CN201203720Y - 全自动电控变色液晶太阳镜 - Google Patents

Abstract

全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：由眼镜架、液晶镜片、控制模块和光电转换电池组成，所述的控制模块装在眼镜架上，其控制电压输出端与液晶镜片的电极电连接，用于向液晶镜片施加控制电压，所述的光电转换电池装在眼镜架上，其电压输出端与控制模块电压输入端连接，用于向控制模块输入随光强变化的传感信号，同时向控制模块供电。本实用新型可以根据环境光照度自动调节镜片的透射率，并将对强光的反应时间调到适中的速度。所采用的太阳能电池既当光强传感器，又能为控制电路供电，简化了电路结构，降低了控制电路能耗，具有体积小、能耗小、制造使用成本低的优点，而且可在滤除紫外波长的阳光下正常工作。

Description

全自动电控变色液晶太阳镜

技术领域

本实用新型属一种眼镜，具体涉及一种可自动变色的太阳镜。

背景技术

为保护眼睛不受外界强光刺激，配戴变色太阳镜是人们常采用的预防措施之一，传统的变色镜是采用光敏材料做镜片，利用光至变色的特性调节镜片透过率，光敏特性的变色眼镜通常工作在紫外光波段，在含有紫外光的阳光下，其镜片内发生光化学反应，使镜片透过率下降，镜片变暗。如Transition品牌的变色太阳镜等。

但这类变色镜在遇到周围环境光突变时，如进入室内和隧道等，不能很快自动调节镜片的透过率，导致配带者视线减弱，看不清周围的环境。这是由于光敏变色太阳镜的变色时间一般为几秒到几十秒的范围；而褪色时间略长，一般在几分钟到几十分钟的范围。与人的瞳孔调节以适应照明变化所需要的时间相比，其响应时间太长。不能适应人眼的需求。而且，这类眼镜在滤掉紫外线被的阳光下，就不能发生变色的化学反应，例如在汽车挡风玻璃后面，尽管阳光耀眼，但眼镜就不会变暗。

现有技术中另一类太阳变色镜是用液晶做镜片，通过改变加在液晶镜片上的电压改变镜片的光透过率，这类太阳变色镜通常都需要设置电池、光强传感器、A/D转换电路或运算放大器、方波发生器等，或者设置开关以手动改变加在液晶镜片上的控制电压，存在电路***体积过大、耗电大的问题，而且电池必需定期更换，既增加了眼镜的使用成本，而且体积过大使用又很不方便，所以制约了此类电子眼镜做为民用产品使用的可行性，也是这类产品至今未见商品上市的重要原因之一。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服上述不足，提供一种能实时随外界光强变化而改变镜片透光率的全自动电控变色液晶太阳镜，这种太阳镜能够实现以与人眼瞳孔扩张时间匹配的速度实现变光，而且具有结构简单、体积小、耗电少、使用成本低的优点。

解决上述问题的技术方案是(参见实施例图)：本实用新型由眼镜架，及装在眼镜架上的液晶镜片、控制模块和光电转换电池组成，所述控制模块的控制电压输出端与液晶镜片的电极电连接，用于向液晶镜片施加控制电压，所述的光电转换电池的电压输出端与控制模块电压输入端连接，用于向控制模块输入随光强变化的传感信号，同时向控制模块供电。

液晶镜片在可见光范围内的透过率与加在其两电极上的控制电压相关：当控制电压超过设定的控制电压阈值且低于控制电压的设定最大值时，透过率会随控制电压的升高而降低，利用该特性，上述方案用控制模块控制加在液晶镜片上的电压，达到变色的目的；而且本实用新型利用光电转换电池具有将光能转换为电能，且其输出电压可随光强度变化的特性，用光电转换电池为控制模块提供光传感信号和电源，也就是说用光电转换电池一种部件代替了传统电池与光强传感器两种部件的功能。

