液晶光電顯示實驗量測系統
Ⅰ、背景知識說明
1. 雷射二極體及光偵測器簡介：
(1) 本實驗所用的光源為雷射二極體(laser diode)，雷射二極體是一種能 發出單色、偏極化的同調光的發光二極體(LED)，當二極體電流達某 一定值時，會開始發生激發輻射(stimulated emission)，即雷射光。
(2) 本實驗所用的光偵測器是利用光電二極體(photodiode)在逆向偏壓 時，受光照射會產生光電流(photocurrent)的原理製造的。在入射光為 單色光的情況下，光電流與入射光強度成正比，因此光偵測器的輸 出電壓可用來測量入射光的強度(light intensity)。
2. 液晶簡介
液態晶體（簡稱液晶，LC）是一種介於固態結晶體和非晶形液態之間的 物質。其中絲狀液晶(nematic LC)係由長條形有機分子所構成的，這些分 子的平均排列方向（經表面配向處理後）具有規則性，同時亦可以透過 施加電場驅使長條形液晶分子長軸的指向產生改變（當外加電場夠大 時，液晶分子長軸應順著電場方向排列整齊）。絲狀液晶對光具有特殊的 光學性質。光線沿著分子長軸方向傳播時，光波電場振動方向皆垂直於 分子長軸，光速皆相同，稱為尋常光，折射率 no稱為「尋常折射率」，故
分量可能與光軸垂直或平行，其中電場分量與光軸垂直的光波，也是尋 常光，折射率為 no，但是電場分量與光軸平行的光波，其光速不同於尋 常光，稱為異常光，折射率為 ne，稱為「非常折射率」。非常折射率 ne 與 尋常折射率 no之差以Δn = ne-no代表（Δn 稱之為雙折射量）。在大部分的 光電液晶元件中，均要求液晶分子的配向均勻或有預設的配向分布。本 實驗之液晶片結構如（圖一）。
使用擦鏡紙沿單一方向磨擦上圖所示之PI 膜，可在 PI 膜表面形成細微 的溝紋，它會令相鄰的液晶長分子沿溝紋方向排列整齊，並進而透過分 子間的作用，使其他液晶分子隨之規則排列，如此可獲得均勻配向的絲
圖一 液晶片結構
狀液晶片。
3. 90 度扭轉之絲狀液晶片(90oTN-LC)
90o扭轉之絲狀液晶片示如（圖二），右邊 PI 膜之 LC 配向方向，相對於
左邊 LC 之配向扭轉 90 度。故液晶分子在液晶層中亦逐漸扭轉 90 度，
如（圖二）所示。若令起偏鏡的偏振方向平行於 TN-LC 左邊 PI 膜的 LC 配向，則入射後的偏振光穿經90oTN-LC 時，其偏振方向會隨著液晶 分子的扭轉配向而扭轉，產生旋光現象使得透過 TN-LC 的光維持為線 性偏振，但其偏振方向扭轉 90 度。由於入射偏振光的電場振動方向始 終維持與液晶分子長軸方向平行，故它顯示為非常光，其折射率為ne。
（圖二）90oTN−LC液晶分子配向扭轉示意圖
同理若入射偏振光之偏振方向始終維持與 LC 分子長軸垂直，它也具有 90 度旋轉的扭轉效果，但它顯示為尋常光，其折射率為n0。若檢偏鏡 (Analyzer)的偏振方向設定為平行於起偏鏡(Polarizer)的偏振方向(參見 圖三)，則在 TN-LC 兩邊未加電壓的情況下（即V =0時），光不能透過 檢偏鏡，此種設定稱為「正常黑色」設定(Normally black，簡稱 NB)，
但若在 TN 片兩邊之導電 ITO 玻璃上外加電壓 V，且當 V 超過底限電壓
Vc時，液晶分子的長軸方向，受外加電場作用，會沿電場方向作平行排 列(液晶分子之長軸此時會受電場作用而垂直於玻璃基板排列)，這將使 液晶晶胞內之液晶分子失去對偏振光偏振方向的引導扭轉能力，而造成 光會透過檢偏鏡。如令V10及V90分別代表透射光強度達到最大透射光強 度之 10％及 90％時的外加電壓值，則吾人可定義「光一電開關斜率」γ 為
10 10 90
V V V −
γ = 。至於透射光強度與外加電壓的關係曲線則稱為「光-電開 關特性曲線」。
