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1、偏振光的应用 液晶显示器 液晶的双折射效应显示器基本结构显示原理有源驱动 什么是液晶 液晶 LiquidCrystal 在一定温度范围内 既具有固态晶体特有的双折射性 又具有液体特有的流动性 液晶分子的形态 一般都是刚性的棒状分子 呈现各向异性 即在长轴和短轴两个方向上具有不同的物理性质 折射率 磁化率 电导率 介电常数 粘滞系数等 大小为纳米 亚纳米尺度 近晶相 Smectic 分子有层结构 在一个层面内分子重心无序 长轴取向 指向矢 基本一致 垂直于分子层面 分子重心在一个二维平面内无序排列 其长轴取向 指向矢 基本一致 层与层之间指向矢旋转成螺旋结构 胆甾相 Cholestevic 1
2、有序参量 指向矢 液晶呈圆柱状 分子的整体方向称为主轴 指向矢n 表示液晶分子长轴平均趋向的单位矢量 分子的热运动使得棒状分子不完全平行与指向矢 用分子长轴与指向矢夹角 的统计量表示分子趋向的一致程度 选择二阶勒让德多项式P2为有序参量S 代表对所有分子取平均 S 1表示分子全平行 S 0表示分子完全无序 液晶有序参量 0 3 0 8 2 液晶的连续体理论 微观用分子统计理论解释液晶的光学性质和相变 宏观连续体理论 弹性连续体和电流体动力学理论 描述液晶分子在电场 磁场作用下指向矢流动情况 力与变形关系问题 忽略液晶单个分子行为 看成一个连续介质 在外力作用下发生弹性变形 没有外场作用时 液晶
3、处于平衡状态 其自由能最小 在外场作用下 由于变形而使自由能增加 与三种变形相关的弹性系数分别为 k11 展曲 k22 扭曲 k33 弯曲 3 液晶的各向异性 相对于主轴 介电各向异性 介电常数反映在电场作用下介质极化程度 折射率各向异性n n n n n 弹性系数各向异性 k11 k22 k33 一般k33 k22 k11 据电磁场理论 设晶体有三个互相垂直的坐标轴 则有 对各向同性晶体 介电常数与折射率的关系 在任何方向上电位移矢量D和电场矢量E方向一致 对单轴晶体 折射率椭球 用几何图形表示晶体折射率 设x y z与介电主轴平行 相应的主折射率为折射率椭球方程为 以Z轴为光轴的单轴晶体折
4、射率椭球方程为 当光波波法线与z轴平行时 椭球的x y平面是半径为n0的圆 其光波振动方向 电矢量 在与Z轴垂直的任意方向上有相同的折射率 不产生双折射 若光波传输方向与光轴不平行 即波法线k与光轴有倾角 电矢量所在平面与椭球的截面是椭圆 椭圆的长 短轴分别是沿k传播的两个平面线偏振光的折射率n0和ne 当倾角为90 时ne为最大 向列相和近晶相液晶的双折射特性 液晶是单轴晶体 向列和近晶相液晶分子指向矢与光轴方向一致 波法线为k的平面偏振波的电矢量可分解为与光轴平行和垂直的两个分量 其对应的折射率为ne和n0 并用n 和n 表示 折射率各向异性 n n 如5CB液晶 515nm ne 1 7
5、063n0 1 5309 n 0 1754方解石 589 3nm ne 1 4864n0 1 6584 n 0 172 向列相和近晶相液晶是光学正晶体 光在向列相液晶中的传输 1 使光波的传输方向偏向长轴 指向矢 方向设入射光偏振面与液晶分子指向矢在同一个面内 入射光可分解成与液晶分子长轴平行和垂直的两个分量 其速度分别是 对于确定的分子倾角 因所以平行速度分量的增量大于垂直速度分量的增量 合成方向与分子长轴的夹角变小 经过多个液晶层後 光波的传输方向偏向长轴方向 光在向列相液晶中的传输 2 改变入射光的偏振状态设液晶层内指向矢方向不变 且在x方向 入射光偏振方向与x轴夹角为 在液晶层表面 当
