《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）液晶电光效应及其应用

第5章设计性与应用性实验:247.成像操作：对采集的数据进行成像处理，处理的时候可以移动调整门限来调整成像图，信号放大／信号减小：对接收信号的显示强度进行放大和缩小，串口通信：用于启动和关闭通信口，启动后串口状态显示“END”，关闭后显示“Close！！”坐标点一/坐标点二：显示坐标点的具体坐标，分别对应时间和距离，表示该时刻超声传感器扫过物体时对应的垂直距离，平均速度：两坐标点之间的平均速度.回波时间：显示发射脉冲波到接收回波之间的时间5.7液晶电光效应及其应用【引言】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，偶极子会接电场方向取向，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发现厂液晶的一系列电光效应，并制成厂显示器件从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.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【实验原理】1.液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，本实验以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，其光开关的结构如图5-7-1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子，其形状如同火柴棍一样，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凡尔斯力的作用，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真，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极到下电极均匀扭曲了90°如图5-7-1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的液晶分子传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90°.取两张偏振片P1、P2贴在玻璃的两面，其透光轴分别与上下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交

成像操作:对采集的数据进行成像处理,处理的时候可以移动调整门限来调整成像图. 信号放大/信号减小:对接收信号的显示强度进行放大和缩小. 串口通信:用于启动和关闭通信口,启动后串口状态显示“END暠,关闭后显示“Close!! 暠. 坐标点一/坐标点二:显示坐标点的具体坐标,分别对应时间和距离,表示该时刻超声传感器扫过物体时 对应的垂直距离. 平均速度:两坐标点之间的平均速度. 回波时间:显示发射脉冲波到接收回波之间的时间. 5.7 液晶电光效应及其应用 暰引言暱 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. 暰实验目的暱 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. 暰实验原理暱 1.液晶光开关的工作原理 液晶的种 类 很 多,本 实 验 以 常 用 的 TN(扭 曲 向 列)型 液 晶 为 例,其 光 开 关 的 结 构 如 图5灢7灢1所示.在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶分子,其形状如同火柴棍一样,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到下电极均匀扭曲了90曘.如图5灢7灢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 面透过扭曲排列的液晶分子传播到下电极表面时,偏振方向会旋转90曘.取两张偏振片 P1、P2贴 在玻璃的两面,其透光轴分别与上下电极的定向方向相同,于是P1和P2的透光轴相互正交. 第5章 设计性与应用性实验 ·247·

大学物理实验:248:入射的自然光偏振片P1扭曲排列的液光波导已被晶分子具有光电场拉伸波导效应LIN偏振片P2出射光5-7-1液晶光开关的工作原理在未加驱动电压的情况，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），在静电场的作用下，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，成了均勾结构，如图5-7-1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.上述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.液晶光开关的特性透过率T(%)（1）电光特性100闵值电压图5-7-2为光线垂直液晶面入射时本实80验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透60射率为100%）与外加电压的关系，40由图可见，对于常白模式的液晶，其透20关新电压电压(V)射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定→3+电压下达到最低点，此后略有变化：可以根123A56图5-7-2液晶光开关的电光特性曲线据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压（透过率为90%时的驱动电压）和关断电压（透过率为10%时的驱动电压）液晶的电光特性曲线越陡，即阅值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多.TN型液晶最多允许16路驱动，故常用于数码显示.在电脑，电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用STN（超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数（2）时间响应特性加上（或去掉）驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间t，和下降时间t。描述，给液晶开关加上一个如图5-7-3上图所示的周期性变化的电压，就可以得到下图所示液晶的时

