葉文江，蘇軍紅，劉曉夢(mèng)，馬志達(dá)，黃媛媛

(河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，天津 300401)

1 引 言

液晶由于受外加電場(chǎng)的影響能夠產(chǎn)生形變，從而改變穿過(guò)液晶層的光學(xué)信息，包括振幅和相位，在顯示和非顯示領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。液晶在光位相調(diào)制和波前校正方面的研究最早在前蘇聯(lián)展開(kāi)。1979年，Vasil′ev A A等人對(duì)液晶空間光調(diào)制器的位相調(diào)制特性進(jìn)行了研究[1]；1983年對(duì)其應(yīng)用前景做了詳細(xì)闡述[2]；1986年，他們制作了16單元的電尋址液晶波前校正器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一維畸變波前的校正[3]；1989年，計(jì)算機(jī)控制的液晶波前校正器得到了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波前的校正[4]。1995年，Dou R等人用液晶電視屏構(gòu)成的偏振單色光液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)雛形觀察到了自適應(yīng)校正效果[5]，隨后，Neil M A A等人開(kāi)始了液晶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)大氣湍流中波面校正的研究[6]，并且人眼視網(wǎng)膜成像的校正也由Prieto P等人開(kāi)始了探索性的研究[7]。

國(guó)內(nèi)關(guān)于液晶自適應(yīng)光學(xué)的研究起步較晚，主要集中在兩個(gè)單位。北京理工大學(xué)在1999年討論了液晶空間光調(diào)制器在自適應(yīng)光學(xué)中應(yīng)用的可能性[8]，并于2005年進(jìn)行了靜態(tài)波前畸變校正實(shí)驗(yàn)[9]，得到了很好的結(jié)果。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所從2001年開(kāi)始從事液晶自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的研究工作，經(jīng)過(guò)近十多年的努力，解決了液晶自適應(yīng)光學(xué)存在的技術(shù)瓶頸，取得了一系列成果[10-15]，對(duì)液晶波前校正器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性做了詳細(xì)闡述[16]，分別應(yīng)用到中科院國(guó)家天文臺(tái)和長(zhǎng)春光機(jī)所的望遠(yuǎn)鏡上及人眼視網(wǎng)膜成像校正方面。

以上研究都是利用液晶自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)清晰成像，而在某些生產(chǎn)以及生活中，產(chǎn)生并維持一個(gè)恒定光強(qiáng)的環(huán)境是非常必要的。對(duì)此河北工業(yè)大學(xué)楊潤(rùn)作了相關(guān)研究，設(shè)計(jì)出扭曲向列相液晶光電自適應(yīng)系統(tǒng)[17]，但是他所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)系統(tǒng)在電路理論上主要存在以下三點(diǎn)缺陷：(1)光電板的響應(yīng)速度慢；(2)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集在理論設(shè)計(jì)存在錯(cuò)誤；(3)驅(qū)動(dòng)信號(hào)過(guò)于簡(jiǎn)單以致于無(wú)法完成驅(qū)動(dòng)電壓的實(shí)時(shí)有效改變，可控性較差，因此造成該系統(tǒng)無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能。我們所研究的輸出光強(qiáng)恒定的液晶自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在彌補(bǔ)了楊潤(rùn)所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)系統(tǒng)的缺陷的基礎(chǔ)上又增加了許多功能，例如：環(huán)境光照強(qiáng)度可預(yù)置、工作狀態(tài)可視化、液晶的“驅(qū)動(dòng)電壓—透光率”特性的測(cè)試等等。

此外，系統(tǒng)在激光應(yīng)用方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。激光器打開(kāi)后，隨著時(shí)間的推移，其發(fā)光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這對(duì)某些工業(yè)加工或?qū)嶒?yàn)產(chǎn)生影響。應(yīng)用此系統(tǒng)可以穩(wěn)定實(shí)際應(yīng)用的激光的強(qiáng)度，達(dá)到一個(gè)較好的效果。

2 原 理

2.1 液晶電光調(diào)制原理

對(duì)液晶盒施加電壓，在外加電場(chǎng)的作用下，液晶分子取向會(huì)產(chǎn)生不同程度的形變，從而導(dǎo)致光的透過(guò)率發(fā)生變化[18]。以扭曲向列相(TN)盒為例具體介紹：液晶指向矢沿上下基板玻璃表面平行排列，其方向在上下基板間連續(xù)扭曲了90°。當(dāng)外加電壓小于閾值電壓時(shí)，線偏振光垂直穿過(guò)液晶層后，其振動(dòng)方向隨液晶指向矢的扭曲面旋轉(zhuǎn)90°，液晶盒具有在正交偏振片間透光的功能。當(dāng)外加電壓達(dá)到飽和電壓時(shí)，除基板表面處液晶指向矢沿摩擦方向排列外，液晶盒內(nèi)部指向矢將沿電場(chǎng)排列，90°旋光消失，液晶盒在正交偏振片間遮光[19]。

