Как промишлените камери калибрират 4K COB LED дисплеи

Използване на промишлени камери за извършване на калибриране на яркостта и цветността пиксел по пиксел върху 4K COB LED дисплеи е значително по-сложно от традиционното калибриране на SMD.

Предизвикателството произтича от едновременното прилагане на две технологии:

• Оптичната структура с повърхностно излъчване на COB
• ултрависоката плътност на пикселите на ниво 4K

Заедно те изтеглят оптичното визуализиране, контрола на движението и алгоритмите за калибриране до техните граници.

В отличие от конвенционалните SMD дисплеи, COB панелите не се държат като изолирани точкови източници на светлина. Вместо това те се държат по-скоро като непрекъснати повърхностни излъчватели с оптични слоеве за разсейване. Когато инженерите ги комбинират с разстояние между пикселите P1.25 или по-малко, стандартните методи за калибриране на LED вече не работят надеждно.

По-долу е представен пълният инженерен работен процес, използван в съвременните висококласови системи за калибриране на COB.

1. Архитектура на хардуера на системата

Избор на промишлена камера

Промишлената камера е основен компонент на цялата калибрационна система.

4K COB дисплеят съдържа милиони плътно подредени пиксели, затова камерата трябва да улавя изключително фини вариации в яркостта и цвета с висока прецизност.

Типични висококласови сензори включват:

• Sony IMX304
• Sony IMX253

с резолюции около 4096×3000.

Защо резолюцията е толкова важна

Дисплей с технология COB в 4K често използва пикселни стъпки по-малки от P1.25.

Например един отделен модул с размери 320×180 мм вече може да съдържа повече от 25 000 пиксела.

За постигане на точна калибрация инженерите обикновено изискват:

Всяка светеща област на LED трябва да заема поне 3×3 пиксела на камерата.

Това следва принципите на дискретизиране според Найквист и позволява на системата правилно да разпознава:

• границите на яркостта
• преходите при разпръскване на светлината
• градиентите по ръбовете
• оптично поведение на подпикселите

При недостатъчна плътност на оптичната дискретизация точността на калибрирането рязко намалява.

2. Система за управление на движението

Обикновено една камера не може да заснеме целия 4K дисплей с достатъчна прецизност.

Затова калибрационните системи разчитат на прецизни платформи за движение.

Типичните конфигурации включват:

• Моторизирани XYZ стадии
• портални системи
• роботизирани ръце

Тези системи изискват повторяемост по-добра от ±5 μm.

При сканиране на големи дисплеи системата заснема множество частично припокриващи се изображения и по-късно ги съединява изчислително.

За да се осигури надеждно съединяване:

• областите на припокриване обикновено надвишават 20%
• грешките в позиционирането трябва да останат микроскопични
• изолацията от вибрации става критична

Тъмна стая

Калибрацията на COB при ниски сиви нива е изключително чувствителна към околна светлина.

Следователно, калибрацията обикновено се извършва в контролирана тъмна стая с:

• осветеност под 0,1 лукс
• стабилна температура около 25 °C
• контролирана влажност
• антитъмно (антиотражателно) покритие

Дори най-малките странични отражения могат да изкривяват измерванията при ниска яркост.

3. Защо калибрацията на COB е принципно различна от тази на SMD

Повърхностен източник на светлина срещу точков източник на светлина

Това е най-голямата разлика.

Традиционните алгоритми за калибриране на SMD силно разчитат на намирането на центъра на всеки LED пакет.

Този метод не работи при COB.

Тъй като COB използва непрекъснати фосфорни и енкапсулиращи слоеве, светлината се разпръсва в съседните области. Границите между пикселите стават замъглени, а не рязко очертани.

Как инженерите решават този проблем

Вместо откриване на централна точка, системите за калибриране на COB използват:

• извличане на центроида
• Гаусово приближение
• адаптивно тегло на областта

Тези методи оценяват по-точно ефективния оптичен център на всеки пиксел.

Освен това неравномерната дебелина на фосфора може да създаде вътрешни градиенти на яркостта в рамките на отделна пикселна област.

Следователно алгоритмите често изчисляват теглени регионални средни стойности, а не разчитат на едноточкови измервания.

4. Компенсация на черното ниво и последователността на мастилото

Контрастната производителност на COB силно зависи от чернотата на повърхността на PCB.

Обаче различните партиди PCB често показват забележими цветови отклонения.

Някои субстрати могат да надвишат:

δE > 3

дори преди започване на осветлението.

Следователно съвременните системи за калибриране също записват:

• референтни изображения в тъмно състояние
• карти на отражателната способност на субстрата

Алгоритъмът след това компенсира не само емитираната светлина, но и повърхностното фоново отражение.

Това става особено важно при приложения с висок контраст и разширена динамична обхват (HDR).

5. Многостепенна стратегия за калибриране на дисплеи 4K

Непосредственото калибриране с единичен кадър на цял 4K COB дисплей обикновено е непрактично.

