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從90年代 TFT屏幕汽車導航儀問世至今，歷經20年的發展，目前已經成為生活周遭隨處可見的數字電子機器，日本地區超過70%的新車均配備導航儀。 根據調查，多數的日本人希望可以在車內收看到電視，特別是支持地面數字電視、數字音樂等功能的硬盤導航儀，已經成為拉動導航儀購買意愿的主要因素。歐洲地區配備汽車導航儀的汽車低于10%，它與導航儀內建各種娛樂功能的日系汽車截然不同，歐系汽車將人機介面（Human MachineInterface/Man Machine Interface ;HMI/MMI）當作駕駛支持界面，以高級汽車為中心配備液晶顯示器的車型非常多。 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、號碼就可以到達目的地，因此對汽車導航儀的需求并不熟絡，反而是全家長距離外出旅游時，在后座利用液晶顯示器觀賞DVD、電視娛樂的即時娛樂用途卻很發達。 肩負路徑導航、行車支持、游戲娛樂發展的車用液晶顯示器，在汽車嚴苛環境條件下，伴隨著汽車導航儀的普及推廣，目前正進行重大的應用蛻變，最近甚至跨越汽車導航儀，成為汽車儀表的警示與行車輔助用顯示器。 汽車廠商的可靠性與品質要求嚴苛，根本不是一般家電、電腦、數子產品等消費性產業可以比較，它涉及高可靠性液晶顯示器的開發、品質管理系統、日常的生產活動，必需建立汽車專用的操作系統。 要求特性 耐環境性 車用液晶顯示器最基本的要求特性就是耐環境性，表1是車用液晶顯示器的可靠性試驗規范。因為汽車廠商的不同，要求條件更嚴苛的耐環境試驗，例如高溫+95℃、低溫-40℃、高溫高濕65℃、濕度90%、試驗時間2000小時等特性，面臨這種情況廠商利用隨機抽樣樣品進行試驗，確認實用上完全符合耐環境試驗要求的特性。 以上是有關可靠性的試驗事項，實際上液晶顯示器也是在這樣的溫度范圍內使用，因此要求各種電氣、機械、光學特性同樣必需在這樣的溫度范圍內正常動作，然而所有特性在如此溫度范圍內不易獲得平衡的結果，包含后述低溫時的光學特性、高溫時的自我發熱、對可靠性的極限，目前性能上還無法完全滿足汽車廠商的要求。 表1 車用液晶顯示器的可靠性試驗規范 與其它用途截然不同的車用液晶顯示器特性首推畫面亮度，主要原因是車用液晶顯示器在室外強烈陽光下，要求很高的影像畫面可視性，一般移動電話可以在室內或是室外強烈陽光下使用，移動電話改變方向或是利用手、身體都可以遮蓋陽光，然而固定在車內的液晶顯示器卻無法任意改變方向，因此要求畫面亮度必需超過陽光。 類似汽車導航儀的觸控面板粘貼在畫面上，觸控面板會造成穿透率下降，此外觸控面板的表面會反射外部光線，導致液晶顯示器的可視性降低。雖然日本Sharp公司將觸控感測器制作在薄膜電晶體周圍，試圖以此改善觸控面板的光線穿透率與反射問題，不過這樣會使生產工藝與成本變得更復雜、昂貴。車用液晶顯示器的亮度通常都很高，某些液晶顯示器內置（In-panel）穿透率低于50%的保護壓克力板，高級車系還配合整體設計，引擎未啟動時液晶顯示器畫面呈全黑狀，這種情況下特別需要高亮度的液晶顯示器。 一般液晶顯示器將450~500cd/m2的亮度當作標準值，某些情況下要求450~500cd/m2以上，甚至超過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，因此必需大幅提高背光照明模塊的亮度。 車用液晶顯示器與移動電話、NB、PC相比，另外一個差異是亮度的角度特性，因為車用液晶顯示器的配光特性非常特殊。