CN103235449A - 反射型硅基液晶显示装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种反射型硅基液晶显示装置及方法，包括：光源；偏振分光棱镜，所述光源发射的光经过所述偏振分光棱镜并变换为S光；以及LCOS屏，所述S光通过所述LCOS屏变换为P光，所述P光透射所述偏振分光棱镜Δnd为[0.22，0.28]微米；夹角α为[15,25]度；扭曲角度φ为[85,100]度。采用上述装置及方法，能够获得较大的图像对比度，较佳的图像显示效果。

Description

反射型硅基液晶显示装置和方法

技术领域

本发明涉及液晶显示技术，特别是涉及一种反射型硅基液晶显示装置和方法。

背景技术

LCOS全称Liquid Crystal On Silicon，是LCD与CMOS集成电路有机结合的反射型新型显示技术。LCOS微型显技术是一种以单晶硅片为基底、运用集成电路光刻技术来实现高显示分辨率的新型反射式液晶显示技术，LCOS微型显示器是集成电路和LCD制造工艺技术发展到相对成熟阶段相结合而诞生，因此具备小尺寸、高分辨率、高开口率、低功耗、低成本等特点。LCOS微显的最大优势在于它们有能力提供近乎完美的图像，即便显示屏对角线在0.5英寸(13mm)以下，也能完成VGA（640×480）分辨率的彩色视频显示。

基本结构是利用半导体集成电路工艺技术在单晶硅上制造控制驱动面板，然后在晶体管上透过研磨技术整平，并在上面镀铝膜电极作为反射镜，形成CMOS有源点阵基板，然后将CMOS基板与含有ITO透明电极之上玻璃基板贴合，再注入液晶，进行封装。

基于LCOS技术的显示装置，例如反射型硅基液晶显示装置是目前主流的显示装置之一。随着人们对显示装置的显示质量的要求越来越高，例如提高对比度等技术难题，目前也是亟待解决的技术困难。

发明内容

基于此，有必要针对传统的反射型硅基液晶显示装置的显示效果较低的技术困难，提供一种提高显示对比度的反射型硅基液晶显示装置。

此外，还有必要提供一种提高显示对比度的反射型硅基液晶显示方法。

一种反射型硅基液晶显示装置，包括：光源；偏振分光棱镜，所述光源发射的光经过所述偏振分光棱镜并变换为S光；以及LCOS屏，所述S光通过所述LCOS屏变换为P光，所述P光透射所述偏振分光棱镜进入人眼；所述LCOS屏包括：相对设置的玻璃基板、硅基板，在所述玻璃基板与所述硅基板之间依次设有第一取向层、液晶夹层、第二取向层；所述偏振光S的偏振方向为A，所述第一取向层的摩擦方向为B，所述第二取向层的摩擦方向为C，所述偏振方向A与所述第一取向层摩擦方向B的夹角为α，所述第一取向层摩擦方向B与所述第二取向层摩擦方向C夹角为扭曲角度φ，所述液晶夹层的厚度为d，所述液晶夹层内的液晶双折射率为Δn，液晶层延迟量Δnd为所述液晶双折射率Δn与所述液晶夹层的厚度d的乘积；所述Δnd为[0.22，0.28]微米；所述夹角α为[15,25]度；所述扭曲角度φ为[85,100]度。

在其中一个实施例中，所述Δnd为0.26微米；所述夹角α为20度；所述扭曲角度φ为95度。

在其中一个实施例中，所述LCOS屏还包括设置在所述玻璃基板与第一取向层之间的ITO电极层。

在其中一个实施例中，所述LCOS屏还包括设置在第二取向层与所述硅基板之间的铝反射层。

一种反射型硅基液晶显示方法，包括：光源产生并发射光；所述光经过偏振分光棱镜变换为S光；通过调节LCOS屏内的液晶层延迟量Δnd、夹角α和扭曲角度φ，所述S光经过LCOS屏变换为P光，并透射所述偏振分光棱镜；所述Δnd为[0.22，0.28]微米；所述夹角α为[15,25]度；所述扭曲角度φ为[85,100]度；液晶层延迟量Δnd为液晶双折射率Δn与液晶夹层的厚度d的乘积，其中液晶夹层的厚度为d，液晶夹层内的液晶双折射率为Δn；扭曲角度φ为第一取向层摩擦方向B与第二取向层摩擦方向C的夹角；夹角α为偏振光S的偏振方向A与第一取向层摩擦方向B的夹角；其中，偏振方向A为偏振光S的偏振方向，第一取向层摩擦方向B为第一取向层的摩擦方向，第二取向层摩擦方向C为第二取向层的摩擦方向。

