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分析CCD和金屬管轉子流量計測量性的差異
發布日期：2019-11-22 來源： 作者： 瀏覽次數：
【導讀】：金屬管轉子流量計的每個像素都有一個放大器。結果是CMOS像素沒有足夠的光敏區域來收集光子，并且滿足金屬管轉子流量計的許多光子可能不會到達每個流量計像素內的光敏區域......
成像系統是用于顯示鑒定和測量的高效視覺檢查解決方案。圖像通過比較顯示器整個區域的顏色，亮度和更多特征的視覺變化，提供了顯示器的上下文評估，以發現缺陷。
將光轉換為數字輸入以生成圖像的方法并不完全一對一，因為當將光的值轉換為電子數據時，電子信號會發生不一致。
不同類型的成像流量計（CMOS和CCD）以各種方式執行此轉換方法，每種方法都有其特定的優點和缺點。
根據成像系統的流量計（以及其他系統規格），在將光數據轉換為圖像的過程中不可避免地會出現不一致性，這可能會或多或少變得明顯，對成像系統的性能產生負面影響或受益。
了解成像系統規格和流量計功能的影響對于選擇增強測量數據可重復性和準確性的系統至關重要。
在評估一個不同的顯示像素的非常有限的數據采樣區域時，這一點尤其重要，這是當今發射的高分辨率顯示器中質量的重要指標。
顯示趨勢：更多像素
2017年，在信息顯示學會（SID）顯示周上，主題演講人Clay Bavor（Google虛擬與增強現實副總裁）明確提出了要求：“ 我們需要更多像素。方式，方式更多像素。” 1
顯示器創新是不斷追求像素密度的提高和在離眼睛更近的顯示器中獲得更高分辨率的追求。
若要創建與現實生活相似的，具有更大色彩深度和對比度的視覺效果，必須改善視覺元素的清晰度，并且必須在沉浸式虛擬現實環境（以及其他目標）中消除屏幕門效果。這就需要增加給定顯示區域中的像素數量，并提高像素填充因子。
作為用于傳達現實的虛擬媒體，顯示器必須將虛擬體驗與現實相結合而不能中斷，顯示器中看到的所有內容都應以相同（或更大）的細節呈現。
這種準確性確保了顯示器具有作為可視化設備的價值。在可穿戴設備和智能設備中，顯示器已經變得越來越小，以增加集成靈活性和移動性。
這些小尺寸顯示器只能在有限的距離內感知，因此必須在較小的空間中包含更多像素，才能獲得消費者想要的無縫視覺功能。這意味著，顯示不僅包括“ 多個像素 ”，而且像素也越來越小。
像素級測量的重要性
顯示像素的性能傳達了顯示器的視覺質量。制造商可能會調查顯示器中與像素有關的多個缺陷，以確保質量。在像素測量的非常簡單級別上，成像系統會注意到像素不活動或“卡住”。
通過分析整個顯示測試圖像的像素級亮度值，可以輕松發現這些缺陷。
隨著市場關注建立在OLED，microLED和LED技術上的發光顯示器，已經發布了更復雜的測量參數，用于檢測像素和亞像素的不均勻性。
由于這些發光顯示器中的每個像素都會產生光，而背光無法提供大范圍的均勻性，因此每個像素的亮度會非常困難，尤其是在顯示器的亮度或“明亮狀態”變化的水平上。
除了測試每個不同的像素外，還可能需要在顯示器的子像素度上執行顯示測量。
每個子像素的輸出亮度（通常創建紅色，綠色和藍色）表示每個顯示像素的總顏色。例如，將RGB子像素值平均組合會生成白色的像素。
如果子像素生成不同的紅色，綠色和藍色值，則在顯示子像素集時，混色將產生各種各樣的白色值。當被消費者看到時，這種不一致會產生明顯的不均勻區域（也稱為mura）。
測量目標
為了正確評估當今像素密度越來越高的高分辨率顯示器的視覺質量，測量系統必須獲得正確的像素和亞像素級別的測量結果，以增強每個發光元件的性能。
二維光度測量系統（例如，成像光度計或色度計）對于顯示缺陷的分析特別有用。
利用高分辨率圖像流量計，這些系統可用于研究像素和子像素級別的顯示，并量化每個元素之間的亮度差異。
在諸如OLED，microLED和LED的發光顯示器中，光度成像系統使制造商能夠確定每個像素的校正量，以在顯示器內產生整體均勻性。
隨著像素在整個顯示器中的分布越來越密集且越來越小，評估顯示質量的局限性變得越來越復雜。
