共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器中降低離軸漏光的光學(xué)補(bǔ)償方法

1、共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器中降低離軸漏光的光學(xué)補(bǔ)償方法目前，液晶顯示器（LCD）和有機(jī)發(fā)光二極管顯示器（OLED）是最為廣泛的顯示設(shè)備1-4。近年來(lái)，OLED的市場(chǎng)迅速增長(zhǎng)，面對(duì)新型顯示技術(shù)的挑戰(zhàn)，液晶顯示器需不斷提高其顯示技術(shù)。液晶顯示器的顯示技術(shù)包括亮度、響應(yīng)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)電壓、色彩表現(xiàn)、對(duì)比度等。在各種液晶顯示模式中，共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器（IPS-LCD）有著最寬的視角特性，原因是液晶分子最初均勻排列在基板上呈現(xiàn)暗態(tài)，在電極產(chǎn)生的平行于基板的平面電場(chǎng)內(nèi)水平旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)亮態(tài)5-7。IPS-LCD的特點(diǎn)是液晶盒被夾在兩個(gè)相互垂直的線性偏振片之間。當(dāng)光垂直入射時(shí)，處于暗態(tài)的LC層沒有調(diào)制從起偏器入射的線偏振光的

2、偏振態(tài)。線性偏振光完全被正交的檢偏振器吸收，得到很好的暗態(tài)。LCD中漏光的主要原因是斜入射方向兩個(gè)偏振片吸收軸之間有效角度的變化，特別是正交偏振片的角平分線方向，兩個(gè)正交偏振片的吸收軸之間有效角度的變化最大，在此方位角上的暗態(tài)漏光最大，因此稱該方位角方向的漏光為離軸漏光8。為了得到高質(zhì)量的斜入射角度的暗態(tài)圖像，人們提出了使用光學(xué)補(bǔ)償膜進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償來(lái)降低離軸漏光9-15。使用雙軸膜來(lái)降低暗態(tài)漏光，可以得到很好的效果，但是雙軸膜制作困難，成本較高。研究者又提出了單軸膜補(bǔ)償方案，單軸膜制作簡(jiǎn)單，但是單軸膜具有一定的色散，會(huì)導(dǎo)致暗態(tài)的輕度漏光?，F(xiàn)有的模擬研究中一般只針對(duì)單波長(zhǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，如550 n

3、m光可以得到很好的視角特性，就認(rèn)為具有了很好的白光視角特性，但實(shí)際上不同波長(zhǎng)的光在不同補(bǔ)償方案中的視角表現(xiàn)差別很大，因此需要詳細(xì)研究可見光的暗態(tài)漏光和視角特性。本文使用TechWiz軟件研究了8種補(bǔ)償膜方案在可見光下的離軸漏光。雙軸膜補(bǔ)償可以很好地降低暗態(tài)漏光，多個(gè)單軸膜補(bǔ)償也可以得到一個(gè)漏光接近于零的暗態(tài)。2 液晶模式和離軸漏光模擬計(jì)算中使用的是正性液晶，其參數(shù)為：彈性常數(shù)k11=9.6 pN，k22=5.3 pN，k33=11.6 pN，介電各向異性=8.2，n=0.098 7。液晶層厚度為 4 m，偏光片參數(shù)為：ne=1.5+1.92910-3i，no=1.5+4.53510-5i，偏光

4、片的厚度為230 m。IPS類型液晶顯示器包括傳統(tǒng)IPS模式和邊緣場(chǎng)開關(guān)（FFS）模式，如圖1所示。FFS模式相對(duì)于傳統(tǒng)的IPS模式來(lái)說(shuō)，解決了電極上方透過(guò)率低的問題，其顯示原理與傳統(tǒng)IPS模式基本相同。本文中僅對(duì)顯示器的暗態(tài)漏光進(jìn)行模擬計(jì)算，亮態(tài)使用FFS電極驅(qū)動(dòng)的亮度視角圖。圖1IPS顯示原理。（a）IPS模式；（b）FFS模式。Fig.1IPS display principle. （a） IPS mode； （b） FFS mode.圖2（a）是無(wú)補(bǔ)償膜時(shí)的暗態(tài)漏光特性。光線正入射時(shí)，暗態(tài)透過(guò)率遠(yuǎn)低于0.01%。隨著觀看視角增大，暗態(tài)漏光逐漸增大，當(dāng)=57時(shí)，暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)了1%。圖2

