液晶电光效应试验仪

液晶是介于液体和晶体之间的一种物质状态。一般液体内的分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定的规律有序排列，使其呈现晶体的各向异性。
当光通过液晶时，会产生偏折面旋转、双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按照电场方向取向，导致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变化，这种因为外电场的作用而使液晶的光学性质发生变化的现象称为液晶电光效应。
如今液晶在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用。如液晶光阀、光调制器、液晶显示器件、传感器、微量毒气监测、夜视仿生等。
THQDG-1型液晶电光效应实验仪可以测量液晶的电光曲线，响应曲线，视角曲线，从而确定液晶的主要参数。仪器采用最简单的作为测试样品，巧妙的设计使测量过程更加快捷、方便。

一、实验目的

1. 了解液晶的工作原理，测定液晶样品的电光曲线。
2. 了解液晶的主要参数，并根据电光曲线，求出样品的阈值电压、关断电压、对比度、陡度等电光效应的主要参数。
3. 了解液晶的视角特性，测量液晶的视角特性曲线。
4. 了解液晶的时间响应特性，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、实验设备

型 液晶电光效应实验仪

三、实验原理

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。
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()、扭曲向列相型()、超扭曲向列相型()、有源矩阵液晶显示()、电控双折射()等。其中应用较广的有：型──主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档产品；型──主要用于手机屏幕等中档产品；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。型液晶显示器件显示原理较简单，是、等显示方式的基础。本仪器所使用的液晶样品即为型。
1．液晶的工作原理
在涂覆透明电极的两层玻璃基板之间，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90o，所以称为扭曲向列型，如图1所示。
 
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90o，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出，见图2（a），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（b），型液晶盒90o旋光性随之消失。
2．液晶的电光特性
偏振片是用来将自然光转换成偏振光的光学器件，通常情况下根据偏振片的作用不同分为起偏器和检偏器两种。
若将液晶盒放在两片垂直偏振片之间，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90o，正好与下层的偏振片偏振方向一致，光能通过检偏器出射，这种液晶为常白模式，当施加电压后，透过检偏器的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系如图3所示；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。透光强度的90%所对应的外加电压值称为阈值电压 ，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。透光强度的10%对应的外加电压值称为关断电压 ，标志了获得对比度所需的外加电压数值。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，其中为电源断开时的光强，为电源接通时的光强。陡度即阈值电压与关断电压之比。
 
型液晶显示器件结构参考图1，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90o，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，90o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。可用于显示数字、简单字符及图案等，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。
3．液晶的时间响应特性
加上或者去掉驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子序列发生了改变，这种重新排序需要一定的时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间和下降时间来描述。给液晶加一个如图4（a）所示的方波电压，就可以得到如图4（b）所示的液晶的时间响应曲线。
上升时间：透过率由10%上升到90%所需要的时间。
下降时间：透过率由90%下降到10%所需要的时间。
液晶的响应时间越短，显示动态图象的效果约好。这是液晶显示器的重要指标。
 
4．液晶的视角特性
液晶开关的视觉特性可以表示为对比度和视角的关系。对比度表示为光开关打开与关断时透射光强度之比。液晶的视角特性，既有左右视角，又有上下视角。在实际应用中一般只考虑左右视角。
在不同的方向上观看液晶屏幕时，可以观察到对比度有比较大的变化，一般来讲，当对比度大于5时，图形就比较清晰；当对比度小于2时，图形就比较模糊了。
视角特性也是液晶的主要参数之一，特别是对于液晶显示器件。

