光强度衰减装置和衰减方法

专利名称：光强度衰减装置和衰减方法
技术领域：
本发明涉及降低光强度用的装置和方法。特别是描述了一种有源的太阳镜，它通过让定位在每一镜片上的快门矩阵上的一或多个元件按比例地变暗，能够有选择地屏蔽掉来自太阳和/或其它光源的光线。
有可能制造出具有高光学衰减特性的太阳镜，以将来自太阳的光降低至可容许的水平。这样的太阳镜容许使用者直接窥视太阳，然而几乎没有别的东西可被看见，这是因为光的衰减如此之高，以致于视场的并非极明亮的其它部分是看不清的。
在太阳靠近地平线的情况下驾驶车辆，或在低的外界照明条件下直接朝着其它某种明亮的光源开车时，可能是危险的，这是因为某些交通场合要求直接窥视光的来源。深色的太阳镜、护目镜以及其它让挡风玻璃变暗的手段，被发现能够减轻来自太阳和其它光源的眩光和反射作用，但由于象车辆的行进路程经常变化，以及驾驶员和光源间不断变化的角度会变化，所以这些屏蔽光的对策未被证实为全然令人满意。
本发明的目的在于提供一种屏蔽光的装置和方法，这种装置和方法仅对视场中可能由用户予选的光强水平阈值被确定为过量的某区域或某些区域中的光屏蔽，以致于该视场中的其它目标仍然看得清楚。
本发明的另一目的在于提供一种屏蔽光的装置和方法，它屏蔽从一或多个光源入射在光学仪器上的光，从而使该仪器的记录介质能够记录视场中的细节。
本发明的再一个目的，在于提供供视力受到损害人使用的方法和装置。根据本发明的装置，能够将入射光的动态范围降低到可被控制的程度以及限制光衰减的比例。
根据本发明的装置，包括一电源，一能够产生许多与视场中的光对应的光强度信号的光传感器，一带有许多可编程的快门元件的能透光的镜片，用户控制器以及处理电路。该处理电路相对于予先确定的阈值和用户常数对这些光强信号进行处理，然后根据处理结果让一或多个快门元件变暗。用户控制器被用来设置让该装置定制的用户常数，并可被用来设置一或多种工作方式。
根据本发明的装置，其对于非相干光源或者具有宽光束宽度的光源有效，例如可以从太阳或者从前灯、尾灯、反光之类得到的这类光源。进一步的优点和特性，鉴于随后的描述和附图将变得更明显。


图1为根据本发明的光强度衰减装置实施例的透视图；图2为可被图1中装置利用的电路的简化框图；图3为图1中镜片的简化图，用以说明如何设置用户常数；图4为与本发明装置另一实施例相关联的部件的简化框图，而且图5为图4中敏感元件列阵和快门矩阵的简化侧视图。
图1为本发明的光强衰减装置1实施例的透视图。本实施例表示一付有源的太阳镜1，其所具有的所有功能部件均固定在框架或者镜片上。有源太阳镜一词在此被定义为一种装置，其目的在于降低来自一或多个光源的光亮级，该光源可包括在白天和夜晚两种条件下的太阳及其反射，以及前灯、尾灯和其它光源。而且，根据本发明的装置可被用来保护眼睛免受亮光源的有害作用(如太阳)，譬如在应用阅读放大镜、摄影机、摄录象机组合、望远镜、双筒望远镜、显微镜以及其它单筒或者多镜头光学仪器时。此外，该装置可被用来保护或者减小入射在探测器、存储介质或者摄影机、摄录象机组合、望远镜、显微镜或其它光学仪器的其它元件上的亮光源的有害作用。例如在摄影机或者摄录象机组合的镜头的前方或其后面利用本发明，允许朝向或直接对着太阳拍照而不会产生多重象，不会使底片曝光过度，或者不会冲掉视场中其它物体的细节。
为了更好地理解本发明如何工作，涉及人的眼睛如何对不同的光强度起反应，简要讨论如下。落在人眼视网膜后部光感受器上的光的大小，是由虹膜控制的。如果光的亮度骤然增大，那么虹膜将收缩以减少容许进入视网膜的光量。与此同时，由于光强度感受提高，所以视网膜开始降低其光感受器的灵敏度，以致于这种组合使感觉出来的光亮度降低要比视网膜或者虹膜单独会产生的变化要大。这就意味着，由于瞳孔的张开度比较小而且视网膜灵敏度较低，故在引入增大的光强之前曾经看得清的细节可能失去。重要的是需要指出，人的眼睛对于光强度变化的响应约在50至100ms之间，取决于亮度及其它变量。本发明的有源太阳镜，其起作用是靠它对光强水平提高的响应比眼睛快，以减少由视场中非常亮的区域中来的光量。这种操作意味着，人眼能够保持相当固定的灵敏度，多少有点固定的虹膜尺寸和光感受灵敏度。因此，由于存在非常亮的光源而有可能失去的那些目标，将看得清楚。因而有源的太阳镜能够减小传送给人眼的光的动态范围，并且进一步降低亮光源对于视场中其它物体感觉的影响。视力受到损害的个人也可以发现本太阳镜是有用的，由于本太阳镜能够降低光强度变化速率以及减小视场中光的动态范围，如以下将要解释的那样。
