基于改进型分光计的液晶光学特性分析
基于改进型分光计的液晶光学特性分析[20200406130501]
摘要
根据液晶的微观结构和特性，采用Jones矩阵对液晶的旋光效应和选择性反射进行了理论分析，导出了液晶旋光与反射的矩阵表示方法；通过对液晶光栅衍射的分析，推论出液晶衍射的衍射角与光栅常数的关系，进而得到了一系列对液晶衍射特性测量的理论模型。
通过对JJY型分光计的结构及调节方法的分析，利用其精密测量角度的特点，结合偏振器件和波片，拓展了分光计的应用，同时测量光的传播方向和偏振态。利用改进型的分光计测量了超扭曲向列型液晶盒（STN-LCD）的扭曲角，得出液晶在一定的外电场作用下，其内部分子排列会随着电压的改变而不断变化，从而对液晶的旋光效应进行了验证；观测了左旋胆甾型液晶对左旋圆偏振光的选择性反射，通过与右旋圆偏振光的对比，得出了胆甾型液晶只反射与其旋向相同的圆偏振光且反射后旋向反生改变；观察了线偏振光垂直入射到驱动电压为 的液晶盒的衍射条纹，通过测量各级衍射光的衍射角，计算出“光栅”常数；并测定了各级衍射光的偏振态，发现各级衍射光具有不同的偏振特性。对于液晶盒内部分子排列旋向，不仅可以通过扭曲角进行测定，同时由于液晶内部分子排列结构是相同的，可以通过测量反射的圆偏振光的旋向，来判断出液晶盒内部分子的排列旋向。
通过分析液晶的一系列光学性质表明，在改进型分光计上能完整测试液晶的光学性质，并充分发挥出分光计测量精度高的特点。
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关键字:液晶改进型分光计超扭曲向列型旋光反射衍射
目 录
1 引言 1
2 液晶及其光学特性简介 2
2.1 液晶 2
2.1.1 液晶的分类 2
2.1.2 液晶的应用 3
2.2 液晶的电光效应 4
2.3 液晶的光学特性 4
2.3.1 双折射 4
2.3.2 偏振 5
2.3.3 旋光效应 6
2.3.4 衍射 8
2.3.5 选择性反射 10
2.4 本章小结 12
3 分光计简介 13
3.1 分光计 13
3.2 分光计的结构与调节 13
3.2.1 仪器结构 13
3.2.2 仪器调节 14
3.3 分光计的改进 16
3.4 本章小结 17
4液晶光学特性的测试与分析 18
4.1 液晶旋光特性测试 18
4.1.1 扭曲角测量 18
4.1.2 结果与分析 19
4.2 液晶选择性反射特性测试 19
4.2.1 反射特性观察 19
4.2.2 结果与分析 21
4.3 液晶衍射特性测试 21
4.3.1 衍射角与光栅常数测量 21
4.3.2 结果与分析 23
4.3.3 各级衍射光偏振态分析 23
4.4 误差分析 24
4.5 本章小结 25
5 结束语 26
参考文献 27
致谢 29
1 引言
1888年奥地利人F．Reinitcer发现液晶这种物质，在后来的研究中，人们发现：从光学应用上看，液晶与单轴的晶体比较一致，它们都是各向异性的，液晶的内部构造以及各种性质都不同于固体和液体。从基础性质上看，液晶既能够像液体一样随意流动，又可以像晶体一样各向异性，它能够产生双折射、衍射等现象，同时在外界场的作用下，它具有电光、磁光等效应[1]。广泛应用于显示、光通信等领域，随着液晶应用领域的深入，液晶在现代工业产业中的地位不断巩固，加之其巨大的市场需求，液晶在显示领域的应用成为人们研究的热点[2]。
在液晶显示领域的应用中，不同类型的液晶具有的光学特性不一样，它们的优缺点也不同，向列型液晶具有可视偏转角度小、易产生影像拖尾现象、寿命有限等缺点，而超扭曲向列型液晶具有对比度高、不易出现失真现象、且偏振角度大等优点，利用超扭曲向列型液晶对节能、减低辐射、提高画质等有一定的好处。
超扭曲向列型液晶的光学性质非常特殊，它可以对圆偏振光选择性的反射、在特定条件下能够产生很好的衍射现象以及可以对偏振光进行旋光。液晶的这些特性在其应用中都担任着很重要的角色，要更好地分析液晶的这些性质，一方面要测量光的传播方向，另一方面要确定光的偏振态，为此利用分光计能够产生平行光并精确测量角度的特点，结合偏振片、1/4波片等对分光计进行改进，使得改进型分光计具有同时测量角度及判别偏振态的功能，从而方便对液晶光学特性的分析。
