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(shù)研究中心，河北石家莊 050071；3.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300401）

裸眼3D顯示用液晶光柵的設(shè)計(jì)

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(shù)研究中心，河北石家莊 050071；3.河北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，天津 300401）

裸眼3D顯示技術(shù)是目前3D顯示研究的一個(gè)熱點(diǎn)．液晶光柵是裸眼3D顯示器件中關(guān)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(wěn)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(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)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(yīng)用取得突破性的進(jìn)展可以追溯到20世紀(jì)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(shí)現(xiàn)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(chǎn)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(jìn)人們的日常生活，與之對應(yīng)的3D顯示技術(shù)也得到了不斷發(fā)展．

現(xiàn)階段最流行的3D顯示技術(shù)主要分為眼鏡式和裸眼式，眼鏡式3D顯示技術(shù)是市場的主流，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式；裸眼式3D顯示技術(shù)最大的優(yōu)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(fā)展空間．裸眼3D顯示是真立體顯示，人的兩只眼睛同時(shí)觀察物體，在視網(wǎng)膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物體的左側(cè)面較多，右眼看到物體的右側(cè)面較多，這兩個(gè)像經(jīng)過大腦綜合以后就能區(qū)分物體的前后遠(yuǎn)近，從而產(chǎn)生立體視覺．基于此原理，不同的裸眼3D顯示技術(shù)不斷的開發(fā)[5-8]．在諸多裸眼3D顯示技術(shù)中，以視差擋板法和線光源照明法兩種技術(shù)最適合民用大規(guī)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(shí)現(xiàn)2D/3D轉(zhuǎn)換的巨大優(yōu)勢．裸眼3D顯示用液晶光柵要求特殊，與傳統(tǒng)顯示器相比更像光學(xué)器件．為了實(shí)現(xiàn)3D顯示效果，其需要與TFT顯示器配合實(shí)現(xiàn)，這要求具有高精度、高電性能穩(wěn)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(chǎn)品可靠性不高，尤其是大尺寸產(chǎn)品，易發(fā)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(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)加工、制作出高精度的液晶光柵，實(shí)現(xiàn)對比度大于150、線條的累積誤差小于5m的性能指標(biāo)，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(xì)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(shí)，只要準(zhǔn)備好拍攝位置稍微錯(cuò)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(shí)際的3D顯示系統(tǒng)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(shí)透過液晶光柵光為黑色，對應(yīng)左眼看到的圖像，而不加電時(shí)透過液晶光柵光為白色，對應(yīng)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(qū)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(tài)Fig.2 Principle of3D display and working stateof liquid crystalgrating

2 液晶光柵設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)思路為：1）進(jìn)行產(chǎn)品性能對裸眼視距、立體度及視點(diǎn)方面影響的研究，確定產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)；2）提高產(chǎn)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(shí)驗(yàn)優(yōu)化各個(gè)參數(shù)滿足需求；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)玻璃方塊電阻和版圖設(shè)計(jì)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(chǎn)加工的能力來提高產(chǎn)品線條的精度；4）產(chǎn)品壽命方面：通過對盒間短路、漏液、空洞、封口深淺及檢驗(yàn)方法方面的研究保證產(chǎn)品的可靠性．LCD外觀結(jié)構(gòu)如圖3所示，LCD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖如圖4所示．

圖3 LCD外觀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Appearance structureof LCD

具體的技術(shù)方案包括以下幾步：

1）確認(rèn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案：根據(jù)3D實(shí)現(xiàn)原理，設(shè)計(jì)出偏光片角度、線條精度、玻璃厚度等關(guān)鍵參數(shù)．3D顯示器中各個(gè)參數(shù)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(xué)部件設(shè)計(jì)依據(jù)示意圖如圖5所示．

2）確定液晶調(diào)配方案及結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，通過對實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析及正交調(diào)優(yōu)實(shí)驗(yàn)，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(jìn)一步優(yōu)化出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及液晶調(diào)配方案．

3）優(yōu)化灌注工藝，通過優(yōu)化排氣時(shí)間及產(chǎn)品的擺放方法有效的解決了灌不滿問題．

4）優(yōu)化封口工藝及版圖設(shè)計(jì)，很好的解決了封口漏和封口深淺問題．

5）優(yōu)化版圖設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)優(yōu)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(yōu)化電測檢驗(yàn)工藝，有效解決盒間短路檢出率低問題，由12%降低到3%以內(nèi)．

3 結(jié)論

圖4 LCD產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Productstructureof LCD

表1 液晶調(diào)配方案及結(jié)構(gòu)Tab.1 Liquid crystal preparation and structure

表2 對比度及線條精度實(shí)驗(yàn)測量值Tab.2 Experimentalmeasurementvalues of contrastand lineprecision

優(yōu)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(yōu)化鈍化膜及配向?qū)拥墓袒澳Σ撩芏?，提高了產(chǎn)品的可靠性；優(yōu)化電測條件，大大提高了盒間短路的檢出率，保證了出廠產(chǎn)品的可靠性．此項(xiàng)研究對裸眼3D顯示用液晶光柵制作和優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義．

圖5 3D顯示光學(xué)部件設(shè)計(jì)依據(jù)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(shù)（上冊）[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2013．

[4]王瓊?cè)A．3D顯示技術(shù)與器件[M]．北京：科學(xué)出版社，2011．

[5]梁發(fā)云，鄧善熙，楊永躍．裸眼立體顯示液晶屏的光學(xué)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)[J]．液晶與顯示，2005，20（6）：544-548．

[6]王婧．裸眼3D技術(shù)及其應(yīng)用[D]．南昌：南昌大學(xué)，2012．

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

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

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

[責(zé)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(xué)基金（A2014202123，A2015202343）；河北省教育廳項(xiàng)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(shù)字出版日期：2015-04-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1050.008.html