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1 前言 90年代內置TFT屏幕的汽車(chē)導航儀問(wèn)世至今歷經(jīng)20年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為生活中隨處可見(jiàn)的數字電子產(chǎn)品，日本地區超過(guò)70%的新車(chē)配備導航儀。 根據調查，多數日本人希望可以在車(chē)內收看電視，特別是支持地面數字電視、數字音響等功能的硬盤(pán)型導航儀，已經(jīng)成為驅動(dòng)導航儀購買(mǎi)意愿的主要因素。 歐洲地區配備汽車(chē)導航儀的汽車(chē)低于10%，它與導航儀內建各種娛樂(lè )功能的日系汽車(chē)截然不同，歐系汽車(chē)將人機界面(HMI)當作行車(chē)支持接口，以高級汽車(chē)為中心配備液晶顯示器的車(chē)型非常多。 美國地區的情況又不一樣，由于美國的道路規劃非常有系統，只要依照街道名稱(chēng)、號碼就可以到達目的地，因此對汽車(chē)導航儀的需求并不大，反而是全家長(cháng)距離外出旅游時(shí)，在后座利用液晶顯示器觀(guān)賞DVD、電視游樂(lè )器的實(shí)時(shí)娛樂(lè )用途很發(fā)達。 車(chē)用液晶顯示器的可靠性試驗規范 肩負路徑導航、行車(chē)支持、游戲娛樂(lè )發(fā)展的車(chē)用液晶顯示器，在汽車(chē)嚴苛環(huán)境條件下，伴隨著(zhù)汽車(chē)導航儀的普及推廣，目前正進(jìn)行重大的應用蛻變，最近甚至跨越汽車(chē)導航儀，成為汽車(chē)儀表的警示與行車(chē)輔助用顯示器。 汽車(chē)廠(chǎng)商的可靠性評鑒與品管基準的嚴苛，根本不是一般家電、計算機、數字電子機器等消費性產(chǎn)業(yè)可以比較的，它涉及高可靠性液晶顯示器的開(kāi)發(fā)、質(zhì)量管理系統、日常的生產(chǎn)活動(dòng)，必須建立汽車(chē)專(zhuān)用的操作系統。以下本文要介紹車(chē)用液晶顯示器的開(kāi)發(fā)技巧與今后的發(fā)展動(dòng)向 2 要求特性 2.1 耐環(huán)境性 車(chē)用液晶顯示器最基本的要求特性就是耐環(huán)境性，表1是車(chē)用液晶顯示器的可靠性試驗規范。隨著(zhù)汽車(chē)廠(chǎng)商的不同，要求條件更嚴苛的耐環(huán)境試驗，例如高溫+95℃、低溫-40℃，高溫高濕65℃、濕度90%，試驗時(shí)間2000小時(shí)等特性，面臨這種情況，業(yè)者利用隨機抽樣樣品進(jìn)行試驗，確認使用上完全符合耐環(huán)境試驗要求的特性。 2.2 畫(huà)面輝度 與其它用途截然不同的車(chē)用液晶顯示器特性首推畫(huà)面輝度，主要原因是車(chē)用液晶顯示器在室外強烈陽(yáng)光下，要求很高的影像畫(huà)面可視度，一般手機可以在室內或是室外強烈陽(yáng)光下使用，手機改變方向或是利用手、身體都可以遮蓋陽(yáng)光，然而固定在車(chē)內的液晶顯示器卻無(wú)法任意改變方向，因此要求畫(huà)面輝度必須超過(guò)陽(yáng)光。 類(lèi)似汽車(chē)導航儀的觸控面板粘貼在畫(huà)面上，觸控面板會(huì )造成穿透率下降，此外觸控面板的表面會(huì )反射外部光線(xiàn)，導致液晶顯示器的可視度降低。 雖然日本SHARP公司將觸控傳感器制作在薄膜晶體管周?chē)�，試圖以此改善觸控面板的光線(xiàn)穿透率與反射問(wèn)題，不過(guò)這樣會(huì )使制程與制作成本變得更復雜、昂貴。 