TFT-LCD 顯示原理及評判參數

常愛珍，李寶輝，張 凱

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

隨著電子技術的不斷發展，TFT液晶顯示器憑借其高性能比和低成本化，造成汽車配置液晶面板的比率大幅增長，車載顯示系統在汽車上的應用越來越廣泛，一體化、多屏化、異形屏、曲面屏等多樣化的顯示，必將給人們帶來更舒適、更智能的體驗。

1 TFT-LCD液晶顯示屏簡介

到了20世紀80年代，液晶顯示屏逐漸發展成熟，簡稱LCD。最主流產品薄膜晶體管液晶顯示器，英文全稱Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，也叫TFT-LCD，如圖1所示。LCD 的構造是在兩片平行的玻璃基板當中放置液晶盒，下基板玻璃上設置TFT （薄膜晶體管），上基板玻璃上設置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉動方向，從而達到控制每個像素點偏振光出射與否而達到顯示目的。由于液晶分子自身是無法發光的，主要通過背光源的照射來實現，最常見的是由CCFL和LED做背光源的LCD液晶顯示屏。人們常說的LED液晶顯示器其實就是以LED作為背光源的液晶顯示器。

圖1 薄膜晶體管液晶顯示器TFT-LCD

由于LCD具有顯示畫面柔和不傷眼睛，機身薄、節省空間、省電、輻射小等諸多優點，在汽車、電視、手機、顯示器及手持終端設備等領域得到廣泛應用，已受到人們的廣泛關注［1-2］。

2 TFT-LCD液晶顯示屏結構分解

一個完整的液晶屏，俗稱模組，是由背光源和panel以及各連接件組成。液晶屏的組成如圖2所示。

圖2 液晶屏的組成

其中panel的結構由下向上分為下偏光片、TFT基板、液晶、彩膜基板、上偏光片，如圖3所示。

偏光板的作用是控制背光源的光只讓特定方向的光線通過，過濾掉其他方向的光線，經偏光片處理的光線經過液晶分子的扭轉作用，可以控制射出顯示屏的光線強度，從而控制TFT-LCD畫面的亮暗程度，控制液晶扭轉的是加在液晶上的像素電壓，TFT基板上集成著TFT開關陣列，通過TFT開關陣列對像素電壓進行精準控制，電壓的大小決定液晶分子扭轉的角度，在CF基板上，把一個像素分割成紅色R、綠色G、藍色B 3個子像素，液晶起光閥作用，對透過CF基板上的RGB三原色的光亮進行調節，從而得到所需的色彩顯示［3-4］，如圖4所示。

圖3 panel的結構組成

圖4 偏光板的作用

背光源的作用是給TFT-LCD顯示屏提供一個面內亮度均勻分布的光源，LED光經過導光板、反射板等作用形成白色光源用于顯示，此處以LED背光源為例，其結構組成如圖5所示。

圖5 結構組成

3 TFT-LCD顯示能力評價標準

3.1 顏色

TFT-LCD是由RGB三原色像素構成，RGB像素通過不同比例組合成不同的顏色，全亮為白色，全暗為黑色，因此對顯示屏顏色的評價，評價白色、黑色、紅色、綠色、藍色5種純色畫面就夠了。業界評價顏色通常采用CIE 1931色彩空間來表示，該色空間是由國際照明委員會（CIE）于1931年創立的，顏色是由x、y兩個色坐標組成。

3.2 亮度

顯示器的亮度定義為全白顏色下的亮度值，單位是cd/m2。亮度越高，畫面更加鮮艷，人眼能夠分辨物體的精確度就越高。由于液晶的物理特性，顯示屏的亮度受到角度影響較大，垂直角度看亮度最大，通常情況下，在對顯示屏進行亮度評價時定義了3個區域：A+區域、A區域、B區域，如圖6所示。

圖6 亮度評價時的3個區域

3.3 對比度

對比度是屏幕上同一點最亮時 （白色）與最暗時 （黑色）的亮度的比值，實際代表了從黑到白的漸變層次，比值越大，從黑到白的漸變層次越多，色彩表現越豐富，用戶可以看到更多的細節。同亮度一樣，對比度也會受角度影響。

3.4 Gamma曲線

Gamma曲線是用來補償人眼對自然亮度的非線性感知。人眼對不同亮度的敏感程度是不同的，對暗態的敏感程度要高于亮態，經過人們的多次測試，發現當顯示屏由暗到亮這個亮度變化過程符合gamma2.2曲線時，人眼看上去會感覺比較舒服。

測試方法一般通過測試256個灰階畫面的亮度測試gamma曲線。所謂灰階，代表的是由最暗到最亮之間不同亮度的層次級別。灰階畫面越多，所呈現的畫面效果會比較細膩，0灰階為黑色，255灰階為白色。

3.5 Mura

Mura指的是不均勻性，表現為顯示器上存在亮度不一致的較大圖案，這些缺陷可能是液晶顯示器 （LCD）的裝配和光學粘合階段發生的工藝瑕疵引起的，舉例來說，當壓力和基板出現不一致時，將會影響光線發射穿過顯示器各層的方式。以下舉了兩種Mura示例，左邊為線mura，右邊為背光mura。如圖7所示。

圖7 Mura

Blackmura是一種用于評估車載顯示器均勻性的標準測量方法，由“德國車載顯示器行業協會（German Automotive Work Group Displays，致力于制定各種行業標準）”制定，并由德國平板顯示器論壇 （German Flat Panel Display Forum，簡稱“DFF”）發布。具體方法是通過對顯示屏的白態畫面、黑態畫面的亮度圖片進行亮度數據處理，通過比對同一畫面不同區域亮度的差異，得到白態畫面的亮度均一性、黑態畫面的亮度均一性以及亮度的相對梯度值，采用相對亮度梯度而不是絕對梯度值，避免了對不同亮度屏幕測試數據無法直接對比的缺點。業界標準如表1所示。

表1 業界標準

3.6 殘影

殘影就是顯示屏長時間顯示某一固定畫面后，當切換到另一畫面時，會隱約殘留上一畫面的圖象，如圖8所示。目前對殘影的要求就是不允許存在殘影。

圖8 殘影

3.7 響應時間

響應時間反映了液晶顯示器各像素點對輸入信號反應的速度，即像素由暗轉亮或由亮轉暗的速度。響應時間越小則使用者在看運動畫面時不會出現尾影拖拽的感覺。一般會將反應速率分為兩個部分：Rising和Falling，而表示時以兩者之和為準，所以響應時間愈小愈好。

4 結語

伴著技術提升，人們對顯示屏的要求會越來越多，并隨著TFT-LCD在汽車內的應用越來越廣，車載顯示也開始傾向于更具科技感的外觀設計，以大屏化、多屏化、觸控化為主流趨勢，加上智能網聯、非接觸式人機智能交互技術的加持，車載顯示屏必將會帶給人們更多智能體驗與視覺震撼。