液晶动态响应测试系统开发

叶文江，邢红玉，秦 禹，刘晓梦，孙艳梅

（1.河北工业大学 理学院，天津 300401；2.河北工业大学 电子信息工程学院，天津 300401；3.正定县第八中学，河北 石家庄 050800）

液晶显示是目前平板显示领域占主导地位的显示技术，从国家的尖端产品到人们的日常生活用品到处可见液晶显示产品.尽管科研人员不断地研发新的液晶显示产品或液晶显示模式，以期解决液晶显示本身固有的缺陷，但是液晶显示的视角问题、响应速度问题依然存在，尤其是液晶响应速度问题[1-2].液晶的响应速度快慢直接影响动态显示的效果，导致是否出现拖尾现象.针对液晶动态响应问题的理论方面的研究，国内外学者做了大量的工作，提出了改善液晶材料粘滞系数和液晶显示模式的新设计[3-16].为了从实验上分析液晶动态响应，需要测量液晶盒施加脉冲信号前后光透过率随时间的变化，可以采用液晶参数综合测试仪测定.但是，存在两个弊端：1）液晶盒驱动电压信号（脉冲电压信号）是固定的，即使是可调的，也局限于常用的几种驱动信号，对于特殊驱动的液晶动态响应测试无法完成；2）仪器笨重，不易移动，而且价格较贵，对于小型的液晶器件厂家和一些科研院校很难实现.为此，本文设计开发了一套液晶动态响应测试系统.

系统采用单片机控制液晶盒驱动脉冲信号的输出及液晶盒透射光强信号的模数转化与采集，操作简单，能够自动对液晶盒施加不同设置的电压脉冲并实时测量传感器模块的响应而得到数据，由此绘制液晶动态响应曲线，分析液晶的响应时间[17-18].本系统尤其在科研院校和液晶器件厂家研发部门的研究和教学中容易得到推广和应用，很方便的研究与液晶动态响应相关的问题.基于此系统，本课题组曾对混合排列向列相液晶动态响应过程进行实验测量，研究向列相液晶材料的挠曲电特性[19].

1 系统设计

液晶动态响应测试系统结构框图如图1所示，包括电源模块、单片机最小系统、数码管显示模块、按键模块、MSP430最小系统模块、LCD驱动模块、LCD显示屏、串行数据传输模块和信号采集模块.具体的模块构成及工作原理如下.

1.1 电源模块

系统需要±12V、+5V和+3.3V电压，其中±12V电压由外部电源盒直接提供；+5 V电压则通过LM 7805稳压管稳压后得到，如图2所示；而+3.3 V电压则由AMS1117-3.3稳压芯片稳压后得到，如图3所示.

图1 液晶动态响应测试系统框图Fig.1 Diagram of testing system on dynam ic responseof liquid crystal

图2 电源模块Fig.2 Electricalsourcemodule

图3 电源模块Fig.3 Electricalsourcemodule

1.2 LCD驱动模块

LCD驱动模块由DAC0832和LM 258构成，DAC0832是数字模拟转换芯片，当给数字输入端提供某一数字信号时，相应的模拟输出端则会输出一个正比于此数字信号的电流，而本实验需要的是模拟电压信号，所以要通过LM 258运放将一个电流信号转换为一个电压信号进行输出，此连接方法是经典方法，如图4所示.

1.3 A路DA转换

该模块由DAC0832和LM 358组成，DAC0832和LM 358的连接为经典连接，主要将一个正比于输入的输出电流转换成一个电压信号进行输出，从而对上一级电压的极性进行翻转，如图5所示.

1.4 B路DA转换

由 DAC0832、LM 358及 R17-R22组成，DAC0832和LM 358的连接为经典连接，主要将一个正比于输入的输出电流转换成一个电压信号进行输出，此模块的功能是输出一个与A路DA转换输出的电压幅值相等、极性相反电压脉冲，如图6所示.

1.5 单片机最小系统

由 STC89C51、Y1、C1、C2、C3、R5、S5组成，其中 C2、C3和 Y1构成晶振电路，C1、R5、S5组成复位电路，如图7所示.

图4 LCD驱动模块Fig.4 LCD drivenmodule

1.6 数码管现实模块

由7段数码管显示器、R6-R15及D1-D2组成，数码管显示器由S8550三极管构成放大电路进行驱动，当R14或R15上的信号为有效信号时，则相应的数码管显示器显示用户信息，R6-R13是限流电阻，如图8所示.

