液晶的物理光学性质68页PPT
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《液晶的光学特性》课件
《液晶的光学特性》PPT 课件
液晶是一种特殊的物质，其分子具有有序排列的结构，具有独特的光学特性。 本课件将介绍液晶的基本特性、分子的运动性质、光学特性以及液晶晶体器 件的应用。
液晶的基本特性
什么是液晶？
液晶是一种介于液体和 晶体之间的物质，具有 流动性和有序排列的分 子结构。
液晶分子的构成和 结构
液晶光阀技术
液晶光阀用于调节和控制 光的传播和透过性，被应 用于照明和光学装置。
液晶调制器件
液晶调制器件常用于光学 通信和光学仪器，实现光 信号的调Байду номын сангаас和传输。
应用
液晶电视
液晶电视以其高清晰度和广色域成为现代 家庭娱乐的主要选择。
液晶显示屏
液晶显示屏被应用于各种电子设备，如手 机、平板电脑和电子书阅读器。
液晶分子的取向和排列
液晶分子在液晶中具有特定的取向 和排列方式，可以通过外部影响进 行调控。
液晶分子的摆动运动
液晶分子可以在平面内进行摆动运 动，影响着液晶的相位变化。
液晶的光学特性
1 双折射现象
2 相位差和波片
液晶具有双折射现象， 可以将入射光分为两 个方向传播。
液晶中的相位差可以 通过波片来改变，实 现光的控制和调制。
液晶分子通常由两部分 组成：长链状的杂化分 子和具有极性的末端基 团。
液晶的相态
液晶可以存在多种相态， 包括列相、层相、胆相 和偏向列相等。
液晶分子的运动性质
1
液晶分子的旋转运动
2
液晶分子可以沿着自身轴线进行旋
转运动，改变液晶的光学性质。
3
液晶分子的扭曲运动
4
液晶分子可以相对扭曲，改变液晶 的光学性质和相位差。
液晶是一种特殊的物质，其分子具有有序排列的结构，具有独特的光学特性。 本课件将介绍液晶的基本特性、分子的运动性质、光学特性以及液晶晶体器 件的应用。
液晶的基本特性
什么是液晶？
液晶是一种介于液体和 晶体之间的物质，具有 流动性和有序排列的分 子结构。
液晶分子的构成和 结构
液晶光阀技术
液晶光阀用于调节和控制 光的传播和透过性，被应 用于照明和光学装置。
液晶调制器件
液晶调制器件常用于光学 通信和光学仪器，实现光 信号的调Байду номын сангаас和传输。
应用
液晶电视
液晶电视以其高清晰度和广色域成为现代 家庭娱乐的主要选择。
液晶显示屏
液晶显示屏被应用于各种电子设备，如手 机、平板电脑和电子书阅读器。
液晶分子的取向和排列
液晶分子在液晶中具有特定的取向 和排列方式，可以通过外部影响进 行调控。
液晶分子的摆动运动
液晶分子可以在平面内进行摆动运 动，影响着液晶的相位变化。
液晶的光学特性
1 双折射现象
2 相位差和波片
液晶具有双折射现象， 可以将入射光分为两 个方向传播。
液晶中的相位差可以 通过波片来改变，实 现光的控制和调制。
液晶分子通常由两部分 组成：长链状的杂化分 子和具有极性的末端基 团。
液晶的相态
液晶可以存在多种相态， 包括列相、层相、胆相 和偏向列相等。
液晶分子的运动性质
1
液晶分子的旋转运动
2
液晶分子可以沿着自身轴线进行旋
转运动，改变液晶的光学性质。
3
液晶分子的扭曲运动
4
液晶分子可以相对扭曲，改变液晶 的光学性质和相位差。
第三章 液晶显示ppt课件
z,n θ
S与温度T的关系：
S = K [ ( T) / T ] C T C
S 为 有 序 参 量 ， K 为 比 例 系 数 ， T 为 向 列 型 液 晶 的 清 亮 点 。 C
二、液晶的各向异性 液晶分子是极性的棒状分子，导致了液晶的宏观物 理性质在长轴有序方向和短轴有序方向上不同，一般 称沿分子长轴平均方向为平行方向（//），沿分子短 轴平均方向为垂直方向（⊥）。 1、介电各向异性 液晶分子的电偶极矩为 r rl0 ，若长轴方向的单位 矢量为 n ， r 与 n 的夹角为θ 。 液晶短轴方 θ≈0，正性液晶，NP θ≈π/2，负性液晶，Nn
