一種采用介電突起消除邊緣場效應(yīng)的LCoS

侯文義，儲(chǔ) 繁，田莉蘭，李 睿，顧小情，周祥嶼，王瓊?cè)A

(1. 四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065；2. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191)

1 引 言

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和可穿戴顯示器的快速發(fā)展，微顯示器受到越來越多的關(guān)注。LCoS (Liquid Crystal on Silicon, 硅基液晶)因其高亮度、高開口率、高分辨率、低功耗和緊湊性而在微顯示器中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。為了獲得更高的分辨率，LCoS的像素大小(<10 μm)和相鄰像素間隙(～1 μm)設(shè)計(jì)得很小，當(dāng)施加電場后，相鄰兩像素之間的邊緣場效應(yīng)變得不可忽略，相鄰像素之間的邊緣電場能夠影響到彼此的液晶分子排列，從而擾亂本來液晶分子排列方式，顯示亮度和對(duì)比度將會(huì)受到嚴(yán)重影響[5-12]。

為了降低邊緣場效應(yīng)對(duì)液晶顯示器顯示效果的影響，劉紹錦等人提出了混合排列模式(HAN)的方法[13]。在混合排列模式方法下，液晶盒一側(cè)基板上的液晶分子垂直表面排列，施加電場后液晶分子轉(zhuǎn)動(dòng)較為平滑，在像素邊界處不會(huì)產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)，可以大大提高顯示性能，但是這會(huì)使取向工藝變得復(fù)雜。而李朋等人提出了雙邊叉指電極結(jié)構(gòu)的方法[14]，液晶盒的頂部和底部都使用叉指電極結(jié)構(gòu)，偏置電壓施加到同一平面內(nèi)的相鄰電極上和上下相對(duì)的電極上。這種特殊的電極結(jié)構(gòu)在相鄰電極之間產(chǎn)生一個(gè)水平電場，同時(shí)在上下相對(duì)電極之間產(chǎn)生一個(gè)垂直電場。水平電場協(xié)助減少相鄰電極之間的液晶分子指向矢的轉(zhuǎn)動(dòng)，而垂直電場驅(qū)使電極中間區(qū)域的液晶分子指向矢垂直于電極平面取向，從而消除邊緣場，但是這種電極設(shè)計(jì)方式增加了驅(qū)動(dòng)難度。

本文提出了一種使用介電突起消除邊緣場效應(yīng)的LCoS。通過在相鄰像素之間引入介電突起，施加電壓時(shí)相鄰像素之間的邊緣場被介電突起阻隔，從而消除了邊緣場對(duì)相鄰像素之間的液晶分子指向矢分布的影響，LCoS的顯示效果和對(duì)比度得到了提高。由于介電突起位于LCoS的非像素區(qū)域，因此LCoS的亮度和圖像質(zhì)量不會(huì)受到影響。此外，對(duì)LCoS的液晶分子指向矢分布和邊緣場串?dāng)_現(xiàn)象進(jìn)行了仿真，分析了邊緣場效應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)理及其影響因素，并對(duì)相應(yīng)反射率和相位進(jìn)行了計(jì)算和對(duì)比。

2 器件結(jié)構(gòu)和原理

本文提出的LCoS結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括偏振片、玻璃基板、透明平面公共電極、液晶層、介電突起、透明方形像素電極、絕緣層、鋁反射鏡和硅基板。玻璃基板和硅基板彼此平行設(shè)置，透明平面公共電極和透明方形像素電極彼此平行設(shè)置，液晶層采用平行取向，介電突起利用光刻工藝制作在相鄰像素電極之間，整體驅(qū)動(dòng)電路是利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工藝在硅基板上進(jìn)行制作，然后磨平硅片表面，并依次鍍上鋁反射鏡、絕緣層、透明方形像素電極和介電突起，構(gòu)成CMOS基板，然后將CMOS基板與帶有透明平面公共電極的玻璃基板貼合，注入液晶材料，最后封裝成LCoS。

圖1 具有介電突起的LCoS結(jié)構(gòu)。(a) 剖面圖；(b) 3D圖。Fig.1 LCoS structure with dielectric protrusions. (a) Sectional view; (b) 3D diagram.

LCoS是利用外加電場控制液晶分子的排列狀態(tài)，從而改變液晶盒的光學(xué)性質(zhì)。本文采用平行取向(Parallel Alignment，PA)型液晶盒來研究和消除邊緣場效應(yīng)。在PA型的液晶盒中，主要利用透明平面公共電極和透明方形像素電極之間產(chǎn)生的縱向電場對(duì)光進(jìn)行調(diào)制。如果對(duì)LCoS的某一個(gè)像素施加電壓，這一個(gè)像素的正上方會(huì)形成良好的縱向場，但同時(shí)周圍的像素也充當(dāng)了公共電極，施加電壓的像素與周圍的像素之間就會(huì)存在串?dāng)_電場，產(chǎn)生了所謂的邊緣場效應(yīng)。高分辨率LCoS的邊緣場效應(yīng)與像素電極寬度和液晶盒厚度的比率相關(guān)，比率越小，相鄰像素之間的邊緣場效應(yīng)越強(qiáng)[15]。而對(duì)于滿足超高分辨率和超快響應(yīng)速度的LCoS，需要的像素單元更小，同時(shí)液晶層也需要很薄，故相鄰像素電極邊緣處的影響可以延伸至像素電極中心，不可避免地增強(qiáng)了邊緣場的串?dāng)_，使得像素電極上方的液晶分子初始排列發(fā)生變化，在表面錨定、體彈性和電場作用下達(dá)到一個(gè)新的平衡。這樣在這個(gè)像素內(nèi)液晶分子排列會(huì)發(fā)生畸變，在顯示效果上體現(xiàn)為亮度的不均勻[13]。

