電控調(diào)光玻璃產(chǎn)生的防眩目效果研究

程枝萍，付君偉

(浙江農(nóng)業(yè)商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，浙江紹興 312071)

0 引言

人們可以看清視野場(chǎng)景，在于場(chǎng)景反射光線的照度處在視網(wǎng)膜正常感知范圍內(nèi)。人體衛(wèi)生資料記載，人眼能夠承受可見(jiàn)光的最大亮度約為106 cd/m2[1]，相當(dāng)于眼前照度1 332.42 Lux[2]，視覺(jué)暫留時(shí)間為0.1～0.4 s[3]。當(dāng)場(chǎng)景反射光線亮度增大到一定數(shù)值時(shí)，即使瞳孔縮到最小，視網(wǎng)膜仍難以承受那樣的照度就會(huì)引起目眩失能。在汽車行駛過(guò)程中，入射光引起駕駛員目眩的工況大致分4種：(1)夜間受到對(duì)向車輛遠(yuǎn)光燈直射；(2)迎著朝陽(yáng)或夕陽(yáng)行駛受到斜陽(yáng)照射;(3)遇到路面監(jiān)控?cái)z像頭、受到補(bǔ)光燈照射；(4)車輛駛出隧道口或地庫(kù)口迎來(lái)晴空烈日照射。入射光引起駕駛員目眩的距離見(jiàn)圖1。無(wú)論哪種目眩都會(huì)使駕駛員短暫視盲，對(duì)行車安全性和舒適性產(chǎn)生不利影響。目前，在解決目眩問(wèn)題上逐漸形成3條技術(shù)路線[4]：第一，從目眩光源的發(fā)光強(qiáng)度入手，會(huì)車時(shí)自動(dòng)切換遠(yuǎn)、近光燈的開(kāi)啟；第二，從目眩光線的傳播路徑入手，設(shè)法反射、散射或吸收目眩光線；第三，從駕駛員的觀察方式入手，用視野成像代替直接瞭望。目眩光源種類很多，它們都有各自的主要用途，因?yàn)橐鹉垦＞拖胍灰桓脑炷切┕庠达@然無(wú)法實(shí)現(xiàn)。視野成像只能顯示在幅面有限的屏幕上，作為慢速倒車輔助觀察尚堪當(dāng)其用，正常前行為了躲避眩光而令駕駛員轉(zhuǎn)移視線關(guān)注屏幕那將給行車安全帶來(lái)極大風(fēng)險(xiǎn)。既然第一、第三條路線都難以走通，那就應(yīng)該從第二條路線上尋找解決辦法。雖然目眩光源各不相同，但光線都要穿過(guò)擋風(fēng)玻璃，基于電控調(diào)光玻璃屬性適時(shí)降低其透光率，從而降低視網(wǎng)膜照度的主動(dòng)防眩目方案應(yīng)該具有相應(yīng)可行性[5]。

圖1 入射光引起駕駛員目眩的距離

1 實(shí)驗(yàn)材料儀器

在擋風(fēng)玻璃防眩目實(shí)驗(yàn)中用到的材料、儀器和設(shè)備如下：

電控調(diào)光玻璃見(jiàn)圖2，幅面600 mm×600 mm，接近普通轎車前擋風(fēng)玻璃的一半。它基于聚合物分散液晶(PDLC)技術(shù)，由兩層鋼化玻璃、兩層透明導(dǎo)電膠片和一層超薄液晶疊壓而成[6]，膠片引線從玻璃邊緣一側(cè)引出。超薄液晶層填充扭曲向列相液晶(TN)構(gòu)成液晶光閥，以便降低驅(qū)動(dòng)電壓，縮短狀態(tài)轉(zhuǎn)化響應(yīng)時(shí)間，拓寬調(diào)光溫度適應(yīng)范圍，改善透光屬性等光電特性。

圖2 調(diào)光玻璃結(jié)構(gòu)

