裸眼3D显示用液晶光栅的设计

蔡明雷，叶文江，王晓燕，史月华

（1.河北冀雅电子有限公司，河北石家庄 050071；2.河北省液晶显示器工程技术研究中心，河北石家庄 050071；3.河北工业大学理学院，天津 300401）

裸眼3D显示用液晶光栅的设计

蔡明雷1,2，叶文江3，王晓燕1,2，史月华1,2

（1.河北冀雅电子有限公司，河北石家庄 050071；2.河北省液晶显示器工程技术研究中心，河北石家庄 050071；3.河北工业大学理学院，天津 300401）

裸眼3D显示技术是目前3D显示研究的一个热点．液晶光栅是裸眼3D显示器件中关键的元件，直接影响显示性能，因此，液晶光栅需要具有高精度、高电性能稳定性、高对比度和高可靠性．扭曲向列相液晶盒可以用来制作液晶光栅，但是其存在对比度低、累积误差大、可靠性低等问题．本文提出了一种新型的液晶光栅设计，可以实时加工、制作出高精度的液晶光栅，并且能够解决上述问题．

裸眼3D显示；液晶光栅；扭曲向列相；对比度；累积误差

液晶在显示上的应用取得突破性的进展可以追溯到20世纪60年代末期，扭曲向列相（TN：Tw isted Nematic）液晶显示模式[1]的提出．随后，为了解决TN显示模式的缺陷，提出了超扭曲向列相（STN：Super Tw isted Nematic）液晶显示模式[2]；为了实现彩色显示先后提出了彩色STN显示模式和薄膜晶体管液晶显示（TFT-LCD）[3]．目前，TFT-LCD是液晶显示的主流产品，但是主要以二维（2D）平面显示为主．随着人们对视觉界面的追求，三维（3D）显示[4]逐渐走进人们的日常生活，与之对应的3D显示技术也得到了不断发展．

现阶段最流行的3D显示技术主要分为眼镜式和裸眼式，眼镜式3D显示技术是市场的主流，分为主动式和被动式；裸眼式3D显示技术最大的优势在于它解放了人们双眼的束缚，使人们充分的享受视觉盛宴，有很好的发展空间．裸眼3D显示是真立体显示，人的两只眼睛同时观察物体，在视网膜上形成的像并不完全相同，左眼看到物体的左侧面较多，右眼看到物体的右侧面较多，这两个像经过大脑综合以后就能区分物体的前后远近，从而产生立体视觉．基于此原理，不同的裸眼3D显示技术不断的开发[5-8]．在诸多裸眼3D显示技术中，以视差挡板法和线光源照明法两种技术最适合民用大规模推广，这两种方式采用液晶光栅[9]做挡板，具有工艺简单、成本较低，且可以方便的实现2D/3D转换的巨大优势．裸眼3D显示用液晶光栅要求特殊，与传统显示器相比更像光学器件．为了实现3D显示效果，其需要与TFT显示器配合实现，这要求具有高精度、高电性能稳定性、高对比度和高可靠性．目前的TN型液晶显示器的对比度约80，累积误差约10m，产品可靠性不高，尤其是大尺寸产品，易发生盒间短路、功耗增大、封口漏液等问题．本文介绍了一种新型的裸眼3D显示用液晶光栅的设计，可以实时加工、制作出高精度的液晶光栅，实现对比度大于150、线条的累积误差小于5m的性能指标，解决了盒间短路、功耗大、封口漏液等问题．

1 3D显示原理

人是通过右眼和左眼所看到的物体的细微差异来感知物体的深度，从而识别出立体图像．因此在观看影视画面时，只要准备好拍摄位置稍微错开的两组图像，分别供“右眼”和“左眼”观看，便可以看到一组具有立体感的画面，如图1所示．实际的3D显示系统由LCD面板和液晶光栅（一般采用TN型玻璃来制作）组成，加电时透过液晶光栅光为黑色，对应左眼看到的图像，而不加电时透过液晶光栅光为白色，对应右眼看到的图像，两眼图像叠加起来就可以感觉到立体的图像，如图2所示．

图1 人的左右眼看到的画面区别及合成图像Fig.1 Differenceof picture between leftand righteye and the composite image

图2 3D显示原理及液晶光栅工作状态Fig.2 Principle of3D display and working stateof liquid crystalgrating

2 液晶光栅设计

针对TN型液晶显示器存在的问题，本文对液晶光栅的总体设计思路为：1）进行产品性能对裸眼视距、立体度及视点方面影响的研究，确定产品的关键参数；2）提高产品性能方面：对比度是由盒厚、液晶、扭曲角、偏光片之间的搭配综合影响的，通过DOE实验优化各个参数满足需求；通过优化设计玻璃方块电阻和版图设计满足显示不均匀的需求；3）提高线条精度方面：通过提高光刻版的精度和生产加工的能力来提高产品线条的精度；4）产品寿命方面：通过对盒间短路、漏液、空洞、封口深浅及检验方法方面的研究保证产品的可靠性．LCD外观结构如图3所示，LCD产品结构图如图4所示．

