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分析CCD和金属管转子流量计测量性的差异
发布日期：2019-11-22 来源： 作者： 浏览次数：
【导读】：金属管转子流量计的每个像素都有一个放大器。结果是CMOS像素没有足够的光敏区域来收集光子，并且满足金属管转子流量计的许多光子可能不会到达每个流量计像素内的光敏区域......
成像系统是用于显示鉴定和测量的高效视觉检查解决方案。图像通过比较显示器整个区域的颜色，亮度和更多特征的视觉变化，提供了显示器的上下文评估，以发现缺陷。
将光转换为数字输入以生成图像的方法并不完全一对一，因为当将光的值转换为电子数据时，电子信号会发生不一致。
不同类型的成像流量计（CMOS和CCD）以各种方式执行此转换方法，每种方法都有其特定的优点和缺点。
根据成像系统的流量计（以及其他系统规格），在将光数据转换为图像的过程中不可避免地会出现不一致性，这可能会或多或少变得明显，对成像系统的性能产生负面影响或受益。
了解成像系统规格和流量计功能的影响对于选择增强测量数据可重复性和准确性的系统至关重要。
在评估一个不同的显示像素的非常有限的数据采样区域时，这一点尤其重要，这是当今发射的高分辨率显示器中质量的重要指标。
显示趋势：更多像素
2017年，在信息显示学会（SID）显示周上，主题演讲人Clay Bavor（Google虚拟与增强现实副总裁）明确提出了要求：“ 我们需要更多像素。方式，方式更多像素。” 1
显示器创新是不断追求像素密度的提高和在离眼睛更近的显示器中获得更高分辨率的追求。
若要创建与现实生活相似的，具有更大色彩深度和对比度的视觉效果，必须改善视觉元素的清晰度，并且必须在沉浸式虚拟现实环境（以及其他目标）中消除屏幕门效果。这就需要增加给定显示区域中的像素数量，并提高像素填充因子。
作为用于传达现实的虚拟媒体，显示器必须将虚拟体验与现实相结合而不能中断，显示器中看到的所有内容都应以相同（或更大）的细节呈现。
这种准确性确保了显示器具有作为可视化设备的价值。在可穿戴设备和智能设备中，显示器已经变得越来越小，以增加集成灵活性和移动性。
这些小尺寸显示器只能在有限的距离内感知，因此必须在较小的空间中包含更多像素，才能获得消费者想要的无缝视觉功能。这意味着，显示不仅包括“ 多个像素 ”，而且像素也越来越小。
像素级测量的重要性
显示像素的性能传达了显示器的视觉质量。制造商可能会调查显示器中与像素有关的多个缺陷，以确保质量。在像素测量的非常简单级别上，成像系统会注意到像素不活动或“卡住”。
通过分析整个显示测试图像的像素级亮度值，可以轻松发现这些缺陷。
随着市场关注建立在OLED，microLED和LED技术上的发光显示器，已经发布了更复杂的测量参数，用于检测像素和亚像素的不均匀性。
由于这些发光显示器中的每个像素都会产生光，而背光无法提供大范围的均匀性，因此每个像素的亮度会非常困难，尤其是在显示器的亮度或“明亮状态”变化的水平上。
除了测试每个不同的像素外，还可能需要在显示器的子像素度上执行显示测量。
每个子像素的输出亮度（通常创建红色，绿色和蓝色）表示每个显示像素的总颜色。例如，将RGB子像素值平均组合会生成白色的像素。
如果子像素生成不同的红色，绿色和蓝色值，则在显示子像素集时，混色将产生各种各样的白色值。当被消费者看到时，这种不一致会产生明显的不均匀区域（也称为mura）。
测量目标
为了正确评估当今像素密度越来越高的高分辨率显示器的视觉质量，测量系统必须获得正确的像素和亚像素级别的测量结果，以增强每个发光元件的性能。
二维光度测量系统（例如，成像光度计或色度计）对于显示缺陷的分析特别有用。
利用高分辨率图像流量计，这些系统可用于研究像素和子像素级别的显示，并量化每个元素之间的亮度差异。
在诸如OLED，microLED和LED的发光显示器中，光度成像系统使制造商能够确定每个像素的校正量，以在显示器内产生整体均匀性。
随着像素在整个显示器中的分布越来越密集且越来越小，评估显示质量的局限性变得越来越复杂。