6、 0 2时 入射光两个偏振分量中总有一个为零 即Ey 0或Ex 0 否则两个偏振分量为 指向矢方向不变 设液晶层厚度为z 经过液晶层后的两个分量各自产生的相位延迟取决于各自的折射率 当 4时 其合成振动为 相位差 随着光线沿z轴方向前进 相位差 从零逐渐变大 0 4 2 3 4 5 4 3 2 7 4 2 光的偏振状态按照直线 椭圆 圆 椭圆 直线的顺序变化 在 时 线偏振改变90 可改变相位差 的因素有 折射率差 n n 和传播距离z 光在向列相液晶中的传输 3 使偏振面旋转 指向矢扭曲 设液晶分子指向矢扭曲扭距为P 液晶层厚度正好是1 4P 指向矢扭曲90 在入射面上入射光偏振面与指向矢一
7、致时 光波偏振面随指向矢旋转 出射光偏振面仍保持与指向矢一致 入射光偏振面与指向矢垂直时 则出射光偏振面保持与指向矢垂直 入射光偏振面与指向矢成 角时 则出射光以椭圆 园 直线等形式射出 液晶的旋光作用 旋光现象 线偏光通过光轴与表面垂直的晶体时 光矢量方向随传播距离增大而逐渐转动 产生机理 沿光轴旋转的线偏光是由两个频率相等 传播速度不同的左 右旋园偏光组成 在旋光介质中两个园偏光的传播速度不同 由此产生的的相位差为 相应转过的角度为 石英旋光系数为 21 75弧分 mm 胆甾相液晶旋光系数高达1800弧分 mm 旋光系数 d 厚度 二色性选择反射 散射 当入射园偏光旋转方向与液晶旋光方向一
8、致 则入射光被反射 散射 若旋光方向相反 则入射光将透过液晶层 胆甾相液晶的螺距P接近入射光波长 因二色性选择光反射 反射光波长为 反射光频带宽 螺距变化反射光波长变化颜色变化用作反射式显示器 改变螺距因素 温度 材料 外电场 液晶旋光作用的应用 液晶对光波的影响 微观 使入射光的传播方向偏向指向矢 长轴 方向 宏观 改变入射光的偏振状态 o光和e光之间产生相位差 使入射光的偏振面旋转 对入射的左旋或右旋光有选择地反射或透射 液晶显示器基本结构和工作原理 1 液晶分子沿面排列 界面锚定 确定液晶分子特定的初始排列 锚定方法有 直接取向处理法 取向剂直接作用于基片表面间接取向处理法 取向剂先溶解
9、于液晶中 待液晶灌注进液晶盒后 取向剂析出吸附于基片表面 基片表面变形处理法 初始状态 上下基板锚定方向互相垂直 在基板界面附近的液晶分子指向矢与锚定方向一致 液晶层中间部分的分子指向矢同时受两侧基板锚定力的作用 在水平面内扭曲转动 加电压后 液晶指向矢在水平面内扭曲的同时 垂直方向也转动 液晶层中间部分呈与电场方向一致的垂直状态 扭曲角 液晶指向矢在水平面内旋转的角度 倾角 液晶指向矢在垂直方向旋转的角度 2 TN TwistedNematic LCD工作原理 TN LCD工作原理 TN LCD工作原理 上下基板表面的偏振片偏振方向互相垂直 入射自然光经过上偏振片后成为线偏振光 上下基板锚定
10、方向也互相垂直 与偏振片偏振方向一致 初始状态的液晶分子指向矢从上基板到下基板扭曲90 在不加外电压时 进入液晶盒的偏振光偏振面随液晶分子指向矢旋转90 旋光作用 与下基板表面偏振片方向一致 能透过下基板表面偏振片 在外电场的作用下 液晶盒内的液晶分子指向矢产生垂直偏转 进入液晶盒的偏振光偏振面不再随液晶分子指向矢旋转 与下基板表面偏振片方向成90 不能透过下基板表面偏振片 外电场的开关可以控制光的通断 关键点 分子状态 液晶的旋光作用 偏振片 液晶驱动器基本要求和技术 基本要求在每个像素前后电极之间施加一个大于阈值的交变电场 直流电场会使液晶材料产生电化学反应 并使电极老化 技术提供合适的驱
11、动电压 波形 相位 频率 占空比 有效值 将像素组合成数字 字符 图形 图像 静态驱动 结果 由异或门控制液晶盒两侧电压 实现A 0时不显示 A 1时显示的效果 缺点 每个笔段像素要配一个异或门驱动端 外引线过多 解决 点阵形式 动态驱动 矩阵结构动态驱动 时间分割 多路驱动法 概念 行电极 扫描电极 逐行扫描 列电极 寻址电极显示过程 行电极按时间顺序逐行加扫描电压 在行电极被选通同时 列电极同步输入选通和非选通电压 数据 在行列交叉点上合成驱动电压 一帧 所有行电极加上一次扫描电压的时间 帧频 单位时间内扫描的帧数 70帧 秒 占空比 扫描一行时间与帧周期之比 逐行扫描过程 条件 施加交变