o光 e光
晶体有一个（或多个）方向，沿该方向寻常光与非 寻常光传播速度相等，此方向称为晶体的光轴。晶体 按光轴数量分可分为单轴晶体和双轴晶体。 主平面：光的传播方向与晶体光轴构成的平面。
主截面：晶体表面的法线与晶体光轴构成的平面。
光轴
光轴
法线
光线 主平面
光线 主截面
o光和e光都是线偏振光，但o光的振动方向垂直于 自己的主平面，而e光的振动平行于自己的主平面。 当入射光的入射面和晶体的主截面重合时，o光与e光 的主平面相重合，o光与e光的振动方向相互垂直。
k k k 3 3 1 1 2 2
主要影响液晶显示器件的响应速度和多路驱动能力。 5、粘滞系数 粘滞系数小则液体易流动，分子排列易改变。液晶 沿不同方向流动粘滞性不同，粘滞系数影响显示器件 的响应速度。
k 展 曲 弹 性 系 数 ， k 扭 曲 弹 性 系 数 ， k 弯 曲 弹 性 系 数 1 1 2 2 3 3
ne n
光轴
胆甾型液晶具有负单轴晶体的光学性质，这是因为： 1 /2 1 2 2 n n n o ( // ) 2
9.液晶的物理光学特性
液晶分子长轴的平均方向称为该液晶的指向矢(n)。 沿分子长轴平均方向为平行(∥)方向； 沿分子短轴平均方向为垂直(⊥)方向。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶分子一般都是刚性的棒状分子。 由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
2. 液晶的物理特性——各向异性
在宏观上，液晶具有液体的流动性和晶体的异向性： 沿分子长轴有序方向和短轴有序方向上的宏观物理性 质不同。 描述液晶的物理量分为平行方向物理量和垂直方向 物理量。例如：平行折射率(n∥)，垂直折射率(n⊥)；平 行磁化率 (χ∥) ，垂直磁化率 (χ⊥) ；平行介电常数 (ε∥) ， 垂直介电常数(ε⊥) 等。 各向异性的大小和方向则用它们的代数和来表示： 例如介电各向异性△ε=ε∥-ε⊥。如果ε∥>ε⊥，则为正介电 各向异性；如果ε∥<ε⊥，则为负介电各向异性。
当电压低于该阈值电压时，外界的入射光就不会发 生散射现象。 产生动态散射必须的三个条件：
(1) 液晶盒要有足够的厚度（≥6μm）； (2) 液晶材料的阻值要低（低于2×1010Ω· cm）； (3) 介电各向异性必须为负值。
3. 液晶的电光效应
1. 动态散射效应 动态散射有两种作用，一种是无存储作用，另一种 是有存储作用。 无存储作用：施加电压在阈值电压上下变换；
TC T SK TC
当温度上升时，有序参量S下降，从而会导致液晶显 示器质量下降。
2. 液晶的物理特性——各向异性
液晶分子一般都是刚性的棒状分子。 由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，液晶分 子在长轴和短轴两个方向上具有不同性质，成为极性 分子。
由于分子间的作用力而有序排列 —— 液晶分子长轴 总是相互平行，或有一个择优方向，而分子质心则呈 自由状态。
3. 电控双折射效应
对液晶施加电场时液晶排列方向发生变化。 由于排列方向的改变，按照一定的偏振方向入射的 光，将在液晶中发生双折射。
液晶的光学特性分析
液晶的光学特性分析光的偏振性光矢量麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E 为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。
自然光：一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。
自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。
例如阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。
