電控調光玻璃產生的防眩目效果研究

程枝萍，付君偉

(浙江農業商貿職業學院，浙江紹興 312071)

0 引言

人們可以看清視野場景，在于場景反射光線的照度處在視網膜正常感知范圍內。人體衛生資料記載，人眼能夠承受可見光的最大亮度約為106 cd/m2[1]，相當于眼前照度1 332.42 Lux[2]，視覺暫留時間為0.1～0.4 s[3]。當場景反射光線亮度增大到一定數值時，即使瞳孔縮到最小，視網膜仍難以承受那樣的照度就會引起目眩失能。在汽車行駛過程中，入射光引起駕駛員目眩的工況大致分4種：(1)夜間受到對向車輛遠光燈直射；(2)迎著朝陽或夕陽行駛受到斜陽照射;(3)遇到路面監控攝像頭、受到補光燈照射；(4)車輛駛出隧道口或地庫口迎來晴空烈日照射。入射光引起駕駛員目眩的距離見圖1。無論哪種目眩都會使駕駛員短暫視盲，對行車安全性和舒適性產生不利影響。目前，在解決目眩問題上逐漸形成3條技術路線[4]：第一，從目眩光源的發光強度入手，會車時自動切換遠、近光燈的開啟；第二，從目眩光線的傳播路徑入手，設法反射、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，因為引起目眩就想一一改造那些光源顯然無法實現。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其用，正常前行為了躲避眩光而令駕駛員轉移視線關注屏幕那將給行車安全帶來極大風險。既然第一、第三條路線都難以走通，那就應該從第二條路線上尋找解決辦法。雖然目眩光源各不相同，但光線都要穿過擋風玻璃，基于電控調光玻璃屬性適時降低其透光率，從而降低視網膜照度的主動防眩目方案應該具有相應可行性[5]。

圖1 入射光引起駕駛員目眩的距離

1 實驗材料儀器

在擋風玻璃防眩目實驗中用到的材料、儀器和設備如下：

電控調光玻璃見圖2，幅面600 mm×600 mm，接近普通轎車前擋風玻璃的一半。它基于聚合物分散液晶(PDLC)技術，由兩層鋼化玻璃、兩層透明導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引出。超薄液晶層填充扭曲向列相液晶(TN)構成液晶光閥，以便降低驅動電壓，縮短狀態轉化響應時間，拓寬調光溫度適應范圍，改善透光屬性等光電特性。

圖2 調光玻璃結構

光敏傳感器S1、S2及其放大電路見圖3。1號雙蹤示波器可以同時觀察S1、S2端電壓變化情況。

圖3 光敏傳感器及其放大電路

調光玻璃防眩目控制電路見圖4。它利用光敏傳感器S1的放大信號控制液晶光閥上的加載電壓改變其透光率從而產生防眩目效果。

圖4 調光玻璃防眩目控制電路

LED射燈及其調光電路見圖5。它可大范圍調節射燈發光強度，保證距離光源2 m以外光照強度在550～10 000 Lux內。

圖5 LED射燈及調光電路

2臺雙蹤示波器，型號YD4320F。

2部照度計，型號TES-1332A，測量范圍0.1～20 000 Lux。

1組蓄電池，型號6-QAW-54a，輸出電壓12 V。

1臺充電機，型號JCDQ-12V。

2 實驗安排布置

擋風玻璃防眩目實驗在汽車電子實驗室中開展，室內照度523 Lux，各種實驗材料、儀器和設備安排布置見圖6。調光玻璃像汽車前擋風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處設置LED射燈作為眩光源。居于玻璃表面中心設置光敏傳感器S1作為電子眼感受入射眩光，S1端電壓US1放大后的US1放大供給兩個電路分別處理：一路輸入1號示波器；另一路輸入防眩目控制電路[7]；其中3個雙電壓比較器LM393的工作電壓VCC、門限電平UR和輸出電壓UOUTA各不相同，UOUTA再分配給兩個電路：一路輸入2號示波器，另一路驅動調光玻璃完成自適應防眩目控制過程。沿軸線在玻璃后方約0.55 m處設置光敏傳感器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號示波器。1號示波器用于顯示兩個傳感器S1、S2端電壓變化波形，2號示波器用于顯示調光玻璃端電壓加載波形。1號照度計的光檢測器固定在調光玻璃迎光面上用于測定玻璃承受的光照強度，2號照度計的光檢測器固定在S2下方用于測定玻璃的防眩目效果。蓄電池模擬汽車電瓶為調光玻璃控制電路，傳感器S1、S2的放大電路供電，虧電時使用充電機充電。

