第5章设计性与应用性实验:247.成像操作：对采集的数据进行成像处理，处理的时候可以移动调整门限来调整成像图，信号放大／信号减小：对接收信号的显示强度进行放大和缩小，串口通信：用于启动和关闭通信口，启动后串口状态显示“END”，关闭后显示“Close！！”坐标点一/坐标点二：显示坐标点的具体坐标，分别对应时间和距离，表示该时刻超声传感器扫过物体时对应的垂直距离，平均速度：两坐标点之间的平均速度.回波时间：显示发射脉冲波到接收回波之间的时间5.7液晶电光效应及其应用【引言】液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性，当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应，液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会接电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应1888年，奥地利植物学家Reinitzer在做有机物溶解实验时，在一定的温度范围内观察到液晶.1961年美国RCA公司的Heimeier发现厂液晶的一系列电光效应，并制成厂显示器件从70年代开始，日本公司将液晶与集成电路技术结合，制成了一系列的液晶显示器件，并至今在这一领域保持领先地位液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功耗极小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势【实验目的】1.学习液晶光开关的基本工作原理；2.了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性：3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理【实验原理】1.液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，本实验以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，其光开关的结构如图5-7-1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子，其形状如同火柴棍一样，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那些液晶分子因范德凡尔斯力的作用，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真，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极到下电极均匀扭曲了90°如图5-7-1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的液晶分子传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90°.取两张偏振片P1、P2贴在玻璃的两面，其透光轴分别与上下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交
成像操作:对采集的数据进行成像处理,处理的时候可以移动调整门限来调整成像图. 信号放大/信号减小:对接收信号的显示强度进行放大和缩小. 串口通信:用于启动和关闭通信口,启动后串口状态显示“END暠,关闭后显示“Close!! 暠. 坐标点一/坐标点二:显示坐标点的具体坐标,分别对应时间和距离,表示该时刻超声传感器扫过物体时 对应的垂直距离. 平均速度:两坐标点之间的平均速度. 回波时间:显示发射脉冲波到接收回波之间的时间. 5.7 液晶电光效应及其应用 暰引言暱 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态.一般的液体内部分子排列是无序的,而液晶 既具有液体的流动性,其分子又按一定规律有序排列,使它呈现晶体的各向异性.当光通过液 晶时,会产生偏振面旋转,双折射等效应.液晶分子是含有极性基团的极性分子,在电场作用 下,偶极子会按电场方向取向,导致分子原有的排列方式发生变化,从而液晶的光学性质也随 之发生改变,这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应. 1888年,奥地利植物学家 Reinitzer在做有机物溶解实验时,在一定的温度范围内观察到 液晶.1961年美国 RCA 公司的 Heimeier发现了液晶的一系列电光效应,并制成了显示器件. 从70年代开始,日本公司将液晶与集成电路技术结合,制成了一系列的液晶显示器件,并至今 在这一领域保持领先地位.液晶显示器件由于具有驱动电压低(一般为几伏),功耗极小,体积 小,寿命长,环保无辐射等优点,在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势. 暰实验目的暱 1.学习液晶光开关的基本工作原理; 2.了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性; 3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理. 暰实验原理暱 1.液晶光开关的工作原理 液晶的种 类 很 多,本 实 验 以 常 用 的 TN(扭 曲 向 列)型 液 晶 为 例,其 光 开 关 的 结 构 如 图5灢7灢1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子,其形状如同火柴棍一样,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.上下电极之间的那些液晶分子因范德 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到下电极均匀扭曲了90曘.如图5灢7灢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 面透过扭曲排列的液晶分子传播到下电极表面时,偏振方向会旋转90曘.取两张偏振片 P1、P2贴 在玻璃的两面,其透光轴分别与上下电极的定向方向相同,于是P1和P2的透光轴相互正交. 第5章 设计性与应用性实验 ·247·
大学物理实验:248:入射的自然光偏振片P1扭曲排列的液光波导已被晶分子具有光电场拉伸波导效应LIN偏振片P2出射光5-7-1液晶光开关的工作原理在未加驱动电压的情况，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1～2伏），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，成了均勾结构，如图5-7-1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.上述这种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2.液晶光开关的特性透过率T(%)（1）电光特性100闵值电压图5-7-2为光线垂直液晶面入射时本实80验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透60射率为100%）与外加电压的关系，40由图可见，对于常白模式的液晶，其透20关新电压电压(V)射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定→3+电压下达到最低点，此后略有变化：可以根123A56图5-7-2液晶光开关的电光特性曲线据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压（透过率为90%时的驱动电压）和关断电压（透过率为10%时的驱动电压）液晶的电光特性曲线越陡，即阅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（2）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t，和下降时间t。描述，给液晶开关加上一个如图5-7-3上图所示的周期性变化的电压，就可以得到下图所示液晶的时
5灢7灢1 液晶光开关的工作原理 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曘,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1~2伏),在静电场的作用下,除了基片附近的液晶分子 被基片“锚定暠以外,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5灢7灢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. 上述这种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. 2.液晶光开关的特性 图5灢7灢2 液晶光开关的电光特性曲线 (1)电光特性 图5灢7灢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 (透过率为90% 时的驱动电压)和关断电压(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. (2)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,用上升时间氂r 和下降时间氂d 描述. 给液晶开关加上一个如图5灢7灢3上图所示的周期性变化的电压,就可以得到下图所示液晶的时 ·248· 大学物理实验
