《顯示技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱

顯示技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱目錄《顯示技術(shù)》 80一、課程簡介 82二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的、任務(wù)與要求 82三、實(shí)驗(yàn)方式與基本要求 82四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置 82五、教材（講義、指導(dǎo)書） 83六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 83七、考試(考核)方式 83八、使用說明 84附件： 85《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1 85《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2 87《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3 95《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4 100《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5 104《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目6 109《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目7 118《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目8 121

課程名稱：顯示技術(shù)課程編號：056513英文名稱：DisplayTechnology課程性質(zhì)：非獨(dú)立設(shè)課課程屬性：專業(yè)應(yīng)開實(shí)驗(yàn)學(xué)期：第七學(xué)期學(xué)時(shí)學(xué)分：課程總學(xué)時(shí)40實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)16課程總學(xué)分3.5實(shí)驗(yàn)學(xué)分實(shí)驗(yàn)者類別：本科生適用專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)先修課程：大學(xué)物理、模擬電子技術(shù)、固體物理、半導(dǎo)體物理，單片機(jī)等一、課程簡介本課程是電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的一門專業(yè)課，主要研究顯示技術(shù)的基本原理、顯示器件的基本結(jié)構(gòu)、顯示驅(qū)動技術(shù)等，為培養(yǎng)學(xué)生對各種顯示電路原理的分析、設(shè)計(jì)、使用打下基礎(chǔ)。二、課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的、任務(wù)與要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)在顯示技術(shù)教學(xué)中具有十分重要的地位和作用，它和課堂教學(xué)相輔相成，相得益影響。在一定意義上甚至可以說是對課堂教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充、延伸和深化，通過與課堂教學(xué)的密切配合，共同達(dá)到課堂教學(xué)的基本目的和要求。本課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分著重于加深學(xué)生對顯示器件及顯示電路與技術(shù)的理解與掌握，著重于培養(yǎng)學(xué)生問題的能力。主要包括計(jì)算機(jī)CRT顯示器的基本原理、CRT電子聚焦與偏轉(zhuǎn)、液晶顯示器的電光特性曲線測量實(shí)驗(yàn)等。三、實(shí)驗(yàn)方式與基本要求實(shí)驗(yàn)方式：學(xué)生2人一實(shí)驗(yàn)臺，獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，注意記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析。

基本要求：每次實(shí)驗(yàn)課前，學(xué)生應(yīng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，并認(rèn)真復(fù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相關(guān)的理論。實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格按實(shí)驗(yàn)規(guī)程操作。愛護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。實(shí)驗(yàn)完成后要寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，其內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和計(jì)算，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題的分析討論，對實(shí)驗(yàn)方法的建議等。實(shí)驗(yàn)后，按要求編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。四、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置序號實(shí)驗(yàn)編號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提要實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)實(shí)驗(yàn)類型實(shí)驗(yàn)類別實(shí)驗(yàn)要求每組人數(shù)計(jì)算機(jī)CRT顯示器的基本原理掌握計(jì)算機(jī)CRT顯示器的基本原理CRT電子聚焦與偏轉(zhuǎn)了解電子槍及電子透鏡的工作原理和控制方法；掌握陰極射線顯像管相關(guān)特性參數(shù)的測量方法液晶顯示器的電光特性曲線測量了解液晶顯示技術(shù)的物理基礎(chǔ)和相關(guān)特性掌握液晶顯示器件特性參數(shù)的測量方法液晶顯示器的驅(qū)動熟悉筆段型LCD的靜態(tài)驅(qū)動技術(shù)掌握使用AT89C51單片機(jī)驅(qū)動3又1/2位LCD軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法測量筆段型LCD的驅(qū)動波形信號等離子體顯示了解輝光放電與等離子體顯示器件的物理基礎(chǔ)；掌握輝光放電與等離子體顯示器件相關(guān)特性參數(shù)測量方法電光效應(yīng)掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。學(xué)會用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象MEMS微鏡與DLP顯示了解微電子機(jī)械系統(tǒng)及DLP顯示的工作原理及相關(guān)特性；掌握MEMS器件性能參數(shù)的測量方法字符型液晶顯示模塊的應(yīng)用掌握字符型顯示模塊的構(gòu)成；

熟悉顯示驅(qū)動控制器的電路特性；

掌握單片機(jī)接控制方式的接口電路；了解間接控制方式的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

4、了解間接控制方式的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)五、教材（講義、指導(dǎo)書）《顯示技術(shù)》，肖云虹編，西安電子科技大學(xué)出版社，出版時(shí)間2011年六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求要求每個(gè)學(xué)生每次實(shí)驗(yàn)均按山東工商學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告統(tǒng)一格式寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求、實(shí)驗(yàn)所用儀器、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟、結(jié)論、實(shí)驗(yàn)存在的問題與解決方法等項(xiàng)目。七、考試(考核)方式本課程的總成績由理論考試成績、平時(shí)作業(yè)與實(shí)驗(yàn)課成績3部分組成，按百分制計(jì)。其中：理論考試成績占70%（理論考試成績通過期末考試方式評定），平時(shí)作業(yè)成績占10%（按每次作業(yè)完成情況評定），實(shí)驗(yàn)課成績占20%。實(shí)驗(yàn)成績的評定方法：預(yù)習(xí)報(bào)告占10%，硬件電路連接占25%，軟件設(shè)計(jì)占25%，系統(tǒng)調(diào)試占25%，實(shí)驗(yàn)報(bào)告占15%。另外，對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，根據(jù)解決的情況可獎(jiǎng)勵(lì)0～50分（百分制）。八、使用說明本實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱適用于電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的《顯示技術(shù)》課程，課程總學(xué)時(shí)為48，實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)為8。

