地点:理工楼 506 时间: Friday From 8:00 to 17:00 实验 8 液晶的电光特性 前言 液晶是“液态晶体”的简称。它是一类有机化合物,在一定的温度范围内不但有像液体那样的流动性,而且有像晶体那样的各向异性,即各个方向上的物理特性有较大的差异,它是在液晶是“液态晶体”的简称。它是一类有机化合物,在一定的温度范围内不但有像液体那样的流动性,而且有像晶体那样的各向异性,即各个方向上的物理特性有较大的差异,它是在 1888 年由奥地利植物学家首先发现的。至今已经成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域,在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如:光导液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、各种传感器、微量毒气检测、夜视仿生等,尤其是液晶显示器体积小、轻而薄、工作电压低(仅数伏)、功耗小(显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦)、可用干电池供电、电子线路可小型化,目前已经在电脑笔记本、取景器、计算机终端显示以及投影电视等方面均有越来越广泛的应用。年由奥地利植物学家首先发现的。至今已经成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域,在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如:光导液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、各种传感器、微量毒气检测、夜视仿生等,尤其是液晶显示器体积小、轻而薄、工作电压低(仅数伏)、功耗小(显示板本身每平方厘米功耗仅数十微瓦)、可用干电池供电、电子线路可小型化,目前已经在电脑笔记本、取景器、计算机终端显示以及投影电视等方面均有越来越广泛的应用。 本实验希望通过一些基本的观察和研究,对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解,并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。本实验希望通过一些基本的观察和研究,对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解,并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 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,观察液晶的电光效应,测量液晶的扭曲角; 2 、 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、关断电压、对比度和动态范围等参数;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、关断电压、对比度和动态范围等参数; 3 、 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;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; 4 、 通过测量衍射角,推算出特定条件下液晶的结构尺寸,观察衍射斑的偏振状态。 二、实验原理 液晶显示(Liquid Crystal Display, LCD)为非自发光型显示,它是利用液态晶体的光学各向异性的特性,在电场作用下对外照光进行调制而实现信息显示的一种显示技术。)为非自发光型显示,它是利用液态晶体的光学各向异性的特性,在电场作用下对外照光进行调制而实现信息显示的一种显示技术。 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(TN )型液晶为例,说明其工作原理。 TN 型光开关的结构如图1 所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列型液晶,液晶分子的形状如同火柴一样,为棍状。棍的长度在十几埃(所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列型液晶,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-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 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,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。 图 图1 液晶光开关的工作原理 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。 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有一定变化。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有一定变化。 2 、液晶光开关的电光特性 图 图2 为光线垂直液晶面入射时液晶相对透射率(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。)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在阈值电压以上的陡度是一个很重要的特性,它将决定器件的多路驱动能力和灰度性能。陡度越大(即阈值电压与关断电压的差值越小),多路驱动能力越强,但灰度性能下降,反之亦然。液晶的电光特性曲线在阈值电压以上的陡度是一个很重要的特性,它将决定器件的多路驱动能力和灰度性能。陡度越大(即阈值电压与关断电压的差值越小),多路驱动能力越强,但灰度性能下降,反之亦然。TN 型液晶最多允许16 路驱动,故常用于数码显示。扭 曲 排 列 的液 晶 分 子 具有波导效应 入射的偏振光 偏振片P1 光波导已经被电场拉伸 偏振片P2 出射光 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。(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。 图 图2 液晶光开关的电光特性曲线 3 、液晶光开关的对比度和动态范围 对比度表示屏幕上同一点最亮时(白色)与最暗时(黑色)的亮度的比值,高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。定义是:对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比,即对比度表示屏幕上同一点最亮时(白色)与最暗时(黑色)的亮度的比值,高的对比度意味着相对较高的亮度和呈现颜色的艳丽程度。定义是:对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比,即min maxT T C = 。对比度大于5 时,可以获得满意的图像,对比度小于时,可以获得满意的图像,对比度小于2,图像就模糊不清了。对比度是液晶显示器的一个重要参数,在合理的亮度值下,对比度越高,其所能显示的色彩层次越丰富。在室内照明条件下对比度达到,图像就模糊不清了。对比度是液晶显示器的一个重要参数,在合理的亮度值下,对比度越高,其所能显示的色彩层次越丰富。在室内照明条件下对比度达到5以上即可能基本上满足显示要求。对于感光元件来说,动态范围表示图像中所包含的从以上即可能基本上满足显示要求。对于感光元件来说,动态范围表示图像中所包含的从“ 最暗” 至“ 最亮”的范围。动态范围越大,所能表现的层次越丰富,所包含的色彩空间也越广。其定义式为:) ( log 10 dB c DR = 。 。 另外,液晶显示的视角问题特别突出,即观察角度不同,对比度不同。由于液晶分子具有光学各向异性,液晶分子长轴和短轴方向光吸收不同,因而引起对比度不同。另外,液晶显示的视角问题特别突出,即观察角度不同,对比度不同。由于液晶分子具有光学各向异性,液晶分子长轴和短轴方向光吸收不同,因而引起对比度不同。 4 、液晶光开关的时间响应特性 响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时间,又称为上升时间。而当切断电压到图像消失所需要的时间称为余晖时间,又称下降时间。对于液晶光开关来说,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,用上升时间响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时间,又称为上升时间。而当切断电压到图像消失所需要的时间称为余晖时间,又称下降时间。对于液晶光开关来说,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rτ 和下降时间dτ 描述。给液晶开关加上一个如图描述。给液晶开关加上一个如图3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。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。 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。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。 图 图3 液晶驱动电压和时间响应图 三、实验设备 800mm 光学实验导轨、二维可调半导体激光、偏振片、液晶盒、液晶驱动电源、光功率指示计、白屏、光电二极管探头、导轨滑块、钢板尺、示波器光学实验导轨、二维可调半导体激光、偏振片、液晶盒、液晶驱动电源、光功率指示计、白屏、光电二极管探头、导轨滑块、钢板尺、示波器 四、实验内容与注意事项 1 、液晶扭曲角的测量 1 ) 按照激光器、偏振片(起偏器)、液晶盒、偏振片(检偏器)、功率计探头的顺序,在导轨摆好光路。按照激光器、偏振片(起偏器)、液晶盒、偏振片(检偏器)、功率计探头的顺序,在导轨摆好光路。 2 ) 打开激光器,仔细调整各个光学元件的高度和激光器的方向,尽量使激光从光学元件的中心穿过,进入功率计探头。打开激光器,仔细调整各个光学元件的高度和激光器的方向,尽量使激光从光学元件的中心穿过,进入功率计探头。 3 ) 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 。 5 ) 。 旋转检偏器和液晶盒,找到系统输出功率最小的位置,记下此时检偏器的位置(角度)。 6 ) 关闭液晶驱动电源,此时系统通光情况将发生变化,再次调整检偏器位置,找到系统通光功率最小的位置,记下此时检偏器的位置(角度)。关闭液晶驱动电源,此时系统通光情况将发生变化,再次调整检偏器位置,找到系统通光功率最小的位置,记下此时检偏器的位置(角度)。 7 ) 步骤 5 与 与 6 之间的角度位置差,就是该液晶盒在该波长下的扭曲角。 2 、对比度 1 ) ...