通过改进型分光计测量了STN-LCD在驱动电压为 下的扭曲角，从而对液晶盒的旋光效应进行了验证；观测了液晶的选择性反射现象，得到了左旋胆甾型液晶液晶对左旋圆偏振光的选择性反射特性，从而可以根据出射光的旋向来判断液晶内部分子的排列旋向；同时也对液晶盒在驱动电压为 下的衍射进行了观测，获得了STN-LCD的衍射角，并通过公式 ，算出了液晶盒的“光栅”常数，同时对其各级衍射光的偏振态进行了测量与分析，得到了 级、 级衍射光的偏振态。利用改进型分光计测量液晶盒的光学特性，拓宽了分光计在同时测量角度及判别光偏振态方面的应用。
2 液晶及其光学特性简介
液晶出现以来，很多科学家都对液晶的性质展开了广泛深入的探索。液晶的应用遍布各个领域，特别是液晶显示器，应用最为广泛，发展最快速，市场潜力也比较大，所以人们也越来越热衷于对液晶的研究。本章主要介绍了液晶的特点、分类及主要应用，分析了液晶的电光效应和一些典型的光学特性，作为后文液晶特性测试的理论基础。
2.1 液晶
年，奥地利的生物学家 在对有机物的熔点进行测定时，发现某些物质在刚溶化后会是一种白色粘稠状液体，继续加热后又变成透明的液体。 年，德国物理学家 确认这种粘稠状液体拥有各相异性晶体的特性，将它叫做“液晶” [3,4]。后来人们又在此基础上不断研究发展，最后在 年液晶平板显示器出现，液晶的应用开始飞速发展。
2.1.1 液晶的分类
液晶是一种组成单元比较复杂的物质，它是一种中间态，不属于液体也不属于晶体 [5]；由于形成液晶的方式很多，根据形成液晶的这些方式的不同，人们对液晶进行了分类，液晶整体被划分为两种类型，分别是热致液晶和溶致液晶；热致液晶的内部结构是因为温度的变化而形成的，相当于从固体演变而来，这种特殊的形态仅仅在某些温度条件下才会发生；溶致液晶是因为浓度的不同而最终形成的，相当于从液体演变而来[6,7]。
热致液晶由于温度变化促使内部结构改变，而最终结构的排列顺序并不是唯一的，因此该种液晶又有向列型、近晶型和胆甾型之分。
(1) 向列型液晶
向列型液晶又叫丝状液晶，特点是棒状分子平行排列，分子的位置随机但取向是有序的，都朝一个方向，如图2.1(a)所示；向列型液晶可以在三维空间内移动，所以此时的液晶就展现出了液体很好的性质，同时，所有分子指向一样，这使得液晶就像一种单轴的晶体，并拥有该种晶体的特殊性质[8]。
(2) 近晶型液晶
近晶型液晶又叫层状液晶，分子排列成层，且每层分子取向一致，如图2.1(b)所示；这种液晶各层结构之间的相关性不大，即某层结构的移动并不太受其他层次的影响，所以在二维的空间内该液晶的液体特性表现较强[3]。
(a) (b) (c)
图2.1 不同液晶结构图 (a) 向列型液晶 (b) 近晶型液晶 (c) 胆甾型液晶
(3) 胆甾型液晶
胆甾型液晶或叫螺旋状液晶，它是一种经过特殊变化的向列型液晶；该液晶内部构造也是层层分布，且层内的各分子朝向唯一，相互平行，层与层之间指向旋转一定角度，整体呈螺旋状，如图2.1(c)所示；这种液晶结构和性质都比较特殊，不仅具有光学的旋光特性、偏振光二色性而且还表现出晶体的双折射性、偏振光的特殊反射特性[2]。
2.1.2 液晶的应用
液晶的内部结构不稳定，因此可以像液体一样自由改变，在变化时液晶内部分子的指向是唯一的。液晶具有特殊的光学性质，利用这些性质并加以适当组合，液晶可以在很多方面得到应用。将液晶应用到工业生产中首先要能够很好的掌握和控制液晶内部结构的变化，实际应用中多使用液晶薄膜，因为薄膜中的液晶分子结构受外界影响使液晶光学性质的变化较明显，而且这种薄膜液晶较易生产。
液晶最主要的应用是制作显示器件，原理就是液晶分子结构在外界电场作用下改变进而使液晶光学性质改变，使液晶显示器发光、显示不同的颜色。
同时液晶可以用作记忆元件，在某个特定值的时候其从透明状态变化到浑浊状；随着温度的变化液晶的光学性质也会发生改变，利用这种特性，液晶可以用作温度显示，制作液晶温度计。
摘要
根据液晶的微观结构和特性，采用Jones矩阵对液晶的旋光效应和选择性反射进行了理论分析，导出了液晶旋光与反射的矩阵表示方法；通过对液晶光栅衍射的分析，推论出液晶衍射的衍射角与光栅常数的关系，进而得到了一系列对液晶衍射特性测量的理论模型。
通过对JJY型分光计的结构及调节方法的分析，利用其精密测量角度的特点，结合偏振器件和波片，拓展了分光计的应用，同时测量光的传播方向和偏振态。利用改进型的分光计测量了超扭曲向列型液晶盒（STN-LCD）的扭曲角，得出液晶在一定的外电场作用下，其内部分子排列会随着电压的改变而不断变化，从而对液晶的旋光效应进行了验证；观测了左旋胆甾型液晶对左旋圆偏振光的选择性反射，通过与右旋圆偏振光的对比，得出了胆甾型液晶只反射与其旋向相同的圆偏振光且反射后旋向反生改变；观察了线偏振光垂直入射到驱动电压为 的液晶盒的衍射条纹，通过测量各级衍射光的衍射角，计算出“光栅”常数；并测定了各级衍射光的偏振态，发现各级衍射光具有不同的偏振特性。对于液晶盒内部分子排列旋向，不仅可以通过扭曲角进行测定，同时由于液晶内部分子排列结构是相同的，可以通过测量反射的圆偏振光的旋向，来判断出液晶盒内部分子的排列旋向。
通过分析液晶的一系列光学性质表明，在改进型分光计上能完整测试液晶的光学性质，并充分发挥出分光计测量精度高的特点。
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关键字:液晶改进型分光计超扭曲向列型旋光反射衍射
目 录
1 引言 1
2 液晶及其光学特性简介 2
2.1 液晶 2
2.1.1 液晶的分类 2
2.1.2 液晶的应用 3
2.2 液晶的电光效应 4
2.3 液晶的光学特性 4
2.3.1 双折射 4
2.3.2 偏振 5
2.3.3 旋光效应 6
2.3.4 衍射 8
2.3.5 选择性反射 10
2.4 本章小结 12
3 分光计简介 13
3.1 分光计 13
3.2 分光计的结构与调节 13
3.2.1 仪器结构 13
3.2.2 仪器调节 14
3.3 分光计的改进 16
3.4 本章小结 17
4液晶光学特性的测试与分析 18
4.1 液晶旋光特性测试 18
4.1.1 扭曲角测量 18
4.1.2 结果与分析 19
4.2 液晶选择性反射特性测试 19
4.2.1 反射特性观察 19
4.2.2 结果与分析 21
4.3 液晶衍射特性测试 21
4.3.1 衍射角与光栅常数测量 21
4.3.2 结果与分析 23
4.3.3 各级衍射光偏振态分析 23
4.4 误差分析 24
4.5 本章小结 25
5 结束语 26
参考文献 27
致谢 29
1 引言
1888年奥地利人F．Reinitcer发现液晶这种物质，在后来的研究中，人们发现：从光学应用上看，液晶与单轴的晶体比较一致，它们都是各向异性的，液晶的内部构造以及各种性质都不同于固体和液体。从基础性质上看，液晶既能够像液体一样随意流动，又可以像晶体一样各向异性，它能够产生双折射、衍射等现象，同时在外界场的作用下，它具有电光、磁光等效应[1]。广泛应用于显示、光通信等领域，随着液晶应用领域的深入，液晶在现代工业产业中的地位不断巩固，加之其巨大的市场需求，液晶在显示领域的应用成为人们研究的热点[2]。
在液晶显示领域的应用中，不同类型的液晶具有的光学特性不一样，它们的优缺点也不同，向列型液晶具有可视偏转角度小、易产生影像拖尾现象、寿命有限等缺点，而超扭曲向列型液晶具有对比度高、不易出现失真现象、且偏振角度大等优点，利用超扭曲向列型液晶对节能、减低辐射、提高画质等有一定的好处。
超扭曲向列型液晶的光学性质非常特殊，它可以对圆偏振光选择性的反射、在特定条件下能够产生很好的衍射现象以及可以对偏振光进行旋光。液晶的这些特性在其应用中都担任着很重要的角色，要更好地分析液晶的这些性质，一方面要测量光的传播方向，另一方面要确定光的偏振态，为此利用分光计能够产生平行光并精确测量角度的特点，结合偏振片、1/4波片等对分光计进行改进，使得改进型分光计具有同时测量角度及判别偏振态的功能，从而方便对液晶光学特性的分析。
通过改进型分光计测量了STN-LCD在驱动电压为 下的扭曲角，从而对液晶盒的旋光效应进行了验证；观测了液晶的选择性反射现象，得到了左旋胆甾型液晶液晶对左旋圆偏振光的选择性反射特性，从而可以根据出射光的旋向来判断液晶内部分子的排列旋向；同时也对液晶盒在驱动电压为 下的衍射进行了观测，获得了STN-LCD的衍射角，并通过公式 ，算出了液晶盒的“光栅”常数，同时对其各级衍射光的偏振态进行了测量与分析，得到了 级、 级衍射光的偏振态。利用改进型分光计测量液晶盒的光学特性，拓宽了分光计在同时测量角度及判别光偏振态方面的应用。
2 液晶及其光学特性简介
液晶出现以来，很多科学家都对液晶的性质展开了广泛深入的探索。液晶的应用遍布各个领域，特别是液晶显示器，应用最为广泛，发展最快速，市场潜力也比较大，所以人们也越来越热衷于对液晶的研究。本章主要介绍了液晶的特点、分类及主要应用，分析了液晶的电光效应和一些典型的光学特性，作为后文液晶特性测试的理论基础。
2.1 液晶
年，奥地利的生物学家 在对有机物的熔点进行测定时，发现某些物质在刚溶化后会是一种白色粘稠状液体，继续加热后又变成透明的液体。 年，德国物理学家 确认这种粘稠状液体拥有各相异性晶体的特性，将它叫做“液晶” [3,4]。后来人们又在此基础上不断研究发展，最后在 年液晶平板显示器出现，液晶的应用开始飞速发展。
2.1.1 液晶的分类
液晶是一种组成单元比较复杂的物质，它是一种中间态，不属于液体也不属于晶体 [5]；由于形成液晶的方式很多，根据形成液晶的这些方式的不同，人们对液晶进行了分类，液晶整体被划分为两种类型，分别是热致液晶和溶致液晶；热致液晶的内部结构是因为温度的变化而形成的，相当于从固体演变而来，这种特殊的形态仅仅在某些温度条件下才会发生；溶致液晶是因为浓度的不同而最终形成的，相当于从液体演变而来[6,7]。
热致液晶由于温度变化促使内部结构改变，而最终结构的排列顺序并不是唯一的，因此该种液晶又有向列型、近晶型和胆甾型之分。
(1) 向列型液晶
向列型液晶又叫丝状液晶，特点是棒状分子平行排列，分子的位置随机但取向是有序的，都朝一个方向，如图2.1(a)所示；向列型液晶可以在三维空间内移动，所以此时的液晶就展现出了液体很好的性质，同时，所有分子指向一样，这使得液晶就像一种单轴的晶体，并拥有该种晶体的特殊性质[8]。
(2) 近晶型液晶
近晶型液晶又叫层状液晶，分子排列成层，且每层分子取向一致，如图2.1(b)所示；这种液晶各层结构之间的相关性不大，即某层结构的移动并不太受其他层次的影响，所以在二维的空间内该液晶的液体特性表现较强[3]。
(a) (b) (c)
图2.1 不同液晶结构图 (a) 向列型液晶 (b) 近晶型液晶 (c) 胆甾型液晶
(3) 胆甾型液晶
胆甾型液晶或叫螺旋状液晶，它是一种经过特殊变化的向列型液晶；该液晶内部构造也是层层分布，且层内的各分子朝向唯一，相互平行，层与层之间指向旋转一定角度，整体呈螺旋状，如图2.1(c)所示；这种液晶结构和性质都比较特殊，不仅具有光学的旋光特性、偏振光二色性而且还表现出晶体的双折射性、偏振光的特殊反射特性[2]。
2.1.2 液晶的应用
液晶的内部结构不稳定，因此可以像液体一样自由改变，在变化时液晶内部分子的指向是唯一的。液晶具有特殊的光学性质，利用这些性质并加以适当组合，液晶可以在很多方面得到应用。将液晶应用到工业生产中首先要能够很好的掌握和控制液晶内部结构的变化，实际应用中多使用液晶薄膜，因为薄膜中的液晶分子结构受外界影响使液晶光学性质的变化较明显，而且这种薄膜液晶较易生产。
液晶最主要的应用是制作显示器件，原理就是液晶分子结构在外界电场作用下改变进而使液晶光学性质改变，使液晶显示器发光、显示不同的颜色。
同时液晶可以用作记忆元件，在某个特定值的时候其从透明状态变化到浑浊状；随着温度的变化液晶的光学性质也会发生改变，利用这种特性，液晶可以用作温度显示，制作液晶温度计。
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