39276

Разработка автоматизированной системы измерений параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью подложки

Дипломная

Информатика, кибернетика и программирование

Для них характерна относительная свобода пространственного порядка молекул в одном или более измерениях. Наиболее распространены нематические ЖК у которых длинные оси молекулы вытянуты приблизительно параллельно друг другу. Схема выключенной монохромной ячейки Если к ячейке приложено электрическое поле оси молекул поворачиваются перпендикулярно электродам и структура перестаёт вращать плоскость поляризации падающего света который при этом поглощается вторым поляризатором и устройство выглядит темным. Схема установки с вращением ячейки по...

Русский

2013-10-01

7.52 MB

19 чел.

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

           КАФЕДРА КИБЕРНЕТИКИ И МЕХАТРОНИКИ

           Утверждаю

Зав. кафедрой кибернетики и  мехатроники

_____________________ К.А. Пупков

           «___»  _____________ 20___г.

Магистерская диссертация

На тему

 Разработка автоматизированной системы измерений параметров взаимодействия жидких кристаллов с поверхностью подложки

Разработчик

Студент группы  ИУМ-202

Студенческий билет № 1032071908

___________________ С.В.Мойсеенко

                (подпись)

Руководитель

д.т.н., профессор

_________________ В.В.Беляев

                (подпись) 

Москва 2013

Оглавление

Введение 3

Постановка задачи 4

Раздел 1. Обзор физических параметров 5

1.1. Основные типы жидких кристаллов 5

1.2. Основные виды задания ориентации в ЖК ячейке........................... 8    

Раздел 2. Методика 10

2.1. Логическая модель системы..............................................................10

2.2. Требования к системе 16

Раздел 3. Модель системы 17

3.1. Схема установки и список оборудования 17

3.2. Технические схемы проводимых опытов  24

3.3. Управляющее воздействие на двигатель 37

3.4. Фотографии реальной установки 42

Раздел 4. Обработка Результатов 46

4.1. Полученные практические результаты 46

4.2. Получение теоретических результатов в среде MatLAB...............53

4.3 Сравнение теоретических и практических результатов...............56

Выводы 58

Список используемой литературы 59

Введение

Технологии, основанные на жидких кристаллах, развиваются в мире очень динамично, поэтому существует необходимость в изучении свойств жидких кристаллов в частности определение угла подвеса и пропускания света в зависимости от угла поворота.

Проблематика

Жидкокристаллические дисплеи широко применяются человечеством в самых различных сферах. В каждой сфере нужны ЖК дисплеи с различными характеристиками. В данный момент измерение свойств ЖК отличается дороговизной и трудоемкостью.

Актуальность

В настоящее время, технологический прогресс в области электроники развивается огромными темпами, сейчас уже невозможно представить электронное устройство без дисплея. Дисплеи стали неотъемлемой частью нашей жизни и как в быту так и в работе. ЖК дисплеями оборудовано почти все современное оборудование и для повышения качества изделий производимых на этом оборудовании необходимо как повышение быстродействия ЖД дисплеев, так и повышения качества изображения. Повышение качества изображения и улучшения быстродействия дисплея необходимо нам и быту для сохранения зрения. Поэтому развитие автоматизированных способов измерения параметров взаимодействия ЖК с поверхностью подложек является актуальной задачей так как позволяет ускорить процесс поиска новых материалов для ЖК дисплеев более точного измерения их характеристик и снижения стоимости конечных изделий

Постановка задачи

Целью магистерской диссертации является:

1. Разработка автоматизированной системы измерения параметров взаимодействия жидкого кристалла с поверхностью подложки. В частности, разработка системы измерения угла преднаклона и системы измерения пропускания в зависимости от угла поворота, на примерах S и твист ЖК ячеек.

2. Создание программного обеспечения для построения графиков теоретических кривых пропускания света.

Для достижения целей необходимо выполнить следующие задачи:

1. Изучить физические свойства ЖК ячеек их устройство, особенности и принцип работы.

2.Разработать и сконструировать автоматизированную систему измерения пропускания света жидкокристаллическими ячейками, разработать систему управления вращением, систему сбора и обработки данных.

3.Провести экспериментальные замеры пропускания света на примере реальных образцов

4.Разработать программное обеспечение способное строить кривые пропускания света в зависимости от угла поворота ЖК ячейки.

5. Сравнить теоретические полученные результаты с результатами, полученными при проведении опытов на реальных образцах

РАЗДЕЛ 1. Обзор физических параметров

  1.  Основные типы жидких кристаллов.

Из всего многообразия веществ выделяют особый класс – жидкие кристаллы. Характеристикой таких веществ является способность находиться в промежуточном состоянии между кристаллическим твердым телом и аморфной жидкостью.

Материал, классифицируемый как кристалл, имеет в основе пространственную структуру, решетку, состоящую из атомов или молекул, которая периодически простирается на расстояния значительно большие, чем размер самой структуры. В таких веществах отклонение молекулы от своего определенного положения в решетке приводит к резкому увеличению полной энергии системы. Вследствие чего, это твердые тела, не обладающие текучестью или способностью изменять форму.

Материал, классифицируемый как жидкость, не имеет дальнего пространственного порядка. Изменение положения молекулы жидкости по отношению к остальным молекулам происходит практически при неизменной полной энергии системы. Это дает возможность жидкости течь и изменять свою форму под воздействием внешних сил.

Вещества, обладающие свойствами кристаллов и жидкостей, получили название  жидкие кристаллы. Для них характерна относительная свобода пространственного порядка молекул в одном или более измерениях. Что обеспечивает текучесть свойственную жидкости. Молекулы жидких кристаллов могут ориентироваться, так как они имеют форму отличную от полностью симметричной сферы. В целом, при усреднении по макроскопическому объему, это приводит к анизотропии ЖК материала.

