改善大视角下LCD灰阶图像质量的研究进展

郭玉强，孙玉宝

(河北工业大学 应用物理系，天津300401)

1 引 言

LCD凭借着成熟的工艺、配套的上中下游产业链、较高的性价比与长寿命等优势，在大尺寸显示领域中发挥着重要的作用[1-2]。近年来，LCD在不断地进行性能改进。在与其他种类的显示器件的竞争过程中，LCD不断开发和利用新技术，已经在多个方面表现出优异的性能，例如可以获得8K超高分辨率，12位或更高灰阶的高动态范围显示，搭载高亮度和高饱和度背光源后获得良好的暗态与较高的对比度，拥有逼真的色彩和满足动态显示需求的高刷新率等[3-5]。

但是，LCD依然面临着巨大的挑战，尤其是LCD的发展趋势受到了有机发光二极管显示器等新型显示技术的挑战。新型显示技术方兴未艾，它们在某些性能参数方面有更好的表现，所以LCD必须加紧创新与优化，特别亟需在其薄弱方面做出改进。

目前，LCD在大尺寸显示中仍然占据大半的比例，并且向着越来越大的尺寸发展。大尺寸就意味着大视角，所以大视角所带来的灰阶图像质量问题是必须要面对和解决的重要任务。与LCD视角相关的性能参数有很多，例如对比度、伽马偏移、色彩偏移、亮度和色域范围等，这些参数将决定着LCD灰阶图像质量。本文针对这几个与视角相关的性能参数进行总结和讨论。

2 对比度

LCD存在最高对比度与灰阶对比度。最高对比度指的是亮态与暗态透过率的比值，灰阶对比度指的是某一灰阶下的透过率与暗态透过率的比值。自从LCD被发明以来，人们就对它的对比度进行了持续的研究。总的来看，LCD的对比度主要经过了以下几次发展。早期，人们提出了一些具有宽视角的显示模式，这改善了LCD在倾斜视角下的对比度，使其能够在大视角下进行观看。在此期间，为了进一步提高对比度，人们还提出了使用光学补偿膜补偿的方法，并且还针对不同的显示模式开发了不同的补偿方法，获得了较高的对比度。近年来，为了使LCD的对比度达到可比拟主动发光显示器的效果，人们又提出了使用高亮度Mini LED(Light-emitting diode)背光源、局部调光技术、双盒显示技术等[6]。这些技术使得LCD的对比度又一次得到了质的飞跃，也助力了它在大尺寸显示领域内的发展。

20世纪70年代，市场上主要以工艺较为简单的扭曲向列相(TN：twisted nematic)LCD为主[7]，它的正视对比度较低，并且对比度对视角的依赖性较强，所以需要提高其对比度。为了解决这个问题，人们在20世纪末开发出了一些具有宽视角的显示模式，例如：共面转换(IPS：in-plane switching)[8]、边缘场转换(FFS：fringe field switching)[9]与光学自补偿弯曲(OCB：optical compensated bend)[10]等显示模式。另外，垂面排列(VA：vertical aligned)LCD中的液晶分子近乎垂直排列，所以在正交偏光下，VALCD具有较高的正视对比度。2002年，Kikuchi等人制备了聚合物稳定蓝相液晶(BPLC：blue phase liquid crystal)[11]，BPLC温度被拓宽至包括室温在内的一个较大的范围，它的稳定性得到了保证[12]。常态下，BPLC处于光学各向同性，所以BPLCD也具有较高的对比度[13]，并且还具有亚毫秒级响应速度和无需取向的优点，使其被认为是下一代液晶显示模式。

在LCD中使用合适的光学补偿膜后，其暗态漏光可以得到改善，进而对比度也可以得到提升[14]。光学补偿膜是各向异性的透明聚合物材料，商业上通常将这层聚合物材料添加在偏光片内侧，形成宽视角偏光片。宽视角偏光片可以起到两个作用：一是纠正倾斜视角下偏光片的消光比；二是对离轴方向液晶的相位变化进行补偿，降低相位延迟量的变化，实现更好的暗态。图1展示了LCD的主要部件、宽视角光学补偿膜的位置与添加光学补偿膜前后的显示效果[15]。可以看出，添加补偿膜前后，大视角下的图像质量得到了显著提高。

