液晶電光效應

液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像顯示矩陣的方法

除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發(fā)光來實現(xiàn)信息顯示功能。這些顯示器主要有以下一些:陰極射線管顯示(CRT)，等離子體顯示(PDP)，電致發(fā)光顯示(ELD)，發(fā)光二極管(LED)顯示，有機發(fā)光二極管(OLED)顯示，真空熒光管顯示(VFD)，場發(fā)射顯示(FED)。這些顯示器因為要發(fā)光，所以要消耗大量的能量。

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，為非主動發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點在于能耗極低。正因為如此，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子表、萬用表、手機、傳呼機等具有不可代替地位。下面我們來看看如何利用液晶光開關(guān)來實現(xiàn)圖形和圖像顯示任務。

矩陣顯示方式，是把圖5(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 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 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狀的ITO電極抽象為橫線和豎線，分別代表掃描電極和信號電極

矩陣型顯示器的工作方式為掃描方式。顯示原理可依以下的簡化說明作一介紹。 欲顯示圖5(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。

1.液晶光開關(guān)的工作原理

液晶作為一種顯示器件，其種類很多，下面以常用的TN(扭曲向列)型液晶為例，說明其工作原理。 入射的自然光

偏振片P1

偏振片P2

出射光

扭曲排列的液晶分子具有光波導效應

光波導已被電場拉伸

TN型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃(1埃 = 10-10米 )，直徑為4~6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預先作了定向處理(可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電極表面涂取向劑)，這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里;使電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因范德瓦爾斯力的作用，趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿-45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿+45度方向排列，整個扭曲了90度。如圖1左圖所示。

理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導的性質(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。

取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是P1和P2的透光軸相互正交。

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，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。

在施加足夠電壓情況下(一般為1~2伏)，在靜電場的吸引下，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。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達下電極。這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。

由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。

2.液晶光開關(guān)的電光特性和時間響應特性

液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學各向異性，溶致液晶是溶質(zhì)溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱致液晶，它的電光特性隨溫度的改變而有一定變化。 圖2為光線垂直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。

由圖2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。

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V

另外，在給液晶板加上一個周期性的作用電壓(如圖3上圖)，液晶的透過率也就會隨電壓的改變而變化，就可以得到液晶的相應時間上升時間Δt1和下降時間Δt2。如圖3下圖所示。 上升時間:透過率由10%升到90%所需時間;

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Δt1

液晶的響應時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好。

3.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。

圖4表示了某種液晶視角特性的理論計算結(jié)

果。圖4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4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3中的閉合曲線為不同對比度時的等對比度曲線。 由圖4可以看出，對比度與垂直與水平視角都有關(guān)。而且，視角特性具有非對稱性。

1、應用液晶電光效應設計的兩種特殊的光學器件--液晶光快門和液晶透鏡;

2、高速相位調(diào)制器可用于相干光纖通信系統(tǒng)，在密集波分復用光纖系統(tǒng)中用于產(chǎn)生多光頻的梳形發(fā)生器，也能用作激光束的電光移頻器，其中M-Z鈮酸鋰調(diào)制器有良好的特性，可用于光纖有線電視(CATV)系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)中基站與中繼站之間的光鏈路和其他的光纖模擬系統(tǒng)。

3、液晶既表現(xiàn)出液體的流動性，又表現(xiàn)出晶體所特有的各向異性，其特征是受到外部電場、磁場、熱、壓力等的作用時，分子排列狀態(tài)即其光學性質(zhì)和電學性質(zhì)隨之發(fā)生變化。特別是液晶受電壓作用而產(chǎn)生的分子取向效應---電光效應被廣泛應用于顯示器件。