液晶電光效應試驗儀

液晶是介于液體和晶體之間的一種物質狀態。一般液體內的分子排列是無序的，而液晶既具有液體的流動性，其分子又按一定的規律有序排列，使其呈現晶體的各向異性。
當光通過液晶時，會產生偏折面旋轉、雙折射等效應。液晶分子是含有極性基團的極性分子，在電場作用下，偶極子會按照電場方向取向，導致分子原有的排列方式發生變化，從而液晶的光學性質也隨之發生變化，這種因為外電場的作用而使液晶的光學性質發生變化的現象稱為液晶電光效應。
如今液晶在物理、化學、電子、生命科學等諸多領域有著廣泛應用。如液晶光閥、光調制器、液晶顯示器件、傳感器、微量毒氣監測、夜視仿生等。
THQDG-1型液晶電光效應實驗儀可以測量液晶的電光曲線，響應曲線，視角曲線，從而確定液晶的主要參數。儀器采用最簡單的作為測試樣品，巧妙的設計使測量過程更加快捷、方便。

一、實驗目的

1. 了解液晶的工作原理，測定液晶樣品的電光曲線。
2. 了解液晶的主要參數，并根據電光曲線，求出樣品的閾值電壓、關斷電壓、對比度、陡度等電光效應的主要參數。
3. 了解液晶的視角特性，測量液晶的視角特性曲線。
4. 了解液晶的時間響應特性，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。

二、實驗設備

型 液晶電光效應實驗儀

三、實驗原理

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。
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()、扭曲向列相型()、超扭曲向列相型()、有源矩陣液晶顯示()、電控雙折射()等。其中應用較廣的有：型──主要用于液晶電視、筆記本電腦等高檔產品；型──主要用于手機屏幕等中檔產品；型──主要用于電子表、計算器、儀器儀表、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。型液晶顯示器件顯示原理較簡單，是、等顯示方式的基礎。本儀器所使用的液晶樣品即為型。
1．液晶的工作原理
在涂覆透明電極的兩層玻璃基板之間，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了90o，所以稱為扭曲向列型，如圖1所示。
 
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90o，平行于液晶盒下表面分子軸方向射出，見圖2（a），其中液晶盒上下表面各附一片偏振片，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（b），型液晶盒90o旋光性隨之消失。
2．液晶的電光特性
偏振片是用來將自然光轉換成偏振光的光學器件，通常情況下根據偏振片的作用不同分為起偏器和檢偏器兩種。
若將液晶盒放在兩片垂直偏振片之間，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，正好與下層的偏振片偏振方向一致，光能通過檢偏器出射，這種液晶為常白模式，當施加電壓后，透過檢偏器的光強與施加在液晶盒上電壓大小的關系如圖3所示；其中縱坐標為透光強度，橫坐標為外加電壓。透光強度的90%所對應的外加電壓值稱為閾值電壓 ，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。透光強度的10%對應的外加電壓值稱為關斷電壓 ，標志了獲得對比度所需的外加電壓數值。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，其中為電源斷開時的光強，為電源接通時的光強。陡度即閾值電壓與關斷電壓之比。
 
型液晶顯示器件結構參考圖1，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。自然光入射后，經過偏振片形成與上表面分子取向相同的線偏振光，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。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。
3．液晶的時間響應特性
加上或者去掉驅動電壓能使液晶的開關狀態發生改變，是因為液晶的分子序列發生了改變，這種重新排序需要一定的時間，反映在時間響應曲線上，用上升時間和下降時間來描述。給液晶加一個如圖4（a）所示的方波電壓，就可以得到如圖4（b）所示的液晶的時間響應曲線。
上升時間：透過率由10%上升到90%所需要的時間。
下降時間：透過率由90%下降到10%所需要的時間。
液晶的響應時間越短，顯示動態圖象的效果約好。這是液晶顯示器的重要指標。
 
4．液晶的視角特性
液晶開關的視覺特性可以表示為對比度和視角的關系。對比度表示為光開關打開與關斷時透射光強度之比。液晶的視角特性，既有左右視角，又有上下視角。在實際應用中一般只考慮左右視角。
在不同的方向上觀看液晶屏幕時，可以觀察到對比度有比較大的變化，一般來講，當對比度大于5時，圖形就比較清晰；當對比度小于2時，圖形就比較模糊了。
視角特性也是液晶的主要參數之一，特別是對于液晶顯示器件。

