《大学物理实验》课程教学资源（教案）液晶电光效应及其应用

大学物理实验教案实验题目液晶电光效应及其应用实验性质教师龙作友实验学时41.学习液晶光开关的基本工作原理；2．了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性；教学目的3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理。重点液晶光开关的原理，液晶光开关的电光特性、时间特性和视角特性。1.液晶光开关的原理；难点2.液晶的时间特性测量。课前的准备：1.检查仪器连线是否，液晶显示器竖直和水平插脚使用是否正确；时间的掌握：留由5分钟机动的时间。2.熟悉数字存储示波器的使用：3.设计出数据表格。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。（10分钟）二、讲解的设计（30分钟）1、引言液晶是在某一特定温度的范围内，既有固态的晶格，又有液态的教流动性的一类化学物质。这种物质被奥地利植物学家Reinitzer在学1888年首先发现。过1961年，美国RCA公司普林斯顿试验室的年轻电子学者程的F-Heimeier在做博士论文时，为了研究外部电场对晶体内部电场的作设用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列计液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视屏吗？液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等。现今，几乎所有电子显示设备都使用液晶显示器，大有淘汰阴极射线管等其它显示器件之势。本实验通过测量液晶光开关的电光特性、时间相应特性、视角特性认识液晶光开关的显示特性，通过控制光开关阵列获得显示图案，学习液晶显示器的原理

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 液晶电光效应及其应用 实验性质 实验学时 4 教师 龙作友 教学目的 1．学习液晶光开关的基本工作原理； 2．了解液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性； 3．应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理。 重 点 液晶光开关的原理，液晶光开关的电光特性、时间特性和视角特性。 难 点 1． 液晶光开关的原理； 2． 液晶的时间特性测量。 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.检查仪器连线是否，液晶显示器竖直和水平插脚使用是否正确； 2.熟悉数字存储示波器的使用； 3.设计出数据表格。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (10 分钟) 二、讲解的设计 (30 分钟) 1、引言 液晶是在某一特定温度的范围内，既有固态的晶格，又有液态的 流动性的一类化学物质。这种物质被奥地利植物学家 Reinitzer 在 1888 年首先发现。 1961 年，美国 RCA 公司普林斯顿试验室的年轻电子学者 F·Heimeier 在做博士论文时，为了研究外部电场对晶体内部电场的作 用，他想到了液晶。他将两片透明导电玻璃之间夹上掺有染料的向列 液晶。当在液晶层的两面施以几伏电压时，液晶层就由红色变成了透 明态。出身于电子学的他立刻意识到这不就是彩色平板电视屏吗? 液晶显示材料具有明显的优点：驱动电压低、功耗微小、可靠性 高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自 动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带 等。现今，几乎所有电子显示设备都使用液晶显示器，大有淘汰阴极 射线管等其它显示器件之势。 本实验通过测量液晶光开关的电光特性、时间相应特性、视角特 性认识液晶光开关的显示特性，通过控制光开关阵列获得显示图案， 学习液晶显示器的原理。 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计想和设计原则实验原理1）液晶光开关的原理介绍控制液晶分子排列方向的方法以常见的TN型液晶光开关为例，结构如图1所示。在两块玻璃板电极之间夹有如同火柴棍一样液晶分子。通过定向处理，上下电极上的液晶分子相互垂直，上下电极之间的液晶分子趋向于平行排列且从上级到下级逐步地、均匀地扭曲了90度。入射的自偏振片PL扭曲排列的光波导已液晶分子具被电场拉有光波导效偏振片P2出射图1液晶光开关的工作原理这种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和P2，透光轴分别于上下极定向方向相同即相互正交。如图1左图所示，在未加驱动电压的情况下，自然光可以通过液晶开关，通过后变成偏振光且其偏振面旋转了90°。而在施加足够电压情况下（一般为1～2伏），液晶分子趋于平行于电场方向排列，成了均匀结构，如图1右图所示，偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，因而光被关断。这种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）液晶光开关的特性a电光特性液晶光开关的电光特性如图2左图所示，由本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系可以得出液晶的值电压和关断电压：

2、提出本实验的目的与任务，讲授为完成本实验设计思想和设计 原则 实验原理 1）液晶光开关的原理 以常见的 TN 型液晶光开关为例，结构如图 1 所示。在两块玻璃板 电极之间夹有如同火柴棍一样液晶分子。通过定向处理，上下电极上 的液晶分子相互垂直，上下电极之间的液晶分子 趋向于平行排列且从 上级到下级逐步地、均匀地扭曲了 90 度。 图 1 液晶光开关的工作原理 这种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 和 P2，透光轴分别于上下极定向方向相同即相互正交。 如图 1 左图所示，在未加驱动电压的情况下，自然光可以通过液 晶开关，通过后变成偏振光且其偏振面旋转了 90°。而在施加足够电 压情况下(一般为 1～2 伏)，液晶分子趋于平行于电场方向排列，成了 均匀结构，如图 1 右图所示，偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再 旋转，因而光被关断。 这种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）液晶光开关的特性 a) 电光特性 液晶光开关的电光特性如图 2 左图所示，由本实验所用液晶相对 透射率（以不加电场时的透射率为 100%）与外加电压的关系可以得出 液晶的阈值电压和关断电压： 介绍控制液晶 分子排 列方向的方法 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

