軍用飛機座艙顯示圖像源技術

李 林 吳衛玲 周致迎

(海軍航空工程學院青島校區 青島 266041)

軍用飛機座艙顯示圖像源技術

李 林 吳衛玲 周致迎

(海軍航空工程學院青島校區 青島 266041)

圖像源技術是軍用飛機座艙顯示的關鍵技術,直接決定著座艙顯示的質量和效果。結合現代軍用飛機主要采用的座艙顯示圖像源,研究了CRT、LCD和ELD三種主要顯示圖像源的構造、原理、特點和應用情況,并對顯示圖像源技術的發展做了展望。

軍用飛機; 座艙顯示; 圖像源

Class Number TP391

1 引言

現代軍用飛機座艙中的顯示器主要包括平視顯示器、多功能顯示器、頭盔顯示器和儀表顯示器等[1]。這些顯示器可以采用直觀方式觀看(如多功能顯示器、儀表顯示器),或者經過光學系統觀看(如平視顯示器、頭盔顯示器)。

根據顯示器所處的環境、顯示的信息種類的不同,軍用飛機座艙顯示圖像源需要采用不同類型的顯示器件。當前,軍用飛機座艙顯示圖像源使用比較廣泛的主要有陰極射線管(CRT)、液晶顯示屏(LCD)和電致發光顯示屏(ELD)。軍用飛機平視顯示器普遍采用CRT作為圖像源,是因為考慮到其具有亮度高、定位精度高等優點;多功能顯示器采用LCD,是因為AM-LCD顯示器不斷下降的價格和不斷提高的圖像質量;而新型軍用飛機采用ELD,則是考慮到了環境適應性的要求[2]。

2 陰極射線管(CRT)

陰極射線管(Cathode Ray Tube,CRT)作為顯示器件有單色CRT和彩色CRT兩種。軍用飛機機載電子顯示器從開始研制到20世紀70年代,一直是單色陰極射線管的天下;70年代末期法國“幻影”2000戰斗機研制的下視顯示器采用穿透式三色陰極射線管,成為第一種裝機使用的彩色電子顯示器。目前,單色CRT在平視顯示器中還有應用,而彩色CRT在下視顯示器中得到了廣泛的應用[3]。

2.1 單色陰極射線管

陰極射線管是一種電真空器件,外形結構為漏斗形的玻璃殼。CRT包含三大部件:

1) 發射電子并將它們會聚成細束的電子槍;

2) 使電子束在熒光屏上掃描的偏轉系統;

3) 根據電子束能量強弱發出不同亮度光的熒光屏。

通過控制偏轉信號的形式可使電子束在熒光屏上描繪出各種圖形和圖像。按照電子束偏轉方式的不同,CRT可分為兩類:一類是通過電場控制電子束的偏轉,稱為靜電式CRT,如圖1(a)所示;另一類是利用磁場控制電子束的偏轉,稱為電磁式CRT,如圖1(b)所示。電磁式CRT和靜電式CRT相比具有以下的優點:1)聚焦特性好,偏轉角較大,而且圖像清晰;2)亮度高;3)偏轉系統工作在低電壓狀態,有利于驅動系統的集成化;4)電極結構簡單,成本低。

圖1 CRT的結構

目前,軍用飛機座艙顯示器CRT大多采用電磁式偏轉系統[4]。

2.2 彩色陰極射線管

彩色CRT在熒光屏上涂覆了一層能發紅、綠、藍三種基本顏色的熒光材料,利用色度學的相加混色原理和人眼視覺、色覺生理特點產生出各種各樣的顏色。彩色CRT按色彩重現控制方式分類,主要有蔭罩式、聚焦柵式、束指引式和穿透式四大類。軍用飛機座艙顯示器主要采用蔭罩式彩色CRT,它包括三槍三束式CRT和單槍三束式CRT[5]。

2.2.1 三槍三束式彩色CRT

第一支三槍三束管于1949年由美國RCA公司研制出來,為圓形屏,偏轉角45°,有效屏對角線76.2mm,金屬外殼。1957年制出全玻殼彩色顯像管,1964年制出全玻殼矩形彩色管。1969年推出了黑底技術,黑底管的玻屏透光率可達85%,加上使用發光效率高的熒光粉,使亮度提高了一倍多。與此同時為了實現扁平化,將偏轉角從70°提高到90°,進而擴大到110°。20世紀70年代初相繼出現過110°、114°、118°、120°以及122°的管子,但過大的偏轉角消耗功率大。目前大體上以19英寸為分界線,19英寸以下的多用90°偏轉角,19英寸以上的多采用100°或110°偏轉角[6]。

