디스플레이 시각화 능력을 향상시키는 스파클 측정 방법①

Radiant Vision Systems 

소개

디스플레이 통합은, 일반적인 가변 조명 조건으로 디스플레이에서 사람 관측자까지의 상대 위치가 고정된 환경(예: 차량 중앙 스택, 또는 항공기 콘솔에 통합된 디스플레이)에서 계속해서 모멘텀(Momentum)을 얻는다. 밝은 주변광(bright ambient light) 아래에서 디스플레이 이미지의 시각화를 방해하는 반사(거울과 같은)를 줄이기 위해 디스플레이 화면에 눈부심 방지(Anti-glare, AG) 필름과 코팅이 적용된다. AG 필름의 여러 가지 표면 구조는 주변광이 균일하게 확산되도록 해 디스플레이 가시성을 향상한다. 그러나 AG 층의 구조는 스파클(sparkle), 헤이즈(haze), 확산, 또는 눈부심 때문에 디스플레이의 인지된 품질에도 영향을 미친다(AG 레이어의 가장 보통의 시각적 효과).

스파클은 AG 표면 구조가 디스플레이의 픽셀 구성(pixel geometry)과 부딪힐 때 발생한다. AG 막 구조에서 패싯(facets)의 크기에 가까운 디스플레이 픽셀로서 각 디스플레이 픽셀에서 방출된 광은 픽셀 영역을 가로지르는 AG 표면 변화 때문에 굴절돼 간섭과 산란을 일으킨다. 이 시각 효과는 사람의 관찰자가 감지할 때 입자가 거칠거나 ‘반짝이는’ 것처럼 보이는 낮은 디스플레이 선명도를 나타낸다.

제조업체는 AG 필름의 의도된 이점을 유지하면서 스파클에 대한 인식을 줄이려는 목적으로 AG 필름 구성과 디스플레이 해상도의 정확한 쌍을 보장해야 한다. 이것은 세 가지 중요한 목적을 위해 인지된 스파클의 측정을 필요로 한다. 첫째, 구성 요소 레벨에서 원하는 AG 필름 애플리케이션과 통신할 수 있게 하기 위해 스파클을 정량화해야 한다. 둘째, OEM에 공급되는 각 디스플레이의 스파클 효과에 대한 표준 오차를 정의하기 위해 스파클을 정량화해야 한다. 마지막으로 이 값은 인간의 시각적 인식과 허용할 수 있는 한도를 설정하는 스파클의 허용치와 관련성이 있어야 하며, 이로 인해 사람이 디스플레이 품질을 인식하게 되면 AG 디스플레이가 제조된다. 이러한 가치는 디스플레이 생산의 품질 관리 애플리케이션뿐만 아니라 통합을 위해 제3자 디스플레이를 제공하는 OEM 업체의 공급업체 자격에도 유용하다.

측정 데이터와 사람의 디스플레이 품질을 비교하는 것 외에도, AG 디스플레이의 표준 측정 방법은 테스트의 시간과 위치에 관계없이 장치 사이에 품질 평가를 위해 스파클 데이터의 반복성을 보장한다. 이 기사에서 제안된 스파클 측정 방법은 설계에서 생산까지, 그리고 공급업체에서 OEM에 이르기까지 스파클 레벨 허용 오차를 구현해 제조 과정 전반에 걸쳐 일관된 디스플레이 품질을 보장한다. 여기서는 스파크 측정을 위한 표준 방법을 정의하여 사용자, 장치, 시스템 전반에서 측정의 반복성을 보장하고자 한다. 이 방법은 광범위한 실험실 테스트를 토대로 인간의 시각적인 디스플레이 품질 인식과 일관성이 있도록 정량화할 수 있는 결과를 산출하는 보편적인 스파클 측정 시스템의 허용 오차를 설정한다.

측정 방법

디스플레이 품질에 대한 AG 레이어의 영향을 평가하는 방법에는 두 가지 주요 목표가 있다.

