背光偏振特性對(duì)液晶顯示器透過率的影響

王巧妮， 林雅賓， 張新宇， 黃建明， 吳洪江， 王寶強(qiáng)

(福州京東方光電科技有限公司，福建 福清 350300)

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器(Thin film transistor liquid crystal display，TFT-LCD)廣泛應(yīng)用于電視、顯示器、筆記本電腦等產(chǎn)品中，是人類生活中重要的顯示器件。它具有制作工藝成熟、高清晰、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于需要外加背光源的非主動(dòng)式發(fā)光液晶顯示器而言，透過率是衡量其光學(xué)特性的一個(gè)重要參數(shù)。透過率高，對(duì)背光亮度要求可降低，則整體模組功耗降低。在某些產(chǎn)品中，為了滿足顯示器標(biāo)準(zhǔn)(例如TCO標(biāo)準(zhǔn)等)左右視角、色偏等的要求，通常會(huì)改變其偏光片透光軸方向來達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即不同偏光片模式產(chǎn)品[1-2]。在相同背光架構(gòu)及屏內(nèi)結(jié)構(gòu)下，這兩種模式的產(chǎn)品通常表現(xiàn)出不同的透過率水平。

LYU[3]等人研究指出背光膜片使背光產(chǎn)生部分偏振光，不同偏光片模式的液晶顯示產(chǎn)品應(yīng)搭配不同架構(gòu)的背光使用。Moon[4]等人發(fā)現(xiàn)棱鏡片是背光產(chǎn)生偏振特性的主要因素，并用偏振度衡量了背光的偏振效果。邵喜斌[5]等人發(fā)現(xiàn)在液晶顯示器參數(shù)測量系統(tǒng)中光源的偏振特性會(huì)對(duì)液晶顯示器參數(shù)測量造成影響。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)了背光具有偏振特性，其對(duì)液晶顯示器光學(xué)特性參數(shù)產(chǎn)生影響，但未深入研究背光偏振特性對(duì)透過率的影響機(jī)制及影響程度。本文對(duì)背光的偏振特性進(jìn)行深入探究，研究表明，偏振片透過軸方向改變所產(chǎn)生的相對(duì)透過率差異與背光偏振度呈線性關(guān)系，為液晶顯示產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

2 原 理

2.1 部分偏振光對(duì)液晶顯示器影響原理

自然光為各個(gè)方向光強(qiáng)相同的光。光可以分解為水平和垂直兩個(gè)振動(dòng)方向的光，即p波和s波。當(dāng)其中一個(gè)分量的光占優(yōu)勢時(shí)，可稱之為部分偏振光[6]。光的偏振度P可由公式(1)進(jìn)行衡量：

(1)

式中：P為光的偏振度；Imax為最大分量光的光強(qiáng)；Imin為最小分量光的光強(qiáng)。

液晶顯示產(chǎn)品需要使用上下2張偏光片來配合實(shí)現(xiàn)灰階調(diào)節(jié)。偏光片有一個(gè)透過軸，只允許平行于透過軸方向的光通過。對(duì)同一裸屏(不含偏光片及電路板的液晶屏結(jié)構(gòu))的平行偏光片模式(O-Mode)或垂直偏光片模式(E-Mode)產(chǎn)品而言，其下偏光片的透過軸剛好互相垂直。背光偏振特性對(duì)透過率的影響，主要與下偏光片方向和背光的匹配性有關(guān)。以常黑模式產(chǎn)品為例，本文定義平行偏光片模式產(chǎn)品下偏光片的透過軸平行于背光長邊方向，垂直偏光片模式產(chǎn)品下偏光片的透過軸垂直于背光長邊方向。

當(dāng)背光為部分偏振光，經(jīng)過不同方向透過軸的下偏光片時(shí)，透射光光強(qiáng)不同，即經(jīng)過裸屏及上偏光片的光強(qiáng)不同。可定義經(jīng)過平行偏光片模式產(chǎn)品下偏光片的光強(qiáng)為L0，經(jīng)過垂直偏光片模式產(chǎn)品下偏光片的光強(qiáng)為L90，則L0≠L90。

假設(shè)平行及垂直模式的偏光片和裸屏的透過率τ一致，則由于背光偏振特性引起的平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品透過率t會(huì)存在差異，可使用相對(duì)透過率差異ΔT進(jìn)行衡量，如公式(2)所示。

(2)

2.2 背光偏振特性

現(xiàn)有顯示器模組背光架構(gòu)通常為發(fā)光二極管側(cè)入式，膜片從下至上依次為反射膜、導(dǎo)光板、擴(kuò)散片、棱鏡片。根據(jù)背光膜片的制作工藝，背光膜片均具有微結(jié)構(gòu)，對(duì)光具有調(diào)制作用[7-8]。擴(kuò)散片具有均勻分散光的作用，可認(rèn)為從擴(kuò)散片出射的光為近似自然光。棱鏡片具有顯著的周期性微結(jié)構(gòu)棱，棱具有方向性[9-10]，圖1所示箭頭方向?yàn)槔忡R片方向，這對(duì)光的偏振態(tài)調(diào)制具有重要作用。

