深 圳 大 学 实 验 报 告
课程名称： 大学物理实验
实验名称： 液晶电光效应
学院： 物理科学与技术
专业： 应用物理 班级： 01
指导教师：
报告人： 学号：
实验时间： 2012 年 10 月 24 日星期 三
实验报告提交时间：
一、实验目的：
1、测定液晶样品的电光曲线；
2、根据电光曲线，求出样品的阈值电压Uth、饱和电压Ur、对比度Dr、陡度β等电光效应的主要参数；
3、了解最简单的液晶显示器件（TN-LCD）的显示原理；
4、自配数字存储示波器可测定液晶样品的电光响应曲线，求得液晶样品的响应时间。
二、实验仪器：
FD-LCE-I液晶电光效应实验仪（20066565） 数字示波器（20071021）
三、实验原理：
（一）液晶
液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子有取向序，但无位置序；晶体则既有取向序又有位置序。
就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶又可分为近晶相、向列相和胆甾相。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
（二）液晶电光效应
液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场（电流），随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）、电控双折射（ECB）等。其中应用较广的有：TFT型——主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品;STN型——主要用于手机屏幕等中档产品；TN型——主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件显示原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。本仪器所使用的液晶样品即为TN型。
（三）TN型液晶盒结构
TN式液晶盒结构如图1所示。
图1 TN型液晶盒结构图
在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周用密封材料（一般为环氧树脂）密封。玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°，所以称为扭曲向列型。
（四）扭曲向列型电光效应
无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距，当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90°，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图2(a)中不通电部分，其中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出）；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子轴；当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列（见图2中通电部分），TN型液晶盒90°旋光性完全消失。
图2 TN型液晶显示器件显示原理示意图
若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，其偏振方向与上表面液晶分子取向相同。不加电压时，入射光通过起偏器形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转90°，不能通过检偏器；施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图3；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。最大透光强度的10％所对应的外加电压值称为阈值电压（Uth），标志了液晶电光效应有可观察反应的开始（或称起辉），阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90％对应的外加电压值称为饱和电压（Ur），标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，Us小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。对比度Dr=Imax/Imin，其中Imax为最大观察（接收）亮度（照度），Imin为最小亮度。陡度β=Ur/Uth即饱和电压与阈值电压之比。
图3 液晶电光曲线图
（五）TN-LCD结构及显示原理
TN型液晶显示器件结构参考图2，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向总是与上表面分子取向相同。自然光入射后，经过偏振片形成与上表面分子取向相同的线偏振光，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴旋转90°，以平行于下表面分子取向的线偏振光射出液晶盒。若下表面所附偏振片偏振方向与下表面分子取向垂直（即与上表面平行），则为黑底白字的常黑型，不通电时，光不能透过显示器（为黑态），通电时，90°旋光性消失，光可通过显示器（为白态）；若偏振片与下表面分子取向相同，则为白底黑字的常白型，如图2所示结构。TN-LCD可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。
（六）实验仪器
如图4所示，液晶电光效应实验仪主要由控制主机、导轨、滑块、半导体激光器、起偏器、液晶样品、检偏器及光电探测器组成。
