Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ конструкции ждкокристаллических дисплеев и требований к ним по техническим иэксплуатационным параметрам 16
1.1 Конструкция и принцип действия жидкокристаллического дисплея 16
1.2 Методы управления жидкокристаллическим экраном 24
1.3 Анализ тактико-технических требований, предъявляемых к жидкокристаллическим дисплеям авиационного применения 28
1.4 Выводы по главе 1 32
Глава 2 Исследование и разработка модуля жидкокристаллического экрана 344
2.1 Снижение влияния бликов на экранах ЖКД Влияние рабочих характеристик матрицы тонкопленочных транзисторов на основные характеристики жидкокристаллического экрана 34
2.2 Исследование влияния защитного стекла на параметры модуля жидкокристаллического экрана (модуля индикации) 422
2.3 Снижение влияния бликов на экранах ЖКД 500
2.4 Разработка и исследование конструкции стеклопакета жидкокристаллического экрана 533
2.5 Выводы по главе 2 633
ГЛАВА 3 Разработка модулей задней подсветки жидкокристаллических дисплеев 666
3.1 Анализ модулей задней подсветки 666
3.2 Способы формирования белого светового потока в СД-МЗП 77
3.3 Исследование влияния тепловых факторов на работоспособность светодиодных модулей задней подсветки 79
3.4 Способ изготовления гибких, многослойных, печатных плат для светодиодных ламп МЗП 811
3.5 Расчёт светотехнических параметров светодиодного ТМЗП 83
3.6 Разработка технических решений по разработке МЗП 89
3.7 Выводы по главе 3 97
Глава 4 Исследование эксплуатационно-технических параметров жидкокристаллических дисплеев и разработка технологии их рагидизации 1000
4.1 Обеспечение температурного режима работы ЖКД 1000
4.2 Обеспечение времени готовности жидкокристаллических дисплеев 10808
4.3 Обеспечение совместимости ЖКД с приборами ночного видения 11313
4.4 Разработка технологии производства рагидизированных ЖКД 1166
4.5 Выводы по главе 4 13030
Заключение 13232
Библиографический список 13636
- Анализ тактико-технических требований, предъявляемых к жидкокристаллическим дисплеям авиационного применения
- Исследование влияния защитного стекла на параметры модуля жидкокристаллического экрана (модуля индикации)
- Способы формирования белого светового потока в СД-МЗП
- Обеспечение совместимости ЖКД с приборами ночного видения
Анализ тактико-технических требований, предъявляемых к жидкокристаллическим дисплеям авиационного применения
Рассмотрим подробнее конструкцию и принципы работы ЖКЭ AM ТПТ, которые во многом определяют светотехнические параметры ЖКД.
Современные жидкокристаллические экраны имеют структуру стеклопакета, «сэндвича», включающего: - две стеклянные подложки, на которых сформирована методом планарной технологии система управляющих электродов, создающих между ними регулируемое по напряженности электрическое поле, - жидкокристаллический материал, который помещен между двумя такими стеклянными подложками, который при воздействии электрического ПОЛЯ, поворачивает плоскость поляризации проходящего света, поляризаторы или поляризатор и отражатель, которые проявляют локальные области с различной поляризацией, т.е. создают картин} в соответствии с приложенными электрическими смещениями.
Практически 99% выпускаемых в настоящее время ЖКЭ работают на нематических материалах, которые меняют направление плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного светового потока под действием электрического поля. В зависимости от конструкции и способа подачи электрического поля на каждый элемент изображения, ЖКЭ можно разделить на следующие типы [15]:
Среди ЖКЭ следует выделить следующие основные типы, реализованные в приборном исполнении: супертв истовые, твист нематические с углом поворота поляризованного светового потока на 90, цветные супергомеотропные, сегнетоэлектрические ЖКЭ, ЖКЭ с активной матрицей.
