基于顯示器亮度提升對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的影響研究

袁燁 潘立豹 李靜 陳彬 朱禮

摘 要：本文實(shí)驗(yàn)研究了提升顯示器亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的影響，選取了一種典型的顯示器（鏡反1%、漫反0.1%），分別測(cè)試了水平視角-15°、-30°、-45°、-60°、15°、30°、45°、60°條件下不同亮度下的強(qiáng)光對(duì)比率和垂直視角-15°、-25°、15°、25°、45°條件下不同亮度下的強(qiáng)光對(duì)比率；通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，得出了針對(duì)典型的顯示器亮度從636cd/m2調(diào)節(jié)到1200cd/m2，單位亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的貢獻(xiàn)非常明顯，可以通過(guò)提升亮度提高強(qiáng)光度比率；亮度1200cd/m2以上，單位亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的貢獻(xiàn)非常低，提高顯示器亮度無(wú)法達(dá)到增大強(qiáng)光對(duì)比率的影響。

關(guān)鍵詞：顯示器；強(qiáng)光對(duì)比率；亮度；反射

中圖分類號(hào)：O436 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：In this paper， the effect of improving the brightness of the military display on the contrast ratio of strong light is studied. A typical military display （mirror inverse 1%， diffuse counter 0.1%） is selected to test the contrast ratio of strong light under the different brightness under the conditions of horizontal view angle of 15°、-30°、-45°、-60°、15°、30°、45°and 60°. And the vertical angle of view -15°、-25°、15°、25°and 45°； Through the analysis of the test data， it is found that the luminance of the typical military display is adjusted from 636cd/m2 to 1200cd/m2. The contribution of unit brightness to the contrast ratio of strong light is very obvious， and the ratio of intensity of light can be increased indirectly through the enhancement of brightness； the brightness 1200cd/m2 can be improved. Above， the contribution of unit brightness to strong light contrast rate is very low. Increasing the brightness of display can not increase the contrast ratio of strong light.

Keywords：Military Display；Contrast Ratio；Luminance；spectrum

0 引言

飛行器在高空分行，直接暴露于強(qiáng)烈的陽(yáng)光環(huán)境中，尤其是開(kāi)放式座艙，陽(yáng)光亮度可達(dá)30000 cd/m2。機(jī)載顯示器表面存在的漫反射和鏡反射會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)烈的環(huán)境光，一般可達(dá)（100～200） cd/m2。因此會(huì)導(dǎo)致下列現(xiàn)象的發(fā)生：液晶顯示屏顯示的信息泛白，清晰度與可讀性下降；強(qiáng)烈的眩光會(huì)使飛行員產(chǎn)生目暈。為了保證在強(qiáng)光照射環(huán)境中顯示圖像具有足夠的清晰度，能夠?yàn)槿搜鬯直妫瑱C(jī)載液晶顯示器必須具有足夠高的對(duì)比率。強(qiáng)光下LCD的對(duì)比率定義為：

CR=（LON+Lrefto）/（Loff+Lreftf） （1）

式中：LON為L(zhǎng)CD白屏亮度，Loff為L(zhǎng)CD黑屏亮度，Lrefto為L(zhǎng)CD白場(chǎng)反射亮度，Lreftf為黑場(chǎng)反射亮度，強(qiáng)光環(huán)境下，Loff ? Lreftf、LON，因此推到理論時(shí)可以忽略不計(jì)。（1）式轉(zhuǎn)化為下式

CR=（LON+Lrefto）/ Lreftf （2）

（2）式可以看出，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光可讀、提高CR可以通過(guò)兩種途徑，減小Lreftf和增大LON，即降低表面反射亮度和提高白屏亮度，我們所研究的重點(diǎn)就是提高白屏亮度對(duì)提高強(qiáng)光對(duì)比率CR的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 樣品選擇及試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在暗環(huán)境下進(jìn)行，選取了一款代表性的顯示器（下文簡(jiǎn)稱顯示器），鏡面反射為1%，漫反射為0.1%；測(cè)試裝置采用表面反射和高亮環(huán)境對(duì)比率（HACR）測(cè)量裝置如圖1和圖2所示。本次測(cè)試平臺(tái)鏡面入射光源、模擬太陽(yáng)直射的漫射光源色溫為3000K～5000K，亮度分別為2000fL、10000fL（對(duì)應(yīng)照度107640Lux，以到達(dá)漫反射標(biāo)準(zhǔn)白板上的亮度為準(zhǔn)），預(yù)熱時(shí)間15min，與待測(cè)物表面的法向分別成30°、0°，亮度計(jì)放置在與鏡面光源成鏡向的位置、距離待測(cè)物表面為36′′，在此過(guò)程中兩個(gè)光源入射光斑和亮度計(jì)保持共面，亮度計(jì)所用的測(cè)量孔徑角為0.2°。

