Test sui display ottici per il settore automobilistico

Test di display ottici per l'industria automobilistica

I rigorosi test della tecnologia di visualizzazione, comuni nell'elettronica di consumo in fase di sviluppo, produzione e garanzia della qualità, dovrebbero essere utilizzati anche nell'industria automobilistica. Tuttavia, le procedure finora riscontrate e l'uso di semplici telecamere di elaborazione delle immagini spesso non rendono giustizia al compito.

I display utilizzati nelle automobili si stanno sviluppando rapidamente. Non solo le dimensioni e la risoluzione aumentano costantemente, tanto che, ad esempio, diagonali da 15,6 pollici con risoluzioni di 1920 × 1200 pixel stanno trovando la loro strada nella fascia media.

Ora nelle automobili si possono trovare anche display curvi e display a forma libera. Oltre agli LCD, che sono stati a lungo dominanti, ci sono nuove tecnologie come OLED, head-up display (HUD) e, nel prossimo futuro, micro-LED. Quando si valuta la qualità dell'immagine, i sistemi finora utilizzati con successo raggiungono spesso i loro limiti. Ad esempio, gli esperti di solito determinano l'omogeneità della luminanza e del colore di un display misurandolo in nove punti, ma questo non soddisfa i requisiti per l'uniformità dei display ad alta risoluzione se vogliono escludere una "nuvolosità" dell'immagine.

Per poter catturare anche le disomogeneità più piccole, non c'è modo di aggirare una soluzione con telecamera. Questo è preso in considerazione dallo standard Black Mura del gruppo di lavoro dei produttori di automobili nel DFF (German Flat Display Forum), che richiede l'uso di telecamere di luminanza per la valutazione di display di alta qualità, per cui la risoluzione della telecamera dovrebbe essere almeno grande quanto quella del display. Ma questo da solo non è sufficiente. Sia la telecamera che il software dovevano soddisfare le condizioni di base per poter lavorare in modo affidabile, preciso, rapido e con il minimo sforzo possibile in laboratorio e nella produzione automatizzata. Questo articolo non entra nei dettagli sui dispositivi di misurazione dei punti come gli spettroradiometri, che consentono misurazioni ad alta precisione di luminanza e colore, poiché consentono una caratterizzazione olistica dei display solo con grande sforzo. Quindi, a cosa dovresti prestare attenzione quando scegli un sistema di misurazione basato su telecamera?

Selezione del sistema di misurazione

L'idea di utilizzare telecamere di elaborazione delle immagini è ovvia, in quanto sono relativamente poco costose. Tuttavia, poiché si tratta di verificare l'aderenza alla luminanza e al colore dei display nell'ambito di tolleranze specificate con precisione, queste telecamere sono escluse a causa della mancanza di una calibrazione esatta. Una calibrazione utente di questi sistemi deve essere considerata criticamente, in quanto sarebbe valida solo per uno spettro di luce che deve essere rispettato esattamente. Sono quindi chiaramente preferibili telecamere dedicate alla misurazione della luminanza e del colore con filtri colorati di alta qualità.

Una telecamera calibrata per la misurazione della luminanza e del colore con chip CCD raffreddato a Peltier supererà una telecamera di elaborazione delle immagini eliminando l'instabilità termica, che causa fluttuazioni nei valori misurati con la temperatura ambiente. Il raffreddamento del chip della telecamera ha anche il vantaggio di ridurre il rumore termico, che aumenta la gamma dinamica e ha un effetto positivo, soprattutto quando si misurano immagini di prova scure. Anche contrasti molto elevati possono ancora essere caratterizzati con precisione.

Dati chiave

Il miglior display, indipendentemente dal tipo, è di scarsa utilità se non può essere testato correttamente. Questo articolo spiega cosa è importante quando gli sviluppatori vogliono consegnare un display automobilistico di alta qualità ai loro colleghi nel campo dei test in modo pratico. Solo con una soluzione di sistema adatta gli obiettivi dello sviluppo possono essere realmente implementati nella produzione.

Un altro punto che parla contro l'uso di telecamere di elaborazione delle immagini sono le dimensioni dei pixel solitamente piccole dei chip CCD, che portano a una scarsa resa quantica. Ciò riduce significativamente la probabilità che un fotone generi un segnale elettronico. L'esperienza ha dimostrato che una lunghezza del bordo dei pixel di 5 μm o più porta già a risultati molto buoni.

Display

Anche se una telecamera ha un'ampia gamma dinamica, potrebbe essere necessario utilizzare un filtro a densità neutra nel percorso ottico come parte di una sequenza di test ad alte luminanze per evitare l'overdrive del CCD. Sarebbe dispendioso in termini di tempo dover ricorrere a una soluzione manuale o esterna per questo test automatizzato, quindi idealmente nella fotocamera è già presente una ruota portafiltri aggiuntiva con uno o più filtri a densità neutra di diversa intensità, controllati tramite software.

