夜视兼容的直下式液晶屏背光模组的设计

安徽师范大学物理与电子信息学院 江 龙 杨宏运 宫明艳



夜视兼容的直下式液晶屏背光模组的设计

安徽师范大学物理与电子信息学院 江 龙 杨宏运 宫明艳

【摘要】具有夜视兼容性的液晶显示器背光系统不仅能在日光环境下正常工作，同时在夜晚无光或光线微弱条件下也不会发出干扰使用者夜视设备的光和能量。本文所探讨的10.4英寸夜视兼容液晶屏的背光系统是使用红、绿、蓝（RGB）单色 LED 光源外加一个琥珀色(A)的LED灯的背光系统（RGBA）。在夜视工作时把红色 LED 灯关掉，不会产生波长在610nm 至 930nm 之间的红光或近红外光。所造成的背光源波段变窄的情况则由琥珀色LED 灯来补偿，既避免了造成夜视条件下红色光或者红外光的干扰，对背光源观察色域的影响较小。在日光条件下工作时由于加入了琥珀色的 LED 将会使显示屏的色彩更加绚烂。

【关键词】液晶显示器；夜视兼容；背光模组；LED

1　引言

所谓夜视兼容性指的是工作环境中的显示器和照明光源不会与夜视成像系统（NVIS，主要是微光夜视仪）相干扰，并且保证一定情况下裸眼可视。而且夜视兼容也意味着敌方的NVIS系统不太容易在远处发现具备夜视兼容性的发光体[1]。在夜晚工作条件下，使用普通背光系统的显示仪器，对NVIS 影响最大的主要是近红外波段的光线，由于红色 LED 的存在使得显示仪器发射出能量很高的红光和红外光，严重干扰观察者夜视仪器上的 NVIS。所以必须要过滤掉背光系统发出的波长在 610nm 到 930nm 之间的光[2]，但是在过滤之后会使得背光系统的色域范围变小，对观察者的视觉观察造成很大的困难。好的夜视兼容性显示器，可以保证飞行员在夜间飞行时，既能通过目视获取飞机显示器上的信息，又能保证NVIS的正常工作。

国外在夜视兼容照明器件的研发方面已经开发出一系列性能较好的机外照明及座舱照明器件，如夜视兼容照明灯具、双模夜视防撞灯、夜视兼容机载液晶显示屏等。传统的设计思想是在显示器上安装夜视兼容红外滤光片[3]，该方法设计比较简单、周期较短，但是安装滤光片后显示器亮度大幅下降，白天特别是太阳光下的时候，必须将滤光片取下，使用起来非常不方便。而且频繁的拆装容易导致漏光，安装过程对工艺的要求也较高。

相对于美国等发达国家，国内在夜视兼容液晶显示器背光领域的研制方面起步比较晚，整体技术水平相对落后，且没有厂家能够进行量产。虽然已经有一些公司和单位可以研制出性能比较优越的夜视兼容背光源，如中电五十五所和中航华东光电技术研究院等，但是由于成本和技术的实用性等因素的制约，目前国内关于夜视兼容液晶显示器背光源的批量生产主要依赖于从美国等国家进口的夜视兼容近红外吸收滤光片[4]。

本文所探讨的夜视兼容背光系统是使用红、绿、蓝（RGB）单色 LED 光源外加一个琥珀色(A)的LED灯的背光系统（RGBA）。在夜视工作时使红色 LED 光源发光保持在微光夜视仪的接受范围以内，即产生的波长在610nm 至 930nm 之间的红光或红外光（IR）能量较弱，不会使微光夜视仪由于接收到过强的能量而失去工作能力。所造成的显示屏变暗和背光源波段变窄的情况则由琥珀色LED灯来补偿，既避免了夜视条件下红色光或者红外光的干扰，也不会影响背光源的色域[5]；在日光条件下工作时由于加入了琥珀色的 LED将会使显示屏的色彩更加绚烂。

2　LCD的基本结构

目前液晶显示器普遍采用的是TFT-LCD（Thin Film Transistor-LCD，薄膜晶体管LCD）。TFT-LCD包含背光模组和液晶面板[6]，背光模组发出的光透过液晶面板形成图像。

背光模组也称为背光板，泛指提供一个充足亮度和均匀照度分布的背面光源组件。背光源的性能直接决定了液晶显示屏的亮度、均匀度、色阶等重要参数，很大程度上决定了液晶显示屏的发光效果。

根据背光源的照射分布位置和结构的差异可分为侧光式和直下式两种。直下式背光源中光源放置于正下方。由于LED具有众多的优点，已经成为高档液晶屏背光源的主流器件，本文采用LED设计夜视兼容的背光模组。

