液晶盒視角對比度曲線的實驗測量

林 森，李吟秋，孫景陽，邢紅玉，葉文江，張志東

（河北工業(yè)大學，天津 300401）

液晶盒視角對比度曲線的實驗測量

林 森，李吟秋，孫景陽，邢紅玉，葉文江＊，張志東

（河北工業(yè)大學，天津 300401）

設計了一種測量液晶盒視角的實驗裝置，通過固定的水平角度和豎直角度扭曲向列相液晶盒光透過率的測量，得到了視角-對比度曲線。不同的水平和豎直視角，其對比度也是不同的。無論豎直視角的大小，水平視角為0°時對比度最大；當對比度大于某一數(shù)值（例如50）時，隨著豎直視角從-20°增加到20°，水平視角的范圍先增大后減小。

液晶盒；視角；對比度；扭曲向列相

液晶的發(fā)現(xiàn)可以追溯到19世紀80年代，但是長期地只是停留在少數(shù)科學家的實驗室里，被當作珍品做一些探索性的實驗研究［1］。到了20世紀30年代，科學家對液晶的合成及液晶的重要物理特性積累了一定的系統(tǒng)知識，為液晶在顯示方面的應用提供了理論依據(jù)。20世紀70年代，扭曲向列型液晶顯示器（TN-LCD）［2］的開發(fā)加快了液晶在顯示領域應用的步伐。進入21世紀，隨著液晶產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，液晶顯示器已經(jīng)滲透到國民生產(chǎn)及日常生活的很多方面，為人們提供了很大的方便。

液晶顯示具有低電壓驅動（2～3 V）、低功耗（10-6～10-5W／cm2）、顯示信息量大、易于彩色化、無輻射等優(yōu)點；同時，它也存在顯示視角和響應速度的問題［3］。為此在液晶顯示器的設計和大規(guī)模生產(chǎn)之前，首先要對其視角和響應問題進行理論模擬和實際測試，最終確定顯示器的材料和工作模式。在實驗室環(huán)境下，利用現(xiàn)有的條件，設計了一種測量液晶盒視角的實驗裝置，并利用其對TN-LCD進行了實際測量。

1 實驗原理

眾所周知，從成分和出現(xiàn)液晶相的物理條件來看，液晶可分為熱致液晶和溶致液晶，在液晶顯示中以熱致液晶為主，而且向列相液晶居多［1］。向列相液晶分子模型化為棒狀，其取向由指向矢表示。液晶分子的排列方式受外加電場的控制，不同的排列方式產(chǎn)生不同的光學各向異性。入射光線和液晶分子的指向矢夾角越小，雙折射越小，反之則雙折射越大。偏離液晶顯示板法向方向以不同角度（視角）入射到液晶盒的光線與液晶分子指向矢的夾角不同，穿過液晶層的有效光程差Δnd就不同，因此透過液晶盒的光強度也隨之改變，這就是LCD視角問題的由來［4－6］。

LCD視角問題通常由同一對比度下視角的分布曲線給出，即視角-對比度曲線［5－6］。為此，需要確定不同視角下的對比度。對于工作于常白模式下的液晶顯示器，對比度為不施加電壓和施加超過飽和電壓的電壓時透射光強度之比；工作于常黑模式下的液晶顯示器正好相反。實驗中，我們只需測量不同視角下不加電壓和施加大于飽和電壓的電壓時穿過液晶盒的光強度，由此得到視角-對比度曲線，并進行分析。

2 實驗裝置及實驗方法

實驗裝置如圖1所示，所需實驗設備包括：半導體激光器、透光孔、偏振片（2個）、信號發(fā)生器、光功率計、測量液晶盒視角裝置。其中測量液晶盒視角裝置是由分光計改造而來，在分光計外接臂上固定兩個PVC支架，加入PVC管構成旋轉臂，并在PVC管前端固定液晶盒。分光計的底座圓盤可以實現(xiàn)液晶盒水平從-30°到30°的角度變化，旋轉臂可以實現(xiàn)豎直方向-20°到20°的角度變化。液晶盒水平角度的改變是通過旋轉分光計水平圓盤；豎直角度的改變是通過插在PVC管上的鋼針和粘在分光計旋轉臂上的半圓儀實現(xiàn)的，即通過PVC管的旋轉帶動管上的鋼針旋轉，繼而從半圓儀上讀出液晶盒的豎直角度。具體實驗方法如下：

圖1 實驗裝置圖

數(shù)據(jù)采集。（1）轉動旋轉臂到-20°，圓盤到-30°，當信號發(fā)生器輸出1 KHz有效值為0 V和7 V的電源時，分別測出光強輸出功率；（2）保持旋轉臂不動，轉動旋轉圓盤，每隔1°進行一次上述測量，一直測到水平30°；（3）轉動旋轉臂，在-20°到20°之間每隔5°重復步驟（4）。

調節(jié)激光束準直。將透光孔放在光學平臺水平導軌上，調節(jié)其高度使激光能夠透過小孔，調節(jié)光功率計高度使得從透光孔射出的激光能夠很好的射入光功率計。

