盧業(yè)能

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

0 前言

機載顯示是將飛機狀態(tài)、飛行參數(shù)及任務(wù)等信息顯示在飛行員的眼前，是1 種展現(xiàn)式的人機交互方式[1]。

信息顯示的可讀性與讀取效率將直接影響人機交互的效率，同時還會對整個飛行安全及任務(wù)效率產(chǎn)生影響。早期的機載顯示主要是指針式的機械儀表，機械指針式儀表顯示的信息單一、可讀性差，尤其是在強光照射下難以分辨，降低了顯示信息的交互效率。隨著顯示技術(shù)的發(fā)展，液晶顯示憑借其長壽命及高可靠性的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于機載顯示領(lǐng)域[1]。

典型的TN 與IPS 顯示技術(shù)都廣泛應(yīng)用在機載顯示領(lǐng)域。該文結(jié)合機載顯示的應(yīng)用需求，淺析了2 種顯示技術(shù)自身的特點、實際顯示效果及對機載顯示應(yīng)用的影響。

1 機載顯示應(yīng)用分析

1.1 機載顯示對液晶屏的需求分析

典型的機載顯示的內(nèi)容為數(shù)字儀表、飛行姿態(tài)（天地球畫面）及地圖顯示。

數(shù)字儀表對液晶顯示的要求比較低，通常顯示畫面為黑背景和單色字符，字符的顯示顏色一般為白色或者綠色，不需要很高的分辨率，也不需要很多的字符顏色。飛行姿態(tài)（天地球畫面）顯示主要用于顯示飛機相對于天空或地面的姿態(tài)，采用圓形彩色畫面，上半部分為藍色（代表天空），下半部分為黃色（代表地面）；整體顯示對圖像分辨率的要求較低，對顯示顏色有一定的要求。地圖顯示要還原真實地理信息，需要液晶屏有較高的對比度，從而獲得較大的黑白反差顯示；同時為了還原真實世界的色彩，地圖顯示需要有較高的分辨率以及一定顯示色域的能力（色彩還原能力）。

圖1 典型TN（左）、IPS（左）視場角對比度圖

1.2 TN 與IPS 模式顯示性能的對比分析

2 種顯示模式在顯示模塊（透射式）、有效顯示尺寸、分辨率以及灰度等級（灰階還原能力）的指標上可以保持一致。顯示色域范圍主要是由CF 設(shè)計決定，不同模式的液晶屏可以采用相同的CF，從而獲得相同的色域。TN 顯示模式的整體對比度視角會比IPS 模式的液晶屏差，2 種模式的典型視角對比度圖如圖1 所示，在高亮度下黑背景畫面顯示時的綜合效果差異更為明顯。液晶屏的透過率會直接影響背光功耗，TN 顯示模式的透過率一般會明顯高于IPS 顯示模式，其背光功耗會更小。

2 機載環(huán)境對對液晶顯示屏的影響分析

機載顯示主要應(yīng)用在寬溫、高強度振動、抗腐蝕及電磁兼容的典型環(huán)境中。

2.1 寬溫應(yīng)用分析

機載寬溫應(yīng)用主要是指在較寬的溫度范圍內(nèi)貯存及工作，貯存考核的是液晶屏在經(jīng)受極限溫度后，其恢復(fù)顯示功的能力。高低溫工作是考核液晶屏的綜合顯示能力，高低溫下需要保持與常溫轉(zhuǎn)態(tài)下相近的顯示性能。

經(jīng)過高低溫貯存后的液晶屏，其顯示功能正常，偏振片出現(xiàn)性能退化，出現(xiàn)一定程度的顯示缺陷， TN 模式在黑場時容易出現(xiàn)上下發(fā)藍、左右發(fā)白的現(xiàn)象，IPS 模式在低溫環(huán)境下色偏現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 TN/IPS 液晶屏高低溫貯存后的顯示缺陷

液晶屏在低溫環(huán)境下工作時，液晶材料的黏滯性增大，轉(zhuǎn)動阻力增大，響應(yīng)時間增加；當溫度達到-50℃時，液晶材料由液晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)，無法偏轉(zhuǎn)，顯示功能失效；溫度升高后，液晶材料由結(jié)晶態(tài)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐壕B(tài)，顯示功能恢復(fù)。偏振片在低溫環(huán)境下收縮，液晶屏在顯示邊緣出現(xiàn)黑態(tài)漏光的現(xiàn)象，TN 模式出現(xiàn)邊緣發(fā)白的現(xiàn)象，IPS 模式出現(xiàn)邊緣局部區(qū)域發(fā)藍的現(xiàn)象。上述現(xiàn)象通過加熱升溫后可以得到有效緩解。

高溫條件下，內(nèi)部的液晶材料黏滯性降低，響應(yīng)時間變短；當溫度升高到100 ℃左右，液晶材料會由液晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，其光閥功能丟失，顯示功能失效，單純的液晶液化問題在降低溫度后就可以恢復(fù)。

2.2 高強度振動

高強度的振動對機載液晶顯示有2 個影響：1） 振動對整體液晶顯示結(jié)構(gòu)完整性的影響。2） 振動帶來的液晶屏盒厚變化，產(chǎn)生振動Mura。

液晶屏通常采用薄玻璃設(shè)計，整體的抗振性能較弱，需要額外的加固設(shè)計。常用方案是在其兩面粘貼較厚的功能玻璃，形成具有一定剛性的整體，對其進行緩沖設(shè)計后安裝到結(jié)構(gòu)組件中，提高了液晶屏整體的抗振性能，保證了液晶屏結(jié)構(gòu)的完整性。

