（西安應用光學研究所，國防科技工業(yè)光學一級計量站，陜西 西安 710065）

引言

軍用液晶顯示屏主要包括機載、艦載、車載等通用液晶顯示屏，用來顯示目標的地理位置、圖像信息、內(nèi)部控制與指揮信息等，是人機溝通、指揮協(xié)調(diào)、信息傳輸?shù)痊F(xiàn)代軍事信息化的重要工具，具備集成度高、亮度高、分辨率高、能耗低等一系列優(yōu)點[1-5]。

軍用液晶顯示屏由于受到發(fā)光器件的影響，不同環(huán)境光照下的亮度顯示特性、響應時間的遲滯及過飽效應等對于正確獲取顯示信息，做出正確判斷并發(fā)送指揮指令至關(guān)重要[6-10]。特別是在強太陽光的直射下，機載儀表盤顯示屏的對比度和亮度下降，再加之強鏡面反射，導致飛行員難以正確判讀儀表盤的顯示信息和飛機的飛行狀態(tài)，給安全飛行帶來很大隱患[11-12]。因此，迫切需要開展在強光照環(huán)境下軍用液晶顯示屏亮度、色度顯示特性及響應時間特性等綜合參數(shù)的檢測技術(shù)研究。

本文針對目前軍用液晶顯示屏缺少全面科學檢測的問題，研制了強光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測裝置，采用4 kW 金鹵燈與反射式光學系統(tǒng)實現(xiàn)照度達到105lx量級的環(huán)境光照，著重研究了響應時間和亮度均勻性檢測方法，并對液晶顯示屏檢測精度的影響因素進行了分析。

1 軍用液晶顯示屏檢測裝置

在強光環(huán)境下，軍用液晶顯示屏綜合檢測裝置主要由強光光源、高精度多視場彩色亮度計、動態(tài)響應時間檢測模塊、三軸檢測平臺及精密調(diào)節(jié)機構(gòu)、電控旋轉(zhuǎn)平臺及控制系統(tǒng)組成，組成圖如圖1所示。強光光源采用4 kW 金鹵燈，提供距離在0.5 m處、照射面積在0.5 m×0.5 m區(qū)域內(nèi)以及照度達到105lx量級的模擬環(huán)境光照；高精度多視場彩色亮度計通過把硅探測器的光譜響應匹配成CIE 標準色度觀察者光譜三刺激值曲線，采用光電積分法實現(xiàn)液晶顯示屏亮度、色度參數(shù)的測量；動態(tài)響應時間檢測模塊通過對光信號的動態(tài)變化進行測試，來完成對液晶顯示屏響應時間的快速檢測[13]；三軸檢測平臺及精密調(diào)節(jié)機構(gòu)與電控旋轉(zhuǎn)平臺集成，用于安裝各類液晶顯示屏，進行液晶顯示屏三維移動、旋轉(zhuǎn)等多方位的精密調(diào)整。

軍用液晶顯示屏綜合檢測裝置實現(xiàn)了102lx ～105lx量級條件下，對液晶顯示屏亮度顯示特性、色度、對比度、視角、響應時間和溫度等關(guān)鍵參數(shù)的檢測，檢測裝置實物圖如圖2所示。

圖2 強光環(huán)境下軍用液晶顯示屏檢測裝置實物圖Fig.2 Picture of detection device for military LCD under strong light

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 強光光源設(shè)計

強光光源由4 kW 金鹵燈、反射光學系統(tǒng)、金鹵燈電子鎮(zhèn)流器及安裝支架等組成，如圖2所示。其中4 kW 金鹵燈采用高氣壓金屬蒸汽放電原理，色溫為6000 k，其發(fā)光光譜與太陽光光譜的匹配度符合B級太陽模擬器要求[14]。反射光學系統(tǒng)采用鎳基鍍鋁工藝，基底材料和反射層的熱膨系數(shù)接近，降低因冷縮造成脫模的機率。金鹵燈電子鎮(zhèn)流器電流連續(xù)可調(diào)，其供電穩(wěn)定性達到0.02%。

