改善大視角下LCD灰階圖像質(zhì)量的研究進(jìn)展

郭玉強(qiáng)，孫玉寶

(河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，天津300401)

1 引 言

LCD憑借著成熟的工藝、配套的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈、較高的性價比與長壽命等優(yōu)勢，在大尺寸顯示領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用[1-2]。近年來，LCD在不斷地進(jìn)行性能改進(jìn)。在與其他種類的顯示器件的競爭過程中，LCD不斷開發(fā)和利用新技術(shù)，已經(jīng)在多個方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如可以獲得8K超高分辨率，12位或更高灰階的高動態(tài)范圍顯示，搭載高亮度和高飽和度背光源后獲得良好的暗態(tài)與較高的對比度，擁有逼真的色彩和滿足動態(tài)顯示需求的高刷新率等[3-5]。

但是，LCD依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其是LCD的發(fā)展趨勢受到了有機(jī)發(fā)光二極管顯示器等新型顯示技術(shù)的挑戰(zhàn)。新型顯示技術(shù)方興未艾，它們在某些性能參數(shù)方面有更好的表現(xiàn)，所以LCD必須加緊創(chuàng)新與優(yōu)化，特別亟需在其薄弱方面做出改進(jìn)。

目前，LCD在大尺寸顯示中仍然占據(jù)大半的比例，并且向著越來越大的尺寸發(fā)展。大尺寸就意味著大視角，所以大視角所帶來的灰階圖像質(zhì)量問題是必須要面對和解決的重要任務(wù)。與LCD視角相關(guān)的性能參數(shù)有很多，例如對比度、伽馬偏移、色彩偏移、亮度和色域范圍等，這些參數(shù)將決定著LCD灰階圖像質(zhì)量。本文針對這幾個與視角相關(guān)的性能參數(shù)進(jìn)行總結(jié)和討論。

2 對比度

LCD存在最高對比度與灰階對比度。最高對比度指的是亮態(tài)與暗態(tài)透過率的比值，灰階對比度指的是某一灰階下的透過率與暗態(tài)透過率的比值。自從LCD被發(fā)明以來，人們就對它的對比度進(jìn)行了持續(xù)的研究?？偟膩砜?，LCD的對比度主要經(jīng)過了以下幾次發(fā)展。早期，人們提出了一些具有寬視角的顯示模式，這改善了LCD在傾斜視角下的對比度，使其能夠在大視角下進(jìn)行觀看。在此期間，為了進(jìn)一步提高對比度，人們還提出了使用光學(xué)補(bǔ)償膜補(bǔ)償?shù)姆椒?，并且還針對不同的顯示模式開發(fā)了不同的補(bǔ)償方法，獲得了較高的對比度。近年來，為了使LCD的對比度達(dá)到可比擬主動發(fā)光顯示器的效果，人們又提出了使用高亮度Mini LED(Light-emitting diode)背光源、局部調(diào)光技術(shù)、雙盒顯示技術(shù)等[6]。這些技術(shù)使得LCD的對比度又一次得到了質(zhì)的飛躍，也助力了它在大尺寸顯示領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代，市場上主要以工藝較為簡單的扭曲向列相(TN：twisted nematic)LCD為主[7]，它的正視對比度較低，并且對比度對視角的依賴性較強(qiáng)，所以需要提高其對比度。為了解決這個問題，人們在20世紀(jì)末開發(fā)出了一些具有寬視角的顯示模式，例如：共面轉(zhuǎn)換(IPS：in-plane switching)[8]、邊緣場轉(zhuǎn)換(FFS：fringe field switching)[9]與光學(xué)自補(bǔ)償彎曲(OCB：optical compensated bend)[10]等顯示模式。另外，垂面排列(VA：vertical aligned)LCD中的液晶分子近乎垂直排列，所以在正交偏光下，VALCD具有較高的正視對比度。2002年，Kikuchi等人制備了聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶(BPLC：blue phase liquid crystal)[11]，BPLC溫度被拓寬至包括室溫在內(nèi)的一個較大的范圍，它的穩(wěn)定性得到了保證[12]。常態(tài)下，BPLC處于光學(xué)各向同性，所以BPLCD也具有較高的對比度[13]，并且還具有亞毫秒級響應(yīng)速度和無需取向的優(yōu)點，使其被認(rèn)為是下一代液晶顯示模式。