阅值电压：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。+造过率T(%)调值电压8060透过率4020关断电压电压(V)2345图2液晶光开关的电光特性（左）和时间相应特性（右b）时间响应特性液晶的光开关的时间响应特性如图2右图所示，给液晶开关加上个周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应特性。通过示波器观察响应特性曲线，可以测得与液晶光开关关断时间和开通时间对应的上升时间tr和下降时间Td：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。液晶显示器的响应时间为上升时间与下降时间之和。响应时间反映显示器显示动态画面的能力。c）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。图3液晶光开关的视角特性图3表示了某种液晶的视角特性，如左图所示，入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角为垂直视角，入射光线在液晶屏上的投影与x轴夹角为水平视角；右图所示同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角：图中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。d）液晶光开关图像显示矩阵的原理液晶显示器以低功耗、轻薄、无辐射、柔和不刺眼、低成本等有点，几乎淘汰所有其他原理的显示器。用液晶光开关组成阵列，控制每个像素单元的开关状态就可以显示出图案

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。 透过率 T(%) 100 阈值电压 80 60 40 20 关断电压 电压(V) 1 2 3 4 5 6 图 2 液晶光开关的电光特性（左）和时间相应特性（右） b) 时间响应特性 液晶的光开关的时间响应特性如图 2 右图所示，给液晶开关加上 一个周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应特性。通过示波 器观察响应特性曲线，可以测得与液晶光开关关断时间和开通时间对 应的上升时间τr 和下降时间τd： 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。 液晶显示器的响应时间为上升时间与下降时间之和。响应时间反 映显示器显示动态画面的能力。 c) 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。 图 3 表示了某 种液晶的视角特性，如左图所示，入射光线方向与液晶屏法线方向的 夹角为垂直视角，入射光线在液晶屏上的投影与 x 轴夹角为水平视角； 右图所示同心圆分别表示垂直视角为 30，60 和 90 度。90 度同心圆外 面标注的数字表示水平视角；图中的闭合曲线为不同对比度时的等对 比度曲线。 d) 液晶光开关图像显示矩阵的原理 液晶显示器以低功耗、轻薄、无辐射、柔和不刺眼、低成本等有 点，几乎淘汰所有其他原理的显示器。用液晶光开关组成阵列，控制 每个像素单元的开关状态就可以显示出图案。 图 3 液晶光开关的视角特性

P-若要显示图中的绿色像素，首先在第A行加上高电平，其余行加上低电平，同时在对应列电极c、d上加上低电平，并通过锁存器锁定对应像素点电平，于是A行的绿色像素就被显示出来了。然后重新在第B行加上高电平，其余行加上低电平，同时在对应列电极b、e上加上低电平，再次锁存，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3、实验的拓展：（由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学生利用现有的设备拓展出新的实验内容，培养学生的创新思维和创新能力。）1）图2右图的曲线表示了液晶光开关的透过率和时间的响应关系，而实验中作图的曲线却是电压和时间的响应关系，如何将电压转换为透过率？2）液晶光开关的开通时间与关断时间长短与所加信号的电平有何关系？4.数据的测量与处理1）要求用Excel处理数据并作出液晶光开关的电光特性曲线、时间响应特性曲线、视角特性曲线：根据所作电光特性曲线，求出阅值电压和关断电压；2）3）根据所作时间响应特性曲线，求出关断时间和开通时间。5.介绍主要仪器设备与使用1）介绍液晶光开关电光特性综合实验仪的结构、原理及使用方法2）介绍数字存储示波器的原理、面板各部分控制钮的作用（对比学生使用过的模拟示波器介绍效果更好）；3）详细介绍观测时间响应特性时的数字存储示波器调节方法。6.强调实验中要注意的问题1）换液晶板内部线路容易折断，插拔液晶板时务必小心：

