Präzise Lichtmesstechnik ermöglicht dezentrale Komponentenherstellung

Displays sind heutzutage die Hauptinteraktionsflächen, über die Passagiere und Fahrzeug miteinander kommunizieren. Ihre Anzahl im Auto steigt kontinuierlich, da sie neben dem typischen Infotainment immer mehr Spezialaufgaben übernehmen, wie zum Beispiel auch die des Seitenspiegels. Zusätzlich sollen LED-Lichtstreifen und weitere leuchtende Elemente in der Passagierkabine positiv zum Wohlfühlfaktor beitragen. Die Erwartungen der Fahrzeuginsassen in Bezug auf Bild- und Farbqualität von Displays sind stark von mobilen Endgeräten geprägt und daher extrem hoch. Das Ton-in-Ton-Konzept der Automobilhersteller für den Innenraum ist damit in der technischen Umsetzung äußerst anspruchsvoll und herausfordernd.

Technische Herausforderungen an Farb- und Leuchtdichtemessungen

Bild 1: Black Mura – Ungleichmäßigkeiten in der Helligkeit eines LCD sind mit einer Falschfarbdarstellung der Leuchtdichte leicht erkennbar. Für solche Messungen sind 2-D Messmethoden erforderlich. Instrument Systems

Die Kombination von unterschiedlichen, optischen Elementen kann im Interieur eines Fahrzeugs zu Irritationen führen, wenn deren Farben nicht präzise aufeinander abgestimmt sind. Selbst Farben, die nur leicht, aber dennoch erkennbar, voneinander abweichen, wirken unruhig und Passagiere empfinden diese als störend. Je mehr leuchtende und bildgebende Komponenten vorhanden sind, desto größer ist das Risiko für ein abweichendes, unharmonisches Element.

In der Regel stellen unterschiedliche Zulieferer die verschiedenen Bauelemente her. Für eine objektive und absolute Prüfung der optischen Parameter wie Farbe und Helligkeit ist daher an jedem Produktionsstandort sehr spezifische Lichtmesstechnik erforderlich, die hoch vergleichbare und metrologisch rückführbare Messergebnisse garantiert und keine Referenzmessung mit einem Golden Sample benötigt. Für 2D-Displays ist zusätzlich eine bildgebende, räumlich aufgelöste Analyse sowie die Beurteilung weiterer Aspekte wie zum Beispiel der Homogenität notwendig. Dies erhöht die Komplexität der notwendigen Prüfprozesse und damit die Ansprüche an das Messequipment.

Qualitätsanforderungen der OEM

Die deutschen Automobilhersteller Audi, BMW, Porsche und Volkswagen erarbeiten im Rahmen des Deutschen Flachdisplay-Forums (DFF) in der German Automotive OEM Working Group strenge Qualitätsmaßstäbe für optische und abbildende Eigenschaften von LC-Displays im Automotive-Bereich. Im Dokument Display Specification for Automotive Application V5.1 ist festgelegt, welche Pass-/Fail-Kriterien für optische Parameter bei zugelieferten Displays gelten und wie hoch die Akzeptanz-Grenzwerte sind. Gemeinsam mit Messtechnik-Spezialisten werden auch die erforderlichen standardisierten Messverfahren und Auswertungsmethoden in unterschiedlichen Entwicklungsphasen festgelegt.

Bild 2: Spektrale Messungen sind für Farbmessungen zu bevorzugen, da die Intensität der einzelnen Farben, aus denen sich das Licht zusammensetzt, gemessen werden können. Instrument Systems

Für einen End-of-Line-Test (EOL-Test) ist außerdem eine umfangreiche Untersuchung erforderlich. Sie umfasst zum Beispiel die Helligkeit bei unterschiedlichen Graustufen (Gamma), Gleichmäßigkeit von Weiß- und Schwarz-Bildern (Bild 1), sowie die Erkennung von defekten Regionen des Displays (Dot-Defekte). Die Auswertung und Analyse der genannten Eigenschaften ist nicht trivial, und setzt eine Vereinheitlichung der Prüfungsmethoden voraus, um Ergebnisse aus unterschiedlichen Lieferketten vergleichbar zu machen.

Bild 3: Das Lumi-Top-Prinzip der 3-in-1-Lösung (Farbkamera, Spektrometer und Photometer) ermöglicht EOL-Untersuchungen mit hoher Genauigkeit, schnellen Messungen und robuster Operation. Instrument Systems

Da die Spezifikationen der OEM Working Group absolute Werte für die Leuchtdichte und die Farbkoordinaten enthalten, müssen die verwendeten Lichtmessgeräte mithilfe von Kalibrierstandards justiert und somit ihre Messergebnisse rückführbar zu einem nationalen Institut wie der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) sein. Dieser Prüfprozess garantiert, dass Abweichungen in den Messwerten nur noch durch die Messunsicherheit des verwendeten Messinstruments entstehen. Je hochwertiger dieses ist, desto kleiner ist sein Fehlerbudget und umso besser ist die Übereinstimmung von wiederholten oder dezentralen Messungen. Unter diesen Voraussetzungen ist ein realistischer Vergleich zwischen Eingangs- und Ausgangskontrolle bei Zulieferern und OEMs möglich und die Effizienz und Produktivität der gesamten Lieferkette verbessert.

