光电工程师社区

标题: 反射式及半穿透彩色STN LCD [打印本页]

作者: coatingli 时间: 2003-3-17 01:22
标题: 反射式及半穿透彩色STN LCD
反射式显示器与穿透式显示器相比，乃是依赖自然（外来）光源达到显示效果，因此可减少消耗大量功率的背光源的使用，因此非常适合应用在可携式产品上。一般穿透式之显示器在室外及强光下，影像会被「wash out」导致对比度降低，然而反射式显示器在户外及强光下反而会呈现出更佳的效果及对比。但反射式之显示器有其先天之困难，主要是较难在高解析度(resolution)下达到高对比及高彩色品质之影像。有些反射式之显示器在技术特性上就达不到上述之要求，尤其是全彩化之要求。市面上有各式各样之反射式技术如ECB、STN (双偏光片及单偏光片系统)、BTN、TFT、HR-TFT、OCB及Heilmeier type GH、PCGH、PDLC (GH)、PSCH。这些技术其对比大约介于5 ～15，但其颜色差异性大，介于4～260,000色之间。

用于携带式产品如手机及PDA等所需之主要诉求是低电压及省电。虽然部份市面上TFT产品少数宣称可达此需求，然而绝大部份之反射式TFT技术其耗电量仍远大于STN。因而对于不需要动画之携带式显示器如PDA及手机等，以STN LCD最能符合省电及经济效益之需求。反射式之STN显示器可搭配前光源以提供外在光源微弱时所需之亮度，而半透式之STN显示器则可利用背光系统辅助环境光源之不足。当环境光源充足时，反射式或半穿透式两者都不需用到内建光源(frontlight and backlight)而达到省电的效果。

单偏光片系统彩色LCD

近来应用于可携式产品上所谓“反射式彩色LCD”与传统的反射式LCD在显示模型上并不相同。在此所指的“反射式”是针对单偏光片模式而言，而传统的反射式LCD则是单纯地贴附一片反射膜于LCD的下偏光片之下，如图一左。

在此种结构中，反射率的消耗主要来自于入射光共经过偏光片四次，致使利用到的反射光约只剩两成。倘若欲加入彩色滤光片使之彩色化，则面临了二个重大的问题：

(1)反射率骤降：如图一右，将LCD面板一如传统般贴附反射膜于其下，并将Color Filter的损耗计算在内(光进出反射式Color Filter约被吸收六至七成)，则反射率约只剩8%，将使其在一般环境下无法呈现足够的明亮度。

(2)视差问题(Parallax)：对反射式LCD的下玻璃基板而言，斜向的入射光在其上下二个界面的反射光光径不一，导致显示的影像在有视角的情形下会出现重影现象，此即视差。对于彩色显示器而言，视差除了造成影像重叠，也会让Color Filter的混色不良，使得达不到高显示品质的要求。

为了解决上述的二个问题，一般采取如下图二的结构设计。在这个结构中，将反射层从面板外部移入下玻璃基板之上，藉由内反射的方式(入射光不经由下玻璃基板的下界面反射)来解决视差问题；另外，外部光源经由入射到出射只经过上偏光片两次，有效减低入射光的被吸收率而增加反射率。因此种结构在反射模式下只使用了单片偏光片(上片)因而称之为单偏光片系统(single polarizer system)。
使用单偏光片模式的反射式彩色STN-LCD，在光学上会面临较为复杂的相位补偿问题。考虑图三a的光学系统，当光经过偏光片-1/4波片-反射板-1/4波片后，偏振状态恰好转了90度而被完全吸收。倘若能让LC cell之光学特性等价于1/4波片，如图三b，经由上述的讨论，此一LC Cell即可在单偏光片模式下如同传统二片偏光片的Normally Black 模式般运作。但是要将一STN cell的相位延迟量做成等价于1/4波片，在制程上相当困难，较可行的方法是在其上贴附光学补偿膜来达到这个目的。
光学膜匹配