在LCD中使用合適的光學(xué)補(bǔ)償膜后，其暗態(tài)漏光可以得到改善，進(jìn)而對比度也可以得到提升[14]。光學(xué)補(bǔ)償膜是各向異性的透明聚合物材料，商業(yè)上通常將這層聚合物材料添加在偏光片內(nèi)側(cè)，形成寬視角偏光片。寬視角偏光片可以起到兩個作用：一是糾正傾斜視角下偏光片的消光比；二是對離軸方向液晶的相位變化進(jìn)行補(bǔ)償，降低相位延遲量的變化，實現(xiàn)更好的暗態(tài)。圖1展示了LCD的主要部件、寬視角光學(xué)補(bǔ)償膜的位置與添加光學(xué)補(bǔ)償膜前后的顯示效果[15]?？梢钥闯?，添加補(bǔ)償膜前后，大視角下的圖像質(zhì)量得到了顯著提高。

圖1 LCD中的主要部件及添加寬視角補(bǔ)償膜前后的顯示效果圖[15]Fig.1 Main components in LCD and the images before and after adding the wide viewing compensation film[15]

對于不同的顯示模式，需要添加的光學(xué)補(bǔ)償膜的種類也不盡相同[16-18]。一般地，初始指向矢為水平排列的LCD需要添加nx>nz>ny類型的雙軸補(bǔ)償膜或單軸補(bǔ)償膜組，例如TN、IPS與FFS顯示模式。添加補(bǔ)償膜后，它們的正視對比度可以得到顯著提升，并且大視角下的對比度也可以得到提高。而初始指向矢為垂直排列的LCD需要添加nx>ny>nz類型的雙軸補(bǔ)償膜或單軸補(bǔ)償膜組，例如VA顯示模式。VALCD本身具有較高的正視對比度，添加補(bǔ)償膜后，傾斜視角下的對比度可以得到提升。

局域調(diào)光技術(shù)有兩種實現(xiàn)方法：其一是使用高亮度的LED光源和調(diào)光光閥，控制光閥透光與否就可以控制不同區(qū)域的亮暗；其二是使用點陣型的Mini LED充當(dāng)背光源，分別點亮不同位置的Mini LED就可以控制不同區(qū)域的亮暗情況。

2011年，Huang W等人展示了使用LED局域調(diào)光技術(shù)前后，LCD顯示出的畫面，如圖2所示[19]。從圖中可以看出，未使用局域調(diào)光技術(shù)時，草莓之間的黑色區(qū)域難以達(dá)到最黑的狀態(tài)，而需要顯示高亮度時，又難以表現(xiàn)出期待的亮度，所以從對比度上來看，它的灰階圖像質(zhì)量較差。使用局域調(diào)光技術(shù)后，畫面展現(xiàn)出了應(yīng)有黑色區(qū)域與高亮區(qū)域，畫面的對比度得到了顯著提升。

圖2 使用局域調(diào)光技術(shù)前(a)后(b)，LCD的畫面效果[19]。Fig.2 Color images of LCD before (a) and after (b) using the local dimming technique[19]

圖3展示了2018年Tan等人提出的一款基于Mini LED背光源的LCD，它在理論上可以實現(xiàn)零亮度與超高亮度之間的灰階顯示，具有較高的對比度與較高的動態(tài)范圍[20]。一般地，局域調(diào)光技術(shù)可以控制某一顯示區(qū)域內(nèi)的亮暗情況，尤其在顯示黑色圖像時，可以直接使該區(qū)域處于無背光狀態(tài)，所以局域調(diào)光技術(shù)可以使LCD的理論對比度達(dá)到無窮大，這與主動發(fā)光顯示器件對比度有相似的顯示效果。

圖3 基于Mini LED背光源LCD的亮態(tài)Mini LED分布(a)，亮態(tài)光強(qiáng)分布(b)與蠟燭顯示效果圖(c)[20]。Fig.3 Bright-state Mini LED distribution (a), bright state light intensity distribution (b) and the candle image of LCD based on Mini LED backlight (c)[20].

除了使用高亮度LED背光源實現(xiàn)局域調(diào)光技術(shù)外，還可以使用雙盒顯示技術(shù)來提升LCD的對比度。2017年，Chen等人報道了一種由兩個不同顯示模式疊加在一起組成的LCD，它整體對比度可以提高到1 000 000∶1，60°視錐內(nèi)的對比度高于1 000∶1[21]。

目前，LCD的對比度幾乎可以提升到與主動發(fā)光顯示器相比擬的程度。如果考慮到環(huán)境光的影響，LCD可以表現(xiàn)出相對較高的實際對比度[3]。從LCD的發(fā)展趨勢與業(yè)界的共識上來看，大尺寸LCD會向Mini LED背光的方向發(fā)展，以抗衡現(xiàn)有的主動發(fā)光顯示器。

