（光学工程专业论文）可控视角lcd的原理研究及验证.pdf

i 7 if ： 7 良 睡 ，一 t ， 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年月日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月曰 _ 誊 氆 眨 l - ， 摘要 摘要 随着社会经济和科学技术的进步，显示器用户对于分享性资料及机密性资料 具有不同的视觉需求，单一视角模式的显示器已经不能满足使用者的需求，液晶 显示器最好拥有自身在宽窄视角模式之间转换的能力，当使用者需要共享信息时， 打开宽视角模式；当使用者想要保护显示信息时，使用窄视角模式。视角可控显 示器就是一种可以随时自动实现宽窄视角模式转换的新型液晶显示器。 本文主要围绕视角可控的显示技术展开探讨，并针对基于液晶特性实现的视 角可控技术进行了深入研究。本文研究的视角可控液晶显示器都是通过在背光源 与显示屏之间加上视角可控设备，从而达到视角可控的目的。本文主要研究的是 基于液晶电光特性的电压控制视角模式切换的视角控制设备各方面性质。 本论文首先介绍了视角可控液晶显示器的基本概念与工作方式，在此基础上 简要介绍了国内外现有视角可控显示的技术背景与发展情况。本文提出了两种视 角可控方法宾主液晶分子二向色原理与双液晶光栅的滤光原理特性，这两种 方法都利用了宾主液晶与t n 型液晶的在电场下的光开关特性。宾主型视角可控液 晶显示器是利用宾主液晶中染料分子的二向色性质改变透射光矢量状态，实现电 压控制下的自动视角可控显示；双光栅型视角可控l c d 是结合宾主液晶二向色原 理与t n 型液晶的光开关特性，设计制作加上特定电压时能形成类似黑白光栅的液 晶显示屏，利用双液晶光栅对漫射光的准直和开关特性，实现对背光的漫射和准 直的开关切换，得到电控自动视角可变显示。本文首先探讨了两种方法的实现思 想与显示原理，其次分别对其制作工艺进行了深入探讨与研究，最后实际制作出 能够实现视角可控显示的宾主型与双光栅型是视角可控器件，通过实验测试与理 论分析两种器件的视角特性，验证了视角可控液晶显示器的可行性。 最后，在光栅型结构的视角可控显示的基础上提出利用三层光栅型视角控制 设备实现将可变视角与立体显示相结合的新型显示技术，对其实现思想与器件基 本结构进行了深入探讨与研究。 本论文提出两种利用液晶特殊光学性质制作视角可变液晶显示器的方法，实 际制作成品显示效果良好，其实现思想与实际显示效果在国内外都未见报道。 关键词：视角可控，平板显示，液晶 j 一 一 穸 一 h 飞 k a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ea d v a n c eo fs o c i a le c o n o m ya n ds c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h e m o n i t o ru s e r sh a v ed i f f e r e n tv i s u a ld e m a n d so ns h a r e dd a t aa n dc o n f i d e n t i a ld a t a m o n i t o r sw i t hs i n g l ev i e wa n g l em o d ec a nn ol o n g e rm e e tt h eu s e r s r e q u i r e m e n t s m o n i t o r sw i t hc h a n g e a b l ec a p a b i l i t yo fb e t w e e nb r o a da n dn a r r o wv i e wa n g l eh a sb e e n c o n s i d e r e da sab e s ts o l u t i o n w h e nu s e r sn e e dt os h a r ed a t a , t a mo nb r o a dv i e wa n g l e m o d e ；o rs w i t c ht ot h en a r r o wv i e wm o d ew h e nd a t ad i s p l a y e dn e e d st ob ep r o t e c t e d v i e wa n g l ec h a n g e a b l ed i s p l a yi san e wd i s p l a yc o u l da u t o m a t i c a l l yb ec o n v e r t e d b e t w e e nt h