Messsystemaufbau für schnelle und präzise 2D-Messungen

Die vollständige Überprüfung von Displays setzt 2D-Lichtmesstechnik voraus. Filterbasierte Leuchtdichte- und Farbmesskameras ermöglichen eine räumliche Auflösung der Messung und können bei Bedarf auf Subpixel-Niveau analysieren. Eine genaue Farbauswertung erfolgt über spektrale Messungen, die die Intensität des Lichts in Abhängigkeit zur Wellenlänge charakterisieren und detaillierte Informationen darüber geben, welche Farben das Display anzeigt (Bild 2).

Weder die Umsetzung mit einem Spektrometer noch mit einem filterbasierten Colorimeter kann jedoch alle Anforderungen der OEM Working Group erfüllen. Spektrometer bestimmen den Farbort mit einer hervorragenden Genauigkeit und deutlich besser als zum Beispiel filterbasierte Farbmessgeräte. Ihre Ergebnisse sind aber für einen begrenzten Spot ermittelt und deshalb nicht geeignet für eine 2D-Flächenanalyse. Ein bildgebendes (Filterrad-)Colorimeter kann Leuchtdichte und Farbort in 2D vermessen, ist aber deutlich langsamer im Vergleich zum Spektrometer, weil die verschiedenfarbigen Filter der Kamera nacheinander messen.

Bild 4: Für die Integration weiterer EOL-Komponenten ist ein SDK für die Kamera zwingend erforderlich. Instrument Systems

Das optimale System, das alle Anforderungen bezüglich Geschwindigkeit und Genauigkeit erfüllt, ist die Kombination von einer Leuchtdichte- und Farbmesskamera mit einem Spektrometer. Das Spektrometer liefert präzise Daten für einen Spot, der sich als Referenz für die Farbmesskamera nutzen lässt. Als Ergebnis liefert die Messung Daten mit spektralradiometrischer Genauigkeit für das gesamte 2D-Bild. Das kombinierte System besitzt eine schnelle Taktzeit und kann das gesamte Bild in unter einer Sekunde aufnehmen. Damit erreicht es die im Automotive-Bereich typische Anforderung, mehrere Dutzend Bilder inklusive ihrer Auswertung in wenigen Sekunden anzufertigen. Das Messsystem muss neben einfachen Messungen (wie unter anderem maximale Helligkeit für weißes, rotes, blaues und grünes Display) auch komplexe Untersuchungen von zum Beispiel Leuchtdichtehomogenität und Graueinstellungen unter verschiedensten Betriebsbedingungen abbilden. Dazu gehören zum Beispiel die Umgebungstemperatur (Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C) oder das Umgebungslicht (Tag- beziehungsweise Nachtlicht) oder auch Langzeittests (angestrebte Lebensdauer bis zu 15 Jahren).

Umsetzung in der Produktionslinie

Für EOL-Prüfungen entwickelte Messgeräte müssen besonders hohe Ansprüche erfüllen:  hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig kurzen Messzeiten und eine robuste 24/7-Performance. Speziell für diesen Einsatz hat Instrument Systems das Lumi-Top-Prinzip entwickelt (Bild 3). Es kombiniert eine RGB-Kamera und eine schnelle Photodiode mit einem High-End-Spektralradiometer. LCDs können abhängig von Betriebsspannung oder Backlight erkennbare optische Modulationen der Leuchtdichte aufweisen, die für einen Anwender störend wirken. Mittels Photodiode lässt sich dieser Flicker-Effekt nach JEITA-Standard (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) untersuchen und bestimmen. Die 3-in-1-Lösung des Lumi-Top-Prinzips bietet in der Produktionslinie eine schnelle und einfache Messlösung für diese und andere Messanforderungen.

Für eine automatisierte Umsetzung in der Produktionslinie, sind in der Regel weitere Steuerelemente in eine EOL-Prüfstation zu integrieren. Diese steuern die Displayanzeige, rufen die notwendigen Bilder ab und ermöglichen Anpassungen der Display-Justierung. Zur Untersuchung des Black-Mura-Standards ist zum Beispiel eine senkrechte Ausrichtung des Displays mit einer Genauigkeit unter 0,5° in alle Richtungen nötig. Idealerweise besitzen die Komponenten der Prüfstation jeweils ein Software-Development-Kit (SDK) mit Treiber für alle wichtigen Funktionen des Systems. Dies vereinfacht die Integration in das Handlersystem und gewährleistet einen reibungslosen Testablauf. Von Vorteil ist eine standardisierte Auswertung der OEM-Spezifikationen mithilfe vorkonfigurierter Analyse-Tools, um eine schnelle Beurteilung nach Pass-/Fail-Kriterien durchzuführen und so den Durchsatz zu optimieren (Bild 4). Sämtliche Softwaremodule sollten mit den OEM-Spezifikationen konform sein, um zu garantieren, dass Ergebnisse aus unterschiedlichen Quellen beziehungsweise Messungen die gleiche Qualität liefern.

(aok)