足够的显示资格要求测量系统获取每个像素的足够的外观细节，以确定其独特的功能和光度值，并提供像素之间可靠的测量数据。
需要高成像分辨率（成像系统流量计的分辨率）才能为每个显示像素获得更多的测量像素。这也意味着减少记录在每个测量像素中的不良图像噪声，以确保在此规模下的评估是可重复的。
足够的显示资格意味着测量系统必须记录每个像素的足够的外观细节，以确定其独特的功能和光度值，并提供像素之间可靠的测量数据。
成像系统规格
成像系统非常适合分析显示，因为类似于人眼，成像器会同时捕获所有明显的细节，以便在整个显示空间范围内提供上下文分析。
成像器将显示特征（例如mura（或显示器中的亮或暗质量）），显示器内部的不均匀性以及不同的视觉特征（例如颜色，对比度和亮度）分类。
数码相机拍摄图像时，光子会映射到相机流量计的像素。流量计包含的像素越多（分辨率越高），可以将更多的光子映射到特定的空间位置，并且可以在捕获的图像中查看的细节越多。
通过将光转换为图像数据的现象，不可避免的电子“噪声”也记录在相机流量计的每个像素中。这种噪声会降低所拍摄图像中细节的精度。
成像性能可能会对成像系统以一致和精确的方式从显示器收集和转换光度数据的能力产生重大影响。
选择用于显示测量的成像系统应为所需的测量提供理想的规格。
随着显示器像素密度的扩展，显示测试过程需要越来越精确的成像系统性能，这主要是流量计分辨率，光学质量和电子噪声的结果，以验证系统确定像素处正确光值的能力和亚像素级别。
解析度
成像系统的分辨率对于捕获显示测量中的细节至关重要。在没有足够的流量计分辨率（例如显示子像素和像素）的情况下，隔离小兴趣点以获取显示器的每个发光部分的离散测量数据变得非常具有挑战性。
图10中的数据显示了智能手机显示屏上像素的基于图像的测量结果。该成像系统已记录了整个3x3流量计像素中的每个显示像素。
在左侧的测量图像中，每个显示像素看到的细节量非常差。
右侧的横截面显示了整个显示区域中具有非常大亮度百分比的成像数据（以毫米为单位）。每个像素之间的对比度非常低，显示在通过其照明区域定义每个像素时缺乏准确性（与相邻像素的串扰增加）。
由于分辨率受到限制，成像系统无法收集足够的细节，无法分辨出暗显示区域和亮显示区域（每个像素之间的区域）之间的准确对比度。
在噪声更大的图像中，每个显示像素的亮度值甚至会更不精确。高分辨率成像系统可以收集有关每个像素的更精确的细节，即使在存在图像噪声的情况下，也可以提高数据的可重复性。
在图11中，使用针对单个显示像素获得6x6流量计像素的系统研究了与图10相同的智能手机像素。
与图10左侧的图像相比，在图11的左侧测量图像中可以看到更多细节。
在图11所示的横截面中，像素之间的对比度更大，从而减少了串扰，并大大提高了每个显示像素的亮度值精度。
信噪比
信号是有效解释的光输入量，而噪声是电子不可避免的但不希望的活动。信噪比（SNR）提供了一个数据点来比较成像系统的性能。
更高的SNR有利于成像系统从像素到像素以及从显示器的测量到测量的可重复性（系统不断收集精确数据的能力）。
数据不一致是由较低的SNR引起的，因为将噪声实例转换为测量中的重要变化，而不是由于电子活动导致的随机波动。
高信噪比（SNR）在显示器上更精确的空间位置上创建具有精确光测量数据的图像，这在采用成像系统进行像素级评估和测量时至关重要。
在较小的测量区域（例如单个显示像素的区域）中，可以使用有限数量的图像流量计像素来加深对显示像素的正确光值（颜色，亮度等）的理解。
如果成像器的流量计为每个测量像素收集了大量的噪声，则限制了解显示像素的窗口可能会变得更加困难，并且可能会导致像素之间的测量数据发生变化（可重复性低）。
成像SNR中的6西格玛规则
在将重要信号与不良噪声分离时，具有高重复性的成像系统需要具有较低的故障率。通常，成像系统应采用六西格玛（6σ）的理论来设置SNR性能的容差。
为了检测缺陷并以可重复的方式减少误报，每个显示像素获得的缺陷对比度应超出流量计的图像噪声水平六个标准偏差（6σ）。
在分析包含数百万个像素的显示器时，将SNR非常大化至此标准公差可以减少测量“故障”或每个像素的不准确率。
