电控调光玻璃产生的防眩目效果研究

程枝萍，付君伟

(浙江农业商贸职业学院，浙江绍兴 312071)

0 引言

人们可以看清视野场景，在于场景反射光线的照度处在视网膜正常感知范围内。人体卫生资料记载，人眼能够承受可见光的最大亮度约为106 cd/m2[1]，相当于眼前照度1 332.42 Lux[2]，视觉暂留时间为0.1～0.4 s[3]。当场景反射光线亮度增大到一定数值时，即使瞳孔缩到最小，视网膜仍难以承受那样的照度就会引起目眩失能。在汽车行驶过程中，入射光引起驾驶员目眩的工况大致分4种：(1)夜间受到对向车辆远光灯直射；(2)迎着朝阳或夕阳行驶受到斜阳照射;(3)遇到路面监控摄像头、受到补光灯照射；(4)车辆驶出隧道口或地库口迎来晴空烈日照射。入射光引起驾驶员目眩的距离见图1。无论哪种目眩都会使驾驶员短暂视盲，对行车安全性和舒适性产生不利影响。目前，在解决目眩问题上逐渐形成3条技术路线[4]：第一，从目眩光源的发光强度入手，会车时自动切换远、近光灯的开启；第二，从目眩光线的传播路径入手，设法反射、散射或吸收目眩光线；第三，从驾驶员的观察方式入手，用视野成像代替直接瞭望。目眩光源种类很多，它们都有各自的主要用途，因为引起目眩就想一一改造那些光源显然无法实现。视野成像只能显示在幅面有限的屏幕上，作为慢速倒车辅助观察尚堪当其用，正常前行为了躲避眩光而令驾驶员转移视线关注屏幕那将给行车安全带来极大风险。既然第一、第三条路线都难以走通，那就应该从第二条路线上寻找解决办法。虽然目眩光源各不相同，但光线都要穿过挡风玻璃，基于电控调光玻璃属性适时降低其透光率，从而降低视网膜照度的主动防眩目方案应该具有相应可行性[5]。

图1 入射光引起驾驶员目眩的距离

1 实验材料仪器

在挡风玻璃防眩目实验中用到的材料、仪器和设备如下：

电控调光玻璃见图2，幅面600 mm×600 mm，接近普通轿车前挡风玻璃的一半。它基于聚合物分散液晶(PDLC)技术，由两层钢化玻璃、两层透明导电胶片和一层超薄液晶叠压而成[6]，胶片引线从玻璃边缘一侧引出。超薄液晶层填充扭曲向列相液晶(TN)构成液晶光阀，以便降低驱动电压，缩短状态转化响应时间，拓宽调光温度适应范围，改善透光属性等光电特性。

图2 调光玻璃结构

光敏传感器S1、S2及其放大电路见图3。1号双踪示波器可以同时观察S1、S2端电压变化情况。

图3 光敏传感器及其放大电路

调光玻璃防眩目控制电路见图4。它利用光敏传感器S1的放大信号控制液晶光阀上的加载电压改变其透光率从而产生防眩目效果。

图4 调光玻璃防眩目控制电路

LED射灯及其调光电路见图5。它可大范围调节射灯发光强度，保证距离光源2 m以外光照强度在550～10 000 Lux内。

图5 LED射灯及调光电路

2台双踪示波器，型号YD4320F。

2部照度计，型号TES-1332A，测量范围0.1～20 000 Lux。

1组蓄电池，型号6-QAW-54a，输出电压12 V。

1台充电机，型号JCDQ-12V。

2 实验安排布置

挡风玻璃防眩目实验在汽车电子实验室中开展，室内照度523 Lux，各种实验材料、仪器和设备安排布置见图6。调光玻璃像汽车前挡风玻璃那样与水平轴线成35°夹角定位。沿轴线在玻璃前方约2 m处设置LED射灯作为眩光源。居于玻璃表面中心设置光敏传感器S1作为电子眼感受入射眩光，S1端电压US1放大后的US1放大供给两个电路分别处理：一路输入1号示波器；另一路输入防眩目控制电路[7]；其中3个双电压比较器LM393的工作电压VCC、门限电平UR和输出电压UOUTA各不相同，UOUTA再分配给两个电路：一路输入2号示波器，另一路驱动调光玻璃完成自适应防眩目控制过程。沿轴线在玻璃后方约0.55 m处设置光敏传感器S2代替驾驶员眼睛感受衰减后的眩光，S2端电压US2放大后的US2放大也输入1号示波器。1号示波器用于显示两个传感器S1、S2端电压变化波形，2号示波器用于显示调光玻璃端电压加载波形。1号照度计的光检测器固定在调光玻璃迎光面上用于测定玻璃承受的光照强度，2号照度计的光检测器固定在S2下方用于测定玻璃的防眩目效果。蓄电池模拟汽车电瓶为调光玻璃控制电路，传感器S1、S2的放大电路供电，亏电时使用充电机充电。

