（光学工程专业论文）液晶显示器件模拟优化及垂直定向液晶光阀的研究.pdf

浙江人学坝i 学位论文 摘莹 摘要 声o 0 6 9 。 随着液i 显示器件的广泛应用，i h ；y j ：f l - 越来越多研究机构致力j 二液品显示 器件的深入研究r 亮度、视角、光滑特性以及对比度等技术指标是衡量液晶娩示 器件鱼子坏的重要参数，本论文的主要i 作就是围绕着液晶显不器件的这些性能的 模拟、优化和研究设计新的液晶显示器件而展丌的。首先我们建立了个液晶娃 示器件f 乜光特性的计算机模拟软什，利用这个软件系缝我f f i , j - 液晶湿示器件的各 方i l f t 9 性能进行了分析和优化，改善了液晶显示器件的i i i i i ，此外，刈垂卣定向 液t i l i 俐 胜的定向t 艺进行了详尽的研究。 沦文第章卣先液品的物理特r e 和液品的屯光效应作了一个简要的介? 1 1 ，并 介! ，。一鼍常用的液晶显示器f h y , j - r ：, f i ! 原理和特性。接着，我们利用连续体弹性 形变川l 论推导出了( i - j l - 场作用下，乖直定向、扭曲定向液晶器件利胆十日液品器 仆指阳人分币j 自! 川算公式。给 l ：了用 二计算光在液晶器件中传l l i i f , j 快速4 x 4 矢j ，附： ；) t d c l lt - j 脞d j ：斯矧t l ；4 ：i _ j 。除了液i 干l 轴龇外，也给出了并向m 陀介质_ 1 4 4 4 - t i i 协的 伙述4 x 4m i ；4 ：4 c l i g , 腱琼斯川! 阵，使我们的液l 诮f u 光特性模拟柑序川以汁卿舣轴 l 诮补偿的液i 渺小器什。还给了怏述4 x 4 灿i ；4 ：7 点# 1 1 9 1 。_ f 毫s ； ( j f j i ) ；l z t ；4 法汁贸 果 的刈比线，经过改进一者n ：许多常规液l ；r 1 ： f t - h , j 设计l 差别很小，w 而订i - i f r i 的分 j ，卜受采l j 扩展琼斯矩阵浊。丛j 本1 史验室以d u 在这方山m 01 作，在原有 框架卜币新编写了仿真f z 序，有如下改边： l 消除4 x 4 矩m j 口f 的f p 效应，使其不论与实验结果或扩展琼斯7 ： t 1 1 4 浊 甜t 的结果i i j l f 完全铺f ； 2 丈班- e 卣j 芑向液晶指向欠分斫- 汁算，能够对垂直定向器件进行全面优化 3实现n ：f r 意l uj l z 下维， 二维参数空闸的计算，并结合m a t l a b 绘制 参数，斟1 1j 图以方便优化设计。 4 在模拟i 1 算的数值稳定性力丽做了大量工作，使程序在各种t 数值边界l i i i ii l i 常运算。 沦文第一二章我们对整个光蒯系统建”j 7 热。z 换型，t i f 宄了f c 仃稳怠f 热剐 | 稳念传热f f , j 表现分析液品惫n 0 齐个! 破吖i 参数化热效、硼0 变化刊i ij 我们” 发的液l m 仿贞软f - t 一，结介参数空m i th 列 ， 、m 的i l e e 恢液t 孙光阀分惭! f 小效泶 下降的内n 坛捌，从咖给 h 的热效应完满解释，在此旗础i 二，捉一 = 【| l 热效应 不敏感的改进l i f e 模式，它的其他光i 刚i ，h 也表现良好。进步，我们以t n e c b l 浙江大学硕士学位论文摘要 以t n - e c b l 模式为例，给出其他显示模式关于热效应的讨论，并提出了相应 的改进意见。 论文第四章我们首先对垂直定向液晶的显示特性进行理论分析，考察各个 显示参数对显示效果的影响，从理论上找出最优的显示模式。在实验研究中， 我们采用传统的斜蒸镀定向工艺尝试垂直定向，并对各种定向参数进行实验。 找出一个稳定的参数集合。在第四章的最后我们测量了液晶盒的光电特性曲线， 矣验鳍柒在误差范围内和理论符合得很好。今后的工作将集中矛进一步提高均 匀性。 最后第五章对论文进行了总结，并对今后的工作提出了建议，卜一一 浙江人学坝1 j 学位论立 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a du s eo fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y s ( l c d ) ，m o r ea n dm o r e i n s t i t u t e sa r ec o n c e n t r a t i n go ne x p l o r i n gt h ep r o p e r t i e so fl c d s t h eb r i 曲t n e s s ， v i e w i n ga n g l e ，c o l o ra n d c o n t r a s tr a t i oa r ea m o n gt h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s o fl c d s b e s i d e s o t h e rc h a r a c t e r i s t i c sr e l a t e dw i t hr e s i s t a