图1 LCD中的主要部件及添加宽视角补偿膜前后的显示效果图[15]Fig.1 Main components in LCD and the images before and after adding the wide viewing compensation film[15]

对于不同的显示模式，需要添加的光学补偿膜的种类也不尽相同[16-18]。一般地，初始指向矢为水平排列的LCD需要添加nx>nz>ny类型的双轴补偿膜或单轴补偿膜组，例如TN、IPS与FFS显示模式。添加补偿膜后，它们的正视对比度可以得到显著提升，并且大视角下的对比度也可以得到提高。而初始指向矢为垂直排列的LCD需要添加nx>ny>nz类型的双轴补偿膜或单轴补偿膜组，例如VA显示模式。VALCD本身具有较高的正视对比度，添加补偿膜后，倾斜视角下的对比度可以得到提升。

局域调光技术有两种实现方法：其一是使用高亮度的LED光源和调光光阀，控制光阀透光与否就可以控制不同区域的亮暗；其二是使用点阵型的Mini LED充当背光源，分别点亮不同位置的Mini LED就可以控制不同区域的亮暗情况。

2011年，Huang W等人展示了使用LED局域调光技术前后，LCD显示出的画面，如图2所示[19]。从图中可以看出，未使用局域调光技术时，草莓之间的黑色区域难以达到最黑的状态，而需要显示高亮度时，又难以表现出期待的亮度，所以从对比度上来看，它的灰阶图像质量较差。使用局域调光技术后，画面展现出了应有黑色区域与高亮区域，画面的对比度得到了显著提升。

图2 使用局域调光技术前(a)后(b)，LCD的画面效果[19]。Fig.2 Color images of LCD before (a) and after (b) using the local dimming technique[19]

图3展示了2018年Tan等人提出的一款基于Mini LED背光源的LCD，它在理论上可以实现零亮度与超高亮度之间的灰阶显示，具有较高的对比度与较高的动态范围[20]。一般地，局域调光技术可以控制某一显示区域内的亮暗情况，尤其在显示黑色图像时，可以直接使该区域处于无背光状态，所以局域调光技术可以使LCD的理论对比度达到无穷大，这与主动发光显示器件对比度有相似的显示效果。

图3 基于Mini LED背光源LCD的亮态Mini LED分布(a)，亮态光强分布(b)与蜡烛显示效果图(c)[20]。Fig.3 Bright-state Mini LED distribution (a), bright state light intensity distribution (b) and the candle image of LCD based on Mini LED backlight (c)[20].

除了使用高亮度LED背光源实现局域调光技术外，还可以使用双盒显示技术来提升LCD的对比度。2017年，Chen等人报道了一种由两个不同显示模式叠加在一起组成的LCD，它整体对比度可以提高到1 000 000∶1，60°视锥内的对比度高于1 000∶1[21]。

目前，LCD的对比度几乎可以提升到与主动发光显示器相比拟的程度。如果考虑到环境光的影响，LCD可以表现出相对较高的实际对比度[3]。从LCD的发展趋势与业界的共识上来看，大尺寸LCD会向Mini LED背光的方向发展，以抗衡现有的主动发光显示器。

3 伽马偏移

“伽马”一词源于阴极射线管栅极电压的幂指数，它被用来描述阴极射线管的电子流密度，所以伽马指数决定着像素的亮度。后来伽马指数一直沿用至今，用来描述各种显示器件中灰阶与亮度之间的关系。由于液晶材料是各向异性的，所以在不同视角下，LCD会表现出不同的电光性能，进而各个视角下灰阶与亮度的关系曲线就会彼此分离，这就是伽马偏移。

图4(a)展示了某款显示器在正视下的彩色图像。在这个图像中，中间4幅图是具有不同色调的彩色画面，四周是具有不同灰度的黑白灰阶卡。当沿着倾斜视角观看图像时，中间4幅彩色画面的颜色发生了变化，并且灰阶卡的灰度顺序也发生了错乱，在图像最右侧甚至出现了灰度转彩色的现象，如图4(b)所示。这表明，LCD的图像在倾斜视角下会发生伽马偏移，并且在大视角下更为明显。

