头盔显示器长出瞳目镜设计

头盔显示器长出瞳目镜设计
头盔显示器长出瞳目镜设计

摘要

头盔显示器(HMD)是虚拟现实应用中的3D图形显示与观察设备。从1968年哈佛大学的Ivan Sutherland首先提出头盔显示器的概念并设计出应用CRT的名为达摩克里斯之剑的头盔显示器开始,经过半个世纪时间的研究改进,头盔显示器技术取得了巨大的进步。同时,伴随着平板显示的高速发展,头盔显示器正日益被广泛应用于军事、工业、医疗、3D显示等各个领域。

本文通过介绍头盔显示器的结构特点、应用领域、价格市场、当前现状和发展趋势以及分析目镜的光学、像差特性等,提出了目前急需的头盔显示器目镜的设计要求,并利用Zemax软件,最终设计出了一种符合设计要求,具备体积小、重量轻、结构简单、成本低廉等特点,极适用于头盔显示器系统的长出瞳目镜。

关键词:HMD;光学特性;Zemax软件;长出瞳

Abstract

A head-mounted display (HMD) is uesd to show and observe 3D graphics in the application of virtual reality technology。Since Ivan Sutherland ,Harvard University firstly proposed the concept of HMD and designed the first HMD called the Sword of Damocles with the use of CRT in 1968, the helmet display technology has made tremendous progress during these 50 years。At the same time, with the rapid development of flat panel display,the head-mounted display is increasingly being widely used in military, industrial, medical, 3D display and other fields.

Firstly,this article describes the structure features, application areas , market price , current status and developing trend of the HMD 。Meanwhile,we analyzes the optical properties and aberration characteristics of the eyepiece。Then we present the design requirements of HMD eyepiece that is needed urgently。At last,we get a grow pupil eyepiece using Zemax。This grow pupil eyepiece has small size, light weight, simple structure,and low cost。Apparently,it meets the design requirements perfectly,which is very suitable for the head-mounted display of course。

Keyword:HMD; optical properties;Zemax;grow pupil

第一章引言 (2)

第二章头盔显示器及目镜的理论知识 (4)

2.1头盔显示器(HMD)的介绍 (4)

2.1.1头盔显示器的基本概念及功能 (4)

2.1.2头盔显示器的组成 (5)

2.1.3头盔显示器的分类 (6)

2.1.4头盔显示器的基本参数 (7)

2.1.5头盔显示器的价格和市场 (7)

2.2目镜的理论知识 (8)

2.2.1目镜的光学特性 (8)

2.2.2目镜的像差特性 (9)

2.3 HMD长出瞳目镜设计的各项技术指标 (9)

第三章光学设计软件-----ZEMAX软件 (10)

3.1 ZEMAX软件 (10)

3.1.1 软件介绍 (10)

3.1.2 软件特色 (10)

3.2 软件界面介绍 (10)

3.2.2 Aperture(光圈值) (11)

3.2.3 Wavelength Data(波长设定) (11)

3.3 软件功能 (12)

3.3.1 光扇图(ray fan) (13)

3.3.2 光程差图(OPD fan) (13)

3.3.3 光点图(spot diagrams) (14)

3.4 系统优化 (14)

第四章长出瞳目镜设计及分析 (16)

4.1目镜的具体设计过程 (16)

4.2 材料、初始结构对目镜可行性的影响 (22)

4.2.1材料对目镜的影响 (22)

4.2.2结构对目镜的影响 (22)

4.2.3可行性分析 (23)

第五章总结 (24)

谢辞 (25)

参考文献 (26)

第一章引言

头盔显示器 (Head-Mounted Displays,HMD)在1968年由哈佛大学的Ivan Sutherland首先提出,并设计出了应用CRT的名为达摩克里斯之剑的头盔显示器。经过50年的发展,无论是要求在现实世界的视场上同时看到需要的数据,还是要体验视觉图象变化时全身心投入的临场感,或者是利用红外、显微镜、电子显微镜来扩展人眼的视觉能力,HMD都得到了应用。目前,头盔显示的应用领域主要包括:

1)CAD/CAM操作

头盔显示在这个领域的应用,使操作者可以远程查看数据,比如局部数据清单、工程图纸、产品规格等。波音飞机公司在其波音777飞机的设计中,研制了一个名为“先进计算机图形交互应用系统”的虚拟环境,用VR技术在此环境中建立一驾飞机的三维模型,设计师戴上头盔显示器在这驾虚拟飞机中遨游,检查“飞机”的各项性能,同时还可以检查设备的安装位置是否符合安装要求等等,最终的实际飞机与设计方案相比,偏差小于千分之一,机翼和机身的结合一次成功,缩短了数千小时的设计工作量。

2)工业生产

在大型设备的生产和质量控制中,利用采用瞄准线的人机工程代替扭头看监视器来查看产品,由于观察者可以采用正确的姿势,减轻了疲劳,改善了操作。另外,采用HMD可以使使用者集中精力在手头的工作上,增加了安全性。

3)模拟和训练

HMD提代了有效的训练车辆和飞行器驾驶员、工程师、后勤专家来为我们更好服务的方法。无论是在驾驶员训练还是作飞行模拟器,HMD都能提供增强的学习能力。

4)3D显示与电子游戏

采用双目的HMD,在两眼分别显示不同视角得到的图象以合成3D立体图形,从而增加临场感。

5)显微技术

在电子显微镜、扫描隧道显微镜等的成象显示部分采用头盔显示,结合虚拟显示操作,可以实现操作者在分子和原子间的飞行。

6)医疗

在脑外科、显微外科手术以及远程诊断和远程手术中,采用头盔显示作为手术部位的显微显示,结合空间导航技术,可以精确对病灶部位定位,同时可以减轻医生的工作强度,提高手术的成功率。

7)军事应用

头盔显示在军事上的应用,代表了其发展的最高水平。美国空军的座舱显示停止采用CRT器件而代之以平板显示器件。因此美国军方投入大量军费从事平板头盔显示器件的开发和应用研究。在未来战争中,无论是空中还是地面,头盔显示都将起到重要的作用。头盔显示在虚拟现实系统中的应用,更为其带来了广阔的前景。

随着显示技术的发展,显示器件从CRT向平板显示的发展已成为不可阻挡的趋势。特别是在小型平板显示领域,AMLCD和AMEL的彩色显示器在高分辨率和快速响应方面已完全可以和CRT产品媲美。平板显示器的发展,使头盔显

示克服了重量重、体积大等方面的缺点,使它的发展和应用前景更加广阔。

本文首先对头盔显示器进行了介绍,主要涉及到HMD的组成、分类、参数、价格市场等。同时,分析了目镜的光学特性和像差特性,并对头盔显示器所需要的长出瞳目镜的技术指标提出了要求。具体为:出瞳距在43mm以上,出瞳大小8mm,焦距为28mm,视场角为30°,视度调节满足正负5屈光度范围,畸变小于5%,MTF在中心视场大于0.4(30lp/mm),在全视场大于0.1(30lp/mm)。

其次,简要介绍了在镜头设计过程中主要用到的光学设计软件---Zemax。Zemax作为光学设计方面比较便宜而且容易上手的软件,被大多数中小型企业和学校使用。对Zemax的功能、特色、界面以及优化等,本文都有涉及。

最后,详细讲述了使用Zemax软件设计长出瞳目镜的过程。通过比较由不同的初始结构、不同的镜片优化而成的设计结果,最终选择出最为理想的头盔显示器长出瞳目镜设计方案。并对设计得出的目镜特点以及本次设计的意义进行了阐述。

第二章头盔显示器及目镜的理论知识

2.1头盔显示器(HMD)的介绍

2.1.1头盔显示器的基本概念及功能

在近年显示器件的发展中,人们把关注的重点纷纷投向诸如液晶(LCD)、等离子体(PDP)、电致发光(EL)、真空荧光显示(VFD)、场致发光(FED)等平板显示器件(FPD)的大屏幕显示上。但在这些平板显示器件的发展过程中,显示器件的另一个分枝——包括平视显示(Head-Up Displays,HUD)和头盔显示(Helmet-Mounted Displays,HMD)等的微型显示系统,也伴随着高分辨率显示器件的发展而成长起来。特别是近年来虚拟现实(VR)技术的发展以及现代数字化部队的装备需要,使得以头盔显示为代表的微型显示器件在这些领域占据了重要的地位。

