液晶的电光特性及应用 *** (学院:*** 班级:***** 学号:*****) 摘要:实验通过测量液晶光开关的电光特性曲线,得到液晶的阈值电压和关断电压,并且通过测量液晶的 时间响应曲线,得出了液晶的上升时间和下降时间,并计算出了液晶能够响应的最高频率。进一步又研究 了液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度。实验的重点是作图,实验测量过程比较简单,通过 测量作图,结果也比较符合理论。 关键字:1.液晶光开关;2.透射率;3 响应;4.视角 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,使它呈现晶体的各向异性。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交化,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 Heimeir 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, 并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,环保无辐射等优点,在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势。 一、实验目的: 1.在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上,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. 测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度, 了解液晶光开关的工作条件。 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,说明其工作原理。 TN 型光开关的结构如图 I 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枯里;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。 理论和实验部证明, 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 的透光铀相互正交。 在未加驱动电压的情况下,来自光源的自然光经过偏振片 PI 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 度。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 I~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 PI 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 PI 和 P2 的透光轴相互平行,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。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闷 值电压和关断电压。 阈值电压:透过率为 90%时的 驱动屯压; 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 1 6 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 τ r 和下降时间τ d 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 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 在通过结构方面的改进,己达到很好的效果。 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。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 4 中的闭合 曲线为不同对比度时的等对比度曲线。 由图 4 可以看出,液晶的对比度与垂直和水平视角都有关,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、 右和俯视三个方向, 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、实验装置: 本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪,其外部结构如图 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。 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。 供电电压显示:显示加在液晶板上的电压,范围在 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,调节范围在 0V~7.6V 之间。其中单击十按键 (或一按键)可以增大 (或减小)0.01V。一直按住十按键 (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。 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。 液晶驱动输出:接存储示波器,显示液晶的驱动电压。 光功率翰出: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。 激光发射器:为仪器提供较强的光源。 液晶板:本实验仪器的测量样品。 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。 开关矩阵:此为 I6XI6 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。 四、实验步骤: 实验前: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 I0~20 分钟。在正式进行实验前,首先需 要检查仪器的初始状态,看激光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,长按透射率按钮直 至显示“100%” ,若仍然不显示,就请任课老师帮忙调整。 1.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%,按数据表中的数据改变电 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。 2.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 2.00V, 在液晶静态闪烁状态下, 用存储示波器观察此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?t1和下降时间?t2。 3.液晶光开关视角特性的测量 ⑴ 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 I 插入的插槽 (如图 7 所示)。在供电电压为 0V 时,按照数据表所列举 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 Tmax。然后将 供电电压置于 1.4V, 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。 ⑵ 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⑴相同的方法 和步骤,测量垂直方向的视角特性,并记录在数据表中。 五、数据处理: 1.液晶光开关电光特性测量; 1)阈值电压和关断电压的测量,数据如下表所示: 电压(伏) 透射率 (%) 1 2 3 平均 0 100 100 100 100 0.5 100 100 100 100 0.8 100 99 99 99 1.0 85 85 85 85 1.2 43 44 43 43 1.3 27 27 26 27 1.4 13 14 13 13 1.5 5 5 5 5 1.6 0 0 0 0 1.7 0 0 0 0 2.0 0 0 0 0 3.0 0 0 0 0 4.0 0 0 0 0 5.0 0 0 0 0 6.0 0 0 0 0 从图中可得,阈值电压为:1V, 关断电压为:1.4V。 2)响应时间的测量 用数字存储示波器在液晶静态闪烁状态下观察此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?t1=50ms,和下降时间?t2=26ms。 液晶的响应时间为 t=?t1+?t2=76ms,响应的最高频率为 f=1/76=13.2Hz。 2.液晶光开关视角特性的测量(数据表如下) 水平视角特性(供电电压分别为 0V 和 1.4V) -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 角 度 -80 (度) 0V 11 23 33 47 56 65 75 80 86 90 92 1.4V 对比度 1 11.0 3 7.7 5 6.6 10 4.7 46 1.2 24 2.7 26 2.9 21 3.8 20 4.3 20 4.5 21 4.4 角 度 -25 (度) 0V 1.4V 对比度 95 20 4.8 -20 97 19 5.1 35 88 18 4.9 -15 93 20 4.7 40 86 16 5.4 -10 94 19 4.9 45 80 14 5.7 -5 97 20 4.9 50 72 12 6.0 0 96 17 5.6 55 66 11 6.0 5 96 17 5.6 60 54 8 6.8 10 95 18 5.3 65 47 9 5.2 15 97 17 5.7 70 33 4 8.3 20 100 17 5.9 75 23 1 23.0 25 94 18 5.2 80 8 1 8.0 角 度 30 (度) 0V 1.4V 对比度 95 17 5.6 液晶的水平视角特性曲线如下: 垂直视角特性(供电电压分别为 0V 和 1.4V) 角 度 -80 (度) 0V 2 1.4V 对比度 2 1.0 -75 9 9 1.0 -20 102 56 1.8 35 66 3 22.0 -70 15 16 0.9 -15 102 49 2.1 40 58 8 7.3 -65 26 27 1.0 -10 100 34 2.9 45 48 12 4.0 -60 33 34 1.0 -5 100 22 4.5 50 37 14 2.6 -55 45 47 1.0 0 102 13 7.8 55 29 17 1.7 -50 54 55 1.0 5 100 5 20.0 60 20 12 1.7 -45 62 63 1.0 10 99 1 99.0 65 12 8 1.5 -40 75 75 1.0 15 99 1 99.0 70 8 3 2.7 -35 80 77 1.0 20 95 1 95.0 75 4 1 4.0 -30 89 76 1.2 25 84 1 84.0 80 1 1 1.0 角 度 -25 (度) 0V 1.4V 对比度 93 64 1.5 角 度 30 (度) 0V 78 1.4V 对比度 2 39.0 液晶的垂直视角特性曲线如下: 实验总结与结论: 液晶光开关是由外加电压控制的,透光率是随外加电压的变化而变化的,变化如图 2 所示。通过测量液晶的视角特性,可知,对比度越高,显示效果越好,但是,视角不同,对 比度也会随之变化。 参考文献: 大学物理实验教程 北京邮电大学出版社