加固型液晶顯示器講座課件

2002.10.15加固型液晶顯示器液晶顯示器的發(fā)展及在軍事上的應用（一）近年來由于液晶顯示器在性能方面，如亮度、對比度、顏色的豐富程度、視角擴寬等方面迅速提高；同時在價格方面逐漸下降；加上軍事應用的特點要求體積小、重量輕、防振、防沖擊、電磁輻射小等，因此，液晶顯示器普遍被各國軍方所采用。

例如英國的大型水面艦載指揮系統(tǒng)SSCS-21就采用了日本NEC公司研制的20英寸加固型平板顯示器；SMCS選擇了日本馬可尼公司的加固型TFT-LCD屏，用于聲納信號處理顯示。

挪威的Skjold級新艦艇和Hurk級巡邏艇的指揮控制系統(tǒng)也采用了加固型TFT-LCD顯示屏。液晶顯示器的發(fā)展及在軍事上的應用（二）

美國FA－18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機和美國海軍陸戰(zhàn)隊AV－8B“鷂”式戰(zhàn)斗機以及英國軍隊“鷹”式教練機等機載設備上都裝備了平板顯示器。此外由波音公司為美軍提供的JSF，該機座艙內顯示器的基本布局是：

1、2塊203mm×254mm主多功能顯示器（PMFD），

2、PMFD上方的2塊76mm×102mm上方顯示器（UFD），

3、2塊UFD之間的上方控制器（UFC）。這5塊顯示器全部采用了液晶顯示器，其設計構想是基于F-22戰(zhàn)機的座艙設計，而大尺寸主多功能顯示器則使美國空軍所謂的“全景駕駛艙控制/顯示系統(tǒng)（PCCADS）：大圖像計劃（BigPicturePlan）”向前邁了一大步。液晶顯示器的發(fā)展及在軍事上的應用（三）

目前世界上生產軍用加固型液晶顯示器的公司主要有：美國的Aydin公司和比利時巴克公司，美軍及北約組織幾乎80%的顯示器由這兩家公司提供。我軍近幾年開始采用加固型液晶顯示器，我國的殲－１０戰(zhàn)機座艙為三個多功能液晶顯示器和一個大型寬角平顯頭盔瞄準系統(tǒng)，殲11的改良項目之一就是座艙內將安裝2具大型（13X18公厘）和2具小型（7.5X7.5公厘）的多功能液晶顯示器，我們有理由相信隨著顯示技術的進步，軍用液晶顯示器的推廣應用必定會上一個新的臺階。

戰(zhàn)術指標對照表型號LI20FM平板類型TFT-LCD20"指標加固后指標原型機指標顯示顏色16M

亮度150cd/m2120cd/m2對比度300:1

分辨率1600×1200點距0.25mm

響應時間10ms/35ms

視角H：+75°/-75°V：+75°/-75°H：+70°/-70°V：+55°/-55°電源220VAC±15%44Hz～440Hz功耗工作狀態(tài)：75W冷啟動：100W

重量≤18.5KgMTBF＞30000h戰(zhàn)術指標對照表型號LI18FM平板類型TFT-LCD18"指標實際指標原型機指標顯示顏色16M

亮度150cd/m2230cd/m2對比度350:1

分辨率1280×1024點距0.28mm

響應時間5ms/20ms

視角H：+85°/-85°V：+85°/-85°H：+70°/-70°V：+55°/-55°電源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作狀態(tài)：65W冷啟動：90W

重量≤18KgMTBF＞30000h

戰(zhàn)術指標對照表型號LI16FM平板類型TFT-LCD16"指標實際指標原型機指標顯示顏色16M

亮度150cd/m2250cd/m2對比度400:1

分辨率1280×10241280×1024點距0.24mm

響應時間10ms/35ms

視角H：+80°/-80°V：+65°/-65°H：+70°/-70°V：+55°/-55°電源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作狀態(tài)：55W冷啟動：85W

重量≤16KgMTBF＞30000h

戰(zhàn)術指標對照表型號LI15FM平板類型TFT-LCD15"指標實際指標原型機指標顯示顏色16m

亮度150cd/m2250cd/m2對比度450:1

分辨率1024×7681024×768點距0.29mm

響應時間10ms/30ms

視角H：+80°/-80°V：+75°/-75°H：+70°/-70°V：+55°/-55°電源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作狀態(tài)：50W冷啟動：80W

