李文娟，郭玉強(qiáng)，馬紅梅,3，孫玉寶,3*

(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.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;3.河北工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理系，天津 300401)

1 引 言

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，AR)頭戴顯示器(Head Mounted Display，HMD)代表了視覺和交互應(yīng)用的下一前沿[1-2]。硅上液晶器件(Liquid Crystal on Silicon，LCoS)因其具有高分辨率、低功耗、質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、低成本等優(yōu)點(diǎn)[3-8]，用于VR/AR HMD中的顯示模塊，這也是液晶顯示器的重要發(fā)展領(lǐng)域[9-12]。而垂直排列(Vertical Alignment，VA)在所有的LCoS顯示模式中表現(xiàn)出較高的對比度和更優(yōu)異的性能[10,13-16]，所以它的應(yīng)用也更為廣泛。

VA模式通常采用介電各向異性為負(fù)的液晶材料，在偏光片與液晶的共同作用下，關(guān)態(tài)(不施加電壓)為常黑模式。但是，由于邊緣場效應(yīng)[17]，開態(tài)(施加電壓)時(shí)像素內(nèi)存在暗區(qū)，這會(huì)影響VA-LCoS器件的整體反射率，進(jìn)而影響器件的整體亮度。前期的研究中，Wu課題組[18]用二維光學(xué)模型、Iwamoto等人[19]用圓偏振片加多疇垂直向列相液晶模式，均能減小亮態(tài)像素內(nèi)的黑色區(qū)域。此外，李丹等人[20]用圓偏振入射光代替線偏振入射光的結(jié)論是邊緣場效應(yīng)導(dǎo)致的亮態(tài)像素內(nèi)的黑色區(qū)域縮小，但是黑色區(qū)域的交點(diǎn)不能徹底消除。為了消除VA-LCoS器件亮態(tài)像素內(nèi)的黑色區(qū)域，進(jìn)一步提升VA-LCoS器件的電光性能，本文展開了研究。

本文建立了VA-LCoS器件的三維模型，使用TechWiz LCD 3D商用軟件對該模型進(jìn)行研究。分別用線偏振光和圓偏振光作為入射光，研究不同的液晶分子預(yù)傾角、不同的液晶盒厚度和不同的入射光波長對VA-LCoS器件的反射率的影響。通過對液晶分子預(yù)傾角、液晶盒厚度和入射光波長的合理選取，得到最大反射率，改善了VA-LCoS器件的光學(xué)性能，從而達(dá)到優(yōu)化VA-LCoS器件的目的。

2 模型及原理

通常LCoS器件的像素尺寸約為7～20 μm[21]，本文保持像素尺寸大小為10 μm，研究和優(yōu)化液晶盒部分的參數(shù)。圖1展示了VA-LCoS器件的剖面結(jié)構(gòu)圖，像素尺寸大小為10 μm×10 μm，像素間隙為0.5 μm，上下玻璃基板上涂有聚酰亞胺(PI)層[22-23]，基板表面處液晶分子的預(yù)傾角為88°，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0°。本模擬采用高阻率液晶材料，液晶的材料參數(shù)設(shè)置為：雙折射率Δn=0.096 6(@550 nm)，介電各向異性Δε為-3.1(@1 kHz)。

圖1 VA-LCoS模型的剖面圖Fig.1 Cross-section profile of VA-LCoS

對于垂直排列液晶器件，不加電壓時(shí)液晶顯示器有很好的暗態(tài)，為常黑模式[5]。對于透射型的液晶顯示器，當(dāng)Δnd約為λ/2時(shí)，顯示器的相位延遲可達(dá)1π，透過率可達(dá)100%。本文建立的VA-LCoS模型為反射式液晶顯示器[24-25]，要想得到100%的反射率，就要求Δnd約為λ/4。首先在人眼敏感的綠光(550 nm)波長附近條件下研究了VA-LCoS器件的光學(xué)性能，VA-LCoS器件的盒厚分別為1.4，1.6，1.8，2.0 μm。研究了不同波長的入射光對反射率的影響。

