液晶电光曲线
液晶的时间响应特性研究
实验三、液晶的时间响应特性研究实验目的1、了解液晶驱动波形2、了解液晶的电光响应曲线的特性3、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。
液晶光开关的结构如图5-1所示。
在涂有透明电极的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纳米），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，电极的表面预先用软绒布朝一个方向摩擦，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槽里，（也可在电极表面涂取向剂）这一过程叫做液晶分子的定向。
使电极表面上的液晶分子按一定方向排列，液晶光开关的定向方向与电极面的法向垂直，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，所以从俯视方向上看，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。
如图5-１左图所示。
理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振方向平行于上电极的定向方向的偏振光，当通过扭曲排列起来的液晶时，偏振方向与液晶的扭曲结构同步旋转，到下电极表面时，光的偏振方向与下电极的定向方向相同，此时光的偏振方向转过了90度。
另取两张偏振片P1和P2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（标记为P1⊥P2）。
当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，线偏振光射入液晶层以光波导方式在液晶层传播，即该光在传播中，其偏振方向随分子扭曲结构同步旋转。
液晶电光效应实验报告
液晶电光效应实验报告一、实验目的1、了解液晶的特性和电光效应的基本原理。
2、测量液晶样品的电光特性曲线，包括阈值电压、饱和电压等。
3、掌握液晶显示器件的工作原理和驱动方法。
二、实验原理液晶是一种介于液体和晶体之间的物质状态，具有独特的光学和电学性质。
在电场作用下，液晶分子的排列方向会发生改变，从而导致其光学性质的变化，这就是液晶的电光效应。
液晶电光效应分为扭曲向列型（TN 型）、超扭曲向列型（STN 型）和薄膜晶体管型（TFT 型）等。
本实验主要研究 TN 型液晶的电光效应。
TN 型液晶盒由两片涂有透明导电膜的玻璃基板组成，中间夹有一层厚度约为几微米的液晶层。
液晶分子在未加电场时，沿基板表面平行排列，且上下基板处的液晶分子排列方向相互扭曲 90°。
当在液晶盒两端施加电场时，液晶分子的排列方向会逐渐与电场方向一致，从而改变液晶的透光特性。
通过测量液晶盒在不同电压下的透光强度，可以得到液晶的电光特性曲线。
该曲线通常包括阈值电压、饱和电压和对比度等重要参数。
三、实验仪器1、液晶电光效应实验仪：包括电源、信号发生器、光功率计等。
2、液晶样品盒。
四、实验步骤1、打开实验仪器电源，预热一段时间，使仪器稳定工作。
2、将液晶样品盒插入实验仪的插槽中，确保接触良好。
3、调节信号发生器，输出一定频率和幅度的方波信号，加到液晶盒两端。
4、使用光功率计测量液晶盒在不同电压下的透光强度，并记录数据。
5、逐步改变电压，测量多个数据点，直到达到饱和状态。
6、绘制电光特性曲线，分析实验结果。
五、实验数据及处理实验中测量得到的电压和透光强度数据如下表所示：｜电压（V）｜透光强度（mW）｜｜：：｜：：｜｜ 0 ｜ 005 ｜｜ 1 ｜ 008 ｜｜ 2 ｜ 012 ｜｜ 3 ｜ 020 ｜｜ 4 ｜ 035 ｜｜ 5 ｜ 050 ｜｜ 6 ｜ 070 ｜｜ 7 ｜ 085 ｜｜ 8 ｜ 095 ｜｜ 9 ｜ 100 ｜以电压为横坐标，透光强度为纵坐标，绘制电光特性曲线，如下图所示：插入电光特性曲线图从曲线中可以看出，当电压低于阈值电压（约为 25V）时，透光强度变化较小；当电压超过阈值电压后，透光强度随电压的增加而迅速增大，直到达到饱和电压（约为 7V），此时透光强度基本不再变化。
实训一液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量
实训一液晶显示器（LCD）电光特性曲线测量一、实验目的：1.了解液晶显示技术的物理基础和相关特性；2.掌握液晶显示器件特性参数的测量方法；二、实验原理：通常固体加热或浓度减少后可以变成透明液体，其组成原子或分子由整齐的有序排列转变为无序排列。
同样物体随着温度降低或浓度的增加，可以从液体向固体转变，由无序排列转变为整齐的有规则的排列。
有些有机材料却不是直接从固体变液体，或者液体变固体，而是先经过一个中间状态，这种中间状态的外观是流动性的混浊液体，但其分子组成单元却转变为整齐、有规则的排列：每个组成单元都处在一定的位置，规则地排列。
这种能在某个温度范围内兼有液体和晶体二者特性的物质称为液晶，它是不同于通常固体、液体和气体的一种新的物质状态。
物质中基本组成单元非球形结构的很多，从形状上来看，有棒形、盘形等；从结构上看是复合结构，而它们都具有介于严格的液体与严格的晶体之间的中介相，即液晶。
显示技术应用最广的是由简单的杆形有机分子(即刚性棒状分子)为组成单元的液晶。
液晶由奥地利植物学家莱尼次尔(F.Reinitzer)于1988年发现。