重量≤14KgMTBF＞30000h

戰(zhàn)術指標對照表型號LI10FM平板類型TFT-LCD10"指標實際指標原型機指標顯示顏色16m

亮度150cd/m2250cd/m2對比度250:1

分辨率640×480點距0.33mm

響應時間15ms/35ms

視角H：+85°/-85°V：+60°/-80°°H：+70°/-70°V：+55°/-55°電源220VAC±15%44Hz～440Hz220VAC50±5%功耗工作狀態(tài)：45W冷啟動：65W

重量≤6KgMTBF＞30000h關鍵技術—概述

包括美國在內的世界各國軍方，目前所采用的軍用液晶顯示器大部分都是購進成熟的性能優(yōu)良的商用LCD屏，然后根據用戶（軍方）的要求，有針對性地對其薄弱環(huán)節(jié)進行改進設計，以滿足軍事上的惡劣環(huán)境要求。經過這種處理的LCD顯示器稱作加固型液晶顯示器（RuggedizedLCD），而這種工藝則稱作“加固”工藝。液晶顯示器加固設計主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1、熱設計(高、低溫設計）

2、抗振動、沖擊設計

3、三防設計

4、電磁兼容性設計

5、可靠性設計

6、安全性設計液晶顯示器的結構及工作原理（一）液晶顯示器結構示意圖（）背光燈管反射板導光板調整片偏光板）（內含配向膜玻璃基層液晶體料內含配向膜彩色濾光片液晶屏液晶盒玻璃基板偏光板前面后面液晶顯示器實物圖液晶顯示器的結構及工作原理（二）

首先液晶顯示器內的螢光燈管投射出光線，這些光線會先經過一個水平偏光板然后再經過液晶，液晶分子的排列方式可以改變穿透液晶的偏振方向，然后這些光線接下來還必須經過前方的彩色濾光膜與另一塊垂直偏光板。如果我們對液晶施加電壓液晶就可以改變光線的偏振方向，進而控制最后出現(xiàn)的光線強度與色彩，從而液晶面板上可變化出不同深淺的顏色組合。

液晶屏工作原理加固型液晶顯示器電氣方框圖

濾波電路AC開關電源溫控系統(tǒng)板輸入信號RGBHV顯示器主板主控電路R、G、B、H、V緩沖H、V信號檢測R、G、B信號處理H、V信號處理液晶屏顯示接口液晶顯示屏OSD板控制信號逆變器加熱膜背光燈傳感器溫度保護開關加熱指示關鍵技術—對液晶盒的加熱設計低溫加熱設計1、液晶盒A、商用液晶顯示器的工作溫度在5～35℃之間，而軍用設備的工作溫度一般在-10℃～+50℃之間。所以，商用液晶顯示器在加固中存在一個寬溫設計的問題，溫度主要對液晶屏和背光源產生影響。液晶材料對溫度的變化非常敏感，影響液晶的響應時間和液晶的閥值電壓。當溫度降低于0℃時，液晶材料將變得粘滯，響應速度變慢，動態(tài)圖象出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象甚至不能顯示；如果溫度進一步降低，液晶態(tài)會消失，變成晶體。此時有可能會在形成晶體過程中破壞定向層而造成永久性損壞。目前解決低溫工作問題的途徑有兩種：第一是采用寬溫型液晶材料，這樣造價相當高，且技術和工藝上也存在很大的難度；第二是采用被動加熱的辦法，也就是在低溫下對其加熱，以保證液晶顯示器在低溫下正常工作。后者是當前軍用液晶顯示器用得最多的加固技術。B、加熱設計

外部加熱法

內部加熱法（使用ITO加熱玻璃）內部加熱法（使用透明加熱膜）第一階段第二階段第三階段關鍵技術—外部加熱法片背光燈管反射板導光板調整片偏光板玻璃基層液晶體料彩色濾光液晶屏液晶盒玻璃基板偏光板ITO加熱玻璃外部加熱法示意圖主要優(yōu)點工藝簡單、成本相對來說比較低。主要缺點1、反光嚴重。光線在透過玻璃前后兩個表面時都有一部分被反光，反射光量的大小與玻璃的折射率有關，一般來講，玻璃的前后表面的發(fā)射光約為4%左右，但對ITO加熱玻璃而言反射更為嚴重，因為加熱玻璃上鍍了氧化銦錫的表面其反射光大大增加，使其變成了一面鏡子。

