實驗二 液晶電光效應

PAGE11實驗二十三液晶電光效應液晶是介于液體與晶體之間的一種物質狀態(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，當光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉，雙折射等效應。液晶作為物質存在的第四態(tài)，至今已成為由物理學家、化學家、生物學家、工程技術人員和醫(yī)藥工作者共同關心與研究的領域，在物理、化學、電子、生命科學等諸多領域有著廣泛應用。如：光導液晶光閥、光調制器、液晶顯示器件、各種傳感器、微量毒氣監(jiān)測、夜視仿生等。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學性質也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學性質的改變稱為液晶的電光效應。液晶顯示器件、光導液晶光閥、光調制器、光路轉換開關等均是利用液晶電光效應的原理制成的。一、實驗目的（1）掌握液晶光開關的基本工作原理。（2）學會測量液晶光開關的電光特性曲線、液晶光開關的時間響應曲線、由液晶光開關矩陣所構成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度。（3）了解液晶光開關構成圖像矩陣的方法。二、實驗儀器ZKY-LCDEO-2液晶電光效應綜合實驗儀、ZKY-LCDEO-2信號適配器、雙蹤顯示示波器 三、實驗原理1．液晶光開關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型光開關的結構如圖4-117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)表面涂有透明電極，電極的表面預先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電極表面涂取向劑），這樣，液晶分子在透明電極表面就會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，整個扭曲了90度。如圖4-117左圖所示。入射的自然光入射的自然光偏振片偏振片出射光扭曲排列的液晶分子具有光波導效應光波導已被電場拉伸圖4-117液晶光開關的工作原理理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結構具有光波導的性質，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，偏振方向會旋轉90度。取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，的透光軸與上電極的定向方向相同，的透光軸與下電極的定向方向相同，于是和的透光軸相互正交。在未加驅動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉了90°。這時光的偏振面與的透光軸平行，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方向排列。于是原來的扭曲結構被破壞，成了均勻結構，如圖4-117右圖所示。從透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉，保持原來的偏振方向到達下電極。這時光的偏振方向與正交，因而光被關斷。由于上述光開關在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關斷，因此叫做常通型光開關，又叫做常白模式。若和的透光軸相互平行，則構成常黑模式。 2．液晶光開關的電光特性圖4-118為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100%）與外加電壓的關系。由圖4-118可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達到最低點，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斷電壓。閾值電壓：透過率為90％時的驅動電壓；關斷電壓：透過率為10％時的驅動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關斷電壓的差值越小，由液晶開關單元構成的顯示器件允許的驅動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅動，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，增加驅動路數(shù)。3．液晶光開關的時間響應特性圖4-119液晶驅動電壓和時間響應圖加上或去掉驅動電壓能使液晶的開關狀態(tài)發(fā)生改變，是因為液晶的分子排序發(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應曲線上，用上升時間和下降時間描述。給液晶開關加上一個如圖4-119上圖所示的周期性變化的電壓，就可以得到液晶的時間響應曲線，上升時間和下降時間。如圖4-119下圖所示。圖4-119液晶驅動電壓和時間響應圖上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標。早期的液晶顯示器在這方面遜色于其它顯示器，現(xiàn)在通過結構方面的技術改進，已達到很好的效果。4．液晶光開關的視角特性液晶光開關的視角特性表示對比度與視角的關系。對比度定義為光開關打開和關斷時透射光強度之比，當對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像；當對比度小于2時，圖像就模糊不清了。液晶的對比度與垂直、水平視角都有關，而且具有非對稱性。而實際當中對于由多個顯示開關組成液晶顯示屏，適當調整顯示屏使液晶顯示屏的左右視角特性對稱，在左、右和俯視3個方向，垂直視角接近60度時對比度為5，觀看效果較好。在仰視方向對比度隨著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。5．液晶光開關構成圖像顯示矩陣的方法液晶顯示器通過對外界光線的開關控制來完成信息顯示任務，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點在于能耗極低。下面我們來看看如何利用液晶光開關來實現(xiàn)圖形和圖像顯示任務。矩陣顯示方式，是把圖4-120（a）所示的橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，叫做行驅動電極，簡稱行電極，而把豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，叫做列驅動電極，簡稱列電極。把這兩塊玻璃片面對面組合起來，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構成液晶盒。為簡單起見，通常用橫線和豎線表示行電極和列電極并分別代表掃描電極和信號電極，如圖4-120（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化說明作一介紹。