（物理电子学专业论文）曲面偏振片的偏振特性研究.pdf

摘要 在夜间行车安全中，普遍存在汽车前灯所引起的眩目问题，它是酿成车祸的主要 原因之一，受到公路交通管理部门的高度重视，因此，人们对各种防眩技术的研究一 直也没有停止过。偏振防眩技术是解决这一问题的有效手段，偏振前车灯系统是最有 希望从光学途径上解决眩目问题的照明系统。从装配设计的角度出发，设计人员更希 望能够把偏振片设计成曲面，因此，本文从曲面偏振片对透射光场分布影响的角度出 发，对曲面偏振在前车灯系统中的应用技术进行了深入地研究。 本文以数据挖掘的思想为基础，以曲面造型算法为手段，初步分析建立了数据的 关系模型，该模型实际上是对二维光场分布及相关影响因子的降维处理得到的。并依 据该模型设计了测试实验，并对所获得数据进行了探索性数据分析，通过三次多项式 插值、准均匀有理b 样条逼近对实验数据进行了曲面拟合，得出了不同弯曲程度的偏 振片的测试数据场分布曲面，数据质心及数据场局部梯度变化直接反映出了透射光场 随偏振片弯曲程度的变化情况。本文还给出了偏振片不同弯曲程度下的一维光场分布 样本的框须图，从而反映出偏振片之间夹角和弯曲程度共同影响透射光场分布。 关键词：偏振防眩数据挖掘曲面造型数据可视化 a b s t r a c t g l a r i n gp r o b l e mc a u s e db yc a l sh e a d l i g h t si sw i d e s p r e a di nt h en i g h t - t i m es e c u r i t y i ti s o n eo f t h em a i nr e a s o n sc a u s i n ga c c i d e n t t h eh i g h w a yt r a f f i cm a n a g e m e n td e p a r t m e n ta t t a c h g r e a ti m p o r t a n c et oi t , s ot h er e s e a r c ho fv a r i o u sa n t i r e f l e c t i o nt e c h n o l o g yh a s n tb e e n s t o p p e d p o l a r i z e da n t i - r e f l e c t i o nt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v en 比螂t os o l v et h ep r o b l e m t h e p o l a r i z e dh e a d l i g h ts y s t e mi s t h em o s tp r o m i s i n gi l l u m i n a t e ds y s t e mt os o l v eg l a r i n g p r o b l e mo fo p t i c a lw a y f r o mt h ep o i n to fa s s e m b l ed e s i g n i n g ，t h ed e s i g n e r sh o p et od e s i g n t h ep o l a r i z a t i o nf o i lac u r v e ds u r f a c e a sa r e s u l t , b a s e do nt h ee f f e c to nt h ed i s t r i b u t i o no f o p t i c a lf i e l db yc u r v e ds u r f a c ep o l a r o i d , id od e e p l yr e s e a r c hi na p p l i c a t e dt e c h n o l o g yo f c u r v e ds u r f a c ep o l a r o i di nh e a d l i g h ts y s t e m t h i sp a p p e ri sb a s e do nt h ep r i n c i p l e so fd a t am i n i n g , a n db ym e a n so fs u r f a c es c u l p t a r i t h m e t i c ，a n da n a l y z e se l e m e n t a r i l ya n db u i l d su pr e l a t i o nm o d e lo fd a m sw h i c hf a c a y d e c l i n ed i m e n s i o nt op l a n a ro p t i c a lf i e l dd i s t r i b u t i o na n dr e l a t i n gi n f l u e n c i n gg e n e id e s i g n t h et e s t i n ge x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h