大學(xué)物理實驗液晶光電效應(yīng)綜合實驗

1、液晶電光效應(yīng)綜合實驗液晶光電效應(yīng)綜合實驗摘要：本實驗主要通過液晶光開關(guān)電光特性綜合試驗儀來進(jìn)行液晶的電光特性測量實驗，測量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，并由此得到閾值電壓和關(guān)斷電壓，并繪制液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)曲線得到液晶的上升時間和下降時間，測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。關(guān)鍵字：液晶光電效應(yīng)引言：液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)部分子排列是無序的，而液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。當(dāng)光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電

2、場作用下，偶極子會按電場方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。實驗?zāi)康模?在掌握液晶光開關(guān)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，測量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，并由電光特性曲線得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。2測量驅(qū)動電壓周期變化時，液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)曲線，并由時間響應(yīng)曲線得到液晶的上升時間和下降時間。3測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。4了解液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像矩陣的方法，學(xué)習(xí)和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構(gòu)成文字和圖形的顯示模式，從而了解一般液晶顯

3、示器件的工作原理。實驗原理：1液晶光開關(guān)的工作原理液晶的種類很多，僅以常用的 TN（扭曲向列）型液晶為例，說明其工作原理。TN型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃（1 埃 10-10米 ），直徑為 46 埃，液晶層厚度一般為 5-8 微米。 玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電極表面涂取向劑），這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里；電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因范德瓦爾斯力的

4、作用，趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿45 度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿45 度方向排列，整個扭曲了90度，如下圖所示。理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn) 90 度。取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1 的透光軸與上電極的定向方向相同，P2 的透光軸與下電極的定向方向相同，于是 P1 和 P2 的透光軸相互正交。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片 P1 后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達(dá)

5、輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了 90。這時光的偏振面與 P2 的透光軸平行，因而有光通過。在施加足夠電壓情況下(一般為 12 伏)，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從 P1 透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達(dá)下電極。這時光的偏振方向與 P2 正交，因而光被關(guān)斷。由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若 P1 和 P2 的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。液晶可分為熱致液晶與溶致液晶

6、。熱致液晶在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學(xué)各向異性，溶致液晶是溶質(zhì)溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱致液晶，它的特性隨溫度的改變而有一定變化。2.液晶光開關(guān)的電光特性 圖 2 為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100%）與外加電壓的關(guān)系。由圖 2 可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達(dá)到最低點，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過率為90時的驅(qū)動電壓； 關(guān)斷電壓：透過率為10時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的

7、顯示器件允 許的驅(qū)動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16 路驅(qū)動，故常用于數(shù)碼顯示。在電腦，電視等需要高分辨 率的顯示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善電光特性曲線的陡度，增加驅(qū)動路數(shù)。3液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)特性加上（或去掉）驅(qū)動電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因為液晶的分子排序發(fā)生了改變， 這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應(yīng)曲線上，用上升時間r和下降時間d描述。給液晶開 關(guān)加上一個如圖 3 上圖所示的周期性變化的電壓， 就可以得到液晶的時間響應(yīng)曲線，上升時間和下 降時間。如圖 3 下圖所示。上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由 90%降到 10%

8、所需時間。液晶的響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。早期的液晶顯示器在這方面遜色于其它顯示器，現(xiàn)在通過結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)改進(jìn)，已達(dá)到很好的效果。4液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強(qiáng)度之比，對比度大于 5 時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。 圖 4 表示了某種液晶視角特性的理論計算結(jié)果。圖 4 中，用與原點的距離表示垂直視角（入射光線方向與液晶屏法線 方向的夾角）的大小。圖中 3 個同心圓分別表示垂直視角為 30，60 和 90 度。90度同心圓外面標(biāo)注的數(shù)字表示水平視角（入射光線在

