DE19714434A1

DE19714434A1 - Selektive elektronische Lichtschutzbrille

Info

Publication number: DE19714434A1
Application number: DE1997114434
Authority: DE
Inventors: Armin Schaeuble
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-10-15

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Herkömmliche Lichtschutzbrillen besitzen eine fest vorgegebene Tönung, was zur Folge hat, daß sie für viele Situationen zu schwach oder zu stark getönt sind - je nach der momentanen Helligkeit der Umgebung.

Um diesen Mangel zu beheben wurden phototrope Gläser auf Basis von Silberhalogenidkristallen entwickelt, welche in unbelichtetem Zustand farblos sind (10% Absorption) und sich unter Einwirkung der UV-Strahlung des Sonnenlichts schwärzen (bis 60% Absorption). Weil es jedoch einige Zeit dauert, bis diese Schwärzung eintriff (ca. 30 Sekunden) eignen sich diese phototropen Gläser nicht für Anwendung in Situationen, wo sich die Helligkeit der Umgebung sehr schnell ändert (z. B. beim Autofahren durchs Tunnel, kurzer Blick in die Sonne, etc.).

Dieser Nachteil wurde mit der Entwicklung von von Sonnenbrillen auf Basis elektronisch gesteuerter LCD-Gläser behoben, die sich gegenüber den photochromen Sonnenbrillen durch eine sehr viel schnellere Ansprechzeit auszeichnen (Sekundenbruchteile anstatt 30 sec.), wodurch ihr Einsatz gerade in diesen Anwendungsbereichen möglich und sinnvoll wird, wo sich die Umgebungshelligkeit sehr schnell ändern kann.

Ein weiterer Vorteil der LCD-Sonnenbrillen gegenüber den phototropen Sonnenbrillen ist die Möglichkeit, sich ihre Tönung individuell nach Belieben einstellen zu können.

Nachteile des Standes der Technik

Trotz dieser erfreulichen Entwicklungen bleibt jedoch ein prinzipieller Nachteil, welcher allen diesen bisher entworfenen Lichtschutzbrillen anhaftet:
Sie verdunkeln das gesamte Blickfeld, unabhangig davon, ob die Blendung von einer allgemein erhöhten Leuchtdichte, oder nur von einer einzelnen Lichtquelle verursacht wird.

In der Regel ist jedoch gerade letzteres der Fall: Es sind einzelne Lichtquellen, wie zum Beispiel direkte Blendung durch die Sonne oder nachts durch Autoscheinwerfer entgegenkommender Fahrzeuge, die Blendung verursachen. In allen diesen Fällen wird durch die bisher entwickelten Lichtschutzbrillen zwar eine Blendung verhindert (und damit Netzhautschädigung oder vorübergehende akkomodationsbedingte Herabsetzung der Sehfähigkeit) - es wird aber in gleichem Ausmaß auch die Lichtstarke des gesamten übrigen Blickfeldes reduziert - und damit das Licht reduziert, welches für gutes Erkennen der übrigen Objekte notwendig ist.

Wenn die Blendung nur von einzelnen Lichtquellen verursacht wird und nicht von einer allgemein erhöhten Lichtstärke, ist es nicht sinnvoll, daß gleich die Brille als Ganzes verdunkelt wird. Eine wesentliche Verbesserung der Sehfähigkeit bei direkter Blendung kann nur durch selektive Verdunkelung derjenigen Bereiche auf den Brillengläsern erreicht werden, die sich genau zwischen dem Auge und der Lichtquelle befinden - nicht aber durch die undifferenzierte Verdunkelung der gesamten Brille.

Die Notwendigkeit einer Selektiven Tönung wurde schon in Patenten und Gebrauchsmustern der 70er und 80er Jahre gesehen. Jedoch basierten die damals vorgeschlagenen Erfindungen auf einer nicht sehr praktikablen statischen Lösung: Es wurden die Bereiche auf den Brillengläsern getönt, in denen die Blendung erwartet wurde.

So wurden z. B. Brillengläser entworfen, deren obere Hälfte getönt, und deren untere Hälfte klar war (Funktion ähnlich dem Blendschutz beim Auto), Gläser bei denen nur ein kleiner Zentraler Bereich ungetönt war, oder eine spezielle "Autofährerbrille" gegen die nächtliche Blendung durch entgegenkommende Autoscheinwerfer. Diese mehr oder weniger praktikablen Konstruktionen hatten den Nachteil, daß sie das Blickfeld in bestimmten Bereichen dauerhaft einschränkten, wodurch sie zumindest außerhalb ihres engen Anwendungsbereichs unpraktikabel waren - oft sogar innerhalb ihres Anwendungsbereiches selbst (verkehrsgefährdende "Autofahrerbrillen".

