工程光學(xué)課程設(shè)計論文設(shè)計（論文）題目電光效應(yīng)學(xué)院名稱核技術(shù)與自動化工程專業(yè)名稱測控技術(shù)與儀器專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號2013060101任課教師趙曉云設(shè)計（論文）成績教務(wù)處制2015年07月04日目錄摘要1液晶電光效應(yīng)實驗21實驗?zāi)康?2實驗原理221液晶電光效應(yīng)222電光調(diào)制原理323液晶光開關(guān)的工作原理524液晶光開關(guān)響應(yīng)時間特性725液晶光開關(guān)的視角特性726液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法83實驗內(nèi)容931實驗儀器932實驗步驟及數(shù)據(jù)處理114實驗總結(jié)15摘要本報告介紹了電光效應(yīng)原理，并利用電光效應(yīng)完成了電光調(diào)制實驗。電光效應(yīng)是一種重要的物理現(xiàn)象，是指各向同性的介質(zhì)在外電場作用下顯示出光學(xué)各向異性，表現(xiàn)為折射率因外電場而發(fā)生變化的一種現(xiàn)象。利用電光效應(yīng)將調(diào)制電壓加載到光波上的技術(shù)就叫電光調(diào)制。電光調(diào)制根據(jù)所施加的電場方向的不同，可分為縱向電光調(diào)制和橫向電光調(diào)制。本實驗完成用液晶電光效應(yīng)的電光調(diào)制。關(guān)鍵詞電光效應(yīng)電光調(diào)制液晶電光效應(yīng)常黑狀態(tài)常白狀態(tài)液晶電光效應(yīng)實驗1實驗?zāi)康模?）根據(jù)液晶的電光效應(yīng)特性，可制成光開關(guān)器件。在掌握液晶光開關(guān)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，測量液晶光開關(guān)的電光特性曲線，并由電光特性曲線得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。（2）測量驅(qū)動電壓周期變化時，液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)曲線，并由時間響應(yīng)曲線得到液晶的上升時間和下降時間。（3）測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。（4）了解液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像矩陣的方法，學(xué)習(xí)和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構(gòu)成文字和圖形的顯示模式，從而了解一般液晶顯示器件的工作原理。2實驗原理21液晶電光效應(yīng)液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。它既有液體的流動性，又有晶體的取向特性。目前液晶材料都是長型分子或盤型分子的有機化合物，是一種非線性的光學(xué)材料。當(dāng)液晶分子有序排列時表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，光通過液晶時，會產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱為液晶的電光效應(yīng)。液晶是1888年奧地利植物學(xué)家REINITZER在做有機物溶解實驗時，在一定的溫度范圍內(nèi)觀察到的，1961年美國RCA公司的HEIMEIER發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光效應(yīng)，并制成了顯示器件。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動電壓低一般為幾伏，功耗極小，體積小，壽命長，環(huán)保無輻射等優(yōu)點，在當(dāng)今已廣泛應(yīng)用于各種顯示器件中。22電光調(diào)制原理LN晶體橫向電光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖2當(dāng)光經(jīng)過起偏器P后變成振動方向為OP的線偏振光，進入晶體Z0后被分解為沿X和Y軸的兩個分量，因為OP與X軸、Y軸的夾角都是45，所以位相和振幅都相等。即，于是入射光的強度為AOEYX當(dāng)光經(jīng)過長為L的LN晶體后，X和Y分量之間就產(chǎn)生位相差，即從檢偏器A（它只允許OA方向上振動的光通過）出射的光為LEX和LEY在OA軸上的投影之和于是對應(yīng)的輸出光強為將輸出光強與輸入光強比較，再考慮（11）式和（12）式，最后得到為透射率，它與外加電壓V之間的關(guān)系曲線就是光強調(diào)制特性曲線，本實II/0驗就是通過測量透過光強隨加在晶體上電壓的變化得到半波電壓V。如上圖所示，透過率與V的關(guān)系是非線性的，若不選擇合適的工作點會使調(diào)制光強發(fā)生畸變，但在VV/2附近有一直線部分（即光強與電壓成線性關(guān)系），這就是線性調(diào)制部分。為此，我們在調(diào)制光路中插入一個/4波片，其光軸與OP成45角，它可以使X和Y兩個分量間的位相有一個固定的/2位相延遲，這時若外加電場是一個幅度變化不太大的周期變化電壓，則輸出光波的光強變化與調(diào)制信號成線性關(guān)系，即其中V是外加電壓，可以寫成，但是如果VM太大，就會發(fā)生畸變，輸出光強中將包含奇次高次諧波成份。當(dāng)時，。23液晶光開關(guān)的工作原理均勻扭曲排列起來的液晶結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達(dá)輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90。