液晶電光實(shí)驗(yàn)論文

關(guān)于液晶電光效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究摘要：在掌握液晶光開關(guān)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，測(cè)量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓；測(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓周期變化時(shí)液晶光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)曲線，得到液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間；測(cè)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(duì)比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。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示器件的工作原理。關(guān)鍵詞：電光效應(yīng)；閥值電壓；關(guān)斷電壓；視角特性液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。液晶既具有液體的流動(dòng)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(shí)，會(huì)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，在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)按電場(chǎng)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)原理入射的自然光偏振片P1入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波導(dǎo)效應(yīng)光波導(dǎo)已被電場(chǎng)拉伸圖1液晶光開關(guān)原理示意圖如圖，在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶。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，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(gè)扭曲了90度。如左圖所示。由于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(shí)，偏振方向會(huì)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(dòng)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)輸出面時(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時(shí)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1～2伏)，在靜電場(chǎng)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(chǎng)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(shí)不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達(dá)下電極。這時(shí)光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。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(shí)本實(shí)驗(yàn)所用液晶相對(duì)透射率（以不加電場(chǎng)時(shí)的透射率為100%）與外加電壓的理論關(guān)系。閾值電壓：透過率為90％時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓；關(guān)斷電壓：透過率為10％時(shí)的驅(qū)動(dòng)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)成的顯示器件允許的驅(qū)動(dòng)路數(shù)就越多。3．液晶光開關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性加上（或去掉）驅(qū)動(dòng)電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因?yàn)橐壕У姆肿优判虬l(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時(shí)間，反映在時(shí)間響應(yīng)曲線上，用上升時(shí)間τr和下降時(shí)間τd描述。給液晶開關(guān)加上一個(gè)如圖3所示的周期性變化的電壓，就可以得到液晶的時(shí)間響應(yīng)曲線，上升時(shí)間和下降時(shí)間。如圖3所示。上升時(shí)間：透過率由10%升到90%所需時(shí)間；下降時(shí)間：透過率由90%降到10%所需時(shí)間。液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。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(duì)比度與視角的關(guān)系。對(duì)比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時(shí)透射光強(qiáng)度之比，對(duì)比度大于5時(shí)，可以獲得滿意的圖像，對(duì)比度小于2，圖像就模糊不清了。5．液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法如圖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(dòng)電極，簡(jiǎn)稱行電極，而把豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，叫做列驅(qū)動(dòng)電極，簡(jiǎn)稱列電極。把這兩塊玻璃片面對(duì)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(jiǎn)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(hào)電極，如圖5（b）所示。矩陣型顯示器的工作方式為掃描方式。顯示原理的簡(jiǎn)化說明如下：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(shí)在列電極的對(duì)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(shí)在列電極的對(duì)應(yīng)電極b、e上加上低電平，因而B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(chǎng)的圖像。依這種方式，可以讓每一個(gè)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。（a）（b）圖5.液晶光開關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器（a）（b）圖5.液晶光開關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器本實(shí)驗(yàn)所用儀器為ZKY-LCDEO-2液晶電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)記錄1準(zhǔn)備工作將液晶板插入轉(zhuǎn)盤上的插槽，凸起面正對(duì)光源發(fā)射方向。打開電源，點(diǎn)亮光源，讓光源預(yù)熱10～20分鐘。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(shí)，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）；在靜態(tài)、0度、0V供電電壓條件下，透過率顯示大于“250”時(shí)，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“2液晶電光特性測(cè)量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，液晶轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)角置于0度，保持當(dāng)前轉(zhuǎn)盤狀態(tài)。在供電電壓為0V，透過率顯示大于250時(shí)，按住“透過率校準(zhǔn)”按鍵3秒以上，將透過率校準(zhǔn)為100%。