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01显示技术实验

显示技术实验报告

学院

电子与信息学院

课程名称

显示技术实验

专业

光信息科学与技术

班级

光信息

姓名

学号

2010

时间

2013年12月25日

目录

实验十一　电光调制4

一、实验目的4

二、实验原理简介4

三、实验装置6

四、实验内容及步骤6

实验十二　法拉第效应8

一、实验目的8

二、实验原理简介8

三、实验装置10

四、实验内容及步骤10

实验十三　声光调制12

一、实验目的12

二、实验原理简介12

三、实验装置13

四、实验内容及步骤14

实验十四　液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量16

一、实验目的16

二、实验原理16

三、实验装置20

四、实验内容及步骤20

实验十五　辉光放电与等离子体显示（PDP）22

一、实验目的22

二、实验原理22

三、实验装置25

四、实验内容及步骤25

五、注意事项26

实验十六　多碱光电阴极光谱响应与极限电流密度测量27

一、实验目的27

二、实验原理简介27

三、实验装置30

四、实验内容及步骤30

实验十七　微光像增强器电子透镜调节与增益测量31

一、实验目的31

二、实验类型31

三、实验原理简介31

四、实验装置34

五、实验内容及步骤34

实验十八　有机发光器件（OLED）参数测量35

一、实验目的35

二、实验原理简介35

三、实验装置37

四、实验内容及步骤37

实验十一　电光调制

一、实验目的：

1.了解电光调制的工作原理及相关特性；

2.掌握电光晶体性能参数的测量方法；

二、实验原理简介：

某些光学介质受到外电场作用时，它的折射率将随着外电场变化，介电系数和折射率都与方向有关，在光学性质上变为各向异性，这就是电光效应。

电光效应有两种，一种是折射率的变化量与外电场强度的一次方成比例，称为泡克耳斯（Pockels）效应；另一种是折射率的变化量与外电场强度的二次方成比例，称为克尔（Kerr）效应。

利用克尔效应制成的调制器，称为克尔盒，其中的光学介质为具有电光效应的液体有机化合物。

利用泡克耳斯效应制成的调制器，称为泡克耳斯盒，其中的光学介质为非中心对称的压电晶体。

泡克耳斯盒又有纵向调制器和横向调制器两种，图1是几种电光调制器的基本结构形式。

图1：

几种电光调制器的基本结构形式

a）克尔盒b）纵调的泡克耳斯盒c）横调的泡克耳斯盒

当不给克尔盒加电压时，盒中的介质是透明的，各向同性的非偏振光经过P后变为振动方向平行P光轴的平面偏振光。

通过克尔盒时不改变振动方向。

到达Q时，因光的振动方向垂直于Q光轴而被阻挡（P、Q分别为起偏器和检偏器，安装时，它们的光轴彼此垂直。

），所以Q没有光输出；给克尔盒加以电压时，盒中的介质则因有外电场的作用而具有单轴晶体的光学性质，光轴的方向平行于电场。

这时，通过它的平面偏振光则改变其振动方向。

所以，经过起偏器P产生的平面偏振光，通过克尔盒后，振动方向就不再与Q光轴垂直，而是在Q光轴方向上有光振动的分量，所以，此时Q就有光输出了。

Q的光输出强弱，与盒中的介质性质、几何尺寸、外加电压大小等因素有关。

对于结构已确定的克尔盒来说，如果外加电压是周期性变化的，则Q的光输出必然也是周期性变化的。

由此即实现了对光的调制。

泡克耳斯盒里所装的是具有泡克耳斯效应的电光晶体，它的自然状态就有单轴晶体的光学性质，安装时，使晶体的光轴平行于入射光线。

因此，纵向调制的泡克耳斯盒，电场平行于光轴，横向调制的泡克耳斯盒，电场垂直于光轴。

二者比较，横调的两电极间距离短，所需的电压低，而且可采用两块相同的晶体来补偿因温度因素所引起的自然双折射，但横调的泡克耳斯盒的调制效果不如纵调的好，目前这两种形式的器件都很常用。