附件：《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號計(jì)算機(jī)CRT顯示器的基本原理，1課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)CRT顯示器的基本原理。實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是基于計(jì)算機(jī)的陰極射線顯像管（CRT顯示器）的工作原理來設(shè)計(jì)的。CRT顯示器主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈，蔭罩、高壓石墨電極和熒光粉涂層以及玻璃外殼組成。熒光屏上涂滿了按照一定方式緊密排列的紅、綠、藍(lán)三顏色的熒光粉點(diǎn)或熒光粉條，稱為熒光粉單元。相鄰的紅、綠、藍(lán)熒光粉單元各為一組，稱為像素。在陽極高壓作用下，電子槍以極高的速度轟擊熒光粉涂層。電子槍發(fā)射出三束電子束，它們分別受計(jì)算機(jī)顯卡R、G、B三個(gè)基頻視頻信號電壓的控制，去轟擊各自的熒光粉單元，發(fā)出強(qiáng)弱不同的紅綠藍(lán)三中光。根據(jù)空間混色法會產(chǎn)生豐富的色彩。在偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，顯像管內(nèi)的電子束會以一定的順序，周期性的轟擊各個(gè)像素，由于視覺殘留和熒光粉的余暉作用，我們就可以看到一幅完整的圖形。電子束有規(guī)律的周期性運(yùn)動稱為掃描運(yùn)動。通常實(shí)現(xiàn)掃描的方式很多，如直線式掃描，圓心掃描，螺旋掃描等。其中直線式掃描又分為逐行掃描和隔行掃描兩種，在CRT顯示系統(tǒng)中兩種都有采用。無論是逐行或是隔行掃描，為了完成對整個(gè)屏幕的掃描，掃描線并不完全水平，而是稍微傾斜的，為此電子束既要作水平方向運(yùn)動，又要作豎直方向運(yùn)動。前者形成一行的掃描稱為行掃描，后者形成一幅畫面的掃描稱為場掃描。蔭罩大概位于熒光屏火苗約10mm處，是厚度約為0.15mm的薄金屬障板。它上面有很多小孔或細(xì)槽，它們和同一組的像素相對應(yīng)。三支電子束經(jīng)過小孔或細(xì)槽后只能擊中同一像素中對應(yīng)的熒光粉單元，保證了色彩的純正和正確的會聚。畫面的連續(xù)感由場掃描的速度決定。場掃描越快，形成的單一圖像越多，畫面就越流暢。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容首先觀察紅、黑、綠三種顏色背景單獨(dú)顯示的情況，在將紅綠兩種顏色進(jìn)行混合而產(chǎn)生黃色的效果，使學(xué)生通過觀察大面積的顏色混合效果去體會像素顯示顏色的原理，并通過了解程序的執(zhí)行過程體會電子束掃描的特性與效果。其次掌握顯像管陰極工作特性。六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟關(guān)閉計(jì)算機(jī)和顯示器的電源，拆下顯示器后蓋外殼，再接好顯示器電源和信號線，然后啟動計(jì)算機(jī)執(zhí)行DEBUG命令，用A命令輸入以下匯編語言語句組成的程序：××××：0100MOVAH,0××××:0102MOVAL,E××××:0104INT10××××:0106MOVCL,0××××:010AMOVBH,0××××:010CMOVBL,A××××:010EINT10××××:0110MOVAH,B××××:0112MOVBH,0××××:0114MOVBL,0××××:0116INT0××××:0118MOVAH,B××××:011AMOVBH,0××××:011CMOVBL,C××××:011EINT10××××:0120INTCL××××:0122CMPCL,F0××××:0124JNZ108××××:0127MOVCL,0××××:0129INT20執(zhí)行命令G=100110顯示綠色背景。此時(shí)只有連接綠色信號的電子槍發(fā)射電子束，掃描轟擊背景范圍內(nèi)的每一個(gè)像素的綠色熒光粉。由于掃描速度很快以及眼睛的視覺殘留，可以看到穩(wěn)定的綠色背景。找到與顯像管紅、綠、藍(lán)三支電子槍相插接線電路上面的三個(gè)端點(diǎn)KR,KG,KB的位置，用萬用表測出這三個(gè)端點(diǎn)擱置的對地直流電壓。執(zhí)行命令G=110118顯示黑色背景，此時(shí)三支電子槍均不發(fā)射電子束。找到與顯像管紅、綠、藍(lán)三支電子槍相插接線電路上面的三個(gè)端點(diǎn)KR,KG,KB的位置，用萬用表測出這三個(gè)端點(diǎn)擱置的對地直流電壓。執(zhí)行命令G=110120顯示紅色背景，原理與上述顯示綠色背景相同。找到與顯像管紅、綠、藍(lán)三支電子槍相插接線電路上面的三個(gè)端點(diǎn)KR,KG,KB的位置，用萬用表測出這三個(gè)端點(diǎn)擱置的對地直流電壓。執(zhí)行命令G=100131顯示黃色背景，此時(shí)程序的循環(huán)控制使背景色交替顯示紅、黑、綠色，由于程序執(zhí)行速度很快及黑色背景時(shí)熒光粉不發(fā)光，所以可以看到綠、紅兩種顏色的混合色為黃色。實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求場地、設(shè)備與器材《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目2實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號CRT電子聚焦與偏轉(zhuǎn)，2課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解陰極射線顯像管（CRT）的工作原理；2、了解電子槍及電子透鏡的工作原理和控制方法；3、掌握陰極射線顯像管相關(guān)特性參數(shù)的測量方法；實(shí)驗(yàn)原理陰極射線管顯示裝置的核心部件是CRT顯像管。CRT顯像管使用電子槍發(fā)射高速電子，由垂直和水平的偏轉(zhuǎn)線圈控制電子的偏轉(zhuǎn)角度，高速電子擊打屏幕上的熒光物質(zhì)使其發(fā)光，通過電壓來調(diào)節(jié)電子束的功率，就會在屏幕上形成明暗不同的光點(diǎn)形成各種圖案和文字。陰極射線顯像管主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)線圈、熒光粉層及玻璃外殼幾部分組成，彩色顯像管還含有蔭罩或蔭柵等部件。圖1：電子槍結(jié)構(gòu)示意圖1.電子槍電子槍處于外殼尾部的細(xì)圓柱形管內(nèi)，它由陰極、柵級、第一陽極(加速極)、第二陽極(高壓極)和第三陽極(聚焦極)五部分組成。1）．陰極是旁熱式的，其外形是個(gè)圓桶，陰極表面涂有能發(fā)射電子的氧化物，陰極筒內(nèi)裝有加熱燈絲。當(dāng)燈絲通電后，烤熱陰極表面氧化物，使之發(fā)射電子，發(fā)射電子的數(shù)目受柵極的電壓控制。2）．控制柵極(G)又稱調(diào)制極，套在陰極的外面，呈圓桶形。圓桶的頂端有一個(gè)直徑為0.6～0.8mm的小圓孔供熱電子射出?？刂茤艠O離陰極很近，改變控制柵極和陰極的電壓就可以控制電子束的強(qiáng)弱，從而達(dá)到控制顯像管亮度的目的。CRT在陰極電壓一定時(shí)，柵極、陰極之間的電壓與陰極束電流關(guān)系曲線稱為調(diào)制曲線，如圖2所示。滿足：I束=K(Egk-Egk0)γ其中：K為比例系數(shù)，與電子槍有關(guān)；Egk0為截止柵壓；Egk為實(shí)際的柵偏壓；γ是表征顯像管特性的—個(gè)參數(shù)，一般在2.2～3之間。圖2：顯像管調(diào)制特性曲線圖3：灰度失真控制柵壓越負(fù)，束電流越??；控制柵壓負(fù)至一定值(Egk=Egk0)時(shí)，束電流為零，此時(shí)的柵壓稱為截止柵偏壓(截止電壓),熒光屏因束電流等于零而無光；反之，控制柵的電壓逐漸提高，束電流按指數(shù)曲線上升，熒光屏的亮度也隨之增加。由于γ的存在，造成亮度、灰度等級變化失真，黑色壓縮，白色擴(kuò)張，如圖3所示。重現(xiàn)圖像時(shí)，進(jìn)行γ校正放大處理，使發(fā)送和接收綜合特性成為線性。圖中靜態(tài)工作點(diǎn)的電壓由亮度調(diào)節(jié)電路提供。在電子束行、場掃描逆程回掃期間，由于應(yīng)該使電子束流截止，此時(shí)柵負(fù)壓應(yīng)該低于截止電壓。由截止電壓到電子束流為100～150uA的柵陰極電壓范圍，叫做最大調(diào)制量。顯像管的最大調(diào)制量越小，所需的視頻信號峰峰值也越小?？梢?，最大調(diào)制量越小越好。值得注意的是，最大調(diào)制量會隨著加速極電壓降低而減小，但是加速極電壓降低時(shí)，會使屏幕亮度下降。3)．加速極(A1)。加速極處于控制柵的前面，它也是一個(gè)頂部開有小孔的金屬圓桶。在加速極上通常加有幾百伏的正電壓．它的作用是把電子從陰極表面拉出來，向熒光屏方向運(yùn)動，形成一束電子流，加速轟擊熒光屏。4)．高壓陽極(A2，A4)。高壓陽極分為兩部分，中間用金屬條相連，若將靠近加速極的一極稱為第二陽極(A2)，另一極則稱為第四陽極(A4)。第四陽極與管壁內(nèi)的石墨導(dǎo)電層用彈性金屬片相連接，石墨導(dǎo)電層又與高壓電極相連接。高壓陽極上加有9～16kV電壓，由于陽極高壓的電壓高，不宜在管角處引出，而是從玻璃錐體側(cè)面的電極引出。陽極高壓使電子加速至極高的速度沖射到熒光屏上。5)．聚焦極(A3)。因?yàn)殡娮邮鳈M截面積的大小確定了重現(xiàn)圖像的像素的大小，而電子束流是由帶負(fù)電的電子組成的，電子之間的相互排斥則有自然散焦的趨勢。聚焦極的作用就是將電子束流聚攏成很細(xì)的一束射向熒光屏。聚焦極位于兩節(jié)高壓陽極之間，它是一個(gè)直徑較大的金屬圓桶，其上加有數(shù)百伏的可調(diào)電壓，調(diào)整此電壓大小，就可以改變它與高壓陽極之間非均勻分布的聚焦電場，使電子束聚攏成一細(xì)束，熒光屏上呈現(xiàn)一細(xì)點(diǎn)，使圖像最清晰。