1. 효과적인 디스플레이 특성화

첫 번째 목적은 AG 레이어의 속성을 특성에 따라 특성화하는 것이다. 그 효과는 다음과 같다.

- 스파클: AG 층을 통해 디스플레이에 의해 방출되는 빛의 산란으로 인식된다. 이 효과는 픽셀 레벨 휘도 변화(측정 시스템의 CCD 픽셀)를 써서 측정된다. 이 효과를 측정하는 것은 여기서 설명한 방법의 초점이다.

- 헤이즈: AG 레이어를 통해 봤을 때 희미함 또는 낮은 이미지 선명도/명료성으로 인식된다. 이 효과는 MTF(Modulation Transfer Function) 또는 SFR(Spatial Frequency Response)을 써서 측정된다.

- 확산 또는 눈부심: AG 디스플레이의 표면에서 반사되는 주변 광량으로 인식된다. 이 효과는 일반적으로 반사율 분포 함수를 써서 여러 각도에서 반사율을 캡처하기 위해 외부 광원을 써서 측정된다.

색상 변화는 자체 측정 방법이 필요한 AG 표면 구조의 고유한 효과로 간주될 수 있는 스파클의 고유한 특성이다. 휘도와 색도 값은 디스플레이에서 나오는 빛이 AG 레이어를 통해 회절될 때 똑같이 영향을 받는다. 스파클은 전통으로 픽셀 레벨 휘도 변화에 대한 단색 휘도계를 써서 측정됐지만, 디스플레이의 평균 색상과 비교하여 픽셀 수준의 색도 변화를 측정하는 데는 색채계(colorimetric system)가 필요하다. 절대 측정을 할 수 있는 색채계가 없으면 색상에 대한 AG 레이어의 효과를 정확히 반복해서 측정할 수 없다(색상 보정은 물론 CIE 삼자 극치와 일치하는 색상 필터를 씀).

CCD 기반 이미징 시스템은 AG 레이어가 있거나 없는 AG 디스플레이의 위의 효과를 평가하는 데 쓰였다. 스파클과 관련해 테스트 방법은 AG 레이어가 적용된 디스플레이에서 피크 픽셀 휘도의 표준 편차(σ)를 측정한다. 이 글에서 설명하는 스파클 측정 방법은 다른 시스템과 마찬가지로 이러한 시스템 매개변수를 기본으로 쓴다. 그러나 대안 측정 방법은 교차 시설 표준화가 필요한 OEM의 실제 디스플레이 테스트 시나리오에 적용될 스파클 측정 데이터(반복 오류와 성공 포함)에서 충분한 반복성을 입증하지 못했다.

향상된 반복성을 위해 제안된 방법은 신호 대 잡음 비(SNR, signal-to-noise ratio)를 최적화하기 위해 픽셀당 61.4dB, 1×1 비닝(binning)까지 동적 범위의 고해상도 센서를 결합해 절대 측정을 할 수 있는 CCD 기반 이미징 시스템을 지정한다. 이러한 고성능 시스템은 정확한 휘도와 색상 환경(컬러 시프트, 휘도 플랫 필드, 4색 보정 적용)에 맞게 조정되어 OEM이 스파클 측정 표준을 광범위하게 (다중 시설로) 구현하는 데 필요한 반복성을 제공한다.

여기서 제안된 스파클 측정 방법은 표준 측정 장비를 지정하는 것 외에도 AG 디스플레이의 휘도 변화를 계산하는 데 쓰이는 소프트웨어 테스트 프로세스를 개선하고자 한다.

일부 다른 방법들에서, 디스플레이는 무작위 스폿(a random spot)을 써서 테스트된 단일 휘도 변화 값을 획득해 이미지화된 영역 내의 스파크 레벨을 결정한다. 이 프로세스는 측정 영역의 제한된 범위와 측정 프로세스의 제한된 복잡성 때문에 신뢰성이 떨어진다. 디스플레이의 서브 프레임에 대해 단일 값을 계산하는 것과는 대조적으로, 제안된 방법은 전체 디스플레이를 이미징하여 디스플레이 전반에 걸쳐 가능한 모든 휘도 변화를 계산할 수 있다(스파클의 효과가 어느 정도 존재하는 변칙적인 영역의 경우, 서브 프레임의 범위 밖에 있을 수 있다).

