LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI Katedra Optoelektroniki

(1)

Wydział Elektroniki Telekomunikacji i Informatyki

Politechnika Gdańska

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

ĆWICZENIE 3

WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

Gdańsk, 200 5

(2)

Wstęp

Obiektem technik pomiarowych tego ćwiczenia są: komórka ciekłokrystaliczna, zjawiska w niej zachodzące w stanach statycznych jak i dynamicznych, oraz jej właściwości elektrooptyczne.

Komórka ciekłokrystaliczna uzupełniona o elementy optyczne, mechaniczne, elektryczne, tj.: polaryzatory, transflektory, reflektory, dyfuzory, obejmy, złącza elektryczne itp. tworzy moduł wskaźnika ciekłokrystalicznego, na którym jest prezentowana dynamicznie zmienna informacja.

1. Parametry charakteryzujące wskaźnik ciekłokrystaliczne

Do grupy parametrów charakteryzujących wskaźnik ciekłokrystaliczny pod względem poprawności wypełniania założonych funkcji należą:

- parametry optyczne: transmisja komórki ciekłokrystalicznej, kontrast, jednorodność kontrastu dla zbioru segmentów sterowanych w komórce, jasność tła, refleksje na powierzchniach granicznych, rozpraszanie na powierzchniach czołowych, właściwości widmowe, barwa;

- parametry elektrooptyczne: zmienność transmisji, jasności, kontrastu w funkcji napięcia wysterowania, w funkcji napięcia zasilania (dla sterowania multipleksowego), w funkcji kąta obserwacji wskaźnika, rozkłady przestrzenne parametrów, nachylenie charakterystyki elektrooptycznej, multipleksowalność itp.;

- parametry dynamiczne: czasy zadziałania, czasy wyłączania – relaksacji, czasy opóźnienia (opóźnienie mierzalnej zmiany charakterystyki elektrooptycznej względem zmiany sygnału sterującego);

- parametry elektryczne: poziomy napięć sterujących, pobór mocy, natężenie prądu, impedancja komórki ciekłokrystaliczne, zależność impedancji od stopnia multipleksowania (częstotliwości sterowania);

- parametry eksploatacyjne: określające wpływ narażeń technoklimatycznych na stan niezawodnościowy wskaźnika ciekłokrystalicznego.: zakres temperatur pracy i magazynowania, wilgotność, wibracje, udary, atmosfera agresywna (pary związków organicznych lub nieorganicznych), promieniowanie UV, warunki elektryczne (napięcie sterujące URMS dopuszczał na składowa stała UDC, sygnały multipleksowania), natężenie prądu zasilania wskaźnika.

O postrzeganiu i rozróżnialności wszelkich obiektów decydują różnice w rejestrowanych przez oko obserwatora pobudzeniach – czy to w jasności (jaskrawości), czy też w barwie elementu.

Wizualne zróżnicowanie dwóch pól świetlnych wskaźnika ciekłokrystalicznego i postrzeżenie prezentowanej w ten sposób informacji jest procesem zależnym od różnicy jaskrawości tych pól, od różnicy ich barw i od warunków obserwacji tj. oświetlenia otoczenia, szybkości zmiany stanu przetwornika, rozkładu jasności w polu widzenia obserwatora, jak również dynamiki zmian tych warunków (zjawisko olśnienia, adaptacji itp.).

Katedra Optoelektroniki Wydział ETI Politechnika Gdańska

(3)

Zbiór parametrów charakteryzujących stan optyczny wskaźnika ciekłokrystalicznego tworzą :

- luminancja segmentów wskaźnika i jego tła (dla określonego oświetlenia), - kontrast,

- barwa podstawowa wskaźnika, - kontrast barwny,

- skala szarości,

- rozkład przestrzenny luminancji, kontrastu, - rozkład przestrzenny właściwości dynamicznych.

Luminancja wysterowanych segmentów wskaźnika (mod negatywowy) lub też tła wskaźnika (mod pozytywowy) są wielkościami współokreślającymi warunki percepcyjne obserwatora. Wielkości te, w zastosowaniach o dynamicznie zmiennych poziomach oświetlenia otoczenia (np. środki komunikacji), muszą być równie dynamicznie zmieniane, aby nie doprowadzać do oślepiania obserwatora.

