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液晶的光学特性 测控101贾如1007040119 摘要 液晶的电光效应是指它的干涉、散射、衍射、旋光、吸收等受电场调制的光学现象。液晶是当前国内外研究的前沿热点，尤其是液晶材料的合成与应用。液晶材料具有优异的性能和广阔的应用前景。关键词：液晶的分类 光学特性 液晶显示器引言：LCD（Liquid Crystal Display）对于许多的用户而言可能是一个比较新鲜的名词，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想象在1888年，一位奥地利的植物学家F. Renitzer便发现了液晶特殊的物理特性。在85年之后，这一发现才产生了商业价值，1973年日本的夏普公司首次将它运用于制作电子计算器的数字显示。现在，LCD是笔记本电脑和掌上电脑的主要显示设备，在投影机中，它也扮演着非常重要的角色，而且它开始逐渐渗入到桌面显示器市场中。液晶的特性是很神奇的：液晶层能够使光线发生扭转。液晶层表现的有些类似偏光器，这就意味着它能够过滤掉除了那些从特殊方向射入的光线以外所有的光线。此外，如果液晶层发生了扭转，光线将会随之扭转，以不同的方向从另外一个面中射出。一、 液晶的工作原理液晶单元的底层是由细小的脊构成的，这些脊的作用是让分子呈平行排列。上表面也是如此，在这两侧之间的分子平行排列，不过当上下两个表面之间呈一定的角度时，液晶为了随着两个不同方向的表面进行排列，就会发生扭曲。结果便是这个扭曲了的螺旋层使通过的光线也发生扭曲。如果电流通过液晶，所有的分子将会按照电流的方向进行排列，这样就会消除光线的扭转。如果将一个偏振滤光器放置在液晶层的上表面，扭转的光线通过了，而没有发生扭转的光线将被阻碍。因此可以通过电流的通断改变LCD中的液晶排列，使光线在加电时射出，而不加电时被阻断。也有某些设计为了省电的需要，有电流时，光线不能通过，没有电流时，光线通过。二、 液晶的分类及其光学特性液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶也存在于生物结构中，日常适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前，由有机物合成的液晶材料已有几千种之多。由于生成的环境条件不同，液晶可分为两大类：只存在于某一温度范围内的液晶相称为热致液晶；某些化合物溶解于水或有机溶剂后而呈现的液晶相称为溶致液晶。溶致液晶和生物组织有关，研究液晶和活细胞的关系，是现今生物物理研究的内容之一。 液晶的分子有盘状、碗状等形状，但多为细长棒状。根据分子排列的方式，液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种，其中向列相和胆甾相应用最多。1. 近晶相液晶 近晶相液晶分子分层排列，根据层内分子排列的不同，又可细分为近晶相A近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行，而且垂直于层面。分子质心在层内的位置无一定规律。这种排列称为取向有序，位置无序。近晶相液晶分子间的侧向相互作用强于层间相互作用，所以分子只能在本层内活动，而各层之间可以相互滑动。近晶型结构是所有液晶中具有最接近结晶结构的一类。这类液晶中，棒状分子依靠所含官能团提供的垂直于分子的长轴方向的强有力的相互作用，互相平等排列成层状结构，分子的长轴垂直于层片平面。在层内，分子排列保持着大量二给固体有序性，但是这些层片又不是严格刚性的，分子可以在本层内活动，但不能来往于各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片之间可以相互滑动，而垂直于层片方向的流动则要困难。因此，近晶型液晶一般在各个方向都是非常粘滞的。 近晶相2. 胆甾相液晶 胆甾相液晶是一种乳白色粘稠状液体，是最早发现的一种液晶，其分子也是分层排列，逐层叠合。每层中分子长轴彼此平行，而且与层面平行。不同层中分子长轴方向不同，分子的长轴方向逐层依次向右或向左旋转过一个角度。从整体看，分子取向形成螺旋状，其螺距用p表示，约为0.3mm。在这类液晶中，长形分子是扁平的，依靠端基的相互作用，彼此平等排列成层状，但是他们的长轴是在层片平面上的，层内分子与向列型相似，而相邻两层间，分子长轴的取向，由于伸出层片平面外的光学活性基团的作用，依次规则地扭转一定角度，层层累加而形成螺旋面结构。 胆甾相3. 向列相液晶 向列相液晶中，分子长轴互相平行，但不分层，而且分子质心位置是无规则的。 电场与磁场对液晶有巨大的影响力，向列型液晶相的介电性行为是各类光电应用的基础（用液晶材料制造以外加电场超作之显示器，在1970年代以后发展很快。因为它们有小容积、微量耗电、低操作电压、易设计多色面版等多项优点。不过因为它们不是发光型显示器，在暗处的清晰度、视角和环境温度限制，都不理想。无论如何，电视和电脑的屏幕以液晶材质制造，十分有利。大型屏幕在以往受制于高电压的需求，变压器的体积与重量不可言喻。其实，彩色投影电式系统，亦可利用手性向列型液晶去制造如偏光面版、滤片、光电调整器。 向列相4、胆甾相液晶的光学性质由于胆甾相液晶特殊的分子结构以及光学的各向异性, 决定了它具有晶体的旋光性、偏振光二色性和它本身特有的选择性光散射等性质。（1） 使入射光在光前进方向上沿指向矢n(分子长轴)方向偏转当光线垂直射入两个各向同性均匀介质时(如图2a), 即使折射率不同, 光线仍按原方向前进。而对于各向异性的液晶物质, 就要考虑分子轴和入射光的方向问题。