液晶显示器光延迟测试方法及其应用.doc

液晶显示器光延迟测试方法及其应用李海玲1* 荆海1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 北方液晶工程研究开发中心，吉林 长春 130033，Email：ciomp_) 摘要: ASTN（advanced super twisted nematic）是应用到汽车电子的关键显示器件，其核心技术是采用TEP光延迟膜对STN盒进行补偿。为在ASTN制造过程中控制STN液晶盒与TEP膜的光延迟值(dn)尽量一致，本文提出一种新的测试液晶显示器光延迟的方法，该方法采用白光作为光源，通过改变起偏器和检偏器的角度获得白光照射下的透射光光谱，利用琼斯矩阵理论获得的分析方程对液晶盒的光延迟值进行分析计算，测出精确数值后用TEP膜对液晶盒进行光学补偿，获得了较清晰的显示图像。本文中的实验使用白光光源代替激光光源经济实惠，该测试方法考虑了环境光及光源对测试结果的影响，实验装置操作简单，测试快速，准确，误差小，可重复性高。关键词：液晶显示器; 光延迟; ASTN; 补偿膜1 引 言 21世纪，汽车已成为人们生活中不可或缺的代步工具，而电子车载显示技术的诞生更是给人们带来了更多的驾驶乐趣。随着人们对车载显示器各种性能的要求不断提高，显示器的信息密度及其复杂性也在日益上升，ASTN就是为了满足这些需求而诞生的新型车载显示技术，其结构是在STN（超扭曲液晶）液晶盒外贴一层液晶光学补偿膜TEP对其视角、对比度、温度等进行补偿。液晶盒和TEP的配置要求：扭曲角相同但扭曲方向相反且要有相同的nd 值，扭曲角的误差对决定nd值的影响较小，所以要精确严格地测试液晶盒的光延迟值，以便补偿膜对液晶盒进行更好的光学补偿。过去有许多关于nd测试方面的文献发表1-8，如位相补偿法1，但该方法需要用不同波长重复测量操作，所以有点复杂耗时；又如波片或偏振片旋转法2-3，对于测量低盒厚较准确;光学外差法4，但是该方法测试设备比较昂贵和复杂。归结起来这些测试方法都以琼斯矩阵5,6,柯西方程，斯托克斯参量法7,8等为理论基础。本文以琼斯矩阵为理论依据，采用光谱法对STN液晶盒做透射式逐点测试，得到光延迟值。文章将首先阐述实验的测试原理和装置，最后展示了达到光延迟参数要求的液晶盒与补偿膜间的补偿效果。2 基本理论及光延迟测试系统2.1光延迟产生原因 如图1，入射光可分为o光和e光两线偏振光，当入射光经过液晶材料时，由于液晶具有双折射的特性，o光和e光的传播速度不同，o光和e光不再同步，出现位相差。科技型中小企业技术创新基金.图1.两线偏振光透过液晶材料后产生光延迟的示意图Fig.1. Light retardation map is produced by two polarized light through the liquid crystal material 入射光分解为：根据光强公式： （1） A:振幅，：频率，v:介质中光速，：初相位； 可以得到： （2） （3） 因此，光通过厚度为d，折射率差为n的液晶时产生位相差为 （4）其中是位相延迟，是波长，是预倾角，n是液晶的双折射率，no ，ne分别是寻常光o光和非寻常e光的光折射率。2.2基本理论 根据严格的琼斯矩阵理论，按照图3所示，光透过液晶盒后的光强为 （5），分别是检偏器和起偏器相对于参考轴的偏转角度，M是扭曲型液晶的琼斯矩阵。 （6） （7）为液晶扭曲角度，R是液晶旋转矩阵， （8）这样方程（5）可以重新写成 （9） 如果按照图2所示放置两个偏振片，则光透过液晶盒和两个偏振片后，光强（透过率）可以表示如下： （10）其中： （11）这里、分别代表光波长、液晶盒的光延迟及液晶盒的扭曲角度。由此可以得到光强取极大值和极小值所满足的条件： .当透过率取极大值（峰值）,此时 （N =1,2,3,4,5 取到5即可） （12） 于是由（2）式有： (N=1,2,3,4,5) （13）对于补偿膜或无扭曲液晶盒： (N =1,2,3,4,5) （14） 根据峰值处的波长得到5个（有可能少于5个）试探值，记为“”。图2. 测试过程中各个光学元件的位置及角度关系（测量液晶盒）Fig.2.The relationships between position and angle in the process of testing（test the liquid crystal box） .当透过率取极小值(谷值)时，此时分两种情况： a.如果峰值处波长大于谷值处波长： （N =1,2,3,4,5 同理） （15） b.如果峰值处波长小于谷值处波长： （N =1,2,3,4,5同理） （16） 同1一样，根据峰值处的波长得到5个（有可能少于5个）试探值。又由于存在色散，可以根据柯西色散公式算得n（）再代入特征波长589.3nm即可得到液晶盒的光延迟值。 ，（a,b,c是柯西色散系数） （17）2.3实验装置该实验装置如图所示，L-卤素灯，作为白光光源，P-起偏器，S-STN样品盒，A-检偏器，D-探测器,C-电脑。 C图3.