行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
有機發光二極體顯示器之自動光學瑕疵檢測與亮度校正研 究
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC93-2212-E-011-025-
執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣科技大學自動化及控制研究所
計畫主持人： 蔡明忠 共同主持人： 阮張榮
報告類型： 精簡報告
報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 94 年 10 月 29 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
有機電激發光面板之光學檢測與亮度補償研究 Research of automatic defect inspection and luminance
Calibration for OLED Panels
計畫編號：NSC93-2212-E-011-025
執行期限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
主持人：蔡明忠 國立台灣科技大學 自動化及控制研究所 副教授 共同主持人：阮張榮 華夏技術學院電子系 副教授
計畫參與人員：李振豪、柯宗誼、周千惠
一、摘要
本研究針對有機電激發光面板，運用線 性內插計算原理，設計出補償電路，藉以提 高面板發光亮度的均勻性。以電荷耦合相機 (CCD)進行發光亮度檢測取像前，以最高電 壓驅動面板來進行亮度灰階調整與校正，並 裝置濾鏡濾光以避免 CCD 飽和。經由計算影 像各區的平均灰階值，再以線性內插運算方 式算出面板中所有畫素應補償的值，儲存於 記憶體內。並以表單查詢(LUT)方式使面板 所有畫素訊號在輸出顯示之前，先透過補償 電路進行資料轉換，再將補償後資料傳送至 顯示暫存器，以使面板的發光亮度均勻性得 到較好的結果。本研究以 64×16 之單色面板 進行實驗，並製作一全點亮治具以電壓驅動 方式做區域檢測，在補償前的面板亮度均勻 性為 87.84%，經過本研究之補償電路補償後 的亮度均勻性為 98.47%，其均勻性提高了 10.63%，已經非常接近 99%，印證本方法是 一個效果相當不錯且可行的設計。
關鍵字：有機電激發光、補償電路、亮度檢 測、均勻性
Abstract
This study focuses on the uniformity compensation of organic electro luminescence (OEL) panels. According to the linear
interpolation theorem, we design the compensation circuit to improve luminance uniformity of the panel. At first, the gray of panel must be adjusted and calibrated before inspecting the luminance uniformity by charge-coupled device (CCD). A filtered lens is used to avoid CCD saturation. The system computes the compensation value of all pixels and stores the data on the memory through the linear interpolation equation. Before appearing all pixel signals on the panel by look-up table (LUT), the original pixel signal should be compensated to transmit the register. We made a lighting fixture on a 64x16 panel. From the experiment of results, the display uniformity is 87.84% by using a constant voltage driving method. After compensation with the proposed method, it is improved to 98.47%. The uniformity is improved about 10% and the total uniformity is very close to 99%. Therefore, it shows that the voltage compensation method for an OEL panel is a useful design.
