液晶显示器视角相关性能的研究进展（特邀）

郭玉强，王琼华

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

0 引言

液晶是一种具有光学各向异性的光电子材料，被广泛地应用在显示成像、光电工程、生化传感等领域［1-3］。液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）是基于液晶材料的显示装置，已经在全球形成了万亿级的市场规模。近年来，显示技术呈现出百花齐放的发展态势。从市场占有率来看，以LCD 和有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）为主，微发光二极管、激光显示、类纸显示等技术并存发展［4-6］。目前，各种显示技术发展迅猛，表现出激烈的竞争态势。为了在竞争中谋求生存和发展，各种显示技术必须不断地进行自我革新，凭借更为出色的显示性能来赢得市场的竞争优势。

对于LCD 来说，机遇与挑战并存。LCD 凭借着庞大的产业基础、高性价比、长寿命等优点，在显示领域中占据了较大的市场份额。近年来，LCD 的部分显示性能已经得到了较大提升，但是目前仍存在一些尚待解决的问题，突出表现在视角相关问题［7］。由于液晶材料具有光学各向异性，所以不同视角下的光程差存在差异，最终导致LCD 的电光性能存在视角依赖性，例如亮度、对比度、灰阶、色彩、色域等性能。此外，并非所有的应用场景都需要宽视角显示技术，某些场景存在一些特殊的视角需求［8-9］。例如，对于有防窥需求的自动柜员机而言，需要让LCD 具有窄视角的显示特性，以保障用户的私密性。近年来，研究人员针对LCD 的视角相关问题进行了大量的研究，提出了多种改善视角相关性能的技术方法，为未来的发展增添了巨大动力。

本文将对LCD 视角相关性能的研究进展进行综述。首先，介绍LCD 的基本结构、显示原理、以及几种常见的显示模式。然后，介绍几种与视角相关的性能参数，总结能够改善视角相关问题的技术方法，并分析不同方法的优缺点，归纳几种特殊的视角控制技术，如窄视角、指定视角、视角可控等技术。最后，对未来的研究工作进行展望。

1 LCD 的结构与显示模式

1.1 LCD 的结构与显示原理

LCD 主要由液晶面板、背光源、驱动电路等部件构成。其中，液晶面板是LCD 的重要组成部分，用于显示画面信息；背光源为LCD 提供所需的光源，一般用于透射式或透反式显示领域；驱动电路为LCD 提供电学信号，以驱动目标像素显示不同的画面［10-11］。图1（a）展示了LCD 的结构示意图，主要包括检偏器、彩色滤色膜（Color Filter，CF）基板、液晶层、薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）基板、起偏器、光学结构、背光源等。其中，检偏器和起偏器均为偏光片，靠近出光一侧的被称为检偏器，靠近背光源一侧的被称为起偏器。此外，可以根据具体需求，在背光源上方的光学结构中添加合适的棱镜膜、散射膜或量子点膜等，从而调整背光的出射角度、散射程度、光谱分布等参数［12-13］。在LCD 中，彩色滤色膜基板、液晶层、TFT 基板组成了密封的盒状结构，因此通常被称为液晶盒。

图1 LCD 的结构示意图与显示屏上像素的开/关状态Fig.1 Structure diagram of LCD and the on/off states of pixels on the screen

液晶材料通常不发光，但是液晶可以调节光的偏振状态，因此在偏光片的共同作用下，可以实现对背光通断状态的调控。在LCD 中，背光源产生的光经过起偏器后变为线偏振光。在TFT 基板上施加合适的电信号后，液晶分子指向矢就会在电场的作用下重新排布，此时液晶层就会重新调制光的偏振态。当光的偏振态发生变化后，透过检偏器的光强就会发生变化，这样LCD 就实现了对透光率的调节。图1（b）展示了彩色画面中像素的开关状态，对于彩色LCD 来说，白光通过彩色滤色膜后会变为红、绿、蓝三基色，不同光强的三基色像素就可以构成绚丽多彩的画面。

1.2 LCD 的显示模式

自LCD 被发明以来，研究人员已经开发出了多种显示模式［14-15］。根据不同的分类标准，可以将LCD 分成不同的显示模式。若根据液晶所处的相态进行划分，则可以分为向列相、胆甾相、铁电相等模式；若根据液晶分子的排列方式，则可以分为均匀、展曲、扭曲、弯曲、混合等模式；若根据基板锚定能的强弱，则可以分为弱锚定、强锚定、双稳态锚定等模式；若根据电场的分布情况，则可以分为垂直场、横向场、边缘场等模式。液晶显示模式的种类众多，不同显示模式的LCD 具有不同的视角性能，适合于不同的应用场景。目前，市场上的LCD 产品主要为扭曲向列相（Twisted Nematic，TN）、垂面排列（Vertical Alignment，VA）、共面转换（In-Plane Switching，IPS）、边缘场转换（Fringe-Field Switching，FFS）等显示模式，如图2 所示。

