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南京信息职业技术学院毕业设计(论文) 作者 单春建 学号 30722P17 系部 微电子学院 专业 光电子技术 题目 基于液晶盒的防窥门镜的设计与制作 指导教师 陈 羽 评阅教师 孙 士 祥 完成时间： 2010 年 4 月 10 日 毕业设计(论文)中文摘要 基于液晶盒的防窥门镜的设计与制作摘要：在科技高速发展的今天，许多东西科技性更高，科技化代替了传统的模式，许多事物都不断在进化中。传统门镜是利用光学原理进行工作的，本设计介绍一种利用液晶盒工作透光与不透光的原理制作的防窥门镜。主要是在门镜中间加入一个液晶盒，在门镜一头装有红外感应器，通过控制电路来控制液晶盒的透光与不透光，从而达到防窥效果。这种设计新颖，同时也包含了电子方面运用，更具科技化。本文首先介绍了防窥门镜的结构，将其分为光学部分、液晶盒部分和红外探测部分，并给出了各部分的工作原理。其次，阐述了液晶盒的设计方法和制作工序。液晶盒的设计分为外观设计和菲林版设计。外观设计的要点是其直径与门镜内径相吻合、能正确方便地引出电极。制造液晶盒需要先设计出5张菲林版，它们分别是上光刻菲林版、下光刻菲林版、凸版、Seal版、Dot版，其尺寸和形状根据液晶盒的整体外观和具体功能而定。液晶盒的制作工艺主要分为光刻掩膜版的制作、图形刻蚀、取向排列、空盒制作、液晶灌注和成品检测六个阶段。本文结合防窥门镜中的液晶盒，给出了详细的制作工序。最后设计出控制电路。控制电路由继电器部分、接口部分、振荡部分、红外探测部分构成。本文详细介绍了各部分的功能和工作原理。关键词：门镜 液晶盒 红外感应器 毕业设计(论文)外文摘要Title : Based liquid crystal cell anti-glimpse of the design and production of the door mirrorAbstract: Rapid development in technology today, many things become more technological nature. Technology to replace the traditional mode, many things are constantly in evolution. The traditional door mirror works by using optics. the Design of work is making the opaque anti-peep door mirror by means of a liquid crystal light transmission. Mainly in the middle of the door mirrors to add a liquid crystal cell, the door mirror equipped with infrared sensors. It is through the control circuit to control the liquid crystal cell work, transparency and opacity, to achieve the effect of anti-peep. This innovative design also includes the use of electronics and more science and technology.This paper describes the structure of anti-peep door mirrors, will be divided into optical parts, liquid crystal part and the infrared detection part, and give each part works. Secondly, This paper describes the design method and liquid crystal manufacturing process. Design of liquid crystal cell is divided into exterior and film version. Design elements of exterior design is its diameter and