ISSN1672-4305

CN12-1352 / N实　 　 验　 　 室　 　 科　 　 学

LABORATORY　

SCIENCE第 23 卷　 第 4 期　 2020 年 8 月

Vol. 23　 No. 4　 Aug. 2020

液晶振幅调制特性的实验研究

马雯晴1, 王　 伟2

(东北师范大学　 1.

物理学院; 2.

物理国家级实验教学示范中心, 吉林

长春　 130024)

摘　 要: 随着科技的发展, 液晶空间光调制器在光信息处理方面的应用逐渐增多。 针对扭曲向列型液晶的电

光特性, 设计了研究液晶振幅调制特性的实验。 为了提高实验测量的准确性, 先测量了液晶像素分子大小和

液晶扭曲角度; 测量了不同灰度值与液晶透过率的关系, 得出在常白模式下, 液晶透过率随灰度值的增加而

增加。 在研究液晶振幅调制模式时, 考虑了两个方面的作用, 一个是灰度值, 另一个是起偏器与检偏器的夹

角, 并分别设计了实验进行测量。关键词: 液晶; 振幅调制特性; 空间光调制

中图分类号:0738　 　 文献标识码:A　 　 doi:10. 3969 / j. issn. 1672-4305. 2020. 04. 011

Experimental

study

of

liquid

crystal

amplitude

modulation

characteristics

MA

Wenqing1, WANG

Wei2

(1.

School

of

Physics;

2.

National

Demonstration

Center

for

Experimental

Physics

Education,

North-east

Normal

University,

Changchun

130024,

China)

Abstract: With

the

development

of

science

and

technology,

the

application

of

liquid

crystal

space

op-tical

modulator

in

optical

information

processing

is

gradually

increasing.

Aiming

at

the

electro-optical

characteristics

of

liquid

crystal,

an

experiment

to

study

the

modulation

characteristics

of

liquid

crystal

amplitude

is

designed

in

this

paper.

In

order

to

improve

the

accuracy

of

the

experimental

measure-ment,

the

molecular

size

of

the

liquid

crystal

pixel

and

the

twist

angle

of

the

liquid

crystal

were

meas-ured

first.

The

relationship

between

different

grayscale

values

and

the

transmittance

of

liquid

crystal

was

measured,

and

the

transmittance

was

increased

with

the

increase

of

grayscale

value

in

liquid

crys-tal

normal

white

mode.

In

the

study

of

the

modulation

mode

of

liquid

crystal

amplitude,

the

function

of

two

aspects

is

considered,

one

is

the

grayscale

value,

the

other

is

the

angle

between

the

polarizer

and

analyzer

and

the

experimental

measurement

is

designed

respectively.Key

words: liquid

crystal;

amplitude

modulation

characteristics;

spatial

light

modulator

　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　　

　　

　　

　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　

　　

　　

　

收稿日期:2019-04-24　 修改日期:2019-12-28作者简介:马雯晴,物理专业本科学生。

E-mail:2737310961@ qq. com通讯作者:王伟,硕士,副教授,主要研究方向为光学物理实验教

学研究。 E-mail:wangw100@ nenu. edu. cn

　 　 液晶是介于液体与晶体间的一种物质状态,既有

液体的流动性,也有晶体的有序性,是一种非线性的

光学材料,液晶分子有序排列时表现出光学各向异

性,所以当光通过液晶时会产生偏振面旋转、双折射

等效应。 在电场的作用下,液晶分子的排列方式发生

变换,导致其光学性质也跟着发生改变,这种因外电

场导致的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。液晶空间光调制器是通过电信号或光信号来改变其

空间上光的振幅、相位、偏振态等光学性质[1-3] 。本文主要对 TN 扭曲向列型液晶的振幅调制特

性进行了研究。 首先对液晶的基本参数,扭曲向列

型液晶像素分子大小和液晶的扭曲角进行了测量,在振幅调制特性研究中会用到该液晶的扭曲角;又针对液晶空间光调制器,主要研究了其振幅调制特

性,通过改变起偏器与检偏器之间的夹角

,在不同

的灰度值下,测量出射光的光强,得到了不同灰度下

光强透过率最大时所对应的最佳夹角。

1　 液晶基本参数测量

扭曲向列型液晶是一种各向异性的介质,可以

看成同轴晶体,其光轴与液晶分子的长轴平行。 在

边界条件影响下扭曲排列,在电场作用下沿电场方

向倾斜,并对空间光的强度和相位都会产生调制。在空间光调制器液晶屏的使用中,光线依次通

过起偏器 P 1、液晶屏、检偏器 P 2。 在未加电压的情

况下,自然光通过起偏器后成为线偏振光(其偏振

方向平行于 P 1 的透振方向),线偏振光射入液晶

层,其偏振方向随液晶分子扭曲同步旋转,到达输出

面时,其偏振面旋转了 90°。 如果两偏振片透振方

向是正交设置,即 P 1⊥P 2,则有光输出,称为常白模

式。 若两透光轴方向平行设置(P 1∥P 2 ),则光被关

断,称为常黑模式[ 4-6 ] 。1. 1　 起偏器和检偏器的标定

实验中,起偏器和检偏器的透振方向没有确定,所以在进行实验之前,利用布儒斯特角原理,需要对

起偏器和检偏器的透振方向进行标定。 将起偏器放

置在反射光线一端(反射光线垂直入射起偏器),移动玻璃片改变光的入射角,并且旋转起偏器,寻找透

射光最强的方向,为起偏器的透振方向,将此偏振方

向标定为 0°;同理,找到检偏器的透振方向,此时,起偏器和检偏器的透振方向平行。1. 2　 液晶像素分子大小的测量

本实验利用液晶空间光调制器对液晶像素分子

大小进行测量,其中液晶盒中的液晶屏结构是多个

液晶分子排列组成,其分子表面排列类似正交的光

栅,当氦氖激光照射液晶屏时,会产生衍射图样。根据光栅衍射原理,当波长为 λ 的平行光垂直

光栅面,入射透明与不透明相间的周期性结构(光

栅)时,满足方程:(a + b)sinφ = kλ , k = 0, ± 1, ± 2 (1)假设液晶屏像素尺寸为 d,根据液晶表面分子

结构,每个像素的尺寸 d = (a+b)。 取 k = 1,假设衍

射 0 级与 1 级的距离为 l,f 为透镜的焦距,得到像素

尺寸大小为[7 ] :

d= λfl

(2)

