强光环境下军用液晶显示屏检测技术研究

引言

军用液晶显示屏主要包括机载、舰载、车载等通用液晶显示屏，用来显示目标的地理位置、图像信息、内部控制与指挥信息等，是人机沟通、指挥协调、信息传输等现代军事信息化的重要工具，具备集成度高、亮度高、分辨率高、能耗低等一系列优点[1-5]。

军用液晶显示屏由于受到发光器件的影响，不同环境光照下的亮度显示特性、响应时间的迟滞及过饱效应等对于正确获取显示信息，做出正确判断并发送指挥指令至关重要[6-10]。特别是在强太阳光的直射下，机载仪表盘显示屏的对比度和亮度下降，再加之强镜面反射，导致飞行员难以正确判读仪表盘的显示信息和飞机的飞行状态，给安全飞行带来很大隐患[11-12]。因此，迫切需要开展在强光照环境下军用液晶显示屏亮度、色度显示特性及响应时间特性等综合参数的检测技术研究。

本文针对目前军用液晶显示屏缺少全面科学检测的问题，研制了强光环境下军用液晶显示屏综合检测装置，采用4 kW 金卤灯与反射式光学系统实现照度达到105lx量级的环境光照，着重研究了响应时间和亮度均匀性检测方法，并对液晶显示屏检测精度的影响因素进行了分析。

1 军用液晶显示屏检测装置

在强光环境下，军用液晶显示屏综合检测装置主要由强光光源、高精度多视场彩色亮度计、动态响应时间检测模块、三轴检测平台及精密调节机构、电控旋转平台及控制系统组成，组成图如图1所示。强光光源采用4 kW 金卤灯，提供距离在0.5 m处、照射面积在0.5 m×0.5 m区域内以及照度达到105lx量级的模拟环境光照；高精度多视场彩色亮度计通过把硅探测器的光谱响应匹配成CIE 标准色度观察者光谱三刺激值曲线，采用光电积分法实现液晶显示屏亮度、色度参数的测量；动态响应时间检测模块通过对光信号的动态变化进行测试，来完成对液晶显示屏响应时间的快速检测[13]；三轴检测平台及精密调节机构与电控旋转平台集成，用于安装各类液晶显示屏，进行液晶显示屏三维移动、旋转等多方位的精密调整。

图1 强光环境下军用液晶显示屏检测装置
Fig.1 Detection device for military LCD under strong light

军用液晶显示屏综合检测装置实现了102lx ～105lx量级条件下，对液晶显示屏亮度显示特性、色度、对比度、视角、响应时间和温度等关键参数的检测，检测装置实物图如图2所示。

图2 强光环境下军用液晶显示屏检测装置实物图
Fig.2 Picture of detection device for military LCD under strong light

2 关键部件设计

2.1 强光光源设计

强光光源由4 kW 金卤灯、反射光学系统、金卤灯电子镇流器及安装支架等组成，如图2所示。其中4 kW 金卤灯采用高气压金属蒸汽放电原理，色温为6000 k，其发光光谱与太阳光光谱的匹配度符合B级太阳模拟器要求[14]。反射光学系统采用镍基镀铝工艺，基底材料和反射层的热膨系数接近，降低因冷缩造成脱模的机率。金卤灯电子镇流器电流连续可调，其供电稳定性达到0.02%。

2.2 响应时间检测模块设计

响应时间检测模块主要由标准探测器、精密前置放大器、高速数据采集系统、同步控制电路等组成。测量时将液晶显示屏直接对准响应时间检测模块的标准探测器，当液晶显示屏的光信号照射到探测器表面时，由探测器进行探测，经前置放大电路后输入给高速AD转换器转换为数字量，并通过DSP 连续读入并存储于数据存储器中。通过DSP 进行数据处理，根据采集的波形分布即可给出上升时间和下降时间。图3为响应时间检测模块原理图。

图3 响应时间检测模块原理图
Fig.3 Schematic of response time detection module

2.3 大型三轴检测平台及精密调节机构设计

大型三轴检测平台用于安装各类液晶显示屏，并可集成水平电控旋转平台，进行上下、左右、前后、旋转等多方位的精密调整，是完成各类液晶显示屏亮度及均匀性、色度及均匀性以及水平视角、垂直视角、瑕疵等检测的关键设备。主体材料为铝合金，并进行黑色阳极氧化处理。台面采用25 mm×25 mm 标准孔距及专用固定螺孔，台面尺寸为500 mm×500 mm。图4为大型三轴检测平台主体设计图。

图4 大型三轴检测平台主体设计图
Fig.4 Main part design of large triaxial detecting platform

3 检测方法研究

针对军用液晶显示屏综合参数的检测需求，强光环境下军用液晶显示屏检测装置可实现在强光照度为102lx ～105lx量级条件下，军用液晶显示屏的亮度显示特性、白场色度、对比度、视角、均匀性、时间特性等参数的检测。其中亮度显示特性、白场色度、对比度、视角为基础参数，通过高精度多视场彩色亮度计测量亮度、色度值计算得到，重点分析响应时间、亮度均匀性及高温下显示正常性的检测方法。

3.1 响应时间检测

液晶显示屏的响应时间是同步传输信息的关键参数，主要包括上升时间和下降时间等。上升时间也称开通时间，定义为亮度从0%变化到90%所需要的时间；下降时间也称关闭时间，定义为亮度从100%变化到10%所需要的时间。

