一種機載曲面液晶顯示器設計*

趙玉冬，黃亞坤，趙 松

（1. 中航華東光電有限公司，安徽蕪湖241002；2. 特種顯示技術國家工程實驗室，安徽蕪湖241002；3. 安徽省現代顯示技術重點實驗室，安徽蕪湖241002）

引 言

隨著顯示技術的不斷發展，曲面顯示產品得到越來越廣泛的應用，如曲面電視、曲面顯示器[1]等產品廣泛應用于工業、商業、家庭等多種顯示場所。與平面顯示相比，曲面顯示具有明顯的優勢。首先，曲面顯示器有更好的視覺體驗效果。人眼的晶狀體是一個凸透鏡而不是真正的平面，觀看曲面屏幕可以使整個屏幕到人眼晶狀體的距離保持一致，減少眼球的轉動頻率，即曲面顯示更貼合人眼的生理曲線構造。長時間觀看后，在人眼的眼球靈活度變化顯著性、眼表干燥度變化顯著性以及人眼疲勞差異變化顯著性方面，曲面明顯優于平面。其次，曲面能夠帶來更好的包圍效果。略微彎曲的屏幕能夠提供更好的環繞式觀感，為用戶提供更具深度的觀賞感受及更好的沉浸式體驗。相比同樣尺寸的平面顯示器，曲面屏幕給人的感覺更大，視野更廣。另外，由于在同一平面上，畫面中心與邊緣距離人眼的視距其實并不相等，因而平面顯示器會造成輕微的視覺失真現象。工信部數字電視標準符合性檢測報告顯示：較之等效平面電視，曲面電視的失真率有明顯改善，平均約為57%，最高達73%。

目前市場上的曲面顯示介質主要為有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode, OLED）[2]和液晶顯示屏（Liquid Crystal Display, LCD）[3]，針對機載使用所需的20～30 inch尺寸規格的曲面OLED還是市場空白。現階段市場上大部分曲面顯示器使用的是液晶屏，由面板框架等結構折彎而成。面板采用新的工藝，避免折彎時產生“竄色”、“混色”等問題，導致彩色顯示失真。同時采用更加柔韌的超薄玻璃，可以實現半徑為4 000～1 800 mm的不同曲率。光學模組、導光板等均為柔性材料，可以通過折彎與液晶屏曲率相匹配。

1 總體設計要求

機載顯示器[4]需要滿足顯示性能及環境使用要求。為達到強光下可視的要求，產品需從亮度、對比度、減反射等方面進行設計。針對顯示效果，需考慮亮度均勻性、視場角等參數。同時機載顯示器要滿足復雜的使用環境要求，需進行低溫加熱、抗振加固設計等。曲面顯示器的總體要求見表1。

表1 顯示器技術參數

2 曲面液晶顯示器結構設計

曲面顯示器的總體結構組成如圖1所示。

圖1 曲面顯示器結構分解圖

多功能顯示器的組成包括結構組件、背光源[5]、屏組件、光學膜組、控制板、攝像頭、接口器件等。其中背光源組件由發光二極管（Light Emitting Diode,LED）陣列、漫反射膜和背光印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）組成；屏組件部分包含液晶屏、濾光片和加熱器；背光組件包含光學導光板和偏振型亮度增強膜；結構件包括面板、屏框架、背光框架、隔板、小側蓋板、后蓋板、散熱支撐塊和壓板。

顯示器整體設計應符合機載座艙布局，采用曲面造型設計，兼顧功能、美學及工效。顯示器采用輕薄化結構設計，主體結構材料選用牌號為5A06的防銹鋁合金，需對表面進行導電氧化及噴漆處理。外殼盡可能采用密封結構設計，進行環境密封設計時應同時兼顧電磁屏蔽。

