（光学工程专业论文）液晶背光组中导光板与增亮膜的理论分析与数值模拟.pdf

摘要 液晶显示器要从众多的显示器中脱颖而出就必须进一步提高其显示效果，尤 其是亮度和均匀性。但是，液晶本身并不发光，因此提高其背光源的亮度、减少 光能损失，是液晶及其背光源产业整体的迫切需要。 根据液晶的显示原理，本文分析了液晶背光组光线传播过程中光能损失的几 种主要途径，充分论述了可行的提高光能利用率的途径：加入棱镜膜( b e f ) 、 改进导光板、偏振光重利用、加入高反射率的反射膜等等。 为了掌握棱镜膜( b e f ) 的增亮原理，减少外购昂贵的背光组件，本文用程 序模拟的方法分析棱镜膜各项参数对拢光效果和均匀性的影响程度，并进行了改 进设计，将液晶币视亮度增加一倍以上。 本文利用a u t o c a d 的二次丌发功能( l i s p 语言) 和数学建模相结合的方法， 完成了导光板的结构设计和通用模拟程序。在此基础上，可以方便地对各种浮雕 结构的导光板进行导光效果模拟分析，并设计出更适应国内生产加工条件的结 构。 在偏振光重利用方面，本文初步提出了偏振光光源分离法以解决反射式偏光 片加工困难的问题。此方案结构简单，可以在以后的研究中逐步改善。 本文的理论分析在合作单位( 福建上润电子有限公司) 得到了实际验证。其 中，随机乱点结构的导光扳，和结合了棱镜模拢光优势的双面v - c u t 槽导光板， 现已投入小批量生产，并为国内外多家公司所采用。 关键词：液晶；亮度g 均匀性：导光板；棱镜膜：a u t o c a d 二次丌发 a b s t r a c t w h e ni t sd i s p l a ye f f e c t , e s p e c i a l l yi t sl i g h t n e s sa n du n i f o r m i t y , c o u l db e i m p r o v e d , l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) w i l lh a sa m o r ep r o s p e r o u sm a r k e t w h e g e a s ， l i q u i dc r y s t a li t s e l fi s n tl u m i n i f e r o u s s oi t i sc r i e df o ri m p r o v i n gb a c k l i g h t i n g s y s t e m sl i g h t n e s sa n dd e p r e s s i n gt h el o s i n go f l i g h te n e r g y b a s i n go nl c d sd i s p l a yt h e o r y , t h ep a p e ra n a l y z e ds e v e r a lp a t h so fl o s i n gl i g h t e n e r g y , w h e nl i g h tt r a n s m i t si nl c db a c k l i g h t i n gs y s t e m f e a s i b l ea p p r o a c h e so f i m p r o v i n ge f f e c t i v el i g h te n e r g yr a t i oi sa d e q u a t e l yd e m o n s t r a t e d , s u c ha s ：a d d i n g b r i g h t n e s se n h a n c e m e n tf i l m ( b e f ) ，a m e l i o r a t i n gl i g h tg u i d ep l a t e ( l g p ) ，r e u s i n g p o l a r i z a t i o nl i g h t ，a d d i n ge n h a n c e ds p e c u l a rr e f l e c t o r ( e s r ) a n ds oo i l t op r e d o m i n a t et h ei n c r e a s i n gl u m i n a n c ep r i n c i p l eo fb e fa n dd e c r e a s et h e o u t s o u r c e dc o s t l i n e s sa s s e m b l y , w eh a v ea n a l y z e de v e r yp a r a m e t e r sa n dt h e i rr u l e s a f f e c t i n gp r i s i l lf i l m sa b i l i t yo fg a t h e r i n gb e a mb ys i m u l a t i o np r o g r a m ，a n d m e l i o r a t e dd e s i g ai sp u tf o r w a r d ，a x i a ll i g h t n e s sc a l li n e a s eo n et i m