Забудько М.А, Чайка А.Ю., Брик Е.Б.

ООО «Фотооптик», Россия, г. Обнинск, [email protected]

Отражение от внутренней слоистой структуры ЖК панелей. Измерения в поляризованном свете.
Современные ЖК индикаторы (ЖКИ) обладают сложной слоистой внутренней структурой [1], состоящей из поляризаторов, пленочных ИТО электродов, светофильтров RGB и т.д., схематично представленной на Рис. 1. Материалы этой структуры имеют разные коэффициенты преломления света.


НВО

Рис. 1. Структура ЖКИ и ход лучей внешней засветки.

Механизм отражения света от такой структуры является довольно сложным и мало изученным. Исследования этого механизма имеют большое практическое значение, поскольку помогают найти оптимальные технологии для снижения общего отражения от фронтальной поверхности и улучшить яркостной контраст индикатора. Особенно это важно при больших внешних освещенностях, когда яркий свет затрудняет считывание информации с экрана монитора.

В работе исследовались ЖК панели ведущих мировых производителей Vertex и NEC. Измерялся спектр зеркального отражения от фронтальной поверхности ЖКИ в линейно поляризованном свете в интервале 400- 780 нм. Для этого использовался спектрофотометр Varian Cary 300 с разработанной специальной приставкой, позволяющей измерять большие панели с диагональю 10 дюймов (см. Рис. 2).

Угол падения луча составлял 30 градусов. ЖК панель располагалась на приставке горизонтально. При вращении панели вокруг вертикальной оси отраженный сигнал сильно изменялся. Это однозначно доказывало, что механизмы отражения проникающей и непроникающей линейной поляризации существенно отличаются.

Было дано следующее объяснение полученным результатам. В структуру всех ЖКИ входит фронтальный поляризатор. Линейно поляризованный свет, падая под углом к фронтальному поляризатору, проникает в тело панели, если направление вектора Е совпадает с осью поляризатора. В этом случае свет отражается на границе 1-2, на границе 2-3, а также от области 3 (см. Рис. 1).

Если направление вектора Е перпендикулярно оси поляризатора, то свет отражается только от фронтальной поверхности по закону Френеля, т.е. на границе 1-2 (см. Рис. 1).

Наклеив на фронтальный поляризатор прозрачное просветляющее покрытие из диэлектриков можно значительно уменьшить Френелевское отражение на границе 1-2, но при этом отражение на границе 2-3, и от области 3 не уменьшится. Это неустранимое внутренне отражение (НВО) дисплея.

Рис. 2. Спектрофотометр Varian Cary 300 с приставкой, позволяющей измерять ЖКИ с диагональю 10 дюймов.

Можно сказать, что отражения от ЖКИ при наклонных углах, строго говоря, описываются характеристической матрицей размера 2х2. Чтобы охарактеризовать отражение от ЖКИ необходимо заполнить эту матрицу, т.е. провести 4 измерения:

- измерить значения R_s¹, R_p¹ для случая, когда проникает S поляризация;

- измерить значения R_s², R_p² для случая, когда проникает Р поляризация.
Схема проведения этих четырех измерений зеркального отражения от ЖКИ представлена на Рис. 3.

R_s¹

R_p¹



S поляризованный луч (TE волна)

P поляризованный луч (TM волна)

S поляризованный луч

S поляризованный луч






R_p²

R_s²

P поляризованный луч (TM волна)


S поляризованный луч (TE волна)

Рис. 3. Схема измерений отражения от ЖКИ при наклонных углах, 4 измерения для характеристической матрицы ЖКИ.

Для ЖКИ без фронтального просветляющего покрытия характеристическую матрицу можно представить в виде суммы:
, (1)
где - Френелевское отражение в Р – поляризации на границе раздела 1-2 (Рис. 1)

- Френелевское отражение в S – поляризации на границе раздела 1-2 (Рис. 1),

- неустранимое внутреннее отражение в S – поляризации,

- неустранимое внутреннее отражение в Р – поляризации.

