2016-07-21
中国信息通信研究院CAICT
车载显示是近年来车载电子技术领域发展最快的方向，随着汽车信息化水平的提升越来越多的汽车装备了车载大屏显示系统，极大改善了驾乘体验。本文对车载显示模块的屏幕结构以及材质等技术、标准化现状、测试技术进行了研究和分析。随着社会的快速发展，现代汽车在绿色节能、网络化、娱乐性、智能化、安全舒适等方面要求不断提高，使得车载电子系统越来越复杂。车载电子系统汇集和处理各种信息，包括汽车运行状态信息、车身控制信息、诊断信息基础，以及来自车载信息娱乐系统、车载导航系统、保障救援和紧急通信系统的和来自外部车联网的丰富信息都汇集到车载主机等电子设备上，并通过车载主机屏幕等车载显示系统反馈给驾驶员，这样才能使驾驶员及时、全面地获取掌握各种信息，对特别情况做出准确处理，并提升驾乘体验。这些因素都极大地促进了车载显示技术的迅速进步，目前车载显示已经摆脱最初的黑白式、分辨率底下的简单显示屏，开始向集成度更高、数字化、多功能、网络化的综合信息显示系统过渡，极大地提升了驾驶员行车中的操作便利性和行车安全性。目前，车载显示以车载主机显示为主，车载电子后视镜为辅。从材质上区分，目前以TFT材质为主，分为TN、VA、IPS等，LED技术尚未普遍应用。另外，HUD抬头显示系统是一种视觉辅助安全系统，目前已开始被运用在汽车上，可以使驾驶员不需要低头查看仪表的显示信息，始终保持抬头的姿态驾驶，提升驾驶安全性，HUD有望成为汽车电子中最重要的显示屏之一。
屏幕的基本构成如图1所示。处理器发出指令给显示芯片，显示芯片控制显示屏相应位置的像素点显示指定的信号，屏幕是由一个一个的像素点组成的，所有像素点的输出组合起来就形成了屏幕的输出。终端的屏幕结构基本可分为3部分，从表到里依次是玻璃保护层、触摸屏和显示屏。这3层需要进行贴合组成整体显示模组，一般来说需要两次贴合，保护玻璃层与触摸屏进行一次贴合，另一次贴合是在显示屏与触摸屏的贴合。按贴合的方式分可以分为框贴和全贴合两种。框贴是将屏幕触摸屏与LCD/LED显示屏的4边进行简单固定封装，工艺简单，成本较低，但会使触摸屏与LCD/LED显示屏之前夹杂着一层空气；全贴合技术就是采取技术手段减少各层之间的空隙，实现保护玻璃、触控层和液晶层某一层或几层更好的融合，取消空气层，因此有更好的透光率。目前，市场上常见的全贴合技术主要是以触控屏厂商为主导的OGS方案，以及由面板厂商主导的OnCell和InCell技术方案。是单片式触控面板的意思，是把触控屏与玻璃保护层集成在一起，在保护玻璃内层镀上ITO导电层，直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻，一块玻璃同时起到保护玻璃和触摸传感器的双重作用。由于节省了一片玻璃和一次贴合，触摸屏可以更薄且成本更低。是指将触摸面板嵌入到显示屏中的方法，即在显示屏内部分层中嵌入触摸传感器，这样能使屏幕变得更加轻薄。是指将触摸屏嵌入到显示屏的彩色滤光片基板和偏光板之间的方法，即在显示面板上配置触摸传感器，相比In Cell技术难度降低不少。
图2 以TFT显示屏为例，介绍了In-Cell和On-Cell两种全贴合技术。屏幕材质在很大程度上决定了其显示效果。按屏幕的材质分类，目前主流的屏幕可分为两大类，即LCD和OLED。●LCD（Liquid Crystal Display）是一种介于固态和液态之间的物质，称为液晶技术，它的工作温度为-20°~70°。LCD屏幕的特点是自身不发光只透光，因此需要背光板。其基本原理是LCD中间的液晶层受到TFT的控制，即通过TFT上的信号和电压的改变控制液晶分子的转动方向，因此背板发出的光线在通过偏光板打入液晶层后就会产生改变，然后通过玻璃基板透出来之后就会产生各种显示效果。目前，LCD技术已经非常的成熟，大量应用在多个行业当中。●OLED（Organic Light-Emitting Diode）即有机发光二极管，是全固态物质，可以在-40°~70°的温度范围内工作。OLED面板的最大特点就是自发光特性，无需背光板即可显示，因此具备非常高的可视角度。按显示技术的驱动方式来划分OLED，可分为PMOLED（被动矩阵OLED）和AMOLED（主动矩阵OLED）屏幕两大类。PMOLED主要应用在大型显示上，手机并没有采用。