電子通信領域改進背光模組的研究

張博

摘 要： 為了改進LCD的背光模組的背光源不均勻現象，從韋伯定律的應用角度出發，提出一種以人眼觀察效果作為考量基準的韋伯分數和分辨率的設計方法，從改進背光模組結構后的比較結果來看LCD的質量有了提高。應用改進設計結構在直下式背光源tracepro模型仿真分析得到了在光線數量40 000，分辨率0.5 mm下的與人眼觀察結果預期需要的成果，實現了對背光源不均勻現象的改進。這一研究對于LCD的進一步快速發展具有一定的借鑒意義。

關鍵詞： 背光模組； 不均勻現象； 韋伯定律； tracepro模擬

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： 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、導光板、光學膜組成背光模組，它們是全部背光模組[1?2]成本的72%。燈管是光源俗稱。導光板的主要功能就是轉變光源模式，進行由線到面的轉變[3?5]。光學膜能夠聚集光線，提高亮度。當前背光模組自身的光學規格亮度，均勻度，色度已經完全不能達到人們對色彩的要求。上述的標準只是基礎，此外在實際使用中，整個屏幕是均勻舒適的。視角問題得到解決之后，液晶顯示器（LCD）改變了原有的尺寸，逐漸占領了原來由PDP主導的大尺寸平板電視市場，已經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。為了追求超薄的優點，一般需要增加擴散膜或者光源的數量，使之緊密排列得到均勻的效果。但是倘若增加擴散板，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構的選擇和設計至關重要[9?12]。本文基于這一背景，設計了一種改進背光源不均勻現象LCD的背光模，這一研究對于LCD的進一步快速發展具有一定的借鑒意義。

1 背光模組中的改進設計分析

1.1 韋伯定律的應用的改進設計

為了盡量減少誤差，產業界著手于客觀測量儀器的開發，然而因為儀器辨別精度較高，人眼實際觀察不到的地方就會逐漸表現出來，或者是不良程度較人眼的觀察更加不準確，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，整合一個標準的客觀評價的手段。按照韋伯定律的描述，人眼對于明暗差異的敏感是因為它們的亮度遠遠超出了人眼對亮度的差別閾限范圍。所以，從科學的角度來看，如果能夠測出這兩部分的亮度，再在韋伯公式中進行運算：

（1）

式中：ΔΦ為差別閾限的大小；Φ代表刺激的強度水平；K是韋伯分數的符號。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數值。

表1 不同感覺的韋伯分數

然而在實際生活中，上述圖標是根據測量30×30個點亮度而分析出的背光模組亮度分布圖。測量點周圍的亮度是較暗的，但是每個點亮度都是不一樣的，所以選取韋伯定律中的ΔΦ和Φ是一個難題。在查看明暗差異源時，可以看到一條明暗差異的分界線兩邊內部各點的亮度差異都是微乎其微的，通常不在人眼的觀察范圍內。在分界線附近的點則會因為明顯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。為了滿足人眼的實際觀察效果，采樣密度與人眼對亮度的分辨率是相關的。人眼的分辨率通常是人眼的分辨角的1.5′，也就是當觀察距離是500 mm時分辨率達到0.22 m。但是假如密度太大，就會影響人眼的分辨率，造成與實際結果之間的差異，反之亦然。

采樣精度確定以后的工作是判定采樣點之間關系。在依據亮度計在背光模組上測量若干個點的亮度時，每個采樣點與其他8個點的亮度差異決定了其周邊點的差別閾限，平均的方式來減小誤差是必要的。此外，按照以前的觀察經驗，當兩個點距不同時，就算是相同的明暗差異，人眼實際觀察到的結果頁會受到影響。所以，要想每個采樣點與周圍8點差別閾限差別縮小，解決距離的問題成為關鍵，可以將4個對角線上的點的K值再除以，如下：

（2）

按照式（2）計算每個點的平均K值，超過0.017的就代表是人眼觀察出來的。

1.2 改進結果分析

如圖1所示是一片出現mura的不良樣品。從圖1能夠清楚地觀察出可測量點位置的亮度是最高的，應用條件格式把超過0.017的部分用黑色標注出來，就得到了圖2，圖2中黑色部分代表了韋伯分數超過0.017的部分，它表示因為亮度的差異足夠大，能夠被人眼觀察；白色部分代表韋伯分數小于0.017，表明點與點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，使用平均韋伯分數的手段，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的質量也隨之提高了。

2 改進設計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，光通量設為580 lm，發光方式為Lambertian ，使其成為Lambertian的發光體，此設定是當光線離開發光體表面時，光功率將下降，類似與發光體的法線余弦分布能量。雖然沒有真正的發光體表面是Lambertian 分布，但是經常可利用Lambertian的發光體來有效近似。采用tracepro中默認的diffuser white，反射率實現為99%。擴散板參數使用目前產品測量的BSDF參數，霧度為60%。

2.1 光源與擴散板距離為8 mm時模擬

設光源與擴散板的距離d1=8 mm，此時由于光源與擴散板距離較近，從實際樣品圖中明顯觀察到不均勻現象，見圖4。

在重新進行擬合之后，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設定值以人眼的分辨率為基礎，即設定為0.22 mm。當發白區域在兩側有著非常高的亮度，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行感知。另外，如果中間區域不是很明亮，兩刺激間的差異不是很大，人眼也不能對于其差異進行感知。不過如果明暗過渡的區域中有著越來越大的亮度差異，那么人眼就能夠對于敏感詫異進行感知，所以在明暗過渡區域中，設置的常數K的值應該在0.017以上，在圖6中，以黑色來進行顯示。不過在圖6中，明暗過渡區與標紅的位置有著不相稱的樣式，所以在圖6中的tracepro并沒有被設置為恰當的參數。

在對于參數的設置進行分析的過程中可以發現，其參數不當主要由以下兩個方面的原因造成，其一，人眼的明暗分辨率一般為0.22 mm，但是這種情況在環境改變的情況下也會發生改變；其二，常數K的值是在實驗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境以及屏幕本身的差異作出相應的反應，從而降低人眼視覺的敏感度，應該下調常數K的值以適應這種情況。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

在本次設計中，通過調整分辨率的方式來對于上述問題造成的差異進行調整，將分辨率設定為0.5 mm。當分辨率降低之后，將光線的數量設置為40 000，最終得到圖7的結果。以同樣的方法將該亮度代入式（2）中進行計算，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，黑色區域的出現與韋伯定律有著相同的結果。所以，圖8的設計與人眼觀察的結果更為合適。但是圖7、圖8有著非常小的差異，所以無法單純根據tracepro來對于人眼的觀察進行模擬，仍需要計算加以驗證。

3 結 語

在本文的設計過程中，通過韋伯定律的應用能夠對液晶顯示器中明暗的變化進行量化，并且產生更為客觀的評價，從而保證了試驗的客觀性與公平性。能夠將背光源中不能直接找出的明暗不均的變化通過計算的方式得出，并且方便快捷，對于企業的生產與維修有著極大的益處。在進行tracepro 模擬的過程中，亮度值受到追跡數量與分辨率的影響非常大，得到公式計算進行驗證，本文在光線數量40 000，分辨率為0.5 mm的情況下，得到需要的實際的亮度值。

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