1、1、液晶显示的物理光学知识,2、液晶显示基本原理,3、常见的液晶显示器件,4、液晶显示驱动技术,5、液晶显示器的选购与维护,LCD显示原理,1、液晶显示的物理光学知识,液晶的概念及其分类,液晶的物理性质,液晶的光学特性分析(*),液晶分子的排列方式,液晶器件的电光响应(*),1液晶的概念及其分类,它是相对晶体和液体而言的，简单地说，液晶是处于一种介于晶体和液体之间的物质，一方面它具有象液体一样的流动性和连续性，另一方面又具有晶体的各向异性。,1）液晶的概念：,2）液晶的分类：,从成分和出现中介相的物理条件来看，液晶大体可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。 热致液晶：在显示领域获得广泛应用的是热致
2、液晶，热致液晶是指当液晶物质加热时，在某一温度范围内呈现出各向异性的熔体，热致液晶因分子排列有序状态不同，可分为向列相液晶、近晶相液晶、胆甾相液晶三大类。,向列液晶：它的分子排列成层，能上下、左右、前后滑动，它具有明显的电学、光学各向异性，加上其粘度较小，使向列相液晶成为目前显示器件中应用最为广泛的的一类液晶。,近晶相液晶：由棒状或条状分子组成，分子排列成层，层内分子长轴互相平行，方向可以垂直于层面也可以与层面倾斜排列，分子质心位置在层内无序，可以自由平移，具有流动性，但粘度大，分子不易转动，即响应速度慢，一般不适宜制作显示器件。,胆甾相液晶：因其来源于胆甾醇衍生物而得名的，此类液晶分子呈扁平
3、状，排列成层，层内分子互相平行，分子长轴平行于层平面，不同层的分子长轴方向稍有变化，沿层的法线方向排列成螺旋状结构。胆甾相液晶在显示技术中十分有用，它大量用于向列相液晶的添加剂，它可以引导液晶在液晶盒内形成沿面180o、270o等扭曲排列，制成超扭曲（STN）显示。,溶致液晶：它是将一种溶质溶于一种溶剂而形成的液晶态物质，肥皂水就是一种溶致液晶。溶致液晶广泛存在于自然界、生物体中，与生命过程中的新陈代谢、消化、吸收、知觉、信息传递等现象密切相关，在生物工程、生命、医疗卫生和人工生命等研究领域备受重视。溶致液晶目前在显示技术上尚无应用。,2液晶的物理性质,1、液晶的有序参量向列相液晶是圆柱对称的
4、，即体系中存在一根轴线，我们把平行于该轴的方向（分子长轴）称为分子的主轴，而圆棒状液晶分子的排列倾向于平行于主轴方向。为了描述整个向列相液晶体系中所有分子作为整体时相对于主轴的取向程度，我们引入了有序参量S，它与液晶材料、温度有关，具有负温度系数特性，即当温度上升，有序参量下降，液晶器件显示质量下降。,a,n,y,x,z,o,各向同性液体的S=0，理想晶体的S=1 液晶的有序参量S一般在0.30.8之间。,2、液晶的各向异性液晶的分子一般都是刚性的棒状分子，由于分子头尾、侧面所接的分子集团不同，使液晶分子在长轴和短轴两个方向上具有不同的性质，液晶分子是极性分子，由于分子间的作用力，液晶分子集合
5、在一起时，分子长轴总是互相平行的，或有一个择优方向，液晶分子长轴的平均趋向的单位矢量称为该液晶的指向矢。沿液晶分子长轴方向和短轴方向上的宏观物理性质是不同的，这就是液晶的各向异性的实质。,（1）介电各向异性介电常数反映了在电场作用下介质极化的程度， 的数值可正可负，根据实验发现：不同类型的液晶分子，液晶分子的长轴偏向于平行或垂直于分子电偶极矩（电场的方向）。我们把偶极矩平行于分子长轴的一类液晶称为正性液晶（NP）；垂直于分子长轴的那一类液晶称为负性液晶（Nn），这两类液晶的电光效应是不同的，在大部分LCD显示屏中，我们加入的是正性液晶。,（2）电阻率和电导率液晶的电阻率的数量级一般为10810
