用于寬色域液晶顯示器的反射型高光效率彩色濾光片

鹿文昕， 趙云鷺， 殷軾雯， 周子涵， 馬紅梅， 孫玉寶

（河北工業(yè)大學 應用物理系， 天津 300401）

1 引言

光效率和色域是顯示設備中極為重要的參數(shù)。光效率的高低直接影響著在相同背光強度下畫面的亮度和能耗。較高的光效率意味著顯示屏能夠呈現(xiàn)更高的亮度，提高色彩的鮮艷程度，或者以較低的功耗提供背光強度，從而降低顯示器的能耗。隨著顯示畫面的真實度要求不斷提高，寬色域顯示器件越來越受歡迎。從顯示原理來看，背光源和彩色濾光片的性能共同決定了顯示器件的色域上限。色域大小表示顯示設備所能展現(xiàn)的顏色范圍的大小，直接關(guān)系到畫面的色彩豐富度和真實性。色域大小以色度圖中覆蓋面積與某個標準色域的比值來表示。常見的色域標準包括NTSC、sRGB、DCI-P3 和Rec. 2020等，其中，NTSC 標準被廣泛應用于顯示器的色域描述［1-3］。普通的LCD 使用黃色熒光粉轉(zhuǎn)換白光發(fā)光二極管，具有非常高的亮度表現(xiàn)和低功耗，但色域不高［4-5］。寬色域LCD 通常使用量子點背光來實現(xiàn)，鎘基量子點發(fā)光二極管可以實現(xiàn)110% NTSC 的色域，鈣鈦礦量子點發(fā)光二極管則可達到120% NTSC 的色域［6-9］。然而，這兩種技術(shù)中存在重金屬而受到管制［10］。光學濾波器可以精確控制透過光譜，可以有效提高液晶顯示器的色域?；诜ú祭锱亮_腔的濾波器和寬色域彩色濾光片的組合使用，可以實現(xiàn)127% NTSC的色域［11］。應用多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)的干涉濾波器可以獲得112.2% NTSC 的色域［12］。雙折射濾波器也是一種可行方案，可有效抑制雜光并獲得126% NTSC 的色域［13-14］。需要注意的是：液晶顯示器的色域提升往往伴隨著光效率的下降，原因是將背光光譜變?yōu)閷捝蛩枰墓庾V時，需要濾掉不需要波長光或降低它們的透過率。如何在保證寬色域的前提下提升光效率是一個棘手的問題。

在傳統(tǒng)液晶顯示器中，影響光效率的主要因素有：起偏器的透過率、薄膜晶體管（TFT）陣列的開口率和彩色濾光片（CF）的透過率。起偏器的透過率不超過50%，TFT 陣列開口率約為60%，彩色濾光片的光效率低于1/3，再考慮光路中其他位置的光損失，傳統(tǒng)液晶顯示器的光效率通常在5%左右［15］。采用雙亮度增強膜，可以有效解決起偏器吸收光的問題，光效率有了明顯提升。隨著技術(shù)發(fā)展和像素結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，TFT 陣列開口率也得到了大幅提升。然而，彩色濾光片的光效率低的問題依然沒有解決。高效地實現(xiàn)空間分色或時間分色是獲得高光效率的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的彩色濾光片需要吸收非目標顏色的光，導致至少2/3 的光被浪費，因此光效率很低。場序彩色法是一種高效的時間分色方法，按照時間順序來透射紅、綠、藍3 種顏色的光，并利用人眼的視覺惰性，實現(xiàn)逼真的色彩顯示［16］。場序彩色法的光效率雖然非常高，但在快速動態(tài)圖像顯示中會出現(xiàn)嚴重的色彩分離現(xiàn)象，盡管可以通過提高刷新頻率來極大降低色彩分離問題，但需要更嚴格的驅(qū)動技術(shù)和顯示器件技術(shù)［17］。利用光柵分光效應來實現(xiàn)空間分色，也是一種高效的方法。其中，塔爾博特光柵是一種常見的分色光柵?；谒柌┨匦敯坠庹丈涞焦鈻派蠒r，可以產(chǎn)生彩色的干涉圖案，將其他像素點上的光聚焦到一個像素點上［18］。然而，由于塔爾博特距離的波長依賴性，實際上色彩分離平面并不完全重合，這限制了其在液晶顯示器中的應用。在液晶顯示器件研究中，追求寬色域的同時，提升液晶顯示器的光效率仍然是一個極具挑戰(zhàn)的問題。

