（凝聚态物理专业论文）多层液晶分色原理.pdf

摘要 本文讨论一种新式的多层液晶显示分色原理 由这种原理制成的液晶显示器 很适合大面积大像素的显示 具有广阔的应用前景 本文计算液晶分子在外加电场下的取向 用4 x 4 矩阵法计算光路中各种参 数对超扭曲多层液晶显示的光学性能的影响 提高这种显示器性能的关键 在于 找到合适的各元件参数组合 使得显示单色性好 具有高反差 关键词 4 x 4 矩阵法多层液晶分色 a b s t r a c t an e wc o l o u r s e p a r a t i o np r i n c i p l e o fm u l t i l a y e r l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y i s d i s c u s s e d t h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a yb a s e do nt h ep r i n c i p l ei sf i tf o rl a r g ea r e aa n db i g p i c t u r e e l e m e n t sd i p l a y t h en e w d i s p l a y h a sg o o d p r o s p e c to f a p p l i c a t i o n t h ec o n f i g u r a t i o no f l i q u i dc r y s t a lm o l e c u l e sw i m t h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l di s c a l c u l a t e d a n d4 x 4m a t r i xm e t h o di su s e dt os t u d yt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fs u p e r t w i s t e dn e m a t i cu n d e rv a r i o u s p a r a m e t e r s c o n d i t i o n s t h e k e y t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo ft h ed i s p l a y i st o g e t t h e a p p r o p r i a t ec o m b i n a t i o no fc o m p o n e n t p a r a m e t e r s w h i c h m a k e si tb e t t e rm o n o c h r o m a t i c d i s p l a y a n d g r e a t c o n t r a s t k e y w o r d s 4 x4m a t r i xm e t h o d m u l t i l a y e r l i q i u dc r y s t a l c o l o u rs e p a r a t i o n i i 引言 显示技术发展到今天 阴极射线管 c r t 一直是显示技术的主流 它自身 性能也在不断的提高 同时各种平板显示技术不断发展 比如 液晶显示 l c d 电致发光 e l 发光二极管 l e d 等离子显示 p d p 荧光显示 v f d 有机电致发光 o e l 平板场发射 f e d 其中 问世于2 0 世纪6 0 年代的液 晶显示 是一种具有发展前景而又比较成熟的技术 大屏幕显示1 5 成为显示技术的一项重要的技术应用 大屏幕显示主要包括投 影大屏幕 巨型平板显示和电视墙 其中 巨型平板显示是用象素单元拼接 象 素大 分辨率低 但是由于屏幕很大 显示也很清晰 随着社会发展 这种向公 众传递信息的显示装置会应用更广 机场 码头 车站 医院 广场以及体育场 中的显示板 广告屏幕都需要这样的显示装置 现在用于大屏幕显示的方法有各自的缺点 如下表 显示的方法 缺点 大型喷画图像固定 利用率低 霓虹灯图像固定 利用率低 只适合夜间使用 能耗高 寿命短 i 发光管只适合光线昏暗的场合 能耗高 寿命短 价格昂贵 尤其是蓝 色发光管 表1 1 大屏幕显示方法各自的缺点 雨s t n 作为大屏幕显示 具有很大的优势 我们研究的这种反射式四色液 晶显示屏 不加入彩色薄膜 而通过两层 或两层以上 液晶层分离单色光来得 到彩色 会使显示更为明亮 同时 它还具有以下优点 图文可变 利用率高 一块显示屏可以显示数量不限的广告或图文信息 颜色丰富 鲜艳柔和 白天借 助阳光 晚上借助助射灯 可全天候使用 能耗低 寿命长 维修简单 价格低 廉 非常适用于大屏幕的户外广告显示和平板图文显示 与通常的彩色液晶显示屏比较 这种反射式彩色液晶显示屏也具有优势 一 般的的彩色液晶屏每个象素的颜色是固定的 红或绿或蓝 对于比较小的象素 通过三色混色得到彩色 对于象素较大的情况显色效果较差 而这种反射式彩色 液晶显示屏 采用多层 两层或两层以上 超扭曲液晶 运用全色光分离成单色 光的机理 象素较大 如3 c m 3 c m 每个象素都可以变化颜色 适合大面积 屏幕显示 如十平方米的广告牌显示 使用的是开关电压 