CN101592790B - 液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法及控制装置，将液晶镜片划分成若干纵向分布、相互平行的水平向液晶条块，由控制器施加到各液晶条块上的控制电压控制其透光率；向控制器输入外界平均光照度的传感信号，控制器据此输出一平均控制电压控制整个液晶镜片的平均光透过率；用角度传感器测出强光源在液晶镜片上的入射角，据该入射角选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块；控制器通过提高对该遮光条块的控制电压，使该遮光条块成为黑区。本发明可使液晶镜片整体对光的透过率及明暗变色区的分布自动随环境光照度和强入射光角度的的变化而改变，而且具有结构简单，体积小、成本低的优点。

Description

液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种太阳镜，体涉及一种用于液晶太阳镜自动变色的控制方法及控制装置。

背景技术

液晶太阳镜可以通过改变加在液晶镜片上的电压改变镜片的光透过率，现有技术中有一些液晶眼镜，将液晶镜片划分为多个相邻的液晶条块，并顺着一个方向排列，对每一个液晶条块施加不同的电压，镜片上可以出现不同明暗区域层的阴影效果。这类镜片相邻条块之间光的透过率的差异是固定不变的，没有自动调整的功能，所以不能适应入射光方向的改变，此外这类镜片的平均光透过率也不能随周围环境的平均光照度自动变化。

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。这些眼镜控制方式复杂，设计要通过较大、较重、昂贵的电子控制装置来实现其功能，由于实用性较差，至今未见其商品化

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述不足，提供一种液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法及控制装置，这种方法及装置可以使液晶镜片对光的透过率及明暗变色区的分布自动随入射光的角度和环境光照度的变化而改变，而且具有控制方式简单、结构简单，体积小的优点。

为解决上述问题，本发明方法包含下述内容：

a、将液晶镜片划分成若干纵向分布、相互平行的水平向液晶条块，将若干液晶条块位于同一侧的所有电极电连接作为公共电极，该公共电极与控制器公共电极端电连接，将若干液晶条块位于另一侧的电极分别作为独立的控制电极，分别与控制器的对应控制输出端电连接，由该控制输出端的输出电压控制对应液晶条块的透光率；

b、向控制器输入外界平均光照度的传感信号，控制器根据该平均光照度传感信号输出平均控制电压，施加到所有液晶条块上，控制整个液晶镜片的平均光透过率，平均光照度越强，输出的平均控制电压越高，反之就越低；

c、用角度传感器测出强光源与人眼连线在液晶镜片上的相对入射角，根据该入射角选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块，作为遮光条块；

d、控制器提高对该遮光条块的控制电压，使该遮光条块成为遮光暗区。

本发明方法的进一步方案包含下述内容：

控制器选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块及与其相邻的一条或数条液晶条块共同作为所述的遮光条块，并提高对这些遮光条块的控制电压，使这些遮光条块成为黑区。

本发明方法进一步的又一方案是：所述加在液晶条块上的控制电压是频率相同、占空比相同的交变电压，通过调节其占空比、或幅值、或相位移调节控制电压的有效值。

本发明方法的再进一步方案包含下述内容：

控制器输出的控制电压是：向所有液晶条块控制电极和公共电极分别施加一频率相同、占空比相同的交变电压，通过调节加在两电极上交变电压的相位差调节加在液晶条块上交流电压有效值的大小，当控制器根据外界强光角度选好需要变黑的中心遮光条块后，使向该中心遮光条块控制电极施加的交变电压产生相对于加在公共电极上交变电压的相位移，该相位移使加在中心遮光条块上的有效电压值提高，形成遮光黑区。