光敏傳感器S1、S2及其放大電路見(jiàn)圖3。1號(hào)雙蹤示波器可以同時(shí)觀察S1、S2端電壓變化情況。

圖3 光敏傳感器及其放大電路

調(diào)光玻璃防眩目控制電路見(jiàn)圖4。它利用光敏傳感器S1的放大信號(hào)控制液晶光閥上的加載電壓改變其透光率從而產(chǎn)生防眩目效果。

圖4 調(diào)光玻璃防眩目控制電路

LED射燈及其調(diào)光電路見(jiàn)圖5。它可大范圍調(diào)節(jié)射燈發(fā)光強(qiáng)度，保證距離光源2 m以外光照強(qiáng)度在550～10 000 Lux內(nèi)。

圖5 LED射燈及調(diào)光電路

2臺(tái)雙蹤示波器，型號(hào)YD4320F。

2部照度計(jì)，型號(hào)TES-1332A，測(cè)量范圍0.1～20 000 Lux。

1組蓄電池，型號(hào)6-QAW-54a，輸出電壓12 V。

1臺(tái)充電機(jī)，型號(hào)JCDQ-12V。

2 實(shí)驗(yàn)安排布置

擋風(fēng)玻璃防眩目實(shí)驗(yàn)在汽車電子實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展，室內(nèi)照度523 Lux，各種實(shí)驗(yàn)材料、儀器和設(shè)備安排布置見(jiàn)圖6。調(diào)光玻璃像汽車前擋風(fēng)玻璃那樣與水平軸線成35°夾角定位。沿軸線在玻璃前方約2 m處設(shè)置LED射燈作為眩光源。居于玻璃表面中心設(shè)置光敏傳感器S1作為電子眼感受入射眩光，S1端電壓US1放大后的US1放大供給兩個(gè)電路分別處理：一路輸入1號(hào)示波器；另一路輸入防眩目控制電路[7]；其中3個(gè)雙電壓比較器LM393的工作電壓VCC、門(mén)限電平UR和輸出電壓UOUTA各不相同，UOUTA再分配給兩個(gè)電路：一路輸入2號(hào)示波器，另一路驅(qū)動(dòng)調(diào)光玻璃完成自適應(yīng)防眩目控制過(guò)程。沿軸線在玻璃后方約0.55 m處設(shè)置光敏傳感器S2代替駕駛員眼睛感受衰減后的眩光，S2端電壓US2放大后的US2放大也輸入1號(hào)示波器。1號(hào)示波器用于顯示兩個(gè)傳感器S1、S2端電壓變化波形，2號(hào)示波器用于顯示調(diào)光玻璃端電壓加載波形。1號(hào)照度計(jì)的光檢測(cè)器固定在調(diào)光玻璃迎光面上用于測(cè)定玻璃承受的光照強(qiáng)度，2號(hào)照度計(jì)的光檢測(cè)器固定在S2下方用于測(cè)定玻璃的防眩目效果。蓄電池模擬汽車電瓶為調(diào)光玻璃控制電路，傳感器S1、S2的放大電路供電，虧電時(shí)使用充電機(jī)充電。

圖6 調(diào)光玻璃防眩目實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備布置

3 實(shí)驗(yàn)操作流程

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，3個(gè)雙電壓比較器LM393對(duì)應(yīng)加載36、27、18 V，頻率為50 Hz的逆變交流電，調(diào)光玻璃將根據(jù)迎光面照度自適應(yīng)加載上面某個(gè)電壓等級(jí)或LM393低電平2 V；打開(kāi)射燈開(kāi)關(guān)，讀取1號(hào)照度計(jì)數(shù)值，通過(guò)Triac調(diào)光器調(diào)節(jié)射燈亮度，使調(diào)光玻璃表面照度為750 Lux，觀察調(diào)光玻璃灰度變化情況，1號(hào)示波器記錄傳感器S1、S2兩路信號(hào)的電壓波形見(jiàn)圖7，2號(hào)示波器記錄調(diào)光玻璃的驅(qū)動(dòng)電壓，2號(hào)照度計(jì)顯示眩光衰減后的照度。接下來(lái)重新調(diào)節(jié)射燈亮度，模擬車輛遇到更強(qiáng)眩光，使調(diào)光玻璃表面照度分別為1 500、3 000、6 000 Lux，觀察調(diào)光玻璃灰度變化情況，1號(hào)示波器記錄的電壓波形見(jiàn)圖8、圖9和圖10，同時(shí)記錄2號(hào)示波器和2號(hào)照度計(jì)上的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖7 玻璃加載36 V、50 Hz逆變交流電調(diào)光效果比較