Все жидкие кристаллы можно разделить, главным образом, на два класса: термотропные и лиотропные. Вещества, обладающее ЖК состоянием в зависимости от концентрации, получили название лиотропные жидкие кристаллы. ЖК фаза наблюдается в растворах при определенной концентрации вещества. Лиотропные ЖК имеют большое значение при рассмотрении биологических систем и мембран.

Термотропные жидкие кристаллы это вещества, испытывающие фазовое превращение между кристаллической фазой и ЖК мезофазой, а так же между ЖК мезофазой и фазы изотропной жидкости.

В зависимости от молекулярной структуры термотропные ЖК вещества имеют одну или несколько из трех основных ЖК мезофаз (по номенклатуре, предложенной впервые Фриделем): смектическая, нематическая (рис.1, Д) и холестерическая (рис.1, Г ). Каждый конкретный ЖК материал, может принимать различные мезофазы при различных термодинамических условиях. Например, холестерилмиристат при температуре T от 71,0 до 79,1˚С – смектик А; при Т от 79,1 до 84,6˚С – холестерик.

Смектические жидкие кристаллы имеют слоистую структуру, однако возможны различные типы упаковок молекул в слои (наличие трансляционного порядка). В смектике А молекулы в каждом слое расположены перпендикулярно плоскости слоя, в то же время их центры распределены в слое нерегулярно, как в жидкости (рис.1, Б). Смектик С – это наклонная форма смектика А (рис.1, В). Смектики А и С не обладают трансляционным порядком в слое, в отличие от  иного разнообразия смектиков, где имеет место упорядочивание внутри слоя.

Нематический жидкий кристалл имеет высокую степень дальнего ориентационного порядка, однако не имеет дальнего трансляционного порядка. Таким образом, в отличие от изотропной жидкости, его молекулы длинными осями спонтанно ориентированы примерно параллельно друг другу. (Рис.1, Д).

Холестерическая мезофаза также является нематическим типом жидкого кристалла, с тем различием, что она состоит из оптически активных молекул. Как следствие этого, структура имеет винтовую ось симметрии, расположенную нормально к направлению предпочтительной ориентации молекул (рис.1, Г). Молекулы, не обладающие оптической активностью, образуют пространственную спираль с бесконечно большим

А)

Б)

В)

Г)

кристалл

кристалл

смектик А

смектик С

холестерик

нематик

Д)

Е)

изотропная фаза

Рис. 1.1.Схемы молекулярного порядка:

А) – в кристаллической; Б),В) – в смектической; Г) – в холестерической; Д) – в нематической; Е) – в изотропной фазах.

шагом, что соответствует истинному нематику.

  1.  Основные виды задания ориентации в ЖК ячейке

В настоящее время существует несколько различных способов создания ориентации в ЖК ячейке, что подразумевает специальную обработку подложек. Это:

а)  Натирание ориентирующего слоя на подложке (Ориентирующие свойства определяются межмолекулярными взаимодействиями ориентанта и ЖК, а также рельефом поверхности.)

б) Косое напыление ориентирующей пленки на подложку (Ориентирующие свойства определяются рельефом поверхности.)

в) Облучение слоя фотоориентанта поляризованым светом для индуцирования ориентирующих свойств (Рельеф поверхности отсутствует, межмолекулярные взаимодействия ЖК и ориентанта отвечают за упорядочение молекул вблизи поверхности.)

г) Облучение слоя ориентанта пучками ионов для индуцирования ориентирующих свойств (Рельеф поверхности отсутствует, межмолекулярные взаимодействия ЖК и ориентанта отвечают за упорядочение молекул вблизи поверхности.)

 

А)

Б)

Рис. 1.2.Структура поверхности полиимидного материала AL3046, снятая при помощи атомного силового микроскопа:

А) до натирания                   Б) после натирания

Раздел 2. Методика

2.1. Логическая модель системы

Цель работы: Разработать автоматизированную систему, позволяющую определять пропускание света жидкокристаллической ячейкой в зависимости от ее угла поворота, а также автоматическую систему, определяющую пропускание света ЖК ячейкой в зависимости от угла преднаклона ЖК на поверхности подложки.

Модель системы: Основные характеристики ЖК обусловлены анизотропными характеристиками используемых материалов. Наиболее распространены нематические ЖК, у которых длинные оси молекулы, вытянуты приблизительно параллельно друг другу.

Ниже будет рассмотрена базовая конструкция и основы функционирования стандартного индикатора. Первая деталь – специальное стекло, придающее неполяризованному световому потоку плоскую поляризацию. В следующем слое «закрученная» структура ЖК вращает плоскость поляризации света на 90 градусов. Таким образом, свет проходит через второй поляризатор и устройство выглядит светлым.

Рис. 2.1. Схема выключенной монохромной ячейки

Если к ячейке приложено электрическое поле, оси молекул поворачиваются перпендикулярно электродам и структура перестаёт вращать плоскость поляризации падающего света, который при этом поглощается вторым поляризатором и устройство выглядит темным.

Рис. 2.2. Схема включенной монохромной ячейки

         После снятия поля нематик возвращается в «скрученное» состояние.

Подвижность кристаллов сильно зависит от температуры, при низкой температуре движение происходит медленно.

С электрической точки зрения, каждый элемент представляет собой конденсатор, с учётом сигнальных линий он представляет собой RC-цепь.

В данной работе опыты проводились без наложения электрического поля с целью определения первоначальных свойств пропускания нематической  ЖК ячейки под разными углами без воздействия посторонних сил. Схема установки для измерения пропускания света в зависимости от угла поворота ЖК ячейки:

 

Рис. 2.3. Схема установки с вращением ячейки по оси параллельной лучу лазера

Схема опыта в котором мы будем определять пропускание света в твист ячейке вращая ее параллельно оси луча лазера, в которой представлена модель автоматизированной системы измерения пропускания ЖК ячейки в зависимости от угла преднаклона, изображена на рисунке 2.4.

