微led显示均匀性的测量与校正

介绍

微发光二极管(micro-LEDs, mLEDs，或µled)继续展示其在显示器上的性能优势，引领了新一代背光和直接视图照明技术。微型led显示器由一组微型led(发光二极管)组成，形成显示器的单个亚像素元素。这种无机发射技术提供了许多优于其他显示技术的优点，包括更高的亮度和对比度，更宽的色域，更高的像素密度。在环境光条件下，从完全黑暗到完全白天，以及从多个视角观看时，微led都能提高视觉性能。这些特性使微led在手机和手表、增强和混合现实(AR/MR)耳机、汽车显示面板和数字标牌等应用中特别具有吸引力。

制造高质量的微led面板所面临的挑战继续阻碍着生产效率，在制造商实现商业上可行的微led显示产品之前，必须解决这些问题。以客户期望的视觉质量水平生产显示器，同时保持组件和生产成本低，要求质量控制解决方案，减少浪费，同时提高可接受显示器的产量。

微led显示均匀性的挑战

在微led元件生产中，实现一致、均匀的外观一直是一个重大挑战。作为单独的发射元件，微led是独立驱动的，在亮度和颜色上可以表现出高度的可变性(见图1和图2)。这种可变性会使微led组件无法使用，除非对每个发射元件和所有亮态进行校正以提高均匀性。

图1所示。这张微led微显示面板的特写图像显示了由于不同的微led像素输出导致的潜在亮度和颜色均匀性问题。

图2。带有颜色可变性的发射显示器插图(最左)，显示像素A、B和C在显示器的不同位置的放大倍数(中间左);A、B和C的变化光谱数据的例子(右)。

显示中的可变性是复合的，因为每个微led都是单色亚像素(通常是红色、绿色或蓝色)，其输出与其他亚像素相结合，以产生单个显示像素的整体亮度和颜色。这种亚像素级和像素级的可变性表现为整个显示的不均匀外观，导致可接受显示的产量低，昂贵组件的拒绝，或昂贵的返工(图3)。

图3。DCP-P3 (D65)的目标色域输入信号(第1行)，与实际的微led显示输出(第2行)相比，其中主要的垂直模式和块方向的标记可以清楚地看到。¹（图像©Samsung Research / Samsung Electronics）

微led亚像素的测量是必要的，以充分量化、评估和正确的显示像素输出。然而，由于微led的亮度和颜色可变，以及它们的大小、接近度和每个显示器的数量，微led的高精度测量具有挑战性。这使得纠正它们同样具有挑战性——特别是在支持商业生产吞吐量需求所需的速度下。

纠正发射显示

显示器制造商长期以来一直使用校正方法(电子补偿或校准)来提高视觉质量。概念很简单:通过修改发射显示器的单个亚像素的输入，之前识别的模糊像素可以在每个明亮状态下调整到统一亮度水平，从而在所有状态下的显示器上实现统一亮度和颜色外观。

首先，显示校正需要具有能够控制输入到单个亚像素的显示电子设备，并根据计算出的每个亚像素的校正因子进行调整。其次，需要一个测量系统精确量化单个亚像素的亮度和色度值，并计算每个亚像素在每个亮态下的具体校正因子。这种方法最初是为了校准LED视频屏幕而开发的，并使用了一种名为“demura”或像素均匀性校正(PUC)的校正技术，用于今天的高分辨率发射显示器(OLED和微LED)。

Demura。demura方法采用三个不同的步骤:

1. 测量显示器中的每个子像素，以使用高分辨率成像度数计计算每个像素坐标位置处的亮度值。测试图像被驱动到显示器以瞄准每个颜色集的子像素。这些图像使每个集合能够计算测量和校正因子。例如，可以将绿色测试图像驱动到显示器以照亮所有绿色子像素。成像比色仪测量并记录每个绿色子像素的输出。这对所有初始（红色，绿色，蓝色）和通常，白色重复。
   
2. 从每个显示像素的坐标位置加载测量数据到系数计算器。利用测试分析软件计算校正因子，使显示器像素间的亮度和色度差异归一化。
   
3. 使用外部控制IC(集成电路)系统对每个像素位置的每个亚像素的信号施加校正因子。

微led制造中应用的测量和校正系统必须能够以极低的节拍对每个亚像素进行精确量化，以校正生产速度下单个显示器中大量的发射器。测试和测量解决方案正在不断发展，以解决微led显示质量问题，将传统的自动视觉检测系统与创新方法相结合，在保持效率的同时提高精度。