图4 某款LCD在正视下(a)与倾斜视角下(b)所显示的图像Fig.4 The images of one LCD under the normal direction (a) and oblique viewing angle (b)

显示器上不同位置的观看视角不同，对应的伽马曲线也不同，如图5所示[22]。对于大尺寸LCD来说，即便观看者在LCD屏幕中心的正前方，来自4个角落的图像依然具有较大的倾斜视角。虽然LCD的驱动电路中含有伽马校正模块，但它只能将LCD的图像整体调整为某一适当的伽马数值，并不能解决各个视角下存在伽马偏移的问题。所以，LCD必将存在伽马偏移。

图5 某款LCD在不同视角下的伽马曲线[22]Fig.5 Gamma curves of one LCD under various viewing angles[22]

一般地，人们通过不同灰阶之间的平均亮度差来定量地评价显示器件的伽马偏移。2004年，Kim等人提出了离轴图像失真指数D(θ,φ)来评价LCD在某一倾斜视角下的伽马偏移，如式(1)所示[23]。其中，θ表示极角，φ表示方位角。若采用极角形式来呈现离轴图像失真指数，则需要指明最大离轴图像失真指数对应的方位角，来显示出最严重伽马偏移对应的具体角度。2019年，Guo等人提出使用方位角图像失真指数DA(θ)来评价LCD在某一视锥下的伽马偏移，从而进一步地完善了对伽马偏移的评价，如式(2)所示[24]。式中，θ表示极角，计算时需要首先找到某一视锥下的最大与最小伽马偏移对应的伽马曲线，然后再计算这两个伽马曲线之间的伽马偏移。这个指数无需指明具体的方位角，因为它代表了某一视锥内的最大伽马偏移。在判别条件上，当这两个指数低于0.2时，就可以认为LCD的伽马偏移处于人眼不可分辨的程度。

(1)

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(2)

近年来，人们提出了多种方法来改善LCD的伽马偏移，其中一些方法能够显著地降低伽马偏移，其中一些方法可以将LCD的伽马偏移降低至人眼不可分辨的程度。这些方法可以大致分为以下几类：(1)在LCD外层添加具有特殊结构的光散射膜；(2)优化电极结构；(3)改进驱动方法。下面就针对这几种方法展开介绍。

3.1 具有特殊结构的光散射膜

LCD的显示原理决定了它的伽马偏移只能被改善，不能被消除。所以，人们就尝试在LCD的最外侧添加具有特殊结构的光散射膜，来实现降低LCD伽马偏移的目的。一般地，这类光散射膜的外表面上具有几十至几百微米的图形化结构。这些结构能够将LCD的出射光变为朝向各个方向的散射光，这样就可以达到均匀电光性能的目的，进而可以获得较低的伽马偏移。

2015年，Gao等人使用半椭球形光散射膜来改善LCD在大视角下的伽马偏移[25]，其中半椭球形凸起的半径为600 μm，如图6(a)所示。在整个装置中，准直背光可以通过玻璃基板与液晶层最终入射到半椭球形光散射膜的表面。此时，光依然具有良好的准直性，若在此时观察LCD，则倾斜视角下一定会存在较严重的伽马偏移。当光穿过半椭球形光散射膜后，原本准直的光就变成了朝向四面八方的散射光，此时各个视角下的电光性能就实现了“混配”的效果，所以这款光散射膜可以降低LCD的伽马偏移。他们展示的结果表明，这种半椭球形光散射膜可以用于TN、VA、IPS与FFS等多种显示模式，并且都能将伽马偏移降低至肉眼不可分辨的范围。从图6(b)可以看出，当把这种光散射膜应用至IPS LCD上时，离轴图像失真指数可以降至0.041 0，此时的伽马偏移是肉眼不可分辨的。

图6 (a)半椭球形光散射膜；(b)使用该光散射膜后，IPS LCD的伽马曲线[25]；(c)抛物线状光散射膜；(d)某款LCD使用该光散射膜后的效果[26]。Fig.6 (a) Semi-ellipsoid light scattering film； (b) Gamma curves of IPS LCD after using this scattering film[25]；(c) Light scattering film with parabolic grooves； (d) Image of one LCD after using the scattering film[26].