n c e a g a i n s t w i c k e d e n v i r o n m e n ts u c ha sr e s i s t a n c e ：a g a i n s tt h e r m a le f f e c ta r ea l s ov i t a l ，y e tn e v e rb e d i s c u s s e db e f o r e t oa n a l y z ea n di m p r o v et h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，ac o m p u t e rm o d e l i n g p r o g r a mw h i c h c a nf a i t h f u l l ys i m u l a t et h ee l e c t r o o p t i cb e h a v i o ri sd e v e l o p e d t h i sp a p e rb e g i n sw i t hab r i e fi n t r o d u c t i o no nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f l c d s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r o o p t i cb e h a v i o r a r es t u d i e d ，a sw e l la st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dp r o p e r t i e so fl c d si nc o m m o n a p p l i c a t i o n f o l l o w i n gt h ee l a s t i cc o n t i n u u mt h e o r y , t h ed e t a i lf o m a u l a sf o rc a l c u l a t i n g t h ed i r e c t o ra l i g n m e n to f p e r p e n d i c u l a ra l i g l m a e n ta n dt w i s tn e m a t i cl c d s a r eg i v e n f u r t h e rm o r et h en u m e r i cc a l c u l a t i o ns t e p su s e di np r o g r a m m i n ga r ea l s op r o v i d e d b a s e do nt h i sd i s c u s s i o n ，t h ef o l l o w i n gs e c t i o n so ft h i sc h a p t e rc o n c e ma b o u tt h et w o c o m m o n l yu s e dm e t h o d si nc a l c u l a t i n gt h ep r o p a g a t i o no f t h el i g h ti nl c d s t h e f a s t e rm a t r i xa n de x t e n d e dj o n e sm a t r i xo fb i a x i a lm a t e r i a la n di s o t r o p i c m a t e r i a ia r ea l s od e r i v e da n a l y z i n gt h ee l e c t r o o p t i cp r o p e r t i e so fl cc e l l w i t ht h e s e p r o p a g a t i o nm a t r i x e s ，l c d s w i t hb i a x i a lc o m p e n s a t i o nc a nb es i m u l a t e dp r o p e r l y i nt h et h i r dc h a p t e r 。w ef o c u so nt h e r m a le f f e c ti n d u c e db ye x t r e m e l yl i g h ts h e d o nl i q u i dc r y s t a ll i g h tv a l v e ( l c l v ) ac o m p l e t em o d e lo ft h e r m a lc o n d u c t i o ni s b u i l t t h e p r e c i s et e m p e r a t u r e f i e l di n s i d el c l vi sc a l c u l a t e d b a s e do nt h et h e t e m p e r a t u r e ，w ec a r r i e do u tah a