军用显示器技术与产品进展

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军用显示器技术与产品进展 电子部52所 刘庭华
编者按:显示器是人机交互的重要工具,存储器是保存数据的关键部件。对现代战争而言,这些军用外设的优劣直接影响各军用系统的效能,并可能关系到战争的胜负。本期专题从以下方面对军用外设的有关技术和产品进行了探讨,并提供了一些宝贵的数据,可供有关人士参考。 1.军用显示器技术与产品进展 2.抗恶劣环境固态盘典型产品 3.抗恶劣环境固态盘存储技术新进展 4.士兵与信息界面 一、概述 显示设备作为人机交互的直观手段,在战场、海陆空三军的作战指挥、武器控制及信息处理系统中占有十分重要的地位。军用计算机,从大型主机到笔记本式便携机,都必须配置显示设备。显示设备(软拷贝)可分为CRT和平板显示两大类。 几年前有人曾预言:CRT作为军用显示器很快会被淘汰。但国外近年调查表明,CRT近期仍作为优选技术之一,占据不小的市场份额。CRT技术已有40多年的积累,基础雄厚。它有"三C"优势: ·价格(Cost)方面:从投资效率(当年减上年销售额的余额与上年设备投资的比值)、制造周期、销售比(研究开发和设备投资的总投入与销售额之比)诸方面看,CRT目前仍占有绝对优势。 ·彩色(Color)方面:CRT仍然比包括LCD、PDP在内的平板显示器好。 ·构型(Configuration)方面:在响应速度、分辨率及显示亮度方面,CRT都比平板显示器好。 因此,轻率宣布CRT"死刑"缺乏科学依据,且言过其实。从技术和市场发展趋势来看,平板显示器充满活力,具有迅速增长的势头,特别在要求轻、薄和节能的军事应用场合有巨大潜力。 二、军用显示器应用 据美国Armada International,1995年2月"‘眼见为实’现代显示技术"一文追溯:CRT阴极射线管作为军用显示方法的概念性研究论证始于1906年,到20世纪30年代后期(二战期间)首次应用于显示雷达信号。50年代初用于计算机的输出显示。60年代制成液晶显示(LCD,Liguid Crystal Display)、等离子显示(PDP,Plasma Display Panel)、电致发光(EL,Electroluminescent)和发光二极管(LED)。 1.平板显示器与液晶显示应用 平板显示器用于军事系统始于美国1983～1987财政年度投资为美国海军研制的"轻型模块显示系统(LMDS)"。1985年,美国为海军的F/A-18、F-14D"雄猫"型飞机研制LCD。科学应用国际公司(SAIT)研制成一种模块化彩色AMLCD显示系统(显示器模块、控制器、处理器及存储部件),能为不同应用领域提供标准模块。 在空军应用方面,为替代E-3A、KC-135、F-15等机型的机电式水平态势显示器(HSI),Ovonic图像系统公司(OIS)曾为SAIT公司提供AMLCD显示器。美国陆军Siko-rsky飞机是由波音公司承担制造的,其座舱多功能显示器也是OIS提供的AMLCD。该显示器主要性能指标有:显示幅面15.9×15.9cm2,512×512像素,16级灰度的颜色,1万英尺烛光亮度条件下其对比度为4:1;视角水平方向观察为±45°,垂直方向为+45°～-25°。 加拿大为贝尔———麦道公司直升机提供过彩色AML-CD;为C-130运输机提供座舱显示;还为美国的先进技术战斗机(ATF)提供过类似产品。 LCD原理是由美国RCA的Sarnoff研究中心发现的,由于技术性失误,未进行生产技术开发,致使日本公司控制了世界市场的90%以上。在大屏幕有源矩阵LCD(AMLCD)方面,日本公司占有95%以上的市场份额。又由于美国政府采取保护性政策,向进口的AMLCD征收62.67%的反倾销税,增加了美国计算机工业及其军品的成本。因此,美国政府被迫于1993年6月撤消该税收,这是政策性失误。 1994年7月,先进科研项目局(ARPA)选择Xerox Palo Alto研究中心,联合AT&T、Standish工业公司重组集团,利用成熟的技术开发民用制造技术,以满足航空机载及战场所需的平板显示器。近期已生产一批13英寸、630万像素的AMLCD样机。 2.等离子显示器应用 等离子显示器方面,SAIT公司的8000系列显示终端既有军用规范(M)型,也有加固(R)型,已用于"鱼叉"导弹系统和"三叉戟"Ⅱ武器系统。美国海军1985年已研制成"海军潜艇用等离子显示器",据称可用于多种核动力潜艇。 大屏幕直视(非投影式)显示系统一直是指控中心急需的关键设备。光电子系统公司和北美菲力普电子系统公司联合研制成世界上最大的全密布点阵显示器,由2048×2048像素矩阵组成1.5m的ACPDP显示屏。