偏振光的應用——液晶顯示器..ppt

1、偏振光的應用液晶顯示器,液晶的雙折射效應 顯示器基本結(jié)構(gòu) 顯示原理 有源驅(qū)動,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，即在長軸和短軸兩個方向上具有不同的物理性質(zhì)：折射率、磁化率、電導率、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,分子重心混亂無序, 所有長軸(指向矢)一致,向列相 ( Nematic ),近晶相(Smectic),分子有層結(jié)構(gòu)， 在一個層面內(nèi)分子重心無序, 長軸取向(指向矢)基本一致, 垂直于分子層面.,分子重心在一個二維

2、平面內(nèi)無序排列， 其長軸取向(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：表示液晶分子長軸平均趨向的單位矢量。 分子的熱運動使得棒狀分子不完全平行與指向矢，用分子長軸與指向矢夾角 的統(tǒng)計量表示分子趨向的一致程度，選擇二階勒讓德多項式P2 為有序參量S: 代表對所有分子取平均，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)計理論解釋液晶的光學性質(zhì)和相變； 宏觀連續(xù)體理論（彈性連續(xù)體和電流體動力學理論）：描述液晶

3、分子在電場、磁場作用下指向矢流動情況（力與變形關(guān)系問題）。 忽略液晶單個分子行為，看成一個連續(xù)介質(zhì)，在外力作用下發(fā)生彈性變形。 沒有外場作用時，液晶處于平衡狀態(tài)，其自由能最??；在外場作用下，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（相對于主軸）,介電各向異性 ，/ ， = / - ； 介電常數(shù)反映在電場作用下介質(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)電磁場理論： 設(shè)晶體有三個互相垂直的坐標軸，

4、則有： 對各向同性晶體： 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 和電場矢量E 方向一致, 對單軸晶體:,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： 當光波波法線與z軸平行時，橢球的x-y平面是 半徑為n0 的圓，其光波振動方向（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、短軸分別是沿k傳播的兩個平面線偏振光的折射率n0 和 ne。當傾角為90時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分量，其對應的折射率為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面內(nèi)，入射光可分解成與液晶分子長軸平行和垂

6、直的兩個分量。其速度分別是： 對于確定的分子傾角，因 所以平行速度分量的增量大于垂直速度 分量的增量，合成方向與分子長軸的夾 角變小，經(jīng)過多個液晶層後，光波的傳 輸方向偏向長軸方向。,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 =0, /2時，入射光兩個偏振分量中總有一個為零，即Ey= 0或Ex= 0，否則兩個偏振分量為：,指向矢方向不變,設(shè)液晶層厚度為z，經(jīng)過液晶層后的兩個分量各自產(chǎn)生的相位延遲取決于各自的折射率： 當 = /4時，其合成振動為：,相位差,隨著光線沿z軸方向前進， 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，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，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，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，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： 線偏光通過光軸與表面垂直的晶體時，光矢量方向隨傳播距離增大而逐漸轉(zhuǎn)動。 產(chǎn)生機理：沿光軸旋轉(zhuǎn)的線偏光是由兩個頻率相等，傳播速度不同的左、右旋園偏光組成。在旋光介質(zhì)中兩個園偏光的傳播速度不同，由此產(chǎn)生的的相位差為： 相應轉(zhuǎn)過的角度為： 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1800弧分/mm,（：旋光系數(shù)，d:厚度）,二色性選擇反射（散射）：當入射園偏光旋轉(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，則入射光將透過液晶層。 膽甾相液晶的螺距P接近入射光波長，因二色性選擇光反射，反射光波長為： 反射光頻帶寬： 螺距變化 反射光波長變化 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,液晶旋光作用的應用,液晶對光波的影響,微觀： 使入射光的傳播方向偏向指向矢（長軸）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受兩側(cè)基板錨定力的作用，在水平面內(nèi)扭曲轉(zhuǎn)動。 加電壓后，液晶指向矢在水平面內(nèi)扭曲的同時，垂直方向也轉(zhuǎn)動，液晶層中間部分呈與電場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，進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，能透過下基板表面偏振片； 在外電場的作用下，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，不能透過下基板表面偏振片。 外電場的開關(guān)可以控制光的通斷。 關(guān)鍵點：分子狀態(tài)；液晶的旋光作用；偏振片；,液晶驅(qū)動器基本要求和技術(shù),基本要求 在每個像素前后電極之間施加一個大于閾值的交變電場。（直流電場會使液晶材料產(chǎn)生電化學反應，并使電極老化。） 技術(shù) 提供合適的驅(qū)動電壓波形、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,結(jié)果：由 異或門控制液晶

