军用飞机座舱显示图像源技术

李 林 吴卫玲 周致迎

(海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)

军用飞机座舱显示图像源技术

李 林 吴卫玲 周致迎

(海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041)

图像源技术是军用飞机座舱显示的关键技术,直接决定着座舱显示的质量和效果。结合现代军用飞机主要采用的座舱显示图像源,研究了CRT、LCD和ELD三种主要显示图像源的构造、原理、特点和应用情况,并对显示图像源技术的发展做了展望。

军用飞机; 座舱显示; 图像源

Class Number TP391

1 引言

现代军用飞机座舱中的显示器主要包括平视显示器、多功能显示器、头盔显示器和仪表显示器等[1]。这些显示器可以采用直观方式观看(如多功能显示器、仪表显示器),或者经过光学系统观看(如平视显示器、头盔显示器)。

根据显示器所处的环境、显示的信息种类的不同,军用飞机座舱显示图像源需要采用不同类型的显示器件。当前,军用飞机座舱显示图像源使用比较广泛的主要有阴极射线管(CRT)、液晶显示屏(LCD)和电致发光显示屏(ELD)。军用飞机平视显示器普遍采用CRT作为图像源,是因为考虑到其具有亮度高、定位精度高等优点;多功能显示器采用LCD,是因为AM-LCD显示器不断下降的价格和不断提高的图像质量;而新型军用飞机采用ELD,则是考虑到了环境适应性的要求[2]。

2 阴极射线管(CRT)

阴极射线管(Cathode Ray Tube,CRT)作为显示器件有单色CRT和彩色CRT两种。军用飞机机载电子显示器从开始研制到20世纪70年代,一直是单色阴极射线管的天下;70年代末期法国“幻影”2000战斗机研制的下视显示器采用穿透式三色阴极射线管,成为第一种装机使用的彩色电子显示器。目前,单色CRT在平视显示器中还有应用,而彩色CRT在下视显示器中得到了广泛的应用[3]。

2.1 单色阴极射线管

阴极射线管是一种电真空器件,外形结构为漏斗形的玻璃壳。CRT包含三大部件:

1) 发射电子并将它们会聚成细束的电子枪;

2) 使电子束在荧光屏上扫描的偏转系统;

3) 根据电子束能量强弱发出不同亮度光的荧光屏。

通过控制偏转信号的形式可使电子束在荧光屏上描绘出各种图形和图像。按照电子束偏转方式的不同,CRT可分为两类:一类是通过电场控制电子束的偏转,称为静电式CRT,如图1(a)所示;另一类是利用磁场控制电子束的偏转,称为电磁式CRT,如图1(b)所示。电磁式CRT和静电式CRT相比具有以下的优点:1)聚焦特性好,偏转角较大,而且图像清晰;2)亮度高;3)偏转系统工作在低电压状态,有利于驱动系统的集成化;4)电极结构简单,成本低。

图1 CRT的结构

目前,军用飞机座舱显示器CRT大多采用电磁式偏转系统[4]。

2.2 彩色阴极射线管

彩色CRT在荧光屏上涂覆了一层能发红、绿、蓝三种基本颜色的荧光材料,利用色度学的相加混色原理和人眼视觉、色觉生理特点产生出各种各样的颜色。彩色CRT按色彩重现控制方式分类,主要有荫罩式、聚焦栅式、束指引式和穿透式四大类。军用飞机座舱显示器主要采用荫罩式彩色CRT,它包括三枪三束式CRT和单枪三束式CRT[5]。

2.2.1 三枪三束式彩色CRT

第一支三枪三束管于1949年由美国RCA公司研制出来,为圆形屏,偏转角45°,有效屏对角线76.2mm,金属外壳。1957年制出全玻壳彩色显像管,1964年制出全玻壳矩形彩色管。1969年推出了黑底技术,黑底管的玻屏透光率可达85%,加上使用发光效率高的荧光粉,使亮度提高了一倍多。与此同时为了实现扁平化,将偏转角从70°提高到90°,进而扩大到110°。20世纪70年代初相继出现过110°、114°、118°、120°以及122°的管子,但过大的偏转角消耗功率大。目前大体上以19英寸为分界线,19英寸以下的多用90°偏转角,19英寸以上的多采用100°或110°偏转角[6]。

