解决MicroLED显示器不均匀性问题

2021年 2月 15日

话题:

作者:

Anne Corning

MicroLED显示器自21世纪早期首次发布以来已经经过了很长时间的发展。这种显示器曾经一度被称为“新兴”技术，但目前仅在电视显示器领域实现了商业化。第一台microLED电视原型机是索尼在2012年推出的Crystal-LED，后来，三星于2018年推出了The Wall。

尽管如此，人们对microLED技术的热情仍然很高。该技术具有高亮度、高对比度、高能效和显示器性能持久的优点，非常适合各类潜在用例，包括“增强/混合现实（AR/MR）、虚拟现实（VR）、大型视频显示器、电视和监视器、汽车显示器、手机、智能手表和可穿戴设备、平板电脑和笔记本电脑。”¹凭借此多功能性，microLED市场规模预计将从2020年的4.09亿美元发展到2026年的188亿美元，复合年均增长率高达89.3%。²

microLED显示器的性能特性特别适用于以下产品：AR/MR、VR和大型显示屏幕、汽车平视显示器、电视、智能手表、手机、笔记本电脑和平板电脑。

microLED技术的长期发展主要得益于制造商为了实现具有商业可行性的产品合格率必须解决各类制造和生产问题。“为了生产microLED显示器，需要用到许多技术和工艺，比如外延、光刻、芯片制造、衬底去除、检查、传质、接合和互连、测试、修理、背板和驱动芯片等。几年前，主要工作集中在模具小型化、芯片设计和传质等方面。”³最近，在“检查、修理、驱动、图像改善、光管理和大批量生产设备等技术”的整合方面投入的工作不断增加。⁴

瑞淀一直致力于解决这些问题，尤其是为microLED显示器设备的“检查、维修”、“图像改善”和“光管理”研发出新的解决方案。因为每个microLED都是一个独立发射器，像素间的亮度和色度变化范围较大，会导致显示画面不均匀。借助创新性的显示计量解决方案，制造商可以测量和校正microLED显示器的不均匀性，实现大批量生产。

MicroLED显示器不均匀性问题

亮度和色度变化性可能会导致microLED显示器无法使用（无法出售），除非采取校正措施改进画面。由于每个microLED都是一个单色亚像素（红、绿、蓝），其输出和其他亚像素结合在一起，得到单一显示像素的总体亮度和色度，这会导致亮度和色度变化性问题变得复杂。亚像素和像素级变化性会导致整个显示器画面不均匀，进而导致显示器合格率较低，昂贵组件被废弃，甚至需要花费大量成本进行返工。

microLED display uncorrected mura non-uniform

未经校正的microLED显示器不同像素的亮度存在变化性，导致画面不均匀，出现斑污现象（图片© Jasper Display）

为了量化、评估和校正显示输出，需要测量microLED亚像素。但是，由于每台显示器 microLED的变化性、尺寸、临近性（像素间距/密度较小）以及数量不同，很难进行准确测量。这同样导致难以进行校正——特别是在商业化批量生产需要提高测量速度的情况下。

对于自发光显示器而言，新型测量方法可以检测和量化每个像素和亚像素发射元件的输出，进而完成显示器均匀度校正。现在可以测量和校正每个像素的亮度和色度输出，保证显示器画面的均匀性。这一流程——像素均匀性校正或者“demura”——依靠准确的亚像素级亮度和色度测量，以便计算每个microLED的准确校正系数。

确定MicroLED生产质量的最佳解决方案

相关研究和测试表明，经过校准的高分辨率成像色度计可以提供microLED生产检查所需的像素和亚像素级精度和速度。依据瑞淀同主要LED、OLED和microLED设备制造商的合作经验，以下测量设备最适合microLED的商业化制造需求：

成像色度计。光度测定成像系统（比如ProMetric® I-系列成像色度计的一个优点是高效性——能够通过单一图像检测各台显示器间的重要变化，一次性完成多项测量，包括亮度、色度、均匀性、对比度、像素缺陷等。
高分辨率。microLED测量系统必须具有高分辨率成像功能，在测量时区分并隔离每个像素和亚像素。同时，应能够在不同的高分辨率、高像素密度显示器间获取每个像素的数值。对于某些microLED测量应用领域而言，比如晶圆级检查，使用显微镜头物镜可以提高亚像素的测量精度。
低噪声。低噪声成像功能也是必须的。图像噪声（包括读出噪声、散粒噪声或电子噪声）影响图像清晰度。无论成像系统分辨率（系统传感器的兆像素（MP）数）有多高，如果该系统捕获大量噪声（导致低信噪比（SNR）），则有效分辨率可能会低得多。

microled solution_Prometric_TrueTest_microscope lens

瑞淀提供的整体microLED显示器计量解决方案包括一台ProMetric成像光度计或色度计、一个选装显微镜头、以及分析使用的TrueTest™ 软件。

优化MicroLED测量和校正

除了简单捕获高分辨率低噪声图像外，为了准确地对microLED进行像素级测量，还需要测量系统能够充分隔离每个像素并且准确量化像素的输出值。成像系统的分辨率决定了可以覆盖每个独立显示像素的光电传感原件（传感器像素）的数量。提高每个像素使用的传感器像素数量，可以增加成像系统获取的数据粒度，实现准确的像素配准和测量。随着总体显示分辨率的提高，成像系统为每个显示像素使用足够的传感器像素的能力会降低——但是成像系统会继续为单一图像中的所有显示像素捕获测量结果，确保效率。

瑞淀通过TrueTest 软件解决microLED的准确测量和分析问题，该软件可以帮助制造商优化捕获的图像并对其进行测试。该软件提供了相关工具，可以检测并量化亮度、色度、均匀性、对比度、像素和线缺陷、显示不均匀性和其他性质。另外，瑞淀还研发出两种方法，经证明可以显著提高成像系统隔离和测量越来越多的高分辨率显示器中亚像素的能力：一个是“间隔像素”法，另一个是“分数像素”法。两种方法都需要使用TrueTest软件提供的专有算法和分析技术。

间隔像素测量法（美国专利号9135851）通过一次性使用一组显示像素的总体图像传感器分辨率改善成像系统的有效分辨率。这种方法利用每个基色中的间隔像素模式，照亮和测量每个基色的显示像素组，直至测量完所有显示像素。这种方法能够提高每个显示像素测量的有效分辨率，确保隔离各个像素的输出，进而提高任意分辨率显示器测量计算结果的精度。

像素分割计算方法（正在申请专利）通过准确计算在一组有限的图像传感器像素之间按分数量捕获像素输出，对像素配准进行优化，然后改进像素测量结果。这种方法保证通过单一图像捕捉即可对分辨率远高于以往的发射显示器的像素级测量的精度，从而支持快速节拍次数。通过上述两种方法，制造商可以准确按照生产要求的速度，测量和校正microLED显示器设备，提高品质和合格率。