第３６卷㊀第５期
２０２１年５月㊀㊀
㊀㊀㊀
㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a y
s ㊀㊀㊀㊀㊀
V o l ．３６㊀N o ．５㊀M a y ２
０２１㊀㊀收稿日期:２０２０Ｇ１１Ｇ０５；修订日期:２０２０Ｇ１２Ｇ２８．
㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :s m a r t c h u n g
＠i v o ．c o m．c n 文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２１)０５Ｇ０６８７Ｇ０７
钟德镇∗，刘㊀瑞，姜丽梅
(昆山龙腾光电股份有限公司江苏省龙腾平板显示技术研究院，江苏昆山２１５３０１)
摘要：为满足用户对分享性资料及机密性资料具有不同的视觉需求，本文主要围绕笔记本电脑显示领域的视角可显示技术展开探讨，提出一种新型的多视角可切换笔记本电脑显示技术.方法为采用背光模块结合百叶窗结构膜片设计，调光液晶盒与液晶显示盒双盒搭配，液晶显示面板中设置微结构棱镜图形，通过控制调光液晶盒的信号与背光侧电流调整，实现广视角模式与防窥模式一键自由切换.当使用者需要共享信息时，打开宽视角模式，此时背光源为高电平电流模式，调光液晶盒的垂直电场为弱电场状态；当使用者想要保护显示信息时，切换至窄视角模式，背光电流随之切换至低电平电流模式，调光液晶盒的垂直电场增强.实验结果表明本文提出的新型多视角可控笔电显示技术，在窄视角模式下，在视角大于４５ʎ后显示屏显示内容达到隐私防窥；宽视角模式具备与业界广视角显示器同等的广视角的全视角显示特性.本技术研究的视角可控技术，视角模式可灵活切换，在笔记本电脑防窥显示领域具有很好的应用前景.关㊀键㊀词：视角可控；百叶窗结构膜片；调光液晶盒；双盒；微结构棱镜中图分类号:T N ２７㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７１８８/C J L C D．２０２０Ｇ０２９６ V i e w i n g a n g l e c o n t r o l l a b l e l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y t e c h n o l o g y
w i t hm i c r o s t r u c t u r e
Z HO N G D e Ｇz h e n ∗
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(I n s t i t u t e o f J i a n g s u (I V O )F l a t ＧP a n e l ＧD i s p l a y T e c h n o l o g
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t o e l e c t r o n i c s (K u n s h a n )C o ．,L t d ．,K u n s h a n ２１５３０１,C h i n a )A b s t r a c t :I n o r d e r t o s a t i s f y t h e v i s u a l r e q u i r e m e n t o f i n f o r m a t i o n s h a r i n g a
n d c o n f i d e n t i a l i n f o r m a t i o n p r o t e c t i o n ,t h e r e s e a r c hw o r km a i n l y f o c u s e s o nc o n t r o l l a b l ev i s u a l a n g l e t e c h n o l o g y a p p l i e d t on o t e Ｇb o o kd i s p l a y a r e a ,a n d p r o p o s e s a n e w m u l t i v i e ws w i t c h a b l e n o t e b o o kd i s p l a y t e c h n o l o g y
．T h em e t h Ｇo d c o m b i n e s b a c k l i g h tm o d u l ew i t hw i n d o w Ｇs h a d e s l o u v e r f i l m ,u s e s t w o c e l l d e s i g nm e a n i n g c
o n s i s t o f ad i mm i n g l i q u i d c r y s t a l d i s p l a y (D L C D )d e v i c e a n daL C Dd i s p l a y w i t h m i c r o l e n s ,w i d ev i e w i n g
m o d e a n d p r i v a c y m o d e c a n b e s w i t c h e d b y o n e k e y b o a r d t o g g l e b y m o d u l a t i n g t h e s i g
n a l o f D L C Da n d t h ec u r r e n to fb a c k l i g h t ．W h e nu s e r s w a n tt os h a r e i n f o r m a t i o n ,i t p e r f o r m sas h a r i n g w
