偏振光的應(yīng)用——液晶顯示器..ppt

1、偏振光的應(yīng)用液晶顯示器,液晶的雙折射效應(yīng) 顯示器基本結(jié)構(gòu) 顯示原理 有源驅(qū)動(dòng),什么是液晶？,液晶 （Liquid Crystal): 在一定溫度范圍內(nèi)，既具有固態(tài)晶體特有的雙折射性，又具有液體特有的流動(dòng)性。 液晶分子的形態(tài)：一般都是剛性的棒狀分子，呈現(xiàn)各向異性，即在長(zhǎng)軸和短軸兩個(gè)方向上具有不同的物理性質(zhì)：折射率、磁化率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)、粘滯系數(shù)等。大小為納米、亞納米尺度。,液晶分類,分子重心混亂無(wú)序, 所有長(zhǎng)軸(指向矢)一致,向列相 ( Nematic ),近晶相(Smectic),分子有層結(jié)構(gòu)， 在一個(gè)層面內(nèi)分子重心無(wú)序, 長(zhǎng)軸取向(指向矢)基本一致, 垂直于分子層面.,分子重心在一個(gè)二維

2、平面內(nèi)無(wú)序排列， 其長(zhǎng)軸取向(指向矢)基本一致； 層與層之間指向矢旋轉(zhuǎn)成螺旋結(jié)構(gòu)。,膽甾相(Cholestevic),（1）有序參量指向矢,液晶呈圓柱狀，分子的整體方向稱為主軸。 指向矢n：表示液晶分子長(zhǎng)軸平均趨向的單位矢量。 分子的熱運(yùn)動(dòng)使得棒狀分子不完全平行與指向矢，用分子長(zhǎng)軸與指向矢夾角 的統(tǒng)計(jì)量表示分子趨向的一致程度，選擇二階勒讓德多項(xiàng)式P2 為有序參量S: 代表對(duì)所有分子取平均，S=1表示分子全平行，S=0表示分子完全無(wú)序。 液晶有序參量：0.3 - 0.8,（2）液晶的連續(xù)體理論,微觀用分子統(tǒng)計(jì)理論解釋液晶的光學(xué)性質(zhì)和相變； 宏觀連續(xù)體理論（彈性連續(xù)體和電流體動(dòng)力學(xué)理論）：描述液晶

3、分子在電場(chǎng)、磁場(chǎng)作用下指向矢流動(dòng)情況（力與變形關(guān)系問(wèn)題）。 忽略液晶單個(gè)分子行為，看成一個(gè)連續(xù)介質(zhì)，在外力作用下發(fā)生彈性變形。 沒(méi)有外場(chǎng)作用時(shí)，液晶處于平衡狀態(tài)，其自由能最??；在外場(chǎng)作用下，由于變形而使 自由能增加。 與三種變形相關(guān)的彈性系數(shù)分別為： k11（展曲）,k22（扭曲）,k33（彎曲）;,（3）液晶的各向異性（相對(duì)于主軸）,介電各向異性 ，/ ， = / - ； 介電常數(shù)反映在電場(chǎng)作用下介質(zhì)極化程度。 折射率各向異性 n/， n， n= n/ - n 彈性系數(shù)各向異性： k11 , k22 , k33 ; 一般 k33 k22 k11,據(jù)電磁場(chǎng)理論： 設(shè)晶體有三個(gè)互相垂直的坐標(biāo)軸，

4、則有： 對(duì)各向同性晶體： 介電常數(shù)與折射率的關(guān)系： 在任何方向上電位移矢量D 和電場(chǎng)矢量E 方向一致, 對(duì)單軸晶體:,折射率橢球,用幾何圖形表示晶體折射率； 設(shè)x、y、z與介電主軸平行，相應(yīng)的主折射率為 折射率橢球方程為： 以Z軸為光軸的單軸晶體折射率橢球方程為： 當(dāng)光波波法線與z軸平行時(shí)，橢球的x-y平面是 半徑為n0 的圓，其光波振動(dòng)方向（電矢量）在 與Z軸垂直的任意方向上有相同的折射率，不產(chǎn)生雙折射。,若光波傳輸方向與光軸不平行，即波法線k與光軸有傾角，電矢量所在平面與橢球的截面是橢圓，橢圓的長(zhǎng)、短軸分別是沿k傳播的兩個(gè)平面線偏振光的折射率n0 和 ne。當(dāng)傾角為90時(shí)ne 為最大。,向

