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AR显示中的RGBW像素排布研究(BOE)

上海卷柔新技术 | 上海卷柔专业研发生产光学仪器 2021/11/26 09:37

原作者为:Yan Sun!!了使图像更好的融入到真实的环境中,增强现实AR技术对显示设备的亮度和对比度提出了更高的要求 此文介绍了两种0.71的RGBW OLED产品 ,亮度高达5000cd/m2,分辨率为FHD 1920×1080。

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RGBW显示系统是在RGB的基础上增加了第四种基色W,并去掉了原有的color filter,如下图所示。

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这么做的好处是提高了显示亮度,降低了屏体的功耗。这种将输入的RGB信号转换成RGBW信号的技术已经在LCD和OLED产品上广泛应用。

目前采用的RGB的delta排列方式,相较传统的带状RGB排列,在水平方向上子像素尺寸翻倍,竖直方向上尺寸减半,在分辨率特性上并没有发生改变,但可以改善像素开口率并降低制造成本。如下图所示。

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本文介绍的RGBW显示分别采用1/3W(上)和1/4W(下)排列方式,如下图所示。

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流程图展示了RGB-RGBW数据处理的过程,主要包括:RGBW mapping、SPR(sub pixel rendering)技术.

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RGB-RGBW mapping 映射算法公式如下所示。

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其中RGB分别为输入值,R'G'B'分别为输出值,输出之后R'+W':G'+W':B'+W'= R:G:B色度和饱和度并没有发生改变。饱和度越高,W的亮度贡献值越低,所以RGBW在低饱和度下比RGB有更高的亮度。两者的CIE1931-xy色域仍然保持一致。

为了避免W子像素的引入导致分辨率的下降,SPR技术自然被提出,也就是工程师们常说的像素共用的手段。下图展示了点、横线、竖线的像素级别显示。

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1/3W排布共用了左右两边的子像素,1/4W排布共用了一边的子像素。为了对比实际的显示效果,做了如下验证。保证功耗相同的条件下,RGBW亮度大约是RGB亮度的1.6倍。实际显示测量数据如下表。

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(侵删)

文章编号 : 1006-6268 ( 2007 ) 03-0006-04

光学薄膜及其应用

卢维强 , 王华清 , , 杨朝

( 北京理工大学薄膜与显示技术实验室 , 北京 100081 )

摘 要 : 从光学薄膜干涉原理出发 , 说明了光学薄膜的工作原理。文中对减反膜、高反膜、分光 膜、滤光膜等几种典型的膜系加以说明。文章最后对光学薄膜的制备加以简要介绍。

关键词 : 光学薄膜 ; 光学干涉 ; 薄膜制造 ; 薄膜应 中图分类号 : TN104.3 文献标识码 : A

Optical Coating and Application

LU Wei- qiang, WANG Hua- qing, XIAO Chang, YANG Chao- jia

(Beijing Institute of Technology, Laboratory of Thin Film and Display Technology, Beijing 100081, China)

Abstract: Based the principle of optical interference, this paper has explained several kinds of representative coatings such as AR coating, high reflector, neutral beam splitter, short wave pass edge filte r, long wave pass edge filte r, narrow band pass coating and wide band pass coating. It also gives some brief explanations about the coating application and manufacturing.

Keywords: optical thin- films ; optical interference; coating manufacturing; coating application

1 引言

人们大概都有儿时吹肥皂泡的经验 , 初时肥皂泡是无色的 , 随着肥皂泡被吹得越来越大 , 肥皂泡的壁随之变得越来越薄 , 这时如果在太阳光或灯光下观察 , 我们就会看到绚丽斑斓的色彩 , 这在光学上称为薄膜干涉现象 , 能产生光干涉现象的薄膜则称为光学薄膜。虽然 , 人类很早就从自然界中观察到薄膜干涉现象 , 但直到 1873 , 在英国人麦克斯韦发表的《 论电与磁》著作中 , 才对薄膜干涉现象做出了科