Da man im Alltag normalerweise nicht exakt voraussagen kann aus welchen Richtungen Blendung zu erwarten ist, und man für die vielen wechselnden Situationen nicht jeweils die "passende" Brille dabei haben kann, ist es kein Wunder, daß sich keine dieser Lösungen etablieren konnte.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die vor Blendung schützt, indem sie sich wie die LCD-Sonnenbrillen dynamisch an wechselnde Lichtverhältnisse anpassen kann, - gleichzeitig jedoch in der Lage ist, zu erkennen, ob die Blendung von einer allgemein erhöhten Leuchtdichte herrührt, oder ob sie nur von einzelnen hellen Lichtquellen verursacht wird. Im letzteren Fall soll nicht unspezifisch die gesamte Brille verdunkelt werden, sondern selektiv nur die Bereiche, die sich exakt zwischen dem Auge und den Lichtquellen befinden, während die anderen Bereiche durchsichtig-klar bleiben sollen.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. (Es werden nur die Segmente verdunkelt, die sich zwischen Auge und Lichtquelle befinden. Zu diesem Zweck ist jedem Brillensegment ein eigenes Fotoelement zugeordnet, welches nur auf das Licht aus einer spezifischen Richtung anspricht).

Vorteile der Erfindung

Diese Erfindung vereinigt die Vorteile der dynamischen LCD Lichtschutzbrillen (individuell einstellbare Tönung, automatische Konstanthaltung der einfallenden Lichtmenge, sehr schnelle Ansprechzeit) mit der Fähigkeit zur selektiven Verdunkelung einzelner Segmente.

Sie kann dabei als Ganzes dunkler werden (bei allgemein erhöhter Helligkeit) und/oder sektorenspezifisch (bei direkter Blendung durch Lichtquellen).

Die Erfindung zeichnet sich durch viele Anwendungsmöglichkeiten aus. Einsatzgebiete sind besonders alle Situationen, wo mit direkter Blendung und/oder schnell wechselnden Lichtverhältnissen zu rechnen ist, und wo es wesentlich ist, das Umfeld der Lichtquelle trotzdem noch in unveränderter Helligkeit und Deutlichkeit wahrzunehmen:

- bei bestimmten Sportarten in der Sonne (Volleyball, Baseball, Federball,)
- im Alltag (vor allem bei tiefstehender Sonne)
- beim Autofahren (Tags: tiefstehende Sonne; Nachts: Blendung durch Scheinwerfer)
- Vogelbeobachtungen und Himmelsbeobachtungen gegen die Sonne
- Flugzeugpiloten.

Die selektive Lichtschutzbrille eignet sich auch für Personen, die im Kontakt mit Menschen ungern eine Sonnenbrille tragen. Die Brille kann so eingestellt werden, daß sie völlig klar bleibt, und beim Auftreten von hellen Lichtquellen nur in denjenigen Segmenten dunkler wird, die sich direkt zwischen dem Auge und der Lichtquelle befinden.

Dadurch, daß jedes Brillensegment separat über jeweils einen eigenen Lichtsensor gesteuert wird, können mehrere unabhängige Lichtquellen gleichzeitig abgeschirmt werden.

Ein völlig neues Anwendungsfeld wurde sich ergeben, wenn man die Erfindung nicht nur zum Schutz des Auges, sondern zum selektiven Lichtschutz in Foto- oder Filmapparaten einsetzen würde. Würde man Fotoapparate oder Videokameras so konstruieren, daß sich eine selektive LCD direkt vor dem Film bzw. dem CCD-Chip befindet, wurde es möglich, gegen Sonne und Gegenlicht zu fotografieren bzw. zu filmen, und dabei trotzdem sowohl die Details der hellen, wie auch die Details der dunkleren Umgebung zu erhalten, ohne einen dieser Bereiche - wie es bisher der Fall ist - zu überbelichten oder zu unterbelichten, und ohne Geräteschäden zu verursachen.

Beschreibung der Erfindung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Zur Verdeutlichung des Unterschieds der vorliegenden Erfindung zu den bisher entwickelten LCD-Lichtschutzbrillen, ist in Fig. 0 eine typische LCD-Lichtschutzbrille dargestellt, wie sie dem momentanen Stand der Technik entspricht.