响应时间的检测采用响应时间检测模块进行，将液晶显示屏直接对准响应时间检测模块的高速探测器，根据高速探测器采集的光信号波形分布即可给出上升时间和下降时间。液晶显示屏上升时间测量时必须捕捉液晶显示屏发光的起点，以便于触发采集系统开始测试，从而得到液晶显示屏发光的整个持续过程。

响应时间检测模块的同步测试有三种方法：外同步触发、光控触发、软件比较触发。软件比较触发是在外部数据存储器中设一个环型数据缓冲区，开始测试后，由软件控制读取AD转换结果，判断并存入环型数据缓冲区中。一旦大于设定值，退出环型数据缓冲区，到另外的线性数据缓冲区存放数据，直到测试结束，最后将环型数据缓冲区中的数据拼到线性数据缓冲区的前端即得到完整的曲线。此方法不会丢失弱信号前沿数据，可获得完整的波形，且成本低、稳定性高，兼容所有液晶显示屏的测试。

3.2 亮度均匀性检测

亮度均匀性的检测方法分为：最大最小法、平均值法、空间分布法等。其中空间分布法采用多视场彩色亮度计对整个液晶显示屏进行平面弓形扫描，亮度均匀性按照公式计算为

式中：Lmax（i0，j0）为液晶显示屏上最大的光亮度；L（i，j）为液晶显示屏上任一位置点（i，j）的光亮度；L背景杂光为背景光亮度。

由（1）式可知，获得每个点的亮度L（i，j）后，可得出整个显示屏的均匀性。液晶显示屏上各个点的u（i，j）值越趋近1，则均匀性越好。该方法给出在液晶显示屏上各个位置点检测的详细情况，凸显均匀性的空间位置分布。

图5为圆形液晶屏均匀性检测的空间分布，由图可知显示屏上各个点发光的详细情况及光信号的一致性，准确给出在显示屏上某坐标位置点的均匀性。

图5 某液晶显示屏均匀性检测结果
Fig.5 Detection results of uniformity for LCD

3.3 高温下显示正常性检测

在强光照射下，军用液晶显示屏表面温度会逐渐升高，照射10 min后温度一般可达80℃，因此需要检测在强光照射下液晶显示屏工作的正常性。检测方法为设定液晶显示屏显示彩色图像，在暗室条件下采用高分辨率CCD相机采集液晶显示屏的图像并存储。其次，打开强光光源，慢慢加电直至强光光照下的电流电压，稳定10 min后，再次采用高分辨率CCD相机采集液晶显示屏的图像，对比分析强光光照下液晶显示屏的表面温度达到80℃时前后采集的图像，分析液晶显示屏图像及颜色是否正常，检测流程图如图6所示。

图6 高温下显示正常性检测流程图
Fig.6 Flow chart of detection for display normality under high temperature

4 实验结果与检测精度分析

4.1 实验结果

在强光环境下，军用液晶显示屏检测装置对一种加固型液晶显示屏进行了综合参数检测，检测结果如表1所示，满足液晶显示屏性能试验大纲中的检测要求。

表1 加固型液晶显示屏检测结果
Table1 Detection results of ruggedized LCD

4.2 检测精度分析

军用液晶显示屏综合参数检测受到众多因素影响，其关键影响因素包括：环境杂散光、高精度多视场彩色亮度计测量精度和响应时间检测模块测量精度等。

环境杂散光的影响主要包括两部分：第一类是环境自身的杂散光影响，第二类是液晶显示屏发光照射到设备产生的反射杂散光影响。对于第一类杂散光的影响，在暗室条件下进行测试[15]；对于第二类杂散光的影响，针对安装调试液晶显示屏的平台表面因液晶显示屏自身发光而产生大量的反射杂散光，在平台表面遮覆高吸收率吸光绒布，因此在检测过程中环境杂散光的影响可以忽略。

高精度多视场彩色亮度计主要用于液晶显示屏的亮度及其均匀性、色度及其均匀性、对比度等检测。对于满足JJG 211-2005《亮度计检定规程》标准级要求的彩色亮度计，其亮度示值误差为±2.5%，色坐标示值误差为±0.01。通过定期计量检定，可实现亮度参数检测精度3%、色度参数检测精度±0.01的性能指标。

响应时间检测模块主要用于液晶显示屏的响应时间检测，其测量精度的影响因素主要为高速探测器响应时间及信号采集模块测量精度。通过瞬态光度标准装置校准后，响应时间的测量精度优于3%。

5 结论

本文研制了强光环境下军用液晶显示屏综合检测装置，详细介绍了强光光源、响应时间检测模块和大型三轴检测平台及精密调节机构等关键部件，分析了响应时间、亮度均匀性和高温下显示正常性等参数的检测方法，对军用液晶显示屏检测精度进行了分析，从而系统地解决了在强光照条件下，军用液晶显示屏的质量检测与评价问题。强光环境下军用液晶显示屏综合检测装置将广泛应用于军用液晶显示屏性能试验，测试评估等领域。随着液晶显示屏现场测量需求日益迫切，今后将研制具备高集成化程度、测试功能齐全等具有一体化设计特点的军用液晶显示屏测量仪。