6、12cm，它接近于半导体和绝缘体的边界。电阻率的倒数为电导率，电阻率常作为液晶纯度的一个检测值，小表示杂质离子较多，也就是液晶的纯度差，一般当1010cm时，在外电场作用下由于电化学分解会破坏液晶分子结构，直到失去液晶性能为止。液晶的电阻率也是各向异性的，动态散射就是利用此物理特性。,（3）光学折射率的各向异性光学折射率的各向异性直接影响液晶器件的光学特性，如能改变入射光的偏振状态或偏振方向，能使入射光相应于左旋或右旋进行反射或透射等，它对于液晶器件的电光效应有着重要的决定作用。,（4）粘滞系数粘滞系数也是各向异性的，它直接影响液晶器件的响应速度，是液晶器件最重要的性能参数之一。,3、液晶的连
7、续体理论在分析液晶的物理性质时，忽略组成液晶单个分子的行为，而把排列起来的液晶看成是一个连续的介质，在外场作用下指向矢将发生变化，去除外场后指向矢又恢复到原来的起始状态，这一过程可以把液晶看成相当于一个弹性连续体，并在外力的作用下产生了弹性形变，这与弹簧的性质有些相似。注意的是发生形变需要一定的时间才能完成，这就产生了所谓的响应时间的概念。,关于液晶分子在电场作用下分子再排列的理论研究比较复杂，在这里只给出以下结论：, ,说明：,为液晶分子的自由能；,为形变常量；,表达了液晶分子的指向矢与电场方向的,排列情况；,我们知道：分子的自由能越小，则分子的物理性质最稳定。由上式最末一项可知，对于 0的
8、正性液晶施加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会发生与电场E平行的再排列；对于 0的负性液晶施加某一强度以上的电场时，为使自由能最小，液晶分子长轴（指向矢）会发生与电场E垂直的再排列；,大部分液晶显示器的工作原理都是以上述理论为基础的：在外场作用下，液晶分子的排列方向发生变化，进而影响液晶的光学性质，从而表现出一定的视觉特性。,正型液晶施加电场后分子长轴发生与电场平行的再排列。,负型液晶施加电场后分子长轴发生与电场垂直的再排列。,3液晶的光学特性分析(*),1、光的偏振性 光矢量麦克斯韦在电磁波理论中指出电磁波是横波，由两个相互垂直的振动矢量即电场强度E和磁场强度H来
9、表征，由于人们从光的偏振现象认识到光是横波，而且光速的测量值与电磁波速的理论计算值相符合，所以肯定光是一种电磁波，大量试验表明：在光波中产生感光作用和生理作用的是电场强度E，所以规定E为光矢量，我们把E的振动称为光振动，光矢量E的方向就是光振动的方向。,自然光：一个原子或分子在某一瞬间发出的光本来是有确定振动方向的光波列，但是通常的光是大量原子的无规率发射，是一个瞬息万变、无序间歇过程，所以各个波列的光矢量可以分布在一切可能的方位，平均来看，光矢量对于光的传播方向成对成均匀分布，没有任何一个方位较其它方位更占优势，这种光就叫自然光。自然光在反射、散射或通过某些晶体时，其偏振状态会发生变化。例如
10、阳光是自然光，但经天空漫射后是部分偏振的，一些室内的透明塑料盒，如录音带盒，在某些角度上会出现斑澜色彩，就是偏振光干涉的结果。,自然光的分解：在自然光中，任何取向的光矢量都可分解为两个相互垂直方向上的分量，很显然，自然光可用振幅相等的两个相互垂直方向上的振动来表示。应当指出，由于自然光中振动的无序性，所以这两个相互垂直的光振动之间没有恒定的位相差，但应注意的是不能将两个相位无关联的光矢量合成为一个稳定的偏振光，显然对应两个相互垂直振动的光强各为自然光光强的一半。如果采用某种方法能把两个相互垂直的振动之一去掉，那就获得了线偏振光，如果只能去掉两个振动之一的一部分，则称为部分偏振光。,偏振光线偏振