ew i d ea n dn a r r o wv i e wm o d ea ta n yt i m e t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e dm a i n l ya b o u tv i e wa n g l ec h a n g e a b l el i q u i dc r y s t a l d i s p l a yt e c h n o l o g y a n dr e s e a r c ho nv i e wa n g l ec h a n g e a b l et e c h n o l o g yb a s e do nl i q u i d c r y s t a lf e a t u r e s t h er e s e a r c ho f t h ea r t i c l ei sf o c u s e do na d d i n gv i e wa n g l ec h a n g e a b l e e q u i p m e n tb e t w e e nb a c k l i g h t a n dm o n i t o r , i no r d e rt od e v e l o p i n gv i e wa n g l e c h a n g e a b l ed i s p l a y t h es t u d yi sm a i n l ya i m i n g a tt h ed e v i c e sd i s p l a yp r o p e r t i e sw h i c h c o u l du s ev o l t a g es w i t c ht h ev i e wa n g l em o d eb a s i n go nl i q u i dc r y s t a le l e c t r o - o p t i c a l p r o p e r t i e s t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e dt h ea n g l ec o n t r o l l a b l el i q u i dc r y s t a ld i s p l a y sb a s i c c o n c e p t sa n dm e t h o d so fw o r k , t h e nh a da b r i e fi n t r o d u c t i o no ns e v e r a lc u r r e n t l y a v a i l a b l ev i e wa n g l ec h a n g e a b l et e c h n o l o g i e s t h ed i s s e r t a t i o nh a dp r o p o s e dt w o v i e w a n g l ec h a n g e a b l em e t h o d s - - - d i r e c t l yu t i l i z i n gg u s t - h o s tl i q u i dc r y s t a ld i c h r o i ct h e o r y a n dt h ef i l t e r i n gf e a t u r eo ft h ed o u b l el i q u i dc r y s t a lo p t i c a lg r a t i n g b o t ho ft h et w o m e t h o d su t i l i z e dp h o t os w i t c hf e a t u r ed e v e l o p e db yg u s t - h o s tl i q u i dc r y s t a la n dt n t l i q u i dc r y s t a li ne l e c t r i cf i e l d f i r s tm a k et h eu t i l i z a t i o no ft h eg u s t - h o s tl i q u i dc r y s t a l d i c h r o i c sl i g h ta b s o r p t i o nf e a t u r ec h a n g et h es t a t eo ft h ei n c i d e n tl i g h tv e c t o rt or e a l i z e v i e wa n g l ec h a n g e a b i l i t y s e c o n d l y , c o m b