3 伽馬偏移

“伽馬”一詞源于陰極射線管柵極電壓的冪指數(shù)，它被用來描述陰極射線管的電子流密度，所以伽馬指數(shù)決定著像素的亮度。后來伽馬指數(shù)一直沿用至今，用來描述各種顯示器件中灰階與亮度之間的關(guān)系。由于液晶材料是各向異性的，所以在不同視角下，LCD會表現(xiàn)出不同的電光性能，進(jìn)而各個視角下灰階與亮度的關(guān)系曲線就會彼此分離，這就是伽馬偏移。

圖4(a)展示了某款顯示器在正視下的彩色圖像。在這個圖像中，中間4幅圖是具有不同色調(diào)的彩色畫面，四周是具有不同灰度的黑白灰階卡。當(dāng)沿著傾斜視角觀看圖像時，中間4幅彩色畫面的顏色發(fā)生了變化，并且灰階卡的灰度順序也發(fā)生了錯亂，在圖像最右側(cè)甚至出現(xiàn)了灰度轉(zhuǎn)彩色的現(xiàn)象，如圖4(b)所示。這表明，LCD的圖像在傾斜視角下會發(fā)生伽馬偏移，并且在大視角下更為明顯。

圖4 某款LCD在正視下(a)與傾斜視角下(b)所顯示的圖像Fig.4 The images of one LCD under the normal direction (a) and oblique viewing angle (b)

顯示器上不同位置的觀看視角不同，對應(yīng)的伽馬曲線也不同，如圖5所示[22]。對于大尺寸LCD來說，即便觀看者在LCD屏幕中心的正前方，來自4個角落的圖像依然具有較大的傾斜視角。雖然LCD的驅(qū)動電路中含有伽馬校正模塊，但它只能將LCD的圖像整體調(diào)整為某一適當(dāng)?shù)馁ゑR數(shù)值，并不能解決各個視角下存在伽馬偏移的問題。所以，LCD必將存在伽馬偏移。

圖5 某款LCD在不同視角下的伽馬曲線[22]Fig.5 Gamma curves of one LCD under various viewing angles[22]

一般地，人們通過不同灰階之間的平均亮度差來定量地評價顯示器件的伽馬偏移。2004年，Kim等人提出了離軸圖像失真指數(shù)D(θ,φ)來評價LCD在某一傾斜視角下的伽馬偏移，如式(1)所示[23]。其中，θ表示極角，φ表示方位角。若采用極角形式來呈現(xiàn)離軸圖像失真指數(shù)，則需要指明最大離軸圖像失真指數(shù)對應(yīng)的方位角，來顯示出最嚴(yán)重伽馬偏移對應(yīng)的具體角度。2019年，Guo等人提出使用方位角圖像失真指數(shù)DA(θ)來評價LCD在某一視錐下的伽馬偏移，從而進(jìn)一步地完善了對伽馬偏移的評價，如式(2)所示[24]。式中，θ表示極角，計算時需要首先找到某一視錐下的最大與最小伽馬偏移對應(yīng)的伽馬曲線，然后再計算這兩個伽馬曲線之間的伽馬偏移。這個指數(shù)無需指明具體的方位角，因為它代表了某一視錐內(nèi)的最大伽馬偏移。在判別條件上，當(dāng)這兩個指數(shù)低于0.2時，就可以認(rèn)為LCD的伽馬偏移處于人眼不可分辨的程度。

(1)

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(2)

近年來，人們提出了多種方法來改善LCD的伽馬偏移，其中一些方法能夠顯著地降低伽馬偏移，其中一些方法可以將LCD的伽馬偏移降低至人眼不可分辨的程度。這些方法可以大致分為以下幾類：(1)在LCD外層添加具有特殊結(jié)構(gòu)的光散射膜；(2)優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)；(3)改進(jìn)驅(qū)動方法。下面就針對這幾種方法展開介紹。

3.1 具有特殊結(jié)構(gòu)的光散射膜

LCD的顯示原理決定了它的伽馬偏移只能被改善，不能被消除。所以，人們就嘗試在LCD的最外側(cè)添加具有特殊結(jié)構(gòu)的光散射膜，來實現(xiàn)降低LCD伽馬偏移的目的。一般地，這類光散射膜的外表面上具有幾十至幾百微米的圖形化結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能夠?qū)CD的出射光變?yōu)槌蚋鱾€方向的散射光，這樣就可以達(dá)到均勻電光性能的目的，進(jìn)而可以獲得較低的伽馬偏移。