Рис. 2.4. Схематическое изображение системы измерения пропускной способности ЖК ячейки с вращением ячейки относительно оси перпендикулярной лучу лазера

Хотелось бы отметить, что рисунок 2.4 изображает лишь схематичное проведение опыта, в действительности установка немного отличается от схемы, в силу технических причин. Техническая реализация опыта указана на рисунке 3.7.

          Измерение угла преднаклона проводилось методом вращения ЖК ячейки относительно оси перпендикулярной оптической оси системы. На рисунке 2.3 представлена схема установки. Ячейка, состоящая из двух стеклянных подложек, натертых антипараллельно друг относительно друга, располагается на оси вращения, поверхностью перпендикулярно световому лучу, между скрещенными поляризаторами, которые составляют углы с осью вращения по 45. Ячейка может вращаться вокруг оси, параллельной поверхности и перпендикулярной направлению натирания. Луч лазера и ось вращения пересекаются. Поворачивая ячейку на различные углы, измеряется пропускание света.

Фазовая задержка светового луча, прошедшего через ячейку при угле поворота ячейки  может быть представлена как:

где:   d – толщина зазора, слоя ЖК

– длина волны света

f(α,) – функция угла преднаклона ЖК α=90- и угла поворота ячейки , определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки

f (α,) выражается как:

где:   n1 –показатель преломления ЖК для необыкновенного луча

n2 –показатель преломления ЖК для обыкновенного луча

Система поляризаторов позволяет выявлять различия в фазовой задержке, регистрируя различные значения пропускания. Для приведенной системы пропускание можно найти по формуле:

Чтобы измерить угол подвеса необходимо:

  1.  экспериментально получить кривую зависимости пропускания Т от угла поворота ЖК ячейки
  2.  построить теоретическую кривую по формулам (2.1), (2.2), (2.3)
  3.  варьированием значений угла преднаклона и толщины совместить теоретическую кривую с экспериментальной кривой

2.2. Требования к системе

Требования к системе поворота и сбора информации

Установка угла поворота в диапазоне от 0° до 360° при повороте ячейки вокруг оси, перпендикулярной лучу лазера и от -180° до +180° при повороте ячейки вокруг оси, параллельной лучу лазера с шагом до 0,05625.  

  1.  Регистрация угла поворота с точностью до 0,05625.
  2.  Регулируемая скорость вращения вокруг оси: поворот от 30 секунд до 180 секунд по выбору экспериментатора.
  3.  Поворот выполняется с заполнением результатами.
  4.  Сохранение результатов измерения в файл для последующей обработки
  5.  Сопоставление экспериментальных данных с результатами моделирования по приведенным формулам.

Раздел 3. Модель системы

3.1. Схема установки и список оборудования

Для проведения опытов было использовано следующее оборудование:

  1.  Осциллограф (Модель LeCroy 62Xs)
  2.  Жидкокристаллическая ячейка
  3.  Устройство для калибровки системы (Рис. 3.6.)
  4.  Лазер (Модель ГН-5П)
  5.  Поляризатор (Модель NPFG-1220DU)
  6.  Анализатор (Модель NPFG-1229DU)
  7.  Шаговый двигатель (Модель FL42STH)
  8.  Программируемый блок управления шаговыми двигателями (Модель SMSD-1.5K)
  9.  Импульсный источник питания (Модель GSM-H60S)
  10.  Персональный компьютер

Рассмотрим связку приборов, с помощью которых была осуществлена автоматизация вращения ячейки в держателе:

  1.  Программируемый блок управления шаговыми двигателями (модель SMSD-1.5K)
  2.  Шаговый двигатель (модель FL42STH)
  3.  Импульсный источник питания (модель GSM-H60S)

Блок-схема установки:

ЗАПИСЬ РЕЗУЛЬТАТОВ В ФАЙЛ

ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА

КАЛИБРОВКА СИСТЕМЫ

СВЕТОВОК ПУЧОК (ЛАЗЕР)

ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

СЕТЬ

СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ

БЛОК ПИТАНИЯ

УПРАВЛЯЮЩИЙ СИГНАЛ

ДРАЙВЕР

ВЫВОДЫ

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ В СРЕДЕ MATLAB

Рис. 3.1. Блок-схема установки. Часть, выделенную красной пунктирной линией, рассмотрим более подробно

Рис. 3.2. Рисунок отображает электро-оптическую схему установки

1) Программируемый блок управления шаговыми двигателями

Рис. 3.3. Свойства и особенности программируемого блока управления

Программируемый блок управления функциональные возможности:

  1.  Работа в ручном режиме
  2.  Автономное управление работой двигателя
  3.  Управление от компьютера или от внешнего задающего контроллера.
  4.  Загрузка команд ASCII с ПК

Шаговый драйвер может задавать скорость, ускорение движения, частотой импульсов  перемещения 1-10 МГц и с точность не боле 0.2%, а также работать в режиме целого шага или осуществлять дробление на ½, ¼, 1/8, 1/16 шага, что актуально в нашей теме.

Управление шаговым двигателем осуществляется через драйвер при помощи программы SMC. Работа с программой будет рассмотрена далее по тексту.

