液晶既具有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又具有晶体的力、热、光、电、磁等物理性质。与液晶的光学和电学性质相关的物理参量有：

介电各向异性   ?由于液晶分子的长棒状结构，介电系数   包含两个分量，   和   ，   。   称为正性液晶，   称为负性液晶。   的极性将决定在外加电场中液晶分子的排列方向是平行于电场（正性）还是垂直于电场（负性）。

图1液晶的介电各向异性

光学各向异性 光在液晶中传播时，会发生双折射现象，产生寻常光（o光）和非寻常光（e光）， ，相当于单轴晶体。 的液晶称为光学正性液晶。由于折射率与光速成反比，因此光学正性的液晶平行于长轴方向的光速小于垂直方向。长棒状液晶几乎全部都是光学正性的液晶。若 ，则称之为光学负性液晶。实际上，折射率与介电常数满足如下关系 

其中， 和 是真空中的导磁率和介电常数。因此，光学正性的液晶就是正性液晶。 

偏振光入射正性液晶时有两种状况：偏振面平行液晶分子取向，折射率大，光速小；偏振面垂直液晶分子取向，折射率小，光速大。分子长轴的方向相当于液晶的光轴，与普通晶体材料的光轴类似。由于液晶是液体，其分子的排列方向易受外界条件的影响，即液晶的光轴可以随外界条件改变，使得液晶与一般晶体相比，具有更多的电光特性。

通常液晶材料被封装在两片涂有透明导电薄膜的玻璃中，玻璃的表面是经过特殊处理的（比如将玻璃表面，沿某一方向擦一下，液晶分子将沿此方向很规则的排列），液晶分子的排列将受表面的影响，这种装置称为液晶盒。图2显示了液晶沿经过特殊处理的表面，按照一定规律排列的典型情况。

1. 扭曲排列液晶的电光特性

在扭曲向列液晶（TN）中，从一个表面到另一个表面，液晶分子的排列方向刚好旋转了90度。实际上，也有两表面方向旋转角度大于90度的液晶，我们称之为超扭曲向列液晶（Super Twisted Nematic，STN）。

TN和STN液晶都具有很强的旋光特性。一般而言，线偏振光通过旋光物质后，其振动面的旋转角度 与旋光物质的厚度 成正比， 

其中， 为旋光本领（Optical Rotatory Power），又叫旋光率，与入射光的波长有关。以线偏振白光垂直入射液晶，透过液晶后，不同波长的光的偏振方向旋转的角度不同，从而使得某个波长的光无法透过检偏器，因此光屏上将看到这种颜色的补色。这种色散现象称为旋光色散。一般TN型液晶色散现象不明显，旋光率在可见光范围内几乎不变，因此所有光通过TN型液晶后都旋转90度，因此TN型液晶具有较好的对比度。本实验所采用的液晶盒是旋转角度为120度的STN，其旋光本领在可见光范围内变化较大，可以看到明显的旋光色散。其旋光本领可由下式给出， 

其中，为旋光本领，是长轴方向和短轴方向的介电常数之差，是液晶的螺距，是光在真空中的波长，是液晶的平均介电常数。在可见光范围内，的变化很小，因此可以认为液晶的旋光度正比于。

图3 显微镜下看到的液晶光栅	图4液晶光栅衍射图案

2. 液晶光栅

当我们以He-Ne激光器为光源时，重复光开关实验，我们发现，当缓慢增加电压至（）左右时，液晶将形成液晶光栅（如图3），产生光栅衍射。若迅速增加电压，可发现液晶会首先形成二维衍射图案，但这种图案并不稳定，经过一段时间以后（几分钟），液晶最终会形成稳定的衍射图案，如图4所示。由于液晶本身杂质和缺陷，液晶光栅的排列并不是绝对规则的，另外由于外界条件不稳定的影响，使得液晶的生长不能绝对沿某一方向，而在一定范围内都可以形成，相当于有多个沿不同方向排列的光栅，因此形成如图4的衍射图案。液晶生长条件控制得越好，其方向性越好，衍射图案越接近光栅衍射。

液晶的电光特性及应用

液晶显示的原理主要是基于光开关（如图1所示），若我们在加电压前两个偏振片刚好处于消光位置，当电压超过时，整个装置将由消光变为通光。同样，也可以先使检偏器处于通光位置，高电压时变为通光。通过电压可以控制液晶是透光还是不透光，比如通过控制7段数码管上的电压，可以分别显示0~9十个数字。当然，显示方式也有两种：白底黑字和黑底白字如图2所示。

图1液晶光开关工作原理	图2 TN型液晶的常白和常黑模式

图3 液晶光开关的电光特性曲线	图4液晶的响应时间曲线	图5液晶的视角特性

液晶光开关是由外加电压来控制的。液晶在电场作用下透光强度将发生变化，透光强度与外加电压的关系曲线称为电光曲线。我们以常白模式为例，当电压小于一定数值时，透过率基本不变，加到某一电压时，透光强度开始变化，随着电压的增加，透光强度减弱，当电压升到一定值后透光强度不再随外加电压变化了。图3给出了常白模式液晶的电光特性曲线。一般，我们将透光强度变化10%时的外加电压称为阈值电压，透光强度变化90%时的外加电压称为饱和电压。

液晶的透过率受电压的控制，但是，当电压改变时，液晶并不能立即改变其排列方式，而是有一个转变过程，这个过程需要的时间就叫响应时间。简单地说，也就是液晶由暗转亮（上升时间）或者是由亮转暗（下降时间）的反应时间，一般所指的16ms、8ms、4ms就是这两个时间之和。液晶的响应时间较长时，播放动画就会有严重的拖尾现象。

液晶透光强度的最大值与最小值之比称为对比度，如图4所示。对比度越高，显示效果越好。但是，视角不同，对比度也随之变化。一般情况下，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2时，图像就模糊不清了。

图5表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图中用与原点的距离表示垂直视角（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小，每个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（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图中的闭合曲线为等对比度曲线。由图可以看出，对比度与垂直与水平视角都有关，并且视角特性具有非对称性。

矩阵显示方式，是把图6（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极（常用表示），而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极（常用表示）。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的ITO电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极，如图6（b）所示。

欲显示图6（b）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，于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第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，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 …… ，余此类推，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。