Вместо това инженерите използват йерархичен работен процес.

Степен 1: Калибриране на модулно ниво

Камерата записва отделните модули от близко разстояние.

Типично разстояние:

• приблизително 300 мм

На този етап системата генерира:

• матрици за корекция на яркостта на пикселно ниво
• данни за корекция на цветността

Ниво 2: Калибриране на шкафовете

Камерата се отдалечава по-нататък и заснема едновременно няколко шкафа.

Типично разстояние:

• приблизително 800 мм

На този етап се извършва корекция на:

• разликите в яркостта между шевовете на шкафовете
• несъответствия в цветовата температура
• преходи между модулите

Ниво 3: Калибриране на равномерност за целия екран

Накрая, широкоъгълна система заснема целия дисплей.

Типично разстояние:

• приблизително 5 метра

На този етап се компенсира:

• спад на яркостта от центъра към ръба
• градиенти по ъгъла на наблюдение
• голяма неравномерност на луминесценцията

6. Възстановяване с усъвършенствана резолюция

Понякога дори високоразрешителните камери не могат напълно да разграничат миниатюрните COB пиксели.

В тези случаи инженерите използват изчислителни техники за свръхрезолюция.

Методите включват:

• преместване на пикселите с надизвличане
• регистрация на подпикселни позиции
• интерполация от множество кадри

Камерата физически се премества с части от пиксел между отделните експозиции.

След това софтуерът изчислително възстановява разпределението на яркостта с по-високо разрешение.

Това значително подобрява прецизността, без да се налага използването на прекалено скъпи сензори.

7. Работен поток на алгоритъма за калибриране

Стъпка 1: Геометрична калибрация

Системата първо установява пиксел-по-пиксел съответствие между:

• координатите на камерата
• Координатите на LED-овете

Инженерите обикновено използват калибрационни цели във вид на шахматна дъска, комбинирани с корекция на изкривяване.

За размитите оптични ръбове на COB системата прилага:

• адаптивна сегментация по праг
• Прагова сегментация по Оцу
• подобряване на локалния контраст

за точна идентификация на пикселните области.

Стъпка 2: Измерване на яркостта и хроматичността

За всеки LED пиксел системата записва:

Светимост (Y)

Чрез HDR изображения с множество експозиции, обхващащи:

• 0,1 % сиво
• пълна бяла изходна мощност

Това запазва както информацията за светлите, така и за тъмните участъци.

Хроматичност (x,y)

Промишлените камери не извеждат директно истински стойности на хроматичността.

Следователно инженерите калибрират отговора на камерата, като използват:

• спектрорадиометри
• колориметри
• Матрици за преобразуване от RGB към XYZ

Това преобразува сензорните RGB данни в цветовото пространство CIE XYZ.

Стъпка 3: Генериране на компенсираща матрица

Системата генерира таблици за калибриране за всеки пиксел.

Компенсация на яркостта

Алгоритъмът обикновено нормализира всички пиксели спрямо най-тъмната приемлива референтна точка.

Компенсация на цвета

Системата коригира RGB усилването, за да подравни пикселите с целевата бяла точка и цветовата температура.

COB-специфична компенсация на кроссток

Тъй като слоевете за енкапсулиране на COB са непрекъснати, съседните пиксели се влияят оптично един от друг.

Това предизвиква оптичен кроссток.

За коригирането му напредналите системи прилагат:

• алгоритми за деконволюция
• модели за компенсация на съседните пиксели

за отделяне на преминаващите един в друг светлинни приноси.

Този етап е критичен за дисплеите с изключително малък разстояние между пикселите.

8. Качване и проверка на данните

След генериране на коефициентите за корекция системата ги качва в:

• приемни карти
• sRAM на драйверния ИС
• вградена Flash памет

След това дисплеят подлага на верификационно тестване.

Типичните цели за производителност включват:

За сравнение, некалибрираните дисплеи често показват само 70–80 % равномерност на яркостта.

9. Основни инженерни предизвикателства и решения

Защо калибрирането на COB е много по-трудно от традиционното калибриране на LED

Традиционното калибриране на SMD се фокусира предимно върху корекцията на дискретни точкови източници.

Калибрирането на COB трябва допълнително да управлява:

• оптично разсейване
• нееднородност на фосфора
• взаимно влияние между пикселите
• отражателна способност на повърхността
• термична нестабилност
• зависимост от ъгъла на наблюдение

Щом инженерите обединят тези фактори с милиони пиксели в дисплей с резолюция 4K, калибрирането става мултидисциплинарна система, включваща:

• оптика
• машинно зрение
• контрол на движението
• наука за цветовете
• изчислително визуализиране
• реалновременна вградена обработка

Затова системите за калибриране на COB с високо качество остават една от най-технически изисканите области в индустрията на LED дисплеите днес.