一种夜视镜模拟训练用的液晶显示方法与流程

[0001]
本发明应用于夜视镜操作、使用训练使用的模拟显示器领域。特别适合微光夜视镜操作训练的夜晚环境模拟显示，具体地说是一种夜视镜模拟训练用的液晶显示方法。


背景技术：

[0002]
夜视镜可以为使用人员在夜晚无照明环境下提供可直接目视的夜视图像，广泛应用在夜晚狩猎、安防等活动中。为了适应佩戴夜视镜带来的视觉、行为习惯的变化，熟悉夜视镜的操作、使用，相关人员必须经过各种使用环境下的全面的训练。本专利所述的就是这种模拟训练用特种液晶显示器。
[0003]
夜视镜的主要组成有物镜、目镜等光学镜头和核心器件，像增强器。像增强器包括光电阴极、电子倍增元器件微通道板 (mcp)，和荧光屏。像增强器能够将特定波长范围的微弱光增强数千到几十万倍。
[0004]
夜视镜成像原理为：夜晚的月光与星光照射到目标物体上产生微弱的反射光；物镜汇集目标反射的微弱的光线，将目标反射光的光能量聚焦到像增强器的光电阴极靶面上；光电阴极将光子转换为电子输出，像增强器的微通道板将阴极输出的电子数量倍增放大并轰击像增强器的荧光屏；荧光屏将电子转换为光信号，重新复现光电阴极靶面接收到的目标图像；目镜将荧光屏上复现的目标图像还原成像在人眼中。人眼通过目镜可以看到清晰的亮度增强的低照度的目标图像。
[0005]
在实际的夜视镜应用中，部分应用为了消除夜视镜操作使用人员身边环境光线的影响，在夜视镜物镜中配备有滤色片，如mil-std-3009中就描述了几个特定应用环境下的夜视镜滤色片要求。增加滤色片后的夜视镜只对一定范围的光谱有放大响应，图1是mil-std-3009标准中描述的a、b、c三型夜视镜相对响应特性。在这几种应用环境下，以b类夜视镜为例，相对实际的夜晚星空环境，人眼对380 nm～780nm的光谱敏感（实际上380～410nm及750～780nm这些部分的光线人眼敏感系数较低，几乎可以忽略），而b类夜视镜对650 nm～930nm范围光谱敏感、放大增强，且夜视镜只显示单色荧光图像（根据像增强器荧光屏荧光粉的材料不同夜视镜显示图像颜色一般有绿色、白色或其他单色），所以带来的场景/视觉感受除亮度感受外，裸眼和夜视镜下的视觉感受是非常不同的。
[0006]
夜视镜模拟训练时，模拟的实际室外夜空环境，需要目视裸眼观察和夜视镜观察均与实际效果近似。但普通显示器背光一般使用白光led，其光谱在液晶显示器可以较高对比度调制的650～720nm部分能量相对较少，与实际夜晚的星空环境不符，导致夜视镜观察的辐亮度不够。同时普通显示器的背光在液晶显示器不能充分调制的750nm之后光谱能量未完全截止，且因为液晶屏750nm之后的透过率大幅度上升，这部分显示器泄露光谱对人眼没有感觉，但在夜视镜下观察导致图像对比度急速下降，图像底色较亮，模拟显示的场景清晰度大幅下降。因此本发明的特种显示器需要滤除大于750nm波长的背光光谱。
[0007]
夜视镜模拟训练时需要显示器可以模拟接近真实的夜晚环境，满足人眼裸视和佩戴夜视镜时观察的效果与真正的夜晚环境类似的效果一致的要求。但普通的液晶显示器无
法满足这样的要求。模拟的夜晚不同环境对比真实的夜晚环境，训练人员获得的裸眼视觉效果相似，而且使用夜视镜观察到的显示画面也需要同时相似的要求。也就是普通液晶显示器无法满足夜视镜训练要求的模拟星空下的环境。
[0008]
为了解决普通液晶显示器无法满足夜视镜训练使用要求的问题，本发明提出一种模拟真实夜空光谱的显示器技术方案。采用特殊光谱的光源匹配液晶屏的光谱特性进行设计，从裸眼目视和夜视镜观察两个方面模拟真实夜空光谱，确保裸眼目视观察的视觉效果和使用夜视镜观察的显示画面、亮度均接近在自然界实际夜空下观察的视觉效果。
[0009]
要达到这种视觉效果，关键是模拟星空下的光线光谱分布，理论上模拟显示器如果能够完全模拟真正的野外环境的光线光谱分布、亮度状况、灰阶层次是最理想的。但这种完全模拟星空光线环境的显示器是非常难以实现的，主要体现在星空光谱光源非常昂贵，能够实现全星空光谱分布的多灰阶层次图像显示的显示器还没有。
[0010]
人眼对光的敏感范围在380nm～780nm，夜视镜对光的敏感范围在450nm～850nm以上，对于采用三代光电阴极材料的像增强器（像管）敏感范围在450nm～930nm。夜晚的星光环境光谱包括了380nm～1000nm以上范围的可见光、近红外光和更长波长的红外光谱。夜视镜可以看到人眼看不到的光谱，并且夜视镜能够对夜晚的微弱光线有15000倍以上的增强倍率。
[0011]