在其中一个实施例中，分别调节所述Δnd为0.26微米；所述夹角α为20度；所述扭曲角度φ为95度。

在其中一个实施例中，通过改变第一取向层的摩擦方向B或第二取向层的摩擦方向C实现扭曲角度φ的调节。

在其中一个实施例中，通过改变偏振光S的偏振方向A或第一取向层的摩擦方向B实现夹角α的调节。

采用上述反射型硅基液晶显示装置及方法，能够获得较佳的对比度，得到较佳的显示效果。

附图说明

图1为一个实施例中反射型硅基液晶显示装置示意图；

图2为一个实施例中偏振光方向、第一取向层摩擦方向以及第二取向层摩擦方向示意图；

图3为白光的照度数值的对比图；

图4为红光的照度数值的对比图；

图5为绿光的照度数值的对比图；

图6为蓝光的照度数值的对比图；

图7为白光的关态反射率的对比图；

图8为红光的关态反射率的对比图；

图9为绿光的关态反射率的对比图；

图10为蓝光的关态反射率的对比图；

图11为扭曲角度为95°的照度数值的对比度图；

图12为一个实施例中反射型硅基液晶显示方法流程图。

具体实施方式

结合附图1，在一实施例中，反射型硅基液晶显示装置，包括光源、偏振分光棱镜和LCOS屏。

光源，为显示装置提供显示光源，在其它实施例中，光源可以是高压水银灯或金属卤化物灯，最佳的是LED光源，具有节能环保的特点。

偏振分光棱镜（Polarization Beam Spliter，PBS），光源发射的光经过偏振分光棱镜并变换为S光。具体地，偏振分光棱镜（PBS）能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光，即P光和S光，也就是偏振光P和偏振光S，其中P光完全通过，而S光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。

LCOS屏，改变入射至LCOS屏的光的偏振状态，即把入射的S光通过LCOS屏变换为P光，P光反射至偏振分光棱镜并透射出去，最终进入人眼。

具体地，LCOS屏包括：玻璃基板、硅基板，在玻璃基板与硅基板之间依次设有第一取向层、液晶夹层、第二取向层。从光源发射的光通过PBS的变换，然后经过LCOS屏中的上述各层并反射出去，最终得到图像。

在其它实施例中，LCOS屏还包括：设置在玻璃基板与第一取向层之间的ITO（Indium Tim Oxide）电极层；以及设置在第二取向层与硅基板之间的铝反射层。

影响图像的显示效果的数据为（Δnd，α，φ），具体分析如下：结合附图2，设偏振光S的偏振方向为A，第一取向层的摩擦方向为B，第二取向层的摩擦方向为C。

偏振方向A与第一取向层摩擦方向B的夹角为α，第一取向层摩擦方向B与第二取向层摩擦方向C夹角为扭曲角度φ。液晶夹层的厚度为d，液晶夹层内的液晶双折射率为Δn，液晶层延迟量Δnd为液晶双折射率Δn与液晶夹层的厚度d的乘积。

在一实施例中，以90度MTN（Mixed mode Twist Nematic扭曲向列相混合）模式，即Δnd为0.24微米，夹角α为20度，扭曲角度φ为90度（0.24um,20度,90度）为基础进行优化，Δnd为[0.22，0.28]微米，夹角α为[15,25]度，扭曲角度φ为[85,100]度。

进一步地，当Δnd为0.26微米，夹角α为20度，扭曲角度φ为95度，即（0.26um,20度,95度）时图像对比度最高，显示效果最佳。

具体分析如下：

在90度MTN模式为基础进行优化，液晶分子在关态下成90度扭曲排列，设基板（即LCOS屏）法线方向为z轴，硅基板为0，玻璃基板为d，基板平面xy微观无限大，指向矢

与xy平面的夹角为θ，在xy平面上的投影与x轴的夹角为φ。θ和φ均为坐标z的函数。

根据液晶的连续体理论，液晶夹层内指向矢动力学表示式为：

$-\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{d\θ}}[k_{33}{\sin }^2\mathrm{\θ}+k_{11}{\cos }^2\mathrm{\θ}]{\left(\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dz}}\right)}^2+\frac{1}{2}\frac{d}{\mathrm{d\θ}}\left[(k_{33}{\sin }^2\mathrm{\θ}+k_{22}{\cos }^2\mathrm{\θ}){\cos }^2\mathrm{\θ}\right]{\left(\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dz}}\right)}^2+\frac{4\mathrm{\π}}{p}{k}_{22}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dz}}-[k_{33}{\sin }^2\mathrm{\θ}+k_{11}{\cos }^2\mathrm{\θ}]\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dz}}^2}$