四、實驗內容與步驟

1．準備工作
（1）了解儀器的結構，了解儀器各個按鈕和開關的作用。
（2）將所有的開關都置于“關”，將所有的調節旋鈕都逆時針調節到最小。
（3）用專用的導線將實驗箱和測試臺連接起來，具體連接方法如下：
A、用雙線將實驗箱面板上的“電源”與測試臺上的“電源”連接起來。
B、用雙線將實驗箱面板上的“電源”與測試臺上的“電源”連接起來，測量液晶的時間響應特性曲線時，可以用三通將“電源”連接到示波器上。
C、用雙線將實驗箱面板上的“光信號輸入”與測試臺上的“硅光電池”連接起來，測量液晶的時間響應特性曲線時，可以用雙線將“光功率輸出”連接到示波器上。
2．調整光路
（1）開啟實驗箱的電源開關，將光功率計的量程選擇置于“”檔位，將光功率計的探測孔用黑紙遮住，調節“光功率調零”旋鈕，使光功率計顯示為“”。
（2）順時針將“的電源調節”旋鈕調節到。
（3）調節液晶盒的角度，使角度指針指示到“”刻度處。調節半導體激光器外殼上的調節螺絲，使激光依次經過液晶盒和檢偏器的中心，最后完全射入探測器的入射孔中。
（4）調節檢偏器的角度，使光功率計的顯示達到值。
3．測量液晶的電光特性曲線
（1）將光功率計量程選擇置于“”檔位，順時針將“的電源調節”旋鈕調節。
（2）將的頻率選擇置于“”，打開的電源開關，將的電源電壓調節到。
（3）從開始逐漸減小的電源電壓，將的電源電壓和對應的光功率計的讀數記錄在表格（1）中。
注意：當液晶的電源電壓處于閾值電壓到關斷電壓之間時，液晶處于不穩定狀態。因此，當液晶的電源電壓在之間變化時，光功率計讀數會產生一定的漂移，而且升壓法比減壓法產生的漂移更大，所以實驗時采用減壓法來測量。
表格（1）

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

4．測量液晶的視角特性曲線
（1）將“電源電壓”調節到“10.0V”，將“電源開關”打開，將角度指針對準“-60º”，按照表格（2）中所列舉的角度，讀取在每一個視角下的光功率計的讀數，并將數據記錄在表格（2）中。
（2）將“電源開關”關閉，將角度指針對準“-60º”，按照表格（2）中所列舉的角度，讀取在每一個視角下的光功率計的讀數，并將數據記錄在表格（2）中。
表格（2）

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

5．測量液晶的時間響應特性曲線
（1）先將的電源置于“關”，調節的電源，使光功率計的顯示值大于。
（2）打開的電源并將的電源電壓調節到，將頻率選擇置于“”檔位，將光功率計量程選擇置于“”檔位。
（3）將的電源電壓通過雙頭連接到示波器的通道，并將光功率計的輸出連接到示波器的通道，調節示波器的相關參數，就可以觀測到液晶的時間響應特性曲線，如圖4所示。

五、實驗數據

1. 根據表格（1）中的實驗數據，繪制液晶的電光特性曲線。
2. 根據實驗測得的數據計算液晶的閾值電壓，關斷電壓，對比度，陡度等參數。
3. 根據表格（2）中的實驗數據，計算不同視角下的對比度，并繪制液晶的視角特性曲線。
4. 根據液晶的時間響應曲線測量液晶的上升時間和下降時間。

六、思考題

1. 常黑型液晶和常白型液晶有什么區別？
2. 單面附著偏振片的液晶在實驗時應該如何放置？
3. 液晶為什么在3.5V—5.5V之間會產生漂移？
4. 液晶的電光特性曲線為什么存在凸起現象？

七、注意事項

1. 調整光路時，通過調節外殼上的調節螺絲，務必使激光完全入射到光功率計的探測孔中。
2. 光功率計調零時，請務必將探測孔遮住，否則光功率計不能調零。
3. 保持液晶表面清潔，防止液晶受潮，防止液晶受陽光直射，切忌擠壓液晶。
4. 切勿直視激光器，以免傷害眼睛。
5. 在測量液晶的電光曲線實驗時，在之間數據會產生漂移。在測量液晶的視角特性曲線時，當視角大于時數據會產生漂移。另外，液晶樣品受溫度等環境因素的影響較大，如型液晶的閾值電壓在0——40℃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。