图5 A路DA转换Fig.5 DA conversion for A road

图6 B路DA转换Fig.6 DA conversion for B road

图7 单片机最小系统Fig.7 Single chipmicrocomputerm inimum system module

图8 数码管显示模块Fig.8 Digital tubedisplaymodule

1.7 MSP430最小系统

由MSP430F149、C8、C9、Y2、Y3组成.其中，C8、C9和Y2组成晶振电路，Y3为MSP430F149提供一精准外部时钟.LCD响应信号的采集处理传输由此模块完成.如图9所示.

1.8 按键模块

由K1-K4和R1-R4组成，K1是采集开始按键，按下则开始LCD响应的采集处理及传输工作，直至所有预设电压下的响应信号都传输完毕，K2及K3是操作者手动调节输出电压的按键，K2是输出电压递增键，K3是递减键，增减值为每次按下变动0.1 V，K4是为后续丰富系统功能而增加的按键，如图10所示.

2 系统测试

图9 MSP430最小系统Fig.9 MSP430m inimum system module

为了测试系统的可行性，对强锚泊扭曲向列相液晶的动态响应过程进行了实验测量，实验装置如图11所示，由He-Ne激光器（632.8nm）、起偏器、扭曲向列相（TN）液晶盒、检偏器、硅光探测器、液晶动态响应测试系统及计算机构成.起偏器和检偏器正交放置，与起偏器对应的TN盒基板摩擦方向与起偏器的透振方向一致，同样与检偏器对应的TN盒基板摩擦方向与检偏器的透振方向一致，这样TN盒显示模式为常白模式[7-8，17]，即不加电压时液晶盒是透光的，并且透过率最大，当施加电压超过阈值电压时，液晶盒的透过率变小.考虑动态响应过程，施加电压时，透射光强在很短时间内由最大变为最小，撤掉电压后，透射光强又会在一个相对较长时间内恢复初始的强度.实验测量过程如下：

1）选择特定波长的光作为光源（如波长为632.8nm的He-Ne激光器）.调节光学器件同轴等高，保证光路畅通，给液晶盒施加或撤去电压，利用硅光电池传感器采集该过程中的光信号变化，采集密度为每500ns采集一次，采集时长为300ms，即采集600个数据，得到电压变化过程中的透射光强度变化；

2）将采集到的数据作为纵坐标，添加时间为横坐标，得到电压变化过程中液晶盒透射光强随时间的变化关系；

3）利用数据处理软件（Origin软件）绘图，将实验数据做归一化处理得到黑色的原始测量结果；将归一化的测量结果利用相邻点求平均的方法进行处理，得到镂空三角的拟合曲线；将拟合曲线再次进行归一化处理，得到实验曲线的最终结果（即镂空五角星拟合曲线），图中各曲线横坐标均为时间，单位为ms，纵坐标为液晶盒光学透过率，无量纲，如图12所示，施加电压为3 V；

4）TN-LCD驱动电压从1.0 V到10.0 V以1.0 V为步进电压递增，测得不同驱动电压下的动态响应实验曲线.

利用上述处理过程，给出了扭曲向列相液晶施加4 V电压脉冲时动态响应实验曲线，如图13所示.从动态响应实验曲线可以看出，施加4 V电压脉冲时扭曲向列相液晶的上升时间（最大透射光强 90%～10% 所对应的时间）为3ms，下降时间（最大透射光强10%～90%所对应的时间）为19 ms，总的响应时间为21ms.利用液晶动力学理论[20]通过数值模拟可以得到动态响应的理论曲线，同样在图13中给出，可以看出由液晶动态响应测试系统测量得到的动态响应实验曲线与理论曲线基本吻合.

图10 按键模块Fig.10 Keysmodule

图11 液晶动态响应实验装置图Fig.11 Experimentalsetup of dynam ic responseof liquid crystal

图12 扭曲向列相液晶动态响应实验曲线Fig.12 Experimentalcurvesof dynam ic responseof tw isted nematic liquid crystal

图13 扭曲向列相液晶动态响应理论与实验曲线Fig.13 Theoreticaland experimentalcurvesof dynam ic responseof tw isted nematic liquid crystal

3 结论

本文详细介绍了液晶动态响应测试系统的组成，并对系统每一个模块的构成及功能进行了说明，从理论上阐明了系统的有机结合.实验上，通过利用此系统测量得到的强锚泊扭曲向列相液晶动态响应实验曲线与液晶动力学理论数值计算得到的理论曲线之间的比较，两者有一个较好的吻合，验证了系统的实用性.除了上述扭曲向列相液晶显示模式的动态响应测试外，其他液晶显示模式中的液晶动态响应同样可以测量，比如：电控双折射（ECB）模式[21]、共面转换（IPS）模式[22]、光学补偿弯曲（OCB）模式[23]等.这些显示模式中与液晶动态响应相关的科学问题可以通过系统对液晶动态响应过程的测试进行研究，比如：液晶显示的响应速度问题、引流效应[24]、液晶材料的转动粘滞系数测量问题等.

