液晶实验

4.6 液晶电光效应

【实验简介】

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，即具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的特性。当光通过液晶时，会产生像晶体那样的偏振面旋转及双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的棒状极性分子，在外电场作用下，偶极子会按电场方向取向，使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电光效应。

液晶电光效应的应用很广，利用液晶电光效应可以做成各种液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等，尤其是利用液晶电光效应制成的液晶显示器件，由于具有驱动压低(一般为几伏)，功耗小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势，因此，研究液晶电光效应具有很重要的意义。常用的液晶显示器件类型有：TFT型（有源矩阵液晶显示）、STN型（超扭曲液晶显示）、TN型（扭曲向列相液晶显示），其中TN型液晶显示器件原理比较简单，是TFT型、STN型液晶显示的基础，因此本实验研究TN型液晶材料，希望通过一些基本现象的观察和研究，对液晶有一个基本了解。

【实验目的】

1．了解液晶的结构特点和物理性质。

2．了解液晶电光效应、液晶光开关的工作原理及简单液晶显示器件的显示原理。

3．通过液晶电光特性和时间响应特性曲线的观测，测量液晶的一些性能参数。

【预习思考题】

1．扭曲向列相液晶具有那些物理特性，如何利用其电光效应制成液晶光开关？如何利用液晶光开关进行数字、图形显示？

2．如何在示波器上显示驱动信号波形和时间响应曲线，如何测响应曲线的上升时间和下降时间？

【实验仪器】

液晶盒及液晶驱动电源、二维可调半导体激光器、偏振片（两个）、光功率计、光电二极管探头、双踪示波器、白屏、光学实验导轨及元件底座、钢板尺

【实验原理】

1．液晶分类

大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。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。热致液晶按照液晶分子排列方式不同又可分为近晶相、向列相和胆甾相。近晶相液晶，结构大致如图4.6.1（a），这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平行，且垂直与层面。向列相液晶，结构如图4.6.1（b），这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同，光学性质上有点像单轴晶体。胆甾相液晶，结构大致如图4.6.1（c），分子也是分层排列，每一层内的分子长轴方向基本相同并平行于分层面，但相邻的两层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度，总体来看长轴方向呈现一种螺旋结构。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。

（a）(b) (c)

图4.6.1

2．TN型液晶及其电光效应

TN型液晶又称扭曲向列相液晶，是将向列相液晶材料夹在涂覆透明电极的两块玻璃基板之间，四周用密封材料(一般为环氧树脂)密封。两玻璃基板内侧覆盖着一层定向处理层（配向膜），经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面并沿定向处理的方向排列，两玻璃基板内侧面的定向处理方向互相垂直。由于液晶分子间范德瓦尔斯力的作用，使得盒内液晶分子的取向平行于玻璃板表面并自一侧到另一侧逐渐扭曲，从一侧玻璃板到另一侧玻90，如图4.6.2（a），所以称为扭曲向列相液晶，这种装置称为液晶盒。

璃板扭曲了0

（a）(b)

图4.6.2

理论和实验证明：扭曲向列相液晶具有类似于晶体的旋光效应，当入射的线偏振光通过扭曲排列的液晶传播到另一侧时，其偏振方向会顺着分子扭曲的方向转过一定的角度。线偏振光通过液晶材料，其偏振方向转过的角度称为液晶的扭曲角，理想情况为090。

对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子在电场作用下长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到某一数值（本实验12V ）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，如图4.6.2(b)，旋光效应随之消失，这时，线偏振光垂直入射到液晶盒上，通过液晶盒其偏振方向将不发生变化，这种在电场作用下液晶旋光效应消失的现象，称为扭曲向列相液晶电光效应。

3．液晶光开关工作原理及显示数字、图形的原理

利用液晶的这种电光效应可以制成液晶光开关和各种显示器件。将两个偏振片置于液晶盒的两侧，其中一侧偏振片用作起偏器，其透振方向与液晶盒左侧分子轴向平行，另一侧偏振片用作检偏器，其透振方向与起偏器透振方向平行或垂直，就构成液晶光开关。若检偏器2P 透振方向与起偏器1P 透振方向垂直，不加电压时，入射光通过起偏器形成线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴向旋转0

90，偏振方向与检偏器透振方向相同，有光通过检偏器；施加足够电压后，旋光效应消失，通过液晶合后光偏振方向不变，与检偏器透振方向垂直，光不能通过检偏器。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场光被关断，因此叫做常白模式液晶光开关，如图4.6.3所示。若检偏器透振方向与起偏器透振方向平行，则没有电场的情况下，光被关断，加上电场的时候，有光通过，称为常黑模式液晶光开关。 光断

入射光

光通

图4.6.3

利用液晶光开关对外界光线的开关控制可以实现信息显示。TN 型液晶光开关主要用于数字、简单字符及图案显示，主要有笔段式显示和矩阵式显示方式。笔段式显示比较简单，主要用于数码显示，笔段式TN 液晶显示屏是通过段形显示像素实现显示的。段形显示像素是指显示像素为一个长棒形，也称笔段形，在数字显示时，常采用七段电极结构，即每位数字由一个“8”字形公共电极和构成“8”字图案的七个段形电极组成，如图4.6.4(a)所示，分别设置在液晶显示屏的两个玻璃基板内侧，通过控制电路和驱动电路有选择地在各电极段上加上电压，来显示不同的数字，例如，在a 、b 、g 、e 、d 电极段上加上电压可以显示数字“2”。如图4.6.4（b ）所示。

(a) (b)

