使用成像色度计校正OLED，微led和其他发射显示器，以提高生产效率和产量

修正OLED和微led显示质量，提高生产效率和产量

授权：
辐射视觉系统有限公司

介绍

发光OLED，微循环（μLED）和MINILED正在作为下一波技术在展出市场中进行。这是令人兴奋的，因为这些显示器承诺的效率高于其他显示技术的效率提高了显示性能和视觉外观，因为它们的单独发光像素元素。OLED和MICROLED都具有优异的对比度，并且比传统的LCD更柔软的黑色和更鲜艳的颜色。这些发光显示器不需要背光，导致使用更少的电力的更薄，更轻的显示器。OLED还具有响应性的戏剧性提升，比现有技术速度快约1000倍，几乎消除了快速移动和3D视频的模糊。MicroLeds匹配OLED技术进行响应时间和视角性能，但超过OLED在亮度和坚固性中，甚至较低的功耗。

图1-219英寸microLED由三星显示“墙”，在德国柏林在IFA 2019九月6-11所示。（来源：三星）¹

当制造商努力推出商业上可行的发射显示产品时，由于材料价格和制造良率问题造成的高成本阻碍了技术的广泛采用，尤其是在大幅面实现方面，因为它们推高了终端客户的价格。智能手机市场是迄今为止OLED技术最成功的部分，并可能成为推动OLED和微led长期应用于其他应用的催化剂。显示供应链咨询公司(Display Supply Chain Consultants, DSCC)称，智能手机是OLED的主导市场，到2022年，智能手机每年约占91%的份额，营收份额约为79%。²YoleDéveloppement（yole）将微升降机的趋势提出了类似的趋势，增长时间较长，市场到达2025年的市场达到3.3亿单位。^3.利用这种类型的需求的增长，需要在制造效率的改进。

图2-智能手机市场引领着OLED的应用。[来源:DSCC的OLED季度出货量和Fab利用率报告]²



图3-同样，智能手机也将推动微led市场的发展。[来源:Yole 's MicroLED Displays报告]^3.

尽管近期市场规模较小，但DSCC的分析师预测，大画幅OLED电视的市场份额将在2022年升至42%，最早将在2021年超过液晶电视。²三星(The Wall)和索尼(Crystal-LED)等制造商已经展示了有限的大画幅微led显示屏样本，而小画幅显示屏继续更适合大规模生产。对于OLED和微led来说，由于制造复杂性和制造后的视觉质量问题导致的低产量影响了可行的市场进入时机，并推高了成品显示面板的零售价格。目前市面上可买到的大画幅OLED电视售价高达数千美元，而微型LED屏幕的成本对大多数消费者来说仍然令人望而却步，这使得低成本、高清晰度LCD和LED选项对价格敏感的消费者更具吸引力。大量市场采用新型发射显示类型和替换现有技术的价格点必须显著降低，这要求在生产中提高效率和控制。

显示制造业的挑战

无论显示器的大小如何，OLED和微led技术都给制造过程带来了一些独特的挑战。

迄今为止，由于在基材上添加有机分子的沉积方法效率低下(最新的高效喷墨打印方法除外)，大尺寸OLED屏幕的制造成本有些高，这限制了OLED技术主要应用于较小的屏幕尺寸，如智能手机。同样地，用微型led芯片生产整个电视屏幕也被证明是具有挑战性的。微led需要新的组装技术、模具结构和制造基础设施。为了商业化，制造商必须找到一种方法，既能产生高质量的显微精度，又能实现大规模生产的速度。作为一个比较点，一个迷你背光屏幕可能是由数千个单独的迷你单位;微型led屏是由百万小型LED。

要制造微led显示器，每个微led必须转移到固定单元阵列的背板上。用于放置微led单元的转移设备要求精度高，放置精度在+/- 1.5µm以内。现有的pick & place LED组装设备只能实现+/- 34µm精度(多芯片每次传输)。倒装芯片键合器的精度通常为+/-1.5 μ m，但每次只能用于单个单元。这两种传统的LED转移方法对于微LED的大规模生产来说都不够精确。

还有视觉质量和性能问题。在许多方面，检查OLED和微led显示器比检查液晶显示器更具挑战性。使用LED背光的传统液晶显示器只能在显示屏上产生大致相同的亮度和颜色输出。然而，对于发射显示类型，显示中的每个发射器都可能受到高度可变性的影响。例如，尽管微led是led，但传统的装箱过程对微led来说几乎是不可能的，它可以小到1/100^th传统LED的尺寸。没有这些控制到位，确保微升性的亮度和颜色均匀性可能非常具有挑战性。有必要能够测量和量化发光显示器的每个像素和子像素元素，以识别缺陷并确保均匀性，以产生消费者对这些显示的更高价格点的质量水平。

视觉质量问题

线穆拉

在OLED制造过程中，材料被沉积在基片上形成单个的亚像素，而极微小的微led被转移到基片上，以达到极高的精度。如果这个过程不是完全一致的，就会产生视觉质量方面的影响。一个这样的问题是线mura，它在显示中显示为明确的水平和/或垂直方向。

