一种采用介电突起消除边缘场效应的LCoS

侯文义，储 繁，田莉兰，李 睿，顾小情，周祥屿，王琼华

(1. 四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065；2. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100191)

1 引 言

随着虚拟现实技术和可穿戴显示器的快速发展，微显示器受到越来越多的关注。LCoS (Liquid Crystal on Silicon, 硅基液晶)因其高亮度、高开口率、高分辨率、低功耗和紧凑性而在微显示器中得到广泛应用[1-4]。为了获得更高的分辨率，LCoS的像素大小(<10 μm)和相邻像素间隙(～1 μm)设计得很小，当施加电场后，相邻两像素之间的边缘场效应变得不可忽略，相邻像素之间的边缘电场能够影响到彼此的液晶分子排列，从而扰乱本来液晶分子排列方式，显示亮度和对比度将会受到严重影响[5-12]。

为了降低边缘场效应对液晶显示器显示效果的影响，刘绍锦等人提出了混合排列模式(HAN)的方法[13]。在混合排列模式方法下，液晶盒一侧基板上的液晶分子垂直表面排列，施加电场后液晶分子转动较为平滑，在像素边界处不会产生明显的扰动，可以大大提高显示性能，但是这会使取向工艺变得复杂。而李朋等人提出了双边叉指电极结构的方法[14]，液晶盒的顶部和底部都使用叉指电极结构，偏置电压施加到同一平面内的相邻电极上和上下相对的电极上。这种特殊的电极结构在相邻电极之间产生一个水平电场，同时在上下相对电极之间产生一个垂直电场。水平电场协助减少相邻电极之间的液晶分子指向矢的转动，而垂直电场驱使电极中间区域的液晶分子指向矢垂直于电极平面取向，从而消除边缘场，但是这种电极设计方式增加了驱动难度。

本文提出了一种使用介电突起消除边缘场效应的LCoS。通过在相邻像素之间引入介电突起，施加电压时相邻像素之间的边缘场被介电突起阻隔，从而消除了边缘场对相邻像素之间的液晶分子指向矢分布的影响，LCoS的显示效果和对比度得到了提高。由于介电突起位于LCoS的非像素区域，因此LCoS的亮度和图像质量不会受到影响。此外，对LCoS的液晶分子指向矢分布和边缘场串扰现象进行了仿真，分析了边缘场效应产生的机理及其影响因素，并对相应反射率和相位进行了计算和对比。

2 器件结构和原理

本文提出的LCoS结构如图1所示，包括偏振片、玻璃基板、透明平面公共电极、液晶层、介电突起、透明方形像素电极、绝缘层、铝反射镜和硅基板。玻璃基板和硅基板彼此平行设置，透明平面公共电极和透明方形像素电极彼此平行设置，液晶层采用平行取向，介电突起利用光刻工艺制作在相邻像素电极之间，整体驱动电路是利用CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺在硅基板上进行制作，然后磨平硅片表面，并依次镀上铝反射镜、绝缘层、透明方形像素电极和介电突起，构成CMOS基板，然后将CMOS基板与带有透明平面公共电极的玻璃基板贴合，注入液晶材料，最后封装成LCoS。

图1 具有介电突起的LCoS结构。(a) 剖面图；(b) 3D图。Fig.1 LCoS structure with dielectric protrusions. (a) Sectional view; (b) 3D diagram.

LCoS是利用外加电场控制液晶分子的排列状态，从而改变液晶盒的光学性质。本文采用平行取向(Parallel Alignment，PA)型液晶盒来研究和消除边缘场效应。在PA型的液晶盒中，主要利用透明平面公共电极和透明方形像素电极之间产生的纵向电场对光进行调制。如果对LCoS的某一个像素施加电压，这一个像素的正上方会形成良好的纵向场，但同时周围的像素也充当了公共电极，施加电压的像素与周围的像素之间就会存在串扰电场，产生了所谓的边缘场效应。高分辨率LCoS的边缘场效应与像素电极宽度和液晶盒厚度的比率相关，比率越小，相邻像素之间的边缘场效应越强[15]。而对于满足超高分辨率和超快响应速度的LCoS，需要的像素单元更小，同时液晶层也需要很薄，故相邻像素电极边缘处的影响可以延伸至像素电极中心，不可避免地增强了边缘场的串扰，使得像素电极上方的液晶分子初始排列发生变化，在表面锚定、体弹性和电场作用下达到一个新的平衡。这样在这个像素内液晶分子排列会发生畸变，在显示效果上体现为亮度的不均匀[13]。

