飛機(jī)座艙顯示與顯示器件的最新發(fā)展

1、飛機(jī)座艙顯示與顯示器件的最新發(fā)展真空電子技術(shù)VACUUMELECTRONICS1996年第3期anditsDisplayDevicesjiXudong(HuadongElectronTubeFactyN洳g210028)AbstractThedevelopmentofthecockpitdisplayanditsdevicesisintroducedinthispaperrThetechnicalimprovementsoftheCRTusedinthecockpitaremainlydescribed,ThedevelopmentoftheLCDandtheotherflatpaneldis

2、playdevicesforthecockpitisalsointroduced,KeywordsCockpitdisplay,Electrongun,Phosphor摘要本文介紹了座艙顯示及座艙顯示器件的發(fā)展動(dòng)態(tài),著重說明了用于座艙顯示的CRT技術(shù)改進(jìn),也介紹了以液晶顯示為主的其他座艙顯示用平板顯示器件的研制動(dòng)態(tài).詞些咝./2.l飛機(jī)座艙顯示的發(fā)展''座艙顯示器件是現(xiàn)代軍,民用飛機(jī)的一種必不可少的部件,它包括座艙顯示CRT和以LCD為代表的平板座艙顯示器件,其性能的優(yōu)劣是座艙顯示設(shè)備能力的決定因素.早期的飛機(jī),例如二次世界大戰(zhàn)前的飛機(jī)(多數(shù)為軍用飛機(jī)),其上沒有任何顯示設(shè)備,

3、全憑飛行員的目力觀察來(lái)駕駛飛機(jī).這種目力觀察由于受人生理及天氣等諸多方面的限制,帶有很大的局限性,因而很不可靠.二戰(zhàn)后,隨著CRT在軍事上的廣泛應(yīng)用,軍用飛機(jī)便也裝備上了CRT顯示設(shè)備,用于顯示飛行參數(shù),地形圖,雷達(dá)圖像,系統(tǒng)狀況等信息,極大地方便了飛機(jī)駕駛員.那時(shí)的顯示設(shè)備是安裝在操縱板上的,需飛行員低頭觀看,因而是俯視性的(Headdown)這種俯視顯示方式的一個(gè)最大缺點(diǎn)是不能同時(shí)觀察顯示屏與艙外的空中情況.這在低速飛機(jī)上,例如亞音速飛機(jī),還不致造成很大的不便.但現(xiàn)代軍用飛機(jī),其速度已達(dá)每秒數(shù)百乃至千米以上,方向及高度可以在零點(diǎn)幾秒內(nèi)作較大改變.這時(shí),如飛行員仍要低頭看顯示,抬頭觀空情,就

4、會(huì)造成麻煩,甚至貽誤戰(zhàn)機(jī).為了使飛行員能夠同時(shí)看到顯示屏與空情,機(jī)載設(shè)備的研制者們于6O年代開發(fā)出了平視顯示系統(tǒng).它是將由CRT等顯示器件產(chǎn)生的圖像,通過一組透鏡反射鏡系統(tǒng),折射在位于飛行員正前方的一塊反射鏡面上,供飛行員觀察;而位于飛行員前方的反射鏡面又是透明的,因而飛行員也可以透過該鏡面.觀察艙外的空情(穿透式觀察).這樣飛行員便不用再低頭看顯示了所以這種顯示被稱之為平視顯示(Headupdisplay)或簡(jiǎn)稱HuD,見圖1.發(fā)._璺最呲韻件一一艙/第3期季旭東:飛機(jī)座艙顯示與顯示器件的最新發(fā)展為r使飛行員能連續(xù)不斷地通過顯示設(shè)備得到各種信息.機(jī)載顯示設(shè)備的研制者們又于70年代末至8O年代