Keywords: Organic electro luminescence (OEL), compensation circuit, luminance inspection, uniformity
二、緣由與目的
顯示器面板如果有任何瑕疵點，例如：
亮點、暗點、亮度不均勻等問題，則將使得
顯示畫質不佳，進而不被消費者所接受，然
而目前業界生產有機電激發光面板檢測方式
卻以人工方式居多，若是我國能自行開發相
-1-
關的自動化檢測設備，將可提高生產效率，
降低成本，控制產品的品質，那將有助於提 昇我國「兩兆雙星」產業的國際競爭。有機 電激發光面板的檢驗包括壽命測試[1]，基礎 的光電響應量測系統[2]，皆有論文討論，而 在面板像素的發光亮度檢測上著墨較少，但 是發光亮度不均勻問題[3]卻是一直無法根 除的困擾。亮度不均勻的現象，將造成圖像 資訊觀看時的失真，而此問題在大型平面顯 示器上將更為嚴重。
目前在電視等級的大尺寸面板，均勻性 要求在 75%以上；電腦及監視器等級的中型 尺寸面板，均勻性要求在 80%以上；然而在 消費性產品的小尺寸面板，如手機、MP3、
數位相機以及 PDA 等，到目前為止都還未要 求均勻性的相關規範。為此亮度不均勻性問 題，許多研究學者嘗試由顯示器表面材質的 改良，或針對製程的改良使發光材料的塗佈 更為均勻，或試著讓光經過多層薄膜以改善 亮度不均勻現象，甚至可對色彩過濾薄膜做 改良，但其成效有限，能有 85%的亮度均勻 性堪稱不錯的結果[4]。由於大多數的研究人 員將此亮度均勻性問題歸咎於材料問題，使 得克服亮度均勻問題變成材料改良問題，因 此提高平面顯示器的亮度均勻性成為材料以 及製程的一大挑戰。本研究嘗試以電荷耦合 相機(CCD)取代售價昂貴的輝度計，進行顯 示器面板的發光亮度檢測，並提出一個亮度 補償方法，補償顯示面板的發光亮度。用此 方法克服亮度均勻性的最大優點是其幾乎可 達 99%的亮度均勻性，但又不需太高的成本。
三、研究方法
亮度檢測方式
面板發光亮度的檢測方式，常用的是根 據美國國家標準協會(ANSI)所制定的 9 區檢 測和 13 區檢測標準，而本研究則是使用 32 區檢測。
1. 9 區檢測
所謂 9 區檢測，顧名思義就是量測面板 的 9 個區域，也就是將一塊面板平均分成相 同的 9 等份區域，然後去量測每一區域中心
的發光亮度，如圖 1 所示。其中 l 為面板長 度，w 則是面板寬度。
2. 13 區檢測
13 區檢測則是量測面板的 13 個區域，
也就是除了原本的 9 區量測所量測的 9 個區 域之外，另外增加了 4 個區域，這 4 個量測 區域的位置分別是在面板 4 個角，距離邊的 中心點 10%的位置，如圖 2 所示。這 4 個區 域分別就是要檢查面板的 4 個角落，因為在 面板的 4 個角落處，比較容易因為製程及設 備等因素，造成亮度不均的問題，因此後來 較新的檢測規範大都採 13 區檢測方式進 行；另一個原因是因為現在的面板越做越 大，所以必須量測更多的點。
3. 32 區檢測
將面板均等分為 32 個區域，每個區域點 亮中心的 4 個 pixel 做亮度檢測，如圖 3 所 示。因本研究所使用的面板為 4:1 並非 4:3，
所以採用 32 區檢測。
1 2 3
4
7
5 6
8 9
l/3 l/3 l/6
w/6w/3w/3w/6
l/6
w
l
圖 1 9 區檢測示意圖
2 3 4
6
1 0
7 8
1 1 1 2
l/3 l/3 l/6
w/6w/3w/3w/6
l/6
w
l 1
9
5
1 3 w/20
l/20
圖 2 13 區檢測示意圖
圖 3 32 區檢測示意圖
均勻性計算方式
面板發光亮度之均勻性的計算方式，就 是以上一節所提到的亮度檢測方法，將面板 分為數個等份區域，分別測量每個區域中心 點的亮度，再把量測到亮度的最小值除以最 大值，最後再乘上百分比，即是此面板發光 亮度的均勻性百分比，如式(1)。百分比越高 表示均勻性越佳，面板畫素顯示的越均勻，
在人類視覺感受上越舒服。
發光亮度均勻性(Luminance Uniformity)為：
( )
% 100 1
max min ×
−
−
=
ave Uniformity
L L
L L (1)
其中 L
max為 L[1], L[2], L[3], ……, L[13]
之中，最大的亮度值；L
min是 L[1], L[2], L[3], ……, L[13]之中，最小的亮度值；而 L
ave則是 L[1], L[2], L[3], ……, L[13]的平均 亮度值。
發光亮度補償原理
平面顯示器的面板在鄰近的區域，亮度 變化的差異性不大，若兩鄰近畫素的距離Δd 夠小時，畫素與畫素之間亮度的差異，可視 為線性的連續變化，因此可以利用線性內插 的方式，做亮度均勻性的補償值運算。
1. 線性內插運算