其工作原理是：

当光电转换电池接收太阳光能量产生的电压低于控制模块数设定的工作阈值电压时，控制模块处于休眠状态，没有控制信号输出；此时液晶镜片的透过率达其最大值；当光电转换电池接收太阳光能量产生的电压超过控制模块的工作阈值电压时，控制模块的输出端即输出幅度随输入电压变化的控制电压，这时液晶镜片的透过率随控制电压的增加而下降，外界光照度越强，控制电压越高，镜片透过率就越低。从而实现太阳镜的电控全自动变光。

本实用新型可以根据环境光照度自动调节镜片的透射率，外界光照度变高时，透过率变低，外界光照度变低时，透过率变高，镜片透射率可实时随控制的电信号发生变化，而控制电信号又随环境光照度的不同而变化，所以该眼镜可实时随外界光照度的变化而自动调节进入人眼的光照度。

变色镜对强光的响应时间既不宜太慢，也不宜太快，变化时间太快会出现镜片闪烁现象，太慢又不能实时随外界光强变化而变化，只有以适当的响应速度调整镜片明暗度，才能使光照度的变化与人眼瞳孔的扩张时间相匹配，保护配戴者眼睛瞳孔无须急剧扩张与收缩。现有光敏变色太阳镜对光的响应时间较慢，达不到这个要求，本实用新型不仅能克服这个问题，提高响应速度，而且还可通过对控制模块的调节将对强光的反应时间调到适中的速度。

可见光的中心波长为550nm，本实用新型可以通过选用对可见光波段敏感的光电转换电池，达到使液晶镜片对可见光波段的响应与人眼对光谱的反应基本相同的目的，从而保证镜片能够根据人眼对不同光谱反应而进行自动调节，而且本实用新型对可见光频谱敏感，即不会象一些光敏变色镜必须要紫外光才能驱动，本太阳镜在滤除紫外波长的阳光下一样可以工作，如汽车内等。

本实用新型无需设置开关、光强传感器和外加电池，所采用的光电转换电池既能充当光强传感器，又能为控制电路供电，从而大为简化了电路结构，缩小了体积，并降低了电控部分的电流消耗，本实用新型可以只用一个镶嵌在眼镜架内的太阳能电池即可驱动控制模块根据外界光强自动调节镜片透光率、实现自动变色的目的，不仅降低了制作成本，还降低了使用成本。

在设定的上、下阈值之间，本实用新型液晶镜片的透过率可以是连续可调的，克服了现有一些电控变色镜只有二个或几个灰度等级可调的不足。

本实用新型的上述优点，使其非常利于产品的实用化和商品化。

附图说明

图1、本实用新型实施例外观结构示意图

图2、图1的A-A向剖面结构示意图

图3、图2的B部位横梁的局部放大结构示意图

图4、本实用新型实施例控制电路方框示意图

图5、本实用新型实施例结构示意图

图6、本实用新型实施例控制程序流程图

图7、本实用新型实施例控制***不同节点处的电信号波形图

图8、液晶镜片3光透过率随输入电压变化的曲线图

图9、太阳能电池4的短路电流和开路电压曲线图

图10、是太阳光照度及到达人眼照度的曲线图

1-眼镜架  2-横梁  3-液晶镜片  4-太阳能电池  5-印刷电路板  6-CPU芯片

7-电连接器  8-后盖  9-空腔  10-孔洞

具体实施方式

本实施例太阳镜由光电转换电池、安装在眼镜架上的液晶镜片和控制模块组成。

光电转换电池为太阳能电池模组，该太阳能电池模组是一个由多个非晶硅类电池组成的序列，由4到8个单独的电池组成一个序列，模组的尺寸大约是10毫米长，5毫米宽。其它类型的太阳能电池也都可能成为适用的替代品，然而，太阳能电池的尺寸可能需要调整得小一些或大一些，以获得所需的输出电能。

太阳能电池的输入信号是太阳光，输出是控制电压信号；

本例使用的非晶硅太阳能电池的中心波长为650纳米左右，对光谱响应的高峰就是在可见光的范围内。

图9显示太阳能电池的短路电流和开路电压：太阳能电池产生的短路电流，随着太阳能电池上的光照度增长而线性增长，同时如图9所示，在高于一些起始值后，太阳能电池的开路电压曲线上升变为缓慢。

