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揭秘 Apple Pro Display XDR 576分区设计

Lucas MiniLED产业网 2022-10-10


介绍

为了追求高质量的显示器,Apple Pro Display XDR开发了一系列优越的FOS性能,包括Retina 6K分辨率、1000尼特持续全屏亮度、1600尼特峰值和1,000, 000:1对比度。这是除了整体系统设计,包括显示器厚度, 边框尺寸,噪音水平和温度稳定性。


实现这一先进HDR性能的关键技术是一个新开发的2D背光子系统,该子系统在光学、机械、电子和算法等领域进行了工程创新。


设计目标

利用2D背光技术,显示器能够提供高动态范围性能,包括高亮度和高对比度。Pro Display XDR有一个背光引擎,以及先进的算法,以精确控制LED和LCD像素。每个单元还经历了背光和LCD的高动态范围、高精度校准。它不仅可以显示HDR图像和视频中明亮的高光和详细的弱光阴影,还可以显示计算机图形的SDR般均匀的平面内容, 使其成为任何工作流的极其多功能、高性能的显示器。在接下来的章节中,将讨论苹果2D背光子系统内部的关键设计元素,以及调光驱动和算法方面的考虑。

显示系统设计

Apple Pro Display XDR包括一个Retina 6K LCD面板、一个定制TCON和几个专门为2D背光子系统开发的光学组件(图1)。


在2D背光源内部,关键部件包括:
1)具有特殊Lens的蓝色倒装LED,以实现目标发光轮廓;
2)具有弯曲形状的反射片,作为腔体,将光向上整形到面板;
3)具有角选择性涂层的扩散板,增强光混合效率,以显著减小厚度;
4)结合波长选择性多层的荧光粉片层光学薄膜,以高效率将蓝光转换为白光,同时保持高度的 RGB 平衡控制。

此外,还包括:
5)用于改善颜色和亮度均匀性的微透镜阵列的光均化膜;
6)用于在较大温度波动下保持稳定PSF的浮动支撑柱设计。

另外,苹果开发了苹果专有算法,以利用由苹果定制的TCON驱动的硬件设计,实现优越的FOS性能 。

3.1. LED+碗杯腔体反射片 


在2D背光系统内部,核心是一块PCB板上的LED阵列,由18行32列,共576颗LED组成。

传统的白光LED封装由蓝色LED晶片和荧光粉组成。Pro Display XDR使用倒装式蓝光LED有两个原因:

1)靠近点光源的蓝光LED可实现对光轮廓的精确几何控制,这将在本节后面讨论;
2)与白光的宽光谱相比,蓝光的光谱相对较窄,这使得折叠光学能够减小厚度,这将在3.2节讨论。


每个LED都由苹果设计的LED控制器单独控制,每个控制器有48个通道分别驱动48个LED。为了更好地混合来自LED的光,在芯片顶表面内置了一个反射器,因此光只从侧面发出,以拓宽空间光分布轮廓(图2)。



此外,在LED芯片的顶部,蘑菇型圆顶透镜提高了光提取效率,并进一步将出射光线“向下”弯曲,以获得更多的混合,这是因为蓝色LED芯片非常类似于点光源(图3a )。结果是一个“蝙蝠翼”形状的光强分布,中心强度被严格控制(图3b)。


此外,一个几何优化的反射片连接在LED之间,以重新引导所有的光线朝向面板,以获得更好的均匀性。LED和反射片的结合形成了一个“空腔”,光被重新折射与分布(图 4);本质上,点光源(LED)通过将更多的能量从尾部拉到中心峰值区域来转换为优化的PSF。


3.2. 带反射涂层的扩散板 


在扩散板的底面使用了角选择性反射涂层(图5a),这提供了额外的光混合,并优先透射比斜入射光更多的法向入射光, 同时通过将大部分光限制在每个区域内来限制PSF宽度的增加。多层薄膜涂层将大约80%的蓝光反射回腔内(图5b), 这使得气隙和扩散板厚度都得以减小。