图6 调光玻璃防眩目实验仪器设备布置

3 实验操作流程

实验开始，3个双电压比较器LM393对应加载36、27、18 V，频率为50 Hz的逆变交流电，调光玻璃将根据迎光面照度自适应加载上面某个电压等级或LM393低电平2 V；打开射灯开关，读取1号照度计数值，通过Triac调光器调节射灯亮度，使调光玻璃表面照度为750 Lux，观察调光玻璃灰度变化情况，1号示波器记录传感器S1、S2两路信号的电压波形见图7，2号示波器记录调光玻璃的驱动电压，2号照度计显示眩光衰减后的照度。接下来重新调节射灯亮度，模拟车辆遇到更强眩光，使调光玻璃表面照度分别为1 500、3 000、6 000 Lux，观察调光玻璃灰度变化情况，1号示波器记录的电压波形见图8、图9和图10，同时记录2号示波器和2号照度计上的对应数据。

图7 玻璃加载36 V、50 Hz逆变交流电调光效果比较

图8 玻璃加载27 V、50 Hz逆变交流电调光效果比较

图9 玻璃加载18 V、50 Hz逆变交流电调光效果比较

图10 玻璃加载2 V、50 Hz逆变交流电调光效果比较

然后，3个双电压比较器LM393对应加载36、27、18 V直流电，重复上面的实验过程，再得到4组电压波形分别见图11、图12、图13和图14，以及其他对应数据。

图11 玻璃加载36 V直流电调光效果比较

图12 玻璃加载27 V直流电调光效果比较

图13 玻璃加载18 V直流电调光效果比较

图14 玻璃加载2 V直流电调光效果比较

4 实验现象分析

在实验中，可以直观看到调光玻璃灰度变化，说明液晶光阀经历了开度转化过程，液晶光阀开启调光玻璃透光率增加，液晶光阀关闭透光率降低。光照促使光敏电阻内的载流子在外加电场作用下发生漂移，导电能力上升，电压和电阻下降，即光照强度与光敏电阻的电压和电阻之间呈现负相关性。这样便可以正确分析S1、S2端电压与入射光照度的关系以及调光玻璃的光电特性。

4.1 调光玻璃加载逆变交流电防眩目效果分析

4.1.1 调光玻璃表面照度为750 Lux时

从图7中可见S1、S2波形在T1～T2之间一小段彼此分开，后续部分难以分清各自走势，电压稳定在900 mV左右，S2波形跃变在0.1 s内完成，2号示波器显示驱动电压为36 V，2号照度计读数为746 Lux。这表明调光玻璃在36 V电压驱动下扭曲向列相液晶(TN)受到强力拉伸，液晶分子在外加电场作用下由杂乱无序状态迅速转化为有序排列状态，液晶光阀完全开启，调光玻璃透光率达到85%以上，入射光穿过玻璃照度衰减微乎其微。

4.1.2 调光玻璃表面照度为1 500 Lux时

从图8中可见S1、S2的波形很相似，可以清晰分辨各自波形曲线，S1端电压变为750 mV左右，S2端电压变为850 mV左右，玻璃驱动电压已下降为27 V，2号照度计读数为891 Lux。说明入射光穿过玻璃时受到一定阻碍，照度有所衰减，调光玻璃在27 V电压驱动下TN拉伸强度下降，液晶光阀处于半开启状态，但直观看玻璃灰度变化并不明显。

4.1.3 调光玻璃表面照度为3 000 Lux时

从图9中可见S1、S2的波形已上下分开，对比图8它们都下移一定幅度，S1端电压下降到575 mV左右，S2端电压下降到810 mV左右，玻璃驱动电压已变为18 V，2号照度计读数为1 197 Lux。此时入射光穿过玻璃阻力增加，照度已明显衰减，调光玻璃在18 V电压驱动下TN开始松弛，液晶光阀处于半关闭状态，直观上可以看到玻璃具有一定灰度。

4.1.4 调光玻璃表面照度为6 000 Lux时

从图10中可见S1、S2波形曲线上下相距较远，对比图9可知S1波形下移幅度较大，电压值只有300 mV左右，而S2波形下移幅度较小，电压值约为760 mV，调光玻璃加载电压只有2 V，2号照度计读数为1 301 Lux。显然，入射光穿过玻璃时其照度已大幅度衰减，调光玻璃在2 V驱动电压下TN松弛扭曲，液晶分子处于小区域内布朗运动状态，液晶光阀完全关闭，相当数量的入射光被玻璃反射、散射或吸收，无法沿原来方向传播，直观上看玻璃灰度已大幅增加。