제안된 방법은 이미징된 영역의 여러 영역을 측정하는 프로세스를 정의한 다음, 이 값을 전체 휘도 변화 백분율로 평균을 낸다. 여러 값을 활용하면 단일 값 측정보다 더 완벽한 결과를 얻을 수 있다. 디스플레이의 여러 영역에서의 변동성을 집계하지 않고 독립적으로 가중치를 계산하기 때문이다. 이 방법은 디스플레이가 시각화되는 방식, 즉 인간의 시각 시스템이 몇 가지 시각적 데이터 포인트의 효과를 평균화해 전체적인 단일 품질 값을 결정하는 방식을 반복하는 스케일에서 스파클의 효과를 더욱 정확히 계량화한다.

측정 정확도를 향상하기 위해 여기서 제안된 측정 시스템은 디스플레이 그레이디언트를 고려할 수 있다. 또, 디스플레이의 일반적인 문제로 스파크 측정 데이터의 신뢰성을 저해할 수 있다. AG 디스플레이의 픽셀 레벨 휘도 변화를 계산할 때 표준 편차(σ)가 쓰이기 때문에, 정확한 측정을 위해 디스플레이의 넓은 그라데이션 변화를 정규화해야 한다(아래 그림 3 참조). 제안된 방법의 측정 소프트웨어에는 표준 편차를 계산하기 전에 디스플레이의 캡처된 이미지에 적용할 수 있는 그레이디언트 필터가 포함돼서 그레이디언트가 계산 요인이 아님을 보장한다.

또한, 이 방법에서 제안된 측정 소프트웨어는 이미지 처리를 위해 디스플레이 영역을 회전하고 자르는 활성 디스플레이 영역(RADA)의 자동 등록을 적용한다. 눈에 보이는 스파클 효과를 유발하는 빛의 굴절은 각도의 영향을 크게 받는다.

이러한 이유로 디스플레이에 대한 카메라의 방향은 스파클 측정에서 매우 중요하다. 그러나 최적의 방향과 위치가 디스플레이 회전의 불일치를 설명하지 않거나 디스플레이 주위에 음의 공간을 발생시키는 경우, RADA는 디스플레이의 코너 픽셀 위치를 보고하고 표준화된 x, y 위치에서 의도한 디스플레이 영역의 정확한 측정을 위해 이미지를 자동으로 회전하고 자를 수 있다.

마지막으로, 여기서 정의된 측정 방법은 측정 정확도를 높이기 위해 자동 ‘얼룩 제거(blob removal)’를 포함하는 표준 편차 측정을 위한 소프트웨어 도구를 쓴다. 이 소프트웨어 기능은 커다란 결함이나 결함 영역에 대한 스파클의 효과를 분리하고 측정해 픽셀 결함과 같은 이상 현상을 효과적으로 마스킹하고 표시에 영향을 미치지 않도록 표시한다. 이러한 특징이 없으면, 측정 시스템은 스파클 측정에 대해 넓은 범위의 불일치를 보일 수 있거나 장치마다 다를 수 있는, 관련이 없는 디스플레이 결함 때문에 스파클 허용 오차에 대한 보고 실패를 나타낼 수 있다.

2. 인간 인식에 기초한 효과적인 디스플레이 평가

AG 레이어가 디스플레이 품질에 미치는 영향을 평가하는 두 번째 목적은 AG 디스플레이 품질에 대한 사람의 시각적 인식과 상기 효과(스파클, 헤이즈, 확산/섬광, 색상)의 정량화할 수 있는 측정을 연관시키는 기능이다. 이런 상관관계는 디스플레이 전반에 걸쳐 측정된 높은 평균 휘도 변화가 장치에서 장치로 가는 디스플레이 품질의 상대적인 인식, 또한 ‘허용할 수 없는’ 스파클 수준에서 순위가 ​​매겨지는 것으로 이전 연구의 스파클에 대해 입증됐다.

