“[{"title":"用于宽色域液晶显示器的反射型高光效率彩色滤光片","chapter":"1 引言","content":"光效率和色域是显示设备中极为重要的参数。光效率的高低直接影响着在相同背光强度下画面的亮度和能耗。较高的光效率意味着显示屏能够呈现更高的亮度，提高色彩的鲜艳程度，或者以较低的功耗提供背光强度，从而降低显示器的能耗。随着显示画面的真实度要求不断提高，宽色域显示器件越来越受欢迎。从显示原理来看，背光源和彩色滤光片的性能共同决定了显示器件的色域上限。色域大小表示显示设备所能展现的颜色范围的大小，直接关系到画面的色彩丰富度和真实性。色域大小以色度图中覆盖面积与某个标准色域的比值来表示。常见的色域标准包括NTSC、sRGB、DCI-P3和Rec.2020等，其中，NTSC标准被广泛应用于显示器的色域描述［1-3］。普通的LCD使用黄色荧光粉转换白光发光二极管，具有非常高的亮度表现和低功耗，但色域不高［4-5］。宽色域LCD通常使用量子点背光来实现，镉基量子点发光二极管可以实现110% NTSC的色域，钙钛矿量子点发光二极管则可达到120% NTSC的色域［6-9］。然而，这两种技术中存在重金属而受到管制［10］。光学滤波器可以精确控制透过光谱，可以有效提高液晶显示器的色域。基于法布里帕罗腔的滤波器和宽色域彩色滤光片的组合使用，可以实现127% NTSC的色域［11］。应用多层介质膜结构的干涉滤波器可以获得112.2% NTSC的色域［12］。双折射滤波器也是一种可行方案，可有效抑制杂光并获得126% NTSC的色域［13-14］。需要注意的是：液晶显示器的色域提升往往伴随着光效率的下降，原因是将背光光谱变为宽色域所需要的光谱时，需要滤掉不需要波长光或降低它们的透过率。如何在保证宽色域的前提下提升光效率是一个棘手的问题。在传统液晶显示器中，影响光效率的主要因素有：起偏器的透过率、薄膜晶体管（TFT）阵列的开口率和彩色滤光片（CF）的透过率。起偏器的透过率不超过50%，TFT阵列开口率约为60%，彩色滤光片的光效率低于1/3，再考虑光路中其他位置的光损失，传统液晶显示器的光效率通常在5%左右［15］。采用双亮度增强膜，可以有效解决起偏器吸收光的问题，光效率有了明显提升。随着技术发展和像素结构设计优化，TFT阵列开口率也得到了大幅提升。然而，彩色滤光片的光效率低的问题依然没有解决。高效地实现空间分色或时间分色是获得高光效率的基础。传统的彩色滤光片需要吸收非目标颜色的光，导致至少2/3的光被浪费，因此光效率很低。场序彩色法是一种高效的时间分色方法，按照时间顺序来透射红、绿、蓝3种颜色的光，并利用人眼的视觉惰性，实现逼真的色彩显示［16］。场序彩色法的光效率虽然非常高，但在快速动态图像显示中会出现严重的色彩分离现象，尽管可以通过提高刷新频率来极大降低色彩分离问题，但需要更严格的驱动技术和显示器件技术［17］。利用光栅分光效应来实现空间分色，也是一种高效的方法。其中，塔尔博特光栅是一种常见的分色光栅。基于塔尔博特效应，当白光照射到光栅上时，可以产生彩色的干涉图案，将其他像素点上的光聚焦到一个像素点上［18］。然而，由于塔尔博特距离的波长依赖性，实际上色彩分离平面并不完全重合，这限制了其在液晶显示器中的应用。在液晶显示器件研究中，追求宽色域的同时，提升液晶显示器的光效率仍然是一个极具挑战的问题。本文根据薄膜干涉原理，提出了通过调控薄膜厚度构建的彩色滤光片。单色滤光片可以透过某种单色光，而反射其他颜色的光，反射的光被反射板反射后再次被其他单色滤光片利用，从而提高光效率。我们模拟计算了带有黄色荧光粉的白光二极管背光单元和量子点背光单元的色域和光效率，这种彩色滤光片可以同时实现色域和光效率的提升，结果将为提升液晶显示器的色域和光效率提供有效的解决方案。","result":"讨论了光效率和色域在显示设备中的重要性，指出高光效率可以提高画面亮度、降低能耗，而宽色域显示器件越来越受欢迎。分析了背光源和彩色滤光片对色域的影响，以及不同背光技术如量子点背光的色域表现。指出提升色域往往导致光效率下降的问题，并分析了影响光效率的主要因素。探讨了提高光效率的方法，如双亮度增强膜、场序彩色法和塔尔博特光栅等。最后，提出了基于薄膜干涉原理的彩色滤光片设计，通过调控薄膜厚度实现高光效率和宽色域，并通过模拟计算验证了其效果。","language":"zh"},{"title":"用于宽色域液晶显示器的反射型高光效率彩色滤光片","chapter":"2 实验基础和理论分析","content":"如图1所示的实验结构中，由反射式滤光片构成的红绿蓝阵列在有背光源情况下，表现出非常强的红绿蓝表现，测量得到背光源的发射光谱和三色的出射光强如图2（a）所示，单色的出射光谱中有部分波长处的出射光强大于背光源的光强。