稳定性好 反射式 充分利用外部的光线 如室外的阳光 能耗低 而且外界光线越强 显示越鲜 艳和清晰 或者晚上加上助射灯 可以全天候使用 这种液晶显示屏式是由史隆培教授发明的一种新型的液晶显示屏 四色与可 调多色液晶显示屏 专利号 z l 0 2 1 1 4 9 9 2 5 其发明专利申请公开说明书由中 华人民共和国国家知识产权局知识产权出版社出版 公开日为2 0 0 2 年9 月2 5 日 根据国外的实地调查及联机检索 从美国最大的情报资料中心及专利局 d i a l o gi n f o r m a t i o n s e r v i c e s 世界上还没有另外这样的产品和专利 本论文讨论的就是这种新式的液晶显示原理 运用多层向列型超扭曲液晶 前后再加上一片偏振片 整个光路系统将全色 光分离成某种颜色的光 这种显示器性能的关键在于每种状态对应的颜色都鲜 艳 或是说要单色性好 具有高反差 如何达到这样的目的昵 本论文从理论上进行研究 理论计算的出发点是 1 根据液晶分子运动方程对向列型超扭曲液晶分子层在电场作用下分子在 空间的取向分布进行数值计算 2 对上述液晶分子的分布所构成的单轴非均匀介质中光波的传播 可根据麦 克斯韦方程组 利用快速4 4 矩阵方法进行数值计算 从而研究这种多层液晶分色原理及其分色效果 编程计算各器件不同的参数 如偏振片的偏振方向 液晶盒的打磨方向等等 对应的不同分光情况 找到合 适的参数组合 提供器件的设计方案 减少实验工作的盲目性 缩短研制时间 避免资源浪费 本论文第一节简单介绍液晶和液晶显示 第二节阐述超扭曲液晶显示分色原 理的理论推导和计算步骤 第三节讨论两层四色液晶显示的光学特性 2 第一章 液晶简介及液晶显示的发展 1 液晶简介 1 8 8 8 年德国科学家莱尼茨尔 e r e i n i t z e r 在加热安息香酸脂时 发现在1 4 5 摄氏度到1 7 8 摄氏度时 它同时具有液体的流动性和晶体的各向异性 这种物质 态被德国物理学家d l e i m a r m 称为液晶 德语为f l i e s s e n d ek r y s t a l l e 液晶分为热致液晶和溶致液晶 热致液晶是指在一定温度范围下的呈液晶态的物质 根据分子排列的不同 又可分为向列相液晶 胆甾相液晶 近晶相液晶 溶致液晶 是一种溶质溶于一种溶剂中的形成的液晶态物质 2 液晶显示的发展 2 0 世纪6 0 年代中期 美国首次发现液晶显示原理 美国无线电公司 r c a 发现液晶中混和染料后 再施加电场 发现颜色由红变为无色 即宾主模式 g h g u e s t h o s t 后来在改进o h 模式时又发现了动态散射模式 d s m 开始 液晶显示用于液晶钟表 计算器等等 1 9 6 8 年美国公开在刊物上发表向列液晶 动态散射显示和显示器样机 1 9 6 9 年 我国也开始研究液晶显示 1 9 7 1 年 瑞士的s c h a d t 等人公开了t n 模式 液晶显示开始运用于小规模 文字显示或是图形显示 1 9 8 4 年瑞士的s c h e f f e r 发表了扭曲角为2 7 0 度的超双折 射效应的研究 日本将超扭曲向列 s t n 的模式实用化 1 9 8 5 年将其用于文 字处理和个人计算机 s t n 的时间分割特性比n t 优异 而且显示容量也增大很 多 为了实现真正的黑白显示 或是和彩色滤光片结合实现彩色显示 出现了相 位补偿的双层方式和相位薄膜的重叠方式 液晶显示中 加入微彩色膜技术实现的彩色s t n 显示已经运用于彩色和个人 电脑等较小象素的显示 然而 彩色s t n 显示的彩色一般为2 5 6 色以下被称为 伪彩色 而t f t 更适合小象素的彩色显示 t f t 是在t n 象素中加入t f t 开关 而形成的有源矩阵显示 克服了无源显示中的交叉干扰 信息量小 反应时间慢 等不足 大大提高了显示性能 与t f t 相比 s t n 的优势在于价格便宜 1 9 9 5 年t f t 彩色液晶显示的大幅降价 使得s t n 液晶显示退出大型l c d 市场 而 1 9 9 9 年后手机和p d a 又使彩色s t n 显示重获生机 2 j 两层s t n 显示 d s t n 的设计在1 9 8 7 年提出 一般的d s t n 有两层s t n 的液晶层组成 其中一层加上驱动电压 另外一层不加电压 作用是相位补偿 如果要作彩色显示 在装置中加上彩色薄膜 然而 彩色薄膜的加入 会使亮度 降低 所以现在对彩色d s t n 的研究是希望找到不用彩色薄膜也能得到彩色 有人用三个d s t n 重叠 3 每个d s t n 中不加入彩色薄膜 而用加入相位延 迟膜的方式来分别控制红 绿 蓝三色的光 也有人h 悃不加电压的d s t n 来作为颜色薄膜用来分离出白光中的单色光 如绿光等 常用的液晶显示有t n s t n t f t 等等 5 1 t n t w i s tn e m a t i c 扭曲型向列液晶显示 液晶盒中的液晶分子平行于显 示平面 扭曲角为9 0 度 上下各加一片偏振片 底面再加一片反光片 s t n s u p e r t w i s tn e m a i c 和t n 类似 不同的是 扭曲角不再是9 0 度 可以是1 8 0 度 2 4 0 度 2 7 0 度等等 光电响应曲线更好 t f t t h i n f i l mt r a n s i s t e o 为薄膜晶体管有源矩阵液晶显示 在每个象素上 