某型液晶顯示器夜間亮度變化不均勻現(xiàn)象的分析與改進

韓志軍， 鄭 悅， 劉嘉明

(北京青云航空儀表有限公司，北京 101300)

1 引 言

目前，液晶顯示器的使用越來越廣泛，從小屏幕的手持設備、手機到大屏幕的液晶電視、電腦顯示器等，在人們的生活中占據(jù)了越來越重要的位置[1]。隨著對現(xiàn)代顯示器件的要求越來越高,廣色域、低功耗、超高清、低成本等產(chǎn)品的需求日益強烈[2]。而用于某些特殊領域(軍用和警用)的液晶顯示屏，除了需要具有上述特點外，還需要與夜視成像系統(tǒng)兼容，既能夠在正午陽光直射顯示屏的情況下清晰地顯示內(nèi)容，又能在沒有光線的夜晚使用戶舒適地看清顯示的內(nèi)容[3]。液晶屏自身不是自主發(fā)光，需要一個強勁的光源給它提供背光[4-6]。液晶顯示器使用LED背光源已成為發(fā)展趨勢，相比傳統(tǒng)背光源冷陰極熒光燈(CCFI)而言，它的優(yōu)點在于高亮度、白點位置可調(diào)、即時色彩管理、發(fā)光效率高、高色彩飽和度、高動態(tài)對比度及環(huán)保無汞[7]。

飛機座艙中液晶顯示器的背光亮度調(diào)節(jié)功能非常重要，背光亮度直接影響信息的可讀性[8]。同時液晶顯示器的背光亮度直接決定顯示器的平均亮度。通常通過調(diào)節(jié)液晶顯示器的背光亮度來調(diào)節(jié)顯示器的亮度。為提高座艙顯示器的易讀性和緩解視覺疲勞，顯示器的亮度還應能根據(jù)周圍環(huán)境和用戶需求進行調(diào)整，避免用戶在環(huán)境光很強時看不清顯示內(nèi)容，或在環(huán)境光很暗時感到刺眼[9]。

2 問題概述

某型液晶顯示器接收圖形板發(fā)送的亮度值(0～255，共16檔，由亮度數(shù)據(jù)分檔)在日模式下，當亮度數(shù)據(jù)為最小值時，顯示器的白光亮度為2.6～5.2 cd/m2；當亮度數(shù)據(jù)為最大值時，顯示器的白光亮度為760～1 020 cd/m2。在夜模式下，當亮度數(shù)據(jù)為最小值時，顯示器的白光亮度為0.06～0.12 cd/m2；當亮度數(shù)據(jù)為最大值時，顯示器的白光亮度為19～23 cd/m2。

在日模式下調(diào)節(jié)液晶顯示器顯示亮度檔，每一檔均滿足用戶使用要求。但是在夜模式下調(diào)節(jié)液晶顯示器顯示亮度檔，存在以下問題：液晶顯示器在亮度數(shù)據(jù)0時的亮度與在亮度數(shù)據(jù)9時的亮度相對液晶顯示器在亮度數(shù)據(jù)9時的亮度與在亮度數(shù)據(jù)18時的亮度要明顯亮一些。即亮度在0～9之間的跨度比亮度在9～18之間的跨度大，從而產(chǎn)生亮度變化不均勻的現(xiàn)象，造成視覺沖擊、刺眼的不舒適感，不符合人機功效的要求。另一方面因座艙內(nèi)有不同的液晶顯示器，座艙內(nèi)所有顯示設備采用統(tǒng)一的亮度檔進行調(diào)光。因此，相較其他顯示器，本型顯示器在亮度數(shù)據(jù)為9的顯示效果明顯偏亮，從而造成對比亮度不協(xié)調(diào)，影響用戶在夜晚環(huán)境下觀看其他顯示器內(nèi)容的顯示。通過亮度測試儀進行亮度測試，結(jié)果如表1所示。

表1 某型液晶顯示器夜模式亮度測試結(jié)果Tab.1 Result of one’s LCD night mode brightness test (cd·m-2)

