Optische displaytests voor de auto-industrie

Optische displaytesten voor auto's

De strenge test van displaytechnologie, die gebruikelijk is in consumentenelektronica bij ontwikkeling, productie en kwaliteitsborging, zou ook in de auto-industrie moeten worden toegepast. De tot nu toe gebruikte procedures en het gebruik van eenvoudige beeldverwerkingscamera's doen de taak echter vaak geen recht.

De displays die in auto's worden gebruikt, ontwikkelen zich snel. Niet alleen nemen de afmetingen en resolutie voortdurend toe, zodat bijvoorbeeld diagonalen van 15,6 inch met resoluties van 1920 × 1200 pixels hun weg naar het middensegment vinden.

Gebogen displays en vrije-vorm displays zijn nu ook in auto's te vinden. Naast LCD's, die al lang dominant zijn, zijn er nieuwe technologieën zoals OLED's, head-up displays (HUD's) en in de nabije toekomst micro-LED's. Bij het beoordelen van de beeldkwaliteit bereiken de systemen die tot nu toe succesvol zijn gebruikt, vaak hun grenzen. De experts bepalen bijvoorbeeld doorgaans de homogeniteit van de luminantie en kleur van een display door deze op negen locaties te meten, maar dit voldoet niet aan de eisen voor de uniformiteit van displays met een hoge resolutie als ze een "troebelheid" van het beeld willen uitsluiten.

Om nog kleinere inhomogeniteiten te kunnen vastleggen, is er geen andere oplossing dan een camera-oplossing. Daarmee wordt rekening gehouden door de Black Mura-standaard van de werkgroep van autofabrikanten in het DFF (Duitse Flat Display Forum), die oproept tot het gebruik van luminantiecamera's voor de beoordeling van hoogwaardige displays, waarbij de resolutie van de camera minstens zo groot moet zijn als die van het display. Maar dat alleen is niet voldoende. Zowel de camera als de software moesten aan basisvoorwaarden voldoen om betrouwbaar, nauwkeurig, snel en met zo min mogelijk moeite in het laboratorium en in de geautomatiseerde productie te kunnen werken. Dit artikel gaat niet in op puntmeetinstrumenten zoals spectroradiometers, die zeer nauwkeurige metingen van luminantie en kleur mogelijk maken, omdat ze alleen met veel moeite een holistische karakterisering van displays mogelijk maken. Waar moet u dus op letten bij het kiezen van een cameragebaseerd meetsysteem?

Selectie van het meetsysteem

Het idee om beeldverwerkingscamera's te gebruiken is voor de hand liggend, omdat ze relatief goedkoop zijn. Omdat het echter gaat om het controleren van de naleving van de luminantie en kleur van de displays binnen het kader van nauwkeurig gespecificeerde toleranties, worden deze camera's uitgesloten vanwege een gebrek aan exacte kalibratie. Een gebruikerskalibratie van deze systemen moet kritisch worden bekeken, omdat deze alleen geldig zou zijn voor een lichtspectrum dat exact moet worden nageleefd. Speciale luminantie- en kleurmeetcamera's met hoogwaardige kleurfilters hebben daarom duidelijk de voorkeur.

Een gekalibreerde luminantie- en kleurmeetcamera met Peltier-gekoelde CCD-chip zal een beeldverwerkingscamera overtreffen door thermische instabiliteit te elimineren, die schommelingen in de gemeten waarden met de omgevingstemperatuur veroorzaakt. De koeling van de camerachip heeft ook het voordeel van verminderde thermische ruis, wat het dynamische bereik vergroot en een positief effect heeft, vooral bij het meten van donkere testbeelden. Zelfs zeer hoge contrasten kunnen nog steeds nauwkeurig worden gekarakteriseerd.

