Разработка и создание конструкции рефлективного поляризующего фильтра для ЖК-дисплеев, способствующего снижению потерь света

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РЕФЛЕКТИВНОГО

ПОЛЯРИЗУЮЩЕГО ФИЛЬТРА ДЛЯ ЖК-ДИСПЛЕЕВ, СПОСОБСТВУЮЩЕГО СНИЖЕНИЮ

ПОТЕРЬ СВЕТА А.В. Волков, Л.А. Масаева Научный руководитель - ассистент кафедры оптических технологий

М.В. Погумирский

В работе предлагается оптимизация конструкции жидко-кристаллических дисплеев путем введения между системой подсветки и первым поляризатором рефлективного поляризационного фильтра, позволяющего снизить потери света на первом поляризаторе.

В настоящее время как крупными компаниями-производителями ЖК-дисплеев, так и университетами и отдельными научно-коммерческими организациями ведутся работы, направленные на уменьшение потребляемой энергии устройствами с ЖК-дисплеями. Способы борьбы за экономию энергопотребления ЖК-дисплеями: использование более экономичных источников излучения в системе подсветки дисплеев (например: светодиоды), уменьшение потерь света в жидких кристаллах за счет синтеза новых химических соединений, уменьшение потерь света в системе подсветки, а именно на диффузных отражателях, рассеивателях и световодах и др. Решениями, позволяющими существенно снизить потери, являются первые два (надо заметить, не взаи-мозаменяющими друг друга и предложенное в работе решение). Предлагается снизить потери света на первом поляризаторе за счет введения в конструкцию специально разработанного рефлективного поляризационного фильтра. В работе предлагается качественно новый подход решения проблемы энергосбережения.

Целью работы является разработка конструкции рефлективного поляризационного фильтра, который предназначен для работы в ЖК-дисплеях, с целью уменьшения потерь света в конструкции дисплея, а именно: создание модели рефлективного поляризационного фильтра; выявление зависимости хода лучей света в модели от профиля поверхности разработанной модели и покрытия, нанесенного на ее поверхность.

Дисплей состоит из источника излучения (в состав которого входят люминесцентные лампы и система отражателей); первого поляризатора, пропускающего линейно поляризованный свет, стекла, жидких кристаллов, цветного фильтра, стекла и второго поляризатора. В этой системе поглощают свет: первый поляризатор - 50 %, жидкие кристаллы с цветным фильтром - 60 % дошедшего до них света. Итого теоретически на выход поступает только 16 % падающего потока излучения, а на практике этот показатель еще меньше и составляет 8-10 %. Такие потери света приводят к большим энергозатратам. На данный момент эту проблему решают, используя новые, более экономичные источники света, такие как криптоновые лампы, светодиоды, уменьшая потери света в жидких кристаллах, за счет синтеза новых химических соединений с наиболее подходящими свойствами.

Следует отметить, что на первом поляризаторе происходят колоссальные потери. Обычно в качестве первого поляризатора используется поляроидная пленка, состоящая из упорядоченных кристаллов геропатита. Работа этого поляризатора основана на поглощении одной из компонент излучения. На выходе после этого поляризатора получается линейнополяризованный свет с интенсивностью менее 50 %.

Существующие сейчас поляризационные фильтры, изготовленные на основе интерференционных пленок, способны разделять свет на две компоненты: одну из них отражает, другую пропускает. Если создать условия, при которых отраженная компонента вернется в систему подсветки, а в системе будет присутствовать диффузный отражатель, то часть света, отразившись и изменив направление поляризации при втором взаимодей-

ствии с интерференционным фильтром, пройдет его, а оставшаяся часть другой компоненты вновь отразится. Соответственно, можно реализовать схему многолучевого переотражения. После такого рефлективного поляризационного фильтра можно поставить обычную поляризационную пленку, которая повысит степень поляризации света.

Для уменьшения потерь предлагается разработать конструкцию фильтра, расположенного параллельно плоскости излучения света между первым поляризатором и системой подсветки, пропускающего р-компоненту и отражающего б- компоненту света обратно в систему источника излучения (а точнее - в систему отражателей). Актуальной задачей является разработка конструкции поляризационного фильтра, эффективно разделяющего компоненты, на одной длине волны, для нормального угла падения на плоскость фильтра. В идеале конструкция должна пропускать 100 % p-поляризованного света и отражать 100 % Б-поляризованного света на видимом диапазоне длин волн.