由實測值可知，當圖形板發(fā)送亮度數(shù)據(jù)為9時，液晶顯示器的亮度為1.204 cd/m2，超出了要求值(0.726～0.921 cd/m2)的范圍。此外，亮度數(shù)據(jù)0與9間的亮度實測值變化量為1.124 cd/m2，9與18間的亮度實測值變化量為0.246 cd/m2。證實了夜模式下亮度值0與9之間相對9與18之間跨度偏大，變化不均勻，因此感到刺眼。

3 液晶顯示器背光亮度調(diào)節(jié)電路設計及算法實現(xiàn)

3.1 背光亮度調(diào)節(jié)電路設計

某型液晶顯示器由液晶顯示模塊、圖形板、電源板、母板和殼體組成。液晶顯示模塊與圖形板通過RS422總線進行通信，接收圖形板的RGB信號并對其進行顯示，框圖如圖1所示。

圖1 液晶顯示器框圖Fig.1 Block diagram of LCD

液晶顯示模塊主要由導光板、屏組件、加熱玻璃、背光組件、擴散板、控制板組件以及結(jié)構(gòu)件(外殼前蓋、內(nèi)殼、外殼、導電襯墊、塑框等)等組成。

屏組件由防護玻璃、增強玻璃、液晶屏及溫度傳感器組成。

控制板組件電路主要由視頻處理電路、通訊電路、背光驅(qū)動電路、模擬采集電路、加熱控制電路、液晶屏供電電路及電源轉(zhuǎn)換模塊等組成。控制板組件收到圖形板發(fā)送的RS422信號亮度設置值后，將收到的亮度設置值轉(zhuǎn)化為脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號輸出。

背光板組件由LED燈和背光板組成。背光板組件為液晶屏顯示提供光源，采用直下式背光。LED燈由白燈、紅燈、綠燈以及藍燈組成，LED排布采用白燈+紅綠藍燈相間均勻排布，確保顯示組件亮度均勻。在晝模式下，亮度要求高，主要是白燈工作，較少的紅綠藍燈進行補償。在夜模式下，亮度要求低，又有夜視兼容要求，只有紅綠藍燈工作，白燈不工作。

PWM即脈寬調(diào)制，通過控制PWM波形高電平的占空比，不同的占空比對應LED燈不同的電流，對應LED燈不同的光照亮度。改變PWM控制信號的占空比即可調(diào)節(jié)背光亮度，即實現(xiàn)PWM對背光亮度進行線性調(diào)節(jié)。在PWM高電平期間，驅(qū)動芯片能夠控制恒流驅(qū)動LED燈。其工作原理如圖2所示。

圖2 背光驅(qū)動控制原理圖Fig.2 Schematic of backlight drive control

3.2 背光亮度調(diào)節(jié)算法實現(xiàn)

PWM信號連續(xù)線性的占空比大小決定背光每一檔所對應的亮度值。PWM信號的輸出通過軟件實現(xiàn)，通過軟件調(diào)節(jié)可實現(xiàn)0～100%的占空比。不同的占空比對應不同的亮度值，使亮度達到線性變化。

PWM占空比采用微處理器的可編程計數(shù)器模塊(PCA)設定，將PCA通過軟件配置成16位脈寬調(diào)試器方式。

PWM占空比=設置值/65 535，

(1)

其中設置值=kix+b。ki為一次函數(shù)的系數(shù)，決定每增加一檔，輸出占空比的步進大??；x為圖形板通過RS422通訊發(fā)送的調(diào)光數(shù)據(jù)，范圍為0～255；b為設置值的最小值，占空比的最小值，是決定日、夜模式的最小亮度值；65 535為軟件設置為16位脈寬調(diào)試器的最大計數(shù)值。

如某型液晶顯示器對應的一次函數(shù)系數(shù)k0取62，占空比的最小值b取130。當x取0時，設置值 = 62×0+130，即亮度數(shù)據(jù)為0時，對應的PWM占空比為130/65 535。

通過調(diào)整調(diào)光亮度標定參數(shù)ki，可以使每一級的亮度輸出不同的PWM占空比。

背光調(diào)節(jié)程序?qū)崿F(xiàn)流程圖如圖3所示。

4 問題分析及改進

4.1 背光亮度需求分析

液晶顯示器應具備背光亮度調(diào)節(jié)功能，其背光亮度應能夠根據(jù)總線數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)，用于背光亮度調(diào)節(jié)的對應數(shù)據(jù)范圍為0～255。

