LCD显示原理
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E E
E
E
E LC
E LC
n||
n= n||- n⊥
n⊥
n会改变入射光的偏振进而让LCD产生显示的效果
液晶配向之方法
Cell Process
Apply PI Film
Rubbing
Apply Sealant
Attach Spacer
Panel assembly
Inject LC
Seal
常见液晶配向排列模式
Chapter 2 LCD显示原理
液晶以分子排列分类
ematic liquid crystal线状液晶
排列特点:分子倾向指著某个特定方 LCD用液晶之主流
液晶之介电异向性ε
液晶之介电常数值ε越大产生的induce dipole越大 介电异向性ε决定LC之转动
Induced Dipole
ε>0
LC birefringence n定义
ne
Refractive index
no
Refractive index depend on λ
Refractive Index of a typical nematic LC
Tc
n=n-n⊥ n=constant tρ1/2S ρ=density S= degree of order
光在双折射晶体内之偏振变化
Polarized Wave
Linear Polarization
Circular Polarization Left-hand/Right-hand Elliptical Polarization
Polarization of Optical Waves
光偏极化之物理机制: (1) Dichroism (selective absorption) (2) Birefringence (double refraction) (3) Reflection (4) Scattering
Γ sin X φ 2 T⊥ = E = cos φ sin X sin φ cos X + sin (φ 2 β ) 2 X X
2 2 2
其中
X =
Γ φ + 2
2
2
,
Γ=
2π
λ
d (n e n o ) =
2π
λ
dn
TN之穿透率(T⊥)和1. LC之nd和twist angle φ, 2. 入射光偏振和第 一层LC之夹角β相关
Birefringence n=neff-no<0
负单光轴晶体(negative uniaxial)之折射率椭圆球
1.负单光轴晶体用於显示器之光学补偿膜 2.盘状液晶(discotic LC) 为负单光轴
光入射时单光轴晶体之双折射特性
单光轴晶体nx=ny ≠ nz 光在x方向传播时折射率为ny和nz 光在y方向传播时折射率为nx和nz 光在z方向传播时只一种折射率nx(=ny) 晶体只在一个方向(z方向)得到单一折射率(即 n=0)所以称单光轴晶体 z轴为光轴
LCD基本介绍—LCD架构
CF glass
Cell gap
Array glass
背光模组
Transmissive type LCD--TN LCD
Ex. TN Mode
Polarizer
1 0.9 0.8 0.7
V-T Curve
Transmittance
0.6 0.5 0.4 0.3
ctrode
完成亮暗显示的效果
Demo
TN operation principal
NW:上下偏光板穿透轴垂直 NB:上下偏光板穿透轴平行
Normally White
Normally Black
一般TN均为Normally white
TN之光电曲线
1 0.9 0.8 0.7
NW
Transmittance
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
光入射时单光轴晶体之双折射特性
nz
正单光轴晶体 x=ny<nz
椭圆截面 nx no
θ ny neff
光入射晶体时: k 晶体之两个折射率值分别为k垂 平面和折射率椭圆球产生之椭圆 面之长短轴 短轴 no=nx=ny 长轴 neff = 2
no ne
2
ne cos 2 θ + no sin 2 θ
正单光轴晶体之折射率椭圆球
线偏振光之偏振和λ/4波板光轴夹45o 入射,出射光为圆偏振 线偏振光之偏振和λ/2波板光轴夹θ入射,出射光之偏振转2
PolΒιβλιοθήκη Baidurizer的作用
Polarized light
穿透轴
偏光板有吸收轴跟穿透轴,两轴永远相互垂直 非偏振光通过偏光板变成线偏振光,此线偏振光之偏振平行 穿透轴 非偏振光通过偏光板后光强度剩原来之一半
光入射时双光轴晶体之双折射特性
双光轴 nx ≠ ny≠ nz
nz
光在晶体之x方向传播时看到之折射率为ny和nz 光在晶体之y方向传播时看到之折射率为nx和nz 光在晶体之z方向传播时看到之折射率为nx和ny
nx
ny
双光轴晶体有两方向无论光之偏振为何光只看到一 射率所以称之为双光轴