本发明装置为(参见实施例图1)：设有控制器和液晶镜片，所述液晶镜片两面分别附有一层导电透光膜，其中，有一面的导电透光膜是纵向平行分布的若干水平向导电透光膜条块，分别构成若干液晶条块的独立控制电极，各液晶条块的控制电极分别与控制器对应的控制输出管脚电连接，附着在另一面的导电透光膜覆盖了该液晶镜片的整个区域，构成若干液晶条块的公共电极，并连接到控制器的公共电极管脚上，所述的控制器输入端接有光照传感器和光角度传感器。

本发明液晶镜被分割成若干相互平行的水平向的条块区，每一条块区的透光率由加在公共电极和该条块控制电极上的电压决定，戴上采用了本发明的太阳镜后，人眼与镜片就建立了相对不变的坐标，角度传感器测出强光源对人眼的视角后，可向镜片上相对这一视角的一条或几条液晶条块施加高电压，自动形成对这一视角强光源的光遮挡，而且不影响对其它区域的视线，而整个镜片的透光率则通过检测到的外界平均光照而加在所有液晶条块上的平均控制电压进行控制：环境平均光照小，加在所有条块上的平均控制电压就低，整个液晶镜片的光透过率就高，环境平均光照高，加在所有条块上的平均控制电压就高，整个液晶镜片的光透过率就相对降低。

本发明将液晶镜面划分成“条阵”的形式，这样只需用角度传感器检测出强光源在垂直方向上相对镜片的不同视角，即可通过在与该视角对应的镜片上自动产生水平向的黑条区而将强光源有效遮挡，加之对整个镜片施加的平均控制电压，可以使液晶镜片整体对光的透过率及明暗变色区的分布自动随环境光照度和强入射光角度的的变化而改变，而且具有结构简单，体积小、成本低的优点，为产品的商品化创造了条件。

附图说明

图1、本发明装置实施例结构示意图

图2、本发明实施例选择液晶镜片上某一视角遮光液晶条块的操作示意图

图3、用本发明方法实施例向镜片上不同液晶条块加载控制电压的波形图

图4、本发明方法实施例的控制程序流程图

图5、根据入射角度θ选定需遮挡的液晶条块的示意图

图6、角度传感器与被测入射光的相对关系图

图7、液晶镜片的光入射角与(Ia-Ib)/(Ia+Ib)之间的特征曲线

具体实施方式

参见图1本例的结构示意图。

液晶镜片设有若干上下向分布、相互平行的水平向液晶条块；

控制器采用微处理器MSP430F2234型号的数字集成的CPU芯片，该芯片焊接在印刷电路板上，通过印刷电路板与其它部件电连接。

CPU芯片输入端接有角度传感器和光照传感器，其多个输出控制管脚分别与液晶镜片上的各液晶条块的控制电极电连接，其公共电极管脚与各液晶条块的公共电极电连接，太阳能电池通过印刷电路板向所述CPU芯片、角度传感器和光照传感器供电。

该微处理器含两个运算放大器，可以直接测量角度传感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。

为了将从光角度传感器中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是在一个动态范围里变化，故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。

电池应能提供足够的电压来启动微型控制器和液晶显示屏，本例采用了太阳能电池，附带或不附带调压器均可，也可以利用光照传感器或光角度传感器光电转换产生的电能代替。

液晶镜片，其透过率是所施加电压的函数，本例镜片的镜面为平面形，镜片采用正性TN—液晶，液晶镜片上附着有设置了多个管脚的连接器，所述镜片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镜片的整个区域，构成公共电极，并电连接到连接器的一个公共管脚上，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，横向延伸到该液晶镜片的同样或接近的宽度，分别构成对应液晶条块的控制电极，每一个液晶条块的控制电极连接到所述连接器上的一个单独的管脚，各液晶条块的电极通过连接器管脚与控制器电连接。

所述的若干液晶条块纵向紧密排列，其下部条块的纵向宽度远大于上部条块的纵向宽度。液晶条块纵向宽度的大小会影响角度的分辨率，纵向宽度越小，角度分辨率越高，反之越低，而通常液晶镜片需要遮挡的部位在上方，所以上部条块的宽度小，下部的宽一些，这样可减少控制器所需设置输出管脚的数量，也减少了不必要的运算量。

