液晶电光效应综合实验实验报告

液晶电光效应综合实验实验报告 液晶电光效应实验报告

Guizhou Minzu University 液晶电光效应实验

实验题目：液晶电光效应实验 学院(系)： 信息工程学院 专 业： 光电信息科学与工程 年 级： 2013级姓 名： 学 号： 完成时间： 2016年 6月6日 一、 实验目的

1．学习液晶的电光效应原理； 2．测量液晶光开关的电光特性曲线；

3．由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 二、 实验仪器仪器 二、实验原理 2.1 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。液晶与晶体，液体之间的区别是：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。

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。其中向列相液晶显示器件的主要材料。 2.2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，其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（SD）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）型、电控双折射（ECB）等。其中应用较为广泛的有：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——主要电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低端产品，是目前应用最广泛地液晶显示器件。TN型液晶显示器件显示原理较为简单，是 STN TFT 等显示方式的基础。本实验所用的液晶样品即为TN型。 2.3 TN型液晶盒结构

TN型液晶盒结构是在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向列相液晶薄膜层，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，通常是以薄层高有机分子，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃板表面，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。 2.4 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900，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图1（a），液晶盒上下表面各附一片偏振片，偏振器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，或直线等某种线偏振光形式射出。

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1中通电部分），TN型液晶盒900旋光性随之消失。 若将液晶盒放在两片平行偏振片之间， 其偏振方向与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900，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阀值电压（Uth），标志了液晶电光效应有可观察反应的开始（或称起辉），阀值电压小，是电光效应好的一个重要指标。最大透光强度的90％对应的外加电压称为饱和电压（Ur），标志了获得最大对比所需的外加电压值，且降低显示功

耗，Ur小则易获得良好的显示效果，对显示寿命有利。对比度Dr?Imin

，其中Imax为最大观察（接收）亮度（照 th

度），Imin为最小亮度。陡度??Ur 四、 实验内容及步骤 即饱和电压与阀值电压之比。

1，光学导轨上依次为：半导体激光器—偏振光—液晶盒—偏振片—光电探测器。打开半导体激光器，调节各元件高度，尽量使激光依次穿过光学元件中心，最后打在光功率测试仪的探头上。 2，调整光路后，从光路中取下液晶盒，打开光功率测试仪，旋转两片偏振片，可观察光功率计数值大小变化，若最大透射光强小于200μW，可旋转半导体激光器机身，使最大透射光强大于200μW，最后调节偏振片正交至透射光强值达到最小。 3，将液晶盒加入光路，将液晶盒的控制电箱的“调节”旋转逆时针旋到头后打开电源开关，此时液晶为透光状态。

4，缓慢顺时针旋转“调节”旋钮，使驱动电压升高，同时记录下电压与光功率的关系。可每0.5V记录一次光功率。

注意：液晶的变化比较慢，每次调整电压后，要等光功率基本稳定后在记录。 一次测量过程请勿更改光功率试仪的档位，否则测量数据会有偏差。

篇二：液晶电光效应实验报告

液晶电光效应实验报告 ——应物02陈忠旺10093026 一：基本要求

1、 了解液晶的特性和基本工作原理； 2、 掌握一些特性的常用测试方法； 3、 了解液晶的应用和局限。 二：实验原理：

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。液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。

列方式和天然胆甾(音同淄)相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。

由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学

特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。

为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图2中的排列形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。 图1 图2 1

这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。大多数液晶器件都是这样工作的。

图3扭曲向列型(TN)液晶屏结构图 图3 液晶屏结构

图4 液晶光开关工作原理

以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。 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

o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5；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，Ur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。 2

图5 液晶电光效应关系图

以上的分析只是对液晶盒在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。而对于这两个状态之间的中间状态。我们还

没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极其丰富多彩的光学现象。在实验中我们将会一一观察和分析。

液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。一般来说液晶的响应速度是比较低的。我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况。定义如图6所示

图6 液晶屏响应时间 三：实验仪器：

1、控制机箱2、液晶电光效应光具座架3、激光器4、起偏器5、液晶屏

6、检偏器7、光电池 液晶电光效应控制机箱： 3

1、激光器输出：输出连接到激光器上，供应半导体激光器电源 2、功率：控制激光器亮度，顺时针变亮 3、液晶屏输出：输出方波信号给液晶屏 4、同步：同步信号给示波器

5、频率：调节方波信号频率，顺时针频率降低 6、幅度:调节方波信号的幅值，顺时针幅值增大 7、光电接受：接受光信号转化为电信号

8、示波器：将接受到的信号连接到示波器上加以显示

9、驱动电压表头：显示驱动方波的幅值电压 10、光电流表头：显示接受到的信号的电流值 11、电源开关：控制电源 四：实验步骤 :