设计一个场效应开关管 实现高分辨率和真色彩 4 第二章 超扭曲液晶显示的分色原理 1 液晶分子在外加电场下的取向 液晶显示中的液晶 是封装在液晶盒里的 液晶分子在外加电场下 分子的 取向发生改变 液晶分子的取向由三个因素决定 液晶分子之间的作用力 界面 条件的作用力和外界电磁场的作用 液晶分子的取向发生改变 叫做形变 形变 有三种 展曲 s p l a y 扭曲 t w i s t 和弯曲 b e n d 液晶显示器的光电性质决定于液晶分子在外加电场下的取向 计算步骤如 下 首先 求出液晶分子在外加电场中的总能量表达式 这个表达式由两个部分 组成 液晶分子与电场的互相作用能和液晶体的弹性形变能 液晶分子与电场的 互相作用能由液晶体电位移矢量表达式和麦克斯韦方程求出 液晶体的弹性形变 能由液晶的连续体弹性理论来计算 然后 利用变分法 求液晶分子在外加电场中的总能量取极小值的条件 联 立求出液晶分子在外加电场下的取向 液晶分子在外加电场下的取向如下图 图2 1 液晶分子在外加电场下的取向示意图 外加电场沿z 轴正方向加到厚度为d 的液晶层中 设液晶层位于z o 和 z d 之间 液晶层的分子的取向 用指向矢 开 表示 指向矢由液晶分子的倾 角e 和扭曲角舻来描述 液晶体中的电位移矢量为 d 占 e 巳 元 e 元 2 1 其中 n c o s 班 c o s 0 胛y s i n6 p c o s 8 胛 s i n 0 s 勘一钆 勃与s 分别是 由于外电场豆沿z 方向 所以豆仅有分量云 e 4 e 一 0 肚褂6 as i n l 9 c o s o c o s p z v 西 0 2 4 因为妒 0 在x y 方向均匀分布 只在z 方向变化 所以 孥 孕 o 2 5 o x o v 所以 孕 o 2 6 所以 4 是常数 液晶分子与电场的相互作用能为 一1 2 c a 五毖 一1 2 r d e 出 一l 2 f e a z 一1 2 d v 2 7 由液晶体的连续体弹性理论 液晶体的弹性形变能 g 1 2 f k l i v 亓 2 足2 2 弦 v 亓 吼 2 k 3 3 元 v 亓 2 冲 2 8 其中 k l k k 3 分别是液晶弹性形变系数 展曲系数 扭曲系数 弯 曲系数 q o 2 x p o p o 为l c d 中添加的左旋胆甾相液晶体的螺距 由式 2 7 和式 2 8 得到液晶在电场中的总能量表达式为 g 1 2 f k v 元 2 丘2 2 元 v 元 g 1 2 k 3 3 再 v 元 2 一d y d z 2 9 其中 矿 r 乜出 2 r 再南 2 1 0 所以 g 1 2 r 瞄c o d 0 如s i n z o d o d z 2 k 2 2 c o 孑0 墨3 s i n 2 0 c d o d c p l d z 2 2 如 o s 2 口 删啪 k 2 2 q 0 2 一雨而鲁丽忙 2 t 当平衡时 g 极小 利用变分法 g r f z p z 口 z 妒 伊 z 出 2 1 2 g 取极小值的条件是 一咚i d z o 2 1 3 v o 一 d v o d z 0 易 匕为f 对目 妒的偏微分 f o 巴 为f 对口7 的偏微分 2 1 3 中两式称为欧勒一拉格朗日方程组 得到 兰 e 2 1 4 堕 p 塑型 二兰 竺鱼丝垒 竺丝笪二丝 刍塑 望 垒 皇二 竺 生1 2 占0 x cos20 co s2 0 n g o 8 k 3 3c s i 而i i 五百一 2 1 5 兰 r 笪些堡丝 一 2 16 2 乜 j c o s 2 臼一c o s 2 巳 g 口 巩 1 一口c o s 2 臼 其中 竹为总扭曲角 以为液晶层中部d 三处的倾角 o f l o z 为 7 a p 出在d 妄处的值 岛为表面倾角 l k 3 3 一k 1 1 k 3 3 2 k 3 3 一k 2 2 k 3 3 娃2 s a su 2 1 7 2 1 8 2 1 9 k 2 2 n p o k 2 2 q o k 2 2 g 口 以 旦 二 l二上王 苎之 ii i 旦憋一c o s i l 一 c o s 伊l 1 矿瓦虿而f 磊i 而 由边界条件 表面能密度为f 1 2 c s i n 2 0 0 一巳 由此可得 s i n 眠一o p c o s a o o p 2 2 1 c 为表面锚泊的强度 巳为液晶分子在表面的择优取向 0 0 巳 即施 加电压后的表面倾角不等于巳 吼和巳差别反映了表面锚泊强度的大小 给定k k 2 2 k 3 3 旬 g 最 d c 竹 口 和电压v 由 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 2 1 联立求出o o 以 a 妒 出 d z 接着再由 硝 孺d olll 7 t c o s 20 2 2 2 p f t 堕型 坐竺 鱼竺窒 型鱼 丝立 塾生竺 旦 竺 鱼塑 甲一 2 二 岛 x c o s 2 0 c o s 2 以 g p 氏 墨3c o s 2 0 1 一 2c o s 2 0 2 2 3 求出o z 和妒 z 8 堕低 盟冶 堕吖黯 丝 塑 榴 塑毋 誊 b 鱼 液晶分子在外加电场下的取向就求出来了 式子 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 2 2 2 2 3 中的正负号分别为v 在不同 的区域中的取值 当v 以时取负号 当v 0 0 氏时取正号 实际生产中 