光机TFT原理

TFT-LCD（下文简称TFT）是液晶显示器的一种，其全称为Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，直译为“薄膜晶体管液晶显示器”。当前，TFT配合背光模组组成的TFT PGU（Picture Generation Unit，意为光机）已成为HUD采用的主流显示器件^[1]。

1. TFT PGU工作原理 

1.1 TFT如何成像 

和其他LCD一样，TFT的主要成像条件之一是液晶的双折射特性。液晶分子在长轴和短轴的折射率不同，通过施加电压旋转液晶分子，从而实现调制^[4]。在正常使用中，光的偏振方向会随着不同电压下的液晶排列的变化而变化，并结合上下偏振片对通过液晶材料的光进行正交分解，实现TFT对图像灰度的控制^[5]。图(2)展示了TFT的工作原理。

图(2).TFT-LCD成像原理

常规来说，液晶排列方式主要有扭曲相列型Twisted Nematic (TN)、平面转换型In-Plane Switching (IPS)和垂直排列型Vertical Alignment (VA)^[5]。对应用于HUD中的TFT而言，所采用的液晶多为IPS类型。

TFT利用电压对液晶的调制进行成像^[6]。如图(3(A))所示，在IPS型液晶在未通电时，液晶取向层的作用下统一平行于偏振片排列，光线经过液晶时不会发生扭转，无法出射进入人眼。也就是说，在不工作时，TFT未通电，液晶不会改变光的偏振状态，背光源发出的光线经过偏振片[1]（图(2)，Polarizer[1]），以与偏振片[1]透光轴方向一致的偏振光直接通过液晶，到达偏振片[2]（图(2)，Polarizer[2]）。由于液晶是直立状态，偏振方向不会发生改变，而偏振片[1][2]的透光方向互相垂直，也就意味着任意偏振状态的入射光都不会通过这两块偏振片，此时TFT显示画面为黑色（图3(A)）^[5]。

图(3).液晶在不通电(A)与通电(B)时的工作状态

在工作时（图3(B)），TFT电极层通电，背光源发出光线，光线经过偏振片[1]，为与偏振片[1]透光轴方向一致的偏振光（图3(B)）。液晶在电压作用下进行偏转，由于液晶分子具有双折射特性，入射至液晶层的偏振光的偏振方向会往液晶偏转的方向随之发生偏转，因而，穿出液晶层的偏振光也会发生方向上的变化。偏振光透过ITO薄膜、再通过彩色滤光片，之后经过透光轴与偏振片[1]完全垂直的偏振片[2]，从而显示出单像素指定的亮度和颜色^[7]。

TFT中每个像素工作原理都是一致的，通过上述方法控制整块屏幕上所有像素的状态，从而形成特定图案。

2. TFT 特性 

和其他PGU一样，TFT有很多特性，而特性直接影响TFT的功能，本文挑选了一些关键特性进行介绍。

2.1 透过率 

TFT PGU通常需要较高的背光亮度，主要原因为光在TFT-LCD的透过率相对较低，光能利用率较低。如下图(4)所示，背光发出的光源经过TFT-LCD的各层结构后大幅降低，整体利用率仅有5~10%^[8]。

图(4).透过率变化示意图

具体来说，如图(4)所示，背光经过第一个偏振片的透过率只有45~50%，之后在像素开口率的影响下，光透过液晶又会衰减20~50%，在通过电极后损失5%，再通过彩膜调色之后损失70~75%，经过第二个偏振片后又损失5%，这样一来，只有极少来自背光源的光透过TFT^[8]，因而TFT往往对背光亮度有更高的要求，而亮度更高的背光也会带来散热的挑战（上述数值为大致理论估算，具体以实际情况为准）。

理论上来说，TFT-LCD的透过率可以通过以下几种方法提高：

第一种方法为提高像素开口率（图5），即提高像素的光通过部分面积与像素总面积的比例。常见的方式为将像素电极等非通光的元器件做得更小，以此来提高单个像素上通光区域的占比，进而提高开口率（图5(B)）^[9]。