9、液晶 屏上的投影與 0 度方向之間的夾角）的大小。圖 3 中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。由圖 4 可以看出，液晶的對比度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對稱性。若我們把具有圖 4 所示視角特性的液晶開關(guān)逆時針旋轉(zhuǎn)，以220 度方向向下，并由多個顯示開關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對稱，在左，右和俯視 3 個方向，垂直視角接近 60 度時對比度為 5， 觀看效果較好。在仰視方向?qū)Ρ榷入S著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。5液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發(fā)光來實現(xiàn)信息顯示功能。這些顯示器主要有以下一些：陰極射線管顯示（CRT），

10、等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示(ELD)，發(fā)光二極管（LED）顯示，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示，真空熒光管顯示（VFD），場發(fā)射顯示（FED）。這些顯示器因為要發(fā)光，所以要消耗大量的能量。液晶顯示器通過對外界光線的開關(guān)控制來完成信息顯示任務(wù)，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點在于能耗極低。正因為如此，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子表、萬用表、手機(jī)、傳呼機(jī)等具有不可代替地位。下面我們來看看如何利用液晶光開關(guān)來實現(xiàn)圖形和圖像顯示任務(wù)。矩陣顯示方式，是把圖 5（a）所示的橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，叫做行驅(qū)動電極，簡稱行電極（常用 Xi 表示），而把豎條形狀的電極制在另一

11、塊玻璃片上，叫做列驅(qū)動電極，簡稱列電極（常 用 Si 表示）。把這兩塊玻璃片面對面組合起來，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。為了畫面簡潔，通常將橫條形狀和豎條形狀的 ITO 電極抽象為橫線和豎線，分別代表掃描電極和信號電極，如圖 5（b）所示。 矩陣型顯示器的工作方式為掃描方式。顯示原理可依以下的簡化說明作一介紹。欲顯示圖 5（b）的那些有方塊的像素，首先在第 A 行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(yīng)電極 c、d 上加上低電平，于是 A 行的那些帶有方塊的像素就被顯示出來了。然后第 B 行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(yīng)電極 b、e 上加上低電平，因而 B

12、行的那些帶有方塊的像素被顯示出來了。然后是第 C 行、第 D 行 ，余此類推，最后顯示出一整場的圖像。這種工作方式稱為掃描方式。這種分時間掃描每一行的方式是平板顯示器的共同的尋址方式，依這種方式，可以讓每一個液晶光開關(guān)按照其上的電壓的幅值讓外界光關(guān)斷或通過，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。實驗儀器：本實驗所用儀器為液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀，其外部結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。下面簡單介紹儀器各個按鈕的功能。模式轉(zhuǎn)換開關(guān)：切換液晶的靜態(tài)和動態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時，所有的液晶單元所 加電壓相同，在（動態(tài)）圖像顯示時，每個單元所加的電壓由開關(guān)矩陣控制。同時，當(dāng)開關(guān)處于靜態(tài)時 打開發(fā)射器，當(dāng)開

13、關(guān)處于動態(tài)時關(guān)閉發(fā)射器；靜態(tài)閃爍/動態(tài)清屏切換開關(guān)：當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時候，此開關(guān)可以切換到閃爍和靜止兩種方式； 當(dāng)儀器工作在動態(tài)的時候，此開關(guān)可以清除液晶屏幕因按動開關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點；供電電壓顯示：顯示加在液晶板上的電壓，范圍在 0.00V7.60V 之間； 供電電壓調(diào)節(jié)按鍵：改變加在液晶板上的電壓，調(diào)節(jié)范圍在 0V7.6V 之間。其中單擊按鍵（或按鍵）可以增大（或減?。?.01V。一直按住按鍵（或按鍵）2 秒以上可以快速增大（或減?。?供電電壓，但當(dāng)電壓大于或小于一定范圍時需要單擊按鍵才可以改變電壓；透過率顯示：顯示光透過液晶板后光強(qiáng)的相對百分比； 透過率校準(zhǔn)按鍵：在接收器處于最大接收狀