Наибольшее отношение величин р- и Б-компонент можно видеть при углах падения света на поверхность оптической детали, близких к углу Брюстера и выше. Значит, для получения тонкого плоского поляризующего фильтра, расположенного в плоскости, параллельной плоскости дисплея, необходимо создать поверхность с неким профилем (наподобие линзы Френеля), на грани которого и будет наноситься покрытие.

Были рассмотрены несколько моделей профилей поверхности (рис. 1).

Модель №1

Модель №2

Модель №3

Рис. 1. Модели профилей поверхности

При рассмотрении хода лучей отраженного и прошедшего света были выявлены достоинства и недостатки данных моделей. Основным недостатком первой модели является несимметричность распространения прошедших лучей, что является недопустимым в дисплеях. У второй и третьей модели распространение лучей симметрично. Третья модель (с нанесенным покрытием) в рабочей зоне могла бы дать хорошие результаты, но во вспомогательной зоне она не работает в оптимальном режиме, поскольку отношение рабочей зоны к вспомогательной велико, то задействованными являются только 40 % поверхности. Вторая модель наибольшим образом подходит к дальнейшему рассмотрению. Общими недостатком всех моделей являются острые углы при вершинах профиля поверхности, которые вызывают увеличение рассеивания света.

Для решения поставленной задачи перейдем к выбору угла при вершинах профиля. В решаемой задаче необходимо вернуть свет под тем же углом, под каким он вышел из системы подсветки. Требованиям удовлетворяют два угла: 45° и 90°.

На рис. 2 представлен ход лучей, попавших на одну из граней профилей при нормальном падении излучения на плоскость фильтра. Углы падения света на грани профиля - 45° и 67,5°, соответственно. Недостатками второй модели относительно первой является большее число переотражений, а также большее количество «ступенек» профиля на единицу площади.

Рассмотрим свойства покрытия при наклонном падении излучения. Пусть плоская волна падает под некоторым углом а0 на слой, расположенный на границе раздела

двух сред с показателями преломления п0 и пт, показатель преломления среды, из которой падает свет - п0, показатель преломления слоя - п1, показатель преломления среды, в которую свет распространяется - пт, толщина слоя оптическая толщина слоя п1^1, фазовая толщина слоя при нормальном падении [1]:

<р1 = 2жп1ё1 (Ху1.

900

Рис. 2. Ход лучей при нормальном падении на плоскость фильтра

При наклонном падении фазовая толщина слоя становится равной (1a = 2nn1d1 (A)-1 cos(a), где угол a1 - угол распространения излучения в слое. Для системы из четвертьволновых слоев n1d1 = Дз / 4, значение фазовой толщины (1a= пД) cos (a )/2Д.

Эффективный показатель преломления Ц для разных состояний поляризации равен ц cos

cos(a) ,

Ц =

n

для s-поляризации и р-поляризации, соответственно, где i = 0,1,m. Матрица интерференции для рассматриваемой системы:

cos((1) — sin((1) n1

n1 sin((1) cos (1

Амплитудный коэффициент отражения для такой системы

r =

(П т11 + Птт22) + К Птт12 + т21) Для света, поляризованного в разных плоскостях, при наклонном падении

rp =

rs =

0' *m" 12

0nm>

Энергетический коэффициент отражения Я = |т|2.

Конструкцию покрытия выбирается, исходя из требований к ее спектральным и эксплуатационным характеристикам. Поляризующими свойствами обладают многослойные четвертьволновые покрытия из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления.

Пленкообразующие материалы должны быть прозрачными и иметь минимальное поглощение на длинах волн 350-800 нм. Тугоплавкие окислы (БЮ2, 2г02), а также фторид магния (М§Б2) распространены, легко доступны и удовлетворяют указанным тре-

бованиям. Наносятся такие покрытия электронно-лучевым испарением. Метод электронно-лучевого испарения позволяет получать покрытия, содержащие до 70 слоев. Окислы имеют хорошую адгезию. Чередование их позволяет получить покрытие, обладающее нужными характеристиками. Помимо этого, покрытия, изготовленные из указанных окислов, относятся к 1 группе механической прочности и обладают высокой лучевой стойкостью.

Для расчета покрытия, отвечающего поставленным требованиям, использовалась программа МаШСАО. Были рассчитаны две структуры покрытия для угла падения света 45° для длины волны 532 нм.

