液晶电光效应

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1、激光发射:妾口激光妾收接口激光发射液晶转盘激光接收静态闪烁/动,态清屏液晶电光效应实验【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。实验仪器】液晶光开关电光特性综合实

2、验仪， 其外部结构如图 1 所示。液晶驱动输光功率输出开关矩阵供电电压显示供电电压调节模式转换开关扩展接口透过率校准透过率显示图 1 液晶光开关电光特性综合实验仪功能键【实验原理】1、液晶早在上世纪70 年代，液晶已作为物质存在的第四态开始写入物理学。液晶态是一种介 于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、 光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无 序；液晶分子有取向序，但无位置序；晶体则既有取向序又有位置序。就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶又可分为近晶相、向列相 和胆甾相。其中向列相液晶

3、是液晶显示器件的主要材料。2、液晶电光效应液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这 样的物质施加电场(电流)，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这 就是通常说的液晶的电光效应。液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型(DS)、扭曲向列相型(TN)、超扭曲向列相 型(STN)、有源矩阵液晶显示(TFT)、电控双折射(ECB)等。其中应用较广的有：TFT型 主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品；STN型主要用于手机屏幕等中档产品； TN型主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普 遍的液晶显示器件。TN型液晶显示

4、器件显示原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。 本仪器所使用的液晶样品即为TN型。3、TN型液晶盒结构TN 型液晶盒结构如图2 所示。在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周 用密封材料(一般为环氧树脂)密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子 有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。上 下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到 下玻璃片扭曲了 90o,所以称为扭曲向列型。4、液晶光开关的工作原理出射光TN型光开关的结构如图3所示。入射的自然光偏振片卩1偏振片P

5、2别曲排列的液晶分子其有光、夕波导效应 光波导已被电场拉伸图3 液晶光开关的工作原理无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距。当线偏振光垂直入射时， 若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90。， 平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图3 中不通电部分，其中液晶盒上下表面各附一片 偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出）；若入射线偏 振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子轴； 当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等 某种偏振光形式射出

6、。对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继 续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场 方向进行重排列（见图3中通电部分），TN型液晶盒90o旋光性随之消失。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

7、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 3 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

8、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有一定变化。5、液晶光开关的电光特性 图 3 为光线垂直液晶面入射时本实验所用液相对透射率（以不加电场时的透射率为 100% ）与外加电压的关系。由图 4 可见，对于常白模式的液晶，其透射率随加电压 的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，后略有变化。 可以根据此电光特性曲 线图得出液晶的阈电压和关断电压。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

9、动电压。透射率T（%）100阈値电压80-60-40_ 20-关断电压电压（V）“k-11 ._123456图 4. 液晶光开关的电光特性曲线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。6、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，

10、用上升时间t r和下降时间td 描述。给液晶开关加上一个如图 5 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5 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。图5 液晶驱动电压与时间的响应图7、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

11、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 6 表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。 图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。图中的闭合曲线为不同对比度时的 等对比度曲线。图 6 液晶的视角特性由图 6 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 把具有图中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

12、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。8、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，

13、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7 （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7 （b

14、）所 示。nrnnnniinnnErimn!:!碘.一rtfEEE IKIKIKKK.EK庇应一EEgR一應怎怎 IKIIKiIKiKiKijKIjKIIKi曲!跖simlsiE IKIIKiIKiKiIKiKijIKIIRi哩!冋扇画冏Ini崗 KIKIKIKIKjKjKE 豊甌.讯园sisisi WK厉谣-KKK反必匡记瓦习厉目K_y 一必亘空5滋_匕壓5一 IUIUIU咳应1212冈总应= glulsluisisi国注莎曰 iiiasss tfs5R一匕一必 淇85鬲一玄 浏 ia.a.a 菱鱼連削! sssf 昱9目9 昱9目9丄丄1Jr1LP:1r :ra b c d e f(b)(

15、a)图 7 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器 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7 （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 ，以此类推，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。【实验内容与步骤】1、光路的调节 、将液晶板金手指1 （水平方向）插入转盘的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。 连接