目前市售的液晶显示屏在750nm之后光谱调制作用失效，难以实现750nm以上光谱的高对比度灰阶调节显示，如存在750nm之后光谱的光线，这部分光会直接透过液晶屏进入夜视镜，夜视镜中的图像对比度非常低，显示模糊，影响夜视观察效果。因此液晶显示器需要滤除大于750nm波长的背光光谱a类夜视镜在660nm之后的光谱响应大于90%，620nm以下光谱响应低于10%，b类夜视镜在660nm之后的光谱响应大于90%，645nm以下光谱响应低于10%，为了兼顾液晶屏对不同光谱光线的图像还原特性和夜视镜对不同光谱光线的响应特性，模拟星空环境，设计在普通的白色led光源基础上增加680nm-720nm深红色段窄带能量，增强夜视镜观察效果的补偿光谱的作为本发明液晶显示器背光的光源。同时确保750nm之后光谱能量严格截止，以防止因液晶显示屏对750nm以后的光线失去调制作用而影响夜视镜中的图像对比度。增加的深红色段优选窄带光源，如680nm-720nm波长范围内的激光光源。

技术实现要素：
本发明的目的是针对现有的液晶显示器不能满足夜视镜训练中真实夜空环境而影响训练使用的问题，发明一种夜视镜模拟训练用的液晶显示方法。
[0012]
本发明技术方案是：一种夜视镜模拟训练用的液晶显示方法，其特征根据液晶屏的透过率曲线，在普通的白色led光源加750nm后截止的滤色片，同时一路增加匹配模拟夜晚星空环境光谱的特殊背光光源，并通过控制其光谱、功率，保证显示器在相对夜视镜的辐射光谱总能量与实际夜空相对夜视镜的辐射光谱总能量接近，从而实现模拟真实夜空的显示效果；确保在目视观察液晶显示器与自然界夜空观察效果相近的同时，夜视镜观察液晶显示器的光谱与夜视镜观察自然界夜空的光谱相近。
[0013]
本发明的特殊背光光源是指将光源分为两路，一路为普通的白色led光源加750nm后截止的滤色片，一路为模拟夜晚星空环境光谱特点，增强夜视镜观察效果的深红色段窄带光源；这种增强夜视镜观察效果的深红色段窄带光源为激光光源，或光谱特征类似的光
源；深红色段窄带光源的光谱需要严格控制在680nm～720nm；光源的光谱在750nm以后严格截止。
[0014]
所述的深红色段窄带激光光源的液晶屏背光系统采用直下式背光或者侧背光。
[0015]
所述的背光光源光谱及控制系统通过调整深红色段窄带激光光源的光谱及功率实现。
[0016]
不同液晶屏的液晶面板的透过率差异是通过控制特殊光源的光谱分布及截止波长消除的，并能达到较好的夜视镜观察效果。
[0017]
所述的夜视镜是微光夜视镜或夜视成像系统；是不加滤色片的普通夜视镜，也可以是满足mil-std-3009标准的b类，a类或c类夜视镜。
[0018]
根据本发明设计的液晶显示器能模拟形式不同的夜晚天空照明条件下的环境。
[0019]
本发明的有益效果是：本发明通过设计计算获得的真实夜空环境存在近红外光谱，相对夜视镜的辐亮度较高，而目视观察亮度较低进而采用两路背光的特殊液晶显示器实现目视观察和夜视镜观察都能够达到类似真实夜空环境下的视觉效果。
[0020]
本发明采用特殊光谱的光源匹配对液晶屏进行设计，确保能够从目视和夜视镜观察两个方面模拟真实夜空，确保目视观察的亮度和夜视镜观察的辐亮度、亮度均接近实际夜空下观察的效果。且在控制显示器的输出光谱满足750nm之后截止的同时，在夜视镜光谱敏感区域内总辐射亮度充分体现出真实夜空环境750～930范围内的光谱辐射能量，提高了夜视观察的亮度和对比度，视觉效果理想。本发明设计简单，特别适用于夜视镜模拟训练用显示器。因为可以提高显示控制图像软件控制液晶显示器背光增加的深红色波段的光谱能力相对强度，所以可以使本发明所述的特种显示器满足不同应用类型的夜视镜训练环境模拟。
附图说明
[0021]
图1是本发明的 a、b、c三型夜视成像系统（夜视镜）相对响应特性。
[0022]
图2是本发明的夜空下的光谱（横坐标波长单位nm，纵坐标单位面积能量单位10-4
w/m
2
）。
[0023]
图3是本发明的 led背光液晶显示器光谱分布示意图。
[0024]
图4是本发明的激光背光液晶显示器示意图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0026]
如图2、3、4所示。
[0027]