Die folgenden Abbildungen zeigen:

Fig. 0 herkömmliche LCD-Lichtschutzbrille

a) perspektivische Ansicht
b) Schaltskizze bisheriger LCD-Lichtschutzbrillen (stark vereinfacht !)

Fig. 1 Selektive Lichtschutzbrille (einfache Ausführung)

a) perspektivische Ansicht
b) Schaltskizze (stark vereinfacht!)
c) Funktionsprinzip

Fig. 2 Selektive Lichtschutzbrille (komplexere Ausführung)

a) perspektivische Ansicht einer komplexeren/weiterentwickelten dynamisch selektiven Lichtschutzbrille
b) vergrößerte perspektivische Ansicht des Lichtsensors
c) Funktionsprinzip dieser Sensoren-Anordnung.

Bei den bisherigen dynamischen LCD-Lichtschutzbrillen wird die Lichtdurchlässigkeit der Brillengläser global durch die auf einen einzelnen Lichtsensor fallende Lichtmenge reguliert. (Fig. 0a und b).

Bei der selektiven dynamischen Lichtschutzbrille (einfache Ausführung in Fig. 1a, b, c) sind die Brillengläser dagegen in mehrere Segmente unterteilt, die jeweils über eigene Fotoelemente separat angesteuert werden.

Diese Fotoelemente sind so ausgerichtet, daß sie nur - oder zumindest hauptsächlich - auf Licht ansprechen, welches aus einer für das Element spezifischen Richtung kommt. Dabei soll das Fotoelement, welches den oberen Brillensegmenten zugeordnet ist, nur auf Licht ansprechen, welches von oben eintrifft, während das entsprechende Fotoelement der unteren Brillensegmente nur auf Licht ansprechen soll, das von unten eintritt.

Diese Richtungsspezifität kann durch besondere Bauart der Fotoelemente, durch Abschirmungen an den Elementen, oder durch Linsen (wie z. B. in Fig. 2b, c) erreicht werden.

Im einfachsten Fall kann Richtungsspezifität durch entsprechende Ausrichtung normaler Fotoelemente erreicht werden (wie in Fig. 1c dargestellt), jedoch wurde dann - in steilem Winkel - auch das Fotoelement 2 vom Lichtstrom der Lichtquelle gestreift, was eine leichte Tönung auch des entsprechenden Brillensegmentes 2 zur Folge hätte.

Fig. 2a) zeigt eine Version der selektiven Lichtschutzbrille, die in noch mehr Sektoren unterteilt ist, und die über einen anderen Sensor verfügt. Durch diese Konstruktion kommt die Brille dem Ideal näher, nur ganz spezifisch die blendenden Lichtquellen abzuschirmen, unter Beibehaltung der Lichtdurchlässigkeit der restlichen Brillensegmente.

Zur Steuerung der 16 einzelnen Sektoren beider Brillengläser wurde hier jedoch eine andere Anordnung der Fotoelemente gewählt als im vorherigen Beispiel. Diese Anordnung ist in Fig. 2b) vergrößert und perspektivisch abgebildet:
Es handelt sich dabei um eine quadratische Anordnung von 16 Fotoelementen, die von lichtundurchlässigen Seitenwänden umgeben sind (diese sind aus darstellungstechnischen Gründen hier durchsichtig abgebildet).

Das Licht gelangt über eine Sammellinse (ähnlich wie bei einem Fotoapparat) zu den Fotoelementen. Die Linse sorgt dafür, daß auf jedes einzelne Fotoelement nur das Licht gelangt, welches aus einem ganz bestimmten Einfallswinkel eintrifft.

Jedem dieser Fotoelemente ist wieder ein spezifisches Segment in beiden Brillengläser zugeordnet. Fotoelemente und das ihnen jeweils zugeordneten Brillensegment sind durch gleiche Zahlen gekennzeichnet.

Die Numerierung der Fotoelementen ist spiegelbildlich zu den Brillensegmenten: Licht, welches z. B. von oben rechts durch die Sensorlinse auf das untere linke Fotoelement 1 auftrifft, soll das entsprechende Brillensegment 1 in der oberen rechten Ecke beider Brillengläser verdunkeln. Dieses ist das Segment, welches sich dann genau zwischen Auge und Lichtquelle befindet.