5、（b）是FFS-LCD的亮態(tài)視角圖，可以看到亮態(tài)透過(guò)率是非常均勻的。圖3所示為無(wú)補(bǔ)償膜時(shí)的對(duì)比度視角圖，在極角20的范圍內(nèi)等對(duì)比度達(dá)到了1 0001。超過(guò)極角37的區(qū)域等對(duì)比度則低于1001。原因是在斜視角下離軸漏光強(qiáng)烈，所以降低離軸漏光是提高顯示器視角性能的重要途徑。圖2等透過(guò)率視角圖。（a）暗態(tài)透過(guò)率；（b）亮態(tài)透過(guò)率。Fig.2Iso-transmittance contours.（a） Dark state； （b） Bright state.圖3等對(duì)比度圖Fig.3Iso-contrast ratio3 補(bǔ)償方案3.1雙軸膜的補(bǔ)償方案圖4（a）是Saitoh等人提出的一個(gè)雙軸膜降低斜

6、視角漏光的結(jié)構(gòu)示意圖16。雙軸膜的光軸（x方向）平行于檢偏器的吸收軸，它的延遲值和Nz分別是185 nm和0.5。其中Nz=(nxnz)/(nxny)（nx、ny、nz分別為x、y、z方向的折射率）。圖4（b）是Takahiro Ishinabe等人提出的使用兩種不同折射率的雙軸膜降低離軸漏光的結(jié)構(gòu)示意圖17。兩個(gè)雙軸膜的光軸都平行于檢偏器的吸收軸，兩個(gè)雙軸膜的延遲值分別是73 nm和26 nm。它們Nz分別是0.35和0.55，表1是這些雙軸膜折射率的具體參數(shù)。圖4一個(gè)雙軸膜（a）和兩個(gè)雙軸膜（b）的補(bǔ)償方案結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4Schematic diagram of compensatio

7、n scheme using single biaxial film （a） and two biaxial films （b）表1雙軸膜的折射率參數(shù)Tab.1Biaxial retardation film parametersnxnynzBiaxial-0.51.5111.509 51.510 25Biaxial-0.351.502 81.51.501 8Biaxial-0.551.513 51.506 751.509 75令LC層的預(yù)傾角為0，計(jì)算的光波長(zhǎng)范圍為450650 nm。使用TechWiz 1D模擬軟件計(jì)算暗態(tài)的等透過(guò)率圖，結(jié)果如圖5所示，等對(duì)比度視角結(jié)果如圖6所示。圖5暗態(tài)透

8、過(guò)率視角圖。（a）一個(gè)雙軸膜；（b）兩個(gè)雙軸膜。Fig.5Iso-transmittance contours of the dark states for （a） single biaxial film and （b） two biaxial films圖6等對(duì)比度視角圖。（a）一個(gè)雙軸膜；（b）兩個(gè)雙軸膜。Fig.6Iso-contrast ratio for （a） single biaxial film and （b） two biaxial films如圖5所示，使用一個(gè)雙軸膜，在極角大于46時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。而使用兩個(gè)雙軸膜，極角大于50時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。如圖6

9、（a）所示，使用一個(gè)雙軸膜，在極角46范圍內(nèi)等對(duì)比度為1 0001。如圖6（b）所示，使用兩個(gè)雙軸膜，在極角52范圍內(nèi)等對(duì)比度為1 0001。兩個(gè)雙軸膜降低離軸漏光的效果明顯優(yōu)于單個(gè)補(bǔ)償膜的效果，這是由于兩個(gè)雙軸膜的波長(zhǎng)色散可以互相補(bǔ)償，從而降低離軸漏光。使用雙軸膜可以有效降低離軸漏光，但是雙軸膜的制作難度高，生產(chǎn)成本較高。為了平衡成本和補(bǔ)償效果，研究者提出了使用單軸膜的補(bǔ)償方案。3.2單軸膜的補(bǔ)償方案單軸膜的種類有+A、-A、+C、-C膜，這些補(bǔ)償膜的不同組合有著不同的補(bǔ)償方案和效果。如+A-A18、+A+C19、+A+C+A20，用單軸膜組成的補(bǔ)償方案同樣可以用于降低離軸漏光。文中使用的單

