手机背光模组测试
张博
摘 要： 为了改进LCD的背光模组的背光源不均匀现象，从韦伯定律的应用角度出发，提出一种以人眼观察效果作为考量基准的韦伯分数和分辨率的设计方法，从改进背光模组结构后的比较结果来看LCD的质量有了提高。应用改进设计结构在直下式背光源tracepro模型仿真分析得到了在光线数量40 000，分辨率0.5 mm下的与人眼观察结果预期需要的成果，实现了对背光源不均匀现象的改进。这一研究对于LCD的进一步快速发展具有一定的借鉴意义。
关键词： 背光模组； 不均匀现象； 韦伯定律； tracepro模拟
中图分类号： TN99?34 文献标识码： A 文章编号： 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、导光板、光学膜组成背光模组，它们是全部背光模组[1?2]成本的72%。灯管是光源俗称。导光板的主要功能就是转变光源模式，进行由线到面的转变[3?5]。光学膜能够聚集光线，提高亮度。当前背光模组自身的光学规格亮度，均匀度，色度已经完全不能达到人们对色彩的要求。上述的标准只是基础，此外在实际使用中，整个屏幕是均匀舒适的。视角问题得到解决之后，液晶显示器（LCD）改变了原有的尺寸，逐渐占领了原来由PDP主导的大尺寸平板电视市场，已經在平板显示范围走上了第一位[6?8]。对于大尺寸直下式背光源，出光的均匀性决定了它的亮度和色彩。为了追求超薄的优点，一般需要增加扩散膜或者光源的数量，使之紧密排列得到均匀的效果。但是倘若增加扩散板，光的透过率会直线下降，屏的亮度也会降低；倘若紧密排列光源，散热成为了问题。所以就液晶显示器来说，背光模组均匀性对结构的选择和设计至关重要[9?12]。本文基于这一背景，设计了一种改进背光源不均匀现象LCD的背光模，这一研究对于LCD的进一步快速发展具有一定的借鉴意义。
1 背光模组中的改进设计分析
1.1 韦伯定律的应用的改进设计
为了尽量减少误差，产业界着手于客观测量仪器的开发，然而因为仪器辨别精度较高，人眼实际观察不到的地方就会逐渐表现出来，或者是不良程度较人眼的观察更加不准确，所以这类仪器一般在对亮度趋势的判断中使用[12?13]。基于这种难以解决的问题，本文提出一种把人眼真正的观察效果作为考量基准，整合一个标准的客观评价的手段。按照韦伯定律的描述，人眼对于明暗差异的敏感是因为它们的亮度远远超出了人眼对亮度的差别阈限范围。所以，从科学的角度来看，如果能够测出这两部分的亮度，再在韦伯公式中进行运算：
（1）
式中：ΔΦ为差别阈限的大小；Φ代表刺激的强度水平；K是韦伯分数的符号。通过式（1）测出K值再与人眼对亮度的差别阈限0.017做对比，大于0.017人眼就能够观察到差异。表1是不同感觉的韦伯分数值。
表1 不同感觉的韦伯分数
然而在实际生活中，上述图标是根据测量30×30个点亮度而分析出的背光模组亮度分布图。测量点周围的亮度是较暗的，但是每个点亮度都是不一样的，所以选取韦伯定律中的ΔΦ和Φ是一个难题。在查看明暗差异源时，可以看到一条明暗差异的分界线两边内部各点的亮度差异都是微乎其微的，通常不在人眼的观察范围内。在分界线附近的点则会因为明显的明暗差异会被看到，那么就确定了采样分界线附件的电视工作的重心。为了满足人眼的实际观察效果，采样密度与人眼对亮度的分辨率是相关的。人眼的分辨率通常是人眼的分辨角的1.5′，也就是当观察距离是500 mm时分辨率达到0.22 m。但是假如密度太大，就会影响人眼的分辨率，造成与实际结果之间的差异，反之亦然。
采样精度确定以后的工作是判定采样点之间关系。在依据亮度计在背光模组上测量若干个点的亮度时，每个采样点与其他8个点的亮度差异决定了其周边点的差别阈限，平均的方式来减小误差是必要的。此外，按照以前的观察经验，当两个点距不同时，就算是相同的明暗差异，人眼实际观察到的结果页会受到影响。所以，要想每个采样点与周围8点差别阈限差别缩小，解决距离的问题成为关键，可以将4个对角线上的点的K值再除以，如下：
（2）
按照式（2）计算每个点的平均K值，超过0.017的就代表是人眼观察出来的。
1.2 改进结果分析
如图1所示是一片出现mura的不良样品。从图1能够清楚地观察出可测量点位置的亮度是最高的，应用条件格式把超过0.017的部分用黑色标注出来，就得到了图2，图2中黑色部分代表了韦伯分数超过0.017的部分，它表示因为亮度的差异足够大，能够被人眼观察；白色部分代表韦伯分数小于0.017，表明点与点之间的亮度差异是比较小的，人眼不易观察。将两图对比，可以看出，红色部分的位置和轮廓都与不良背光模组的明暗分界线吻合。因此，可以肯定，使用平均韦伯分数的手段，可以测量出人眼对LCD亮暗差异的分辨率，这种手段有效地解决了以前采用人的主观臆断造成的误差， LCD的质量也随之提高了。
2 改进设计在直下式背光源模型仿真分析
图3为直下式背光源截面示意图， CCFL直径为3.4 mm，光通量设为580 lm，发光方式为Lambertian ，使其成为Lambertian的发光体，此设定是当光线离开发光体表面时，光功率将下降，类似与发光体的法线余弦分布能量。虽然没有真正的发光体表面是Lambertian 分布，但是经常可利用Lambertian的发光体来有效近似。采用tracepro中默认的diffuser white，反射率实现为99%。扩散板参数使用目前产品测量的BSDF参数，雾度为60%。
2.1 光源与扩散板距离为8 mm时模拟
设光源与扩散板的距离d1=8 mm，此时由于光源与扩散板距离较近，从实际样品图中明显观察到不均匀现象，见图4。
在重新进行拟合之后，可以得到图5。为了能够使得人眼对于差异有着更好的观察，往往将两刺激间差异常数设定值以人眼的分辨率为基础，即设定为0.22 mm。当发白区域在两侧有着非常高的亮度，就会使得两刺激间没有很大的差异，人的眼睛也就不能对其进行感知。另外，如果中间区域不是很明亮，两刺激间的差异不是很大，人眼也不能对于其差异进行感知。不过如果明暗过渡的区域中有着越来越大的亮度差异，那么人眼就能够对于敏感诧异进行感知，所以在明暗过渡区域中，设置的常数K的值应该在0.017以上，在图6中，以黑色来进行显示。不过在图6中，明暗过渡区与标红的位置有着不相称的样式，所以在图6中的tracepro并没有被设置为恰当的参数。