根据本发明的有源太阳镜，具有可选择性地屏蔽用户视场中的亮光源而不使视场中的其它区域变暗的能力。因此，进入人眼的光强度的过度增加和减少可以避免。光强度变化产生的问题可以这样理解，设想当太阳从驶近汽车的挡风玻璃骤然射入人眼时，暂时的光干扰便发生。它可能是明亮的，足以引起这个人瞬时闭上她的眼睛。在这种情况下，跨越视场的平均光强水平可能变化非常小，但是仅在一小部分视场上骤然提高的峰值却引起人们不舒适。在这种场合下，视场的动态范围增大了。增大了的光强度可以仅从视场的这个区域被衰减。此外，本发明能够改善视场中平均光亮度或者强度变化比例大带来的不适。这种平均光强度水平变化比例大产生的问题可以这样理解，设想当离开变暗的电影院进入明亮的阳光中产生的不舒适。他可以在几秒钟内让眼睛调节到急剧提高的平均光强水平，纵然动态范围可能不变。在刚刚描述的两种情况下，有源的太阳镜能够限制峰值光亮度和动态范围以及平均光亮度本身变化的比例，从而减轻视力不适。
对于驾驶来说，理想的阳光防护器可能是一种悬挂在空间大到足以完全遮断阳光的不透光的圆盘，被定心在由用户视网膜至太阳限定的向量上。此外，当用户眼睛和太阳之间的方位变化时，保持不透光圆盘与太阳的这种关系可能是至关重要的。在这种情况下的视觉可能是正常的，除了在特定的瞬间太阳驻留的地方被不透光固盘遮着的那部分视场之外。人们试通过将一只手举起做到这一点，以便遮住太阳。此外，控制遮光圆盘的不透明度以使来自太阳光亮度接近外界亮度，在很多情况下(例如当该区域可能包含驶近的车辆时)，对于完全遮住来自该区域的光线可能是更为可取的。并且，屏蔽住源于许多表面的阳光或许多光源的反射，可能是有利的。此外，当夜间在公路上开车时，驾驶员不仅遭遇来自驶近前灯的光，而且遭遇来自内侧随后车辆前灯以及外侧一或两块后视镜的先反射。尽管某些车辆带有内部手动或电子装置以使内部反射镜提供的象变模糊，然而极少能将外部反射镜提供的象变模糊。有源太阳镜将不仅减少来自驶近车辆的亮光，而且减少来自内外反射镜所提供象的亮光，从而减少光强水平的变化和减轻光学应力。
太阳镜1包括安装在框架横梁30上面的两块液晶器件(LCD)镜片4和5。尽管“LCD”一词被用来描述镜片4和5中使用的材料，然而本领域的技术熟练人员将会理解，可供选择的材料如铁电体、液晶材料总体、或者具有光透射特性可在很宽的光强范围内变化的其它材料，也可用来从功能上替代快门矩阵或者敏感元件列阵中的液晶器件材料。左面的LCD镜片4包含有敏感元件列阵6，右面的LCD镜片5包含有敏感元件列阵7，被安装在靠近框架梁30与边撑2及3的连接件的外侧边缘。每一敏感元件列阵6和7都有安装在其后面的相应连带的光电传感器10和11。用户则通过包含相关联的快门矩阵8的左LCD镜片4和包含快门矩阵9的右LCD镜片5进行观察。控制电子线路16和17被安装在每一边撑2和3中，并且经过连接件14和15与横梁30连通。控制电子线路16和17也可经过LR连接器13(以虚线表示)互相连通。光瞳位置传感器34可被安装在横梁上以确定光瞳的位置，并且与控制电子线路16相连。电源18和19以及用户控制器20和21，也被定位在边撑2和3中，如图所示。电源18和19，可以包括电池组，太阳能电池或者其它的轻便电源。因此，为操作需要的全部元件都是包含在内的。具体说来，配备在耳朵上的边撑2和3上装有电子线路、控制器和电源，而横梁30上装有镜片4和5、敏感元件列阵6和7以及快门矩阵8和9。
用户按照传统方式，通过展开边撑及跨过他的鼻子放置横梁30而配戴此有源太阳镜，以致于LCD镜片4和5被放置在每只眼上方。在太阳镜1可被放置在头上之前当打开边撑部件时，电源便通过位于边撑3内侧的开关12加在控制电子线路16和17上。当边撑部件被叠合以压扁从头上取下的太阳镜时，开关12被打开，电源被移去。低功率指示器31(它可以包括LED或其它的低功耗元件)被表示为固定在边撑2的内侧。当功率降低时，该指示器31点亮以给配戴者报警。另一方面，快门矩阵中的若干元件可被利用来显示低功率指示。
如图1所示，每一镜片4和5包括含有LCD材料的透光的玻璃或者塑料基片，它包括两个正方形的快门列阵8和9，每一快门列阵又包含8×8个矩阵元件，或者64个正方形的元件。每一快门矩阵中的每个元件均由控制电路16和17予以寻址。此外，每一矩阵元件的透光特性可被控制，以致于该元件仅变暗至照明条件所要求的程度。另一方面，任何一个或者全部的快门矩阵元件，均可被设置为变暗至预定程度。用户在配戴太阳镜1时通过快门矩阵8和9进行观察，因而用户的视场是由LCD快门矩阵元件的透光状态决定的。照射在每只眼视网膜上面的光量大小，可以通过沿用户视网膜和太阳之间想象的一条线定位的快门矩阵8和9中，让一或多个LCD元件变暗来减小。在正常的照明条件下，快门矩阵8和9中的每一个元件都是透明的。
再一次参见图1，光电探测器10和11被安装在敏感元件列阵6和7的后面，也被分成8×8个有源矩阵。在工作过程中，每一敏感元件列阵被扫描，以致于其相关联的光电探测器可以对来自用户视场中给定区域的光强水平进行采样或者推断。按照这种方式，控制电路16和17可以确定与敏感元件列阵视场中每一元件相关联的向量。由敏感元件列阵中得到的信息，随后被用来将LCD快门矩阵8和9中的适当元件变暗，以将用户视场中的光强水平降低到可允许的限度。
