北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191
液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）是重要的显示技术，被广泛地应用于电视、电脑显示器、手机显示屏等领域，覆盖了大中小尺寸几乎所有的需求范围。LCD具有市场规模大、性价比高、寿命长等优点，但也存在一些瓶颈问题，突出表现在视角相关问题，例如倾斜视角下的对比度下降、灰阶偏移、色彩偏移等。此外，随着应用场景的具体化，市场上逐渐涌现出一些特殊的视角需求，例如窄视角、指定视角、视角可控等需求。针对以上问题，研究人员进行了大量的优化和改进，目前LCD的视角相关性能已经得到了明显提升。本文综述了部分有代表性的研究工作，首先，介绍了LCD的基本结构、显示原理、以及常见的显示模式；然后，介绍了与视角相关的性能参数，总结了能够改善视角相关问题的技术方法；最后，归纳了几种特殊的视角控制技术并进行了展望。
液晶显示器 视角 对比度 灰阶偏移 色彩偏移 Liquid crystal display Viewing angle Contrast ratio Gamma shift Color difference
1 河北工业大学 电子材料与器件天津重点实验室, 天津 300401
2 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
3 河北工业大学 应用物理系, 天津 300401
为了提升垂直排列硅上液晶(VA-LCoS)器件的反射率, 本文通过建立常黑型VA-LCoS的三维光学模型, 分别用圆偏振光和线偏振光入射, 研究了预倾角、液晶盒厚和入射光波长对VA-LCoS器件的反射率的影响。结果表明: 使用圆偏振光入射能彻底消除亮态像素内黑色区域。本文条件下, 1.6 μm盒厚的VA-LCoS在圆偏振光入射时有最大的反射率。本研究的结论对VA-LCoS的设计和制备具有一定的指导意义。
硅上液晶 垂直排列 反射率 液晶盒厚 预倾角 LCoS vertical alignment reflectivity cell gap pretilt angle
消色差偏振旋转器是一种可以改变入射偏振光偏振方向的光学元件, 在较宽波长范围内线偏振光通过该系统获得相同的旋转是偏振旋转器的优化设计目标。文中提出了两种结构的消色差偏振旋转器, 一种是由6片波片组成的, 另一种是由4片波片组成的。利用TechWiz LCD 1D软件进行模拟, 其中由4片波片组成的偏振旋转器透过率可以达到9975%以上, 漏光率低于0.15%; 由6片波片组成的消色差偏振旋转器的透过率可以达到99.8%～99.95%; 漏光率低于0.12%。并且波片厚度在一定范围内变化时, 透过率不受影响。结果表明这种消色差偏振旋转器可以实现入射线偏振光在正交方向的变化, 且结构设计, 参数设置较简单, 消色差性能良好, 符合消色差偏振旋转器的基本要求。
消色差 透过率 偏振旋转 线偏振光 波片 achromatic transmittance polarization rotation linearly polarized lights wave plates
1 河北工业大学 电子材料与器件天津重点实验室, 天津 300401
2 河北工业大学 应用物理系, 天津 300401
对于硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)器件而言, 由于其像素间距较小, 当某一像素施加电压后, 会影响其相邻不加电压的像素的光学特性。为了改善这一情况, 本文通过建立一种常白型LCoS的三维光学模型, 研究了3种参数对相邻不加电像素边缘的影响。结果表明: (1)相邻像素边缘暗态的位置和面积会随着液晶分子取向的改变而改变, 当液晶分子取向方向为45°时, 相邻像素边缘受影响的程度最小; (2)液晶盒的厚度越大, 相邻像素边缘受影响的程度越大; (3)像素间距对相邻像素边缘的影响是变化的。本文条件下, 当像素间距为0.7 μm时, 加电的中央像素对周围像素的反射率的影响最小。本研究的结论对高分辨率LCoS的设计和制备具有一定的指导意义。
硅上液晶 相邻像素 反射率 液晶盒厚 像素间距 LCoS adjacent pixel reflectivity gap of liquid crystal cell pixels gap
