液晶的光学特性及其应用
液晶显示器的光学特性研究与优化
液晶显示器的光学特性研究与优化第一章：引言现代社会已经完全离不开电子设备，而电子设备中液晶显示器(LCD)更是无处不在。
液晶显示器技术以其低功耗、高清晰度和易于制造等优势被广泛应用于电脑、手机、电视等电子设备中。
在提高液晶显示器性能和降低成本的同时，也必须注意光学特性的研究和优化，以达到更好的视觉效果。
第二章：液晶显示器的工作原理液晶显示器是一种将电与光结合起来的显示器件，其工作原理基于液晶分子对电场的应答，从而使液晶分子的取向改变，光的偏振状态发生变化。
该过程可分为几个步骤：1、液晶分子在无电场作用下，呈现一种有规则的排列方式，偏振光通过液晶时，将被旋转一定角度。
2、当电场被加入时，液晶分子的排列方式将改变，偏振光通过液晶时，将偏转不同的角度。
3、通过将两个不同方向的液晶层夹在一起，可使得偏振光发生更大的旋转。
第三章：液晶显示器的光学特性1、光学透过率：液晶显示器的光学透过率与液晶取向和偏振板透过率等因素有关。
通常情况下，偏振板透过率越高，液晶分子相对于偏振板的取向越准确，液晶显示器的光学透过率也越高。
2、偏振角：当偏振角为90度时，光线经过液晶显示器将完全被阻断。
3、视角：液晶显示器的视角也是影响其光学特性的因素之一。
在视角范围内，液晶显示器的亮度和色彩表现均能保持稳定；但在视角以外的区域，亮度和色彩表现会出现明显的变化。
4、对比度：液晶显示器的对比度直接影响其清晰度和视觉效果，优化液晶显示器的对比度是提高其光学特性的重要途径。
常见的液晶显示器优化方法有改进背光源技术、提高液晶对比度和减小反射率等。
第四章：液晶显示器的光学特性优化1、背光源技术的优化：优化背光源技术，可以显著改善液晶显示器的亮度和色彩表现，并且更好地适应新一代液晶面板的发展趋势。
常见的液晶背光源技术包括CCFL、 LED、OLED等。
2、液晶材料的优化：利用新型材料，如液晶分子加偏聚氯化铝(LCP)，可以改善液晶显示器的光学特性，提高其对比度和视角。
液晶物质的形态特点
液晶物质的形态特点
液晶是一种介于固体和液体之间的物质形态，具有以下几个特点：
1.双折射性：液晶的分子结构导致它具有双折射性，也就是光在通过液晶时会发生不同的折射现象。
在无外加电场的情况下，液晶分子呈无序排列，光线会以两个不同的折射率通过液晶，呈现出两个不同的折射方向。
这种双折射现象是液晶显示技术的基础。
2.可透光性：液晶在一定温度范围内可以表现出白色或透明的外观，不会自发发射光线，也不会吸收光线，所以对于外界光的透过和透射具有很好的特性。
这种特性使得液晶可以作为显示器的基本材料，并且能够通过通过调整分子排列来控制透光度，实现图像的显示。
3.定向性：液晶分子有着一定的方向性，所以液晶具有定向性，通过外加电场或温度的变化，可以改变液晶分子的排列方向，从而改变液晶的光学性质。
这种定向性和可调节性使得液晶显示技术成为一种可控性能很强的显示技术。
4.可扭曲性：液晶的分子排列形态可以通过外加电场或机械应变等途径改变，也就是液晶分子的排列可以被“扭曲”。
在没有外加电场时，液晶分子呈现无序排列，但在外加电场的作用下，液晶分子会沿着电场方向排列，从而形成了有序的排列结构。
这种可扭曲性是液晶显示技术中液晶分子的重要特性。
9.液晶的物理光学特性
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。
液晶偏光的原理及应用
液晶偏光的原理及应用1. 液晶偏光的原理液晶偏光是基于液晶分子在电场作用下产生偏振的原理。
液晶是一种介于液体和固体之间的物质，它具有分子有序排列的特性。
液晶分子可以通过外加电场来改变其排列方向，从而使光线在其通过时发生偏振。
液晶分子的排列形式主要有两种：平行排列和垂直排列。
在没有外加电场时，液晶分子呈现混乱排列状态，此时无法产生偏振效应。
而当外加电场时，液晶分子会被电场作用，以一定方向排列。
这种有序排列的液晶分子能够选择性地吸收和传播特定方向的振动光。
通过调节电场的强弱可以控制液晶分子的排列方向，从而调节液晶偏振的强度。
2. 液晶偏光的应用液晶偏光拥有广泛的应用，下面列举几个常见的应用领域：2.1 液晶显示器液晶显示器是液晶偏光技术的重要应用之一。
它利用液晶分子的偏振特性来控制光线的透射和阻挡，通过调节电场产生图像显示。
液晶显示器具有薄、轻、节能的特点，广泛应用于电视、手机等设备上。
2.2 相变光学器件液晶偏光技术在相变光学器件中也有重要应用。
相变光学器件利用液晶在不同温度和电场下的物理性质变化来实现光学功能的切换。
例如可变光栅、热低阈值液晶器的工作原理就是基于液晶偏光的原理。
2.3 光学调制器液晶偏光技术也被广泛应用于光学调制器中。
光学调制器是一种能够改变光的相位、振幅或偏振状态的器件。
通过调节液晶分子的排列方向和电场的强弱，可以控制通过液晶偏光器的光线，从而实现光学调制的功能。
这种技术在通信、光学成像等领域有重要应用。
3. 总结液晶偏光是利用电场作用下液晶分子排列方向的改变来产生偏振效应的原理。
这种原理被广泛应用于液晶显示器、相变光学器件和光学调制器等领域。
液晶偏光技术的出现极大地改变了电子显示技术和光学器件的发展方向，使得这些设备变得更加薄、轻、节能。
随着科技的进步，液晶偏光技术在更多的领域将会得到应用，并为我们的生活带来更多的便利和创新。