圖1 棱鏡片微結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Micro structure of prism film

根據(jù)棱鏡片上微結(jié)構(gòu)棱朝向與水平方向的夾角區(qū)分，可分為3°、45°、90°等不同角度的棱鏡片，常用的為3°棱鏡片，如圖2所示。

圖2 棱鏡片角度示意圖Fig.2 Angle of prism film

背光的偏振特性與棱鏡片有關(guān)，具有方向性，可以用一條角度-光強(qiáng)曲線來衡量，即θ-Iθ曲線。根據(jù)偏振度定義，可在背光偏振特性曲線上找到亮度的最大值Iθ1和最小值Iθ2，求得背光偏振度。亮度最大值最對(duì)應(yīng)的角度，可定義為背光主偏振方向α。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 背光偏振特性實(shí)驗(yàn)

為了探究偏振特性，本文搭建了一個(gè)偏振特性測試平臺(tái)，包括色彩分析儀(Color Analyzer，CA310)、三腳架、可旋轉(zhuǎn)式偏光板、待測樣品，如圖3所示。

(a)實(shí)驗(yàn)裝置圖(a) Experimental setup

(b)實(shí)物圖(b) Picture of real setup圖3 偏振特性測試實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 Measurement setup of polarization property

偏振測試平臺(tái)中，用三腳架固定色彩分析儀測量探頭，保證測量位置固定。測量探頭遮光罩靠近可旋轉(zhuǎn)偏光片，可旋轉(zhuǎn)偏光片放置在待測樣品上，偏光片與棱鏡片距離2～4 mm，模擬實(shí)際屏與背光源間距，減少外界環(huán)境光干擾。

將一片已知透過軸方向的偏光片粘貼在可旋轉(zhuǎn)的圓盤內(nèi)圈上，制成可旋轉(zhuǎn)式偏光板。透過軸方向?yàn)閮?nèi)圈的起始角度0°，可旋轉(zhuǎn)式偏光板內(nèi)圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)與外圈的起始角度0°的夾角為旋轉(zhuǎn)角度θ，如圖4所示。

圖4 可旋轉(zhuǎn)式偏振板示意圖Fig.4 Setup of rotatable polarizer

以604.52 mm(23.8 in)產(chǎn)品為例，其背光的導(dǎo)光板是平板(無Lenti)，棱鏡為LGE棱鏡片(SOS-Y10LS，3°)。測量其背光偏振特時(shí)，在背光中心點(diǎn)附近做好十字線標(biāo)記，將可旋轉(zhuǎn)式偏光板放在背光中心位置，外圈及內(nèi)圈0°及180°刻度線對(duì)準(zhǔn)平行于背光長邊的標(biāo)記線。旋轉(zhuǎn)內(nèi)圈，步長為5°，記錄每個(gè)角度下的亮度值，繪制成角度-光強(qiáng)曲線，即可獲得背光的偏振特性曲線。

選取3°、45°、90°棱鏡片搭載在同一個(gè)背光上進(jìn)行測試。測試多個(gè)背光有無棱鏡片時(shí)的偏振特性曲線，計(jì)算偏振度，統(tǒng)計(jì)背光主偏振方向。目的在于探究背光偏振特性的影響因素及背光主偏振方向與棱鏡片角度之間的關(guān)系。

3.2 平行/垂直偏振片模式產(chǎn)品透過率差異實(shí)驗(yàn)

以604.52 mm(23.8 in)常黑模式產(chǎn)品為例，選取平行偏光片模式和垂直偏光片模式產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其裸屏設(shè)計(jì)相同，僅偏光片透過軸方向不同。分別將平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)90°放置，則此時(shí)旋轉(zhuǎn)90°的平行偏光片模式產(chǎn)品可以模擬垂直偏光片模式產(chǎn)品情況。旋轉(zhuǎn)90°的垂直偏光片模式產(chǎn)品可模擬平行偏光片模式產(chǎn)品情況。屏旋轉(zhuǎn)90°放置時(shí)，在背光和屏上做好對(duì)位標(biāo)志，保證測試位置在屏和背光的中心點(diǎn)附近。

選取偏振度不同的背光，通過測試平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品正放和旋轉(zhuǎn)90°放置時(shí)的透過率情況，可以獲得平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異與背光偏振特性的關(guān)系，排除了不同屏之間的差異影響。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 有無棱鏡片對(duì)背光偏振特性的影響

選取4款604.52 mm(23.8 in)產(chǎn)品的背光，其棱鏡片均為3°，測試其原始背光及移除棱鏡片時(shí)的偏振特性曲線。根據(jù)圖5結(jié)果，背光的偏振特性曲線近似“橢圓形”或“花生形”，曲線形狀越“長”，其偏振度越高。根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)，背光主偏振方向α1在85～90°之間與棱鏡片3°方向近似垂直，誤差在10°以內(nèi)。