与背景相比，显示器中非常小的缺陷（例如，与相邻像素的对比度仅稍有变化的像素缺陷）提供的信号相对较低。6σ的差异将有助于系统以可靠的方式始终有效地检测到此缺陷像素。
当缺陷对比度降至六个标准偏差以下时，缺陷将更容易与流量计的噪声混合，并且故障率更加普遍。
更大像素的争论
流量计上的像素可以是各种大小。较小的像素具有较小的光子容量（其“阱容量”），而较大的像素具有较大的阱容量。由于像素可以包含更多的光子，因此像素更大的流量计对光值的变化更具反应性，并提供更准确，可重复的测量数据。
如上所述，所有相机在每个流量计像素的多个电子处记录具有一致且固有的电子噪声量的图像。能够获取更多光子的较大流量计像素会非常大化真实输入（产生图像的光子）与错误输入（电子噪声）的比率。
一旦饱和（达到流量计像素的阱容量时），与不希望的电子噪声相比，更大的流量计像素将提供更大比例的良好信号。
与较大的流量计像素（每个噪声收集更多的光子）相比，图14中的插图演示了记录在较小流量计像素（每个噪声收集较少的光子，从而导致较低的SNR）中的特定数量的电子噪声的影响。 ，提高SNR）。
流量计分辨率与流量计尺寸
图像的分辨率由流量计物理区域内的像素数确定。流量计可以在保持非常大分辨率的同时保持相同的物理尺寸，例如8兆像素的流量计可以与29兆像素的流量计具有相同的物理尺寸。
变化是像素大小。为了优化特定物理尺寸的流量计上的像素数量，流量计像素必须变小。利用较小的流量计像素意味着每个像素中光子的阱容量受到更大的限制，从而导致较低的SNR。
尽管异常高分辨率的流量计会提示图像质量更高，但是如果减小像素的尺寸，则会增加每个像素内图像噪声与良好信号的比率。
其结果是具有大量不一致像素的高分辨率成像系统。这种成像系统拍摄的图像将包含更多细节，但是这些细节可能不会呈现可重复的信息。
当分析几个非常小的关注区域（例如显示器上的像素）时，这可能会产生重要的不同。
达到更高分辨率的逻辑答案将是简单地增加成像系统内流量计的物理尺寸，以便获得更大数量的较大流量计像素。
增加流量计分辨率并保持像素大小需要相应增加流量计的物理尺寸。较大的流量计又意味着需要更大的相机组件。
由于围绕成像系统中标准硬件大小的限制，这是一个问题。为了使流量计适合标准35毫米镜头记录的成像区域，还必须限制流量计像素的大小。
在不减少像素数量的情况下增加像素大小会使流量计大小超出标准35毫米镜头的成像范围。
这意味着流量计区域的某些部分将不使用，即使流量计具有更多像素，较大流量计捕获的图像实际上也不会达到全分辨率。
超出基本成像组件来调整硬件大小可能会导致开发成本和测量系统困难的问题。
优化成像性能的目的是在当今可用成像系统的常见尺寸限制内，达到流量计功能的正确平衡，以优化流量计的光敏区域。
这需要了解可用的流量计类型的功能，并需要比较每个流量计以较小的像素（高分辨率）保持光敏性（大阱容量）的能力。
CCD与CMOS成像
成像流量计主要有两种类型：电荷耦合器件或CCD，以及互补金属氧化物半导体，也称为金属管转子流量计。CMOS和CCD流量计的像素均具有光敏元件。
这些流量计之间的关键差异在于每个流量计像素的结构以及实现将光转换为数字图像的元素。CCD像素是模拟像素，并在到达像素阵列边缘的输出放大器之前，将电荷从一个像素调整到下一个像素。
金属管转子流量计的每个像素都有一个放大器。结果是CMOS像素没有足够的光敏区域来收集光子，并且满足金属管转子流量计的许多光子可能不会到达每个流量计像素内的光敏区域。
如所描述的，光子感测区域的大小限制了每个像素的阱容量。较小的阱容量可以提高每个像素的图像噪声比率（降低SNR），从而使像素级缺陷更加难以检测。
创建CCD是为了扩展每个像素的光敏区域，并在保持流量计的阱容量的同时，每个流量计每个区域可以包含更多像素（当应用微透镜阵列时，有效的填充系数对于CMOS可能更好）。
这意味着CCD通常比相同分辨率的金属管转子流量计具有更高的SNR和更高的可重复性。
所有流量计都擅长检测非常明显的缺陷（例如，显示器中的死像素很亮），但是CCD擅长识别对比度很低的缺陷，例如像素不均匀，即使在整个明亮状态下分析的显示器中（暗色）亮）。
