大学物理实验 液晶光电效应综合实验

液晶光电效应综合实验 摘要：本实验主要通过液晶光开关电光特性综合试验仪来进行液晶的电光特性测量实验，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由此得到阈值电压和关断电压，并绘制液晶光开关的时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间，测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 关键字：液晶光电效应 引言：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。 实验目的： 1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 3．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 4．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 实验原理： 1．液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的 TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。 TN型光开关的结构如图 1 所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1 埃＝ 10-10米），直径为 4～6 埃，液晶层厚度一般为 5-8 微米。玻璃板的内面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45 度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45 度方向排列，整个扭曲了90度，如下图所示。 理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转 90 度。 取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1 的透光轴与上电极的定向方向相同，P2 的透光轴与下电极的定向方向相同，于是 P1 和 P2 的透光轴相互正交。 在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片 P1 后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了 90°。这时光的偏振面与 P2 的透光轴平行，因而有光通过。 在施加足够电压情况下(一般为 1～2 伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从 P1 透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与 P2 正交，因而光被关断。 由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若 P1 和 P2 的透光轴相互平行，则构成常黑模式。 液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性随温度的改变而有一定变化。 2.液晶光开关的电光特性 图 2 为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系。 由图 2 可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。 阈值电压：透过率为90％时的驱动电压； 关断电压：透过率为10％时的驱动电压。 液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。TN型液晶最多允许16 路驱动，故常用于数码显示。在电脑，电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数。 3．液晶光开关的时间响应特性 加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个如图 3 上图所示的周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图 3 下图所示。 上升时间：透过率由10%升到90%所需时间； 下降时间：透过率由 90%降到 10%所需时间。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果。 4．液晶光开关的视角特性 液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之 比，对比度大于 5 时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。 图 4 表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图 4 中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。 图中 3 个同心圆分别表示垂直视角为 30，60 和 90 度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与 0 度方向之间的夹角）的大小。图 3 中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。 由图 4 可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性。若我们把具有图 4 所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220 度方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏。则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视 3 个方向，垂直视角接近 60 度时对比度为 5，观看效果较好。在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差。 5．液晶光开关构成图像显示矩阵的方法 除了液晶显示器以外，其他显示器靠自身发光来实现信息显示功能。这些显示器主要有以下一些：阴极射线管显示（CRT），等离子体显示(PDP)，电致发光显示(ELD)，发光二极管（LED）显示，有机发光二极管（OLED）显示，真空荧光管显示（VFD），场发射显示（FED）。这些显示器因为要发光，所以要消耗大量的能量。 液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位。下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。 