图2.1 实用头盔显示器

头盔显示器由1968年哈佛大学的Ivan Sutherland首先提出,并设计出应用CRT的名为达摩克里斯之剑的头盔显示器。顾名思义,头盔现实器即固定连接在头盔上,把视频图像以及字符信息准直投影到透明显示媒体(如半反光镜、护目镜)上,并显示给驾驶员的光电显示装置。它的原理是将小型2维显示器所产生的影像借由光学系统放大。具体而言,小型显示器所发射的光线经过凸状透镜使影像因折射产生类似远方效果。利用此效果将近处物体放大至远处观赏而达到所谓的全像视觉(Hologram)。液晶显示器(早期用小型阴极射线管,最近已有应用有机电致发光显示器件)的影像通过一个偏心自由曲面透镜,使影像变成类似大银幕画面。由于偏心自由曲面透镜为一倾斜状凹面透镜,因此在光学上它已不单是透镜功能,基本上已成为自由面棱镜。当产生的影像进入偏心自由曲面棱镜面,再全反射至观视者眼睛对向侧凹面镜面。侧凹面镜面涂有一层镜面涂层,反射同时光线再次被放大反射至偏心自由曲面棱镜面,并在该面补正光线倾斜,达到观视者眼睛。

头盔显示器需要完成的功能是下面提出的任务中的一个或者几个:

A)现实来自于增强器或FLIR传感器的操作和信息

B)作为信息管理系统,要提供战略、战术和操作资料

C)判断头部/眼睛的位置和运动

2.1.2头盔显示器的组成

头盔显示器一般由以下几部分组成:图象信息显示源、图象成象的光学系统、定位传感系统、电路控制及连接系统、头盔及配重装置。

图象显示信息源是指图象信息显示器件,一般采用微型高分辨率CRT或LCD、EL、VFD、LED、FED、PDP等平板显示器件。由于CRT具有高分辨率、高亮度、快的响应速度和低的成本,目前在军事上较为常用,但一般为0.6~1英寸高亮度、高分辨率单色投影显示。为了实现彩色CRT显示,可采用光阀技术进行调制或用光纤传导的方法。CRT的不足之处是功耗较大,体积大、重量重,需要高压,在头盔显示中,重量是影响视野和眼睛运动的重要因素之一,同时由于头盔显示大多应用于单独供电的环境,因此,这些因素限制了CRT在头盔显示中的应用。近年来平板显示器件的发展,特别是高分辨率视频显示的平板显示器件,对减轻头盔的重量和功耗、减低工作电压方面起到了促进作用。

在头盔显示器件中,观察者是通过眼前的目镜看清图象的,因此光学系统的设计是十分重要的,它影响着图象显示的质量。头盔显示可以根据需要,设计成全投入式或半投入式。全投入式将显示器件的图象经放大、畸变等象差的校正以及中继光学系统等在观察者眼前呈放大的虚象;半投入式是将经过校正放大的虚象投射到观察者眼前的半反半透的光学玻璃上,这样显示的图象就叠加在透过玻璃的外界环境图象之上,观察者可以同时得到显示的信息和外部环境的信息。如图2.2为投入和半投入式头盔显示器光学系统的示意图。

图2.2 两种头盔显示器

光学系统的设计不仅关系到成象质量的好坏,还影响到头盔显示的体积和重量,以及观察者在长时间观看时是否疲劳,因此光学系统和视觉感受是头盔显示研究的重要部分。国外头盔显示器公司一般采用商用的光学设计软件进行光学系统的优化设计,如目前较好的ORA的CODEV和Light Tools是常用的可视化的光学系统优化、光轨迹的计算软件。但是,它们的价格也比较昂贵,如CODEV 在六万美元左右,一般用于航天航空系统中的光学设计。根据应用的层次的不同,

也有一些价格相对较低定的软件,如ZEMAX,价格在四千美元左右。本文将要介绍的光学系统的设计就是运用Zemax软件进行的。光学系统的设计还应考虑观察者的视力、瞳孔间距等因素,设计成可调整结构。

头盔的定位传感系统是与光学系统同等重要的一部分。它包括头部的定位和眼球的定位。眼球的定位主要应用在瞄准系统上,一般采用红外图象的识别处理跟踪来获得眼球的运动信息。头部定位采用的方法比较多,如超声波、磁、红外、发光二极管等的定位系统,头部的定位提供位置和指向六个自由度的信息。对定位传感系统的要求是灵敏度高、延迟小。灵敏度低易受外界环境影电路控制系统一般与头盔显示器分开防置以减轻头盔重量,其连接系统在机载时的设计要考虑在紧急情况下能够迅速使头盔和飞机上的控制系统脱离,保证飞行员的安全。

头盔是显示器的固定部件,在机载或车载应用时可直接应用驾驶员头盔进行改进制作,在其他应用中可采用吊带将显示器固定在头部。由于显示器的重量在头的前部,这使头部的重心发生了变化,容易发生疲劳,因此应在头后部加配重保持重心不变。但头盔的重量应尽可能轻,特别是在机载情况下,头盔的重量在飞行员脱离飞机的弹射时将产生很大的冲力,容易使颈椎骨折。

2.1.3头盔显示器的分类

头盔显示器主要有以下几种分类方式:

A)

B)

C)

2.1.4头盔显示器的基本参数

头盔显示器的基本指标参数主要包括:显示模式、显示视野(FOV)、视野双目重叠、显示分辨率、眼到虚拟图象的距离、眼到目镜距离、物面距离、目标域半径(最大)、视轴间夹角、瞳孔间距(IPD)、焦距、出射光瞳(exitpupil)、图象象差、视觉扭曲校正、重量、视频输出等。

2.1.5头盔显示器的价格和市场

影响HMD价格的主要因素是图像信息显示源和光学系统,高分辨率、高亮度、高对比度和扫描频率的图像显示器,其价格是普通显示器的价格的数十倍、上百倍。光学系统根据成像质量、成像形式和视野的大小,价格也有很大的不同。例

息源和光学系统所决定。一些特殊用途的更高分辨率的头盔显示器价格就更高,而一些普通的消费者应用的头盔显示器的价格只要几百美元就可以了,但显示的图象质量就不很令人满意。HMD的市场随着虚拟显示技术和无线互联网络技术的发展正日趋扩大,低价格高性能的微型液晶等显示器的市场化,使其成为普通娱乐、通信消费的可能性越来越大,相信在几年内其应用将有大的发展。

2.2目镜的理论知识

2.2.1目镜的光学特性

目镜是头盔显示器的重要组成部分。通过它满足人眼对视角识别的需要,一般,目镜的像或在无穷远,或在眼睛的明视距离上。

目镜的光学特性由它的焦距'f、视场角2'ω、出瞳直径D、相对镜目距'

p、

/'f

工作距l决定。

1)目镜的焦距

目镜的作用于放大镜相同,其焦距和它的放大率有关。焦距愈大,放大率愈大。但是,目镜焦距有最小值的约束。常用目镜的焦距在15-30mm左右。而在本HMD的设计中,我们要求目镜的焦距为28mm。

2)目镜的视场

目镜的视场取决于系统的视觉放大率和系统的视场角,即

ωtan

ω

'

=

tanΓ

增大系统的放大率或者增大系统的视场角,都会使目镜的视场角增大,也涉及到结构选取和像差校正的问题。一般目镜的视场角为40°-50°左右,广角目镜的

视场角可达60°-80°,特广角目镜的视场角在90°以上。在本HMD的设计中,我们仅要求目镜的视场角为30°。

3)目镜的孔径光阑

目镜的孔径光阑通常和物镜的孔径光阑重合,其值为出瞳直径。大多数仪器的出瞳直径与眼瞳的直径相当,约为2-4mm左右。测量仪器的出瞳直径小于2mm,以便提高它的瞄准精度。军用仪器的出瞳直径偏大,以适应有抖动的观测条件,坦克瞄准具的出瞳直径为8mm左右。

4)目镜的镜目距

目镜出瞳距和焦距的比值称为相对镜目距。由于出瞳的位置很接近于目镜的后焦点,所以镜目距接近于焦点的截距。对结构确定的目镜,以它的焦点位置是确定的,因此相对镜目距接近于一个常数。最小镜目距为6mm,加戴防毒面具的仪器,最小的镜目距在20mm以上。

5)目镜的视场光阑

目镜的视场光阑和物镜的视场光阑重合,位于目镜的焦点上。有分划板的显微镜,视场光阑就是分划板的外框。物镜的成像面到目镜前表面的长度称为目镜的工作局,以l表示。为了适应近视眼和远视眼的需要,工作距不应小于视度调节的深度。对焦距确定的目镜,一个折光度对应的调焦量,即目镜对前焦面的移动量为

1000

f

x

/'2

视度的调节范围定为正负5屈光度。

2.2.2目镜的像差特性

目镜是一种小孔径、大视场、短焦距、光阑远离透镜组的光学系统。因为焦距短、孔径小、轴上的相差比较小,在结构较为复杂的目镜系统中很容易得到矫正。由于视场大、光阑远离透镜组,轴外相差的校正就很困难。对观察系统来说,重点考虑影响成像清晰度的场曲、彗差、像散和倍率色差,畸变可以不完全校正。