液晶显示器件中的光学特性研究
液晶显示器件中的光学特性研究液晶显示器件可以说是现代生活中不可或缺的一部分，无论是手机、电视、电脑等各种显示设备都广泛采用了液晶显示技术。
而液晶显示器件的优良光学特性正是其能够被广泛应用的重要原因之一。
液晶显示器件中的光学特性主要是指液晶分子在电场作用下的取向改变所带来的光学效应。
液晶分子是含有两个不对称端的分子，具有长轴和短轴之分。
液晶分子的取向状态对于其光学特性起着至关重要的作用。
在有电场作用下，液晶分子会沿着电场方向对齐，这种取向状态称为同向取向。
而在没有电场作用下，液晶分子则会随机取向。
在同向取向的状态下，液晶分子可以调整光的传播方向和偏振状态，这就是液晶显示器件中的偏振器。
偏振器可以将具有随机偏振状态的自然光变为具有特定偏振状态的偏振光，偏振光在通过液晶层的时候，由于液晶分子的取向，导致光的传播方向被改变。
这样便可以根据不同的电场控制液晶分子的取向，从而调整液晶层中的偏振状态，实现图像的显示。
除了偏振器的作用外，液晶分子的取向还会影响液晶显示器件的光强度变化。
这是由于液晶分子的取向会对不同偏振状态的光的传播速度产生不同的影响，导致出现光束的相位差，从而引起光的干涉现象。
这一干涉现象也是液晶显示器件中的薄膜横向干涉现象。
薄膜横向干涉现象是由于液晶分子的取向在薄液晶层内是存在梯度的。
当光从一个高折射系数区域进入低折射系数区域时，会发生反射和折射，并产生相位差。
液晶分子的取向甚至可以精确控制产生相位差的大小和方向，这使得液晶显示器件中的图像达到更加准确的显示效果。
此外，液晶显示器件中光的折射率也是影响其光学特性的重要因素之一。
液晶分子在不同的荧光基团所处的位置上，由于分子内部振动状态的影响而表现出不同的电光特性。
这种电光特性的不同便导致不同区域的液晶层具有不同的折射率。
这使得来自不同区域的光在液晶层内的反射、折射、散射等过程中会出现不同的反应，从而影响液晶显示器件中图像的清晰程度和色彩还原能力。
液晶材料的性质及其应用
液晶材料的性质及其应用液晶是一种特殊的物质形态，它既表现出固体的有序性质，同时又具有液态的流动性。
液晶作为现代化学和材料科学中的重要研究对象，因其独特的性质，已被广泛应用于电子显示、光电子、传感器等领域。
1. 液晶材料的基本性质液晶材料的特殊性质是由其分子结构所决定的。
液晶分子通常具有线性、扭曲、杯形等不同的结构形态。
由于液晶分子自身具有偶极性，使得分子在外部场的作用下呈现出与其它物质不同的取向和排列规律，从而显示出其独特的物理性质。
液晶材料具有重要的光学性质，如自然双折射等。
当液晶分子在外部场作用下发生旋转时，其两个折射率也会发生变化。
利用这种特性，可以制成各种光学器件，如偏振器、光阀、液晶电视等。
液晶材料还具有电学和机械性能。
在外施电场的作用下，液晶分子能够发生取向改变，从而导致电光效应、电热效应、电流效应等现象的产生。
液晶材料的机械性质也是研究的重点之一，如液晶弹性、液晶稳定性、液晶流动性等。
2. 液晶材料的应用现代信息技术的快速发展使得液晶材料的应用得到了广泛的关注。
液晶电视、电脑液晶显示器、液晶手表等产品已经成为人们生活中不可或缺的一部分。
此外，液晶材料还被应用于太阳能电池板的制造、生物传感、光谱分析和二维码等领域。
（1）液晶显示技术液晶显示技术是液晶材料最广泛应用的领域之一。
液晶显示器利用外施电场改变液晶分子的取向来控制光的透过和阻挡，从而实现图像的变化。
与传统的阴极射线管相比，液晶显示器有体积小、重量轻、功耗低、易于携带等优势特点。
液晶显示技术不仅仅在消费电子领域得到广泛应用，也在医学显示、航空航天、军事卫星等领域发挥重要作用。
随着科技的发展，液晶显示技术也在不断创新，如曲面屏、可卷曲显示器等。
（2）光电子与传感器液晶材料的特殊光学性质使得其在光电子领域的应用也日益广泛。
液晶光电效应可以用于制造压电光学器件、光纤光栅等，这些器件被广泛用于通信、调制与成像等领域。
另外，液晶材料还被用于生物传感，可以制作出高灵敏度、高选择性、重复使用的生物传感器。
液晶电视显示原理
液晶电视显示原理
液晶电视显示原理是利用液晶材料的光学特性实现的。
液晶是一种特殊的有机化合物，它在不同的电场下会发生物理性质的变化。
液晶电视屏幕由许多小的液晶单元组成，每个液晶单元由两层平行排列的透明电极构成。
当液晶电视的电源开启时，电流通过透明电极，形成电场。
液晶分子在电场的作用下会发生扭曲，进而改变了光的偏振方向。
液晶电视屏幕上的像素点由三个小液晶单元组成，分别对应红色、绿色和蓝色的亮度调节。
当一个像素点需要显示亮度较高的颜色时，电压会加大，使得液晶分子旋转更多，光线经过液晶层后会发生更大的偏振角度变化，从而显示出更亮的颜色。
相反，当像素点需要显示亮度较低的颜色时，电压会减小，液晶分子扭曲较小，光线偏振角度变化较小，显示较暗的颜色。
液晶电视屏幕上每个像素点的亮度和颜色会根据输入信号的变化而改变，通过控制每个像素点的电压，液晶电视能够显示出丰富多彩的图像。
同时，液晶电视具有快速的响应速度和较高的刷新率，能够呈现出流畅的动画和视频。
总之，液晶电视的显示原理基于液晶材料的光学特性，通过控制液晶分子的扭曲程度来调节光线的偏振角度，从而实现显示不同亮度和颜色的图像。
液晶电光特性及应用