图2为图1中太阳镜控制电路16和17的简化方框图32。具体说来，用于左镜片4的控制电路16包括微处理器33，其与用户控制器20相连，通过模拟处理电路和模/数转换器23与光电探测器10相连，与快门矩阵8和敏感元件列阵6相连，通过开关12与电源18相连，并且可选择性地与光瞳位置传感器34相连。微处理器33通过驱动器35将指令发送给敏感元件列阵6中的各个元件。微处理器33还通过驱动器37将指令发送给快门矩阵8中的按比例变暗和/或变亮的各个元件。用户控制器20，可以通过用户输入用户优先选择数据及与用户生理学有关的信息进行操作，如以下解释的那样。与此类似，用于右镜片的控制电路17包括微处理器43，其与用户控制器21相连，通过模拟处理电路和模/数转换器24与光电探测器11相连，与快门矩阵9相连，并且通过开关12与电源19相连。微处理器43通过驱动器45将指令发送给敏感元件列阵7中的各个元件，并且将指令通过驱动器47发送给快门矩阵9中的变暗和/或变亮的各个元件。用户控制器21可以通过用户输入数据来操作。
应当指出地是，图2所示的控制电路包含两个分立的系统，每只眼一个，它包括敏感元件列阵、光电探测器、快门矩阵和控制电子线路。控制电子线路16和17中的每一个，可以包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、定制或半定制的芯片、接口电路、带有ROM和RAM以及/或者某些其它非易失的存储器件(如EEPROM或者电池防护RAM)的线性和电子线路部件。还应当理解，对于每一镜片的控制电子线路可以独立地操作，如果需要这样，或者可以通过LR连接器13交换数据和指令。
图1中的有源太阳镜的每一个敏感元件列阵6和7，带有与其相关联的光敏光电探测器10或11，因而可对每一个快门矩阵独立地计算出太阳向量。此信息可经过LR连接器13在两个镜片的电子线路之间进行交换。例如两敏感元件列阵6和7的处理过的输出的逻辑“或”，可被用来将两个快门矩阵8和9中的元件变暗。这种操作意味着让左镜片4上快门矩阵8中的LCD元件做到不透光的，乃是由控制电子线路16对于左镜片4计算出来的信息，以及来自由控制电子线路17对于右镜片5计算出来的信息的合成。与此类似，右镜片5上快门矩阵9中的LCD元件变暗，乃是由右控制电子线路17从来自右敏感元件列阵7的信息计算出来的数据，以及由控制电子线路16对于快门矩阵8计算出来的信息的合成。然而在某些情况下，例如控制电子线路16和17之间不存在联系，那么应该变暗的元件可能是没有差别的。因此，这里描述的安排，允许对于每只眼均应屏蔽太阳或者其它亮目标，即使一个敏感元件列阵可能处在暗处或以其它某种方式被遮住。例如左敏感元件列阵7，可以被风挡的角撑、后视镜、挡风玻璃上的污垢或者印花图案遮住太阳或者其它光源。另外，灰尘、汗、湿气或者某些其它不透明的物体，其本身也能附着在敏感元件列阵7的一或多个元件上面，使该敏感元件列阵变得只有局部可供使用，然而快门矩阵9将继续工作，并且通过利用可由敏感元件列阵7得到的诸如此类信息，以及由与另一快门矩阵8关联的敏感元件列阵6提取的信息，将亮光源遮住。应当理解，其它的信息如用户偏置和其它的用户常数以及屏蔽信息，也可在控制电子线路16和17之间交换。
再一次参见图1，用户控制器20和21为沿边撑部件2和3安装的一系列开关，容许太阳镜1操作可以针对用户生理学定制。当第一次应用太阳镜1时用户必需使用开关20和21，因为重要地是它能将LCD敏感元件列阵6和7映到快门矩阵元件8和9上面，以使被变暗的元件与用户视场重合。
图3为图1中有源太阳镜的镜片4和5的简化图。在图3中，限定用户每只眼起始点“0”且与每个快门矩阵中的一或多个元件对应的点或一些点，必需被确定。存在两种偏置X-轴偏置被标以A，Y-轴偏置被标以B。为了设置这些用户常数，某个人戴着太阳镜以其左眼一直向前凝视，而右眼是闭着的，而且快门矩阵8中被定心在为控制电子线路16认作起始点的位置上的单一元件被变暗。用户则通过使用开关20和21来控制该元件的位置，直至其一直向前窥视时被变暗了的单一LCD元件定心在其左眼上方为止。这两种偏置或者用户常数，随后由控制电子线路16和17储存在非易失存储器中。被标以C的第三种偏置，能够提供以与用户眼间距差异相关联的常数，以保证右镜片5上快门矩阵8的原点被定心在右眼的视网膜之上。这可通过在A和B调节做完之后闭上左眼，然后移动右镜片5中快门矩阵9上面变暗的“目标”元件，直至其定心在一直向前凝视的用户右眼前方为止来完成。然后将这些用户常数A，B，C储存在两个控制电子线路16和17的非易失存储器中，而且不必再装入。EEPROM、电池后援RAM或者其它非易失存储器，也可以使用。