我们关心闽值电压 的大小 将以 日 z 岛 见和 p z z d q 时的电压 2 d k k 3 2 k 3 3 9 i k 2 c o s a o p g g r 2 2 4 为重要参数 具有重要的实际意义 定义归一化电匪怖赝 z s 令实际电压与归一化电压的比值为r u 即 r u f v 2 2 6 7 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 2 3 采用迭代法来求解 求解对初值的选择非 常敏感 选用液晶的参数如下 液晶类型 s l c 5 5 2 6 0 5 0 弹性常数 k l l 1 2 2 9 7 1 0 1 2 牛顿 k 2 2 6 8 5 8 1 0 2 牛顿 k 1 7 8 3 1 0 1 2 牛顿 低频介电常数 s l 9 5 9 0气 3 9 岛占 5 6 岛 光的折射率 1 6 4 拧 0 1 4 7 真空介电常数 8 8 4 5 1 0 1 2 表面锚泊参数 c 1 0 0 螺距 e o 9 4 5u m 盒厚 d 6 3u m 扭曲角 预偏角 中r n a x 2 4 0 口 5 液晶分子取向的讨论 将上述液晶层分为5 0 层 在不同电压下 液晶的 o z 分布图如下 14 12 1 0 富0 8 芒 一 oo6 d 4 02 000s1015 20 25 3o 354045 50 55606570 d i j m 15 16 1 6 9 1 7 6 1 8 2o 图2 2 液晶分子在不同电压下的 分布 r u w f o 可以看出 1 om 随着电压的增大而增大 2 om 分两种情况 当v v t h 0r l l 是处于曲线的最大值处 这也说明在方程 2 1 5 2 1 5 2 1 6 中 在v v t h 时 取 号 v v t h 时 取 号 3 当电压v 达到某一值 阈值v t h 后 o m 的变化非常大 将液晶层分为5 0 层 在不同电压下 液晶里的巾 z 分布图如下 i o 图2 3 液晶分子在不同电压下的巾分布 r u v v o 看出当v 增大时 1 由值的偏离也增大 微分也随之增大 2 无论电压如何变化 液晶层两个表面和中间三处的巾值是不改变的 改变电压 即改变r u r u v v o i n om 的变化如下图 r u 图2 4 0 m r u 关系 扭曲角中m a x 2 4 0 由图可见 0m 的改变是在某一电压 闽值v t h 处开始剧烈变化的 0m 曲线变化的陡峭程度会直接影响液晶显示的多路寻址能力 同时在衄线 中存在着一个很小的回差 如下图 扭曲角为 8 0 度时 改变电压即改变r u r u v v o 时 em 的 变化 1b 4 12 10 窭o 8 e o08 0 4 02 ooo51o 152o253o r u 图2 5 0m r u 关系 扭曲角q o m a x 1 8 0 由图可见 扭曲角为1 8 0 度时 0m 的曲线比2 4 0 度时要平缓得多 不 利于多路寻址 2 4 4 矩阵法计算液晶显示器的光学特性 液晶是一种非均匀的各向异性介质 在l c d 中 液晶分子的取向随着z 的变化而变化 为了计算液晶分子的光学特性 人们提出了各种方法 比如 a b e l e s 的2 2 矩阵法 8 j o n e s 的2 2 矩阵法 9 1 0 1 b e r r e m a n 的4 x 4 矩阵法 1 1 1 2 1 h l o n g 的几何光学法 和广义光学法 1 4 1 1 5 1 等 其中最常用到的是j o n e s 的2 2 矩阵法和b e r r e m a n 的4 x 4 矩阵法 我们运用应用范围最广 最精确的b e r r e m a n 的4 x 4 矩阵法来计算l c d 的光学性质 将液晶这种非均匀介质沿着平行着x y 平面的方向进行分割 分割成n 个厚度为h 的薄层 h 很小 所以可以将每一层看作是均匀介质 指向矢亓在 每一层中是一样的 相邻的层中的疖有着不同 我们可以用均匀介质理论求 出光波通过每一层时的变化 再由每一层的变化累积 就得到光通过液晶的 总变化 在液晶中 由麦克斯韦方程 vx云 一上丝 2 27 co t v 矗 一去娑 2 2 8 ca t b a h d i 琶 在光频波段 1 f q l q 2 q 3 1 i l 岛l 岛2 屯l l 岛 s 毛 j 蚕为液晶的介电张量矩阵 占i l 窖1 s 口c o s2 0 c o s 2 妒 q 2 毛c o s 2 o s i n c p c o s p 6 1 3 毛s i n o c o s o c o s q 岛l 巳c o s 2o s i n o c o s f a 9 2 2 气 f e ac o s 2 0 s i n 2 妒 s 2 3 乞s i n o c o s o s i n t p 岛1 c a s i n o c o s o c o s 6 3 2 岛s i n o c o s 0s i n 伊 8 3 3 f 1 巳s i n 2 0 口和妒是液晶分子的取向角 用上节的方法求出 2 2 9 2 3 0 2 3 1 m 琊 舶 傩 扣 耋 一 嘶 需要说明的是 在本节 即第二章第2 节 中出现的s s s 不是上 节中所述的低频介电常数 s o 9 5 s o气 3 9 9 0s 5 6 9 而是由材 料对光的折射率求出的光频介电常数 s l c 5 5 2 6 0 5 0 的光频介电常数求出为 