基于衍射光栅的液晶显示模型

论文摘要

液晶显示(LCD)由于其轻、薄的特点,被广泛应用于各种移动终端设备的图像显示中,但其较高的功耗严重限制了移动设备的工作时间。LCD的高功耗是源于偏振片与彩色滤波片吸收了其背光模组中85%以上的背光,使得背光源的总体有效利用率不足5%。研究人员为了解决LCD能效低的问题,提出了使用平面光栅产生偏振、三基色阵列分色输出背光的方案,来消除传统液晶显示器中偏振片和滤光片对背光的吸收。包括飞利浦、三星与台湾工业研究院在内的国内外科研机构提出了多种基于平面光栅的液晶显示模型。本文首先综述了以上各种显示模型,对各种方案的优点与存在的问题进行了分析。在多冈素平衡的基础上,确定了本论文拟研究的液晶显示模型。另一方面,迄今为止的研究模型中,入射光都是无散射角的理想光源,实际光源对衍射光栅输出的影响尚无研究,但这种影响往往会导致一个模型的成立与否。冈此,本文通过严格耦合波理论研究了光源散射角对衍射效率、光斑面积、不同波长衍射光重合角度和衍射光偏振态等的影响。在用严格耦合波理论研究入射光线散射角对衍射光栅衍射效率影响的过程中发现：当光源存在散射角时,随着散射角的增加,在一定程度内会提高光栅的衍射效率,其峰值可以达到不存在散射角时的2倍。以TE模或TM模入射的情况下,衍射效率在phi角绝对值小于二十度以内变化较小,可以忽略。冈此,在散射角较小的情况下,能够得到较均一的衍射条纹强度。在模型中,光源散射角会使得衍射光斑面积增大。衍射光斑的面积会随着散射角范围的增大而增大。当衍射角达到一定的程度后,衍射光斑面积趋于稳定。衍射光斑面积的增大会导致衍射条纹的锐度降低,从而降低衍射条纹的质量。散射光线会使得衍射光的衍射角度范围扩大,甚至导致不同波长衍射光产生一定的衍射角度重合。本文中,当散射角大于12。时,不同波长的衍射光线将出现重合,且重合角度随光源散射角的增加而增加。同时光源散射角会使得衍射光偏振模式混合。在以偏振光入射的情况下,当光源无散射角时(即phi=0时),衍射光线仍保持原有偏振态发生衍射。当光源存在散射角的情况下,随着散射角的增大,衍射光的偏振态混合程度迅速加深。通过在导光板上下表面设置反射层,能高效利用1级反射衍射光的能量,并避免l级反射衍射光线经过导光板下表面反射后对衍射条纹产生影响。最终,在光源存在散射角的情况下得到了清晰的衍射条纹。本文提出了有效降低光源散射角对衍射光栅条纹影响的光栅结构和液晶显示背光结构模型。并用ASAP软件对具有表面光栅的液晶显示导光板进行了光学模拟,得到了衍射条纹和衍射光强度的分布图。结果显示,在液晶显示中,利用衍射光栅进行三基色阵列分色输出是完全可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 平面衍射光栅
• 1.3 ASAP软件模拟
• 1.4 本文的工作
• 第二章 基于光栅的显示模型
• 2.1 引言
• 2.2 分色模型
• 2.2.1 垂直出射表面光栅
• 2.2.2 双层光栅
• 2.2.3 闪耀光栅模型
• 2.2.4 分色导光板
• 2.2.5 全息表面光栅
• 2.3 分色分偏振模型
• 2.3.1 体光栅
• 2.3.2 双折射表面光栅
• 2.4 偏振转化模型
• 2.4.1 金属复合材料光栅
• 2.4.2 应力导双折射光栅
• 第三章 光栅理论与软件仿真
• 3.1 引言
• 3.2 严格耦合波理论
• 3.3 Matlab计算
• 3.4 偏振化研究
• 第四章 光栅理论研究散射角问题
• 4.1. 引言
• 4.2. 光栅参数的确定
• 4.3. 散射角的影响
• 4.3.1 偏振光对衍射效率的影响
• 4.3.2 散射角对衍射范围的影响
• 4.3.3 偏射光线对偏振光入射的影响
• 4.4. 散射角范围控制
• 4.5. 1级反射衍射光
• 第五章 ASAP软件模拟
• 5.1 引言
• 5.2 无散射角光源RGB型光栅导光板
• 5.3 散射角光源RGB型光栅导光板
• 5.4 无散射角光源RGBGR型光栅导光板
• 5.5 有散射角光源RGBGR型光栅导光板
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 论文与项目
• 附录一
• 附录二