图2 几种常见的液晶显示模式Fig.2 Several common display modes of LCD

1971 年，SCHADT M 院士等提出了TN 显示模式［16］，它由上下两个相对的电极构成，液晶取向方式为90°扭曲排列。未施加电压时，液晶分子呈均匀扭曲状态，在液晶的旋光作用下，线偏振光的振动方向旋转了90°，此时光不能通过检偏器，LCD 处于关断状态。在像素电极上施加合适的电压后，液晶分子趋于电场方向排列，扭曲排列方式被打破，线偏振光可以透过检偏器，此时LCD 处于开启状态。TN 显示模式的优点是驱动电压低（～3 V）、透光率高、制造成本低，主要缺点是视角较差、陡度低、灰阶较少。目前，TN LCD 主要应用在中低端显示领域，例如计算器、家电设备、仪器仪表等。

1971 年，SCHIEKEL M F 等提出了VA 显示模式［17］，它由上下两个相对的电极构成，液晶取向方式为垂直于基板排列，液晶材料的介电各向异性为负（Δε＜0）。未施加电压时，液晶分子垂直于基板排列，来自起偏器的线偏振光最终被正交的检偏器吸收，LCD 处于关断状态。在像素电极上施加合适的电压后，负性液晶分子偏向与电场垂直的方向，在双折射效应的作用下，来自起偏器的线偏振光可以通过检偏器，此时LCD处于开启状态。VA 显示模式的优点是正视对比度高、响应速度较快、制造成本低，主要缺点是透光率低、视角均匀性差、按压水纹。为了改善其视角均匀性，研究人员在传统VA 显示模式的基础上开发出多畴垂面排列（Multidomain Vertical Alignment，MVA）、图案化垂面排列（Patterned Vertical Alignment，PVA）、紫外固化垂面排列（Ultraviolet Vertical Alignment，UV2A）等显示模式［18-22］。目前，VA LCD 主要应用在非触屏显示领域，例如电视机、监视器、显示器等领域。

1973 年，SOREF R A 提出了IPS 显示模式［23］，在此基础上，OH-E M 等于1995 年又详细地报道了IPS显示模式的电光性能，推进了它的产品化进程［24］。它的电极由位于同一基板的叉指型电极构成，液晶排列方式为均匀排列。未施加电压时，液晶分子沿着叉指电极的方向均匀排列，来自起偏器的偏振光最终被正交的检偏器吸收，LCD 处于关断状态。在像素电极上施加合适的电压后，液晶分子在电场的作用下重新排列，基于双折射效应，部分光线可以通过检偏器，此时LCD 处于开启状态。IPS 显示模式的优点是视角均匀性较好、按压无水纹，主要缺点是电极正上方无法产生有效的光程差，所以整体透光率较低。目前，IPS LCD 主要应用于大中型显示领域，例如电视机、电脑显示器、平板电脑等。

1998 年，LEE S H 等提出了FFS 显示模式［25］，它的电极由叉指型电极及其下方的公共电极构成，液晶取向方式为均匀排列。FFS 与IPS 显示模式的显示原理相似，二者都是基于液晶的双折射效应来实现显示功能。它们的主要区别在于，IPS 显示模式主要靠水平电场驱动液晶分子重新排列，而FFS 显示模式中电极间隙较小，主要靠边缘电场驱动液晶分子。FFS 显示模式的优点是透光率高、视角均匀性较好、按压无水纹，其主要缺点是TFT 基板的制造流程较为复杂，成本相对较高（相较于TN、VA 等显示模式）。目前，FFS LCD 主要应用于中高端显示设备，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等。

以上是较为常见的四种显示模式，它们的电极结构和液晶取向方式存在差别，显示性能有所不同，因此适合的应用场景也不尽相同。为了能够更加直观地进行比较，表1 列出了四种显示模式的典型性能参数［26］。虽然以上几种显示模式有几十年的发明历史，但是相关的改进和优化工作从未中断。相比早期的LCD 而言，目前相关产品的性能参数已经实现了质的飞跃。

