液晶的物理光学性质

液晶显示器原理2020年9月27日11、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LCD显示原理液晶显示器原理2020年9月27日21、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(**)液晶显示器原理2020年9月27日3§1液晶的概念及其分类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。1）液晶的概念：液晶显示器原理2020年9月27日42）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。液晶显示器原理2020年9月27日5液晶显示器原理2020年9月27日6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。液晶显示器原理2020年9月27日7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。液晶显示器原理2020年9月27日8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。液晶显示器原理2020年9月27日9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。液晶显示器原理2020年9月27日10§2液晶的物理性质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。液晶显示器原理2020年9月27日11anyxzo)1cos3(212s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。液晶显示器原理2020年9月27日122、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。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。液晶显示器原理2020年9月27日13液晶显示器原理2020年9月27日14（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。液晶显示器原理2020年9月27日15（2）电阻率和电导率液晶的电阻率ρ的数量级一般为108～1012Ωcm，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ρ1010Ωcm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。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。液晶显示器原理2020年9月27日16（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。液晶显示器原理2020年9月27日173、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。液晶显示器原理2020年9月27日18Ef21)()()()(2233222211EnnnnnnKKKEf)()()(233222211nnnnnKKK)(2En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：＝｛｝说明：为液晶分子的自由能；为形变常量；表达了液晶分子的指向矢与电场方向的排列情况；液晶显示器原理2020年9月27日19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平行的再排列；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；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。液晶显示器原理2020年9月27日20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。液晶显示器原理2020年9月27日21§3液晶的光学特性分析(***)1、光的偏振性◆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。液晶显示器原理2020年9月27日22◆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。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。液晶显示器原理2020年9月27日23液晶显示器原理2020年9月27日24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。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。液晶显示器原理2020年9月27日25液晶显示器原理2020年9月27日26◆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。液晶显示器原理2020年9月27日27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。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。液晶显示器原理2020年9月27日28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。液晶显示器原理2020年9月27日29◆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。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。液晶显示器原理2020年9月27日30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。液晶显示器原理2020年9月27日312、马吕斯定律一束自然光(光强为)通过起偏器后，变成线偏振光，然后通过一个检偏器，则透过检偏器后的光强随检偏器透光轴的夹角而变化，即：I0ICOSII20是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹角。液晶显示器原理2020年9月27日32液晶显示器原理2020年9月27日33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。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。液晶显示器原理2020年9月27日34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。液晶显示器原理2020年9月27日353、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。液晶显示器原理2020年9月27日36液晶显示器原理2020年9月27日37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：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