图4 液晶电光效应实验仪装置图
四、实验内容及步骤：
1、光学导轨上依次为：半导体激光器－（带起偏器）液晶盒－检偏器-光电探测器。打开半导体激光器，调节各元件高度，使激光依次穿过起偏器、液晶盒、检偏器，打在光电探测器的通光孔上。
2、接通主机电源，将光功率计调零，用话筒线连接光功率计和光电转换盒，此时光功率计显示的数值为透过检偏器的光强大小。旋转起偏器至120°（出厂时已校准过），使其偏振方向与液晶片表面分子取向平行（或垂直）。旋转检偏器，观察光功率计数值变化，若最大值小于200μW，可旋转半导体激光器，使最大透射光强大于200μW。旋转检偏器使透射光强达到最小。
3、将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从0开始逐渐增大电压，观察光功率计读数变化，电压调至最大值后归零。
4、从0开始逐渐增加电压，0－2.5V每隔0.2V或0.3V记一次电压及透射光强值，2.5V后每隔0.1V左右记一次数据，6.5V后再每隔0.2或0.3V记一次数据，在关键点附近宜多测几组数据。
5、作电光曲线图，纵坐标为透射光强值，横坐标为外加电压值。
6、根据作好的电光曲线，求出样品的阈值电压Uth、饱和电压Ur、对比度Dr及陡度β。
7、自配数字存储示波器， 可测试液晶样品的电光响应曲线，求得样品的响应时间。
第二篇：液晶电光效应实验报告
液晶电光效应试验试验汇报
熊建
摘要: 液晶是一个高分子材料, 因其特殊物理、 化学性质, 特殊光学性质, 以及对电磁场敏感, 现在已被广泛应用于轻薄型显示技术上。
关键词: 液晶, 电光特征, 时间响应特征, 视角特征
液晶是介于液体与晶体之间一个物质状态。液晶既含有液体流动性, 其分子又按一定规律有序排列, 使它展现晶体各向异性。光经过液晶时, 产生偏振面旋转, 双折射等效应。液晶分子是含有极性基团极性分子, 在电场作用下, 偶极子会按电场方向取向, 造成分子原有排列方法发生改变, 从而液晶光学性质也随之发生改变, 这种因外电场引发液晶光学性质改变称为液晶电光效应。测量液晶光开关电光特征曲线, 得到液晶阈值电压和关断电压; 测量驱动电压周期改变时液晶光开关时间响应曲线, 得到液晶上升时间和下降时间; 测量由液晶光开关矩阵所组成液晶显示器视角特征以及在不一样视角下对比度, 了解液晶光开关工作条件。了解液晶光开关组成图像矩阵方法, 学习和掌握这种矩阵所组成液晶显示器组成文字和图形显示模式, 从而了解通常液晶显示器件工作原理。
【试验时间】: 5月16日早晨;
【试验条件】: 室温25℃
【试验目】:
1．在掌握液晶光开关基础工作原理基础上, 测量液晶光开关电光特征曲线, 并由电光特征曲线得到液晶阈值电压和关断电压。
2．测量驱动电压周期改变时, 液晶光开关时间响应曲线, 并由时间响应曲线得到液晶上升时间和下降时间。
3．测量由液晶光开关矩阵所组成液晶显示器视角特征以及在不一样视角下对比度, 了解液晶光开关工作条件。
4．了解液晶光开关组成图像矩阵方法, 学习和掌握这种矩阵所组成液晶显示器组成文字和图形显示模式, 从而了解通常液晶显示器件工作原理。
【试验仪器】:
液晶电光效应试验仪一台, 液晶片一块
【试验原理】
1．液晶光开关工作原理
液晶种类很多, 仅以常见TN（扭曲向列）型液晶为例, 说明其工作原理。
TN型光开关结构如图1所表示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶, 液晶分子形状如同火柴一样, 为棍状。棍长度在十几埃（1埃 ＝ 10-10米 ）, 直径为4～6埃, 液晶层厚度通常为5-8微米。玻璃板内表面涂有透明电极, 电极表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦, 也可在电
极表面涂取向剂）, 这么, 液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成微沟槽里; 电极表面液晶分子按一定方向排列, 且上下电极上定向方向相互垂直。上下电极之间那些液晶分子因范德瓦尔斯力作用, 趋向于平行排列。然而因为上下电极上液晶定向方向相互垂直, 所以从俯视方向看, 液晶分子排列从上电极沿－45度方向排列逐步地、 均匀地扭曲到下电极沿＋45度方向排列, 整个扭曲了90度。如图1左图所表示。
理论和试验都证实, 上述均匀扭曲排列起来结构含有光波导性质, 即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来液晶传输到下电极表面时, 偏振方向会旋转90度。
取两张偏振片贴在玻璃两面, P1透光轴与上电极定向方向相同, P2透光轴与下电极定向方向相同, 于是P1和P2透光轴相互正交。
在未加驱动电压情况下, 来自光源自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴线偏振光, 该线偏振光抵达输出面时, 其偏振面旋转了90°。这时光偏振面与P2透光轴平行, 所以有光经过。
在施加足够电压情况下(通常为1～2伏), 在静电场作用下, 除了基片周围液晶分子被基片“锚定”以外, 其她液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来扭曲结构被破坏, 成了均匀结构, 如图1右图所表示。从P1透射出来偏振光偏振方向在液晶中传输时不再旋转, 保持原来偏振方向抵达下电极。这时光偏振方向与P2正交, 所以光被关断。
因为上述光开关在没有电场情况下让光透过, 加上电场时候光被关断, 所以叫做常通型光开关, 又叫做常白模式。若P1和P2透光轴相互平行, 则组成常黑模式。
液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定温度范围内展现液晶光学各向异性, 溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成液晶。现在用于显示器件都是热致液晶, 它特征随温度改变而有一定改变。