除了添加半椭球形光散射膜外，三棱柱、抛物线与四棱台等形状的光散射膜也可以用来降低LCD的伽马偏移[26-28]。2012年，Park等人[26]提出使用带有凹刻抛物线形状的光散射膜来改善LCD的的伽马偏移，这种光散射膜中每一个凹刻抛物线形状的尺寸约为80 μm，如图6(c)所示。当在LCD的外表面添加了这种光散射膜后，LCD在倾斜视角下图像质量得到显著提升，如图6(d)所示。

从原理上可以看出，这类光散射膜适用于各种显示模式。另外，它可以单独制造，而后贴合到LCD表面，所以这种方法具有一定的独立性。这类光散射膜也存在一些缺点，例如它基于散射的原理，会损失光利用率和分辨率；它需要制备特殊形状的凸起结构，这会增加制造成本；为了削弱多层膜干涉效应，需要选用特定折射率的基底材料和化学粘合剂等。

3.2 电极结构

近年来，人们提出了多种电极结构来改善LCD的伽马偏移。从电极产生的电场方向分布上来分，这些电极结构可分为以下3种：(1)多畴电极结构；(2)单畴电极结构；(3)特殊电极结构。

早期，人们主要使用多畴电极结构来降低LCD的伽马偏移，例如“之”字形电极结构与“人”字形电极结构[29-32]。随着对伽马偏移的深入研究，发现一些单畴电极结构也可以表现出较低的伽马偏移。另外，为了适应某个具体的设计要求，人们又提出了一些具有特殊形状的电极结构来获得较低的伽马偏移。下面就按照以上3个种类介绍如何从电极结构方面降低伽马偏移。

3.2.1 多畴电极结构

多畴电极结构指的是LCD的电极分布在两个或两个以上的方向上，它们可以在某一坐标平面上存在不同的朝向，也可以在不同的坐标平面上分布[33-35]。一般地，多畴电极结构可以产生互补的液晶指向矢分布，所以可以不同程度地改善伽马偏移[36-42]。

2010年，Rao等人研究了使用“之”字形电极结构来改善BPLCD的伽马偏移[43]。传统的IPS BPLCD的电极结构是单畴的叉指状电极，如图7(a)所示。这种电极结构可以产生垂直于电极方向的电场分布，所以沿电极方向与垂直电极方向的电光性能就会存在较大差异。大视角下，沿电极方向就会存在较严重的伽马偏移。如果将电极形状改为“之”字形，如图7(b)所示，则可以产生两个方向的电场分布，此时沿电极方向与垂直电极方向的电光性能就会达到互补的效果，进而会得到较低的伽马偏移。

图7 单畴(a)与“之”字形多畴(b)电极结构[43]Fig.7 Single-domain (a) and zigzag multi-domain (b) electrode structures[43]

多畴电极结构中的电极形状是不固定的，只要能够产生两个及两个以上方向的电场，都可以称作多畴电极结构。2012年，Wu等人研究了正交型与“人”字形多畴电极结构对FFS LCD伽马偏移的影响[44]。图8(a～b)是这两种电极结构示意图，图中结果表明，这两种电极结构都可以产生两个电场方向不同的显示区域，它们能够实现互为补充的效果。图8(c～d)为两种电极结构的伽马曲线，从图中可以看出，它们都可以表现出肉眼不可分辨的伽马偏移。

图8 正交型(a)与“人”字形多畴电极结构(b)；正交型(c)与“人”字形(d)多畴电极结构的伽马曲线[44]。Fig.8 Perpendicular-type (a) and chevron-type multi-domain (b) electrode structures；Gamma curves of perpendicular-type (c) and chevron-type multi-domain (d) electrode structures[44].