s 2 6 8 9 6 s o气 2 2 3 e o 液晶层中传播的单色光波按e 1 形式随时间变化 液晶层的非均匀性是只在z 方向的 手只为z 的函数 所以光场的振幅只 在z 方向变化 并设光场斜射入面为x z 平面 则在x 方向上光场只有相位 的变化e 其中 为光波矢在x 轴的分量 光场在y 方向是均匀不变的 即有 昙 一 国 去 活 石0 i 将麦克斯韦方程写成分量形式 并消去e h 在z 方向的分量 化简 得到下面的形式 le ai 耳 瓦ie l 一峨 z 国 c 0 1 fe o 0 以 3 4 0e 0 儿一以 2 4 1 即 昙矿 詈五 矿 2 4 2 c 一 其中 1 l 一x e 3 1 岛3 一 吒s i n 8 c o s 8 c o s p 工 毛3 a 1 2 l x 2 氏 t 3 一工毛2 6 3 3 一x e os i n 口c o s 口s i n 妒 毛3 2 l 2 g l i 一占1 3 0 3 1 6 3 3 气 旬一毛c o s 20 s i n 2e l s 3 3 2 2 一t 岛3 岛3 a l l a 2 3 6 t 2 一 c 1 3 岛2 e 3 32 q 毛c o s 2 0 s i n o c o s o s 3 3 1 d 1 1 4 4 l s 2 l s 2 3 岛l 8 3 33 a 2 3 a 4 2 一x o e 2 3 毛3 a 1 3 4 3 岛2 一岛 岛2 6 3 3 s l 勤一毛c o s 2 0 s i n 2 妒 e 3 3 一x 2 x h os i n o 目 为入射角 所以 液晶分割成n 片厚度为h 的很薄层时 相邻两层之间的光场的 关系如下 矿0 p z 矿 z 2 4 3 当h 很小 p z h 展开为 f p 痂 i i 丝五一盟罾 l 2 f 简化为 8 i 8 墨七8 器七8 器 屈由下列式子求得 e 一 8 0 移i p 2 i p 3 忑i i 4 其中 为矩阵 的本征值 2 4 4 2 4 5 2 4 6 j 2 s i x 2 2 g 4 6 1 l 垃垒坐 i 一旦s i 觚s z 咖z l z 4 7 岛屯旬 局 喜t 彘i o o h o h l 去噶噶 矗 一 一 艺 哆 一 j k 反 b 一 岛 绣 其中九 一乃 e x p i k o a h i k 将液晶盒前后各加上一片偏振片 液晶盒上加上一定的电压 就可以组成一 个简单的液晶显示器的光学系统 要求得液晶显示器的光电性质 主要是要求出 光通过液晶显示器光路系统的透过率 用上节所述的变分法可以求出液晶分子在 外加电场下的取向排布 将液晶层垂直于光的传播方向分成n 层 例1 0 0 层 设每一层的分子取向是一致的 则光通过一个偏振片后 入射到液晶层中 经过 n 层后出射 出射的光场利用本章的矩阵法可以求出 然后光再通过下一个偏振 片出射 这时光的透过率也就可以求出来了 偏振片p 1 的角度为5 0 度 偏振片p 2 的角度从0 度旋转至1 8 0 度 液晶盒 中液晶的扭曲角从3 0 度旋转到 3 0 度 液晶盒基本参数如上节中所述 在加电压 o n 态 和不加电压 o f r 态 的情况下 光的透过率如图 一2 002 04 06 08 0 1 0 01 2 01 4 0 1 6 01e 02 0 0 p 2 图2 5 一层液晶o n 态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 1 6 图2 6 一层液晶o f f 态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 则在p 2 取9 0 度时 o i l 态时三色的透过率都较高 显示呈白色 而o f f 态时 蓝色的透过率较其他两种高 显示呈蓝色 而如果在液晶盒和第二块偏振片中加上第二个液晶盒 设第二个液晶盒中液 晶的扭曲角从7 5 度旋转至1 5 度 则光通过第一个液晶盒后出射的边界条件则为 光入射第二块液晶盒的入射边界条件 由两块液晶盒加电压与否 有四种状态 具体在下一章讨论 本章只举一个例子 两块液晶盒都加上电压 o no n 态 仍 然改变偏振片p 2 的偏振角度 光的透过率如图 图2 7 双层液晶o n o n 状态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 第三章 两层四色液晶显示 1 两层四色液晶显示器的构造 如图 图3 1 两层四色液晶显示构造示意图 本液晶显示屏是由许多的象素组成 每个象素都由上下两块全色偏振片 中 间放置两块液晶盒1 2 所构成 液晶盒扭曲角2 4 0 度 盒厚6 3l am 选择具有适 当光学各向异性的液晶灌入液晶盒内 并适当的选择偏振片的偏振方向 液晶显 示屏采用的电路分别连接驱动两个液晶盒l 和2 当加在液晶盒1 或液晶盒2 的电压v 1 或v 2 d 于阈值电压时为o f f 态 表示为v l o i f 或v 2 0 f f 当加在液晶盒1 或液晶盒2 的电压v l 或v 2 大于闽 值电压时为o n 态 表示为v l o n 或v 2 0 n 因此 加上液晶盒上的电压后 一共 有四种状态 v l o i f v 2 0 i f v l o i f v 2 0 n v 1 0 n v 2 0 i f v l o n v 2 0 n 可简写为o f f o f f o f f o n o no f f o i