電子通信領(lǐng)域改進(jìn)背光模組的研究

張博

摘 要： 為了改進(jìn)LCD的背光模組的背光源不均勻現(xiàn)象，從韋伯定律的應(yīng)用角度出發(fā)，提出一種以人眼觀察效果作為考量基準(zhǔn)的韋伯分?jǐn)?shù)和分辨率的設(shè)計(jì)方法，從改進(jìn)背光模組結(jié)構(gòu)后的比較結(jié)果來看LCD的質(zhì)量有了提高。應(yīng)用改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在直下式背光源tracepro模型仿真分析得到了在光線數(shù)量40 000，分辨率0.5 mm下的與人眼觀察結(jié)果預(yù)期需要的成果，實(shí)現(xiàn)了對背光源不均勻現(xiàn)象的改進(jìn)。這一研究對于LCD的進(jìn)一步快速發(fā)展具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： 背光模組； 不均勻現(xiàn)象； 韋伯定律； tracepro模擬

中圖分類號： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0009?03

Research to improve backlight units in electronic communication field

ZHANG Bo1，2

（1. Center of Lightning Protection， Huludao Meteorological Bureau， Huludao 125001， China；

2. Nanjing University of Information Science &Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： In order to improve the backlight source non?uniform phenomenon of LCD backlight units， proceeding from the application of Weber′s law， the Weber fraction and resolution design method is presented， which takes the real human eye observation effect as an examination benchmark. With the improvement of backlight unit structure， it is found in the comparison result that the LCD quality has been improved. An expected result of human eye observation was obtained with the improved structure in simulation analysis of direct type backlight TracePro model as the amount of light is 40 000 and the resolution is 0.5 mm. The results indicate that the backlight source non?uniform phenomenon is improved. This research has a certain reference significance for further rapid development of LCD.

Keywords： backlight unit； non?uniform phenomenon； Weber′s law； TracePro simulation

光源、導(dǎo)光板、光學(xué)膜組成背光模組，它們是全部背光模組[1?2]成本的72%。燈管是光源俗稱。導(dǎo)光板的主要功能就是轉(zhuǎn)變光源模式，進(jìn)行由線到面的轉(zhuǎn)變[3?5]。光學(xué)膜能夠聚集光線，提高亮度。當(dāng)前背光模組自身的光學(xué)規(guī)格亮度，均勻度，色度已經(jīng)完全不能達(dá)到人們對色彩的要求。上述的標(biāo)準(zhǔn)只是基礎(chǔ)，此外在實(shí)際使用中，整個(gè)屏幕是均勻舒適的。視角問題得到解決之后，液晶顯示器（LCD）改變了原有的尺寸，逐漸占領(lǐng)了原來由PDP主導(dǎo)的大尺寸平板電視市場，已經(jīng)在平板顯示范圍走上了第一位[6?8]。對于大尺寸直下式背光源，出光的均勻性決定了它的亮度和色彩。為了追求超薄的優(yōu)點(diǎn)，一般需要增加擴(kuò)散膜或者光源的數(shù)量，使之緊密排列得到均勻的效果。但是倘若增加擴(kuò)散板，光的透過率會直線下降，屏的亮度也會降低；倘若緊密排列光源，散熱成為了問題。所以就液晶顯示器來說，背光模組均勻性對結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)至關(guān)重要[9?12]。本文基于這一背景，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)背光源不均勻現(xiàn)象LCD的背光模，這一研究對于LCD的進(jìn)一步快速發(fā)展具有一定的借鑒意義。

1 背光模組中的改進(jìn)設(shè)計(jì)分析

1.1 韋伯定律的應(yīng)用的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了盡量減少誤差，產(chǎn)業(yè)界著手于客觀測量儀器的開發(fā)，然而因?yàn)閮x器辨別精度較高，人眼實(shí)際觀察不到的地方就會逐漸表現(xiàn)出來，或者是不良程度較人眼的觀察更加不準(zhǔn)確，所以這類儀器一般在對亮度趨勢的判斷中使用[12?13]。基于這種難以解決的問題，本文提出一種把人眼真正的觀察效果作為考量基準(zhǔn)，整合一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的客觀評價(jià)的手段。按照韋伯定律的描述，人眼對于明暗差異的敏感是因?yàn)樗鼈兊牧炼冗h(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人眼對亮度的差別閾限范圍。所以，從科學(xué)的角度來看，如果能夠測出這兩部分的亮度，再在韋伯公式中進(jìn)行運(yùn)算：