圖2(a)給出了三槍三束式彩色CRT的結構,三槍三束管的原理示意見圖2(b)。它的三個電子槍呈品字形排列,三槍都向中心軸線傾斜1°～1.5°以求得靜會聚。選色機構為一蔭罩,由厚度為0.10～0.13mm鋼板制成,上面刻蝕出40～100多萬個圓孔。熒光面是由40～100多萬個紅(R)、綠(G)、藍(B)熒光粉點組排列而成,每個圓孔下有一組熒光粉點,三個粉點組成的三角形正好與三個電子槍組成的三角形互成鏡面對稱,以符合小孔成像原理,這樣就保證了在電子束掃描時每一個電子槍發出的電子束只能打到屏面上確定基色的粉點上。當熒光粉點被電子束激發而發光時,由于人眼的視覺特性,人眼所看到的就是由三基色混合而成的彩色圖像。

圖2 彩色CRT的結構

三槍三束管正常工作的一個重要條件是三電子束沿蔭罩面掃描時必須始終能會聚在蔭罩面的一點上,這樣才能使三束電子束共同穿過同一定色孔并分別打在一個粉點組的三個基色粉點上。但是如不采取特殊措施,必然發生三束在蔭罩面上失聚,其原因為:

1) 盡管三個電子槍對管軸是對稱的,且向管軸有一定傾斜,但由于制造上的公差,達到靜會聚很困難;

2) 通常蔭罩曲率半徑大于偏轉中心到蔭罩中心的距離,即使中心達到了靜會聚,隨著偏轉角的增大,三束的會聚點離蔭罩越來越遠,如圖3所示。

圖3 由于蔭罩曲率半徑較大引起的三束失聚

3) 三支電子槍雖然相對軸對稱,但在圓周方向互相轉過120°,所以各個電子槍相對偏轉磁場都是不對稱的,因此在蔭罩面上掃出的三個光柵就產生不同的變形,如圖4所示。

圖4 品字形三槍發出的三束電子束在共同偏轉磁場下產生的掃描光柵變形

在加上偏轉磁場后,為使三束電子束掃描到蔭罩面任何點處都保持會聚,必須采取動會聚措施,即在行動會聚線圈和場動會聚線圈中加入具有特殊波形的會聚電流。紅、綠、藍每一束的動會聚都需要4個調節旋鈕,加上靜會聚還需4個調節旋鈕,所以一共要16個調節旋鈕。可想而知,這種調節是十分復雜的。并且隨著偏轉角的增大,動態失聚會越嚴重,動會聚線圈及其外電路也就越復雜。

2.2.2 單槍三束式彩色CRT

單槍三束式彩色CRT于1968年由日本索尼公司研制成功,其結構如圖5所示,它由三個獨立成“一”字排列的陰極組成,發出三支平行的電子束。中間是綠電子束,紅電子束和藍電子束在其兩旁。控制柵極、加速陽極和聚焦電極都只有一組。三支電子束被公共的電極聚焦、加速,然后再分成三股射出。由于三支電子束是由一個電子槍射出,所以稱為單槍三束式彩色CRT[7]。

圖5 單槍三束式彩色CRT

單槍三束式彩色CRT中的三支電子束排列在一條直線上,所以三色熒光粉也必須由蔭罩管的點狀“品”字排列改為垂直細條排列。它們按紅、綠、藍的順序在熒光屏上從左至右依次排列。若以紅、綠、藍為一組色條,則整個熒光屏共涂有400～500組色條。為使三支電子束各自擊中所對應的熒光粉條,在屏幕與電子槍之間放置了一塊隙縫式蔭罩板。三支平行的電子束在會聚偏轉板的作用下,會聚在蔭罩板的隙縫處,然后轟擊各自的熒光粉條。單槍三束式彩色CRT電極結構如圖6所示。

圖6 單槍三束管的電極結構

在控制柵極G1上有三個小孔,它們分別對著三個陰極;加速極G2上也有對應的三個小孔以使三支電子束通過。工作時,調制極(控制柵極)G1接地,三個陰極上分別加三基色的信號調制電子束的強弱。為了提高束透過率,采用了垂直條狀的柵網蔭罩,使透過率提高到約30%,所以這種CRT又稱為柵網式彩色CRT。

由于三條電子束在同一個平面內呈一字排列,因此在任何偏轉狀態下三條軌跡大致都保持在同一水平線上,故只需進行水平方向的動態會聚誤差校正。靜會聚靠垂直安置的會聚板來實現。總之,單槍三束管大大簡化了會聚的調節,只需要1～2個旋鈕。

