一種新的視角可控的液晶顯示仿真研究

吳婷婷，蘇子芳，鐘德鎮，姜麗梅

（昆山龍騰光電有限公司，江蘇 昆山 215301）

1 引 言

薄膜晶體管液晶顯示器（Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT－LCD）由于其低輻射、輕薄、低功耗等特點已成為發展最為迅速的平板顯示技術之一［1］。扭曲向列相（TN：Twist Nematic）液晶顯示模式的發明帶來的技術革命使TFT－LCD幾乎占領了全部的桌上型顯示器市場。然而較窄的可視角度范圍視角窄限制了TFT－LCD在如醫療、航空設計以及電視等領域的應用。

傳統TN型顯示模式通過使用視角補償膜型偏光片，在很大程度上擴大了顯示視角，但在大視角觀察時仍存在灰階反轉及色偏現象［2］。目前市面上應用最廣泛的廣視角技術如垂直取向（Vertical Alignment，VA）通過在電極上形成凸起物（Protrusion）或電極狹縫（Slit）以實現液晶分子不同疇的指向矢分布，在外加電壓下液晶分子由垂直站立轉到平行基板排列。VA顯示技術因其寬視角、高對比度、無需摩擦配向等優勢，被廣泛應用于TV等大尺寸應用領域。面內轉換開關（In－Plane Switching，IPS）［3－4］技術是指通過控制液晶分子在平面內轉動以實現亮度控制，使得人眼在接近85°的傾斜角下觀看仍可獲得較高的圖像顯示質量。相比TN顯示模式，上述兩種模式因在視野角特性、動態清晰度、色彩還原效果方面的優勢，已被廣泛應用于航天、醫療、TV、個人移動設備等領域。

而作為個人移動終端設備應用，在某些特定場合的保密性要求日趨增高，同時又要具備很好的觀賞性。使用者對于分享性及資料機密性具有不同的視角需求，單一視角模式的顯示器件已經不能滿足使用者的需求。以手機屏為例，在公共場合與家人朋友發短信或視頻時希望窄視角的顯示達到保護私人信息的目的，而有時又希望可以切換到寬視角模式與家人朋友一起分享顯示內容。

目前針對視角切換模式研究的幾種方法包括［5－7］：（1）改變出射光線方向實現寬窄視角顯示［8］；（2）控制不同方向優化像素結構；（3）控制不同暗態電壓以實現寬窄視角切換，如在液晶盒上添加一個單層補償膜［9］。

本文的視角切換技術是一種基于VA模式的顯示設計。與上述第3種方法不同的是本文通過在系統Tcon ROM中燒錄兩版code，寬窄視角顯示時分別采用不同的Tconcode編譯驅動電壓從而實現寬窄視角切換。本文提供的方法結構簡單，使用者只需選擇不同的顯示模式而無需外置視角控制開關，可以大大減輕面板重量，節省成本。

2 器件設計原理

本文提出一種基于PVA（Patterned Vertical Alignment）液晶顯示技術的視角切換模式技術，如圖1所示。PVA分別在上、下玻璃基板蝕刻出條形電極，利用上、下基板條形電極間形成的斜向邊沿電場使負性液晶分子在開態時倒向不同方向獲得寬視角特性。PVA結構消除了MVA技術中凸起附近的黑態漏光而有效地提高了對比度。

圖1 PVA液晶顯示面板子像素示意圖Fig.1 Diagram of sub－pixel with PVA LCD

本文的技術方案是在PVA TFT－LCD顯示驅動電路上設置用于寬視角與窄視角切換的開關。搭配Tcon存儲單元中用于顯示灰階的代碼實現寬視角與窄視角模式間的切換，如圖2所示。

圖2 視角可控顯示器的系統功能示意圖Fig.2 Schematic diagram of system function of viewing angle controllable LCD