表1 四种显示模式的典型性能参数［26］Table 1 Typical parameters of four display modes［26］

2 视角相关性能的研究进展

对于LCD 来说，一些性能参数存在视角依赖性［27］。图3 展示了某款LCD 在不同视角下的拍摄图。不难发现，该LCD 在倾斜视角下不仅发生了图像畸变，其亮度、对比度、灰阶、色彩、色域等性能也发生了变化。一般地，将显示器的可视角度定义为对比度超过10∶1 所对应的视角。若仅以此为标准，目前大多数LCD 产品的视角均能超过85°（若考虑对称视角±85°，则为170°）。事实上，对于大尺寸、高性能的LCD 来说，不能只考察可视角度这一项指标，其他与视角相关的性能都应纳入考察的范围。近年来，研究人员已经提出了一些能够改善LCD 视角相关问题的方法。下面将详细介绍几种与视角相关的性能参数，并总结能够改善视角相关问题的技术方法。

图3 某款LCD 在不同视角下的拍摄图（无环境光）Fig.3 Photographs of an LCD at different viewing angles（without ambient light）

2.1 亮度

亮度是表征显示器出射光强弱的物理量。在倾斜视角下，绝大多数显示技术均表现出亮度下降的趋势，而LCD 的亮度具有更加明显的视角依赖性。与正视下的亮度相比，30°视角下LCD 的亮度损失通常超过50%［7，28］。为了提升LCD 在倾斜视角下的亮度，并改善其亮度均匀性，研究人员提出了一些技术方法，例如定向背光源加前置扩散膜、不含增亮膜的背光源、量子点彩色滤色膜等方法。

定向背光源加前置扩散膜能够增大倾斜视角下的亮度，改善亮度均匀性。2012 年，KÄLÄNTÄR K 提出一种能够提高倾斜视角下亮度的方法，即定向背光源加前置扩散膜［29］，相关结果在图4 中展示。为了提高倾斜视角下的亮度，需要在定向背光源上方添加特殊的导光板。结果表明，背光经过导光板后发散角变大，因此倾斜视角下的亮度可以提升2～6 倍。此外，将原本在背光源处的扩散膜置于LCD 的外表面，进一步改善了亮度均匀性。这种方法的优点是能够提升倾斜视角下的亮度、改善LCD 的亮度均匀性，但是它存在正视亮度和分辨率降低、图像模糊等缺点。

图4 使用定向背光源加前置扩散膜提高LCD 的视角均匀性［29］Fig.4 Improved viewing angle uniformity of LCD by using the directional backlight and front diffuser［29］

不含增亮膜的背光源能够改善LCD 的亮度均匀性。2016 年，WU S T 教授团队报道了一种移除背光源中的增亮膜，来改善LCD 视角均匀性的方法［30］。结果表明，未移除增亮膜前，60°视角下亮度损失为～70%。移除增亮膜后，60°视角下亮度损失仅为～35%，亮度损失被削减了一半左右。此外，若移除正交增亮膜，LCD 的整体光效率还将提升～37%。综合来看，移除背光源中的增亮膜是提升LCD 亮度均匀性的有效方法，但其缺点是损失正视下的亮度。

使用量子点彩色滤色膜也可以提高倾斜视角下的亮度，改善LCD 的亮度均匀性。2016 年，CHEN H M教授团队提出使用红、绿、蓝三基色量子点膜来替代原有的彩色滤色膜，显著提高了倾斜视角下的亮度和对比度［31］，相关成果在图5 中展示。当蓝色背光源到达三基色彩色滤色膜后，蓝色光就会变成红、绿、蓝三基色，进而实现彩色显示的效果。量子点膜对光具有一定的发散作用，所以可以提升倾斜视角下的亮度，并使亮度更为均匀。但是，使用这种方法前，应当充分计算好量子点的发光效率问题，合理设计三种量子点膜的厚度。此外，还要消除量子点被环境光激发的可能性［32-34］。

图5 基于量子点彩色滤色膜提升LCD 的亮度均匀性［31］Fig.5 Improved brightness uniformity of LCD based on quantum dot color filter［31］

2.2 对比度

对比度（Contrast Ratio，CR）指的是显示器的亮态与暗态光强的比值（CR =Ion/Ioff），通常指的是在黑暗环境下测试的理想对比度。从显示模式的发展历程来看，不同LCD 的对比度呈现出上升的态势。TN 显示模式是最早被提出的，但其对比度较低，视角均匀性较差。VA 显示模式具有较高的正视对比度，但倾斜视角下的对比度较低。相比之下，IPS 与FFS 显示模式在正视和倾斜视角下均具有较高的对比度，并且视角性能也更加均匀。需要说明的是，虽然某些显示模式具有较高的对比度，但是如果仅从显示模式入手，依然难以达到超高对比度的市场要求。下面介绍几种能够提升LCD 对比度的方法，包括视角补偿膜、区域调光技术、双盒显示技术、表面减反射膜等。

