基于FFS模式液晶面板的三维立体显示关键技术研究

摘要

三维(3D)立体显示凭借其比传统的二维(2D)显示更具身临其境的视觉感受，越来越得到更加广泛的研究和应用，将成为下一代显示技术的重要发展方向。本文基于边缘场开关(FFS)模式液晶面板，对3D显示中一些关键技术进行了研究。
　　对于快门式(SG)3D显示器件，本文针对制约FFS模式液晶面板应用于SG3D显示器件的瓶颈—响应时间问题，设计制备了FFS模式快响应液晶面板，并采用该液晶面板成功制备了SG3D显示器件。对FFS模式液晶面板响应时间的提升，主要从像素设计的优化、快响应液晶材料的设计，以及低液晶层厚等方面进行了研究。通过对面板像素的模拟，选取了像素电极周期(2nd ITO pitch)为8μm，电极宽度(Slit width)为2.7μm，电极与液晶取向夹角(Slit angle)11°，液晶层厚(Cellgap)从3.55μm减小到2.8μm的优化条件。结合像素结构的优化，设计了低粘度(γ1)、高弹性常数(k2)和高光学各向异性(△n)的快响应液晶材料，在驱动电压基本保持不变的情况下，灰阶响应时间（GTG RT）从7.43ms降低到4.48ms，相对于同样的液晶层厚，面板透过率相比于传统液晶提高了15.6％。同时，控制了白光色度和色温(CCT)的偏移。进一步地，采用FFS模式快响应液晶面板，制备了SG3D显示器件，其3D串扰(Crosstalk)达到3.7％。并且，当Cell gap从2.8μm调整到2.6μm时，优化的灰阶响应时间达到3.18ms，优化的3D crosstalk为3.33％，3D显示效果得到进一步提升。同时，研究了FFS模式下相位延迟(Retardation)对液晶光效和相对色温的影响:在260～350nm光程区间内，Retardation每增加10nm，液晶光效有约3％的提高，色温有约800～900K的降低。
　　对于偏光式(PR)3D显示器件，本文针对垂直方向3D串扰敏感、难以对3D视角进行精确评估的问题，分析研究了PR3D视角机理，推导建立了3D视角精确评估的理论模型。采用该模型，对基于FFS模式面板的PR3D垂直视角、PR的贴附偏差及PR与面板像素的匹配进行了研究。相比于传统3D视角计算方法，引入了串扰、像素开口和光界面折射等参数，提出和构建了新的3D视角评估模型，并推导了计算公式，实验验证了3D视角评估方法的有效性。系统研究了PR3D显示面板主要参数对3D视角的影响:3D视角与BM宽度、像素尺寸，以及玻璃基板和偏振片的折射率成正比，而与玻璃基板和偏振片的厚度成反比。减薄玻璃基板的厚度，是一种提升3D视角行之有效的方法。基于新的3D视角计算模型，推导和验证了当PR帖附发生偏差时的上下3D视角:PR帖附发生偏差时，上下3D视角有偏移发生，视角偏移沿PR相对于像素错位的方向，错位越多，3D视角偏移越大，但总的3D视角基本保持不变。基于新的3D视角计算模型，推导和验证了当PR收缩设计时的上下3D视角:PR收缩设计有利于将上下3D视角向中心汇聚，能实现更好的3D视角效果。对于PR3D显示器件，3D视角机理的分析和理论模型的建立，对于偏光立体显示中3D垂直视角和面板设计的优化具有重要的参考意义。
　　对于3D显示器件对图像的色彩再现能力提升，本文对应用于3D显示的FFS模式液晶面板的标准色域进行了设计研究。模拟分析了光谱对色度的影响，从LED背光源和彩膜两部分光谱进行了调节和优化，通过采用RG荧光粉LED背光匹配新的彩膜光阻，选取彩膜厚度2.2μm时，FFS模式3D显示器件的NTSC色域从65.3％提升到74.9％，sRGB匹配率从83.2％提升到100％，实现了sRGB标准色域的全覆盖，白光透过率达到28.1％。验证了背光源和彩膜光谱波峰位置向颜色纯化方向Shift、以及其半波宽度的窄化有利于色域的提升。

目录

声明

致谢

摘要

序言

1 绪论

1．1 3D显示背景

1．1．1 3D显示发展概述

1．1．2 3D显示原理

1．1．3 3D显示模式比较

1．2 FFS显示模式介绍

1．2．1 FFS模式显示原理及优势

1．2．2 FFS模式研究进展

1．3 FFS模式面板3D显示目前存在的问题

1．4 本论文的主要工作

2 3D显示器件的制备与性能表征

2．1 3D显示器件的制备

2．1．1 SG 3D显示器件的制备

2．1．2 PR 3D显示器件的制备

2．2 器件特性的测量

2．2．1 电压-透过率曲线

2．2．2 光学特性

2．2．3 3D串扰

2．2．4 3D视角

3 5G 3D显示面板研究

3．1 FFS模式面板优化提升响应时间

3．1．1 像素结构对响应时间的影响

3．1．2 液晶层厚对响应时间的影响

3．2 快响应FFS模式液晶研究

3．2．1 引言

3．2．2 设计及模拟

3．2．3 实验与讨论

3．3 响应时间及3D串扰的优化

3．4 低液晶层厚对面板特性影响研究

3．4．1 低液晶层厚对面板透过率影响

3．4．2 低液晶层厚对面板色度影响

3．5 本章小结

4 PR 3D显示面板研究

4．1 3D视角的精确评估

4．1．1 引言

4．1．2 设计及模拟

4．1．3 实验与讨论

4．2 主要面板参数对3D视角的影响

4．2．1 BM宽度对3D视角的影响

4．2．2 像素尺寸对3D视角的影响

4．2．3 玻璃和偏振片厚度对3D视角的影响

4．2．4 玻璃和偏振片折射率对3D视角的影响

4．3 PR帖附偏差对3D视角的影响

4．3．1 引言

4．3．2 设计及模拟

4．3．3 实验与讨论

4．4 PR设计与面板像素的匹配

4．5 本章小结

5 FFS模式3D显示面板标准色域的研究

5．1 引言

5．2 设计及模拟

5．2．1 背光光谱调节对色域的影响

5．2．2 彩膜光谱调节对色域的影响

5．3 实验与讨论

5．4 本章小结

6 结论

参考文献

附录A

索引

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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