液晶顯示器在航空器中的應用現狀

郝曉東

摘要：顯示技術利用電子及光電子技術將電子信息轉換為視覺信息，是人機交互的重要手段之一。人機視覺交互手段經過多年的發展，從單一的模擬、數字化發展為現在的多功能圖形化，其重要的設備就是圖形圖象顯示器件。在戰場、作戰指揮、武器控制及信息處理系統中，無論是大型固定設施、運動機械還是便攜式儀器，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用進行了簡單的探討，以供相關人員參考。

關鍵詞：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備。它的主要工作原理是激發液晶顯示器背面的分子燈以恒定電流模式產生點，線和面光，并與液晶顯示器背面的旋轉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物質，其性質介于有色固體和其他液體之間。它本身是無色的有機化合物。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則，因此被稱為規則液晶。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度。

2、液晶顯示器在航空器中的具體應用

2.1、常規尺寸LCD的應用

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

應用于軍事領域的液晶顯示器，其性能指標需符合特殊的使用要求，例如，寬工作溫度、寬視角、亮度可調節、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用始于80年代。1983～1987年，美國研制出輕型模塊顯示系統（LMDS），用于海軍的F/A-18、F-14D“雄貓”型飛機。液晶顯示器在海軍的成功應用，推動了其它各軍種對液晶顯示器的應用，例如，空軍E-3A、KC-135、F-15等機型采用的機電式水平態勢顯示器（HSI）：陸軍Sikor-sky飛機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，還出現了一種包括顯示器屏、控制器、處理器及存儲部件在內的模塊化彩色AMLCD顯示系統，能為不同應用領域提供標準模塊。90年代以后，美國新研發的軍用飛機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型飛機改裝液晶顯示器。

2.2、微型LCD的應用

由于液晶顯示器具有輕、薄、小的特點，因此，除了用于飛機座艙多功能顯示外，還特別適用于頭盔顯示器。頭盔顯示器在民用領域是為虛擬現實技術而開發的，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，后兩種正在研發中。肉眼無法直接觀看微顯示器的圖象，需借助光學放大系統將微顯示圖象放大為3～20in的虛像。這種AMLCD頭盔顯示器，多采用單晶復合金屬-氧化物-半導體（CMOS）工藝制作。

美國航空系統中心開發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，通過微型機驅動，產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，由計算機可以隨時得知飛行員頭部的位置及運動方向，并相應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。俄羅斯戰機，尤其是米格–29戰機全部裝備了HMD。

總而言之，液晶顯示器在軍用航空器中的應用正迅速推廣，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顯示器進行了測試。測試結果表明，大尺寸液晶顯示器雖然克服了離軸視角問題，但對于快速運動的圖象，會出現明顯的運動模糊現象。背光源的亮度及均勻性仍然需要進一步解決。另外，液晶顯示器的生產成本也是阻礙其規模化生產的障礙之一。

參考文獻

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