由于電子束的聚焦恰似光線經(jīng)光學(xué)透鏡而聚焦，因此又常將電子聚焦系統(tǒng)稱為電子透鏡。在電子槍中，由于各極電壓不同，共有三只電子透鏡，第一只是由陰極K、控制柵極G第一陽極A1形成的，由于第一陽極電壓比陰極高得多，因此等位面穿過柵孔向陰極方向凸出，把由陰極發(fā)出的電子在穿過柵極孔之后會聚成一點(diǎn)，但經(jīng)過這點(diǎn)之后又重新發(fā)散開了。如圖4的左半部所示。圖4：電子槍第一和第二電子透鏡(預(yù)聚焦透鏡)第二只透鏡是由第一陽極A1與第二陽極A2（即高壓電極的一半）所形成的，由于第二陽極比第一陽極電壓高得多，所以其電場分布如圖4的右半部所示。這是一個(gè)會聚透鏡，在電子槍中把它叫做預(yù)聚焦透鏡。它的作用是把離開第一透鏡的發(fā)散電子束，預(yù)聚到與管軸平行的方向上來。這樣做既可以使顯像光點(diǎn)變小，又可以減少電子束在偏轉(zhuǎn)磁場中的直徑，從而減少偏轉(zhuǎn)像差，使屏幕中心和邊緣聚焦比較一致。第三只透鏡是聚焦電極A3和第四陽極A4所構(gòu)成的聚焦透鏡，是電子聚焦的主要透鏡。其電場分布如圖5所示。圖5：電子槍聚焦透鏡——第三電子透鏡(主聚焦透鏡)圖6：電子聚焦過程由圖可知，當(dāng)電子以很高的速度射入此聚焦透鏡時(shí)，首先受到會聚場的作用，但作用時(shí)間很短，隨后進(jìn)入發(fā)散場，電子速度減慢下來，當(dāng)進(jìn)入到聚焦電極右側(cè)時(shí)，又受到會聚場作用，此時(shí)電子速度最低，會聚作用最強(qiáng)，最后又以高速進(jìn)入發(fā)散場。因此總的看來，會聚作用遠(yuǎn)大于發(fā)散作用，此透鏡是一會聚透鏡，又稱作聚焦透鏡。改變聚焦電極上的電壓可以調(diào)節(jié)電子束的聚焦點(diǎn)，如圖6所示。聚焦電極的電位越低，聚集作用越強(qiáng)。高壓陽極(第二、第三陽極)所加電壓最高，一般有9-16kV，不同顯像管所加的陽極高壓不同，屏幕尺寸越大所加的陽極高壓越高。陽極高壓低于規(guī)定值時(shí)，電子速度較小，屏幕的發(fā)光亮度下降，在同樣的偏轉(zhuǎn)磁場作用下，電子束的偏轉(zhuǎn)角將加大，從而圖像的尺寸將擴(kuò)大。反之，當(dāng)陽極高壓偏高時(shí)，亮度提高，圖像尺寸縮小。2.玻璃外殼玻璃外殼包括管頸、玻璃錐體和屏面玻璃三個(gè)部分。管頸是一個(gè)細(xì)長的玻璃管子，里面裝有電子槍。屏面玻璃內(nèi)表面沉積了一層熒光粉膜，厚度約10um，通常稱為熒光屏，俗稱熒幕。在熒光膜上還蒸鍍了一層1um厚的鋁膜導(dǎo)電層。電子束可穿過鋁膜，轟擊熒光屏發(fā)光。玻璃錐體把屏面玻璃和管頸連接起來，里面抽成高度真空。錐體張開角的大小決定了電子束偏轉(zhuǎn)的最大角度。錐體的內(nèi)、外壁涂有石墨導(dǎo)電層，內(nèi)壁石墨導(dǎo)電層與高壓陽極、熒光屏鋁膜相連，并在錐體側(cè)面安有—個(gè)金屬高壓插座以接高壓，從而使錐體內(nèi)整個(gè)空間成為一個(gè)等位空間，高速電子一旦進(jìn)入此空間則勻速前進(jìn)到達(dá)熒光屏。錐體外壁石墨導(dǎo)電層與電視機(jī)的地線相接以實(shí)現(xiàn)電屏蔽。內(nèi)、外導(dǎo)電層以錐體玻璃作為介質(zhì)形成一個(gè)500-1000pF的電容，此電容正好作為陽極高壓整流器的濾波電容。3.熒光屏顯像管屏幕從正面看近似長方形，其寬、高比約4:3。國產(chǎn)黑白電視機(jī)習(xí)慣上以熒幕對角線的長度尺寸作為分類標(biāo)準(zhǔn)。電子槍產(chǎn)生電子射束，以很高的速度轟擊熒光屏，屏上的熒光粉受到電子轟擊后發(fā)光。其發(fā)光強(qiáng)度主要決定于熒光粉的發(fā)光效率、電子轟擊熒光屏的速度以及電子束電流的強(qiáng)度。電子束電流越大，熒光屏越亮；反之，熒光屏越暗。熒光屏在電子轟擊下發(fā)光，停止轟擊后亮度并不立即消失，而是逐漸暗下來，熒光粉的這種特性叫余輝特性。不同熒光粉余輝時(shí)間不同。電視顯像管屬于中短余輝，余輝時(shí)間lms左右。熒光屏的熒光膜鍍了一層lum厚的鋁膜，鋁膜與內(nèi)石墨導(dǎo)電層相連。電子射束可穿過鋁膜，轟擊熒光膜發(fā)光。光亮如鏡的鋁膜將光線反射向管外，增加了熒幕亮度，同時(shí)保護(hù)熒光膜免受負(fù)離子的轟擊(因?yàn)殡x子的質(zhì)量大、速度慢，很難穿過鋁膜)，防止產(chǎn)生離子斑。4.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)是控制電子束作掃描運(yùn)動的部件，主要由偏轉(zhuǎn)線圈和中心調(diào)節(jié)器組成。1)偏轉(zhuǎn)線圈包括行偏轉(zhuǎn)線圈和場偏轉(zhuǎn)線圈，它們套在玻璃外殼的錐體與管頸的連接處。在偏轉(zhuǎn)線圈中流過鋸齒波電流的時(shí)候，就形成線性變化的偏轉(zhuǎn)磁場，使顯像管電子槍發(fā)射的電子束從左到右、自上而下地掃描，在屏幕上形成光柵。(1)電磁偏轉(zhuǎn)基本原理電子束的偏轉(zhuǎn)方式有兩種：靜電偏轉(zhuǎn)和電磁偏轉(zhuǎn)。由于電磁偏轉(zhuǎn)容易實(shí)現(xiàn)大角度的偏轉(zhuǎn)，一般的顯示器都采用電磁偏轉(zhuǎn)。電磁偏轉(zhuǎn)的基本原理是，在偏轉(zhuǎn)線圈中流過電流時(shí)將產(chǎn)生磁場，電子槍發(fā)射的電子束通過偏轉(zhuǎn)磁場時(shí)受到力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，其受力的方向可由左手定則來確定。電子束偏轉(zhuǎn)角度的大小與流過偏轉(zhuǎn)線圈中電流的大小成正比。為了使電子束在熒光屏上做均勻的水平掃描運(yùn)動，行偏轉(zhuǎn)線圈中的電流就必須是良好的鋸齒波電流，如圖7所示。在點(diǎn)a時(shí)，偏轉(zhuǎn)電流為負(fù)的最大值，使電子束偏轉(zhuǎn)達(dá)到屏幕的左邊緣。由a到b，偏轉(zhuǎn)電流由負(fù)的最大值逐漸減小為零，它產(chǎn)生的磁場也減小到零，電子束偏轉(zhuǎn)角度隨著減小而回到屏幕的的中央。由b到c，偏轉(zhuǎn)電流逐漸增加到正的最大值，電子束從屏幕的中央向右偏轉(zhuǎn)到右邊緣?？傊蒩經(jīng)b到c，偏轉(zhuǎn)電流線性增加，使電子束從屏幕左邊緣向右邊緣偏轉(zhuǎn)，完成了行掃描的正程，時(shí)間約為52uS。由c經(jīng)d到e，偏轉(zhuǎn)電流又由正的最大值減小為零至負(fù)的最大值，使電子束從右邊緣回到左邊緣，完成行掃描的逆程，時(shí)間約為12uS。整個(gè)行掃描周期為64uS。TH=THS+THR=52uS+12uS=64uS圖7:行掃描原理圖如果將圖7所示的磁場方向轉(zhuǎn)一個(gè)90°角，電子束就上下偏轉(zhuǎn)進(jìn)行場掃描。因此，行、場掃描的偏轉(zhuǎn)磁場是互相垂直的。要使電子束在熒光屏上均勻地做垂直掃描，則在場偏轉(zhuǎn)線圈中也應(yīng)該流過鋸齒波電流，不過它的周期是20mS，其中逆程約占1．6mS，如圖8所示。TV=TVS+TVR=18.4mS+1.6mS=20mS圖8:場掃描原理圖電子束行、場掃描的結(jié)果，在熒光屏上形成光柵。行、場偏轉(zhuǎn)線圈中鋸齒波電流分別是由行、場掃描電路提供，行、場偏轉(zhuǎn)電流必須是線性良好，幅度足夠，而且經(jīng)行、場同步信號同步的鋸齒波電流。(2)偏轉(zhuǎn)線圈的結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)線圈主要由磁環(huán)和行、場兩組線圈組成。行偏轉(zhuǎn)線圈分成兩部分，放在顯示器管頸接近圓錐體部分。行偏轉(zhuǎn)線圈平面是水平放置的，它產(chǎn)生的磁場是垂直方向的，因此使電子束做水平方向的偏轉(zhuǎn)。場偏轉(zhuǎn)線圈是繞在磁環(huán)上的，在線圈中流過電流時(shí)形成磁場的情況如圖9所示，它形成的磁場是水平方向的，因此使電子束作垂直方向的偏轉(zhuǎn)。行、場偏轉(zhuǎn)線圈組裝在一起套到顯示器管頸上。圖9:場偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場及其組成對偏轉(zhuǎn)線圈的主要要求是偏轉(zhuǎn)效率高及使光幾何失真小。偏轉(zhuǎn)效率高是指只要較小的偏轉(zhuǎn)功率就可以達(dá)到滿幅光柵。幾何失真分枕形失真、桶形失真、平行四邊形失真和梯形失真等。圖10說明了枕形失真及桶形失真的原因。因?yàn)殡娮邮D(zhuǎn)方向與磁場方向是垂直的，如果磁場方向不規(guī)則，不均勻，那么光柵就會變形。例如磁力線中間疏邊緣密，電子束在中間時(shí)偏轉(zhuǎn)小，兩邊偏轉(zhuǎn)大，就形成枕形失真；如磁力線中間密，兩邊疏，則電子束在中間偏轉(zhuǎn)大，兩邊偏轉(zhuǎn)小，形成桶形失真。如果偏轉(zhuǎn)線圈太靠后了而沒有緊貼到圓錐部分上，邊緣部分電子束被玻璃殼圓錐部分擋住，那就可能出現(xiàn)熒光屏四角有暗角的情況。圖10:桶形失真和枕形失真3)中心調(diào)節(jié)器中心調(diào)節(jié)器一般放在顯像管偏轉(zhuǎn)線圈后面，它由兩片充有磁性的鐵鈷釩薄圓片組成，如圖11所示。中心調(diào)節(jié)器的作用是產(chǎn)生一個(gè)附加磁場，使電子束發(fā)生固定偏移，用來校正光柵中心和屏幕中心的不一致，當(dāng)改變兩片圓片磁性之間的夾角或改變磁性所在位置時(shí)，可改變附加磁場的強(qiáng)弱和方向，使整個(gè)光柵中心在一定范圍內(nèi)上下、左右移動，直至光柵中心和屏幕中心重合。圖11：中心調(diào)節(jié)器顯示器的光性能參數(shù)包括光點(diǎn)聚焦、亮度、分辨率等。1．聚焦光點(diǎn)大小因?yàn)楣恻c(diǎn)直徑?jīng)Q定像素的大小，所以光點(diǎn)直徑越小越好，一般要求直徑略小于0.2mm。2．最大亮度一般為150cd/m2，并且要求熒光屏各部分的亮度均勻。亮度應(yīng)滿足白天室內(nèi)觀看的需要，并且要求對比度大，灰度等級不小于七級。