液晶显示器(LCD)电光特性曲线测量 [实验目的] 1.了解液晶显示技术的物理基础和相关特性： 2.掌握液品显示器件特性参数的测量方法： [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品，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(？.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 (0.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”，这就是液品名称的由来。 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 晶是加热破坏环结晶品格而形成的，主要用于显示液晶材料
液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量 [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； [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。 1
液品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（在品格结点上作有规则的排列，即三维有序），这种液体和品体之间 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ex、ee有e=e,≠e,折射率n=n,=n,n=n。 在单晶中，z轴方向称为光轴方向，o光和光都是线偏振光，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品分子长轴即指向矢量的方向偏转 入射光线 边界 （a)均匀介质)液品 （液品(d液品 楼示垂直于纸面的偏振光 一表示与纸面平行的偏光 表示液品分子 图1：射入液品的光线的前进方向 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()、(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)、()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Vw=C,/血，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=V1,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 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， 2
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， 2
V=C/n_=Ccos 0/n V=C/n=Csin 0/n 由于w>加1，所以Vw>V:。所以光速合成方向与液品长轴夹角变小，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品层，封接成一个扁平盒，是液品显示器的基本结 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7m。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。 液品层 取向层 电极 过渡电极 一封接框 玻璃 电极 光片 反射片 图2：TN型液品显示器结构图 由于玻璃盒内侧的定向层作用，夹在中间的液品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
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 扭矩远远大于可见光波 长。 曲 90°，这种 TN 型排列盒的 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。 3
偏振片 (a)不通电时光透过 (6)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(2U)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，N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 将顺着分子的扭曲结构扭转90°，振动的方向变成和检偏器（下偏光片）的偏光 轴一致，因此可顺利通过检偏器呈亮视场，处于非显示态。当施加电场时（即加 电压到有关电极时)，由于偏振方向与检偏器方向（光轴）垂直，该液晶盒分子扭 曲结构消失，丧失了旋光能力，偏振光无法透过检偏器，呈现出暗视场，处于显 示态。而当电场撤除以后，液品分子受取向层表面（定向层）的作用，恢复原来的 扭曲状态（排列），显示器又变得透明。若采用适当的液晶和合适的电压，也可显 示中间色调，即在“全亮”与“全暗”之间产生连续变化的灰度级。这就是液品 的电光效应： 液晶的电光效应是指液晶在外电场下的分子排列状态发生变化，从而引起液 ￥
(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 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 情况完全相反。 ，偏振光 将顺 加电压(电场)，液晶分子的长轴就开 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 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 着分子的扭曲结构扭转 90°，振动的方向变成和检偏器(下偏光片)的偏光 轴一致，因此可顺利通过检偏器呈亮视场，处于非显示态。当施加电场时(即加 电压到有关电极时)，由于偏振方向与检偏器方向(光轴)垂直，该液晶盒分子扭 曲结构消失，丧失了旋光能力，偏振光无法透过检偏器，呈现出暗视场，处于显 示态。而当电场撤除以后，液晶分子受取向层表面(定向层)的作用，恢复原来的 扭曲状态(排列)，显示器又变得透明。若采用适当的液晶和合适的电压，也可显 示中间色调，即在“全亮”与“全暗”之间产生连续变化的灰度级。这就是液晶 的电光效应。 液晶的电光效应是指液晶在外电场下的分子排列状态发生变化，从而引起液 4
晶品盒的光学性质随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和 电导各向异性，因此外加电场能使液品分子发生变化进行光调制：同时由于双折 射特性，可以显示旋光性、光干涉、光散射等特殊的光学性质。 液晶在电场（即外加电压）的作用下将引起投射光强度的变化，其电光特性曲 线如图4所示。 正型电光曲线 负型电光曲线 图4-a:常白型液晶显示器件的电光曲线图4-b:常黑型液晶显示器件的电光曲线 如果选择在液晶盒两画放置互相正交的偏振片，在不加外加电压时，投射光 强度最大，随外加电压的增加，它的投射光强度开始减弱，当外加电压达到一定 值时，投射光强度下降速率陡增（加快）：而达到，值时，可近似认为投射光强 度最小(10%)，即扭转结构消失，丧失旋光能力，如图4-a所示。如果选择在液 晶盒两面放置平行偏光片，在未加外加电压时，或外加电压的值小于一定值 (U),投射光强度几乎不发生变化（很小）：而当外加电压超过一定值(U)时， 投射光强度开始逐渐增大（变化较快）：而当外加电压增大到一定数值（心）后，投 射光强度达到最大值以后，投射光的强度不随外加电压变化，如图4-b所示。 引起投射光强度明显变化的起始电压称为阀值电压(U),正型电光曲线90 %,负型电光曲线10%，标志了液晶电光效应可观察透视光强度变化（±10%） 驱动电压的有效值。它的值越小，则显示器的工作电压越低。TN型一般为2V左 右，动态散射型(DS型)为7N左右。 液晶显示器亮度变化达到最大变化量的90%时驱动电压的有效值称为饱和 电压，标志着显示器得到最大或最小对比度的外加驱动电压有效值，小易获 得良好的显示效果，功耗低。 液晶显示器是被动发光型器件，不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度， 对比度Cr=Tmax最大投射光强度/Tmin最小投射光强度
晶盒的光学性质随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和 电导 线如图 4 所示。 各向异性，因此外加电场能使液晶分子发生变化进行光调制；同时由于双折 射特性，可以显示旋光性、光干涉、光散射等特殊的光学性质。 液晶在电场(即外加电压)的作用下将引起投射光强度的变化，其电光特性曲 正型电光曲线 负型电光曲线 图 4-a：常白型液晶显示器件的电光曲线 图 4-b：常黑型液晶显示器件的电光曲线 强度最大，随外加电压的增加，它的投射光强度开始减弱，当外加电压达到一定 值Uth 驱动 对比度的外加驱动电压有效值，US小易获 得良 投射光强度/Tmin 最小投射光强度 如果选择在液晶盒两画放置互相正交的偏振片，在不加外加电压时，投射光 时，投射光强度下降速率陡增(加快)；而达到US值时，可近似认为投射光强 度最小(10％)，即扭转结构消失，丧失旋光能力，如图 4-a所示。如果选择在液 晶盒两面放置平行偏光片，在未加外加电压时，或外加电压的值小于—定值 (Uth )，投射光强度几乎不发生变化(很小)；而当外加电压超过一定值(Uth )时， 投射光强度开始逐渐增大(变化较快)；而当外加电压增大到—定数值(US)后，投 射光强度达到最大值以后，投射光的强度不随外加电压变化，如图 4-b所示。 引起投射光强度明显变化的起始电压称为阀值电压(Uth )，正型电光曲线 90 ％，负型电光曲线 10％，标志了液晶电光效应可观察透视光强度变化（±10％) 电压的有效值。它的值越小，则显示器的工作电压越低。TN型一般为 2V左 右，动态散射型(DS型)为 7V左右。 液晶显示器亮度变化达到最大变化量的 90％时驱动电压的有效值称为饱和 电压US，标志着显示器得到最大或最小 好的显示效果，功耗低。 液晶显示器是被动发光型器件，不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度。 对比度 Cr=Tmax 最大 5