液晶的光学特性及其应用

2013/12/22
by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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电场中的向列相液晶
当未加电场时，所有液晶分子的指向矢在水平面内； 当外加电场时，分子的指向矢发生偏转，沿电场方向排列。
2013/源自文库2/22
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向列相液晶的扭曲效应
液晶分子分层，指向矢呈螺 旋结构弱扭曲（胆甾相？）； 在外加电场作用下，分子可 相互穿越和自由旋转（向列 相！）。 未加电场时，线偏振光的光 矢量总是沿着分子指向矢方 向振动，表现旋光特性； 外加电场时，分子指向矢沿 电场方向排列，失去旋光性。 配合起偏器和检偏器，实现 光路的开关控制； 改变外加电场强度，可以调 节光透过率。
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MVA-LCD的改进型
PVA-LCD Patterned Vetical Alignment，垂直定向构型； 上下电极图形错位，形 成倾斜的电场，实现液 晶分子在动态情况下的 多象限偏转； 三星最先发布。 CPA-LCD Continuous Pinwheel Alignment ，连续焰火状 排列； 通过像素分割和电极图形的配置，形成倾斜向心的电场分布，液晶分子在 动态情况下呈连续的焰火状排列； 夏普最先发布。
VA-LCD显示原理
面板两侧的偏振片正交定向，静态时（未加电压），液晶分子垂直定向（Vertical Alignment，VA），入射线偏光的偏振态不发生变化，不能通过上侧偏振片； 动态时（外加电场），液晶指向矢偏转角度ϕ，产生双折射，入射线偏光分解为o 光和e光传输，被变换为椭圆偏振光，透过率取决于椭偏度，通过外加电场控制。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 12
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向列相液晶的双折射效应
单轴晶体中，当e光波矢量与光轴成夹角θ时，其折 射率如下：
n2
no ne
2 no sin 2 ne2 cos 2
向列相液晶中，在外部电场驱动下，液晶分子指向 矢（相当于晶体光轴方向）与电场成夹角θ，当e光 波法线与电场同向时，其折射率亦可以上式描述。 液晶分子的指向角 θ 取决于外加电场的大小，因此 其双折射是可以电控的，称为： ECB ， Electrically Controllable Birefringence ，电 控双折射。
MVA-LCD显示原理
VA-LCD 外加电场时，所有液晶分子偏向同一 侧，从不同角度观察，仍会产生色差。 MVA-LCD Multi-domain VA ，多象限垂直定向。 动态时，液晶分子偏向不同方向，减 小视角产生的色差； Fujitsu最先发布，四象限像素分割技 术，通过脊形微小突起结构，让液晶 分子在静态时获得一个倾斜的预定向， 动态时则沿此方向继续偏转； MVA技术同时提高了响应速度。
TN（Twisted Nematic）液晶显示原理
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扭曲向列相液晶的旋光特性
两片透光轴正交的偏振 片，没有光能够透过。 在二者之间放置一片透 光轴为45°方向的偏振 片，透过率为25%。 在二者之间放置 N 片透 光轴夹角为 θ/N 的偏振 片，透过率=>100%。 根据麦克劳林公式：
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扭曲向列相液晶的旋光特性
扭曲向列相液晶可等效于N层波片的叠 加，每层波片的厚度为液晶分子的线 度（~10-10m），液晶层总厚度为mm量 级，因此等效波片数N为107量级。 假设液晶层总的旋光角为 Θ=70°，则 相邻两层波片的光轴夹角约为θ=0.025″。 波片组的偏振分析比前述偏振片要复 杂得多，因为两个正交方向（快轴和 慢轴）的光场均能透过。 入射的x0方向线偏振光，沿着逐个波片 的快轴方向（ x1~xN ）分解（慢轴方向 为相对无穷小量），最终在Θ方向检测 到的光强为： 上述偏振光分析过程，难以得到解析解，已经用数值方法证明，N越大则 透过率越接近100%，当N>102时，近似精度已经足够。 扭曲向列相液晶的旋光特性，不属于法拉第旋光效应。
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可视角与对比度
NG
BEST
GOOD
评价标准：设置屏幕全黑，在大角度观察情况下，是否发生漏光，各个视 角视场是否均匀。 难以求全！
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软屏和硬屏
VA-LCD―静态时（全黑），液晶分子因触屏挤压而偏转，发生漏光， 可观察到光晕； IPS-LCD―触屏挤压不会引起液晶分子的偏转，无漏光现象； 非材质之硬，乃工作原理使然。
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参考文献
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唐建伟等，扭曲向列型液晶光阀旋光机理的等效模型，实验技术与管 理，25（1），2008，pp64-67
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TN-LCD的可视角问题
基于液晶扭曲效应的TN-LCD，动态时，液晶分子指向矢从水平转向垂直，偏转角 度取决于灰度水平。 在某个灰度水平下，从不同角度观察，亮度不同，因而在大视角下产生色差。 为解决可视角问题，MVA-LCD、IPS-LCD等广角液晶显示技术相继涌现。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 11
近晶相 透过率递减
胆甾相
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液晶中的诱导偶极子
在外部电场作用下，液晶分子中产生诱导偶极子； 继而诱导偶极子被外部电场驱动，使液晶分子发生偏转。
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正性和负性液晶
正性液晶 ― 诱导偶极子的 两极位于液晶分子长轴的 两端，因此当有外加电压 时，液晶分子的长轴趋向 于与电场方向平行。 负性液晶 ― 诱导偶极子的 两极位于液晶分子短轴的 两端，因此当有外加电压 时，液晶分子的长轴趋向 于与电场方向垂直。 介电各向异性越大，所需 驱动电压越低。
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向列相液晶的双折射效应
未加电压，指向矢平行于面板 加足够大电压，指向矢垂直于面板
未加电压情况下，等效于波片，入射线偏 光被变换为椭圆偏振光，可在水平面内控 加一定电压，指向矢与面板成一定倾角 制指向矢即光轴与入射光矢量的夹角，改 变椭偏度，此为IPS-LCD显示原理。 外加一定电压情况下，入射线偏光可分解 为 o光和 e光分别传输，产生相位差，被变 换为椭圆偏振光，可控制指向矢方向，调 节双折射系数 Δn ，改变椭偏度，此为 VALCD显示原理。 事实上，在第二种模式下， o光与 e光发生 微小的位移~1μm，但人眼分辨不出来。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 10
液晶的光学特性及其应用
万助军 华中科技大学光学与电子信息学院 zhujun.wan@gmail.com
液晶态
液晶态 ― 结晶态和液态之间的 一种形态，是一种在一定温度 范围内呈现既不同于固态、又 不同于液态的特殊物质态，它 既具有各向异性的晶体所特有 的双折射性，又具有液体的流 动性。 向列相 ― 分子指向相同，分子 可自由旋转和相互穿越。 近晶相 ― 分子指向相同且分层， 分子可绕长轴旋转但不能相互 向列相 穿越。 胆甾相 ― 分子分层，指向矢呈 螺旋结构偏转，具有旋光效应。
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IPS-LCD显示原理
IPS in Plane Switching，共面转换； 正负电极均位于下侧基板上； 静态和动态时，液晶分子指向矢均平行 于面板排列； 静态时，指向矢平行于下侧偏振片，无 双折射，入射线偏光的光矢量不变，不 能通过上侧偏振片； 动态时，在水平电场作用下，指向矢在 水平面内发生偏转，产生双折射（相当 于波片），入射线偏光被变换为椭圆偏 振光，部分通过上侧偏振片，控制电压 大小即可得到各种灰度等级； Hitachi最先发布，LG技术最领先。