欲顯示圖4-120（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，同時在列電極的對應電極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，同時在列電極的對應電極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，最后顯示出一整場的圖像。這種工作方式稱為掃描方式。這種分時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，可以讓每一個液晶光開關按照其上的電壓的幅值讓外界光關斷或通過，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。（a）（b）（a）（b）圖4-120液晶光開關組成的矩陣式圖形顯示器 四、實驗裝置1．液晶電光效應綜合實驗儀液晶電光效應綜合實驗儀外部結構如圖4-121所示，下面簡單介紹儀器各個按鈕的功能。模式轉換開關：切換液晶的靜態(tài)和動態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時，所有的液晶單元所加電壓相同，在動態(tài)圖像顯示時，每個單元所加的電壓由開關矩陣控制。同時，當開關處于靜態(tài)時打開發(fā)射器，當開關處于動態(tài)時關閉發(fā)射器；靜態(tài)閃爍/動態(tài)清屏切換開關：當儀器工作在靜態(tài)的時候，此開關可以切換到閃爍和靜止兩種方式；當儀器工作在動態(tài)的時候，此開關可以清除液晶屏幕因按動開關矩陣而產(chǎn)生的斑點；供電電壓顯示：顯示加在液晶板上的電壓，范圍在0.00V-7.60V之間；供電電壓調節(jié)按鍵：改變加在液晶板上的電壓，調節(jié)范圍在0V-7.6V之間。其中單擊“＋”按鍵或“－”按鍵可以增大或減小0.01V。一直按住“＋”按鍵或“－”按鍵2秒以上可以快速增大或減小供電電壓，但當電壓大于或小于一定范圍時需要單擊按鍵才可以改變電壓；透過率顯示：顯示光透過液晶板后光強的相對百分比；透過率校準按鍵：在接收器處于最大接收狀態(tài)的時候（即供電電壓為0V時），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵3秒可以將透過率校準為100％；如果供電電壓不為0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準透過率；液晶驅動輸出：接存儲示波器，顯示液晶的驅動電壓；光功率輸出：接存儲示波器，顯示液晶的時間響應曲線，可以根據(jù)此曲線來得到液晶響應時間的上升時間和下降時間；擴展接口：連接LCDEO信號適配器的接口，通過信號適配器可以使用普通示波器觀測液晶光開關特性的響應時間曲線，此時用信號適配器的液晶驅動輸出和光功率輸出接雙蹤示波器；發(fā)射器：為儀器提供較強的光源；液晶板：本實驗儀器的測量樣品；接收器：將透過液晶板的光強信號轉換為電壓輸入到透過率顯示表；開關矩陣：此為16×16的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實驗；液晶轉盤：承載液晶板一起轉動，用于液晶的視角特性實驗；電源開關：儀器的總電源開關。圖圖4-121液晶光開關電光特性綜合實驗儀功能鍵示意圖2．信號適配器信號適配器主要用于進行液晶時間響應特性測量時觀測和讀取液晶響應的上升時間和下降時間，并觀測液晶的驅動電壓波形。接線方法見“液晶的時間響應測量”部分。五、實驗內(nèi)容及步驟1．準備工作（1）將液晶板插入轉盤上的插槽，凸起面正對光源發(fā)射方向。打開電源，點亮光源，讓光源預熱10-20分鐘。（若光源未亮，檢查模式轉換開關。只有當模式轉換開關處于靜態(tài)時，光源才會被點亮。）（2）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（當沒有安裝液晶板時，透過率顯示為“999”的情況下，我們就認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，按住透過率校準按鍵3秒以上，透過率可校準為100%。（若供電電壓不為0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準透過率）若不為此狀態(tài)，需增加光源預熱時間，再重新調整儀器光路，直到達到上述條件為止。圖4液晶板方向圖4液晶板方向（1）將模式轉換開關置于靜態(tài)模式，液晶轉盤的轉角置于0度，保持當前轉盤狀態(tài)。在供電電壓為0V，透過率顯示大于250時，按住“透過率校準”按鍵3秒以上，將透過率校準為100%。（2）調節(jié)“供電電壓調節(jié)”按鍵，按照表4中的數(shù)據(jù)逐步增大供電電壓，記錄下每個電壓值下對應的透過率值。（3）將供電電壓重新調回0V（此時若透過率不為100%，則需重新校準）。重復步驟2，完成3次測量。表4-43液晶光開關電光特性測量電壓（伏）0.00.50.81.01.21.31.41.51.61.72.03.04.05.06.0透射率(%)123平均3．液晶的時間響應測量（1）實驗儀的擴展輸出接口和信號適配器的擴展接口用專線連接好。將信號適配器上的“液晶驅動輸出”和“光功率輸出”與數(shù)字示波器的通道1和通道2用線連接起來?！巴捷敵觥苯邮静ㄆ鞯耐捷斎攵耍瑫r將示波器的觸發(fā)源選擇為外部觸發(fā)。（2）打開實驗儀和示波器。將實驗儀“模式轉換開關”置于靜態(tài)模式，液晶盤轉角置于0度，透過率顯示校準到100，供電電壓調到2.00V。（3）按動“靜態(tài)閃爍/動態(tài)清屏”按鍵，使液晶處于靜態(tài)閃爍狀態(tài)。（4）調節(jié)示波器，使通道1和通道2均以直流方式耦合；調節(jié)電壓和周期按鈕，直到出現(xiàn)合適的波形為止。（5）用示波器觀察此光開關時間響應特性曲線，由示波器上的曲線可讀出不同時間下的透過率值。選定測試項目為上升時間和下降時間，可以直接測出液晶光開關的響應時間。4．液晶光開關視角特性的測量（1）確認液晶板以水平方向插入插槽。（2）將模式轉換開關置于靜態(tài)模式，在轉角為0度、供電電壓為0V、透過率顯示大于“250”時，按住“透過率校準”按鍵3s以上，將透過率校準為100%。（3）將供電電壓置于0V，按照表所列舉的角度調節(jié)液晶屏與入射激光的角度，記錄下在每一角度時的光強透過率值Tmax。（4）將液晶轉盤保持在0度位置，調節(jié)供電電壓為2V。在該電壓下，再次調節(jié)液晶屏角度，記錄下在每一角度時的光強透過率值Tmin。（5）切斷電源，取下液晶顯示屏，將液晶板旋轉90度，以垂直方向插入轉盤。（6）打開電源，按照步驟2、3、4，可測得垂直方向時在不同供電電壓，不同角度時的透過率值。表4-44液晶光開關視角特性測量角度（度）-75-70……-10-50510……7075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換開關置于動態(tài)模式，液晶轉盤轉角逆時針轉到80度，供電電壓調到5V左右。按動矩陣開關面板上的按鍵，改變相應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，體會液晶顯示器件的成像原理。注意事項：（1）禁止用光束照射他人眼睛或直視光束本身，以防傷害眼睛?。?）在進行液晶視角特性實驗中，更換液晶板方向時，務必斷開總電源后，再進行插取，否則將會損壞液晶板?。?）液晶板凸起面