液晶顯示器件在振動過程中由于內(nèi)部盒厚的變化造成局部透過率變化，產(chǎn)生忽明忽暗的顯示Mura 缺陷，機載顯示的黑底背景，在應(yīng)用中會出現(xiàn)黑場白斑的現(xiàn)象。通常來說，IPS 模式液晶屏的黑場白斑效果會優(yōu)于TN 模式的液晶屏，分析典型的TN 模式及IPS 模式的顯示原理如圖3、圖4 所示[2]。

在TN 顯示模式中，控制液晶偏轉(zhuǎn)的電場為縱向電場設(shè)計，上下偏光片為正交設(shè)計。在不加電的情況下，液晶分子為水平分布，自然光經(jīng)過下偏光片后轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€偏振光，穿過TFT 玻璃后，經(jīng)過液晶分子的扭曲配向，形成了偏轉(zhuǎn)90°的直線偏振光，偏轉(zhuǎn)后的偏振光與CF 側(cè)偏光片角度相同，透過后射出，并呈現(xiàn)白場顯示狀態(tài)。施加驅(qū)動電場后，液晶分子在電場的作用下會由水平分布轉(zhuǎn)向為垂直分布（配向膜附件的液晶分子除外），不能進行扭曲配向，使經(jīng)過液晶層的光線偏振角度與CF 側(cè)偏光片的角度正交，沒有光線射出，呈現(xiàn)黑場顯示狀態(tài)[2]。

在IPS 顯示模式中，控制液晶偏轉(zhuǎn)的電場為橫向電場（平面電場）設(shè)計，電極被設(shè)置在TFT 玻璃上，利用像素電極與公共電極形成平面電場，驅(qū)動液晶分子。在不加電的情況下，液晶分子為水平分布，自然光經(jīng)過下偏光片后轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€偏振光，直線偏振光穿過TFT 玻璃后，經(jīng)過未偏轉(zhuǎn)的液晶分子，就無法改變偏振光線的偏振方向，光線偏振角度與CF 側(cè)偏光片的角度正交，無光線射出，呈現(xiàn)黑場顯示狀態(tài)。施加驅(qū)動電場后，液晶分子在平面電場的作用下轉(zhuǎn)動，將透過TFT 玻璃的直線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓偏振光，最終透過CF 側(cè)偏光子，呈現(xiàn)白場顯示狀態(tài)[2]。

高強度的振動條件會使液晶屏的盒厚產(chǎn)生變化，TN 顯示模塊采用的是縱向電場設(shè)計，在盒厚變化的同時會使上下玻璃之間的電場強度產(chǎn)生變化，液晶分子的偏振隨即發(fā)生改變，液晶分子轉(zhuǎn)動角度不足或者轉(zhuǎn)動過度就會造成局部區(qū)域透過率增加，產(chǎn)生黑態(tài)漏光，加劇振動Mura 現(xiàn)象。IPS 模式采用的是平面電場設(shè)計，電場分布不易受到振動時盒厚變化帶來的影響，同時黑態(tài)顯示為不加電狀態(tài)，電場影響會進一步減弱，整體受到的影響相對偏小。綜合理論分析及實際應(yīng)用情況，IPS 模式整體的振動白斑效果優(yōu)于TN 模式。

2.3 抗腐蝕與電磁兼容性能

機載顯示應(yīng)用的抗腐蝕與電磁兼容性能要求是匹配整機的應(yīng)用環(huán)境。機載顯示會進行整體加固設(shè)計，液晶屏不會直接暴露在環(huán)境中，抗腐蝕是對外部材料的通用要求，主要是濕熱、霉菌以及鹽霧等[3]，在液晶屏設(shè)計選型時不需要考慮特殊的抗腐蝕要求。

機載顯示的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，由感應(yīng)、耦合和傳導(dǎo)引起的電磁干擾，上述電磁干擾都會影響電子系統(tǒng)或設(shè)備的正常工作[4]。液晶屏是高度集成化的光電子顯示產(chǎn)品，其自身存在一定的電磁輻射，也會受到電磁輻射的影響。整機電磁兼容主要是通過降低源端（內(nèi)部控制芯片）輻射水平及限制電磁輻射傳播2 個途徑進行設(shè)計。綜合整機及其系統(tǒng)對電磁兼容的設(shè)計要求，對整體內(nèi)部的屏蔽體進行搭建，并阻隔電磁波的傳播路徑，通常在液晶屏的設(shè)計選型不需要額外考慮電磁的兼容能力。

3 結(jié)論

綜合機載顯示的顯示需求及應(yīng)用環(huán)境，基于TN/IPS 顯示模式的基本特點，重點分析了2 種顯示模式在黑背景顯示、寬溫工作、寬溫貯存、高強度振動和抗腐蝕與電磁兼容要求下性能的差異。

圖3 TN 顯示模式原理

圖4 IPS 顯示模式原理

機載顯示對視角有相對明確的要求，使TN/IPS 2 種顯示模式的液晶屏經(jīng)過加固設(shè)計后都可以應(yīng)用于機載顯示。TN/IPS2 種顯示模式的液晶屏在寬溫條件下都會產(chǎn)生一定程度的顯示缺陷，可以采用加熱設(shè)計緩解；液晶顯示的溫度變化特性屬于固有屬性，兩者基本上保持一致?？垢g與電磁兼容等屬于整體設(shè)計范疇，2 種模式基本上沒有應(yīng)用區(qū)別。

液晶顯示器在振動過程中內(nèi)部盒厚的變化產(chǎn)生振動Mura，IPS 模式的液晶屏由于采用是平面電場設(shè)計，因此，其整體的抗振動性能明顯優(yōu)于采用縱向電場設(shè)計的TN 模式，同時IPS 模式的整體黑態(tài)顯示效果優(yōu)于TN 模式。綜上所述，IPS 模式的液晶屏更適合在機載抗振動顯示加固中應(yīng)用。