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Displays kommen in einer Vielzahl moderner Militär- und Verteidigungsausrüstungen zum Einsatz, darunter tragbare Systeme, Bedienfelder, Kommunikationsterminals, Fahrzeug-, Luft- und Marinesysteme sowie Führungs- und Kontrollstationen. In diesen Anwendungen dient der Bildschirm nicht nur der Darstellung von Informationen, sondern ermöglicht auch den Zugriff auf wichtige Systemfunktionen.
Die Anforderungen an militärische Bedienfelder beschränken sich selten auf das Display selbst. Die gesamte Baugruppe muss berücksichtigt werden, einschließlich des Displays, des Touchscreens, des Schutzglases, der Hintergrundbeleuchtung, der Steuerelektronik, der Steckverbinder, der Dichtungen, des Gehäuses sowie der Methode zur Integration der Lösung in das Endgerät. Das gesamte System muss unter den Bedingungen, unter denen die Ausrüstung tatsächlich eingesetzt wird, lesbar, stabil und vorhersehbar bleiben.
Es gibt jedoch keinen einheitlichen, allgemeingültigen Standard, der den Begriff „militärisches Display“ definiert. Die geltenden Anforderungen sollten sich nach der jeweiligen Anwendung, der Plattform, der Betriebsumgebung und den Programmspezifikationen richten. Normen und Normungsdokumente bieten zwar wichtige Anhaltspunkte, können jedoch weder eine gründliche Analyse des Verwendungszwecks noch die geeignete Auswahl von Prüfverfahren ersetzen.
Die Rahmenwerke der USA und der NATO – Wie sollten sie angewendet werden?
Projekte für den Militär- und Verteidigungssektor stützen sich in der Regel auf zwei wesentliche Normungsrahmen: das US-amerikanische System, das teilweise auf MIL-STD-Normen basiert, und das NATO-System, das teilweise auf STANAG-Dokumenten und den dazugehörigen AECTP-Veröffentlichungen beruht.
Die folgenden Dokumente könnten für Display-Anwendungen von besonderer Bedeutung sein:
- MIL-STD-810 – eine Norm, die einen Ansatz für die Umwelttechnik und für Umweltprüfverfahren festlegt. Es handelt sich dabei weder um eine universelle Checkliste mit Bestehen/Nichtbestehen-Prüfungen noch um eine vorgefertigte Konstruktionsspezifikation. In der Praxis müssen die Prüfverfahren und die Belastungsstufen auf den Lebenszyklus des Produkts und die Bedingungen, unter denen es eingesetzt wird, zugeschnitten werden.
- MIL-STD-461 – eine Norm, die die Kontrolle der elektromagnetischen Emissionen und der Störanfälligkeitseigenschaften von Teilsystemen und Geräten regelt. Es ist darauf zu achten, dass diese Norm nicht automatisch auf einzelne Module, die in Elektronikgehäusen installiert sind, oder auf ganze Plattformen angewendet wird. Für elektromagnetische Anforderungen auf System- oder Plattformebene ist die Norm MIL-STD-464 die geeignetere Referenz.
- MIL-STD-464 – eine Norm, die elektromagnetische Umwelteinflüsse (E3) auf System- und Plattformebene abdeckt, einschließlich Luft-, See-, Boden- und Weltraumsystemen.
- MIL-STD-1472 – eine Norm zur Ergonomie, die sich mit der Anpassung von Systemen an die Fähigkeiten und Einschränkungen ihrer Benutzer befasst. Bei Anzeigeanwendungen kann sie für die Gestaltung der Benutzeroberfläche, die Bedienergonomie und die Art und Weise, wie Informationen dem Bediener präsentiert werden, von Bedeutung sein.
- MIL-STD-3009 – eine Norm, die für Anwendungen relevant ist, bei denen ein Display mit Nachtsichtsystemen (NVIS) kompatibel sein muss. Für Displays legt sie unter anderem strenge Grenzwerte für die Infrarotstrahlung fest, um zu verhindern, dass der Bildschirm den Betrieb von Nachtsichtgeräten beeinträchtigt.