自然光的分解：在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。
应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。
如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。
偏振光线偏振光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。
部分偏振光：这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。
第2讲 液晶的物理性质
4. 光学各向异性
• 光学各向异性是电磁波通过介电各向异 性材料解麦克斯韦尔方程的结果. • 对于向列型液晶, 结论为折射率椭球. 以 后还要介绍. • 对于胆甾型液晶, 有三种效应: 光波导效应、布拉格效应、旋光效应
• 折射率椭球：
n//
n
//
n
n
n
x n
2 2
y n
2 2
z n
3
写出非零的项：
1
C 0 P0 ( x )
1
j ( x ) dx
1 2
1
1
C 2 P2 ( x )
1
1
j ( x )( 3 x 1) dx
2
4 2
C 4 P4 ( x )
8 1
j ( x )( 35 x 30 x 3 )dx
将
f (q ) j (cos q )
于是：
11 33 //
液晶的介电各向异性常表示为： // 其中//和分别表示平行于和垂直于指向矢。
若液晶的 // 0
该种液晶为正性液晶, 以Np 表示;
反之, 则为负性液晶, 以Nn表示。 Np液晶在电场下的性质:
2 另一方面，若液晶相分子高度一致取向时，平均势将变得很大，分子混乱 时取向时，平均势将很小，分子完全混乱时，平均势为零，所以平均势V 中还必须包括有序参数S这一因子，S=<P2(cosθ)>。还有，取向势函数的 大小与材料有关，不同的材料与有不同的势函数，势函数中必须包含一个 随材料的不同而异的比例因子υ。把上述三方面的因素相乘，就人为地构 造了其它分子对某一分子产生的平均势——取向势函数V：
液晶的光学特性
下面将讨论偏振光通过双折射物质后再经一偏振片而看到的干涉 现象。
2.1.3 正交偏光下液晶的织构
1) 偏振光的干涉
平行偏振光垂直通过放在两偏振片之间的平行液晶片，设波 片的快慢轴分别沿x轴和y轴方向，第一片偏振片P1的透光轴与x 轴的夹角为α，第二片偏振片的P2 的透光轴与x轴的夹角为β。
透过偏振片P1的线偏振光的振幅为a，它在快慢轴上的投影分 别为acosα和a sinα，这两个分量通过液晶波片之后的位相差为：
链接：制造尺寸小的波片的材料为云母。云母容易解理成很薄的薄片， 而且厚度较易控制，所以用来制造波片是很适宜的。经过拉伸的聚乙 烯醇薄膜也可用来制造波片。这种大尺寸的波片已用于超扭曲液晶显 示屏上，可得到黑白模式的超扭曲显示屏，从而为超扭曲彩色显示屏 奠定了基础。
三、偏振光与波片的矩阵分析法
1.偏振光的矩阵表示——琼斯矩阵 在与光线垂直的平面上选定直角坐标系xoy，任一偏振光，无
各种织构特征均是由不同类型的缺陷结构引起的，厚度不同、杂质、 表面等可导致位错与向错，从而产生非常丰富的液晶织构。常见的液晶态 的织构有纹影织构、焦锥织构、扇形织构、镶嵌织构、指纹织构和条带织 构等。
研究液晶织构已成为判断液晶态的存在和类型的重要手段，并可为探 索液晶内部指向矢场变化和外界条件对分子取向影响规律提供重要信息。
Ey
Ey0 Ex0
Ex
③
δ为π/2的奇数倍时，（5）式化为
E
2 x
E
2 x0
E
2 y
E
2 y0
1
若 Ex0 Ey0 E0 ，则化为圆偏振光： Ex2 Ey2 E02
④δ为其他值时，合成电矢量端点的轨迹为椭圆。
The Polarization of E is dependent on the value of δ.