图2(a)给出了三枪三束式彩色CRT的结构,三枪三束管的原理示意见图2(b)。它的三个电子枪呈品字形排列,三枪都向中心轴线倾斜1°～1.5°以求得静会聚。选色机构为一荫罩,由厚度为0.10～0.13mm钢板制成,上面刻蚀出40～100多万个圆孔。荧光面是由40～100多万个红(R)、绿(G)、蓝(B)荧光粉点组排列而成,每个圆孔下有一组荧光粉点,三个粉点组成的三角形正好与三个电子枪组成的三角形互成镜面对称,以符合小孔成像原理,这样就保证了在电子束扫描时每一个电子枪发出的电子束只能打到屏面上确定基色的粉点上。当荧光粉点被电子束激发而发光时,由于人眼的视觉特性,人眼所看到的就是由三基色混合而成的彩色图像。

图2 彩色CRT的结构

三枪三束管正常工作的一个重要条件是三电子束沿荫罩面扫描时必须始终能会聚在荫罩面的一点上,这样才能使三束电子束共同穿过同一定色孔并分别打在一个粉点组的三个基色粉点上。但是如不采取特殊措施,必然发生三束在荫罩面上失聚,其原因为:

1) 尽管三个电子枪对管轴是对称的,且向管轴有一定倾斜,但由于制造上的公差,达到静会聚很困难;

2) 通常荫罩曲率半径大于偏转中心到荫罩中心的距离,即使中心达到了静会聚,随着偏转角的增大,三束的会聚点离荫罩越来越远,如图3所示。

图3 由于荫罩曲率半径较大引起的三束失聚

3) 三支电子枪虽然相对轴对称,但在圆周方向互相转过120°,所以各个电子枪相对偏转磁场都是不对称的,因此在荫罩面上扫出的三个光栅就产生不同的变形,如图4所示。

图4 品字形三枪发出的三束电子束在共同偏转磁场下产生的扫描光栅变形

在加上偏转磁场后,为使三束电子束扫描到荫罩面任何点处都保持会聚,必须采取动会聚措施,即在行动会聚线圈和场动会聚线圈中加入具有特殊波形的会聚电流。红、绿、蓝每一束的动会聚都需要4个调节旋钮,加上静会聚还需4个调节旋钮,所以一共要16个调节旋钮。可想而知,这种调节是十分复杂的。并且随着偏转角的增大,动态失聚会越严重,动会聚线圈及其外电路也就越复杂。

2.2.2 单枪三束式彩色CRT

单枪三束式彩色CRT于1968年由日本索尼公司研制成功,其结构如图5所示,它由三个独立成“一”字排列的阴极组成,发出三支平行的电子束。中间是绿电子束,红电子束和蓝电子束在其两旁。控制栅极、加速阳极和聚焦电极都只有一组。三支电子束被公共的电极聚焦、加速,然后再分成三股射出。由于三支电子束是由一个电子枪射出,所以称为单枪三束式彩色CRT[7]。

图5 单枪三束式彩色CRT

单枪三束式彩色CRT中的三支电子束排列在一条直线上,所以三色荧光粉也必须由荫罩管的点状“品”字排列改为垂直细条排列。它们按红、绿、蓝的顺序在荧光屏上从左至右依次排列。若以红、绿、蓝为一组色条,则整个荧光屏共涂有400～500组色条。为使三支电子束各自击中所对应的荧光粉条,在屏幕与电子枪之间放置了一块隙缝式荫罩板。三支平行的电子束在会聚偏转板的作用下,会聚在荫罩板的隙缝处,然后轰击各自的荧光粉条。单枪三束式彩色CRT电极结构如图6所示。

