CN101592809A - 液晶太阳镜的变色控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

液晶太阳镜的变色控制方法及装置，设置可根据光强度传感信号改变输出控制电压的控制模块，将其输出控制电压加到液晶镜片的电极上，控制液晶镜片的光透过率；用可接收可见光的光电转换电池为控制模块供电，同时将该光电电池作为输入控制模块的光强传感信号；对控制模块的工作电压设置下限阈值和上限阈值，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号低于工作电压下限阈值时，控制模块不工作，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号高于工作电压下限阈值，并小于上限阈值时，控制模块工作，输出随光强传感信号辐值变化的控制电压，本发明可以结构简单、体积小、能耗少的结构使采用其的太阳镜实现随外界光强度自动变色。

Description

液晶太阳镜的变色控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种太阳镜，体涉及一种液晶太阳镜自动变色的控制方法及装置

背景技术

变色太阳镜可保护眼睛不受外界强光刺激，传统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，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，存在电路系统体积过大、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。

此外这已有技术中有通过提供直流电信号来驱动液晶镜片的，这样可以减少电子元件，但这种电子线路不适合用于液晶镜片，因为当施加直流电信号时液晶片会发生离子移动，导致出现脱色点，缩短其使用寿命。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述不足，提供一种能自动随外界光强变化而改变镜片透光率的液晶太阳镜的变色控制方法及装置，使采用这种控制方法及装置的太阳镜结构简单、体积小、耗能少、制作使用成本低。

本发明的进一步目的是提供一种用交流信号驱动液晶镜片的液晶太阳镜的变色控制方法及装置，使采用该控制方法及装置的太阳镜结构简单、体积小、耗能少。

本发明方法包含下述内容：

1、设置可根据光强度传感信号改变输出控制电压的控制模块，将该控制模块输出的控制电压加到液晶镜片的电极上，控制液晶镜片的光透过率；

2、用可接收可见光的光电转换电池为所述的控制模块供电，同时将该光电电池随可见光强度而变化的输出电压作为输入控制模块的光强传感信号；

3、对控制模块的工作电压设置下限阈值和上限阈值，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号低于工作电压下限阈值时，控制模块不工作，处于休眠状态，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号高于工作电压下限阈值，并小于上限阈值时，控制模块工作，输出随光强传感信号辐值变化的控制电压。

本发明方法的进一步方案包含下述内容：

4、所述的控制模块用嵌在其中的软件将输入的光强度传感信号转换成辐值随光强传感信号幅值变化的交流控制信号加到液晶镜片的电极上。

采用上述方法的本发明装置由液晶镜片、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，向液晶镜片施加控制电压，所述光电转换电池的电压输出端与控制模块的电压输入端连接，用于向控制模块输入随光强变化的光强传感信号，同时向控制模块供电。

本发明装置的进一步方案是：所述的控制模块包括印刷电路板和装在印刷电路板上的数字集成电路控制芯片，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电压输出端电连接，所述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。

本发明装置的再进一步方案是：所述的数字集成电路控制芯片是CPU芯片。

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，本发明用控制模块控制加在液晶镜片上的电压，达到变色的目的；而且本发明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。

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下限工作阈值电压时，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下限工作阈值电压时，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可随控制电压的增加而下降，外界光照度越强，光电转换电池向控制模块输入的电压值越高，控制模块输出的控制电压越高，镜片透过率就越低，从而实现太阳镜的电控全自动变光。

本发明无需设置开关、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，本发明可以只用一个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，不仅可降低采用其的太阳镜的制作成本，还可降低采用其的太阳镜的使用成本。

在设定的上、下阈值之间，本发明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

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，本发明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。

本发明还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，而且本发明对可见光频谱敏感，不会象一些光敏变色镜必须要紫外光才能驱动，采用本发明的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。

本发明的上述优点，使其非常利于产品的实用化和商品化。

本发明进一步方案通过嵌在控制模块中的软件将输入的光强传感信号转换成辐值随光强传感信号幅值变化的交流控制信号加到液晶镜片的电极上，不仅可提高液晶眼镜的使用寿命，而且可简化电路结构，减少能耗，缩小产品体积。

附图说明

图1、本发明装置实施例方框示意图

图2、本发明装置实施例控制电路与液晶镜片连接结构示意图

图3、本发明方法实施例软件流程图

图4、本发明方法实施例产生交流控制电压的波形图

图5、液晶镜片光透过率随输入电压变化的曲线图

图6、太阳能电池的短路电流和开路电压曲线图

图7、是太阳光照度及到达人眼照度的曲线图

具体实施方式

本发明液晶太阳镜的变色控制方装置由液晶镜片、控制模块和光电转换电池组成。

所述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5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5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。