[1]马群刚.非主动发光平板显示技术 [M].北京：电子工业出版社，2013：40-45.

[2]高鸿锦，董友梅.新型显示技术（上册）[M].北京：北京邮电大学出版社，2013：55-58.

[3]高嫒嫒，郑远洋，杜渭松，等.含氟液晶的性能、应用与合成进展 [J].液晶与显示，2014，29（2）：159-171.

[4]曹秀英，赵敏，戴修文，等.双环己基含氟二苯乙炔类负性液晶的合成及应用 [J].液晶与显示，2014，28（6）：843-848.

[5]刘超，胡立发，曹召良，等.快速响应的硅基纯相位液晶器件对动态大气湍流波前的校正能力研究 [J].物理学报，2012，61（8）：553-561.

[6]周璇，张志东，孙玉宝.有效粘滞系数对混合排列向列相液晶动力学的影响 [J].液晶与显示，2009，24（2）：168-173.

[7]张海龙.扭曲向列相液晶显示器中的响应时间研究 [D].天津：河北工业大学，2010.

[8]孙玉宝.液晶显示器动力学响应研究 [D].天津：河北工业大学，2010.

[9]Kumar Rishi，Raina K K.Polymer stabilized liquid crystals:materials，physicsand applications[J].AIPConf Proc，2011，46：1393.

[10]Zakharov A V，Vakulenko A A.Dynamicsof themodulated distortions in confined nematic liquid crystals[J].JChem Phys，2013，139（24）：244904.

[11]Yan Jin，Chen Yuan，Wu Shin-Tson，etal.Dynamic responseofapolymer-stabilizedblue-phase liquid crystal[J].JApplPhys，2012，111（6）：063103.

[12]Hyunseok Choi，HirokiHiguchi，Hirotsugu Kikuchi.Fastelectro-optic sw itching in liquid crystal blue phase II[J].Appl Phys Lett，2011，98（13）：131905.

[13]Huang Chi-Yen，LaiChien-Cheng，Huang Yi-Jen，etal.Sw itching characteristicsofsilicananoparticle-doped dual-mode liquid crystaldevice[J].Jpn JApplPhys，2010，49（2）：028003.

[14]Kim Jung-Wook，Shin Sung-Tae，Yoon Tae-Hoon.Technologies for sub-millisecond response time of nematic liquid crystals[J].MolCryst Liq Cryst，2014，595（1）：1-8.

[15]Kang Shin-Woong，Choi Young Eun，Lee Byeong Hoon，etal.Surface polymer-stabilised in-plane field driven vertical alignment liquid crystal device[J].Liq Cryst，2014，41（4）：552-557.

[16]Song DongHan，Kim Jung-Wook，Kim Ki-Han，etal.Ultrafastsw itchingof random ly-alignednematic liquid crystals[J].OpticsExpress，2012，20（11）：11659-11664.

[17]范志新.液晶器件工艺基础 [M].北京：北京邮电大学出版社，2000：189-199.

[18]Yang D K，Wu ST.Fundamentalsof liquid crystaldevices[M].Chichester：JohnWileyamp;Sons Ltd，2006：224.

[19]邢红玉，叶文江，蔡明雷，等.基于液晶动态响应的挠曲电系数测量 [J].光学学报，2015，35（3）：0323002(1-6).

[20]谢毓章.凝聚态物理学丛书：液晶物理学 [M].北京：科学出版社，1998：172-177.

[21]Blinov LM，Chigrinov V G.Electrooptic effects in liquid crystalmaterials[M].New York：Springer-Verlag，1994：148-154.

[22]Lee Seung Hee，Hong Seung Ho，Noh Jeong Dong，etal.Chiral-doped optically compensated bend nematic liquid crystalcellwith continuousdeformation from tw ist to tw isted bend state[J].Jpn JAppl Phys，2001，40（2）：L389-L392.

[23]Oh-eM，Kondo K.The in-plane-sw itching of homogeneously aligned nematic liquid crystals[J].Liq Cryst，1997，22（2）：379-390.

[24]Berreman DW.Liquid crystal tw istcelldynamicsand backflow[J].JAppl Phys，1975，46（9）：3746-3751.