液晶的电光特性实验报告记录含思考题.docx

液晶的电光特性实验报告记录含思考题———————————————————————————————— 作者：———————————————————————————————— 日期： 2 成绩 西安交通大学实验报告 第 1 页（共 9 页）课程：_______近代物理实验_______ 实 验 日 期 ： 年 月 日专业班号___ ___组别_______ 交报告日期： 年 月 日姓 名__Bigger __学号_ _ 报 告 退 发 ： （订正、重做）同 组 者__ ________ 教师审批签字：实验名称：液晶的电光特性一、 实验目的1) 了解液晶的特性和基本工作原理；2) 掌握一些特性的常用测试方法；3) 了解液晶的应用和局限二、 实验仪器激光器，偏振片，液晶屏，光电转换器，光具座等三、 实验原理液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状，长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。

排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角对于介电各向异性的液晶当垂直于螺旋轴的方向对胆甾相液晶施加一电场时，会发现随着电场的增大，螺距也同时增大，当电场达到某一阈值时，螺距趋于无穷大，胆甾相在电场的作用下转变成了向列相这也称为退螺旋效应由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象这就是液晶的的电光效应为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒根据液晶分子的结构特点,假定液晶分子没有固定的电极,但可被外电场极化形成一种感生电极矩。

这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图1中的排列形式这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化大多数液晶器件都是这样工作的图1 液晶分子的扭曲排列变化若将液晶盒放在两片平行偏振片之间，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90°，不能通过检偏器；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见图2；其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(Uth)，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最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(Ur)，标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，Ur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Dr = Imax / Imin，其中Imax为最大观察(接收)亮度(照度)，Imin为最小亮度。

陡度β = Ur / Uth即饱和电压与阈值电压之比图2 液晶电光效应关系图液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数一般来说液晶的响应速度是比较低的可以用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况，定义如图3所示图3 液晶屏响应时间液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果图4中，用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小图中3个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小图3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线由图4可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性若我们把具有图4所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220度方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视3个方向，垂直视角接近60度时对比度为5，观看效果较好在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差。

图4 液晶的视角特性实验光路图：图5 液晶电光效应实验示意图四、 实验内容与要求1、液晶电光特性测量 1) 将激光器、液晶屏及光电池插入机箱对应插孔内，打开机箱电源2) 取掉液晶屏，调节激光器高度使激光器光斑入射到光电池入射孔内3) 调节激光通过起偏器后进入光电转换器后的光电流尽可能大；再插入检偏器，旋转检偏器使激光光斑变到最暗状态，此时两偏振片振动方向角度差应为90°，将液晶屏重新放入对应插孔，可以发现此时光电流增加4) 调节频率旋钮，逆时针旋转到最小，此时频率为最大值，入射到激光器的光斑无闪烁现象，幅值电压表头及光电流表头数字稳定5) 顺时针旋转幅值旋钮,缓缓增大输出方波信号的幅值，观察光电流表的数据，记录下幅值对应光电流值，填入表格1，并绘制幅值与光电流关系图及透过率与幅值关系图（透过率在幅值为0时为100%），求出关断电压及阈值电压注意调节幅值过程中，0~2V每次调节0.2V，2V~5V每次调节0.1V）表1根据幅值和光电流值作图，从图形找到90%透过率时驱动电压幅值（阈值电压）和10%透过率时驱动电压幅值（关断电压）2、液晶屏视角特性测量1) 重复实验一1、2、3、4实验部分。

2) 调节幅值电压0V，旋转液晶屏±80°，每隔20°测量一次3) 调节幅值电压为2V，重复上面测量过程五、 实验数据记录与处理1、液晶电光特性测量1) 数据记录表格：幅值/V00.20.40.60.811.21.41.6光电流值/mA0.2130.2130.2140.2130.2130.2130.2130.2130.213透过率100%100%100%100%100%100%100%100%100%幅值/V1.822.12.22.32.42.52.62.7光电流值/mA0.2120.2080.2030.1890.1690.1350.1050.080.06透过率100%98%95%89%79%63%49%38%28%幅值/V2.82.933.13.23.33.43.53.6光电流值/mA0.0450.0350.0260.0180.0150.0110.0090.0070.005透过率21%16%12%8%7%5%4%3%2%幅值/V3.73.83.944.14.24.34.44.5光电流值/mA0.0040.0030.0020.0020.0020.0020.0010.0010.001透过率2%1%1%1%1%1%0%0%0%幅值/V4.64.74.84.95　　　　光电流值/mA0.0010.0010.0010.0010.001　　　　透过率0%0%0%0%0%　　　　2) 液晶电光效应关系图：通过图像可知，90%透过率时驱动电压幅值（阈值电压）为：2.19V；10%透过率时驱动电压幅值（关断电压）为：3.04V。

2、液晶屏视角特性测量1) 数据记录表格：角度光电流值/mA0V2V-800.1740.141-600.2340.216-400.2370.223-200.2250.21500.2150.209200.2160.215400.2240.219600.2190.218800.1680.1222) 图像表示：六、 思考题1) 详细叙述饱和电压与阈值电压的物理意义及作用：阈值电压 (Threshold voltage):通常将传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压.在描述不同的器件时具有不同的参数最大透光强度的10%所对应的外加电压值称为阈值电压(Uth)，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最大透光强度的90%对应的外加电压值称为饱和电压(Ur)，标志了3获得最大对比度所需的外加电压数值，Ur小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与饱和电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多2) 液晶屏视角特性测量有何意义：液晶屏视角特性测量意义在于探索假定液晶分子没有固定的电极。

但可被外电场极化形成一种感生电极矩这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化3) 查找相关资料，了解液晶的特性及分类，以及其他材料在作为显示器件中的应用情况和各自的优缺点：液晶平面显示器的技术发展趋于成熟阶段，而且其应用面也随着信息、通讯和网络技术的进步而被大量地运用，例如笔记本电脑、移动、个人助理机和携带式消费性产品等较难实现之广视野角、高画质化和高速化等问题，均因新的材料、新的组合设计和新的驱动方式之发展，而实现了轻薄短小和替代性映像管监视器和电视的功能液晶材料 (Liquid Crystal) 在液晶平面显示器的组成结构上所担任的角色是相当地重要，虽然其种类有数万种，但真正使用的也仅有数十多种液晶状态被喻为是自然界中物质的第四状态，而有别于固态、液态和气态的物质三大状态，液晶分子是一种具有光学异方向性和流动性之结晶性液体，是一种机能性材料液晶依其分子排列方式，分为向列型(Nematic)、距列型(Smectic)、胆固。