（测试计量技术及仪器专业论文）婴幼儿视力测试仪原理样机的研制.pdf

硕士论_ 盘：婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 撩要 必了瑟决螫续j b 懿力测试镀城联麟躲豹爨楚，搴文在婴麓足鬟力涎试纹专 嗣的鏊础上，设讦了利用液晶疆示横浓实现视标的躁示和视桥移动模式的选择， 曩麓裂髑数字霭象照避技本鼗溅被溅鼹，基本这鹫裔鼗惩生产蘩隶毂娶戆t 邋力 溪试仪艨理样梳。 荫搬综合分橱了婴蟪，k 援力溅试袋域鲍现状及存在鹣瓣题，杰饕貔j 禳交 溺试仅专稳文荇静慕硫土，确定了餮幼儿视力测试仪的实施原理方察。 在婴鳍，l 我力测试役显示帮分，摄澳了琴鼹渡鑫避示模块实强援掭屡暴、鼹 轹移动模式帮褪标移渤颇率弱掩翻琢糕，获而取代了原专和中通过曲柄和电机涟 接，在恕极带谈下镞缝餐运动数枫授装霰。邀麓根据见德光学的豫羞理论，设计 了婺翁j k 褪力涮试役静光学藏像系统。该系统溉满足了该测试仪对系统钓总体隳 求，又较好地校正了像麓，从疆保证了成像威爨。本文迩零4 月数字图攘处理鲍基 率瑾论秘方法瓣被溅壤熬运动避雩亍实辩溢溺，为婺翁j k 视力溺试役翁研秘提供了 理论和蜜验依搬。 覆掇溅斌戆肇栗裘臻本文掰援诗瀚霎翁蔻锈力测试坟的舔理释稳方案基本 达到了商业化生产的舞求。 获键词：视力，视标，像差，数字图淼处理 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 a b s t r a c t t os o l v et h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ea r e ao ft h et e s to f i n f a n t s e y e s i g h t ，w e d e s i g n e dak i n do fd i o p t o m e t e r 协t e s ti n f a n t s e y e s i g h to nt h eb a s i so ft h ep a t e n to f d i o p t o m e t e rt o t e s ti n f a n t s e y e s i g h t t h ed i o p t o m e t e r , w h i c hg e n e r a l l ym e tt h e r e q u i r e m e n to fc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n ，n o to n l yc o u l dd i s p l a yt e s ts y m b o l sa n d c o n t r o lm o v i n gs t y l e so ft e s ts y m b o l sb yu s i n gl c d m ，b u ta l s oc o u l dm o n i t o rt h e e y e st e s t e d 酶m a k i n g u s e o f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y , ar o u n d e da n a l y s i so n t h ep r e s e n ts t a t u sa n d p r o b l e m se x i s t i n gi nt h ea r e a o ft h et e s to f i n f a n t s e y e s i g h tw a sg i y e n b a s e do n t h ep a t e n to f d i o p t o m e t e r t ot e s t i n f a n t s e y e s i g h t ，w ef o u n d o u th o wt od e v e l o ps u c ha no b j e c t i v et e s td e v i c e i nt h ep a r to ft e s t s y m b o l s d i s p l a y i n g , t h ec r a n k d r i v e nm e c h a n i c a lf a c i l i t y m o v i n gb a c ka n df o r t hi nt h eo r i g i n a lp a t e n tw a sr e p l a c e db yl c d m ，w h i c hc o u l d d i s p l a yt h et e s ts y m b o l s ，c o u l dc o n t r o lt h em o v i n gs t y l e sa n dm o v i n gf r e q u e n c yo f t e s ts y m b o l s a c c o r d i n gt ot h e t h e o r yo fg e o m e t r i co p t i c a la b e r r a t i o n ，as e to f l e n sw a s d e s i g n e d ，w h i c hn o to n l yc o u l dm e e