i d ev i e w m o d e ．O n t h i s s i t u a t i o n ,t h e c u r r e n t o f t h e b a c k l i g h t i s h i g h e r a n dw e a k v e r t i c a l e l e c t r i c f i e l d i s a p p
身份通认证系统l i e d t o t h eD L C D．W h e n i t s w i t c h e s t o a p r i v a c y m o d e f o r u s e r s t o p r o t e c t t h e d i s p l a y
i n f o r m a t i o n ,t h e c u r Ｇr e n t o f t h e b a c k l i g h t s w i t c h e s t o a l o w e r s t a t e ,a n d t h e v e r t i c a l e l e c t r i c f i e l d o f D L C Db e c o m e s s t r o n g
．W h e n t h e v i e wa n g l e i s l a r g e r t h a n ４５ʎi n h o r i z o n t a l d i r e c t i o n ,t h e d i s p l a y i m a g
调制解调器固件e i s b l o c k e dw e l l i n n a r Ｇ
r o wv i e w i n g a n g l em o d e．T h ew i d e v i e w m o d e h a s t h e s a m ew i d e v i e wa n g l e d i s p l a y c h a r a c t e r i s t i c s a s t h e i n d u s t r y w i d e v i e wd i s p l a y s．T h e v i e w i n g c o n t r o l l a b l e t e c h n o l o g y s t u d i e d i n t h i s p a p e r h a s a g o o d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t i nt h e f i e l do f a n t iＧp e e p n o t e b o o kd i s p l a y a s t h ev i e w i n g a n g l ec a nb es w i t c h e d f r e e l y w i t hah i g h i m a g e q u a l i t y a n dw i t h o u t s a c r i f i c e d a n y a p e r t u r e r a t i o．
K e y w o r d s:v i e w i n g a n g l ec o n t r o l l a b l e;l o u v e rf i l m;d i mm i n g l i q u i d c r y s t a ld i s p l a y;d u a lc e l l;
m i c r o l e n s
１㊀引㊀㊀言
㊀㊀随着社会经济和科学技术的进步，用户对于分享性资料及机密性资料具有不同的视觉需求，单一视角模式的显示屏已经不能满足使用者的需求，液晶显示屏最好拥有自身在宽窄视角模式之间转换的能力.当使用者需要共享信息时，打开宽视角模式(W i d eV i e w i n g A n g l e,WV A)；当使用者想要保护显示信息时，使用窄视角模式(N a r r o w V i e w i n g A n g l e,N V A).由此，视角可控显示屏成为现代平板显示领域内一个新兴的发展方向，它的应用领域非常广泛，大至自动取款机等银行设备，
小至人们最常用的手机㊁笔记本电脑等消费性电子产品.针对这种市场的新兴需求，视角可控显示屏也应运而生，成为近年来各大显示公司的热点与新兴研究方向[１Ｇ２].
现有技术对于宽窄视角切换的实现有如下几个途径:(１)利用对多畴像素的驱动达到视角可变显示.但是这种方法涉及到后台驱动程序，技术与工艺比较复杂.(２)通过调整不同电压来控制暗态对比达到视角可变的显示目的.利用在大视角处形成严重的灰阶反转等光学性差异，使观察者在大视角处观察到的影像变得非常模糊而无法辨别，从而得到窄视角的显示状态，提供的窄视角模式是一反转视角模式.(３)在背光侧与常白液晶显示面板之间设置调光器件液晶盒，在常白扭曲向列相液晶盒与上层偏光板之间设置光学补偿液晶盒，该架构搭配背光为准直光出射背光结构.当光学补偿液晶盒关闭时，对扭曲向列相显示盒进行补偿，同时，调光器件液晶盒不给电，由于调光器件液晶盒此时对光起到散射作用，表现出广视角显示模式；而当光学补偿液晶盒给电时，对扭曲向列相液晶盒的补偿作用消失，调光器件液晶盒打开，从背光侧准直出射光的光路未发生变化，切换至窄视角防窥模式.(４)利用在显示器表面贴附防窥功能的保护膜来达到防窥效果[３Ｇ８].
以上方法能够在现有显示技术基础上有效地实现宽窄视角切换功效.本文介绍的宽窄视角切换技术是基于现有负性液晶的边缘场切换技术(F r i n g eF i e l dS w i t c h i n g,F F S)的L C D提出的一种多视角可切换笔记本电脑显示技术，相比于上述方法不同的是，本文提出的架构为通过在L C D 中设置微型棱镜结构，搭配额外的调光液晶盒，以及背光侧设置光栅百叶窗结构的调光膜片显示模式，通过结合
光从背光侧出射经过光栅结构与微型棱镜结构，调整调光液晶盒的电压实现大视角亮度的调整，从而改变液晶显示视角大小，达到宽视角与窄视角切换的目的.
