第24卷 第4期
2009年8月
液 晶 与 显 示
Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays
Vol 124,No 14Aug.,2009
文章编号:100722780(2009)0420552205
基于T racepro 软件的LCD TV 直下式背光源均匀性仿真
李郑阳1,2，冯仕猛1
(1.上海交通大学物理系，上海 200240,E 2mail :seaver_li @163 ;
2上海广电光电子有限公司，上海 200223)测井设备
均质泵
摘 要：采用Tracepro 软件模拟背光源不均匀现象时，模拟结果与人眼实际观察之间存在差异。分析了 造成二者之间差异的原因，根据韦伯定律最小可觉差概念，提出了应用于判断液晶显示器背光源均匀性的公式。将该公式拟合得到的人眼实际观察图与Tracepro 的模拟追迹图相对比，以二者吻合度判断Tracepro 参数设置的正确性。该仿真方法将Tracepro 软件模拟与人眼实际观察结合起来，可帮助设计者在开发阶段更好地对产品进行评估。关 键 词:Tracepro ；差别感觉阈限；分辨率中图分类号:TN27 文献标识码:A
收稿日期:2008212224；修订日期:2009202216
1 引 言
L CD TV 目前大多数采用直下式背光源，该
方式具有光能利用率高、结构简单等特点。在直下式背光源设计中，光源与扩散板之间的距离是一个重要参数，该参数对背光源的均匀性有很重要的影响。距离太远会造成背光模组厚度增加，与目前L CD 轻薄的发展趋势不符；距离太近则容易产生不均匀现象。目前，对于这种不均匀现象的判别通常是先量测屏幕上规定点位置的亮度，以最高亮度与最低亮度的比值作为均匀性的规格，然后再通过人眼的实际观察，最终确定屏幕显示的均匀性。由于个体之间存在差异，不同的人对相同画面的评价会有较大差别，因此，如何将人眼实际观察的结果量化，消除观察个体之间的差异是这一领域亟待解决的问题。西安电子科技大学的屈胜利教授等研究了人眼检测荫罩均匀度的原理及能力，得到了人眼察
觉荫罩不均匀度的上限，为图形发生器测控系统等性能指标的确定提供了“人”这一环节的定量依据[1]。NASA Ames Research Center 的Wat son 教授提出了一种名为Spatial Standard Observer (SSO )的方法，解决了
人眼观察量化的问题[2]。
在开发初期没有实际样品的情况下，如果需要对所开发产品的均匀性做评估，可以借助光学
模拟软件。Tracep ro 作为一款光学模拟软件，其功能正是可以在开发初期对设计参数进行确认。但是，由于Tracepro 的模拟效果没有和人眼观察相对应的条件，因此无法通过Tracepro 模拟得出等同于人眼直接观察到的画面，对设计开发造成了一定的难度。本文介绍了一种基于Tracepro 软件来模拟仿真直下式背光源不均匀性的方法，通过将Tracepro 模拟的数据代入与人眼观察适配的公式进行计算，重新拟合出人眼实际观察图，并与Tracepro 的模拟追迹图进行对比，以二者吻合度判断Tracepro 参数设置的正确性，从而帮助设计者在开发阶段更好地对产品进行评估。
2 模拟方法
实验测定，初次察觉出来的光度变化同这种光度原有水平的比始终是一个常数。这种觉察出两个刺激间的最小差别量，叫做差别感觉阈限，也可叫做最小可觉差。即:Δl
I
=K ，式中ΔI 是刺激
物的增加量,I 是刺激物的原有水平[3]。这一规律由19世纪德国生理学家韦伯发现，称韦伯定律,K =0.017。
根据以上理论，在L CD TV 直下式背光源中，人眼之所以会观察到不均匀的现象，就是因为两块区域之间的亮度差与其自身亮度的比值超过
第4期李郑阳，等：基于tracepro 软件的L CD TV 直下式背光源均匀性仿真553
了人眼的最小可觉差。理论上，只要将两块区域的亮度测量出来，然后代入上述公式求出k 值，如果超过0.017即可判定背光源存在不均匀现象；但是，由于背光源每个点亮度并不一致，并且不均匀现象也是呈现一种渐进过渡的方式而没有明显的分界区域，因此无法通过直接量测两块区域亮度的方法来判断是否有不均匀现象，需要采取新的方法来解决该问题。本文采用多点平均近似的方法，经过试验验证取得了良好的效果[4]。