lo r 每一种状态 人们对应地可以看到一种颜色 所以称为四色 液晶显示 2 液晶显示器光学特性的讨论 本章讨论 我们所用液晶盒基本参数如第二章中所述 液晶材料为 s l c 5 5 2 6 0 5 0 低频介电常数g 9 5 a o 气 3 9 a 占 5 6 9 光频介电常数 8 0 2 6 8 9 6 s 0 气 2 2 3 e o op 为5 度 扭曲角中为2 4 0 度 偏振片p l 的角 1 8 度为5 0 度 偏振片p 2 的角度为1 4 0 度 第一个液晶盒中液晶的扭曲角从3 0 度 旋转到 3 0 度 第二个液晶盒中液晶的扭曲角从7 5 度旋转至1 5 度 以下3 个图就是四色液晶显示屏的光电曲线 a 图是两个液晶盒一起加电压时的光电曲线 可以看出 在小于阈值电压时 绿光的透色率最大 达到9 6 蓝光的透色率为7 5 红光的透色率为3 7 所以显示的是绿色偏蓝的颜色 大于阈值电压时 蓝绿红三色光的透色率分 别为7 7 8 0 6 5 所以显示的颜色为白色 b 图是第一个液晶盒加电压 第二个液晶盒一直不加电压 的光电曲线 可 以看出 在小于闽值电压时 绿光的透色率最大 达到9 6 蓝光的透色率为 7 5 红光的透色率为3 7 所以显示的是绿色偏蓝的颜色 大于阈值电压时 蓝绿红三色光的透色率分别为1 0 0 3 9 1 3 所以显示的颜色为蓝色 c 图是第二个液晶盒加电压 第一个液晶盒一直不加电压 的光电曲线 可 以看出 在小于阈值电压时 绿光的透色率最大 达到9 6 蓝光的透色率为 7 5 红光的透色率为3 7 所以显示的是绿色偏蓝的颜色 大于闽值电压时 蓝绿红三色光的透色率分别为5 4 1 5 7 4 所以显示的颜色为紫色偏红 图3 2 a 两个液晶盒同时改变电压v r u v v o 1 9 帖舌 佰阳 g 2 帖柏 拈 0 o o o o o 0 o o o o o 0 0 0 1 1 10 09 o8 o7 06 卜0s 04 03 02 0 1 5161718 19 2 o r u 图3 2 b 第一个液晶盒改变电压v r u v v 0 第二个液晶盒不加电压 图3 2 c 第二个液晶盒改变电压v r u v l v o 第一个液晶盒不加电压 1 偏振片p 1 的偏振方向的影响 当偏振片p 1 的偏振方向从0 度旋转到1 8 0 度 其他参数不变 在o no n o do f f o f f o n o f f o f f 四种状态下 蓝绿红三色的透过率如图 图3 3o n o i l 状态下 改变p l 的偏振方向时三色的透过率变化 图3 4o no f f 状态下 改变p l 的偏振方向时三色的透过率变化 图3 5 o f f o n 状态下 改变p 1 的偏振方向时三色的透过率变化 图3 6o f f o f f 状态下 改变p 1 的偏振方向时三色的透过率变化 2 偏振片p 2 的偏振方向的影响 当偏振片p 2 的偏振方向从0 度旋转到1 8 0 度 其他参数不变 在 o n o n o n o f f o f f o n o f f o f f 四种状态下 蓝绿红三色的透过率如图 图3 7o n o n 状态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 图3 8 o no f f 状态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 2 002 04 06 08 01 0 01 2 01 4 01 6 01 8 02 0 0 p 2 o f fo n 图3 9 o f f o n 状态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 2 0 02 04 06 08 01 0 012 01 4 0 1 6 01 8 0 2 0 q p 2 o f f o f f 图3 1 0 o f f o f f 状态下 改变p 2 的偏振方向时三色的透过率变化 3 液晶盒n l 的放置角度的影响 即改变液晶盒n 1 的液晶打磨方向 当液晶盒n i 的放置角度改变 不是固定的3 0 度 而是由0 度变化到 3 6 0 度 其他参数不变 在o n o n o n o f f o f f o n o f f o f f 四种状态下 蓝绿红 三色的透过率如图 1 10 0 9 08 0 7 0 6 卜 05 0 4 03 02 0 1 5 005 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 n 1 o ro n 图3 1 1o no r 状态下 改变n 1 的角度时三色的透过率变化 5 0o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 04 0 0 n 1 o no f f 图3 1 2o no f f 状态下 改变n 1 的角度时三色的透过率变化 1 1 10 o 0 0 8 0 7 0b 卜05 0 4 03 o 2 0 1 00 5 005 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 1 2 3 5 04 0 0 n 1 o f fo n 图3 1 3o f f o n 状态下 改变n 1 的角度时三色的透过率变化 5 005 d1 d 01 s 