inner diameter of the door mirror match, can easily lead to the right electrode. Manufacture of liquid crystal cell will need to design a five film version, they are on the film version of lithography, lithography under the film version, Toppan, Seal edition, Dot version. Liquid crystal cell manufacturing process consists of Lithography mask making, graphic etching, oriented in the air box production, LCD perfusion and finished the six stages of testing. This paper gives a detailed production process.Finally, the design of the control circuit. Control circuit constituted by the part of Relay, Interface, Oscillating, Infrared detection. This paper describes the function of each part and principle.Keywords: door mirror, liquid crystal cell ,infrared sensors目录1 引言2 防窥门镜的工作原理21 防窥门镜结构简介22 液晶盒的开关原理23 门镜的光学原理24 防窥电路中的光偶开关3防窥门镜的设计3.1 外观设计3.2 液晶盒的制作3.3 菲林版设计3.4 电路设计4 结论致谢参考文献 1.引言 在科技高速发展的今天，许多东西科技性更高，科技化代替了传统的模式，许多事物都不断在进化中。传统门镜是利用光学原理进行工作的，我们现在用液晶盒工作透光与不透光的原理来进行改造，这种设计新颖，同时也包含了电子方面运用，更具科技化。门镜俗名叫做猫眼，是由两个透镜组成,物镜为凹透镜,目镜为凸透镜。近似于倒置的伽利略望远镜。从室内通过门镜向外看，能看清门外视场角约为120度范围内的所有景象，而从门外用肉眼通过门镜却无法看到室内的任何东西。但是，不法分子从门外通过由光学透镜组成的光学仪却能方便地看到室内的状况。目前市场上的防窥门镜，多是机械式的，即通过手动用挡板遮住门镜，其缺点是较费事、易磨损。本设计是利用红外探测技术和液晶盒的光学开关特性，为门镜的防窥技术开辟了一条新路，具有广阔的市场前景。2. 防窥门镜的工作原理2.1防窥门镜结构简介方法防窥门镜包括光学系统、液晶盒及其控制电路、红外探测及其控制电路三大部分。2.1.1 光学部分普通的门镜由四个透镜组成，从外到里是三个靠得很近的凹透镜和一个相距较远的凸透镜，三个靠近的凹透镜可以等效成一个焦距很短的一组凹透镜，称为物镜；凸透镜为另一组，称为目镜，如图2-1所示。图2-1 光学部分2.1.2 液晶盒部分液晶盒在物镜和目镜之间，有两个电极引出。电极上无电压时，液晶盒“打开”，光可以自由穿过液晶盒，它对门镜的光路没有影响；当在电极上加有一定幅值的交流电压时，光无法穿过液晶盒，此时的液晶盒“关闭”，对门镜的光路产生了阻断，从而起到了防窥作用。电极上所加的交流电由振荡器提供，电压的有效值23V，频率为几十至几百赫兹。2.1.3 红外探测部分红外探测器是一个反射式光耦，由一对红外发射接收管构成，安装在目镜一侧。正常情况下，液晶盒处于关闭状态。只有当室内有人在目镜这一侧向外观察时，红外探测器会探测到人的靠近，产生响应信号，经处理后触发振荡器工作，使得液晶盒“打开”，这样室内的人就可以观察到门外的情况了。 2.2 液晶盒的开关原理2.2.1 液晶的物理特性 液晶的物理特性是当两端加上电压导通后，排列变的有秩序，使光线可以通过；不加电压时排列混乱，阻止光线通过（如图2-2）。液晶面板其中有两片精致的无钠玻璃素材，其中间夹著一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，这样会阻隔或使光束顺利通过。大多数液晶都是有机复合物，由长棒状的分子构成。 