让阳光照射进来:通过防眩光处理优化显示器性能

话题:
作者:
Anne Corning

如果您坐在汽车的驾驶座、飞机的驾驶舱或船舶的驾驶台上,您将拥有一系列的显示器和控制装置来提供对安全操作至关重要的信息。无论环境条件如何变化,您必须始终能够清楚地看到各种性能指标和导航数据。

相比客厅里的电视机或办公室里的电脑,我们在户外和移动过程中所依赖的显示器(比如:车载、机载和船载显示器,甚至是自助服务终端显示器)容易受到更恶劣条件的影响。阳光和紫外线照射、湿度和水(或盐水)、运动和振动及温度波动都可能会妨碍或降低显示器的性能。

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左上角起顺时针方向:船载显示器、喷气式客机驾驶舱显示屏、户外信息显示触摸屏和汽车仪表盘示例,即使在阳光直射的情况下,这些显示器也必须保持清晰、可读。

阳光下可读显示器的市场需求

当然,专为这些场景而设计的显示器面临的最大挑战之一在于阳光。仪表盘和驾驶舱内嵌入的显示器在阳光直射和阳光照射角度发生变化的情况下(这会导致屏幕上出现反射眩光)必须仍可读取。

提高屏幕可读性的方法主要有两种。第一种方法是使屏幕变得更明亮,以提高阳光下的可见性。屏幕亮度可以根据不同场景的可见性进行调整。“显示器的亮度是以尼特为单位来测量的。典型LCD面板的屏幕亮度在250至450尼特之间。800尼特或更高的LCD屏幕亮度通常被认为在阳光下具有可读性,但大多数阳光下可读显示器的亮度为1000尼特。”1

第二种确保显示器在环境光场景中可读性的方法是增加防眩光(AG)层或防反射(AR)层。非反射型涂层、薄膜或分层有助于使阳光进行漫射,并减少显示器表面的光线反射,从而提高可读性。

举例来说,LED背光灯与LED像素之间的漫射材料可能“具有透射反射性”,这意味着它既可以透射光线,也可以反射光线。“透射反射材料类似于反光太阳镜或单向窗户,其中,有光泽的一面朝向LCD表面。当使用透射反射材料时,进入LCD面板的阳光将会穿过像素,从透射反射材料上反射回来,并通过像素反射回到您的眼睛。在这种情况下,相比传统的LCD面板,阳光对可视性的影响要小得多,因为阳光会通过LCD像素反射回去,并有助于提高LCD面板的亮度。”2 

许多行业将不同的方法搭配使用。举例来说,船载显示器制造商同时使用亮度设置和涂层方法,以提高显示器在船上环境下的可见性和坚固耐用性。这些方法包括:

  • 特殊涂层,可抵抗盐水环境
  • 亮度在1000尼特或以上
  • 对比度在1000:1或以上
  • 高质量层压处理
  • 专门设计的高质量光学粘合材料,可承受高温和高湿环境
  • 模块化设计,可抵御严酷的环境
  • 增加视角3

防眩光处理和“闪烁”效应

我们可以将防眩光(AG)薄膜或涂层应用在显示器表面上,以减少眩光,并提高显示器的可读性。

automotive dashboard diasplay_sun glare before and after AG

未经处理的车载显示器面板在阳光下的示例(左),其中,来自光线和其他反射图像的眩光使驾驶员难以看清屏幕。在对同一显示器应用防眩光涂层后的示例(右),其最大程度地减少了光线和背景图像的反射,从而确保驾驶员可以清晰地看到操作数据。(图片:来源