目前，市面上比较常见的TFT、SLCD都属于LCD的范畴；AMOLED系列屏幕则隶属于OLED的范畴；其它的诸如IPS、ASV、NOVA等并非屏幕材质，都是基于TFT屏幕的面板技术。LCD和OLED最根本的区别是，OLED是自发光，而LCD需要通过背光板照射才能显示。OLED自发光主要有两点：第一是亮度比靠外部光源照亮的LCD更高；第二，由于OLED屏幕的每个像素都可自由控制发光与否，因此OLED屏幕在表现黑色时，黑色部分的像素完全不发光，黑色更加纯正，提升了屏幕整体对比度，并且OLED在表现黑色时也就更加省电。而LCD由于本身像素不发光，即便在表现黑色时，外部光源仍然会把整个屏幕照亮，这样黑色就会显得泛白。目前，普遍认为OLED是将来发展的方向。有资料显示，国内超过1亿辆小型载客汽车需要对车机进行更新换代，升级为具有车载综合信息系统功能的大屏车机，车机市场规模庞大。
越来越多的车辆开始装备车机，车载显示器件直接关系到驾驶员和乘员的使用便利性、安全性和驾乘体验，对车载显示器件进行标准化，对其安全性、可靠性、光学性能等进行规范以保障消费者权益，保持行业健康发展的意义凸显。全国显示技术标准化委员会在2013年制定了“SJ/T 11459.2.2.1-2013 液晶显示器件 第2-2-1部分：车载用彩色矩阵液晶显示模块详细规范”。该标准对车载液晶显示模块的环境、电气、光电等性能指标做了规定（见表1）。SJ/T 11459.2.2.1-2013仅规定了指标的技术范围，测试方法则参考了“GB/T 18910.61-2012 液晶显示器件 第6-1部分：液晶显示器件测试方法 光电参数”。定义为屏幕在亮度调节到最大条件下，显示白色RGB（255，255，255）时（指输入信号为白色RGB）的亮度值，单位为cd/m2（坎德拉每平米）。测试时，终端输入纯白测试图像（255，255，255）并保持屏幕处于点亮状态，以屏幕中心为测试点，使用分光色度计垂直屏幕进行测量。屏幕的对比度定义为屏幕在亮度调节到最大条件下，关闭自动亮度控制，测量显示白色RGB（255，255，255）和黑色RGB（0，0，0）时的亮度值，其比值称为绝对对比度，表示为“整数：1”。绝对对比度反映了显示屏自身的对比度性能。测试时，终端分别输入纯白测试图像（255，255，255）和纯黑测试图片（0，0，0），以屏幕中心为测试点，使用分光色度计垂直屏幕分别测量纯白和纯黑时的亮度，并计算对比度。亮度均匀性定义为屏幕上均匀分布的多个区域的最大亮度最小值与最大值之比。一般测试9点亮度均匀度。可参考图3的选取方式。测试区域以直径为3mm的圆进行采样；边缘点（图3中边缘处的4个或8个点）距离屏幕图像显示区域的边缘为图像显示区域宽或高的1/10，图3中点1距左边缘为图像显示区域宽的1/10，与上边缘距离为图像显示区域高的1/10。分别测量屏幕上选取区域的亮度，选出其中的最大值Lmax和最小值Lmin，计算亮度均匀性如下：式中：Lmax――亮度最大值；Lmin――亮度最小值；∆L――亮度均匀性。白点坐标定义为显示白色（255，255，255）时测量的色坐标（u’，v’)，标准白点（色温6500K）坐标为（0.198，0.468）。然后分别显示（255，0，0）、（0，255，0）、（0，0，255）即红绿蓝图片，测量色坐标（u’，v’)。全白以及红绿蓝显示时的色坐标偏差应在±0.04范围内。可视角度定义为，屏幕对比度达到10:1时的可观测范围角度。如图4所示，可视角度测试中需要放置被测终端和测试设备到合适位置，使分光色度计测试法线与被测终端屏幕的垂直法线成一个锐角角度θ时的对比度，即水平方向50°时和垂直方向35°的对比度。要求水平方向50°时和垂直方向35°的对比度大于10:1。本文对车载显示器件的屏幕结构和材料技术做了概述，对SJ/T 11459.2.2.1-2013车载液晶显示器件行业标准和显示器件的光学指标测试方法做了介绍。
车内环境对车载显示器件提出了一些特殊要求，如要求显示屏能够防止后车大灯照射在屏幕上形成眩光、后车照射强烈时仍能够看清屏幕上的内容等。车载显示器件光学性能对行车安全的意义重大，车机厂商和车厂应更加重视车载显示光学测试，提升车载显示器件性能，提升驾乘安全性和舒适性。 中国信息通信研究院泰尔终端实验室高级工程师，主要从事移动终端影像和显示用户体验、摄像头和显示屏、多媒体通信等领域的技术和测试方法研究；联系方式liuzhiyong@caict.ac.cn