17液晶电光效应综合实验.PDF

普通物理实验(三) 43 ■ 液晶电光效应综合实验 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交化，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Heimeir 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。 实验目的 1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并 由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2 ．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液 晶的上升时间和下降时间。 3 ．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度， 了解液晶光开关的工作条件。 4 ．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构 成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 实验原理 1．液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的TN (扭曲向列)型液晶为例，说明其工作原理。 TN 型光开关的结构如图I 所示。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的 形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃(1 埃=10—10 米 ) ，直径为4~6 埃，液晶层厚 度一般为 5-8 微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理(可用软 绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂) ，这样，液晶分子在透明电极表面就会躺 倒在摩擦所形成的微沟枯里; 电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方 向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而 由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的 沿一45 度方向排 列逐步地、均匀地 扭曲到下电极的 沿十45 度方向排 列，整个扭曲了 90 度。如图 1 左 图所示。 理论和实验 部证明，上述均匀 扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传 播到下电极表面时，偏振方向会旋转90 度。 取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1 的透光轴与上电极的定向方向相同，P2 的透光轴与 下电极的定向方向相同，于是P1 和P2 的透光铀相互正交。 在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片 PI 后只剩下平行于透光轴的 线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90 度。这时光的偏振面与P2 的透光 轴平行，因而有光通过。 在施加足够电压情况下(一般为I~2 伏) ，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子 被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏， 成了均匀结构，如图 1 右图所示。从 PI 透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再 旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2 正交，因而光被关断。 由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常 通型光开关，又叫做常白模式。若PI 和P2 的透光轴相互平行，则构成常黑模式。 液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异 性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热致液晶，它的特性 随温度的改变而有一定变化。 2 ．液晶光开关的电光特性 图2 为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶 相对透射率（以不加电场时的透射率为 100% ）与 外加电压的关系。 由图2 可见，对于常白模式的液晶，其透