图(5).单像素下的不同通光面积示例

第二种方法通过工艺优化和材料创新实现，提高偏振片的透过率。

第三种方法为提高彩色滤光片的透过率。在TFT中，彩色滤光片主要影响透过率和色域（即显示颜色的丰富度）。彩色滤光片越厚，能显示颜色的丰富度越高，色域越高，但对应的透过率也越低；反之，色域越低，但对应的透过率也越高。理论上而言，目前可通过将彩色滤光片的材料换新等方法尝试在不降低色域的前提下提高透过率^[10]。

2.2 尺寸及分辨率 

目前HUD使用的TFT常规尺寸有1.8寸、3.1寸、4.1寸、5.1寸，这些数据代表的是显示区域对角线的长度，如4.1寸TFT指TFT显示区对角线长度为4.1英寸。而在光学领域中，分辨率往往也是一个经常和尺寸并行出现的参数，它指显示器能够分辨出图像最小细节的能力，和像素密度（Pixel Per Inch，简称PPI）高度相关^[11]；PPI即每英寸所拥有的像素数量，PPI越高，显示图像的密度越高，分辨率就越高。图(6)展示了单个像素的细节构造。

图(6).TFT-LCD单像素构成示例

在光机LCoS原理中（图(7)），我们介绍过，LCoS在硅衬底上制作互补式金属氧化物半导体晶体管，TFT在玻璃基板上制作薄膜晶体管，而薄膜晶体管体积更大，于是在1英寸的相同空间内，TFT集成的薄膜晶体管数量一般少于LCoS集成的半导体晶体管，因而现有标准产品中，TFT的PPI小于LCoS。另外，不同于通过时序彩色驱动成像、像素尺寸可以更小的LCoS，TFT通过背光源的亮度和颜色成像，具体表现为每个像素点由红、绿、蓝三个子像素组成，每个子像素都有相应的滤色器，这就导致了在同样尺寸的显示屏上，把TFT的像素尺寸做小挑战更大。

图(7).分辨率对比

2.3 对比度 

对比度是显示器最大亮度与最小亮度的比值，而TFT显示的对比度由于其液晶特性，相对于其他光机较弱。对TFT而言，如果要显示纯黑色，理想状态是液晶分子完全闭合、遮挡发散出来的背光。但由于取向层沟道的工艺问题，器件中的最小尺寸（即特征尺寸，Feature Size）无法实现特别精细的效果，导致液晶封装之后存在空隙；而空隙则会导致漏光的产生，这意味着TFT在显示黑色时，会有一些白光漏出。所以TFT并不能做到真正意义上的纯黑色，只能显示亮度大幅度递减的灰色，这也导致了HUD在夜晚观看时会有明信片效应（Postcard Effect）（图(8)），即虽无显示内容，仍可见背光轮廓。

图(8).不同对比度下的显示效果及明信片效应

3. 背光 

在介绍了像源后，我们来看光源部分。前文已经说过，背光为HUD提供照明系统，作为光源，它会影响HUD成像的亮度、色温和均匀性。在这篇文章中，我们主要介绍阵列式背光和光棒式背光。

3.1 光源 

日常生活中，阵列式背光被广泛应用。阵列式背光由一个个小的透镜组拼接而成，每个透镜组控制一个小面积的背光显示区域，以此实现照明。

基于光效利用率考量，阵列式背光通常采用六边形，即蜂窝状排布。如图所示，圆形里内切的多边形面积（即蓝色区域）与圆形面积的比值为不同拼接形状的光效利用率，理想状态下圆环为光效利用率最高的光斑形状，由于圆形无法拼接，由此通常考虑多边形的形式进行拼接设计。在可拼接的简单多边形中，六边形的光效利用率最高。阵列式背光通常采用蜂窝状排布（图9(C)）。

