光电信息处理技术：液晶显示器

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§1.2液晶显示器

◆

1.2.1液晶显示器原理

◆1.2.2液晶显示器的构造◆

1.2.3液晶显示器的特点及应用2§1.2液晶显示器§1.2.1液晶显示器原理

一、液晶

液晶是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。“液晶”包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。

3液晶物质的大多数为有机化合物，其分子的形状一般为细长的棒状或扁平的板状。按分子排列方式的不同，液晶可分为层列(smectic)液晶、向列(nematic)液晶、胆甾相(cholesteric)液晶等几大类。4(a)层列液晶

(b)

向列液晶

(c)胆甾相液晶图1.2.1-1三种液晶相的分子排列结构

5液晶物质的折射率，介电常数，磁化率，电导率，粘度等各种物理性质，在液晶分子的长轴方向（∥）和与其垂直的方向（⊥）有很大的不同，即存在各向异性（，，，，。）

参照图1.2.1-2（图中n为着眼于全体液晶分子时，分子长轴的择优取向方向的单位矢量），液晶分子排列的有序程度，由下式所定义的分子排列的有序化参数来表征

1.2.1-1

二、液晶的物理性能

1、

物理性质的各向异性6

1.2.1-2液晶方向与分子取向的空间关系

液晶分子xyazonθ像各向异性液体那样，分子长轴取向完全无序的场合，S=0；所有分子完全平行取向的理想液晶，S=1。通常，向列液晶的有序化参数S也与温度有关，取值在0.3~0.8之间。7

2、

折射率的各向异性液晶具有与光学单轴性晶体同样的各向异性折射率，显示出双折射性。单轴性晶体具有两个不相同的主折射率No和Ne，分别代表电矢量的振动方向相对于晶体光轴呈垂直的寻常光及呈平行的异常光的折射率。对于向列液晶和层列液晶，液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴，因此，对于与取向n分别呈垂直和呈平行关系的振动光的折射率取，则有

1.2.1-2

8而且，其折射率的各向异性可由下式给出

1.2.1-3这两种液晶三维空间的折射率，如图3.5.1-3(a)所示，向列液晶和层列液晶称为光学正液晶。nne=n//no=n┴光轴螺旋轴ne=n┴光轴(a)层列液晶和向列液晶(光学正液晶)(b)胆甾相液晶(光学负液晶)图1.2.1-3单轴性液晶折射率的各向异性9

胆甾相液晶称为光学负液晶。对于通常光和异常光，其折射率大小的空间分布如图1.2.1-3(b)所示。光学性质基于折射率的各向异性，液晶具有以下光学性质，这些性质是LCD工作原理的基础。在胆甾相液晶的情况下，与取向N垂直的螺旋轴相当于光轴，其主折射率No，Ne可由下式给出

1.2.1-410(1)

光的行进方向会偏向取向（分子长轴）的方向；(2)

偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；(3)

根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。入射直线偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2图1.2.1-4入射直线偏光在液晶中偏光状态及偏光方向的变化

3、介电常数的各向异性对于向列液晶和层列液晶，液晶取向n的方向相当于单轴晶体的光轴，因此，对于与取向n分别呈垂直和呈平行关系的介电常数取介电各向异性11P型液晶（正性液晶）N型液晶（负性液晶）特性：12P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向；N型分子长轴方向垂直于外电场方向。在外电场作用下：4、线偏振光在向列液晶中的传播13入射直线偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2入射光在x、y方向上电矢量强度可用下式表示：14将上两式中t消去，得到：其中，为两光场相位差。分析：偏振光的振动状态和方向没有改变；随着光线沿z方向前进，偏振光相继变成椭圆、圆、线偏振光，同时偏振方向改变，最后，这束光将以位相差所决定的偏振状态进入空气中。4、线偏振光在扭曲向列液晶中的传播15扭曲向列液晶：

液晶盒两个内表面上的液晶分子方向相互垂直，导致液晶分子在两片玻璃之间呈90度扭曲。1617线偏振光垂直入射线偏振光将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出若偏振方向与上表面液晶分子取向相同若偏振方向与上表面液晶分子取向垂直线偏振光以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出若以其它方向的线偏振光入射时，根据平行分量（Ex）和垂直分量（Ey）的相位差δ的值，以椭圆、圆、或直线等某种偏振光形式射出。线偏振光在扭曲向列液晶中的旋光特性18线偏振光垂直入射入射直线偏光xyznθ液晶偏光方向θθ=0θ=π/4θ=π/2扭曲向列液晶产生旋光特性须满足以下条件：dˑΔn>>λ/2Δn:液晶材料的折射率的各向异性；d:液晶盒的间距；λ:入射光波长。19三、

扭曲向列型显示原理1、扭曲向列液晶盒的基本结构玻璃基板透明电极外周封接剂分子取向层偏振片偏振片分子取向层液晶透明电极

玻璃基板

反射板图1.2.2-1反射式TN型LCD的端面结构20(b)施加电压时图1.2.1-5TN型显示方式的原理入射光偏振片偏振片光遮断TN排列盒

(a)未施加电压时入射光偏振片偏振片光透过TN排列盒2、显示原理2122对于不需要偏振片的显示方式及透射型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，对于彩色显示LCD，一般要在透明电极与玻璃基板之间增设多色滤波器层。透明电极基板可以采用涂覆有氧化铟及氧化锡透明导电膜的玻璃板、塑料片或塑料膜。一般要求其透光率在90%以上，表面电阻从10Ω到数百欧姆。封接材料一般使用热硬化性环氧树脂封接剂，但对可靠性要求特别高的场合，也有时采用玻璃封接剂等。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与醋酸纤维素保护膜做成的夹层结构，且多为片状，其透光率为40%~50%，偏光度一般为98%左右。而且，光反射板与偏振片往往做成一体结构。23§1.2.3液晶显示器的特点及应用

LCD的优点有：1、由于低功耗（几微瓦~几十微瓦/平方厘米），利用电池即可长时间运行，为节能型显示器。2、低电压运行（几十伏），可由IC直接驱动，驱动电路小型、简单。3、元件为薄型（几毫米），而且从大型显示（对角线长几十厘米）到小型显示（对角线长几毫米）都可满足，特别适用于便携式装置。244、属于非主动发光型显示，即使在明亮的环境，显示也是鲜明的。5、容易实现彩色显示，因此便于显示功能的扩大及显示的多样化。6、可以进行投影显示及组合显示，因此容易实现大画面（对角线为数米）显示。

LCD也存在以下一些缺点：1、由于属于非主动发光型，在采用反射方式时