足夠的顯示資格要求測量系統獲取每個像素的足夠的外觀細節，以確定其獨特的功能和光度值，并提供像素之間可靠的測量數據。
需要高成像分辨率（成像系統流量計的分辨率）才能為每個顯示像素獲得更多的測量像素。這也意味著減少記錄在每個測量像素中的不良圖像噪聲，以確保在此規模下的評估是可重復的。
足夠的顯示資格意味著測量系統必須記錄每個像素的足夠的外觀細節，以確定其獨特的功能和光度值，并提供像素之間可靠的測量數據。
成像系統規格
成像系統非常適合分析顯示，因為類似于人眼，成像器會同時捕獲所有明顯的細節，以便在整個顯示空間范圍內提供上下文分析。
成像器將顯示特征（例如mura（或顯示器中的亮或暗質量）），顯示器內部的不均勻性以及不同的視覺特征（例如顏色，對比度和亮度）分類。
數碼相機拍攝圖像時，光子會映射到相機流量計的像素。流量計包含的像素越多（分辨率越高），可以將更多的光子映射到特定的空間位置，并且可以在捕獲的圖像中查看的細節越多。
通過將光轉換為圖像數據的現象，不可避免的電子“噪聲”也記錄在相機流量計的每個像素中。這種噪聲會降低所拍攝圖像中細節的精度。
成像性能可能會對成像系統以一致和精確的方式從顯示器收集和轉換光度數據的能力產生重大影響。
選擇用于顯示測量的成像系統應為所需的測量提供理想的規格。
隨著顯示器像素密度的擴展，顯示測試過程需要越來越精確的成像系統性能，這主要是流量計分辨率，光學質量和電子噪聲的結果，以驗證系統確定像素處正確光值的能力和亞像素級別。
解析度
成像系統的分辨率對于捕獲顯示測量中的細節至關重要。在沒有足夠的流量計分辨率（例如顯示子像素和像素）的情況下，隔離小興趣點以獲取顯示器的每個發光部分的離散測量數據變得非常具有挑戰性。
圖10中的數據顯示了智能手機顯示屏上像素的基于圖像的測量結果。該成像系統已記錄了整個3x3流量計像素中的每個顯示像素。
在左側的測量圖像中，每個顯示像素看到的細節量非常差。
右側的橫截面顯示了整個顯示區域中具有非常大亮度百分比的成像數據（以毫米為單位）。每個像素之間的對比度非常低，顯示在通過其照明區域定義每個像素時缺乏準確性（與相鄰像素的串擾增加）。
由于分辨率受到限制，成像系統無法收集足夠的細節，無法分辨出暗顯示區域和亮顯示區域（每個像素之間的區域）之間的準確對比度。
在噪聲更大的圖像中，每個顯示像素的亮度值甚至會更不精確。高分辨率成像系統可以收集有關每個像素的更精確的細節，即使在存在圖像噪聲的情況下，也可以提高數據的可重復性。
在圖11中，使用針對單個顯示像素獲得6x6流量計像素的系統研究了與圖10相同的智能手機像素。
與圖10左側的圖像相比，在圖11的左側測量圖像中可以看到更多細節。
在圖11所示的橫截面中，像素之間的對比度更大，從而減少了串擾，并大大提高了每個顯示像素的亮度值精度。
信噪比
信號是有效解釋的光輸入量，而噪聲是電子不可避免的但不希望的活動。信噪比（SNR）提供了一個數據點來比較成像系統的性能。
更高的SNR有利于成像系統從像素到像素以及從顯示器的測量到測量的可重復性（系統不斷收集精確數據的能力）。
數據不一致是由較低的SNR引起的，因為將噪聲實例轉換為測量中的重要變化，而不是由于電子活動導致的隨機波動。
高信噪比（SNR）在顯示器上更精確的空間位置上創建具有精確光測量數據的圖像，這在采用成像系統進行像素級評估和測量時至關重要。
在較小的測量區域（例如單個顯示像素的區域）中，可以使用有限數量的圖像流量計像素來加深對顯示像素的正確光值（顏色，亮度等）的理解。
如果成像器的流量計為每個測量像素收集了大量的噪聲，則限制了解顯示像素的窗口可能會變得更加困難，并且可能會導致像素之間的測量數據發生變化（可重復性低）。
成像SNR中的6西格瑪規則
在將重要信號與不良噪聲分離時，具有高重復性的成像系統需要具有較低的故障率。通常，成像系統應采用六西格瑪（6σ）的理論來設置SNR性能的容差。
為了檢測缺陷并以可重復的方式減少誤報，每個顯示像素獲得的缺陷對比度應超出流量計的圖像噪聲水平六個標準偏差（6σ）。
在分析包含數百萬個像素的顯示器時，將SNR非常大化至此標準公差可以減少測量“故障”或每個像素的不準確率。