11、光：如果光矢量在一个固定平面内只沿一个固定的方向振动，这种光称为线偏振光，也叫面偏振光或全偏振光，线偏振光的光矢量方向和传播方向构成的平面称为振动面，线偏振光的振动面是固定不变的。,部分偏振光：这是介于偏振光和自然光之间的一种偏振光，在垂直于这种光的传播方向的平面内，各方向的振动都有，但它们的振幅不相等。值得注意的是，这种偏振光的各方向振动的光矢量之间也没有固定的相位关系，与部分偏振光相对应，有时称线偏振光为完全偏振光。,圆偏振光和椭圆偏振光：这两种光的特点是在垂直于光的传播方向的平面内，光矢量按一定频率旋转(左旋或右旋)，如果光矢量端点的轨迹是一个圆，这种光叫圆偏振光；如果光矢量端点的轨迹是
12、一个椭圆，这种光叫椭圆偏振光。,起偏器和检偏器把自然光转化为线偏振光的过程叫做起偏，用于这种转化的光学器件称为起偏器。当自然光通过某些晶体时，晶体对两个相互垂直的特定方向的振动吸收的程度不同，如果能把某一方向的振动全部（或几乎全部）吸收，而对另一方向的振动吸收很少（或根本不吸收），那么没有被吸收的振动透过晶体就形成了线偏振光，具有这种性质的晶体称为二色性晶体。能透过偏振片的振动方向叫做偏振片的透光轴，注意的是，透光轴是一个方位，决不是一条确定的直线。,偏振片不但可以起偏，而且也可以用来判别光束是否为线偏振光，所以偏振片也可以做为检偏器对光束进行检偏。由于它几乎吸收了一个方向上的光振动，因此光的
13、能量损失也非常大，在50以上，这也是液晶显示器件光效率低的主要原因。,2、马吕斯定律,一束自然光(光强为 )通过起偏器后，变成线偏振光，然后通过一个检偏器，则透过检偏器后的光强 随检偏器透光轴的夹角而变化，即：,是起偏器与检偏器的透光轴之间的夹角。,分析：由马吕斯定律可知，当两偏振器透光轴平行时，透射光强最大；当两偏振器的透光轴互相垂直时，透射光强为零，没有光从检偏器出射，此时检偏器处于消光位置，从而实现黑白控制。如果在外电场的作用下，由于液晶的光学各向异性，使得偏振光在通过液晶盒时透光轴发生变化，则检偏器出射的光便形成具有灰度特征的图像，这就是液晶屏的基本光学显示原理。,为什么液晶屏必须加偏
14、振片呢？这是因为液晶盒施加电压后会引起液晶分子的重新排列，为了使这种重新排列被检测到，变为可见的、为人眼所感知或实现最大对比度，所以必须使用偏振片，当然加上偏振片后会引起光的能量减少，致使亮度会降低。,3、晶体的双折射,某些晶体（比如液晶）具有一种特殊的性质，当一束光入射于这些晶体时，会产生两束折射光，这种现象称为双折射。实验表明：两束折射光之一遵守通常的折射定律，这一折射光称为寻常光，简称o光；但另一束折射光不遵守折射定律，这一折射光称为非常光，简称e光。,为进一步理解寻常光和非常光的概念，我们可以作如下实验：上图清晰地再现了寻常光和非常光在晶体中的光路，如果保持入射光束的光强和方向不变，我
15、们去旋转晶体，会发生什么现象呢？实验发现：当旋转晶体时寻常光的折射方向不变，而非常光的折射方向随着旋转的方向而发生改变，这说明了晶体对寻常光和非常光具有不同的折射率，寻常光在晶体内各个方向的折射率相等，光速相等，因此光的折射方向不变；而非常光在各个方向的折射率不相等，光速也就不等，因此光的折射方向发生变化 。,还是上面的实验，当我们旋转晶体至某一方向时，发现寻常光的折射方向与非常光的折射方向重合，我们把这一方向称为晶体的光轴。应当注意，光轴仅表示晶体内的一个方向，不是一条确定的直线，在晶体内任何一条与上述光轴平行的直线均为光轴，只含有一个光轴的晶体称为单轴晶体。,下面我们来简单研究液晶相关的光
16、学性质，主要是分析线偏振光在液晶介质中的传播原理。 1、当入射光是线偏振光（振动垂直于纸面），媒质是液晶，光在晶体中如何传播呢？,我们知道自然光经波晶片双折射产生的o光和e光，是两束光强各为入射光强一半的振动方向互相垂直的偏振光。当偏振光（o光或e光）经波晶片时也发生双折射现象（不要认为只有自然光才能发生双折射，才能分出o光和e光 ），同样产生产生o光和e光，其光强的计算同样遵循马吕斯定律：,式中I为入射偏振光的光强， 为入射偏振光的振动方向与晶片光轴方向的夹角。,对于本例情况，由于 =90o， ， 故液晶片中只有单一的o光无e光，且 故o光折射的方向就是偏振光入射的方向，也就是偏振光在液晶介
