一种机载曲面液晶显示器设计*

赵玉冬，黄亚坤，赵 松

（1. 中航华东光电有限公司，安徽芜湖241002；2. 特种显示技术国家工程实验室，安徽芜湖241002；3. 安徽省现代显示技术重点实验室，安徽芜湖241002）

引 言

随着显示技术的不断发展，曲面显示产品得到越来越广泛的应用，如曲面电视、曲面显示器[1]等产品广泛应用于工业、商业、家庭等多种显示场所。与平面显示相比，曲面显示具有明显的优势。首先，曲面显示器有更好的视觉体验效果。人眼的晶状体是一个凸透镜而不是真正的平面，观看曲面屏幕可以使整个屏幕到人眼晶状体的距离保持一致，减少眼球的转动频率，即曲面显示更贴合人眼的生理曲线构造。长时间观看后，在人眼的眼球灵活度变化显著性、眼表干燥度变化显著性以及人眼疲劳差异变化显著性方面，曲面明显优于平面。其次，曲面能够带来更好的包围效果。略微弯曲的屏幕能够提供更好的环绕式观感，为用户提供更具深度的观赏感受及更好的沉浸式体验。相比同样尺寸的平面显示器，曲面屏幕给人的感觉更大，视野更广。另外，由于在同一平面上，画面中心与边缘距离人眼的视距其实并不相等，因而平面显示器会造成轻微的视觉失真现象。工信部数字电视标准符合性检测报告显示：较之等效平面电视，曲面电视的失真率有明显改善，平均约为57%，最高达73%。

目前市场上的曲面显示介质主要为有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode, OLED）[2]和液晶显示屏（Liquid Crystal Display, LCD）[3]，针对机载使用所需的20～30 inch尺寸规格的曲面OLED还是市场空白。现阶段市场上大部分曲面显示器使用的是液晶屏，由面板框架等结构折弯而成。面板采用新的工艺，避免折弯时产生“窜色”、“混色”等问题，导致彩色显示失真。同时采用更加柔韧的超薄玻璃，可以实现半径为4 000～1 800 mm的不同曲率。光学模组、导光板等均为柔性材料，可以通过折弯与液晶屏曲率相匹配。

1 总体设计要求

机载显示器[4]需要满足显示性能及环境使用要求。为达到强光下可视的要求，产品需从亮度、对比度、减反射等方面进行设计。针对显示效果，需考虑亮度均匀性、视场角等参数。同时机载显示器要满足复杂的使用环境要求，需进行低温加热、抗振加固设计等。曲面显示器的总体要求见表1。

表1 显示器技术参数

2 曲面液晶显示器结构设计

曲面显示器的总体结构组成如图1所示。

图1 曲面显示器结构分解图

多功能显示器的组成包括结构组件、背光源[5]、屏组件、光学膜组、控制板、摄像头、接口器件等。其中背光源组件由发光二极管（Light Emitting Diode,LED）阵列、漫反射膜和背光印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）组成；屏组件部分包含液晶屏、滤光片和加热器；背光组件包含光学导光板和偏振型亮度增强膜；结构件包括面板、屏框架、背光框架、隔板、小侧盖板、后盖板、散热支撑块和压板。

显示器整体设计应符合机载座舱布局，采用曲面造型设计，兼顾功能、美学及工效。显示器采用轻薄化结构设计，主体结构材料选用牌号为5A06的防锈铝合金，需对表面进行导电氧化及喷漆处理。外壳尽可能采用密封结构设计，进行环境密封设计时应同时兼顾电磁屏蔽。

前面板采用无结构边框设计，在盖板玻璃周边喷涂高温油墨，实施黑化处理，在摄像头和亮度传感器处进行挖孔设计，整体美观简洁。

多功能液晶显示器结构的外形尺寸和外观设计应充分兼顾机载环境、系统集成、安装使用等要求。

3 曲面液晶显示器背光设计

侧入式背光系统以其功耗小、厚度薄等优点广泛应用在液晶显示器中。背光源主要由高光效LED灯、导光板和光学膜组成。背光系统需对由高光效LED和导光板转换来的二次扩展光源进行调制，基于斯涅尔定律和边缘光线原理建立方程组，迭代计算得到自由曲面微结构面型，对微结构进行仿真分析，验证方案的可行性。

导光板是背光系统中重要的光学器件，通过网点分布将侧入光源转换成均匀的面光源。在曲面背光系统中，导光板为曲面，入射光为直线，因而入射光无法直射到曲面底部。为解决这一问题，需利用底面反射膜，光线可经过多次反射后均匀到达曲面。产品采用2 mm厚的导光板，采取在非弯曲边的短边双侧排布LED的入光方式，便于LED直线排列。对导光板的网点进行阵列设计，辅以弯曲化的结构件压合，形成亮度较为均匀的曲面背光源，亮度及均匀性皆能满足项目的实际需求。背光组件的外形示意图如图2所示。

图2 背光示意图

假设二次光源模型为朗伯模型，则各个角度的入射光线强度Ii=Iocos 2θ（Io为出光强度；θ为出射光线与法向的夹角），而要通过光学膜表面面型优化使斜视角光线转换为法线光线，那么理想的目标为Ii=Io。同时设置初始面型为三角菱形结构（会聚透镜简化模型），如图3所示。图中A点和B点为二次光源边缘位置；d为二次光源到光学膜表面的距离；α1，α2和θ为出射光线与法向的夹角；β为折射光线与法向的夹角；γ为折射后出射光线与法向的夹角；x10，y10，x20，y20，x21，y21为棱镜不同位置点的坐标。