與背景相比，顯示器中非常小的缺陷（例如，與相鄰像素的對比度僅稍有變化的像素缺陷）提供的信號相對較低。6σ的差異將有助于系統以可靠的方式始終有效地檢測到此缺陷像素。
當缺陷對比度降至六個標準偏差以下時，缺陷將更容易與流量計的噪聲混合，并且故障率更加普遍。
更大像素的爭論
流量計上的像素可以是各種大小。較小的像素具有較小的光子容量（其“阱容量”），而較大的像素具有較大的阱容量。由于像素可以包含更多的光子，因此像素更大的流量計對光值的變化更具反應性，并提供更準確，可重復的測量數據。
如上所述，所有相機在每個流量計像素的多個電子處記錄具有一致且固有的電子噪聲量的圖像。能夠獲取更多光子的較大流量計像素會非常大化真實輸入（產生圖像的光子）與錯誤輸入（電子噪聲）的比率。
一旦飽和（達到流量計像素的阱容量時），與不希望的電子噪聲相比，更大的流量計像素將提供更大比例的良好信號。
與較大的流量計像素（每個噪聲收集更多的光子）相比，圖14中的插圖演示了記錄在較小流量計像素（每個噪聲收集較少的光子，從而導致較低的SNR）中的特定數量的電子噪聲的影響。 ，提高SNR）。
流量計分辨率與流量計尺寸
圖像的分辨率由流量計物理區域內的像素數確定。流量計可以在保持非常大分辨率的同時保持相同的物理尺寸，例如8兆像素的流量計可以與29兆像素的流量計具有相同的物理尺寸。
變化是像素大小。為了優化特定物理尺寸的流量計上的像素數量，流量計像素必須變小。利用較小的流量計像素意味著每個像素中光子的阱容量受到更大的限制，從而導致較低的SNR。
盡管異常高分辨率的流量計會提示圖像質量更高，但是如果減小像素的尺寸，則會增加每個像素內圖像噪聲與良好信號的比率。
其結果是具有大量不一致像素的高分辨率成像系統。這種成像系統拍攝的圖像將包含更多細節，但是這些細節可能不會呈現可重復的信息。
當分析幾個非常小的關注區域（例如顯示器上的像素）時，這可能會產生重要的不同。
達到更高分辨率的邏輯答案將是簡單地增加成像系統內流量計的物理尺寸，以便獲得更大數量的較大流量計像素。
增加流量計分辨率并保持像素大小需要相應增加流量計的物理尺寸。較大的流量計又意味著需要更大的相機組件。
由于圍繞成像系統中標準硬件大小的限制，這是一個問題。為了使流量計適合標準35毫米鏡頭記錄的成像區域，還必須限制流量計像素的大小。
在不減少像素數量的情況下增加像素大小會使流量計大小超出標準35毫米鏡頭的成像范圍。
這意味著流量計區域的某些部分將不使用，即使流量計具有更多像素，較大流量計捕獲的圖像實際上也不會達到全分辨率。
超出基本成像組件來調整硬件大小可能會導致開發成本和測量系統困難的問題。
優化成像性能的目的是在當今可用成像系統的常見尺寸限制內，達到流量計功能的正確平衡，以優化流量計的光敏區域。
這需要了解可用的流量計類型的功能，并需要比較每個流量計以較小的像素（高分辨率）保持光敏性（大阱容量）的能力。
CCD與CMOS成像
成像流量計主要有兩種類型：電荷耦合器件或CCD，以及互補金屬氧化物半導體，也稱為金屬管轉子流量計。CMOS和CCD流量計的像素均具有光敏元件。
這些流量計之間的關鍵差異在于每個流量計像素的結構以及實現將光轉換為數字圖像的元素。CCD像素是模擬像素，并在到達像素陣列邊緣的輸出放大器之前，將電荷從一個像素調整到下一個像素。
金屬管轉子流量計的每個像素都有一個放大器。結果是CMOS像素沒有足夠的光敏區域來收集光子，并且滿足金屬管轉子流量計的許多光子可能不會到達每個流量計像素內的光敏區域。
如所描述的，光子感測區域的大小限制了每個像素的阱容量。較小的阱容量可以提高每個像素的圖像噪聲比率（降低SNR），從而使像素級缺陷更加難以檢測。
創建CCD是為了擴展每個像素的光敏區域，并在保持流量計的阱容量的同時，每個流量計每個區域可以包含更多像素（當應用微透鏡陣列時，有效的填充系數對于CMOS可能更好）。
這意味著CCD通常比相同分辨率的金屬管轉子流量計具有更高的SNR和更高的可重復性。
所有流量計都擅長檢測非常明顯的缺陷（例如，顯示器中的死像素很亮），但是CCD擅長識別對比度很低的缺陷，例如像素不均勻，即使在整個明亮狀態下分析的顯示器中（暗色）亮）。
