第5章光的雙折射及應(yīng)用

1、光子學與光電子學 原榮 邱琪 第第5章章 光的雙折射效應(yīng)及應(yīng)用光的雙折射效應(yīng)及應(yīng)用 當光從空氣進入水或玻璃時，就產(chǎn)生折射。當光從空氣進入水或玻璃時，就產(chǎn)生折射。但是，當光進入某些晶體時，折射光線不只一條，但是，當光進入某些晶體時，折射光線不只一條，而是兩條。這種現(xiàn)象稱為雙折射。而是兩條。這種現(xiàn)象稱為雙折射。 下面介紹光的雙折射效應(yīng)及其偏振器件，以下面介紹光的雙折射效應(yīng)及其偏振器件，以及利用該效應(yīng)制成的液晶顯示器件。及利用該效應(yīng)制成的液晶顯示器件。 5.1 光的雙折射效應(yīng)光的雙折射效應(yīng) 5.2 雙折射器件雙折射器件偏振器件偏振器件 5.3 液晶顯示器件液晶顯示器件雙折射和偏振的應(yīng)用雙折射和偏振的

2、應(yīng)用光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1 光的雙折射效應(yīng)光的雙折射效應(yīng) 5.1.1 各向同性材料和各向異性材料各向同性材料和各向異性材料 5.1.2 光的雙折射效應(yīng)光的雙折射效應(yīng) 5.1.3 雙折射的幾種特例雙折射的幾種特例 5.1.4 晶體的雙色性晶體的雙色性 5.1.5 光纖雙折射效應(yīng)光纖雙折射效應(yīng)光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1.1 各向同性材料和各向異性材料各向同性材料和各向異性材料 晶體的一個重要特征是它的許多特性與晶體的方晶體的一個重要特征是它的許多特性與晶體的方向有關(guān)。因為折射率向有關(guān)。因為折射率 ，介電質(zhì)常數(shù)，介電質(zhì)常數(shù) 與與電子極化有關(guān)，電子極化又與晶體方向有關(guān)，所電子極

3、化有關(guān)，電子極化又與晶體方向有關(guān)，所以晶體的折射率與傳輸光的電場方向有關(guān)。以晶體的折射率與傳輸光的電場方向有關(guān)。 大部分非晶體材料，例如玻璃和所有的立方晶體大部分非晶體材料，例如玻璃和所有的立方晶體是光學各向同性材料，即在每個方向具有相同的是光學各向同性材料，即在每個方向具有相同的折射率。折射率。 所有其他晶體，如方解石（所有其他晶體，如方解石（CaCO3）、鈮酸鋰）、鈮酸鋰（LiNbO3）和液晶（）和液晶（LCD），它們的折射率都與），它們的折射率都與傳輸方向和偏振態(tài)有關(guān)，這種材料叫做各向異性傳輸方向和偏振態(tài)有關(guān)，這種材料叫做各向異性材料，如圖材料，如圖5.1.2所示。所示。rnr光子學與光

4、電子學 原榮 邱琪 圖圖5.1.1 一束非偏振光一束非偏振光透射到方解石晶體上變成兩束光透射到方解石晶體上變成兩束光 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.1.2 各向各向同性同性晶體晶體和各和各向異向異性晶性晶體體 可用三種折射率指數(shù)可用三種折射率指數(shù)n1、n2和和n3來描述光在各向異性晶體內(nèi)的傳輸，來描述光在各向異性晶體內(nèi)的傳輸，分別表示互相垂直的三個軸分別表示互相垂直的三個軸x、y和和z方向上的折射率。這種晶體具有兩個光方向上的折射率。這種晶體具有兩個光學軸，所以也稱為雙軸晶體。學軸，所以也稱為雙軸晶體。 當當n1 = n2時，晶體只有一個光軸，稱這種晶體為單軸晶體。時，晶體只有一個光軸

5、，稱這種晶體為單軸晶體。光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1.2 光的雙折射效應(yīng)光的雙折射效應(yīng) 任何非偏振光線進入各向異性晶體后，將折射分任何非偏振光線進入各向異性晶體后，將折射分成兩束正交的線性偏振光，以不同的偏振態(tài)和相成兩束正交的線性偏振光，以不同的偏振態(tài)和相速度經(jīng)歷不同的折射率傳輸，如圖速度經(jīng)歷不同的折射率傳輸，如圖5.1.3所示，這所示，這種現(xiàn)象稱為雙折射；種現(xiàn)象稱為雙折射； 在單軸晶體中，兩個正交的偏振光稱為尋常光（在單軸晶體中，兩個正交的偏振光稱為尋常光（o）和非尋常光（和非尋常光（e）。尋常光在所有的方向具有相同）。尋常光在所有的方向具有相同的相速度，它的表現(xiàn)就像普通的電磁波，電

6、場垂的相速度，它的表現(xiàn)就像普通的電磁波，電場垂直于相速度傳輸?shù)姆较?。非尋常光的相速度與傳直于相速度傳輸?shù)姆较?。非尋常光的相速度與傳輸方向和它的偏振態(tài)有關(guān)，而且電場也不垂直于輸方向和它的偏振態(tài)有關(guān)，而且電場也不垂直于相速度傳輸?shù)姆较颉Ｏ嗨俣葌鬏數(shù)姆较颉?利用雙折射可制成偏振分束器（利用雙折射可制成偏振分束器（PBS）。）。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.1.3 非極化光進入各向異性晶體方解石后非極化光進入各向異性晶體方解石后將發(fā)生雙折射，產(chǎn)生相互正交偏振的尋常光將發(fā)生雙折射，產(chǎn)生相互正交偏振的尋常光(o)和非尋常光和非尋常光(e)，以不同的速度傳播，以不同的速度傳播光子學與光電子學 原榮

