Bild 2: Darstellung des gemessenen Farbortes Weiß und der Anwendung des errechneten Korrekturfaktors in einem CIE-1931-Schaubild.

Bild 2: Darstellung des gemessenen Farbortes Weiß und der Anwendung des errechneten Korrekturfaktors in einem CIE-1931-Schaubild. (Bild: Continental)

Mit ihrer wachsenden Größe und Anzahl im Fahrzeug rücken einzelne Displays tendenziell immer dichter aneinander heran. Dabei können auch Displays mit unterschiedlichen Technologien (etwa mit oder ohne berührungssensitiver Oberfläche) direkt nebeneinanderliegen.

Trends wie der Ersatz von Außenrückspiegeln durch aerodynamisch günstigere Kameras und die Darstellung der „Spiegelinhalte“ auf Displays im Innenraum können in künftigen volldigitalen Cockpits durchaus dazu führen, dass der Fahrer und der Beifahrer vier bis sechs Displays mehr oder weniger gleichzeitig im Blick haben. Manche dieser Displays liegen inzwischen auch unter dreidimensional geformten, gebondeten Oberflächen. Zusätzlich werden immer mehr Displays nicht von einer Hutze geschützt (anders als beispielsweise das Kombi-Instrument), womit die Dynamik der Umgebungslichtverhältnisse an Einfluss gewinnt. Hohe Kontraste und hohe Leuchtstärken sind unter diesen Einsatzbedingungen wichtig, um ein Überstrahlen des Displays durch helles Licht zu vermeiden. Gerade hohe Kontraste von >1000:1 machen jedoch auch etwaige Toleranzen bei der Schwarzhomogenität deutlicher sichtbar. Technische Trends wie schmalere Ränder mit weniger als 5 mm Breite machen beispielsweise Kantenlichteffekte auffälliger.

Sensible Wahrnehmung

Eck-Daten

Wegen der Toleranzketten bei Automobildisplays sowie den fertig montierten Geräten ist es zur Harmonisierung verschiedener Anzeigeelemente empfehlenswert, den Weißort und die RGB-Farbwerte für jedes einzelne Display am Bandende zu korrigieren. Im Beitrag beschreibt Continental die dabei zum Einsatz kommenden Algorithmen, die bei Bedarf im Zuge einer 100-Prozent-Prüfung sowohl den Weißwert als auch die dominanten Wellenlängen bei RGB korrigieren. Mit einem neuen Messverfahren wird außerdem der Einfluss mechanischer Belastungen auf die Schwarzhomogenität untersucht, um einer Mura-Bildung entgegen zu wirken.

Bild 1: Die Streuung des Weißwertes bei 100.000 gemessenen Displays bekräftigt die Bedeutung der Kalibrierung des Farbortes Weiß; blau: initialer Weißort, rot: Weißort nach Kalibrierung.

Bild 1: Die Streuung des Weißwertes bei 100.000 gemessenen Displays bekräftigt die Bedeutung der Kalibrierung des Farbortes Weiß; blau: initialer Weißort, rot: Weißort nach Kalibrierung. Continental

Zudem sind Displays noch eingebettet in ein optisches Gesamtsystem, zu dem auch beleuchtete Schalter und Taster sowie möglicherweise ein Ambient Lighting gehören, deren Anmutung ebenfalls zu harmonisieren ist, um einen „Farbkasten“ zu vermeiden. Das Auge des Fahrers und der Passagiere ist in diesem Punkt erfahrungsgemäß sensibel: So nimmt der Nutzer gerade im Weißbereich schon kleine Abweichungen zwischen einzelnen Displays, aber auch Fehler in der Schwarzhomogenität vor allem im Nachtdesign, als störend wahr. Bei Weißunterschieden gilt: Erst bei Abweichungen von weniger als 60 Kelvin Farbtemperatur ist das menschliche Auge nicht mehr in der Lage, die Unterschiede aufzulösen. Bei Berücksichtigung der – trotz aller großen Optimierungserfolge seitens der Displayhersteller – unverändert hohen Toleranzbänder sogar innerhalb eines einzigen Displaymodels, so wird klar: Die Kundenanforderungen bei Displays liegen permanent an der Grenze des Machbaren mit Zielvorgaben, die teilweise jenseits der aktuellen Technologiefähigkeiten festgelegt sind.

Die Liste der Anforderungen an einen Systemintegrator ist folglich lang, denn typischerweise stammen die Displays im Cockpit eines Fahrzeugmodells von unterschiedlichen Lieferanten, was die mögliche Streubreite bei Weiß, Farbe und Schwarz noch vergrößert. Das Technologieunternehmen Continental als automobiler Displayeinkäufer und -integrator hat deshalb umfangreiche Mess- und Kalibrierverfahren etabliert, mit denen sich die fertigungsbedingte Streuung bei Displays sehr sorgfältig durch automatisierte Kalibration in einer 100-Prozent Einzelprüfung sicherstellen lässt. Ziel ist es immer, die Streuung bei Weiß und Farbe auf Zielwerte zu justieren. Daneben gilt es eine gute Schwarzhomogenität zu erreichen, wobei auch der Einfluss zu berücksichtigen ist, den der Einbau des Displays in das Gerät ausübt.