2.1.3 正交偏光下液晶的织构
1) 偏振光的干涉
平行偏振光垂直通过放在两偏振片之间的平行液晶片，设波 片的快慢轴分别沿x轴和y轴方向，第一片偏振片P1的透光轴与x 轴的夹角为α，第二片偏振片的P2 的透光轴与x轴的夹角为β。
透过偏振片P1的线偏振光的振幅为a，它在快慢轴上的投影分 别为acosα和a sinα，这两个分量通过液晶波片之后的位相差为：
链接：制造尺寸小的波片的材料为云母。云母容易解理成很薄的薄片， 而且厚度较易控制，所以用来制造波片是很适宜的。经过拉伸的聚乙 烯醇薄膜也可用来制造波片。这种大尺寸的波片已用于超扭曲液晶显 示屏上，可得到黑白模式的超扭曲显示屏，从而为超扭曲彩色显示屏 奠定了基础。
三、偏振光与波片的矩阵分析法
1.偏振光的矩阵表示——琼斯矩阵 在与光线垂直的平面上选定直角坐标系xoy，任一偏振光，无
各种织构特征均是由不同类型的缺陷结构引起的，厚度不同、杂质、 表面等可导致位错与向错，从而产生非常丰富的液晶织构。常见的液晶态 的织构有纹影织构、焦锥织构、扇形织构、镶嵌织构、指纹织构和条带织 构等。
研究液晶织构已成为判断液晶态的存在和类型的重要手段，并可为探 索液晶内部指向矢场变化和外界条件对分子取向影响规律提供重要信息。
Ey
Ey0 Ex0
Ex
③
δ为π/2的奇数倍时，（5）式化为
E
2 x
E
2 x0
E
2 y
E
2 y0
1
若 Ex0 Ey0 E0 ，则化为圆偏振光： Ex2 Ey2 E02
④δ为其他值时，合成电矢量端点的轨迹为椭圆。
The Polarization of E is dependent on the value of δ.
液晶的光学特性
透出来的这两个分量振动方向相同，位相差固定，因而 发生干涉。于是，干涉后的光强度可用下式表示：
代入上式并简化后得到：
32
分析: ①上式中的第一项与波片的参数无关。它是在不存在液晶的条件下由马吕 定律所决定的背景光。上式中的第二项代表了由于液晶各向异性（ne≠no） 所引起的干涉效应。这一项与波长及双折射率，玻璃之间的间隔有关。
sin t sin1
(1)
Ey
Ey0
cost cos2
sin t sin2
(2)
(1)cos2 (2)cos1 得：
Ex Ex0
cos2
Ey Ey0
cos1
sin t
sin（2
1）
（3）
(1)sin2 (2)sin1 得：
Ex Ex0
sin 2
Ey Ey0
sin 1
cost sin（2
各种织构特征均是由不同类型的缺陷结构引起的，厚度不同、杂质、 表面等可导致位错与向错，从而产生非常丰富的液晶织构。常见的液晶态 的织构有纹影织构、焦锥织构、扇形织构、镶嵌织构、指纹织构和条带织 构等。
研究液晶织构已成为判断液晶态的存在和类型的重要手段，并可为探 索液晶内部指向矢场变化和外界条件对分子取向影响规律提供重要信息。
3
2.1.1 偏振光的产生和叠加
光波为横电磁波：
4
如何获得偏振光？
①由反射和折射产生偏振光：
以θB（布儒斯特角）入射，反射光是线偏光，透射光是部分偏振光。 当以θB入射时，经多次反射与折射，反射光、透射光均为线偏光。
5
②由双折射产生偏振光，如尼科尔棱镜； ③由二向色性（dichroism）产生偏振光。（碘硫酸金鸡钠）√
26
代入上式并简化后得到：
32
分析: ①上式中的第一项与波片的参数无关。它是在不存在液晶的条件下由马吕 定律所决定的背景光。上式中的第二项代表了由于液晶各向异性（ne≠no） 所引起的干涉效应。这一项与波长及双折射率，玻璃之间的间隔有关。
sin t sin1
(1)
Ey
Ey0
cost cos2
sin t sin2
(2)
(1)cos2 (2)cos1 得：
Ex Ex0
cos2
Ey Ey0
cos1
sin t
sin（2
1）
（3）
(1)sin2 (2)sin1 得：
Ex Ex0
sin 2
Ey Ey0
sin 1
cost sin（2
各种织构特征均是由不同类型的缺陷结构引起的，厚度不同、杂质、 表面等可导致位错与向错，从而产生非常丰富的液晶织构。常见的液晶态 的织构有纹影织构、焦锥织构、扇形织构、镶嵌织构、指纹织构和条带织 构等。
研究液晶织构已成为判断液晶态的存在和类型的重要手段，并可为探 索液晶内部指向矢场变化和外界条件对分子取向影响规律提供重要信息。
3
2.1.1 偏振光的产生和叠加
光波为横电磁波：
4
如何获得偏振光？
①由反射和折射产生偏振光：