7、邱琪 方解石方解石晶體的雙折射晶體的雙折射 方解石是一種負單軸晶體，沿一定的晶體平面把方解石是一種負單軸晶體，沿一定的晶體平面把晶體切成菱面體，晶面是一個平行四邊形（相鄰晶體切成菱面體，晶面是一個平行四邊形（相鄰兩角的角度是兩角的角度是78.08o和和101.92o），包含光軸并與），包含光軸并與一對晶體表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。一對晶體表面垂直的方解石菱晶平面叫主截面。 當非偏振光或自然光以法線射入方解石晶體時，當非偏振光或自然光以法線射入方解石晶體時，于是也與主截面成法線，而于光軸成一定的角度。于是也與主截面成法線，而于光軸成一定的角度。入射光分成相互正交的尋常光和非尋常光兩束光，

8、入射光分成相互正交的尋常光和非尋常光兩束光，在主截面平面內(nèi)也包含入射光。尋常光具有垂直在主截面平面內(nèi)也包含入射光。尋常光具有垂直于光軸的場振蕩，它遵守斯奈耳定律，即光進入于光軸的場振蕩，它遵守斯奈耳定律，即光進入晶體不偏轉(zhuǎn)，于是晶體不偏轉(zhuǎn)，于是E場振蕩的方向必須從該頁紙場振蕩的方向必須從該頁紙出來或進去（用黑點表示），是尋常光。出來或進去（用黑點表示），是尋常光。主截面入射光非尋常光尋常光eo光軸 (在該頁紙平面內(nèi))/EEo08.78o92.101光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1.3 雙折射的幾種特例雙折射的幾種特例（a）入射光與光軸平行，不發(fā)生雙折射，也沒有速度差）入射光與光軸平行，不發(fā)

9、生雙折射，也沒有速度差 （b）入射光與光軸垂直，不發(fā)生雙折射，但有速度差）入射光與光軸垂直，不發(fā)生雙折射，但有速度差圖圖5.1.4 入射光與光軸方向不同出現(xiàn)兩種不入射光與光軸方向不同出現(xiàn)兩種不同的情況同的情況光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.1.5 非偏振光與光軸的關(guān)系不同，投射到非偏振光與光軸的關(guān)系不同，投射到方解石晶片上產(chǎn)生不同的現(xiàn)象方解石晶片上產(chǎn)生不同的現(xiàn)象光軸e光和o光的波前非偏振光光軸o光的波前非偏振光e光的波前光軸o光的波前非偏振光e光的波前光軸e光o光非偏振光 （a）入射光與光軸平行，不發(fā)生雙折射，也沒有速度差（b）入射光與光軸垂直，不發(fā)生雙折射，但又速度差（c）入射光與光軸

10、成一定角度，發(fā)生雙折射，并有速度差（d）同圖5.1.5（c），但偏振態(tài)和出射光線都表現(xiàn)出來了光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1.4 晶體的雙色性晶體的雙色性 一些各向異性晶體除折射率與方向有關(guān)外，也表一些各向異性晶體除折射率與方向有關(guān)外，也表現(xiàn)出雙色性?，F(xiàn)出雙色性。 所謂雙色性，就是材料對光的吸收取決于光波傳所謂雙色性，就是材料對光的吸收取決于光波傳輸?shù)姆较蚝推駪B(tài)。雙色晶體是一種光學異性晶輸?shù)姆较蚝推駪B(tài)。雙色晶體是一種光學異性晶體，這種晶體對非尋常光或?qū)こ９饩哂袕娏业匚w，這種晶體對非尋常光或?qū)こ９饩哂袕娏业匚眨ㄋp）效應(yīng)。也就是說，進入雙色晶體的任收（衰減）效應(yīng)。也就是說，進入雙色晶

11、體的任意偏振光波只有限定的偏振態(tài)出現(xiàn)在晶體輸出端，意偏振光波只有限定的偏振態(tài)出現(xiàn)在晶體輸出端，因為與此正交的偏振光可能被衰減了。因為與此正交的偏振光可能被衰減了。 通常，雙色性取決于光的波長，例如鋁硼矽酸鹽通常，雙色性取決于光的波長，例如鋁硼矽酸鹽晶體對尋常光的吸收比對非尋常光的吸收更強。晶體對尋常光的吸收比對非尋常光的吸收更強。光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.1.5 光纖雙折射效應(yīng)光纖雙折射效應(yīng)光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.2 雙折射器件雙折射器件偏振器件偏振器件 在在5.1節(jié)中，已介紹了光的雙折射現(xiàn)象，即節(jié)中，已介紹了光的雙折射現(xiàn)象，即一束非偏振光入射到各向異性晶體上時變一束非偏振光

12、入射到各向異性晶體上時變成兩束偏振光成兩束偏振光尋常光（尋常光（o）和非尋常光）和非尋常光（e）。）。 本節(jié)將介紹利用該現(xiàn)象制成的偏振器件，本節(jié)將介紹利用該現(xiàn)象制成的偏振器件，這些器件在電光調(diào)制器、電光開關(guān)、光隔這些器件在電光調(diào)制器、電光開關(guān)、光隔離器和相干系統(tǒng)中是必不可少的。離器和相干系統(tǒng)中是必不可少的。光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.2.1 相位延遲片和相位補償器相位延遲片和相位補償器 使正單軸晶體（如石英）片的光軸沿使正單軸晶體（如石英）片的光軸沿 z 方向，方向，并平行于薄片的兩個解理面，如圖并平行于薄片的兩個解理面，如圖1.3.22所示，所示，假如線性偏振光假如線性偏振光 E 以法

