液晶基础知识
1、今天我们将要讨论的是关于液晶的基础知识。
2、我们先大致了解一下液晶分子，然后仔细研究一下使液晶工作的电特性和光特性：先讲电介质的各向异性；再谈液晶对电场的响应；之后是液晶分子的双折射光学特性；然后是偏光镜，最后再了解一下三种最具商业价值的工作模式：扭曲向列型、IPS、MVA。
4、液晶分子有很多种，这是其中的一种。总体上讲，在一个液晶面板中由是很多种液晶分子组成的混合物，提供许多附加的特性，但本质上都是一个具有坚硬头部和柔韧尾部的长圆柱体分子。它坚硬的头部在室温下是结晶态，但由于那个柔韧的尾部在室温下的摆动阻止液晶分子凝结成为固体。这种结构赋予它与众不同的熔融特性，它是介于晶体和液体之间的状态。
5、液晶有许多种类，这里的几种是最主要的，近晶型、胆甾型和向列型。我们将主要的精力集中在向列型液晶上，就是右边的这种。它是到目前为止用在显示技术上最重要的原材料，包括扭曲向列型、IPS和MVA模式。
6、向列型液晶的排列： 如图中左侧的这幅图所示：这是一个椭圆柱形的液晶分子。它可以在任何方向平移，它可以如图所示在x轴方向自由的向前或向后的横向移动，包括纸面所示的向上和向下以及向里和向外的方向。它甚至可以在长轴方向旋转。它在图中y轴和z轴方向不可以自由的摆动和旋转。它被它邻近的分子所限制。这个分子所有的邻近都是顺着它排列的，当它试图在y和z方向摆动时，会撞到它的邻居，所以受到了限制。
这就是基本的模型，你所看到的这些是它的液体方面的特性。
首先，它可以在任何方向平移，它可以在其中的一个方向旋转，但在另外两个方向的旋转被限制，这就决定了它的晶体特性，所以它是液晶，在两者之间的混合物。
7、现在让我们讨论一下液晶分子的电特性模型。分子在电场中通常会充电，之后被极化。在电场的影响下分子产生的特殊电子云分布会使分子产生形变。当对分子加一个横向的电场，它将会极化。对于各向同性的介质，在各个方向的极化是相等的，不会考虑电场的方向性。可以得到相同的极化结果，所以这个极化结果在这幅图中称为‘P’。它是一个矢量，充电后最终得到一个对准电场方向的正、负两极。有些分子可以极化，几乎所有分子的极化在不同方向是不同的，但通常在一种液体或非晶体中，所有的分子是随机指向任何方向的，所以总体上得到一个各向同性的结果。
8、但是在晶体中可以得到各向异性的结果。在三个有效方向中可以得到其中一个方向的极化效果好于另外两个方向。Two of them, it’s going to turn out to average
together, we’ll see that in a minute.
你能看到的是：当电场方向平行于长轴方向时，分子的极化效果非常的好；但当电场方向平行于分子短轴方向时，它的极化效果并不是很好。这就是引起液晶许多特性的电介质各向异性。
9、它是怎样工作的呢？当一个液晶分子可以自由的旋转，它有一个主要轴和两个次要轴。分子的旋转允许它的两个次要轴相互平均，这就是这副图试图展示给你的：垂直介电常数是两个垂直介电常数的平均值。它可以极化，并且它通常是极化的，这两个中的一个稍微好于其它的方向。但是因为它的自由旋转，它的平均化，使得它实际上具有两个介电常数，这就是液晶分子所具有的特性。这个阶电常数是ε，或者是平行于长轴的εparallel，或者是垂直于长轴的εperpendicular。
10、那么现在我们该怎样做呢？
首先，我们认识到这个分子在电场中会经历转动，因为它在长轴方向的极化要好于其它方向。我们来看转动是怎样产生的。在这种情况下，当这个分子稍微横向于电场时，由于分子极化，其中一端会带正电，并且由于库仑力（qE）的作用，会被吸引到电场的负极方向。相反的，分子的负极一端会被吸引到电场的正极。这就会造成分子的转动。
事实上，由于有两个介电常数、两个极化轴，将会产生一个转动的竞争。所以会产生一个使长轴平行于电场方向的转动和一个使短轴平行于电场方向的转动，由于长轴方向极化效果更好，所以这个方向的转动会获胜。
11、在这幅图中可以看到一个你所期待的描述转动的公式。我们来看详细资料：
首先，要依靠两个介电常数的不同。如果两个轴的介电常数是相同的，那就不会得到转动效果，因为试图从两个方向拉它的力相同，而最后只能得到都拉不动的结果。
知道了这个结论后，就可以推出两个方向的介电常数的差别越大，两个方向的极化矢量差别就越大，在相同电场下得到的转动就越多。这样，我们可以通过扩大两个介电常数的方法以低电压驱动液晶。