液晶镜片由左、右两个正性TN-液晶镜片3构成，每个镜片设有一对管脚，分别与处于镜片相对的两个表面上的电极电连接。

液晶镜片3是由若干层构成：最外层是偏光片，向里依次为玻璃或塑料导电膜层ITO、PI取向层、液晶层，并以该液晶层为中心在另一侧设置成两侧对称的层结构，内外两个ITO导电膜层即为液晶镜片的电极，使用中可通过管脚在两个ITO导电膜上施加控制电压，当控制电压超过设定的控制电压阈值但又低于设定的最大控制电压值时，液晶镜片透过率下降，控制电压越高，透过率越低；因为给管脚上施加电压时，在液晶镜片的两个电极之间会形成一个电场矢量，电场的存在扭转了液晶分子的双极力矩，使其与电场反向排列，阻止液晶分子去扭转通过液晶镜片的偏振光，从而通过贴在液晶镜片上的偏光片来降低光的透过率，液晶镜片是偏振的，因而还具有一定防眩光效果。

图8显示液晶镜片在不同输入电压下的透过率变化，如图所示，透过率过了起始电压后开始下降。

太阳镜镜片和光线透过率根据照射在太阳镜上的可见光变化而不同。本例所阐述的太阳镜镜片透过率变化的时间被设定在0.1秒到30秒之间。光的透过率水平在最高值和最低值之间平缓持续地变化，最高透过率的范围在25％到85％之间，最低透过率的范围在0.5％到50％之间。

传统光敏变色太阳镜对不同光谱的响应高峰是紫外光，所以当在汽车里配戴光敏变色太阳镜时，汽车挡风玻璃将入射光谱中紫外光部分过滤掉了，从而使太阳镜不能变暗。本例中的太阳镜响应可见光，对光谱的响应高峰在波长450纳米到700纳米之间，因此，任何足够明亮的可见光都可以启动液晶镜片，例如，本例使用的非晶硅太阳能电池对光谱响应的高峰就是在可见光的范围。

控制模块包括印刷电路板和装在印刷电路板上的集成电路控制芯片，液晶镜片的电极通过印刷电路板与集成电路控制芯片的控制电压输出端电连接，光电转换电池的电压输出端通过印刷电路板与集成电路控制芯片的电压输入端电连接。

采用数字集成电路控制芯片可以具有体积小、耗能少的优点。

进一步地，本例集成电路控制模块采用了智能化的数字集成的CPU芯片。

CPU芯片及其它静态电子元件焊接在印刷电路板上，CPU芯片上的管脚通过细线与电路板上的较大的电焊盘连接，所述液晶镜片上的管脚分别通过电焊盘与CPU芯片电连接，电路板上的焊盘最好与所对应的液晶镜片的管脚相邻，管脚与焊盘可以直接焊接，也可以通过其它部件或导线焊接连接，

参见图1、图3，本例的眼镜架1中部设有空腔9，光电转换电池4嵌在眼镜架中部前面空腔开口的部位，设有集成电路控制芯片的印刷电路板置于紧贴光电转换电池后部的空腔内，空腔9后开口部位被嵌入的后盖8封闭；

通常太阳镜的液晶镜片可以设置1个，也可以设置2个，本例设置了左、右两个液晶镜片，眼镜架1中部设有连接左、右液晶镜片3的横梁2，所述容纳控制模块的空腔9设在横梁2上，左、右液晶镜片分别嵌在眼镜架设置的左、右镜框内，左、右镜框通过横梁连为一体

参见图3，CPU芯片6架在所述印刷电路板5向后的板面上，印刷电路板向前的板面紧贴太阳能电池4。

在横梁空腔9两侧分别设有与两侧镜框连通的孔洞10，两侧孔洞内分别装有电连接器7，电连接器一端与所述液晶镜片3上的管脚电连接，另一端通过电路板上的电焊盘与CPU芯片的控制电压输出端电连接，为防止水进入空腔，孔洞10用密封材料密封，后盖8将空腔9后部密封

