ЛОКАЛЬНО-АДАПТИВНЫЙ СВЕТОЗАЩИТНЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2024 года по МПК G02C7/10 

Область техники

Изобретение относится к светозащитным средствам для зрения (глаз) человека и для светочувствительных сенсоров технического зрения, в особенности - к мобильным светозащитным устройствам (например, солнцезащитным очкам), и может быть использовано для обеспечения нормальных условий визуального восприятия окружающей обстановки при наличии мешающего света излишней яркости, например, прямого света солнечного диска в поле зрения (восприятия) внешней сцены.

Уровень техники

Известен локально-адаптивный светозащитный фильтр [1], содержащий по меньшей мере один светозащитный модулятор, по меньшей мере одну мини видеокамеру и процессорный блок, управляющий выход которого соединен с электрическим входом светозащитного модулятора, вход процессорного блока соединен с выходом мини видеокамеры, при этом светозащитный модулятор содержит в своей апертуре матрицу M×N адресных модуляционных сегментов.

Входное распределение яркости света, поступающее из внешней сцены, проходит через светозащитный модулятор на вход зрачка глаза (защищаемого светочувствительного сенсора). Одновременно входное распределение яркости света регистрируется с помощью мини видеокамеры, на выходе которой формируется электрический видеосигнал с информацией о распределении яркости света в M×N локальных областях сцены. Видеосигнал поступает на вход процессорного блока, с помощью которого по характеристикам видеосигнала определяются координаты mn-й локальной области сцены (m = 1, 2, …., M; n =1, 2,…, N), в которой яркость света превышает допустимый предел (где находится источник излишне яркого света). В результате с выхода процессорного блока подается управляющее напряжение на электрический вход светозащитного модулятора, вызывающее переход его соответствующего mn-го сегмента в закрытое оптическое состояние, блокирующее прохождение излишне яркого света в зрачок глаза.

Недостатком известного устройства является узкий динамический диапазон регистрации распределения яркости света из-за ограниченного динамического диапазона фоточувствительной матрицы в мини видеокамере, которая, как правило, выполнена на сложных фотоэлектрических структурах с неоднородными физическими свойствами по апертуре типа ПЗС (структура «приборы с зарядовой связью») или КМОП (структура «комплементарный металл-окисел-полупроводник»). Динамический диапазон таких структур в миниатюрном исполнении, требуемом для использования в мобильном светозащитном устройстве, недостаточен для корректного анализа распределения яркости света в внешней сцене в присутствии прямого солнечного света, когда перепады яркости света составляют около 1000:1 и более.

Известен локально-адаптивный светозащитный фильтр [2], содержащий светозащитный модулятор, матричный двухкоординатный измеритель углов и процессорный блок, управляющий выход которого соединен с электрическим входом светозащитного модулятора, вход процессорного блока соединен с выходом матричного двухкоординатного измерителя углов, при этом светозащитный модулятор содержит в своей апертуре матрицу M×N адресных сегментов, которым соответствуют M×N оптических осей обзора, mn-я из которых проходит через mn-й элемент светозащитного модулятора и через mn-ю локальную область внешней сцены (m = 1, 2, …, M; n = 1, 2, …, N), а выход светозащитного модулятора сопряжен с входом защищаемого светочувствительного сенсора, в апертуре которого пересекаются все оптические оси обзора, при этом матричный двухкоординатный измеритель углов содержит последовательно расположенные вспомогательный матричный модулятор с M×N модуляционными элементами и фотоприемник с однородными физическими свойствами по апертуре, форма которой соответствует квазиточечной (“pinhole”) диафрагме, при этом mn-я оптическая ось обзора пересекается в mn-й локальной области внешней сцены с mn-й центральной измерительной осью, проходящей через mn-й элемент вспомогательного модулятора в апертуру фотоприемника.

При работе известного устройства во вспомогательном матричном модуляторе по очереди открываются (переходят из закрытого оптического состояния с максимальным затемнением в открытое оптическое состояние с максимальным просветлением) каждый из M×N элементов вспомогательного матричного модулятора, открывая под соответствующими углами (определяемыми расположением каждого элемента модулятора относительно центральной оптической оси квазиточечной апертуры фотоприемника) разные пути для прохождения лучей света в фотоприемник. Световой луч от источника излишне яркого света, находящегося, например, в mn-й локальной области внешней сцены, проходит через mn-й элемент апертуры вспомогательного матричного модулятора на вход фотоприемника, что вызывает появление на его выходе (в соответствующем mn-м рабочем цикле работы устройства) информационного сигнала с амплитудой выше заданного порогового уровня. Поступление информационного сигнала с таким уровнем на вход процессорного блока ведет к появлению на его соответствующем выходе закрывающего электрического напряжения на электрическом входе mn-го элемента апертуры светозащитного модулятора. Это приводит к блокировке прохождения света из mn-й локальной области внешней сцены в апертуру защищаемого светочувствительного сенсора (зрачок глаза).

Фотоприемник устройства, с однородными физическими свойствами по апертуре выполнен, например, на основе фоточувствительной p-i-n структуры, работающей при обратной полярности смещающего электрического напряжения на резисторную нагрузку, что обеспечивает линейную зависимость выходного (измерительного) напряжения в очень широком (порядка 10⁵:1) динамическом диапазоне входного света [3]. При этом даже при наличии временной перегрузки по оптическому входу p-i-n фотоприемник быстро возвращается в рабочее состояние сразу после снятия этой перегрузки, поскольку наличие обедненного i-полупроводника между р- и n-полупроводниками способствует быстрому рассасыванию носителей заряда и выходу всего p-i-n перехода из состояния временного насыщения.

Основным недостатком известного устройства является недостаточная оптическая эффективность получения выборок распределения яркости входного света в каждом из M×N оптических путей (измерительных каналов). Причина - в каждый рабочий цикл открыт только один из элементов вспомогательного матричного модулятора. Энергия света, проходящего через один такой элемент апертуры вспомогательного матричного модулятора, определяется площадью апертуры этого элемента, которая в MN раз меньше площади полной апертуры вспомогательного матричного модулятора. Следовательно, в каждом рабочем цикле на вход фотоприемника попадает только 1/MN часть энергии входного света.

Другим недостатком известного устройства является сложность получения достаточно большого перепада затемнения в каждом элементе вспомогательного матричного модулятора. Например, при пассивной построчно-столбцовой адресации элементов вспомогательного модулятора для изменения оптического пропускания его mn-го элемента путем приложения к нему электрического управляющего напряжения величиной U одновременно прикладывается напряжение, например, величиной +U/2 на m-ю строку и величиной - U/2 на n-й столбец матрицы. В этом случае mn-й элемент нормально закрытого (исходно находящегося в закрытом оптическом состоянии) вспомогательного модулятора при абсолютном значении U напряжения должен перейти в открытое оптическое состояние (в состояние полного просветления), при этом все остальные элементы m-й строки и n-го столбца матричного модулятора, находящиеся автоматически под напряжением U/2, должны остаться в исходном, закрытом оптическое состоянии (в состоянии максимального затемнения). Для достижения достаточно высокого контраста (не хуже ста к одному) слой электрооптического рабочего вещества модулятора должен характеризоваться в таком случае очень крутой переходной характеристикой, чтобы при изменении абсолютного значения напряжения в узком диапазоне от U/2 до U перейти из одного экстремального оптического состояния (соответствующего полному затемнению элемента модулятора) в другое экстремальное состояние (соответствующего полному просветлению элемента), что на практике проблематично реализовать. Поэтому при пассивной построчно-столбцовой адресации реально достижимый оптический контраст недостаточно высок для обеспечения достаточных селективных свойств с учетом широкого диапазона яркости входного света.

