电光效应课程设计.doc

工程光学 课程设计(论文)
设计（论文）题目 电光效应
学院名称 核技术与自动化工程
专业名称 测控技术与仪器专业
学生姓名
学生学号
任课教师 赵晓云
设计（论文）成绩

教务处 制
2015年07 月04 日

目录
摘要 1
液晶电光效应实验 2
1.实验目的 2
2.实验原理 2
2.1液晶电光效应 2
2.2电光调制原理 3
2.3液晶光开关的工作原理 5
2.4液晶光开关响应时间特性 7
2.5液晶光开关的视角特性 7
2.6液晶光开关构成图像显示矩阵的方法 8
3.实验内容 9
3.1实验仪器 9
3.2实验步骤及数据处理 11
4.实验总结 15

摘要

本报告介绍了电光效应原理，并利用电光效应完成了电光调制实验。电光效应是一种重要的物理现象，是指各向同性的介质在外电场作用下显示出光学各向异性，表现为折射率因外电场而发生变化的一种现象。利用电光效应将调制电压加载到光波上的技术就叫电光调制。电光调制根据所施加的电场方向的不同，可分为纵向电光调制和横向电光调制。本实验完成用液晶电光效应的电光调制。

关键词：电光效应 电光调制 液晶电光效应 常黑状态 常白状态

液晶电光效应实验

1.实验目的
（1）根据液晶的电光效应特性，可制成光开关器件。在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 
（2）测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 
（3） 测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 
（4）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。
2.实验原理
2.1液晶电光效应
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。它既有液体的流动性，又有晶体的取向特性。目前液晶材料都是长型分子或盘型分子的有机化合物，是一种非线性的光学材料。当液晶分子有序排列时表现出光学各向异性，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。
液晶是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的，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。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，在当今已广泛应用于各种显示器件中。
2.2电光调制原理
LN晶体横向电光调制器的结构如图2

当光经过起偏器P后变成振动方向为OP的线偏振光，进入晶体 (z = 0) 后被分解为沿x′和y′轴的两个分量，因为OP与x’轴、y’轴的夹角都是45º，所以位相和振幅都相等。即 ，于是入射光的强度为：

当光经过长为l的LN晶体后，x′和y′分量之间就产生位相差j，即：
从检偏器A（它只允许OA方向上振动的光通过）出射的光为)('lEx和)('lEy在OA轴 上的投影之和 于是对应的输出光强为：

将输出光强与输入光强比较，再考虑（11）式和（12）式，最后得到：

为透射率，它与外加电压V之间的关系曲线就是光强调制特性曲线，本实验就是通过测量透过光强随加在晶体上电压的变化得到半波电压Vπ。
如上图所示，透过率与V的关系是非线性的，若不选择合适的工作点会使调制光强发生畸变，但在V = Vπ/2附近有一直线部分（即光强与电压成线性关系），这就是线性调制部分。为此，我们在调制光路中插入一个λ/4波片，其光轴与OP成45º角，它可以使x′和y′两个分量间的位相有一个固定的π/2位相延迟，这时若外加电场是一个幅度变化不太大的周期变化电压，则输出光波的光强变化与调制信号成线性关系，即

其中V是外加电压，可以写成 ，但是如果Vm太大，就会发生畸变，输 出光强中将包含奇次高次谐波成份。当时， 。
2.3液晶光开关的工作原理
均匀扭曲排列起来的液晶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起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。
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°。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（上下两电极形成的空间相当于平行板电容器）。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。

下图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。
由下图可见，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和关断电压。

阈值电压：透过率为90％时的驱动电压；
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。
2.4液晶光开关响应时间特性
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。

上升时间；透过率从10%升到90%所需要的时间。
下降时间：透过率由90%降到10%所需要的时间。
液晶响应时间越短，显示动态图像效果越好，这是液晶显示器的重要指标。
2.5液晶光开关的视角特性
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。下图表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。下图中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。图中3个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。由图可以看出，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。若我们把具有下图所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220度方向向下，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。

液晶视角特性
2.6液晶光开关构成图像显示矩阵的方法
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。我们可以利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。矩阵显示方式，是把图（a）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，简称行电极（常用Xi表示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极（常用Si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（b）所示
欲显示图（b）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，于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了。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b、e 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。
3.实验内容
3.1实验仪器
本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，如下：

液晶光开关电光特性综合实验仪外部结构如下所示：

其按钮功能为：
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）图像显示时，每个单元所加的电压由开关矩阵控制。同时，当开关处于静态时打开发射器，当开关处于动态时关闭发射器；
静态闪烁/动态清屏切换开关：当仪器工作在静态的时候，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式；当仪器工作在动态的时候，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：在接收器处于最大接收状态的时候（即供电电压为0V时），如果显示值大于“250”，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”，则该按键无效，不能校准透过率。
液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压；
光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线，可以根据此曲线来得到液晶响应时间的上升时间和下降时间；
扩展接口：连接LCDEO信号适配器的接口，通过信号适配器可以使用普通示波器观测液晶光开关特性的响应时间曲线；
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输入到透过率显示表；
 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； 
电源开关：仪器的总电源开关。
3.2实验步骤及数据处理
【1】将液晶板插入装盘插槽，打开电源开关，点亮光源，预热(十分钟左右)。将模式转换开关置于静态模式，将透光率显示校准为100%，按下表外加电压值调节外加电压，并记录透过率。