图2-2 液晶的物理特性 2.2.2 单色液晶显示器的原理 液晶显示器有很多种不同的结构，但从原理来看，基本上是相似的。其中TN(扭曲向列型)单色液晶显示器结构就是液晶面板中间夹着一层液晶，结构就好像一块“三明治”。接下来说下液晶层，液晶是灌入两个内部有沟槽的夹层，这个主要是让液晶分子可以整齐地排列好，因为如果液晶排列不整齐的话，光线是不能够顺利地通过液晶部分的。沟槽非常平行，液晶分子会顺着槽排列，所以各分子也是完全平行的。 这两个沟槽夹层通常称为上下夹层，上下夹层中都是排列整齐的液晶分子，只是排列方向有所不同，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。在生产过程中，上下沟槽垂直90度交错（上层的液晶分子的排列是横向的，下层的液晶分子排列是纵向的），这样就造成了位于上下夹层之间的液晶分子接近上层的就呈横向排列，接近下层的则呈纵向排列（图2-3）。 图2-3 单色液晶显示器的原理 当从整体来看，液晶分子的排列就像螺旋形的扭转排列，夹层中加有极化滤光片，这两块滤光片的排列和透光角度与上下夹层的沟槽排列相同，当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，通过上滤光片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滤光片穿出，形成一个完整的光线穿透途径。而一旦通过电极给这些液晶分子加电之后，由于受到外界电压的影响，液晶分子不再按照正常的方式排列，而变成竖立的状态，这样光线就无法通过，显示出黑色。这样会形成不加电时透光为白、加电时不透光为黑，字符就可以显示在屏幕上了，这就是最简单的显示原理。2.2.3 TN型LCD的工作原理 在液晶盒中注入的是TN型液晶材料，TN型液晶的棒状分子平行地排列于上下电极之间，靠正面电极的分子平行纸面排列；靠背面电极的分子则垂直于纸面排列。而上下电极之间的分子是被逐步扭曲的，如图2-4所示。 图2-4 TN型LCD结构当入射光通过偏振方向与上电极面液晶分子排列方向相同的上偏振片(起偏器)形成偏振光。此光通过液晶层时扭转了90度。到达下偏振片(检偏器)时，偏振方向不变，偏振光通过下偏振片，并被下偏振片后方的反射板反射回来。液晶盒呈透亮。 图2-5 TN型LCD的工作原理 当上下电极之间加上一定电压后，电极部位的液晶分子在电场作用下转变成与上下玻璃面垂直排列，这时的液晶层失去旋光性。偏振光通过液晶层没有改变方向，与下偏振片偏振方向相差90，光被吸收，没有光反射回来，也就看不到反射板，在电极部位出现黑色（如图2-5）。这样根据需要制做成不同的电极，就可以实现不同内容的显示。 2.3 门镜的光学原理门镜主要是由两块透镜（物镜和目镜）组合而成。当从门内向外看时（光路见图2-6）。物镜（凹透镜）L1的焦距极短，它将室外的人或物AB成一缩得很小的正立虚像AB，此像正好落在目镜（凸透镜）L2的第一焦点之内，L2起着放大镜的作用，最后得到一个较放大的正立虚像AB，此像恰又成在人眼的明视距离附近，室内的人就可以看到外面的情形了。如图2-6所示。 图2-6 门镜的光学原理2.4 防窥电路中的光耦开关光耦是由一对红外发射和接收管构成，其结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。2.4.1 光耦的分类及其参数由于光电耦合器的品种和类型非常多，其型号超过上千种，通常可以按以下方法进行分类：(1)按光路径分，可分为外光路光电耦合器（又称光电断续检测器）和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。(2)按隔离特性分，可分为普通隔离光电耦合器（一般光学胶灌封低于5000V，空封低于2000V）和高压隔离光电耦合器（可分为10kV，20kV，30kV等）。电流传输比是光耦合器的重要参数，通常用直流电流传输比来表示。线性光耦合器与普通光耦合器典型的CTR-IF特性曲线。线性光耦合器的CTR-IF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流电流传输比( CTR IC/ IF)很接近于直流电流传输比CTR值。使用光电耦合器主要是为了提供输入电路和输出电路间的隔离，在设计电路时，所选用的光电耦合器件必须符合国际的有关隔离击穿电压的标准。