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液晶影像显示实验

一、实验目的：

1. 学习如何产生平行光以作为光学系统的对光基准。

2. 认识液晶显示器。
3. 认识液晶显示器的显示动作原理与光学特性。
4. 学习与操作液晶显示模式。

二、实验内容：

1. 扩束平行光以及空间滤波
平行光是一种不含有任何空间信号的平面波光束。在以雷射光源的光学系统中，由于

雷射光束往往具有高斯振幅分佈型态，如[图 1]所示，并非平面振幅分佈，因而，随
雷射光的传播，其光束大小与振幅将随之变化。同时，受到雷射内部构造、材质的不

均匀或微小尘埃的影响，其雷射光束的振幅分佈往往带有杂讯成份。因此，在光学实

验中，通常利用空间滤波器将雷射光束中的杂讯滤除。空间滤波器的工作原理如[图

2]所示：当带有杂讯的雷射光束经由透镜 L1(显微物镜)会聚成一个极小光点后，在此
聚焦平面上放置一个孔径大小适中的针孔 此针孔具有光学低通滤波作用将遮蔽掉光
，

束其他高频成份而仅通过高强度的低频成份光波。因此，通过针孔滤波器后就可得到

不含杂讯的理想雷射光束。例如：当以显微镜物镜当作[图二]中的透镜 L1，针孔当作
低通滤片时，则可形成实验上常用的点光源。此点光源若恰好落在透镜 L2 的前焦点

时,则在此透镜后方可得到强度平缓分佈高斯型态的扩束平行光。依据几何光学原理,

考虑雷射入射光束直径为 2w0，物镜(L1)焦距 fo，凸透镜(L2)焦距 fe，则出射雷射光束
直径约为

（图1）

其中 NA 为显微镜物镜的数值孔径(numerical aperture)。例如：显微镜物镜 NA = 0.40
(20X)，凸透镜(L2)焦距 fe = 15 cm，则出射雷射光束的最大直径约为 13 cm。实际上，
往往利用一个光圈(Iris)祇让光束中心部份通过以达到较均匀强度分佈的平行光。
（图2）
2. 偏振板与 Malus 定律

偏振板是一种透过光学偏振角度选择方式将非偏振或部份偏振光波转换成线偏振光
波的光学元件。因此，偏振板之作用是仅让平行其穿透轴方向的电场通过而挡住(吸
收)垂直穿透轴振动方向的电场。一般而言，良好的偏振板具有极佳的消光率。所以，

当自然光通过此板后，即可形成线偏振光，这是产生线偏振光的一种最简单的方式。
当使用自然光或非偏振光源入射至两个不同夹角的偏振板的情形，其方式如[图 3]
所示。在图中，第一个偏振板的作用係入射的自然光转换成某一个方向的偏振光,例

如:y-轴方向。因此,约仅有一半的入射光强度穿透此偏振板。接着，第二个偏振板的
穿透轴与第一个偏振板夹角 θ 时，将使得最后输出光强度有如下的关係：

(2)

其中 I 0 为入射光强度。式(2)称为 Malus 定律。由式(2)可知，当两个偏振板穿透轴互

相平行时，其出射光强度最大；反之，当两个偏振板穿透轴互相垂直时，则其出射光

强度最小。

3. 液晶显示器
液晶显示器是一种光偏振调製的资讯显示器件。液晶显示器基本结构如[图 4]所示，

其主要构造係以经过配向处理的两片玻璃板之间灌入液晶分子 其中的透明电极则用
，

来外加电场以驱使液晶的排列产生变化，并使得液晶层的光电特性发生变化，进而产

生光的调製作用。在上下玻璃板基板外侧各加上一片偏振片以解调输出光强度。这两
个偏振片的穿透轴方向则依液晶分子排列与操作模态而定。


一般而言,常见的向列型液晶(nematic liquid crystal)显示器有製作成扭转向列型液晶
显示器(twisted nematic liquid crystal display，TN-LCD)与超扭转向列型液晶显示器