他在测定有机物的熔点时，惊奇地发现某些有机物(胆甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂)溶化后会经历一个不透明的呈白色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光泽，只有在继续加热到某一温度才会变成透明清亮的液体；第二年，德国的物理学家莱曼(O.Lehmann)使用由他亲自设计、在当时最新式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类化合物进行了观察，发现这类白色浑浊的液体在外观上虽然属于液体，但却显示出光学中各向异性晶体特有的双折射特性。
莱曼将其命名为“液体晶体”，这就是液晶名称的由来。
液晶物质基本上都是有机化合物，从其成分和物理条件上可分为热致液晶和溶致液晶。
后者主要在生物系统中大量存在，采用溶剂破坏结晶晶格，而热致液晶是加热破坏结晶品格而形成的，主要用于显示液晶材料。
液晶一方面具有像液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有像晶体一样的各向异性(在晶格结点上作有规则的排列，即三维有序)，这种液体和晶体之间的中间物质是一种有序的流体。
实验4.6液晶电光效应
液晶电光效应【实验简介】液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，即具有液体的流动性，又具有晶体各向异性的特性。
当光通过液晶时，会产生像晶体那样的偏振面旋转及双折射等效应。
液晶分子是含有极性基团的棒状极性分子，在外电场作用下，偶极子会按电场方向取向，使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电光效应。
液晶电光效应的应用很广，利用液晶电光效应可以做成各种液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等，尤其是利用液晶电光效应制成的液晶显示器件，由于具有驱动压低(一般为几伏)，功耗小，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，因此，研究液晶电光效应具有很重要的意义。
常用的液晶显示器件类型有：TFT型（有源矩阵液晶显示）、STN型（超扭曲液晶显示）、TN型（扭曲向列相液晶显示），其中TN型液晶显示器件原理比较简单，是TFT型、STN型液晶显示的基础，因此本实验研究TN型液晶材料，希望通过一些基本现象的观察和研究，对液晶有一个基本了解。
【实验目的】1．了解液晶的结构特点和物理性质。
2．了解液晶电光效应、液晶光开关的工作原理及简单液晶显示器件的显示原理。
3．通过液晶电光特性和时间响应特性曲线的观测，测量液晶的一些性能参数。
【预习思考题】1．扭曲向列相液晶具有那些物理特性，如何利用其电光效应制成液晶光开关？如何利用液晶光开关进行数字、图形显示？2．如何在示波器上显示驱动信号波形和时间响应曲线，如何测量响应曲线的上升时间和下降时间？【实验仪器】液晶盒及液晶驱动电源、二维可调半导体激光器、偏振片（两个）、光功率计、光电二极管探头、双踪示波器、白屏、光学实验导轨及元件底座、钢板尺【实验原理】1．液晶分类大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。
这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。
液晶电光曲线
液晶电光曲线实验目的 1. 测定液晶样品的电光曲线；2. 根据电光曲线，求出样品的阀值电压Uth，饱和电压Ur，对比度Dr，陡度β等电光效应的主要参数；3. 用自配数字存储示波器观测液晶样品的电光响应时间；实验原理1.（液晶）液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。
液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性。
因此，液晶具有电光效应，即对液晶施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化。
液晶显示器的种类有很多，利用液晶的电光效应而实现显示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液晶等。
扭曲向列相液晶，也称为TN型液晶，是应用范围最广、价格较便宜的液晶显示器。
我们常用的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN型液晶。
液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。
就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
热致液晶又可分为近晶相、向列相、和胆甾相。
其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
2.（液晶电光效应）液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（T N）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）电控双折射（ECB）等。
其中应用较广的如TFT型—主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；TN型主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。
