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，andShin-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 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 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 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-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 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.Of course, different emission patterns can be applied.for different application needs. Wi
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附录A外文译文
基于MiniLED背光源的高动态范围液晶显示
Guanjun Tan，Yuge Huang，Ming-Chun Li，Seok-Lyul Lee，andShin-Tson Wu
摘要
本文以基于MiniLED背光源的二维局部调光来分析高动态范围液晶显示器（LCD）的性能，通过数字模拟和人类视觉感知实验来研究这种HDR显示系统的光晕效应。光晕效应主要受两个因素控制：固有LCD对比度（CR）和调光区数。实验结果表明，为了将光晕效应降到最低，对比度为5000：1的液晶显示器需要大约200个局部调光区，而对比度为2000：1的液晶显示器，所需的调光区数量超过3000个。我们的模型对优化以MiniLED做背光源的液晶显示，实现与有机LED显示器相当的动态对比度提供了有用的指导。
- 引言
高动态范围（HDR）是下一代显示器的重要特征[1,2]。HDR显示器必须具有高对比度（CRgt; 105：1）才能同时显示图像高亮度区域和低亮度区域中的细节。为了实现HDR，需要高亮度和的低暗度的显示系统[3,4]，例如，亮态的亮度应高于1000nits，而暗态应低于0.01nits[5]。如今，液晶显示器（LCD）[6]和有机发光二极管（OLED）[7]是两种先进的显示技术[8]。然而，OLED和LCD都需要实质性的改进才能实现HDR功能。OLED是一种发光显示器，显示真正的黑色状态相对容易[9,10]，但是，要达到超过1000nits的亮度需要较高的电流，会损害OLED的寿命[8,11]。而LCD是非发光显示器并且需要背光，例如白色LED[12]或蓝色LED可以作为背光源[13]，LCD的一个主要优点是它可以通过提高LED亮度来实现高亮度（gt; 1000nits），缺点是其取决于液晶排列的有限的对比度（CR）。例如，主要用于电视的商用多域垂直对准（MVA）LCD可以提供5000：1的对比度，也仍然比HDR要求低20倍。因此，如何实现HDR的液晶显示正成为一项重要而紧迫的任务。为了获得高对比度，在LCD背光单元中采用分段LED，局部区域可以独立调节以匹配显示的图像内容[14-20]，这种所谓的背光源区域控制技术可以有效地防止光泄漏并大大提高对比度。以此为基础开发出直接照明型[5,14-17]和侧光式[18-20]局部调光背光系统，直接照明型局部调光具有更好的HDR性能，而侧光式局部调光则让显示设备有更薄的外形[19,20]。无论是直接照明还是边缘照明，局部调光的常见问题是光晕效应。由于LCD面板的漏光，光晕现象通常出现在深色背景上的明亮物体周围。我们进行了关于如何通过背光控制算法改善图像质量的研究[2,21-24]，从显示设备角度来看，使LCD具有更高的对比度和适当的局部调光是两种有前景的方法。
最近，微型LED和迷你LED备受关注。尺寸小于100mu;m的微型LED被认为是未来显示器的革命性技术[25-28]，然而，批量生产微型LED是非常困难的。而MiniLED的尺寸为100~~500mu;m，并且相比微型LED其制造也更容易。因此，MiniLED是实现LCD局部调光的理想背光源。除了高亮度（gt; 1000nits）外，MiniLED背光还可以提供10,000多个局部调光区域，具备真正意义上的HDR显示能力。除此之外，由于MiniLED尺寸小，它还可以满足智能手机任意形状的轮廓和窄边框的应用需求。到目前为止，还没有详细讨论基于MiniLED背光的LCD的系统建模和性能评估。