3．分辨率指分辨圖像細(xì)節(jié)的能力。通常以能分辨清楚的線數(shù)多少來表示，能分辨清楚的線數(shù)越多越好。沿著垂直方向的分辨能力稱為垂直分辨率，對于625行的隔行掃描來說，由于在有50行的場回掃期間不傳送圖像，有效行數(shù)僅575行。因此，在電子束聚焦良好的條件下，垂直分辨率最多也只能是575錢。沿著水平方向的分辨能力稱為水平分辨率，影響水平分辨率的因素很多。水平分辨率在屏幕中心部分一般為550～600線，四角及邊緣部分的分辨率會差一些，—般為450～500線。分辨率越高，圖像越清晰。圖像的清晰度也體現(xiàn)在顯像管重顯圖像能分清的最高線數(shù)，它是由多方面因素決定的一個(gè)重要指標(biāo)。另外，對顯示器發(fā)光的色調(diào)等也有要求，例如黑白顯示器一般要求光柵為自然光色調(diào)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容電子槍及電子透鏡的工作原理和控制方法以及陰極射線顯像管相關(guān)特性參數(shù)的測量方法；六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟將CRT實(shí)驗(yàn)?zāi)K置于光學(xué)平臺之上，將光電二極管（Si-PD）正對顯像管屏幕固定，要求Si-PD受光面距離顯像管屏幕30mm左右。CCD也固定于光學(xué)平臺之上，蓋上鏡頭蓋。按以下要求連接線路：將CCD視頻輸出連接至CRT視頻輸入（VIDEO）；將CRT陰極電壓輸入（K）連接至主機(jī)高壓信號源輸出（PSG）；將CRT陰極電流輸出（IK）連接至主機(jī)光電信號檢測器輸入（PD.IN）；將CRT電源輸入（+12V、GND）分別連接至主機(jī)直流電源輸出（DCS、GND）；接通CCD電源，打開主機(jī)電源，按以下要求設(shè)置參數(shù)：設(shè)置PSG工作模式為高壓電源模式(HVS)；設(shè)置PD工作模式為直流電流計(jì)模式(ADC)，量程(RTO)切換至1mA；由17V開始增加陰極電壓Uk，每隔1V測一個(gè)點(diǎn)，直至45V結(jié)束，記錄各電壓下的陰極電流I束（忽略符號），作I束～Egk曲線，即CRT調(diào)制特性曲線，求截止柵偏壓和最大調(diào)制量（對應(yīng)I束為0～100uA）。將主機(jī)信號檢測器輸入（PD.IN）改接至Si-PD電流輸出，PD量程(RTO)切換至100uA，由45V開始降低陰極電壓Egk，每隔1V測一個(gè)點(diǎn)，直至17V結(jié)束，記錄各電壓下的屏幕亮度IP，作IP～Egk曲線。將主機(jī)高壓信號源輸出（PSG）改接至CRT聚焦極電壓輸入（A3），聚焦極電壓先調(diào)至0V；取下CCD鏡頭蓋，調(diào)整鏡頭光圈并對焦，使在CRT屏幕上的圖像最為清晰；由0V開始增加聚焦極電壓，至200V結(jié)束，觀察CRT分辨率的變化。實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求場地、設(shè)備與器材《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目3實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號液晶顯示器的電光特性曲線測量，3課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解液晶顯示技術(shù)的物理基礎(chǔ)和相關(guān)特性2、掌握液晶顯示器件特性參數(shù)的測量方法實(shí)驗(yàn)原理通常固體加熱或濃度減少后可以變成透明液體，其組成原子或分子由整齊的有序排列轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序排列。同樣物體隨著溫度降低或濃度的增加，可以從液體向固體轉(zhuǎn)變，由無序排列轉(zhuǎn)變?yōu)檎R的有規(guī)則的排列。有些有機(jī)材料卻不是直接從固體變液體，或者液體變固體，而是先經(jīng)過一個(gè)中間狀態(tài)，這種中間狀態(tài)的外觀是流動性的混濁液體，但其分子組成單元卻轉(zhuǎn)變?yōu)檎R、有規(guī)則的排列：每個(gè)組成單元都處在一定的位置，規(guī)則地排列。這種能在某個(gè)溫度范圍內(nèi)兼有液體和晶體二者特性的物質(zhì)稱為液晶，它是不同于通常固體、液體和氣體的一種新的物質(zhì)狀態(tài)。物質(zhì)中基本組成單元非球形結(jié)構(gòu)的很多，從形狀上來看，有棒形、盤形等；從結(jié)構(gòu)上看是復(fù)合結(jié)構(gòu)，而它們都具有介于嚴(yán)格的液體與嚴(yán)格的晶體之間的中介相，即液晶。顯示技術(shù)應(yīng)用最廣的是由簡單的桿形有機(jī)分子(即剛性棒狀分子)為組成單元的液晶。液晶由奧地利植物學(xué)家萊尼次爾(F.Reinitzer)于1988年發(fā)現(xiàn)。他在測定有機(jī)物的熔點(diǎn)時(shí)，驚奇地發(fā)現(xiàn)某些有機(jī)物(膽甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂)溶化后會經(jīng)歷一個(gè)不透明的呈白色渾濁液體狀態(tài)，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤，只有在繼續(xù)加熱到某一溫度才會變成透明清亮的液體；第二年，德國的物理學(xué)家萊曼(O.Lehmann)使用由他親自設(shè)計(jì)、在當(dāng)時(shí)最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對這些脂類化合物進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)這類白色渾濁的液體在外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出光學(xué)中各向異性晶體特有的雙折射特性。萊曼將其命名為“液體晶體”，這就是液晶名稱的由來。液晶物質(zhì)基本上都是有機(jī)化合物，從其成分和物理?xiàng)l件上可分為熱致液晶和溶致液晶。后者主要在生物系統(tǒng)中大量存在，采用溶劑破壞結(jié)晶晶格，而熱致液晶是加熱破壞結(jié)晶品格而形成的，主要用于顯示液晶材料。液晶一方面具有像液體一樣的流動性和連續(xù)性，另一方面又具有像晶體一樣的各向異性(在晶格結(jié)點(diǎn)上作有規(guī)則的排列，即三維有序)，這種液體和晶體之間的中間物質(zhì)是一種有序的流體。各類液晶具有不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，液晶分子排列沒有晶體結(jié)構(gòu)那樣牢固，容易受到電場、磁場、溫度等外部因素影響，使其各種光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。液晶的這種作用微弱的分子排列正是液晶能開拓廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵條件。液晶是單軸晶體。單軸晶體是只有一個(gè)光軸的晶體，三個(gè)互相垂直的主軸x、y、z沿三個(gè)主軸方向的介電常數(shù)εx、εy、εz有εx=εy≠εz，折射率nx=ny=nz,nz=ne。在單晶中，z軸方向稱為光軸方向，o光和e光都是線偏振光，其振動方向互相垂直。由此，液晶具有特別有用的光學(xué)特性。1)能使入射光的前進(jìn)方向向液晶分子長軸即指向矢量n的方向偏轉(zhuǎn)圖1:射入液晶的光線的前進(jìn)方向2)能改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)(線偏振、圓偏振、橢圓偏振)或偏振方向3)能使入射偏振光相應(yīng)于左旋光或右旋光進(jìn)行反射或者投射。圖1為射入液晶的光線的前進(jìn)方向的變化圖，其中圖(a)、(b)為光線垂直地入射兩個(gè)均勻的各向同性介質(zhì)界面，即使折射率不同光仍然照直前進(jìn)。而對圖(c)、(d)而言就要考慮到液晶是各向異性物質(zhì)，而且還要考慮到液晶的分子軸和入射光線不同的方向，它可分解為垂直于紙面的偏振光。偏振光分為兩部分，一部分的偏振平行分子長軸，另一部分垂直于分子長軸。平行于分子軸和垂直于分子軸方向的速度只是由V∥=C∥/n⊥，V⊥=C⊥/n∥所決定，這兩部分光的矢量都與液晶分子長軸垂直，V∥=V⊥，光線照直前進(jìn)，光不發(fā)生折射，即是單軸晶體中的尋常光o光。另一方面，可把入射光的偏振面與紙平面平行光線分成兩個(gè)部分傳播,其一部分偏振面平行于分子長軸，另一部分偏振面垂直于分子長軸；此時(shí)，V∥=C∥/n⊥=Ccosθ/n⊥V⊥=C⊥/n∥=Csinθ/n∥由于n∥>n⊥，所以V∥>V⊥。所以光速合成方向與液晶長軸夾角變小，光線方向向液晶分子長軸方向靠攏，這束光即是單軸晶體中的非尋常光e光。綜上所述，一入射光既可產(chǎn)生尋常光，也可產(chǎn)生非尋常光，這就說明液晶體中發(fā)生了雙折射，對液晶而言分子長軸就是光軸。液晶之所以作為顯示材料有兩大特性：①可使入射光偏向分子軸方向②可使入射光的偏振方向發(fā)生改變。液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)兩塊導(dǎo)電玻璃夾持一個(gè)液晶層，封接成一個(gè)扁平盒，是液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)。不同類型的液晶顯示器件的部分部件可能會有不同，有的不要偏光片，如TN型。如圖2，將兩片已光刻好的透明導(dǎo)電電極圖案的平板玻璃相對放置在一起，間距約為7um。四周用環(huán)氧樹脂密封制接一個(gè)扁平的玻璃盒。但在一個(gè)側(cè)面封接邊上留下一個(gè)開口，通過抽真空將液晶注入，然后將此用膠封住，再在前后導(dǎo)電玻璃外側(cè)正交地貼上偏振片即構(gòu)成一個(gè)液晶顯示器。