本实验所使用的液晶样品即为位TN型。
液晶电光效应
深圳大学实验报告课程名称：近代物理实验实验名称：液晶电光效应学院：物理科学与技术学院组号指导教师：报告人：廖修宇学号：2010180062实验地点科技楼105 实验时间：2012.10.9实验报告提交时间：2012. .类液晶具有不同的结构和性质，液晶分子排列没有晶体结构那样牢固，容易受到电场、磁场、温度等外部因素影响，使其各种光学性质发生变化。
液晶的这种作用微弱的分子排列正是液晶能开拓广泛应用的关键条件。
液晶是单轴晶体。
单轴晶体是只有一个光轴的晶体，三个互相垂直的主轴x、y、z沿三个主轴方向的介电常数εx、εy、εz有εx=εy≠εz，折射率n x=n y=n z,n z=n e。
在单晶中，z轴方向称为光轴方向，o光和e光都是线偏振光，其振动方向互相垂直。
由此，液晶具有特别有用的光学特性。
1) 能使入射光的前进方向向液晶分子长轴即指向矢量n的方向偏转图1: 射入液晶的光线的前进方向2) 能改变入射光的偏振状态(线偏振、圆偏振、椭圆偏振)或偏振方向3) 能使入射偏振光相应于左旋光或右旋光进行反射或者投射。
图1为射入液晶的光线的前进方向的变化图，其中图(a)、(b)为光线垂直地入射两个均匀的各向同性介质界面，即使折射率不同光仍然照直前进。
而对图(c)、(d)而言就要考虑到液晶是各向异性物质，而且还要考虑到液晶的分子轴和入射光线不同的方向，它可分解为垂直于纸面的偏振光。
偏振光分为两部分，一部分的偏振平行分子长轴，另一部分垂直于分子长轴。
平行于分子轴和垂直于分子轴方向的速度只是由V∥=C∥/n⊥，V⊥=C⊥/n∥所决定，这两部分光的矢量都与液晶分子长轴垂直，V∥=V⊥，光线照直前进，光不发生折射，即是单轴晶体中的寻常光o光。
另一方面，可把入射光的偏振面与纸平面平行光线分成两个部分传播,其一部分偏振面平行于分子长轴，另一部分偏振面垂直于分子长轴；此时，V∥=C∥/n⊥=Ccosθ/ n⊥ V⊥=C⊥/n∥=Csinθ/ n∥由于n∥>n⊥，所以V∥>V⊥。
液晶电光效应实验
实验目的：1．测定液晶样品的电光曲线，根据电光曲线求出样品的阀值电压、饱和电压、对比度、陡度等电光效应的主要参数；2．了解最简单的液晶显示器件的显示原理。
实验原理1. 液晶液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。
液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
热致液晶又可分为近晶相、向列相、和胆甾相。
其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
2．液晶的电光效应液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（TN）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）电控双折射（EBC）等。
其中应用较广的如TFT型主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；TN型主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。
本实验所使用的液晶样品即为位TN型3．TN型液晶盒结构在覆盖透明电极的两玻璃基片之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周用环氧树脂密封。
玻璃基片内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。
上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90度，所以称为扭曲向列型。
4．扭曲向列型电光效应无外电场作用时，当线偏振光垂直玻璃表面入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90度，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出）；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，线偏振光方向也垂直于下表面液晶分子轴；当以其他线偏振光方向入射时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
液晶电光曲线
液晶电光曲线实验目的 1. 测定液晶样品的电光曲线；2. 根据电光曲线，求出样品的阀值电压Uth，饱和电压Ur，对比度Dr，陡度β等电光效应的主要参数；3. 用自配数字存储示波器观测液晶样品的电光响应时间；实验原理1.（液晶）液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。
液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性。
因此，液晶具有电光效应，即对液晶施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化。
液晶显示器的种类有很多，利用液晶的电光效应而实现显示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液晶等。
扭曲向列相液晶，也称为TN型液晶，是应用范围最广、价格较便宜的液晶显示器。