tt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n to ft h ew h o l et e s t i n g s y s t e m ，b u ta l s oc o u l dc o r r e c to p t i c a la b e r r a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h em o v i n go f i n f a n t s e y e sc o u l db ed e t e c t e db yu s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w h i c hc a n p r o v i d e t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g n i n g o f t h e d i o p t o m e t e r n l er e s u l t so fs i m u l a t i o nt e s t g a v eab e s ti l l u s t r a t i o nt h a tt h i so b j e c t i v et e s t s y s t e mc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n to f c o m m e r c i a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ：e y e s i g h t ，t e s ts y m b o l ，o p t i c a la b e r r a t i o n ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 1 绪论 1 1 研究背景 随蓿我国国醚经济静发展和入民生活水平的提高，人们越来越关注蠢身及家 人的健康。尤其谯我国以计划生商为基本国策的今天，原则上每个家庭只有一个 孩子。函此，少年，l 童豹健康问题弓l 起了入们静广泛关淀。僵是，现实却不容乐 观，据统计弱视在青少年中的发病率为两分之- n 百分之四【l 】，那么全国仅青少 年弱视患者就有数激手万计之多。嚣入繁掰接 | 芟静信怠审静粥来謇予褫觉，因 而视力痰病对一个人的影响将是难以估檄的。同时，这不仅是某个家臌和某一 个久耱闯趱，这还是一个严重的耱会簿缀济海题，它壹接关系至l 全民族素质豹援 商以及能否为社会输送仓格的接班人的问题。因此，儿黛的视力健康问题成为人 稻关注静焦煮。 研究结果表明：婴儿出生后的一段时间内视力很弱，随着发育成长，逐渐建 交良努熬视觉功缝，l 童一般妥5 6 令露辩视力绫疑歪羧力哥运舞1 0 苏上，最 迟也要在8 岁前完成1 3 j ，因为在幼儿视力发育的过程中，眼睛及视觉中枢需要接 受逶发懿光线裁激考黢发弯宠或。久眼熬解裁鬻鲣圈1 1 舞忝，强褰豹兜线进入 眼睛后，经过角膜、房水、晶状体、玻璃体的屈光作用，将会聚在视网膜形成图 象社】。穰瓣骥上鹣季枣经节缍憝将煞爨光线测激变成毒孛经媳位，抟导至藏郝魏时视 僦中枢而诱发视功能的发育及记忆，就像电脑需要输入弗建立记忆资料库一样， 蠢了建立过程才能输出。入眼视觉功能资料瘩必须在8 岁蕊建立完善，因为8 岁以后大部分视觉细胞融日臻成熟与定溅，如果在8 岁以前尚未完成发育，以后 就将一生终留在视力不良状态，也就是我们所说的弱视。因此8 岁以前楚治疗弱 视的最健时间，所以说早期发现、早期治疗是治愈弱视的关键。尤其是辩于患有 先天性角膜混浊、先天性臼内障镶先天性眼科疾病的凡意，最好在两岁前进行手 术治疗矫治。因为这些先天往疾瘸都可以引起弱视、屈光异常等眼科疾病，如对 于先天瞧眼光学介质的晶体混沌( 即先天性白内障) 患儿，如果在其视网膜未发 育之前就对影响视力的瘸变组织进行手术，就熊使病变眼睛膝正常眼睹同步发 育。但是，目前豳内外医疗单位检查婴幼儿视力的方法尚停留在相当低的水平， 蕊本属予定性判断，谈不上测试精度。w 以说，婴幼，b 褫力溅试楚一个尚未解决 且亟待解决的问题。 1 2 传统视力测试方法简介 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 1 2 1 利用视力表检查视力 眼睛看东西的功能，医学上称作视觉，它包括三方面：视力、色觉和立体觉， 其中最主要的是视力。视力由中心视力和周边视力组成，周边视力又称视野，指 黄斑中心凹以外的视力；就是当眼球向正前方注视不动时，所能看到的空间范围。 中心视力或称视锐敏度，指黄斑中心凹的视功能，通常称为视力。它又有远视力 和近视力之分，远视力是指距离5 米远处检查得到的视力：近视力是指在眼前 3 0 厘米处检查得到的视力。对远视力的测试，我国通常采用国际标准视力表和 我国缪天容创立的对数视力表。其原理是一般正常人眼所能分辨的物体边缘对眼 睛的最小张角为17 ，这里的张角即是物体的两端跟视网膜中心连线的夹角，当 同平面某两点对人眼的张角小于人眼能分辨的最小张角时，人眼一般不能将两点 区分开。如图1 2 所示，通常视力表上的“e ”字的其每一笔划或空隙均为正方 形边长的五分之一。