l fq u a n t i f l e da n a l y s i so nt h ed i s t o r t i o no fl c l v c o n f i g u r a t o nw i t he n o u g hp r e c i s i o n i ti sf o u n dd i s t o r t i o no fg l a s sl a y e rp l a y sam o r e i m p o r t a n tr o l d t h a nt h ec h a n g eo fb i r e f e r e n c eo fl cl a y e r a t1 a s tw eu s e do u r s i m t d a t i o ns o f i x 、a r et o g i v ed e t a i l e da n a l y s i s o i lt h e c o r r e s p o n d i n gd i s p l a ) q u a l i t y d e g e n e r a t i o no nh f e m o d el c d d i s p l a ya n da l s ot a k ea1 0 0 ka to t h e rd i s p l a 3 m o d e f i n a l l yai m p r o v e dm o d e w h i c hi sm o r e s t r o n g e ra g a i n s tt h e m m l e f f e c ti ss u g g e s t e d t h i sp r o g r a ma l s og u i d e su st h o u g he x p l o r i n gn e wd i s p l a ym o d e h lt h ef o u r t h c h a p t e r , b o t ht h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lw o r k o nv e r t i c a l l ya l i g n e dl i q u i dc r y s t a l d i s p l a y a r e r e p o r t e d w e f i r s tu s et h e p r o g r a m t o a n a l y z ev a r i o u s f a c t o rw h i c h i n f l u e n c el c l v sb e h a v i o ra n df i n do u tt h eb e s tc o n f i g u r a t i o ni nt h e o r yt h a tg i v et h e m o s ts a t i s f a c t o r yd i s p l a yq u a l i t y e x p e r i m e n ta r ef o c u s e do nt h ea l i g n m e n tc r a f i w o r k a g r e a ta n l o t i n tw o r ki sd o n eo nt i f f sa s p e c ta n ds t a b l ev e r t i c a la l i g n m e n ti sa c h i e v e d a tl a s t w ec o m p a r et h et h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr v c u r v eo fl cc e l la n dt h et w o t a l l yw i t he a c h o t h e rq u i t ew e l l s u n l l l l a r i z a t i o no ft h i sp a d e ra n da d v i c ef o rt h ef u t u r ew o r ka r em a d ei 1 1t h el a s t c h a p t e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 第一节课题的背景 大约一个世纪以前，奥地利植物学家f r e i n i t z e r 发现了第一种液晶材料一 胆甾醇苯甲酸酯( c h o l e s t e r yb e n z o a t e ) 。三十多年前，美国科学家g h h e i l m e i e r 提出了一种基本的液晶器件的设想【2 。从那时开始，许多研究人员和工程师们 就一直致力于改善液晶显示器件性能的研究。而液晶显示器件的发展是从七十 年代早期才开始的，从那时起，新的电光效应的发现、新的液晶材料的发现以 及日益成熟的液晶器件制造技术，使液晶器件得到了飞速的发展。 液晶显示器件从当初的亮度低、对比度低、响应速度慢、视角范围小、成 本高的单色显示器件发展到了今天的各种高亮度、高对比度、大视角范围的各 种彩色液晶显示器件，发展的速度是非常惊人的。