我们常用的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN型液晶。
液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。
就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
热致液晶又可分为近晶相、向列相、和胆甾相。
其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
2.（液晶电光效应）液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（T N）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）电控双折射（ECB）等。
其中应用较广的如TFT型—主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；TN型主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。
本实验所使用的液晶样品即为位TN型。
液晶电光效应数据处理
1.16 65 67
1.52 9
10
1.8 0 0
0.7 100 100
0.98 93 94
1.18 62 62
1.54 8 8
2 0 0
0.8 100 100
1 91 93
1.2 58 59
1.56 7 7
3 0 0
0.82 99
100
1.02 89 90
1.3 39 40
1.58 6 6
1.68 2 2
①依据实验数据在同一坐标系内绘制水平与垂直情况下的电光特性T-U曲线1和曲线2,并将两曲线进行比较 讨论他们的异同.并根据电光特性曲线得出阈值电压和关断电压.
电压/V 水平透射率 垂直透射率
0 100 100
0பைடு நூலகம்94 96 97
1.14 69 71
1.5 11 11
1.7 1 1
0.5 100 100
0.84 99 100
1.04 87 88
1.4 23 23
1.6 5 5
0.86 99 99
1.06 83 84
1.42 19 20
1.62 4 4
0.88 99 99
1.08 80 81
1.44 17 17
1.64 3 3
T/%
120
T1-U曲线:实线
T2-U曲线:虚线
100
80
60
40
20
0 0
水平 垂直
∆t₁/mS ∆t₂/mS
42
32
46
36
③利用矩阵开关板上的按键控制对像素点的通断，在显示屏上组合成任 意一个字符或文字，并记录 我组合成了数字5
液晶显示器的原理和制造
在TN-LCD 中△n· d = 0.48 m 、1.05m 、1.64 m ……
对于白底黑字，透射光强与△n· d的关系恰好相反，即I具有一系列 极大值，为了提高对比度和视角，通常希望背底明亮，即I在关态时
具有极大值，在实际使用的TN-LCD中通常使用△n· d在第二极大处。
2.激活态的光学性质
二、液晶分子的结构
化学家的观点 物理学家的观点
• 形状各向异性, 长度 > 4倍宽度 • 分子长轴有一定刚性 • 分子末端含有极性或可极化的基团
CH3 - (CH2)4 C N
上述分子(5CB) 是 ~2 nm × 0.5 nm
三、液晶的定义
通常物质有三态：固体 液体 气体 液晶是物质的第四态——介乎于各向同性液体 和晶体之间的中间相（mesophase）
晶体 液晶 （各向同性）液体 气体
具有液晶相的物质都是有机Leabharlann 合物四、液晶的特点表1
(各向同性)液体 液晶 晶体
宏观
流动性、各向同性
流动性、各向异性
有一定形状、各向异性
微观
位置短程序
位置短程序、方向序
位置长程序
液 晶 相
晶体
向列相液晶
各向同性相
温
图度 1
五、液晶的分类
1922年法国G.Friedel将液晶分成三大类
4.光学各向异性: 双折射
△n =
ne - no
冰洲石
图6
光在向列相中的传播 液晶分子长轴的方向——光轴
双折射现象、光波的叠加、干涉等现象均同 样在液晶中发生，只要将液晶作为单轴正晶 体就可作类似的分析。
5.弹性各向异性: 向列相的三种形变
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。
第6讲 液晶的电控双折射与光波导性质
其中+号对应于x<0的区域，-号对应于x>0的区域。因解以 x=0时对称，我们只取其+号计算。对上式积分 得：
即：
x
dx
(x)
d le
0
2
d ' sin2 m sin2 '
1
d
x
(x)
d '
le 2 0 sin 2 m sin 2 '
注意到θm只是在z=0处的液晶分子与X轴的夹角，其 大小尚不得而知。为求出θm，令上式中的x=0，则θ(x)= θm ，因此：
dx
2
与电场能有关的能量：
fe
1 2
E2
cos2
于是，单位面积、单位长度的体积的自由能F为：
d
Ft
S
2 1
d
2
k
d (x)
dx
2
1 2
E
2
c os2
( x)dx
2
角度θ(x)取的值应使F/S为最小值，应用尤拉公式，得 θ(x)应满足的微分方程：
k
E
2
d 2
dx2
sin
cos
0
注意到∆ε<0，令 ：
k
E 2
le2
则以上微分方程成为：
le2
d 2
dx2
sin
cos
0
仿上一章的解法得：
d
dx
2
C
s
in
lm
2
注意到此问题的对称性，可设置如下边值条件以确
定积分常数C ：
d
dx
x0
0
x0
m
得：
C sin2 m
液晶的电光效应.