如人眼能够成功地分清某种大小“e ”字的朝向，就说明人 眼能将该“e ”字每一笔画或空隙的厚度区分开；否则，则表示该“e ”字每一 笔画或空隙的厚度对人眼的张角已小于人眼所能分辨的最小张角。改变视标大小 及视标缺口朝向，就能测出人眼的视力。 图1 1 人眼的剖面图图1 2“e ”字视标示意图 检查时，视力表应放在光线充足的地方，或用日光灯照明。被检者在距视力 表5 米的地方，国际标准视力表1 0 或对数视力表5 0 与被测眼基本在同一水平， 双眼分别检查，先右后左，从上而下。受检者迅速说出视标缺口方向，把说对的 最小视标一行的字号记录下来。正常人的视力为1 0 或5 o 。当视力低于0 1 时， 可逐步走近视力表，按0 1 x d 5 算出( d 为被检者看清该行时距视力表的距离) 其视力。如在3 米处可以看清o 1 时，则视力为0 0 6 。当视力低于o 0 1 时，即在 o 5 米处不能辨别0 1 时，改为指数( f c ) 距离。若5 厘米还不能辨认指数则改 为手动( h m ) 距离。如对手动亦无感觉，可在暗室内用烛光或手电筒照射眼睛 记录光亮为光感( l p ) ，或无光感。如有光感，要作光定位检查。对远视力低 2 硕士论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 下的( 4 9 以下) ，应做近视力检查。如能看清5 0 及以上视标糟，可诊断为近 裰鼹。著看不清5 0 褪标者露不熊诊錾舞透褫疆，应记秉为“英镱缀痰”，霈痒避 一步眼科检查。 这零孛测试方法设备麓单，容菸搡终，准确臻魄较裹，嚣魏应瓣菲誊广泛。毽 这种测试方法是种主观测试方法，需要受检测者的配合。对于不能与外界进行 谗言或其毪方法交流戆婴幼j l 露富，这秘方法鼹洪奏效。 1 2 2 应熙电脑验光仪检查视力 7 0 年代发展歪今的电脑验光属于客观验光法，用于这种验光的机器是光学、 电子、机械三方灏结合起来的仪器，采用红外线光源及自动雾褫装置达至放松限 球调节( 所谓调节就是由于眼球的睫状肌收缩，睫状小带松驰和龋状体本身的弹 髓作用，可使使晶状体交凸变厚因而增加了眼属光组织静屈光力，因而能看清楚 近处物体，称此作用为调节) 的目的，采用光电技术及自动控制技术检查屈光度， 并可自动显示及籍印密耧光度数。蓝法操作篱便，速度俊，对群体检查黢门诊大 擞的验光，特别是对门诊的诊断性验光及检查治疗眼疾瘸前后的屈光改变的情 撬，既不霈散建又能遁逮溯出露光静度数，是验光技术的一大遴步。翟怒电脑验 光仪所测出屈光魔并不太准确，鼹然采用红外线光源及雾视装置放松调带，但仍 不麓完全漩除谖节影穗，笼英是篱少年聚薅调繁能力缀强，单缝麓毫藏验光往霞 不准确。如果确需采用电脑验光法，验光之前也威使用阿托品眼药水充分麻痹睫 羧瓣嚣嚣进行。麓薅，在捡查视力豹过纛孛，器撰被捡套者集串注意力淀援褪力 仪器中的目标，并且持续一段时间。这些特点使得电脑验光仪也不能适用于婴幼 j k 视力豹检查。 1 2 。3 其他视力捡查手段 除了上述两葶申常用检查手段外，人跟相差予涉仪、视诱发电位州( v e pv i s u a l e v o k e d p o t e n t i a l ) 、视网膜电图刚( e l e c t r o r e t i n o g r a m ，e r g ) 也有应用。德入眼褶 麓干涉仪需要受检查者本人点击鼠标完成相关检查，这驻然也不适用于婴幼儿。 闷时，视诱发电位虽然其有某些潦用于娶幼，l 视力测试盼特点，憾露其价格昂贵， 操作比较复杂，飘只能反应出视湖膜神缀节细胞歪视觉中枢的信息传递功能；视 两貘窀圈羹| l 哭髓测试视礴膜静葫毵：阂诧难戳在婺幼，l 褫力涮试中得到广泛应 用。 综上所述，辩予不麓与井界送行语翥或其稳方法交滚约婴麓，l 露言，现有酶 几种主观视力测试方法都难以给出令人满意的结果，因而难以为婴幼儿视力疾病 硕士论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 的早期诊断提供可靠的依据；可以说婴幼儿视力测试问题直是围内外悬而未决 豹关毽润戆。困憩，本文焱婺皱j b 筏力测试饺专零l 3 3 1 ( 专攀l 每谤号：9 2 1 0 7 6 1 7 。7 ) 的基础上，旨在根据专利思想设计出实用原理样机，以解决婴幼儿视力测试领域 中存在懿溺踅。 1 3 婴幼j l 视力测试仪专剥思想筒奔 婴幼儿作为测试对象不能与钋界交流信息，既不能接受外界的提示，又不能 将其所看到的信息表达黯来。因此，婴幼儿视力测试仪必须是不缀过测试对象自 述就能推版其视力。根据医学研究的两篆结论：人眼在凝视运动的物体时，眼球 会跟随运渤物体送动而产生视动憔振颤、以及运动的物体最容易弓 起，l 童视神经 兴奁。因此，可以研制一种测试物体是运动的视力测试仪，该仪器应能同时对运 动的物体和振颤膜球迸幸亍观测。如两者随步运动员| j 表示被溺e 匿看到了测试物体； 进而改变测试物体的大小，即改变测试物体对视网膜的张角，就能得知被测眼的 视力。 图1 3婴幼儿视力测试仪专利设计样机圈 该装遴的光举原理圈如图1 3 所示。圈1 3 中，l 为光源，2 为带有不简大小 黑色标记物的透明屏幕，3 为分光镜，4 为成像透镜，5 为被测眼，6 为直角棱镜， 7 为监测系统，8 为益柄，9 为电机。由照弱光源发出的先照亮带有不同大小黑 色标记物的透明屏幕，屏幕上各点散射光就成为个面光源，由于其上的黑色标 记物吸收光能，所醵该黑色标记物通过分光镜透射和成像透镜在被测簸的视网膜 上成像，成像后的黑色标记物对视网膜的张角就对应被测眼韵视力。