14、態(tài)的時候（即供電電壓為 0V 時），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵 3 秒可以將透過率校準(zhǔn)為 100；如果供電電壓不為 0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準(zhǔn)透過率。液晶驅(qū)動輸出：接存儲示波器，顯示液晶的驅(qū)動電壓； 光功率輸出：接存儲示波器，顯示液晶的時間響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來得到液晶響應(yīng)時間的上升時間和下降時間；擴(kuò)展接口：連接 LCDEO 信號適配器的接口，通過信號適配器可以使用普通示波器觀測液晶光開關(guān)特 性的響應(yīng)時間曲線；發(fā)射器：為儀器提供較強(qiáng)的光源； 液晶板：本實驗儀器的測量樣品； 接收器：將透過液晶板的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過率顯示表； 開關(guān)矩陣：此為 1616

15、 的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實驗； 液晶轉(zhuǎn)盤：承載液晶板一起轉(zhuǎn)動，用于液晶的視角特性實驗； 電源開關(guān)：儀器的總電源開關(guān)。實驗內(nèi)容與步驟：1. 準(zhǔn)備工作： (1)檢查儀器初始狀態(tài)：發(fā)射器光線必須垂直入射到接收器，當(dāng)沒有安裝液晶板時，透過率顯示為“999”的情況下，我們就認(rèn)為光線垂直入射到了接收器上；安裝上液晶板后，透過率顯示為“600100”的情況下，我們就認(rèn)為光線垂直入射到了接收器上。(2)將液晶板金手指 1插入轉(zhuǎn)盤上的插槽，液晶凸起面必須正對光源發(fā)射方向。打開電源，點亮光源，讓光源預(yù)熱 10 分鐘左右。（若光源未亮，檢查模式轉(zhuǎn)換開關(guān)。只有當(dāng)模式轉(zhuǎn)換開關(guān)處于靜態(tài)時，光源才會被點亮。） (3

16、)檢查儀器初始狀態(tài)：發(fā)射器光線必須垂直入射到接收器。在靜態(tài)模式、液晶轉(zhuǎn)盤角度為 0 度、供電電壓為 0V 條件下，透過率顯示大于“250”時，按住透過率校準(zhǔn) 按鍵 3 秒以上，透過率可校準(zhǔn)為 100%。（若供電電壓不為 0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準(zhǔn)透過率）若不為此狀態(tài)，需增加光源預(yù)熱時間，同時檢查前面的操作是否有誤，重新調(diào)整儀器光路， 直到達(dá)到上述條件為止。2.液晶光開關(guān)電光特性測量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式。首先將透過率顯示調(diào)到 100，然后再進(jìn)行實驗。調(diào)節(jié)“供電電壓調(diào)節(jié)”按鍵，按表 1 的數(shù)據(jù)改變電壓，使得電壓值從 0V 到 6V 變化，記錄相應(yīng) 電壓下的透射率數(shù)值。將

17、供電電壓重新調(diào)回 0V（此時若透過率不為 100%，則需重新校準(zhǔn)）。重復(fù)測量 3 次并計算相應(yīng)電壓下透射率的平均值，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制電光特性曲線，可以得出閾值電壓和關(guān)斷電壓。表 1液晶光開關(guān)電光特性測量電 壓00.50.811.21.31.41.5透過率%1100.0 100 99.9 98.4 81.4 65.4 48.0 32.8 2100.0 99.9 99.9 98.4 81.3 65.2 48.0 32.7 3100.0 99.9 99.8 98.3 81.3 65.1 47.9 32.6 平 均100.0 99.9 99.9 98.4 81.3 65.2 48.0 32.7 電 壓

18、1.61.723456透過率%121.1 13.2 4.6 4.9 4.5 4.1 3.7 221.0 13.1 4.6 4.9 4.5 4.1 3.7 321.0 13.1 4.6 4.9 4.2 4.1 3.8 平 均21.0 13.1 4.6 4.9 4.4 4.1 3.7 3.液晶的時間響應(yīng)的測量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，透過率顯示調(diào)到100，然后將液晶供電電壓調(diào)到2.00V，在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下，用存貯示波器觀察此光開關(guān)時間響應(yīng)特性曲線，可以根據(jù)此曲線得到液晶的上升時間和下降時間。表2 時間響應(yīng)的數(shù)值表4液晶光開關(guān)視角特性的測量1.確認(rèn)液晶板以水平方向插入插槽2.將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于

