郭玉強(qiáng)，王瓊?cè)A

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

0 引言

液晶是一種具有光學(xué)各向異性的光電子材料，被廣泛地應(yīng)用在顯示成像、光電工程、生化傳感等領(lǐng)域［1-3］。液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）是基于液晶材料的顯示裝置，已經(jīng)在全球形成了萬億級(jí)的市場規(guī)模。近年來，顯示技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢。從市場占有率來看，以LCD 和有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）為主，微發(fā)光二極管、激光顯示、類紙顯示等技術(shù)并存發(fā)展［4-6］。目前，各種顯示技術(shù)發(fā)展迅猛，表現(xiàn)出激烈的競爭態(tài)勢。為了在競爭中謀求生存和發(fā)展，各種顯示技術(shù)必須不斷地進(jìn)行自我革新，憑借更為出色的顯示性能來贏得市場的競爭優(yōu)勢。

對于LCD 來說，機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。LCD 憑借著龐大的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、高性價(jià)比、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，在顯示領(lǐng)域中占據(jù)了較大的市場份額。近年來，LCD 的部分顯示性能已經(jīng)得到了較大提升，但是目前仍存在一些尚待解決的問題，突出表現(xiàn)在視角相關(guān)問題［7］。由于液晶材料具有光學(xué)各向異性，所以不同視角下的光程差存在差異，最終導(dǎo)致LCD 的電光性能存在視角依賴性，例如亮度、對比度、灰階、色彩、色域等性能。此外，并非所有的應(yīng)用場景都需要寬視角顯示技術(shù)，某些場景存在一些特殊的視角需求［8-9］。例如，對于有防窺需求的自動(dòng)柜員機(jī)而言，需要讓LCD 具有窄視角的顯示特性，以保障用戶的私密性。近年來，研究人員針對LCD 的視角相關(guān)問題進(jìn)行了大量的研究，提出了多種改善視角相關(guān)性能的技術(shù)方法，為未來的發(fā)展增添了巨大動(dòng)力。

本文將對LCD 視角相關(guān)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。首先，介紹LCD 的基本結(jié)構(gòu)、顯示原理、以及幾種常見的顯示模式。然后，介紹幾種與視角相關(guān)的性能參數(shù)，總結(jié)能夠改善視角相關(guān)問題的技術(shù)方法，并分析不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)，歸納幾種特殊的視角控制技術(shù)，如窄視角、指定視角、視角可控等技術(shù)。最后，對未來的研究工作進(jìn)行展望。

1 LCD 的結(jié)構(gòu)與顯示模式

1.1 LCD 的結(jié)構(gòu)與顯示原理

LCD 主要由液晶面板、背光源、驅(qū)動(dòng)電路等部件構(gòu)成。其中，液晶面板是LCD 的重要組成部分，用于顯示畫面信息；背光源為LCD 提供所需的光源，一般用于透射式或透反式顯示領(lǐng)域；驅(qū)動(dòng)電路為LCD 提供電學(xué)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)目標(biāo)像素顯示不同的畫面［10-11］。圖1（a）展示了LCD 的結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括檢偏器、彩色濾色膜（Color Filter，CF）基板、液晶層、薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT）基板、起偏器、光學(xué)結(jié)構(gòu)、背光源等。其中，檢偏器和起偏器均為偏光片，靠近出光一側(cè)的被稱為檢偏器，靠近背光源一側(cè)的被稱為起偏器。此外，可以根據(jù)具體需求，在背光源上方的光學(xué)結(jié)構(gòu)中添加合適的棱鏡膜、散射膜或量子點(diǎn)膜等，從而調(diào)整背光的出射角度、散射程度、光譜分布等參數(shù)［12-13］。在LCD 中，彩色濾色膜基板、液晶層、TFT 基板組成了密封的盒狀結(jié)構(gòu)，因此通常被稱為液晶盒。

圖1 LCD 的結(jié)構(gòu)示意圖與顯示屏上像素的開/關(guān)狀態(tài)Fig.1 Structure diagram of LCD and the on/off states of pixels on the screen

液晶材料通常不發(fā)光，但是液晶可以調(diào)節(jié)光的偏振狀態(tài)，因此在偏光片的共同作用下，可以實(shí)現(xiàn)對背光通斷狀態(tài)的調(diào)控。在LCD 中，背光源產(chǎn)生的光經(jīng)過起偏器后變?yōu)榫€偏振光。在TFT 基板上施加合適的電信號(hào)后，液晶分子指向矢就會(huì)在電場的作用下重新排布，此時(shí)液晶層就會(huì)重新調(diào)制光的偏振態(tài)。當(dāng)光的偏振態(tài)發(fā)生變化后，透過檢偏器的光強(qiáng)就會(huì)發(fā)生變化，這樣LCD 就實(shí)現(xiàn)了對透光率的調(diào)節(jié)。圖1（b）展示了彩色畫面中像素的開關(guān)狀態(tài)，對于彩色LCD 來說，白光通過彩色濾色膜后會(huì)變?yōu)榧t、綠、藍(lán)三基色，不同光強(qiáng)的三基色像素就可以構(gòu)成絢麗多彩的畫面。

1.2 LCD 的顯示模式

自LCD 被發(fā)明以來，研究人員已經(jīng)開發(fā)出了多種顯示模式［14-15］。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將LCD 分成不同的顯示模式。若根據(jù)液晶所處的相態(tài)進(jìn)行劃分，則可以分為向列相、膽甾相、鐵電相等模式；若根據(jù)液晶分子的排列方式，則可以分為均勻、展曲、扭曲、彎曲、混合等模式；若根據(jù)基板錨定能的強(qiáng)弱，則可以分為弱錨定、強(qiáng)錨定、雙穩(wěn)態(tài)錨定等模式；若根據(jù)電場的分布情況，則可以分為垂直場、橫向場、邊緣場等模式。液晶顯示模式的種類眾多，不同顯示模式的LCD 具有不同的視角性能，適合于不同的應(yīng)用場景。目前，市場上的LCD 產(chǎn)品主要為扭曲向列相（Twisted Nematic，TN）、垂面排列（Vertical Alignment，VA）、共面轉(zhuǎn)換（In-Plane Switching，IPS）、邊緣場轉(zhuǎn)換（Fringe-Field Switching，F(xiàn)FS）等顯示模式，如圖2 所示。

