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1、液晶的光学特性及其应用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万助军 华中科技大学光学与电子信息学院 2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST2液晶态液晶态 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。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。 向列相向列相分子指向相同，分子 可自由旋转和相互穿越。
2、分子指向相同，分子 可自由旋转和相互穿越。 近晶相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 穿越。分子指向相同且分层， 分子可绕长轴旋转但不能相互 穿越。 胆甾相胆甾相分子分层，指向矢呈 螺旋结构偏转，具有旋光效应。分子分层，指向矢呈 螺旋结构偏转，具有旋光效应。向列相近晶相胆甾相透过率递减向列相近晶相胆甾相透过率递减2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST3液晶中的诱导偶极子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；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。继而诱导偶极子被外部电场
3、驱动，使液晶分子发生偏转。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST4正性和负性液晶正性和负性液晶 正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。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。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
4、电压越低。介电各向异性越大，所需 驱动电压越低。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST5电场中的向列相液晶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。当外加电场时，分子的指向矢发生偏转，沿电场方向排列。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST6向列相液晶的扭曲效应向列相液晶的扭曲效应 液晶分子分层，指向矢呈螺 旋结构液晶分子分层，指向矢呈螺 旋结构弱扭曲弱扭曲（胆甾相？）；（胆甾相？）； 在外加电场作用下，分子可 相互穿越和自由
5、旋转（向列 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；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。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；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。改变外加电场强度，可以调 节光透过率。TN（Twisted Nematic）液晶显示原理）液晶显示原理2013/12/22by Z.J.W
6、an, NGIA-HUST7扭曲向列相液晶的旋光特性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。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 光轴为在二者之间放置一片透 光轴为45方向的偏振 片，透过率为方向的偏振 片，透过率为25%。 在二者之间放置在二者之间放置N片透 光轴夹角为片透 光轴夹角为/N的偏振 片，透过率的偏振 片，透过率=100%。 根据麦克劳林公式：根据麦克劳林公式：2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST8扭曲向列相液晶的旋光特性扭曲向列相液晶的旋光特性 扭曲向列相液晶可等效于扭曲向列相液晶可等效于N层波片
7、的叠 加，每层波片的厚度为液晶分子的线 度（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），液晶层总厚度为mm量 级，因此等效波片数量 级，因此等效波片数N为为107量级。量级。 假设液晶层总的旋光角为假设液晶层总的旋光角为=70，则 相邻两层波片的光轴夹角约为，则 相邻两层波片的光轴夹角约为=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。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。 入射的入射的x0方向线偏振光，沿着逐个波片 的快轴方向（方向线偏振光，沿
8、着逐个波片 的快轴方向（x1xN）分解（慢轴方向 为相对无穷小量），最终在）分解（慢轴方向 为相对无穷小量），最终在方向检测 到的光强为：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，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 透过率越接近越大则 透过率越接近100%，当，当N102时，近似精度已经足够。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。扭曲向列相液晶的旋光特性，不属于法拉第旋光效应。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST9向列相液晶的双折射效应向列相液晶的双折射效应 单轴晶体
9、中，当单轴晶体中，当e光波矢量与光轴成夹角光波矢量与光轴成夹角时，其折 射率如下：时，其折 射率如下： 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，当，当e光 波法线与电场同向时，其折射率亦可以上式描述。光 波法线与电场同向时，其折射率亦可以上式描述。 液晶分子的指向角液晶分子的指向角取决于外加电场的大小，因此 其双折射是可以电控的，称为：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 Birefring
10、ence，电 控双折射。，电 控双折射。22222cossineoeo nnnnn 2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST10向列相液晶的双折射效应向列相液晶的双折射效应 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 制指向矢即光轴与入射光矢量的夹角，改 变椭偏度，此为未加电压情况下，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 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。显示原理。 外加一定电压情况下，入射线偏光可分解 为外加一定电压情况下，入射线偏光可分解 为o光和光和e光分别传输，产生相位
11、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n，改变椭偏度，此为，改变椭偏度，此为VA- LCD显示原理。显示原理。 事实上，在第二种模式下，事实上，在第二种模式下，o光与光与e光发生 微小的位移光发生 微小的位移1m，但人眼分辨不出来。，但人眼分辨不出来。未加电压，指向矢平行于面板加一定电压，指向矢与面板成一定倾角加足够大电压，指向矢垂直于面板未加电压，指向矢平行于面板加一定电压，指向矢与面板成一定倾角加足够大电压，指向矢垂直于面板2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST11
12、TN-LCD的可视角问题的可视角问题 基于液晶扭曲效应的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。，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。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，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。等广角液晶显示技术相继涌现。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST12VA-LCD显示原理显示原理 面板两侧的偏振片正交定向
13、，静态时（未加电压），液晶分子垂直定向（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；），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动态时（外加电场），液晶指向矢偏转角度，产生双折射，入射线偏光分解为，产生双折射，入射线偏光分解为o 光和光和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。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。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST
14、13MVA-LCD显示原理显示原理 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。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。，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；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；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
15、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。技术同时提高了响应速度。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST14MVA-LCD的改进型的改进型 PVA-LCD Patterned Vetical Align- ment，垂直定向构型；，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；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。三星最先发布。 CPA-LCD ContinuousPinwheel Alignment，连续焰火状 排列；，连续焰火状 排列
16、； 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；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。夏普最先发布。2013/12/22by Z.J.Wan, NGIA-HUST15IPS-LCD显示原理显示原理 IPS in Plane Switching，共面转换；，共面转换； 正负电极均位于下侧基板上；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；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
