TFT-LCD 显示原理及评判参数

常爱珍，李宝辉，张 凯

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

随着电子技术的不断发展，TFT液晶显示器凭借其高性能比和低成本化，造成汽车配置液晶面板的比率大幅增长，车载显示系统在汽车上的应用越来越广泛，一体化、多屏化、异形屏、曲面屏等多样化的显示，必将给人们带来更舒适、更智能的体验。

1 TFT-LCD液晶显示屏简介

到了20世纪80年代，液晶显示屏逐渐发展成熟，简称LCD。最主流产品薄膜晶体管液晶显示器，英文全称Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display，也叫TFT-LCD，如图1所示。LCD 的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下基板玻璃上设置TFT （薄膜晶体管），上基板玻璃上设置彩色滤光片，通过TFT上的信号与电压改变来控制液晶分子的转动方向，从而达到控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。由于液晶分子自身是无法发光的，主要通过背光源的照射来实现，最常见的是由CCFL和LED做背光源的LCD液晶显示屏。人们常说的LED液晶显示器其实就是以LED作为背光源的液晶显示器。

图1 薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCD

由于LCD具有显示画面柔和不伤眼睛，机身薄、节省空间、省电、辐射小等诸多优点，在汽车、电视、手机、显示器及手持终端设备等领域得到广泛应用，已受到人们的广泛关注［1-2］。

2 TFT-LCD液晶显示屏结构分解

一个完整的液晶屏，俗称模组，是由背光源和panel以及各连接件组成。液晶屏的组成如图2所示。

图2 液晶屏的组成

其中panel的结构由下向上分为下偏光片、TFT基板、液晶、彩膜基板、上偏光片，如图3所示。

偏光板的作用是控制背光源的光只让特定方向的光线通过，过滤掉其他方向的光线，经偏光片处理的光线经过液晶分子的扭转作用，可以控制射出显示屏的光线强度，从而控制TFT-LCD画面的亮暗程度，控制液晶扭转的是加在液晶上的像素电压，TFT基板上集成着TFT开关阵列，通过TFT开关阵列对像素电压进行精准控制，电压的大小决定液晶分子扭转的角度，在CF基板上，把一个像素分割成红色R、绿色G、蓝色B 3个子像素，液晶起光阀作用，对透过CF基板上的RGB三原色的光亮进行调节，从而得到所需的色彩显示［3-4］，如图4所示。

图3 panel的结构组成

图4 偏光板的作用

背光源的作用是给TFT-LCD显示屏提供一个面内亮度均匀分布的光源，LED光经过导光板、反射板等作用形成白色光源用于显示，此处以LED背光源为例，其结构组成如图5所示。

图5 结构组成

3 TFT-LCD显示能力评价标准

3.1 颜色

TFT-LCD是由RGB三原色像素构成，RGB像素通过不同比例组合成不同的颜色，全亮为白色，全暗为黑色，因此对显示屏颜色的评价，评价白色、黑色、红色、绿色、蓝色5种纯色画面就够了。业界评价颜色通常采用CIE 1931色彩空间来表示，该色空间是由国际照明委员会（CIE）于1931年创立的，颜色是由x、y两个色坐标组成。

3.2 亮度

显示器的亮度定义为全白颜色下的亮度值，单位是cd/m2。亮度越高，画面更加鲜艳，人眼能够分辨物体的精确度就越高。由于液晶的物理特性，显示屏的亮度受到角度影响较大，垂直角度看亮度最大，通常情况下，在对显示屏进行亮度评价时定义了3个区域：A+区域、A区域、B区域，如图6所示。

图6 亮度评价时的3个区域

3.3 对比度

对比度是屏幕上同一点最亮时 （白色）与最暗时 （黑色）的亮度的比值，实际代表了从黑到白的渐变层次，比值越大，从黑到白的渐变层次越多，色彩表现越丰富，用户可以看到更多的细节。同亮度一样，对比度也会受角度影响。

3.4 Gamma曲线

Gamma曲线是用来补偿人眼对自然亮度的非线性感知。人眼对不同亮度的敏感程度是不同的，对暗态的敏感程度要高于亮态，经过人们的多次测试，发现当显示屏由暗到亮这个亮度变化过程符合gamma2.2曲线时，人眼看上去会感觉比较舒服。

测试方法一般通过测试256个灰阶画面的亮度测试gamma曲线。所谓灰阶，代表的是由最暗到最亮之间不同亮度的层次级别。灰阶画面越多，所呈现的画面效果会比较细腻，0灰阶为黑色，255灰阶为白色。

3.5 Mura

Mura指的是不均匀性，表现为显示器上存在亮度不一致的较大图案，这些缺陷可能是液晶显示器 （LCD）的装配和光学粘合阶段发生的工艺瑕疵引起的，举例来说，当压力和基板出现不一致时，将会影响光线发射穿过显示器各层的方式。以下举了两种Mura示例，左边为线mura，右边为背光mura。如图7所示。

图7 Mura

Blackmura是一种用于评估车载显示器均匀性的标准测量方法，由“德国车载显示器行业协会（German Automotive Work Group Displays，致力于制定各种行业标准）”制定，并由德国平板显示器论坛 （German Flat Panel Display Forum，简称“DFF”）发布。具体方法是通过对显示屏的白态画面、黑态画面的亮度图片进行亮度数据处理，通过比对同一画面不同区域亮度的差异，得到白态画面的亮度均一性、黑态画面的亮度均一性以及亮度的相对梯度值，采用相对亮度梯度而不是绝对梯度值，避免了对不同亮度屏幕测试数据无法直接对比的缺点。业界标准如表1所示。

表1 业界标准

3.6 残影

残影就是显示屏长时间显示某一固定画面后，当切换到另一画面时，会隐约残留上一画面的图象，如图8所示。目前对残影的要求就是不允许存在残影。

图8 残影

3.7 响应时间

响应时间反映了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即像素由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。一般会将反应速率分为两个部分：Rising和Falling，而表示时以两者之和为准，所以响应时间愈小愈好。

4 结语

伴着技术提升，人们对显示屏的要求会越来越多，并随着TFT-LCD在汽车内的应用越来越广，车载显示也开始倾向于更具科技感的外观设计，以大屏化、多屏化、触控化为主流趋势，加上智能网联、非接触式人机智能交互技术的加持，车载显示屏必将会带给人们更多智能体验与视觉震撼。