本文根據(jù)薄膜干涉原理，提出了通過調(diào)控薄膜厚度構(gòu)建的彩色濾光片。單色濾光片可以透過某種單色光，而反射其他顏色的光，反射的光被反射板反射后再次被其他單色濾光片利用，從而提高光效率。我們模擬計算了帶有黃色熒光粉的白光二極管背光單元和量子點背光單元的色域和光效率，這種彩色濾光片可以同時實現(xiàn)色域和光效率的提升，結(jié)果將為提升液晶顯示器的色域和光效率提供有效的解決方案。

2 實驗基礎(chǔ)和理論分析

如圖1 所示的實驗結(jié)構(gòu)中，由反射式濾光片構(gòu)成的紅綠藍陣列在有背光源情況下，表現(xiàn)出非常強的紅綠藍表現(xiàn)，測量得到背光源的發(fā)射光譜和三色的出射光強如圖2（a）所示，單色的出射光譜中有部分波長處的出射光強大于背光源的光強。

圖1 背光源（a）關(guān)態(tài)和（b）開態(tài)下的反射濾光片陣列Fig.1 Reflective color filter array with backlight under（a） off state， and （b） on state.

圖2 三基色的（a）光強和（b）透過率Fig.2 （a） Light intensity and （b） transmittance of the three primary colors

考慮反射濾光片特點，某單色濾光片透射某波段范圍內(nèi)的光而反射其他波長的光，反射光經(jīng)過背光源中的反射膜再反射回來，反射光路中被折射或散射到其他單色濾光片處出射。理想情況下，可以實現(xiàn)背光照射到3 個濾光片處的某單色光經(jīng)過多次反射后集中到一個濾光片處出射，從而得到每個單色濾光片處的出射光強高于背光源在此濾光片透射波帶的光強。將單色濾光片透射光強分別除以原背光源的光強，得到圖2（b）的透過率結(jié)果?？梢钥吹剑t色、綠色和藍色中的最大光強分別達到原光強的2 倍、1.5 倍和1.75 倍。與傳統(tǒng)彩色濾光片的透射某單色光而吸收其他色光相比，這種結(jié)果可以有效提高光利用效率，降低由于彩色濾光片帶來的能量損失。為了研究該結(jié)構(gòu)對光效率的提升作用，模型建立和理論分析都是必要的。

三基色顯示器的光效率采用式（1）進行計算，

其中：Ii和Io分別表示單個像素點處的入射光強和出射光強，TRGB代表紅綠藍像素的透過率，為紅綠藍3 個子像素的求和，且假設3 個子像素的面積相同。由式（1）可知，提高光效率本質(zhì)上就是提升每個顏色像素的透過率。

我們提出的反射型彩色濾光片，在每個顏色的像素點處只有相應顏色的光可以透射，其他顏色的光被反射，以紅光為例，其光路如圖3 所示。紅光在紅色濾光片處直接透射，透過率為Tr，在綠色和藍色濾光片處反射的光，被背光源的反射板反射回來，經(jīng)過1 次或多次反射從紅色濾光片處透射。因為紅綠藍三色光具有等價性，僅需要考慮其中一種光的行為，并推導出其光效率。圖3中紅光的出射位置有一定的差異，但這些出射位置具有周期性，所以幾個出射光可視為從同一位置出射。

圖3 紅光光路示意圖，上為綠色像素位置反射紅光情況，下為藍色像素反射紅光情況。Fig.3 Diagram of the red light path. The top section shows the reflection of the red light by green pixels，while the bottom section shows the reflection by blue pixels.