前面板采用無結構邊框設計，在蓋板玻璃周邊噴涂高溫油墨，實施黑化處理，在攝像頭和亮度傳感器處進行挖孔設計，整體美觀簡潔。

多功能液晶顯示器結構的外形尺寸和外觀設計應充分兼顧機載環境、系統集成、安裝使用等要求。

3 曲面液晶顯示器背光設計

側入式背光系統以其功耗小、厚度薄等優點廣泛應用在液晶顯示器中。背光源主要由高光效LED燈、導光板和光學膜組成。背光系統需對由高光效LED和導光板轉換來的二次擴展光源進行調制，基于斯涅爾定律和邊緣光線原理建立方程組，迭代計算得到自由曲面微結構面型，對微結構進行仿真分析，驗證方案的可行性。

導光板是背光系統中重要的光學器件，通過網點分布將側入光源轉換成均勻的面光源。在曲面背光系統中，導光板為曲面，入射光為直線，因而入射光無法直射到曲面底部。為解決這一問題，需利用底面反射膜，光線可經過多次反射后均勻到達曲面。產品采用2 mm厚的導光板，采取在非彎曲邊的短邊雙側排布LED的入光方式，便于LED直線排列。對導光板的網點進行陣列設計，輔以彎曲化的結構件壓合，形成亮度較為均勻的曲面背光源，亮度及均勻性皆能滿足項目的實際需求。背光組件的外形示意圖如圖2所示。

圖2 背光示意圖

假設二次光源模型為朗伯模型，則各個角度的入射光線強度Ii=Iocos 2θ（Io為出光強度；θ為出射光線與法向的夾角），而要通過光學膜表面面型優化使斜視角光線轉換為法線光線，那么理想的目標為Ii=Io。同時設置初始面型為三角菱形結構（會聚透鏡簡化模型），如圖3所示。圖中A點和B點為二次光源邊緣位置；d為二次光源到光學膜表面的距離；α1，α2和θ為出射光線與法向的夾角；β為折射光線與法向的夾角；γ為折射后出射光線與法向的夾角；x10，y10，x20，y20，x21，y21為棱鏡不同位置點的坐標。

圖3 背光源反射圖

二次光源由LED和導光板耦合而出，其大小為網點尺寸。根據斯涅爾定律和邊緣光線原理，將經過微結構面型邊緣處后的A點和B點出射調制成法線軸向出射，從而實現視角收縮，提升法線亮度。

基于迭代公式計算所得的表面微結構截面圖和經仿真軟件優化后的面型結構如圖4所示。

圖4 背光表面微結構示意圖

第1面和第2面為共軸的自由曲面，此方式可以將大角度光線進行會聚收集，形成法線出射光線，以提高亮度，降低功耗。對優化后的微結構進行陣列布局后，得到圖5所示的仿真擬合的背光亮度視角分布圖。

圖5 背光亮度視角分布

從圖5可以看出，亮度視角由原先的寬視角55°（50%亮度衰減）收縮成25°（50%亮度衰減），所以通過理論公式迭代和仿真軟件，對光線追跡進行優化設計，對光學膜表面微結構面型進行優化，對斜視角的光線進行角度偏轉，使之成為法線光線。

背光模塊的光學性能設計是系統性工程，受到背光燈的布局、混光空間（LED燈到導光板的距離）、LED燈的物理間距、LED的發光角度等參數的影響。背光腔體的基本設計數據為：LED的發光角度（半亮度角），120°；膜組件（擴散板和增亮膜）的厚度，3 mm；LED燈的物理間距，8 mm；燈到導光板的距離，5.8 mm。

基于上述設計進行建模，仿真所得膜亮度為18 000 cd/m2，則顯示亮度為810 cd/m2（顯示亮度為出膜亮度與屏組件透過率的乘積），亮度非均勻性小于9.3%。

4 曲面液晶顯示器低溫加熱設計

現有的液晶顯示屏無法在?20°C以下的環境中正常工作，而機載設備要求在?40°C環境下在5 min內正常工作。一般采取對導電薄膜通電加熱的方式來解決低溫工作問題。由于液晶屏為曲面，因此需設計曲面加熱器。