该镜片上每一个水平液晶条块对太阳光的透过率与加在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，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，该子区域的透过率下降。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。

本例使用的液晶镜面是STN-黄/绿型，其它如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。

参见图6，本例的光角度传感器和光照度传感器是采用了一个包括光角度探测器和光照度传感器的组合光感应器，该光电传感器单元在同一平面的上下部分别设有一个光电管PA和PB，两光电管中间设有一与该平面垂直的遮光板，构成两个测光部，两个测光部的光电流输出端通过印刷电路板与CPU芯片输入端电连接。

该光电传感器单元装在太阳镜上后，其法线与液晶镜片的法线重合，当入射光垂直入射到该光电传感单元上时，两个光电管的感光面积相同，检测的光电流Ia与Ib相等，当入射光以与法线呈一定角度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Ia、Ib也不相等，本传感器形成(Ia-Ib)/(Ia+Ib)的量与入射角θ成正比，故构成角度传感信号，CPU芯片计算此量即可求得入射光角度θ，而(Ia+Ib)的值则正比于太阳光的照度，构成光照传感信号；CPU芯片计算此量即可求出平均光照度。该传感器的最大检测角度为正负50度。

本例采用Hamamatsu Photonics公司提供的零件号是S6560产品作为上述光角度传感器和光照度传感器。

上述传感器的替代手段可以是：任何其它光电探测器的组合，如果能够感应到光照强度和入射角度，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。运算放大器可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。另一个选择是，通过每个光敏二极管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。角度探测器也可以被手动调节控制装置如电位计所替代。

参见图5根据入射角度θ选定需要遮光的液晶条块的示意图

将上述角度和光照传感器和液晶镜片装在太阳镜上，使传感器法线与眼镜片法线重合，人眼戴上该太阳镜后，人眼与液晶镜片和传感器之间就形成相对不变的坐标，此时人眼的每一视角线都对应镜片上的一个固定液晶条块。CPU芯片根据传感器信号(Ia-Ib)/(Ia+Ib)的值计算出强光源与人眼连线在镜片上相对于法线的入射角度θ后，即可选定与该θ角视线对应的液晶条块n。

如图5所示：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个条块，第n个条块与法线方向的夹角为θ，所以CPU芯片即可根据角度θ，计算得到n，该条块就是应该进行光遮挡的液晶条块。

图7是液晶镜片的光入射角特征曲线：按该曲线，即可根据角度传感信号值(Ia-Ib)/(Ia+Ib)计算出强光入射角θ。

CPU芯片选定了需要进行光遮挡的液晶条块n后，即向该条块施加可使其黑屏的控制电压。

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，故本例对各液晶条块加载的是交流控制信号。

液晶条块上的交变控制电压还可通过调占空比、调幅等方法实现。

图3是本例CPU芯片向各液晶条块施加控制电压的波形图，加载在各电极上的电压信号是频率、占空比、辐值相同的方波信号，该图展示了加载在镜片中各单独电极上的信号时序。

波形a是加载在所有液晶条块共享的公共极上的信号波形。

加载b波形的条块相对于波形a没有相移，其控制电极上的电压与公共极上的电压没有差异，故有效电压值为0(见a+b波形)，因而该条块不会呈现透过率的减弱。

加载c波形的条块相对于波形a存在最大相差，其控制电极上的电压与公共极上的电压有180度相移，故有效电压值达到最大(见a+c波形)，当该交流控制电压足够大，即可使加载该电压的液晶条块成为黑区，达到光遮挡的效果。

同样道理，控制器向所有液晶条块施加所述平均控制电压时，通过使向所有液晶条块控制电极施加的交变电压产生相对于公共电极上交变电压的相位移来改变加在所有液晶条块上的有效电压值，平均光照度升高时，产生的相位移增大，使有效电压值提高，平均光照度降低时，产生的相位移减小，使有效电压值降低。