Con l'aumento della risoluzione dei display da testare, anche le telecamere di misurazione della luminanza e del colore devono essere aumentate. Per identificare difetti di pixel individuali o persino errori subpixel, una telecamera di misurazione della luminanza e del colore altamente sensibile dovrebbe avere almeno due o tre pixel della telecamera per pixel o subpixel del display. Per ottenere questo risultato con una telecamera di elaborazione delle immagini sarebbero necessari molti più pixel della telecamera.

La tecnologia e il software appositamente realizzati consentono di identificare in modo affidabile difetti di pixel individuali anche con una telecamera di misurazione della luminanza e del colore la cui risoluzione è inferiore a quella del display in prova. Una sequenza di immagini di prova a matrice di punti viene mostrata sul display, che utilizza il cosiddetto metodo dei pixel distanziati (Figura 1). Idealmente, il software funziona in modo completamente automatico, visualizza le immagini di prova direttamente sul display, attiva le singole immagini e combina le singole immagini ottenute in questo modo in un'immagine complessiva sintetica che contiene eventuali difetti di pixel che potrebbero essere presenti. Il programma identifica e documenta gli errori in modo indipendente.

Un altro vantaggio di questo metodo è che l'obiettivo della fotocamera può essere deliberatamente sfocato (Figura 2) per poter utilizzare quanti più pixel della fotocamera possibile per pixel del display. Ciò aumenta significativamente il numero di pixel CCD che possono essere utilizzati per la misurazione e quindi la precisione della misurazione. Anche qualsiasi leggera interferenza moiré può essere sfocata e quindi solitamente non è più una fonte di errore.

Fotocamere ad alta risoluzione

La valutazione complessiva dei risultati del display deriva da un collegamento and-or dei singoli risultati. Il sistema trasferisce i dati predefiniti direttamente nel report. Konica MinoltaNonostante la possibilità di rilevare errori di pixel e persino subpixel con fotocamere di risoluzione inferiore, le fotocamere ad alta risoluzione con 16, 29 o persino 43 megapixel rappresentano la soluzione più ottimale. Ad esempio, il tempo di ciclo può essere un fattore limitante, soprattutto nella garanzia della qualità nella produzione automatizzata. Se, ad esempio, si vogliono rilevare errori sub-pixel con una fotocamera a bassa risoluzione utilizzando una matrice di punti 3×3, sono necessarie nove acquisizioni di immagini per ciascuno dei tre colori primari rosso, verde e blu, il che corrisponde a un totale di 27 immagini con il tempo corrispondente richiesto per le registrazioni e i trasferimenti di dati. Ulteriori test come la ricerca di graffi sulla superficie del display o di inclusioni come particelle di polvere o bolle d'aria tra gli strati laminati di un display richiedono anche le risoluzioni più elevate oltre a un intervallo dinamico molto elevato.

Lenti elettroniche

Per quanto riguarda le lenti utilizzate nelle telecamere di misurazione della luminanza e del colore di noti produttori, le aberrazioni ottiche sono solitamente mantenute entro limiti ristretti. Inoltre, possono essere solitamente compensate quasi completamente da misure di calibrazione idonee, tra cui la distorsione a cuscinetto delle lenti a corta lunghezza focale. Ci sono numerosi vantaggi nelle lenti regolabili elettronicamente. In primo luogo, il produttore può calibrare i sistemi della telecamera in modo completamente automatico per una varietà di distanze di misurazione. Al contrario, le lenti manuali sono in genere calibrate solo per poche distanze di misurazione selezionate (ad es. 3, min, middle e max) a causa dello sforzo manuale coinvolto. Nel caso di distanze di misurazione reali devianti, il software deve interpolare tra questo piccolo numero di punti di supporto.

Nella produzione automatizzata, ci sono ulteriori svantaggi che influenzano l'utente. Ad esempio, i display curvi e i display a forma libera, ma anche le MMI (Man Machine Interface), su cui devono essere esaminati simboli retroilluminati evidenziati o incassati oltre a un display, spesso richiedono la messa a fuoco su livelli diversi. Ciò è facile da implementare con lenti elettroniche, mentre le lenti manuali, d'altro canto, richiedono un meccanismo per spostare la fotocamera o l'oggetto di prova.

Le lenti elettroniche sono particolarmente vantaggiose quando la distanza dell'immagine virtuale deve essere determinata negli HUD. Una funzione di messa a fuoco automatica rende possibile ciò nel modo più semplice possibile (Fig. 3). Un cambio di apertura può anche essere necessario durante un test di visualizzazione, ad esempio, per regolare la profondità di campo o la sensibilità alla luce per diversi scatti. Se ciò viene fatto con un semplice comando software, i test automatizzati possono essere molto più semplici.