13、線方向入射到薄片解理以法線方向入射到薄片解理面上，此時光束就不會發(fā)散成兩束分開的光，面上，此時光束就不會發(fā)散成兩束分開的光，而是沿而是沿 y 方向的一束光，即沒有雙折射。雖然方向的一束光，即沒有雙折射。雖然尋常光和非尋常光在同一方向傳輸，但卻有不尋常光和非尋常光在同一方向傳輸，但卻有不同的速度，盡管從同一方向出去，但是離開出同的速度，盡管從同一方向出去，但是離開出射解理面的時間卻不同，如圖射解理面的時間卻不同，如圖1.3.21（b）所）所示示 。這種現(xiàn)象被用來制作相位延遲和補償器。這種現(xiàn)象被用來制作相位延遲和補償器件。件。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.2.1 線線性偏振性偏振入射光入射

14、光E分解分解成的兩成的兩個相互個相互正交的正交的分量通分量通過相位過相位延遲片延遲片產(chǎn)生相產(chǎn)生相位差位差 光子學與光電子學 原榮 邱琪 全光全光纖移纖移相器相器 可提供可提供8 15 的相移的相移光子學與光電子學 原榮 邱琪 半波片和四分之一波片半波片和四分之一波片 假如假如 L是晶體片的厚度，尋常光（是晶體片的厚度，尋常光（o）和非尋常光）和非尋常光（e）通過晶體經(jīng)歷的相位變化不同。于是出射光）通過晶體經(jīng)歷的相位變化不同。于是出射光束和分量通過相位延遲片產(chǎn)生的相位差是束和分量通過相位延遲片產(chǎn)生的相位差是 （5.2.1） 該相位差表示延遲片對全波長的延遲，例如該相位差表示延遲片對全波長的延遲，

15、例如 = 是半波長延遲，是半波長延遲， = /2 是四分之一波長延遲。通是四分之一波長延遲。通過光束的偏振態(tài)與晶體類型和延遲片厚度有關(guān)。過光束的偏振態(tài)與晶體類型和延遲片厚度有關(guān)。Lnnoe2光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.2.2 以不同的入射角入射的線偏振光通過以不同的入射角入射的線偏振光通過不同的相位延遲片后出現(xiàn)不同的偏振態(tài)不同的相位延遲片后出現(xiàn)不同的偏振態(tài)光子學與光電子學 原榮 邱琪 1/4波片能使尋常光線與非尋常光線的波片能使尋常光線與非尋常光線的相位差變化相位差變化 /4 相位差相位差 不同，通過晶體的光波偏振態(tài)就不同。不同，通過晶體的光波偏振態(tài)就不同。 例如，四分之一波片能使尋

16、常光線與非尋常光線例如，四分之一波片能使尋常光線與非尋常光線的相位差變化的相位差變化 /4。當線偏振光通過。當線偏振光通過 /4波片時，波片時，如偏振方向與波片光軸的方向的夾角如偏振方向與波片光軸的方向的夾角 為為45o角時，角時，入射時兩分量數(shù)值（光強度）和相位都相同，但入射時兩分量數(shù)值（光強度）和相位都相同，但通過晶片后，數(shù)值雖相同，但分量通過晶片后，數(shù)值雖相同，但分量E/與與E 相比延相比延遲了遲了90o，成為圓偏振光，如圖，成為圓偏振光，如圖5.2.2（b）所示。）所示。 反之，若入射光是圓偏振光，則出射光就變成線反之，若入射光是圓偏振光，則出射光就變成線偏振光。偏振光。光子學與光電子

17、學 原榮 邱琪 半波延遲片半波延遲片 使線偏振光兩個正交分量的相位差為使線偏振光兩個正交分量的相位差為180o 半波延遲片的厚度半波延遲片的厚度L使線偏振光兩個正交分使線偏振光兩個正交分量的相位差量的相位差 ，對應(yīng)波長一半（，對應(yīng)波長一半（ /2）的的 延遲，其結(jié)果是分量延遲，其結(jié)果是分量E/與與E 相比延遲了相比延遲了180o。 此時，如果輸入此時，如果輸入E與光軸的夾角是與光軸的夾角是 ，那么，那么輸出輸出 E 與光軸的夾角就是與光軸的夾角就是 ，輸出光與輸，輸出光與輸入光一樣仍然是線偏振光，只是入光一樣仍然是線偏振光，只是 E 逆時針逆時針旋轉(zhuǎn)了旋轉(zhuǎn)了2 ，如圖，如圖5.2.2（a）所示

18、。）所示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 將將P2 繞著繞著 z 軸旋轉(zhuǎn)，我們就會發(fā)現(xiàn)有兩個位置光軸旋轉(zhuǎn)，我們就會發(fā)現(xiàn)有兩個位置光最強，而有兩個位置又最弱，透射光的強度幾乎最強，而有兩個位置又最弱，透射光的強度幾乎為零的兩個位置就是為零的兩個位置就是P1 和和 P2 的偏振化方向成正的偏振化方向成正交的位置。交的位置。 起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器是利用雙折射現(xiàn)是利用雙折射現(xiàn)象制成的一種光象制成的一種光學元件。學元件。當非偏振光入射當非偏振光入射到起偏器上時，到起偏器上時，就分成尋常光和就分成尋常光和非尋常光，同時非尋常光，同時起偏器又吸收尋起偏器又吸收尋常光而讓非尋常常光而讓非尋常光通過，輸出