双光轴晶体折射率椭球 双光轴晶体用於显示器之光学补偿膜(补偿视角)
1 2 π (0)d T⊥ = sin ( )=0 2 λ
Transmittance of TN (Twisted Nematic) LCD
TN, φ=90o
Γ T⊥ = cos X + ( cos( 2 β )) 2 sin 2 ( X ) 2X
2
T⊥有极大值,且其值和β无关
=0.866 named for NB
m=1
m=2
nd在1st minimum (or 2nd., 3rd. minimum….. 时T⊥和β无关)
1st minimum and polarization rotation effect
φ=90o,
β=0o
Γ sin X ) 2 ) 2X
N V=0
As V increases
T⊥ = cos 2 X + (
nment film
Homogenous alignment (ECB)
Twisted alignment (Twisted nematic
Homeotropic alignment
Hybrid alignment
晶体光学
光入射液晶之可能现象和效应 1. 吸收(absorption)和穿透(transmission) 2. 折射(refraction)和反射 3. 双折射效应(birefringence effect) 4. 旋光效应(polarization rotation effect) 5. 散射(scattering) 6. 绕射(diffraction) 7. 色散(dispersion)
Transmittance for ECB type
ECB (Electrically Controlled Birefringence)
β=45o polarizer analyzer analyzer polarizer
E nd = 0
1 2 Γ 1 2 πnd 2 o T⊥ = sin ( ) sin (2 × 45 ) = sin ( ) 2 2 2 λ
光电场在晶体内可分成两分量
λ
光电场分量1
d
ne
光电场分量2
λ
d
δ
2 πdn 2 πd 2 πd Phase Retardation δ = = λ λ ne λ no
no
光在各方同向之介质中
线偏振光
各方同向介质内无相位差
相位延迟δ=
0
0
0
0
光在各方同向之介质中向位差值维持一定所以偏振不变
光在双折射晶体内之偏振变化
1 sin 2 ( π 1 + u 2 ) 2 (NW) = 1 2 1+ u
i.e. u>>1
单光轴晶体的分类
A-plate:光轴平行film材表面
Positive A-plate
Negative A-plate
C-plate:光轴垂直film材表面称
Positive C-plate
Negative C-plate
A-plate, C-plate用於LCD之补偿膜
Color dispersion(色散)
Birefringence n=neff-no>0
1. 显示器用液晶为正单光轴液晶 2. 棒状液晶为正单光轴
光入射时单光轴晶体之双折射特性
负单光轴晶体 nx=ny>nz nz θ nx k 椭圆截面之 ny 短轴 no=nx=ny 长轴 neff = neff
no ne
2 2
no
ne cos 2 θ + no sin 2
线偏振光
双折射晶体内有nd
相位延迟δ= π/4 π/2 3π/4 π 5π/4 3π/2 7π/4 2π 光在双折射晶体内随相位延迟量δ的不同而有不同的偏振形状
λ/4 plate and λ/2 plate
2
π
Crossed wave plates
Slow axis
+
Slow axis
=
Slow axis
TN LCD之制作方法
Rubbing direction 与配向之关系 Rubbing direction 配向膜
LC
LC分子沿著rubbing方向排列
TN LCD之制作方法
Rubbing direction
Rubbing direction
TFT大玻璃基板
CF大玻璃基板
Rubbing process
λ/4 plate
λ/4 plate
Slow axis
λ/2 plate
Slow axis
+
=
λ/4 plate
λ/4 plate
isotropic
光在双折射晶体内之偏振变化
Special case:
45o
光轴
θ
光轴
2θ
园偏振 λ/4波板 nd=λ/4 相位延迟量δ= π/2 λ/2波板 nd=λ/2 相位延迟量δ= π
β
Transmittance of LCD
Γ sin X 2 T⊥ = cos φ sin X sin φ cos X + sin (φ 2 β ) X 2 X
ECB type
φ
2
2
考虑通过低一 片偏光板之光 强会少一半
LC
1 2 Γ T⊥ = sin ( ) sin 2 (2 β ) 2 2
-
Liquid Crystal Black (TFT On)