Kontrast – jest parametrem wyrażającym ilościowo zróżnicowanie dwu pól świetlnych pod względem jaskrawości. Pojęcie to jest określane w różny sposób i lecz prawidłowo kontrast jest definiowany jako:

− współczynnik kontrastu (Contrast Ratio)

( )

(

₀⁰, ₁¹

)

, L L MIN

L L

CR = MAX 1≤ CR ≤∞ (1)

− kontrast (Contrast)

( )

(

L⁰₀, L₁¹

)

MAX L L C ABS −

= 0≤ C ≤1 (2)

gdzie: L0, L1 – wielkość luminancji wskaźnika w stanach ON i OFF oraz zmiana luminancji ∆L=L1–L0 (ewentualnie luminancji unormowanej) w funkcji sygnału sterującego lub innego wymuszenia (np. temperatura).

Taka definicja kontrastu jest związana z ogólnymi właściwościami postrzegania bodźców przez człowieka. Według prac Webera – Fechnera doznawane wrażenie jest logarytmiczną funkcją bodźca; minimalna, postrzegalna zmiana bodźca (luminacji ) ∆L jest proporcjonalna do bodźca L, tzn. ∆L=K L.

Powyższe parametry charakteryzują ilościowo właściwość postrzegania różnicy jasności między tłem a wysterowanymi segmentami wskaźnika. Pomiary te należy wykonywać miernikami fotometrycznymi o znormalizowanej funkcji czułości widmowej V(λ), równoważnej czułości widmowej standardowego obserwatora (C.I.E. 1931) i przy szerokopasmowym oświetleniu (źródła normalne A, D65).

W wyrażeniach na kontrast i współczynnik kontrastu możemy stosować zamiennie transmisję wskaźnika, jako rezultat odniesienia natężenia światła po przejściu przez wskaźnik, do natężenia źródła światła.

W pomiarach elementów achromatycznych można zastosować źródło światła monochromatycznego (laser He–Ne), pod warunkiem stałości charakterystyk widmowych wskaźnika w warunkach pracy i sterowania. Zmiany charakterystyk widmowych

(4)

wskaźnika wywołane wpływami zewnętrznymi (np. temperatura) czy też wewnętrznymi (np. zmianą absorbcji barwników w funkcji wysterowania), uwidocznią się w błędnych (w porównaniu z pomiarami fotometrycznymi o czułości V(λ) ) pomiarach kontrastu.

Dla współczesnych wskaźników wykorzystujących jako nośnik informacji barwę, wprowadzono dodatkowo zespół parametrów kolorymetrycznych charakteryzujących wskaźnik barwny.

Do opisu zjawisk barwnych stosuje się obecnie cztery systemy kolorymetryczne:

CIE 1931, CIE 1576 (u' v') oraz systemy o równomiernym postrzeganiu barw CIE LAB 1976 i CIE LUV 1976.

W systemach kolorymetrycznych CIE 1931 i CIE 1976 parametrami opisującymi barwę są współrzędne trójchromatyczne x, y lub u' v', a jasność charakteryzujemy wielkością składowej trójchromatycznej Y.

W systemach CIE LUV i CIE LAB wielkości chromatyczne wskaźnika opisujemy współrzędnymi barwnymi u^* v^* lub a^*, b^* , a jasność wielkością L^*.

W zastosowaniach wskaźników ciekłokrystalicznych prezentujących obrazy (statyczne lub dynamicznie zmienne – TV) dodatkowym warunkiem wymaganym do spełnienia jest skala szarości – ilość rozróżnialnych poziomów szarości prezentowanym na wskaźniku.

Podstawowymi charakterystykami umożliwiającymi ocenę jakościową i ilościową przydatności wskaźnika ciekłokrystalicznego w określonych zastosowaniach są rozkłady przestrzenne jasności segmentów wysterowanych, niewysterowanych i tła wskaźnika oraz związane bezpośrednio z nimi rozkłady przestrzenne kontrastu wskaźnika, tj.

zależności kontrastu od kąta obserwacji wskaźnika.

