共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器中降低離軸漏光的光學(xué)補償方法

隆竹輝，張美珊，馬紅梅，孫玉寶

共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器中降低離軸漏光的光學(xué)補償方法

隆竹輝，張美珊，馬紅梅，孫玉寶*

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

本文綜述了在共面轉(zhuǎn)換液晶顯示器中使用光學(xué)補償膜降低離軸漏光的方法，應(yīng)用模擬軟件研究了可見光的暗態(tài)漏光。首先總結(jié)了使用雙軸膜補償方法，發(fā)現(xiàn)兩個雙軸膜的補償效果優(yōu)于一個雙軸膜；研究和比較了6種單軸膜補償方法，獲得了離軸漏光接近于零的方法；最后研究了8種補償方法暗態(tài)漏光的角度依賴性和波長依賴性。通過光學(xué)補償膜提高液晶顯示器中的寬視角特性具有重要的意義。

液晶顯示器；漏光；光學(xué)補償膜；可見光

1 引言

目前，液晶顯示器（LCD）和有機發(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，OLED的市場迅速增長，面對新型顯示技術(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)時間、驅(qū)動電壓、色彩表現(xiàn)、對比度等。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內(nèi)水平旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)亮態(tài)［5-7］。

IPS-LCD的特點是液晶盒被夾在兩個相互垂直的線性偏振片之間。當(dāng)光垂直入射時，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)補償膜進行光學(xué)補償來降低離軸漏光［9-15］。使用雙軸膜來降低暗態(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償方案，單軸膜制作簡單，但是單軸膜具有一定的色散，會導(dǎo)致暗態(tài)的輕度漏光。現(xiàn)有的模擬研究中一般只針對單波長進行模擬計算，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，但實際上不同波長的光在不同補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種補償膜方案在可見光下的離軸漏光。雙軸膜補償可以很好地降低暗態(tài)漏光，多個單軸膜補償也可以得到一個漏光接近于零的暗態(tài)。

2 液晶模式和離軸漏光

模擬計算中使用的是正性液晶，其參數(shù)為：彈性常數(shù)11=9.6 pN，22=5.3 pN，33=11.6 pN，介電各向異性Δ=8.2，Δ=0.098 7。液晶層厚度為 4 μm，偏光片參數(shù)為：e=1.5+1.929×10-3i，o=1.5+4.535×10-5i，偏光片的厚度為230 μm。IPS類型液晶顯示器包括傳統(tǒng)IPS模式和邊緣場開關(guān)（FFS）模式，如圖1所示。FFS模式相對于傳統(tǒng)的IPS模式來說，解決了電極上方透過率低的問題，其顯示原理與傳統(tǒng)IPS模式基本相同。本文中僅對顯示器的暗態(tài)漏光進行模擬計算，亮態(tài)使用FFS電極驅(qū)動的亮度視角圖。

圖1　IPS顯示原理。（a）IPS模式；（b）FFS模式。

圖2（a）是無補償膜時的暗態(tài)漏光特性。光線正入射時，暗態(tài)透過率遠(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，暗態(tài)透過率超過了1%。圖2（b）是FFS-LCD的亮態(tài)視角圖，可以看到亮態(tài)透過率是非常均勻的。圖3所示為無補償膜時的對比度視角圖，在極角20°的范圍內(nèi)等對比度達(dá)到了1 000∶1。超過極角37°的區(qū)域等對比度則低于100∶1。原因是在斜視角下離軸漏光強烈，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　等透過率視角圖。（a）暗態(tài)透過率；（b）亮態(tài)透過率。

圖3　等對比度圖

3 補償方案

3.1　雙軸膜的補償方案

圖4　一個雙軸膜（a）和兩個雙軸膜（b）的補償方案結(jié)構(gòu)示意圖

表1雙軸膜的折射率參數(shù)

Tab.1　Biaxial retardation film parameters

令LC層的預(yù)傾角為0°，計算的光波長范圍為450～650 nm。使用TechWiz 1D模擬軟件計算暗態(tài)的等透過率圖，結(jié)果如圖5所示，等對比度視角結(jié)果如圖6所示。

