3-in-1-Testsystem

Qualitäts-Check für OLED- und μ-LED- Displays

21. März 2023, 17:40 Uhr | Nicole Wörner

Der Wunsch nach immer höheren Displayauflösungen treibt die Innovationen voran. Besonders μ-LEDs gelten als Technologie der Zukunft. Für die Qualitätskontrolle und Kalibrierung hochauflösender OLED- oder μ-LED-Displays in Produktionslinien steht die Lichtmesstechnik vor neuen Herausforderungen.

Von Dr. Tobias Steinel und Dr. Martin Wolf, Instrument Systems

Mehr Pixel! Das ist ein wichtiger Trend in der Displayindustrie. Über den Nutzen von 8K oder noch höher auflösenden Fernsehern lässt sich vielleicht streiten. Für augennahe Anwendungen wie beispielsweise AR/VR-Brillen sind für die technische Umsetzbarkeit auf jeden Fall mehr und damit kleinere Pixel erforderlich. Bei Displays, die direkt am Auge des Betrachters sitzen, sind Screen-Door-Effekte und Pixel-Inhomogenitäten leicht sichtbar und für den Nutzer störend. μ-LEDs gelten als die innovative Technologie für sehr hohe Auflösungen mit Pixelgrößen von weniger als 10 μm und ebenso kleinen Pixelabständen. Generell haben sie das Potenzial, eine bahnbrechende Displaytechnologie zu sein – wenn die Herausforderungen der Produktion gelöst werden können.

Genau wie OLED-Displays sind μ-LEDs eine emissive Displaytechnologie, das heißt, jedes einzelne Subpixel selbst ist eine Lichtquelle. Deshalb sind Luminanz- und Farbabweichungen zwischen den einzelnen Pixeln sehr wahrscheinlich. Da das die visuelle Qualität der Displays stark beeinflusst, ist eine Qualitätskontrolle und Kalibrierung der Displays nicht nur im Labor, sondern vor allem in den Produktionslinien notwendig. Der Wettlauf um sehr hohe Auflösungen fordert damit nicht nur die Displayhersteller, sondern auch die Lieferanten von Lichtmesstechnik.

Für die Qualitätskontrolle von hochauflösenden Displays in Produktionslinien ist es entscheidend, die optischen Eigenschaften jedes einzelnen Subpixels zu messen, und zwar im Rahmen der Produktionstaktzeiten. Es sind Leuchtdichte- und Farbbilder (X, Y, Z) mit außergewöhnlich hohen Auflösungen auf Subpixel-Ebene erforderlich. Bisherige Lösungen arbeiten entweder mit mehreren gekoppelten Geräten oder nutzen Positionierungsstufen zur Aufnahme mehrerer Bilder. Diese werden über ein Software-Tool kombiniert, um die nötigen Auflösungen zu erreichen. Solche Lösungen sind in der Regel sehr teuer und auch zeitaufwendig. Nachfolgend geht esum die ultrahochauflösende 2D-Farbmesskamera LumiTop X150: Eine Komplettlösung für schnelle und hochgenaue Displaytests in Produktionslinien einschließlich der Subpixelmessung von hochauflösenden Displays.

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Schlüsselfaktor optische Prüfung in der Produktion

Die optische Qualitätskontrolle von Displays in Produktionslinien ist ein wichtiger Faktor. Gleichzeitig sind Ausbeute und Durchsatz in der μ-LED-Produktion häufig für die Kosteneffizienz und Rentabilität ausschlaggebend. So diktieren diese Rahmenbedingungen den Umfang der Prüfmöglichkeiten. Die verfügbare Zeit für die Prüfung der optischen Leistung ist streng begrenzt. Mit der Einführung verbesserter Displaytechnologien in Bezug auf den Farbumfang, Dynamikbereich usw. werden die Herausforderungen für alle Ausrüstungslieferanten noch größer, denn die Anforderungen an die Testsysteme steigen parallel zur geforderten Qualität der Displays. Zusätzlich können weniger ausgereifte Technologien sogar einen größeren Prüfumfang erfordern. Für die beschriebenen emissiven Anzeigetechnologien mit OLEDs und μ-LEDs ist die Erkennung von defekten Pixeln auch auf Subpixel-Niveau mit anschließender Korrektur elementar, um die Produktionsausbeute zu erhöhen. Es müssen Leuchtdichte und Farbe von Millionen von winzigen Subpixeln von OLED- oder μ-LED-Displays unter den Beschränkungen der typischen Taktzeiten der Produktionslinie bewertet werden.