5、列相和近晶相液晶的雙折射特性,液晶是單軸晶體，向列和近晶相液晶分子指向矢與光軸方向一致； 波法線為k 的平面偏振波的電矢量可分解為與光軸平行和垂直的兩個(gè)分量，其對(duì)應(yīng)的折射率為ne和n0 ；并用n/和 n表示： 折射率各向異性：n/ n 如5CB液晶（=515nm）， ne=1.7063 n0 =1.5309 n=0.1754 方解石（=589.3nm）： ne=1.4864 n0 =1.6584 n=-0.172,向列相和近晶相液晶是光學(xué)正晶體,光在向列相液晶中的傳輸（1）,使光波的傳輸方向偏向長(zhǎng)軸（指向矢）方向 設(shè)入射光偏振面與液晶分子指向矢在同一個(gè)面內(nèi)，入射光可分解成與液晶分子長(zhǎng)軸平行和垂

6、直的兩個(gè)分量。其速度分別是： 對(duì)于確定的分子傾角，因 所以平行速度分量的增量大于垂直速度 分量的增量，合成方向與分子長(zhǎng)軸的夾 角變小，經(jīng)過(guò)多個(gè)液晶層後，光波的傳 輸方向偏向長(zhǎng)軸方向。,光在向列相液晶中的傳輸（2）,改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài) 設(shè)液晶層內(nèi)指向矢方向不變，且在x方向，入射光偏振方向與 x 軸夾角為； 在液晶層表面，當(dāng) =0, /2時(shí)，入射光兩個(gè)偏振分量中總有一個(gè)為零，即Ey= 0或Ex= 0，否則兩個(gè)偏振分量為：,指向矢方向不變,設(shè)液晶層厚度為z，經(jīng)過(guò)液晶層后的兩個(gè)分量各自產(chǎn)生的相位延遲取決于各自的折射率： 當(dāng) = /4時(shí)，其合成振動(dòng)為：,相位差,隨著光線沿z軸方向前進(jìn)， 相位差 從零逐

7、漸變大： = 0，/4，/2，3/4， 5/4，3/2，7/4，2； 光的偏振狀態(tài)按照直線、橢圓、圓、橢圓、直線的順序變化，在 = 時(shí)，線偏振改變90。 可改變相位差 的因素有：折射率差（ n/ -n ）和傳播距離z。,光在向列相液晶中的傳輸（3）,使偏振面旋轉(zhuǎn)（指向矢扭曲） 設(shè)液晶分子指向矢扭曲扭距為 P ，液晶層厚度正好是1/4P，指向矢扭曲90。 在入射面上入射光偏振面與指向矢一致時(shí)，光波偏振面隨指向矢旋轉(zhuǎn)，出射光偏振面仍保持與指向矢一致； 入射光偏振面與指向矢垂直時(shí)，則出射光偏振面保持與指向矢垂直； 入射光偏振面與指向矢成角時(shí)，則出射光以橢圓、園、直線等形式射出。,液晶的旋光作用,旋光

