背光偏振特性對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

(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)廣泛應用于電視、顯示器、筆記本電腦等產品中，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、價格低等優(yōu)點。對于需要外加背光源的非主動式發(fā)光液晶顯示器而言，透過率是衡量其光學特性的一個重要參數。透過率高，對背光亮度要求可降低，則整體模組功耗降低。在某些產品中，為了滿足顯示器標準(例如TCO標準等)左右視角、色偏等的要求，通常會改變其偏光片透光軸方向來達到設計要求，即不同偏光片模式產品[1-2]。在相同背光架構及屏內結構下，這兩種模式的產品通常表現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生部分偏振光，不同偏光片模式的液晶顯示產品應搭配不同架構的背光使用。Moon[4]等人發(fā)現棱鏡片是背光產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)現在液晶顯示器參數測量系統(tǒng)中光源的偏振特性會對液晶顯示器參數測量造成影響。現有研究發(fā)現了背光具有偏振特性，其對液晶顯示器光學特性參數產生影響，但未深入研究背光偏振特性對透過率的影響機制及影響程度。本文對背光的偏振特性進行深入探究，研究表明，偏振片透過軸方向改變所產生的相對透過率差異與背光偏振度呈線性關系，為液晶顯示產品設計提供了理論指導。

2 原 理

2.1 部分偏振光對液晶顯示器影響原理

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

(1)

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

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

當背光為部分偏振光，經過不同方向透過軸的下偏光片時，透射光光強不同，即經過裸屏及上偏光片的光強不同。可定義經過平行偏光片模式產品下偏光片的光強為L0，經過垂直偏光片模式產品下偏光片的光強為L90，則L0≠L90。

假設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/垂直偏光片模式產品透過率t會存在差異，可使用相對透過率差異ΔT進行衡量，如公式(2)所示。

(2)

2.2 背光偏振特性

現有顯示器模組背光架構通常為發(fā)光二極管側入式，膜片從下至上依次為反射膜、導光板、擴散片、棱鏡片。根據背光膜片的制作工藝，背光膜片均具有微結構，對光具有調制作用[7-8]。擴散片具有均勻分散光的作用，可認為從擴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構棱，棱具有方向性[9-10]，圖1所示箭頭方向為棱鏡片方向，這對光的偏振態(tài)調制具有重要作用。

圖1 棱鏡片微結構示意圖Fig.1 Micro structure of prism film

根據棱鏡片上微結構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，具有方向性，可以用一條角度-光強曲線來衡量，即θ-Iθ曲線。根據偏振度定義，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。亮度最大值最對應的角度，可定義為背光主偏振方向α。

3 實驗設計

3.1 背光偏振特性實驗

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

(a)實驗裝置圖(a) Experimental setup

(b)實物圖(b) Picture of real setup圖3 偏振特性測試實驗裝置圖Fig.3 Measurement setup of polarization property

偏振測試平臺中，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偏光片，可旋轉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的圓盤內圈上，制成可旋轉式偏光板。透過軸方向為內圈的起始角度0°，可旋轉式偏光板內圈逆時針旋轉與外圈的起始角度0°的夾角為旋轉角度θ，如圖4所示。

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

以604.52 mm(23.8 in)產品為例，其背光的導光板是平板(無Lenti)，棱鏡為LGE棱鏡片(SOS-Y10LS，3°)。測量其背光偏振特時，在背光中心點附近做好十字線標記，將可旋轉式偏光板放在背光中心位置，外圈及內圈0°及180°刻度線對準平行于背光長邊的標記線。旋轉內圈，步長為5°，記錄每個角度下的亮度值，繪制成角度-光強曲線，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背光上進行測試。測試多個背光有無棱鏡片時的偏振特性曲線，計算偏振度，統(tǒng)計背光主偏振方向。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系。