車(chē)用液晶顯示器的輝度通常都很高，某些液晶顯示器內嵌(In-panel)穿透率低于50%的保護亞克力板，高級車(chē)配合整體設計，引擎未啟動(dòng)時(shí)液晶顯示器畫(huà)面呈全黑狀，這種情況汽車(chē)廠(chǎng)商特別需要高輝度的液晶顯示器。 一般液晶顯示器將450~500cd/m2的輝度當作標準值，某些情況要求450~500cd/m2以上，甚至超過(guò)1000cd/m2以上的規格，主要原因是液晶顯示器的穿透率有一定極限，因此必須大幅提高背光照明模塊的輝度。車(chē)用液晶顯示器與手機、NB、PC的另外一個(gè)差異是輝度的角度特性，因為車(chē)用液晶顯示器的配光特性非常特殊。手機、NB、PC與其它個(gè)人用電子設備大多將顯示畫(huà)面當作正面使用，只要維持正面輝度作為商品就沒(méi)問(wèn)題，不過(guò)車(chē)用的場(chǎng)合液晶顯示器大多固定在儀表板側面，從駕駛員與助手席大約30度的角度觀(guān)賞畫(huà)面，因此汽車(chē)與手機用途的配光特性截然不同，不過(guò)這些特性可以透過(guò)背光模塊構成組件的光學(xué)膜片組合獲得。 車(chē)用液晶顯示器若與手機比較，即使相同畫(huà)面面積，光源要求的輝度大約是： 正面輝度的比大約2倍×配光特性構成的比大約1.4倍=2.8倍 此處以7寸車(chē)用液晶顯示器與2.75寸手機用液晶顯示器為例，上述2.8倍需要再乘上兩者畫(huà)面顯示范圍的面積比大約8.6倍，接著(zhù)再依此單純計算車(chē)用液晶顯示器的光源大約需要24倍，換句話(huà)說(shuō)車(chē)用背光照明模塊的消費電力、發(fā)熱、成本，都比小型攜帶用機器大非常多。 3 CCFL與LED輝度的顯示特性 車(chē)用液晶顯示器背光照明模塊的光源主要使用冷陰極燈管(CCFL)，低溫時(shí)特別是點(diǎn)燈后數分~數十分輝度才會(huì )體現，例如－20℃點(diǎn)燈開(kāi)始的輝度是常溫穩定狀態(tài)的10~20%左右，因此冷陰極燈管方式的液晶顯示器，低輝度一直被視為重大課題。到目前為止液晶面板廠(chǎng)商曾經(jīng)針對背光照明模塊設計各種對策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調節器(Boost)，不過(guò)一般認為根本解決對策是背光照明模塊LED化。 其實(shí)手機背光照明模塊的光源從開(kāi)始就使用LED，車(chē)用背光照明模塊遲遲未使用LED光源，主要原因分別如下: ·受到輝度、配光特性、畫(huà)面大小總合的影響，車(chē)用液晶顯示器要求的能量非常大，加上以往LED的發(fā)光效率很低，因此LED的消費電力一直都比冷陰極燈管方式高。 ·在車(chē)用的溫度條件下為確�？煽啃�，每個(gè)LED的最大容許電流、溫度必須大幅降低，亦即高溫時(shí)施加的最大電流值必須降至常溫的60~710%，輝度降低的部份則增加LED的使用數量維持輝度。 ·惡化循環(huán)的結果，造成LED背光照明模塊的制作成本暴增。 最近幾年LED的發(fā)光效率大幅提升，2005年LED的消費電力終于實(shí)現與冷陰極燈管相同水平，開(kāi)始被當作車(chē)用背光照明模塊的光源使用。 背光照明模塊的LED化，首先解除低溫時(shí)的輝度特性課題，此外變成環(huán)保負擔物質(zhì)的水銀也完全被排除，尤其是全球各大汽車(chē)公司一直向環(huán)保行動(dòng)融入、參與視為重要的課題。 基于LED背光照明模塊的制作成本限制，目前汽車(chē)導航儀與低價(jià)機型還未立即普及化，不過(guò)隨著(zhù)LED的發(fā)光效率提升與高可靠性的落實(shí)，今后背光照明模塊會(huì )全部LED化。 