矩阵显示方式，是把图 5（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极（常用Xi 表示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极（常用Si 表示）。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的 ITO 电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极，如图 5（b）所示。 矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理可依以下的简化说明作一介绍。 欲显示图 5（b）的那些有方块的像素，首先在第 A 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 c、d 上加上低电平，于是 A 行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第 B 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 b、e  上加上低电平，因而 B 行的那些带有方块的像素被显示出来了。然后是第 C 行、第 D 行 …… ，余此类推，最后显示出一整场的图像。这种工作方式称为扫描方式。 这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式，依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。 实验仪器： 本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，其外部结构如图 6 所示。下面简单介绍仪器各个按钮的功能。 模式转换开关：切换液晶的静态和动态（图像显示）两种工作模式。在静态时，所有的液晶单元所加电压相同，在（动态）图像显示时，每个单元所加的电压由开关矩阵控制。同时，当开关处于静态时打开发射器，当开关处于动态时关闭发射器； 静态闪烁/动态清屏切换开关：当仪器工作在静态的时候，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式；当仪器工作在动态的时候，此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点； 供电电压显示：显示加在液晶板上的电压，范围在 0.00V～7.60V 之间； 供电电压调节按键：改变加在液晶板上的电压，调节范围在 0V～7.6V 之间。其中单击＋按键（或－按键）可以增大（或减小）0.01V。一直按住＋按键（或－按键）2 秒以上可以快速增大（或减小）供电电压，但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压； 透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比； 透过率校准按键：在接收器处于最大接收状态的时候（即供电电压为 0V 时），如果显示值大于“250”，则按住该键 3 秒可以将透过率校准为 100％；如果供电电压不为 0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率。 液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压； 光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线，可以根据此曲线来得到液晶响应时间的上升时间和下降时间； 扩展接口：连接 LCDEO 信号适配器的接口，通过信号适配器可以使用普通示波器观测液晶光开关特性的响应时间曲线； 发射器：为仪器提供较强的光源； 液晶板：本实验仪器的测量样品； 接收器：将透过液晶板的光强信号转换为电压输入到透过率显示表； 开关矩阵：此为 16×16 的按键矩阵，用于液晶的显示功能实验； 液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于液晶的视角特性实验； 电源开关：仪器的总电源开关。 实验内容与： 1.  准备工作： (1)检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器，当没有安装液晶板时，透过率显示为“999”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上；安装上液晶板后，透过率显示为“600±100”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上。 (2)将液晶板金手指 1插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对光源发射方向。打开电源，点亮光源，让光源预热 10 分钟左右。（若光源未亮，检查模式转换开关。只有当模式转换开关处于静态时，光源才会被点亮。） (3)检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器。在静态模式、液晶转盘角度为 0 度、供电电压为 0V 条件下，透过率显示大于“250”时，按住透过率校准按键 3 秒以上，透过率可校准为 100%。（若供电电压不为 0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率）若不为此状态，需增加光源预热时间，同时检查前面的操作是否有误，重新调整仪器光路，直到达到上述条件为止。 2.液晶光开关电光特性测量 ①将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到 100％，然后再进行实验。 ②调节“供电电压调节”按键，按表 1 的数据改变电压，使得电压值从 0V 到 6V 变化，记录相应电压下的透射率数值。 ③将供电电压重新调回 0V（此时若透过率不为 100%，则需重新校准）。 ④重复测量 3 次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。 表 1    液晶光开关电光特性测量 电 压 0 0.5 0.8 1 1.2 1.3 1.4 1.5 透过率% 1 100.0 100 99.9 98.4 81.4 65.4 48.0 32.8 2 100.0 99.9 99.9 98.4 81.3 65.2 48.0 32.7 3 100.0 99.9 99.8 98.3 81.3 65.1 47.9 32.6 平 均 100.0 99.9 99.9 98.4 81.3 65.2 48.0 32.7 电 压 1.6 1.7 2 3 4 5 6 透过率% 1 21.1 13.2 4.6 4.9 4.5 4.1 3.7 2 21.0 13.1 4.6 4.9 4.5 4.1 3.7 3 21.0 13.1 4.6 4.9 4.2 4.1 3.8 平 均 21.0 13.1 4.6 4.9 4.4 4.1 3.7                     3.