液晶电光效应的实验研究

袁顺东，王世燕，王殿生

(中国石油大学(华东)理学院 山东省高校新能源物理与材料科学重点实验室，山东 青岛266580)

1 引 言

液晶是一种在某个温度范围内兼有液体和晶体二者特性的物质，它可以表现出液体所特有的流动性、形变等机械特性，同时又具有晶体的热、光、电、磁等性质以及光学各向异性晶体所特有的双折射性.液晶在化学、物理、生命科学、电子等诸多领域都有着广泛的应用，例如光调制器、液晶显示、各种传感器等.这些应用均是利用液晶的电光效应原理制成，因此研究液晶的电光效应具有重要意义.目前在大学物理实验教学中，液晶的电光效应实验一般只采用单色激光光源来测量液晶的电光特性[1－2].本文在此基础上，采用不同波长(蓝光473nm，绿光532nm，红光635nm)的半导体激光光源测量了这一特性，分析了不同波长的激光对液晶电光效应的影响，并考察了液晶光开关的响应时间，以及不同波长下液晶的视角特性.通过该实验，学生能对液晶的电光特性有更全面、更深入的认识，并且可以丰富和完善该大学物理实验教学项目的内容.

2 实验原理

当对液晶施加电场(或电流)时，随着液晶分子的取向结构发生变化，其光学特性也会随之发生变化，这就是液晶的电光效应[3].下面以扭曲向列液晶(Twist nematic liquid crystal display，TN－LCD)为例测试其电光特性、光开关的时间响应特性及视角特性.

TN型液晶是在镀有透明导电膜的2块玻璃基片之间夹入厚约5～8μm的正介电各向异性的向列相液晶，从而使液晶分子长轴在上下2块基片之间连续扭曲90°.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，即在无外电场作用时，偏振光从上玻璃基片透过扭曲排列起来的液晶传播到下玻璃基片时，偏振方向会偏转90°.因此对于TN型液晶，当它在2块平行的偏振片之间时，光不能通过，称为常黑模式；而放置于2块垂直的偏振片之间时，光能够通过，称为常白模式[4].

给液晶板加压，当电压大于某一值(称为阈值电压)起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜.随着电压继续增大，除了电极近旁的分子外，其他分子的长轴都将沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致液晶分子的旋光性消失[5].在这种情况下，若液晶盒的两透光轴平行，则光能够通过；若液晶盒的两透光轴垂直则光不能通过，这与不加电压时正好相反.液晶的光强透过率随电压的变化曲线是判断液晶盒优劣的重要标准[6].常白模式液晶中光的相对透过率与外加电压的关系如图1所示.其中透过率的90%所对应的外加电压值称为阈值电压，透过率的10%所对应的外加电压值称为关断电压.

液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压和关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器允许的驱动路数就越多，也就越利于制作高分辨率的显示器.

图1 液晶光开关的电光特性曲线

3 实验装置及实验方法

采用ZKY－LCDEO液晶光电效应综合实验仪及TeKtronix TDS2002示波器，实验装置如图2所示.

实验方法如下：

1)将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100%，使得电压值从0V变化至3V，记录相应电压下的透过率T数值.然后，将液晶屏旋转90°，重复上述步骤.

2)替换激光光源，分别使用红光光源、绿光光源和蓝光光源进行步骤1)的测量.

3)将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100%，将液晶供电电压调节到2.0V，用数字存储示波器在液晶静态闪烁状态下观察光开关的时间响应特性曲线，同时测量出液晶的响应时间.

4)将液晶板置于水平方向，在0V电压下角度从－75°至＋75°，读出每1°下透射率的最大值；在每个波长所对应的关断电压下，角度从－75°至＋75°，读出每1°下透射率的最小值，测出不同光源下液晶板水平方向的视角特性.将液晶板置于垂直方向，同上测量液晶板垂直方向的视角特性.

图2 ZKY－LCDEO液晶电光效应综合实验仪

4 实验结果与分析

4.1 液晶光开关的电光特性

采用的液晶板为TN型16×16点阵液晶屏.实验中记录了电压值从0V变化至3V时液晶样品透过率的变化，其中对电压0.8～1.8V区间的数据进行了密集测量，分别得到了液晶板水平方向和垂直方向的透过率与电压及激光波长的关系，如图3所示.