2015年，Gao等人使用半橢球形光散射膜來改善LCD在大視角下的伽馬偏移[25]，其中半橢球形凸起的半徑為600 μm，如圖6(a)所示。在整個裝置中，準(zhǔn)直背光可以通過玻璃基板與液晶層最終入射到半橢球形光散射膜的表面。此時，光依然具有良好的準(zhǔn)直性，若在此時觀察LCD，則傾斜視角下一定會存在較嚴(yán)重的伽馬偏移。當(dāng)光穿過半橢球形光散射膜后，原本準(zhǔn)直的光就變成了朝向四面八方的散射光，此時各個視角下的電光性能就實現(xiàn)了“混配”的效果，所以這款光散射膜可以降低LCD的伽馬偏移。他們展示的結(jié)果表明，這種半橢球形光散射膜可以用于TN、VA、IPS與FFS等多種顯示模式，并且都能將伽馬偏移降低至肉眼不可分辨的范圍。從圖6(b)可以看出，當(dāng)把這種光散射膜應(yīng)用至IPS LCD上時，離軸圖像失真指數(shù)可以降至0.041 0，此時的伽馬偏移是肉眼不可分辨的。

圖6 (a)半橢球形光散射膜；(b)使用該光散射膜后，IPS LCD的伽馬曲線[25]；(c)拋物線狀光散射膜；(d)某款LCD使用該光散射膜后的效果[26]。Fig.6 (a) Semi-ellipsoid light scattering film； (b) Gamma curves of IPS LCD after using this scattering film[25]；(c) Light scattering film with parabolic grooves； (d) Image of one LCD after using the scattering film[26].

除了添加半橢球形光散射膜外，三棱柱、拋物線與四棱臺等形狀的光散射膜也可以用來降低LCD的伽馬偏移[26-28]。2012年，Park等人[26]提出使用帶有凹刻拋物線形狀的光散射膜來改善LCD的的伽馬偏移，這種光散射膜中每一個凹刻拋物線形狀的尺寸約為80 μm，如圖6(c)所示。當(dāng)在LCD的外表面添加了這種光散射膜后，LCD在傾斜視角下圖像質(zhì)量得到顯著提升，如圖6(d)所示。

從原理上可以看出，這類光散射膜適用于各種顯示模式。另外，它可以單獨(dú)制造，而后貼合到LCD表面，所以這種方法具有一定的獨(dú)立性。這類光散射膜也存在一些缺點，例如它基于散射的原理，會損失光利用率和分辨率；它需要制備特殊形狀的凸起結(jié)構(gòu)，這會增加制造成本；為了削弱多層膜干涉效應(yīng)，需要選用特定折射率的基底材料和化學(xué)粘合劑等。

3.2 電極結(jié)構(gòu)

近年來，人們提出了多種電極結(jié)構(gòu)來改善LCD的伽馬偏移。從電極產(chǎn)生的電場方向分布上來分，這些電極結(jié)構(gòu)可分為以下3種：(1)多疇電極結(jié)構(gòu)；(2)單疇電極結(jié)構(gòu)；(3)特殊電極結(jié)構(gòu)。

早期，人們主要使用多疇電極結(jié)構(gòu)來降低LCD的伽馬偏移，例如“之”字形電極結(jié)構(gòu)與“人”字形電極結(jié)構(gòu)[29-32]。隨著對伽馬偏移的深入研究，發(fā)現(xiàn)一些單疇電極結(jié)構(gòu)也可以表現(xiàn)出較低的伽馬偏移。另外，為了適應(yīng)某個具體的設(shè)計要求，人們又提出了一些具有特殊形狀的電極結(jié)構(gòu)來獲得較低的伽馬偏移。下面就按照以上3個種類介紹如何從電極結(jié)構(gòu)方面降低伽馬偏移。

3.2.1 多疇電極結(jié)構(gòu)

多疇電極結(jié)構(gòu)指的是LCD的電極分布在兩個或兩個以上的方向上，它們可以在某一坐標(biāo)平面上存在不同的朝向，也可以在不同的坐標(biāo)平面上分布[33-35]。一般地，多疇電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生互補(bǔ)的液晶指向矢分布，所以可以不同程度地改善伽馬偏移[36-42]。

2010年，Rao等人研究了使用“之”字形電極結(jié)構(gòu)來改善BPLCD的伽馬偏移[43]。傳統(tǒng)的IPS BPLCD的電極結(jié)構(gòu)是單疇的叉指狀電極，如圖7(a)所示。這種電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生垂直于電極方向的電場分布，所以沿電極方向與垂直電極方向的電光性能就會存在較大差異。大視角下，沿電極方向就會存在較嚴(yán)重的伽馬偏移。如果將電極形狀改為“之”字形，如圖7(b)所示，則可以產(chǎn)生兩個方向的電場分布，此時沿電極方向與垂直電極方向的電光性能就會達(dá)到互補(bǔ)的效果，進(jìn)而會得到較低的伽馬偏移。