3.4液晶的电光效应液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。
它是一种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的特殊物质。
大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。
这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度约为数纳米，宽约为十分之几纳米。
液晶分子有较强的电偶极矩和容易极化的化学团，由于液晶分子间作用力比固体若，液晶分子容易呈现各种状态，微小的外部能量——电场、磁场、热能等就能实现各分子状态间的转变，从而引起它的光、电、磁的物理性质发生变化，液晶材料用于显示器件就是利用它的光学性质变化。
当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。
在电场作用下，电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，由光开关特性曲线，得到液晶的阈值电压和关断电压，上升时间和下降时间。
（2）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。
（3）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】一、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。
液晶vt曲线方程
液晶vt曲线方程液晶显示器VT曲线方程是指描述液晶的电光特性的方程。
在液晶显示器中，VT曲线被广泛应用于电压与透光度之间的关系。
本文将详细介绍液晶VT曲线的定义、特点以及其数学表达形式。
液晶显示器是一种利用液晶材料的特性来控制透光度的高科技产品。
它由许多像素组成，每个像素可以通过电压控制来改变透光度。
液晶材料是一种具有高度有序的分子排列结构的材料，其分子呈现出不同的取向，可以通过电压的作用来改变这种取向。
VT曲线是指液晶显示器中电压与透光度之间的关系曲线。
此曲线描述了给定电压下液晶显示器的透光度。
VT曲线是一种非线性的曲线，通常由二次函数或高阶多项式来描述。
这是因为液晶材料的分子在不同的电压作用下呈现出复杂的响应。
而具体的液晶VT曲线方程则根据不同的液晶材料和结构来确定。
液晶VT曲线通常符合以下几个特点：1.对称性：在电压为零或接近零的情况下，液晶透光度为最大值（通常为1），电压为正数和负数时，透光度逐渐减小。
而且当电压达到一定阈值时，透光度迅速下降。
2.非线性：液晶VT曲线通常是非线性的，其关系不能简单地通过线性方程来描述。
这是由于液晶材料的分子响应与电场的强度和方向有关。
3.饱和性：当电场达到一定强度后，液晶的分子排列将饱和，即透光度达到最小值（通常为0）。
根据液晶的特性和结构，可以采用不同的数学方程来描述VT曲线。
常见的方程包括二次方程、高阶多项式和指数函数等。
以二次方程为例，液晶VT曲线的方程可以表示为：T(V) = aV^2 + bV + c其中T(V)为透光度与电压V的函数，a、b和c为拟合参数。
液晶VT曲线方程的具体形式会根据液晶材料的属性和结构来确定。
在实际中，科学家和工程师通常会通过实验来获得液晶的电光特性，然后使用拟合方法来确定液晶VT曲线的方程。
这样可以方便地预测和控制液晶显示器的透光度。
总结起来，液晶VT曲线方程是描述液晶显示器电压与透光度之间关系的数学方程。
液晶VT曲线通常具有对称性、非线性和饱和性等特点。
液晶的时间响应特性研究实验
实验三、液晶的时间响应特性研究实验目的1、了解液晶驱动波形2、了解液晶的电光响应曲线的特性3、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。
液晶光开关的结构如图5-1所示。
在涂有透明电极的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纳米），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，电极的表面预先用软绒布朝一个方向摩擦，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槽里，（也可在电极表面涂取向剂）这一过程叫做液晶分子的定向。
使电极表面上的液晶分子按一定方向排列，液晶光开关的定向方向与电极面的法向垂直，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，所以从俯视方向上看，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。
如图5-１左图所示。
