Allion Labs / Abel Hsu
ミニLED (Mini-LED)とは？
ディスプレイ技術は常に進化を続けており、初期のCRTから現在のLCDやOLED技術の時代に至るまで、いずれもコンピューターのコンテンツを表示するものですが、技術的なエネルギーは大きく異なります。LCDは液晶ディスプレイで、正式名称はliquid-crystal displayです。市場ではTFT技術を採用したLCDが主流で、技術原理はトランジスタを通じて電流が通ることで電場が変化し、光線の通過角度が変わり、LCDのガラス基板上のカラーフィルターを通過して異なる色が生成されます。
TFT-LCDは自己発光型ディスプレイではないため、バックライトを提供するために光源セットを使用しなければならなりません。LCD光源の提供については、現在LED技術の使用が主流となっており、LED技術は白色LEDとRGB LEDに分けられます。LED技術に基づいて開発されたディスプレイ技術にはMini-LEDとMicro-LEDがあり、両者の違いはLEDクリスタルのサイズです。今回ご紹介するのは、LEDバックライトをベースにした進化版で、新世代LCDのバックライトモジュールとして、Mini-LEDはサブミリ発光ダイオードと呼ばれ、技術的には約100㎛(ミクロン)サイズのLED結晶を指します。Micro-LEDは約10㎛サイズのマイクロ発光ダイオードディスプレイと呼ばれていますが、目下開発中の新しい技術であるため、この記事では触れません。
Local Dimming on Mini-LED
ミニLEDはMicro-LEDに比べて歩留まりが高く量産が比較的容易なため、現段階ではLEDバックライトLCD技術の発展において優れた選択肢となっています。ミニLEDの晶体体積は小さく、従来のLEDよりも同じサイズのディスプレイスペースにより多くの晶体を配置できます。別の見方をすると、同じスペースにより多くの発光素子を詰め込むことができるため、ディスプレイの内容をより詳細に表示することができます。また、ミニLEDのもう一つの技術的メリットは、マルチゾーンバックライト制御（Local Dimming）技術をサポートしていることです。Local Dimming技術はOLEDによく見られ、主に異なるゾーンで調光する技術によって、画面のコントラストを強化する必要がある場所をより見やすくする機能で、これによりHDR機能の効果を向上させることができます。ミニLEDはこのような技術に対応して、OLEDと同じレベルのHDR表示能力を実現しています。
光輪現象とは？
光輪現象とは、ディスプレイ上の明るい部分の光が他の暗い部分に影響を与えて広がる現象のことで、明るい物体に光輪が現れ、偽影の一種とされています。エリア調光に対応していない従来のディスプレイは、発光が全体に及んでいるため、この現象が起こることはあまりありません。エリア調光に対応しているディスプレイは、表示内容に応じてエリア別にバックライトで調光されるため、明るい部分と暗い部分の輝度差が顕著になり、光輪現象がより起こりやすくなります。
光輪は明るい物体、例えば夜空に浮かぶ星や夜道にある街灯など、周辺の暗い環境に比べて非常に明るい物体の周りによく現れます。
下の図は、センターホワイトパターンを使用してディスプレイに全体的に白いブロックを表示し、その周りを不透明のカードで覆って光輪現象を表したものです。
図：明るい物体の光輪現象
光輪の影響の大きさは？光輪を定量化して分析
では、光輪現象はどのように定量化するのでしょうか？ここでは、ミニLEDパネルを搭載したコンピューターを使用し、センターホワイトパターンテストチャート使用して、システムの最大輝度で実験を行います。測定位置の分析については、下の図をご参照ください。
次に、光輪現象を定量化するための重要なポイントです。測定データを定量化するために、測定位置ごとに距離を定義する必要があります。広範囲の照明ではないため、私たちはハイライトブロックの四辺をロックして5種類の測定距離を設定し、ハイライトの4つの方向に対して測定実験を行いました。このテストチャートでは、中央の発光エリアの輝度測定値は340ニットであり、白い枠から50mm離れた場所の輝度は0.00210ニットです。
距離の定義
ハイライトエリアの影響を受ける部分から計測を開始する必要があるため、まず有効な遮蔽物を事前に用意しなければなりません。まず、発光エリアを完全に遮蔽するため、発光エリアの周囲にぴたりと貼り付けられる不透明な遮光板が必要です。また、測定点が非常に細かいため、距離の目盛りのある測定板を使用し、遮光の端に沿って位置合わせする必要があります。主な測定器は、VESA HDRが認証する指定器で、微細な光輪現象を定量化する実験に合わせ、最低輝度0.0005cd/m2まで正確に測定できるKonica-Minolta CS-2000A Spectroradiometerを選びました。測定器の移動については、正確な測定ポイントに毎回正確に測定器を移動させるため、移動用の平滑なスライドレールを使用しました。
図：ハイライトエリアを遮蔽した
定量化データ結果の分析
1. 定量化データ
2. セグメント別輝度の低下の差の割合
3. 低下の差に対する各距離範囲の割合
定量化したデータ表によると、ハイライトエリアの端から1mmの距離で測定されたデータは約0.20ニットです。従来の一般的なLEDと比べると、この値はほぼ従来のバックライトでのブラックレベルに相当する明るさです。次に5mmの次の段階を見てみると、この段階では明るさが小数第2位以下にまで下がっており、従来のLEDパネルが全面黒の状態では達成できない値になっています。20mmの距離まで来ると小数第3位以下のレベルに達し、エリア調光によるブラックレベルエリアのバックライトを制御できる明るさになります。また、パーセンテージの表を使って分析すると、異なる距離区間では輝度が約50〜60％低下し、漏光現象はハイライトから遠ざかると、輝度データが明らかに低下することを示しています。さらに、各距離区間における漏光現象の最も明白な1mmエリアの輝度差を分析してみます。表によると、10mmに比べて1mmは約10〜15％の輝度しか残っておらず、漏光現象が基本的に10mm以降で明らかに低下し、ミニLEDのエリア制御能力が非常に明確であることを示しています。
実際の映像効果と結論
実際にHDR映像を再生して、このような現象が実際の映像でどの程度頻繁に発生するか、先に述べた夜間の街並みのハイライト物体を観察し、遮光後にハイライトエリアでの光漏れがどのように発生するかを確認しました。ハイライト物体を遮蔽することで、その差がより明確になります。
図：街灯の漏光現象
しかしながら、このような現象が存在するにもかかわらず、HDR効果はエリア制御技術を通じて全体的な視聴体験を向上させており、非常に優れていると言えるでしょう。実際の測定データを見ると、5mmと10mmのエリアでは小数第2位以下の輝度があり、従来のLEDに比べてかなり優れています。20mmのエリアでは小数第3位以下の低輝度で、は一定の範囲内で効果的に制御されています。30mm以降のエリアでは、50mmのエリアと比べてもほとんど輝度の差がないため、30mm以降では、漏光現象はほとんど起こらないと推測することができます。これらの実験により、ハイライトエリアから10mm離れた場所の測定値は、小数第2位（0.0x）以下でなければならないと定義することができます。10mmのエリアで漏光の影響により、小数第2位（0.0x）よりも低下しない場合は、従来のバックライトとの違いがほとんどないため、漏光の制御が明確ではなく、エリア制御の優位性を発揮できないと推測することができます。
アリオンは長年にわたりパネル測定に携わってきました。製品のパフォーマンス検査と同様に、お客様が製品に対し満点の自信を持つことができるように、リリース前に製品をラボに送って、包括的な検証と評価を実施することをお勧めします。
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