图1背光源（a）关态和（b）开态下的反射滤光片阵列Fig.1Reflective color filter array with backlight under （a） off state， and （b） on state.图2三基色的（a）光强和（b）透过率Fig.2（a） Light intensity and （b） transmittance of the three primary colors考虑反射滤光片特点，某单色滤光片透射某波段范围内的光而反射其他波长的光，反射光经过背光源中的反射膜再反射回来，反射光路中被折射或散射到其他单色滤光片处出射。理想情况下，可以实现背光照射到3个滤光片处的某单色光经过多次反射后集中到一个滤光片处出射，从而得到每个单色滤光片处的出射光强高于背光源在此滤光片透射波带的光强。将单色滤光片透射光强分别除以原背光源的光强，得到图2（b）的透过率结果。可以看到，红色、绿色和蓝色中的最大光强分别达到原光强的2倍、1.5倍和1.75倍。与传统彩色滤光片的透射某单色光而吸收其他色光相比，这种结果可以有效提高光利用效率，降低由于彩色滤光片带来的能量损失。为了研究该结构对光效率的提升作用，模型建立和理论分析都是必要的。三基色显示器的光效率采用式（1）进行计算， ，（1）其中：Ii和Io分别表示单个像素点处的入射光强和出射光强，TRGB代表红绿蓝像素的透过率，为红绿蓝3个子像素的求和，且假设3个子像素的面积相同。由式（1）可知，提高光效率本质上就是提升每个颜色像素的透过率。我们提出的反射型彩色滤光片，在每个颜色的像素点处只有相应颜色的光可以透射，其他颜色的光被反射，以红光为例，其光路如图3所示。红光在红色滤光片处直接透射，透过率为Tr，在绿色和蓝色滤光片处反射的光，被背光源的反射板反射回来，经过1次或多次反射从红色滤光片处透射。因为红绿蓝三色光具有等价性，仅需要考虑其中一种光的行为，并推导出其光效率。图3中红光的出射位置有一定的差异，但这些出射位置具有周期性，所以几个出射光可视为从同一位置出射。图3红光光路示意图，上为绿色像素位置反射红光情况，下为蓝色像素反射红光情况。Fig.3Diagram 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.对于红光在彩色滤光片中的透过率，其形式如式（2）所示。 ，（2）其中：Tg-r代表绿色子像素对红光的贡献，Tb-r代表蓝色子像素对红光的贡献，Tr表示红光经过红色子像素的透过率。Tg-r的表达式为： ，（3）其中各项分别为： （4）其中：Rg和Rb分别代表绿色和蓝色子像素的反射率，γ为光在介质膜中传播的透过率，Tg-r（n）表示绿色子像素经过n次反射后经过红色子像素的透过率。通过观察上述表达式，经过一次反射和经过3次反射后红光的透过率仅相差一个系数；同样地，经过2次反射和4次反射也是如此。将奇数次反射和偶数次反射分别考虑，得到式（5）： .（5）利用等比级数的性质，式（5）进一步化简得到式（6）， （6）根据蓝色和绿色子像素的等价性得出： ，（7）其中：，与βg-r形式相同，统一记做βr，综合以上得到红光的透过率为： （8）其中，Av表示红光透过率的净增益，与透射系数的关系如图4所示。图4净增益与透射系数γ2的关系Fig.4Relationship between net gain and transmittance coefficient γ2在考虑红光的净增益时，令绿色和蓝色子像素对所需要的红光反射率为1。图4表现了在考虑的反射次数不同时，净增益的变化情况。可以看到，在同样的透射系数情况下，考虑的反射次数越多，净增益也就越大；考虑的反射次数达到5次时，已经十分接近无穷多次反射的极限情况。当γ2=0时，像素和背光反射板之间的介质层吸收了所有反射光或反射光没有被再反射利用，则净增益为0。当γ2=1时，中间介质层为理想透明，没有光吸收，红色和蓝色子像素位置处的红光全部集中到红色子像素下，净增益为2。若考虑实际情况，即使只有1次反射和约为0.8的透射系数，净增益也约为0.8。这个净增益效率对于提高光效率也是非常重要的。根据红绿蓝的对称性，得出绿色和蓝色的透过率分别为： ，（9）其中：。","result":"通过实验和理论分析，研究了反射型高光效率彩色滤光片在宽色域液晶显示器中的应用。