液晶电光曲线.docx

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1、液晶电光曲线实验目的 1. 测定液晶样品的电光曲线；2. 根据电光曲线，求出样品的阀值电压Uth，饱和电压Ur，对比度Dr，陡度等电光 效应的主要参数； 3. 用自配数字存储示波器观测液晶样品的电光响应时间；实验原理1.（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。液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性。因此，液晶具有电光效应，即对液晶施加电场，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。液晶显示器的种类有很多，利用液晶的电光效应而实现显示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液

2、晶等。扭曲向列相液晶，也称为TN型液晶，是应用范围最广、价格较便宜的液晶显示器。我们常用的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN型液晶。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；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。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，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

3、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。其中应用较广的如TFT型主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；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型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。本实验所使用的液晶样品即为位TN型。2.1 TN型液晶盒结构TN型液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周密封。液晶盒厚一般为几个微米，其中上下玻璃片内侧镀有显示电极，以使外部电信

4、号通过电极加到液晶上。上下玻璃基板内侧覆盖着一薄层高分子有机物定向层，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。液晶盒玻璃片的两个外侧分别贴有偏振片，这两个偏振片的偏光轴互相平行(常黑 型)或相互正交(常白型)，且于液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。【2】TN型液晶盒结构图2.2 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，因此当线偏振光 垂直玻璃表面入射时，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

5、晶 分子轴方向逐渐旋转90度， 即出射光仍为线偏振且偏振方向平行于液晶盒下表面分子轴 方向射出（见图1（a）不通电部分，图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，仍为线偏振光且方向也垂直于下表面液晶分子轴；当 入射线偏振光与液晶盒上表面分子取向不为平行或垂直情况时， 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，当电压达到一定数值时，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

6、晶分子长 轴都按电场方向进行重新排列（见1图(b)中通电部分） ，此时TN型液晶盒在无外电场作 用时的90度旋光性随之消失。【3】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

7、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=Ur/Uth即饱和电压与阈值压之比。U/V 2.3 TN-LCD结构及显示原理 TN型液晶显示器件结构如下图，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

8、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，如下图所示结构。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。TN型液晶显示器件结构参考图 实验仪器 FD-LCE-1 液晶电光效应实验仪 实验装置示意图【4】第6/10页 如图1所示，液晶电光效应实验仪主要由控制主机部分和导轨部分组成。 导轨部分从左到右依次为检偏器及光电探测器（连接在一起） 、液晶样品、起偏器、 半导体激

9、光器。各部件都与滑块连接，可在导轨上移动。 主机部分包括方波发生器、方波有效值电压表、光功率计。 技术指标： 1 半导体激光器：3V DC 电源；输出650nm红光 2 方波电压： 0-10V左右（有效值）连续可调；频率500Hz左右 3 光功率计：量程有0-200uW和0-2mW两档 4 光具座：长50.0cm 实验步骤 1 光学导轨上依次为：半导体激光器起偏器液晶盒检偏器（带光电探测器） 。 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，拔下电压表输出导线，将光功率计调零，选用0-2mW档。用话筒线 连接光功率计盒光

10、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 ，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 ，可旋转半导体激光器，使最大透射光强大于光功率计数值变化，若最大值小于。最后旋转检偏器至透射光强值达到最小。 3 连接电压表输出导线，将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从0开第7/10页 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0.2V或0.3V记一次数据，在关键点附近多 测几组数据

11、5 选做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。 注意事项 1、 拆装时只压液晶盒边缘，切忌挤压液晶盒中部；保持液晶盒表面清洁，不能有划痕; 应防止液晶盒受潮，防止受阳光直射。 2、 驱动电压不能为直流。 3、 切勿直视激光器。 实验室据记录与处理 1. 数据记录 U/V0.00 1.00 1.90 2.61 3.05 3.34 4.17 5.15 5.99I/uw9.9 9.9 10.1 10.2 192.1 204.0 310.3 395.0 425.0U/V0.24 1.20 2.01 2.71 3.07 3.41 4.29 5.36 6.18I/uw10

12、.0 9.9 10.1 10.2 193.3 208.0 320.0 402.0 426.1U/V0.40 1.41 2.24 2.82 3.09 3.49 4.58 5.48 6.25I/uw9.9 10.0 10.2 10.3 194.6 212.0 354.1 412.0 427.0U/V I/uw0.62 1.60 2.44 2.91 3.12 3.53 4.70 5.64 6.44 9.9 10.0 10.2 10.3U/V I/uw0.81 1.78 2.52 3.03 3.18 3.96 4.83 5.87 6.63 9.9 10.1 10.2 191.1 199.6 270.2

13、 377.0 423.0 429.0196.2 215.0 363.0 416.0 428.52. 数据处理1. 做电光曲线图第8/10页 电光曲线图U/v I/uw2. 求出样品的阈值电压Uth、饱和电压Ur、对比度Dr及陡度。Wm429=Imax，对应的电压为6.63V， ，此时对应的电压为阈值电压Uth，即Uth=2.97V； ，此时对应的电压为饱和电压Ur，即Ur=4.99V。m429=43.3=WmW/9.9Wm42.9=Imax10%Wm386.1=Imax90%Imax/Imin=对比度：Dr陡度：=Ur/Uth=4.99V/2.97V=1.68 应用前景 1 如果两偏振片正交放

14、置，则无电场时呈透明态，而加电场达到阈值电压后呈不透明 状态根据液晶的这种光电效应特性，如果把液晶快门用于焊接面罩，将CdS等光敏电 阻组装入液晶快门内，平时是透明态，一旦检出焊接时的电弧光就瞬时给液晶盒施加电 压，降低液晶盒的光透射性能，保护眼睛免受焊接电弧光的刺激另外，根据这个原理 可制作液晶窗帘，作为电动窗帘使用 2 用液晶制成的透镜具有焦距可变、薄、轻、消耗功率少等优点液晶电光效应种类 繁多，根据不同的原理可设计不同种类的光学器件，其应用前景极为广泛【5】 实验结论 当电压在22.97v,由于电压小于阀值电压，所以透射光强没有明显改变；当电压第9/10页 增加到2.97v时， 液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜， 透射光强开始增强； 2.97-4.99v， 透射光强明显增强；当电压在4.99-6.18v时，透射光强持续增强，由于电压大于饱和 电压，故增强程度逐渐减小，当电压在6.18-6.63v时，透射光强基本没明显改变。