當(dāng)移除棱鏡片時(shí)，如圖6所示，BLU2和BLU4的偏振特性曲線近似圓形， BLU1和BLU3仍呈現(xiàn)出橢圓形曲線形狀，但橢圓程度低于原始背光(含棱鏡片)結(jié)果。結(jié)合表1可知，當(dāng)移除棱鏡片時(shí)，偏振度降低，主偏振方向不定。

圖5 原始背光偏振特性曲線Fig.5 Polarization property curves of original backlight units

表1 原始背光及移除棱鏡片背光偏振特性數(shù)據(jù)Tab.1 Results of original and prism-less backlight units

因此，棱鏡片是使背光產(chǎn)生偏振特性的主要因素，其余背光膜片對(duì)背光偏振特性也有一定貢獻(xiàn)，但程度較弱。

圖6 移除棱鏡片背光偏振特性曲線Fig.6 Polarization property curves of prism-less backlight units

4.2 棱鏡片角度對(duì)背光主偏振方向的影響

選取3個(gè)角度的棱鏡片分別放置在同一個(gè)604.52 mm(23.8 in)產(chǎn)品背光上，測試背光的偏振特性曲線。結(jié)果如圖7和表2所示。背光主偏振方向α3隨著棱鏡片的角度變化而變化，近似與棱鏡片方向垂直，誤差在10°內(nèi)。

因此，根據(jù)背光主偏振方向的誤差范圍，背光偏振度P存在如公式(3)的近似關(guān)系：

(3)

圖7 不同棱鏡片角度背光偏振特性曲線Fig.7 Polarization property curves of different angles of prisms

表2 不同角度棱鏡片背光偏振特性數(shù)據(jù)Tab.2 Results of different angles of prism

以常用的3°棱鏡片背光為例，其偏振特性P存在如公式(4)的近似關(guān)系：

(4)

4.3 背光偏振度與相對(duì)透過率差異的關(guān)系

根據(jù)平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異公式(2)以及背光偏振度近似公式(4)可知，在3°棱鏡片的背光下，由于背光偏振特性引起的平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異ΔT與背光偏振度P成線性關(guān)系，如公式(5)所示。

ΔT=aP+b，

(5)

當(dāng)背光棱鏡片不為3°時(shí)，公式(4)及(5)的近似公式不成立，則相對(duì)透過率需要根據(jù)實(shí)際的背光偏振特性θ-Iθ曲線進(jìn)行計(jì)算，如公式(6)所示：

(6)

為了研究背光偏振度與平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異的關(guān)系，選取偏振度不同的背光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取含3°棱鏡片的BLU1和BLU4，其偏振度分別為4.81%和2.02%。由于現(xiàn)有含3°棱鏡片的背光樣本偏振度范圍不夠大，因此選擇2個(gè)不含棱鏡片的BLU1和BLU4進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)。由于不含棱鏡片的背光不滿足根據(jù)公式(4)，因此根據(jù)公式(6)計(jì)算背光偏振特性影響下的相對(duì)透過率差異理論值，并將其當(dāng)作是修正后的偏振度。則不含棱鏡片的BLU1和BLU4的修正后偏振度分別為0.85%和0.22%。

分別選取604.52 mm(23.8 in)平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品各5片，分別正放、旋轉(zhuǎn)90°放置在這4個(gè)背光上測試產(chǎn)品的透過率。測試鏡頭為PR788，測試環(huán)境為暗室。測試結(jié)果如表3所示。則對(duì)于該批平行/垂直偏光片模式樣品而言，其由于背光偏振特性引起的相對(duì)透過率差異實(shí)驗(yàn)值，應(yīng)由公式(7)進(jìn)行計(jì)算。為方便規(guī)律統(tǒng)一比較，平行偏光片模式產(chǎn)品公式(7)取“-”號(hào)，垂直偏光片模式產(chǎn)品公式(7)取“+”號(hào)。

(7)

表3 平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of transmission difference of O/E-mode products

根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制偏振度P-相對(duì)透過率差異ΔT關(guān)系曲線，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)透過率差異與背光偏振度具有顯著的線性關(guān)系，線性度R2達(dá)0.99以上，與理論分析一致。實(shí)驗(yàn)選用平行/垂直偏光片模式兩種產(chǎn)品互為佐證，滿足相同的規(guī)律。

圖8 偏振度-相對(duì)透過率差異關(guān)系曲線 Fig.8 Curves of polarization degree and transmission difference

5 結(jié) 論

本文主要對(duì)液晶顯示產(chǎn)品的背光偏振特性以及其對(duì)平行/垂直偏光片模式產(chǎn)品相對(duì)透過率差異進(jìn)行研究。棱鏡片是引起背光偏振特性的主要因素，背光主偏振方向近似垂直于棱鏡片方向。在通用的3°棱鏡片背光架構(gòu)下，相對(duì)透過率差異與背光偏振度成顯著線性關(guān)系；在其他背光架構(gòu)下，相對(duì)透過率差異可以根據(jù)實(shí)際使用的背光偏振特性曲線進(jìn)行理論計(jì)算，為后續(xù)有此需求的設(shè)計(jì)者提供支持。