偏振光的应用——液晶显示器

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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。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，

2、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

3、有序参量：0.3-0.8xzyna（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，//，=//-

4、；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

5、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。xyznonznek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（

6、=515nm），ne=1.7063n0=1.5309n=0.1754方解石（=589.3nm）：ne=1.4864n0=1.6584n=-0.172znonek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

7、//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

8、、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