安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 江 龍 楊宏運(yùn) 宮明艷

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夜視兼容的直下式液晶屏背光模組的設(shè)計(jì)

安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 江 龍 楊宏運(yùn) 宮明艷

【摘要】具有夜視兼容性的液晶顯示器背光系統(tǒng)不僅能在日光環(huán)境下正常工作，同時(shí)在夜晚無光或光線微弱條件下也不會(huì)發(fā)出干擾使用者夜視設(shè)備的光和能量。本文所探討的10.4英寸夜視兼容液晶屏的背光系統(tǒng)是使用紅、綠、藍(lán)（RGB）單色 LED 光源外加一個(gè)琥珀色(A)的LED燈的背光系統(tǒng)（RGBA）。在夜視工作時(shí)把紅色 LED 燈關(guān)掉，不會(huì)產(chǎn)生波長在610nm 至 930nm 之間的紅光或近紅外光。所造成的背光源波段變窄的情況則由琥珀色LED 燈來補(bǔ)償，既避免了造成夜視條件下紅色光或者紅外光的干擾，對(duì)背光源觀察色域的影響較小。在日光條件下工作時(shí)由于加入了琥珀色的 LED 將會(huì)使顯示屏的色彩更加絢爛。

【關(guān)鍵詞】液晶顯示器；夜視兼容；背光模組；LED

1　引言

所謂夜視兼容性指的是工作環(huán)境中的顯示器和照明光源不會(huì)與夜視成像系統(tǒng)（NVIS，主要是微光夜視儀）相干擾，并且保證一定情況下裸眼可視。而且夜視兼容也意味著敵方的NVIS系統(tǒng)不太容易在遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)具備夜視兼容性的發(fā)光體[1]。在夜晚工作條件下，使用普通背光系統(tǒng)的顯示儀器，對(duì)NVIS 影響最大的主要是近紅外波段的光線，由于紅色 LED 的存在使得顯示儀器發(fā)射出能量很高的紅光和紅外光，嚴(yán)重干擾觀察者夜視儀器上的 NVIS。所以必須要過濾掉背光系統(tǒng)發(fā)出的波長在 610nm 到 930nm 之間的光[2]，但是在過濾之后會(huì)使得背光系統(tǒng)的色域范圍變小，對(duì)觀察者的視覺觀察造成很大的困難。好的夜視兼容性顯示器，可以保證飛行員在夜間飛行時(shí)，既能通過目視獲取飛機(jī)顯示器上的信息，又能保證NVIS的正常工作。

國外在夜視兼容照明器件的研發(fā)方面已經(jīng)開發(fā)出一系列性能較好的機(jī)外照明及座艙照明器件，如夜視兼容照明燈具、雙模夜視防撞燈、夜視兼容機(jī)載液晶顯示屏等。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是在顯示器上安裝夜視兼容紅外濾光片[3]，該方法設(shè)計(jì)比較簡單、周期較短，但是安裝濾光片后顯示器亮度大幅下降，白天特別是太陽光下的時(shí)候，必須將濾光片取下，使用起來非常不方便。而且頻繁的拆裝容易導(dǎo)致漏光，安裝過程對(duì)工藝的要求也較高。

相對(duì)于美國等發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)在夜視兼容液晶顯示器背光領(lǐng)域的研制方面起步比較晚，整體技術(shù)水平相對(duì)落后，且沒有廠家能夠進(jìn)行量產(chǎn)。雖然已經(jīng)有一些公司和單位可以研制出性能比較優(yōu)越的夜視兼容背光源，如中電五十五所和中航華東光電技術(shù)研究院等，但是由于成本和技術(shù)的實(shí)用性等因素的制約，目前國內(nèi)關(guān)于夜視兼容液晶顯示器背光源的批量生產(chǎn)主要依賴于從美國等國家進(jìn)口的夜視兼容近紅外吸收濾光片[4]。