- STANAG 4370 und die entsprechenden AECTP-Veröffentlichungen – der NATO-Rahmen für die Bewertung der Widerstandsfähigkeit von Verteidigungsgütern gegenüber Umwelt- und mechanischen Einflüssen sowie, in den entsprechenden Veröffentlichungen, gegenüber elektromagnetischen Einflüssen.
Die Systeme der USA und der NATO sind nicht eins zu eins direkt gleichwertig. Es ist angemessener, sie als separate Normungsrahmen zu betrachten, die zwar ähnliche Anforderungsbereiche abdecken, jedoch jeweils eigene Strukturen, Anwendungsbereiche und Anwendungsmethoden aufweisen. In der Praxis ist es wichtig, nicht nur das relevante Dokument zu identifizieren, sondern auch die Ebene anzugeben, auf der es anzuwenden ist: die Komponente, die Anzeigeeinheit, das Gerät, das System oder die gesamte Plattform.
Welche Anforderungsbereiche sind bei Displays am wichtigsten?
Bei Displays, die in Militär- und Verteidigungsanwendungen zum Einsatz kommen, werden in der Regel fünf Bereiche berücksichtigt:
- Lesbarkeit und optische Leistung,
- Kompatibilität mit Nachtsichtsystemen (NVIS),
- Umgebungsbeständigkeit,
- mechanische Festigkeit,
- Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
Dieser Ansatz ermöglicht es, das Display nicht als isolierte Komponente, sondern als Teil eines größeren Moduls oder Geräts zu betrachten. Entscheidend ist dabei nicht nur die Qualität der dargestellten Informationen, sondern auch die Widerstandsfähigkeit gegenüber den Betriebsbedingungen, die strukturelle Stabilität, die zuverlässige Funktionsweise im Zusammenspiel mit anderen elektronischen Systemen sowie die Eignung für bestimmte Anwendungsszenarien, wie beispielsweise den Betrieb mit Nachtsichtgeräten.
Für jeden dieser Bereiche können unterschiedliche Normen, Programmanforderungen oder etablierte technische Verfahren gelten. Bei der Konzeption einer Display-Lösung ist es daher wichtig, zwischen drei Ebenen zu unterscheiden: der Norm als Referenzdokument, der Programmanforderung als spezifischem Kriterium für ein bestimmtes Projekt und der technischen Lösung, mit der diese Anforderung erfüllt wird.
Lesbarkeit: Helligkeit, Kontrast und Reflexionskontrolle
Bei militärischen Anwendungen muss die Lesbarkeit des Displays unter den unterschiedlichsten Lichtverhältnissen gewährleistet sein, sowohl im Innen- als auch im Außenbereich sowie in Zwischenumgebungen wie Fahrzeugkabinen, Bedienerkabinen und geschlossenen Plattformen. Diese Anforderung gilt nicht nur für die Parameter des Displaypanels, sondern auch für das gesamte optische Design des Moduls.
In der Praxis wird die Lesbarkeit anhand einer Kombination verschiedener Parameter bewertet, darunter Helligkeit, Kontrast, Blendung, Oberflächenreflexion, Betrachtungswinkel, Gleichmäßigkeit der Hintergrundbeleuchtung und Bildstabilität unter den vorgesehenen Betriebsbedingungen. Eine hohe Helligkeit allein garantiert noch keine optimale Sichtbarkeit bei starkem Umgebungslicht. Selbst ein Display mit hoher Helligkeit kann schwer lesbar sein, wenn die Frontbaugruppe erhebliche Reflexionen erzeugt oder wenn externes Licht den effektiven Bildkontrast verringert.