移動電話、NB、PC與其它個人用電子產品大多將顯示畫面當作正面使用，只要維持正面亮度作為商品就沒有問題，不過車用的場合液晶顯示器大多固定在儀表板側邊，從駕駛員與助手席大約30度的角度觀賞畫面，因此汽車用與移動電話用途的配光特性截然不同，不過這些特性可以通過背光模塊構成元件的光學膜片組合獲得。 圖1是汽車用與移動電話用液晶顯示器的配光特性，圖中的（1）與（2）分別是車用晶顯示器的配光特性實例，（4）是移動電話用液晶顯示器配光特性實例。 圖1 背光模組的輝度-角度的特性比較 移動電話的液晶顯示器本身亮度很低，不過它利用光學膜片使光線收斂在正面方向，即使相同光源正面也可以變化非常明亮。（3）是利用與移動電話相同的光學膜片，構成的車用液晶顯示器光源結構。 由此可知采用與移動電話相同光學膜片結構的場合，即使光源與一般車用相同，正面亮度大約是1.4倍，不過30度角的亮度卻降低40%。綜合以上現象，車用液晶顯示器若與移動電話比較，即使相同畫面面積，光源要求的亮度則需是： 正面亮度的比大約2倍×配光特性構成的比大約1.4倍=2.8倍 此處以7英寸車用液晶顯示器與2.75英寸移動電話用液晶顯示器為例，上述2.8倍需要再乘上兩者畫面顯示范圍的面積比大約8.6倍，接著再依此單純計算車用液晶顯示器的光源大約需要24倍，換句話說車用背光照明模塊的消費電力、發熱、成本，都比便攜式產品大非常多。 CCFL與LED亮度的站立特性 以上介紹的配光特性是常溫、穩定狀態下的特性。車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），低溫時特別是點燈后數分~數十分亮度才提升，例如-20℃點燈開始的亮度是常溫穩定狀態的10~20%左右，如圖2，因此冷陰極燈管方式的液晶顯示器，低亮度一直被視為重大課題。 圖2 CCFL與LED背光模組的輝度-角度的特性比較 至目前為止液晶面板廠商曾經針對背光照明模塊進行各種對策，例如降低冷陰極燈管的氣體壓力、電流調節器（Boost）等，不過一般認為根本解決對策是背光照明模塊LED化。 其實移動電話背光照明模塊的光源從開始就使用LED，車用背光照明模塊卻遲遲未使用LED光源，主要原因分別如下： ·受到亮度、配光特性、畫面大小總合的影響，車用液晶顯示器要求的能量非常大，加上以往LED的發光效率很低，因此LED的消費電力一直都比冷陰極燈管方式高； ·在車用的溫度條件下為確保可靠性，每個LED的最大容許電流、溫度必需大幅降低，亦即高溫時施加的最大電流值降必需至常溫的60%~71%，亮度降低的部分則增加LED的使用數量以維持亮度； ·惡化循環的結果，造成LED背光照明模塊的成本暴增。 最近幾年LED的發光效率大幅提升，2005年LED的消耗電力終于達到與冷陰極燈管相同水準，開始被當作車用背光照明模塊的光源使用。 背光照明模塊的LED化，首先解除低溫時的亮度特性課題，此外變成環保負擔物質的水銀也完全被除，尤其是全球各大汽車公司一直將環保行動的融入、參與視為重要的課題。 基于LED背光照明模塊的成本限制，目前汽車導航儀與低價機型還未普及化，不過隨著LED的發光效率提升與高可靠性的落實，今后背光照明模塊是必將全部LED化。 反應速度 最近大型液晶電視的反應速度經常成為話題的焦點，主要原因是大型液晶電視對運動等快速移動的畫面容易發生殘影畫質，不過這個問題只是單純室溫下的現象。 車用液晶顯示器爭論的是-20℃與-30℃時的反應速度，如圖3所示液晶低溫時粘度會增加，反應速度急劇降低。此外車用液晶顯示器的畫面尺英寸比液晶電視小，而且不要求大型液晶電視的高畫質化，因此常溫時無法成為討論的對象。 