液晶影像顯示實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1. 學(xué)習(xí)如何產(chǎn)生平行光以作為光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)光基準(zhǔn)。

2. 認(rèn)識(shí)液晶顯示器。
3. 認(rèn)識(shí)液晶顯示器的顯示動(dòng)作原理與光學(xué)特性。
4. 學(xué)習(xí)與操作液晶顯示模式。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1. 擴(kuò)束平行光以及空間濾波
平行光是一種不含有任何空間信號(hào)的平面波光束。在以雷射光源的光學(xué)系統(tǒng)中，由于

雷射光束往往具有高斯振幅分佈型態(tài)，如[圖 1]所示，并非平面振幅分佈，因而，隨
雷射光的傳播，其光束大小與振幅將隨之變化。同時(shí)，受到雷射內(nèi)部構(gòu)造、材質(zhì)的不

均勻或微小塵埃的影響，其雷射光束的振幅分佈往往帶有雜訊成份。因此，在光學(xué)實(shí)

驗(yàn)中，通常利用空間濾波器將雷射光束中的雜訊濾除。空間濾波器的工作原理如[圖

2]所示：當(dāng)帶有雜訊的雷射光束經(jīng)由透鏡 L1(顯微物鏡)會(huì)聚成一個(gè)極小光點(diǎn)后，在此
聚焦平面上放置一個(gè)孔徑大小適中的針孔 此針孔具有光學(xué)低通濾波作用將遮蔽掉光
，

束其他高頻成份而僅通過(guò)高強(qiáng)度的低頻成份光波。因此，通過(guò)針孔濾波器后就可得到

不含雜訊的理想雷射光束。例如：當(dāng)以顯微鏡物鏡當(dāng)作[圖二]中的透鏡 L1，針孔當(dāng)作
低通濾片時(shí)，則可形成實(shí)驗(yàn)上常用的點(diǎn)光源。此點(diǎn)光源若恰好落在透鏡 L2 的前焦點(diǎn)

時(shí),則在此透鏡后方可得到強(qiáng)度平緩分佈高斯型態(tài)的擴(kuò)束平行光。依據(jù)幾何光學(xué)原理,

考慮雷射入射光束直徑為 2w0，物鏡(L1)焦距 fo，凸透鏡(L2)焦距 fe，則出射雷射光束
直徑約為

（圖1）

其中 NA 為顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑(numerical aperture)。例如：顯微鏡物鏡 NA = 0.40
(20X)，凸透鏡(L2)焦距 fe = 15 cm，則出射雷射光束的最大直徑約為 13 cm。實(shí)際上，
往往利用一個(gè)光圈(Iris)祇讓光束中心部份通過(guò)以達(dá)到較均勻強(qiáng)度分佈的平行光。
（圖2）
2. 偏振板與 Malus 定律

偏振板是一種透過(guò)光學(xué)偏振角度選擇方式將非偏振或部份偏振光波轉(zhuǎn)換成線偏振光
波的光學(xué)元件。因此，偏振板之作用是僅讓平行其穿透軸方向的電場(chǎng)通過(guò)而擋住(吸
收)垂直穿透軸振動(dòng)方向的電場(chǎng)。一般而言，良好的偏振板具有極佳的消光率。所以，

當(dāng)自然光通過(guò)此板后，即可形成線偏振光，這是產(chǎn)生線偏振光的一種最簡(jiǎn)單的方式。
當(dāng)使用自然光或非偏振光源入射至兩個(gè)不同夾角的偏振板的情形，其方式如[圖 3]
所示。在圖中，第一個(gè)偏振板的作用係入射的自然光轉(zhuǎn)換成某一個(gè)方向的偏振光,例

如:y-軸方向。因此,約僅有一半的入射光強(qiáng)度穿透此偏振板。接著，第二個(gè)偏振板的
穿透軸與第一個(gè)偏振板夾角 θ 時(shí)，將使得最后輸出光強(qiáng)度有如下的關(guān)係：

(2)

其中 I 0 為入射光強(qiáng)度。式(2)稱為 Malus 定律。由式(2)可知，當(dāng)兩個(gè)偏振板穿透軸互

相平行時(shí)，其出射光強(qiáng)度最大；反之，當(dāng)兩個(gè)偏振板穿透軸互相垂直時(shí)，則其出射光

強(qiáng)度最小。

3. 液晶顯示器
液晶顯示器是一種光偏振調(diào)製的資訊顯示器件。液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)如[圖 4]所示，

其主要構(gòu)造係以經(jīng)過(guò)配向處理的兩片玻璃板之間灌入液晶分子 其中的透明電極則用
，

來(lái)外加電場(chǎng)以驅(qū)使液晶的排列產(chǎn)生變化，并使得液晶層的光電特性發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)

生光的調(diào)製作用。在上下玻璃板基板外側(cè)各加上一片偏振片以解調(diào)輸出光強(qiáng)度。這兩
個(gè)偏振片的穿透軸方向則依液晶分子排列與操作模態(tài)而定。