通常选择用来匹配反射式STN-LCD的光学膜有二类，一为位相差板，一为LCP Film。根据相关研究文献上[1][2]的理论计算，要使一般的STN cell等价于1/4波片，必须用到至少二片的位相差板。然而每片位相差板有二个参数(Δnd，φ)，再加上偏光片吸收轴角度，以及STN cell的Δnd值，总共有六个参数必须调整，如下表一。因牵涉到太多的变数，最好藉助光学模计算出来的参数可确保STN Cell在未驱动时有够暗的暗态，但这样并不保证能有高对比，还得让驱动时的STN Cell也有最佳的亮态。也就是说，在参数最佳化的过程中必须将驱动条件(Duty, Bias)也考虑进去，因其会影响液晶Cell残留的倾斜角、扭转角，进而直接影响液晶Cell残留的相位延迟量。

LCP Film由LC Polymer做成，是一具有twist结构的特殊位相差膜，其扭转方向与扭转角度可做适当调整，甚至有温度补偿的功能。将其应用在反射式STN-LCD上较二层位相差板容易的多。选择的LCP Film必须对LC Cell的Δnd值有补偿作用，且二者的相位延迟量总和须等价于1/4波片。其次要决定的是STN Film的twist角度，LC Cell在驱动时的扭转角并不会因电场的存在而完全消失，会有小角度残留，残留量依驱动条件而异。因此以240度的STN Cell来说，STN Film的最佳twist角度必须扣除此残余角度来确保在on-state时有较佳的亮度。
为了改进反射式LCD在暗环境下无法辨识的缺点，进而发展出半穿透反射模式LCD。在半透模式时必须使用到背光系统，也就是必须找出下光学膜的条件供穿透模式时使用。这个部份相较之下比较简单，只要能制造出圆偏极光即可。

反射板及半穿透反射板

反射式及半透式显示器对于外来光之利用率乃取决于反射板之设计及材料之选择。一般使用的反射层材料有Al、Ag及其合金…等等，其中Al因在可见光波长范围内有较均匀的反射率(趋于白光)，并有成本低的优点，因此最常被用做反射层之材料，但其光利用率不高，就算以多层膜技术补强也很难达到90%以上。而Ag合金则具有高反射率(90%)的特点。

反射式显示器其反射板乃是一个全反射的反射板，显示器通常会搭配一前光(frontlight)。在光线不足的情况下利用前光源达到照明补强之效果。不过前光源的技术除了不成熟还有先天上的缺点，故发展出半穿透式之显示器，其反射板特性乃是环境光源入射后会部分穿透、部分反射，故可利用背光系统(backlight)来加强环境光微弱时显示器所需之亮度。由于LCD面板往往需要较高的反射来达到高品质的要求，因而设计时常会先以提升面板反射率为主而穿透部分则在背光系统上用增亮膜来补强。反射与穿透的比例，可由反射金属膜的膜厚加以控制，但主要考虑的应是被吸收部分，约占10%，此部分将被浪费掉。故有些反射板就被设计成在全反射板上打pinhole来达成半透效果(图四)，这样可确保低吸收率的要求。
对于反射板之基本结构方面可以分为两种: 一为Specular type reflector，光线在其表面之反射乃根据反射定律。另一种为Lambertian type reflector，其表面类似一张纸会把光散射至各角度以增加视角。对于反射板除了要有高的光效率及optical gain外还有两个主要之要求: 一.为必须使反射之影像与表面之眩光(glare)分开以免降低对比。二.为必须有较广之视角。以上之需求可靠含特殊结构，如bump结构之反射板来达成[3][4] [5]。

目前日本各大厂如Sharp、Seiko Epson…等，均投入相当之人力物力于半穿透反射式color STN，以期能开发出全彩省电及符合动画需求之STN-LCD。

作者: lasercan 时间: 2015-7-17 05:32
承诺越多，结局谎言就会显的越多。

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)