基于截止濾光片的液晶顯示模塊夜視兼容改進

摘 要：本文研究采用截止濾光片在原有單白光LED設計的產(chǎn)品的基礎上兼容改進液晶顯示模塊夜視的方法。通過分析液晶顯示模塊結構以及改進夜視兼容的需求，采用截止濾光片的夜視兼容改進方案，設計了相應的單片和2片截止濾光片的驗證試驗。結果表明，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，可滿足彩色顯示的A類、B類的輻亮度要求，關鍵顯示畫面白場和綠場可滿足單色顯示的B類的輻亮度要求，接近A類的輻亮度要求，夜視兼容性能顯著提升。

關鍵詞：機載顯示系統(tǒng)；顯示模塊；截止濾光片；夜視兼容

中圖分類號：TN 141" " " " " 文獻標志碼：A

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

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

1 夜視兼容改進設計

原液晶顯示模塊采用常見的底背光設計，產(chǎn)品的光路設計由前到后。1）顯示組件。由3個部分構成，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強度；中間為液晶屏，用于接收視頻信號，顯示畫面；后端為加熱功能玻璃，其作用是低溫加熱。2）光學膜組件。其包括擴散膜和增亮膜，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，結合夜視兼容標準中關于單色、彩色顯示的相關要求，兼顧產(chǎn)品夜視A類、B類設計需求，在前期產(chǎn)品的基礎上，增加晝夜2種顯示模式，分別采用不同的電流控制背光，滿足2個模式的調光要求。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，對背光中波長為570 nm～

100 0 nm的光線進行截止。

基于液晶顯示模塊的內部結構設計，本文設計了2種增加截止濾光片的夜視兼容改進方案，方案一是在顯示組件與光學膜組件之間添加截止濾光片一，安裝在光學膜的上表面；方案二是在光學膜組件的前后端添加截止濾光片一和截止濾光片二，安裝在光學膜組件的前后面，如圖1所示。

2 結果與分析

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行光學截止鍍膜，截止了570 nm以上的可見光波段，因此反射色呈橙紅色，透射色呈藍綠色，呈現(xiàn)透反射顏色差異。

測試截止濾光片法線方向的透過和截止性能，以波長為橫坐標繪制光譜透過率和截止深度曲線，如圖2、圖3所示。光譜透過率曲線顯示，截止濾光片在425 nm～550 nm的藍光、綠光波段上的透過率較高，平均透過率達90%以上；波長在570 nm～

1000 nm的光線透過率較低，平均透過率﹤1%。結合截止深度曲線分析，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CS-2000分別測量夜視兼容改進前后晝模式下的白場、紅場、綠場、藍場和黑場的中心區(qū)域亮度、色度以及光譜數(shù)據(jù)，亮度、色度記錄見表1。

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

采用改進方案二，增加截止濾光片一和截止濾光片二后，各顯示畫面亮度下降幅度基本一致（白場下降33.1%，紅場下降25.8%，綠場下降35.4%，藍場下降17.2%）。截止濾光片基于反射截止機理設計，在背光源中，不同波長光線的大角度反射率不一致，導致背光系統(tǒng)在法線下的光線增益不同，影響了各顯示畫面的亮度。因此，與方案一相比，方案二各顯示畫面的亮度降幅不一致。

為進一步分析產(chǎn)生顏色變化的原因，以波長為橫坐標，以光譜數(shù)據(jù)歸一化處理后的相對光譜輻射度強度為縱坐標，繪制相對光譜輻亮度分布圖，如圖4所示。采用截止濾光片后液晶顯示模塊各顏色場波長570 nm以上的光線被截止，紅光波段能量無法透過液晶屏，符合設計預期。

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，為匹配夜視響應測試適時調整各顯示畫面的亮度，使用OL-770分別測量夜視兼容改進前后夜模式下的白場、紅場、綠場、藍場、黑場的中心區(qū)域亮度、色度、光譜數(shù)據(jù)以及NVIS輻亮度，數(shù)據(jù)記錄見表2。

本文采用截止濾光片的改進方案，夜模式與晝模式僅背光LED的驅動電流存在差異，其他設計保持不變，整體亮度、各顏色場的色坐標變化規(guī)律應與晝模式保持一致。

當測試時，為匹配夜視兼容響應，調整了各顏色場的亮度，造成亮度數(shù)據(jù)差異；夜模式采用的背光驅動電流不同，光源LED發(fā)光光譜會有輕微變化，影響色場的色坐標值，不同的測量設備也會產(chǎn)生細微的數(shù)據(jù)差異，使整體晝、夜模式的各顏色場色坐標數(shù)據(jù)存在一些差異。

將 NVIS 輻亮度數(shù)據(jù)進行匯總，見表3。

光譜輻亮度歸一化處理后，以相對光譜輻亮度為縱坐標，波長為橫坐標，同時加入A類、B類的NVIS相對光譜響應進行繪圖，如圖5所示。

3 夜模式的相對光譜輻亮度分布

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前的白場和彩色場的最大夜視輻亮度均超過規(guī)定值，不滿足使用需求。結合圖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前的光譜輻射分布與 NVIS相對光譜響應較高的區(qū)域有明顯重疊。

采用改進方案一，增加截止濾光片一后，液晶顯示模塊的夜視輻度下降明顯，白場和彩色場的夜視輻亮度均滿足NVIS中彩色顯示的A類、B類的輻亮度要求，其中白場、綠場和藍場的夜視輻亮度均滿足NVIS中單色顯示的B類的輻亮度要求，白場、綠場的夜視輻亮度接近NVIS中單色顯示的A類的輻亮度要求，夜視兼容性能顯著提升。結合圖4（b）中的光譜輻亮度分布可知，加入截止濾光片后，NVIS相對光譜響應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，符合設計要求。

采用改進方案二，增加截止濾光片一和截止濾光片二，并未進一步提升夜視兼容性能，為匹配夜視響應測試，提升了整體背光強度，增大了LED的驅動電流，導致LED光譜細微變化，輻亮度輕微提升。

4 結論

通過分析液晶顯示模塊結構以及夜視兼容的改進需求，本文采用基于截止濾光片的夜視兼容改進方案，設計了相應的單片及2片截止濾光片試驗。試驗結果表明，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效果，采用增加單片截止濾光片的方案，性能可滿足彩色顯示的A類、B類的輻亮度要求，關鍵顏色白場和綠場可滿足單色顯示的B類的輻亮度要求，接近A類的輻亮度要求。

參考文獻

[1]趙玉冬，焦垚，武永波，等.一種圓形機載液晶顯示器設計[J].電子機械工程， 2019，35（6）：8-11.

[2]門金鳳，程海峰，陳朝暉，等.飛機夜視兼容照明技術[J].應用光學， 2008，29（3）：354-359.

[3]趙小珍， 趙玉冬.AMOLED顯示器件夜視兼容特性分析[J].光電子技術， 2016，36（3）： 211-215.