em o d e la n da n a l y z et h ed a t ae x p l o r i n g b yc u b i c p o l y n o m i a li n t e r p o l a t i o na n dq u a s i - u n i f o r mb s p l i n ec u r v ea p p r o x i m a t i o n , c u r v e ds u r f a c e s f i t t i n gi sd o n ew i t hd a m s ig e td i s t r i b u t e dc u r v e ds u r f a c eo f t e s t i n gd a t af i e l di n t h ed i f f e r e n t c u r v e dd e g r e e 7 s p o l a r o i d d a t ac e n t r o i da n dp a r tg r a d so fd a t af i e l d sc h a n g e sd i r e c t l y r e f l e c tt h ec h a n g eo ft r a n s m i t e do p t i c a lf i e l dw i t hp o l a r o i d sc u r v e dd e g r e e t h ep a p e ra l s o d e m o n s t r a t e st h eb o xa n dw h i s k e rp l o to ft h e o p t i c a l f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h e p o l a r o i d s d i f f e r e n tc u r v e dd e g r e ei no n ed i m e n s i o n t h e r e f o r eb e t w e e np o l a r o i d s a n g l ea n d c u r v e dd e g r e ei n f l u e n c e i n gt h et r a n s m i t e do p t i c a ld i s t r i b u t i o nh a v e b e e nr e f l e c t e d k e yw o r d s ：p o l a r i z a t i o na n t i - d a z z l i n gp r i n c i p l e so fd a t am i n i n g s u r f a c es c u l p t a r i t h m e t i ev i s u a ld a t a 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，曲面偏振片的偏振特性研究是本人在 指导教师石晓光的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：萋医盏砀辱月丛百 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：褥篓 鲨年翻出 指导导师签名：t j j z l - b 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 夜间行驶中的眩光问题 在公路交通行业中，夜间行车安全是一个非常重要的问题。夜间行车时，远光灯 发出的眩光也常常是酿成车祸的灾难之一。汽车( 包括摩托车) 雪亮的远光灯用于照亮 车前1 0 0 多米的距离，这种强光直射到对面汽车、摩托车、自行车驾驶员和行人的眼睛 里，顿时，灯光之外的一切景物处于一片黑暗之中，什么也看不清，这就是眩光现象。 人一旦进入眩目状态，就感觉到对面车辆是直冲着自己开来的，此时可能撞上汽车或 撞上右边的同向车、树木和行人，或翻入沟中。这种光线污染造成生命、财产等巨大 损失。据统计，汽车车祸大部分发生在夜间，夜间车祸大部分与眩光相关联。长期以 来，夜间行车时的眩光现象一直影响着驾驶安全，眩光现象的产生，有多种原因和方 式，但夜间行车时的眩光现象多是在背景相对较暗时，由于某个较强的入射光引起人眼 的视觉抑制所造成的。虽然交通管理部门制订的交通规则明确规定会车时双方必须关 闭远光灯，开启近光灯，但随着车辆的日益增多，这条防眩规则已形同虚设。如何摆 脱“路口如虎口，汽车像杀手”的欠佳名声，走出一条科技含量高、经济效益好、资 源消耗低、环境污染少的新型交通运输业路子，是放在我们面前的一项紧迫任务。 目前，有多种办法解决汽车眩光，其中利用偏振光是最合适的一种方法，随着现 代光学的发展，偏振光技术在光电子工程、光信息工程等领域的应用越来越广泛。偏 振照明系统可以过滤对面的偏振光，增加会车时司机的视力范围以及分辨力，完美解 决夜间会车的眩光。而对于日常生活中常见的反射性眩光，偏振眼镜也可以过滤反射 形成的平面偏振光，得到清晰的视觉。