液晶顯示器在航空器中的應(yīng)用現(xiàn)狀

郝曉東

摘要：顯示技術(shù)利用電子及光電子技術(shù)將電子信息轉(zhuǎn)換為視覺信息，是人機(jī)交互的重要手段之一。人機(jī)視覺交互手段經(jīng)過多年的發(fā)展，從單一的模擬、數(shù)字化發(fā)展為現(xiàn)在的多功能圖形化，其重要的設(shè)備就是圖形圖象顯示器件。在戰(zhàn)場、作戰(zhàn)指揮、武器控制及信息處理系統(tǒng)中，無論是大型固定設(shè)施、運(yùn)動機(jī)械還是便攜式儀器，都必須配置顯示器以提供各種信息。常規(guī)尺寸液晶顯示器多用于座艙的多功能顯示器或電子飛行指示器，而微顯液晶屏一般用于頭盔顯示器。本文主要對液晶顯示器在航空器中的應(yīng)用進(jìn)行了簡單的探討，以供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：液晶顯示器;航空;頭盔顯示器

1、液晶顯示器概念以及工作原理

1.1、液晶顯示器的概念

液晶顯示器是平面且超薄的顯示電子設(shè)備。它由一定厚度的彩色或黑白高像素液晶組成，并放置在沒有光源或光反射的圖片前面。由于其低功耗，LCD電子顯示器一直受到電子工程師的青睞，并且適用于大量包含電池的電子和電氣設(shè)備。它的主要工作原理是激發(fā)液晶顯示器背面的分子燈以恒定電流模式產(chǎn)生點(diǎn)，線和面光，并與液晶顯示器背面的旋轉(zhuǎn)配合形成交互式屏幕。

1.2、液晶顯示器的工作原理

液晶是一種特殊的化學(xué)物質(zhì)，其性質(zhì)介于有色固體和其他液體之間。它本身是無色的有機(jī)化合物。在正常條件下為無色液體，但其整個分子順序與其他固體排列在一起。液晶中的晶體也非常規(guī)則，因此被稱為規(guī)則液晶。如果在兩端都裝有偏光濾鏡，則可以直接防止彩色光通過。如果配備有濾色器以改變彩色液晶的輸出電壓值，則可以直接改變特定端的彩色液晶的透光率，也就是可以生動地解釋說，改變施加到液晶兩端的輸出電壓可以直接改變其顏色透射強(qiáng)度。

2、液晶顯示器在航空器中的具體應(yīng)用

2.1、常規(guī)尺寸LCD的應(yīng)用

多數(shù)LCD是通過改變電場中液晶分子的排列來調(diào)制光以顯示信息的。普通扭曲向列型（TN）和超扭曲向列型（STN）LCD的響應(yīng)速度較慢，適合顯示非視頻圖象，如計算機(jī)的文字處理﹑圖形等。相比之下，有源矩陣液晶顯示器包括MIM和TFT具有較快的響應(yīng)速度。

應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的液晶顯示器，其性能指標(biāo)需符合特殊的使用要求，例如，寬工作溫度、寬視角、亮度可調(diào)節(jié)、陽光下可讀﹑色彩飽和、分辨率高等。液晶顯示器在軍事方面的應(yīng)用始于80年代。1983～1987年，美國研制出輕型模塊顯示系統(tǒng)（LMDS），用于海軍的F/A-18、F-14D“雄貓”型飛機(jī)。液晶顯示器在海軍的成功應(yīng)用，推動了其它各軍種對液晶顯示器的應(yīng)用，例如，空軍E-3A、KC-135、F-15等機(jī)型采用的機(jī)電式水平態(tài)勢顯示器（HSI）：陸軍Sikor-sky飛機(jī)的座艙多功能顯示器（MFD）等，均被液晶顯示器替代。這些液晶顯示器具有較好的顯示性能：顯示幅面為15.9x15.9cm2;象素數(shù)為512×512;彩色灰度為6級：10000cd亮度下的對比度為4：1;水平視角為±459、垂直視角為+450～-25。與此同時，還出現(xiàn)了一種包括顯示器屏、控制器、處理器及存儲部件在內(nèi)的模塊化彩色AMLCD顯示系統(tǒng)，能為不同應(yīng)用領(lǐng)域提供標(biāo)準(zhǔn)模塊。90年代以后，美國新研發(fā)的軍用飛機(jī)清一色地采用有源矩陣液晶顯示器作為飛行指示終端，而且還著手為大量的改進(jìn)型飛機(jī)改裝液晶顯示器。

