附录B 外文原文
High dynamic range liquid crystal displays with a mini-LED backlight
GUANJUN TAN, YUGE HUANG, MING-CHUN LI, SEOK-LYUL LEE, AND
SHIN-TSON WU
Abstract
We analyze the performance of high dynamic range liquid crystal displays (LCDs) using a two-dimensional local dimming mini-LED backlight. The halo effect of such a HDR display system is investigated by both numerical simulation and human visual perception experiment. The halo effect is mainly governed by two factors: intrinsic LCD contrast ratio (CR) and dimming zone number. Based on our results, to suppress the halo effect to indistinguishable level, a LCD with CR5000:1 requires about 200 local dimming zones, while for a LCD with CR2000:1 the required dimming zone number is over 3000. Our model provides useful guidelines to optimize the mini-LED backlit LCDs for achieving dynamic contrast ratio comparable to organic LED displays.
1.Introduction
High dynamic range (HDR) is an important feature for next generation displays [1,2]. A HDR display must exhibit a high contrast ratio (CRgt;105:1) in order to reveal the detailed images in both high and low brightness regions simultaneously. To achieve HDR, high peak brightness and excellent dark state of the display system are required [3, 4]. For instance, the luminance of the bright state should exceed 1000 nits, while the dark state should be below 0.01 nits [5]. Nowadays, liquid crystal display (LCD) [6] and organic light-emitting diode (OLED) [7] are two leading display technologies [8]. However, both OLEDs and LCDs need substantial improvements to realize the HDR features. First of all, OLED is an emissive display, as a result, it is relatively easy to display true black state [9, 10]. However, to achieve a brightness over 1000 nits would require a relatively high current, which would compromise the lifetime [8, 11]. On the other hand, LCD is a non-emissive display and requires a backlight unit, such as white light emitting diode (LED) [12] or blue LED pumped quantum dots [13]. A major advantage of LCD is that it can achieve high brightness (gt;1000 nits) by cranking up the LED luminance. However, a pitfall is its limited contrast ratio (CR), which depends on the liquid crystal alignment. For example, a commercial multi-domain vertical alignment (MVA) LCD, mainly used in TVs, can provide CR5000:1, which is still 20 times; lower than the HDR requirement. Therefore, how to achieve HDR is becoming a significant and urgent task for LCD. To overcome this challenge, segmented LEDs are adopted in the LCD backlight unit, where the local zones can be independently dimmed to match the displayed image contents [14–20]. This so-called local dimming technique can effectively suppress the dark state light leakage and greatly enhance the contrast ratio. Both direct-lit type [5, 14–17] and edge-lit type [18–20] local dimming backlight systems have been developed. Direct-lit type local dimming exhibits better HDR performance, while edge-lit type backlight offers a thinner profile [19, 20]. A common issue of local dimming, no matter direct-lit or edge-lit, is the halo effect. The halo artifact usually appears around a bright object on dark background due to light leakage of the LCD panel. Extensive efforts on how to improve the image quality by backlight dimming algorithms have been conducted [2, 21–24]. From the device viewpoint, higher intrinsic LCD contrast ratio and appropriate local dimming zones are two promising approaches.
Recently, micro-LED and mini-LED have attracted much attentions. Micro-LED with a chip size less than 100 mu;m is considered as a revolutionary technology for future displays [25–28]. However, the manufacturing yield of micro-LED mass transfer remains a big challenge. On the other hand, mini-LED has a larger chip size (100~500 mu;m) than micro-LED and its fabrication is also much easier. Thus, mini-LED is an ideal backlight candidate to enable local dimming for LCDs. In addition to high brightness (gt;1000 nits), mini-LED backlight can provide more than 10,000 local dimming zones to achieve excellent HDR performance. What is more, due to the small dimension of mini-LED, it can offer freeform outline and narrow bezel, which is highly desirable for smartphone applications. Until now, there is no detailed discussion on system modeling and performance evaluation of LCDs with mini-LED backlight.
In this paper, we develop a numerical model to analyze and optimize the HDR LCD system with a mini-LED backlight. The proposed model is capable of analyzing the whole display system from mini-LED backlight, diffuser to LC panel, and finally producing full- color images displayed by the system. Peak Signal to Noise Ratio (PSNR) in the CIE 1976 L*a*b* color space is selected as the metric to evaluate HDR performance, mainly the halo effect. Based on this model, the impacts of local dimming zone number and intrinsic LCD CR are investigated respectively. Then, subjective perception experiments are designed and carried out to determine the human visual perception limit for HDR contents. Our results indicate that a LCD with CR5000:1 (MVA TV) would require gt;200 dimming zones to achieve unnoticeable halo effect. While for a LCD with CR2000:1, the required dimming zones is over 3000.