视角补偿膜可以降低LCD 的暗态漏光，进而可以提升其对比度。视角补偿膜通常由光学各向异性的有机透明材料组成，可以起到两个作用：1）纠正偏光片在倾斜视角下的偏光比；2）对离轴方向的相位差进行补偿。视角补偿膜的种类较多，包括单轴膜、双轴膜、倾斜膜等［35］，其中单轴膜的制备工艺较为简单，使用量也较大。对于不同种类的LCD 而言，所需的补偿膜种类也不尽相同。对于初始液晶分子为水平排列的LCD来说，一般使用nx＞nz＞ny类型的单轴膜组或双轴补偿膜［36-38］，其中nx、ny、nz为直角坐标系中折射率的三个分量；对于初始液晶分子为竖直排列的LCD 来说，一般使用nx＞ny＞nz类型的单轴膜组或双轴补偿膜［39-40］。为LCD 添加合适的补偿膜后，可以明显改善LCD 的暗态漏光，进而提升其对比度［41］。目前，视角补偿膜的发展较为成熟，已经被广泛地应用于各类产品之中。

区域调光技术指的是基于微型发光二极管（Mini Light Emitting Diode，Mini LED），实现分区调节背光源亮度的技术。相比传统的面光源而言，区域调光技术可以按需点亮不同区域的背光源，且背光源的亮度是可调的。由于区域调光技术可以避免近邻像素的背光干扰，因此它能够提升LCD 的对比度［42-45］。2020 年，HU Daobing 等提出一种基于区域调光技术的大尺寸LCD，其动态对比度高达1 000 000∶1［46］。研究人员对比了不同LED 数量对画面质量的影响，证明了LED 数量与画面质量正相关。此外，他们通过缩小背光源的尺寸，缩减了背光源与像素的非重叠区域，改善了LCD 的光晕现象，如图6 所示。区域调光技术是提高LCD对比度的重要方法，但目前仍需解决好同步驱动、光晕现象、整体厚度等问题［47-49］。

图6 基于区域调光技术的高对比度LCD［46］Fig.6 High-contrast LCD based on local dimming technology［46］

双盒显示技术指的是两个液晶盒叠加的显示技术，它是提高对比度的有效方法。2017 年，WU S T 教授团队提出一种双盒显示技术，该LCD 由TN 与FFS 两种液晶盒叠加而成［50］。研究结果表明，该LCD 的正视对比度高于1 000 000∶1，60°视角内的对比度高于5 000∶1，远远超过单盒TN 或FFS LCD 的对比度。2020 年，XI Yanhui 等报道了一款高分辨率、高对比度的双盒LCD，并在65 英寸4K 分辨率的LCD 上进行了对比展示［51］。结果显示，单盒LCD 的对比度为1 636∶1，而双盒LCD 的对比度高达153 571∶1，对比度提升了～97 倍。双盒显示技术的优点是具有较高的对比度，但是需要解决双盒对准、同步驱动、消除摩尔纹等问题。

除了理想对比度之外，环境光下的实际对比度逐渐成为消费者更加关注的性能参数［52］。一般地，LCD的对比度会受到环境光干扰，因此需要用环境对比度（Ambient Contrast Ratio，ACR）［53］进行衡量，即

式中，Ion与Ioff是LCD 的亮态与暗态光强，Iambient是环境光强度。RL是显示器的表面反射率，其表达式为

式中，λ1、λ2分别指可见光的最短和最长波长，V（λ）是人眼的感光函数，S（λ）是环境光的光谱，R（λ）是显示器的光谱反射率。

根据式（1）可知，降低环境光强度或表面反射率均能提升LCD 的环境对比度。事实上，人为改变环境光的强度较为困难，所以通常采用降低表面反射率的方法来提升环境对比度。减反射膜是降低反射率的有效途径。一般地，通过控制减反射膜中的膜层厚度，实现反射光干涉相消，就可以实现较低的反射率。虽然减反射膜能够降低反射率，但是传统的减反射膜存在以下缺点：正视下的反射率较高、薄膜的平整度和厚度难以控制。为了解决这些问题，研究人员提出使用折射率渐变的减反射结构来降低表面反射率。2018 年，RODRÍGUEZ I 教授团队制备了一种基于蛾眼结构的减反射膜，它由亚微米尺度的凸起阵列构成［54］，相关成果在图7 中展示。这种蛾眼结构的特征尺寸小于可见光波长，并且折射率自上而下连续变化，绝大部分入射光不发生反射现象，所以它具有较低的反射率［55-57］。测试结果表明，如果将该减反射膜贴于聚对苯二甲酸乙二醇酯（Poly（ethylene Terephthalate），PET）基底，则表面反射率可由9%降至0.6%。总的来说，折射率渐变的减反射膜具有较大的应用潜力，但仍需在大面积成膜、降低成本、抗划痕等方面进行优化。