它不仅可以完全地消除偏振光，并且使得路间 照明光线柔和，增加司机的行车视力 1 1 2 眩光的危害 眩光是一种严重的光污染：如现代城市高大建筑物的玻璃幕墙反射的眩光，对性热 造成视觉干扰，影响周围居民的正常休息：道路边灯光装饰和夜景照明光源产生的眩 光，会造成人的突发性暂时失明和视力错觉，在瞬间会遮住司机的视野，或使他感到 头昏目眩，很容易引发交通事故。这从生理因素方面来说，由于人眼受高亮度的刺激， 促使瞳孔缩小。顺应状态变坏，使眼睛感到不舒适或者可能导致视网膜损伤( 人眼能 承受的最大的光亮值约1 0 6 c d m 2 ，超过此值视网膜会受损) 。另外，由于亮度过大时， 眼角膜和晶状体会产生光散射，从而形成光幕影响视觉。 眩光会引起眼睛的对比感受、视力、识别速度、等视机能下降，也可引起角膜眼， 损伤眼睛。同时，眩光对于心理也有着明显的作用，它影响着人们的情绪，会使人头 晕心烦，食欲下降，心情烦躁，情绪低落，身体乏力等，精神呈现抑郁，反应迟钝， 导致白天工作效率低下，造成心理压力。 影响驾驶员视觉功能的主要原因之一，就是迎面汽车的灯光以及固定照明设施的眩 目作用。眩目的危害在于导致驾驶员产生不舒适的视觉条件： ( 1 ) 眼睛瞳孔缩小，在视野内亮度一定的条件下，降低视网膜上的照度： ( 2 ) 眩光在眼球媒质内散射，减弱了被看对象与背景间的对比度； ( 3 ) 视觉细胞受强光刺激，引起大脑皮层细胞间产生相互作用，使得被看对象的观察 呈现模糊。 因此，汽车防眩的问题迫在眉睫，用偏振的方法消除眩光是一种比较适合且成本 不高的有效方法。 1 2 国内外防眩目技术的发展现状及趋势 1 2 1 国内外防眩光的种类 上述的眩光危害已经严重干扰和妨碍了人们的正常生活，而对于眩光污染的治理， 国内外尚无明确的规定和标准，因此为了维护人们的视觉健康、提高劳动效率，对于 眩光的防护就显得格外重要。专家认为，在规划和城市建设中应该加入防眩光的内容， 加强对建筑材料和照明产品的眩光污染控制和检测，建立眩光污染研究、评价和检测 体系。 目前，防眩目的措施主要有以下几类： ( 1 ) 建筑照明中眩光的控制 限制灯具的表面亮度和表观面积 从节约电能和保护视力的角度出发，都必须将灯具和被视物体表面的亮度限制在 3 2 1 0 3 n t 以下的范围内。灯具材料要求利用它的化学性质降低其表面亮度，以达到 减弱眩光和改善光线的目的。为限制眩光，照明布置应该以隐蔽光源和降低亮度为基 本原则。 使灯具有适合的安装位置和悬挂高度，保证必要的保护角 为了防止直接眩光，灯具应尽可能安装在远离正常视线处，即设计时应限制在 4 5 - 8 5 。区域内发出的光通量和亮度，因为这个区域的光线恰好处于视野内。限制的方 法除了减小灯具的表面亮度外，常用的还有使灯具有一定的保护角，并配合适当的安 装位置和悬挂高度”。 增加眩光光源的背景亮度，减小两者间的亮度对比度 发生不快感的亮度还与周围环境的亮度有关。视野内存在不同亮度表面，眼睛会 被迫适应它，如果这种亮度差别很大，就会使眼睛很快疲劳。当被视物与背景的亮度 对比超过l ：1 0 0 时，就会引起眩光，即使是长时间的轻微眩光，也会使视力逐渐下降。 人眼能察觉出不均匀的相邻表面亮度比为l ：1 4 ，所以在一些资料中推荐了教师、办 公室、车间内各表面的亮度比，均低于此值。 将反射眩光和光幕反射降低至最低程度 2 在墙面、地板、机器、桌厩等其他用具的光滑面，反射出来的光的亮度就与光源 的亮度几乎一样，当视野内若干表面上部出现反射眩光时，就构成了眩光区，因为其 紧靠视线，以致眼睛无法躲开它，并且往往急剧地减少工件的对比度和对细部的分辨 能力。一般通过改变光源亮度，妥善地布置灯具，增加光源的数量来解决“”。 光幕反射是在本来呈现漫反射的表面上又附加了镜面反射，以至于眼睛看不清楚 物体的细节或整个部分。为了防止或减轻光幕反射，可以从以下几个方面着手：尽量 使用无光纸书写或印刷，尽可能减少干扰区反射来的光线，加强干扰区以外的光，以 增强有效照明。尽量避开在产生光幕反射的区域布置灯具，或者使在作业区域避开来 自光源的规则反射。 ( 2 ) 汽车照明及公路眩光的控制 汽车前照灯的防眩 高亮度前照灯的出现，造成了车辆交会时的眩目问题，设计人员在前照灯防眩上 提出了非对称近光系统、偏振前灯系统和自动调光前照灯等。 自动调光前照灯其基本原理是调节车辆前照灯的发光强度，从而达到防眩目的目 的。但是，安装有自动调光前照灯的车辆和没有安装此系统的车辆会车时，安装该系 统的车辆仍将受到对向车的眩光之害。 高速公路防眩 高速公路的防眩，主要是在道路中央分隔带连续设置一定间距和横向宽度的防眩 设施，通过防眩设施完全或部分的阻挡车前光，以达到防眩的目的。 ( 3 ) 显示器及其他屏幕眩光 在可见光谱范围内，普通玻璃的反射率达到8 4 。显示器及其他屏幕玻璃平面反射 外来光( 包括自然光与灯光) 产生的亮斑会影响图像的对比度，并使操作者容易产生 视觉疲劳。显示器的防眩主要是在显示屏的表面涂上各种膜，以减少光线对使用者的 伤害。 1 2 2 国内外汽车防眩目研究历史、发展状况和主要手段 自从1 9 世纪3 0 年代汽车前照灯的问世以来，大灯的眩目问题就始终伴随着我们， 防眩目课题的研究也从此进入了日程。 