그러나 이러한 연구는 사람의 인식에 따라 반복적인 스파클 측정에 필요한 시스템 매개변수, 또는 셋업(최적 장비, 작동 거리, 노출 시간과 같은)을 포함한 표준 방법을 제공하지 못했다. 반복성이 높은 지각 기반 품질 관리를 위해 유사한 시스템을 구현하려는 제조업체의 경우, 모든 테스트 환경에서 결과를 복제하기 위해 시스템 매개변수를 정의해야 한다.

디스플레이 품질에 대한 인간의 인식과 상관관계가 있는 측정값을 얻지 못하는 스파클 측정 방법은 평가를 목적으로 한 AG 디스플레이의 허용 가능성을 결정하는 기준으로서 ‘골든 샘플(golden sample, 최고 품질이라고 여겨지는 디스플레이)’에 의존할 수 있다. 디스플레이 벤치마킹에 이상적인 골든 샘플을 얻기 위한 정의된 프로세스가 없기 때문에 이 방법의 반복성에는 문제가 있다.

여기에서 제안된 방법은 OEM에서 수행한 초기 연구에 의존해서 인간의 인식과 측정값에 관한 품질에 대해서 공급업체 디스플레이의 샘플을 순위를 매긴다. 이 연구는 디스플레이 품질에 대한 허용 오차가 각 OEM에 공급되는 디스플레이 품질에 기초하고, 품질에 대한 사용자 정의 허용 오차가 공급업체마다 변동에 기초하도록 보장한다. 이 때문에 휘도 변화에 대한 절대 허용 오차를 허용 범위로 제안하는 스파클 측정 방법은 비효율적이다. 단일 디스플레이 선택을 평가하는 인간 관찰자의 단일 연구에 근거한 기준 값, 또는 마진은 자체 공급업체와 품질 표준을 가진 각 OEM에서 반복할 수 없다.

반복성 스파클 측정을 위한 표준 시스템 매개변수

고객 연구에 근거하여, Radiant Vision Systems는 AG 디스플레이 측정을 위한 시스템 사양과 표준 매개변수를 개선해 반복할 수 있는 스파클 측정 방법을 보장하고, OEM 또는 공급업체 시설에서 달성할 수 있는 일관된 결과를 확보했다. 여기에서 정의한 스파클 측정 방법은 픽셀 레벨의 휘도 변화 분석을 위한 고성능 광도 측정 이미징 시스템을 인간 인식 연구를 결합해 OEM이 디스플레이 품질에 대한 인간의 평가와 일치하는 공급업체와 시설에 표준 스파클 허용 오차 값을 설정할 수 있도록 한다.

다음 내용에서 측정 시스템은 표시 품질에 대한 인간의 시각적 인식과 반복할 수 있는 결과를 일치시키기 위해 표시된 정확한 기하학, 광학, 소프트웨어 매개변수로 정의된다.

Radiant는 본사 시설에서 2, 8, 16, 29메가 픽셀 해상도 CCD가 장착된 Radiant ProMetric® I Imaging Colorimeters, 50 mm 전자 제어 렌즈, Radiant TrueTest™ 자동 시각 검사 소프트웨어로 실험실 기반 테스트를 수행해 스파클 측정 방법을 문서화했다.

고정 장치(카메라와 디스플레이 장착용 브레드보드 표면)로서 여러 조건에서 몇 가지 반복 연구를 통해 디스플레이 스파클(픽셀 레벨 변화)에 대한 가장 일관된 측정 결과는 아래 매개변수를 써서 달성할 수 있음을 알 수 있다.