3.1 反應速度 最近大型液晶電視的液晶顯示器反應速度經(jīng)常成為話(huà)題的焦點(diǎn)，主要原因是大型液晶電視對運動(dòng)等快速移動(dòng)的畫(huà)面容易發(fā)生殘影影響畫(huà)質(zhì)，不過(guò)這個(gè)問(wèn)題只是單純室溫下的現象。 車(chē)用液晶顯示器爭論的是-20℃與-30℃時(shí)的反應速度，液晶低溫時(shí)粘度會(huì )增加，反應速度則急速降低。此外車(chē)用液晶顯示器的畫(huà)面尺寸比液晶電視小，而且不要求大型液晶電視的高畫(huà)質(zhì)化，因此常溫時(shí)無(wú)法成為討論的對象。 低溫時(shí)的反應速度一旦低于150ms，例如電影中汽車(chē)突然碾過(guò)腳踏車(chē)時(shí)，就無(wú)法清楚識別該場(chǎng)景，某些場(chǎng)合還會(huì )發(fā)生液晶顯示器顯示的指針等行車(chē)數據模糊，無(wú)法識別讀取等危險狀況。 為解決上述問(wèn)題，要求液晶材料溫度特性范圍非常寬廣，車(chē)用液晶材料使用－40℃以下凝固溫度的材料，不過(guò)液晶一旦接近該凝固溫度時(shí)粘度會(huì )急速增加，因此液晶材料必須低粘度化，同時(shí)使挾持液晶材料的2片玻璃基板間隙變窄，因為窄液晶間隙化對液晶的反應速度有很大的幫助，不過(guò)以窄液晶間隙控制方式生產(chǎn)液晶顯示器，對良品率也會(huì )發(fā)生一定的影響。 液晶顯示器的反應速度隨著(zhù)液晶的顯示模式有很大的差異，以往車(chē)用液晶顯示器以TN液晶主流，TN液晶的低溫反應速度非常優(yōu)秀，設計上比較容易實(shí)現低成本化，相較之下追求高畫(huà)質(zhì)的ASV(AdvancedSuperView)液晶，黑白之間的反應速度媲美TN液晶，不過(guò)黑與灰色等中間色級的反應速度卻很遲緩，解決對策例如追加過(guò)驅動(dòng)(Overshootdrive)電路，就可以克服色級之間的差異。 其它液晶顯示器廠(chǎng)商高畫(huà)質(zhì)面板使用的IPS(InPlaneSwitching)液晶，并無(wú)類(lèi)似ASV液晶中間色級遲緩問(wèn)題，而且任何色級都沒(méi)有明顯差異，不過(guò)液晶整體在低溫時(shí)還稱(chēng)不上高速反應，一般認為IPS液晶未來(lái)勢必采用與ASV液晶+過(guò)驅動(dòng)相同的技術(shù)，才能夠有效改善液晶顯示器的反應速度。 4 車(chē)用LCD的發(fā)展動(dòng)向 4.1 高畫(huà)質(zhì)化 汽車(chē)導航儀開(kāi)始普及逐漸成為所謂的日常性商品，普及機型除了維持原本的特性之外，成本反而變得最為重要。 高級機型卻持續高畫(huà)質(zhì)化發(fā)展，主要理由第一是家用液晶電視不斷向高畫(huà)質(zhì)進(jìn)化，造成高級汽車(chē)持有者也希望追求高畫(huà)質(zhì)的車(chē)用顯示器，第二是高畫(huà)質(zhì)的根本手段是提高影像的對比使黑色畫(huà)面更黑，即使夜間顯示黑色畫(huà)面，背光模塊的光線(xiàn)也不會(huì )漏光，可以完全融入周?chē)h(huán)境與設計(圖1)。 圖1高對比的汽車(chē)儀表板設計范例 所謂對比特性是以“白色輝度”/“黑色輝度”百分比的方式計算，換句話(huà)說(shuō)無(wú)限制使對比的數值變大，可以使黑色顯示的影像無(wú)限接近黑色。 國外液晶顯示器業(yè)者曾經(jīng)在2007年發(fā)表2500:1，全球最高對比車(chē)用液晶顯示器，業(yè)者為實(shí)現高對比除了采用ASV液晶之外，同時(shí)還大幅抑制彩色濾光膜片與偏光膜片中變成漏光原因的光散亂現象，才能實(shí)現如此高的影像對比值。 