液晶顯示器夜視兼容測試方法研究

潘立豹，楊宗陽，李正榮，王保成，張 恒，李 靜，袁 燁

（1.中航華東光電有限公司，特種顯示國家工程實(shí)驗室，國家特種顯示工程技術(shù)研究中心，安徽 蕪湖 241002；2.總參陸航部軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室，江蘇 南京 211100）

0 引 言

夜視成像系統(tǒng)（NVIS）在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有重要地位，尤其在空軍裝備中更顯重要，可以使飛行器獲得夜間作戰(zhàn)能力。目前使用的夜視技術(shù)主要是第3代圖像增技術(shù)，其基本工作原理是利用像增強(qiáng)技術(shù)和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)將人眼不可見或視效較低的近紅外波段的光增強(qiáng)或轉(zhuǎn)換成可視影像[1-2]。對于使用第3代圖像增強(qiáng)管的A類NVIS和B類NVIS最大響應(yīng)波段分別為625～930nm和665～930nm。

飛機(jī)座艙內(nèi)的照明和信息顯示器件在這些波段內(nèi)都有較高的光譜輻射，這些輻射光譜進(jìn)入夜視儀，會激活夜視儀的自動增益控制系統(tǒng)，導(dǎo)致夜視儀的靈敏度降低，不能看清艙外的景物，從而喪失了夜視功能。因此保證飛機(jī)座艙內(nèi)的夜視兼容環(huán)境至關(guān)重要。

飛機(jī)座艙主要通過液晶顯示器來實(shí)現(xiàn)各種信息的顯示。液晶顯示器是一種被動顯示器件，必須依賴足夠亮度的背光源，該背光源即艙內(nèi)夜視輻亮度的重要來源。為降低液晶顯示器的夜視輻亮度，目前主要采用濾光片技術(shù)和雙模式光源技術(shù)。濾光片技術(shù)可分為薄膜干涉型濾光片和吸收型濾光片，通過干涉截止或吸收來降低背光源中近紅外光的出射。由于薄膜干涉型濾光片的截止濾光具有角度依賴性，導(dǎo)致顯示器的圖像在不同視角存在嚴(yán)重的色差；而吸收型濾光片因為國內(nèi)技術(shù)不夠成熟，使用較少。目前，國內(nèi)的液晶顯示器主要通過雙模式背光源系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)夜視兼容功能，在非夜視環(huán)境下使用光效較高的白色LED燈作為背光源，獲得較低的功耗和較高的亮度；在夜視環(huán)境下，只使用特定波長的彩色LED燈作為背光源，以實(shí)現(xiàn)夜視兼容功能，該彩燈上一般為藍(lán)色、綠色和主波長較小的紅色發(fā)光芯片組成的三色復(fù)合型彩燈。

夜視兼容測試在夜視兼容設(shè)計中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，針對液晶顯示器夜視測試，目前國內(nèi)外還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，液晶顯示器夜視兼容測試主要有以下問題：

1）測試鏡頭孔徑角選取大小不統(tǒng)一，存在著0.3，1，3 mm 3個不同的標(biāo)準(zhǔn)，無法指導(dǎo)具體的孔徑角選擇。

2）由于孔徑角選擇大小不一，造成測試結(jié)果差異較大。

3）選擇0.3mm孔徑角時，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素測試的數(shù)據(jù)相差達(dá)到100%以上。

4）選擇0.3mm孔徑角時，夜視兼容測試結(jié)果的色坐標(biāo)和色度計所測色坐標(biāo)差距較大。

本文比較了不同的孔徑角對測試結(jié)果的影響，分析0.3mm孔徑角造成的測試誤差的原因，最后確定了孔徑角選擇，從而為液晶顯示器夜視兼容測試時對孔徑角的選擇提供依據(jù)[3-4]。

1 研究內(nèi)容與結(jié)果

1.1 理論分析

液晶顯示器的夜視兼容性能一般通過測量國軍標(biāo)中規(guī)定顏色畫面的夜視輻亮度來衡量。測量時，使用滿足國軍標(biāo)要求的光譜輻射計測量顯示器的輻射光譜，再通過GJB1394中的方法計算出顯示器的夜視輻亮度（NR），對于液晶顯示器，NR越小則與與夜視成像設(shè)備的兼容性越好。通過對NVIS輔色度計算方法的分析，可以得出液晶顯示器各紅綠藍(lán)像素對輻亮度奉獻(xiàn)的大小[5]。

