液晶电光效应实验(实验报告)

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U th、饱和电压U r、对比度D r、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I/μW

U/V

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。