入射光波長(zhǎng)為550 nm，盒厚為5.2 μm的TN盒電光特性數(shù)值模擬曲線如圖1所示，分別給出了常黑和常白兩種模式的情形。從圖1可以看出：液晶盒的光學(xué)閾值電壓約為2.5 V，光學(xué)飽和電壓約為4 V，在這兩個(gè)電壓之間液晶盒對(duì)光的調(diào)制可以從最大光強(qiáng)到最小光強(qiáng)(常白模式)或從最小光強(qiáng)到最大光強(qiáng)(常黑模式)。因此，對(duì)應(yīng)某一光強(qiáng)范圍，可以確定電壓調(diào)節(jié)范圍。

圖1 TN盒電光特性曲線Fig.1 Electro-opticalcharacteristic curve of TN cell

2.2 光電傳感器及單片機(jī)控制原理[20-22]

光電傳感器是指能夠?qū)⒖梢?jiàn)光轉(zhuǎn)換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見(jiàn)的光電傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開(kāi)有一個(gè)嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結(jié)的面積做得較大。光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負(fù)載電阻相串聯(lián)。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，它與普通二極管一樣，反向電流很小(<μA)，稱為光敏二極管的暗電流；當(dāng)有光照時(shí)，載流子被激發(fā)，產(chǎn)生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場(chǎng)的作用下，光電載流子參與導(dǎo)電，形成比暗電流大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強(qiáng)度成正比，于是在負(fù)載電阻上就能得到隨光照強(qiáng)度變化而變化的電信號(hào)。

單片機(jī)控制原理：光電傳感器傳來(lái)的電信號(hào)先經(jīng)過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可辨識(shí)的數(shù)字信號(hào)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)分析和判斷將結(jié)果通過(guò)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換反饋到TN盒上，從而形成一個(gè)以單片機(jī)為核心的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。由于單片機(jī)的參與，因此這是一個(gè)智能化的控制系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

對(duì)于光強(qiáng)在一定范圍內(nèi)變化的外界環(huán)境，TN盒的光強(qiáng)透過(guò)率是隨之變化的。此系統(tǒng)就是在自主判斷外界光強(qiáng)的基礎(chǔ)上自動(dòng)調(diào)節(jié)TN盒的透過(guò)光強(qiáng)，從而得到一個(gè)恒定的光強(qiáng)環(huán)境。系統(tǒng)需外置一平行光探測(cè)光路，使光能夠垂直打在光電傳感器上，避免匯聚或發(fā)散光對(duì)信號(hào)采集產(chǎn)生的影響。

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)是以單片機(jī)STC12C5A60S2為核心，由電源模塊、鍵盤輸入模塊、液晶顯示模塊、波形產(chǎn)生模塊、傳感器模塊組成，如圖2所示。下面分別介紹每一個(gè)模塊的具體組成。

圖2 輸出光強(qiáng)恒定的液晶自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖Fig.2 Diagram of the liquid crystal self-regulation system of exporting fixed light intensity

電源模塊：

系統(tǒng)需要+12 V和+5 V的電壓，其中+12 V電壓由外部電源直接提供，而+5 V電壓則通過(guò)LM7805穩(wěn)壓后得到，如圖3所示。

圖3 電源模塊Fig.3 Electrical source module

圖4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生模塊Fig.4 Module of producing a driven signal

波形產(chǎn)生模塊：

該模塊由U1～U11，R10～R23，C8～C10、D1、D2組成，其中U3、U4、U11可以產(chǎn)生兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，U6及其外圍器件組成雙反相器，作用是消除B路信號(hào)中的干擾。U7A及其外圍器件組成反相器，將A路信號(hào)取反。U7B及其外圍電路組成信號(hào)合成器，將A、B兩路信號(hào)合成上下對(duì)稱的方波，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)。U8和U9A及其外圍器件組成幅度控制器，控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓大小，但U8、U9A受單片機(jī)控制。U10及其外圍器件組成1 kHz方波發(fā)生電路用于控制U3、U4產(chǎn)生方波，如圖4所示。