圖2 幾種常見的液晶顯示模式Fig.2 Several common display modes of LCD

1971 年，SCHADT M 院士等提出了TN 顯示模式［16］，它由上下兩個(gè)相對的電極構(gòu)成，液晶取向方式為90°扭曲排列。未施加電壓時(shí)，液晶分子呈均勻扭曲狀態(tài)，在液晶的旋光作用下，線偏振光的振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)了90°，此時(shí)光不能通過檢偏器，LCD 處于關(guān)斷狀態(tài)。在像素電極上施加合適的電壓后，液晶分子趨于電場方向排列，扭曲排列方式被打破，線偏振光可以透過檢偏器，此時(shí)LCD 處于開啟狀態(tài)。TN 顯示模式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電壓低（～3 V）、透光率高、制造成本低，主要缺點(diǎn)是視角較差、陡度低、灰階較少。目前，TN LCD 主要應(yīng)用在中低端顯示領(lǐng)域，例如計(jì)算器、家電設(shè)備、儀器儀表等。

1971 年，SCHIEKEL M F 等提出了VA 顯示模式［17］，它由上下兩個(gè)相對的電極構(gòu)成，液晶取向方式為垂直于基板排列，液晶材料的介電各向異性為負(fù)（Δε＜0）。未施加電壓時(shí)，液晶分子垂直于基板排列，來自起偏器的線偏振光最終被正交的檢偏器吸收，LCD 處于關(guān)斷狀態(tài)。在像素電極上施加合適的電壓后，負(fù)性液晶分子偏向與電場垂直的方向，在雙折射效應(yīng)的作用下，來自起偏器的線偏振光可以通過檢偏器，此時(shí)LCD處于開啟狀態(tài)。VA 顯示模式的優(yōu)點(diǎn)是正視對比度高、響應(yīng)速度較快、制造成本低，主要缺點(diǎn)是透光率低、視角均勻性差、按壓水紋。為了改善其視角均勻性，研究人員在傳統(tǒng)VA 顯示模式的基礎(chǔ)上開發(fā)出多疇垂面排列（Multidomain Vertical Alignment，MVA）、圖案化垂面排列（Patterned Vertical Alignment，PVA）、紫外固化垂面排列（Ultraviolet Vertical Alignment，UV2A）等顯示模式［18-22］。目前，VA LCD 主要應(yīng)用在非觸屏顯示領(lǐng)域，例如電視機(jī)、監(jiān)視器、顯示器等領(lǐng)域。

1973 年，SOREF R A 提出了IPS 顯示模式［23］，在此基礎(chǔ)上，OH-E M 等于1995 年又詳細(xì)地報(bào)道了IPS顯示模式的電光性能，推進(jìn)了它的產(chǎn)品化進(jìn)程［24］。它的電極由位于同一基板的叉指型電極構(gòu)成，液晶排列方式為均勻排列。未施加電壓時(shí)，液晶分子沿著叉指電極的方向均勻排列，來自起偏器的偏振光最終被正交的檢偏器吸收，LCD 處于關(guān)斷狀態(tài)。在像素電極上施加合適的電壓后，液晶分子在電場的作用下重新排列，基于雙折射效應(yīng)，部分光線可以通過檢偏器，此時(shí)LCD 處于開啟狀態(tài)。IPS 顯示模式的優(yōu)點(diǎn)是視角均勻性較好、按壓無水紋，主要缺點(diǎn)是電極正上方無法產(chǎn)生有效的光程差，所以整體透光率較低。目前，IPS LCD 主要應(yīng)用于大中型顯示領(lǐng)域，例如電視機(jī)、電腦顯示器、平板電腦等。

1998 年，LEE S H 等提出了FFS 顯示模式［25］，它的電極由叉指型電極及其下方的公共電極構(gòu)成，液晶取向方式為均勻排列。FFS 與IPS 顯示模式的顯示原理相似，二者都是基于液晶的雙折射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)顯示功能。它們的主要區(qū)別在于，IPS 顯示模式主要靠水平電場驅(qū)動(dòng)液晶分子重新排列，而FFS 顯示模式中電極間隙較小，主要靠邊緣電場驅(qū)動(dòng)液晶分子。FFS 顯示模式的優(yōu)點(diǎn)是透光率高、視角均勻性較好、按壓無水紋，其主要缺點(diǎn)是TFT 基板的制造流程較為復(fù)雜，成本相對較高（相較于TN、VA 等顯示模式）。目前，F(xiàn)FS LCD 主要應(yīng)用于中高端顯示設(shè)備，例如智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等。

以上是較為常見的四種顯示模式，它們的電極結(jié)構(gòu)和液晶取向方式存在差別，顯示性能有所不同，因此適合的應(yīng)用場景也不盡相同。為了能夠更加直觀地進(jìn)行比較，表1 列出了四種顯示模式的典型性能參數(shù)［26］。雖然以上幾種顯示模式有幾十年的發(fā)明歷史，但是相關(guān)的改進(jìn)和優(yōu)化工作從未中斷。相比早期的LCD 而言，目前相關(guān)產(chǎn)品的性能參數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