图7 蛾眼减反射膜及其使用前后的效果［54］Fig.7 Moth-eye antireflection film and its effect before and after application［54］

2.3 灰阶与色彩

LCD 在显示画面时并不是仅在亮、暗两个状态之间进行切换，它还存在许多中间灰度状态。一般用色深表示显示器的灰度级别，单位为bit。一款显示器所能显示的灰阶与色深呈2 的幂指数关系，若色深为x，则灰阶数量为2x。由于彩色LCD 是由红、绿、蓝三基色子像素组成，所以理论上能够显示出2x×2x×2x种色彩。例如，对于10 位色深的显示器，具有的灰阶为210= 1 024 个，具有的色彩为210×210×210种。

LCD 的灰阶与色彩性能具有视角相关性，它们在倾斜视角下会发生不同程度的偏移现象，即灰阶偏移和色彩偏移。灰阶偏移指的是倾斜视角下，灰阶曲线发生分离的现象。灰阶偏移可以使用离轴图像失真指数D［58］和方位角图像失真指数DA［59］进行量化评价，即

式中，＜＞表示各个灰阶下的平均值，ΔBi，j表示第i与第j个灰度之间的透光率差，on-axis 表示正视，off-axis表示倾斜视角，min 与max 代表负向偏移与正向偏移最严重的两条灰阶曲线。0～1 023 表示10 位色深。当D＜0.2 时，人就不能分辨出由极角变化导致的灰阶偏移；当DA＜0.2 时，人眼不能分辨出由方位角变化导致的灰阶偏移。

色彩偏移指的是倾斜视角下，LCD 的色坐标发生偏移的现象，它可以用色彩偏移量Δuv［60］来评价，即

式中，（u1，v1）、（u2，v2）分别代表正视与倾斜视角下的色坐标，色坐标所围绕的面积就是显示器的实际色域。若Δuv＜0.02，则人眼不能分辨出该视角下的色彩偏移。

事实上，LCD 的色彩是由不同灰阶的三基色子像素混合而来的，能够降低灰阶偏移的方法同样也适合于降低色彩偏移。因此，本文将能够改善灰阶偏移与色彩偏移的相关方法一并进行讨论，这些方法主要包括使用光散射膜、优化电极结构、优化驱动技术等。

光散射膜是能够改善灰阶偏移和色彩偏移的方法。将光散射膜贴于LCD 的外表面后，出射光将更加发散，各个视角下的光学性能也更加均匀，进而LCD 的亮度、灰阶偏移、色彩偏移等性能将得到改善。一般地，为了精准地控制出射光的发散角，需要制备具有特定形貌的光散射膜，例如半球形、棱台形、三棱柱形等［61-64］。这类光散射膜与普通的磨砂膜不同，需要根据具体视角需求来设计合适的微结构形貌和尺寸。光散射膜的优点为适用性强、操作简单、无需调整LCD 的结构或液晶材料参数，它的缺点是损失透光率、降低分辨率等。

设计合适的电极结构也能够降低灰阶偏移与色彩偏移。一般地，多畴电极结构能够将不同视角下的电光特性进行互补偿混合，进而降低LCD 的灰阶偏移，例如使用之字形、人字形、鱼骨形多畴电极结构［65-72］。2020 年，我们提出一种单畴凸起FFS LCD，证明了单畴电极结构也能达到低灰阶偏移的效果［73］。如图8 所示，该凸起FFS 结构能够诱导出互补型液晶指向矢分布，使得大视角下的电光性能更加均匀，60°视角下的离轴图像失真指数仅为0.094 3，实现了低灰阶偏移的目的。事实上，不论是多畴还是单畴电极结构，只要能够诱导出互补型液晶指向矢分布，均能降低灰阶偏移和色彩偏移［74-76］。设计电极结构的优点是可以从根本上改善LCD 的灰阶与色彩性能，但需要充分评估设计的可行性、工艺难度、LCD 的综合性能等问题。

图8 基于单畴电极结构的低灰阶偏移凸起FFS LCD［73］Fig.8 Low gamma shift protruded FFS LCD based on single-domain electrode structure［73］