若驅動電壓為 V，導通時間為 T，使得 有一區域最高亮度為 L
max，A1 區亮度 為 L[A1]，A2 區亮度為 L[A2]，且若 L
max> L[A1] > L[A2]。為了讓 A1、A2 均發出 L
max之亮度，所以補償 A1 區之
導通時間為
] 1 [
max 1
1
L A
T L T ′ = ×
，如此將補
償 A1 之亮度使得 L′ [A 1 ] =L
max；補償 A2 區之導通時間為
] 2 [
max 2
2
L A
T L
T ′ = × ，如此也將補償 A2 之
亮度使得 L′ [A 2 ] =L
max。而其它未經量測之 點的補償值計算方法如下：
2 1 1 2
D C C D D
Cx = D + (2)
L
max：所有檢測的區域中，最亮區域的亮度 值
P
x：某一未檢測的畫素
A1、A2：面板發光亮度檢測的兩個區域 L[A1]、L[A2]：A1、A2 之亮度
C1、C2：A1、A2 所必須補償之值 C1=L
max-L[A1]
C2=L
max-L[A2]
P
x：A1 和 A2 之間的某個畫素 C
x：P
x所必須補償之值
D：A1 區域到 A2 區域的 pixel 距離 D1：A1 區域到 Px 區域的距離 D2：Px 區域到 A2 區域的距離
C1L[A1] L[A2]C2
D
L[x]Cx
A1
Px
A2 D2
D1
y
x Lmax
圖 4 線性內插運算 2. ACLUT 建立原則
區域補償查詢表單 (Area Compensation Look Up Table, ACLUT)是由每一區所檢測 出的亮度，與鄰近區域做線性內插補償運算 所建立。由式(2)計算出區域內各畫素的補償 值 ，將原始資料與補償值 做運算，最後將 運 算 所 得 到 的 補 償 資 料 儲 存 於 各 區 的 ACLUT，如圖 5(a)所示。
3. 表單查詢補償原理
區域補償原理是將上述儲存在記憶體當 中的 ACLUT，以定址電路方式選擇該區域 的 ACLUT，將原始資料轉換成補償後資料。
也就是影像信號及複合同步訊號經 ADC 後
的原始資料在再送至面板驅動 IC 的暫存器
之前，會先經區域補償的 LUT 轉換成補償後
-3-
的資料，再送至面板驅動 IC 的資料暫存器。
影像顯示的原始資料準備送至面板驅動 IC 的暫存器前，我們利用定址電路，也就是 一種解碼電路，將目前要送進暫存器的資 料，先解碼出它所隸屬的區域 LUT 位址，然 後定址到其相對應的位置進行資料轉換。
若目前傳送顯示資料為第 5 行第 1 列畫 素的原始資料，解碼出它所隸屬的 LUT 位址 為 LUT01，然後定址到 LUT01 的相對應位 置，將原始資料轉換成補償資料，完成資料 轉換之後再送到面板驅動 IC 的顯示資料暫 存器中，如圖 5(b)所示。
4. 補償電路設計
顯示時影像信號及複合同步訊號會送至 類比/數位(ADC)轉換電路，將類比訊號轉換 為數位訊號，並且同時還會送至同步信號分 離電路，將訊號分成水平同步訊號(H.S.)和垂 直同步訊號(V.S.)，再分別送到鎖相迴路(PLL) 以及位址解碼器，PLL 也會將 Pixel clock 訊 號送至位址解碼器、 ADC 以及面板上的資料 驅動晶片。類比/數位轉換電路將影像的顯示 資料轉換成數位訊號後，經過區域補償查詢 (ACLUT)電路，將顯示資料與補償資料做運 算，然後將補償過後的顯示資料再送至資料 驅動晶片，以供面板顯示，如圖 6 所示。
A C L U T 15 Original Data * C32
14 Original Data * C32
. .
LUT32 . .
. .
1 Original Data * C32
0 Original Data * C32
15 Original Data * C31
14 Original Data * C31
. .
LUT31 . .
. . .
. 1 Original Data * C31
. 0 Original Data * C31
. . .
. . .
. . .
. . .
. . .
. 15 Original Data * C01
. 14 Original Data * C01
. . .
LUT01 . .
. .
1 Original Data * C01
0 Original Data * C01
圖 5 區域補償查詢表單
A C L U T
. . .
. . .
. 15 Original Data * C01
第5行第1列 . 14 Original Data * C01
. . .
Original Data LUT01 . .
. .
1 Original Data * C01
0 Original Data * C01
圖 5(b) 表單查詢補償原理
ADC ACLUT
面 板
Address Decoder 同步信號 PLL
分離
Data Driver
Gate Driver
Pixel_ck H.S.