圖3 反映速度的溫度依存性 低溫時的反應速度一旦低于150ms，例如電影中汽車突然碾過腳踏車時，就無法清楚識認該場景，某些場合還會發生液晶顯示器顯示的指針等行車資料模糊，無法辨識等危險狀況。 為解決上述問題，要求液晶材料溫度特性范圍非常寬廣，車用液晶材料使用-40℃以下凝固溫度的材料，不過液晶一旦接近該凝固溫度時粘度會急劇增加，因此液晶材料必需低粘度化，同時使挾著液晶材料的兩片玻璃基板間隙變窄，因為窄液晶間隙對液晶的反應速度有很大幫助，不過以窄液晶間隙控制方式生產液晶顯示器，對良率也會發生一定的影響。 液晶顯示器的反應速度隨著液晶顯示模式有很大差異，以往車用液晶顯示器以TN液晶為主流，TN液晶的低溫反應速度非常好，容易實現低成本化，相較之下后述追求高畫質的ASV（Advanced SuperView）液晶，黑白之間的反應速度媲美TN液晶，不過黑與灰色等中間色階的反應速度卻很遲緩，解決對策例如追加過驅動（Overshootdrive）電路，就可以克服色階之間的差異，如圖4。 圖4 Overshoot驅動的動作原理 其它液晶顯示器廠商高畫質面板使用的IPS（In PlaneSwitching）液晶，并無類似ASV液晶中間色階遲緩問題，而且任何色階都沒有明顯差異，不過液晶整體在低溫時還稱不上高速反應，一般認為IPS液晶示來勢必采用與ASV液晶加上過驅動技術，才能夠有效改善液晶顯示器的反應速度。 車用LCD的發展動向 高畫質化 汽車導航開始普及并逐漸成為日常商品，普及機型除了維持原本的特性之外，成本反變成最高順位。高級機型卻持續高畫質化發展，主要理由第一是家用液晶電視不斷進行高畫質進化，造成高級汽車持有者也希望追求高畫質的車用顯示器，第二是高畫質的根本手段是提高影像的對比使黑色畫面更黑，即使夜間顯示黑色畫面，背光模塊的光線也不會漏光，可以完全融入周圍環境與設計，如圖5所示。 圖5 高對比的汽車儀表板設計范例 所謂對比特性是以“白色亮度”/“黑色亮度”的百分比方式計算，換句話說無限制度對比的數值變大，可以使黑色顯示的影像無限制接近黑色。國外液晶顯示器業者曾經在2007年發表2500：1的全球最高對比車用液晶顯示器，業者為實現高對比除了采用ASV液晶之外，同時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，才能夠實現如此高的影像對比值。 高對比以外的高畫質化要因，視色范圍的寬廣化也很重要，特別是車用液晶顯示器，大多高置在駕駛者與助手席中間的中央控制臺，從左右大約30度角觀賞畫面。此外考慮座位的前與后身體左右的移動，設計上大多以左右45度鎖定顯示畫面的畫質（或對比），因此高對比與視范圍的擴大，同樣都是高畫質化的重要因素之一。 色再現范圍的擴大也很重要，家用液晶電視為追求高精細鮮艷的影像畫面，不斷提升NTSC比即色再現范圍，其實車用液晶顯示器也有同樣的發展趨勢，例如高級車系使用的車用液晶顯示器，已經從以往50%左右的NTSC比，逐漸向65%、75%進化，一般認為今后NTSC比還會持續提升。 這些高畫質化技術通常都與面板穿透率有關，例如高畫質化會使面板的穿透率降低，如果維持相同面板亮度，相對的必需提高背光照明模塊的亮度，不過如此一來卻會引發發熱增加、系統厚度與邊緣寬度變大、成本上升等一連串問題。 冷陰極燈管背光照明模塊對于相同外形實現高亮度有其極限，相比較之下LED背光照明模塊發光效率的提升還有很大的空間，因此液晶顯示器廠商普遍認為LED背光照明模塊今后的發展很值得期待。 圖6 整合型汽車儀表板設計范例 大型化的動向 以上介紹的內容大多集中在汽車導航的液晶顯示器，最近幾年汽車廠商提案，利用液晶顯示器取代傳統機械式駕駛信息指針儀表。