在初始安装之后，用户只需打开框架并将眼镜放在他的鼻子上，适合他的生理学的常数A、B和C便被装入。当然，这些用户常数也可在后来对于不同用户进行调整，或者可以配备存储装置以为许多用户储存这些常数。这种类型的系统是假定右眼在水平平面内与左眼找齐的，因为只有三个常数被存储，然而另外两个常数E和F可被应用在更复杂的模型上，以让右眼定心能够适应眼睛与该太阳镜的水平平面略有偏移的用户。
在快门矩阵元件平面和用户视网膜之间距离方面可能存在着差异(也许是由于身体上的变异，或者是由于用户选择的配戴太阳镜在其鼻子上的方式)，因而必须引入另一种校正。其被称为“Z”常数，并且容许控制电子线路变更透明的LCD元件的“立体”角，以对用户视网膜至快门矩阵中元件平面之间距离方面的差异(在图5中最佳表示为“Z”)进行补尝。例如，如果一用户配戴有源太阳镜以致于快门矩阵靠近她的视网膜，那么每一快门矩阵中只有一个矩阵元件会被变暗而屏蔽一定高强度的光信号。然而，如果一用户配戴有源太阳镜以致于其视网膜和快门矩阵之间的距离增大，那么每一快门矩阵中有两或更多个矩阵元件会被变暗而屏蔽同样高强度的光信号。补偿这种用户选择的一种手段是，进入设定模式和使用明亮的光源(如白炽灯或者太阳)将此用户常数优化。例如，用户在配戴太阳镜的同时在任一方向上移动她的头至30°或者更大，并且通过操作用户控制器使常数Z变化，直至此明亮的光源受到最有效地屏蔽为止。这就容许控制电子线路将敏感元件列阵的信息最有效地映入快门矩阵的元件中。这种Z调整也可以通过以机械方式调节敏感元件列阵到光电探测器的距离来提供。这个Z常数随后被储存在控制电子线路中，并且在加电时被装入。应当理解，诸如此类的其它常数也可被确定，并且按照类似方式被储存，以便使有源太阳镜的性能能够更优化地与用户匹配。
在所有这些讨论中，有源太阳镜的操作取决于用户将他的瞳孔和视网膜定位在中心或者其它位置，因为这是个被用来限定和装入A、B、C常数的位置。因此，快门矩阵遮蔽的效果将取决于瞳孔对于正前方或其它位置多么靠近。用户在配戴有源太阳镜的同时，学会将其瞳孔定心在快门矩阵中变暗区域的后方被控制电子线路认为是瞳孔位置的地方。为了放宽这种限制和可能提供较宽的工作范围，用来检测瞳孔或者视网膜位置的装置，可能容许对眼睛的运动进行补偿。参见图1，一或多个视网膜传感器34被安装在框架上，为的是确定瞳孔的位置并将此位置信息输出给控制系统。控制电子线路16和17则利用此瞳孔位置信息，调整被用来将敏感元件列阵中的信息映入快门矩阵的原始值。快门矩阵中的适当元件随后会被变暗，以对瞳孔的新位置进行补偿。
对于以下有关本发明实施例操作的讨论，只有涉及太阳的场合将被考虑，纵然很清楚，本装置对于白天或夜晚用在涉及其它光源的其它场合下，同样是适合的。
图4为只应用一个镜片的本发明装置另一实施例的简化方框图。为便于参照，相对图1中太阳镜为相同的部分，给以相同的编号。在操作过程中，控制电子线路16将扫描信号提供给LCD驱动器52，由其驱动敏感元件列阵6中的8×8个元件。此敏感元件列阵6中的元件被驱动，以致于此64个LCD元件中只有一个元件是透明的，而其它63个元件是变暗或者不透明的。按照这种方式得到的信息，涉及由这一透明的LCD元件的位置限定的方向上光的大小，涉及敏感元件列阵的几何结构、光电探测器10和掩模，涉及与光电探测器相关联的镜片或光学器件以及光电探测器对此LCD元件的实际关系。光电探测器10的输出提供一信号，其与由该透明元件限定的这部分视场中收集到的光量成正比。由光电探测器前方LCD扫描元件中透明的元件决定的这种光强水平以及光源位置，确定了太阳向量。来自光电探测器10的信号，可以在输入模/数转换器23或其它数字转换装置之前由放大器53进行放大，所述数字转换装置以数字形式存储与这些元件相关联的光强水平。然而，所得到的光的量度，乃是由一透明的元件得到的光量以及由63个不透明元件得到的光量。假如这些LCD元件在不透明时容许某种少量的光通过，那么这就被乘以63倍，并且与来自透明元件的信号混合。为了减小由此运作产生的误差，一种措施是通过让所有这些元件变暗和测量由此产生的信号而得到总的光泄漏。如此得到的量度Vx被称为本底或者暗电流。在所有64个元件变暗以致于本底电流或者暗电流可被测量之后，于是存在于来自被选定透明元件的光中的误差大小，由此而约为VxiSingle-Vx。
在逐个元件地对整个视场扫描之后，一组反映由敏感元件列阵6确定的该装置视场中的光强分布水平的数值被收集。基于早先存储的用户信号和任何予置的阈值，由控制电子线路作出判断，并将一信号传送给LCD驱动器54，假如来自于由敏感元件列阵6得到的数据的供给每一元件的光强水平超过某种阈值Vn，那么就通过让快门矩阵8中选定的一或多个元件按比例地变暗，使来自视场中一或多个位置的光被屏蔽或者减少。以虚线表示的任选瞳孔传感器34，可以与微处理器的电路33相连接，以对不同于被用来装入用户常数的正向前方位置的瞳孔位置进行补偿。