5灢7灢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曘,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),在静电场的作用下,除了基片附近的液晶分子 被基片“锚定暠以外,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5灢7灢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. 上述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 图5灢7灢2 液晶光开关的电光特性曲线 (1)电光特性 图5灢7灢2为光线垂直液晶面入射时本实 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 (透过率为90% 时的驱动电压)和关断电压(透过率为10% 时的驱动电压). 液晶的电光特性曲线越陡,即阈值电压与关断电压的差值越小,由液晶开关单元构成的显 示器件允许的驱动路数就越多.TN型液晶最多允许16路驱动,故常用于数码显示.在电脑,电 视等需要高分辨率的显示器件中,常采用STN(超扭曲向列)型液晶,以改善电光特性曲线的 陡度,增加驱动路数. (2)时间响应特性 加上(或去掉)驱动电压能使液晶的开关状态发生改变,是因为液晶的分子排序发生了改 变,这种重新排序需要一定时间,反映在时间响应曲线上,用上升时间氂r 和下降时间氂d 描述. 给液晶开关加上一个如图5灢7灢3上图所示的周期性变化的电压,就可以得到下图所示液晶的时 ·248· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验：249间响应曲线，上升时间（透过率由10%升到90%所需时间）和下降时间（透过率由90%降到10%所需时间）.VA透过率490%10%tkT.图5-7-3液晶光开关时间响应特性曲线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，早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果，（3）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5-7-4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°90°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，300240图5-7-4液晶光开关视角特性可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性.若我们把具有图5-7-4所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220°方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏，则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视3个方向，垂直视角接近60度时对比度为5，观看效果较好.在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差，3.液晶光开关图像显示矩阵的原理液晶显示器通过对外部光源的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最

间响应曲线,上升时间(透过率由10% 升到90% 所需时间)和下降时间(透过率由90% 降到 10% 所需时间). 图5灢7灢3 液晶光开关时间响应特性曲线 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.早期的液 晶显示器在这方面逊色于其它显示器,现在通过结构方面的技术改进,已达到很好的效果. (3)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5灢7灢4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曘,60曘和90曘.90曘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. 图5灢7灢4 液晶光开关视角特性 可以看出,液晶的对比度与垂直与水平视角都有关,而且具有非对称性.若我们把具有 图5灢7灢4所示视角特性的液晶开关逆时针旋转,以220曘方向向下,并由多个显示开关组成液晶 显示屏,则该液晶显示屏的左右视角特性对称,在左,右和俯视3个方向,垂直视角接近60度 时对比度为5,观看效果较好.在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低,观看效果差. 3.液晶光开关图像显示矩阵的原理 液晶显示器通过对外部光源的开关控制来完成信息显示任务,为非主动发光型显示,其最 第5章 设计性与应用性实验 ·249·

大学物理实验:250:大的优点在于能耗极低.正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位利用液晶光开关来形成图形和图像的矩阵显示原理，是把图5-7-5左图所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，为行电极，而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，为列电极，两块玻璃片面对面组合起来，将液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒，为了表示方便，将电极玻璃片抽象为横线和竖线，如图5-7-5右图所示NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNABCDE3图5-7-5液晶光开关组成的矩阵式图形显示器矩阵型显示器的工作方式为扫描方式，若要显示右图的那些有方块的像素，首先在第A行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极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行的那些带有方块的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，同时在列电极的对应电极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，以此类推，最后显示出一整场的图像.这种工作方式称为扫描方式，这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式，依这种方式，可以让每二个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像【实验仪器】1.液晶光开关电光特性综合实验仪该仪器外部结构如图5-7-6所示，各个按钮的功能：模式转换开关：切换液晶的静态和动态（图像显示）两种工作模式，在静态时，所有的液晶单元所加电压相同，在动态时，每个单元所加的电压由开关矩阵控制.同时，当开关处于静态时发射器光源会自动打开，动态时关闭：静态闪烁／动态清屏切换开关：在静态时，此开关可以切换到闪烁和静止两种方式：在动态时，此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点：供电电压显示：显示加在液晶板上的电压，范围在0.00V～7.60V之间；供电电压调节按键：改变加在液晶板上的电压，调节范围在0V～7.6V之间.其中单击十按键（或一按键）可以增大（或减小)0.01V.一直按住十按键（或一按键）2秒以上可以快速增大（或减小）供电电压，但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压：透过率显示：显示光透过液晶板后光强的相对百分比：透过率校准接键：当供电电压为0V时，透过率显示如果大于“250”，则接按住该键3秒可以将透过率校准为100%；如果供电电压不为0，或显示小于“250”，则该按键无效，不能校准透过率；