19、平光通過，輸出平面線偏振光面線偏振光 5.2.2 起偏器、檢偏器起偏器、檢偏器光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.2.3（a） 起偏器和檢偏器的作用起偏器和檢偏器的作用 Ex = E sin Ey = E con 與傳播方向與傳播方向 z 垂直垂直的起偏器上的任意的起偏器上的任意電場電場E 可以分解為可以分解為兩個矢量兩個矢量Ex和和Ey ; 只有與偏振化方向只有與偏振化方向平行的平行的Ey才能通過才能通過偏振片偏振片 而與偏振片偏振化而與偏振片偏振化方向垂直的方向垂直的Ex卻在卻在偏振片內(nèi)被吸收。偏振片內(nèi)被吸收。yxEyExEz光子學與光電子學 原榮 邱琪 馬呂斯（馬呂斯（Malus）定律

20、）定律 光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.2.3 尼科耳棱鏡尼科耳棱鏡-一種起偏器一種起偏器 尼科耳棱鏡是一種起偏器，所謂尼科尼科耳棱鏡是一種起偏器，所謂尼科爾棱鏡就是兩塊磨成一定角度的各向爾棱鏡就是兩塊磨成一定角度的各向異性單軸晶體，用折射系數(shù)異性單軸晶體，用折射系數(shù)n比尋常比尋常光折射系數(shù)光折射系數(shù)no大，而比非尋常光折射大，而比非尋常光折射系數(shù)系數(shù)ne小的透明膠粘合而成的一種棱小的透明膠粘合而成的一種棱鏡。鏡。當非偏振光入射到棱鏡上時，就分成當非偏振光入射到棱鏡上時，就分成尋常（尋常（o）光和非尋常（）光和非尋常（e）光。）光。 非尋常光由于偏轉(zhuǎn)角大，在到達膠合非尋常光由于偏轉(zhuǎn)角大，在到

21、達膠合界面時，入射角大于臨界角，因而發(fā)界面時，入射角大于臨界角，因而發(fā)生全反射生全反射,至棱鏡吸收邊界而被吸收。至棱鏡吸收邊界而被吸收。尋常光在到達與粘膠的界面時，由于尋常光在到達與粘膠的界面時，由于透明粘膠的折射指數(shù)透明粘膠的折射指數(shù)n比尋常光的比尋常光的no的大，不會發(fā)生內(nèi)部反射，而是通過的大，不會發(fā)生內(nèi)部反射，而是通過第二塊晶體從棱鏡透射出來，成為線第二塊晶體從棱鏡透射出來，成為線偏振光。偏振光。光子學與光電子學 原榮 邱琪 液晶顯示器所用的起偏液晶顯示器所用的起偏/檢偏膜檢偏膜 液晶顯示器（見液晶顯示器（見5.3節(jié)）所用的起偏節(jié)）所用的起偏/檢偏膜檢偏膜是一種摻碘分子的高分子聚合物，如

22、聚乙是一種摻碘分子的高分子聚合物，如聚乙烯醇（烯醇（PVA），大分子鍵在各個方向上都），大分子鍵在各個方向上都是完全均勻的，無規(guī)則排列聚集成膜，但是完全均勻的，無規(guī)則排列聚集成膜，但在拉伸之后，幾乎所有的大分子鍵都被迫在拉伸之后，幾乎所有的大分子鍵都被迫按照拉伸力方向伸展開來，形成了柵欄一按照拉伸力方向伸展開來，形成了柵欄一樣的結(jié)構(gòu)，如圖樣的結(jié)構(gòu)，如圖5.2.3a所示，從而在縱橫兩所示，從而在縱橫兩個方向上具有強烈的各向異性，只有與柵個方向上具有強烈的各向異性，只有與柵欄平行的光才能通過。將欄平行的光才能通過。將PVA在碘液中浸在碘液中浸漬，經(jīng)拉伸定型后即形成了偏光膜。漬，經(jīng)拉伸定型后即形成了

23、偏光膜。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.2.5 起偏器和檢偏器起偏器和檢偏器在電光晶體調(diào)制器中的應(yīng)用在電光晶體調(diào)制器中的應(yīng)用 光子學與光電子學 原榮 邱琪 起起偏偏器器光子學與光電子學 原榮 邱琪 檢偏器檢偏器光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.2.4 渥拉斯頓棱鏡渥拉斯頓棱鏡-偏振分光器偏振分光器 棱鏡棱鏡A內(nèi)，入射光束垂直與光軸，如圖內(nèi)，入射光束垂直與光軸，如圖5.2.6（b）所示，）所示，e光光和和o光不會發(fā)生偏折，只是光不會發(fā)生偏折，只是o光比光比e光傳輸?shù)每煨?。光傳輸?shù)每煨?但是，從但是，從e光和光和o光到達光到達A和和B兩塊棱鏡的粘合面開始，就發(fā)生兩塊棱鏡的粘合面開始，就發(fā)生

24、折射，非尋常光（折射，非尋常光（e光）向上偏轉(zhuǎn)，尋常光（光）向上偏轉(zhuǎn)，尋常光（o光）向下以相光）向下以相同的角度偏轉(zhuǎn)，如圖同的角度偏轉(zhuǎn)，如圖5.2.6（b）所示。）所示。 .ABeo光光光軸光軸o光e光光軸非偏振光AB光軸.非偏振光光Ex光EyExEy光子學與光電子學 原榮 邱琪 偏振分光器偏振分光器 /合光器合光器光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.2.5 偏振控制器偏振控制器 圖圖5.2.7 轉(zhuǎn)動光纖線圈實現(xiàn)偏振控制轉(zhuǎn)動光纖線圈實現(xiàn)偏振控制在一塊底板上垂直安裝在一塊底板上垂直安裝 34 個可轉(zhuǎn)動的圓盤，半徑比光纖芯徑大得多，個可轉(zhuǎn)動的圓盤，半徑比光纖芯徑大得多，約為約為75 cm，圓盤圓周上