在日模式下，當亮度數(shù)據(jù)為最小值時，顯示器的白光亮度為2.6～5.2 cd/m2；當亮度數(shù)據(jù)為最大值時，顯示器的白光亮度為760～1 020 cd/m2。當亮度數(shù)據(jù)由最小值到最大值線性變化時，顯示器的亮度也應從最小值到最大值線性變化。

在夜模式下，當亮度數(shù)據(jù)為最小值時，顯示器的白光亮度為0.06～0.12 cd/m2；當亮度數(shù)據(jù)為最大值時，顯示器的白光亮度為19～23 cd/m2。當亮度數(shù)據(jù)由最小值到最大值線性變化時，顯示器的亮度也應從最小值到最大值線性變化。

經(jīng)分析，日模式和夜模式的亮度值為一次函數(shù)。根據(jù)要求的亮度范圍可以確定一次函數(shù)的關系式。具體如下：

日模式：由亮度最小所對應的最大亮度值5.2 cd/m2和亮度最大所對應的最大亮度值1 020 cd/m2，可得到一次函數(shù)y=3.98x+5.2；由亮度最小所對應的最小亮度值2.6 cd/m2和亮度最大所對應的最小亮度值760 cd/m2，可得到一次函數(shù)y=2.97x+2.6。日模式可調(diào)節(jié)范圍為這兩個一次函數(shù)之間所包括的區(qū)域，如圖4陰影部分所示。

圖4 日模式亮度函數(shù)關系式Fig.4 Brightness function relation of daytime mode

夜模式：由亮度最小所對應的最大亮度值0.12 cd/m2和亮度最大所對應的最大亮度值23 cd/m2，可得到一次函數(shù)y= 0.089x+ 0.12；由亮度最小所對應的最小亮度值0.06 cd/m2和亮度最大所對應的最小亮度值19 cd/m2，可得到一次函數(shù)y= 0.074x+ 0.06。夜模式可調(diào)節(jié)范圍為這兩個一次函數(shù)之間的所包括的區(qū)域，如圖5陰影部分所示。

圖5 夜模式亮度函數(shù)關系式Fig 5 Brightness function relation of night mode

通過對液晶顯示器亮度需求分析，可以得到0～255任何亮度數(shù)據(jù)對應的亮度理論值，即得到每一級亮度指標要求。

4.2 LED亮度影響因素分析

LED特性影響顯示組件背光的亮度，根據(jù)LED的器件特性可知，影響其發(fā)光強度有正向電壓和正向電流2個指標。

4.2.1 伏安特性

LED的正向電壓和正向電流呈正增長趨勢，也就是隨著正向電壓的增大，正向電流增大，發(fā)光強度也隨著增大。顯示組件的背光供電電壓為28 V，背光板設計通過LED串聯(lián)的方式滿足LED的正向電壓達到正常范圍值(2.8～3.6 V)，伏安特性如圖6所示。

圖6 伏安特性曲線Fig.6 V-I characteristics

4.2.2 正向電流與相對光強特性

由伏安特性曲線和背光板設計原理得出，28 V背光供電電壓不變，則正向電壓不變，影響發(fā)光強度的為LED的正向電流。由圖7特性曲線得出，正向電壓不變，光強度隨著正向電流的增大而增強。

圖7 正向電流與相對光強特性曲線Fig 7 Relative intensity-ampere characteristics

4.3 背光亮度變化不均勻原因分析

背光亮度調(diào)節(jié)的實現(xiàn)由LED燈背光驅(qū)動電路和軟件輸出PWM信號兩部分構(gòu)成。

通過軟件調(diào)節(jié)PWM占空比，可以使背光亮度呈一次函數(shù)線性變化，即軟件輸出PWM信號為線性關系。

根據(jù)圖7可知，LED燈背光驅(qū)動電路中LED燈背光電流和背光亮度不呈一次函數(shù)線性變化，而且每批次LED燈亮度指標不能保證完全一致。 兩部分疊加后，背光亮度調(diào)節(jié)不呈線性關系，即液晶屏亮度線性度不能保證完全一致，進而產(chǎn)生亮度變化不均勻的現(xiàn)象，造成視覺沖擊、刺眼的不舒適感。需要采取措施糾正。