3　直下式背光模组的设计

本文设计的是一个10.4英寸4:3的LCD背光模组实例，主要采用了直下型的白光LED背光源设计，其光学性能基本可以做到白天可以达到670cd/m2，在强太阳光照射的情况下也能有效看清，在夜晚最低亮度小于0.17 cd/m2，具有夜视兼容能力。通过对LCD屏、液晶材料、扩散板光学膜及结构等影响因素的研究分析，完成了LED背光设计中LED光通量及其功耗的理论计算。根据计算所得背光源的光通量并结合LED灯光学特性就可以计算出所需的LED的数量。

3.1LED的选择和排列

（1）背光模组的几何尺寸

通常情况下，LCD面板和背光模组大小相当。本文设计的是一个宽高比为4:3的10.4英寸的液晶显示屏，宽度为211.33mm，高度为158.5mm。

（2）LED的选择和排列

本文中采用108颗LED芯片按照屏幕长宽比例的4:3排布成12行9列，选用红(R)绿(G)蓝(B)琥珀(A)四种单色LED，每种LED各27颗相互间隔均匀排列，这样基本保证了四色LED芯片的排布的均匀性，LED连接方式是每种颜色的LED每3颗串联在一起，然后再并联在一起，不同颜色LED之间电路分开，以便于管理：

LED在工作时会发出大量的热能，不仅对自身的发光效率产生影响，也是也对液晶显示器有一定的影响。因此，本文采用的方法是，并未使LED全部都全额工作，LED的工作功率是连续可调的，增加LED的数量，减小工作电流，这样可以解决一部分散热问题，同时使用更多数量的LED也可以增加均匀性。

3.2扩散膜的设定

扩散膜是通过其特殊的光扩散效果，最大限度缩小点光源直射区与非直射区亮度的差异，为前部面板提供一个亮度更加均匀的面光源。本文选用的基材为PMMA，在扩散膜模型中其表面属性设定为Abg散射模型。Abg模型是对材料表面BSDF(双向表面散射分布函数）的数学模拟。

3.3棱镜膜的设定

棱镜膜（BEF）的顶角α从80°开始增大时，经BEF出射光亮度随着顶角的增大而增大，实验表明，顶角为120°时BEF汇光效果最佳，而大于130°时亮度开始逐渐下降。因此，顶角α决定了BEF聚光的能力。α为钝角时亮度明显高于锐角，但在钝角时波动幅度方面稍稍增大，减小BEF高度可以达到很好的效果。经实验，顶角为120°，折射率设为1.5时，BEF的聚光增亮性能为最好，本设计中采用的是两片正交的棱镜膜。

图1　仿真照度图

4　光学模拟与分析

本文所探讨的夜视兼容背光系统是使用RGB单色 LED 光源外加一个琥珀色(A)的LED光源的背光系统（RGBA）。在夜视工作时关掉红色 LED光源，同时使用琥珀色LED光源来补偿红光光强大幅下降所造成的显示屏亮度下降和背光源波段变窄的情况。既避免了造成夜视条件下红色光或者红外光的干扰，对背光源观察色域的影响较小。在日光条件下工作时由于加入了琥珀色的 LED 将会使显示屏的色彩更加绚烂，有利于飞行员对显示屏信息的读取。根据以上分析和计算，将LED与光学结构导入Tracepro软件中进行光线追迹模拟，其中光学膜的设定是设置其材料和表面属性,仿真所选用的单色LED均为CREE公司LM3系列产品，仿真照度图见图1。

通过控制LED的数量及其排列方式和光学膜片的配合可得到最佳的混光距离，达到尽可能薄的效果，本文设计的背光模组厚度约为30mm，同时该设计大大加强了光能的利用率，从而使得背光模组的体积变得更小，重量更轻，厚度较薄。

5　小结

直下式LED背光源在节能、画质（由高对比度、区域控制、扫描背光来实现）等方面均有比较大的优势，但是大功率LED在典型电流工作时会发出大量的热能，容易产生高温，对液晶显示器产生影响，为此，我们将其降额使用，增加灯的数量，减小工作电流，这样一来，缓解了高温问题，而多数的灯也可以在均匀性上达到更好的效果。同时使用铝基板，可以进一步解决散热问题。而采用比较合理的LED阵列排布，进一步提升显示的均匀性。我们还可以添加触控屏来增加显示屏操控的便捷性。我们设计的夜视兼容LED背光液晶屏能达到很好的夜视兼容性，采用白天和夜间双模式，保证飞行员在不同条件下都能正常读取信息，将会对飞行员有较大的帮助。

参考文献

[1]许明辉,胡元刚.夜视兼容的原理及在机载液晶显示器上的实现[J].现代显示,2006,2,48-50.

[2]马红星,陆小松.满足夜视兼容显示应用的三基色LED背光配色方案[J].液晶与显示,2013,6,373-375.

[3]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.

[4]常云飞.夜视兼容液晶显示器LED背光研究[M].合肥工业大学,2012,4.

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

[6]周羲君,冯仕猛.均匀照明LED背光板设计[J].液晶与显示,2012, 12,774-779.