机载液晶显示器及其标准化研究.doc

机载液晶显示器及其标准化研究飞机上采用机载有源矩阵液晶显示器取代阴极射线管显示器已是必然发展趋势；美国军、民用飞机已采用这种显示器；美日，尤其是日本在研制生产中投入了大量人力、物力，处于世界霸主地位；美国空军和民机机构已经或正在制定这方面标准；摘要：飞机上采用机载有源矩阵液晶显示器取代阴极射线管显示器已是必然发展趋势；美国军、民用飞机已采用这种显示器；美日，尤其是日本在研制生产中投入了大量人力、物力，处于世界霸主地位；美国空军和民机机构已经或正在制定这方面标准；我国在该领域已做了一些研制工作，已有一定基础，但相对落后，建议走军民联合开发道路，并尽快立项制定通用标准。关键词：飞机仪表显示器液晶显示标准化1概述平板显示器是本世纪取得巨大发展的重大高科技电子新技术之一。波音777客机成功采用有源矩阵液晶显示器是飞机显示仪表发展史上的一个里程碑。彩色有源矩阵液晶显示器取代阴极射线管显示器是飞机显示器技术的发展趋势。美国空军不仅认为在这种电子显示器投入战场使用之前，绝对需要制定出有关军用标准，而且于1992年4月发起制定，两年后公布了“美国军用飞机彩色有源矩阵液晶显示器标准草案”。实际上，它已对选择、设计或研制有源矩阵液晶显示器起着规范化指导作用。2简介21定义211平板显示器（FlatPanelDisplay，FPD）是一类显示元件在薄层内能单独寻址并发光或调制光从而显示信息的电子显示器。212液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）是一种利用液晶在电场作用下产生电光效应，在液晶分子排列转变同时发生光学性质转变，出现光散射、选择散射、双折射光干涉、二向色或旋光性，从而显示信息的平板显示器。平板显示器按光学显示特性可分为发光以及反光或光调制两大类。而液晶显示器属于后一类，它是一种光调制器，本身不发光，需要依靠外光源（环境光）或自备光源（背后照明）才能显示信息。液晶显示器按寻址（驱动）方式分为直接寻址（静态驱动）和矩阵多路传输寻址（动态驱动），而矩阵寻址又分为无源矩阵寻址和有源矩阵寻址方式。目前大量研制、生产和应用的是非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器。22优点有源矩阵液晶显示器与阴极射线管显示器比较，有下列主要优点：a体积和重量均减少50以上；b功率节省50以上；c可自然冷却；d可靠性提高100；e安全性得到改善；f环境耐受力更强；g抗高能辐射和雷电的性能好；h维修性改善；i制造和装配简单；j有效显示面积增大10；k阳光下对比度更高；l显示形式更丰富；m安装灵活性更大；n互连性更好。23缺点有源矩阵液晶显示器也有一些明显的缺点：a低温下动态响应速度慢；b工作和存储温度范围受限制；c观察角小；d初始成本较高。3应用概况31液晶显示器占据统治地位70年代以后，直接寻址液晶显示器在电子表和计算器等领域逐渐占据统治地位并进入航空仪表领域。80年代后期，有源矩阵液晶显示器获得了巨大发展，在色彩、分辨率和有效显示面积等主要显示性能方面足可与中、小尺寸的阴极射线管显示器相媲美，并在军民用计算机终端显示器领域逐步应用，液晶显示器最终确定了它在显示器家族中的主导地位。据统计，液晶显示器在世界平板显示器市场上已占绝大部分份额。据美国斯坦福研究公司最新预测，液晶显示器的世界市场将从1997年的125亿美元增至2003年的244亿美元。而其中薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器所占的市场份额将从1997年的75增至2003年的大约85。32有源矩阵液晶显示器在航空上的应用1987年，柯林斯公司采用有源矩阵液晶显示器和红外触敏控制技术，研制出客机用的DLC800触敏数据传输控制显示器，1988年以后相继在波音757、727以及A320客机上采用。这也是有源矩阵液晶显示器首次在民航机上使用。1990年10月，波音公司正式宣布研制波音777干线客机，并随之决定采用霍尼韦尔公司与两家日本公司联合研制的彩色有源矩阵液晶显示仪表系统。这是有源矩阵液晶显示器首次在新一代民航机上全面应用。它标志着飞机仪表已进入液晶显示仪表系统时代。值得注意的是，美国空海军的老机型（如C130J、C141B和FA18EF等)改进项目走在了应用机载有源矩阵液晶显示器的前列。有源矩阵液晶显示器在新一代战斗机上的重要应用当属F22战斗机。它的发展经历了三个阶段：YF22演示验证机、F22EMD工程制造发展基本方案机和F22现行方案机阶段。1987年洛克希德飞机公司选中通用电气公司，采用彩色有源矩阵液晶显示器和红外触敏控制技术，为YF22演示验证机研制多功能显示器。该项目于1990年完成试飞鉴定。在进入F22EMD工程制造发展阶段时，取消了红外触敏控制，仍采用机电式软按键，并且采用光学成像系统（OIS）公司的彩色有源矩阵液晶显示器。