Fig. 2c) zeigt das Funktionsprinzip vereinfacht in der 2-dimensionalen Seitenansicht: Das Licht der Lichtquelle trifft von schräg oben z. B. auf das Fotoelement Nr. 2 und verursacht damit die Eintönung des entsprechenden, ihm zugeordneten Brillensegments. Da sich dieses Segment genau zwischen Auge und Lichtquelle befindet, wird selektiv die Lichtquelle abgedunkelt, während alle anderen Brillensegmente durchsichtig-klar bleiben.

Die Funktion der dargestellten Konstruktionen beruht darauf, daß die Lichtstrahlen annähernd parallel eintreffen, der Lichteinfallswinkel auf den Sensor also auch in etwa der gleiche ist wie der auf das entsprechende Brillensegment.

Für Lichtquellen jedoch, die sich nur wenige cm vor den Augen befinden, wurde der Einfallswinkel in den Lichtsensor nicht mehr mit dem Einfallswinkel in die Brille und Auge übereinstimmen: Das aktivierte Segment wurde in diesem Fall die Lichtquelle nicht mehr perfekt abschirmen.

Da die Lichtstrahlen von etwas weiter entfernten Lichtquellen (Sonne, Autos) jedoch annähernd parallel auf Sensor und Auge einfallen, ist das Anbringen des Lichtsensors zwischen den Brillengläsern unproblematisch.

In einer nicht dargestellten Ausführung sind die Sektoren dieser Lichtschutzbrille in diverse, verschieden gestaltete Segmente unterteilt - je nach Einsatzzweck, wirtschaftlichen und ästhetischen Überlegungen - mit verschiedener Anzahl und Form und Anordnung der Sektoren (z. B. feine Sektorenunterteilung in der Mitte, grobe Sektoren an den peripheren Bereichen etc.).

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung besteht die Schutzbrille nur teilweise aus LCDs, während die restlichen Bereiche der Brille klar sind oder eine bestimmte unveränderliche Tönung haben.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung besteht die Brille aus optischen oder nicht optischen Gläsern, die aus Glas oder Kunststoff bestehen können.

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung besteht das LCD aus einer polymeren Folie, die sich auf optischen oder nicht optischen Brillengläsern befindet. (solche polymeren LCDs befinden sich zur Zeit in Entwicklung).

In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung dienen die Lichtsensoren gleichzeitig als Stromquelle für die entsprechenden LCD-Segmente. (So könnten Solarzellen gleichzeitig als Sensoren und Stromquelle dienen).

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung ist die selektive Lichtschutzbrille in das Visier in eines Helms integriert (Piloten-, Motorradhelm etc.).

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführung ist das System des selektiven Lichtschutzes in einer Foto- oder Videokamera integriert - die LCD jeweils vor dem Film bzw. dem CCD-Chip.

Claims

1. Eine LCD-Lichtschutzbrille, dadurch gekennzeichnet, daß die LCDs aus mehreren Segmenten bestehen, welche separat über einen oder mehrere Lichtsensoren angesteuert werden können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsensoren versehen sind mit: Farbfilter und/oder Linse und/oder Abschirmungen; und/oder in einer besonderen Anordnung, angebracht sind, und dabei jeder beliebigen Bauart sein können.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brille sowohl aus Gläsern mit optischer Wirkung als auch aus Gläsern ohne optische Wirkung bestehen kann.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Brille durchtretende Lichtmenge durch einen Regelkreis konstant gehalten wird, bei dem sich vor dem Lichtsensor ein LCD befindet, welches sich analog dem von diesem Sensor gesteuerten Brillensegment verhält.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Batterien oder Solarzellen als Stromquellen dienen.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren zugleich als Stromquelle dienen.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente der Gläser in jeder Anzahl, Form und Anordnung gestaltet sein können.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschwelle der einzelnen Segmente individuell voreingestellt werden kann, bzw. daß nur ganz spezifische Segmente überhaupt dynamisch reagieren, während die anderen einen fest eingestellten Lichtdurchlässigkeitswert haben.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich nur ganz spezielle Segmente richtungsspezifisch verhalten, während alle anderen Segmente global auf die Allgemeinhelligkeit reagieren.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive LCD sowohl aus Glas, Kunststoff oder polymerer Folie bestehen kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive LCD sowohl in Brillen oder Helmen integriert sein kann.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das selektive LCD in einem Foto- oder Videogerät befindet.

13. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive LCD allgemein in irgendeiner beliebigen optischen Vorrichtung integriert ist.