先进科研项目局重组的集团在等离子显示器方面也有进展,用于AWACS、E-8和P-3飞机。美国防止再发生战略性失误。 3.发光二极管显示应用 LED主要用于微型平视显示,如飞机座舱、轻便通讯显示、以及手持轻型数字指挥终端等。 4.电致发光显示应用 电致发光显示是一种全固化、不需充填液晶式气体、适应恶劣环境的显示技术。80年代中后期,该技术在各国军方先进武器装备中日益获得采用。 5.头带式和头盔式显示器应用 飞机领航员迫切需要的头带式显示器(Headup Dis-play,HUD),要求人的头部保持特殊方位,以便观察到显示面上的符号信息,并且多为单色显示。HUD已用于美国F-15、F-16战机及C-17运输机。 头盔式显示器(Helmet-mounted Display,HMD)原先利用1/2或1英寸的小型CRT实现。它有三个缺点:第一,多为模拟显示,与数字化战场趋势不符;第二,分辨率有限;第三,高电压环境下工作不安全,笨重、功耗大等。与HUD相比,HMD的突出优点是可以自由跟踪人的头部运动,视角大、观察范围宽。 美国航空系统中心正在开发全彩色HMD,利用AML-CD及减色(Subtractive Color)法实现微型HMD。估计世界上约1万台HMD安装在北大西洋公约组织及以色列的航空器上。俄罗斯战机,尤其是米格-29战机全部装备了HMD。 三、不同平板显示器的特点及应用 显示技术是利用电子及光电子技术提供变换视觉信息的一种技术。显示器的组成包括显示器件及其控制处理部件。显示器的功能是按人的心理、生理特点,采用适当的方法改变光的强弱、波长(即颜色)及其特征,组成各种形式(数符、图形、图像)的视觉信息。据统计,人的感觉器官中,通过视觉摄取的信息占80%以上。 平板显示技术在本质上是光电技术的一个分支。现简要叙述它们各自的特点和局限,以便帮助读者作出正确的应用和采购选择。 1.液晶显示 它通过改变电场中液晶分子的排列来调制外界光显示信息。扭曲向列型(TN-LCD)的显示性能、尤其是对比度(Contrast Ratio),随LCD尺寸增大而不断降低。超扭曲向列型(STN-LCD)向薄型、彩显方向发展。 唯有AMLCD包括二端器件矩阵(MIM)和三端器件矩阵(TFT),在军事应用中有较广泛的发展前景。 LCD的优点是:①低电压(3～5V)、微功耗(工作电流仅为μA/cm2量级);②易于彩色化,在色谱上可准确复现,彩色失真极小,通过在像素上加彩色滤色片即可实现;③工作时电磁辐射极微弱。其主要缺点是:①被动型显示,本身不发光,在黑暗环境下必须配外光源或背景光源;②视角较小;③亮度、响应速度、对比度较差,有待改进;④多数产品工作温度范围不够宽。 2.等离子显示器 它利用气体放电发光来显示图像和信息。外加电场使气体离化,在离子和电子复合时发光。离化状态的气体称作等离子体,故此得名。PDP的主要优点是:①视角大,可达120°～160°;②显示面积大,交流PDP(ACPDP)工作寿命超过5万小时,或连续工作6年,失效率优于10-4。作为加固或军用产品,其主要缺点是:①工作电压较高,一般为80～150V;②如暴露在低气压环境,会因为充填气体的"膨胀"而影响性能;③显示亮度不够。彩色化、提高发光效率和亮度、简化结构和工艺是其技术发展的方向。 3.电致发光显示 它通过交变电场中的荧光粉被激活而发光显示。因70年代交流薄膜电致发光器件的突破,使它于80年代进入实用化。它是目前唯一直接将电能转化为光能的全固体薄膜平板显示器件。其主要优点是:①高对比度,可在阳光下直接阅读信息;②宽温,器件在-55℃～+125℃的军品级条件下正常工作;③视角大,120°～160°,可供多人同时观看;④可在高空、低气压环境下工作,是加固或军用的优选品种之一。其缺点是:①工作电压较高;②分辨率、显示亮度及彩色化方面有待改进。AMEL比AMLCD功耗低(因为无背光源)、操作温度范围宽。 4.发光二极管显示 它通过载流子和空穴复合发光显示信息,发光颜色有红(R)、绿(G)、黄(Y)三种。其中,红色光亮度最高,蓝色光尚待实用化。其主要优点是:①工作电压低,1.5～2V直流,一般用于仪表指示。②宽温,在-30℃～+80℃;③响应速度快,约10μs;④可靠性较高,寿命长。其缺点是工作电流较大。 目前国外军方优选LCD,同时将PDP、EL作为可选器件,针对不同应用环境权衡抉择。 5.铁电液晶显示(FE-LCD) 这种新型液晶显示器于1993年由美国HP公司制作,日本佳能公司投资扩产,拟生产38～61cm单色FE-LCD。早在1993年,佳能已研制成功21英寸彩色FE-LCD样机。其军事应用尚待开拓。 6.场致发光显示器(FED) 虽然AMLCD是目前功耗最小的器件,但宇航及便携式产品市场迫切需要功耗更低的器件,这就导致了FED的开发。