圖7 單疇(a)與“之”字形多疇(b)電極結(jié)構(gòu)[43]Fig.7 Single-domain (a) and zigzag multi-domain (b) electrode structures[43]

多疇電極結(jié)構(gòu)中的電極形狀是不固定的，只要能夠產(chǎn)生兩個及兩個以上方向的電場，都可以稱作多疇電極結(jié)構(gòu)。2012年，Wu等人研究了正交型與“人”字形多疇電極結(jié)構(gòu)對FFS LCD伽馬偏移的影響[44]。圖8(a～b)是這兩種電極結(jié)構(gòu)示意圖，圖中結(jié)果表明，這兩種電極結(jié)構(gòu)都可以產(chǎn)生兩個電場方向不同的顯示區(qū)域，它們能夠?qū)崿F(xiàn)互為補(bǔ)充的效果。圖8(c～d)為兩種電極結(jié)構(gòu)的伽馬曲線，從圖中可以看出，它們都可以表現(xiàn)出肉眼不可分辨的伽馬偏移。

圖8 正交型(a)與“人”字形多疇電極結(jié)構(gòu)(b)；正交型(c)與“人”字形(d)多疇電極結(jié)構(gòu)的伽馬曲線[44]。Fig.8 Perpendicular-type (a) and chevron-type multi-domain (b) electrode structures；Gamma curves of perpendicular-type (c) and chevron-type multi-domain (d) electrode structures[44].

高介電常數(shù)材料是一類具有較高相對介電常數(shù)的絕緣材料[45-48]，它可以改變液晶層中的電場分布[49-50]。將高介電常數(shù)材料應(yīng)用至LCD中可以降低驅(qū)動電壓，如果在此基礎(chǔ)上再使用“之”字形多疇電極結(jié)構(gòu)，則LCD的伽馬偏移會顯著下降。圖9(a)為2018年提出的一種具有高介電常數(shù)凸起的BPLCD，這種電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更為均勻的橫向電場分布[51]。若將“之”字形多疇電極結(jié)構(gòu)應(yīng)用在高介電常數(shù)凸起B(yǎng)PLCD時，在45°方位角及60°極角下的離軸圖像失真指數(shù)可以降低至0.159 0，伽馬偏移處于肉眼不可分辨的范圍，如圖9(b)所示。

圖9 高介電常數(shù)凸起B(yǎng)PLCD的電極結(jié)構(gòu)(a)與伽馬曲線(b)[51]Fig.9 Electrode structure (a) and gamma curves (b) of BPLCD with high dielectric protrusion[51]

當(dāng)初始液晶指向矢為多個方向排布時，LCD也可以表現(xiàn)出較低的伽馬偏移[52-53]。雖然這種方法與多疇電極結(jié)構(gòu)是不同的，但本質(zhì)上需要利用光控取向技術(shù)來實現(xiàn)多疇液晶指向矢定域排列[54]，所以將這部分內(nèi)容也歸結(jié)到此，以給相關(guān)研究提供更多思路。

2010年，Miyachi等人研究了一種紫外固化的VA LCD(UV2A LCD：ultraviolet VA LCD)[55]，這種UV2A LCD的初始液晶指向矢分布是靠傾斜光固化來實現(xiàn)的。如圖10所示，UV2A LCD可以在基板玻璃內(nèi)側(cè)產(chǎn)生兩個方向的初始液晶指向矢分布，這樣它的電光性能就可以實現(xiàn)互補(bǔ)的效果，進(jìn)而也存在較低的伽馬偏移。由于像素尺寸小于人眼的分辨極限，所以在加電條件下，它可以實現(xiàn)均勻的紅綠藍(lán)三基色顯示效果。

圖10 UV2A LCD的液晶指向矢分布(a)及其亮態(tài)像素圖(b)[55]Fig.10 Liquid crystal director distribution (a) of UV2A LCD and its on-state pixel (b)[55]

此外，2013年Mun等人研究了一種四疇結(jié)構(gòu)的TNLCD，在4個像素區(qū)域中，基板表面的液晶分子取向相互正交[56]。結(jié)果顯示，它在60°視角下展現(xiàn)出了肉眼不可分辨的伽馬偏移。

3.2.2 單疇電極結(jié)構(gòu)