25、有槽，光纖可以繞在盤上，這樣外面的光纖被，圓盤圓周上有槽，光纖可以繞在盤上，這樣外面的光纖被拉伸，里面的光纖被壓縮，引起光纖雙折射，使輸入偏振光拉伸，里面的光纖被壓縮，引起光纖雙折射，使輸入偏振光Ex和和Ey產(chǎn)生產(chǎn)生相移，從而起到控制偏振的作用。相移，從而起到控制偏振的作用。當轉(zhuǎn)動光纖線圈時，光纖中的快軸和慢軸也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此通過調(diào)整線當轉(zhuǎn)動光纖線圈時，光纖中的快軸和慢軸也發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此通過調(diào)整線圈的方向，可以獲得所需要的任意偏振方向。圈的方向，可以獲得所需要的任意偏振方向。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.2.8 擠壓光擠壓光纖實現(xiàn)纖實現(xiàn)偏振控偏振控制制 把光纖和壓電晶體固定在一起，當給

26、晶體施加電壓時，晶把光纖和壓電晶體固定在一起，當給晶體施加電壓時，晶體的長度伸長壓擠光纖，也使光纖發(fā)生雙折射，從而達到體的長度伸長壓擠光纖，也使光纖發(fā)生雙折射，從而達到控制偏振狀態(tài)的目的?？刂破駹顟B(tài)的目的。 壓力的大小可通過外加電壓精細控制，用壓力的大小可通過外加電壓精細控制，用4個擠壓器串行連個擠壓器串行連接可以達到良好的控制效果。接可以達到良好的控制效果。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 擠壓光擠壓光纖偏振纖偏振控制器控制器 手動偏振控制器采用旋擰光纖擠壓器實現(xiàn)偏手動偏振控制器采用旋擰光纖擠壓器實現(xiàn)偏振控制振控制 光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.3 液晶顯示器件液晶顯示器件 雙折射和偏振

27、的應(yīng)用雙折射和偏振的應(yīng)用 液晶顯示器件（液晶顯示器件（LCD）是利用液態(tài)晶體的光學各向異性特）是利用液態(tài)晶體的光學各向異性特性，在電場作用下對入射光進行調(diào)制而實現(xiàn)顯示的。自從性，在電場作用下對入射光進行調(diào)制而實現(xiàn)顯示的。自從1968年出現(xiàn)了液晶顯示裝置以來，液晶顯示技術(shù)得到了很大年出現(xiàn)了液晶顯示裝置以來，液晶顯示技術(shù)得到了很大發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐘表、計算器、儀器儀表、計算機、發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于鐘表、計算器、儀器儀表、計算機、彩電、投影電視等家庭、工業(yè)、軍事顯示器領(lǐng)域。彩電、投影電視等家庭、工業(yè)、軍事顯示器領(lǐng)域。 該節(jié)內(nèi)容有：該節(jié)內(nèi)容有：5.3.1 液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性液晶的雙折射效應(yīng)

28、和偏振特性5.3.2 扭曲向列型液晶顯示器件扭曲向列型液晶顯示器件5.3.3 超扭曲向列型液晶顯示器件超扭曲向列型液晶顯示器件5.3.4 有源矩陣液晶顯示器件有源矩陣液晶顯示器件5.3.5 快門式快門式3D眼鏡眼鏡5.3.6 液晶顯示器的應(yīng)用和前景液晶顯示器的應(yīng)用和前景光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.3.1 液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性 液晶是液態(tài)晶體的簡稱，是一種流動的晶體。液晶是液態(tài)晶體的簡稱，是一種流動的晶體。液晶分為兩大類，溶致液晶和熱致液晶。前液晶分為兩大類，溶致液晶和熱致液晶。前者要溶解在水中或有機溶劑中才能顯示出液者要溶解在水中或有機溶劑中才能顯示出液晶

29、狀態(tài)，而后者則在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)晶狀態(tài)，而后者則在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)出液晶狀態(tài)。出液晶狀態(tài)。 作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。作為顯示技術(shù)應(yīng)用的液晶都是熱致液晶。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.1 向列液晶的分子排列向列液晶的分子排列（a）P型向列液晶分子排列和各向異性特性型向列液晶分子排列和各向異性特性 （b）液晶分子的基本結(jié)構(gòu)）液晶分子的基本結(jié)構(gòu)顯示用的液晶都是一些有機化合物，液晶分子的形狀呈棒狀，很像顯示用的液晶都是一些有機化合物，液晶分子的形狀呈棒狀，很像“雪茄煙雪茄煙”，寬約，寬約十分之幾納米，長約數(shù)納米，長度約為寬度的十分之幾納米，長約數(shù)納米，長度約為寬度的4

30、8倍。倍。液晶分子間作用力比固體弱，所以液晶分子容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)。微小的外部能量就可液晶分子間作用力比固體弱，所以液晶分子容易呈現(xiàn)各種狀態(tài)。微小的外部能量就可實現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。實現(xiàn)各分子狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變，從而引起它的光、電、磁的物理性質(zhì)發(fā)生變化。 顯示器件通常用向列液晶材料做成，它的分子長軸互相平行，但不排列成層，它能上顯示器件通常用向列液晶材料做成，它的分子長軸互相平行，但不排列成層，它能上下、左右、前后滑動，如圖下、左右、前后滑動，如圖5.3.1所示，只在分子長軸方向上，保持相互平行或近于平所示，只在分子長軸方向上，保持相互平行或近于平行，分子間

