偏振光的应用——液晶显示器 ppt课件

平行，即波法线k与光轴有
倾角，电矢量所在平面与
ne nz k
x
椭球的截面是椭圆，椭圆
y no
的长、短轴分别是沿k传播
的两个平面线偏振光的折
射率n0 和 ne。当倾角为
90时ne 为最大。
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向列相和近晶相液晶的双折射特性
• 液晶是单轴晶体，向列和近晶相液 晶分子指向矢与光轴方向一致；
z
• 宏观连续体理论（弹性连续体和电流体 动力学理论）：描述液晶分子在电场、 磁场作用下指向矢流动情况（力与变形 关系问题）。
• 忽略液晶单个分子行为，看成一个连续 介质，在外力作用下发生弹性变形。
• 没有外场作用时，液晶处于平衡状态， 其自由能最小；在外场作用下，由于变 形而使 自由能增加。
• 与三种变形相关的弹性系数分别为：
n
角 的统计量表示分子趋向的一致程 度参，量S选:择二阶勒让德多项式P2 为有序
y
S
p2

3 cos2 1
2wk.baidu.com
2
x
• <‥>代表对所有分子取平均，S=1表示 分子全平行，S=0表示分子完全无序。
• 液晶有序参量：0.3 - 0.8
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（2）液晶的连续体理论
• 微观用分子统计理论解释液晶的光学性 质和相变；
速度分别是：
边界
c cos
v// n
v

c sin
n//
对于确定的分子倾角，因 n// n

v
V// 入射方向
偏转方向
所以平行速度分量的增量大于垂直速度 分量的增量，合成方向与分子长轴的夹 角变小，经过多个液晶层後，光波的传 输方向偏向长轴方向。
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光在向列相液晶中的传输（2）

E
2 y
2ExEy
cos δ

E02 2
sin2
δ
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随着光线沿z轴方向前进， 相位差 从零逐渐变大：
= 0，/4，/2，3/4，， 5/4，3/2，7/4，2； 光的偏振状态按照直线、椭圆、圆、椭圆、直线的顺序变
10nm
1nm CnH2n1
o
o CN
液晶分子形状
近晶相液晶分子化学结构
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2
液晶分类
向列相 ( Nematic )
• 分子重心混乱无序, • 所有长轴(指向矢)
一致
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近晶相(Smectic)
• 分子有层结构， • 在一个层面内分子
重心无序, • 长轴取向(指向矢)
基本一致, 垂直 于分子层面.
k11（展曲）,k22（扭曲）,k33（弯曲）;
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（3）液晶的各向异性（相对于主轴）
• 介电各向异性 ，// ， = // - ；
介电常数反映在电场作用下介质极化程度。
• 折射率各向异性 n//， n， n= n// - n • 弹性系数各向异性： k11 , k22 , k33 ;
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• 设液晶层厚度为z，经过液晶层后的两个分量各自产生
的相位延迟取决于各自的折射率：
Ex

E0
cos
θ
sin ωt

ω
n// c
z
Ey

E0
sin θ
sin ωt
ω n c
z
相位差 n// n z
c
当 = /4时，其合成振动为：
E
2 x
偏振光的应用——液晶显示器
• 液晶的双折射效应 • 显示器基本结构 • 显示原理 • 有源驱动
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什么是液晶？
• 液晶 （Liquid Crystal): 在一定温度范围内，既具有
固态晶体特有的双折射性，又具有液体特有的流动性。
• 液晶分子的形态：一般都是刚性的棒状分子，呈现各向 异性，即在长轴和短轴两个方向上具有不同的物理性质： 折射率、磁化率、电导率、介电常数、粘滞系数等。大 小为纳米、亚纳米尺度。
方解石（=589.3nm）：
ne=1.4864 n0 =1.6584 n=-0.172
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ne k
no
向列相和近晶相液 晶是光学正晶体
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光在向列相液晶中的传输（1）
1. 使光波的传输方向偏向长轴（指向矢）方向
设入射光偏振面与液晶分子指向矢在同一个面内，入射
光可分解成与液晶分子长轴平行和垂直的两个分量。其
–在任何方向上电位移矢量D 和电场矢量E 方向一致,
• 对单轴晶体: εx εy εz
nx ny n0
nz ne
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折射率椭球
用几何图形表示晶体折射率；
设x、y、z与介电主轴平行，相应的主折射率为 nx ,ny ,nz
折射率椭球方程为： x2 nx2

y2
n
2 y

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胆甾相(Cholestevic)
• 分子重心在一个二维 平面内无序排列，
• 其长轴取向(指向矢) 基本一致；
• 层与层之间指向矢旋 转成螺旋结构。
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（1）有序参量——指向矢
• 液晶呈圆柱状，分子的整体方向称为
•
主轴。 指向矢n：表示液晶分子长轴平均趋向
z
的单位矢量。
a
• 分子的热运动使得棒状分子不完全平 行与指向矢，用分子长轴与指向矢夹
2. 改变入射光的偏振状态
设液晶层内指向矢方向不变，且在x方向，入射光偏振方
向与 x 轴夹角为； 在液晶层表面，当 =0, /2时，入射光两个偏振分量中
总有一个为零，即Ey= 0或Ex= 0，否则两个偏振分量为：
Ex E0 cos θ E y E0 sinθ
指向矢方向不变
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一般 k33 k22 k11
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• 据电磁场理论： D εE
• 设晶体有三个互相垂直的坐标轴，则有：
Dx εx Ex , Dy εy E y , Dz εz Ez
• 对各向同性晶体：εx εy εz ε,
–介电常数与折射率的关系： nx ny nz
z2 nz2
1
以Z轴为光轴的单轴晶体折射率椭球方程为：
z nz
x2 y2 no2

z2 ne2
1
no y
x
当光波波法线与z轴平行时，椭球的x-y平面是
半径为n0 的圆，其光波振动方向（电矢量）在 与Z轴垂直的任意方向上有相同的折射率，不产生双折射。
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z
• 若光波传输方向与光轴不
• 波法线为k 的平面偏振波的电矢量
可分解为与光轴平行和垂直的两个
分量，其对应的折射率为ne和n0 ； 并用n//和 n表示：
no n ne n//
• 折射率各向异性：n// >n
n ne n0 n// n 0
• 如5CB液晶（=515nm），
ne=1.7063 n0 =1.5309 n=0.1754