5、,開發(fā)出了頭盔顯示系統(tǒng)(Headmounteddisplay,簡(jiǎn)稱為HMD),它使得飛行員在戴上頭盔后,不論其頭轉(zhuǎn)向何方,均能觀看顯示的圖像與艙外空情.與其它顯示不同,飛行員通過HMD看到的空情是通過一組透鏡反射鏡系統(tǒng)而到達(dá)目鏡,為飛行員所見的.為了獲得夜視能力,在圖1一種HuD的示意圖HMD系統(tǒng)中,往往配有紅外熱成像器式像增強(qiáng)管.并通過一圖像迭加器將它們產(chǎn)生的圖像與CRT產(chǎn)生的圖像迭加在一起,供飛行員觀看(見圖2),這就大大地提高了飛機(jī)的機(jī)動(dòng)能力(由于縮短了飛行員的反應(yīng)時(shí)問所致1圖像選加器延遲遺鏡?紅井熱象管物髓圖2一種HMD的工作示意圖應(yīng)該指出的是,在現(xiàn)代飛機(jī)上,需顯示的信息是大量的,所以

6、一架飛機(jī)上的顯示設(shè)備往往不止一個(gè).在裝備了HuD或HMD的飛機(jī)上.HuD或HMD也只是作為主顯示設(shè)備使用的.除此之外,還需配置一些輔助顯示器件.例如,在美軍新型F-22戰(zhàn)斗機(jī)及AH一66武裝直升機(jī)上就裝備了7個(gè)顯示器件,這就為飛機(jī)提供了綜合的顯示能力.2座艙顯示器件的研制狀況飛機(jī),特別是作戰(zhàn)飛機(jī)用的顯示器件,較之普通顯示器件,有著許多特殊的要求,例如,由于HuD與HMD是看透式顯示,字符投影在飛行員視野的無(wú)限遠(yuǎn)處,與背景地形重疊故字符與背景的對(duì)度比最低應(yīng)為7.5:1.又如空中晝夜環(huán)境光亮度范圍為1O1OfL(1fL一3.43ed/m),因而要求顯示器件的亮度也應(yīng)有較強(qiáng)的適應(yīng)性,峰值亮度也要很高

7、.因?yàn)楹娇诊@示器件多為軍用,故對(duì)分辨率與抗震耐沖擊也有較高的要求.此外,小體積,輕重量也是座艙顯示器件必不可少的要求.對(duì)于HMD來(lái)說,還要求佩帶舒適.為了研制出符合上述要求的顯示器件,各國(guó)有關(guān)科技人員曾傲了長(zhǎng)期努力,并取得了顯著的進(jìn)展,研制出了許多較好的顯示器件但在座艙顯示器件的研制上,仍有許多待改進(jìn)的技術(shù)問題.例如;如何解決在直射陽(yáng)光下使座艙顯示器件仉具有良好的可讀性;如何克服HMD使用帶來(lái)的雙眼拮抗(即兩眼所見圖像不能很好地融為一體)等.本文將就以上諸同34真空電子技術(shù)題,按顯示器件的類型進(jìn)行探討2.1座艙顯示管(CRT)CRT是一項(xiàng)發(fā)展成熟的技術(shù),半個(gè)多世紀(jì)來(lái),已在各個(gè)領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)

8、用當(dāng)代座艙顯示CRT,屏面尺寸多為5×5或6×6(英寸),要求在強(qiáng)環(huán)境光下,具有全視野,顯示高分辨圖像的能力,向時(shí)又要具有抗震能力.其分辨率應(yīng)在800線以上,亮度不應(yīng)低于2000fL,在1000fI的環(huán)境光下.仍要有8:1的對(duì)比度,管子陰極壽命應(yīng)在2000h以上.為了滿足這些要求,甚至達(dá)到更高的要求,人們對(duì)座艙顯示管做了大量的工作.2.1.1亮度和分辨率在提高座艙顯示CRT的亮度與分辨率方面,主要有以下幾種措施.(1)采用性能優(yōu)越的熒光粉.早期的座艙顯示CRT多用P1粉,這種粉具有良好的顯示對(duì)比度.顯示的字符常比其它粉更亮,它的顆粒度為0816m,中值尺寸為5.5m.其能量

9、分布如圖3.由圖可知,該粉輻射峰值為525rim,十分接近555rim的峰值視野響應(yīng)值.所以盡管輻射效率低(45),而亮度或光效卻是良好的(301m/w).因而能很容易地取得1000fl的峰值亮度,這是典型的座艙顯示CRT光輸出所需要的.P1粉的缺點(diǎn)是光效下降快,易被灼傷.例如當(dāng)電子束脈動(dòng)使亮度達(dá)到10000兒后,10bts即出現(xiàn)灼傷;20bts時(shí),韶罷毒鼻nIljIlI11II,lJ,l/I波長(zhǎng)/nm圖3P1粉的光譜能量分布圖屏材料即開始蒸發(fā).為此,要尋找更有效的熒光粉.這樣,P43與P53粉就應(yīng)運(yùn)而生了.P43粉與P53粉都是窄帶粉.由于P43粉在色譜圖(圖4)上比P1粉更靠近中心,其光飽

