Katedra Optoelektroniki

Wydział Elektroniki Telekomunikacji

i Informatyki

Politechnika Gdańska

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI

ĆWICZENIE 5

WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

Gdańsk, 2002

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

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 U

RMS

dopuszczał na składowa stała U

DC

, 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

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

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)

(

)

(

)

1

0

1

0

,

,

L

L

MIN

L

L

MAX

CR

=

1

≤ CR ≤∞

(1)

− kontrast (Contrast)

(

)

(

)

1

0

1

0

, L

L

MAX

L

L

ABS

C

−

=

0

≤ C ≤1

(2)

gdzie: L

0

, L

1

– wielkość luminancji wskaźnika w stanach ON i OFF oraz zmiana

luminancji

∆L=L

1

–L

0

(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

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

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),

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

5

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

- generator sygnałów sterujących: generator funkcyjny; generujący sygnały do

pomiaru charakterystyk quasistatycznych, dynamicznej symulacji multi-
pleksowania 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 quasi-

statycznych, 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.

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

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
U

P

=U

10

, a jako napięcie nasycenia się napięcie U

S

=U

90

.

Rys.3. Charakterystyka elektrooptyczna wskaźnika ciekłokrystalicznego

Rys.4. Charakterystyka dynamiczna wskaźnika ciekłokrystalicznego

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

7

Z przebiegu charakterystyki elektrooptycznej (rys. 3) określamy:

- nacięcie dla transmisji T=10%

U

10

= napięcie progowe

U

P

,

- napięcie dla transmisji T=90% U

90

= napięcie nasycenia

U

s

,

- napięcie dla transmisji T=50%

U

50

,

- stromość charakterystyki elektrooptycznej p=(U

90

– U

10

)/U

10

.

Dla dynamicznych zmian transmisji definiujemy (rys. 4):

- czas zadziałania t

ON,

- czas wyłączania t

OFF,

- czas opóźnienia t

d

.

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

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska

ĆWICZENIE 5: WYŚWIETLACZ CIEKŁOKRYSTALICZNY

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 = U

90

, 1.5*U

90

;

2) wysterowanie U = U

90

, 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 U

10

, U

50

, U

90

i stromość charakterystyki p.

3. Omówić uzyskane rezultaty, przedyskutować zależności charakterystyk od

warunków pomiaru.

4. Przedyskutować wpływ warunków pomiarów na szybkość działania LCD.

Katedra Optoelektroniki

Wydział ETI

Politechnika Gdańska