圖5　暗態(tài)透過率視角圖。（a）一個雙軸膜；（b）兩個雙軸膜。

如圖5所示，使用一個雙軸膜，在極角大于46°時暗態(tài)透過率超過0.01%。而使用兩個雙軸膜，極角大于50°時暗態(tài)透過率超過0.01%。如圖6（a）所示，使用一個雙軸膜，在極角46°范圍內(nèi)等對比度為1 000∶1。如圖6（b）所示，使用兩個雙軸膜，在極角52°范圍內(nèi)等對比度為1 000∶1。兩個雙軸膜降低離軸漏光的效果明顯優(yōu)于單個補償膜的效果，這是由于兩個雙軸膜的波長色散可以互相補償，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。為了平衡成本和補償效果，研究者提出了使用單軸膜的補償方案。

圖6　等對比度視角圖。（a）一個雙軸膜；（b）兩個雙軸膜。

3.2　單軸膜的補償方案

單軸膜的種類有+A、-A、+C、-C膜，這些補償膜的不同組合有著不同的補償方案和效果。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e=1.52，o為表中正性膜的e的數(shù)值。

表2單軸膜的折射率參數(shù)

Tab.2　Uni-axial retardation film parameters

圖7（a）是用一個+A膜和一個-?A膜來降低離軸漏光的結(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+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　單軸補償膜方案結(jié)構(gòu)示意圖。（a）+A-A；（b）+A+C；（c）+A+C+A。

3種方案的暗態(tài)透過率計算結(jié)果如圖8所示。圖8（a）中，+A-A補償方案在極角大于38°時暗態(tài)透過率超過0.01%。圖8（b）中，+A+C補償方案在極角大于37°時暗態(tài)透過率超過0.01%。圖8（c）顯示了+A+C+A補償方案在極角大于37°時暗態(tài)透過率超過0.01%。3種方案的等對比度計算結(jié)果如圖9所示。圖9（a）是+A-A補償方案的等對比度視角圖。圖中可以看出在極角39°范圍內(nèi)等對比度為1 000∶1。圖9（b）是+A+C補償方案的等對比度視角圖，圖中可以得到等對比度在極角為36°范圍內(nèi)為1 000∶1。圖9（c）是+A+C+A補償方案的等對比度視角圖，在極角為39°范圍的等對比度為1 000∶1。這3種使用單軸膜的補償方案雖然能夠在一定程度上減弱斜視角下的離軸漏光，但是因為薄膜本身具有一定的波長色散，且在方位角為45°、135°、225°、315°時暗態(tài)漏光值依舊不小。

圖8　暗態(tài)透過率視角圖。（a）+A-A；（b）+A+C；（c）+A+C+A。

圖9　等對比度圖。（a）+A-A；（b）+A+C；（c）+A+C+A。

要解決由所使用的單軸膜本身帶來的波長色散而導(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色散，達(dá)到在全波長降低暗態(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種補償模式，通過相互垂直的單軸膜進行相位補償去降低單軸膜的波長色散帶來的暗態(tài)漏光，在全波長范圍內(nèi)得到更好的暗態(tài)透過率。

圖10（a）是+A+A+C補償方案的結(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^設(shè)置補償膜的參數(shù)有效降低波長色散，兩個正交的+A膜中，F(xiàn)irst +A膜波長色散低，延遲值高，Second +A膜波長色散高，延遲值低。

圖10 （b）是+A+A-A-A補償方案的結(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。兩組相互垂直且對稱的單軸膜可以有效降低波長色散的影響。但是這種方案使用了負(fù)性A光學(xué)補償膜，成本稍高。

圖10（c）是+A+A+C+A+A補償方案的結(jié)構(gòu)示意圖。使用兩組+A膜和一個+C膜用來降低離軸光泄漏，成本較低。兩個First +A膜的延遲值為121.5 nm，兩個Second +A膜的延遲值為24.5 nm，+C膜的延遲值為207 nm。兩個First +A膜的光軸分別平行和垂直檢偏器的吸收軸，兩個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，這是因為+C膜下方兩個+A 膜波長色散帶來的相位差異完全被上方的兩個+A 膜完全抵消。

圖11是3種補償方案的暗態(tài)透過率視角圖。圖11（a）是+A+A+C補償方案的暗態(tài)透過率，在極角大于53°時，暗態(tài)透過率超過0.01%。圖11（b）是+A+A-A-A補償方案的暗態(tài)透過率，在極角大于51°時暗態(tài)透過率超過0.01%。圖11（c）是+A+A+C+A+A補償方案的暗態(tài)透過率，在全視角范圍內(nèi)暗態(tài)透過率皆小于0.01%，非常好地降低了離軸漏光。圖12（a）是+A+A+C補償方案的等對比度視角圖，可以得到+A+A+C補償方案的等對比度在極角為56°時為1 000∶1。如圖12（b）所示，+A+A-A-A補償方案的等對比度在極角為54°時為1 000∶1。如圖12（c）所示，+A+A+C+A+A補償方案的等對比度在極角69°時為1 000∶1。