（1）

式中：ΔΦ為差別閾限的大??；Φ代表刺激的強(qiáng)度水平；K是韋伯分?jǐn)?shù)的符號。通過式（1）測出K值再與人眼對亮度的差別閾限0.017做對比，大于0.017人眼就能夠觀察到差異。表1是不同感覺的韋伯分?jǐn)?shù)值。

表1 不同感覺的韋伯分?jǐn)?shù)

然而在實(shí)際生活中，上述圖標(biāo)是根據(jù)測量30×30個(gè)點(diǎn)亮度而分析出的背光模組亮度分布圖。測量點(diǎn)周圍的亮度是較暗的，但是每個(gè)點(diǎn)亮度都是不一樣的，所以選取韋伯定律中的ΔΦ和Φ是一個(gè)難題。在查看明暗差異源時(shí)，可以看到一條明暗差異的分界線兩邊內(nèi)部各點(diǎn)的亮度差異都是微乎其微的，通常不在人眼的觀察范圍內(nèi)。在分界線附近的點(diǎn)則會因?yàn)槊黠@的明暗差異會被看到，那么就確定了采樣分界線附件的電視工作的重心。為了滿足人眼的實(shí)際觀察效果，采樣密度與人眼對亮度的分辨率是相關(guān)的。人眼的分辨率通常是人眼的分辨角的1.5′，也就是當(dāng)觀察距離是500 mm時(shí)分辨率達(dá)到0.22 m。但是假如密度太大，就會影響人眼的分辨率，造成與實(shí)際結(jié)果之間的差異，反之亦然。

采樣精度確定以后的工作是判定采樣點(diǎn)之間關(guān)系。在依據(jù)亮度計(jì)在背光模組上測量若干個(gè)點(diǎn)的亮度時(shí)，每個(gè)采樣點(diǎn)與其他8個(gè)點(diǎn)的亮度差異決定了其周邊點(diǎn)的差別閾限，平均的方式來減小誤差是必要的。此外，按照以前的觀察經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)兩個(gè)點(diǎn)距不同時(shí)，就算是相同的明暗差異，人眼實(shí)際觀察到的結(jié)果頁會受到影響。所以，要想每個(gè)采樣點(diǎn)與周圍8點(diǎn)差別閾限差別縮小，解決距離的問題成為關(guān)鍵，可以將4個(gè)對角線上的點(diǎn)的K值再除以，如下：

（2）

按照式（2）計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的平均K值，超過0.017的就代表是人眼觀察出來的。

1.2 改進(jìn)結(jié)果分析

如圖1所示是一片出現(xiàn)mura的不良樣品。從圖1能夠清楚地觀察出可測量點(diǎn)位置的亮度是最高的，應(yīng)用條件格式把超過0.017的部分用黑色標(biāo)注出來，就得到了圖2，圖2中黑色部分代表了韋伯分?jǐn)?shù)超過0.017的部分，它表示因?yàn)榱炼鹊牟町愖銐虼螅軌虮蝗搜塾^察；白色部分代表韋伯分?jǐn)?shù)小于0.017，表明點(diǎn)與點(diǎn)之間的亮度差異是比較小的，人眼不易觀察。將兩圖對比，可以看出，紅色部分的位置和輪廓都與不良背光模組的明暗分界線吻合。因此，可以肯定，使用平均韋伯分?jǐn)?shù)的手段，可以測量出人眼對LCD亮暗差異的分辨率，這種手段有效地解決了以前采用人的主觀臆斷造成的誤差， LCD的質(zhì)量也隨之提高了。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)在直下式背光源模型仿真分析

圖3為直下式背光源截面示意圖， CCFL直徑為3.4 mm，光通量設(shè)為580 lm，發(fā)光方式為Lambertian ，使其成為Lambertian的發(fā)光體，此設(shè)定是當(dāng)光線離開發(fā)光體表面時(shí)，光功率將下降，類似與發(fā)光體的法線余弦分布能量。雖然沒有真正的發(fā)光體表面是Lambertian 分布，但是經(jīng)?？衫肔ambertian的發(fā)光體來有效近似。采用tracepro中默認(rèn)的diffuser white，反射率實(shí)現(xiàn)為99%。擴(kuò)散板參數(shù)使用目前產(chǎn)品測量的BSDF參數(shù)，霧度為60%。