理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振方向平行于上电极的定向方向的偏振光，当通过扭曲排列起来的液晶时，偏振方向与液晶的扭曲结构同步旋转，到下电极表面时，光的偏振方向与下电极的定向方向相同，此时光的偏振方向转过了90度。
另取两张偏振片P1和P2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（标记为P1⊥P2）。
当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，线偏振光射入液晶层以光波导方式在液晶层传播，即该光在传播中，其偏振方向随分子扭曲结构同步旋转。
液晶的电光特性实验
液晶的电光特性实验班级：应用物理1101 实验项目名称：液晶的电光特性一、实验目的1.扭曲角的测量； 2.对比度的测量； 3.上升沿时间1T 与下降沿时间2T 的测量； 4.通过测量衍射角，推算出特定条件下液晶的结构尺寸； 5.观察、测量衍射斑的偏振状态。
二、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1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槽里；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－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。
如图1左图所示。
理论和实验都证明，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的透光轴相互正交。
入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应 光波导已被电场拉伸图1. 液晶光开关的工作原理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。
液晶的时间响应特性研究实验
图 6 驱动波形及 6 种电平 实验仪器简介
1、仪器的构成和原理 本实验所用仪器为液晶光开关电光特性综合实验仪，其电气构成和结构的示意 图如图 5-5 所示。 正面
图 5-7. 液晶光开关电光特性综合实验仪面板示意
液晶光开关后被探测器 8 接收，转化为微弱的电流信号，经电流放大器(8)放大 后由显示器(11)显示出来。此时，中央控制器 4 控制矩阵驱动器 2 向液晶光开 关 7 输出幅度可以被手动调节的供电电压。 液晶光开关后被探测器 8 接收，转化为微弱的电流信号，经电流放大器(8)放大 后由显示器(11)显示出来。此时，中央控制器 4 控制矩阵驱动器 2 向液晶光开 关 7 输出幅度可以被手动调节的供电电压。 实验时调节供电电压的幅度以改变光开关的透过率，所加电压的幅度被中央控 制器 4 上的数字电压表显示出来，透过的光的强度被微光探测器 8 探测，被电 流放大显示器 3 显示来。其外部结构如图 5-7 所示。 2、面板上的按钮和旋钮的功能 液晶光开关电光特性综合实验仪面板上的按钮开关和旋钮的排列如图 7 所示。 其中，10 和 11 分别为电压显示器和相对光强显示器。12、13、14 分别为液晶 光开关的供电电压调整、透过率调零、透过率 100％调节。7 为 TN 型 16X16 液 晶显示器，5 为用于字符点阵输入的矩阵开关板，17 为半导体激光器、光探测 器与直流放大器一体化模块。 仪器可工作于静态全屏（模式转换开关弹出）或动态显示（模式转换开关按 下）两种工作模式之一 工作模式之一：扫描光开光所构成的图形图像显示器： 作动态显示原理实验时，选择动态显示模式。此时液晶光开关工作于扫描方 式，中央控制器 4 接收开关矩阵板 5 的输入信号，将此输入信号转化为矩阵显 示信号，然后再向液晶光开关矩阵 7 提供扫描定时信号和各种控制信号，使开 关矩阵板 5 上的按键位置、状态与液晶光开关矩阵 7 对应单元的位置和状态相 一一对应。通过选择控制各种显示单元的开、关状态，即可组成各种图形或文 字。
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液晶电光曲线实验目的 1. 测定液晶样品的电光曲线；2. 根据电光曲线，求出样品的阀值电压Uth，饱和电压Ur，对比度Dr，陡度β等电光效应的主要参数；3. 用自配数字存储示波器观测液晶样品的电光响应时间；实验原理1.（液晶）液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。
液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性。
因此，液晶具有电光效应，即对液晶施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化。