17、质中传播方向不变，且o光的光强就等于入射偏振光的光强。,2、当入射光是线偏振光（振动平行于纸面），在液晶介质中既有e光也有o光，光的传播方向是e光和o光的合成方向。,特别地，当入射偏振光的振动方向与液晶分子长轴成90o时，由马吕斯定律可得：,上式说明寻常光（o光）的光强达到最大，且在液晶中的传播方向不变，光振动方向也不变，而非常光（e光）的光强为零，如右图所示：,由于寻常光（o光）的速度就是 ，它的方向平行于液晶的光轴，另外由于o光的偏振方向与光轴垂直，所以偏振光入射到液晶盒时，光的传播方向不变，光的偏振性也不变。,液晶盒加电时的分子排列：,4、晶体的旋光现象,1811年阿拉果发现，当线偏振光
18、沿某些晶体如石英的光轴传播时，透射光虽然是线偏振光，但其振动面相对于入射光的振动面却旋转了一个角度，这种现象称为旋光现象，能产生旋光现象的物质称为旋光物质，它的这种特性称为旋光性。实验还表明，振动面的旋转具有方向性，迎着光观看，如振动面按顺时针方向旋转的称为右旋物质，反之称为左旋物质。,液晶在一定条件下也具有旋光性，向列型液晶分子呈长棒形，正常情况下彼此平行排列，但是如果采取特殊工艺使得液晶分子的初始排列呈扭曲方式排列，从而产生旋光性，即在不加电时液晶分子表现出一定的旋光性，加电时在外场的作用下液晶分子重新排列，旋光性消失，这种加电与不加电所呈现的不同的光学特性非常适合用来制成显示器件。,在向
19、列相液晶中加入少量旋光性物质，或把液晶盒的两个内表面作扭曲分子排列处理，并使线偏振光的振动方向与上表面液晶分子的指向矢在同一个平面内且互相平行，这样便可得到 (螺距)的情况，如左图所示：,5、线偏振光在扭曲向列液晶中的传播,当入射光的电矢量振动方向与入射面液晶分子指向矢n的长轴成 时，则出射面根据偏振光的平行分量Ex和垂直分量Ey的光程差 的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。如上所述，由于液晶折射率的各向异性，使入射光波偏向液晶分子长轴方向，或使偏振光状态和偏振光方向发生变化等，这就是液晶显示器件工作的物理光学基础。,当线偏振光电矢量的振动方向与分子的指向矢在同一平面内且互相平行，则当
20、液晶扭曲螺距 时，入射光将沿平行于入射口的液晶分子n的扭曲方向发生旋转，最终出射光的振动方向平行于出口处的液晶分子指向矢n 的方向；当线偏振光电矢量的振动方向与入射面分子的n垂直时，则出射光的电矢量的振动方向仍保持与出射面液晶分子指向矢n的方向相垂直；,液晶盒不加电时呈扭曲方式排列,4液晶分子的排列方式,无论哪一种液晶显示器件都市以下述原理为基础：即在电场、热等外场的作用下，使液晶分子从特定的初始排列状态转变为其他分子排列状态，随着液晶分子的排列，液晶元件的光学特性发生变化，从而变换为视觉变化，所以均匀、稳定的液晶分子初始排列是液晶显示器件的工作基础。液晶分子排列种类典型的有7种，如下表所示，
21、现对各种液晶分子排列作简要说明：,（1）垂直分子排列：所有液晶分子相对两侧基片面作垂直排列； （2）沿面分子排列：所有的液晶分子相对两侧的基片面作平行的并且按同一方向排列； （3）倾斜分子排列：所有的液晶分子相对两侧的基片面以一定的角度倾斜，并且沿同一方向排列； （4）混合分子排列：液晶分子相对一侧的基片面作垂直排列，而在另一侧基片面则沿同一方向作平行排列，因而液晶分子的排列在两块基片之间连续弯曲90o；,（5）扭曲分子排列：所有的液晶分子相对两侧基片面作平行排列，但两块基片面上的排列方向互成90 o，因而液晶分子的排列方向在两块基片之间连续扭转90 o； （6）沿面螺旋排列：液晶分子排列的螺