液晶显示器件的应用也从早 期的电子手表，计算器扩展到了液晶电视、便携式电脑显示屏口1 1 4 1 、便携式投影 机【5 h 6 】、大屏幕投影机【7 1 等等。应用的领域也愈来愈多。其中液晶投影机在减小 体积，增大亮度等方面具有很大的优势，因此它的市场前景非常诱人。图1 1 是液晶投影机的市场分布图f 8 】，它清楚地表明了液晶显示器件市场需求的发展。 图l - l液晶投影机( l c dp r o j e c t o r ) 的市场分布图 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 液晶显示器件的改进的研究可以从液晶材料、液晶器件的电光特性、液晶 器件的驱动电路等多方面的来进行，在本论文中主要讨论和光学有关的液晶器 件的电光特性。有很多研究人员在这方面做了很多工作，得到了很多有用的结 果。其中典型的有t n ( t w i s t e dn e m a t i c ) 型【9 】【”1 、s t n ( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ) 型i 川 1 3 】、t n e c b ( t w i s t e dn e m a t i c e l e c t r i c a l l y c o n t r o l l e db i r e f r i n g e n c e ) 型 【1 5 】、h f e ( h y b r i d f i e l d e f f e c t ) 型【1 6 】、r t n ( r e f l e c t i v e t w i s t e dn e m a t i c ) 型、 s c t n ( s e l f - c o m p e n s a t i o n t w i s t e dn e m a t i e ) 型【1 9 l 、m t n ( m i x e d - m o d e t w i s t e d n e m a t i c ) 型【2 。1 等一系列液晶显示器件。在这些研究中，研究人员通过不同的液 晶定向，不同的偏振器件透光轴角度，不同的液晶层的参数来实现和优化不同 特性的液晶显示器件，而且各种新型的液晶器件在不断的被研究出来。本论文 的主要工作就是围绕着液晶显示器件的性能的模拟、优化而展开的。 现在世界上有非常多的大学、研究所和公司致力于液晶器件的研究，其中 比较著名的有k e n t 大学液晶研究所 2 l i 、a l a b a m a 大学 2 2 】、m i t ”1 、p e n n s y l v a n i a 大学口、c o l o r a d o 大学2 ”、m i c h i g a n 大学显示技术中心【2 6 】、h a w a i i 大学【2 ”、s o u t h a m p t o l l 大学液晶研究所【2 8 1 、t t a m b u r g 大学【2 9 l 、w i s c o n s i n 大学口“、信息显示协 会( s o c i e t y f o r i n f o r m a t i o n d i s p l a y ) 3 1 】、国际液晶协会( i n t e r n a t i o n a l l i q u i d c r y s t a l s o c i e t y ) 3 2 】、美国物理协会( t h e a m e r i c a n p h y s i c a ls o c i e t y ) 3 3 】、i n f o c u s 公司【、 s v i s i o n 公司3 ”、i b m 公司研究所【3 6 】、t o s h i b a 公司 3 7 】、s h a r p 公司 3 8 j 、h i t a c h i 公 司0 9 1 等等。 液晶光阀l c l v ( l i q u i dc r y s t a ll i g h tv a l v e ) 是一种能够接收空间图象，并通 过另一光源将之转换为输出图象的实时图象传感器。早在六十年代末，就开始 了对直接寻址液晶光阀的研制，主要采用动态散射工作模式，集中应用在液晶 显示方面。七十年代初，美国加州的休斯飞机公司率先推出了光寻址的液晶光 阀，此后光寻址液晶光阀得到广泛的研究，在图象增强，波段转换，非相干和 相干图象的转换有羞重要应用。我们实验室也对液晶光阀进行了广泛而深入的 研究，为了进一步优化光阀的显示效果，有必要从各方面对其进行优化并设计 开发更为高效的显示模式。 我们开发设计了液晶显示电光特性的计算机仿真软件，并以之为指导，对 传统的工作在l i f e 模式下的液晶光阀显示特性进行优化，全面分析热效应对显 示结果的影响。此外，由于垂直定向液晶显示具有暗态色散小，对比度高等显 著优点，我们深入研究其配套的液晶垂直定向工艺，同时根据仿真优化的结果 结合实验研究，获得最好的定向结果和与理论符合良好的光电特性，为将来进 一步的研究奠定了良好的基础。 自从1 9 7 2 年b e r r e m a n 首先将4 4 矩阵法删引入到液晶器件的计算中， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 后来w o h l e r 等提出了快速4 x 4 矩阵法【4 3 1 以提高其计算的速度以来，出现了很多 以4 x 4 矩阵法为基础的液晶器件的模拟程序，功能也是愈来愈强。