12、盒兩側(cè)電壓，實現(xiàn) A=0時不顯示、 A=1 時顯示的效果。 缺點： 每個筆段像素要配一個異或門驅(qū)動端。外引線過多。 解決：點陣形式、動態(tài)驅(qū)動,矩陣結(jié)構(gòu)動態(tài)驅(qū)動（時間分割、多路驅(qū)動法）,概念： 行電極掃描電極（逐行掃描） 列電極尋址電極 顯示過程：行電極按時間順序逐行加掃描電壓，在行電極被選通同時，列電極同步輸入選通和非選通電壓（數(shù)據(jù)），在行列交叉點上合成驅(qū)動電壓。 一幀：所有行電極加上一次掃描電壓的時間。幀頻：單位時間內(nèi)掃描的幀數(shù)（70幀/秒）。 占空比：掃描一行時間與幀周期之比。,逐行掃描過程,條件： 施加交變電壓； 電壓有效值決定液晶分子的排列； 掃描過程： 當某一行被選通時，列電極負電平

13、為像素被選通（ON）狀態(tài)，正電平為非選通（OFF）狀態(tài)。 問題：交叉效應,簡單驅(qū)動存在問題,隨掃描行數(shù)的增加，每行驅(qū)動時間減少，像素亮度降低，為此需要增大驅(qū)動電壓； 增大驅(qū)動電壓導致電極間的交叉效應更嚴重，對比度降低。 解決途徑有源驅(qū)動 目的 在其他行掃描期間仍保持驅(qū)動電壓； 消除電極間的交叉效應。,TFT-LCDs電路原理圖,柵極在行掃描位置， 源極在列掃描位置。,TFT 的開關(guān)作用,TFT的柵極未選通時，TFT 處于截止態(tài)，源極與漏極之間相當于開路，外電壓不會施加到液晶像素上。 TFT的柵極被選通，并且源極被同步選通時，源、漏極之間導通，數(shù)據(jù)信號被寫入液晶像素電容CLC和補償電容 Cs。

14、電容使充好電的電壓保持到下一次畫面的更新。 每個像素都相對獨立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階?？朔徊嫘挠绊憽?TFT的結(jié)構(gòu),通過柵極電壓控制源、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 像素單元及開口率,開口率：有效區(qū)域的比例 。 各種部件的透過率為：偏光板50%，玻璃95%，液晶 95%，彩色濾光片27%，若面板開口率為50%，則到達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

15、化學氣相沉積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別。 優(yōu)點：不需特殊驅(qū)動、控制。 缺點：需提高微細加工或降低分辨率。,時間灰度調(diào)制（一定時間內(nèi)控制像素選通時間） 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：因幀頻低而閃爍。（提高幀頻受液晶響應速度制約）。,脈沖灰度調(diào)制：在掃描過程中，在

16、數(shù)據(jù)脈沖上疊加灰度調(diào)制脈沖f,f的寬度劃分為多個級別代表不同的灰度。 缺點：液晶不能響應過窄的F值。,彩色顯示,使用最廣、技術(shù)最成熟的是“微彩色膜方式”。就是將點陣像素分割成三個子像素，并在對應位置的器件表面設(shè)置上RGB三個微型濾色膜?？刂芌GB三個濾色膜透過光的通斷。 若僅控制R G B的通斷，則只能組合8種顏色；若控制每個子像素的灰度級別，便可混合出上萬種顏色。 顏色數(shù)量與灰度的關(guān)系： 如每個R G B子像素有4種灰度變化（用2位二進制數(shù)表示），則可有444 = 64 種顏色（偽彩色）。 如每個R G B子像素有64種灰度變化（用6位二進制數(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)動控制電路，電路板連接件。 主要工藝： 液晶屏與驅(qū)動電路連接（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)動器，（控制器），線路板，連接件，結(jié)構(gòu)件，附屬件。 點陣式液晶顯示器外圍電路：,TFT-LCD Module,連接（Bonding)方式,導電橡膠（斑馬橡膠條） 各向異性導電膠條（ACF） 柔性連接帶（FPC）,1.導電橡膠（斑馬橡膠條）,2. 各向異性導電膜ACF,

18、ACF: Anisotropic Conductive Film 同時具有導電、絕緣、粘結(jié)三個功能的高分子膜。 經(jīng)熱壓后，在膜厚方向具有導電性、在膜面方向具有絕緣性，能同時使對置電極部分的永久粘接、電極之間的導電、電極圖形之間的絕緣。 主要組成: 黏著劑 導電粒子,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：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綁定后導電粒子壓痕,FPC導電粒子壓痕,OK,NO,FPC 位置對準偏差,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LC