2、加熱效率低。

1、直接與外界熱交換

2、與液晶屏有一定距離第一階段關鍵技術—內部加熱法（使用ITO加熱玻璃）背光燈管液晶盒液晶屏偏光板玻璃基板彩色濾光片液晶體料玻璃基層偏光板導光板反射板調整片ITO加熱玻璃內部加熱法示意圖（使用ITO加熱玻璃）主要優(yōu)點無反光現(xiàn)象，加熱效率高。主要缺點1、抗振動、沖擊能力差。2、工藝要求高，此外由于加熱玻璃有一定厚度，液晶屏邊框可能需要重新開模。第二階段關鍵技術—內部加熱法（使用透明加熱膜））內加熱法示意圖（使用透明加熱膜）液晶屏液晶盒偏光板玻璃基板彩色濾光片液晶體料玻璃基層偏光板導光板反射板調整片背光燈管透明加熱膜主要優(yōu)點1、無反光現(xiàn)象，加熱效率高。2、抗沖擊、振動能力強。3、對任何屏都適用。主要缺點工藝復雜、技術難度大。第三階段關鍵技術—各種加熱方法對比

內部加熱法

外部加熱法透明加熱膜ITO加熱玻璃加熱時間1～2分鐘3～5分鐘10～15分鐘低溫工作可作到-40℃-40℃（但玻璃太薄、容易凍裂）-15℃加熱功率低較低高視覺效果良好反光嚴重電磁兼容性好（可外加屏蔽玻璃）好（可外加屏蔽玻璃）差（不可加屏蔽玻璃）抗振性能好差（易碎，容易損壞屏）差選配觸摸屏可以可以不可以透過率》85%》70%》70%工藝復雜程度復雜復雜簡單價格適中一般便宜通過以上分析，我們找到了解決液晶顯示器在低溫范圍內工作的最佳方法，即采用透明加熱膜的內加熱方式。結論良好關鍵技術—對背光燈的加熱設計-30-200-1020103040506080700102030405060708010090110環(huán)境溫度（℃）相對光能量輸出（%）圖3環(huán)境溫度對燈的發(fā)光強度的影響。在測量前燈以及外盒必須達到熱穩(wěn)定狀態(tài)燈電流I=5mA2、背光燈的加熱處理1、背光燈的溫度特性

由圖可知：環(huán)境溫度對背光燈影響很大，只有在一定溫度下，背光燈工作最理想。如果環(huán)境溫度低于0℃，一則背光燈啟動困難，二則背光源的熒光燈管壽命會降低，而且低溫還會影響背光源的亮度，為使背光燈工作在最佳狀態(tài)，應使其工作在一定的溫度下。

低溫時我們是通過在每根背光燈管上纏繞加熱絲（鎳鉻合金）來對其進行加熱。關鍵技術—控制方式的選擇

智能PWM控溫方式繼電器控制方式控制電路復雜

簡單

控溫點

準確（多點測溫綜合控制）

不準確（測溫點一般只有一個）

可靠性

好差（特別是繼電器不可靠）故障診斷有自動保護、診斷功能

無加熱特性加熱平緩無沖擊有熱沖擊、對屏有損傷電路設計我們采用的是智能PWM（脈沖寬度調制）控溫方式

有了好的加熱方法，現(xiàn)在需要的是一個好的控制方式，使液晶屏、背光燈等在低溫下可靠工作。關鍵技術—控制電路方框圖電路方框圖濾波器電源模塊液晶控制板加熱膜溫度傳感器

PWM1

PWM2

CPUPWM3

加熱膜驅動電路整流燈管溫度傳感器主控板等溫度傳感器環(huán)境溫度傳感器加熱絲驅動電路加熱板驅動電路溫度開關（放置在液晶屏上）復位、監(jiān)控電路晶振A/DA/DA/DA/DEEPROMRS232保護電路保護電路保護電路220V關鍵技術—電路控制部分輸入部分：采集溫度信號中央處理部分：完成A/D轉換。然后根據測得的溫度確定輸出的占空比，并隨時根據測得的溫度對占空比進行修正輸出部分：驅動加熱元器件（主要是透明加熱膜和燈管加熱絲），其輸出波形如下圖：背光燈加熱控制電路隨環(huán)境溫度進行脈寬調制，其占空比隨溫度的變化圖。液晶盒加熱控制電路隨環(huán)境溫度進行脈寬調制，其占空比隨溫度的變化圖透明加熱膜簡介（一）復合導電條