Aus diesem Grund kommen bei Lösungen, die für den Einsatz bei Tageslicht vorgesehen sind, nicht nur Displays mit höherer Helligkeit zum Einsatz, sondern auch Maßnahmen wie Blendschutzbeschichtungen (AG) und Antireflexbeschichtungen (AR). Beim optischen Verkleben wird das Display mithilfe eines transparenten optischen Klebstoffs dauerhaft mit dem Touchpanel und/oder dem Schutzglas verbunden. Dadurch wird der Luftspalt zwischen den Schichten beseitigt oder erheblich verringert, interne Reflexionen werden begrenzt und der wahrgenommene Kontrast für den Nutzer verbessert.
Bei militärischen Projekten müssen zudem die Stabilität der Hintergrundbeleuchtung über den gesamten Betriebstemperaturbereich, die Auswirkungen der Modulwärmeentwicklung auf die optischen Eigenschaften sowie die Langlebigkeit der optischen Komponenten über eine verlängerte Lebensdauer hinweg berücksichtigt werden.
Die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) selbst ist ebenso wichtig. Die Schriftgröße, der Kontrast der grafischen Elemente, die Informationshierarchie, das Farbschema, die Platzierung der Meldungen sowie die Art und Weise, wie Alarme dargestellt werden, können darüber entscheiden, ob der Bediener die Informationen unter Stress, Zeitdruck oder wechselnden Lichtverhältnissen schnell und eindeutig interpretieren kann.
Kompatibilität mit Nachtsichtsystemen (NVIS)
Für Anwendungen, bei denen das Display zusammen mit Nachtsichtsystemen betrieben werden soll, gelten gesonderte optische Anforderungen. In solchen Fällen ist es nicht nur wichtig, dass das Bild für den Bediener lesbar bleibt, sondern auch, dass der Bildschirm den Betrieb der Nachtsichtbrille nicht beeinträchtigt.
Übermäßige oder unzureichend kontrollierte Lichtemissionen, insbesondere im nahen Infrarotbereich, können das NVIS übersteuern, den Bildkontrast durch die Brille verringern oder die Fähigkeit des Bedieners beeinträchtigen, die Umgebung zu beobachten. Die NVIS-Kompatibilität sollte daher nicht als Standardmerkmal jedes militärischen Displays betrachtet werden, sondern vielmehr als szenariospezifische Anforderung an Ausrüstung, die tatsächlich mit Nachtsichtsystemen eingesetzt wird.
Die Erfüllung dieser Anforderungen kann den Einsatz einer speziellen Hintergrundbeleuchtung, optischer Filter, einer spektralen Emissionssteuerung, eines geeigneten Helligkeitsregelbereichs sowie sorgfältig ausgewählter Farben der Benutzeroberfläche erfordern. Da jedes dieser Elemente die endgültigen optischen Emissionen beeinflusst, sollte die NVIS-Kompatibilität auf der Ebene des kompletten Geräts oder der vollständig montierten Displayfront überprüft werden.
Umweltbeständigkeit
Die Umweltbeständigkeit ist einer der wichtigsten Anforderungsbereiche für Militär- und Verteidigungsausrüstung. Im US-amerikanischen Rahmen dient in erster Linie die Norm MIL-STD-810 als Referenz, während sich der NATO-Rahmen auf die STANAG 4370 und die entsprechenden AECTP-Veröffentlichungen stützt.
MIL-STD-810 sollte nicht als Norm dargestellt werden, die für jedes Gerät ein einheitliches, verbindliches Prüfprogramm vorschreibt. Sie definiert einen auf individuelle Anpassung basierenden umwelttechnischen Prozess und stellt Umweltprüfverfahren bereit, die entsprechend dem voraussichtlichen Lebenszyklus des Produkts ausgewählt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass ermittelt werden muss, welche Umgebungsbedingungen für ein bestimmtes Projekt tatsächlich relevant sind, wie beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag, Staub, Sand, Salzeinwirkung, Sonneneinstrahlung, Vibrationen oder Stöße. Bei Displays geht es nicht nur darum, ob das Modul eine bestimmte Belastung übersteht, sondern auch darum, ob es seine beabsichtigte Funktionalität beibehält, einschließlich Bildlesbarkeit, elektronischer Stabilität, korrekter Funktion der Hintergrundbeleuchtung, Reaktionsfähigkeit des Touchpanels und vorhersehbaren Verhaltens der Benutzeroberfläche.