将LCD 背光源分成若干个区块，将每一点与其相邻8点分别计算其K 值然后取平均，即可得出该点的平均K 值，如图1所示。该方法的关键
在于采样密度，由于需要达到人眼的观察效果，因此采样密度需接近人眼对于亮度的分辨率。如果采样密度过高，两点之间的亮度过于接近，那么计算得出的K 值必然小于0.017，无法区分出明暗不均的区域；反之，如果采样密度过低，计算得出的K 值必然大于0.017，也无法反映人眼真实的观察效果。一般认为人眼的分辨角为1.5′，当观察距离为500mm 时，分辨率为0.22mm 。另外，亮度差异相48v转12v
同的两点在不同距离时的观察效果也不一样，距离较近时容易观察出区别，较远则不易。因此将L K 至对角线四点(L 1,L 3,L 6,L 8)的距离除以因子2，以抵消不同距离的影响，得到公式(1)。
K
=
L k -L 2/L 2+
L k -L 4/L 4+
L k -L 5/L 5+
L k -L 7/L 7
8
+
L k -L 1/2L 1+L k -L 3/
2L 3+L k -L 6/
2L 6+L k -L 8/
2L 8
8
(1)
图1 完度采样点示意图
Fig.1 Diagram of brightness sampling
其中K 为韦伯定律中最小可觉差,L k 为画面上某一点亮度,L 1～L 8分别与L
k 相邻8点的亮度。
基于以上方法可以将Tracepro 中模拟得出的亮度数据代入该公式，计算出每一点的K 值,
K 值超过0.017的部分即为明暗差异的分界区
域。通过此方法可以将Tracep ro 模拟效果与人眼观察相结合，使Tracep ro 的模拟更加精确。
3 Tracep ro 模拟
3.1 直下式背光源模型
图2为直下式背光源截面示意图，几何参数为：冷阴极灯管至扩散板的距离为d 1；灯管之间的间距d 2=25.8mm ;CCFL 灯管直径为3.4mm ；光通量设为580lm 。发光方式为朗伯型发光
(Lambertian )。漫反射片参数设置采用Tracepro
中默认的diff user white ，反射率为99%。扩散板参数使用目前量产品测量的BSDF 参数，雾度为60%。
图2 直下式背光源截面示意图
Fig.2 Section of L CD direct backlight
3.2 T racepro 参数设置
使用T racepro 4.1以上Luminance/Radiance Ray Tracing 功能可以直接模拟出背光源表面的
亮度。目标面的长宽设为40mm ×10mm ，并且横跨两根冷阴极管以方便观察不均匀现象的变
化。目标面(Target position )设置在扩散板表面，观察面(Eye position )设置在距离目标面500mm 处。模拟的关键参数在于光线追迹数量(Quality )和分辨率(Pixel Widt h )。3.3 光源与扩散板距离为8mm 时的模拟
设光源与扩散板的距离d 1=8mm ，此时由于光源与扩散板距离较近，所以从实际样品图中明显观察到不均匀现象，见图3。
554 液 晶 与 显 示第24
卷
图3 光源与扩散板距离8mm 时样品图
Fig.3 Distance between light source and diff user plate
(8mm )
根据人眼分辨率的大小，将分辨率设置为0.22mm ，光线追迹数量为20000，追迹后Tracep ro 亮度分布图如图4所示，两边白发亮
区域为灯管所在位置，中间暗区为两灯管之间的间隙，明暗有一段过渡区域
。
图4 光线追迹数量为20000的追迹图
Fig.4 Diagram of tracing with light tracing number
being 20000
为了确认图4的模拟结果是否与人眼实际观察相符，将其模拟得出的亮度数据代入公式(1)，计算每点K 值，使用Excel 条件格式将超过0.017的用黑标示，重新拟合得到图5。根据韦
伯定律，两个刺激间的最小差别量超过常数K 之后，人眼就能观察到它们之间的明暗差异。为适合人眼观察，在此将两个刺激的大小定义为人眼分辨率，即0.22mm 。两边白发亮区域亮度很高，两刺激间亮度差异很小，人眼察觉不出两刺激之间的差异；同样，中间区域很暗，两刺激间亮度差异也很小，人眼也察觉不出两刺激之间的差异。但是在明暗过渡的区域，两刺激间亮度差异增大，人眼会感觉到明暗差异，因此应该只有在明暗过渡区域的K 值会超过0.017，在图中显示为黑。但是由图5看