(supertwisted nematic liquid crystal display，STN-LCD)两种。扭转向列型液晶显示器中
的液晶分子共扭转 90 度，而超扭转向列型液晶显示器中的液晶分子扭转角度则超过

90 度，甚至达到 270 度。[图 5]所示为 90 度扭转向列型液晶显示器中一个液晶胞的
基本结构，其构造为上下两片导电玻璃基板，在导电膜上涂布一层配向膜，当向列型
液晶分子灌注入上下两片玻璃之间隙时，由于液晶分子具有液体的流动特性，因此很
容易顺着此配向膜方向排列。由于上下玻璃基板配向膜的方向互相垂直，故在液晶胞
内的向列型液晶分子共扭转 90 度。

如[图 6]所示，依据入射偏振片与出射偏振片排列的方向可分为正常白(normally
white，NW)与正常黑(normally black，NB)两种操作模式。当入射偏振片与出射偏振

片的穿透轴方向互相垂直时，在未施加外来电场于液晶胞的情形下，入射偏振光会顺

着液晶分子的排列旋转 90 度，此时偏振光方向与出射偏振片穿透轴方向一致。因而，
此偏振光能通过出射偏振片而产生最大光强度输出，这是正常白的操作模式，如[图

6]-(a)。在正常白的操作模式下通过扭转向列型液晶的光穿透度可表示为

图 6. 90 度扭转向列型液晶操作模式。

相反地，当入射偏振片与出射偏振片的穿透轴方向互相平行时，在未施加外来电场于
液晶胞的情形下，入射偏振光会顺着液晶分子的排列旋转 90 度，此时偏振光方向与
出射偏振片穿透轴互相垂直，因而此偏振光被出射偏振片阻挡而无法产生光强度输

出。这是正常黑的操作模式，如[图六]-(b)。其输出光穿透度则可比表示为

值得一提的是，正常白与正常黑为互补的操作模式，即是在正常白操作模式下为╔白底

黑字╝的图桉，而在正常黑操作模式下则将原图桉显示为╔黑底白字╝。
最后，我们说明扭转向列型液晶显示器的明暗显示原理。首先，当白光光源所射出的
光通过液晶显示器的入射偏振片后，此自然光即被转换为线偏振光，在未施加外来电
场于液晶胞的情形下，入射偏振光会顺着液晶分子的排列旋转前进，在正常黑的操作
模式时，由于偏振光被出射偏振片阻挡而吸收，因而显示器画面输出暗的状态；相反

地，若施加电压时，液晶分子倾向平行于施加电场的方向，因此，当液晶分子受此外

加电场而垂直于玻璃基板表面，则线偏振光将直接通过液晶胞到达出射偏振片。由于
入射偏振光的偏振状态不受此液晶分子的影响，并保持与出射偏振片穿透轴方向一
致，因而，能通过出射偏振片形成亮的状态。因此，利用适当驱动电压(V)即可得到
明暗对比显示的效果。同时，液晶显示器的对比(contrast)可定义为

三、实验器材：

仪器名称

1.绿光雷射组

2.空间滤波器

数量

1 组

1 组

3.平凸透镜 f:100 mm

4.屏幕固定架

5.可调式光圈

6.偏振板

7.光空间调製器

8.支持杆架

产品编号

MGM250

CP01A

ES01A

BM040

IP050

BL203AP

DR02

BL203AP

EIDO1M

BZ02

DH01

SLM-K

EP03N

ESB05SC

1 组

1 组

2 组

2 组

1 组

6 组

四、实验步骤：

1. 扩束平行光:实验装置如图 7，实验架设

如图 8，主要器件如图 9。

(1)在光学平台上首先将 DPSS 绿光雷射架

图 7. 扩束平行光。

设与固定于适当高度。
(2)利用两个相同高度的光圈作成平行于光学平台的参考直线。调整雷射光束与光圈高度
等高，同时，使得雷射光束分别精确地穿过这两个相同高度的光圈，并以此了雷射光
束作为光学系统的参考光轴。
(3)在雷射头前面放置一个显微物镜(L1)使光束扩大，调整物镜位置，使扩大光束至光圈