大的优点在于能耗极低.正因为如此,液晶显示器在便携式装置的显示方面,例如电子表、万用 表、手机、传呼机等具有不可代替地位. 利用液晶光开关来形成图形和图像的矩阵显示原理,是把图5灢7灢5左图所示的横条形状的 透明电极做在一块玻璃片上,为行电极,而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上,为列电极. 两块玻璃片面对面组合起来,将液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒.为了表示方便,将电 极玻璃片抽象为横线和竖线,如图5灢7灢5右图所示. 图5灢7灢5 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器 矩阵型显示器的工作方式为扫描方式.若要显示右图的那些有方块的像素,首先在第 A 行加上高电平,其余行加上低电平,同时在列电极的对应电极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行的那些带有方块的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,同时在列电极的对应电极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 .,以此类推,最后显示出 一整场的图像.这种工作方式称为扫描方式. 这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式,依这种方式,可以让每一个 液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过,从而显示出任意文字、图形和图像. 暰实验仪器暱 1.液晶光开关电光特性综合实验仪 该仪器外部结构如图5灢7灢6所示,各个按钮的功能: 模式转换开关:切换液晶的静态和动态(图像显示)两种工作模式.在静态时,所有的液晶 单元所加电压相同,在动态时,每个单元所加的电压由开关矩阵控制.同时,当开关处于静态时 发射器光源会自动打开,动态时关闭; 静态闪烁/动态清屏切换开关:在静态时,此开关可以切换到闪烁和静止两种方式;在动 态时,此开关可以清除液晶屏幕因按动开关矩阵而产生的斑点; 供电电压显示:显示加在液晶板上的电压,范围在0.00V ~7.60V 之间; 供电电压调节按键:改变加在液晶板上的电压,调节范围在0V ~7.6V 之间.其中单击 + 按键(或 - 按键)可以增大(或减小)0.01V.一直按住 + 按键(或 - 按键)2秒以上可以快速增 大(或减小)供电电压,但当电压大于或小于一定范围时需要单击按键才可以改变电压; 透过率显示:显示光透过液晶板后光强的相对百分比; 透过率校准按键:当供电电压为0V时,透过率显示如果大于“250暠,则按住该键3秒可以将 透过率校准为100%;如果供电电压不为0,或显示小于“250暠,则该按键无效,不能校准透过率; ·250· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验251液晶驱动输出：接存储示波器，显示液晶的驱动电压，一般接CH1通道：光功率输出：接存储示波器，显示液晶的时间响应曲线：一股接CH2通道：发射器：为仪器提供较强的光源；液晶板：本实验仪器的测量样品；接收器：将透过液晶板的光强信号转换为电压信号；开关矩阵：此为16×16的按键矩阵，用于液晶的显示功能实验；液晶转盘：承载液晶板一起转动，用于液晶的视角特性实验发射器液晶板接收器模式转换开关液晶转盘开关矩阵静态闪烁/动态清屏液晶驱动输出供电电压显示【供电电压调节P光功率输出成看世纪透过率显示透过率校准扩展接口图5-7-6液晶光开关电光特性综合实验仪2.数字存储示波器在进行液晶光开关时间响应特性实验时需要用到数字存储示波器，其操作面板如图5-7-7所示.功能按键OO5?CE8C一O垂直屏幕水平待测信同步控制键盘控制控制号输入图5-7-7数字存储示波器在测量液晶光开关的时间响应特性的实验中将用到该示波器的光标测量功能，其基本操作如下：

液晶驱动输出:接存储示波器,显示液晶的驱动电压,一般接 CH1通道; 光功率输出:接存储示波器,显示液晶的时间响应曲线,一般接 CH2通道; 发射器:为仪器提供较强的光源; 液晶板:本实验仪器的测量样品; 接收器:将透过液晶板的光强信号转换为电压信号; 开关矩阵:此为16暳16的按键矩阵,用于液晶的显示功能实验; 液晶转盘:承载液晶板一起转动,用于液晶的视角特性实验. 图5灢7灢6 液晶光开关电光特性综合实验仪 2.数字存储示波器 在进行液晶光开关时间响应特性实验时需要用到数字存储示波器,其操作面板如图5灢7灢7 所示. 图5灢7灢7 数字存储示波器 在测量液晶光开关的时间响应特性的实验中将用到该示波器的光标测量功能,其基本操 作如下: 第5章 设计性与应用性实验 ·251·