2) Шаговый двигатель

Рис. 3.4. Свойства и особенности шагового двигателя

Шаговый двигатель имеет следующие особенности:

  1.  Угловой шаг 0,9 градуса (благодаря драйверу 0,05625 градуса)
  2.  Крутящий момент 4,4 кгс*см
  3.  Вращение вала в любую сторону
  4.  Мощность двигателя 8,3 ватта

3) Источник питания

Рис. 3.5. Свойства и особенности источника питания

Импульсный источник питания имеет следующие особенности:

  1.  Рабочее напряжение 176-264 В
  2.  Выходное напряжение 24 В
  3.  Выходная сила тока 2,5 А
  4.  Выходная мощность 60 Вт
  5.  В целях защиты источника питания от перегрева он был оборудован системой принудительного воздушного охлаждения

Рис. 3.6. Устройство для калибровки системы

3.2. Технические схемы проводимых опытов

На основе логической схемы опыта по определению пропускания света через ячейку, вращающуюся по оси, параллельной лучу лазера, изображенной на рисунке 2.4, была физически смоделирована система.

Рис. 3.7. Техническая схема опыта по определению пропускания света в зависимости от угла подвеса

На схеме цифрами обозначены:

1. Лазер

2. Поляризатор

3. Основной подвижный блок(рассмотрен далее) Рис. 3.15

4. Жидкокристаллическая ячейка

5. Анализатор

6. Фотоприемник

7. Осциллограф

8. Персональный компьютер (ПК)

9. Луч лазера (Световой пучок)

Основной подвижный блок в данном эксперименте состоит из нескольких деталей и представляет из себя подготовленную платформу для вращения жидкого кристалла с необходимыми требованиями. Основной подвижный блок состоит из:

1. Основной несущей оси (Штифт)

2. Устройства калибровки системы (Платформа с юстировочными болтами изображенная на рисунке 3.6)

3. Полки крепления шагового двигателя с крепежами

4. Шагового двигателя с вспомогательной втулкой

5. Несущей оси держателя

6. Составного держателя

7. Подшипника

8. Втулки-вала

9. Втулки-держателя

10. Ременной передачи

11. Блока управления двигателем

Чертежи всех деталей использующихся для сбора основного подвижного блока прилагаются ниже. Фотография собранного основного подвижного блока в действии представлена на фотографиях 3.15 и 3.16

Описание сути происходящего в опыте:

Излучение лазера проходит через поляризатор, и падает на ЖК ячейку, находящуюся в движении. После прохождения через движущуюся ЖК ячейку, луч проходит через анализатор и попадает в фотоприемник. Вал, вращающий ячейку, приводится в движение ременной передачей от шагового мотора по заданной программе, инсталлированной в блок управления мотором. Скорость вращения ячейки оптимально подобрана для своевременного снятия показаний с фотоприемника Данные с фотоприемника попадают на осциллограф, где обрабатываются в специальной программе с возможностью записи массива данных в файл. Для обработки данных был выбран программный пакет Matlab. Данные записываются в файл формата совместимого с этим программным пакетом. Это файлы с расширением *.txt; каждый файл представляет из себя массив с данными.

На основе логической схемы опыта по определению пропускания света через ЖК ячейку в зависимости от угла поворота, изображенной на рисунке 2.3 была физически смоделирована система.

Рис. 3.8. Техническая схема опыта по определению пропускания света в зависимости от угла поворота ячейки

На схеме цифрами обозначены:

1. Лазер

2. Поляризатор

3. Жидкокристаллическая ячейка

4. Анализатор

5. Фотоприемник

6. Осциллограф

7. Блок управления шаговым двигателем (контроллер)

8. Шаговый двигатель

9. Крепежная платформа

10. Персональный компьютер

11. Луч лазера (Световой пучок)

Описание сути происходящего в опыте:

Излучение лазера проходит через поляризатор, и падает на ЖК ячейку, находящуюся в движении. После прохождения через движущуюся ЖК ячейку, луч проходит через анализатор и попадает в фотоприемник. Диск, вращающий ячейку, приводится в движение шаговым мотором по заданной программе, инсталлированной в блок управления мотором. Скорость вращения ячейки оптимально подобрана для своевременного снятия показаний с фотоприемника Данные с фотоприемника попадают на осциллограф, где обрабатываются в специальной программе с возможностью записи массива данных в файл. Для обработки данных был выбран программный пакет Matlab. Данные записываются в файл формата совместимого с этим программным пакетом. Это файлы с расширением *.txt; каждый файл представляет из себя массив с данными.

3.3.Управляющее воздействие на двигатель

 Управляющее воздействие на двигатель, оказывается с помощью программы SMC, через программируемый блок управления и управляется с компьютера.

Рис. 3.9. Главный вид программы

На рисунке 3.9. изображен главный вид программы SMC, на котором изображены задающие элементы управления двигателем и информационные элементы для наблюдения за состоянием исполнения набора команд

Для начала работы с программой SMC, необходимо выбрать порт, к которому подключен блок управления двигателем. Выбор порта осуществляется по вкладкам «установки», затем «выбрать порт». Подменю выбора порта изображено на рисунке 3.10.

Рис. 3.10. Подменю выбора порта

После выбора порта необходимо выбрать единицы, в которых мы хотим получить желаемый результат и составить набор команд, которые будут определять свойства движения двигателя. Пример составления команд изображен на рисунке 3.11.

Рис. 3.11. Пример составления набора команд

После составления набора команд, необходимо нажать кнопку «отправить» для записи набора команд в память контроллера. Во время записи набора команд в память контроллера происходит индикация, свидетельствующая о том что контроллер сменил режим. Стоит отметить, что набор команд начинает выполняться автоматически сразу после их загрузки в контроллер. На рисунке 3.12 изображена запущенная программа

Рис. 3.12. Программа в действии. Набор команд исполняется

Стоит отметить, что программа дает возможность отслеживать движение двигателя на экране компьютера. После нажатия кнопки «отправить»  в окне «загрузка» появляется список загруженных в контроллер команд. В нашем случае это означает:

BG*OK - начало программы 

EN*OK - установлен сигнал «Разрешение» 

ON*OK - включен режим дробления шагов 

AL0*OK - ускорение движения равно 0

SD100*OK - Задана скорость вращения двигателя 100 шагов в секунду

MV*OKначало исполнения набора команд

В окне «ответ порта» отображается обмен данными между контроллером и компьютером

Также внизу программы присутствует окно состояния, в котором отображается состояние процесса выполнения набора команд в реальном времени.