图3 LCD外观结构图Fig.3 Appearance structureof LCD

具体的技术方案包括以下几步：

1）确认产品的设计方案：根据3D实现原理，设计出偏光片角度、线条精度、玻璃厚度等关键参数．3D显示器中各个参数的公式如下：

其中：h为照明距离；P为像素间距；E为瞳孔间距；L为观看距离；为分离角．3D显示光学部件设计依据示意图如图5所示．

2）确定液晶调配方案及结构：设计正交实验，通过对实验统计分析及正交调优实验，找到对显示性能影响的重要度排序，且找到了最佳位级，如表1所示，并进一步优化出产品结构及液晶调配方案．

3）优化灌注工艺，通过优化排气时间及产品的摆放方法有效的解决了灌不满问题．

4）优化封口工艺及版图设计，很好的解决了封口漏和封口深浅问题．

5）优化版图设计及玻璃的方块电阻，有效的解决了显示不均匀问题．

6）通过使用硌版将光刻版图的精度提高，并通过DOE实验优化光刻的曝光、显影及刻蚀条件提高了过程中的加工精度．

7）优化电测检验工艺，有效解决盒间短路检出率低问题，由12%降低到3%以内．

3 结论

图4 LCD产品结构图Fig.4 Productstructureof LCD

表1 液晶调配方案及结构Tab.1 Liquid crystal preparation and structure

表2 对比度及线条精度实验测量值Tab.2 Experimentalmeasurementvalues of contrastand lineprecision

优化灌注及封口工艺，解决了灌不满、封口漏、封口深浅等问题；优化钝化膜及配向层的固化及摩擦密度，提高了产品的可靠性；优化电测条件，大大提高了盒间短路的检出率，保证了出厂产品的可靠性．此项研究对裸眼3D显示用液晶光栅制作和优化具有一定的指导意义．

图5 3D显示光学部件设计依据示意图Fig.5 Schematic diagram ofopticalcomponents design of 3D display

[1]SchadtM，HelfrichW．Voltage-dependentopticalactivity ofa tw isted nematic liquid crystal[J]．Appl Phys Lett，1971，18（4）：127-128．

[2]RaynesEP．The theory of super-tw isttransitions[J]．MolCrystLiq Cryst，1986，4（1）：1-8．

[3]高鸿锦，董友梅．新型显示技术（上册）[M]．北京：北京邮电大学出版社，2013．

[4]王琼华．3D显示技术与器件[M]．北京：科学出版社，2011．

[5]梁发云，邓善熙，杨永跃．裸眼立体显示液晶屏的光学结构及设计[J]．液晶与显示，2005，20（6）：544-548．

[6]王婧．裸眼3D技术及其应用[D]．南昌：南昌大学，2012．

[7]何江．裸眼3D显示技术研究[J]．科教前沿，2012（21）：52-53．

[8]王琼华，王爱红，梁栋，等．裸眼3D显示技术概述[J]．真空电子技术，2011（5）：1-6．

[9]周永飞．用于3D图像显示的液晶光栅技术研究[D]．成都：电子科技大学，2011．

[责任编辑 杨屹]

Design of liquid crystalgrating used in glasses-free3D display

CAIM inglei1,2，YEWenjiang3，WANG Xiaoyan1,2，SHIYuehua1,2

(1.HebeiJiyaElectronicsCo Ltd,HebeiShijiazhuang050071,China;2.HebeiProvincialResearchCenterof LCDEngineering Technology,HebeiShijiazhuang 050071,China;3.Schoolof Sciences,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

G lasses-free3D display technology iscurrently ahotissue in the researchof 3D display.Liquid crystalgrating is the key components in glasses-free 3D disp lay device,which directly affects the display performance.Therefore,the liquid crystalgrating needs to havehigh precision,high performancestability,high contrastand high reliability.Though tw isted nematic liquid crystalcellcan be used tomanufacture liquid crystalgrating,yetsomeproblemsexist,such as low contrast,large cumulative error,low reliability and so on.To solve the above problem s,w e put forw ard a new type of liquid crystalgrating design thatis featuredwith real-time processing and making high precision liquid crystal grating.

glasses-free3D display;liquid crystalgrating;twisted nematic;contrast;cumulativeerror

TN873.93

A

1007-2373(2015)02-0050-03

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.011

2014-12-22

河北省自然科学基金（A2014202123，A2015202343）；河北省教育厅项目（QN2014130）

蔡明雷（1977-），男（汉族），工程师．通讯作者：叶文江（1976-），男（汉族），副教授，wenjiang-ye@hebut.edu.cn．

数字出版日期：2015-04-16数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1050.008.html