Использовать активную построчно-столбцовую адресацию (с отдельным электрически управляемым транзисторным ключом для каждого из M×N элементов вспомогательного матричного модулятора для получения перепада напряжения от 0 до U на каждом элементе) в мобильном светозащитном устройстве проблематично из-за миниатюрных размеров апертуры вспомогательного модулятора.

Кроме того, в каждом рабочем цикле работы устройства каждый последующий из M×N элементов апертуры вспомогательного матричного модулятора следует переключать за время τ_откр из закрытого в открытое оптическое состояние только после перехода за время τ_закр предыдущего элемента из открытого в закрытое состояние. Поэтому полное время двухкоординатного измерения углов положения источника излишне яркого света равно достаточно длительному времени MN (τ_откр + τ_закр) последовательного перебора всех элементов вспомогательного матричного модулятора. Для жидкокристаллических (далее - ЖК) веществ нематического типа в качестве рабочего электрооптического вещества характерная величина τ_откр составляет время порядка десятков-сотен миллисекунд [4], что даже при малых величинах MN (от 10 до 100) приводит к достаточно длительному полному времени (единицы-десятки секунд) измерения яркости света от внешней сцены.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является локально-адаптивный светозащитный фильтр [5], содержащий светозащитный модулятор, М-канальный измеритель угла вдоль координаты y, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x и процессорный блок, при этом М-канальный измеритель угла вдоль координаты y выполнен в виде последовательно расположенных первой цилиндрической линзы, имеющей сферическую кривизну вдоль координаты y, и решетки M линейчатых однородных по апертуре фотоприемников, расположенных вдоль координаты y в фокусе первой цилиндрической линзы, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x выполнен в виде последовательно расположенных второй цилиндрической линзы, имеющей сферическую кривизну вдоль координаты x, и решетки N линейчатых однородных по апертуре фотоприемников, расположенных вдоль координаты x в фокусе второй цилиндрической линзы, светозащитный модулятор содержит M адресных электропроводящих строчных шин и N адресных электропроводящих столбцовых шин, в местах пересечениях которых расположены M×N модуляционных сегментов, которым соответствуют M×N оптических осей обзора, mn-я из которых проходит через mn-й модуляционный элемент светозащитного модулятора и через mn-ю локальную область внешней сцены (m = 1, 2, …, M; n = 1, 2, …, N), а выход светозащитного модулятора оптически сопряжен с входом защищаемого светочувствительного сенсора, в котором пересекаются все оптические оси обзора, процессорный блок выполнен в виде отдельного процессорного y-модуля и отдельного процессорного x-модуля, при этом электрические входы М адресных электропроводящих строчных шин светозащитного модулятора соединены с выходами процессорного y-модуля, входы которого соединены с соответствующими выходами решетки M линейчатых однородных по апертуре фотоприемников, а электрические входы N адресных электропроводящих столбцовых шин светозащитного модулятора соединены с выходами процессорного x-модуля, входы которого соединены с соответствующими выходами решетки N линейчатых однородных фотоприемников.

В известном устройстве каждый фотоприемник выполнен с однородными физическими свойствами по своей апертуре, что потенциально позволяет получить высокий динамический диапазон регистрации интенсивности входного света [3]. При этом быстродействие данного устройства определяется лучше, чем в известном устройстве [2], поскольку число требуемых рабочих циклов в первом известном устройстве определяется большим из чисел М и N, а во втором известном устройстве - числом M×N.

Одним недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является низкая точность определения углового положения источников входного света по каждой координате из-за существенных оптических аберраций в цилиндрических линзах в плоскости, соответствующей ее сферической кривизне, для больших величин углов (φ = 70°-80°) входящего света - аналогично существенным оптическим аберрациям для внеосевых оптических лучей в сферических линзах [6]).

Другим недостатком известного устройства является недостаточно широкий динамический диапазон подавления мешающего света. При использовании пассивной построчно-столбцовой адресации сегментов светозащитного модулятора этот недостаток обусловлен узким диапазоном величин (от U/2 до U) управляющего напряжения на каждом модуляционном сегменте светозащитного модулятора (по причинам, рассмотренным выше для подобной адресации вспомогательного модулятора в известном устройстве [2]). Это ведет к невозможности одновременно обеспечить высокую степень затемнения в каждом из M×N модуляционных сегментов светозащитного модулятора в его закрытом состоянии и высокую степень его прозрачности в открытом состоянии. А именно, если использовать величину U_макс управляющего напряжения для получения полного затемнения модуляционного сегмента, то при его переводе в исходное состояние на нем будет присутствовать остаточное адресное напряжение величиной U_макс/2, препятствующее его полному просветлению (которое достигается только при U~0), что приведет к ухудшению качества обзора окружающего пространства защищаемым светочувствительным сенсором из-за недостаточно высокой прозрачности светозащитного модулятора в открытом состоянии.

Если в устройстве, принятом за прототип, использовать активную построчно-столбцовую адресацию (с отдельным электрически управляемым транзисторным ключом для каждого из M×N модуляционных сегментов светозащитного модулятора с целью получения полного перепада напряжения от 0 до U_макс на каждом модуляционном сегменте), то необходимо предусматривать зазоры (шириной порядка 100 микрометров) между всеми модуляционными элементами для размещения активных элементов (тонкопленочных транзисторов-ключей). Тогда в состоянии полного затемнения в любой группе модуляционных элементов светозащитного модулятора эти зазоры станут каналами просачивания мешающего света высокой яркости в защищаемый светочувствительный сенсор. Если же с целью предотвращения такого просачивания мешающего света, например, нанести между модуляционными элементами светозащитного модулятора черную сетку с шириной полос не менее, чем ширина (порядка 100 микрометров) указанных зазоров, то в состоянии полного просветления светозащитного модулятора наличие этой черной сетки будет снижать качество обзора окружающего пространства для защищаемого светочувствительного сенсора.

Таким образом, известное устройство характеризуется недостаточной точностью определения координат источника мешающего света и невысоким динамическим диапазоном подавления мешающего света.

Решаемой задачей изобретения является увеличение точности работы устройства с увеличением динамического диапазона подавления мешающего света при сохранении высокого качества обзора окружающего пространства.

Сущность изобретения

Поставленная задача с достижением соответствующих технических результатов в локально-адаптивном светозащитном фильтре, содержащем по меньшей мере один светозащитный модулятор, М-канальный измеритель угла вдоль координаты y, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x и процессорный блок, при этом М-канальный измеритель угла вдоль координаты y выполнен в виде последовательно расположенных углового селектора y-каналов и первого фотоприемного модуля, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x выполнен в виде последовательно расположенных углового селектора x-каналов и второго фотоприемного модуля, при этом первый и второй входы процессорного блока соединены с выходами соответственно первого и второго фотоприемных модулей, а по меньше мере один информационный выход процессорного блока соединен с электрическим входом светозащитного модулятора, содержащего в своей апертуре M×N модуляционных сегментов, которым соответствуют M×N оптических осей обзора, mn-я из которых проходит через mn-й сегмент светозащитного модулятора и mn-ю локальную область внешней сцены (m = 1, 2, …, M; n = 1, 2, …, N), а выход светозащитного модулятора оптически сопряжен со входом защищаемого светочувствительного сенсора, в апертуре которого пересекаются M×N оптических осей обзора, решается тем, что, угловой селектор y-каналов выполнен в виде теневого y-селектора, угловой селектор x-каналов выполнен в виде теневого x-селектора, причем в теневом y-селекторе взаимно пересекаются М центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты y (далее - y-ЦИП), а в теневом x-селекторе взаимно пересекаются N центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты x (далее - x-ЦИП), при этом светозащитный модулятор выполнен с индивидуальной электрической адресацией каждого из M×N модуляционных сегментов, процессорный блок выполнен с M×N информационными выходами, которые соединены с соответствующими электрическими входами M×N модуляционных сегментов светозащитного модулятора, а передаточная функция процессорного блока для mn-го модуляционного сегмента светозащитного модулятора соответствует логической функции «И» от выхода m-го канала М-канального измерителя угла вдоль координаты y и от выхода n-го канала N-канального измерителя угла вдоль координаты x.

