橡塑模具
液晶光电效应及应⽤
摘要：⽂章介绍了液晶的基本原理，着重阐述了液晶光开关的⼯作原理及其性
质，并根据其性质开展了⼀系列的实验，如测量液晶光开光的电光特性曲线及响应时间等。 关键词：液晶光开关时间响应视⾓特性
⼀、引⾔
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。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。
酒瓶盖⼆、实验原理
1．液晶光开关的⼯作原理
液晶作为⼀种显⽰器件，其种类很多，下⾯以常⽤的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，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；使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。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)，在静电场的吸引下，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。 防身戒指
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P1和P2的透光轴相互平⾏，则构成常⿊模式。
2.液晶光开关的电光特性和时间响应特性
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图2为光线垂直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，其透射率随外加电压的升⾼⽽逐渐降低，在⼀定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。
阈值电压：透过率为90％时的供电电压；
关断电压：透过率为10％时的供电电压。
另外，在给液晶板加上⼀个周期性的作⽤电压（如图3上图），液晶的透过率也
就会随电压的改变⽽变化，就可以得到液晶的相应时间上升时间Δt1和下降时间Δt2。如图3下图所⽰。
立体电视
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。
3.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。
对⽐度与垂直与⽔平视⾓都有关。⽽且，视⾓特性具有⾮对称性。
三、实验内容与步骤
1.准备⼯作：
(1)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；安装上液晶板后，透过率显⽰为“600±100”的情况下，我们就认为光线垂直⼊射到了接收器上。(2)将液晶板⾦⼿指1插⼊转盘上的插槽，液晶凸起⾯必须正对光源发射⽅向。打开电源，点亮光源，让光源预热10 分钟左右。
（若光源未亮，检查模式转换开关。只有当模式转换开关处于静态时，光源才会被点亮。）
(3)检查仪器初始状态：发射器光线必须垂直⼊射到接收器。在静态模式、液晶转盘⾓度为0 度、供电电压为0V 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，同时检查前⾯的操作是否有误，重新调整仪器光路，直到达到上述条件为⽌。
2.液晶光开关电光特性测量
（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，按表 1 的数据改变电压，使得电压值从0V 到6V 变化，记录相应电压下的透射率数值。
（3）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）。
（4）重复测量 3 次并计算相应电压下透射率的平均值，依据实验数据绘制电光特性曲线，可以得出阈值电压和关断电压。
3.液晶的时间响应的测量
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，⽤存贮⽰波器观察此光开关时间响应特性曲线，可以根据此曲线得到液晶的上升时间和下降时间。
4．液晶光开关视⾓特性的测量
（1）确认液晶板以⽔平⽅向插⼊插槽
（2）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%。
（3）将供电电压置于0V ，按照表中所列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Tmax 。
（4）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Tmax 。
（5）切断电源，取下显⽰屏，将液晶板旋转90度，以垂直⽅向插⼊转盘。 6.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。
四、实验数据处理及结论
1、液晶光开关电光特性测量
表⼀
液晶光开关电光特性测量（⽔平⽅向上）
电压/V 0 0.5 0.8 1 1.2
1.3 1.4 1.5 透射率/%
1 100 100 99 83 4
2 26 15 8 2 100 100 100 8
3 42
29 17 9 3 100 100 98 83 45 26 16 9 平均 100 100 99 83 43
27 16 8.7
电压/V 1.6 1.7 2 3 4
5 6 透射率/%
1 5 3
2
3 2 2 2 2 6
4 3 2 2
2 2
3 6
4 3 3 2 2 2 平均 5.7 3.7 2.7 2.7 2
2 2
由⽔平⽅向电光特性曲线得⽔平⽅向阈值电压（透射率90%）为0.93V ，关断电压（透射率10%）为1.45V 。
表⼆
液晶光开关电光特性测量（垂直⽅向上）
电压/V 0 0.5 0.8 1 1.2 1.3
1.4 1.5 透射率/%
1 100 100 100 91 57 40 27 17
2 100 100 100 90 56 39
26 17 3 100 100 100 91 58 41 27 17 平均 100 100 100 90.7 57 40
26.7 17
电压/V 1.6 1.7 2 3 4 5
6 透射率/%
1 10 7
2 2 2 1 1 2 10 6 2 2 2 1
1 3 10 7
2 2 2 1 1 平均 10 6.7 2 2 2 1
1
由垂直⽅向电光特性曲线得垂直⽅向阈值电压（透射率90%）为1.02V ，关断电压（透射率10%）为1.60V 。
2.液晶的时间响应的测量使⽤⽰波器直接读值的⽅法，两通道的上升时间和下降时间对同⼀液晶显⽰器为⼀固定值，只取⼀次数据，实验中⽰波器图形如下图所⽰：
其中⽰波器×10mag为按进去的⼯作状态，故放⼤倍率为⼗倍，
得到上升时间为20ms，下降时间为10ms。
用户评论
3．液晶光开关视⾓特性的测量
表三⽔平⽅向视⾓特性
⾓度-85 -80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 Tmax（0V）0 0 0 0 0 0 0 0 6 Tmin(2V) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tmax/Tmin - - - - - - - - - ⾓度-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Tmax（0V）23 61 91 99 101 96 98 100 100 Tmin(2V) 1 3 4 4 3 3 3 2 2 Tmax/Tmin 23 20.3 22.7 24.7 33.6 32 32.6 50 50 ⾓度 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Tmax（0V）99 98 98 103 105 107 108 101 81 Tmin(2V) 2 3 3 4 4 6 7 8 9 Tmax/Tmin 49.5 32.6 32.6 25.7 26.2 17.8 15.4 12.6 9 ⾓度50 55 60 65 70 75 80 85
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