基于截止滤光片的液晶显示模块夜视兼容改进

摘 要：本文研究采用截止滤光片在原有单白光LED设计的产品的基础上兼容改进液晶显示模块夜视的方法。通过分析液晶显示模块结构以及改进夜视兼容的需求，采用截止滤光片的夜视兼容改进方案，设计了相应的单片和2片截止滤光片的验证试验。结果表明，采用增加单片截止滤光片的方案，在降低亮度以及红色显示能力后，可满足彩色显示的A类、B类的辐亮度要求，关键显示画面白场和绿场可满足单色显示的B类的辐亮度要求，接近A类的辐亮度要求，夜视兼容性能显著提升。

关键词：机载显示系统；显示模块；截止滤光片；夜视兼容

中图分类号：TN 141" " " " " 文献标志码：A

加固液晶显示模块广泛应用于机载显示领域[1]，模块的基本功能是与夜视成像系统（Night Vision Imaging System，NVIS）兼容的飞机内部照明设计。模块的夜视兼容设计方法主要有2种，一种是在源头控制，采用符合光谱设计要求的背光源，规避影响夜视兼容的光谱波段[2]；另一种是在常规LED白光背光源的基础上，利用滤光片截止夜视兼容影响较大的波段光谱能量，设计夜视兼容[3]。

本文研究了在原有单白光LED设计的产品的基础上增加截止滤光片的方案，改进液晶显示模块夜视兼容。

1 夜视兼容改进设计

原液晶显示模块采用常见的底背光设计，产品的光路设计由前到后。1）显示组件。由3个部分构成，前端为减反射功能玻璃，主要用于降低产品反射以及提升整机强度；中间为液晶屏，用于接收视频信号，显示画面；后端为加热功能玻璃，其作用是低温加热。2）光学膜组件。其包括扩散膜和增亮膜，其主要作用是亮度增益以及匀光。3）背光组件。其包括白光LED和PCB灯板，为产品提供背光源。

中小尺寸的液晶显示模块多为黑底白字、黑底绿字的单色显示模式，结合夜视兼容标准中关于单色、彩色显示的相关要求，兼顾产品夜视A类、B类设计需求，在前期产品的基础上，增加昼夜2种显示模式，分别采用不同的电流控制背光，满足2个模式的调光要求。按照光路分析，在显示组件与背光组件之间增加截止滤光片，对背光中波长为570 nm～

100 0 nm的光线进行截止。

基于液晶显示模块的内部结构设计，本文设计了2种增加截止滤光片的夜视兼容改进方案，方案一是在显示组件与光学膜组件之间添加截止滤光片一，安装在光学膜的上表面；方案二是在光学膜组件的前后端添加截止滤光片一和截止滤光片二，安装在光学膜组件的前后面，如图1所示。

2 结果与分析

2.1 截止滤光片性能分析

将截止滤光片放置在自然光环境中，由于其在透明的基材上进行光学截止镀膜，截止了570 nm以上的可见光波段，因此反射色呈橙红色，透射色呈蓝绿色，呈现透反射颜色差异。

测试截止滤光片法线方向的透过和截止性能，以波长为横坐标绘制光谱透过率和截止深度曲线，如图2、图3所示。光谱透过率曲线显示，截止滤光片在425 nm～550 nm的蓝光、绿光波段上的透过率较高，平均透过率达90%以上；波长在570 nm～

1000 nm的光线透过率较低，平均透过率﹤1%。结合截止深度曲线分析，在570 nm～1 000 nm波段的平均截止深度OD（光密度，Optical Density）为6，各波段的截止深度OD均达5以上。

2.2 昼模式下亮度、色度分析

液晶显示模块在常温、常压和通电环境下工作，亮度稳定（工作约10 min）后，保持产品的亮度不变，使用柯尼卡美能达CS-2000分别测量夜视兼容改进前后昼模式下的白场、红场、绿场、蓝场和黑场的中心区域亮度、色度以及光谱数据，亮度、色度记录见表1。

采用改进方案一，增加截止滤光片一后，截止滤光片在425 nm～550 nm波段的透过率下降约10%，有效地截止了570 nm～1 000 nm波段的光线，液晶显示模块各显示画面的亮度均有下降（白场下降34.0%，红场下降99.2%，绿场下降19.1%，蓝场下降4.5%）。

