硅上液晶显示器件结构的优化

李文娟，郭玉强，马红梅,2，孙玉宝,2*

(1.河北工业大学 电子材料与器件天津重点实验室，天津 300401;2.河北工业大学 应用物理系，天津 300401)

1 引 言

人类获取信息的70%～80%靠视觉系统，视觉系统又是虚拟现实(Virtual Reality：VR)技术当中最重要的感知通道[1]。但是，目前阻碍其发展的问题是：微图像源上的像素需要通过头盔显示器光学系统成像到像空间。对于固定显示器，视场增大，分辨率降低，单位视场角(1°)内的像素数就会减少，即分辨率下降[2-3]。

目前液晶VR技术中，硅上液晶(Liquid Crystal on Silicon,LCoS)是它的核心显示单元[4]，该显示技术是一种反射式液晶显示技术[5]。LCoS结合大规模集成电路工艺在硅片上直接实现驱动电路，并采用CMOS技术将有源像素矩阵制作在硅单晶衬底上，并以该晶片为衬底封装液晶盒，易于实现更小的像素尺寸和更高的显示分辨率[6]。

现如今在继续提高头盔显示器的显示效果时，必须继续提高LCoS的分辨率，使得像素尺寸减小。像素尺寸的减小会使LCoS微显示器件子像素点的显示面积减少，其反射率也会下降[7]。当分辨率不是很高时，视场内的单个像素能够大到可以独立地看见[8]，因此单像素的显示效果也就很重要，通常LCoS的像素尺寸为7～20 μm左右。为了避免单个像素尺寸的改变带来对头盔显示器的显示效果的影响，本文我们保持像素尺寸大小为10 μm[9]，研究和优化液晶盒部分的参数。

本文我们建立了LCoS微显示液晶器件的三维模型，使用TechWiz LCD 3D软件对该模型进行模拟。在不改变像素尺寸大小情况下，通过对不同的液晶分子取向、不同的液晶盒厚度和不同的像素间距进行模拟，研究以上3个参数对相邻像素的显示面积和反射率的影响，通过对液晶分子取向、液晶盒的厚度和像素间距的合理选取，使该影响程度最小化，从而达到优化和改善头盔显示器显示效果的目的。

2 建立模型

像素边长大小为10 μm×10 μm，液晶器件的扭曲角度为90°，预倾角为2°，偏振分光棱镜的起偏角度与邻近基板表面处液晶的取向之间的夹角为20°，则该液晶显示器为反射的常白模式[7，9-11]，入射光波长为550 nm。液晶的材料参数设置为：介电各向异性Δε为5.3，双折射率为Δn=0.096 9，液晶盒厚为2.8 μm。

对单像素施加不同的电压(0～6 V)，单个像素在电压由0 V增加到6 V的过程中，像素由亮态转为暗态，该像素的反射率随电压的变化，如图1所示。从图1中可以看出，当驱动电压约为3.5 V时，该像素达到暗态。

在上述单像素模型的基础上，我们建立九宫格模型如图2所示，本文出现的所有九宫格模型的像素序号如图2所示。本文研究不同因素下中央像素5对周其他像素电光性能的影响，主要是对上下左右4个像素的影响。

图1 单像素在不同电压下的反射率Fig.1 Reflectivity of one pixel with various voltage

图2 九宫格模型及其剖面图Fig.2 Sudoku of model and its cross-section profile

采用的研究方法为：首先模拟中央像素5在施加3.5 V的电压时，不同液晶分子取向的模型。根据模拟结果，找到最优液晶分子取向，使得中央像素5在暗态时对周围相邻像素(2、4、6、8)的影响最小；其次，在最优分子取向的条件下，模拟不同的液晶盒厚度的模型，找到最优的盒厚，使得中央像素5在暗态时，对周围相邻像素(2、4、6、8)的影响最小；最后，在最优分子取向和最优盒厚的条件下，模拟不同的液晶像素间距的九宫格模型，观察总结和分析，找到最优的液晶像素间距使得中央像素5在暗态时，对周围相邻像素(2、4、6、8)的影响最小。

3 不同参数对相邻像素边缘的影响

3.1 液晶分子取向对周围相邻像素的影响

在上述单像素模型的基础上，建立九宫格模型，研究分子取向的影响。液晶盒的厚度为2.8 μm，像素大小为10 μm×10 μm，液晶像素间距为0.5 μm，液晶取向分别为0°，20°，40 °，45°，50°，60°，80°，90°。模拟后所得结果如图3所示。