Стоит отметить, что при отключении компьютера от контроллера во время исполнения набора команд, контроллер продолжает работать дальше, мы лишь теряем возможность следить за состоянием процесса

3.4. Фотографии реальной установки

Рис. 3.13. Фотография установки в действии

Рис. 3.14. Фотография работающей установки

Рис. 3.15. Основной подвижный блок в сборе

Рис. 3.16. Основной подвижный блок в сборе

Раздел 4. Обработка результатов

4.1. Полученные практические результаты

Проводя опыты, мы использовали электронный осциллограф, описанный выше, с возможностью сохранения полученных данных в файлах совместимых с программным пакетом MatLAB, а также других программных пакетов. Для обработки данных мы выбрали программный пакет MatLAB, исходя из особенностей необходимых преобразований и удобства использования данного программного пакета. Осциллограф при этом сохраняет массивы данных в файлах с расширением *.txt

Для начала рассмотрим выходные данные, полученные при проведении опыта по схеме 3.7. Этот опыт показывает пропускание света ЖК ячейки в зависимости от угла преднаклона. Опыт проводился на примете ЖК твист ячейки №2727. На графике 4.2 изображено пропускание света в зависимости от времени, график построен из массива 100 000 значений, на нем изображено примерно 2,5 полных оборота ячейки на 360 градусов. Стоит отметить, что опыт проводился на протяжении 3,3 минут для получения наилучших результатов.

Рис. 4.1. Проведение эксперимента

Рис. 4.2. График зависимости пропускания света от времени

Используя программный пакет MatLAB, мы преобразуем массив входных данных, и обратимся к интересующему нас фрагменту полного оборота ячейки. Из общего массива данных мы выделяем один оборот ячейки на 360°, при этом стоит отметить что массив данных сокращается со 100000 значений до 37500 значений на один полный оборот. Таким образом, график полного оборота на 360° будет состоять из двух локальных максимумов и двух локальных минимумов, что свойственно ЖК твист ячейкам. Фотоприемник регистрирует изменение интенсивности светового пучка проходящего через твистованый жидкий кристалл, данная величина в данном опыте динамически изменяется от 0 до 0,18 мВ, что так же прекрасно видно на графике 4.3

Рис. 4.3. График зависимости пропускания света твист ячейкой от времени. Оборот 360°

Массивы данных из которых строиться график изображенный на  рисунке 4.3 в нашем случае сохранены в файлах "TYR1.txt"(ось X) и "TYR2.txt"(ось Y)(Файлы с массивами прилагаются). В программном пакете MatLAB был создан М-файл, который строит график функции из полученных значений. Название М-файла"Opyt_1.m", содержимое М-файла приведено ниже, файл прилагается к диссертации.

X = dlmread ('TYR1.txt', ';');% Присваиваем координате X данные из файла TYR1.txt

Y = dlmread ('TYR2.txt', ';');% Присваиваем координате Y данные из файла TYR2.txt

XY = axes;%Определяем оси

plot(X, Y, 'DisplayName', 'Y vs X', 'XDataSource', 'X', 'YDataSource', 'Y'); figure(gcf);%Строим график

set(XY, 'XTick', [7.5 25.374 43.248 62.874 82.5])%Присваиваем к каким строкам будет привязываться разбивка оси X

set(XY, 'YTick', [0 0.08512 0.15])%Привязываем к каким строкам будет привязываться разбивка на оси Y

set(XY, 'XTickLabel', {'0°'; '90°'; '180°'; '270°'; '360°';})%значение разбивки оси X

set(XY, 'YTickLabel', {'min=0 mV'; 'middle=0,075 mV'; 'max=0,15 mV';})%Значение разбивки оси Y

set(XY, 'XGrid', 'on')%Строить разбивку оси X

set(XY, 'YGrid', 'on')%Строить разбивку оси Y

xlabel('Угол поворота')

ylabel('Интенсивность')

title ('Пропускание света в опыте с вращением ячейки по оси параллельной лучу лазера')

После завершения исполнения файла мы получаем график пропускания света ЖК твист ячейкой №2727 в зависимости от угла поворота по оси вращения симметричной лучу лазера (Рис 4.4.)

Рис. 4.4. Практический результат опыта с вращением кристалла по оси параллельной оси луча лазера

Рассмотрим выходные данные опыта номер 2, изображенного на схеме 3.8. Этот опыт показывает пропускание света ЖК S ячейки в зависимости от угла поворота. Опыт проводился на примете ЖК S ячейки №2046. На графике 4.5 изображено пропускание света в зависимости от времени, график построен из массива 100 000 значений, на нем изображено примерно 1,5 полных оборота ячейки на 360 градусов. Стоит отметить, что опыт проводился на протяжении 3,3 минут для получения наилучших результатов.

Рис. 4.5. Практический результат опыта с вращением кристалла по оси перпендикулярной оси луча лазера

Используя программный пакет MatLAB, мы преобразуем массив входных данных, и обратимся к интересующему нас фрагменту полного оборота ячейки. Из общего массива данных мы выделяем один оборот ячейки на 360°, при этом стоит отметить, что массив данных сокращается со 100000 значений до 65000 значений на один полный оборот.. Фотоприемник регистрирует изменение интенсивности светового пучка, проходящего через S жидкий кристалл, данная величина в данном опыте динамически изменяется от 0 до 0,38 мВ, что также прекрасно видно на графике 4.6

Рис. 4.6. График зависимости пропускания света S ячейкой от времени. Оборот 360°

Массивы данных, из которых строится график, изображенный на  рисунке 4.6, в нашем случае сохранены в файлах "ODM1N.txt"(ось X) и "ODM2N.txt"(ось Y) (Файлы с массивами прилагаются). В программном пакете MatLAB был создан М-файл, который строит график функции из полученных значений. Название М-файла"Opyt_2.m", содержимое М-файла приведено ниже, файл прилагается к диссертации.