参见图2，液晶镜片采用正性TN-液晶镜片，镜片上设有一对管脚，分别与处于镜片相对的两个表面上的ITO导电膜液晶电极电连接。使用中控制器可通过管脚向液晶镜片的两个电极施加控制电压，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5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。

液晶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。

传统光敏变色液晶镜片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，使太阳镜不能变暗。本例中液晶镜片响应可见光，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数字集成电路控制芯片，采用数字集成电路控制芯片具有体积小、耗能少的优点。

进一步地，本例数字集成电路控制模块采用了数字集成的CPU芯片。

数字集成的CPU芯片，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。

具体方法是：

对CPU芯片的工作电压设定能够启动它的下限阈值，并设定一上限阈值；

当施加在CPU芯片上的电压低于下限阈值，不足以启动它时，CPU芯片为休眠状态，两个输出管脚为参考地电压；

CPU芯片被启动工作时，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，形成的交流电压有效值正比于光强传感信号的交变控制电压。

参见图4用上述方法产生交流控制电压的波形图，图中的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芯片被启动并产生两个方波，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，两个方波频率相同，占空比相同，辐值互为反相，d4的波形显示了加在液晶镜片电极上的组合信号，这是一个辐值正比于输入光强信号的交流控制信号。

参见图3本CPU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、并相位相差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，这会大大减低整个系统的电流消耗。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系统仅有一个太阳能电池，一个CPU芯片，几个静态电子元件。CPU芯片加几个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时，两个控制端即会将交流控制信号加在液晶镜片电极上，改变液晶片的透过率，随所加电压幅值的增大，光透过率下降。太阳能电池既充当传感器，又给整个电子系统提供电能，使该系统能耗很小，结构简单，体积小，而且可以简化的电路结构为液晶镜片提供交流控制电压。

图1是本例CPU控制的原理框图，太阳能电池将光转换为电位，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提供交流电压信号控制液晶镜片，本例在CPU芯片的电压输入端并联一储能电容12，以缓冲液晶镜片“开”“关”状态之间的差异。

电子电路系统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12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，从电子电路系统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，电子电路系统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。

图7是本例太阳光照度及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、液晶太阳镜的变色控制方法，其特征在于，包含下述内容：

a、设置可根据光强度传感信号改变输出控制电压的控制模块，将该控制模块输出的控制电压加到液晶镜片的电极上，控制液晶镜片的光透过率；

b、用可接收可见光的光电转换电池为所述的控制模块供电，控制模块同时根据光电电池随可见光强度而变化的输出电压判断外界光照度的强弱；

c、对控制模块的工作电压设置下限阈值和上限阈值，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号低于工作电压下限阈值时，控制模块不工作，处于休眠状态，当光电转换电池加到控制模块上的光强传感信号高于工作电压下限阈值，并小于上限阈值时，控制模块工作，向液晶镜片输出随光强传感信号辐值变化的控制电压。

2、根据权利要求1所述的液晶太阳镜的变色控制方法，其特征在于：所述的控制模块用嵌在其中的软件将输入的光强度传感信号转换成辐值随光强传感信号幅值变化的交流控制信号加到液晶镜片的电极上。

3、根据权利要求2所述的液晶太阳镜的变色控制方法，其特征在于：所述控制模块将输入的光强度传感信号转换交流控制信号的方法包含下述内容：

CPU芯片被启动工作时，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，即合成幅度正比于光强传感信号的交变控制电压。

4、液晶太阳镜的变色控制装置，其特征在于：由液晶镜片、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，向液晶镜片施加控制电压，所述光电转换电池的电压输出端与控制模块的电压输入端连接，用于向控制模块供电，同时向控制模块输入随光强变化的光强传感信号。

5、根据权利要求4所述的液晶太阳镜的变色控制装置，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数字集成电路控制芯片，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电压输出端电连接，所述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。

6、根据权利要求5所述的液晶太阳镜的变色控制装置，其特征在于：所述的集成电路控制芯片是CPU芯片。

7、根据权利要求4所述的液晶太阳镜的变色控制装置，其特征在于：所述控制模块的输入端并联有储能电容。

8、根据权利要求4-7任一权利要求所述的液晶太阳镜的变色控制装置，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。

9、根据权利要求4-7任一权利要求所述的液晶太阳镜的变色控制装置，其特征在于：所述的光电转换电池为太阳能电池。

10、根据权利要求9所述的液晶太阳镜的变色控制装置，其特征在于：所述的太阳能电池是非晶硅类太阳能电池。

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