與多疇電極結(jié)構(gòu)不同，單疇電極結(jié)構(gòu)中的電極僅朝向某一方向。過去，人們一般認(rèn)為多疇電極結(jié)構(gòu)有不同方向的電場分布，可以產(chǎn)生不同朝向的液晶指向矢，進(jìn)而可以實現(xiàn)降低伽馬偏移的效果。事實上，一些單疇電極結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)類似的效果[57]。

2020年，Guo等人提出了一種單疇凸起FFS LCD，如圖11(a)所示。加電后，這種電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生上下互補(bǔ)的電場分布[58]。在上半層液晶中，電場主要以橫向分布為主；在下半層液晶中，電場以環(huán)繞凸起電極的方式存在?？偟膩砜矗梢援a(chǎn)生類似于蘑菇狀的對稱電場分布。圖11(b)是單疇凸起FFS LCD的伽馬曲線，結(jié)果顯示，這種電極結(jié)構(gòu)在不同視角下的電光特性曲線表現(xiàn)出相近的驅(qū)動電壓，在90°方位角及60°極角下的離軸圖像失真指數(shù)可以降低至0.094 3。

圖11 凸起FFS LCD的電極結(jié)構(gòu)(a)與伽馬曲線(b)[58]Fig.11 Electrode structure (a) and gamma curves (b) of the protruded FFS LCD[58]

圖12(a)展示了2020年提出的一款異步雙面電極結(jié)構(gòu)的電勢分布。從圖中可以看出，雖然這種電極結(jié)構(gòu)是單疇的，但是它可以產(chǎn)生上下、左右均對稱的電場分布[59]。由于它的電場分布對稱性較好，所以它可以展現(xiàn)出較低的伽馬偏移。圖12(b)顯示，異步雙面電極結(jié)構(gòu)的離軸圖像失真指數(shù)呈現(xiàn)出不對稱的分布，但整體上隨著極角的增加而降低。如圖所示，全視角下離軸圖像失真指數(shù)均低于0.2。并且報道中指出異步雙面電極結(jié)構(gòu)在全視角下的方位角圖像失真也為0.2以下。此外，這種電極結(jié)構(gòu)允許存在一定的錯位。當(dāng)上下基板錯位距離為電極寬度的一半以內(nèi)時，它仍然保持肉眼不可分辨的伽馬偏移。

圖12 異步雙面電極結(jié)構(gòu)的電勢分布(a)與離軸圖像失真指數(shù)分布(b)[59]Fig.12 Potential distribution (a) and off-axis image distortion index distribution (b) of the asymmetrical double-side electrode structure[59]

3.2.3 特殊電極結(jié)構(gòu)

為了在伽馬偏移、驅(qū)動電壓與對比度等方面表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，需要設(shè)計一些相對特殊的電極結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，一些具有特殊形狀的電極結(jié)構(gòu)也可以獲得較低的伽馬偏移[60-64]。

圖13(a～b)是Chen等人在2017年提出的菱形凸起電極結(jié)構(gòu)及其伽馬曲線分布[65]。這種電極結(jié)構(gòu)既可以產(chǎn)生xoy面內(nèi)的雙疇電場分布，又可以產(chǎn)生帶有z分量的電場分布。所以，施加合適的電壓后，其60°極角下離軸圖像失真指數(shù)為0.163 4，是具有較低伽馬偏移的電極結(jié)構(gòu)。另外，這種結(jié)構(gòu)在驅(qū)動電壓、透過率與對比度等方面亦有良好的表現(xiàn)。

2017年，Guo等人提出了單滲透電極結(jié)構(gòu)，它是可以產(chǎn)生對稱電場分布的電極結(jié)構(gòu)[66]。給像素電極施加一定的電壓后，這種電極結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生X形的電場分布，這是一種上下、左右均對稱的電場分布，如圖13(c)所示。圖13(d)是單滲透電極結(jié)構(gòu)的伽馬曲線，可以看出，135°方位角及60°極角下的離軸圖像失真指數(shù)僅為0.063 5，是同類電極結(jié)構(gòu)中伽馬偏移較低的結(jié)果。此外，這種電極結(jié)構(gòu)也具有其他優(yōu)勢，例如較低的驅(qū)動電壓、較高的透過率和對比度。

圖13 菱形凸起電極結(jié)構(gòu)(a)及其伽馬曲線(b)[67]；單滲透電極結(jié)構(gòu)(c)及其伽馬曲線(d)[68]。Fig.13 Diamond-shape electrode structure (a) and gamma curves (b)[67]；Single-penetration electrode structure (c) and gamma curves (d)[68].

