液晶的物理光学性质

液晶的电阻率也是各向异性的，动态散 射就是利用此物理特性。
（3）光学折射率的各向异性
光学折射率的各向异性直接影响液晶器 件的光学特性，如能改变入射光的偏振状态 或偏振方向，能使入射光相应于左旋或右旋 进行反射或透射等，它对于液晶器件的电光 效应有着重要的决定作用。
（4）粘滞系数
粘滞系数也是各向异性的，它直接影响液 晶器件的响应速度，是液晶器件最重要的性 能参数之一。
2、马吕斯定律
一束自然光(光强为
I
)通过起偏器后，变
0
成线偏振光，然后通过一个检偏器，则透过
检偏I器后的光强 随检偏器透光轴的夹角而
变化，即：
I I 0COS 2
是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹
角。
分析：由马吕斯定律可知，当两偏振 器透光轴平行时，透射光强最大；当两偏振 器的透光轴互相垂直时，透射光强为零，没 有光从检偏器出射，此时检偏器处于消光位 置，从而实现黑白控制。
上图清晰地再现了寻常光和非常光在晶体中的 光路，如果保持入射光束的光强和方向不变，我 们去旋转晶体，会发生什么现象呢？
实验发现：当旋转晶体时寻常光的折射方向不 变，而非常光的折射方向随着旋转的方向而发生
改变，这说明了晶体对寻常光和非常光具有不同 的折射率，寻常光在晶体内各个方向的折射率相 等，光速相等，因此光的折射方向不变；而非常 光在各个方向的折射率不相等，光速也就不等， 因此光的折射方向发生变化 。
关于液晶分子在电场作用下分子再
排列的理论研究比较复杂，在这里只给出以
下结论：
f
E
1
｛ ＝2 K11
(n)2
K
22
(nn)2
K
33
(nn)2
(n•E)2｝
说明： f E 为液晶分子的自由能；
K11 (n)2 K22 (nn)2 K33 (nn)为2 形变常量；
(n•E)2 表达了液晶分子的指向矢与电场方向的
◆光矢量
麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波， 由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强 度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是 横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值 相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明： 在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E， 所以规定E为光矢量，我们把E的振动称为光振动， 光矢量E的方向就是光振动的方向。
1）液晶的概念：
它是相对晶体和 液体而言的，简单地 说，液晶是处于一种 介于晶体和液体之间 的物质，一方面它具 有象液体一样的流动 性和连续性，另一方 面又具有晶体的各向 异性。
2）液晶的分类：
从成分和出现中介相的物理条件来 看，液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶 两大类。
热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热 致液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时， 在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体， 热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为 向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶三大 类。
向列液晶：
它的分子排列成层，能上下、左右、 前后滑动，它具有明显的电学、光学各向异 性，加上其粘度较小，使向列相液晶成为目 前显示器件中应用最为广泛的的一类液晶。
近晶相液晶：
由棒状或条状分子组成，分子排列成层， 层内分子长轴互相平行，方向可以垂直于层 面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在 层内无序，可以自由平移，具有流动性，但 粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一 般不适宜制作显示器件。
LCD显示原理
1、液晶显示的物理光学知识 2、液晶显示基本原理 3、常见的液晶显示器件 4、液晶显示驱动技术 5、液晶显示器的选购与维护
1、液晶显示的物理光学知识 液晶的概念及其分类 液晶的物理性质 液晶的光学特性分析(***) 液晶分子的排列方式 液晶器件的电光响应(**)
§1液晶的概念及其分类
沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理 性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。
（1）介电各向异性
介电常数反映了在电场作用下介质极化
的程度，的数值可正可负，根据实验发现：
不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向 于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方 向）。
我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液 晶称为正性液晶（NP）；垂直于分子长轴的 那一类液晶称为负性液晶（Nn），这两类液 晶的电光效应是不同的，在大部分LCD显示 屏中，我们加入的是正性液晶。
排列情况；
我们知道：分子的自由能越小，则分子的物理 性质最稳定。
由上式最末一项可知，对于>0的正性液晶施
加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶
分子长轴（指向矢）会发生与电场E平行ຫໍສະໝຸດ Baidu再排列；
对于 <0的负性液晶施加某一强度以上的电场
时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会
发生与电场E垂直的再排列；
3、液晶的连续体理论
在分析液晶的物理性质时，忽略组成液 晶单个分子的行为，而把排列起来的液晶看 成是一个连续的介质，在外场作用下指向矢 将发生变化，去除外场后指向矢又恢复到原 来的起始状态，这一过程可以把液晶看成相 当于一个弹性连续体，并在外力的作用下产 生了弹性形变，这与弹簧的性质有些相似。 注意的是发生形变需要一定的时间才能完成， 这就产生了所谓的响应时间的概念。
1、当入射光是线偏振光（振动垂直于纸面），媒 质是液晶，光在晶体中如何传播呢？
我们知道自然光经波晶片双折射产生的o光和e 光，是两束光强各为入射光强一半的振动方向互相 垂直的偏振光。
当偏振光（o光或e光）经波晶片时也发生双折 射现象（不要认为只有自然光才能发生双折射，才 能分出o光和e光 ），同样产生产生o光和e光，其 光强的计算同样遵循马吕斯定律：
还是上面的实验，当我们旋转晶体至某 一方向时，发现寻常光的折射方向与非常光 的折射方向重合，我们把这一方向称为晶体 的光轴。
应当注意，光轴仅表示晶体内的一个 方向，不是一条确定的直线，在晶体内任何 一条与上述光轴平行的直线均为光轴，只含 有一个光轴的晶体称为单轴晶体。
下面我们来简单研究液晶相关的光学性质，主 要是分析线偏振光在液晶介质中的传播原理。
1、液晶的有序参量
向列相液晶是圆柱对称的，即体系中存在一根 轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称 为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于 平行于主轴方向。
为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为 整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序 参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系 数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器 件显示质量下降。
如果在外电场的作用下，由于液晶的 光学各向异性，使得偏振光在通过液晶盒时 透光轴发生变化，则检偏器出射的光便形成 具有灰度特征的图像，这就是液晶屏的基本 光学显示原理。
为什么液晶屏必须加偏振片呢？
