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文/中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 北方液晶工程研究開發(fā)中心 李海玲  荊海

　　摘要: ASTN（advanced super twisted nematic）是應(yīng)用到汽車電子的關(guān)鍵顯示器件，其核心技術(shù)是采用TEP光延遲膜對(duì)STN盒進(jìn)行補(bǔ)償。為在ASTN制造過程中控制STN液晶盒與TEP膜的光延遲值(d△n)盡量一致，本文提出一種新的測(cè)試液晶顯示器光延遲的方法，該方法采用白光作為光源，通過改變起偏器和檢偏器的角度獲得白光照射下的透射光光譜，利用瓊斯矩陣?yán)碚摣@得的分析方程對(duì)液晶盒的光延遲值進(jìn)行分析計(jì)算，測(cè)出精確數(shù)值后用TEP膜對(duì)液晶盒進(jìn)行光學(xué)補(bǔ)償，獲得了較清晰的顯示圖像。本文中的實(shí)驗(yàn)使用白光光源代替激光光源經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，該測(cè)試方法考慮了環(huán)境光及光源對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單，測(cè)試快速，準(zhǔn)確，誤差小，可重復(fù)性高。1、引 言

　　21世紀(jì)，汽車已成為人們生活中不可或缺的代步工具，而電子車載顯示技術(shù)的誕生更是給人們帶來了更多的駕駛樂趣。隨著人們對(duì)車載顯示器各種性能的要求不斷提高，顯示器的信息密度及其復(fù)雜性也在日益上升，ASTN就是為了滿足這些需求而誕生的新型車載顯示技術(shù)，其結(jié)構(gòu)是在STN（超扭曲液晶）液晶盒外貼一層液晶光學(xué)補(bǔ)償膜TEP對(duì)其視角、對(duì)比度、溫度等進(jìn)行補(bǔ)償。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，扭曲角的誤差對(duì)決定△nd值的影響較小，所以要精確嚴(yán)格地測(cè)試液晶盒的光延遲值，以便補(bǔ)償膜對(duì)液晶盒進(jìn)行更好的光學(xué)補(bǔ)償。

　　過去有許多關(guān)于△nd測(cè)試方面的文獻(xiàn)發(fā)表[1-8]，如位相補(bǔ)償法，但該方法需要用不同波長重復(fù)測(cè)量操作，所以有點(diǎn)復(fù)雜耗時(shí)；又如波片或偏振片旋轉(zhuǎn)法，對(duì)于測(cè)量低盒厚較準(zhǔn)確;光學(xué)外差法，但是該方法測(cè)試設(shè)備比較昂貴和復(fù)雜。歸結(jié)起來這些測(cè)試方法都以瓊斯矩陣,柯西方程，斯托克斯參量法等為理論基礎(chǔ)。本文以瓊斯矩陣為理論依據(jù)，采用光譜法對(duì)STN液晶盒做透射式逐點(diǎn)測(cè)試，得到光延遲值。文章將首先闡述實(shí)驗(yàn)的測(cè)試原理和裝置，最后展示了達(dá)到光延遲參數(shù)要求的液晶盒與補(bǔ)償膜間的補(bǔ)償效果。

　　2、基本理論及光延遲測(cè)試系統(tǒng)

　　2.1光延遲產(chǎn)生原因

　　如圖1，入射光可分為o光和e光兩線偏振光，當(dāng)入射光經(jīng)過液晶材料時(shí)，由于液晶具有雙折射的特性，o光和e光的傳播速度不同，o光和e光不再同步，出現(xiàn)位相差。