本实用新型控制***采用了智能化数字集成的CPU芯片，故可利用软件程序进行设计和控制。

由于给液晶显镜片施加直流电压会导致离子移动，降低液晶的使用寿命，所以本例应用软件程序使CPU芯片输出的控制电压是辐度随输入电压幅值变化的交变电压，即CPU芯片的控制电压输出端是输出辐度可变的交流电压输出端。

当入射光照度高于特定的起始值，CPU芯片启动，按一定时间音隔，向液晶镜片的两个电极施加交变电压，交变电压的产生方法是：分别使两输出管脚相互在“开”与“关”之间切换：第一输出管脚“开”时，向液晶片的对应电极施加高电位，第二输出管脚“关”，向液晶镜片的对应另一电极施加低电位；反之，第一输出管脚“关”时，向液晶镜片的对应电极施加低电位；第二输出管脚“开”，向液晶镜片对应的另一电极施加高电位，使两个输出管脚分别输出交替变化的方波信号，这两路输出信号频率相同，加到液晶镜片的两个电极上，形成交流电压的有效电压正比于光强传感信号的交变控制电压。

图7显示电子控制***不同节点处的电信号，图表中的d1显示了来自太阳能电池的直流电信号，当太阳能电池发出的电信号足够高，CPU芯片MCU11被启动并产生两个方波，两个方波在每一时刻辐值相反。d2和d3两个波形分别显示了CPU芯片两个输出管脚的输出控制电压波形，d4的波形显示了加在液晶镜片3电极上的组合信号。

参见图6CPU芯片控制程序的流程图，芯片按以下步骤控制所述液晶镜片的透过率:

步骤1：若太阳能电池所受到的太阳光能量使该太阳能电池加在CPU芯片输入端的电压低于芯片设定的工作阈值电压，则CPU芯片处于休眠状态，没有控制信号输出；

此时液晶镜片的透过率到达其最大值；

步骤2：若太阳能电池所受到的太阳光能量足以使该太阳能电池加在CPU芯片输入端的电压超过芯片的工作阈值电压，则该CPU芯片的两个控制电压输出端分别输出幅度正比于芯片输入电压的交变控制电压，两输出端输出的交变控制电压频率相同、占空比相同、相位相差180度。

本例在CPU芯片上施加的电压值，即在参考地电压输出管脚和供应电压输出管脚之间的电压值，是直接从太阳能电池上获得的，CPU芯片无需使用传统的模拟-数字转换器或其它方式的采样信号，而是通过程序控制使CPU芯片的输出管脚工作状态类似于切换开关：输出管脚先前是“开”的要“关”，输出管脚先前是“关”的要“开”，从而在每个输出管脚上分别产生交变的方波输出控制电压，这两个方波输出电压频率相同、占空比相同、相位相差180度，加在液晶镜片电极上即形成幅度正比于光强传感信号的交流控制电压，这种方案避免了使用模拟-数字转换器或任何其它意义上的采样信号，简化了电路结构，而且任何时候当CPU芯片不必启动时都被设置为休眠模式，这会大大减低整个***的电流消耗。实现仅用太阳能电池即能满足对控制电路供电的要求。

如上所述，本例与液晶镜片电极连接的控制***包括一个太阳能电池，一个CPU芯片，几个静态电子元件。CPU芯片和其它电子元件充当了静态信号发生器，信号由CPU芯片输出到两个输出管脚，当给CPU芯片上施加足够运行的电压，两个控制端会输出交变信号，该信号加在液晶片两端，改变了液晶片的透过率，随所加电压的增大，光透过率下降。当CPU芯片上施加的电压小于阈值电压，整个芯片不工作，加在镜片上的控制电压为零，这时镜片的透过率为最大。该控制***将光能转换为交流电信号，该交流电信号控制液晶镜片的透过率，该***能耗很小，太阳能电池既充当传感器，又给整个电子***提供电能。

图4是本例CPU控制的原理框图，太阳能电池4将光转换为电位，为CPU芯片MCU11提供电能，电位也是电信号，充当MCU11的输入信号，当电位足够高时，MCU11提供信号控制液晶镜片3，本例在CPU芯片的电压输入端并联一储能电容C，以缓冲液晶镜片“开”“关”状态之间的差异。