表1 四種顯示模式的典型性能參數(shù)［26］Table 1 Typical parameters of four display modes［26］

2 視角相關(guān)性能的研究進(jìn)展

對于LCD 來說，一些性能參數(shù)存在視角依賴性［27］。圖3 展示了某款LCD 在不同視角下的拍攝圖。不難發(fā)現(xiàn)，該LCD 在傾斜視角下不僅發(fā)生了圖像畸變，其亮度、對比度、灰階、色彩、色域等性能也發(fā)生了變化。一般地，將顯示器的可視角度定義為對比度超過10∶1 所對應(yīng)的視角。若僅以此為標(biāo)準(zhǔn)，目前大多數(shù)LCD 產(chǎn)品的視角均能超過85°（若考慮對稱視角±85°，則為170°）。事實(shí)上，對于大尺寸、高性能的LCD 來說，不能只考察可視角度這一項(xiàng)指標(biāo)，其他與視角相關(guān)的性能都應(yīng)納入考察的范圍。近年來，研究人員已經(jīng)提出了一些能夠改善LCD 視角相關(guān)問題的方法。下面將詳細(xì)介紹幾種與視角相關(guān)的性能參數(shù)，并總結(jié)能夠改善視角相關(guān)問題的技術(shù)方法。

圖3 某款LCD 在不同視角下的拍攝圖（無環(huán)境光）Fig.3 Photographs of an LCD at different viewing angles（without ambient light）

2.1 亮度

亮度是表征顯示器出射光強(qiáng)弱的物理量。在傾斜視角下，絕大多數(shù)顯示技術(shù)均表現(xiàn)出亮度下降的趨勢，而LCD 的亮度具有更加明顯的視角依賴性。與正視下的亮度相比，30°視角下LCD 的亮度損失通常超過50%［7，28］。為了提升LCD 在傾斜視角下的亮度，并改善其亮度均勻性，研究人員提出了一些技術(shù)方法，例如定向背光源加前置擴(kuò)散膜、不含增亮膜的背光源、量子點(diǎn)彩色濾色膜等方法。

定向背光源加前置擴(kuò)散膜能夠增大傾斜視角下的亮度，改善亮度均勻性。2012 年，K?L?NT?R K 提出一種能夠提高傾斜視角下亮度的方法，即定向背光源加前置擴(kuò)散膜［29］，相關(guān)結(jié)果在圖4 中展示。為了提高傾斜視角下的亮度，需要在定向背光源上方添加特殊的導(dǎo)光板。結(jié)果表明，背光經(jīng)過導(dǎo)光板后發(fā)散角變大，因此傾斜視角下的亮度可以提升2～6 倍。此外，將原本在背光源處的擴(kuò)散膜置于LCD 的外表面，進(jìn)一步改善了亮度均勻性。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠提升傾斜視角下的亮度、改善LCD 的亮度均勻性，但是它存在正視亮度和分辨率降低、圖像模糊等缺點(diǎn)。

圖4 使用定向背光源加前置擴(kuò)散膜提高LCD 的視角均勻性［29］Fig.4 Improved viewing angle uniformity of LCD by using the directional backlight and front diffuser［29］

不含增亮膜的背光源能夠改善LCD 的亮度均勻性。2016 年，WU S T 教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種移除背光源中的增亮膜，來改善LCD 視角均勻性的方法［30］。結(jié)果表明，未移除增亮膜前，60°視角下亮度損失為～70%。移除增亮膜后，60°視角下亮度損失僅為～35%，亮度損失被削減了一半左右。此外，若移除正交增亮膜，LCD 的整體光效率還將提升～37%。綜合來看，移除背光源中的增亮膜是提升LCD 亮度均勻性的有效方法，但其缺點(diǎn)是損失正視下的亮度。

使用量子點(diǎn)彩色濾色膜也可以提高傾斜視角下的亮度，改善LCD 的亮度均勻性。2016 年，CHEN H M教授團(tuán)隊(duì)提出使用紅、綠、藍(lán)三基色量子點(diǎn)膜來替代原有的彩色濾色膜，顯著提高了傾斜視角下的亮度和對比度［31］，相關(guān)成果在圖5 中展示。當(dāng)藍(lán)色背光源到達(dá)三基色彩色濾色膜后，藍(lán)色光就會(huì)變成紅、綠、藍(lán)三基色，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彩色顯示的效果。量子點(diǎn)膜對光具有一定的發(fā)散作用，所以可以提升傾斜視角下的亮度，并使亮度更為均勻。但是，使用這種方法前，應(yīng)當(dāng)充分計(jì)算好量子點(diǎn)的發(fā)光效率問題，合理設(shè)計(jì)三種量子點(diǎn)膜的厚度。此外，還要消除量子點(diǎn)被環(huán)境光激發(fā)的可能性［32-34］。

圖5 基于量子點(diǎn)彩色濾色膜提升LCD 的亮度均勻性［31］Fig.5 Improved brightness uniformity of LCD based on quantum dot color filter［31］

2.2 對比度

對比度（Contrast Ratio，CR）指的是顯示器的亮態(tài)與暗態(tài)光強(qiáng)的比值（CR =Ion/Ioff），通常指的是在黑暗環(huán)境下測試的理想對比度。從顯示模式的發(fā)展歷程來看，不同LCD 的對比度呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢。TN 顯示模式是最早被提出的，但其對比度較低，視角均勻性較差。VA 顯示模式具有較高的正視對比度，但傾斜視角下的對比度較低。相比之下，IPS 與FFS 顯示模式在正視和傾斜視角下均具有較高的對比度，并且視角性能也更加均勻。需要說明的是，雖然某些顯示模式具有較高的對比度，但是如果僅從顯示模式入手，依然難以達(dá)到超高對比度的市場要求。下面介紹幾種能夠提升LCD 對比度的方法，包括視角補(bǔ)償膜、區(qū)域調(diào)光技術(shù)、雙盒顯示技術(shù)、表面減反射膜等。

