劉曉夢，布秀敏，秦 禹，孫艷梅，葉文江

（1．河北工業(yè)大學理學院，天津 300401；2．河北交通職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊 050091；3．河北工業(yè)大學信息工程學院，天津 300401；4．正定縣第八中學，河北石家莊 050800）

液晶動態(tài)響應(yīng)實驗研究

劉曉夢1，布秀敏2，秦 禹3，孫艷梅4，葉文江1

（1．河北工業(yè)大學理學院，天津 300401；2．河北交通職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊 050091；3．河北工業(yè)大學信息工程學院，天津 300401；4．正定縣第八中學，河北石家莊 050800）

為了分析液晶的響應(yīng)時間并判斷其響應(yīng)速度，開發(fā)了液晶動態(tài)響應(yīng)測試裝置，并對強錨泊扭曲排列向列液晶的動態(tài)響應(yīng)過程進行了測量。當脈沖信號施加于液晶盒上時，液晶的響應(yīng)時間，即上升時間隨電壓的增大而減??；當脈沖信號撤消時，液晶的響應(yīng)時間，即下降時間基本保持不變。與液晶動力學理論數(shù)值計算結(jié)果進行比較表明，實驗結(jié)果和理論結(jié)果基本吻合。

液晶；動態(tài)響應(yīng)；響應(yīng)時間；扭曲向列相；動力學理論

液晶器件的動態(tài)響應(yīng)時間是指在施加輸入信號后，液晶顯示由亮變暗再到亮，或者由暗變亮再到暗所用的時間［1］。響應(yīng)時間分為上升時間和下降時間，一般情況下所說的響應(yīng)時間為兩者的總和。人在觀測高速運動的畫面時，大腦中會產(chǎn)生短暫的印象。動態(tài)顯示的原理就是利用了人眼的這種視覺殘留，使?jié)u變的的圖像連續(xù)顯示，從而形成動態(tài)的影像。人的視覺能接受的畫面播放速度為25個／s，即每個畫面約40 ms。當液晶的響應(yīng)時間過長時，顯示畫面就會出現(xiàn)殘影和拖曳現(xiàn)象，觀看者會明顯感到畫面停頓。因此，動態(tài)響應(yīng)的快慢是衡量液晶顯示質(zhì)量的一個重要指標。對于液晶動態(tài)響應(yīng)的研究，有利于降低液晶器件響應(yīng)時間，提高響應(yīng)速度［2］，減少顯示動態(tài)畫面時的遲滯，提高顯示性能使畫面更加完美。

液晶動態(tài)響應(yīng)實驗，主要研究在電壓施加和撤去過程中，液晶分子位形變化的過程。分子位形變化導致液晶盒的透射光強發(fā)生變化，液晶的動態(tài)響應(yīng)過程最終反映為液晶盒的光學透過率在電壓變化過程中隨時間的變化關(guān)系。本文開發(fā)了液晶動態(tài)響應(yīng)實驗裝置，并利用該裝置對強錨泊邊界條件下的扭曲排列向列液晶的動態(tài)響應(yīng)過程進行測量，得到了與理論上數(shù)值計算結(jié)果相吻合的液晶盒的光學透過率隨時間的變化關(guān)系。

1 液晶動態(tài)響應(yīng)實驗裝置

液晶動態(tài)響應(yīng)實驗裝置如圖1所示，由He－Ne激光器（632．8nm）、起偏器、液晶盒（TN）、檢偏器、信號采集裝置（硅光探測器、信號采集卡和單脈沖信號源等）構(gòu)成。起偏器和檢偏器正交放置，TN盒水平摩擦基板與起偏器對應(yīng)，垂直摩擦基板與檢偏器對應(yīng)，且水平摩擦方向與起偏器的透光軸成45°角。

