大学物理实验讲义实验 液晶电光效应实验

实验 14 液晶电光效应实验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，使它呈现晶体的特性。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。1888 年，奥地利植物学家 Reinitzer 在做有机物溶解实验时，在一定的温度范围内观 察到液晶。1961 年美国 RCA 公司的 Heimeier 发现了液晶的一系列电光效应，并制成了显示 器件。从 70 年代开始，日本公司将液晶与集成电路技术结合，制成了一系列的液晶显示器 件，至今在这一领域保持领先地位。液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功 耗极小，体积小，寿命长，无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势。【实验目的】1在学习液晶光开关的基本原理，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测量液晶光开关的视角特性。4了解液晶光开关构成矩阵式图像显示的原理。【仪器用具】ZKYLCDEO 型液晶光开关电光特性综合实验仪、数字示波器【实验原理】1液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，仅以常用的扭曲向列型液晶为例，说明其工作原理。光开关的结构如 图1所示。在两块玻璃板之间夹有液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度出射光图1.液晶光开关的工作原理在十几埃，直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极， 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），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一45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。如图1左图 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，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。2液晶光开关的电光特性图 2 液晶光开关的电光特性曲线图 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E3液晶蠅动电压和时间响应圍脑，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Tr和下降时间Td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 这里，视角仅考虑入射光线与液晶屏法线方向的夹角。5液晶光开关构成矩阵式图像显示的原理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，等离子体显示，电致发光显示，发光二极管显示，真空荧光管 显示，场发射显示等，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。下面介绍如何利用液晶光开关来实现图形显示 任务。矩阵式图形显示结构见图5 （a）所示。横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，称为行 驱动电极，竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，称为列驱动电极。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。通常将横条形状和竖条形状的电极抽 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。I imnnnnnnnnnnmnnnmi i1Iri1LhrniIHNrABCDEa b c d e f(b)一 一一一一-M=Kiiiae圍画5151一 3iai5iia! IKIiiiili! KIKisiiK! Kliiiiic! K-0SS- niflliEisl一 ini画阿Isi一 iEiIBi圖151 IKIifiiiBiiii KiRiKiis! i!E!E!BI ieiiki圖ligi一 KIiEEIIQ! ilelEiil! iilIGIiHIiii iiKIHiiB! Isllaiais一 iiiaiaisi一 SIISlQIlQieieIlllII!alxT77* Hlll 一=一=一一二二二 H S川 nnMHH -HH 一 =-rT b.BB.- A7.a图5.液晶光开关组成的矩阵式图形显示器准备显示的信息由开关矩阵输入。如准备显示数字“2”，则按相应位置开关，仪器内部 有计算机读入相应信息，然后按扫描方式在液晶显示器上显示。如显示图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，最后显示出完整的图像。【仪器介绍】1.液晶光开关电光特性综合实验仪（ZKY-LCDEO型）外部结构如图6所示。下面简单介绍仪器各个部件的功能。（1）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激光发射器，当开关处于动态时关闭激光发射器；（2）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；（3）供电电压显示：显示加在液晶板上的电压，范围在之间；（4）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之间。其中单击 +按键（或一按键）可以增大（或减小）。一直按住+按键（或一按键）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；（5）透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比；（6）透过率校准按键：在激光接收端处于最大接收的时候（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。