基于截止濾光片的液晶顯示模塊夜視兼容改進(jìn)

摘 要：本文研究采用截止濾光片在原有單白光LED設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上兼容改進(jìn)液晶顯示模塊夜視的方法。通過(guò)分析液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)夜視兼容的需求，采用截止濾光片的夜視兼容改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片和2片截止濾光片的驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用增加單片截止濾光片的方案，在降低亮度以及紅色顯示能力后，可滿(mǎn)足彩色顯示的A類(lèi)、B類(lèi)的輻亮度要求，關(guān)鍵顯示畫(huà)面白場(chǎng)和綠場(chǎng)可滿(mǎn)足單色顯示的B類(lèi)的輻亮度要求，接近A類(lèi)的輻亮度要求，夜視兼容性能顯著提升。

關(guān)鍵詞：機(jī)載顯示系統(tǒng)；顯示模塊；截止濾光片；夜視兼容

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 141" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

加固液晶顯示模塊廣泛應(yīng)用于機(jī)載顯示領(lǐng)域[1]，模塊的基本功能是與夜視成像系統(tǒng)（Night Vision Imaging System，NVIS）兼容的飛機(jī)內(nèi)部照明設(shè)計(jì)。模塊的夜視兼容設(shè)計(jì)方法主要有2種，一種是在源頭控制，采用符合光譜設(shè)計(jì)要求的背光源，規(guī)避影響夜視兼容的光譜波段[2]；另一種是在常規(guī)LED白光背光源的基礎(chǔ)上，利用濾光片截止夜視兼容影響較大的波段光譜能量，設(shè)計(jì)夜視兼容[3]。

本文研究了在原有單白光LED設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的基礎(chǔ)上增加截止濾光片的方案，改進(jìn)液晶顯示模塊夜視兼容。

1 夜視兼容改進(jìn)設(shè)計(jì)

原液晶顯示模塊采用常見(jiàn)的底背光設(shè)計(jì)，產(chǎn)品的光路設(shè)計(jì)由前到后。1）顯示組件。由3個(gè)部分構(gòu)成，前端為減反射功能玻璃，主要用于降低產(chǎn)品反射以及提升整機(jī)強(qiáng)度；中間為液晶屏，用于接收視頻信號(hào)，顯示畫(huà)面；后端為加熱功能玻璃，其作用是低溫加熱。2）光學(xué)膜組件。其包括擴(kuò)散膜和增亮膜，其主要作用是亮度增益以及勻光。3）背光組件。其包括白光LED和PCB燈板，為產(chǎn)品提供背光源。

中小尺寸的液晶顯示模塊多為黑底白字、黑底綠字的單色顯示模式，結(jié)合夜視兼容標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于單色、彩色顯示的相關(guān)要求，兼顧產(chǎn)品夜視A類(lèi)、B類(lèi)設(shè)計(jì)需求，在前期產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，增加晝夜2種顯示模式，分別采用不同的電流控制背光，滿(mǎn)足2個(gè)模式的調(diào)光要求。按照光路分析，在顯示組件與背光組件之間增加截止濾光片，對(duì)背光中波長(zhǎng)為570 nm～

100 0 nm的光線(xiàn)進(jìn)行截止。

基于液晶顯示模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)了2種增加截止濾光片的夜視兼容改進(jìn)方案，方案一是在顯示組件與光學(xué)膜組件之間添加截止濾光片一，安裝在光學(xué)膜的上表面；方案二是在光學(xué)膜組件的前后端添加截止濾光片一和截止濾光片二，安裝在光學(xué)膜組件的前后面，如圖1所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 截止濾光片性能分析

將截止濾光片放置在自然光環(huán)境中，由于其在透明的基材上進(jìn)行光學(xué)截止鍍膜，截止了570 nm以上的可見(jiàn)光波段，因此反射色呈橙紅色，透射色呈藍(lán)綠色，呈現(xiàn)透反射顏色差異。

測(cè)試截止濾光片法線(xiàn)方向的透過(guò)和截止性能，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)繪制光譜透過(guò)率和截止深度曲線(xiàn)，如圖2、圖3所示。光譜透過(guò)率曲線(xiàn)顯示，截止濾光片在425 nm～550 nm的藍(lán)光、綠光波段上的透過(guò)率較高，平均透過(guò)率達(dá)90%以上；波長(zhǎng)在570 nm～

1000 nm的光線(xiàn)透過(guò)率較低，平均透過(guò)率﹤1%。結(jié)合截止深度曲線(xiàn)分析，在570 nm～1 000 nm波段的平均截止深度OD（光密度，Optical Density）為6，各波段的截止深度OD均達(dá)5以上。

2.2 晝模式下亮度、色度分析

液晶顯示模塊在常溫、常壓和通電環(huán)境下工作，亮度穩(wěn)定（工作約10 min）后，保持產(chǎn)品的亮度不變，使用柯尼卡美能達(dá)CS-2000分別測(cè)量夜視兼容改進(jìn)前后晝模式下的白場(chǎng)、紅場(chǎng)、綠場(chǎng)、藍(lán)場(chǎng)和黑場(chǎng)的中心區(qū)域亮度、色度以及光譜數(shù)據(jù)，亮度、色度記錄見(jiàn)表1。

采用改進(jìn)方案一，增加截止濾光片一后，截止濾光片在425 nm～550 nm波段的透過(guò)率下降約10%，有效地截止了570 nm～1 000 nm波段的光線(xiàn)，液晶顯示模塊各顯示畫(huà)面的亮度均有下降（白場(chǎng)下降34.0%，紅場(chǎng)下降99.2%，綠場(chǎng)下降19.1%，藍(lán)場(chǎng)下降4.5%）。

