馬紅星，陸小松

（1.中國人民解放軍海軍駐合肥地區(qū)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(jī)執(zhí)行夜間任務(wù)時，夜視成像系統(tǒng)（以下簡稱NVIS）是重要的輔助設(shè)備。所謂NVIS，是指在夜光條件下利用像增強(qiáng)管對景物特征增強(qiáng)呈現(xiàn)的系統(tǒng)，有利于及時發(fā)現(xiàn)辨別光強(qiáng)微弱、譜段超出可見范圍、肉眼難以辨別的目標(biāo)。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(biāo)，因此對顯示設(shè)備的成像兼容性有要求。

由于戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的特征，NVIS的像增強(qiáng)管一般都是對近紅外波段及少部分紅光有較強(qiáng)的增益率，如果顯示設(shè)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(fā)光面，不僅會掩蓋顯示屏上的字符線條，也使對艙外目標(biāo)的視覺分辨力下降。因此針對具有不同光譜轉(zhuǎn)換特性的NVIS，GJB1394規(guī)定了不同的艙內(nèi)照明和顯示設(shè)備近紅外輻射的考核限定指標(biāo)。對于彩色顯示器，其針對B類像增強(qiáng)設(shè)備的兼容性要求為：當(dāng)顯示“白色”時，折算到1.713cd／m2亮度下的夜視響應(yīng)輻射亮度不應(yīng)高于2.2×10－9W／（sr·cm2），對于其他顯示顏色畫面，不應(yīng)超過1.1×10－8W／（sr·cm2）［1］。

液晶顯示器是目前機(jī)載航電系統(tǒng)應(yīng)用得最普遍的顯示設(shè)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(diào)制、低壓驅(qū)動、使用壽命長等優(yōu)點。通常為了達(dá)到較高的發(fā)光轉(zhuǎn)換效率以滿足白晝環(huán)境亮度需求，一般使用的都是藍(lán)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(shè)備夜視兼容性極為不利，實測數(shù)據(jù)表明白場輻亮度在10－8～10－7W／（cm2·sr）量級，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國軍標(biāo)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(guān)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(dāng)拓展色域［8］；或采用上述兩種方式的結(jié)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(fā)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(xiàn)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(qū)，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(zhì)量。

我們通過對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析的方法，找出輻亮度和配色色坐標(biāo)的依賴關(guān)系，并據(jù)此求出特定輻亮度限制下與目標(biāo)色偏離最小的點，對如何配色具有明確的指導(dǎo)意義。

2 實 驗

對于色彩的衡量一般通過CIE1976色空間下色坐標(biāo)相對于目標(biāo)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(jìn)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(quán)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(biāo)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(shù)。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?qū)?50～1 100nm譜段以1nm分辨率對動態(tài)范圍超過109的輻射量進(jìn)行測量，色坐標(biāo)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(qū)動電流占空比來調(diào)整三基色配比，測量多組色坐標(biāo)和輻亮度的關(guān)系，獲得數(shù)據(jù)見表1。

表1 夜視輻亮度與色度關(guān)系Table 1 NVIS radiance vs.chroma

3 結(jié)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(tǒng)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(shù)據(jù)點以消除誤差。

以二維色坐標(biāo)為自變量，輻亮度為因變量，由前3組數(shù)據(jù)得到的回歸方程為：

將后3組數(shù)據(jù)代入進(jìn)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%。考慮到白平衡附近色坐標(biāo)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(fù)合誤差范圍內(nèi)。第四、第五組數(shù)據(jù)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(biāo)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(jié)果與我們的實際經(jīng)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(shè)其輻亮度與色坐標(biāo)之間的通過上述線性回歸方法得到的關(guān)系式為：

根據(jù)輻亮度上限和與參照點偏差極值條件可以求出最優(yōu)配色點。

其中ui、vi、Ri是實驗測得的任意一組色坐標(biāo)－輻亮度數(shù)值。

4 結(jié) 論

提出了采用三基色LED作為夜視兼容解決方案的機(jī)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(biāo)、輻亮度對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而求出在特定輻亮度、色差限制下最佳的顏色組合關(guān)系，從而能夠快捷、有效地確定顯示器背光配比狀態(tài)，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(qiáng)設(shè)備還是直接觀察顯示屏都能達(dá)到較理想的觀察效果。

［1］ 國防科技工業(yè)委員會.GJB1394－1986與夜視成像系統(tǒng)兼容的飛機(jī)內(nèi)部照明［S］.北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)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(jìn)展 ［J］.材料導(dǎo)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(bǔ)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(yuǎn)，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(tǒng)：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(tǒng)兼容的LED光源及其照明系統(tǒng)：中國專利，1936416［P］.2007－03－28.Wu J H，F(xiàn)ang 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.