通常固体被加热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时才会变成透明清亮的液体。第二年，德国物理学家莱曼(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晶格而形成的，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态物质是一种有序的流体。各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。

【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。

【实验原理】

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nx=ny=nz，nz=ne。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。

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16.1为射入液晶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//=，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。

图16.1 射入液晶光线的前进方向

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，

由于n//＞n⊥，所以v//＞V⊥。因而，光速合成方向与液晶长轴夹角变小，光线方向向液晶分子长轴方向靠拢，这束光即是单轴晶体中的非寻常光e光。综上所述，一入射光既可产生寻常光，也可产生非寻常光，这就说明液晶体中发生了双折射，对液晶而言分子长轴就是光轴。

液晶之所以作为显示材料有两大特性:

①可使入射光偏向分子轴方向;

②可使入射光的偏振方向发生改变。

两块导电玻璃夹持一个液晶层，封接成一个扁平盒，这是液晶显示器的基本结构。不同类型的液晶显示器件的部分部件可能会有不同，有的不要偏光片，如TN型。如图16.2所示，将两片已光刻好透明导电电极图案的平板玻璃相对放置在一起，间距约为7μm。四周用环氧树脂密封接成一个扁平的玻璃盒，但在一个侧面封接边上留下一个开口，通过抽真空将液晶注入，然后将此用胶封住，再在前后导电玻璃外侧正交地贴上偏振片即构成一个液晶显示器。

图16.2 TN型液晶显示器结构图

由于玻璃盒内侧的定向层作用，夹在中间的液晶分子长轴沿玻璃面并行，并在两片玻璃基片之间连续扭曲90°，这种TN型排列盒的扭矩远远大于可见光波长。因偏光片有一个固定的偏光轴，偏光片的作用是只允许振动方向与其偏光轴方向相同的光通过，而振动方向与偏光轴垂直的光被其吸收，当光源射来的光经过偏振片，变成垂直线偏振光射入液晶盒内的过程中，就被液晶分子旋转了90°，呈水平线偏振光，再由水平光轴的检偏器(偏光片)射出，经反射片反射，按原光路折回射出，呈亮视场。这样光通过检偏器的量的大小，取决于线偏振光经过液晶盒后的偏振状态，从而控制最后透过检偏器的光状态来实现显示。如图16.3所示。

图16.3 TN型器件分子排布与透过光示意

然而一旦对90°扭曲排列的液晶盒施加电压(电场)，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜(是极性分子)。当外在电压达到一定值(2Uth)时，分子会沿着电场方向重新排列，从而导致90°旋光性消失，因而垂直偏振光无法透过水平光轴的光检偏振片，也就不能被反射，所以形成暗视场，这就是电光效应。

无外加电压时，将TN液晶盒置于两块平行偏光片之间，光线不能通过; 而置于两块垂直的偏光片之间时，光线就能通过。

有外加电压时，TN液晶盒在两平行偏光片之间光线能通过; 而在两块垂直的偏光片之间时，光线不能通过，与不施加电场的情况完全相反。

对于白底黑字型的液晶显示器，上下偏光片正交放置，即偏光轴相互垂直，入射自然光经上偏光片后，变成平面偏振光。在液晶未施加电场时，偏振光将顺着分子的扭曲结构扭转90°，振动的方向变成和检偏器(下偏光片)的偏光轴一致，因此可顺利通过检偏器呈亮视场，处于非显示态。当施加电场时(即加电压到有关电极时)，由于偏振方向与检偏器方向(光轴)垂直，该液晶盒分子扭曲结构消失，丧失了旋光能力，偏振光无法透过检偏器，呈现出暗视场，处于显示态。而当电场撤除以后，液晶分子受取向层表面(定向层)的作用，恢复原来的扭曲状态(排列)，显示器又变得透明。若采用适当的液晶和合适的电压，也可显示中间色调，即在“全亮”与“全暗”之间产生连续变化的灰度级。这就是液晶的电光效应。

液晶的电光效应是指液晶在外电场下的分子排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质随之变化的一种电的光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子发生变化进行光调制; 同时又由于双折射特性，可以显示旋光性、光干涉、光散射等特殊的光学性质。