后来为了提 高系统的速度，l i e n 等又提出了扩展琼斯矩阵法m 】 4 5 】，于是又有很多程序采用 了扩展琼斯矩阵法。现在国外有很多商用的液晶模拟程序可供选择，比较著名 的有德国a u t r o n i c m e l c h e r s 公司的d n 幢o sf o rw i n d o w s 等【4 “，它的功能就比 较齐全，并同时提供了4 4 矩阵法和扩展琼斯矩阵法。为设计良好的液晶显示 模式和对液晶光婀系统进行全面的分析，我们首先设计了自己的液晶模拟程序， 它同时提供扩展琼斯矩阵和消除了f p 效应的4 4 矩阵法，并且为了进一步的 优化设计，结合m a t l a b t m ，程序提供了绘制不同电压下一维，二维参数空间图 的功能，能够对多种参数综合考评。借助这个强有力的工具，我们先后对液晶 光阀的热效应，垂直定向液晶光阀的设计进行深入的研究，并取得具有指导意 义的结果。 液晶光阀的热效应是妨碍其正常工作的一个挡路石，强烈的读出光照射在 光阀，一部分光能转化为热能，导致光阀升温变形，各种显示参数偏离设计值， 显示效果明显下降。长期以来，由于一直没有合适的工具跟踪整个过程中参数 的变化趋势和进行全局的规划，因而在消除热效应方面的措施比较盲目。相关 的工作也没有见过报道。引入参数空间后，借其找出导致热效应的临界特征， 从而改进原先传统h f e 模式，引入新的i - i f e 模式不仅对热效应的容差大，而 且亮态的亮度较大，三基色波段的的色散都较小。 开发新的液晶显示模式，以得到更好的显示质量是显示技术的一贯追求。 传统的珈蓬模式有其局限性，如亮态时对光能的利用率以及色散的程度都不尽 人意，因此，我们对垂直定向液晶的定向工艺和模式优化两方面都进行了研究， 从传统的镀膜定向法出发，对各种材料和工艺反复实验，并建立了相应的测试 设备，经过逐步摸索，得出一套切实可行的定向工艺。同时，在理论方面采取 前文提到的技术对垂直定向液晶显示进行仿真优化，针对我们开发的液晶光阀 的特点，权衡各方面的要求，找出最理想的模式，从而为开发，生产新型的液 晶光阀奠定的坚实的基础。 第二节本论文的主要工作 本论文的主要工作分为三部分：得到一个液晶显示器件的计算机模拟系统， 在该模拟系统的基础上分析光阀的热效应和对垂直定向液晶进行理论模拟，对 垂直定向液晶的定向工艺的研究和对定向结果的理论实验对比和分析。 我们在液晶显示器件的计算机模拟系统中做了以下一些有特色的工作 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 实现垂直定向液晶器件的指向矢分布的计算及其显示优化；给出了各向 同性介质和双轴晶的快速4 4 矩阵和扩展琼斯矩阵，使我们的液晶电光 特性模拟程序可以计算加了双轴晶补偿片的液晶显示器件；对快速4 x 4 矩阵法消除f p 效应，使其对通常的液晶器件与扩展琼斯矩阵得到的光 电特性曲线几乎完全重合。 2 结合通用仿真计算软件m a t l a b t m ，在程序中直接给出利用参数空间图 对液晶瓣件进行优化设计的工具，可在任意电压下绘制任意参数的。 维，二维空间图，对系统无额外要求，也无须做另外的简化。 这样我们的系统补充了国外现有的一些系统的不足，使整个液晶模拟程序 成为了一个更完整、更系统的液晶器件设计工具。 对液晶光阀的热效应分析也是工作的一个重要组成部分。类似的工作开展 得很少，在如何减少，或者避免热效应对显示效果的影响方面更是被人忽视。 我们对整个光阀系统建立了热学模型，研究了其在稳态传热和非稳态传热下的 表现，分析出液晶盒的各个显示参数在热效应中的变化。利用我们开发的液晶 仿真软件，结合参数空间图对标准的h f e 模式液晶光阀分析显示效果下降的内 在原因，从而给出的热效应的完满解释，在此基础上，提出一种热效应不敏感 的改进l i f e 模式，它的其他光电特性也表现良好。进一步，我们以t n e c b 模 式为例，给出其他显示模式关于热效应的讨论，并提出了相应的改进意见。 我们的第三部分工作就集中于垂直定向液晶器件的研究，包括理论计算、 液晶定向和实验结果分析。实验结果和理论预测符合得很好，进步工作就是 改善定向工艺，稳定定向均匀性。 c 在论文的第二章中我们介绍了液晶的物理特性和常用的电光效应以及一些 常用的液晶工作模式。在第二、三、四章分别讨论了前述的液晶模拟程序，液 晶热效应的分析，以及垂直定向液晶显示器件的研究。最后第五章对论文进行 了总结，并对今后的工作提出了建议。 