​iPad上的mini LED屏幕翻车了？探讨“光晕效应”背后的秘密

来源：苹果

今年的iPad Pro 12.9”在mini LED背光的选配上也算是相当华丽了。苹果在宣传中提到这款平板的屏幕有超过10000个mini
LED，构成2500个分区。要知道这块屏才12.9寸，比那些电视小多了。作为对比，上一代iPad Pro背光总共72个LED。所以新款iPad
Pro这块屏幕的单个LED的尺寸比前代小了大约120倍。

这个分区数量听起来已经比传统LCD电视面板多出很多了，但如前文所述，当它与OLED(或micro
LED)像素级的精度做比较时，仍然差了不止一个量级。所以mini
LED能够做的是以更多的LED和分区来缓解光晕效应，但它仍然无法做到像素级别的精细控制，光晕问题可能仍然会存在。

虽说mini LED被很多人认为是通往OLED的过渡方案，iPad Pro开始采用mini
LED屏幕还是让人看到了这类面板的大好前景的，也表明其大规模量产并普及的可行性。这种技术不仅能够让LCD实现更高的对比度，呈现更黑的黑色，而且在背光均匀度、面板厚度、功耗方面也有红利;另外成本低于OLED，峰值亮度可以做得更高。关于mini
LED的价值，本文不再多做探讨了。

接下来的部分，让我们更细致地来观察mini LED的光晕问题，以及mini LED存在的更多挑战。2019年SID有篇名为Prospects and
challenges of mini-LED and micro-LED displays的paper中比较详细地谈到了mini LED遭遇的挑战。

光晕(halo)是局部调光技术下一个比较大的话题。如前文所述，光晕效应是在显示亮色对象时，漏光到临近黑色区域的现象。配套出现的还有一种clipping
effect——这里我们暂且翻译成削弱效应，削弱效应是分区光的亮度不充分的现象。

上面这张图探讨了这两种效应的存在。这里横轴(Xzone)每一格表示不同的背光分区，纵轴则表示亮度。这一例中，仅中心分区为峰值亮度，周围的分区处于“熄灭”状态。理想情况下应该是图(A)那样的。但实际上，每个分区的光亮度不仅和光源本身有关，而且还与临近分区的漏光有关。图(B)展示了这种情况，如此一来中心分区的光泄露到临近分区，且该分区的光强被削弱，也就同时产生了光晕和削弱效应。

另一方面，LCD面板的背光单元(BLU)会对LED做更进一步的调制，以获得更好的细节表现，目标是图(C)这样的。那么加上光晕和削弱效应，最终就会变成图(D)那样。

针对这两种效应，事实上有很多算法做缓解，也是不同厂商努力的方向——各种算法的提出远早于我们的认知。从硬件层面来看，更高的LCD对比度，或者精细到像素级的调光能够显著缓解/消除这两种效应。对于LCD而言，也就是增加背光分区数量，减少受光晕效应影响的暗区(图B中的黄色区域);增加对比度则缓解了亮区的光晕效应(图D中的中央分区的黄色部分)。

背光分区的数量和LCD对比度，对于抑制光晕和削弱效应具有最大的影响作用;另外，LED光的扩散、分区光的隔离等光学设计同样也对分区调光的最终表现有影响——光学设计上的差异也可能导致更少的分区，却在光晕效应抑制方面有更好的表现。

针对光晕效应是否被人眼察觉，早前就有研究人员提出过以LabPSNR(CIE 1976
L*a*b*色彩空间中的峰值信噪比)作为光晕效应的衡量指标。LabPSNR > 47.7dB时，仅有5%的人能够区分出是否用了mini
LED背光。

上面这张图中的黑色虚线，即是LabPSNR的这一临界值。不同颜色的曲线代表了不同的LCD对比度(如蓝色为对比度为1000:1时);横轴表示的是背光分区的数量。(其前置条件是基于对6.4英寸屏幕，25cm视距下的判断。不同尺寸的面板可能需要综合考虑视距问题，但这个数据对大面板仍有参考价值。)

这张图也可以一定程度套用于今年的iPad
Pro。需要注意的是，这里的对比度指的是LCD液晶本身所能达到的对比度，而不是加入了局部调光技术以后整块屏幕的对比度。对于2000:1对比度的LCD而言，需要超过3000个背光分区，才能大致消除光晕效应产生的影响。但如果LCD本身对比度低于1000:1，那么所需的分区数量即便到10000个，也无法获得满意的效果。

除此之外，对于LCD面板而言，从mini LED背光到液晶层，光会发生扩散。这与LED发射孔径、mini
LED与diffuser之间的距离，以及BEF(brightness enhancement
film)等光学层都相关。上面这张图给出了某个背光分区中的LED数量(NLED)变化时，LabPSNR受到σ/xLED变化的影响——也就是更小LED发射孔径和更短的光程，就能令LabPSNR更高。

其中黄色、红色、蓝色三条曲线依然对应于前面那张图中(Figure
4)不同的LCD对比度。比如当一个背光分区中有2x2个LED，且对比度为2000:1，σ/xLED=0.5时，光晕效应就不再明显(上图中的图B)。

鉴于篇幅关系，本文不再深入光晕效应的更多影响因素及对应关系，比如说临近背光分区的串扰同样还受到透镜准直、隔离等光学结构的影响，所以分区内背光的界限控制也非常重要。由此可见，现在的mini
LED还是有改进空间的。

来源：三星

总的来说，iPad Pro 12.9”在mini
LED屏幕虽然有光晕效应的影响，但瑕不掩瑜，这块屏幕在亮度、对比度方面的惊艳表现仍远优于同类产品，也为mini LED的发展做了前期探索。不过虽说mini
LED的价格目前开始逐渐显现出优势，但这款iPad Pro在没有Apple
Care+的情况下，其破损维修费用达到699美元，比前代的499美元高出不少，可见mini LED成本仍然不算低。

好在这一现状将很快发生变化。韩国、中国台湾的诸多面板制造商都在向mini/micro
LED面板发力，大陆地区的供应链相关企业表现得更加积极，包括京东方、TCL/华星光电、天马微电子这些面板厂商都在这两种产品的R&D方面加大投入。LED供应链上，三安光电、华灿光电、国星光电、聚飞光电等这两年都在对应技术上开展工作。(需要注意的是，本文探讨的是mini
LED，而不是micro LED。后者是实现了像素级背光控制的技术，其成本目前看来仍然是居高不下的，未来我们将转另外撰文探讨)

如LED芯片制造商三安光电将mini/micro
LED作为开发策略的重点，2019年三安光电就宣布投资12亿元人民币在湖北鄂州的葛店经济技术开发区针对研发生产做布局;去年，三安光电与华星光电宣布合作成立联合实验室，投入3亿元人民币共同开发micro
LED材料、制造工艺和设备。

另外还有诸如国星光电投资10亿元人民币扩充用于mini LED背光的LED封装产能;利亚德与晶元光电联合投资数亿元人民币，在无锡生产mini/micro
LED芯片和模块，加速新一代显示解决方案的商业化进程等等。

基于中国国内对mini/micro
LED技术的投入，这一市场的竞争预计将持续加剧，并加速新技术的推广和发展。市场上的电视、PC、平板等大屏产品都将很快受到影响，显示领域的一场变革正从今年的iPad
Pro开始悄然进行...