液晶的光学特性及其应用

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1、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zhujun.wan@gmail.com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。向列相―分子指向相同，分子可自由旋转和相互穿越。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向列相近晶相胆甾相穿越。胆甾相―分子分层，指向矢呈螺旋结构偏转，具有旋光效应。透过率递减2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST2液晶中的诱导偶极子在外部电场作

2、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。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST3正性和负性液晶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。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。介电各向异性越大，所需驱动电压越低。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST4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；当外加电场时，分

3、子的指向矢发生偏转，沿电场方向排列。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST5向列相液晶的扭曲效应液晶分子分层，指向矢呈螺旋结构弱扭曲（胆甾相？）；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；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；改变外加电场强度，可以调节光透过率。TN（TwistedNematic）液晶显示原理2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST6扭曲向列相液晶的旋

4、光特性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45°方向的偏振片，透过率为25%。在二者之间放置N片透光轴夹角为θ/N的偏振片，透过率=>100%。根据麦克劳林公式：2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST7扭曲向列相液晶的旋光特性扭曲向列相液晶可等效于N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mm量级，因此等效波片数N为107量级。假设液晶层总的旋光角为Θ=70°，则相邻两层波片的光轴夹角约为θ=0.025″。波片组的偏振分析比前述偏振片要复杂得多，因为

5、两个正交方向（快轴和慢轴）的光场均能透过。入射的x方向线偏振光，沿着逐个波片0的快轴方向（x~x）分解（慢轴方向1N为相对无穷小量），最终在Θ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，N越大则透过率越接近100%，当N>102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。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST8向列相液晶的双折射效应单轴晶体中，当e光波矢量与光轴成夹角θ时，其折射率如下：nnoen22222nsinncosoe向列相液晶中，在外部电场驱动下，

6、液晶分子指向矢（相当于晶体光轴方向）与电场成夹角θ，当e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θ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，ElectricallyControllableBirefringence，电控双折射。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST9向列相液晶的双折射效应未加电压，指向矢平行于面板加足够大电压，指向矢垂直于面板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，可在水平面内控加一定电压，指向矢与面板成一定倾角制指向矢即光轴与入射光矢量的夹角，改

7、变椭偏度，此为IPS-LCD显示原理。外加一定电压情况下，入射线偏光可分解为o光和e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Δn，改变椭偏度，此为VA-LCD显示原理。事实上，在第二种模式下，o光与e光发生微小的位移~1μm，但人眼分辨不出来。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-HUST10TN-LCD的可视角问题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。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，

8、MVA-LCD、IPS-LCD等广角液晶显示技术相继涌现。2013/12/22byZ.J.Wan,NGIA-