汽车上最早使用的充气灯，然后是乙炔灯，继之而来的是以汽车的磁电机为动力 的用导线串联起来的钨丝灯泡。在那个年代，照明灯仅能满足车速约为3 0 英里d 时 的轿车要求，灯光的照度比较小，在这个阶段，防眩目的问题不是很迫切。 在6 0 年代采用了石英卤素灯炮，这些灯的效率是真空灯炮效率的一倍半，可发出 比较亮、比较长的光束，它们与一个锐截止的光束系统一起可使驾驶员看见对向的车 流。在这个阶段是防眩目技术的一个发展时期，防眩目研究主要集中在车灯的近光和 远光的切换以及反射镜配光的研究上。 8 0 年代，当卤素灯在美国高速公路上普及以后，通用电器公司研制出下一代的照 明产品，即高亮度放电( h i d ) 前照灯。到8 0 年代末期，车辆驾驶速度超过l o o k m h ， 为确保汽车在高速公路上稳定和安全地行驶，即对汽车前照灯的照明度提出了更高的 要求，前照灯在汽车前方5 0 米处的照度达到了6 l x 到1 2 l x ，因此防眩目问题的研究变 得更加迫切。在这个时期是国外防眩目技术的一个高速发展时期，为题的研究不止于 前照灯的配光研究上，许多掰型的技术如液晶技术、具有反馈传感的自动变光技术以 及偏振光技术被应用到防眩目这一领域里来。 目前，国外的防眩目技术的发展已经趋于成熟，防眩目技术的应用也形成了一定 的规模，但是，现在还没有哪种方法能够彻底解决眩目的问题。 相比而言，国内防眩目技术的发展比较缓慢，其主要原因是九十年代初期以前， 国内汽车行业的自主研发能力较弱，研究手段也比较落后，而且那时的道路条件比较 差，汽车行驶速度不高，汽车的主要矛盾没有集中在防眩目这一领域。近年来随着道 路条件的改善以及车速和前照灯照度的提高，眩目造成交通事故的问题才逐渐受到重 视。但是，国内的防眩目技术的发展和国外相比还是具有一定的差距，主要防眩目的 技术的应用都是依靠从国外引进。 国内外在防眩目这一领域的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 采用手动操作切换近光灯和远光灯防止眩目 汽车照明光源种类繁多，前部装有前照灯、雾天用灯，车辐灯、车弯时用于弧线 照明的曲线灯以及方向指示灯；汽车后部有刹车灯、方向指示灯、与前照灯同时点燃 以在夜间显示车辆存在的尾灯、在停车场易于找到的有溯源反射特性的反光镜、倒车 灯以及车排照明灯等，另外，最近出现在汽车窗玻璃等处安装附加的高位刹车灯。所 有灯光中，前照灯的眩目作用是主要的。 汽车前照灯分为近光灯和远光灯。近光灯是供会车时，尽可能地不使其它交通工 具上的驾驶员眩目而照亮汽车前方道路之用。灯光颜色应是白色或是黄色，总的发光 强度不超过1 2 3 0 0 c d 。远光灯是供没有前方来车时照亮前方道路之用。 目前汽车前照灯使用的适宜光源主要是h 4 和h 7 型卤钨灯。h 4 卤钨灯采用主辅灯 丝结构，主丝用于汽车正常行驶时照明，辅丝用于汽车交会时照明，当汽车相对交会 时，为避免对方驾驶员眩目，辅丝的周围加上了钼制的抛物面发光罩，使灯光不会超 过水平线之上，而呈水平方向射出n 9 1 。另一种h 7 前照灯的配光通过反射镜加以实现， 它不像h 4 型卤钨光源那样灯内装有钼制发射罩，而是通过形状相当复杂的曲面，使光 源投射到反射面上的光，在其出射的方向上被严格控制，其配光曲线使前大灯出射的 光仅以反射光组成，并完全保持在水平方向，这样在两辆汽车交会时，双方的驾驶员 都不会有眩光干扰驾驶的问题。 汽车前照灯应满足如下基本要求： a 确保驾驶员对前方场景的视认性。前照灯应该保证汽车前方有明亮而均匀的照 明，使驾驶员能够看清车前方1 0 0 m 内的路面障碍物，行人和道路标志。随着汽车行驶 速度的提高，对汽车前照灯的照明距离也相应要求越来越远，现代高速汽车的照明距 离应达到2 0 0 2 5 0 m 。 4 b 前照灯应该防止眩目。 由于在研究防眩目这一课题中尝试了各种不同的方法，逐渐形成了欧洲系统前照 灯和美国系统前照灯两大系统。 屏爬 图1 1 欧洲前照灯结构图1 2 欧洲前照灯光线传播 欧洲系统前照灯中，其灯丝结构如图1 1 所示，远光灯丝置于反射镜光轴上面的焦 点上，因此，主灯丝产生的光通量被抛物面反射镜反射成与反射镜光轴平行的微弱散 射光束。近光灯为直线形状，置于主灯丝前方，略高于反射镜光轴弗与之平行，灯丝 的下方设有一配光屏。近光灯丝的光线沿着光轴向前被散焦，并且被挡板在下面遮住， 这样从反光镜上部反射下来的部分光束朝着下方，从反光镜下部反射上去的光束朝着 上方( 如图1 3 ) 。为了避免会车时在驾驶员一侧有光的反射，用不透光的挡板在下方 遮住近光灯丝，这个挡板的形状特殊，它有一个水平的右侧翻边和一个与水平呈1 5 。 角的向下倾斜的左侧翻边。利用它，从反光镜左下部扇面反射的部分光束照向右方， 因而使道路的右侧和右路肩处的发光强度显得很大。 近光灯丝 远光灯丝 图1 3 美国前照灯结构图1 4 美国前照灯光线传播 美国系统前照灯中，其灯丝结构如图1 4 所示，远光灯丝和近光灯丝的形状和尺寸 都是一样的，它们相对灯丝头轴线的布置采取对称并列布置，灯泡座相对于反光镜的 轴线略微偏移，使灯泡在装入灯总成以后，下灯丝可以置于反射镜的光轴上的焦点上， 用于远光照明。