图6 单枪三束管的电极结构

在控制栅极G1上有三个小孔,它们分别对着三个阴极;加速极G2上也有对应的三个小孔以使三支电子束通过。工作时,调制极(控制栅极)G1接地,三个阴极上分别加三基色的信号调制电子束的强弱。为了提高束透过率,采用了垂直条状的栅网荫罩,使透过率提高到约30%,所以这种CRT又称为栅网式彩色CRT。

由于三条电子束在同一个平面内呈一字排列,因此在任何偏转状态下三条轨迹大致都保持在同一水平线上,故只需进行水平方向的动态会聚误差校正。静会聚靠垂直安置的会聚板来实现。总之,单枪三束管大大简化了会聚的调节,只需要1～2个旋钮。

单枪三束管具有图像亮度高、偏转功率低、结构简单、成本低等优点。它的缺点是条形栅刚性差、易颤动,受电子束轰击时易变形从而影响图像清晰度;柱形屏面耐压差、动会聚仍不理想等。因此,除采用一定弹性的框架外,对大屏幕CRT还必须在条网上加一定数量的横条。此外条状荧光粉产生的影像不如点状荧光粉来得细致。

3 液晶显示器(LCD)

液晶显示(Liquid Crystal Display,LCD)是众多平板显示技术中发展最成熟,而且在军用飞机上应用面最广并且已经产业化的一种显示技术。液晶显示是一种被动显示,通过改变外部光的透射率或反射率形成显示的图像,最大优点是低电压、低功率、体积小、质量小,从根本上解决了CRT驱动电压高、体积大、质量大的问题。据统计,美国54.4%军用显示器是平板显示器,其中LCD占36%,其它平板显示器占18.3%。

3.1 单色LCD显示原理[8]

液晶显示的原理是液晶的电光效应。在液晶薄膜上加电压时,会改变液晶的透过率和反射率,这种现象称为液晶的电光效应。已发现的电光效应有:电流效应,如动态散射;电场效应,如扭曲效应、相变效应、宾主效应和场感应双折射等。根据这些原理可制成片段式数字液晶显示板、矩阵式字符图像液晶显示板及液晶光阀大屏幕显示。

液晶显示板的结构如图7所示。它有上下两块透明玻璃基板,两基板的间距为10～30μm,其间充以液晶材料,四周用聚酯树脂密封起来。靠上基板处用导电透明材料制作成许多条水平电极X,靠下基板处用金属或导电玻璃线制成许多垂直电极Y。X电极和Y电极的交点相应为一个像素。

图7 液晶显示板结构

图8给出了液晶显示原理图。用X,Y电极进行矩阵式选址,只要Xi和Yi加上电压,相应单元(Xi,Yi)就会因受到电场激励而改变分子排列,外界光照射时这一单元所呈现的光阻发生变化。人们从外界观察时,就看到这个单元变了色,从而达到了显示斑点的目的。

3.2 彩色LCD显示原理

液晶彩色显示有两种方式,第一种是利用规则排列的液晶分子群所具有的旋光性方式,即扭曲向列型—场效应偏转电方式;第二种是利用二色性染料的方式,即宾主方式。

图8 液晶显示原理图

所谓宾主方式是指把二色性染料(宾)溶解于特定排列的向列型晶体(主)中,在施加电场的情况下,作为“主”的液晶分子排列和作为“宾”的染料分子排列均将发生变化,通过电控的方式来控制染料对可见光的吸收量,从而得到绚丽多彩的显示。宾主方式液晶器件可获得较高的彩色对比度。

3.3 特点

液晶显示器具有其他显示器无可比拟的优点。

1) 低压、微功耗

液晶显示器的工作电压可低至2V～3V,工作电流只有几个微安,即功耗只有10-6～10-5W/cm2,这是任何别的显示器件做不到的。液晶的低压、微功耗正好与大规模集成电路的发展相适应,使电子手表、计算器、手提电脑、GPS电子地图成为可能。

2) 平板结构

液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃中间灌有液晶的薄形盒,结构十分简单,轻而薄,只有几个毫米厚。由于液晶本身电阻率很高,接近为绝缘体,在矩阵寻址工作方式下,对液晶层用不着做任何处理,只要在电极上光刻出相应图形即可,所以开口率高;此外显示面积做大、做小都较容易;而且便于自动化大量生产,生产成本低。

