廣視角液晶顯示器設(shè)計

王 歡，徐向陽，辛武根，王 偉，涂志中，尹傛俊，徐宇博，李乘揆

(1.合肥京東方光電股份有限公司，安徽 合肥 230031； 2.合肥京東方顯示光源有限公司，安徽 合肥 230031)

1 引 言

近年來，由于液晶顯示器的體積小、功耗低、顯示質(zhì)量優(yōu)越等諸多優(yōu)點而成功取代了傳統(tǒng)的CRT顯示器。但是相比于CRT顯示器，液晶顯示器仍有以下兩大缺點：響應(yīng)速度慢和可視角度窄。除了筆記本、平板電腦和手機等便攜設(shè)備對可視角度的要求不高外，其他的液晶顯示設(shè)備都要求具有較廣的可視角度。

可視角度是指用戶可以從不同的方向清晰地觀看屏幕上所有內(nèi)容的角度，包含對比度視角和亮度視角。對比度視角的下降是指在離開液晶面板法線方向觀看時，液晶面板對比度下降而導(dǎo)致無法正常觀看圖像[1]；亮度視角的下降是指在離開液晶面板法線方向觀看時，亮度呈下降趨勢從而對正常觀看圖像造成影響。對比度視角由液晶面板所決定，目前針對對比度視角改善的主要技術(shù)有光學(xué)自補充彎曲模式、共面轉(zhuǎn)換模式、邊緣場開關(guān)模式和多疇垂直排列模式等[2-8]；亮度視角最主要與背光源光學(xué)膜層設(shè)計有關(guān)。

本文設(shè)計了一款尺寸為54.6 cm(21.5 in)、分辨率為1 920×1 080 Pixels的液晶顯示器，液晶面板采用具有廣對比度視角的邊緣場開關(guān)(Fringe Field Switching，F(xiàn)FS)模式技術(shù)，且對背光源光學(xué)膜層的特性進(jìn)行研究，選定最佳的膜層架構(gòu)，使液晶顯示器具有最廣的亮度視角。

2 設(shè)計方案

FFS模式液晶面板的特點是液晶分子在平行于玻璃基板的平面方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)具有較廣的對比度視角；背光源為側(cè)入光式，光學(xué)膜層選用一層擴散膜和一層反射型偏光增亮膜(Dual Brightness Enhancement Film，DBEF)的雙膜層架構(gòu)，這種架構(gòu)具有較廣的亮度視角。

2.1 液晶面板設(shè)計

如圖1所示是FFS模式面板的基本結(jié)構(gòu)，不同于扭曲向列式(Twisted Nematic，TN)模式，F(xiàn)FS模式的液晶分子與玻璃基板平行，上基板沒有電極，在下基板上設(shè)有像素電極和數(shù)字電極，且兩者之間設(shè)有氮化硅鈍化層起到隔絕保護(hù)作用。下基板像素電極的寬度為3 μm，取向膜的摩擦方向和電極間的夾角為12°和78°，預(yù)傾角為2°，盒間距d為4 μm。

圖1 FFS模式的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of FFS mode

FFS模式面板的液晶分子在不加電壓時與下偏光片的透光軸平行，液晶分子不對通過下偏光片的光進(jìn)行偏振態(tài)調(diào)節(jié)，不能通過上偏光片的透過軸，因而在不加電壓時為常黑模式。當(dāng)加載電壓且超過閾值時，液晶分子在電場方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)，電場Ey在像素電極邊緣位置極強，在電極中間極弱，電場Ez在像素電極中間極強，在像素電極邊緣極弱，所以扭轉(zhuǎn)角最大值在像素電極邊緣底表面附近，其傾斜角最大可達(dá)20～30°，因此相應(yīng)的光透過率在像素電極邊緣處最大，在像素電極中間透光率最小。

FFS模式液晶面板透光率可由如公式(1)計算得到：

I=I0sin2(2Φ)sin2(πdΔn/λ)，

(1)

其中：I為透過液晶面板的光強，I0為入射光強，Φ為下偏光片透光方向與LC光軸間的夾角，d為液晶盒厚度，Δn為各向異性折射率差，λ為光波長。如圖2所示，由于FFS模式面板的液晶分子主要是在同一水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從各個方向上看光程差變化不大，所以透光率差異很小，因此I值變化較小，對比度視角較好。

圖2 FFS模式廣對比度視角原理圖Fig.2 Principle of wide contrast ration viewing angle of FFS mode

表1中所示為此款FFS模式液晶面板的主要資材，測試根據(jù)上述原理進(jìn)行制作的樣品，可以得到如圖3所示的測試結(jié)果，圖3的最外圈是在0° (平行于液晶面板法線方向)時的測試數(shù)據(jù)，而中心點是在90°(液晶面板法線方向)時的測試數(shù)據(jù)，在對比度大于10的前提下，數(shù)據(jù)顯示其上下左右的對比度視角可達(dá)90°/90°/90°/90°。

表1 FFS液晶面板使用資材

圖3 FFS模式對比度視角實際測試數(shù)據(jù)Fig.3 Real test data of contrast ratio viewing angle of FFS mode

