強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏檢測(cè)技術(shù)研究

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，國防科技工業(yè)光學(xué)一級(jí)計(jì)量站，陜西 西安 710065）

引言

軍用液晶顯示屏主要包括機(jī)載、艦載、車載等通用液晶顯示屏，用來顯示目標(biāo)的地理位置、圖像信息、內(nèi)部控制與指揮信息等，是人機(jī)溝通、指揮協(xié)調(diào)、信息傳輸?shù)痊F(xiàn)代軍事信息化的重要工具，具備集成度高、亮度高、分辨率高、能耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)[1-5]。

軍用液晶顯示屏由于受到發(fā)光器件的影響，不同環(huán)境光照下的亮度顯示特性、響應(yīng)時(shí)間的遲滯及過飽效應(yīng)等對(duì)于正確獲取顯示信息，做出正確判斷并發(fā)送指揮指令至關(guān)重要[6-10]。特別是在強(qiáng)太陽光的直射下，機(jī)載儀表盤顯示屏的對(duì)比度和亮度下降，再加之強(qiáng)鏡面反射，導(dǎo)致飛行員難以正確判讀儀表盤的顯示信息和飛機(jī)的飛行狀態(tài)，給安全飛行帶來很大隱患[11-12]。因此，迫切需要開展在強(qiáng)光照環(huán)境下軍用液晶顯示屏亮度、色度顯示特性及響應(yīng)時(shí)間特性等綜合參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)研究。

本文針對(duì)目前軍用液晶顯示屏缺少全面科學(xué)檢測(cè)的問題，研制了強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測(cè)裝置，采用4 kW 金鹵燈與反射式光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照度達(dá)到105lx量級(jí)的環(huán)境光照，著重研究了響應(yīng)時(shí)間和亮度均勻性檢測(cè)方法，并對(duì)液晶顯示屏檢測(cè)精度的影響因素進(jìn)行了分析。

1 軍用液晶顯示屏檢測(cè)裝置

在強(qiáng)光環(huán)境下，軍用液晶顯示屏綜合檢測(cè)裝置主要由強(qiáng)光光源、高精度多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊、三軸檢測(cè)平臺(tái)及精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及控制系統(tǒng)組成，組成圖如圖1所示。強(qiáng)光光源采用4 kW 金鹵燈，提供距離在0.5 m處、照射面積在0.5 m×0.5 m區(qū)域內(nèi)以及照度達(dá)到105lx量級(jí)的模擬環(huán)境光照；高精度多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)通過把硅探測(cè)器的光譜響應(yīng)匹配成CIE 標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線，采用光電積分法實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏亮度、色度參數(shù)的測(cè)量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊通過對(duì)光信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行測(cè)試，來完成對(duì)液晶顯示屏響應(yīng)時(shí)間的快速檢測(cè)[13]；三軸檢測(cè)平臺(tái)及精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)集成，用于安裝各類液晶顯示屏，進(jìn)行液晶顯示屏三維移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等多方位的精密調(diào)整。

軍用液晶顯示屏綜合檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了102lx ～105lx量級(jí)條件下，對(duì)液晶顯示屏亮度顯示特性、色度、對(duì)比度、視角、響應(yīng)時(shí)間和溫度等關(guān)鍵參數(shù)的檢測(cè)，檢測(cè)裝置實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏檢測(cè)裝置實(shí)物圖Fig.2 Picture of detection device for military LCD under strong light

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 強(qiáng)光光源設(shè)計(jì)

強(qiáng)光光源由4 kW 金鹵燈、反射光學(xué)系統(tǒng)、金鹵燈電子鎮(zhèn)流器及安裝支架等組成，如圖2所示。其中4 kW 金鹵燈采用高氣壓金屬蒸汽放電原理，色溫為6000 k，其發(fā)光光譜與太陽光光譜的匹配度符合B級(jí)太陽模擬器要求[14]。反射光學(xué)系統(tǒng)采用鎳基鍍鋁工藝，基底材料和反射層的熱膨系數(shù)接近，降低因冷縮造成脫模的機(jī)率。金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電流連續(xù)可調(diào)，其供電穩(wěn)定性達(dá)到0.02%。

2.2 響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊主要由標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器、精密前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步控制電路等組成。測(cè)量時(shí)將液晶顯示屏直接對(duì)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器，當(dāng)液晶顯示屏的光信號(hào)照射到探測(cè)器表面時(shí)，由探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)前置放大電路后輸入給高速AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過DSP 連續(xù)讀入并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。通過DSP 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)采集的波形分布即可給出上升時(shí)間和下降時(shí)間。圖3為響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊原理圖。