　　入射光分解為：

　　根據(jù)光強(qiáng)公式：

　　（1）

　　A:振幅，γ：頻率，v:介質(zhì)中光速，?：初相位；

　　可以得到：

　?。?）

　?。?）

　　因此，光通過厚度為d，折射率差為△n的液晶時(shí)產(chǎn)生位相差為

　　               （4）

　　其中    

　　δ是位相延遲，λ是波長，θ是預(yù)傾角，Δn是液晶的雙折射率，no ，ne分別是尋常光o光和非尋常e光的光折射率。

　　2.2基本理論

　　根據(jù)嚴(yán)格的瓊斯矩陣?yán)碚?，按照?qǐng)D3所示，光透過液晶盒后的光強(qiáng)為

　　  （5）

　　γ，α分別是檢偏器和起偏器相對(duì)于參考軸的偏轉(zhuǎn)角度，M是扭曲型液晶的瓊斯矩陣。

　　  （6）

　　         （7）

　　為液晶扭曲角度，R是液晶旋轉(zhuǎn)矩陣，

　　   （8）

　　這樣方程（5）可以重新寫成

　　（9）

　　如果按照?qǐng)D2所示放置兩個(gè)偏振片，則光透過液晶盒和兩個(gè)偏振片后，光強(qiáng)（透過率）可以表示如下：

　　    （10）

　　其中：      （11）        這里、、分別代表光波長、液晶盒的光延遲及液晶盒的扭曲角度。由此可以得到光強(qiáng)取極大值和極小值所滿足的條件：

　?、?當(dāng)透過率取極大值（峰值）,

　　此時(shí)（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）

　　對(duì)于補(bǔ)償膜或無扭曲液晶盒：       

　　(N =1,2,3,4,5)   （14）          

　　根據(jù)峰值處的波長得到5個(gè)（有可能少于5個(gè)）試探值，記為“”。

　?、?當(dāng)透過率取極小值(谷值)時(shí)，此時(shí)分兩種情況：

　　a.如果峰值處波長大于谷值處波長：

　?。∟ =1,2,3,4,5 同理）   （15）

　　b.如果峰值處波長小于谷值處波長：

　?。∟ =1,2,3,4,5同理）     （16）          

　　同1一樣，根據(jù)峰值處的波長得到5個(gè)（有可能少于5個(gè)）試探值。又由于存在色散，可以根據(jù)柯西色散公式算得n（λ）再代入特征波長589.3nm即可得到液晶盒的光延遲值。

　　（a,b,c是柯西色散系數(shù)）（17）

　　2.3實(shí)驗(yàn)裝置

　　該實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，L-鹵素?zé)簦鳛榘坠夤庠?，P-起偏器，S-STN樣品盒，A-檢偏器，D-探測(cè)器,C-電腦。

　　打開實(shí)驗(yàn)儀器，關(guān)閉光源光閥測(cè)試背景光后，再打開光閥測(cè)光源光，然后在樣品架上放上樣品，開始測(cè)試。光源發(fā)出的白光經(jīng)過起偏器P變成線偏振光，入射至樣品盒S后到達(dá)檢偏器A，經(jīng)過D將信號(hào)傳給電腦C得出所測(cè)樣品光延遲值。

　　3、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用

　　3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差分析

　　在所提出理論的指導(dǎo)下，我們對(duì)STN液晶屏做了測(cè)試，（樣品屏型號(hào)：JP2080A3-AU21，前后兩塊玻璃摩擦方向互相平行，所以扭曲角?=180°。LC材料：RTP-A3718R057,采用逐點(diǎn)測(cè)試光譜法,設(shè)置α=γ=315°。測(cè)試時(shí)選取液晶盒四角及中間五個(gè)特殊點(diǎn)，得到結(jié)果如下：

　　從測(cè)試結(jié)果可以看出，該方法重復(fù)性較好，測(cè)得的d△n值與樣品設(shè)定值相比較還是有一定的誤差，我們分析誤差產(chǎn)生的原因可能有以下幾種：

　　1）光源穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試精度有一定的影響；

　　2）實(shí)驗(yàn)中忽略了偏振器件對(duì)光吸收、反射的影響；

　　3）測(cè)試中根據(jù)盒上下玻璃片的摩擦方向代入扭曲角180°，但該理論值和實(shí)際值之間還是有一定誤差的；

　　4）雖然設(shè)定盒厚為6.5um，但是制盒過程中可能由于壓力過大、溫濕度等原因盒厚達(dá)不到該值。

　　3.2應(yīng)用

　　精確測(cè)試液晶盒位相延遲值對(duì)生產(chǎn)指導(dǎo)有著極其重要的意義，尤其在車載電子液晶顯示器ASTN的制造過程中，精確快速測(cè)試?nd 值對(duì)STN液晶盒與TEP膜更好地匹配有重要指導(dǎo)作用。這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中要經(jīng)常抽樣檢查，不斷調(diào)整和確定液晶盒與補(bǔ)償膜的延遲值，兩者不斷互相配合，最終得到多組最佳匹配值，所以生產(chǎn)中就要求測(cè)試儀器操作簡(jiǎn)單，測(cè)試方法方便快速，以便提高工作效率，而我們的方法無論是原理上還是設(shè)備本身,都能達(dá)到這樣的要求。

