光電信息處理技術(shù)：液晶顯示器

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§1.2液晶顯示器

◆

1.2.1液晶顯示器原理

◆1.2.2液晶顯示器的構(gòu)造◆

1.2.3液晶顯示器的特點(diǎn)及應(yīng)用2§1.2液晶顯示器§1.2.1液晶顯示器原理

一、液晶

液晶是指在某一溫度范圍內(nèi)，從外觀看屬于具有流動(dòng)性的液體，但同時(shí)又是具有光學(xué)雙折射性的晶體。“液晶”包含兩種含義，一是指處于固體相與液體相中間狀態(tài)的液晶相，二是指具有上述液晶相的物質(zhì)。

3液晶物質(zhì)的大多數(shù)為有機(jī)化合物，其分子的形狀一般為細(xì)長(zhǎng)的棒狀或扁平的板狀。按分子排列方式的不同，液晶可分為層列(smectic)液晶、向列(nematic)液晶、膽甾相(cholesteric)液晶等幾大類。4(a)層列液晶

(b)

向列液晶

(c)膽甾相液晶圖1.2.1-1三種液晶相的分子排列結(jié)構(gòu)

5液晶物質(zhì)的折射率，介電常數(shù)，磁化率，電導(dǎo)率，粘度等各種物理性質(zhì)，在液晶分子的長(zhǎng)軸方向（∥）和與其垂直的方向（⊥）有很大的不同，即存在各向異性（，，，，。）

參照?qǐng)D1.2.1-2（圖中n為著眼于全體液晶分子時(shí)，分子長(zhǎng)軸的擇優(yōu)取向方向的單位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定義的分子排列的有序化參數(shù)來表征

1.2.1-1

二、液晶的物理性能

1、

物理性質(zhì)的各向異性6

1.2.1-2液晶方向與分子取向的空間關(guān)系

液晶分子xyazonθ像各向異性液體那樣，分子長(zhǎng)軸取向完全無序的場(chǎng)合，S=0；所有分子完全平行取向的理想液晶，S=1。通常，向列液晶的有序化參數(shù)S也與溫度有關(guān)，取值在0.3~0.8之間。7

2、

折射率的各向異性液晶具有與光學(xué)單軸性晶體同樣的各向異性折射率，顯示出雙折射性。單軸性晶體具有兩個(gè)不相同的主折射率No和Ne，分別代表電矢量的振動(dòng)方向相對(duì)于晶體光軸呈垂直的尋常光及呈平行的異常光的折射率。對(duì)于向列液晶和層列液晶，液晶取向n的方向相當(dāng)于單軸晶體的光軸，因此，對(duì)于與取向n分別呈垂直和呈平行關(guān)系的振動(dòng)光的折射率取，則有

1.2.1-2

8而且，其折射率的各向異性可由下式給出

1.2.1-3這兩種液晶三維空間的折射率，如圖3.5.1-3(a)所示，向列液晶和層列液晶稱為光學(xué)正液晶。nne=n//no=n┴光軸螺旋軸ne=n┴光軸(a)層列液晶和向列液晶(光學(xué)正液晶)(b)膽甾相液晶(光學(xué)負(fù)液晶)圖1.2.1-3單軸性液晶折射率的各向異性9

膽甾相液晶稱為光學(xué)負(fù)液晶。對(duì)于通常光和異常光，其折射率大小的空間分布如圖1.2.1-3(b)所示。光學(xué)性質(zhì)基于折射率的各向異性，液晶具有以下光學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)是LCD工作原理的基礎(chǔ)。在膽甾相液晶的情況下，與取向N垂直的螺旋軸相當(dāng)于光軸，其主折射率No，Ne可由下式給出

1.2.1-410(1)

光的行進(jìn)方向會(huì)偏向取向（分子長(zhǎng)軸）的方向；(2)

偏光的狀態(tài)及偏光的振動(dòng)方向會(huì)發(fā)生變化；(3)

根據(jù)入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。入射直線偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2圖1.2.1-4入射直線偏光在液晶中偏光狀態(tài)及偏光方向的變化

