偏振光的应用-液晶显示器.ppt

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1、偏振光的应用液晶显示器,液晶的双折射效应显示器基本结构显示原理有源驱动,什么是液晶？,液晶（Liquid Crystal):在一定温度范围内，既具有固态晶体特有的双折射性，又具有液体特有的流动性。液晶分子的形态：一般都是刚性的棒状分子，呈现各向异性，即在长轴和短轴两个方向上具有不同的物理性质：折射率、磁化率、电导率、介电常数、粘滞系数等。大小为纳米、亚纳米尺度。,液晶分类,分子重心混乱无序,所有长轴(指向矢)一致,向列相(Nematic),近晶相(Smectic),分子有层结构，在一个层面内分子重心无序,长轴取向(指向矢)基本一致,垂直于分子层面.,分子重心在一个二维平面内无序排列，其长轴取向

2、(指向矢)基本一致；层与层之间指向矢旋转成螺旋结构。,胆甾相(Cholestevic),（1）有序参量指向矢,液晶呈圆柱状，分子的整体方向称为主轴。指向矢n：表示液晶分子长轴平均趋向的单位矢量。分子的热运动使得棒状分子不完全平行与指向矢，用分子长轴与指向矢夹角 的统计量表示分子趋向的一致程度，选择二阶勒让德多项式P2 为有序参量S:代表对所有分子取平均，S=1表示分子全平行，S=0表示分子完全无序。液晶有序参量：0.3-0.8,（2）液晶的连续体理论,微观用分子统计理论解释液晶的光学性质和相变；宏观连续体理论（弹性连续体和电流体动力学理论）：描述液晶分子在电场、磁场作用下指向矢流动情况（力与变

3、形关系问题）。忽略液晶单个分子行为，看成一个连续介质，在外力作用下发生弹性变形。没有外场作用时，液晶处于平衡状态，其自由能最小；在外场作用下，由于变形而使 自由能增加。与三种变形相关的弹性系数分别为：k11（展曲）,k22（扭曲）,k33（弯曲）;,（3）液晶的各向异性（相对于主轴）,介电各向异性，/，=/-；介电常数反映在电场作用下介质极化程度。折射率各向异性 n/，n，n=n/-n弹性系数各向异性：k11,k22,k33;一般 k33 k22 k11,据电磁场理论：设晶体有三个互相垂直的坐标轴，则有：对各向同性晶体：介电常数与折射率的关系：在任何方向上电位移矢量D 和电场矢量E 方向一致,

4、对单轴晶体:,折射率椭球,用几何图形表示晶体折射率；设x、y、z与介电主轴平行，相应的主折射率为折射率椭球方程为：以Z轴为光轴的单轴晶体折射率椭球方程为：当光波波法线与z轴平行时，椭球的x-y平面是半径为n0 的圆，其光波振动方向（电矢量）在与Z轴垂直的任意方向上有相同的折射率，不产生双折射。,若光波传输方向与光轴不平行，即波法线k与光轴有倾角，电矢量所在平面与椭球的截面是椭圆，椭圆的长、短轴分别是沿k传播的两个平面线偏振光的折射率n0 和 ne。当倾角为90时ne 为最大。,向列相和近晶相液晶的双折射特性,液晶是单轴晶体，向列和近晶相液晶分子指向矢与光轴方向一致；波法线为k 的平面偏振波的电

5、矢量可分解为与光轴平行和垂直的两个分量，其对应的折射率为ne和n0；并用n/和 n表示：折射率各向异性：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学正晶体,光在向列相液晶中的传输（1）,使光波的传输方向偏向长轴（指向矢）方向 设入射光偏振面与液晶分子指向矢在同一个面内，入射光可分解成与液晶分子长轴平行和垂直的两个分量。其速度分别是：对于确定的分子倾角，因 所以平行速度分量的增量大于垂直速度 分量的增量，合成方向与分子长轴的夹 角变小，经

6、过多个液晶层後，光波的传 输方向偏向长轴方向。,光在向列相液晶中的传输（2）,改变入射光的偏振状态设液晶层内指向矢方向不变，且在x方向，入射光偏振方向与 x 轴夹角为；在液晶层表面，当=0,/2时，入射光两个偏振分量中总有一个为零，即Ey=0或Ex=0，否则两个偏振分量为：,指向矢方向不变,设液晶层厚度为z，经过液晶层后的两个分量各自产生的相位延迟取决于各自的折射率：当=/4时，其合成振动为：,相位差,随着光线沿z轴方向前进，相位差 从零逐渐变大：=0，/4，/2，3/4，5/4，3/2，7/4，2；光的偏振状态按照直线、椭圆、圆、椭圆、直线的顺序变化，在=时，线偏振改变90。可改变相位差 的