微led测量的注意事项

不同的显示计量系统在微led亚像素测量中有各自的优点和缺点。例如,一个光谱辐射测量系统可以实现高度测量精度（亮度和色度），但慢的Takt时间使其能够测量构成整个微循型显示器的数百万像素的效率低下的解决方案。

此外，光谱辐射测量系统的光斑尺寸通常太大，无法对单个微led发射器进行最精确的测量。一个典型的微led是<100微米(µm)的正方形，<50微米是很常见的，有的甚至小到3微米²(见图4)一个测量系统，例如光谱辐射计，能够测量直径小于0.075 mm的结构，将不足以区分和测量单个微led(通常小于75µm)的特性。

图4。3微米/ 5微米间距微led阵列的扫描电镜图。左下方的插图是一个微型led通电的光学照片。(图片©Leti）

为了满足生产节拍的要求，高速机器视觉摄像机有时被用于自动视觉显示检测。然而，这些系统并不天生提供量化亮度和色度值差异所需的光度和比色精度，特别是在亚像素级。

如图所示，校准后的高分辨率成像色度计提供了满足生产需求的准确性和速度，从而为生产中的微led像素级和亚像素级测量提供了有效的解决方案。解决商业制造需求的最佳测量解决方案包括:

• 图像色度计。成像色度计和光度计系统的优点包括效率-能够检测在单一图像中显示的所有有意义的变化，同时完成多个测量:亮度、色度、均匀性、对比度、像素缺陷等。另一个优点是范围，即能够在单个图像中捕捉到显示器的整个视场(FOV)，就像用户观看设备一样。成像光度计测量亮度，而成像色度计测量亮度和色度。
  
• 高分辨率。微led测量系统必须具有高分辨率成像能力。高分辨率成像提供了区分和分离测量所需的每个像素和亚像素所需的精度，以及在单一图像中通过越来越高的分辨率和像素密度显示捕获每个像素值的效率。
  
• 低噪音。还需要低噪声成像能力。图像噪声(包括阅读噪声、镜头噪声或电子噪声)会干扰图像的清晰度。无论成像系统的分辨率有多高(其传感器的百万像素数(MP))，如果系统捕获每个传感器像素的显著噪声(产生低信噪比，或信噪比)，那么系统的有效分辨率可能会低得多。
  
• 校准。要根据CIE标准进行准确的测量，必须仔细校准计量设备。常用方法使用光谱仪捕获的参考数据来校准成像色度计的响应。增强型颜色Calibration™（ECC）是一种基于算法的校准方法，可以提高高度变量源的精度（参见下面的增强色彩校准部分）。
  
• 测试与分析工具。图像处理软件使制造商能够在捕获的图像上优化和运行测试。理想情况下，用于显示测量的分析包包括检测和量化亮度，色度，均匀性，对比度，像素和线缺陷，显示村庄和其他质量的工具。用于优化子像素注册和测量的成像精度的算法是额外的有益功能，可在箱式开箱即用的解决方案中提高显示测试效率。

测量精度的重要性:亮度和色度

1931年，国际颜色委员会(CIE)定义了一种标准，用于科学地量化人类观察者所感知的颜色的物理性质，使这些颜色能够精确的数学表示和再现(图5)。

图5。CIE 1931颜色空间的图形表示，包括人眼可见的所有颜色。边缘上的黑色数字表示可见光谱的波长，而可感知的颜色则表示为在这些限制范围内的坐标点(x和y)。

为了确保测量高度可变微led时的准确性，需要一种测量系统，能够以人眼的等效灵敏度分辨颜色变化。通过CIE标准的数学公式对标准人体光谱灵敏度进行量化，以提供色度值作为CIE颜色空间内的坐标。^3.