Супертвистовые ЖКЭ, которые имеют угол закрутки встроенных ЖК кластеров в пределах углов от 180 до 270, обладая высоким отношением мультиплекса, (порядка 390 1), позволяют реализовывать достаточно высокую информативность, необходимую для портативных персональных ЭВМ. Используя так называемый двойной экран или структуру с компенсационной пластиной (пленкой), можно получить многоцветное изображение в режиме работы экрана на просвет с применением матрицы цветных светофильтров [13]. Три основных недостатка таких ЖКЭ препятствуют их использованию в ЖКД: - низкое быстродействие (порядка 200 мкс); - ограниченный угол наблюдения изображения (с коэффициентом контраста 10:1 углы наблюдения не превышают ± 20 по горизонтали); - недостаточный коэффициент контраста (обычно 25:1).
Супергомеотропные экраны обладают несколько большим быстродействием, сравнимы по степени мультиплекса с супертвистовыми ЖКЭ, но угол наблюдения еще меньше, чем в супертвистовых ЖКЭ
Сегнетоэлектрические (ферроэлектрические) ЖКЭ имеют такую же простую структуру, как и супертвистовые, но обладают внутренней памятью, реализованной на эффекте бистабильности или квазибистабильности сегнетоэлектрического жидкокристаллического материала, и поэтому не имеют обычного для матричных экранов ограничения по степени мультиплекса. Например, образец CN1212 фирмы Canon имеет число элементов 1120x1280 [17].
Быстродействие экрана с несколькими сотнями строк достаточно для передачи телевизионного изображения с приемлемым контрастом в широком диапазоне углов наблюдения Однако бистабильный характер работы таких сегнетоэлектрических ЖКЭ (черный-белый) делает невозможным прямое воспроизведение градационного, полутонового изображения.
Электронная организация воспроизведения шкалы серых градаций путем расщепления электродов усложняет конструкцию и снижает быстродействие ЖКЭ. Временная модуляция светопропускания типа широтно-импульсной модуляции приводит к тем же самым недостаткам. Кроме того, в силу физики работы таких ЖКЭ, часто возникают сложности эксплуатациоиного характера -беспорядочная поляризация и помехи на изображении при вибрационных нагрузках, когда сегнетоэлектрический ЖК материал непредсказуемо поляризуется из-за внешнего механического воздействия. Кроме того, ЖКЭ такого типа крайне чувствительны к точности поддержания зазора в стеклопакете, что также отрицательно сказьшается при вибрационных и ударных нагрузках, возникающих при эксплуатации ЖКД.
ЖКЭ с активной матрицей в настоящее время единственная альтернатива цветным кинескопам по всем важнейшим параметрам: разрешению, контрасту, яркости, качеству цветопередачи, количеству градаций серого изображения, быстродействию, мощности потребления.
Стеклянная подложка имеет по одному ТПТ на каждый отображаемый RGB субпиксел, а полимерный слой матрицы цветных фильтров окрашен в RGB цвета, причем каждая из RGB ячеек МЦФ расположена строго напротив соответствующего RGB субпиксела. Жидкие кристаллы двигаются в соответствии с напряжением, приложенным к прозрачному электроду субпиксела и общему прозрачному электроду, который нанесен на МЦФ.
Исследование влияния защитного стекла на параметры модуля жидкокристаллического экрана (модуля индикации)
Известны средства отображения графической (статической и/или динамической) информации, содержащие поверхность, на которой формируется статическое, переменное или динамическое изображение -оптические экраны. Общеизвестны также защитные экраны и экраны, устанавливаемые между наблюдателем и поверхностью, на которой сформировано изображение прозрачные или полупрозрачные, бесцветные или цветные, глянцевые или матовые, защищающие от физического воздействия и/или от пыли, просветляющие, противобликовые и т.п. Их недостатком является возникновение бликов, мешающих наблюдателю. Например, на выпуклых экранах электронно-лучевых дисплеев видны за счет частичного отражения от их поверхностей, паразитные изображения всех объектов, находящихся перед ними, а яркие объекты дают изображения, воспринимаемые как блики.
Для ослабления бликов применяют разные однослойные и многослойные покрытия, пленки, в т.ч. съемные с использованием дифракционных, поляризационных и других оптических эффектов. Недостатком этих мер является необходимость введения дополнительных слоев, которые привносят и свои недостатки (например, противобликовый дополнительный экран перед монитором уменьшает яркость изображения, понижает удобство пользования и т.д.) [35, 36].