圖6 調光玻璃防眩目實驗儀器設備布置

3 實驗操作流程

實驗開始，3個雙電壓比較器LM393對應加載36、27、18 V，頻率為50 Hz的逆變交流電，調光玻璃將根據迎光面照度自適應加載上面某個電壓等級或LM393低電平2 V；打開射燈開關，讀取1號照度計數值，通過Triac調光器調節射燈亮度，使調光玻璃表面照度為750 Lux，觀察調光玻璃灰度變化情況，1號示波器記錄傳感器S1、S2兩路信號的電壓波形見圖7，2號示波器記錄調光玻璃的驅動電壓，2號照度計顯示眩光衰減后的照度。接下來重新調節射燈亮度，模擬車輛遇到更強眩光，使調光玻璃表面照度分別為1 500、3 000、6 000 Lux，觀察調光玻璃灰度變化情況，1號示波器記錄的電壓波形見圖8、圖9和圖10，同時記錄2號示波器和2號照度計上的對應數據。

圖7 玻璃加載36 V、50 Hz逆變交流電調光效果比較

圖8 玻璃加載27 V、50 Hz逆變交流電調光效果比較

圖9 玻璃加載18 V、50 Hz逆變交流電調光效果比較

圖10 玻璃加載2 V、50 Hz逆變交流電調光效果比較

然后，3個雙電壓比較器LM393對應加載36、27、18 V直流電，重復上面的實驗過程，再得到4組電壓波形分別見圖11、圖12、圖13和圖14，以及其他對應數據。

圖11 玻璃加載36 V直流電調光效果比較

圖12 玻璃加載27 V直流電調光效果比較

圖13 玻璃加載18 V直流電調光效果比較

圖14 玻璃加載2 V直流電調光效果比較

4 實驗現象分析

在實驗中，可以直觀看到調光玻璃灰度變化，說明液晶光閥經歷了開度轉化過程，液晶光閥開啟調光玻璃透光率增加，液晶光閥關閉透光率降低。光照促使光敏電阻內的載流子在外加電場作用下發生漂移，導電能力上升，電壓和電阻下降，即光照強度與光敏電阻的電壓和電阻之間呈現負相關性。這樣便可以正確分析S1、S2端電壓與入射光照度的關系以及調光玻璃的光電特性。

4.1 調光玻璃加載逆變交流電防眩目效果分析

4.1.1 調光玻璃表面照度為750 Lux時

從圖7中可見S1、S2波形在T1～T2之間一小段彼此分開，后續部分難以分清各自走勢，電壓穩定在900 mV左右，S2波形躍變在0.1 s內完成，2號示波器顯示驅動電壓為36 V，2號照度計讀數為746 Lux。這表明調光玻璃在36 V電壓驅動下扭曲向列相液晶(TN)受到強力拉伸，液晶分子在外加電場作用下由雜亂無序狀態迅速轉化為有序排列狀態，液晶光閥完全開啟，調光玻璃透光率達到85%以上，入射光穿過玻璃照度衰減微乎其微。

4.1.2 調光玻璃表面照度為1 500 Lux時

從圖8中可見S1、S2的波形很相似，可以清晰分辨各自波形曲線，S1端電壓變為750 mV左右，S2端電壓變為850 mV左右，玻璃驅動電壓已下降為27 V，2號照度計讀數為891 Lux。說明入射光穿過玻璃時受到一定阻礙，照度有所衰減，調光玻璃在27 V電壓驅動下TN拉伸強度下降，液晶光閥處于半開啟狀態，但直觀看玻璃灰度變化并不明顯。

4.1.3 調光玻璃表面照度為3 000 Lux時

從圖9中可見S1、S2的波形已上下分開，對比圖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，玻璃驅動電壓已變為18 V，2號照度計讀數為1 197 Lux。此時入射光穿過玻璃阻力增加，照度已明顯衰減，調光玻璃在18 V電壓驅動下TN開始松弛，液晶光閥處于半關閉狀態，直觀上可以看到玻璃具有一定灰度。