Pomiary te prowadzimy najczęściej jedynie w wybranych punktach wskaźnika, natomiast badania ich jednorodności w obrębie całego wskaźnika, prowadzone w cyklu badań wyrobu, umożliwiają ocenę stabilności procesu technologicznego.

2. Pomiary parametrów wskaźników

2.1. Pomiary właściwości elektrooptycznych: statycznych i dynamicznych

Prezentowany laboratoryjny zestaw pomiarowy umożliwia przeprowadzenie pomiarów optycznych, elektrooptycznych (w warunkach wysterowania quasistatycznego lub dynamicznego) wskaźnika ciekłokrystalicznego w jednym wybranym kierunku lub w jednej wybranej płaszczyźnie obserwacji.

Rys. 1. Laboratoryjny zestaw pomiarowy Na zestaw przedstawiony, na rys.1 składają się:

- źródło światła (A): monochromatyczne (laser He–Ne),

(5)

- odbiornik światła (J): detektor szerokopasmowy – dioda PIN, wzmacniacz,

- generator sygnałów sterujących: generator funkcyjny; generujący sygnały do pomiaru charakterystyk quasistatycznych, dynamicznej symulacji multipleksowania itp. Wytwarza ciągi impulsów modulowanych amplitudowo o zadanej częstotliwości i konfiguracji,

- rejestrator: oscyloskop, ploter, rejestrator elektroniczny, - układ mechaniczny (F) umożliwiający:

a) pozycjonowanie badanego wskaźnika w płaszczyźnie prostopadłej do osi promienia światła, oraz wybór i pozycjonowanie punktu pomiarowego,

b) obrót wskaźnika względem osi prostopadłej do osi promienia światła.

Zestaw taki zmontowany na ławie optycznej, (rys.1) umożliwia dowolne zestawienie zespołu elementów koniecznych do realizacji wybranej procedury pomiarowej, jak np.:

pomiaru charakterystyk elektrooptycznych wskaźnika tj. zależności transmisji od wartości skutecznej napięcia sygnału sterującego wskaźnikiem dla wybranej konfiguracji pomiarowej (usytuowanie promienia światła względem wskaźnika – kąty nachylenia i azymutu kierunku pomiaru względem wskaźnika).

Jako standard przyjmuje się konfigurację pomiarową ze strumieniem światła padającym prostopadle (normalnie) na płaszczyznę wskaźnika. Przy takim usytuowaniu prowadzi się:

- pomiary charakterystyk dynamicznych wskaźnika (czas zadziałania, wyłączania, opóźnienia),

- pomiary parametrów optycznych (droga optyczna, przesunięcie fazowe, widmo transmisji itp.).

Badaną komórkę ciekłokrystaliczną umieszcza się w torze optycznym zestawu w uchwycie układu i po podaniu sygnałów sterujących rejestruje zmiany transmisji.

Pomiary charakterystyk elektrooptycznych przeprowadzamy w warunkach quasistatycznych, tj. ciągiem impulsów bipolarnych o bardzo wolno narastającej amplitudzie (maksymalny przyrost 100mV/sek – wolniej niż czasy relaksacji tekstury).

Warunki dynamicznego przełączenia symulujemy sterując ciągiem impulsów o zdefiniowanych parametrach (czasach trwania i powtarzania, amplitudzie i częstotliwości).

Przebiegi sygnałów sterujących wskaźnik ciekłokrystaliczny przedstawiono na rys. 2.

(6)

Rys.2. Przykłady sygnałów sterujących wskaźnikiem ciekłokrystalicznym

Informację uzyskaną z pomiarów przedstawiamy charakterystyką elektrooptyczną wskaźnika (rys.3) i/lub przebiegiem dynamicznego przełączania (rys.4).

Wielkością charakterystyczną pomiaru K jest kontrast lub unormowana jasność wskaźnika.

Transmisję T definiujemy jako stosunek luminancji strumienia światła przenikającego przez komórkę ciekłokrystaliczną w stanach ON i OFF.

Zgodnie z propozycją normy europejskiej jako napięcie progowe przyjmuje się napięcie UP=U10, a jako napięcie nasycenia się napięcie US=U90.