一种夜视镜模拟训练用的液晶显示方法，其关键是根据液晶屏的透过率曲线，在普通的白色led光源加750nm后截止的滤色片，同时一路增加匹配模拟夜晚星空环境光谱的特殊背光光源，并通过控制其光谱、功率，保证显示器在相对夜视镜的辐射光谱总能量与实际夜空相对夜视镜的辐射光谱总能量接近，从而实现模拟真实夜空的显示效果；确保在目视观察液晶显示器与自然界夜空观察效果相近的同时，夜视镜观察液晶显示器的光谱与夜视镜观察自然界夜空的光谱相近。所述的特殊背光光源是指将光源分为两路，一路为普通
的白色led光源加750nm后截止的滤色片，一路为模拟夜晚星空环境光谱特点，增强夜视镜观察效果的深红色段窄带光源；这种增强夜视镜观察效果的深红色段窄带光源为激光光源或光谱特征类似的光源；深红色段窄带光源的光谱需要严格控制在680nm～720nm；光源的光谱在750nm以后严格截止。
[0028]
根据夜空的光谱分布，从图2可以看到月光、星光、1/4月光+星光（图2中从上至下的三条曲线）环境下光谱有差异，但是光谱均连续无突变，700～950nm光谱范围内较为平滑。自然星空的光谱作用在夜视镜的图像增强效应可通过计算得到（计算夜视镜响应辐亮度值），用液晶显示器的普通白色led（需要滤除大于750nm波长光谱的光线）加上深红色段680nm-720nm波长范围内的激光光源可以模拟实现同样的辐亮度，具体方法是：首先通过测试取得不同天气环境下星光光谱数据，不同目标的光谱反射系数；测试液晶屏光谱透过率分布、液晶显示器不同显示颜色输出光谱，计算过程如下：人眼观察真实夜空环境相关因素（在380～780范围内积分）：夜空光谱目标的光谱反射系数视见函数；夜视镜观察真实夜空环境响应效果：夜空光谱目标的光谱反射系数夜视镜响应曲线（在450～930nm范围内积分）；人眼观察显示器模拟的夜空环境相关因素：显示器亮度分布光谱视见函数；（在380～780nm范围内积分）。
[0029]
通过夜视镜观察显示器光谱：显示器光谱夜视镜响应曲线视见函数（在450～930范围内积分）。
[0030]
通过夜视镜观察夜空下的场景，虽然目视亮度很低，但辐照度比较高，这是由于真实夜空下，夜视响应灵敏的波长范围为650-930nm，光谱能量较高，但是普通led背光液晶显示器的光谱在650nm之后能量较低，通过夜视镜观察到的亮度值不够，且由于液晶光阀作用在750nm之后基本失去作用，此部分光谱直接透过液晶屏进入夜视镜，夜视镜观察时背景底色较亮，导致夜视镜观察时图像对比度下降严重，显示画面不够清晰，效果不理想。本发明所采用的技术方案是：针对夜视镜训练观察特点，采用一种窄带光谱光源，光谱范围控制在夜视镜响应灵敏且不超过液晶屏的高对比度调制的光谱范围，保证夜视镜训练模拟的环境高的图像对比度，通过调整特定光源的光谱及功率，保证其相对夜视镜总辐亮度与实际夜空的总辐亮度相近，调节幅度控制在不同的夜空环境对应的辐亮度范围，从而模拟夜视镜观察真实夜空的效果。
[0031]
真实夜空环境目视观察亮度较低，为实现显示器实现模拟训练接近实际，则要确保目视效果和夜视镜观察的效果都比较接近，夜视镜观察模式需要借助特殊光源实现。普通led背光显示器一般采用白光led，白光led的光谱在650nm之后能量迅速下降，为了得到更接近真实夜空的光谱，需要补充深红色波段的光谱。
[0032]
本发明根据微光夜视镜的光谱响应曲线和液晶屏的特性，设计特殊光谱背光系统，使液晶屏出射光谱与夜视镜进行匹配，同时又能模拟真实夜空环境。
[0033]
图2是夜空下光谱，包括月光下、星光下、1/4月光+星光下的光谱分布，能够反应大部分真实夜空环境。图3是普通白光led背光的液晶显示屏光谱分布（归一化处理），能够看到白光led的光谱在650nm之后能量迅速下降，与实际夜空环境光谱存在较大差异。
[0034]
图4是采用深红色波段窄带光源的液晶显示器示意图。导光板3接收光源1发出的
光，结合反光纸2的反射作用，将线光源转化为面光源。再经过光学膜组4的匀光入射到液晶屏5。光谱与光源1包含两路，其中一路是窄带光源如激光，优选激光类光源，光谱范围控制在夜视镜响应灵敏且不超过液晶屏的关断范围，峰值波长控制在700～720nm范围，且在750nm之后严格截止，另外一路光源是白光光源，可以是白色led，带滤除大于750nm波长光谱的滤色片。为了接近真实夜空环境的夜视镜观察的效果，窄带光谱光源确保夜视镜观察的高对比度，目视观察模式，可以联合调节白光光源和激光光源的光谱相对亮度。以上措施保证特殊显示器的辐亮度与实际夜空辐亮度相近，调节幅度包含不同的夜空环境对应的辐亮度范围，从而能够模拟夜视镜观察真实夜空的效果。
[0035]
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。