X = dlmread ('ODM1N.txt', ';');% Присваиваем координате X данные из файла OMD1N.txt

Y = dlmread ('ODM2N.txt', ';');% Присваиваем координате Y данные из файла OMD2N.txt

XY = axes;%Определяем оси

plot(X, Y, 'DisplayName', 'Y vs X', 'XDataSource', 'X', 'YDataSource', 'Y'); figure(gcf);%Строим график

set(XY, 'XTick', [17500 33750 50000 66250 82500])%Присваиваем к каким строкам будет привязываться разбивка оси X

set(XY, 'YTick', [0 0.19 0.38])%Привязываем к каким строкам будет привязываться разбивка на оси Y

set(XY, 'XTickLabel', {'0°'; '90°'; '180°'; '270°'; '360°';})%значение разбивки оси X

set(XY, 'YTickLabel', {'min=0 mV'; 'middle=0,19 mV'; 'max=0,38 mV';})%Значение разбивки оси Y

set(XY, 'XGrid', 'on')%Строить разбивку оси X

set(XY, 'YGrid', 'on')%Строить разбивку оси Y

xlabel('Угол поворота')

ylabel('Интенсивность')

title('Пропускание света в опыте с вращением ячейки перпендикулярно лучу лазера')

После завершения исполнения файла мы получаем график пропускания света ЖК S ячейкой №2046 в зависимости от угла поворота по оси вращения перпендикулярной лучу лазера (Рис 4.7.)

Рис. 4.7. Практический результат опыта с вращением кристалла по оси перпендикулярной оси луча лазера

4.2. Полученные теоретические результаты в среде MatLAB

Для того чтобы определить угол преднаклона, нам необходимо совместить кривую пропускания света, полученную практическим путем с кривой полученной из формул 2.1, 2.2 и 2.3

Мы разработали программное обеспечение в среде Matlab, способное из данных формул с возможностью изменения параметров строить теоретические графики пропускания света в зависимости от параметров каждой конкретной ЖК ячейки и необходимого для измерения диапазона.

Данные находятся в файле с названием " Programma_rasschetov_Parallel.m" для опыта с вращением ячейка по оси параллельной оси луча лазера. Содержимое М-файла выполняющего расчеты приведено ниже:

%%Введение констант

n1 = 1.65; %Показатель преломления ЖК для необыкновенного луча

n2 = 1.5; %Показатель преломления ЖК для обыкновенного луча

d = 0.0000023; % Толщина зазора слоя ЖК

lambda = 0.00000072; %Длина волны

a = 0:.01:pi*2; %Угол преднаклона

psi = 0; %Угол падения луча на ЖК

 

%%Для первого опыта с осью вращения параллельной лучу лазера

 

A = 1./n1;

B = 1./n2;

C = (A.^2.*(cos(a)).^2.+B.^2.*(sin(a)).^2).^0.5;

F = (((1./C.^2).*(A.^2.-B.^2).*(sin(a)).*(cos(a)).*(sin(psi)))+((1./C).*((1.-(A.^2.*B.^2./C.^2.*((sin(psi)).^2))).^0.5))-((1./B).*((1.-B.^2.*((sin(psi)).^2)).^0.5))); %Функция угла преднаклона ЖК α и угла поворота ячейки psi, определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки

delta = (pi.*2./lambda.*d.*F); %Фазовая задержка

T = (1./2.*((sin(1./2.*delta)).^2)); %Пропускание света

XY = axes;

 

%%Вывод данных

 

plot (T);

set(XY, 'XTick', [0 pi*35 pi*85 pi*135 pi*185])%Присваиваем к каким строкам будет привязываться разбивка оси X

set(XY, 'YTick', [0 0.19 0.38])%Привязываем к каким строкам будет привязываться разбивка на оси Y

set(XY, 'XTickLabel', {'0°'; '90°'; '180°'; '270°'; '360°';})%значение разбивки оси X

set(XY, 'YTickLabel', {'min=0 mV'; 'middle=0,08 mV'; 'max=0,17 mV';})%Значение разбивки оси Y

set(XY, 'XGrid', 'on')%Строить разбивку оси X

set(XY, 'YGrid', 'on')%Строить разбивку оси Y

xlabel('Угол поворота')

ylabel('Интенсивность')

title('Пропускание света в опыте с вращением ячейки параллельно лучу лазера')

После исполнения данного М-файла мы получим график пропускания света в зависимости от угла поворота по оси параллельной оси луча лазера.

График приведен на рисунке 4.8.