3.3. 颜色转换膜 


为了将蓝光LED发出的光转换成白光,采用了含广色域荧光粉的膜片来进行颜色转换,膜片包含红色和绿色材料,混合和封装在两个基材之间。


在底面,多层光学膜(MOF)有助于最小化色偏,这是由与磷光体各向同性再发射的光学距离不同引起的。


蓝光在荧光粉层内传播的距离越长,就会越多地转换为红光和绿光, 从而产生黄移。波长选择性MOF设计为最小化红光和绿光的远场传播,只允许蓝光通过,从而为近场和远场提供高效和良好平衡的RGB光(图6)。




3.4. 光均化膜 


蓝框mura一直是带荧光粉膜的背光系统的一个挑战,因为光的回收在中心和边缘区域是不同的。


传统上,蓝框mura是通过调整LED驱动条件来补偿差异;然而,这种方法主要解决亮度差异。


Pro Display XDR除了对LED驱动条件进行优化外,还使用了光匀化膜来解决亮度和色差问题。微透镜阵列形成在面向的表面上远离LED。设计了微透镜几何形状,通过控制光的传播方向来改善颜色均匀性,通过角轮廓优化来实现颜色循环和亮度均匀性。此外,微透镜的尺寸、极性和密度从边缘向中心( 图7)进行空间调制,具有工程设计的梯度,以确保光学均匀性。




3.5. 浮动支撑柱 


PSF的关键特性不仅在于显示器的校准,还在于它在整个显示器生命周期中的稳定性。LED与用于混光的扩散板之间气隙的均匀性对PSF的精度至关重要。


Pro Display XDR利用屏幕上的44个柱子进行精确的高度控制,以保持空气间隙值。


对于具有极端亮度的HDR显示器,内部温度可能根据内容而显著变化,导致诸如扩散板之类的部件的热膨胀和收缩。创新的浮动柱设计可以在大的温度波动期间保持整 个显示区域的光学气隙(图8)。



3.6. 局部调光算法与LED驱动 


定制设计的TCON内部的专有算法独立地控制LED和像素值 ,将它们视为两个独立的显示器。接下来将从三个方面讨论该算法,以说明该算法是如何与硬件一起工作的,从而提供更好的FOS性能。


光晕是2D背光显示系统面临的一个挑战。
在Pro Display XDR上,算法检测到可能导致光晕风险时,则像素补偿具有恢复明亮细节的能力,而不是裁剪图像。 



A、动态优化 


在2D背光显示系统中,通过组合来自LED和LCD像素的内容来构建屏幕前图像。对于动态内容,抑制闪烁伪影是至关重要的。在Pro Display XDR上,闪烁的缓解如下:

1)通过量化闪烁风险来优化LED和LCD像素值;

2)设计L ED驱动以补偿与LCD的动态响应差异。

Pro Display XDR定制的LED驱动IC可以以超过LCD速率的10倍驱动LED 。通过将切换分为多个步骤,生成与LCD匹配的LED响应, 从而最大限度地减小动态响应差异。


B、PSF重建 


每个LED的点扩展函数(PSF)是屏幕前图像重建的组成部分 ,因此校准和表征每个LED的PSF是至关重要的(图9)。在Pro Display XDR上,通过校准每个单独的LED PSF,将实际屏幕输出和重建的FOS之间的差异降至最低, 每个LED PSF存储在显示器的存储器中。由于PSF覆盖15个以上的亮度范围,精确测量它是一个挑战。


为了解决这个问题,采用了一个定制的HDR功能相机覆盖超过20个停止的动态范围,测量亮度超过10,000尼特来量测每个LED的PSF。每个LED的高精度PSF ,结合高精度LED驱动能力和本地10bit精度LCD面板,生成平滑准确的FOS图像。





小结

Pro Display XDR(表1中列出)的卓越FOS性能是由创新的2D背光技术 以及在定制定时控制器(TCON)内实现的先进算法实现的。介绍了LED、腔体反射器、反射扩散板板、色转换膜、匀光膜 、浮动支撑住和算法等关键部件。它们一起实现了一个优化和稳定的PSF,以满足在HDR媒体和SDR内容中提供卓越的FOS性能的目标。

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