В первом частном варианте устройства теневой y-селектор выполнен в виде последовательно расположенных М-канального вспомогательного модулятора и тыловой щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y (далее - тыловая щелевая диафрагма с y-селекцией), а теневой x-селектор выполнен в виде последовательно расположенных N-канального вспомогательного модулятора и тыловой щелевой диафрагмой с селекцией вдоль координаты x (далее - тыловая щелевая диафрагма с x-селекцией), первый (второй) фотоприемный модуль выполнен в виде первого (второго) фотоприемника, при этом М-канальный вспомогательный модулятор (N-канальный вспомогательный модулятор) выполнен по меньшей мере с одной группой М модуляционных элементов (N модуляционных элементов), М y-ЦИП (N x-ЦИП) пересекаются на длинной центральной линии тыловой щелевой диафрагмы с y-селекцией (тыловой щелевой диафрагмы c x-селекцией), длинная центральная линия m-го (n-го) модуляционного элемента ориентирована вдоль координаты x (координаты y) и расположена в m-й y-ЦИП (n-й x-ЦИП), а электрические входы М-канального (N-канального) вспомогательного модулятора соединены с управляющим выходом процессорного блока, при этом m-й канал М-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры m-го модуляционного элемента М-канального вспомогательного модулятора до апертуры первого фотоприемника, а n-й канал N-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры n-го модуляционного элемента N-канального вспомогательного модулятора до апертуры второго фотоприемника.

В первом частном варианте устройства светозащитный модулятор, M-канальный вспомогательный модулятор и N-канальный вспомогательный модулятор содержат фронтальный линейный поляризатор, фронтальный ЖК слой, промежуточный линейный поляризатор, тыловой ЖК слой и тыловой линейный поляризатор, при этом направление поляризации промежуточного линейного поляризатора ортогонально направлениям поляризации фронтального и тылового линейных поляризаторов.

В примере конкретного выполнения первого частного варианта устройства М-канальный вспомогательный модулятор выполнен с первой группой М адресных полосчатых электродов для фронтального ЖК слоя и с второй группой М адресных полосчатых электродов для тылового ЖК слоя, N-канальный вспомогательный модулятор выполнен с первой группой N адресных полосчатых электродов для фронтального ЖК слоя и с второй группой N адресных полосчатых электродов для тылового ЖК слоя, причем длинные центральные линии m-х адресных полосчатых электродов для фронтального и тылового ЖК слоев М-канального вспомогательного модулятора, соответствующие его m-му модуляционному элементу, находятся в m-й y-ЦИП, длинные центральные линии n-х адресных полосчатых электродов для фронтального и тылового ЖК слоев N-канального вспомогательного модулятора, соответствующие его n-му модуляционному элементу, находятся в n-й x-ЦИП, длина и ширина каждого адресного полосчатого электрода М-канального вспомогательного модулятора прямо пропорциональна расстоянию этого адресного полосчатого электрода до щелевой диафрагмы с y-селекцией, а длина и ширина каждого адресного полосчатого электрода N-канального вспомогательного модулятора прямо пропорциональна расстоянию этого адресного полосчатого электрода до щелевой диафрагмы с x-селекцией.

Во втором частном варианте выполнения устройства теневой y-селектор выполнен в виде фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией, теневой x-селектор выполнен в виде фронтальной щелевой диафрагмы с x-селекцией, при этом М y-ЦИП пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией, N x-ЦИП пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы с х-селекцией, первый фотоприемный модуль выполнен в виде M-канальной решетки фотоприемников, второй фотоприемный модуль выполнен в виде N-канальной решетки фотоприемников, при этом центр апертуры m-го фотоприемника М-канальной решетки фотоприемников расположен в m-й y-ЦИП, а центр апертуры n-го фотоприемника N-канальной решетки фотоприемников расположен в n-й x-ЦИП, при этом выходу m-го канала М-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует выход m-го фотоприемника М-канальной решетки фотоприемников, а выходу n-го канала N-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует выход n-го фотоприемника N-канальной решетки фотоприемников.

В первом примере конкретного выполнения второго частного варианта устройства фотоприемники М-канальной решетки фотоприемников расположены в первой плоскости, а фотоприемники N-канальной решетки фотоприемников расположены во второй плоскости, ортогональной первой плоскости.

Во втором примере конкретного выполнения второго частного варианта устройства фотоприемники М-канальной решетки фотоприемников расположены вдоль первой окружности с центром в середине щели фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией, а фотоприемники N-канальной решетки фотоприемников расположены вдоль второй окружности с центром в середине щели фронтальной щелевой диафрагмы с x-селекцией, при этом плоскость первой окружности ортогональна плоскости второй окружности.

Первый достигаемый технический результат состоит в увеличении точности работы однокоординатных измерителей углов вдоль координаты y и координаты x за счет отсутствия оптических аберраций в теневом y-селекторе и теневом x-селекторе для любых значений углов прихода света.

Второй достигаемый технический результат состоит в увеличении максимальной величины затемнения в каждом элементе светозащитного модулятора его в закрытом состоянии при сохранении максимальной величины его прозрачности в открытом состоянии за счет индивидуального электрического управления каждым модуляционным элементом светозащитного модулятора с соответствующего выхода процессорного блока. Это позволяет подавать управляющее напряжение на каждый модуляционный элемент с любой необходимой разностью в уровнях управляющего напряжения, начиная с нулевого значения U=0 до максимальной величины U_макс, что позволяет достичь максимальной величины затемнения в каждом модуляционном элементе (при напряжении U_макс) с сохранением его высокой прозрачности в исходном состоянии (при напряжении U=0). При этом для адресных электродов, прокладываемых между сегментами в апертуре светозащитного модулятора с целью осуществления их индивидуальной электрической адресации, требуется минимальная ширина (от единиц до десятка микрометров) зазоров между сегментами, что соответствует минимальной величине проходящего света в затемненном состоянии светозащитного модулятора (малозначимой для восприятия светочувствительного сенсором).

В предпочтительном конкретном примере выполнения устройства со светозащитным и вспомогательными модуляторами на двухслойных ЖК структурах обеспечивается минимальное значение порядка 0,1% оптического пропускания в существенно более расширенном (не менее, чем в 5 раз) угловом диапазоне селекции по углам прихода световых лучей из внешней сцены по сравнению с модуляторами на однослойных ЖК структурах. Математически это обусловлено в основном перемножением характеристик двух последовательно расположенных однослойных амплитудных модуляторов. При этом последовательное расположение двух топологий индивидуально электрически адресуемых сегментов с указанными малыми зазорами для прокладки электропроводящих адресных шин в двух смежных однослойных ЖК модуляторах на практике приведет к практически полной блокировке света, который, пройдя в зазоры закрытого первого ЖК модулятора, заблокируется модуляционными элементами второго закрытого ЖК модулятора, поскольку размеры этих зазоров гораздо меньше неизбежного технологического разброса в взаимном расположении модуляционных сегментов в плоскостях апертур каждого из этих двух ЖК модуляторов.

