裸眼3D顯示用液晶光柵的設計

蔡明雷，葉文江，王曉燕，史月華

（1.河北冀雅電子有限公司，河北石家莊 050071；2.河北省液晶顯示器工程技術研究中心，河北石家莊 050071；3.河北工業大學理學院，天津 300401）

裸眼3D顯示用液晶光柵的設計

蔡明雷1,2，葉文江3，王曉燕1,2，史月華1,2

（1.河北冀雅電子有限公司，河北石家莊 050071；2.河北省液晶顯示器工程技術研究中心，河北石家莊 050071；3.河北工業大學理學院，天津 300401）

裸眼3D顯示技術是目前3D顯示研究的一個熱點．液晶光柵是裸眼3D顯示器件中關鍵的元件，直接影響顯示性能，因此，液晶光柵需要具有高精度、高電性能穩定性、高對比度和高可靠性．扭曲向列相液晶盒可以用來制作液晶光柵，但是其存在對比度低、累積誤差大、可靠性低等問題．本文提出了一種新型的液晶光柵設計，可以實時加工、制作出高精度的液晶光柵，并且能夠解決上述問題．

裸眼3D顯示；液晶光柵；扭曲向列相；對比度；累積誤差

液晶在顯示上的應用取得突破性的進展可以追溯到20世紀60年代末期，扭曲向列相（TN：Tw isted Nematic）液晶顯示模式[1]的提出．隨后，為了解決TN顯示模式的缺陷，提出了超扭曲向列相（STN：Super Tw isted Nematic）液晶顯示模式[2]；為了實現彩色顯示先后提出了彩色STN顯示模式和薄膜晶體管液晶顯示（TFT-LCD）[3]．目前，TFT-LCD是液晶顯示的主流產品，但是主要以二維（2D）平面顯示為主．隨著人們對視覺界面的追求，三維（3D）顯示[4]逐漸走進人們的日常生活，與之對應的3D顯示技術也得到了不斷發展．

現階段最流行的3D顯示技術主要分為眼鏡式和裸眼式，眼鏡式3D顯示技術是市場的主流，分為主動式和被動式；裸眼式3D顯示技術最大的優勢在于它解放了人們雙眼的束縛，使人們充分的享受視覺盛宴，有很好的發展空間．裸眼3D顯示是真立體顯示，人的兩只眼睛同時觀察物體，在視網膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物體的左側面較多，右眼看到物體的右側面較多，這兩個像經過大腦綜合以后就能區分物體的前后遠近，從而產生立體視覺．基于此原理，不同的裸眼3D顯示技術不斷的開發[5-8]．在諸多裸眼3D顯示技術中，以視差擋板法和線光源照明法兩種技術最適合民用大規模推廣，這兩種方式采用液晶光柵[9]做擋板，具有工藝簡單、成本較低，且可以方便的實現2D/3D轉換的巨大優勢．裸眼3D顯示用液晶光柵要求特殊，與傳統顯示器相比更像光學器件．為了實現3D顯示效果，其需要與TFT顯示器配合實現，這要求具有高精度、高電性能穩定性、高對比度和高可靠性．目前的TN型液晶顯示器的對比度約80，累積誤差約10m，產品可靠性不高，尤其是大尺寸產品，易發生盒間短路、功耗增大、封口漏液等問題．本文介紹了一種新型的裸眼3D顯示用液晶光柵的設計，可以實時加工、制作出高精度的液晶光柵，實現對比度大于150、線條的累積誤差小于5m的性能指標，解決了盒間短路、功耗大、封口漏液等問題．

1 3D顯示原理

人是通過右眼和左眼所看到的物體的細微差異來感知物體的深度，從而識別出立體圖像．因此在觀看影視畫面時，只要準備好拍攝位置稍微錯開的兩組圖像，分別供“右眼”和“左眼”觀看，便可以看到一組具有立體感的畫面，如圖1所示．實際的3D顯示系統由LCD面板和液晶光柵（一般采用TN型玻璃來制作）組成，加電時透過液晶光柵光為黑色，對應左眼看到的圖像，而不加電時透過液晶光柵光為白色，對應右眼看到的圖像，兩眼圖像疊加起來就可以感覺到立體的圖像，如圖2所示．

圖1 人的左右眼看到的畫面區別及合成圖像Fig.1 Differenceof picture between leftand righteye and the composite image

圖2 3D顯示原理及液晶光柵工作狀態Fig.2 Principle of3D display and working stateof liquid crystalgrating

2 液晶光柵設計

針對TN型液晶顯示器存在的問題，本文對液晶光柵的總體設計思路為：1）進行產品性能對裸眼視距、立體度及視點方面影響的研究，確定產品的關鍵參數；2）提高產品性能方面：對比度是由盒厚、液晶、扭曲角、偏光片之間的搭配綜合影響的，通過DOE實驗優化各個參數滿足需求；通過優化設計玻璃方塊電阻和版圖設計滿足顯示不均勻的需求；3）提高線條精度方面：通過提高光刻版的精度和生產加工的能力來提高產品線條的精度；4）產品壽命方面：通過對盒間短路、漏液、空洞、封口深淺及檢驗方法方面的研究保證產品的可靠性．LCD外觀結構如圖3所示，LCD產品結構圖如圖4所示．