以θB（布儒斯特角）入射，反射光是线偏光，透射光是部分偏振光。 当以θB入射时，经多次反射与折射，反射光、透射光均为线偏光。
5
②由双折射产生偏振光，如尼科尔棱镜； ③由二向色性（dichroism）产生偏振光。（碘硫酸金鸡钠）√
26
《液晶显示技术》ppt课件
80 40 20 10
5
= 0°
Yang, IDRC’91, p.68
4个区域 TN
180o
Storage Capacitor
270o
宽视角 有旋转位移线 反响摩擦; 光取向
q=10 20 30 40 50 90o
80 40 20 10 5
f=0 o
Chen et al, SID’95, p.865; Nam et al, SID’97, p.933
表了关于２７０度的超双折射效应的研讨成果 • 双折射控制方式〔ＥＣＢ〕： • 高分子分散液晶：利用液晶与高分子聚合物的光散射景象
的液晶，不需求偏振片 • 存储功能突出的相变方式：适用于功耗低、电池驱动的便
携式终端 • 高速呼应性突出的铁电液晶。
液晶技术的新进展
• 采用ＴＦＴ型ａｃｔｉｖｅ素子进展驱动 • 利用色滤光镜制造工艺发明颜色斑斓的画面 • 低反射液晶显示技术 • 先进的延续料界结晶硅液晶显示技术 • 超宽视角技术 • 超黑晶技术 • 超高开口率技术 • 反光低反射技术
普通的 MVA CR=10
优化的MVA 在一切的角度CR>10
颜色位移的改善
呼应时间的改善
Conventional MVA
New MVA + overdrive
Average: 29.3 ms
Average: 11.6 ms
三星的专利
Off-State (Black)
On-State (White)
的陈列方向发生变化，由于陈列方向的改动，按 照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双 折射景象。 • 3〕动态散射： • 4〕旋光效应： • 5〕宾主效应：
液晶显示器件的显示方式
5
= 0°
Yang, IDRC’91, p.68
4个区域 TN
180o
Storage Capacitor
270o
宽视角 有旋转位移线 反响摩擦; 光取向
q=10 20 30 40 50 90o
80 40 20 10 5
f=0 o
Chen et al, SID’95, p.865; Nam et al, SID’97, p.933
表了关于２７０度的超双折射效应的研讨成果 • 双折射控制方式〔ＥＣＢ〕： • 高分子分散液晶：利用液晶与高分子聚合物的光散射景象
的液晶，不需求偏振片 • 存储功能突出的相变方式：适用于功耗低、电池驱动的便
携式终端 • 高速呼应性突出的铁电液晶。
液晶技术的新进展
• 采用ＴＦＴ型ａｃｔｉｖｅ素子进展驱动 • 利用色滤光镜制造工艺发明颜色斑斓的画面 • 低反射液晶显示技术 • 先进的延续料界结晶硅液晶显示技术 • 超宽视角技术 • 超黑晶技术 • 超高开口率技术 • 反光低反射技术
普通的 MVA CR=10
优化的MVA 在一切的角度CR>10
颜色位移的改善
呼应时间的改善
Conventional MVA
New MVA + overdrive
Average: 29.3 ms
Average: 11.6 ms
三星的专利
Off-State (Black)
On-State (White)
的陈列方向发生变化，由于陈列方向的改动，按 照一定的偏振方向入射的光，将在液晶中发生双 折射景象。 • 3〕动态散射： • 4〕旋光效应： • 5〕宾主效应：
液晶显示器件的显示方式
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
END
16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
液晶的物理光学性质
16、人民应该为法律而战斗，就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ，并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ，而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令，就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律，其真实含 义是财 富。— —爱献 生