19、靜態(tài)模式，在轉(zhuǎn)角為0度，供電電壓為0V，透過率顯示大于“250”時，按住“透過率校準(zhǔn)”按鍵3S以上，將透過率校準(zhǔn)為100%。3，將供電電壓置于0V，按照表中所列的角度調(diào)節(jié)液晶屏與入射激光的角度，記錄下在每一角度時的光強(qiáng)透過率值Tmax。4.將液晶轉(zhuǎn)盤保持在0度位置，調(diào)節(jié)供電電壓為2V。在該電壓下，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，記錄下在每一角度時的光強(qiáng)透過率值Tmax。5.切斷電源，取下顯示屏，將液晶板旋轉(zhuǎn)90度，以垂直方向插入轉(zhuǎn)盤。6.打開電源，按照步驟2，3,4，可測得垂直方向時在不同供電電壓，不同角度時的透過率值。表3 水平方向視角特性正角度05101520253035Tmax（0V）100.0 1

20、01.0 101.0 102.0 103.0 102.0 101.0 98.8 Tmin(2V)4.5 4.4 4.6 5.0 4.8 5.0 5.2 5.2 Tmax/Tmin22.2 23.0 22.0 20.4 21.5 20.4 19.4 19.0 負(fù)角度05101520253035Tmax（0V）100.0 99.8 99.5 98.8 98.5 97.1 94.9 91.3 Tmin（2V）4.5 5.0 5.4 5.2 5.3 5.1 5.2 5.1 Tmax/Tmin22.2 20.0 18.4 19.0 18.6 19.0 18.3 17.9 正角度4045505560657

21、075Tmax（0V）97.7 94.1 89.5 83.2 75.1 64.8 52.0 36.4 Tmin(2V)5.1 4.7 4.4 4.1 3.9 3.6 3.0 2.3 Tmax/Tmin19.2 20.0 20.3 20.3 19.3 18.0 17.3 15.8 負(fù)角度4045505560657075Tmax（0V）88.4 83.8 78.2 71.2 62.1 50.7 39.3 27.5 Tmin（2V）4.8 4.5 4.2 3.9 3.7 3.2 2.7 2.0 Tmax/Tmin18.4 18.6 18.6 18.3 16.8 15.8 14.6 13.8 表4 垂

22、直方向視角特性正角度05101520253035Tmax（0V）100.0 100.0 100.0 99.8 97.7 96.0 9402.0 90.8 Tmin(2V)4.7 7.1 11.2 17.6 24.7 33.8 44.6 54.8 Tmax/Tmin21.3 14.1 8.9 5.7 4.0 2.8 210.8 1.7 負(fù)角度05101520253035Tmax（0V）100.0 99.2 97.5 95.4 92.5 89.1 86.0 81.4 Tmin（2V）4.6 4.7 6.6 11.4 18.4 26.8 36.9 46.0 Tmax/Tmin21.7 21.1 14

23、.8 8.4 5.0 3.3 2.3 1.8 正角度4045505560657075Tmax（0V）88.7 85.4 82.3 78.6 73.3 66.1 55.8 41.1 Tmin(2V)65.8 73.1 77.9 78.5 74.8 67.5 56.0 40.9 Tmax/Tmin1.3 1.2 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 負(fù)角度4045505560657075Tmax（0V）78.0 74.4 71.0 67.1 61.8 54.7 44.4 32.2 Tmin（2V）55.1 61.7 65.7 66.5 63.0 56.0 45.5 32.1 Tmax/Tmin1.4 1.2 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 4液晶顯示器顯示原理將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于動態(tài)（圖像顯示）模式。液晶轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角逆時針轉(zhuǎn)到 80 度，液晶供電電壓調(diào)到5V 左右。