圖2：TN型液晶顯示器結(jié)構(gòu)圖由于玻璃盒內(nèi)側(cè)的定向?qū)幼饔?，夾在中間的液晶分子長軸沿玻璃面并行，并在兩片玻璃基片之間連續(xù)扭曲90°，這種TN型排列盒的扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可見光波長。因偏光片有一個(gè)固定的偏光軸，偏光片的作用是只允許振動方向與其偏光軸方向相同的光通過，而振動方向與偏光軸垂直的光被其吸收，當(dāng)光源射來的光經(jīng)過偏振片，變成垂直線偏振光射入液晶盒內(nèi)的過程中，就被液晶分子旋轉(zhuǎn)了90°，呈水平線偏振光，再由水平光軸的檢偏器(偏光片)射出，經(jīng)反射片反射，按原光路折回射出，呈亮視場。這樣光通過檢偏器的量的大小，取決于線偏振光經(jīng)過液晶盒后的偏振狀態(tài)，從而控制最后透過檢偏器的光狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)顯示。如圖3所示。(a)不通電時(shí)光透過(b)通電時(shí)光不透過圖3：TN型器件分子排布與透過光示意然而一旦對90°扭曲排列的液晶盒施加電壓(電場)，液晶分子的長軸就開始向電場方向傾斜(是極性分子)。當(dāng)外在電壓達(dá)到一定值(2Uth)時(shí)，分子會沿著電場方向重新排列，從而導(dǎo)致90°旋光性消失，因而垂直偏振光無法透過水平光軸的光檢偏振片，也就不能被反射，所以形成暗視場，這就是電光效應(yīng)。無外加電壓時(shí)，將TN液晶盒置于兩塊平行偏光片之間時(shí)，光線不能通過；而置于兩塊垂直的偏光片之間時(shí)，光線就能通過。有外加電壓時(shí)，TN液晶盒在兩平行偏光片之間時(shí)光線能通過；而在兩塊垂直的偏光片之間時(shí)，光線不能通過，與不施加電場的情況完全相反。對于白底黑字型的液晶顯示器，上下偏光片是正交放置的，即偏光軸相互垂直，入射自然光經(jīng)上偏光片后，變成平面偏振光。在液晶未施加電場時(shí)，偏振光將順著分子的扭曲結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)90°，振動的方向變成和檢偏器(下偏光片)的偏光軸一致，因此可順利通過檢偏器呈亮視場，處于非顯示態(tài)。當(dāng)施加電場時(shí)(即加電壓到有關(guān)電極時(shí))，由于偏振方向與檢偏器方向(光軸)垂直，該液晶盒分子扭曲結(jié)構(gòu)消失，喪失了旋光能力，偏振光無法透過檢偏器，呈現(xiàn)出暗視場，處于顯示態(tài)。而當(dāng)電場撤除以后，液晶分子受取向?qū)颖砻?定向?qū)?的作用，恢復(fù)原來的扭曲狀態(tài)(排列)，顯示器又變得透明。若采用適當(dāng)?shù)囊壕Ш秃线m的電壓，也可顯示中間色調(diào)，即在“全亮”與“全暗”之間產(chǎn)生連續(xù)變化的灰度級。這就是液晶的電光效應(yīng)。液晶的電光效應(yīng)是指液晶在外電場下的分子排列狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起液晶盒的光學(xué)性質(zhì)隨之變化的一種電的光調(diào)制現(xiàn)象。因?yàn)橐壕Ь哂薪殡姼飨虍愋院碗妼?dǎo)各向異性，因此外加電場能使液晶分子發(fā)生變化進(jìn)行光調(diào)制；同時(shí)由于雙折射特性，可以顯示旋光性、光干涉、光散射等特殊的光學(xué)性質(zhì)。液晶在電場(即外加電壓)的作用下將引起投射光強(qiáng)度的變化，其電光特性曲線如圖4所示。正型電光曲線負(fù)型電光曲線圖4-a：常白型液晶顯示器件的電光曲線圖4-b：常黑型液晶顯示器件的電光曲線如果選擇在液晶盒兩畫放置互相正交的偏振片，在不加外加電壓時(shí)，投射光強(qiáng)度最大，隨外加電壓的增加，它的投射光強(qiáng)度開始減弱，當(dāng)外加電壓達(dá)到一定值Uth時(shí)，投射光強(qiáng)度下降速率陡增(加快)；而達(dá)到US值時(shí)，可近似認(rèn)為投射光強(qiáng)度最小(10％)，即扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)消失，喪失旋光能力，如圖4-a所示。如果選擇在液晶盒兩面放置平行偏光片，在未加外加電壓時(shí)，或外加電壓的值小于—定值(Uth)，投射光強(qiáng)度幾乎不發(fā)生變化(很小)；而當(dāng)外加電壓超過一定值(Uth)時(shí)，投射光強(qiáng)度開始逐漸增大(變化較快)；而當(dāng)外加電壓增大到—定數(shù)值(US)后，投射光強(qiáng)度達(dá)到最大值以后，投射光的強(qiáng)度不隨外加電壓變化，如圖4-b所示。引起投射光強(qiáng)度明顯變化的起始電壓稱為閥值電壓(Uth)，正型電光曲線90％，負(fù)型電光曲線10％，標(biāo)志了液晶電光效應(yīng)可觀察透視光強(qiáng)度變化（±10％)驅(qū)動電壓的有效值。它的值越小，則顯示器的工作電壓越低。TN型一般為2V左右，動態(tài)散射型(DS型)為7V左右。液晶顯示器亮度變化達(dá)到最大變化量的90％時(shí)驅(qū)動電壓的有效值稱為飽和電壓US，標(biāo)志著顯示器得到最大或最小對比度的外加驅(qū)動電壓有效值，US小易獲得良好的顯示效果，功耗低。液晶顯示器是被動發(fā)光型器件，不能用亮度去標(biāo)定顯示效果，只能用對比度。對比度Cr=Tmax最大投射光強(qiáng)度/Tmin最小投射光強(qiáng)度圖5：對比度和視覺的關(guān)系通常用陡度β來描述電光曲線的變化斜率(坡度)：β=US/Uthβ表示閥值和飽和電壓的比值，β值愈小，US和Uth愈近；β值愈大，US和Uth愈遠(yuǎn)。一般TN液晶顯示器：β=1.4～1.6。電光曲線中，透射光強(qiáng)度從10％到90％之間所需時(shí)間(負(fù)型電光曲線)稱為上升時(shí)間Tr，對正型電光曲線，則為下降時(shí)間Td。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容液晶顯示器的電光特性六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1.按圖6放置并固定各光學(xué)器件，各器件通光孔等高同軸。2.按以下要求連接線路：將635nm半導(dǎo)體激光器控制端口連接至主機(jī)半導(dǎo)體激光控制器輸出（LD1）；將TN液晶盒驅(qū)動電壓輸入連接至主機(jī)函數(shù)信號發(fā)生器輸出(SIG)；將Si光電二極管電流輸出連接至主機(jī)光電信號檢測器輸入（PD）。3.打開主機(jī)電源，按以下要求設(shè)置參數(shù)：設(shè)置LDC工作模式(LDCMOD)為恒流模式(ACC)，調(diào)節(jié)LDC驅(qū)動電流(Ic)至20.0mA。設(shè)置SIG工作模式為方波輸出(SQU)，輸出信號頻率Fs調(diào)至32Hz，輸出信號幅度Vs調(diào)至0V。設(shè)置OPM工作模式為直流電流計(jì)模式(PD/mA)，量程(RTO)切換至1mA；4.暫時(shí)移開液晶盒，微調(diào)各器件位置，使激光光束照射到Si-PD受光面的中心。將起偏器光軸調(diào)至與水平面成45°夾角。觀察PD輸出，將檢偏器光軸調(diào)至與起偏器平行。將液晶盒重新固定到位。5.由0V開始增加液晶盒驅(qū)動電壓UTN，每隔0.2V測一個(gè)點(diǎn)，直至5V結(jié)束，記錄各電壓下的探測器電流IPD，數(shù)據(jù)歸一化后作T～U曲線，即LCD電光特性曲線，求閾值電壓、飽和電壓、最大對比度。七、實(shí)驗(yàn)要求1.實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式2.實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求場地、設(shè)備與器材圖6：LCD電光特性曲線測量實(shí)驗(yàn)裝置《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目4實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號液晶顯示器的驅(qū)動，4課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉筆段型LCD的靜態(tài)驅(qū)動技術(shù)2、掌握使用AT89C51單片機(jī)驅(qū)動3又1/2位LCD軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法3、測量筆段型LCD的驅(qū)動波形信號實(shí)驗(yàn)原理靜態(tài)驅(qū)動法是獲得最佳顯示質(zhì)量的最基本的方法。它適用于筆段型液晶顯示器件的驅(qū)動。圖1(a)示出此類液晶顯示器件的電極結(jié)構(gòu)，當(dāng)多位數(shù)字組合時(shí)，各位的背電極BP是連接在一起的。靜態(tài)驅(qū)動法的電路實(shí)現(xiàn)見圖1(b)。振蕩器的脈沖信號經(jīng)分頻后直接施加在液晶顯示器件的背電極BP上，而段電極的脈沖信號是由顯示選擇信號A與時(shí)序脈沖通過邏輯異或合成產(chǎn)生，異或邏輯的真值表如表1所示。當(dāng)某位像素被顯示選擇時(shí)，A=1，該像素上段電極和背電極脈沖電壓相位相差180o，在像素上產(chǎn)生2V的電壓脈沖序列，使該像素呈現(xiàn)顯示特性，當(dāng)某位像素為非顯示選擇時(shí)，A=0，該像素上兩電極的脈沖電壓相位相等，在顯示像素上合成電壓脈沖為0V，從而實(shí)現(xiàn)顯示的效果。這就是靜態(tài)驅(qū)動法，驅(qū)動波形見圖1(c)。為了提高顯示的對比度，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整脈沖的電壓即可。