單槍三束管具有圖像亮度高、偏轉功率低、結構簡單、成本低等優點。它的缺點是條形柵剛性差、易顫動,受電子束轟擊時易變形從而影響圖像清晰度;柱形屏面耐壓差、動會聚仍不理想等。因此,除采用一定彈性的框架外,對大屏幕CRT還必須在條網上加一定數量的橫條。此外條狀熒光粉產生的影像不如點狀熒光粉來得細致。

3 液晶顯示器(LCD)

液晶顯示(Liquid Crystal Display,LCD)是眾多平板顯示技術中發展最成熟,而且在軍用飛機上應用面最廣并且已經產業化的一種顯示技術。液晶顯示是一種被動顯示,通過改變外部光的透射率或反射率形成顯示的圖像,最大優點是低電壓、低功率、體積小、質量小,從根本上解決了CRT驅動電壓高、體積大、質量大的問題。據統計,美國54.4%軍用顯示器是平板顯示器,其中LCD占36%,其它平板顯示器占18.3%。

3.1 單色LCD顯示原理[8]

液晶顯示的原理是液晶的電光效應。在液晶薄膜上加電壓時,會改變液晶的透過率和反射率,這種現象稱為液晶的電光效應。已發現的電光效應有:電流效應,如動態散射;電場效應,如扭曲效應、相變效應、賓主效應和場感應雙折射等。根據這些原理可制成片段式數字液晶顯示板、矩陣式字符圖像液晶顯示板及液晶光閥大屏幕顯示。

液晶顯示板的結構如圖7所示。它有上下兩塊透明玻璃基板,兩基板的間距為10～30μm,其間充以液晶材料,四周用聚酯樹脂密封起來。靠上基板處用導電透明材料制作成許多條水平電極X,靠下基板處用金屬或導電玻璃線制成許多垂直電極Y。X電極和Y電極的交點相應為一個像素。

圖7 液晶顯示板結構

圖8給出了液晶顯示原理圖。用X,Y電極進行矩陣式選址,只要Xi和Yi加上電壓,相應單元(Xi,Yi)就會因受到電場激勵而改變分子排列,外界光照射時這一單元所呈現的光阻發生變化。人們從外界觀察時,就看到這個單元變了色,從而達到了顯示斑點的目的。

3.2 彩色LCD顯示原理

液晶彩色顯示有兩種方式,第一種是利用規則排列的液晶分子群所具有的旋光性方式,即扭曲向列型—場效應偏轉電方式;第二種是利用二色性染料的方式,即賓主方式。

圖8 液晶顯示原理圖

所謂賓主方式是指把二色性染料(賓)溶解于特定排列的向列型晶體(主)中,在施加電場的情況下,作為“主”的液晶分子排列和作為“賓”的染料分子排列均將發生變化,通過電控的方式來控制染料對可見光的吸收量,從而得到絢麗多彩的顯示。賓主方式液晶器件可獲得較高的彩色對比度。

3.3 特點

液晶顯示器具有其他顯示器無可比擬的優點。

1) 低壓、微功耗

液晶顯示器的工作電壓可低至2V～3V,工作電流只有幾個微安,即功耗只有10-6～10-5W/cm2,這是任何別的顯示器件做不到的。液晶的低壓、微功耗正好與大規模集成電路的發展相適應,使電子手表、計算器、手提電腦、GPS電子地圖成為可能。

2) 平板結構

液晶顯示器的基本結構是兩片導電玻璃中間灌有液晶的薄形盒,結構十分簡單,輕而薄,只有幾個毫米厚。由于液晶本身電阻率很高,接近為絕緣體,在矩陣尋址工作方式下,對液晶層用不著做任何處理,只要在電極上光刻出相應圖形即可,所以開口率高;此外顯示面積做大、做小都較容易;而且便于自動化大量生產,生產成本低。