图3 不同取向角度的液晶盒的模拟结果Fig.3 Simulation results of the different alignment directions of liquid crystal display

通过观察图3，对比不同的液晶分子取向的模拟结果可知，当施加电压为3.5 V时，中央像素为暗态，周围相邻像素的边缘区域显示暗态的面积大小和角度会随着液晶分子取向角度的改变而改变。在液晶分子取向为0°时，像素4和像素6靠近中央像素5一侧的边缘区域显示变暗的面积比较大，像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘区域没有变暗，对于中央像素5的上下边缘区域会出现亮态；液晶分子取向的角度逐渐增加到45°时，像素4和像素6靠近中央像素5一侧的边缘区域显示变暗的面积减少，像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘区域基本没有出现暗态，对于中央像素5的上下边缘几乎不出现亮态；当液晶分子取向的角度继续增大到90°时，像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘变暗，像素4和像素6靠近中央像素5一侧的边缘没有出现暗态，对于中央像素5的左右边缘出现亮态。

现在我们以中央像素为基准，分别在X(左右)方向和Y(上下)方向进行分析，得到的液晶分子取向的反射率如图4所示。在X方向上，中央像素为暗态，液晶分子取向0°时，像素4和像素6靠近中央像素5一侧的边缘区域变暗，但液晶分子取向为80°时，像素4和像素6靠近中央像素5一侧的边缘区域出现亮态，且比较明显，可知X方向上相邻像素对中间像素的影响比较大。Y方向上，液晶分子取向0°时，中央像素为暗态，像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘区域出现亮态，但液晶分子取向为80°时，像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘区域变暗，且比较明显，中间像素5对像素2和像素8靠近中央像素5一侧的边缘区域的影响比较大。可见液晶分子取向对相邻像素的显示有影响，相邻像素对中央像素的显示也有影响，影响是相互的。总之，液晶分子的取向会影响像素的显示。综合中央像素对相邻像素显示的影响和相邻对中央像素显示的影响，以及相邻对上下像素和左右像素影响的不同，很显然液晶分子取向在45°时，像素的显示达到最优，即45°是我们模型需要的最优角度。

图4 不同取向角度的液晶盒的X方向和Y方向的反射率Fig.4 Reflectivity of different alignment directions of liquid crystal display at X direction and Y direction

3.2 盒厚对周围像素显示面积的影响

选取上述最优液晶分子取向(45°)的模型，改变液晶盒的厚度进行模拟。液晶盒的厚度分别为2.0，2.4，2.8，3.0，3.2，3.4 μm时所得模拟结果如图5所示，反射率曲线如图6所示。

图5 不同液晶盒的厚度的模拟结果Fig.5 Simulation results of different gaps of liquid crystal cell

图6 不同液晶盒的厚度的反射率曲线Fig.6 Reflectivity of different gaps of liquid crystal cell

为了更清楚地描述中间像素对边缘像素电光性能的影响，本文定义相邻像素靠近中间像素边缘位置(即Distance为10 μm)处的反射率(R1)与亮态反射率(R2)的比值：R1/R2。表1中，盒厚从2.0 μm增大到3.2 μm，比值R1/R2从0.759 4减小到0.171 4，随着盒厚的增加，比值R1/R2越小。结合图5可知，比值R1/R2越小，像素4靠近中央像素侧边缘的暗态就越暗，视觉上暗态越明显，即中央像素对相邻像素的反射率的影响越大。

表1 不同液晶盒厚度的LCoS的R1/R2值Tab.1 R1/R2 of different gaps of liquid crystal cell

一般地，人们认为反射率的90%可以看作是亮态，反射率的10%为暗态。本文中像素4达到90%亮态的位置为X1，X1到10 μm的距离定义为ΔX。

由表2可知：随着液晶盒的厚度的增加，ΔX逐渐增大，结合图6可知，ΔX越大，像素4靠近中央像素5边缘的暗的面积就越大，视觉上暗态越明显，即中央像素对相邻像素显示面积的影响越大。