图5为图4中敏感元件列阵和快门矩阵简化的侧视图。应该理解地是，图5未按比例作图，而且眼睛55和来自太阳56的光线是象征地表示的，以促进更好地理解本发明。设想当光敏感元件列阵6被扫描时，由一透明元件Ai收集到的光超过阈值Vn。由其它一些元件得到的光强度值小于该阈值。因此，快门矩阵8中与关联敏感元件列阵6中元件Ai的向量对应的一个元件Mi应该变暗。快门矩阵8中应该变暗的位置的断定，是通过提取与敏感元件列阵6中产生该信号的位置相应的元件的位置，Xi及Yi地址，并且利用储存在控制电子线路16的非易失存储位置中的偏置常数(或者用户常数)，处理该信息。此信息足以让快门矩阵8中需要变暗元件Mi的坐标定位。然后由控制电子线路16指令LCD驱动器，将LCD快门矩阵8中的这一元件变暗到所需要的程度。接下去，敏感元件列阵6的扫描继续下去，而且测量视场的进一步适时修正，可以象LCD敏感元件列阵6被寻址、光电探测器10测量光强水平一样迅速地取得。在图1的有源太阳镜结构中，此过程是对每一镜片单独进行的，但是该信息可共享以使两个快门矩阵8和9中的元件变暗。由可选择瞳孔传感器34(表示在图4中)获取的信息，可被用来调整位置和/或根据眼睛55的瞳孔位置，确定应该变暗的快门元件数。
应当清楚，不只一个光源或发光目标可以受此技术控制。因此，直接来自太阳的光，由其它物体反射的光以及来自其它光源的光，均可被遏制。此外，除了平均光信号亮度差异这个事实之外，本发明的装置可以用在夜间，其对于雨天由于迎面而来车辆前灯通过由潮湿的路面和其它物体反射而产生许多象时的情况特别有效。本装置在控制许多目标、白天或者黑夜时的效果，取决于LCD元件中使用的材料和图形分辨能力、可以利用的计算资源、工作温度、电源寿命和成本上的考虑。具体说来，某些LCD材料随温度下降工作时变得粘滞，当在为用在较冷气候设计的太阳镜中使用该材料时，此条件必须考虑。再进一步，假如提供反射光的区域比原始发光的光源大或者小，那么适当的快门形状将被变暗，以调节LCD敏感元件列阵和快门矩阵元件粒度来适应这种情况。换而言之，快门矩阵8和9中的一或多个元件将按照诸如此类的构型要求变暗，以减小眼睛接收的光强度。
还应该理解，本发明的装置可以为近视或远视或者受到散光损害的人加到矫正镜上。此外，也可将滤光片加到有源太阳镜结构上使其优先通过红光。这些会是有利的，因为它能够提高一些昼夜开车场合下尾灯的能见度。也可以加上挡红外线的滤光片，以减少太阳光对视网膜的热负荷。此外，这些镜片可以是偏振的。
因此，有源太阳镜能够将用户视场中光强度超过某种计算或存储标准的区域内的光强变暗或者降低。视场中光的动态范围被定义Va-Vb，式中Va为视场中最明亮部分的光强水平，Vb为视场中最低或者最适当亮度部分的光强水平。如果视场中使光衰减的区域在眼睛上并不产生比视场最低光亮度部分发现的光强水平要低的光强水平，那么该视场中总的光的动态范围被减小，因为Va下降而Vb不变。容许通过快门矩阵到达眼睛的光的动态范围，可能受到选择适合的用户方式的限制。正是有源太阳镜的这种将光强水平的动态范围限定为现有视场值或者某些予选的限度的性能，减少了视力涣散、光学干扰及避免从视场中失去信息。
视场中光强度平均值的变化比例可通过储存来自早先列阵图的数据，并且参考相对此早先模型从现行视场收集来的所有新数据来加以减少。因此，任何超出由此早先的视野搜集来的光强水平的光源或目标，在强度方面将被降低。存储在此参考图中的光强水平，然后可以沿着实时敏感元件列阵图提供的方向慢慢地修正。所以，视场中的平均光强水平，将以某用户设置和早先储存的选定比例增加。这种类型的操作相当于，在退出变暗的电影院之后，容许在完全睁开眼之前将其眼睛调节到提高了的光强水平的个人倾斜(Squinting)。
尽管以上描述的结构中的敏感元件列阵6和7包括64个LCD元件，其与LCD快门矩阵8和9中的64个元件对应，然而有别于8×8的其它结构也可以使用。此外，敏感元件列阵6和7以及快门矩阵8和9之间可以有不同的大小，并且在其行和列中所具有的LCD元件也可以不同。另外，快门矩阵和/或敏感元件列阵中的LCD元件，可以为正方形、六边形、矩形或者圆形。再进一步，快门矩阵和敏感元件列阵在形状上可以是不规则的，而且每个元件可以根据其在矩阵或列阵中的位置改变其大小和/或形状。还应该理解，由控制电子线路16及17完成的求平均和映射操作，容许不同粒度的敏感元件和快门从操作上加以控制。另外，条纹快门元件或者有条件变暗的LCD元件，可被完全(或者局部变暗)以控制元件的粒度(其中敏感元件列阵在尺寸方面不同于快门矩阵)。如此操作还能补偿光泽或图象发晕，例如当通过蒙上污垢和马路油之类的汽车挡风玻璃观察太阳时可能产生的光泽或图象发晕。