10、和度不如前者,因而顯得更白.P43粉的光譜能量分布如圖5所示,它的中心峰值很窄,因而可用衍射鏡片在座艙顯示設(shè)備上成像,便于實(shí)現(xiàn)全色座艙顯示.由于P43粉顯色較P1粉白,故其顯示的字符不易閱讀(背景對(duì)比度差),此外,在電流密度超過0.02A/cm時(shí).會(huì)嚴(yán)重飽和.而P53粉的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在高電流密度下,有著極高的穩(wěn)定性,被稱為超級(jí)熒光粉,其光譜能量分布如圖6.在屏8(】0O10000仃光輸出水平上,P53粉不如P1粉.但近期對(duì)座艙顯示CRT所要求的1200025000fl亮度范圍,P53粉正合適,而對(duì)P1粉來(lái)說,該范圍的下限,超出了P1粉的最大有效輸出.由于P53粉在色譜圖上的位置比P43粉更靠

11、近紅色區(qū)域,因而影響了它在航空電子上的應(yīng)用.近來(lái),有人將P1粉與P53粉摻在一起使用,使P53粉的顏色朝P1粉更純的綠色轉(zhuǎn)變.P53粉往多用在大屏幕顯示上8O年代以來(lái),也開始用于座艙顯示CRT.例如美軍在F一16戰(zhàn)斗機(jī)上裝備的Holographic型HuD設(shè)備中使用的CRT上,就采用了P53粉,其束點(diǎn)尺寸在200fL亮度值時(shí)為18m;在1000兀J亮度值時(shí)為32m.(2)新型電子槍改進(jìn)電子槍是提高亮度,改進(jìn)分辨率的一個(gè)有效的方法,而改進(jìn)電子槍的一個(gè)主要的方面是電子透鏡的改進(jìn)英國(guó)科研人員提出了一種新的電子槍設(shè)計(jì)方案,即高場(chǎng)強(qiáng)電子透鏡槍.與傳統(tǒng)的管子相比有較大的差別.圖7是一種傳統(tǒng)型高性能槍的電子

12、透鏡,而圖8則是高場(chǎng)強(qiáng)槍的電子透鏡.新型電子槍的電子透鏡有三個(gè)柵極與四個(gè)柵極兩種.其中三柵極結(jié)第3期季旭東:飛機(jī)座艙顯示與顯示器件的最新發(fā)展構(gòu)為基本型,它是由柵極G,G.與陽(yáng)極A組成一個(gè)較低球差的非對(duì)稱電子透鏡這種槍的主要特點(diǎn)是在電子束發(fā)射區(qū)有一個(gè)高強(qiáng)度電場(chǎng).其中G的電壓為5kV.G與G間的電場(chǎng)為3kV/mm.束交叉點(diǎn)位于高電位.在最高電流密度時(shí).電子相對(duì)速度較大.在G后有一個(gè)弱的發(fā)散透鏡(在G孔上).而在四柵極結(jié)構(gòu)中,G可很容易地工作在G的電位上.如果G的截止電壓給定,則使用這種槍可以得到下四個(gè)好處:(a)在同樣直徑的柵孔下,束點(diǎn)尺寸較小;(b)隨柵極驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的束交叉點(diǎn)軸向位移減少;(c)

13、G與G.間的強(qiáng)電場(chǎng).使得較小柵孔或較大G/G間距成為可能;(d)G后的束角與到札詈o.霉仉馨0?0.J-J,ha.,L,I剞1色譜圖上P1,P43與P53粉的區(qū)域位置3004005006007008oo被長(zhǎng),nm圖5P43柑的光譜能量分布圖捌靛罌雜算liJI.I_JJJU.6I53粉的光譜能量分布圖達(dá)屏的陰極電流比不依賴于陽(yáng)極電壓.這種高場(chǎng)強(qiáng)電子槍,如采用了浸漬式陰極,鈧酸鹽陰極以及加銦氧化物陰極等新型陰極.其亮度與分辨率還可進(jìn)一步提高.這種槍主要是用于高分辨投影管和飛機(jī)座艙顯示.圖9是三種應(yīng)用了這種電子槍的CRT,從左到右依次為直視CRT,窄角CRT和HuD用CRT(為了簡(jiǎn)明起見,這三種CR