8、現(xiàn)象： 線偏光通過(guò)光軸與表面垂直的晶體時(shí)，光矢量方向隨傳播距離增大而逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)。 產(chǎn)生機(jī)理：沿光軸旋轉(zhuǎn)的線偏光是由兩個(gè)頻率相等，傳播速度不同的左、右旋園偏光組成。在旋光介質(zhì)中兩個(gè)園偏光的傳播速度不同，由此產(chǎn)生的的相位差為： 相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為： 石英旋光系數(shù)為+21.75弧分/mm，膽甾相液晶旋光系數(shù)高達(dá)1800弧分/mm,（：旋光系數(shù)，d:厚度）,二色性選擇反射（散射）：當(dāng)入射園偏光旋轉(zhuǎn)方向與液晶旋光方向一致，則入射光被反射（散射） ；若旋光方向相反，則入射光將透過(guò)液晶層。 膽甾相液晶的螺距P接近入射光波長(zhǎng)，因二色性選擇光反射，反射光波長(zhǎng)為： 反射光頻帶寬： 螺距變化 反射光波長(zhǎng)變化 顏色變化

9、用作反射式顯示器，改變螺距因素：溫度，材料，外電場(chǎng),液晶旋光作用的應(yīng)用,液晶對(duì)光波的影響,微觀： 使入射光的傳播方向偏向指向矢（長(zhǎng)軸）方向； 宏觀： 改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)（o光和e光之間產(chǎn)生相位差）； 使入射光的偏振面旋轉(zhuǎn)； 對(duì)入射的左旋或右旋光有選擇地反射或透射。,液晶顯示器基本結(jié)構(gòu)和工作原理,1. 液晶分子沿面排列界面錨定,確定液晶分子特定的初始排列，錨定方法有： 直接取向處理法：取向劑直接作用于基片表面 間接取向處理法：取向劑先溶解于液晶中，待液晶灌注進(jìn)液晶盒后，取向劑析出吸附于基片表面。 基片表面變形處理法,初始狀態(tài)：上下基板錨定方向互相垂直，在基板界面附近的液晶分子指向矢與錨定方向一

10、致，液晶層中間部分的分子指向矢同時(shí)受兩側(cè)基板錨定力的作用，在水平面內(nèi)扭曲轉(zhuǎn)動(dòng)。 加電壓后，液晶指向矢在水平面內(nèi)扭曲的同時(shí)，垂直方向也轉(zhuǎn)動(dòng)，液晶層中間部分呈與電場(chǎng)方向一致的垂直狀態(tài)。 扭曲角：液晶指向矢在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度。 傾角：液晶指向矢在垂直方向旋轉(zhuǎn)的角度。,2. TN（ Twisted Nematic ）-LCD工作原理,TN-LCD工作原理,TN-LCD工作原理,上下基板表面的偏振片偏振方向互相垂直，入射自然光經(jīng)過(guò)上偏振片后成為線偏振光； 上下基板錨定方向也互相垂直，與偏振片偏振方向一致，初始狀態(tài)的液晶分子指向矢從上基板到下基板扭曲90； 在不加外電壓時(shí)，進(jìn)入液晶盒的偏振光偏振面隨液晶

11、分子指向矢旋轉(zhuǎn)90（旋光作用），與下基板表面偏振片方向一致，能透過(guò)下基板表面偏振片； 在外電場(chǎng)的作用下，液晶盒內(nèi)的液晶分子指向矢產(chǎn)生垂直偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入液晶盒的偏振光偏振面不再隨液晶分子指向矢旋轉(zhuǎn)，與下基板表面偏振片方向成 90，不能透過(guò)下基板表面偏振片。 外電場(chǎng)的開(kāi)關(guān)可以控制光的通斷。 關(guān)鍵點(diǎn)：分子狀態(tài)；液晶的旋光作用；偏振片；,液晶驅(qū)動(dòng)器基本要求和技術(shù),基本要求 在每個(gè)像素前后電極之間施加一個(gè)大于閾值的交變電場(chǎng)。（直流電場(chǎng)會(huì)使液晶材料產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，并使電極老化。） 技術(shù) 提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓波形、相位、頻率、占空比、有效值。 將像素組合成數(shù)字、字符、圖形、圖像,靜態(tài)驅(qū)動(dòng),結(jié)果：由 異或門(mén)控制液晶