在理論方面，反射率為出射光的光強(qiáng)與入射光的光強(qiáng)之比[20]：

(1)

其中，Epo和Eso分別為出射光光強(qiáng)的平行方向的分量和垂直方向的分量，它們滿足如下關(guān)系：

(2)

其中，θ為液晶分子的傾角，φ為液晶分子的扭曲角度，Δφ為相位延遲，Epi和Esi分別為入射光光強(qiáng)的平行方向分量和垂直方向的分量，Po和Pi分別為圓偏振的起偏器和檢偏器的傳輸矩陣，M(θ，φ，Δφ)和M(-θ，φ，-Δφ)分別為液晶盒的透射傳輸矩陣和反射傳輸矩陣。線偏振光入射時(shí)，偏振分光棱鏡既作為起偏器又作為檢偏器，而圓偏振光入射是通過線偏振片加1/4波片來實(shí)現(xiàn)的，圓偏振檢偏器Po和起偏器Pi的矩陣表達(dá)式為：

(3)

(4)

后文的電光性能即在上述的理論基礎(chǔ)上計(jì)算而來。其中，VA-LCoS器件的液晶分子的預(yù)傾角、盒厚、入射光的偏振態(tài)和波長等參數(shù)會(huì)被調(diào)節(jié)。

3 結(jié)果與討論

理論上，VA-LCoS器件的盒厚d約為λ/(4Δn)，為了更加精確地研究VA-LCoS器件的光學(xué)性能，我們對盒厚分別為1.4，1.6,1.8,2.0 μm的VA-LCoS器件進(jìn)行了研究。圖2(a)給出了不同液晶盒厚條件下線偏振光和圓偏振光入射的VA-LCoS器件的反射率隨電壓變化的曲線，盒厚為1.8 μm時(shí)不同電壓下線偏振光和圓偏振光入射的VA-LCoS器件的模擬結(jié)果如圖2(b)和2(c)所示。為了更好地對VA-LCoS器件的光學(xué)性能進(jìn)行對比，后文中的電光性能均采用歸一化R-V曲線來表示。

根據(jù)圖2(a)結(jié)果顯示：無論入射光是線偏振光還是圓偏振光，改變液晶盒厚均對VA-LCoS器件的R-V曲線有一定影響，所以研究人員可以從改變液晶盒厚方面對VA-LCoS器件的反射率進(jìn)行微調(diào)。本文條件下，對于入射光為線偏振光，盒厚為1.8 μm的反射率最高。對于入射光為圓偏振光，在電壓小于14 V時(shí)，盒厚為1.8 μm有最高的反射率；在電壓大于14 V時(shí)，盒厚為1.6 μm有最好的反射率。

通過對比圖2中的(b)與(c)可知：對于同一液晶盒厚，圓偏振光入射的VA-LCoS器件的反射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線偏振光入射的反射率。采用圓偏振光入射可以顯著降低亮態(tài)像素中的黑色區(qū)域，甚至消除亮態(tài)像素中的黑色區(qū)域。結(jié)果表明，液晶盒厚為1.4;1.6;1.8,2.0 μm時(shí)，圓偏振光入射的反射率分別是線偏振光入射的1.74倍、1.71倍、1.66倍和1.64倍。

圖2 (a)不同液晶盒厚下線偏振光和圓偏振光入射的VA-LCoS器件的R-V曲線;(b)不同電壓下線偏振光入射的VA-LCoS器件的模擬結(jié)果；(c)不同電壓下圓偏振光入射VA-LCoS器件的的模擬結(jié)果。Fig.2 (a)Simulated R-V curves of VA-LCoS with different gaps of liquid crystal cell using linearly polarized light and circle polarized light as incident light；(b)Simulation results of VA-LCoS with different voltages using linearly polarized light as incident light；(c)Simulation results of VA-LCoS with different voltages using circle polarized light as incident light.