液晶电光特性及应用液晶电光特性及应用液晶电光特性是指液晶在电场作用下的光学行为。
液晶的电光特性与其分子取向和分子结构有关。
液晶分子具有长的有机分子，它们通常由多个环状或直链结构组成。
液晶分子的长链结构，使它们可以被定向排列，形成特定的有序结构。
液晶分子的取向状态决定了液晶的光学特性。
如果液晶分子是正放置的，则它们对光的偏振状态具有选择性吸收性，这称为吸收性光学。
如果液晶分子是被定向的，则它们对偏振光的折射率是具有选择性的，此时就称为双折射光学。
双折射现象是液晶电光特性最为常见的现象。
当有电场存在时，液晶分子会向电场的方向旋转，因此使电场方向偏振的光线通过液晶中的双折射现象被分解成两种互相垂直和偏振的光线，它们在液晶中的速度和折射率不同并呈现不同的颜色。
这两个光线将在液晶后面通过旋转器合成一条线性偏振光，只有在电场作用下液晶分子的排列状况才以可控的方式改变。
液晶电光特性应用广泛。
其中最为常见的是液晶显示器。
液晶显示器是一种利用液晶电光特性制成的显示设备。
这种显示器能够有效地将输入的电脉冲信号转换成图像，并且该图像的质量更加清晰、亮度更加均匀。
它被广泛应用在电子设备领域，如手机、平板电脑、电视等。
液晶显示器由液晶电光晶体及其控制电路构成，控制电路会改变晶体的各项物理量，如电场、温度、压力等，从而达到对显示器的控制。
液晶电光特性还可以用于制造光调制器。
光调制器是一个电光传输设备，它能够通过电场变化控制入射光信号的光强和相位，从而实现信息传输。
这种设备广泛应用于通信领域，如光纤通信、激光雷达等。
液晶电光特性还可以被应用到液晶色浆中来调节其色差和响应速度，使其成为一种很好的电光材料。
综上所述，液晶电光特性具有非常重要的光学意义，并且被广泛应用于各种领域。
液晶显示器和光调制器是液晶电光应用中最典型和重要的例子。
未来，液晶电光技术将继续发展，并且进一步提高其应用的效率和可靠性。
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IPS-LCD显示原理
IPS in Plane Switching，共面转换； 正负电极均位于下侧基板上； 静态和动态时，液晶分子指向矢均平行 于面板排列； 静态时，指向矢平行于下侧偏振片，无 双折射，入射线偏光的光矢量不变，不 能通过上侧偏振片； 动态时，在水平电场作用下，指向矢在 水平面内发生偏转，产生双折射（相当 于波片），入射线偏光被变换为椭圆偏 振光，部分通过上侧偏振片，控制电压 大小即可得到各种灰度等级； Hitachi最先发布，LG技术最领先。
VA-LCD显示原理
面板两侧的偏振片正交定向，静态时（未加电压），液晶分子垂直定向（Vertical Alignment，VA），入射线偏光的偏振态不发生变化，不能通过上侧偏振片； 动态时（外加电场），液晶指向矢偏转角度ϕ，产生双折射，入射线偏光分解为o 光和e光传输，被变换为椭圆偏振光，透过率取决于椭偏度，通过外加电场控制。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 12
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by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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MVA-LCD的改进型
PVA-LCD Patterned Vetical Alignment，垂直定向构型； 上下电极图形错位，形 成倾斜的电场，实现液 晶分子在动态情况下的 多象限偏转； 三星最先发布。 CPA-LCD Continuous Pinwheel Alignment ，连续焰火状 排列； 通过像素分割和电极图形的配置，形成倾斜向心的电场分布，液晶分子在 动态情况下呈连续的焰火状排列； 夏普最先发布。
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by Z.J.Wan, NGIA-HUST
4
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，分子的指向矢发生偏转，沿电场方向排列。
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by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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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。
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@
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 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。