通过观察上述模拟结果可知，液晶盒的厚度对像素的显示有影响。中央像素为暗态时，不同的液晶盒的厚度对相邻像素显示面积的影响不同，对相邻像素的反射率的影响不同。液晶盒的厚度大时，中央像素对周围相邻像素暗态的面积影响大，且对周围相邻像素靠近中央像素5边缘的反射率的影响也大，故周围相邻像素暗态就明显；液晶盒的厚度小时，中央像素对周围相邻像素显示的影响小。可见，液晶盒的厚度越小越好。目前反射式液晶盒的厚度影响着像素之间的影响，包括对周围相邻像素的暗态面积和对周围相邻像素的反射率影响。所以要尽量减小液晶盒的厚度使中央像素对周围相邻像素显示的影响达到最小。

表2 不同液晶盒厚度的LCoS的ΔXTab.2 ΔX of different gaps of liquid crystal cell

3.3 像素间距对周围相邻像素暗态面积的影响

在上述最优分子取向(45°)和最优液晶盒的厚度(2.0 μm)的基础上，模拟计算液晶像素间距分别为0.3，0.5，0.7，0.9，1.0，1.2 μm的显示效果。模拟结果如图7所示，反射率曲线如图8所示。

图7 不同像素间距的模拟结果Fig.7 Simulation results of different distances between the adjacent pixels

当像素间距从0.7 μm减小到0.3 μm，R1/R2值逐渐减小。R1/R2值越小，中央像素5对像素4靠近中央像素一侧显示的反射率的影响就越大。我们的总目标是减小像素间距来增大显示器的分辨率，但是通过分析R1/R2值，像素间距越小对周围像素的反射率的影响就越大，要求尽量增大像素间距来减小像素之间对反射率的影响。

图8 不同像素间距的反射率曲线Fig.8 Reflectivity of different distances between the adjacent pixels

分析表3，液晶像素的间距在0.7 μm时，R1/R2值为0.987，接近于1。液晶像素0.7 μm增加到1.2 μm，R1/R2值在1的上下波动。综合R1/R2值和减小像素间距增加分辨率两种因素，0.7 μm为最优值。

表4给出不同像素间距时ΔX的变化。液晶像素间距为0.3 μm和0.5 μm，ΔX为正值，像素4中出现暗态；液晶像素间距为0.3 μm的ΔX比液晶像素间距为0.5 μm的ΔX大，即液晶像素间距为0.3 μm的模型的像素4中暗态显示面积比液晶像素间距为0.5 μm的像素4中暗态显示面积大。液晶像素间距为0.7～1.2 μm，ΔX为负值，像素4没有出现暗态，间距0.7 μm的X1值为10.427 μm，10.427 μm位于10 μm和10.7 μm之间，即像素4和像素5的间隙为亮态和暗态的分界处。同理，间距为0.9，1.0，1.2 μm的模型中，亮态和暗态的分界处都位于像素4和像素5的间隙。我们的总目标是减小像素间距来增大显示器的分辨率，但是通过ΔX分析可知，像素间距小于0.7 μm时，像素间距越小对周围相邻像素的暗态显示面积的影响就越大。考虑到ΔX值，即对周围相邻像素显示暗态面积的影响最合适的像素间距为0.7 μm。

表3 不同像素间距的R1/R2值

Tab.3R1/R2of different distances between the adjacent pixels

盒厚/μm亮态反射率10μm处反射率R1/R20.30.1970.0420.2130.50.1560.1080.6920.70.1560.1540.9870.90.1570.1611.0251.00.1560.1561.0001.20.1500.1450.967

通过观察，中央像素为暗态时，比较不同像素间距的模拟结果可知，不同的像素间距对周围像素的显示面积的影响不同。在减小像素间距来增大显示器的分辨率的总目标下，综合分析R1/R2值和ΔX值，像素间距为0.7 μm时，中央像素暗态对周围像素的反射率的影响最小，对周围像素暗态显示面积的影响最小。

表4 不同间距的ΔX值

Tab.4 ΔXof different distances between the adjacent pixels

盒厚/μmX1/μmΔX=10-X10.38.9731.0270.59.3370.6630.710.427-0.4270.910.320-0.321.010.368-0.3681.210.450-0.56

4 结 论

本文所建立的模型，得到了最优分子取向(45°)、最优盒厚(2.0 μm)和最优像素间距(0.7 μm)。利用TechWiz LCD 3D软件对硅上液晶微显示器件(LCoS)的九宫格模型进行模拟，研究了在饱和电压下中央像素为暗态时，通过合理选取液晶分子取向、液晶盒的厚度和像素间距等条件，减小了对周围相邻像素显示面积和反射率的影响，从而优化了硅上液晶微显示器的显示特性，进而提高了显示器件的分辨率，最后达到改善头盔显示器件显示效果的目的。