飞机座舱显示与显示器件的最新发展

1、飞机座舱显示与显示器件的最新发展真空电子技术VACUUMELECTRONICS1996年第3期anditsDisplayDevicesjiXudong(HuadongElectronTubeFactyN洳g210028)AbstractThedevelopmentofthecockpitdisplayanditsdevicesisintroducedinthispaperrThetechnicalimprovementsoftheCRTusedinthecockpitaremainlydescribed,ThedevelopmentoftheLCDandtheotherflatpaneldis

2、playdevicesforthecockpitisalsointroduced,KeywordsCockpitdisplay,Electrongun,Phosphor摘要本文介绍了座舱显示及座舱显示器件的发展动态,着重说明了用于座舱显示的CRT技术改进,也介绍了以液晶显示为主的其他座舱显示用平板显示器件的研制动态.词些咝./2.l飞机座舱显示的发展''座舱显示器件是现代军,民用飞机的一种必不可少的部件,它包括座舱显示CRT和以LCD为代表的平板座舱显示器件,其性能的优劣是座舱显示设备能力的决定因素.早期的飞机,例如二次世界大战前的飞机(多数为军用飞机),其上没有任何显示设备,

3、全凭飞行员的目力观察来驾驶飞机.这种目力观察由于受人生理及天气等诸多方面的限制,带有很大的局限性,因而很不可靠.二战后,随着CRT在军事上的广泛应用,军用飞机便也装备上了CRT显示设备,用于显示飞行参数,地形图,雷达图像,系统状况等信息,极大地方便了飞机驾驶员.那时的显示设备是安装在操纵板上的,需飞行员低头观看,因而是俯视性的(Headdown)这种俯视显示方式的一个最大缺点是不能同时观察显示屏与舱外的空中情况.这在低速飞机上,例如亚音速飞机,还不致造成很大的不便.但现代军用飞机,其速度已达每秒数百乃至千米以上,方向及高度可以在零点几秒内作较大改变.这时,如飞行员仍要低头看显示,抬头观空情,就

4、会造成麻烦,甚至贻误战机.为了使飞行员能够同时看到显示屏与空情,机载设备的研制者们于6O年代开发出了平视显示系统.它是将由CRT等显示器件产生的图像,通过一组透镜反射镜系统,折射在位于飞行员正前方的一块反射镜面上,供飞行员观察;而位于飞行员前方的反射镜面又是透明的,因而飞行员也可以透过该镜面.观察舱外的空情(穿透式观察).这样飞行员便不用再低头看显示了所以这种显示被称之为平视显示(Headupdisplay)或简称HuD,见图1.发._璺最呲韵件一一舱/第3期季旭东:飞机座舱显示与显示器件的最新发展为r使飞行员能连续不断地通过显示设备得到各种信息.机载显示设备的研制者们又于70年代末至8O年代

5、,开发出了头盔显示系统(Headmounteddisplay,简称为HMD),它使得飞行员在戴上头盔后,不论其头转向何方,均能观看显示的图像与舱外空情.与其它显示不同,飞行员通过HMD看到的空情是通过一组透镜反射镜系统而到达目镜,为飞行员所见的.为了获得夜视能力,在图1一种HuD的示意图HMD系统中,往往配有红外热成像器式像增强管.并通过一图像迭加器将它们产生的图像与CRT产生的图像迭加在一起,供飞行员观看(见图2),这就大大地提高了飞机的机动能力(由于缩短了飞行员的反应时问所致1图像选加器延迟遗镜?红井热象管物髓图2一种HMD的工作示意图应该指出的是,在现代飞机上,需显示的信息是大量的,所以

6、一架飞机上的显示设备往往不止一个.在装备了HuD或HMD的飞机上.HuD或HMD也只是作为主显示设备使用的.除此之外,还需配置一些辅助显示器件.例如,在美军新型F-22战斗机及AH一66武装直升机上就装备了7个显示器件,这就为飞机提供了综合的显示能力.2座舱显示器件的研制状况飞机,特别是作战飞机用的显示器件,较之普通显示器件,有着许多特殊的要求,例如,由于HuD与HMD是看透式显示,字符投影在飞行员视野的无限远处,与背景地形重叠故字符与背景的对度比最低应为7.5:1.又如空中昼夜环境光亮度范围为1O1OfL(1fL一3.43ed/m),因而要求显示器件的亮度也应有较强的适应性,峰值亮度也要很高