学的解释 , 并从理论上奠定了分析薄膜光学问题所必需的全部理论基础。经过 100 多年的发展 , 薄膜光学已经发展成为近代光学的一个重要分支 , 学薄膜的制造业已完全成为一个独立的产业。今 , 几乎所有的光学或光电系统都包含有各种光学薄膜 , 而且在人们的日常生活中也获得了越来越广泛的应用。在这篇文章中 , 我们意图通过比较通俗的解释 , 说明光学薄膜的工作原理 , 同时根据几个典型膜系的说明 , 使读者了解光学薄膜的应 用和重要地位。

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收稿日期 : 2007- 01- 15

2 光学薄膜干涉原理

光是一种电磁波 [1- 2] 。可以设想光源中的分子或 原子被某种原因激励而振动 , 这种振动导致分子或原子中的电磁场发生电磁振动。可以证明 , 电场强度与磁场强度两者有单一的对应关系 , 同时在大多光学现象中电场强度起主导作用 , 所以我们通常将电场振动称为光振动 , 这种振动沿空间方向传播出去 就形成了电磁波。

电磁波的波长 λ 、频率 f 、传播速度 v 三者之间 的关系为 :

v= λ · f

各种频率的电磁波在真空中的速度都是一样 , 3 × 10 8 m/s , 常用 C 表示。但是在不同介质中 , 传播速率是不一样的。假设某种频率的电磁波在某

一介质中的传播速度为 v , C v 的比值称为这 种介质对这种频率电磁波的折射率。

频率不同的电磁波 , 它们的波长也不同。波长在 400~ 760nm 这样一段电磁波能引起人们的视觉 , 为可见光。普通光源如太阳、白炽灯等内部大量振动 中的分子或原子彼此独立 , 各自有自己的振动方向、 振幅及发光的起始时间。每个原子每一次振动所发 出的光波只有短短的一列 , 持续时间约为 10 - 8 秒。我们 通常观察到的光都是光源内大量分子或原子振动 射出来的结果 , 而观察不到其作为一种波动在传 播过 程中所能表现出来的特征 ——干涉、衍射和偏 振等 现象。这是因为实现光的干涉是需要条件的 , 即只有 频率相同、相位差恒定、振动方向一致的两列光 波才 是相干光波 , 这样的两列波辐射到同一点上 , 彼此叠加 , 产生稳定的干涉抵消 ( 产生暗影 ) 或者干涉加强 ( 生比两束光能简单相加更强的光斑 ) 图像 , 才是我们 观察到的光的干涉现象。

光学薄膜 [3] 可以满足光干涉的这些条件。如图 1 所示 , 它表示一层镀在基底 ( n 2 ) 上的折射率为 n 1 厚度为 d 1 的薄膜 , 假定 n 1 < n 2 , n 0 为入射介质的折射率。入射光束 I 中某一频率的波列 W 在薄膜的界面

1 上反射形成反射光波 W 1 , 透过界面的光波穿过薄

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膜在界面 2 上反射后再次穿过薄膜 , 透过界面 1 在反射空间形成反射波 W 2 W 1 W 2 是从同一波段中分离出来的 , 所以频率相同 , 振动方向相同 , 所不同的是 W 2 W 1 多走了往返两次薄膜厚度的路径 , 从而造成了它们的相位差。入射光 I 中相同频率的 其他波列同样也有着相同的相位差。对于入射光中其它频率的光也有着类似的讨论。所以在薄膜的界

1 与界面 2 上形成的两束反射光 I 1 I 2 是相干 , 在它们相遇区域中会产生光的干涉现象。如果我 们忽略光在薄膜内的多次反射 , 只考虑这两束光的干涉 , 那么 W 1 W 2 所经过的路径之差是薄膜厚度 ( d 1 ) 的两位。当薄膜的折射率 n 1 与厚度 d 1 的乘积 ( n 1 d 1 称为光学厚度 ) 是某一参考光波波长的四分之 一时 , 两束光的光程差是二分之一波长 (2n 1 d 1 =2 × λ /4= λ /2) , 即相位差为 π ( 2 σ 1 =2 × ( 2 π / λ )n 1 d 1 = π ) 。我们将这时的两束反射光波示意地画在图 2 , 可以观察到此时的干涉是相消干涉。如果我们选择薄膜的折射率等于基底折射率的平方根 , n 1 = n 2 , 那么两束反射光的振幅相等 , 两束光完全相消。由于反射光的强度是反射振幅的平方 , 所以合成的反射光强度为零 , 也就是完全消除了表面的反射光。对于不是参考波长的其他波长 , 两束反射光的光程差不再是二分之一波长 , 所以就不会观察到这种完全相消的效果 , 会有不同程度的剩余反射。由于这种薄膜具有减少光学表面反射率的作用 , 所以我 们常称之为减反射膜。