另一种模式选择是，选择应该变暗的变暗区域周边或者邻接的元件，尤其是当快门矩阵上只有单个LCD元件需要变暗以完全遮蔽光源时。这种操作对于使用太阳镜可能是优先选用的，这是因为如果只有单个元件变暗，那么头部的轻微移动，或者车辆行进方向的改变，或者光源视在尺寸的变化，都能引起快门矩阵中的新元件变暗，或者其它元件由于跨在上面变暗。变暗的快门元件的这种跳动或闪光可能是不受欢迎的，可通过要求予定的最少数个元件变暗以遮断目标源来减少。另外，这些周边的LCD元件可被过渡性地变暗，为的是提供光强水平由明亮区域中心(其将使适当的快门矩阵元件变暗)部位到其它快门矩阵元件的平滑变化。例如，由操作者车辆遮光板反射的光只能引起四个快门矩阵元件变暗，然而取决于太阳镜用户选择的操作方式，与这些变暗的元件接触的那些快门矩阵元件，可能具有降低了的透光量，以致于在视场中由这些元件得到的光强水平，可能会在中央变暗的元件的光强水平和其余视场平均的光强水平之间。这种操作将能降低视场中否则可能产生的“墨水点病”影响，并且提供从受影响的区域到不受影响的视场更为一般的过渡，其对于某些用户更受欢迎。这对于带有大量元件尤其是8×8或者更大量元件的快门矩阵来说，是一项特别适合的技术。该技术可被应用于不只一种过渡水平，且可被扩展到远离亮光源到正常光分布区的两或更多个衰减降低的区域。
以不同的操作方式使用有源太阳镜1将其操作适应用户的爱好和舒适，是可能的。两个边撑上面的用户控制器或者开关，可被用来与通过让快门矩阵元件变暗而描绘出来的镜头上的“图标”或模拟显示组合使用，使得有可能将更复杂的操作选择和常数输入和储存在控制电子线路中。例如，为了将决定衰减发生时光强水平的“L”常数装入，可能要求如下一些步骤。首先，将操作的设定方式输入，它可能包括将左边撑2上面的用户控制器20的第二个开关压下三次，一直等待到左镜片4上的快门矩阵8瞬时变暗为止，然后压下右边撑3上的第一个开关两次。信息会呈现在任一镜片上，而这就是导引用户的程序之一。此步骤顺序随后将使用户进入光强水平设定方式。左镜片4上可以显示出作为“手动设定”的信息“SETM”，而右镜片5上显示出作为“光强设定水平”阈值的信息“SL”。如果用户戴着太阳镜，那么他很可能会对聚焦在为要聚焦到所显示的如此近的信息上而感到苦恼。因此，可供优先选用的技术是，在为此设置程序配戴太阳镜的同时让用户位置本身处在一反射镜前方，其中的信息、图标之类朝相反方向拼写，以致于可在该反射镜中读出。快门矩阵8和9中的元件可被控制，通过使其变暗而表示出词，产生图标或者其它的特殊形状，以在此过程中导引用户。为了确认程序，用户压下右侧第一个用户控制器20一次。一垂直条然后出现在左镜片4的快门矩阵8上面，以单个变暗的元件标明本设置。压下左边撑2上的第一个开关20可提高阈值，而且变暗的元件将上升至其新的位置，然而压下左面第二个开关20将使变暗的元件下降。将新的构型储存在存储器中，是通过压下右边撑3上面的第一个开关21一次来完成的，结果在左镜片4上得到作为“设定光强水平？”显示的信息“SL？”。第二次压下右边撑3上面的第一个开关21，将使左镜片4上显示出作为“光强水平已被设定”的信息“SL！！”。第三次压下右开关21将保存用户输入、退出设置方式指令，并且让太阳镜返回正常操作。这些予置值或者用户常数现在被储存在非易失存储器中，且当此有源太阳镜加电以供使用时被自动装入。本领域的技术熟练人员将会清楚，以上描述的操作不过是一种可能的指令顺序和控制设置，而且其它许多变化都是可能的。例如，该设定程序可能要求用户除去太阳镜以读出显示。
其它一些可由用户控制的方式，涉及快门矩阵的LCD元件被控制而将衰减提供给视在的视场的方式。用户可以在两或更多种这种方式之间选择，控制超出予定阈值的光强水平如何被显示。例如，方式1可以提供最大的衰减，以将视场中对于亮光源位置的LCD元件的透光性减至最低，从而使任何非常亮的区域完全变暗。方式2可以对任何提供照明超过视场平均光强水平的光源，提供数值为某一常数Nx的衰减，从而使用户视野中显示的最大信号在平均光强水平三倍以内。方式3可以这样形成，让超出视场中平均值达到某一常数Ny的任何光源，通过控制快门矩阵LCD元件而被衰减，从而使通过这些元件的光强水平小于视场中的平均光强水平，但并不比来自视场中最小元件的光强水平更弱。最后，方式4可以这样形成，让超出视场中平均光强水平若干倍的光被衰减，从而所得到的这些明亮区域的光亮度，当被用户眼睛观察时将按对数形式或对数带方式衰减，上述对数带取决于光亮度的强度。有源太阳镜可以操作，以致于用户只须进入设置方式和选择方式1～4中任一方式，其中对于每种方式的图标可以朝相反方向或以标准符号显示在快门矩阵上。紧急方式可能也是可用的，其中一或两个镜片的所有LCD元件被转换到特定场合下的透明操作，例如当存在低能量水平或者在罕见的光分布水平的场合下。这可以通过同时按下左右边撑2或3任一上面的所有用户控制器开关来达到。另外，能够让其它亮光对策实现及被用户选择的许多附加方式，也是可行的。更加完善的模型，可能容许一用户输入阈值光亮度，或者容许由不只一个用户设置若干予置的光亮度。另一方面，这些方式可以在工厂先设定予置的阈值水平，以便于开始时使用。