3) 顯示信息量大

液晶顯示中,各像素之間不用采取隔離措施或預留隔離區,所以在同樣顯示窗口面積內可容納更多的像素,利于制成高清晰度電視。

4) 易于彩色化

液晶一般為無色,所以采用濾色膜很容易實現彩色。液晶所能顯示的彩色可與CRT顯示器相媲美。而在其它顯示器中,彩色化往往十分困難。

5) 壽命長

目前使用的LCD都是電場控制型,工作電壓低、電流很小,只要液晶的配套件不損壞,液晶幾乎不會劣化,壽命很長。

6) 無輻射、無污染

CRT顯示中有X射線輻射危險,PDP顯示中有高頻電磁輻射可能,而液晶顯示中不會出現這類問題,所以長時間工作在液晶顯示屏前,對人身健康無害。

但是,液晶顯示的缺點是其工作原理和液晶材料本身特性帶來的。

1) 顯示視角小

大部分LCD的工作原理是依靠液晶分子的各向異性,即對不同方向的入射光其反射率或折射率是不同的,所以視角較小,只有30°～40°。隨著視角的變大,對比度迅速變壞,甚至會發生對比度反轉現象。雖然已開發出一系列新工藝,可以大大改善液晶顯示的視角,但都會使制造成本顯著增加。

2) 響應速度慢

液晶顯示大多是依靠外加電場作用下液晶分子的排列發生變化實現的,所以響應速度受材料的粘滯性影響很大,一般為100ms～200ms,因此LCD在顯示快速移動的畫面時質量不好。為了適應液晶電視的需要,主要就是減薄液晶層厚度和在電路上想辦法。

3) 工作溫度范圍不夠

一般液晶的工作溫度為-10℃～+70℃。低溫工作時,液晶顯示器件的響應速度急劇下降而無法顯示,所以液晶顯示器件不適用于高寒地區軍用;而高溫會破壞液晶的定向層,造成不可恢復的損壞,所以液晶顯示器件也不適用于高熱地區軍用。

4) 無外光的情況下需要加背光源

由于液晶自身不發光,在無外光的情況下必須加背光源才可以工作。但是給LCD加背光源,其功耗小的優點就大打折扣;而且背光源的壽命遠沒有液晶壽命長,從而大大降低了LCD的工作壽命。

4 電致發光顯示器(ELD)

某些物質加上電壓后能將電能直接轉換成光能,這種發光現象就稱為電致發光顯示(Electro Luminescence,EL)。根據這個定義,從廣義上講,LED、OLED、半導體激光器、電致發光板都屬于電致發光顯示。這里所指的EL專指高電場下的電致發光,即把ZnS:Mn粉與介質混合或介于兩薄膜之間,加電壓發光的現象,又稱為本征電致發光。高場電致發光分為薄膜型和粉末型,供電方式又分直流和交流兩種,所以有如下四種組合:交流粉末型(AC-PEL)、直流粉末型(DC-PEL)、交流薄膜型(AC-TFEL)、直流薄膜型(DC-TFEL),其中已經用于圖像顯示并且已經產業化的AC-TFEL是研究重點[9]。

4.1 顯示原理

薄膜型交流EL器件(Lumcon)的基本結構如圖9所示。它類似一個平板電容器,在兩個相互平行的板狀電極之間填充發光物質與粘結劑的混合物,用防潮玻璃密封。

圖9 電致發光板的基本結構

當對AC-TFEL施加200V電壓時,發光層產生(1～2)×106V/cm的高壓場強,使發光層中的電子加速成為熱電子,轟擊發光中心,產生電致發光。

AC-TFEL為主動發光型,和CRT的區別在于:CRT中高能電子是在真空中被加速的,直接轟擊熒光粉使其發光;而在ELD中電子是在熒光粉層中被加速的。

當兩個電極間加上交流電場時,就可以從透明電極的一側看到所發出的光。實際應用中,把電致發光板做成矩陣電極結構,一條X電極和一條Y電極相互交叉的位置(X,Y)組成一個顯示像素。這樣n條X電極和m條Y電極組成的矩陣板,總共就有m×n個像素,而引出線只有n+m條。選通不同的X和Y電極(加上電壓)就可使交叉點的像素發光。這樣,按某種規律選通不同的X和Y電極,就可顯示出所需的數據或圖像。

4.2 顯示特性

1) 記憶特性

AC-TFEL采用脈沖驅動,經歷一個脈沖只發一次光,并與前一個脈沖極性關系很大。可以發現,如接著加同極性脈沖,則亮度急劇減小;如接著加反極性脈沖,則亮度又大增。原因是在高能強場中,發光層中的電子加速穿過發光層,激活Mn發光中心而發光。已穿過發光層的電子便在發光層與絕緣層的界面上積累起來,在發光層兩邊形成極化電荷(又稱為壁電荷),該極化電場將抵消下一個同極性脈沖電場的大部分,所以光亮減小。反之,如果下一個脈沖反轉,則極化電場與脈沖電壓產生的電場疊加,總電場變強,所以發光亮度增加。