中心区域，并将光束圆心对准光圈 I1 中心。

(4)在显微物镜焦距处加入空间滤波器(针孔)，并调整 X-Y 轴调整器以使得聚焦的雷射光
束能穿透该针孔而达到最亮的光强度，并准确地射至近处光圈 I1 中心区域，得到以
光圈圆孔为圆心之漂亮圆形对称光强度分佈。
(5)在针孔后方置放透镜(L2)，并使得针孔恰位于此透镜的前焦点上。经透镜出射至光圈

直径以控制平行光束大小，并由屏幕中观测光束强度分佈的均匀度。

图 8. 实验架设。

图 9. 主要器件。

2. 液晶显示器:实验装置图如图 10.，实验架设如图 11.，主要器件如图 12.
2-1. TN 型液晶显示器
(1)在前一个实验已扩束之平行光后接上图十
的实验装置，即为实验架设(图 11.)。
(2)旋转第一个线偏振板(P1)穿透轴平行于 x-轴

与第二个线偏振板(P2)穿透轴平行于 y-

轴，以利 LC-SLM 影像显示作用。
(3) 利 用 电脑 ( 含 TV 转 换 盒 )输 出视 讯影像
(NTSC)至微型液晶空间光调製器
(4)透镜(L)则选择适当的放大/缩小倍率将

LC-SLM 影像成像于屏幕或 CCD 摄像机，
以进行各式图像之观测。

2-2. NB 与 NW 显示模式

(5)在电脑绘製一个黑底白字图桉，例如：英文字母 A、B…等。将图桉显示于电脑萤幕，
并输出至 LC-SLM。

(6)NB 显示模式时，将第一个线偏振板(P1)穿透轴平行于第二个线偏振板(P2)穿透轴。观

测屏幕上图像与电脑萤幕图像明暗，并比较之。

(7)NW 显示模式时，将第一个线偏振板(P1)穿透轴垂直于第二个线偏振板(P2)穿透轴。观
测屏幕上图像与电脑萤幕图像明暗度，并比较之。

(8)缓慢旋转偏振板(P2)时，并观测 NB 与 NW 显示模式交替变换过程的图像明暗度变化

2-3. 液晶显示器对比
(9)在电脑绘製全黑与全白两个图桉分别输出至 LC-SLM，并由光侦测器或 CCD 摄取其

明暗强度。

(10)量测液晶显示器 NB 与 NW 操作模式的显示对比。

图 10. 液晶显示器实验。

图 11. 实验架设。

图 12.主要器件。

五、实验问题：

(1)未输入视讯影像至 LC-SLM 前，测试 NB 与 NW 操作模式的全黑与全白图桉，并以数
位像机或影像撷取卡，摄取液晶显示器全黑与全白画面，并描述画面明暗均匀度。

(2)输入黑底白字图桉至 LC-SLM 时，纪录 NB 与 NW 操作模式的二元图像(binary image)

明暗变化。
(3)旋转偏极板(P2)以观测及纪录各种的旋转角度(0˚、45˚、90˚、135˚、180˚)液晶显示器

灰阶影像(gray-level image)显示效果。

(4)二元图像对比量测结果:

模式
图像

全黑

全白

输出光强度

NB

NW

试计算出二元图像在 NB 与 NW 操作模式下显示对比。

(5)灰阶图像对比量测结果：

模式
灰阶度

0

10

20

30

…

输出光强度

NB

NW

…

…

…

…

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描绘出液晶显示器输入-输出转换特性曲线，是否为一种线性关係？试解释之。

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