高介电常数材料是一类具有较高相对介电常数的绝缘材料[45-48]，它可以改变液晶层中的电场分布[49-50]。将高介电常数材料应用至LCD中可以降低驱动电压，如果在此基础上再使用“之”字形多畴电极结构，则LCD的伽马偏移会显著下降。图9(a)为2018年提出的一种具有高介电常数凸起的BPLCD，这种电极结构可以产生更为均匀的横向电场分布[51]。若将“之”字形多畴电极结构应用在高介电常数凸起BPLCD时，在45°方位角及60°极角下的离轴图像失真指数可以降低至0.159 0，伽马偏移处于肉眼不可分辨的范围，如图9(b)所示。

图9 高介电常数凸起BPLCD的电极结构(a)与伽马曲线(b)[51]Fig.9 Electrode structure (a) and gamma curves (b) of BPLCD with high dielectric protrusion[51]

当初始液晶指向矢为多个方向排布时，LCD也可以表现出较低的伽马偏移[52-53]。虽然这种方法与多畴电极结构是不同的，但本质上需要利用光控取向技术来实现多畴液晶指向矢定域排列[54]，所以将这部分内容也归结到此，以给相关研究提供更多思路。

2010年，Miyachi等人研究了一种紫外固化的VA LCD(UV2A LCD：ultraviolet VA LCD)[55]，这种UV2A LCD的初始液晶指向矢分布是靠倾斜光固化来实现的。如图10所示，UV2A LCD可以在基板玻璃内侧产生两个方向的初始液晶指向矢分布，这样它的电光性能就可以实现互补的效果，进而也存在较低的伽马偏移。由于像素尺寸小于人眼的分辨极限，所以在加电条件下，它可以实现均匀的红绿蓝三基色显示效果。

图10 UV2A LCD的液晶指向矢分布(a)及其亮态像素图(b)[55]Fig.10 Liquid crystal director distribution (a) of UV2A LCD and its on-state pixel (b)[55]

此外，2013年Mun等人研究了一种四畴结构的TNLCD，在4个像素区域中，基板表面的液晶分子取向相互正交[56]。结果显示，它在60°视角下展现出了肉眼不可分辨的伽马偏移。

3.2.2 单畴电极结构

与多畴电极结构不同，单畴电极结构中的电极仅朝向某一方向。过去，人们一般认为多畴电极结构有不同方向的电场分布，可以产生不同朝向的液晶指向矢，进而可以实现降低伽马偏移的效果。事实上，一些单畴电极结构也可以实现类似的效果[57]。

2020年，Guo等人提出了一种单畴凸起FFS LCD，如图11(a)所示。加电后，这种电极结构可以产生上下互补的电场分布[58]。在上半层液晶中，电场主要以横向分布为主；在下半层液晶中，电场以环绕凸起电极的方式存在。总的来看，它可以产生类似于蘑菇状的对称电场分布。图11(b)是单畴凸起FFS LCD的伽马曲线，结果显示，这种电极结构在不同视角下的电光特性曲线表现出相近的驱动电压，在90°方位角及60°极角下的离轴图像失真指数可以降低至0.094 3。

图11 凸起FFS LCD的电极结构(a)与伽马曲线(b)[58]Fig.11 Electrode structure (a) and gamma curves (b) of the protruded FFS LCD[58]

图12(a)展示了2020年提出的一款异步双面电极结构的电势分布。从图中可以看出，虽然这种电极结构是单畴的，但是它可以产生上下、左右均对称的电场分布[59]。由于它的电场分布对称性较好，所以它可以展现出较低的伽马偏移。图12(b)显示，异步双面电极结构的离轴图像失真指数呈现出不对称的分布，但整体上随着极角的增加而降低。如图所示，全视角下离轴图像失真指数均低于0.2。并且报道中指出异步双面电极结构在全视角下的方位角图像失真也为0.2以下。此外，这种电极结构允许存在一定的错位。当上下基板错位距离为电极宽度的一半以内时，它仍然保持肉眼不可分辨的伽马偏移。

图12 异步双面电极结构的电势分布(a)与离轴图像失真指数分布(b)[59]Fig.12 Potential distribution (a) and off-axis image distortion index distribution (b) of the asymmetrical double-side electrode structure[59]

3.2.3 特殊电极结构

为了在伽马偏移、驱动电压与对比度等方面表现出更加优异的性能，需要设计一些相对特殊的电极结构。研究发现，一些具有特殊形状的电极结构也可以获得较低的伽马偏移[60-64]。

图13(a～b)是Chen等人在2017年提出的菱形凸起电极结构及其伽马曲线分布[65]。这种电极结构既可以产生xoy面内的双畴电场分布，又可以产生带有z分量的电场分布。所以，施加合适的电压后，其60°极角下离轴图像失真指数为0.163 4，是具有较低伽马偏移的电极结构。另外，这种结构在驱动电压、透过率与对比度等方面亦有良好的表现。