本文設(shè)計(jì)的降低邊緣場的介電突起位于相鄰像素電極之間，按照排列方式不同，可分為縱向突起和橫向突起。通過介電突起對(duì)邊緣電場的分壓作用隔絕邊緣場效應(yīng)使相鄰像素之間的串?dāng)_大大減小，從而提高顯示效果。為了進(jìn)一步研究邊緣場效應(yīng)，模擬了LCoS的液晶分子指向矢分布和邊緣場串?dāng)_現(xiàn)象，并計(jì)算了相應(yīng)的反射率和相位變化，最后分析了LCoS的等對(duì)比度視角圖。

3 仿真結(jié)果和討論

本文使用Techwiz LCD軟件來仿真?zhèn)鹘y(tǒng)LCoS和具有介電突起結(jié)構(gòu)的LCoS。在仿真中，透明平面公共電極和透明方形像素電極為氧化銦錫(ITO)電極，液晶層使用E7液晶材料，介電突起使用SU-8光刻膠，絕緣層使用SiO2材料。采用的入射光波長λ=550 nm，偏振片透光軸方向?yàn)?°，偏振片的厚度為230 μm，玻璃基板的邊長l=24.5 μm，透明平面公共電極的厚度為0.04 μm，液晶盒厚d=3 μm，介電突起的高度h和寬度w分別為2 μm和1 μm，透明方形像素電極的邊長w1=7.5 μm，絕緣層和鋁反射鏡的厚度均為0.01 μm；透明方形像素電極的工作電壓Von為0～10 V，介電突起的介電常數(shù)ε=3.5。采用的E7液晶材料特性為：在光波長為550 nm時(shí)，非常光折射率ne=1.741，尋常光折射率no=1.517，飽和雙折射率Δn=0.224，垂直介電常數(shù)ε⊥=5.3，水平介電常數(shù)ε∥=16.7，相對(duì)介電常數(shù)Δε=11.4，黏度系數(shù)=29 mPa/s。

通過軟件首先模擬了傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓的情況下液晶分子的排布，如圖2所示，其中傳統(tǒng)LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓的情況下邊緣電場對(duì)相鄰像素液晶分子排布的影響如圖2(a)和2(c)所示。由圖可知，相鄰像素邊緣的液晶分子發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，邊緣場效應(yīng)嚴(yán)重影響了相鄰像素的液晶分子初始指向分布，顯示效果也受到了嚴(yán)重影響。而具有介電突起結(jié)構(gòu)的LCoS，如圖2(b)和2(d)所示。在介電突起結(jié)構(gòu)的電場阻隔作用下，基本只有施加電壓的中心像素內(nèi)的液晶分子發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，在不加電壓的相鄰像素內(nèi)的液晶分子基本不受施加電壓的中心像素的電場影響，液晶分子沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，顯示效果不會(huì)受到影響，說明介電突起對(duì)消除LCoS中邊緣場效應(yīng)有著明顯的效果。