eo rm o r e t h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g na n dt h eu n i v e r s a ls i m u l a t i o np r o g r a mw e r ec o m p l e t e d b yt h ec o m b i n eo f a u t o c a dr e - e x p l o i t a t i o n ( l i s p ) a n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a sa b a s i so ft h a t ，i ti sc o n v e n i e n c et os i m u l a t et h el g pw i t ha n yb a s s o r e l i e v ef r a m ea n d s c h e m eo u tc o n f i g u r a t i o n sm o r ea d a p t i n gd o m e s t i cp r o c e s s i o n p o l a r i z a t i o nl i g h ti ss e p a r a t e da tl i g h ts o u r c es ow ec a np u tt h ea x ei nt h eh d v e t h a tt h er e f l e c t i n gp o l a r i m e t e ri sd i f f i c u l tt op r o c e s s t h es c h e m e ss t r u c t u r ei ss i m p l e , a n dc a l lb ea m e l i o r a t e di nt h ef u t u r e t h et h e o r e t i c a l a n a l y s ec o n c l u d e d i nt h i s p a p e r h a sb e e nv a l i d a t e d b y c o o p e r a t i v ec o m p a n yr u j i a ns h a n g r u nl t d t h et w o s i d e dv - c u tl g p w h i c hb a n d s t h ep r e d o m i n a n c eo fb e ft o g e t h e ra n dt h es t o c h a s t i cm e s h yp o i n tl g pa r eo nl i t t l e b a t c hs t r e a m t h e ya r es t o c k e db y m a n yd o m e s t i ca n df o r e i 印c o m p a n i e s k e yw o r d s ：l c d ；l i 【g h t n e s s ；u n i f o r m i t y ；l g p ；b e f ；a u t o c a dr e - e x p l o i t a t i o n 2 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他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了谢意。 学位论文作者签名： 杏d 研 j 签字日期： 三邪年2 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫叠盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明5 学位论文作者签名：套听 签字日期：娜i 年2 月乃日 导师签名彳爷洋访 签字日期：勿加缉月，尸日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类已步入信息时代，在同常生活或学习、工作过程中，人们获取信息的8 0 来自视觉。所有的信息最终都要通过信息显示设备束实现人、机交换。近年来， 随着液晶( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 、光显( d i g i t a ll i g h tp r o c e s s i n g ) 背投、等离子 ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 等显示技术的出现和逐步完善，显象管( c r t ) 在我国显示 产业的主流地位逐渐被动摇了。 2 0 0 5 年被家电业界称为“平板电视年”。这不仅体现在由制造成本的不断降 低所带来的平板电视价格的大幅下调，也意味着今年这种同趋成熟的显示设备将 大量进入家庭，成为取代传统c r t 、背投电视的换代产品。就多数人的理解，平 板电视通常就是指液晶或等离子两类厚度在1 0 0 m m 以下的“薄板”式显示设备。 尽管近两年出现的超薄c r t 、超薄背投电视机的厚度也做得相当薄了，并且有同 益接近平板电视厚度的趋势，但其内部使用的还是经过改进的传统显象管或投影 系统，并非单纯而简单的显示面板和控制电路，所以其厚度暂时是无法突破其结 构的局限性的。 