圖1 液晶動態(tài)響應(yīng)實驗裝置圖

He－Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)起偏器后變成沿其透振方向振動的線偏振光。對TN盒施加單脈沖信號，液晶分子由于本身具有電學性質(zhì)，會在電場作用下定向排列。定向排列后的液晶具有和晶體一樣的雙折射效應(yīng)，會使光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化。偏振光透過液晶盒再穿過檢偏器，其光強也會發(fā)生變化。使用信號采集卡可以記錄電場變化過程中透射光強隨時間變化關(guān)系，由Origin繪圖軟件［3－4］可以得到TN盒動態(tài)響應(yīng)實驗曲線［5－6］。改變單脈沖信號源的幅度，可以測得不同電壓下的動態(tài)響應(yīng)實驗曲線。

脈沖信號的產(chǎn)生主要由單片機最小系統(tǒng)［7］和模擬電壓輸出模塊［8］兩部分組成，其中模擬電壓輸出模塊主要由LCD驅(qū)動電壓幅值控制器、A路DA轉(zhuǎn)換和B路DA轉(zhuǎn)換3部分構(gòu)成。電壓脈沖信號產(chǎn)生原理：單片機最小系統(tǒng)經(jīng)管腳傳輸一列數(shù)字信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部會依據(jù)此數(shù)字信號輸出一電流量，再經(jīng)由運算放大器和減法器電路，最終輸出一個與數(shù)字信號相關(guān)連的模擬電壓量，即是給液晶盒提供脈沖信號的電壓參量。此電路可輸出0～10．0 V的電壓脈沖，最小步進值為0．04V，可精確輸出任意幅值電壓脈沖信號。本實驗中脈沖信號的寬度為200ms，數(shù)據(jù)采集的時間為300ms。脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)實物見圖2。

2 液晶動態(tài)響應(yīng)理論分析

2．1 扭曲向列相動力學方程

扭曲向列相（TN）液晶盒中液晶指向矢動力學響應(yīng)由Erickson－Leslie方程描述［9］：

圖2 脈沖信號產(chǎn)生系統(tǒng)實物圖

其中：γ為液晶的轉(zhuǎn)動黏滯系數(shù)；K11、K22和K33分別為液晶的展曲、扭曲和彎曲彈性常數(shù)；q＝2π／P，P為液晶的螺距；ε0為真空中的介電常數(shù)；Δε為平行與垂直于液晶分子長軸的介電常數(shù)之差，Δε＝ε／／－ε⊥；E為液晶層中的電場強度，E＝U／d，U為施加在液晶層上的電壓，d為液晶層厚度；θ和分別為指向矢的傾角和方位角，都是盒厚位置（z）的函數(shù)。

對于上下基板均為強錨泊情形的扭曲向列相液晶盒，上下基本的扭曲角度固定，總扭曲角度為Φ。采用文獻［10］中的處理方法，撤掉電壓和施加電壓時液晶指向矢的響應(yīng)時間記為τoff和τon，有：

其中Uth為液晶盒的閾值電壓，相應(yīng)的閾值電場為［11－12］

2．2 液晶指向矢的模擬

液晶指向矢的模擬見文獻［13］。在很多液晶器件中，液晶指向矢分布只能得到數(shù)值解［14］，指向矢變化的動力學方程可以用來計算指向矢結(jié)構(gòu)的數(shù)值解［15］。在平衡態(tài)下［16］，液晶盒系統(tǒng)總的自由能最小，指向矢傾角θ和方位角滿足Euler－Lagrange方程［17］：

若起初系統(tǒng)不處于平衡態(tài)，其將向平衡態(tài)變化，動力學方程為：

式中f為自由能，u、w為變量。

利用上述方程，可以由t時刻液晶指向矢的角度計算出t＋Δt時刻液晶指向矢的角度：

模擬過程中，將整個液晶層分為N個厚度非常薄的子層，每一子層對應(yīng)的位置可以看作是節(jié)點，采用弛豫法［18］，第i個節(jié)點處液晶指向矢的角度可以通過下式計算［19］：