2.3 HMD长出瞳目镜设计的各项技术指标

由于本设计要设计的目镜是应用于头盔显示器的长出瞳目镜,所以它的技术指标与普通的目镜有所差别。

光学特性方面,我们要求,出瞳距在43mm以上,出瞳大小为8mm,焦距为28mm,视场角为30°,视度调节满足正负5屈光度范围。

像差方面,我们要求畸变小于5%,MTF在中心视场(即0°角处)大于0.4(30lp/mm),全视场(即15°角处)大于0.1(30lp/mm)。

第三章光学设计软件-----ZEMAX软件3.1 ZEMAX软件

3.1.1 软件介绍

ZEMAX是一套综合性的光学设计模拟软件,它将实际光学系统的设计概念、优化、分析、公差以及报表整合在一起。它不仅仅只是透镜设计软件而已,更是全功能的光学设计分析软件,具有直观、功能强大、灵活、快速、容易使用等优点。与其他软件不同的是,ZEMAX的CAD转档程式都是双向的,如IGES、STEP、SAT等格式都可转入及转出。而且ZEMAX可模拟Sequential(序列性)和

Non-Sequential(非序列性)的成像系统和非成像系统。

3.1.2 软件特色

※结合所有光学上的需求,用一简单的操作界面来执行

※可使用Sequential 与Non-Sequential 模式运算

※表栏式表面输入及完整的表面资料库,使编辑更加快速

※完整的镜头及材质资料库

※多功能的分析图形

※多种优化方式

※对话窗式公差设定,方便使用者分析公差。

3.2 软件界面介绍

3.2.1 Lens Data Editor(LDE)

图3.1 LDE图

若要设计一个单镜片在光轴上使用,首先要吊出ZEMAX软件的lens data editor(LDE),如图4.1,它是设计镜面主要的工作场所。决定要用何种镜片、几块面镜、镜片的radius(曲率半径)、thickness(厚度)、大小、位置等,都是在这里编辑。

在LDE编辑器上,可以看到3 个不同的surface,依序为OBJ,STO及IMA。OBJ 就是发光物,即光源,STO即aperture stop(孔径光阑)的意思。在设计一组光学系统时,STO可选在任一透镜上,通常第一个面镜就是STO。而IMA 就是imagine plane(成像平面)。通常OBJ 的编号为0,STO为1,而IMA为3。(如图4.1所示)。

在STO列中的glass 栏中,可选择所需玻璃材质。目前,ZEMAX提供的玻璃包括有Schott, Hoya, Ohara, Corning, 和Sumita(当前不包括中国玻璃)和红外材料、塑胶和自然材料(如硅)及双折射材料等。

镜面合理的thickness(厚度)可以直接键入。Zemax中的厚度指的是从当前面到下一个面的距离。而radius栏里,可以键入所需要的镜片的曲率半径。在此凡是曲率中心在镜面右边的,曲率半径就为正值,反之则为负值。

3.2.2 Aperture(光圈值)

现在我们要决定透镜的孔径有多大。假设我们需要的孔径值是25mm。于是从system menu 上选general data,在aperture value 上键入25,而aperture type 被定义为Entrance Pupil diameter(入瞳)。也就是说,entrance pupil的大小就是aperture的大小。界面如图 4.2所示。

图3.2 General界面

3.2.3 Wavelength Data(波长设定)

在主选单system下,选择wavelengths,或在视窗快捷键Wav点击一下。就会出现如图4.3所示的界面。依喜好键入所要的波长,现在在第一列键入

0.486,以微米为单位,这是氢原子的F-line光谱。在第二、三列键入0.587及

0.656,然后在primary wavelength上点在0.486的位置(如图4.3所示),primary wavelength主要是用来计算光学系统在近轴光学近似(paraxial optics)下的几个主要参数,如focal length,magnification,pupil sizes等。

图3.3 波长设置界面

3.3 软件功能

ZEMAX可以用于一个完全序列性模式中、一个完全非序性模式中和一个混合模式中,混合模式对分析具有大部分序列性而却有一些元件是作用在非序列性方式的系统,是相当有用的。

序列性系统需定义视仰角(field of view)、波长范围和表面资料。序列性设计的最重要参数之一,为系统孔径(system aperture)。系统孔径,常指入射(entrance pupil) 或孔径光栏(aperture stop),它限制可从已定义视场入射光学系统的光线。光学表面可以是折射、反射或绕射。透镜可以是由均匀或渐变折射率材质所制成。表面的下弯(sag) 可以是球面、圆锥面(conic)、非球面(aspheric)或藉由多项式或其他参数函数来定义。也包含了许多绕射光学元件模型。此外,个使用者自定表面的功能,允许设计者以撰写程式的方式来建构任何实际的表面下弯或相位分布。

Zemax软件中一些功能可以用来分析系统,包括数个Layout、光点图(spot diagrams)、光扇图(ray fan) 和光程差图(OPD fan)、绕射调变转移函数(modulation transfer function, MTF) 和点扩散函数(point spread function, PSF) 图、包围圆(encircled) 和包围矩形(ensquared) 的能量资讯、像差计算( 塞德(Seidel) )、理想或偏斜(skew) 高斯光束参数计算、极化描光和波前传播工具等。

图3.4 系统绘图

3.3.1 光扇图(ray fan)

Zemax 中有一个重要的分析手段,就是显示ray fan 图。显示ray fan可以通过多种方式,比如功能表analysis-fans-ray aberration显示;也可以通过直接点击在功能表栏目上的Ray按钮。ray fan表示是光学系统的综合误差。它的坐标是光学系统的入瞳标量,因此总是从-1 到+1 之间。显然0 的位置对应就是光轴在入瞳中心的焦点。纵坐标则是针对主光线(发光点直穿光阑中心点的那条光线)在像面上的位置的相对数值。由于我们在计算光路的时候通常仅仅考虑两类光线:子午面和弧矢面。这样对于不同的面,就有两种不同ray fan显示。

图3.5 ray fan

3.3.2 光程差图(OPD fan)

光程差(OPD),是光线的光程和主光线的光程的差,通常,计算以返回到系统出瞳上的光程差为参考。每个曲线的横向刻度是归一化的入瞳座标。若显示所有波长,那么图形将以主波长的参考球面和主光线为参照基准。若选择单色光,

那么被选择的波长的参考球面和主光线被参照。由于这个原因,在单色光和多色光切换显示时,非主波长的资料通常被改变。

图3.6 OPD fan

3.3.3 光点图(spot diagrams)

光线密度有一个依据视场数目、规定的波长数目和可利用的记忆体而达到的最大值。GEO点尺寸给出的就是距离参考点最远的光线的信息。RMS点尺寸是径向尺寸的均方根,而点列图的RMS尺寸取决于每一根光线,所以它给出光线扩散的粗略概念。显示出的光在经过透镜、产生像差之后,打至成像面的光点分布图中,点的密度越大,代表能量越集中。

图3.7 光点图(spot diagrams)

3.4 系统优化

ZEMAX包括全域性优化功能,它是以结合减幅最小均方根过程的优化演算法为基础的。当执行优化时,ZEMAX对任何使用者建构的系统或表面参数决定最理想的值。几乎任何参数,包括曲率、厚度、玻璃特性、非球面系数和视场或波长资料,皆可设为变量。我们可以通过限制可接受的参数值范围,来确保可以

轻易的建构一个合理的系统。

最终的透镜参数、厚度、间距、曲率等,将由ZEMAX的优化来决定。在执行优化之前,必须提供一个合理的包括光学特性等基本数据在内的初始系统,以及需要的初始材质和系统孔径,进而在要求条件下进行优化功能。

第四章长出瞳目镜设计及分析

4.1目镜的具体设计过程

1)初始结构

首先由设计要求“镜片最多5种,镜片最多3种”得到一组如图5.1所示的比较理想的初始结构。由“glass”一栏可见,一共使用了4片镜片,3片BK7和1片SF1。同时,第三个镜片和第四个镜片之间双胶合。

图4.1 初始结构图

2)出瞳

由于我们设计的镜头为目镜,所以设计要求中的出瞳即为Zemax软件中的入瞳。出瞳距43mm,意味着光阑面到第一个镜面的距离为43mm。因此,在这里要注意,不再是传统的以第一个镜面作为光阑面,而是在第一个镜面的前面新建一个平面作为光阑面。如图 5.2所示。光阑面的厚度设为43mm。

图4.2 设置出瞳距

再由菜单System—General,调出General如图5.3所示。将出瞳直径设为8mm。

图4.3 设置出瞳直径

3)定义波长

由system—wavelength,调出wavelength界面,定义前3个波长,如图4.4所示。并把第二个波长0.5876定义为Primary。

图4.4 定义波长

3)视场角(30°)