國軍標(biāo)中夜視輻亮度的計算方法[6]如下：

式中：GA/B（λ）——A類或B類設(shè)備的NVIS相對光譜響應(yīng)，其數(shù)值如圖1所示；

N（λ）——顯示設(shè)備輻射亮度光譜，W/（cm2·sr·nm）；

G（λ）max=1 mA/W；

dλ=5nm；

Lr為國軍標(biāo)中規(guī)定的NVIS輻亮度要求所對應(yīng)的亮度（顯示器的亮度要求為1.713cd/m2），Lm為光譜輻射計實(shí)際測量到的亮度，可以通過下式計算：

式中：Lm——亮度，cd/m2；

V（λ）——CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的歸一化視覺特性曲線，其數(shù)值如圖2所示；

K（λ）max=683Lm/W；

N（λ）——照明部件的輔亮度光譜，W/（cm2·sr·nm）；

dλ=5nm。

通過上面的公式可以看到只需測量液晶顯示器發(fā)出的輻射亮度光譜N（λ），即可計算得出其NVIS輻亮度NRB（以B類夜視兼容設(shè)備為例）。

保持背光源不變，液晶顯示器的輻亮度等于紅、綠、藍(lán)子像素各自的輻亮度之和，即 N（λ）=NR（λ）+NG（λ）+NB（λ），帶入式（3）可得

式（4）中分母是紅、綠、藍(lán)子像素對顯示模塊亮度的貢獻(xiàn)之和，分子為3個子像素對液晶顯示器NVIS輻亮度的貢獻(xiàn)之和。

1.2 試 驗

LED彩燈實(shí)現(xiàn)夜視兼容的液晶顯示器，CS-2000色度計，OL750-NVG測試儀。

通過驅(qū)動電路任意調(diào)節(jié)背光LED彩燈實(shí)驗夜視兼容的液晶顯示器源中三色彩燈的配比，從而實(shí)現(xiàn)（0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）3 種色坐標(biāo)，使用CS-2000色度計測試液晶顯示器白場色坐標(biāo)，并通過OL750-NVG系統(tǒng)測試液晶顯示器的輻射亮度光譜和夜視輻亮度。

圖1 A類、B類NVIS相對光譜響應(yīng)特性曲線

圖2 人眼視覺相對光譜響應(yīng)特性曲線

液晶屏顯示白色畫面（即紅、綠、藍(lán)三色子像素均為完全透過狀態(tài)），背光源在夜模式下工作，使用OL750-NVG系統(tǒng)測試液晶顯示器的夜視輻亮度；背光源夜模式下工作，白光LED燈保持關(guān)閉，通過背光驅(qū)動電路調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)三色彩燈的亮度配比，使液晶顯示器白色畫面的色坐標(biāo)為（0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）。所謂測試區(qū)域選擇子像素是指選擇0.3mm孔徑角時，通過目鏡將測試區(qū)域圓心定為在子像素上。選擇1mm孔徑角或者3mm孔徑角時，由于孔徑角比較大，覆蓋像素比較多，先選擇0.3 mm孔徑角通過目鏡進(jìn)行定位，測試時，再選擇1mm孔徑角或者3mm孔徑角[7-8]。

1.3 試驗結(jié)果與討論

在不同條件下的試驗結(jié)果中表1所示，可以看出，選擇0.3 mm孔徑角時，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素測試的數(shù)據(jù)相差達(dá)到100%以上，夜視兼容測試結(jié)果的色坐標(biāo)和色度計所測色坐標(biāo)差距較大。使用1mm孔徑角或者3mm孔徑角測試時，測試區(qū)域選擇不同的子像素所測得輻亮度誤差較小，差距在3%范圍之內(nèi)，色坐標(biāo)和色度計色坐標(biāo)誤差為0.002，輻亮度和色坐標(biāo)差距在可接受范圍之內(nèi)。

通過表1可以得知，測試時選擇0.3mm孔徑角，測試區(qū)域選擇不同的子像素上，輻亮度、色坐標(biāo)差距很大，從式（1）和圖1可得：

從液晶屏基本性能可得：

測試時，孔徑角選擇過小，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素都不能代表白場真正的輻亮度，例如，測試時測試區(qū)域選擇在紅色子像素上，對于式（4），分子變成