用MPU直接與液晶顯示器件連接，然后通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對液晶顯示器件的驅(qū)動，這是實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件驅(qū)動的一種方法。圖2就是用AT89C51單片機(jī)的P1、P2、P3三個(gè)并行口聯(lián)合驅(qū)動31/2位液晶顯示器件的電路，使用晶振為12MHz。

這種驅(qū)動方法的實(shí)現(xiàn)主要是通過軟件程序在P1、P2、P3口實(shí)現(xiàn)液晶顯示器件的靜態(tài)驅(qū)動原理，下面說明各端口的使用狀況：P1～P3口：分別對應(yīng)控制顯示區(qū)的兩個(gè)秒位和一個(gè)分位，其中P1.7控制顯示第四位，P2.7為BP，P0.7口：控制冒號。P0口還可以作為信號輸入段接收外部送來的數(shù)據(jù)用來確定液晶顯示片的顯示數(shù)字。編程的基本思路就是：

（1）顯示位的段電極狀態(tài)與BP不在同一狀態(tài)位上，即當(dāng)BP=1時(shí)，段電極為“0”；當(dāng)BP=0時(shí)，段電極為“1”；

（2）不顯示位的段電極狀態(tài)與BP相同；

（3）交流波形，定時(shí)間隔地將驅(qū)動信號求反，以實(shí)現(xiàn)波形的變化。

使用交流波形是因?yàn)槿绻褂弥绷麟娫?，會大大地降低液晶顯示片的使用壽命，所以要不斷地改變BP的狀態(tài)。

在編程時(shí)首先要建立顯示緩沖區(qū)及顯示字形數(shù)據(jù)，比如把20-22H單元設(shè)置為顯示緩沖區(qū)，及該區(qū)存儲顯示的數(shù)據(jù)。同時(shí)建立驅(qū)動區(qū)23-25H單元，用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動波形的變化。如表2所示。表2各區(qū)與驅(qū)動輸出的關(guān)系在顯示緩沖區(qū)中，主程序是可以隨機(jī)地寫入數(shù)據(jù)的，現(xiàn)設(shè)定顯示位為“1”，不顯示位為“0”。所以在寫完顯示數(shù)據(jù)后要將BP位置成“0”狀態(tài)。從而表示顯示數(shù)據(jù)有效。

在顯示的驅(qū)動區(qū)內(nèi)，顯示程序?qū)@示緩沖區(qū)內(nèi)有效的顯示數(shù)據(jù)讀入相應(yīng)的驅(qū)動區(qū)單元內(nèi)輸出給P1、P2、P3，然后把驅(qū)動區(qū)各單元內(nèi)容求反，再輸出給P1、P2、P3，這樣循環(huán)下去，在顯示器件上形成了交流驅(qū)動波形，從而達(dá)到顯示的效果。CLOCK.ASM程序功能說明：本程序執(zhí)行計(jì)時(shí)功能，程序從10：00開始計(jì)時(shí)，至19：59自動回歸10：00。2．各寄存器及端口使用情況如下：

R0：用于記錄計(jì)數(shù)器0中斷的次數(shù)，每100次加1秒；

R2：用于記錄最低位數(shù)據(jù)，逢十進(jìn)一；

R3：用于記錄第二位數(shù)據(jù)，逢六進(jìn)一；

R4：用于記錄第三位數(shù)據(jù)，至十歸零。

3．關(guān)于計(jì)數(shù)器初值的設(shè)定：本程序使用定時(shí)器0的工作方式1，即16位定時(shí)模式，使用晶振頻率為12MHz，預(yù)計(jì)每10ms發(fā)生一次中斷。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察各段電極的波形，分析其與顯示像素的關(guān)系。六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1.示波器通道1探頭連接31/2位7段LCD的背電極BP，通道2探頭連接4ab（顯示象素）段電極，（示波器－雙蹤）；2.打開驅(qū)動電路印刷板和示波器電源；3.調(diào)節(jié)示波器的掃描頻率和電壓幅度；4.記錄背電極BP和4ab段電極的波形；5.通道2探頭切換連接到p3（非顯示象素）段電極；6.記錄p3段電極的波形；7.測試顯示象素BP-4ab和非顯示象素BP-p3的波形；8.關(guān)閉示波器和驅(qū)動電路印刷板電源七、實(shí)驗(yàn)要求1.實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式1）、認(rèn)真作好預(yù)習(xí)報(bào)告。