本文设计的降低边缘场的介电突起位于相邻像素电极之间，按照排列方式不同，可分为纵向突起和横向突起。通过介电突起对边缘电场的分压作用隔绝边缘场效应使相邻像素之间的串扰大大减小，从而提高显示效果。为了进一步研究边缘场效应，模拟了LCoS的液晶分子指向矢分布和边缘场串扰现象，并计算了相应的反射率和相位变化，最后分析了LCoS的等对比度视角图。

3 仿真结果和讨论

本文使用Techwiz LCD软件来仿真传统LCoS和具有介电突起结构的LCoS。在仿真中，透明平面公共电极和透明方形像素电极为氧化铟锡(ITO)电极，液晶层使用E7液晶材料，介电突起使用SU-8光刻胶，绝缘层使用SiO2材料。采用的入射光波长λ=550 nm，偏振片透光轴方向为0°，偏振片的厚度为230 μm，玻璃基板的边长l=24.5 μm，透明平面公共电极的厚度为0.04 μm，液晶盒厚d=3 μm，介电突起的高度h和宽度w分别为2 μm和1 μm，透明方形像素电极的边长w1=7.5 μm，绝缘层和铝反射镜的厚度均为0.01 μm；透明方形像素电极的工作电压Von为0～10 V，介电突起的介电常数ε=3.5。采用的E7液晶材料特性为：在光波长为550 nm时，非常光折射率ne=1.741，寻常光折射率no=1.517，饱和双折射率Δn=0.224，垂直介电常数ε⊥=5.3，水平介电常数ε∥=16.7，相对介电常数Δε=11.4，黏度系数=29 mPa/s。

通过软件首先模拟了传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素电极施加电压的情况下液晶分子的排布，如图2所示，其中传统LCoS在对中心像素电极施加电压的情况下边缘电场对相邻像素液晶分子排布的影响如图2(a)和2(c)所示。由图可知，相邻像素边缘的液晶分子发生了转动，边缘场效应严重影响了相邻像素的液晶分子初始指向分布，显示效果也受到了严重影响。而具有介电突起结构的LCoS，如图2(b)和2(d)所示。在介电突起结构的电场阻隔作用下，基本只有施加电压的中心像素内的液晶分子发生了转动，在不加电压的相邻像素内的液晶分子基本不受施加电压的中心像素的电场影响，液晶分子没有发生转动，显示效果不会受到影响，说明介电突起对消除LCoS中边缘场效应有着明显的效果。

图3为传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素电极施加电压时相邻像素的反射光分布和反射率曲线。图3(a)为传统LCoS在中心像素加电时的反射光分布，可以看出像素之间的边缘场效应使相邻像素的灰阶发生了改变，亮度均匀性受到了影响，进而影响显示效果。为了解决这一问题，我们提出具有消除边缘场的介电突起的LCoS，其仿真效果如图3(b)所示，像素区域显示亮度均匀，非像素区域有轻微的灰度变化，但并不会影响整体显示效果，说明介电突起很好地阻隔了边缘电场，消除了边缘场对相邻像素成像效果的影响。图3(c)为5 V电压时传统LCoS和具有介电突起的LCoS在图3(a)和图3(b)所示红色实线区域反射率随位置的变化曲线，可以看出传统LCoS在对中心像素加电时相邻的上一个像素靠近中心加电像素的区域反射率骤降，与反射光分布图3(a)一致，说明相邻像素的亮度受到了影响。而具有介电突起的LCoS在相同情况下反射率为96%，基本保持不变，与反射光分布图3(b)一致，显示效果未受到边缘场的影响。图3(d)为传统LCoS和具有介电突起的LCoS在图3(a)和图3(b)所示红色实线区域中反射率随电压的变化曲线，由图可知，传统LCoS的反射率在电压大于3 V时开始下降，随着电压的增加，反射率逐渐变小，受到边缘场的影响越来越严重，而具有介电突起的LCoS反射率基本保持不变，不随电压的增加而改变，说明介电突起可以消除传统LCoS中的边缘场效应。我们还仿真了传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素电极施加电压时相邻像素的相位分布和整体视角对比，如图4所示。图4(a)为传统LCoS和具有介电突起的LCoS在图3(a)和图3(b)所示蓝色实线区域中相位随位置的变化曲线，图4(a)中的红色实线是不加突起的传统LCoS的相位调制，相位曲线在像素间隙处是一条斜线，说明两像素之间的液晶分子受到了边缘场的影响存在扰动，而具有介电突起的LCoS，如黑色虚线所示，相位曲线在两像素之间明显更为陡峭，相位差基本保持不变，相邻像素的液晶分子没有受到影响，说明介电突起大大降低了边缘场带来的串扰。图4(b)和图4(c)分别为传统LCoS和具有介电突起的LCoS的整体视角图。可以看出，传统LCoS的对比度大于35∶1的区域接近50°，而具有介电突起的LCoS对比度大于35∶1的区域接近60°，但中心部分区域对比度有所下降，这是因为LCoS暗态时像素边缘的液晶分子由于介电突起的作用而存在一定的初始倾斜角，特定偏振角度的光线入射，导致存在初始反射率，从而影响中心对比度。整体来看，介电突起对LCoS的视角影响不大，两者的视角基本相同。