因為測試區(qū)域選擇在紅色子像素上，綠色和藍(lán)色子像素的能量只能部分進(jìn)入到測試孔徑角內(nèi)，通過式（5）、式（6）、式（7）、式（8）可知，NRBR>NRB，對于測試白場輻亮度，測試區(qū)域主要集中在紅色子像素上，實(shí)際測試結(jié)果偏大；同理，若測試區(qū)域選擇綠色或者藍(lán)色子像素上，白場輻亮度測試結(jié)果比實(shí)際輻亮度小，由表1可知，實(shí)際測試結(jié)果和理論基本一樣。

表1 不同的條件下測試結(jié)果

同時，若測試區(qū)域選擇過小，每次測試時不能保證選取的子像素面積的大小，導(dǎo)致測試重復(fù)性差。另外，0.3mm孔徑角測試的并不是真正的色坐標(biāo)，因為按照要求，對于色坐標(biāo)測試，至少要壓10個像素，0.3mm孔徑角只能定位1～2個子像素。

選擇1mm或者3mm孔徑角，測試輻亮度和色坐標(biāo)都比較合理，因為1mm孔徑角可以選擇至少5個像素，3mm孔徑角可以選擇至少10個像素，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素，對輻亮度和色坐標(biāo)影響很小，色坐標(biāo)和CS-2000色度計所測差距在0.003之內(nèi)[9-10]。

2 結(jié)束語

本文通過一個LED彩燈實(shí)現(xiàn)夜視兼容的液晶顯示器在 （0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）3 種不同的色坐標(biāo)進(jìn)行夜視兼容測試方法研究，在這3種色坐標(biāo)下，通過OL750-NVG系統(tǒng)對其夜視兼容進(jìn)行測試，分別選取0.3，1，3mm不同的孔徑角，同時，通過目鏡觀察時，測試區(qū)域分別選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素。通過對比測試發(fā)現(xiàn)，選擇選擇0.3mm孔徑角時，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素測試的數(shù)據(jù)相差達(dá)到100%以上，夜視兼容測試結(jié)果的色坐標(biāo)和色度計所測色坐標(biāo)差距較大。使用1mm孔徑角或者3mm孔徑角測試時，測試區(qū)域選擇不同的子像素所測得輻亮度誤差較小，差距在3%范圍之內(nèi)，色坐標(biāo)和色度計色坐標(biāo)誤差為0.002，輻亮度和色坐標(biāo)差距在可接受范圍之內(nèi)。并且，1mm和3mm孔徑角所測得的輻亮度誤差在3%范圍之內(nèi)，色坐標(biāo)在0.003范圍之內(nèi)。通過對比測試可以得出以下結(jié)論：夜視兼容測試時，孔徑角不能選擇0.3mm；孔徑角選擇1mm或者3mm，在測試時，測試區(qū)域選擇紅色子像素、綠色子像素、藍(lán)色子像素對測試結(jié)果影響非常小，只需在目鏡觀察到清晰像素即可。此測試方法研究在夜視兼容測試中具有指導(dǎo)作用。

[1] 門金鳳，程海峰，陳朝輝，等.夜視兼容近紅外吸收濾光片的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2008，22（6）：13-16.

[2] 吳金華，方俊，余雷.一種與夜視成像系統(tǒng)兼容的LED光源及其照明系統(tǒng)：中國，1936416A[P].2007-03-28.

[3] 李明遠(yuǎn)，陳盈君，肖俊，等.一種使用LED光源的具有夜視兼容性的LCD背光系統(tǒng)：中國，201004137Y[P].2008-01-09.

[4] 艾克聰.微光夜視技術(shù)的進(jìn)展與展望[J].應(yīng)用光學(xué)，2006，27（4）：303-307.

[5] 許明輝，胡元剛.夜視兼容原理及在機(jī)載液晶顯示器上的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代顯示，2006（z1）：48-50.

[6] GJB 1394—1992與夜視成像設(shè)備兼容的飛機(jī)內(nèi)部照明[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1992.

[7] 金偉其，劉廣榮，白廷柱，等.夜視領(lǐng)域幾個熱點(diǎn)技術(shù)的進(jìn)展及分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005，31（3）：405-409.

[8] 謝劍斌，夏顯忠，夏利鋒，等.可實(shí)現(xiàn)紅外夜視兼容的液晶顯示器背光模組：中國，2758817[P].2006-02-15.

[9] Yoshinobu A，Hiroaki K.Infrared absorbing filter and its fabrication method：US，6903036[P].2005-06-07.

[10]Campbell W T， Maner R M， Grossman S A.Dual mode display with a blacklight filter for an unactivated light emitting diode（LED）：US，7025474[P].2006-04-11.