視角補(bǔ)償膜可以降低LCD 的暗態(tài)漏光，進(jìn)而可以提升其對比度。視角補(bǔ)償膜通常由光學(xué)各向異性的有機(jī)透明材料組成，可以起到兩個(gè)作用：1）糾正偏光片在傾斜視角下的偏光比；2）對離軸方向的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。視角補(bǔ)償膜的種類較多，包括單軸膜、雙軸膜、傾斜膜等［35］，其中單軸膜的制備工藝較為簡單，使用量也較大。對于不同種類的LCD 而言，所需的補(bǔ)償膜種類也不盡相同。對于初始液晶分子為水平排列的LCD來說，一般使用nx＞nz＞ny類型的單軸膜組或雙軸補(bǔ)償膜［36-38］，其中nx、ny、nz為直角坐標(biāo)系中折射率的三個(gè)分量；對于初始液晶分子為豎直排列的LCD 來說，一般使用nx＞ny＞nz類型的單軸膜組或雙軸補(bǔ)償膜［39-40］。為LCD 添加合適的補(bǔ)償膜后，可以明顯改善LCD 的暗態(tài)漏光，進(jìn)而提升其對比度［41］。目前，視角補(bǔ)償膜的發(fā)展較為成熟，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類產(chǎn)品之中。

區(qū)域調(diào)光技術(shù)指的是基于微型發(fā)光二極管（Mini Light Emitting Diode，Mini LED），實(shí)現(xiàn)分區(qū)調(diào)節(jié)背光源亮度的技術(shù)。相比傳統(tǒng)的面光源而言，區(qū)域調(diào)光技術(shù)可以按需點(diǎn)亮不同區(qū)域的背光源，且背光源的亮度是可調(diào)的。由于區(qū)域調(diào)光技術(shù)可以避免近鄰像素的背光干擾，因此它能夠提升LCD 的對比度［42-45］。2020 年，HU Daobing 等提出一種基于區(qū)域調(diào)光技術(shù)的大尺寸LCD，其動(dòng)態(tài)對比度高達(dá)1 000 000∶1［46］。研究人員對比了不同LED 數(shù)量對畫面質(zhì)量的影響，證明了LED 數(shù)量與畫面質(zhì)量正相關(guān)。此外，他們通過縮小背光源的尺寸，縮減了背光源與像素的非重疊區(qū)域，改善了LCD 的光暈現(xiàn)象，如圖6 所示。區(qū)域調(diào)光技術(shù)是提高LCD對比度的重要方法，但目前仍需解決好同步驅(qū)動(dòng)、光暈現(xiàn)象、整體厚度等問題［47-49］。

圖6 基于區(qū)域調(diào)光技術(shù)的高對比度LCD［46］Fig.6 High-contrast LCD based on local dimming technology［46］

雙盒顯示技術(shù)指的是兩個(gè)液晶盒疊加的顯示技術(shù)，它是提高對比度的有效方法。2017 年，WU S T 教授團(tuán)隊(duì)提出一種雙盒顯示技術(shù)，該LCD 由TN 與FFS 兩種液晶盒疊加而成［50］。研究結(jié)果表明，該LCD 的正視對比度高于1 000 000∶1，60°視角內(nèi)的對比度高于5 000∶1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單盒TN 或FFS LCD 的對比度。2020 年，XI Yanhui 等報(bào)道了一款高分辨率、高對比度的雙盒LCD，并在65 英寸4K 分辨率的LCD 上進(jìn)行了對比展示［51］。結(jié)果顯示，單盒LCD 的對比度為1 636∶1，而雙盒LCD 的對比度高達(dá)153 571∶1，對比度提升了～97 倍。雙盒顯示技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的對比度，但是需要解決雙盒對準(zhǔn)、同步驅(qū)動(dòng)、消除摩爾紋等問題。

除了理想對比度之外，環(huán)境光下的實(shí)際對比度逐漸成為消費(fèi)者更加關(guān)注的性能參數(shù)［52］。一般地，LCD的對比度會(huì)受到環(huán)境光干擾，因此需要用環(huán)境對比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）［53］進(jìn)行衡量，即

式中，Ion與Ioff是LCD 的亮態(tài)與暗態(tài)光強(qiáng)，Iambient是環(huán)境光強(qiáng)度。RL是顯示器的表面反射率，其表達(dá)式為

式中，λ1、λ2分別指可見光的最短和最長波長，V（λ）是人眼的感光函數(shù)，S（λ）是環(huán)境光的光譜，R（λ）是顯示器的光譜反射率。

根據(jù)式（1）可知，降低環(huán)境光強(qiáng)度或表面反射率均能提升LCD 的環(huán)境對比度。事實(shí)上，人為改變環(huán)境光的強(qiáng)度較為困難，所以通常采用降低表面反射率的方法來提升環(huán)境對比度。減反射膜是降低反射率的有效途徑。一般地，通過控制減反射膜中的膜層厚度，實(shí)現(xiàn)反射光干涉相消，就可以實(shí)現(xiàn)較低的反射率。雖然減反射膜能夠降低反射率，但是傳統(tǒng)的減反射膜存在以下缺點(diǎn)：正視下的反射率較高、薄膜的平整度和厚度難以控制。為了解決這些問題，研究人員提出使用折射率漸變的減反射結(jié)構(gòu)來降低表面反射率。2018 年，RODRíGUEZ I 教授團(tuán)隊(duì)制備了一種基于蛾眼結(jié)構(gòu)的減反射膜，它由亞微米尺度的凸起陣列構(gòu)成［54］，相關(guān)成果在圖7 中展示。這種蛾眼結(jié)構(gòu)的特征尺寸小于可見光波長，并且折射率自上而下連續(xù)變化，絕大部分入射光不發(fā)生反射現(xiàn)象，所以它具有較低的反射率［55-57］。測試結(jié)果表明，如果將該減反射膜貼于聚對苯二甲酸乙二醇酯（Poly（ethylene Terephthalate），PET）基底，則表面反射率可由9%降至0.6%?？偟膩碚f，折射率漸變的減反射膜具有較大的應(yīng)用潛力，但仍需在大面積成膜、降低成本、抗劃痕等方面進(jìn)行優(yōu)化。