Совокупность первого технического результата (увеличение точности работы однокоординатных измерителей углов) и второго технического результата (увеличение степени затемнения светозащитного модулятора в закрытом состоянии при сохранении максимальной прозрачности светозащитного модулятора в открытом состоянии) обеспечивает решение поставленной задачи увеличения точности измерения углов прихода мешающего света при расширении динамического диапазона подавления мешающего света с сохранением качества обзора окружающего пространства для защищаемого светочувствительного сенсора.

Перечень чертежей

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами.

Фиг. 1 - общая схема устройства.

Фиг. 2 - общий вид угловых селекторов.

Фиг. 3 - схема первого частного варианта устройства.

Фиг. 4 - схема оптических путей в mn-м модуляционном сегменте светозащитного модулятора.

Фиг. 5 - схема оптических путей в m-м канале M-канального измерителя угла прихода света вдоль координаты y.

Фиг. 6 - схема оптических путей в n-м канале N-канального измерителя угла прихода света вдоль координаты x.

Фиг. 7 - пример конкретного выполнения n-го канала N-канального измерителя угла прихода света вдоль координаты x.

Фиг. 8 - оптическая схема каналов измерения угла прихода света вдоль координаты x.

Фиг. 9 - оптическая схема каналов измерения угла прихода света вдоль координаты y.

Фиг. 10 - геометрия адресных электропроводящих сегментов и модуляционных сегментов в фронтальном и тыловом ЖК слоях светозащитного модулятора при работе с одним закрытым модуляционным сегментом при открытых остальных модуляционных сегментах.

Фиг. 11 - карты распределения характерной величины минимального оптического пропускания (затемнения) закрытого ЖК модулятора в зависимости от величины угла прихода света при наличии одного или двух ЖК слоев в модуляторе.

Фиг. 12, 13 - оптические схемы М-канального измерителя угла вдоль координаты y (c теневым y-селектором) и N-канального измерителя угла вдоль координаты x (c теневым x-селектором) в первом примере конкретного выполнения второго частного варианта устройства.

Фиг. 14, 15 - оптические схемы М-канального измерителя угла вдоль координаты y (c теневым y-селектором) и N-канального измерителя угла вдоль координаты x (c теневым x-селектором) во втором примере конкретного выполнения второго частного варианта устройства.

Осуществление изобретения

Устройство (фиг. 1) содержит по меньшей мере один светозащитный модулятор 1, М-канальный измеритель 2 угла прихода света вдоль координаты y (далее - М-канальный -измеритель 2), N-канальный измеритель 3 угла прихода света вдоль x-координаты (далее - N-канальный -измеритель 3) и процессорный блок 4. На выходе светозащитного модулятора 1 расположен защищаемый светочувствительный сенсор 5, например, зрачок глаза человека. М×N информационных выходов процессорного блока 4 соединены с электрическими входами индивидуально электрически адресуемых М×N модуляционных сегментов светозащитного модулятора 1, которые соответствуют М×N локальным областям внешней сцены, в mn-й локальной области которой расположен источник 6 мешающего света с яркостью, превышающей допустимый предел, например, солнечный диск (m = 1, 2, …., M; n =1, 2,…, N). Оптическая ось обзора с номером mn, с углом вдоль координаты x и с углом вдоль координаты y проходит последовательно через центр апертуры (зрачка) защищаемого светочувствительного сенсора 5, центр mn-го модуляционного сегмента светозащитного модулятора 1 и центр mn-й локальной области внешней сцены. Направление координаты x и направление координаты y совпадают с направлением ориентации соответственно виртуальных строк и виртуальных столбцов матрицы индивидуально электрически адресуемых M×N модуляционных сегментов в апертуре светозащитного модулятора 1.

На фиг. 2 представлены М-канальный -измеритель 2 (слева по рисунку), содержащий последовательно расположенные теневой y-селектор 2₁ и первый фотоприемный модуль 2₂, а также N-канальный -измеритель 3 (справа), содержащий теневой x-селектор 3₁ и второй фотоприемный модуль 3₂.

Первый и второй входы процессорного блока 4 соединены с выходами соответственно первого фотоприемного модуля М-канального -измерителя 2 и второго фотоприемного модуля N-канального -измерителя 3. Через М-канальный -измеритель 2 проходят М центральных измерительных плоскостей для угла (далее - ЦИП для ), а через N-канальный измеритель угла проходят N центральных измерительных плоскостей для угла (далее - ЦИП для ). При этом m-я ЦИП для и n-я ЦИП для пересекаются в центре mn-й локальной области внешней сцены. Оптическая ось c углом (в составе m-й ЦИП для ) и оптическая ось c углом (в составе n-й ЦИП для ) пересекаются в центре mn-й локальной области внешней сцены.

В первом частном варианте выполнения устройства (фиг. 3) теневой y-селектор 7 выполнен в виде последовательно расположенных М-канального вспомогательного модулятора 7₁ (снабженного по меньшей мере одной группой М модуляционных элементов) тыловой щелевой диафрагмы 7₂ с селекцией вдоль координаты y (далее - фронтальной диафрагмы 7₂ c y-селекцией), первый фотоприемный модуль выполнен в виде первого фотоприемника 8, теневой x-селектор 9 выполнен в виде последовательно расположенных N-канального вспомогательного модулятора 9₁ (снабженного по меньшей мере одной группой N модуляционных элементов), а второй фотоприемный модуль выполнен в виде тыловой щелевой диафрагмы 9₂ с селекцией вдоль координаты x (далее - фронтальной диафрагмы 9₂ c x-селекцией) и второго фотоприемника 10. При этом М ЦИП для пересекаются на длинной центральной линии тыловой диафрагмы 7₂ c y-селекцией, а N ЦИП для пересекаются на центральной линии тыловой щелевой диафрагмы 9₂ c x-селекцией. Длинная центральная линия m-го модуляционного элемента М-канального вспомогательного модулятора 7₁ направлена вдоль координаты x и расположена в m-й ЦИП для , длинная центральная линия n-го модуляционного элемента N-канального вспомогательного модулятора 9₁ направлена вдоль координаты y и расположена в n-й ЦИП для , а электрические входы М-канального вспомогательного модулятора 7₁ и N-канального вспомогательного модулятора 9₁ соединены с управляющим выходом процессорного блока 4. При этом m-й канал М-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры m-го модуляционного элемента М-канального вспомогательного модулятора до апертуры первого фотоприемника, а n-й канал N-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры n-го модуляционного элемента N-канального вспомогательного модулятора до апертуры второго фотоприемника.

В примере конкретного выполнения первого частного варианта устройства светозащитный модулятор 1, M-канальный вспомогательный модулятор 7₁ и N-канальный вспомогательный модулятор 9₁ содержат фронтальный линейный поляризатор, фронтальный жидкокристаллический слой ЖК1 (далее - слой ЖК1), промежуточный линейный поляризатор, тыловой жидкокристаллический слой ЖК2 (далее - слой ЖК2) и тыловой линейный поляризатор, при этом направление поляризации промежуточного линейного поляризатора ортогонально направлениям поляризации фронтального и тылового линейных поляризаторов. При этом светозащитный модулятор 1 включает в себя первую группу М×N адресных сегментных электродов для слоя ЖК1 и вторую группу М×N адресных сегментных электродов для слоя ЖК2, электрическая адресация mn-го модулирующего сегмента (фиг. 4) осуществляется с помощью первого mn-го адресного сегментного электрода в слое ЖК1 и с помощью второго mn-го адресного сегментного электрода - в слое ЖК2 (для упрощения ЖК слои и поляризаторы не показаны). Горизонтальный (вертикальный ) размер первого (второго) адресного сегментного электрода и горизонтальный (вертикальный ) размер второго адресного сегментного электрода прямо пропорциональны расстояниям и этих адресных электродов до апертуры защищаемого светочувствительного сенсора 5. Оптическая ось обзора под углами и вдоль координат x и y, соединяющая центр апертуры (зрачка) светочувствительного сенсора 5 с центром mn-й локальной области внешней сцены (в которой расположен источник 6 света с излишней яркостью), проходит через центры первого и второго адресных сегментных электродов и . Углы θ_x и θ_y являются полными углами восприятия (обзора) объектов внешней сцены защищаемым светочувствительным сенсором (зрачком глаза) 5 вдоль координат x и y соответственно.