改善電極結(jié)構(gòu)能夠有效降低LCD的伽馬偏移?？蛇x的電極結(jié)構(gòu)種類較多，可參考的相關(guān)報道也較多。總的來看，能夠獲得多疇對稱液晶指向矢分布的電極結(jié)構(gòu)都可以或多或少地降低伽馬偏移。當(dāng)然，這種方法也存在一些弊端，例如增加制作難度和成本，限制LCD的分辨率，影響透過率或其他性能。

3.3 驅(qū)動方法

3.3.1 主/副像素驅(qū)動

除了液晶材料與電極結(jié)構(gòu)外，驅(qū)動方法對LCD的伽馬偏移也存在影響。在驅(qū)動方法上，可以采用主/副像素驅(qū)動方法來改善LCD的伽馬偏移。這種方法需要在顯示面板上設(shè)計主像素和副像素，然后在主像素上施加一個較高的驅(qū)動電壓，在副像素上施加一個較低的驅(qū)動電壓[67-69]。施加電壓后，主/副像素內(nèi)具有互補(bǔ)的液晶指向矢分布，并且像素的尺寸又小于人眼的分辨極限，所以LCD會體現(xiàn)出兩個像素上的綜合電光性能。通過調(diào)整主/副像素的面積比例與電壓比例，就可以獲得預(yù)計的伽馬曲線[70-73]。這種方法已經(jīng)被應(yīng)用于部分大尺寸LCD上[74-76]，下面舉一實例說明這種方法。

圖14(a～d)為三星電子在2005年展示的一款208 cm(82 in)英寸圖案化垂面排列(PVA：patterned vertical aligned)LCD的電極結(jié)構(gòu)、雙漏極薄膜晶體管(TFT：thin film transistor)、主/副像素上的伽馬曲線與最終的伽馬曲線[77]。主副像素的面積分配靠A、B顯示區(qū)域的面積來控制，主/副像素上輸入電壓的比例靠一個耦合電容來控制。從圖14(c)中可以看出，像素A區(qū)域內(nèi)的伽馬曲線比欲獲得的伽馬曲線偏上，像素B區(qū)域內(nèi)的伽馬曲線比欲獲得的伽馬曲線偏下。調(diào)節(jié)好A、B區(qū)域內(nèi)的伽馬曲線后，PVA LCD可以展示出綜合的伽馬曲線。結(jié)果顯示，這款PVA LCD在70°視角下的最大離軸圖像失真指數(shù)僅為0.144。主/副像素驅(qū)動方法可以有效地降低LCD的伽馬偏移，它可以應(yīng)用在各種的顯示模式中。但是，主副像素驅(qū)動方法的主要難度是設(shè)計與之配套的耦合雙漏極薄膜晶體管[78]。此外，還要選好合適的主/副像素面積比例和電壓比例。

圖14 (a)具有主/副像素的電極結(jié)構(gòu)；(b)具有雙漏極的TFT電路；(c)主/副像素的伽馬曲線與它們的等效伽馬曲線；(d)使用主/副像素驅(qū)動后，PVA LCD的伽馬曲線分布[77]。Fig.14 (a)Electrode structure with main/sub-pixel；(b) TFT circuit with double drain electrodes；(c) Gamma curves of main/sub-pixel and their equivalent gamma curve；(d) Gamma curve distribution of PVA LCD after using the main/sub-pixel driving method[77].

3.3.2 截斷透過率方法

截斷透過率方法是在2020年Guo等人提出的一種降低LCD伽馬偏移的方法[79]。這種方法的原理是：在像素電極上施加一個較小的電壓(小于正視下的驅(qū)動電壓)，這也相當(dāng)于截斷一定的透過率來顯示畫面。這種方法可以避免傾斜視角下出現(xiàn)灰階反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，各個視角下的電光特性曲線更為均一，從而可以獲得較低的伽馬偏移。

圖15展示了IPS BPLCD在不同視角下的電光特性曲線，圖中不同的比例系數(shù)表示此時的透過率占正視下最高透過率的比例。從圖中可以看出，若采用正視下最高透過率對應(yīng)的電壓來驅(qū)動IPS BPLCD，那么傾斜視角下會出現(xiàn)灰階反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，此時將會存在嚴(yán)重的伽馬偏移。若施加90%及以下透過率對應(yīng)的驅(qū)動電壓，那么傾斜視角下的電光特性曲線均為單調(diào)變化，這樣IPS BPLCD會表現(xiàn)出較低的伽馬偏移。

圖15 不同視角下，IPS BPLCD的電光特性曲線[80]Fig.15 VT curves of IPS BPLCD under various viewing angles[80]

