輸出光強恒定的液晶自動調節系統

葉文江，蘇軍紅，劉曉夢，馬志達，黃媛媛

(河北工業大學 理學院，天津 300401)

1 引 言

液晶由于受外加電場的影響能夠產生形變，從而改變穿過液晶層的光學信息，包括振幅和相位，在顯示和非顯示領域得到了廣泛應用。液晶在光位相調制和波前校正方面的研究最早在前蘇聯展開。1979年，Vasil′ev A A等人對液晶空間光調制器的位相調制特性進行了研究[1]；1983年對其應用前景做了詳細闡述[2]；1986年，他們制作了16單元的電尋址液晶波前校正器，實現了對一維畸變波前的校正[3]；1989年，計算機控制的液晶波前校正器得到了應用，實現了對波前的校正[4]。1995年，Dou R等人用液晶電視屏構成的偏振單色光液晶自適應光學系統雛形觀察到了自適應校正效果[5]，隨后，Neil M A A等人開始了液晶自適應光學系統對大氣湍流中波面校正的研究[6]，并且人眼視網膜成像的校正也由Prieto P等人開始了探索性的研究[7]。

國內關于液晶自適應光學的研究起步較晚，主要集中在兩個單位。北京理工大學在1999年討論了液晶空間光調制器在自適應光學中應用的可能性[8]，并于2005年進行了靜態波前畸變校正實驗[9]，得到了很好的結果。中科院長春光機所從2001年開始從事液晶自適應光學技術的研究工作，經過近十多年的努力，解決了液晶自適應光學存在的技術瓶頸，取得了一系列成果[10-15]，對液晶波前校正器動態響應特性做了詳細闡述[16]，分別應用到中科院國家天文臺和長春光機所的望遠鏡上及人眼視網膜成像校正方面。

以上研究都是利用液晶自適應光學技術實現清晰成像，而在某些生產以及生活中，產生并維持一個恒定光強的環境是非常必要的。對此河北工業大學楊潤作了相關研究，設計出扭曲向列相液晶光電自適應系統[17]，但是他所設計的自適應系統在電路理論上主要存在以下三點缺陷：(1)光電板的響應速度慢；(2)光電轉換和信號采集在理論設計存在錯誤；(3)驅動信號過于簡單以致于無法完成驅動電壓的實時有效改變，可控性較差，因此造成該系統無法正常實現自適應功能。我們所研究的輸出光強恒定的液晶自動調節系統在彌補了楊潤所設計的自適應系統的缺陷的基礎上又增加了許多功能，例如：環境光照強度可預置、工作狀態可視化、液晶的“驅動電壓—透光率”特性的測試等等。

此外，系統在激光應用方面具有潛在的應用價值。激光器打開后，隨著時間的推移，其發光強度會發生變化，這對某些工業加工或實驗產生影響。應用此系統可以穩定實際應用的激光的強度，達到一個較好的效果。

2 原 理

2.1 液晶電光調制原理

對液晶盒施加電壓，在外加電場的作用下，液晶分子取向會產生不同程度的形變，從而導致光的透過率發生變化[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扭曲了90°。當外加電壓小于閾值電壓時，線偏振光垂直穿過液晶層后，其振動方向隨液晶指向矢的扭曲面旋轉90°，液晶盒具有在正交偏振片間透光的功能。當外加電壓達到飽和電壓時，除基板表面處液晶指向矢沿摩擦方向排列外，液晶盒內部指向矢將沿電場排列，90°旋光消失，液晶盒在正交偏振片間遮光[19]。

入射光波長為550 nm，盒厚為5.2 μm的TN盒電光特性數值模擬曲線如圖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：液晶盒的光學閾值電壓約為2.5 V，光學飽和電壓約為4 V，在這兩個電壓之間液晶盒對光的調制可以從最大光強到最小光強(常白模式)或從最小光強到最大光強(常黑模式)。因此，對應某一光強范圍，可以確定電壓調節范圍。

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控制原理[20-22]

光電傳感器是指能夠將可見光轉換成某種電量的傳感器。光敏二極管是最常見的光電傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN結的面積做得較大。光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態下，并與負載電阻相串聯。當無光照時，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；當有光照時，載流子被激發，產生電子-空穴，稱為光電載流子。在外電場的作用下，光電載流子參與導電，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度成正比，于是在負載電阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。