【参考文献】 1 v f r e e d e r i c k s za n dv z o l i n a “f o r c e sc a u s i n gt h eo r i e n t a t i o no fa na n i s o t r o p i c l i q u i d ”，t r a n sf a r a d a ys o c ，v o l2 9 ，p p9 1 9 9 3 0 ，1 9 3 3 2g m e “l e r , “d 路l b c t r i cr e l a x a t i o ni nn e m a t i cl i q u i d c r y s t a l s ”，m o l e c u l a rc r y s t a l ， v o l 1 ，p p5 1 5 ，1 9 6 6 3 1 1 】1 l u 如强的h “啦x 烈驰 4 h n p ：2 凰m m s h a 印q n l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 h t t p ：w w w e p s o n c o r n 6 h t t p ：w w w i n f o c u s c o m 7 h t t p ：w w w b a r c o c o m 8d a v i de m e n t l e y , “p r o j e c t i o nd i s p l a ym a r k e tt r e n d s ”，s p i e ，v o l 3 0 1 3 ，p p2 6 ， 1 9 9 7 9ms c h a d ta n d w h e l f r i c h ，“v o l t a g e d e p e n d e n to p t i c a la c t i v i t y o fat w i s t e d n e m a t i c l i q u i dc r y s t a l ”，a p p lp h y s l e t t ，v 0 1 1 8 ，n o 4 ，p p 1 2 7 1 2 8 ，f e b ，1 9 7 1 1 0c hg o o e ha n dha t a r r y , “t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s o ft w i s t e dn e m a t i cl i q u i d c r y s t a ls t r u c t u r ew i t ht w i s ta n g l e s v , h 时，液晶指向矢在电场的作用下重新排列，因此在检偏器中就有光透 过了。对于波长较短的光，透射率的坡度比较陡，透射率峰值出现在电压较低 的位置，这是因为短的波长有更大的位相延迟。 心一j _ - f 。 ) 图2 - 5 47 5 n 厚的垂直定向的z l i 一4 3 3 0 液晶盒在波长4 8 8 、5 1 45 、6 3 3 n m 下 的t v 曲线图，起偏器透光轴和液晶指向矢成4 5 。，和检偏器垂直 垂直定向液晶显示器件的对比度非常高，在单色光垂直入射的情况下可以 高达1 0 4 ：1 ，在宽带光入射的时候也可以达到2 0 0 ：1 。但在斜入射的时候，由于 暗态的透射率的增加而使对比度大大地下降 1 4 2 扭曲定向的液晶器件 在扭曲定向中为了能得到有用的电光效应，就必须应用p 型液晶材料。我 们一般称扭曲定向的液晶器件为t n 型液晶器件。当液晶器件的扭曲角大于9 0 。 的时候，我们称之为超扭曲( s u p e r t w i s t e dn e m a t i c ) ，简称为s t n 。 当液晶器件满足m a u g u i n 条件，即d a n 旯时，入射线偏光的偏振面就随 着液晶的指向矢的转动而转动，所以当线偏光入射到扭曲定向的液晶器件的时 l_h置-譬_po； 浙江大学硕士学位论文第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 候，出射光还是线偏光，只是偏振面转动了扭曲角p 。 根据扭曲角的不同，我们可以得到多种不同的t n 型液晶器件，如4 5 。、 9 0 。扭曲、s b e ( 2 7 0 。扭曲) 1 4 1 、o v i i ( o p t i c a lm o d ei n t e r f e r e n c e ，1 8 0 。扭曲) 【”l 、 2 0 0 。一2 7 0 。的超扭曲等等。 1 4 5 。扭曲 图2 - 6 是4 5 。扭曲液晶器件的示意图。液晶指向矢是连续旋转变化的，4 5 。 液晶盒一般工作在反射态，自然光经偏振分光棱镜起偏后成为平行于液晶指向 矢的线偏光，线偏光由于液晶层的旋光效应再通过液晶层后，偏振面旋转了4 5 。， 经介质反射镜反向反射后再次经过液晶，这次旋转了一4 5 。，所以出射光和入射 光平行，这样就不能通过偏振分光棱镜，这就是4 5 。扭曲液晶器件的暗态。 图2 - 64 5 。扭曲液晶器件示意图 当在液晶层上所加的电压超过了阈值电压的时候，液晶分子沿电场方向重 新排列指向矢，这时液晶层的旋光效应被破坏了，表现出了双折射效应，出射 光就变为了椭圆偏振光，这样就有部分的光透过了偏振分光棱镜，这就是4 5 。扭 曲液晶器件的亮态。 2 9 0 。扭曲 9 0 。扭曲液晶器件一般用于透射式液晶器件。 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 善弱 o “”伊0 弑 耋上缱 图2 79 0 。扭曲液晶器件的示意图 ( a ) i ，= 0 矿 ( c ) i 2 图2 7 给出了一个9 0 。扭曲液晶器件的示意图。一束线偏光垂直入射，其偏 振方向与入射表面液晶分子方向平行，经过液晶层后，其偏振方向将沿分子的 扭转方向刚好旋转9 0 。