在显示效果方面，平板电视的画面表现效果比普通电视的画面清晰、靓丽， 并且图像失真度小、画面无闪烁。但目前相对传统c r t 电视也有一些缺点还没有 解决，如：液晶显示屏在亮度和对比度方面就不如传统c r t 电视，而且存在视角 窄和动态响应速度慢等问题。而等离子电视使用寿命相对较短、屏幕长时i 日j 显示 一固定影像会留下残影等。尽管如此，随着技术和工艺的不断成熟、改进，平板 电视取代c r t 已是大势所趋。而比较液晶和等离子显示，到目前为止这两种技术 以及电视内部相关的控制电路的发展都还没有完全成熟，很多缺点和不足都是在 近两年爿得到了解决，但还是存在一些问题会影响这类显示器未来的大规模普 及，需要继续地改进和完善，所以现在就断定液晶、等离子显示器孰优孰劣还为 时尚早。 液晶显示器f 1 益受到人们的重视源于它相比传统显示器的卓越特点，其优点 主要有： 超精致的影像画质。液晶显示器比一般映像管显示器在影像画质方面更 清晰、更精准，在色彩呈现方面则更真实、更饱和。 十足的平面显示。液晶显示技术免除了笨重的映像管，体积更加扁平、 轻巧。 节省空问。一台普通1 7 英寸c r t , 显示器厚度大约为4 3 c m ，而一台1 5 英 第一章绪论 寸l c d 显示器加上后面支架也不2 0 c m 左右，如在银行、证券等寸土寸会的办公 室，这一项费用的节省也不可小视。 节省能源。c r t 显示器需要加热电极元件使电子枪以极高的速度发射电 子束，所以我们经常会感觉c r t 的后壳总是很热，这也是c r t 耗能的主要原因。 而一台1 5 英寸l c d 显示器功耗大约是一台1 7 英寸c r t 显示器的1 3 左右。同 时液晶显示器散发出来的热更少，相对地产生舒适、卓越的附加价值。 有利于健康。液晶显示器无辐射、无闪烁，因而会使使用者的眼睛感觉 非常舒适，这对长期以来因c r t 显示器而受到健康影响的人员来讲无疑是最大的 福音。 囊疆麓聍 震劳 馨一 慧羹 繁毙孵 样警 鬻党纛 囊纛暴的党效纛 ttt 镰 j 髓搬 瞒雠 3 0 薰，聱 蠛2 謦 槲獭 黼 l 簟 图1 1液晶显示器光源在传输过程中的损失 液晶显示器的工作原理是( 如图1 1 所示) ：在施加不同的电压下，液晶分子 做不同状态的调整来控制光线通过量，光线通过彩膜配色最终达到显示图像的目 的。液晶本身并不发光，必须靠背光源系统提供足够亮度的背光。背光元系统光 源、灯管反射膜、导光板、反射膜、扩散膜，棱镜膜、偏光片、液晶盒、上偏光 片组成。液晶显示器是通过高亮光源发光，由灯管反射膜将光线反光平行射向导 光板，导光板具有光线吸收及反射作用，在底部的反射膜的反光作用下，光线会 均匀、平行的投向偏光片，然后透过液晶分子，继续通过上层偏光片最终成像。 背光源系统一方面要在体积上做到超薄、小巧，另一方面要在性能上保证出射光 的均匀性，同时还要避免灯管发热和光能吸收造成的高温等问题，这的确是一个 不小的难题。所以，液晶显示器的亮度技术问题成为影响液晶显示器显示效果的 重要因素之一。 由于液晶屏幕被动发光，所以光线在传输过程中的光能损失比较显著，从光 源至反射膜、导光板，直到最后液晶显示输出的整个过程，光的利用率是按比例 2 第一章绪论 递减的，如图1 - 1 所示，假设原始光效率为1 0 0 ，其在导光板中损失4 0 ，通 过下偏光片损失3 6 ，通过液晶盒损失1 8 以及表面反射损失1 ，由此，l c d 显示屏从导光板到最终，光能利用率不到5 。如果要提高光能利用率，便需要 从导光板、偏光片和液晶盒设计上下功夫。 1 2 国内外研究现状 由于同、韩大厂积极投入研发并采用大型化的生产设备，液晶显示器的品质 不断提升，价格持续下滑，使得液晶显示器的应用领域诈迅速地扩大。在电脑应 用方面，l c d 不但让显示屏从早期的9 寸的v g a 进展到现在的s x g a 、甚至 u x g a ，而且j 下踏入更大尺寸的监视器领域，取代了很大一部分的c r t 市场。民 生应用方面，如汽车导航系统、液晶电视等，也因为l c d 的低价化、高品质化逐 渐成为可行【l j 。 1 2 1 国外研究现状 只本是全球最大的液晶显示器模块生产基地之一，大多数著名的制造商在邻 近的国家和地区都设有海外工厂。近几年，笔记本电脑、台式显示器、导航设备 和娱乐设备对大尺寸模块的强劲需求促使液晶显示器销量大增，此外，制造商还 关注小尺寸、高亮度和高分辨率液晶显示模块的市场f 2 】。当今用于移动电话的小 尺寸液晶显示模块的需求量币在增长，彩色液晶显示器萨广泛应用于小型设备如 移动电话、p d a 和游戏机。日立等六大同本电子厂家联合出资设立了“液晶端技 术丌发中心”，其工作目标有两个：一是丌发节能型生产技术，减少装置的制造 工序，力争将制造过程中的电力消耗减少5 0 ；二是开发超薄和耗电少的液晶显 示装霄。对这个丌发机构的投资总额为5 0 0 0 万同元( 约合4 3 万美元) 。在制造液晶 显示装置方面，日本占有一定优势，但由于韩国等国家合地区的生产成本低廉， 只本产品的国际竞争力近年来相对地削弱了，同本厂家设立新的研发机构，目的 就在于组成联合阵线，以新的技术和产品夺回失去的国际市场份额p j 。 