液晶光电效应综合实验

液晶光电效应综合实验

摘要：文章介绍了液晶的基本原理，着重阐述了液晶光开关的工作原理及其性质，并根据其性质开展了一系列的实验，如测量液晶光开光的电光特性曲线及响应时间等。 关键词：液晶 光开关 时间响应 视角特性

1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、 测量由液晶光电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，了解液晶光电开关的工作条件。

4、 了解液晶光电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的工作原理。

2基本知识

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。 2、 液晶的光电效应

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。

3实验原理

1．液晶光开关的工作原理

液晶作为一种显示器件，其种类很多，下面以常用的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样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一

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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；使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。

图1 液晶光开关的工作原理

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)，在静电场的吸引下，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。

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2.液晶光开关的电光特性和时间响应特性

透射率T(%) 100 阈值电压 80 60 40 20 关断电压 电压(V) 1 2 3 4 5 6 图2 液晶光开关的电光特性曲线

图2为光线垂直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。

阈值电压：透过率为90％时的供电电压； 关断电压：透过率为10％时的供电电压。

另外，在给液晶板加上一个周期性的作用电压（如图3上图），液晶的透过率也

就会随电压的改变而变化，就可以得到液晶的相应时间上升时间Δt1和下降时间Δt2。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。

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3.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4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，对比度与垂直与水平视角都有关。而且，视角特性具有非对称性。

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4.液晶光开关构成图像显示矩阵的方法

ABCDEabcdef （a） （b）

图5 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器

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，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。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

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。

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4实验仪器

图6 液晶光开关电光特性综合实验仪功能

5设计实验内容与步骤

1、 液晶的电光特性测试实验。可以测得液晶的阈值电压和关断电压。 2、 液晶的时间特性实验，测量液晶的上升时间和下降时间。 3、 液晶的视角特性测量实验。 实验步骤：

1、将液晶板金手指1插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对光源发射方向。打开电源开关，点亮光源，使光源预热10分钟左右。

图7 液晶板方向（视角为正视液晶屏凸起面） 6

2、将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100%，按表一的数据改变电压，使电压从0V到6V变化，记录相应电压下的透过率数值。重复3次并计算相应电压下透过率的平均值，依据实验数据绘制水平方向的电光特性曲线，可以得出水平方向的阈值电压和关断电压。

3、将液晶板金手指2插入转盘上的插槽，将透过率显示校准为100%，按表一的数据改变电压，使电压从0V到6V变化，记录相应电压下的透过率数值。重复3次并计算相应电压下透过率的平均值，依据实验数据绘制垂直方向的电光特性曲线，可以得出垂直方向的阈值电压和关断电压。

4、将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调节到100%，然后将液晶供电电压调节到2V，在液晶静态闪烁下，用存储示波器观察此光电开关的时间特性曲线。得到上升时间和下降时间。

5、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。然后供电电极设为2V，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值TMIN，记录，并计算其对比度。

6、将液晶板以垂直方向插入插槽，按照与测量水平视角特性相同的方法，测量垂直方向视角特性。

6 数据处理与结论

表1 液晶的电光特性（水平）

透 射 率 （%） 电压（V） 1 2 3 平均 0.0 100.0 100.0 100.0 100.0 1.6 20.3 20.0 20.5 20.3 0.5 99.9 99.9 99.8 99.9 1.7 12.4 12.3 12.5 12.4 0.8 99.8 99.8 99.9 99.8 2.0 4.1 4.1 4.2 4.1 1.0 98.2 98.4 98.3 98.3 3.0 4.5 4.5 4.4 4.5 1.2 81.0 81.0 81.9 81.3 4.0 4.1 4.1 4.2 4.1 1.3 64.7 64.5 64.6 64.6 5.0 3.7 3.7 3.6 3.7 1.4 47.2 47.0 47.1 47.1 6.0 3.4 3.2 3.3 3.3 1.5 31.9 31.8 31.9 31.9 31.9 透 射 2 率 3 （%） 平均 电压（V） 1 7

液晶光开光的电光特性曲线120透射率T（%）10080604020000.50.811.21.31.41.51.61.7电压（V）23456

由水平方向电光特性曲线得水平方向阈值电压为1.12V，关断电压为1.74V 表2 液晶的光电特性（垂直方向）

0.0 0.5 0.8 1.0 1.2 1.3 1.4 电压（V） 透过率（%） 1 2 3 平均 电压（V） 透过率（%） 1 2 3 平均 液晶光开关电光特性测量120.0100.01.5 30.9 30.7 30.2 30.6 100.0 100.0 100.0 100.0 1.6 19.4 19.4 19.4 19.4 100.0 99.9 99.9 99.9 1.7 11.8 11.6 11.8 11.7 99.9 100.0 99.8 99.9 2.0 3.5 3.5 3.5 3.5 98.6 98.2 98.3 98.4 3.0 3.7 3.7 3.9 3.8 80.2 80.0 80.0 80.1 4.0 3.3 3.4 3.5 3.4 63.4 63.5 63.5 63.5 5.0 3.2 3.0 3.0 3.1 45.0 45.9 45.2 45.4 6.0 2.8 2.6 2.2 2.5 透射率（%）80.060.040.020.00.00.00.50.81.01.21.31.41.51.61.72.03.04.05.06.0电压（V）

由垂直方向电光特性曲线得垂直方向阈值电压为1.1V,关断电压1.79V.