图(9).简单多边形的背光排布示例

由于光珠拼接的特性，背光全亮时也会产生可见的蜂窝状。对于有成像需求的领域如HUD而言，成像时需要点亮相应像素。当HUD成像画幅较小时，点亮的像素不会与阵列拼接缝重合，因而在视觉方面没有影响；然而，当HUD大画幅成像时，点亮的像素可能会与拼接缝重合，因而图像中间可能会透出阵列式形状的轮廓，影响人眼观看效果（图(10)）。

图(10). HUD中的蜂窝状背光效果

3.2 距离 

如图(11)，当照射相同面积的物体时，如若背光的OD（Optical Distance，光学距离）较大，那么只需一个灯珠即可照亮整个物体；反之，OD较小时，则需多灯排列覆盖，而多灯排列就会存在拼接缝。对于阵列式背光来说，背光整体体积较小，但一般来说OD都较短，因此会存在拼接缝，影响成像。

图(11). 不同OD下的阵列式背光构造

从成像效果考虑，HUD中也可以采用光棒式背光（图(12)）。光棒式背光中，光棒是两端开口、内部中空且内壁设置反射层的梯形体结构。在发光时，光棒式背光由反光碗和菲涅尔透镜共同作用，以确保整个照明区域的亮度和均匀性都符合标准。在工作时，灯珠发出光线，光线在光棒两侧内壁反射，而后从菲尼尔透镜出射。不同于阵列式背光，光棒式背光没有拼接缝，但在整体设计上会导致背光的体积较大。

图(12). 光棒式背光

4. TFT优势 

4.1 成像颗粒感低 

对于人眼而言，在风挡成像时，HUD相当于一个放大镜，PGU相当于需要观测的物体，大部分情况都是将PGU当作一个物体、经HUD系统放大后，在人眼中成像，也就是说，人眼观察到的图像其实是PGU的发光面经放大后的图像，如图(13)所示。

图(13). HUD中不同光机成像原理

DLP和LCoS的成像面都为光源投影后的扩散膜（Diffuser, 上图A），而扩散膜表面的颗粒感会导致成像画面上的粗糙度（图13(A)）。TFT也会用到扩散膜，但扩散膜位于背光和成像平面之间，主要用于背光匀光，因此TFT面板本身即为像源（图13(B)）。所以，基于TFT的HUD成像颗粒感会更低，随之成像画面的粗糙度也会更低（见图(14)）。理论上来说，如果为DLP或者LCOS定制专业的扩散膜，表面颗粒度也会显著降低，但现阶段市面上还没有较为细腻的扩散膜产品。

图(14). 不同成像颗粒感下的显示效果对比

4.2 标准化程度高 

经过多年发展，TFT工艺逐渐趋于成熟，标准化程度较高，降低了它的搭载及应用成本。TFT PGU为现在最被普遍应用的PGU，很大程度由于其在同等成像质量下较低生产和制造成本。而TFT PGU也有了标准化的产品可供选择（1.8寸、3.1寸、4.1寸、5.1寸）。但值得指出的是，现有的标准化产品并非针对于HUD的使用场景所定制化设计，因此经常会出现HUD中的TFT屏的利用率较低，针对HUD产品进行TFT屏定制化开发也是一个发展趋势。

另一个TFT能大规模普及的原因来自其应用便利性。TFT PGU通常采用白色背光，色彩相对而言较为均衡，无需标定白平衡，即可直接准确显示需要的色彩。而在使用DLP和LCoS的HUD中，往往需要进行白平衡标定，增加其开发成本^[12]。白平衡标定是因为DLP和LCoS通常采用RGB三色LED灯珠，通过时序色彩驱动，在不同时间间隔内将不同通道的图像送入显示屏，从而完成成像。因此，DLP和LCoS往往需要进行白平衡标定，即通过调整红绿蓝三色通道的输出，使各种光照条件下的白色都能准确显示，即确保红绿蓝三色的输出平衡且准确，进而确保所有颜色的准确性。

