学文网摘 要:文章以向列相液晶的弹性理论和Jones矩阵方法为研究基础,给出了90° MTN模式的电压-反射率实验曲线,概述了硅基液晶(LCOS)所使用的反射式显示模式的电压开态特性。对红、绿、蓝三色光,给出了90° MTN 和SCTN两种模式的电压-反射率特性曲线,强调了电压开态下的色散效应。对于5V的暗态工作电压,给出了TN-ECB-1和45° MTN两种模式对比度随盒厚的变化曲线。
关键词:硅基液晶;反射显示模式;反射率;对比度;色散
中***分类号:TN141.9 文献标识码:A
LiquidCrystal on Silicon(LCOS) and Electro-Optic Characterization
FAN Wei1,JIANG Li2 , ZHANG Zhi-dong2 , DAI Yong-ping1,3
(1. Shenzhen Live Digital Technology Co., Ltd., Shenzhen Guangdong 518040, China;
2. School of Sciences, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;
3. Institute of Photo-Electronics Tin Film Devices and Technology, Nankai University, Tianjin 300071, China)
Abstract: The voltage-reflectance curve is given experimentally for our 90°MTN model. We outline voltage-on-state characterization of reflective display model, which is mainly used in liquid crystal on silicon(LCOS). Study is based on the elastic theory of nematic liquid crystal and the method of Jones matrix. For the red, green and blue lights, we show the voltage-dependent reflectance of a 90°MTN model and a SCTN model. The color dispersion effect is emphasized in the voltage-on-state. The contrast ratio as a function cell gap is given for the TN-ECB-1 model and 45°MTN model, in which the voltage for dark state is 5V.
Keywords: LCOS; reflective display model; reflectance; contrast ratio; color dispersion
引 言
在文献[1]中我们概述了硅基液晶的应用前景和它所使用的反射式显示模式的关态特性,本文概述反射式显示模式的电光特性。LCOS与TFT-LCD等其它液晶平板显示器最大的不同是LCOS直接制作在硅晶圆上,其显示屏周边携带控制电路。LCOS与TFT比较,由于尺寸小太多,不能使用共面驱动(in-plane switching)[2]或边缘场驱动(fringe-field switching)等横向场方式,而只能使用纵向驱动(vertical switching)方式。研究LCOS反射式显示模式电光特性的基础是液晶弹性理论和光学Jones矩阵方法[3]。
1 研究基础
建立直角坐标系(x,y,z),让xy平面平行于基板表面。设指向矢n与xy平面的夹角为θ,在xy平面上的投影与x轴的夹角为φ,则指向矢n可以表示为:
n=(cosθcosφ,cosθsinφ,sinθ)(1)
其中θ和φ均为坐标z的函数。依据液晶弹性理论,我们可以得到在一定电压作用下,指向矢分布和盒中电势所满足的方程[4]:
其中:
f(θ)=k11cos2θ+k33sin2θ
g(θ)=(k22cos2θ+k33sin2θ)cos2θ
在上面的表示式中K11、K22和K33为液晶的弹性常数,ε //和ε为液晶的介电常数。使用差分迭代方法[5],可以得到液晶盒中的指向矢分布,即 θ(z)和φ(z) 。
在一定电压作用下,有了指向矢分布θ(z) 和φ(z),可以计算液晶层的Jones矩阵。在垂直入射条件下,第n个液晶子层的Jones矩阵为[4]:
整个液晶层的Jones矩阵为:
MLC=JNJN-1……J2J1 (7)
将偏振片与前摩擦方向之间的夹角记为α,反射率为[3]:
2 电光特性曲线
2.1 实验结果曲线
对于90°MTN的实验测试曲线如***1所示。实验中光源为准白光光源,通过光电转换给出的是各个波长的整体电光特性。电光特性曲线是LCOS控制电路中进行伽马校正的基础[6]。
2.2 开态色散
在本文的数值模拟中,向列相液晶的力学参数取如下典型数值:K11=15.8×10-12N、K22=6.0×10-12N、 K33=17.9×10-12N;相对介电参数取 ε∥=11.0, ε=5.0。首先我们给出90°MTN的电光特性曲线,其中偏振片与前摩擦方向之间的夹角 α=20°;盒厚取为d=6μm ,光学参数取ne=1.54,no=1.50(满足Δnd=0.24μm)[7]。***2中,我们给出红、绿、蓝三种波长的电光特性曲线。作为比较,在***3中我们给出SCTN模式(液晶扭曲角60°,入射偏振角α=30°,Δnd=0.35μm)的相关结果。我们看到,SCTN模式虽然是一种“理想”模式,但严重色散使得它很难应用。
我们对70°、80°和90°三种MTN模式进行比较。偏振片与前摩擦方向之间的夹角统一取为α=20°,Δnd的取值分别为0.278μm、0.272μm和0.24μm[7]。波长取绿光, λ=550nm,电光特性曲线如***4所示。由***4可见,70°和80°MTN开态的反射率不够小,将大大影响对比度。
3 对比度――两种典型反射式模式的比较
我们对两种显示模式的薄盒(盒厚d=3μm)进行了数值模拟。光学各向异性取值,使得dΔn满足表1。首先给出它们的关态色散曲线,如***5所示,单从该角度看,它们都是可用的,TN-ECB-1在可见光短波长部分工作得要好一些,而45°MTN在长波部分工作得好一些。在对上述模式进行开态模拟时,我们仍然采用上节液晶材料的力学参数和介电参数。对于绿光(λ=550nm),5V工作电压,对比度曲线如***6所示。由***6可见,在该工作电压下这两种显示模式的对比度小于50:1。
4 结 论
LCOS在显示应用中,其产品特性体现在分辨率、对比度、光利用率、色彩和响应速度等诸多方面。由于尺寸太小,LCOS只能使用纵向驱动方式。面对诸多纵向驱动的反射显示模式,电光特性是LCOS具体选择显示工作模式的最主要依据之一,它直接影响色彩特性和对比度。色散问题基本上由反射模式的关态特性决定,例如,有些“理想”反射模式的关态色散很大,在电光特性曲线上,必然表现出太大的色散,如***3所示。有些显示模式的对比度不够高,主要原因是“开态”不够黑,如***4所示。解决反射模式对比度的方案将另外行文阐述。
参考文献
[1] 范伟,代永平,张志东. 硅基液晶(LCOS)与反射显示模式的关态特性[J]. 现代显示,2010.8.
[2] Sun Y B, Zhang Z D, Ma H M, et al. Reflective in-plane switching liquid crystal displays[J]. J. Appl. Phys., 2003, 93(7): 3920-3925, and references there in.
[3] Yang D-K, Wu S-T. Fundamentals of Liquid Crystal Devices[J]. John wiley & Sons, 2006.
[4] 马红梅,李志广,张志东. 双膜补偿超扭曲向列相液晶显示设计软件[J]. 液晶与显示,2002,17(5):347-352.
[5] 张志东,叶文江,邢红玉. 液晶盒中挠曲电效应的计算[J]. 计算物理,2004,21(2):156-160.
[6] 刘会刚,耿卫东,高丕涛等. LCoS伽马校正电路的研究[J]. 半导体光电,2009,30(6):954-961.
[7] Wu S-T , Yang D-K. Reflective Liquid Crystal Displays[J] John wiley & Sons, 2001.
[8] Sonehara T, Okumura O. A New twisted nematic ECB(TNECB) model for a reflective light valve[J]. Japan Display' 89, 1989, 192-195.
作者简介:范 伟(1970-),男,籍贯湖北武汉,毕业于美国北弗吉尼亚大学,目前就职于深圳市力伟数码技术有限公司,主要研究方向为微电子学,E-mail:。
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