31、橫向方向上相互作用微弱。向列液晶分子的排列和運動比較自由，對外界行，分子間橫向方向上相互作用微弱。向列液晶分子的排列和運動比較自由，對外界電場、磁場、溫度、應(yīng)力都比較敏感。電場、磁場、溫度、應(yīng)力都比較敏感。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.2 熱致液晶所處的溫度范圍熱致液晶所處的溫度范圍 熱致液晶僅在一定的溫度范圍內(nèi)才呈現(xiàn)液晶特性，此時為熱致液晶僅在一定的溫度范圍內(nèi)才呈現(xiàn)液晶特性，此時為渾濁不透明狀態(tài)，其稠度隨不同的化合物而有所不同，從渾濁不透明狀態(tài)，其稠度隨不同的化合物而有所不同，從糊狀到自由流動的液體都有，即粘度不同。如果糊狀到自由流動的液體都有，即粘度不同。如果T1和和T2分別為

32、固體和液晶、液晶和液體的分界溫度分別為固體和液晶、液晶和液體的分界溫度 那么，低于那么，低于T1就變成固體；在就變成固體；在T1T2范圍內(nèi)為液晶；高范圍內(nèi)為液晶；高于于T2就變成液體。就變成液體。光子學與光電子學 原榮 邱琪 2. 液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.3 線性偏振光在向列液晶中的傳輸線性偏振光在向列液晶中的傳輸 現(xiàn)在考慮一束線性偏振光通過現(xiàn)在考慮一束線性偏振光通過P型向列液晶的情況，根據(jù)型向列液晶的情況，根據(jù)式（式（1.3.4）和式（）和式（3.3.1），并考慮到），并考慮到f = c/ ， = 2 f，以，以及介質(zhì)中

33、的光速及介質(zhì)中的光速cn = c/n，尋常光和非尋常光的相位差為，尋常光和非尋常光的相位差為oe/22nncfdnndnkd光子學與光電子學 原榮 邱琪 偏振光在液晶盒中的變化偏振光在液晶盒中的變化光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.3.2 扭曲向列型液晶顯示器件扭曲向列型液晶顯示器件1. 扭曲向列液晶的結(jié)構(gòu)和工作原理扭曲向列液晶的結(jié)構(gòu)和工作原理 在兩塊帶有氧化銦錫（在兩塊帶有氧化銦錫（ITO）薄膜透明導(dǎo)電電極的玻璃基）薄膜透明導(dǎo)電電極的玻璃基板上，涂上聚酰亞胺聚合物薄膜作為取向?qū)?，用摩擦的方板上，涂上聚酰亞胺聚合物薄膜作為取向?qū)?，用摩擦的方法在表面形成方向均勻一致的微細溝槽，并使兩塊基板上法在

34、表面形成方向均勻一致的微細溝槽，并使兩塊基板上的溝槽方向相互正交的溝槽方向相互正交見圖見圖5.3.4（c）。 將兩塊基板密封成間隙為幾微米的液晶盒，用真空注入法將兩塊基板密封成間隙為幾微米的液晶盒，用真空注入法灌入正性的向列液晶，并加以密封。灌入正性的向列液晶，并加以密封。 在液晶盒玻璃基板上層外表面，粘貼當起偏器用的線性偏在液晶盒玻璃基板上層外表面，粘貼當起偏器用的線性偏振片，使該起偏器片的偏振軸與該基片上的摩擦方向一致振片，使該起偏器片的偏振軸與該基片上的摩擦方向一致或垂直；或垂直； 而在液晶盒玻璃基板下層外表面，粘貼當檢偏器用的線性而在液晶盒玻璃基板下層外表面，粘貼當檢偏器用的線性偏振片

35、，并使該檢偏器片的偏振軸與該基片上的摩擦方向偏振片，并使該檢偏器片的偏振軸與該基片上的摩擦方向垂直或一致。因此，檢偏器和起偏器的偏振軸就相互垂直。垂直或一致。因此，檢偏器和起偏器的偏振軸就相互垂直。這樣，就構(gòu)成了最簡單的正顯示（這樣，就構(gòu)成了最簡單的正顯示（P型）或負顯示（型）或負顯示（N型）型）扭曲向列液晶（扭曲向列液晶（TN-LCD）盒，如圖）盒，如圖5.3.4（a）所示。）所示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.4 扭曲向列液晶盒（扭曲向列液晶盒（TN-LCD）結(jié)構(gòu)和）結(jié)構(gòu)和扭曲效應(yīng)的分子排列扭曲效應(yīng)的分子排列 （a）無電場狀態(tài)）無電場狀態(tài) （b）有電場狀態(tài)）有電場狀態(tài) （c）無

36、電場狀態(tài)下扭曲效應(yīng)的分子排列）無電場狀態(tài)下扭曲效應(yīng)的分子排列 在錨泊力的作用下，液晶與取向?qū)颖砻娼佑|的液晶分子沿溝在錨泊力的作用下，液晶與取向?qū)颖砻娼佑|的液晶分子沿溝槽排列，由于上下基板的取向?qū)訙喜鄯较蛘慌帕校瑹o電場槽排列，由于上下基板的取向?qū)訙喜鄯较蛘慌帕校瑹o電場作用時，液晶分子從上到下扭曲了作用時，液晶分子從上到下扭曲了90o，如圖，如圖5.3.4（c）和圖）和圖5.3.5（a）所示。）所示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.5 正顯示扭曲向列液晶（正顯示扭曲向列液晶（TN-LCD）顯示器的工作原理）顯示器的工作原理（a）不通電時）不通電時 （b）通電時）通電時 圖圖5.3.5