图7液晶电光效应实验示意图 一、液晶电光特性测量 4

1、按图7所示将激光器，起偏器、检偏器、液晶屏及光电池放置在对应位置，摆好光路。并将激光器、液晶屏及光电池插入机箱对应插孔内。

2、调节激光器高度使激光器光斑入射到光电池入射孔内。 3、取掉将起偏器旋转到0°，旋转检偏器使激光光斑变到最暗状态，此时检偏器角度应为90°，将液晶屏重新放入对应插孔，可以发现此时光斑变亮。

4、打开机箱电源，调节频率旋钮，逆时针旋转到最小，此时频率为最大值，入射到激光器的光斑无闪烁现象，幅值电压表头及光电流表头数字稳定。

5、顺时针旋转幅值旋钮,缓缓增大输出方波信号的幅值，观察光电流表的数据，记录下幅值对应光电流值，填入表格1并绘制幅值与光电流关系图及透过率与幅值关系图（透过率在幅值为0时为100%），求出关断电压及阈值电压。(注意调节幅值过程中，0~2V

每次调节0.2V，2V~5V每次调节0.1V） 表1

二、液晶上升时间、下降时间测量，响应时间 1、重复一实验的1、2、3部分。

2、打开控制箱电源，用Q9线连接示波器下旋钮到示波器CH1上，将同步连接到示波器的触发源上上，示波器的触发源拨到同步信号对应接口。示波器周期拨到10ms左右，电压调到5mv档。 3、顺时针调节频率旋钮，此时方波驱动的频率减小、周期增大，可以观察到光电池接受到的光斑开始闪烁，随着周期的增大，可以观察到光斑闪烁的间隔时间越来越长。

4、将幅值电压调到3V左右，缓缓增大方波周期，知道可以清晰的看到上升沿及下降沿现象。（调节过程中方波幅值电压不应过强，否则输出波形将产生畸变）

5、通过示波器测量上升时间及下降时间，估计液晶屏的响应速度。

6、改变信号的幅值，记录不同幅值下的响应时间。 三、液晶屏视角特性测量

1、重复一实验1、2、3、4实验部分。

2、调节幅值电压0V，旋转液晶屏±80°，每隔20°测量一次。 5

篇三：液晶电光效应实验报告 液晶电光效应实验实验报告

熊建

摘要：液晶是一种高分子材料，因其特殊的物理、化学性质，特殊的光学性质，以及对电磁场的

敏感，现在已被广泛应用于轻薄型的显示技术上。 关键词：液晶，电光特性，时间响应特性，视角特性

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。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。光通过液晶时，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。测量液晶光开关的电光特性曲线，得到液晶的阈值电压和关断电压；测量驱动电压周期变化时液晶光开关的时

间响应曲线，得到液晶的上升时间和下降时间；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。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。

【实验时间】：5月16日上午； 【实验条件】：室温25℃ 【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】：

液晶电光效应实验仪一台，液晶片一块 【实验原理】

1．液晶光开关的工作原理

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 入射的自然光 P1 扭曲排列的液波导效应 光波导已被电场拉伸 偏振片P2 出射光

图1. 液晶光开关的工作原理

样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃 ＝ 10-10米 ），直径为4～6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，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；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－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。

2．液晶光开关的电光特性

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。 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。 图2 液晶光开关的电光特性曲线

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。 3．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τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个如图3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。 4．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4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。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视角的加大迅速降低，观看效果差。 5．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5（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5（b）所示。 ABE a b c d e f

（a） （b）

图5. 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5（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 ?? ，余此类推，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、液晶的电光特性

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变化，记录相应电压下的透射率数值填入表1。 表1 液晶的电光特性 由表1画出电光特性曲线。

由曲线图可以得出液晶的阈值电压和关断电压。 阈值电压:1.09V 关断电压:1.56V 2．时间响应特性实验

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。

由表2和时间响应曲线图可以得到液晶的响应时间:上升时间70ms，下降时间70ms 3．液晶的视角特性实验

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。然后将供电电压设为2V，再次调节液晶屏角度，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 水平方向视角特性