Belangrijkste gegevens

Het beste display – ongeacht het type – heeft weinig nut als het niet goed getest kan worden. Dit artikel legt uit wat belangrijk is wanneer ontwikkelaars een hoogwaardig automotive display op een praktische manier willen overhandigen aan hun collega's in het testveld. Alleen met een geschikte systeemoplossing kunnen de doelstellingen van de ontwikkeling echt in productie worden geïmplementeerd.

Een ander punt dat spreekt tegen het gebruik van beeldverwerkingscamera's zijn de doorgaans kleine pixelgroottes van de CCD-chips, wat leidt tot een slechte kwantumopbrengst. Dit vermindert de waarschijnlijkheid dat een foton een elektronisch signaal genereert aanzienlijk. De ervaring heeft geleerd dat een randlengte van de pixels van 5 μm of meer al tot zeer goede resultaten leidt.

Display

Zelfs als een camera een groot dynamisch bereik heeft, kan het nodig zijn om een ​​neutraal dichtheidsfilter in het optische pad te gebruiken als onderdeel van een testsequentie bij hoge luminanties om overdrive van de CCD te voorkomen. Het zou tijdrovend zijn om hiervoor een handmatige of externe oplossing in een geautomatiseerde test te moeten vinden. Daarom is er idealiter al een extra filterwiel met één of meerdere grijsfilters met verschillende sterktes in de camera aanwezig, dat via de software wordt aangestuurd.

Met de toename van de resolutie van de te testen displays, moeten ook de luminantie- en kleurmeetcamera's worden vergroot. Om individuele pixeldefecten of zelfs subpixelfouten te identificeren, moet een zeer gevoelige luminantie- en kleurmeetcamera ten minste twee tot drie camerapixels per displaypixel of subpixel hebben. Om dit met een beeldverwerkingscamera te bereiken, zijn aanzienlijk meer camerapixels nodig.

Speciaal ontwikkelde technologie en software maken het mogelijk om individuele pixeldefecten betrouwbaar te identificeren, zelfs met een luminantie- en kleurmeetcamera waarvan de resolutie lager is dan die van het te testen display. Een reeks dot-matrixtestbeelden wordt op het display weergegeven, waarbij de zogenaamde spaced pixel-methode wordt gebruikt (afbeelding 1). Idealiter werkt de software volledig automatisch, geeft de testbeelden rechtstreeks op het display weer, triggert de individuele beelden en combineert de op deze manier verkregen individuele beelden tot een synthetisch totaalbeeld dat eventuele aanwezige pixeldefecten bevat. Het programma identificeert en documenteert de fouten onafhankelijk.

Een ander voordeel van deze methode is dat de cameralens opzettelijk onscherp kan worden gemaakt (Figuur 2) om zoveel mogelijk camerapixels per displaypixel te kunnen gebruiken. Dit verhoogt het aantal CCD-pixels dat kan worden gebruikt voor de meting en daarmee de meetnauwkeurigheid aanzienlijk. Ook lichte moiré-interferentie kan worden onscherp gemaakt en is daarom meestal geen bron van fouten meer.

Hoge-resolutiecamera's

De algehele beoordeling van de displayresultaten is afkomstig van een en-of-koppeling van de afzonderlijke resultaten. Het systeem zet vooraf gedefinieerde gegevens rechtstreeks over in het rapport. Konica MinoltaOndanks de mogelijkheid om pixel- en zelfs subpixelfouten te detecteren bij camera's met een lagere resolutie, vormen hoge-resolutiecamera's met 16, 29 of zelfs 43 megapixels de meest optimale oplossing. Zo kan de cyclustijd een beperkende factor zijn, vooral bij kwaliteitsborging in geautomatiseerde productie. Als bijvoorbeeld subpixelfouten moeten worden gedetecteerd met een camera met een lagere resolutie door gebruik te maken van een 3×3-dot matrix, zijn er negen beeldacquisities nodig voor elk van de drie primaire kleuren rood, groen en blauw, wat overeenkomt met een totaal van 27 beelden met de bijbehorende tijd die nodig is voor de opnames en gegevensoverdrachten. Aanvullende tests zoals het zoeken naar krassen op het displayoppervlak of naar insluitsels zoals stofdeeltjes of luchtbellen tussen de gelamineerde lagen van een display vereisen ook de hoogste resoluties naast een zeer hoog dynamisch bereik.

