液晶显示器夜视兼容测试方法研究

潘立豹，杨宗阳，李正荣，王保成，张 恒，李 静，袁 烨

（1.中航华东光电有限公司，特种显示国家工程实验室，国家特种显示工程技术研究中心，安徽 芜湖 241002；2.总参陆航部军事代表局驻南京地区军事代表室，江苏 南京 211100）

0 引 言

夜视成像系统（NVIS）在现代战争中具有重要地位，尤其在空军装备中更显重要，可以使飞行器获得夜间作战能力。目前使用的夜视技术主要是第3代图像增技术，其基本工作原理是利用像增强技术和光电转换技术将人眼不可见或视效较低的近红外波段的光增强或转换成可视影像[1-2]。对于使用第3代图像增强管的A类NVIS和B类NVIS最大响应波段分别为625～930nm和665～930nm。

飞机座舱内的照明和信息显示器件在这些波段内都有较高的光谱辐射，这些辐射光谱进入夜视仪，会激活夜视仪的自动增益控制系统，导致夜视仪的灵敏度降低，不能看清舱外的景物，从而丧失了夜视功能。因此保证飞机座舱内的夜视兼容环境至关重要。

飞机座舱主要通过液晶显示器来实现各种信息的显示。液晶显示器是一种被动显示器件，必须依赖足够亮度的背光源，该背光源即舱内夜视辐亮度的重要来源。为降低液晶显示器的夜视辐亮度，目前主要采用滤光片技术和双模式光源技术。滤光片技术可分为薄膜干涉型滤光片和吸收型滤光片，通过干涉截止或吸收来降低背光源中近红外光的出射。由于薄膜干涉型滤光片的截止滤光具有角度依赖性，导致显示器的图像在不同视角存在严重的色差；而吸收型滤光片因为国内技术不够成熟，使用较少。目前，国内的液晶显示器主要通过双模式背光源系统来实现夜视兼容功能，在非夜视环境下使用光效较高的白色LED灯作为背光源，获得较低的功耗和较高的亮度；在夜视环境下，只使用特定波长的彩色LED灯作为背光源，以实现夜视兼容功能，该彩灯上一般为蓝色、绿色和主波长较小的红色发光芯片组成的三色复合型彩灯。

夜视兼容测试在夜视兼容设计中是一个非常重要的环节，针对液晶显示器夜视测试，目前国内外还没有统一的标准，液晶显示器夜视兼容测试主要有以下问题：

1）测试镜头孔径角选取大小不统一，存在着0.3，1，3 mm 3个不同的标准，无法指导具体的孔径角选择。

2）由于孔径角选择大小不一，造成测试结果差异较大。

3）选择0.3mm孔径角时，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素测试的数据相差达到100%以上。

4）选择0.3mm孔径角时，夜视兼容测试结果的色坐标和色度计所测色坐标差距较大。

本文比较了不同的孔径角对测试结果的影响，分析0.3mm孔径角造成的测试误差的原因，最后确定了孔径角选择，从而为液晶显示器夜视兼容测试时对孔径角的选择提供依据[3-4]。

1 研究内容与结果

1.1 理论分析

液晶显示器的夜视兼容性能一般通过测量国军标中规定颜色画面的夜视辐亮度来衡量。测量时，使用满足国军标要求的光谱辐射计测量显示器的辐射光谱，再通过GJB1394中的方法计算出显示器的夜视辐亮度（NR），对于液晶显示器，NR越小则与与夜视成像设备的兼容性越好。通过对NVIS辅色度计算方法的分析，可以得出液晶显示器各红绿蓝像素对辐亮度奉献的大小[5]。

国军标中夜视辐亮度的计算方法[6]如下：

式中：GA/B（λ）——A类或B类设备的NVIS相对光谱响应，其数值如图1所示；

N（λ）——显示设备辐射亮度光谱，W/（cm2·sr·nm）；

G（λ）max=1 mA/W；

dλ=5nm；

Lr为国军标中规定的NVIS辐亮度要求所对应的亮度（显示器的亮度要求为1.713cd/m2），Lm为光谱辐射计实际测量到的亮度，可以通过下式计算：

式中：Lm——亮度，cd/m2；

V（λ）——CIE1931标准色度观察者的归一化视觉特性曲线，其数值如图2所示；

K（λ）max=683Lm/W；

N（λ）——照明部件的辅亮度光谱，W/（cm2·sr·nm）；

dλ=5nm。

通过上面的公式可以看到只需测量液晶显示器发出的辐射亮度光谱N（λ），即可计算得出其NVIS辐亮度NRB（以B类夜视兼容设备为例）。

保持背光源不变，液晶显示器的辐亮度等于红、绿、蓝子像素各自的辐亮度之和，即 N（λ）=NR（λ）+NG（λ）+NB（λ），带入式（3）可得

式（4）中分母是红、绿、蓝子像素对显示模块亮度的贡献之和，分子为3个子像素对液晶显示器NVIS辐亮度的贡献之和。

1.2 试 验

LED彩灯实现夜视兼容的液晶显示器，CS-2000色度计，OL750-NVG测试仪。

通过驱动电路任意调节背光LED彩灯实验夜视兼容的液晶显示器源中三色彩灯的配比，从而实现（0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）3 种色坐标，使用CS-2000色度计测试液晶显示器白场色坐标，并通过OL750-NVG系统测试液晶显示器的辐射亮度光谱和夜视辐亮度。