被测眼的外 形通过分光镜反射而迸入监视系统的半个褫场。褥黑色标记耪由方分光镜反辩车曩 敷角棱镜折转后进入监视系统的另外半个视场。由于透明屏幕通过曲柄和电机连 4 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样桃的研制 接，因而能在电机带动下做往复逯动，屏幕上黑色标记物随之运动。如果被测眼 番不垂黑惩标记镌，舞| l 被滚蔽不会与黑色檬记物送行同多运动。耩戳医生道过螯 视系统对被测眼与黑色标记物的运动状态进行观测，就能判断被测眼的视力，改 交黑色掭记凌懿大，l 、，藏能改交茭怼褪弼貘懿强蕉，麸露达妥溅试被溅g 瑟税力数 目的。 该专列簸礤突豹蠲题蹩一个嚣学爨亟待解决瓣阋题，在国内溺疆黄次，在国 外也仅有1 9 9 1 年4 月公告的美国专利( u s p n5 0 1 1 2 7 6 ) 与其相近【3 ”，但也有重 大区别。英主要送剃在予本专裂不仅鉴援了被测黢鳇运动，还对物体的运动以及 被测眼是否与物体同步运动进行般视，因而可精确地判断被测眼的视力。 1 4 本文的主要工作 强t 4 本文设计的婺幼k 褫力溅试役漂瑾梯梳蓬 本文在婴幼儿视力测试仪专刹的基础上，设计了该专利的原理样机方案。其 装甏示意瀚藤1 4 所示，l 为液晶显示屏幕，2 梵光学戚像系统，3 为透射率为 7 5 的分光镜，4 为被测眼，5 为计算机，6 为c c d 摄像头。具体工作如下： 1 验证了该专零l 中掰提出静测试愚憨静正确性。我们设计了显示褫稼斑点 的程序，利用数字投影仪将照示的小斑点投影到屏幕上，分别从熊猫公司附 属筵j k 掰请慕了l o 名8 个嚣蠲两多耱夺簸友徽测试，实验缩莱表餮当鹜耘 斑点在移动的过程中l o 名婴幼儿都淀意到了移动的视标斑点。并且在其移 动逮过程串缓舂兴致缝注褫蛰褫标辍点。当瓣标斑泰逐渐缭，l 、至夸予莱令特 定大小的视标斑点时，视标斑点的移动已不撙引起儿童的兴趣。 2 。据专裂孛囊求套令潋一定援律运动豹援标吸弓l 餐幼，0 翁注意力，我韬 用液黼显示模块来显示移动的视标，通过相威程序来控制视标的大小和移动 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 频率、移动方式等。 3 。竣诗了一套走学残豫系绕，霞该系统对运动斑点瓣敖大臻数为2 倍，瘊 成像的像距为5 米。 4 。设诗了鹈瀣黢检溺系统。并通过数字蚕象处理鼓术辘韵粼叛被测强匏运 动状态。 6 琰士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 2 液燕鼗示摸块豁原理及显示控制 2 1 液晶显示的发震历史 液豁盼发蠛胃以追溯臻1 9 谶纪，1 8 8 8 年爽遮幂j 撼褥学家f r e j n i t z e r 在热 热胆甾醇笨甲酸酶结晶囊；验时发现，在加热到一定温度时，结晶熔解，不是变成 透疆黥液体，丽怒一种旗藕狭酌浑装滚体。只寄温度避一步捷离才变成透鹱静滚 体。经观察，发现在偏光镜下这种液体具有双折射性。这种在一定温度范围内， 溉英有斋薅异程携鑫蒋辩蒋畜豹粳舞辩缝，又篡有滚舔流动毪酌甥屡状态，专惫 是一种不问于圆体( 晶体) 、液体( 各向同性物质) 和气体的特殊物质态。所以 豢霹德瓣糖理学家o l e h m a n n 将其称蕊f t i e s s e n d ek r y s t a l l e ( 德语静意悉邵蕊 液晶) ，英文为l i q u i dc r y s t a l ，中文即“液晶”。液晶实臆是指一种物质淼，因此 逛毒天称海壤获鼹筹嚣泰f ；。覆怒垂滚鑫发理螽黪校长段辩鹣器著没有给太类 带来多少好处。赢到2 0 世纪6 0 年代，几个年轻的电子学家才打破了沉寂。1 9 6 1 冬美嚣r c a 公司蓍葬攀顿实骏塞有一个年轻静惫子学者f th e i m e i e r 为了硬究 外部电场对晶体内部电蛹的作用，将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列 液鑫。当在滚爨鼹熬两嚣旄疆凡俊獒毫艇鞋，波器屡裁邀红色燮戒了透鳃态。爨 身于电子学的他即亥敏锐地意识到这可能就是平板彩色电视。予是他与小组成员 立黎开袋了瘦以继强弱醭究，热髑辐继发瑷了液鑫熬动态数瓣秘摇变等一系列液 晶的电光效应。并研制成功了一系列数字、字符的显示器件，戳及液晶疑示的讳 表、驾驶台显承器等实翅产晶。想是，r c a 公镯中一些生产郝门魏领导人一方 褥局限于传统的半导体产品，一方面又过分强调了初出游庐的液晶显示器件的缺 点，以赘场还未开拓为理基极力她诋毁液器星零豹产业化。与此同时，在1 9 6 9 年n h k 向日本报道了液晶显示的消息精，立刻萼f 起了日本科接界、工渡界的蕊 襁。丑本将当时惩在兴起的太规模集成媳路与渡磊楣结会，以“个人电子化”市 场为导商，很快开发了系弼商品纯产晶，打开了液晶显示实掰仡的弱丽。近卡 多年来波晶科学获褥了令人鼓舞的重要发展，研究领域遍及物璇、化学、电子学、 生物学等各个学科。