從電場分布上來看，可以得到更清晰的解釋。VA-LCoS器件在外電場驅(qū)動(dòng)下的液晶分子取向分布如圖3所示。圖3(a)為XY面的液晶分子取向分布，圖3(b)為XZ面的液晶分子取向分布。當(dāng)線偏振光入射時(shí)，亮態(tài)像素中會(huì)出現(xiàn)黑色區(qū)域，如圖2(b)所示。該黑色區(qū)域是由邊緣場效應(yīng)引起的，對于采用了負(fù)性液晶的垂直排列液晶器件，在未施加外界電壓時(shí)，液晶分子均垂直于玻璃基板排列，無論是線偏振光入射還是圓偏振光入射，反射光線均不能通過檢偏器，整個(gè)像素為暗態(tài)，如圖2中的(b)與(c)的0 V 時(shí)的模擬結(jié)果。當(dāng)施加外界電壓比較小時(shí)，液晶分子會(huì)向著垂直于電場線方向旋轉(zhuǎn)卻未達(dá)到平行于玻璃基板方向，如圖2(b)和(c)中3～6 V的模擬結(jié)果。當(dāng)繼續(xù)增加電壓達(dá)到飽和電壓，除上下基板表面處液晶分子外，其他層的液晶分子的指向式基本上平行于玻璃基板排列，如圖3(b)所示，模擬效果如圖2中的(b)與(c)的15 V所示。現(xiàn)以中間層的液晶分子為例，當(dāng)中央像素施加飽和電壓，該層的液晶分子從垂直于玻璃基板排列扭轉(zhuǎn)到平行于玻璃基板排列，由于中央像素施加電壓，周圍相鄰像素不加電壓，電場線成圓形，負(fù)性液晶分子垂直于電場線分布，在XY面內(nèi)成輻射狀態(tài)分布，如圖3(a)所示。

圖3 (a)XY平面和(b)XZ平面的液晶分子取向和電場強(qiáng)度分布圖Fig.3 LC director distribution and electric field intensity distribution in (a)XY plan and (b)XZ plan

在飽和電壓下，液晶分子平行于基板排列。在線偏振光入射時(shí)，偏振分光棱鏡既作為起偏器又作為檢偏器，出射光只有平行于偏振分光棱鏡的方向才能通過檢偏器，而垂直于偏振分光棱鏡方向的出射光，不能通過檢偏器。對于采用負(fù)性液晶材料的反射型的VA-LCoS器件來說，在飽和電壓下在XY面內(nèi)，當(dāng)液晶分子的方位角度與偏振分光棱鏡的起偏角度之間的夾角為45°時(shí)，線偏振光能通過檢偏器，該區(qū)域?yàn)榱翍B(tài)，而當(dāng)液晶分子的方位角度與偏振分光棱鏡的起偏角度之間的夾角為0°和90°時(shí)，線偏振光不能通過檢偏器，該區(qū)域?yàn)榘祽B(tài)；在圓偏振光入射時(shí)，通過線偏振片加1/4波片來實(shí)現(xiàn)圓偏振光，在飽和電壓下在XY面內(nèi)，圓偏振光不受液晶分子方位角度的約束，在每個(gè)方向均有分量，且經(jīng)反射后再經(jīng)1/4波片射出，在平行于檢偏器方向均有分量，因此不出現(xiàn)黑色區(qū)域，整個(gè)像素內(nèi)均為亮態(tài)，這大幅提升了VA-LCoS器件的反射率和開口率，提升了VA-LCoS器件的光學(xué)性能。