從圖16(a～b)中的結(jié)果可以看出，當(dāng)采用100%透過率對應(yīng)的電壓驅(qū)動IPS BPLCD時，其在90°方位角及60°極角下離軸圖像偏移指數(shù)為0.462 1。若透過率截斷點為80%，則IPS BPLCD的離軸圖像偏移指數(shù)可以降低至0.128 2。使用截斷透過率方法后，60°視錐內(nèi)各個方位角下的離軸圖像失真指數(shù)的分布將會更加均勻，如圖16(c)所示。結(jié)果表明，IPS BPLCD的方位角圖像失真指數(shù)可以從0.312 0降低至0.049 2。此外，這種方法不僅適用于傳統(tǒng)的IPS電極結(jié)構(gòu)，還可以應(yīng)用于一些具有低驅(qū)動電壓的電極結(jié)構(gòu)，例如凸起電極結(jié)構(gòu)、具有高介電常數(shù)材料的電極結(jié)構(gòu)與滲透電極結(jié)構(gòu)等，如圖16(d)所示。

截斷透過率方法相對獨(dú)立，它既可以單獨(dú)使用，也可以搭配其他的方法來降低LCD的伽馬偏移。這種方法比較簡單，無需添加新的制備工藝。此外，這種方法無需施加峰值電壓，這也節(jié)約了一部分電能。但是，這種方法的原理就決定了會存在一定的透過率損失。當(dāng)然，多疇電極結(jié)構(gòu)、主/副像素驅(qū)動方法等也會存在損失透過率的現(xiàn)象。所以，研究人員可以從實效性、操作難度、驅(qū)動電壓與透過率等方面綜合考量，來決定所使用的方法。

4 其他與視角相關(guān)的性能

除了對比度與伽馬偏移之外，還有一些其他性能也與視角相關(guān)，如色彩偏移、亮度和色域等性能。

色彩偏移是指色坐標(biāo)上某一坐標(biāo)點在傾斜視角下發(fā)生偏移的現(xiàn)象。事實上，色彩偏移與伽馬偏移相關(guān)，能夠改善伽馬偏移的方法也適用于降低色彩偏移[81-83]。

亮度是指LCD展現(xiàn)出來的光強(qiáng)，它與背光源的光強(qiáng)和LCD透過率的視角特性均相關(guān)。背光源發(fā)出的光在多層散射膜的作用下可具有較好的視角均勻性，LCD的透過率隨視角有較大的變化，極角越大則對應(yīng)的亮度通常越低。為了提升LCD在不同視角情況下的亮度均勻性，通常使用外貼散射膜方法來均勻出射光的角度分布[25-28]。

色域是指顯示器可以顯示的色彩范圍在色度坐標(biāo)系中所占的面積，它通常以某一色域指標(biāo)的百分比形式呈現(xiàn)。LCD的色域也與視角相關(guān)，視角越大則色域通常越小。色域與伽馬偏移和色偏移相關(guān)，所以前文介紹的關(guān)于改善伽馬偏移的方法也可以用來提升色域。近幾年，人們制備出了一些含有量子點的特殊光學(xué)補(bǔ)償膜或光散射膜，添加這些光學(xué)薄膜亦可以顯著提升LCD的色域[84-85]。

5 總結(jié)與展望

本文綜述了大視角下LCD灰階圖像質(zhì)量的相關(guān)研究。首先，簡述了提高對比度的一些方法，如使用寬視角顯示模式、添加補(bǔ)償膜與局域調(diào)光技術(shù)等。然后，總結(jié)了改善伽馬偏移的方法，包括：添加具有特殊結(jié)構(gòu)的光散射膜、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)與改進(jìn)驅(qū)動方法。最后介紹了一些與視角相關(guān)的其他性能和相應(yīng)的改善方法。文中對以上方法的利弊進(jìn)行了分析。

從目前的發(fā)展趨勢上看，LCD向著基于Mini LCD局域調(diào)光技術(shù)的大尺寸顯示器發(fā)展，顯示特性也要實現(xiàn)高清晰度和寬色域，與視角相關(guān)的圖像顯示質(zhì)量也就受到了關(guān)注。本文中關(guān)于降低大尺寸LCD伽馬偏移的內(nèi)容是改善大視角顯示圖像質(zhì)量的關(guān)鍵內(nèi)容。改善伽馬偏移的方法應(yīng)當(dāng)簡單且有效，離軸圖像失真指數(shù)和方位角圖像失真指數(shù)應(yīng)作為判定顯示器圖像顯示質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。在不同的液晶顯示模式中，研究人員可以根據(jù)顯示特性來選擇合適的方案以改善灰階圖像質(zhì)量。