Матрица M₁ описывает отражение на границе 1-2,.матрица М₂ – отражение от области 3 включая границу раздела 2-3 (см. Рис. 1).

и можно с хорошей точностью рассчитать по формулам Френеля для ЖКИ без просветляющего покрытия. и можно точно измерить. Методов расчета не существует.

Для ЖКИ NEC четыре измерения отражения в поляризованном свете представим ниже в матричном виде:

;
Находим значения X и Y для НВО:

;

Таким образом, первое слагаемое справа R₁₂= - это отражение на границе 1-2 (воздух-стекло), см. Рис. 1. В данном случае это Френелевское отражение на границе воздух-стекло.

Второе слагаемое справа R₂₃ = - это отражение из тела ЖКИ NEC, включая отражение на границе 2-3 (стекло – тело ЖКИ), см. Рис. 1. Это неустранимое внутренне отражение.

Для ЖКИ Vertex измерения дают следующую характеристическую матрицу:

;
Измерения зеркального отражения в поляризованном свете можно эффективно использовать для входного контроля ЖК панелей. Величина неустранимого внутреннего отражения – это свойство дисплея, которое закладывается на этапе его производства. Чем меньше внутреннее отражение ЖК-панели, тем она больше подходит для работы при высоких уровнях внешней освещенности. В нашем случае видно, что матрица NEC предпочтительнее по этому критерию, чем ЖКИ Vertex.

Диффузное отражение вышеперечисленных дисплеев измерялось на специальном стенде с использованием имитатора солнечного излучения с квазипараллельным пучком, и яркомера - колориметра Konica-Minolta CS-200 (см. Рис. 4). Значения диффузного отражения для обоих дисплеев меньше 0,03%. Как можно видеть эти значения достаточно малы и не оказывают существенного влияния на качество яркостного контраста ЖК индикатора в условия высокой внешней засветки в отличие от зеркального НВО.

Очевидно, что классическая технология просветления из диэлектриков не эффективна для улучшения контраста панелей Vertex и NEC. Просветляющее покрытие на лицевой панели индикатора не уменьшает НВО.

Для ЖКИ без просветляющего покрытия доминирует матрица М₁, для хорошего просветляющего покрытия доминирует матрица М₂ , см. формулу (1).

Предложена новая технология нанесения просветляющего покрытия с поглощением (контрастное нейтральное покрытие - КНП) на фронтальное стекло ЖКИ. Такое покрытие снижает отражение от лицевой поверхности индикатора, и одновременно уменьшает вредное влияние внутреннего отражения света в слоистой структуре ЖК панели.

Рис. 4. Стенд для измерения диффузного и интегрального зеркального отражения на основе яркомера - колориметра Konica-Minolta CS-200.

Принцип действия КНП объясняется в монографии [2] и схематично представлен на Рис. 5. Яркий свет дважды проходит через поглощающее покрытие и дважды ослабляется, в то время как полезный сигнал от монитора только один раз. При пропускании КНП Т = 50 % помехи от внутреннего отражения могут быть снижены в 4 раза.

Рис. 5. Принцип действия светофильтра с контрастным нейтральным покрытием [2].

Технология реализована на вакуумной машине BALZERS BA 1400. Были изготовлены образцы КНП с диагональю 10’’, с пропусканием Т = 45 % и зеркальным отражением R^Ave₃₀=0.20% (R^S₃₀=0.35%, R^P₃₀=0.05%) при угле падения луча 30°.

Эти образцы прошли аттестацию до клейки с ЖК панелью. Проводился расчетный прогноз на величину отражения от фронтальной поверхности ЖКИ после приклейки на неё КНП.