12、盒兩側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn) A=0時(shí)不顯示、 A=1 時(shí)顯示的效果。 缺點(diǎn)： 每個(gè)筆段像素要配一個(gè)異或門(mén)驅(qū)動(dòng)端。外引線過(guò)多。 解決：點(diǎn)陣形式、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng),矩陣結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)（時(shí)間分割、多路驅(qū)動(dòng)法）,概念： 行電極掃描電極（逐行掃描） 列電極尋址電極 顯示過(guò)程：行電極按時(shí)間順序逐行加掃描電壓，在行電極被選通同時(shí)，列電極同步輸入選通和非選通電壓（數(shù)據(jù)），在行列交叉點(diǎn)上合成驅(qū)動(dòng)電壓。 一幀：所有行電極加上一次掃描電壓的時(shí)間。幀頻：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)掃描的幀數(shù)（70幀/秒）。 占空比：掃描一行時(shí)間與幀周期之比。,逐行掃描過(guò)程,條件： 施加交變電壓； 電壓有效值決定液晶分子的排列； 掃描過(guò)程： 當(dāng)某一行被選通時(shí)，列電極負(fù)電平

13、為像素被選通（ON）狀態(tài)，正電平為非選通（OFF）狀態(tài)。 問(wèn)題：交叉效應(yīng),簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)存在問(wèn)題,隨掃描行數(shù)的增加，每行驅(qū)動(dòng)時(shí)間減少，像素亮度降低，為此需要增大驅(qū)動(dòng)電壓； 增大驅(qū)動(dòng)電壓導(dǎo)致電極間的交叉效應(yīng)更嚴(yán)重，對(duì)比度降低。 解決途徑有源驅(qū)動(dòng) 目的 在其他行掃描期間仍保持驅(qū)動(dòng)電壓； 消除電極間的交叉效應(yīng)。,TFT-LCDs電路原理圖,柵極在行掃描位置， 源極在列掃描位置。,TFT 的開(kāi)關(guān)作用,TFT的柵極未選通時(shí)，TFT 處于截止態(tài)，源極與漏極之間相當(dāng)于開(kāi)路，外電壓不會(huì)施加到液晶像素上。 TFT的柵極被選通，并且源極被同步選通時(shí)，源、漏極之間導(dǎo)通，數(shù)據(jù)信號(hào)被寫(xiě)入液晶像素電容CLC和補(bǔ)償電容 Cs。

14、電容使充好電的電壓保持到下一次畫(huà)面的更新。 每個(gè)像素都相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階?？朔徊嫘?yīng)的影響。,TFT的結(jié)構(gòu),通過(guò)柵極電壓控制源、漏電極之間的電流（溝道電流）； 溝道電流取決于多數(shù)載流子密度與遷移率； 實(shí)用化的有非晶硅TFT(a-Si TFT) 多晶硅TFT(p-Si TFT),TFT-LCD 像素單元及開(kāi)口率,開(kāi)口率：有效區(qū)域的比例 。 各種部件的透過(guò)率為：偏光板50%，玻璃95%，液晶 95%，彩色濾光片27%，若面板開(kāi)口率為50%，則到達(dá)人眼的光只有背光板發(fā)出光的3%左右。,非晶硅（a-Si）TFT制造工藝,采用光刻、等離子增強(qiáng)

15、化學(xué)氣相沉積PECVD工藝； 將源、漏電極直接制作在a-Si上不能保證完好的歐姆接觸，為此加n+a-Si層；,（源極）,（柵極）,TFT-LCD結(jié)構(gòu),TFT-LCDs Panel Structure,灰度控制, 空間灰度調(diào)制（面積灰度調(diào)制） 像素劃分成子像素，控制子像素的選通形成灰度級(jí)別。 優(yōu)點(diǎn)：不需特殊驅(qū)動(dòng)、控制。 缺點(diǎn)：需提高微細(xì)加工或降低分辨率。,時(shí)間灰度調(diào)制（一定時(shí)間內(nèi)控制像素選通時(shí)間） 幀灰度調(diào)制：如以4幀為單位，同一顯示像素在有的幀內(nèi)被選通，在其余幀內(nèi)不被選通，只要保證足夠的幀頻，就有灰度變化。 缺點(diǎn)：因幀頻低而閃爍。（提高幀頻受液晶響應(yīng)速度制約）。,脈沖灰度調(diào)制：在掃描過(guò)程中，在