在本文中，我们开发了一个模型来分析和优化基于MiniLED背光的HDR LCD系统。所提出的模型能够分析从MiniLED背光，漫射器到LC面板的整个显示系统，并最终生出系统显示的全色图像。选择CIE 1976 L*a*b*色域中的峰值信噪比（PSNR）作为评估HDR性能的参数，主要是评估光晕效应。基于该模型，分别研究了局部调光区数和固有LCD CR的对显示图像的影响，然后，设计并进行了主观感知实验来明确人类对HDR内容的视觉感知极限。我们的结果表明，CRasymp;5000：1（MVA TV）的LCD需要大于200个调光区域会出现不明显的光晕效应，而CRasymp;2000：1的LCD，需要3000个以上的调光区域。
-
设备模型
- 仿真模型和验证
图1.基于MiniLED背光的LCD显示器的示意图
图1描绘了以直接点亮的MiniLED背光的LCD系统结构，示意图未按比例绘制。背光模组由方形微型LED阵列组成，芯片尺寸为s，节距长度为p。为了便于理解，我们假设所有MiniLED具有相同的角度发射模式，当然，可以针对不同的应用需求选择不同的发射模式，没有特殊情况，我们的模拟采用朗伯发射，然后应用扩散板来散布光获得良好的空间均匀性。在我们的模拟中，使用点扩散函数（PSF）理论[24,29]来模拟从MiniLED背光到LCD面板的光传播路径， 其中扩散板用于加宽空间和角度分布。双向散射分布函数（BSDF）可以精确描述扩散板的功能，这里，我们可以进行合理的简化，设穿过扩散器的光的角度分布为，对于强扩散器，我们也假设遵循朗伯分布，即。而且该假设也适用于颜色转换，比如磷光体或量子点层，空间分布遵循二维高斯函数：
（1）
其中是入射源点的位置，rho;是空间分布的标准差，可以通过调整标准差rho;来实现良好的空间均匀性。
在我们的模拟中，系统设置基于[30]中所报告的设备配置。MiniLED阵列的量级为p=1mm，s=0.5mm，为获得良好的空间均匀性，考虑到背光模组，扩散板和LCD面板之间的基板和粘合剂层，有效光反射距离设为H1=0.4mm和H2= 0.5mm。然后我们模拟一个以MiniLED背光的6.4英寸2880times;1440 的LCD系统。将（1）式中的扩散标准差rho;调整为rho;=0.4mm，使得整个液晶显示板上的亮度均匀。通常，背光的边缘区比中心区域更暗，因此，我们还将背光区域（146 mmtimes;74 mm）设置为略大于LCD面板（144 mmtimes;72 mm），以确保良好的的均匀性。
图2.MiniLED背光区域调光控制具有（a）模式，（b）模式，（c）模式和（d）模式。
模拟显示的图像：（e）图案，（f）图案，（g）图案和（h）图案。
为了验证模型，我们模拟了上述具有区域调光功能的显示系统，然后将得到的结果与[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，每个区有6times;6个微型LED，可以独立调制，采用平面切换（IPS）CRasymp;1500：1的LCD面板，我们仿真了四种测试模式，如图2（a）-2（d）所示，并计算出了相应的动态对比度，图2（e）-2（h）分别对应它们的显示模式。 表1是四种模式动态CR的对比。
根据表1，我们的模拟结果与[30]中的测量数据基本吻合，应该注意的是，对于这种高CR的测量，暗区与所采用的光电二极管检测器的噪声水平接近，所以，测量出的CR会有一些变化。
表1.模拟四种测试模式和[30]中测量的动态对比度。
-
- 显示的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，而完整的模拟模型应该能模拟显示的图像，并评估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，我们的目标是使模型能够将设备结构与最终的HDR显示性能相关联，尤其是光晕效应。
对于显示的图像模拟，首先我们要分别确定如何调制MiniLED背光和LCD面板，由于我们主要关注光晕效应，所以使用最大算法[2]和LC像素补偿[29]来减弱影响。先根据背光局部调光区域将系统显示的目标图像分成几个区域，在每个区域内，根据目标图像的最大亮度来确定相应的MiniLED背光区域的亮度。利用所提出的模拟模型，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。合理的LED背光调制深度为10位，而LC面板透射率调制为8位。这里我们给出了暗背景中“蜡烛”图像的例子，如图3所示，MiniLED背光调制如图3（a）所示，入射在LC层上的模拟亮度分布如图3（b）所示，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. 显示图像模拟：（a）微型LED背光调制;