Влияние указанных недостатков можно существенно уменьшить, если видимые наблюдателю поверхности экрана - как носители информации, так и вспомогательные - все или часть их, выполнены вогнутыми с радиусом кривизны R в пределах от 2L до 2d (2L R 2d), где L - расстояние от экрана до наблюдателя, ad- расстояние от экрана до ближайшего из предметов, видимые наблюдателю блики от которых на экране требуется ослабить. Радиус кривизны поверхности разных элементов экрана, а также у разных областей в пределах одного элемента может отличаться в указанных выше пределах.
При этом из поля зрения наблюдателя, например пилота, удаляются изображения всех ярких (бликующих) предметов или размытия этих изображений для наблюдателя. Вогнутые поверхности элементов экрана формируют паразитные изображения объектов так, как сферические зеркала с фокусным расстоянием F=R/2, в т.ч. ярких объектов, ответственных за появление бликов. Одновременно за экраном формируются мнимые паразитные изображения объектов, расположенных на расстоянии меньше фокусного от него. Действительные паразитные изображения остальных объектов, т.е. расположенных на расстояниях больше фокусного, формируются на расстояниях больше фокусного от экрана. Поэтому наблюдатель, находящийся на расстоянии меньше фокусного от экрана, видит резкими только мнимые (расположенные за экраном) паразитные изображения объектов, находящихся на расстоянии меньше фокусного от экрана, т.е. объектов, расположенных между ним самим и экраном, но в этом промежутке ярких предметов обычно не располагают, т.к. они могут слепить наблюдателя сильнее всяких бликов. Действительные же изображения более удаленных объектов формируются за спиной наблюдателя и не видны ему или смазаны из-за нерезкости, что исключает блики или ослабляет их
Если ближайший яркий объект, блик от которого требуется исключить или ослабить, находится на расстоянии d L, то радиус кривизны отражающих вогнутых поверхностей элементов экрана должен быть меньше, чем 2d. При этом данный объект оказывается за фокусом отражающей поверхности и видимого наблюдателю резкого изображения не создает.
Другим положительным эффектом предлагаемого вогнутого экрана является то, что мнимое паразитное изображение объекта, находящегося на расстоянии меньше фокусного, расположено на большем расстоянии от оптической оси, чем сам объект, т е может оказаться на периферии поля зрения наблюдателя или вне его поля зрения.
С использованием данного способа разработан жидкокристаллический дисплей со сферической вогнутой формой для кабины пилота. Одинаковый радиус кривизны имеют все слои экрана: светопровод, задний поляризатор, задняя стенка, слой тонкопленочных транзисторов, жидкокристаллический слой, слой светофильтров, передняя стенка, передний поляризатор, просветляющая пленка, защитное стекло с просветляющим покрытием. Экран имеет размеры 320x230мм. Экрану придана сферическая вогнутая форма, и радиус кривизны составляет 1,2 м. (Вариантом является экран, у которого сферическую форму имеет только защитное стекло с его покрытиями - при
этом яркость бликов в несколько раз меньше, чем при плоском защитном стекле). При расстоянии от глаз пилота до экрана, равном 0,5 м, пилот не видит или видит значительно ослабленными блики от солнца и облаков, а также от элементов кабины. Светящиеся и бликующие детали панели управления или других элементов кабины или костюма пилота находятся далеко от оптической оси образованного экраном вогнутого сферического зеркала, а их мнимые изображения - еще дальше от оптической оси, поэтому блики оказываются вне поля зрения пилота, т.е. ему не видны и не мешают. На данный способ снижения блика на ЖКЭ получен патент [37].
Способы формирования белого светового потока в СД-МЗП
В работе с целью повышения надежности и электропроводности межслойного соединения в гибких, печатных платах светодиодных ламп (далее СДЛ) бьш разработан, испытан и освоен в производстве ЖКД способ межслоиных электрических соединений для больших токов, необходимых для питания свето диодов.