7、因素有：折射率差（n/-n）和传播距离z。,光在向列相液晶中的传输（3）,使偏振面旋转（指向矢扭曲）设液晶分子指向矢扭曲扭距为 P，液晶层厚度正好是1/4P，指向矢扭曲90。在入射面上入射光偏振面与指向矢一致时，光波偏振面随指向矢旋转，出射光偏振面仍保持与指向矢一致；入射光偏振面与指向矢垂直时，则出射光偏振面保持与指向矢垂直；入射光偏振面与指向矢成角时，则出射光以椭圆、园、直线等形式射出。,液晶的旋光作用,旋光现象：线偏光通过光轴与表面垂直的晶体时，光矢量方向随传播距离增大而逐渐转动。产生机理：沿光轴旋转的线偏光是由两个频率相等，传播速度不同的左、右旋园偏光组成。在旋光介质中两个园偏光的传播速

8、度不同，由此产生的的相位差为：相应转过的角度为：石英旋光系数为+21.75弧分/mm，胆甾相液晶旋光系数高达1800弧分/mm,（：旋光系数，d:厚度）,二色性选择反射（散射）：当入射园偏光旋转方向与液晶旋光方向一致，则入射光被反射（散射）；若旋光方向相反，则入射光将透过液晶层。胆甾相液晶的螺距P接近入射光波长，因二色性选择光反射，反射光波长为：反射光频带宽：螺距变化 反射光波长变化 颜色变化用作反射式显示器，改变螺距因素：温度，材料，外电场,液晶旋光作用的应用,液晶对光波的影响,微观：使入射光的传播方向偏向指向矢（长轴）方向；宏观：改变入射光的偏振状态（o光和e光之间产生相位差）；使入射光的

9、偏振面旋转；对入射的左旋或右旋光有选择地反射或透射。,液晶显示器基本结构和工作原理,1.液晶分子沿面排列界面锚定,确定液晶分子特定的初始排列，锚定方法有：直接取向处理法：取向剂直接作用于基片表面间接取向处理法：取向剂先溶解于液晶中，待液晶灌注进液晶盒后，取向剂析出吸附于基片表面。基片表面变形处理法,初始状态：上下基板锚定方向互相垂直，在基板界面附近的液晶分子指向矢与锚定方向一致，液晶层中间部分的分子指向矢同时受两侧基板锚定力的作用，在水平面内扭曲转动。加电压后，液晶指向矢在水平面内扭曲的同时，垂直方向也转动，液晶层中间部分呈与电场方向一致的垂直状态。扭曲角：液晶指向矢在水平面内旋转的角度。倾角

10、：液晶指向矢在垂直方向旋转的角度。,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，入射自然光经过上偏振片后成为线偏振光；上下基板锚定方向也互相垂直，与偏振片偏振方向一致，初始状态的液晶分子指向矢从上基板到下基板扭曲90；在不加外电压时，进入液晶盒的偏振光偏振面随液晶分子指向矢旋转90（旋光作用），与下基板表面偏振片方向一致，能透过下基板表面偏振片；在外电场的作用下，液晶盒内的液晶分子指向矢产生垂直偏转，进入液晶盒的偏振光偏振面不再随液晶分子指向矢旋转，与下基板表面偏振片方向成 90，不能透过下基板表

11、面偏振片。外电场的开关可以控制光的通断。关键点：分子状态；液晶的旋光作用；偏振片；,液晶驱动器基本要求和技术,基本要求在每个像素前后电极之间施加一个大于阈值的交变电场。（直流电场会使液晶材料产生电化学反应，并使电极老化。）技术提供合适的驱动电压波形、相位、频率、占空比、有效值。将像素组合成数字、字符、图形、图像,静态驱动,结果：由 异或门控制液晶盒两侧电压，实现 A=0时不显示、A=1 时显示的效果。缺点：每个笔段像素要配一个异或门驱动端。外引线过多。解决：点阵形式、动态驱动,矩阵结构动态驱动（时间分割、多路驱动法）,概念：行电极扫描电极（逐行扫描）列电极寻址电极显示过程：行电极按时间顺序逐行

12、加扫描电压，在行电极被选通同时，列电极同步输入选通和非选通电压（数据），在行列交叉点上合成驱动电压。一帧：所有行电极加上一次扫描电压的时间。帧频：单位时间内扫描的帧数（70帧/秒）。占空比：扫描一行时间与帧周期之比。,逐行扫描过程,条件：施加交变电压；电压有效值决定液晶分子的排列；扫描过程：当某一行被选通时，列电极负电平为像素被选通（ON）状态，正电平为非选通（OFF）状态。问题：交叉效应,简单驱动存在问题,随扫描行数的增加，每行驱动时间减少，像素亮度降低，为此需要增大驱动电压；增大驱动电压导致电极间的交叉效应更严重，对比度降低。解决途径有源驱动 目的在其他行扫描期间仍保持驱动电压；消除电极间

13、的交叉效应。,TFT-LCDs電路原理图,栅极在行扫描位置，源极在列扫描位置。,TFT 的开关作用,TFT的栅极未选通时，TFT 处于截止态，源极与漏极之间相当于开路，外电压不会施加到液晶像素上。TFT的栅极被选通，并且源极被同步选通时，源、漏极之间导通，数据信号被写入液晶像素电容CLC和补偿电容 Cs。电容使充好电的电压保持到下一次画面的更新。每个像素都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶。克服交叉效应的影响。,TFT的结构,通过栅极电压控制源、漏电极之间的电流（沟道电流）；沟道电流取决于多数载流子密度与迁移率；实用化的有非晶硅TFT(a-Si TF

