2022年液晶光電效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)

..精選文檔精選文檔.精選文檔液晶光電效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)摘要：文章介紹了液晶的根本原理，著重闡述了液晶光開關(guān)的工作原理及其性質(zhì)，并根據(jù)其性質(zhì)開展了一系列的實(shí)驗(yàn)，如測(cè)量液晶光開光的電光特性曲線及響應(yīng)時(shí)間等。關(guān)鍵詞：液晶光開關(guān)時(shí)間響應(yīng)視角特性1實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谡莆找壕Ч忾_關(guān)的根本工作原理的根底上，測(cè)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。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，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。測(cè)量由液晶光電開關(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比照度，了解液晶光電開關(guān)的工作條件。了解液晶光電開關(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的工作原理。2根本知識(shí)液晶液晶態(tài)是一種介于液體和晶體之間的中間態(tài)，既有液體的流動(dòng)性、粘度、形變等機(jī)械性質(zhì)，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質(zhì)。液晶與液體、晶體之間的區(qū)別是：液體是各向同性的，分子取向無(wú)序；液晶分子取向有序，但位置無(wú)序，而晶體二者均有序。液晶的光電效應(yīng)液晶分子是在形狀、介電常數(shù)、折射率及電導(dǎo)率上具有各向異性特性的物質(zhì)，如果對(duì)這樣的物質(zhì)施加電場(chǎng)，隨著液晶分子取向結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，它的光學(xué)特性也隨之變化，這就是通常說(shuō)的液晶的電光效應(yīng)。3實(shí)驗(yàn)原理1．液晶光開關(guān)的工作原理液晶作為一種顯示器件，其種類很多，下面以常用的TN〔扭曲向列〕型液晶為例，說(shuō)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，直徑為4～6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)外表涂有透明電極，電極的外表預(yù)先作了定向處理〔可用軟絨布朝一個(gè)方向摩擦，也可在電極外表涂取向劑〕，這樣，液晶分子在透明電極外表就會(huì)躺倒在摩擦所形成的微溝槽里；使電極外表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。如圖1左圖所示。圖1液晶光開關(guān)的工作原理理論和實(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)，即偏振光從上電極外表透過(guò)扭曲排列起來(lái)的液晶傳播到下電極外表時(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(一般為1～2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(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關(guān)，又叫做常白模式。假設(shè)P1和P2的透光軸相互平行，那么構(gòu)成常黑模式。2.液晶光開關(guān)的電光特性和時(shí)間響應(yīng)特性圖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，在一定電壓下到達(dá)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(guò)率為90％時(shí)的供電電壓；關(guān)斷電壓：透過(guò)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(guò)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Δt1和下降時(shí)間Δt2。如圖3以下圖所示。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。3.液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示比照度與視角的關(guān)系。比照度定義為光開關(guān)翻開和關(guān)斷時(shí)透射光強(qiáng)度之比，比照度大于5時(shí)，可以獲得滿意的圖像，比照度小于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4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比照度時(shí)的等比照度曲線。由圖4可以看出，比照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〔a〕〔b〕〔a〕〔b〕圖5液晶光開關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器液晶顯示器通過(guò)對(duì)外界光線的開關(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、、傳呼機(jī)等具有不可代替地位。下面我們來(lái)看看如何利用液晶光開關(guān)來(lái)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，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(lái)，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(shuō)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(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(guò)，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。4實(shí)驗(yàn)儀器圖6液晶光開關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀功能鍵示意圖圖6液晶光開關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀功能鍵示意圖5設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟液晶的電光特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。可以測(cè)得液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。液晶的時(shí)間特性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間。液晶的視角特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)步驟：1、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(duì)光源發(fā)射方向。翻開電源開關(guān)，點(diǎn)亮光源，使光源預(yù)熱10分鐘左右。