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1、液晶的电光效应综合实验姓名：学号：联系电话：邮箱地址：选课学期；2014春液晶的电光效应综合实验摘要：利用液晶光开关电光特性综合实验仪，对液晶的关开关电光特性、液晶 的时间响应、光开关视角特性进行测量，并对液晶特性进行简单的分析，了解液 晶材料的应用情况。关键词：液晶、光开关、电光特性、时间响应、视角特性弓I言：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的， 而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当 光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子， 在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原
2、有的排列方式发生变化，从而液晶的 光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。液晶显示器具有能耗小、体积小、无闪烁和环保等方面的优势，作为信息显示器件，几 乎遍布于我们生活与工作的给个领域。液晶显示器（LCD）的关键技术之一是液晶的取向技 术，它是影响器件对比度、色度等的重要因素。液晶的种类很多，仅以常用的TN （扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃= 10-1米），直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极
3、，电极的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），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里;出射光图1液晶光开关的工作原理电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的 那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方 向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿一45度方向排列逐步地、 均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了 90度。如图1左图所示理论和实验都证明，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
4、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12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 1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传
5、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而有一定变化。实验：液晶光开关电光特性的测量图2液晶光开关的电光特性曲线实验原理：图2为光线垂直液晶面入射时本实验所 用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与 外加电压的关系
6、。由图2可见，对于常白模式的液晶，其 透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在 一定电压下达到最低点，此后略有变化。 可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈 值电压和关断电压。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。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, 由液晶开关单兀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。实验方法：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
7、得电压值从0V到6V变化，记录相应电压下的透射率数值填入表1实验结果：110010010099.688.273.455.738.925.215.64.64.74.33.83.5210010010099.688.173.455.638.725.215.64.54.74.33.83.5310010010099.788.173.455.638.725.215.64.64.74.33.83.5平均10010010099.688.173.455.638.825.215.64.64.74.33.83.5透过率(%)液晶光开关电光特性数据分析: 当电压在0.8V以下时，液晶的透过率为100%，透过率为90%
8、时,其电压值由曲线图可得为1.3V，透过率为10%时，其电压值为1.8V。时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图3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。实验方法：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，用存储示波器或用信号适配器接模拟示波器可以得出液晶的开关时间响应曲 线。记录下不同时间时的透过率，填入表2。
9、实验结果：示波器所得图像表2时间响应的数值表时间（S）0.0400.0650.1050.1151.0701.0801.1151.1502.1402.1752.215透过率（%）10090100010901001009010时间响应曲线数据分析：由示波器图像可得出上表中的数据，分析数据可知，液晶的响应时 间的上升时间为35ms，下降时间为40ms。实验：液晶光开关视角特性的测量实验原理：液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度閤4液晶的视角特性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4表示了某种液晶视角特性的理论
10、计算 结果。图4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3中的闭合曲线为不同对比度时的等 对比度曲线。由图4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4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
11、视角的加大迅速降低，观看效果差。实验方法：将模式置于静态模式，将透过率显示调到100%，以水平/垂直方向插入液晶 板，在供电电压为0V时，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T。然后将供电电压设为2V,再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值T，将MAXMIN数据记入下表中，并计算其对比度。实验结果：表3水平方向视角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.799.699.49997.895.893.391.286.181.173.264.755.344.131.4Tmin(2V)3.53.53.53.63.63.
12、73.83.83.73.53.53.63.83.83.52.8Tmax/Tmin28.628.528.527.627.526.425.224.624.624.623.220.317.014.612.611.2负角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10010010010010099.897.895.794.49085.878.770.560.146.932.9Tmin(2V)3.63.73.73.844.24.34.34.243.93.8443.62.8Tmax/Tmin27.827.027.026.325.023.822.722.322.522.52
13、2.020.717.615.013.011.8表4垂直方向视角特性正角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.698.897.395.292.890.687.283.880.576.571.866.158.748.636.6Tmin(2V)3.65.710.316.323.833.34454.264.471.474.873.668.560.649.635.9Tmax/Tmin27.817.59.66.04.02.82.11.61.31.11.01.01.01.01.01.0负角度051015202530354045505560657075Tmax(0V)10099.698.897.495.392.790.587.684.681.778.775.170.263.954.441.2Tmin(2V)3.63.66.11118.6283949.859.367.572.574.171.966.255.942.6Tmax/Tmin27.827.716.28.95.13.32.31.81.41.21.11.01.01.01.01.0数据分析：上表可知，液晶的水平方
