液晶的时间响应特性研究实验

实验三、液晶的时间响应特性研究实验目的1、了解液晶驱动波形2、了解液晶的电光响应曲线的特性3、了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。实验原理1、液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，仅以常用的ＴＮ（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。液晶光开关的结构如图5-1所示。在涂有透明电极的两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃＝10纳米），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，电极的表面预先用软绒布朝一个方向摩擦，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，（也可在电极表面涂取向剂）这一过程叫做液晶分子的定向。使电极表面上的液晶分子按一定方向排列，液晶光开关的定向方向与电极面的法向垂直，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，所以从俯视方向上看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地、扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。如图5-１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，即偏振方向平行于上电极的定向方向的偏振光，当通过扭曲排列起来的液晶时，偏振方向与液晶的扭曲结构同步旋转，到下电极表面时，光的偏振方向与下电极的定向方向相同，此时光的偏振方向转过了90度。另取两张偏振片P1和P2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（标记为P1⊥P2）。当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，线偏振光射入液晶层以光波导方式在液晶层传播，即该光在传播中，其偏振方向随分子扭曲结构同步旋转。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)，棍状的液晶分子在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其它液晶分子趋于平行于电场排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。当光通过液晶时，从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中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通过，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。2、液晶光开关的电光特性液晶分热致液晶和溶致液晶。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。目前有于显示器件的都是热致液晶，它的电光特性跟温度的改变有一定的关系。由图5-2为光线垂直入射本实验所用液晶屏时的相对透射率（以不加电场时的透过率为100﹪）与外加电压的关系。由图5-2可知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，在一定的电压下达到最低点，此后略有变化。出现该极点的原因，简单的说，可以认为表征液晶光学各向异性的透射率椭圆的光轴方向正好与入射光的方向重合。更详细的分析见文献[1]。3、液晶的电光响应曲线曲线如图所示，定义上升时间τr透过率由90%降到10%所需的时间;下降时间τr为光透过率由10升到90%所的时间。上述的定义是对常白型的液晶而言不同的液晶其τd和τr是不同的，除了与材料有关以外,还与电光效应、粘滞系数η、弹性系数k节及液晶膜的厚度d有关，液晶显示器的响应时间是比较大的。其电光响应曲线如图5-3所示。图5-3液晶的电光响应曲线4．液晶光开关的构成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（CRT）显示、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的。?矩阵显示方式，是把图5-5a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，（常用作扫描电极）简称行电极（常用表示），而把图示的竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，（常用作信号电极）简称列电极（常用表示）。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5-5b所示。矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。矩阵显示的原理可依以下的简化说明作一介绍。欲显示图5-5b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3、4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。图5-5.