Die 3-in-1-Systemlösung: Lumitop X150

Instrument Systems hat seine Displaytestsysteme der LumiTop-Familie für die Qualitätskontrolle in der Produktion optimiert. Sie bestehen aus einer 2D-Farbmesskamera, einem Spektralradiometer der CAS-Serie und einer Fotodiode. Durch diese Kombination können alle relevanten optischen Tests in nur einer Teststation erfolgen. Zu den wichtigsten Testgrößen gehören die Messung der Displayhomogenität (Leuchtdichte und Farbe), die Bestimmung von Defekten (Mura), Gamma-Exponenten, Flicker und Leuchtdichtemodulationen. Das 3-in-1-Konzept ermöglicht die simultane Messung mit allen drei Sensoren und garantiert sowohl sehr kurze Messzeiten durch die 2D-Aufnahmen als auch eine hohe, absolute Genauigkeit über das Spektralradiometer. Die LumiTop-Messlösung ist unabhängig von der Displaytechnologie des Prüflings einsetzbar und eignet sich auch für neue Displaytechnologien wie OLED- oder µ-LED-Displays.

Die Basisvariante der LumiTop besitzt einen 12-MP-RGB-Sensor (CMOS). Einzelpixel- oder Subpixel-Analysen erfordern eine noch höhere Kameraauflösung. Vorläufige Versuche zeigen, dass für genaue Farbmessungen Abtastraten von mindestens 4:1 erforderlich sind. Deshalb ist die neue LumiTop X150 mit einem 150-Megapixel-Sensor ausgestattet (Bild 1). Ein integrierter Pixel-Shift-Mechanismus unterdrückt Demosaicing-Artefakte durch Echtfarbmessungen und erhöht die Auflösung auf 150 Megapixel pro Farbkanal oder 600MP pro RGB-Bild. Zusätzlich verfügt die LumiTop X150 über eine motorisierte Fokuslinse, die sich automatisch an unterschiedliche Fokusstufen anpassen kann, z. B. an verschiedene Farbtestmuster oder zur defokussierten Messung. Eine Auswahl an Objektiven erlaubt die Vermessung von unterschiedlichen Displaygrößen, von Microdisplays bis zu Videowänden. Ebenso relevant wie die Hardware sind auch die Analyse-Tools: Spezifische Algorithmen ermöglichen die Erzeugung von Pixelintensitäts- und Pixelfarbkarten zur Pixelerkennung und Displaykalibrierung.

Die ultrahochauflösende LumiTop X150 meistert die Herausforderungen für die optischen Displaytests in Produktionslinien. Mit hoher Genauigkeit und kurzen Messzeiten misst sie das Spektrum von Prüflingen, erfasst hochgenaue Bilder für Farb- und Leuchtdichtebeurteilungen (Mura) oder Defektbewertungen und ermöglicht Gammakurvenkorrekturen, Flicker- und Leuchtdichtemodulationsmessungen. Aufgrund der sehr hohen Auflösung ist auch die Displaykalibrierung, manchmal auch als »Demura« bezeichnet, durchführbar. Alle optischen Messaufgaben können platzsparend in einer Prüfstation erfolgen. Darüber hinaus kann sie aufgrund ihrer sehr hohen Genauigkeit auch als Referenzgerät und für vertiefte Auswertungen im Labor eingesetzt werden.

Die folgenden Beispiele zeigen Messungen für die Subpixel-Analyse als absolute Messung, als relative Messung sowie für die Homogenitätsmessung.

Beispiel 1: Subpixel-Analyse – absolute Messungen

Für die absolute Messung wurde das Display eines OLED-Handys aufgenommen. Bild 2 zeigt zwei Aufnahmen des Blue-Screens in verschiedenen Zoomstufen (2x2-Aufnahmen). Jedes einzelne blaue OLED-Pixel des gesamten Displays kann mit ausreichender Auflösung für eine genaue Farb- und Leuchtdichte-Bewertung erfasst werden. Auf Grundlage dieser Daten erstellt ein speziell entwickelter Algorithmus eine Pixelkarte mit Farb- und Luminanz-Werten. Diese Informationen können dann für weitere Analysen oder die Kalibrierung des Bildschirms verwendet werden (Demura im Falle von OLED-Displays).