圖7 蛾眼減反射膜及其使用前后的效果［54］Fig.7 Moth-eye antireflection film and its effect before and after application［54］

2.3 灰階與色彩

LCD 在顯示畫面時(shí)并不是僅在亮、暗兩個(gè)狀態(tài)之間進(jìn)行切換，它還存在許多中間灰度狀態(tài)。一般用色深表示顯示器的灰度級(jí)別，單位為bit。一款顯示器所能顯示的灰階與色深呈2 的冪指數(shù)關(guān)系，若色深為x，則灰階數(shù)量為2x。由于彩色LCD 是由紅、綠、藍(lán)三基色子像素組成，所以理論上能夠顯示出2x×2x×2x種色彩。例如，對于10 位色深的顯示器，具有的灰階為210= 1 024 個(gè)，具有的色彩為210×210×210種。

LCD 的灰階與色彩性能具有視角相關(guān)性，它們在傾斜視角下會(huì)發(fā)生不同程度的偏移現(xiàn)象，即灰階偏移和色彩偏移。灰階偏移指的是傾斜視角下，灰階曲線發(fā)生分離的現(xiàn)象?；译A偏移可以使用離軸圖像失真指數(shù)D［58］和方位角圖像失真指數(shù)DA［59］進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，即

式中，＜＞表示各個(gè)灰階下的平均值，ΔBi，j表示第i與第j個(gè)灰度之間的透光率差，on-axis 表示正視，off-axis表示傾斜視角，min 與max 代表負(fù)向偏移與正向偏移最嚴(yán)重的兩條灰階曲線。0～1 023 表示10 位色深。當(dāng)D＜0.2 時(shí)，人就不能分辨出由極角變化導(dǎo)致的灰階偏移；當(dāng)DA＜0.2 時(shí)，人眼不能分辨出由方位角變化導(dǎo)致的灰階偏移。

色彩偏移指的是傾斜視角下，LCD 的色坐標(biāo)發(fā)生偏移的現(xiàn)象，它可以用色彩偏移量Δuv［60］來評(píng)價(jià)，即

式中，（u1，v1）、（u2，v2）分別代表正視與傾斜視角下的色坐標(biāo)，色坐標(biāo)所圍繞的面積就是顯示器的實(shí)際色域。若Δuv＜0.02，則人眼不能分辨出該視角下的色彩偏移。

事實(shí)上，LCD 的色彩是由不同灰階的三基色子像素混合而來的，能夠降低灰階偏移的方法同樣也適合于降低色彩偏移。因此，本文將能夠改善灰階偏移與色彩偏移的相關(guān)方法一并進(jìn)行討論，這些方法主要包括使用光散射膜、優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。

光散射膜是能夠改善灰階偏移和色彩偏移的方法。將光散射膜貼于LCD 的外表面后，出射光將更加發(fā)散，各個(gè)視角下的光學(xué)性能也更加均勻，進(jìn)而LCD 的亮度、灰階偏移、色彩偏移等性能將得到改善。一般地，為了精準(zhǔn)地控制出射光的發(fā)散角，需要制備具有特定形貌的光散射膜，例如半球形、棱臺(tái)形、三棱柱形等［61-64］。這類光散射膜與普通的磨砂膜不同，需要根據(jù)具體視角需求來設(shè)計(jì)合適的微結(jié)構(gòu)形貌和尺寸。光散射膜的優(yōu)點(diǎn)為適用性強(qiáng)、操作簡單、無需調(diào)整LCD 的結(jié)構(gòu)或液晶材料參數(shù)，它的缺點(diǎn)是損失透光率、降低分辨率等。

設(shè)計(jì)合適的電極結(jié)構(gòu)也能夠降低灰階偏移與色彩偏移。一般地，多疇電極結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒉煌暯窍碌碾姽馓匦赃M(jìn)行互補(bǔ)償混合，進(jìn)而降低LCD 的灰階偏移，例如使用之字形、人字形、魚骨形多疇電極結(jié)構(gòu)［65-72］。2020 年，我們提出一種單疇凸起FFS LCD，證明了單疇電極結(jié)構(gòu)也能達(dá)到低灰階偏移的效果［73］。如圖8 所示，該凸起FFS 結(jié)構(gòu)能夠誘導(dǎo)出互補(bǔ)型液晶指向矢分布，使得大視角下的電光性能更加均勻，60°視角下的離軸圖像失真指數(shù)僅為0.094 3，實(shí)現(xiàn)了低灰階偏移的目的。事實(shí)上，不論是多疇還是單疇電極結(jié)構(gòu)，只要能夠誘導(dǎo)出互補(bǔ)型液晶指向矢分布，均能降低灰階偏移和色彩偏移［74-76］。設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以從根本上改善LCD 的灰階與色彩性能，但需要充分評(píng)估設(shè)計(jì)的可行性、工藝難度、LCD 的綜合性能等問題。

圖8 基于單疇電極結(jié)構(gòu)的低灰階偏移凸起FFS LCD［73］Fig.8 Low gamma shift protruded FFS LCD based on single-domain electrode structure［73］