過去某些車型曾經使用液晶、真空螢光管等元件作為數字駕駛信息顯示，這類顯示器主要特征不論顏色、顯示內容都是固定的，而且都是單一功能，目前汽車廠商的提案是更換成全彩高畫質液晶顯示器，使用上可以隨時依照實際需求自由切換顯示內容，提供駕駛員必要的各種信息。 上述的具體方法是在儀表板內嵌8英寸左右的TFT液晶顯示器，就可以顯示與傳統機械指儀表相同的影像，夜間若切換成紅外線攝影機，還可以辨識黑暗場所的動物與行人，其實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，已在2005年被某些汽車廠商采用，未來將出現的各式內嵌液晶面板的顯示畫面，如圖六所示包含引擎轉速、車速、水/油等行車資訊與導航儀、各種警告顯示、車輛狀態，或是利用前后四周攝影機構成的電子后視鏡（BackMirror）影像，或是利用無線網路傳送的資訊、TV、DVD、線上游戲、電影等應用畫面等，因此某些車廠采用畫面尺英寸大于12英寸以上的全彩高畫質液晶顯示器。 只不過汽車廠商私下認為，提供的資訊如此繁雜，尤其是某些資訊要求駕駛員在行車途中瞬間進行判斷，然而隨著顯示方法的不同，反而會使駕駛員更混亂，因此車廠認為顯示方法必需充分考慮、規劃。此外法規上自由性的規范非常多，因此汽車廠商幾乎已經陷入不得不更加慎重檢討的窘境，不過整體而言未來汽車的儀表板肯定會朝高畫質全彩液晶顯示器發展。 圖7 半穿透性液晶顯示器的斷面結構 車用液晶顯示器專用液晶顯示器 半穿透型高畫質全彩液晶顯示器 前文曾提到車用液晶顯示器的亮度必需超越環境光線，不過半穿透型高畫質全彩液晶顯示器的各畫素，同時高有穿透電極與反射電極，如圖七所示，反射電極部位的液晶間隙（Cell Gap）只有穿透電極的一半，穿透與反射兩電極形成多間隙（MultiGap）結構，利用這種特殊構造組合穿透與反射的光學特性，就可以改善顯示畫面亮度不足的困擾。 半穿透型高畫質全彩液晶顯示器的反射電極部分光線穿透率會降低，其結果造成背光照明模塊的畫面亮度降低，不過外部光線一旦變亮，利用外部光線的入射，反射電極部位的亮度會提升，因此半穿透型液晶顯示器在任何外部光線環境下，都可以維持一定的畫面辨識性。 圖8是半穿透型高畫質全彩液晶顯示器與傳統穿透型液晶顯示器，在相同外部光線下的辨識性比較結果，由圖可知照度變強時，傳統穿透型液晶顯示器的畫面亮度稍為提升，主要原因是偏光板表面等多余的反射光，實際上對影像毫幫助，相較之下半穿透型高畫質全彩液晶顯示器無外部光線時，畫面亮度只有穿透型液晶顯示器的一半，在6萬照度（lx）的外部光線下，畫面亮度超過2500cd/m2。 圖8 半穿透型液晶顯示器在外亂光下認性比較 雙重顯示 駕駛者需要導航畫面資料，助手席的乘客希望觀賞電視的需求越來越高漲，可以同時滿足這樣需求就是所謂的雙重顯示（Dual View）高畫質全彩液晶顯示器。 基本上這種液晶顯示器是將視差障礙設置在面板畫素內，再分別辦入不同畫面影像，觀視者只能分別從左、右單側面視角讀取液晶顯示器的畫面影像，如此一來就可以同滿足駕駛者與助手席的乘客觀賞液晶顯示器畫面的需求。 結語 本文介紹車用液晶顯示器的開發技巧與未來發展動向。汽車進行一場史無前例的電子化革新運動，可以即時提供駕駛者即時必要的各種行車資訊，以及利用無線網路傳送技術，提供乘客TV、DVD、線上游戲、電影等服務的車用液晶顯示器，它的重要性與必要性越來越受到重視。 一般認為不久的未來車用液晶顯示器完全取代傳統機械式指針儀表板，通過液晶顯示器與其它電子感測器、攝影機的組合，可以提供駕駛者安全、舒適的行車環境。在此同時，車用液晶顯示器勢必追求更高的視認性，這意味著品質與可靠性提升技術的開發，將成為液晶顯示器系統廠商必需克服的課題。 |