利用相机的采集功能,对衍射光斑的 0 级以及

1 级的距离 l 进行测量,带入像素尺寸大小公式,可以得到液晶分子像素尺寸。

采集到的图像如图 1 所示,测量并计算出两光

斑(正一级和 0 级光斑的中心)之间的像素数量为

h。 由于相机像素大小为 5. 2μm,则零级与一级光

斑中心实际距离为 l = 5. 2h / μm 可得到液晶分子像

素大小,如表 1 所示。

图 1　 液晶像素分子衍射光斑采集图片

表 1　 液晶像素分子大小的测量

x1 ,y1( ) 906,440 368,453

x2 ,y2( ) 233,432 1127,449

l = 5. 2h / μm 3500 3946

d = λfl/ μm 27. 3 24. 1

液晶像素分子实际大小为 18μm ~ 25μm 之间,用光栅衍射原理测得的像素分子较大。 若实验条件

允许,可以用高倍显微镜测量液晶分子大小,测得的

值误差更小。1. 3　 液晶扭曲角的测量

增加功率计,将起偏器和检偏器放置在液晶空

间光调制器两侧,并将起偏器和检偏器的透振方向

调为平行,由公式 α=φ2 -φ1,得出扭曲角,测量数据

如表 2 所示。

表 2　 液晶扭曲角的测量

　 　 　 　 组别

角度1 2 3 平均值

φ1 / ° 7 18 30 18. 3

φ2 / ° 96 110 128 111. 3

α / ° 89 92 98 93

实验得到,液晶扭曲角为 93°,通过测量扭曲

角,可得出为扭曲向列型液晶。

2　 振幅调制特性研究

2. 1　 振幅调制原理

振幅空间光调制器是通过对入射线偏振光进行

调制后改变其偏振态,利用入射和出射偏振片方位

的不同获得不同强度的出射偏振光。对于液晶这种复杂的双折射旋光介质,由于分

子的倾斜,改变了液晶的双折射,ne 是 θ 的函数:

44 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

马雯晴,等:液晶振幅调制特性的实验研究

1n2e(θ)

= cos2(θ)n2e

+sin2(θ)n2o

(3)

所以当有电场存在时,液晶层的 ne 用 ne(θ)来

代替。 偏振片和液晶组成的系统,进一步由复振幅

可得到系统的强度变化:当空间光调制器其他参数

保持不变,光强 T

随着液晶屏所加电压的变化而变

化,此时空间光调制器为振幅调制模式[ 8 -10 ] 。2. 2　 振幅调制特性的研究

液晶空间光调制器振幅调制特性研究,在文

献[ 9 ]的研究中可知,液晶外加电压与灰度值呈单调

递减的关系。 旋转检偏器,每间隔 10°,测量不同灰

度值下、液晶屏的透过光强,当夹角 α 固定时,透过

光强与灰度的关系见图 2 和图 3 所示。

图 2　 不同夹角下透过光强与灰度关系图

图 3　 不同夹角下透过光强与灰度关系图

从图 2 中可以看出,夹角 α 在 0°时,透过光强

随着灰度的增加而减少;当 α 为 20°时,透过光强的

起伏变化特别小,之后随着夹角 α 增加,到 90°时,透过光强随着灰度的增加而增多。 在图 3 中,夹角

α 从 80°开始,透过光强随着灰度的增加而增大;当夹角 α 为 110°时,透过光强的起伏变化特别小,之后随着夹角 α 的增加,直到 170°,透过光强又随着

灰度的增加而减少。当灰度固定时,透过光强与夹角 α 的关系参见

图 4 所示。 在固定灰度值下,从图中可以看出,在灰

度为 0 时,透过光强最小的夹角为 8、90°左右。 随

着灰度的增加,透过光强最小的夹角也在增加,当灰

度为 250 时,透过光强最小的夹角为 110°左右。可以看出液晶空间光调制器对振幅有着明显的

调制作用,利用此特性可以实现对出射光的控制,进

而可以应用在光开关、光学信号识别等领域中。

图 4　 不同灰度下透过光强与角 α 关系图

3　 结语

研究液晶空间光调制器的振幅调制特性,可以

得出:(1)当灰度值为 0、起偏器与检偏器夹角 α 在

8、90°时,液晶透过率最小。 随着灰度值的增加,透过率最小的夹角 α 也在增加,当灰度值为 250,夹角

α 达到 110°时投射光强最小;(2)当夹角 α 为 0°时,液晶的透过率随着灰度的增加而减小;当夹角 α 为

90°时,液晶的透过率随着灰度的增加而增加,陡度

最大,黑白对比度最大,适合做图像输出用,所以 α角为 90°时 TN 型液晶显示特性最好。

此实验中,由于激光器及功率计不是很稳定,在测量数据时,存在一定的跳动,对测量结果有一定的

影响,例如在 45°及 135°附近测量得到的曲线波动

性减弱,没有很好地体现出波动性,引入了测量误

差,影响了准确度。

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