3.2 平行/垂直偏振片模式產品透過率差異實驗

以604.52 mm(23.8 in)常黑模式產品為例，選取平行偏光片模式和垂直偏光片模式產品進行實驗，其裸屏設計相同，僅偏光片透過軸方向不同。分別將平行/垂直偏光片模式產品旋轉90°放置，則此時旋轉90°的平行偏光片模式產品可以模擬垂直偏光片模式產品情況。旋轉90°的垂直偏光片模式產品可模擬平行偏光片模式產品情況。屏旋轉90°放置時，在背光和屏上做好對位標志，保證測試位置在屏和背光的中心點附近。

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

4 實驗結果與討論

4.1 有無棱鏡片對背光偏振特性的影響

選取4款604.52 mm(23.8 in)產品的背光，其棱鏡片均為3°，測試其原始背光及移除棱鏡片時的偏振特性曲線。根據圖5結果，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。根據表1統(tǒng)計，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。

當移除棱鏡片時，如圖6所示，BLU2和BLU4的偏振特性曲線近似圓形， BLU1和BLU3仍呈現出橢圓形曲線形狀，但橢圓程度低于原始背光(含棱鏡片)結果。結合表1可知，當移除棱鏡片時，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據Tab.1 Results of original and prism-less backlight units

因此，棱鏡片是使背光產生偏振特性的主要因素，其余背光膜片對背光偏振特性也有一定貢獻，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 棱鏡片角度對背光主偏振方向的影響

選取3個角度的棱鏡片分別放置在同一個604.52 mm(23.8 in)產品背光上，測試背光的偏振特性曲線。結果如圖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。

因此，根據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據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)的近似關系：

(4)

4.3 背光偏振度與相對透過率差異的關系

根據平行/垂直偏光片模式產品相對透過率差異公式(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/垂直偏光片模式產品相對透過率差異ΔT與背光偏振度P成線性關系，如公式(5)所示。

ΔT=aP+b，

(5)

當背光棱鏡片不為3°時，公式(4)及(5)的近似公式不成立，則相對透過率需要根據實際的背光偏振特性θ-Iθ曲線進行計算，如公式(6)所示：

(6)

為了研究背光偏振度與平行/垂直偏光片模式產品相對透過率差異的關系，選取偏振度不同的背光進行實驗。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個不含棱鏡片的BLU1和BLU4進行補充實驗。由于不含棱鏡片的背光不滿足根據公式(4)，因此根據公式(6)計算背光偏振特性影響下的相對透過率差異理論值，并將其當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/垂直偏光片模式產品各5片，分別正放、旋轉90°放置在這4個背光上測試產品的透過率。測試鏡頭為PR788，測試環(huán)境為暗室。測試結果如表3所示。則對于該批平行/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透過率差異實驗值，應由公式(7)進行計算。為方便規(guī)律統(tǒng)一比較，平行偏光片模式產品公式(7)取“-”號，垂直偏光片模式產品公式(7)取“+”號。

(7)

表3 平行/垂直偏光片模式產品相對透過率差異實驗結果Tab.3 Results of transmission difference of O/E-mode products

根據表3數據繪制偏振度P-相對透過率差異ΔT關系曲線，并進行線性擬合，結果如圖8所示。實驗結果表明，相對透過率差異與背光偏振度具有顯著的線性關系，線性度R2達0.99以上，與理論分析一致。實驗選用平行/垂直偏光片模式兩種產品互為佐證，滿足相同的規(guī)律。

圖8 偏振度-相對透過率差異關系曲線 Fig.8 Curves of polarization degree and transmission difference

5 結 論

本文主要對液晶顯示產品的背光偏振特性以及其對平行/垂直偏光片模式產品相對透過率差異進行研究。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°棱鏡片背光架構下，相對透過率差異與背光偏振度成顯著線性關系；在其他背光架構下，相對透過率差異可以根據實際使用的背光偏振特性曲線進行理論計算，為后續(xù)有此需求的設計者提供支持。