Рис. 4.8. Теоретический результат опыта с вращением кристалла по параллельной оси луча лазера для толщины слоя ЖК = 2,3мкм, длина волны =0,72мкм, показатель преломления обыкновенного луча = 1,5, показатель преломления для необыкновенного луча=1,65

Для второго опыта с измерением пропускания относительно угла поворота ячейки нами так же было разработано приложение в среде Matlab которое позволяет получить теоретическую кривую пропускания света от угла поворота ячейки

Данные находятся в файле с названием " Programma_rasschetov_Perpendikular.m" для опыта с вращением ячейка по оси перпендикулярной оси луча лазера. Содержимое М-файла выполняющего расчеты приведено ниже:

%%Введение констант

n1 = 1.65; %Показатель преломления ЖК для необыкновенного луча

n2 = 1.5; %Показатель преломления ЖК для обыкновенного луча

d = 0.000023; % Толщина зазора слоя ЖК

lambda = 0.00000063; %Длина волны

a = pi/2; %Угол преднаклона

psi = 0:.01:pi*2; %Угол падения луча на ЖК

 

%%Для первого опыта с осью вращения параллельной лучу лазера

 

A = 1./n1;

B = 1./n2;

C = (A.^2.*(cos(a)).^2.+B.^2.*(sin(a)).^2).^0.5;

F = (((1./C.^2).*(A.^2.-B.^2).*(sin(a)).*(cos(a)).*(sin(psi)))+((1./C).*((1.-(A.^2.*B.^2./C.^2.*((sin(psi)).^2))).^0.5))-((1./B).*((1.-B.^2.*((sin(psi)).^2)).^0.5))); %Функция угла преднаклона ЖК ? и угла поворота ячейки psi, определяемого как угол между падающим световым лучом и направлением нормали к поверхности ячейки

delta = (pi.*2./lambda.*d.*F); %Фазовая задержка

T = (1./2.*((sin(1./2.*delta)).^2)); %Пропускание света

XY = axes;

 

%%Вывод данных

 

plot (T);

set(XY, 'XTick', [0 pi*50 pi*100 pi*150 pi*200])%Присваиваем к каким строкам будет привязываться разбивка оси X

set(XY, 'YTick', [0 0.19 0.38])%Привязываем к каким строкам будет привязываться разбивка на оси Y

set(XY, 'XTickLabel', {'0°'; '90°'; '180°'; '270°'; '360°';})%значение разбивки оси X

set(XY, 'YTickLabel', {'min=0 mV'; 'middle=0,19 mV'; 'max=0,38 mV';})%Значение разбивки оси Y

set(XY, 'XGrid', 'on')%Строить разбивку оси X

set(XY, 'YGrid', 'on')%Строить разбивку оси Y

xlabel('Угол поворота')

ylabel('Интенсивность')

title('Пропускание света в опыте с вращением ячейки перпендикулярно лучу лазера')

После исполнения данного М-файла мы получим график пропускания света в зависимости от угла поворота по оси перпендикулярной оси луча лазера.

График приведен на рисунке 4.9

Рис. 4.9. Теоретический результат опыта с вращением кристалла по оси перпендикулярной оси луча лазера для толщины слоя ЖК = 23мкм, длина волны =0,63мкм, показатель преломления обыкновенного луча = 1,5, показатель преломления для необыкновенного луча=1,65

4.3. Сравнение теоретических и практических результатов

 

Рис. 4.10. На рисунке изображено сравнение теоретической кривой пропускания света в зависимости от угла преднаклона (сверху) и практической кривой измерения этого же параметра на примере твист ЖК ячейки №2727(снизу)

Исходя из графика изображенного на рисунке 4.10 мы можем сделать вывод о том что теоретически полученная кривая пропускания света количественно и качественно соответствует экспериментально полученной кривой. Максимум пропускания света уменьшен за счет системы поляризаторов и стеклянных подложен

Рис. 4.11. На рисунке изображено сравнение теоретической кривой пропускания света в зависимости от угла поворота (сверху) и практической кривой измерения этого же параметра на примере S ЖК ячейки №2046(снизу)

Исходя из графика, приведенного на рисунке 4.11, мы можем сделать вывод о том, что теоретически полученная кривая пропускания света количественно и качественно соответствует экспериментально полученной кривой. Стоит отметить, что максимумы, расположенные справа и слева от отметок 90° и 270°, не достигают предела ввиду использования стеклянных подложек ЖК ячейки, сильно отражающих свет в зависимости от угла наклона ячейки по отношению к оси падающего пучка света.

Выводы

  1.  Для двух методов измерения свойств жидкокристаллических ячеек разработаны и физически смоделированы установки и системы автоматического поворота подвижных элементов.
  2.  Для двух методов измерения свойств жидкокристаллических ячеек разработаны и физически смоделированы кинематические схемы управления.
  3.  В системе используется осциллограф, способный сохранять полученные данные в файлах, совместимых с программным макетом Matlab.
  4.  Разработанные системы обеспечивают диапазон изменения углов поворота в заданном диапазоне с точностью, достаточной для правильного определения измеряемых физических параметров.
  5.  Физически смоделированные системы позволяют с большой скоростью проводить исследование свойств пропускания ЖК ячеек.
  6.  Проведены опыты по пропусканию света с использованием двух ЖК ячеек и получены реальные результаты для ячеек №2727 и №2046.
  7.  Результаты опытов занесены в файл и обработаны в программном пакете MatLAB, построены графики зависимости пропускания света от угла поворота
  8.  Разработано программное обеспечение, позволяющее смоделировать зависимость пропускания света от угла поворота ячейки, исходя из основных параметров кристалла для систем с поворотом ячейки относительно оси параллельной  лучу лазера и для систем с поворотом ячейки относительно оси перпендикулярной лучу лазера.
  9.  Смоделированы пропускание света для ячеек №2727 и №2046; эти данные сопоставлены с реальными результатами

Список используемой литературы

П.де Жен, «Физика жидких кристаллов», М. 1977.

С.А.Пикин, Фазовые превращения в жидких кристаллах, М. 1981.

Е.И.Кац и В.И.Лебедев, «Динамика жидких кристаллов», М. 1989.

Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц, «Теория упругости», М. 1987.

В.А.Беляков и А.С.Сонин, «Оптика холестерических жидких кристаллов», М.1982

И. Г. Чистяков “Жидкие кристаллы”, “Наука”, М.1966.

“Жидкие кристаллы”, сб. под ред. С. И. Жданова, “Химия”, М. 1978.

С. А. Пикин, Докт. дисс. Институт кристаллографии, АН СССР, 1978.