设计要求视场角2w=30°,即半角值为15°。因此我们在设置视场角度时可以设定3个角度:0°(中心视场),0.7*15°,以及15°(全视场)。由System—Fields调出fields界面如图4.5所示。选择上面的angle,并在下面的界面中使用1、2、3角度,角度值分别设为0°、10°、15°。

图4.5 视场角的设置

4)像面大小(对角线直径15mm)

由设计要求可见,当焦距为28mm,视场半角为15°时,28*tan15°=7.5mm,即只要满足焦距和视场角两个条件,能够使像面对角线直径达到15mm。因此,这里的像面大小无需再设置。

5)焦距(28mm)

在merit function里定义焦距值。如图4.6所示,由Editors—Merit Function调出Merit Function编辑界面,把光标放在第一行Type列,点击Insert键加入新的一行。Type定义为EFFL,Wav定义为2,Target(焦距目标值)定义为28mm,权重定义为1。然后关闭窗口。

图4.6 焦距

6)优化

在把一系列的光学特性设置好后,就要进行优化。优化之前,我们把各个面镜的曲率半径设为可变。如图4.7所示。选中要设定的曲率半径,然后按ctrl+z,就会在该曲率半径后面的栏里出现一个“V”,意为可变。

图4.7

设置完成后,开始优化。由Tools—Optimization,打开优化窗口,如图4.8所示,点击“automatic”,自动优化。

图4.8 自动优化

优化过后我们发现,各个镜面的曲率都发生了不同程度的变化,如图4.9所示

图4.9 优化过后各曲面厚度

7)MTF

优化过后,打开MTF曲线,看是否满足设计要求。如图4.10所示

图4.10

基于单片机的电子时钟设计报告(LCD显示)

单片机原理及应用课程设计任务书 题目:电子时钟(LCD显示) 1、设计要求以AT89C51单片机为核心的时钟,在LCD显示器上显示当前的时间: 使用字符型LCD显示器显示当前时间。显示格式为“时时:分分:秒秒”。用3个功能键操作来设置当前时间。功能键K1~K4功能下。 K1—设置小时。 K2—设置分钟。 K3—设置秒。 程序执行后工作指示灯LED发光,表示程序开始执行,LCD显示“23:59:00”,然后开始计时。 2、工作原理 本课题难点在于键盘的指令输入,由于每个按键都具有相应的一种功能,程序中有较多的循环结构用以判断按键是否按下,以及判断按键是否抬起,以及LCD显示器的初始化。 3、参考电路 硬件设计电路图如下图所示: 硬件电路原理图 单片机原理及应用课程设计任务书

题目:电子时钟(LCD显示) 1、设计要求以AT89C51单片机为核心的时钟,在LCD显示器上显示当前的时间: 使用字符型LCD显示器显示当前时间。显示格式为“时时:分分:秒秒”。用3个功能键操作来设置当前时间。功能键K1~K4功能下。 K1—设置小时。 K2—设置分钟。 K3—设置秒。 程序执行后工作指示灯LED发光,表示程序开始执行,LCD显示“23:59:00”,然后开始计时。 2、工作原理 本课题难点在于键盘的指令输入,由于每个按键都具有相应的一种功能,程序中有较多的循环结构用以判断按键是否按下,以及判断按键是否抬起,以及LCD显示器的初始化。 3、参考电路 硬件设计电路图如下图所示: 硬件电路原理图 基于AT89C51单片机的电子时钟设计报告

一、设计要求与目的 1)设计要求以AT89C51单片机为核心的时钟,在LCD显示器上显示当前的时间。 2)、使用字符型LCD显示器显示当前时间。显示格式为“时时:分分:秒秒”。3)、用3个功能键操作来设置当前时间。 4)、熟悉掌握proteus编成软件以及keil软件的使用 二、本设计原理 本设计以AT89C51单片机为核心,通过时钟程序的编写,并在LCD显示器上显示出来。该编程的核心在于定时器中断及循环往复判断是否有按键操作,并对每个按键的操作在LCD显示器上作出相应的反应。由于LCD显示器每八位对应一个字符,故把秒、分、时的个位和十位分开表示。 该课题中有三个控制开关KM1、KM2、KM3分别控制时、分、秒的调整,时间按递增的方式调整,每点一次按钮则相应的时间个位加以,且时间调整不干扰其他为调整时间的显示。 三、硬件设计原理(电路) 硬件电路原理图

TFT-LCD液晶显示器的工作原理

TFT-LCD液晶显示器的工作原理 我一直记得,当初刚开始从事有关液晶显示器相关的工作时,常常遇到的困扰,就是不知道怎么跟人家解释,液晶显示器是什么? 只好随着不同的应用环境,来解释给人家听。在最早的时候是告诉人家,就是掌上型电动玩具上所用的显示屏,随着笔记型计算机开始普及,就可以告诉人家说,就是使用在笔记型计算机上的显示器。随着手机的流行,又可以告诉人家说,是使用在手机上的显示板。时至今日,液晶显示器,对于一般普罗大众,已经不再是生涩的名词。而它更是继半导体后另一种可以再创造大量营业额的新兴科技产品,更由于其轻薄的特性,因此它的应用范围比起原先使用阴极射线管(CRT,cathode-ray tube)所作成的显示器更多更广。 如同我前面所提到的,液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器。而今日对液晶显示器这个名称,大多是指使用于笔记型计算机,或是桌上型计算机应用方面的显示器。也就是薄膜晶体管液晶显示器。其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display,简称之TFT LCD。从它的英文名称中我们可以知道,这一种显示器它的构成主要有两个特征,一个是薄膜晶体管,另一个就是液晶本身。我们先谈谈液晶本身。 液晶(LC,liquid crystal)的分类 我们一般都认为物质像水一样都有三态,分别是固态液态跟气态。其实物质的三态是针对水而言,对于不同的物质,可能有其它不同的状态存在。以我们要谈到的液晶态而言,它是介于固体跟液体之间的一种状态,其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程,只要材料具有上述的过程,即在固态及液态间有此一状态存在,物理学家便称之为液态晶体。

DSP课程设计---液晶显示器控制显示

一、设计题目:液晶显示器控制显示 (1) 二、设计目的与步骤: (1) 2.1、 (1) 2.2、 (1) 三、设计原理: (2) 3.1、扩展IO接口: (2) 3.2、液晶显示模块的访问、控制是由VC5416 DSP对扩展接口的操作完成.. 2 3.3、液晶显示模块编程控制: (2) 3.4、控制I/O口的寻址: (2) 3.5、显示控制方法: (2) 3.6.液晶显示器与DSP的连接: (4) 3.7、数据信号的传送: (4) 四、 CCS开发环境 (5) 4.1、 (5) 4.2、 (6) 五、C语言程序 (8) 六、实验结果和分析 (15) 6.1、 (15) 6.2、 (16) 6.3、 (16) 6.4、 (16) 七、设计收获及体会 (17)

一、设计题目:液晶显示器控制显示 二、设计目的与步骤: 2.1、设计目的 通过实验学习使用VC5416 DSP的扩展I/O端口控制外围设备的方法,了解液晶显示器的显示控制原理及编程方法。 2.2、设计步骤 1.实验准备: ⑴连接实验设备:请参看本书第三部分、第一章、二。 2.设置Code Composer Studio 2.21在硬件仿真(Emulator)方式下运行: 3.启动Code Composer Studio 2.21: 选择菜单Debug→Reset CPU。 4.打开工程文件:浏览LCD.c文件的内容,理解各语句作用 工程目录:C:\ICETEK\VC5416AES61\VC5416AES61\Lab0403-LCD\LCD.pjt。5.编译、下载程序。 6.运行程序观察结果: 7将内层循环中的 “CTRLCDLCR=( nBW==0 )?(ledkey[nCount][i]):(~ledkey[nCount][i]);”语句改为“CTRLCDRCR=( nBW==0 )?(ledkey[nCount][i]):(~ledkey[nCount][i]);”,重复步骤5-6,实现在屏幕右侧显示。 8.更改程序中对页、列的设置,实现不同位置的显示。

液晶显示器的工作原理

液晶显示器的工作原理 我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性,但是如果这些分子是长形的(或扁形的),它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体,而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”,又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生,我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年,由奥地利植物学家Reinitzer发现的,是一种介于固体与液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶,分子形状为细长棒形,长宽约1nm~10nm,在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则旋转90度排列,产生透光度的差别,如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需图像。 1. 被动矩阵式LCD工作原理 TN-LCD、STN-LCD和DSTN-LCD之间的显示原理基本相同,不同之处是液晶分子的扭曲角度有些差别。下面以典型的TN-LCD为例,向大家介绍其结构及工作原理。 在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中,通常是由两片大玻璃基板,内夹着彩色滤光片、配向膜等制成的夹板? 外面再包裹着两片偏光板,它们可决定光通量的最大值与颜色的产生。彩色滤光片是由红、绿、蓝三种颜色构成的滤片,有规律地制作在一块大玻璃基

