(完整版)液晶显示器及其军事应用现状与发展趋势(精)

一、概述

作为人机交互过程中最终获取信息的主要途径之一,显示器是信息装备的重要器件。在战场、海陆空三军的作战指挥、武器控制及信息处理系统中,无论是大型固定设施、运动机械还是便携式仪器,都必须配置显示器以便为使用者提供各种信息。例如,在飞行器座舱中,飞行员通过显示器获得关于超视距战术势态、本机状况、火控状态、导航等诸多信息。因此,显示器是现代战争中不可缺少的重要技术手段。

液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD通过改变电场中液晶分子的排列来调制来自背光灯的光强,从而达到显示信息的目的,通过在像素上加滤色片即可实现彩色显示。它具有以下突出的优点:

(1低电压 (3~5V、微功耗(工作电流仅为μA/cm2量级;

(2易于彩色化,在色谱上可准确复现,彩色失真极小;

(3工作时电磁辐射极微弱;

(4体积小、厚度薄,显示画面为纯粹的平面;

(5重量轻,相对于阴极射线管(CRT而言具有突出的优势。

当然,液晶显示器也存在一定的不足,具体包括:

(1被动型显示,本身不发光,在黑暗环境下必须配外光源或背景光源;

(2视角较小;

(3亮度、响应速度、对比度较差;

(4多数产品工作温度范围不够宽(-30℃~+85℃。

正因为液晶显示器独特的优点,从其问世之时起就引起了军方的关注,最早使用液晶显示器的是美国的海军航空飞行器。美国1983年就投资研制用于美国海军的轻型模块显示系统,并装备于F/A-18、F-14D战机,开创了有源矩阵液晶显示器(AMLCD进入军用显示器件行列的先河。

不过,尽管AMLCD在平面度、重量、体积、构型等方面较之CRT具有优良的性能,但AMLCD尚不能广泛地应用,单从技术的角度看,还是因为AMLCD存在一定的不足并且尚未克服。为了使普通工业级甚至商用级的液晶显示器能够达到军用级要求。包括美国在内的世界各国军方,目前多采取对普通的十分成熟的商用AMLCD (多为薄膜晶体管液晶显示器—TFT-LCD进行加固,有针对性地对其性能加以改善,使其满足军方对显示器的性能提出的具体要求。

不同的军种以及不同的应用场合对液晶显示器的要求各不相同,对于具体的应用场合,在满足性能要求的前提下,用户可以根据实际情况,适当考虑包括成本等在内的非技术因素,制定适宜的技术指标。

二、军事液晶显示器应用现状

按照有效显示尺寸划分,液晶显示器可分为微型液晶显示器(Micro LCD和平板液晶显示器(Panel LCD,本文关注的是平板液晶显示器。

平板液晶显示器有效显示画面尺寸一般为5.2~19.6英寸,目前的军事显示器主

要以平板液晶显示器作为显示终端,根据所要显示的信息量的大小,可以选择不同尺寸的显示器。

例如,由波音公司为美军提供的JSF,除了头盔式显示器之外(JSF引人注目地取消了现代战斗机至今无一不用的平视显示器,而代之以头盔显示器,该机座舱内显示器的基本布局是:

(12块203mm×254mm主多功能显示器(PMFD,

(2 PMFD上方的2块76mm×102mm上方显示器(UFD,

(32块UFD之间的上方控制器(UFC。

这5块显示器全部采用了液晶显示器,其设计构想是基于F-22战机的座舱设计,而大尺寸主多功能显示器则使美国空军所谓的“全景驾驶舱控制/显示系统(PCCADS:大图像计划(Big Picture Plan”向前迈了一大步。

三、发展趋势

按照液晶显示器的结构和材料类型划分,液晶显示器可以分为:有源矩阵液晶显示器(Active Matrix Liquid Crystal Display,AMLCD、反射型液晶显示器(Reflective Liquid Crystal,RLCD、基于硅片的液晶显示器(Liquid Crystal on Silicon,由于显示器尺寸微小,通常称作微显示器,即

Micro-display。

(1前面已经详细叙述了AMLCD经性能加固后的应用现状,而且,目前几乎全部的大尺寸军用液晶显示器均采用AMLCD的加固型。加固型液晶显示器以普通商

用液晶显示器为基础,对其温湿度、机械、光学、电子性能加以进一步的完善和提高,使其满足军用场合的要求。这种办法是世界显示器企业普遍采用的,具有投资相对较少,效率高的特点,对当前军用显示器的发展将起到十分独特的作用。未来军用显示器将向高亮度、大尺寸、正方形显示画面(用于座舱显示器、夜视兼容、制式兼容等方向发展。