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 1 3 n 1 o f fo f f 图3 1 4o f f o f f 状态下 改变n l 的角度时三色的透过率变化 4 液晶盒n 2 的放置角度的影响 即改变液晶盒n 2 的液晶打磨方向 当液晶盒n 2 的放置角度改变 不是固定的7 5 度 而是由0 度变化到 3 6 0 度 其他参数不变 在o n o n o n o f f o f f o n o f f o f f 四种状态下 蓝绿红 三色的透过率如图 11 10 0 9 0 8 0 7 0 6 卜 0 5 0 4 03 0 2 0 1 00 5 005 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 n 2 o no n 图3 1 5o no n 状态下 改变n 2 的角度时三色的透过率变化 5 005 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 n 2 0 1 1o f 0 图3 1 6o no f f 状态下 改变n 2 的角度时三色的透过率变化 s 005 0 1 0 0 1 5 02 0 0 2 5 03 0 03 5 04 0 0 n 2 o f fo r 图3 1 7 0 f fo n 状态下 改变n 2 的角度时三色的透过率变化 5 00 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 n 2 o f f o f f 图3 1 8o f f o f f 状态下 改变n 2 的角度时三色的透过率变化 5 我们还发现 如果将p l p 2 的角度均旋转4 5 度左右时 四色的液晶显示 有着相似性质 即如果四种状态对应的光的透过率刚好为四种比较分明的情况 那么将p 2 的角度旋转4 5 度左右后 四种状态对应的情况也会是较分明的情况 图a 是上面计算对应的四种状态三色光的透过率的情况 图b 是p l 的偏振方向为9 0 度 p 2 的偏振方向为1 8 0 度即0 度时 对应的四 种状态三色光的透过率的情况 图c 是p l 的偏振方向为5 度 p 2 的偏振方向为9 5 度时 对应的四种状态三 色光的透过率的情况 6 不同预偏角的情况 当预偏角op 分别为3 度 5 度和7 度时 p 2 的角度为1 4 0 度 r u om 图像如下 曲线陡度基本相同 16 1 a 12 10 08 e o0 6 0 4 0 2 00 图3 2 0 a 预偏角8p 不同的r u em 图像 8p 3 5 7 16 4 12 10 e0 8 0 6 0 4 0 2 图3 2 0 0 3 预偏角0p 不同的r u 一0m 图像 0p 2 0 图3 2 0 a 中 0p 3 度 5 度 7 度 曲线的陡度都已比较接近9 0 度 图 3 2 0 b 中 将预偏角0p 增大到2 0 度 曲线的变化也不大 只是有了回差 这说明 此种扭曲角为2 4 0 度的液晶盒的多路寻址能力较好 改变预偏角0 p 对多路寻址能力影响并不显著 不并需要过大的预偏角 当0p 3 红绿蓝三种颜色透过率情况如下图 和0p 5 类似 o0o510 152 02 5 r uo f f o f f o no n 图3 2 1 op 3 同时改变两个液晶盒上的电压时 三种颜色透过率 00 o5 r u 图3 2 20p 3 改变第一个液晶盒的电压 第二个液晶盒不加电压 三种颜色 透过率 0 0 0510152 0 2 5 r u o f f o f f 一 o f f o n 图3 2 30p 3 改变第二个液晶盒的电压 第一个液晶盒不加电压 三种颜色 透过率 o 9 8 7 6 5 4 3 2 o o o 0 o 0 0 0 d o o j 图3 2 4 0p 3 四种状态下三种颜色透过率 当0p 7 三种透过率情况如下图 和op 5 类似 od o51015202s r uo f f o f f o n o n 图3 2 5 0p 7 同时改变两个液晶盒上的电压时 三种颜色透过率 00051015 202 5 r u o f fo f f o no f f 图3 2 6 0p 7 改变第一个液晶盒的电压 第二个液晶盒不加电压 三种颜色 透过率 图3 2 7 0p 7 改变第二个液晶盒的电压 第一个液晶盒不加电压 三种颜色 透过率 图3 2 8 0p 7 四种状态下三种颜色透过率 第四章结论 本文讨论一种新型的多层液晶显示原理 由此原理制成的液晶显示器将全色 光分离成某种颜色的光 可以呈现四种颜色 本文计算了液晶材料扭曲角 预倾角 偏振片偏振角度 液晶层打磨方向等 各种因素对超扭曲液晶光学性质的影响 结果表明 增大扭曲角能很大的提高液 晶显示器的多路寻址能力 预倾角的改变对超扭曲液晶的光学性质影响不大 光 透过率随偏振片角度的增减发生周期性的变化 随液晶打磨方向的改变呈周期性 变化 显示器的性能的提高在于找到合适的参数组合 这种液晶显示具有优良的的显示性能 具有制造简单 电路驱动容易实现的 特点 非常适合大面积 大像素显示 有着较大的开发价值和应用前景 参考文献 l 崛浩雄铃木幸治 彩色液晶显示 科学出版社2 0 0 3 2 孙政民 国内外彩色s t n l c d 的应用和发展动态 现代显示 3 1 1 5 1 8 2 0 0 2 3 s s a e e d p j b o s z l i a c o