液晶光开关组成的矩阵式图形显示然后第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2、5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。5、液晶显示矩阵的RMS驱动矩阵的驱动方式类似显像管的扫描方式，不同的是显像管逐点扫描的，矩阵是逐行扫描。为了保持一帧图像或图形，选择行的过程在一帧时间中由第一行到第二行，再到第三行这样不断地反复更迭，在一个N行的矩阵中，每一被选的时间只有1/N帧周期，而非选的时间达（N-1）/N帧周期。液晶的响应时间受其粘度、液晶盒的厚度以及其它因素的制约，比被选择的那瞬间的时间长得多，而且液晶的响应与被加的电压平方成正比，偏压比b=V/D,这里为5。为了避免单元上产生直流分量，在实际的应用中行数少的时候采用逐行倒相的办法，行数多的时候采用逐帧倒相的办法。图5-6（a）总结出逐帧倒相方式的行电极和列电极上的电压波形及显示单元上的波形。图中5-6(b)的波形包含了以上6种电平，实际的电路中用电阻分压器的方式产生，再以增益为1的缓冲放大器作为缓冲输出而构成的。图6驱动波形及6种电平实验仪器简介1、仪器的构成和原理本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，其电气构成和结构的示意图如图5-5所示。正面图5-7.液晶光开关电光特性综合实验仪面板示意液晶光开关后被探测器8接收，转化为微弱的电流信号，经电流放大器(8)放大后由显示器(11)显示出来。此时，中央控制器4控制矩阵驱动器2向液晶光开关7输出幅度可以被手动调节的供电电压。液晶光开关后被探测器8接收，转化为微弱的电流信号，经电流放大器(8)放大后由显示器(11)显示出来。此时，中央控制器4控制矩阵驱动器2向液晶光开关7输出幅度可以被手动调节的供电电压。实验时调节供电电压的幅度以改变光开关的透过率，所加电压的幅度被中央控制器4上的数字电压表显示出来，透过的光的强度被微光探测器8探测，被电流放大显示器3显示来。其外部结构如图5-7所示。2、面板上的按钮和旋钮的功能液晶光开关电光特性综合实验仪面板上的按钮开关和旋钮的排列如图7所示。其中，10和11分别为电压显示器和相对光强显示器。12、13、14分别为液晶光开关的供电电压调整、透过率调零、透过率100％调节。7为TN型16X16液晶显示器，5为用于字符点阵输入的矩阵开关板，17为半导体激光器、光探测器与直流放大器一体化模块。仪器可工作于静态全屏（模式转换开关弹出）或动态显示（模式转换开关按下）两种工作模式之一工作模式之一：扫描光开光所构成的图形图像显示器：作动态显示原理实验时，选择动态显示模式。此时液晶光开关工作于扫描方式，中央控制器4接收开关矩阵板5的输入信号，将此输入信号转化为矩阵显示信号，然后再向液晶光开关矩阵7提供扫描定时信号和各种控制信号，使开关矩阵板5上的按键位置、状态与液晶光开关矩阵7对应单元的位置和状态相一一对应。通过选择控制各种显示单元的开、关状态，即可组成各种图形或文字。实验步骤1、做实验之前，请仔细阅读实验讲义；2、时间响应特性曲线测量1）将TN型16X16点阵液晶屏金手指1，如图5-8所示，插入插槽；2）按图8所示把示波器和液晶综合测试仪相应的接口连接起来；3）插上电源，打开示波器电源、电源总开关和激光器电源开关，使激光器预热10～15分钟；4）将液晶屏旋转台置于零刻度位置，使得准直激光垂直入射到液晶屏上；5）将模式转换开关弹出，将TN型16X16点阵液晶屏像素开关置于光关断状态，即置于静态全屏模式；6）进行透过率100％和0％调节；方法如下：A、透过率0％调节将入射微光探测器的激光挡住，调100％旋钮不动，调节调0％旋钮使得透射率显示为0（注：调节致0.5以内都可视为误差允许范围内）。B、透过率100％调节让激光入射微光探测器，将像素步电压置于最低，此时液晶像素开关处于光开通态，调0％旋钮不动调节100％旋钮使得相对透过率显示为100。（a)（b）图5-87）将供电电压调到5伏以上，按静态/闪烁按键使液晶屏处于闪烁状态；8）观察示波器所示的波形并记录下来；9）关断电源。3、液晶显示器，点阵显示原理A、将液晶屏转为平行，打开电源开关，按下模式转换开关使液晶屏处于动态显示模式状态（为了增强显示效果，供电电压为4.5伏以上）。此时矩阵板上的每个按键位置对应一个液晶屏上的光开关像素。初始时各像素都处于开通状态，按1次矩阵开头板上的某一按键，可改变相应液晶像素的通断状态，即显示了图形。所以可以利用点阵输入关断（或点亮）对应的像素，使暗像素（或亮像素）组合成一个字符或文字。以此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。B、用矩阵板上的每个按键组成一个字符或文字，并记录下自己的所按的每个按键和液晶屏上所显示出的像素的位置。C、关断电源4、测量液晶驱动波形分别使液晶屏处于动态无字符和有字符状态用示波器测量行和列的驱动波形并记录下来。比较这两种状态下的行列驱动波形的异同。分别使液晶屏处于静态和闪烁状态测量行和列的驱动波形并记录下来。比较这两种状态下的行列驱动波形的异同。思考题1、液晶屏在各种状态下处于什么扫描方式？2、液晶屏在动态时是怎样显示图形的?3、本实验装置是采用了逐行倒相还是逐帧倒相的方式扫描的？4、上升时间和下降时间一样吗？为什么？5、按键的位置和液晶屏上所显示出的像素的位置有什么样的关系？参考文献：[1]朱新羽等.TN-LCD电光特性曲线的凸起现象[J].液晶与显示.1998，13（4），262-267[2]应根裕.《平板显示技术》.人民邮电出版社.[3]黄子强.《液晶显示基础：理论、设计与应用》