圖3為傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓時(shí)相鄰像素的反射光分布和反射率曲線。圖3(a)為傳統(tǒng)LCoS在中心像素加電時(shí)的反射光分布，可以看出像素之間的邊緣場效應(yīng)使相鄰像素的灰階發(fā)生了改變，亮度均勻性受到了影響，進(jìn)而影響顯示效果。為了解決這一問題，我們提出具有消除邊緣場的介電突起的LCoS，其仿真效果如圖3(b)所示，像素區(qū)域顯示亮度均勻，非像素區(qū)域有輕微的灰度變化，但并不會(huì)影響整體顯示效果，說明介電突起很好地阻隔了邊緣電場，消除了邊緣場對(duì)相鄰像素成像效果的影響。圖3(c)為5 V電壓時(shí)傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在圖3(a)和圖3(b)所示紅色實(shí)線區(qū)域反射率隨位置的變化曲線，可以看出傳統(tǒng)LCoS在對(duì)中心像素加電時(shí)相鄰的上一個(gè)像素靠近中心加電像素的區(qū)域反射率驟降，與反射光分布圖3(a)一致，說明相鄰像素的亮度受到了影響。而具有介電突起的LCoS在相同情況下反射率為96%，基本保持不變，與反射光分布圖3(b)一致，顯示效果未受到邊緣場的影響。圖3(d)為傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在圖3(a)和圖3(b)所示紅色實(shí)線區(qū)域中反射率隨電壓的變化曲線，由圖可知，傳統(tǒng)LCoS的反射率在電壓大于3 V時(shí)開始下降，隨著電壓的增加，反射率逐漸變小，受到邊緣場的影響越來越嚴(yán)重，而具有介電突起的LCoS反射率基本保持不變，不隨電壓的增加而改變，說明介電突起可以消除傳統(tǒng)LCoS中的邊緣場效應(yīng)。我們還仿真了傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓時(shí)相鄰像素的相位分布和整體視角對(duì)比，如圖4所示。圖4(a)為傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在圖3(a)和圖3(b)所示藍(lán)色實(shí)線區(qū)域中相位隨位置的變化曲線，圖4(a)中的紅色實(shí)線是不加突起的傳統(tǒng)LCoS的相位調(diào)制，相位曲線在像素間隙處是一條斜線，說明兩像素之間的液晶分子受到了邊緣場的影響存在擾動(dòng)，而具有介電突起的LCoS，如黑色虛線所示，相位曲線在兩像素之間明顯更為陡峭，相位差基本保持不變，相鄰像素的液晶分子沒有受到影響，說明介電突起大大降低了邊緣場帶來的串?dāng)_。圖4(b)和圖4(c)分別為傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS的整體視角圖。可以看出，傳統(tǒng)LCoS的對(duì)比度大于35∶1的區(qū)域接近50°，而具有介電突起的LCoS對(duì)比度大于35∶1的區(qū)域接近60°，但中心部分區(qū)域?qū)Ρ榷扔兴陆担@是因?yàn)長CoS暗態(tài)時(shí)像素邊緣的液晶分子由于介電突起的作用而存在一定的初始傾斜角，特定偏振角度的光線入射，導(dǎo)致存在初始反射率，從而影響中心對(duì)比度。整體來看，介電突起對(duì)LCoS的視角影響不大，兩者的視角基本相同。

圖2 LCoS在對(duì)中間像素加電場時(shí)相鄰像素液晶分子排布對(duì)比。(a)傳統(tǒng)LCoS液晶顯示盒的分子排布(剖面圖)；(b)具有介電突起的LCoS液晶顯示盒的分子排布(剖面圖)；(c)傳統(tǒng)LCoS液晶顯示盒的分子排布(俯視圖)；(d)具有介電突起的LCoS液晶顯示盒的分子排布(俯視圖)。Fig.2 Comparison of liquid crystal molecules arrangement of adjacent pixels when LCoS applies electric field to intermediate pixels. (a) Molecular arrangement of a conventional LCoS liquid crystal display cell (cross-sectional view); (b) Molecular arrangement of an LCoS liquid crystal display cell with dielectric protrusions(cross-sectional view); (c) Molecular arrangement of a conventional LCoS liquid crystal display cell (top view); (d) Molecular arrangement of an LCoS liquid crystal display cell with dielectric protrusions (top view).

圖3 傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓時(shí)相鄰像素的反射光分布和反射率曲線。(a) 傳統(tǒng)LCoS在中心像素加電時(shí)的反射光分布；(b) 具有介電突起的LCoS在中心像素加電時(shí)的反射光分布；(c) 傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在中心像素施加5 V電壓時(shí)相鄰像素反射率隨位置的變化曲線；(d) 傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在中心像素加電時(shí)相鄰像素反射率隨電壓的變化曲線。Fig.3 Reflected light distribution and reflectance curves of adjacent pixels when conventional LCoS and LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel electrode. (a) Reflected light distribution of conventional LCoS when LCoS applies electric field to intermediate pixels; (b) Reflected light distribution of LCoS with dielectric protrusions when LCoS applies electric field to intermediate pixels; (c) Relationship between the reflectivity of adjacent pixels and the position of the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions when the intermediate pixel is applied with a voltage of 5 V; (d) Relationship between the reflectivity of adjacent pixels and the voltage of conventional LCoS and LCoS with dielectric protrusions when LCoS applies electric field to intermediate pixels.

圖4 傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素電極施加電壓時(shí)相鄰像素的相位曲線和視角對(duì)比。(a)傳統(tǒng)LCoS和具有介電突起的LCoS在對(duì)中心像素加電時(shí)相鄰像素間的相位對(duì)比；(b)傳統(tǒng)LCoS的整體視角圖；(c)具有介電突起的LCoS的整體視角圖。Fig.4 Phase curve and viewing angle of the adjacent pixels when the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel electrode. (a) Phase contrast of the adjacent pixels when the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel; (b) The overall viewing angle of conventional LCoS; (c) The overall viewing angle of LCoS with dielectric protrusions.

4 結(jié) 論

提出了一種使用介電突起消除邊緣場效應(yīng)的LCoS。通過仿真得到了高分辨率LCoS液晶分子指向矢分布和邊緣場串?dāng)_現(xiàn)象，計(jì)算出了相應(yīng)的反射率和相位曲線，分析了邊緣場效應(yīng)的影響，并探討了邊緣場效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，通過在像素電極之間制造介電突起結(jié)構(gòu)，施加電壓時(shí)相鄰像素之間的邊緣場被介電突起阻隔，從而消除了邊緣場效應(yīng)，提高了顯示的對(duì)比度和亮度均勻性。