i n eg u s t - h o s tl i q u i dc r y s t a ld i c h r o i ct h e o r y w i t ht n t l i q u i dc r y s t a l sp h o t os w i t c hf e a t u r et od e s i g nal i q u i dc r y s t a ld i s p l a yt h a ti s c a p a b l eo ff o r m i n ga n a l o g o u sb wo p t i c a l g r a t i n gw h e na d d i n g as p e c i f i cv o l t a g e u t i l i z i n gd o u b l el i q u i dc r y s t a lo p t i c a lg r a t i n g sa l i g n m e n ts w i t c hf e a t u r e st od i f f u s e d l i g h t t or e a l i z et h es w i t c ht ob a c k l i g h td i f f u s i o na n da l i g n m e n t ，f i n a l l yg e tt h e i i 一 垒堕! 翌! ! 一一 _ i _ _ - _ - _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ - - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ 一一。一 e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e da u t o m a t i cv i e wa n g l ed i s p l a y t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st w d m e m o d st om e o r d i c a lm o d e la n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ，f o l l o w e db yi t sp r o d u c t i o n p r o c e s s ，f i n a l l yt h ea c t u a lp r o d u c t i o nc a n b ea c h i e v e do u to fv i e wa n g l ec o n t r o l l a b l e d i s p l a y t h ef e a s i b i l i t yo fv i e wa n g l ec o n t r o l l a b l ed i s p l a yw a s v e r i f i e db ye x p e r i m e n t a l t e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s a tl a s t ，o nt h eb a s i so fv i e wa n g l ec h a n g e a b l ed i s p l a yw i t ho p t i c a lg r a t i n gs t r u c t u r e ， t h ed i s s e r t a t i o np r o p o s e di n c o r p o r a t i n g v i e wa n g l ec h a n g e a b l ea n d3 dd i s p l a y t e c h n o l o g yt of o r ma n e w d i s p l a yt e c h n o l o g ya n ds t u d i e di t sf u n d a m e n t a lo p e r a t i o n h lt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h es p e c i a lo p t i c a lp r o p e r t i e so fl i q u i dc r y s t a l ，t w o m e c t l o d so ff a b r i c a t i n gv i e wa n g l ec o n t r o l l a b l ed i s p l a yw e r ep r o p o s e d e x c e