實驗14 液晶電光效應(yīng)實驗液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)部分子排列是無序的，而液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的特性。當(dāng)光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer在做有機物溶解實驗時，在一定的溫度范圍內(nèi)觀察到液晶。1961年美國RCA公司的Heimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光效應(yīng)，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(shù)結(jié)合，制成了一系列的液晶顯示器件，至今在這一領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動電壓低（一般為幾伏），功耗極小，體積小，壽命長，無輻射等優(yōu)點，在當(dāng)今各種顯示器件的競爭中有獨領(lǐng)風(fēng)騷之勢。【實驗?zāi)康摹?在學(xué)習(xí)液晶光開關(guān)的基本原理，測量液晶光開關(guān)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(guān)斷電壓。2測量驅(qū)動電壓周期變化時，液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)曲線，并由時間響應(yīng)曲線得到液晶的上升時間和下降時間。3測量液晶光開關(guān)的視角特性。4了解液晶光開關(guān)構(gòu)成矩陣式圖像顯示的原理。【儀器用具】ZKY-LCDEO型液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀、數(shù)字示波器【實驗原理】1液晶光開關(guān)的工作原理液晶的種類很多，僅以常用的扭曲向列型液晶為例，說明其工作原理。入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波導(dǎo)效應(yīng)光波導(dǎo)已被電場拉伸圖1. 液晶光開關(guān)的工作原理光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩塊玻璃板之間夾有液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃，直徑為46埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦），這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里；電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿45度方向排列，整個扭曲了90度。如圖1左圖所示。理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度。取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是P1和P2的透光軸相互正交。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。在施加足夠電壓情況下，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，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(guān)斷。由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。2液晶光開關(guān)的電光特性圖2為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100%）與外加電壓的關(guān)系。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，在一定電壓下達到最低點，此后略有變化。可以根據(jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過率為90時的驅(qū)動電壓；關(guān)斷電壓：透過率為10時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動，故常用于數(shù)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(qū)動路數(shù)。3液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)特性加上（或去掉）驅(qū)動電壓能使液晶的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變，是因為液晶的分子排序發(fā)生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應(yīng)曲線上，用上升時間r和下降時間d描述。給液晶開關(guān)加上一個如圖3上圖所示的周期性變化的電壓，就可以得到液晶的時間響應(yīng)曲線，上升時間和下降時間。如圖3下圖所示。上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。早期的液晶顯示器在這方面遜色于其它顯示器，現(xiàn)在通過結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)改進，已達到很好的效果。4液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強度之比，對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。這里，視角僅考慮入射光線與液晶屏法線方向的夾角。