上述仅是列举了一种电压驱动波形，这种方波信号易于通过对直流信号的“开”“关”控制产生，当然也可采用能产生同样控制效果的其它形式的交变驱动电压，如交变三角波、正弦波等。

图2是本控制器的操作过程示意图。

控制器通过角度传感器和光照传感器检测入射光角度θ传感信号和光照强度传感信号。

标准情况下，CPU芯片对每一液晶条块加载的信号差电压为0；

当CPU芯片根据光照度传感信号(Ia+Ib)计算出环境平均光照度，先将Ia+Ib量与设定的光照度阈值进行比较，若低于该阈值，则不产生平均控制电压，若高于该阈值，即根据该平均光照度的强弱产生一平均控制电压加载到所有液晶条块的控制电极上，控制整个液晶镜片的平均光透过率，环境平均光照度越强，平均控制电压越高，整个液晶镜片的平均光透过率就越低，反之就越高。

当CPU芯片根据角度传感信号(Ia-Ib)/(Ia+Ib)的值计算出强光源与人眼连线在镜片上相对于法线的入射角度θ，即用前面已述的方法计算出需要遮挡的液晶条块，并对其施加足够大的控制电压使其黑屏。

图4是微处理机CPU芯片的控制程序流程框图，

步骤1

初始化：向该CPU芯片输入人眼到所述镜片的距离L，所述各子区域的纵向宽度为W，该W值对所有子区域都相同，以及用以反映光照度临界值的输入电压阈值，该临界值决定CPU芯片是否启动，

设定：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，该法线与镜片的交点为坐标原点，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，再分别顺序编号，

步骤2

当光照度低于其临界值，光电流Ia+Ib低于所述CPU芯片设定的工作阈值时，该CPU芯片不启动，所述镜片的所有电极无任何控制电压信号输入；

步骤3

当太阳光的光照度高于设定的光照度临界值，光电流Ia+Ib大于所述CPU芯片设定的工作阈值时，该CPU芯片启动，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4；

步骤4，

CPU芯片判断光电流Ia是否等于光电流Ib：

若：Ia＝Ib，则所述传感器接收的是垂直入射的入射光，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形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，而幅度频率和占空比都相同，使得液晶镜片各子区域上透过率相同，因而各水平条块的透光率分布一样；

若：Ia≠Ib，该CPU芯片相对于入射角为θ的那一个子区域的序号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子区域的编号，

tanθ＝n·W/L，而θ∝(Ia-Ib)/(Ia+Ib)，并对序号为n的那个子区域施加控制电压信号，所述控制电压信号相对于加在所述公共电极上的方波电压信号存在最大相位差，使得加在所述镜片第n号子区域上的电压值达到最大，按照液晶镜片的输入电压和透光率曲线使该n号子区域的透过率降到最低，产生黑屏，遮挡强光，同时还向与n号子区域相邻的n+1号子区域和n-1号子区域施加与n号子区域相同的控制电压，使其与n号子区域共同组成加宽的光遮光区。

减少每条液晶条块的宽度W，增加液晶镜片水平向液晶条块的数量，可以提高控制的分辨率，但也降低了黑屏液晶条块的宽度，所以本例选中θ角所对应的n号液晶条块后，不仅向n号液晶条块，还向与其相邻的n+1号液晶条块、n-1号液晶条块同时施加能使其黑屏的控制电压，以增加强光遮光条的宽度。当然还可根据需要增加更多强光遮光液晶条块的数量，进一步增加遮光条的宽度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明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，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，包含下述内容：

a、将液晶镜片划分成若干纵向分布、相互平行的水平向液晶条块，将若干液晶条块位于同一侧的所有电极电连接作为公共电极，该公共电极与控制器公共电极端电连接，将若干液晶条块位于另一侧的电极分别作为独立的控制电极，分别与控制器的对应控制输出端电连接，由该控制输出端的输出电压控制对应液晶条块的透光率；