2.2、微型LCD的應(yīng)用

由于液晶顯示器具有輕、薄、小的特點(diǎn)，因此，除了用于飛機(jī)座艙多功能顯示外，還特別適用于頭盔顯示器。頭盔顯示器在民用領(lǐng)域是為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)而開發(fā)的，是一種雙目視覺模型，可以為使用者提供具有縱深感的立體圖象。

頭盔顯示器采用微顯示器作為信息輸出元件。一般微顯示器顯示屏的對角線尺寸為0.24～0.7in（5.6～17.5mm）;象素數(shù)為320×240;象素尺寸為10～50um，約為直讀式LCD象素尺寸（0.28mm）的10倍。根據(jù)分辨率，微顯示器有1/4VGA（320×240象素）、VGA（640×480象素）、SVGA（800x600象素）、sXGA（1280×1024象素）、UXGA（1600×1200象素）等幾種，后兩種正在研發(fā)中。肉眼無法直接觀看微顯示器的圖象，需借助光學(xué)放大系統(tǒng)將微顯示圖象放大為3～20in的虛像。這種AMLCD頭盔顯示器，多采用單晶復(fù)合金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）工藝制作。

美國航空系統(tǒng)中心開發(fā)的全彩色頭盔顯示器（HMD），利用AMLCD取代CRT，固定在飛行員的頭部。由兩個LCD器件輸出的圖象，通過微型機(jī)驅(qū)動，產(chǎn)生兩幅存在視差的左右眼圖象。頭盔顯示器裝有頭部位置跟蹤部件，例如PolhemusIsotrak傳感器，由計算機(jī)可以隨時得知飛行員頭部的位置及運(yùn)動方向，并相應(yīng)地改變飛行員視野的圖象。這種頭部跟蹤部件還可以通過增加雙眼視差及運(yùn)動視差，改善用戶的深度知覺。估計世界上約有Ⅰ萬臺HMD安裝在北大西洋公約組織及以色列的航空器上。俄羅斯戰(zhàn)機(jī)，尤其是米格–29戰(zhàn)機(jī)全部裝備了HMD。

總而言之，液晶顯示器在軍用航空器中的應(yīng)用正迅速推廣，美軍甚至打算在今后的平臺上全部使用LCD。不過，液晶顯示器完全替代CRT還存在一些問題，需要解決或加以改善。坐落在Maryland州Patuxent河畔的美國海軍（Navy）實(shí)驗室，曾對Aydin、BARCO、Codar、GTE、L3通訊、Raytheon、Tech電子提供的1280×1024象素的19in顯示器進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，大尺寸液晶顯示器雖然克服了離軸視角問題，但對于快速運(yùn)動的圖象，會出現(xiàn)明顯的運(yùn)動模糊現(xiàn)象。背光源的亮度及均勻性仍然需要進(jìn)一步解決。另外，液晶顯示器的生產(chǎn)成本也是阻礙其規(guī)模化生產(chǎn)的障礙之一。

參考文獻(xiàn)

[1]黃曉麗，孫玉寶，馬紅梅.液晶顯示器多種顯示模式色彩表現(xiàn)的研究進(jìn)展[J].液晶與顯示，2021，36（03）：355-370.

[2]賀堃.機(jī)載大屏幕顯示器的余度設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（06）：85-86.

[3]趙益平，莊波.分析低功耗液晶顯示屏的設(shè)計技術(shù)[J].電子元器件與信息技術(shù)，2021，5（02）：25-26.

[4]陳躍，王元慶.液晶顯示器及其軍事應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].國防技術(shù)基礎(chǔ)，2002（03）：36-38.

（太原航空儀表有限公司 ?山西 ?太原 ?030002）