7、.因为航空显示器件多为军用,故对分辨率与抗震耐冲击也有较高的要求.此外,小体积,轻重量也是座舱显示器件必不可少的要求.对于HMD来说,还要求佩带舒适.为了研制出符合上述要求的显示器件,各国有关科技人员曾傲了长期努力,并取得了显着的进展,研制出了许多较好的显示器件但在座舱显示器件的研制上,仍有许多待改进的技术问题.例如;如何解决在直射阳光下使座舱显示器件仉具有良好的可读性;如何克服HMD使用带来的双眼拮抗(即两眼所见图像不能很好地融为一体)等.本文将就以上诸同34真空电子技术题,按显示器件的类型进行探讨2.1座舱显示管(CRT)CRT是一项发展成熟的技术,半个多世纪来,已在各个领域取得了广泛的应

8、用当代座舱显示CRT,屏面尺寸多为5×5或6×6(英寸),要求在强环境光下,具有全视野,显示高分辨图像的能力,向时又要具有抗震能力.其分辨率应在800线以上,亮度不应低于2000fL,在1000fI的环境光下.仍要有8:1的对比度,管子阴极寿命应在2000h以上.为了满足这些要求,甚至达到更高的要求,人们对座舱显示管做了大量的工作.2.1.1亮度和分辨率在提高座舱显示CRT的亮度与分辨率方面,主要有以下几种措施.(1)采用性能优越的荧光粉.早期的座舱显示CRT多用P1粉,这种粉具有良好的显示对比度.显示的字符常比其它粉更亮,它的颗粒度为0816m,中值尺寸为5.5m.其能量

9、分布如图3.由图可知,该粉辐射峰值为525rim,十分接近555rim的峰值视野响应值.所以尽管辐射效率低(45),而亮度或光效却是良好的(301m/w).因而能很容易地取得1000fl的峰值亮度,这是典型的座舱显示CRT光输出所需要的.P1粉的缺点是光效下降快,易被灼伤.例如当电子束脉动使亮度达到10000儿后,10bts即出现灼伤;20bts时,韶罢毒鼻nIljIlI11II,lJ,l/I波长/nm图3P1粉的光谱能量分布图屏材料即开始蒸发.为此,要寻找更有效的荧光粉.这样,P43与P53粉就应运而生了.P43粉与P53粉都是窄带粉.由于P43粉在色谱图(图4)上比P1粉更靠近中心,其光饱

10、和度不如前者,因而显得更白.P43粉的光谱能量分布如图5所示,它的中心峰值很窄,因而可用衍射镜片在座舱显示设备上成像,便于实现全色座舱显示.由于P43粉显色较P1粉白,故其显示的字符不易阅读(背景对比度差),此外,在电流密度超过0.02A/cm时.会严重饱和.而P53粉的一个显着特点是在高电流密度下,有着极高的稳定性,被称为超级荧光粉,其光谱能量分布如图6.在屏8(】0O10000仃光输出水平上,P53粉不如P1粉.但近期对座舱显示CRT所要求的1200025000fl亮度范围,P53粉正合适,而对P1粉来说,该范围的下限,超出了P1粉的最大有效输出.由于P53粉在色谱图上的位置比P43粉更靠

11、近红色区域,因而影响了它在航空电子上的应用.近来,有人将P1粉与P53粉掺在一起使用,使P53粉的颜色朝P1粉更纯的绿色转变.P53粉往多用在大屏幕显示上8O年代以来,也开始用于座舱显示CRT.例如美军在F一16战斗机上装备的Holographic型HuD设备中使用的CRT上,就采用了P53粉,其束点尺寸在200fL亮度值时为18m;在1000兀J亮度值时为32m.(2)新型电子枪改进电子枪是提高亮度,改进分辨率的一个有效的方法,而改进电子枪的一个主要的方面是电子透镜的改进英国科研人员提出了一种新的电子枪设计方案,即高场强电子透镜枪.与传统的管子相比有较大的差别.图7是一种传统型高性能枪的电子