Это достигается тем, что межслойное электрическое соединение в печатных платах содержит соединяемые контактные площадки слоев металлизации, причем хотя бы одна из контактных площадок содержит элемент или элементы, пересекающие отверстие (окно) в диэлектрике, другая контактная площадка перекрывает это отверстие в диэлектрике полностью или частично, а обращенные друг к другу поверхности контактных площадок по обе стороны отверстия соединены электрически. Элементы, пересекающие отверстие в диэлектрике, могут иметь вид полосок, решеток или иных фигур, например, дуг или зигзагов, не закрывающих отверстие полностью. Ширина элементов, пересекающих отверстие в диэлектрике, зависит от выбранного способа выполнения соединения например, при вытравливании отверстий в диэлектрике ширина этих элементов (полос и т.д) должна быть порядка двойной толщины диэлектрика или меньше, чтобы за время травления слоя диэлектрика произошло подтравливание его под всей площадью проводящего элемента, пересекающего окно.
Электрическое соединение между элементами соединяемых противоположных контактных площадок выполнено в области отверстия в диэлектрике в виде проводящей перемычки из припоя, или из проводящей пасты, или из химически осажденного проводящего материала, или из электрохимически осажденного проводящего материала, или в виде сварного соединения. Отверстие в диэлектрике может быть полностью занято проводящим материалам или не полностью. Для выполнения предлагаемого межслойного электрического соединения был разработан и освоен в производстве следующий способ:
В слое металлизации фольгированного с двух сторон диэлектрика создают любым известным способом (с помощью фотолитографии, например) рисунок контактной площадки (полоса, полосы, крест, решетка и т.п.) над местом, где планируется выполнить электрический контакт, т.е над местом, окном, где будет удален диэлектрик, Затем удаляют диэлектрик под контактной площадкой любым из известных способов, не нарушающих рисунок контактного слоя (травлением через окна в рисунке с подтравливанием, удаляющим диэлектрик под металлическим рисунком контактной площадки, или сухим, в т.ч. плазмохимическим методом или иным способом), или импульсным лазерным испарением диэлектрика в области контакта. Далее осуществляют электрическое соединение контактных площадок с двух сторон отверстия, образовавшегося в диэлектрике, путем пайки (введением припоя), или путем введения проводящей пасты (с требуемой обработкой) или электролитическим осаждением, или путем сварки (точечной электросваркой, электронным лучом, пламенем, лазерным излучение и т.п) прижатых друг к другу любым известным способом контактных площадок
Примером конкретного исполнения может служить гибкая печатная двусторонняя плата для СДЛ блока подсветки жидкокристаллического экрана, включающая разводку питания светодиодов, выполненная на полиимиде толщиной 25 мкм, фольгированном медью толщиной 35 мкм Питание светодиодов требует множества межслойных соединений, каждое из которых рассчитано на ток до 1 А. Межслойные соединения выполнены в виде щелевых окон в диэлектрике, выполненных травлением, длиной Змм и шириной 0,5 мм, контактная площадка с одной стороны каждого окна выполнена сплошной, а с другой стороны в виде пересекающих щель в диэлектрике полосок шириной 20 мкм каждая с промежутками между ними по 30 мкм Электрическое соединение контактных площадок выполнено электролитическим осаждением меди сначала на внутреннюю поверхность сплошного контакта (путем подачи потенциала на технологический контакт, связанный с ним), а после заполнения осажденным слоем 60% промежутка между контактами - одновременным осаждением и на внутреннюю поверхность второго (не сплошного) контакта (путем подачи потенциала на связанный с ним технологический контакт). Электролитическое осаждения ведут до заполнения окна в диэлектрике,
Преимуществом предлагаемого межслойного соединения и способа для его выполнения является высокая надежность соединения (в первую очередь в гибких печатных платах, обладающих малым тепловым сопротивлением, что важно для СДЛ) за счет, в частности, увеличения площади контакта, уменьшение влияния механически слабых переходных слоев материалов, возможность коммутации больших токов (питающие шины, питание исполнительных устройств и т.д.), отсутствие необходимости предварительного химического осаждения проводящего материала на стенки отверстия (перед электрохимическим осаждением), отсутствие выступающих над поверхностью платы элементов, большая площадь контакта элементов контактных площадок с материалом электрической перемычки, компенсирующую, например, невысокую удельную проводимость проводящей пасты, а также простота технологии изготовления. На данный способ получен патент [81].