М-канальный вспомогательный модулятор 7₁ включает в себя первую группу М адресных полосчатых электродов для слоя ЖК1 и вторую группу М полосчатых адресных электродов для слоя ЖК2, при этом электрическая адресация в m-м полосчатом модуляционном сегменте М-канального вспомогательного модулятора 7₁ (фиг. 5) осуществляется с помощью первого m-го адресного полосчатого электрода в слое ЖК1 и с помощью второго m-го адресного полосчатого электрода в слое ЖК2. Длина (ширина ) первого m-го адресного полосчатого электрода и длина (ширина ) второго адресного полосчатого электрода прямо пропорциональны расстояниям и этих электродов до тыловой щелевой диафрагмы с y-фильтрацией. Длинные центральные линии m-х адресных полосчатых электродов и находятся на m-й ЦИП для . Центральная ось m-го канала для измерения углового положения источника 6 излишне яркого света вдоль y-координаты, соединяющая центр входа первого фотоприемника 8 с центром mn-й локальной области внешней сцены, имеет угловую координату и проходит через центры адресных полосчатых электродов и . Угловая координата может принимать любое значение в соответствующем парциальном (в пределах m-го канала) угле обзора . Полный горизонтальный угол Φ_x восприятия для первого фотоприемника 8 охватывает всю внешнюю сцену по горизонтали и является одинаковым для каждого из M каналов измерения угла .

N-канальный вспомогательный модулятор 9₁ включает в себя первую группу N адресных полосчатых электродов для слоя ЖК1 и вторую группу N адресных полосчатых электродов для слоя ЖК2, при этом электрическая адресация в n-м полосчатом модуляционном сегменте (фиг. 6) осуществляется с помощью первого адресного полосчатого электрода в слое ЖК1 и с помощью второго адресного вертикального электрода в слое ЖК2 (ЖК слои и поляризаторы не показаны). Длина (ширина ) первого адресного полосчатого электрода и длина (ширина ) второго адресного полосчатого электрода прямо пропорциональны расстояниям и этих электродов до тыловой щелевой диафрагмы с x-фильтрацией. Длинные центральные линии n-х адресных полосчатых электродов и находятся на n-й ЦИП для . Центральная ось n-го канала для измерения углового положения источника 6 излишне яркого света, соединяющая центр входа второго фотоприемника 10 с центром mn-й локальной области внешней сцены, имеет угловую координату и проходит через центры адресных полосчатых электродов и . Угловая координата может принимать любое значение в парциальном (в пределах n-го канала) угле обзора . Полный вертикальный угол Φ_y восприятия для второго фотоприемника 10 охватывает всю внешнюю сцену по вертикали и одинаков для каждого из N каналов измерения угла вдоль координаты x.

При этом структура n-го канала измерения угла (фиг. 7) содержит фронтальный линейный поляризатор Р1, слой ЖК1, промежуточный линейный поляризатор Р2, слой ЖК2, тыловой линейный поляризатор Р3, тыловую щелевую диафрагму и второй фотоприемник 10. Слои ЖК1 и ЖК2 снабжены соответственно первым и вторым адресными полосчатыми электродами и , расположенными с одной стороны соответствующих слоев ЖК1 и ЖК2. С противоположной стороны каждого из слоев ЖК1 и ЖК2 расположены общие электроды с нулевым потенциалом. Каждый адресный электрод и имеет электрический вход для подачи управляющего напряжения U, создающего силовые линии электрического поля Е поперек тех участков слоев ЖК1 и ЖК2, которые расположены под соответствующими адресными электродами. Топологии всех полосчатых модуляционных элементов в слоях ЖК1 и ЖК2 для каждого из М и N каналов измерения угла вдоль координаты x определяются топологиями соответствующих адресных полосчатых электродов в этих каналах. Измерительный n-й канал содержит n-й ЖК модуляционный элемент N-канального вспомогательного модулятора 9₁, который состоит из двух последовательно расположенных n-х ЖК модуляционных cубэлементов. Первый n-й ЖК модуляционный субэлемент N-канального вспомогательного модулятора 9₁ содержит соответствующие друг другу участки входного линейного поляризатора Р1, слоя ЖК1 и второго линейного поляризатора Р2, где топология участка слоя ЖК1 определяется топологией первого адресного полосчатого электрода . Второй n-й ЖК модуляционный субэлемент N-канального вспомогательного модулятора 9₁ содержит соответствующие друг другу участки второго линейного поляризатора Р2, слоя ЖК2 и третьего линейного поляризатора Р3, где топология участка слоя ЖК2 определяется топологией второго адресного полосчатого электрода .

В качестве конкретного примера выполнения на фиг. 8 представлена оптическая схема адресных полосчатых электродов для совокупности N=4 каналов измерения угла вдоль координаты x с полосчатыми модуляционными элементами, открытыми в канале n = 2 для каждого из слоев ЖК1 и ЖК2 при измерении соответствующего центрального угла в пределах парциального угла . При одинаковой величине парциального угла восприятия в каждом из N каналов (==…=) ширина адресных полосчатых электродов увеличивается по мере их удаления от центрального канала к периферийным при плоской конфигурации ЖК слоев (модуляторов).

На фиг. 9 показана оптическая схема адресных электродов для совокупности M=5 каналов измерения углов вдоль координаты y с адресными элементами, открытыми в канале m = 3 для каждого из слоев ЖК1 и ЖК2, при этом величина парциального угла обзора (= =…=) одинакова в каждом из M каналов. На фиг. 10 приведен пример соответствующего конкретного выполнения светозащитного модулятора 1, имеющего 20 прямоугольных модуляционных сегментов, расположенных в пять строк (M=5) и четыре столбца (N=4) при закрытом модуляционном сегменте на пересечении третьей строки (m=3) и второго столбца (n=2) в каждом из слоев ЖК1 и ЖК2.

На фиг. 11 приведены приближенные карты оптического пропускания величиной T=0,1% для эффективного подавления прямого света солнечного диска в ЖК модуляторе, находящемся в закрытом оптическом состоянии, в зависимости от величин углов θx), θy), ϕ(x),ϕφ(y) падения света на вход ЖК модулятора, отсчитанных от нормали к его апертуре. Величина пропускания Т на карте слева относится к модулятору на одиночном ЖК слое, а величина пропускания Т справа - к модулятору на двух ЖК слоях.

В первом примере конкретного выполнения второго частного варианта устройства (фиг. 12) М-канальный -измеритель выполнен с теневым x-селектором в виде фронтальной щелевой диафрагмы с x-селекцией и с N-канальной решеткой фотоприемников (, …, , …, ), расположенных в первой плоскости PL1, при этом N ЦИП для взаимно пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы , центр апертуры n-го фотоприемника расположен в n-й ЦИП для , а N-канальный -измеритель выполнен c теневым y-селектором (фиг. 13) в виде фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией и с М-канальной решеткой фотоприемников (, …, , …, ), расположенных в плоскости PL2, причем М ЦИП для взаимно пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией, центр апертуры m-го фотоприемника расположен в m-й ЦИП для , а плоскость PL1 ортогональна плоскости PL2.