·252.大学物理实验调出光标：通过功能按键的“光标”切换光标显示或不显示：光标模式：通过屏幕按键的“X→Y”切换X光标模式或Y光标模式：选择通道：通过屏幕按键的信源”切换测量CH1或CH2信号：选中光标：通过屏幕按键对应的选择来选中光标1、光标2或同时选中两个移动光标：通过功能按键左侧的“多功能控制”旋钮移动当前选中的光标；读取数据：在屏幕右侧所对应的光标窗口下显示某光标与所选择通道信号交点的坐标值（时间、电压）以及两个交点的坐标差值【实验内容】1.实验前准备工作将液晶板金手指1（图5-7-8）即水平方向插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对光源发射方向，将角度盘对准0刻度：打开电源开关，选择模式开关为静态模式，使光源预热10分钟左右；请勿调整发射器和接收器方向，如发现方向没对准请报告老师：在静态0V供电电压条件下，将透过率校准为“100%”IIDSB多发翠之垂直方向（金手指2）水平方向（金手指1）图5-7-8液晶板方向示意图（视角为正视液晶凸起面）2.液晶光升关电光特性实验按表5-7-1的数据改变供电电压，记录相应电压下的透过率数值，重复3次实验表 5-7-1液晶光开关的电光特性电压U(V)0.50.81.31.41.55.01透过2率T3(%)平均3.液晶光开关的时间响应特性实验（1）将液晶实验仪的液晶驱动输出接人示波器的CH1通道，光功率输出接人CH2通道；（2）重新校准透过率，然后再将电压调到2.00V，通过矩阵按键最右上角的按键便液晶变为闪烁状态；（3）打开示波器电源，依次按下功能按键的“存储调出”、屏幕按键的“初始设置”并调整

调出光标:通过功能按键的“光标暠切换光标显示或不显示; 光标模式:通过屏幕按键的“X曻 Y暠切换 X光标模式或 Y 光标模式; 选择通道:通过屏幕按键的“信源暠切换测量 CH1或 CH2信号; 选中光标:通过屏幕按键对应的选择来选中光标1、光标2或同时选中两个; 移动光标:通过功能按键左侧的“多功能控制暠旋钮移动当前选中的光标; 读取数据:在屏幕右侧所对应的光标窗口下显示某光标与所选择通道信号交点的坐标值 (时间、电压)以及两个交点的坐标差值. 暰实验内容暱 1.实验前准备工作 将液晶板金手指1(图5灢7灢8)即水平方向插入转盘上的插槽,液晶凸起面必须正对光源发 射方向,将角度盘对准0刻度; 打开电源开关,选择模式开关为静态模式,使光源预热10分钟左右; 请勿调整发射器和接收器方向,如发现方向没对准请报告老师; 在静态0V 供电电压条件下,将透过率校准为“100%暠. 图5灢7灢8 液晶板方向示意图(视角为正视液晶凸起面) 2.液晶光开关电光特性实验 按表5灢7灢1的数据改变供电电压,记录相应电压下的透过率数值,重复3次实验. 表5灢7灢1 液晶光开关的电光特性 电压U(V) 0 0.5 0.8 1.0 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 3.0 4.0 5.0 透过 率T (%) 1 2 3 平均 3.液晶光开关的时间响应特性实验 (1)将液晶实验仪的液晶驱动输出接入示波器的CH1通道,光功率输出接入CH2通道; (2)重新校准透过率,然后再将电压调到2.00V,通过矩阵按键最右上角的按键使液晶变 为闪烁状态; (3)打开示波器电源,依次按下功能按键的“存储/调出暠、屏幕按键的“初始设置暠并调整 ·252· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验253“水平档位”旋钮为250ms（屏幕下方显示），通过功能按键的“运行/停止”来捕获波形（显示完整的上升、下降沿）（4）用X光标模式描点测绘曲线：①测量驱动信号上升、下降沿的横坐标并填入表5-7-2；②按10ms一个步距移动光标测量响应信号上升、下降沿坐标值（电压、时间），要求覆盖响应信号完整的上升、下降沿，将数据填入表5-7-3（可根据需要酌情扩展表格）（5）测量响应信号的上升时间和下降时间：①通过功能按键的“运行/停止”使波形重新运行：②取消光标显示，按下功能按键的“测量”，在屏幕右下角“上升时间（或下降时间）”读出通道“2”的数据；按下该屏幕按键，切换显示之后按下屏幕按键的“时间设置”，通过“多功能控制”选择“FallTime（或RiseTime）”，返回上页”读取数据；③重复3次测量，将数据填入表5-7-4表5-7-2驱动信号上升沿和下降沿数据上升沿横坐标ms下降沿横坐标ms表5-7-3响应信号上升沿和下降沿描点数据横坐标t（ms)升沿纵坐标U(mV)-下横坐标t（ms）降沿纵坐标U(mV）表5-7-4示波器测得的响应时间上升时间ms下降时间ms123平均4.液晶光开关的视角特性实验水平方向视角特性：重新校准透射率为100%；在0V电压下按表5-7-5的角度调节液晶转盘，依次记录下对应的透过率到Tmx行：将供电电压调到2.00V，按照同样的步骤依次记录数据到Tmim行表5-7-5水平方向视角特性数据角度0（度）70102030506030201070605040040Tmx (%)Tmn(%)对比度R