在施加足夠電壓情況下一般為12伏，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列（上下兩電極形成的空間相當(dāng)于平行板電容器）。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)。下圖為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100）與外加電壓的關(guān)系。由下圖可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達(dá)到最低點，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓透過率為90時的驅(qū)動電壓；關(guān)斷電壓透過率為10時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動，故常用于數(shù)碼顯示。在電腦，電視等需要高分辨率的顯示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善電光特性曲線的陡度，增加驅(qū)動路數(shù)。24液晶光開關(guān)響應(yīng)時間特性曲線如圖所示，定義上升時間R透過率由90降到10所需的時間下降時間R為光透過率由10升到90所的時間。上述的定義是對常白型的液晶而言不同的液晶其D和R是不同的，除了與材料有關(guān)以外,還與電光效應(yīng)、粘滯系數(shù)、彈性系數(shù)K節(jié)及液晶膜的厚度D有關(guān)，液晶顯示器的響應(yīng)時間是比較大的。上升時間；透過率從10升到90所需要的時間。下降時間透過率由90降到10所需要的時間。液晶響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。25液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強度之比，對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。下圖表示了某種液晶視角特性的理論計算結(jié)果。下圖中，用與原點的距離表示垂直視角（入射光線方向與液晶屏法線方向的夾角）的大小。圖中3個同心圓分別表示垂直視角為30，60和90度。90度同心圓外面標(biāo)注的數(shù)字表示水平視角（入射光線在液晶屏上的投影與0度方向之間的夾角）的大小。圖中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。由圖可以看出，液晶的對比度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對稱性。若我們把具有下圖所示視角特性的液晶開關(guān)逆時針旋轉(zhuǎn)，以220度方向向下，并由多個顯示開關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對稱，在左，右和俯視3個方向，垂直視角接近60度時對比度為5，觀看效果較好。在仰視方向?qū)Ρ榷入S著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。液晶視角特性26液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法液晶顯示器通過對外界光線的開關(guān)控制來完成信息顯示任務(wù)，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點在于能耗極低。我們可以利用液晶光開關(guān)來實現(xiàn)圖形和圖像顯示任務(wù)。矩陣顯示方式，是把圖（A）所示的橫條形狀的透明電極做在一塊玻璃片上，叫做行驅(qū)動電極，簡稱行電極（常用XI表示），而把豎條形狀的電極制在另一塊玻璃片上，叫做列驅(qū)動電極，簡稱列電極（常用SI表示）。把這兩塊玻璃片面對面組合起來，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。為了畫面簡潔，通常將橫條形狀和豎條形ITO電極抽象為橫線和豎線，分別代表掃描電極和信號電極，如圖（B）所示欲顯示圖（B）的那些有方塊的像素，首先在第A行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(yīng)電極C、D上加上低電平，于是A行的那些帶有方塊的像素就被顯示出來了。然后第B行加上高電平，其余行加上低電平，同時在列電極的對應(yīng)電極B、E上加上低電平，因而B行的那些帶有方塊的像素被顯示出來了。然后是第C行、第D行，余此類推，最后顯示出一整場的圖像。這種工作方式稱為掃描方式。這種分時間掃描每一行的方式是平板顯示器的共同的尋址方式，依這種方式，可以讓每一個液晶光開關(guān)按照其上的電壓的幅值讓外界光關(guān)斷或通過，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。3實驗內(nèi)容31實驗儀器本實驗所用儀器為液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀，如下液晶光開關(guān)電光特性綜合實驗儀外部結(jié)構(gòu)如下所示其按鈕功能為模式轉(zhuǎn)換開關(guān)切換液晶的靜態(tài)和動態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時，所有的液晶單元所加電壓相同，在（動態(tài)）圖像顯示時，每個單元所加的電壓由開關(guān)矩陣控制。同時，當(dāng)開關(guān)處于靜態(tài)時打開發(fā)射器，當(dāng)開關(guān)處于動態(tài)時關(guān)閉發(fā)射器；靜態(tài)閃爍/動態(tài)清屏切換開關(guān)當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時候，此開關(guān)可以切換到閃爍和靜止兩種方式；當(dāng)儀器工作在動態(tài)的時候，此開關(guān)可以清除液晶屏幕因按動開關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點；供電電壓顯示顯示加在液晶板上的電壓，范圍在000V760V之間；供電電壓調(diào)節(jié)按鍵改變加在液晶板上的電壓，調(diào)節(jié)范圍在0V76V之間。