單片機控制原理：光電傳感器傳來的電信號先經過A/D模數轉換轉換成單片機可辨識的數字信號反饋給單片機，單片機經過分析和判斷將結果通過D/A數模轉換反饋到TN盒上，從而形成一個以單片機為核心的負反饋網絡。由于單片機的參與，因此這是一個智能化的控制系統。

3 系統開發

對于光強在一定范圍內變化的外界環境，TN盒的光強透過率是隨之變化的。此系統就是在自主判斷外界光強的基礎上自動調節TN盒的透過光強，從而得到一個恒定的光強環境。系統需外置一平行光探測光路，使光能夠垂直打在光電傳感器上，避免匯聚或發散光對信號采集產生的影響。

3.1 系統結構

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

圖2 輸出光強恒定的液晶自動調節系統框圖Fig.2 Diagram of the liquid crystal self-regulation system of exporting fixed light intensity

電源模塊：

系統需要+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LM7805穩壓后得到，如圖3所示。

圖3 電源模塊Fig.3 Electrical source module

圖4 驅動信號產生模塊Fig.4 Module of producing a driven signal

波形產生模塊：

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

單片機最小系統：

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組成復位電路，C3、C4為電源濾波電容，如圖5所示。

圖5 最小系統模塊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)的功能是測試液晶的透光率和電壓之間的關系。當K1按下后系統會將驅動電壓以0.1 V的步進電壓從0.1～5.0 V遞增，遞增速率為20 ms/次，每遞增一次系統會記錄下此時空間內的光照強度，遞增至5.0 V后經過顯示屏將數據輸出。K2(Up)的功能是增加預置強度。K3(Down)的功能是減小預置強度，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 系統工作原理

輸出光強恒定的液晶自動調節系統原理圖如圖7所示。系統由電源模塊供電，系統上電后自動進入工作狀態，同時液晶屏顯示工作狀態，系統默認預置強度為2.50 V，單片機通過U8控制驅動信號的電壓大小。當外部光強增強時，光電傳感器會把信息轉變為電信號反饋給單片機，經過單片機分析后會通過U8增加驅動信號的電壓，TN-LCD上的電壓增大，TN-LCD的透光率會降低，從而維持空間內光強恒定。當外部光強降低時，光電傳感器會把信息轉變為電信號反饋給單片機，經過單片機分析后會通過U8降低驅動信號的電壓，TN-LCD上的電壓減小，TN-LCD的透光率會增大，從而維持空間內光強恒定。

圖7 輸出光強恒定的液晶自動調節系統原理圖Fig.7 Principle chart of the liquid crystal self-regulation system of exporting fixed light intensity

3.3 系統實物圖及功能介紹

系統實物圖及系統測試的電壓-透光率曲線如圖8和9所示。系統功能主要包括：

圖8 系統實物圖Fig.8 Physical map of system

圖9 實驗測量曲線Fig.9 Experimental measured curve

3.3.1 維持特定空間光照強度不變

這是本系統設計的初衷，也是最基本的功能。本系統采用單片機作為反饋網絡實現光照強度的自動調節。

3.3.2 特定空間內的光照強度調節

空間內的光強是由液晶的透光率決定的，而液晶的透光率是由按鍵通過單片機調節的。

3.3.3 顯示當前工作狀態

本系統通過128×64液晶屏顯示當前工作狀態，如圖8(b)所示當前狀態為工作狀態，預置透光強度為2.5 V。

3.3.4 液晶電壓-透光率曲線的測試

本系統的一個附加功能就是液晶電壓-透光率特性的測試。系統通過對TN盒加掃描電壓，采集光敏傳感器的電壓值得到一組數據，然后就可以畫出液晶的電壓—透光率的特性曲線。由此確定本系統工作的選擇電壓，并對系統的初始值進行設置。

系統主要是利用液晶進行調光實現恒定光強的，因此液晶態必須要保證，這就決定了系統在一定的溫度范圍內實用。不同的液晶材料，維持液晶態的范圍有所不同，隨著人們對液晶材料研究的不斷深入，其溫度范圍在不斷的加寬，那么系統工作的溫度范圍也將進一步的加大。

4 結 論

本文根據液晶盒的電光效應及其顯示原理并將之與傳感器和單片機結合，設計出光強恒定的液晶自動調節系統并制作出實物裝置，實現了光強自動調節功能，并能顯示當前的工作狀態及測試液晶的電壓—透過率特性。該系統對于穩定激光光路的強度恒定具有一定的應用價值。

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