3) 显示信息量大

液晶显示中,各像素之间不用采取隔离措施或预留隔离区,所以在同样显示窗口面积内可容纳更多的像素,利于制成高清晰度电视。

4) 易于彩色化

液晶一般为无色,所以采用滤色膜很容易实现彩色。液晶所能显示的彩色可与CRT显示器相媲美。而在其它显示器中,彩色化往往十分困难。

5) 寿命长

目前使用的LCD都是电场控制型,工作电压低、电流很小,只要液晶的配套件不损坏,液晶几乎不会劣化,寿命很长。

6) 无辐射、无污染

CRT显示中有X射线辐射危险,PDP显示中有高频电磁辐射可能,而液晶显示中不会出现这类问题,所以长时间工作在液晶显示屏前,对人身健康无害。

但是,液晶显示的缺点是其工作原理和液晶材料本身特性带来的。

1) 显示视角小

大部分LCD的工作原理是依靠液晶分子的各向异性,即对不同方向的入射光其反射率或折射率是不同的,所以视角较小,只有30°～40°。随着视角的变大,对比度迅速变坏,甚至会发生对比度反转现象。虽然已开发出一系列新工艺,可以大大改善液晶显示的视角,但都会使制造成本显著增加。

2) 响应速度慢

液晶显示大多是依靠外加电场作用下液晶分子的排列发生变化实现的,所以响应速度受材料的粘滞性影响很大,一般为100ms～200ms,因此LCD在显示快速移动的画面时质量不好。为了适应液晶电视的需要,主要就是减薄液晶层厚度和在电路上想办法。

3) 工作温度范围不够

一般液晶的工作温度为-10℃～+70℃。低温工作时,液晶显示器件的响应速度急剧下降而无法显示,所以液晶显示器件不适用于高寒地区军用;而高温会破坏液晶的定向层,造成不可恢复的损坏,所以液晶显示器件也不适用于高热地区军用。

4) 无外光的情况下需要加背光源

由于液晶自身不发光,在无外光的情况下必须加背光源才可以工作。但是给LCD加背光源,其功耗小的优点就大打折扣;而且背光源的寿命远没有液晶寿命长,从而大大降低了LCD的工作寿命。

4 电致发光显示器(ELD)

某些物质加上电压后能将电能直接转换成光能,这种发光现象就称为电致发光显示(Electro Luminescence,EL)。根据这个定义,从广义上讲,LED、OLED、半导体激光器、电致发光板都属于电致发光显示。这里所指的EL专指高电场下的电致发光,即把ZnS:Mn粉与介质混合或介于两薄膜之间,加电压发光的现象,又称为本征电致发光。高场电致发光分为薄膜型和粉末型,供电方式又分直流和交流两种,所以有如下四种组合: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),其中已经用于图像显示并且已经产业化的AC-TFEL是研究重点[9]。

4.1 显示原理

薄膜型交流EL器件(Lumcon)的基本结构如图9所示。它类似一个平板电容器,在两个相互平行的板状电极之间填充发光物质与粘结剂的混合物,用防潮玻璃密封。

图9 电致发光板的基本结构

当对AC-TFEL施加200V电压时,发光层产生(1～2)×106V/cm的高压场强,使发光层中的电子加速成为热电子,轰击发光中心,产生电致发光。

AC-TFEL为主动发光型,和CRT的区别在于:CRT中高能电子是在真空中被加速的,直接轰击荧光粉使其发光;而在ELD中电子是在荧光粉层中被加速的。

当两个电极间加上交流电场时,就可以从透明电极的一侧看到所发出的光。实际应用中,把电致发光板做成矩阵电极结构,一条X电极和一条Y电极相互交叉的位置(X,Y)组成一个显示像素。这样n条X电极和m条Y电极组成的矩阵板,总共就有m×n个像素,而引出线只有n+m条。选通不同的X和Y电极(加上电压)就可使交叉点的像素发光。这样,按某种规律选通不同的X和Y电极,就可显示出所需的数据或图像。