　　由于延遲膜TEP可以實(shí)現(xiàn)各種偏振態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,偏振面的旋轉(zhuǎn),以及各類偏振光的調(diào)制，所以在液晶顯示的光學(xué)補(bǔ)償發(fā)揮著越來越重要的作用。在ASTN中，補(bǔ)償膜既作為光旋轉(zhuǎn)器又作為光延遲片，其配置如圖5所示，a.扭曲角相同但扭曲方向相反，相鄰處液晶分子排列方向垂直；b.相同的△nd值，實(shí)際液晶盒的△nd略大。

　　由此可見，在生產(chǎn)中主要控制盒厚以控制△nd 值。精確測(cè)試△nd值不但是下步工藝的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)光學(xué)補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。相比于目前市場(chǎng)出上現(xiàn)的ISTN, ESTN,FSTN 等模式的車載液晶顯示器，ASTN中的TEP膜可以對(duì)液晶盒實(shí)現(xiàn)兩大補(bǔ)償:

　　其一為色散補(bǔ)償：在某一特定溫度下，液晶的色散和TEP的色散一致時(shí)，可以得到理想的補(bǔ)償，即LCD的底色為黑色，對(duì)比度會(huì)較高;若它們的色散不一致，則低及高波長的光會(huì)有透過，LCD會(huì)有一定底色，對(duì)比度降低。

　　其二為溫度補(bǔ)償：TEP膜與液晶盒中液晶不是完全一致，即使在某些溫度下色散可近似一致，但在整個(gè)工作溫度范圍，即使僅考慮工作光波長，對(duì)應(yīng)的?nd值不能總是保持一定，特別在低溫時(shí)，偏差很大，補(bǔ)償效果變差。

　　液晶盒延遲值測(cè)試完成后，對(duì)其貼TEP膜，并做了視角測(cè)試，如圖6，以對(duì)比度10:1為基準(zhǔn)，可以看出未補(bǔ)償前，水平視角：±39°，垂直視角+43°，20°，可以看出12點(diǎn)方向視角較大;貼補(bǔ)償膜后，明顯看出視角范圍大很多，水平垂直都大于50°。

　　我們?cè)囼?yàn)中的ASTN樣品瓶應(yīng)用了寶萊的TEP片，能夠根據(jù)每輛汽車的環(huán)境提供最適宜的對(duì)比度和背景顏色，具有很寬的工作溫度范圍主要就是高溫時(shí)對(duì)比度較好。圖7是ASTN屏在12點(diǎn)方向觀察的圖像，其中有環(huán)境光及相機(jī)像素原因引起的干擾，當(dāng)液晶盒與TEP膜的△nd值越接近時(shí)對(duì)比度越高，視角越寬，所以基于以上各種原因，研究更為精確測(cè)試光延遲的方法對(duì)生產(chǎn)制造有著重要的意義。

　　4、結(jié) 論

　　ASTN是一種新型車載顯示技術(shù)，由于其重量輕，產(chǎn)品品質(zhì)更容易控制，透過率更高，工作溫度范圍寬，尤其是具有高溫補(bǔ)償能力等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。由于TEP膜與STN液晶盒的△nd盡量一致才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)配置，實(shí)際生產(chǎn)中又要求檢測(cè)快速，提高生產(chǎn)效率，所以需要精確快速地測(cè)試光延遲值。本文提出了簡(jiǎn)單快速測(cè)量液晶盒光延遲的方法，該方法以瓊斯矩陣為理論依據(jù)的，采用白光為光源，通過獲得不同點(diǎn)的透射光譜獲得液晶盒的光延遲值，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。本文最后展示了與TEP膜△nd值近似接近的液晶盒補(bǔ)償后的顯示效果圖，可見屏的對(duì)比度較高。該方法的實(shí)驗(yàn)裝置操作簡(jiǎn)單方便，測(cè)試快速，誤差小，可重復(fù)性高。

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