液晶电光效应综合实验Word文档格式.docx
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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°
方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45°
方向排列,整个扭曲了90°
。
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。
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1~2V),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τr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。
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°
90°
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°
方向之间的夹角)的大小。
图3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°
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3个方向,垂直视角接近60°
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。
5.液晶光开关构成图像显示矩阵的方法
除了液晶显示器以外,其他显示器靠自身发光来实现信息显示功能。
这些显示器主要有以下一些:
阴极射线管显示(CRT),等离子体显示(PDP),电致发光显示(ELD),发光二极管(LED)显示,有机发光二极管(OLED)显示,真空荧光管显示(VFD),场发射显示(FED)。
这些显示器因为要发光,所以要消耗大量的能量。
液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务,为非主动发光型显示,其最大的优点在于能耗极低。
正因为如此,液晶显示器在便携式装置的显示方面,例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位。
下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。
矩阵显示方式,是把图5(a)所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上,叫做行驱动电极,简称行电极(常用Xi表示),而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上,叫做列驱动电极,简称列电极(常用Si表示)。
把这两块玻璃片面对面组合起来,把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。
为了画面简洁,通常将横条形状和竖条形状的ITO电极抽象为横线和竖线,分别代表扫描电极和信号电极,如图5(b)所示。
矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。
显示原理可依以下的简化说明作一介绍。
欲显示图5(b)的那些有方块的像素,首先在第A行加上高电平,其余行加上低电平,同时在列电极的对应电极c、d上加上低电平,于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了。
然后第B行加上高电平,其余行加上低电平,同时在列电极的对应电极b、e上加上低电平,因而B行的那些带有方块的像素被显示出来了。
然后是第C行、第D行……,余此类推,最后显示出一整场的图像。
这种工作方式称为扫描方式。
这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式,依这种方式,可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过,从而显示出任意文字、图形和图像。
实验内容与步骤
本实验仪可以进行以下几个实验内容:
●液晶的电光特性测量实验。
可以测得液晶的阈值电压和关断电压。
●液晶的时间特性实验,测量液晶的上升时间和下降时间。
●液晶的视角特性测量实验(液晶板方向可以参照图7所示)。
●液晶的图像显示原理实验。
实验步骤:
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光源发射方向。
打开电源开关,点亮光源,使光源预热10分钟左右。
在正式进行实验前,首先需要检查仪器的初始状态,看发射器光线是否垂直入射到接收器;
在静态0V供电电压条件下,透过率显示经校准后是否为“100%”。
如果显示正确,则可以开始实验,如果不正确,指导教师可以根据附录1的调节方法将仪器调整好再让学生进行实验。
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%,按表1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。
表1液晶光开关电光特性测量
电压(伏)
0.5
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
3.0
4.0
5.0
6.0
透射率(%)
1
2
3
平均
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2.0V,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τr和下降时间τd。
表2液晶的时间响应的测量
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
7.0
τr(s)上升时间
τd(s)下降时间
3.液晶光开关视角特性的测量
①.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1插入的插槽(如图7所示)。
