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 HDRdisplay 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 CRasymp;5000:1 requires about 200 local dimming zones, while for a LCD with CRasymp;2000:1 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 HDRdisplay must exhibit a high contrast ratio (CRgt;105 :1) in order to reveal the detailed images inboth 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 CRasymp;5000:1,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-calledlocal 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 localdimming 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 tolight 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, higherintrinsic 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 fullcolor 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 CRasymp;5000:1 (MVA TV) would require gt;200 dimming zones to achieve unnoticeable halo effect. While for a LCD with CRasymp;2000:1, the required dimming zones is over 3000.
2. Device modelling
2.1 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 applied for dif
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附录A 外文译文
高动态范围液晶显示与mini-LED背光
Guanjun Tan, Yuge Huang,Ming-Chun Li,Seok-Lyul Lee,and Shin-Tson Wu
摘要：
我们分析了采用二维局部调光mini-LED背光技术的高范围动态液晶显示屏的性能。通过数据模拟和视觉感知实验，研究了HDR显示系统的晕轮效应。晕轮效应主要由两个因素控制：固有的LCD对比度（CR）和调光区数。我们的研究显示，为了将晕轮效应抑制到难以分辨的水平，CR约5000：1的LCD需要大约200个局部调光区，而CR约2000：1的LCD则需要超过3000个调光区。我们的模型提供了有用的准则，优化mini-LED背光液晶显示屏，实现与显示屏的动态对比度相媲美。
1.介绍
高动态范围（HDR）是下一代显示器的一个重要特性[1，2]。一个HDR显示器必须具有高对比度（CRgt;105:1），以便同时显示高亮度和低亮度区域的详细图像。为了实现HDR，需要显示系统具有高的峰值亮度和良好的暗态[3，4]。例如，亮态的亮度应该超过1000 nits，而暗态的亮度应该低于0.01 nits[5]。目前，液晶显示（LCD）[6]和有机发光二极管（OLED）[7]是两种主要的显示技术[8]。然而，OLED和LCD都需要大量的改进来实现HDR特性。首先，OLED是一种发射型显示器，因此，它相对容易显示真实的暗态[9，10]。然而，要达到超过1000 nits的亮度，就需要一个相对较高的电流，这将降低寿命[8，11]。另一方面，LCD是一种非发射显示器，需要背光单元，如白光发光二极管（LED）[12]或蓝色LED泵浦量子点[13]。LCD的一个主要优点是可以通过提高LED的亮度来达到高亮度（gt;1000 nits）。然而，其缺陷在于其有限的对比度（CR），这取决于液晶的排列。例如，商用广视角（MVA）LCD，主要用于电视，可以提供CRasymp;5000：1，仍然比HDR要求低20倍。因此，如何实现HDR成为液晶显示器的一个重要而紧迫的课题。为了克服这一挑战，LCD背光单元采用区段式LED，局部区域可以独立调暗，以匹配显示的图像内容[14-20]。这种局部调光技术可以有效地抑制暗态光的泄漏，大大提高对比度。直下式和侧光式局部调光背光系统均已开发。直下式局部调光表现出更好的HDR性能，而侧光式则提供了更薄的轮廓。局部调光的一个常见问题是晕轮效应，无论是直下式[5，14-17]还是侧光式[18-20]。由于液晶面板的漏光，晕轮效应通常出现在黑暗背景下的明亮物体周围。对于如何利用背光调光算法来提高图像质量已经被广泛的研究。从器件的角度看，较高LCD的固有对比度和适当的局部调光区是两种有前途的方法。
