液晶的光學(xué)特性

液晶的光學(xué)特性測控101賈如1007040119摘要液晶的電光效應(yīng)是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受電場調(diào)制的光學(xué)現(xiàn)象。液晶是當(dāng)前國內(nèi)外研究的前沿?zé)狳c，尤其是液晶材料的合成與應(yīng)用。液晶材料具有優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：液晶的分類光學(xué)特性液晶顯示器引言：LCD(LiquidCrystalDisplay)對于許多的用戶而言可能是一個比較新鮮的名詞，不過這種技術(shù)存在的歷史可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們的想象一一在1888年，一位奧地利的植物學(xué)家F.Renitzer便發(fā)現(xiàn)了液晶特殊的物理特性。在85年之后，這一發(fā)現(xiàn)才產(chǎn)生了商業(yè)價值，1973年日本的夏普公司首次將它運用于制作電子計算器的數(shù)字顯示。現(xiàn)在，LCD是筆記本電腦和掌上電腦的主要顯示設(shè)備，在投影機中，它也扮演著非常重要的角色，而且它開始逐漸滲入到桌面顯示器市場中。液晶的特性是很神奇的：液晶層能夠使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)。液晶層表現(xiàn)的有些類似偏光器，這就意味著它能夠過濾掉除了那些從特殊方向射入的光線以外所有的光線。此外，如果液晶層發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，光線將會隨之扭轉(zhuǎn)，以不同的方向從另外一個面中射出。一、 液晶的工作原理液晶單元的底層是由細(xì)小的脊構(gòu)成的，這些脊的作用是讓分子呈平行排列。上表面也是如此，在這兩側(cè)之間的分子平行排列，不過當(dāng)上下兩個表面之間呈一定的角度時，液晶為了隨著兩個不同方向的表面進行排列，就會發(fā)生扭曲。結(jié)果便是這個扭曲了的螺旋層使通過的光線也發(fā)生扭曲。如果電流通過液晶，所有的分子將會按照電流的方向進行排列，這樣就會消除光線的扭轉(zhuǎn)。如果將一個偏振濾光器放置在液晶層的上表面，扭轉(zhuǎn)的光線通過了，而沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)的光線將被阻礙。因此可以通過電流的通斷改變LCD中的液晶排列，使光線在加電時射出，而不加電時被阻斷。也有某些設(shè)計為了省電的需要，有電流時，光線不能通過，沒有電流時，光線通過。二、 液晶的分類及其光學(xué)特性液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有機物。液晶也存在于生物結(jié)構(gòu)中，日常適當(dāng)濃度的肥皂水溶液就是一種液晶。目前，由有機物合成的液晶材料已有幾千種之多。由于生成的環(huán)境條件不同，液晶可分為兩大類：只存在于某一溫度范圍內(nèi)的液晶相稱為熱致液晶；某些化合物溶解于水或有機溶劑后而呈現(xiàn)的液晶相稱為溶致液晶。溶致液晶和生物組織有關(guān)，研究液晶和活細(xì)胞的關(guān)系，是現(xiàn)今生物物理研究的內(nèi)容之一。液晶的分子有盤狀、碗狀等形狀，但多為細(xì)長棒狀。根據(jù)分子排列的方式，液晶可以分為近晶相、向列相和膽甾相三種，其中向列相和膽甾相應(yīng)用最多。近晶相液晶近晶相液晶分子分層排列，根據(jù)層內(nèi)分子排列的不同，又可細(xì)分為近晶相A近晶相B等多種。層內(nèi)分子長軸互相平行，而且垂直于層面。分子質(zhì)心在層內(nèi)的位置無一定規(guī)律。這種排列稱為取向有序，位置無序。近晶相液晶分子間的側(cè)向相互作用強于層間相互作用，所以分子只能在本層內(nèi)活動，而各層之間可以相互滑動。近晶型結(jié)構(gòu)是所有液晶中具有最接近結(jié)晶結(jié)構(gòu)的一類。這類液晶中，棒狀分子依靠所含官能團提供的垂直于分子的長軸方向的強有力的相互作用，互相平等排列成層狀結(jié)構(gòu)，分子的長軸垂直于層片平面。在層內(nèi)，分子排列保持著大量二給固體有序性，但是這些層片又不是嚴(yán)格剛性的，分子可以在本層內(nèi)活動，但不能來往于各層之間，結(jié)果這類柔性的二維分子薄片之間可以相互滑動，而垂直于層片方向的流動則要困難。因此，近晶型液晶一般在各個方向都是非常粘滯的。近晶相膽甾相液晶膽甾相液晶是一種乳白色粘稠狀液體，是最早發(fā)現(xiàn)的一種液晶，其分子也是分層排列，逐層疊合。每層中分子長軸彼此平行，而且與層面平行。不同層中分子長軸方向不同，分子的長軸方向逐層依次向右或向左旋轉(zhuǎn)過一個角度。從整體看，分子取向形成螺旋狀，其螺距用p表示，約為0.3mm。在這類液晶中，長形分子是扁平的，依靠端基的相互作用，彼此平等排列成層狀，但是他們的長軸是在層片平面上的，層內(nèi)分子與向列型相似，而相鄰兩層間，分子長軸的取向，由于伸出層片平面外的光學(xué)活性基團的作用，依次規(guī)則地扭轉(zhuǎn)一定角度，層層累加而形成螺旋面結(jié)構(gòu)。膽甾相向列相液晶向列相液晶中，分子長軸互相平行，但不分層，而且分子質(zhì)心位置是無規(guī)則的。電場與磁場對液晶有巨大的影響力，向列型液晶相的介電性行為是各類光電應(yīng)用的基礎(chǔ)（用液晶材料制造以外加電場超作之顯示器，在 1970年代以后發(fā)展很快。因為它們有小容積、微量耗電、低操作電壓、易設(shè)計多色面版等多項優(yōu)點。不過因為它們不是發(fā)光型顯示器，在暗處的清晰度、視角和環(huán)境溫度限制，都不理想。無論如何，電視和電腦的屏幕以液晶材質(zhì)制造，十分有利。大型屏幕在以往受制于高電壓的需求，變壓器的體積與重量不可言喻。其實，彩色投影電式系統(tǒng)，亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、濾片、光電調(diào)整器。向列相4、膽甾相液晶的光學(xué)性質(zhì)由于膽甾相液晶特殊的分子結(jié)構(gòu)以及光學(xué)的各向異性，決定了它具有晶體的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的選擇性光散射等性質(zhì)。（1）使入射光在光前進方向上沿指向矢n（分子長軸）方向偏轉(zhuǎn)當(dāng)光線垂直射入兩個各向同性均勻介質(zhì)時（如圖2a）,即使折射率不同，光線仍按原方向前進。而對于各向異性的液晶物質(zhì)，就要考慮分子軸和入射光的方向問題。如果偏振光沿光軸方向（分子長軸方向）入射時（如圖2b）,光仍按原方向前