14、T分別稱為A管,B管和c管).下面將分別對(duì)它們傲簡(jiǎn)單介紹.A管使用P43粉,掃描亮度為15oo0cd/m,束點(diǎn)尺寸為200m,工作電壓:G為5kVtGa的聚焦電壓為500V,陽(yáng)極電壓為5kV,偏轉(zhuǎn)角為70.屏有效顯示面為160mill×120mill,主要用于投影電視.B管采用浸漬式陰極,也可用氧化物陰極.ptm,偏轉(zhuǎn)角為45.,各電極電壓范圍為1025kV.其亮度為7500cd/m,束點(diǎn)尺寸為120紅綠射線的陽(yáng)極電壓比為2.5:1.屏有真空電子技術(shù)一氣G:G,Al=一.G2G3G?Al圖7一種高性能電子槍的兩種類型電子透鏡圖8高場(chǎng)強(qiáng)電子搶的電子透鏡(a)三授型(b)四報(bào)型效顯示面為

15、100mitt×75mm.該管可用于飛機(jī)座艙.c管是一種專用作HuD的小型投影管,其有效顯示面的直徑為65mm,視角為25.光柵亮度為24000cd/m,分辨率150g-m.本管因束角窄,因而能給出良好的聚焦深度.上述三種管子采用的均是三電極主聚焦透鏡,其中主聚焦電極工作電圖8三種使用了高場(chǎng)強(qiáng)電子搶的CRT壓的范圍為o50ov,低于G的45kV.其高性能的取得主要是基于其發(fā)射部分的結(jié)構(gòu).從束交叉點(diǎn)到屏的放大率,在束點(diǎn)尺寸相同時(shí),高于傳統(tǒng)的CRT;它的主聚焦透鏡焦距短,也使得球差降低.如使用多極(例如四極)透鏡,則可進(jìn)一步減小球差.(3)其他有人在座艙顯示CRT上,采用纖維光學(xué)面板,可

16、將因面板內(nèi)的多次反射和雜散電子發(fā)射造成的亂真照度減至最小,提高了屏面的清晰度.為了提高亮度與分辨率,美國(guó)空軍ArmstrrongLaboratroy(AL)還設(shè)計(jì)過一種微聚焦網(wǎng)型CRT.絲直徑為13m的網(wǎng)來(lái)偏轉(zhuǎn)與聚焦束,使亮度顯著增加.他們還打算用磁光學(xué)調(diào)節(jié)技術(shù)來(lái)提高亮度與分辨率.在現(xiàn)代飛機(jī)座艙顯示設(shè)備用的CRT上,還普遍使用了防眩玻屏,使飛行員能在強(qiáng)環(huán)境光下閱讀CRT屏,這也間接地提高了亮度.由于空中晝夜間環(huán)境光反差太大,高亮度在夜間會(huì)使飛行員感到刺眼.故在現(xiàn)代飛機(jī)上,多采用自動(dòng)對(duì)比度/亮度傳感器來(lái)控制CRT的亮度.1.2對(duì)比度第3期季旭東:飛機(jī)座艙顯示與顯示器件的最新發(fā)展37為r達(dá)到所需的

17、對(duì)比度,除采用窄帶熒光粉外,還可采用與之相匹配的濾光片美國(guó)空軍AL人員認(rèn)為,在研制HMD時(shí)可以適當(dāng)犧牲一些亮度來(lái)取得所需的對(duì)比度.他們給出了一個(gè)在最差觀察條件下,計(jì)算HMD顯示的峰值對(duì)比度公式:c一器7dL一,J71Y其中:('為HMD的實(shí)際對(duì)比度;71是HMD的顯示透鏡透射率;Y是外部透鏡透射率;7,是飛機(jī)座艙蓋透射率;,是外部環(huán)境的最高對(duì)比度.L一和,J一是顯示的最大與最小亮度.在他們?yōu)镕16研制的HMD中,71與分別為0.75與0.4(HMD的鏡片),為0.625.是F一16座艙蓋透射率.,J取值為34260cd/m:.是戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)的最差觀察條件,代人公式(1),得到的c值.它接近