Elektronische lenzen

Wat betreft de lenzen die worden gebruikt in de luminantie- en kleurmeetcamera's van bekende fabrikanten, worden optische aberraties meestal binnen nauwe grenzen gehouden. Bovendien kunnen ze meestal bijna volledig worden gecompenseerd door geschikte kalibratiemaatregelen, waaronder de kussenvervorming van lenzen met een korte brandpuntsafstand. Er zijn talloze voordelen van elektronisch instelbare lenzen. Ten eerste kan de fabrikant de camerasystemen volledig automatisch kalibreren voor verschillende meetafstanden. Daarentegen worden handmatige lenzen meestal gekalibreerd voor slechts enkele, geselecteerde meetafstanden (d.w.z. 3, min, midden en max) vanwege de handmatige inspanning die ermee gepaard gaat. Bij afwijkende werkelijke meetafstanden moet de software interpoleren tussen dit kleine aantal steunpunten.

Bij geautomatiseerde productie zijn er nog meer nadelen die van invloed zijn op de gebruiker. Zo vereisen gebogen displays en vrijgevormde displays, maar ook MMI's (Man Machine Interfaces), waarop naast een display ook gemarkeerde of verzonken verlichte symbolen moeten worden bekeken, vaak een focus op verschillende niveaus. Dit is eenvoudig te implementeren met elektronische lenzen, terwijl handmatige lenzen daarentegen een mechanisme vereisen om de camera of het testobject te verplaatsen.

Elektronische lenzen zijn vooral voordelig wanneer de virtuele beeldafstand in HUD's moet worden bepaald. Een autofocusfunctie maakt dit op de eenvoudigst mogelijke manier mogelijk (Fig. 3). Een wijziging van het diafragma kan ook nodig zijn binnen een displaytest, bijvoorbeeld om de scherptediepte of lichtgevoeligheid voor verschillende opnamen aan te passen. Als dit met een eenvoudige softwareopdracht wordt gedaan, kunnen geautomatiseerde tests veel eenvoudiger zijn.

Brandpuntsafstanden

Afzonderlijk bekeken, hebben de brandpuntsafstanden van de lens weinig betekenis in termen van de haalbare gezichtsveldgroottes bij het vergelijken van verschillende camera's. Hoewel het gezichtsveld toeneemt met een afnemende lensbrandpuntsafstand, bepalen de afmetingen van de CCD-chip ook aanzienlijk de grootte van het gezichtsveld, en in luminantie- en kleurmeetcamera's zijn er veel verschillende CCD-groottes. Zelfs CCD's met hetzelfde aantal pixels kunnen aanzienlijk verschillende totale groottes hebben vanwege verschillende pixelgroottes.

Dit verklaart waarom fabrikant A een gezichtsveld van 282 mm × 236 mm (pixelrandlengte 3,45 μm) specificeert voor een 5-megapixel luminantie- en kleurmeetcamera met een 28 mm-lens voor een meetafstand van 1 m, maar fabrikant B specificeert een gezichtsveld van 537 mm × 403 mm voor zijn 8-megapixelcamera met een 35 mm-lens voor dezelfde meetafstand, wat meer dan drie keer zo groot is (pixelrandlengte 5,5 μm). Als de meetafstand voor een display van een bepaalde grootte beperkt is, is het zinvol om de cameraleverancier te laten berekenen wat haalbaar is voor een gegeven displayformaat, beschikbare meetafstand en vereiste cameraresolutie.