（b）入射在LC层上的光的亮度分布和（c）LCD调制后的显示图像。
虽然不容易观察，但由于LC面板的漏光（CRasymp;1500：1），图3（c）中蜡烛的亮区周围仍然存在光晕。经过分析，需要考虑显示图像的亮度和颜色，所以需要评估指标来定量评价光晕效应，而CIE 1976 L* a* b*色域中的峰值信噪比（PSNR）可用于我们的评估，传统的CIE 1931 XYZ坐标可以通过[31,32]轻松转换为L* a* b*色域：
（2）
其中， （3）
在LAB色域中，L*表示亮度值，a*表示绿-红分量，b*表示蓝-黄分量，（2）式中的,和别是参考白光的XYZ值，考虑到亮度和色度差异[31,32]，我们可以在L* a* b*色域中定义颜色之间的感知差异：
（4）
其中Delta;L*，Delta;a*和Delta;b*是显示图像和目标图像之间的颜色差异，由此，我们可以根据[24]定义LabPSNR：
（5）
其中m和n是图像分辨率（2880times;1440），Delta;Emax是黑色和白色之间的差异，在模拟中，我们将归一化的Delta;Emax设置为100，然后，以LabPSNR作为评估参数，来量化显示的图像和目标图像之间的差异。
模拟图3时，背光模组仅有288个局部调光区，且LCD对比度为1500：1，我们将继续以蜡烛图像为例模拟并讨论局部调光区数量和LCD对比度如何影响最终显示性能。如图4所示,对比度均保持在1500：1，不同数量局部调光区的显示图像的L* a* b*色差Delta;E，从图4（a）至4（d），局部调光区的数量分别为18,288,1152和10368，每个区域中相应的MiniLED数量为24times;24,6times;6,3times;3和1times;1。根据图4（a）-4（d），我们可以看出：图像失真随着局部调光区数的增加而减小，尤其是烛光周围的光晕在明显减少，LabPSNR也从39.9 dB增加到48.8 dB。
图4.目标和显示图像之间的L* a* b*色差为，不同数量的局部调
光区下的仿真图像注：a）18; b）288; c）1152和d）10368
除了局部调光区数外，LCD对比度也是影响最终HDR性能的一个重要因素，因此，我们还分析了固有LCD对比度的影响。在图5所示的模拟中，局部调光区数设定为1152，显示图像的色差拟为Delta;E，其中CR从1500：1增加到4500：1。 如图5（a）-5（d）所示，随着LC对比度增加，颜色失真Delta;E值减小，光晕区域不变，LabPSNR从46.9 dB增加[图5（a）]至51.6 dB [图5（d）]。从图4和图5可以分析出局部调光区数和LCD对比度对显示图像的影响，调光区域数主要影响光晕区域，而LCD对比度影响局部图像失真。
图5.目标和显示图像之间的L* a* b*色差为，不同的LCD对比度下的仿真图像
注：a）1500：1; b）2500：1; c）3500：1和d）4500：1
- 主观实验
由上所述，越多的局部调光区和越高的LC对比度可以减少光晕效应并提高显示性能。但是调光区的最小数量和LC对比度尚未明确量化。在这一节，设计并实施了一个主观实验来测量人类对光晕效应的视觉感知极限，获知视觉感知极限，可以估计难以辨别光晕的理想HDR显示器所需的局部调光区数量。
如图6所示，我们使用了十张符合HDR要求的内容多样的图片，有些图片亮度很高[如图6（a），6（c）和6（g）所示]，也有图片有大块暗区[如图 6（d），6（f）和6（j）]，除此之外， 如图6（b），6（d）和6（f）所示，高亮度像素部分散布在暗背景中，而图6（c），6（h）和6（j）则是相对集中的明暗区域。
图6.实验中使用的HDR目标图片：a）海滩，b）城市之光，c）圣诞节，
d）烟火，e）塔，f）星星，g）日落，h）华夫饼屋，i）灯和j） 蜡烛
3.1 图像渲染
基于前一节中描述的模型，我们通过以MiniLED背光的LCD显示系统模拟图像。以十个不同的局部调光区数（1,2,8,18,72,288,648,1152,2592和10368）和七个不同的LC对比度（1000：1,1500：1，2000：1,3000：1,4000：1,4500：1和5000：1）模拟每张图片，总共产生七十种不同的渲染条件。接下来的实验中，选择了70个模拟图像以覆盖所有渲染条件，在不同数量的局部调光区和不同的LC对比度下各种图像信息呈均匀分布。
图7.10张图片在不同局部调光区数和LC对比率情况下的模拟LabPSNR
注：a）海滩，b）城市之光，c）圣诞节，d
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