这是因为液晶盒施加电压后会引起液 晶分子的重新排列，为了使这种重新排列被 检测到，变为可见的、为人眼所感知或实现 最大对比度，所以必须使用偏振片，当然加 上偏振片后会引起光的能量减少，致使亮度 会降低。
z
a
n
o s 1 (3cos2 1) y
2
x 各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1 液晶的有序参量S一般在0.3～0.8之间。
2、液晶的各向异性
液晶的分子一般都是刚性的棒状分子，由 于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，使 液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同 的性质，液晶分子是极性分子，由于分子间 的作用力，液晶分子集合在一起时，分子长 轴总是互相平行的，或有一个择优方向，液 晶分子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液 晶的指向矢。
◆自然光：
一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有 确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原 子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过 程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能 的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成 对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更 占优势，这种光就叫自然光。
大部分液晶显示器的工作原理都是以上述 理论为基础的：在外场作用下，液晶分子的排列方 向发生变化，进而影响液晶的光学性质，从而表现 出一定的视觉特性。
正型液晶施 加电场后分子长 轴发生与电场平 行的再排列。
负型液晶施 加电场后分子长 轴发生与电场垂 直的再排列。
§3液晶的光学特性分析(***)
1、光的偏振性
值得注意的是，这种偏振光的各方向振 动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与 部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全 偏振光。
圆偏振光和椭圆偏振光：
这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平 面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋)，如 果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振 光；如果光矢量端点的轨迹是一个椭圆，这种光 叫椭圆偏振光。
◆起偏器和检偏器
把自然光转化为线偏振光的过程叫做起偏， 用于这种转化的光学器件称为起偏器。
当自然光通过某些晶体时，晶体对两个相 互垂直的特定方向的振动吸收的程度不同，如果 能把某一方向的振动全部（或几乎全部）吸收， 而对另一方向的振动吸收很少（或根本不吸收）， 那么没有被吸收的振动透过晶体就形成了线偏振 光，具有这种性质的晶体称为二色性晶体。
3、晶体的双折射
某些晶体（比如液晶）具有一种特殊的 性质，当一束光入射于这些晶体时，会产生 两束折射光，这种现象称为双折射。
实验表明：两束折射光之一遵守通常的 折射定律，这一折射光称为寻常光，简称o 光；但另一束折射光不遵守折射定律，这一 折射光称为非常光，简称e光。
为进一步理解寻常光和非常光的概念，我们可 以作如下实验：
◆偏振光
线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内 只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光， 也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方 向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光 的振动面是固定不变的。
部分偏振光：
这是介于偏振光和自然光之间的一种偏 振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内， 各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。
能透过偏振片的振动方向叫做偏振片的透 光轴，注意的是，透光轴是一个方位，决不是一 条确定的直线。
偏振片不但可以起偏，而且也可以用来 判别光束是否为线偏振光，所以偏振片也可 以做为检偏器对光束进行检偏。
由于它几乎吸收了一个方向上的光振动， 因此光的能量损失也非常大，在50％以上， 这也是液晶显示器件光效率低的主要原因。
溶致液晶：
它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的 液晶态物质，肥皂水就是一种溶致液晶。
溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中， 与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知 觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、 生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受 重视。
溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。
§2液晶的物理性质
自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状 态会发生变化。例如阳光是自然光，但经天空漫射后 是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒， 在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结 果。
自然光的分解：
在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两 个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振 幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。
（2）电阻率和电导率
液晶的电阻率ρ的数量级一般为108～101 2Ωcm，它接近于半导体和绝缘体的边界。电 阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶纯 度的一个检测值，ρ小表示杂质离子较多， 也就是液晶的纯度差，一般当ρ<1010Ωcm时， 在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶 分子结构，直到失去液晶性能为止。
应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以 这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差， 但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成 为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动 的光强各为自然光光强的一半。
如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之 一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个 振动之一的一部分，则称为部分偏振光。
I O I sin2 I e I cos2
胆甾相液晶：
因其来源于胆甾醇衍生物而得名的，此 类液晶分子呈扁平状，排列成层，层内分子 互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层 的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向 排列成螺旋状结构。
胆甾相液晶在显示技术中十分有用，它 大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导 液晶在液晶盒内形成沿面180o、270o等扭曲 排列，制成超扭曲（STN）显示。