F22的现行方案则调整了显示器的尺寸和数量，主多功能显示器的尺寸增至203mm203mm。在新研制的战斗机中，法国的“阵风”和日本的FSX都分别采用了本国研制的有源矩阵液晶显示器。4研制发展过程和生产概况60年代以来，层出不穷的有源矩阵寻址技术的发明推动着液晶显示器不断发展，使它最终跃居平板显示器乃至所有显示器榜首。目前，非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器SiTFTAMLCD不仅在液晶显示器而且在平板显示器家族中都占主导地位。41非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器SiTFTAMLCD占首位1979年，英国PG勒库默等人发明了非晶硅薄膜晶体管。由于它特别适合液晶显示器的寻址，极大地推动了有源矩阵液晶显示器的发展。1983年前后，日本公司研制出非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器。42硒化镉薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器是元老早在60年代，TP布罗迪发明了硒化镉薄膜晶体管有源矩阵寻址技术，并于1973年演示了150mm150mm硒化镉薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器。利顿系统加拿大公司为YF23、C130飞机研制的硒化镉薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器经过试飞验证，其性能与非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器具有同等水平，但更有潜力。它已在C130J、RAH66和EH101飞机上采用。43多晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器被称为第二代它出现于1983年，与非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器的制造工艺基本相同，目前其分辨率（像素）已相当高，接近高清晰度电视HDTV（像素19201125）水平。多晶硅薄膜晶体管生产一般采用高温沉积工艺，由非晶硅薄膜结晶生成，工艺费用较高，基片只能用昂贵的石英制造，因而尺寸受限制。美、日两国都在研究改用低温沉积工艺，它不但能降低工艺费用，又可以改用玻璃基片，为制造大尺寸显示器开辟道路。人们认为它是最有希望提高像素密度，同时能保证图像质量的一项技术。也有人甚至称低温沉积多晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器为第二代液晶显示器。44日、美平板显示器领域技术水平的比较日本在世界平板显示器特别是液晶显示器市场中占据着绝对高的份额。据1994年日本军用和航宇电子杂志报导，日本厂商已占领世界液晶显示器市场的95份额。美国的日本技术评价中心1992年6月提出的日本显示器技术的研究报告，对日、美两国平板显示器水平作了全面比较。结论是：日本在此基础研究领域正在与美国竞争并且正在赶超美国；日本在生产上领先于美国并且差距正在扩大；日本在生产投资和设施上占绝对优势。日本的优势地位在于其研究、开发和制造上的技术成就和广泛的工业基础。日本的成功归因于与工业界强有力的合作，政府引导，日本国内市场广泛使用显示器技术以及广泛投资和建设生产设施。日本19891993年投资于液晶显示器模块生产的总金额高达44亿美元，占同期世界液晶显示器模块生产投资的85。日本仅为能研制高分辨率有源矩阵液晶显示器就在生产设施上投资20亿美元。日本在显示器技术和制造上的投资远远大于美国。同期美国先进研究计划局每年的基础投资为75008500万美元，仅相当于日本的7，占世界的6。还有一些细微差别可能更耐人寻味：美国投资多为政府行为，日本厂商投资广泛；美国投资多注重基础研究，日本投资更偏重生产设施。其结果是，日本用世界投资的85占领了世界市场的95；而美国以世界投资的6分享了世界市场的3。可见日本的投资回报率高于美国，约为221。为了建立强大的本国平板显示器工业，满足关键性国防项目需要，1994年美国国防部宣布一项投资587亿美元的5年计划，加上工业界的相应投资，总投资额高达10亿美元。美国已开始把研究、开发投资转向新型的场发射显示器（FED），打算在下世纪向日本霸主地位挑战。5我国概况51研制、生产比较落后我国平板显示器包括有源矩阵液晶显示器的研制发展，已受到有关领导和主管部门以及电子工业和航空界的重视，并在“八五”和“九五”规划中立项预研。1991年，国家还专门批准成立国家平板显示工程技术研究中心。该中心及其依托的南京电子器件研究所前后已有20余年研制平板显示器的历史；此外，中科院长春固体物理研究所以及清华、南开等院校，也在不同程度上分散研制平板显示器。