一般而言,常見(jiàn)的向列型液晶(nematic liquid crystal)顯示器有製作成扭轉(zhuǎn)向列型液晶
顯示器(twisted nematic liquid crystal display，TN-LCD)與超扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器

(supertwisted nematic liquid crystal display，STN-LCD)兩種。扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器中
的液晶分子共扭轉(zhuǎn) 90 度，而超扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器中的液晶分子扭轉(zhuǎn)角度則超過(guò)

90 度，甚至達(dá)到 270 度。[圖 5]所示為 90 度扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器中一個(gè)液晶胞的
基本結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造為上下兩片導(dǎo)電玻璃基板，在導(dǎo)電膜上涂布一層配向膜，當(dāng)向列型
液晶分子灌注入上下兩片玻璃之間隙時(shí)，由于液晶分子具有液體的流動(dòng)特性，因此很
容易順著此配向膜方向排列。由于上下玻璃基板配向膜的方向互相垂直，故在液晶胞
內(nèi)的向列型液晶分子共扭轉(zhuǎn) 90 度。

如[圖 6]所示，依據(jù)入射偏振片與出射偏振片排列的方向可分為正常白(normally
white，NW)與正常黑(normally black，NB)兩種操作模式。當(dāng)入射偏振片與出射偏振

片的穿透軸方向互相垂直時(shí)，在未施加外來(lái)電場(chǎng)于液晶胞的情形下，入射偏振光會(huì)順

著液晶分子的排列旋轉(zhuǎn) 90 度，此時(shí)偏振光方向與出射偏振片穿透軸方向一致。因而，
此偏振光能通過(guò)出射偏振片而產(chǎn)生最大光強(qiáng)度輸出，這是正常白的操作模式，如[圖

6]-(a)。在正常白的操作模式下通過(guò)扭轉(zhuǎn)向列型液晶的光穿透度可表示為

圖 6. 90 度扭轉(zhuǎn)向列型液晶操作模式。

相反地，當(dāng)入射偏振片與出射偏振片的穿透軸方向互相平行時(shí)，在未施加外來(lái)電場(chǎng)于
液晶胞的情形下，入射偏振光會(huì)順著液晶分子的排列旋轉(zhuǎn) 90 度，此時(shí)偏振光方向與
出射偏振片穿透軸互相垂直，因而此偏振光被出射偏振片阻擋而無(wú)法產(chǎn)生光強(qiáng)度輸

出。這是正常黑的操作模式，如[圖六]-(b)。其輸出光穿透度則可比表示為

值得一提的是，正常白與正常黑為互補(bǔ)的操作模式，即是在正常白操作模式下為╔白底

黑字╝的圖桉，而在正常黑操作模式下則將原圖桉顯示為╔黑底白字╝。
最后，我們說(shuō)明扭轉(zhuǎn)向列型液晶顯示器的明暗顯示原理。首先，當(dāng)白光光源所射出的
光通過(guò)液晶顯示器的入射偏振片后，此自然光即被轉(zhuǎn)換為線偏振光，在未施加外來(lái)電
場(chǎng)于液晶胞的情形下，入射偏振光會(huì)順著液晶分子的排列旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，在正常黑的操作
模式時(shí)，由于偏振光被出射偏振片阻擋而吸收，因而顯示器畫(huà)面輸出暗的狀態(tài)；相反

地，若施加電壓時(shí)，液晶分子傾向平行于施加電場(chǎng)的方向，因此，當(dāng)液晶分子受此外

加電場(chǎng)而垂直于玻璃基板表面，則線偏振光將直接通過(guò)液晶胞到達(dá)出射偏振片。由于
入射偏振光的偏振狀態(tài)不受此液晶分子的影響，并保持與出射偏振片穿透軸方向一
致，因而，能通過(guò)出射偏振片形成亮的狀態(tài)。因此，利用適當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓(V)即可得到
明暗對(duì)比顯示的效果。同時(shí)，液晶顯示器的對(duì)比(contrast)可定義為

三、實(shí)驗(yàn)器材：

儀器名稱

1.綠光雷射組

2.空間濾波器

數(shù)量

1 組

1 組

3.平凸透鏡 f:100 mm

4.屏幕固定架

5.可調(diào)式光圈

6.偏振板

7.光空間調(diào)製器

8.支持桿架

產(chǎn)品編號(hào)

MGM250

CP01A

ES01A

BM040

IP050

BL203AP

DR02

BL203AP

EIDO1M

BZ02

DH01

SLM-K

EP03N

ESB05SC

1 組

1 組

2 組

2 組

1 組

6 組

四、實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 擴(kuò)束平行光:實(shí)驗(yàn)裝置如圖 7，實(shí)驗(yàn)架設(shè)

如圖 8，主要器件如圖 9。

(1)在光學(xué)平臺(tái)上首先將 DPSS 綠光雷射架

圖 7. 擴(kuò)束平行光。

設(shè)與固定于適當(dāng)高度。
(2)利用兩個(gè)相同高度的光圈作成平行于光學(xué)平臺(tái)的參考直線。調(diào)整雷射光束與光圈高度
等高，同時(shí)，使得雷射光束分別精確地穿過(guò)這兩個(gè)相同高度的光圈，并以此了雷射光
束作為光學(xué)系統(tǒng)的參考光軸。
(3)在雷射頭前面放置一個(gè)顯微物鏡(L1)使光束擴(kuò)大，調(diào)整物鏡位置，使擴(kuò)大光束至光圈

