硅基液晶與電光特性

1、硅基液晶（LCOS與電光特性LiquidCrystal on Silicon(LCOS) and Electro-Optic CharacterizationFANWei1,JIANG Li2 , ZHANGZhi-dong2 , DAI Yong-ping1,3 (1. Shenzhen Live Digital Technology Co., Ltd.,Shenzhen Guangdong 518040, China;2. School of Sciences, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;3. Institu

2、te of Photo-Electronics Tin Film Devices and Technology, Nankai University, Tianjin 300071, China): The voltage-reflectance curve is given experimentally for our 90MTN model. We outlinevoltage-on-state characterization of reflective display model, which is mainly used in liquid crystal on silicon(LC

3、OS). Study is based on the elastic theory of nematic liquid crystal and the method of Jones matrix. For the red, green and blue lights, we show the voltage- dependent reflectance of a 90MTNmodel and a SCTN model. The color dispersion effect is emphasized in the voltage-on-state. The contrast ratio a

4、s a function cell gap is given for the TN-ECB-1 model and 45MTNmodel, in which the voltage for dark state is 5V.Keywords: LCOS; reflectivedisplay model; reflectance;contrast ratio; color dispersion引言在文獻(xiàn) 1 中我們概述了硅基液晶的應(yīng)用前景和它所使用 的反射式顯示模式的關(guān)態(tài)特性 , 本文概述反射式顯示模式的電光 特性。LCOS與 TFT-LCD等其它液晶平板顯示器最大的不同是LCOS直接制作在硅晶

5、圓上，其顯示屏周邊攜帶控制電路。LCOS與 TFT比較 , 由于尺寸小太多 , 不能使用共面驅(qū)動(dòng) (in-plane switching)2 或邊緣場(chǎng)驅(qū)動(dòng) (fringe-field switching) 等橫向 場(chǎng)方式 , 而只能使用縱向驅(qū)動(dòng) (vertical switching) 方式。研究 LCOS反射式顯示模式電光特性的基礎(chǔ)是液晶彈性理論和光學(xué) Jones 矩陣方法 3 。1 研究基礎(chǔ)建立直角坐標(biāo)系 (x,y,z), 讓 xy 平面平行于基板表面。 設(shè)指 向矢n與xy平面的夾角為 6 ,在xy平面上的投影與x軸的夾角 為 ,則指向矢n可以表示為:n=(cos 6 cos ,cos 6

6、 sin ,sin 6 )(1)其中 6 和 均為坐標(biāo) z 的函數(shù)。依據(jù)液晶彈性理論 , 我們 可以得到在一定電壓作用下 , 指向矢分布和盒中電勢(shì)所滿足的方 程4:其中:f( 6 )=k11cos2 6 +k33sin2 6g( 6 )=(k22cos2 6 +k33sin2 6 )cos2 6在上面的表示式中K11、K22和K33為液晶的彈性常數(shù)，e /和e丄為液晶的介電常數(shù)。使用差分迭代方法 5,可以得到 液晶盒中的指向矢分布，即6 (z)和 (z)。在一定電壓作用下，有了指向矢分布6 (z)和 (z),可以 計(jì)算液晶層的 Jones 矩陣。在垂直入射條件下 , 第 n 個(gè)液晶子層 的 J

7、ones 矩陣為 4:整個(gè)液晶層的 Jones 矩陣為 :MLC=JNJN1J2J1 (7)將偏振片與前摩擦方向之間的夾角記為a ,反射率為3:2 電光特性曲線2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線對(duì)于90 MTN的實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖1所示。實(shí)驗(yàn)中光源為 準(zhǔn)白光光源 , 通過光電轉(zhuǎn)換給出的是各個(gè)波長的整體電光特性。電光特性曲線是LCOS空制電路中進(jìn)行伽馬校正的基礎(chǔ)6。2.2 開態(tài)色散 在本文的數(shù)值模擬中 , 向列相液晶的力學(xué)參數(shù)取如下典型數(shù)值:K11=15.8 X 10- 12N、K22=6.0X 10- 12N、K33=17.9X 10-12N; 相對(duì)介電參數(shù)取e / =11.0, e丄=5.0。首先我們給出9

8、0 MTN的電光特性曲線 , 其中偏振片與前摩擦方向之間的夾角 a =20;盒厚取為d=6a m ,光學(xué)參數(shù)取ne=1.54,no=1.50(滿足 nd=0.24卩m）7。圖2中，我們給出紅、綠、藍(lán)三種波長的電 光特性曲線。作為比較，在圖3中我們給出SCTN模式（液晶扭曲 角60 ,入射偏振角a =30, nd=0.35卩m）的相關(guān)結(jié)果。我們 看到,SCTN模式雖然是一種“理想”模式，但嚴(yán)重色散使得它很 難應(yīng)用。我們對(duì)70、80和90三種MTN模式進(jìn)行比較。偏振片 與前摩擦方向之間的夾角統(tǒng)一取為 a =20, nd的取值分別為 0.278卩m 0.272卩m和0.24卩m7。波長取綠光，入=5

9、50nm, 電光特性曲線如圖4所示。由圖4可見,70 和80 MTN開態(tài)的 反射率不夠小 , 將大大影響對(duì)比度。3 對(duì)比度兩種典型反射式模式的比較我們對(duì)兩種顯示模式的薄盒（盒厚d=3 L m）進(jìn)行了數(shù)值模 擬。光學(xué)各向異性取值，使得dA n滿足表1。首先給出它們的關(guān) 態(tài)色散曲線 , 如圖 5所示,單從該角度看 , 它們都是可用 的,TN-ECB-1在可見光短波長部分工作得要好一些 ，而45 MTN 在長波部分工作得好一些。在對(duì)上述模式進(jìn)行開態(tài)模擬時(shí) , 我們 仍然采用上節(jié)液晶材料的力學(xué)參數(shù)和介電參數(shù)。對(duì)于綠光 （入=550nm）,5V工作電壓，對(duì)比度曲線如圖6所示。由圖6可見, 在該工作電壓下這兩種顯示模式的對(duì)比度小于 50:1 。4 結(jié) 論LCOS在顯示應(yīng)用中，其產(chǎn)品特性體現(xiàn)在分辨率、對(duì)比度、 光利用率、色彩和響應(yīng)速度等諸多方面。由于尺寸太小丄COS只 能使用縱向驅(qū)動(dòng)方式。面對(duì)諸多縱向驅(qū)動(dòng)的反射顯示模式 , 電光 特性是LCOS具體選擇顯示工作模式的最主要依據(jù)之一，它直接 影