因此，CCD流量计主要用于需要高精度，科学成像并具有出色光敏性的应用中。
金属管转子流量计倾向于对噪声更敏感，但是CMOS技术具有明显的优势。与CCD相比，金属管转子流量计可以更快地读取数据。
它们的功耗也很低，功耗比CCD低100倍。
由于它们基本上可以在任何传统的硅生产线上制造，因此金属管转子流量计的制造成本也更低，从而降低了基于CMOS的成像系统的成本。
金属管转子流量计历来提供较低的灵敏度和分辨率，但仍是在缺陷更容易发现，并且相对于其他元件而言需要成像速度以优化自动化视觉检查应用程序（例如用于机器视觉的高速机器视觉应用程序）的应用程序仍是首选。繁忙的生产线上的质量控制）。
创建CCD是为了优化每个像素的光敏区域，并且在保持良好容量的同时，每个流量计区域可以包含更多像素。
光子传递曲线
当今基于CMOS和CCD的成像系统非常基本，非常明确的比较是对光子传输曲线2或PTC的研究。
图21中显示的测量结果表明，随着流量计像素变得被光子饱和（以及达到容量时），每种成像系统的SNR如何调整。
当每个流量计在其像素中接收更多光子时，SNR应当增加，与捕获的剩余噪声相比，捕获的光子就更多了。从图21中的数据可以明显看出，对于CCD和金属管转子流量计，饱和极限存在很大差异。
这是由于金属管转子流量计中每个像素的光敏区域受到更多限制。CMOS像素由于其较小的光敏区域而不能存储与CCD像素一样多的光子，因此可以更快地获得CMOS像素的全阱容量。
CCD可以在每个像素中存储更多的光子，从而在满阱容量下增强SNR。根据图21中的数据，显示CCD像素在总饱和度时几乎达到非常好的SNR。
从图21中的数据可以进一步观察到的是，CCD和金属管转子流量计之间的精度在较低的亮度水平下（即，在X轴的下部接收较少的光子）变化。
当接收到较少的光子时（例如，在黑暗条件下评估显示器时），金属管转子流量计显示出较低的SNR。在这些低亮度下，CCD流量计具有接近非常好的SNR，这意味着CCD流量计可以更简单，更可靠地发现黑暗显示中的缺陷。
由于CMOS像素的光感应面积较小，因此它们无法存储与CCD像素一样多的光子，因此可以更快地获得CMOS像素的全阱容量。CCD可以在每个像素中存储更多的光子，从而在满阱容量下增强SNR。
跨亮度级别的测量
评估显示质量通常需要在不同亮度或“明亮状态”下进行显示测量。
显示器中的特定像素在整个亮度级别上的输出性能可能会发生显着变化，因为它们受到各种输入级别的控制以生成所需的光量。
在发光显示器（例如OLED，microLED和LED）中，变化尤为常见，其中每个像素均受到独立控制以创建自己的特定亮度输出。
图22中的图像显示了具有相同分辨率的两个CCD和金属管转子流量计之间的明显变化，这些图像用于在各种明亮状态下对显示器进行成像。
这两个成像系统获得相同的显示，显示具有各种灰度值（从暗到亮）的测试图像。当评估较暗的灰度值时，成像系统接收到的光子更少，到达其流量计。
在显示屏的较暗区域，CCD流量计比金属管转子流量计投射的图像噪声要少。这将验证图21中所示的PTC图中显示的数据。
CCD流量计不需要高饱和度即可获得图像精度，部分原因是与CMOS相比，其流量计像素的感光面积大。
CCD流量计可以比金属管转子流量计获得更高的SNR，同时继续从较暗的显示区域接收更少的光子，从而在所有显示明亮状态下实现精度。
结论
基于CCD的成像系统可为非常小的，低对比度的缺陷（例如显示器中的不均匀子像素或像素）提供非常精确的测量数据。
CMOS技术在快速，廉价的目视检查方面具有相当大的优势；但是目前的CMOS技术的精度仍然不足以进行可重复的像素级显示测量。
随着CMOS精度达到CCD SNR的性能水平，特别是在分析小型且人口稠密的关注点（例如当今越来越小的发光像素）时，CMOS技术由于其在功耗方面的优势而可能成为理想的流量计类型和速度。
当前，在CMOS达到CCD性能的状态之前，需要进行更多的开发以实现更高分辨率的可重复性。
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