Покрытие №1 - 35-слойная структура, состоящая из чередующихся четвертьволновых слоев диоксидов циркония и кремния с показателями преломления 1,95 и 1,45, соответственно (рис. 3).

К ^

I

ш

*

та

I

ш =г

-е-

-е-

п о

/ \

Г1 I I > Г I I I I I*

I 11 I 11 I I 11 I п I I I м УI т "| I I +44 +?Ь ЯЕ 53+ 5+0

Конструкция 1

[(57ИЭ41ИЭ)х17] 57ИЭ ОСТ 3-1901-95 п0= 1.51 пт= 1.51

А0 = ВООнм На А=532нм:

- [^=99.99%

- Рр= 0.001%

Длина волны,, нм

Рис. 3. Спектральная характеристика покрытия №1

7. £

Г

И

*

т? п.

г 11 £ =г г Э-Эл

£1

I "

I V

¿¿л.

I

в 1 ! ^

Конструкция 3

[(57ИЭ24ИЭ)хб]57ИЭ ОСТ 3-1901-95

п0= 1

пт= 1.51

1. Для угла падения света 67,5° На А=532нм:

Длина волны, нм

1^=99.99% №=0.0014%

Рис. 4. Спектральная характеристика 31-слойной структуры

Излучение для получения таких спектральных характеристик должен падать из среды с показателем преломления таким же, как у подложки или близким к нему по значению. Такой поляризационный фильтр должен являться склейкой, что для данной конструкции является трудным в изготовлении. Было принято решение синтезировать покрытие для угла падения 67,5°, спектральная характеристика которого приведена на рис. 4. При отражении от первой грани свет падает на вторую под углом 22,5°, далее на первую под углом 22,5°, далее опять на вторую под углом 67,5°. Отсюда новые требо-

вания: либо покрытие должно эффективно разделять компоненты на обоих углах, либо при падении света под углом 67,5° покрытие должно эффективно разделять компоненты, а при угле 22,5° отражать обе компоненты света, что отражено на рис. 5.

Далее было синтезировано 31-слойное покрытие из чередующихся четвертьволновых слоев диоксида циркония и фторида магния с показателями преломления 1,95 и 1,37, соответственно. Подложка - стекло К8. Свет падает из среды с показателем преломления, равным 1.

с£

ее ^

I

ш

<о о.

Ё

=г

-е--е-

о

2. Для угла падения света 22,5°*,

это же покрытие На А=532нм:

-1^=99.91 %

---Рр=99.36%

зддмизаййазиаЕин

Длина волны, нм

Рис. 5. Спектральная характеристика 31-слойной структуры для угла падения 22,5°

Рассмотрим рельефную структуру с нанесенным покрытием на длине волны 532 нм и ход лучей, отразившихся от поверхности и прошедших через модель лучей (рис. 6).

99.83% Б

0.01% Б 99.54% р

Рис. 6. Ход лучей в РП-фильтре

Луч падает под углом 67,5° к поверхности, на которую нанесено покрытие. Как было показано выше, для данного угла произойдет разделение света на две компоненты, одна из которых, а именно р-компонента, пройдет в толщу пластинки и, преломившись, выйдет. Вторая Б-компонента, претерпев три отражения, возвратится под тем же углом в систему подсветки. Теоретически можно получить следующее распределение компонент при первом переотражении. Пройдет через рефлективный поляризующий фильтр 99,54 % р-компоненты и 0,01 % Б-компоненты, а отразится 99,83 % Б-компо-ненты и 0,014 % р-компоненты света.

В отражении и разделении света на компоненты участвуют две грани, следовательно, можно изготовить модель, отображенную на рис. 7 и состоящую из двух призм, на боковые наклонные грани которых нанесено поляризующее покрытие.

Покрытие наносилось только на часть грани, для проведения сравнительного анализа хода лучей и их интенсивностей.

Измерения интенсивности лучей прошедшего и отраженного пучка света, а также количественное отношение б и р компонент в этих лучах проводились на специально собранной установке, изображенной на рис. 8.

I 2.

Рис. 8. Схема установки измерения интенсивности излучения: 1 - источник излучения + монохроматор; 2 - модель фильтра; 3 - поляризаторы (аналогичные используемым в ЖК-дисплеях); 4 - фотоприемники, подключенные к вольтметрам

На вольтметрах снималось три значения - без поляризатора 3, с поляризатором при 8=0, с поляризатором при р=0.