調節(jié)偏振光。將偏振片1和偏振片2置于導軌上并且保持偏振片2不動，旋轉偏振片1的方向，使得激光光束通過兩個偏振片達到消光的效果，此時兩個偏振片的透振方向相互垂直，以便在加入液晶盒后使液晶盒成為常白模式。

測量液晶盒視角裝置調零。（1）將測量液晶盒視角裝置置于光學平臺，調節(jié)其位置使得激光光束通過液晶盒；（2）調節(jié)該裝置上旋轉圓盤與旋轉臂使液晶盒水平垂直（即使打在液晶盒的反射光與偏振片1上的出射光的光斑重合），將此時液晶盒的位置記為（0°，0°）。

給液晶盒加交流電壓。利用交流電源輸出頻率為1 KHz有效值不同的電壓，將電源輸出導線分別與液晶盒兩端引出的導線連接，調節(jié)為0 V或7 V，分別進行測量。

數(shù)據(jù)轉換。將相同角度下施加0V和7V電壓時測出的光強值相除轉變?yōu)樵撘暯窍碌膶Ρ榷戎怠?/p>

作圖。通過Origin軟件作圖，得到不同視角下液晶盒對比度曲線。

3 結果和討論

由于扭曲向列相液晶盒工作于常白模式，不加電壓時（0 V），液晶層使入射的線偏振光旋轉90°，正好穿過第二片偏振片，透射光強最大；施加超過飽和電壓（7 V）時，旋光現(xiàn)象消失，所有的液晶分子沿電場方向排列，光不能穿過第二片偏振片，透射光強最小［7］。因此，液晶盒某一視角的對比度為不施加電壓和施加7 V電壓時透射光強度之比。將所測量的視角下的對比度進行歸納得到液晶盒視角-對比度曲線，如圖2所示，由此可以得到如下結論：

（1）無論豎直視角的大小，對于每條曲線基本上均以水平視角為0°時對比度最大；當對比度大于某一數(shù)值（例如50）時，隨著豎直視角從-10°增加到20°，水平視角的范圍先增大后減小。

（2）在固定的豎直視角下，當水平視角的大小大于一定程度時（例如25°），相應的對比度已經(jīng)很小，逐漸趨于1；在水平視角0°左右其對比度大小的變化并不大。

（3）無論液晶盒與入射光線所成的夾角的正負，只要角度大小相等，則所測出的對比度大小基本相等，由于實驗裝置以及數(shù)據(jù)采集上帶來的誤差無法使其嚴格相等。

（4）由于液晶盒工作于常白模式，因而每一次加電壓測出的光強值小于未加電壓的光強值。通過本裝置測量出液晶盒的對比度最大值可以達到120°，即本實驗中液晶盒對比度可以從0°到120°變化。

圖2 液晶盒視角-對比度曲線

4 結 論

本文利用分光計自行設計了一種測量液晶盒視角的裝置，并用其對扭曲向列相液晶盒的視角進行了測量，得到了視角-對比度曲線，與文獻［5］中給出的理論曲線基本相符。此裝置設計簡單，操作方便，易于推廣。設計中使用分光計控制水平視角，精度極高，而豎直視角依靠自行設計的指針控制，精度稍差。如果豎直視角能精確控制，測量精度會更高。

［1］ 謝毓章.液晶物理學［M］.北京：科學出版社，1988.

［2］ Schadt M，Helfrich W.Voltage-dependent Optical Activity of a Twisted Nematic Liquid Crystal［J］.Appl.Phys.Lett.，1971，18（4）：127-128.

［3］ 應根裕，胡文波，邱勇，等.平板顯示技術［M］.北京：人民郵電出版社，2004.

［4］ Blinov L M，Chigrinov V G.Electrooptic Effects in Liquid Crystal Materials［M］.New York：Springer-Verlag，1994.

［5］ Yang D-K，Wu S-T.Fundamentals of Liquid Crystal Devices［M］.Chichester：John Wiley ＆Sons Ltd，2006.

［6］ Liu Weimin.Characterization of Some Wide Viewing Angle Liquid Crystal Devices［D］.Kent State University，2000.

［7］ 王慶凱，吳杏華，王殿元，等.扭曲向列相液晶電光效應的研究［J］.物理實驗，2007，27（12）：37-39.

Experimental Measurement on the Viewing Angle-contrast Ratio of Liquid Crystal Cell

LIN Sen，LI Yin-qiu，SUN Jing－yang，XING Hong－yu，YE Wen-jiang，ZHANG Zhi-dong

（Hebei University of Technology，Tianjin 300401）

Using an our designed experimental installation to measure the viewing angle of liquid crystal cell，the viewing angle-contrast ratio curve of a twisted nematic liquid crystal cell is obtained by measuring the transmittance with the fixed horizontal angle and vertical angle.For the different horizontal angle and vertical angle，the contrast ratio is unlike.No matter the size of the vertical angle，horizontal viewing angle is 0°for the maximum contrast；when the contrast is greater than a certain value（e.g.50），the horizontal viewing angle range increases and then decreases with the increase of vertical angle from -20°to 20°.

liquid crystal cell；viewing angle；contrast ratio；twisted nematic

O753.2

A

1007-2934（2011）06-0006-03

2011-05-22

河北省自然科學基金資助項目（No.A2010000004）；河北省高校重點學科資助項目

＊通訊聯(lián)系人