基于軍用顯示器的色域影響因素研究

袁燁　李靜　潘立豹　甘源偉　桂詩信

摘 要：本文實驗研究了光照環(huán)境下影響軍用液晶顯示器色域的主要因素。選取了4種不同類型的軍用液晶顯示器，分別測試了他們在不同光照環(huán)境中的色域，通過對測試數(shù)據(jù)的分析，得出了影響軍用液晶顯示器色域的4個主要因素：即軍用顯示器自身發(fā)光特性和反射特性、環(huán)境光的強(qiáng)度和光譜特性。其中，在暗環(huán)境下，軍用顯示器的色域由自身發(fā)光特性決定；亮環(huán)境下，軍用顯示器的色域由自身發(fā)光特性、環(huán)境光的光譜特性以及軍用顯示器表面對環(huán)境光的反射特性共同決定。

關(guān)鍵詞：軍用液晶顯示器；反射；光譜；色域

中圖分類號：O436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The major factors which influence color gamut of Military LCD in environment with different illuminance was investigated. Four types of LCD were chosen，and their color gamut in environment with different illuminance was tested.The statistics indicated four factors： lighting characteristics， reflection characteristics of LCD itself， illuminance and spectrum charateristics of environment light. In dark environment， the color gamut was decided by its lighting charactesitics； in bright environment， that was decided by those four factors together.

Keywords：Liquid Crystal Display； reflection； spectrum； color gamut

0 引言

近年來，航空、航天對LCD軍用顯示器的需求越來越大，特別對LCD軍用顯示器的顯示效果、色域提出了更高要求。

通常在暗環(huán)境中，軍用液晶顯示器色域主要由LCD面板上的CF上決定，但在亮環(huán)境下，我們觀察到的色光，是主色光與首層表面反射光的混合光，因為這里有白光的摻和，降低了主色光的飽和度，從而導(dǎo)致色域降低，反射越強(qiáng)、主色光的飽和度越低，對色域影響越大。反射光的強(qiáng)弱和軍用液晶顯示器的反射有很大的關(guān)系，加固好的液晶屏組件構(gòu)成一個相對較復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，由濾光片、光學(xué)膠及液晶屏等單元組成，各單元之間形成相應(yīng)的反射界面。倘若各界面累積后的總反射過大，強(qiáng)光照射下，在某些觀察角就會以較高的表面亮度反射至人眼。

另外，物體表面的色彩與光源的光譜成份有極大的關(guān)系，物體對入射光的吸收、反射、透射的光學(xué)特性雖然不受光源的影響，但當(dāng)光源的光譜成份發(fā)生變化時，必然影響到物體的反射或透射光的光譜成份，從而使物體的表面顏色隨著光源色的變化而變化。例如，消色物體在彩色光源的照射下，會呈現(xiàn)彩色。白色物體，在紅光照射下呈現(xiàn)紅色；在紅光和藍(lán)光的同時照射下呈現(xiàn)品紅色。彩色物體在特定光源照射下，會呈現(xiàn)消色。例如，在白光下為綠色的物體，在暗室的紅燈照射下就幾乎成為黑色的物體了，因為綠色物體只反射綠光，而紅燈中沒有綠光的成份，物體表面在紅光照射下不能反射出綠色的光來，紅光又都被吸收了，因此顯出黑色。結(jié)合以上幾種情況，在亮環(huán)境下，色域由環(huán)境光的強(qiáng)弱和光譜、自身色域和反射特性共同決定。

本文通過測試了4種不同狀態(tài)的軍用液晶顯示器、在不同的光照環(huán)境下的色域，該測試結(jié)果對軍用顯示器色域的判別和設(shè)計，提供了一定的指導(dǎo)意義。

1理論分析

1.1 NTSC色域計算

色域是指某種設(shè)備所能表達(dá)的所有顏色在色度圖中所構(gòu)成的區(qū)域范圍，是表征顯示設(shè)備光電性能的重要參數(shù)。色域在不同行業(yè)有不同色域標(biāo)準(zhǔn)，其中NTSC是使用較為廣泛的色域定義標(biāo)準(zhǔn)，而在部分特殊應(yīng)用上，也有使用廠商自訂的色域規(guī)范，如PC監(jiān)視器應(yīng)用方面，多使用SRGB標(biāo)準(zhǔn)來定義色域。因此在描述顯示模塊的色域范圍時通常描述為“達(dá)到NTSC色域的70%、或者SRGB色域的90%”。1931年，國際照明委員會CIE制定了CIE1931RGB系統(tǒng)，規(guī)定將700nm的紅、546.1nm的綠和435.8nm的藍(lán)作為三原色，其對應(yīng)xy坐標(biāo)為R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08），這3點圍成的三角形面積作為基準(zhǔn)，用待測顯示模塊的R、G、B三色場色坐標(biāo)圍成的三角形面積與基準(zhǔn)面積的百分比作為其NTSC色域。

1.2 不同環(huán)境下軍用顯示器色域影響因素的分析

光照環(huán)境選取了兩種不同的環(huán)境，其中一個光照環(huán)境是真實的自然環(huán)境，即在戶外進(jìn)行測試，另一個環(huán)境是在室內(nèi)太陽模擬器的光照環(huán)境；這兩個光照環(huán)境照度相同，但光譜差異較大。其中，太陽光譜圖如圖2所示，太陽模擬器光譜圖如圖3所示。

