液晶盒视角对比度曲线的实验测量

林 森，李吟秋，孙景阳，邢红玉，叶文江，张志东

（河北工业大学，天津 300401）

液晶盒视角对比度曲线的实验测量

林 森，李吟秋，孙景阳，邢红玉，叶文江＊，张志东

（河北工业大学，天津 300401）

设计了一种测量液晶盒视角的实验装置，通过固定的水平角度和竖直角度扭曲向列相液晶盒光透过率的测量，得到了视角-对比度曲线。不同的水平和竖直视角，其对比度也是不同的。无论竖直视角的大小，水平视角为0°时对比度最大；当对比度大于某一数值（例如50）时，随着竖直视角从-20°增加到20°，水平视角的范围先增大后减小。

液晶盒；视角；对比度；扭曲向列相

液晶的发现可以追溯到19世纪80年代，但是长期地只是停留在少数科学家的实验室里，被当作珍品做一些探索性的实验研究［1］。到了20世纪30年代，科学家对液晶的合成及液晶的重要物理特性积累了一定的系统知识，为液晶在显示方面的应用提供了理论依据。20世纪70年代，扭曲向列型液晶显示器（TN-LCD）［2］的开发加快了液晶在显示领域应用的步伐。进入21世纪，随着液晶产业的迅速发展，液晶显示器已经渗透到国民生产及日常生活的很多方面，为人们提供了很大的方便。

液晶显示具有低电压驱动（2～3 V）、低功耗（10-6～10-5W／cm2）、显示信息量大、易于彩色化、无辐射等优点；同时，它也存在显示视角和响应速度的问题［3］。为此在液晶显示器的设计和大规模生产之前，首先要对其视角和响应问题进行理论模拟和实际测试，最终确定显示器的材料和工作模式。在实验室环境下，利用现有的条件，设计了一种测量液晶盒视角的实验装置，并利用其对TN-LCD进行了实际测量。

1 实验原理

众所周知，从成分和出现液晶相的物理条件来看，液晶可分为热致液晶和溶致液晶，在液晶显示中以热致液晶为主，而且向列相液晶居多［1］。向列相液晶分子模型化为棒状，其取向由指向矢表示。液晶分子的排列方式受外加电场的控制，不同的排列方式产生不同的光学各向异性。入射光线和液晶分子的指向矢夹角越小，双折射越小，反之则双折射越大。偏离液晶显示板法向方向以不同角度（视角）入射到液晶盒的光线与液晶分子指向矢的夹角不同，穿过液晶层的有效光程差Δnd就不同，因此透过液晶盒的光强度也随之改变，这就是LCD视角问题的由来［4－6］。

LCD视角问题通常由同一对比度下视角的分布曲线给出，即视角-对比度曲线［5－6］。为此，需要确定不同视角下的对比度。对于工作于常白模式下的液晶显示器，对比度为不施加电压和施加超过饱和电压的电压时透射光强度之比；工作于常黑模式下的液晶显示器正好相反。实验中，我们只需测量不同视角下不加电压和施加大于饱和电压的电压时穿过液晶盒的光强度，由此得到视角-对比度曲线，并进行分析。

2 实验装置及实验方法

实验装置如图1所示，所需实验设备包括：半导体激光器、透光孔、偏振片（2个）、信号发生器、光功率计、测量液晶盒视角装置。其中测量液晶盒视角装置是由分光计改造而来，在分光计外接臂上固定两个PVC支架，加入PVC管构成旋转臂，并在PVC管前端固定液晶盒。分光计的底座圆盘可以实现液晶盒水平从-30°到30°的角度变化，旋转臂可以实现竖直方向-20°到20°的角度变化。液晶盒水平角度的改变是通过旋转分光计水平圆盘；竖直角度的改变是通过插在PVC管上的钢针和粘在分光计旋转臂上的半圆仪实现的，即通过PVC管的旋转带动管上的钢针旋转，继而从半圆仪上读出液晶盒的竖直角度。具体实验方法如下：

