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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

作者：隆竹輝張美珊馬紅梅孫玉寶來(lái)源：《液晶與顯示》日期：2022-09-13人氣：1559

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(xiàn)性偏振片之間。當(dāng)光垂直入射時(shí)，處于暗態(tài)的LC層沒(méi)有調(diào)制從起偏器入射的線(xiàn)偏振光的偏振態(tài)。線(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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 nm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(jiàn)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(jiàn)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Δε=8.2，Δn=0.098 7。液晶層厚度為 4 μm，偏光片參數(shù)為：n_e=1.5+1.929×10^-3i，n_o=1.5+4.535×10^-5i，偏光片的厚度為230 μm。IPS類(lèi)型液晶顯示器包括傳統(tǒng)IPS模式和邊緣場(chǎng)開(kāi)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(wèn)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1 IPS顯示原理。（a）IPS模式；（b）FFS模式。

Fig.1 IPS 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(xiàn)正入射時(shí)，暗態(tài)透過(guò)率遠(yuǎn)低于0.01%。隨著觀(guān)看視角增大，暗態(tài)漏光逐漸增大，當(dāng)θ=57°時(shí)，暗態(tài)透過(guò)率超過(guò)了1%。圖2（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1 000∶1。超過(guò)極角37°的區(qū)域等對(duì)比度則低于100∶1。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.2 Iso-transmittance contours.（a） Dark state；（b） Bright state.

圖3 等對(duì)比度圖

Fig.3 Iso-contrast ratio

3 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N_z分別是185 nm和0.5。其中 $N_{z} = (n_{x} - n_{z}) / (n_{x} - n_{y})$ （n_x、n_y、n_z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N_z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.4 Schematic diagram of compensation scheme using single biaxial film （a） and two biaxial films （b）

表1 雙軸膜的折射率參數(shù)

Tab.1 Biaxial retardation film parameters

	n_x	n_y	n_z
Biaxial-0.5	1.511	1.509 5	1.510 25
Biaxial-0.35	1.502 8	1.5	1.501 8
Biaxial-0.55	1.513 5	1.506 75	1.509 75

令LC層的預(yù)傾角為0°，計(jì)算的光波長(zhǎng)范圍為450~650 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)透過(guò)率視角圖。（a）一個(gè)雙軸膜；（b）兩個(gè)雙軸膜。

Fig.5 Iso-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.6 Iso-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（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1 000∶1。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1 000∶1。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(lèi)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-A^［18］、+A+C^［19］、+A+C+A^［20］，用單軸膜組成的補(bǔ)償方案同樣可以用于降低離軸漏光。文中使用的單軸膜的參數(shù)如表2，負(fù)性膜n_e=1.52，n_o為表中正性膜的n_e的數(shù)值。

表2 單軸膜的折射率參數(shù)

Tab.2 Uni-axial retardation film parameters

		n_e（n_o=1.52）
	450 nm	550 nm	650 nm
First +A	1.52 108	1.521	1.52 097
Second +A	1.52 166	1.521	1.52 039
+C	1.52 105	1.521	1.52 096

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.7 Schematic 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)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1 000∶1。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1 000∶1。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1 000∶1。這3種使用單軸膜的補(bǔ)償方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φ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.8 Iso-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.9 Iso-contrast ratio of （a） +A-A，（b） +A+C and （c） +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+C^［21］、+A+A-A-A^［22］、+A+A+C+A+A^［23］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?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)置補(bǔ)償膜的參數(shù)有效降低波長(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.10 Schematic 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Frist -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(chēng)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，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1 000∶1。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1 000∶1。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1 000∶1。

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.11 Iso-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+C+A+A。

Fig.12 Iso-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)450~650 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φ=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（θ）依賴(lài)性（φ=45°）

Fig.13 Polar angle dependent light leakage at φ=45°

圖14 暗態(tài)漏光的方位角角（φ）依賴(lài)性（θ=70°）

Fig.14 Azimuthal angle dependent light leakage at θ=70°

圖14所示為在θ=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φ為60°、120°、240°、300°時(shí)漏光值最大，為0.053 0%。A+C補(bǔ)償方案在φ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φ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φ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φ為65°、115°、245°、295°時(shí)漏光值最大，為0.033 9%。One-Biaxial和Two-Biaxial補(bǔ)償方案在φ為65°、115°、245°、295°時(shí)漏光值最大，分別為0.038 7%和0.032 9%。而+A+A+C+A+A補(bǔ)償方案在φ為45°、135°、225°、315°時(shí)漏光值最小，低于φ=0°時(shí)的漏光值。此方案在φ=45°時(shí)能夠很好地降低離軸漏光。使用一個(gè)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)且兩組互相垂直的單軸膜補(bǔ)償方案在制造中也更加方便，有利于成本的降低。

圖15所示為在θ=70°，φ=45°時(shí)，各種補(bǔ)償方案在不同波長(zhǎng)下的暗態(tài)透過(guò)率。在550 nm處，暗態(tài)漏光值都為最小值，同時(shí)向兩邊呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。+A-A、+A+C、+A+C+A三種方案由于單軸膜本身具有一定的波長(zhǎng)色散，只在550 nm時(shí)效果最好，在藍(lán)光和紅光處有較大的漏光。+A+A+C和+A+A+C+A+A兩種補(bǔ)償方案受波長(zhǎng)影響最小，證明帶有色散的單軸膜也可以達(dá)到很好的降低離軸漏光的效果，但是，+A+A+C方案的最大漏光值相比+A+A+C+A+A方案大很多。所以，最佳方案為+A+A+C+A+A方案。

圖15 暗態(tài)漏光的波長(zhǎng)依賴(lài)性（φ=45°，θ=70°）

Fig.15 Wavelength dependent light leakage at φ=45°and θ=70°

5 結(jié)論

本文對(duì)各種IPS-LCD中光學(xué)補(bǔ)償膜方案在可見(jiàn)光下的暗態(tài)漏光進(jìn)行了模擬計(jì)算。雙軸膜對(duì)降低斜視角下的離軸漏光有很好的效果。對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的單軸膜補(bǔ)償方案可以降低補(bǔ)償膜色散帶來(lái)的暗態(tài)漏光，從而獲得很好的視角特性。本文總結(jié)了IPS-LCD中光學(xué)補(bǔ)償膜對(duì)視角特性進(jìn)行改善的各種方案，對(duì)提高IPS-LCD的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

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