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 （Liquid Crystal): 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 10nm1nm液晶分子形状oo近晶相液晶分子化学结构液晶分类• 分子重心混乱无序, • 所有长轴(指向矢) 一致向列相 ( Nematic )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）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 - 0.8xzyna（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l 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。
xyznonz• 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xyznonz nek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=1.7063 n0 =1.5309 n=0.1754方解石（=589.3nm）：ne=1.4864 n0 =1.6584 n=-0.172znone k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。
边界V//v偏转方向入射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 =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q 随着光线沿z轴方向前进， 相位差 从零逐渐变大：d = 0，/4，/2，3/4，， 5/4，3/2，7/4，2 ；q 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90q 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）p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q 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q 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）q 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： p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彩色滤光片玻璃偏光板(polarizer)電極定向膜(polymer)隔离子(spacer)液晶(Liquid Crystal)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： 1)直接取向处理法：取向剂直接作用于基片表面 2)间接取向处理法：取向剂先溶解于液晶中，待液晶 灌注进液晶盒后，取向剂析出吸附于基片表面。
3)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v扭曲角：液晶指向矢在水平面内旋转的角度v倾角：液晶指向矢在垂直方向旋转的角度2. TN（ Twisted Nematic ）-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。
r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q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 q技术 –提供合适的驱动电压——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ABPSEG0 00不显显示011不显显示101显显示110显显示结果：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） q 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： n 施加交变电压； n 电压有效值决定液晶分 子的排列； 扫描过程：n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n 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；n 增大驱动电压导致电极间的交叉效应更严重， 对比度降低n 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， 源极在列扫描位置行扫描电路列信号电路1H1HCLCCsCsCsCsCsCsCsCsCsCLCCLCCLCCLCCLCCLCCLCCLC漏极栅极源 极一个像素单元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，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-Si TFT)多晶硅TFT(p-Si TFT)栅极源极漏极半导体层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 （栅极）（源极）非晶硅（a-Si）TFT制造 工艺• 采用光刻、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-LCDs Panel StructureClcTFT SubstrateColor Filter SubstrateRGBClcClcRBG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。