在对于参数的设置进行分析的过程中可以发现，其参数不当主要由以下两个方面的原因造成，其一，人眼的明暗分辨率一般为0.22 mm，但是这种情况在环境改变的情况下也会发生改变；其二，常数K的值是在实验情况下得出的人眼察觉的最小值，不过在对于LCD的观察过程中，人的视觉会对于周围的环境以及屏幕本身的差异作出相应的反应，从而降低人眼视觉的敏感度，应该下调常数K的值以适应这种情况。所以，在下面的测试中需要在模拟的过程中降低分辨率。
2.2 分辨率对模拟效果的影响
在本次设计中，通过调整分辨率的方式来对于上述问题造成的差异进行调整，将分辨率设定为0.5 mm。当分辨率降低之后，将光线的数量设置为40 000，最终得到图7的结果。以同样的方法将该亮度代入式（2）中进行计算，以黑色的方式显示0.017以上的部分，如图8所示。从图8可以看出，黑色区域的出现与韦伯定律有着相同的结果。所以，图8的设计与人眼观察的结果更为合适。但是图7、图8有着非常小的差异，所以无法单纯根据tracepro来对于人眼的观察进行模拟，仍需要计算加以验证。
3 结 语
在本文的设计过程中，通过韦伯定律的应用能够对液晶显示器中明暗的变化进行量化，并且产生更为客观的评价，从而保证了试验的客观性与公平性。能够将背光源中不能直接找出的明暗不均的变化通过计算的方式得出，并且方便快捷，对于企业的生产与维修有着极大的益处。在进行tracepro 模拟的过程中，亮度值受到追迹数量与分辨率的影响非常大，得到公式计算进行验证，本文在光线数量40 000，分辨率为0.5 mm的情况下，得到需要的实际的亮度值。
参考文献
[1] EKVALL T， AZAPAGIC A， FINNVEDEN G， et al. Attributional and consequential LCA in the ILCD handbook [J]. International journal of life cycle assessment， 2016， 21（3）： 293?296.
[2] HUANG K L， CHEN T S， TSAI R W， et al. Regeneration of cerium（IV） in different spent chromium?etching solutions collected from thin?film transistor liquid crystal display manufacturing factories [J]. Clean technologies & environmental policy， 2016， 18（4）： 1043?1052.
[3] 许雅琴，苏子芳，钟德镇，等.基于使用负性液晶的边沿场切换模式的局部残影分析[J].液晶与显示，2015（3）：399?403.
[4] 白王静，李福山，罗福根，等.侧入式LED背光源仿真中亮度均匀性的判定方法[J].电视技术，2015（7）：64?68.
[5] YANG C. State?led technological innovation of domestic firms in Shenzhen， China： Evidence from liquid crystal display （LCD） industry [J]. Cities， 2014， 38（38）： 1?10.
[6] 肖韶荣，李曼.一种LED照明光源均匀度设计[J].应用光学，2015（4）：600?605.
[7] 冯奇斌，李亚妮，李其功，等.用于头显液晶像源LED背光的双自由曲面透镜阵列设计[J].光学学报，2015（11）：299?307.
[8] 王丽红，齐彦民，王建鑫，等.光源在液晶玻璃基板检测系统中的应用研究[J].玻璃与搪瓷，2014（5）：41?45.
[9] LIN K， SHIU H， HWANG C， et al. Effects of SiO2/Na2O molar ratio on properties of TFT?LCD waste glass?metakaolin?based geopolymers [J]. Environmental progress & sustainable energy， 2014， 33（1）：205?212.
[10] 王帅，关杰，任浩华，等.低温碱溶脱除液晶显示器（LCD）玻璃基板粉末中的硅和铝[J].环境工程学报，2015（12）：6078?6082.
[11] SILVEIRA A V M， FUCHS M S， PINHEIRO D K， et al. Recovery of indium from LCD screens of discarded cell phones [J]. Waste management， 2015， 45： 334?342.
[12] LIN K， SHIU H， HWANG C， et al. Effects of SiO2/Na2O Molar Ratio on Properties of TFT?LCD Waste Glass?Metakaolin?based Geopolymers [J]. Environmental progress & sustainable energy， 2014， 33（1）： 205?212.
[13] ZHOU Q F， YANG J. Design and implementation of LCD based on FPGA[J]. Applied mechanics & materials， 2015， 738/739： 184?187.