( 即旋光度为9 0 。) 。然而，一旦对9 0 。扭曲排列的液晶盒 施加电压，则从闽值电压玩起，液晶的指向矢就开始向电场方向倾斜。当施加 的电压为阈值电压的两倍以上时，除了电极附近以外，其他部分的指向矢都 沿平行于电场的方向重新排列了，从而导致了旋光效应的消失。这时液晶层相 当于一层各向同性的介质，出射光和入射光的偏振面是平行的。 3 o p t i c a lm o d e i n t e r f e r e n c e ( o m i ) o m i 的工作是基于如下条件的： ( 1 ) 液晶指向矢的扭曲角为1 8 0 。 ( 2 ) 液晶层中的光程差拙，小于o5 1 m l ，这样就不满足前面提到的m a u g u i n 条件d a n 五，这时液晶层的旋光效应就不完全，入射的线偏光只有部 分随着液晶指向矢的转动而转动，这样在出射处有干涉现象产生。 因此这种液晶的工作模式被称为o m i 。 通过s h a d t 和l e e n h o u t s 的研究分析，o m i 液晶盒作为显示器件有如下特点： ( 1 ) 很陡的t v 曲线，这样就很适合于多路驱动( m u l t i p l e x i n g ) ； ( 2 ) 可以得到单色或彩色( 加滤色片) 的图像： ( 3 ) 有很大的视角范围； ( 4 ) 对液晶盒的厚度及液晶材料的双折射有较大的容差： ( 5 ) 比一般s t n 液晶盒有更快的响应速度。 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 图2 - 8o m i 液晶显示器件工作原理图 但是o m i 型液晶显示器件的光透过率很低，大约是普通t n 型液晶显示器 件的一半，这是由于液晶层的光程差d a n 很小，旋光效应不完全，出射的光不 是线偏光而引起的。 4 s b e 型液晶器件 图2 - 9s b e 液晶显示器件工作原理图 1 偏振片 2 玻璃基板 3 ，i t o 电极 4 定向层 5 反射镜 在t n 型液晶显示器件中，液晶显示器件的光的通一断操作，几乎都是凭借 液晶层的旋光特性来完成的。当液晶层的扭曲分子结构被外加电场破坏时，显 示板的不良闽值特性使多路驱动( m u l t i p l e x i n g ) 受到限制。但是，如果引入液 晶层的双折射特性来控制透过液晶层的光，就能大大改善这种限制。 图2 - 9 为显示板处于未加电压和所加电压大于闽值电压时，液晶分子的取向 示意图，在实际超扭曲双折射效应( s b e ) 显示板的内表面约2 0 。的大预倾角用 来抵消扭曲不到1 8 0 。的对抗变形。液晶层是由具有适当双折射率的向列相混合 物加上右旋和左旋手征性媒质构成的。这两种手征性媒质用来补偿显示器电光 特性对于温度的依赖性。 浙江大学硕士学位论文第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 图2 1 0 液晶层中部的最大倾角和归一化电压的关系 图2 1 0 画出了不同扭曲角的理论曲线，表示与上下两玻璃基板表面成2 8 。 预倾角的手征性近晶液晶层的中央平面内，指向矢与电压的关系。当日。取在 2 4 5 。时，可以期望获得接近无限大的斜率。这种陡峭的斜率可以用来产生高度 多路驱动矩阵液晶显示板。在扭曲角稍大、出现小范围双稳态之处能够获得最 佳多路驱动效果。 为获得高对比度图象，在双折射模式中必须使起偏器的透光轴不平行于液 晶指向矢，以使寻常光波和非常光波在扭曲的液晶层中激发，而且当它们从液 晶层中射出时，相互会产生明显的干涉现象。 超扭曲双折射效应显示器显示的图象在宽视角范围内具有很高对比度。测 试表明超扭曲以折射效应显示器显示图象的容量超过6 0 0 扫描线，而对比度没 有多大损失。 超扭曲双折射效应显示器不适于对灰度有要求的应用领域，因为这类显示 器用双稳态特性工作。s b e 显示器最严重的缺点是其固有带色的图象常常不能 为观看者所乐于接受。而且，即使用矩阵滤色器层也不能用这种显示器获得全 色显示。还有一个缺点是这种显示器的响应速度不足以显示活动的图象。 浙江大学硕士学位论文 第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 第二节单轴液晶连续体弹性形变理论及应用 象一般的固体问题和流体问题那样，有关液晶的许多重要物理现象都可以 在忽视单个分子的存在的情况下，把液晶当作连续介质来进行处理。这种连续 体模型最早是由欧欣( cwo s e e n ) 2 0 1 和祖歇( hz o c h e r ) 【2 1 1 在2 0 年代后期提 出的。1 t g f t 的静态理论获得了相当的成功。过了3 0 年，到5 0 年代后期夫兰克 限c f r a n k ) t 2 2 1 重新研究了欧新的处理方法，并加以整理而提出了曲率弹性理论 ( c u r v a t u r ee l a s t i c i t yt h e o r y ) 。这个理论基本上仍然是一个静态理论。由于它在 一定程度上与固体弹性理论相似，因此我们称之为连续体弹性形变理论口0 卜口3 1 。 