4.4 改進措施

經(jīng)分析，主要有2個解決方法：

(1)通過專用測試儀器對LED燈進行篩選，選擇燈亮度指標相近的器件；

(2)修正背光亮度調(diào)節(jié)算法，調(diào)整調(diào)光亮度標度參數(shù)ki。通過調(diào)整調(diào)光亮度標定參數(shù)設置值的大小，輸出與之對應的PWM占空比。

第1個方法由于背光電流和背光亮度不是呈一次函數(shù)線性變化，且每批次LED燈亮度指標不能保證完全一致，如果篩選需要耗費大量的人力、物力，且需要試驗驗證；

第2個方法是目前液晶屏背光亮度調(diào)節(jié)的常用方法，容易實施且能夠達到預期要求。

因此選用方法2，通過調(diào)整調(diào)光亮度標定參數(shù)，即公式(1)中設置值，以滿足亮度要求。

4.4.1 原調(diào)光參數(shù)設置

圖形板發(fā)送0～255級調(diào)光命令，分成0，9，18…共16檔。背光亮度PWM函數(shù)關系式，通過測試起點和終點的實際亮度值進行確定，中間過程點通過理論計算確定調(diào)光參數(shù)。即僅測試了0、255兩點的亮度值，未對1～254中間點的亮度值進行測試。1～254中間點的調(diào)光參數(shù)k1～k254通過理論計算得出。通過實測0、255兩點的亮度值，可以確定0、255兩點對應的調(diào)光參數(shù)k0、k255，通過此方法得到的PWM函數(shù)關系式不能滿足1～254所有點亮度值的要求。

原背光調(diào)節(jié)等級和PWM輸出線性關系見圖8。

圖8 改進前背光調(diào)節(jié)等級和PWM輸出關系Fig.8 Relationship of backlight adjustment level and PWM before improvement

4.4.2 改進后調(diào)光參數(shù)設置

圖形板發(fā)送0～255級調(diào)光命令，分成0，9，18…共16檔，每一檔每一級的PWM輸出通過實際測試值進行確定參數(shù)ki，即對0～255共256個點，對每個點的亮度值進行實際測試。依據(jù)0～255共256個點日模式和夜模式函數(shù)關系式，可以得到256個點每個點亮度指標要求值。結(jié)合0～255每級亮度的實測值，可以計算出0～255每個點分別對應的調(diào)光亮度標定參數(shù)ki。即可保證日模式0～255每個點和夜模式下0～255每個點輸出的PWM符合亮度指標要求。背光調(diào)節(jié)等級和PWM輸出線性關系，如圖9所示。由圖9可知，新的方法對每一級的亮度進行了調(diào)節(jié)，細化了調(diào)節(jié)方式，確保每一級的亮度滿足指標要求。

圖9 改進后背光調(diào)節(jié)等級和PWM輸出關系Fig.9 Relationship of backlight adjustment level and PWM after improvement

5 驗 證

將液晶顯示器重新進行亮度標定，并用亮度測試儀器將日模式、夜模式進行每一檔、每一級亮度測試，均滿足要求。以0～18共19個點為例，測試結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，夜模式下亮度數(shù)據(jù)為9時，對應的亮度實測值為0.787 5 cd/m2，滿足亮度要求(0.726～0.921 cd/m2)。

表2 改進后某型液晶顯示器夜模式亮度測試結(jié)果

續(xù) 表

6 結(jié) 論

通過本解決方案，夜模式下亮度數(shù)據(jù)0與9間的亮度實測值變化量由1.124 cd/m2改進為0.712 55 cd/m2，9與18間的亮度實測值變化量由0.246 cd/m2改進為0.772 5 cd/m2。即亮度數(shù)據(jù)0與9間相對9與18間的亮度實測值變化量由0.878 cd/m2改進為0.059 9 cd/m2。每檔之間的亮度實測值變化量相近，變化均勻，改善了顯示效果，滿足了人機功效的要求，因此在調(diào)整背光亮度時不會感到刺眼。

針對液晶顯示器夜模式下亮度變化不均勻的問題，結(jié)合背光亮度調(diào)節(jié)設計方案，進行問題分析并進行改進。通過測試驗證，證實該方案切實可行，有效。