液晶的光学特性

1、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对丁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一一在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丁制

2、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歹0,就会发生扭

3、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。液晶也存在丁生 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。由丁生成的环境条件不同

4、，液晶可分为两 大类：只存在丁某一温度 范围内的 液晶相称为 热致液晶；某些化合 物溶解 丁水或有机溶 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 相和胆笛相三 种，其中向列相和胆笛相应 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，乂可细分为近晶 相A近晶相B等多种。层内分子长轴互相平行，而且垂直丁层面。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

5、侧向相互 作用强丁层问相互作用，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丁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，分子的长轴垂直丁层片平面。在层内，分子排 列保持着大量二给固体有序性，但是这些层片乂不是严格刚性的，分子可 以在本层内活动，但不能来往丁各层之间，结果这类柔性的二维分子薄片 之间可以相互滑动，而 垂直丁层 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. 胆笛相液晶胆笛相液晶是一种乳白色粘稠状液体，是最早发现的一种液晶

6、 ，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 相邻两层问，分子长轴 的取向，由丁伸出层片 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。胆笛相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

7、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，在暗处的活晰度、 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 以往受制丁高 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、胆笛相液晶的光学性质由丁胆笛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

8、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欠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。而对丁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，存在着平行丁指向欠n的折射率nPP和垂直丁指向欠n 的折射率 nL,伽图 2c),因此有 vPP= cPPPn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

9、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，对丁图2cc状态下，vPP和vL 分别由 cPPPnW日 cLPnPPfe定。均匀婢质(b腋皤液扁(汗腋品在示垂直于战面的俐振光彳-表示平行于纸面的偏振无；心皿表示液晶分于pnlArivi*dl light prpffndifiijljir trt lhr? pulper*rejufiacjiLs lhe pulncizd LghlLcr the pa郴r;c/7 represenli liquid cryntsd molecular. T T I I I f J J中 « /oo00(?/V 二& f

10、l J f h sf ? J u哥3胆阴用液品中入朋光的偏振会引 编振方向的变化Fi： 3 Lh? change of polarisiTiori itae and图2胆凿相液晶中入射光线的储进方向(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X轴成H角；在液品中.沿/轴方向入射的 电场矢量为品.则在* Z<石范围母入射 线偏振光在X ¥方向上的电场分量为Ex - EocosIiii( X - ksz) (1)El EssinHin - kL z) (2)式中,E为电场

11、强度，X为光的角频率，知=XiffPc 和虹=黑lPJ将式(1)、式(2)改写为不含有对 -虹苴向X-虹旦项的形式，则P_Ex_l 2 | Ev :ExEyiitD| oviH + sinH " - smFLosH=Easin' D(3)式(3)中* D(光程差)=(fe- kL)Z.在1P4周期内，当H= 0或H= TP2时.入射线偏振光的振动方向 叫厦网皿 gtwiiof the meident ht m不变，而当II- JP2时，式(3)可改写为曲站tem B 中血1-2 亡：,亡仁Eosin D八敦+ Ey- 2ExEycosD= (4)随着光沿Z方向的前1S,偏振光

12、相继出现育线)府圆)圆)椭阙)直线偏振态，同时偏 振方向也发生相应的改变口（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笛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。胆笛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。胆笛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。对丁螺距p与入射光波长相近的右旋胆笛相液晶，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（

13、一级布喇格反射波长）为K= up cos.，1 SIHsinllii工1十 Sillsill II1110=.J"Jn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。对丁固定的系统，Hi，Hs，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，当余弦项等丁 1时，胆笛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，弓I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。

14、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。当胆笛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，就可得到较活晰的可见光 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

15、见光（如图 8b），显示出不同的颜色（如图8a）。图4儿桦典型胆由相浪晶材料的螺距与温度的 关系.1. m的醇壬酸境,2州亩醉交酸凿.3. 胆舒壬酸酯7& 76e .Fig 4 The relation bet wen pitch and temperntire of several tpcal chdesteral liquid crystal marerinis. 1 chobsterjl nonanoote; 2. clioh steraddecaiioe. 3. cbola>ta*ylnonannate 7,76 eI* 5 ,1!由相PAPPCA的端距随外加电场EPEc

16、BJ变化(p°是木征嫁距，E是闺值电场)Fig. 5 The pitch of cholesier>l ph踣e PAfPCA wiihthe ciiaupe of 平plied dectnc Heki(p0 s intrnsic pitch; Ec is threshold electric heki)图6胆&相液品的布喇格反射(假定所有咒线都平行丁纸面)Fig 6 Bragg reflection of cholesteric liquid crystal(supposing all lights being pxallei to the paper)布7儿忡典型胆

17、南相液品材料的最大反射波 长与泓度的美系? 1 in俏阳壬酸简74 76? ; 胆由醇癸酸酝,3.胆由醇壬酸常Fig. 7 The rdat mmi between the kxigest idex wardength and temperahre of several typical diolesteral liqtad crystal natenals 1 choiceetyl no(vmo(fe 74 76e ; 2. diokstcryl dccanonte; 3. cholestayl nonanoate.7；（b；B98热色泄品逸岸反射成像原理（横轴表示反肘光波长，纵辅表示辰甜光强

18、度）Fif 8 Tlk? selfdivf rrffctinnnf rinnochrnnwic I锄 14flbvissat 甲玮知 M rpfle tn on w 雷舛 h the frrfmnte repi各 w rs Tpfkgmii inrensi ryj四、液晶显示器的新技术为了创造更优质画面构造，新技术采用了知道，异常复杂的液晶显小屏幕算直接关系到液晶显示亮度的背1、采用TFT型Active素子进行驱动驱动。大家都 晶之外，就要 滤光镜。在每 得显小屏幕与 精度上，会比 的品质不良， 示屏上观看时用独有TFT型Active素子进行中最重要的组成部分除了液光屏以及负责产生颜色的色一个

19、液晶像素上加装上 了 Ac tive素子来进行点对点控制，使 全统的CRT显示屏相比有天壤之别，这种控制模式在显示的 以往的控制方式高得多，所以就在CRT显示屏会上出现图像色渗以及抖动非常厉害的现象，但在加入了新技术的 LCD显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把构成其主体的材料加以染常高的制造水准。但与同其来的LCD,无论在解析度，异的表现。从而使 LCD能在在色滤光镜本体还没被制作成型以前，就先色，之后再加 以灌膜制造。这种工艺要求有非 他普通 的LCD显示屏相比，用这种类型的制造出 色彩特性还是 使用的寿命来说，都有着非常优 高分辨率环境 下创造色彩斑澜的画面。外界光线对液晶显示屏幕具有非常大的干扰，一些LCD显示线比较强的时候，因为它表面的玻璃板产生反射，而干扰到。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 前很多LCD显示器即使分辨率再高 ，其反射技术没处理好， 作中的应用都是不实用的。单凭 一些纯粹的数据，其实是一 引导用户的行为。而新款的LCD显示器就采用的 低反射液晶3、低反射液晶显示技术众所