圖8 玻璃加載27 V、50 Hz逆變交流電調(diào)光效果比較

圖9 玻璃加載18 V、50 Hz逆變交流電調(diào)光效果比較

圖10 玻璃加載2 V、50 Hz逆變交流電調(diào)光效果比較

然后，3個(gè)雙電壓比較器LM393對(duì)應(yīng)加載36、27、18 V直流電，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，再得到4組電壓波形分別見(jiàn)圖11、圖12、圖13和圖14，以及其他對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖11 玻璃加載36 V直流電調(diào)光效果比較

圖12 玻璃加載27 V直流電調(diào)光效果比較

圖13 玻璃加載18 V直流電調(diào)光效果比較

圖14 玻璃加載2 V直流電調(diào)光效果比較

4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

在實(shí)驗(yàn)中，可以直觀看到調(diào)光玻璃灰度變化，說(shuō)明液晶光閥經(jīng)歷了開(kāi)度轉(zhuǎn)化過(guò)程，液晶光閥開(kāi)啟調(diào)光玻璃透光率增加，液晶光閥關(guān)閉透光率降低。光照促使光敏電阻內(nèi)的載流子在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生漂移，導(dǎo)電能力上升，電壓和電阻下降，即光照強(qiáng)度與光敏電阻的電壓和電阻之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。這樣便可以正確分析S1、S2端電壓與入射光照度的關(guān)系以及調(diào)光玻璃的光電特性。

4.1 調(diào)光玻璃加載逆變交流電防眩目效果分析

4.1.1 調(diào)光玻璃表面照度為750 Lux時(shí)

從圖7中可見(jiàn)S1、S2波形在T1～T2之間一小段彼此分開(kāi)，后續(xù)部分難以分清各自走勢(shì)，電壓穩(wěn)定在900 mV左右，S2波形躍變?cè)?.1 s內(nèi)完成，2號(hào)示波器顯示驅(qū)動(dòng)電壓為36 V，2號(hào)照度計(jì)讀數(shù)為746 Lux。這表明調(diào)光玻璃在36 V電壓驅(qū)動(dòng)下扭曲向列相液晶(TN)受到強(qiáng)力拉伸，液晶分子在外加電場(chǎng)作用下由雜亂無(wú)序狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)化為有序排列狀態(tài)，液晶光閥完全開(kāi)啟，調(diào)光玻璃透光率達(dá)到85%以上，入射光穿過(guò)玻璃照度衰減微乎其微。

4.1.2 調(diào)光玻璃表面照度為1 500 Lux時(shí)

從圖8中可見(jiàn)S1、S2的波形很相似，可以清晰分辨各自波形曲線，S1端電壓變?yōu)?50 mV左右，S2端電壓變?yōu)?50 mV左右，玻璃驅(qū)動(dòng)電壓已下降為27 V，2號(hào)照度計(jì)讀數(shù)為891 Lux。說(shuō)明入射光穿過(guò)玻璃時(shí)受到一定阻礙，照度有所衰減，調(diào)光玻璃在27 V電壓驅(qū)動(dòng)下TN拉伸強(qiáng)度下降，液晶光閥處于半開(kāi)啟狀態(tài)，但直觀看玻璃灰度變化并不明顯。

4.1.3 調(diào)光玻璃表面照度為3 000 Lux時(shí)