将防眩光薄膜和纹理应用于显示器,以减少来自显示器玻璃或塑料的光谱(类似镜面)反射。防眩光涂层实际上是位于基材表面上或基材外层正下方的微型图案或粗糙纹理,其利用扩散机制分解表面上的反射光。防眩光微结构充当小透镜,因此防眩光薄膜的可变表面结构促使环境光线均匀地扩散,从而提高了显示器的可见性。

sparkle_anti-glare facets

防眩光层微结构示例。4

然而,在成功减少阳光反射的同时,防眩光薄膜和涂层也可能会带来显示器制造商必须解决的新问题。当来自显示器的光线通过防眩光层发出时,“视觉噪声”可能以粒状外观、圆点或雾度的形式出现,导致显示器的清晰度降低。这种干扰称为“闪烁”。

sparkle of display with and without ag film

基于图像的显示器测试系统采集的测量图像显示了防眩光层的应用(右)是如何引入闪烁、雾度、扩散等视觉干扰特性的(左)。

当防眩光微结构的小平面与显示器的像素几何结构相对抗时,就会产生闪烁。当显示器像素接近防眩光薄膜结构中的小平面尺寸时,从每个显示器像素发出的光线都会被穿过像素区域的防眩光表面变化折射,从而引起干扰和散射。这是一种微妙的平衡。显示器制造商希望优化防眩光层,以确保:

  • 最大限度地增加阳光的扩散,与此同时…
  • 最大程度地减少闪烁对显示器可见性的影响

在防眩光显示器的制造过程中,一项关键挑战在于确保防眩光表面具有充分的变化,以减少不必要的反射,同时又不牺牲通过防眩光层所显示图像的清晰度和分辨率。要达到这种平衡,一种方法是从人类观察者感知的角度量化防眩光显示器的闪烁效果,以确定能够消除可觉察干扰的显示器像素结构+ 防眩光层微结构的最佳组合。通过量化可接受的防眩光层性能,可以帮助制造商比较闪烁效应的严重程度,并减少不同显示器之间防眩光涂层/纹理水平的差异。

anti-glare treatments

(a)酸蚀防眩表面和(b)溶胶-凝胶喷涂表面示例。此外,纳米粒子和其他技术也可以用于产生粗糙的防眩光处理效果。5

测量和量化防眩光显示器的性能

应当采用一种标准的测量方法来确定可量化的闪烁值,并将其与人类感知研究以可重复的方式关联起来,以了解什么水平是人类观察者可以接受的以及什么水平是不可接受的。直到最近,缺乏可重复的闪烁测量方法一直是定义标准质量控制流程的障碍。基于在美国华盛顿州雷德蒙德市总部设施进行的广泛实验室测试,以及在汽车OEM制造商客户的工厂设施进行的研究,瑞淀光学系统最近定义了一种标准的闪烁测量方法。

瑞淀的方法可以产生可量化的结果,这些结果始终将所测得的闪烁值与人类对防眩光显示器质量的视觉感知相关联,从而使汽车制造商能够使用显示器自动化测试流程来满足客观的质量标准。通过使用高分辨率ProMetric® 成像色度计和亮度计,瑞淀的闪烁测量方法在业界率先使OEM制造商能够针对其供应商提供的显示器设置数值公差(例如,测得的闪烁小于2%),以确保无论供应商、产品或测试的时间和地点如何,所有显示器能够实现一致的质量水平。

如需了解更多有关闪烁测量及瑞淀为确定标准测试系统规格和测量参数而进行的研究的信息,请观看我们近期的网络研讨会:“定义用于防眩光显示器质量控制的闪烁测量标准。”在本次网络研讨会上,瑞淀光学系统汽车业务负责人Matt Scholz提出了一种可在不同的用户、设备和系统之间进行的可重复闪烁测量方法,该方法提供与人类对显示器质量的视觉感知相关联的可量化结果。该网络研讨会所涵盖的主题包括:

  • 闪烁对显示器视觉质量的影响
  • 用于可重复的闪烁测量的标准系统规格和方法
  • 基于人类视觉感知设定闪烁公差范围
  • 汽车OEM制造商客户案例研究
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引用文献

  1. Hovanets, C., “What is a sunlight readable display?”, Teguar.com, April 3, 2019. (Retrieved March 24, 2021)
  2. Ibid.
  3. “Requirements for a Marine Application Display”, USMicroProducts.com, (Retrieved March 24, 2021)
  4. Nuijs, A., and Horikx, J., “Diffraction and scattering at anti-glare structures for display devices,” Applied Optics 33(18):4058-4068, 1994. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.33.004058 
  5. Huckaby, D., and Cairns, D., "Quantifying "Sparkle" of Anti-Glare Surfaces", SID Display Week Digest 2009, 36.2.
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