电子电路***可以使用的电能有限，是由太阳能电池和储存在静态电子元件中的能量来提供。储能电容器C可被用来在整个时序循环中储存能量，从而降低施加给CPU芯片上电能可能增加或减少的比率。如果太阳能电池有足够的电容，从电子电路***中剔除该电容器也可以。

CPU芯片选用了Texas Instruments公司的产品，产品型号是MSP430F2001，当然任何其它CPU芯片也可以作为替代产品，CPU芯片的选择是基于低能量消耗和尺寸。附加的电阻器和电容器被用来配置MSP430F2001，根据CPU芯片的不同，电子电路***也可以有不同的设计。

CPU芯片输出到两个输出管脚上的交流电压信号，加在至少一个液晶镜片的两个管脚上，任何其它镜片，如果其透过率是施加电压的函数，该镜片也可能成为液晶镜片的替代品。液晶镜片的每个管脚和液晶镜片内的透明导电膜层连接。理想方案是使用两片STN-黄/绿型液晶镜片，尺寸为大约1000平方毫米，当然，TN型，STN-灰型，FSTN型或其它类型的液晶镜片也可能成为合适的替代产品。液晶镜片的电流消耗取决于其尺寸大小，液晶镜片的尺寸取决于太阳能电池的尺寸，因此液晶镜片的透过率和太阳能电池上接收的入射光能相匹配。。

启动液晶镜片的电压应高于启动CPU芯片的电压，这样液晶片从不启动到持续处于低透过率范围之间，才可以保证透过率变化呈平滑状态。正性类型液晶片适用于本实用新型的太阳镜。

本实施方案可使整个电子控制***的体积达到足够小，从而方便地置于太阳镜的镜架上，达到使整个眼镜的外观体积与一般眼镜的外观体积没有太大差异的效果。

图10是使用本例产品后太阳光照度与到达人眼照度的曲线图。

在上述实施方案中，光电转换电池采用了非晶硅类太阳能电池，这种太阳能电池的优点是价格低，对400-700纳米的可见光波段响应敏感，其不足是光电转换效率较低，因此适用于一些成本要求低的低端产品。

光电二极管具有光电转换效率高的优点，但其价格较贵，因此对可见光波段敏感的光电二极管适用于价格较高的高端产品。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (10)

1、全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：由眼镜架，及装在眼镜架上的液晶镜片、控制模块和光电转换电池组成，所述控制模块的控制电压输出端与液晶镜片的电极电连接，用于向液晶镜片施加控制电压，所述的光电转换电池的电压输出端与控制模块电压输入端连接，用于向控制模块输入随光强变化的传感信号，同时向控制模块供电。

2、根据权利要求1所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的控制模块包括印刷电路板和装在印刷电路板上的集成电路控制芯片，所述液晶镜片的电极通过印刷电路板与集成电路控制芯片的控制输出端电连接，所述光电转换电池的输出端通过印刷电路板与集成电路控制芯片的输入端电连接。

3、根据权利要求2所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的集成电路控制芯片为数字集成电路控制芯片。

4、根据权利要求2所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的集成电路控制芯片为CPU芯片。

5、根据权利要求2所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述控制模块的输入端并联有储能电容。

6、根据权利要求2所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的光电转换电池为响应可见光波段的光电二极管。

7、根据权利要求2所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的光电转换电池为太阳能电池。

8、根据权利要求7所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的太阳能电池是非晶硅类太阳能电池。

9、根据权利要求2-8任一权利要求所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述的眼镜架中部设有空腔，所述的光电转换电池嵌在眼镜架中部前面空腔开口的部位，所述设有集成电路控制芯片的印刷电路板置于紧贴太阳能电池后部的空腔内。

10、根据权利要求9所述的全自动电控变色液晶太阳镜，其特征在于：所述设有空腔的眼镜架中部是连接左、右液晶镜片的横梁，左、右液晶镜片分别嵌在眼镜架设置的左、右镜框内。

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