1、實驗28液晶電光效應的測量液晶是像液體一樣可以流動，又具有某些晶體結構特征的一類物質。一般的液體內局部子 排列是無序的，而液晶既有液體的流動性，其分子又可按一定規律有序排列，使它呈現晶 體的各向異性。當給液晶通電時，晶體排列變得有秩序，使光線容易透過；不通電時排列 混亂，阻止光線透過。液晶的電光效應是指它具有干預、散射、旋光、吸收等受電場作用 的光學現象。1888年，奧地利植物學家 Reinitzer在做有機物溶解實驗時，在一定的溫度范圍內觀察 到液晶。1961年美國RCA公司的Heimeir發現了液晶的一系列電光效應，并制成了顯示器件。從70年代開始，日本公司將液晶與集成電路技術結合，制成了

2、一系列的液晶顯示器件。液晶顯示器件由于具有驅動電壓低一般為幾伏，功耗極小，體積小，壽命長，環保無輻射等優點，在當今各種顯示器件的競爭中獨領風騷。實驗目的1了解液晶光開關的根本工作原理，學習測量液晶光開關的電光特性曲線，并由電光 特性曲線得到液晶的閾值電壓和關斷電壓。2.測量液晶對變化的外界電場的時間響應曲線。3理解液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的比照度，了解液晶光開關的工作條 件。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I所示。在兩塊玻璃板之間夾有正性液晶，液晶分子的形狀如 同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾

3、埃1埃=1010米，直徑為46埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內外表涂有透明電極，電極的外表預先作了定向處理可用軟絨布朝一個方向摩擦產生靜電，也可在電極外表涂取向劑，這樣，液晶分子在透明電極外表的溝槽內作定向排列，將上下電極上的定向摩擦方向相互垂直，這樣上、下電極上的液晶分子 取向也相互垂直。在兩層玻璃片之間，液晶分子的取向逐漸扭曲，從上到下整個扭曲了90度。如圖1 a所示。入射的自然光偏振片P1扭曲排列的 液晶分子構 成光通道偏振片P2光通道被 電場破壞(b)出射光圖1液晶光開關的工作原理圖1 a所示均勻扭曲排列起來的液晶分子具有透光的效應。在未加驅動電壓的情況 下，來自光源的自然光

4、通過偏振片P1后產生的偏振光從上電極外表透過扭曲排列起來的液晶分子傳播到下電極外表時，偏振方向會旋轉90度，旋轉后的偏振光方向與偏振片P2平行，液晶處在透光狀態。在施加電壓情況下一般為12伏，除在玻璃板內外表的電極上的液晶分子被靜電場“錨定以外，其它液晶分子平行于電場方向排列，不再發生扭曲，成了均勻結構，如圖1b所示。從Pi透射出來的偏振光在液晶中傳播時不再發生旋轉，保持原來的偏振方向到 達下電極。這時光的偏振方向與P2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。假設Pi和P2的透光軸相互平行，那么構成常黑模式。

5、本實驗所用液晶為常白模式。液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內呈現液晶的光學性質， 而溶致液晶是溶質溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱致液晶，它的特性 隨溫度的改變而有一定變化。2.液晶光開關的電光特性圖2為光線垂直液晶面入射時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。圖2液晶光開關的電光特性曲線由圖2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，在一定電壓下到達最低點。可以根據此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關斷電壓。閾值電壓是透過率為 90%時的驅動電壓；關斷電壓是透過率為10%時的驅動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，

6、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就越多。TN型液晶最多允許 16路驅動，故常用于數碼顯示。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。液晶對變化的外界電場的響應速度是液晶產品的一個十分重要的參數。外電場變化時液晶分子要重新排列，所以一般來說液晶的響應速度是比擬低的。我們用上升沿時間 T1和下降沿時間T2來衡量液晶對外界驅動信號的響應情況，如圖3中所示。把液晶開關未加電壓時對光的透射率定為 100%，加上足以關斷液晶的驅動電壓后，要經過一段時間，液晶開 關才能關斷。通常把液晶開關透光率從

7、10%上升到90%的這段過渡時間稱為上升沿時間；而把撤除驅動電壓后，液晶開關透光率從90%恢復到10%的過渡時間稱為下降沿時間。嶇勒怡號nso%riT2/10!圖 3液晶驅動電壓和時間響應的關系3液晶光開關的視角特性液晶光開關的視角特性表示比照度與視角的關系。比照度定義為光開關翻開和關斷時透射光強度之比，比照度大于 5時，可以獲得滿意的圖像，比照度小于2，圖像就模糊不清了。液晶的比照度與垂直和水平視角都有關，而且具有非對稱性。垂直視角是入射光線方向與液晶屏法線方向的夾角，而水平視角是入射光線在液晶屏上的投影與00方向間的夾角。4液晶光開關構成圖像顯示矩陣的方法除了液晶顯示器以外，其它顯示器靠自

8、身發光來實現信息顯示功能。這些顯示器主要有以下一些：陰極射線管顯示 CRT，等離子體顯示PDP,電致發光顯示ELD ，發 光二極管 LED 顯示，有機發光二極管 OLED 顯示，真空熒光管顯示 VFD ，場 發射顯示FED等。這些顯示器因為要發光，所以要消耗大量的能量。液晶顯示器LCD 通過對外界光線的開關控制來完成信息顯示任務，為非主動發光型顯示，其最大的優點在于能耗極低。正因為如此，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面， 例如電子表、萬用表、 等具有不可代替地位。下面我們來看看如何利用液晶光開關來實現圖形和圖像顯示任務。矩陣顯示方式，是把圖4 a所示的橫條形狀的透 明電極做在一塊玻璃片上， 叫

9、做行驅動電極，簡稱行電 極常用Xi表示，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 稱列電極常用Si表示。把這 兩塊玻璃片面對面組合起來，IB* Fi 4*>>1 IT I£ igIt液晶光開關組成的矩陣式圖形顯示器ITO透明電極抽象為橫線和豎線，分別4 b的那些有方塊的像素，首先在把液晶灌注在這兩片玻璃之內、亠圖4間構成液晶盒。為了畫面簡潔，通常將橫條形狀和豎條形狀的代表掃描電極和信號電極，如圖4 b所示。矩陣型顯示器的工作方式為掃描方式。欲顯示圖第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。儀器簡介本實驗用TN型液晶一塊，激光筆一支，硅光電池一個，光電二極管一個、光功率計、 驅動電源、示波器各一臺，水平旋轉臺。實驗內容按圖5組建測量系統圖51液晶光