圖7液晶板方向〔圖7液晶板方向〔視角為正視液晶屏凸起面〕2、將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過(guò)率顯示校準(zhǔn)為100%，按表一的數(shù)據(jù)改變電壓，使電壓從0V到6V變化，記錄相應(yīng)電壓下的透過(guò)率數(shù)值。重復(fù)3次并計(jì)算相應(yīng)電壓下透過(guò)率的平均值，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制水平方向的電光特性曲線，可以得出水平方向的閾值電壓和關(guān)斷電壓。3、將液晶板金手指2插入轉(zhuǎn)盤上的插槽，將透過(guò)率顯示校準(zhǔn)為100%，按表一的數(shù)據(jù)改變電壓，使電壓從0V到6V變化，記錄相應(yīng)電壓下的透過(guò)率數(shù)值。重復(fù)3次并計(jì)算相應(yīng)電壓下透過(guò)率的平均值，依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制垂直方向的電光特性曲線，可以得出垂直方向的閾值電壓和關(guān)斷電壓。4、將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，透過(guò)率顯示調(diào)節(jié)到100%，然后將液晶供電電壓調(diào)節(jié)到2V，在液晶靜態(tài)閃爍下，用存儲(chǔ)示波器觀察此光電開關(guān)的時(shí)間特性曲線。得到上升時(shí)間和下降時(shí)間。5、將模式置于靜態(tài)模式，將透過(guò)率顯示調(diào)到100%，以水平方向插入液晶板，在供電電壓為0V時(shí)，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。然后供電電極設(shè)為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，記錄，并計(jì)算其比照度。6、將液晶板以垂直方向插入插槽，按照與測(cè)量水平視角特性相同的方法，測(cè)量垂直方向視角特性。6數(shù)據(jù)處理與結(jié)論表1液晶的電光特性〔水平〕電壓〔V〕0.00.50.81.01.21.31.41.5透射率〔%〕1100.099.999.898.281.064.747.231.92100.099.999.898.481.064.547.031.83100.099.899.998.381.964.647.131.9平均100.099.999.898.381.364.647.131.9電壓〔V〕1.61.72.03.04.05.06.031.9透射率〔%〕120.312.44.14.54.13.73.4220.012.34.14.54.13.73.2320.512.54.24.44.23.63.3平均20.312.44.14.54.13.73.3由水平方向電光特性曲線得水平方向閾值電壓為1.12V，關(guān)斷電壓為1.74V表2液晶的光電特性〔垂直方向〕電壓〔V〕0.00.50.81.01.21.31.41.5透過(guò)率〔%〕1100.0100.099.998.680.263.445.030.92100.099.9100.098.280.063.545.930.73100.099.999.898.380.063.545.230.2平均100.099.999.998.480.163.545.430.6電壓〔V〕1.61.72.03.04.05.06.0透過(guò)率〔%〕119.411.83.53.73.33.22.8219.411.63.53.73.43.02.6319.411.83.53.93.53.02.2平均19.411.73.53.83.43.12.5由垂直方向電光特性曲線得垂直方向閾值電壓為1.1V,關(guān)斷電壓1.79V.使用示波器直接讀值的方法，由于兩通道的上升時(shí)間和下降時(shí)間對(duì)同一液晶顯示器應(yīng)為一固定值，故只做一次，得到ch1上升時(shí)間為323.9μs，下降時(shí)間320.0μs；ch2上升時(shí)間38.72ms，下降時(shí)間34.25ms,得圖8表3由示波器得到的液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間上升時(shí)間下降時(shí)間CH1〔us〕323.9320.0CH2〔ms〕38.7234.25圖8：表4水平方向視角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.599.399.198.597.294.591.389.283.579.171.262.652.641.828Tmin(2V)4.03.93.944.14.44.64.74.64.34.03.63.32.92.31.6Tmax/Tmin25.025.525.524.824.022.120.519.419.419.419.819.819.018.118.217.5負(fù)角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10010110010110110010097.696.193.188.382.575.266.654.942.3Tmin(2V)4.04.24.34.64.95.35.65.65.65.45.24.94.84.44.03.1Tmax/Tmin25.024.023.322.020.618.917.917.417.217.217.016.815.715.113.713.6表5垂直方向視角特性正角度0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.0Tmax(0V)99.598.697.395.392.589.786.882.679.375.171.066.660.853.643.530.1Tmin(2V)4.47.011.617.624.633.442.852.461.567.269.768.664.355.646.032.7Tmax/Tmin22.614.18.45.43.82.72.01.61.31.11.01.00.91.00.90.9負(fù)角度0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.050.055.060.065.070.075.0Tmax(0V)99.599.599.198.096.293.992.088.786.183.380.078.174.168.559.046.4Tmin(2V)4.44.86.211.117.927.238.851.061.670.176.679.177.372.061.848.4Tmax/Tmin22.620.716.08.85.43.52.41.71.41.21.01.01.01.01.01.06實(shí)驗(yàn)誤差分析:1、儀器本身的精密度;2、外部環(huán)境的干擾，比方液晶光開關(guān)視角特性的測(cè)量試驗(yàn)中，0V電壓下，局部透射率大于100%，與實(shí)際不符，應(yīng)為外間光源干擾所致；3、實(shí)驗(yàn)組次少，液晶的時(shí)間響應(yīng)的測(cè)量及液晶光開關(guān)視角特性的測(cè)量試驗(yàn)只取了一組數(shù)據(jù)，存在一定的誤差；4、計(jì)算中的傳遞誤差，由于本次試驗(yàn)組次少，故沒(méi)有進(jìn)行不確定度的計(jì)算，且小數(shù)點(diǎn)只保存了一位；5、試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，對(duì)光源預(yù)熱時(shí)間缺乏；6、插槽中的液晶板并不嚴(yán)格正對(duì)光源發(fā)射方向，存在微角度誤差，且進(jìn)行液晶光開關(guān)視角特性的測(cè)量時(shí)，也存在微角度誤差；7、讀數(shù)誤差，試驗(yàn)中，個(gè)別數(shù)據(jù)是在透射率不穩(wěn)定的情況下讀取的；8、由于不了解干擾特性，故對(duì)數(shù)據(jù)同