“水平档位暠旋钮为250ms(屏幕下方显示),通过功能按键的“运行/停止暠来捕获波形(显示 完整的上升、下降沿). (4)用 X 光标模式描点测绘曲线: 栙 测量驱动信号上升、下降沿的横坐标并填入表5灢7灢2; 栚 按10ms一个步距移动光标测量响应信号上升、下降沿坐标值(电压、时间),要求覆盖 响应信号完整的上升、下降沿,将数据填入表5灢7灢3(可根据需要酌情扩展表格). (5)测量响应信号的上升时间和下降时间: 栙 通过功能按键的“运行/停止暠使波形重新运行; 栚 取消光标显示,按下功能按键的“测量暠,在屏幕右下角“上升时间(或下降时间)暠读出 通道“2暠的数据;按下该屏幕按键,切换显示之后按下屏幕按键的“时间设置暠,通过“多功能控 制暠选择“FallTime(或RiseTime)暠,返回“上页暠读取数据; 栛 重复3次测量,将数据填入表5灢7灢4. 表5灢7灢2 驱动信号上升沿和下降沿数据 上升沿横坐标 ms 下降沿横坐标 ms 表5灢7灢3响应信号上升沿和下降沿描点数据 上 升 沿 横坐标t(ms) . 纵坐标U(mV) . 下 降 沿 横坐标t(ms) . 纵坐标U(mV) . 表5灢7灢4 示波器测得的响应时间 上升时间 ms 下降时间 ms 1 2 3 平均 4.液晶光开关的视角特性实验 水平方向视角特性: 重新校准透射率为100%; 在0V 电压下按表5灢7灢5的角度调节液晶转盘,依次记录下对应的透过率到Tmax 行; 将供电电压调到2.00V,按照同样的步骤依次记录数据到Tmin 行. 表5灢7灢5 水平方向视角特性数据 角度毴(度) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Tmax(%) Tmin(%) 对比度R 第5章 设计性与应用性实验 ·253·

大学物理实验:254:垂直方向视角特性：关闭液晶实验仪总电源，更换液晶板为垂直方向插入插槽，再次校准透射率为100%：参照水平方向的测量方法记录数据到表5-7-6中，表 5-7-6垂直方向视角特性数据角度0（度）50560-50-40-3201060305010203040Tmx(%)Tmin(%)对比度R5.液晶的图像显示原理实验将模式转换开关置于动态模式.液晶供电电压调到5.00V.转动液晶面板转盘使液晶板正面朝向实验者.通过矩阵按键关断（或打开）液晶板上某个光开关来组合成图像或文字按授课老师的要求在液晶板上显示出图像并请老师检查【数据处理】1.根据液晶光开关电光特性实验数据计算各平均值，以透过率T平均值为纵坐标，供电电压U为横坐标绘制电光特性U～T曲线；2.根据液晶光开关的时间响应特性实验表5-7-2和5-7-3数据绘制驱动信号和响应信号的t～U曲线；在t～U曲线上读出响应曲线的上升时间和下降时间（以响应曲线的高电平为100%计算）填人表5-7-7；计算表5-7-4的响应时间平均值；比较两种方式测得的响应时间大小；表5-7-7曲线测得的响应时间上升时间ms下降时间ms3.根据液晶光开关的视角特性实验实验所测得的数据分别绘制水平视角、垂直视角特性Q~R曲线，【注意事项】1.校准透过率100%时，必须将液晶供电电压显示调到0.00V，且不要长时间按住“透过率校准”按钮；2.在首次调节透过率100%时，如果透过率显示不稳定，则可能是光源预热时间不够：3.更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏液晶板；4.液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向，否则实验记录的数据为错误数据5，切勿调节光发射器和接收器，如需请报告老帅【预习思考题】1.通过液晶光开关的工作原理可以知道，当给一块液晶板上的所有光开关都加上足够电压时，液晶板看上去是深色还是浅色？为什么？2.液晶响应的上升时间和下降时间是指什么？这两个时间的大小和液晶板的性能有何关系？3.在测量液晶视角特性的实验中，为什么要更换液晶面板的方向测两组数据？【讨论思考题】