Второй пример конкретного выполнения второго частного варианта устройства (фиг. 14, 15) отличается от первого конкретного варианта выполнения тем, что фотоприемники N-канальной решетки фотоприемников (, …, , …, ) расположены по окружности О1 (фиг. 14), а фотоприемники М-канальной решетки фотоприемников (, …, , …, ) расположены по окружности О2 (фиг. 15), при этом плоскость расположения окружности О1 ортогональна плоскости расположения окружности О2, плоскость апертуры n-го фотоприемника ортогональна n-й ЦИП для , а плоскость апертуры m-го фотоприемника ортогональна m-й ЦИП для .

Работа устройства осуществляется следующим образом. Распределение яркости входного света от внешней сцены модулируется светозащитным модулятором 1 и одновременно входной свет поступает в М-канальный -измеритель 2 и в N-канальный -измеритель 3 (фиг. 1, 2), с выходов которых электрические сигналы поступают на первый и второй входы процессорного блока 4. Модулированный свет с выхода светозащитного модулятора 1 идет на вход светочувствительного сенсора (зрачка глаза) 5. С помощью процессорного блока 4 в каждом рабочем цикле уровень амплитуды каждого из М электрических сигналов на выходе М-канального -измерителя 2 сравнивается с уровнем амплитуды каждого из N электрических сигналов на выходе N-канального -измерителя 3 в соответствии с логической функцией «И». Из-за наличия в mn-й локальной области внешней сцены источника 6 света с яркостью, превышающей допустимый (для нормального функционирования светочувствительного сенсора 5) предел, в m-м рабочем цикле на выходе М-канального -измерителя 2 и в n-м рабочем цикле на выходе N-канального -измерителя 3 формируются соответственно m-й и n-й электрические сигналы с амплитудами, превышающими заданный пороговый уровень на входах процессорного блока. По окончанию последнего рабочего цикла (номер которого соответствует большему из чисел М и N) на mn-м выходе процессорного блока 4 в соответствии с результатом выполнения логической функции «И» для выхода m-го канала М-канального -измерителя 2 и для выхода n-го канала N-канального -измерителя 3 на mn-м модуляционном сегменте светозащитного модулятора 1 формируется управляющее напряжение U_макс, обеспечивающее переход этого модуляционного сегмента из открытого в закрытое (полностью затемненное) оптическое состояние, что обеспечивает блокировку поступления света с излишней яркостью из mn-й локальной области внешней сцены в светочувствительный сенсор 5.

Особенность работы устройства в первом частном варианте выполнения (фиг. 3) состоит в специфике работы М-канального -измерителя 2 и N-канального -измерителя 3, состоящей в последовательном переключении в открытое состояние каждого из M полосчатых модуляционных элементов в М-канальном вспомогательном модуляторе 7₁ и каждого из N полосчатых модуляционных элементов в N-канальном вспомогательном модуляторе 9₁ при осуществлении соответственно y-селекции с помощью диафрагмы 7₂ и x-селекции с помощью диафрагмы 9₂ c регистрацией в памяти процессорного блока 4 результатов селекции уровней электрических сигналов, превышающих заданный пороговый уровень, в каждом из M каналов на выходе фотоприемника 8 и в каждом из N каналов на выходе фотоприемника 10.

Работа устройства в конкретном примере выполнения с двумя ЖК слоями (ЖК1 и ЖК2) в светозащитном модуляторе 1, M-канальном вспомогательном модуляторе 7₁ и N-канальном вспомогательном модуляторе 9₁ (фиг. 3) осуществляется следующим образом на примере измерения угла . В n-м рабочем цикле свет от источника 6 света, центральная угловая x-координата которого находится в парциальном диапазоне углов (фиг. 6), проходит в n-й измерительный канал (фиг. 7) через открытый n-й ЖК модуляционный элемент (через открытые первый и второй ЖК субэлементы, топология которых определяется топологией электродов и ). На электродах и уровень управляющего напряжения U, поступающего с соответствующего выхода процессорного блока 4, равен минимальной величине или нулю (U=0), что соответствует сохранению исходной ориентации ЖК молекул в соответствующих участках слоев ЖК1 и ЖК2. При исходной ориентации ЖК молекул осуществляется 90°-ный поворот вектора линейной поляризации света, прошедшего соответствующий ЖК слой. Этот поворот обусловлен, например, волноводным эффектом оптической активности в слое закрученных на 90° нематических ЖК молекул с положительной диэлектрической анизотропией [7]. Если вектор линейной поляризации света на выходе первого линейного поляризатора Р1 направлен, для примера, горизонтально (по чертежу на фиг. 7), тогда участок слоя ЖК1, находящийся под первым адресным полосчатым электродом , обеспечит поворот вектора линейной поляризации выходного света в направление, ортогональное плоскости чертежа и совпадающее с направлением поляризации второго линейного поляризатора Р2. Поэтому с выхода рассматриваемого участка слоя ЖК1 свет пройдет второй линейный поляризатор Р2 без заметного затухания. Это означает, что первый n-й ЖК модуляционный субэлемент N-канального вспомогательного модулятора 9₁, соответствующий первому адресному полосчатому электроду , находится в открытом оптическом состоянии (фиг. 8). Аналогично второй n-й ЖК модуляционный субэлемент N-канального вспомогательного модулятора 9₁, соответствующий второму адресному полосчатому электроду , также находится в открытом оптическом состоянии, поскольку соответствующий этому электроду участок слоя ЖК2 поворачивает на 90° вектор линейной поляризации света, идущего с выхода второго линейного поляризатора Р2, обеспечивая параллельность вектора линейной поляризации прошедшего света направлению линейной поляризации третьего линейного поляризатора Р3. Остальные N-1 ЖК модуляционных элементов N-канального вспомогательного модулятора 9₁ находятся в закрытом оптическом состоянии, поскольку на соответствующие им адресные полосчатые электроды относительно общих электродов подается управляющее напряжение U=U_max (фиг. 7), создающее на соответствующих участках слоев ЖК1 и ЖК2 электрическое поле Е с силовыми линиями, ортогональными плоскостям электродов. Нематические ЖК молекулы в рассматриваемых участках слоев ЖК1 и ЖК2 становятся электрическими диполями из-за присутствия электрического поля Е и выстраиваются своими длинными осями в направлении его силовых линий. Это приводит к отсутствию воздействия соответствующих участков слоев ЖК1 и ЖК2 на направление вектора линейной поляризации проходящего света, поскольку свет в этом случае идет вдоль оптической оси рассматриваемых слоев ЖК. В результате каждый из соответствующих N-1 модуляционных элементов N-канального вспомогательного модулятора 9₁ оказывается закрытым из-за сильного затухания света в двух парах линейных поляризаторов Р1, Р2 и Р2, Р3 с взаимно скрещенными направлениями поляризации в каждой паре.

Аналогично в m-м рабочем цикле m-й полосчатый модуляционный элемент (состоящий из первого и второго m-х ЖК модуляционных субэлементов, соответствующих первому и второму адресным полосчатым электродам и M-канального вспомогательного модулятора 7₁), находится в открытом оптическом состоянии для света, поступающего от источника 6 с излишней яркостью, которому соответствует парциальный центральный угол вдоль координаты y, находящийся в диапазоне углов (фиг. 9). Открытое оптическое состояние рассмотренных m-х ЖК модуляционных субэлементов обеспечивается в m-м рабочем цикле за счет малого (нулевого) уровня управляющего напряжения U, который ниже порога переориентации ЖК молекул в соответствующих участках слоев ЖК1 и ЖК2. Остальные M-1 пар адресных электродов находятся в закрытом состоянии, поскольку на них подается управляющее напряжение U=U_max, создающим электрическое поле Е, силовые линии которого вызывают переориентацию ЖК молекул в направлении поперек плоскостей слоев ЖК1 и ЖК2.