16、數(shù)據(jù)脈沖上疊加灰度調(diào)制脈沖f,f的寬度劃分為多個(gè)級(jí)別代表不同的灰度。 缺點(diǎn)：液晶不能響應(yīng)過(guò)窄的F值。,彩色顯示,使用最廣、技術(shù)最成熟的是“微彩色膜方式”。就是將點(diǎn)陣像素分割成三個(gè)子像素，并在對(duì)應(yīng)位置的器件表面設(shè)置上RGB三個(gè)微型濾色膜。控制RGB三個(gè)濾色膜透過(guò)光的通斷。 若僅控制R G B的通斷，則只能組合8種顏色；若控制每個(gè)子像素的灰度級(jí)別，便可混合出上萬(wàn)種顏色。 顏色數(shù)量與灰度的關(guān)系： 如每個(gè)R G B子像素有4種灰度變化（用2位二進(jìn)制數(shù)表示），則可有444 = 64 種顏色（偽彩色）。 如每個(gè)R G B子像素有64種灰度變化（用6位二進(jìn)制數(shù)表示），則可有646464 = 262,144種

17、顏色（真彩色）。,液晶顯示器模塊(LCM-Liquid Crystal Modul),包括：液晶屏，驅(qū)動(dòng)控制電路，電路板連接件。 主要工藝： 液晶屏與驅(qū)動(dòng)電路連接（Bonding )， 大規(guī)模集成電路IC封裝。,液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)與控制,液晶器件：指灌有液晶的液晶盒（兩片玻璃或塑料和電極引腳） 液晶顯示模塊： 除液晶器件外，還包括驅(qū)動(dòng)器，（控制器），線路板，連接件，結(jié)構(gòu)件，附屬件。 點(diǎn)陣式液晶顯示器外圍電路：,TFT-LCD Module,連接（Bonding)方式,導(dǎo)電橡膠（斑馬橡膠條） 各向異性導(dǎo)電膠條（ACF） 柔性連接帶（FPC）,1.導(dǎo)電橡膠（斑馬橡膠條）,2. 各向異性導(dǎo)電膜ACF,

18、ACF: Anisotropic Conductive Film 同時(shí)具有導(dǎo)電、絕緣、粘結(jié)三個(gè)功能的高分子膜。 經(jīng)熱壓后，在膜厚方向具有導(dǎo)電性、在膜面方向具有絕緣性，能同時(shí)使對(duì)置電極部分的永久粘接、電極之間的導(dǎo)電、電極圖形之間的絕緣。 主要組成: 黏著劑 導(dǎo)電粒子,Conductive Particle,直徑約3 微米,Au/Ni Coated Plastic Particle,Au/Ni,Plastic Particle,Conductive Particle in Interconnection Area between LCD and TCP,SEM Image,ACF 綁定工藝,3. 柔性連接帶（FPCFlexible Printed Circuits ）,以聚脂薄膜或聚酰亞胺為基材制成的一種印刷電路。 特點(diǎn)：可靠性高，可隨意彎曲、折迭,重量輕，體積小，散熱性好，安裝方便。,FPC綁定后導(dǎo)電粒子壓痕,FPC導(dǎo)電粒子壓痕,OK,NO,FPC 位置對(duì)準(zhǔn)偏差,OK,NO,COB（Chip On Board）， 即芯片被邦定在PCB上，可大大減少模塊體積。 COG （Chip On Glass），即芯片被直接邦定在玻璃上。大大減小整個(gè)LC