吉林大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1、液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。一般的液體內(nèi)部分子排列是無(wú)序的，而液晶既具有液體的流動(dòng)性，其分子又按一定規(guī)律有序排列，使它呈現(xiàn)晶體的各向異性。當(dāng)光通過(guò)液晶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生偏振面旋轉(zhuǎn)，雙折射等效應(yīng)。液晶分子是含有極性基團(tuán)的極性分子，在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)按電場(chǎng)方向取向，導(dǎo)致分子原有的排列方式發(fā)生變化，從而液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場(chǎng)引起的液晶光學(xué)性質(zhì)的改變稱(chēng)為液晶的電光效應(yīng)。1888年，奧地利植物學(xué)家Reinitzer在做有機(jī)物溶解實(shí)驗(yàn)時(shí)，在一定的溫度范圍內(nèi)觀察到液晶。1961年美國(guó)RCA公司的Heimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光效應(yīng)，并制成了顯示器件。從70年

2、代開(kāi)始，日本公司將液晶與集成電路技術(shù)結(jié)合，制成了一系列的液晶顯示器件，并至今在這一領(lǐng)域保持領(lǐng)先地位。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動(dòng)電壓低（一般為幾伏），功耗極小，體積小，壽命長(zhǎng)，環(huán)保無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今各種顯示器件的競(jìng)爭(zhēng)中有獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷之勢(shì)。實(shí)驗(yàn)意義與目的實(shí)驗(yàn)意義：液晶作為物質(zhì)存在的第四態(tài)，早在上世紀(jì)開(kāi)始至今已成為由物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、工程技術(shù)人員和醫(yī)藥工作者共同關(guān)心與研究的領(lǐng)域，在物理、化學(xué)、電子、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如：光導(dǎo)液晶光閥，光調(diào)制器，液晶顯示器件，各種傳感器、微量毒氣監(jiān)測(cè)、夜視仿生等，尤其液晶顯示器件獨(dú)占了電子表，手機(jī)，筆記本電腦等領(lǐng)域。其中液晶顯示器件、光導(dǎo)液晶光閥、

3、光調(diào)制器、光路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)等均是利用液晶電光效應(yīng)的原理制成的，因此，掌握液晶電光效應(yīng)從實(shí)用角度或物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度都是很有意義的。液晶顯示器件由于具有驅(qū)動(dòng)電壓低（一般為幾伏），功耗極小，體積小，壽命長(zhǎng)，環(huán)保無(wú)輻射等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今已廣泛應(yīng)用于各種顯示器件中。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）掌握液晶光開(kāi)關(guān)的基本工作原理，測(cè)量液晶光開(kāi)關(guān)的電光特性曲線。（2） 觀察液晶光開(kāi)關(guān)的時(shí)間響應(yīng)曲線，并求出液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間。（3） 測(cè)量液晶顯示器的視角特性。（4） 了解一般液晶顯示器件的工作原理。實(shí)驗(yàn)儀器示波器，液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，液晶板 ，適配器。圖1 液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合實(shí)驗(yàn)儀功能鍵示意圖液晶光開(kāi)關(guān)電光特性綜合

4、實(shí)驗(yàn)儀外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。下面簡(jiǎn)單介紹儀器各個(gè)按鈕的功能。模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)：切換液晶的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（圖像顯示）兩種工作模式。在靜態(tài)時(shí)，所有的液晶單元所加電壓相同，在（動(dòng)態(tài)）圖像顯示時(shí)，每個(gè)單元所加的電壓由開(kāi)關(guān)矩陣控制。同時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于靜態(tài)時(shí)打開(kāi)發(fā)射器，當(dāng)開(kāi)關(guān)處于動(dòng)態(tài)時(shí)關(guān)閉發(fā)射器；靜態(tài)閃爍/動(dòng)態(tài)清屏切換開(kāi)關(guān)：當(dāng)儀器工作在靜態(tài)的時(shí)候，此開(kāi)關(guān)可以切換到閃爍和靜止兩種方式；當(dāng)儀器工作在動(dòng)態(tài)的時(shí)候，此開(kāi)關(guān)可以清除液晶屏幕因按動(dòng)開(kāi)關(guān)矩陣而產(chǎn)生的斑點(diǎn)；供電電壓顯示：顯示加在液晶板上的電壓，范圍在0.00V7.60V之間；供電電壓調(diào)節(jié)按鍵：改變加在液晶板上的電壓，調(diào)節(jié)范圍在0V7.6V之間。其中單擊按鍵（或按鍵）可