其中單擊按鍵（或按鍵）可以增大（或減?。?01V。一直按住按鍵（或按鍵）2秒以上可以快速增大（或減?。┕╇婋妷?，但當(dāng)電壓大于或小于一定范圍時需要單擊按鍵才可以改變電壓；透過率顯示顯示光透過液晶板后光強的相對百分比；透過率校準(zhǔn)按鍵在接收器處于最大接收狀態(tài)的時候（即供電電壓為0V時），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵3秒可以將透過率校準(zhǔn)為100；如果供電電壓不為0，或顯示小于“250”，則該按鍵無效，不能校準(zhǔn)透過率。液晶驅(qū)動輸出接存儲示波器，顯示液晶的驅(qū)動電壓；光功率輸出接存儲示波器，顯示液晶的時間響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來得到液晶響應(yīng)時間的上升時間和下降時間；擴展接口連接LCDEO信號適配器的接口，通過信號適配器可以使用普通示波器觀測液晶光開關(guān)特性的響應(yīng)時間曲線；發(fā)射器為儀器提供較強的光源；液晶板本實驗儀器的測量樣品；接收器將透過液晶板的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過率顯示表；開關(guān)矩陣此為1616的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實驗；液晶轉(zhuǎn)盤承載液晶板一起轉(zhuǎn)動，用于液晶的視角特性實驗；電源開關(guān)儀器的總電源開關(guān)。32實驗步驟及數(shù)據(jù)處理【1】將液晶板插入裝盤插槽，打開電源開關(guān)，點亮光源，預(yù)熱十分鐘左右。將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于靜態(tài)模式，將透光率顯示校準(zhǔn)為100，按下表外加電壓值調(diào)節(jié)外加電壓，并記錄透過率。外加電壓與透過光強關(guān)系表（表一）外加電壓/V0050810121314151617234561101100100973746576401267171112676565629989989979774257,23962621711159696459563998997996967739563397261681095767625753透射率平均1002998399779774235703398263169711075876,8763758755由表一可得前文所述的液晶光開關(guān)特性曲線，得到關(guān)斷電壓為18V左右，閾值電壓11V左右?！?】液晶的時間響應(yīng)的測量模式開關(guān)仍為靜態(tài)，外加電壓調(diào)0，透過率置100，然后將外加電壓調(diào)至2V，在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下，從光功率輸出端輸出信號，并用存儲示波器觀察開關(guān)時間響應(yīng)特性曲線，得到上升時間、下降時間?！?】液晶光開關(guān)視角特性的測量（1）水平方向視角特性將液晶板按水平方向插入卡槽，模式開關(guān)為靜態(tài)，外加電壓調(diào)0，透過率置100，按下表所示角度記錄透過率TH，然后將外加電壓調(diào)至2V，同樣轉(zhuǎn)動角度記錄透過率TL。最后計算TH/TL填入下表（表二）角度（度）757060504030201001020304050607075TH35247869839928972996994994100101100968888751534392TL4651534848494848484848484953656353水平方向TH/TL765931130217481933198420752072072082062041931671158574（2）垂直方向視角特性將液晶板按垂直方向插入卡槽，模式開關(guān)為靜態(tài)，外加電壓調(diào)0，透過率置100，按下表所示角度記錄透過率TH，然后將外加電壓調(diào)至2V，同樣轉(zhuǎn)動角度記錄透過率TL。最后計算TH/TL填入下表（表三）角度（度）757060504030201001020304050607075TH3855016675281888693798993984949902844795731582458TL38451568873161741228994579208408611745752611466垂直方向TH/TL10970961031,33216411992207473456221138107097095098【4】液晶顯示器顯示原理將模式轉(zhuǎn)換開關(guān)置于動態(tài)（圖像顯示）模式。液晶供電電壓調(diào)到5V左右。此時矩陣開關(guān)板上的每個按鍵位置對應(yīng)一個液晶光開關(guān)象素。初始時各相素都處于開通狀態(tài)，按1次矩陣開光板上的某一按鍵，可改變相應(yīng)液晶相素的通斷狀態(tài)，所以可以利用點陣輸入關(guān)斷（或點亮）對應(yīng)的象素，使暗相素（或點亮象素）組合成一個字符或文字。以此讓學(xué)生體會液晶顯示器件組成圖像和文字的工作原理。矩陣開關(guān)板右上角的按鍵為清屏鍵，用以清除已輸入在顯示屏上的圖形。顯示圖形展示4實驗總結(jié)本次實驗成功的完成了液晶光開關(guān)的光特性曲線測量，完成了液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓測量，并顯示出了光開關(guān)的時間響應(yīng)曲線，研究了液晶顯示器的平行及垂直視角特性，用液晶矩陣輸出了圖形。通過此次課程設(shè)計實驗，充分理解了電光效應(yīng)，理解了液晶顯示原理。參考文獻光學(xué)教程（第二版）葉玉堂編著學(xué)生學(xué)習(xí)心得基于對實驗原理的充分了解，