实验中，利用反射式滤光片构成的红绿蓝阵列在背光源下表现出强的三基色表现，测量结果显示单色出射光强在部分波长处大于背光源光强。理论分析中，考虑了反射滤光片的透射和反射特性，以及光在背光源中的反射和折射行为。通过建立模型和计算公式，分析了光效率的提升作用。实验和理论结果表明，与传统彩色滤光片相比，反射型彩色滤光片可以有效提高光利用效率，降低能量损失。研究还探讨了红光在彩色滤光片中的透过率，以及净增益与透射系数的关系，为提高光效率提供了理论依据。","language":"zh"},{"title":"用于宽色域液晶显示器的反射型高光效率彩色滤光片","chapter":"3 结构设计和计算结果","content":"基于光学薄膜干涉理论，可以利用周期性叠加高低折射率材料来实现需要波长范围具有高透过和在邻近波长范围具有高反射的特性。在这种结构中，透过和反射范围的位置取决于薄膜的光学厚度。通过增加周期数，可以进一步提高反射带的反射率，但是过多的周期数会导致带通区域产生较大的波纹，甚至出现透过峰的分裂［19］。我们采用3种介质构成结构单元［ABCCBA］，分别为低折射率的氟化镁（MgF2），其折射率为nA=1.38；中等折射率的氧化铪（HfO2），其折射率为nB=1.9；高折射率的二氧化钛（TiO2），其折射率为nC=2.3。为了方便描述，使用A、B和C分别代表氟化镁、氧化铪和二氧化钛。为了不在透射波长范围产生较大的波纹，将周期数设置为8，表示为［ABCCBA］8。通过精确调控各层材料的厚度和折射率，能够实现特定波长范围的高透射，其他波长范围的高反射。各层的厚度依据式（10）计算： ，（10）其中，λ0为反射率最大的波长值，彩色滤光片对于不同材料的厚度要求汇总到表1中。为了实现只透过一种颜色的光，反射另外两种颜色的光，每种颜色滤光片需要两种颜色的结构，如图5所示。通过将具有不同反射峰的高反射结构串联来实现特定的滤光效果。以红色滤光片为例，当白光入射时，经过蓝色反射膜和绿色反射膜的依次反射，只有波长大于600 nm的红光透过。这样的红色滤光片既能有效地分离出红色光，实现高纯度的红色显示；又能够反射蓝光和绿光，使它们由背光模组底部的反射膜再次反射进入相应的蓝色或绿色透光片透射，提高光的利用效率。蓝色和绿色彩色滤光片的工作原理与红色滤光片基本相同。表 1彩色滤光片中各介质层的厚度Tab.1Thickness of each medium layer in the color filter nm图5（a）红色、（b）绿色、（c）蓝色滤光片整体结构和滤光原理。Fig.5Overall structure and filtering principles of （a） red， （b） green， and （c） blue color filters.不考虑各透明介质层的吸收效应，本文计算了三基色彩色滤光片的透光特性和反射特性，如图6所示。在一般背光光谱中，低于440 nm和高于700 nm的波长成分占比非常小。因此，即使滤光片在波长400 nm和750 nm附近具有一定的透过性，也不会对滤光片的颜色纯度产生影响。在每种基色滤光片中，对另外两种基色的反射率都接近100%。图6三基色彩色滤光片的（a）透射率光谱和（b）反射率光谱Fig.6（a） Transmission and （b） reflection spectra of three primary color filters由图6（b）中的反射率，并考虑光在背光模组中由于散射和反射等原因造成的损失，令透射系数，应用式（9）计算得到红绿蓝三基色的整体透过率，如图7所示，各基色的最大透过率均大于2.0，即每种单色光都实现一倍以上的光增益。此外三基色彩色滤光片实现了对应颜色的单一性透过，实现了滤色膜的功能。对于YAG-LED和QD背光源情况，所需要的基色范围内的光强度远大于背光源自身的光强度，从而提高了显示器的光利用效率。图7（a）三基色滤光片的透过率，（b） YAG-LED和（c） QD背光的三基色透射光强。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.将新型彩色滤光片与YAG-LED背光源结合使用，相比于采用宽色域彩色滤色膜，获得的三基色光谱更窄，峰值高度更高，从而可以获得出色的光效率和宽色域（32.9% NTSC，118.4% NTSC），采用宽色域彩色滤色膜的光效率和色域分别为23.4% NTSC，84.6% NTSC，如图8所示。因此，我们提出的技术在光效率和色域上都有很大的提高。图8使用YAG-LED背光，不同彩色滤光片情况下的（a）出射光强与（b）色域。