因此，CCD流量計主要用于需要高精度，科學成像并具有出色光敏性的應用中。
金屬管轉子流量計傾向于對噪聲更敏感，但是CMOS技術具有明顯的優勢。與CCD相比，金屬管轉子流量計可以更快地讀取數據。
它們的功耗也很低，功耗比CCD低100倍。
由于它們基本上可以在任何傳統的硅生產線上制造，因此金屬管轉子流量計的制造成本也更低，從而降低了基于CMOS的成像系統的成本。
金屬管轉子流量計歷來提供較低的靈敏度和分辨率，但仍是在缺陷更容易發現，并且相對于其他元件而言需要成像速度以優化自動化視覺檢查應用程序（例如用于機器視覺的高速機器視覺應用程序）的應用程序仍是首選。繁忙的生產線上的質量控制）。
創建CCD是為了優化每個像素的光敏區域，并且在保持良好容量的同時，每個流量計區域可以包含更多像素。
光子傳遞曲線
當今基于CMOS和CCD的成像系統非常基本，非常明確的比較是對光子傳輸曲線2或PTC的研究。
圖21中顯示的測量結果表明，隨著流量計像素變得被光子飽和（以及達到容量時），每種成像系統的SNR如何調整。
當每個流量計在其像素中接收更多光子時，SNR應當增加，與捕獲的剩余噪聲相比，捕獲的光子就更多了。從圖21中的數據可以明顯看出，對于CCD和金屬管轉子流量計，飽和極限存在很大差異。
這是由于金屬管轉子流量計中每個像素的光敏區域受到更多限制。CMOS像素由于其較小的光敏區域而不能存儲與CCD像素一樣多的光子，因此可以更快地獲得CMOS像素的全阱容量。
CCD可以在每個像素中存儲更多的光子，從而在滿阱容量下增強SNR。根據圖21中的數據，顯示CCD像素在總飽和度時幾乎達到非常好的SNR。
從圖21中的數據可以進一步觀察到的是，CCD和金屬管轉子流量計之間的精度在較低的亮度水平下（即，在X軸的下部接收較少的光子）變化。
當接收到較少的光子時（例如，在黑暗條件下評估顯示器時），金屬管轉子流量計顯示出較低的SNR。在這些低亮度下，CCD流量計具有接近非常好的SNR，這意味著CCD流量計可以更簡單，更可靠地發現黑暗顯示中的缺陷。
由于CMOS像素的光感應面積較小，因此它們無法存儲與CCD像素一樣多的光子，因此可以更快地獲得CMOS像素的全阱容量。CCD可以在每個像素中存儲更多的光子，從而在滿阱容量下增強SNR。
跨亮度級別的測量
評估顯示質量通常需要在不同亮度或“明亮狀態”下進行顯示測量。
顯示器中的特定像素在整個亮度級別上的輸出性能可能會發生顯著變化，因為它們受到各種輸入級別的控制以生成所需的光量。
在發光顯示器（例如OLED，microLED和LED）中，變化尤為常見，其中每個像素均受到獨立控制以創建自己的特定亮度輸出。
圖22中的圖像顯示了具有相同分辨率的兩個CCD和金屬管轉子流量計之間的明顯變化，這些圖像用于在各種明亮狀態下對顯示器進行成像。
這兩個成像系統獲得相同的顯示，顯示具有各種灰度值（從暗到亮）的測試圖像。當評估較暗的灰度值時，成像系統接收到的光子更少，到達其流量計。
在顯示屏的較暗區域，CCD流量計比金屬管轉子流量計投射的圖像噪聲要少。這將驗證圖21中所示的PTC圖中顯示的數據。
CCD流量計不需要高飽和度即可獲得圖像精度，部分原因是與CMOS相比，其流量計像素的感光面積大。
CCD流量計可以比金屬管轉子流量計獲得更高的SNR，同時繼續從較暗的顯示區域接收更少的光子，從而在所有顯示明亮狀態下實現精度。
結論
基于CCD的成像系統可為非常小的，低對比度的缺陷（例如顯示器中的不均勻子像素或像素）提供非常精確的測量數據。
CMOS技術在快速，廉價的目視檢查方面具有相當大的優勢；但是目前的CMOS技術的精度仍然不足以進行可重復的像素級顯示測量。
隨著CMOS精度達到CCD SNR的性能水平，特別是在分析小型且人口稠密的關注點（例如當今越來越小的發光像素）時，CMOS技術由于其在功耗方面的優勢而可能成為理想的流量計類型和速度。
當前，在CMOS達到CCD性能的狀態之前，需要進行更多的開發以實現更高分辨率的可重復性。
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