機載高分辨率加固LCD顯示器的設(shè)計

趙小珍 ， 敬 敏 ， 楊宗陽 ， 劉 波

（1.中航華東光電有限公司 安徽 蕪湖 241002；2.特種顯示技術(shù)國家工程實驗室 安徽 蕪湖 241002；3.安徽省現(xiàn)代顯示技術(shù)重點實驗室 安徽 蕪湖 241002；4.中國人民解放軍駐電子十四所軍事代表室 江蘇 南京 211100；5.總參陸航部軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室江蘇 南京 211100）

機載顯示器是現(xiàn)代軍、民用飛機的一種必不可少的部件，其性能的優(yōu)劣是座艙顯示設(shè)備能力的決定因素。飛行員靠座艙各種顯示器的顯示獲得信息，進而做出決策操縱和控制飛機。因此，機載顯示器與其控制系統(tǒng)在飛機的人機界面中，占有非常重要的地位。

隨著數(shù)字作戰(zhàn)模式的發(fā)展，飛行員所接受信息的范圍將越來越廣，機載顯示系統(tǒng)為飛機駕駛員提供文字、圖形和圖像信息量必將越來越大。在機載顯示系統(tǒng)中將越來越多地使用高清晰度、多窗口和彩色大屏幕等高新顯示技術(shù)，這就需要使用超寬式屏幕、高分辨率、高清晰度、彩色大屏幕來顯示圖像[1]。這種顯示器件不但可以自然地進行人機交互，而且還可以靈活地實現(xiàn)圖像的融合與分配，具有自由分割窗口的功能，使人們所需要的文字、圖形和圖像信息量最大化地顯示出來。同時，又能滿足人們對機載顯示系統(tǒng)越來越趨于輕、薄和節(jié)能的要求。LCD憑借自身高清晰、高分辨率以及輕薄等優(yōu)點，在此領(lǐng)域必將具有巨大的潛力[2]。

目前，由于機載高分辨率顯示器要求苛刻，而且使用量相對較少，擁有設(shè)計和生產(chǎn)軍品級液晶屏的廠家只有少數(shù)幾家。而且，如果要開發(fā)高分辨率大尺寸顯示屏，還要投入大量人力、物力和財力，進行大尺寸顯示屏的設(shè)計、開模研制，這使得國內(nèi)軍用機載高分辨率大尺寸顯示器的研制受到阻礙。目前，所采用的機載LCD顯示屏都是購進普通的商用液晶屏后，根據(jù)用戶的要求，有針對性地對其性能加以改善，使其滿足用戶對顯示屏性能提出的具體要求。隨著我國軍事現(xiàn)代化的進程，軍事裝備中的機載顯示系統(tǒng)也迫切要求采用符合軍品標準的體積小、重量輕、功耗低，尺寸大的LCD顯示系統(tǒng)。

基于以上特點，本文提出采用液晶屏切割拼接設(shè)計方法，使其拼接物理縫隙小于1.5 mm，在不影響顯示效果情況下，很自然地實現(xiàn)了超寬雙屏幕顯示，具有很高的軍事應用價值。

1 總體方案設(shè)計

顯示器的總體方案設(shè)計主要從功能設(shè)計、性能設(shè)計以及環(huán)境適應性，三大方面進行考慮設(shè)計。其顯示器的預期技術(shù)指標如表1所示。

表1 顯示器預期指標Tab.1 Anticipated index of LCD

一個完整的機載顯示器通常包括視頻接口電路、顯示器控制電路、驅(qū)動電路和顯示設(shè)備這幾大部分。而表征TFTLCD產(chǎn)品的關(guān)鍵特性的指標主要有分辨率、像素節(jié)距和顏色深度等參數(shù)。分辨率體現(xiàn)的是有效顯示區(qū)域的像素總數(shù)，分辨率越高，畫面的解析圖越高；像素節(jié)距是表征TFT－LCD有效顯示區(qū)內(nèi)相鄰兩個像素間的距離，像素節(jié)距越小，畫面越細膩；顏色深度表示TFT－LCD顯示不同畫面時，一個像素能夠使用的顏色數(shù)量，顏色深度越大，最亮與最暗之間明暗度的層次越多，彩色顯示的色數(shù)就越多，所能夠呈現(xiàn)的畫面效果也就越細膩。綜合以上特點和要求，本文針對顯示器的液晶屏選擇、切割、拼接設(shè)計以及加固設(shè)計等方面進行了深入設(shè)計和研究，成功地研制出了可用于機載顯示系統(tǒng)的高分辨率LCD加固顯示器。而且，該顯示器顯示系統(tǒng)具有很強的擴展性、優(yōu)秀的驅(qū)動性能和出色的畫面質(zhì)量[3]。