單片機(jī)最小系統(tǒng)：

由STC12C5A60S2、R5、R6、R7、C3、C4、C6、C7和Y1組成。其中C6、C7和Y1組成晶振電路，R5～R7組成復(fù)位電路，C3、C4為電源濾波電容，如圖5所示。

圖5 最小系統(tǒng)模塊Fig.5 Minimum system module

圖6 按鍵輸入模塊Fig.6 Module of key-press

鍵盤輸入模塊：

由K1、K2、K3和R1～R3組成。K1(Scan)的功能是測(cè)試液晶的透光率和電壓之間的關(guān)系。當(dāng)K1按下后系統(tǒng)會(huì)將驅(qū)動(dòng)電壓以0.1 V的步進(jìn)電壓從0.1～5.0 V遞增，遞增速率為20 ms/次，每遞增一次系統(tǒng)會(huì)記錄下此時(shí)空間內(nèi)的光照強(qiáng)度，遞增至5.0 V后經(jīng)過(guò)顯示屏將數(shù)據(jù)輸出。K2(Up)的功能是增加預(yù)置強(qiáng)度。K3(Down)的功能是減小預(yù)置強(qiáng)度，如圖6所示。

傳感器模塊：由線性光敏傳感器和限流電阻組成。

3.2 系統(tǒng)工作原理

輸出光強(qiáng)恒定的液晶自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖如圖7所示。系統(tǒng)由電源模塊供電，系統(tǒng)上電后自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，同時(shí)液晶屏顯示工作狀態(tài)，系統(tǒng)默認(rèn)預(yù)置強(qiáng)度為2.50 V，單片機(jī)通過(guò)U8控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓大小。當(dāng)外部光強(qiáng)增強(qiáng)時(shí)，光電傳感器會(huì)把信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后會(huì)通過(guò)U8增加驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓，TN-LCD上的電壓增大，TN-LCD的透光率會(huì)降低，從而維持空間內(nèi)光強(qiáng)恒定。當(dāng)外部光強(qiáng)降低時(shí)，光電傳感器會(huì)把信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)反饋給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后會(huì)通過(guò)U8降低驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓，TN-LCD上的電壓減小，TN-LCD的透光率會(huì)增大，從而維持空間內(nèi)光強(qiáng)恒定。

圖7 輸出光強(qiáng)恒定的液晶自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖Fig.7 Principle chart of the liquid crystal self-regulation system of exporting fixed light intensity

3.3 系統(tǒng)實(shí)物圖及功能介紹

系統(tǒng)實(shí)物圖及系統(tǒng)測(cè)試的電壓-透光率曲線如圖8和9所示。系統(tǒng)功能主要包括：

圖8 系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.8 Physical map of system

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線Fig.9 Experimental measured curve

3.3.1 維持特定空間光照強(qiáng)度不變

這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷，也是最基本的功能。本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3.3.2 特定空間內(nèi)的光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)

空間內(nèi)的光強(qiáng)是由液晶的透光率決定的，而液晶的透光率是由按鍵通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)的。

3.3.3 顯示當(dāng)前工作狀態(tài)

本系統(tǒng)通過(guò)128×64液晶屏顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，如圖8(b)所示當(dāng)前狀態(tài)為工作狀態(tài)，預(yù)置透光強(qiáng)度為2.5 V。

3.3.4 液晶電壓-透光率曲線的測(cè)試

本系統(tǒng)的一個(gè)附加功能就是液晶電壓-透光率特性的測(cè)試。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)TN盒加掃描電壓，采集光敏傳感器的電壓值得到一組數(shù)據(jù)，然后就可以畫出液晶的電壓—透光率的特性曲線。由此確定本系統(tǒng)工作的選擇電壓，并對(duì)系統(tǒng)的初始值進(jìn)行設(shè)置。

系統(tǒng)主要是利用液晶進(jìn)行調(diào)光實(shí)現(xiàn)恒定光強(qiáng)的，因此液晶態(tài)必須要保證，這就決定了系統(tǒng)在一定的溫度范圍內(nèi)實(shí)用。不同的液晶材料，維持液晶態(tài)的范圍有所不同，隨著人們對(duì)液晶材料研究的不斷深入，其溫度范圍在不斷的加寬，那么系統(tǒng)工作的溫度范圍也將進(jìn)一步的加大。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)液晶盒的電光效應(yīng)及其顯示原理并將之與傳感器和單片機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)出光強(qiáng)恒定的液晶自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并制作出實(shí)物裝置，實(shí)現(xiàn)了光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，并能顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)及測(cè)試液晶的電壓—透過(guò)率特性。該系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定激光光路的強(qiáng)度恒定具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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