某型液晶显示器夜间亮度变化不均匀现象的分析与改进

韩志军， 郑 悦， 刘嘉明

(北京青云航空仪表有限公司，北京 101300)

1 引 言

目前，液晶显示器的使用越来越广泛，从小屏幕的手持设备、手机到大屏幕的液晶电视、电脑显示器等，在人们的生活中占据了越来越重要的位置[1]。随着对现代显示器件的要求越来越高,广色域、低功耗、超高清、低成本等产品的需求日益强烈[2]。而用于某些特殊领域(军用和警用)的液晶显示屏，除了需要具有上述特点外，还需要与夜视成像系统兼容，既能够在正午阳光直射显示屏的情况下清晰地显示内容，又能在没有光线的夜晚使用户舒适地看清显示的内容[3]。液晶屏自身不是自主发光，需要一个强劲的光源给它提供背光[4-6]。液晶显示器使用LED背光源已成为发展趋势，相比传统背光源冷阴极荧光灯(CCFI)而言，它的优点在于高亮度、白点位置可调、即时色彩管理、发光效率高、高色彩饱和度、高动态对比度及环保无汞[7]。

飞机座舱中液晶显示器的背光亮度调节功能非常重要，背光亮度直接影响信息的可读性[8]。同时液晶显示器的背光亮度直接决定显示器的平均亮度。通常通过调节液晶显示器的背光亮度来调节显示器的亮度。为提高座舱显示器的易读性和缓解视觉疲劳，显示器的亮度还应能根据周围环境和用户需求进行调整，避免用户在环境光很强时看不清显示内容，或在环境光很暗时感到刺眼[9]。

2 问题概述

某型液晶显示器接收图形板发送的亮度值(0～255，共16档，由亮度数据分档)在日模式下，当亮度数据为最小值时，显示器的白光亮度为2.6～5.2 cd/m2；当亮度数据为最大值时，显示器的白光亮度为760～1 020 cd/m2。在夜模式下，当亮度数据为最小值时，显示器的白光亮度为0.06～0.12 cd/m2；当亮度数据为最大值时，显示器的白光亮度为19～23 cd/m2。

在日模式下调节液晶显示器显示亮度档，每一档均满足用户使用要求。但是在夜模式下调节液晶显示器显示亮度档，存在以下问题：液晶显示器在亮度数据0时的亮度与在亮度数据9时的亮度相对液晶显示器在亮度数据9时的亮度与在亮度数据18时的亮度要明显亮一些。即亮度在0～9之间的跨度比亮度在9～18之间的跨度大，从而产生亮度变化不均匀的现象，造成视觉冲击、刺眼的不舒适感，不符合人机功效的要求。另一方面因座舱内有不同的液晶显示器，座舱内所有显示设备采用统一的亮度档进行调光。因此，相较其他显示器，本型显示器在亮度数据为9的显示效果明显偏亮，从而造成对比亮度不协调，影响用户在夜晚环境下观看其他显示器内容的显示。通过亮度测试仪进行亮度测试，结果如表1所示。

表1 某型液晶显示器夜模式亮度测试结果Tab.1 Result of one’s LCD night mode brightness test (cd·m-2)

由实测值可知，当图形板发送亮度数据为9时，液晶显示器的亮度为1.204 cd/m2，超出了要求值(0.726～0.921 cd/m2)的范围。此外，亮度数据0与9间的亮度实测值变化量为1.124 cd/m2，9与18间的亮度实测值变化量为0.246 cd/m2。证实了夜模式下亮度值0与9之间相对9与18之间跨度偏大，变化不均匀，因此感到刺眼。

3 液晶显示器背光亮度调节电路设计及算法实现

3.1 背光亮度调节电路设计

某型液晶显示器由液晶显示模块、图形板、电源板、母板和壳体组成。液晶显示模块与图形板通过RS422总线进行通信，接收图形板的RGB信号并对其进行显示，框图如图1所示。

图1 液晶显示器框图Fig.1 Block diagram of LCD

液晶显示模块主要由导光板、屏组件、加热玻璃、背光组件、扩散板、控制板组件以及结构件(外壳前盖、内壳、外壳、导电衬垫、塑框等)等组成。

屏组件由防护玻璃、增强玻璃、液晶屏及温度传感器组成。

控制板组件电路主要由视频处理电路、通讯电路、背光驱动电路、模拟采集电路、加热控制电路、液晶屏供电电路及电源转换模块等组成。控制板组件收到图形板发送的RS422信号亮度设置值后，将收到的亮度设置值转化为脉冲宽度调制(PWM)信号输出。