Обеспечение совместимости ЖКД с приборами ночного видения
В большинстве авиационных применений ЖКД ночной режим отображения информации требует совместимости этого изображения по излучаемому спектру с приборами ночного видения (ПНВ) такими, как очки ночного видения классов А и В, которые описаны в MIL-STD-3009. На рисунке 4.8 показана спектральная чувствительность человеческого глаза и "ПНВ классов А и В. Количественные значения параметров вытекают из требования от дисплея работать в режиме комфортной для ночи яркости (обычно ОД - 0,2 кд/м") и одновременно поддерживать энергетическую светимость изображения на очень низких уровнях (2,2 10 для белого цвета и 1,1 10 для основных цветов, как предписано стандартом MIL-STD-3009). Это позволяет ЖКД работать ночью без введения в режим насыщения или другого влияния на рабочие характеристики устройств и систем ПНВ.
На основании анализа перекрытия кривых спектральной чувствительности очевидно, что трудно удовлетворить требованиям ПНВ совместимости без влияния на качество видимого отображения на ЖКД. На самом деле это даже теоретически невозможно для ПНВ класса А, которые требуют полного отсутствия красного цвета свечения ЖКД. Яркость и цвет изображения ЖКД необходимо оптимизировать, не влияя на его ПНВ светимость. Это особенно важно для дневной работы, где контраст и качество цвета изменяются при высокой внешней освещенности.
В рамках данных исследований была разработана конструкция МЗП с двойной (независимых ночной и дневной) структурой подсветки, учитывающая все вышеизложенные требования Такая конструкция МЗП обеспечивает высокую яркость и широкую цветовую гамму в дневном режиме работы при низком рассеивании мощности без влияния на спектральные требования ночной светимости. На ЭТУ конструкцию получен патент на изобретение [76] Такая конструкция освоена в производстве авиационных ЖКД
Схема такой двойной подсветки обеспечивает выполнение требований к ЖКД для открытых кабин ЛА - широкий диапазон снижения яркости от 700 кд/м до 0,01 кд/м , что соответствует диапазону снижения яркости 70000 1
Так как рабочий диапазон яркости свечения ЖКД разбит между двумя отдельными субмодулями МЗП (работающих попеременно), от каждого субмодуля требуется меньший диапазон яркости, что упрощает управляющую электронику (драйверы управления электролюминесцентными лампами) и снижает стоимость. Конструкция также обеспечивает существенное перекрытие яркости между низкой дневной и высокой ночной яркостями.
Электролюминесцентная лампа излучает значительное количество инфракрасного (ИК) и близкого к ИК излучения в диапазоне высокой чувствительности ТШВ, как видно из рисунка
Это излучение для обеспечения ПНВ совместимости ЖКД необходимо существенно уменьшить (на несколько порядков). Так как эта область ПНВ совместимости перекрывается с областью фоточувствительности глаза, то невозможно вырезать излучение в этой области без ухудшения визуального качества изображения.
ИК фильтрация для ПНВ совместимости обычно достигается использованием поглощающих сорбционных фильтров или использованием тонко пленочных отражающих (интерференционных) фильтров. Хотя спектр пропускания поглощающих фильтров не зависит от угла наблюдения, они обеспечивают подавление ИК излучения, ухудшая цвета изображения из-за значительного (до 70%) селективного поглощения света в видимом диапазоне спектра.
Таким образом, двойная подсветка избегает смещения цветов, связанного с ПНВ совместимостью.
В главе 1 был проведен сравнительный анализ эксплуатационно--технических требований средств отображения информации для различных -областей применения и параметры коммерческих МЖКЭ. таблицы 1.1 - 1 3.
С помощью этих таблиц определяется перечень параметров, которые должны быть улучшены при рагидизации коммерческого МЖКЭ для обеспечения возможности их применения в авиационных ЖКД.
Разработанная технология позволила организовать в ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» производство ЖКД для перспективных летательных аппаратов и модернизации авионики самолетов и вертолётов, находящихся в эксплуатации
Для оценки пригодности того или иного типа коммерческого ЖКЭ для рагидизации имеются четыре главных критерия, которые необходимо исследовать: физические характеристики, светотехнические характеристики. устойчивость к внешним воздействующим факторам (ВВФ), параметры эксплуатационного цикла В таблице 4 1 приведены ключевые характеристики для каждого критерия.