出，黑出现位置与明暗过渡区域不符，因此说明由图4得到模拟结果与人眼实际观察存在差异,Tracep ro 参数设置不当。
分析参数设置不当的原因主要有两方面，一方面,K =0.017
是在特定的环境下得出的试验
图5 光线追迹数量为20000的人眼实际观察图
d2x说明书
Fig.5 Excel diagram of tracing with light tracing number
集飞行器being 20000
结果，是人眼最小可察觉差。但是在观察L CD 画
面时，受周围环境如照度、眩光、颜以及L CD 屏幕本身的影响，人眼的观察灵敏度会有所下降[5]，因此K 值需要相应下调。另一方面，一般认为人眼分辨明暗的分辨率为0.22mm ，但是分辨率也会因环境的影响而有所下降。因此，接下来将降低分辨率进行模拟。3.4 分辨率对模拟效果的影响
根据上述造成差异的原因调整分辨率，将分辨率降低为0.5mm ，分辨率降低后需相应提高光线数量才能得到比较真实的亮度值，将光线追迹数量设置为40000。结果如图6所示
。
图6 分辨率为0.5mm ，光线追迹数量为40000的追迹图.
Fig.6 Diagram of tracing with light tracing number being
4000,resolution being 0.5mm.
同样将其模拟得出的亮度数据代入公式(1)，按公式(1)计算每点K 值，使用Excel 条件格式将超过0.017的用黑标示，拟合得到图7。从图7看出黑区域只出现在了明暗过渡的区域，符合韦伯定律，因此图6较图4
更接近于人眼实
图7 分辨率为0.5mm ，光线追迹数量为40000的
Excel 图.
Fig.7 Excel diagram of tracing with light tracing number
being 40000,the resolution being 0.5mm.
第4期李郑阳，等：基于tracepro 软件的L CD TV 直下式背光源均匀性仿真555
际观察的结果。但事实上图6与图4非常相似，因此仅凭Tracep ro 的模拟图形无法判断模拟结
果是否与人眼实际观察相符，需要配合公式(1)进行验证。
315 光源与扩散板距离20mm 时的模拟
前面探讨了光源与扩散板距离8mm 时明暗差异比较明显时的模拟情况，通过恰当的参数设置可以使Tracep ro 较好地模拟人眼实际观察的效果。但在实际运用中为了使整个背光源比较均匀，光源与扩散板的距离会稍远一些,d 1=20mm 左右。因此，采用和之前相同的背光源模型，只将光源与扩散板距离调整为20mm ，分辨率设置为0.5mm 不变，光线追迹设置为Custom ，数量为40000，结果如图8所示。
从图中看出不均匀现
象较图4、图6已经有明显改善，但是中间部分仍然有一个暗带，根据此前结论，无法由此判断在人眼实际观察时是否还会有此暗带
。
图8 分辨率为0.5mm ，光线追迹数量为40000的追
迹图.
Fig.8 Diagram of tracing with light tracing number be 2
ing 4000,when the distance between light source and diff user is 20mm ,resolution is 0.5mm.
同样，将模拟数据带入公式(1)计算并在Excel 中拟合后得到图9，从图9可以看出，明暗过
渡区域已经变成了白，表明K 值小于0.017，说明实际已经看不到不均匀现象，但图中仍有少量零星的黑,
其原因是:
图9 光源与扩散板距离20mm ，分辨率为0.5mm ，光线
追迹数量为40000的Excel 图
Fig.9 Excel diagram of tracing with light tracing number
being 40000when the distance between light source and diff user plate is 20mm ,resolution is 0.5mm.