從圖9中可見(jiàn)S1、S2的波形已上下分開(kāi)，對(duì)比圖8它們都下移一定幅度，S1端電壓下降到575 mV左右，S2端電壓下降到810 mV左右，玻璃驅(qū)動(dòng)電壓已變?yōu)?8 V，2號(hào)照度計(jì)讀數(shù)為1 197 Lux。此時(shí)入射光穿過(guò)玻璃阻力增加，照度已明顯衰減，調(diào)光玻璃在18 V電壓驅(qū)動(dòng)下TN開(kāi)始松弛，液晶光閥處于半關(guān)閉狀態(tài)，直觀上可以看到玻璃具有一定灰度。

4.1.4 調(diào)光玻璃表面照度為6 000 Lux時(shí)

從圖10中可見(jiàn)S1、S2波形曲線上下相距較遠(yuǎn)，對(duì)比圖9可知S1波形下移幅度較大，電壓值只有300 mV左右，而S2波形下移幅度較小，電壓值約為760 mV，調(diào)光玻璃加載電壓只有2 V，2號(hào)照度計(jì)讀數(shù)為1 301 Lux。顯然，入射光穿過(guò)玻璃時(shí)其照度已大幅度衰減，調(diào)光玻璃在2 V驅(qū)動(dòng)電壓下TN松弛扭曲，液晶分子處于小區(qū)域內(nèi)布朗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，液晶光閥完全關(guān)閉，相當(dāng)數(shù)量的入射光被玻璃反射、散射或吸收，無(wú)法沿原來(lái)方向傳播，直觀上看玻璃灰度已大幅增加。

由此可見(jiàn)：當(dāng)逆變交流電驅(qū)動(dòng)調(diào)光玻璃時(shí)，加載36 V驅(qū)動(dòng)電壓液晶光閥完全開(kāi)啟，玻璃透光率可以達(dá)到85%以上，液晶光閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間約為0.1 s；隨著驅(qū)動(dòng)電壓降低，外加電場(chǎng)對(duì)液晶分子的作用力下降，液晶分子自身布朗運(yùn)動(dòng)能力重新顯現(xiàn)出來(lái)，液晶光閥開(kāi)度逐漸減小直至完全關(guān)閉，調(diào)光玻璃透光率下降，并且下降幅度不斷加快?！稒C(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中規(guī)定“前風(fēng)擋玻璃可見(jiàn)光透光率不得小于70%[8]”，調(diào)光玻璃透光率調(diào)整不能超越這個(gè)最低限度。在此限度內(nèi)，調(diào)光玻璃有效拓寬了人眼對(duì)不舒適眩光照度的適應(yīng)范圍。

4.2 調(diào)光玻璃加載直流電防眩目效果分析

4.2.1 調(diào)光玻璃表面照度為750 Lux時(shí)

S1端電壓為900 mV，調(diào)光玻璃加載36 V直流電，從圖11中可以看到S2的波形在T3處突然降低到900 mV左右，然后快速回升到920 mV左右并維持下去，2號(hào)照度計(jì)讀數(shù)為735 Lux。這是一種直流電壓沖擊效應(yīng)，扭曲向列相液晶(TN)被瞬間拉直，液晶分子呈現(xiàn)整齊有序排列，液晶光閥瞬間完全開(kāi)啟；隨著直流電壓過(guò)渡到穩(wěn)定狀態(tài)以及分子布朗運(yùn)動(dòng)逐步適應(yīng)，TN的直線度下降，液晶分子最終建立起次級(jí)有序排列，液晶光閥處于半開(kāi)啟狀態(tài)并保持下去，光閥開(kāi)度趨穩(wěn)過(guò)程大約需要5 s。

4.2.2 調(diào)光玻璃表面照度為1 500 Lux時(shí)