鏡反或漫反時(shí)須將另一光源遮擋或關(guān)閉，亮度計(jì)的測(cè)量孔徑應(yīng)分別位于鏡面入射光斑、漫射光斑的中心。

顯示器某一方向HACR時(shí)，兩個(gè)光源同時(shí)打開(kāi)，它們和待測(cè)顯示器的相對(duì)角度、距離應(yīng)保持不變，僅通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)角度來(lái)測(cè)量，也即亮度計(jì)在不同角度處測(cè)量顯示器表面反射的亮度。測(cè)量顯示器其他方向或全部視角范圍的HACR，可通過(guò)旋轉(zhuǎn)顯示器來(lái)完成，使得兩個(gè)光源、亮度計(jì)始終位于顯示器表面法向的左側(cè)、右側(cè)，亮度計(jì)接收光的方向與液晶屏的視角保持一致即可。

30°測(cè)量時(shí)應(yīng)讓兩個(gè)光源的光斑重疊區(qū)域盡可能大，應(yīng)保證落入視場(chǎng)內(nèi)的積分球光源開(kāi)孔覆蓋亮度計(jì)測(cè)量孔徑的3倍以上，而且測(cè)量孔徑應(yīng)位于重疊區(qū)域的中心。

由于兩種光源體積較大，漫射光源位于待測(cè)顯示器表面的法向，亮度計(jì)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量恰好位于法向或附近角度的亮度，為了探討提高產(chǎn)品亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的影響，顯示器亮度分別取186fL、245fL、305fL、364 fL、426 fL，本研究分為以下進(jìn)行：

①水平視角-15°、-30°、-45°、-60°、15°、30°、45°、60°條件下不同背光亮度強(qiáng)光對(duì)比率的變化趨勢(shì)。

②水平視角-15°、-30°、-45°、-60°、15°、30°、45°、60°條件下不同亮度變化下所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)光對(duì)比率的變化趨勢(shì)。

③垂直視角-15°、-25°、15°、25°、45°條件下不同背光亮度強(qiáng)光對(duì)比率的變化趨勢(shì)。

④垂直視角-15°、-25°、15°、25°、45°條件下不同亮度變化下所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)光對(duì)比率的變化趨勢(shì)。

1.2 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算方法簡(jiǎn)介

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：國(guó)軍標(biāo)GJB5187—2003&GJB1394;—1992（同美軍標(biāo)MIL—L—85762A&MIL;—STD—3009、MIL—HDBK—87213A）。

HACR測(cè)量重點(diǎn)參考上述3個(gè)美軍標(biāo)，計(jì)算方法如下：

CR （θ）=L白（θ）/L黑（θ）=[Lon（θ）+ Lrefto（θ）]/ Lreftf（θ）] （3）

（3）式CR （θ）表示亮環(huán)境下視角為θ時(shí)的強(qiáng)光對(duì)比率。

△CR=（CR -CR前）/CR前 （4）

CR前代表前一個(gè)亮度下的對(duì)比率。

1fL=3.42cd/m2。CRduibi=△CR /203，其中203為亮度變化等級(jí)，單位為cd/m2。CRduibi是指單位亮度對(duì)比率變化率，也就是顯示器亮度從186fL變化到245fL、245fL 變化到305fL、305fL 變化到364 fL、364 fL 變化到426 fL，變化幅度為60fL，通過(guò)公式轉(zhuǎn)換，60fL=203cd/m2。

2 結(jié)果和分析

通過(guò)圖2可以得知：水平視角內(nèi)，通過(guò)提高產(chǎn)品亮度，強(qiáng)光對(duì)比率也不斷增大，但隨著產(chǎn)品亮度不斷增大，特別當(dāng)顯示器亮度達(dá)到1200cd/m2以上，對(duì)比率增大速率明顯放緩，增加效果不明顯。

通過(guò)圖3可以看到，水平視角下，亮度從364fL（1244cd/m2）變化到426fL（1456cd/m2），CRduibi變小，反映1200cd/m2亮度以上通過(guò)提高產(chǎn)品亮度提高強(qiáng)光對(duì)比率效果不理想。

圖4反映：水平視角內(nèi)，通過(guò)提高產(chǎn)品亮度，強(qiáng)光對(duì)比率也不斷增大，但隨著產(chǎn)品亮度不斷增大，當(dāng)顯示器亮度達(dá)到1200cd/m2，△CR達(dá)到最大，出屏超過(guò)1200cd/m2，對(duì)比率CR增大效果不明顯。

圖5反映，垂直視角內(nèi)，亮度從364fL（1244cd/m2）變化到426fL（1456cd/m2），CRduibi變小，反映1200cd/m2亮度以上通過(guò)提高產(chǎn)品亮度提高強(qiáng)光對(duì)比率效果不理想。

結(jié)論

通過(guò)上述分析，無(wú)論是水平視角還是垂直視角范圍，針對(duì)典型顯示器（鏡反1%、漫反0.1%），得出了針對(duì)典型的顯示器亮度從636cd/m2調(diào)節(jié)到1200cd/m2，單位亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的貢獻(xiàn)非常明顯，可以通過(guò)提升亮度提高強(qiáng)光度比率；亮度1200cd/m2以上，單位亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的貢獻(xiàn)非常低，提高顯示器亮度無(wú)法達(dá)到增大強(qiáng)光對(duì)比率的影響；該結(jié)論對(duì)顯示器通過(guò)提高產(chǎn)品亮度對(duì)強(qiáng)光對(duì)比率的影響有重要的技術(shù)支撐。

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