카메라

스파클 측정 방법의 반복성은 ProMetric I Imaging Colorimeter를 써서 달성되며, 데이터 일관성에 대한 몇 가지 뚜렷한 이점을 제공한다. 이 카메라는 CCD의 휘도 레벨을 정확히 해석하고 정량화하기 위해 이미지 노이즈를 줄이는 열에너지 냉각 센서를 갖췄다. 넓은 다이내믹 레인지는 카메라가 더 큰 강도 범위의 휘도에서 가장 많은 휘도 값을 캡처할 수 있도록 해주며, 휘도 값이 높거나 낮을 때에도 각 CCD 픽셀에 대해 피크 레벨 휘도 변화가 정밀하게 측정된다는 것을 뜻한다.

캡처된 값을 측정할 수 있는 신호 또는 노이즈로 정확히 식별할 수 있다. 이러한 이점과 29 메가 픽셀에 대한 높은 CCD 센서 해상도를 결합해 ProMetric 시스템이 극도의 정밀도로 전체 디스플레이를 이미지화할 수 있도록 한다(디스플레이의 스파클 심각도가 다른 경우 디스플레이의 모든 영역을 측정).

마지막으로 각 ProMetric 카메라는 특정 측정 거리, 조리개 설정, 휘도와 색상에 맞게 출고 시 보정되어 각 카메라, 테스트 대상 장치, 애플리케이션에 대한 측정을 최적화한다. 각 ProMetric 시스템에 적용되는 교정 수준은 일관된 데이터를 얻기 위한 테스트 시나리오 전반에 걸쳐 이러한 시스템을 매우 신뢰할 수 있게 한다.

여기서 설명한 측정 방법을 정의하는 데 쓰인 실험실 기반 테스트는 ProMetric 시스템을 단색 모드로 적용했다. 그러나 ProMetric I Imaging Colorimeter에는 CIE와 일치하는 컬러 필터가 포함돼서 절대 픽셀 수준의 색도 변화를 측정해 AG 구조가 디스플레이 컬러에 미치는 영향을 평가할 수 있다. ProMetric I Imaging Colorimeter와 같은 단일 시스템으로 휘도와 색도 측정을 수행하는 기능은 디스플레이 컬러에 대한 AG 필름의 효과가 전체 디스플레이 품질 평가에 필요할 때에도 유리하다.

소프트웨어

데이터 수집과 이미지 분석은 Radiant의 TrueTest Automated Visual Inspection Software로 이뤄지며, 이 소프트웨어는 테스트 시퀀싱(sequencing) 프레임 워크에서 휘도와 색상 측정을 위한 도구를 갖추고 있어 여러 가지 디스플레이 특성을 신속히 평가한다. 이 소프트웨어는 자동 이미지 회전과 자르기를 위한 RADA, 표준 편차 계산에 영향을 미치는 디스플레이 전반의 그레이디언트 정규화를 위한 그레이디언트 필터, 스파클 계산에서 표시 결함, 결함 영역의 영향을 제거하기 위한 얼룩 제거(스파클 측정을 위한 랜덤 뮤라 도구의 일부)와 같은 고급 이미지 처리 기능들이 있다.

측정 설정

AG 필름 표면의 기하학적 구조는 디스플레이에서 나오는 빛을 여러각도에서 굴절시킨다. 이 때문에 AG 디스플레이는 측정 정확도를 위해 정확한 각도 허용 오차로 측정해야 한다. 각 디스플레이에 대해 일관된 수직 위치와 정확한 거리가 유지되면 맞춤 측정 거리가 가능하다. 디스플레이는 회전이나 기울기 없이 카메라의 광축 중앙에 있어야 한다. 정의된 방법에서는 안정성을 확보하려는 목적으로 디스플레이와 카메라를 모두 고정하기 위해 브레드보드(breadboard)를 쓴다.

디스플레이의 검출할 수 있는 형상의 정확한 x, y 위치를 카메라 CCD에 매핑하는 것 또한 CCD 평면에서 디스플레이 표면까지의 정확한 거리에 의존한다. 이것은 반드시 카메라 앞면과 디스플레이까지의 거리와 같은 것은 아니다. CCD 평면은 설정 중 기준점으로 쓸 카메라의 외부 하우징에 표시해야 한다. 정의된 방법은 ProMetric I Imaging Colorimeter를 쓰는데, 이는 카메라의 회색 하우징이 양쪽의 검정색 면판과 만나는 CCD 평면에서 측정해야 한다.