倒瓣研究潦晶光学特佳、j # 线性巍学特径、党黥褊振、藤搬 性、二向色性、液晶电光效应、光阀、激光信息存储与传输等波龉光学；研究液 晶静福转交理论、滚晶窀磁流体理论、弹性体璁论等分予谚理学t 研究滚鑫分子 结构和性质的关系、新型液晶材料的合成、高分子液晶波其应用以及宾主效应中 絷耱努予救结搦与经质美系懿波螽讫学；研究蘩命遘稷、缍织、疾痣、衰老过程 咿液晶态变化；生物膜结构和功能、生物体能爨、信息传递过程、光合作用等与 7 硕士论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 液晶结构和行为之间的关系的生物液晶；研究液晶的拉曼光谱、核磁共振谱、电 予窘旋潜、中子衍菇、穆颧壁尔落等液爵分子巍谱。蚕蘩氆界上发现兹入工合残 的液晶已不下几千种。归纳分类，可分为两大类：热致液晶和溶效液剐8 1 。由于 分子蓑 京，有痔妖态兹不潮，还露戳分为透2 0 令“秘”。 2 2 液翳的分类 2 2 1 热皴滚鑫 所谓热致渡照，裁是阙“受热”，使其在一定湿度范围内呈液晶态的物质。 热致液晶因分子排歹有序状态的不商，可分为向剿相液懿( n e m a f i c ) ，又称丝状 波晶；近撼相液菇( s m e c d c ) ，又称层状液晶；照甾相液晶( c h o l e s t e v i c ) ，也称 螺旋状液晶。 1 向列相液晶 x | 瓣绺冀 圈2 1 向列相液晶分子排布示意图 这是目前用作显示的主要液晶类型，其分子肇棒状。向列相液晶的棒状分子 也仍然保持羞与分子轴方向平行靛排列状态，但没有层状结构。内列相中分子的 煎心混乱无序，但分子( 杆) 的指向矢n 大体一致，如图2 1 所示。图中敌意用 究全对称的杆来代表分予，即杼不是一头尖，一头圆，没有n 与m 区分。这个等 价性是向捌相液黼与其俄液晶( 如近晶褶) 的一个基本特性。而向列相分子指向 矢的有序排列，却使向列捆物质的光学与电学性质即折射系数与介电常数在沿着 及垂直予这个有序排列的方向丽不同。正是由于向射相液晶在光举上显示正双折 射性的单轴性与魄学上的介电常数各向黪性，使得用电来控制光学性能，或液晶 驻示成为了可能。向捌液晶的秸度小，富于流动陡。产擞这种流动性酶原因，主 要是由于向列相液晶各个分子容易顺着长轴方向自由移动。事实上不少向列相液 豁的粘浠系数只楚水的聿鑫滞系数的数倍。向耐稳液鑫分予的排翔和运动院较自 幽，对外界作用相当敏感，因而墩用广泛。目前液晶显永器，例如扭曲向列相液 硕：j ：论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 晶显示器、超扭曲向列相液晶显示器等所用的液晶材料均属向列相液晶材料。 2 近晶相 近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴相互平 行，其方向可以垂直于层面，或与层面成倾斜排列。因分子排列整齐，其规整性 接近晶体，具有二维有序性。分子质心位置在层内无序，可自由平移，从而有流 动性，但粘滞系数很大。分子可以前后、左右滑动，但不能在上下层之间移动。 因其高度有序性，近晶相经常出现在较低温度范围内。分子排列如图2 2 所示。 c t 荆荆犄： 1 f , y j f l | i i l i , - i j 。龇： 图2 2 近晶相分子排布示意图 3 胆甾相 胆甾醇经脂化或卤素取代后，呈现液晶相，称此为胆甾相液晶。这类液晶分 子呈扁平形状，排列成层，层内分子相互平行。不同层的分子长轴方向稍有变化， 沿层的法线方向排列成螺旋结构。当不同的分子长轴排列沿螺方向经历3 6 0 。的 变化后，又回到初始取向，这个周期性的层间距离称为胆甾相液晶的螺距( p ) 。 胆甾相实际上是向列相的一种畸变状态。分子排列如图2 3 所示。 4 特异型液晶 图2 3 胆甾相分子排布示意图 9 乜 m “1 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 近年来，科学家又发现了一些不属于现有液晶分类的特异型液晶。如盘型液 晶和重入凝液晶等。 2 2 ，2 溶致渡鑫 这是一耪双缀分滚燕，是将一葶孛溶矮溶子一辨溶剂露形成的波最态物壤。溶 致液晶广泛地存在于自然界中，特别是生物体内，它不仅广泛应用于人类生活的 各个领域，蠢且农生物物理、生物纯学和仿生学领域深受瞩丑。很多生物体地构 造，如大脑、神缀、肌肉、血液等生命物质和生命地新陈代谢、知觉、信怠传递 等生翕现蒙都与这种液晶态有关。因此在来来的生物电子工程，生命组织的人工 合成领域也倍受熏视。溶致液晶黧少有两个组成部分，其中溶致液晶分予大多是 具有一个亲水性蒸团，又肖一个流水性基豳的双綮性分予。典型的溶致液晶是碱 金属脂肪敬盐类的指肪酸钠肥皂，或是十二烷蓦磺酸铺类的磺酸钠肥皂。将这些 肥皂溶成较浓的水溶液就形成了溜致态液晶。这葶申溶致液晶态物质在不同浓度下 会形成所谓的核心相( m i d d l e ) 和层稆( 1 a m e l l a ) 。其分予排列如瞄2 4 所示。核 心相是由球形或躐柱形分予团排列构成。层相是豳一层月段皂分子、一层水分子组 成的夹层态梅成，类儆菜释近晶稀。有冀溶致滚菇翡溶裁氇可黻怒有梳溶液。铡 如，某些芳香族合成的聚酰氨酸、核酸等剐性高分子浓度达到一定值以上时就会 形成菜晕牵液晶态。这类溶教滚磊与热致滚晶一祥，也吴奢备商雾憔磊体繇特有懿 光学双折射性。 n 图2 4 溶致液晶的分子排列 1 0 硕士论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 2 3 液鼹的各向异性 液晶分子一般都是刚性的棒状分子，凼于分子头尾、侧面所接的分子旗团不 舔，使液菇分子奁长轴霸短轴瑟个方自上其有不鞫静性葳，成为辍程分子。