显示器像素级测量中CCD与CMOS传感器性能比较

作者:Radiant Vision Systems, LLC

引言

成像系统是显示测量和鉴定的非常有效的视觉检测解决方案。通过比较整个显示区域的亮度、颜色和其他特征的视觉偏差,分析显示图像的前后关系来识别缺陷。然而,将光转换为数字输入以生成图像的过程,并不完全是一对一的,当光值转换为电子数据时,电子信号会出现不一致。成像传感器类型(CCD和CMOS)以不同的方式完成这一转换过程,每种方式都有不同的优点和局限性。根据成像系统的传感器(以及其他系统规范),在将光数据转换成图像的过程中,不可避免的不一致性可能或多或少地降低或改善成像系统的性能。了解成像系统技术规范和传感器特性,对于选择一个能够优化测量数据的精度和重复性的系统至关重要。当评估单个显示像素极其有限的数据采样区域时,这一点变得更加重要,这是当今高分辨率、发射型显示器的重要质量指标。

显示趋势:更多像素

在2017年信息显示协会(SID)举办的展示周上,主讲人Clay Bavor(谷歌虚拟和增强现实副总裁)的呼吁很简单:“我们需要更多的像素。更多的像素。”显示技术的创新在于不断追求更高的分辨率和更高的像素密度,使显示器看起来更贴近眼睛。要在沉浸式虚拟现实环境(以及其他目标)中生成具有更大对比度和颜色深度的逼真视觉效果,提高视觉元件的清晰度,并消除纱窗效应,需要增加给定显示区域的像素数量,并提高像素填充因子。作为一种传递现实的虚拟媒介,显示器必须将虚拟体验与现实无缝地融合在一起,显示器中可见的所有内容都应该以同等(或改进)的细节呈现出来。这种精度确保了显示器作为可视化工具的价值。在智能设备和可穿戴设备中,为了提高移动性和集成灵活性,显示器已经变得更小了。在有限的距离内观看,这些小尺寸显示器必须将更多的像素压缩到有限的空间中,以实现消费者所期望的无缝视觉质量,这意味着,显示器不仅包含“更多的像素”,而且像素正在变得越来越小。

像素级测量的重要性

显示器像素的性能决定了显示器的视觉质量。制造商可能会分析显示器与像素相关的几个缺陷,以确保质量。在像素测量的最基本层面上,成像系统识别坏点或亮点像素。通过测量显示测试图像的像素级亮度值,可以很容易地发现该缺陷。随着市场趋向于基于LED、OLED和微LED技术的发射显示器,对于像素和子像素非均匀性的检测标准也越来越复杂。由于在这些发射显示器中,光是由每个像素发射的,没有背光提供的宽尺度均匀性,每个像素的亮度可以有很大的差异,特别是在显示器的不同亮度级别(或“明亮状态”)之间。

除了测试每个单独的像素外,可能还需要在显示的子像素级进行显示测量。每个子像素的输出亮度(通常产生红色、绿色和蓝色)决定每个显示像素的整体颜色。同样混合RGB子像素值产生的像素是白色的。然而,如果子像素在红色、绿色和蓝色值中表现出变化,当子像素集被照亮时,混合的颜色将产生各种各样的白色值。这种不一致性会在消费者看来造成明显的不一致性(也称为mura)。

测量目标

为了有效地测试当今分辨率越来越高、像素密度越来越高的显示器的视觉质量,测量系统需要实现精确的像素级和子像素级测量,从而提高每个发光元件的性能。二维光度测量系统(成像光度计或色度计)对于测量显示缺陷特别有效。利用高分辨率图像传感器,这些系统可用于评估像素级和子像素级显示,并计算每个元件之间的亮度差异。在发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)和微发光二极管(micro LED)等发射显示器中,光度成像过程允许制造商为每个像素计算校正,以实现整体显示的均匀性。