外加电压与透过光强关系表：（表一）
外加电压/V
0
0.5
0.8
1.0
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2
3
4
5
6
透射率
%
1
101
100
100
97.3
74.6
57.6
40.1
26.7
17.1
11.2
6
7
6.5
6
5.6
2
99.8
99.8
997
97
74.2
57,2
39.6
26.2
17
11.1
5.9
6.9
6.4
5.9
5.6
3
99.8
99.7
99.6
96.7
73.9
56.3
39.7
26
16.8
10.9
5.7
6.7
6.2
5.7
5.3
平均
100.2
99.83
99.77
97
74.23
57.03
39.8
26.3
16.97
11.07
5.87
6,87
6.37
5.87
5.5
由表一可得前文所述的液晶光开关特性曲线，得到关断电压为1.8V左右，阈值电压1.1V左右。
【2液晶的时间响应的测量
模式开关仍为静态，外加电压调0，透过率置100，然后将外加电压调至2V，在液晶静态闪烁状态下，从光功率输出端输出信号，并用存储示波器观察开关时间响应特性曲线，得到上升时间、下降时间。

【3】液晶光开关视角特性的测量
（1）水平方向视角特性
将液晶板按水平方向插入卡槽，模式开关为静态，外加电压调0，透过率置100，按下表所示角度记录透过率Th，然后将外加电压调至2V，同样转动角度记录透过率Tl。最后计算Th/Tl填入下表
（表二）
角度（度）
-75
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30

40
50
60
70
75
水平方向
Th
35.2
47.8
69
83.9
92.8
97.2
99.6
99.4
99.4
100
101
100
96.8
88.8
75.1
53.4
39.2
Tl
4.6
5.1
5.3
4.8
4.8
4.9
4.8
4.8
4.8
4.8
4.8
4.8
4.9
5.3
6.5
6.3
5.3
Th/Tl
7.65
9.31
13.02
17.48
19.33
19.84
20.75
20.7
20.7
20.8
20.6
20.4

19.3
16.7
11.5
8.5
7.4
（2）垂直方向视角特性
将液晶板按垂直方向插入卡槽，模式开关为静态，外加电压调0，透过率置100，按下表所示角度记录透过率Th，然后将外加电压调至2V，同样转动角度记录透过率Tl。最后计算Th/Tl填入下表
（表三）
角度（度）
-75
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
75
垂直方向
Th
38.5
50.1
66
75.2
81.8
88.6
93.7
98
99.3
98.4
94.9
90.2

84.4
79.5
73.1
58.2
45.8
Tl
38.4
51.5.
68.8
73.1
61.7
41
22.8
9.9
4.5
7.9
20.8
40.8
61.1
74.5
75.2
61.1
46.6
Th/Tl
1
0.97
0.96
1.03
1,33
2.16
4.11
9.9
22.07
4.73
4.56
2.21.
1.38
1.07
0.97
0.95
0.98
【4】液晶显示器显示原理
将模式转换开关置于动态（图像显示）模式。液晶供电电压调到5V左右。
此时矩阵开关板上的每个按键位置对应一个液晶光开关象素。初始时各相素都处于开通状态，按1次矩阵开光板上的某一按键，可改变相应液晶相素的通断状态，所以可以利用点阵输入关断（或点亮）对应的象素，使暗相素（或点亮象素）组合成一个字符或文字。以此让学生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。
显示图形展示：

4.实验总结
本次实验成功的完成了液晶光开关的光特性曲线测量，完成了液晶的阈值电压和关断电压测量，并显示出了光开关的时间响应曲线，研究了液晶显示器的平行及垂直视角特性，用液晶矩阵输出了图形。通过此次课程设计实验，充分理解了电光效应，理解了液晶显示原理。
参考文献
《光学教程（第二版）》叶玉堂编著

学生学习心得

基于对实验原理的充分了解，在实验过程中熟悉了各种仪器的操作方法，由理论到实践其实并不容易,但学到的知识与难度成正比，也收获了不少乐趣。通过这次电光效应实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅。
学生（签名）：
2015年7月4日
诚信承诺
本人郑重声明所呈交的课程报告是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同学对本文研究所做的贡献均已在报告中作了明确的说明并表示谢意。
学生（签名）：刘贵荣
任课教师评语

成绩评定：
任课教师（签名）：
年 月 日