Tristimulus（XYZ）旋转滤光轮上的滤色器使成像系统可根据标准CIE颜色匹配功能和色度值进行颜色测量。进入计量装置的光通过相应的滤波器传递，然后由传感器捕获（参见图6）。滤光器调节进入光，阻挡某些波长（例如对人眼不可见的UV），使得传感器捕获具有尽可能接近的值的测量图像。

图6。cie匹配的三刺激滤光轮系统(此处显示在辐射视觉系统的ProMetric®i系列成像色度计内)使测量设备能够捕获光和颜色作为反映人眼光谱灵敏度的值。

三色系统。Jensen、Piehl和Renner最近的一项研究(2020年)⁴展示了用于CIE标准颜色测量的Tristimulus滤光轮系统的高精度（有关详细信息，请参阅下面标题的测量精度研究：Tristimulus系统）。

增强的颜色校准™。所有用于计量应用的成像系统都需要光谱仪或其他设备的校准数据，以确保测量精度。来自辐射视觉系统的增强颜色校准(ECC)使用高级校准算法提供最高水平的颜色测量精度。ECC方法创建一个12元素校正校准矩阵，最大限度地提高颜色测量系统的能力，从校准的颜色值(校准点;参见图7)。

图7。ECC使三刺激成像色度计能够继续提供精度，即使源光谱数据进一步偏离校准点。这个图表说明了三刺激成像色度计测量从图2中绘制的显示像素a、B和C的预期精度限制(白色虚线圈内的区域)。

测量精度研究：Tristimulus系统

下面的研究评估了使用ECC(辐射视觉系统ProMetric®I29 (29MP)成像色度计)与参考计(光谱辐射计)的基于三刺激滤光片的成像色度计系统的测色精度。不同颜色的led由参考计和成像色度计测量。

首先，成像色度计被校准到每个LED的基输出(使用ECC)。然后，每个系统测量每个LED的输出是不同的(LED的可变性是通过提供不同的电流水平引入的)。成像色度计的精度定义为，当LED输出的色度距离从系统校准点增加时，成像色度计匹配参考计测量值的能力。

结果．测量数据绘制在图8和图9中，表明三刺激系统在引入的LED光源变化中提供准确的亮度和色度值。对于几乎所有的led，三刺激系统测量值与参考仪表测量值相差小于0.0050 Δxy (CIE 1931)。在本研究中，引入的LED测试光源的可变性超过了微LED光源的预期可变性。这些结果表明，带ECC的三刺激系统可以在亮度和色度方面具有很高的精度，即使光源从校准点相差很大。建议使用三刺激系统，以确保在像素输出变化高或变化容忍度有限的情况下，有效和准确的显示测量和校正。

图8。三刺激系统(ProMetric I29成像色度计)对彩色LED测试源的颜色变化的精度范围。

图9。根据从校准点(x轴)开始的主导波长的±nm变化，在每个当前水平(由参考光谱辐射计测量)显示LED光源真实变化的图。这个轴给出了观察到的每个LED的变化范围。三刺激系统(ProMetric I29)的测量精度显示为每个LED光源在每个电流水平上与参考测量值的±nm差(y轴)。

测量精度的重要性:像素级分辨率

如前所述，微led的尺寸范围从小于100µm到小到3µm，约为1/10^th人类头发的宽度。²单个微led小区域内的测量精度取决于成像分辨率和信号处理方法。为了通过显示校正来提高产量，必须能够精确地隔离和测量每个微led发射器，以便对特定于给定微led的亮度或色度值进行校正。高分辨率成像系统优化了应用在每个微led上的光敏元件(传感器像素)的数量，以实现精确的亚像素测量，并提供足够的分辨率，以确保显示中的所有微led可以一次性测量，从而在足够的拍摄时间内完成校正过程。使用三刺激滤波轮的测量系统通过将多个图像(每个颜色通道对应一个图像)组合为单个测量，以全传感器分辨率(参见上图6)进一步提高分辨率。

除了显示均匀性要求外，显示行业的一般视觉性能标准允许每个显示器小于10死像素，这可以发生在微led生产的任何点。确保微LED显示质量需要在LED、芯片、晶圆和面板阶段进行精确测量，以减少死像素的可能性，并在缺陷引入到后续阶段之前评估均匀性。

LED、芯片和晶圆级测量。对于单个微led、芯片和晶片的检查，可以使用带有标准透镜或显微镜物镜的高分辨率、低噪声成像色度计。例如，显微镜透镜提供了5倍或10倍变焦的测量(在LED或组件的一个区域应用的成像系统的有效分辨率的5到10倍)，允许详细测量每个单独的发射元素(见图10)。与高分辨率成像系统一起使用，显微镜镜头使每个显示亚像素或LED被多个图像传感器像素捕获，以提高测量精度。