S1端電壓為750 mV，調(diào)光玻璃實(shí)際加載27 V直流電，從圖12中可見(jiàn)S2的波形再次出現(xiàn)圖11中的情況，S2端電壓在T4處突然下降到850 mV，然后迅速上升到865 mV左右并維持著。液晶光閥穩(wěn)定開(kāi)度進(jìn)一步下降，光閥開(kāi)度趨穩(wěn)大約持續(xù)4 s。

4.2.3 調(diào)光玻璃表面照度為3 000 Lux時(shí)

S1端電壓為575 mV，調(diào)光玻璃加載18 V直流電，從圖13中可以看到S2的波形同樣存在圖11中的狀況，S2端電壓在T5處突然下降到810 mV，然后迅速上升到815 mV左右并維持著。液晶光閥處于半關(guān)閉狀態(tài)，光閥開(kāi)度趨穩(wěn)持續(xù)2.5 s。

4.2.4 調(diào)光玻璃表面照度為6 000 Lux時(shí)

S1端電壓為300 mV，調(diào)光玻璃實(shí)際加載2 V直流電，從圖14中可以看出S2的波形已不存在圖11中的狀況，S2端電壓逐漸穩(wěn)定在760 mV左右，液晶光閥直接轉(zhuǎn)化到關(guān)閉狀態(tài)。其實(shí)，調(diào)光玻璃直流驅(qū)動(dòng)電壓低于15 V時(shí)加載瞬間沖擊效應(yīng)已難于察覺(jué)。

綜上所述，當(dāng)直流電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)光玻璃時(shí)，液晶光閥會(huì)產(chǎn)生加載瞬間沖擊效應(yīng)，光閥瞬間開(kāi)度張大然后快速過(guò)渡到相應(yīng)電壓下的次級(jí)穩(wěn)定開(kāi)度，這個(gè)穩(wěn)定開(kāi)度小于逆變交流電同等驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生的光閥開(kāi)度，并且光閥開(kāi)度趨穩(wěn)轉(zhuǎn)化要持續(xù)幾秒鐘。隨著加載電壓降低，液晶光閥瞬間沖擊效應(yīng)明顯減弱，光閥開(kāi)度趨穩(wěn)轉(zhuǎn)化時(shí)間縮短。

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)研究表明，從目眩光線傳播路徑角度出發(fā)，基于電控調(diào)光玻璃屬性適時(shí)降低其透光率的主動(dòng)防眩目方案比較可行。在方案實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)選用填充扭曲向列相液晶的PDLC電控調(diào)光玻璃，超薄型液晶夾層，針對(duì)照度大多處在1 500～6 000 Lux內(nèi)的不舒適眩光[9]，保證液晶光閥完全開(kāi)啟時(shí)玻璃透光率達(dá)到85%以上，完全關(guān)閉時(shí)玻璃透光率不低于70%；選擇逆變交流電驅(qū)動(dòng)調(diào)光玻璃，加載36 V安全電壓便可使液晶光閥完全開(kāi)啟，光閥開(kāi)啟響應(yīng)時(shí)間為0.1 s，小于人眼視覺(jué)暫留時(shí)間，光閥關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間為3.28 s[10]，與駕駛員發(fā)現(xiàn)眩光源、接近眩光源到產(chǎn)生目眩失能所用時(shí)間大致相仿；雖然車載直流電源便攜可用，但是用直流電驅(qū)動(dòng)調(diào)光玻璃并不合適，直流電壓加載瞬間會(huì)產(chǎn)生沖擊效應(yīng)，液晶光閥開(kāi)度趨穩(wěn)轉(zhuǎn)化需要持續(xù)幾秒鐘，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)視覺(jué)暫留時(shí)間，并且同等驅(qū)動(dòng)電壓下光閥開(kāi)度小于逆變交流電；調(diào)光玻璃驅(qū)動(dòng)電壓自適應(yīng)加載控制過(guò)程，可以及時(shí)產(chǎn)生防眩目效果，杜絕駕駛員出現(xiàn)短暫視盲，提高行車安全性和舒適性。