基于軍用顯示器的色域影響因素研究

袁燁　李靜　潘立豹　甘源偉　桂詩信

摘 要：本文實驗研究了光照環境下影響軍用液晶顯示器色域的主要因素。選取了4種不同類型的軍用液晶顯示器，分別測試了他們在不同光照環境中的色域，通過對測試數據的分析，得出了影響軍用液晶顯示器色域的4個主要因素：即軍用顯示器自身發光特性和反射特性、環境光的強度和光譜特性。其中，在暗環境下，軍用顯示器的色域由自身發光特性決定；亮環境下，軍用顯示器的色域由自身發光特性、環境光的光譜特性以及軍用顯示器表面對環境光的反射特性共同決定。

關鍵詞：軍用液晶顯示器；反射；光譜；色域

中圖分類號：O436 文獻標志碼：A

Abstract：The major factors which influence color gamut of Military LCD in environment with different illuminance was investigated. Four types of LCD were chosen，and their color gamut in environment with different illuminance was tested.The statistics indicated four factors： lighting characteristics， reflection characteristics of LCD itself， illuminance and spectrum charateristics of environment light. In dark environment， the color gamut was decided by its lighting charactesitics； in bright environment， that was decided by those four factors together.

Keywords：Liquid Crystal Display； reflection； spectrum； color gamut

0 引言

近年來，航空、航天對LCD軍用顯示器的需求越來越大，特別對LCD軍用顯示器的顯示效果、色域提出了更高要求。

通常在暗環境中，軍用液晶顯示器色域主要由LCD面板上的CF上決定，但在亮環境下，我們觀察到的色光，是主色光與首層表面反射光的混合光，因為這里有白光的摻和，降低了主色光的飽和度，從而導致色域降低，反射越強、主色光的飽和度越低，對色域影響越大。反射光的強弱和軍用液晶顯示器的反射有很大的關系，加固好的液晶屏組件構成一個相對較復雜的光學系統，由濾光片、光學膠及液晶屏等單元組成，各單元之間形成相應的反射界面。倘若各界面累積后的總反射過大，強光照射下，在某些觀察角就會以較高的表面亮度反射至人眼。

另外，物體表面的色彩與光源的光譜成份有極大的關系，物體對入射光的吸收、反射、透射的光學特性雖然不受光源的影響，但當光源的光譜成份發生變化時，必然影響到物體的反射或透射光的光譜成份，從而使物體的表面顏色隨著光源色的變化而變化。例如，消色物體在彩色光源的照射下，會呈現彩色。白色物體，在紅光照射下呈現紅色；在紅光和藍光的同時照射下呈現品紅色。彩色物體在特定光源照射下，會呈現消色。例如，在白光下為綠色的物體，在暗室的紅燈照射下就幾乎成為黑色的物體了，因為綠色物體只反射綠光，而紅燈中沒有綠光的成份，物體表面在紅光照射下不能反射出綠色的光來，紅光又都被吸收了，因此顯出黑色。結合以上幾種情況，在亮環境下，色域由環境光的強弱和光譜、自身色域和反射特性共同決定。

本文通過測試了4種不同狀態的軍用液晶顯示器、在不同的光照環境下的色域，該測試結果對軍用顯示器色域的判別和設計，提供了一定的指導意義。

1理論分析

1.1 NTSC色域計算

色域是指某種設備所能表達的所有顏色在色度圖中所構成的區域范圍，是表征顯示設備光電性能的重要參數。色域在不同行業有不同色域標準，其中NTSC是使用較為廣泛的色域定義標準，而在部分特殊應用上，也有使用廠商自訂的色域規范，如PC監視器應用方面，多使用SRGB標準來定義色域。因此在描述顯示模塊的色域范圍時通常描述為“達到NTSC色域的70%、或者SRGB色域的90%”。1931年，國際照明委員會CIE制定了CIE1931RGB系統，規定將700nm的紅、546.1nm的綠和435.8nm的藍作為三原色，其對應xy坐標為R（0.67，0.33）、G（0.21，0.71）、B（0.14，0.08），這3點圍成的三角形面積作為基準，用待測顯示模塊的R、G、B三色場色坐標圍成的三角形面積與基準面積的百分比作為其NTSC色域。

1.2 不同環境下軍用顯示器色域影響因素的分析

光照環境選取了兩種不同的環境，其中一個光照環境是真實的自然環境，即在戶外進行測試，另一個環境是在室內太陽模擬器的光照環境；這兩個光照環境照度相同，但光譜差異較大。其中，太陽光譜圖如圖2所示，太陽模擬器光譜圖如圖3所示。