18、甚至超過常用的單色座艙顯示CRT的對(duì)比度.2.1_3消除眼睛的拮抗在座艙顯示設(shè)備特別是HMD的使用中,飛行員通過設(shè)備看到的圖像并不是直接的自然圖像,而是由CRT顯示的或通過透鏡一反射鏡組看到的外部景像,時(shí)間稍長(zhǎng)便會(huì)產(chǎn)生雙目拮抗現(xiàn)象.經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)拮抗產(chǎn)生需要時(shí)間,因而可以利用變化的圖形,適當(dāng)降低圖形對(duì)比度,或?qū)@示的圖形引入一個(gè)窗口.即加上個(gè)邊框,使觀察者產(chǎn)生很強(qiáng)的深度感等方法來(lái)降低乃至消除拮抗.2.1.4質(zhì)量與體積由于飛機(jī)座艙空間有限,因而要求座艙顯示CRT要質(zhì)量輕體積小.因而在現(xiàn)代飛機(jī)上,都把顯示設(shè)備做成集成式或模塊式的就CRT本身而言,可通過采用微型偏轉(zhuǎn)線圈,1瓦熱陰極等緊湊型部件來(lái)減小

19、體積和質(zhì)量.2.L5防震飛機(jī)座艙是一種劇烈的環(huán)境,人們發(fā)現(xiàn),當(dāng)振動(dòng)接近CRT閃爍頻率時(shí).顯示的圖像就會(huì)模糊.在CRT上采用抗震玻璃,在飛機(jī)的座艙顯示設(shè)備上加裝抗震防沖擊的緩沖裝置是常用的手段2.2平板型座艙顯示器件由于CRT有量重,體大,易碎,功耗大等缺點(diǎn),因而在未來(lái)將為各類平板顯示器件所取代其中.對(duì)質(zhì)量,體積和抗震肪沖擊等方面有著嚴(yán)格要求的座艙顯示領(lǐng)域中,被替代的可能性更大.在座艙顯示方面使用最多的顯示器件是液晶顯示(LCD),發(fā)光二極管顯示(LED)和真空熒光顯示(VFD)等,其中LED與VFD多用來(lái)顯示字符,圖像顯示則以LCD為主.因?yàn)長(zhǎng)CD質(zhì)量輕,體積小,功耗低(如考慮到背光源,則優(yōu)勢(shì)

20、下降)等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)正被廣泛應(yīng)用于座艙顯示領(lǐng)域中(使用的LCD多為有源矩陣型),并日益受到各國(guó)軍方的重視.例如美國(guó)軍方在90年代初.曾向()Is公司訂購(gòu)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.用于裝備下一代作戰(zhàn)飛機(jī)F一22,供貨合同為3年.金額為1025萬(wàn)美元,并且為KC一135加油機(jī),E一6A電子戰(zhàn)飛機(jī),F15戰(zhàn)斗機(jī)提供150套小型水平姿態(tài)指示器,他們還與()Is公司簽定了,一一個(gè)200萬(wàn)美元的AMLCD供貨合同美空軍AL研制出了一種用于作戰(zhàn)飛機(jī)HMI)的LCD.它以氙弧燈為背光源.并與鏡面及紫外濾光器匹配.可以獲得亮度高和范圍寬,分辨率高,無(wú)色散電位,尺寸小的裝備.但它有一個(gè)缺點(diǎn).即需要用濾光器實(shí)現(xiàn)彩色.從而使整個(gè)系統(tǒng)光效降低.也有采用紅,綠,藍(lán)三個(gè)真空電子技術(shù)1996年極化器實(shí)現(xiàn)彩色的,即輸入光是三基色混合光,經(jīng)極化器處理而產(chǎn)生彩色(三個(gè)極化器處理各自對(duì)應(yīng)的光,并降低其泄露,從而把通道問串?dāng)_減至最小).AL還開發(fā)了一種以LCD為基礎(chǔ)的微彩色顯示器件(MCD).其峰值亮度為12000cd/m.,顯示面為33mm×25mm,分辨率為118線/era(400×