5、以增大（或減?。?.01V。一直按住按鍵（或按鍵）2秒以上可以快速增大（或減?。┕╇婋妷?，但當(dāng)電壓大于或小于一定范圍時(shí)需要單擊按鍵才可以改變電壓；透過(guò)率顯示：顯示光透過(guò)液晶板后光強(qiáng)的相對(duì)百分比； 透過(guò)率校準(zhǔn)按鍵：在接收器處于最大接收狀態(tài)的時(shí)候（即供電電壓為0V時(shí)），如果顯示值大于“250”，則按住該鍵3秒可以將透過(guò)率校準(zhǔn)為100；如果供電電壓不為0，或顯示小于“250”，則該按鍵無(wú)效，不能校準(zhǔn)透過(guò)率。液晶驅(qū)動(dòng)輸出：接存儲(chǔ)示波器，顯示液晶的驅(qū)動(dòng)電壓；光功率輸出：接存儲(chǔ)示波器，顯示液晶的時(shí)間響應(yīng)曲線，可以根據(jù)此曲線來(lái)得到液晶響應(yīng)時(shí)間的上升時(shí)間和下降時(shí)間；擴(kuò)展接口：連接LCDEO信號(hào)適配器的接口，通

6、過(guò)信號(hào)適配器可以使用普通示波器觀測(cè)液晶光開(kāi)關(guān)特性的響應(yīng)時(shí)間曲線；發(fā)射器：為儀器提供較強(qiáng)的光源；液晶板：本實(shí)驗(yàn)儀器的測(cè)量樣品；接收器：將透過(guò)液晶板的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸入到透過(guò)率顯示表；開(kāi)關(guān)矩陣：此為1616的按鍵矩陣，用于液晶的顯示功能實(shí)驗(yàn)；液晶轉(zhuǎn)盤(pán)：承載液晶板一起轉(zhuǎn)動(dòng)，用于液晶的視角特性實(shí)驗(yàn)；電源開(kāi)關(guān)：儀器的總電源開(kāi)關(guān)。設(shè)計(jì)提示通過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)，閱讀書(shū)籍或者文獻(xiàn)，了解液晶的相關(guān)知識(shí)，掌握液晶光開(kāi)關(guān)的基本工作原理，特別是TN型光開(kāi)關(guān)的工作原理，學(xué)習(xí)液晶光開(kāi)關(guān)的電光特性，時(shí)間響應(yīng)特性，視角特性的基本原理，了解一般液晶顯示器件的工作原理等。并認(rèn)真閱讀光柵傳感實(shí)驗(yàn)儀操作說(shuō)明書(shū)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求1. 調(diào)整儀器

7、初始工作狀態(tài)：將液晶板插入轉(zhuǎn)盤(pán)上的插槽，凸起面正對(duì)光源發(fā)射方向。打開(kāi)電源，讓光源預(yù)熱1020分鐘。在靜態(tài)模式、液晶轉(zhuǎn)盤(pán)角度為0度、供電電壓為0.00V條件下，透過(guò)率顯示大于“250”時(shí)，按住透過(guò)率校準(zhǔn)按鍵3秒以上，透過(guò)率可校準(zhǔn)為100%。（若供電電壓不為0.00，或顯示小于“250”，則該按鍵無(wú)效。）讓光源預(yù)熱1020分鐘。2.液晶電光特性的測(cè)量，（1）將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式。首先將透過(guò)率顯示調(diào)到100，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（2）調(diào)節(jié)“供電電壓調(diào)節(jié)”按鍵，改變電壓，使得電壓值從0.00V到6.00V變化，記錄相應(yīng)電壓下的透過(guò)率數(shù)值（遵循透過(guò)率在100到0間取值）。（3）將供電電壓重新調(diào)回0.0