2.2 響應時間檢測模塊設(shè)計

響應時間檢測模塊主要由標準探測器、精密前置放大器、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步控制電路等組成。測量時將液晶顯示屏直接對準響應時間檢測模塊的標準探測器，當液晶顯示屏的光信號照射到探測器表面時，由探測器進行探測，經(jīng)前置放大電路后輸入給高速AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過DSP 連續(xù)讀入并存儲于數(shù)據(jù)存儲器中。通過DSP 進行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)采集的波形分布即可給出上升時間和下降時間。圖3為響應時間檢測模塊原理圖。

圖3 響應時間檢測模塊原理圖Fig.3 Schematic of response time detection module

2.3 大型三軸檢測平臺及精密調(diào)節(jié)機構(gòu)設(shè)計

大型三軸檢測平臺用于安裝各類液晶顯示屏，并可集成水平電控旋轉(zhuǎn)平臺，進行上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)等多方位的精密調(diào)整，是完成各類液晶顯示屏亮度及均勻性、色度及均勻性以及水平視角、垂直視角、瑕疵等檢測的關(guān)鍵設(shè)備。主體材料為鋁合金，并進行黑色陽極氧化處理。臺面采用25 mm×25 mm 標準孔距及專用固定螺孔，臺面尺寸為500 mm×500 mm。圖4為大型三軸檢測平臺主體設(shè)計圖。

圖4 大型三軸檢測平臺主體設(shè)計圖Fig.4 Main part design of large triaxial detecting platform

3 檢測方法研究

針對軍用液晶顯示屏綜合參數(shù)的檢測需求，強光環(huán)境下軍用液晶顯示屏檢測裝置可實現(xiàn)在強光照度為102lx ～105lx量級條件下，軍用液晶顯示屏的亮度顯示特性、白場色度、對比度、視角、均勻性、時間特性等參數(shù)的檢測。其中亮度顯示特性、白場色度、對比度、視角為基礎(chǔ)參數(shù)，通過高精度多視場彩色亮度計測量亮度、色度值計算得到，重點分析響應時間、亮度均勻性及高溫下顯示正常性的檢測方法。

3.1 響應時間檢測

液晶顯示屏的響應時間是同步傳輸信息的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括上升時間和下降時間等。上升時間也稱開通時間，定義為亮度從0%變化到90%所需要的時間；下降時間也稱關(guān)閉時間，定義為亮度從100%變化到10%所需要的時間。

響應時間的檢測采用響應時間檢測模塊進行，將液晶顯示屏直接對準響應時間檢測模塊的高速探測器，根據(jù)高速探測器采集的光信號波形分布即可給出上升時間和下降時間。液晶顯示屏上升時間測量時必須捕捉液晶顯示屏發(fā)光的起點，以便于觸發(fā)采集系統(tǒng)開始測試，從而得到液晶顯示屏發(fā)光的整個持續(xù)過程。

響應時間檢測模塊的同步測試有三種方法：外同步觸發(fā)、光控觸發(fā)、軟件比較觸發(fā)。軟件比較觸發(fā)是在外部數(shù)據(jù)存儲器中設(shè)一個環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，開始測試后，由軟件控制讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，判斷并存入環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。一旦大于設(shè)定值，退出環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，到另外的線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)，直到測試結(jié)束，最后將環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拼到線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的前端即得到完整的曲線。此方法不會丟失弱信號前沿數(shù)據(jù)，可獲得完整的波形，且成本低、穩(wěn)定性高，兼容所有液晶顯示屏的測試。

3.2 亮度均勻性檢測

亮度均勻性的檢測方法分為：最大最小法、平均值法、空間分布法等。其中空間分布法采用多視場彩色亮度計對整個液晶顯示屏進行平面弓形掃描，亮度均勻性按照公式計算為

式中：Lmax（i0，j0）為液晶顯示屏上最大的光亮度；L（i，j）為液晶顯示屏上任一位置點（i，j）的光亮度；L背景雜光為背景光亮度。

由（1）式可知，獲得每個點的亮度L（i，j）后，可得出整個顯示屏的均勻性。液晶顯示屏上各個點的u（i，j）值越趨近1，則均勻性越好。該方法給出在液晶顯示屏上各個位置點檢測的詳細情況，凸顯均勻性的空間位置分布。

