关于液晶电光效应的实验探究
摘要：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，得到液晶的
阈值电压和关断电压；测量驱动电压周期变化时液晶光开关的时间响应曲线，得到液晶的上升时间和下降时间；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。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。
关键词：电光效应；阀值电压；关断电压；视角特性
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。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。
实验原理
1．液晶光开关的工作原理
入射的自然光 P1
扭曲排列的液波导效应
光波导已被电场拉伸
偏振片P2 出射光
图1 液晶光开关原理示意图 如图，在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶。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，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－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。如左图所示。 由于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的透光轴相互正交。
在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1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°。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1～2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，如右图所示。从P1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。
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%）与外加电压的理 论关系。
阈值电压：透过率为90％时的驱动电压；
关断电压：透过率为10％时的驱动电压。
液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的
差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路 图2 液晶光开关的电光特性曲线 数就越多。
3．液晶光开关的时间响应特性
加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发
生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr 和下降时间τd 描述。给液晶开关加上一个如图3所示的周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图3所示。
上升时间：透过率由10%升到90%所需时间； 下降时间：透过率由90%降到10%所需时间。 液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。
4．液晶光开关的视角特性
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。
5．液晶光开关构成图像显示矩阵的方法
如图5（a ）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极，而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的ITO 电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极，如图5（b ）所示。
矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理的简化说明如下：
欲显示图5（b ）的那些有方块的像素，首先在第A 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极c 、d 上加上低电平，于是A 行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第B 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极b 、e 上加上低电平，因而B 行的那些带有方块的像素被显示出来了。然后是第C 行、第D 行 „„ ，余此类推，最后显示出一整场的图像。
依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。
A B E
a
b
c
d
e
f
（a ） （b ）
图5. 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器
实验仪器
本实验所用仪器为ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪。
实验方法与数据记录
1 准备工作
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，点亮光源，让光源预热10～20分钟。检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器（当没有安装液晶板时，透过率显示为“999”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上）；在静态、0度、0V 供电电压条件下，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，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率）若不为此状态，需增加光源预热时间，再重新调整仪器光路，直到达到上述条件为止。
2 液晶电光特性测量
将模式转换开关置于静态模式，液晶转盘的转角置于0度，保持当前转盘状态。在供电电压为0V ，透过率显示大于250时，按住“透过率校准”按键3秒以上，将透过率校准为100%。 调节“供电电压调节”按键，按照表1中的数据逐步增大供电电压，记录下每个电压值下对应的透过率值。将供电电压重新调回0V （此时若透过率不为100%，则需重新校准）。重复步骤2，完成3次测量，并将实验数据记录在表1中。
表1 液晶的电光特性
3 液晶的时间响应的测量
将液晶实验仪上的“液晶驱动输出”和“光功率输出”与数字示波器的通道1和通道2用Q9线连接起来打开实验仪和示波器。将实验仪“模式转换开关”置于静态模式，液晶盘转角置于0
度，透过率显示校准到100，供电电压调到2.00V 。按动“静态闪烁/动态清屏”按键，使液晶处于静态闪烁状态。调节示波器，使通道1和通道2均以直流方式耦合；调节电压和周期按钮，直到出现合适的波形为止。（调节时可以从屏幕下方看到对应的电压值和周期值的变化）用示波器观察此光开关时间响应特性曲线；由示波器上的曲线可读出不同时间下的透过率值。选定测试项目为上升时间和下降时间，可以直接测出液晶光开关的响应时间。
时间响应曲线
4 液晶光开关视角特性的测量
确认液晶板以水平方向插入插槽。将模式转换开关置于静态模式，在转角为0度、供电电压为0V 、透过率显示大于“250”时，按住“透过率校准”按键3s 以上，将透过率校准为100%。 将供电电压置于0V ，按照表2所列举的角度调节液晶屏与入射激光的角度，记录下在每一角度时的光强透过率值T max 。将液晶转盘保持在0度位置，调节供电电压为2V 。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T min 。切断电源，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90度，以垂直方向插入转盘。（注：在更换液晶板方向时，一定要切断电源）打开电源，按照步骤2、3、4，可测得垂直方向时在不同供电电压，不同角度时的透过率值。