圖3 響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊原理圖Fig.3 Schematic of response time detection module

2.3 大型三軸檢測(cè)平臺(tái)及精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

大型三軸檢測(cè)平臺(tái)用于安裝各類液晶顯示屏，并可集成水平電控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，進(jìn)行上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)等多方位的精密調(diào)整，是完成各類液晶顯示屏亮度及均勻性、色度及均勻性以及水平視角、垂直視角、瑕疵等檢測(cè)的關(guān)鍵設(shè)備。主體材料為鋁合金，并進(jìn)行黑色陽極氧化處理。臺(tái)面采用25 mm×25 mm 標(biāo)準(zhǔn)孔距及專用固定螺孔，臺(tái)面尺寸為500 mm×500 mm。圖4為大型三軸檢測(cè)平臺(tái)主體設(shè)計(jì)圖。

圖4 大型三軸檢測(cè)平臺(tái)主體設(shè)計(jì)圖Fig.4 Main part design of large triaxial detecting platform

3 檢測(cè)方法研究

針對(duì)軍用液晶顯示屏綜合參數(shù)的檢測(cè)需求，強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)光照度為102lx ～105lx量級(jí)條件下，軍用液晶顯示屏的亮度顯示特性、白場(chǎng)色度、對(duì)比度、視角、均勻性、時(shí)間特性等參數(shù)的檢測(cè)。其中亮度顯示特性、白場(chǎng)色度、對(duì)比度、視角為基礎(chǔ)參數(shù)，通過高精度多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)測(cè)量亮度、色度值計(jì)算得到，重點(diǎn)分析響應(yīng)時(shí)間、亮度均勻性及高溫下顯示正常性的檢測(cè)方法。

3.1 響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)

液晶顯示屏的響應(yīng)時(shí)間是同步傳輸信息的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括上升時(shí)間和下降時(shí)間等。上升時(shí)間也稱開通時(shí)間，定義為亮度從0%變化到90%所需要的時(shí)間；下降時(shí)間也稱關(guān)閉時(shí)間，定義為亮度從100%變化到10%所需要的時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間的檢測(cè)采用響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊進(jìn)行，將液晶顯示屏直接對(duì)準(zhǔn)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊的高速探測(cè)器，根據(jù)高速探測(cè)器采集的光信號(hào)波形分布即可給出上升時(shí)間和下降時(shí)間。液晶顯示屏上升時(shí)間測(cè)量時(shí)必須捕捉液晶顯示屏發(fā)光的起點(diǎn)，以便于觸發(fā)采集系統(tǒng)開始測(cè)試，從而得到液晶顯示屏發(fā)光的整個(gè)持續(xù)過程。

響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊的同步測(cè)試有三種方法：外同步觸發(fā)、光控觸發(fā)、軟件比較觸發(fā)。軟件比較觸發(fā)是在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中設(shè)一個(gè)環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，開始測(cè)試后，由軟件控制讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，判斷并存入環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。一旦大于設(shè)定值，退出環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，到另外的線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)，直到測(cè)試結(jié)束，最后將環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拼到線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的前端即得到完整的曲線。此方法不會(huì)丟失弱信號(hào)前沿?cái)?shù)據(jù)，可獲得完整的波形，且成本低、穩(wěn)定性高，兼容所有液晶顯示屏的測(cè)試。

3.2 亮度均勻性檢測(cè)

亮度均勻性的檢測(cè)方法分為：最大最小法、平均值法、空間分布法等。其中空間分布法采用多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)對(duì)整個(gè)液晶顯示屏進(jìn)行平面弓形掃描，亮度均勻性按照公式計(jì)算為

式中：Lmax（i0，j0）為液晶顯示屏上最大的光亮度；L（i，j）為液晶顯示屏上任一位置點(diǎn)（i，j）的光亮度；L背景雜光為背景光亮度。

由（1）式可知，獲得每個(gè)點(diǎn)的亮度L（i，j）后，可得出整個(gè)顯示屏的均勻性。液晶顯示屏上各個(gè)點(diǎn)的u（i，j）值越趨近1，則均勻性越好。該方法給出在液晶顯示屏上各個(gè)位置點(diǎn)檢測(cè)的詳細(xì)情況，凸顯均勻性的空間位置分布。

圖5為圓形液晶屏均勻性檢測(cè)的空間分布，由圖可知顯示屏上各個(gè)點(diǎn)發(fā)光的詳細(xì)情況及光信號(hào)的一致性，準(zhǔn)確給出在顯示屏上某坐標(biāo)位置點(diǎn)的均勻性。