10、軸膜的參數(shù)如表2，負(fù)性膜ne=1.52，no為表中正性膜的ne的數(shù)值。表2單軸膜的折射率參數(shù)Tab.2Uni-axial retardation film parametersne（no=1.52）450 nm550 nm650 nmFirst +A1.52 1081.5211.52 097Second +A1.52 1661.5211.52 039+C1.52 1051.5211.52 096圖7（a）是用一個(gè)+A膜和一個(gè)-A膜來(lái)降低離軸漏光的結(jié)構(gòu)示意圖。其中+A膜的光軸平行于檢偏器的吸收軸，-A膜的光軸垂直于檢偏器的吸收軸。它們的延遲值都是93 nm。圖7（b）是+A+C補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)示意

11、圖。+A膜的光軸平行于檢偏器的吸收軸。它們的延遲值分別是141 nm和91 nm。圖7（c）是+A+C+A補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)示意圖。位于+C膜之下的+A膜的光軸平行于檢偏器的吸收軸，位于+C膜之上的+A膜的光軸垂直于檢偏器的吸收軸。兩個(gè)+A膜有著相同的折射率且延遲值都是92 nm。+C膜的延遲值是 152 nm。圖7單軸補(bǔ)償膜方案結(jié)構(gòu)示意圖。（a）+A-A；（b）+A+C；（c）+A+C+A。Fig.7Schematic diagram of compensation scheme using uniaxial films. （a）+A-A； （b） +A+C； （c）+A+C+A.3種方案的暗態(tài)

12、透過(guò)率計(jì)算結(jié)果如圖8所示。圖8（a）中，+A-A補(bǔ)償方案在極角大于38時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。圖8（b）中，+A+C補(bǔ)償方案在極角大于37時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。圖8（c）顯示了+A+C+A補(bǔ)償方案在極角大于37時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。3種方案的等對(duì)比度計(jì)算結(jié)果如圖9所示。圖9（a）是+A-A補(bǔ)償方案的等對(duì)比度視角圖。圖中可以看出在極角39范圍內(nèi)等對(duì)比度為1 0001。圖9（b）是+A+C補(bǔ)償方案的等對(duì)比度視角圖，圖中可以得到等對(duì)比度在極角為36范圍內(nèi)為1 0001。圖9（c）是+A+C+A補(bǔ)償方案的等對(duì)比度視角圖，在極角為39范圍的等對(duì)比度為1 0001。這3種使用單軸膜的補(bǔ)償方

13、案雖然能夠在一定程度上減弱斜視角下的離軸漏光，但是因?yàn)楸∧け旧砭哂幸欢ǖ牟ㄩL(zhǎng)色散，且在方位角為45、135、225、315時(shí)暗態(tài)漏光值依舊不小。圖8暗態(tài)透過(guò)率視角圖。（a）+A-A；（b）+A+C；（c）+A+C+A。Fig.8Iso-transmittance contours of the dark states of （a） +A-A， （b） +A+C and （c）+A+C+A configuration.圖9等對(duì)比度圖。（a）+A-A；（b）+A+C； （c）+A+C+A。Fig.9Iso-contrast ratio of （a） +A-A， （b） +A+C and （c） +

14、A+C+A.要解決由所使用的單軸膜本身帶來(lái)的波長(zhǎng)色散而導(dǎo)致的暗態(tài)漏光，可以增加光軸與其正交方向的單軸膜去降低波長(zhǎng)色散，達(dá)到在全波長(zhǎng)降低暗態(tài)漏光的目的。比如+A+A+C21、+A+A-A-A22、+A+A+C+A+A23這3種補(bǔ)償模式，通過(guò)相互垂直的單軸膜進(jìn)行相位補(bǔ)償去降低單軸膜的波長(zhǎng)色散帶來(lái)的暗態(tài)漏光，在全波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到更好的暗態(tài)透過(guò)率。圖10（a）是+A+A+C補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出First+A膜和Second+A膜的光軸分別平行和垂直檢偏器的吸收軸。First+A膜、Second+A膜和+C膜的延遲值分別為185 nm、38nm和125 nm。可以通過(guò)設(shè)置補(bǔ)償膜的參數(shù)有效降

15、低波長(zhǎng)色散，兩個(gè)正交的+A膜中，F(xiàn)irst +A膜波長(zhǎng)色散低，延遲值高，Second +A膜波長(zhǎng)色散高，延遲值低。圖10單軸補(bǔ)償膜方案示意圖。 （a） +A+A+C；（b）+A+A-A-A；（c） +A+A+C+A+A。Fig.10Schematic diagram of compensation scheme using uniaxial films. （a）+A+A+C； （b） +A+A-A-A； （c）+A+A+C+A+A.圖10 （b）是+A+A-A-A補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出First +A膜和Second -A膜的光軸與檢偏器的吸收軸平行，Second +A膜和Fri