图2：

纵调的泡克耳斯电光调制器

图2为纵调的泡克耳斯电光调制器。

在不给泡克耳斯盒加电压时，由于P产生的平面偏振光平行于光轴方向入射于晶体，所以它在晶体中不产生双折射，也不分解为o、e光。

当光离开晶体达到Q时，光的振动方向没变，仍平行于M。

因M垂直于N，故入射光被Q完全阻挡，Q无光输出。

当给泡克耳斯盒加以电压时，电场会使晶体感应出一个新的光轴OG。

OG的方向发生于同电场方向相垂直的平面内。

由于这种电感应，便使晶体产生了一个附加的各向异性。

使晶体对于振动方向平行于OG和垂直于OG的两种偏振光的折射率不同，因此这两种光在晶体中传播速度也就不同。

当它们达到晶体的出射端时，它们之间则存在着一定的相位差。

合成后，总光线的振动方向就不再与Q的光轴N垂直，而是在N方向上有分量，因此，这时Q则有光输出。

泡克耳斯效应的时间响应也特别快，而且φ与U成线性关系，所以多用泡克耳斯盒来作电光调制器。

三、实验装置：

图3：

LiNbO3晶体静态特性曲线测量光路图

图4：

LiNbO3晶体静态特性曲线测量装置图

四、实验内容及步骤：

1.LiNbO3晶体静态特性曲线测量

a.按图3所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

b.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LD1，设置LD1工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。

c.将LiNbO3晶体控制电压驱动端连接至高压信号源输出HV+和HV-。

d.将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。

e.将LiNbO3晶体从测试光路中移开，将起偏器偏振方向调至与水平面成45°角，将检偏器调至与其正交。

再将LiNbO3晶体放回测试光路，调节其空间位置和倾斜角度，使入射光束与其表面垂直。

f.从0V开始设置HVS输出电压V，记录PD读数P。

g.0V至400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。

电压U/V

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

光强P/uA

0.729

6.262

5.927

5.404

5.077

4.818

4.627

4.512

4.458

4.476

4.54

电压U/V

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

光强P/uA

4.845

4.831

5.04

5.305

5.616

6.602

6.383

6.73

7.104

7.493

7.864

电压U/V

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

光强P/uA

8.223

8.551

8.854

9.142

9.362

9.563

9.721

9.839

9.92

9.98

10.022

h.保持光路不变，将HV+和HV-端口处两线交换。

i.0V至-400V每隔10V测一个点，记录相应的电压V和光强P，测量完毕后HVS置零。

电压U/V

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

光强P/uA

5.37

6.03

6.9

7.91

9.04

10.29

11.65

13.17

14.88

16.78

18.8

电压U/V

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

210

光强P/uA

21.02

23.39

26.02

28.75

31.68

34.82

38.05

41.48

45.03

48.75

52.3

电压U/V

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

光强P/uA

56.01

59.62

63.06

66.443

69.56

72.3

74.84

76.75

78.15

78.83

10.022

j.重复上述过程两次，共测得三组数据。

k.对各电压处的光强数据求平均，并作归一化处理，求得相对光强I，作I～V曲线，求该LiNbO3晶体半波电压。

实验十二　法拉第效应

一、实验目的：

1.了解法拉第效应的工作原理；

2.掌握磁光调制器件性能参数的测量方法；

二、实验原理简介：

原来没有旋光性的透明介质，如水、铅玻璃等，放在强磁场中，可产生旋光性，这种现象称为法拉第效应。

具体的现象是，把磁光介质放到磁场中，使光线平行于磁场方向通过介质时，入射的平面偏振光的振动方向就会发生旋转，转移角度的大小与磁光介质的性质、光程和磁场强度等因素有关。

对于不同的介质其振动面的旋转方向不同，顺着磁场方向看，使振动面向右旋的，称为右旋或正旋介质，反之，则称为左旋或负旋介质。

ψ＝VlBcosα

式中，ψ为振动面旋转的角度，l为光程，B为磁感应强度，α为光线与磁场的夹角，V为比例常数，称费尔德常数，单位rad/Tm，它与磁光介质和入射光的波长有关，是一个表征介质磁光特性强弱的参量。