l l e n td i s p l a y e f f 融w a so b t a i n e d ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o ni d e aw a sn o tb e e nr e p o r t e ds of a r k e yw o r d s ：v i e wa n g l ec o n t r o l l a b l e ，f i a tp a n e ld i s p l a y , l i q u i dc r y s t a l u i 童 ， j ! l 目录 目录 第一章引言1 1 1 课题研究背景1 1 2国内外研究现状和发展历史2 1 2 1 研究现状2 1 2 2 发展历史5 1 2 3 小结l l 1 3 本文主要内容l l 第二章平板显示器件视角特性1 3 2 1 主流平板显示器件视角特性1 3 2 2 液晶显示器的宽视角特性1 4 2 2 1 补偿膜模式1 5 2 2 2m v a 模式16 2 2 3p v a 模式l7 2 2 4i p s 模式17 2 3 视角可控显示器的视角特性l8 2 4d 、结1 9 第三章基于不同液晶特性的视角可控l c d 的实现思想2 0 3 1 液晶的电光特性2 0 3 1 1l c 的介电各向异性2 0 3 1 2l c 的折射率各向异性2 l 3 1 3l c 的双折射效应2 l 3 2 宾主型视角可控l c d 的实现思想。2 2 3 3 双液晶光栅型视角可控l c d 的实现思想2 5 3 3 1 可行性验证。2 5 3 3 2 基于宾主液晶特性的双液晶光栅的实现思想2 7 3 3 3 基于t n 液晶特性的双液晶光栅的实现思想。3 0 第四章制作工艺3 3 4 1 滤光薄膜的制作工艺3 3 目录 电压控制视角可变l c d 的制作工艺。3 3 4 2 1 宾主型视角可控t c 工艺研究3 4 4 2 2 双液晶光栅视角可控l c d 工艺研究3 6 后期制作工艺4 4 视角可控l c d 视角特性的理论分析与实验测试4 6 宾主型视角可控l c d 的视角特性4 6 5 1 1 理论模拟4 6 5 1 2 实验测试5 l 5 1 3 实际效果5 2 双液晶光栅型视角可控l c d 的视角特性5 3 5 2 1 理论分析5 3 5 2 2 实验测试5 6 5 2 3 实际效果5 6 d 、结! ；7 基于多层液晶光栅的立体显示5 9 立体显示概论5 9 可切换模式的新型立体显示器6 l 6 2 1 三层液晶光栅立体结构设计6 l 6 2 2 制作工艺6 3 d 、结6 4 结论与展望6 5 结论6 5 展望6 6 t ；7 献6 8 间的研究成果7 1 v j ， 扎 第一章引言 1 1 课题研究背景 第一章引言 显示技术是传递视觉信息的技术，利用电子技术可以把看不见的电信号转变 成可见光信号，用于信息显示。显示技术，除在电视和雷达方面有着重要用途之 外，在工业生产、计算机、交通、文化教育、体育、医学、生物等方面，应用也 相当广泛。人类再从外界获取信息的途径中，通过视觉来获取的信息量大约有8 0 以上。所以，随着现代信息技术的高速前进，显示技术占据的地位与领域越发突出与 广泛，信息显示成为了“信息高速公路”上、下的阶梯【l 】。 液晶显示器作为一种重要的平板显示器件，经过多年的发展，现在已开发出 的有各种向列相液晶、聚合物分散液晶、双( 多) 稳态液晶、铁电液晶和反铁电液晶 显示器等。一直以来，人们都致力于提高液晶的视角来增强可观赏性。 现在，液晶显示器的窄视角特性正越来越被人们所重视。因为它视角的狭窄， 只有正对屏幕的人才能够看清上面的文字信息，而旁边的人却只能够看到一片黑 暗。它可以运用到公司职员操作的电脑或a t m 上，防止重要信息的外泄，也可以 用于个人手机屏幕上，让你在不想别人看到发送信息内容时，保护你的隐私。 进入2 l 世纪，液晶显示器多用于移动式资讯平台，如个人数字助理、笔记型 电脑、数字相机及手机等，这些使用场合在当今社会的保密性要求日趋增高，而 同时具备较好观赏性也很重要。液晶显示器的使用者对于分享性资料及机密性资 料具有不同的视觉需求，单一视角模式的显示器已经不能满足使用者的需求，越 来越多的用户需要视角可变的显示器。由此，视角可控显示器成为了现代平板显 示领域内一个新兴的的发展方向，它的应用领域非常广泛，大至自动取款机等银 行设备，小至人们最常使用的手机等移动通信设备，尤其是随着3 g 网络在中国的 应用，手机的功能不在止于通话，越来越多的功能被集于一体，例如照片传输， 视频通话，上网冲浪等等。