输出端相连，用以把反映相对于所述法线方向的入射角和光照度的两个光电流I_a、I_b按以下步骤进行处理，从而确定所述每个条块的运行状态：设定：人眼到所述镜片的距离L，所述各条块的纵向宽度为W，人眼平视时的法线方向与镜片的法线方向重合，所述法线作为坐标轴的X轴，该法线与镜片的焦点为坐标原点，以镜片内从所述坐标原点出发做垂线，该垂线为坐标轴的Y轴，对该坐标原点所在的子区域进行编号，其编号为零，位于所述X轴以上及以下的子区域分别标以正号和负号，再分别依序编号；

步骤(1)，当光照度低于其临界值时，光电流(I_a+I_b)就小于预先存储于CPU中的阈值，该CPU芯片控制所述镜片的所有全部电极无任何控制信号输入；

步骤(2)，当太阳光的光照度高于设定的光照度临界值，光电流(I_a+I_b)大于所述阈值，该CPU芯片控制向所述液晶镜片的公共电极输出一个频率、占空比都设定的方波电压信号，同时执行步骤(3)；

步骤(3)，CPU芯片判断光电流I_a是否等于光电流I_b：

若：I_a＝I_b，则所述传感器接收的是垂直于镜片的入射光，入射角为零，该CPU芯片使所述液晶镜片上各控制电极分别输入一个与加在所述公共电极上的方波同形的电压相同的控制信号，该控制信号与输往所述公共电极上的方波电压信号相位差180度，使得液晶镜片各条块上透过率相同，因而各水平条块的透光率分布一样；

若：I_a≠I_b，这里设定，相对于入射角为θ的那一个子区域的序号为n，所述θ角为人眼和太阳之间的连线相对于所述X轴的夹角，所述序号n就是该连线和 液晶镜片的交点所在的那个条块的编号，

其中，tanθ＝n·W/L，而θ∝(I_a-I_b)/(I_a+I_b)，该CPU对与所述法线方向的水平条块相对应的第n个水平条块施加控制电压，所述控制电压相对于加在所述公共电极上的方波电压信号存在相位差，使得加在所述液晶镜片第n块水平条块上的等效电压值最大，从而使该条块的透过率最小，以遮挡强光，相应地，除了所述第n块水平条块外，与其相邻的第n-1、n+1的条块也加相同的控制电压，由三条相邻的条块组成的一个水平带同黑同暗，遮挡强光，除此三个条块外其余条块加的控制电压使其透过率相对较高；

后盖，嵌入在所述眼镜架鼻托的靠近人体鼻梁的后面框架中，从而由该鼻托的前、后面框架，左、右镜框以及所述光入射角度传感器和光照度传感器共同形成了一个内腔；

太阳能电池，左、右各一个，被装配在所述眼镜架靠近左、右眼镜腿部分的第二内腔中，并通过印刷电路板向所述CPU芯片、光入射角度传感器和供电。

2.根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述光入射角度传感器是一个一维角度探测器。

3.根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的镜片呈曲面形。

4.根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的各水平条块的宽度是不等的。

5.根据权利要求1所述的全自动分区明暗调节太阳镜，其特征在于，所述的太阳能电池用锂离子充电电池、或镍镉充电电池代替。 

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