液晶电光效应

液晶电光效应实验

【实验目的】

1、在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。

2、测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。

3、测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。

4、了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。

【实验仪器】

液晶光开关电光特性综合实验仪， 其外部结构如图1 所示。

图1 液晶光开关电光特性综合实验仪功能键

【实验原理】

1、液晶

早在上世纪70年代，液晶已作为物质存在的第四态开始写入物理学。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。

2、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。

3、TN型液晶盒结构

TN型液晶盒结构如图2所示。

图2 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90o，所以称为扭曲向列型。

4、液晶光开关的工作原理

TN 型光开关的结构如图3 所示。

图3液晶光开关的工作原理

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，

o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3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

o方向进行重排列(见图3中通电部分)，TN型液晶盒90旋光性随之消失。

理论和实验都证明， 上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质， 即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转 90 度。取两张偏振片贴在玻璃的两面， P1 的透光轴与上电极的定向方向相同， P2 的透光轴与下电极的定向方向相同，于是 P1 和 P2 的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下， 来自光源的自然光经过偏振片 P1 后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时， 其偏振面旋转了 90 ° 。 这时光的偏振面与 P2 的透光轴平行， 因而有光通 过 。 在施加足够电压情况下 ( 一般为 1 ～ 2 伏 ) ， 在静电场的作用下， 除了基片附近的液晶分子被基片“锚定 ” 以外， 其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。 于是原来的扭曲结构被破坏， 成了均匀结构，如图3 右图所示。从 P1 透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与 P2 正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过， 加上电场的时候光被关断， 因此叫做常通型光开关 ， 又叫做常白模式。若 P1 和 P2 的透光轴相互平行，则构成常黑模式。液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。 目前用于显示器件的都是热致液晶， 它的特性随温度的改变有一定变化。

5、液晶光开关的电光特性

图 3 为光线垂直液晶面入射时本实验所用液相对透射率（以不加电场时的透射率为 100% ）与外加电压的关系。由图 4 可见，对于常白模式的液晶，其透射率随加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，后略有变化。 可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈电压和关断电压。阈值电压：透过率为 90 ％时的驱动电压；关断电压：透过率为 10 ％时的驱动电压。

图4.液晶光开关的电光特性曲线

液晶的电光特性曲线越陡， 即阈值电压与关断电压的差值越小， 由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。 TN 型液晶最多允许 16 路驱动， 故常用于数码显示。 在电脑， 电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用 STN （超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数。

6、液晶光开关的时间响应特性

加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了 改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间 τ r 和下降时间 τ d 描述。给液晶开关加上一个如图 5 上图所示的周期性变化的电压， 就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间 。 如图5 下图所示。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。液晶的响应时间越短， 显示动态图像的效果越好， 这是液晶显示器的重要指标。 早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果。

图5液晶驱动电压与时间的响应图

7、液晶光开关的视角特性

液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。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，可以获得满意的图像，对比度小于 2 ，图像就模糊不清了。图 6 表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。 图中用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。图中 3 个同心圆分别表示垂直视角为 30 ， 60 和 90 度。 90 度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与 0 度方向之间的夹角）的大小。图中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。

图6 液晶的视角特性

由图 6 可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性。若我们把具有图中所示视角特性的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屏。 则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视 3 个方向，垂直视角接近 60 度时对比度为 5 ，观看效果较好。在仰视方向

对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差。

8、液晶光开关构成图像显示矩阵的方法

除了液晶显示器以外，其他显示器靠自身发光来实现信息显示功能。这些显示器主要有以下一些：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 所以要消耗大量的能量。液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、 手机、传呼机等具有不可代替地位。下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。矩阵显示方式，是把图 7（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极， 简称行电极（常用Xi 表 示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极， 简称列电极（常用Si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构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的 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 7（b）所示。

图7液晶光开关组成的矩阵式图形显示器

矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理可依以下的简化说明作一介绍。欲显示图 7（b）的那些有方块的像素，首先在第 A 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 c 、d 上加上低电平，于是 A 行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第 B 行加上高电平， 其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 b 、 e 上加上低电平，因而 B 行的那些带有方块的像素被显示出来了 。然后是第 C 行、第 D 行 …… ，以此类推，最后显示出一整场的图像。这种工作方式称为扫描方式。这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式， 依这种方式， 可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。

【实验内容与步骤】

1、光路的调节

①、将液晶板金手指1（水平方向）插入转盘的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。连接实验仪器，打开电源开关，置为静态模式（点亮激光器），使激光预热10～20分钟. ②、调节激光管和液晶的偏振关系。

让激光投射过液晶板，旋转激光管，使透过液晶板后的光斑在液晶的水平方向和垂直方向的光强基本一致。然后保持激光管的偏振方向，将激光管插入激光发射护套内，用螺钉固定。（注意插取液晶板需关闭总电源。）

③、调节激光发射器的高度。

关闭总电源，将液晶板金手指1（水平方向）插入转盘的插槽，液晶转盘置于零刻度位置固定住。再将供电电压调节到2.00V以上（方便观测液晶板的行列），调节激光发射器的高度，让激光射到液晶板的Y9行（且必须是Y9行）。用锁紧螺钉固定激光发射器的高度。 ④、调节激光接收装置，让激光完全射入激光接收孔中。