TrueTest 소프트웨어에서 ProMetric I의 초점 거리까지의 물리적 거리 오프셋은 0.017 m이다. 0.5 m의 측정 거리를 원하는 경우, ProMetric I 시스템의 디스플레이에 도달하는 최적 카메라 거리는 카메라의 CCD 평면(내부 CCD 위치)에서 디스플레이 표면까지 0.483 m이다. 카메라의 각 면을 측정해 정확한 수직 정렬을 보장해야 한다. ProMetric I 시스템과 연결된 TrueTest 소프트웨어와 함께 제안된 설정을 이용하면 소프트웨어 내에서 초점 거리까지의 실제 거리를 0.017 m로 설정해야 한다.

TrueTest 소프트웨어는 소프트웨어 정렬 창(Software Alignment Window)과 테스트 이미지를 써서 디스플레이의 정확한 정렬과 방향을 보장하는 데 쓸 수 있다(아래 참조). 이 그릴 패턴 테스트 이미지는 DFF Black Mura와 같은 다른 애플리케이션에서 카메라 정렬에 쓰인다. 테스트 이미지는 카메라와 디스플레이 사이의 오프셋 정렬과 회전을 계산하기 위해 소프트웨어에서 기준점으로 쓸 수 있는 5개의 점을 표시한다. 정렬이 완료되면 포커스 모드에서 TrueTest를 써서 카메라가 디스플레이 중심을 측정하도록 최적화됐는지 확인할 수 있다.

측정 영역과 관심 영역(Regions of Interest, ROI)

스파클의 효과는 제안된 ProMetric 측정 시스템을 써서 단일 이미지로 전체 디스플레이에 걸쳐 측정하거나, 디스플레이 영역 내의 서브 프레임을 재서 측정할 수 있다. 전체 디스플레이 측정은 스파크가 더 많거나 적게 나타나는 지역과 같이 디스플레이의 모든 이상 현상을 캡처하는 데 유리하다. 측정을 위해 제한된 서브 프레임을 적용하는 경우 이러한 최솟값과 최댓값을 놓칠 수 있다. 단, 서브 프레임 측정은 여전히 ​​일반적이다.

서브 프레임을 쓰는 경우 측정 영역은 보통 디스플레이의 중앙에 있다(카메라 시스템이 디스플레이에 올바르게 정렬돼 있고 디스플레이 중앙에 최적의 초점이 있음). 측정 영역은 전체 디스플레이 또는 서브 프레임이 측정에 쓰이는지 여부와 관계없이 최적의 정확도를 위해 여러 개의 동일한 ROI로 나뉘어야 한다. 앞서 언급했듯이, 이 방법은 단일 값 측정보다 더 완전한 결과를 달성한다. 디스플레이의 다른 영역에서 변동성을 개별로 가중치를 부여한 다음 집계하지 않고 평균화하기 때문이다. 예를 들어, 정의된 측정 방법은 분석을 위한 적절한 픽셀 수를 얻기 위해 디스플레이 중심에 있는 TrueTest 소프트웨어의 500×500 픽셀 서브 프레임을 설정한다.

서브 프레임 영역은 9개의 영역(3×3)에 대해 분할되고 측정돼 각 ROI의 국부적인 휘도 변화에 대한 표준 편차(σ)를 결정한다. 그런 다음 각 ROI의 결과를 평균 내서 서브 프레임 전체의 픽셀 수준 변동 비율을 찾는다. 표준 편차 측정에서 오류를 유발할 수 있는 디스플레이의 그레이디언트의 잠재적 영향을 표준화하려면 측정 프로세스 중에 그레이디언트 필터를 적용해야 한다. 이 필터는 기본으로 TrueTest 소프트웨어에서 쓸 수 있다. <다음호에 계속>

자료 제공: Radiant Vision Systems(www.RadiantVS.com)