图1 A类、B类NVIS相对光谱响应特性曲线

图2 人眼视觉相对光谱响应特性曲线

液晶屏显示白色画面（即红、绿、蓝三色子像素均为完全透过状态），背光源在夜模式下工作，使用OL750-NVG系统测试液晶显示器的夜视辐亮度；背光源夜模式下工作，白光LED灯保持关闭，通过背光驱动电路调节红、绿、蓝三色彩灯的亮度配比，使液晶显示器白色画面的色坐标为（0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）。所谓测试区域选择子像素是指选择0.3mm孔径角时，通过目镜将测试区域圆心定为在子像素上。选择1mm孔径角或者3mm孔径角时，由于孔径角比较大，覆盖像素比较多，先选择0.3 mm孔径角通过目镜进行定位，测试时，再选择1mm孔径角或者3mm孔径角[7-8]。

1.3 试验结果与讨论

在不同条件下的试验结果中表1所示，可以看出，选择0.3 mm孔径角时，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素测试的数据相差达到100%以上，夜视兼容测试结果的色坐标和色度计所测色坐标差距较大。使用1mm孔径角或者3mm孔径角测试时，测试区域选择不同的子像素所测得辐亮度误差较小，差距在3%范围之内，色坐标和色度计色坐标误差为0.002，辐亮度和色坐标差距在可接受范围之内。

通过表1可以得知，测试时选择0.3mm孔径角，测试区域选择不同的子像素上，辐亮度、色坐标差距很大，从式（1）和图1可得：

从液晶屏基本性能可得：

测试时，孔径角选择过小，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素都不能代表白场真正的辐亮度，例如，测试时测试区域选择在红色子像素上，对于式（4），分子变成

因为测试区域选择在红色子像素上，绿色和蓝色子像素的能量只能部分进入到测试孔径角内，通过式（5）、式（6）、式（7）、式（8）可知，NRBR>NRB，对于测试白场辐亮度，测试区域主要集中在红色子像素上，实际测试结果偏大；同理，若测试区域选择绿色或者蓝色子像素上，白场辐亮度测试结果比实际辐亮度小，由表1可知，实际测试结果和理论基本一样。

表1 不同的条件下测试结果

同时，若测试区域选择过小，每次测试时不能保证选取的子像素面积的大小，导致测试重复性差。另外，0.3mm孔径角测试的并不是真正的色坐标，因为按照要求，对于色坐标测试，至少要压10个像素，0.3mm孔径角只能定位1～2个子像素。

选择1mm或者3mm孔径角，测试辐亮度和色坐标都比较合理，因为1mm孔径角可以选择至少5个像素，3mm孔径角可以选择至少10个像素，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素，对辐亮度和色坐标影响很小，色坐标和CS-2000色度计所测差距在0.003之内[9-10]。

2 结束语

本文通过一个LED彩灯实现夜视兼容的液晶显示器在 （0.170，0.495）、（0.190，0.490）、（0.190，0.520）3 种不同的色坐标进行夜视兼容测试方法研究，在这3种色坐标下，通过OL750-NVG系统对其夜视兼容进行测试，分别选取0.3，1，3mm不同的孔径角，同时，通过目镜观察时，测试区域分别选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素。通过对比测试发现，选择选择0.3mm孔径角时，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素测试的数据相差达到100%以上，夜视兼容测试结果的色坐标和色度计所测色坐标差距较大。使用1mm孔径角或者3mm孔径角测试时，测试区域选择不同的子像素所测得辐亮度误差较小，差距在3%范围之内，色坐标和色度计色坐标误差为0.002，辐亮度和色坐标差距在可接受范围之内。并且，1mm和3mm孔径角所测得的辐亮度误差在3%范围之内，色坐标在0.003范围之内。通过对比测试可以得出以下结论：夜视兼容测试时，孔径角不能选择0.3mm；孔径角选择1mm或者3mm，在测试时，测试区域选择红色子像素、绿色子像素、蓝色子像素对测试结果影响非常小，只需在目镜观察到清晰像素即可。此测试方法研究在夜视兼容测试中具有指导作用。

[1] 门金凤，程海峰，陈朝辉，等.夜视兼容近红外吸收滤光片的研究进展[J].材料导报，2008，22（6）：13-16.

[2] 吴金华，方俊，余雷.一种与夜视成像系统兼容的LED光源及其照明系统：中国，1936416A[P].2007-03-28.

[3] 李明远，陈盈君，肖俊，等.一种使用LED光源的具有夜视兼容性的LCD背光系统：中国，201004137Y[P].2008-01-09.

[4] 艾克聪.微光夜视技术的进展与展望[J].应用光学，2006，27（4）：303-307.

[5] 许明辉，胡元刚.夜视兼容原理及在机载液晶显示器上的实现[J].现代显示，2006（z1）：48-50.

[6] GJB 1394—1992与夜视成像设备兼容的飞机内部照明[S].北京：国防科工委军标出版发行部，1992.

[7] 金伟其，刘广荣，白廷柱，等.夜视领域几个热点技术的进展及分析[J].光学技术，2005，31（3）：405-409.

[8] 谢剑斌，夏显忠，夏利锋，等.可实现红外夜视兼容的液晶显示器背光模组：中国，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.