b、向控制器输入外界平均光照度的传感信号，控制器根据该平均光照度传感信号输出平均控制电压，施加到所有液晶条块上，控制整个液晶镜片的平均光透过率，平均光照度越强，输出的平均控制电压越高，反之就越低；

c、用角度传感器测出强光源与人眼连线在液晶镜片上的相对入射角，根据该入射角选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块，作为遮光条块；

d、控制器通过提高对该遮光条块的控制电压，使该遮光条块成为遮光暗区。

2.根据权利要求1所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，包含下述内容：

控制器选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块及与其相邻的一条或数条液晶条块共同作为所述的遮光条块，并通过提高对这些遮光条块的控制电压，使这些遮光条块成为遮光暗区。

3.根据权利要求1所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，其特征在于：所述加在液晶条块上的控制电压是频率相同、占空比相同的交变电压，通过调节其占空比、或幅值、或相位移调节控制电压的有效值。 

4.根据权利要求3所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，其特征在于，包含下述内容：

控制器输出的控制电压是：向所有液晶条块控制电极和公共电极分别施加一频率相同、占空比相同的交变电压，通过调节加在两电极上交变电压的相位差调节加在液晶条块上交流电压有效值的大小，当控制器根据外界强光角度选好需要变黑的中心遮光条块后，使向该中心遮光条块控制电极施加的交变电压产生相对于加在公共电极上交变电压的相位移，该相位移使加在中心遮光条块上的有效电压值提高，形成遮光黑区。

5.根据权利要求4所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，其特征在于，包含下述内容：

控制器向所有液晶条块施加所述平均控制电压时，通过使向所有液晶条块控制电极施加的交变电压产生相对于公共电极上交变电压的相位移来改变加在所有液晶条块两电极上的有效电压值，平均光照度升高时，产生的相位移使有效电压值提高，平均光照度降低时，产生的相位移使有效电压值降低。

6.根据权利要求4或5所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制方法，其特征在于：所述控制器向液晶条块施加的交变电压是频率相同、占空比相同的方波电压。

7.液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制装置，设有控制器和液晶镜片，其特征在于：所述液晶镜片两面分别附有一层导电透光膜，其中，有一面的导电透光膜是纵向平行分布的若干水平向导电透光膜条块，分别构成若干液晶条块的独立控制电极，各液晶条块的控制电极分别与控制器对应的控制输出管脚电连接，附着在另一面的导电透光膜覆盖了该液晶镜片的整个区域，构成所述若干液晶条块的公共电极，并连接到控制器的公共电极管脚上； 

设有与控制器输入端连接的光照传感器，用于向控制器输入外界平均光照度的传感信号，控制器根据该平均光照度传感信号输出平均控制电压，施加到所有液晶条块上，控制整个液晶镜片的平均光透过率，平均光照度越强，输出的平均控制电压越高，反之就越低；

设有与控制器输入端连接的光角度传感器，用于测出强光源与人眼连线在液晶镜片上的相对入射角，根据该入射角选定强光源同人眼连线与液晶镜片交点所在的液晶条块，作为遮光条块；

所述的控制器通过提高对遮光条块的控制电压，使该遮光条块成为遮光暗区。

8.根据权利要求7所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制装置，其特征在于：所述的控制器为数字集成的CPU芯片，该芯片焊接在印刷电路板上，通过印刷电路板与其它部件电连接。

9.根据权利要求7所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制装置，其特征在于：所述的若干液晶条块纵向紧密排列，其下部条块的纵向宽度大于上部条块的纵向宽度。

10.根据权利要求7所述的液晶太阳镜分区明暗自动变色的控制装置，其特征在于：所述的光角度传感器和光照度传感器是采用了一个包括光角度探测器和光照度传感器的组合光感应器。 

Images