偏振光的应用――液晶显示器

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oo12nnHCCN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：0.3-0.8xzyna223122Spcos（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:xyzεεεε,0nnnyxxyznnneznnxxxyyyzzzDεE,DεE,DεEDεEzyxεεε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。1222222zyxnznynxxyzn,n,n12e22o22nznyxxyznonz•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（=515nm），ne=1.7063n0=1.5309n=0.1754方解石（=589.3nm）：ne=1.4864n0=1.6584n=-0.172znonekonne//nn0//0nnnnne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）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。//coscvn//sincvn//nn边界V//v偏转方向入射方向光在向列相液晶中的传输（2）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θcosEEx0θsinEEy0•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：zcnωωtsinθcosEE//x0zcnωωtsinθsinEEy0zcnn//δsinEδcosEEEEyxyx2202222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）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。a)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；b)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；c)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/mmαdθ（：旋光系数，d:厚度）右左nnd2右旋物质，则当左右右左vvnn右左nnd2/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0np2//nnn/npnnn//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彩色滤光片玻璃偏光板(polarizer)電極定向膜(polymer)隔离子(spacer)液晶(LiquidCrystal)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。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ABPSEG000不显示011不显示101显示110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）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。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-SiTFT)多晶硅TFT(p-SiTFT)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-LCDsPanelStructureClcTFTSubstrateColorFilterSubstrateRGBClcClcRBG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）⑴帧灰度