对于给定的磁光介质，振动面的旋转方向只决定于磁场方向，与光线的传播方向无关。

这点是磁光介质和天然旋光介质之间的重要区别。

就是说，天然旋光性物质，它的振动面旋转方向不只是与磁场方向有关，而且还与光的传播方向有关。

例如，光线两次通过天然性的旋光物质，一次是沿着某个方向，另一次是与这个方向相反，观察结果，振动面并没旋转。

可是磁光物质则不同，光线以相反的两个方向两次通过磁光物质时，其振动面的旋转角是叠加的。

因此，在磁致旋光的情况下，使光线多次通过磁光物质可得到旋转角累加。

图1：

磁光调制器结构简图

磁光调制器就是根据法拉第效应制成的，其结构见图1。

将磁光介质（铁钇石榴石Y3Fe5O12或三溴化铬CrBr3）置于激磁线圈中。

在它的左右两边，各加一个偏振片。

安装时，使它们的光轴彼此垂直。

没有磁场时，自然光通过起偏振片变为平面偏振光通过磁光介质。

达到检偏振片时，因振动面没有发生旋转，光因其振动方向与检偏振片的光轴垂直而被阻挡，检偏振片无光输出。

有磁场时，入射于检偏振片的偏振光，因振动面发生了旋转，检偏振片则有光输出。

光输出的强弱与磁致的旋转角ψ有关。

这就是磁光调制器的工作原理。

三、实验装置：

图2：

法拉第效应实验光路图

图3：

法拉第效应实验装置图

四、实验内容及步骤：

1.消光法测量旋光玻璃ψ～B关系曲线

a.按图2所示结构放置各光学器件，并调节支架高度至各光学器件等高同轴。

b.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为30mA。

c.将电磁铁线圈接线端子连接至功率信号源输出PSG和GND。

置PSG于低压电源模式（LVS）。

d.将Si-PD信号输出连接至PD.IN，测量时注意选择合适量程。

e.将起偏器偏振方向调至与水平面平行，再将检偏器调至与其正交，记录检偏器刻度。

f.从0开始设置励磁电压V，将检偏器调至输出光强极小，记录检偏器角度θ。

g.0至15V每隔1V测一个点，记录相应的励磁电压V和检偏器角度θ。

h.由励磁电压V求磁感应强度B，由θ计算偏转角ψ，作旋光玻璃ψ～B关系曲线，求其费尔德常数。

（电磁铁磁感应强度与励磁电压关系为15.2mT/V）

电压U/V

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

检偏器角度

356

355

354

353

352

350

349

348

347

346

345

344

343

342

342

342

磁感应强度B/mT

0

15.2

30.4

45.6

60.8

76

91.2

106.4

121.6

136.8

152

167.2

182.4

197.6

212.8

228

实验十三　声光调制

一、实验目的：

1.了解声光调制的工作原理及相关特性；

2.掌握声光调制器件与偏转器件性能参数的测量方法；

二、实验原理简介：

声波在介质中传播时，会引起介质密度（折射率）周期性的变化，可将此声波视为一种条纹光栅，光栅的栅距等于声波的波长，当光波入射于声光栅时，即发生光的衍射，这就是声光效应。

声光器件是基于声光效应的原理来工作的，分为声光调制器和声光偏转器两类，它们的原理、结构、制造工艺相同，只是在尺寸设计上有所区别。

声光器件的基本结构如图1所示，由声光介质和换能器两部分组成。

常用的声光介质有钼酸铅晶体、氧化碲晶体和熔石英等。

换能器即超声波发生器，它是利用压电晶体使电压信号变为超声波，并向声光介质中发射的一种能量变换器。

图1：

声光器件的基本结构示意图

声光相互作用有两种情形：

1.正常光声相互作用。

介质的光学性质是各向同性的，介质的折射率与入射光的方向、偏振状态无关，此时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态相同。

可从各向同性介质中光的波动方程出发，利用介质应变与折射率变化之间的关系，来描述声光效应，可用声光栅来说明光在介质中的衍射。

2.反常声光相互作用。

介质的折射率与入射光的方向、偏振状态有关，需要考虑介质在光学性质上的各向异性。

这时，入射光的折射率、偏振状态与衍射光的折射率、偏振状态不同。

此时，就不能用声光栅来说明光在介质中的衍射现象了。

目前，多数的声光器件都是利用正常声光相互作用原理来制作的，所以可用声光栅来分析。

若掠射角θi＝0，即入射光平行于声光栅的栅线入射时，声光栅所产生的衍射光图案和普通光学光栅所产生的衍射光图案类似，也是在零级条纹两侧，对称地分布着各级衍射光的条纹，而且衍射光强逐级减弱。

