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LCD相关介绍

2011-1-26

1.基本原理

1.1.液晶的形态

液晶主要有两大类：热致液晶和溶致液晶。肥皂（脂肪酸钠）水是溶致液晶的一个例子。

液晶是一类物质的统称，其液晶分子一般为棒状，极性分子，即正负电荷中心不重合，其偶极矩方向即为分子长轴方向。

所谓偶极矩是一个矢量，方向由负电荷指向正电荷，值为正（或者负）电荷电量与正负电荷距离之积。

1.2.三种热致液晶

主要有三种：

（1）向列型(nematic)液晶

向列型液晶（nematic）是由希臘語而來，為絲狀的意思，以偏光顯微鏡觀察向列型液晶時，可見到如數絲的光學型態。

液晶分子大致以長軸方向平行配列，因此具有一度空間的規則性排列。此類型液晶的黏度小，應答速度快，是最早被應用的液晶，普遍的使用於液晶電視、膝上型電腦以及各類型顯示元件上。

（2）層列（近晶）型液晶（smectic）

層列型液晶（smectic）則為希臘語黏土的意思。層列型液晶一般如油脂般的黏稠，具有獨特的偏光型態。

（3）胆固醇（胆甾）型液晶(cholesteric)

有多层向列型液晶堆积而成，为nematic液晶的一种。其特点是分子呈螺旋平面状的排列，面与面之间平行，分子长轴方向与面平行，但各面间分子长轴有一定的夹角，并进而使液晶整体形成螺旋结构。指向矢旋转360度的一组面的厚度称为一个pitch，其长度会随温度的变化改变，因此产生不同波长的选择性反射，产生不同的颜色变化，故常用作温度感测器。

对比：

1.3.液晶的光学特性

双折射（birefringence）现象

双折射现象是物理学中的一个研究课题，简单地说就是一种物质存在两种折射率的现象，方解石这种物质具有代表性，一束自然光入射到方解石之后，分解为两束光，分别为寻常光O光和非寻常光E光（ordinary/extraordinary），O光的特性符合物理中的折射定律，E光的特性不符合物理学中的折射定律，特别是E光的折射率与入射光的方向有关。

波片：能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差（或相位差）的光学器件。通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。以线偏振光垂直入射到晶片，其振动方向与晶片光轴夹θ角（θ≠0），入射的光振动分解成垂直于光轴（o 振动）和平行于光轴（e振动）两个分量，它们对应晶片中的o光和e光（ordinary/extraordinary）。晶片中的o光和e光沿同一方向传播，但传播速度不同(折射率不同)，穿出晶片后两种光间产生(n0－ne)d光程差，d为晶片厚度，n0和ne为o光和e光的折射率，两垂直振动间的相位差为Δj＝2π（n0－ne）d／λ。两振动一般合成为椭圆偏振（见光的偏振）。

Δj＝2kπ（k为整数）时合成为线偏振光；Δj＝（2k＋1）π／2，且θ＝45°时合成为圆偏振光。

1/4波片：凡能使o光和e光产生λ／4附加光程差的波片称为四分之一波片。若以线偏振光入射到四分之一波片，且θ＝45°，则穿出波片的光为圆偏振光；反之，圆偏振光通过四分之一

波片后变为线偏振光。

1/2波片：凡能使o光和e光产生λ／2附加光程差的波片称为二分之一波片。线偏振光穿过二分之一波片后仍为线偏振光，只是一般情况下振动方向要转过一角度。光程差可任意调节的波片称补偿器，补偿器常与起偏器结合使用以检验光的偏振状态。

偏振光

偏振光是指光矢量的振动方向不变，或具有某种规则地变化的光波。按照其性质,偏振光又可分为平面偏振光（线偏光）、圆偏振光和椭圆偏振光、部分偏振光几种。如果光波电矢量的振动方向只局限在一确定的平面内，则这种偏振光称为平面偏振光，若轨迹在传播过程中为一直线，故又称线偏振光。如果光波电矢量随时间作有规则地改变，即电矢量末端轨迹在垂直于传播方向的平面上呈圆形或椭圆形,则称为圆偏振光或椭圆偏振光。如果光波电矢量的振动在传播过程中只是在某一确定的方向上占有相对优势，这种偏振光就称为部分偏振光。

偏振片

原始的偏振片就是在透明的晶体中插入几根平行的金属丝，金属丝的间隔约1cm。

光是一种电磁波，是电场的磁场的交替传播，电场的磁场的方向相互垂直。当金属丝的方向和电磁波中的电矢量方向平行时，电矢量就在金属丝中激起电流，它的能量就转化的热量，就没有电磁波通过偏振片。当电矢量方向和金属丝方向和金属丝的方向垂直时，电磁波就不能在金属丝中激起电流，电磁波可以透过偏振片。

旋光现象

偏振光穿过物质后，其偏振方向在垂直传播方向的面上发生偏转的现象。

简单解释一下旋光发生的原因：由于液晶分子是非手型分子，也就是其与镜像分子在空间中无法重合，因而当偏振光入射后，其分子会产生受迫振动，而形成一个电场，此电场与入射光波的振动电场间成一个夹角，而由于没有镜像位分子的抵消作用，因而入射光波的振动方向在其中就会发生左旋或者右旋，出射光波就会相对于入射光波发生偏转。

左旋光与右旋光

1.4.液晶显示器的工作原理

1.4.1.TN(Twisted nematic)型液晶显示器

液晶显示是一种被动的显示，它不能发光，只能使用周围环境的光。它显示图案或字符只需很小能量。正因为低功耗和小型化使LCD成为较佳的显示方式。

液晶显示所用的液晶材料是一种兼有液态和固体双重性质的有机物，它的棒状结构在液晶盒内一般平行排列，但在电场作用下能改变其排列方向。

对于正性TN-LCD，当未加电压到电极时，LCD处于”OFF”态，光能透过LCD呈白态；当在电极上加上电压LCD处于“ON”态，液晶分子长轴方向沿电场方向排列，光不能透过LCD，

呈黑态。有选择地在电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。

从图中可以看出,液晶显示器是一个由上下两片导电玻璃制成的液晶盒，盒内充有液晶，四周用密封材料-胶框（一般为环氧树脂）密封，盒的两个外侧贴有偏光片。

液晶盒中上下玻璃片之间的间隔，即通常所说的盒厚，一般为几个微米（人的准确性直径为几十微米）。上下玻璃片内侧，对应显示图形部分，镀有透明的氧化甸-氧化锡（简称ITO）导电薄膜，即显示电极。电极的作用主要是使外部电信号通过其加到液晶上去。

液晶盒中玻璃片内侧的整个显示区覆盖着一层定向层。定向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个定向层通常是一薄层高分子有机物，并经摩擦处理；也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。

在TN型液晶显示器中充有正性向列型液昌。液晶分子的定向就是使长棒型的液晶分子平行于玻璃表面沿一个固定方向排列，分子长轴的方向沿着定向处理的方向。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，在垂直于玻璃片表面的方向，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°（参见下图），这就是扭曲向列型液晶显示器名称的由来。

实际上，靠近玻璃表面的液晶分子并不完全平等于玻璃表面，而是与其成一定的角度，这个角