总括地说，所描述的发明通过控制组成快门矩阵元件的LCD材料可以屏蔽来自亮光源的光线。便利之处在于能够控制由快门矩阵中LCD元件提供的亮光源衰减的大小，以致于它的存在仍能被看见，只是降低其强度，以使其对于其余视场的光强水平更适合。这可以被完成，由于敏感元件列阵和快门矩阵是将同样的LCD材料用于相应的操作。实际的衰减程度，可以通过不是改变驱动电压的水平，就是改变LCD矩阵中单独元件的时序关系来控制。这些过程可被用来为敏感元件列阵寻找适当的衰减水平，以及控制快门矩阵的衰减度。这就提供一种机制，让敏感元件被驱动以提供用户所需要的衰减水平。
在某些情况下，亮光源的存在并不具有特别的利害关系，因此它可被完全屏蔽掉。在其它场合，例如夜间开车，驶近车辆前灯或者另一车辆的尾灯的存在，可能非常重要。因此，来自公路上前灯的反射，可能产生不可能被完全屏蔽掉的图象发晕或亮斑，只有降低强度。因此，本太阳镜容许不同的光衰减对策由用户来实现，通过使用用户控制器或开关来选择所需要的操作方式，以及设置让衰减变得有效的所需要的阈值。
本发明的实施例已被详细描述，然而本领域的技术熟练人员现在将会清楚，许多的变换在此都可以做出，而不离开权利要求书中限定的本发明的范围。
权利要求
1.一种可选择性地降低人眼或光学仪器视场中光强度的装置，包括-电源；-能够产生许多与视场中光强度对应的强度信号的光传感器；带有许多可程控的快门元件的能透光的镜片，其中的每一快门元件可被有选择性地变暗；用于设定用户常数的用户控制器，以及处理电路，其与电源、用户控制器、光传感器和快门元件相连接，被用来相对于予定值和用户常数对所产生的强度信号进行处理，并且取决于处理结果让某些快门元件变暗。
2.如权利要求1所述的装置，其中的光传感器包括可选择性开关的液晶显示元件列阵，以及光电探测器。
3.如权利要求2所述的装置，其中光传感器中每一可选择性开关的元件与快门元件处在固定关系。
4.如权利要求1所述的装置，其中的光传感器是光电探测器。
5.如权利要求1所述的装置，其中的光传感器是一个光电探测器列阵。
6.如权利要求1所述的装置，其中的许多可程控的快门元件是液晶显示元件。
7.如权利要求1所述的装置，其中的电源是电池组。
8.如权利要求1所述的装置，其中的电源是太阳能电池。
9.如权利要求1所述的装置，进一步包括有低功率指示器。
10.如权利要求1所述的装置，进一步包括有与处理电路相连的瞳孔传感器。
11.如权利要求1所述的装置，其中可透光的镜片包括红外滤光片。
12.如权利要求1所述的装置，其中可传送光的镜片包括紫外滤光片。
13.如权利要求1所述的装置，其中可透光的镜片包括偏振滤光片。
14.如权利要求1所述的装置，其中可透光的镜片包括带(通/阻)滤光片，以滤掉红外至紫外波段中的非红光。
15.如权利要求1所述的装置，进一步包括有与处理电路相连的存储器。
16.一种可选择性地降低光学仪器视场中光强度的装置，包括-电源；-能够产生许多与视场中光强度对应的强度信号的光传感器；与光学仪器的镜头相连的许多可程控的快门元件，其中每一快门元件可被有选择性地变暗；存储器，以及处理电路，其与电源、存储器、光传感器和快门元件相连，被用来相对于储存在存储器中的予定值对所产生的强度信号进行处理，并且取决于处理结果让某些快门元件变暗。
17.如权利要求16所述的装置，其中的光传感器包括可选择性开关的液晶显示元件列阵，以及光电探测器。
18.如权利要求17所述的装置，其中光传感器中每一可选择性开关的元件与快门元件处在固定关系。
19.如权利要求16所述的装置，其中的光传感器是光电探测器。
20.如权利要求16所述的装置，其中的光传感器是一个光电探测器列阵。
21.如权利要求16所述的装置，其中的许多可程控的快门元件是液晶显示元件。
22.如权利要求16所述的装置，其中的电源是电池组。
23.如权利要求16所述的装置，进一步包括有低功率指示器。
24.一种配套(Self-contained)的保护眼睛装置，用来有选择性地降低眼睛接收的光的强度，包括一带有鼻横梁和边撑的框架；固定在该框架上的电源；至少一个光传感器，被固定在该框架上邻近边撑，并能够响应视场中的光强产生许多强度信号；固定在每只眼前方该框架上的能透光的镜片，带有许多可程控的快门元件，其中每一快门元件可被有选择性地变暗；用于设定用户常数的用户控制器，以及固定在该框架上的处理电路，其与电源、用户控制器、光传感器和快门元件相连接，被用来相对于予定值和用户常数对所产生的强度信号进行处理，并且取决于处理结果让某些快门元件变暗。
25.如权利要求24所述的装置，其中的光传感器是光电探测器。
26.如权利要求24所述的装置，其中的许多可程控的快门元件是液晶显示元件。
27.如权利要求24所述的装置，其中的光传感器包括可选择性开关的液晶显示元件列阵，以及光电探测器。