12、透镜,而图8则是高场强枪的电子透镜.新型电子枪的电子透镜有三个栅极与四个栅极两种.其中三栅极结第3期季旭东:飞机座舱显示与显示器件的最新发展构为基本型,它是由栅极G,G.与阳极A组成一个较低球差的非对称电子透镜这种枪的主要特点是在电子束发射区有一个高强度电场.其中G的电压为5kV.G与G间的电场为3kV/mm.束交叉点位于高电位.在最高电流密度时.电子相对速度较大.在G后有一个弱的发散透镜(在G孔上).而在四栅极结构中,G可很容易地工作在G的电位上.如果G的截止电压给定,则使用这种枪可以得到下四个好处:(a)在同样直径的栅孔下,束点尺寸较小;(b)随栅极驱动而产生的束交叉点轴向位移减少;(c)

13、G与G.间的强电场.使得较小栅孔或较大G/G间距成为可能;(d)G后的束角与到札詈o.霉仉馨0?0.J-J,ha.,L,I剞1色谱图上P1,P43与P53粉的区域位置3004005006007008oo被长,nm图5P43柑的光谱能量分布图捌靛罂杂算liJI.I_JJJU.6I53粉的光谱能量分布图达屏的阴极电流比不依赖于阳极电压.这种高场强电子枪,如采用了浸渍式阴极,钪酸盐阴极以及加铟氧化物阴极等新型阴极.其亮度与分辨率还可进一步提高.这种枪主要是用于高分辨投影管和飞机座舱显示.图9是三种应用了这种电子枪的CRT,从左到右依次为直视CRT,窄角CRT和HuD用CRT(为了简明起见,这三种CR

14、T分别称为A管,B管和c管).下面将分别对它们傲简单介绍.A管使用P43粉,扫描亮度为15oo0cd/m,束点尺寸为200m,工作电压:G为5kVtGa的聚焦电压为500V,阳极电压为5kV,偏转角为70.屏有效显示面为160mill×120mill,主要用于投影电视.B管采用浸渍式阴极,也可用氧化物阴极.ptm,偏转角为45.,各电极电压范围为1025kV.其亮度为7500cd/m,束点尺寸为120红绿射线的阳极电压比为2.5:1.屏有真空电子技术一气G:G,Al=一.G2G3G?Al图7一种高性能电子枪的两种类型电子透镜图8高场强电子抢的电子透镜(a)三授型(b)四报型效显示面为

15、100mitt×75mm.该管可用于飞机座舱.c管是一种专用作HuD的小型投影管,其有效显示面的直径为65mm,视角为25.光栅亮度为24000cd/m,分辨率150g-m.本管因束角窄,因而能给出良好的聚焦深度.上述三种管子采用的均是三电极主聚焦透镜,其中主聚焦电极工作电图8三种使用了高场强电子抢的CRT压的范围为o50ov,低于G的45kV.其高性能的取得主要是基于其发射部分的结构.从束交叉点到屏的放大率,在束点尺寸相同时,高于传统的CRT;它的主聚焦透镜焦距短,也使得球差降低.如使用多极(例如四极)透镜,则可进一步减小球差.(3)其他有人在座舱显示CRT上,采用纤维光学面板,可

16、将因面板内的多次反射和杂散电子发射造成的乱真照度减至最小,提高了屏面的清晰度.为了提高亮度与分辨率,美国空军ArmstrrongLaboratroy(AL)还设计过一种微聚焦网型CRT.丝直径为13m的网来偏转与聚焦束,使亮度显着增加.他们还打算用磁光学调节技术来提高亮度与分辨率.在现代飞机座舱显示设备用的CRT上,还普遍使用了防眩玻屏,使飞行员能在强环境光下阅读CRT屏,这也间接地提高了亮度.由于空中昼夜间环境光反差太大,高亮度在夜间会使飞行员感到刺眼.故在现代飞机上,多采用自动对比度/亮度传感器来控制CRT的亮度.1.2对比度第3期季旭东:飞机座舱显示与显示器件的最新发展37为r达到所需的