Panel-Level测量。一旦单个微led芯片被转移到背板上，一个带有标准镜头的成像色度计就可以用来一次性测量整个面板的亚像素亮度和色度值。成像色度计的优势在于，它能够在单一图像中捕获大面积区域，快速而准确地评估均匀性，就像用户查看显示器一样。

高分辨率成像系统必须继续提供像素级和亚像素级的测量精度，以确保适当的均匀性校正，即使每个显示面板的像素数量增加。更高分辨率的显示器增加了对高分辨率成像系统的需求。利用单图像显示测量的效率减少了可用于测量每个显示像素的图像传感器像素的数量，如果不采用先进的成像和信号处理方法，这可能会降低像素级和亚像素级测量数据的准确性。

图10．由Prometric I29成像色度计和辐射显微镜镜片拍摄的子像素测量（主图像）的示例，放大以在10倍变焦（INSET图像）下显示50μm距离。

图11。辐射视觉系统的显微镜镜头和ProMetric成像系统。

改进像素配准和测量的方法

精确的亚像素级测量依赖于测量系统充分隔离每个显示像素并精确量化其输出值的能力。如上所述，成像分辨率决定了可覆盖每个单独显示像素的感光元件(传感器像素)的数量。每个显示像素使用更多的传感器像素，增加了成像系统获取的数据的粒度，从而实现精确的像素配准和像素测量。随着总体显示分辨率的提高，成像系统在每个显示像素上应用足够的传感器像素的能力降低，同时继续在单个图像中捕获面板上所有显示像素的测量值，以确保效率。

辐射视觉系统开发的两种方法已被证明可以显著提高成像系统分离和测量越来越高分辨率显示器的亚像素进行校正的能力:“间隔像素”方法和“分数像素”方法;下面将对两者进行描述。

间隔的像素的方法。间隔像素测量方法(美国专利9135851)通过将测量系统的总图像传感器分辨率一次性应用于显示像素子集，提高了测量的有效分辨率。该方法采用在显示屏上显示的一系列点矩阵测试模式作为测量序列的一部分。每个模式照亮显示器像素的一个子集，而其余的则关闭。成像色度计测量每个图案的“上”像素的输出(亮度或色度)。随后的测试图像调整矩阵以关闭第一组像素，并打开下一组用于测量的像素。这个过程重复进行，直到测量完显示中的所有像素。

图12。在间隔像素测量期间，一系列点矩阵模式照亮像素集，直到获取了显示中所有像素的值。

该过程增加了每个显示像素处测量的有效分辨率，确保每个像素的输出隔离，从而跨越任何任意分辨率的显示测量计算的准确性。将间隔像素测量方法的图像组合成单个合成图像进行分析，这比较了每个像素的X，Y坐标位置处的值来确定均匀性。软件计算每个显示像素的必要的校正系数，并在每个像素的坐标位置应用校正以调节值，直到显示器是均匀的。

像素间隔法降低了对测量分辨率的要求，提高了测量精度。然而，由于该方法需要多张图像，takt时间也增加了。相比之下，分数像素法(将在下一节中解释)在不增加takt时间的情况下提高了测量精度——例如，只需要一个测量图像来评估典型智能手机显示中的所有像素。因此，在许多生产级测试和校正应用中，分数像素法在需要更短的采样时间时具有优势。

分数像素的方法。分数像素方法(美国专利10971044)解决了每个显示像素的成像传感器分辨率有限的测量场景，使具有标准分辨率的测量系统能够继续精确测量和校正当今的高分辨率显示器，甚至在整个显示器的单图像测量中。

首先，分数像素方法优化像素登记．像素配准是对测量图像中每个像素周围的感兴趣区域进行动态定位和设置的方法。传统的方法是将感兴趣区域与成像系统的传感器像素阵列对齐。然而，随着显示分辨率相对于测量系统分辨率的不断增加，显示像素的中心更有可能与传感器像素的中心不对齐，降低了ROI精确覆盖和隔离每个显示像素的能力。这种偏差会导致测量误差。相比之下，分数像素法使用浮点数在每个显示像素周围设置一个配准区域，将ROI对准显示像素的中心，该中心是基于整个显示像素的最高测量亮度。

