大学物理实验液晶光电效应综合实验Word格式文档下载.docx

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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型光开关的构造如图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。

玻璃板的外表涂有透明电极，电极的外表预先作了定向处理〔可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极外表涂取向剂〕，这样，液晶分子在透明电极外表就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；

电极外表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，如下列图所示。

理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的构造具有光波导的性质，即偏振光从上电极外表透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极外表时，偏振方向会旋转90度。

取两偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向一样，P2的透光轴与下电极的定向方向一样，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。

于是原来的扭曲构造被破坏，成了均匀构造，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。

假设P1和P2的透光轴相互平行，那么构成常黑模式。

液晶可分为热致液晶与溶致液晶。

热致液晶在一定的温度围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，在一定电压下到达最低点，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下列图所示。

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，现在通过构造方面的技术改良，已到达很好的效果。

4．液晶光开关的视角特性

液晶光开关的视角特性表示比照度与视角的关系。

比照度定义为光开关翻开和关断时透射光强度之比，比照度大于5时，可以获得满意的图像，比照度小于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比照度时的等比照度曲线。

由图4可以看出，液晶的比照度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性。

假设我们把具有图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。

那么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度时比照度为5，观看效果较好。

在仰视方向比照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，其外部构造如图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一样，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，当开关处于静态时翻开发射器，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，此开关可以去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，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〞，那么按住该键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〞，那么该按键无效，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。

实验容与步骤：

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。

翻开电源，点亮光源，让光源预热10分钟左右。

〔假设光源未亮，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%。

〔假设供电电压不为0，或显示小于“250〞，那么该按键无效，不能校准透过率〕假设不为此状态，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，直到到达上述条件为止。

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％，然后再进展实验。

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〔此时假设透过率不为100%，那么需重新校准〕。

④重复测量3次并计算相应电压下透