該機載高分辨率LCD拼接顯示器由紅外觸敏組件、加固型彩色液晶顯示屏及膜組件、LED背光燈組件、電路板組件和結(jié)構(gòu)組件等組成。紅外觸敏組件主要完成操作人員對加固型彩色液晶顯示屏上顯示的圖形進行拖拉、旋轉(zhuǎn)、點擊等操作；加固型彩色液晶顯示屏是終端顯示設(shè)備，是圖像顯示的載體；膜組件及LED背光燈組件是給液晶屏提供高亮光源，是實現(xiàn)強光環(huán)境下可視的一個必要組成部分；電路板組件是完成圖像生成、控制、輸出以及背光驅(qū)動控制；結(jié)構(gòu)組件是實現(xiàn)各組件裝配以及顯示器的安裝。其機載顯示器總體原理框圖如圖1所示。

2 液晶屏設(shè)計

2.1 液晶屏選型設(shè)計

為了實現(xiàn)顯示器的高分辨率，該顯示器采用切割、拼接設(shè)計方法，使液晶屏的分辨率從1 600×1 200擴充為3 200×1 200。本顯示器的液晶屏選用型號為HV150UX1－101的液晶屏。該液晶屏為有源矩陣液晶屏，對角線尺寸為15英寸，分辨率為1 600×1 200，每個像素被分割成紅、綠、藍3個子像素，并且以豎直條紋排列[4]。其液晶屏基本參數(shù)如表2所示。

圖1 機載顯示器總體原理框圖Fig.1 General scheme of avionics display

表2 液晶屏基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of LCD screen

通過分析液晶屏參數(shù)以及要達到的技術(shù)指標要求，需要對型號HV150UX1－101的液晶屏采取切割、拼接設(shè)計，并且要求兩屏之間的拼接物理縫隙小于1.5 mm；顯示器的分辨率擴充至3 200×1 200，并且液晶屏切割、拼接設(shè)計完成后，完全不影響顯示器圖形、字符等顯示的效果，實現(xiàn)顯示器高分辨、雙屏顯示的要求。此外，液晶屏還需要采用加固設(shè)計，滿足機載顯示器抗振動、沖擊的要求。通過以上設(shè)計，顯示器才能完全滿足軍用機載顯示領(lǐng)域的應用要求。

2.2 液晶屏的切割、拼接以及工藝加固設(shè)計

2.2.1 液晶屏切割、拼接設(shè)計

液晶屏的切割，在國內(nèi)只有為數(shù)不多的幾家廠家。除了切割設(shè)備之外，還要配備專業(yè)技術(shù)人員，對液晶屏進行切割設(shè)計和工藝設(shè)計。另外，為了滿足機載顯示器抗振動、沖擊要求，還要對液晶屏進行加固設(shè)計[5]。

對于液晶屏的切割，分以下3個步驟進行操作。

第一步，液晶屏偏振片的切割。首先，將液晶屏的上偏振片朝上，放置在偏振片切割夾具上，沿著切割刀具內(nèi)側(cè)，裁切液晶屏的上偏振片。切好后，用裁紙刀片挑起偏振片（由偏振片切割夾具切割的區(qū)域）的一角剝離下偏振片，在剝離偏振片的過程中，需使偏振片與液晶屏面呈45°夾角，避免出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。在整個操作過程中，要注意以下幾點：1）不可反向彎曲，避免柔性帶受損，鋒利物刮傷液晶屏表面及柔性帶。2）用切割刀具切柔性帶時，避免傷及電路連接部分。3）取下偏振片過后，若液晶屏玻璃上有殘留膠，需擦拭干凈，保證整個液晶屏面清潔。

第二步，液晶屏切割。將切好偏振片的液晶屏下偏振片面朝上，液晶屏的驅(qū)動板朝下，由液晶屏切割機的下方向上放入槽中。液晶屏所固定的位置與切割機的臺面上所標記的位置對齊，用標定好的刻度板調(diào)整液晶屏的露出夾具的高度，使液晶屏的標記線與刻度板上的標記線相重合，確定重合后固定液晶屏，對液晶盒進行切割。

第三步，液晶屏拼接和固化。用偏光鏡片觀察切割端面液晶分子是否正常，切割端面有無崩邊、裂紋，如果一切正常，則采用裝好紫外固化膠的一次性針管沿著切割端面，從一邊向另一邊均勻的將紫外固化膠涂在液晶屏切割端面上，涂覆過程中不可有氣泡，紫外固化膠不可超過液晶屏上下玻璃。然后，打開固化爐開關(guān)，開始固化。最后，將液晶屏放到墊有拷貝紙的防靜電盒內(nèi)靜至（12±0.5）小時，待硅橡膠完全室溫固化后，完成液晶屏的固化。在整個操作過程中，需要注意以下兩點：1）對切割端面涂膠的過程中，避免手或其它東西直接接觸切割端面；2）封口時，防止污染液晶。