由此可见：当逆变交流电驱动调光玻璃时，加载36 V驱动电压液晶光阀完全开启，玻璃透光率可以达到85%以上，液晶光阀开启响应时间约为0.1 s；随着驱动电压降低，外加电场对液晶分子的作用力下降，液晶分子自身布朗运动能力重新显现出来，液晶光阀开度逐渐减小直至完全关闭，调光玻璃透光率下降，并且下降幅度不断加快。《机动车运行安全技术条件》中规定“前风挡玻璃可见光透光率不得小于70%[8]”，调光玻璃透光率调整不能超越这个最低限度。在此限度内，调光玻璃有效拓宽了人眼对不舒适眩光照度的适应范围。

4.2 调光玻璃加载直流电防眩目效果分析

4.2.1 调光玻璃表面照度为750 Lux时

S1端电压为900 mV，调光玻璃加载36 V直流电，从图11中可以看到S2的波形在T3处突然降低到900 mV左右，然后快速回升到920 mV左右并维持下去，2号照度计读数为735 Lux。这是一种直流电压冲击效应，扭曲向列相液晶(TN)被瞬间拉直，液晶分子呈现整齐有序排列，液晶光阀瞬间完全开启；随着直流电压过渡到稳定状态以及分子布朗运动逐步适应，TN的直线度下降，液晶分子最终建立起次级有序排列，液晶光阀处于半开启状态并保持下去，光阀开度趋稳过程大约需要5 s。

4.2.2 调光玻璃表面照度为1 500 Lux时

S1端电压为750 mV，调光玻璃实际加载27 V直流电，从图12中可见S2的波形再次出现图11中的情况，S2端电压在T4处突然下降到850 mV，然后迅速上升到865 mV左右并维持着。液晶光阀稳定开度进一步下降，光阀开度趋稳大约持续4 s。

4.2.3 调光玻璃表面照度为3 000 Lux时

S1端电压为575 mV，调光玻璃加载18 V直流电，从图13中可以看到S2的波形同样存在图11中的状况，S2端电压在T5处突然下降到810 mV，然后迅速上升到815 mV左右并维持着。液晶光阀处于半关闭状态，光阀开度趋稳持续2.5 s。

4.2.4 调光玻璃表面照度为6 000 Lux时

S1端电压为300 mV，调光玻璃实际加载2 V直流电，从图14中可以看出S2的波形已不存在图11中的状况，S2端电压逐渐稳定在760 mV左右，液晶光阀直接转化到关闭状态。其实，调光玻璃直流驱动电压低于15 V时加载瞬间冲击效应已难于察觉。

综上所述，当直流电压驱动调光玻璃时，液晶光阀会产生加载瞬间冲击效应，光阀瞬间开度张大然后快速过渡到相应电压下的次级稳定开度，这个稳定开度小于逆变交流电同等驱动电压下产生的光阀开度，并且光阀开度趋稳转化要持续几秒钟。随着加载电压降低，液晶光阀瞬间冲击效应明显减弱，光阀开度趋稳转化时间缩短。

5 结论

实验研究表明，从目眩光线传播路径角度出发，基于电控调光玻璃属性适时降低其透光率的主动防眩目方案比较可行。在方案实施过程中，应选用填充扭曲向列相液晶的PDLC电控调光玻璃，超薄型液晶夹层，针对照度大多处在1 500～6 000 Lux内的不舒适眩光[9]，保证液晶光阀完全开启时玻璃透光率达到85%以上，完全关闭时玻璃透光率不低于70%；选择逆变交流电驱动调光玻璃，加载36 V安全电压便可使液晶光阀完全开启，光阀开启响应时间为0.1 s，小于人眼视觉暂留时间，光阀关闭响应时间为3.28 s[10]，与驾驶员发现眩光源、接近眩光源到产生目眩失能所用时间大致相仿；虽然车载直流电源便携可用，但是用直流电驱动调光玻璃并不合适，直流电压加载瞬间会产生冲击效应，液晶光阀开度趋稳转化需要持续几秒钟，已远远超过视觉暂留时间，并且同等驱动电压下光阀开度小于逆变交流电；调光玻璃驱动电压自适应加载控制过程，可以及时产生防眩目效果，杜绝驾驶员出现短暂视盲，提高行车安全性和舒适性。