板上。每一个像素是由三种颜色的单元(或称为子像素)所组成。假如有一块面板的分辨率为1280×1024,则它实际拥有3840×1024个晶体管及子像素。每个子像素的左上角(灰色矩形)为不透光的薄膜晶体管,彩色滤光片能产生RGB三原色。每个夹层都包含电极和配向膜上形成的沟槽,上下夹层中填充了多层液晶分子(液晶空间不到5×10-6m)。在同一层内,液晶分子的位置虽不规则,但长轴取向都是平行于偏光板的。另一方面,在不同层之间,液晶分子的长轴沿偏光板平行平面连续扭转90度。其中,邻接偏光板的两层液晶分子长轴的取向,与所邻接的偏光板的偏振光方向一致。在接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向来排列,而下部夹层的液晶分子按照下部沟槽的方向排列。最后再封装成一个液晶盒,并与驱动IC、控制IC 与印刷电路板相连接。 在正常情况下光线从上向下照射时,通常只有一个角度的光线能够穿透下来,通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中,再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出,形成一个完整的光线穿透途径。而液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板,这两块偏光板的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同。当液晶层施加某一电压时,由于受到外界电压的影响,液晶会改变它的初始状态,不再按照正常的方式排列,而变成竖立的状态。因此经过液晶的光会被第二层偏光板吸收而整个结构呈现不透光的状态,结果在显示屏上出现黑色。当液晶层不施任何电压时,液晶是在它的初始状态,会把入射光的方向扭转90度,因此让背光源的入射光能够通过整个结构,结果在显示屏上出现白

LED线阵显示屏设计报告

陇东学院第二届电子设计大赛 LED线性显示屏设计 院系班级:信息工程学院 12级通信工程本科班参赛组: 指导老师: 2014年6月22日

摘要 LED旋转显示器时基于视觉暂留原理,开发的一种旋转式LED 显示屏。本设计基于AT89C52单片机,通过直流电机带动旋转,在具有一定转速地载体上安装16个LED发光器件,各LED发光管等间距排位一条直线,随着电机的运转,不断扫描出预设的文字。 针对传统LED显示屏视角单一、体积较大、需要的发光二极管数目较多等特点,利用电机带动LED显示阵列高速旋转实现环形显示,达到360全视角,在相同显示信息量上降低产品体积,减少对发光二极管的使用,设计一个可以经常方便变换内容、能够携带方便、信息容量大、价格低廉、结构简单的信息播放系统,即旋转LED显示屏。 实际制作的LED旋转显示屏技术参数的测试结果,以及实际的运行效果表明,本文设计和制作的旋转显示屏基本符合设计的基本要求,具有一定的创新性与实际应用价值。 设计关键字:AT89C52单片机,视觉暂留,直流电机,旋转。

目录 1.任务要求 (4) 1.1基本要求 (5) 1.2 发挥部分 (5) 1.3 说明 (5) 2.总体方案设计 (5) 2.1 系统分析 (5) 2.2方案论证 (5) 2.3方案设计 (6) 2.4 系统总体方框图 (6) 3.电路与程序设计 (7) 3.1电路外观设计 (7) 3.2硬件设计 (7) 3.3软件设计 (8) 4.系统测试 (8) 4.1测试方案 (8) 4.2调试方案 (9)

4.3测试结果 (9) 4.4测试结果分析 (9) 5.系统硬件框图 (9) 6.谢辞 (10) 8.参考文献 (11) 附录 (11) 9.1 效果图 (11) 9.2源程序 (15)

LCD液晶显示器设计毕业论文毕业论文

东莞理工学院本科毕业设计 毕业设计题目:LCD电子显示屏的控制和界面设计学生: 学号: 院系:电子工程学院 专业班级: 指导老师及职称: 起止时间:2010年4月——2010年5月

LCD液晶显示器设计毕业论文毕业论文 目录 一、摘要- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ------------------3 二、作品意义- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -----------------3 三、硬件设计- - - - -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ----------------4 四、软件设计 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ----------------5 五、设计调试 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ----------------8 六、指令说明- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- - - - - - ---9 七、心得体会 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ---------------12 八、致谢- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ------------------13 九、参考文献- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ----------------13 十、源程序与原理图 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -- -

脉冲按键电话按键显示器设计报告要点

课程设计成果说明书 题目:脉冲按键电话按键显示器学生姓名: 学号: 学院: 班级:指导教师: 2011年 6 月 12 日

课程设计任务书 2010 —2011 学年第2 学期 学院机电工程学院班级 A09电气(1)、(2)专业电气 学生姓名(学号) 课 程 名 称 数字电子技术课程设计 设计 题目 脉冲按键电话按键显示器 完成 期限 自 2010年 6 月 30 日至 2010 年 7 月 6 日共 1 周 设计依据 电话是人们日常生活中通话的工具,现设计具有12位显示的电话按键显示器。

设计要求及主要内容 1、能准确反映按键数字,例如按下“5”,则显示器显示5。 2、显示器显示从地位向高位移位,逐位显示按键数字,最低位为当前输入位。 3、重按键时,能首先清除显示; 4、在挂机2min后或按熄灭按键,熄灭显示器显示。 参考资料 1、彭介华主编《电子技术课程设计指导》第一版北京:高等教育出版社,1997。 2、郁汉琪编《数字电子技术实验及课题设计》。北京:高等教育出版社,1995。 指导 教 师签字 日期 摘要:本次课程设计的目的是为了巩固我们对数字电子技术课程所学过的内容,能够运用课程中所掌握的数字电路的分析和设计方法解决实际问题,培养分析问题,解决问题的能力。我们在设计此课题中要求设计一个具有12位显示的电话按键显示器。能准确显示按键数字,并且数字依次从右向左移动显示,最低位为当前输入位。同时设置清除键,能使显示器立即清除当前的显示。最后要设计一个震荡器,使其产生1HZ的脉冲,来做定时电路。在挂机2min后或者按熄灭按键,能达到熄灭显示器显示的功能。在这个设计中,我们用到了编码器,移位寄存器,译码显示器等芯片及元器件。对于它们的工作特性,会有进一步的理解。

LED显示屏显示原理

LED显示屏系统原理及工程技术 导读:LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点,自20世纪80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善,在国外得到了广泛的应用。 本主题首先介绍了LED显示屏的发展与应用概况。 在第一章中叙述了LED显示器件的基本工作原理及特性,详细介绍了LED点阵显示屏的具体电路和参数。第二章针对广泛应用的图文显示屏,在介绍它的基本组成之后,对各部分LED显示屏电路进行了深入的分析,并给出了完整实用的硬件电路图和全部汇编语言程序清单。 第三章的内容是图象显示屏,侧重分析了LED显示屏的灰度控制方法,并介绍了集成电路TLC5902的特性及应用。 第四章讨论了当时最先进的视频显示屏,就视频信号源的组织、视频LED显示屏的结构、主要集成电路芯片,以及配套的应用软件等,分别介绍了ZQL9701、DS90C031等芯片的技术特性和LEDSHOW、“LED管理工具&rdquo等软件的使用方法。书后还附有我国LED的行业标准。本书可供从事各类LED显示屏工作的工程技术人员参考,也可作为大专院校有关专业的教书参考书或教材。 前言 LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点,自20世纪80年代后期开始,随着LED 制造技术的不断完善,在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈,LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势,因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。 LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏,到图象显示屏,一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能(提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等)和系统的组成(计算机化的全动态显示系统)等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平,可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步,至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。应该指出的是,我国LED产业不但在应用技术上取得了巨大的成功,而且在创新能力上有出色的表现,例如北京中庆数据设备公司研制的ZQL9701超大规模芯片,就代表了当前LED显示屏控制电路的国际水平。 与国内LED显示屏产业的迅速发展相比,目前关于LED显示屏的图书资料显得太少,不便于设计制造人员及运用维护人员的工作,由此萌发了编写一本LED显示屏技术用书的想法,适逢电子科技大学出版社之邀,斗胆动笔草就本书。书中分别就LED显示屏的概况、LED显示器件、图文显示屏、图象显示屏、视频显示屏等有关技术问题进行了叙述,以期使从事各类LED显示屏工作的读者能够从本书中得到一些有用的材料。 由于LED显示屏是多种综合应用的产品,涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方路及方法还要花较大篇幅进行介绍,容易冲淡主题。反过来采用集成电路和单片机等简单普及的刻与LED显述硬件又有软件。上述各个领域都自成体系,在本书中无法一一尽述,只能以显示意直接有关的部分,而不追求各相关技术自身的完成性;二、尽量采用简单普及的方案进不方案,可以追求相关技术的先进性。例如在一些控制电路中,能用常规集成电路实现,而又面,既示避免各个相关技术“从头说起”的麻烦,从而达到精简内容突出重点的目的。而不行描屏有进行讨论。书中在处理相关领域技术方面采取了以下两条对策:一、侧重叙述屏为主线,介绍相关技术在LED显示屏中的应用,不采器件的方案。 LED电子显示屏控制原理