Software

De softwarepakketten voor de luminantie- en kleurmeetcamera's zijn nu zeer uitgebreid qua evaluatiemogelijkheden. Voorbeelden hiervan zijn lijnprofielen die ook contouren kunnen volgen, valse-kleur- en quasi-3D-representaties van de gemeten waarden en de herkenning en verificatie van symbolen voor de juiste grootte, kleur en luminantie. Een assistent die u door de reeds genoemde Black Mura-test loodst, ​​is meestal ook beschikbaar. Gebruikers in ontwikkeling en kwaliteitsborging die veranderende analysetaken moeten oplossen, kunnen deze tools gebruiken om snel displays, MMI's en instrumentenclusters te karakteriseren en de verkregen resultaten direct te documenteren.

Er zijn Software Developer Kits (SDK's) voor terugkerende metingen en evaluaties, maar ook voor integratie in geautomatiseerde productie. Tot nu toe bieden echter slechts zeer weinig fabrikanten een complete softwaresuite voor geautomatiseerde displaytesten. Idealiter kan de gebruiker een sequentiecontrolesysteem gebruiken om een ​​complete testsequentie te definiëren die automatisch wordt uitgevoerd (afbeelding 4).

Hier is het mogelijk om elke afzonderlijke test van de sequentie volledig te parametriseren, wat de selectie van testafbeeldingen uit een bibliotheek omvat. Het programma speelt vervolgens de beelden af ​​op het gewenste tijdstip en kan indien nodig ook het display, MMI of instrumentenpaneel via verschillende interfaces aansturen. De parameters voor een "geslaagd" of een "gefaald" van de tests kunnen ook worden geselecteerd. Bij het testen op pixelfouten kan bijvoorbeeld het maximale aantal "dode" of "vastzittende" pixels of subpixels zijn, evenals het maximale aantal direct aangrenzende pixelfouten.

Natuurlijk wordt zo'n softwarepakket des te aantrekkelijker naarmate het meer tools voor de gebruiker automatiseert. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk om met behulp van beeldverwerking de oriëntatie van het display ten opzichte van de camera te detecteren, hier rekening mee te houden en delen van het camerabeeld te verwijderen die niet bij het display horen (afbeelding 5). Hierdoor is er geen exacte uitlijning van het display ten opzichte van de camera nodig, wat de inspanning bij de constructie van testapparatuur aanzienlijk kan verminderen, met name bij geautomatiseerde tests. Het maakt het werken in het laboratorium ook veel gemakkelijker.

Moiré-verwijdering

Een ander nuttig hulpmiddel is automatische wiskundige moiré-verwijdering, d.w.z. het verwijderen van een interferentie tussen de resolutie van de camera en de resolutie van het opgenomen display (Fig. 6). We kennen dit effect ook van televisiebeelden van fijne patronen, bijvoorbeeld op een shirt. Bij de displaytest verhinderen dergelijke artefacten op natuurlijke wijze een beoordeling van homogeniteiten en belemmeren ze het vinden van kleine defecten, zoals insluitsels of dode pixels. In tegenstelling tot conventionele methoden zoals het opzettelijk vervagen, kantelen van het display of het vergroten van de afstand tussen de camera en het display, blijven kleine defecten zichtbaar en kan het volledige gezichtsveld van de camera nog steeds worden gebruikt om het display op te nemen.

Conclusie

Naast alle genoemde punten over de camera, lens en software, die verstandig in acht worden genomen bij het selecteren van een systeem voor de displaytest, moet u ook in een vroeg stadium nadenken over implementatie in het laboratorium of in geautomatiseerde productie, omdat het immers belangrijk is om rekening te houden met gespecificeerde interfaces, communicatieprotocollen en gegevensformaten. De systeemleverancier moet indien nodig ondersteuning kunnen bieden. Als er dan samen met de leverancier testen worden opgezet als onderdeel van de installatie en training, dan zouden de grootste hordes genomen moeten zijn.