第5章设计性与应用性实验：249间响应曲线，上升时间（透过率由10%升到90%所需时间）和下降时间（透过率由90%降到10%所需时间）.VA透过率490%10%tkT.图5-7-3液晶光开关时间响应特性曲线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，（3）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5-7-4表示了某种液晶的视角特性，如左图所示，入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角为垂直视角，入射光线在液晶屏上的投影与轴夹角为水平视角：右图所示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：图中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线，300240图5-7-4液晶光开关视角特性可以看出，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5-7-4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度时对比度为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，3.液晶光开关图像显示矩阵的原理液晶显示器通过对外部光源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
间响应曲线,上升时间(透过率由10% 升到90% 所需时间)和下降时间(透过率由90% 降到 10% 所需时间). 图5灢7灢3 液晶光开关时间响应特性曲线 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. (3)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5灢7灢4表示了某种液晶的视角特性,如左图所示,入射光线方向与液晶屏法线方向的夹 角为垂直视角,入射光线在液晶屏上的投影与x轴夹角为水平视角;右图所示同心圆分别表示 垂直视角为30曘,60曘和90曘.90曘同心圆外面标注的数字表示水平视角;图中的闭合曲线为不同 对比度时的等对比度曲线. 图5灢7灢4 液晶光开关视角特性 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5灢7灢4所示视角特性的液晶开关逆时针旋转,以220曘方向向下,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度 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. 3.液晶光开关图像显示矩阵的原理 液晶显示器通过对外部光源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 第5章 设计性与应用性实验 ·249·
大学物理实验:250: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利用液晶光开关来形成图形和图像的矩阵显示原理，是把图5-7-5左图所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，为行电极，而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，为列电极，两块玻璃片面对面组合起来，将液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒，为了表示方便，将电极玻璃片抽象为横线和竖线，如图5-7-5右图所示NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNABCDE3图5-7-5液晶光开关组成的矩阵式图形显示器矩阵型显示器的工作方式为扫描方式，若要显示右图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，并通过锁存器锁定对应像素点电平，于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了，然后重新在第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，再次锁存，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，以此类推，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，可以让每二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【实验仪器】1.液晶光开关电光特性综合实验仪该仪器外部结构如图5-7-6所示，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，当开关处于静态时发射器光源会自动打开，动态时关闭：静态闪烁／动态清屏切换开关：在静态时，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式：在动态时，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.其中单击十按键（或一按键）可以增大（或减小)0.01V.一直按住十按键（或一按键）2秒以上可以快速增大（或减小）供电电压，但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压：透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比：透过率校准接键：当供电电压为0V时，透过率显示如果大于“250”，则接按住该键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；
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. 利用液晶光开关来形成图形和图像的矩阵显示原理,是把图5灢7灢5左图所示的横条形状的 透明电极做在一块玻璃片上,为行电极,而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上,为列电极. 两块玻璃片面对面组合起来,将液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒.为了表示方便,将电 极玻璃片抽象为横线和竖线,如图5灢7灢5右图所示. 图5灢7灢5 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器 矩阵型显示器的工作方式为扫描方式.若要显示右图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,并通过锁存 器锁定对应像素点电平,于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了.然后重新在第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,再次锁存,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 .,以此类推,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. 暰实验仪器暱 1.液晶光开关电光特性综合实验仪 该仪器外部结构如图5灢7灢6所示,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 发射器光源会自动打开,动态时关闭; 静态闪烁/动态清屏切换开关:在静态时,此开关可以切换到闪烁和静止两种方式;在动 态时,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,但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压; 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:当供电电压为0V时,透过率显示如果大于“250暠,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暠,则该按键无效,不能校准透过率; ·250· 大学物理实验
第5章设计性与应用性实验251液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压，一般接CH1通道：光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线：一股接CH2通道：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信号；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发射器液晶板接收器模式转换开关液晶转盘开关矩阵静态闪烁/动态清屏液晶驱动输出供电电压显示【供电电压调节P光功率输出成看世纪透过率显示透过率校准扩展接口图5-7-6液晶光开关电光特性综合实验仪2.数字存储示波器在进行液晶光开关时间响应特性实验时需要用到数字存储示波器，其操作面板如图5-7-7所示.功能按键OO5?CE8C一O垂直屏幕水平待测信同步控制键盘控制控制号输入图5-7-7数字存储示波器在测量液晶光开关的时间响应特性的实验中将用到该示波器的光标测量功能，其基本操作如下：
液晶驱动输出:接存储示波器,显示液晶的驱动电压,一般接 CH1通道; 光功率输出:接存储示波器,显示液晶的时间响应曲线,一般接 CH2通道; 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信号; 开关矩阵:此为16暳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. 图5灢7灢6 液晶光开关电光特性综合实验仪 2.数字存储示波器 在进行液晶光开关时间响应特性实验时需要用到数字存储示波器,其操作面板如图5灢7灢7 所示. 图5灢7灢7 数字存储示波器 在测量液晶光开关的时间响应特性的实验中将用到该示波器的光标测量功能,其基本操 作如下: 第5章 设计性与应用性实验 ·251·