2.4.2光耦的发展现状日本光电耦合器的市场虽不太大，但却以40%的年增长率增大，其主要原因是每一个程序控制器里都要用到2030个甚至更多的光电耦合器。现在，光电耦合器已显示出一种朝大容量和高速度方向发展的明显趋势。美、日两国生产的光电耦合器以红外发光二极管和光敏器件管组成的器件为主，该类器件大约占整个美、日两国生产的全部光电耦合器的60%左右。因为这种类型的器件不仅电流传输效率高（一般为730%），而且响应速度比较快（25s），因而能够满足大多数应用场合要求。日本横河电机公司用GaAsP红外发光二极管作输入端，PIN光电二极管作接收端制成的三种高速光电耦合器的绝缘电压都在3000伏以上，其中508243610型超高速数字光电耦合器和50824361型高共模抑制型光电耦合器的响应速度均可达到10Mb/s，它们的电流传输效率高达60%以上。美国莫托罗拉公司生产的4N25、4N26、4N27型光电耦合器属于三极管输出型光电耦合器，这种光电耦合器具有很高的输入、输出绝缘性能，其频率响应可达300kHz，而开关时间只有几微秒。3.防窥门镜的设计3.1 外观设计因为门镜为圆形，所以液晶盒的基本结构为圆形，其直径与门镜的内径相同。由于液晶盒需要有两个控制电极引入，所以在圆形下方留有缺口，以便接上引脚，如图3-1所示。图3-1 外观设计3.2 液晶盒的制作 液晶盒制作全部过程大体分为40多道工序，这些工序又可以分为光刻掩膜版的制作、图形刻蚀、取向排列、空盒制作、液晶灌注和成品检测六个阶段。3.2.1光刻掩膜版的制作 首先就是要设计光刻掩膜版，根据要制作液晶盒的外观图设计的，图是普通液晶盒外观图。设计方法一般用计算机软件绘制底图，根据底图，在不同层面设计电极、边款、银点、凸版版图，并通过软件将数据转换成光绘数据，由光绘仪直接制成1：1单体菲林，在经过高精度拼版机拼版生成生产用菲林。接下来就是制作了，一般有两种，一是采用照相制版，另一种是光绘制版。光绘制版与照相制版的不同就是在于它用仪器设备代替了大部分的手工操作。具体讲就是它是把计算机设计的图形软件转换成光绘机能够运行的软件，用光绘机光源直接在菲林片上曝光制成与设计要求完全一致的图形。3.2.2 ITO图形的刻蚀(1) ITO玻璃的投入 根据产品的要求，选择合适的ITO玻璃装入传递篮具中，它要求ITO玻璃的规格型号符合产品的要求。装篮要切记ITO层面一定朝上插入篮具中。(2)玻璃清洗与干燥工序的第一步就是将符合生产规格的ITO玻璃用清洗剂、去离子水等清洗下净，并用物理或化学的方法将ITO玻璃表面的杂质、油污洗净，然后把水除去并干燥，保证下道工序的加工质量。(3)涂光刻胶在洁净的ITO玻璃的导电层表面上均匀涂上一层光刻胶。涂过胶的玻璃一定要放到烤箱在一定的温度下进行预烘处理。(4)前烘在一定的温度下将涂有光刻胶的德玻璃烘一段时间，以使光刻胶中溶剂挥发，增加与玻璃表面的粘附性。(5)曝光用紫外光通过预先制作好的电极图形掩膜版照射光刻胶表面，使被照部分的光刻胶层发生反应。在涂有光刻胶的玻璃上覆盖光刻掩膜版，在紫外灯下对光刻胶进行选择性曝光。(6)显影用显影液处理玻璃表面，将经过光照分解的光刻胶层除去。保留未曝光部分的光刻胶层。用化学方法使受UV光照射的部分的光刻胶溶于显影液中。(7)坚膜将玻璃再经过一次高温处理，使光刻胶膜更加坚固。(8)刻蚀用适当的酸刻液将无光刻胶覆盖的ITO膜腐蚀掉，这样就得到了所需要的ITO电极图形。(9)去膜用高浓度碱液作脱膜液，将玻璃上剩余的光刻胶剥离掉，使ITO玻璃上形成与光刻掩膜版图形完全一致的ITO图形。(10)清洗干燥 用高纯水冲洗玻璃上剩余的碱液、残留光刻胶和其他杂志。3.2.3 取向层排列(1)涂取向剂用一定的方法，将有机高分子取向材料涂在玻璃表面。即采用选择性涂覆的方法，在ITO玻璃上适当的位置涂一层均匀的取向层。同时对取向层做固化处理。(2)固化通过高温处理使取向层固化，通常在烤箱里面进行烘烤。(3)取向摩擦用绒布类材料以特定的方向摩擦取向层表面，以使液晶分子将来能沿着这个方向排列根据产品要求，在玻璃取向层上按一定的方向摩擦，使成盒后的液晶分子沿取向层的摩擦方向排列。(4)清洗取向层摩擦后玻璃上会留下绒布等污染物，需要采用特殊的清洗步骤来消除污染物。3.2.4 空盒制作(1)丝印边框及银点将封接材料用丝网印刷的方法分别对上板和下板玻璃印上边框胶和导电胶。(2)喷衬垫料在下玻璃上均匀分布支撑材料。将一定尺寸的衬垫料均匀分布在玻璃表面，制盒时就要靠这些衬垫料保证一定的盒厚。(3)对位压合按对位标记上、下玻璃对位粘合，将对应的两片玻璃面对面用封接材料粘合起来。