插一句：液晶有温度依赖性：当温度升高后液晶分子的摆动会更多，顺便提一下，当温度升高过多，液晶会旋转而变成液体，这个温度称为清亮点。在低于清亮点高于结晶温度时，液晶是在一个中间状态，当温度上升后它有了更多的摆动，致使有效介电常数ε下降。所以液晶有一定的温度依赖性。同时我们可以从这个等式中看到它依赖于电场强度的平方。这是一个重要的结论。 它意味着液晶的极化不取决于电场的极性。因为转动取决于电场的平方，所以无论电场的分布是从上到下还是从下到上，都会得到同样的结果。
它说明我们可以将这些转动都平均，我不仔细讲这里了，但大体上我们可以认为液晶依赖于均方根值。它的转动可以由施加的电场强度的均方根值得出。
因此，因为液晶感应电场，液晶分子的排列、转动取决于施加电压的平方或均方根值。这是一个重要的特性，因为我们可以通过对液晶施加正极性和负极性的电压而得到相同的转移特性。
下面我们将要细致的讨论光学传输特性，但是它的响应不依赖于电压的极性，我们能够改变电压的极性，这就意味着可以使施加于液晶电压的直流分量为零。这就可以使悬浮在纯净液晶中微粒变纯，但是通常会有一些离子的存在而不纯。and that keeps particles that are suspended in this intended to be pure liquid crystal,这些离子是由于电离产生的。
电离的结果使会影响电光特性曲线，会产生称之为“图像暂留”或“图像保持”的现象。最终我们看到的是角度关系而影响画质。
显然，由于电场使得分子的角度转动。特殊情况是，当分子顺着电场时，不会发生转动；而当它垂直于电场时也不会发生转动。所以，需要给分子一个预倾角，使得较大的极化矢量，那个长轴，当它加上电压时具有产生一个强有力的转动。
这些要素是理解液晶特性的重要要素。
12、现在，我描述了为了使液晶分子转动需要什么：施加一个外部电场我们可以使液晶分子转动。但什么可以使液晶恢复？
它是一个弹性系统，分子有一个稳态位置，必须增加一个转动力矩使它偏离稳态位置。向列型液晶在稳态位置就像雪茄放在盒子里一样，有三个弹性常量确保它固定在这个位置，液晶分子在电场作用下发生形变后，这三个弹性常量使液晶分子恢复到稳态位置。
13、这三个弹力是：弯曲、扭曲、张力。由这张图可以看到这三个弹力。
你可以想象一下，将一条液晶分子弯曲，它会像一条橡皮一样弹回到原来的位置。
你同样可以想象将它扭曲，也会弹回原来的位置。对于张力不容易想象，但如果你可以试着拉一条橡皮使它分离，这就是张力。这三个弹性常量是使被外部电场转动的液晶分子恢复稳态的恢复弹力。
由此我们可以很合理的理解一个液晶分子如何在外部电场作用下转动，之后又在没有外部电场的情况下恢复到它的初始位置的。
14、但是我们如何使它显示？现在我们就必须先将分子电特性模型放在一边，来研究一下光学领域，即电光传输特性。
15、我们先回顾一下折射。当光线穿过一种材料，由于折射率的关系，它的传播速率会变化。有传播速率慢的材料也有传播速率快的材料，这个原理在光学上用来改变光线传播方向。
有一个界面，在界面一边是低折射率的材料，如空气；另一边是高折射率的材料，如玻璃。可以让光线从界面上穿过，一部分光线的速率不变，另外一部分光线的速率下降，并引起光线传播方向的改变。但这并不是我们用在液晶上的，我们使用的是偏光面。首先我们先了解一下光通过一种材料时的它的波长变化。
在这幅图中我们可以看到从两个相同光源发出的两束相干光波通过折射率为N0的材料，它们是同频同相的。在这幅图上部的这束光在X方向通过折射率为n1的材料；在下部是同样的光波通过折射率为n2的材料。当它们从折射率为n1和n2的材料中传出，回到原来的材料中。这时你注意到了什么？如果你仔细看的话？光线通过界面时的点不同。换句话说，上下两个波形在穿过界面时的相位是不同的。
这个相位的不同正是我们用在液晶方面的。我们想说的是它有一个不同的光学轨迹。也就是说，如果光学轨迹相同，则相位是相同的。我们假设在两个波长不同的光波中，其中一个的光学轨迹长或短于另外一个，就能得到不同的相位。
16、现在，让我们再回头谈一下液晶分子。就像我们前面说过的，液晶分子有三个轴方向的介电常数，其中两个的介电常数近似的相等。对于穿过液晶分子光波的波长具有同样的原理。两个方向的折射率是不同的，沿着长轴方向的折射率要比沿着短轴方向的折射率大。就像介电常数一样，我们将这种现象称为双折射现象。
液晶分子具有两个折射率，在电学领域我们称为电介质的各向异性，而在光学领域我们称为双折射。无论如何,当光波穿过时，在不同方向具有不同的速率这是液晶分子的一种自然属性。我们将要利用这种性质来旋转偏振光的偏振面。