2.Device modelling
Simulation model and verification
Fig. 1. Schematic diagram of the LCD display with a mini-LED backlight.
Figure 1 depicts the device structure of the LCD system with a direct-lit mini-LED backlight, which is not drawn to scale. The backlight unit consists of square-shaped mini-LED array with chip size s and pitch length p. For simplicity, we assume that all the mini-LEDs having the same angular emission pattern I0(theta;). Of course, different emission patterns can be appliedfor different application needs. Without losing generality, Lambertian emission is
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附录A外文译文
带有微型LED背光的高动态范围液晶显示器
GUANJUN TAN, YUGE HUANG, MING-CHUN LI, SEOK-LYUL LEE, AND
SHIN-TSON WU
摘 要
我们利用二维局部调光微型LED背光灯,分析了高动态范围液晶显示器（LCD）的性能。通过数值模拟和人类视觉感知实验来研究这种HDR显示系统的光晕效果。晕轮效应主要受两个因素控制：LCD固有对比度（CR）和调光区数。根据我们的结果，为将光晕效应抑制到无法分辨的水平，CR5000：1的LCD需要大约200个局部调光区域，而CR2000：1的LCD则需要超过3000个调光区域。我们的模型提供了有用的指南，可优化mini-LED背光LCD，以实现可与有机LED显示屏媲美的动态对比度。
1.导言
高动态范围（HDR）是下一代显示器的重要功能[1,2]。HDR显示器必须具有高对比度（CRgt; 105：1），以便同时显示高亮度区域和低亮度区域的详细图像。为了实现HDR，要求显示系统具有高峰值亮度和出色的暗态[3，4]。例如，明亮状态的亮度应超过1000尼特，而黑暗状态的亮度应低于0.01尼特[5]。如今，液晶显示器（LCD）[6]和有机发光二极管（OLED）[7]是两种领先的显示技术[8]。但是，OLED和LCD都需要进行实质性改进才能实现HDR功能。首先，OLED是一种发光显示器，因此，显示纯黑状态相对容易[9，10]。但是，要获得超过1000尼特的亮度，将需要相对较高的电流，这会损害使用寿命[8，11]。另一方面，LCD是非发光显示器，需要背光单元，例如白光发光二极管（LED）[12]或蓝色LED泵浦的量子点[13]。LCD的主要优点是可以通过提高LED的亮度来实现高亮度（gt; 1000尼特）。但是，陷阱在于其有限的对比度（CR），取决于液晶取向。例如，主要用于电视的商用多域垂直排列（MVA）LCD可以提供CR5000：1，但仍比HDR要求低20倍。因此，如何实现HDR正成为LCD的重要而紧迫的任务。为了克服这一挑战，LCD背光单元采用了分段式LED，可以局部调暗局部区域以匹配显示的图像内容[14-20]。 这种所谓的局部调光技术可以有效地抑制暗态漏光并大大提高对比度。已经开发了直接照明型[5，14–17]和边缘照明型[18–20]局部调光背光系统。直接照明型局部调光表现出更好的HDR性能，而边缘照明型背光提供更薄的轮廓[19，20]。不管是直接照明还是边缘照明，局部调光的常见问题都是光晕效应。由于LCD面板的漏光，通常在深色背景的明亮物体周围会出现光晕伪影。 关于如何通过背光调光算法来改善图像质量的工作已经进行了广泛的尝试[2，21-24]。从设备的角度来看，较高的LCD固有对比度和适当的局部调光区域是两种有前途的方法。