Расчет производился по формуле (1):
, (2)
где R^S_30, R^P₃₀ – значения отражения контрастного нейтрального светофильтра в s и p поляризациях,

, - неустранимые внутренние отражения ЖКИ в S и P поляризациях,

T – коэффициент пропускания контрастного нейтрального светофильтра.
Вычисления для панели NEC по формуле (1) дают следующие результаты:
.
Для современных технологий прозрачных антибликовых покрытий типичным является коэффициент отражения на уровне R^Ave₃₀=0.30% (R^S₃₀=0.45%, R^P₃₀=0.15%) при угле падения луча 30°. В случае если на фронтальную поверхность ЖКИ приклеено просветляющее покрытие, получаем следующий прогноз на отражение:
.
Как можно видеть контрастное нейтральное покрытие снижает отражение от лицевой поверхности индикатора в 3 – 4 раза по сравнению с традиционным антибликовым покрытием.

На Рис. 6 и 7 представлены спектры зеркального отражения стекла с КНП покрытием под углом 30° в S и Р поляризациях.

Рис. 6 Спектр зеркального отражения стекла с КНП под углом 30° в S поляризации. Cary 300.

Рис. 7 Спектр зеркального отражения стекла с КНП под углом 30° в P поляризации. Cary 300.

После приклейки КНП к индикатору NEC были проведены серии измерений зеркального и диффузного отражения этого экспериментального модуля. Для повышения достоверности полученных результатов зеркальное отражение индикатора с КНП измерялось двумя независимыми методами:

1. На спектрофотометре Varian Cary 300 со специально разработанной приставкой отражения. Измерения выполнялись в S и P поляризациях под углом 30^о. Линейные поляризаторы, устанавливались перед входной щелью монохроматора Cary 300.

2. На фотометрическом стенде с яркомером–колориметром фирмы Konika-Minolta CS-200. Измерения выполнялись в S и P поляризациях под углом 30^о Источник света – имитатор солнечного излучения с квазипараллельным пучком. Линейный поляризатор устанавливался перед объективом яркомера. Стенд применялся для измерения диффузного и зеркального интегрального отражения.
Таблица. 2. Значения зеркального и диффузного отражения экспериментального модуля с КНП, измеренные на стенде Konica-Minolta CS-200 и спектрофотометре Cary 300.

№	Способ измерения	Измеренные параметры
		Зеркальное отражение, %	Диффузное отражение, %
1	Спектрофотометр Cary 300. с приставкой отражения. Угол 30°		—
2	Яркомер-колориметр Konika-Minolta CS-200. Угол 30°		0.04

Результаты измерений приведены в таблице 2. Видно, что измерения зеркального отражения на Cary 300 и Konika-Minolta CS-200 дают близкие результаты. Также видно хорошее совпадение измерений с прогнозом.

Таким образом, на практике решена задача снижения вредного влияния внутреннего отражения за счет применения антибликовых покрытий с поглощением (КНП покрытия).

Применение этой новой технологии позволило снизить зеркальное отражение от лицевой поверхности опытного модуля примерно в 20 раз по сравнению с экраном без покрытий, при этом повысить контрастность в 10 раз при уровнях внешней освещенности порядка 80 000 люкс.

По сравнению с традиционной технологией антибликовых покрытий технология КНП позволяет снизить отражение в 3-4 раза и при этом повысить внешний яркостной контраст ЖКИ в 1.5-2 раза.
Авторы выражают благодарность коллективу ЗАО «Передовые технологии 2000» за ряд полезных замечаний и предложений, за критическое и доброжелательное отношение к данной работе, а также за проведения летных испытаний экспериментального ЖКИ с КНП на фронтальной поверхности.
Список использованных источников.

1. Li, Li (2003) Optical coatings for displays / Optical Interference Coatings (Springer Series in Optical Sciences) [Kindle Edition] N. Kaiser, H. K. Pulker (Eds.)

2. Macleod, H. A. (2010). Thin-film optical filters / Fourth Edition, CRC Press