从驱动技术入手，也可以降低LCD 的灰阶偏移与色彩偏移。2005 年，KIM S S 提出了主副像素驱动技术来降低LCD 的灰阶偏移［77］，后来该方法成为了改善灰阶与色彩性能的常用方法［78-82］。2021 年，张盛东教授团队提出一种基于多畴电极结构的主副像素驱动技术［83］。该LCD 具有八畴电极结构，通过控制副像素上的驱动电压，可以将60°视角下的离轴图像失真指数降至0.2 以下，色彩偏移量降至～0.04，如图9 所示。此外，由于对TFT 基板做了平坦化处理，所以该LCD 还具有高透光率、高对比度等优点。2020 年，我们提出一种能够实现低灰阶偏移的截断透光率技术［84］。通过在电极上施加小于饱和电压的电压值，避免了倾斜视角下的灰阶反转，进而获得了较低的灰阶偏移和色彩偏移。截断透光率技术的操作简单、独立性强，适合于多种显示模式，但是缺点是会牺牲部分透光率。事实上，不论是主副像素驱动技术还是截断透光率技术，都可以与各种电极结构配合使用，从而达到相得益彰的效果。

图9 基于主副像素的低灰阶偏移和色彩偏移的LCD［83］Fig.9 Low gamma shift and color difference LCD based on main and sub-pixels［83］

2.4 色域

色域指的是显示器能够表现的色彩范围，通常用三基色的色坐标在色度图中所占据的面积来量化。显示器的色域越宽，那么它能展现出的色彩范围就越广。对于LCD 来说，倾斜视角下会存在色域变窄的现象，并且视角越大色域越窄。一般地，能够减小灰阶偏移、色彩偏移的方法都能在一定程度上改善色域变窄的问题。此外，研究人员还提出了一些能够提升LCD 色域并改善其视角依赖性的方法，例如使用具有窄带宽的背光源、宽波段滤波片等。

使用具有窄带宽的背光源是实现宽色域LCD 的重要途径。显示器的色域依赖于红、绿、蓝三基色的色坐标，所以三基色的半峰宽越窄，色彩就越纯净，对应的色域就越宽［85］。因此，将传统的背光源换成窄带宽的背光源能够显著增宽LCD 的色域，例如使用量子点背光源、激光背光源、三基色LED 背光源等［86-90］。除此之外，研究人员还会在背光源处或LCD 外表面贴合具有一定发散角的散射膜，以此来改善倾斜视角下的色域变窄问题。

使用宽波段滤波片是提高LCD 色域并改善其视角依赖性的有效方法。2021 年，孙玉宝教授团队提出了一种双盒宽波段滤波片，它由两个叠加在一起的扭曲型液晶盒构成［91］。将该滤波片置于平行偏光片之间时，背光光谱的半峰宽变得更窄，LCD 的色域可以从86%提升到94%（Rec.2020 标准），相关结果在图10 中展示。此外，该滤波片的延迟量几乎不依赖于入射角，60°视角下最大延迟量的偏移仅为-0.311%，因此在倾斜视角下依然具有良好的滤波特性。宽波段滤波片能够有效缩减光谱的半峰宽度，进而可以增加LCD 色域［92-94］，但是它也存在一些缺点，例如白光漂移、透光率降低、器件厚度增加等。

图10 基于双盒滤波片的高色域LCD［91］Fig.10 High color gamut LCD based on the dual-cell helical filter［91］

3 特殊视角控制技术

宽视角（Wide Viewing Angle，WVA）指的是LCD 在一个较大的视角范围内具有良好的画面质量，包括亮度、对比度、灰阶、色彩、色域等性能。目前，宽视角技术已经被广泛地应用于多种显示场景，涵盖了大中小尺寸的各类显示领域。但是，宽视角技术不能满足一些特殊的应用场景，例如有防窥需求的商务手机、银行自动柜员机、密码器、航空显示等。为了满足上述场景的需求，研究人员提出了一些特殊的视角控制技术，如窄视角、指定视角、视角可控等技术。

3.1 窄视角技术

窄视角（Narrow Viewing Angle，NVA）指的是LCD 仅在一个较窄的视角范围内有良好的画面质量。在一些使用场景中，观看者需要让自己看清画面信息，但又要避免近邻偷窥或被动监视，此时就需要窄视角技术。下面将介绍两种常用的窄视角技术：遮光型防窥膜、视角补偿膜。

遮光型防窥膜是能够实现窄视角显示的一种光学结构。2021 年，陈霞等提出了一种二维防窥膜，如果将该防窥膜贴合显示器表面，则可以实现不同方位角下的窄视角控制技术［95］。该防窥膜在一维超细百叶窗的基础上，使用了横纵交替的二维遮光矩阵，其结构在图11 中展示。在水平方向上，光线仅能从两个遮光区域的间隙透过，所以存在水平可视区和不可视区。类似地，在竖直方向上，光线也仅能从两个遮光区域的间隙透过，所以存在竖直可视区和不可视区。当遮光区域在平面内交替出现时，从LCD 出射的光线只能在一个较小的视角范围内被观看到，因此显示器就实现了窄视角特性。遮光型防窥膜的优点为独立性强、适用性广，但是防窥膜的遮光区域会损失一定的透光率。