将多种不同折射率、不同厚度的薄膜组合在一起 , 就形成一个比上面单层膜更为复杂的分层结构的多层膜系 , 膜系的合理组合会使光在其上面反射、

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新知达人, AR显示中的RGBW像素排布研究(BOE) 透射、偏振等特征发生变化。通过现代计算机技术可 以方便地计算各种光学薄膜的各种性能 , 或者根据 人们的需求设计出满足要求的膜系来。现代复杂光学薄膜的膜系结构可能多达几百层。

3 光学薄膜的应用

经典的光学薄膜大概可以分为 5 [4] 。它们的典

新知达人, AR显示中的RGBW像素排布研究(BOE) 型光谱特性见图 3

( 1 ) 减反射膜 , 见图 3 ( a ) , 是应用最广泛的光学 薄膜 , 它可以减少光学表面的反射率而提高其透射 率。对于单一波长 , 理论上的反射率可以降到零 , 射率为 100 % ; 对于可见光谱段 , 反射率可以降低到 0.5 % , 甚至更低 , 以保证一个由多个镜片组成的复 杂系统有足够的透射率和极低的杂散光。现代光学 装置没有一个是不经过减反处理的。由于其具有极 低的反射率和鲜艳的表面颜色 , 现代人们日常生活 中的眼镜普遍都镀有减反射膜。

( 2 ) 高反射膜 , 见图 3 ( b ) , 能将绝大多数入射光能量反射回去。当选用介质膜堆时 , 由于薄膜的损耗极低 , 随着膜层数的不断增加 , 其反射率可以不断地增加 ( 趋近于 100% ) 。这种高反射膜在激光器的制 造和激光应用中都是必不可少的。

( 3 ) 能量分光膜 , 见图 3 ( c ) , 可将入射光能量的一部分透射 , 另一部分反射分成两束光 , 最常用的是 T : R=50 : 50 的分光膜。

( 4 ) 光谱分光膜 , 可将入射光中一部分光谱的能 量透射 , 另一部分光谱的能量反射。将长波能量反 射、短波能量透射的叫做短波通截止滤光膜 , 如图 3 ( d ) ; 将长波能量透射、短波能量反射的叫长波通截 止滤光膜 , 如图 3 ( e ) 。利用它们可以把一束光分成 不同颜色的多束光。例如把一束光分成红 、绿、蓝三 原色 , 任何一种色光都可以通过这三种颜色的合成 来获得。这种颜色分光膜在光电的彩色行业 , 诸如彩 色摄影、彩色电视、彩色投影、彩色印刷等领域都是 不可缺少的。

( 5 ) 带通滤光片 , 只允许一个谱段 ( 可能比较宽 , 也可能相当窄 ) 的光透过 , 比该谱段波长长的和比这一谱段波长短的光都不允许通过 , 它是光波的带通 滤波器。窄带通滤波器 , 如图 3 ( f ) 在光学仪器中具有 获得单色光和抑制系统光背景的作用 , 在光学、医 学、刑侦、通讯、生化等领域得到了广泛的应用。超窄 带滤光片在光通讯中成功地应用于制造密集型的波 分复用器 ( DWDM ) , 从而使光通讯技术实用化向前 迈了一大步。

宽带通滤光膜 , 如图 3 ( g ) 最近最成功的应用 ,

是用于制造低辐射玻璃 (LOW- E 玻璃 ) , 可以用于发

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展一种反射热能量而又可透过太阳光的建筑窗口玻 璃。这能源费用不断上涨的今天 , 必将发展成一个 大的产业。