3、介電常數(shù)的各向異性對(duì)于向列液晶和層列液晶，液晶取向n的方向相當(dāng)于單軸晶體的光軸，因此，對(duì)于與取向n分別呈垂直和呈平行關(guān)系的介電常數(shù)取介電各向異性11P型液晶（正性液晶）N型液晶（負(fù)性液晶）特性：12P型液晶分子長(zhǎng)軸方向平行于外電場(chǎng)方向；N型分子長(zhǎng)軸方向垂直于外電場(chǎng)方向。在外電場(chǎng)作用下：4、線偏振光在向列液晶中的傳播13入射直線偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2入射光在x、y方向上電矢量強(qiáng)度可用下式表示：14將上兩式中t消去，得到：其中，為兩光場(chǎng)相位差。分析：偏振光的振動(dòng)狀態(tài)和方向沒有改變；隨著光線沿z方向前進(jìn)，偏振光相繼變成橢圓、圓、線偏振光，同時(shí)偏振方向改變，最后，這束光將以位相差所決定的偏振狀態(tài)進(jìn)入空氣中。4、線偏振光在扭曲向列液晶中的傳播15扭曲向列液晶：

液晶盒兩個(gè)內(nèi)表面上的液晶分子方向相互垂直，導(dǎo)致液晶分子在兩片玻璃之間呈90度扭曲。1617線偏振光垂直入射線偏振光將隨著分子軸旋轉(zhuǎn)，并以平行于出口處分子軸的偏振方向射出若偏振方向與上表面液晶分子取向相同若偏振方向與上表面液晶分子取向垂直線偏振光以垂直于出口處分子軸的偏振方向射出若以其它方向的線偏振光入射時(shí)，根據(jù)平行分量（Ex）和垂直分量（Ey）的相位差δ的值，以橢圓、圓、或直線等某種偏振光形式射出。線偏振光在扭曲向列液晶中的旋光特性18線偏振光垂直入射入射直線偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2扭曲向列液晶產(chǎn)生旋光特性須滿足以下條件：d?Δn>>λ/2Δn:液晶材料的折射率的各向異性；d:液晶盒的間距；λ:入射光波長(zhǎng)。19三、

扭曲向列型顯示原理1、扭曲向列液晶盒的基本結(jié)構(gòu)玻璃基板透明電極外周封接劑分子取向?qū)悠衿衿肿尤∠驅(qū)右壕该麟姌O

玻璃基板

反射板圖1.2.2-1反射式TN型LCD的端面結(jié)構(gòu)20(b)施加電壓時(shí)圖1.2.1-5TN型顯示方式的原理入射光偏振片偏振片光遮斷TN排列盒

(a)未施加電壓時(shí)入射光偏振片偏振片光透過TN排列盒2、顯示原理2122對(duì)于不需要偏振片的顯示方式及透射型LCD要去掉偏振片及反射板。透射型LCD需要附加背面照明光源。而且，對(duì)于彩色顯示LCD，一般要在透明電極與玻璃基板之間增設(shè)多色濾波器層。透明電極基板可以采用涂覆有氧化銦及氧化錫透明導(dǎo)電膜的玻璃板、塑料片或塑料膜。一般要求其透光率在90%以上，表面電阻從10Ω到數(shù)百歐姆。封接材料一般使用熱硬化性環(huán)氧樹脂封接劑，但對(duì)可靠性要求特別高的場(chǎng)合，也有時(shí)采用玻璃封接劑等。大部分LCD所必需的偏振片，是用碘及二色性染料染色的延伸聚乙烯醇膜與醋酸纖維素保護(hù)膜做成的夾層結(jié)構(gòu)，且多為片狀，其透光率為40%~50%，偏光度一般為98%左右。而且，光反射板與偏振片往往做成一體結(jié)構(gòu)。23§1.2.3液晶顯示器的特點(diǎn)及應(yīng)用

LCD的優(yōu)點(diǎn)有：1、由于低功耗（幾微瓦~幾十微瓦/平方厘米），利用電池即可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，為節(jié)能型顯示器。2、低電壓運(yùn)行（幾十伏），可由IC直接驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路小型、簡(jiǎn)單。3、元件為薄型（幾毫米），而且從大型顯示（對(duì)角線長(zhǎng)幾十厘米）到小型顯示（對(duì)角線長(zhǎng)幾毫米）都可滿足，特別適用于便攜式裝置。244、屬于非主動(dòng)發(fā)光型顯示，即使在明亮的環(huán)境，顯示也是鮮明的。5、容易實(shí)現(xiàn)彩色顯示，因此便于顯示功能的擴(kuò)大及顯示的多樣化。6、可以進(jìn)行投影顯示及組合顯示，因此容易實(shí)現(xiàn)大畫面（對(duì)角線為數(shù)米）顯示。

LCD也存在以下一些缺點(diǎn)：1、由于屬于非主動(dòng)發(fā)光型，在采用反射方式時(shí)