從驅(qū)動(dòng)技術(shù)入手，也可以降低LCD 的灰階偏移與色彩偏移。2005 年，KIM S S 提出了主副像素驅(qū)動(dòng)技術(shù)來降低LCD 的灰階偏移［77］，后來該方法成為了改善灰階與色彩性能的常用方法［78-82］。2021 年，張盛東教授團(tuán)隊(duì)提出一種基于多疇電極結(jié)構(gòu)的主副像素驅(qū)動(dòng)技術(shù)［83］。該LCD 具有八疇電極結(jié)構(gòu)，通過控制副像素上的驅(qū)動(dòng)電壓，可以將60°視角下的離軸圖像失真指數(shù)降至0.2 以下，色彩偏移量降至～0.04，如圖9 所示。此外，由于對TFT 基板做了平坦化處理，所以該LCD 還具有高透光率、高對比度等優(yōu)點(diǎn)。2020 年，我們提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)低灰階偏移的截?cái)嗤腹饴始夹g(shù)［84］。通過在電極上施加小于飽和電壓的電壓值，避免了傾斜視角下的灰階反轉(zhuǎn)，進(jìn)而獲得了較低的灰階偏移和色彩偏移。截?cái)嗤腹饴始夹g(shù)的操作簡單、獨(dú)立性強(qiáng)，適合于多種顯示模式，但是缺點(diǎn)是會(huì)犧牲部分透光率。事實(shí)上，不論是主副像素驅(qū)動(dòng)技術(shù)還是截?cái)嗤腹饴始夹g(shù)，都可以與各種電極結(jié)構(gòu)配合使用，從而達(dá)到相得益彰的效果。

圖9 基于主副像素的低灰階偏移和色彩偏移的LCD［83］Fig.9 Low gamma shift and color difference LCD based on main and sub-pixels［83］

2.4 色域

色域指的是顯示器能夠表現(xiàn)的色彩范圍，通常用三基色的色坐標(biāo)在色度圖中所占據(jù)的面積來量化。顯示器的色域越寬，那么它能展現(xiàn)出的色彩范圍就越廣。對于LCD 來說，傾斜視角下會(huì)存在色域變窄的現(xiàn)象，并且視角越大色域越窄。一般地，能夠減小灰階偏移、色彩偏移的方法都能在一定程度上改善色域變窄的問題。此外，研究人員還提出了一些能夠提升LCD 色域并改善其視角依賴性的方法，例如使用具有窄帶寬的背光源、寬波段濾波片等。

使用具有窄帶寬的背光源是實(shí)現(xiàn)寬色域LCD 的重要途徑。顯示器的色域依賴于紅、綠、藍(lán)三基色的色坐標(biāo)，所以三基色的半峰寬越窄，色彩就越純凈，對應(yīng)的色域就越寬［85］。因此，將傳統(tǒng)的背光源換成窄帶寬的背光源能夠顯著增寬LCD 的色域，例如使用量子點(diǎn)背光源、激光背光源、三基色LED 背光源等［86-90］。除此之外，研究人員還會(huì)在背光源處或LCD 外表面貼合具有一定發(fā)散角的散射膜，以此來改善傾斜視角下的色域變窄問題。

使用寬波段濾波片是提高LCD 色域并改善其視角依賴性的有效方法。2021 年，孫玉寶教授團(tuán)隊(duì)提出了一種雙盒寬波段濾波片，它由兩個(gè)疊加在一起的扭曲型液晶盒構(gòu)成［91］。將該濾波片置于平行偏光片之間時(shí)，背光光譜的半峰寬變得更窄，LCD 的色域可以從86%提升到94%（Rec.2020 標(biāo)準(zhǔn)），相關(guān)結(jié)果在圖10 中展示。此外，該濾波片的延遲量幾乎不依賴于入射角，60°視角下最大延遲量的偏移僅為-0.311%，因此在傾斜視角下依然具有良好的濾波特性。寬波段濾波片能夠有效縮減光譜的半峰寬度，進(jìn)而可以增加LCD 色域［92-94］，但是它也存在一些缺點(diǎn)，例如白光漂移、透光率降低、器件厚度增加等。

圖10 基于雙盒濾波片的高色域LCD［91］Fig.10 High color gamut LCD based on the dual-cell helical filter［91］

3 特殊視角控制技術(shù)

寬視角（Wide Viewing Angle，WVA）指的是LCD 在一個(gè)較大的視角范圍內(nèi)具有良好的畫面質(zhì)量，包括亮度、對比度、灰階、色彩、色域等性能。目前，寬視角技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種顯示場景，涵蓋了大中小尺寸的各類顯示領(lǐng)域。但是，寬視角技術(shù)不能滿足一些特殊的應(yīng)用場景，例如有防窺需求的商務(wù)手機(jī)、銀行自動(dòng)柜員機(jī)、密碼器、航空顯示等。為了滿足上述場景的需求，研究人員提出了一些特殊的視角控制技術(shù)，如窄視角、指定視角、視角可控等技術(shù)。

3.1 窄視角技術(shù)

窄視角（Narrow Viewing Angle，NVA）指的是LCD 僅在一個(gè)較窄的視角范圍內(nèi)有良好的畫面質(zhì)量。在一些使用場景中，觀看者需要讓自己看清畫面信息，但又要避免近鄰?fù)蹈Q或被動(dòng)監(jiān)視，此時(shí)就需要窄視角技術(shù)。下面將介紹兩種常用的窄視角技術(shù)：遮光型防窺膜、視角補(bǔ)償膜。

遮光型防窺膜是能夠?qū)崿F(xiàn)窄視角顯示的一種光學(xué)結(jié)構(gòu)。2021 年，陳霞等提出了一種二維防窺膜，如果將該防窺膜貼合顯示器表面，則可以實(shí)現(xiàn)不同方位角下的窄視角控制技術(shù)［95］。該防窺膜在一維超細(xì)百葉窗的基礎(chǔ)上，使用了橫縱交替的二維遮光矩陣，其結(jié)構(gòu)在圖11 中展示。在水平方向上，光線僅能從兩個(gè)遮光區(qū)域的間隙透過，所以存在水平可視區(qū)和不可視區(qū)。類似地，在豎直方向上，光線也僅能從兩個(gè)遮光區(qū)域的間隙透過，所以存在豎直可視區(qū)和不可視區(qū)。當(dāng)遮光區(qū)域在平面內(nèi)交替出現(xiàn)時(shí)，從LCD 出射的光線只能在一個(gè)較小的視角范圍內(nèi)被觀看到，因此顯示器就實(shí)現(xiàn)了窄視角特性。遮光型防窺膜的優(yōu)點(diǎn)為獨(dú)立性強(qiáng)、適用性廣，但是防窺膜的遮光區(qū)域會(huì)損失一定的透光率。