37、（a）中，入射自然光通過起偏器后變成線性偏振光，在通過液晶層時，由于液晶的雙折射效應(yīng)，）中，入射自然光通過起偏器后變成線性偏振光，在通過液晶層時，由于液晶的雙折射效應(yīng)，使偏振方向沿液晶分子長軸方向扭轉(zhuǎn)，通過整個液晶層后，偏振方向也隨液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)了使偏振方向沿液晶分子長軸方向扭轉(zhuǎn)，通過整個液晶層后，偏振方向也隨液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)了90o。如。如果檢偏器與起偏器的偏振方向呈正交狀態(tài)，所以到達檢偏器的線性偏振光與檢偏器的偏振方向一致，所果檢偏器與起偏器的偏振方向呈正交狀態(tài)，所以到達檢偏器的線性偏振光與檢偏器的偏振方向一致，所以可以通過檢偏器（見以可以通過檢偏器（見5.2.2節(jié)），輸出呈亮態(tài)。節(jié)），

38、輸出呈亮態(tài)。 圖圖5.3.5（b）中，有電場時，如果電場大于液晶的閾值場強，除了與內(nèi)表面接觸的液晶分子仍然沿著基）中，有電場時，如果電場大于液晶的閾值場強，除了與內(nèi)表面接觸的液晶分子仍然沿著基板表面平行排列外，液晶盒內(nèi)各層的液晶分子其長軸都沿電場板表面平行排列外，液晶盒內(nèi)各層的液晶分子其長軸都沿電場E取向而成垂直排列的狀態(tài)，而沒有發(fā)生取向而成垂直排列的狀態(tài)，而沒有發(fā)生扭曲，所以輸入線性偏振光方向與檢偏器的偏振方向正交，不能通過檢偏器，輸出呈現(xiàn)暗態(tài)，即實現(xiàn)了扭曲，所以輸入線性偏振光方向與檢偏器的偏振方向正交，不能通過檢偏器，輸出呈現(xiàn)暗態(tài)，即實現(xiàn)了白底上的黑字顯示，稱為正（白底上的黑字顯示，稱為正

39、（P型）顯示。型）顯示。光子學與光電子學 原榮 邱琪 負（負（N型）顯示扭曲向列液晶型）顯示扭曲向列液晶 如果將液晶盒輸入端的起偏器和輸出端的如果將液晶盒輸入端的起偏器和輸出端的檢偏器的偏振方向平行粘貼檢偏器的偏振方向平行粘貼 不施加電壓時，不施加電壓時，LCD變暗；變暗； 施加電壓時，施加電壓時， LCD變亮，從而實現(xiàn)黑底上變亮，從而實現(xiàn)黑底上的白字顯示，稱為負（的白字顯示，稱為負（N型）顯示。型）顯示。 扭曲向列液晶分子在外加電場的作用下轉(zhuǎn)扭曲向列液晶分子在外加電場的作用下轉(zhuǎn)變排列方式，從而對線性偏振光進行調(diào)制變排列方式，從而對線性偏振光進行調(diào)制而實現(xiàn)顯示的現(xiàn)象，稱為液晶的扭曲效應(yīng)。而實現(xiàn)

40、顯示的現(xiàn)象，稱為液晶的扭曲效應(yīng)。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.6a通過液晶的通過液晶的線性偏振光線性偏振光旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角 和透和透光率光率T與加在與加在液晶盒上的液晶盒上的均方根電壓均方根電壓的關(guān)系的關(guān)系 透光率透光率T是液晶透光率與亮態(tài)時透光率之比，是液晶透光率與亮態(tài)時透光率之比，100%是指沒加電壓或電壓很小時的透光率。是指沒加電壓或電壓很小時的透光率。光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.6 扭曲向列液晶的特性扭曲向列液晶的特性 b）電光特性）電光特性 c）響應(yīng)特性）響應(yīng)特性 閾值電壓閾值電壓Uth定義為器件最大透光率的定義為器件最大透光率的90%（常白型）或（常白型）或

41、10%（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值。飽和（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值。飽和電壓電壓Usat定義為器件最大透光率的定義為器件最大透光率的10%（常白型）或（常白型）或90%（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值。（常黑型）所對應(yīng)的電壓有效值。陡度定義為陡度定義為 決定器件的多路驅(qū)動能力和灰度性能，陡度越大，多路驅(qū)動能力越強，但灰度性能下降；反之亦然。決定器件的多路驅(qū)動能力和灰度性能，陡度越大，多路驅(qū)動能力越強，但灰度性能下降；反之亦然。 thsatUU光子學與光電子學 原榮 邱琪 3. 扭曲向列液晶的驅(qū)動扭曲向列液晶的驅(qū)動 扭曲向列液晶按電極類型可分為三類：扭曲向列液晶按電極類型可分為三類： 固定圖形電極

42、，用于顯示固定符號和圖形；固定圖形電極，用于顯示固定符號和圖形； 段式電極，用于顯示數(shù)字和拼音字母；段式電極，用于顯示數(shù)字和拼音字母； 矩陣式電極，可顯示圖表、曲線和圖像。矩陣式電極，可顯示圖表、曲線和圖像。 直流驅(qū)動直流驅(qū)動 不可逆的電化學反應(yīng)不可逆的電化學反應(yīng) 縮短使用壽命縮短使用壽命 交流驅(qū)動：防止交流波形不對稱產(chǎn)生的直流分量；交流驅(qū)動：防止交流波形不對稱產(chǎn)生的直流分量； LCD的透光率與驅(qū)動電壓的均方根值有關(guān)，的透光率與驅(qū)動電壓的均方根值有關(guān)， 與電壓波形和峰值無關(guān)；與電壓波形和峰值無關(guān)；LCD像素可以看做一個無極性的容性負載。像素可以看做一個無極性的容性負載。光子學與光電子學 原榮