5液晶光開關(guān)構(gòu)成矩陣式圖像顯示的原理除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發(fā)光來實現(xiàn)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，等離子體顯示，電致發(fā)光顯示，發(fā)光二極管顯示，真空熒光管顯示，場發(fā)射顯示等，這些顯示器因為要發(fā)光，所以要消耗大量的能量。液晶顯示器通過對外界光線的開關(guān)控制來完成信息顯示任務(wù)，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)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、手機、傳呼機等具有不可代替地位。下面介紹如何利用液晶光開關(guān)來實現(xiàn)圖形顯示任務(wù)。矩陣式圖形顯示結(jié)構(gòu)見圖5（a）所示。橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，稱為行驅(qū)動電極，豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，稱為列驅(qū)動電極。把這兩塊玻璃片面對面組合起來，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。通常將橫條形狀和豎條形狀的電極抽象為橫線和豎線，分別代表掃描電極和信號電極，如圖5（b）所示。 （a） （b）圖5. 液晶光開關(guān)組成的矩陣式圖形顯示器準(zhǔn)備顯示的信息由開關(guān)矩陣輸入。如準(zhǔn)備顯示數(shù)字“2”，則按相應(yīng)位置開關(guān)，儀器內(nèi)部有計算機讀入相應(yīng)信息，然后按掃描方式在液晶顯示器上顯示。如顯示圖5（b）的那些有方塊的像素，首先在第A行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(yīng)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(yīng)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，最后顯示出完整的圖像。【儀器介紹】1 液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀（ZKY-LCDEO型）外部結(jié)構(gòu)如圖6所示。下面簡單介紹儀器各個部件的功能。（1）模式轉(zhuǎn)換開關(guān)：切換液晶的靜態(tài)和動態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時，所有的液晶單元所加電壓相同，在（動態(tài)）圖像顯示時，每個單元所加的電壓由開關(guān)矩陣控制。同時，當(dāng)開關(guān)處于靜態(tài)時打開激光發(fā)射器，當(dāng)開關(guān)處于動態(tài)時關(guān)閉激光發(fā)射器；（2）靜態(tài)閃爍/動態(tài)清屏切換開關(guān)：當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時候，此開關(guān)可以切換到閃爍和靜止兩種方式；當(dāng)儀器工作在動態(tài)的時候，此開關(guān)可以清除液晶屏幕因按動開關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點；（3）供電電壓顯示：顯示加在液晶板上的電壓，范圍在0.00V7.60V之間；（4）供電電壓調(diào)節(jié)按鍵：改變加在液晶板上的電壓，調(diào)節(jié)范圍在0V7.6V之間。其中單擊按鍵（或按鍵）可以增大（或減小）0.01V。一直按住按鍵（或按鍵）2秒以上可以快速增大（或減小）供電電壓，但當(dāng)電壓大于或小于一定范圍時需要單擊按鍵才可以改變電壓；（5）透過率顯示：顯示光透過液晶板后光強的相對百分比； （6）透過率校準(zhǔn)按鍵：在激光接收端處于最大接收的時候（即供電電壓為0V時），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵3秒可以將透過率校準(zhǔn)為100；如果供電電壓不為0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準(zhǔn)透過率。（7）液晶驅(qū)動輸出：接存儲示波器，顯示液晶的驅(qū)動電壓；（8）光功率輸出：接存儲示波器，顯示液晶的時間響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來得到液晶響應(yīng)時間的上升時間和下降時間；（9）擴展接口：連接LCDEO信號適配器的接口，通過信號適配器可以使用普通示波器觀測液晶光開關(guān)特性的響應(yīng)時間曲線；（10）激光發(fā)射器：為儀器提供較強的光源；（11）液晶板：本實驗儀器的測量樣品；（12）激光接收器：將透過液晶板的激光轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過率顯示表；（13）開關(guān)矩陣：此為1616的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實驗；（14）液晶轉(zhuǎn)盤：承載液晶板一起轉(zhuǎn)動，用于液晶的視角特性實驗；圖6 液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀功能鍵示意圖（15）電源開關(guān)：儀器的總電源開關(guān)。 2存儲示波器（DS-5000型） 詳細內(nèi)容參見DS-5000儀器使用說明書。【實驗內(nèi)容與要求】 1液晶板安裝與檢查首先將液晶板金手指1（如圖7）插入轉(zhuǎn)盤上的插槽，液晶凸起面必須正對激光發(fā)射方向。打開電源開關(guān)，點亮激光器，使激光器預(yù)熱1020分鐘。圖7 液晶板方向（視角為正視液晶屏凸起面）檢查儀器的初始狀態(tài)，看發(fā)射器光線是否垂直入射到接收器；在靜態(tài)0V供電電壓條件下，透過率顯示是否為“100”。