透射式液晶盒光延迟测试装置Fig.3. The measurement device for light retardation of transmissive LCD 打开实验仪器，关闭光源光阀测试背景光后，再打开光阀测光源光，然后在样品架上放上样品，开始测试。光源发出的白光经过起偏器P变成线偏振光，入射至样品盒S后到达检偏器A，经过D将信号传给电脑C得出所测样品光延迟值。3 实验结果及应用3.1 实验结果及误差分析在所提出理论的指导下，我们对STN液晶屏做了测试，（样品屏型号：JP2080A3-AU21，前后两块玻璃摩擦方向互相平行，所以扭曲角=180。LC材料：RTP-A3718R057,采用逐点测试光谱法,设置=315。测试时选取液晶盒四角及中间五个特殊点，得到结果如下：4a4b图4.透射光谱图，=45，=225，=180（这里只列出两个点的结果图）Fig.4.Transmissive spectrum, equals 45， equals 225 and equals 180.(only two results are listed here)表1.不同点测试结果Table 1. The test results of different points12345平均值预设值dn(um)0.94530.94310.94470.94610.94930.94570.9815 从测试结果可以看出，该方法重复性较好，测得的dn值与样品设定值相比较还是有一定的误差，我们分析误差产生的原因可能有以下几种：1） 光源稳定性对测试精度有一定的影响；2） 实验中忽略了偏振器件对光吸收、反射的影响；3） 测试中根据盒上下玻璃片的摩擦方向代入扭曲角180，但该理论值和实际值之间还是有一定误差的；4） 虽然设定盒厚为6.5um，但是制盒过程中可能由于压力过大、温湿度等原因盒厚达不到该值。3.2应用 精确测试液晶盒位相延迟值对生产指导有着极其重要的意义，尤其在车载电子液晶显示器ASTN的制造过程中，精确快速测试nd 值对STN液晶盒与TEP膜更好地匹配有重要指导作用。这是因为在实际生产中要经常抽样检查，不断调整和确定液晶盒与补偿膜的延迟值，两者不断互相配合，最终得到多组最佳匹配值，所以生产中就要求测试仪器操作简单，测试方法方便快速，以便提高工作效率，而我们的方法无论是原理上还是设备本身,都能达到这样的要求。 由于延迟膜TEP可以实现各种偏振态之间的转换,偏振面的旋转,以及各类偏振光的调制，所以在液晶显示的光学补偿发挥着越来越重要的作用。在ASTN中，补偿膜既作为光旋转器又作为光延迟片，其配置如图5所示， a. 扭曲角相同但扭曲方向相反，相邻处液晶分子排列方向垂直；b. 相同的nd 值，实际液晶盒的nd 略大。 图5.ASTN结构，1st为STN液晶盒，2nd是TEP膜Fig.5.ASTN structure,the first is STN box,the second is TEP film 由此可见，在生产中主要控制盒厚以控制nd 值。精确测试nd值不但是下步工艺的基础，也是实现光学补偿的关键。相比于目前市场出上现的ISTN, ESTN,FSTN 等模式的车载液晶显示器，ASTN中的TEP膜可以对液晶盒实现两大补偿:其一为色散补偿：在某一特定温度下，液晶的色散和TEP的色散一致时，可以得到理想的补偿，即LCD的底色为黑色，对比度会较高;若它们的色散不一致，则低及高波长的光会有透过，LCD会有一定底色，对比度降低。其二为温度补偿：TEP膜与液晶盒中液晶不是完全一致，即使在某些温度下色散可近似一致，但在整个工作温度范围，即使仅考虑工作光波长，对应的nd值不能总是保持一定，特别在低温时，偏差很大，补偿效果变差。液晶盒延迟值测试完成后，对其贴TEP膜，并做了视角测试，如图6，以对比度10:1为基准，可以看出未补偿前，水平视角：39，垂直视角+43，20，可以看出12点方向视角较大;贴补偿膜后，明显看出视角范围大很多，水平垂直都大于50。图6.视角测试光谱，左图未贴TEP，右图贴有TEPFig.6.The test spectrum of viewing angle, the left is no TEP, the right is the oppsite 我们试验中的ASTN样品瓶应用了宝莱的TEP片，能够根据每辆汽车的环境提供最适宜的对比度和背景颜色， 具有很宽的工作温度范围主要就是高温时对比度较好。图7是ASTN屏在12点方向观察的图像，其中有环境光及相机像素原因引起的干扰，当液晶盒与TEP膜的nd值越接近时对比度越高，视角越宽，所以基于以上各种原因，研究更为精确测试光延迟的方法对生产制造有着重要的意义。7a7b图7.显示效果，（7a）宝莱TEP膜（7b）普通补偿膜Fig.7.Display picture ,(7a) the TEP film is sticked on the STN box,（7b） the usual retardation film is sticked on the STN box 4结 论ASTN是一种新型车载显示技术，由于其重量轻，产品品质更容易控制，透过率更高，工作温度范围宽，尤其是具有高温补偿能力等优点而广受欢迎。