（7）液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压；（8）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；(9) 扩展接口：连接LCDE0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；(10) 激光发射器：为仪器提供较强的光源；(11) 液晶板：本实验仪器的测量样品；(12) 激光接收器：将透过液晶板的激光转换为电压输入到透过率显示表；(13) 开关矩阵：此为16X16的按键矩阵，用于液晶的显示功能实验；(14) 液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于液晶的视角特性实验；(15) 电源开关：仪器的总电源开关。2存储示波器(DS-5000型)详细内容参见DS-5000仪器使用说明书。【实验内容与要求】1液晶板安装与检查首先将液晶板金手指1(如图 7)插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。打开电源开关，点亮激光器，使激光器预热1020 分钟。检查仪器的初始状态，看发射器光线是否垂直入射到接收器；在静态0V供电电压条件 下，透过率显示是否为“100”。如果显示正确，则可以开始实验，如果不正确，指导教师 可以根据附录 1 的调节方法将仪器调整好。=*水平力冋金扛指I ）2液晶光开关电光特性测量 将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100，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。重复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，选 择液晶静态闪烁状态，用存储示波器观察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Tr和下降时间Td。 存储示波器测量时间响应主要操作步骤。1）触发方式选择普通。2）触发控制选择边沿触发，并选折上升沿或下降沿。3）调节触发电平（LEVEL），使触发电压在被测信号电压范围之内。4）垂直系统设置通道耦合为直流。5）使用RUN/STOP键启动和停止波形采样。6）调节电压分度值、时间分度值等，分别观测稳定的上升沿和下降沿，并测量上升时 间和下降时间。7）可使用自动测量功能测量时间。8）其它功能参见仪器说明书。4液晶光开关视角特性的测量水平方向视角特性的测量 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。 确定当前液晶板为金手指 1 插入的插槽（如图 7 所示）。在供电电压为 0V 时，按照表2所列举的角度调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最大值Tmaxo 然后将供电电压置于2V,再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值Tmin，并计算其对 比度。以角度为横坐标，对比度为纵坐标，绘制水平方向对比度随入射光入射角而变化的曲 线。垂直方向视角特性的测量 关断总电源后，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90 度，将金手指2（垂直方向）插入 转盘插槽（如图7所示）。重新通电，将模式转换开关置于静态模式。按照与相同的方法 和步骤，可测量垂直方向的视角特性。并记录入表2中。表2液晶光开关视角特性测量角度（度）-85-80-10-505108085水平 方向 视角 特性tMAX （%）tMIN （%）t /tMAX MIN垂直 方向 视角 特性tMAX（%）tMIN （%）t /tMAX MIN5液晶显示器显示原理将模式转换开关置于动态（图像显示）模式。液晶供电电压调到5V左右。此时矩阵开 关板上的每个按键位置对应一个液晶光开关象素。可以利用点阵输入关断（或点亮）对应的 象素，使暗相素（或点亮象素）组合成一个字符或文字。矩阵开关板右上角的按键为清屏键， 用以清除已输入在显示屏上的图形。实验完成后，关闭电源开关，取下液晶板妥善保存。注意事项】1绝对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种，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激光发射方向，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，则很有可能是光路没有对准，或 者为激光发射器偏振没有调节好，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或显示大于“250” ，否则 无法校准透过率为 100。在实验中，电压为时，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。【思考问题】1 什么是液晶的电光效应？2测量液晶光开关的时间响应特性作用是什么？【附录】初始光路的调节方法（如附图1） 第一步：调节激光管和液晶的偏振关系。插上电源，打开电源总开关，点亮激光管（模式转换开关置于静态模式），在激光管预 热 1020 分钟后。让激光透射过液晶板，旋转激光管，使透过液晶板后的光斑在液晶板的水 平方向和垂直方向的光强基本一致。然后保持激光管的偏振方向，将激光管插入激光发射护 套内，用螺钉固定。第二步：调节激光发射器的高度，使激光照射到液晶板（水平方向）的Y9行。将液晶板金手指1（水平方向）插入转盘上的插槽（插取液晶板前要关闭总电源）。将液 晶转盘置于零刻度位置固定住。将供电电压调节到以上（方便观测液晶板行列），调节激光 发射器装置的高度，让激光射到液晶板上的Y9行（且必须是Y9行）。用锁紧螺钉固定激光 发射器的高度。第三步：调节激光接收装置，让激光完全射入激光接收孔中。将供电电压调节到0V，再调节激光接收装置的高度，同时水平转动激光发射器，让激 光完全入射到激光接收装置中（为了使调节更方便，可以取掉激光接收器后盖，让激光直接 从接收装置孔中射出，并保证射出的激光光斑没有光晕）。然后将激光发射器和接收装置固 定锁紧。第四步：调节激光光斑到指定位置，即液晶板水平方向的（X8,Y9 ）坐标点上。 将供电电压调节到以上，松动液晶转盘底板上的四颗螺钉，移动底板，让激光光斑射到X8列上（且必须是X8列）。此时激光光斑应该照射到液晶板的（X8,Y9）坐标点上。然后 固定好底座上的四颗螺钉。第五步：装激光接收器后盖板。 将激光接收器后盖旋上接收装置，再将插头插入到主机相应的插座上。完成光路调节。第六步： 初步检验光路。调整好光路后，将供电电压调节到0V,观测透过率，水平方向和垂直方向的透过率差值 应小于 15。否则激光管的偏振还需要调节。IIJB板1、激光发射护套；2、固定激光发射器旋转的螺钉；3、升高或降低激光发射器旋钮；4、固定激光发射器高度的螺钉；5、激光接收后盖板；6、升高或降低激光接收装置旋钮；7、固定激光接收装置高度的螺钉；8、转盘底