0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
White (TFT Off)
LC为一光阀:控制通过光的强弱(本身不发光) 外加电压 改变液晶的排列方式
NW NB
Voltage
造成光极化态的改变
再搭配Polarizer或补偿膜
NB
Voltage
LC
NW在暗状态下有self-compensation effect 对比高 NB在暗状态下液晶对光有作用所以有色散现 对比低
L
Optics of TN LC
1. Calculate LC Directors profile 2. Calculate transmittance: Jones Matrices 3. Calculate viewing angle Extended Jones Matrices
Ex: dichroism
相位延迟与偏振状态之关系
-π
-3π/4
-π/2
-π/4
0
π/4
π/2
3π/4
π
E=Ex(z,t)+Ey(z,t)
E x (z, t) = E ox cos(kz ωt) i E y (z, t) = E oy cos(kz ωt + δ ) j
-1
1) δ = 0 或 ±π 时, 电场为线偏极化, 偏振方向与x轴之夹角 θ = tan (E oy / E ox ) 2) δ = ±π/2 且 E ox = E oy 时, 电场为圆偏极化(正号为左圆;负号为右圆偏振) 若 E ox ≠ E oy 时, 电场为椭圆偏极化且主轴在x或y轴上 3)其余状况为椭圆偏振
Δφ为相位差
图示相位延迟与偏振状态之关系
Ey Ey Ey Ey
偏振
Ex Ex Ex Ex
δ=0
Time increases
Ey Ey Ey Ey
偏振 =π/2
me Eox=Eoy)
Ex
Ex
Ex
Ex
双折射晶体种类
光在一晶体内传播时若看到两种折射率则此晶体为双 折射晶体(例如液晶)
光在双折射晶体内的折射率值跟光的入射角度和偏振 有关 单光轴晶体nx=ny ≠ nz 双光轴晶体nx ≠ ny ≠ nz
Assembly
Structure of a TN LCD
Rubbing direction
CF
θ
LC rotation trace
Rubbing direction
~90o
TFT
θPretilt angle
大部分之TN LCD为左旋设计
Transmittance of a TN-LCD
From Jones matrix calculation
E
E
E LC
E LC
n||
n= n||- n⊥
n⊥
n会改变入射光的偏振进而让LCD产生显示的效果
液晶配向之方法
Cell Process
Apply PI Film
Rubbing
Apply Sealant
Attach Spacer
Panel assembly
Inject LC
Seal
常见液晶配向排列模式
Chapter 2 LCD显示原理
液晶以分子排列分类
ematic liquid crystal线状液晶
排列特点:分子倾向指著某个特定方 LCD用液晶之主流
液晶之介电异向性ε
液晶之介电常数值ε越大产生的induce dipole越大 介电异向性ε决定LC之转动
Induced Dipole
ε>0
LC birefringence n定义
ne
Refractive index
no
Refractive index depend on λ
Refractive Index of a typical nematic LC
Tc
n=n-n⊥ n=constant tρ1/2S ρ=density S= degree of order
光在双折射晶体内之偏振变化
Polarized Wave
Linear Polarization
Circular Polarization Left-hand/Right-hand Elliptical Polarization
Polarization of Optical Waves
光偏极化之物理机制: (1) Dichroism (selective absorption) (2) Birefringence (double refraction) (3) Reflection (4) Scattering
Γ sin X φ 2 T⊥ = E = cos φ sin X sin φ cos X + sin (φ 2 β ) 2 X X
2 2 2
其中
X =
Γ φ + 2
2
2
,
Γ=
2π
λ
d (n e n o ) =
2π
λ
dn
TN之穿透率(T⊥)和1. LC之nd和twist angle φ, 2. 入射光偏振和第 一层LC之夹角β相关
Birefringence n=neff-no<0
负单光轴晶体(negative uniaxial)之折射率椭圆球
1.负单光轴晶体用於显示器之光学补偿膜 2.盘状液晶(discotic LC) 为负单光轴
