铁电液晶功能器件电路模型的应用研究

摘要

铁电液晶(Ferroelectric Liquid Crystal：FLC)具有高响应速度、高对比度、高分辨率和大容量信息显示等特点，在显示、光互联和光信息处理等领域均具备良好的应用前景。因此，关于FLC器件各种光电效应的预测和优化，以及对其驱动电路和电压波形设计的研究具有重要的理论意义和应用价值。 区别于通常采用的数值模型方法，本文提出采用等效电路模型方法预测和优化FLC的各种非线性光电效应。依据其物理模型，建立了眦的等效电路模型。该模型体现了极化反转电流、铁电扭矩与介电扭矩间的竞争以及定向层的表面锚定作用等物理机制，能够有效地对FLC的电光开关效应、记忆特性、介电各向异性下的光电效应等进行模拟。随后通过对模型的拓展，提出了体现阻抗匹配效应的FLC等效电路模型，并将其应用于目前受广泛关注的V字型光电效应的研究中。最后进一步拓展等效电路模型，根据光寻址空间光调制器(Optically Addressed Spatial Light Modulator：OASLM)的一种典型结构建立了FLC-OASLM的等效电路模型。利用文中提出的等效电路模型，针对JOERS.ALVEY寻址方式中的τ-Vmin模式与交流稳态技术、优化迟滞反转频率和FLC-OASLM的灰度响应特性等，对系统的驱动电路和驱动电压波形进行了设计。 本文的主要研究内容是：①针对FLC的基本光电效应，模拟分析了记忆特性、典型参数对响应速度的调制作用以及介电各向异性下的光电效应等，并就JOERS-ALVEY寻址方式的τ-Vmin模式及交流稳态技术设计了驱动电压波形。②针对FLC的V字型光电效应，就V字型效应是否伴随着输出光强电光迟滞方向的反转且仅能在某一特定频率(记为迟滞反转频率)下观察到，输出光强作为液晶层压降的函数时是否始终存在电光迟滞现象，以及典型参数对迟滞反转频率的调制作用给出了模拟结果和分析，并以优化迟滞反转频率为目的设计了驱动电路。③针对FLC-OASLM的光电效应，给出了控制信号对响应速度的调制作用、擦除光的功能以及灰度响应特性等的模拟结果和分析，并以优化灰度响应特性为目的设计了驱动电压波形。 研究结果表明：①FLC具有良好的记忆特性；响应速度随转动粘滞系数、接触面积和液晶层厚度的提高而减慢，但随自发极化强度的提高而加快：在正、负性介电各向异性情况下，响应都将随着电压幅度的增加而截止；采用设计的驱动电压波形，实现了τ-Vmin模式的操作及交流稳态技术提高输出光对比度和完成开关响应状态的功能。 ②V字型光电效应伴随着输出光强电光迟滞方向的反转且仅能在迟滞反转频率下观察到；输出光强作为液晶层压降的函数时始终存在电光迟滞现象：迟滞反转频率与液晶层电导的平方根呈准线性关系，随三角波驱动电压峰值的增加而提高，随自发极化强度的变化存在最大值，且在人字纹层结构下迟滞反转频率随液晶层电导、三角波峰值和自发极化强度的变化趋势与在书架式层结构下相同，但频率值更高；采用针对优化迟滞反转频率设计的驱动电路后该频率值较未接入驱动电路时提高了三个量级。 ③FLC-OASLM的响应速度随写入光强度和驱动电压幅度的增加而提高，随擦除光强度和电压频率的增加而减慢；擦除光具有擦除旧信息、抑制非期望输出光强和调节响应速度的功能；在本文参数条件下，采用与VIN<0同步的控制光作为写入光可以得到较好的灰度响应特性，反之则显示良好的开关效应，且灰度响应特性对电压频率十分敏感；采用针对优化灰度响应特性设计的驱动电压波形，得到了超过十级的灰度输出。综上所述，论文提出的等效电路模型不仅能够有效地预测和分析FLC器件的各种光电效应，而且能够有效地对驱动电路和驱动电压波形进行优化设计，对FL光电器件及系统的模拟研究有着重要的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文的选题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容及课题来源

第二章FLC的基本理论和等效电路模型的建立

2.1表面稳定模式铁电液晶

2.2 FLC盒的层排列结构

2.3 FLC盒的工作原理

2.4参考坐标系

2.5 FLC的动力学方程

2.5.1铁电扭矩

2.5.2介电扭矩

2.5.3表面锚定扭矩

2.5.4弹性扭矩

2.5.5粘滞扭矩

2.6极化反转电流

2.7 FLC等效电路模型的建立

第三章FLC基本光电效应的模拟结果和分析

3.1记忆特性

3.2典型参数对响应速度的调制作用

3.3介电各向异性情况下的光电效应

3.3.1正性介电各向异性

3.3.2负性介电各向异性

3.4 JOERS-ALEVY寻址方式

3.4.1 τ-Vmin模式

3.4.2交流稳态技术

第四章V字型光电效应的模拟结果和分析

4.1 V字型光电效应及其理论模型

4.1.1 随机模型

4.1.2静电模型

4.1.3阻抗匹配模型

4.2体现阻抗匹配效应的FLC等效电路模型

4.3本章模拟参数

4.4 V字型效应产生机制的探讨

4.5典型参数对迟滞反转频率的作用

4.6针对优化迟滞反转频率的驱动电路设计

第五章FLC-OASLM光电效应的模拟结果和分析

5.1 FLC-OASLM的结构

5.2 FLC-OASLM等效电路模型的建立

5.3本章模拟参数

5.4控制信号对响应速度的调制作用

5.5擦除光的功能分析

5.6 OASLM的灰度响应特性

5.7灰度级设计实例

5.7.1写入脉冲宽度与擦除脉冲宽度的作用

5.7.2写入脉冲高度与擦除脉冲高度的作用

5.7.3脉冲延迟时间的作用

第六章结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文