车用液晶面板设计技巧

2009年02月26日 19:02    虞美人
关键词: 技巧 , 面板 , 设计 , 液晶
从90年代 TFT屏幕汽车导航仪问世至今,历经20年的发展,目前已经成为生活周遭随处可见的数字电子机器,日本地区超过70%的新车均配备导航仪。
  根据调查,多数的日本人希望可以在车内收看到电视,特别是支持地面数字电视、数字音乐等功能的硬盘导航仪,已经成为拉动导航仪购买意愿的主要因素。欧洲地区配备汽车导航仪的汽车低于10%,它与导航仪内建各种娱乐功能的日系汽车截然不同,欧系汽车将人机介面(Human MachineInterface/Man Machine Interface ;HMI/MMI)当作驾驶支持界面,以高级汽车为中心配备液晶显示器的车型非常多。
  美国地区的情况又不一样,由于美国的道路规划非常有系统,只要依照街道名称、号码就可以到达目的地,因此对汽车导航仪的需求并不熟络,反而是全家长距离外出旅游时,在后座利用液晶显示器观赏DVD、电视娱乐的即时娱乐用途却很发达。
  肩负路径导航、行车支持、游戏娱乐发展的车用液晶显示器,在汽车严苛环境条件下,伴随着汽车导航仪的普及推广,目前正进行重大的应用蜕变,最近甚至跨越汽车导航仪,成为汽车仪表的警示与行车辅助用显示器。
  汽车厂商的可靠性与品质要求严苛,根本不是一般家电、电脑、数子产品等消费性产业可以比较,它涉及高可靠性液晶显示器的开发、品质管理系统、日常的生产活动,必需建立汽车专用的操作系统。
要求特性
耐环境性

  车用液晶显示器最基本的要求特性就是耐环境性,表1是车用液晶显示器的可靠性试验规范。因为汽车厂商的不同,要求条件更严苛的耐环境试验,例如高温+95℃、低温-40℃、高温高湿65℃、湿度90%、试验时间2000小时等特性,面临这种情况厂商利用随机抽样样品进行试验,确认实用上完全符合耐环境试验要求的特性。
  以上是有关可靠性的试验事项,实际上液晶显示器也是在这样的温度范围内使用,因此要求各种电气、机械、光学特性同样必需在这样的温度范围内正常动作,然而所有特性在如此温度范围内不易获得平衡的结果,包含后述低温时的光学特性、高温时的自我发热、对可靠性的极限,目前性能上还无法完全满足汽车厂商的要求。
表1 车用液晶显示器的可靠性试验规范


  与其它用途截然不同的车用液晶显示器特性首推画面亮度,主要原因是车用液晶显示器在室外强烈阳光下,要求很高的影像画面可视性,一般移动电话可以在室内或是室外强烈阳光下使用,移动电话改变方向或是利用手、身体都可以遮盖阳光,然而固定在车内的液晶显示器却无法任意改变方向,因此要求画面亮度必需超过阳光。
  类似汽车导航仪的触控面板粘贴在画面上,触控面板会造成穿透率下降,此外触控面板的表面会反射外部光线,导致液晶显示器的可视性降低。虽然日本Sharp公司将触控感测器制作在薄膜电晶体周围,试图以此改善触控面板的光线穿透率与反射问题,不过这样会使生产工艺与成本变得更复杂、昂贵。车用液晶显示器的亮度通常都很高,某些液晶显示器内置(In-panel)穿透率低于50%的保护压克力板,高级车系还配合整体设计,引擎未启动时液晶显示器画面呈全黑状,这种情况下特别需要高亮度的液晶显示器。
  一般液晶显示器将450~500cd/m2的亮度当作标准值,某些情况下要求450~500cd/m2以上,甚至超过1000cd/m2以上的规格,主要原因是液晶显示器的穿透率有一定极限,因此必需大幅提高背光照明模块的亮度。
  车用液晶显示器与移动电话、NB、PC相比,另外一个差异是亮度的角度特性,因为车用液晶显示器的配光特性非常特殊。移动电话、NB、PC与其它个人用电子产品大多将显示画面当作正面使用,只要维持正面亮度作为商品就没有问题,不过车用的场合液晶显示器大多固定在仪表板侧边,从驾驶员与助手席大约30度的角度观赏画面,因此汽车用与移动电话用途的配光特性截然不同,不过这些特性可以通过背光模块构成元件的光学膜片组合获得。
  图1是汽车用与移动电话用液晶显示器的配光特性,图中的(1)与(2)分别是车用晶显示器的配光特性实例,(4)是移动电话用液晶显示器配光特性实例。