2017年，Guo等人提出了单渗透电极结构，它是可以产生对称电场分布的电极结构[66]。给像素电极施加一定的电压后，这种电极结构可以产生X形的电场分布，这是一种上下、左右均对称的电场分布，如图13(c)所示。图13(d)是单渗透电极结构的伽马曲线，可以看出，135°方位角及60°极角下的离轴图像失真指数仅为0.063 5，是同类电极结构中伽马偏移较低的结果。此外，这种电极结构也具有其他优势，例如较低的驱动电压、较高的透过率和对比度。

图13 菱形凸起电极结构(a)及其伽马曲线(b)[67]；单渗透电极结构(c)及其伽马曲线(d)[68]。Fig.13 Diamond-shape electrode structure (a) and gamma curves (b)[67]；Single-penetration electrode structure (c) and gamma curves (d)[68].

改善电极结构能够有效降低LCD的伽马偏移。可选的电极结构种类较多，可参考的相关报道也较多。总的来看，能够获得多畴对称液晶指向矢分布的电极结构都可以或多或少地降低伽马偏移。当然，这种方法也存在一些弊端，例如增加制作难度和成本，限制LCD的分辨率，影响透过率或其他性能。

3.3 驱动方法

3.3.1 主/副像素驱动

除了液晶材料与电极结构外，驱动方法对LCD的伽马偏移也存在影响。在驱动方法上，可以采用主/副像素驱动方法来改善LCD的伽马偏移。这种方法需要在显示面板上设计主像素和副像素，然后在主像素上施加一个较高的驱动电压，在副像素上施加一个较低的驱动电压[67-69]。施加电压后，主/副像素内具有互补的液晶指向矢分布，并且像素的尺寸又小于人眼的分辨极限，所以LCD会体现出两个像素上的综合电光性能。通过调整主/副像素的面积比例与电压比例，就可以获得预计的伽马曲线[70-73]。这种方法已经被应用于部分大尺寸LCD上[74-76]，下面举一实例说明这种方法。

图14(a～d)为三星电子在2005年展示的一款208 cm(82 in)英寸图案化垂面排列(PVA：patterned vertical aligned)LCD的电极结构、双漏极薄膜晶体管(TFT：thin film transistor)、主/副像素上的伽马曲线与最终的伽马曲线[77]。主副像素的面积分配靠A、B显示区域的面积来控制，主/副像素上输入电压的比例靠一个耦合电容来控制。从图14(c)中可以看出，像素A区域内的伽马曲线比欲获得的伽马曲线偏上，像素B区域内的伽马曲线比欲获得的伽马曲线偏下。调节好A、B区域内的伽马曲线后，PVA LCD可以展示出综合的伽马曲线。结果显示，这款PVA LCD在70°视角下的最大离轴图像失真指数仅为0.144。主/副像素驱动方法可以有效地降低LCD的伽马偏移，它可以应用在各种的显示模式中。但是，主副像素驱动方法的主要难度是设计与之配套的耦合双漏极薄膜晶体管[78]。此外，还要选好合适的主/副像素面积比例和电压比例。

图14 (a)具有主/副像素的电极结构；(b)具有双漏极的TFT电路；(c)主/副像素的伽马曲线与它们的等效伽马曲线；(d)使用主/副像素驱动后，PVA LCD的伽马曲线分布[77]。Fig.14 (a)Electrode structure with main/sub-pixel；(b) TFT circuit with double drain electrodes；(c) Gamma curves of main/sub-pixel and their equivalent gamma curve；(d) Gamma curve distribution of PVA LCD after using the main/sub-pixel driving method[77].