LCD1602液晶显示器设计

LCD1602液晶显示课程设计 第一章绪论 1.1课题背景 当今时候是一个信息化的时代,信息的重要性不言而喻的,获取手段显得尤其重要。人们所接受的信息有70%来自于人的视觉,无论用何种方式获取的信息最终需要有某种显示方式来表示。在当代显示技术中,主流的有LED显示屏和LCD液晶显示,而在这些显示技术中,尤其以液晶显示器LCD(Liquid crystal display)为代表的平板显示器发展最快,应用最广。LCD是典型的发光器件,它一材料科学为基础,综合利用了精密机械,光电及计算机技术,并正在微机械,微光学,纤维光学等前沿领域研究基础上,向高集成化,智能化方向发展。 液晶显示技术发展迅猛,市场预测表明,液晶显示平均年销售呈增长10%~13%,不久的将来有可能取代CRT,成为电子信息产品的主要显示器件,另外,液晶显示器对空间电磁辐射的干扰不敏感,且在紧凑的仪器空间不需要专门的屏蔽保护,因而课大大简化仪器的结构和制造成本,在各种便携式仪器,仪表将会越来越广泛的应用。特别是在电池供电的单片机产品中,液晶显示更是必选的显示器件。 1.2课题设计目标 本设计是基于AT89C51芯片单片机为主控芯片,结合1602液晶显示模板等外围电路,通过软件程序,来实现液晶显示英文字母。本次设计的目的在于利用单片机和IIC技术来显示英文字母。 1.3课程设计的主要工作 (1)对系统的各个模块的各个功能进行深入分析和研究,在对课题所采用的方案进行可行详细的研究后设计具体功能电路。 (2)熟悉所选芯片的功能并完成具体电路设计。

(3)对系统的最终指标进行测试,针对系统的不足,进行分析并提出一些改正方法。 1.4 设计要求 (1)运行IIC总线技术。 (2)循环显示字母。 第二章硬件设计 2.1 LCD1602简介 2.1.1 LCD1602引脚功能 LCD1602引脚如图2.1所示 图2.1 LCD1602引脚图 引脚图的功能如表2—1所示

液晶显示器电源工作原理及维修

液晶显示器电源工作原理及维修 详细介绍液晶显示器电源的作用、工作原理、维修及代换, 一、电源的作用 1、电源的基本知识 液晶电源的作用是为整机提供能量,常见的电源适配器外观如图所示 它的输入是220V交流电,输出为12V、4A直流电。电源适配器的内部电路结构如图所示

2、液晶电源的常见存在形式 常见的液晶电源有内置式和外置式两种。内置式电源一般是和高压板做在一起,形成二合一电源板,驱动板需要的各路电压均有电源板产生。外置式电源也就是通常所说的电源适配器,它一般是220V交流电输入,12V直流电输出,驱动板需要的其他电原在驱动板上进行变换。 二、电源的工作原理 由于LCD采用低电压工作,而一般市电提供提是110V或220V的交流电压,因此显示器需要配备电源。电源的作用是将市电的220V交流电压转变成12V或其它低压直流电,以向液晶显示器供电。 LCD显示器中的电源部分均采用开关电源。由于开关电源具有体积小、重量轻、变换效率高等优点,因此被广泛应用于各种电子产品中,特别是脉宽调制(PWM)型的开关电源。PW M型开关电源的特点是固定开关频率、通过改变脉冲宽度的占空比来调节电压。 PWM开关电源的基本工作原理是:交流电220V输入电源经整流滤波是路变成300V直流电压,再由开关功率管控制和高频变压器降压,得到高频矩形波电压,经整流滤波后获得显示器所需要的各种直流输出电压。脉宽调制器是这类开关电源的核心,它能产生频率固定具脉冲宽度可调的驱动信号,控制开关功率管的导通与截止的占空比,用来调节输出电压的高低,从而达到稳压的目的。 以下将要介绍的电源适配器就是此类开关电源,我们以采用UC3842脉宽调制集成控制器的电源为例讲解相关电路。 1、UC3842的性能特点 (1)它属于电流型单端PWM调制器,具有管脚数量少,外围是路简单、安装调试方便、性能优良、价格低廉等优点。而且通过高频变压器与电网隔离,适合构成无工频变压器的20-50W小功率开关电源。 (2)最高开关频率为500KHZ,频率稳定度高达0.2%。电源效率高,输出电流大,能直接驱动双极型功率晶体管或VMOS管、DMOS管、TMOS管工作。 (3)内部有高稳定的基准电压源,档准值为5V,允许有+0.1%的偏差,温度系数为

基于51单片机的液晶显示器控制电路设计_本科论文

XXXXXXX 毕业设计 题目GPRS无限通讯数据系统的设计与应用姓名xxx 学号xxx 专业班级xxx 分院xxx

指导教师xxx xxxx年xxx月xxx日

目录 摘要............................................... 错误!未定义书签。ABSTRACT........................................................... I I 第一章概述 (1) §1.1系统背景 (1) §1.2 系统概述 (2) 第二章方案论证 (3) §2.1字模数据的存储 (3) §2.2 通信电路 (3) 第三章液晶显示模块简介 (4) §3.1 显示控制器 (5) §3.2 列驱动方式 (10) §3.3 行驱动方式 (11) 第四章硬件设计 (13) §4.1硬件电路设计要求 (13) §4.2 总体电路设计构架 (13) §4.3 单片机与液晶显示模块接口 (13) §4.4 单片机与计算机的通信接口 (14) §4.5 电源电路 (15) 第五章系统软件设计 (15) §5.1 内置T6963C控制器软件特性 (15) §5.2初始化子程序设计 (19) §5.3 串行通信子程序设计 (20) §5.4 显示控制子程序设计 (21) 第六章系统调试 (22) §6.1 分步调试 (22) §6.2 系统统一调试 (23) 结束语 (24) 附录 (25)

参考文献 (30) 致谢............................................. 错误!未定义书签。

LED点阵显示屏设计报告

西安邮电大学 开发性实验结题报告 学院:电子工程学院 班级:光信1201 姓名:袁云飞学号:05123010 班级:光信1201 姓名:赵晓伟学号:05123019 班级:光信1201 姓名:陶鹏江学号:05123018 237团队 2014年3月30日

16 32点阵LED电子显示屏 摘要: 本设计是一16×32点阵LED电子显示屏的设计。 整机以美国ATMEL 公司生产的40脚单片机AT89C52为核心,介绍了以它为控制系统的LED点阵电子显示屏的动态设计和开发过程。通过该芯片控制两个行驱动器74HC573和四个列驱动器74HC573来驱动显示屏显示。该电子显示屏可以显示各种文字或单色图像,全屏采用8块8×8点阵LED显示模块来组成16×32点阵显示模式。文中详细介绍了LED点阵显示的硬件设计思路、硬件电路各个部分的功能及原理、相应软件的程序设计,以及使用说明等。 单片机控制系统程序采用单片机C语言进行编辑,通过编程控制各显示点对应LED阳极和阴极端的电平,就可以有效的控制各显示点的亮灭。LED显示以其组构方式灵活、显示稳定、功耗低、寿命长、技术成熟、成本低廉等特点得到广泛的应用。 关键词:AT89C51单片机;LED;点阵显示;动态显示;C语言。 一绪论 LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。它具有发光效率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点。并广泛的应用于公交汽车,码头,商店,学校和银行等公共场合的信息发布和广告宣传。LED显示屏经历了从单色,双色图文显示屏到现在的全彩色视频显示屏的发展过程,自20世纪八十年代开始,LED显示屏的应用领域已经遍布交通、电信、教育、证券、广告宣传等各方面。 1 LED点阵显示屏概述 LED点阵显示屏的构成型式有多种,其中典型的有两种。一种把所需展示的广告信息烧写固化到EPROM芯片内,能进行固定内容的多幅汉字显示,称为单显示型;另一种在机内设置了字库、程序库,具有程序编制能力,能进行内容可变的多幅汉字显示,称可编程序型。 目前,国内的LED点阵显示屏大部分是单显示型,其显示的内容相对较少,