進。而光在液晶中傳輸時，存在著平行于指向矢n的折射率nPP和垂直于指向矢n的折射率nL,（如圖2c）,因此有vPP=cPPPnL和vL=cLPnPP,其中cPP=ccosH,cL=csinH（c真空中光速）,且光在介質(zhì)中傳輸，光速總是與折射率成反比，所以vPP>vL,使入射光在傳播過程中沿n方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同理，對于圖2cc狀態(tài)下，vPP和3)均勻煤質(zhì)舊腌醐 S海晶 KW0L品?表示垂宜于齦而的餉振光；-在示平行于紙面的偏振洗；—表3)均勻煤質(zhì)舊腌醐 S海晶 KW0L品?表示垂宜于齦而的餉振光；-在示平行于紙面的偏振洗；—表示液晶分子? mpFEeral刊ihrpmlAiikdUghlperpcndictjlftrl->lherHUfw^r;—reprew:TitsLinepolarizieidlligh.1p^urallle:!tothepaprir^.comrepresentslicpiidcrystalmolecularvL分別由cPPPnL和cLPnPP決定。圖？膽洛擔(dān)泄吊中人射光線的而進方向邊界——人甜光線如圖3所示，液晶分子的n與X軸平行，當(dāng)線偏振光沿Z方向入射時，其振動方向與X軸成H角丁在液晶中，沿N軸方向入射的電場矢量為E則在gZ<Zo范圍內(nèi)，入射人雌|1 綬偏振光在￥Y方向上的電場分量為 做成一g —梧晶二y「！―i—j—i ————■全Ey-Eosin任in（N-kiz）（2）式中,E為電場強度，X為光的角頻筆虹=和L-MilPj將式（1）、式。）改寫為不含有X-和藥-k*項Ey-Eosin任in（N-kiz）（2）式中,E為電場強度，X為光的角頻筆虹=和L-MilPj將式（1）、式。）改寫為不含有X-和藥-k*項的形式，則2E甘E%DotD

