孙 岩，张 弛，李小帅，杨艳灵，马红梅，孙玉宝

(河北工业大学 应用物理系，天津 300401)

1 引 言

对于显示设备而言,色域是一个非常重要的参数。色域，也可称为色彩空间，是对色彩进行编码的方法，也指一个技术系统能够产生的色彩总和。色域越高，显示的画面越丰富，色彩表现能力越好。目前，显示器常见的色域标准有：NTSC、sRGB、Adobe RGB、DCI-P3和Rec.2020[1]等。对于宽色域液晶显示(Liquid Crystal Display，LCD)来说，常使用量子点(QD)技术来获得宽广的色域。含镉的量子点因其具有非常窄的发射带宽和可控的发射峰，可以使LCD的色域达到110%NTSC[2-4]。然而，镉是一种有毒的重金属，它的使用受到严格的控制。无镉的量子点又存在光转换效率较低和光谱分布较宽的问题[5]。钙钛矿量子点(PQD)可以使LCD的色域达到120%NTSC，是目前和未来量子点背光技术发展的重要方向[6-7]，但其中含有的铅是一种有毒的重金属，它的使用同样受到严格的控制。背光源光谱的控制对实现宽色域LCD来说变得尤为重要。为了提升LCD的色域，人们提出了在背光系统中添加多层薄膜滤波器[8-10]来优化背光源光谱，提高红绿蓝三色的色彩纯度，进而提升LCD的色域。基于干涉效应的多层薄膜滤波器虽然可以实现较高的透过率，但是角度依赖性是一个很严重的问题。为了减小角度依赖性问题，人们尝试了各种方法，提出了多种结构的滤波器，比如：基于二氧化硅-非晶硅结构的滤波器[11]、基于二氧化钛-铬-非晶硅-银多层膜结构的滤波器[12]、基于金属-电介质-金属结构的滤波器[13-15]以及基于金属-电介质结构的滤波器[16-17]等。以上提及的滤波器可以透过某一波长范围内光，而反射剩余波长的光，可以通过调节参数来确定透射光的颜色，在实现单一颜色透过的情况下，具有非常小的角度依赖性，但其作为彩色显示器的彩色滤色膜需要控制器件中的介质膜呈现出3种厚度，在制作方面增加了制备难度。

本文对基于金属-电介质-金属(MDM)结构的滤波器进行了优化，使其同时通过红绿蓝3种颜色的光，并反射其他颜色的光。使用TechWiz LCD 1D软件，模拟研究了基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass膜层结构的滤波器对于LCD色域的影响，同时也研究了光的入射角度从0°增加到40°时，LCD色域的变化。

2 滤波器的结构和分析

图1为基于金属-电介质-金属膜层结构的滤波器的结构示意图。所提出的滤波器由Ag-TiO2-Ag膜层结构和一层TiO2抗反射层组成。银(Ag)因其在可见光范围内具有最高的反射率和最低的光学吸收，被选择作为金属层；二氧化钛(TiO2)因其较低的光学损耗和相对较高的折射率，被用于光学腔和抗反射层。我们可以通过调节中间电介质TiO2膜层的厚度来确定透射带的数量及其位置。

图1 基于金属-电介质-金属结构的滤波器结构Fig.1 Schematic diagram of filter based on metal-dielectric-metal structure

图2 Ag和TiO2的折射率Fig.2 Refractive index of Ag and TiO2

在本文模拟中，所使用的Ag和TiO2的折射率如图2所示，Ag层的厚度为20 nm，TiO2光学腔的厚度为550 nm，TiO2抗反射层的厚度为520 nm，滤波器的透过率光谱如图3所示，透射带的峰值波长分别为454，524，646 nm。

图3 滤波器在垂直入射时的光谱透过率曲线Fig.3 Spectral transmittance curve of the filter at normal incidence

图4 MDM堆叠结构的原理图Fig.4 Schematic diagram of MDM stack structure

图5 没有和有TiO2抗反射层的透过率曲线Fig.5 Transmittance curves without and with TiO2 anti-reflection layer