l o r h i g hb r i g h t n e s s p a s s i v em a t r i x d i s p l a y s i d 0 1 d i g e s t l 4 2 0 0 1 4 d d h u a n g x 一j y u h 一c h u a n g a n dh 一s k w o k d e s i g ho fp o l a r i z i n g c o l o rf i l t e r s w i t i l d o u b l e l i q u i d c r y s t a lc e l l s a p p l i e d o p t i c s 4 1 4 6 3 8 4 6 4 4 2 0 0 2 5 李维提郭强 液晶显示应用技术 电子工业出版社2 0 0 0 6 h a v a n s p r a n g a n dp a b r e d d e l s n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n so fd i r e c t o r p a t t e r n s i s h i g h l y t w i s tn e m a t i c c o n f i g u r a t i o n s w i t hn o n z e r o p r e t i l t a n g l e s j a p p l p h y s 6 0 9 6 8 1 9 8 6 7 谢毓章 液晶物理学 2 4 5 6 科学出版社 1 9 8 8 8 李伯符 液晶物理 液晶与显示 1 6 3 2 2 7 2 3 9 2 0 0 1 9 e a b e l e s i n v e s t i g a t i o n so nt h ep r o p a g a t i o no f s m u s o i d a le l e c t r o m a g n t i c w a v e si ns t r m i f i e dm e d i a a p p l i c a t i o n t ot h i n f i l m s a n n p h y s p a r i s 5 5 9 6 6 4 0 1 9 5 0 l0 r c j o n e n e wc a l c a l u s f o rt h et r e a t m e n to f o p t i o c a ls y s t e m e s p a r t l d e s c r i p t i o na n dd i s c u s s i o no f t h ec a l c u l u s p a r t2 p r o o fo ft h r e eg e n e r a l e q u i v a l e n tt h e o r e m s j o p t a m 3 1 4 8 8 4 9 9 1 9 4 n l1 r m a a z z a ma n dn m b a s h a r a s i m p l i f i e da p p r o a c ht ot h ep r o p a g m i o n o f p o l a r i z e dl i g h t i n a n i s o r t r o p i cm e d i a a p p l i c a t i o n t o l i q u i d c r y s t a l s j o p t s o c a m6 2 1 2 5 2 1 9 7 2 1 2 d w b e r r e m a na n d t j s c h e f f e r o p t i c si ns t r a t i f i e da r i da n i s o t r o p i cm e d i a 4 4 m a t r i xf r o m u l a t i o n p h y s r e v l e t t 6 2 5 0 2 5 1 0 1 9 7 2 13 d w b e r r e m a n o p t i c s i n s m o o t h l yv a r y i n ga n i s o t r o p i cp l a n a r s t r u c t u r e a p p l i c a t i o nt ol i q u i l dc r y s t a lt w i s tc e l l j o p t s o c a m 6 3 1 3 7 4 f 1 9 7 3 1 4 h l o n g a n d r b m e y e r g e o m e t r i c a l o p t i c sa p p r o x i m a t i o n f o rt h e 3 7 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 2 l 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 a l e c t r o m a g n e t i c f i e l di n l a y e r e d i n h o m o g e n e o u s l i q u i dc r y s t a l l i n e s t r u c t u r e s j o p t