由于TEP膜与STN液晶盒的nd尽量一致才能实现最优配置，实际生产中又要求检测快速，提高生产效率，所以需要精确快速地测试光延迟值。本文提出了简单快速测量液晶盒光延迟的方法，该方法以琼斯矩阵为理论依据的，采用白光为光源，通过获得不同点的透射光谱获得液晶盒的光延迟值，并对实验结果产生误差的原因进行了分析。本文最后展示了与TEP膜nd值近似接近的液晶盒补偿后的显示效果图，可见屏的对比度较高。该方法的实验装置操作简单方便，测试快速，误差小，可重复性高。参考文献 1 A.Lien , H.Kaneko and M. Kimura.Novel method of measuring surface torsional anchoring strength of nematic liquid crystalJ.Jpa.Appl.phys,1996,vol.35:4434-4437. 2 S.H.Lee,W.S.Park and G.D.Lee.low cell gap measurement by rotation of a wave plateJ.Jpa.Appl.phys,2004,vol .41:379-383. 3 J.S.Gwang,K.H.Park,and G.D.Lee .Simple cell gap measurement for twisted -nematic liquid crystal cellsJ.Jpa.Appl.phys,2004,vol.43:30-32. 4 Shug June Hwang.Precise Optical Retardation Measurement of Nematic Liquid Crystal Display Using the Phase-Sensitive TechniqueJ.Optical Society of America, 2005,VOL. 1, :77-81.5Wen-chi Hung,Ming-shan Tsai,Chien-ren Wang,I-min Jiang,and Wood-hi Cheng.Simple parameter determination for twisted nematic liquid-crystal displayJ.Optical Society of America,2007,Vol. 46:3493-3497.6Jong Seok Chae and Soo Gil Moon.Cell parameter measurement of a twisted-nematic liquid crystal cell by the spectroscopic method,J.American Institute of Physics,2004,olume 95,:250-3254.7 Wei-Lian Lin, Tsung-Chih Yu, Yu-Lung Lo, and Jing-Fung Lin.A Hybrid Approach for Measuring the Parameters of Twisted-Nematic Liquid Crystal Cells Utilizing the Stokes Parameter Method and a Genetic AlgorithmJ.Journal of lightwave technology,2009,VOL. 27 : 4136-4144 .8 V. Duran, J. Lancis, E. Tajahuerce,and Z. Jaroazewicz.Cell parameter determination of a twisted-nematic liquid crystal display by single -wavelength polarimetryJ.Jap.App. Phys,2005,vol.97:043101. The measurement and application for light retardation of the Liquid crystal dispalayLi hailing1 Jing hahi1(1. North LC Engineering R&D Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130031, China, Email: ciomp_)Abstract ASTN( advanced super twisted nematic) is the key display device and its core technology uses optical retardation film to compensate the STN. For gaining the same optical retardation of the STN and TEP, this paper puts out a new method to test delta