圖11 具有窄視角特性的二維防窺膜［95］Fig.11 Two-dimensional anti-peep film for narrow viewing angle［95］

除了遮光型防窺膜之外，視角補(bǔ)償膜也是實(shí)現(xiàn)窄視角顯示的重要技術(shù)方法［96-97］。2016 年，孫玉寶教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于+a/-c/-a 補(bǔ)償膜的窄視角藍(lán)相LCD［98］，相關(guān)成果如圖12 所示。該LCD 具有凸起型電極結(jié)構(gòu)，所以在水平方向上形成了周期性的透光率分布。在液晶盒兩側(cè)添加+a 與-c/-a 補(bǔ)償膜后，傾斜視角下將出現(xiàn)不同程度的暗態(tài)漏光，且暗態(tài)漏光程度與視角正相關(guān)。研究結(jié)果表明，該LCD 具有良好的窄視角特性，且具有均勻的對比度分布。當(dāng)視角大于30°時(shí)，對比度低于10∶1，畫面信息不可讀；30°視角范圍內(nèi)的對比度高于10∶1，畫面信息基本可讀；10°視角范圍內(nèi)的對比度高于1 000∶1，畫面質(zhì)量較好。需要注意的是，視角補(bǔ)償膜通常與偏光片復(fù)合在一起形成補(bǔ)償型偏光片，所以該LCD 只能在窄視角顯示場景中使用，例如銀行自動(dòng)柜員機(jī)、密碼器、保密計(jì)算機(jī)等顯示領(lǐng)域。

圖12 基于+a/-c/-a 補(bǔ)償膜的窄視角藍(lán)相LCD［98］Fig.12 Narrow viewing angle blue-phase LCD based on +a/-c/-a compensation film［98］

3.2 指定視角技術(shù)

窄視角技術(shù)通常能夠保證正視下或較小視角內(nèi)的圖像質(zhì)量，但是在一些特殊的應(yīng)用場景中，需要讓LCD 在某個(gè)特定的視角下具有最佳的圖像質(zhì)量。例如，在航空顯示或車載顯示領(lǐng)域，應(yīng)當(dāng)保證駕駛員所在的位置具有最佳的圖像質(zhì)量，但是又要兼顧顯示器的預(yù)留位置，此時(shí)就需要指定視角技術(shù)［99］。

一般地，指定視角技術(shù)大多是通過視角偏轉(zhuǎn)光學(xué)薄膜來實(shí)現(xiàn)的［100-101］。2021 年，呂國強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)提出了一種三棱柱形狀的視角偏轉(zhuǎn)膜［102］，其中有機(jī)基底的厚度為190 μm，三棱柱的周期為～25 μm，高為～15 μm，相關(guān)結(jié)果在圖13 中展示。測試結(jié)果表明，在添加視角偏轉(zhuǎn)膜前后，LCD 的最佳視角發(fā)生了偏移，亮度峰值由0°視角偏轉(zhuǎn)到-16°視角，且偏轉(zhuǎn)后視角曲線未發(fā)生明顯失真。視角偏轉(zhuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)可以加工成膜后貼合在顯示器表面，所以它的優(yōu)點(diǎn)為獨(dú)立性強(qiáng)、適用性廣。但是，視角偏轉(zhuǎn)膜會(huì)損失一定透光率，且偏轉(zhuǎn)角度一旦確定就不可再次調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合客戶的具體視角需求，來定制合適的視角偏轉(zhuǎn)膜。

圖13 基于視角偏轉(zhuǎn)膜的指定視角技術(shù)［102］Fig.13 Specified viewing angle control technology based on viewing angle deflection film［102］

3.3 視角可控技術(shù)

除了窄視角和指定視角的需求之外，部分消費(fèi)者還需要讓LCD 同時(shí)具備寬、窄兩種視角特性［103-104］。例如，某些時(shí)候需要讓平板電腦或手機(jī)處于寬視角模式，以便與他人在不同視角下共同分享畫面信息；而某些時(shí)候需要讓其處于窄視角模式，以保護(hù)畫面信息的私密性。為了滿足不同場景下的使用需求，需要讓LCD在寬視角與窄視角之間自由切換，實(shí)現(xiàn)對視角的動(dòng)態(tài)控制。在此背景下，研究人員提出了一些能夠控制LCD 視角的方法，例如雙像素結(jié)構(gòu)、雙盒結(jié)構(gòu)、偏壓電極法等。

雙像素結(jié)構(gòu)是將子像素再分成主像素和副像素，其中占據(jù)較大面積的主像素用于顯示畫面，占據(jù)較小面積的副像素用于控制視角［105-106］。2010 年，LEE S H 與WU S T 教授團(tuán)隊(duì)提出了一種視角可控的雙像素結(jié)構(gòu)，其中主像素采用叉指型電極結(jié)構(gòu)，副像素采用上下電極結(jié)構(gòu)，液晶盒中填充聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶［107］，相關(guān)結(jié)果在圖14 中展示。研究表明，僅當(dāng)主像素工作時(shí)，該LCD 具有寬視角特性，此時(shí)50°視角下僅存在較小的色彩偏移，40°視角內(nèi)具有良好的畫面質(zhì)量。為副像素施加一定的電壓后，會(huì)誘導(dǎo)出一定程度的暗態(tài)漏光，此時(shí)LCD 在較窄的視角內(nèi)仍具有良好的畫面質(zhì)量，但40°視角之外的區(qū)域不再可讀。這種方法適用于多種顯示模式，且無須額外的光學(xué)結(jié)構(gòu)，但是雙像素結(jié)構(gòu)需要設(shè)計(jì)雙TFT 驅(qū)動(dòng)電路來分別驅(qū)動(dòng)主像素和副像素。