对图3分析可知：

1)在3种特定光源下，液晶板样品的透过率均随外加电压的升高而逐渐降低，在约1.7V之后均达到各自最低点.电压在0～0.8V时，对于3种波长的光源，液晶板的透过率均没有特殊的改变，这是由于所加电压小于阈值电压.对3种波长的光源进行分析可知，液晶板对波长最短的蓝光(473nm)反应最“迟钝”.以水平方向为例，当所加电压为1.2V时液晶的透过率才观察到较明显变化，且直到3V时仍有部分透过率.液晶板对波长最长的红光(635nm)反应则最灵敏，当电压加到0.80V时就开始有变化.从测量的数据可知3种光源下液晶的关断电压大小关系为：蓝光＞绿光＞红光，即液晶的关断电压随波长的增加而降低.

图3 不同波长下液晶光开关的电光特性曲线

2)对于波长为473nm的蓝光来说，直到所加电压为3V时液晶光开关仍未完全关断(透过率不为零)，其原因可能是使用的蓝光光源出射为椭圆光斑，水平方向上的光斑范围偏大，超出了液晶板的单元格，光从单元格的间隙透过，所以透过率不为零.

3)在外加工作电压一定的情况下，液晶样品的水平透过率和垂直透过率不同，这是由于水平方向和垂直方向液晶分子的排列不同.因此可知，液晶的透过率由光波波长、液晶分子排列、液晶材料的特性和液晶盒的结构共同决定.透过率随波长而变化，这样就可以通过调节电压大小的方法让所需要的光通过，而阻止其他波长的光通过，从而可以准确地恢复所传输的数据，这为液晶滤光片的设计与制造提供了实验依据.

4.2 液晶光开关的响应时间

当给液晶板所加的周期性电压超过其阈值电压时，液晶的透过率就会随电压的改变而变化，原因是由于所加的驱动电压能使液晶分子的排序发生变化，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述[7].对于常白模式的TN盒，定义加电压过程中透过率从90%到10%之间的时间为上升时间；定义撤电压过程中透过率从10%到90%之间的时间为下降时间[8－9].本实验测得的液晶板响应时间τr为30ms，τd为45ms.该实验数据采用光标法在示波器上直接测得，如图4所示.

图4 液晶光开关的响应时间曲线

由于受到不同的电容率、弹性系数等因素的影响，不同的液晶分子会有不同的瞬时响应时间[10].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.

4.3 液晶盒视角特性的测量

液晶显示的视角特性用来描述对比度与视角的关系[11].对比度Cr是显示状态和非显示状态相对透过率的比值，即Cr＝Tmax/Tmin.对比度代表显示图像的清晰程度，一般当Cr＝2时，显示图像勉强可以分辨；Cr≥5时，图像清晰程度已经相当好[9].

本实验测量了从－75°至＋75°范围内液晶板水平和垂直方向的最大和最小透过率，得到了液晶板视角特性与入射光源之间的关系，如图5所示，图中横坐标为入射光源在液晶板上的投影与0°方向间的夹角.

图5 不同光源下液晶的视角特性曲线

对图5分析可以得出：

1)在特定的3种光源下，从不同角度观察，液晶的对比度均存在差异.当对比度Cr＝5时，水平方向的视角范围均大于该光源垂直方向的视角范围，且二者不具备对称性.导致对比度视角依赖性的原因是液晶双折射的视角依赖性[12－13].

2)当对比度Cr＝5时：红光光源下，液晶的水平视角为－45°～50°，垂直视角为－45°～20°；绿光光源下，液晶的水平视角为－65°～60°，垂直视角为－65°～20°；蓝光光源下液晶的水平视角为－40°～55°，垂直视角为－5°～20°.图5中红光和绿光光源下的部分区域无数值显示，是由于非显示状态下的该角度对应的最小透过率Tmin为0.不同波长下液晶的视角特性不同，考虑主要原因也是液晶的双折射效应.

通过测量说明不同波长的光源对液晶板的视角特性有一定影响，这为液晶偏光器件的制作提供了依据.

5 结 论

通过测试液晶板的透过率研究了液晶的电光特性，发现当液晶板施加电压改变时，在3种光源下，液晶板的透过率均随电压的升高而下降，但对于不同波长的光源来说，液晶板的透射率变化情况是不同的，波长越短，阈值电压和关断电压越高.通过对液晶响应时间的测量确定了液晶的动态显示效果.光源的波长对液晶视角特性也有较大的影响.

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