調(diào)節(jié)“供電電壓調(diào)節(jié)”按鍵，按照表1中的數(shù)據(jù)逐步增大供電電壓，記錄下每個(gè)電壓值下對(duì)應(yīng)的透過率值。將供電電壓重新調(diào)回0V（此時(shí)若透過率不為100%，則需重新校準(zhǔn)）。重復(fù)步驟2，完成3次測(cè)量，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表1中。表1液晶的電光特性電壓次數(shù)00.50.80.91.01.11.21.31.41.51.61.72.03.04.05.0透過率（％）110010099.999.898.893.982.766.448.432.720.612.54.04.54.13.6210099.999.999.898.793.882.666.348.432.520.512.54.04.54.13.6310099.999.999.798.793.882.566.348.432.620.612.54.04.54.13.6平均10099.999.999.898.793.882.666.348.432.620.612.54.04.54.13.63液晶的時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量將液晶實(shí)驗(yàn)儀上的“液晶驅(qū)動(dòng)輸出”和“光功率輸出”與數(shù)字示波器的通道1和通道2用Q9線連接起來打開實(shí)驗(yàn)儀和示波器。將實(shí)驗(yàn)儀“模式轉(zhuǎn)換開關(guān)”置于靜態(tài)模式，液晶盤轉(zhuǎn)角置于0度，透過率顯示校準(zhǔn)到100，供電電壓調(diào)到2.00V。按動(dòng)“靜態(tài)閃爍/動(dòng)態(tài)清屏”按鍵，使液晶處于靜態(tài)閃爍狀態(tài)。調(diào)節(jié)示波器，使通道1和通道2均以直流方式耦合；調(diào)節(jié)電壓和周期按鈕，直到出現(xiàn)合適的波形為止。（調(diào)節(jié)時(shí)可以從屏幕下方看到對(duì)應(yīng)的電壓值和周期值的變化）用示波器觀察此光開關(guān)時(shí)間響應(yīng)特性曲線；由示波器上的曲線可讀出不同時(shí)間下的透過率值。選定測(cè)試項(xiàng)目為上升時(shí)間和下降時(shí)間，可以直接測(cè)出液晶光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間響應(yīng)曲線4液晶光開關(guān)視角特性的測(cè)量確認(rèn)液晶板以水平方向插入插槽。將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(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(shí)，按住“透過率校準(zhǔn)”按鍵3s以上，將透過率校準(zhǔn)為100%。將供電電壓置于0V，按照表2所列舉的角度調(diào)節(jié)液晶屏與入射激光的角度，記錄下在每一角度時(shí)的光強(qiáng)透過率值Tmax。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(shí)的光強(qiáng)透過率值Tmin。切斷電源，取下液晶顯示屏，將液晶板旋轉(zhuǎn)90度，以垂直方向插入轉(zhuǎn)盤。（注：在更換液晶板方向時(shí)，一定要切斷電源）表3水平方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.699.499.198.697.695.793.892.187.583.576.769.059.247.634.6Tmin(2V)4.03.93.93.93.94.04.14.14.03.83.73.84.14.44.23.6Tmax/Tmin25.025.525.525.425.324.423.322.923.023.022.620.216.813.511.39.6負(fù)角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)99.910010110110110199.998.997.994.190.884.175.765.452.734.1Tmin(2V)4.04.04.24.34.54.74.84.84.74.64.74.85.15.34.93.3Tmax/Tmin25.025.024.023.522.421.520.820.620.820.519.317.514.812.310.810.3將液晶板以垂直方向插入插槽，按照與測(cè)量水平方向視角特性相同的方法，測(cè)量垂直方向視角特性，并將數(shù)據(jù)記入下表中。表4垂直方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.498.496.894.591.588.585.981.678.974.770.465.058.149.236.5Tmin(2V)3.85.99.915.923.833.343.254.363.370.973.672.767.759.449.335.8Tmax/Tmin26.316.89.96.14.02.72.01.61.31.11.01.01.01.01.01.0負(fù)角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)99.799.699.097.996.093.591.489.385.583.880.978.073.967.157.843.4Tmin(2V)3.84.16.912.219.929.440.051.560.269.274.476.975.770.060.545.6Tmax/Tmin26.224.314.38.04.83.22.31.71.41.21.11.01.01.01.01.05液晶顯示器顯示原理將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于動(dòng)態(tài)模式，液晶轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)角逆時(shí)針轉(zhuǎn)到80度，供電電壓調(diào)到5V左右。按動(dòng)矩陣開關(guān)面板上的按鍵，改變相應(yīng)液晶相素的通斷狀態(tài)，觀察由暗象素（或亮象素）組合成的字符或圖像，體會(huì)液晶顯示器件的成像原理。組成一個(gè)字符或文字后，可由“靜態(tài)閃爍/動(dòng)態(tài)清屏”按鍵清除顯示屏上的圖像。完成實(shí)驗(yàn)后，關(guān)閉電源，取下液晶板妥善保存。結(jié)果及討論通過以上實(shí)驗(yàn)我們可以得到以下結(jié)論：有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及線性計(jì)算可知該液晶的閥值電壓約為1.13v，關(guān)斷電壓約為1.79v。有圖像也能夠看出該液晶光開關(guān)的閥值電壓和關(guān)斷電壓十分接近。由示波器圖像可知該液晶的響應(yīng)上升時(shí)間和下降時(shí)間都約為44ms，性能較為良好。由表3和表4我們可以認(rèn)為在水平方向上全測(cè)量范圍內(nèi)都有良好的視覺效果既可以獲得不錯(cuò)的圖像，而在垂直方向上僅在-15度—15度之間有較好的視覺效果，其余角度都很難獲得清晰的圖像。實(shí)驗(yàn)過后我們明白了液晶光開關(guān)的工作原理，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析同時(shí)也認(rèn)識(shí)到液晶作為一種優(yōu)良的顯示器有著極大的優(yōu)越性。結(jié)合實(shí)際，我們認(rèn)為之所以液晶顯示器在垂直角度上存在明顯的不足，其中很重要的一方面便是在垂直角度上，液晶顯示器的使用價(jià)值十分有限，考慮到制造成本等問題，因此生產(chǎn)者把更多的精力投入到制造優(yōu)良的具有高品質(zhì)的水平顯示效果的液晶顯示器的制造上。參考文獻(xiàn)1.趙階林．液晶電控效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]．液晶與顯示，2006，21(4)：384．2.史萌，吳福全，趙爽等．扭曲向列相液晶在復(fù)合消色差延遲器件中的應(yīng)用[J]．激光技術(shù)，2006，30(3)：280．3.謝毓章．液晶物理學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，1988．82．4.ZKY-LCDEO-2液晶電光效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀使用說明書等。THEEXPERIMENTOFTHEELECTRO——OPTICEFFECTOFLIQUIDCRYSTALABSTRACTBasedonthemasteryoftheprincipleofliquidcrystallightswitch，measureliquidcrystallightswitch；characteristiccurve，andgetthethresholdvoltageandshutoffvoltageofliquidcrystal；Measuringtheresponsetimeofliquidcrystallightswitchwhenthedrivingvoltagechangesperiodic，