２㊀工作原理与仿真分析
２．１㊀宽窄视角显示模式的工作原理
图１为本文提出架构的液晶显示原理图示，主要由D L C D㊁带有微结构的L C D㊁背光源模块(含百叶窗结构层L o u v e rf i l m)组成.其中D L C D上基板侧与L C D上基板与下基板侧均包含偏振器(图中未示出)，液晶显示盒的上偏振器与下偏振器成正交关系.D L C D的上偏振器的偏光轴方向与液晶显示盒的上偏振器的偏振轴方向平行.D L C D的调光方向为左右视角.L C D中的微结构棱镜图形的排列方向与背光侧百叶窗结构膜片的光栅排列方向平行.
本技术架构实现宽窄视角的工作原理为：从背光(B a c kL i g h t,B L)出射的光，经过百叶窗结构层(L o u v e rf i l m)，穿过光栅遮挡部分的光被遮挡，另一部分以光栅的预设角度出射，完成对光的第一次调整.当光经过L C D时，由于L C D中设置微型结构图形，光路在微结构中行进方向如图２所示.当背光侧出射光时，经过L C D下基板，再经过微结构棱镜重新分布，进行光的第二次调整，侧面出射光均匀化分散.当D L C D施加适当
８８６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀
图１㊀本文提出的宽窄视角切换架构的原理图
F i g．１㊀P r i n c i p l ed i a g r a m o ft h e p r o p o s e d v i e w i n g
a n g l e s w i t c h i n g s t r u c t u r e
电压产生微弱垂直电场E１时，液晶沿垂直玻璃基板方向的倾角较小,D L C D中的液晶分子此时在正视与侧视产生的相位延迟较小，光经过D L C D后光路几乎未发生变化，此时背光源电流为高电平模式，光线经过液晶显示模组后表现为广视角显示，如图１(a)所示.而当光源电流切换为低电平模式时，调光液晶盒中垂直电场E１增强,D L C D中的液晶分子沿垂直基板方向的倾角加大，液晶在D L C D中在正视与大视角侧视方向的相位延迟增大，光线在大视角下由于相位延迟的产生，部分光线被D L C D上方的偏振器吸收，光线经过第三次的调整，视角进行第二次的窄化处理，使大视角出射光进入人眼的亮度下降，液晶显示内容由于大视角亮度降低而影像模糊，达到防窥的目的，实现窄视角模式.
２．２㊀调光液晶盒的仿真分析
为证明本技术搭配L C D微结构可实现宽窄切换效果，在进行实验验证前，借助T e c h W i z仿真软件进行实验前的最优设计的评估.首先建立像素电极与公共电极均为面状电极的模型，通过仿真发现，当调光液晶盒的光程差(Δn d)的设计区间为７００~８００n m时，调光液晶盒可兼顾全方位广视角特性
与对左右方向上大视角的光线，具有良好收光效果的窄视角特性.图３为本技术架构搭配的调光液晶盒Δn d为７６０n m时，亮度随水平方向极化角从正视０ʎ到４５ʎ变化在宽视角模式(像素与公共电极之间电压差为０．８V)与窄视角模式(像素与公共电极之间电压差为２．２V)
的
图２㊀本文提出的微结构棱镜的光路图示
F i g．２㊀L i g h t p a t h d i a g r a m o f t h e m i c r o l e n s
p r e s e n t e d i n t h i s p a p e
r
(a)宽视角模式
(a)WV A m o d
甘薯苗e
(b)窄视角模式
(b)N V A m o d e
图３㊀宽窄模式中亮度随视角变化的仿真结果F i g．３㊀S i m u l a t i o n r e s u l t s o f b r i g h t n e s s c h a n g i n g
ggtv5w i t hv i e w a n g l ei n WV A m o d ea n d N V A
m o d e
９８６
第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钟德镇，等：微结构用于视角可控的液晶显示技术
仿真结果比较.仿真数据表明，在广视角模式(图３(a))，极化角从正视０ʎ经历１０ʎ,２０ʎ,３０ʎ，变化至４５ʎ，亮度曲线无明显变化；而当切换至窄视角模
式，观察视角随极化角０ʎ变化至４５ʎ，亮度呈递减趋势，随侧视极化角角度增大，亮度下降程度增大.当极化角为０ʎ时，穿透率为２７％；而当极化角增加至４５ʎ时，穿透率下降至２％.仿真数据说明，通过调整调光液晶盒的像素电极与公共电极的压差，可以控制亮度在水平方向不同极化角的变化.
