大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義實(shí)驗(yàn)08 液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn).doc

實(shí)驗(yàn)14 液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)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(wú)序的，而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)晶體的特性。當(dāng)光通過(guò)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(chēng)為液晶的電光效應(yīng)。1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer在做有機(jī)物溶解實(shí)驗(yàn)時(shí)，在一定的溫度范圍內(nèi)觀察到液晶。1961年美國(guó)RCA公司的Heimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光效應(yīng)，并制成了顯示器件。從70年代開(kāi)始，日本公司將液晶與集成電路技術(shù)結(jié)合，制成了一系列的液晶顯示器件，至今在這一領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動(dòng)電壓低（一般為幾伏），功耗極小，體積小，壽命長(zhǎng)，無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今各種顯示器件的競(jìng)爭(zhēng)中有獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷之勢(shì)?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?在學(xué)習(xí)液晶光開(kāi)關(guān)的基本原理，測(cè)量液晶光開(kāi)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(cè)量驅(qū)動(dòng)電壓周期變化時(shí)，液晶光開(kāi)關(guān)的時(shí)間響應(yīng)曲線，并由時(shí)間響應(yīng)曲線得到液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間。3測(cè)量液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性。4了解液晶光開(kāi)關(guān)構(gòu)成矩陣式圖像顯示的原理?！緝x器用具】ZKY-LCDEO型液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀、數(shù)字示波器【實(shí)驗(yàn)原理】1液晶光開(kāi)關(guān)的工作原理液晶的種類(lèi)很多，僅以常用的扭曲向列型液晶為例，說(shuō)明其工作原理。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(kāi)關(guān)的工作原理光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩塊玻璃板之間夾有液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長(zhǎng)度在十幾埃，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(gè)方向摩擦），這樣，液晶分子在透明電極表面就會(huì)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。如圖1左圖所示。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來(lái)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(guò)扭曲排列起來(lái)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(lái)自光源的自然光經(jīng)過(guò)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(guò)。在施加足夠電壓情況下，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(lái)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(lái)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(lái)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。由于上述光開(kāi)關(guān)在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下讓光透過(guò)，加上電場(chǎng)的時(shí)候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開(kāi)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。2液晶光開(kāi)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%）與外加電壓的關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，對(duì)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(diǎn)，此后略有變化。可以根據(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(guò)率為90時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓；關(guān)斷電壓：透過(guò)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(kāi)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。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動(dòng)，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(dòng)路數(shù)。3液晶光開(kāi)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(kāi)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r和下降時(shí)間d描述。給液晶開(kāi)關(guān)加上一個(gè)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(shí)間響應(yīng)曲線，上升時(shí)間和下降時(shí)間。如圖3下圖所示。上升時(shí)間：透過(guò)率由10%升到90%所需時(shí)間；下降時(shí)間：透過(guò)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)。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(guò)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(kāi)關(guān)的視角特性液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性表示對(duì)比度與視角的關(guān)系。