使用示波器直接读值的方法，由于两通道的上升时间和下降时间对同一液晶显示器应为一固定值，故只做一次，得到ch1上升时间为323.9μs，下降时间320.0μs；ch2上升时间38.72ms，下降时间34.25ms,得图8

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表3 由示波器得到的液晶的上升时间和下降时间 CH1（us） CH2（ms） 图8：

上升时间 323.9 38.72 下降时间 320.0 34.25

表4 水平方向视角特性

正角度 Tmax (0V) Tmin (2V) 0 100 4.0 5 99.5 3.9 10 99.3 3.9 15 99.1 4 20 98.5 4.1 25 97.2 4.4 30 94.5 4.6 35 91.3 4.7 40 89.2 4.6 45 83.5 4.3 50 79.1 4.0 55 71.2 3.6 60 62.6 3.3 65 52.6 2.9 70 41.8 2.3 75 28 1.6 Tmax/Tmin 25.0 25.5 25.5 24.8 24.0 22.1 20.5 19.4 19.4 19.4 19.8 19.8 19.0 18.1 18.2 17.5 负角度 Tmax (0V) Tmin (2V) 0 100 4.0 5 101 4.2 10 100 4.3 15 101 4.6 20 101 4.9 25 100 5.3 30 100 5.6 35 97.6 5.6 40 96.1 5.6 45 93.1 5.4 50 88.3 5.2 55 82.5 4.9 60 75.2 4.8 65 66.6 4.4 70 54.9 4.0 75 42.3 3.1 Tmax/Tmin 25.0 24.0 23.3 22.0 20.6 18.9 17.9 17.4 17.2 17.2 17.0 16.8 15.7 15.1 13.7 13.6

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表5 垂直方向视角特性 10.正角度 Tmax (0V) Tmin (2V) Tmax/Tmin 负角度 Tmax (0V) Tmin (2V) Tmax/Tmin 4.4 4.8 6.2 22.6 20.7 16.0 8.8 5.4 3.5 2.4 1.7 1.4 1.2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 4.4 7.0 22.6 14.1 8.4 5.4 3.8 2.7 2.0 1.6 1.3 1.1 1.0 1.0 0.9 1.0 0.9 0.9 10.0.0 5.0 99.5 99.5 0 99.1 15.0 98.0 11.1 20.0 96.2 17.9 25.0 93.9 27.2 30.0 92.0 38.8 35.0 88.7 51.0 40.0 86.1 61.6 45.0 83.3 70.1 50.0 80.0 76.6 55.0 78.1 79.1 60.0 74.1 77.3 65.0 68.5 72.0 70.0 59.0 61.8 75.0 46.4 48.4 0.0 5.0 99.5 98.6 0 97.3 11.6 15.0 95.3 17.6 20.0 92.5 24.6 25.0 89.7 33.4 30.0 86.8 42.8 35.0 82.6 52.4 40.0 79.3 61.5 45.0 75.1 67.2 50.0 71.0 69.7 55.0 66.6 68.6 60.0 60.8 64.3 65.0 53.6 55.6 70.0 43.5 46.0 75.0 30.1 32.7

垂直方向视角特性雷达图0-70-65-60-55-50-45-40-35-30-25-20-15-10-507570656055151050-7525205101520253035404550

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6实验误差分析:

1、仪器本身的精密度;

2、外部环境的干扰，比如液晶光开关视角特性的测量试验中，0V电压下，部分透射率大于100%，与实际不符，应为外间光源干扰所致；

3、实验组次少，液晶的时间响应的测量及液晶光开关视角特性的测量试验只取了一组数据，存在一定的误差；

4、计算中的传递误差，由于本次试验组次少，故没有进行不确定度的计算，且小数点只保留了一位；

5、试验准备阶段，对光源预热时间不足；

6、插槽中的液晶板并不严格正对光源发射方向，存在微角度误差，且进行液晶光开关视角特性的测量时，也存在微角度误差；

7、读数误差，试验中，个别数据是在透射率不稳定的情况下读取的；

8、由于不了解干扰特性，故对数据同比例缩小或减小都不准确，所以对于透射率大于100%的数据并未修正。

7 注意事项

1、禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛；

2、在进行液晶视角特性实验中，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏晶板；

3、液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向，否则实验记录的数据为错误数据；

4、在调节透过率100%时，如果透过率显示不稳定，则可能是光源预热时间不够，或光路没有对准，需要仔细检查，调节好光路；

5、在校准透过率100%前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V或显示大于“250”，否则无法校准透过率为100%。在实验中，电压为0.00V时，不要长时间按住“透过率校准”按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。

8 心得体会

1、课前预习：我们在实验课之前要进行课前预习，通过阅读实验教材和参考资料，弄清本次实验的目的、原理和所要使用的仪器，明确测量方法，了解实验要求及实验中特别要注意的问题等。虽然本次的物理实验三为综合实验，内容较多，操作较复杂，但是，只要课前进

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行预习，并且适当写预习报告，在上课时认真听老师讲解，操作中认真提问就能比较顺利的完成报实验。

2、实验操作：我是在周二的晚上上实验，我和一个学长为一组，我们两个人分工很明确，每次都是有一个主做和一个辅做， 实验操作是物理实验基本程序中的核心，使我主动研究，积极探索。每一次实验都使我获得很多知识。

9参考文献

[1]大学物理综合设计实验，中国海洋大学物理实验教学中心 [2]谢疏章.液晶物理学[M] . 北京:科学出版社, 1988.

[3]]王伟,商彦平,郝彦忠.聚噻吩修饰纳米结构TiO 膜电极光电性能研究[J] .河北科技大学学报,2007,28( 1) : 1418.

[4]]范志新.液晶器件工艺基础[M] .第3 版. 北京: 北京邮电大学出版社,2004.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2ahr.html