Fig.8Using YAG-LED backlight， （a） the emitted light intensity and （b） color gamut with different color filters.表2给出了YAG-LED背光情况下，三基色的峰值和半高宽度。可以看到，使用反射型彩色滤光片可以显著降低三基色的半高宽度值，从而提高色彩的纯度。反射型彩色滤光片将绿色和红色的半高全宽降低到只有十几纳米，蓝色的半高宽度基本不变，从而获得了色域的提升。表 2YAG-LED下反射型彩色滤光片峰值和半高宽度Tab.2Peak value and full width at half maximum （FWHM） of the reflective color filter with YAG-LED backlight将新型彩色滤光片与量子点（QD）背光源结合使用时，透射光强光谱和色域如图9所示。在使用反射型彩色滤光片时，半高宽度值进一步降低，优于量子点背光源，同时量子点背光源三基色之间对三基色饱和度有影响的串扰光被消除，表明反射型彩色滤光片能够提供更纯的三基色，详细的峰值波长和半高宽度信息见表3。光效率和色域分别为58.9% NTSC和130.4% NTSC，相较于宽色域彩色滤色膜（26.8% NTSC，96.7% NTSC）有了很大的提升。图9使用QD背光时，不同彩膜情况下的（a）出射光强与（b）色域。Fig.9Using QD backlight， （a） the emitted light intensity and （b） color gamut with different color filters.表 3使用QD背光，反射型彩色滤光片峰值和半高宽度Tab.3Peak value and full width at half maximum （FWHM） of the reflective color filter with QD backlight由于多层膜结构的透射是干涉效应的结果，所以光学透过率与波长的关系具有角度依赖性，即滤光片的透射峰值和强度会随入射角度发生变化，如图10所示，透过率光谱随着入射角度增大而蓝移。当入射角从0°增加到10°时，彩色滤光片的中心峰值会轻微蓝移约5 nm，当入射角增加到25°时，蓝移超过10 nm。图10（a）红色、（b）绿色、（c）蓝色滤光片透射率与极角的关系。Fig.10Relationship between the transmittance of （a） red， （b） green， and （c） blue color filters and the polar angle.图11~图13给出了两种背光源情况下，不同入射角的出射光强、色域、光效率和色域随极角的变化。图11中随着极角变化，绿色光的出射峰值和光强变化明显，从而在图12的色度图中表现出绿色色度坐标变化明显。在图13中给出的光效率和色域随极角的变化图中，当入射角从0°增加到25°时，YAG-LED的显示器的光效率没有下降（32.9%变化至33.1%），这是因为YAG-LED光谱较宽，滤光片透射峰值变化，绿光光强减小而红光光强增加，整体光效率变化很小；而QD背光的光效率下降较为严重（从58.9%降至41.5%），这是因为QD背光光谱较窄，当滤光片的透射峰值发生移动时，背光光谱和滤光片的透射峰不匹配，导致绿光和红光透射光强下降明显，从而导致光效率在大极角时变化很大。两种背光源显示器的色域随着视角增大会先升高再下降。图11（a） YAG-LED、（b） QD背光在不同极角下的出射光强分布。Fig.11Light intensity distribution varied with polar angles for （a） YAG-LED and （b） QD backlight图12（a） YAG-LED和（b） QD背光的不同极角的色域Fig.12Different color gamut at different polar angles for （a） YAG-LED and （b） QD backlight图13（a） YAG-LED和（b） QD背光的光效率和色域与极角的关系Fig.13Relationship between light efficiency， color gamut， and polar angles for （a） YAG-LED and （b） QD backlight.液晶显示器背光模组中的正交亮度增强棱镜使出射光集中在20°极角范围内，背光模组最上方的扩散膜将集中的光进行混合和扩散［20-21］。