如果顯示正確，則可以開始實驗，如果不正確，指導(dǎo)教師可以根據(jù)附錄1的調(diào)節(jié)方法將儀器調(diào)整好。.2液晶光開關(guān)電光特性測量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透過率顯示校準(zhǔn)為100，按表1的數(shù)據(jù)改變電壓，使得電壓值從0V到6V變化，記錄相應(yīng)電壓下的透射率數(shù)值。重復(fù)3次并計算相應(yīng)電壓下透射率的平均值，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制電光特性曲線，可以得出閾值電壓和關(guān)斷電壓。表1 液晶光開關(guān)電光特性測量電壓（伏）00.50.81.01.21.31.41.51.61.72.03.04.05.06.0透射率(%)123平均3液晶的時間響應(yīng)的測量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，透過率顯示調(diào)到100，然后將液晶供電電壓調(diào)到2.00V，選擇液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)，用存儲示波器觀察光開關(guān)時間響應(yīng)特性曲線，可以根據(jù)此曲線得到液晶的上升時間r和下降時間d。存儲示波器測量時間響應(yīng)主要操作步驟。1）觸發(fā)方式選擇普通。2）觸發(fā)控制選擇邊沿觸發(fā)，并選折上升沿或下降沿。3）調(diào)節(jié)觸發(fā)電平（LEVEL），使觸發(fā)電壓在被測信號電壓范圍之內(nèi)。4）垂直系統(tǒng)設(shè)置通道耦合為直流。5）使用RUN/STOP鍵啟動和停止波形采樣。6）調(diào)節(jié)電壓分度值、時間分度值等，分別觀測穩(wěn)定的上升沿和下降沿，并測量上升時間和下降時間。7）可使用自動測量功能測量時間。8）其它功能參見儀器說明書。4液晶光開關(guān)視角特性的測量水平方向視角特性的測量將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式。首先將透過率顯示調(diào)到100，然后再進行實驗。確定當(dāng)前液晶板為金手指1插入的插槽（如圖7所示）。在供電電壓為0V時，按照表2所列舉的角度調(diào)節(jié)液晶屏與入射激光的角度，在每一角度下測量光強透過率最大值TMAX。然后將供電電壓置于2V，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，測量光強透過率最小值TMIN，并計算其對比度。以角度為橫坐標(biāo)，對比度為縱坐標(biāo)，繪制水平方向?qū)Ρ榷入S入射光入射角而變化的曲線。垂直方向視角特性的測量關(guān)斷總電源后，取下液晶顯示屏，將液晶板旋轉(zhuǎn)90度，將金手指2（垂直方向）插入轉(zhuǎn)盤插槽（如圖7所示）。重新通電，將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式。按照與相同的方法和步驟，可測量垂直方向的視角特性。并記錄入表2中。表2 液晶光開關(guān)視角特性測量角度（度）-85-80-10-505108085水平方向視角特性TMAX（%）TMIN（%）TMAX/TMIN垂直方向視角特性TMAX（%）TMIN（%）TMAX/TMIN5液晶顯示器顯示原理將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于動態(tài)（圖像顯示）模式。液晶供電電壓調(diào)到5V左右。此時矩陣開關(guān)板上的每個按鍵位置對應(yīng)一個液晶光開關(guān)象素。可以利用點陣輸入關(guān)斷（或點亮）對應(yīng)的象素，使暗相素（或點亮象素）組合成一個字符或文字。矩陣開關(guān)板右上角的按鍵為清屏鍵，用以清除已輸入在顯示屏上的圖形。實驗完成后，關(guān)閉電源開關(guān)，取下液晶板妥善保存。【注意事項】1絕對禁止用光束照射他人眼睛或直視光束本身，以防傷害眼睛！2在進行液晶視角特性實驗種，更換液晶板方向時，務(wù)必斷開總電源后，再進行插取，否則將會損壞液晶板； 3液晶板凸起面必須要朝向激光發(fā)射方向，否則實驗記錄的數(shù)據(jù)為錯誤數(shù)據(jù)；4在調(diào)節(jié)透過率100時，如果透過率顯示不穩(wěn)定，則很有可能是光路沒有對準(zhǔn)，或者為激光發(fā)射器偏振沒有調(diào)節(jié)好，需要仔細檢查，調(diào)節(jié)好光路；5在校準(zhǔn)透過率100前，必須將液晶供電電壓顯示調(diào)到0.00V或顯示大于“250” ，否則無法校準(zhǔn)透過率為100。在實驗中，電壓為0.00V時，不要長時間按住“透過率校準(zhǔn)”按鈕，否則透過率顯示將進入非工作狀態(tài)，本組測試的數(shù)據(jù)為錯誤數(shù)據(jù)，需要重新進行本組實驗數(shù)據(jù)記錄。【思考問題】1 什么是液晶的電光效應(yīng)？2 測量液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)特性作用是什么？【附錄】初始光路的調(diào)節(jié)方法（如附圖1）第一步：調(diào)節(jié)激光管和液晶的偏振關(guān)系。插上電源，打開電源總開關(guān)，點亮激光管（模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式），在激光管預(yù)熱1020分鐘后。讓激光透射過液晶板，旋轉(zhuǎn)激光管，使透過液晶板后的光斑在液晶板的水平方向和垂直方向的光強基本一致。然后保持激光管的偏振方向，將激光管插入激光發(fā)射護套內(nèi)，用螺釘固定。第二步：調(diào)節(jié)激光發(fā)射器的高度，使激光照射到液晶板（水平方向）的Y9行。將液晶板金手指1（水平方向）插入轉(zhuǎn)盤上的插槽（插取液晶板前要關(guān)閉總電源）。