2 實驗

2.1 樣品實驗

此次試驗選取了4個不同狀態的軍用液晶顯示器，4種狀態具體情況見表1，4個樣品的亮度都調節為1000cd/m2。

2.2 測試儀器

室內的光學性能測試使用了Westar520光學性能測試平臺，平臺如圖4所示，該平臺由太陽模擬器和光學平臺、亮度計構成。戶外的光學性能測試使用了自制的戶外光學測試平臺，如圖5所示，該測試平臺由可在垂直方向上自由旋轉的支架和分光光度計兩部分組成，液晶屏夾持在支架，并隨著支架可在垂直方向和水平方向旋轉，以調整液晶屏與太陽、光度計之間的相對方位。照度測量選用型號為ST-85的照度計。

2.3 實驗條件及過程

室內測試時，將液晶屏固定在光學測試平臺的支架上，調節支架方位，使光度計測試來自液晶屏的下視角15°的光線，調節模擬光源的光強，使液晶屏表面的照度為測試所需照度，液晶屏通電工作，分別測試紅、綠、藍三色畫面下的色坐標，按照式（1）和式（2）進行計算。

戶外測試時，將液晶屏固定在戶外光學測試平臺的支架上，按照室內測試的方位調節支架的方位，使光度計測試來自液晶屏的下視角15°的光線，當環境照度達到所需照度時，點亮液晶屏，分別測試紅、綠、藍三色畫面下的色坐標，按照式（1）和式（2）進行計算。

室內測試分別在20lux、100000lux、20000lux下進行測試，戶外測試分別在室內測試分別在100000lux、20000lux下進行測試。

3 結果與分析

液晶屏表面的反射系數和環境光的強弱直接影響反射光的總強度。當環境光一定時，液晶屏表面的反射系數是影響反射光強的主要因素，室內使用的普通軍用液晶顯示器表面的鏡面反射系數一般要大于4%，漫反射系數大于1%，而在航空或戶外使用的軍用液晶顯示器通常會在其表面綁定減反濾光片，以降低其表面反射系數（鏡面反射系數可以降低至1%左右，漫反射系數可以降低至0.3%左右），減少軍用顯示器表面的反射光強度。當液晶屏表面的反射系數一定時，環境光強度是影響反射光強的主要因素，環境光越強，反射光越強。因此，在戶外使用的軍用液晶顯示器都需要盡量降低其表面的反射系數和環境光強度。

液晶屏表面反射率譜線和環境光光譜直接影響反射光的光譜形狀。反射率譜線反應了物體表面對不同波長光的反射能力，性能優越的減反濾光片可以將可見光范圍內的反射率都抑制在一個比較低的水平，而有些濾光片主要針對人眼比較敏感的綠光波段進行抑制，這就會導致反射光成分中藍色和紅色較多，物體表面呈現紫色。環境光的光譜形狀也會直接影響反射光的光譜形，如圖3所示為太陽光的光譜，可見在可見光波段，綠色光最強，圖3所示為實驗室所用的太陽光模擬光源的光譜圖，其波形與太陽光有一定差異，這導致相同照度的模擬光源與太陽光對液晶屏的影響程度不相同。

從表2的數據可見，室內模擬高亮環境100000lux下液晶屏的色域遠高于戶外100000lux下的色域，因此，色域和外界光譜特性有很大的關系；另外，色域和環境光的照度關系很大，環境光照度為20000lux時，色域降低到原始色域的（20%～40%），環境光照度為100000lux以上，高色域和低色域屏都降低到7%以下；在鏡面反射和散射反射基本相同的情況下，換句話說，狀態基本相同的條件下，同樣的外部條件，自身色域越小，最終色域越??；反射越大，綜合色域越小。

結論

本文通過選擇4種不同類型的軍用液晶顯示器分別放置在不同的光照環境中，測試了軍用液晶顯示器的色域；最后通過測試數據分析，得出了影響軍用液晶顯示器色域的4個主要因素：光譜特性不同會導致最終色域不同，反射越強，色域受到的影響越大；最終色域和自身色域也有很大的關系，自身色域相同的條件下，液晶屏狀態不同，同樣的外部條件最終色域也不同。該結論對軍用液晶顯示器色域的判別和設計，提供了重要的技術支持。

參考文獻

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