本文所探討的夜視兼容背光系統(tǒng)是使用紅、綠、藍(lán)（RGB）單色 LED 光源外加一個(gè)琥珀色(A)的LED燈的背光系統(tǒng)（RGBA）。在夜視工作時(shí)使紅色 LED 光源發(fā)光保持在微光夜視儀的接受范圍以內(nèi)，即產(chǎn)生的波長在610nm 至 930nm 之間的紅光或紅外光（IR）能量較弱，不會(huì)使微光夜視儀由于接收到過強(qiáng)的能量而失去工作能力。所造成的顯示屏變暗和背光源波段變窄的情況則由琥珀色LED燈來補(bǔ)償，既避免了夜視條件下紅色光或者紅外光的干擾，也不會(huì)影響背光源的色域[5]；在日光條件下工作時(shí)由于加入了琥珀色的 LED將會(huì)使顯示屏的色彩更加絢爛。

2　LCD的基本結(jié)構(gòu)

目前液晶顯示器普遍采用的是TFT-LCD（Thin Film Transistor-LCD，薄膜晶體管LCD）。TFT-LCD包含背光模組和液晶面板[6]，背光模組發(fā)出的光透過液晶面板形成圖像。

背光模組也稱為背光板，泛指提供一個(gè)充足亮度和均勻照度分布的背面光源組件。背光源的性能直接決定了液晶顯示屏的亮度、均勻度、色階等重要參數(shù)，很大程度上決定了液晶顯示屏的發(fā)光效果。

根據(jù)背光源的照射分布位置和結(jié)構(gòu)的差異可分為側(cè)光式和直下式兩種。直下式背光源中光源放置于正下方。由于LED具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為高檔液晶屏背光源的主流器件，本文采用LED設(shè)計(jì)夜視兼容的背光模組。

3　直下式背光模組的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)10.4英寸4:3的LCD背光模組實(shí)例，主要采用了直下型的白光LED背光源設(shè)計(jì)，其光學(xué)性能基本可以做到白天可以達(dá)到670cd/m2，在強(qiáng)太陽光照射的情況下也能有效看清，在夜晚最低亮度小于0.17 cd/m2，具有夜視兼容能力。通過對(duì)LCD屏、液晶材料、擴(kuò)散板光學(xué)膜及結(jié)構(gòu)等影響因素的研究分析，完成了LED背光設(shè)計(jì)中LED光通量及其功耗的理論計(jì)算。根據(jù)計(jì)算所得背光源的光通量并結(jié)合LED燈光學(xué)特性就可以計(jì)算出所需的LED的數(shù)量。

3.1LED的選擇和排列

（1）背光模組的幾何尺寸

通常情況下，LCD面板和背光模組大小相當(dāng)。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)寬高比為4:3的10.4英寸的液晶顯示屏，寬度為211.33mm，高度為158.5mm。

（2）LED的選擇和排列

本文中采用108顆LED芯片按照屏幕長寬比例的4:3排布成12行9列，選用紅(R)綠(G)藍(lán)(B)琥珀(A)四種單色LED，每種LED各27顆相互間隔均勻排列，這樣基本保證了四色LED芯片的排布的均勻性，LED連接方式是每種顏色的LED每3顆串聯(lián)在一起，然后再并聯(lián)在一起，不同顏色LED之間電路分開，以便于管理：

LED在工作時(shí)會(huì)發(fā)出大量的熱能，不僅對(duì)自身的發(fā)光效率產(chǎn)生影響，也是也對(duì)液晶顯示器有一定的影響。因此，本文采用的方法是，并未使LED全部都全額工作，LED的工作功率是連續(xù)可調(diào)的，增加LED的數(shù)量，減小工作電流，這樣可以解決一部分散熱問題，同時(shí)使用更多數(shù)量的LED也可以增加均勻性。

3.2擴(kuò)散膜的設(shè)定

擴(kuò)散膜是通過其特殊的光擴(kuò)散效果，最大限度縮小點(diǎn)光源直射區(qū)與非直射區(qū)亮度的差異，為前部面板提供一個(gè)亮度更加均勻的面光源。本文選用的基材為PMMA，在擴(kuò)散膜模型中其表面屬性設(shè)定為Abg散射模型。Abg模型是對(duì)材料表面BSDF(雙向表面散射分布函數(shù)）的數(shù)學(xué)模擬。