描述液晶分子排列的指向矢取向的变化和固体的弹性形变有类似的地方，因而 借用固体弹性理论的名称，同样称之为弹性形变，并且引用相应的弹性常量。 2 1 形变的描述 对于宏观体积的液晶，可以用一个指向矢i ( f ) 来表示分子的从优取向。一 般，液晶中各处的指向矢矗( f ) 并不相同。特别是在外场的作用下或者是由于边 界条件的存在，卉( ，) 可以随着在液晶中的位置而发生改变。当液晶中各处的指 向矢偏离了它们在平衡状态时所指的方向时，称液晶发生了形变。发生形变的 液晶的内部将产生抗形变的恢复力，就象弹性固体那样。在小的形变条件下， 我们可以借助一般的固体弹性理论而得出液晶的连续体弹性形变理论。 液晶中的形变可以分为三种类型：展曲( s p l a y ) 、扭曲( t w i s t ) 和弯曲( b e n d l 。 它们的几何形状可以参考图2 1 1 ，图中的小线段代表各处的指向矢。展曲、扭 曲和弯曲是三种基本的形变形式。液晶中实际产生的形变可能相当复杂，但是 无论如何都只能是这三种基本形变的某种组合。 圆圈圆 最曲扭曲 弯曲 图2 - 1l 液晶的三种形变：展曲( s p l a y ) 、扭曲( t w i s t ) 和弯曲( b e n d ) 1 7 浙江大学硕士学位论文 第二童液晶显示器件电光特性的计算机模拟 2 2自由能量密度与弹性常量 连续体弹性形变理论的出发点是液晶的平衡状态。对于向列相液晶，当所 有的指向矢平行排列的时候，液晶处于最小自由能量的平衡状态。但是当我们 以一定的方式对液晶进行定向，或者加上电场，或者引入热变化，液晶的指向 矢将不会保持原来的状态。在这里我们g y 【入变量咖哌，来表示这种变化( 在这 ，b 里x 是空间变量，下标n 、0 = l ，2 ，3 分别表示迪卡尔坐标中三个坐标轴上的分 ， 量) 。平衡状态时各处的“哌= 0 。在形变状态下，自由能量要高于平衡状态， “o 形变状态下的自由能量密度可以表示成 f ( d i s t o r t e d ) = 工( e q u i l i b r i u m ) + a f【2 1 其中f 和f ：】分别表示形变和平衡状态下的自由能量密度，af ( o ) 是打。和 寥名，的函数，当所有的坊f = 。时，仁0 0 通常在我们感兴趣的问题中 d d x a 。时随着z 的增自h o n d 、，则取( 警 。，并变换形式，得 x 7 面- e d z = 矧臀卜 陆 令s i n 0 = s i n s i n 善，结合垂直定向的向列相液晶的边界条件 现在再对式 2 一1 3 进行从z ：o n z ：罢的积分 再令吣一 r ：茎! l 二鱼 k ” 最后得 当= 0 。刚刚成立时的外加电压，即为阀值电压u 2 - 1 4 2 - 1 5 2 1 6 吣志引盟譬1s i 掣no n 襄s i n 出降 2 - ， 。一s 七ol 一2 2 l ” o 1 从 2 - 1 3 还可得 一口堕咖 一一、旦喝面筹 西 ej 警 堕舻 坠 蓦| 舻竺h 一一 一 既k 2 一厅 = 旦 浙江大学硕士学位论文第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 = j 1 鬟 k 3 3 + 伍l l k ”) s i n2 s i n2 古 i 。 1 - s i n 2 钆s i n “ 一 d 尝 坠端器业 2 - 1 8 式【2 1 4 】、 2 - 1 5 和 2 1 6 是垂直定向的向列相液晶指向矢计算的基本公式。我们 发现当预倾角为0 的时候，式【2 1 6 】有更简单的表达式 2 4 扭曲向列相液晶 2 1 9 扭曲向列相液晶指向矢的推导过程与垂直定向的向列相液晶基本类似，但 更为复杂一些，n n 在：n 曲向列相液晶中多了一个变量扭曲角p ，因此在自由 能量密度中也相应的多出了扭曲形变引起的项。 彪咙缁2 乞! 二 。 歹 一 一f 1 i - 1 1 1 1 1 哆勿刀7 乃7 力7 图2 1 4 扭曲定向的向列相液晶盒 如图2 1 4 ，在外加电场作用下扭曲向列相液晶指向矢为 疗p ) = ( c o s o c o s p ，c o s 0s i n 妒，s i n 0 ) 系统满足边界条件 彬 b 彬 。e 弩一善 堕舻 坠等 一一 一 乎 旦 浙江大学硕士学位论文第二章液晶显示器件电光特性的计算机模拟 在z = 一罢处，臼= 0 0 ，妒= o 在z = 0 处，0 = ； 在z = i d 处，口= 0 0 ，妒= 运用式 2 6 】，我们可以得到自由能量密度 + ( k 2 2c o s 4 8 + k 3 3 s i n 2 0 c o s 2 0 ) 隍 2 - a 2 田 陆z 。， 在这种状态下，单位面积玻璃基片之间液晶的自由能f 成为 f = 屡一口觑警，警卜 f 一压小，帅，警，警p 2 2 1 对式 2 2 1 来说，使积分具有最小值的欧拉一拉格朗日方程式有两个，分别为 碳d 0 0d z 矽di可 却出l 警 = 0 。 应用式 2 2 0 】就可以下面两个关于目和p 所需要满足的联立微分方程式 g , ，i d 2 0 + 吉刍g ( o l 、e 北o ，? _ 三1 丽d 地) ( 警 2 + 逝2 s i n 臼c 。s p = 。陆z z ， 厅p ) 磐