（圖三）NB 操作設定
4. 均勻平行配向液晶片(homogeneous parallel-aligned LC cell)
均勻平行配向 LC 片是左邊及右邊之 LC 配向方向互為平行的液晶片（參 見圖四）。若經由起偏鏡入射的線性偏振光，偏振方向平行於LC 配向時，
在液晶中光以非常光的方式前進
（圖四） 均勻平行配向液晶片
(雙箭頭為表面配向方向)
，且光呈單一的（純的）相位變化。若入射偏振光和 LC 配向呈 45 度 夾角，則由於尋常光和非常光在 LC 中波速不同，導致這兩種光間發生
「相位延遲」(phase retardation)。兩光之相位延遲δ 為：
λ λ δ =2πd⋅Δn(V, )
其中 d 為液晶片中液晶層的厚度，Δn為雙折射量(birefringence)，λ為入 射光之波長。由於Δn與入射波長λ及施加於液晶片兩端之電壓V 大小有 關，故Δn表為Δn(V,λ)。在入射光偏振方向和 LC 配向呈 45 度的設定架 構下，透過檢偏鏡之光的透射比（即透射光強度與入射液晶之光強度的 比值）分別為：
sin 2 2 sin
1 2 2
||
θ δ
−
=
T cos2δ2
= (when θ=45o) sin 2
2
sin2 θ 2δ
⊥ =
T sin2δ2
= (when θ=45o)
其中//及⊥分別代表檢偏鏡之偏振方向平行及垂直於起偏鏡之偏振方向 的不同設定(參見第 II 部份 Part C 中之圖五所示)。在此值得一提的是，
相位延遲δ 隨外加電場增大而減少，故當外加電場為零時δ有其最大值。
Ⅱ、實驗
1. 設備與材料
設備與材料 數量 設備與材料 數量
A 光偵測器 1 I 電池與電池盒 1
B 可轉動偏光鏡 2 J 鱷魚夾與香蕉頭電線 各1
C 可轉動液晶片支架 1 K 光具座 1
D 函數產生器 1 L 導電貼簿 1
E 雷射光源 1 M 尺 1
F 三用電錶 1 N 電線 1
G 均勻平行配向LC 晶胞 1 O 剪刀與水平儀 各1
H 90 TN-LC 晶胞 o 1 P 方格紙 5
2. 三用電表說明:
* DC/AC 開關可選直流或交流
* 用 VΩ 與 COM 接頭測量電壓或電阻
* 用 mA 與 COM 接頭測量小電流。數位顯示為 mA 電流。
* 用功能旋扭選擇適當的功能與測量範圍。V 代表測量電壓，A 代 表測量電流，而 Ω 代表測量電阻。
3. 函數產生器說明
* 電源按鍵下壓為接通電源，再壓則切斷電源。
* 用頻率範圍按鍵選擇適當頻率範圍。
* 數位顯示幕顯示頻率。
* 用粗調節鈕與細調節鈕選擇適當頻率。
* 用波形選擇最左按鍵選用方波。
* 用輸出振福調節鈕，改變輸出電壓。
4. 實驗內容與步驟 實驗初步
警告與注意：(1) 請勿以眼直視雷射二極體之發光光源，以避免傷眼！
(2) 不要用手接觸液晶晶胞表面(接觸表面時須戴手套)！
一， 光徑對準
1. 雷射、液晶中心與檢光計等高，使雷射光射入檢光計。移除 液晶。
2. 放置偏振片 1(近雷射)，中心對準雷射光，反射光尋原路徑反 射。(提示：可利用入射與反射光，在插入的光屏上所生之光 點(light spot)重疊的方法，確定入射光的垂直性)
3. 使用檢光計之 LOW GAIN 模式以進行下面所有實驗量測。
4. 旋轉調整偏振片 1，使檢光計輸出電壓約 3V。
(提示：檢光計輸出電壓 3 至 4V 均可)
5. 放置偏振片 2（近檢光計），中心對準雷射光，反射光尋原路 徑反射。
6. 旋轉調整偏振片 2，使檢光計輸出電壓最大約 3V(或接近 3V)，必要時微調偏振片 1。此時，偏振片 1 與 2 平行。不再 旋轉調整偏振片1，選定為 0o，光強度為Io。
7. 旋轉調整偏振片 2，至檢光計輸出電壓最小。此時偏振片 1
與 2 垂直。選定為 90o。