2）、畫出背電極BP、4ab和p3段電極的波形時(shí)序。

3）、畫出顯示象素BP-4ab和非顯示象素BP-p3的波形，并分析。2.實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求場地、設(shè)備與器材《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目5實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號等離子體顯示，5二、課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解輝光放電與等離子體顯示器件的物理基礎(chǔ)；2.掌握輝光放電與等離子體顯示器件相關(guān)特性參數(shù)的測量方法；四、實(shí)驗(yàn)原理等離子顯示器(PDP)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，屬于冷陰極放電管，利用加在陰極和陽極間的電壓，激勵(lì)氣體等離子產(chǎn)生輝光放電來顯示圖像。20世紀(jì)90年代誕生了等離子全彩色顯示器，它通過氣體放電發(fā)射的真空紫外線，再去激活屏幕上的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，實(shí)現(xiàn)彩色顯示，放電氣體一般都選用含氙的稀有混合氣體。電流通過氣體的現(xiàn)象稱為氣體放電或?qū)щ?，圖1所示為氣體放電的伏安特牲曲線。圖1：氣體放電的伏安特性O(shè)A段：極間電壓很低，空間帶電粒子濃度末變，未產(chǎn)生明顯放電現(xiàn)象，主要由漂移運(yùn)動而形成。放電電流與離子遷移速度成正比(即正比電壓)。AB段：極間產(chǎn)生所有帶電粒子，電流飽和不變(兩端電壓增加)。BC段：極間電壓增加，電子碰撞電離，湯生放電(非自持暗放)。電流增大。CD段：極間電壓為Vf，電流迅速增大，產(chǎn)生微弱閃光輻射，C點(diǎn)電壓Vf為擊穿電壓，或著火電壓，CD段自持暗放電。DE段：若R選擇過小，電流急劇增大，產(chǎn)生較強(qiáng)輝光輻射，為不穩(wěn)定過渡區(qū)域。EF段：極間電壓幾乎穩(wěn)定，進(jìn)入正常輝光放電區(qū)域，電流陡增。FG段：極間電壓增加，電流繼續(xù)增加，輝光布滿整個(gè)陰極表面，進(jìn)入反常輝光放電區(qū)域，陰極出現(xiàn)濺射現(xiàn)象。GH段：R減小，放電電流急速增大，極間電壓迅速下降，馬上進(jìn)入弧光放電，也稱為反常輝光放電。等離子體顯示器件按工作方式分為直流、交流和交直流混合三種類型。直流等離子體顯示板（DC-PDP）的陰極和陽極直接暴露在氣體放電空間，工作時(shí)，在電極上加直流脈沖電壓，使氣體放電發(fā)光。圖2是DC-PDP早期的代表性器件，圖3是DC-PDP矩陣結(jié)構(gòu)，都采用刷新工作方式。圖2：直流氣體放電管圖3：矩陣結(jié)構(gòu)DC-PDP彩色AC-PDP的發(fā)光過程包括兩個(gè)過程：氣體放電過程和熒光粉發(fā)光過程。氣體放電過程利用稀有混合氣體在外加電壓的作用下產(chǎn)生放電，使原子受激而躍遷，發(fā)出真空紫外線，紫外線激發(fā)熒光粉再發(fā)射出可見光。AC-PDP和DC-PDP在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別，是在電極上覆蓋了介質(zhì)層：此介質(zhì)層可以把電極與放電等離子體隔開，限制放電電流無限增大，同時(shí)保護(hù)電極，限流電阻無需在每個(gè)單元上都制作，此外，還可以把氣體放電產(chǎn)生的電荷存儲在介質(zhì)壁上，有利于降低放電的維持電壓。圖4：AC-PDP的驅(qū)動波形和壁電荷的變化以對向放電型結(jié)構(gòu)為例，AC-PDP的放電過程在兩組電極之間進(jìn)行。圖5所示為電極交流驅(qū)動波形和相應(yīng)的壁電荷的變化情況。在電極間加維持脈沖時(shí)，因其電壓幅度VS小于著火電壓Vf，故此單元不發(fā)生放電，當(dāng)在維持脈沖間隙加上一個(gè)幅度大于著火電壓Vf的書寫脈沖Vwr后，該單元開始放電發(fā)光。放電形成的正離子和電子在外電場的作用下，分別向瞬時(shí)陰極和陽極移動，并在電極表面涂蓋的介質(zhì)層上累積形成壁電荷，從而形成壁電壓VW，其方向與外加電壓方向相反。因此，這時(shí)加在單元上的電壓是外加電壓V和壁電壓的疊加，當(dāng)其低于維持電壓下限時(shí)，放電過程就會暫時(shí)停止。而當(dāng)電極外加電壓反向后，該電壓與壁電壓同向，疊加后的幅度大于Vf時(shí)，又會放電、發(fā)光，然后又重復(fù)上述過程。單元一旦放電著火，就可由維持脈沖電壓維持放電，所以AC-PDP具有存儲性。如果需已發(fā)光單元停止放電，可在維持脈沖間隙施加一個(gè)擦除脈沖Ve，脈寬比維持脈沖窄得多(或電壓低)，使氣體產(chǎn)生一次微弱放電以中和壁電荷，使放電過程結(jié)束。AC-PDP在維持脈沖的每個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生兩次放電發(fā)光，即繼續(xù)發(fā)光。因此，維持脈沖的頻率在10kHz以上時(shí)，AC-PDP每秒鐘至少發(fā)光20萬次，這已超過人眼視覺的極限頻率(閃爍頻率50Hz)。彩色AC-PDP利用混合稀有氣體放電產(chǎn)生紫外線來激發(fā)三基色熒光粉發(fā)光，這與熒光燈的發(fā)光原理相似。稀有混合氣體的組成成分、配比、充氣壓強(qiáng)和熒光粉材料的發(fā)光特性對AC-PDP的亮度、發(fā)光效率和色純有很大的影響。因此，著重在于合理選擇放電氣體的組成部分。一般采用三元混合氣體，如(He-Ne-Xe)氦-氖-氙。而采用的熒光粉是用真空紫外線激發(fā)的光致熒光粉，具體要求：①在真空紫外線的激發(fā)下，發(fā)光效率高；②色飽和度高，色彩多；③余輝適宜；④穩(wěn)定性好；⑤涂覆性能好；⑥真空性能良好。彩色AC-PDP要實(shí)現(xiàn)圖像的顯示，首先需對顯示屏上的顯示單元根據(jù)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，即尋址。選擇要點(diǎn)亮的或不點(diǎn)亮的單元，在要點(diǎn)亮的單元中形成或保留壁電荷到維持期，使維持放電得以進(jìn)行。在維持期，積累了壁電荷的單元就會發(fā)生維持放電，實(shí)現(xiàn)圖像的顯示。數(shù)據(jù)信號加在尋址電極A上，用來對矩陣單元進(jìn)行尋址放電(x電極和y電極組成矩陣單元，它們作維持電極)。圖5：彩色AC-PDP的主要部件AC-PDP的結(jié)構(gòu)如圖5所示。其主要部件的功能和技術(shù)要求如下：1．前后基板基板玻璃是AC-PDP各個(gè)部件的載體，除了要求其表面平整外，彩色AC-PDP基板玻璃的熱穩(wěn)定性對AC-PDP的性能質(zhì)量起著非常重要的作用。為了提高AC-PDP基板的熱穩(wěn)定性，基板目前廣泛采用PDP專用的鈉鈣玻璃，要求玻璃應(yīng)變點(diǎn)的溫度高，熱膨脹系數(shù)與電極和介質(zhì)材料相匹配。2．透明電極為了減少對熒光粉發(fā)出可見光的阻擋，顯示電極一般采用復(fù)合式的電極結(jié)構(gòu)，即顯示電極由較寬的透明電極和較細(xì)的金屬電極構(gòu)成。可采用氧化銦錫薄膜和Sn02薄膜。要求可見光透過率高、電導(dǎo)率高、刻蝕性能優(yōu)良，與玻璃基板的附著力強(qiáng)。3．匯流電極為了使透明電極在長時(shí)間的工作中導(dǎo)電性能保持不變，可在透明電極上加做一條金屬電極，常用厚膜Ag電極，要求導(dǎo)電性能好，與透明導(dǎo)電薄膜附著力強(qiáng)，寬度較窄(小于10um)。4．尋址電極AC-PDP的數(shù)據(jù)信號加在尋址電極上，用來對矩陣單元進(jìn)行尋址放電。常用的尋址電極材料為厚膜Ag電極，要求其導(dǎo)電性能好，與基板玻璃的附著力強(qiáng)。5．介質(zhì)層在AC-PDP中，前后基板的電極上都涂覆有介質(zhì)層，介質(zhì)材料的選擇應(yīng)根據(jù)所使用的電極材料以及對絕緣性、透過率等的要求來選取。由于電極間加有較高的電壓，對前基板的介質(zhì)層，要求可見光的透過率高、耐電壓、擊穿強(qiáng)度高；對后基板的介質(zhì)層，要求反射率高，與玻璃的附著牢固。6．介質(zhì)保護(hù)膜AC-PDP中介質(zhì)保護(hù)膜的作用是延長顯示器的壽命，增加工作電壓的穩(wěn)定性，并且能夠顯著降低器件的著火電壓，減少放電的時(shí)間延遲。要求二次電子的發(fā)射系數(shù)高，表面電阻率及體電阻率高，耐粒子的轟擊，與介質(zhì)層的膨脹系數(shù)相接近，放電的延遲小。7．熒光粉層熒光粉層的作用是將紫外線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈱?shí)現(xiàn)彩色顯示。要求發(fā)光效率高，色彩的飽和度高，厚度均勻。8．放電氣體用于產(chǎn)生紫外輻射，要求著火電壓低，真空紫外光譜輻射強(qiáng)度高，可見光強(qiáng)度低。9．障壁在AC-PDP的器件中，障壁的作用主要有兩點(diǎn)：一是保證兩塊基板問的放電間隙，確保一定的放電空間；二是防止相鄰單元間的光點(diǎn)纏繞。對障壁的要求是高度一致、形狀均勻，障壁寬度應(yīng)盡可能的窄，以增大單元的開口率，提高器件的亮度。制作障壁的材料一般選用低熔點(diǎn)的玻璃，其熱膨脹系數(shù)應(yīng)與基板玻璃相匹配。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察發(fā)光與電壓電流的關(guān)系。六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟將輝光放電管固定于光學(xué)平臺之上，將光電二極管（Si-PD）正對放電管固定，要求Si-PD受光面距離顯像管屏幕小于25mm。按以下要求連接線路：使用轉(zhuǎn)接端子串聯(lián)連接主機(jī)高壓電源輸出（HVS）、PD、放電管；打開主機(jī)電源，按以下要求設(shè)置參數(shù)：設(shè)置OPMMOD為直流電流計(jì)模式(ADC)，量程(RTO)切換至10mA；由0V開始緩慢增加驅(qū)動電壓U，同時(shí)觀察PD輸出，當(dāng)放電電流出現(xiàn)明顯增大時(shí)，記錄此時(shí)的陽極電壓，此即著火電壓Vf。將驅(qū)動電壓調(diào)至200V，由200V開始降低驅(qū)動電壓，同時(shí)記錄放電電流（PD，忽略符號），每隔0.2mA測一個(gè)點(diǎn)，直至放電電流為零或不再減小。輝光放電管陽極內(nèi)部已串聯(lián)10KΩ負(fù)載電阻，代入此數(shù)據(jù)，計(jì)算各放電電流所對應(yīng)的極間電壓，作輝光放電區(qū)內(nèi)的伏安特性曲線。改接線路，主機(jī)高壓電源輸出（HVS）直接連接至放電管，光電二極管（Si-PD）輸出連接至PD，重復(fù)上一過程，記錄各放電電流所對應(yīng)的輸出光強(qiáng)（PD），作輝光放電區(qū)內(nèi)的P～I(xiàn)特性曲線。數(shù)據(jù)表格：放電電流I（mA）00.20.40.60.81.01.21.41.61.8控制電壓U（V）極間電壓Ua（V）發(fā)光強(qiáng)度P（uA）放電電流I（mA）2.02.22.42.62.83.03.23.43.64.0控制電壓U（V）極間電壓Ua（V）發(fā)光強(qiáng)度P（uA）放電電流I（mA）4.24.44.6.85.05.25.45.65.86.0控制電壓U（V）極間電壓Ua（V）發(fā)光強(qiáng)度P（uA）七、實(shí)驗(yàn)要求1.實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式2.實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求八、場地、設(shè)備與器材圖6：PDP實(shí)驗(yàn)裝置《顯示技術(shù)》課程實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目6一、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目編號電光效應(yīng)，6二、課程名稱及課程編號顯示技術(shù)，055518三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握晶體電光調(diào)制的原理和實(shí)驗(yàn)方法。2．學(xué)會用簡單的實(shí)驗(yàn)裝置測量晶體半波電壓、電光常數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。3.觀察電光效應(yīng)所引起的晶體光性的變化和會聚偏振光的干涉現(xiàn)象。四、實(shí)驗(yàn)原理1．一次電光效應(yīng)和晶體的折射率橢球由電場所引起的晶體折射率的變化，稱為電光效應(yīng)。通?？蓪㈦妶鲆鸬恼凵渎实淖兓孟率奖硎荆簄=n0+aE0+bE02+……（1）式中a和b為常數(shù)，n0為不加電場時(shí)晶體的折射率。由一次項(xiàng)aE0引起折射率變化的效應(yīng)，稱為一次電光效應(yīng)，也稱線性電光效應(yīng)或普克爾（Pokells）效應(yīng)；由二次項(xiàng)bE02引起折射率變化的效應(yīng)，稱為二次電光效應(yīng)，也稱平方電光效應(yīng)或克爾（Kerr）效應(yīng)。一次電光效應(yīng)只存在于不具有對稱中心的晶體中，二次電光效應(yīng)則可能存在于任何物質(zhì)中，一次效應(yīng)要比二次效應(yīng)顯著。光在各向異性晶體中傳播時(shí)，因光的傳播方向不同或者是電矢量的振動方向不同，光的折射率也不同。如圖1，通常用折射率球來描述折射率與光的傳播方向、振動方向的關(guān)系。在主軸坐標(biāo)中，折射率橢球及其方程為（2）圖1式中n1、n2、n3為橢球三個(gè)主軸方向上的折射率，稱為主折射率。當(dāng)晶體加上電場后，折射率橢球的形狀、大小、方位都發(fā)生變化，橢球方程變成（3）晶體的一次電光效應(yīng)分為縱向電光效應(yīng)和橫向電光效應(yīng)兩種?？v向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播的方向平行時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)；橫向電光效應(yīng)是加在晶體上的電場方向與光在晶體里傳播方向垂直時(shí)產(chǎn)生的電光效應(yīng)。通常KD*P（磷酸二氘鉀）類型的晶體用它的縱向電光效應(yīng)，LiNbO3（鈮酸鋰）類型的晶體用它的橫向電光效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)研究鈮酸鋰晶體的一次電光效應(yīng)，用鈮酸鋰晶體的橫向調(diào)制裝置測量鈮酸鋰晶體的半波電壓及電光系數(shù)，并用兩種方法改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，觀察相應(yīng)的輸出特性的變化。鈮酸鋰晶體屬于三角晶系，3m晶類，主軸z方向有一個(gè)三次旋轉(zhuǎn)軸，光軸與z（4）式中n0和ne分別為晶體的尋常光和非常光的折射率。加上電場后折射率橢球發(fā)生畸變，當(dāng)x軸方向加電場，光沿z軸方向傳播時(shí)，晶體由單軸晶變?yōu)殡p軸晶，垂直于光軸z軸方向的折射率橢球截面由圓變?yōu)闄E圓，此橢圓方程為（5）其中的稱為電光系數(shù)。上式進(jìn)行主軸變換后可得到（6）考慮到<<1，經(jīng)簡化得到（7）折射率橢球截面的橢圓方程化為（8）2．電光調(diào)制原理要用激光作為傳遞信息的工具，首先要解決如何將傳輸信號加到激光輻射上去的問題，我們把信息加載于激光輻射的過程稱為激光調(diào)制，把完成這一過程的裝置稱為激光調(diào)制器。由已調(diào)制的激光輻射還原出所加載信息的過程則稱為解調(diào)。