这其中包括有源矩阵液晶显示器。但是由于基础薄弱，人力、物力、资金投入有限，它们的研究生产水平远远落后于世界先进水平，甚至不如某些后起的国家和地区。相当一部分还停留在实验室阶段，更谈不上取得经济效益并进入以此支持研制和生产的良性循环。52航空应用需求迫切在当今世界航空航天界，有源矩阵液晶显示器取代阴极射线管显示器已是必然趋势。但是在我国航空领域，连机载阴极射线管显示器还没有完全步出研制阶段，真正装备我国自行研制和生产的军用飞机更为数尚少。这一方面是由于我国还难以生产多种尺寸规格的机载阴极射线管显示器，另一方面也是由于我国新、老机种传统上座舱过于窄小难以容纳笨重的阴极射线管显示器。从这些方面考虑，我国对机载有源矩阵液晶显示器的需求更为迫切。近几年来，我国新、老（改型）机种所用的有源矩阵彩色液晶显示器的方案几经验证，预研也早作了安排。购买我国飞机的外国客户对我国正在生产或改装机种也提出了采用有源矩阵液晶显示器的要求；而为一些航空电子系统配套的预研项目也有这种要求。53可行的对策要改变我国有源矩阵液晶显示元器件研制、生产的落后局面，满足军、民各应用领域的需要，笔者认为可考虑以下对策。（1）军民共同开发这项两用技术有源矩阵液晶显示器是一项典型的高、新电子技术和军民用国家关键技术。其特点是研究、开发和生产投资巨大，被美国国防部专家称之为“是美国军方自己负担不起开发的军民用两用技术的首要实例”。其军用需求量所占比例极小，机载市场份额微乎其微，因此，应当军、民联合投资，国家统一规划管理、实施。单纯依靠国防科研投资，势单力薄，难以走出实验室进入大市场，进行规模生产而转入良性循环。（2）加强军用化、耐震化预研近年来，世界各国特别是日本众多厂商的有源矩阵液晶显示器已经商用成品化（CommercialOffTheShelf，COTS），并大量推向市场，而且价格在不断下降。美国已有很多航空电子系统、显示器组件甚至显示器件厂商都在进行商用成品的耐震化研制工作，把日本著名厂商（例如夏普）的有源矩阵液晶显示器商用成品转化为耐震级或军用、航空电子级产品，满足军、民用航空需要。这确实是一条多、快、好、省的途径。我国应迅速组织研究、实施。（3）“以民代军、以民带军”所谓“以民代军”就是将商用成品代替军用甚至航空用产品。其实过去我们已经常采用这种方法，如从国外引进商用成品，然后再筛选并耐震化后用于军用项目。“以民带军”则是利用研制民机时选用航空电子设备的机会，引进民机用的机载有源矩阵液晶显示系统、显示器组件或者显示元器件，带动军用机载有源矩阵液晶显示器的研制和生产。6标准概况61迫切需要标准化如前所述，80年代末期有源矩阵液晶显示器已在客机上使用，随着在波音777新型客机上的成功应用，90年代世界范围内特别是美国掀起了使用有源矩阵液晶显示器的高潮。但正如美国空军莱特*帕特逊实验室座舱航空电子办公室主任D*G*霍珀指出：“目前尚无通用技术规范或标准存在，因此绝对需要在有源矩阵液晶显示器投入战场这一即将到来的变革之前把它们制定出来”。目前应用或即将应用的机载有源矩阵液晶显示器尺寸及特性可以说是五花八门，仅从尺寸规格统计就有40余种，造成这种结果的重要原因之一是，元件制造厂商大都是根据具体飞机型号要求，研制特定规格的有源矩阵液晶显示器，而难以考虑甚至不考虑在其他飞机上的通用性，而具体型号飞机所用的显示器数量又不多。显然，这给研制、生产、使用、维修带来极大麻烦，造成人力、物力和财力的巨大浪费。因此，机载有源矩阵液晶显示器需尽快制定通用标准。美国空军就有源矩阵液晶显示器技术规范中涉及的普遍性问题，例如本国可获得性、设计控制、阳光下清晰度以及环境条件，进行了比较，结果发现，应用场合不同，其技术规范要求也有不同，甚至差别较大。另一个问题是，机载有源矩阵液晶显示器和机载阴极射线管显示器二者在工作原理、显示机制、性能特点及人机工效方面都有差别，机载阴极射线管的标准不适用于机载有源矩阵液晶显示器。另外，机载有源矩阵液晶显示器的人机工程学研究目前尚未跟上它迅速发展的现状，而这些差别应当在其标准中反映出来。62美国标准化简况美国空军和民机系统在机载有源矩阵液晶显示器标准化工作方面走在了世界前列。1992年4月，美国空军发起制定新的数字式平板座舱显示器（FPCD）功能技术规范和有源矩阵液晶显示器性能标准。这项工作分为三个阶段。第一阶段，从1992年4月至1993年4月，草拟技术规范工作草案。第二阶段，第一阶段结束至1993年11月，讨论平板座舱显示器技术规范草案和有源矩阵液晶显示器标准草案。第三阶段，1994年至1995年，召开工业界和用户专题讨论会，征求意见，公布标准草案的修改稿。目前情况是，与平板座舱显示器有关的美国空军指导性技术规范MIL-HDBK-87213（USAF）机载电光成像显示器标准已于1996年发布，而美国军用飞机彩色有源矩阵液晶显示器标准草案至今仍未见正式标准。与此同时，美国民机界一直在加紧制定民机用液晶显示器有