供近光用的上灯丝位于主灯丝的上方且在焦点以上，近光灯丝的光线 在反射镜上的入射角与远光灯丝的光线的入射角相比是变幻的，这样，大部分近光光 束的核心部分是向下倾斜射出的。美国近光系统中没有明显的明暗截止线，屏幕左半 呖剪 部的发光强度比右半部低很多，暗区至亮区采用渐变的方式。除此之外，在美国系统 的前照灯上，全部反光镜面都在工作，因此散光镜的全部微小光学单元系统要能保证 最佳的近光配光，这就不可避免地使远光变坏。由于投射方式的特点，近光光束具有 非对称的特性。在这种情况下，前照灯主要是照明道路的右侧，而在左侧方向使迎面 来车驾驶员眩目的灯光强度降低。 夜间会车时，驾驶员间歇互闭远光灯，以达到防眩的目的。这种方法简便、成本低， 也是现今国内普遍使用的一种。但这种手动方法操作频繁，防眩效果很差，驾驶员劳 动强度大、易疲劳，成为了诱发交通事故的隐患。另外，有些驾驶员的不文明操作也 是这种方法的弊端之一，这种方法被取代已成为一种必然的趋势。 ( 2 ) 采用自动变光装置防止眩目 为了把驾驶员从频繁的切换近、远光灯的操作中解脱出来，人们研究出来了各种自 动的装置。 早期的装置由光电传感器和电继电器所组成，前者安装在汽车叶子板、发动机盖或 顶盖的外面。装置的线路由接在电子管v 1 的栅极电路内的光电管g 1 和差动继电器k 1 所组成，继电器的一个绕组接电子管的v l 屏极，另一个绕组作用相反，通过变阻器r 4 和电阻r 5 与电源g 3 相连。在装置还介入一个执行继电器k 2 ，继电器的触点控制着前 照灯的近光h 3 和远光h 2 灯丝体的接通。 图1 5 前照灯灯光自动变光开关线路图 当没有迎面来车的前照灯灯光时，光电管g 1 不受照射。在此期间，继电器k 1 的 两个绕组有电压，因为电子管v 1 开路。此时继电器k 1 的衔铁处于起始的位置，因为 继电器的两个绕组内的磁通量相互抵消。继电器k 2 处于接通位置，接通了远光灯炮h 2 。 当迎面来车的前照灯灯光照在光电管g 1 时，电子管v 1 的屏极电流减小，带动继电器 k 1 ，换接触点k 1 l 。此时继电器k 2 打开，前照灯灯光从远光转换成近光 为了避免当继电器k l 接通时触电频繁地转换，在继电器绕组电路里与它的触点并 联一个电阻r 5 ，以保证继电器维持在协同工作状态。为了调节本装置和电子管v 1 的协 调程度，安装了一个白炽灯泡h 1 ，它的光束通过它的玻璃泡来影响电子管v 1 的栅极电 路。利用变阻器r 1 改变白炽灯h 1 的发光亮度，可以借光电效应改变电子管的屏极电 流。同样可以利用脚踏板末端变光开关s 3 将前照灯灯光由远光变为近光。为了向迎面 6 来车的驾驶员发出要求降低其前照灯灯光亮度的信息，使用了一个开关s 2 ，当接通时， 它可以将继电器k 1 的绕组短路后接地，从而将前照灯灯光由远光变为近光。 随着光学和电学的发展，人们又研究出了新型的“汽车大灯安全控制器”。该控制 器采用光学测距传感器和专门集成电路对汽车照明系统进行逻辑控制，可使夜间会车 在相距1 5 0 2 0 0 i i i 时汽车毙自动地将远光变为近光，会车结束后就自动变回远光。 自动变光方法有其优越性，这些方法在有的汽车上已经得到了应用。但是，这种 方法也有其本身的不足之处。首先这种方法的防眩目效果与手动变光的防眩目效果一 样不是很好；由于装置的复杂性，导致造价偏高，维修方便性差，同时可靠性也较低。 因此，这种方法目前很难得到推广应用。 ( 3 ) 采用单色光防眩目 众所周知，用波长较短的光波照明能大大提高能见度，这是因为人的眼睛对波长 较短的光波，如其中的黄光有较佳的敏感度。研究表明，当被前照灯的黄光眩目时， 在会车的瞬间以前，其眩目的作用和白光的作用等值，而会车后，对黑暗的适应性来 得比较快些。因此，有人采用黄色玻璃制成汽车灯泡或者前者前照灯散光玻璃来防止 眩目作用。 从对比实验中得知，在白色、黄色和红色前照灯眩目的影响期里，眩目的强度是 等值的。对于巩膜有浓密色素沉着的观察者( 黑色或深棕色眼睛) ，在黄光和红光使之 眩目后，他的黑暗适应性要比用白光眩目后快一些；对于巩膜有不太浓密色素沉着的 光察者( 灰色或蓝色眼睛) ，无论在眩目影响期内，还是在黑暗适应期内，结果是没有 差别的。 采用单色光来防止眩目存在的不足之处是由于利用的仅是黄光这短波长范围较短 的光，通常照射效率低，驾驶员的视野比较暗。所以这种防眩目的方法不是很理想“”。 ( 4 ) 采用液晶变光装置防眩目 人们在1 8 8 8 年就发现了液晶这一呈液体状的物质，它是一种几乎完全透明的物质， 同时呈现固体与液体的某些特征。液晶从形状和外观看上去是一种液体，但是它的水 晶式分子结构又表现出固体的形态。像磁场中的金属一样，当液晶受到外界电场影响 时，其分子会产生精确的有序排列。如果对分子的排列加以适应的控制，液晶分子将 会允许光线穿透，光线穿透液晶的路径可由构成它的分子排列来决定，这又是固体的 一种特征。 人们利用液晶变光的功能，开发出了一系列的防眩目滤光镜。图1 6 就是某公司 利用这一原理开发出的a d s 液晶防眩目系统。 7 图1 6 液晶防眩目系统 将a d s 液晶变色板安装在前挡风玻璃和驾驶员眼睛之间，当对方车辆强光照射时， a d s 系统的光传感器就会把强光信号转变成电信号，使a d s 的变色板颜色变深，让驾驶 员感觉不到强光的刺眼，当强光消失后，变色板瞬间恢复原色，这个过程的变色时间 仅是0 1 5 秒“”。