硅上液晶顯示器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

李文娟，郭玉強(qiáng)，馬紅梅,2，孫玉寶,2*

(1.河北工業(yè)大學(xué) 電子材料與器件天津重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401;2.河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，天津 300401)

1 引 言

人類獲取信息的70%～80%靠視覺系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)又是虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality：VR)技術(shù)當(dāng)中最重要的感知通道[1]。但是，目前阻礙其發(fā)展的問題是：微圖像源上的像素需要通過頭盔顯示器光學(xué)系統(tǒng)成像到像空間。對于固定顯示器，視場增大，分辨率降低，單位視場角(1°)內(nèi)的像素?cái)?shù)就會減少，即分辨率下降[2-3]。

目前液晶VR技術(shù)中，硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)是它的核心顯示單元[4]，該顯示技術(shù)是一種反射式液晶顯示技術(shù)[5]。LCoS結(jié)合大規(guī)模集成電路工藝在硅片上直接實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路，并采用CMOS技術(shù)將有源像素矩陣制作在硅單晶襯底上，并以該晶片為襯底封裝液晶盒，易于實(shí)現(xiàn)更小的像素尺寸和更高的顯示分辨率[6]。

現(xiàn)如今在繼續(xù)提高頭盔顯示器的顯示效果時(shí)，必須繼續(xù)提高LCoS的分辨率，使得像素尺寸減小。像素尺寸的減小會使LCoS微顯示器件子像素點(diǎn)的顯示面積減少，其反射率也會下降[7]。當(dāng)分辨率不是很高時(shí)，視場內(nèi)的單個(gè)像素能夠大到可以獨(dú)立地看見[8]，因此單像素的顯示效果也就很重要，通常LCoS的像素尺寸為7～20 μm左右。為了避免單個(gè)像素尺寸的改變帶來對頭盔顯示器的顯示效果的影響，本文我們保持像素尺寸大小為10 μm[9]，研究和優(yōu)化液晶盒部分的參數(shù)。

本文我們建立了LCoS微顯示液晶器件的三維模型，使用TechWiz LCD 3D軟件對該模型進(jìn)行模擬。在不改變像素尺寸大小情況下，通過對不同的液晶分子取向、不同的液晶盒厚度和不同的像素間距進(jìn)行模擬，研究以上3個(gè)參數(shù)對相鄰像素的顯示面積和反射率的影響，通過對液晶分子取向、液晶盒的厚度和像素間距的合理選取，使該影響程度最小化，從而達(dá)到優(yōu)化和改善頭盔顯示器顯示效果的目的。

2 建立模型

像素邊長大小為10 μm×10 μm，液晶器件的扭曲角度為90°，預(yù)傾角為2°，偏振分光棱鏡的起偏角度與鄰近基板表面處液晶的取向之間的夾角為20°，則該液晶顯示器為反射的常白模式[7，9-11]，入射光波長為550 nm。液晶的材料參數(shù)設(shè)置為：介電各向異性Δε為5.3，雙折射率為Δn=0.096 9，液晶盒厚為2.8 μm。

對單像素施加不同的電壓(0～6 V)，單個(gè)像素在電壓由0 V增加到6 V的過程中，像素由亮態(tài)轉(zhuǎn)為暗態(tài)，該像素的反射率隨電壓的變化，如圖1所示。從圖1中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓約為3.5 V時(shí)，該像素達(dá)到暗態(tài)。

在上述單像素模型的基礎(chǔ)上，我們建立九宮格模型如圖2所示，本文出現(xiàn)的所有九宮格模型的像素序號如圖2所示。本文研究不同因素下中央像素5對周其他像素電光性能的影響，主要是對上下左右4個(gè)像素的影響。

圖1 單像素在不同電壓下的反射率Fig.1 Reflectivity of one pixel with various voltage

圖2 九宮格模型及其剖面圖Fig.2 Sudoku of model and its cross-section profile

采用的研究方法為：首先模擬中央像素5在施加3.5 V的電壓時(shí)，不同液晶分子取向的模型。根據(jù)模擬結(jié)果，找到最優(yōu)液晶分子取向，使得中央像素5在暗態(tài)時(shí)對周圍相鄰像素(2、4、6、8)的影響最小；其次，在最優(yōu)分子取向的條件下，模擬不同的液晶盒厚度的模型，找到最優(yōu)的盒厚，使得中央像素5在暗態(tài)時(shí)，對周圍相鄰像素(2、4、6、8)的影響最小；最后，在最優(yōu)分子取向和最優(yōu)盒厚的條件下，模擬不同的液晶像素間距的九宮格模型，觀察總結(jié)和分析，找到最優(yōu)的液晶像素間距使得中央像素5在暗態(tài)時(shí)，對周圍相鄰像素(2、4、6、8)的影響最小。

3 不同參數(shù)對相鄰像素邊緣的影響

3.1 液晶分子取向?qū)χ車噜徬袼氐挠绊?/h3>

在上述單像素模型的基礎(chǔ)上，建立九宮格模型，研究分子取向的影響。液晶盒的厚度為2.8 μm，像素大小為10 μm×10 μm，液晶像素間距為0.5 μm，液晶取向分別為0°，20°，40 °，45°，50°，60°，80°，90°。模擬后所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同取向角度的液晶盒的模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of the different alignment directions of liquid crystal display