8、0V（此時(shí)若透過(guò)率不為100%，則需重新校準(zhǔn)）。（4）重復(fù)測(cè)量3次并計(jì)算相應(yīng)電壓下透過(guò)率的平均值。（5）繪制電光曲線圖.3.液晶的時(shí)間特性曲線測(cè)定，測(cè)量液晶的上升時(shí)間和下降時(shí)間。將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式，透過(guò)率顯示調(diào)到100%，然后將液晶供電電壓調(diào)到2.00V，在液晶靜態(tài)閃爍狀態(tài)下，用存儲(chǔ)示波器或用信號(hào)適配器接模擬示波器可以得出液晶的開(kāi)關(guān)時(shí)間響應(yīng)曲線，得出上升時(shí)間與下降時(shí)間4.液晶的視角特性測(cè)量，包括水平視角的測(cè)量和垂直視角的測(cè)量。（1）水平視角的測(cè)量 將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于靜態(tài)模式。首先將透過(guò)率顯示調(diào)到100，。 確認(rèn)當(dāng)前液晶板以垂直方向插入插槽。 將供電電壓置于0.00V，按每隔5度角度調(diào)節(jié)

9、液晶屏與入射激光的角度，一直測(cè)到75度，記下在每一角度時(shí)的光強(qiáng)透過(guò)率值Tmax。 將液晶轉(zhuǎn)盤(pán)保持在0度位置，調(diào)節(jié)供電電壓為2.00V。在該電壓下，再次調(diào)節(jié)液晶屏角度，記錄下在每一角度時(shí)的光強(qiáng)透過(guò)率值Tmin。(2)垂直方向視角特性的測(cè)量關(guān)斷總電源后，取下液晶顯示屏，將液晶板旋轉(zhuǎn)90 度，垂直方向插入轉(zhuǎn)盤(pán)插槽（如重新通電，按照與(1)相同的方法和步驟，可測(cè)量垂直方向的視角特性。5.液晶的圖像顯示原理實(shí)驗(yàn)。（1）將模式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)置于動(dòng)態(tài)（圖像顯示）模式。液晶轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)角逆時(shí)針轉(zhuǎn)到8090度，液晶供電電壓調(diào)到5.00V左右。（2）按動(dòng)矩陣開(kāi)關(guān)面板上的按鍵，改變相應(yīng)液晶相素的通斷狀態(tài)，觀察由暗象素（或亮象素

10、）組合成的字符或圖像，體會(huì)液晶顯示器件的成像原理。（3）組成一個(gè)字符或文字后，可由“靜態(tài)閃爍動(dòng)態(tài)清屏”按鍵清除顯示屏上的圖像。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1. 液晶電光特性的測(cè)量曲線以電壓為橫坐標(biāo)，透過(guò)率為縱坐標(biāo)，繪制電光特性曲線圖，求出閾值電壓與關(guān)斷電壓。2. 由示波器觀察到驅(qū)動(dòng)電壓波形及時(shí)間特性曲線，并求出上升時(shí)間與下降時(shí)間。3. 作角度與水平方向?qū)Ρ榷汝P(guān)系曲線，找出比較好的水平視角顯示范圍。作角度與垂直方向?qū)Ρ榷汝P(guān)系曲線，找出比較好的垂直視角顯示范圍?？偨Y(jié)出液晶光開(kāi)關(guān)水平方向視角范圍和垂直方向視角范圍那個(gè)大。拓展設(shè)計(jì)1. 如何實(shí)現(xiàn)常黑型液晶顯示？2. 分析研究液晶在相同頻率不同波形電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下對(duì)電光曲線的影響。3. 研究液晶在相同波形電壓信號(hào)不同頻率驅(qū)動(dòng)下對(duì)電光曲線的影響。參考資料1 孫士祥液晶顯示技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社 20132 黃子強(qiáng).液晶顯示原理.國(guó)防工業(yè)出版社出版,2008.4. 王新久液晶光學(xué)和液晶顯示 科學(xué)出版社， 2006【注意事項(xiàng)】1禁止用光束照射他人眼睛或直視光束本身，以防傷害眼睛！2在進(jìn)行液晶視角特性實(shí)驗(yàn)中，更換液晶板方向時(shí)，務(wù)必?cái)嚅_(kāi)總電源后，再進(jìn)行插取，否則將會(huì)損壞液晶板； 3液晶板凸起面必須要朝向光源發(fā)射方向，否則實(shí)驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)；4在調(diào)節(jié)透過(guò)率100時(shí)，如果透過(guò)率顯