高對比以外的高畫(huà)質(zhì)化，視角范圍的寬闊化也很重要，特別是車(chē)用液晶顯示器，大多設置在駕駛者與助手席中間的中央控制臺，從左右大約30度的角度觀(guān)賞畫(huà)面。此外考慮座位的前后與身體左右的移動(dòng)，設計上大多以左右45度鎖定顯示畫(huà)面的畫(huà)質(zhì)(對比)，因此高對比與視角范圍的擴大，同樣都是高畫(huà)質(zhì)化的重要原因之一。 色再現范圍的擴大也是重要的原因，家用液晶電視為追求高精細鮮艷的影像畫(huà)面，不斷提升NTSC比，即色再現范圍，其實(shí)車(chē)用液晶顯示器也有同樣的發(fā)展趨勢，例如高級車(chē)系使用的車(chē)用液晶顯示器，已經(jīng)從以往50%左右的NTSC比，逐漸向65%、75%進(jìn)化，一般認為今后NTSC比還會(huì )持續提升。 這些高畫(huà)質(zhì)化技術(shù)通常都與面板穿透率有關(guān)，例如高畫(huà)質(zhì)化會(huì )使面板的穿透率降低，如果維持相同面板輝度，相對的必須提高背光照明模塊的輝度，不過(guò)如此一來(lái)卻會(huì )引發(fā)發(fā)熱增加、系統厚度與邊緣寬度變大、成本上升等一連串問(wèn)題。 冷陰極燈管式背光照明模塊的場(chǎng)合，以相同既定外形實(shí)現高輝度有其極限，相形之下LED背光照明模塊發(fā)光效率的提升還有很大的發(fā)揮空間，因此液晶顯示器廠(chǎng)商普遍認為L(cháng)ED背光照明模塊今后的發(fā)展很值得期待。 4.2 大型化 以上介紹的內容大多集中在汽車(chē)導航儀的液晶顯示器，最近幾年汽車(chē)廠(chǎng)商提出，利用液晶顯示器取代傳統機械式行車(chē)信息指針儀表。 過(guò)去某些車(chē)型曾經(jīng)使用液晶、真空熒光管等組件做數字式行車(chē)信息顯示，這類(lèi)顯示器主要特征不論是顏色、顯示內容都是固定，而且都是單功能，目前汽車(chē)廠(chǎng)商提出更換成全彩高畫(huà)質(zhì)液晶顯示器，使用上可以隨時(shí)依照實(shí)際需求自由切換顯示內容，提供駕駛員必要的各種信息。 具體方法是在行車(chē)儀表板既有部位，內嵌8寸左右的TFT液晶顯示器，就可以顯示與傳統機械指針儀表相同的影像，夜間若切換成紅外線(xiàn)攝影機，還可以辨識黑暗場(chǎng)所的動(dòng)物與行人，其實(shí)這種可以切換成夜間影像模式、具備多功能內嵌面板(In-Panel)的液晶顯示器提案，已經(jīng)在2005年被某些汽車(chē)廠(chǎng)商采用，今后可以預期的各式各樣內嵌液晶面板的顯示畫(huà)面，如圖2所示包含引擎轉速、車(chē)速、水/油等行車(chē)信息與導航儀、各種警告顯示、車(chē)輛狀態(tài)，或是利用四周攝影機構成的電子后視鏡影像，或是利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送的信息、TV、DVD、在線(xiàn)游戲、電影等應用畫(huà)面等等，因此某些汽車(chē)廠(chǎng)商提出采用畫(huà)面尺寸大于12寸以上的全彩高畫(huà)質(zhì)液晶顯示器，只不過(guò)汽車(chē)廠(chǎng)商私下認為提供的信息如此繁雜，尤其是某些信息要求駕駛員在行車(chē)途中瞬間進(jìn)行判斷，然而隨著(zhù)顯示方法的不同，反而會(huì )使駕駛員更混亂，因此汽車(chē)廠(chǎng)商認為顯示方法必須充分考慮、規劃。此外法規上自主性的規范非常多，因此汽車(chē)廠(chǎng)商幾乎已經(jīng)陷入不得不更加慎重檢討的窘境，不過(guò)整體而言未來(lái)汽車(chē)的儀表板肯定會(huì )朝高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器發(fā)展。 