采用改进方案二，增加截止滤光片一和截止滤光片二后，各显示画面亮度下降幅度基本一致（白场下降33.1%，红场下降25.8%，绿场下降35.4%，蓝场下降17.2%）。截止滤光片基于反射截止机理设计，在背光源中，不同波长光线的大角度反射率不一致，导致背光系统在法线下的光线增益不同，影响了各显示画面的亮度。因此，与方案一相比，方案二各显示画面的亮度降幅不一致。

为进一步分析产生颜色变化的原因，以波长为横坐标，以光谱数据归一化处理后的相对光谱辐射度强度为纵坐标，绘制相对光谱辐亮度分布图，如图4所示。采用截止滤光片后液晶显示模块各颜色场波长570 nm以上的光线被截止，红光波段能量无法透过液晶屏，符合设计预期。

2.3 夜模式下色度、夜视辐亮度分析

液晶显示模块在常温常压通电工作，亮度稳定（工作约10 min）后，为匹配夜视响应测试适时调整各显示画面的亮度，使用OL-770分别测量夜视兼容改进前后夜模式下的白场、红场、绿场、蓝场、黑场的中心区域亮度、色度、光谱数据以及NVIS辐亮度，数据记录见表2。

本文采用截止滤光片的改进方案，夜模式与昼模式仅背光LED的驱动电流存在差异，其他设计保持不变，整体亮度、各颜色场的色坐标变化规律应与昼模式保持一致。

当测试时，为匹配夜视兼容响应，调整了各颜色场的亮度，造成亮度数据差异；夜模式采用的背光驱动电流不同，光源LED发光光谱会有轻微变化，影响色场的色坐标值，不同的测量设备也会产生细微的数据差异，使整体昼、夜模式的各颜色场色坐标数据存在一些差异。

将 NVIS 辐亮度数据进行汇总，见表3。

光谱辐亮度归一化处理后，以相对光谱辐亮度为纵坐标，波长为横坐标，同时加入A类、B类的NVIS相对光谱响应进行绘图，如图5所示。

3 夜模式的相对光谱辐亮度分布

由表3中的夜视辐亮度值可知，液晶显示模块在夜视兼容改进前的白场和彩色场的最大夜视辐亮度均超过规定值，不满足使用需求。结合图5（a）中的光谱辐亮度分布可知，NVIS 辐亮度较高的主要原因是液晶显示模块夜视兼容改进前的光谱辐射分布与 NVIS相对光谱响应较高的区域有明显重叠。

采用改进方案一，增加截止滤光片一后，液晶显示模块的夜视辐度下降明显，白场和彩色场的夜视辐亮度均满足NVIS中彩色显示的A类、B类的辐亮度要求，其中白场、绿场和蓝场的夜视辐亮度均满足NVIS中单色显示的B类的辐亮度要求，白场、绿场的夜视辐亮度接近NVIS中单色显示的A类的辐亮度要求，夜视兼容性能显著提升。结合图4（b）中的光谱辐亮度分布可知，加入截止滤光片后，NVIS相对光谱响应较高的红光波段均被截止，改善了液晶显示模块的夜视兼容性能，符合设计要求。

采用改进方案二，增加截止滤光片一和截止滤光片二，并未进一步提升夜视兼容性能，为匹配夜视响应测试，提升了整体背光强度，增大了LED的驱动电流，导致LED光谱细微变化，辐亮度轻微提升。

4 结论

通过分析液晶显示模块结构以及夜视兼容的改进需求，本文采用基于截止滤光片的夜视兼容改进方案，设计了相应的单片及2片截止滤光片试验。试验结果表明，采用截止滤光片方案后，液晶显示模块亮度降低，但是夜视兼容性能显著提升。

综合成本以及夜视改进效果，采用增加单片截止滤光片的方案，性能可满足彩色显示的A类、B类的辐亮度要求，关键颜色白场和绿场可满足单色显示的B类的辐亮度要求，接近A类的辐亮度要求。

参考文献

[1]赵玉冬，焦垚，武永波，等.一种圆形机载液晶显示器设计[J].电子机械工程， 2019，35（6）：8-11.

[2]门金凤，程海峰，陈朝晖，等.飞机夜视兼容照明技术[J].应用光学， 2008，29（3）：354-359.

[3]赵小珍， 赵玉冬.AMOLED显示器件夜视兼容特性分析[J].光电子技术， 2016，36（3）： 211-215.