分析CCD和金屬管轉(zhuǎn)子流量計測量性的差異

成像系統(tǒng)是用于顯示鑒定和測量的高效視覺檢查解決方案。上海自動化儀表四廠通過比較顯示器整個區(qū)域的顏色，亮度和更多特征的視覺變化，提供了顯示器的上下文評估，以發(fā)現(xiàn)缺陷。

將光轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入以生成圖像的方法并不完全一對一，因為當將光的值轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)時，電子信號會發(fā)生不一致。

不同類型的成像流量計（CMOS和CCD）以各種方式執(zhí)行此轉(zhuǎn)換方法，每種方法都有其特定的優(yōu)點和缺點。

根據(jù)成像系統(tǒng)的流量計（以及其他系統(tǒng)規(guī)格），在將光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖像的過程中不可避免地會出現(xiàn)不一致性，這可能會或多或少變得明顯，對成像系統(tǒng)的性能產(chǎn)生負面影響或受益。

了解成像系統(tǒng)規(guī)格和流量計功能的影響對于選擇增強測量數(shù)據(jù)可重復性和準確性的系統(tǒng)至關重要。

在評估一個不同的顯示像素的非常有限的數(shù)據(jù)采樣區(qū)域時，這一點尤其重要，這是當今發(fā)射的高分辨率顯示器中質(zhì)量的重要指標。

顯示趨勢：更多像素

2017年，在信息顯示學會（SID）顯示周上，主題演講人Clay Bavor（Google虛擬與增強現(xiàn)實副總裁）明確提出了要求：“ 我們需要更多像素。方式，方式更多像素。”

顯示器創(chuàng)新是不斷追求像素密度的提高和在離眼睛更近的顯示器中獲得更高分辨率的追求。

若要創(chuàng)建與現(xiàn)實生活相似的，具有更大色彩深度和對比度的視覺效果，必須改善視覺元素的清晰度，并且必須在沉浸式虛擬現(xiàn)實環(huán)境（以及其他目標）中消除屏幕門效果。這就需要增加給定顯示區(qū)域中的像素數(shù)量，并提高像素填充因子。

作為用于傳達現(xiàn)實的虛擬媒體，顯示器必須將虛擬體驗與現(xiàn)實相結(jié)合而不能中斷，顯示器中看到的所有內(nèi)容都應以相同（或更大）的細節(jié)呈現(xiàn)。

這種準確性確保了顯示器具有作為可視化設備的價值。在可穿戴設備和智能設備中，顯示器已經(jīng)變得越來越小，以增加集成靈活性和移動性。

這些小尺寸顯示器只能在有限的距離內(nèi)感知，因此必須在較小的空間中包含更多像素，才能獲得消費者想要的無縫視覺功能。這意味著，顯示不僅包括“ 多個像素 ”，而且像素也越來越小。

像素級測量的重要性

顯示像素的性能傳達了顯示器的視覺質(zhì)量。制造商可能會調(diào)查顯示器中與像素有關的多個缺陷，以確保質(zhì)量。在像素測量的非常簡單級別上，成像系統(tǒng)會注意到像素不活動或“卡住”。

通過分析整個顯示測試圖像的像素級亮度值，可以輕松發(fā)現(xiàn)這些缺陷。

隨著市場關注建立在OLED，microLED和LED技術上的發(fā)光顯示器，已經(jīng)發(fā)布了更復雜的測量參數(shù)，用于檢測像素和亞像素的不均勻性。

由于這些發(fā)光顯示器中的每個像素都會產(chǎn)生光，而背光無法提供大范圍的均勻性，因此每個像素的亮度會非常困難，尤其是在顯示器的亮度或“明亮狀態(tài)”變化的水平上。

除了測試每個不同的像素外，還可能需要在顯示器的子像素度上執(zhí)行顯示測量。

每個子像素的輸出亮度（通常創(chuàng)建紅色，綠色和藍色）表示每個顯示像素的總顏色。例如，將RGB子像素值平均組合會生成白色的像素。

如果子像素生成不同的紅色，綠色和藍色值，則在顯示子像素集時，混色將產(chǎn)生各種各樣的白色值。當被消費者看到時，這種不一致會產(chǎn)生明顯的不均勻區(qū)域（也稱為mura）。

測量目標

為了正確評估當今像素密度越來越高的高分辨率顯示器的視覺質(zhì)量，測量系統(tǒng)必須獲得正確的像素和亞像素級別的測量結(jié)果，以增強每個發(fā)光元件的性能。

二維光度測量系統(tǒng)（例如，成像光度計或色度計）對于顯示缺陷的分析特別有用。

利用高分辨率圖像流量計，這些系統(tǒng)可用于研究像素和子像素級別的顯示，并量化每個元素之間的亮度差異。

在諸如OLED，microLED和LED的發(fā)光顯示器中，光度成像系統(tǒng)使制造商能夠確定每個像素的校正量，以在顯示器內(nèi)產(chǎn)生整體均勻性。

隨著像素在整個顯示器中的分布越來越密集且越來越小，評估顯示質(zhì)量的局限性變得越來越復雜。

足夠的顯示資格要求測量系統(tǒng)獲取每個像素的足夠的外觀細節(jié)，以確定其獨特的功能和光度值，并提供像素之間可靠的測量數(shù)據(jù)。

需要高成像分辨率（成像系統(tǒng)流量計的分辨率）才能為每個顯示像素獲得更多的測量像素。這也意味著減少記錄在每個測量像素中的不良圖像噪聲，以確保在此規(guī)模下的評估是可重復的。