因此，显示屏幕对于隐私的要求越来越高，但同时又 需要随时可以在需要时回到原有的宽视角状态，以手机的显示屏幕为例，如图l 所示在地铁等公共场合与家人或朋友发送短信或者视频通话时时，希望窄视角的 私人模式可以屏蔽掉旁边人的观察；而当在家里等私人场合时，又希望可以有可 以和朋友一起观看信息的宽视角的公共模式。针对这种市场的新兴需求，视角可 电子科技大学硕士学位论文 控显示器也因此应运而生，成为了近年来各大显示公司的热点与新兴研究方向。 j i t _ 一 ， ， - 散射状 背光源 是根据 屏幕之 现 的，视 有的是 到光线 2 分别 示器的 处于宽 部分畴 此时便 原理示 在 示区域 为正常 电f 科技人学硕十学f 移论文 图1 3 多畴像素显示原理图 ( a ) 部分单畴驱动示意图( b ) 舣畴像素液晶显示器 3 电压控制暗态对比显示 电压控制得到宽窄视角可且换的效果是利用不同电压驱动使显示器显示不同 暗态对比实现的。在垂面排列的液晶盒上添加一个单层补偿膜对其进行补偿就可 以在无电压驱动与高电压驱动时都获得显示暗态。高电压驱动时为沿面排列的暗 念，是窄视角特性；未加电压时是多畴垂面排列的暗态显示，为宽视角特性。两 种情形具有不同的暗念透过率如图1 4 所示。 此种显示方式中所添加的单层补偿膜形式可以根据实际应用需要进行调整， 只要具有所需的光学性质就可以了，既可以是特殊性质的塑料( 如偏振片) 薄膜， 也可以用的分子( 如液晶) 薄膜等具有类似性质的物质来替代【6 l 。 偏振片( o 。) 液晶盒( v a4 5 。) e 补偿膜偏振片( 9 0 。) 偏振片( o o ) 液晶盒( v a 4 5 0 ) e 偿膜偏振片( 9 0 0 ) o ji 匝 1 鼍矿 ， ，一 ，一一锸 ， ， - 隐 q 嵝 o 蟊盈 蹬豳， 1 ( a ) 宽视角状态 4 o j 1 i 豳 i i 1 ， r 1 ， 、j 翻 、 、 、 1 ， ( b ) 窄视角状态 第一章引言 图l _ 4 在正交偏振片下该显示器不同的视角状态 上述3 种显示原理都可以实现视角可控液晶显示，关于这一点我们可以从对 比度和所照显示图片看到，三种显示器的宽视角特性与窄视角特性区别是十分明 显的，说明他们都具有很好的视角控制性。但是由于第一种添加了视角控制器件， 第二种采用了多畴驱动，所以相对来说第三种的制作方法较为简便，但是由于负 性介电异性较小，所以第三种的驱动电压比较高。从视角控制特性来说，第三种 视角控制特性的均匀性也叫前两种较好。 从以上的介绍可以看到，视角可控显示器只制造出小视角特性，而宽视角的 特性则由显示单元本身的视角特性来充当。因此，视角可控显示器中的显示单元 需要由能够进行大视角显示的显示面板来充当。近年来，液晶显示逐渐解决了视 角问题，加上成熟的制作工艺，是视角可控显示器显示单元的良好选择。 1 2 2 发展历史 视角可控显示l c d 是一个新型的显示器，显示行业的各大厂商近年来才开始 其进行研究，也取得了一些很不错的突破与进展。本节简要介绍了国内外现阶段 在视角可控显示器上的研究近况与进展。 1 日本电气公司 日本电气公司0 6 年提出一种可切换视角的显示器，并提出了与之配套的终端 设备，其显示结构如图1 2 中所示包括背光源1 0 1 ，光学元件1 0 2 与1 0 3 ，显示液 晶单元1 0 4 。光学元件1 0 2 可以加强从背光源发出光的方向性，光学元件1 0 3 的作 用是对背光源发出的光进行散射，使光线可以通过1 0 3 进行原有状态( 直接从1 0 2 透射) 到上述散射光状态的切换，如图1 5 所示。 二二二二二二二二卜伯4 = = = = = = 二二= 二= = = j v 1 匕= = = = = = = = 二= = = ) 0 2 二二二二二二二卜俐 图1 5 常规显示器结构图 日本电气公司所提出的视角可变显示器的显示原理也是通过添加视角控制器 件来达到视角切换的目的。光学元件1 0 3 就是视角控制器件，当其处于透明状态 5 电子科技大学硕士学位论文 时，由于背光源1 0 1 为准直性质的光源，显示器为窄视角显示模式；当其处于散 射状态时，背光源发出的准直光被转换为各个方向的入射光，显示器处于宽视角 显示模式妒川。 这种方法的缺点是有散射型光学功能的液晶元件通常在其液晶分子里面加入 的离子杂质数目是大于用于显示的液晶单元的。这就导致依据制造显示设备时所 设计的规格而得到的符号对称的光学响应时，光学响应会随着器件使用时间的加 长也变得不对称，而且发生闪烁。日本电气公司针对这种情况对显示器件做了改 进，使通过驱动单元施加给切换元件的交流电压的频率f 2 高于显示面板的驱动频 率f l ，通过这样的调整可使观察者很难把在给切换元件施加正电位时和施加负电 位时之间的光学响应的不对称识别为闪烁，有效的抑制闪烁现象的产生。除了上 述问题外，由于在“宽视角特性 期间与“窄视角度特性 期间用于显示的光是 分别为散射光与准直光，因此，宽窄视角切换前后导致了显示屏幕的亮度与色移 都发生改变，显示状态发生明显变化。