4.1.4 調光玻璃表面照度為6 000 Lux時

從圖10中可見S1、S2波形曲線上下相距較遠，對比圖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，調光玻璃加載電壓只有2 V，2號照度計讀數為1 301 Lux。顯然，入射光穿過玻璃時其照度已大幅度衰減，調光玻璃在2 V驅動電壓下TN松弛扭曲，液晶分子處于小區域內布朗運動狀態，液晶光閥完全關閉，相當數量的入射光被玻璃反射、散射或吸收，無法沿原來方向傳播，直觀上看玻璃灰度已大幅增加。

由此可見：當逆變交流電驅動調光玻璃時，加載36 V驅動電壓液晶光閥完全開啟，玻璃透光率可以達到85%以上，液晶光閥開啟響應時間約為0.1 s；隨著驅動電壓降低，外加電場對液晶分子的作用力下降，液晶分子自身布朗運動能力重新顯現出來，液晶光閥開度逐漸減小直至完全關閉，調光玻璃透光率下降，并且下降幅度不斷加快。《機動車運行安全技術條件》中規定“前風擋玻璃可見光透光率不得小于70%[8]”，調光玻璃透光率調整不能超越這個最低限度。在此限度內，調光玻璃有效拓寬了人眼對不舒適眩光照度的適應范圍。

4.2 調光玻璃加載直流電防眩目效果分析

4.2.1 調光玻璃表面照度為750 Lux時

S1端電壓為900 mV，調光玻璃加載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號照度計讀數為735 Lux。這是一種直流電壓沖擊效應，扭曲向列相液晶(TN)被瞬間拉直，液晶分子呈現整齊有序排列，液晶光閥瞬間完全開啟；隨著直流電壓過渡到穩定狀態以及分子布朗運動逐步適應，TN的直線度下降，液晶分子最終建立起次級有序排列，液晶光閥處于半開啟狀態并保持下去，光閥開度趨穩過程大約需要5 s。

4.2.2 調光玻璃表面照度為1 500 Lux時

S1端電壓為750 mV，調光玻璃實際加載27 V直流電，從圖12中可見S2的波形再次出現圖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。液晶光閥穩定開度進一步下降，光閥開度趨穩大約持續4 s。

4.2.3 調光玻璃表面照度為3 000 Lux時

S1端電壓為575 mV，調光玻璃加載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。液晶光閥處于半關閉狀態，光閥開度趨穩持續2.5 s。

4.2.4 調光玻璃表面照度為6 000 Lux時

S1端電壓為300 mV，調光玻璃實際加載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端電壓逐漸穩定在760 mV左右，液晶光閥直接轉化到關閉狀態。其實，調光玻璃直流驅動電壓低于15 V時加載瞬間沖擊效應已難于察覺。

綜上所述，當直流電壓驅動調光玻璃時，液晶光閥會產生加載瞬間沖擊效應，光閥瞬間開度張大然后快速過渡到相應電壓下的次級穩定開度，這個穩定開度小于逆變交流電同等驅動電壓下產生的光閥開度，并且光閥開度趨穩轉化要持續幾秒鐘。隨著加載電壓降低，液晶光閥瞬間沖擊效應明顯減弱，光閥開度趨穩轉化時間縮短。

5 結論

實驗研究表明，從目眩光線傳播路徑角度出發，基于電控調光玻璃屬性適時降低其透光率的主動防眩目方案比較可行。在方案實施過程中，應選用填充扭曲向列相液晶的PDLC電控調光玻璃，超薄型液晶夾層，針對照度大多處在1 500～6 000 Lux內的不舒適眩光[9]，保證液晶光閥完全開啟時玻璃透光率達到85%以上，完全關閉時玻璃透光率不低于70%；選擇逆變交流電驅動調光玻璃，加載36 V安全電壓便可使液晶光閥完全開啟，光閥開啟響應時間為0.1 s，小于人眼視覺暫留時間，光閥關閉響應時間為3.28 s[10]，與駕駛員發現眩光源、接近眩光源到產生目眩失能所用時間大致相仿；雖然車載直流電源便攜可用，但是用直流電驅動調光玻璃并不合適，直流電壓加載瞬間會產生沖擊效應，液晶光閥開度趨穩轉化需要持續幾秒鐘，已遠遠超過視覺暫留時間，并且同等驅動電壓下光閥開度小于逆變交流電；調光玻璃驅動電壓自適應加載控制過程，可以及時產生防眩目效果，杜絕駕駛員出現短暫視盲，提高行車安全性和舒適性。