光入射时单光轴晶体之双折射特性
单光轴晶体nx=ny ≠ nz 光在x方向传播时折射率为ny和nz 光在y方向传播时折射率为nx和nz 光在z方向传播时只一种折射率nx(=ny) 晶体只在一个方向(z方向)得到单一折射率(即 n=0)所以称单光轴晶体 z轴为光轴
LCD基本介绍—LCD架构
CF glass
Cell gap
Array glass
背光模组
Transmissive type LCD--TN LCD
Ex. TN Mode
Polarizer
1 0.9 0.8 0.7
V-T Curve
Transmittance
0.6 0.5 0.4 0.3
ctrode
完成亮暗显示的效果
Demo
TN operation principal
NW:上下偏光板穿透轴垂直 NB:上下偏光板穿透轴平行
Normally White
Normally Black
一般TN均为Normally white
TN之光电曲线
1 0.9 0.8 0.7
NW
Transmittance
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
光入射时单光轴晶体之双折射特性
nz
正单光轴晶体 x=ny<nz
椭圆截面 nx no
θ ny neff
光入射晶体时: k 晶体之两个折射率值分别为k垂 平面和折射率椭圆球产生之椭圆 面之长短轴 短轴 no=nx=ny 长轴 neff = 2
no ne
2
ne cos 2 θ + no sin 2 θ
正单光轴晶体之折射率椭圆球
线偏振光之偏振和λ/4波板光轴夹45o 入射,出射光为圆偏振 线偏振光之偏振和λ/2波板光轴夹θ入射,出射光之偏振转2
PolΒιβλιοθήκη Baidurizer的作用
Polarized light
穿透轴
偏光板有吸收轴跟穿透轴,两轴永远相互垂直 非偏振光通过偏光板变成线偏振光,此线偏振光之偏振平行 穿透轴 非偏振光通过偏光板后光强度剩原来之一半
光入射时双光轴晶体之双折射特性
双光轴 nx ≠ ny≠ nz
nz
光在晶体之x方向传播时看到之折射率为ny和nz 光在晶体之y方向传播时看到之折射率为nx和nz 光在晶体之z方向传播时看到之折射率为nx和ny
nx
ny
双光轴晶体有两方向无论光之偏振为何光只看到一 射率所以称之为双光轴
双光轴晶体折射率椭球 双光轴晶体用於显示器之光学补偿膜(补偿视角)
1 2 π (0)d T⊥ = sin ( )=0 2 λ
Transmittance of TN (Twisted Nematic) LCD
TN, φ=90o
Γ T⊥ = cos X + ( cos( 2 β )) 2 sin 2 ( X ) 2X
2
T⊥有极大值,且其值和β无关
=0.866 named for NB
m=1
m=2
nd在1st minimum (or 2nd., 3rd. minimum….. 时T⊥和β无关)
1st minimum and polarization rotation effect
φ=90o,
β=0o
Γ sin X ) 2 ) 2X
N V=0
As V increases
T⊥ = cos 2 X + (
nment film
Homogenous alignment (ECB)
Twisted alignment (Twisted nematic
Homeotropic alignment
Hybrid alignment
晶体光学
光入射液晶之可能现象和效应 1. 吸收(absorption)和穿透(transmission) 2. 折射(refraction)和反射 3. 双折射效应(birefringence effect) 4. 旋光效应(polarization rotation effect) 5. 散射(scattering) 6. 绕射(diffraction) 7. 色散(dispersion)
Transmittance for ECB type
ECB (Electrically Controlled Birefringence)
β=45o polarizer analyzer analyzer polarizer
E nd = 0
1 2 Γ 1 2 πnd 2 o T⊥ = sin ( ) sin (2 × 45 ) = sin ( ) 2 2 2 λ
光电场在晶体内可分成两分量
λ
光电场分量1
d
ne
光电场分量2
λ
d
δ
2 πdn 2 πd 2 πd Phase Retardation δ = = λ λ ne λ no
no
光在各方同向之介质中
线偏振光
各方同向介质内无相位差
相位延迟δ=
0
0
0
0
光在各方同向之介质中向位差值维持一定所以偏振不变
光在双折射晶体内之偏振变化
1 sin 2 ( π 1 + u 2 ) 2 (NW) = 1 2 1+ u
i.e. u>>1