这种衍射称为喇曼-奈斯衍射。

理论分析指出，衍射光强和超声波的强度成正比例。

因此，即可利用这一原理来对入射光进行调制。

调制信号如果是非电信号的话，首先要把它变为电信号，然后作用到超声波发生器上，使声光介质产生的声光栅与调制信号相对应。

这时入射激光的衍射光强，则正比于调制信号的强度。

这就是声光调制器的原理。

图2：

声光调制和声光偏转原理示意图

掠射角θi≠0时，一般情况下，衍射光都很弱，只有满足条件θi＝θR＝K/2k时，衍射光最强。

上式称为布拉格条件。

此时的衍射光是不对称的，只有正一级或负一级。

衍射效率（衍射光强与入射光强之比）可接近100%。

这种衍射称为布拉格衍射。

掠射角θi与衍射角θd之和，也称为偏转角α。

即α＝θi+θd＝2θB≈λ/Λ＝F·λ/v式中，v和F分别为超声波在介质中的传播速度和频率。

可见，偏转角正比于超声波的频率，故改变超声波的频率（实际是改变换能器上电信号的频率）即可改变光束的出射方向，这就是声光偏转器的原理。

声光调制和声光偏转原理示意见图2。

三、实验装置：

图3：

声光调制实验光路图

图4：

声光调制实验装置图

四、实验内容及步骤：

1.实验装置连接

a.按图3所示结构放置各光学器件，注意使声光调制器与摄像头之间有足够的距离。

调节各支架高度至各光学器件等高同轴。

b.将635nm半导体激光器控制电缆连接至LDC，设置LDC工作模式为ACC，设置驱动电流Ic为20mA。

c.摄像头不需镜头。

连接摄像头信号输出至视频捕捉卡输入端AV1，接通摄像头电源。

d.运行图像测试软件。

e.调节声光调制器位置和角度，使得激光光束穿过声光调制器中心，并入射到摄像头CCD器件中心。

调节图像亮度、对比度等参数至最佳状态。

f.连接函数信号发生器输出SIG至声光调制器射频信号输入端，此信号经三通连接至示波器CH1，置示波器与CH1同步。

2.声光调制器I~V关系曲线测量

a.设置SIG工作模式（SIGWAV）为正弦波（SIN），信号幅度调至最大。

观察示波器，在10到30MHz范围内，细调SIG输出频率至有最大输出幅度处。

b.调节SIG输出信号幅度，峰峰值（Vpp）从0V到最大幅度每隔1V测一个点，记录相应的信号幅度V和衍射光斑强度I

c.作声光调制器I~V关系曲线

3.声光调制器θ~f关系曲线测量

a.将射频信号幅度调至最大。

b.使用示波器测量频率，从15到25MHz每隔0.5MHz测一个点，记录相应的信号频率f和两侧衍射光斑位置dL、dR。

c.由衍射光斑位置dL、dR求衍射光斑角度，作声光调制器θ~f关系曲线。

f（MHZ）

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

d（mm）

6.3

6.5

7.3

7.8

8

8.3

8.6

8.2

8

7.9

7.9

偏转角（*10^-4）

5.56

5.736

6.443

6.884

7.061

7.325

7.59

7.237

7.061

6.973

6.973

实验十四　液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量

一、实验目的：

1.了解液晶显示技术的物理基础和相关特性；

2.掌握液晶显示器件特性参数的测量方法；

二、实验原理：

通常固体加热或浓度减少后可以变成透明液体，其组成原子或分子由整齐的有序排列转变为无序排列。

同样物体随着温度降低或浓度的增加，可以从液体向固体转变，由无序排列转变为整齐的有规则的排列。

有些有机材料却不是直接从固体变液体，或者液体变固体，而是先经过一个中间状态，这种中间状态的外观是流动性的混浊液体，但其分子组成单元却转变为整齐、有规则的排列：

每个组成单元都处在一定的位置，规则地排列。

这种能在某个温度范围内兼有液体和晶体二者特性的物质称为液晶，它是不同于通常固体、液体和气体的一种新的物质状态。

物质中基本组成单元非球形结构的很多，从形状上来看，有棒形、盘形等；从结构上看是复合结构，而它们都具有介于严格的液体与严格的晶体之间的中介相，即液晶。

显示技术应用最广的是由简单的杆形有机分子（即刚性棒状分子）为组成单元的液晶。

液晶由奥地利植物学家莱尼次尔（F.Reinitzer）于1988年发现。

他在测定有机物的熔点时，惊奇地发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）溶化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有在继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体；第二年，德国的物理学家莱曼（O.Lehmann）使用由他亲自设计、在当时最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察，发现这类白色浑浊的液体在外观上虽然属于液体，但却显示出光学中各向异性晶体特有的双折射特性。

莱曼将其命名为“液体晶体”，这就是液晶名称的由来。

液晶物质基本上都是有机化合物，从其成分和物理条件上可分为热致液晶和溶致液晶。

后者主要在生物系统中大量存在，采用溶剂破坏结晶晶格，而热致液晶是加热破坏结晶品格而形成的，主要用于显示液晶材料。

液晶一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有像晶体一样的各向异性（在晶格结点上作有规则的排列，即三维有序），这种液体和晶体之间的中间物质是一种有序的流体。