43、邱琪 圖圖5.3.7 液晶的矩陣尋址驅(qū)動液晶的矩陣尋址驅(qū)動（a）上、下基板上的電極做成互相正交的行、列條）上、下基板上的電極做成互相正交的行、列條狀圖形狀圖形 （b）行、列電極交叉點為顯示像素）行、列電極交叉點為顯示像素光子學與光電子學 原榮 邱琪 5.3.3 超扭曲向列型液晶顯示器件超扭曲向列型液晶顯示器件 扭曲向列液晶（扭曲向列液晶（TN-LCD）顯示器件，其液）顯示器件，其液晶分子的扭曲角為晶分子的扭曲角為90o，它的電光特性曲線，它的電光特性曲線不夠陡峭，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制不夠陡峭，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制了其多路驅(qū)動能力。了其多路驅(qū)動能力。光子學與光電子學 原榮 邱琪 不同

44、扭曲角下液晶盒中央液晶分子的傾角與所加電壓的關(guān)系不同扭曲角下液晶盒中央液晶分子的傾角與所加電壓的關(guān)系液晶分子的扭曲角從液晶分子的扭曲角從90o增加到增加到180o270o 電光特性的陡度大大提高電光特性的陡度大大提高 超扭曲向列液晶（超扭曲向列液晶（STN-LCD）光子學與光電子學 原榮 邱琪 超扭曲向列液晶（超扭曲向列液晶（STN-LCD） 工作原理如圖，扭曲角工作原理如圖，扭曲角180o，起偏器偏振方，起偏器偏振方向與液晶盒表面分子長軸在其上的投影方向與液晶盒表面分子長軸在其上的投影方向呈向呈45o，檢偏器偏振方向與起偏器的垂直。，檢偏器偏振方向與起偏器的垂直。光子學與光電子學 原榮 邱琪

45、 圖圖5.3.10 超扭曲向列液晶（超扭曲向列液晶（STN-LCD）顯示原理）顯示原理 不加電壓時，上下基板取向?qū)訙喜鄯较虺善叫信帕校ㄒ蚺で患与妷簳r，上下基板取向?qū)訙喜鄯较虺善叫信帕校ㄒ蚺で菫榻菫?80o），液晶與取向?qū)颖砻娼佑|的液晶分子沿溝槽排列），液晶與取向?qū)颖砻娼佑|的液晶分子沿溝槽排列 液晶分子的扭轉(zhuǎn)也使光軸方向扭轉(zhuǎn)（光軸方向就是長軸方液晶分子的扭轉(zhuǎn)也使光軸方向扭轉(zhuǎn)（光軸方向就是長軸方向），所以入射光方向與光軸不平行，使液晶發(fā)生雙折射。向），所以入射光方向與光軸不平行，使液晶發(fā)生雙折射。 由于入射到液晶表面的線偏振光方向與分子長軸方向呈由于入射到液晶表面的線偏振光方向與分子長軸方向呈

46、45o 角，從而使入射光分解為兩束光：尋常光和非尋常光。角，從而使入射光分解為兩束光：尋常光和非尋常光。液晶厚度不一液晶厚度不一樣輸出光偏振樣輸出光偏振不一樣，控制不一樣，控制液晶厚度可以液晶厚度可以得到偏振態(tài)與得到偏振態(tài)與檢偏器相同的檢偏器相同的偏振光偏振光光子學與光電子學 原榮 邱琪 圖圖5.3.10 超扭曲向列液晶（超扭曲向列液晶（STN-LCD）顯示原理）顯示原理 加上電壓后，如果電場大于液晶的閾值場強，液晶盒內(nèi)各層的液晶分子加上電壓后，如果電場大于液晶的閾值場強，液晶盒內(nèi)各層的液晶分子其長軸都沿電場其長軸都沿電場U取向而成垂直排列的狀態(tài)，而沒有發(fā)生扭曲。取向而成垂直排列的狀態(tài)，而沒有

47、發(fā)生扭曲。此時入此時入射光方向與液晶光軸方向平行，就如圖射光方向與液晶光軸方向平行，就如圖5.1.5a表示的那樣，沒有發(fā)生雙表示的那樣，沒有發(fā)生雙折射，也沒有速度差。折射，也沒有速度差。 該偏振光方向與起偏器的偏振方向相同，而與檢偏器的成正交狀態(tài)，所該偏振光方向與起偏器的偏振方向相同，而與檢偏器的成正交狀態(tài)，所以被檢偏器阻止，輸出為暗態(tài)，如圖以被檢偏器阻止，輸出為暗態(tài)，如圖5.3.10（b）所示。）所示。 光子學與光電子學 原榮 邱琪 3. 彩色彩色STN-LCD結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工作原理 彩色濾色器是彩色濾色器是LCD實現(xiàn)彩色顯示的關(guān)鍵部實現(xiàn)彩色顯示的關(guān)鍵部件。背光源發(fā)出的白色光經(jīng)液晶像素調(diào)制，件。背光源發(fā)出的白色光經(jīng)液晶像素調(diào)制，通過濾色器后射出不同強度的三基色。根通過濾色器后射出不同強度的三基色。根據(jù)空間混色原理，不同比例三基色光的混據(jù)空間混色原理，不同比例三基色光的混合就可以生成千變?nèi)f化的顏色。合就可以生成千變?nèi)f化的顏色。 三基色點陣排列的方式有品