17、让我们先来了解偏振光是如何穿过一种介质的。偏振光的意思是指光波的振动方向是沿着一个轴振动的。光波的振动分为电场分量和磁场分量，在这里我们只对它的电场分量感兴趣，我们仅需要注意光的这种电场特性。
偏振光的振动只在一个方向，也就是仅在一个偏振面上。如果将这个偏振面注入到一种具有慢速轴和快速轴的介质中，这个偏振面就会发生旋转。我们可以将电场分量分为快速轴方向和慢速轴方向的两个矢量。由于快速轴的竞争能力强与慢速轴，所以就会将偏振面旋转。这副图想要说明的是，当光波最初进入这种介质时，它的振动方向是－45°，而当它通过这种介质后，它的振动方向旋转到了＋45°，当它射出这种介质时它的偏振面旋转了90°。所以，具有快、慢两种折射率的介质，具有双折射现象，它能够旋转偏振面。
18、现在让我们了解一下白色随机偏振光。从白炽灯泡或者其他光源发出的光波都是在所有方向振动，具有所有方向的偏振角度。我们需要使用的仅是其中的一个偏振角度。我们可以用偏光片使在所有方向振动的光波变为只在一个方向振动的偏振光。现在我们看一下偏光片的效果。偏光片仅能通过一个振动方向的光，换句话说，它会让一个振动方向的光波通过而吸收与它的振动方向垂直的光波。
19、换句话说，线性偏光片会让在一个方向振动的光通过而吸收与它的振动方向成90°的光波。可以将任意方向振动的光波分为平行和垂直于偏振方向的两个分量，平行分量会通过偏光片而垂直分量会被偏光片吸收。这幅图中所展示的就是相对偏光片偏振方向来说是不同振幅不同振动方向的光波通过偏光片后只有平行于偏光方向的分量通过。理论上会有50％的光通过而有50％的光被吸收。但实际上，只有接近42％的光透过。对于LCD，我们首先需要做的，是由一个背光系统产生白光，让这些白光通过偏光片，会有50％以上的光被吸收。
20、用这种方法我们就可以制作一个显示器了：我们要有一个在所有方向振动的白色光源，让它通过一个线性偏光片后变成仅在一个方向振动的线性偏振光。这种线形偏振光是将自然光变为线形偏振光的。在这种光波中，少于初始值50％的光波通过偏光片。之后进入一种具有双折射性质的介质中。这种介质具有慢速轴和快速轴。当光波进入这种介质后，会有沿着慢速轴方向的分量和沿着快速轴方向的分量。当光波穿过这种介质后，我们就会看到前面讲过的偏振面的旋转。光波在进入介质前的偏振面是线形偏光片的方向，但由于液晶这种具有双折射性质的作用，当它射出液晶层之前,它的偏振面方向已经被液晶旋转了一定的角度。这时，如果液晶层的另外一端有一个在光学上称之为检偏片的偏光片，光波的一部分就会被吸收。同样也可以将光波分为两个相互垂直的分量，一个分量平行于检偏片的方向，另外一个分量垂直于它。当然，垂直于检偏片方向的分量会被吸收，而另外一个分量通过了检偏片。由此我们得到了通过第二个偏光片的光波，这个光波的振动方向与初始的振动平面相同，但由于部分被吸收，它的振幅降低了。
由此可知，如果我们想办法将光波在液晶层旋转的角度调制为90°，那么光波将会在第二片偏光片处被完全吸收，从外面看起来就是暗场。如果完全不旋转光波的偏振面，那它会完全透过第二个偏光片，从外面看起来就是亮场。控制偏振面旋转角度的就是具有双折射性质的液晶层，是液晶层相对光波传播方向的排列方式。
21、现在让我们看一看如何构造一个液晶显示系统。在这副图中是液晶层的表面，这里具有液晶的取向结构。这个取向层是在一层有机高分子薄膜（聚酰亚胺）上，用绒布类材料高速摩擦得到的。可以将它想象为一些槽，这些槽有的很宽，并不起作用，但有些槽的宽度与液晶的宽度是相近的，这样就可以起到将液晶分子固定取向的作用。之后就是制造一层液晶，将液晶灌注到取向层的表面，液晶的长轴会自然的对准取向层上摩擦出来的方向。这个将液晶分子固定取向的过程是制造液晶显示器的第一步。现在，这个附加层固定在表面后，向列型液晶层就建立起来了。下一层液晶分子将要铺在这层液晶上面。就像这样，第一层液晶分子以固定的取向铺在取向层上，第二层液晶分子铺在第一层上，逐步积累，形成一个立体的液晶层，形成了这种向列型规则。
22、现在来看一看扭曲向列型液晶显示器的结构。在底部将液晶分子对准取向层的表面，分子的长轴的方向是垂直于纸面的。而在顶部液晶分子有了90°的扭曲，它的长轴方向是平行于纸面的。这里我们不过多的讨论这个90°的扭曲。这个扭曲属于力学的扭曲，不是偏光面的旋转。
从这幅图中可以看出，可以将这个空间划分出不同的区域，可以用电场控制每一个区域，这些不同的区域称之为象素或者叫子象素。可以将彩色滤光片放在每个子象素的后面，当光透过时，可以得到不同的颜色。当放上红、绿、蓝三种颜色的滤光片后，就可以组成全彩色的显示器了。