图4-OLED显示的图象与未经校正的线穆拉的。

亚像素亮度性能

发光显示像素由红色，绿色和蓝色子像素组成。当应用电流时，每个子像素单独亮起，每个子像素的输出也被单独控制。通过组合子像素输出来确定显示器中的每个像素的亮度和颜色。由于在制造发光显示类型的制造中的生产差异，在显示器上的相同彩色子像素的群体中存在相同的电信号的亮度可能存在变化。这导致从像素到相同颜色的像素的亮度差异。当组合时，每种颜色的子像素一起输出各种亮度水平的光产生显示像素，该显示像素表现出更可变性，并且整体显示出现看起来很低。

图5-亚像素组合产生不同颜色和亮度的像素。

颜色不均匀

显示亚像素亮度水平不一致的另一个影响是降低了整个显示的颜色精度和颜色不均匀性。为了达到准确和统一的颜色，必须严格控制每个相同颜色的亚像素的亮度。事实是，即使在一个良好控制的制造过程中，发射显示器的亚像素亮度水平也会有显著变化。当这些变化没有得到补偿时，它可能表现为整个显示器的颜色不均匀，降低图像质量到可能无法接受的水平，从而降低生产产量。

图6-不正确的亮度水平会造成整个发射显示器的颜色不均匀。当各种输出的亚像素被组合起来产生单一的显示颜色(如白色)时，均匀性的变化可能会增加。

影像色度计应用的发光显示器

基于成像比色法的显示测试系统已经成功地提高了传统LCD和LED显示屏的质量并降低了生产成本。测试应用涵盖了智能手机、平板电脑、笔记本电脑、电视和数字标牌。这些经过验证的技术也可以用于发射显示器的生产测试，使制造商能够将这一技术集成到相同的OLED和微led显示器的视觉质量设备中，获得相同的积极投资回报。

显示测试系统的两个主要组成部分是:

1. 成像色度计，它提供了显示视觉性能的精确测量，与人类对亮度、颜色和空间(或角度)关系的感知相匹配。高性能成像色度计可以准确测量发射显示器中单个亚像素的亮度(亮度)以及整体显示均匀性。
2. 测试执行和分析软件，这是用于图像分析的生产线软件，用于识别缺陷和质量问题，量化它们的大小，并评估度量以做出通过/不通过决定。该软件还可以包括显示性能校正方法，可用于识别亚像素输出的变化，计算校正因子，并纠正发射显示器特有的变化。

图7—在生产显示测试应用中使用成像色度计的示例。(产品显示:辐射视觉系统Prometric®I成像色度计)．

提高终端的线质量，提升客户体验

在传统的制造过程中，显示视觉性能由人工检验员进行测试，导致交付产品的视觉质量控制较低。由于发射显示器固有的可变性、极高的分辨率和更高的质量期望，确保视觉质量控制正成为一个更重要的问题。人类检查员无法一致和重复地评估这些显示器的视觉质量，以确保必要的客观、可量化的控制。

使用成像色度计的自动视觉检测(AVI)(也称为自动光学检测(AOI))有多个好处，可以改善质量控制，提高生产效率，维护品牌感知，并增强用户体验。

使用成像色度计自动化显示检测的优点包括：

• 改进了显示视觉性能测试的一致性——从一行到另一行，从位置到位置——因为所有系统共享相同的校准和测试定义
• 对缺陷进行定量评估，对客观的“好”或“坏”显示有精确的公差(通过/不通过)
• 提高测试速度，允许在同一时间间隔内运行更多测试，在确保更仔细的评估和更好的最终产品的同时提高吞吐量
• 同时评估上下文(全显示)质量检查(如，检查均匀性和颜色精度)和细尺度质量检查(如，检测像素级和亚像素级缺陷)

在OLED和微led显示测试中，基于成像色度计的AVI简化了测试，同时提高了交付产品质量和生产费用。

纠正发光显示器以提高产量

作为显示尺寸秤，产率急剧下降，并且每个部件的成本高得多。在某一点变得可行的制造商来执行校正（电子补偿，或校准），以改善显示图像质量。概念是简单的：通过修改输入到发射显示器的个别的子像素，以前鉴定的暗淡的子像素可被调节以导致改进的亮度均匀性和在整个显示正确的颜色均匀的亮度电平。

显示像素均匀性校正要求，首先，具有能够控制单个亚像素的亮度并根据计算出的每个亚像素的校正因子进行调整的显示电子。其次，需要一个测量系统来精确量化单个亚像素亮度和颜色，并计算每个亚像素的具体校正因子。这种方法已被广泛应用于由单个LED组成的LED显示屏，并已采用一种名为“demura”的校正技术，用于像OLED和微LED这样的发射显示器。

图8-由辐射视觉系统ProMetric I成像色度计捕捉的显示用于校正发射显示器的demura方法结果的并排测量图像;前(上)后(下)。

demura方法采用三个不同的步骤:

1. 测量使用高分辨率成像色度计计算每个像素位置的亮度值(在不同的测试图像上执行，以测量每一系列相同颜色的亚像素)。
   
2. 修正系数的计算需要使用测试分析软件将子像素之间的亮度差异正常化。
   
3. 校正因子的应用采用外部控制IC(集成电路)系统来显示信号。

一旦显示屏完全组装，可以在屏幕上显示测试图像以瞄准特定的输出颜色值。这些图像使得能够为每个值计算测量和校准。例如，带有所有绿色子像素的“绿色屏幕”可以用作样本图像，成像比色表可以测量并记录每个单独的绿色子像素的亮度。这对所有原色重复，通常是白色。可以在发光显示器的普通质量测试过程中收集此数据。

然而，在像素密度极高的OLED和微led显示器中，计算每个亚像素的亮度值是具有挑战性的。对于全高清(FHD, 1920 x 1080像素)和低分辨率显示器，一个2900万像素的成像系统提供了足够的分辨率进行测试。然而,对于高分辨率显示器(例如四高清晰度或原4 k,现在8 k),甚至高分辨率成像系统可能无法捕获所有像素在一个图像的完整分析,特别是对于今天的越来越大的显示器(一个更大的空间区域必须测量)。为了克服这一挑战并适应任意尺寸或分辨率显示的测量方法，demura方法可能采用一个测量过程，该测量过程结合了来自间隔像素测试模式分析的数据，一种可使用单一光度或比色成像系统的专利方法(美国辐射视觉系统专利9135851)。

图9-用于极高分辨率显示的像素级亮度测量的间隔像素测试模式方法的前两个模式的示例。

使用间隔像素测试模式，像素点矩阵模式被间隔照亮，并由成像系统在多个通道中测量。对所有点矩阵模式重复测量，直到每个显示像素在其照明状态下被分析。当使用传感器分辨率高于显示器本身的成像系统时，每个显示像素可以在多个传感器像素上进行测试，确保相关显示像素的测量亮度值的最高精度。

图10-在空间像素测试模式方法中，每个被照亮的显示像素由分析软件自动注册，并在感兴趣区域(ROI)内定义。由于成像系统的分辨率远高于显示分辨率，每个显示像素可以通过多个传感器像素捕获的ROI进行测量，在这种情况下，大约10 × 10传感器像素到单个显示像素。

图11-此外，无论OLED的亚像素布局或形状，ROI都是动态定义的，这意味着任何任意像素模式都可以被测量，从而将demura应用到任何显示设计中。

一旦所有被照亮像素的模式被分析，demura解决方案的测试和分析软件将所有测量图像合并成一个单一的“合成图像”，具有与被测量的显示器相同的分辨率(一个传感器像素到每个显示像素)。该图像以行和列的形式描述每个显示像素，为每个像素及其相关亮度值提供精确的x、y坐标。demura过程中的这一步能够精确检测非均匀像素和它们的精确坐标，其中亮度校正系数可能被应用。

图12-软件使用合成图像定位在显示器中的缺陷像素，结合从显示的多个高分辨率测量图像，由成像系统所采取的数据。

一旦在每一个像素的亮度值是已知的，校正因子可以被计算并应用到每个单独的子像素的电输入端，确保亮度和颜色将是在整个显示器（包括在所有灰度级）精确和均匀。当此出村校正处理被施加到成品OLED或microLED显示，存在显示的视觉质量一个显著改善。出村的实际效果是，将失败的质量检验没有电子补偿显示器现在将能够通过，从而减少浪费的生产，提高成本效益，并提高产量。

图13-在OLED显示屏上的蓝色测试屏幕的测量图像，在Demura校正之前和之后（以假色刻度显示为说明亮度水平）。

结论

OLED和微led技术将用于生产下一代显示设备，尤其是弯曲、柔性和透明显示器等独特应用。然而，与图像质量和生产产量相关的技术问题需要解决，才能在小型智能手机或智能设备市场以外的市场上考虑这些新型发射显示类型的商业可行性。OLED和微LED制造商面临的问题虽然独特，但与已经在LCD生产和LED屏幕制造商中使用demura(像素均匀性校正)方法解决的技术问题相似。使用高分辨率成像色度计和有效的自动化测试和检测软件，demura可以轻松地部署在生产线上，以确保发射显示类型的视觉质量，保障制造成本，并推动预期的市场增长。

关于辐射视觉系统
辐射视觉系统使用高分辨率成像色度计和光度计，以及特定应用软件包，为显示测试应用提供全球支持。我们的支持人员提供工程、安装、培训、维护和校准服务。辐射视觉系统公司在美国、中国、日本、韩国和欧洲设有办事处，为目前部署在全球数百条生产线上的数千个成像色度计提供支持。

引用:

1. 三星。（2019年9月6日）。三星电子庆祝cinco décadas de diseñar el futuro。来自:https://news.samsung.com/ar/ifa - 2019 -三星电子celebra cinco de - disenar - el - - decadas无缝化
   
2. 国防部。(2018年3月)。DSCC发布最新OLED预测。来自:https://www.displaysupplychain.com/blog/dscc-releases-latest-oled-forecast
   
3. Yole开发署。(2017年2月)。MicroLED显示报告．检索:
   http://www.yole.fr/microleddisplays_market.aspx.