液晶電光效應(yīng)應(yīng)用實(shí)例

液晶光開(kāi)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(lái)實(shí)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(jī)發(fā)光二極管(OLED)顯示，真空熒光管顯示(VFD)，場(chǎng)發(fā)射顯示(FED)。這些顯示器因?yàn)橐l(fā)光，所以要消耗大量的能量。

液晶顯示器通過(guò)對(duì)外界光線的開(kāi)關(guān)控制來(lái)完成信息顯示任務(wù)，為非主動(dòng)發(fā)光型顯示，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能耗極低。正因?yàn)槿绱?，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子表、萬(wàn)用表、手機(jī)、傳呼機(jī)等具有不可代替地位。下面我們來(lái)看看如何利用液晶光開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形和圖像顯示任務(wù)。

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(dòng)電極，簡(jiǎn)稱(chēng)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(dòng)電極，簡(jiǎn)稱(chēng)列電極(常用 表示)。把這兩塊玻璃片面對(duì)面組合起來(lái)，把液晶灌注在這兩片玻璃之間構(gòu)成液晶盒。為了畫(huà)面簡(jiǎn)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(hào)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(jiǎn)化說(shuō)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(shí)在列電極的對(duì)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(lái)了。然后第B行加上高電平，其余行加上低電平，同時(shí)在列電極的對(duì)應(yīng)電極b、e 上加上低電平，因而B(niǎo)行的那些帶有方塊的像素被顯示出來(lái)了。然后是第C行、第D行 …… ，余此類(lèi)推，最后顯示出一整場(chǎng)的圖像。這種工作方式稱(chēng)為掃描方式。

這種分時(shí)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(gè)液晶光開(kāi)關(guān)按照其上的電壓的幅值讓外界光關(guān)斷或通過(guò)，從而顯示出任意文字、圖形和圖像。

1.液晶光開(kāi)關(guān)的工作原理

液晶作為一種顯示器件，其種類(lèi)很多，下面以常用的TN(扭曲向列)型液晶為例，說(shuō)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(dǎo)效應(yīng)

光波導(dǎo)已被電場(chǎng)拉伸

TN型光開(kāi)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(zhǎng)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(yù)先作了定向處理(可用軟絨布朝一個(gè)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(huì)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(gè)扭曲了90度。如圖1左圖所示。

理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來(lái)的結(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(guò)扭曲排列起來(lái)的液晶傳播到下電極表面時(shí)，偏振方向會(huì)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(dòng)電壓的情況下，來(lái)自光源的自然光經(jīng)過(guò)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(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時(shí)光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過(guò)。

在施加足夠電壓情況下(一般為1~2伏)，在靜電場(chǎng)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(chǎng)方向排列。于是原來(lái)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(lái)的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時(shí)不再旋轉(zhuǎn)，保持原來(lái)的偏振方向到達(dá)下電極。這時(shí)光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。

由于上述光開(kāi)關(guān)在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下讓光透過(guò)，加上電場(chǎng)的時(shí)候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開(kāi)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(kāi)關(guān)的電光特性和時(shí)間響應(yīng)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(xué)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(shí)本實(shí)驗(yàn)所用液晶相對(duì)透射率(以不加電場(chǎng)時(shí)的透射率為100%)與外加電壓的關(guān)系。

由圖2可見(jiàn)，對(duì)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(diǎn)，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(gè)周期性的作用電壓(如圖3上圖)，液晶的透過(guò)率也就會(huì)隨電壓的改變而變化，就可以得到液晶的相應(yīng)時(shí)間上升時(shí)間Δt1和下降時(shí)間Δt2。如圖3下圖所示。 上升時(shí)間:透過(guò)率由10%升到90%所需時(shí)間;

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Δt1

液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)態(tài)圖像的效果越好。

3.液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性

液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性表示對(duì)比度與視角的關(guān)系。對(duì)比度定義為光開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)斷時(shí)透射光強(qiáng)度之比，對(duì)比度大于5時(shí)，可以獲得滿(mǎn)意的圖像，對(duì)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(jì)算結(jié)

果。圖4中，用與原點(diǎn)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(gè)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3中的閉合曲線為不同對(duì)比度時(shí)的等對(duì)比度曲線。 由圖4可以看出，對(duì)比度與垂直與水平視角都有關(guān)。而且，視角特性具有非對(duì)稱(chēng)性。

1、應(yīng)用液晶電光效應(yīng)設(shè)計(jì)的兩種特殊的光學(xué)器件--液晶光快門(mén)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(fù)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(wú)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(dòng)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(chǎng)、磁場(chǎng)、熱、壓力等的作用時(shí)，分子排列狀態(tài)即其光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)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(yīng)---電光效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于顯示器件。