Lunghezze focali

Viste isolatamente, le lunghezze focali delle lenti hanno poca importanza in termini di dimensioni del campo visivo ottenibili quando si confrontano diverse fotocamere. Sebbene il campo visivo aumenti con la diminuzione della lunghezza focale della lente, anche le dimensioni del chip CCD determinano in modo significativo le dimensioni del campo visivo e nelle fotocamere di misurazione della luminanza e del colore ci sono molte diverse dimensioni CCD. Anche i CCD con lo stesso numero di pixel possono avere dimensioni complessive significativamente diverse a causa delle diverse dimensioni dei pixel.

Questo spiega perché il produttore A specifica un campo visivo di 282 mm × 236 mm (lunghezza del bordo del pixel 3,45 μm) per una telecamera di misurazione della luminanza e del colore da 5 megapixel con un obiettivo da 28 mm per una distanza di misurazione di 1 m, ma il produttore B specifica un campo visivo di 537 mm × 403 mm per la sua telecamera da 8 megapixel con un obiettivo da 35 mm per la stessa distanza di misurazione, che è più di tre volte più grande (lunghezza del bordo del pixel 5,5 μm). Se la distanza di misurazione per un display di una dimensione definita è limitata, ha senso che il fornitore della telecamera calcoli cosa è fattibile per una data dimensione del display, distanza di misurazione disponibile e risoluzione della telecamera richiesta.

Software

I pacchetti software per le telecamere di misurazione della luminanza e del colore sono ora molto estesi in termini di opzioni di valutazione. Esempi includono profili di linea che possono anche seguire i contorni, rappresentazioni a falsi colori e quasi 3D dei valori misurati e il riconoscimento e la verifica dei simboli per dimensioni, colore e luminanza corretti. Di solito è disponibile anche un assistente che ti guida attraverso il già citato test Black Mura. Gli utenti nello sviluppo e nella garanzia della qualità che devono risolvere attività di analisi mutevoli possono utilizzare questi strumenti per caratterizzare rapidamente display, MMI e cluster di strumenti e documentare direttamente i risultati ottenuti.

Esistono kit per sviluppatori software (SDK) per misurazioni e valutazioni ricorrenti, ma anche per l'integrazione nella produzione automatizzata. Finora, tuttavia, solo pochissimi produttori offrono una suite software completa per i test automatizzati dei display. Idealmente, l'utente può utilizzare un sistema di controllo della sequenza per definire una sequenza di test completa che viene eseguita automaticamente (Figura 4).

Qui è possibile parametrizzare completamente ogni singolo test della sequenza, che include la selezione di immagini di test da una libreria. Il programma riproduce quindi le immagini al momento richiesto e può anche controllare il display, l'MMI o il quadro strumenti tramite varie interfacce, se necessario. È anche possibile selezionare i parametri per un "superamento" o un "fallimento" dei test. Quando si testano gli errori dei pixel, ad esempio, potrebbe essere il numero massimo di pixel o subpixel "morti" o "bloccati", nonché il numero massimo di errori dei pixel direttamente adiacenti.

Naturalmente, una suite software di questo tipo diventa tanto più attraente quanto più strumenti automatizza per l'utente. Ad esempio, è possibile utilizzare l'elaborazione delle immagini per rilevare l'orientamento del display rispetto alla telecamera, tenerne conto e rimuovere aree dell'immagine della telecamera che non appartengono al display (Figura 5). Ciò elimina la necessità di un allineamento esatto del display rispetto alla telecamera, il che può ridurre significativamente lo sforzo coinvolto nella costruzione di apparecchiature di prova, in particolare per i test automatizzati. Rende inoltre molto più semplice il lavoro in laboratorio.

Rimozione del moiré

Un altro strumento utile è la rimozione automatica matematica del moiré, ovvero la rimozione di un'interferenza tra la risoluzione della telecamera e la risoluzione del display registrato (Fig. 6). Conosciamo questo effetto anche dalle immagini televisive di motivi fini, ad esempio su una maglietta. Nel test del display, tali artefatti impediscono naturalmente una valutazione delle omogeneità e ostacolano il rilevamento di piccoli difetti, come inclusioni o pixel morti. Contrariamente ai metodi convenzionali come la sfocatura deliberata, l'inclinazione del display o l'aumento della distanza tra la telecamera e il display, i piccoli difetti rimangono visibili e l'intero campo visivo della telecamera può ancora essere utilizzato per registrare il display.

Conclusione

Oltre a tutti i punti menzionati sulla telecamera, l'obiettivo e il software, che vengono ragionevolmente presi in considerazione quando si seleziona un sistema per il test del display, si dovrebbe anche pensare all'implementazione in laboratorio o nella produzione automatizzata in una fase iniziale, perché dopo tutto, è importante tenere conto delle interfacce, dei protocolli di comunicazione e dei formati dei dati specificati. Il fornitore del sistema dovrebbe essere in grado di fornire supporto per quanto necessario. Se poi, nell'ambito dell'installazione e della formazione, si potessero organizzare dei test insieme al fornitore, si dovrebbero superare gli ostacoli più grandi.