14、T)多晶硅TFT(p-Si TFT),TFT-LCD 像素单元及开口率,开口率：有效区域的比例。各种部件的透过率为：偏光板50%，玻璃95%，液晶 95%，彩色滤光片27%，若面板开口率为50%，则到达人眼的光只有背光板发出光的3%左右。,非晶硅（a-Si）TFT制造工艺,采用光刻、等离子增强化学气相沉积PECVD工艺；将源、漏电极直接制作在a-Si上不能保证完好的欧姆接触，为此加n+a-Si层；,（源极）,（栅极）,TFT-LCD结构,TFT-LCDs Panel Structure,灰度控制,空间灰度调制（面积灰度调制）像素划分成子像素，控制子像素的选通形成灰度级别。优点：不需特殊驱动、控

15、制。缺点：需提高微细加工或降低分辨率。,时间灰度调制（一定时间内控制像素选通时间）帧灰度调制：如以4帧为单位，同一显示像素在有的帧内被选通，在其余帧内不被选通，只要保证足够的帧频，就有灰度变化。缺点：因帧频低而闪烁。（提高帧频受液晶响应速度制约）。,脉冲灰度调制：在扫描过程中，在数据脉冲上叠加灰度调制脉冲f,f的宽度划分为多个级别代表不同的灰度。缺点：液晶不能响应过窄的F值。,彩色显示,使用最广、技术最成熟的是“微彩色膜方式”。就是将点阵像素分割成三个子像素，并在对应位置的器件表面设置上RGB三个微型滤色膜。控制RGB三个滤色膜透过光的通断。若仅控制R G B的通断，则只能组合8种颜色；若控制

16、每个子像素的灰度级别，便可混合出上万种颜色。颜色数量与灰度的关系：如每个R G B子像素有4种灰度变化（用2位二进制数表示），则可有444=64 种颜色（伪彩色）。如每个R G B子像素有64种灰度变化（用6位二进制数表示），则可有646464=262,144种颜色（真彩色）。,液晶显示器模块(LCM-Liquid Crystal Modul),包括：液晶屏，驱动控制电路，电路板连接件。主要工艺：液晶屏与驱动电路连接（Bonding)，大规模集成电路IC封装。,液晶显示器的驱动与控制,液晶器件：指灌有液晶的液晶盒（两片玻璃或塑料和电极引脚）液晶显示模块：除液晶器件外，还包括驱动器，（控制器），

17、线路板，连接件，结构件，附属件。点阵式液晶显示器外围电路：,TFT-LCD Module,连接（Bonding)方式,导电橡胶（斑马橡胶条）各向异性导电胶条（ACF）柔性连接带（FPC）,1.导电橡胶（斑马橡胶条）,2.各向异性导电膜ACF,ACF:Anisotropic Conductive Film 同时具有导电、绝缘、粘结三个功能的高分子膜。经热压后，在膜厚方向具有导电性、在膜面方向具有绝缘性，能同时使对置电极部分的永久粘接、电极之间的导电、电极图形之间的绝缘。主要组成:黏着剂 导电粒子,Conductive Particle,直径约3 微米,Au/Ni Coated Plastic P

18、article,Au/Ni,Plastic Particle,Conductive Particle in Interconnection Area between LCD and TCP,SEM Image,ACF 绑定工艺,3.柔性连接带（FPCFlexible Printed Circuits）,以聚脂薄膜或聚酰亚胺为基材制成的一种印刷电路。特点：可靠性高，可随意弯曲、折迭,重量轻，体积小，散热性好，安装方便。,FPC绑定后导电粒子压痕,FPC导电粒子压痕,OK,NO,FPC 位置对准偏差,OK,NO,COB（Chip On Board），即芯片被邦定在PCB上，可大大减少模块体积。CO

19、G（Chip On Glass），即芯片被直接邦定在玻璃上。大大减小整个LCD模块的体积，易于大批量生产，适用于便携式电子产品用的LCD，如：手机、PDA等。是今后IC与LCD的主要连接方式。COF（Chip On Film），即芯片被直接安装在柔性连接带上，集成度较高，是一种新兴技术。,IC绑定（bonding）方式,背光照明,冷阴极荧光灯（CCFL）:冷阴极气体放电，激发荧光粉发光。色温高，亮度高，可制成准确三基色。有反射式和侧导光式两种。侧导光式厚度3-5mm，重量100g，功耗1W，适于便携式显示器。,冷阴极荧光灯：直径1.6、1.8、2mm,工作在数十KHz交流状态;导光板：高折射率树脂全反射导光，散射体用丝网印刷工艺制成100m1mm蜂窝图案，分布密度从入射部到末端由疏逐渐变密，以获得均匀的亮度分布；棱镜板：厚度150230 m，间距24110 m，由聚碳酸脂和聚酯片制成双凸透镜，以定向、会聚照明光线；提高照明亮度。,完成品,