韩国相继投资几十亿美元兴建薄膜晶体管液晶显示器工厂，其发展战略是建 立国际上最高水平的液晶显示器产业为目标，不惜巨资引进先进的设备和技术， 力图在短时期内建立先进的s t n 和t f l r 产业及基地。目l i 韩国已有三星、i - ，g 、现 代等著名的液晶显示器厂商。 在背光源系统丌发【4 】方面，美国的3 m 公司( m i n n e s o t am i n i n ga n d m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y ) 发展卓著，它是世界著名的产品多元化跨国企业。其利 用创新的显示增强薄膜技术丌发的光学增亮膜系列产品，满足了手持产品彩色显 示屏的增光需求。在显示屏的背光源中采用新技术，包括微复制棱镜薄膜、多层 第一章绪论 反射型偏光片、精密涂布和各种新型材料，显著增强了背光照明的亮度，提高了 显示均匀性。 1 2 2 国内研究现状 在我国，台湾省液晶显示器产业发展最快。除r 本，韩国外，台湾也是全 球液晶显示器的重要生产基地，台湾当地的液晶显示器公司和它们的海外生产线 现已几乎占全球液晶显示器模块营业额的3 0 。其主要液晶显示器厂商有元太科 技、联友光电、中华映管及南亚等。台湾制造商的主要海外市场为美国、欧洲和 东南亚。 我国液晶显示器产业( 除台湾省外) 在时间商基本与世界保持同步，时滞 不是很明显。通过政府的产业政策引进生产线和投资，我国的液晶显示业已经形 成，但是我国始终不是一个液晶显示器生产的强国【5 1 。深天马、广电电子、京东 方等是我困处于领先优势的液晶企业。 导光板生产厂家主要集中在广东，目前在广东不少于1 0 家塑胶厂想进入导 光板行业，但相继失败了2 3 家，后面的厂家是欲欲想试又没把握。其最大原因 在于他们不具备高精细加工技术与设备和丌发设计人爿。而彩屏液晶用的导光板， 其技术难度更大，设备要求更高；部份加工技术已涉及到纳米技术。目前该产品 基本由只本和韩国所垄断：国内的同资背光源企业( 斯坦雷占同本背光源市场 1 2 、西铁城、f 1 本友池、只本卓华) 导光板均1 0 0 来自日本国内，国内基本还 没有厂家生产导光板和日本背光源企业直接配合。福建上润光电技术有限公司有 着1 3 年钟表、仪表产品的精密加工基础，其具有高精密细加工设备及技术人j 基础。上润着力丌发彩屏液晶用背光模组的设计、加工与装配工艺，其丌发的双 面v 槽导光板设计与加工技术已拥有自主知识产权j 1 2 3 主要发展趋势 1 高亮度f 6 一般液晶显示器的背光模组大都是采端面照光的方式，由导光板、扩散膜、 反射膜及冷阴极管等所构成的。笔记本用显示器特性上要求轻薄、低耗电，但对 视角要求并不十分严格。上述背光模组由于扩散膜的作用，出射指向性非常差， 对大部分时候只需从正面看的小型液晶而言，光的使用效率并不高。因此，如果 在扩散膜上加上具有聚光作用的棱镜膜，则可增加出射光的方向性，达到提高币 面亮度的目的。 2 一体化 4 第一章绪论 对背光模组制造商而言，降低成本的方法不外乎将模组构造简化，采用所谓 一体化导光板的设计，将扩散膜、棱镜膜等的功能整合到导光板之中，有以下的 几种方法： ( 1 ) 将导光板的讵面加工，使其具有棱镜膜的功能； ( 2 ) 除了将棱镜膜一体化之外，在制作导光板时同时将扩散点一体成型，省 去网版印刷的手续； ( 3 ) 在导光板上、下两面均做棱镜的加工，底面的棱镜间距由疏到密，项角 的设计则让光向上折射，因此光能均匀地自导光板表面射出，且具有适当程度的 方向性，提高证面亮度。 ( 4 ) 在导光板射出成型时，在丙稀材料中加入少量不同折射率的颗粒状材质 ( 如m m a ) ，此种导光板是靠光与颗粒问的散射作用，让光自导光板表面射出； 利用出疏倒密的散射点设计，可让导光板表面均匀发光，棱镜膜则是用束校证荧 光管照光的非对称性。 3 o l e d 发光及显示技术 o l e d 应用于平板显示，具有主动发光、低功耗、重量轻、高效率和生产成 本低等优点。自1 9 8 7 年，k o d a k 公司最早发表其研究成果以来，全世界许多企业 和研究机构丌始致力于小分子o l e d 器件和相关课题的研究。 在显示原理【7 】【s 】上，o l e d 的发光原理和发光二极管相似，都是利用材料的 特性，让电子和空穴在有机材料发光层结合，将多余的激发能量以光波的形式释 放出去，从而达到发光的目的。实现o l e d 的关键元件也就包括其中的r r o 导电 玻璃、小分子或者高分子有机材料、高纯度金属材料和驱动i c 等。其基本结构是 将一极薄的有机材料薄膜用过加热蒸镀发或者激光转印技术( 小分子) 和旋转涂 白法或者印刷法( 高分子) 使其固定在透明的导电玻璃( i t o ) 阳极电极和会属 阴极之间，形成了i t o 玻璃发光层会属电极层这样的结构。其中有机薄膜层是 由空穴注入层，有机发光层和电子传导层构成。当然实际量产的产品上面还会根 掘需要增加保护或者其它涂层，但是如果只是产生发光作用，上面的三层结构就 完全可以实现了。 1 3 课题的主要研究内容 液晶背光源的研发与设计具有广泛的社会效益和巨大的经济效益，是现代发 光与成像技术的研究热点之一。作为液晶背光源中的关键部件，超薄导光板不论 是在设计技术上还是在生产工艺上，都具有相当大的难度，有许多难点问题有待 攻克。目前这一庞大的市场，尤其是彩屏液晶用的导光板市场，被美国、同本、 韩国的少数几家公司所垄断，国内企业难以涉足。 