圖2整合型汽車(chē)儀表板設計范例 5 車(chē)用液晶顯示器專(zhuān)用技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向 5.1 半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器 上文曾經(jīng)提到車(chē)用液晶顯示器的輝度必須超越外部光線(xiàn)，不過(guò)半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器卻積極應用外部光線(xiàn)。半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器的各畫(huà)素，同時(shí)設有穿透電極與反射電極，如圖3所示，反射電極部位的液晶間隙(CellGap)只有穿透電極的一半，穿透與反射兩電極形成所謂的多間隙(MultiGap)結構，利用這種特殊構造組合穿透與反射的光學(xué)特性，就可以改善顯示畫(huà)面輝度不足的困擾。 圖3半穿透型液晶顯示器的斷面結構 半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器的反射電極部位光線(xiàn)穿透率會(huì )降低，其結果造成背光照明模塊的畫(huà)面輝度降低，不過(guò)外部光線(xiàn)一旦變亮，利用外部光線(xiàn)的射入，反射電極部位的輝度會(huì )提升，因此半穿透型液晶顯示器在任何外部光線(xiàn)環(huán)境下，都可以維持一定的畫(huà)面識別性。 半穿透型高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器若與ASV液晶組合，利用對比、視角范圍、色再現性與視角，還可以大幅改善色彩變化特性。 5.2 雙重顯示 駕駛者需要導航畫(huà)面資料，坐在助手席的乘客也希望觀(guān)賞電視的需求越來(lái)越高漲，可以同時(shí)滿(mǎn)足這些需求的就是所謂的雙重顯示(DualView)高畫(huà)質(zhì)全彩液晶顯示器。 基本上這種液晶顯示器是將視差障礙設置在面板畫(huà)素內，再分別輸入不同畫(huà)面影像，觀(guān)看者只能分別從左、右單側視角讀取液晶顯示器的畫(huà)面影像，如此一來(lái)就可以同時(shí)滿(mǎn)足駕駛者與助手席的乘客觀(guān)賞液晶顯示器畫(huà)面的需求。 6 結語(yǔ) 本文介紹車(chē)用液晶顯示器的開(kāi)發(fā)技巧與今后的發(fā)展動(dòng)向。汽車(chē)正進(jìn)行一場(chǎng)史無(wú)前例的電子化革新運動(dòng)，可以實(shí)時(shí)提供駕駛者必要的各種行車(chē)信息，以及利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送技術(shù)，供乘客觀(guān)看TV、DVD、在線(xiàn)游戲、電影等服務(wù)的車(chē)用液晶顯示器，它的重要性與必要性越來(lái)越受到重視。 一般認為不久的將來(lái)車(chē)用液晶顯示器會(huì )完全取代傳統機械式指針儀表板，透過(guò)液晶顯示器與其它電子傳感器、攝影機的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行車(chē)環(huán)境，與此同時(shí)車(chē)用液晶顯示器勢必追求更高的視覺(jué)效果，這意味著(zhù)提升質(zhì)量與可靠性技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將成為液晶顯示器系統廠(chǎng)商必須克服的課題。 |