本文利用折射率定律[９]，当光从光密介质进入光疏介质，折射角度大于入射角的特性，在L C D侧设计微型结构图层，将氮化硅设置于透明平坦层与栅极绝缘层之间，平坦层位于氮化硅上面，栅极绝缘层位于微型结构层氮化硅下面.氮化硅(５５０n m)折射率n为１．９１，光学透明平坦层(５５０n m)折射率n为１．５６.光从氮化硅微型结构层出射进入平坦层，光线在微结构层与O C层界面处向两侧折射，达到调光目的.
３㊀实验验证与结果分析
本文采用３３．７８c m(１３．３i n)笔记本电脑显示液晶盒进行相关验证.该产品L C D使用负性液晶材料，液晶盒厚设计值为３．２μm，分辨率为１９２０(R G B)ˑ１０８０.D L C D调光液晶盒Δn d设计为７８２n m，液晶的初始排列方向与百叶窗结构膜片的光栅排列方向平行.实验中栅极绝缘层厚度设计为３１０n m，与之相邻的用于微结构图形形成的氮化硅设计值为５００n m，在氮化硅层之后进
行２０００n m的透明平坦层涂布.为获得最优的显示效果，在L C D侧进行了两组不同的微结构蚀刻条件的实验验证，以及微结构未进行蚀刻的对照组实验.实验组条件一的蚀刻条件为S F６流量为４００m L/m i n,C l２流量为２０００m L/m i n，蚀刻时间为１２０s；条件二的蚀刻条件为在第一组蚀刻条件的基础上进行O２流量与压力的增加,O２流量为１０００m L/m i n，压力为１３３３２．２４P a.两组实验样品的扫描电子显微镜(S c a n n i n g E l e c t r o n M i c r o s c o p e,S E M)断面形态如图４所示.对比两组样品的S E M断面形貌，发现两组样品的微型结构形态不同.在没有O２流量与压力下，微型棱镜结构所表现的氮化硅层蚀刻深度为２０６n m，斜坡角度为３６．８７ʎ，光阻剩余厚度５３４n m；而增加O２流量与压力，氮化硅蚀刻深度随之增加.当O２流量增加至１０００m L/m i n，同时压力设置为１３３３２．２４P a时，氮化硅以及其下层的栅极绝缘层均呈现被蚀刻的痕迹，且栅极绝缘层被蚀刻深度为７０n m，微结构总纵深为５７２．４n m，斜坡角为５９．９８ʎ，光阻剩余厚度为６０２．９n m.通过实验发现，不同的蚀刻条件可以形成不同蚀刻深度及倾斜角度的微结构图形
.
(a)条件一的微型结构的断面形貌(a)S e c t i o nm o r p h o l o g y o fm i c r o s t r u c t u r e i n c o n d i t i o n
１
(b)条件二的微型结构的断面形貌(b)S e c t i o nm o r p h o l o g y o fm i c r o s t r u c t u r e i n c o n d i t i o n２图４㊀两组实验条件样品微结构的断面形貌比较
F i g．４㊀C o m p a r i s o no f s e c t i o nm o r p h o l o g y o f t h e t w o
g r o u p s o f c o n d i t i o n a l e x p e r i m e n t a l s a m p l e s
本技术在３３．７８c m(１３．３i n)笔记本显示屏制作了实际成品，表１为其在宽视角模式下的光学实测结果，表２为其在窄视角模式下的光学实测结果.为有效凸显广视角与窄视角切换效果，液晶模组亮度对广视角模式与窄视角模式的模组亮度分别预设为４００c d/m２与１５０c d/m２. S a m p l eA为条件一产出的L C D搭配D L C D及百叶窗结构膜片样品,S a m p l eB为条件二产出的L C D搭配D L C D及百叶窗结构膜片样品,S a m p l e C为普通F F SL C D搭配D L C D及百叶窗结构膜片样品,S a m p l eD为普通F F SL C D样品.