電阻薄膜

銀漿電極

基材透明加熱膜結構銀漿電極：金屬銀和有機粘結劑的混合物。復合導電條：鈀、銀合金帶，厚約70um，其功能是做引出電極，減小匯流條的電阻。電阻薄膜：是透明加熱膜的主要構件，它實際上是由五層薄膜組成，即由介質層——過渡層——合金層——過渡層——介質層組成。合金層，是一種Ag—Au合金，透明加熱膜的最終性能主要取決于該納米級Ag—Au薄膜和納米級厚度的介質層的相互匹配?；模阂环N聚酯薄膜，厚175um，具有透明、低霧度、良好的化學穩(wěn)定性、.低的熱收縮等特點，是透明加熱膜的一個堅韌而柔軟的載體。透明加熱膜簡介（一）1、可見光透過率T﹥85%；2、加熱效率高，發(fā)熱面最大溫差不大5℃；3、電極平整，接觸可靠，無接縫，可焊性強；4、加熱膜方塊電阻5~15Ω／□；

特點

透明加熱膜是在基材上鍍上電阻薄膜形成導電良好的導電層，其方阻最小可做到5Ω／□，性能優(yōu)異。其四邊經過嚴格的絕緣處理防止氧化，然將電極固定在薄膜兩側，在電極上加上電壓，此透明加熱膜就成為了一個良好的發(fā)熱體透明加熱膜外形圖工作原理關鍵技術—散熱設計（一）高溫散熱設計計算一關鍵技術—散熱設計（二）

4）避免局部過熱設計：在解決殼體通過自然對流冷卻可滿足散熱要求的前提下，需要解決的關鍵問題就是避免局部過熱影響整機性能。傳統(tǒng)的散熱方式有風冷，半導體制冷和水冷散熱系統(tǒng)等。這些散熱方式由于體積較大、導熱率低或可靠性低等各種因素而不適合在液晶顯示器中應用。經過比較分析，在機器中采用熱管作為熱傳導元件是行之有效的途徑。在同等的條件下，在降低接觸熱阻的情況下，熱管的導熱率是銅的103倍，首先在熱源處集熱，再選用規(guī)格合適的熱管將熱量由高溫端高效率傳遞至殼體（低溫端）。熱管外形圖高溫散熱設計計算二關鍵技術—散熱設計（三）管內吸液芯中的液體受熱汽化；汽化了的飽和蒸汽向冷端流動飽和蒸汽在冷端冷凝放出熱量冷凝液體在吸液芯毛細力作用下回到熱端繼續(xù)吸熱汽化熱管工作原理特點1）傳熱系數高，傳熱能力大。隨管內工質的不同，比良好的金屬導熱體的導熱系數要高102-104倍，比銅高103倍。

2）良好的等溫性，熱管在傳熱過程中，由于是相變傳熱，因此，熱管內的溫度基本上是恒溫的。3）單管作業(yè)，由于每根熱管是單獨的傳熱單元，因此一根或多根熱管損壞，兩種介質不互串。

關鍵技術—抗振動、沖擊（一）液晶顯示器主要由液晶屏、控制板、電源等三大模塊組成，經過對比分析及試驗得知：液晶屏是主要的薄弱環(huán)節(jié)，采取的加固措施是否得當將對整機的抗振動沖擊特性起決定作用。1、液晶屏的結構特點：由于液晶屏內包含了液晶層，偏光片層，導光板層及反射板層等多層結構，導致其本身的剛性不能滿足要求，進而限制了液晶屏的抗振動沖擊特性的提高。2、提高液晶屏抗振動沖擊特性的加固措施：a、提高液晶屏的剛度；b、對關鍵部分進行隔振緩沖設計?？拐駝記_擊設計關鍵技術—抗振動、沖擊（二）1)

2)