2 實驗

2.1 樣品實驗

此次試驗選取了4個不同狀態(tài)的軍用液晶顯示器，4種狀態(tài)具體情況見表1，4個樣品的亮度都調(diào)節(jié)為1000cd/m2。

2.2 測試儀器

室內(nèi)的光學(xué)性能測試使用了Westar520光學(xué)性能測試平臺，平臺如圖4所示，該平臺由太陽模擬器和光學(xué)平臺、亮度計構(gòu)成。戶外的光學(xué)性能測試使用了自制的戶外光學(xué)測試平臺，如圖5所示，該測試平臺由可在垂直方向上自由旋轉(zhuǎn)的支架和分光光度計兩部分組成，液晶屏夾持在支架，并隨著支架可在垂直方向和水平方向旋轉(zhuǎn)，以調(diào)整液晶屏與太陽、光度計之間的相對方位。照度測量選用型號為ST-85的照度計。

2.3 實驗條件及過程

室內(nèi)測試時，將液晶屏固定在光學(xué)測試平臺的支架上，調(diào)節(jié)支架方位，使光度計測試來自液晶屏的下視角15°的光線，調(diào)節(jié)模擬光源的光強(qiáng)，使液晶屏表面的照度為測試所需照度，液晶屏通電工作，分別測試紅、綠、藍(lán)三色畫面下的色坐標(biāo)，按照式（1）和式（2）進(jìn)行計算。

戶外測試時，將液晶屏固定在戶外光學(xué)測試平臺的支架上，按照室內(nèi)測試的方位調(diào)節(jié)支架的方位，使光度計測試來自液晶屏的下視角15°的光線，當(dāng)環(huán)境照度達(dá)到所需照度時，點亮液晶屏，分別測試紅、綠、藍(lán)三色畫面下的色坐標(biāo)，按照式（1）和式（2）進(jìn)行計算。

室內(nèi)測試分別在20lux、100000lux、20000lux下進(jìn)行測試，戶外測試分別在室內(nèi)測試分別在100000lux、20000lux下進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與分析

液晶屏表面的反射系數(shù)和環(huán)境光的強(qiáng)弱直接影響反射光的總強(qiáng)度。當(dāng)環(huán)境光一定時，液晶屏表面的反射系數(shù)是影響反射光強(qiáng)的主要因素，室內(nèi)使用的普通軍用液晶顯示器表面的鏡面反射系數(shù)一般要大于4%，漫反射系數(shù)大于1%，而在航空或戶外使用的軍用液晶顯示器通常會在其表面綁定減反濾光片，以降低其表面反射系數(shù)（鏡面反射系數(shù)可以降低至1%左右，漫反射系數(shù)可以降低至0.3%左右），減少軍用顯示器表面的反射光強(qiáng)度。當(dāng)液晶屏表面的反射系數(shù)一定時，環(huán)境光強(qiáng)度是影響反射光強(qiáng)的主要因素，環(huán)境光越強(qiáng)，反射光越強(qiáng)。因此，在戶外使用的軍用液晶顯示器都需要盡量降低其表面的反射系數(shù)和環(huán)境光強(qiáng)度。

液晶屏表面反射率譜線和環(huán)境光光譜直接影響反射光的光譜形狀。反射率譜線反應(yīng)了物體表面對不同波長光的反射能力，性能優(yōu)越的減反濾光片可以將可見光范圍內(nèi)的反射率都抑制在一個比較低的水平，而有些濾光片主要針對人眼比較敏感的綠光波段進(jìn)行抑制，這就會導(dǎo)致反射光成分中藍(lán)色和紅色較多，物體表面呈現(xiàn)紫色。環(huán)境光的光譜形狀也會直接影響反射光的光譜形，如圖3所示為太陽光的光譜，可見在可見光波段，綠色光最強(qiáng)，圖3所示為實驗室所用的太陽光模擬光源的光譜圖，其波形與太陽光有一定差異，這導(dǎo)致相同照度的模擬光源與太陽光對液晶屏的影響程度不相同。

從表2的數(shù)據(jù)可見，室內(nèi)模擬高亮環(huán)境100000lux下液晶屏的色域遠(yuǎn)高于戶外100000lux下的色域，因此，色域和外界光譜特性有很大的關(guān)系；另外，色域和環(huán)境光的照度關(guān)系很大，環(huán)境光照度為20000lux時，色域降低到原始色域的（20%～40%），環(huán)境光照度為100000lux以上，高色域和低色域屏都降低到7%以下；在鏡面反射和散射反射基本相同的情況下，換句話說，狀態(tài)基本相同的條件下，同樣的外部條件，自身色域越小，最終色域越??；反射越大，綜合色域越小。

結(jié)論

本文通過選擇4種不同類型的軍用液晶顯示器分別放置在不同的光照環(huán)境中，測試了軍用液晶顯示器的色域；最后通過測試數(shù)據(jù)分析，得出了影響軍用液晶顯示器色域的4個主要因素：光譜特性不同會導(dǎo)致最終色域不同，反射越強(qiáng)，色域受到的影響越大；最終色域和自身色域也有很大的關(guān)系，自身色域相同的條件下，液晶屏狀態(tài)不同，同樣的外部條件最終色域也不同。該結(jié)論對軍用液晶顯示器色域的判別和設(shè)計，提供了重要的技術(shù)支持。

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