其次，分数像素法对像素进行优化测量．分数像素法是根据ROI中包含的每个传感器像素的分数面积来计算显示像素的输出值(见图13，右图)。与传统的“全像素”方法相比，这提高了测量值的精度。传统的方法是从ROI中只包含部分传感器像素的整个区域中提取值(见图13，左图)。分数像素方法确保了像素级测量的准确性，极高的分辨率发射显示器超过了以前使用单一图像捕获的可能。使用分数像素法，具有有限分辨率(相对于显示分辨率)的成像系统可以继续有效地测量单个图像中的像素级值，在不降低测量精度的情况下增加测量时间。

图13。举例说明了传统的全像素测量方法与分数像素测量方法。在传统的方法(左)中，显示像素的测量采用100%来自于ROI内面积大于50%的传感器像素的数据，而0%来自于ROI内面积小于50%的传感器像素的数据。使用分数像素法(右)，根据感兴趣区域内传感器像素面积的百分比，使用一定百分比的数据来测量显示像素。

测量精度研究：分数像素方法

Pedeville、Rouse和Kreysar(2020)发表的一项研究证明了分数像素法的准确性。⁵图14绘制了本研究的单图像测量数据，比较了分数像素测量、全像素测量和极高分辨率参考测量的像素级测量精度。分数像素数据与参考数据紧密结合，而整个像素测量值在多个点上与参考数据偏离。

图15显示了辐射视觉系统使用29MP ProMetric成像光度计和间隔像素和分数像素方法校正微led微显示面板的实际测量和校正(demura)应用的前后结果。

图14。对于发射显示器上的同一行像素，通过整体和分数像素测量方法(每个显示像素达到3.2 x 3.2传感器像素)和参考亮度(每个显示像素达到30 x 30传感器像素)测量归一化亮度(Lv)。

图15．微led微显示面板显示前(左)和后(右)demura校正。显示的面板是0.7“具有全高清，1920 x 1080和LED尺寸/间距为2μm/8μm。使用具有显微镜镜头和TrueTest™软件的Prometric Y29成像光度计进行测量和校正。

结论

微led正迅速在竞争激烈的显示器市场占据一席之地。开发人员正在竞相寻找生产解决方案，以提供性能，并超过客户的期望，同时保持成本效益生产流程和高产量。

缺陷、颜色或亮度的变化，以及其他不规范的行为会迅速降低买家的满意度，损害品牌声誉，侵蚀市场份额。如果这些问题不能在组件水平上解决和纠正，低产量和高生产成本将阻碍微led显示技术的大规模生产和市场商业化的可行性。

高分辨率三刺激成像色度计系统提供了一个有效的解决方案，以支持微led生产的质量和效率基准。这些系统依靠其滤色器方法、校准和亚像素测量能力，以确保在像素和亚像素级捕获准确的数据，从而实现校正，保障生产资源。

最近显示计量系统和测量方法的研究表明，高分辨率三刺激成像系统的有效性，结合复杂的算法校准，配准，和测量来解决微led显示一致性的挑战，并支持微led技术在显示设备市场的生存能力。

使用图像色度计和新颖的成像方法,制造商在microLED生产的所有阶段(从导致晶片面板)可以实现生产效率的解决方案,使他们能够确保质量,减少浪费,并继续创新的高性能显示在一系列的类型,大小,和应用程序。

参考文献

1. Kim, K.， Lim, T.， Kim, C.， Park, S.， Park, C.等，“基于4D变换的微led高精度色彩均匀性”。SPIE学报第11302卷, 2020年2月。
   
2. 微led:显示器的下一场革命?半导体工程, 2019年5月。从https://semiengineering.com/microleds-the-next-revolution-in-displays/(检索)
   
3. Carter, E.， Schanda, J.， Hirschler, R.， Jost, S.， Luo, M.， Melgosa, M.， Wold, J.， CIE 015:2018比色法,第四版,2018年。DOI: 10.25039 / tr.015.2018
   
4. Jensen, J.， Piehl, A.和Renner, W.，“基于CIE颜色匹配函数评估颜色测量的三刺激和拜耳模式匹配系统的准确性”，在第34届年度电子显示会议(edC)上发表，2020年1月。
   
5. Pedeville, G.， Rouse, J.， and Kreysar, D.，“用于改进高分辨率显示器像素级测量和校正(Demura)的分数像素法”，信息显示学会(SID) 2020年展示周摘要，第2卷, 2020年8月。