图1  背光模组的辉度-角度的特性比较
  移动电话的液晶显示器本身亮度很低,不过它利用光学膜片使光线收敛在正面方向,即使相同光源正面也可以变化非常明亮。(3)是利用与移动电话相同的光学膜片,构成的车用液晶显示器光源结构。
  由此可知采用与移动电话相同光学膜片结构的场合,即使光源与一般车用相同,正面亮度大约是1.4倍,不过30度角的亮度却降低40%。综合以上现象,车用液晶显示器若与移动电话比较,即使相同画面面积,光源要求的亮度则需是:
  正面亮度的比大约2倍×配光特性构成的比大约1.4倍=2.8倍
  此处以7英寸车用液晶显示器与2.75英寸移动电话用液晶显示器为例,上述2.8倍需要再乘上两者画面显示范围的面积比大约8.6倍,接着再依此单纯计算车用液晶显示器的光源大约需要24倍,换句话说车用背光照明模块的消费电力、发热、成本,都比便携式产品大非常多。
CCFL与LED亮度的站立特性
  以上介绍的配光特性是常温、稳定状态下的特性。车用液晶显示器背光照明模块的光源主要使用冷阴极灯管(CCFL),低温时特别是点灯后数分~数十分亮度才提升,例如-20℃点灯开始的亮度是常温稳定状态的10~20%左右,如图2,因此冷阴极灯管方式的液晶显示器,低亮度一直被视为重大课题。

图2  CCFL与LED背光模组的辉度-角度的特性比较
  至目前为止液晶面板厂商曾经针对背光照明模块进行各种对策,例如降低冷阴极灯管的气体压力、电流调节器(Boost)等,不过一般认为根本解决对策是背光照明模块LED化。
  其实移动电话背光照明模块的光源从开始就使用LED,车用背光照明模块却迟迟未使用LED光源,主要原因分别如下:
  ·受到亮度、配光特性、画面大小总合的影响,车用液晶显示器要求的能量非常大,加上以往LED的发光效率很低,因此LED的消费电力一直都比冷阴极灯管方式高;
  ·在车用的温度条件下为确保可靠性,每个LED的最大容许电流、温度必需大幅降低,亦即高温时施加的最大电流值降必需至常温的60%~71%,亮度降低的部分则增加LED的使用数量以维持亮度;
  ·恶化循环的结果,造成LED背光照明模块的成本暴增。
  最近几年LED的发光效率大幅提升,2005年LED的消耗电力终于达到与冷阴极灯管相同水准,开始被当作车用背光照明模块的光源使用。
  背光照明模块的LED化,首先解除低温时的亮度特性课题,此外变成环保负担物质的水银也完全被除,尤其是全球各大汽车公司一直将环保行动的融入、参与视为重要的课题。
  基于LED背光照明模块的成本限制,目前汽车导航仪与低价机型还未普及化,不过随着LED的发光效率提升与高可靠性的落实,今后背光照明模块是必将全部LED化。
反应速度
  最近大型液晶电视的反应速度经常成为话题的焦点,主要原因是大型液晶电视对运动等快速移动的画面容易发生残影画质,不过这个问题只是单纯室温下的现象。
  车用液晶显示器争论的是-20℃与-30℃时的反应速度,如图3所示液晶低温时粘度会增加,反应速度急剧降低。此外车用液晶显示器的画面尺英寸比液晶电视小,而且不要求大型液晶电视的高画质化,因此常温时无法成为讨论的对象。