若要显示图中的绿色像素，首先在第 A 行加上高电平，其余行加 上低电平，同时在对应列电极 c、d 上加上低电平，并通过锁存器锁 定对应像素点电平，于是 A 行的绿色像素就被显示出来了。然后重新 在第 B 行加上高电平，其余行加上低电平，同时在对应列电极 b、e 上 加上低电平，再次锁存，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 . 3、实验的拓展：(由本实验的完成深化和延伸所学的知识，启发学 生利用现有的设备拓展出新的实验内容,培养学生的创新思维和创新 能力。) 1）图 2 右图的曲线表示了液晶光开关的透过率和时间的响应关系， 而实验中作图的曲线却是电压和时间的响应关系，如何将电压转换为 透过率？ 2) 液晶光开关的开通时间与关断时间长短与所加信号的电平有何 关系？ 4.数据的测量与处理 1) 要求用 Excel 处理数据并作出液晶光开关的电光特性曲线、时间 响应特性曲线、视角特性曲线； 2) 根据所作电光特性曲线，求出阈值电压和关断电压； 3) 根据所作时间响应特性曲线，求出关断时间和开通时间。 5．介绍主要仪器设备与使用 1) 介绍液晶光开关电光特性综合实验仪的结构、原理及使用方法 2) 介绍数字存储示波器的原理、面板各部分控制钮的作用（对比学 生使用过的模拟示波器介绍效果更好）； 3) 详细介绍观测时间响应特性时的数字存储示波器调节方法。 6．强调实验中要注意的问题 1) 换液晶板内部线路容易折断，插拔液晶板时务必小心； A B C D E a b c d e f

校准透过率100%，必须先将液晶供电电压显示调到0.00V，再按2）住“透过率校准”按钮3秒钟：3）若透过率示值波动，检查实验仪是否错置为闪烁状态；时间响应特性重点测绘响应信号的完整沿下降和上升沿，并测绘4)驱动信号的上升沿和下降沿。三、学生的实验开始(120分钟)四、指导实验1.学生开始测量液晶光开关的电光特性或时间响应特性时，注意观察液晶板是处在0度位置，以便及时纠正学生错误；2.在测量时间响应特性时，数字存储示波器的使用要加强指导；测量时间响应特性时，经常有测量范围没有包含完整下降沿或上3.升沿，或测漏驱动信号，要注意巡视指导。五、检查实验的结果，签字1.查看学生所调出时间响应曲线波形，检查响应信号下降、上升沿是否测量完整，驱动信号上升下降沿时间间隔是否正确：2.#检查视角特性实验数据是否有对称性，水平特性有宽视角，竖直特性视角很窄。3.液晶显示器的显示原理实验，液晶板上是否组成一个自设的图案或文字。六、实验小结（实验结束前的15分钟）1.验中有哪些影响测量准确度的因素？2.元电光特性、视角特性测量由于原理容易理解操作相对简单，出错概率很小：时间响应曲线测量问题相对较多：响应信号下降、上升沿测量不3.日完整，驱动信号楼测，驱动信号上升、下降时间间隔不准确等。课1.液晶光开关國值电压和关断电压的差值是否越大越好？为什么？后思2.图2的曲线表示了液晶光开关的透过率和时间的响应关系，而实验测得却是电压和时考间的响应关系，如何将电压转换为透过率。题

2) 校准透过率 100％，必须先将液晶供电电压显示调到 0.00V，再按 住“透过率校准”按钮 3 秒钟； 3) 若透过率示值波动，检查实验仪是否错置为闪烁状态； 4) 时间响应特性重点测绘响应信号的完整沿下降和上升沿，并测绘 驱动信号的上升沿和下降沿。 三、学生的实验开始 (120 分钟) 四、指导实验 1. 学生开始测量液晶光开关的电光特性或时间响应特性时，注意观 察液晶板是处在 0 度位置，以便及时纠正学生错误； 2. 在测量时间响应特性时，数字存储示波器的使用要加强指导； 3. 测量时间响应特性时，经常有测量范围没有包含完整下降沿或上 升沿，或测漏驱动信号，要注意巡视指导。 五、检查实验的结果,签字 1. 查看学生所调出时间响应曲线波形，检查响应信号下降、上升沿 是否测量完整，驱动信号上升下降沿时间间隔是否正确； 2. 检查视角特性实验数据是否有对称性，水平特性有宽视角，竖直 特性视角很窄。 3. 液晶显示器的显示原理实验，液晶板上是否组成一个自设的图案 或文字。 六、实验小结 （实验结束前的 15 分钟） 1. 验中有哪些影响测量准确度的因素？ 2. 电光特性、视角特性测量由于原理容易理解操作相对简单，出错 概率很小； 3. 时间响应曲线测量问题相对较多：响应信号下降、上升沿测量不 完整，驱动信号楼测，驱动信号上升、下降时间间隔不准确等。 课 后 思 考 题 1. 液晶光开关阈值电压和关断电压的差值是否越大越好？为什么？ 2. 图 2 的曲线表示了液晶光开关的透过率和时间的响应关系，而实验测得却是电压和时 间的响应关系，如何将电压转换为透过率