因?yàn)榧す鈱?shí)際上只起到了“攜帶”低頻信號的作用，所以稱為載波，而起控制作用的低頻信號是我們所需要的，稱為調(diào)制信號，被調(diào)制的載波稱為已調(diào)波或調(diào)制光。按調(diào)制的性質(zhì)而言，激光調(diào)制與無線電波調(diào)制相類似，可以采用連續(xù)的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相以及脈沖調(diào)制等形式，但激光調(diào)制多采用強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是根據(jù)光載波電場振幅的平方比例于調(diào)制信號，使輸出的激光輻射的強(qiáng)度按照調(diào)制信號的規(guī)律變化。激光調(diào)制之所以常采用強(qiáng)度調(diào)制形式，主要是因?yàn)楣饨邮掌饕话愣际侵苯拥仨憫?yīng)其所接受的光強(qiáng)度變化的緣故。激光調(diào)制的方法很多，如機(jī)械調(diào)制、電光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制和電源調(diào)制等。其中電光調(diào)制器開關(guān)速度快、結(jié)構(gòu)簡單。因此，在激光調(diào)制技術(shù)及混合型光學(xué)雙穩(wěn)器件等方面有廣泛的應(yīng)用。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。利用縱向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做縱向電光調(diào)制，利用橫向電光效應(yīng)的調(diào)制，叫做橫向電光調(diào)制。這次實(shí)驗(yàn)中，我們只做LiNbO3晶體的橫向調(diào)制實(shí)驗(yàn)。橫向電光調(diào)制圖2圖2為典型的利用LiNbO3晶體橫向電光效應(yīng)原理的激光振幅調(diào)制器。其中起偏振片的偏振方向平行于電光晶體的x軸，檢偏振片的偏振方向平行于y軸。因此入射光經(jīng)起偏振片后變?yōu)檎駝臃较蚱叫杏趚軸的線偏振光，它在晶體的感應(yīng)軸x′和y′軸上的投影的振幅和相位均相等，設(shè)分別為ex′=A0cosωt,ey′=A0cosωt（9）或用復(fù)振幅的表示方法，將位于晶體表面（z=0）的光波表示為Ex′(0)=A,Ey′(0)=A（10）所以，入射光的強(qiáng)度是（11）當(dāng)光通過長為l的電光晶體后，x′和y′兩分量之間就產(chǎn)生相位差δ，即Ex′(l)=A,Ey′(l)=A（12）通過檢偏振片出射的光，是該兩分量在y軸上的投影之和（13）其對應(yīng)的輸出光強(qiáng)It可寫成（14）由（11）和（14）式，光強(qiáng)透過率T為（15）由（7）式（16）由此可見，δ和加在晶體上的電壓有關(guān)，當(dāng)電壓增加到某一值時(shí)x′、y′方向的偏振光經(jīng)過晶體后可產(chǎn)生λ/2的光程差，相應(yīng)的相位差δ=π，由（15）式可知此時(shí)光強(qiáng)透過率T=100%，這時(shí)加在晶體上的電壓稱作半波電壓，通常用表示。是描述晶體電光效應(yīng)的重要參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)電壓越小越好，如果小，需要的調(diào)制信號電壓也小。根據(jù)半波電壓值，我們可以估計(jì)出電光效應(yīng)控制透過強(qiáng)度所需電壓。由（16）式可得到（17）其中d和l分別為晶體的厚度和長度。由此可見，橫向電光效應(yīng)的半波電壓與晶片的幾何尺寸有關(guān)。由（17）式可知，如果使電極之間的距離d盡可能的減少，而增加通光方向的長度l，則可以使半波電壓減小，所以晶體通常加工成細(xì)長的扁長方體。由（16）、（17）式可得因此，可將（15）式改寫成（18）其中U0是加在晶體上的直流電壓，Umsinωt是同時(shí)加在晶體上的交流調(diào)制信號，Um是其振幅，ω是調(diào)制頻率。從（18）式可以看出，改變U0或Um，輸出特性將相應(yīng)的有變化。對單色光和確定的晶體來說，為常數(shù)，因而T將僅隨晶體上所加的電壓變化。（2）改變直流偏壓對輸出特性的影響①當(dāng)、Um<<時(shí)，將工作點(diǎn)選定在線性工作區(qū)的中心處，如圖3（a）所示，此時(shí)，可獲得較高效率的線性調(diào)制，把代入（18）式，得(19)由于Um<<時(shí)即T∝sinωt(20)這時(shí)，調(diào)制器輸出的信號和調(diào)制信號雖然振幅不同，但是兩者的頻率卻是相同的，輸出信號不失真，我們稱為線性調(diào)制。②當(dāng)、Um<<時(shí)，如圖3（b）所示，把代入（18）式即T∝cos2ωt（21）從（21）式可以看出，輸出信號的頻率是調(diào)制信號頻率的二倍，即產(chǎn)生“倍頻”失真。若把代入（18）式，經(jīng)類似的推導(dǎo)，可得（22）即T∝cos2ωt，輸出信號仍是“倍頻”失真的信號。(a)(b)圖3③直流偏壓U0在0伏附近或在附近變化時(shí)，由于工作點(diǎn)不在線性工作區(qū)，輸出波形將失真。④當(dāng)，Um>時(shí)，調(diào)制器的工作點(diǎn)雖然選定在線性工作區(qū)的中心，但不滿足小信號調(diào)制的要求，（19）式不能寫成（20）式的形式。因此，工作點(diǎn)雖然選定在了線性區(qū)，輸出波形仍然是失真的。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應(yīng)形象2.測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即T～U曲線），求出半波電壓，再算出電光系數(shù)3.改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性4.用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性5.光通訊的演示六、實(shí)驗(yàn)方法與步驟1．觀察晶體的會聚偏振光干涉圖樣和電光效應(yīng)形象（1）調(diào)節(jié)激光管使激光束與晶體調(diào)節(jié)臺上表面平行，同時(shí)使光束通過各光學(xué)元件中心（這一步老師已調(diào)好，學(xué)生不要?jiǎng)樱?。調(diào)節(jié)起偏振片和檢偏振片正交，且分別平行于x軸，y軸，放上晶體后各器件要細(xì)調(diào)，精細(xì)調(diào)節(jié)是利用單軸晶體的錐光干涉圖樣的變化完成的。由于晶體的不均勻性，在檢偏振片后面的白屏上可看到一弱光點(diǎn)，然后緊靠晶體前放一張鏡頭紙，這時(shí)在白屏上可觀察到單軸晶體的錐光干涉圖樣，如圖4。一個(gè)暗十字圖形貫穿整個(gè)圖樣，四周為明暗相間的圖4同心干涉圓環(huán)，十字形中心同時(shí)也是圓環(huán)的中心，它對應(yīng)著晶體的光軸方向，十字形方向?qū)?yīng)于兩個(gè)偏振片的偏振軸方向。在觀察過程中要反復(fù)微調(diào)晶體，使干涉圖樣中心與光點(diǎn)位置重合，同時(shí)盡可能使圖樣對稱、完整，確保光束既與晶體光軸平行，又從晶體中心穿過的要求，再調(diào)節(jié)使干涉圖樣出現(xiàn)清晰的暗十字，且十字的一條線平行于x軸。這一步調(diào)節(jié)很重要，調(diào)節(jié)的好壞，直接影響下一步的測量，因此，一定要耐心，仔細(xì)調(diào)節(jié)。注意此時(shí)放大器的電源要關(guān)掉，激光光點(diǎn)應(yīng)落在白屏上，而不能對準(zhǔn)光電三極管，以免燒壞。（2）加上直流偏壓時(shí)呈現(xiàn)雙軸晶體的錐光干涉圖樣，它說明單軸晶體在電場的作用下變成了雙軸晶體。（3）兩個(gè)偏振片正交時(shí)和平行時(shí)干涉圖樣是互補(bǔ)的。（4）改變直流偏壓的極性時(shí)，干涉圖樣旋轉(zhuǎn)90°。（5）只改變直流偏壓的大小時(shí)，干涉圖樣不旋轉(zhuǎn)，只是雙曲線分開的距離發(fā)生變化。這一現(xiàn)象說明，外加電場只改變感應(yīng)主軸方向的主折射率的大小，折射率橢球旋轉(zhuǎn)的角度與電場大小無關(guān)。2．測定鈮酸鋰晶體的透過率曲線（即T～U曲線），求出半波電壓，再算出電光系數(shù)。在我們實(shí)驗(yàn)中，用兩種方法測量鈮酸鋰晶體的半波電壓，一種方法是極值法，另一種方法是調(diào)制法。（1）極值法晶體上只加直流電壓，不加交流信號，把直流電壓從小到大逐漸改變，輸出的光強(qiáng)將會出現(xiàn)極小值和極大值，相鄰極小值和極大值對應(yīng)的直流電壓之差即是半波電壓。具體做法是：取出鏡頭紙，光電三極管接收器對準(zhǔn)激光光點(diǎn)，放大器的直流輸出接到萬用表上，萬用表調(diào)到200mV直流檔。為了使光電三極管不致?lián)p壞，在起偏振片前再加一塊偏振片作為減光片，加在晶體上的電壓從零開始，逐漸增大，注意萬用表讀數(shù)的變化，當(dāng)讀數(shù)超過200mV時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)減光片，使光強(qiáng)減小，再增大直流偏壓到最大，保持萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，再減小直流偏壓到零，若萬用表的讀數(shù)始終不超過200mV，則可以開始測量數(shù)據(jù)了。加在晶體上的電壓在電源面板上的數(shù)字表讀出，每隔5V增大一次，再讀出相應(yīng)的萬用表的讀數(shù)作為接收器接收到的光強(qiáng)值，數(shù)據(jù)填入下表。偏壓U（V）0510152025303540光強(qiáng)T（mV）偏壓U（V）455055606570758085光強(qiáng)T（mV）偏壓U（V）9095100105110115120125130光強(qiáng)T（mV）偏壓U（V）135140145150155160165170175光強(qiáng)T（mV）偏壓U（V）180185190195200205210215220光強(qiáng)T（mV）以T為縱坐標(biāo)，U為橫坐標(biāo)，畫T～U關(guān)系曲線，確定半波電壓的數(shù)值，并計(jì)算電光系數(shù)。晶體厚度d=1.6mm，寬度m=6.0mm，長度l=45.0mm，n0=2.29，激光波長=632.8nm。（2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時(shí)加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強(qiáng)出現(xiàn)極小值或極大值對應(yīng)的電壓值時(shí)，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應(yīng)的直流電壓之差就是半波電壓。具體做法是：按下電源面板上“正弦”鍵，把電源前面板上的調(diào)制信號“輸出”接到二蹤示波器的CH2上，把放大器的調(diào)制信號接到示波器的CH1上，把CH1、CH2上的信號做比較，調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到某一值U1時(shí)，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)節(jié)直流電壓，當(dāng)晶體上加的直流電壓到另一值U2時(shí)，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時(shí)對應(yīng)的直流電壓之差U2-U1就是半波電壓。這種方法比極值法更精確，因?yàn)橛脴O值法測半波電壓時(shí)，很難準(zhǔn)確的確定T～U曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好以后再做本內(nèi)容。3．改變直流偏壓，選擇不同的工作點(diǎn)，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇按鍵開關(guān)可以提供三種不同的調(diào)制信號，按下“正弦”鍵，機(jī)內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上，同時(shí)，通過面板上的“輸出”孔，輸出此信號，把它接到二蹤示波器的CH1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到二蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號比較。選擇5個(gè)不同的工作點(diǎn)40V、80V、120V、160V、200V，觀察接收信號的波形并畫出圖形。工作點(diǎn)選定在曲線的直線部分，即U0=/2附近時(shí)是線性調(diào)制；工作點(diǎn)選定在曲線的極小值（或極大值）時(shí)，輸出信號出現(xiàn)“倍頻”失真；工作點(diǎn)選定在極小值（或極大值）附近時(shí)輸出信號失真，觀察時(shí)調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析作比較。做這一步實(shí)驗(yàn)時(shí)，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強(qiáng)、放大器的輸出、示波器上的增益（或哀減）這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4．用1/4波片改變工作點(diǎn)，觀察輸出特性在上述實(shí)驗(yàn)中，去掉晶體上所加的直流偏壓，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化。當(dāng)波片的快慢軸平行于晶體的感應(yīng)軸方向時(shí)，輸出信號線性調(diào)制；當(dāng)波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時(shí)，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點(diǎn)，也可以用1/4波片選擇工作點(diǎn)，其效果是一樣的，但這兩種方法的機(jī)理是不同的。5．光通訊的演示按下電源面板的“音樂”鍵，此時(shí)，正弦信號被切斷，輸出裝在電源里的“音樂”片信號。拔掉交流輸出插頭，輸出信號通過接收放大器上的揚(yáng)聲器播放，可聽到音樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)有變化，說明音樂也有失真和不失真。用不透明的物體遮光，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此說明激光可以攜帶信號，實(shí)現(xiàn)光通訊。把音樂信號接到示波器上，可以看到我們聽到的音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。七、實(shí)驗(yàn)要求1.實(shí)驗(yàn)報(bào)告具體要求與寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)范格式2.實(shí)驗(yàn)考核評價(jià)要求八、場地、設(shè)備與器材電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，電光調(diào)制電源、接收放大器、He-Ne激光器、二蹤示波器和萬用表。（1）晶體電光調(diào)制電源。調(diào)制電源由-200V—+200V之間連續(xù)可調(diào)的直流電源、單一頻率振蕩器（振蕩頻率約為1kHz）、音樂片和放大器組成，電源面板上有三位半數(shù)字面板表，可顯示直流電壓值。晶體上加的直流電壓的極性可以通過面板上的“極性”鍵改變，直流電壓的大小用“偏壓”旋鈕調(diào)節(jié)。調(diào)制信號可由機(jī)內(nèi)振蕩器或音樂片提供，此調(diào)制信號是用裝在面板上的“信