Угол падения: 67,5° Длина волны=532 нм

Отраженный свет Прошедший свет

Без поляризатора, б +р= Р=0, 8= 8=0, Р= Без поляризатора, 8+р= Р=0, 8= 8=0, р=

итемн. 6 6 6 7 7 7

111 198 110 18 145 9 49

и2 197 110 17 143 9 49

из 198 110 18 143 9 48

и4 198 110 18 145 9 50

и5 199 110 19 144 9 49

иср. 198 110 18 144 9 49

Пересчет данных с учетом ошибки фотоприемников (итемн.):

иср. 198 110 18 197,5 12,3 67,2

Таблица. Измерения прошедших и отразившихся э и р компонент света

Изначально на модель падал свет в составе р = 50%, я = 50 %. Для получения долевых соотношений решаем систему уравнений:

(я : 110х + 12,3 = 50

[ р :18у + 67,2 = 50 ,

х = 0,41%, у = 0,59%.

В итоге получаем: я= 12,3 • 0,41 = 5,04% = 110 • 0,41 = 44,9% Р ^ = 67,2 • 0,59 = 39,6% . Ротраж = 18 • 0,59 = 9,4% я + Р) „р0шед = 5 + 39,6 = 44,6%

Рассмотрим излучение, ушедшее обратно к источнику. Показания вольтметра 60,64 мВ - без поляризатора, 3 мВ - р-компонента, 57 мВ - 8-компонента. Составив пропорцию, получаем я = 37,2%, р = 1,95%. Следовательно, через модель рефлективного поляризационного фильтра прошло 44,6 % света со смешанной поляризацией (39,6 % р-компонента). Отразилось к источнику излучения 39,05 % со смешанной поляризацией (37,2 % 8-компонента).

При малых углах падения на металлическое зеркало происходит поворот поляризации приблизительно на 45° (проверено экспериментально), т.е. происходит эллиптическая поляризация. В результате после отражения получаем практически естественно поляризованный свет с интенсивностью 39,05 % относительно света, изначально вышедшего из источника излучения.

Если пренебречь потерями в системе переотражателей, можно просчитать, какое количество 8-компоненты света пройдет через рефлективный поляризационный фильтр при семикратном переотражении света между фильтром и системой отражателей:

Я7 = 39,6 + 39,05 • 36,6 + 39,052 • 39,6 + 39,053 • 39,6 +

+ 39,054 • 39,6 + 39,055 • 39,6 + 39,056 • 39,6 = 64,88 %

, 64,88 % , _ Следовательно, яркость увеличится в к = ""50%— = 1,29 раза.

Теоретически рассчитанные показатели модели рефлективного поляризационного фильтра сильно отличаются от практических значений. Выделим возможные причины ошибки.

Измерения и расчеты проводились на длине волны 532 нм. Ширина щели моно-хроматора, предназначенного для выделения определенной длины волны, была установлена 2 мм (для получения широкого пучка света), а это говорит о том, что был получен расходящийся пучок света на некотором малом диапазоне длин волн. Кроме того, проблему вызвала привязка столика с моделью поляризующего фильтра к источнику излучения, что имеет влияние на угол падения пучка света на поверхность модели.

Заключение

В ходе работы была создана модель рефлективного поляризационного фильтра. Выявлена зависимость хода лучей от профиля поверхности разработанной модели и покрытия, нанесенного на ее поверхность, разработана конструкция рефлективного поляризатора. Получено увеличение эффективности работы системы на длине волны 532 нм при нормальном угле падения света на плоскость фильтра на 29 %, что подтверждено экспериментально на созданной модели.

Требуются дополнительные исследования, направленные на оптимизацию характеристик данной конструкции, а именно, на увеличение рабочего диапазона длин волн

и расширения диапазона углов падения света, на которых фильтр будет соответствовать требованиям.

При выполнении работы были решены следующие задачи:

• создана модель рефлективного поляризационного фильтра, предназначенного для работы в ЖК-дисплеях,

• выявлены зависимости хода лучей света в модели от профиля поверхности и покрытия, нанесенного на ее поверхность,

• создана крупногабаритная модель РП-фильтра.

Литература

1. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. Т.3. 928 с.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.

3. Губанова Л.А., Путилин Э.С. Интерференционные покрытия, формирующие энергетические и волновые параметры излучения. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 220 с.

4. Путилин Э.С. Учебное пособие по курсу «Оптические покрытия». СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 199 с.