液晶的电光特性实验班级:应用物理 1101 实验项目名称:液晶的电光特性 一、实验目的 观察、测量衍射斑的偏振状态。二、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 TN型光开关的结构如图 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 10-10 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,也可在电极表面涂 取向剂),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因范德瓦尔斯力的作用,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 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。 入射的自然光 偏振片P1 偏振片P2 扭曲排列的液晶分子具有光 波导效应 光波导已被 电场拉伸 液晶光开关的工作原理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 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。 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 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τ 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 比度定义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。 表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4透射率T(%) 100 阈值电压 80 60 40 20 关断电压 电压(V) 液晶光开关的电光特性曲线中,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 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。则该液晶显示屏的左右视角特性对称,在左, 右和俯视 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。 三、实验仪器调节 1.按照图四所示顺序,在导轨上摆好光路,连接各种设备之间的导线。 2.打开激光器,仔细调节各个光学元件的同轴等高。3.打开功率计,带显示稳定后,旋转起偏器,使通过起偏器的激光最强。 4.打开液晶驱动电源,将功能按键置于连续状态。驱动电压调整到12V(最大)。 四、实验内容 1.液晶扭曲角的测量 (1)按“实验仪器调节”进行仪器调节; (2)待功率计显示稳定后,旋转检偏器和液晶盒,找到系统输出功率最小的位 置,记录此时检偏器的角度 (3)关闭液晶驱动电源,此时系统通光情况将发生变化,)待功率计显示稳定后,再次调整检偏器的角度,找到系统通光功率最小的位置,记录此时检偏器的角度 2.对比度(1)按“实验仪器调节”进行仪器调节,记录最小功率值,为min (2)关闭液晶驱动电源,记录此时系统的输出功率,为max (3)对比度max min log10 dB 的测量(1)按“实验仪器调节”进行仪器调节; (2)旋转检偏器和液晶盒,找到系统输出功率较小的位置; (3)用光电探头替换功率计探头,连接其与液晶驱动电源间的12V 电源线; (4)将示波器的CH1 通道用信号线与液晶驱动电源相连,CH1 做触发。CH2 通道 用示波器表笔与光电二极管相连(地线与12V 的地线相连); (5)打开示波器,功能置于双综显示,CH1 触发; (6)观察示波器上CH1 通道的波形,了解并记录液晶驱动电源的工作条件; (7)将液晶驱动电源功能键置于间歇状态,调整间歇频率旋钮,观察并记录系 统输出光的变化情况,及示波器上波形的情况,体会液晶电源的工作原理; (8)根据定义,用示波器测量上升沿时间和下降沿时间,估计液晶的响应速度。 4.利用衍射,推算特定条件下,液晶的结构尺寸 (1)取下内容1 中的检偏器和功率计探头; (2)打开液晶驱动电源,将功能按键置于连续,将驱动电压置于6V 左右,等待 数分钟后,用白屏观察液晶盒后光斑的变化情况,并记录现象(可观察到类似光 栅衍射的现象); (3)仔细调节驱动电压和液晶盒角度,使衍射效果最佳; (4)用直尺测量衍射角,用光栅公式求出此时液晶“光栅”的光栅常数。 5.观察测量衍射斑的偏振状态 (1)重复上述内容4 个步骤;(2)紧靠液晶盒放置检偏器; (3)用白屏观察检偏器后衍射斑; (4)旋转检偏器,观察并记录各衍射斑的变化情况,指出其变化规律。 五、数据记录与处理 1、液晶扭曲角的测量 (1)、系统输出功最小时检偏器的角度θ 350.5(2)、再次记录检偏器的角度θ 350.5–291.0= 59.5 2、对比度 1.13mw018 TmaxTmin 的测量此时液晶驱动电源为12V,波形图分为二条,第一条短空格大,第二条长空格小。 (4)、利用衍射,推算特定条件下,液晶的结构尺寸 相关尺寸: 0.81.5 2.3 3.5 由公式:dsinθ 7.2得到θ 10062 六、注意事项1、拆装时只拿液晶盒边缘,切忌挤压液晶和中部;保持液晶盒表面清洁,不能 有滑痕;应防止液晶盒受潮,防止受阳光直射。 2、驱动电压不能为直流。 3、切勿直视激光器 七、实验总结 在本次实验中,实验操作比较简单,很容易测量出所需要的数据,但步骤比较多,实验 过程中,激光有点刺眼,不能直接观察,要等到波形图稳定后再做记录,并且光栅不易调清 楚,要缓慢调节,每一次调节都要注意液晶驱动电源功能键的状态,在拍摄衍射图时,要先 调节驱动电压和液晶盒使衍射效果最佳。