表3 水平方向视角特性
将液晶板以垂直方向插入插槽，按照与测量水平方向视角特性相同的方法，测量垂直方向视角特性，并将数据记入下表中。
表4 垂直方向视角特性
5 液晶显示器显示原理
将模式转换开关置于动态模式，液晶转盘转角逆时针转到80度，供电电压调到5V 左右。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。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。完成实验后，关闭电源，取下液晶板妥善保存。
结果及讨论
通过以上实验我们可以得到以下结论：
1. 有实验数据及线性计算可知该液晶的阀值电压约为1.13v ，关断电压约为1.79v 。有图像也能够看
出该液晶光开关的阀值电压和关断电压十分接近。
2. 由示波器图像可知该液晶的响应上升时间和下降时间都约为44ms ，性能较为良好。
3. 由表3和表4我们可以认为在水平方向上全测量范围内都有良好的视觉效果既可以获得不错的图
像，而在垂直方向上仅在-15度—15度之间有较好的视觉效果，其余角度都很难获得清晰的图像。
实验过后我们明白了液晶光开关的工作原理，通过对实验结果的分析同时也认识到液晶作为一种优良的显示器有着极大的优越性。结合实际，我们认为之所以液晶显示器在垂直角度上存在明显的不足，其中很重要的一方面便是在垂直角度上，液晶显示器的使用价值十分有限，考虑到制造成本等问题，因此生产者把更多的精力投入到制造优良的具有高品质的水平显示效果的液晶显示器的制造上。
参考文献
1. 赵阶林．液晶电控效应的实验研究 [J]．液晶与显示，2006，21(4)：384．
2. 史萌，吴福全，赵爽等．扭曲向列相液晶在复合消色差延迟器件中的应用 [J]．激光技术， 2006，30 (3)：280．
3. 谢毓章．液晶物理学 [M]．北京：科学出版社，1988．82． 4. ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪使用说明书等。
THE EXPERIMENT OF THE ELECTRO ——OPTIC EFFECT OF
LIQUID CRYSTAL
ABSTRACT Based on the mastery of the principle of liquid crystal light switch，
measure liquid crystal light switch； characteristic curve，and get the threshold voltage and shut off voltage of liquid crystal； Measuring the response time of liquid crystal light switch when the driving voltage changes periodic， get the rise time of liquid crystal and decline of time； Measuring the perspective characteristics of liquid crystal display that formed by the liquid crystal light switch matrix and the contrast in different perspective， understand the liquid crystal light switch working conditions. Understand the principle of conducting images by the liquid crystal light switch matrix， learn and master the modes of displaying texts and images of this matrix liquid crystal display，and to learn the working principle of general liquid crystal display device.
KEY WORD lightning effects; Threshold voltage; Shut off the voltage; character of
view angle.
关于液晶电光效应的实验探究
摘要：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，得到液晶的
阈值电压和关断电压；测量驱动电压周期变化时液晶光开关的时间响应曲线，得到液晶的上升时间和下降时间；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。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。
关键词：电光效应；阀值电压；关断电压；视角特性
液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。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。
实验原理
1．液晶光开关的工作原理
入射的自然光 P1
扭曲排列的液波导效应
光波导已被电场拉伸
偏振片P2 出射光
图1 液晶光开关原理示意图 如图，在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶。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，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－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。如左图所示。 由于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的透光轴相互正交。
在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1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°。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1～2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，如右图所示。从P1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。
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%）与外加电压的理 论关系。
阈值电压：透过率为90％时的驱动电压；
关断电压：透过率为10％时的驱动电压。
液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的
差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路 图2 液晶光开关的电光特性曲线 数就越多。
3．液晶光开关的时间响应特性
加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发
生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr 和下降时间τd 描述。给液晶开关加上一个如图3所示的周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。如图3所示。
上升时间：透过率由10%升到90%所需时间； 下降时间：透过率由90%降到10%所需时间。 液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。
4．液晶光开关的视角特性
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。
5．液晶光开关构成图像显示矩阵的方法
如图5（a ）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极，而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的ITO 电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极，如图5（b ）所示。
矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理的简化说明如下：
欲显示图5（b ）的那些有方块的像素，首先在第A 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极c 、d 上加上低电平，于是A 行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第B 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极b 、e 上加上低电平，因而B 行的那些带有方块的像素被显示出来了。然后是第C 行、第D 行 „„ ，余此类推，最后显示出一整场的图像。
依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。
A B E
a
b
c
d
e
f
（a ） （b ）
图5. 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器
实验仪器
本实验所用仪器为ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪。
实验方法与数据记录
1 准备工作
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，点亮光源，让光源预热10～20分钟。检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直入射到接收器（当没有安装液晶板时，透过率显示为“999”的情况下，我们就认为光线垂直入射到了接收器上）；在静态、0度、0V 供电电压条件下，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，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率）若不为此状态，需增加光源预热时间，再重新调整仪器光路，直到达到上述条件为止。
2 液晶电光特性测量
将模式转换开关置于静态模式，液晶转盘的转角置于0度，保持当前转盘状态。在供电电压为0V ，透过率显示大于250时，按住“透过率校准”按键3秒以上，将透过率校准为100%。 调节“供电电压调节”按键，按照表1中的数据逐步增大供电电压，记录下每个电压值下对应的透过率值。将供电电压重新调回0V （此时若透过率不为100%，则需重新校准）。重复步骤2，完成3次测量，并将实验数据记录在表1中。
表1 液晶的电光特性
3 液晶的时间响应的测量
将液晶实验仪上的“液晶驱动输出”和“光功率输出”与数字示波器的通道1和通道2用Q9线连接起来打开实验仪和示波器。将实验仪“模式转换开关”置于静态模式，液晶盘转角置于0
度，透过率显示校准到100，供电电压调到2.00V 。按动“静态闪烁/动态清屏”按键，使液晶处于静态闪烁状态。调节示波器，使通道1和通道2均以直流方式耦合；调节电压和周期按钮，直到出现合适的波形为止。（调节时可以从屏幕下方看到对应的电压值和周期值的变化）用示波器观察此光开关时间响应特性曲线；由示波器上的曲线可读出不同时间下的透过率值。选定测试项目为上升时间和下降时间，可以直接测出液晶光开关的响应时间。
时间响应曲线
4 液晶光开关视角特性的测量
确认液晶板以水平方向插入插槽。将模式转换开关置于静态模式，在转角为0度、供电电压为0V 、透过率显示大于“250”时，按住“透过率校准”按键3s 以上，将透过率校准为100%。 将供电电压置于0V ，按照表2所列举的角度调节液晶屏与入射激光的角度，记录下在每一角度时的光强透过率值T max 。将液晶转盘保持在0度位置，调节供电电压为2V 。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T min 。切断电源，取下液晶显示屏，将液晶板旋转90度，以垂直方向插入转盘。（注：在更换液晶板方向时，一定要切断电源）打开电源，按照步骤2、3、4，可测得垂直方向时在不同供电电压，不同角度时的透过率值。
表3 水平方向视角特性
将液晶板以垂直方向插入插槽，按照与测量水平方向视角特性相同的方法，测量垂直方向视角特性，并将数据记入下表中。
表4 垂直方向视角特性
5 液晶显示器显示原理
将模式转换开关置于动态模式，液晶转盘转角逆时针转到80度，供电电压调到5V 左右。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。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。完成实验后，关闭电源，取下液晶板妥善保存。
结果及讨论
通过以上实验我们可以得到以下结论：
1. 有实验数据及线性计算可知该液晶的阀值电压约为1.13v ，关断电压约为1.79v 。有图像也能够看
出该液晶光开关的阀值电压和关断电压十分接近。
2. 由示波器图像可知该液晶的响应上升时间和下降时间都约为44ms ，性能较为良好。
3. 由表3和表4我们可以认为在水平方向上全测量范围内都有良好的视觉效果既可以获得不错的图
像，而在垂直方向上仅在-15度—15度之间有较好的视觉效果，其余角度都很难获得清晰的图像。
实验过后我们明白了液晶光开关的工作原理，通过对实验结果的分析同时也认识到液晶作为一种优良的显示器有着极大的优越性。结合实际，我们认为之所以液晶显示器在垂直角度上存在明显的不足，其中很重要的一方面便是在垂直角度上，液晶显示器的使用价值十分有限，考虑到制造成本等问题，因此生产者把更多的精力投入到制造优良的具有高品质的水平显示效果的液晶显示器的制造上。
参考文献
1. 赵阶林．液晶电控效应的实验研究 [J]．液晶与显示，2006，21(4)：384．
2. 史萌，吴福全，赵爽等．扭曲向列相液晶在复合消色差延迟器件中的应用 [J]．激光技术， 2006，30 (3)：280．
3. 谢毓章．液晶物理学 [M]．北京：科学出版社，1988．82． 4. ZKY-LCDEO-2液晶电光效应综合实验仪使用说明书等。
THE EXPERIMENT OF THE ELECTRO ——OPTIC EFFECT OF
LIQUID CRYSTAL
ABSTRACT Based on the mastery of the principle of liquid crystal light switch，
measure liquid crystal light switch； characteristic curve，and get the threshold voltage and shut off voltage of liquid crystal； Measuring the response time of liquid crystal light switch when the driving voltage changes periodic， get the rise time of liquid crystal and decline of time； Measuring the perspective characteristics of liquid crystal display that formed by the liquid crystal light switch matrix and the contrast in different perspective， understand the liquid crystal light switch working conditions. Understand the principle of conducting images by the liquid crystal light switch matrix， learn and master the modes of displaying texts and images of this matrix liquid crystal display，and to learn the working principle of general liquid crystal display device.
KEY WORD lightning effects; Threshold voltage; Shut off the voltage; character of
view angle.