最近，micro-LED和mini-LED已经引起许多关注。Micro-LED芯片尺寸小于100 mu;m被认为是一个革命性的未来显示技术[25-28]。然而，micro-LED传质材料的制造良率仍然是一个巨大的挑战。另一方面,mini-LED芯片比micro-LED尺寸更大（100~500 mu;m），其制造也容易得多。因此，mini-LED是一个理想的背光候选者对于显示器的局部调光。除了高亮度（gt;1000 nits），mini-LED背光可以提供超过10,000个局部调光区，以实现卓越的HDR性能。更重要的是，由于mini-LED尺寸小，它可以提供自由的轮廓和狭窄的边框，这非常适合的智能手机应用程序。到目前为止，还没有关于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带有mini-LED背光的HDR LCD系统。该模型能够对整个显示系统进行分析，从mini-LED背光、LC面板，到最后生成系统显示的全彩色图像。选择CIE 1976 L*a*b*色空间中的峰值信噪比（PSNR）作为评价HDR性能的指标，主要是晕轮效应。在此基础上，分别研究了局部调光区数和固有LCD对比度对系统性能的影响。然后，设计并进行主观感知实验，确定人类对HDR内容的视觉感知极限。结果表明，CRasymp;5000：1（MVA TV）的液晶显示器需要gt;200个调光区才能产生不明显的晕轮效应。而对于CRasymp;2000：1的LCD，要求的调光区在3000以上。
2.设备模拟
-
- 仿真实验与验证
图1. mini-LED背光液晶显示器原理图
图1描述了带有直下式mini-LED背光的LCD系统的设备结构，该图不是按比例绘制的。背光单元由正方形的mini-LED阵列组成，芯片大小为s，间距为p。为简单起见,我们假设所有的mini-LEDs拥有相同的角度发射模式I0（theta;）。当然，不同的发射模式可以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发射。然后利用扩散板进行光的扩散，获得良好的空间均匀性。在我们的模拟中，我们使用点扩散函数（PSF）[24，29]理论来模拟从mini-LED背光到LCD面板的光传播。扩散板被用来扩大空间和角度分布。双向散射分布函数（BSDF）可以作为漫射板的精确描述。在这里我们可以做一个合理的简化。光穿过扩散器的角度分布被描述为Id（theta;）同时,我们假设Id（theta;）是遵循朗伯分布,也就是Id（theta;） prop; cos（theta;），产生强的扩散。此外，这一假设也适用于色彩转换膜，如荧光粉或量子点层。加宽后的空间分布服从二维高斯函数:
， （1）
（x0, y0）是事件源点的位置，rho;是空间分布的标准偏差。标准差rho;可以调整来实现好的空间均匀性。
在我们的模拟中，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,s=0.5 mm。为了获得良好的空间均匀性，通过考虑背光、扩散板和LCD面板之间的基片和胶层，将有效光扩散距离设为H1=0.4 mm, H2=0.5 mm。然后，我们模拟了一个6.4英寸的2880times;1440mini-LED背光液晶显示器系统。在等式（1）中扩散标准差rho;应调整至rho;=0.4 mm以生成均匀的亮度在整个显示面板。通常，背光的边缘会比中心区域暗一些。因此，我们还设置背光面积(146 mmtimes;74 mm)略大于液晶面板(144 mmtimes;72 mm)，以确保良好的一致性。
图2. Mini-LED背光局部调光（a）模式I，（b）模式II，（c）模式III（d）模式IV模拟显示图像：（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，并将结果与[30]中报告的实验数据进行了比较。根据[30]，背光由24times;12个局部调光区组成，每个区域有6times;6个mini-LED，可以独立调制。所采用的平面转换（IPS）液晶面板具有CRasymp;1500：1的性能。我们研究了四种测试模式，如图2（a）-2（d）所示，并计算了相应的动态对比度。图2（e）-2（h）显示了它们相应的显示模式。表1比较了计算的动态CRs。