對于紅光在彩色濾光片中的透過率，其形式如式（2）所示。

其中：Tg-r代表綠色子像素對紅光的貢獻，Tb-r代表藍色子像素對紅光的貢獻，Tr表示紅光經(jīng)過紅色子像素的透過率。Tg-r的表達式為：

其中各項分別為：

其中：Rg和Rb分別代表綠色和藍色子像素的反射率，γ為光在介質(zhì)膜中傳播的透過率，Tg-r（n）表示綠色子像素經(jīng)過n次反射后經(jīng)過紅色子像素的透過率。通過觀察上述表達式，經(jīng)過一次反射和經(jīng)過3 次反射后紅光的透過率僅相差一個系數(shù)βg-r=同樣地，經(jīng)過2 次反射和4 次反射也是如此。將奇數(shù)次反射和偶數(shù)次反射分別考慮，得到式（5）：

利用等比級數(shù)的性質(zhì)，式（5）進一步化簡得到式（6），

根據(jù)藍色和綠色子像素的等價性得出：

其中，Av表示紅光透過率的凈增益，與透射系數(shù)γ2的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 凈增益與透射系數(shù)γ2的關(guān)系Fig.4 Relationship between net gain and transmittance coefficient γ2

在考慮紅光的凈增益時，令綠色和藍色子像素對所需要的紅光反射率為1。圖4 表現(xiàn)了在考慮的反射次數(shù)不同時，凈增益的變化情況。可以看到，在同樣的透射系數(shù)情況下，考慮的反射次數(shù)越多，凈增益也就越大；考慮的反射次數(shù)達到5 次時，已經(jīng)十分接近無窮多次反射的極限情況。當γ2=0 時，像素和背光反射板之間的介質(zhì)層吸收了所有反射光或反射光沒有被再反射利用，則凈增益為0。當γ2=1 時，中間介質(zhì)層為理想透明，沒有光吸收，紅色和藍色子像素位置處的紅光全部集中到紅色子像素下，凈增益為2。若考慮實際情況，即使只有1 次反射和約為0.8 的透射系數(shù)，凈增益也約為0.8。這個凈增益效率對于提高光效率也是非常重要的。

根據(jù)紅綠藍的對稱性，得出綠色和藍色的透過率分別為：

3 結(jié)構(gòu)設計和計算結(jié)果

基于光學薄膜干涉理論，可以利用周期性疊加高低折射率材料來實現(xiàn)需要波長范圍具有高透過和在鄰近波長范圍具有高反射的特性。在這種結(jié)構(gòu)中，透過和反射范圍的位置取決于薄膜的光學厚度。通過增加周期數(shù)，可以進一步提高反射帶的反射率，但是過多的周期數(shù)會導致帶通區(qū)域產(chǎn)生較大的波紋，甚至出現(xiàn)透過峰的分裂［19］。我們采用3 種介質(zhì)構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元［ABCCBA］，分別為低折射率的氟化鎂（MgF2），其折射率為nA=1.38；中等折射率的氧化鉿（HfO2），其折射率為nB=1.9；高折射率的二氧化鈦（TiO2），其折射率為nC=2.3。為了方便描述，使用A、B 和C 分別代表氟化鎂、氧化鉿和二氧化鈦。為了不在透射波長范圍產(chǎn)生較大的波紋，將周期數(shù)設置為8，表示為［ABCCBA］8。通過精確調(diào)控各層材料的厚度和折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)特定波長范圍的高透射，其他波長范圍的高反射。各層的厚度依據(jù)式（10）計算：

其中，λ0為反射率最大的波長值，彩色濾光片對于不同材料的厚度要求匯總到表1 中。為了實現(xiàn)只透過一種顏色的光，反射另外兩種顏色的光，每種顏色濾光片需要兩種顏色的結(jié)構(gòu)，如圖5 所示。通過將具有不同反射峰的高反射結(jié)構(gòu)串聯(lián)來實現(xiàn)特定的濾光效果。以紅色濾光片為例，當白光入射時，經(jīng)過藍色反射膜和綠色反射膜的依次反射，只有波長大于600 nm 的紅光透過。這樣的紅色濾光片既能有效地分離出紅色光，實現(xiàn)高純度的紅色顯示；又能夠反射藍光和綠光，使它們由背光模組底部的反射膜再次反射進入相應的藍色或綠色透光片透射，提高光的利用效率。藍色和綠色彩色濾光片的工作原理與紅色濾光片基本相同。

表1 彩色濾光片中各介質(zhì)層的厚度Tab.1 Thickness of each medium layer in the color filter nm

圖5 （a）紅色、（b）綠色、（c）藍色濾光片整體結(jié)構(gòu)和濾光原理。Fig.5 Overall structure and filtering principles of （a） red，（b） green， and （c） blue color filters.