對于不同的液晶分子的預(yù)傾角，當(dāng)給像素施加外界電壓后，像素內(nèi)的白色區(qū)域和黑色區(qū)域分布不同，這將影響VA-LCoS器件的電光性能，圖4給出了入射光分別為線偏振和圓偏振的VA-LCoS器件在不同預(yù)傾角下的反射率隨電壓變化的曲線。對于入射光為線偏振的VA-LCoS器件，其反射率受液晶分子預(yù)傾角大小的影響，液晶分子的預(yù)傾角越接近90°，VA-LCoS器件的反射率越大，反之越小。為了更直觀地觀察液晶分子預(yù)傾角變化對VA-LCoS器件反射率的影響，圖4(b)給出了入射光為線偏振的VA-LCoS器件在不同傾角下的亮態(tài)像素的模擬結(jié)果。紅色圓圈標(biāo)注了亮態(tài)像素內(nèi)4個(gè)黑色區(qū)域的交點(diǎn)，結(jié)果表明，液晶分子預(yù)傾角越接近90°，交點(diǎn)就越靠近像素的中心，且每個(gè)像素內(nèi)的黑色區(qū)域就越小，即像素內(nèi)的白色區(qū)域就越大，整個(gè)像素的反射率增大，進(jìn)而提高了VA-LCoS器件的整體亮度。對于入射光為圓偏振的VA-LCoS器件來說，反射率幾乎不受液晶分子預(yù)傾角的影響。

圖4 (a)不同預(yù)傾角下線偏振光和圓偏振光入射的VA-LCoS器件的R-V曲線;(b)不同傾角下線偏振光入射的VA-LCoS器件的模擬結(jié)果。Fig.4 (a)Simulated R-V curves of VA-LCoS with different pretilt angles using linearly polarized light and circle polarized light as incident light;(b)Simulation results of VA-LCoS with different pretilt angles using linearly polarized light.

入射光的波長對VA-LCoS器件的電光性能存在影響，圖5展示了紅、綠、藍(lán)三波長下的R-V曲線。從圖中的結(jié)果可以看出：無論入射光是線偏振光還是圓偏振光，對于紅光(λ紅光=650 nm)，反射率隨著盒厚的增大而增大；對于綠光(λ綠光=550 nm)，反射率隨盒厚變化比較?。粚τ谒{(lán)光(λ藍(lán)光=450 nm)，反射率會(huì)隨著液晶盒厚的增大反而減小。通過對比圖5中的(a)、(b)和(c)可知，在不同波長下，圓偏振光入射時(shí)的反射率遠(yuǎn)大于線偏振光入射時(shí)的反射率。這說明，使用圓偏振光入射可以提高顯示器的對比度和亮度，進(jìn)而可以改善VA-LCoS器件的光學(xué)性能。

圖5 不同波長的線偏振光和圓偏振光入射的VA-LCoS器件的R-V曲線Fig.5 Simulated R-V curves of VA-LCoS with different wavelength using linearly polarized light and circle polarized light as incident light,respectively.

4 結(jié) 論

本文對用圓偏振光和線偏振光入射的VA-LCoS器件進(jìn)行了對比研究，研究了預(yù)傾角、液晶盒厚、入射光波長等情況對VA-LCoS器件反射率的影響，旨在提升其電光性能。結(jié)果表明，圓偏振光入射能徹底消除亮態(tài)像素內(nèi)黑色區(qū)域；液晶分子預(yù)傾角影響線偏振光入射VA-LCoS器件的反射率；改變盒厚可對VA-LCoS器件的反射率進(jìn)行微調(diào)。本文條件下，1.6 μm盒厚的VA-LCoS器件在圓偏振光入射時(shí)有最大的反射率。在小的電壓范圍(≤6 V)，用圓偏振光代替線偏振光入射，邊緣場導(dǎo)致的開(亮)態(tài)像素內(nèi)的黑色區(qū)域被顯著縮小，僅剩下黑線的交點(diǎn)。并且隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，該黑線交點(diǎn)會(huì)逐漸減小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓大于7 V，黑線交點(diǎn)徹底消失。與線偏振入射光相比，徹底消除了亮態(tài)像素內(nèi)由邊緣場引起的黑色區(qū)域，提高了光的利用率，提升了VA-LCoS器件的亮度，增大了顯示屏的開口率，提高了顯示器的對比度?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要，通過選取合適的參數(shù)，使VA-LCoS器件反射率達(dá)到最大，從而提升硅上液晶微顯示器的光學(xué)特性，最后達(dá)到優(yōu)化VA-LCoS器件電光性能的目的，為實(shí)際生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)提供了指導(dǎo)。