图3 背光源反射图

二次光源由LED和导光板耦合而出，其大小为网点尺寸。根据斯涅尔定律和边缘光线原理，将经过微结构面型边缘处后的A点和B点出射调制成法线轴向出射，从而实现视角收缩，提升法线亮度。

基于迭代公式计算所得的表面微结构截面图和经仿真软件优化后的面型结构如图4所示。

图4 背光表面微结构示意图

第1面和第2面为共轴的自由曲面，此方式可以将大角度光线进行会聚收集，形成法线出射光线，以提高亮度，降低功耗。对优化后的微结构进行阵列布局后，得到图5所示的仿真拟合的背光亮度视角分布图。

图5 背光亮度视角分布

从图5可以看出，亮度视角由原先的宽视角55°（50%亮度衰减）收缩成25°（50%亮度衰减），所以通过理论公式迭代和仿真软件，对光线追迹进行优化设计，对光学膜表面微结构面型进行优化，对斜视角的光线进行角度偏转，使之成为法线光线。

背光模块的光学性能设计是系统性工程，受到背光灯的布局、混光空间（LED灯到导光板的距离）、LED灯的物理间距、LED的发光角度等参数的影响。背光腔体的基本设计数据为：LED的发光角度（半亮度角），120°；膜组件（扩散板和增亮膜）的厚度，3 mm；LED灯的物理间距，8 mm；灯到导光板的距离，5.8 mm。

基于上述设计进行建模，仿真所得膜亮度为18 000 cd/m2，则显示亮度为810 cd/m2（显示亮度为出膜亮度与屏组件透过率的乘积），亮度非均匀性小于9.3%。

4 曲面液晶显示器低温加热设计

现有的液晶显示屏无法在−20°C以下的环境中正常工作，而机载设备要求在−40°C环境下在5 min内正常工作。一般采取对导电薄膜通电加热的方式来解决低温工作问题。由于液晶屏为曲面，因此需设计曲面加热器。

曲面加热器的制作方法为：将肖特光学白玻璃置于曲率半径为1 800 mm的模具上，在820°C的温度下进行软化、热弯，形成曲率半径R为1 800 mm的曲面玻璃，再通过磁控溅射的方式在曲面玻璃的凹面均匀地镀上一层氧化银锡纳米导电薄膜（即ITO膜）。在导电薄膜面两短边边缘位置涂覆一定宽度的低电阻率导电银浆，并通过高温对其进行烧结固化，形成导电电极，通过引线将电极引出，接到加热电路上。

通过COMSOL仿真分析可知：在低温−40°C条件下，按+270 V供电，预设加热功耗为380 V时，边缘的最低温度为−18°C，可以满足液晶屏低温工作条件。但同时可以看到，液晶屏周边，尤其是涂了导电银浆的两侧，温度较低。通过分析可知，由于导电银浆涂覆面较宽且电阻率较低，涂覆了导电银浆的面上产生的热量较少，而四周散热较快，因而两侧边的温度较低。针对此问题，可以采用对两侧进行补偿加热的方法。

5 曲面液晶显示器抗振设计

液晶显示器的显示介质是液晶屏。液晶屏由2片很薄的平板玻璃以及内部塑料隔子或玻璃微柱隔子封接而成。液晶屏的薄板结构形态导致其对显示方向的振动非常敏感，而机载环境的强烈振动会严重影响液晶屏的图像显示质量，因此需对液晶屏进行抗振设计[6]，以提高其抗振性能。

共振引起的放大效应会使应力增大。当结构体的固有频率和外界的强迫振动频率重合时，其共振振幅在理论上可达到无限大。结构阻尼的存在会消耗振动能量，使振动不可能被无限放大，但放大十几倍是完全有可能的。因此冲击振动隔离设计主要是要避免结构发生共振。图6为强迫振动系统响应图谱。图中f为外部振动频率，f0为系统固有频率，s为阻尼系数，v为振幅放大系数。

图6 单自由度强迫振动系统响应图谱

系统固有频率的计算公式为：

式中：C为刚度，N/m；M为质量，kg。

由图6及式（1）可知，可通过减小刚度、增大显示组件的重量以及增大阻尼系数来减小系统的固有频率。

多功能曲面显示器采用在液晶屏组件四周添加具有阻尼作用的软胶条来进行隔离固定的方法，来减小支撑环节的刚性，增大液晶屏在振动环境下的位移阻尼；采用两面复合的加固玻璃来增加液晶屏自身的重量，并提高液晶屏组件的抗应变能力。液晶显示屏的抗振结构如图7所示。

图7 液晶屏两级减振结构示意图

将液晶显示屏的抗振结构设计简化为两级减振的数学模型，第一级减振是通过具有阻尼作用的特殊减振软胶条形成阻尼减振系统，第二级是采用透明光学胶带将加固玻璃和液晶屏捆绑在一起，在提高液晶屏安装环境刚性的同时增加了第二级系统的固有频率，且两级减振的固有频率不同，可有效避免共振作用，减小液晶屏的振动应力。

6 结束语

机载大尺寸曲面液晶显示器与机载平板显示器的设计有较大不同，主要集中在结构形式、背光设计、加热设计、减振设计等方面。本文针对曲面液晶显示的特点，在结构设计中提出了前面板无结构边框曲面造型设计的方法；为解决曲面背光布灯困难的问题，采用2 mm厚的超薄导光板（易于通过结构折弯），采取在非弯曲边的短边排布LED入光的方式；采用曲面加热器方案达到了加热均匀且5 min内显示正常的要求；通过减振垫片和柔性光学胶实现了两级减振，并利用两级减振阻尼不同的特点有效避免了共振作用。本文分析了加热不均的问题并提出了改进方法。由分析可知，该机载大尺寸曲面液晶显示器的性能及可靠性均满足机载产品需求，可以在载机上使用。