中心區(qū)域，并將光束圓心對(duì)準(zhǔn)光圈 I1 中心。

(4)在顯微物鏡焦距處加入空間濾波器(針孔)，并調(diào)整 X-Y 軸調(diào)整器以使得聚焦的雷射光
束能穿透該針孔而達(dá)到最亮的光強(qiáng)度，并準(zhǔn)確地射至近處光圈 I1 中心區(qū)域，得到以
光圈圓孔為圓心之漂亮圓形對(duì)稱光強(qiáng)度分佈。
(5)在針孔后方置放透鏡(L2)，并使得針孔恰位于此透鏡的前焦點(diǎn)上。經(jīng)透鏡出射至光圈

直徑以控制平行光束大小，并由屏幕中觀測(cè)光束強(qiáng)度分佈的均勻度。

圖 8. 實(shí)驗(yàn)架設(shè)。

圖 9. 主要器件。

2. 液晶顯示器:實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖 10.，實(shí)驗(yàn)架設(shè)如圖 11.，主要器件如圖 12.
2-1. TN 型液晶顯示器
(1)在前一個(gè)實(shí)驗(yàn)已擴(kuò)束之平行光后接上圖十
的實(shí)驗(yàn)裝置，即為實(shí)驗(yàn)架設(shè)(圖 11.)。
(2)旋轉(zhuǎn)第一個(gè)線偏振板(P1)穿透軸平行于 x-軸

與第二個(gè)線偏振板(P2)穿透軸平行于 y-

軸，以利 LC-SLM 影像顯示作用。
(3) 利 用 電腦 ( 含 TV 轉(zhuǎn) 換 盒 )輸 出視 訊影像
(NTSC)至微型液晶空間光調(diào)製器
(4)透鏡(L)則選擇適當(dāng)?shù)姆糯?縮小倍率將

LC-SLM 影像成像于屏幕或 CCD 攝像機(jī)，
以進(jìn)行各式圖像之觀測(cè)。

2-2. NB 與 NW 顯示模式

(5)在電腦繪製一個(gè)黑底白字圖桉，例如：英文字母 A、B…等。將圖桉顯示于電腦螢?zāi)唬?br />并輸出至 LC-SLM。

(6)NB 顯示模式時(shí)，將第一個(gè)線偏振板(P1)穿透軸平行于第二個(gè)線偏振板(P2)穿透軸。觀

測(cè)屏幕上圖像與電腦螢?zāi)粓D像明暗，并比較之。

(7)NW 顯示模式時(shí)，將第一個(gè)線偏振板(P1)穿透軸垂直于第二個(gè)線偏振板(P2)穿透軸。觀
測(cè)屏幕上圖像與電腦螢?zāi)粓D像明暗度，并比較之。

(8)緩慢旋轉(zhuǎn)偏振板(P2)時(shí)，并觀測(cè) NB 與 NW 顯示模式交替變換過(guò)程的圖像明暗度變化

2-3. 液晶顯示器對(duì)比
(9)在電腦繪製全黑與全白兩個(gè)圖桉分別輸出至 LC-SLM，并由光偵測(cè)器或 CCD 攝取其

明暗強(qiáng)度。

(10)量測(cè)液晶顯示器 NB 與 NW 操作模式的顯示對(duì)比。

圖 10. 液晶顯示器實(shí)驗(yàn)。

圖 11. 實(shí)驗(yàn)架設(shè)。

圖 12.主要器件。

五、實(shí)驗(yàn)問(wèn)題：

(1)未輸入視訊影像至 LC-SLM 前，測(cè)試 NB 與 NW 操作模式的全黑與全白圖桉，并以數(shù)
位像機(jī)或影像擷取卡，攝取液晶顯示器全黑與全白畫(huà)面，并描述畫(huà)面明暗均勻度。

(2)輸入黑底白字圖桉至 LC-SLM 時(shí)，紀(jì)錄 NB 與 NW 操作模式的二元圖像(binary image)

明暗變化。
(3)旋轉(zhuǎn)偏極板(P2)以觀測(cè)及紀(jì)錄各種的旋轉(zhuǎn)角度(0˚、45˚、90˚、135˚、180˚)液晶顯示器

灰階影像(gray-level image)顯示效果。

(4)二元圖像對(duì)比量測(cè)結(jié)果:

模式
圖像

全黑

全白

輸出光強(qiáng)度

NB

NW

試計(jì)算出二元圖像在 NB 與 NW 操作模式下顯示對(duì)比。

(5)灰階圖像對(duì)比量測(cè)結(jié)果：

模式
灰階度

0

10

20

30

…

輸出光強(qiáng)度

NB

NW

…

…

…

…

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描繪出液晶顯示器輸入-輸出轉(zhuǎn)換特性曲線，是否為一種線性關(guān)係？試解釋之。

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