4.2 显示特性

1) 记忆特性

AC-TFEL采用脉冲驱动,经历一个脉冲只发一次光,并与前一个脉冲极性关系很大。可以发现,如接着加同极性脉冲,则亮度急剧减小;如接着加反极性脉冲,则亮度又大增。原因是在高能强场中,发光层中的电子加速穿过发光层,激活Mn发光中心而发光。已穿过发光层的电子便在发光层与绝缘层的界面上积累起来,在发光层两边形成极化电荷(又称为壁电荷),该极化电场将抵消下一个同极性脉冲电场的大部分,所以光亮减小。反之,如果下一个脉冲反转,则极化电场与脉冲电压产生的电场叠加,总电场变强,所以发光亮度增加。

利用记忆效应可制成具有灰度级的记忆板。作为视频显示板用的记忆板具有帧储存的能力,减少了对器件发光效率的要求。

2) 电光特性

ELD最重要的工作特性是它的亮度和发光效率与工作电压之间的关系,分别称为B～U特性和η～U特性,如图10所示。由图中可见,亮度随电压升高急剧增强,在高压区域趋于饱和。一般定义器件亮度为3.4cd/m2时所对应的工作电压为阈值电压Uth,器件正常工作时一般工作在(Uth+30)V,则是折中考虑到器件亮度和发光效率两方面的因素。

图10 在脉冲电压激发下AC-TFEL的发光波形

3) 光写入与擦除

这是对AC-TFEL记忆效应的利用。首先在器件上加一个大小等于Uth的脉冲Vs,同时进行外部光注入使荧光体发光,并产生与光强度相对应的壁电荷,与下一个反相脉冲重叠就继续发光,其亮度与外部光注入相对应。利用光写入特性可以将器件作为图像存储器。将具有灰度的图像胶片置于器件的玻璃基板上,用紫外线照射,就可将胶片的灰度转变成壁电荷的分布。当施加Vs后会显示出一幅与原图一样的图像,其分辨率可达3线/mm。

在维持脉冲停止期,用外部光照可使壁电荷缓慢复合,称为光擦除。

4.3 特点

1) 电致发光显示属于主动发光,寿命长,可达几万小时;

2) 电致发光是一种场致发光,构造上无电流通过,发光效率高,但难以输入功率,所以亮度高不上去;

3) 电致发光显示无加热元件,无真空,响应时间快(1～10μs);

4) 电致发光属于全固体型,薄而牢,板材可以制成任何形状,抗震性能强、工艺温度范围宽。

正是由于ELD显示器具有上述特点,在对工作温度范围要求很严、抗震性能要求苛刻的领域如航天、航海、军事设备、医疗设备中具有独特的优势,特别适合军用[10]。

5 结语

军用飞机座舱显示技术的总体趋势是向彩色平面化、多功能化、智能化和头盔综合显示系统方面发展,其关键的座舱显示图像源技术也向微型化、平板化、彩色化、低功耗、长寿命、高分辨率的方向发展,产生了发光二极管(ELD)、有机发光二极管(OLED)、场发射显示器(FED)数字微镜等显示技术,但由于这些新技术还不够成熟和完善,尚未在军用飞机上得到广泛应用,因此CRT、LCD和ELD图像源技术仍然占据主体地位[6]。但是,OLED等新技术已被列为美军军用显示器的研发重点。

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[8] 王立伟,汪健甄.国外军用飞机平视显示器的发展[J].红外与激光工程,2007:578-580.

[9] 邢新强,李国超,肖锋.机载座舱显示发展趋势分析[J].飞机设计,2010(2):34-36.

[10] 熊华刚,王中华.先进航空电子综合技术[M].北京:国防工业出版社,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,硕士,讲师,研究方向:武器系统与运用工程。吴卫玲,女,硕士,副教授,研究方向:火力指挥与控制。周致迎,女,硕士,讲师,研究方向:高等职业教育心理学。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.022