基于截止滤光片的液晶显示模块夜视兼容改进.pdf

中国新技术新产品2024 NO.4（上）-4-高 新 技 术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 nm100 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。基于截止滤光片的液晶显示模块夜视兼容改进卢业能（中航华东光电有限公司，安徽 芜湖 241000）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：TN141文献标志码：A算法的搜索效率，与传统 Astar 算法相比，路径拓展节点数平均减少了约66.35%。经过冗余节点剔除处理与贝塞尔平滑处理后，规划路径转折点更少，平滑度更高，与传统 Astar算法相比，路径包括节点数减少了 38.8%。4 结论为提高 Astar 算法的搜索效率，本文提出在传统 Astar 算法的基础上优化其启发函数，设置动态权重因子，并将欧氏距离启发函数替换为融合曼哈顿距离与欧氏距离优势的混合启发函数 hEM（n），缩短了寻优时间，提高了搜索效率。将传统 Astar 算法中八邻域搜索改为动态五邻域搜索，算法目标导向性增强，也避免了在定向五邻域搜索中出现在复杂情况下找不到最优路径的问题。针对传统 Astar 算法规划的路径节点冗余、转折点过多和平滑度差等现象，对改进后的 Astar 算法进行三阶贝塞尔曲线平滑处理，并剔除最终路径冗余节点，减少了转折点个数，提高了路径质量。参考文献1DECHTER R，PEARL J.Generalized best-first search strategies and the optimality of A*J.Journal of the ACM，1985，32（3）：505-536.2ZAID T，QURESHI A H，YASAR A，et al.Potentially guided bidirectionalized RRT*for fast optimal path planning in cluttered environmentsJ.Robotics and Autonomous Systems，2018（108）：13-27.3 朱茂飞，胡方亚，李娜可，等.无人驾驶汽车路径规划算法综述 J.农业装备与车辆工程，2023，61（11）：18-22.4 李晓旭，马兴录，王先鹏.移动机器人路径规划算法综述 J.计算机测量与控制，2022，30（7）：9-19.5 李晨辉，王泽峰，胡德燕，等.移动机器人的路径规划技术研究 J.机电工程技术，2023，52（1）：5-9.6 远子涵，张皓，左晋，等.基于12方向24邻域的 A*算法路径规划研究 J.北京印刷学院学报，2023，31（9）：38-43.7 孔继利，张鹏坤，刘晓平.双向搜索机制的改进 A*算法研究 J.计算机工程与应用，2021，57（8）：231-237.8 刘梦杰，朱希安，王占刚，等.基于双向 A*算法的矿井水灾逃生路径应用研究 J.煤炭工程，2019，51（9）：42-47.9 胡杰，朱琪，陈锐鹏，等.引入必经点约束的智能汽车全局路径规划 J.汽车工程，2023，45（3）：350-360.中国新技术新产品2024 NO.4（上）-5-高 新 技 术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 nm550 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 nm1000 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 nm1 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 nm550 nm 波段的透过率下降约 10%，有效地截止了570 nm1 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10864204005006007008009001 000 1 100波长/nm截止深度OD截止深度图 3 截止滤光片的截止深度曲线表 1 夜视兼容改进前后昼模式下的亮度、色度数据显示画面改进前改进方案一改进方案二亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v白场1102.100 00.191 50.479 5727.630 00.101 10.456 1487.010 00.100 10.421 7红场211.050 00.458 60.524 51.587 50.165 90.218 61.178 70.164 20.191 1绿场798.620 00.121 40.568 1646.020 00.076 80.571 4417.180 00.065 00.567 1蓝场86.051 00.161 60.193 182.148 00.156 50.191 267.985 00.158 90.177 7黑场0.994 50.180 20.439 80.556 40.114 70.388 10.401 60.117 30.356 9100806040200300400500600700800900 1 000 1 100波长/nm透光率/%透光率图 2 截止滤光片的光谱透过率曲线 图 1 夜视兼容改进方案示意图结构件结构件结构件显示组件截止滤光片二截止滤光片一背光组件电路板组件光学膜组件中国新技术新产品2024 NO.4（上）-6-高 新 技 术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。表 3 夜视兼容改进前后的夜视辐亮度数据色场改进前改进方案一改进方案二电子和电光显示器（彩色）辐亮度要求电子和电光显示器（单色）辐亮度要求NRANRBNRANRBNRANRBNRANRBNRANRB白场7.9710-84.9110-82.3110-106.7510-113.1310-101.3310-102.3010-92.2010-91.7010-101.6010-10红场3.2810-71.9910-79.1510-96.9610-91.2010-89.7910-91.2010-81.1010-8绿场8.2410-97.7510-91.9310-106.0610-112.9610-101.4810-10蓝场9.4910-88.9210-81.1510-98.2110-103.0910-102.4010-11注：NRA为A类设备的NVIS对辐亮度的要求；NRB为B类设备的NVIS对辐亮度的要求，辐亮度要求来自GJB13941992 与夜视成像系统兼容的飞机内部照明。表 2 夜视兼容改进前后夜模式下的亮度、色度数据显示画面改进前改进方案一改进方案二亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v亮度/（cdm-2）色坐标u色坐标v白场3.234 00.187 60.473 71.967 00.096 20.439 21.307 00.099 30.400 8红场2.675 00.430 40.529 66.687 00.165 70.208 56.883 00.175 70.166 0绿场2.263 00.106 50.562 91.744 00.063 90.563 01.135 00.055 00.555 1蓝场1.429 00.172 40.169 87.570 00.167 60.165 96.305 00.170 30.153 4图 4 夜视兼容改进前后昼模式的相对光谱辐亮度分布（a）夜视兼容改进前1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场400500600700800波长/nm相对光谱辐亮度（b）改进方案一1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场400500600700800波长/nm相对光谱辐亮度（c）改进方案二1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场400500600700800波长/nm相对光谱辐亮度中国新技术新产品2024 NO.4（上）-7-高 新 技 术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.图 5 夜视兼容改进前后夜模式的相对光谱辐亮度分布（a）夜视兼容改进前1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场GA（）GB（）3004005006007008009001 000波长/nm相对光谱辐亮度（b）改进方案一1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场GA（）GB（）3004005006007008009001 000波长/nm相对光谱辐亮度（c）改进方案二1.00.80.60.40.20.0白场 红场 绿场 蓝场GA（）GB（）3004005006007008009001 000波长/nm相对光谱辐亮度注：GA（）为A类设备的NVIS相对光谱响应；GB（）为B类设备的NVIS相对光谱响应。