Rys.3. Charakterystyka elektrooptyczna wskaźnika ciekłokrystalicznego

Rys.4. Charakterystyka dynamiczna wskaźnika ciekłokrystalicznego

(7)

Z przebiegu charakterystyki elektrooptycznej (rys. 3) określamy:

- nacięcie dla transmisji T=10% U10= napięcie progowe UP, - napięcie dla transmisji T=90% U90= napięcie nasycenia Us, - napięcie dla transmisji T=50% U50,

- stromość charakterystyki elektrooptycznej p=(U90 – U10)/U10.

Dla dynamicznych zmian transmisji definiujemy (rys. 4):

- czas zadziałania tON,

- czas wyłączania tOFF,

- czas opóźnienia td.

Czasy te są zależne od parametrów konstrukcyjnych wskaźników, zastosowanych mieszanin ciekłokrystalicznych, temperatury, warunków sterowania.

Pomiary parametrów wskaźnika można przeprowadzić dla dowolnego usytuowania strumienia światła względem komórki. Realizacja serii takich pomiarów w zestawie laboratoryjnym jest jednak bardzo czasochłonna. Automatyczne ich przeprowadzenie, wraz z pełnym procesem opracowania uzyskanych danych, umożliwia zestaw pomiarowy DMS.

3. Przebieg ćwiczenia

3.1. Skompletowanie zestawu pomiarowego:

W skład zestawu wchodzą:

1. Generator funkcyjny – generujący falę prostokątną o częstotliwości 1kHz, (rys.2) o amplitudzie regulowanej ręcznie (pokrętło nr 3) lub modulowanej impulsami prostokątnymi (pokrętło 1 – odstęp miedzy impulsami, pokrętło 2 – czas trwania paczki impulsów.

Przełącznik 2 – pozycyjny:

– pozycja górna – praca ciągła – pomiary charakterystyk statycznych;

– pozycja dolna – generacja paczek impulsów – pomiary charakterystyk dynamicznych.

Klawisze izostatów służą do skokowej zmiany czasów trwania i odstępu impulsów.

2. Detektor – dioda PIN wraz z wzmacniaczem, wyjście BNC – sygnał proporcjonalny do strumienia promieniowania.

3. Voltomierz URV 3–2– pomiar sygnału sterującego komórkę LCD,

4. Voltomierz U 562 – pomiar napięcia wyjściowego detektora, proporcjonalnego do

(8)

strumienia promieniowania – transmisji komórki.

5. Oscyloskop DT5100 – do wizualizacji charakterystyk dynamicznych, zmian transmisji komórki sterowanej ciągami impulsów.

3.2. Justowanie

Ustawić komórkę LCD na ławie optycznej tak by strumień lasera padał normalnie na jeden z segmentów symbolu cyfry, sprawdzić (po wysterowaniu komórki) czy detektor jest właściwie usytuowany.

Normalny do płaszczyzny wskaźnika kierunek propagacji realizujemy przez takie ustawienie komórki by strumień odbity padał na źrenicę wyjściową lasera.

UWAGA!!!!

NIE PATRZEĆ W STRUMIEŃ LASERA !!!!!

3.3. Pomiary

W ramach ćwiczenia należy wykonać pomiary:

a) charakterystyk statycznych:

1) dla normalnego do wskaźnika kierunku propagacji strumienia lasera, 2) dla 4 kątów obserwacji (różne kąty azymutu),

b) charakterystyk dynamicznych:

1) w warunkach jak a1), wysterowanie U = U90, 1.5*U90; 2) wysterowanie U = U90, warunki jak a2);

Zaobserwować zależność charakterystyk dynamicznych od napięcia sterującego i od czasów trwania i odstępu impulsów sterujących.

4. Opracowanie wyników pomiarów

1. Wykreślić charakterystyki elektrooptyczne.

2. Wyznaczyć napięcia U10, U50, U90 i stromość charakterystyki p.

3. Omówić uzyskane rezultaty, przedyskutować zależności charakterystyk od warunków pomiaru.

4. Przedyskutować wpływ warunków pomiarów na szybkość działania LCD.