2．液晶光开关电光特征
图2为光线垂直液晶面入射时本试验所用液晶相对透射率（以不加电场时透射率为100%）与外加电压关系。
由图2可见, 对于常白模式液晶, 其透射率随外加电压升高而逐步降低, 在一定电压下达成最低点, 以后略有改变。能够依据此电光特征曲线图得出液晶阈值电压和关断电压。
阈值电压: 透过率为90％时驱动电压;
关断电压: 透过率为10％时驱动电压。
液晶电光特征曲线越陡, 即阈值电压与关断电压差值越小, 由液晶开关单元组成显示器件许可驱动路数就越多。TN型液晶最多许可16路驱动, 故常见于数码显示。在电脑, 电视等需要高分辨率显示器件中, 常采取STN（超扭曲向列）型液晶, 以改善电光特征曲线陡度, 增加驱动路数。
3．液晶光开关时间响应特征
加上（或去掉）驱动电压能使液晶开关状态发生改变, 是因为液晶分子排序发生了改变, 这种重新排序需要一定时间, 反应在时间响应曲线上, 用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个如图3上图所表示周期性改变电压, 就能够得到液晶时间响应曲线, 上升时间和下降时间。如图3下图所表示。
上升时间: 透过率由10%升到90%所需时间;
下降时间: 透过率由90%降到10%所需时间。
液晶响应时间越短, 显示动态图像效果越好, 这是液晶显示器关键指标。早期液晶显示器在这方面逊色于其它显示器, 现在经过结构方面技术改善, 已达成很好效果。
4．液晶光开关视角特征
液晶光开关视角特征表示对比度与视角关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比, 对比度大于5时, 能够取得满意图像, 对比度小于2, 图像就模糊不清了。
图4表示了某种液晶视角特征理论计算结果。图4中, 用与原点距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向夹角）大小。
图中3个同心圆分别表示垂直视角为30, 60和90度。90度同心圆外面标注数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上投影与0度方向之间夹角）大小。图3中闭合曲线为不一样对比度时等对比度曲线。
由图4能够看出, 液晶对比度与垂直与水平视角都相关, 而且含有非对称性。若我们把含有图4所表示视角特征液晶开关逆时针旋转, 以220度方向向下, 并由多个显示开关组成液晶显示器。则该液晶显示器左右视角特征对称, 在左, 右和俯视3个方向, 垂直视角靠近60度时对比度为5, 观看效果很好。在仰视方向对比度伴随垂直视角加大快速降低, 观看效果差。
5．液晶光开关组成图像显示矩阵方法
除了液晶显示器以外, 其她显示器靠本身发光来实现信息显示功效。这些显示器关键有以下部分: 阴极射线管显示（CRT）, 等离子体显示(PDP), 电致发光显示(ELD), 发光二极管（LED）显示, 有机发光二极管（OLED）显示, 真空荧光管显示（VFD）, 场发射显示（FED）。这些显示器因为要发光, 所以要消耗大量能量。
液晶显示器经过对外界光线开关控制来完成信息显示任务, 为非主动发光型显示, 其最大优点在于能耗极低。正因为如此, 液晶显示器在便携式装置显示方面, 比如电子表、 万用表、 手机、 传呼机等含有不可替换地位。下面我们来看看怎样利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。
矩阵显示方法, 是把图5（a）所表示横条形状透明电极做在一块玻璃片上, 叫做行驱动电极, 简称行电极（常见
表示）, 而把竖条形状电极制在另一块玻璃片上, 叫做列驱动电极, 简称列电极（常见
表示）。把这两块玻璃片面对面组合起来, 把液晶灌注在这两片玻璃之间组成液晶盒。为了画面简练, 通常将横条形状和竖条形状ITO电极抽象为横线和竖线, 分别代表扫描电极和信号电极, 如图5（b）所表示。
矩阵型显示器工作方法为扫描方法。显示原理可依以下简化说明作一介绍。
欲显示图5（b）那些有方块像素, 首先在第A行加上高电平, 其它行加上低电平, 同时在列电极对应电极c、 d 上加上低电平, 于是A行那些带有方块像素就被显示出来了。然后第B行加上高电平, 其它行加上低电平, 同时在列电极对应电极b、 e 上加上低电平, 所以B行那些带有方块像素被显示出来了。然后是第C行、 第D行 …… , 余这类推, 最终显示出一整场图像。这种工作方法称为扫描方法。
这种分时间扫描每一行方法是平板显示器共同寻址方法, 依这种方法, 能够让每一个液晶光开关根据其上电压幅值让外界光关断或经过, 从而显示出任意文字、 图形和图像。
【试验内容与步骤】:
1、 液晶电光特征
将模式转换开关置于静态模式, 将透过率显示校准为100％, 改变电压, 使得电压值从0V到6V改变, 统计对应电压下透射率数值填入表1。
表1 液晶电光特征
由表1画出电光特征曲线。
由曲线图能够得出液晶阈值电压和关断电压。
阈值电压:1.09V 关断电压:1.56V
2．时间响应特征试验
将模式转换开关置于静态模式, 透过率显示调到100%, 然后将液晶供电电压调到2.00V, 在液晶静态闪烁状态下, 用存放示波器或用信号适配器接模拟示波器能够得出液晶开关时间响应曲线。
由表2和时间响应曲线图能够得到液晶响应时间:上升时间70ms, 下降时间70ms
3．液晶视角特征试验
将模式置于静态模式, 将透过率显示调到100﹪, 以水平方向插入液晶板, 在供电电压为0V时, 调整液晶屏与入射激光角度, 在每一角度下测量光强透过率最大值TMAX。然后将供电电压设为2V, 再次调整液晶屏角度, 测量光强透过率最小值TMIN, 将数据记入下表中, 并计算其对比度。
表3 水平方向视角特征
由上表数据能够找出比很好水平视角显示范围。