曲面加熱器的制作方法為：將肖特光學白玻璃置于曲率半徑為1 800 mm的模具上，在820°C的溫度下進行軟化、熱彎，形成曲率半徑R為1 800 mm的曲面玻璃，再通過磁控濺射的方式在曲面玻璃的凹面均勻地鍍上一層氧化銀錫納米導電薄膜（即ITO膜）。在導電薄膜面兩短邊邊緣位置涂覆一定寬度的低電阻率導電銀漿，并通過高溫對其進行燒結固化，形成導電電極，通過引線將電極引出，接到加熱電路上。

通過COMSOL仿真分析可知：在低溫?40°C條件下，按+270 V供電，預設加熱功耗為380 V時，邊緣的最低溫度為?18°C，可以滿足液晶屏低溫工作條件。但同時可以看到，液晶屏周邊，尤其是涂了導電銀漿的兩側，溫度較低。通過分析可知，由于導電銀漿涂覆面較寬且電阻率較低，涂覆了導電銀漿的面上產生的熱量較少，而四周散熱較快，因而兩側邊的溫度較低。針對此問題，可以采用對兩側進行補償加熱的方法。

5 曲面液晶顯示器抗振設計

液晶顯示器的顯示介質是液晶屏。液晶屏由2片很薄的平板玻璃以及內部塑料隔子或玻璃微柱隔子封接而成。液晶屏的薄板結構形態導致其對顯示方向的振動非常敏感，而機載環境的強烈振動會嚴重影響液晶屏的圖像顯示質量，因此需對液晶屏進行抗振設計[6]，以提高其抗振性能。

共振引起的放大效應會使應力增大。當結構體的固有頻率和外界的強迫振動頻率重合時，其共振振幅在理論上可達到無限大。結構阻尼的存在會消耗振動能量，使振動不可能被無限放大，但放大十幾倍是完全有可能的。因此沖擊振動隔離設計主要是要避免結構發生共振。圖6為強迫振動系統響應圖譜。圖中f為外部振動頻率，f0為系統固有頻率，s為阻尼系數，v為振幅放大系數。

圖6 單自由度強迫振動系統響應圖譜

系統固有頻率的計算公式為：

式中：C為剛度，N/m；M為質量，kg。

由圖6及式（1）可知，可通過減小剛度、增大顯示組件的重量以及增大阻尼系數來減小系統的固有頻率。

多功能曲面顯示器采用在液晶屏組件四周添加具有阻尼作用的軟膠條來進行隔離固定的方法，來減小支撐環節的剛性，增大液晶屏在振動環境下的位移阻尼；采用兩面復合的加固玻璃來增加液晶屏自身的重量，并提高液晶屏組件的抗應變能力。液晶顯示屏的抗振結構如圖7所示。

圖7 液晶屏兩級減振結構示意圖

將液晶顯示屏的抗振結構設計簡化為兩級減振的數學模型，第一級減振是通過具有阻尼作用的特殊減振軟膠條形成阻尼減振系統，第二級是采用透明光學膠帶將加固玻璃和液晶屏捆綁在一起，在提高液晶屏安裝環境剛性的同時增加了第二級系統的固有頻率，且兩級減振的固有頻率不同，可有效避免共振作用，減小液晶屏的振動應力。

6 結束語

機載大尺寸曲面液晶顯示器與機載平板顯示器的設計有較大不同，主要集中在結構形式、背光設計、加熱設計、減振設計等方面。本文針對曲面液晶顯示的特點，在結構設計中提出了前面板無結構邊框曲面造型設計的方法；為解決曲面背光布燈困難的問題，采用2 mm厚的超薄導光板（易于通過結構折彎），采取在非彎曲邊的短邊排布LED入光的方式；采用曲面加熱器方案達到了加熱均勻且5 min內顯示正常的要求；通過減振墊片和柔性光學膠實現了兩級減振，并利用兩級減振阻尼不同的特點有效避免了共振作用。本文分析了加熱不均的問題并提出了改進方法。由分析可知，該機載大尺寸曲面液晶顯示器的性能及可靠性均滿足機載產品需求，可以在載機上使用。