背光板组件由LED灯和背光板组成。背光板组件为液晶屏显示提供光源，采用直下式背光。LED灯由白灯、红灯、绿灯以及蓝灯组成，LED排布采用白灯+红绿蓝灯相间均匀排布，确保显示组件亮度均匀。在昼模式下，亮度要求高，主要是白灯工作，较少的红绿蓝灯进行补偿。在夜模式下，亮度要求低，又有夜视兼容要求，只有红绿蓝灯工作，白灯不工作。

PWM即脉宽调制，通过控制PWM波形高电平的占空比，不同的占空比对应LED灯不同的电流，对应LED灯不同的光照亮度。改变PWM控制信号的占空比即可调节背光亮度，即实现PWM对背光亮度进行线性调节。在PWM高电平期间，驱动芯片能够控制恒流驱动LED灯。其工作原理如图2所示。

图2 背光驱动控制原理图Fig.2 Schematic of backlight drive control

3.2 背光亮度调节算法实现

PWM信号连续线性的占空比大小决定背光每一档所对应的亮度值。PWM信号的输出通过软件实现，通过软件调节可实现0～100%的占空比。不同的占空比对应不同的亮度值，使亮度达到线性变化。

PWM占空比采用微处理器的可编程计数器模块(PCA)设定，将PCA通过软件配置成16位脉宽调试器方式。

PWM占空比=设置值/65 535，

(1)

其中设置值=kix+b。ki为一次函数的系数，决定每增加一档，输出占空比的步进大小；x为图形板通过RS422通讯发送的调光数据，范围为0～255；b为设置值的最小值，占空比的最小值，是决定日、夜模式的最小亮度值；65 535为软件设置为16位脉宽调试器的最大计数值。

如某型液晶显示器对应的一次函数系数k0取62，占空比的最小值b取130。当x取0时，设置值 = 62×0+130，即亮度数据为0时，对应的PWM占空比为130/65 535。

通过调整调光亮度标定参数ki，可以使每一级的亮度输出不同的PWM占空比。

背光调节程序实现流程图如图3所示。

4 问题分析及改进

4.1 背光亮度需求分析

液晶显示器应具备背光亮度调节功能，其背光亮度应能够根据总线数据进行调节，用于背光亮度调节的对应数据范围为0～255。

在日模式下，当亮度数据为最小值时，显示器的白光亮度为2.6～5.2 cd/m2；当亮度数据为最大值时，显示器的白光亮度为760～1 020 cd/m2。当亮度数据由最小值到最大值线性变化时，显示器的亮度也应从最小值到最大值线性变化。

在夜模式下，当亮度数据为最小值时，显示器的白光亮度为0.06～0.12 cd/m2；当亮度数据为最大值时，显示器的白光亮度为19～23 cd/m2。当亮度数据由最小值到最大值线性变化时，显示器的亮度也应从最小值到最大值线性变化。

经分析，日模式和夜模式的亮度值为一次函数。根据要求的亮度范围可以确定一次函数的关系式。具体如下：

日模式：由亮度最小所对应的最大亮度值5.2 cd/m2和亮度最大所对应的最大亮度值1 020 cd/m2，可得到一次函数y=3.98x+5.2；由亮度最小所对应的最小亮度值2.6 cd/m2和亮度最大所对应的最小亮度值760 cd/m2，可得到一次函数y=2.97x+2.6。日模式可调节范围为这两个一次函数之间所包括的区域，如图4阴影部分所示。

图4 日模式亮度函数关系式Fig.4 Brightness function relation of daytime mode

夜模式：由亮度最小所对应的最大亮度值0.12 cd/m2和亮度最大所对应的最大亮度值23 cd/m2，可得到一次函数y= 0.089x+ 0.12；由亮度最小所对应的最小亮度值0.06 cd/m2和亮度最大所对应的最小亮度值19 cd/m2，可得到一次函数y= 0.074x+ 0.06。夜模式可调节范围为这两个一次函数之间的所包括的区域，如图5阴影部分所示。

图5 夜模式亮度函数关系式Fig 5 Brightness function relation of night mode

通过对液晶显示器亮度需求分析，可以得到0～255任何亮度数据对应的亮度理论值，即得到每一级亮度指标要求。

4.2 LED亮度影响因素分析

LED特性影响显示组件背光的亮度，根据LED的器件特性可知，影响其发光强度有正向电压和正向电流2个指标。

4.2.1 伏安特性

LED的正向电压和正向电流呈正增长趋势，也就是随着正向电压的增大，正向电流增大，发光强度也随着增大。显示组件的背光供电电压为28 V，背光板设计通过LED串联的方式满足LED的正向电压达到正常范围值(2.8～3.6 V)，伏安特性如图6所示。

