1、液晶電光效應特性研究早在上世紀70 年代，液晶已作為物質存在的第四態開始寫入各國學生的教科書。至今已成為由物理學家、 化學家、生物學家、 工程技術人員和醫藥工作者共同關心與研究的領域，在物理、化學、電子、生命科學等諸多領域有著廣泛應用。如：光導液晶光閥、光調制器、液晶顯示器件、 各種傳感器、 微量毒氣監測、 夜視仿生等， 尤其液晶顯示器件早已廣為人知，獨占了電子表、手機、筆記本電腦等領域。其中液晶顯示器件、光導液晶光閥、光調制器、光路轉換開關等均是利用液晶電光效應的原理制成的。 因此，掌握液晶電光效應從實用角度或物理實驗教學角度都是很有意義的。【實驗目的】1. 測定液晶樣品的電光曲線；2. 根

2、據電光曲線，求出樣品的閾值電壓 Uth 飽和電壓 Ur、對比度 Dr、陡度 等電光效應的主要參數；3. 了解最簡單的液晶顯示器件 (TN LCD) 的顯示原理；4. 自配數字存儲示波器可測定液晶樣品的電光響應曲線，求得液晶樣品的響應時間。【實驗儀器】FD-LCE-1 型液晶電光效應實驗儀【實驗原理】1液晶液晶態是一種介于液體和晶體之間的中間態，既有液體的流動性、粘度、 形變等機械性質，又有晶體的熱、光、電、磁等物理性質。液晶與液體、晶體之間的區別是：液體是各向同性的，分子取向無序；液晶分子有取向序，但無位置序；晶體則既有取向序又有位置序。就形成液晶方式而言，液晶可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液

3、晶又可分為近晶相、向列相和膽甾相。其中向列相液晶是液晶顯示器件的主要材料。2液晶電光效應液晶分子是在形狀、 介電常數、 折射率及電導率上具有各向異性特性的物質， 如果對這樣的物質施加電場 (電流 ) ，隨著液晶分子取向結構發生變化，它的光學特性也隨之變化，這就是通常說的液晶的電光效應。液晶的電光效應種類繁多，主要有動態散射型(DS) 、扭曲向列相型 (TN) 、超扭曲向列相型(STN) 、有源矩陣液晶顯示(TFT) 、電控雙折射 (ECB) 等。其中應用較廣的有：TFT 型 主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產品；STN 型 主要用于手機屏幕等中檔產品；TN 型主要用于電子表、計算器、儀器儀表

4、、家用電器等中低檔產品，是目前應用最普遍的液晶顯示器件。TN 型液晶顯示器件顯示原理較簡單，是 STN 、TFT 等顯示方式的基礎。本儀器所使用的液晶樣品即為TN 型。3 TN 型液晶盒結構TN 式液晶盒結構如圖1 所示。圖 1 TN 型液晶盒結構圖在涂覆透明電極的兩枚玻璃基板之間， 夾有正介電各向異性的向列相液晶薄層， 四周用密封材料 (一般為環氧樹脂 )密封。玻璃基板內側覆蓋著一層定向層，通常是一薄層高分子有機物， 經定向摩擦處理， 可使棒狀液晶分子平行于玻璃表面， 沿定向處理的方向排列。 上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的， 這樣， 盒內液晶分子的取向逐漸扭曲， 從上玻璃片到下玻璃片扭曲

5、了 90o，所以稱為扭曲向列型。4扭曲向列型電光效應無外電場作用時， 由于可見光波長遠小于向列相液晶的扭曲螺距， 當線偏振光垂直入射時，若偏振方向與液晶盒上表面分子取向相同，則線偏振光將隨液晶分子軸方向逐漸旋轉o(見圖 2(a)中不通電部分，其中液晶盒上下表面各90 ，平行于液晶盒下表面分子軸方向射出附一片偏振片，其偏振方向與液晶盒表面分子取向相同，因此光可通過偏振片射出)；若入射線偏振光偏振方向垂直于上表面分子軸方向，出射時，線偏振光方向亦垂直于下表面液晶分子軸；當以其他線偏振光方向入射時，則根據平行分量和垂直分量的相位差，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。對液晶盒施加電壓，當達到某一數

6、值時，液晶分子長軸開始沿電場方向傾斜，電壓繼續增加到另一數值時， 除附著在液晶盒上下表面的液晶分子外， 所有液晶分子長軸都按電場方向進行重排列 (見圖 2 中通電部分 )， TN 型液晶盒 90o 旋光性隨之消失。圖 2 TN 型液晶顯示器件顯示原理示意圖若將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，其偏振方向與上表面液晶分子取向相同。不加電壓時，入射光通過起偏器形成的線偏振光，經過液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉90o ，不能通過檢偏器； 施加電壓后， 透過檢偏器的光強與施加在液晶盒上電壓大小的關系見圖3；其中縱坐標為透光強度，橫坐標為外加電壓。最大透光強度的10%所對應的外加電壓值稱為閾值電壓 (Ut

7、h)，標志了液晶電光效應有可觀察反應的開始(或稱起輝 )，閾值電壓小，是電光效應好的一個重要指標。最大透光強度的90%對應的外加電壓值稱為飽和電壓(Ur)，標志了獲得最大對比度所需的外加電壓數值，Ur 小則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對顯示壽命有利。對比度D r=I max /I min，其中 I max 為最大觀察 (接收 )亮度 (照度 )， I min 為最小亮度。陡度 =Ur/U th 即飽和電壓與閾值電壓之比。6 TN LCD 結構及顯示原理TN 型液晶顯示器件結構參考圖2，液晶盒上下玻璃片的外側均貼有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向總是與上表面分子取向相同。自然光入