比很好水平视角显示范围: -71度—68度抵达了20%
将液晶板以垂直方向插入插槽, 根据与测量水平方向视角特征相同方法, 测量垂直方向视角特征, 并将数据记入下表中。
表4
由上表数据能够找出比很好垂直视角显示范围。
比很好垂直视角显示范围: -8.0度—6.0度抵达了20%
试验结论:
1、 由表1和所作电光特征曲线能够观察透过率改变情况和响应曲线能够得出: 透射率随外加电压升高而逐步降低, 在一定电压下达成最低点, 以后略有改变。能够依据此电光特征曲线图得出液晶阈值电压和关断电压: 阈值电压:1.09V 关断电压:1.56V
2、 由表2和所作开关时间响应特征曲线能够得到液晶上升时间和下降时间。
3、 由表3和表4对比能够观察到液晶视角特征能够得出: 水平方向上全测量范围内都有良好视觉效果既能够取得不错图像, 而在垂直方向上仅在-8.0度—6.0度之间有很好视觉效果, 其它角度都极难取得清楚图像。
【参考文件】:
ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合试验仪试验指导及操作说明书等。
Liquid crystal electro-optical effect
Experimental report
Xiong Jian
Abstract: Liquid crystal is a kind of polymer material, because of its special physical and chemical properties, special optical properties, as well as be sensitive to electromagnetic, now has been widely applied in thin type display technology
Key words: liquid crystal, electro-optical properties, response time, viewing angle characteristics
Liquid crystal is between liquid crystals and between states of matter. The liquid crystal not only has the fluidity of the liquid, but also its molecular is orderly arranged according to a certain rule, making it the crystal anisotropy. When light passes through the liquid crystal, it will produce a polarization rotation, double refraction and so on. The liquid crystal molecules containing polar groups of polar molecules, under the action of the electric field, dipole will be directed by electric field, causing the molecules to the original arrangement changes, and optical properties of liquid crystals have been changed. The external electric field induced liquid crystal optical properties change known as the electro-optic effect of liquid crystal. The measurement of liquid crystal optical switch optical characteristic curve, get the liquid crystal threshold voltage and the turn-off voltage; The measurement of periodic changes when the driving voltage of liquid crystal optical switch time response curve, get the liquid crystal the rise time and the fall time; The measurement by liquid crystal optical switch matrix composed of the liquid crystal display characteristics in different perspective and from the perspective of in contrast, understand the liquid crystal optical switch working conditions. Understand the liquid crystal optical switch consists of image matrix method, study and master the matrix formed by a liquid crystal display forms of text and graphics display mode, thus the general understanding of the principle of liquid crystal display device.
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