图2 LCoS在对中间像素加电场时相邻像素液晶分子排布对比。(a)传统LCoS液晶显示盒的分子排布(剖面图)；(b)具有介电突起的LCoS液晶显示盒的分子排布(剖面图)；(c)传统LCoS液晶显示盒的分子排布(俯视图)；(d)具有介电突起的LCoS液晶显示盒的分子排布(俯视图)。Fig.2 Comparison of liquid crystal molecules arrangement of adjacent pixels when LCoS applies electric field to intermediate pixels. (a) Molecular arrangement of a conventional LCoS liquid crystal display cell (cross-sectional view); (b) Molecular arrangement of an LCoS liquid crystal display cell with dielectric protrusions(cross-sectional view); (c) Molecular arrangement of a conventional LCoS liquid crystal display cell (top view); (d) Molecular arrangement of an LCoS liquid crystal display cell with dielectric protrusions (top view).

图3 传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素电极施加电压时相邻像素的反射光分布和反射率曲线。(a) 传统LCoS在中心像素加电时的反射光分布；(b) 具有介电突起的LCoS在中心像素加电时的反射光分布；(c) 传统LCoS和具有介电突起的LCoS在中心像素施加5 V电压时相邻像素反射率随位置的变化曲线；(d) 传统LCoS和具有介电突起的LCoS在中心像素加电时相邻像素反射率随电压的变化曲线。Fig.3 Reflected light distribution and reflectance curves of adjacent pixels when conventional LCoS and LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel electrode. (a) Reflected light distribution of conventional LCoS when LCoS applies electric field to intermediate pixels; (b) Reflected light distribution of LCoS with dielectric protrusions when LCoS applies electric field to intermediate pixels; (c) Relationship between the reflectivity of adjacent pixels and the position of the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions when the intermediate pixel is applied with a voltage of 5 V; (d) Relationship between the reflectivity of adjacent pixels and the voltage of conventional LCoS and LCoS with dielectric protrusions when LCoS applies electric field to intermediate pixels.

图4 传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素电极施加电压时相邻像素的相位曲线和视角对比。(a)传统LCoS和具有介电突起的LCoS在对中心像素加电时相邻像素间的相位对比；(b)传统LCoS的整体视角图；(c)具有介电突起的LCoS的整体视角图。Fig.4 Phase curve and viewing angle of the adjacent pixels when the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel electrode. (a) Phase contrast of the adjacent pixels when the conventional LCoS and the LCoS with dielectric protrusions applies voltage to the intermediate pixel; (b) The overall viewing angle of conventional LCoS; (c) The overall viewing angle of LCoS with dielectric protrusions.

4 结 论

提出了一种使用介电突起消除边缘场效应的LCoS。通过仿真得到了高分辨率LCoS液晶分子指向矢分布和边缘场串扰现象，计算出了相应的反射率和相位曲线，分析了边缘场效应的影响，并探讨了边缘场效应的产生机理，通过在像素电极之间制造介电突起结构，施加电压时相邻像素之间的边缘场被介电突起阻隔，从而消除了边缘场效应，提高了显示的对比度和亮度均匀性。