足夠的顯示資格意味著測量系統(tǒng)必須記錄每個像素的足夠的外觀細節(jié)，以確定其獨特的功能和光度值，并提供像素之間可靠的測量數(shù)據(jù)。

成像系統(tǒng)規(guī)格

成像系統(tǒng)非常適合分析顯示，因為類似于人眼，成像器會同時捕獲所有明顯的細節(jié)，以便在整個顯示空間范圍內(nèi)提供上下文分析。

成像器將顯示特征（例如mura（或顯示器中的亮或暗質(zhì)量）），顯示器內(nèi)部的不均勻性以及不同的視覺特征（例如顏色，對比度和亮度）分類。

數(shù)碼相機拍攝圖像時，光子會映射到相機流量計的像素。流量計包含的像素越多（分辨率越高），可以將更多的光子映射到特定的空間位置，并且可以在捕獲的圖像中查看的細節(jié)越多。

通過將光轉(zhuǎn)換為圖像數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，不可避免的電子“噪聲”也記錄在相機流量計的每個像素中。這種噪聲會降低所拍攝圖像中細節(jié)的精度。

成像性能可能會對成像系統(tǒng)以一致和精確的方式從顯示器收集和轉(zhuǎn)換光度數(shù)據(jù)的能力產(chǎn)生重大影響。

選擇用于顯示測量的成像系統(tǒng)應為所需的測量提供理想的規(guī)格。

隨著顯示器像素密度的擴展，顯示測試過程需要越來越精確的成像系統(tǒng)性能，這主要是流量計分辨率，光學質(zhì)量和電子噪聲的結(jié)果，以驗證系統(tǒng)確定像素處正確光值的能力和亞像素級別。

解析度

成像系統(tǒng)的分辨率對于捕獲顯示測量中的細節(jié)至關重要。在沒有足夠的流量計分辨率（例如顯示子像素和像素）的情況下，隔離小興趣點以獲取顯示器的每個發(fā)光部分的離散測量數(shù)據(jù)變得非常具有挑戰(zhàn)性。

當每個流量計在其像素中接收更多光子時，SNR應當增加，與捕獲的剩余噪聲相比，捕獲的光子就更多了。從圖21中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，對于CCD和金屬管轉(zhuǎn)子流量計，飽和極限存在很大差異。

這是由于金屬管轉(zhuǎn)子流量計中每個像素的光敏區(qū)域受到更多限制。CMOS像素由于其較小的光敏區(qū)域而不能存儲與CCD像素一樣多的光子，因此可以更快地獲得CMOS像素的全阱容量。

CCD可以在每個像素中存儲更多的光子，從而在滿阱容量下增強SNR。根據(jù)圖21中的數(shù)據(jù)，顯示CCD像素在總飽和度時幾乎達到非常好的SNR。

從圖21中的數(shù)據(jù)可以進一步觀察到的是，CCD和金屬管轉(zhuǎn)子流量計之間的精度在較低的亮度水平下（即，在X軸的下部接收較少的光子）變化。

當接收到較少的光子時（例如，在黑暗條件下評估顯示器時），金屬管轉(zhuǎn)子流量計顯示出較低的SNR。在這些低亮度下，CCD流量計具有接近非常好的SNR，這意味著CCD流量計可以更簡單，更可靠地發(fā)現(xiàn)黑暗顯示中的缺陷。

由于CMOS像素的光感應面積較小，因此它們無法存儲與CCD像素一樣多的光子，因此可以更快地獲得CMOS像素的全阱容量。CCD可以在每個像素中存儲更多的光子，從而在滿阱容量下增強SNR。

跨亮度級別的測量

評估顯示質(zhì)量通常需要在不同亮度或“明亮狀態(tài)”下進行顯示測量。

顯示器中的特定像素在整個亮度級別上的輸出性能可能會發(fā)生顯著變化，因為它們受到各種輸入級別的控制以生成所需的光量。

在發(fā)光顯示器（例如OLED，microLED和LED）中，變化尤為常見，其中每個像素均受到獨立控制以創(chuàng)建自己的特定亮度輸出。

圖像顯示了具有相同分辨率的兩個CCD和金屬管轉(zhuǎn)子流量計之間的明顯變化，這些圖像用于在各種明亮狀態(tài)下對顯示器進行成像。

這兩個成像系統(tǒng)獲得相同的顯示，顯示具有各種灰度值（從暗到亮）的測試圖像。當評估較暗的灰度值時，成像系統(tǒng)接收到的光子更少，到達其流量計。

在顯示屏的較暗區(qū)域，CCD流量計比金屬管轉(zhuǎn)子流量計投射的圖像噪聲要少。這將驗證圖21中所示的PTC圖中顯示的數(shù)據(jù)。

CCD流量計不需要高飽和度即可獲得圖像精度，部分原因是與CMOS相比，其流量計像素的感光面積大。

CCD流量計可以比金屬管轉(zhuǎn)子流量計獲得更高的SNR，同時繼續(xù)從較暗的顯示區(qū)域接收更少的光子，從而在所有顯示明亮狀態(tài)下實現(xiàn)精度。

結(jié)論

基于CCD的成像系統(tǒng)可為非常小的，低對比度的缺陷（例如顯示器中的不均勻子像素或像素）提供非常精確的測量數(shù)據(jù)。

CMOS技術在快速，廉價的目視檢查方面具有相當大的優(yōu)勢；但是目前的CMOS技術的精度仍然不足以進行可重復的像素級顯示測量。

隨著CMOS精度達到CCD SNR的性能水平，特別是在分析小型且人口稠密的關注點（例如當今越來越小的發(fā)光像素）時，CMOS技術由于其在功耗方面的優(yōu)勢而可能成為理想的流量計類型和速度。

當前，在CMOS達到CCD性能的狀態(tài)之前，上海自動化儀表四廠需要進行更多的開發(fā)以實現(xiàn)更高分辨率的可重復性。