實(shí)驗(yàn)27液晶電光效應(yīng)

1、實(shí)驗(yàn)27 液晶電光效應(yīng)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(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)。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

2、70年代開始，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，并至今在這一領(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)，環(huán)保無輻射等優(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)。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?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，由光開關(guān)特性曲線，得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓，上升時(shí)間和下降時(shí)間。2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。3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

3、晶顯示器件的工作原理。【實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(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；也可在電極表面涂取向劑），使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

4、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

5、°。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12伏)，在靜電場(chǎng)的吸引下，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(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。由于上述光開關(guān)在沒有電場(chǎng)的情況下讓光透過，加上電場(chǎng)的時(shí)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。2液晶光開關(guān)的電光特性液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫

6、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，它的電光特性隨溫度的改變而有一定變化。圖2為光線垂直入射時(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，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?？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(shí)的供電電壓；關(guān)斷電壓：透過率為10時(shí)的供電電壓。另外，在給液晶板加上一個(gè)周期性的作用電壓（如圖3上圖），液晶的透過率也就會(huì)隨電壓的改變而變化，就可以得到液晶的相應(yīng)時(shí)間上升時(shí)間t1和下

7、降時(shí)間t2。如圖3下圖所示。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。3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。圖4表示了某種液晶視角特性的理論計(jì)算結(jié)果。圖4中，用與原點(diǎn)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(gè)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(duì)比度時(shí)的等對(duì)

8、比度曲線。由圖4可以看出，對(duì)比度與垂直與水平視角都有關(guān)。而且，視角特性具有非對(duì)稱性。4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(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（CRT），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(chǎng)發(fā)射顯示（FED）。這些顯示器因?yàn)橐l(fā)光，所以要消耗大量的能量。 液晶顯示器通過對(duì)外界光線的開關(guān)控制來完成信息顯示任務(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、萬用表、手機(jī)

9、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(shí)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(dòng)電極，簡(jiǎn)稱行電極（常用Xi表示），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（常用Yi表示）。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。顯示原理可依以下的簡(jiǎn)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

10、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。這種工作方式稱為掃描方式。這種分時(shí)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(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?！緦?shí)驗(yàn)儀器簡(jiǎn)介】本實(shí)驗(yàn)所用儀器為液晶光開關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，其外部結(jié)構(gòu)如圖6所示。下面簡(jiǎn)單介紹儀器各個(gè)按鈕的功能。1靜態(tài)閃爍/動(dòng)態(tài)清屏切換

11、開關(guān)。當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時(shí)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(dòng)態(tài)的時(shí)候，此開關(guān)可以清除液晶屏幕因按動(dòng)開關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點(diǎn)；2液晶供電電壓顯示。顯示加在液晶板上的電壓，范圍在0V6.5V之間；3供電電壓調(diào)節(jié)旋鈕。改變加在液晶板上的電壓，調(diào)節(jié)范圍在0V6.5V之間；4調(diào)100旋鈕。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)），校準(zhǔn)透過率的最大輸出為100；5透過率顯示。顯示光透過液晶板后光強(qiáng)的相對(duì)值；6調(diào)0旋鈕。在激光接收端沒有光入射的時(shí)候（即捂住接收口時(shí)），校準(zhǔn)透過率的最小輸出為0；7液晶驅(qū)動(dòng)電壓輸出。接示波器，顯示液晶的驅(qū)動(dòng)電壓；8光透過率輸出。接到數(shù)字存儲(chǔ)示波器，顯

12、示液晶的光開響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來計(jì)算液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓；9激光發(fā)射器。為儀器提供較強(qiáng)的光源；10液晶板。本實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量樣品；11激光接收裝置。將透過液晶板的激光轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過率顯示表；開關(guān)矩陣：此為16×16的按鍵矩陣，用于測(cè)試液晶的顯示功能實(shí)驗(yàn)；液晶轉(zhuǎn)盤：承載液晶板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用于測(cè)試液晶的視角特性實(shí)驗(yàn)；模式轉(zhuǎn)換開關(guān)：切換于液晶的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種工作模式；激光開關(guān)：開關(guān)激光發(fā)射器； 電源開關(guān)：儀器的總電源開關(guān)。本實(shí)驗(yàn)儀器可工作于靜態(tài)全屏/閃爍或動(dòng)態(tài)圖像顯示兩種工作模式之一。1作液晶光開關(guān)特性測(cè)量時(shí)，選擇靜態(tài)全屏模式，此時(shí)液晶屏上所有顯示單元（共有16×16