上面我们只是列举了薄膜在光学中一些有代表 性的应用 , 可以看到 , 光学薄膜在光学装置的几乎所有特性方面都起着重要作用。可以毫不夸张地说 , 有光学薄膜就没有近代光学系统。随着科学技术的 发展 , 光学薄膜与光电子薄膜结合 , 与能源、环保等其他新技术结合 , 除了不断地创造着新概念、新应用外 , 还会不断地产生新兴产业 , 推动光学薄膜向着纵 深及更宽广的范围发展。

4 薄膜的制备

有了满足我们要求的光学薄膜设计 , 下一步要 考虑的问题是如何把膜层按要求一层层地涂敷到基 片上。最早的光学薄膜是人们无意中发现的 ——旧 的照相机镜头上由于自然生长了一层透明薄膜 , 新生产的照相机镜头拍的照片更清楚 , 从而启发人 们用酸蚀法制备了最初的减反膜 。直到 1930 年扩散 泵发明以后 , 高真空环境的获得变得容易了 , 才使物 理气相沉积 ( PVD ) 制备光学薄膜这一技术得到真正 的发展。从而使各种光学薄膜在各个领域得到广泛 的应用。直至今日 , 物理气相沉积仍是光学薄膜制备 的主流技术。物理气相沉积法 , 简单地说是在真空环 境中加热薄膜材料使其成为蒸汽 , 蒸汽再凝结到温 度相对低的基片上形成薄膜。之所以选择高真空环境是为了薄膜材料在沉积的过程中不会与空气中的活泼气体反应 , 以及蒸汽分子在真空环境中不会与 气体分子碰撞 , 而是直接地到达基片。

在实际薄膜沉积 [5] 的过程中 , 需要控制的工艺参数非常多 , 所以光学薄膜技术是一门交叉性很 强的学科。它涉及到真空技术、材料科学、精密机械制造、光电技术、计算机技术、自动控制技术等 领域。经过几十年的努力 , 在激光产业、微显示产业和光通讯产业的推动下 , 光学薄膜的制造技术 已经完全地摆脱了依靠薄膜工作者的经验、看天 气碰运气的阶段 , 进入了光机电一体的全自动制

备过程。

新知达人, AR显示中的RGBW像素排布研究(BOE) 在真空镀膜技术中 , 薄膜材料总是经过从固态 变成蒸汽态然后凝结成固态薄膜这一过程。在这个 过程中 , 如果沉积的薄膜粒子在基片上的表面迁移力有限 , 那么薄膜的微观结构往往都是柱状加空穴的 , 有别于大块材料的结构 , 这种微观结构对薄膜 的性能有显著的影响。于是人们开始广泛地使用了 离子辅助镀膜或溅射镀膜技术 , 以期获得致密的接近于大块材料结构的优质薄膜 , 并逐渐成为高性能、大批量生产光学薄膜的主流技术。特别是 20 世纪最后几年 , 光学薄膜在光通讯波分复用技术中的重要应用 , 促进了光学薄膜设备与光学薄膜工艺的快速发展 , 所制备的光学薄膜已接近其极限的理论 性能。

光学薄膜技术已经在光学技术发展的历史中创 造了光辉的成绩 , 如今已广泛地渗透到各个新兴的科技领域。特别值得注意的是 , 传统的光学薄膜正在与光电子功能薄膜结合 , 各种新型微观结构的功能薄膜正在不断地开发出来 , 使传统的一维光学薄膜向多维光子晶体扩展 , 这都将为光学薄膜及光电子 薄膜技术提供新的发展机遇。

参考文献 :

[1] M. 波恩 , E. 沃耳夫著 , 杨霞荪等译校 . 光学原理上 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 1978.

[2] 赵达尊 , 张怀玉 . 波动光学 [ M ] . 北京 : 北京理工大 学出版社 , 2000.

[3] 林永昌 , 卢维强 . 光学薄膜原理 [ M ] . 北京 : 国防工 业出版社 , 1990.

[4] Elmar. Ritter, Properties of Optical Film Mater- ials [ J ] .Applied Optics.1982, 21 (20).

[5] 顾培夫、薄膜技术 [ M ] . 浙江 : 浙江大学出版社 ,

1990.

作者简介 : 卢维强 ( 1948 - ) , , 北京市人 , 高级工程 , 从事光学薄膜理论以及多种光学薄膜元器件制 造 技 术 方 面 的 研 究 , E - mail:whq197206@s ina.

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