(4)固化在高温下使封接材料固化。固化时一般在上、玻璃上加上一定的压力，以使盒厚保持均匀。3.2.5 液晶的灌注(1)切割通常一对ITO玻璃可以制作多个液晶盒，为了把液晶注入口露出来，必须把玻璃适当切割成条（或粒）。(2)灌注液晶一般用专门的液晶灌注机，在真空的状态下将液晶注入液晶盒内。(3)封口用封口材料将灌完液晶的液晶盒注入口封堵起来。(4)分粒与裂片如果是成条灌注的，则将其分成单个的液晶盒。(5)清洗 用洗洁剂清洗液晶盒外部粘附的液晶及其他污染物。(6)再配向 用适当加温一段时间的办法使液晶分子按摩擦方向整齐排布。3.2.6 成品的检测(1)台光检测 目视检测，将不合格品剔出。在台光下检查液晶盒外观质量，外观正品交下道工序。(2)电测图形检测 加电状态下检查液晶屏显示图形。(3)贴偏光片 在液晶盒两面贴上产品所规定的上、下偏光片，这样一个完整的液晶盒就制成了。3.3 菲林版设计在液晶盒的制造过程中，需要在导电玻璃的导电层上制成所要求的电极图形，这个过程目前是用光刻技术来完成的，光刻中需要用到具有特定图形的菲林版，它是通过制版方法在胶片上制成与电极图形对应的黑白图案，黑色区域能遮挡光，而透明区域能让光通过。液晶盒生产工艺中几个比较重要的工序为光刻、PI涂覆、摩擦、丝印成盒等几个工序。光刻工序是在玻璃上刻出电极图形，其中曝光所用菲林版需要设计，因为液晶盒由上下两片玻璃构成，所以有上下两张光刻菲林版；PI涂覆要用一种凸版，制作凸版需要一张菲林版；丝印成盒工序需要丝网印刷，丝网印刷所用的丝网制作，也需要两张菲林版，一张是印封边框的Seal版，另一张是印导电点的Dot版；因此一共需要设计五张菲林版。防盗门镜所需液晶盒的五张菲林版如图3-2所示。图3-2 菲林版设计3.4 电路设计图3-3 电路设计如图3-3所示，与非门U2、电容C6及电阻R5R6构成多谐振荡器。当与非门U2的14脚加电压时，振荡器开始工作，就能输出方波给液晶盒，使液晶盒处于“打开”状态；反之则会“关闭”液晶盒。LED和D1构成反射光耦（即红外探测头），当室内无人靠近探测头时，液晶盒“关闭”，室外人无法通过光学仪观察到室内。反之，当室内有人靠近探测头时，液晶盒“打开”，室内人就可观察到外面情况了。3.4.1 继电器部分继电器是一种靠电磁感应工作的自动化电器开关，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 图3-3中，继电器1、8两脚是输入回路，与红外探测电路相连，2、3、4脚是输出回路，与振荡电路相连。当继电器1、8两脚有电流通过时， 2脚与4脚相连而与3脚断开；当继电器1、8两脚没有电流通过时， 2脚与3脚相连而与4脚断开。3.4.2 接口部分 图3-3有两个接口，其一是电池接口，用来给各部分电路供电。每节干电池1.5伏，选用几节电池根据液晶盒的阈值电压、元器件的选用及电路特性综合而定；其二是液晶盒接口，输出方波给液晶盒。输出频率由振荡部分的电阻电容而定。3.4.3 振荡部分 振荡部分是由反相器构成的自激多谐振荡器。如图3-4所示，电路由暂稳态返回到稳态，是由电容C充放电来实现的。其控制状态的翻转仍然是由电容的充放电作用的。电路中a、b、c三点的波形如图3-5所示。振荡频率为： 图3-4 自激多谐振荡器 图3-5 振荡器各点波形3.4.4 红外探测部分 LED和D1构成反射光耦（即红外探测头），当室内无人靠近探测头时，LED发出的红外不能反射到D1，光敏管D1处于阻断状态，三极管Q1因无基极偏置而处于截止状态，电源电压经D2、R3加至三极管Q2基极，使其导通，这样继电器1、8两脚有电流通过，其2脚与4脚相连而与3脚断开，振荡电路因缺少电源而停振，液晶盒“关闭”，室外人无法通过光学仪观察到室内。反之，当室内有人靠近探测头时，继电器的2脚与4脚断开而与3脚相连，振荡器器开始振荡，从而使液晶盒“打开”，室内人就可观察到外面情况了。结论基于液晶盒的防窥门镜主要是在传统的利用凸透镜和凹透镜的光学原理进行改造，利用液晶盒工作透光不透光来实现门镜防窥的效果。整个门镜外形是一个圆筒似的，和普通的门镜一样。门镜的前后是两片光学镜片，圆筒中间是一块普通的液晶盒，在圆桶的一头加有红外感应开关，其他都是控制电路。整个电路时利用红外感应开关来加上继电器和多谐振荡电路来控制的，来实现液晶盒的透光和不透光的。有红外感应开关的一头装在门里面的，正常情况下，液晶和是处于关闭状态的，只有当室内有人在目镜这一侧向外观察时，红外感应开关接收到信号，经处理后触发振荡器工作，使得液晶盒“打开