Die Anzahl der Pixel-Shift-Messungen kann je nach Auflösung des zu prüfenden Gerätes angepasst werden. Bild 3 zeigt die Leuchtdichteverteilung in Pseudo- farbdarstellung desselben Displays, jedoch mit 2400 Megapixeln pro Bild (4x4-Sampling). Es ist deutlich zu erkennen, dass eine sehr detaillierte Analyse für jedes blaue Subpixel möglich ist. Im oberen Teil der Abbildung sind zwei Linien zur Bewertung der lateralen Verteilung der Leuchtdichte eingetragen – gestrichelt über ein Subpixel und gepunktet über 15 Subpixel. Das Diagramm unten links zeigt die Leuchtdichteverteilung entlang der Linie parallel zur x-Achse für ein einzelnes Pixel. Das Profil unten rechts umfasst insgesamt 15 blaue Subpixel zum Vergleich. Über weitere Analyse-Tools wie Spotmeter sind in der LumiSuite-Software Berechnungen für gemittelte Leuchtdichte- oder Farbinformationen, Histogramme und Homogenität verfügbar.

Beispiel 2: Subpixel-Analyse – relative Messungen

Einige Analysen – wie die Erkennung von Pixelfehlern oder Mura-Messungen – benötigen keine absoluten Messungen von Farbe und Leuchtdichte. Für diesen Zweck wurde ein besonders schneller Algorithmus entwickelt. Dieser ermöglicht die Analyse ganzer Displays in einer einzigen Messung mit der LumiTop X150. Der Algorithmus erzeugt eine Pixel-Intensitätskarte (Bild 4, oben) und der Benutzer kann zur Erkennung von Pixelfehlern Pass/Fail-Kriterien einstellen. Die zwei Bilder in Bild 4 unten sind gezoomte Ausschnitte. Die roten Kreuze im rechten unteren Bild markieren defekte Pixel gemäß den gesetzten Kriterien, hier von 30% Leuchtdichteabweichung im Vergleich zu den benachbarten Pixeln.

Beispiel 3: Messung der Homogenität

Die Pixelkarten können als Grundlage für verschiedene Auswertungen verwendet werden. Nicht für alle Tests ist eine Subpixelmessung erforderlich.

In vielen Fällen kann die Messgeschwindigkeit durch Datenreduktion, das bedeutet kürzere Übertragungszeiten, wichtiger sein. Beispiele hierfür sind Homogenität und großräumige, d. h. niederfrequente Mura-Messungen sowie Gamma-Kurven oder Weißpunktkorrekturen. Einige Vorgabenstandards, wie zum Beispiel der »Uniformity measurement standard for displays« der deutschen Automobilindustrie, schreiben sogar defokussierte Messungen vor. Deshalb verfügt die LumiTop X150 über ein Objektiv mit motorisiertem Fokus, sodass leicht zwischen fokussierter und defokussierter Messung gewechselt werden kann.

Bild 5 zeigt die Leuchtdichteverteilung in Pseudofarbdarstellung für ein weiß anzeigendes OLED-Tablet. Über die Diagonale ist ein Linienprofil festgelegt (von unten links nach oben rechts). Das dazugehörige Diagramm (Bild 5 oben rechts) zeigt einen deutlichen Luminanzabfall entlang dieser Linie. Zusätzlich wurde ein Raster aus neun Spots auf dem Bild platziert, um Informationen über die maximale, minimale und durchschnittliche Leuchtdichte sowie Farbe innerhalb der Spots zu erhalten. Diese Ergebnisse werden tabellarisch dargestellt.

Fazit

Um ein perfektes Nutzererlebnis zu erzielen, bedarf es für hochauflösende Displays umfangreicher und hochgenauer optischer Tests – nicht nur im Labor, sondern auch in der Produktionslinie. Die 2D-Farbmesskamera X150 wurde speziell für diesen Anwendungsfall entwickelt: schnelle und gleichzeitig genaue Messungen von verschiedensten Messgrößen in nur einer raumsparenden Teststation. Mit einer Auflösung von 150 MP pro Farbkanal bei 2x2-Sampling und bis zu 2400 MP pro RGB-Bild im 4x4-Modus detektiert sie Defekte und Abweichungen auf Subpixel-Niveau. Eine Software-Suite ermöglicht detaillierte Auswertungen.

Der Autor