13、顯示單元）均工作于同一狀態(tài)。通過相素電壓調(diào)節(jié)旋鈕可調(diào)節(jié)加到液晶光開關(guān)上的電壓，其數(shù)值由相素電壓顯示窗顯示。2作電光時(shí)間響應(yīng)特性測(cè)量時(shí)，選擇靜態(tài)閃爍模式，調(diào)節(jié)液晶屏方位使激光垂直液晶屏入射。激光穿過液晶板后被激光接收器，其強(qiáng)度由透過率顯示窗顯示。用存儲(chǔ)示波器測(cè)量透過率隨加在液晶板上的相素電壓的變化關(guān)系，即可繪出液晶光開關(guān)的電光特性曲線（如圖2）。3作視角特性測(cè)量時(shí)，在水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)液晶屏，測(cè)量不同光線入射角時(shí)光開關(guān)打開（供電電壓為0V）和關(guān)斷（供電電壓為2V）時(shí)的透射光 4作圖像顯示原理實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇動(dòng)態(tài)圖象顯示模式，通過選擇控制開關(guān)矩陣的各顯示單元的開、關(guān)狀態(tài)，液晶板上即可組成相應(yīng)的各種圖形或文字

14、?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】本實(shí)驗(yàn)儀可以進(jìn)行以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 液晶的光開關(guān)特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。其中可以測(cè)得液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓，以及上升時(shí)間和下降時(shí)間。液晶的視角特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。液晶的圖像顯示原理實(shí)驗(yàn)。其安裝和操作步驟為：將TN型16X16點(diǎn)陣液晶屏金手指1（如圖7）插入轉(zhuǎn)盤上的插槽。插上電源，打開電源總開關(guān)和激光器電源開關(guān)，使激光器預(yù)熱1020分鐘。模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)全屏模式。將液晶屏旋轉(zhuǎn)臺(tái)置于零刻度位置固定住，并以此為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)左邊的激光發(fā)射器，使得準(zhǔn)直激光垂直入射到液晶屏上，而且激光光斑要盡可能的照在液晶屏上的其中某個(gè)象素單元上，然后調(diào)節(jié)激光接收的位置，使得激光通過液晶后再經(jīng)過入射孔垂直照射到接收

15、裝置上，（可以在供電電壓為0V時(shí)，看透過率達(dá)到最大時(shí)表示接收裝置接收效果為最好）。當(dāng)對(duì)調(diào)節(jié)好激光發(fā)射和接收裝置后，再校準(zhǔn)透過率。方法為：將供電電壓置于0伏，此時(shí)光開關(guān)處于開通狀態(tài)，遮住激光接收端的激光入光口，調(diào)節(jié)0旋鈕，使得透過率顯示為0。再調(diào)節(jié)100%旋鈕使得透過率顯示為100。然后用同樣的方法再次調(diào)0和調(diào)100，如此重復(fù)幾次，直到兩個(gè)旋鈕之間匹配合適為止。當(dāng)初始的透過率校準(zhǔn)后，就可以開始做實(shí)驗(yàn)了。 1液晶光開關(guān)電光特性測(cè)量閾值電壓和關(guān)斷電壓的測(cè)量：將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過率顯示校準(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

16、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(%)1 2 3 平均 時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量：用數(shù)字存儲(chǔ)示波器在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下觀察此光開關(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t1和下降時(shí)間t2。2液晶光開關(guān)視角特性的測(cè)量 水平方向視角特性的測(cè)量首先將透過率顯示調(diào)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。在供電電壓為0V時(shí)，按照表2所列的角度調(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，將液晶顯示屏旋轉(zhuǎn)90度，用金手指2插入，如圖7所示。重新打開總電源，按照與測(cè)量水平方向視角特性相同的方法和步驟測(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（%） T