8、射后， 經過偏振片形成與上表面分子取向相同的線偏振先，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長軸旋轉90o，以平行于下表面分子取向的線偏振光射出液晶盒。若下表面所附偏振片偏振方向與下表面分子取向垂直 (即與上表面平行)，則為黑底白字的常黑型，不通電時，光不能透過顯示器(為黑態 )，通電時， 90o 旋光性消失，光可通過顯示器(為白態 )；若偏振片與下表面分子取向相同，則為白底黑字的常白型，如圖2 所示結構。 TN-LCD 可用于顯示數字、簡單字符及圖案等，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。【實驗儀器介紹】FD-LCE I 型液晶電光效應實驗儀具有以下優點：(1) 儀器導軌、滑塊、

9、轉盤等均采用高強度鋁合金制作，立桿材料為不銹鋼。具有體積小、重量輕、不會生銹等優點，轉盤經特別設計，可細調。導軌采用燕尾型結構，移動時直線定位好，固定時牢固可靠 ;(2)用框架型結構固定液晶樣品，牢固美觀；采用接線柱方式給樣品通電，方便安全;(3)所用裝置配件均為光學通用配件(含常用光功率計)，除可做液晶電光效應實驗外，還可用于光偏振等光學實驗或用于測定半導體激光器工作電流與出射光強的關系;如圖 4 所示，液晶電光效應實驗儀主要由控制主機、導軌、半導體激光器、液晶樣品盒( 包括起偏器及液晶樣品 )、檢偏器、可調光闌及光電探測器組成。1.激光器2.液晶樣品盒3.檢偏器4.可調光闌5.光電探測器圖

10、 4液晶電光效應實驗儀裝置圖【實驗內容及步驟】1光學導軌上依次為：半導體激光器-液晶樣品盒 -檢偏器 -光電探測器 (帶可調光闌 )。其中液晶樣品盒帶接線柱的一面面向激光器。 液晶樣品盒包括液晶樣品及起偏器， 起偏器附在液晶片的一面 (帶接線柱的一面 )，其偏振方向與所附表面的液晶分子取向相同。打開半導體激光器，調節各元件高度，使激光依次穿過液晶盒、檢偏器，打在光電探測器的光闌上。2接通主機電源， 將光功率計調零，用話筒線連接光功率計和光電探測器旋轉檢偏器，可觀察到光功率計數值大小變化，若最大透射光強小于200W，可旋轉半導體激光器機身，使最大透射光強大于200W 最后旋轉檢偏器至透射光強值達

11、到最小。3將電壓表調至零點，用紅黑導線連接主機和液晶盒，從0 開始逐漸增大電壓，觀察光功率計讀數變化，電壓調至最大值后歸零。4從 0 開始逐漸增加電壓，后每隔 0.1v 左右記一次數據，0 25V 每隔 0.2V 或 0.3V 記一次電壓及透射光強值，2.5v6.5V 后再每隔0 2 或 0.3V 記一次數據，在關鍵點附近宜多測幾組數據。5作電光曲線圖，縱坐標為透射光強值，橫坐標為外加電壓值。6根據作好的電光曲線，求出樣品的閾值電壓 Uth( 最大透光強度的電壓值 )、飽和電壓 Ur( 最大透光強度的 90%對應的外加電壓值 )、對比度陡度 (=U r/U th)。10%所對應的外加 Dr(D

12、r= I max/I min) 及7演示黑底白字的常黑型TN-LCD 。拔掉液晶盒上的插頭，光功率計顯示為最小，即黑態；將電壓調至 6 至 7V 左右，連通液晶盒，光功率計顯示最大數值，即白態。注：可自配數字或字符型液晶片演示，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。8自配數字存儲示波器，可測試液晶樣品的電光響應曲線，求得樣品的響應時間。【數據記錄及處理】測量點123456U/VI/ W根據所測數據作電光曲線圖并計算結果。【注意事項 】1拆裝時只壓液晶盒邊緣，切忌擠壓液晶盒中部；保持液晶盒表面清潔，不能有劃痕；應防止液晶盒受潮，防止受陽光直射。2驅動電壓不能為直流。3切勿直視激光

13、器。4液晶樣品受溫度等環境因素的影響較大，如 TN 型液晶的閨值電壓在 20± 20范圍內漂移達 15到 35，因此每次實驗結果有一定出入為正常情況。也可比較不同溫度下液晶樣品的電光曲線圖。【思考題】1如何實現常黑型、常亮型液晶顯示。2實驗中液晶樣品盒采用單面附著偏振片，能否完成實驗？如果能，應將附著偏振片的一面朝向哪邊？出師表兩漢：諸葛亮先帝創業未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠危急存亡之秋也。然侍衛之臣不懈于內，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報之于陛下也。誠宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟

14、罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費祎、董允等，此皆良實，志慮忠純，是以先帝簡拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補闕漏，有所廣益。將軍向寵，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰愚以為營中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優劣得所。“能 ”，是以眾議舉寵為督：親賢臣， 遠小人， 此先漢所以興隆也； 親小人， 遠賢臣， 此后漢所以傾頹也。 先帝在時，每與臣論此事， 未嘗不嘆息痛恨于桓、 靈也。 侍中、尚書、 長史、 參軍，此悉貞良死節之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當世之事，由是感激，遂許先帝以驅馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹慎，