3.2　液晶光学

液晶分子作为各向异性晶体，具有光学各向异性（光学各向异性的结构具有偏光功能），光学各向异性的根本在于液晶分子具有双折射的特点。

3.2.1　液晶的光学各向异性

根据结晶的光轴特性，晶体可以分为各向同性（等方性）晶体和各向异性（异方性）晶体。各向异性结晶又可分为单光轴晶体和双光轴晶体。光轴又叫光学轴，是光在结晶内传播时，在正交的两个波前进速度相等的方向上的光没有任何光学特性的变化。各向同性晶体，从任何方向上看都不会产生相位差。单光轴晶体，只有从z方向上看才不会产生相位差，从x方向和y方向上看都会产生相位差。双光轴晶体，不会产生相位差的方向有两个。各向同性晶体的折射率关系为nx=ny=nz，单光轴性晶体的折射率关系为nx=ny≠nz，双光轴性晶体的折射率关系为nx≠ny≠nz。图3-5给出了基于折射率椭球的光轴示意图。

图3-5　基于折射率椭球的光轴示意图

常见的液晶多为单光轴晶体。当一束偏振光通过一个单光轴晶体时，会形成两束偏振光，该现象称为双折射。单光轴性液晶的光在x方向传播时折射率为ny和nz，在y方向传播时折射率为nx和nz，在z方向传播时只有一种折射率nx（=ny）。所以，把单光轴液晶的z轴称为光轴。如果光的传播方向不在xyz轴上，一般把振动方向与光轴垂直的光称为正常光（Ordinary Ray，O光），把振动方向与光轴平行的光称为异常光（Extraordinary Ray，E光）。正常光的折射率定义为n⊥，异常光的折射率简记为n∥，双折射率定义为?n=n∥??n⊥。

液晶分子的折射率椭圆球如图3-6所示。在图3-6中，偏振光传播方向k和光轴（z轴）形成一个夹角θ，垂直k方向的平面在折射率椭球上形成一个椭圆平面。无论偏振光沿什么方向传播，正常光的折射率no都对应椭圆的短轴，固定为n⊥，相应的折射率关系如式（3-1）所示。但异常光的折射率ne随光的行进方向而变，对应椭圆的长轴，相应的折射率关系如式（3-2）所示。如果ne>no，则说明光在液晶中的传播速度存在着ve<vo的关系，即寻常光的传播速度大。这种液晶在光学上称为正光性液晶。如果ne<no，则有ve>vo的关系，即异常光的传播速度大。这种液晶在光学上称为负光性液晶。正光性液晶的折射率椭圆球如图3-6（a）所示，相应的折射率关系为no=nx=ny<nz，?n=ne?no>0。负光性液晶的折射率椭圆球如图3-6（b）所示，相应的折射率关系为no=nx=ny>nz，?n=ne?no<0。

图3-6　液晶分子的折射率椭圆球

前面所述的折射率是针对单个液晶分子的。液晶材料中的液晶分子并不是完全的同方向排列，而是存在微小的位置移动的。把液晶分子平均的排列方向定义为指向矢量D。在液晶材料的实际使用时，与D方向平行的折射率定义为n∥，与D方向垂直的折射率定义为n⊥。在不考虑偏振光行进方向的情况下说明单光轴液晶的物性值时，双折射的值指的是（n∥?n⊥），而不是（ne?no）。

液晶折射率的大小受液晶分子结构的影响。液晶之所以有光学异向性，是因为液晶分子具有极化异向性，也就是具有双折射率，从而产生偏光功能。

3.2.2　液晶的偏光特性

液晶的偏光功能来自液晶分子的特殊结构。偏光就是转动光的传播方向，只让某个方向振动的光透过。具有偏光功能的物质分子，必须保证电子密度不会被平均化，相应地有如下三个基本要求：①分子在纵横方向上的电子密度不同，分子的电子密度分布不均形成偶极子力矩（偶极矩）；②物质内的分子方向保持一致；③物质内的分子被锁定不能自由移动。满足以上三个条件且具有偏光功能的物质，主要有一轴性结晶和一轴延伸高分子薄膜。方解石就是一轴性结晶，一轴延伸高分子薄膜的典型代表是偏光板。

光是电磁波，且是一种横波。偏振光的分类图解如图3-7所示。光分为相互正交的电场和磁场，沿着z轴向前传播，在垂直前进方向的平面上，可用电场矢量（末端的点）描述的光称为偏振光。如图3-7（a）所示，光振动的方向和前进的方向构成的平面叫作振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫作线偏振光。普通光源发出的光，振动面不只限于一个固定方向，而是在各个方向上均匀分布，这种光叫作自然光。TFT-LCD利用的是偏振光，除线偏振光外，还有如图3-7（b）所示的圆偏振光和图3-7（c）所示的椭圆偏振光。光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出圆形轨迹时，称为圆偏振光。光矢量端点在垂直于光传播方向的截面内描绘出椭圆轨迹时，称为椭圆偏振光。

图3-7　偏振光的分类图解

根据图3-7所示，光的偏振状态是由光的电场矢量方向和相位共同决定的。如图3-7（a）所示的直线偏振光在x轴和y轴上的投影，可以用Ex成分和Ey成分的波进行定义。如图3-8（a）所示，相互正交的Ex成分的波和Ey成分的波在同一个方向传播，相同时间（以t1、t2、t3、t4时间为序）内各自对应的Ex成分波和Ey成分波合成的矢量端点A、B、C、D都在同一条直线上，没有相位差。如图3-7（b）所示的圆偏振光，分解后的Ex成分波和Ey成分波振幅相同，相位差为90°。如图3-8（b）所示，以t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8时间为序，合成的矢量端点A、B、C、D、E、F、G、H连成一个圆形。如图3-7（c）所示的椭圆偏振光，分解后的Ex成分波和Ey成分波振幅不同，相位差范围为0°～90°。如图3-8（c）所示，以t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7、t8时间为序，合成的矢量端点A、B、C、D、E、F、G、H连成一个椭圆形。椭圆偏振光是一般的偏振光，直线偏振光和圆偏振光是椭圆偏振光的两种特殊情况。圆偏振光和椭圆偏振光都有左旋和右旋之分。在矢量图上，电矢量振动方向逆时针方向旋转的，称为左旋偏振光；反之称为右旋偏振光。图3-8（b）为左旋圆偏振光，图3-8（c）为左旋椭圆偏振光。

图3-8　偏振光的分类分解说明

利用液晶的双折射率控制光的透过是液晶光学的本质。液晶的光学功能是处理经偏光板过滤后的直线偏振光。光在液晶分子中的传播特性如图3-9所示。液晶分子呈椭圆形，长短轴方向上的电子密度不同，具有双折射率。从液晶分子的左侧射入的直线偏振光，与液晶的指向矢D存在一个夹角，把直线偏振光分别在D方向（异常光方向）和垂直D的方向（正常光）进行分解。直线偏振光在通过液晶分子时，分解后的两部分光分别在折射率为ne和no的空间上传播。传播的速度和折射率（ne>no>n空气）成反比，即ve>vo>v空气。在穿出分子重新进入空气的瞬间，两个方向上传播的光产生了相位差。这两个方向的光重新合成后，矢量方向随着时间发生了旋转，形成椭圆偏振光，并在空气中一直保持这个状态向前传播。

图3-9　光在液晶分子中的传播特性