17、对比度,除采用窄带荧光粉外,还可采用与之相匹配的滤光片美国空军AL人员认为,在研制HMD时可以适当牺牲一些亮度来取得所需的对比度.他们给出了一个在最差观察条件下,计算HMD显示的峰值对比度公式:c一器7dL一,J71Y其中:('为HMD的实际对比度;71是HMD的显示透镜透射率;Y是外部透镜透射率;7,是飞机座舱盖透射率;,是外部环境的最高对比度.L一和,J一是显示的最大与最小亮度.在他们为F16研制的HMD中,71与分别为0.75与0.4(HMD的镜片),为0.625.是F一16座舱盖透射率.,J取值为34260cd/m:.是战术飞机的最差观察条件,代人公式(1),得到的c值.它接近

18、甚至超过常用的单色座舱显示CRT的对比度.2.1_3消除眼睛的拮抗在座舱显示设备特别是HMD的使用中,飞行员通过设备看到的图像并不是直接的自然图像,而是由CRT显示的或通过透镜一反射镜组看到的外部景像,时间稍长便会产生双目拮抗现象.经过研究,发现拮抗产生需要时间,因而可以利用变化的图形,适当降低图形对比度,或将显示的图形引入一个窗口.即加上个边框,使观察者产生很强的深度感等方法来降低乃至消除拮抗.2.1.4质量与体积由于飞机座舱空间有限,因而要求座舱显示CRT要质量轻体积小.因而在现代飞机上,都把显示设备做成集成式或模块式的就CRT本身而言,可通过采用微型偏转线圈,1瓦热阴极等紧凑型部件来减小

19、体积和质量.2.L5防震飞机座舱是一种剧烈的环境,人们发现,当振动接近CRT闪烁频率时.显示的图像就会模糊.在CRT上采用抗震玻璃,在飞机的座舱显示设备上加装抗震防冲击的缓冲装置是常用的手段2.2平板型座舱显示器件由于CRT有量重,体大,易碎,功耗大等缺点,因而在未来将为各类平板显示器件所取代其中.对质量,体积和抗震肪冲击等方面有着严格要求的座舱显示领域中,被替代的可能性更大.在座舱显示方面使用最多的显示器件是液晶显示(LCD),发光二极管显示(LED)和真空荧光显示(VFD)等,其中LED与VFD多用来显示字符,图像显示则以LCD为主.因为LCD质量轻,体积小,功耗低(如考虑到背光源,则优势

20、下降)等优点,现正被广泛应用于座舱显示领域中(使用的LCD多为有源矩阵型),并日益受到各国军方的重视.例如美国军方在90年代初.曾向()Is公司订购了6英寸×8英寸和6英寸×6英寸及4英寸×7英寸的高清晰度IA2D板.用于装备下一代作战飞机F一22,供货合同为3年.金额为1025万美元,并且为KC一135加油机,E一6A电子战飞机,F15战斗机提供150套小型水平姿态指示器,他们还与()Is公司签定了,一一个200万美元的AMLCD供货合同美空军AL研制出了一种用于作战飞机HMI)的LCD.它以氙弧灯为背光源.并与镜面及紫外滤光器匹配.可以获得亮度高和范围宽,分辨率高,无色散电位,尺寸小的装备.但它有一个缺点.即需要用滤光器实现彩色.从而使整个系统光效降低.也有采用红,绿,蓝三个真空电子技术1996年极化器实现彩色的,即输入光是三基色混合光,经极化器处理而产生彩色(三个极化器处理各自对应的光,并降低其泄露,从而把通道问串扰减至最小).AL还开发了一种以LCD为基础的微彩色显示器件(MCD).其峰值亮度为12000cd/m.,显示面为33mm×25mm,分辨率为118线/era(400×