垂直方向视角特性: 关闭液晶实验仪总电源,更换液晶板为垂直方向插入插槽,再次校准透射率为100%; 参照水平方向的测量方法记录数据到表5灢7灢6中. 表5灢7灢6 垂直方向视角特性数据 角度毴(度) -60 -50 -40 -30 -20 -10 -5 0 5 10 20 30 40 50 60 Tmax(%) Tmin(%) 对比度R 5.液晶的图像显示原理实验 将模式转换开关置于动态模式.液晶供电电压调到5.00V.转动液晶面板转盘使液晶板 正面朝向实验者.通过矩阵按键关断(或打开)液晶板上某个光开关来组合成图像或文字. 按授课老师的要求在液晶板上显示出图像并请老师检查. 暰数据处理暱 1.根据液晶光开关电光特性实验数据计算各平均值,以透过率T平均值为纵坐标,供电电 压U 为横坐标绘制电光特性U ~T 曲线; 2.根据液晶光开关的时间响应特性实验表5灢7灢2和5灢7灢3数据绘制驱动信号和响应信号 的t~U 曲线; 在t~U 曲线上读出响应曲线的上升时间和下降时间(以响应曲线的高电平为100% 计 算)填入表5灢7灢7;计算表5灢7灢4的响应时间平均值;比较两种方式测得的响应时间大小; 表5灢7灢7 曲线测得的响应时间 上升时间 ms 下降时间 ms 3.根据液晶光开关的视角特性实验实验所测得的数据分别绘制水平视角、垂直视角特性 毴~R 曲线. 暰注意事项暱 1.校准透过率100% 时,必须将液晶供电电压显示调到0.00V,且不要长时间按住“透过 率校准暠按钮; 2.在首次调节透过率100% 时,如果透过率显示不稳定,则可能是光源预热时间不够; 3.更换液晶板方向时,务必断开总电源后,再进行插取,否则将会损坏液晶板; 4.液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向,否则实验记录的数据为错误数据. 5.切勿调节光发射器和接收器,如需请报告老师. 暰预习思考题暱 1.通过液晶光开关的工作原理可以知道,当给一块液晶板上的所有光开关都加上足够电 压时,液晶板看上去是深色还是浅色? 为什么? 2.液晶响应的上升时间和下降时间是指什么? 这两个时间的大小和液晶板的性能有何 关系? 3.在测量液晶视角特性的实验中,为什么要更换液晶面板的方向测两组数据? 暰讨论思考题暱 ·254· 大学物理实验

第5章设计性与应用性实验:255.1.时间响应特性实验中驱动信号高电平为2V，若增大到5V，响应曲线及其响应时间会有哪些变化？为什么？2.通过两种测量响应时间的方法可以看出其结果大小存在差异，请分析造成这种差异的主要原因.【拓展阅读】[1]王庆凯，吴杏华，王殿元，孙光厚，王佃文.2007.扭曲向列相液晶电光效应的研究。物理实验.12期[2]］靳鹏飞.2013.液晶电光特性研究.应用光学.第1期.5.8混沌通讯【引言】牛顿力学最显著的特征之一就是确定性，即只要给出系统的初始条件，描述系统的运动方程就有唯一确定的一组解，与确定论系统的行为方式显著不同的是随机性运动，如液体中花粉颗粒的无规则运动.然而自然界中最常见的运动形态，往往既不是完全确定的，也不是完全随机的，而是介于二者之间.对这类运动，很长时间没有恰当的描述体系.1963年，美国气象学家Lorenz在分析天气预报模型时，首先发现空气动力学中的混沌现象.混沌现象的理论为更好地了解自然界提供了一个很好的框架.20世纪混沌的发现和混沌学的建立，同相对论和量子论一样，是对牛顿确定性经典理论的重大突破，为人类观察物质世界打开一个新的窗口混沌现象是指在确定论系统中产生的随机性行为.随着混沌理论研究的不断深入，混沌保密通讯成为现代通讯技术中的前沿课题.混沌同步是混沌通讯的关键问题，混沌系统的同步已成为非线性复杂性科学研究的重要内容.由于混沌信号具有非周期性、类噪声、宽频带和长期不可预测等特点，所以特别适用于保密通信领域.混沌保密通信的基本思想是把要传送的信息按照某种方式加载到一个由混沌系统产生的混沌信号上，实现对信息的隐藏.信号经信道发送到接收端后，由一二相同的混沌系统重构出混沌信号，进面解调出混合信号所携带的信息本实验将通过蔡氏电路，观察振动周期的分岔与混沌现象，测量非线性电阻的伏安特性曲线，从而了解非线性电路中的混沌现象.通过混沌同步电路实验、混沌键控实验、混沌掩盖与解密实验了解混沌在通讯中的应用【实验目的】1.测量非线性电阻的伏安特性曲线2.调节并观察非线性电路振荡周期分岔现象和混沌现象3.调试并观察混沌同步波形4.用混沌电路方式传输键控信号5.用混沌电路方式实现传输信号的掩盖与解密。【实验原理】1.非线性电路中的混沌现象蔡氏电路原理图如图5-8-1所示，电感L，和电容C2组成一个损耗可以忽略的谐振回路，采用W，与C组成的移相器将振荡器产生的正弦信号移相输出，是为了使示波器两个通道输