宙予 分子力学作用，使分子集会在一起时，处于自然状态下的分子长轴总是互相平行， 蘅分子重心列成爨出获态。鼓宏醚上麓察，滚鑫爨骞滚钵瓣滚动瞧帮鑫铬豹异彝 性，沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性质出现不同。所谓分子 长聿蠹方肉，我髑稔秀乎嚣( ) 方淘，是疆滚磊分子集会薅熬平凌长辕方淘；垂 赢方向( 上) 则是指沿液黼分子集合体的平均短轴方向。由于液晶分子的各向异 镶，滚爨矮毒寻露光辑瓣率与 # 寻豢必叛袈搴氇。藏列滚磊纛透鑫液鹣戆瑰 与打。方向与液晶分子长轴偶极矩方向的h a 与r i l l 是一致的。 n o 。雕i 月e 2 r t 其双折射，帮扳射搴各翔异性拄失： h 2 一2 拧一h 我们知道，肉刭楣和近晶楣液晶总是以， 摊。，所以a n 为正值。即向刿液晶 威近晶液晶一般鄱是呈单轴正性晶体光学性质。对于胆甾液晶，因为： n o = = 1 【2 + 撵i 2 ) 】1 ：r ：a 、 l 上式中虽然蠢掉， 群 ，毽z n = n e - - n o 嚣，所以入射光中警雩亍l , t 方向豹光速大予整直于聍方向的 光速，即v ， v 。所以，入射光程液晶中的传播方向将沿分子偶极矩聆的方向偏 转。如图2 5 ，囱列液晶中分子的排列是有序的，我们设液晶的指恕矢再与x 轴 平行，入射的偏光方向岛n 成学，当光沿。轴方向在液晶中穿过时，偏光发生掇 转，面且会随着偏光的煎进呈线偏光、椭圆偏光、圆偏光、椭颐偏光、线馈光的 联士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 顺序变化。 羲| 、 蚕黛 羹、薹 譬 锄搬锄 7 粼矿 ln 心八羚 ! 一轴曲_ 确一! 塾 酶怖- - 啪阳一鼍z k 囊塞 * e _ 鹰肆蠹羹搴 口f 藏蔫 囊。一苎吾。* 。争r 睾t ，誓，警t 睾。缸 峭。拶o 念o 莎i 嚣2 + 5 线壤振巍攫液曩星内抟播瓣缡兜状态嶷铯示意 如图2 6 ，潮光线逡i 过扭曲向列液晶盟示器件时，因为扭曲向列液晶的液晶 分子怒躐尹会远远大予入瓣竞波数，所以入袈巍漆分子攒逡矢雄戆方鑫入瓣后将 沿分子扭曲方向旋转。糟此时液晶层的厚度正好是p 的四分之，则光线会沿 与嚣平季亍黪方囱透过渡嚣凄西。懿募a 射鲮褊光方囊与入辫日滚鼹分子黥攒囊矢 脊一个夹角，贝u 偏光出射口就可能会产生椭圆或圆偏光，用检偏片观察就会呈蕊 予涉彩甄色。 图2 。6 偏掇光在扭曲向列液晶层内的传播 p 扭魏螺距；菇一液晶屡蜉；孟一波长；n 一捂自矢 当光透过疆餐鞣渡箍鼹，函蠛薤尹每天射波长差不多，藩入射豹镳建旋巍 方向与液晶旋光方向相同，则入射偏光将被反射。而入射的偏光方向若与液晶的 分子旋光不霞，簧| _ 入射巍将霹潋遴遂滚菇罄。这种爱菇是一静二色经选耩光教射， 使液晶璧现一种美丽的干涉彩虹色。光柱胆甾液晶中传播所产生的二色性选择光 2 据崔 一 颧： 一论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 散射可以娃示出装丽的德彩。这是由于在选择光散射时，被选择最大反射光波长 矗。与螺旋缝祷鹣螺距p 帮鳔蓑辙蓬交乎露熬攒瓣拳* 裔密凌关系。 此时被反射的光波长为： 盖= a n p 熬中：a n = n 一牲 虫子煺距尹与温发蠢辍强熬铱赖关蓉，爨她会产生：湿痰变化一螺距变化 一选择光反射波长改变一颜色改变。腮甾棺液晶螺距p 除随漱度改交夕 ，对外 糖龟场、磁场、癍力、吸醛物等也会发艇变化。螺距的改变意昧黄颜色的改变， 所以，可以和用这一特点开发搬很多有用的产晶。 2 5 液晶显示器件簿介 2 5 1 液菇显示禚俘静络梅 波菇显示嚣镑获鳞擒上说，瓣予乎蔽显示器箨。英基奉蘩褴呈孚投影。典 烈液晶鼹示器件基本结构如图2 7 所示。它主要由图2 , 8 所示的几大部件组成。 黧2 ? 欺型t n 滚鑫显示器搀基本绺稳汞意翻霆2 8 滚晶显示器件死大鄂件掏成示意凋 当然，不同类型的液晶显示器件其部分部件可能会肖不同，如：相燮型、彰 穗卷受液蘸显示嚣释没意镳振片，有源艇阵登液晶显示器薛奁鏊扳主隶i 佟霄有源 矩阵电路等。但魁所有液晶显示器件都w 以认为是由两片光刻裔透明导电电极的 纂援，夹持一个液蒹篡，辫接袋一令赢平盒，蠢醪在癸表嚣还可戆鼯装上穗豢靖 等构成。 下蘸潋葵蘩戆揠夔离襄型滚菇显示器转( 料) 是铡进行奔缮，霆懑2 7 。褥 两片光刻好透明导电图形的平檄玻璃棚对放置柱起，使其同相距为6 “m 一7 1 t m 。 一三a 妇 = 孛其 硕士论文要姥站筏力测试傻原理样辘翁研耧 瓣爱震醛氧靛密瓣，毽在穗封攘透上簿舂一个器疆，该开霾称秀滚鑫注入墨。 液晶材料即是通过该注入口在真空条件下注入的。注入麟，用树脂将开口封堵好， 蒋在瑟滚晶盒蘸囊表霾黧正交趣赡主蔫蘑镳摄片帮完蔑了一个竞整嚣滚藤器羚。 淌然，作为扭曲向列型液晶显示器件，襁液晶盒内表面逑应制作上一层定向层。 该定趣鼷经定商筵避惹，哥搜滚菇分子焱滚磊鑫内，在藤器玻璃蓥袄表藤帮呈潞 丽平行排列，而猩前后玻璃基檄之间液晶分子又璺9 0 皮扭曲排列。 2 5 2 几种常凳液晶蠹示器件 l 。籀癌商弼效应( 榭) 滚龋墓示嚣侔 t n 型的液黼照示技术可说是液晶鼹示器中墩基本的，而之膨其它种类的液 箍显示嚣也可说怒潋 i n 藿为蒙点来燕辍羧矗。t n 墅滚箍显示器毽括了垂壹方 向与水平方向的偏光板，具有绷纹沟槽的配向臌，液晶材料以及导电的玻璃基 校。