-1sinliosHXi^Pc5!tIHJ!1tIdtj1 I?—*■ ■K*——._Exoosl=Ekin'D式（3）中、q■光程差）=（如-kL）z.在1P1周期內(nèi)'當(dāng)H=0或H=H>2時,入射線偏振光的振動方向不變，而當(dāng)H=W2時,式（3）可改寫為(3)圖3膽苗相威品中入射光的?偏振布和偏振方向的變化Fie.3Thechangeofpolariaticnstaeandpolariznticndtrectionoftheincidentkehtmichckstericliquidcrystalzi*lrEosinDEx—Ey-2ESEycosD=—— 隨著光沿E方向的筋講’偏振光相繼出現(xiàn)直線）橢圓）圓）橢圓）直線偏振態(tài),同時偏振方向也發(fā)生相應(yīng)的改變.

（3）使入射的橢圓偏振光產(chǎn)生相應(yīng)的反射或透射現(xiàn)象外界條件除了引起膽甾相液晶折射率各向異性外，對其螺距也產(chǎn)生非常獨特的影響。膽甾相液晶的螺距隨外界環(huán)境（溫度、壓力、磁場、電場等）的變化而變化。膽甾相液晶的螺距對其光學(xué)性質(zhì)的影響非常重要，光透射和選擇性光散射的特性主要由其螺距決定。對于螺距p與入射光波長相近的右旋膽甾相液晶，若左旋光（與扭曲方向成反旋狀態(tài)的光）入射時，則產(chǎn)生光透射；若右旋光入射時，則產(chǎn)生與布喇格反射相同的光散射。如圖6所示，當(dāng)液晶薄膜受光照時，入射角為Hi,散射角為Hs,則選擇反射可見光的波長（一級布喇格反射波長）為npCOSnpCOS式中n為與螺旋軸相垂直平面內(nèi)的平均折射率,Hi為光的入射角，Hs為光的散射角，p為螺距。對于固定的系統(tǒng)Hi,Hs,…n為常量。所以液晶選擇性光散射的波長只與螺距p有關(guān)。式（5）中，當(dāng)余弦項等于1時，膽甾相液晶選擇反射光的峰值波長為 Km=…np（7）改變液晶所處的外界條件，引起液晶螺距的變化（如圖4、圖5）,液晶選擇反射可見光的峰值波長Km也隨之變化（如圖7）。當(dāng)溫度升高時，液晶螺距變短，螺旋繞緊，反射光的峰值波長向短波方向移動；反之，溫度降低時，向長波方向移動。隨著溫度的變化，反射出不同顏色的可見光。其溫度靈敏度及工作溫度范圍可以通過選擇不同的液晶及其混合物的不同配比來控制。當(dāng)膽甾相液晶的螺距和入射光的波長一致時，液晶對這種波長的光選擇反射最強，利用這一特性來提高觀察的對比度。如圖8a所示，若在一液晶膜上有TA,TB兩個溫度區(qū)域，則液晶就有兩條不同的反射曲線A,B（如圖8b）。在二曲線較明顯的區(qū)域內(nèi)，選一波長K0,則得到與反射強度I相對應(yīng)的IA,IB的差別較大，這樣，在波長為K0的光波照射下，出現(xiàn)較TA亮得多的TB區(qū)。若把TA控制的足夠低，就可得到較清晰的可見光TB的像（如圖8a）。若在復(fù)色光的照射下，液晶則選擇反射不同峰值波長的可見光（如圖8b）,顯示出不同的顏色（如圖8a）。