$-{\left(\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dz}}\right)}^2{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\Δ\ϵ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}=0---\left(1\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dz}}[(k_{33}{\sin }^3\mathrm{\θ}+k_{22}{\cos }^2\mathrm{\θ}){\cos }^2\mathrm{\θ}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dz}}-\frac{2\mathrm{\π}}{p}{k}_{22}{\cos }^2\mathrm{\θ}]=0---\left(2\right)$

$\frac{d}{\mathrm{dz}}[-{\mathrm{\ϵ}}_0({\mathrm{\ϵ}}_{\⊥}+\mathrm{\Δ\ϵ}{\sin }^2\mathrm{\θ})\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dz}}]=0---\left(3\right)$

其中k₁₁，k₂₂，k₃₃分别为向列相展曲、扭曲和弯曲弹性系数；p为手性剂在向列相液晶中诱导的螺距；垂直方向介电常数ε_⊥以及基板间电压U；ε₀为真空介电常数。

由式（1），（2），（3）得出倾斜角度，扭曲角度变化情况，在一定电压作用下，可以计算液晶夹层的Jones矩阵。在垂直入射条件下，第n个液晶子层的Jones矩阵为：

$J_n=\exp (i\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{(n}_{\mathrm{eeff}}+n_o{)}_n{d}_n)\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\φ}}_n& -\sin {\mathrm{\φ}}_n\\ \sin {\mathrm{\φ}}_n& \cos {\mathrm{\φ}}_n\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_{\mathrm{eeff}}+n_o{)}_n{d}_n\right)& 0\\ 0& \exp (-i\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{(n}_{\mathrm{eeff}}-n_o{)}_n{d}_n)\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\φ}}_n& \sin {\mathrm{\φ}}_n\\ -\sin {\mathrm{\φ}}_n& \cos {\mathrm{\φ}}_n\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中d_n为第n个子层的厚度；λ为偏振光的波长；n_e为非寻常光折射率；n_o为寻常光折射率。

$n_{\mathrm{eeff}}=\frac{n_e{n}_o}{(n_o^2+(n_e^2-n_o^2){{\sin }^2\mathrm{\θ})}^{1/2}}---\left(5\right)$

在理想偏振片的条件下，（4）中的复数相位因子将不起作用，可以忽略。整个液晶层的Jones矩阵为：

M_LC(φ)＝J_NJ_N-1......J₂J₁          （6）

将偏振方向与前摩擦方向之间的夹角记为α，反射率为：

$R={\left|\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}\end{array}\right)R^{-1}\left(\mathrm{\φ}\right)M_{\mathrm{LC}}(-\mathrm{\φ})R\left(\mathrm{\φ}\right)M_{\mathrm{LC}}\left(\mathrm{\φ}\right)\left(\begin{array}{c}\cos \mathrm{\α}\\ \sin \mathrm{\α}\end{array}\right)\right|}^2---\left(7\right)$

其中R为坐标旋转矩阵，中负号表示液晶反方向旋转。

根据理论计算得出在85-100度扭曲角度，不同液晶层延迟量以及对比度的变化情况。

附图3-6反映出对比度的变化情况，此时对比度是在液晶夹层施加电压为5伏驱动与1.5伏驱动情况下，照度数值的对比。由此表明，α为20度夹角，延迟量Δnd一定的情况下，随着φ在85-100度扭曲角度增加，对比度先上升后下降，扭曲角度φ在95度时达到对比度峰值，且延迟量0.26时对比度最优。相比传统的（0.24um，20度，90度）情况，白光部分对比度增加了5-8倍，单色光对比度均值也明显增加。

附图7-10表明反映关态反射率情况，从图中可见，随着φ在85-100扭曲角度增加，反射率降低明显。而且，在（0.26um，20度，95度）对比（0.24um，20度，90度）关态反射率降低了6%左右，对比度上升，反射率下降情况，可见此时5伏电压黑态反射率很低，对比度数值也就明显增加了。

结合附图11，针对φ为95度扭曲，夹角α为[15,25]度区间，夹角α为20度时，对比度最高。可得扭曲角度φ为95，夹角α为20度夹角，延迟量Δnd为0.26，即（0.26um，20度，95度）与对比度为（0.24um，20度，90度）相比较，对比度提升了5-8倍。