液晶显示器缓冲包装设计案例

液晶显示器产品包装保护与包装工艺设计 案例 目录 引言 (1) 1 液晶显示器及其特点 (1) 1.1液晶显示器的特点 (2) 1.2 液晶显示器的包装的标志、标签和包装 (4) 1.3显示器的存放、运输环境及其可能所造成的损害 (5) 1.3.1运输环境 (5) 1.3.2对破裂的设想 (7) 1.3.3关于振动 (8) 2 液晶显示器的包装设计方案 (10) 2.1 缓冲材料的选择 (10) 2.1.1泡沫塑料 (10) 2.1.2瓦楞纸箱 (10) 2.2 缓冲材料的组合 (11) 2.3 设计条件确定 (12) 2.3.1流通环境 (13) 2.3.2产品脆值分析 (13) 2.3.3产品可缓冲部位 (13) 2.3.4产品理论缓冲面积 (15) 2.4 结构设计 (15) 2.4.1缓冲单元的设计 (15) 2.4.2缓冲垫的结构设计 (16) 3 优化设计 (17) 3.1 缓冲垫外表面的优化 (17) 3.2 优化EPS的工艺参数与密度 (18) 3.3 原包装件的确定 (18) 3.4 缓冲包装的跌落测试 (18) 4 结论 (21) 参考文献 (22)

液晶显示器缓冲包装设计 引言 21世纪是高科技的时代,人们的生活越来越离不开电脑,而电脑的普及推广很大程度上得益于液晶显示器的发明和液晶技术的发展。 由于液晶显示器属于精密电子产品,长期以来,液晶显示器的破损现象在其流通过程中时有发生,它不仅直接造成经济上的损失.而且影响着产品的市场竞争力面对产品激烈的市场竞争,设计合理的电视机包装结构巳经成为各电视机厂家不可回避的一十重要课题。实践中.液晶显示器结构强度和包装抗冲击性能的不足是导致机壳破裂的主要原因。缓冲垫作为电视机包装中的重要组成部分.它的设计直接影响着整个包装的抗冲击能力。目前,一般采用在结构上多加肋、加厚来提高液晶显示器结构强度或者简单增加缓冲垫的厚度等方法来提高液晶显示器包装的抗冲击性。虽然这些方法能够解决大多数的实际问题.但通常会造成结构和包装的过分设计,增加生产制造成本.这是生产厂家所不愿意看到的。因此,本文希望通过缓冲垫的性能分析来优化缓冲垫结构设计.从而降低材料成本并提高缓冲性能. 1液晶显示器及其特点 液晶显示器,或称LCD(Liquid Crystal Display),为平面超薄的显示设备,它由一定数量的彩色或黑白像素组成,放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低,因此倍受工程师青睐,适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。

TFT-LCD液晶显示器的工作原理(上)

TFT-LCD液晶显示器的工作原理(上) 谢崇凯 我一直记得,当初刚开始从事有关液晶显示器相关的工作时,常常遇到的困扰,就是不知道怎么跟人家解释,液晶显示器是什么? 只好随着不同的应用环境,来解释给人家听。在最早的时候是告诉人家,就是掌上型电动玩具上所用的显示屏,随着笔记型计算机开始普及,就可以告诉人家说,就是使用在笔记型计算机上的显示器。随着手机的流行,又可以告诉人家说,是使用在手机上的显示板。时至今日,液晶显示器,对于一般普罗大众,已经不再是生涩的名词。而它更是继半导体后另一种可以再创造大量营业额的新兴科技产品,更由于其轻薄的特性,因此它的应用范围比起原先使用阴极射线管(CRT,cathode-ray tube)所作成的显示器更多更广。 如同我前面所提到的,液晶显示器泛指一大堆利用液晶所制作出来的显示器。而今日对液晶显示器这个名称,大多是指使用于笔记型计算机,或是桌上型计算机应用方面的显示器。也就是薄膜晶体管液晶显示器。其英文名称为Thin-film transistor liquid crystal display,简称之TFT LCD。从它的英文名称中我们可以知道,这一种显示器它的构成主要有两个特征,一个是薄膜晶体管,另一个就是液晶本身。我们先谈谈液晶本身。 液晶(LC,liquid crystal)的分类 我们一般都认为物质像水一样都有三态,分别是固态液态跟气态。其实物质的三态是针对水而言,对于不同的物质,可能有其它不同的状态存在。以我们要谈到的液晶态而言,它是介于固体跟液体之间的一种状态,其实这种状态仅是材料的一种相变化的过程(请见图1),只要材料具有上述的过程,即在固态及液态间有此一状态存在,物理学家便称之为液态晶体。

LED电子显示屏的设计报告(完整)

“TI杯”电子设计大赛 报告 A题:LED电子显示屏的设计 队员:赖波 2802107013 队员:漆志龙 2802107021 队员:朱维各 2802107012 2010-5-27

LED 电子显示屏的设计 电子工程学院2008级 赖波 漆志龙 朱维各 【摘要】本系统中的LED 电子显示屏采用基于A T89S52的单片机最小系统来控制,运用串行通信方式输出数据,具有占有引脚少,系统相对简单的特点;通过简单的编程修改显示屏可以显示不同的、相当多的信息,且在必要的情况下可以扩展更大的外部存储器;显示屏采用PCB 制作,更加容易扩展,更具有实用性。另外,此LED 电子显示屏的电源采用了开关电源模块,具有电压稳点,效率高的优点。该20*16电子显示屏各点亮度均匀、充足,满足了显示数字和文字稳定、清晰、无串扰的要求。 关键词: 单片机控制模块 开关电源 效率 5*8点阵模块 1.系统设计 1.1整体方案设计 LED 电子显示屏框图 1.2硬件方案论证与比较 1.2.1电子显示屏模块 1. 采用6块市场上常见的8*8点阵模快组成24*16的大点阵,在编程的时候只利用其中的20列,余下的4列空置。此种设计从细处来看不符合项目的原意,且点阵模块没有充分的利用,浪费了空间和资源。 2. 采用320个LED 焊接成20*16的模块,以满足题目的要求。但是此种方法耗时且浪费资源,LED 需要较大的驱动来满足亮度要求。这样焊接的显示屏也不容易达到亮度均匀、充足,显示文字清晰的基本要求。 3. 采用6块运用相对较少的的5*8点阵模块拼接成20*16的模块。这种设计组合正好可以契合题目要求,而且容易实现电子显示屏各点亮度均匀、充足,显示数字和文字稳定、清晰、无串扰的要求。由于引脚数量也不是很多,更容易操作。综合考虑,本系统采用此方案。 不论采用哪种方案,由于涉及到较多的焊接工作,究竟采用多层万能板焊接,还是使用会具有众多跳线的单层万能板,亦或是使用PCB 板来实现也是不得不面对的问题。考虑到 列驱动器 行 驱 动 器 LED 显示点阵 单片机 电源

液晶显示器原理与构造

液晶显示器原理与构造概论 液晶显示器的构造 液晶显示器的构造,以TFT-LCD来讲,关键零组件包括玻璃基板、彩色滤光片、偏光片、驱动IC、液晶材料、配向膜、背光模块、ITO导电薄膜,还有其它Cell制程要用到的材料及化学用品等。而在主要构造的用途方面,接下来以主动矩阵驱动方式的液晶显示器来说明,首先由背光源的光线照在偏光板上,光线在穿过偏光板后,会被偏极化(也就是偏极化后每一个光线的分子,在能量、相位、频率和方向上的特性都会相同。),偏极化的光线会穿过液晶,因为液晶分子的排列方式被电极产生的电压影响,因此液晶可以改变偏极化光线的偏光角度,不同的偏光角度造成出来的光线强度会不同,不同强度的光线再经由彩色滤光片的红、蓝、绿三个画素,就会显示出各种不同的亮度和不同颜色的画素,最后再经由各个画素就可以组成肉眼看得到的各种影像和图形。 主动矩阵型液晶显示器构造图

TN型LCD显示模式 液晶显示器的优点和缺点 和传统的阴极射线管显示器相比,液晶显示器具有许多优点,首先在重量和体积方面,液晶显示器不管是在重量、体积和厚度上,都比阴极射线管显示器来得短小轻薄,因此在携带性和使用便利性上,液晶显示器都较传统阴极射线管显示器优良许多。接下来是在耗电方面,由于阴极射线管显示器是利用电子束打在涂满磷化物(phosphor) 的弧形玻璃上,后端使用阴极线圈放出负电压,驱动电子枪将电子放射在弧形玻璃上发出光亮形成影像,所以比较起来液晶显示器较为省电。 至于在屏幕本体的比较,液晶显示器和阴极射线管显示器的优劣参半,液晶显示器在屏幕弧度和屏幕闪烁度方面都比阴极射线管显示器来得好,但是在广视角技术和尺寸大小方面,反而是阴极射线管显示器比液晶显示器好,因为在制作液晶显示器时,超过30吋以上会因为玻璃基板材质的问题,造成玻璃重量使面板变形,因此目前无法做超过30吋以上的屏幕。除此之外,液晶显示器也有其它缺点,如价格比阴极射线管显示器高出许多,耐用度较阴极射线管显示器差,以及使用温度限于0至50度区间(超出此温度区间会使液晶结构受到破坏)等。