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by Z.J.Wan, NGIA-HUSTBiblioteka 15可视角与对比度NG
BEST
GOOD
评价标准：设置屏幕全黑，在大角度观察情况下，是否发生漏光，各个视 角视场是否均匀。 难以求全！
2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 16
软屏和硬屏
VA-LCD―静态时（全黑），液晶分子因触屏挤压而偏转，发生漏光， 可观察到光晕； IPS-LCD―触屏挤压不会引起液晶分子的偏转，无漏光现象； 非材质之硬，乃工作原理使然。
2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 9
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 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 VALCD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。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 10
近晶相 透过率递减
胆甾相
2013/12/22
by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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液晶中的诱导偶极子
在外部电场作用下，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。
2013/12/22
by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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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。
2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 8
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：
n2
no ne
2 no sin 2 ne2 cos 2
向列相液晶中，在外部电场驱动下，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 ， Electrically Controllable Birefringence ，电 控双折射。
MVA-LCD显示原理
VA-LCD 外加电场时，所有液晶分子偏向同一 侧，从不同角度观察，仍会产生色差。 MVA-LCD Multi-domain VA ，多象限垂直定向。 动态时，液晶分子偏向不同方向，减 小视角产生的色差； Fujitsu最先发布，四象限像素分割技 术，通过脊形微小突起结构，让液晶 分子在静态时获得一个倾斜的预定向， 动态时则沿此方向继续偏转； MVA技术同时提高了响应速度。
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by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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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，因为两个正交方向（快轴和 慢轴）的光场均能透过。 入射的x0方向线偏振光，沿着逐个波片 的快轴方向（ x1~xN ）分解（慢轴方向 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。
TN-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，MVA-LCD、IPS-LCD等广角液晶显示技术相继涌现。 2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 11
TN（Twisted Nematic）液晶显示原理
2013/12/22
by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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扭曲向列相液晶的旋光特性
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：
2013/12/22 by Z.J.Wan, NGIA-HUST 17
参考文献
6.
唐建伟等，扭曲向列型液晶光阀旋光机理的等效模型，实验技术与管 理，25（1），2008，pp64-67
2013/12/22
by Z.J.Wan, NGIA-HUST
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