吉林大学大学物理实验液晶电光效应实验

液晶电光效应实验液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，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改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。1888年，奥地利植物学家Reinitzer在做有机物溶解实验时，在一定的温度范围内观察到液晶。1961年美国RCA公司的Heimeier发现了液晶的一系列电光效应，并制成了显示器件。从70年代开始，日本公司将液晶与集成电路技术结合，制成了一系列的液晶显示器件，并至今在这一领域保持领先地位。液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功耗极小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势。实验意义与目的实验意义：液晶作为物质存在的第四态，早在上世纪开始至今已成为由物理学家、化学家、生物学家、工程技术人员和医药工作者共同关心与研究的领域，在物理、化学、电子、生命科学等诸多领域有着广泛应用，如：光导液晶光阀，光调制器，液晶显示器件，各种传感器、微量毒气监测、夜视仿生等，尤其液晶显示器件独占了电子表，手机，笔记本电脑等领域。其中液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等均是利用液晶电光效应的原理制成的，因此，掌握液晶电光效应从实用角度或物理实验教学角度都是很有意义的。液晶显示器件由于具有驱动电压低（一般为几伏），功耗极小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今已广泛应用于各种显示器件中。实验目的：（1）掌握液晶光开关的基本工作原理，测量液晶光开关的电光特性曲线。（2）观察液晶光开关的时间响应曲线，并求出液晶的上升时间和下降时间。（3）测量液晶显示器的视角特性。（4）了解一般液晶显示器件的工作原理。实验仪器示波器，液晶光开关电光特性综合实验仪，液晶板，适配器。液晶光开关电光特性综合实验仪外部结构如图1所示。下面简单介绍仪器各个按钮的功能。模式转换开关：切换液晶的静态和动态（图像显示）两种工作模式。在静态时，所有的液晶单元所加电压相同，在（动态）图像显示时，每个单元所加的电压由开关矩阵控制。同时，当开关处于静态时打开发射器，当开关处于动态时关闭发射器；静态闪烁/动态清屏切换开关：当仪器工作在静态的时候，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式；当仪器工作在动态的时候，此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点；供电电压显示：显示加在液晶板上的电压，范围在0.00V～7.60V之间；供电电压调节按键：改变加在液晶板上的电压，调节范围在0V～7.6V之间。其中单击＋按键（或－按键）可以增大（或减小）0.01V。一直按住＋按键（或－按键）2秒以上可以快速增大（或减小）供电电压，但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压；透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比；透过率校准按键：在接收器处于最大接收状态的时候（即供电电压为0V时），如果显示值大于“250”，则按住该键3秒可以将透过率校准为100％；如果供电电压不为0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率。液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压；光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线，可以根据此曲线来得到液晶响应时间的上升时间和下降时间；扩展接口：连接LCDEO信号适配器的接口，通过信号适配器可以使用普通示波器观测液晶光开关特性的响应时间曲线；发射器：为仪器提供较强的光源；图1液晶光开关电光特性综合实验仪功能键示意图液晶板：本实验仪器的测量样品；接收器：将透过液晶板的光强信号转换为电压输入到透过率显示表；开关矩阵：此为16×16的按键矩阵，用于液晶的显示功能实验；液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于液晶的视角特性实验；电源开关：仪器的总电源开关。设计提示通过网络查询，阅读书籍或者文献，了解液晶的相关知识，掌握液晶光开关的基本工作原理，特别是TN型光开关的工作原理，学习液晶光开关的电光特性，时间响应特性，视角特性的基本原理，了解一般液晶显示器件的工作原理等。并认真阅读光栅传感实验仪操作说明书实验内容与要求1.调整仪器初始工作状态：将液晶板插入转盘上的插槽，凸起面正对光源发射方向。打开电源，让光源预热10～20分钟。在静态模式、液晶转盘角度为0度、供电电压为0.00V条件下，透过率显示大于“250”时，按住透过率校准按键3秒以上，透过率可校准为100%。（若供电电压不为0.00，或显示小于“250”，则该按键无效。）让光源预热10～20分钟。2.液晶电光特性的测量，（1）将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到100％，然后再进行实验。（2）调节“供电电压调节”按键，改变电压，使得电压值从0.00V到6.00V变化，记录相应电压下的透过率数值（遵循透过率在100到0间取值）。（3）将供电电压重新调回0.00V（此时若透过率不为100%，则需重新校准）。（4）重复测量3次并计算相应电压下透过率的平均值。（5）绘制电光曲线图.3.液晶的时间特性曲线测定，测量液晶的上升时间和下降时间。将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调到100%，然后将液晶供电电压调到2.00V，在液晶静态闪烁状态下，用存储示波器或用信号适配器接模拟示波器可以得出液晶的开关时间响应曲线，得出上升时间与下降时间4.液晶的视角特性测量，包括水平视角的测量和垂直视角的测量。（1）水平视角的测量①将模式转换开关置于静态模式。首先将透过率显示调到100％，。②确认当前液晶板以垂直方向插入插槽。③将供电电压置于0.00V，按每隔5度角度调节液晶屏与入射激光的角度，一直测到75度，记下在每一角度时的光强透过率值Tmax。④将液晶转盘保持在0度位置，调节供电电压为2.00V。在该电压下，再次调节液晶屏角度，记录下在每一角度时的光强透过率值Tmin。(2)垂直方向视角特性的测量关断总电源后，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90度，垂直方向插入转盘插槽（如重新通电，按照与(1)相同的方法和步骤，可测量垂直方向的视角特性。5.液晶的图像显示原理实验。（1）将模式转换开关置于动态（图像显示）模式。液晶转盘转角逆时针转到80~90度，液晶供电电压调到5.00V左右。（2）按动矩阵开关面板上的按键，改变相应液晶相素的通断状态，观察由暗象素（或亮象素）组合成的字符或图像，体会液晶显示器件的成像原理。（3）组成一个字符或文字后，可由“静态闪烁∕动态清屏”按键清除显示屏上的图像。实验报告要求1.液晶电光特性的测量曲线以电压为横坐标，透过率为纵坐标，绘制电光特性曲线图，求出阈值电压与关断电压。2.由示波器观察到驱动电压波形及时间特性曲线，并求出上升时间与下降时间。3.作角度与水平方向对比度关系曲线，找出比较好的水平视角显示范围。作角度与垂直方向对比度关系曲线，找出比较好的垂直视角显示范围。总结出液晶光开关水平方向视角范围和垂直方向视角范围那个大。拓展设计1.如何实现常黑型液晶显示？2.分析研究液晶在相同频率不同波形电压信号驱动下对电光曲线的影响。3.研究液晶在相同波形电压信号不同频率驱动下对电光曲线的影响。参考资料1孙士祥液晶显示技术.化学工业出版社20132黄子强.液晶显示原理.国防工业出版社出版,2008.4.王新久．液晶光学和液晶显示．科学出版社，2006【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，否则将会损坏液晶板；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。