基于军用显示器的色域影响因素研究

袁烨　李静　潘立豹　甘源伟　桂诗信

摘 要：本文实验研究了光照环境下影响军用液晶显示器色域的主要因素。选取了4种不同类型的军用液晶显示器，分别测试了他们在不同光照环境中的色域，通过对测试数据的分析，得出了影响军用液晶显示器色域的4个主要因素：即军用显示器自身发光特性和反射特性、环境光的强度和光谱特性。其中，在暗环境下，军用显示器的色域由自身发光特性决定；亮环境下，军用显示器的色域由自身发光特性、环境光的光谱特性以及军用显示器表面对环境光的反射特性共同决定。

关键词：军用液晶显示器；反射；光谱；色域

中图分类号：O436 文献标志码：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

近年来，航空、航天对LCD军用显示器的需求越来越大，特别对LCD军用显示器的显示效果、色域提出了更高要求。

通常在暗环境中，军用液晶显示器色域主要由LCD面板上的CF上决定，但在亮环境下，我们观察到的色光，是主色光与首层表面反射光的混合光，因为这里有白光的掺和，降低了主色光的饱和度，从而导致色域降低，反射越强、主色光的饱和度越低，对色域影响越大。反射光的强弱和军用液晶显示器的反射有很大的关系，加固好的液晶屏组件构成一个相对较复杂的光学系统，由滤光片、光学胶及液晶屏等单元组成，各单元之间形成相应的反射界面。倘若各界面累积后的总反射过大，强光照射下，在某些观察角就会以较高的表面亮度反射至人眼。

另外，物体表面的色彩与光源的光谱成份有极大的关系，物体对入射光的吸收、反射、透射的光学特性雖然不受光源的影响，但当光源的光谱成份发生变化时，必然影响到物体的反射或透射光的光谱成份，从而使物体的表面颜色随着光源色的变化而变化。例如，消色物体在彩色光源的照射下，会呈现彩色。白色物体，在红光照射下呈现红色；在红光和蓝光的同时照射下呈现品红色。彩色物体在特定光源照射下，会呈现消色。例如，在白光下为绿色的物体，在暗室的红灯照射下就几乎成为黑色的物体了，因为绿色物体只反射绿光，而红灯中没有绿光的成份，物体表面在红光照射下不能反射出绿色的光来，红光又都被吸收了，因此显出黑色。结合以上几种情况，在亮环境下，色域由环境光的强弱和光谱、自身色域和反射特性共同决定。

本文通过测试了4种不同状态的军用液晶显示器、在不同的光照环境下的色域，该测试结果对军用显示器色域的判别和设计，提供了一定的指导意义。

1理论分析

1.1 NTSC色域计算

色域是指某种设备所能表达的所有颜色在色度图中所构成的区域范围，是表征显示设备光电性能的重要参数。色域在不同行业有不同色域标准，其中NTSC是使用较为广泛的色域定义标准，而在部分特殊应用上，也有使用厂商自订的色域规范，如PC监视器应用方面，多使用SRGB标准来定义色域。因此在描述显示模块的色域范围时通常描述为“达到NTSC色域的70%、或者SRGB色域的90%”。1931年，国际照明委员会CIE制定了CIE1931RGB系统，规定将700nm的红、546.1nm的绿和435.8nm的蓝作为三原色，其对应xy坐标为R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08），这3点围成的三角形面积作为基准，用待测显示模块的R、G、B三色场色坐标围成的三角形面积与基准面积的百分比作为其NTSC色域。

1.2 不同环境下军用显示器色域影响因素的分析

光照环境选取了两种不同的环境，其中一个光照环境是真实的自然环境，即在户外进行测试，另一个环境是在室内太阳模拟器的光照环境；这两个光照环境照度相同，但光谱差异较大。其中，太阳光谱图如图2所示，太阳模拟器光谱图如图3所示。