3.3棱鏡膜的設(shè)定

棱鏡膜（BEF）的頂角α從80°開始增大時(shí)，經(jīng)BEF出射光亮度隨著頂角的增大而增大，實(shí)驗(yàn)表明，頂角為120°時(shí)BEF匯光效果最佳，而大于130°時(shí)亮度開始逐漸下降。因此，頂角α決定了BEF聚光的能力。α為鈍角時(shí)亮度明顯高于銳角，但在鈍角時(shí)波動(dòng)幅度方面稍稍增大，減小BEF高度可以達(dá)到很好的效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，頂角為120°，折射率設(shè)為1.5時(shí)，BEF的聚光增亮性能為最好，本設(shè)計(jì)中采用的是兩片正交的棱鏡膜。

圖1　仿真照度圖

4　光學(xué)模擬與分析

本文所探討的夜視兼容背光系統(tǒng)是使用RGB單色 LED 光源外加一個(gè)琥珀色(A)的LED光源的背光系統(tǒng)（RGBA）。在夜視工作時(shí)關(guān)掉紅色 LED光源，同時(shí)使用琥珀色LED光源來補(bǔ)償紅光光強(qiáng)大幅下降所造成的顯示屏亮度下降和背光源波段變窄的情況。既避免了造成夜視條件下紅色光或者紅外光的干擾，對(duì)背光源觀察色域的影響較小。在日光條件下工作時(shí)由于加入了琥珀色的 LED 將會(huì)使顯示屏的色彩更加絢爛，有利于飛行員對(duì)顯示屏信息的讀取。根據(jù)以上分析和計(jì)算，將LED與光學(xué)結(jié)構(gòu)導(dǎo)入Tracepro軟件中進(jìn)行光線追跡模擬，其中光學(xué)膜的設(shè)定是設(shè)置其材料和表面屬性,仿真所選用的單色LED均為CREE公司LM3系列產(chǎn)品，仿真照度圖見圖1。

通過控制LED的數(shù)量及其排列方式和光學(xué)膜片的配合可得到最佳的混光距離，達(dá)到盡可能薄的效果，本文設(shè)計(jì)的背光模組厚度約為30mm，同時(shí)該設(shè)計(jì)大大加強(qiáng)了光能的利用率，從而使得背光模組的體積變得更小，重量更輕，厚度較薄。

5　小結(jié)

直下式LED背光源在節(jié)能、畫質(zhì)（由高對(duì)比度、區(qū)域控制、掃描背光來實(shí)現(xiàn)）等方面均有比較大的優(yōu)勢(shì)，但是大功率LED在典型電流工作時(shí)會(huì)發(fā)出大量的熱能，容易產(chǎn)生高溫，對(duì)液晶顯示器產(chǎn)生影響，為此，我們將其降額使用，增加燈的數(shù)量，減小工作電流，這樣一來，緩解了高溫問題，而多數(shù)的燈也可以在均勻性上達(dá)到更好的效果。同時(shí)使用鋁基板，可以進(jìn)一步解決散熱問題。而采用比較合理的LED陣列排布，進(jìn)一步提升顯示的均勻性。我們還可以添加觸控屏來增加顯示屏操控的便捷性。我們?cè)O(shè)計(jì)的夜視兼容LED背光液晶屏能達(dá)到很好的夜視兼容性，采用白天和夜間雙模式，保證飛行員在不同條件下都能正常讀取信息，將會(huì)對(duì)飛行員有較大的幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]許明輝,胡元?jiǎng)?夜視兼容的原理及在機(jī)載液晶顯示器上的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代顯示,2006,2,48-50.

[2]馬紅星,陸小松.滿足夜視兼容顯示應(yīng)用的三基色LED背光配色方案[J].液晶與顯示,2013,6,373-375.

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[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,馮仕猛.均勻照明LED背光板設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2012, 12,774-779.