图6 伏安特性曲线Fig.6 V-I characteristics

4.2.2 正向电流与相对光强特性

由伏安特性曲线和背光板设计原理得出，28 V背光供电电压不变，则正向电压不变，影响发光强度的为LED的正向电流。由图7特性曲线得出，正向电压不变，光强度随着正向电流的增大而增强。

图7 正向电流与相对光强特性曲线Fig 7 Relative intensity-ampere characteristics

4.3 背光亮度变化不均匀原因分析

背光亮度调节的实现由LED灯背光驱动电路和软件输出PWM信号两部分构成。

通过软件调节PWM占空比，可以使背光亮度呈一次函数线性变化，即软件输出PWM信号为线性关系。

根据图7可知，LED灯背光驱动电路中LED灯背光电流和背光亮度不呈一次函数线性变化，而且每批次LED灯亮度指标不能保证完全一致。 两部分叠加后，背光亮度调节不呈线性关系，即液晶屏亮度线性度不能保证完全一致，进而产生亮度变化不均匀的现象，造成视觉冲击、刺眼的不舒适感。需要采取措施纠正。

4.4 改进措施

经分析，主要有2个解决方法：

(1)通过专用测试仪器对LED灯进行筛选，选择灯亮度指标相近的器件；

(2)修正背光亮度调节算法，调整调光亮度标度参数ki。通过调整调光亮度标定参数设置值的大小，输出与之对应的PWM占空比。

第1个方法由于背光电流和背光亮度不是呈一次函数线性变化，且每批次LED灯亮度指标不能保证完全一致，如果筛选需要耗费大量的人力、物力，且需要试验验证；

第2个方法是目前液晶屏背光亮度调节的常用方法，容易实施且能够达到预期要求。

因此选用方法2，通过调整调光亮度标定参数，即公式(1)中设置值，以满足亮度要求。

4.4.1 原调光参数设置

图形板发送0～255级调光命令，分成0，9，18…共16档。背光亮度PWM函数关系式，通过测试起点和终点的实际亮度值进行确定，中间过程点通过理论计算确定调光参数。即仅测试了0、255两点的亮度值，未对1～254中间点的亮度值进行测试。1～254中间点的调光参数k1～k254通过理论计算得出。通过实测0、255两点的亮度值，可以确定0、255两点对应的调光参数k0、k255，通过此方法得到的PWM函数关系式不能满足1～254所有点亮度值的要求。

原背光调节等级和PWM输出线性关系见图8。

图8 改进前背光调节等级和PWM输出关系Fig.8 Relationship of backlight adjustment level and PWM before improvement

4.4.2 改进后调光参数设置

图形板发送0～255级调光命令，分成0，9，18…共16档，每一档每一级的PWM输出通过实际测试值进行确定参数ki，即对0～255共256个点，对每个点的亮度值进行实际测试。依据0～255共256个点日模式和夜模式函数关系式，可以得到256个点每个点亮度指标要求值。结合0～255每级亮度的实测值，可以计算出0～255每个点分别对应的调光亮度标定参数ki。即可保证日模式0～255每个点和夜模式下0～255每个点输出的PWM符合亮度指标要求。背光调节等级和PWM输出线性关系，如图9所示。由图9可知，新的方法对每一级的亮度进行了调节，细化了调节方式，确保每一级的亮度满足指标要求。

图9 改进后背光调节等级和PWM输出关系Fig.9 Relationship of backlight adjustment level and PWM after improvement

5 验 证

将液晶显示器重新进行亮度标定，并用亮度测试仪器将日模式、夜模式进行每一档、每一级亮度测试，均满足要求。以0～18共19个点为例，测试结果如表2所示。

由表2数据可知，夜模式下亮度数据为9时，对应的亮度实测值为0.787 5 cd/m2，满足亮度要求(0.726～0.921 cd/m2)。

表2 改进后某型液晶显示器夜模式亮度测试结果

续 表

6 结 论

通过本解决方案，夜模式下亮度数据0与9间的亮度实测值变化量由1.124 cd/m2改进为0.712 55 cd/m2，9与18间的亮度实测值变化量由0.246 cd/m2改进为0.772 5 cd/m2。即亮度数据0与9间相对9与18间的亮度实测值变化量由0.878 cd/m2改进为0.059 9 cd/m2。每档之间的亮度实测值变化量相近，变化均匀，改善了显示效果，满足了人机功效的要求，因此在调整背光亮度时不会感到刺眼。

针对液晶显示器夜模式下亮度变化不均匀的问题，结合背光亮度调节设计方案，进行问题分析并进行改进。通过测试验证，证实该方案切实可行，有效。