5. TFT劣势 

5.1 耐温性差 

在HUD中，TFT相比于其他PGU，由于其结构差异（图13），更容易面临阳光倒灌的挑战。在阳光倒灌的作用下，阳光将汇集到HUD的成像面。如TFT屏幕直直接接受阳光的汇集点，而LBS和DLP则采用扩散膜进行成像，阳光汇集于耐温更高的扩散膜上，而不是直接至TFT本身^[13]。

如图(15)，目前TFT的耐温一般都在105℃，当温度超过105℃时，TFT中的部分膜片会失效(如滤光片等)，这意味着在高温或阳光直射环境下的HUD中，大部分热量会被TFT内部吸收，导致温升过快，产生阳光倒灌的烧屏风险。现阶段有很多方法来综合解决阳光倒灌，其中也包含了在TFT屏上采用特殊玻璃材质进行导热的方式来降低温度；此外，屏厂也在开发更耐温的TFT屏，从而提升TFT的耐温性。现阶段HUD的发展趋势是FOV越来越大，对于VID来说，AR-HUD也至少需要7.5米及以上的距离来实现更加的贴合效果，因此耐温性的提升是TFT优化的重要一环。

图(15). 不同耐温性的PGU在HUD中工作的情况

5.2 难以在戴墨镜时正常观看成像 

当司机在车上佩戴偏振墨镜时，会难以看到以TFT作为PGU的HUD成像。在重影及其解决方案（下）中，我们介绍过P光和S光的含义。在HUD中，风挡对S光的反射率远高于P光，所以在HUD中TFT中的最终出射光相对风挡界面来说，大部分均为S光，而偏振性墨镜的原理是通过阻隔大部分的S光，使人眼感受到的亮度降低。因此，在以TFT作为PGU的HUD的车上佩戴墨镜后，在正常亮度下会难以清晰获取HUD显示内容^[14]。对于DLP而言，因投射光不具备偏振特性，经过偏振墨镜所能看到的图像亮度更高；但LCOS因为也为液晶原理，也同样具备和TFT的特性。

6. TFT未来发展趋势 

TFT作为最被普遍使用的PGU，拥有最高的市场占有率、最低的价格以及最小的设计体积。可以看到，对于现有的TFT产品，更多是一个综合考量后的平衡产物。比如对于屏厂来说，针对HUD定制化开一条线的高成本投入和HUD屏使用量的平衡，让现有可选的HUD屏尺寸少，基本为现成甚至是来自于其他应用场景的产物，从而会有屏的有效使用面积不高，像素不高的特点。TFT中滤光片越厚，能显示颜色则丰富度越高，色域越高，但对应的透过率也越低，所以，TFT现有的透过率，其实也是色域和透过率的平衡。除此之外，TFT背光的OD越长，背光越均匀，拼接感越弱，但相应的体积也越大，背光均匀性与背光模组体积也是一组平衡。

同时，随着HUD的渗透率逐步提升，对于TFT PGU的要求也越来越高，如FOV和VID的增大，以及部分双焦面HUD的设计，对于TFT的耐热性要求也与日俱增，“不烧屏”是主机厂的安全底线，也是对TFT的一个最底层的需求。除此之外，对于HUD的PPD的要求也从以前的70、80，逐步提高到100、120，甚至更高，所以TFT的像素也需要进行相应的提高，以实现更锐利的成像效果。明信片效应，或者称之为“蓝背光”效应，也是在夜晚，或者隧道、地库场景下的一个需要解决的问题，因此，也看到例如Local Dimming等技术在TFT PGU上的应用，当然，随之而来的是成本的上升。总的来说，TFT PGU仍为未来HUD市场的主流光机方案，睿维视也将持续研究、优化TFT PGU，以满足日新月异的市场需求。

原文始发于微信公众号（睿维视 ReaVis）：光机TFT原理