 

Wie der Weißabgleich im Detail funktioniert, beschreibt der Artikel auf der nächsten Seite.

Weißabgleich

Bild 2: Darstellung des gemessenen Farbortes Weiß und der Anwendung des errechneten Korrekturfaktors in einem CIE-1931-Schaubild.

Bild 2: Darstellung des gemessenen Farbortes Weiß und der Anwendung des errechneten Korrekturfaktors in einem CIE-1931-Schaubild. Continental

Statistische Werte aus der Messung von über 100.000 Displays zeigen, wie deutlich der Weißwert streuen kann (Bild 1). Bei der Messung wird der Weißwert aus Fahrersicht jeweils in senkrechter Aufsicht (Kombi-Instrument) oder mit einem Blickwinkel von 30° seitlich bestimmt (Mittelkonsolen-Display). Die x/y-Farbkoordinaten und Leuchtdichten für Rot, Grün und Blau (RGB) und Schwarz werden für jedes Display bestimmt. Ausgehend von diesen Messwerten errechnet ein Algorithmus die nötigen Korrekturfaktoren für den Weißpunkt und die dominanten Wellenlängen der Farbanteile (Gewichtung der RGB-Pixel). Eine Korrektur der Leuchtdichte verschiebt den Weißwert und die damit verbundenen Farbwerte in die gewünschte Zone. Bild 2 zeigt ein CIE-Schaubild, um das Prinzip zu verdeutlichen.

Bei dieser Kalibrierung auf den Zielwert für Weiß werden Verluste bei Kontrast und Leuchtdichte von 10-30 % im Interesse einer harmonisierten Darstellung in Kauf genommen. Daher ist die Leuchtdichte des Displays von Anfang an so zu spezifizieren, dass sich dank eines entsprechenden Vorhaltes auch nach der Weißpunktkorrektur noch die Zielvorgaben bei Kontrast und Leuchtintensität erreichen lassen. Für den Displayhersteller bedeutet das, den Weißort konstruktionsbedingt möglichst dicht an den Zielfarbort zu bringen, um die Verluste in Grenzen zu halten. Trotzdem ist bei jedem einzelnen Display vom Systemintegrator eine Messung und Korrektur der Restabweichung notwendig. Nach der Korrektur liegt der Weißwert aller Displays präzise innerhalb des vorgegebenen Toleranzfensters von beispielsweise ±0,005 Punkten im CIE-Farbschema und damit unterhalb der Wahrnehmungsschwelle des menschlichen Auges. Die Messung erfolgt am Bandende, weil nur so alle Einflussfaktoren (wie zum Beispiel Frontglas, Touch-Komponenten, optisches Bonding) des Systemverbaus mitberücksichtigt werden können.

Für den Weißabgleich erfolgt die Messung des Farborts Weiß sowohl im kalten Zustand als auch im aufgeheizten Zustand mit zum Beispiel 55 °C Displaytemperatur, wie sie im Fahrzeug beispielsweise in der Regel nach 30 bis 60 Minuten erreicht wird. Bei dieser Aufheizung verschiebt sich der Farbort erfahrungsgemäß, und der Korrekturfaktor wird deshalb für die Zieltemperatur errechnet. Damit ist sichergestellt, dass alle Displays auch nach Erreichen dieser Zieltemperatur harmonisch wahrgenommen werden. Da die Aufheizkurve bei allen Displays eines Typs wegen des gleichförmigen LED-Verhaltens ähnlich verläuft, treten hier über die Zeit keine nennenswerten Streuungen auf.

 

Auf der nächsten Seite erfahren Sie, wie der Farbabgleich realisiert wird und wie sich die Schwarzhomogenität sicherstellen lässt.

Farbabgleich

Bild 3: CIE-1931-Schaubild mit den Farbräumen zweier Displays und den korrigierten Zielwerten für RGB.

Bild 3: CIE-1931-Schaubild mit den Farbräumen zweier Displays und den korrigierten Zielwerten für RGB. Continental

Bild 4: Die dominante Wellenlänge von Rot vor und nach Kalibrierung.

Bild 4: Die dominante Wellenlänge von Rot vor und nach Kalibrierung. Continental

Bild 5: Die Farbsättigung Rot vor und nach Kalibrierung.