用这种方法防止眩目的好处就是实时地保证了驾驶员视野的清晰度， 但是其应对各种路况的智能性还不够，如果频繁地改变驾驶员视野的亮度，反而容易 造成视觉的疲劳。 ( 5 ) 偏振片防眩技术 非对称近光系统是将前照灯设计成同时具有“远光”和“近光”两种工况的系统。 当夜间无对向来车时，使光束射向远方；会车时只产生近光光束。这是解决眩耳问题 的简单、经济的途径之一但是它还是无法解决远光引起的眩目，并且不同配光性能 的前照灯，使会车时也产生眩目。 在汽车前灯上安装偏振片，可以让平行于路面的光透过偏振片，使汽车灯发出的 自然光变为全是平行于路面的线偏振光。该光线可以照亮路面及车前的物体等。对面 开来一辆汽车，也以同样的方法安装上相同的偏振片，双方驾驶员都可以发现对方的 汽车灯光及汽车。这时本车驾驶员经挡风玻璃看见自己车灯射出的光强并不减弱，而 对方的汽车灯光照射来时，是通过两个正交的偏振片，产生消光，不会发生眩目现象。 如图所示 圈1 7 偏振片防眩示意图 3 1 3 论文研究内容和目的 根据国内外对汽车防眩技术的研究情况来看，偏振片防眩技术具有以下优点，可 以有效解决眩目问题，是防眩技术的重要手段之一。 ( 1 ) 无需手动消除眩光。 ( 2 ) 使照明光线柔和。 ( 3 ) 相当于太阳镜，行人也可以佩戴，避免眩光。 偏振前车灯系统是最有希望从光学途径上解决眩光问题的照明系统。与主光轴垂 线右偏4 5 。的偏振片安装在车辆的前照灯前，另一个右偏4 5 。的偏振片( 检偏镜) 安 装在司机眼睛前面，其位置近似于遮阳板。当两车迎面接近时，由于对向车辆前照灯 的偏振化后方向与检偏镜的偏振化后方向互相垂直，对向车的光线就不会透过检偏镜 照射到司机的眼睛，而照射到行人。标志和路面标线等路上设施的光线会反射回来， 其反射光的振动方向与检偏镜的偏振化后方向平行，能透射过检偏镜传输到司机的眼 睛。这样，司机依靠本身车辆前照灯能获得良好的视距，又不会受到对向车前照灯的 眩目。 但是，汽车前灯一般都是曲面造型，从装配设计的角度出发，设计者更希望能够 把偏振片设计成曲面，直接贴附于车灯罩内表面。而偏振片的曲面化及其应用目前尚 属较新的研究领域，涉及偏振光学、偏振片的制作工艺及曲面建模、数据可视化等相 关理论。 本文主要研究当偏振片弯曲变为曲面后对光源的光场分布有何影响，利用数据挖 掘以及m a t l a b 进行插值与b 样条拟和进行数据处理，得出随偏振片弯曲程度变化的曲 面关系模型，从而说明通过曲面偏振片的光场分布特点。 9 第二章基本原理及概念 2 1 眩光的基本概念 2 1 1 眩光的概念 眩光( g l a r e ) 通常被用来描述明亮的阳光海滩或是积雪的山顶这样的一种环境状 况，1 9 8 4 年北美照明工程学会对眩光的定义为：在视野内由于远大于眼睛可适应的照 明而引起的烦恼、不适或丧失视觉表现的感觉。眩光的光源分为直接的，如太阳光、 太强的灯光等。和间接的，如来自光滑物体表面( 高速公路路面或水面等) 的反光。 根据眩光产生的后果主要归结为三种类型：不适型弦光、光适应型弦光和丧能型眩光。 人的视觉是指眼睛在光线的作用下，对物体明暗、形状、颜色、运动和远近深浅等 的综合感觉。人眼的视觉功能中最重要的是光觉，波长为3 8 0 7 6 0 h m 的电磁辐射是可 见光，它作用于入眼能产生光觉。波长小于3 8 0 n m 的为紫外线，波长大于7 6 0 h m 的为 红外线，它们都不能引起人的光觉。人的视觉器官具有高的灵敏度，能在数百万勒克 斯( 阳光下) 到晓0 】动克斯( 月光下) 这样大约照度范围内识别对象。 人的视力具有亮度适应性和色适应性。亮度适应性是由于亮度快速变化而产生的， 而色适应性是当视野色度发生变化而出现的。亮适应性的特点是由于光反应分子浓度 降低和瞳孔直径减小而光敏性降低。在眼睛适应黑暗的过程中，它的光敏性能增加二 十万倍，瞳孔放大时间约为两秒。暗适应时间较长，一般要经过4 - 6 分钟才能基本适 应，需要在暗处停留3 0 分钟，眼瞎才能达到完全适应的程度。明适应时间较短，一般 1 分钟左右便可完全适应。 ( i x ) l 起先 巷的量 小亮度 在4 扩 矿 矿 矗 魄卜一暗卜咽 c 。_ - - _ 一 瞬适应 05l o1 52 02 53 0 3 5经过时嘲，m i t 051 0 图2 1 是眼睛在短时间内达到能看清楚白色试标所需的最低亮度曲线，即引起人眼光感觉的最小亮 度随路适应时阁丽变化的曲线。 在适应的过程里，视觉器官的正常功能会遭到破坏而导致能见度的降低。例如，如 果在适合道路照度的驾驶员视野里，有额外的强照度光源( 如迎面来车的灯光) 出现 在眼睛里，眼睛就需要一段时间来适应这种强光。根据计算，驾驶员眼睛适应照度大 小的变化在近1 秒的过渡适应时间里不能超过1 ：l o 。 l o 2 1 2 眩光的形成 眩光是影响视觉的一个重要因素，它和光源的位置、亮度有关。日常生活和工作中 存在很多潜在的眩光光源。 职札湾，幺忸。 敝球 图2 2 眩光的形成 图2 2 表示眩光的形成，u 是眩光源对眼睛的张角，9 是眩光源和眼睛的夹角。 