针对这个问题，日本电气联合n e c 公司对 其进行了研究，提出了很多解决方法，例如：在切换元件切换期间，改变平面光源 的亮度；根据平面光源的亮度变化，调整显示板的至少部分彩色像素的透射率：以及 执行控制，从而在切换之前和之后，亮度和色调不会发生变化【1 2 4 1 。 2 亚洲太平洋大学 亚洲太平洋大学在背光源与光导间插入液晶设备( p d l c ，l c p g ，l c 透镜等) ， 加电压改变光导中光传播方向，在光波内导光板内的传播光角度是多种多样的当 输出装置将其输出时，其角度分布反应了由液晶装置带来的改变，将其通过外部 连结设备输出( 如图1 - 6 ) ，对于这种显示方法来说，输出设备的设计与l c 器件尤 为重要。这种方法虽然也有借助辅助设备，原理与日本电气公司等没什么差别， 但是比起其它方法，显示设备的厚度大为减少，对于显示应用有很大意义陋1 6 1 。 l i 匦 图1 6l c 装置控制光导层内的传播光线角度改变 6 第一章引言 p d l c 液晶，液晶相位光栅或液态晶体，都可以用于图3 1 0 的液晶装置，也就是该 发明中的视角可控装置，下面对它们的控制视角可变的原理加以说明。对于p d l c 液晶，l c p g 液晶和有一些微观结构的液晶装置的操作分别见图1 7 。 圆一 热娜 二 娶国 逭多一 z 、 n dl c = 1 一一 j 一一 j 三三 1u j 一一 li ii ) k 1 一一 li ii 缸 。丌) k j 图1 7l c 装置下控制的光传播方向 首先，p d l c 板是由两个有透明电极做成的感光底层组成的，中间是由液晶分 子及其聚合物组成的混合物质。显示原理与日本电气公司相同。在这种情况下，只 需要覆盖l e d 发射区来有别于其它视角可变显示( 如日本电气) 的全展示。当我 们加上电压时，该指数的l c 液滴和聚合物区域和入射光传播匹配被描述在图1 8 下 半部分。l c p g 夹层也可以达到控制视角切换的目的。液晶分子垂直地排成一列如 图1 - 8 ( b ) 上半图没加电压时，结构均匀，入射光线传播，显示器处于宽视角状态， 当我们在相邻电极上加电压时，电极间的液晶分子沿着电场方向指向，即平行于感 光板。分子在电极保持垂直排列。液晶这种改变是给直线偏振光带来了一个周期 相位延迟。在图1 8 ( b ) 下情况中，与平面平行电场震荡的光被衍射其他偏振光通 过这个结构不受影响虽然来自l e d 光线是随机的两极化，它具有有限的相干长度， 可局部衍射，此时显示器处于窄视角状态f 2 2 1 。图1 8 ( c ) 中的l c 屈光装置通过在i t o 薄膜基材涂高分子材料形成的柱面透镜也可以得到视角切换的效果。液晶分子定 向水平排列如图1 8 ( c ) 上半图时，入射光的电场震荡方向与l c 分子排向相同， 7 电子科技大学硕士学位论文 l c 结构呈现晶体结构，入射光线发生折射，此时显示器处于宽视角状态；当加上电 压时，液晶分子垂直于基板指向，入射光线大致不受影响穿过装置，因此射出光线 为准直光，此时显示器处于窄视角状态【7 - 2 0 l 3 韩国全北大学 韩国全北大学提出一种视角可变器件，可以在1 6 0 度与7 0 度水平视角问进行 切换，并且在正常方向保持显示的高图像质量。由于普通的垂直配向的显示器虽 然在显示时拥有很高的对比度，但是在进行大角度显示时对于斜向入射光仍然有 很大的光漏，导致此时的显示亮度变暗。因此，通常在m v a 与p v a 的液晶显示 器模式中，为了提高视角的特性与显示灰度，通常会在显示器上添加一层补偿膜 去弥补暗态时的光漏。一般使用负c 型补偿膜与正a 型补偿膜加在垂面排列的显 示器上，由此就可以得到一个比较大的视角。全北大学使用一个v a - l c d 作为液 晶显示单元，一个h a l c 层代替正a 型补偿膜作为视角切换控制单元，一个碟型 薄膜作为负c 型补偿膜，如图1 - 8 所示。当h a l c 层不加电压时，相当于正a 型 补偿膜，补偿斜入射光泄露，此时显示器件为宽视角状态。当h a - l c 层加电压时， 相当于正c 型薄膜，在斜入射方向加大光露，此时显示为窄视角状态。因此，通 过在h a - l c 层上电压的施加控制，就可以使显示器件在宽视角与窄视角模式之间 进行切换【2 l - 2 4 1 。 ，h - 蛔 嗣t t t i 嚏 h - 蛐i 囊 柚归? t c t l 司嘻 图1 8 垂直配向模式的视角可交光学器件结构示意图 4 l 6 与菲利普公司 与上述添加视角控制器件达到视角改变的公司不同，l g 与菲利普公司0 6 年 推出一款视角可控的图像显示器件及相关驱动方法，利用对多畴象素的驱动达到 8 第一章引言 视角可变显示，其显示结构如图i - 9 所示。 ( 厂 障壁 图像显示器0 。：二二二二二二二二二 1i 显示面板 、l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 图l - 9 显示面板 显示器件的核心部分为一块显示面板，上面包含了很多显示图像像素单元， 按矩阵形式规律排列，如图1 1 0 ( a ) 所示，其中p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 ，p 5 ，p 6 代表 六个子像素组成图像单元u p ；显示面板上拥有很多能够透射和阻挡光线的障壁， 它们有规律的按矩阵排列分布在显示面板之上，以三行障壁为一个基本单位，第 一行则是全部为透射部分；后两行都包括交很多透射与阻挡部分，由两者交替排 列构成，其中第二行要与第三行的透射与阻挡部分要一一对准，如图1 1 0 ( b ) 所 示。从图1 1 0 中我们可以看出，该显示器件能够产生的图像领域有两个观察区。 像素p l 与p 2 上所加的图像内容会同时出现在观察区一与观察区二中。而p 3 与 p 4 上的图像内容会分开出现在两个观察区中，p 3 与p 5 的内容出现在观察区一， p 4 与p 6 上的内容会出现在观察区二。 u i pu p p 1 ip 2 lp 1 lp 2 i p l | p 2 p 3 f p 4 ；f p 3 f p 4 lp 3 f p 4 p 塾刨p 5 ip 6 lp 5 ip 6 p 1ip 2 ip 1lp 2 ip 1lp 2 p 3 ip 4 lp 3 lp 4 ip 3 ip 4 p 5 ip 6 lp 5 lp 6 ip 5 ip 6 1 2 0 图l - i o 显示面板与结构具体示意图 ( a ) 显示面板( b ) 障壁 9 = 川 电子科技大学硕七学位论文 在进行是视角可变的图像显示时，首先将所要显示图像信号施加到图像子像 素“p l 、“p 2 、“p 4 ”和“p 5 ”之上，当将所需图像内容施加到像素“p 3 和“p 6 上时，处于两个观察区的受众能同时观察到图像，图像显示器件处于正常的显示 状态，为宽视角显示模式；当将非所需图像内容施加到“p 3 ”和“p 6 上时，只 有观察区一的受众能观察到图像，图像显示器件就不处于正常显示状态，为窄视 角显示模式。因为两个观察区中的显示内容来自图像单元中四个像素的显示，因 此在显示模式切换前后也不会存在亮度与分辨率退化的问题【2 5 圆1 。 该发明提供一种图像显示器及其驱动方法，具有在宽窄视角模式之间的可转 换性。并且其在窄视角模式下具有良好的侧面图像遮挡特性，增加了用户的保密 性。但是这种方法涉及到后台驱动程序，技术与工艺比较复杂。 5 友达公司 友达公司同年也提出一种可调视角液晶显示器，也没有采取添加视角控制器 件的方式，而是采取了利用不同电压控制暗态对比达到视角可变的显示目的，其 显示器件结构如图1 1 l 所示。如图所示，1 0 与2 0 分别代表了显示器的上下的两 块基板；基板2 0 则是一个包含阵列式排列的薄膜晶体管与电容等电路器件的导电 板。两基板之间有一层普通向列型液晶分子3 0 。该显示器一共包括3 个电极，位 于基板1 0 上面的1 2 是共享电极，薄膜晶体管基板2 0 则包含两个电极，分别是像 素电极2 2 和第二共享电极2 6 。像素电极与第二共享电极都位于基板2 0 上，所以 两者之着之间有一个绝缘层2 4 将其隔离，避免两者相互导通。 i o 、 1 2 、e 三三三三三三三兰三三三刍1 2 、 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = d 图1 - 1 l 可调视角j 便晶显不器 该显示器视角切换的原理是分别利用不同共享电极与像素电极之间的不同电 压差来使液晶显示处于不同的模式而达到视角可变的目的。当显示器对像素电极 2 2 施加电压v ，选通共享电极1 2 并使另一电极2 6 悬空时，此时加在液晶层上的 为垂直电场，其控制液晶分子转向使的显示器的视角缩小，得到了与扭曲向列模 1 0 第一章引言 式相似的小视角效果，处于窄视角的显示模式；当显示器选通共享电极2 6 ，使共 享电极2 2 浮接时( 像素电极上电压保持v 不变) ，共享电极2 6 的结构设计为类 似平面切换模式，此时显示器件内为横向电场方向，液晶分子的排列方向随电场 发生改变，受众可以从各个角度观看到清晰并且没有被扭曲的影像，得到了与平 面切换模式相似的大视角效果，显示器处于宽视角显示模式0 0 - 3 2 l 。 友达公司的可调视角液晶显示器是利用在大视角处形成严重的灰阶反转等光 学特性差异，使观察者在大视角处观察到的影像变得非常模糊而无法辫识，从而 得到窄视角的显示状态，提供的窄视角模式是一反转视角模式，其发明的可调视 角显示器就是利用对于上下基板的不同共享电极之间电位的切换来进行宽、窄视 角模式的切换，最终得到了视角可控的液晶显示器。 