以LI15FM為例進行計算：

根據公式：平板的剛度因子：D=Eh3/12(1-μ2)；(式未采取隔振保護措施時,根據邊界近似支撐條件，

固有頻率為：rDafn255.3=(式將（式1）與（式2）相結合，計算

Hzfn42=

在后部增加加強筋與液晶屏進行剛性連接，計算

Hzfn122=

很明顯，通過提高剛性可增大固有頻率。

抗振動沖擊系統(tǒng)設計：

根據微分方程理論，設強迫振動的穩(wěn)態(tài)解：

抗振動沖擊設計計算一關鍵技術—抗振動、沖擊（三）)sin()sin(yyyxptptXxqjb+F=+=

式中，X：沿X軸平動的振幅

；yF：繞Y軸旋轉的振幅

xb

,yq；初相角

將))(4sin(220zj++F=tIkakbzyxz與上兩式相結合，可知：

zxxyzxyxxyzxkkapkIkmakmhPmIApkIkkaX222242216)(4)4(4+++--=

zxxyzxyxxykkapkIkmakmhpmIApmhk22224216)(44+++--=F

將測量值代入計算685.0==xhh＜[]h，符合實際要求。

抗振動沖擊設計計算二關鍵技術—抗振動、沖擊（四）由上述計算可知，對于選定型號的液晶屏而言，可采取的加固工程措施：改善板邊條件以及增加加強筋，從而達到提高固有頻率的目的。膠封液晶屏周邊再輔之以單面強力膠條將多層結構構成一個整體,然后在液晶屏背部增加加強筋,二者剛性連接。經過加固設計后進行摸底試驗，可順利通過振動試驗（試驗條件：5-16Hz1±0.5mm；16-60Hz1g；60-160Hz2g）和沖擊試驗（試驗條件：20g11ms）。

抗振動沖擊設計計算三液晶屏采用橡膠減振環(huán)外形圖背光燈采用圓形減振器外形圖關鍵技術—三防設計

海軍艦艇用加固型液晶顯示器應具備防潮、防鹽霧、防霉菌的三防特性，為此我公司研制的海軍艦艇用加固型液晶顯示器設計成全密封結構。

同時采用與海用高分辨率彩色CRT顯示器相同的三防工藝技術，且嚴格按照《油漆工藝規(guī)程》、《印制板三防工藝規(guī)程》、《DJB823保護劑涂覆工藝規(guī)程》、《加固型終端、顯示器噴三防漆作業(yè)指導書》等相關文件要求，對機器面板、按鍵、螺釘、印制電路板、導線等主要部件進行了三防處理。保證了產品具有理想的防潮、防鹽霧、防霉菌性能。三防設計措施一措施二關鍵技術—電磁兼容（一）連接線A/D控制板逆變器

開關電源

機殼

加固型液晶顯示器的電磁干擾主要來自三個方面：

1）電源

2）A/D控制板

3）逆變器1、顯示器內主要干擾源關鍵技術—電磁兼容（二）2、抑制措施1、外部屏蔽處理：通過用導電性能好的材料制作機殼，顯示窗口采用屏蔽玻璃，屏蔽玻璃中金屬網與機箱之間的搭接采用彈性搭接，同時在機殼的接縫處，采用導電橡膠條密封，使顯示器外殼形成一個電連續(xù)良好的屏蔽體。此外要求機殼的接地電阻要盡量小，當接地不好時，會增加電磁輻射。2、設備內部的電纜處理：各連線采用屏蔽線，屏蔽層要接地，同時要保證360度搭接，內部的視頻線和信號線上套上鐵氧體磁環(huán)。信號線與電源線分開走線，避免相互干擾。3、外部電纜的處理：各連線采用屏蔽線，同時套上鐵氧體磁環(huán)。4、開關電源的處理，加裝濾波器，濾波器的插入損耗要求如下圖，濾波器的差模插入損耗在低頻時要大，解決100KHz以下超標問題，共模插入損耗重點保證1MHz~1GHz超標問題。5、逆變器的處理：用屏蔽罩對其進行單獨隔離。關鍵技術—可靠性設計可靠性分析

在設計中進行了可靠性分析，通過計算我們的產品其可靠性達到并超過了設計要求。元器件的選擇

元器件質量是整機可靠性的基礎，我們在設計中十分重視元器件的選用工作，首先元器件采購遵照本公司制定的《合格分供方名錄》擇優(yōu)選用。元器件的篩選

為剔除不符合使用要求的元器件，包括外觀不合格、密封性能不合格、電性能參數不合格、穩(wěn)定性差、早期失效等，我們對元器件進行篩選試驗。降額設計

電子元器件的基本失效率取決于工作應力(