随着像素变得越来越小,在整个显示屏上的像素密度越来越大,评估显示屏质量的挑战也越来越大。合格的显示条件要求测量系统捕获每个像素的足够可见的细节,以识别其各自的特征和光度值,并提供像素与像素之间一致的测量数据。这需要较高的成像分辨率(即成像系统传感器的分辨率),以实现每个显示像素更多的测量像素。它还意味着减少每个测量像素中捕获的不需要的图像噪声,以确保在这个尺度上的评估的可重复性。

成像系统技术规范

成像系统是测量显示器的理想方法,因为像人眼一样,成像仪可以一次捕获所有可见的细节,从而能够对显示器的整个空间区域进行图像的前后关系分析。成像仪表征显示特性,如mura(或显示器中的暗块或亮块)、显示器的不均匀性以及其他视觉特性,如亮度、颜色和对比度。

当数码相机捕捉图像时,光子被映射到相机传感器上的像素上。传感器的像素越多(分辨率越高),可以将更多的光子映射到特定的空间位置,在捕获的图像中就可以看到更多的细节。通过将光转换成图像数据的过程,照相机传感器中的每个像素也捕捉到不可避免的电子“噪声”。这种噪声会降低捕获图像中细节的准确性。

成像性能对成像系统从显示器上收集和解释的光度数据的准确性和一致性有根本性的影响。选择用于显示测量的成像系统应具有最优的测量技术规范。随着显示器像素密度的增加,显示测试系统对成像系统性能的要求也越来越高,成像系统的性能主要由光学性能、传感器分辨率和电子噪声来决定,以保证系统能够在像素级和子像素级分辨出准确光值。

分辨率

在显示测量中,成像系统的分辨率是获取细节的关键。如果没有足够的传感器分辨率,就很难分离出感兴趣的小点,比如显示像素和子像素,从而获得显示中每个发光元件的离散测量数据。

图10中的数据显示了智能手机屏幕上基于图像的像素测量。该成像系统采集了3×3传感器像素上的每个显示像素。在左侧的测量图像中,每个显示像素可见的细节量非常少。右边的截面图显示了显示区域内最大亮度百分比的成像数据(以毫米为单位)。在每个像素之间,对比度非常低,这表明通过其被照亮的区域定义每个像素缺乏精度(增加与相邻像素的串扰)。由于分辨率有限,8 I Radiant Vision Systems, LLC成像系统无法获得足够的细节,以确定显示器的亮区和暗区(每个像素之间的区域)之间的真实对比度。在噪声较大的图像中,每个显示像素的亮度值甚至会更不准确。

高分辨率成像系统可以获得更精确的像素细节,即使有图像噪声也能提高数据的重复性。

在图11中,使用一个高分辨率成像系统对图10中的智能手机像素进行了分析,该系统可以使每个显示像素实现6×6个传感器像素。与图10中的左图相比,图11的左图有更多可见的细节。此外,在图11中的截面图中,像素之间的对比度较高,从而限制了串扰并显著提高了每个显示像素的亮度值的精度。

信噪比

信号是精确解释光输入的物理量,而噪声是不可避免的、不希望的电子活度。信噪比(SNR)为成像系统性能比较提供了数据依据。更高的信噪比提高了成像系统的重复性能力,从一个测量到另一个测量,从一个像素到另一个像素,系统获取一致准确数据的能力。较低的信噪比可能导致数据不一致,因为噪音被解释为测量中有意义的变化,而不是由电子活度引起的随机波动。

高信噪比的结果是在显示器上更精确的空间位置上显示出精确的光测量数据,这在使用成像系统进行像素级测量和分析时是至关重要的。在一个小的测量区域,比如单个显示像素的区域,有有限数量的图像传感器像素,通过这些像素可以了解显示像素的真实光值(亮度、颜色等)。如果一个成像仪的传感器在每个测量像素上捕获了大量的噪声,那么我们的显示像素的有限的了解窗口可能会变得更加不准确,并可能导致像素之间测量数据的变化(即,低重复性)。

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