1 2 3 小结 本节简要总结了视角可控显示器的研究意义，总结概括了视角可控的基本显 示原理，并对国内外已经存在的几种视角可控显示器做了基本的概括分析，综上 所诉，可以发现视角可变显示作为一个很有潜力的新兴发展方向，很多公司和研 发机构都对其进行了深入研究，其原理与技术虽然各不相同，也各有其优劣，但 目前均还未有完全成熟的成果面世，需要进一步的深化与完善。虽然如此，也可 以看到可变视角显示已经成为了显示行业的一个新兴产业方向，鉴于其强大的市 场潜力，相信一定可以成为平板显示的主要潮流之一。 1 3 本文主要内容 本文首先简单介绍了各类主流显示器件的视角特性，着重介绍了液晶显示器 件的视角特性，在此基础上分别介绍了现今显示器领域内视角可控显示器的发展 趋势与方向，对已有的的视角可控技术按其特性分类进行介绍说明。 本文主要研究了基于不同向列型与宾主型液晶分子电光特性设计出三种不同 的视角控制设备( a na d j u s t a b l et r a n s m i s s i o nc e l l ，简称为t c ) ，将其加在背光源与 液晶显示面板之间，通过外加不同的电压控制显示器在宽窄视角模式之间的切换， 得到视角可变的液晶显示器。搭建三种视角可控器件的工作模型，通过理论模拟 与实验测试，研究了其各自在视角特性，器件结构，制作工艺等器件功效参数上 的不同，进行优缺点对比分析，提出了响应的改进方案。最后在可变视角显示的 基础上提出了一种将视角可变与立体显示相结合的新型显示器件，研究了其相关 1 1 电子科技大学硕士学位论文 的显示原理，理论模拟了显示器件相关结构参数。 视角可控液晶l c d 是显示领域一个新兴发展潮流。笔者的本科毕业设计是关 第二章平板显示器件视角特性 第二章平板显示器件视角特性 2 1 主流平板显示器件视角特性 1 p d p 等离子显示器是一种利用惰性气体电子放电，产生紫外线激发屏上的红、绿、 蓝荧光粉，呈现彩色画面的平板显示技术，p d p 的出现，使得中大型尺寸9 3 9 8 c m 至1 j 1 7 7 8 0 c m ( 3 7 至u 7 0 英寸) 显示器的发展应用产生了很大变化，其超薄、重量远 轻于大尺寸7 8 9 电视、高解析度、抗磁场影响、视角宽及主动发光等特点，完全符 合多媒体产品轻、薄、短、小的需求，被视为未来进入家庭的大尺寸电视的主流。 在平板电视机中，p d p 具有最大的可视角，可达1 6 0 度以上岬1 。 2 o l e d 有机发光显示器是一种在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致有机材料 发光的显示器件。其原理是在两电极之间夹上有机发光层，当正负极电子在此有 机材料中相遇时就会发光，其组件结构比目前流行的t f r 液晶显示器简单，生产成 本只有t f t l c d 的三到四成左右。o l e d 具有高亮度、宽视角、快速响应、易于实 现高分辨率全彩色显示、低电压直流驱动、低功耗、宽温等特点。o l e d 已成为今 后手机用单色、彩色显示器件发展的方向。目前无源o l e d 生产工艺正在完善之中， 预计今明两年会实现规模化生产，并在手机、p d a 、数码相机、d v d 、g p r s 等领 域获得广泛应用。o l e d 的视角特性非常好，p m o l e d 视角广达1 6 0 度以上。 3 v f d 真空荧光显示器是由一种丝状直热式氧化物阴极、网状或丝状栅极和表面涂 覆有发光粉的阳极构成，呈现彩色画面的平板技术。v f d 具有色彩艳丽( 可有绿、 红、黄和蓝多色) 、工作电压低、体积小、显示图案灵活等特点岍。产品主要用 于影碟机、音响的功率放大器、空调器、汽车上的时钟、仪表盘、收款机、教学 仪器等。v f d 具有视角宽，自发光，辉度亮的显示特性，因此也不能作成窄视角。 4 l c o s 投影显示用硅基液晶是一种很有前途的新型显示器件，它是利用液晶的光电 特性制做而成的显示器。正投向超大屏幕发展，背投要向1 2 7 0 0 2 7 3 0 0 c m ( 5 0 英 寸8 0 英寸) 左右的电视发展。需突破的难点一是光学引擎，二是成像模块的芯片 i c 设计、制造及芯片与液晶屏的结合，制成l c o s 模块，三是高效长寿命的光源。 1 3 电子科技火学硕士学位论文 l c o s 也具有极宽的视角，可以达n 1 2 0 度。 5 f e d 场致发射显示器电子源是在平面底板上用真空镀膜技术并辅以光刻技术制出 的，由大量微尖锥及自对准构成的场发射阵列阴极。在电子源的背面涂有透明导 电薄膜( i t o )