由于AMLCD采用背光灯照明显示,为了提高显示亮度,目前通行的办法是增加背光模块的功耗,这实际上是有限的,也不是长久之计。通过结构和工作原理上的调整,在不增加背光模块功耗的前提下大幅度提高显示亮度,是未来军用液晶显示器的发展趋势之一。

AMLCD的另一个问题是采用冷阴极荧光灯(CCFL作为发光器件,这种灯管尽

管具有良好的发光效率和标准的B光源特性,但是其温度特性、调光性能、驱动方式等都存在明显的不足。因此研究固态发光元件取代CCFL,减小发光元件总体体

积和重量,进一步提高发光效率,并且使液晶显示器的发光元件具有良好的温度、调光、驱动等特性。这也将是未来军用液晶显示器的发展趋势之一。

此外,未来关于有源矩阵液晶显示器的研究还将包括扩大显示视角,研制可以在低温下良好工作的液晶材料等等。

(2有源矩阵液晶显示器不能满足手持式或便携式电子产品和通信设备轻、薄、低功耗的要求,不适合在便携式电子显示设备中应用。因此,如何提高便携式电

子设备的一次充电使用时间是一个关键课题。为了降低便携式电子显示设备的功耗和体积,最有效的办法就是摆脱背光源,采用反射式显示。反射型LCD利用对环境光的反射来显示信息,由于不用背照光源,功耗很低,显示器厚度更薄,特别适用于电池供电的便携式中等显示容量信息产品。另外,反射式显示器的亮度总是取决于环境,对比度变化较小,因而更容易被眼睛接受,使阅读速度提高并降低眼睛的疲劳程度。

胆甾型反射型LCD由于具有良好的开关特性,在实现高信息容量显示时不需要TFT就可以实现高质量显示,因此生产成本大大降低,而且它在实现彩色显示时,由于它本身就可以显示色彩,不需要彩色滤色器的帮助,使得环境光利用效率大大提高,能有效进行信息显示。因此用胆甾型液晶制作反射型LCD,不仅明亮可读,对比度高,而且可以实现彩色显示,是一种极有前途的反射性LCD器件。

在实际应用中,反射型LCD具有如下特点:

①在零电压下,显示器的每一个像素都可以长期稳定在不同的反射状态(从最暗到最亮的灰度等级,加适当的脉冲便可促成不同稳态之间的转换,配合适当的电路,可以使显示器的功耗极低。

②不用背光源,在环境光照下已十分清晰,若在阳光和前光源照射下,会更加醒目,有很高的对比度。

③不用偏光片,结构简单、视角宽阔、成本较低。

④利用其零场保持的性能,可以实现多层次高密度多路驱动,不用耗电可长期保持显示内容。

由于反射型LCD优越的高亮度和自适应对比度能在3×104cd/m2的高亮度和

10cd/m2的夜空低亮度下保持良好的显示亮度和对比度,因此,得到了广泛应用。

①反射型LCD特别适用于空降兵、野战兵、侦察兵等兵种在内的野战军单兵配备的手持式通讯系统、定位系统等的信息显示终端。反射型液晶显示器独特的零场记忆功能以及利用环境光显示信息的特点,完全具备了低功耗、轻便灵巧的特点,是未来单兵数字化装备的解决方案。

②反射型LCD是基于个人信息通信系统对便携式电子显示的要求,需要1/4正VGA(320×240以上的显示容量,并能实现多色甚至全色显示。在1998年的SID会议上,反射式液晶显示作为一个单独专题出现,在随后的技术发展上,日本的各大液晶公司几乎都推出了反射式LCD的原型机。

③反射型LCD受到广泛重视的主要原因是便携式电子显示设备的功耗问题不容忽视,以及系统的轻、薄等的要求日益强烈的缘故。反射型LCD满足了便携式电子设备的几乎所有要求,因此,在今后的显示技术领域倍受青睐。以使用低功耗反射型LCD的电子设备为代表的新一代便携式电子产品将不断实用化。

(3微显示器的显示信息肉眼无法直接观看,借助于光学放大系统可将微显示器显示面放大到3~20英寸的虚像,这种成像形式的头盔显示器并不采用单晶硅(Poly-Si有源阵列LCD(AM-LCD,而是采用单晶复合金属-氧化物-半导体

(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor-CMOS硅AM-LCD,其他方面与直读式LCD无太大区别。以微显示器为基础的军用显示器包括头盔显示器(HMD、大屏幕投影仪、以及未来的立体投影显示器等。

微显示器有效显示面对角尺寸0.24~0.7英寸(5.6~17.5mm,像素

320×240Pixels,像素尺寸10~50μm,将近直读式LCD像素尺寸(0.28mm的10倍。

微显示器可用于海、陆、空三军军械的战场装备,基于虚拟现实军事训练、战事模拟训练等。头盔显示器将是21世纪数字化战场中下一代步兵的得力工具。