翔4兒科典型也畝時被晶材料的螺距與溫度的關(guān)系。1一膽帑醇壬酸酯;2叩帶藤裂酸曲，3翔4兒科典型也畝時被晶材料的螺距與溫度的關(guān)系。1一膽帑醇壬酸酯;2叩帶藤裂酸曲，3一膽酎蹤壬酸酯7心■?"eoFig.4ThereWimbetweaighndtetiiperatitrecfseverali)picalelideiLecralLiquidcysralmateri*.1^liolegter^lnotianante：2.clkciestenddecaiio?te.3.cboJffita'ytnonanoate74-76e圈5膽■相PAITCA的螺距隨外如里場EPEc的

變化〔Pi是本征螺距，瓦是耕值電場)Fig.5Thejiitchofelbofesier^l誣第ePAffCA.with

thechangeof甲plieddactricfield(p0kimrtiisit?pitch;E.istln'esLioldelectlieEieJd)Fig.6位金熊reflectionofchole&terieliquidcrystal's曜posingalllimitsbeingparal以tothepaper)圖7JL種劉型擔(dān)由相液品材料的最大反射波長與施度的美藐1.膽圈醇『酸酯74--76e;2.膽岳醇突酸酯;3一膽由醇壬酸配Fjpr.7TherdatimbetweentheIolipsIr^lexwavelengthandMmpemtnreofseveretypicaldicil&eialhqiudcn^ldmaterals.1choWeryinoiianoite74-76e;2.dide砧eryldecnnonte;3.djoleitarylnniiaiKrate.區(qū)8熱色植品送年應(yīng)射成像原理(橫仙表示反射光波長，熾郴表不反射光悝歧)Fip.8TheselectivereflectionimagingpincoftliermochTOfii^ticliquidcr^al(tli?absc■也尚t叩its?ent5refkctiffliwe目engtlitliecrdinstereprsaitsreflectionintensity).四、液晶顯示器的新技術(shù)1、 采用TFT型Active素子進行驅(qū)動為了創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)畫面構(gòu)造，新技術(shù)采用了用獨有TFT型Active素子進行驅(qū)動。大家都知道，異常復(fù)雜的液晶顯示屏幕中最重要的組成部分除了液晶之外，就要算直接關(guān)系到液晶顯示亮度的背光屏以及負(fù)責(zé)產(chǎn)生顏色的色濾光鏡。在每一個液晶像素上加裝上了 Active素子來進行點對點控制，使得顯示屏幕與全統(tǒng)的CRT顯示屏相比有天壤之別，這種控制模式在顯示的精度上，會比以往的控制方式高得多，所以就在 CRT顯示屏?xí)铣霈F(xiàn)圖像的品質(zhì)不良，色滲以及抖動非常厲害的現(xiàn)象，但在加入了新技術(shù)的 LCD顯示屏上觀看時其畫面品質(zhì)卻是相當(dāng)賞心悅目的。2、 利用色濾光鏡制作工藝創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面在色濾光鏡本體還沒被制作成型以前，就先把構(gòu)成其主體的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。這種工藝要求有非常高的制造水準(zhǔn)。但與同其他普通的LCD顯示屏相比，用這種類型的制造出來的 LCD，無論在解析度，色彩特性還是使用的壽命來說，都有著非常優(yōu)異的表現(xiàn)。從而使 LCD能在高分辨率環(huán)境下創(chuàng)造色彩斑瀾的畫面。3、 低反射液晶顯示技術(shù)眾所周知，外界光線對液晶顯示屏幕具有非常大的干擾，一些LCD顯示屏，在外界光線比較強的時候，因為它表面的玻璃板產(chǎn)生反射，而干擾到它的正常顯示。因此在室外一些明亮的公共場所使用時其性能和可觀性會大大降低。目前很多LCD顯示器即使分辨率再高，其反射技術(shù)沒處理好，由此對實際工作中的應(yīng)用都是不實用的。單憑一些純粹的數(shù)據(jù)，其實是一種有偏差的去引導(dǎo)用戶的行為。而新款的LCD顯示器就采用的“低反射液晶顯示屏幕〃技術(shù)就是在液晶顯示屏的最外層施以反射防止涂裝技術(shù)（ARcoat),有了這一層涂料，液晶顯示屏幕所發(fā)出的光澤感、液晶顯示屏幕本身的透光率、液晶顯示屏幕的分辨率、防止反射等這四個方面都但到了更好的改