聚合物网络液晶一般有较大的阈值电压和饱和电压，有明显的迟滞效应，所以降低阈值电压与饱和电压，降低迟滞效应和增加对比度是研究的主要目标。表面活性剂的使用可以有效减小聚合物网络与液晶的相互作用，从而降低聚合物网络对液晶分子的锚定能，来达到降低阈值电压与饱和电压的效果。本文通过在聚合物网络液晶里掺入不同比例的表面活性剂(聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯：TWEEN 80)，来研究表面活性剂对聚合物网络液晶电光特性的影响。实验结果表明：在聚合物网络液晶里增加该种表面活性剂的比例达到10∶1时，阈值电压可以降低11倍以上，饱和电压降低5倍以上，对比度有一个大的提高，迟滞效应也得到很大的改善。本文结果对提高PNLC的电光特性有重要的指导意义。
聚合物网络液晶 表面活性剂 阈值电压 饱和电压 迟滞效应 polymer-network liquid crystal surfactant threshold voltage saturation voltage hysteresis effect
为了实现全可见光波长范围内的偏振光偏振方向正交变化的可控性, 我们研究了由液晶盒构成的消色差偏振光开关。研究了液晶波片的偏光旋转特性及响应特性, 并与传统波片的偏光旋转效果进行对比, 然后参考组合式消色差波片的设计, 设计出了由多片液晶盒构成的消色差偏振光开关。使用Tech Wiz LCD 1D软件对两种结构的消色差偏振光开关进行模拟, 得到其偏光旋转效果以及响应特性, 并得到不同波长偏振光的对比度。模拟结果表明：本文中提出的两种结构的液晶消色差偏振光开关可以实现在较大波长范围内的偏振光方向的正交变化, 同时出射偏振光具有较高的偏振度。在20 V驱动电压下, 偏振旋转的上升时间0.3 ms, 下降时间4.5 ms, 符合实际器件中对于消色差偏振光开关的响应速度要求。
偏振光开关 消色差 液晶波片 响应时间 polarization switch achromatic liquid crystal wave plate response time
1 河北工业大学 应用物理系, 天津 300401
2 河北工业大学 电子信息工程学院, 天津 300401
共面转换液晶显示器(IPS-LCD)由于其具有可视角度大、色彩真实、画质出色等优点, 在平板显示器中得到了广泛应用,然而响应速度慢限制了其在高端显示器中的应用。本文中, 首先通过采用正性液晶, 对IPS类型中的边缘场转换型(FFS)和边缘场共面转换型(FIS)的液晶显示器, 不同摩擦角度下的电光特性和响应时间进行了模拟计算。然后从预倾角度、电极尺寸以及弹性常数出发, 对FIS液晶盒结构参数进行了优化, 提出了一种快速响应的液晶显示器。我们通过计算机模拟发现, 在FFS液晶盒中, 摩擦角度对工作电压具有较大影响, 小摩擦角度可实现高透过率、低工作电压；而在FIS液晶盒中, 摩擦角度对响应时间具有较大影响, 大于10°时与2°时相比, 响应速度可提高82.7%以上。并且, 不同摩擦角度下, 弹性常数对FIS液晶显示器的响应速度影响不同, 摩擦角度为2°时, 响应速度与弹性常数K11、K22、K33都有关, 而摩擦角度为12°时, 响应速度只与K22有关, 这个原因导致了12°与2°时相比, 响应速度提高了84.2%。
FIS液晶显示器 工作电压 快速响应 fringe and in-plane-switching liquid crystal displ operating voltage fast response
在具有高驱动电压的液晶显示器中, 为了对液晶器件起到保护作用, 以采用增加取向层厚度的方法来解决某些显示器件由于驱动电压过高导致的问题。当取向层厚度不可忽略时, 随着取向层厚度增加会导致器件驱动电压升高。本文利用扭曲向列相液晶显示器结构, 通过模拟和实验分析了取向层厚度对LCD的影响以及不同介电常数的取向层对LCD的影响。结果表明: 当取向层的介电常数大于20时, 能够有效降低TN-LCD驱动电压。当其介电常数大于500时, 其厚度变化对驱动电压的影响变得很小。本文结果对降低高驱动电压液晶器件的驱动电压有重要的指导性意义。
液晶显示器 取向层 介电常数 驱动电压 LCD alignment layer dielectric constant operating voltage