近来，Micro-LED和mini-LED引起了很多关注。芯片尺寸小于100mu;m的Micro-LED被认为是未来显示器的革命性技术[25-28]。然而，mini-LED传质的制造成品率仍然是一个很大的挑战。另一方面，与Micro-LED相比，mini-LED具有更大的芯片尺寸（100〜500mu;m），并且其制造也容易得多。因此，mini-LED是实现LCD局部调光的理想背光源。除了高亮度（gt; 1000尼特）外，mini-LED背光还可以提供10,000多个局部调光区域，以实现出色的HDR性能。而且，由于mini-LED的尺寸小，它可以提供自由形状的轮廓和狭窄的边框，这对于智能手机应用程序是非常理想的。到目前为止，还没有关于带有mini-LED背光的LCD的系统建模和性能评估的详细讨论。
在本文中，我们开发了一个数值模型来分析和优化具有mini-LED背光的HDR LCD系统。所提出的模型能够分析整个显示系统，从微型LED背光，漫射器到LC面板，最终产生系统显示的全彩色图像。 选择CIE 1976 L * a * b *颜色空间中的峰值信噪比（PSNR）作为评估HDR性能（主要是光晕效果）的度量。在此模型的基础上，分别研究了局部调光区数和固有LCD CR的影响。然后，设计并进行主观感知实验，以确定人类对HDR内容的视觉感知极限。我们的结果表明，CR5000：1的LCD（MVA TV）需要大于200个调光区域才能实现显着的光晕效果。对于CR2000：1的LCD，所需的调光区域超过3000。
2.设备建模
仿真模型与验证
图1.具有mini-LED背光的LCD显示器的示意图。
图1描绘了具有直接照明的mini-LED背光的LCD系统的设备结构，未按比例绘制。背光单元由方形微型LED阵列组成，芯片尺寸为s，节距为p。为简单起见，我们假设所有微型LED具有相同的角度发射图案I0（theta;）。当然，可以将不同的发射模式应用于不同的应用需求。 在不失一般性的前提下，我们的模拟采用了朗伯辐射。然后，应用扩散板使光散布以获得良好的空间均匀性。 在我们的仿真中，我们使用点扩散函数（PSF）理论[24，29]对从mini-LED背光到LCD面板的光传播进行建模。扩散板用于加宽空间和角度分布。双向散射分布函数（BSDF）可以用作散射板的精确描述。在这里，我们可以进行合理的简化。 穿过漫射器的光的角度分布描述为Id（theta;）。此外，我们假设Id（theta;）遵循朗伯分布，即对于强扩散器，Id（theta;） cos（theta;）。 此外，该假设也适用于颜色转换膜，例如磷光体或量子点层。 扩大的空间分布遵循二维高斯函数，如下所示：
（1）
其中是入射源点的位置，而rho;是空间分布的标准偏差。可以调整标准偏差rho;以获得良好的空间均匀性。
在我们的仿真中，系统设置基于[30]中报告的设备配置。mini-LED阵列的尺寸为p=1 mm和s=0.5 mm。为了获得良好的空间均匀性，通过考虑背光源，扩散板和LCD面板之间的基板和粘合剂层，将有效光扩散距离设置为H1＝0.4mm和H2＝0.5mm。然后，我们模拟一个具有mini-LED背光的6.4英寸2880times;1440 LCD系统。公式中的扩散标准偏差rho;。将（1）调整为rho;= 0.4 mm，以便在整个显示面板上产生均匀的亮度。通常，背光的边缘将比中心区域暗。因此，我们还将背光面积（146 mmtimes;74 mm）设置为略大于LCD面板（144 mmtimes;72 mm），以确保出色的均匀性。
图2.具有（a）模式I，（b）模式II，（c）模式III和（d）模式IV的Mini-LED背光灯局部调光调制。 模拟显示的图像：（e）模式I，（f）模式II，（g）模式III和（h）模式IV。
为了验证我们的模型，我们模拟了具有局部调光效果的上述显示系统，然后将我们的结果与[30]中报道的实验数据进行了比较。根据[30]，背光由24times;12个局部调光区域组成，每个区域有6个times;6个mini-LED，可独立调节。 所采用的面内开关（IPS）LCD面板的CR1500：1。我们研究了四个测试模式，如图1和2所示。 如图2（a）-2（d）所示，并计算出相应的动态对比度。图2（e）-2（h）显示了它们相应的显示模式。表1比较了计算出的动态CR。
从表1可以看出，我们的模拟结果与[30]中的测量数据相当吻合。应该提到的是，对于如此高的CR测量，黑态接近所采用的光电二极管检测器的噪声水平。 因此，预期所测CR会有一些变化。
表1.四种测试图案的模拟和测量[30]动态对比度。
|
Pattern |
I |
II |
III |
IV |
|
Simulated CR |
15,094 |
46,547 |
32,245 |
31,590,212 |
|
Measured CR |
~20,000 |
25,000~40,000 |
25,000~40,000 |
gt;3,000,000 |
显示图像模拟和评估指标