通過觀察圖3，對比不同的液晶分子取向的模擬結(jié)果可知，當(dāng)施加電壓為3.5 V時(shí)，中央像素為暗態(tài)，周圍相鄰像素的邊緣區(qū)域顯示暗態(tài)的面積大小和角度會隨著液晶分子取向角度的改變而改變。在液晶分子取向?yàn)?°時(shí)，像素4和像素6靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域顯示變暗的面積比較大，像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域沒有變暗，對于中央像素5的上下邊緣區(qū)域會出現(xiàn)亮態(tài)；液晶分子取向的角度逐漸增加到45°時(shí)，像素4和像素6靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域顯示變暗的面積減少，像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域基本沒有出現(xiàn)暗態(tài)，對于中央像素5的上下邊緣幾乎不出現(xiàn)亮態(tài)；當(dāng)液晶分子取向的角度繼續(xù)增大到90°時(shí)，像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣變暗，像素4和像素6靠近中央像素5一側(cè)的邊緣沒有出現(xiàn)暗態(tài)，對于中央像素5的左右邊緣出現(xiàn)亮態(tài)。

現(xiàn)在我們以中央像素為基準(zhǔn)，分別在X(左右)方向和Y(上下)方向進(jìn)行分析，得到的液晶分子取向的反射率如圖4所示。在X方向上，中央像素為暗態(tài)，液晶分子取向0°時(shí)，像素4和像素6靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域變暗，但液晶分子取向?yàn)?0°時(shí)，像素4和像素6靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域出現(xiàn)亮態(tài)，且比較明顯，可知X方向上相鄰像素對中間像素的影響比較大。Y方向上，液晶分子取向0°時(shí)，中央像素為暗態(tài)，像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域出現(xiàn)亮態(tài)，但液晶分子取向?yàn)?0°時(shí)，像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域變暗，且比較明顯，中間像素5對像素2和像素8靠近中央像素5一側(cè)的邊緣區(qū)域的影響比較大。可見液晶分子取向?qū)ο噜徬袼氐娘@示有影響，相鄰像素對中央像素的顯示也有影響，影響是相互的。總之，液晶分子的取向會影響像素的顯示。綜合中央像素對相鄰像素顯示的影響和相鄰對中央像素顯示的影響，以及相鄰對上下像素和左右像素影響的不同，很顯然液晶分子取向在45°時(shí)，像素的顯示達(dá)到最優(yōu)，即45°是我們模型需要的最優(yōu)角度。

圖4 不同取向角度的液晶盒的X方向和Y方向的反射率Fig.4 Reflectivity of different alignment directions of liquid crystal display at X direction and Y direction

3.2 盒厚對周圍像素顯示面積的影響

選取上述最優(yōu)液晶分子取向(45°)的模型，改變液晶盒的厚度進(jìn)行模擬。液晶盒的厚度分別為2.0，2.4，2.8，3.0，3.2，3.4 μm時(shí)所得模擬結(jié)果如圖5所示，反射率曲線如圖6所示。

圖5 不同液晶盒的厚度的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of different gaps of liquid crystal cell

圖6 不同液晶盒的厚度的反射率曲線Fig.6 Reflectivity of different gaps of liquid crystal cell

為了更清楚地描述中間像素對邊緣像素電光性能的影響，本文定義相鄰像素靠近中間像素邊緣位置(即Distance為10 μm)處的反射率(R1)與亮態(tài)反射率(R2)的比值：R1/R2。表1中，盒厚從2.0 μm增大到3.2 μm，比值R1/R2從0.759 4減小到0.171 4，隨著盒厚的增加，比值R1/R2越小。結(jié)合圖5可知，比值R1/R2越小，像素4靠近中央像素側(cè)邊緣的暗態(tài)就越暗，視覺上暗態(tài)越明顯，即中央像素對相鄰像素的反射率的影響越大。

表1 不同液晶盒厚度的LCoS的R1/R2值Tab.1 R1/R2 of different gaps of liquid crystal cell

一般地，人們認(rèn)為反射率的90%可以看作是亮態(tài)，反射率的10%為暗態(tài)。本文中像素4達(dá)到90%亮態(tài)的位置為X1，X1到10 μm的距離定義為ΔX。

由表2可知：隨著液晶盒的厚度的增加，ΔX逐漸增大，結(jié)合圖6可知，ΔX越大，像素4靠近中央像素5邊緣的暗的面積就越大，視覺上暗態(tài)越明顯，即中央像素對相鄰像素顯示面積的影響越大。