第一章绪论 本课题的研究主要是力争早同歼发出具有自主知识产权的、技术领先的超薄 导光板，打破国外公司的垄断局面，进一步开拓彩色背光源的应用领域。本课题 的主要研究内容有： 对液晶显示屏的显示原理的研究； 液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析； 分析了棱镜膜( b e f ) 的结构与作用，并对其进行程序模拟分析和改进设计； 编写了随机网点、环状v - c u t 槽、线状v - c u t 槽导光板的结构设计程序； 利用a u t o c a d 二次丌发和数学建模相结合的方法完成了导光板通用模拟分析 程序，其中随机网点和双面v - c u t 槽结构的导光效果已经得到实验验证，并 在合作公司( 上润) 投入小批量生产； 通过对偏光增亮方法的研究，提出了偏振光光源分离法解决偏振光的损失； 6 第二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 第二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 2 1 几种常见液晶类型的显示原理 我们知道物质有三念：固态、液态和气态。其实所谓的三念只是大致的区分， 有些物质的固态可以再被细分出不同的“态”，其中分子排列具有方向性的液体 我们就称之为“液念晶体”唧，简称“液晶”。一般的固态晶体具有方向性，所 以它们的许多物理特性也具有方向性。液态晶体具有一般晶体的方向性的同时又 具有液体的流动性。如果要改变固态晶体方向必须旋转整个晶体，而液态晶体就 不同了，它的方向可由电场或磁场束控制。 2 1 1 扭曲向列型液晶( t w i s tn e m a t i c ) 世界上第一台液晶显示器 出现在7 0 年代仞，被称之为t n 型液晶显示器( t w i s tn e m a t i c ， 扭曲向列) 。将涂有透明导电层 的两片玻璃基板| 日j 央上一层j 下 介电异向性液晶，液晶分子沿玻 璃表面平行排列，排列方向在上 下玻璃之问连续扭转9 0 。因 为这两片玻璃在接触液晶的那 一面并不是光滑的，而是有锯 齿状的沟槽。这个沟槽的主要 目的是希望长棒状的液晶分子 会沿著横槽排列。如此一来， 液晶分子的排列j 。会整齐。因为 上玻璃 雷瑚箧蓄鍪蓬罗。 图2 - 1 液晶配同膜与偏光板 如果是光滑的平面，液晶分子的排列便会不整齐，造成光线的散射，形成漏光的 现象。这一层就叫做配向膜，如图2 1 所示，它的功用是提供液晶分子呈均匀排 列的介面条件，让液晶依照预定的顺序排列。然后上下各加一偏光片，基本就构 成了t n 型液晶。 偏光片的作用就像是栅栏一般，会阻隔掉与栅栏垂直的分量，只准许与栅栏 平行的分量通过。液晶显示器利用这一特性，上下两片栅栏互相垂直的偏光板之 7 第一二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 间，充满液晶，再利用电场控制液晶转动，来改变光的行进方向。如此一束，不 同的电场大小，就会形成不同灰阶亮度了。 加电压时 小加也随时 图2 2 上下偏光板的工作原理 当上下两块玻璃之问没有 施加电压时，液晶的排列会依 照上下两块玻璃的配向膜而 定，上下的配向膜的角度差恰 为9 0 。，所以液晶分子的排列 由上而下会自动旋转9 0 。当 入射的光线经过上面的偏光板 时，就只剩下单方向极化的光 波。通过液晶分子时，由于液 晶分子总共旋转了9 0 。，所以 当光波到达下层偏光板时，光 波的极化方向恰好转了9 0 。而下层的偏光板与上层偏光板，角度也是恰好差 异9 0 。所以光线便可以顺利的通过，但是如果我们对上下两块玻璃之日j 施加 电压时，由于t n 型液晶多为介电系数异方性为j 下型的液晶，代表着平行方向的 介电系数比垂直方向的介电系数大，因此当液晶分子受电场影响时，其排列方向 会倾向平行于电场方向。所以我们从图2 2 中便可以看到，液晶分子的排列都变 成站立着的，此时通过上层偏光板的单方向的极化光波，经过液晶分子时便不会 改变极化方向，因此就无法通过下层偏光板。 通过调整偏光板的相对位置可以根据不同的应用环境，分为 n w ( n o r m a l l y w h i t e ) 和n b ( n o r m a l l y b l a c k ) 两种形式。所谓的n w ( n o r m a l l y w h i t e ) 是指当我们对液晶面板不施加电压时，我们所看到的面板是透光的平面，也就是 亮的屏幕，所以j + 叫做n o r m a l l y w h i t e 。而当我们对液晶面板不施加电压时，如 果面板无法透光，看起来是黑色的话，就称之为n o r m a l l yb l a c k 。图2 - 2 就是属 于n w 的配置，n b 与n w 的差别就只在于偏光板的相对位置不同而已。对n b 来说，其上下偏光板的极性是互相平行的。所以当n b 不施加电压时，光线会因 为液晶将之旋转9 0 。的极性而无法透光。一般应用于桌上型计算机或是笔记本 大多为n w 的配置。那是因为，一般计算机软件的使用环境整个荧幕大多是亮 点。既然亮点占大多数，使用n w 当然比较方便，也因为n w 的亮点不需要加 电压，平均起柬会比较省电。而n b 的应用环境就大多是属于显示屏为黑底的应 用了。 