圖3 LCD外觀結構圖Fig.3 Appearance structureof LCD

具體的技術方案包括以下幾步：

1）確認產品的設計方案：根據3D實現原理，設計出偏光片角度、線條精度、玻璃厚度等關鍵參數．3D顯示器中各個參數的公式如下：

其中：h為照明距離；P為像素間距；E為瞳孔間距；L為觀看距離；為分離角．3D顯示光學部件設計依據示意圖如圖5所示．

2）確定液晶調配方案及結構：設計正交實驗，通過對實驗統計分析及正交調優實驗，找到對顯示性能影響的重要度排序，且找到了最佳位級，如表1所示，并進一步優化出產品結構及液晶調配方案．

3）優化灌注工藝，通過優化排氣時間及產品的擺放方法有效的解決了灌不滿問題．

4）優化封口工藝及版圖設計，很好的解決了封口漏和封口深淺問題．

5）優化版圖設計及玻璃的方塊電阻，有效的解決了顯示不均勻問題．

6）通過使用硌版將光刻版圖的精度提高，并通過DOE實驗優化光刻的曝光、顯影及刻蝕條件提高了過程中的加工精度．

7）優化電測檢驗工藝，有效解決盒間短路檢出率低問題，由12%降低到3%以內．

3 結論

圖4 LCD產品結構圖Fig.4 Productstructureof LCD

表1 液晶調配方案及結構Tab.1 Liquid crystal preparation and structure

表2 對比度及線條精度實驗測量值Tab.2 Experimentalmeasurementvalues of contrastand lineprecision

優化灌注及封口工藝，解決了灌不滿、封口漏、封口深淺等問題；優化鈍化膜及配向層的固化及摩擦密度，提高了產品的可靠性；優化電測條件，大大提高了盒間短路的檢出率，保證了出廠產品的可靠性．此項研究對裸眼3D顯示用液晶光柵制作和優化具有一定的指導意義．

圖5 3D顯示光學部件設計依據示意圖Fig.5 Schematic diagram ofopticalcomponents design of 3D display

[1]SchadtM，HelfrichW．Voltage-dependentopticalactivity ofa tw isted nematic liquid crystal[J]．Appl Phys Lett，1971，18（4）：127-128．

[2]RaynesEP．The theory of super-tw isttransitions[J]．MolCrystLiq Cryst，1986，4（1）：1-8．

[3]高鴻錦，董友梅．新型顯示技術（上冊）[M]．北京：北京郵電大學出版社，2013．

[4]王瓊華．3D顯示技術與器件[M]．北京：科學出版社，2011．

[5]梁發云，鄧善熙，楊永躍．裸眼立體顯示液晶屏的光學結構及設計[J]．液晶與顯示，2005，20（6）：544-548．

[6]王婧．裸眼3D技術及其應用[D]．南昌：南昌大學，2012．

[7]何江．裸眼3D顯示技術研究[J]．科教前沿，2012（21）：52-53．

[8]王瓊華，王愛紅，梁棟，等．裸眼3D顯示技術概述[J]．真空電子技術，2011（5）：1-6．

[9]周永飛．用于3D圖像顯示的液晶光柵技術研究[D]．成都：電子科技大學，2011．

[責任編輯 楊屹]

Design of liquid crystalgrating used in glasses-free3D display

CAIM inglei1,2，YEWenjiang3，WANG Xiaoyan1,2，SHIYuehua1,2

(1.HebeiJiyaElectronicsCo Ltd,HebeiShijiazhuang050071,China;2.HebeiProvincialResearchCenterof LCDEngineering Technology,HebeiShijiazhuang 050071,China;3.Schoolof Sciences,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

G lasses-free3D display technology iscurrently ahotissue in the researchof 3D display.Liquid crystalgrating is the key components in glasses-free 3D disp lay device,which directly affects the display performance.Therefore,the liquid crystalgrating needs to havehigh precision,high performancestability,high contrastand high reliability.Though tw isted nematic liquid crystalcellcan be used tomanufacture liquid crystalgrating,yetsomeproblemsexist,such as low contrast,large cumulative error,low reliability and so on.To solve the above problem s,w e put forw ard a new type of liquid crystalgrating design thatis featuredwith real-time processing and making high precision liquid crystal grating.

glasses-free3D display;liquid crystalgrating;twisted nematic;contrast;cumulativeerror

TN873.93

A

1007-2373(2015)02-0050-03

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.011

2014-12-22

河北省自然科學基金（A2014202123，A2015202343）；河北省教育廳項目（QN2014130）

蔡明雷（1977-），男（漢族），工程師．通訊作者：葉文江（1976-），男（漢族），副教授，wenjiang-ye@hebut.edu.cn．

數字出版日期：2015-04-16數字出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1050.008.html