不熬惫场煎情嚣下，天菇党经蓬穰巍教嚣逶过渡蕊骥，镶建被分子戆转辩 则的液晶层旋转9 0 度，璃开液鼎层时，其偏光方向恰与另偏光板的方向一致， 躐恁惫线能矮剩逶遵，熬个电投嚣至巍亮。当勰天毫甥翁薅况瞬，每个滚器分 子的光牟f l i 转向与电场方向致，液晶层因此失去了旋光的能力，结果来自入射偏 必片静镳淹，冀德悫方疑与秀一德巍冀戆穰竞方离藏蚕矗靛关系，著秃法逶蓬， 电极面因此里现黑暗的状态。其显像原理是将液晶材料鬣于两片贴附光轴垂崴 镛建援之透骥导奄玻璃趣，滚鑫分子会菝配离膜黥缨淘疆方窝彼窿菠转簿魏，黧 聚电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后 扶买一边瓣窭。磐栗在嚣片每惑瑗璃逶穰之嚣，嚣片玻璃蕊会造成毫场，涟露影 响其闻液晶分子的排列，使其分予棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。 这菇所褥型必鼯对毙戆现象，列擞扭转式蠹到场效庭，篱拣t n f e ( t w i s t e d n e m a t i c f i e l d e f f e c t ) 。禚电子产品中所蹦的液晶驻示器，几乎都是用搬 转式彝列场效瘦羧理掰制裁。 2 禳扭蓝( s t n ) 液晶显示器件 s t n 型麴显示原理与t n 樱类似，不闼豹是 i n 扭转式囊判壤效应触泼晶分 子是将入射光旋转9 0 糜，而s t n 超扭转式向耐场效赢是将入射光旋转1 8 0 度 吨7 0 疫。 单缱的t n 液晶显示器本囊强有明绪两种情形( 或称黑自) ，并没肖办法做 剐色彩的变化。黼s t n 波晶显承器牵涉液晶材料的关系，以及光线的于涉现象， 辫诧显示的色调都戮淡绿色与稀毽梵圭。健如暴在传统举色s t n 液晶撼示器糯 上一彩色滤光片( c o l o r f i l t e r ) ，弗将单骰显示矩阵之任一像素( p i x e l ) 分成三个 予像素( s u b - p i x e l ) ，分莠# 透过彩色滤巍片显示红、绿、蘸三原色，再经由三藤 1 4 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩。另外，t n 型的液晶显示器如果 虽示霹幕徽豹越大，箕器幕薄跑凌藏会嚣褥较差，不过藉由s t n 豹改懿技术， 则可以弥补对比度不足的情况。 3 。t f t 整鏊簸薄彩色液鑫显示器箨 t f t 趔的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括荧光管、导光板、偏光板、 滤建扳、玻薅基羧、酲囱貘、滚鼓糖辩、薄模式菇侮警等等。酋笼滚晶曼零器必 须先利用背光源，也就是荧光灯锗投射出光源，这些光源会先经过一个偏光板然 嚣秀经过滚晶，这露滚翕分子数撼熨方式速终界魄场变他嚣改交，遴瑟改变穿透 液晶的光线角度。然后这魑光线接下来还必须经过前方的彩色滤光膜与另块偏 搬扳。因此我们只簧改变糕激滚照躬电噩谯就可以往铡最螽出现的光线强度与色 彩，进而能在液晶面板上变化出不同深浅的颜色组合了。 其 也黥还存诲如宾主效应( g h ) 、电控双折射( e c b ) 、相变( p c ) 效应、 动态散射( d s ) 效应、热光学效| 踅等液晶显示器件。 2 5 3 液箍显示器俘的驱渤 滚鑫霞示是菇l 子在显零蒙素上藏鸯鼙了窀场鹃缘鼗，这个毫绣瑟藿是峦象索蘸嚣 的两电极的电位信号合成产生。因为直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极 老纯，拭瑟逐逮洚 氐滚燕豹显示寿会，毽鼗必矮建立交滚疆凌电场。由予在实嚣 麻用中采用数字电路驱动，所以这种交流电场是通过脉冲电压信号来建立的。所 潺滚鑫显添熬驱动就是建来调整藏翔在波燕显示嚣黉电援上熬奄位售号瓣攘位、 峰值、频率等，建立驱动电场，以实现液鼎显示器件的显示效果。液晶最示的驱 动方式泰以下嚣耪： 1 静态驱动法 静态驱动逶蹋予笔段型滚晶摄示暴传豹驱动，圈2 9 示出j 瑾：类液晶显示器 牛 的电极结构。当彩位数字组合时，各位的背电极b p 是逡在一起的。静态驱动法 麴实现电路见霉2 1 0 。振荡器的脉冲信号经分频鬃壹接施嬲在滚翳显示器 牟的背 电极b p 上，而段电极的脉冲信号是由显示选择倍号与时序脉冲通过逻辑异或合 成产生。港某位擞示象豢被显示选择豹时候，导遇断开信号为l ，该显示象素 上两电极的脉冲电压相位差为1 8 0 。，在显示象索上产生2 伏的电压脉冲序列， 馒该显示蒙素呈现显示特性；当浆显示象素为非照示选择的时候，导通断开信 号为0 ，该显示象素上两电极的脉冲电压电位相等，在嚣示象素上合成电压为0 伏，从而实现显示的效果。这就是静态驱动法。驱动波形图如图2 1 l 。为了提高 显示的对眈度，可适当蛾调整脉冲电压。 硕士论文 婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 距面b ，i 出r 导通断开信号 图2 9 静态驱动l c d 电极结构图2 1 0 静态驱动电路原理 导避断开信号：厂 导避。断开信号 nj l 一 共用波形i 二厂 厂 厂 n 笔段波形口：r r v i 谯晶施加电压0 一v羽 ni 厂 断并导逼 断井 图2 1 1 静态驱动波形图 2 动态驱动 当液晶显示器件上显示象素众多时，如点阵型液晶显示器件，为了节省庞大 的硬件驱动电路，采用了矩阵型结构电极，即把水平一组显示象素的背电极连在 一起引出，称之为行电极，把纵向一组显示象素的段电极都连接起来一起引出， 称之为列电极。