3.3.2 截断透过率方法

截断透过率方法是在2020年Guo等人提出的一种降低LCD伽马偏移的方法[79]。这种方法的原理是：在像素电极上施加一个较小的电压(小于正视下的驱动电压)，这也相当于截断一定的透过率来显示画面。这种方法可以避免倾斜视角下出现灰阶反转的现象，各个视角下的电光特性曲线更为均一，从而可以获得较低的伽马偏移。

图15展示了IPS BPLCD在不同视角下的电光特性曲线，图中不同的比例系数表示此时的透过率占正视下最高透过率的比例。从图中可以看出，若采用正视下最高透过率对应的电压来驱动IPS BPLCD，那么倾斜视角下会出现灰阶反转的现象，此时将会存在严重的伽马偏移。若施加90%及以下透过率对应的驱动电压，那么倾斜视角下的电光特性曲线均为单调变化，这样IPS BPLCD会表现出较低的伽马偏移。

图15 不同视角下，IPS BPLCD的电光特性曲线[80]Fig.15 VT curves of IPS BPLCD under various viewing angles[80]

从图16(a～b)中的结果可以看出，当采用100%透过率对应的电压驱动IPS BPLCD时，其在90°方位角及60°极角下离轴图像偏移指数为0.462 1。若透过率截断点为80%，则IPS BPLCD的离轴图像偏移指数可以降低至0.128 2。使用截断透过率方法后，60°视锥内各个方位角下的离轴图像失真指数的分布将会更加均匀，如图16(c)所示。结果表明，IPS BPLCD的方位角图像失真指数可以从0.312 0降低至0.049 2。此外，这种方法不仅适用于传统的IPS电极结构，还可以应用于一些具有低驱动电压的电极结构，例如凸起电极结构、具有高介电常数材料的电极结构与渗透电极结构等，如图16(d)所示。

截断透过率方法相对独立，它既可以单独使用，也可以搭配其他的方法来降低LCD的伽马偏移。这种方法比较简单，无需添加新的制备工艺。此外，这种方法无需施加峰值电压，这也节约了一部分电能。但是，这种方法的原理就决定了会存在一定的透过率损失。当然，多畴电极结构、主/副像素驱动方法等也会存在损失透过率的现象。所以，研究人员可以从实效性、操作难度、驱动电压与透过率等方面综合考量，来决定所使用的方法。

4 其他与视角相关的性能

除了对比度与伽马偏移之外，还有一些其他性能也与视角相关，如色彩偏移、亮度和色域等性能。

色彩偏移是指色坐标上某一坐标点在倾斜视角下发生偏移的现象。事实上，色彩偏移与伽马偏移相关，能够改善伽马偏移的方法也适用于降低色彩偏移[81-83]。

亮度是指LCD展现出来的光强，它与背光源的光强和LCD透过率的视角特性均相关。背光源发出的光在多层散射膜的作用下可具有较好的视角均匀性，LCD的透过率随视角有较大的变化，极角越大则对应的亮度通常越低。为了提升LCD在不同视角情况下的亮度均匀性，通常使用外贴散射膜方法来均匀出射光的角度分布[25-28]。

色域是指显示器可以显示的色彩范围在色度坐标系中所占的面积，它通常以某一色域指标的百分比形式呈现。LCD的色域也与视角相关，视角越大则色域通常越小。色域与伽马偏移和色偏移相关，所以前文介绍的关于改善伽马偏移的方法也可以用来提升色域。近几年，人们制备出了一些含有量子点的特殊光学补偿膜或光散射膜，添加这些光学薄膜亦可以显著提升LCD的色域[84-85]。

5 总结与展望

本文综述了大视角下LCD灰阶图像质量的相关研究。首先，简述了提高对比度的一些方法，如使用宽视角显示模式、添加补偿膜与局域调光技术等。然后，总结了改善伽马偏移的方法，包括：添加具有特殊结构的光散射膜、优化电极结构与改进驱动方法。最后介绍了一些与视角相关的其他性能和相应的改善方法。文中对以上方法的利弊进行了分析。

从目前的发展趋势上看，LCD向着基于Mini LCD局域调光技术的大尺寸显示器发展，显示特性也要实现高清晰度和宽色域，与视角相关的图像显示质量也就受到了关注。本文中关于降低大尺寸LCD伽马偏移的内容是改善大视角显示图像质量的关键内容。改善伽马偏移的方法应当简单且有效，离轴图像失真指数和方位角图像失真指数应作为判定显示器图像显示质量的标准参数。在不同的液晶显示模式中，研究人员可以根据显示特性来选择合适的方案以改善灰阶图像质量。