图1 实验装置图

数据采集。（1）转动旋转臂到-20°，圆盘到-30°，当信号发生器输出1 KHz有效值为0 V和7 V的电源时，分别测出光强输出功率；（2）保持旋转臂不动，转动旋转圆盘，每隔1°进行一次上述测量，一直测到水平30°；（3）转动旋转臂，在-20°到20°之间每隔5°重复步骤（4）。

调节激光束准直。将透光孔放在光学平台水平导轨上，调节其高度使激光能够透过小孔，调节光功率计高度使得从透光孔射出的激光能够很好的射入光功率计。

调节偏振光。将偏振片1和偏振片2置于导轨上并且保持偏振片2不动，旋转偏振片1的方向，使得激光光束通过两个偏振片达到消光的效果，此时两个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为常白模式。

测量液晶盒视角装置调零。（1）将测量液晶盒视角装置置于光学平台，调节其位置使得激光光束通过液晶盒；（2）调节该装置上旋转圆盘与旋转臂使液晶盒水平垂直（即使打在液晶盒的反射光与偏振片1上的出射光的光斑重合），将此时液晶盒的位置记为（0°，0°）。

给液晶盒加交流电压。利用交流电源输出频率为1 KHz有效值不同的电压，将电源输出导线分别与液晶盒两端引出的导线连接，调节为0 V或7 V，分别进行测量。

数据转换。将相同角度下施加0V和7V电压时测出的光强值相除转变为该视角下的对比度值。

作图。通过Origin软件作图，得到不同视角下液晶盒对比度曲线。

3 结果和讨论

由于扭曲向列相液晶盒工作于常白模式，不加电压时（0 V），液晶层使入射的线偏振光旋转90°，正好穿过第二片偏振片，透射光强最大；施加超过饱和电压（7 V）时，旋光现象消失，所有的液晶分子沿电场方向排列，光不能穿过第二片偏振片，透射光强最小［7］。因此，液晶盒某一视角的对比度为不施加电压和施加7 V电压时透射光强度之比。将所测量的视角下的对比度进行归纳得到液晶盒视角-对比度曲线，如图2所示，由此可以得到如下结论：

（1）无论竖直视角的大小，对于每条曲线基本上均以水平视角为0°时对比度最大；当对比度大于某一数值（例如50）时，随着竖直视角从-10°增加到20°，水平视角的范围先增大后减小。

（2）在固定的竖直视角下，当水平视角的大小大于一定程度时（例如25°），相应的对比度已经很小，逐渐趋于1；在水平视角0°左右其对比度大小的变化并不大。

（3）无论液晶盒与入射光线所成的夹角的正负，只要角度大小相等，则所测出的对比度大小基本相等，由于实验装置以及数据采集上带来的误差无法使其严格相等。

（4）由于液晶盒工作于常白模式，因而每一次加电压测出的光强值小于未加电压的光强值。通过本装置测量出液晶盒的对比度最大值可以达到120°，即本实验中液晶盒对比度可以从0°到120°变化。

图2 液晶盒视角-对比度曲线

4 结 论

本文利用分光计自行设计了一种测量液晶盒视角的装置，并用其对扭曲向列相液晶盒的视角进行了测量，得到了视角-对比度曲线，与文献［5］中给出的理论曲线基本相符。此装置设计简单，操作方便，易于推广。设计中使用分光计控制水平视角，精度极高，而竖直视角依靠自行设计的指针控制，精度稍差。如果竖直视角能精确控制，测量精度会更高。

［1］ 谢毓章.液晶物理学［M］.北京：科学出版社，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］ 应根裕，胡文波，邱勇，等.平板显示技术［M］.北京：人民邮电出版社，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］ 王庆凯，吴杏华，王殿元，等.扭曲向列相液晶电光效应的研究［J］.物理实验，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

河北省自然科学基金资助项目（No.A2010000004）；河北省高校重点学科资助项目

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