利用記憶效應可制成具有灰度級的記憶板。作為視頻顯示板用的記憶板具有幀儲存的能力,減少了對器件發光效率的要求。

2) 電光特性

ELD最重要的工作特性是它的亮度和發光效率與工作電壓之間的關系,分別稱為B～U特性和η～U特性,如圖10所示。由圖中可見,亮度隨電壓升高急劇增強,在高壓區域趨于飽和。一般定義器件亮度為3.4cd/m2時所對應的工作電壓為閾值電壓Uth,器件正常工作時一般工作在(Uth+30)V,則是折中考慮到器件亮度和發光效率兩方面的因素。

圖10 在脈沖電壓激發下AC-TFEL的發光波形

3) 光寫入與擦除

這是對AC-TFEL記憶效應的利用。首先在器件上加一個大小等于Uth的脈沖Vs,同時進行外部光注入使熒光體發光,并產生與光強度相對應的壁電荷,與下一個反相脈沖重疊就繼續發光,其亮度與外部光注入相對應。利用光寫入特性可以將器件作為圖像存儲器。將具有灰度的圖像膠片置于器件的玻璃基板上,用紫外線照射,就可將膠片的灰度轉變成壁電荷的分布。當施加Vs后會顯示出一幅與原圖一樣的圖像,其分辨率可達3線/mm。

在維持脈沖停止期,用外部光照可使壁電荷緩慢復合,稱為光擦除。

4.3 特點

1) 電致發光顯示屬于主動發光,壽命長,可達幾萬小時;

2) 電致發光是一種場致發光,構造上無電流通過,發光效率高,但難以輸入功率,所以亮度高不上去;

3) 電致發光顯示無加熱元件,無真空,響應時間快(1～10μs);

4) 電致發光屬于全固體型,薄而牢,板材可以制成任何形狀,抗震性能強、工藝溫度范圍寬。

正是由于ELD顯示器具有上述特點,在對工作溫度范圍要求很嚴、抗震性能要求苛刻的領域如航天、航海、軍事設備、醫療設備中具有獨特的優勢,特別適合軍用[10]。

5 結語

軍用飛機座艙顯示技術的總體趨勢是向彩色平面化、多功能化、智能化和頭盔綜合顯示系統方面發展,其關鍵的座艙顯示圖像源技術也向微型化、平板化、彩色化、低功耗、長壽命、高分辨率的方向發展,產生了發光二極管(ELD)、有機發光二極管(OLED)、場發射顯示器(FED)數字微鏡等顯示技術,但由于這些新技術還不夠成熟和完善,尚未在軍用飛機上得到廣泛應用,因此CRT、LCD和ELD圖像源技術仍然占據主體地位[6]。但是,OLED等新技術已被列為美軍軍用顯示器的研發重點。

[1] 史彥斌,高憲軍,王遠達.航空電子系統導論[M].北京:國防工業出版社,2013:12-65.

[2] 孔淵,曲卡爾,等譯.座艙工程[M].北京:航空工業出版社,2014:112-216.

[3] 張德,斌郭定,馬利東.戰斗機座艙顯控技術的發展[J].電光與控制,2004:53-55.

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[6] 王宇弘.軍用顯示器的現狀與發展趨勢[J].電子產品世界,2005(3):104-106.

[7] 張德斌,郭定,馬利東,等.戰斗機座艙顯示的發展需求[J].電光與控制,2004,11(1):53-55.

[8] 王立偉,汪健甄.國外軍用飛機平視顯示器的發展[J].紅外與激光工程,2007:578-580.

[9] 邢新強,李國超,肖鋒.機載座艙顯示發展趨勢分析[J].飛機設計,2010(2):34-36.

[10] 熊華剛,王中華.先進航空電子綜合技術[M].北京:國防工業出版社,2009.

Image Source Technology of Military Aircraft Cockpit Display

LI Lin WU Weiling ZHOU Zhiying

(Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Campus, Qingdao 266041)

Image source is the key technology of military aircraft cockpit display, which determines the quality and effect of cockpit display. This paper analyses three main image sources of military aircraft cockpit display which are CRT, LCD and ELD technologies, and researches on their components, theory and application. Finally, this paper presents the development tendency of cockpit display image sources in the future.

military aircraft, cockpit display, image source

2016年8月3日,

2016年9月24日

李林,男,碩士,講師,研究方向:武器系統與運用工程。吳衛玲,女,碩士,副教授,研究方向:火力指揮與控制。周致迎,女,碩士,講師,研究方向:高等職業教育心理學。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.022