各类液晶具有不同的结构和性质，液晶分子排列没有晶体结构那样牢固，容易受到电场、磁场、温度等外部因素影响，使其各种光学性质发生变化。

液晶的这种作用微弱的分子排列正是液晶能开拓广泛应用的关键条件。

液晶是单轴晶体。

单轴晶体是只有一个光轴的晶体，三个互相垂直的主轴x、y、z沿三个主轴方向的介电常数εx、εy、εz有εx=εy≠εz，折射率nx=ny=nz,nz=ne。

在单晶中，z轴方向称为光轴方向，o光和e光都是线偏振光，其振动方向互相垂直。

由此，液晶具有特别有用的光学特性。

1）能使入射光的前进方向向液晶分子长轴即指向矢量n的方向偏转

图1:

射入液晶的光线的前进方向

2）能改变入射光的偏振状态（线偏振、圆偏振、椭圆偏振）或偏振方向

3）能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者投射。

图1为射入液晶的光线的前进方向的变化图，其中图（a）、（b）为光线垂直地入射两个均匀的各向同性介质界面，即使折射率不同光仍然照直前进。

而对图（c）、（d）而言就要考虑到液晶是各向异性物质，而且还要考虑到液晶的分子轴和入射光线不同的方向，它可分解为垂直于纸面的偏振光。

偏振光分为两部分，一部分的偏振平行分子长轴，另一部分垂直于分子长轴。

平行于分子轴和垂直于分子轴方向的速度只是由V∥=C∥/n⊥，V⊥=C⊥/n∥所决定，这两部分光的矢量都与液晶分子长轴垂直，V∥=V⊥，光线照直前进，光不发生折射，即是单轴晶体中的寻常光o光。

另一方面，可把入射光的偏振面与纸平面平行光线分成两个部分传播,其一部分偏振面平行于分子长轴，另一部分偏振面垂直于分子长轴；此时，

V∥=C∥/n⊥=Ccosθ/n⊥V⊥=C⊥/n∥=Csinθ/n∥

由于n∥>n⊥，所以V∥>V⊥。

所以光速合成方向与液晶长轴夹角变小，光线方向向液晶分子长轴方向靠拢，这束光即是单轴晶体中的非寻常光e光。

综上所述，一入射光既可产生寻常光，也可产生非寻常光，这就说明液晶体中发生了双折射，对液晶而言分子长轴就是光轴。

液晶之所以作为显示材料有两大特性：

①可使入射光偏向分子轴方向

②可使入射光的偏振方向发生改变。

液晶显示器基本结构

两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒，是液晶显示器的基本结构。

不同类型的液晶显示器件的部分部件可能会有不同，有的不要偏光片，如TN型。

如图2，将两片已光刻好的透明导电电极图案的平板玻璃相对放置在一起，间距约为7um。

四周用环氧树脂密封制接一个扁平的玻璃盒。

但在一个侧面封接边上留下一个开口，通过抽真空将液晶注入，然后将此用胶封住，再在前后导电玻璃外侧正交地贴上偏振片即构成一个液晶显示器。

图2：

TN型液晶显示器结构图

由于玻璃盒内侧的定向层作用，夹在中间的液晶分子长轴沿玻璃面并行，并在两片玻璃基片之间连续扭曲90°，这种TN型排列盒的扭矩远远大于可见光波长。

因偏光片有一个固定的偏光轴，偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向相同的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光被其吸收，当光源射来的光经过偏振片，变成垂直线偏振光射入液晶盒内的过程中，就被液晶分子旋转了90°，呈水平线偏振光，再由水平光轴的检偏器（偏光片）射出，经反射片反射，按原光路折回射出，呈亮视场。

这样光通过检偏器的量的大小，取决于线偏振光经过液晶盒后的偏振状态，从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示。

如图3所示。

（a）不通电时光透过（b）通电时光不透过

图3：

TN型器件分子排布与透过光示意

然而一旦对90°扭曲排列的液晶盒施加电压（电场），液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜（是极性分子）。

当外在电压达到一定值（2Uth）时，分子会沿着电场方向重新排列，从而导致90°旋光性消失，因而垂直偏振光无法透过水平光轴的光检偏振片，也就不能被反射，所以形成暗视场，这就是电光效应。

无外加电压时，将TN液晶盒置于两块平行偏光片之间时，光线不能通过；而置于两块垂直的偏光片之间时，光线就能通过。

有外加电压时，TN液晶盒在两平行偏光片之间时光线能通过；而在两块垂直的偏光片之间时，光线不能通过，与不施加电场的情况完全相反。

对于白底黑字型的液晶显示器，上下偏光片是正交放置的，即偏光轴相互垂直，入射自然光经上偏光片后，变成平面偏振光。

在液晶未施加电场时，偏振光将顺着分子的扭曲