根据眩光产生的光源，可将眩光分为两种：直射眩光，即由人正常视野内出现的过 亮的光源诸如灯、灯具而引起的；反射眩光是观察者在反射系数高的表面，特别像有 光泽的金属这样的反射表面，看到光源的强反射光而引起的“。在大量的民用建筑中， 如住宅、宿舍、教室等，由于灯具保护角和悬挂高度考虑不合理，会造成直接眩光， 有时还同时存在着反射眩光。在工业建筑的车间、实验室、控制室场所出现的眩光会 导致眼睛的疲劳，注意力涣散，对于识别细微或复杂的工作非常不利。在一些大型公 共建筑或有特殊功能的建筑中，如展览馆、美术馆、博物馆、体育场、百货公司等， 都需要限制或防止眩光。如果在这些场所出现眩光，会影响观察事物的真实性，大大 降低这类建筑的使用价值”。另外，在道路交通上，成为干扰或妨碍人们视觉的有害因 素。 根据眩光对人的影响，可分为：不舒适眩光，引起人体不舒服感觉的眩光；失能眩 光，损害视觉的眩光。不舒适眩光是由于散射光线进入眼内导致了视觉的不舒适感， 并不影响分辨力和视力，它主要取决于光源亮度，不受时间影响。失能眩光是由于散 射光线在眼内使视网膜的成像产生了重叠，成像的对比度下降，从而降低了视觉效能 和视觉的清晰度。主要取决于落在眼睛上的光线的质量，不受光源的光通量影响。前 者的出现并不一定妨碍视觉功能和视度，但会引起不舒适感受，并常常随着时间的推 移而加重这种感觉”1 。后者的主要根源是诱导现象，其主要影响是减小了视野的有效对 比而降低能见度例如过强的灯光照耀眼前，使人看不见其他东西，有时即使在眩光 光源移去之后的段时间内在眼睛仍不能看清任何物体，失去了视觉。 2 1 3 评价眩光的途径 评价眩目主要有两条途径：心理学方面的途径和生理学方面的途径。所谓生理眩 目是指人的眼睛受到强光照射时，视力严重下降，可见距离变近，严重时入的视觉会 在短时间内失去控制能力而成为盲人。人的生理眩目程度可以用生理时空眩目亮度b 来表示： b = 9 8 5 e a 式中：e r 一一光源对眼睛的照度( 1 x ) 。 0 一一眩目光角。 德国道路法规规定：汽车前照灯在距离2 5 m 处与车灯等高点的光照度不得大于 0 7 1 勒克斯。 人的心理眩目是由于在他的视觉内经常出现高亮度光源的照射，使得视觉产生不 舒适疲劳感。人的心理眩目程度可以用不舒适眩目级g 来表示： g ；l o g ( e , l 2 5 1 0 5 ) 式中：l - 一光源至眼睛的距离。 经验表明0 g 8 0 。) 蒸镀到以硫化锌或硒化锌为衬底的耀光栅上形 成极细的金属导线或在衬底上形成一条条方向一致短线，可起到偏振片的作用。另一 种方式是用光刻的方法在沉积有金属薄膜的衬底上刻蚀出宽度和可见光波长相当的导 线，也有偏振作用“”。 ( 5 ) 活性不拉伸偏振片 活性不拉伸偏振片包括一层光活性分子层和一层与所述层接触形成的二向色性分子层，不用拉 伸工序便可制造。可以制成具有复杂图像、弯曲表面或大面积的偏振片其方法是用直线偏振光照 射基材上的光活性分子层，并对其电晕放电处理或紫外线辐照处理后形成二向色性分子层，利用该 分子层所具有的光吸收各向异性，使透过光产生偏振，偏振度为6 7 7 7 ，但膜层机械性能较差， 应用较少另外还有其他类型的偏振片，如通过离子交换法在玻璃上沉积4 4 0n m 大小的球形银颗 粒，经退火处理后，在6 5 0 ( 2 对玻璃以恒应力拉伸而使表面球形粒子变形取向，椭球粒子的长轴和 短轴方向对光具有不同的吸收效应即二向色性，从而形成偏振玻璃。层状偏振片( 由透明层( 如：s i 0 2 ) 和吸收层( 如g e 、a 1 等) 交替排列而成) 可以对透过的自然光产生偏振，采用射频磁控溅射镀制锗和 不锈钢的混合物超薄薄膜作为吸收层，对从可见光到红外光波段范围内都有高质量的信振效应。 2 3 典型偏振片的制作工艺 偏振片的制作工艺分为基膜制备、拉伸、染色、膜片组合以及压敏胶的合成等技 术。制作方法分为干法和湿法，千法是指p v a 膜在一定的温度和湿度下加以染色、单向 拉伸的技术；湿法是指偏振膜在一定量配比的溶液中进行染色，拉伸的工艺。从2 0 世 纪9 0 年代末起，日本偏振片企业己经普遍采用湿法进行生产，特别是t h c d 产品的 大幅度发展，使得湿法成为偏振片最基本的生产工艺。目前，偏振片的所有附件均已 实现专业化生产，典型的生产制造工艺如图2 7 所示。 开眷摩胀槽疑色槽 簋伸擅雷定糟承洗糟饿千炉收暑 图2 7 偏振片生产的染色、拉伸示意图 l 配制溶液 偏振膜主要材料是聚乙烯醇，聚合度一般在2 4 0 0 以上，最佳为3 5 0 0 - 5 0 0 0 。偏振膜 是水解流延成膜，聚乙烯醇的醇解度越高，性能越好。基膜除了常用的聚乙烯醇外， 其他还有聚乙烯、聚乙烯对苯二酸盐、聚丙烯酸。乙烯醇和乙炔的共聚物。加入羟乙 基纤维素( h e c ) 或部分脱水来提高p v 耐久、耐湿热性能。 2 单向拉伸 用流延法或热挤压成型制成厚膜，单向拉伸至少3 5 倍以上才可保证偏振膜的性 能，它是制造偏振膜的关键工艺之一。 拉伸过程中伴随着高分子链的取向，用力不均匀时，会出现膜厚波动太大，中间 薄两边厚的现象，有时出现空洞或裂纹并扩展断裂而使薄膜失效。