液晶的时间响应的测量 将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调到100，然后将液晶供电电压调到2.00V，在液晶静态闪烁状态下，用存贮示波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以根据此曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 表2 时间响应的数值表 4．液晶光开关视角特性的测量 1.确认液晶板以水平方向插入插槽 2.将模式转换开关置于静态模式，在转角为0度，供电电压为0V，透过率显示大于“250”时，按住“透过率校准”按键3S以上，将透过率校准为100%。 3，将供电电压置于0V，按照表中所列的角度调节液晶屏与入射激光的角度，记录下在每一角度时的光强透过率值Tmax。 4.将液晶转盘保持在0度位置，调节供电电压为2V。在该电压下，再次调节液晶屏角度，记录下在每一角度时的光强透过率值Tmax。 5.切断电源，取下显示屏，将液晶板旋转90度，以垂直方向插入转盘。 6.打开电源，按照步骤2，3,4，可测得垂直方向时在不同供电电压，不同角度时的透过率值。 表3 水平方向视角特性 正角度 0 5 10 15 20 25 30 35 Tmax（0V） 100.0 101.0 101.0 102.0 103.0 102.0 101.0 98.8 Tmin(2V) 4.5 4.4 4.6 5.0 4.8 5.0 5.2 5.2 Tmax/Tmin 22.2 23.0 22.0 20.4 21.5 20.4 19.4 19.0 负角度 0 5 10 15 20 25 30 35 Tmax（0V） 100.0 99.8 99.5 98.8 98.5 97.1 94.9 91.3 Tmin（2V） 4.5 5.0 5.4 5.2 5.3 5.1 5.2 5.1 Tmax/Tmin 22.2 20.0 18.4 19.0 18.6 19.0 18.3 17.9 正角度 40 45 50 55 60 65 70 75 Tmax（0V） 97.7 94.1 89.5 83.2 75.1 64.8 52.0 36.4 Tmin(2V) 5.1 4.7 4.4 4.1 3.9 3.6 3.0 2.3 Tmax/Tmin 19.2 20.0 20.3 20.3 19.3 18.0 17.3 15.8 负角度 40 45 50 55 60 65 70 75 Tmax（0V） 88.4 83.8 78.2 71.2 62.1 50.7 39.3 27.5 Tmin（2V） 4.8 4.5 4.2 3.9 3.7 3.2 2.7 2.0 Tmax/Tmin 18.4 18.6 18.6 18.3 16.8 15.8 14.6 13.8                   表4 垂直方向视角特性 正角度 0 5 10 15 20 25 30 35 Tmax（0V） 100.0 100.0 100.0 99.8 97.7 96.0 9402.0 90.8 Tmin(2V) 4.7 7.1 11.2 17.6 24.7 33.8 44.6 54.8 Tmax/Tmin 21.3 14.1 8.9 5.7 4.0 2.8 210.8 1.7 负角度 0 5 10 15 20 25 30 35 Tmax（0V） 100.0 99.2 97.5 95.4 92.5 89.1 86.0 81.4 Tmin（2V） 4.6 4.7 6.6 11.4 18.4 26.8 36.9 46.0 Tmax/Tmin 21.7 21.1 14.8 8.4 5.0 3.3 2.3 1.8 正角度 40 45 50 55 60 65 70 75 Tmax（0V） 88.7 85.4 82.3 78.6 73.3 66.1 55.8 41.1 Tmin(2V) 65.8 73.1 77.9 78.5 74.8 67.5 56.0 40.9 Tmax/Tmin 1.3 1.2 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 负角度 40 45 50 55 60 65 70 75 Tmax（0V） 78.0 74.4 71.0 67.1 61.8 54.7 44.4 32.2 Tmin（2V） 55.1 61.7 65.7 66.5 63.0 56.0 45.5 32.1 Tmax/Tmin 1.4 1.2 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0                   4．液晶显示器显示原理 ①将模式转换开关置于动态（图像显示）模式。液晶转盘转角逆时针转到 80 度，液晶供电电压调到5V 左右。 ②按动矩阵开关面板上的按键，改变相应液晶相素的通断状态，观察由暗象素（或亮象素）组合成的字符或图像，体会液晶显示器件的成像原理。 ③组成一个字符或文字后，可由“静态闪烁/动态清屏”按键清除显示屏上的图像。 ④实验完成后，关闭电源开关。 数据记录与处理 （1） 画出液晶光开关的电光特性曲线。由曲线求出液晶的阈值电压和关断电压。液晶的电光特性曲线见上图。 由图可得液晶的阈值电压为，关断电压为。 （2）由表2和开关时间响应特性曲线可以得到液晶的上升时间和下降时间。 由表2可得液晶的上升时间为36.48ms，下降时间为40.10ms。 （3）由水平视角和垂直视角的图像液晶的视角特性。 对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。 由上面的图像可得，在水平视角时，从-75到75时的对比度都大于5，可以获得满意的图像。而在垂直视角时，只有在-15到15度范围内液晶的对比度大于5，可以获得满意的图像，在-30到-20度和20到30度这两段范围内对比度介于2和5之间，观看效果还行。 注意事项 1．禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛！ 2．在进行液晶视角特性实验中，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板； 3．液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向，否则实验记录的数据为错误数据； 4．在调节透过率 100％时，如果透过率显示不稳定，则可能是光源预热时间不够，或光路没有对准，需要仔细检查，调节好光路； 5．在校准透过率 100％前，必须将液晶供电电压显示调到 0.00V 或显示大于“250” ，否则无法校准透过率为 100％。在实验中，电压为 0.00V 时，不要长时间按住“透过率校准”按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。