液晶電光效應實驗報告

【實驗目的】

1．在掌握液晶光開關的基本工作原理的基礎上，測量液晶光開關的電光特性曲線，並由電光特性曲線得到液晶的閾值電壓和關斷電壓。

2．測量驅動電壓週期變化時，液晶光開關的時間響應曲線，並由時間響應曲線得到液晶的上升時間和下降時間。

3．測量由液晶光開關矩陣所構成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，瞭解液晶光開關的工作條件。

4．瞭解液晶光開關構成圖像矩陣的方法，學習和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構成文字和圖形的顯示模式，從而瞭解一般液晶顯示器件的工作原理。

【實驗儀器】

液晶電光效應實驗儀一台，液晶片一塊

【實驗原理】

1．液晶光開關的工作原理

液晶的種類很多，僅以常用的TN（扭曲向列）型液晶為例，説明其工作原理。 TN型光開關的結構：在兩塊玻璃板之間夾有正性向列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃（1埃＝10-10米），直徑為4～6埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內表面塗有透明電極，電極的表面預先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電極表面塗取向劑），這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽裏；電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因範德瓦爾斯力的作用，趨向於平行排列。然而由於上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向看，液晶分子的排列從上電極的沿－45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿＋45度方向排列，整個扭曲了90度。 理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結構具有光波導的性質，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉90度。 取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，於是P1和P2的透光軸相互正交。

在未加驅動電壓的情況下，來自光源的自然光經過偏振片P1後只剩下平行於透光軸的線偏振光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉了90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。

在施加足夠電壓情況下(一般為1～2伏)，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨於平行於電場方向排列。於是原來的扭曲結構被破壞，成了均勻結構。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉，保持原來的偏振方向到達下電極。這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關斷。

由於上述光開關在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關斷，因此叫做常通型光開關，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構成常黑模式。

液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的温度範圍內呈現液晶的光學各向異性，溶致液晶是溶質溶於溶劑中形成的液晶。目前用於顯示器件的都是熱致液晶，它的特性隨温度的改變而有一定變化。

2．液晶光開關的電光特性

對於常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達到最低點，此後略有變化。可以根據此電光特性曲線圖得出液晶的'閾值電壓和關斷電壓。

3．液晶光開關的時間響應特性

加上（或去掉）驅動電壓能使液晶的開關狀態發生改變，是因為液晶的分子排序發生了改變，這種重新排序需要一定時間，反映在時間響應曲線上，用上升時間τr和下降時間τd描述。給液晶開關加上一個週期性變化的電壓，就可以得到液晶的時間響應曲線，上升時間和下降時間。

上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應時間越短，顯示動態圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標。早期的液晶顯示器在這方面遜色於其它顯示器，現在通過結構方面的技術改進，已達到很好的效果。

4.液晶光開關的視角特性

液晶光開關的視角特性表示對比度與視角的關係。對比度定義為光開關打開和關斷時透射光強度之比，對比度大於5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小於2，圖像就模糊不清了。

5.液晶光開關構成圖像顯示矩陣的方法

除了液晶顯示器以外，其他顯示器靠自身發光來實現信息顯示功能。這些顯示器主要有以下一些：陰極射線管顯示（CRT），等離子體顯示(PDP)，電致發光顯示(ELD)，發光二極管（LED）顯示，有機發光二極管（OLED）顯示，真空熒光管顯示（VFD），場發射顯示（FED）。這些顯示器因為要發光，所以要消耗大量的能量。

液晶顯示器通過對外界光線的開關控制來完成信息顯示任務，為非主動發光型顯示，其最大的優點在於能耗極低。正因為如此，液晶顯示器在便攜式裝置的顯示方面，例如電子錶、萬用表、手機、傳呼機等具有不可代替地位。下面我們來看看如何利用液晶光開關來實現圖形和圖像顯示任務。