2.1 光源與擴(kuò)散板距離為8 mm時(shí)模擬

設(shè)光源與擴(kuò)散板的距離d1=8 mm，此時(shí)由于光源與擴(kuò)散板距離較近，從實(shí)際樣品圖中明顯觀察到不均勻現(xiàn)象，見圖4。

在重新進(jìn)行擬合之后，可以得到圖5。為了能夠使得人眼對于差異有著更好的觀察，往往將兩刺激間差異常數(shù)設(shè)定值以人眼的分辨率為基礎(chǔ)，即設(shè)定為0.22 mm。當(dāng)發(fā)白區(qū)域在兩側(cè)有著非常高的亮度，就會使得兩刺激間沒有很大的差異，人的眼睛也就不能對其進(jìn)行感知。另外，如果中間區(qū)域不是很明亮，兩刺激間的差異不是很大，人眼也不能對于其差異進(jìn)行感知。不過如果明暗過渡的區(qū)域中有著越來越大的亮度差異，那么人眼就能夠?qū)τ诿舾性尞愡M(jìn)行感知，所以在明暗過渡區(qū)域中，設(shè)置的常數(shù)K的值應(yīng)該在0.017以上，在圖6中，以黑色來進(jìn)行顯示。不過在圖6中，明暗過渡區(qū)與標(biāo)紅的位置有著不相稱的樣式，所以在圖6中的tracepro并沒有被設(shè)置為恰當(dāng)?shù)膮?shù)。

在對于參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行分析的過程中可以發(fā)現(xiàn)，其參數(shù)不當(dāng)主要由以下兩個(gè)方面的原因造成，其一，人眼的明暗分辨率一般為0.22 mm，但是這種情況在環(huán)境改變的情況下也會發(fā)生改變；其二，常數(shù)K的值是在實(shí)驗(yàn)情況下得出的人眼察覺的最小值，不過在對于LCD的觀察過程中，人的視覺會對于周圍的環(huán)境以及屏幕本身的差異作出相應(yīng)的反應(yīng)，從而降低人眼視覺的敏感度，應(yīng)該下調(diào)常數(shù)K的值以適應(yīng)這種情況。所以，在下面的測試中需要在模擬的過程中降低分辨率。

2.2 分辨率對模擬效果的影響

在本次設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整分辨率的方式來對于上述問題造成的差異進(jìn)行調(diào)整，將分辨率設(shè)定為0.5 mm。當(dāng)分辨率降低之后，將光線的數(shù)量設(shè)置為40 000，最終得到圖7的結(jié)果。以同樣的方法將該亮度代入式（2）中進(jìn)行計(jì)算，以黑色的方式顯示0.017以上的部分，如圖8所示。從圖8可以看出，黑色區(qū)域的出現(xiàn)與韋伯定律有著相同的結(jié)果。所以，圖8的設(shè)計(jì)與人眼觀察的結(jié)果更為合適。但是圖7、圖8有著非常小的差異，所以無法單純根據(jù)tracepro來對于人眼的觀察進(jìn)行模擬，仍需要計(jì)算加以驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

在本文的設(shè)計(jì)過程中，通過韋伯定律的應(yīng)用能夠?qū)σ壕э@示器中明暗的變化進(jìn)行量化，并且產(chǎn)生更為客觀的評價(jià)，從而保證了試驗(yàn)的客觀性與公平性。能夠?qū)⒈彻庠粗胁荒苤苯诱页龅拿靼挡痪淖兓ㄟ^計(jì)算的方式得出，并且方便快捷，對于企業(yè)的生產(chǎn)與維修有著極大的益處。在進(jìn)行tracepro 模擬的過程中，亮度值受到追跡數(shù)量與分辨率的影響非常大，得到公式計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，本文在光線數(shù)量40 000，分辨率為0.5 mm的情況下，得到需要的實(shí)際的亮度值。

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