图4.6.4

矩阵式显示屏的两个玻璃基板内侧分别由行电极和列电极组成，行和列的交叉点组成像素点，通过分别在行电极、列电极上加扫描信号和控制电压信号，逐行扫描让每一个液晶光开关处于关断或选通，所有行被扫描一遍，处于选通的像素点组成文字、图形和图像。

4．液晶电光特性

液晶在电场作用下将引起透光强度的变化，透光强度随外加电压的变化关系称为液晶电光特性。对于常白模式的液晶光开关，其液晶电光特性曲线如图4.6.5所示。

图

4.6.5

a

g e

d

c f

在液晶电光特性曲线上，对于常白模式透射率为90%而对于常黑模式透射率为10%的驱动电压我们称为阈值电压，对于常白模式透射率为10%而对应常黑模式透射率为90%的驱动电压称为关断电压。阈值电压与关断电压的差值越小，即曲线越陡，由液晶光开关单元构成显示器件允许的驱动路数越多。

液晶光开关作为显示单元其对比度是反映液晶屏图像质量的一个重要参数，对比度c 定义为min max /P P c ，其中m ax P 、m in P 为液晶光开关接通和关断时透射光的强度。

5．液晶光开关时间响应特性

加上或去掉驱动电压，液晶光开关的状态会发生变化，这种状态随外电场变化的快慢，反映在液晶对外电场的响应速度上。液晶对外电场的响应速度是液晶显示的一个重要参数，用上升时间和下降时间来衡量。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，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改进，已达到很好的效果，

给液晶上加高频间歇驱动电压信号，液晶光强随驱动电压的变化情况如图4.6.6所示。

上升时间：透射率由10%上升到90%对应的时间

下降时间：透射率由90%下降到10%对应的时间

5．液晶光栅

当加在液晶上的驱动电压在某一范围时（小于液晶的工作电压），液晶将形成液晶光栅，当光通过时可以观察到类似于光栅衍射现象，利用液晶光栅的衍射，可以推算出特定条件下

.00t

图4.6.6

液晶的结构尺寸。

【实验内容与步骤】

1．布置并调整光路

1.1 按照激光器、偏振片(起偏器)、液晶合、偏振片(检偏器)、光功率计探头的顺序在导轨上摆好光路。（注意要认清各元件及它们的作用）

1.2 打开激光器，仔细调整各光学元件的高度和轴向，尽量使激光从光学元件的中心穿过，进入光功率计探头。

1.3 旋转起偏器使光功率计接收到的光最强（为什么？）。

2. 测量液晶盒扭曲角

2.1旋转检偏器，找到系统输出功率最小的位置（垂直于出射光的偏振方向），记下此时检偏器的位置0θ。

2.2 打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续状态，驱动电压调至12V （旋光效应消失），再次旋转检偏器，找到系统输出功率最小的位置（垂直于入射光的偏转方向），记下此时检偏器的角度θ。

2.3 根据液晶盒扭曲角的定义可知，液晶盒的扭曲角为0θθ?-=

3. 测量常白模式液晶光开关的电光特性曲线，求其阈值电压、关断电压和对比度

3.1关闭液晶驱动电源，旋转检偏器，使系统输出功率最大（为什么？），打开液晶驱动电源，将功能按键置连续状态，电压从0至12V 每隔1V 测一次液晶光开关的透射光功率.

3.2 描绘液晶光开关的电光特性曲线，根据定义，从曲线上求其阈值电压、关断电压和对比度

4.观察液晶光开关的时间响应曲线，测量液晶光开关的上升时间上升T 与下降时间下降T 半导体激光器 偏振片 液晶盒 偏振片 光功率计探头

4.1 用光电二极管探头换下光功率计探头，并将光电二极管探头的电源输入端与液晶驱动电源背面的二极管12V 电源输出端相接 (红为+，黑为-，红对红，黑对黑)，光电二极管的输出端接至示波器的一个输入端，同时液晶驱动电源背面“接示波器”的驱动电压输出端接至示波器的另一输入端。

4.2 将液晶驱动电源置于连续状态，驱动电压调至12V ，打开示波器电源，用示波器观察液晶驱动信号的波形（如何观测？参阅示波器的使用），了解液晶显示的驱动信号。

4.3 将液晶驱动电源置于间隙状态，在示波器上同时显示驱动信号和光电二极管输出信号波形（液晶光开关的时间响应曲线），仔细调节间歇频率调节旋钮，使示波器上出现图

4.6.5所示波形，体会液晶光开关的工作原理。

4.4 根据定义用示波器测量时间响应曲线的上升时间上升T 和下降时间下降T 。

5. 测量液晶光栅的衍射角，推算出特定条件下液晶的结构尺寸（选做）

5.1 取下检偏器和光电二极管探头，打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续，将驱动电压调到6V 左右，几分钟后，用白屏观察光经液晶盒后光斑的变化情况，这时可观察到类似光栅的衍射现象，仔细调整驱动电压和液晶盒角度，使衍射效果最佳。

5.2 用尺子量出某级衍射光的位置y 及液晶盒到观察屏之间的距离L ，求出衍射角 ，用光栅衍射公式求出液晶光栅的光栅常数d 。

6.观察液晶衍射斑的偏振状态（选做）

紧靠液晶合后面，放置检偏器，用白屏观察衍射斑。旋转检偏器，观察各衍射斑的变化情况，指出其变化规律。

【注意事项】

1．拆装时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、受阳光直射。

2．切勿直视激光器。

【思考题】

1.实验中液晶样品盒采用单面附着偏振片，能否完成实验？如果能，应将附着偏振片的一面朝向哪边？

2.实验中采用高频方波信号作为液晶驱动信号，能否采用直流信号作为驱动信号？为什么？

3.液晶的应用有哪些？试举例说明。