在供电电压为0V时,按照表3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。
然后将供电电压设置为2.20V,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。
②.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°
,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①相同的方法和步骤,可测量垂直方向的视角特性。
并记录入表2中。
表3液晶光开关视角特性测量
角度(°
)
-75
-70
……
-10
-5
5
10
70
75
水平方向视角特性
TMAX(%)
TMIN(%)
TMAX/TMIN
垂直方向视角特性
4.液晶显示器显示原理
将模式转换开关置于动态(图像显示)模式。
液晶供电电压调到5V左右。
此时矩阵开关板上的每个按键位置对应一个液晶光开关象素。
初始时各相素都处于开通状态,按1次矩阵开光板上的某一按键,可改变相应液晶相素的通断状态,所以可以利用点阵输入关断(或点亮)对应的象素,使暗相素(或点亮象素)组合成一个字符或文字。
以此让学生体会液晶显示器件组成图像和文字的工作原理。
矩阵开关板右上角的按键为清屏键,用以清除已输入在显示屏上的图形。
实验完成后,关闭电源开关,取下液晶板妥善保存。
电光效应综合实验仪操作说明书
ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪操作说明
ZKY-LCDEO液仪器介绍
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发射器,当开关处于动态时关闭发射器;
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+按键(或-按键)可以增大(或减小)0.01V。
一直按住+按键(或-按键)2秒以上可以快速增大(或减小)供电电压;
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:
在接收器处于最大接收状态的时候(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;
光功率输出:
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;
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;
接收器:
将透过液晶板的光强信号转换为电压输入到透过率显示表;
开关矩阵:
此为16×
16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。
RS232接口:
只有微机型实验仪才可以使用RS232接口。
用于和计算机的串口进行通信,通过配套的软件,可以实现将软件设计的文字或图形送到液晶片上显示出来的功能。
必须注意的是,只有当液晶实验仪模式开关处于动态的时候才能和计算机软件通信。
具体操作见软件操作说明书。
晶电光效应信号适配器操作说明
LCDEO信号适配器是液晶电光效应综合实验仪的一个可选附件。
在进行液晶电光效应实验中,需要使用到具有存储功能的示波器进行观测和数据记录。
而普通的模拟示波器不具备存储功能,要完成整个实验,可以借助LCDEO信号适配器实现。
1.LCDEO信号适配器简介(如图1所示)
液晶驱动输出口:
接示波器,显示液晶的驱动电压;
接到信号适配器或数字存储示波器,显示液晶的时间响应曲线,可以根据此曲线来测量液晶的上升时间和下降时间;
同步输出:
提供示波器的外部触发信号;
和液晶电光效应综合实验仪主机上“扩展输出”口相连;
RUN/STOP按键:
运动或暂停观测波形。
即当示波器波形在移动的时候,按一下该键,波形会停止移动,这时才可以进行后面的读数操作。
如果再按一下该键,则波形又会开始移动。
当波形在动的时候,按动模块上的其他按键都是无效;
时标切换3s/1s:
当暂停波形后,按该键可以将波形放大3倍。
即放大前时标为3秒,波形中每个点之间的时间间隔为15ms。
放大后时标为1秒,波形中每个点之间的时间间隔为5ms;
左移按键:
当波形被放大后,按该键可以向左移动波形;
右移按键:
当波形被放大后,按该键可以向右移动波形;
状态指示灯:
显示当前波形所处的状态。
指示灯为红色时表示波形处于运动状态;
指示灯灭表示波形处于暂停状态;
指示灯为绿色表示波形处于放大状态;
电源指示灯:
指示亮表示当前模块已通电,处于工作状态;
指示灯灭表示当前模块没有通电,处于非工作状态;
2.LCDEO信号适配器的使用方法
LCDEO信号适配器主要用于进行液晶时间响应特性测量时观测和读取液晶响应的上升时间和下降时间,并观测液晶的驱动电压波形。
首先用连接线将液晶电光效应综合实验仪的扩展输出接口和存储示波器模块的扩展接口连接起来,然后再打开主机电源进行实验。
当进行液晶时间响应特性测量实验时,将LCDEO信号适配器上的“液晶驱动输出”、“光功率输出”用Q9线分别接到普通示波器的两个通道上,“同步输出”接示波器的同步输入端。
将两个通道都打到直流档位,幅度旋钮打到0.5V/DIV,周期旋钮调到0.5mS/DIV档位上。
同时将触发源选择为外部触发,调节示波器上下移和左右移动旋钮,就可以观测到液晶驱动电压波形和时间响应波形了。
此时示波器上观测到的波形运动的,如果要读取液晶的响应时间,需要将波形暂停住。
这时只需要按一下“RUN/STOP”按键就可以暂停波形(由于在进行读取液晶时间响应上升时间和下降时间时,不需要液晶驱动波形,可以将液晶驱动输出通道断开。
这样方便读数)。
然后再按“时标切换3s/1s”键,将波形放大。
通过“左移”、“右移”键和示波器上的拉伸旋钮来调整波形,使波形处于最佳的读数位置。
根据实验指导说明书中上升时间和下降时间的定义,从示波器上读出液晶时间特性的上升时间和下降时间。
在放大情况下,示波器时间响应曲线上每个点之间的时间间隔为5ms,学生可以直接数透过率从10%到90%(或90%到10%)之间点的个数来计算出上升时间(或下降时间)。
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- 关 键 词:
- 液晶 电光 效应 综合 实验