Die Umgebungstemperatur kann den Betrieb eines Anzeigemoduls erheblich beeinflussen. Niedrige Temperaturen können unter anderem die Reaktionszeit der Flüssigkristalle, die elektronische Stabilität und die allgemeine Lesbarkeit des Bildes beeinträchtigen. Unter solchen Bedingungen ist es wichtig, ein Panel mit einem geeigneten Betriebstemperaturbereich auszuwählen. Bei einigen Anwendungen können zudem Heizelemente und eine Temperaturregelung innerhalb des Moduls erforderlich sein. Hohe Temperaturen wirken sich nicht nur auf die Lebensdauer des Panels selbst aus, sondern auch auf die Hintergrundbeleuchtung, die Stabilität der optischen Parameter und die effektive Wärmeableitung. In der Praxis kann dies eine sorgfältige Anordnung der Elektronik, die Verwendung wärmeleitender Materialien, Kühlkörper oder andere konstruktive Maßnahmen erfordern, die das Wärmemanagement unterstützen.
Der Schutz vor Wasser, Staub, Sand und anderen Verunreinigungen erfordert eine sorgfältige Konstruktion der Gerätefront sowie aller Stellen, an denen Verunreinigungen in das Gehäuse eindringen könnten. Bei einer Display-Baugruppe sollte besonderes Augenmerk auf das Schutzglas, die optische Verklebung, die Dichtungen, die Rahmenkonstruktion, den Schutz von Steckverbindern und Signalkabeln sowie auf die Art und Weise gelegt werden, wie das Modul im Endgerät montiert wird.
Mechanische Belastbarkeit: Vibration, Stoßbelastung und strukturelle Stabilität
Umgebungsanforderungen können auch mechanische Belastungen umfassen, darunter Vibrationen, Stöße und Beanspruchungen, denen die Geräte während des Transports ausgesetzt sind. Bei Anzeigen spielen diese Faktoren insbesondere bei fahrzeugmontierten Systemen, tragbaren Geräten, Bedienfeldern und Geräten für den Feldeinsatz eine wichtige Rolle.
Die mechanische Belastbarkeit eines Displaymoduls hängt nicht nur vom Panel selbst ab. Zu den wichtigsten Faktoren zählen die Art der Befestigung des Displays, die Art der Abstützung der einzelnen Schichten, die Festigkeit des Schutzglases, die Unversehrtheit der Verbindungen, der feste Sitz der Steckverbinder sowie die Verringerung mechanischer Belastungen zwischen den Komponenten des Moduls.
Bei militärischen Anwendungen muss das Display auch unter Vibrationen und Stößen stabil bleiben und dabei die Lesbarkeit des Bildes sowie eine zuverlässige Bedienung des Touchpanels gewährleisten. Bei der Konstruktion des Moduls müssen daher die Spezifikationen der einzelnen Komponenten sowie die mechanische Bauweise der Gesamtlösung berücksichtigt werden.
EMV und EMI – Elektromagnetische Verträglichkeit und Störung
Ein weiterer wichtiger Bereich ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Diese bezieht sich auf die Fähigkeit eines Geräts, in einer bestimmten elektromagnetischen Umgebung einwandfrei zu funktionieren, ohne andere Geräte zu stören oder übermäßig anfällig für externe Störungen zu sein. Eng mit der EMV verbunden ist die elektromagnetische Störung (EMI), die entweder vom Gerät selbst erzeugt werden oder von externen Quellen stammen kann. Bei Display-Anwendungen umfasst die EMI-Kontrolle sowohl die Begrenzung der Emissionen des Moduls als auch die Gewährleistung einer ausreichenden Störfestigkeit gegenüber Störungen in seiner Betriebsumgebung.