图3  反映速度的温度依存性
  低温时的反应速度一旦低于150ms,例如电影中汽车突然碾过脚踏车时,就无法清楚识认该场景,某些场合还会发生液晶显示器显示的指针等行车资料模糊,无法辨识等危险状况。
  为解决上述问题,要求液晶材料温度特性范围非常宽广,车用液晶材料使用-40℃以下凝固温度的材料,不过液晶一旦接近该凝固温度时粘度会急剧增加,因此液晶材料必需低粘度化,同时使挟着液晶材料的两片玻璃基板间隙变窄,因为窄液晶间隙对液晶的反应速度有很大帮助,不过以窄液晶间隙控制方式生产液晶显示器,对良率也会发生一定的影响。
  液晶显示器的反应速度随着液晶显示模式有很大差异,以往车用液晶显示器以TN液晶为主流,TN液晶的低温反应速度非常好,容易实现低成本化,相较之下后述追求高画质的ASV(Advanced SuperView)液晶,黑白之间的反应速度媲美TN液晶,不过黑与灰色等中间色阶的反应速度却很迟缓,解决对策例如追加过驱动(Overshootdrive)电路,就可以克服色阶之间的差异,如图4。

图4  Overshoot驱动的动作原理
  其它液晶显示器厂商高画质面板使用的IPS(In PlaneSwitching)液晶,并无类似ASV液晶中间色阶迟缓问题,而且任何色阶都没有明显差异,不过液晶整体在低温时还称不上高速反应,一般认为IPS液晶示来势必采用与ASV液晶加上过驱动技术,才能够有效改善液晶显示器的反应速度。
车用LCD的发展动向
高画质化

  汽车导航开始普及并逐渐成为日常商品,普及机型除了维持原本的特性之外,成本反变成最高顺位。高级机型却持续高画质化发展,主要理由第一是家用液晶电视不断进行高画质进化,造成高级汽车持有者也希望追求高画质的车用显示器,第二是高画质的根本手段是提高影像的对比使黑色画面更黑,即使夜间显示黑色画面,背光模块的光线也不会漏光,可以完全融入周围环境与设计,如图5所示。

图5  高对比的汽车仪表板设计范例
  所谓对比特性是以“白色亮度”/“黑色亮度”的百分比方式计算,换句话说无限制度对比的数值变大,可以使黑色显示的影像无限制接近黑色。国外液晶显示器业者曾经在2007年发表2500:1的全球最高对比车用液晶显示器,业者为实现高对比除了采用ASV液晶之外,同时还大幅抑制彩色滤光膜片与偏光膜片中变成漏光原因的光散乱现象,才能够实现如此高的影像对比值。
  高对比以外的高画质化要因,视色范围的宽广化也很重要,特别是车用液晶显示器,大多高置在驾驶者与助手席中间的中央控制台,从左右大约30度角观赏画面。此外考虑座位的前与后身体左右的移动,设计上大多以左右45度锁定显示画面的画质(或对比),因此高对比与视范围的扩大,同样都是高画质化的重要因素之一。
色再现范围的扩大也很重要,家用液晶电视为追求高精细鲜艳的影像画面,不断提升NTSC比即色再现范围,其实车用液晶显示器也有同样的发展趋势,例如高级车系使用的车用液晶显示器,已经从以往50%左右的NTSC比,逐渐向65%、75%进化,一般认为今后NTSC比还会持续提升。
  这些高画质化技术通常都与面板穿透率有关,例如高画质化会使面板的穿透率降低,如果维持相同面板亮度,相对的必需提高背光照明模块的亮度,不过如此一来却会引发发热增加、系统厚度与边缘宽度变大、成本上升等一连串问题。
  冷阴极灯管背光照明模块对于相同外形实现高亮度有其极限,相比较之下LED背光照明模块发光效率的提升还有很大的空间,因此液晶显示器厂商普遍认为LED背光照明模块今后的发展很值得期待。