8 第一二章液品背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 2 1 2 超扭曲向列型液晶( s u p e r t w i s tn e m a t i c ) s t nl c d 和t nl c d 的显示原理相同，只是液晶分子的扭曲角度不同，它 将入射光旋转1 8 0 。2 7 0 。，而不是9 0 。而且，单纯的t n 型液晶显示器本 身只有明暗两种变化。而s t n 液晶则以淡绿色和橘色为主，通过上层的彩色滤 光片就可以显示出色彩了。s t n 型液晶的特点是电光响应曲线更好，可以适应 更多的行列驱动。 t n 或s t n 型液晶一般是对液晶盒施加电压，达到一定的电压值，对行和列 进行选择，出现显示现象，所以行列数越多，要求的驱动电压越高，因为如此， 这两种液晶难以做成高分辨率的液晶模块。 d s t n ( d o u b l e s t n ) 液晶是一种经过改进的s t n 型液晶。上下屏分别由两个 数掘通道传送数据，由于很多液晶屏内部增加了驱动电源的变换部分，所以无需 外部输入高驱动电压，通常可以实现单电源供电。s t n 和( d s t n ) 液晶只可以 实现伪彩色显示。一般人眼可以分辨2 6 2 1 4 4 色，所以达到和超过2 6 2 1 4 4 色的被 称为真彩色，否则称之为伪彩色。d s t n 可以实现v g a 、s v g a 等一些较高的 分辨率，但由于构成它们的矩阵方式是无源矩阵，每个象素实际上是个无极电容， 容易出现串扰现象，从而显示真正的活动图像失真严重。 2 1 3 薄膜电晶体液晶( t h i n f i l mt r a n s i s t o r ) 由于t n 和s t n 型的液晶的显示原理所限，如果它的显示部分越做越大， 那么中心部分的电极反应时间可能就会比较长。其实这对于手机来讲并不是很大 的问题，因为目前手机显示屏都比较小，液晶反应时间的影响就比较小。但是对 于笔记本等大屏幕液晶显示器的设备来说，太慢的液晶反应时间就会严重影响显 示效果，因此t f t 液晶技术引起了厂商的注意。并且在彩屏手机中应用的越末 越多，在新一代产品中很多支持6 5 5 3 6 色显示，有的甚至支持1 6 力色显示，这 时，t f t 的高对比度，色彩丰富的优势就更显得重要了。 t f t 液晶显示技术采用了“主动式矩阵”方式来驱动。方法是利用薄膜技术 所做成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动地”控制任意一个显示点的丌关。 光源照射时先通过下偏光片向上透出，借助液晶分子传导光线。电极导通时，液 晶分子就像t n 液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光束达到显示 的目的。但和t n 液晶不同的是，由于f e t 晶体管具有电容效应，能够保持电 位状态，已经透光的液晶分子会一直保持这种状态，知道f e t 电极下一次再加 电改变其排列方式为止。而t n 型液晶就没有这个特性，液晶分子一旦没有加电 压，立刻就返回原来的状念，这是t f t 液晶和t n 液晶显示原理的最大不同。 9 第二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 n 可液晶为每个象素都设有一个半导体丌关，其加工工艺类似于大规模集成 电路。由于每个象素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都现对独立， 并可以连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制 显示灰度，所以t f t 液晶的色彩更逼真。现在的t f t 型液晶一般都实现了1 8 b i t 以上的彩色( 2 1 8 色) ，在分辨率上，已经实现了v g a ( v i d e og r a p h i c s a r r a y6 4 0 x4 8 0 ) 、s v g a ( 8 0 0x6 0 0 ) 、x g a ( e x t e n d e dg r a p h i c s a r r a y1 0 2 4x7 6 8 ) 、 s x g a ( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) 甚至u x g a ( 1 6 0 0 1 2 0 0 ) 。 2 2 液晶显示器的背光系统 如图2 - 3 为液品的切面结构图，主要由液晶盒和背光组件组成。液晶显示器 p r o t e c t i v ef i l m 里 图2 3 液晶显示器的切面结构 图2 - 4 液晶背光组件 1 0 是通过高亮灯管发光，由灯管反射膜 将光线反光平行射向导光板，导光板 具有光线吸收及反射作用，在底部的 反光板的反光作用下，光线会均匀、 平行的投向偏光膜，然后透过液晶分 子，继续通过上层偏光膜最终成像。 般来说液晶显示器背光组件 ( 如图2 - 4 ) 由光源、灯管反射膜、导 光板、反射膜、扩散膜，棱镜膜、上 下偏光膜、彩色滤光片组成。 第一二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 2 2 1 光源( b a c k l i g h t ) 液晶本身并不发光，所以，液晶显示器需要强大的背光系统。