可以将扩散膜放置在显示器上方，则彩色滤光片的极角依赖性可以被扩散膜减弱。如图14所示，彩色滤光片在20°极角内的平均透过率曲线与0°的透过率曲线相差不大，彩色滤光片的透射光谱蓝移5 nm以下，并且峰值下降很小，因此考虑20°极角内的平均，我们提出的彩色滤光片也具有非常好的颜色和光效率的表现。图14（a）红、（b）绿、（c）蓝彩色滤光片垂直入射和20°极角内的平均值的透过率。Fig.14Transmittance of the normal direction and average transmittance of polar angle range within 20° for （a） red， （b） green， and （c） blue color filters.图15（a）为红绿蓝三色滤光片的平均透过率光谱，图15（b）为20°极角内平均后的色域表现，图15（c）和图15（d）为YAG-LED和QD背光情况下的平均透射光谱。在YAG-LED背光条件下，可实现120.7% NTSC色域和32.9%的光效率，在量子点背光条件下，可实现131.4% NTSC色域和56.4%的光效率。图1520°极角平均后，（a）三基色滤光片的透过率、（b）两种背光源下的色域、（c） YAG-LED和（d） QD背光时的出射光强。Fig.15After 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.","result":"基于光学薄膜干涉理论，通过周期性叠加不同折射率材料，设计了一种用于宽色域液晶显示器的反射型高光效率彩色滤光片。采用3种介质构成结构单元，分别为氟化镁、氧化铪和二氧化钛，周期数设置为8，以实现特定波长范围的高透射和高反射。通过精确调控各层材料的厚度和折射率，实现了只透过一种颜色的光，反射另外两种颜色的光。计算了三基色彩色滤光片的透光特性和反射特性，发现在一般背光光谱中，滤光片在波长400 nm和750 nm附近具有一定的透过性，但不会对颜色纯度产生影响。三基色彩色滤光片的反射率接近100%，实现了单一颜色的透过和滤色膜的功能。与YAG-LED和QD背光源结合使用时，新型彩色滤光片能够提高显示器的光利用效率，获得出色的光效率和宽色域。反射型彩色滤光片显著降低了三基色的半高宽度值，提高了色彩的纯度。光学透过率与波长的关系具有角度依赖性，滤光片的透射峰值和强度会随入射角度发生变化。通过在显示器上方放置扩散膜，可以减弱彩色滤光片的极角依赖性，使其在20°极角内的平均透过率与0°的透过率相差不大，保持了良好的颜色和光效率表现。在YAG-LED背光条件下，新型彩色滤光片可实现120.7% NTSC色域和32.9%的光效率；在量子点背光条件下，可实现131.4% NTSC色域和56.4%的光效率。","language":"zh"},{"title":"用于宽色域液晶显示器的反射型高光效率彩色滤光片","chapter":"4 结论","content":"本文提出了反射式彩色滤光片结构，理论上计算了反射式彩色滤光片对透过率的作用，设计了基础结构为［ABCCBA］8的三基色彩色滤光片结构，模拟计算了它们的透光特性和使用YAG-LED及QD背光的光效率和色域。考虑滤光片的视角依赖性和扩散膜的作用，对显示器进行了20°极角内的光效率和色域的平均，实现大于120% NTSC（YAG-LED）和131% NTSC（QD）的色域，光效率分别大于32%（YAG-LED）和56%（QD背光）。相比传统彩色滤色膜技术，色域得到显著提高，光效率提高50%（YAG-LED）和150%（QD）以上。更宽的色域和更高的光效率，意味着可以在较低的背光功耗下获得色彩鲜艳的显示效果。当考虑将本技术进行应用时，也需要考虑这些滤光片像素化制作上的难度和成本，将背光源的光集中在20°极角内和再进行散射形成宽视角特性过程中的问题，以及在液晶显示器中应用这些滤光片的位置和液晶器件结构造成的光效率下降问题。总之，该技术在预想应用中还存在很多问题，需要更多的研究来促进技术的发展和克服各种困难。","result":"提出了反射式彩色滤光片结构，设计了三基色彩色滤光片，模拟计算了透光特性和光效率；实现了超过120% NTSC（YAG-LED）和131% NTSC（QD）的色域，光效率分别大于32%（YAG-LED）和56%（QD背光）；相比传统技术，色域和光效率显著提高；在应用中需考虑像素化制作难度、成本、光集中和散射问题，以及液晶器件结构对光效率的影响。","language":"zh"}]”