12、电压 电压有效值决定液晶分子的排列 扫描过程 当某一行被选通时 列电极负电平为像素被选通 ON 状态 正电平为非选通 OFF 状态 问题 交叉效应 简单驱动存在问题 随扫描行数的增加 每行驱动时间减少 像素亮度降低 为此需要增大驱动电压 增大驱动电压导致电极间的交叉效应更严重 对比度降低 解决途径 有源驱动目的在其他行扫描期间仍保持驱动电压 消除电极间的交叉效应 TFT LCDs電路原理图 栅极在行扫描位置 源极在列扫描位置 TFT的开关作用 TFT的栅极未选通时 TFT处于截止态 源极与漏极之间相当于开路 外电压不会施加到液晶像素上 TFT的栅极被选通 并且源极被同步选通时 源 漏极之间导通
13、 数据信号被写入液晶像素电容CLC和补偿电容Cs 电容使充好电的电压保持到下一次画面的更新 每个像素都相对独立 并可以连续控制 不仅提高了显示屏的反应速度 同时可以精确控制显示色阶 克服交叉效应的影响 TFT的结构 通过栅极电压控制源 漏电极之间的电流 沟道电流 沟道电流取决于多数载流子密度与迁移率 实用化的有非晶硅TFT a SiTFT 多晶硅TFT p SiTFT TFT LCD像素单元及开口率 开口率 有效区域的比例 各种部件的透过率为 偏光板50 玻璃95 液晶95 彩色滤光片27 若面板开口率为50 则到达人眼的光只有背光板发出光的3 左右 非晶硅 a Si TFT制造工艺 采用光刻
14、 等离子增强化学气相沉积PECVD工艺 将源 漏电极直接制作在a Si上不能保证完好的欧姆接触 为此加n a Si层 源极 栅极 TFT LCD结构 TFT LCDsPanelStructure 灰度控制 空间灰度调制 面积灰度调制 像素划分成子像素 控制子像素的选通形成灰度级别 优点 不需特殊驱动 控制 缺点 需提高微细加工或降低分辨率 时间灰度调制 一定时间内控制像素选通时间 帧灰度调制 如以4帧为单位 同一显示像素在有的帧内被选通 在其余帧内不被选通 只要保证足够的帧频 就有灰度变化 缺点 因帧频低而闪烁 提高帧频受液晶响应速度制约 脉冲灰度调制 在扫描过程中 在数据脉冲上叠加灰度调制脉
15、冲f f的宽度划分为多个级别代表不同的灰度 缺点 液晶不能响应过窄的F值 彩色显示 使用最广 技术最成熟的是 微彩色膜方式 就是将点阵像素分割成三个子像素 并在对应位置的器件表面设置上RGB三个微型滤色膜 控制RGB三个滤色膜透过光的通断 若仅控制RGB的通断 则只能组合8种颜色 若控制每个子像素的灰度级别 便可混合出上万种颜色 颜色数量与灰度的关系 如每个RGB子像素有4种灰度变化 用2位二进制数表示 则可有4 4 4 64种颜色 伪彩色 如每个RGB子像素有64种灰度变化 用6位二进制数表示 则可有64 64 64 262 144种颜色 真彩色 液晶显示器模块 LCM LiquidCrys
16、talModul 包括 液晶屏 驱动控制电路 电路板连接件 主要工艺 液晶屏与驱动电路连接 Bonding 大规模集成电路IC封装 液晶显示器的驱动与控制 液晶器件 指灌有液晶的液晶盒 两片玻璃或塑料和电极引脚 液晶显示模块 除液晶器件外 还包括驱动器 控制器 线路板 连接件 结构件 附属件 点阵式液晶显示器外围电路 TFT LCDModule 连接 Bonding 方式 导电橡胶 斑马橡胶条 各向异性导电胶条 ACF 柔性连接带 FPC 1 导电橡胶 斑马橡胶条 2 各向异性导电膜ACF ACF AnisotropicConductiveFilm同时具有导电 绝缘 粘结三个功能的高分子膜 经热压后 在膜厚方向具有导电性 在膜面方向具有绝缘性 能同时使对置电极部分的永久粘接 电极之间的导电 电极图形之间的绝缘 主要组成 黏着剂导电粒子 ConductiveParticle 直径约3微米 Au NiCoatedPlasticParticle Au Ni PlasticParticle ConductiveParticleinInterconnectionAreabetweenLCDand