圖5 某液晶顯示屏均勻性檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Detection results of uniformity for LCD

3.3 高溫下顯示正常性檢測(cè)

在強(qiáng)光照射下，軍用液晶顯示屏表面溫度會(huì)逐漸升高，照射10 min后溫度一般可達(dá)80℃，因此需要檢測(cè)在強(qiáng)光照射下液晶顯示屏工作的正常性。檢測(cè)方法為設(shè)定液晶顯示屏顯示彩色圖像，在暗室條件下采用高分辨率CCD相機(jī)采集液晶顯示屏的圖像并存儲(chǔ)。其次，打開強(qiáng)光光源，慢慢加電直至強(qiáng)光光照下的電流電壓，穩(wěn)定10 min后，再次采用高分辨率CCD相機(jī)采集液晶顯示屏的圖像，對(duì)比分析強(qiáng)光光照下液晶顯示屏的表面溫度達(dá)到80℃時(shí)前后采集的圖像，分析液晶顯示屏圖像及顏色是否正常，檢測(cè)流程圖如圖6所示。

圖6 高溫下顯示正常性檢測(cè)流程圖Fig.6 Flow chart of detection for display normality under high temperature

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與檢測(cè)精度分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在強(qiáng)光環(huán)境下，軍用液晶顯示屏檢測(cè)裝置對(duì)一種加固型液晶顯示屏進(jìn)行了綜合參數(shù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，滿足液晶顯示屏性能試驗(yàn)大綱中的檢測(cè)要求。

表1 加固型液晶顯示屏檢測(cè)結(jié)果Table1 Detection results of ruggedized LCD

4.2 檢測(cè)精度分析

軍用液晶顯示屏綜合參數(shù)檢測(cè)受到眾多因素影響，其關(guān)鍵影響因素包括：環(huán)境雜散光、高精度多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)測(cè)量精度和響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊測(cè)量精度等。

環(huán)境雜散光的影響主要包括兩部分：第一類是環(huán)境自身的雜散光影響，第二類是液晶顯示屏發(fā)光照射到設(shè)備產(chǎn)生的反射雜散光影響。對(duì)于第一類雜散光的影響，在暗室條件下進(jìn)行測(cè)試[15]；對(duì)于第二類雜散光的影響，針對(duì)安裝調(diào)試液晶顯示屏的平臺(tái)表面因液晶顯示屏自身發(fā)光而產(chǎn)生大量的反射雜散光，在平臺(tái)表面遮覆高吸收率吸光絨布，因此在檢測(cè)過程中環(huán)境雜散光的影響可以忽略。

高精度多視場(chǎng)彩色亮度計(jì)主要用于液晶顯示屏的亮度及其均勻性、色度及其均勻性、對(duì)比度等檢測(cè)。對(duì)于滿足JJG 211-2005《亮度計(jì)檢定規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)級(jí)要求的彩色亮度計(jì)，其亮度示值誤差為±2.5%，色坐標(biāo)示值誤差為±0.01。通過定期計(jì)量檢定，可實(shí)現(xiàn)亮度參數(shù)檢測(cè)精度3%、色度參數(shù)檢測(cè)精度±0.01的性能指標(biāo)。

響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊主要用于液晶顯示屏的響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)，其測(cè)量精度的影響因素主要為高速探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間及信號(hào)采集模塊測(cè)量精度。通過瞬態(tài)光度標(biāo)準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)后，響應(yīng)時(shí)間的測(cè)量精度優(yōu)于3%。

5 結(jié)論

本文研制了強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測(cè)裝置，詳細(xì)介紹了強(qiáng)光光源、響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)模塊和大型三軸檢測(cè)平臺(tái)及精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，分析了響應(yīng)時(shí)間、亮度均勻性和高溫下顯示正常性等參數(shù)的檢測(cè)方法，對(duì)軍用液晶顯示屏檢測(cè)精度進(jìn)行了分析，從而系統(tǒng)地解決了在強(qiáng)光照條件下，軍用液晶顯示屏的質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)價(jià)問題。強(qiáng)光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測(cè)裝置將廣泛應(yīng)用于軍用液晶顯示屏性能試驗(yàn)，測(cè)試評(píng)估等領(lǐng)域。隨著液晶顯示屏現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量需求日益迫切，今后將研制具備高集成化程度、測(cè)試功能齊全等具有一體化設(shè)計(jì)特點(diǎn)的軍用液晶顯示屏測(cè)量儀。