16、st -A膜的光軸與檢偏器的吸收軸垂直。First +A（Second -A）膜和Second +A （First -A）膜的延遲值分別是111 nm和16 nm。兩組相互垂直且對(duì)稱的單軸膜可以有效降低波長(zhǎng)色散的影響。但是這種方案使用了負(fù)性A光學(xué)補(bǔ)償膜，成本稍高。圖10（c）是+A+A+C+A+A補(bǔ)償方案的結(jié)構(gòu)示意圖。使用兩組+A膜和一個(gè)+C膜用來(lái)降低離軸光泄漏，成本較低。兩個(gè)First +A膜的延遲值為121.5 nm，兩個(gè)Second +A膜的延遲值為24.5 nm，+C膜的延遲值為207 nm。兩個(gè)First +A膜的光軸分別平行和垂直檢偏器的吸收軸，兩個(gè)Second +A膜的光軸分別垂

17、直和平行檢偏器的吸收軸。此方案中，同種單軸膜的延遲值相等且光軸互相垂直，可以有效降低不同極角和方位角上的暗態(tài)漏光，這是因?yàn)?C膜下方兩個(gè)+A 膜波長(zhǎng)色散帶來(lái)的相位差異完全被上方的兩個(gè)+A 膜完全抵消。圖11是3種補(bǔ)償方案的暗態(tài)透過(guò)率視角圖。圖11（a）是+A+A+C補(bǔ)償方案的暗態(tài)透過(guò)率，在極角大于53時(shí)，暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。圖11（b）是+A+A-A-A補(bǔ)償方案的暗態(tài)透過(guò)率，在極角大于51時(shí)暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)0.01%。圖11（c）是+A+A+C+A+A補(bǔ)償方案的暗態(tài)透過(guò)率，在全視角范圍內(nèi)暗態(tài)透過(guò)率皆小于0.01%，非常好地降低了離軸漏光。圖12（a）是+A+A+C補(bǔ)償方案的等對(duì)比度視角圖，

18、可以得到+A+A+C補(bǔ)償方案的等對(duì)比度在極角為56時(shí)為1 0001。如圖12（b）所示，+A+A-A-A補(bǔ)償方案的等對(duì)比度在極角為54時(shí)為1 0001。如圖12（c）所示，+A+A+C+A+A補(bǔ)償方案的等對(duì)比度在極角69時(shí)為1 0001。圖11暗態(tài)透過(guò)率視角圖。（a） +A+A+C；（b）+A+A-A-A，（c） +A+A+C+A+A。Fig.11Iso-transmittance contours of the dark states. （a） +A+A+C； （b） +A+A-A-A； （c）+A+A+C+A+A.圖12等對(duì)比度圖。（a）+A+A+C；（b）+A+A-A-A；（c）+A+A

19、+C+A+A。Fig.12Iso-contrast ratio of （a） +A+A+C， （b）+A+A-A-A and （c） +A+A+C+A+A.4 結(jié)果與討論圖13、14中的漏光值為波長(zhǎng)450650 nm范圍內(nèi)每個(gè)波長(zhǎng)的漏光值的平均值（取波長(zhǎng)間隔1 nm）。當(dāng)方位角=45時(shí)，不同極角下的漏光值如圖13所示。+A-A、+A+C、和A+C+A補(bǔ)償方案在不同極角下都有著較大的漏光值，而One-Biaxial、Two-Biaxial、+A+A+C、+A+A-A-A和+A+A+C+A+A補(bǔ)償方案的漏光值較低。圖13暗態(tài)漏光的極角（）依賴性（=45）Fig.13Polar angle depe

20、ndent light leakage at=45圖14暗態(tài)漏光的方位角角（）依賴性（=70）Fig.14Azimuthal angle dependent light leakage at=70圖14所示為在=70時(shí)，不同方位角的漏光值。圖中可以看出+A-A補(bǔ)償方案在為60、120、240、300時(shí)漏光值最大，為0.053 0%。A+C補(bǔ)償方案在為25、155、205、335時(shí)漏光值最大，為0.057 9%。+A+C+A補(bǔ)償方案在為45、135、225、315時(shí)漏光值最大，為0.049 8%。+A+A+C補(bǔ)償方案在為70、110、250、290時(shí)漏光值最大，為0.031 5%。+A+A-A-A補(bǔ)償方案在為65、115、245、295時(shí)漏光值最大，為0