电极沿x 、y 方向排列成矩阵( 如图2 1 2 ) ，按顺序给x 电极施加 选通波形，给y 电极施加与x 电极同步的选通或非选通波形，如此周而复始。 通过此操作，x 、y 电极交点的象素可以是独立的选态或非选态。这种扫描是逐 行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶显示屏上呈现出稳定的图象。 x 1 x 5 x i t 图2 1 2 电极阵列 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 驱动x 电极从第一行到最后行所需时间为帧周期t f ( 频率为帧频) ，驱动 舔一行新箱时闻t r 与簸嗣麓翡眈值受占空眈：d u t y - 1 l v t f = i n 。觚动态驱动 的过程来看，不仪选通象素上施加有电压，非选通象素上也施加了电压。非选通 辩波形亳鹱与逡邋簿波形窀压之魄为编孤院b i a s = l a 。为了使遥遴象素之溺及蓦 选通象素之间显示状态一致，必须要求选点电压v 。一致，非选点电压v 。f f 一致。 为了使象豢在逡遴电压穆蠲下祓逡逶，露在饕逡逶电压髂臻下不选逶，必绥要求 l c d 的光电性能肖阈值特性，且越陡越好。但由于材料和模式的限制，l c d 电 毙鏊线穗痰总是蠢限豹。透瑟反避寒要求砜。、v 硪控褥越嚣越好，瑟v 。小，。嚣 越大越好。经理论计算，当偏压a = h 十1 时，v 。硪取极大值，a 值即为驱动 黪数秀r l 瓣最娃臻篷蓬。 2 6 视标斑点的显示 前 口p l s i ：第搿 誓9 1 k l a k 毕 啷 k 2i 争： l _ - 一 日 t覃 焉 了x 9 l 孝- 窬 l 擘 嚣争鹫s 羊 2 2 8 x i z 7 _ 产2 番骞7 v 产 萋 p 2 蕃 l , c u rll p 2 t 母 1 0ii 陋 p 2 t l p 2 ： 1 2c ，oll p 2 ll h t 霉 ：l j ，r dl p ：搴1 # l 孥 pe，p17e o b 7 l1l l p 6p l p 掌p l s 萋 p 霉p l4 ll | 产毒善pl o 叠2 1 ll | l p 尊2p 1 2 p e lp 1 l p 口磬p 1 日 lo b bi _ 一 圈2 1 3 淹接控髑方式“f 静接鼯电路丽 根据本课题要求，要鼹示一个以一定周期往复运动的视标斑点，我们选用香 港精毫公蠲生产瓣m g l s 2 4 0 1 2 8 t 液晶箍示模浚，象素点大，j 、为o 2 5 0 2 5 毫 米，驱动控制部分选择t 6 9 6 3 c 液晶显示驱动控制器。控制方式采用间接控制方 式，这稀方式是将内置t 6 9 6 3 c 投毒l 器静液晶显承模块与计算橇系统中的菜个并 行i 0 接口连接，计算机通过对该i o 口的操作间接实现对模块的控制。因 藏在硬辞泡路上鬣簧一个8 位并褥接口与模块静数据线遵接，律兔数据慈线，还 需要一个3 位并行接口作为时序控制信号线。为此，我们采用8 9 c 5 1 ，熟p 1 口 硕士论文婴幼儿视力测试仪原理样机的研制 作为数据总线，p 3 口的p 3 1 、p 3 2 、p 3 3 作为3 位控制线。由于使用了专用的 并行接墨_ 逑接模获，瑟萎该著牙羧墨鑫身在计算枫系统中鸯相应戆片选撼蛙，臻 以模块的片选信号可以直接接地作选通态。间接控制方式下接口电路原理图如图 2 1 3 爨示，模块瓣v 0 臻掰接豹彀位器是终是滚黥驱动毫源豹调节器，谖繁显示 的对比度。 嚣露，本文鐾在定量缝测出婴幼j l 的携力。融子婴鸯恕j l 豹视力还没套发弯完 全，所以，在标准对数视力表中，婴幼儿的视力一般在4 0 5 0 之间。因此，根 撂1 1 3 中联游秘黩雳对数视力表测试视力豹原理，我们设置了l1 中不网大小的 视标斑点，分别对应4 o 5 0 共1 1 种视力。本文在接下来的第二章设计了一套 光学戏像系统，该系统对蹶显示斡运动斑点成像躐为5 米，放大傣数2 倍鹊虚像。 由于液晶旌示模块的象素点距为o 2 5 0 2 5 m m ，经过光学成像系统所成的像的 象索点躐为0 5 0 5 m m ，因此出若干镑象素组成豹视标斑点的尺寸就应该是 o 5 m m 的整数倍。所以视标斑点的实际值与计算所得的视标斑点的理论傻并不完 全吻合。像点的大小与视力值的对应关系如表2 1 所示。由表可见，视力值为4 8 和4 9 的两种视标斑点的理论值与实际傻误差眈较大。这是由我稍所选稻的液晶 显示模块的点尺寸太大造成的，谯实际生产中可以选用点尺寸较小的液晶显示模 块，类似的误差就可避兔。 表2 1 像点的大小与视力值的对应关系 视力值4 o4 14 24 34 44 54 64 74 84 95 o 税标像点理论值( m m )1 4 ，51 1 69 27 35 。84 。63 72 92 31 8l 。5 视标像点实际值( m r n )1 4 51 1 59 07 56 04 53 53 o2 52 01 5 理论篷与实琢篷戆稳慰误差oo 。9 2 2 2 。舷3 4 2 2 壤5 4 3 4 餐8 。7 1 1 o 蠡餮l 。3 耩示，婺耱，l 戆跟麓处在必学成豫系统的蘸方，当特定大，l 、瓣褪标 斑点在移幼时，糟幼儿