０９６㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３６卷㊀
表１㊀液晶显示面板的宽视角实测光学结果
微型振动电机T a b．１㊀WV Ao p t i c a lm e a s u r e m e n t r e s u l t s o fL C D
S a m p l e A B C D
LＧ４５ʎ＠C e n t e r２．７５％５．２５％２．１４％２１．５０％RＧ４５ʎ＠C e n t e r２．６２
％５．９３％１．９７％１９．７０％C o n t r a s tR a t i o１８３３１７６３１５９４１５８７V i e w A n g l e
(C R＞１０)U/D/L/R:８５ʎ/８５ʎ/８５ʎ/８５ʎ
表２㊀液晶显示面板的窄视角实测光学结果
T a b．２㊀N V A O p t i c a lm e a s u r e m e n t r e s u l t s o fL C D
S a m p l e A B C D
LＧ４５ʎ＠C e n t e r０．４８％０．７９％０．４２％２１．５０％RＧ４５ʎ＠C e n t e r０．４７％０．８２％０．３９％１９．７０％C o n t r a s tR a t i o１８３４１７４６１６０７１５８７V i e w A n g l e
(C R＞１０)U/D/L/R:８５ʎ/８５ʎ/８５ʎ/８５ʎ
本文以左右４５ʎ亮度与中心亮度比值作为衡量宽视角模式与窄视角模式可视角度的标准.结合图４与表１可知，微结构棱镜纵深值越大，则在宽视角模式左右４５ʎ与中心亮度比值越大.当微结构棱镜纵深为５７２．４n m时，斜视角左右４５ʎ与正视角中心亮度比值已达５．２％以上.而L C D中无微结
构设置的S a m p l eC，其宽视角模式下左右４５ʎ亮度与中心亮度的比值仅在２．０％左右.此时，单纯普通F F S产品宽视角模式下其左右４５ʎ亮度与中心比值为１９％以上，但仅局限于单一的显示模式，即只能实现宽视角，不能满足防窥显示的需求.在窄视角模式下，对比实验品S a m p l e A㊁S a m p l eB与对照组S a m p l eC，发现L C D微结构纵深值增加时，在窄视角模式下左右极化角４５ʎ与中心亮度比值呈现小幅度的增加，当微结构纵深为５７２．４n m时，其比值仍可控制在０．８％左右，同时其宽窄模式下中心对比度均在１５００ʒ１以上.
为能更直观比较实验组样品与对照组及普通F F S产品除左右４５ʎ视角外的其他视角的差异，图５绘出不同实验组样品在水平方向左右极化角３５ʎ~８５ʎ下亮度与中心亮度的比值曲线.图５(a)与图５(b)数据表明，本技术通过L C D设计微结构以及控制微结构的蚀刻纵向深度与斜坡角，搭配调光液晶盒，可对光进行有效调整，实现宽视角与窄视角两种模式的切换
.
(a)宽视角模式左右视角与中心亮度比值曲线图(a)C u r v e s o f b r i g h t n e s s r a t i ob e t w e e n l e f t a n dr i g h t
烧结线v i e w i n g a n g l e a n d c e n t e r i n WV A m o d
e
(b)窄视角模式左右视角与中心亮度比值曲线图(b)C u r v e s o f b r i g h t n e s s r a t i ob e t w e e n l e f t a n dr i g h t
v i e w i n g a n g l e a n d c e n t e r i nN V A m o d e
图５㊀宽窄视角模式下亮度在水平方向变化曲线
F i g．５㊀C u r v e s o f b r i g h t n e s s c h a n g e s i nh o r i z o n t a l d iＧ
r e c t i o n i n WV A m o d e a n dN V A m o d e
根据模组样品实际点亮显示效果可知, S a m p l eB可以更好地兼顾宽窄视角显示效果.图６为本技术架构在３３．７８c m(１３．３i n)S a m p l e B成功点亮的窄视角显示效果图展示.在窄视角模式下，如图６(b)所示，斜视角４５ʎ已经达到显示内容模糊化的防窥效果，图６(a)中的正视角图片颜鲜艳且清晰可见；图７为本技术架构宽视角模式，图７(a)正视角及图７(b)斜视角４５ʎ方向的效果与常规F F S正视效果无明显差别，正视与斜视均清晰可见，其宽窄模式正视显示效果的画质细腻程度水准相当.图８为S a m p l eB在可见光下其宽窄视角模式下的等对比度全视角特性曲线实际测量结果.对比图８(a)与图８(b)，宽视角模式与窄视角模式在中心对比度均大于１５００ʒ１,
１９６
第５期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钟德镇，等：微结构用于视角可控的液晶显示技术
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