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3、线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播
把液晶盒的两个内表面作沿面排列处理并使盒表 面上的向列相液晶分子方向互相垂直，液晶分子在 两片玻璃之间呈90º 扭曲，即构成扭曲向列液晶，光 波波长λ<<P（螺距）。 当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分 子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转， 并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；若入射偏 振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于 出口处分子轴的偏振方向射出，当以其它方向的线偏 振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的位相差的 值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。
光电子技术学课件之十七：
——液晶显示
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§6.2 液晶显示
一、液晶发展史
液晶最早是奥地利植物学家莱尼茨尔（F. Reinitzer）于1888年发现的，他在测定有机物 的熔点时，发现某些有机物（胆甾醇的苯甲酸 脂和醋酸脂）熔化后会经历一个不透明的呈白 色浑浊液体状态，并发出多彩而美丽的珍珠光 泽，只有继续加热到某一温度才会变成透明清 亮的液体．
利用传统的晶体光学理论可以描述光在液晶 中的传播。
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1、电场中液晶分子的取向
液晶分子长轴排列平均取向的单位矢量 n 称为指向矢量，设 和 分别为当电场与指 // 向矢平行和垂直时测得的液晶介电常数。 定义介电各向异性△ε：
//
△ε＞0的液晶称为P型液晶 △ε＜0的液晶称为N型液晶
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一定强度的电场、 磁场也可使胆甾相 液晶转变为向列相 液晶。胆甾相易受 外力的影响，特别 对温度敏感，温度 能引起螺距改变， 而它的反射光波长 与螺距有关，因此， 胆甾相液晶随冷热 而改变颜色。
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三、 液晶的光电特性
由于液晶分子的结构为异方性(Anisotropic)， 所以引起的光电效应就会因为方向不同而有所 差异，也就是液晶分子在介电系数及折射系数 等光电特性都具有异方性，因而可以利用这些 性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶，应 用于显示器组件上。
Nematic也是由希腊语而来，是丝状之意， 因这种液晶的薄层在偏光显微镜下观察时，呈 现丝状型织构，故称之为丝相．分子位置杂乱， 但方向大致一致，故译向列相． 胆甾相液晶则是由于此种液晶最早是从胆 甾醇类物质中发现的，故称之为胆甾相． 8
作为显示技术应用的液晶都是热致液晶
固体 液晶 液体
T1

T2
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二、液态晶体的类别
随着人们对液晶的逐渐了解，发现液晶
物质基本上都是有机化合物，现有的有机化
合物中每200种中就有一种具有液晶相． 从成分和出现液晶相的物理条件来看，
液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类。
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把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结 晶晶格而形成的液晶称为热致液晶，就是如前面 所说由于温度变化而出现的液晶相．
把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂 破坏结晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是 由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见 的有肥皂水等． 目前用于显示的液晶材料基本上都是热致液 晶，而生物系统中则存在大量溶致液晶．目前 发现的液晶物质已有近万种．构成液晶物质的 分子，大体上呈细长棒状或扁平片状，并且在 6 每种液晶相中形成特殊排列．
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胆甾相液晶（Cholesteric Liquid Crystals）这个 名字的来源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生 成的，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液 晶相．如图所示，如果把这种液晶一层一层分开来 看，很像线状液晶．但是在Z轴方向来看，会发现它 的指向矢随着一层一层的不同而像螺旋状一样分布， 而当其指向矢旋转360度所需的分子层厚度就称为 pitch．正因为它每一层跟线状液晶很像，所以也叫 做Chiral nematic phase．以胆固醇液晶而言，与指 向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的 不同，就会有不同的光学或是电学的差异，也因此 造就了不同的特性．
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1889 年 ， 德 国 物 理 学 家 莱 曼 （ O.
Lehmann）使用他亲自设计，在当时作为最新
式的附有加热装置的偏光显微镜对这些脂类
化合物进行了观察。他发现，这类白而浑浊 的液体外观上虽然属于液体，但却显示出各 向异性晶体特有的双折射性．于是莱曼将其 命名为“液态晶体”，这就是“液晶”名称 的由来。
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向列 相液晶 (Nematic Liquid Crystals) 分子只有一维有序，分子长轴互相平行，但 不排列成层，它能上下、左右、前后滑动， 只在分子长轴方向上保持相互平行或近于平 行，分子间短程相互作用微弱，向列相液晶 分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁 场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器 件的主要材料。
由杆形分子形成的液晶（热致液晶），其液 晶相共有三大类： 近晶相液晶（Smectic liquid crystals）、 向列相液晶（Nematic liquid crystals）、 胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals）．
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Smectic 由希腊语而来，是肥皂状之意，因 这种类型的液晶在浓肥皂水溶液中，都显示特 有的偏光显微镜像，因而命名为皂相．分子分 层排列，有同一方向，比较接近晶体，故译近 晶相．
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在外电场作用下——
P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向
N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向
目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。
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2、线偏振光在向列液晶中的传播
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随着光线沿着z方向前进，偏振光相继
成为椭圆、圆和线偏振光，同时改变了线 偏振方向。最后，这束光将以位相差所决
定的偏振状态，进入空气中。
低于温度T1，就变成固体（晶体），称T1为液晶 的熔点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态， 称T2为液晶的清亮点。LCD能工作的极限温度范围基 本上由T1和T2确定。 9
近晶相液晶(Smectic Liquid Crystals) 分子呈二维有序性，分子排列成层，层内分 子长轴相互平行，排列整齐，重心位于同一 平面内，其方向可以垂直层面，或与层面成 倾斜排列，层的厚度等于分子的长度，各层 之间的距离可以变动，分子只能在层内做前 后、左右滑动,但不能在上下层之间移动。近 晶相液晶的粘度与表面张力都比较大，对外 界电、磁、温度等的变化不敏感。
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液晶是一种介于固体与液体之间，具有规则 性分子排列的有机化合物，一般最常用的液晶 型式为向列液晶，分子形状为细长棒形，长宽 约1nm～10nm，在不同电流电场作用下，液晶 分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差 别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别， 依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。