3 模拟结果

我们将基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass结构的滤波器分别与黄色荧光粉(pc-WLED)、新红粉(KSF-LED)以及量子点(QD)背光源相结合，它们的透射光谱如图6所示。从图6中可以看出，滤波器优化了背光源光谱，使得光谱中红绿蓝三色对应的发光峰变窄，同时消除了光谱中的杂光部分，提高了红绿蓝三色的色彩纯度。然后，利用TechWiz 1D软件模拟了LCD的色域[18]。当pc-WLED背光源与彩色滤光片相结合时，其色域在CIE1931色彩空间为72%NTSC。图7为没有和有滤波器时LCD的色域图。从图7中可以看出：对于pc-WLED背光源，LCD的色域从72%提升至102.6%NTSC，提升了30.6%NTSC；对于KSF-LED背光源，LCD的色域从92.3%提升至113.8%NTSC，提升了21.5%NTSC；对于QD背光源，色域从104.3%提升至119.9%NTSC，提升了15.6%NTSC。由于QD背光源其本身的发射光谱较窄，因此滤波器对其光源光谱的优化相比于pc-WLED和KSF-LED两种背光源较小，从而LCD色域提升的幅度也相对较小。表1和表2给出了没有和有滤波器时LCD详细的色度坐标。

图6 不同背光源在有和没有滤波器情况下的透射光谱。(a)黄色荧光粉；(b)新红粉；(c)量子点。Fig.6 Transmission spectra of backlight with/without filter. (a) pc-WLED; (b) KSF-LED; (c) Quantum dots.

图7 LCD的色域图。(a)没有加滤波器；(b)加滤波器。Fig.7 Color gamut of LCD. (a) With filter; (b) Without filter.

与传统的多层薄膜滤波器一样，基于MDM结构的滤波器也有角度依赖性问题。当光线倾斜入射时，透过率曲线会向短波长方向移动。如图8所示，光线的入射角度越大，透过率曲线蓝移的就会越明显。当光的入射角度为10°时，3个透射带均向短波长区域移动了1 nm，随着入射角度的继续增加，3个透射带移动的距离不再一致。当光的入射角度增加到40°时，透射带的峰值波长分别位于438，505，621 nm处，与垂直入射时相比，3个透射带分别移动了16，19，25 nm。图9显示了光的入射角在0°～40°范围内，3种背光源的色域变化。当光的入射角度从0°增加到40°时，对于pc-WLED背光源，LCD的色域从102.3%增加到104.9%NTSC，增加了2.3%；对于KSF-LED背光源，LCD的色域从113.8%降到112.7%NTSC，减少了1.1%；对于QD背光源，LCD的色域从119.9%降到114.9%NTSC，减少了5%。

表1 不同背光源下没有添加滤波器时LCD的色域Tab.1 Color gamut of LCD without the filter for various backlight

续 表

表2 不同背光源下添加滤波器后LCD的色域Tab.2 Color gamut of LCD with the filter for various backlight

图8 不同入射角度下滤波器的透过率光谱Fig.8 Transmittance spectra of filter for different incident angle

图9 3种背光源在不同入射角度下LCD的色域Fig.9 Color gamut of LCD of different incident angle for three backlight

如图3所示，基于MDM结构滤波器的通带呈三角形，透射光仅在中心波长附近有较高透过率，当入射波长偏离中心波长时，滤波器的透过率会迅速降低，一半左右的透射能量位于半高宽之外，光损失较大。同时金属膜由于具有较高的吸收，使得峰值透过率大大降低。表3给出了添加滤波器后LCD的光效率。pc-WLED、KSF-LED以及量子点3种背光源的光效率分别为26.5%、35.4%以及40.7%。

表3 不同背光源下添加滤波器后LCD的光效率

Tab.1 Optical efficiency of LCD with the filter for various backlight

pc-WLEDKSF-LEDQuantum dotsEfficiency26.5%35.4%40.7%

4 结 论

本文研究了基于TiO2-Ag-TiO2-Ag-Glass膜层结构的滤波器对LCD色域的影响。通过模拟发现，所提出的滤波器可以使LCD的色域分别从72%提升至102.6%NTSC(pc-WLED背光源)，从92.3%提升至113.8%NTSC(KSF-LED背光源)，从104.3%提升至119.9%NTSC(QD背光源)。当光的入射角度从0°增加到40°时，显示器的色域变化较小。模拟结果表明，对于实现宽色域LCD，基于MDM结构的滤波器是一种有效的方法，但是该方法在光损失方面很大，pc-WLED、KSF-LED以及量子点,3种背光源的光损失分别为73.5%、64.6%以及59.3%，后面的研究工作将关注于光损失的降低。