液晶在电场(即外加电压)的作用下将引起投射光强度的变化，其电光特性曲线如图16.4所示。(www.daowen.com)

图16.4

如果选择在液晶盒两面放置互相正交的偏振片，在不加外加电压时，投射光强度最大，随外加电压的增加，它的投射光强度开始减弱，当外加电压达到一定值Uth时，投射光强度下降速率陡增(加快); 而达到Us值时，可近似认为投射光强度最小(10%)，即扭转结构消失，丧失旋光能力，如图16.4(a)所示。如果选择在液晶盒两面放置平行偏光片，在未加外加电压时，或外加电压的值小于一定值(Uth)，投射光强度几乎不发生变化(很小); 当外加电压超过一定值(Uth)时，投射光强度开始逐渐增大(变化较快); 当外加电压增大到一定数值(Us)后，投射光强度达到最大值以后，投射光的强度不再随外加电压变化，如图16.4(b)所示。

引起投射光强度明显变化的起始电压称为阀值电压(Uth)，正型电光曲线90%，负型电光曲线10%，标志了液晶电光效应可观察透视光强度变化( ±10%)驱动电压的有效值。它的值越小，则显示器的工作电压越低。TN型一般为2V左右，动态散射型(DS型)为7V左右。

液晶显示器亮度变化达到最大变化量的90%时驱动电压的有效值称为饱和电压Us，标志着显示器得到最大或最小对比度的外加驱动电压有效值。Us小易获得良好的显示效果，且功耗低。

液晶显示器是被动发光型器件，不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度。对比度Cr=Tmax最大投射光强度/Tmin最小投射光强度。图16.5为对度和视觉的关系。

图16.5 对比度和视觉的关系

通常用陡度β来描述电光曲线的变化斜率(坡度):

式中，β表示阈值和饱和电压的比值，β值愈小，Us和Uth愈近; β值愈大，Us和Uth愈远。一般TN液晶显示器β为1.4～1.6。

电光曲线中，透射光强度从10%到90%之间所需时间(负型电光曲线)称为上升时间Tr，对正型电光曲线，则为下降时间Td。

【实验仪器】

实验装置如图16.6所示: 635nm半导体激光器、CA9005信息光电子综合实验系统、si-PD、液晶、偏振片。

图16.6 LCD电光特性曲线测量实验装置

【实验内容及步骤】

(1)按图16.6所示放置并固定各光学器件，各器件通光孔等高同轴。

(2)按以下要求连接线路:

①将635nm半导体激光器控制端口连接至主机半导体激光控制器输出(LD1);

②将TN液晶盒驱动电压输入连接至主机函数信号发生器输出(SⅠG);

③将Si光电二极管电流输出连接至主机光电信号检测器输入(PD)。

(3)打开主机电源，按以下要求设置参数:

①设置LDC工作模式(LDCMOD)为恒流模式(ACC)，调节LDC驱动电流(Ic)至20.0mA。

②设置SⅠG工作模式为方波输出(SQU)，输出信号频率Fs调至32Hz，输出信号幅度Vs调至0V。

③设置OPM工作模式为直流电流计模式(PD/mA)，量程(RTO)切换至1mA。

(4)暂时移开液晶盒，微调各器件位置，使激光光束照射到Si-PD受光面的中心。将起偏器光轴调至与水平面成45°夹角。观察PD输出，将检偏器光轴调至与起偏器平行。将液晶盒重新固定到位。

(5)由0V开始增加液晶盒驱动电压UTN，每隔0.2V测一个点，直至10V结束，记录各电压下的探测器电流IPD，数据归一化后作T-U曲线，即LCD电光特性曲线，求阈值电压、饱和电压、最大对比度。

【思考题】

(1)液晶具有什么光学特性?

(2)什么是液晶的电光效应?

【注意事项】

(1)系统上电后禁止激光束对准人眼，以免被灼伤。

(2)光学器件的通光面除专用清洁布外禁止用手触摸或接触硬物。