(1)追迹数量仍然不够。由于Tracepro 模拟
耗时较长，通常需要数百小时，所以需要进行一定的简化;
(2)不均匀的区块面积小到一定程度时人眼已经无法观察，但是在模拟中点与点之间的差异仍然会反映出来，因此也需要根据一定的经验辅助判断。
4 结 论
实验结果表明，将Tracepro 模拟与匹配人眼实际观察效果的公式相结合，有助于更精确地确定Tracep ro 仿真参数。由此得到以下结论:
(1)公式(1)有效解决了Tracepro 模拟仅得到L CD TV 直下式背光源亮度分布的趋势，却与人眼的实际观察效果有差异的缺陷;
(2)使用Tracep ro 模拟L CD TV 直下式背光源亮度分布时，不同的分辨率和追迹数量对模拟亮度值有较大影响，可通过公式(1)对模拟结果进行验证，当分辨率为0.5mm ，光线追迹数量为40000时可以获得与真实较为接近的亮度值;
(3)韦伯定律中的K 值和一般认为的人眼分
辨率都是在特定环境下得出的极值，在实际情况中由于环境的影响会有所下降，可根据经验进行适当修正。
参 考 文 献:
[1]屈胜利，朱欣志，陈怀琛.图形发生器荫罩母版制版均匀性研究[J ].西安电子科技大学学报,1999,26(4):
4062410.
[2]Watson Andrew B.The spatial standard observer :A new tool for display metrology [J ].I nf ormation Dis play ,
2007,23(1):12215.
烫毛机[3]应根裕，胡文波，邱勇.平板显示技术[M ].北京：人民邮电出版社,2002:21222.
[4]李郑阳，陈明容.测量发光画面亮度均匀性的方法：中国,CN200710141775[P].2008201209.
液 晶 与 显 示第24卷556
[5]季卓莺，邵红，林燕丹.暗适应时间、背景亮度和眩光对人眼对比度阈值影响的探讨[J].照明工程学报,17(4):124,
15.
U niformity Simulation of LCD TV Direct B acklight B ased on T racepro
L I Zheng2yang1,2,FEN G Shi2meng1
(1.Depart ment of Physics,S hanghai J iao Tong Universit y,S hanghai 200240,China,E2mail:seaver_li@163;
2.S V A Opt ronics Co.L t d.,S hanghai 200233,Chi na)
Abstract
This paper researches t he difference between t racep ro simulation and human eyes observation in uniformity of L CD TV direct backlight.In order to make t he simulation result reflect s t he t rue sit ua
2 tion,t he data simulated by t racep ro was p ut into t he formula t hat adapt to t he human eyes observa2 tion,t he Weber coefficient of each sampling point was calculated.Comparing wit h t he vision’s Weber coefficient0.017,it is determined whet her or not t here will be nonuniformity,t hen re2fitting t he new grap h of backlight uniformity.This can help t he designer evaluate t he p roduct better in design step.
K ey w ords:Tracep ro;sensory t hreshold;resolution
作者简介：李郑阳(1981-)，男，贵州贵阳人，硕士研究生，研究方向:L CD背光源设计。
文章编码的识读
为了便于期刊文章的检索、查询、全文信息索取和远程传递以及著作管理，凡具有文献标识码的文章均可标识一个数字化的文章编号，其中A(理论与应用研究学术论文(包括综述报告))、B(实用性技术成果报告(科技)、理论学习与社会实践总结(社科))、C(业务指导与技术管理性文章(包括领导讲话、特约评论等))三类文章必须编号。
文章编号由期刊的国际标准刊号、出版年、期次号及文章的篇首码和页数五段共20位数字组成，其结构为:XXXX2XXXX(YYYY)NN2PPPP2CC，其中XXXX2XXXX为文章所在期刊的国际标准刊号(ISSN),
YYYY为文章所在期刊的出版年,NN为文章所在期刊的期次,PPPP为文章首页所在期刊页码,CC为文章页数,“2”为连字符。该编号在全世界范围内是该文章的惟一标识。
文章编号由各编辑部给定，中文文章编号的标识为“文章编号:”或[文章编号]。如：文章编号; 100722780(2003)022*******为发表在《液晶与显示》2003年第2期第97～100页(共4页)上题为“液晶中聚合物网络的形貌研究”(作者：杨文君等)一文的文章编号。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议