滿足夜視兼容顯示應用的三基色LED背光配色方法

馬紅星，陸小松

（1.中國人民解放軍海軍駐合肥地區軍事代表室，安徽 合肥 230088；2.中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002）

1 引 言

飛機執行夜間任務時，夜視成像系統（以下簡稱NVIS）是重要的輔助設備。所謂NVIS，是指在夜光條件下利用像增強管對景物特征增強呈現的系統，有利于及時發現辨別光強微弱、譜段超出可見范圍、肉眼難以辨別的目標。NVIS可以集成在頭戴式顯示裝置上，使用時不會頻繁切換或卸裝，要求同時能觀察儀表面板和艙外的目標，因此對顯示設備的成像兼容性有要求。

由于戰術目標的特征，NVIS的像增強管一般都是對近紅外波段及少部分紅光有較強的增益率，如果顯示設備本底輻射中有過多的近紅外成分，那么透過NVIS看如同一個整體很亮的發光面，不僅會掩蓋顯示屏上的字符線條，也使對艙外目標的視覺分辨力下降。因此針對具有不同光譜轉換特性的NVIS，GJB1394規定了不同的艙內照明和顯示設備近紅外輻射的考核限定指標。對于彩色顯示器，其針對B類像增強設備的兼容性要求為：當顯示“白色”時，折算到1.713cd／m2亮度下的夜視響應輻射亮度不應高于2.2×10－9W／（sr·cm2），對于其他顯示顏色畫面，不應超過1.1×10－8W／（sr·cm2）［1］。

液晶顯示器是目前機載航電系統應用得最普遍的顯示設備，尤其在采用LED背光之后，具有低能耗、高可靠性、抗干擾、易調制、低壓驅動、使用壽命長等優點。通常為了達到較高的發光轉換效率以滿足白晝環境亮度需求，一般使用的都是藍色芯片加黃色熒光粉的白光LED，其輻射譜密度隨波長下降趨勢過于平緩，在650nm以后仍具有較高的輻射能量，這對滿足彩色class B型設備夜視兼容性極為不利，實測數據表明白場輻亮度在10－8～10－7W／（cm2·sr）量級，遠遠超出國軍標要求。

針對這一問題，目前存在兩種解決途徑，一是在背光源與液晶面板之間以能夠吸收或反射近紅外輻射的夜視濾光片隔離［2－3］；二是在白光 LED陣列中鑲嵌排入近紅外輻射量較少的其他LED，在夜間工作模式關閉白光LED而只用這類特殊LED，這里的特殊 LED 通常為三基色 LED［4－7］，以橙光LED提供紅色分量，使液晶顯示器符合夜視兼容條件，且能適當拓展色域［8］；或采用上述兩種方式的結合［9］。

但采用這些方案都需要犧牲夜間顯示色彩，且未給出具體的色彩比例控制方法。因為用于提供紅色分量的無論是橙色（Orange）、金紅色（Amber）LED，由于發光二極管本身的工作原理和材料特性，其輻射光譜下降速率和截止程度不高，因此為了保證模塊在620～900nm之間的總體輻射水平下降，只能靠使其主波長盡可能往短波方向移動的方法，這樣就削弱了顯示紅色的色彩表現力以及顯示白色的白平衡效果（紅場偏黃、白場偏綠）。采用干涉或吸收型濾光片也存在類似問題，因為在紅色和近紅外光交疊區，光譜透射率的變化率｜ΔT／Δλ｜存在上限，不能在削弱近紅外輻射的同時保證紅色分量的顯示質量。

我們通過對實測數據進行回歸分析的方法，找出輻亮度和配色色坐標的依賴關系，并據此求出特定輻亮度限制下與目標色偏離最小的點，對如何配色具有明確的指導意義。

2 實 驗

對于色彩的衡量一般通過CIE1976色空間下色坐標相對于目標色點的偏移量來表示，一般要求在夜模式顯示白場時，距離（0.19，0.49）參考點的偏差越小越好。這樣如果采用三基色LED進行配色，同時存在兩個限制條件——輻亮度上限和色差上限，存在兩個配色自由度（u、v）；或三基色權重之比），有可能找到一個最佳的配色方法，使得輻亮度剛好不超標的前提下保證色差最小。

我們通過實驗驗證線性估計是否合理以及在測試精度下所需的最少測量組數。實驗所用的26.4cm（10.4in）液晶顯示模塊，液晶屏采用NEC公司NL10276BC20－18常白型TN屏，背光晝模式光源采用日亞某型白光LED，夜模式采用OGB三色封裝LED，在常溫和額定工作電流下三基色主波長分別為610nm，530nm和470nm，輻射譜半高全寬分別為18nm，32nm和30nm。

輻亮度測試儀器為帶有制冷光電倍增管的Optronic Laboratories公司OL750型光譜輻射度計，測量視場為0.3°，能夠對350～1 100nm譜段以1nm分辨率對動態范圍超過109的輻射量進行測量，色坐標測試精度為±0.001，輻亮度平均測量精度為±0.1%。