具體操作：（1）當開關切換到寬視角模式（WVA Mode）時，Tcon按照信號來源需求的灰階信息向面板提供灰階電壓。此時液晶分子指向矢分布如圖3（a）（c）所示，暗態液晶分子垂直玻璃基板排列；亮態液晶分子由于受上下垂直電場的作用，分子短軸平行電場線排列，液晶分子長軸則垂直于玻璃基板排列，ITO slit處的液晶分子由于無電場作用仍保持垂直站立。（2）當開關切換到窄視角模式（NVA Mode）時，若信號來源需求輸出最高灰階數時，強制輸入面板的灰階電壓為寬視角模式時最大灰階電壓。例如，針對一個設計可輸出6bit（0～63共64個灰階顯示）系統，選擇X＝10的設計，則當開關切換至窄視角模式，外部輸入信號要求顯示0灰階時，實際通過Tcon控制輸入面板的驅動信號為寬視角模式時10灰階的信號。如圖3（b）所示，窄視角模式下的暗態液晶分子在不加電的黑態不是完全垂直排列，而是和基板有一定的傾斜角度。當外部輸入需求顯示大于等于53灰階的信號，則強制全部輸出寬視角模式時63灰階的電壓。如圖3（d）所示，亮態下液晶分子平行于玻璃基板排列，且兩種模式液晶分子排布指向矢相同。此時兩種模式的伽瑪曲線如圖4所示。

圖3 寬視角模式與窄視角模式液晶指向比較示意圖Fig.3 LCdirector comparison between WVA and NVA mode

圖4 寬窄視角模式伽馬曲線對比Fig.4 Gammacurve comparison between the WVA and NVA mode

3 仿真結果及分析

PVA顯示為一種垂直配向的常黑模式，它使用的液晶分子為一軸性媒質，PVA透過率特性和IPS顯示一樣，公式如下［2］：

φ為偏光片吸收軸與液晶分子轉動面之間的夾角，當φ＝45°時，PVA顯示的光利用效率最高，通過液晶分子轉動改變液晶的Δnd從而實現亮暗顯示。

本文使用Techwiz3D模擬軟件，通過建立基于VA模式的像素電極模型 ，液晶使用負性液晶Merk131496，Δn＝0.109 2，Δε＝－3.7，γ1＝86m·Pa·s，cell gap設置為3.2μm。透過率分布模擬結果如圖5所示。由于暗態時使用了較高的驅動電壓，窄視角模式在暗態時體現了較大的暗態漏光，從其像素正面透光圖也能看到明顯的漏光。而亮態顯示時，由于寬視角模式與窄視角模式使用了相同的驅動電壓，所以亮態的透過率分布相同。針對該技術的視角特性仿真結果如圖6所示。

圖6 視角特性比較Fig.6 Comparison of view angle characteristics

圖7 寬視角模式的V－T曲線模擬結果Fig.7 Simulation result of the V－Tcurve of the wide－viewing mode

圖8 （a）寬視角模式下在上／下／左／右視角80°的視角；（b）窄視角模式下在上／下／左／右視角20°的視角.Fig.8 （a）Viewing angle of up／down／left／right viewing at 80°of wide－viewing mode；（b）The viewing angle of up／down／left／right viewing at 20°of narrow－viewing mode.

從圖6可以看出，當顯示器件工作在窄視角模式時，其上、下、左、右4個方向的視角不足40°，而當顯示器工作在寬視角模式時，其上、下、左、右4個方向的視角均大于80°。針對該技術的顯示器件的V－T曲線仿真結果如圖7，使用該V－T曲線作為寬視角模式標準伽馬曲線，圖8是使用Techwiz3D模擬在不同視角下觀看圖像得到的模擬圖。

4 結 論

提出了一種基于VA模式的視角切換技術，使用者通過選擇不同的Tconcode，兩套code對應編譯不同的驅動電壓。當要求寬視角顯示時，Tcon輸出標準Gamma2.2曲線；當要求窄視角顯示時，則Tcon給面板一個預先設置的偏移量。通過使用三維仿真軟件模擬分析發現，亮態下寬窄視角有相同的透過率分布，而在窄視角模式下斜視角方向有很大的暗態漏光，導致斜視方向對比度降低，視角變小。相比傳統的在液晶盒上添加補償膜技術，本文提供的方法可以很好地實現寬視角與窄視角模式切換，且不會帶來額外的制作及材料成本，是一種理想的可實現寬窄視角切換的顯示方法。

［1］ 鐘德鎮，李永謙，戴文君，等.液晶顯示裝置：中國，201110225983.5［P］.2011－11－23.Zhong D Z，Li Y Q，Dai W J，et al.The Liquid crystal display device：Chinese，201110225983.5［P］.2011－11－23.（in Chinese）

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