1.时间响应特性实验中驱动信号高电平为2V,若增大到5V,响应曲线及其响应时间会 有哪些变化? 为什么? 2.通过两种测量响应时间的方法可以看出其结果大小存在差异,请分析造成这种差异的 主要原因. 暰拓展阅读暱 [1] 王庆凯,吴杏华,王殿元,孙光厚,王佃文.2007.扭曲向列相液晶电光效应的研究. 物理实验.12期. [2] 靳鹏飞.2013.液晶电光特性研究.应用光学.第1期. 5灡8 混沌通讯 暰引言暱 牛顿力学最显著的特征之一就是确定性,即只要给出系统的初始条件,描述系统的运动方 程就有唯一确定的一组解.与确定论系统的行为方式显著不同的是随机性运动,如液体中花粉 颗粒的无规则运动.然而自然界中最常见的运动形态,往往既不是完全确定的,也不是完全随 机的,而是介于二者之间.对这类运动,很长时间没有恰当的描述体系.1963年,美国气象学家 Lorenz在分析天气预报模型时,首先发现空气动力学中的混沌现象.混沌现象的理论为更好 地了解自然界提供了一个很好的框架.20世纪混沌的发现和混沌学的建立,同相对论和量子 论一样,是对牛顿确定性经典理论的重大突破,为人类观察物质世界打开了一个新的窗口. 混沌现象是指在确定论系统中产生的随机性行为.随着混沌理论研究的不断深入,混沌保 密通讯成为现代通讯技术中的前沿课题.混沌同步是混沌通讯的关键问题,混沌系统的同步已 成为非线性复杂性科学研究的重要内容.由于混沌信号具有非周期性、类噪声、宽频带和长期 不可预测等特点,所以特别适用于保密通信领域.混沌保密通信的基本思想是把要传送的信息 按照某种方式加载到一个由混沌系统产生的混沌信号上,实现对信息的隐藏.信号经信道发送 到接收端后,由一相同的混沌系统重构出混沌信号,进而解调出混合信号所携带的信息. 本实验将通过蔡氏电路,观察振动周期的分岔与混沌现象,测量非线性电阻的伏安特性曲 线,从而了解非线性电路中的混沌现象.通过混沌同步电路实验、混沌键控实验、混沌掩盖与解 密实验了解混沌在通讯中的应用. 暰实验目的暱 1.测量非线性电阻的伏安特性曲线. 2.调节并观察非线性电路振荡周期分岔现象和混沌现象. 3.调试并观察混沌同步波形. 4.用混沌电路方式传输键控信号. 5.用混沌电路方式实现传输信号的掩盖与解密. 暰实验原理暱 1.非线性电路中的混沌现象 蔡氏电路原理图如图5灢8灢1所示,电感L1 和电容C2 组成一个损耗可以忽略的谐振回路, 采用W1 与C1 组成的移相器将振荡器产生的正弦信号移相输出,是为了使示波器两个通道输 第5章 设计性与应用性实验 ·255·