2 实验

2.1 样品实验

此次试验选取了4个不同状态的军用液晶显示器，4种状态具体情况见表1，4个样品的亮度都调节为1000cd/m2。

2.2 测试仪器

室内的光学性能测试使用了Westar520光学性能测试平台，平台如图4所示，该平台由太阳模拟器和光学平台、亮度计构成。户外的光学性能测试使用了自制的户外光学测试平台，如图5所示，该测试平台由可在垂直方向上自由旋转的支架和分光光度计两部分组成，液晶屏夹持在支架，并随着支架可在垂直方向和水平方向旋转，以调整液晶屏与太阳、光度计之间的相对方位。照度测量选用型号为ST-85的照度计。

2.3 实验条件及过程

室内测试时，将液晶屏固定在光学测试平台的支架上，调节支架方位，使光度计测试来自液晶屏的下视角15°的光线，调节模拟光源的光强，使液晶屏表面的照度为测试所需照度，液晶屏通电工作，分别测试红、绿、蓝三色画面下的色坐标，按照式（1）和式（2）进行计算。

户外测试时，将液晶屏固定在户外光学测试平台的支架上，按照室内测试的方位调节支架的方位，使光度计测试来自液晶屏的下视角15°的光线，当环境照度达到所需照度时，点亮液晶屏，分别测试红、绿、蓝三色画面下的色坐标，按照式（1）和式（2）进行计算。

室内测试分别在20lux、100000lux、20000lux下进行测试，户外测试分别在室内测试分别在100000lux、20000lux下进行测试。

3 结果与分析

液晶屏表面的反射系数和环境光的强弱直接影响反射光的总强度。当环境光一定时，液晶屏表面的反射系数是影响反射光强的主要因素，室内使用的普通军用液晶显示器表面的镜面反射系数一般要大于4%，漫反射系数大于1%，而在航空或户外使用的军用液晶显示器通常会在其表面绑定减反滤光片，以降低其表面反射系数（镜面反射系数可以降低至1%左右，漫反射系数可以降低至0.3%左右），减少军用显示器表面的反射光强度。当液晶屏表面的反射系数一定时，环境光强度是影响反射光强的主要因素，环境光越强，反射光越强。因此，在户外使用的军用液晶显示器都需要尽量降低其表面的反射系数和环境光强度。

液晶屏表面反射率谱线和环境光光谱直接影响反射光的光谱形状。反射率谱线反应了物体表面对不同波长光的反射能力，性能优越的减反滤光片可以将可见光范围内的反射率都抑制在一个比较低的水平，而有些滤光片主要针对人眼比较敏感的绿光波段进行抑制，这就会导致反射光成分中蓝色和红色较多，物体表面呈现紫色。环境光的光谱形状也会直接影响反射光的光谱形，如图3所示为太阳光的光谱，可见在可见光波段，绿色光最强，图3所示为实验室所用的太阳光模拟光源的光谱图，其波形与太阳光有一定差异，这导致相同照度的模拟光源与太阳光对液晶屏的影响程度不相同。

从表2的数据可见，室内模拟高亮环境100000lux下液晶屏的色域远高于户外100000lux下的色域，因此，色域和外界光谱特性有很大的关系；另外，色域和环境光的照度关系很大，环境光照度为20000lux时，色域降低到原始色域的（20%～40%），环境光照度为100000lux以上，高色域和低色域屏都降低到7%以下；在镜面反射和散射反射基本相同的情况下，换句话说，状态基本相同的条件下，同样的外部条件，自身色域越小，最终色域越小；反射越大，综合色域越小。

结论

本文通过选择4种不同类型的军用液晶显示器分别放置在不同的光照环境中，测试了军用液晶显示器的色域；最后通过测试数据分析，得出了影响军用液晶显示器色域的4個主要因素：光谱特性不同会导致最终色域不同，反射越强，色域受到的影响越大；最终色域和自身色域也有很大的关系，自身色域相同的条件下，液晶屏状态不同，同样的外部条件最终色域也不同。该结论对军用液晶显示器色域的判别和设计，提供了重要的技术支持。

参考文献

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