采用改進(jìn)方案二，增加截止濾光片一和截止濾光片二后，各顯示畫(huà)面亮度下降幅度基本一致（白場(chǎng)下降33.1%，紅場(chǎng)下降25.8%，綠場(chǎng)下降35.4%，藍(lán)場(chǎng)下降17.2%）。截止濾光片基于反射截止機(jī)理設(shè)計(jì)，在背光源中，不同波長(zhǎng)光線(xiàn)的大角度反射率不一致，導(dǎo)致背光系統(tǒng)在法線(xiàn)下的光線(xiàn)增益不同，影響了各顯示畫(huà)面的亮度。因此，與方案一相比，方案二各顯示畫(huà)面的亮度降幅不一致。

為進(jìn)一步分析產(chǎn)生顏色變化的原因，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以光譜數(shù)據(jù)歸一化處理后的相對(duì)光譜輻射度強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，繪制相對(duì)光譜輻亮度分布圖，如圖4所示。采用截止濾光片后液晶顯示模塊各顏色場(chǎng)波長(zhǎng)570 nm以上的光線(xiàn)被截止，紅光波段能量無(wú)法透過(guò)液晶屏，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

2.3 夜模式下色度、夜視輻亮度分析

液晶顯示模塊在常溫常壓通電工作，亮度穩(wěn)定（工作約10 min）后，為匹配夜視響應(yīng)測(cè)試適時(shí)調(diào)整各顯示畫(huà)面的亮度，使用OL-770分別測(cè)量夜視兼容改進(jìn)前后夜模式下的白場(chǎng)、紅場(chǎng)、綠場(chǎng)、藍(lán)場(chǎng)、黑場(chǎng)的中心區(qū)域亮度、色度、光譜數(shù)據(jù)以及NVIS輻亮度，數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表2。

本文采用截止濾光片的改進(jìn)方案，夜模式與晝模式僅背光LED的驅(qū)動(dòng)電流存在差異，其他設(shè)計(jì)保持不變，整體亮度、各顏色場(chǎng)的色坐標(biāo)變化規(guī)律應(yīng)與晝模式保持一致。

當(dāng)測(cè)試時(shí)，為匹配夜視兼容響應(yīng)，調(diào)整了各顏色場(chǎng)的亮度，造成亮度數(shù)據(jù)差異；夜模式采用的背光驅(qū)動(dòng)電流不同，光源LED發(fā)光光譜會(huì)有輕微變化，影響色場(chǎng)的色坐標(biāo)值，不同的測(cè)量設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的數(shù)據(jù)差異，使整體晝、夜模式的各顏色場(chǎng)色坐標(biāo)數(shù)據(jù)存在一些差異。

將 NVIS 輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，見(jiàn)表3。

光譜輻亮度歸一化處理后，以相對(duì)光譜輻亮度為縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，同時(shí)加入A類(lèi)、B類(lèi)的NVIS相對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行繪圖，如圖5所示。

3 夜模式的相對(duì)光譜輻亮度分布

由表3中的夜視輻亮度值可知，液晶顯示模塊在夜視兼容改進(jìn)前的白場(chǎng)和彩色場(chǎng)的最大夜視輻亮度均超過(guò)規(guī)定值，不滿(mǎn)足使用需求。結(jié)合圖5（a）中的光譜輻亮度分布可知，NVIS 輻亮度較高的主要原因是液晶顯示模塊夜視兼容改進(jìn)前的光譜輻射分布與 NVIS相對(duì)光譜響應(yīng)較高的區(qū)域有明顯重疊。

采用改進(jìn)方案一，增加截止濾光片一后，液晶顯示模塊的夜視輻度下降明顯，白場(chǎng)和彩色場(chǎng)的夜視輻亮度均滿(mǎn)足NVIS中彩色顯示的A類(lèi)、B類(lèi)的輻亮度要求，其中白場(chǎng)、綠場(chǎng)和藍(lán)場(chǎng)的夜視輻亮度均滿(mǎn)足NVIS中單色顯示的B類(lèi)的輻亮度要求，白場(chǎng)、綠場(chǎng)的夜視輻亮度接近NVIS中單色顯示的A類(lèi)的輻亮度要求，夜視兼容性能顯著提升。結(jié)合圖4（b）中的光譜輻亮度分布可知，加入截止濾光片后，NVIS相對(duì)光譜響應(yīng)較高的紅光波段均被截止，改善了液晶顯示模塊的夜視兼容性能，符合設(shè)計(jì)要求。

采用改進(jìn)方案二，增加截止濾光片一和截止濾光片二，并未進(jìn)一步提升夜視兼容性能，為匹配夜視響應(yīng)測(cè)試，提升了整體背光強(qiáng)度，增大了LED的驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)致LED光譜細(xì)微變化，輻亮度輕微提升。

4 結(jié)論

通過(guò)分析液晶顯示模塊結(jié)構(gòu)以及夜視兼容的改進(jìn)需求，本文采用基于截止濾光片的夜視兼容改進(jìn)方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的單片及2片截止濾光片試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用截止濾光片方案后，液晶顯示模塊亮度降低，但是夜視兼容性能顯著提升。

綜合成本以及夜視改進(jìn)效果，采用增加單片截止濾光片的方案，性能可滿(mǎn)足彩色顯示的A類(lèi)、B類(lèi)的輻亮度要求，關(guān)鍵顏色白場(chǎng)和綠場(chǎng)可滿(mǎn)足單色顯示的B類(lèi)的輻亮度要求，接近A類(lèi)的輻亮度要求。

參考文獻(xiàn)

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