液晶显示器高压板电路基本工作原理

液晶显示器高压板电路基本工作原理2010-06-11 10:21

高压板电路是一种DC/AC(直流/交流)变换器,它的工作过程就是开关电源工作的逆变过程。开关电源是将市电电网的交流电压转变为稳定的12V直流电压,而高压板电路正好相反,将开关电源输出的12V直流电压转变为高频(40~80kHz)的高压(600~800V)交流电。 电路主要由驱动电路(振荡电路、调制电路)、直流变换电路、Royer结构的驱动电路、保护检测电路、谐振电容、输出电流取样、CCFL等组成。在实际的高压板中,常将振荡器、调制器、保护电路集成在一起,组成一块小型集成电路,一般称为PWM控制IC。 驱动电路采用Royer结构形式。Royer结构的驱动电路也称为自激式推挽多谐振荡器,主要由功率输出管及升压变压器等组成, 、 组成一个具有亮度调整和保护功能的高压板电路。 图中的ON/OFF为振荡器启动/停止控制信号输入端,该控制信号来自驱动板(主板)微控制器(MCU)。当液晶显示器由待机状态转为正常工作状态后,MCU向振荡器送出启动工作信号(高/低电平变化信号),振荡器接收到信号后开始工作,产生频率40~80kHz的振荡信号送入调制器,在调制器内部与PWM激励脉冲信号,送往直流变换电路,使直流变 Royer L1(相当于电感)组成自激振荡电路,产生的振荡信号经功率放大和升压变压器升压耦合,输出高频交流高压,点亮背光灯管。 为了保护灯管,需要设置过电流和过电压保护电路。过电流保护检测信号从串联在背光灯管上的取样电阻R上取得,输送到驱动控制IC IC。当输出电压及背光灯管工作电流出现异常时,驱动控制IC控制调制器停止输出,从而起到保护的作用。 调节亮度时,亮度控制信号加到驱动控制IC,通过改变驱动控制IC输出的PWM脉冲的占空比,进而改变直流变换器输出的直流电压大小,也就改变了加在驱动输出管上的电压大小,即改变了自激振荡的振荡幅度,从而使升压变压器输出的信号幅度、CCFL两端的电压幅度发生变化,达到调节亮度的目的。 该电路只能驱动一只背光灯管。由于背光灯管不能并联或串联应用,所以,若需要驱动多只背光灯管,必须由相应的多个升压变压器输出电路及相适配的激励电路来驱动。

旋转LED显示屏设计毕业论文

旋转LED显示屏设计毕业论文第二章旋转LED显示屏显示原理 LED显示器具有功耗低,接口控制方便等优点,而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性,并能直接与单片机接口,可方便地实现各种不同的操作,在各类测量及控制仪表中被广泛的应用。当在LED上显示汉字时,应先取得汉字的点阵构成数据,然后将其写入显示存储器中进行显示。 物体在快速运动时, 当人眼所看到的影像消失后,人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像,这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时,成像于视网膜上,并由视神经输入人脑,感觉到物体的像。但当物体移去时,视神经对物体的印象不会立即消失,而要延续0.1 -0.4秒的时间,人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。假设我们设定我们的眼睛的暂留时间是0.4秒,如果我们的16个LED旋转一周的时间快过0.4秒,那么我们看到的图像就是这一列LED在各个位置显示的图像的叠加,如图2-1,如果我们用定时器把LED旋转一周的各个位置分割出180分,让它在相应的位置显示相应的图像,那么我们就可以得到一个累加的图像效果了。 图2-1图列分析

第三章旋转LED显示屏系统硬件简介 3.1系统硬件框图 系统各部分和各环节之间关系的图3-1示如下: 图3-1 系统硬件框图 单片机 STC12C5A6 0S2 直流电机 5V 电源 12V 电源 LED显示

3.2 旋转LED显示屏主机系统 3.2.1 主机系统连接如图3-2所示 图3-2主控机管脚图 本次设计主机系统分为单片机、LED灯、电磁耦合供电电路,都焊接在主控板上,其次是在底座上的电动机,和电磁初级线圈。 3.2.2旋转LED显示屏主机芯片简介 本次毕业设计采用的STC12C5A60S2单片机,以下是对其的介绍: STC12C5A60S2简介: STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,针对电机控制,强干扰场合。

显示屏工作原理

2 显示扫描原理 各个企业制造的LED显示屏的控制结构有所不同,但是,显示屏的显示扫描电路基本相同。双基色LED显示屏的显示扫描电路如图1所示。在图1中,IC1、IC2是数据锁存器电路74HC595,分别锁存红色、绿色数据,它们的性能是:①串行输入8位并行输出;②数据锁存、数据清除功能;③输出具有比较强的驱动能力。电阻RPB1、RPB2是限流电阻,根据颜色和模块的亮度来选择他们的数值。ML1是双色LED显示模块,共有8行×8列=64个LED,其中,8个引脚是红色信号输入端,8个引脚是绿色信号输入端,8个引脚是行控制输入端,共有24个引脚。三极管 Q0,Q2,…Q7是行选通、驱动作用。IC3是3-8地址译码电路74HC138,8个选通输出端分别控制相应的行。图中电路是显示屏的原理电路,其数据传送方式是数据传送与行信号异步进行:首先,同时传送8位红、绿颜色数据到电路IC1、IC2并将数据锁存,然后再传送行控制信号点亮一行LED,接下来重复上述操作,只是行信号移至下一行,依次到第八行为止,即是一次完整的扫描过程。 显示扫描电路板的设计要求具有比较低的生产成本,因此,许多企业都设计成双面电路板,这样可以节省约三分之一的电路板成本。在显示模块的相应尺寸范围内,要安放上图中的全部元器件,其对应的双层印刷电路板编制具有较大难度,所以IC1电路特别适合点阵扫描原理的LED显示模块的驱动。显示扫描电路都是采用串行方式传送数据,这样既可以节省电路板的位置,又适合显示屏与计算机之间的数据传送。 3 工作状态分析 显示扫描电路的原理是动态扫描方式,不能静态测量其工作电流,因此,要计算出工作电流,就要分析动态参数。图2是一个LED的工作电路图。电路中Q8是驱动电路,正端接电源,控制端接74HC138的输出,输出端接LED发光二极管D,与限流电阻连接,电阻接74HC595的数据输出端。LED的点亮方式是:控制74HC138的片选信号无效,为不选通,之后74HC595输出电平,低电平为点亮信号,再选通74HC138,控制输出选通信号,此时,有电流I0从Q8输出,流过D、R1后,进入74HC595的数据输出端。 在图中,V ab是加在LED上的电压,红、绿色高亮度发光二极管的压降均约2~3V,Vbc是加在限流电阻两端上的电压,通过调节限流电阻的数值,就可以改变电路的工作电流I0,当电阻R1=0时,电路依靠74HC595的输出有源电阻作为限流电阻。 在扫描电路中可以看出,电路结构比较简单,合理地调整各个部分工作参数就能够使电路工作在最佳状态。在选择电路时,还要准确掌握各个公司电路的性能,以及之间的技术参数的差别。不同型号的器件技术参数也有所区别,表1是74H C595的技术参数,表中给出了Texas Instru-ments,ST,Philips公司的74HC595的技术参数。在表中可以看出不同的公司生产的电路略有不同,因此,一块显示屏尽量要使用同一公司的电路器件,以免由于参数的差别影响显示屏的显示效果。 在表1中,Iik为输入尖峰脉冲电流,Iok为输出尖峰脉冲电流,I0为连续输出电流,Vcc为最高供电电压,f max表示在25℃时的最大工作频率(随着负载电容的不同,工作频率也不同),ta为工作温度。表中元件SN74HC595、M74HC595、74HC595对应公司是Texas Instryments,ST,Philips。 4 亮度和颜色的调整 4.1 亮度和颜色的调整 制造大屏幕时,首先要按照亮度指标选择LED或者显示模块,其次是根据选择的产品红、绿、蓝颜色的亮度比来确定哪一种颜色为基准,一般是将亮度比例低的一种作为亮度基准,当基准的一种已经达到最大亮度时,调整另外一种(双色)或两种(全彩)。显示屏幕是双色时,大多数情况下以绿色为基准,调整红色二极管的工作电流。一般是降低工作电流,以平衡颜色黄色为调整标准,这样就要减小整个显示屏幕的亮度。显示屏的颜色调整至最佳平衡状态,则会使屏的亮度降低。如果显示屏幕为了

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