图6  整合型汽车仪表板设计范例
大型化的动向
  以上介绍的内容大多集中在汽车导航的液晶显示器,最近几年汽车厂商提案,利用液晶显示器取代传统机械式驾驶信息指针仪表。过去某些车型曾经使用液晶、真空萤光管等元件作为数字驾驶信息显示,这类显示器主要特征不论颜色、显示内容都是固定的,而且都是单一功能,目前汽车厂商的提案是更换成全彩高画质液晶显示器,使用上可以随时依照实际需求自由切换显示内容,提供驾驶员必要的各种信息。
  上述的具体方法是在仪表板内嵌8英寸左右的TFT液晶显示器,就可以显示与传统机械指仪表相同的影像,夜间若切换成红外线摄影机,还可以辨识黑暗场所的动物与行人,其实这种可以切换成夜间影像模式、具备多功能内嵌面板(In-Panel)的液晶显示器,已在2005年被某些汽车厂商采用,未来将出现的各式内嵌液晶面板的显示画面,如图六所示包含引擎转速、车速、水/油等行车资讯与导航仪、各种警告显示、车辆状态,或是利用前后四周摄影机构成的电子后视镜(BackMirror)影像,或是利用无线网路传送的资讯、TV、DVD、线上游戏、电影等应用画面等,因此某些车厂采用画面尺英寸大于12英寸以上的全彩高画质液晶显示器。
  只不过汽车厂商私下认为,提供的资讯如此繁杂,尤其是某些资讯要求驾驶员在行车途中瞬间进行判断,然而随着显示方法的不同,反而会使驾驶员更混乱,因此车厂认为显示方法必需充分考虑、规划。此外法规上自由性的规范非常多,因此汽车厂商几乎已经陷入不得不更加慎重检讨的窘境,不过整体而言未来汽车的仪表板肯定会朝高画质全彩液晶显示器发展。

图7  半穿透性液晶显示器的断面结构
车用液晶显示器专用液晶显示器
半穿透型高画质全彩液晶显示器

  前文曾提到车用液晶显示器的亮度必需超越环境光线,不过半穿透型高画质全彩液晶显示器的各画素,同时高有穿透电极与反射电极,如图七所示,反射电极部位的液晶间隙(Cell Gap)只有穿透电极的一半,穿透与反射两电极形成多间隙(MultiGap)结构,利用这种特殊构造组合穿透与反射的光学特性,就可以改善显示画面亮度不足的困扰。
  半穿透型高画质全彩液晶显示器的反射电极部分光线穿透率会降低,其结果造成背光照明模块的画面亮度降低,不过外部光线一旦变亮,利用外部光线的入射,反射电极部位的亮度会提升,因此半穿透型液晶显示器在任何外部光线环境下,都可以维持一定的画面辨识性。
  图8是半穿透型高画质全彩液晶显示器与传统穿透型液晶显示器,在相同外部光线下的辨识性比较结果,由图可知照度变强时,传统穿透型液晶显示器的画面亮度稍为提升,主要原因是偏光板表面等多余的反射光,实际上对影像毫帮助,相较之下半穿透型高画质全彩液晶显示器无外部光线时,画面亮度只有穿透型液晶显示器的一半,在6万照度(lx)的外部光线下,画面亮度超过2500cd/m2。

图8  半穿透型液晶显示器在外乱光下认性比较
双重显示
  驾驶者需要导航画面资料,助手席的乘客希望观赏电视的需求越来越高涨,可以同时满足这样需求就是所谓的双重显示(Dual View)高画质全彩液晶显示器。
  基本上这种液晶显示器是将视差障碍设置在面板画素内,再分别办入不同画面影像,观视者只能分别从左、右单侧面视角读取液晶显示器的画面影像,如此一来就可以同满足驾驶者与助手席的乘客观赏液晶显示器画面的需求。
结语
  本文介绍车用液晶显示器的开发技巧与未来发展动向。汽车进行一场史无前例的电子化革新运动,可以即时提供驾驶者即时必要的各种行车资讯,以及利用无线网路传送技术,提供乘客TV、DVD、线上游戏、电影等服务的车用液晶显示器,它的重要性与必要性越来越受到重视。
  一般认为不久的未来车用液晶显示器完全取代传统机械式指针仪表板,通过液晶显示器与其它电子感测器、摄影机的组合,可以提供驾驶者安全、舒适的行车环境。在此同时,车用液晶显示器势必追求更高的视认性,这意味着品质与可靠性提升技术的开发,将成为液晶显示器系统厂商必需克服的课题。
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