圖11　暗態(tài)透過率視角圖。（a） +A+A+C；（b）+A+A-A-A，（c） +A+A+C+A+A。

圖12　等對比度圖。（a）+A+A+C；（b）+A+A-A-A；（c）+A+A+C+A+A。

4 結(jié)果與討論

圖13、14中的漏光值為波長450～650 nm范圍內(nèi)每個波長的漏光值的平均值（取波長間隔1 nm）。當(dāng)方位角=45°時，不同極角下的漏光值如圖13所示。+A-A、+A+C、和A+C+A補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補償方案的漏光值較低。

圖13　暗態(tài)漏光的極角（θ）依賴性（φ=45°）

圖14　暗態(tài)漏光的方位角角（φ）依賴性（θ=70°）

圖14所示為在=70°時，不同方位角的漏光值。圖中可以看出+A-A補償方案在為60°、120°、240°、300°時漏光值最大，為0.053 0%。A+C補償方案在為25°、155°、205°、335°時漏光值最大，為0.057 9%。+A+C+A補償方案在為45°、135°、225°、315°時漏光值最大，為0.049 8%。+A+A+C補償方案在為70°、110°、250°、290°時漏光值最大，為0.031 5%。+A+A-A-A補償方案在為65°、115°、245°、295°時漏光值最大，為0.033 9%。One-Biaxial和Two-Biaxial補償方案在為65°、115°、245°、295°時漏光值最大，分別為0.038 7%和0.032 9%。而+A+A+C+A+A補償方案在為45°、135°、225°、315°時漏光值最小，低于=0°時的漏光值。此方案在=45°時能夠很好地降低離軸漏光。使用一個對稱結(jié)構(gòu)且兩組互相垂直的單軸膜補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=70°，=45°時，各種補償方案在不同波長下的暗態(tài)透過率。在550 nm處，暗態(tài)漏光值都為最小值，同時向兩邊呈增長趨勢。+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色散，只在550 nm時效果最好，在藍(lán)光和紅光處有較大的漏光。+A+A+C和+A+A+C+A+A兩種補償方案受波長影響最小，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)漏光的波長依賴性（φ=45°，θ=70°）

5 結(jié)論

本文對各種IPS-LCD中光學(xué)補償膜方案在可見光下的暗態(tài)漏光進行了模擬計算。雙軸膜對降低斜視角下的離軸漏光有很好的效果。對稱結(jié)構(gòu)的單軸膜補償方案可以降低補償膜色散帶來的暗態(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)補償膜對視角特性進行改善的各種方案，對提高IPS-LCD的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

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Optical compensation methods for eliminating the off-axis light leakage in in-plane switching liquid crystal display

LONG Zhu-hui，ZHANG Mei-shan，MA Hong-mei，SUN Yu-bao*

（，，300401，）

This paper reviews optical compensation schemes for the elimination of off-axis light leakage in an in-plane-switching LCD. The dark-state light leakage of visible light is studied by using simulation software. Firstly， the method of optical compensation using biaxial membrane is summarized. The performance of the compensation methods that use two biaxial films is much better than that of the compensation methods using one biaxial film. Then， six methods of optical compensation using uniaxial films were investigated， and the methods of off-axis light leakage close to zero were obtained. Finally， we calculated the angle and wavelength dependence of the eight compensation methods. Optical compensation to improve the wide-viewing-angle characteristics is essential in a liquid crystal display （LCD）.

liquid crystal display； light leakage； optical compensation； visible light

TP141.9

A

10.37188/CJLCD.2022-0098

1007-2780（2022）07-0816-09

2022-03-26；

2022-04-05.

國家重點研發(fā)計劃（No.2018YFB0703701）；國家自然科學(xué)基金（No.61475042）

Supported by National Key R&D Program of China（No. 2018YFB0703701）； National Natural Science Foundation of China（No. 61475042）

，E-mail：sun_yubao@163.com

隆竹輝（1998—），男，湖南邵陽人，碩士研究生，2020年于哈爾濱學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事液晶器件方面的研究。E-mail：18593472430@163.com

孫玉寶（1975—），男，河北滄州人，博士，教授，2010年于河北工業(yè)大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事液晶器件物理和液晶的新型應(yīng)用等方面的研究。E-mail：sun_yubao@163.com