28.如权利要求24所述的装置，其中光传感器中每一可选择性开关的元件与快门元件处在固定关系。
29.如权利要求24所述的装置，其中的电源是电池组。
30.如权利要求24所述的装置，其中的电源是太阳能电池。
31.如权利要求24所述的装置，其中的处理电路包括存储器。
32.如权利要求24所述的装置，其中的用户控制器包括许多固定在框架上的开关。
33.如权利要求24所述的装置，进一步包括用于接通和断开电源的开关。
34.如权利要求24所述的装置，进一步包括有低功率指示器。
35.如权利要求24所述的装置，进一步包括有与处理电路连接的瞳孔传感器。
36.如权利要求24所述的装置，其中的两个光传感器被固定在框架上，每个邻近一只眼，用于产生光强度信号。
37.如权利要求36所述的装置，其中每个光传感器包括可选择性开关的液晶显示元件列阵，以及光电探测器。
38.如权利要求37所述的装置，其中光传感器中每一可选择性开关的元件，与快门元件处在固定关系。
39.如权利要求24所述的装置，其中两个分立的处理电路被固定在框架上。
40.一种利用光衰减装置的方法，该装置带有能够可选择性控制的快门矩阵元件，以将来自视场中一或多个目标的光强度大小降低，其包括设定包括快门矩阵元件定位信息在内的用户常数；将此用户常数储存；设定光强度的阈值；利用光传感器扫描视场和产生光强度信号；相对于用户常数和阈值，对此光强度信号进行处理，以及让快门矩阵中那些光强度超过予定阈值的元件变暗。
41.如权利要求40所述的方法，其中的光强度信号在其处理发生之前被转换成数字信号。
42.如权利要求40所述的方法，进一步包括；利用被处理过的信号将两或更多个快门矩阵上的快门矩阵元件变暗。
43.如权利要求40所述的方法，其中让快门矩阵元件变暗的步骤包括让快门矩阵元件变暗到与光强信号成比例的程度。
44.如权利要求40所述的方法，其中让快门矩阵元件变暗的步骤包括让快门矩阵元件变暗到予定的程度。
45.如权利要求40所述的方法，进一步包括将光强度信号储存；对储存的光强度信号进行处理，以及利用被处理过的光强度信号使以前变暗的元件逐渐变亮。
46.如权利要求40所述的方法，进一步包括将光强度信号储存；计算出某些予先储存值的平均值和标准偏差，以及在该计算的基础上，控制快门矩阵元件的透光度大小。
47.如权利要求40所述的方法，进一步包括将光强度信号储存；确定予先储存值的最小和最大值；产生出至少某些被存储值的频率曲线，以及在此频率曲线以及最小和最大值的基础上，控制快门矩阵元件的透光度大小。
48.如权利要求40所述的方法，其中设定用户常数的步骤包括压下用户控制器；在反射镜上读出由快门矩阵以朝向相反方向的形式提供的显示，以及设定至少一个用户常数。
49.如权利要求40所述的方法，其中设定用户常数的步骤包括按下用户控制器让第一镜片上的单个快门矩阵元件变暗；操作用户控制器将该元件定心在第一只眼的前方，以及将第一只眼的定心值储存在存储器中。
50.如权利要求49所述的方法，进一步包括；闭上第一只眼；压下用户控制器让第二镜片上的单个快门矩阵元件变暗；操作用户控制器将该元件定心在第二只眼的前方，以及将第二只眼的定心值储存在存储器中。
51.如权利要求40所述的方法，其中设定用户常数的步骤包括按下用户控制器；在反射镜上读出由快门矩阵以朝向相反方向的形式提供的显示，以及设定至少两个予置的用户方式之一。
52.如权利要求40所述的方法，其中的阈值是由厂商予置的。
53.如权利要求40所述的方法，其中的用户常数是由厂商予置的。
54.如权利要求40所述的方法，其中的阈值利用用户控制器被设定。
55.如权利要求40所述的方法，进一步包括利用快门矩阵中的元件来指示低功率状态。
56.如权利要求40所述的方法，进一步包括储存用户常数及供两或更多个用户用的用户识别数据，以使不只一个人能够利用该装置。
57.如权利要求40所述的方法，进一步包括利用瞳孔传感器产生瞳孔位置信号，以及在瞳孔位置信号、用户常数和光强度信号的基础上，确定应变暗的快门矩阵元件。
全文摘要
本发明描述了一种用于有选择性降低人眼或光学仪器视场中光强度的装置。该装置能够降低由许多光源发出的光强度。在一实施例中,一眼用装置带有框架、电源(18、19)、光传感器、带有快门元件列阵(8和9)的两透光镜片(4和5)、用户控制器(20和21)以及处理电路(16和17)。用户控制器被利用来设置用户常数以让该装置定制,且可被用来选择工作方式。在操作过程中,光传感器对于视场扫描并产生出光强度信号。利用用户常数和预置的阈值对这些光强度信号进行处理。假如光强度信号超过任一阈值,那么每个镜片上快门矩阵中的一或多个元件将被变暗。
文档编号G02F1/13GK1187252SQ96194558
公开日1998年7月8日 申请日期1996年6月6日 优先权日1996年6月6日
发明者埃尔伍德E·巴恩斯 申请人:埃尔伍德E·巴恩斯