不考慮各透明介質(zhì)層的吸收效應，本文計算了三基色彩色濾光片的透光特性和反射特性，如圖6所示。在一般背光光譜中，低于440 nm 和高于700 nm 的波長成分占比非常小。因此，即使濾光片在波長400 nm 和750 nm 附近具有一定的透過性，也不會對濾光片的顏色純度產(chǎn)生影響。在每種基色濾光片中，對另外兩種基色的反射率都接近100%。

圖6 三基色彩色濾光片的（a）透射率光譜和（b）反射率光譜Fig.6 （a） Transmission and （b） reflection spectra of three primary color filters

由圖6（b）中的反射率，并考慮光在背光模組中由于散射和反射等原因造成的損失，令透射系數(shù)γ2=0.8，應用式（9）計算得到紅綠藍三基色的整體透過率，如圖7 所示，各基色的最大透過率均大于2.0，即每種單色光都實現(xiàn)一倍以上的光增益。此外三基色彩色濾光片實現(xiàn)了對應顏色的單一性透過，實現(xiàn)了濾色膜的功能。對于YAG-LED 和QD 背光源情況，所需要的基色范圍內(nèi)的光強度遠大于背光源自身的光強度，從而提高了顯示器的光利用效率。

圖7 （a）三基色濾光片的透過率，（b） YAG-LED 和（c） QD 背光的三基色透射光強。Fig.7 （a） Transmittance of the three primary color filters， transmitted light intensity of the three primary colors for （b）YAG-LED and （c） QD backlight.

將新型彩色濾光片與YAG-LED 背光源結(jié)合使用，相比于采用寬色域彩色濾色膜，獲得的三基色光譜更窄，峰值高度更高，從而可以獲得出色的光效率和寬色域（32.9% NTSC，118.4%NTSC），采用寬色域彩色濾色膜的光效率和色域分別為23.4% NTSC，84.6% NTSC，如圖8 所示。因此，我們提出的技術(shù)在光效率和色域上都有很大的提高。

表2 給出了YAG-LED 背光情況下，三基色的峰值和半高寬度?？梢钥吹?，使用反射型彩色濾光片可以顯著降低三基色的半高寬度值，從而提高色彩的純度。反射型彩色濾光片將綠色和紅色的半高全寬降低到只有十幾納米，藍色的半高寬度基本不變，從而獲得了色域的提升。

表2 YAG-LED 下反射型彩色濾光片峰值和半高寬度Tab.2 Peak value and full width at half maximum （FWHM） of the reflective color filter with YAG-LED backlight

將新型彩色濾光片與量子點（QD）背光源結(jié)合使用時，透射光強光譜和色域如圖9 所示。在使用反射型彩色濾光片時，半高寬度值進一步降低，優(yōu)于量子點背光源，同時量子點背光源三基色之間對三基色飽和度有影響的串擾光被消除，表明反射型彩色濾光片能夠提供更純的三基色，詳細的峰值波長和半高寬度信息見表3。光效率和色域分別為58.9% NTSC 和130.4% NTSC，相較于寬色域彩色濾色膜（26.8% NTSC，96.7%NTSC）有了很大的提升。

表3 使用QD 背光，反射型彩色濾光片峰值和半高寬度Tab.3 Peak value and full width at half maximum （FWHM） of the reflective color filter with QD backlight

圖9 使用QD 背光時，不同彩膜情況下的（a）出射光強與（b）色域。Fig.9 Using QD backlight， （a） the emitted light intensity and （b） color gamut with different color filters.

由于多層膜結(jié)構(gòu)的透射是干涉效應的結(jié)果，所以光學透過率與波長的關(guān)系具有角度依賴性，即濾光片的透射峰值和強度會隨入射角度發(fā)生變化，如圖10 所示，透過率光譜隨著入射角度增大而藍移。當入射角從0°增加到10°時，彩色濾光片的中心峰值會輕微藍移約5 nm，當入射角增加到25°時，藍移超過10 nm。

圖10 （a）紅色、（b）綠色、（c）藍色濾光片透射率與極角的關(guān)系。Fig.10 Relationship between the transmittance of （a） red， （b） green， and （c） blue color filters and the polar angle.