2.2 背光源設(shè)計

本文所述背光源為側(cè)入光式LED背光源。LED背光源分為直下入光式和側(cè)入光式，直下入光式背光源厚度較厚，通常用于液晶電視等尺寸較大的顯示設(shè)備，液晶顯示器以及便攜式液晶顯示設(shè)備一般采用厚度較薄的側(cè)入光式背光源。側(cè)入光式背光源的主要部件有背板、邊框、膠框、導(dǎo)光板、光學(xué)膜層、燈源等，燈源采用LED燈條，位于導(dǎo)光板的側(cè)邊，LED出射的光線經(jīng)過導(dǎo)光板及光學(xué)膜層之后由原來的線光源變成畫面品味較佳的面光源，再由液晶面板進(jìn)行調(diào)制使其形成畫面，背板、邊框和膠框起到支撐作用[9]。此款液晶顯示器采用單長邊入光方式，即在背光源的長邊采用單根LED燈條作為其光源，LED封裝為4014，導(dǎo)光板采用油墨印刷導(dǎo)光板。

光學(xué)膜層是影響亮度視角的主要因素。背光源常用的光學(xué)膜層有反射膜(Reflector Film)、擴散膜(Diffuser Film)、棱鏡膜(Prism Film)、微透鏡陣列膜(Microlens Film)及反射型偏光增亮膜(DBEF和Brilliant Viewing Film，BVF)。反射膜位于導(dǎo)光板下方，用于反射雜散的光線，對亮度視角不會產(chǎn)生影響；擴散膜的作用是對從導(dǎo)光板中出射的光進(jìn)行擴散，使得光線分布得更加均勻，畫面品味更佳；棱鏡膜的作用是對散射的光起到聚光的作用，使得背光源正面出射的光更加集中，從而提升液晶面板法線方向的亮度；微透鏡陣列膜是介于擴散膜和棱鏡膜之間的一種膜層，即可以對光起到擴散作用，又可以起到聚光作用；DBEF的作用是將不能通過下偏光片的光反射回背光源，被背光二次反射的光不再是線偏振光，而是部分偏振光，這樣又有一部分光可以通過下偏光片，經(jīng)過多次循環(huán)利用，使得光的透過率得到提升[10]。

通常情況下臺式計算機對水平方向的亮度視角的要求較為嚴(yán)格，而對垂直方向的亮度視角要求較為寬松[11]，所以本文只對水平方向的亮度視角進(jìn)行了研究。為使顯示器具有最廣的水平亮度視角，測試了多種光學(xué)膜層架構(gòu)，所使用的膜層信息如表2所示。

圖4所示是基本的膜層架構(gòu)測試得到的亮度視角數(shù)據(jù)，圖中所示膜層排列順序從左到右相對應(yīng)實際膜層是從下到上的排列順序(最下面的膜層與導(dǎo)光板接觸)。圖中測試的亮度數(shù)據(jù)為液晶顯示器中心點亮度隨角度的變化值，角度測試間隔為2°，測試范圍為-90°～+90°。隨著測試角度的增大亮度隨之下降，當(dāng)亮度下降為液晶顯示器法線方向亮度的一半時的角度定義為亮度視角。由于不同光學(xué)膜層架構(gòu)法線方向亮度不同，為便于數(shù)據(jù)的比較，液晶顯示器的法線方向亮度被歸一化為200 cd/m2。

表2 膜材參數(shù)

從圖4可知，不同光學(xué)膜層架構(gòu)的亮度視角差異較大，其中一層擴散膜CH27NH搭配一層DBEF-260的架構(gòu)亮度視角(58°)明顯要大于其他的架構(gòu)的視角。

圖4 不同膜層架構(gòu)的角度測試數(shù)據(jù)Fig.4 Test data of viewing angle of different film structure

圖5 不同擴散膜的亮度視角測試數(shù)據(jù)Fig.5 Test data of viewing angle of different diffuser film

接著對不同霧度的擴散膜(相關(guān)參數(shù)如表2所示)搭配DBEF-260的亮度視角變化情況進(jìn)行研究，如圖5所示，擴散膜霧度越高亮度視角越大，具有最大的亮度視角(60°)的架構(gòu)是一層擴散膜CH152DNH搭配一層DBEF-260的架構(gòu)。在確認(rèn)了上述光學(xué)膜層的架構(gòu)之后，進(jìn)行其他光學(xué)部材的設(shè)計，選用的LED熒光粉為YR粉，搭配此款液晶面板的彩膜，色域NTSC為72%；燈條選用68 顆4014-LED，以確保液晶顯示器的亮度達(dá)到250 cd/m2；對導(dǎo)光板的網(wǎng)點進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免燈條入光側(cè)的Hotspot Mura。

3 樣品測試結(jié)果

對上述樣品進(jìn)行制作并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實測，且和其他同類產(chǎn)品進(jìn)行了比較，如表3所示(表中最后兩項參數(shù)是TCO標(biāo)準(zhǔn)中表述亮度和對比度隨角度變化的參數(shù)，其定義方式和測試方法參考文獻(xiàn)[11])，其中亮度均一性隨角度變化數(shù)值越小代表亮度視角越寬，而亮度對比度隨角度變化數(shù)值越大代表對比度視角越好。從表中可以看出，此款產(chǎn)品與同類產(chǎn)品相比，在對比度視角和亮度視角方面有明顯的優(yōu)勢。

表3 樣品測試結(jié)果

5 結(jié) 論

設(shè)計了一款具有廣視角的液晶顯示器，不僅具有較廣的對比度視角還具有較廣的亮度視角。根據(jù)論文所述的原理進(jìn)行樣品的實際制作并測試，測得上下左右的對比度視角值為90°/90°/90°/90°，1/2亮度視角為60°，與同類產(chǎn)品相比較，此款產(chǎn)品在視角方面具有明顯優(yōu)勢。

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