通過以上步驟，完成了液晶屏的切割、拼接設(shè)計。當然，如果在切割拼接過程中，其拼接屏拼接縫處顯示缺陷對比圖如圖2所示。

圖2 拼接屏拼接縫處顯示缺陷對比圖Fig.2 Compared graph of display effect for tiled LCD

2.2.2 液晶屏工藝加固設(shè)計

液晶屏為顯示器的關(guān)鍵部件，通過建立結(jié)構(gòu)的整體模型，對結(jié)構(gòu)的整體強度進行分析后，對易損、薄弱環(huán)節(jié)進行加固處理，滿足國標軍功能、耐久振動等要求。

COF主要用于液晶顯示屏和TCON板之間的信號傳輸。一般為聚酰胺薄膜內(nèi)置導電線路構(gòu)成，整體材質(zhì)較軟，兩端采用ACF連接到液晶屏玻璃和TCON板上。相較于普通尺寸的加固型顯示器，該顯示器線路更密集，普通的加固工藝手段還不能達到加固、抗振的目的。

相對于TCON板和液晶盒玻璃而言，COF是彈性材料振動過程中形變量最大的一個部件。在液晶屏TCON板上質(zhì)量不均衡（板上的元器件密度各個區(qū)域不一致），更易造成柔性帶的應力集中。

針對以上對COF分析，采取在垂直方向和水平方向進行加固工藝處理，提高顯示器的可靠性。在下玻璃基板處涂覆加固膠，增強垂直方向上的抗震能力。同時，提高了彎曲裝配加固時的抗拉伸能力。在COF和TCON板銜接處涂覆加固膠水，增強水平方向的抗震能力。由于TCON板是剛性體、質(zhì)量相對較大，裝配時和結(jié)構(gòu)件進行剛性連接，會導致COF和TCON板在振動過程中有相對位移，造成應力集中，長時間的工作時，ACF可靠性降低，造成隱患。所以，需要在COF和TCON板連接處進行額外的加固處理[6]。其加固好的高分辨率拼接屏實物圖如圖3所示。

3 試驗結(jié)果

圖3 高分辨率加固拼接屏實物圖Fig.3 The picture of high-resolution rugged LCD

對產(chǎn)品的各個組件進行裝配，形成最終的顯示器產(chǎn)品。對顯示器產(chǎn)品進行高低溫試驗，通過試驗表明，該顯示器產(chǎn)品完全滿足總體方案提出的各項技術(shù)要求，分辨率達到3 200×1 200，拼接物理縫隙為1.2 mm，滿足顯示器預期技術(shù)指標。而且，不影響大尺寸顯示器顯示的效果，完全實現(xiàn)了高分辨率超寬雙屏幕顯示的目的。其機載高分辨率拼接顯示器產(chǎn)品圖和動態(tài)畫面顯示效果如圖4所示。其中，圖4（a）為機載高分辨率拼接顯示器產(chǎn)品圖，圖4（b）為顯示器產(chǎn)品在-45℃動態(tài)畫面的顯示效果圖。

4 結(jié) 論

本文針對機載高分辨率LCD顯示器的設(shè)計，從功能設(shè)計、性能設(shè)計以及環(huán)境適應性要求出發(fā)，詳細分析了顯示器的各參數(shù)要求，對液晶屏進行深入設(shè)計和研究，特別對顯示器的液晶顯示屏采用切割、拼接和加固設(shè)計，顯示器分辨率能夠達到3 200×1 200，拼接物理縫隙小于1.5 mm，不影響大尺寸顯示器顯示的效果，完全實現(xiàn)了高分辨率超寬雙屏幕顯示。另外，對顯示器產(chǎn)品做了高低溫、振動試驗，保證產(chǎn)品可靠性。該顯示器已經(jīng)交于用戶使用，其性能可靠、穩(wěn)定，并且成本低，實用性強。

圖4 機載高分辨率拼接顯示器產(chǎn)品圖和動態(tài)畫面顯示效果圖Fig.4 The dynamic display effect graph and product of high-resolution tiled LCD for avionics display

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[2]劉杰.機載高分辨率LCD控制器的軟硬件設(shè)計 [D].成都：電子科技大學，2007.

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[5]秦煥宇，舒振杰，陳安，等.機載有源矩陣液晶顯示器通用規(guī)范.GJB5187-2003[S].北京：國防科工委軍標出版發(fā)行部，2003.

[6]金詩瑋，趙小珍，劉波，等.一種大尺寸雙冗余機載液晶顯示器的設(shè)計[J].機械與電子，2014，4（259）:31-34.JIN Shi-wei，ZHAO Xiao-zhen，LIU Bo，et al.A kind of double-redundancy design of a big size TFT-LCD for avionics[J].Machinery&Electronics，2014，4（259）:31-34.