单光轴晶体的分类
A-plate:光轴平行film材表面
Positive A-plate
Negative A-plate
C-plate:光轴垂直film材表面称
Positive C-plate
Negative C-plate
A-plate, C-plate用於LCD之补偿膜
Color dispersion(色散)
Birefringence n=neff-no>0
1. 显示器用液晶为正单光轴液晶 2. 棒状液晶为正单光轴
光入射时单光轴晶体之双折射特性
负单光轴晶体 nx=ny>nz nz θ nx k 椭圆截面之 ny 短轴 no=nx=ny 长轴 neff = neff
no ne
2 2
no
ne cos 2 θ + no sin 2
线偏振光
双折射晶体内有nd
相位延迟δ= π/4 π/2 3π/4 π 5π/4 3π/2 7π/4 2π 光在双折射晶体内随相位延迟量δ的不同而有不同的偏振形状
λ/4 plate and λ/2 plate
2
π
Crossed wave plates
Slow axis
+
Slow axis
=
Slow axis
TN LCD之制作方法
Rubbing direction 与配向之关系 Rubbing direction 配向膜
LC
LC分子沿著rubbing方向排列
TN LCD之制作方法
Rubbing direction
Rubbing direction
TFT大玻璃基板
CF大玻璃基板
Rubbing process
λ/4 plate
λ/4 plate
Slow axis
λ/2 plate
Slow axis
+
=
λ/4 plate
λ/4 plate
isotropic
光在双折射晶体内之偏振变化
Special case:
45o
光轴
θ
光轴
2θ
园偏振 λ/4波板 nd=λ/4 相位延迟量δ= π/2 λ/2波板 nd=λ/2 相位延迟量δ= π
β
Transmittance of LCD
Γ sin X 2 T⊥ = cos φ sin X sin φ cos X + sin (φ 2 β ) X 2 X
ECB type
φ
2
2
考虑通过低一 片偏光板之光 强会少一半
LC
1 2 Γ T⊥ = sin ( ) sin 2 (2 β ) 2 2
-
Liquid Crystal Black (TFT On)
0.2 0.1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
White (TFT Off)
LC为一光阀:控制通过光的强弱(本身不发光) 外加电压 改变液晶的排列方式
NW NB
Voltage
造成光极化态的改变
再搭配Polarizer或补偿膜
NB
Voltage
LC
NW在暗状态下有self-compensation effect 对比高 NB在暗状态下液晶对光有作用所以有色散现 对比低
L
Optics of TN LC
1. Calculate LC Directors profile 2. Calculate transmittance: Jones Matrices 3. Calculate viewing angle Extended Jones Matrices
Ex: dichroism
相位延迟与偏振状态之关系
-π
-3π/4
-π/2
-π/4
0
π/4
π/2
3π/4
π
E=Ex(z,t)+Ey(z,t)
E x (z, t) = E ox cos(kz ωt) i E y (z, t) = E oy cos(kz ωt + δ ) j
-1
1) δ = 0 或 ±π 时, 电场为线偏极化, 偏振方向与x轴之夹角 θ = tan (E oy / E ox ) 2) δ = ±π/2 且 E ox = E oy 时, 电场为圆偏极化(正号为左圆;负号为右圆偏振) 若 E ox ≠ E oy 时, 电场为椭圆偏极化且主轴在x或y轴上 3)其余状况为椭圆偏振
Δφ为相位差
图示相位延迟与偏振状态之关系
Ey Ey Ey Ey
偏振
Ex Ex Ex Ex
δ=0
Time increases
Ey Ey Ey Ey
偏振 =π/2
me Eox=Eoy)
Ex
Ex
Ex
Ex
双折射晶体种类
光在一晶体内传播时若看到两种折射率则此晶体为双 折射晶体(例如液晶)
光在双折射晶体内的折射率值跟光的入射角度和偏振 有关 单光轴晶体nx=ny ≠ nz 双光轴晶体nx ≠ ny ≠ nz
Assembly
Structure of a TN LCD
Rubbing direction
CF
θ
LC rotation trace
Rubbing direction
~90o
TFT
θPretilt angle
大部分之TN LCD为左旋设计
Transmittance of a TN-LCD
From Jones matrix calculation