如果偏振光沿光轴方向(分子长轴方向)入射时(如图2b), 光仍按原方向前进。而光在液晶中传输时, 存在着平行于指向矢n的折射率nPP和垂直于指向矢n的折射率nL, (如图2c), 因此有vPP= cPPPnL和vL= cLPnPP, 其中cPP= c cosH, cL= csinH(c真空中光速), 且光在介质中传输, 光速总是与折射率成反比, 所以vPP vL, 使入射光在传播过程中沿n方向发生偏转。同理, 对于图2cc状态下, vPP和vL分别由cPPPnL和cLPnPP决定。（2） 能够改变入射光的偏振态(线偏光、圆偏光、椭圆偏光)或改变偏振光的振动方向如图3所示, 液晶分子的n与X轴平行, 当线偏振光沿Z方向入射时, 其振动方向与（3）使入射的椭圆偏振光产生相应的反射或透射现象外界条件除了引起胆甾相液晶折射率各向异性外, 对其螺距也产生非常独特的影响。胆甾相液晶的螺距随外界环境(温度、压力、磁场、电场等)的变化而变化。胆甾相液晶的螺距对其光学性质的影响非常重要, 光透射和选择性光散射的特性主要由其螺距决定。对于螺距p与入射光波长相近的右旋胆甾相液晶, 若左旋光(与扭曲方向成反旋状态的光)入射时, 则产生光透射; 若右旋光入射时,则产生与布喇格反射相同的光散射。如图6所示, 当液晶薄膜受光照时, 入射角为Hi, 散射角为Hs, 则选择反射可见光的波长(一级布喇格反射波长)为式中n为与螺旋轴相垂直平面内的平均折射率, Hi 为光的入射角, Hs 为光的散射角, p为螺距。对于固定的系统, Hi, Hs, n为常量。所以液晶选择性光散射的波长只与螺距p有关。式(5)中, 当余弦项等于1时, 胆甾相液晶选择反射光的峰值波长为 Km= np (7)改变液晶所处的外界条件, 引起液晶螺距的变化(如图4、图5), 液晶选择反射可见光的峰值波长Km也随之变化(如图7)。当温度升高时, 液晶螺距变短, 螺旋绕紧, 反射光的峰值波长向短波方向移动; 反之, 温度降低时, 向长波方向移动。随着温度的变化, 反射出不同颜色的可见光。其温度灵敏度及工作温度范围可以通过选择不同的液晶及其混合物的不同配比来控制。当胆甾相液晶的螺距和入射光的波长一致时, 液晶对这种波长的光选择反射最强, 利用这一特性来提高观察的对比度。如图8a所示, 若在一液晶膜上有TA, TB两个温度区域, 则液晶就有两条不同的反射曲线A, B(如图8b)。在二曲线较明显的区域内, 选一波长K0, 则得到与反射强度I 相对应的IA, I B的差别较大, 这样, 在波长为K0 的光波照射下, 出现较TA亮得多的TB区。若把TA控制的足够低, 就可得到较清晰的可见光TB的像(如图8a)。若在复色光的照射下, 液晶则选择反射不同峰值波长的可见光(如图8b), 显示出不同的颜色(如图8a)。四、液晶显示器的新技术1、采用TFT型Active素子进行驱动 为了创造更优质画面构造，新技术采用了用独有TFT型Active素子进行驱动。大家都知道，异常复杂的液晶显示屏幕中最重要的组成部分除了液晶之外，就要算直接关系到液晶显示亮度的背光屏以及负责产生颜色的色滤光镜。在每一个液晶像素上加装上了Ac tive素子来进行点对点控制，使得显示屏幕与全统的CRT显示屏相比有天壤之别，这种控制模式在显示的精度上，会比以往的控制方式高得多，所以就在CRT显示屏会上出现图像的品质不良，色渗以及抖动非常厉害的现象，但在加入了新技术的LCD显示屏上观看时其画面品质却是相当赏心悦目的。2、利用色滤光镜制作工艺创造色彩斑澜的画面 在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先把构成其主体的材料加以染色，之后再加以灌膜制造。这种工艺要求有非常高的制造水准。但与同其他普通的LCD显示屏相比，用这种类型的制造出来的LCD，无论在解析度，色彩特性还是使用的寿命来说，都有着非常优异的表现。从而使LCD能在高分辨率环境下创造色彩斑澜的画面。3、低反射液晶显示技术 众所周知，外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示屏，在外界光线比较强的时候，因为它表面的玻璃板产生反射，而干扰到它的正常显示。因此在室外一些明亮的公共场所使用时其性能和可观性会大大降低。目前很多LCD显示器即使分辨率再高，其反射技术没处理好，由此对实际工作中的应用都是不实用的。单凭一些纯粹的数据，其实是一种有偏差的去引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的“低反射液晶显示屏幕”技术就是在液晶显示屏的最外层施以反射防止涂装技术（AR coat），有了这一层涂料，液晶显示屏幕所发出的光泽感、液晶显示屏幕本身的透光率、液晶显示屏幕的分辨率、防止反射等这四个方面都但到了更好的改善。 结论液晶分子独特的螺旋状结构决定了它特殊的光学特性。选择性光散射、偏振光二色性、旋光性、双折射性等性质是其他物质所没有的。在可见光、红外光、电场、磁场等作用下呈现出在许多领域具有实用价值的非线性光学效应, 例如红外激光束斑显示、温度计、变色服饰(迷彩、伪装)、电场检测、磁场检测、甚至有希望制成红外热像仪器件等。其广泛的应用前景注定了它在材料领域不可替代的作用, 随着材料科学的日新月异以及胆甾相液晶新材料的不断出现, 它各方面的性质将得到更加深入的研究, 其优良的非线性及布喇格散射等特性将给显示领域带来新的革命。参考文献: 1、/optoelectronics_3007.html2、/view/6262.htm3、/view/6262.htm4、液晶物理学. 1975修订版