拉伸比根据材料的 性能而定，拉伸倍数太低，性能不能满足规定要求；拉伸倍数太高时，膜厚相对误差 难以控制且工艺趋于复杂。拉伸比越大，聚合物的密度、结晶性、双折射、弹性模量 和抗拉强度均明显增大，基体分子的有序性增加，将使偏振度增加，但断裂强度下降， 膜变薄，有使偏振度下降的趋势。所用的拉伸方法有抗张力拉伸、滚压拉伸、热板拉 伸等，其中滚压拉伸便于实现流水线生产且膜厚容易控制，可以用辊轮的表面光洁度 和轴间的缝隙来控制偏振膜表面质量。在拉伸的过程中或结束时热处理可以提高偏振 膜的耐湿热性能，拉伸时聚乙烯酵保持一定的温度，一般为成膜聚合物的玻璃化温度 以下2 0 左右。 3 浸渍染色 将碘和碘化钾溶解在蒸馏水中，制成高价碘离子溶液，拉伸后薄膜浸在这种溶液 中一定时间，碘和聚乙烯醇形成络合物后具有偏振效应。碘素偏振膜耐热性能较差， 温度到1 0 0 c 很快褪色，失去偏振性能“”，因而，浸碘后需稳定化处理，一般浸入硼酸 和硼化物中进行交联稳定化处理或采用h 2 0 。氧化处理。也有用甲醛稳定处理。硼酸对p v a 基体有酯化作用，在用硼酸处理的过程中，反应时间和温度是最敏感的，适当调整硼 2 i 酸溶液的p h 值可以增加发色团的稳定性，p h 值为5 7 时，可以最大优化酯化反应，避 免强碱对聚碘发色团的褪色作用。硼酸对基膜具有氧化作用，氧化时间对偏光膜的颜 色、深度和均匀性影响较大，时间越长，基膜中越多的i 一被氧化成i ：，颜色越深，偏振 度的变化与碘的价态和聚集态有关，膜的颜色和染色均匀性直接影响偏振度和透过率。 彩色偏振片依赖于染料分子和聚乙烯醇的相互作用所产生的二向色性，利用染料 对光的选择性吸收作用而使偏振膜显示出各种颜色。与碘素偏振片相比，染料偏振片 的偏振效率明显偏低，透过率、染色的均匀性等方面也没有浸碘的好，且价格较为昂 贵，但耐高温、耐湿热性能、耐久性等方面要好。所选择的染料应具有高的二向色性、 优良的耐湿热性能和染色性能。另一种方法是将拉伸的聚乙烯醇膜片在氯化氢气体中 加热，定型的聚乙烯醇膜片经脱水后稍微变黑，具有极强的二向色性，性能更加稳定， 即使强光照射也不易褪色。随着l c d 产品使用范围的扩大，偏振片的耐湿热性能要求越 来越高，如要求在1 0 0 和9 0 9 6 r h 条件下工作，碘素偏振片无能为力，开发商耐久耐湿 热性能的染料偏振片成为必然选择“4 。 4 胶合保护膜 聚乙烯醇或其共聚物本身的耐湿热性能较差，强度低且属于活性材料，易吸收空 气中尘埃，在湿热的环境中很快因变形、收缩、松弛、褪色，强度下降而失效，因而 需在偏振膜的表面贴上或镀上一层保护膜。该膜具有良好的透光性、耐湿热性能和尺 寸稳定性，如三醋酸纤维素酯( t a c ) 、三酰纤维素丁酸酯( c a b ) 、聚丙烯( p o l y p r o p y l e n e ) 和氨基甲基乙脂( u r e t h a n e ) 等，其中t a c 比c a b 具有更好的耐湿和光学性能，应用较多。 由于切割、运输过程中可能划伤或玷污该保护膜，再加一层外保护膜，多为聚酯、聚 丙烯酸脂、聚烯烃类等。用真空蒸镀或离子溅射法在偏振膜的表面沉积一层氧化硅薄 膜也可起到保护作用。 偏振片内外保护膜之间有一层压敏胶。具有良好的透明性和耐湿热性能，压敏胶 的成分主要是丙烯酸系列。 传统的碘素偏振片无法满足多方面的使用要求，改性处理可提高其性能。增加染 料的氧化性有利于提高偏振膜的耐湿热性能，如在碘液中加入氧化性较强的h 如，制备 了耐湿热性能较好的偏振膜。将羟乙基纤维素( h e c ) 和聚乙烯醇( p v a ) 相混合，加入溶 解有碘化金属盐的溶液后流延成膜，经氧化、拉伸、干燥后得到柔韧性较好的偏振膜。 在染料溶液中如碘液，加入b 、c o 、n i 等离子增加定向排列的碘或染料分子的稳定性， 有助于提高偏振膜的耐湿热性能，因为c o 、n i 可以稳定p v a i 络合物5 。 偏振片的二向色性和取向度取决于发色团的光学性能和取向度，其颜色和透过率 取决于发色团的分布以及与基体的相互作用。碘素偏振片的偏振度除了与聚乙烯醇的 拉伸取向有关，还与碘和聚乙烯醇的作用密切有关。含碘发色团的稳定性直接决定着 碘素偏振片使用温度和稳定性。影响p v a i 络合物的因素包括聚乙烯醇的立体规整性、 聚合度、皂化度以及化学改性如甲醛化处理等。间同结构的聚乙烯醇和碘结合的稳定 性要好于全同和无规结构的聚乙烯醇，结构差别使聚乙烯醇染色密度不同。p v a i 络 合物模型是1 2 个乙烯醇基团由一个硼酸分子支撑并形成一个包围碘原子的螺旋性结 构，其内部包裹着一根长的直碘链。 2 4e 型偏振薄膜 e 型偏振薄膜是由美国o p t i v a 公司于1 9 9 3 年发明的一种高度取向的亚微米偏振膜， 几乎可以印刷在任何衬底表面上，膜厚为0 4um 左右。e 型薄膜偏振片是由水溶性二 向色性染料组成，主要原理是先将染料改性处理后溶解于溶剂中。，一定浓度下形成饼 状液晶相，将其涂到衬底表面，同时用剪切技术使染料液晶定向排列，干燥稳定化处 理后形成偏振膜。所选择的染料具有优良的耐湿热稳定性和耐晒性，因而可大大简化 偏振片的结构。 染料薄膜具有强择优取向，取向度等于0 9 。制备偏振薄膜过程分为以下几个阶段： ( 1 ) 水溶性染料形成溶致液晶。对染