参考赵黎王丰主编，1．《大学物理实验》，复日大学出版社，出版时间2014年6月文献本实验使用PPT演示教学。内容包括：板一实验目的书内1.4学习液晶光开关的基本工作原理：容2.测量液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性；3.应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理。重点与难点二1、液晶光开关的原理：2、液晶光开关时间响应特性测量。实验原理=1.液晶光开关的原理TN型液晶（TwistedNematic，扭曲向列型）入射的自偏振片PL光波导已扭曲排列的液晶分子具被电场拉有光波导效4偏振片P2出射液晶光开关的特性2. 1)电光特性：透过率随电压升而下降驱动电压为零时的透过率定为100%：透过率为90%时的驱动电压为阈值电压：透过率为10%时的驱动电压为关断电压

参 考 文 献 1.《大学物理实验》， 赵黎 王丰 主编， 复旦大学出版社，出版时间 2014 年 6 月 板 书 内 容 本实验使用 PPT 演示教学。内容包括： 一 实验目的 1. 学习液晶光开关的基本工作原理； 2. 测量液晶光开关的电光特性、时间相应特性和视角特性； 3. 应用图像矩阵了解液晶显示器的显示原理。 二 重点与难点 1、 液晶光开关的原理； 2、液晶光开关时间响应特性测量。 三 实验原理 1. 液晶光开关的原理 TN 型液晶 (Twisted Nematic，扭曲向列型) 2. 液晶光开关的特性 1) 电光特性：透过率随电压升而下降 驱动电压为零时的透过率定为 100%； 透过率为 90%时的驱动电压为阈值电压； 透过率为 10%时的驱动电压为关断电压。 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

透过率T/%12010080阅值电压：1.20V60关断电压：1.80V4020电压V05023412）时间响应特性：光开关反应速度t透过率90%10%由透过率曲线得上升时间Tr和下降时间Td寻找几名优秀的学生视角特性：表示对比度与视角的关系3)在完成实验后研究拓展实验的题目对比度：光开关打开和关断时透射光强之比对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像模糊不清。4液晶显示器驱动原理：时分动态扫描驱动下图的液晶光开关矩阵，按行A，B，….依次加驱动电压按列加

2) 时间响应特性：光开关反应速度 由透过率曲线得上升时间τr 和下降时间τd 。 3) 视角特性：表示对比度与视角的关系 对比度：光开关打开和关断时透射光强之比。 对比度大于 5 时，可以获得满意的图像，对比度小于 2，图像模 糊不清。 4) 液晶显示器驱动原理：时分动态扫描 驱动下图的液晶光开关矩阵，按行 A，B，.依次加驱动电压， 按列加 寻找几名优秀 的学生 在完成实验后 研究拓 展实验的题目

(a)(b)四实验的过程设计可以按一下步骤完成本次实验操作：液晶光开关电光特性测量；I.液晶光开关视角特性测量：2.3.液晶光开关时间响应特性测量；液晶显示器显示原理实验。4.五实验的拓展1.用数字存储示波器的功能直接测量液晶光开关的开通和关断时间；2．信号电平改变，液晶光开关的关断和开通时间有何变化？为什么？3.如果要在液晶显示器上显示有灰度等级的图像，如何进行驱动？简介用Excel处理数据六表格：并作图略七实验报告的要求：1.用Excel处理实验数据并作图：2.根据电光特性曲线确定液晶光开关的阈值电压和关断电压：3.根据时间响应曲线确定液晶光开关的开通时间和关断时间；误差分析与问题的讨论。4.八黑板备用

四 实验的过程设计 可以按一下步骤完成本次实验操作： 1. 液晶光开关电光特性测量； 2. 液晶光开关视角特性测量； 3. 液晶光开关时间响应特性测量； 4. 液晶显示器显示原理实验。 五 实验的拓展 1. 用数字存储示波器的功能直接测量液晶光开关的开通和关断时 间； 2. 信号电平改变，液晶光开关的关断和开通时间有何变化？为什 么？ 3. 如果要在液晶显示器上显示有灰度等级的图像，如何进行驱动？ 六 表格： 略 七 实验报告的要求： 1. 用 Excel 处理实验数据并作图； 2. 根据电光特性曲线确定液晶光开关的阈值电压和关断电压； 3. 根据时间响应曲线确定液晶光开关的开通时间和关断时间； 4. 误差分析与问题的讨论。 八 黑板备用 简介用 Excel 处理数据 并作图

《物理实验》教案（液晶电光效应及其应用）龙作友武汉理工大学物理实验中心

《物理实验》教案 （液晶电光效应及其应用） 龙作友 武汉理工大学物理实验中心