22、旋轴与两侧的基板表面呈垂直的排列； （7）焦锥分子排列：液晶的螺旋轴相对于两侧的基片面呈平行状态的分子排列，但是其螺旋轴的方向是不确定的。,5液晶器件的电光响应,1）液晶器件的电光特性曲线,在实际应用中，由于液晶屏大部分都是亮的，即最好是不加电屏亮，从节能和液晶屏的寿命方面考虑，我们一般采用正型电光曲线。,2）液晶器件的性能参量,阀值电压Vth：它是引起最大透光强度的10（负型）或90（正型）处的外电压值（对交流而言则是外电压的均方根值），它标志了液晶电子效应有可观察反应的起始电压值，它的值越小则显示器件的工作电压越低，各种液晶器件的Vth相差很大，TN型的为13V；DS型为510V。,饱和电
23、压Vs：它对应于最大透光度90（负型）或10（正型）处的外加电压，Vs的大小标志了显示器件得到最大对比度的外电压值，Vs小则容易获得良好的显示效果。,对比度：液晶显示器件是被动发光型，因此不能用亮度去标定显示效果，只能用对比度去标定，由于液晶分子排列有序参量不可能达到1，而偏振片的平行透光率与垂直遮光率也不可能达到100，所以使液晶显示在视觉感受上不可能实现白纸黑字的效果，只能实现灰纸黑字的显示效果，一般液晶显示器件是用白色光或日光照射下，对比度只有5:120:1。,陡度 的定义：为饱和电压和阀值电压之比，由于VsVth，所以 1，由电光曲线可知：Vs离Vth越近，则电光曲线越陡，此时趋近于1
24、，从理论上来说 值越越接近1越好。在无源驱动中由于液晶器件的 值不可能为1，因此交叉效应不可避免，不能完全消除，因而严重影响了无源驱动的图像显示质量。一般TN效应液晶的1.41.6。,响应时间：液晶器件的响应时间通常用三个参数来表征：延迟时间 ，上升时间 和下降时间 。一般情况下我们认为响应时间是上升时间与下降时间之和。由于液晶的粘滞系数具有负温度特性，所以响应时间随着环境温度的降低而增大，因此液晶器件不适宜工作在低温下。,视觉当背光偏振玻璃、液晶及取向膜后，最终的输出光就有了特定的方向特性，而其中绝大多数的光俱备了垂直的方向性，这样当我们从非垂直的方向上去观看液晶显示器的时候，往往因为射出光
25、的垂直方向性，并不是所有光都能通过我们的眼睛，于是这时候往往液晶显示器会呈现一片漆黑或者是颜色失真，这也就是困扰液晶显示器的视角问题。不过，现在针对LCD的视角问题已经有了众多改进的技术，譬如采用MVA技术等。,3）液晶器件的温度特性液晶显示器件的使用温度范围较窄，温度效应也较为严重，这是液晶器件的主要缺点之一，当温度较高时，液晶态消失，不能显示；当温度过低时，响应速度会明显变慢直至结晶使器件损坏。工作温度对阀值电压、响应时间、对比度和伏安特性均有较大的影响，如TN液晶，在10oC时阀值电压为3V，当温度升至40oC，阀值电压降为2V。,4）液晶器件的伏安特性除了DS型液晶器件，使用的液晶显示
26、器件都是电场效应器件，以TN型为例，其内阻很高，电阻率在1010cm2以上，而容抗只有几个PFcm2，所以工作电流不到1微安cm2，是典型的微功耗器件（不含背光源）。TN器件基本上是容抗性的，因此交流驱动时刷新频率对驱动电流影响很大，如刷新频率由32Hz提高到200Hz时，驱动电流会增加510倍，所以刷新频率一般控制在不发生闪烁的临界的频率，一般在60Hz75Hz。,5）液晶器件的电能蓄积效应它指的是液晶盒的透光率并不与外加电压同时增加，而要经过几个脉冲序列后才开始增加，并且还要多加一定序列的脉冲才能使透光率达到最大值，这个效应称为液晶器件的电能蓄积，也就是说，只有外场作用在液晶像素上的时间越长，液晶器件的响应就越充分，透光率就越大，亮度、对比度就越好。,