В. Г. Чигринов, Канд. дисс. Институт кристаллографии, АН СССР, 1978.

В. Г. Чигринов, М. Ф. Гребенкин. Кристаллография 20, 1240 (1975).

В. Г. Чигринов, В. В. Беляев. Кристаллография 22, 603 (1977).

Блинов Л М Электро- и магнитооптические свойства жидких крвсталлов(М.: Наука, 1977);

В. Г. Чигринов, Дипломная работа, МИЭМ, 1973.

Blinov L M, Chigrinov V G Electro-Optics of LiquidCrystals (Berlin: Springer-Verlag, 1994)

Чигриков В. Г. Кристаллография 27 404 (1982)

Л. М. Блинов “Электро- и магнитооптика жидких кристаллов”.

А. П. Капустин “Экспериментальные исследования жидких кристаллов”,”Наука”, М. 1978.

В. В. Беляев «Вязкость нематических жидких кристаллов» 2001г.

С.Чандрасекар «Жидкие кристаллы», издательство «МИР» 1980.

В. Г. Чигринов, М. Ф. Гребенкин. Кристаллография 20, 1240 (1975).

Сайт в интернете http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/app/lcd/teorija.htm

Сайт в интернете http://www.electroprivod.ru/

С. Мойсеенко, Квалификационная работа бакалавра


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34594. США в конце XX – начале XXI вв 15.84 KB
  Укрепление политического экономического военного лидерства в мире стало ведущей идеей политики США во второй половине XX начале XXI в. Этому способствовало с одной стороны ключевое положение США в ООН в составе 5 государств членов Совета Безопасности а с другой активное участие в создании НАТО сети других военнополитических блоков. Была развернута сеть военных баз и объектов США в Европе в государствах участниках НАТО на Дальнем Востоке и в бассейне Тихого океана в Латинской Америке и зоне Карибского бассейна на Ближнем...
34595. Соединенное Королевство: географическое положение, рельеф, природные условия, флора и фауна. Символы 40.5 KB
  Официально же она именуется Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии. В целом на их долю приходится приблизительно 1 3 площади Великобритании и бoльшая часть Северной Ирландии. В Северной Ирландии змей нет. Символы: Флаг Соединенного Королевства Великобритании и Северной Ирландии или как его принято называть Юнион Джек Union Jck является сочетанием трех крестов святых покровителей Англии прямой красный крест на белом поле крест Св.
34596. Столетняя война 17.15 KB
  Столетняя война наименование длительного военного конфликта между Англией и Францией 13371453 вызванного стремлением Англии вернуть принадлежавшие ей на континенте Нормандию Мен Анжу и др. а также династическими притязаниями английских королей на французский престол. война между Англией и Францией. причины войны: стремление Франции вытеснить Англию с югозапада страны провинция Гиень и ликвидировать этот последний оплот английской власти на франц.
34597. Династия Тюдоров. Генрих VII 19.17 KB
  Генрих VII Генрих VII Тюдор 28 января 1457 – 21 апреля 1509 – король Англии и государь Ирландии 1485 – 1509. Родители: Эдмунд Тюдор 1й граф Ричмонд; единоутробный брак короля Генриха VI Маргарита Бофорт. 1471 – гибель Генриха VI и принца Уэльского Генрих – почти единственный родственник Ланкастеров. Генрих поклялся в Ренне в случае захвата власти жениться на дочери Эдуарда IV Елизавете Йоркской.
34598. Реформация, противостояние католиков и протестантов 12.42 KB
  Первоначально Генрих VIII был противником Реформации книга против Лютера В защиту 7 таинств 1521 г. Генрих был женат на Екатерина Арагонской единственный ребенок – девочка Мария Тюдор. Поняв что мальчиков не будет Генрих решил добиться развода однако Папа Римский Климент VII на это не согласился. Генрих обвинил английское духовенство в неповиновении статуту статут запрещал признавать любое лицо назначенное Папой без утверждения королем заставил духовенство признать себя главой церкви Англии.
34599. Мария Тюдор 20.58 KB
  Известна как Мария Кровавая Мария Католичка. Мария была единственным выжившим ребенком Генриха от его первой жены Екатерины Арагонской. Франциск I король Франции стремился укрепить свои позиции через свадьбу Марии и французского дофина решение принято осенью 1518 Мария должна выйти замуж по достижении дофином 14летнего возраста если у Генриха не появится наследник мужского пола то корону наследует Мария.
34600. Война с Испанией. «Непобедимая Армада» 33.5 KB
  Непобедимая Армада. Однако в том же 1587 году английская эскадра адмирала Френсиса Дрейка совершила налет на Кадис где базировалась Непобедимая Армада и уничтожила около 100 кораблей. 20 мая 1588 года Непобедимая Армада в составе шести эскадр вышла в море из устья реки Тахо. Армада подвергалась постоянным нападениям более легких и маневренных английских судов адмирала Дрейка.
34601. Культура Англии в XIV –XV в. 20.06 KB
  В конце 14 века оформился единый английский язык. Однако в 14 – 15 веках среди английской знати особенно при дворе была широко распространена литература на французском языке. Огромную роль в развитии английской литературы сыграли Кентерберийские рассказы Джеффри Чосера вторая половина 14 века. В 70е годы 15 века в Англии появилось книгопечатание.
34602. Династия Стюартов: Яков I 20.19 KB
  Династия Стюартов: Яков I Яков VI Шотландский Яков I Английский; 19 июня 1566 – 1625 – король Шотландии Англии первый государь правивший Шотл. Шотландия 24 июля 1567 – восстание отец Якова умер убийцей считали Марию. 29 июля 1567 Стерлинг – Яков коронован Ш. Яков правил при регентском совете с 29 июля 1567 самостоятельно – с 12 марта 1578.