圖11～圖13 給出了兩種背光源情況下，不同入射角的出射光強、色域、光效率和色域隨極角的變化。圖11 中隨著極角變化，綠色光的出射峰值和光強變化明顯，從而在圖12 的色度圖中表現(xiàn)出綠色色度坐標變化明顯。在圖13 中給出的光效率和色域隨極角的變化圖中，當入射角從0°增加到25°時，YAG-LED 的顯示器的光效率沒有下降（32.9%變化至33.1%），這是因為YAG-LED光譜較寬，濾光片透射峰值變化，綠光光強減小而紅光光強增加，整體光效率變化很??；而QD 背光的光效率下降較為嚴重（從58.9%降至41.5%），這是因為QD 背光光譜較窄，當濾光片的透射峰值發(fā)生移動時，背光光譜和濾光片的透射峰不匹配，導致綠光和紅光透射光強下降明顯，從而導致光效率在大極角時變化很大。兩種背光源顯示器的色域隨著視角增大會先升高再下降。

圖11 （a） YAG-LED、（b） QD 背光在不同極角下的出射光強分布。Fig.11 Light intensity distribution varied with polar angles for （a） YAG-LED and （b） QD backlight

圖12 （a） YAG-LED 和（b） QD 背光的不同極角的色域Fig.12 Different color gamut at different polar angles for （a） YAG-LED and （b） QD backlight

液晶顯示器背光模組中的正交亮度增強棱鏡使出射光集中在20°極角范圍內(nèi)，背光模組最上方的擴散膜將集中的光進行混合和擴散［20-21］?？梢詫U散膜放置在顯示器上方，則彩色濾光片的極角依賴性可以被擴散膜減弱。如圖14 所示，彩色濾光片在20°極角內(nèi)的平均透過率曲線與0°的透過率曲線相差不大，彩色濾光片的透射光譜藍移5 nm 以下，并且峰值下降很小，因此考慮20°極角內(nèi)的平均，我們提出的彩色濾光片也具有非常好的顏色和光效率的表現(xiàn)。

圖15（a）為紅綠藍三色濾光片的平均透過率光譜，圖15（b）為20°極角內(nèi)平均后的色域表現(xiàn)，圖15（c）和圖15（d）為YAG-LED 和QD 背光情況下的平均透射光譜。在YAG-LED 背光條件下，可實現(xiàn)120.7% NTSC 色域和32.9%的光效率，在量子點背光條件下，可實現(xiàn)131.4% NTSC 色域和56.4%的光效率。

圖15 20°極角平均后，（a）三基色濾光片的透過率、（b）兩種背光源下的色域、（c） YAG-LED 和（d） QD 背光時的出射光強。Fig.15 After averaging of polar angle range within 20°， （a） the transmittance of different primary color filters， （b） color gamut under two backlight sources， the intensity of emitted light for （c） YAG-LED and （d） QD backlight.

4 結(jié)論

本文提出了反射式彩色濾光片結(jié)構(gòu)，理論上計算了反射式彩色濾光片對透過率的作用，設計了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為［ABCCBA］8的三基色彩色濾光片結(jié)構(gòu)，模擬計算了它們的透光特性和使用YAGLED 及QD 背光的光效率和色域?？紤]濾光片的視角依賴性和擴散膜的作用，對顯示器進行了20°極角內(nèi)的光效率和色域的平均，實現(xiàn)大于120%NTSC（YAG-LED）和131% NTSC（QD）的色域，光效率分別大于32%（YAG-LED）和56%（QD背光）。相比傳統(tǒng)彩色濾色膜技術(shù)，色域得到顯著提高，光效率提高50%（YAG-LED）和150%（QD）以上。更寬的色域和更高的光效率，意味著可以在較低的背光功耗下獲得色彩鮮艷的顯示效果。當考慮將本技術(shù)進行應用時，也需要考慮這些濾光片像素化制作上的難度和成本，將背光源的光集中在20°極角內(nèi)和再進行散射形成寬視角特性過程中的問題，以及在液晶顯示器中應用這些濾光片的位置和液晶器件結(jié)構(gòu)造成的光效率下降問題?？傊?，該技術(shù)在預想應用中還存在很多問題，需要更多的研究來促進技術(shù)的發(fā)展和克服各種困難。