對(duì)比度為光開(kāi)關(guān)打開(kāi)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(mǎn)意的圖像，對(duì)比度小于2，圖像就模糊不清了。這里，視角僅考慮入射光線與液晶屏法線方向的夾角。5液晶光開(kāi)關(guān)構(gòu)成矩陣式圖像顯示的原理除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發(fā)光來(lái)實(shí)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，等離子體顯示，電致發(fā)光顯示，發(fā)光二極管顯示，真空熒光管顯示，場(chǎng)發(fā)射顯示等，這些顯示器因?yàn)橐l(fā)光，所以要消耗大量的能量。液晶顯示器通過(guò)對(duì)外界光線的開(kāi)關(guān)控制來(lái)完成信息顯示任務(wù)，為非主動(dòng)發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能耗極低。正因?yàn)槿绱?，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子表、萬(wàn)用表、手機(jī)、傳呼機(jī)等具有不可代替地位。下面介紹如何利用液晶光開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形顯示任務(wù)。矩陣式圖形顯示結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5（a）所示。橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，稱(chēng)為行驅(qū)動(dòng)電極，豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，稱(chēng)為列驅(qū)動(dòng)電極。把這兩塊玻璃片面對(duì)面組合起來(lái)，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。通常將橫條形狀和豎條形狀的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。 （a） （b）圖5. 液晶光開(kāi)關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器準(zhǔn)備顯示的信息由開(kāi)關(guān)矩陣輸入。如準(zhǔn)備顯示數(shù)字“2”，則按相應(yīng)位置開(kāi)關(guān)，儀器內(nèi)部有計(jì)算機(jī)讀入相應(yīng)信息，然后按掃描方式在液晶顯示器上顯示。如顯示圖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(lái)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(niǎo)行的那些帶有方塊的像素被顯示出來(lái)了。然后是第C行、第D行 ，余此類(lèi)推，最后顯示出完整的圖像。【儀器介紹】1 液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀（ZKY-LCDEO型）外部結(jié)構(gòu)如圖6所示。下面簡(jiǎn)單介紹儀器各個(gè)部件的功能。（1）模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：切換液晶的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時(shí)，所有的液晶單元所加電壓相同，在（動(dòng)態(tài)）圖像顯示時(shí)，每個(gè)單元所加的電壓由開(kāi)關(guān)矩陣控制。同時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于靜態(tài)時(shí)打開(kāi)激光發(fā)射器，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于動(dòng)態(tài)時(shí)關(guān)閉激光發(fā)射器；（2）靜態(tài)閃爍/動(dòng)態(tài)清屏切換開(kāi)關(guān)：當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時(shí)候，此開(kāi)關(guān)可以切換到閃爍和靜止兩種方式；當(dāng)儀器工作在動(dòng)態(tài)的時(shí)候，此開(kāi)關(guān)可以清除液晶屏幕因按動(dòng)開(kāi)關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點(diǎn)；（3）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；（4）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?。┕╇婋妷海?dāng)電壓大于或小于一定范圍時(shí)需要單擊按鍵才可以改變電壓；（5）透過(guò)率顯示：顯示光透過(guò)液晶板后光強(qiáng)的相對(duì)百分比； （6）透過(guò)率校準(zhǔn)按鍵：在激光接收端處于最大接收的時(shí)候（即供電電壓為0V時(shí)），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵3秒可以將透過(guò)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(wú)效，不能校準(zhǔn)透過(guò)率。（7）液晶驅(qū)動(dòng)輸出：接存儲(chǔ)示波器，顯示液晶的驅(qū)動(dòng)電壓；（8）光功率輸出：接存儲(chǔ)示波器，顯示液晶的時(shí)間響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來(lái)得到液晶響應(yīng)時(shí)間的上升時(shí)間和下降時(shí)間；（9）擴(kuò)展接口：連接LCDEO信號(hào)適配器的接口，通過(guò)信號(hào)適配器可以使用普通示波器觀測(cè)液晶光開(kāi)關(guān)特性的響應(yīng)時(shí)間曲線；（10）激光發(fā)射器：為儀器提供較強(qiáng)的光源；（11）液晶板：本實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量樣品；（12）激光接收器：將透過(guò)液晶板的激光轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過(guò)率顯示表；（13）開(kāi)關(guān)矩陣：此為1616的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實(shí)驗(yàn)；（14）液晶轉(zhuǎn)盤(pán)：承載液晶板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用于液晶的視角特性實(shí)驗(yàn)；圖6 液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀功能鍵示意圖（15）電源開(kāi)關(guān)：儀器的總電源開(kāi)關(guān)。 2存儲(chǔ)示波器（DS-5000型） 詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)DS-5000儀器使用說(shuō)明書(shū)。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求】 1液晶板安裝與檢查首先將液晶板金手指1（如圖7）插入轉(zhuǎn)盤(pán)上的插槽，液晶凸起面必須正對(duì)激光發(fā)射方向。