8. 為簡單計，透射光強度可用由偵測器所量得之電壓做單位。 二、注意事項：壓桌面，拉扯接線，抬動光軌，會影響電錶讀值。
接線需固定在檢光計底座。
三，液晶面法線與轉軸平行調整
在兩個偏光方向互相平行的偏光鏡間，放置液晶片並逐步轉 動它，將可觀察到其反射光點隨著繞圈的現象。其原因乃因 液晶晶胞面法線與轉軸不平行所導致，即液晶面不垂直轉 軸。故液晶晶胞在安裝時需經仔細調整，即滿足容許誤差值 範圍在1o~2o以下，調整方式即液晶距雷射30cm 旋轉一圈，
反射光點繞半徑1cm 圓圈 △θ~ (1/30) ~ 5% 以下。
Part A 實驗：90oTN-LC 的光-電開關特性
(1) 在兩個偏光方向互相平行的偏光片間，放置90oTN-LC，逐步轉動 LC (每次轉動約 5-10 度，共轉 360 度)，你會發現光穿透率在四個特定 角度時有極小值出現，注意這四個角度之關係並回答以下問題。
◎ 問題 A-(1)：
在下圖中，以雙箭頭線段畫出在透射光強度為極小值時，尋常光及非常 光之電場Er0
及Ere
在出射面（或在離開檢偏器前）的振動方向（須註明Ere
或Er0
），並在括號中填入你所選畫的角度。(四個角度之間關係正確即可)
下圖中的雙箭頭線段，表示起偏鏡與檢偏鏡的偏光方向(兩鏡偏光方向平行)
(2) 將90oTN-LC 設定在「正常黑色」模式，使用函數產生器以 100Hz方 波的方式加電壓於LC 試片兩邊的 ITO 導電電極上。令電壓值Vrms由 0 逐步增至 7V。
提示：電壓變化每次約增加 0.1-0.2V，在關鍵點附近宜縮小增加值。
提示：關鍵點附近電壓之增加量建議為 ~ 0.04 V 以下。
◎ 問題 A-(2)：
畫出90oTN-LC 的光電開關特性曲線，並求出其光-電開關斜率γ 。
◎ 問題 A-(3)：
求此液晶光電元件的底限電壓Vc。(關鍵點 Vc附近應取較多數據，並將 數據圖放大以利觀察)
提示：當外加電壓超過底限電壓後，光透過率將開始急遽上升。
(角度： ) (角度： ) (角度： ) (角度： )
P,A P,A P,A P,A
Part B 實驗：均勻平行配向 LC 的光-電開關特性
（圖五）實驗示意圖 (L 為配向方向)
＊ 重複實驗初步三，調整此平行配向液晶晶胞面法線與轉軸平行。
(1) 設定 LC 配向與起偏鏡之偏極角方向呈 45 度，在實驗上即在偏光 片與檢光片垂直時，旋轉液晶試片直到穿透率達最大值時，此時
45o
θ = 。已知θ 角為 45o後，分別測量T⊥及T// (在外加電壓V =0
時)，以求得相位延遲δ 。
◎ 問題 B-(1)：
已知λ=650nm，d =9.0μm，Δn≈0.225；由T⊥及T//之數據求δ 之精確值。
(2) 如(1)之實驗，在θ =45o的設定下，使用函數產生器以 100Hz 方 波加電壓於均勻平行配向之LC 試片兩端的 ITO 電極上，測量T//
在外加此電壓下(Vrms)於 0V 到 10V 之間的光-電開關曲線（測量
光穿透率T⊥之結果可有助於T//在量測時之準確性; T⊥之量測結 果無需作答）。
提示：＊電壓大於5V 時，控制每次電壓變化量約增加 0.3-0.4V。當電壓小 於 5V 且在關鍵點附近時，宜縮小電壓的增加值—建議關鍵點附近 電壓之增加量為 ~ 0.03 V 以下。
◎ 問題 B-(2)：
畫出T//之光-電開關關係曲線。
◎ 問題 B-(3)：
根據前一題(B-(2))之數據或從圖中，找到δ =π時之電壓Vπ。(關鍵點Vπ附 近應取較多數據，並將數據圖放大以利觀察)
提示：可考慮用內插法
◎ 問題 B-(4)：
由問題(B-(2))之光-電開關曲線數據中（或從圖中），求使透過LC 晶片之 光為圓偏振之最大外加電壓。
提示：關鍵點附近電壓之增加量宜為 ~ 0.05 V 以下; 可考慮用內插法