通過觀察上述模擬結(jié)果可知，液晶盒的厚度對像素的顯示有影響。中央像素為暗態(tài)時(shí)，不同的液晶盒的厚度對相鄰像素顯示面積的影響不同，對相鄰像素的反射率的影響不同。液晶盒的厚度大時(shí)，中央像素對周圍相鄰像素暗態(tài)的面積影響大，且對周圍相鄰像素靠近中央像素5邊緣的反射率的影響也大，故周圍相鄰像素暗態(tài)就明顯；液晶盒的厚度小時(shí)，中央像素對周圍相鄰像素顯示的影響小。可見，液晶盒的厚度越小越好。目前反射式液晶盒的厚度影響著像素之間的影響，包括對周圍相鄰像素的暗態(tài)面積和對周圍相鄰像素的反射率影響。所以要盡量減小液晶盒的厚度使中央像素對周圍相鄰像素顯示的影響達(dá)到最小。

表2 不同液晶盒厚度的LCoS的ΔXTab.2 ΔX of different gaps of liquid crystal cell

3.3 像素間距對周圍相鄰像素暗態(tài)面積的影響

在上述最優(yōu)分子取向(45°)和最優(yōu)液晶盒的厚度(2.0 μm)的基礎(chǔ)上，模擬計(jì)算液晶像素間距分別為0.3，0.5，0.7，0.9，1.0，1.2 μm的顯示效果。模擬結(jié)果如圖7所示，反射率曲線如圖8所示。

圖7 不同像素間距的模擬結(jié)果Fig.7 Simulation results of different distances between the adjacent pixels

當(dāng)像素間距從0.7 μm減小到0.3 μm，R1/R2值逐漸減小。R1/R2值越小，中央像素5對像素4靠近中央像素一側(cè)顯示的反射率的影響就越大。我們的總目標(biāo)是減小像素間距來增大顯示器的分辨率，但是通過分析R1/R2值，像素間距越小對周圍像素的反射率的影響就越大，要求盡量增大像素間距來減小像素之間對反射率的影響。

圖8 不同像素間距的反射率曲線Fig.8 Reflectivity of different distances between the adjacent pixels

分析表3，液晶像素的間距在0.7 μm時(shí)，R1/R2值為0.987，接近于1。液晶像素0.7 μm增加到1.2 μm，R1/R2值在1的上下波動(dòng)。綜合R1/R2值和減小像素間距增加分辨率兩種因素，0.7 μm為最優(yōu)值。

表4給出不同像素間距時(shí)ΔX的變化。液晶像素間距為0.3 μm和0.5 μm，ΔX為正值，像素4中出現(xiàn)暗態(tài)；液晶像素間距為0.3 μm的ΔX比液晶像素間距為0.5 μm的ΔX大，即液晶像素間距為0.3 μm的模型的像素4中暗態(tài)顯示面積比液晶像素間距為0.5 μm的像素4中暗態(tài)顯示面積大。液晶像素間距為0.7～1.2 μm，ΔX為負(fù)值，像素4沒有出現(xiàn)暗態(tài)，間距0.7 μm的X1值為10.427 μm，10.427 μm位于10 μm和10.7 μm之間，即像素4和像素5的間隙為亮態(tài)和暗態(tài)的分界處。同理，間距為0.9，1.0，1.2 μm的模型中，亮態(tài)和暗態(tài)的分界處都位于像素4和像素5的間隙。我們的總目標(biāo)是減小像素間距來增大顯示器的分辨率，但是通過ΔX分析可知，像素間距小于0.7 μm時(shí)，像素間距越小對周圍相鄰像素的暗態(tài)顯示面積的影響就越大。考慮到ΔX值，即對周圍相鄰像素顯示暗態(tài)面積的影響最合適的像素間距為0.7 μm。

表3 不同像素間距的R1/R2值

Tab.3R1/R2of different distances between the adjacent pixels

盒厚/μm亮態(tài)反射率10μm處反射率R1/R20.30.1970.0420.2130.50.1560.1080.6920.70.1560.1540.9870.90.1570.1611.0251.00.1560.1561.0001.20.1500.1450.967

通過觀察，中央像素為暗態(tài)時(shí)，比較不同像素間距的模擬結(jié)果可知，不同的像素間距對周圍像素的顯示面積的影響不同。在減小像素間距來增大顯示器的分辨率的總目標(biāo)下，綜合分析R1/R2值和ΔX值，像素間距為0.7 μm時(shí)，中央像素暗態(tài)對周圍像素的反射率的影響最小，對周圍像素暗態(tài)顯示面積的影響最小。

表4 不同間距的ΔX值

Tab.4 ΔXof different distances between the adjacent pixels

盒厚/μmX1/μmΔX=10-X10.38.9731.0270.59.3370.6630.710.427-0.4270.910.320-0.321.010.368-0.3681.210.450-0.56

4 結(jié) 論

本文所建立的模型，得到了最優(yōu)分子取向(45°)、最優(yōu)盒厚(2.0 μm)和最優(yōu)像素間距(0.7 μm)。利用TechWiz LCD 3D軟件對硅上液晶微顯示器件(LCoS)的九宮格模型進(jìn)行模擬，研究了在飽和電壓下中央像素為暗態(tài)時(shí)，通過合理選取液晶分子取向、液晶盒的厚度和像素間距等條件，減小了對周圍相鄰像素顯示面積和反射率的影響，從而優(yōu)化了硅上液晶微顯示器的顯示特性，進(jìn)而提高了顯示器件的分辨率，最后達(dá)到改善頭盔顯示器件顯示效果的目的。