FED的高效率应归功于采用阴极发光磷物质,其90%的功耗用于发光,不发光时功耗极小。LCD无论显示亮或暗,背景光源总是处于工作状态,所以功耗仍嫌大。另外,由于FED没有遮光板,使大多数电流消耗在磷发光方面,因此提高了整体效率。据MicronDisplay技术公司称:一块10英寸、全彩色FED工作时功耗小于5W。 四、典型军用显示器 表1列出11家公司17种抗恶劣环境CRT显示器。表2列出10家公司18种抗恶劣环境液晶显示器。表3是4家公司的4种抗恶劣环境等离子平板显示器。Plasmaco Inc公司彩色等离子显示器尚待推出。表4是4家公司的4种电致发光显示器。表中指标主要包括: ·屏幕尺寸:单一数值为对角线长度(英寸);两个数值是宽×高。 ·分辨率:单数表示每英寸像素数;两个数为水平和垂直方向像素总和。 ·视角:单位为度。前者为水平视角,后者为垂直视角。 ·对比度:如20.0,即20:1;fl(foot lambert,英尺朗伯)为亮度单位。 ·规范:M为符合美国军用规范;R为加固型,C(Commercial offthe-Shelf)为商用现成产品。 ·工作温度:摄氏度。 ·冲击:加速度G值,冲击持续时间以ms计,M表示该性能符合相应美国军用标准。 五、头盔显示器及其应用 人类的立体视觉主要是由双眼视差形成的。每只眼睛均可独立地观察外部事物,因两眼在头部的位置稍有不同,同一物体在两眼的视网膜内成像时也有细微差别。大脑将两幅视图综合后形成一个立体视图,使人产生一种深度知觉。头盔显示器应模仿人眼观察真实世界的情况,人为地将分别置于两眼前的两个显示屏中的图像的细微差别,通过大脑综合形成立体视觉。 头盔显示器一般固定在用户的头部,用两个平板显示器或CRT显示器分别向两眼显示两幅图像。该图像分别由微型机驱动。头盔显示器还装有头部位置跟踪部件,计算机随时可知用户头部位置及运动方向,并相应地改变呈现于用户视野的图像。这种头部跟踪还增加双眼视差及运动视差,能改善用户的深度知觉。 现有头盔显示器中典型产品有:VPL公司的Eye-Phone。其水平视角为100°,垂直视角为60°。由于采用Polhemus跟踪部件,EyePhone不能接近强磁场及大型钢铁磁性物体。另一种典型产品是Cyberface-Ⅱ。它也采用LCD显示屏,但视场更宽,水平视角达150°,总重量较EyePhone轻。Flight Helmet是成本较低的头盔显示器,显示分辨率为360×240像素,重约4磅,配戴方便。Crystal Eyes是StereoGraphics公司的产品,重量仅2盎司,用电池驱动,可以像戴普通眼镜一样观看屏上的三维图像。 头盔显示器是虚拟现实(VR)系统中的必备技术和装置。该系统中的听觉定位、触觉(手是实施触摸动作的主要器官)和头盔显示器一起,使人产生身临其境的交互反应。 CRT头盔显示器早已在应用中,如AH-64直升机上的产品,美国Honeywell公司仍在生产。 为加速头盔显示器的研究开发,美国ARPA三年来已投资3000万美元,用以推动平板显示、轻型光学系统、新背光技术以及军用HMD原型机开发。ARPA预期将分辨率进一步提高到2560×2048。据1995年2月一份专题报告披露,有下列四项涉及军用和工业应用: (1)AVS-HMD(Advanced Visionics System HeadMounted Display):开发透视(Seethrough)HMD供螺旋桨飞机使用。采用LCD,显示分辨率为1280×1024,彩色衬底,视场(Field of View,FOV)可达100°。HMD于1995年秋季交付使用,在英国Lynx及美国Rascal直升机上进行模拟和飞行测试。 (2)CVC-HMD(Combat Vehicle Crew HMD):目标为美国陆军主战坦克M1A2和M2A3战车显示作战数据。采用AMLCD和AMEL器件,单色,分辨率为1280×1024,FOV为40/20°。 (3)MFP/HMD-A(Miniature Flat Panel HMD-Aviation):将CVC项目扩展用到RAH-66直升机,采用AMEL,FOV为30/50°。1995年夏季在AH-1直升机上作飞行测试,然后再由英国测试。 (4)ARS(Augmented Reality System HMD):目标是工业应用,采用AMLCD、AMEL构成HMD。 平板式HMDS不仅供海、陆、空三军使用,NASA用它作为虚拟与现实世界物体之间的交互。它还可以作为武器、军用直升机的维修工具、战事模拟训练、乃至所谓21世纪数字化战场下一代步兵的得力工具。 @@I1;表1 军用CRT显示器@@ @@I2;表2 LCD类显示器@@ @@I3;表2 等离子显示器@@ @@I4;表3 电致发光显示器@@