将供电电压调节至0V，再调节激光接收装置的高度，同时水平转动激光发射器，让激光完全射入激光接收孔中（为了调节方便，可以取掉激光接收器后盖，让激光直接从接收装置孔中射出，并保证射出的激光光斑没有光晕）。然后将激光发射器和接收装置固定锁紧。

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 所以要消耗大量的能量。液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、 手机、传呼机等具有不可代替地位。下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图形和图像显示任务。矩阵显示方式，是把图 7（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极， 简称行电极（常用Xi 表 示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极， 简称列电极（常用Si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构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的 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 7（b）所示。

图7液晶光开关组成的矩阵式图形显示器

矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理可依以下的简化说明作一介绍。欲显示图 7（b）的那些有方块的像素，首先在第 A 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 c 、d 上加上低电平，于是 A 行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第 B 行加上高电平， 其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极 b 、 e 上加上低电平，因而 B 行的那些带有方块的像素被显示出来了 。然后是第 C 行、第 D 行 …… ，以此类推，最后显示出一整场的图像。这种工作方式称为扫描方式。这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式， 依这种方式， 可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。

【实验内容与步骤】

1、光路的调节

①、将液晶板金手指1（水平方向）插入转盘的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。连接实验仪器，打开电源开关，置为静态模式（点亮激光器），使激光预热10～20分钟. ②、调节激光管和液晶的偏振关系。

让激光投射过液晶板，旋转激光管，使透过液晶板后的光斑在液晶的水平方向和垂直方向的光强基本一致。然后保持激光管的偏振方向，将激光管插入激光发射护套内，用螺钉固定。（注意插取液晶板需关闭总电源。）

③、调节激光发射器的高度。

关闭总电源，将液晶板金手指1（水平方向）插入转盘的插槽，液晶转盘置于零刻度位置固定住。再将供电电压调节到2.00V以上（方便观测液晶板的行列），调节激光发射器的高度，让激光射到液晶板的Y9行（且必须是Y9行）。用锁紧螺钉固定激光发射器的高度。 ④、调节激光接收装置，让激光完全射入激光接收孔中。

将供电电压调节至0V，再调节激光接收装置的高度，同时水平转动激光发射器，让激光完全射入激光接收孔中（为了调节方便，可以取掉激光接收器后盖，让激光直接从接收装置孔中射出，并保证射出的激光光斑没有光晕）。然后将激光发射器和接收装置固定锁紧。

⑤、调节激光光斑到指定位置。

将供电电压调节到2.00V以上，松动液晶转盘底板上的四颗螺钉，移动底板，让激光光斑射到X8列（且必须是X8列）。此时激光光斑应该照射到液晶板的（X8,Y9）坐标点上。然后固定好底座上的四颗螺钉。

⑥、装激光接收器后盖板。

将激光接收器后盖板装上，再将插头插如主机相应的插座上。完成光路调节。

⑦、初步检验光路。

调整好光路后，将供电电压调节到0V，观测透过率应该为100﹪，水平方向和垂直方向的透过率差值小于15.

2、液晶光开关电光特性测量

将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为 100 ％，按表 1 的数据改变电压，使得电压值从 0V 到 6V 变化，记录相应电压下的透射率数值。重复 3 次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。

3、液晶的时间响应的测量

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，用存储示波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以根据此曲线得到液晶的上升时间τr 和下降时间τd。

4、液晶光开关视角特性的测量

(1).水平方向视角特性的测量

将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到100％，然后再进行实验。确定当前液晶板为金手指1 插入的插槽。在供电电压为0V 时，按照表2 所列举的角度调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最大值TMAX。然后将供电电压置于2V，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值TMIN，并计算其对比度。以角度为横坐标，对比度为纵坐标，绘制水平方向对比度随入射角而变化的曲线。

(2). 垂直方向视角特性的测量

关断总电源后，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90 度，将金手指2（垂直方向）插入转盘插槽。重新通电，将模式转换开关置于静态模式。按照与1 相同的方法和步骤，测量垂直方向的视角特性。并记录入表2 中。

5、液晶显示器显示原理

将液晶板金手指1（如图8）插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对激光发射方向。打开电源开关，点亮激光器，使激光器预热10~20 分钟。在正式进行实验前，首先需要检查仪器的初始状态，看发射器光线是否垂直入射到接收器；在静态0V 供电电压条件下，透过率显示

是否为“100％”。如果显示正确，则可以开始实验，如果不正确，指导教师可以根据附录1 的调节方法将仪器调整好再让学生进行实验。

图8 液晶板方向（视角为正视液晶屏凸起）

【注意事项】

1．绝对禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛！

2．在进行液晶视角特性实验种，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板；

3．液晶板凸起面必须要朝向激光发射方向，否则实验记录的数据为错误数据；

4．在调节透过率100％时，如果透过率显示不稳定，则很有可能是光路没有对准，或者为激光发射器偏振没有调节好，需要仔细检查，调节好光路；

5．在校准透过率100％前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V 或显示大于“250” ，否则无法校准。