由此可见，当扭曲角度φ为95，夹角α为20度夹角，延迟量Δnd为0.26时，所获得的图像对比度是最高，图像的显示效果最佳。

基于上述反射型硅基液晶显示装置，还提供反射型硅基液晶显示方法，结合附图12，包括：

SET10：光源产生并发射光。具体地，光源产生光，并向偏振分光棱镜发射。

SET20：光经过偏振分光棱镜变换为S光。具体地，偏振分光棱镜能够把光源所产生的光进行变换，其中S光以45度角被反射，P光完全通过。

SET30：通过调节LCOS屏内的液晶层延迟量Δnd、夹角α和扭曲角度φ，S光经过LCOS屏变换为P光，并透射所述偏振分光棱镜。

Δnd为[0.22，0.28]微米；夹角α为[15,25]度；扭曲角度φ为[85,100]度。

液晶层延迟量Δnd为液晶双折射率Δn与液晶夹层的厚度d的乘积，其中液晶夹层的厚度为d，液晶夹层内的液晶双折射率为Δn；

扭曲角度φ为第一取向层摩擦方向B与第二取向层摩擦方向C的夹角；

夹角α为偏振光S的偏振方向A与第一取向层摩擦方向B的夹角；

其中，偏振方向A为偏振光S的偏振方向，第一取向层摩擦方向B为第一取向层的摩擦方向，第二取向层摩擦方向C为第二取向层的摩擦方向。

在其它实施例中，Δnd为0.26微米；所述夹角α为20度；所述扭曲角度φ为95度的对比度最佳，图像显示效果最佳。

为了实现夹角φ的调节，可以通过以下方式实现，具体如下：

通过改变第一取向层的摩擦方向B或第二取向层的摩擦方向C实现扭曲角度φ的调节。

相似地，为了实现扭曲角度α的调节，可以通过以下方式实现，具体如下：或者是通过改变偏振光S的偏振方向A或第一取向层的摩擦方向B实现夹角α的调节。

由此可见，采用本实施例的方法，可以调节最高的对比度以及最佳的图像显示效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种反射型硅基液晶显示装置，其特征在于，包括：

光源；

偏振分光棱镜，所述光源发射的光经过所述偏振分光棱镜并变换为S光；以及

LCOS屏，所述S光通过所述LCOS屏变换为P光，所述P光透射所述偏振分光棱镜进入人眼；

所述LCOS屏包括：相对设置的玻璃基板、硅基板，在所述玻璃基板与所述硅基板之间依次设有第一取向层、液晶夹层、第二取向层；

所述偏振光S的偏振方向为A，所述第一取向层的摩擦方向为B，所述第二取向层的摩擦方向为C，所述偏振方向A与所述第一取向层摩擦方向B的夹角为α，所述第一取向层摩擦方向B与所述第二取向层摩擦方向C夹角为扭曲角度φ，所述液晶夹层的厚度为d，所述液晶夹层内的液晶双折射率为Δn，液晶层延迟量Δnd为所述液晶双折射率Δn与所述液晶夹层的厚度d的乘积；

所述Δnd为[0.22，0.28]微米；所述夹角α为[15,25]度；所述扭曲角度φ为[85,100]度。

2.根据权利要求1所述的反射型硅基液晶显示装置，其特征在于，所述Δnd为0.26微米；所述夹角α为20度；所述扭曲角度φ为95度。

3.根据权利要求2所述的反射型硅基液晶显示装置，其特征在于，所述LCOS屏还包括设置在所述玻璃基板与第一取向层之间的ITO电极层。

4.根据权利要求3所述的反射型硅基液晶显示装置，其特征在于，所述LCOS屏还包括设置在第二取向层与所述硅基板之间的铝反射层。

5.一种反射型硅基液晶显示方法，包括：

光源产生并发射光；

所述光经过偏振分光棱镜变换为S光；

通过调节LCOS屏内的液晶层延迟量Δnd、夹角α和扭曲角度φ，所述S光经过LCOS屏变换为P光，并透射所述偏振分光棱镜进入人眼；

所述Δnd为[0.22，0.28]微米；所述夹角α为[15,25]度；所述扭曲角度φ为[85,100]度；

液晶层延迟量Δnd为液晶双折射率Δn与液晶夹层的厚度d的乘积，其中液晶夹层的厚度为d，液晶夹层内的液晶双折射率为Δn；

扭曲角度φ为第一取向层摩擦方向B与第二取向层摩擦方向C的夹角；

夹角α为偏振光S的偏振方向A与第一取向层摩擦方向B的夹角；

其中，偏振方向A为偏振光S的偏振方向，第一取向层摩擦方向B为第一取向层的摩擦方向，第二取向层摩擦方向C为第二取向层的摩擦方向。

6.根据权利要求6所述的反射型硅基液晶显示方法，其特征在于，分别调节所述Δnd为0.26微米；所述夹角α为20度；所述扭曲角度φ为95度。

7.根据权利要求6所述的反射型硅基液晶显示方法，其特征在于，通过改变第一取向层的摩擦方向B或第二取向层的摩擦方向C实现扭曲角度φ的调节。

8.根据权利要求6所述的反射型硅基液晶显示方法，其特征在于，通过改变偏振光S的偏振方向A或第一取向层的摩擦方向B实现夹角α的调节。

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