如上所述，我们的仿真模型可以预测显示系统的动态对比度。同时完整的仿真模型应该能够仿真显示的图像，然后评估HDR性能。因此，我们接下来的工作是进一步开发模型以模拟最终显示的图像。目标是使我们的模型能够将设备结构与最终的HDR显示性能（特别是光环效应）相关联。
对于显示的图像模拟，首先我们需要确定如何分别调制mini-LED背光和LCD面板。由于我们的主要重点是光环效应，因此我们使用最大算法[2]和LC像素补偿[29]来最大程度地减少削波效应。对于要使用我们的系统显示的目标图像，我们首先根据背光局部调光区域将图像分为几个区域。在每个区域内，目标图像的最大亮度用于确定相应的mini-LED背光区域的亮度。利用提出的仿真模型，可以计算入射在LC层上的光的亮度分布。然后，我们可以通过LC层上的亮度与目标图像的亮度之间的比率来确定LC面板的透射率。LED背光调制深度合理设置为10位，而LC面板透射率调制为8位。在这里，我们给出一个在黑暗背景下“烛光”图像的示例，如图3所示。mini-LED背光调制如图3（a）所示，并给出了入射在LC层上的模拟亮度分布。在图3（b）中。通过分别考虑通过R / G / B通道的LC面板调制，我们可以获得最终显示的全色图像，如图3（c）所示。
图3.显示的图像模拟：（a）Mini-LED背光调制；（b）入射在LC层上的光的亮度分布，以及（c）LCD调制后的显示图像。
尽管不容易观察到，但由于LC面板的漏光（CR〜1500：1），明亮蜡烛区域周围的光环在图3（c）中仍然存在。需要一种评估指标来定量评估光环效应。 在我们的分析中，必须同时考虑亮度和颜色。因此，在我们的评估中可以使用CIE 1976 L * a * b *颜色空间中的峰值信噪比（PSNR）。常规的CIE 1931 XYZ坐标可以通过[31，32]轻松转换为L * a * b *颜色空间：
L* 116 f Y/Yn 16
a* 500 f X /Xn f Y/Yn (2)
b* 200 f Y/Yn f Z/Zn
哪里
(3)
在LAB色彩空间中，L *代表亮度值，a *代表绿红色分量，b *代表蓝黄色分量。 式中的Xn，Yn和Zn （2）分别是参考白色的XYZ值。基于等式 （2），我们可以定义L * a * b *颜色空间中的色差，这是两种颜色之间的感知差异，同时考虑亮度和色度差异[31,32]：
(4)
其中，Delta;L*，Delta;a*和Delta;b*是显示图像和目标图像之间的差异。这样，我们可以通过以下公式[24]定义LabPSNR：
(5)
其中m和n是图像分辨率（在我们的示例中为2880times;1440），而Delta;Emax是黑白之间的差异。在我们的模拟中，将归一化的Delta;Emax设置为100。然后使用LabPSNR作为评估指标，我们可以量化显示图像和目标图像之间的差异。
在图3中，背光只有288个局部调光区，LCD对比度为1500：1。在以下模拟中，我们将讨论局部调光区数量和LCD对比度如何影响最终显示性能。蜡烛图像再次用作示例。具有不同局部调光区域的显示图像的L * a * b *色差Delta;E在图5中示出。4.图4中的对比度全部保持在1500：1。 从图。如图4（a）至4（d）所示，局部调光区的数量分别为18、288、1152和10368。每个区域中相应的mini-LED数量为24times;24、6times;6、3times;3和1times;1。 从图4（a）-4（d）可以看出一个明显的趋势：显示的图像失真随着局部调光区数的增加而减小。特别是，明亮蜡烛周围的光环面积急剧减小。计算出的LabPSNR从39.9 dB提高到以及48.8 dB。
图4.具有不同局部调光区号的目标图像和显示图像之间的L * a * b *色差Delta;E：a）18； b）288； c）1152和d）10368。
除了局部调光区号以外，LCD对比度也是影响最终HDR性能的另一个重要因素。 因此，我们还分析了固有LCD对比度的影响。图5显示了显示图像的模拟Delta;E，其中CR从1500：1增加到4500：1。在图3所示的模拟中，局部调光区号被设置为1152。5.如图1和2所示。如图5（a）-5（d）所示，随着LC对比度的增加，晕圈面积不变，而色彩失真Delta;E值减小。 另外，LabPSNR从46.9 dB上升[图。5（a）]到51.6 dB [图。5（d）]。 从图4和图5可以看出局部调光区数量和LCD对比度的影响。调光区数主要影响光晕区域，而LCD对比度会影响局部图像失真。
图5.具有LCD对
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