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮激光器，使激光器預(yù)熱1020分鐘。圖7 液晶板方向（視角為正視液晶屏凸起面）檢查儀器的初始狀態(tài)，看發(fā)射器光線是否垂直入射到接收器；在靜態(tài)0V供電電壓條件下，透過(guò)率顯示是否為“100”。如果顯示正確，則可以開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，如果不正確，指導(dǎo)教師可以根據(jù)附錄1的調(diào)節(jié)方法將儀器調(diào)整好。.2液晶光開(kāi)關(guān)電光特性測(cè)量將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過(guò)率顯示校準(zhǔn)為100，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。重復(fù)3次并計(jì)算相應(yīng)電壓下透射率的平均值，依據(jù)實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)電光特性測(cè)量電壓（伏）00.50.81.01.21.31.41.51.61.72.03.04.05.06.0透射率(%)123平均3液晶的時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式，透過(guò)率顯示調(diào)到100，然后將液晶供電電壓調(diào)到2.00V，選擇液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)，用存儲(chǔ)示波器觀察光開(kāi)關(guān)時(shí)間響應(yīng)特性曲線，可以根據(jù)此曲線得到液晶的上升時(shí)間r和下降時(shí)間d。存儲(chǔ)示波器測(cè)量時(shí)間響應(yīng)主要操作步驟。1）觸發(fā)方式選擇普通。2）觸發(fā)控制選擇邊沿觸發(fā)，并選折上升沿或下降沿。3）調(diào)節(jié)觸發(fā)電平（LEVEL），使觸發(fā)電壓在被測(cè)信號(hào)電壓范圍之內(nèi)。4）垂直系統(tǒng)設(shè)置通道耦合為直流。5）使用RUN/STOP鍵啟動(dòng)和停止波形采樣。6）調(diào)節(jié)電壓分度值、時(shí)間分度值等，分別觀測(cè)穩(wěn)定的上升沿和下降沿，并測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間。7）可使用自動(dòng)測(cè)量功能測(cè)量時(shí)間。8）其它功能參見(jiàn)儀器說(shuō)明書(shū)。4液晶光開(kāi)關(guān)視角特性的測(cè)量水平方向視角特性的測(cè)量將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式。首先將透過(guò)率顯示調(diào)到100，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。確定當(dāng)前液晶板為金手指1插入的插槽（如圖7所示）。在供電電壓為0V時(shí)，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，在每一角度下測(cè)量光強(qiáng)透過(guò)率最大值TMAX。然后將供電電壓置于2V，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，測(cè)量光強(qiáng)透過(guò)率最小值TMIN，并計(jì)算其對(duì)比度。以角度為橫坐標(biāo)，對(duì)比度為縱坐標(biāo)，繪制水平方向?qū)Ρ榷入S入射光入射角而變化的曲線。垂直方向視角特性的測(cè)量關(guān)斷總電源后，取下液晶顯示屏，將液晶板旋轉(zhuǎn)90度，將金手指2（垂直方向）插入轉(zhuǎn)盤(pán)插槽（如圖7所示）。重新通電，將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式。按照與相同的方法和步驟，可測(cè)量垂直方向的視角特性。并記錄入表2中。表2 液晶光開(kāi)關(guān)視角特性測(cè)量角度（度）-85-80-10-505108085水平方向視角特性TMAX（%）TMIN（%）TMAX/TMIN垂直方向視角特性TMAX（%）TMIN（%）TMAX/TMIN5液晶顯示器顯示原理將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于動(dòng)態(tài)（圖像顯示）模式。液晶供電電壓調(diào)到5V左右。此時(shí)矩陣開(kāi)關(guān)板上的每個(gè)按鍵位置對(duì)應(yīng)一個(gè)液晶光開(kāi)關(guān)象素?？梢岳命c(diǎn)陣輸入關(guān)斷（或點(diǎn)亮）對(duì)應(yīng)的象素，使暗相素（或點(diǎn)亮象素）組合成一個(gè)字符或文字。矩陣開(kāi)關(guān)板右上角的按鍵為清屏鍵，用以清除已輸入在顯示屏上的圖形。實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，取下液晶板妥善保存?！咀⒁馐马?xiàng)】1絕對(duì)禁止用光束照射他人眼睛或直視光束本身，以防傷害眼睛！2在進(jìn)行液晶視角特性實(shí)驗(yàn)種，更換液晶板方向時(shí)，務(wù)必?cái)嚅_(kāi)總電源后，再進(jìn)行插取，否則將會(huì)損壞液晶板； 3液晶板凸起面必須要朝向激光發(fā)射方向，否則實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；4在調(diào)節(jié)透過(guò)率100時(shí)，如果透過(guò)率顯示不穩(wěn)定，則很有可能是光路沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)，或者為激光發(fā)射器偏振沒(méi)有調(diào)節(jié)好，需要仔細(xì)檢查，調(diào)節(jié)好光路；5在校準(zhǔn)透過(guò)率100前，必須將液晶供電電壓顯示調(diào)到0.00V或顯示大于“250” ，否則無(wú)法校準(zhǔn)透過(guò)率為100。在實(shí)驗(yàn)中，電壓為0.00V時(shí)，不要長(zhǎng)時(shí)間按住“透過(guò)率校準(zhǔn)”按鈕，否則透過(guò)率顯示將進(jìn)入非工作狀態(tài)，本組測(cè)試的數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，需要重新進(jìn)行本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄?！舅伎紗?wèn)題】1 什么是液晶的電光效應(yīng)？2 測(cè)量液晶光開(kāi)關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性作用是什么？【附錄】初始光路的調(diào)節(jié)方法（如附圖1）第一步：調(diào)節(jié)激光管和液晶的偏振關(guān)系。插上電源，打開(kāi)電源總開(kāi)關(guān)，點(diǎn)亮激光管（模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式），在激光管預(yù)熱1020分鐘后。讓激光透射過(guò)液晶板，旋轉(zhuǎn)激光管，使透過(guò)液晶板后的光斑在液晶板的水平方向和垂直方向的光強(qiáng)基本一致。然后保持激光管的偏振方向，將激光管插入激光發(fā)射護(hù)套內(nèi)，用螺釘固定。第二步：調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的高度，使激光照射到液晶板（水平方向）的Y9行。將液晶板金手指1（水平方向）插入轉(zhuǎn)盤(pán)上的插槽（插取液晶板前要關(guān)閉總電源）。