При последовательном переходе в открытое состояние каждого из N модуляционных элементов N-канального вспомогательного модулятора 9₁ в N рабочих циклах (каждого из М модуляционных элементов M-канального вспомогательного модулятора 7₁ в М рабочих циклах) будет проведено сканирование углов прихода света вдоль координат x и y для всех М×N локальных областей сцены с формированием соответственно M и N информационных электрических сигналов на выходах фотоприемников 8 и 10. По результатам сравнения на двух входах процессорного блока 4 в соответствии с логической функцией «И» уровней каждого из М электрических сигналов с уровнем каждого из N электрических сигналов будет получен на mn-м выходе процессорного блока 4 высокий уровень совпадения, превышающий заданное пороговое значение для пары из входных m-го и n-го электрических сигналов, поскольку в mn-й локальной области сканируемой сцены находится источник 6 излишне яркого света. Высокий уровень логической функции «И» на mn-м выходе процессорного блока 4 соответствует появлению на этом выходе высокого уровня управляющего напряжения U_макс. Это напряжение подается на индивидуально электрически адресуемый mn-й модуляционный сегмент светозащитного модулятора 1, переводя этот сегмент в закрытое оптическое состояние с максимальным затемнением, что обеспечивает блокировку оптического пути из mn-й локальной области сцены, где находится источник 6 мешающего света, в защищаемый светочувствительный сенсор 5 (фиг. 3, 4).

В качестве конкретного примера на фиг. 8 (фиг. 9) представлена ситуация с открытыми модуляционными элементами четырехканального вспомогательного модулятора 9₁ (пятиканального вспомогательного модулятора 7₁), соответствующими адресным полосчатым электродам и ( и ), когда свет из внешней сцены с излишним уровнем яркости приходит под центральным углом в пределах парциального угла на вход фотоприемника 8 (под центральным углом в пределах парциального угла на вход фотоприемника 10). В этом случае для оптического закрытия соответствующего модуляционного ЖК сегмента светозащитного модулятора 1 процессорный блок 4 вырабатывает управляющее напряжение, подаваемое на соответствующие адресные сегментные электроды и (фиг. 10) напрямую через соответствующие узкие электропроводящие шины (расположенные в зазорах между сегментными электродами - не показаны на рисунке), что блокирует оптический путь по данному оптическому каналу в защищаемый светочувствительный сенсор (зрачок глаза) 5 для света с излишней яркостью от источника 6, поступающего под центральными углами ; из соответствующей (m=3; n=2) локальной области внешней сцены.

Если угловые размеры источника 6 излишне яркого света превосходят парциальные углы обзора и/или соответственно для n-го и/или m-го каналов измерения углов вдоль координат x и/или y, то одновременно на выходе по меньшей мере одного из других смежных каналов измерения угловых координат (в чей парциальный угол обзора попадет мешающий свет от источника 6) появится электрический сигнал с уровнем амплитуды выше порогового уровня, что приведет, помимо затемнения mn-ого модуляционного сегмента светозащитного модулятора 1, к одновременному затемнению соответствующих смежных модуляционных сегментов.

Светозащитный модулятор 1, M-канальный вспомогательный модулятор 7₁ и N-канальный вспомогательный модулятор 9₁, выполненные с двумя ЖК слоями и тремя линейными поляризаторами, обеспечивают величины оптического затухания около Т = 0,1 % в пределах около ± 80° для углов θ(x), θy), ϕ(x),ϕφ(y) падения света на вход ЖК модулятора (фиг. 11, справа) с отсчетом угла 0° от нормали к апертуре модулятора.

Модулятор на одиночном ЖК слое аналогичного типа с двумя (входным и выходным) скрещенными линейными поляризаторами обеспечивает существенно меньшие рабочие диапазоны этих углов - до ± 15° (фиг. 9, слева), но с большей оптической эффективностью в открытом состоянии из-за меньшего числа светомодулирующих слоев.

Конкретные значения максимальных рабочих диапазонов углов и оптической эффективности светозащитного модулятора 1 зависят от используемого электрооптического материала светомодулирующего слоя.

Особенность работы второго частного варианта устройства: в измерительном блоке (фиг. 12-15) одновременно все световые пучки от всех воспринимаемых локальных областей внешней сцены поступают на все фотоприемники , …, , …, через фронтальную щелевую диафрагму , а также на все фотоприемники , …, , …, через фронтальную щелевую диафрагму для определения соответствующих углов и расположения источника 6 излишне яркого света.

Выбор ширины щели щелевых диафрагм и является компромиссным; меньшая ширина каждой щели ведет к меньшей величине углового разброса лучей (к дальнейшему увеличению точности определения угла вдоль соответствующей координаты), но снижает оптическую эффективность измерительных каналов.

Промышленная применимость

Устройство может быть выполнено, например, в форме светозащитных очков или в качестве светозащитного (солнцезащитного) фильтра на входе устройства дополненной реальности.

Практическая реализация модуляторов устройства целесообразна на основе нематических ЖК структур, например, в виде твист (twist)-, супертвист (supertwist)- или π (pi)-структур [7-9]. В качестве рабочего электрооптического вещества в светозащитном модуляторе и в вспомогательных модуляторах может быть использован любой иной оптический материал с подходящими электрооптическими характеристиками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Knoll N. G. Electronic spectacles // U.S. Patent No. 10444545, priority date 10.03.2019, published 19.10.2019.

2. Ежов В.А. Способ светозащитной фильтрации с зональной адаптацией и устройство для его осуществления // Патент РФ № 2482526, заявл. 13.10.2011, опублик. 20.05.2013.

3. Фотодиод TEMD5510FX01 // Справочный листок Vishay Semiconductors.

4. Yang D.K., Wu F.T. Fundamentals of liquid crystal devices. Wiley. 2015.

5. Хромыгин Ф. М., Хромыгина Л. С. Противоослепляющие очки // Патент РФ № 2036496, заявл. 27.08.1991, опублик. 27.05.1995 (прототип).

6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М. Наука. 1973.

7. Schadt M., Helfrich W. Voltage-dependent optical activity of a twisted nematic liquid crystal // Appl. Phys. Letts. 1971. V. 18. No. 4. P. 127-128.

8. Schadt M., Leenhouts F. Electro-optical performance of a new, black-white and highly multiplexable liquid crystal display. Appl. Phys. Letts // 1987. V. 50. No. 5. P. 236-238.

9. Bos P. J., Koehler-Beran K. R. The pi-cell: A fast liquid-crystal optical switching device // Molес. Cryst. Liq. Cryst. 1984. V. 113. P. 329-339.