圖5為圓形液晶屏均勻性檢測的空間分布，由圖可知顯示屏上各個點發(fā)光的詳細情況及光信號的一致性，準確給出在顯示屏上某坐標位置點的均勻性。

圖5 某液晶顯示屏均勻性檢測結(jié)果Fig.5 Detection results of uniformity for LCD

3.3 高溫下顯示正常性檢測

在強光照射下，軍用液晶顯示屏表面溫度會逐漸升高，照射10 min后溫度一般可達80℃，因此需要檢測在強光照射下液晶顯示屏工作的正常性。檢測方法為設(shè)定液晶顯示屏顯示彩色圖像，在暗室條件下采用高分辨率CCD相機采集液晶顯示屏的圖像并存儲。其次，打開強光光源，慢慢加電直至強光光照下的電流電壓，穩(wěn)定10 min后，再次采用高分辨率CCD相機采集液晶顯示屏的圖像，對比分析強光光照下液晶顯示屏的表面溫度達到80℃時前后采集的圖像，分析液晶顯示屏圖像及顏色是否正常，檢測流程圖如圖6所示。

圖6 高溫下顯示正常性檢測流程圖Fig.6 Flow chart of detection for display normality under high temperature

4 實驗結(jié)果與檢測精度分析

4.1 實驗結(jié)果

在強光環(huán)境下，軍用液晶顯示屏檢測裝置對一種加固型液晶顯示屏進行了綜合參數(shù)檢測，檢測結(jié)果如表1所示，滿足液晶顯示屏性能試驗大綱中的檢測要求。

表1 加固型液晶顯示屏檢測結(jié)果Table1 Detection results of ruggedized LCD

4.2 檢測精度分析

軍用液晶顯示屏綜合參數(shù)檢測受到眾多因素影響，其關(guān)鍵影響因素包括：環(huán)境雜散光、高精度多視場彩色亮度計測量精度和響應時間檢測模塊測量精度等。

環(huán)境雜散光的影響主要包括兩部分：第一類是環(huán)境自身的雜散光影響，第二類是液晶顯示屏發(fā)光照射到設(shè)備產(chǎn)生的反射雜散光影響。對于第一類雜散光的影響，在暗室條件下進行測試[15]；對于第二類雜散光的影響，針對安裝調(diào)試液晶顯示屏的平臺表面因液晶顯示屏自身發(fā)光而產(chǎn)生大量的反射雜散光，在平臺表面遮覆高吸收率吸光絨布，因此在檢測過程中環(huán)境雜散光的影響可以忽略。

高精度多視場彩色亮度計主要用于液晶顯示屏的亮度及其均勻性、色度及其均勻性、對比度等檢測。對于滿足JJG 211-2005《亮度計檢定規(guī)程》標準級要求的彩色亮度計，其亮度示值誤差為±2.5%，色坐標示值誤差為±0.01。通過定期計量檢定，可實現(xiàn)亮度參數(shù)檢測精度3%、色度參數(shù)檢測精度±0.01的性能指標。

響應時間檢測模塊主要用于液晶顯示屏的響應時間檢測，其測量精度的影響因素主要為高速探測器響應時間及信號采集模塊測量精度。通過瞬態(tài)光度標準裝置校準后，響應時間的測量精度優(yōu)于3%。

5 結(jié)論

本文研制了強光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測裝置，詳細介紹了強光光源、響應時間檢測模塊和大型三軸檢測平臺及精密調(diào)節(jié)機構(gòu)等關(guān)鍵部件，分析了響應時間、亮度均勻性和高溫下顯示正常性等參數(shù)的檢測方法，對軍用液晶顯示屏檢測精度進行了分析，從而系統(tǒng)地解決了在強光照條件下，軍用液晶顯示屏的質(zhì)量檢測與評價問題。強光環(huán)境下軍用液晶顯示屏綜合檢測裝置將廣泛應用于軍用液晶顯示屏性能試驗，測試評估等領(lǐng)域。隨著液晶顯示屏現(xiàn)場測量需求日益迫切，今后將研制具備高集成化程度、測試功能齊全等具有一體化設(shè)計特點的軍用液晶顯示屏測量儀。