图11 具有窄视角特性的二维防窥膜［95］Fig.11 Two-dimensional anti-peep film for narrow viewing angle［95］

除了遮光型防窥膜之外，视角补偿膜也是实现窄视角显示的重要技术方法［96-97］。2016 年，孙玉宝教授团队提出了一种基于+a/-c/-a 补偿膜的窄视角蓝相LCD［98］，相关成果如图12 所示。该LCD 具有凸起型电极结构，所以在水平方向上形成了周期性的透光率分布。在液晶盒两侧添加+a 与-c/-a 补偿膜后，倾斜视角下将出现不同程度的暗态漏光，且暗态漏光程度与视角正相关。研究结果表明，该LCD 具有良好的窄视角特性，且具有均匀的对比度分布。当视角大于30°时，对比度低于10∶1，画面信息不可读；30°视角范围内的对比度高于10∶1，画面信息基本可读；10°视角范围内的对比度高于1 000∶1，画面质量较好。需要注意的是，视角补偿膜通常与偏光片复合在一起形成补偿型偏光片，所以该LCD 只能在窄视角显示场景中使用，例如银行自动柜员机、密码器、保密计算机等显示领域。

图12 基于+a/-c/-a 补偿膜的窄视角蓝相LCD［98］Fig.12 Narrow viewing angle blue-phase LCD based on +a/-c/-a compensation film［98］

3.2 指定视角技术

窄视角技术通常能够保证正视下或较小视角内的图像质量，但是在一些特殊的应用场景中，需要让LCD 在某个特定的视角下具有最佳的图像质量。例如，在航空显示或车载显示领域，应当保证驾驶员所在的位置具有最佳的图像质量，但是又要兼顾显示器的预留位置，此时就需要指定视角技术［99］。

一般地，指定视角技术大多是通过视角偏转光学薄膜来实现的［100-101］。2021 年，吕国强教授团队提出了一种三棱柱形状的视角偏转膜［102］，其中有机基底的厚度为190 μm，三棱柱的周期为～25 μm，高为～15 μm，相关结果在图13 中展示。测试结果表明，在添加视角偏转膜前后，LCD 的最佳视角发生了偏移，亮度峰值由0°视角偏转到-16°视角，且偏转后视角曲线未发生明显失真。视角偏转光学结构可以加工成膜后贴合在显示器表面，所以它的优点为独立性强、适用性广。但是，视角偏转膜会损失一定透光率，且偏转角度一旦确定就不可再次调节。在实际应用中，需要结合客户的具体视角需求，来定制合适的视角偏转膜。

图13 基于视角偏转膜的指定视角技术［102］Fig.13 Specified viewing angle control technology based on viewing angle deflection film［102］

3.3 视角可控技术

除了窄视角和指定视角的需求之外，部分消费者还需要让LCD 同时具备宽、窄两种视角特性［103-104］。例如，某些时候需要让平板电脑或手机处于宽视角模式，以便与他人在不同视角下共同分享画面信息；而某些时候需要让其处于窄视角模式，以保护画面信息的私密性。为了满足不同场景下的使用需求，需要让LCD在宽视角与窄视角之间自由切换，实现对视角的动态控制。在此背景下，研究人员提出了一些能够控制LCD 视角的方法，例如双像素结构、双盒结构、偏压电极法等。

双像素结构是将子像素再分成主像素和副像素，其中占据较大面积的主像素用于显示画面，占据较小面积的副像素用于控制视角［105-106］。2010 年，LEE S H 与WU S T 教授团队提出了一种视角可控的双像素结构，其中主像素采用叉指型电极结构，副像素采用上下电极结构，液晶盒中填充聚合物稳定蓝相液晶［107］，相关结果在图14 中展示。研究表明，仅当主像素工作时，该LCD 具有宽视角特性，此时50°视角下仅存在较小的色彩偏移，40°视角内具有良好的画面质量。为副像素施加一定的电压后，会诱导出一定程度的暗态漏光，此时LCD 在较窄的视角内仍具有良好的画面质量，但40°视角之外的区域不再可读。这种方法适用于多种显示模式，且无须额外的光学结构，但是双像素结构需要设计双TFT 驱动电路来分别驱动主像素和副像素。

