夜視兼容的直下式液晶屏背光模組的設計

安徽師范大學物理與電子信息學院 江 龍 楊宏運 宮明艷

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夜視兼容的直下式液晶屏背光模組的設計

安徽師范大學物理與電子信息學院 江 龍 楊宏運 宮明艷

【摘要】具有夜視兼容性的液晶顯示器背光系統不僅能在日光環境下正常工作，同時在夜晚無光或光線微弱條件下也不會發出干擾使用者夜視設備的光和能量。本文所探討的10.4英寸夜視兼容液晶屏的背光系統是使用紅、綠、藍（RGB）單色 LED 光源外加一個琥珀色(A)的LED燈的背光系統（RGBA）。在夜視工作時把紅色 LED 燈關掉，不會產生波長在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 燈來補償，既避免了造成夜視條件下紅色光或者紅外光的干擾，對背光源觀察色域的影響較小。在日光條件下工作時由于加入了琥珀色的 LED 將會使顯示屏的色彩更加絢爛。

【關鍵詞】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境中的顯示器和照明光源不會與夜視成像系統（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系統不太容易在遠處發現具備夜視兼容性的發光體[1]。在夜晚工作條件下，使用普通背光系統的顯示儀器，對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射出能量很高的紅光和紅外光，嚴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發出的波長在 610nm 到 930nm 之間的光[2]，但是在過濾之后會使得背光系統的色域范圍變小，對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，既能通過目視獲取飛機顯示器上的信息，又能保證NVIS的正常工作。

國外在夜視兼容照明器件的研發方面已經開發出一系列性能較好的機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、夜視兼容機載液晶顯示屏等。傳統的設計思想是在顯示器上安裝夜視兼容紅外濾光片[3]，該方法設計比較簡單、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致漏光，安裝過程對工藝的要求也較高。

相對于美國等發達國家，國內在夜視兼容液晶顯示器背光領域的研制方面起步比較晚，整體技術水平相對落后，且沒有廠家能夠進行量產。雖然已經有一些公司和單位可以研制出性能比較優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研究院等，但是由于成本和技術的實用性等因素的制約，目前國內關于夜視兼容液晶顯示器背光源的批量生產主要依賴于從美國等國家進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是使用紅、綠、藍（RGB）單色 LED 光源外加一個琥珀色(A)的LED燈的背光系統（RGBA）。在夜視工作時使紅色 LED 光源發光保持在微光夜視儀的接受范圍以內，即產生的波長在610nm 至 930nm 之間的紅光或紅外光（IR）能量較弱，不會使微光夜視儀由于接收到過強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燈來補償，既避免了夜視條件下紅色光或者紅外光的干擾，也不會影響背光源的色域[5]；在日光條件下工作時由于加入了琥珀色的 LED將會使顯示屏的色彩更加絢爛。

2　LCD的基本結構

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，很大程度上決定了液晶顯示屏的發光效果。

根據背光源的照射分布位置和結構的差異可分為側光式和直下式兩種。直下式背光源中光源放置于正下方。由于LED具有眾多的優點，已經成為高檔液晶屏背光源的主流器件，本文采用LED設計夜視兼容的背光模組。

3　直下式背光模組的設計

本文設計的是一個10.4英寸4:3的LCD背光模組實例，主要采用了直下型的白光LED背光源設計，其光學性能基本可以做到白天可以達到670cd/m2，在強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LCD屏、液晶材料、擴散板光學膜及結構等影響因素的研究分析，完成了LED背光設計中LED光通量及其功耗的理論計算。根據計算所得背光源的光通量并結合LED燈光學特性就可以計算出所需的LED的數量。

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。本文設計的是一個寬高比為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(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顆串聯在一起，然后再并聯在一起，不同顏色LED之間電路分開，以便于管理：

LED在工作時會發出大量的熱能，不僅對自身的發光效率產生影響，也是也對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的工作功率是連續可調的，增加LED的數量，減小工作電流，這樣可以解決一部分散熱問題，同時使用更多數量的LED也可以增加均勻性。

3.2擴散膜的設定

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

3.3棱鏡膜的設定

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

圖1　仿真照度圖

4　光學模擬與分析

本文所探討的夜視兼容背光系統是使用RGB單色 LED 光源外加一個琥珀色(A)的LED光源的背光系統（RGBA）。在夜視工作時關掉紅色 LED光源，同時使用琥珀色LED光源來補償紅光光強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，對背光源觀察色域的影響較小。在日光條件下工作時由于加入了琥珀色的 LED 將會使顯示屏的色彩更加絢爛，有利于飛行員對顯示屏信息的讀取。根據以上分析和計算，將LED與光學結構導入Tracepro軟件中進行光線追跡模擬，其中光學膜的設定是設置其材料和表面屬性,仿真所選用的單色LED均為CREE公司LM3系列產品，仿真照度圖見圖1。

通過控制LED的數量及其排列方式和光學膜片的配合可得到最佳的混光距離，達到盡可能薄的效果，本文設計的背光模組厚度約為30mm，同時該設計大大加強了光能的利用率，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

直下式LED背光源在節能、畫質（由高對比度、區域控制、掃描背光來實現）等方面均有比較大的優勢，但是大功率LED在典型電流工作時會發出大量的熱能，容易產生高溫，對液晶顯示器產生影響，為此，我們將其降額使用，增加燈的數量，減小工作電流，這樣一來，緩解了高溫問題，而多數的燈也可以在均勻性上達到更好的效果。同時使用鋁基板，可以進一步解決散熱問題。而采用比較合理的LED陣列排布，進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。我們設計的夜視兼容LED背光液晶屏能達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，將會對飛行員有較大的幫助。

參考文獻

[1]許明輝,胡元剛.夜視兼容的原理及在機載液晶顯示器上的實現[J].現代顯示,2006,2,48-50.

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

[3]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展[J].材料導報,2008,22(6):13-16.

[4]常云飛.夜視兼容液晶顯示器LED背光研究[M].合肥工業大學,2012,4.

[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背光板設計[J].液晶與顯示,2012, 12,774-779.