Dies ist insbesondere für Anzeigesysteme von Bedeutung, da ein Anzeigemodul nicht lediglich aus einer optischen Komponente besteht. Es umfasst zudem Steuerelektronik, eine LED-Hintergrundbeleuchtung, Stromrichter, Stromversorgungsschaltungen, Kommunikationsschnittstellen, Kabel, Steckverbinder und in vielen Fällen einen Touchscreen-Controller. Diese Elemente können elektromagnetische Störungen erzeugen und anfällig für Störungen durch nahegelegene Komponenten oder Systeme sein.
Bei militärischer und Verteidigungsausrüstung können elektromagnetische Störungen die Kommunikation, die Navigation, Sensoren, Radar, Steuerungssysteme und andere elektronische Geräte beeinträchtigen, die auf derselben Plattform betrieben werden. Die gesamte Displaybaugruppe sollte daher so ausgelegt sein, dass elektromagnetische Emissionen minimiert werden und gleichzeitig ein stabiler Betrieb auch bei externen Störungen gewährleistet ist. Dies erfordert eine wirksame Abschirmung, eine angemessene Erdung, den Schutz von Signal- und Stromleitungen, geeignete Filterung, eine sorgfältige Steuerung des Betriebs der Stromrichter sowie eine gut geplante Integration der Elektronik in die mechanische Struktur des Geräts.
Bei Lösungen mit einem Touchpanel ist auch die Störfestigkeit des Touch-Controllers gegenüber elektromagnetischen Störungen von Bedeutung. Störungen können die Stabilität der kapazitiven Erfassung beeinträchtigen und zu Fehlerkennungen, Geisterberührungen, verzögerten Reaktionen oder einem vorübergehenden Verlust der Berührungsgenauigkeit führen. Bei der Entwicklung eines Touch-Moduls ist es daher wichtig, einen Controller mit geeigneten Mechanismen zur Störungsfilterung und -kompensation auszuwählen und sicherzustellen, dass das gesamte Touch-Erfassungssystem korrekt integriert ist.
Es ist wichtig zu betonen, dass die Ergebnisse von EMV-Prüfungen von der gesamten Gerätekonfiguration abhängen. Selbst wenn einzelne Komponenten die festgelegten Anforderungen erfüllen, kann sich die Endbaugruppe nach der Integration in das Gehäuse, die Verkabelung, die Stromversorgung, den Steuerungscomputer und andere Elemente des Systems möglicherweise anders verhalten.
Warum müssen Standards auf der richtigen Integrationsebene angewendet werden?
Bei Displays, die in Militär- und Verteidigungsanwendungen zum Einsatz kommen, ist ein wesentlicher Aspekt, dass Normen beziehen sich selten ausschließlich auf das Display. Je nach Geltungsbereich des jeweiligen Dokuments und den Programmanforderungen ist Gegenstand der Bewertung in der Regel das fertige Modul, das komplette Gerät, das Teilsystem oder die gesamte Plattform. .
Die Einhaltung der Vorschriften hängt daher nicht nur von der Auswahl des richtigen Displays ab, sondern auch von dessen Integration. Zu den relevanten Faktoren zählen das Touchpanel, das Schutzglas, die optische Verklebung, Oberflächenbeschichtungen, die Elektronik, Anschlüsse, die Verkabelung, Dichtungen, die Gehäusekonstruktion, das Wärmemanagement sowie die elektromagnetische Abschirmung.
Aus diesem Grund sollte die Entwicklung einer Display-Lösung für eine militärische oder verteidigungstechnische Anwendung mit der Festlegung der Anforderungen beginnen, die für den vorgesehenen Einsatzzweck gelten. Erst dann können die geeigneten Komponenten ausgewählt werden.
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