Изобретение относится к мобильным светозащитным устройствам для зрения человека и для светочувствительных сенсоров технического зрения. Фильтр содержит минимум один светозащитный модулятор, минимум один М-канальный измеритель угла прихода света вдоль координаты x, выполненный в виде последовательно расположенных теневого y-селектора и первого фотоприемного модуля, N-канальный измеритель угла прихода света вдоль координаты y, выполненный в виде последовательно расположенных теневого x-селектора и второго фотоприемного модуля. Также фильтр содержит процессорный блок, входы которого соединены с выходами измерителей угла, а выходы - с индивидуально адресуемыми M×N модуляционными элементами светозащитного модулятора, которым соответствуют M×N оптических осей обзора, mn-я из которых проходит через mn-й сегмент светозащитного модулятора и mn-ю локальную область внешней сцены (m=1, 2, …, M; n=1, 2, …, N), а выход светозащитного модулятора оптически сопряжен со входом защищаемого светочувствительного сенсора, при этом передаточная функция процессорного блока для mn-го модуляционного элемента светозащитного модулятора соответствует логической функции «И» от выхода m-го канала М-канального измерителя угла вдоль координаты y и от выхода n-го канала N-канального измерителя угла вдоль координаты x. Технический результат - увеличение точности работы устройства и увеличение динамического диапазона подавления мешающего света. 6 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Локально-адаптивный светозащитный фильтр, содержащий по меньшей мере один светозащитный модулятор, М-канальный измеритель угла вдоль координаты y, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x и процессорный блок, при этом М-канальный измеритель угла вдоль координаты y выполнен в виде последовательно расположенных углового селектора y-каналов и первого фотоприемного модуля, N-канальный измеритель угла вдоль координаты x выполнен в виде последовательно расположенных углового селектора x-каналов и второго фотоприемного модуля, при этом первый и второй входы процессорного блока соединены с выходами соответственно первого и второго фотоприемных модулей, а по меньше мере один информационный выход процессорного блока соединен с электрическим входом светозащитного модулятора, содержащего в своей апертуре M×N модуляционных сегментов, которым соответствуют M×N оптических осей обзора, mn-я из которых проходит через mn-й сегмент светозащитного модулятора и mn-ю локальную область внешней сцены (m = 1, 2, …, M; n = 1, 2, …, N), а выход светозащитного модулятора оптически сопряжен со входом защищаемого светочувствительного сенсора, в апертуре которого пересекаются все оптические оси обзора, отличающийся тем, что угловой селектор y-каналов выполнен в виде теневого y-селектора, угловой селектор x-каналов выполнен в виде теневого x-селектора, причем в теневом y-селекторе взаимно пересекаются М центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты y, а в теневом x-селекторе взаимно пересекаются N центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты x, при этом светозащитный модулятор выполнен с индивидуальной электрической адресацией каждого из M×N модуляционных сегментов, процессорный блок выполнен с M×N информационными выходами, которые соединены с соответствующими электрическими входами M×N модуляционных сегментов светозащитного модулятора, а передаточная функция процессорного блока для mn-го модуляционного сегмента светозащитного модулятора соответствует логической функции «И» от выхода m-го канала М-канального измерителя угла вдоль координаты y и от выхода n-го канала N-канального измерителя угла вдоль координаты x.

2. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что теневой y-селектор выполнен в виде последовательно расположенных М-канального вспомогательного модулятора и тыловой щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y, теневой x-селектор выполнен в виде последовательно расположенных N-канального вспомогательного модулятора и тыловой щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты x, первый фотоприемный модуль выполнен в виде первого фотоприемника, второй фотоприемный модуль выполнен в виде второго фотоприемника, при этом М-канальный вспомогательный модулятор выполнен по меньшей мере с одной группой М модуляционных элементов, N-канальный вспомогательный модулятор выполнен по меньшей мере с одной группой N модуляционных элементов, М центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координат y пересекаются на длинной центральной линии тыловой щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y, N центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты x пересекаются на длинной центральной линии тыловой щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты x, длинная центральная линия m-го модуляционного элемента М-канального вспомогательного модулятора направлена вдоль координаты x и расположена в m-й центральной измерительной плоскости для угла вдоль координаты y, длинная центральная линия n-го модуляционного элемента N-канального вспомогательного модулятора направлена вдоль координаты y и расположена в n-й центральной измерительной плоскости для угла вдоль координаты x, а электрические входы М-канального вспомогательного модулятора и N-канального вспомогательного модулятора соединены с управляющим выходом процессорного блока, при этом m-й канал М-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры m-го модуляционного элемента М-канального вспомогательного модулятора до апертуры первого фотоприемника, а n-й канал N-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует оптическому пути от апертуры n-го модуляционного элемента N-канального вспомогательного модулятора до апертуры второго фотоприемника.

3. Фильтр по п. 2, отличающийся тем, что светозащитный модулятор, M-канальный вспомогательный модулятор и N-канальный вспомогательный модулятор содержат фронтальный линейный поляризатор, фронтальный жидкокристаллический слой, промежуточный линейный поляризатор, тыловой жидкокристаллический слой и тыловой линейный поляризатор, при этом направление поляризации промежуточного линейного поляризатора ортогонально направлениям поляризации фронтального и тылового линейных поляризаторов.

4. Фильтр по п. 3, отличающийся тем, что М-канальный вспомогательный модулятор выполнен с первой группой М адресных полосчатых электродов для фронтального жидкокристаллического слоя и с второй группой М адресных полосчатых электродов для тылового жидкокристаллического слоя, N-канальный вспомогательный модулятор выполнен с первой группой N адресных полосчатых электродов для фронтального жидкокристаллического слоя и с второй группой N адресных полосчатых электродов для тылового жидкокристаллического слоя, причем длинные центральные линии m-х адресных полосчатых электродов для фронтального и тылового жидкокристаллических слоев М-канального вспомогательного модулятора, соответствующие его m-му модуляционному элементу, находятся в m-й центральной плоскости для измерения угла вдоль координаты y, длинные центральные линии n-х адресных полосчатых электродов для фронтального и тылового жидкокристаллических слоев N-канального вспомогательного модулятора, соответствующие его n-му модуляционному элементу, находятся в n-й центральной плоскости для измерения угла вдоль координаты x, длина и ширина каждого адресного полосчатого электрода М-канального вспомогательного модулятора прямо пропорциональна расстоянию этого адресного полосчатого электрода до щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y, а длина и ширина каждого адресного полосчатого электрода N-канального вспомогательного модулятора прямо пропорциональна расстоянию этого адресного полосчатого электрода до щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты x.

5. Фильтр по п. 1, отличающийся тем, что теневой y-селектор выполнен в виде фронтальной щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y, теневой x-селектор выполнен в виде фронтальной щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты x, при этом М центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты y пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты y, N центральных измерительных плоскостей для угла вдоль координаты x пересекаются на длинной центральной линии фронтальной щелевой диафрагмы с селекцией вдоль координаты х, первый фотоприемный модуль выполнен в виде M-канальной решетки фотоприемников, второй фотоприемный модуль выполнен в виде N-канальной решетки фотоприемников, при этом центр апертуры m-го фотоприемника М-канальной решетки фотоприемников расположен в m-й центральной измерительной плоскости для угла вдоль координаты y, а центр апертуры n-го фотоприемника N-канальной решетки фотоприемников расположен в n-й центральной измерительной плоскости для угла вдоль координаты x, при этом выходу m-го канала М-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует выход m-го фотоприемника М-канальной решетки фотоприемников, а выходу n-го канала N-канального измерителя угла вдоль координаты y соответствует выход n-го фотоприемника N-канальной решетки фотоприемников.

6. Фильтр по п. 5, отличающийся тем, что фотоприемники М-канальной решетки фотоприемников расположены в первой плоскости, а фотоприемники N-канальной решетки фотоприемников расположены во второй плоскости, ортогональной первой плоскости.

7. Фильтр по п. 5, отличающийся тем, что фотоприемники М-канальной решетки фотоприемников расположены вдоль первой окружности с центром в середине щели фронтальной щелевой диафрагмы с y-селекцией, а фотоприемники N-канальной решетки фотоприемников расположены вдоль второй окружности с центром в середине щели фронтальной щелевой диафрагмы с x-селекцией, при этом плоскость расположения первой окружности ортогональна плоскости расположения второй окружности.