四、实验内容与步骤

1．准备工作
（1）了解仪器的结构，了解仪器各个按钮和开关的作用。
（2）将所有的开关都置于“关”，将所有的调节旋钮都逆时针调节到最小。
（3）用专用的导线将实验箱和测试台连接起来，具体连接方法如下：
A、用双线将实验箱面板上的“电源”与测试台上的“电源”连接起来。
B、用双线将实验箱面板上的“电源”与测试台上的“电源”连接起来，测量液晶的时间响应特性曲线时，可以用三通将“电源”连接到示波器上。
C、用双线将实验箱面板上的“光信号输入”与测试台上的“硅光电池”连接起来，测量液晶的时间响应特性曲线时，可以用双线将“光功率输出”连接到示波器上。
2．调整光路
（1）开启实验箱的电源开关，将光功率计的量程选择置于“”档位，将光功率计的探测孔用黑纸遮住，调节“光功率调零”旋钮，使光功率计显示为“”。
（2）顺时针将“的电源调节”旋钮调节到。
（3）调节液晶盒的角度，使角度指针指示到“”刻度处。调节半导体激光器外壳上的调节螺丝，使激光依次经过液晶盒和检偏器的中心，最后完全射入探测器的入射孔中。
（4）调节检偏器的角度，使光功率计的显示达到值。
3．测量液晶的电光特性曲线
（1）将光功率计量程选择置于“”档位，顺时针将“的电源调节”旋钮调节。
（2）将的频率选择置于“”，打开的电源开关，将的电源电压调节到。
（3）从开始逐渐减小的电源电压，将的电源电压和对应的光功率计的读数记录在表格（1）中。
注意：当液晶的电源电压处于阈值电压到关断电压之间时，液晶处于不稳定状态。因此，当液晶的电源电压在之间变化时，光功率计读数会产生一定的漂移，而且升压法比减压法产生的漂移更大，所以实验时采用减压法来测量。
表格（1）

LCD电源	10.0V	9.0V	8.0V	7.0V	6.0V	5.5V	5.0V
光功率
LCD电源	4.5V	4.0V	3.5V	3.0V	2.0V	1.0V	0.0V
光功率

4．测量液晶的视角特性曲线
（1）将“电源电压”调节到“10.0V”，将“电源开关”打开，将角度指针对准“-60º”，按照表格（2）中所列举的角度，读取在每一个视角下的光功率计的读数，并将数据记录在表格（2）中。
（2）将“电源开关”关闭，将角度指针对准“-60º”，按照表格（2）中所列举的角度，读取在每一个视角下的光功率计的读数，并将数据记录在表格（2）中。
表格（2）

视角	-60	-50	-40	-30	-20	-10	0
视角	0	10	20	30	40	50	60

5．测量液晶的时间响应特性曲线
（1）先将的电源置于“关”，调节的电源，使光功率计的显示值大于。
（2）打开的电源并将的电源电压调节到，将频率选择置于“”档位，将光功率计量程选择置于“”档位。
（3）将的电源电压通过双头连接到示波器的通道，并将光功率计的输出连接到示波器的通道，调节示波器的相关参数，就可以观测到液晶的时间响应特性曲线，如图4所示。

五、实验数据

1. 根据表格（1）中的实验数据，绘制液晶的电光特性曲线。
2. 根据实验测得的数据计算液晶的阈值电压，关断电压，对比度，陡度等参数。
3. 根据表格（2）中的实验数据，计算不同视角下的对比度，并绘制液晶的视角特性曲线。
4. 根据液晶的时间响应曲线测量液晶的上升时间和下降时间。

六、思考题

1. 常黑型液晶和常白型液晶有什么区别？
2. 单面附着偏振片的液晶在实验时应该如何放置？
3. 液晶为什么在3.5V—5.5V之间会产生漂移？
4. 液晶的电光特性曲线为什么存在凸起现象？

七、注意事项

1. 调整光路时，通过调节外壳上的调节螺丝，务必使激光完全入射到光功率计的探测孔中。
2. 光功率计调零时，请务必将探测孔遮住，否则光功率计不能调零。
3. 保持液晶表面清洁，防止液晶受潮，防止液晶受阳光直射，切忌挤压液晶。
4. 切勿直视激光器，以免伤害眼睛。
5. 在测量液晶的电光曲线实验时，在之间数据会产生漂移。在测量液晶的视角特性曲线时，当视角大于时数据会产生漂移。另外，液晶样品受温度等环境因素的影响较大，如型液晶的阈值电压在0——40℃范围内漂移达15％到35％，因此每次实验结果有一定出入为正常情况。