Bild 5: Die Farbsättigung Rot vor und nach Kalibrierung. Continental

Das Vorgehen bei der Kalibrierung der Farben ist prinzipiell eine Erweiterung des Weißabgleiches, technisch jedoch aufwendiger. Bei jedem Display werden für die drei Primärfarben die tatsächlichen Farbkoordinaten erfasst und Korrekturwerte mit dem entsprechenden Algorithmus ermittelt. Zur Darstellung von Bildinhalten mit kalibrierter Farbgebung erfolgt im Betrieb dann ständig die Korrektur der Farbwerte sämtlicher Pixel, was mit einer Taktfrequenz von weit über 100 MHz geschehen kann. Bild 3 zeigt die dreieckigen Farbräume zweier unterschiedlicher Displays und die (als gelbe Punkte dargestellten) RGB-Zielwerte, wie sie durch die Kalibrierung und Korrektur erreichbar sind. Tabelle 1 zeigt für jede der drei dominanten Wellenlängen (λdom) ein Beispiel für die Wirkung der Korrektur auf die erzielte Farbtemperatur, die Leuchtdichte und Sättigung. Bild 4 zeigt die Verteilung der Messwerte der dominanten Wellenlänge vor und nach der Kalibrierung für die rote Farbkomponente, Bild 5 die zugehörige Verteilung der Farbsättigung. Die infolge der Kalibrierung reduzierte Sättigung ist akzeptabel, da das menschliche Auge auf Unterschiede in der Wellenlänge sehr viel sensitiver reagiert als auf geringe Sättigungsunterschiede.

Schwarzhomogenität im Systemverbau sicherstellen

Tabelle 1: Beispiele für die Wirkung der Farbkorrektur auf die erzielte Farbtemperatur, die Leuchtdichte und die Sättigung.

Tabelle 1: Beispiele für die Wirkung der Farbkorrektur auf die erzielte Farbtemperatur, die Leuchtdichte und die Sättigung. Continental

Bild 6: Beispiel für ungleichmäßig geformte Bereiche mit unterschiedlicher Leuchtdichte im schwarzen Bild (hier in Falschfarben dargestellt).

Bild 6: Beispiel für ungleichmäßig geformte Bereiche mit unterschiedlicher Leuchtdichte im schwarzen Bild (hier in Falschfarben dargestellt). Continental

Es ist unverändert eine Herausforderung, bei einem hinterleuchteten LCD-Display eine gleichmäßig schwarze Fläche zu erzielen. Dies gilt insbesondere für die In-Plane-Switching-Technologie (IPS), die wegen ihrer hervorragenden Blickwinkelstabilität in den letzten Jahren zunehmend in Automotive-Anwendungen zum Einsatz kommt. Schon bei kleinen Toleranzen beziehungsweise Abweichungen vom Idealzustand können ungleichmäßig helle und dunkle Bereiche entstehen (Bild 6). Dieses als „Mura“ oder „Clouding“ bekannte Phänomen wird durch Doppelbrechungseffekte im Schichtaufbau, insbesondere im Flüssigkristall und den beiden Gläsern, verursacht. Größter Einflussfaktor neben Materialtoleranzen sind hierbei mechanische Spannungen, die beim Einbau in das Gerät entstehen.

Die Produktarchitektur eines Displays spielt dabei eine große Rolle. Die Einflussfaktoren und Toleranzen im Systemverbau sind so vielfältig, dass deren Auswirkungen eine Herausforderung darstellen. Wegen der zahlreichen Einflussfaktoren auf die Schwarzhomogenität kann es im Einzelfall sogar vorkommen, dass ein für sich schlechter gemessenes Display im Systemverbau befriedigendere Ergebnisse bei der Schwarzhomogenität liefert als ein Display mit besseren Messergebnissen.

Um insbesondere die Wirkung von Spannungen, die aus dem Zusammenbau resultieren, einschätzen zu können, hat Continental einen Messaufbau entwickelt, der das eingespannte Display um definierte Weglängen verdreht und damit verursachte Schwarz-Inhomogenitäten misst. Auf diese Weise lässt sich abschätzen, inwieweit das Panel beim Zusammenbau mit Druck beaufschlagt oder verdreht werden darf, um noch in der Spezifikation zu liegen. Auch bei dieser Messung ist die Wirkung der Aufheizung im späteren Gerät zu berücksichtigen, da Ausdehnungseffekte zu höheren mechanischen Spannungen führen können. Der Einbau im Gerät orientiert sich dann an der gemessenen Modulempfindlichkeit. Die mechanische Architektur des Gerätes wird so ausgelegt, dass möglichst wenig Torsionskräfte wirken. Neben der Verformung beim Einbau gilt es allerdings, auch die Handhabung und den Transport zu beachten. Parallel zur Messung der einzelnen Displaymodelle ist es unerlässlich, in enger Kooperation mit dem Display-Lieferanten die eigentlichen Ursachen für die Streuung bei der Schwarzhomogenität zu beseitigen. Das tiefere Verständnis der Toleranzketten, wie es durch das beschriebene Design-of-Experiment entsteht, ist dabei sehr hilfreich.

Kai Hohmann

Continental_Kai-Hohmann
Principal Expert Automotive Displays bei Continental

Dr. Markus Weber

Continental_Markus-Weber
Senior Expert Display Technologies bei Continental

Torsten Lahr

Continental_Torsten-Lahr
Senior Expert Display Electronics and Image Enhancement bei Continental

(na)

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