从表1可以看出，我们的模拟结果与[30]的测量数据非常一致。需要指出的是，对于如此高的CR测量，黑态已经接近所使用的光电二极管探测器的噪声水平。因此，测量的CR有一些变化是可以预料的。
表1. 四种测试模式下模拟和[30]中的动态对比度
|
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 |
2.2显示图像仿真与评价指标
如前所述，我们的仿真模型可以预测显示系统的动态对比度。而一个完整的仿真模型应该能够模拟所显示的图像，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来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显示性能联系起来，特别是晕轮效应。
对于显示的图像仿真，首先需要确定如何分别对mini-LED背光和LCD面板进行调制。因为我们这里主要关注的是晕轮效应，所以我们使用了Max算法[2]和LC像素补偿[29]来最小化裁剪效应。对于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划分为几个区域。在每个区域内，利用目标图像的最大亮度来确定相应的mini-LED背光区域的亮度。利用所提出的模拟模型，可以计算出入射光在LC层上的亮度分布。然后我们可以通过LC层上的亮度与目标图像的亮度之比来确定LC面板的透光率。合理设置LED背光调制深度为10位，LC面板透光调制为8位。在这里，我们给出一个“蜡烛”图像在黑暗的背景作为例子，如图3所示。mini-LED背光调制如图3（a）所示，LC层模拟亮度入射分布如图3（b）所示。分别考虑R/G/B通道的LC面板调制，可以得到最终显示的全彩图像，如图3（c）所示。
图3. 显示图像仿真：（a）mini-LED背光调制；（b）入射光在LC层上的分布，以及（c）经LCD调制后的显示图像
虽然不太容易观察到，但是在图3（c）中仍然存在围绕着明亮蜡烛区域的光晕，这是由于LC面板（CR~1500：1）的漏光造成的。需要一个评价指标来定量评价晕轮效应。在我们的分析中，需要同时考虑亮度和颜色。因此，我们可以利用CIE 1976 L*a*b*色空间中的峰值信噪比（PSNR）进行评价。传统的CIE 1931 XYZ坐标可以很容易地通过[31，32]转换成L*a*b*色空间坐标：
， （2）
其中
， （3）
在LAB色空间中，L*表示明度值，a*表示绿-红分量，b*表示蓝-黄分量。式（2）中的Xn、Yn、Zn分别为参考白的XYZ值。根据式（2），我们可以定义L*a*b*色空间中的色差，即在考虑亮度和色度差异的情况下，感知到的两种颜色之间的差异[31,32]:
, （4）
Delta;L*，Delta;a*，Delta;b*是显示图像和目标图像之间的差异。由此，我们可以通过公式[24]来定义LabPSNR：
, （5）
m和n是图像分辨率（在我们的示例中为2880times;1440），Delta;Emax是黑色和白色的区别。在我们的模拟中,规范化Delta;Emax设置为100。然后以LabPSNR作为评价指标，量化显示图像与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。在接下来的模拟中，我们将讨论局部调光区数和LCD对比度对最终显示性能的影响。蜡烛的图片再次作为一个例子。L*a*b*色差Delta;E显示图像的不同区域调光区域如图4所示。图4的对比度都保持在1500：1。由图4（a）至图4（d），局部调光区数目分别为18个、288个、1152个及10368个。每个区域对应的mini-LED数分别为24times;24、6times;6、3times;3、1times;1。从图4（a）-4（d）可以看出一个明显的趋势：随着局部调光区域数的增加，所显示的图像失真减小。特别是，明亮的蜡烛周围的晕轮面积急剧减少。计算所得的实验室信噪比由39.9 dB提高到48.8 dB。
图4. 在不同局部调光区数下目标图像和显示图像的L*a*b*色差Delta;E：（a）18；（b）288；（c）1152（d）10368
除局部调光区数外，LCD对比度是影响HDR最终性能的另一个重要因素。因此，我们也分析了固有LCD对比度的影响。图5展示了对比度从1500：1到 4500：1测试显示图像的Delta;E。在如图5所示的仿真中，局部调光区域数设置为1152。如图5（a）5（d）所示,晕轮区域不会改变而色差Delta;E随着LC对比度增加而降低。此外，LabPSNR从46.9 dB[图5（a）]增加到51.6 dB[图5（d）]。图
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