在夜模式下在白平衡附近通過改變不同的LED驅動電流占空比來調整三基色配比，測量多組色坐標和輻亮度的關系，獲得數據見表1。

表1 夜視輻亮度與色度關系Table 1 NVIS radiance vs.chroma

3 結果與討論

二元線性回歸最少只需要3個樣本點就可確定回歸方程，如果u、v與輻亮度R之間采用線性估計系統誤差不超過偶然誤差，那么3次測量就具有代表性，能滿足配色計算需求；反之，則需要更多數據點以消除誤差。

以二維色坐標為自變量，輻亮度為因變量，由前3組數據得到的回歸方程為：

將后3組數據代入進行檢驗，得到的輻亮度與實測值相比分別相差0.5%，－2%和－3.9%?？紤]到白平衡附近色坐標和輻亮度有一定測量誤差，輻亮度絕對偏差只要不大于0.03（＜2%）即在測量合理復合誤差范圍內。第四、第五組數據略超出這一范圍。

但考慮到夜視兼容配色兩個限制條件，如果試配色取樣點只取那些顏色偏離不是過大（例如劃定u＝0.19±0.02，v＝0.49±0.02）、輻亮度不是離2.2×10－9W／（sr·cm2）限制余量過大或超標過多的點，則估計的線性性或殘差限制可以得到保證，最少只需要選擇3點。

上述結果與我們的實際經驗相符，模塊夜模式配色越“綠”，輻亮度越低。下面給出在特定輻亮度限制Rub下與參考點（u0，v0）色差最小的配色點計算方法。

不失一般性，對于三基色LED背光模塊，設其輻亮度與色坐標之間的通過上述線性回歸方法得到的關系式為：

根據輻亮度上限和與參照點偏差極值條件可以求出最優配色點。

其中ui、vi、Ri是實驗測得的任意一組色坐標－輻亮度數值。

4 結 論

提出了采用三基色LED作為夜視兼容解決方案的機載液晶顯示器配色方法，可以通過最少3次試配色獲得的色坐標、輻亮度對應關系，進而求出在特定輻亮度、色差限制下最佳的顏色組合關系，從而能夠快捷、有效地確定顯示器背光配比狀態，兼顧夜視兼容性和夜間顯示白平衡效果，使得飛行員無論是使用夜視增強設備還是直接觀察顯示屏都能達到較理想的觀察效果。

［1］ 國防科技工業委員會.GJB1394－1986與夜視成像系統兼容的飛機內部照明［S］.北京：國防科工委軍標出版發行部，1994.Commission of Science Technology and Industry for National Defense.GJB1394－1986and be compatible with night vision imaging system for aircraft interior lighting［S］.Beijing：Science Technology and Industry for National Defense Military Standard Publishing Department，1994.（in Chinese）

［2］ 門金鳳，程海峰，陳朝輝，等.夜視兼容近紅外吸收濾光片的研究進展 ［J］.材料導報，2008，22（6）：13－16.Men J F，Cheng H F，Chen Z H，et al.Research process in NIR absorbing filter for NVIS－compatible lighting［J］.Journal of Materials，2008，22（6）：13－16.（in Chinese）

［3］ 吳華夏，沈健，董戴，等.特殊濾光片及夜視兼容型背光光線膜組：中國專利，101581807［P］.2009－11－18.Wu H X，Shen J，Dong D，et al.Special filter and night vision compatible backlight light membrane group：Chinese patent，101581807［P］.2009－11－18.（in Chinese）

［4］ 劉波，章小兵.使用多色LED補色的背光源 ［J］.液晶與顯示，2010，25（5）：702－705.Liu B，Zhang X B.Backlight unit with multi－color LEDs used for color complemention［J］.Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays，2010，25（5）：702－705.（in Chinese）

［5］ Zager P，Ulijasz T R.夜視兼容顯示器背光：美國專利，7，525，611［P］.2009－04－28.Zager P A，Ulijasz T R.Night Vision Compatible display backlight：US patent，7，525，611［P］.2009－04－28.

［6］ 李明遠，陳盈君，肖俊，等.一種使用LED光源的具有夜視兼容性的LCD背光系統：中國專利，1916732［P］.2007－02－21.Li M Y，Chen Y J，Xiao J，et al.Using a LED light source with night vision compatibility of the LCD backlight system：Chinese patent，1916732［P］.2007－02－21.（in Chinese）

［7］ 吳金華，方俊，余雷，等.一種與夜視成像系統兼容的LED光源及其照明系統：中國專利，1936416［P］.2007－03－28.Wu J H，Fang J，Yu L，et al.A kind of a LED light source compatible with night vision imaging system and lighting system：Chinese patent，1936416［P］.2007－03－28.（in Chinese）

［8］ Ouyang M，Huang S W.Considerations between color gamut and brightness for multi－primary color displays［J］.J.Display Tech.，2007，3（1）：71－82.

［9］ Berthou N，Breda J M.Backlighting device for display screen by night－vision compatible transmission：US patent，6847173［P］.2005－01－25.