由于液晶显示 器件本身具有纯平面、显示精细等特性，所以它需要一个亮度高且均匀的背光源。 目j ；i 各个领域常用的背光源i l o 】主要有：发光二极管( l e d ) 、卤钨灯、电致 发光器件( e l d ) 、冷阴极荧光灯、阴极发射灯( c l l ) 和会属卤化物灯等。相 对来沈工艺成熟、亮度高、成本低、性能好的冷阴极荧光灯( c c f l ：c o l dc a t h o d e f l u o r e s c e n tl a m p s ) 就成为目静彩色薄膜液晶显示器( t f t - l c d ) 上使用最广泛 的背光源。近年来成功发展出青色光源的l e d ，经过导光板反射膜等作用形成 白色光源显示，出于其辉度高，渐成为具有实用性的导光板光源f 】。 灯管反射膜的作用是包住灯管发出的光源，尽量送入导光板内。反射罩的 形状对导光板的入光效率有相当大的影响。中小型尺寸常用包含银蒸镀膜及软性 材质，约有8 0 0 , 6 的入光效率。大尺寸多以外型特殊及固定的铜材质作为灯管反射 罩，以增加入光效率，最佳可达9 0 以上。 2 2 2 彩色滤光片 红色，蓝色和绿色，是所谓的三原色。多数平面显示器就是利用这个原理来 显示出色彩。把r g b 三种颜色，分成独立的三个点，各自拥有不同的狄阶变化， 然后把l 临近的三个r g b 显示的点，当作一个显示的基本单位，也就是象素 ( p i x e l ) 。那这一个象素就可以拥有不同的色彩变化了。然后对于一个需要解析 度为1 0 2 4 7 6 8 的显示画面，我们只要让这个平面显示器的组成有1 0 2 4 7 6 8 个象素，便可以证确的显示这一个画面。在图2 5 中，每一个r g b 的点之i 丑j 的 黑色部分，就叫做b l a c km a t r i x 。b l a c km a t r i x 主要是用来遮住不打算透光的部 图2 - 5 放大镜下的液晶 第_ 二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 分，比如像是一些i t o 的走线、c r a i 的走线，或者是t 丌( 薄膜电晶体) 的部 分。 根掘不同的应用要求，常见的彩色滤光片的排列方式有：条状排列( s 研p c ) 、马赛克排列( m o s a i c ，或是称为对角形排列) 、三角形排列( t r i a i l d e ，或是称为 d e l t aj 4 列) 、i f 方形 j 列。 2 2 3 液晶的导光与增亮部件 导光板通过漫反射和全反射，可以将点光源或线光源转换成为面光源。它多 采用透光性能极优、可塑性能好，强度较高的工程材料( 如丙稀等) 。第二代产 品多采用在平板材料上利用丝网印刷工艺，用特制油墨印刷出散光的网点而成； 第三代产品常采用一次性注塑成型或在楔形板上印刷网纹而成。 反射膜将未被散射的光源反射再进入导光板内，其本身对光源办稍有散射效 应。目前多采用反光性能较强的有机材料，关键部位( 如灯管反射膜) 多采用镀 银材料。 扩散膜主要起混光作用，使导光板出射的光线更加均匀。对于破坏全反射面 的光学结构办具有覆盖的作用，扩散膜的光学参数包含了透过率及雾面程度，视 导光板的外观作有利的选择。 棱镜膜由聚酯和聚碳酸酯制成，因其表面有棱形结构而得名，它是提升讵面 辉度的重要组件，最有效且常用的为反射偏振复合增亮片( b e f ) 系列。l 2 枚 b e f 应用于导光板上可使辉度提升约1 和1 8 倍。 由导光板出射的光包含两种极化方向：p 偏光和s 偏光。p 偏光能通过l c d ， s 偏光则不能，造成近一半的光无法被应用。偏光转换的技术是利用多层膜结构 i 偏光片一 彩色澹光片一 偏光片 图2 - 6 液晶显示器的光效率 1 2 各层光总体光透 透过率过辜 9 1 2 5 9 0 6 3 0 7 9 5 2 3 4 0 2 4 0 k , 6 0 6 0 1 0 0 0 e 第二章液品背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 将光分成p 偏光及s 偏光，s 偏光经多次反射后转换成p 偏光，即可通过l c d 。 偏光转换技术提高了l c d 的亮度，也降低了电力耗费。 液晶的导光与增亮是现阶段液晶产业面临的一个最主要的问题，也是本课题 研究的主要内容，在以后的章节中将做更加详细的分析。 2 3 液晶显示器的光能损失 由l c d 背光源发射的光，通过偏振片和液晶盒，靠控制投射强度来识别图 像。也就是说l c d 的亮度取决于液晶盒和彩膜的光透过率及背光源的亮度。因 此，要提高l c d 的亮度，必须从提高背光源的亮度、t f t 的象素丌口率和所有 部件材料的亮度三方面着手。当采用导光板侧入光式光源作为背光源时，液晶显 示器的光效率如图2 - 6 所示，最后出射的光能量还不到最初光能的5 。 几乎每一层膜或板，都会损失一部分光能。通过对液晶组件的分析可知，能 量的大量损失“”，主要体现在以下三个方面： ( 一) 起偏器的损失 为了让液晶能有效地控制光能的透过率从而显示图象，在其下方必须有一个 起偏器，只允许自然光中某一方向的偏振光通过，而另一方向的偏振光被吸收拦 截。也即，至少有一半光能量被浪费。考虑到偏振片的吸收特性和工艺缺陷，其 透过率一般为4 0 。 ( 二) 彩色滤光片的损失 从三基色滤光片的 局部放大图2 - 5 可知，各 区域分别只允许红色波 段、绿色波段、蓝色波段 的光通过，从而构成不同 的色彩。 另外，还要考虑开口 率问题，b l a c km a t r i x 部 分为信号走线和存储电 容区域，是不透光的，如 图2 7 所示。 综合上述因素，这一 层的透过率仅为3 0 左 右。 ( 三) 导光板的光能利用率 甜鲢鹋埴燧曩 开口率= 盟筹l o 。 图2 - 7 丌口率的计算 第一二章液晶背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 导光板将点光源或线光源转换为面光源，其基本原理就是利用光的多次反射 和折射，让光线近似均匀的从上表面出射。因此，大多数光线，在导光板内的行 程都非常长，而且多次与导光板界面发生作用，吸收损失、反射损失、折射损失 都不可避免。其光能利用率大约为6 0 。 2 4 液晶背光源增亮的主要方法 亮度是背光源性能中的一个重要参数，只有高亮度的背光源j 能使得画面色 彩更鲜艳，从而实现太阳光下阅读。比较有效的提高背光源亮度的方法主要有： ( 一) 增加光源的数目和功率 这是最容易想到的办法，该方法并没有提高光能的利用率。而且大量能量作 为热量散发出来，势必会引起散热和寿命问题，因此在灯管性能没有大幅度改善 的条件下不能过多考虑。当然，选择发光效率更高的l e d 或c c f l 也是必须的。 ( 二) 高效率反射膜 反射膜的反射率直接影响显示的亮度。有些公司利用一些特殊技术制成了高 效率反射膜，其反射率接近1 0 0 。 除了在灯管处附加高反射率的灯管反射膜外，在导光扳下面附加反射膜尤其 重要，它需要特殊的粒子结构与导光板的印刷点相匹配。该反射膜不但能反射光 而且还能使反射光均匀。采用这些特殊的反射膜“”，无需改动设计和模具，就可 使液晶显示器的轴中心亮度提高近3 0 。 图2 - 8 各种反射膜的反射率 1 4 第一二章液品背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 ( 三) 增加偏光增亮膜 针对起偏器的能量损失。采用多层膜系结构，如图2 - 9 所示，将偏振方向与 起偏器栅格方向垂直的光p 2 反射回导光板，而让偏振方向与起偏器栅格方向平 行的光p 1 通过。其中p 2 在导光板内经多次折反射后，会逐步失去偏振性而变 为自然光，即有一部分光线转变为p l ，而p l 通过该膜系后也能以高透射比通过 起偏器。3 m 公司的增亮膜采用该技术，能将亮度提高6 0 。我国由于加工工艺 的限制，还难以加工这种薄膜，本文提出了将光线在光源处偏光分离的方法将在 第五章说明。 上层偏光片 液品层 i - 层偏光片 传统显示 带有增亮膜的显示 图2 - 9 偏光增亮膜的作用 亮膜 ( 四) 提高导光板的光能利用率 属于这一类的方法主要包括： 1 提高导光板本身的透明度，减少吸收损失。该方法对材料要求较高，会增 加成本； 2 高反射膜的反射效率，减少反射损失。主要是灯管后面与导光板底边，必 要时也要考虑导光板侧边，因为模拟程序表明侧边会逃逸1 0 左右的光能，具 体数值随网点排列规律、导光板厚度、光源位置和能量分伟的不同而不同。该方 法提高光能利用率的同时，减少热量的产生，而且技术比较成熟，应该优先考虑。 3 寻求最佳的网点结构和排列方式，在均匀引导光线的同时，尽量减少光线 在导光板内的反射和折射次数，同时降低吸收损失、反射损失、折射损失。 现有导光板的光能利用率仅在6 0 左右，模拟程序表明，如果能善用后两种 方法，光能利用率可达8 0 ，则亮度会提高4 0 以上。具体的导光板模拟方法 和结论将在第四章做系统的阐述。 ( 五) 采用棱镜膜加强正视亮度 使用p d a 或手机等小屏幕显示器时，显示屏存在一定的视角限制。从显示 1 5 第二章液品背光源均匀导光与增亮方法的理论分析 平面的法线方向观测，亮度较高，而从偏离法线一定角度的方向观测，亮度就不 很高。这合乎小型液晶用户使用的要求，因为手机、p d a 通常是给个人使用的， 要求把本来分散的光线通过一些方法几种到一定的中心观测角以内，使在轴中心 亮度大大增加，棱镜膜就是起这个作用的。如图2 1 0 所示，棱镜膜把本来分散 图2 1 0 棱镜膜的工作原理 的光集中到以法线为中心的某个角度( 如7 0 ) 范围内，使在轴中心的亮度大大 增加，从而在视觉上提高了显示亮度。棱镜膜的表面是一个个结构相同的棱形。 利用折射和全反射定律，让大于7 0 射出的光改变方向，向法线方向聚拢，这样 轴中心的亮度可增加1 1 0 。为了得到更好的显示效果，本论文对棱镜膜的拢光 效果进行了程序模拟，分析了棱镜膜各项参数对拢光效果的影响，这将在第三章 进行系统的阐述。 2 5 本章小结 l 本章针对液晶显示屏的组成部件和工作原理展丌研究，分析了液晶显示过程 中光能损失的几种主要途径，从而介绍了国内外提高液晶显示器光能利用率的主 要方法。其中，设计合理的导光板的网点结构和棱镜膜结构，能够大幅度的提高 液晶背光源的亮度，也是液晶生产商最为关心的问题，本文将在接下来的几章中 用以程序模拟为主的方法加以系统的分析。 1 6 第二章棱镜膜( b e f ) 程序模拟分析与改进设计 第三章棱镜膜( b e f ) 程序模拟分析与改进设计 棱镜膜( b d g h t n e s