图14 基于双像素结构的视角可控LCD［107］Fig.14 Viewing angle controllable technology based on dual-pixel structure［107］

双盒结构是在现有的LCD 中叠加新的液晶盒，其中原有的液晶盒用于显示画面，新添加的液晶盒用于控制视角。2009 年，KIM J C 教授团队提出了一种基于宾主型液晶盒的双盒液晶结构，来实现对LCD 视角的控制［108］，如图15（a）～（c）所示。未施加电压时，宾主型液晶盒中的二色性染料将吸收沿着吸光轴方向的偏振光，此时LCD 处于窄视角模式。为宾主型液晶盒施加合适的电压后，二色性染料的吸光轴与周围的液晶分子均趋于电场方向排列，染料对光的吸收作用最弱且几乎不区分方向，此时LCD 切换为宽视角模式。2019 年，LEE J H 教授团队对该设计进行了实验验证，当使用质量分数为5%的二色性染料液晶盒后，中等灰阶下水平视角的可控范围为30°左右［109］，如图15（d）～（f）所示。类似地，向LCD 中添加向列相液晶盒、蓝相液晶盒、聚合物液晶盒所形成的双盒结构，均能构成视角可控的LCD［110-113］。需要注意的是，这种方法的缺点是增加LCD 的整体厚度、损失透光率，需要两套独立的驱动电路。

图15 基于双盒结构的视角可控技术［108-109］Fig.15 Viewing angle controllable technology based on dual-cell structure［108-109］

电极偏压法是在原有的液晶盒中引入公共电极，通过控制公共电极的偏置电压，来调节LCD 的暗态漏光程度，从而实现对视角的控制［114］。2013 年，王琼华教授团队提出了一种基于偏压电极法的视角连续可控技术，所提出的液晶盒中设计了上公共电极［115］，相关成果如图16 所示。当上公共电极无偏置电压时，该LCD 处于宽视角模式，此时60°视角内的对比度均高于10∶1，20°视角内的对比度高于1 000∶1。为上公共电极施加合适的偏置电压后，该LCD 切换为窄视角模式。结果显示，在窄视角模式下，对比度高于10∶1 的范围缩小至40°视角内。通过调整偏置电压，还可以扩大或缩小窄视角所在的范围。类似地，通过向VA、FFS等多种显示模式中添加公共电极，并适当调节公共电极上的偏置电压，均能实现对视角的控制［116-120］。双像素结构、双盒结构、偏压电极法均能实现视角切换功能，也都无需特殊的视角控制膜或光学补偿膜。但是，它们存在以下共性问题：损失一定的透光率，需要重新设计和加工电极结构，需要增加驱动电路。

图16 基于电极偏压法的视角可控LCD［115］Fig.16 Viewing angle controllable technology based on electrode bias method［115］

4 总结与展望

本文总结了LCD 的视角相关性能和视角控制技术的研究进展。首先，介绍了LCD 的基本结构和显示原理，阐述了四种常见的液晶显示模式，包括TN、VA、IPS、FFS 显示模式。其后，介绍了几种与视角相关的性能参数，包括亮度、对比度、灰阶与色彩、色域。针对这些性能参数，综述了几种有代表性的改善方法，并分析了不同方法的优缺点。最后，归纳了几种特殊的视角控制技术，包括窄视角、指定视角、视角可控等技术。限于篇幅，不能详尽叙述各种视角相关性能的研究工作，因此只对部分有代表性的研究进行了综述。

事实上，LCD 的性能参数较多，其中部分性能参数还具有联动性，它们之间相互影响，甚至可能存在制约关系。在市场竞争的驱动下，消费者越来越重视显示器的综合性能，所以不能单纯地为了提升某个性能参数，而牺牲其他的性能参数。在此背景下，如何实现“多参数联动优化”成为改善LCD 性能的重要任务，这也给未来的研究工作提出了巨大的挑战。此外，相关研究人员应当结合具体需求，充分评估不同技术方法的优缺点，选择合适的技术方案来解决LCD 的瓶颈问题。

目前，显示技术呈现出百花齐放的发展态势。由于不同的显示技术适合于不同的应用场景，所以未来一段时间将继续保持多种显示技术并存的状态。LCD 是能满足大中小尺寸显示需求的重要显示技术，基于Mini LED 背光和区域调光的LCD 具有百万级的动态对比度、2 000 nits 的峰值亮度、超高的色域等优点，整体显示性能优越，它也在2021 年迎来了规模化商用显示的元年，是未来重要的液晶显示技术。本文介绍的部分技术方法可以在Mini LED LCD 上得到应用，以进一步提升其视角相关性能。