液晶显示器的种类有很多，利用液晶的电光效应而实现显示的有扭曲向列相液晶、超扭曲向列相液晶、高扭曲向列相液晶等。
扭曲向列相液晶，也称为TN型液晶，是应用范围最广、价格较便宜的液晶显示器。
我们常用的电子表、计算器、游戏机等的显示屏大都是TN型液晶。
液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。
就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。
热致液晶又可分为近晶相、向列相、和胆甾相。
其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。
2.（液晶电光效应）液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
液晶的电光效应种类繁多，主要有动态散射型（DS）、扭曲向列相型（T N）、超扭曲向列相型（STN）、有源矩阵液晶显示（TFT）电控双折射（ECB）等。
其中应用较广的如TFT型—主要用于液晶电视、笔记本电脑等高档电子产品；STN型主要用于手机屏幕等中档电子产品；TN型主要用于电子表、计算器、仪器仪表、家用电器等中低档产品，是目前应用最普遍的液晶显示器件。
TN型液晶显示器件原理较简单，是STN、TFT等显示方式的基础。
本实验所使用的液晶样品即为位TN型。
2.1 TN型液晶盒结构TN型液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周密封。
液晶盒厚一般为几个微米，其中上下玻璃片内侧镀有显示电极，以使外部电信号通过电极加到液晶上。
上下玻璃基板内侧覆盖着一薄层高分子有机物定向层，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。
上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°。
所以称为扭曲向列型。
液晶盒玻璃片的两个外侧分别贴有偏振片，这两个偏振片的偏光轴互相平行(常黑型)或相互正交(常白型)，且于液晶盒表面定向方向相互平行或垂直。
【2】TN型液晶盒结构图2.2 扭曲向列型电光效应无外电场作用时，由于可见光波长远小于向列相液晶的扭曲螺距，因此当线偏振光垂直玻璃表面入射时，若偏振方向与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转90度，即出射光仍为线偏振且偏振方向平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图1（a）不通电部分，图中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同，因此光可通过偏振片射出）；若入射线偏振光偏振方向垂直于上表面分子轴方向，出射时，仍为线偏振光且方向也垂直于下表面液晶分子轴；当入射线偏振光与液晶盒上表面分子取向不为平行或垂直情况时，则根据平行分量和垂直分量的相位差，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
对液晶盒施加电压，当电压达到一定数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到另一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重新排列（见1图(b)中通电部分），此时TN型液晶盒在无外电场作用时的90度旋光性随之消失。
【3】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3；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，Us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即饱和电压与阈值压之比。
U/V 2.3 TN-LCD结构及显示原理 TN型液晶显示器件结构如下图，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向总是与上表面分子取向相同。
自然光入射后，经过偏振片形成与上表面分子取向相同的线偏振光，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴旋转90°，以平行于下表面分子取向的线偏振光射出液晶盒。
若下表面所附偏振片偏振方向与下表面分子取向垂直（即与上表面平行），则为黑底白字的常黑型，不通电时，光不能透过显示器（为黑态），通电时，90°旋光性消失，光可通过显示器（为白态）；若偏振片与下表面分子取向相同，则为白底黑字的常白型，如下图所示结构。