圖14 基于雙像素結(jié)構(gòu)的視角可控LCD［107］Fig.14 Viewing angle controllable technology based on dual-pixel structure［107］

雙盒結(jié)構(gòu)是在現(xiàn)有的LCD 中疊加新的液晶盒，其中原有的液晶盒用于顯示畫面，新添加的液晶盒用于控制視角。2009 年，KIM J C 教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于賓主型液晶盒的雙盒液晶結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)對LCD 視角的控制［108］，如圖15（a）～（c）所示。未施加電壓時(shí)，賓主型液晶盒中的二色性染料將吸收沿著吸光軸方向的偏振光，此時(shí)LCD 處于窄視角模式。為賓主型液晶盒施加合適的電壓后，二色性染料的吸光軸與周圍的液晶分子均趨于電場方向排列，染料對光的吸收作用最弱且?guī)缀醪粎^(qū)分方向，此時(shí)LCD 切換為寬視角模式。2019 年，LEE J H 教授團(tuán)隊(duì)對該設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的二色性染料液晶盒后，中等灰階下水平視角的可控范圍為30°左右［109］，如圖15（d）～（f）所示。類似地，向LCD 中添加向列相液晶盒、藍(lán)相液晶盒、聚合物液晶盒所形成的雙盒結(jié)構(gòu)，均能構(gòu)成視角可控的LCD［110-113］。需要注意的是，這種方法的缺點(diǎn)是增加LCD 的整體厚度、損失透光率，需要兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路。

圖15 基于雙盒結(jié)構(gòu)的視角可控技術(shù)［108-109］Fig.15 Viewing angle controllable technology based on dual-cell structure［108-109］

電極偏壓法是在原有的液晶盒中引入公共電極，通過控制公共電極的偏置電壓，來調(diào)節(jié)LCD 的暗態(tài)漏光程度，從而實(shí)現(xiàn)對視角的控制［114］。2013 年，王瓊?cè)A教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于偏壓電極法的視角連續(xù)可控技術(shù)，所提出的液晶盒中設(shè)計(jì)了上公共電極［115］，相關(guān)成果如圖16 所示。當(dāng)上公共電極無偏置電壓時(shí)，該LCD 處于寬視角模式，此時(shí)60°視角內(nèi)的對比度均高于10∶1，20°視角內(nèi)的對比度高于1 000∶1。為上公共電極施加合適的偏置電壓后，該LCD 切換為窄視角模式。結(jié)果顯示，在窄視角模式下，對比度高于10∶1 的范圍縮小至40°視角內(nèi)。通過調(diào)整偏置電壓，還可以擴(kuò)大或縮小窄視角所在的范圍。類似地，通過向VA、FFS等多種顯示模式中添加公共電極，并適當(dāng)調(diào)節(jié)公共電極上的偏置電壓，均能實(shí)現(xiàn)對視角的控制［116-120］。雙像素結(jié)構(gòu)、雙盒結(jié)構(gòu)、偏壓電極法均能實(shí)現(xiàn)視角切換功能，也都無需特殊的視角控制膜或光學(xué)補(bǔ)償膜。但是，它們存在以下共性問題：損失一定的透光率，需要重新設(shè)計(jì)和加工電極結(jié)構(gòu)，需要增加驅(qū)動(dòng)電路。

圖16 基于電極偏壓法的視角可控LCD［115］Fig.16 Viewing angle controllable technology based on electrode bias method［115］

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了LCD 的視角相關(guān)性能和視角控制技術(shù)的研究進(jìn)展。首先，介紹了LCD 的基本結(jié)構(gòu)和顯示原理，闡述了四種常見的液晶顯示模式，包括TN、VA、IPS、FFS 顯示模式。其后，介紹了幾種與視角相關(guān)的性能參數(shù)，包括亮度、對比度、灰階與色彩、色域。針對這些性能參數(shù)，綜述了幾種有代表性的改善方法，并分析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，歸納了幾種特殊的視角控制技術(shù)，包括窄視角、指定視角、視角可控等技術(shù)。限于篇幅，不能詳盡敘述各種視角相關(guān)性能的研究工作，因此只對部分有代表性的研究進(jìn)行了綜述。

事實(shí)上，LCD 的性能參數(shù)較多，其中部分性能參數(shù)還具有聯(lián)動(dòng)性，它們之間相互影響，甚至可能存在制約關(guān)系。在市場競爭的驅(qū)動(dòng)下，消費(fèi)者越來越重視顯示器的綜合性能，所以不能單純地為了提升某個(gè)性能參數(shù)，而犧牲其他的性能參數(shù)。在此背景下，如何實(shí)現(xiàn)“多參數(shù)聯(lián)動(dòng)優(yōu)化”成為改善LCD 性能的重要任務(wù)，這也給未來的研究工作提出了巨大的挑戰(zhàn)。此外，相關(guān)研究人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體需求，充分評(píng)估不同技術(shù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的技術(shù)方案來解決LCD 的瓶頸問題。

目前，顯示技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢。由于不同的顯示技術(shù)適合于不同的應(yīng)用場景，所以未來一段時(shí)間將繼續(xù)保持多種顯示技術(shù)并存的狀態(tài)。LCD 是能滿足大中小尺寸顯示需求的重要顯示技術(shù)，基于Mini LED 背光和區(qū)域調(diào)光的LCD 具有百萬級(jí)的動(dòng)態(tài)對比度、2 000 nits 的峰值亮度、超高的色域等優(yōu)點(diǎn)，整體顯示性能優(yōu)越，它也在2021 年迎來了規(guī)模化商用顯示的元年，是未來重要的液晶顯示技術(shù)。本文介紹的部分技術(shù)方法可以在Mini LED LCD 上得到應(yīng)用，以進(jìn)一步提升其視角相關(guān)性能。