其中α和β是弛豫常數(shù)。

2．3 光學透過率的模擬

光學透過率的模擬見文獻［20－21］。在模擬計算光學透過率時，與液晶指向矢計算相對應(yīng)，同樣將液晶層分為N個厚度非常薄的子層。第i個子層的瓊斯矩陣為

式中di為第i個小薄層的厚度，λ為入射偏振光的波長，neeff為非常光的折射率：

式中，no為o光折射率，ne為e光折射率。通過將各個光學元件的矩陣依次相乘，可以得到光線的出射偏振態(tài)

其中ent為起偏片的方位角。液晶盒的光學透射率表達式為

結(jié)合式（17）和上述指向矢分布，分層使用瓊斯矩陣重復計算，即可模擬得到穿過液晶盒的光透過率與時間的變化曲線，即液晶動態(tài)響應(yīng)的理論曲線。

3 理論與實驗結(jié)果比較

通過圖1所示的實驗裝置，對常白模式的TN盒的動態(tài)響應(yīng)進行測定，并對采集到的實驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到了對應(yīng)3、4、5、6V脈沖時液晶的動態(tài)響應(yīng)實驗曲線。理論計算時，液晶材料的參數(shù)：K11＝9．0pN、K22＝6．0pN、K33＝12．1pN、!"＝4．9、#!＝11．59、$＝0．08N·s／m2、ne＝1．616、no＝1．521、P＝2mm，液晶盒厚度為d＝5%m，起偏片的方位角ent＝45°，檢偏片的方位角與起偏片方位角相互垂直，入射光的波長為&＝632．8nm。實驗曲線和模擬得到的結(jié)果見圖3。

通過分析在不同電壓下的TN盒動態(tài)響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)：隨施加電壓的增加，施加脈沖信號所對應(yīng)的上升時間逐漸減小，而撤去脈沖信號所對應(yīng)的下降時間基本保持不變，與動力學理論給出的結(jié)果保持一致。

4 結(jié)論

通過研究施加和撤去電壓瞬間液晶的動力學響應(yīng)，得出液晶形變隨時間的變化關(guān)系，進而得到液晶盒的光學響應(yīng)（透過率）隨時間變化關(guān)系。通過實驗測得的結(jié)果，可以得出強錨泊邊界條件下的扭曲向列相液晶盒的響應(yīng)時間隨電壓的增大而減少，響應(yīng)速度隨電壓增大而加快。上述實驗結(jié)果與理論計算得到的結(jié)果基本吻合。

圖3 施加不同電壓脈沖信號時歸一化透過率隨時間的變化曲線

（References）

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Experimental research on dynamic response of liquid crystal

Liu Xiaomeng1，Bu Xiumin2，Qin Yu3，Sun Yanmei4，Ye Wenjiang1
（1．School of Sciences，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2．Hebei Jiaotong Vocational ＆Technical College，Shijiazhuang 050091，China；3．School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；4．Zhengding No．8Middle School，Shijiazhuang 050800，China）

In order to analyze the dynamic response time and then judge the problems about the response speed of liquid crystal，the experiment equipment using for testing the dynamic response of liquid crystal has been exploited．And the dynamic response process of twisted－nematic liquid crystal with strong－anchoring is also measured．When an impulse is applied on the liquid crystal cell，the response time，or the turn－on time，decreases with increasing voltage；when the applied impulse is removed，the response time，or the turn－off time，remains unchanged in general．By comparing with the numerical calculation getting from the kinetic theory of liquid crystal，it is found that the results of theoretical calculation and the ones from experiment consist with each other．

liquid crystal；dynamic response；response time；twisted nematic；kinetic theory

O753

A

1002－4956（2015）3－0077－04

2014－08－31 修改日期：2014－10－08

國家自然科學基金項目（11274088，11374087，11304074）；河北省自然科學基金項目（A2014202123）；河北省教育廳項目（QN2014130）；河北省高校重點學科資助課題

劉曉夢（1991—），女，河北衡水，學士，從事液晶器件物理方面的研究

葉文江（1976—），男，河北石家莊，博士，副教授，應(yīng)用物理系副主任，從事液晶器件物理及實驗室建設(shè)與管理方面的研究工作．

E－mail：wenjiang＿ye＠hebut．edu．cn