TN-L CD可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。
TN型液晶显示器件结构参考图实验仪器 FD-LCE-1 液晶电光效应实验仪实验装置示意图【4】第6/10页如图1所示，液晶电光效应实验仪主要由控制主机部分和导轨部分组成。
导轨部分从左到右依次为检偏器及光电探测器（连接在一起）、液晶样品、起偏器、半导体激光器。
各部件都与滑块连接，可在导轨上移动。
主机部分包括方波发生器、方波有效值电压表、光功率计。
技术指标： 1．半导体激光器：3V DC 电源；输出650nm红光 2．方波电压： 0-10V左右（有效值）连续可调；频率500Hz左右 3．光功率计：量程有0-200uW和0-2mW两档 4．光具座：长50.0cm 实验步骤 1．光学导轨上依次为：半导体激光器－起偏器－液晶盒－检偏器（带光电探测器）。
打开半导体激光器，调节各元件高度，使激光依次穿过起偏器、液晶盒、检偏器，打在光电探测器的通光孔上。
2．接通主机电源，拔下电压表输出导线，将光功率计调零，选用0-2mW档。
用话筒线连接光功率计盒光电转换盒，此时光功率计显示的数值为透过检偏器的光强大小，旋转起偏器至，使其偏振方向与液晶片表面分子取向平行（或垂直）。
旋转检偏器，观察，可旋转半导体激光器，使最大透射光强大于光功率计数值变化，若最大值小于。
最后旋转检偏器至透射光强值达到最小。
3．连接电压表输出导线，将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从0开第7/10页始逐渐增大电压，观察光功率计读数变化，电压调至最大值后归零。
4．从0开始逐渐增加电压，0-2.5V每隔0.2V或0.3V记一次电压及透射光强值，2.5V 后每隔0.1V左右记一次数据，6.5V后再每隔0.2V或0.3V 记一次数据，在关键点附近多测几组数据 5． [选做]自配数字存储示波器，可测试液晶样品的电光响应曲线，求得样品的响应时间。
注意事项 1、拆装时只压液晶盒边缘，切忌挤压液晶盒中部；保持液晶盒表面清洁，不能有划痕; 应防止液晶盒受潮，防止受阳光直射。
2、驱动电压不能为直流。
3、切勿直视激光器。
实验室据记录与处理 1.数据记录 U/V0.00 1.00 1.90 2.61 3.05 3.34 4.17 5.15 5.99I/uw9.9 9.9 10.1 10.2 192.1 204.0 310.3 395.0 425.0U/V0.24 1.20 2.01 2.71 3.07 3.41 4.29 5.36 6.18I/uw10.0 9.9 10.1 10.2 193.3 208.0 320.0 402.0 426.1U/V0.40 1.41 2.24 2.82 3.09 3.49 4.58 5.48 6.25I/uw9.9 10.0 10.2 10.3 194.6 212.0 354.1 412.0 427.0U/V I/uw0.62 1.60 2.44 2.91 3.12 3.53 4.70 5.64 6.44 9.9 10.0 10.2 10. 3U/V I/uw0.81 1.78 2.52 3.03 3.18 3.96 4.83 5.87 6.63 9.9 10.1 10.2 191.1 199.6 270.2 377.0 423.0 429.0196.2 215.0 363.0 416.0 428.52. 数据处理1. 做电光曲线图第8/10页电光曲线图U/v I/uw2. 求出样品的阈值电压Uth、饱和电压Ur、对比度Dr及陡度β。
Wμ429=Imax，对应的电压为6.63V，，此时对应的电压为阈值电压Uth，即Uth=2. 97V；，此时对应的电压为饱和电压Ur，即Ur=4.99V。
μ429=43.3=WμW/9.9Wμ42.9=Imax⨯10%Wμ386.1=Imax⨯90%Imax/Imin=对比度：Dr陡度：β=Ur/Uth=4.99V/2.97V=1.68 应用前景 1．如果两偏振片正交放置，则无电场时呈透明态，而加电场达到阈值电压后呈不透明状态．根据液晶的这种光电效应特性，如果把液晶快门用于焊接面罩，将CdS等光敏电阻组装入液晶快门内，平时是透明态，一旦检出焊接时的电弧光就瞬时给液晶盒施加电压，降低液晶盒的光透射性能，保护眼睛免受焊接电弧光的刺激．另外，根据这个原理可制作液晶窗帘，作为电动窗帘使用． 2．用液晶制成的透镜具有焦距可变、薄、轻、消耗功率少等优点．液晶电光效应种类繁多，根据不同的原理可设计不同种类的光学器件，其应用前景极为广泛．【5】实验结论当电压在2－2.97v,由于电压小于阀值电压，所以透射光强没有明显改变；当电压第9/10页增加到2.97v时，液晶分子的长轴开始向电场方向倾斜，透射光强开始增强； 2.97-4.99v，透射光强明显增强；当电压在4.99-6.18v时，透射光强持续增强，由于电压大于饱和电压，故增强程度逐渐减小，当电压在6.18-6.63v时，透射光强基本没明显改变。