V.S.
Column Address
Row Address
Display Video Camera Data
影像訊號 及複合同 步訊號
圖 6 補償電路方塊圖
圖 7 本研究之全點亮 OLED 治具(96*16)
實驗結果與討論
在 CCD 擷取影像之前，必須先做 CCD 的水平及垂直校正，以確保影像的水平及垂 直度；亦可在取像之後，利用影像處理方法 做座標轉換處理。透過鏡頭的選擇及焦距的 調整，將擷取影像調整至我們所要的解析度 大小，並將 CCD 灰階和輝度的轉換關係式量 測出來，如圖 8 所示，為 CCD 灰階和輝度的 轉換關係圖，即每單位灰階變化值代表 11nits 左右。
1. 面板特性量測
面板的一些特性，如電壓與電流、電壓
與輝度、電壓與灰階、電流與輝度以及輝度 與灰階等，以定電壓方式驅動面板，並量測 電流值。電壓由 3.0V~6.0V，每間隔 0.1V 量 測一次，繪製電壓電流特性曲線，如圖 9 所 示。再點亮面板中間區域，量測輝度值與灰 階值。電壓由 3.00V~5.75V，每間隔 0.25V 量測一次， CCD Camera 所擷取的影像與輝 度和灰階之關係如表 1 所示。繪製電壓輝度 特性曲線，如圖 10 所示，並繪製電壓灰階特 性曲線，如圖 11 所示。以定電流方式驅動面 板，並量測輝度值。電流由 25μA~250μA，
每間隔 25μA 量測一次，如表 2 所示，並繪 製電流輝度特性曲線，如圖 12 所示。
圖 8 灰階與輝度關係圖
圖 9 電壓電流曲線圖
圖 10 電壓輝度曲線圖
圖 11 電壓灰階曲線圖
圖 12 電流輝度曲線圖
表 1 影像灰階輝度對照表
-5-
表 2 I-B 特性表
光圈
16 25 222
16 50 481
16 75 723
16 100 987
16 125 1184
16 150 1489
16 175 1796
16 200 1991
16 225 2245
16 250 2498
輝度 (Nits) 電流 (µA)
2. 補償前均勻性檢測分析
檢測亮度及均勻度是使用三片相同的 64×16 面板，第一片面板編號為Ⅰ，第二片 面板編號為Ⅱ，第三片面板編號為Ⅲ。將面 板等分為 32 個區域，每個區域點亮中心的 4 個 pixel 做亮度檢測，並建立各區的 LUT，
如圖 13 所示，為區域檢測影像。
圖 13 區域影像檢測圖
120 122 126 130 128 125 120 118
121 124 126 132 128 126 122 121
121 123 128 130 130 126 126 122
121 120 125 126 128 125 124 120
圖 14 面板Ⅰ補償前各區灰階值
圖 15 面板Ⅰ補償前灰階均勻場圖
圖 16 面板Ⅰ補償前灰階空間強度圖 (1)第一片面板Ⅰ在未補償前利用 CCD 取像
檢測所計算出各區的灰階值，如圖 14 所 示，最高灰階值為 132，最低灰階值為 118，面板亮度均勻性為 88.76%，並將上 述量測所計算出的灰階值，繪製成均勻 場圖以及空間強度圖，如圖 15 及圖 16 所示，由圖可以很容易的看出，面板的 發光亮度是不均勻的，最亮的地方在面 板的中央及偏左，較暗的地方在四周。
(2) 第二片面板Ⅱ在未補償前利用 CCD 取像 檢測所計算出各區的灰階值，如圖 17 所 示，最高灰階值為 131，最低灰階值為 120，面板亮度均勻性為 91.21%，並將上 述量測所計算出的灰階值，繪製成均勻 場圖以及空間強度圖，如圖 18 及圖 19 所示，由圖可以很容易的看出，面板的 發光亮度是不均勻的，最亮的地方在面 板的正中央，較暗的地方在兩邊。
(3) 第三片面板Ⅲ在未補償前利用 CCD 取像 檢測所計算出各區的灰階值，如圖 20 所 示，最高灰階值為 131，最低灰階值為 116，面板亮度均勻性為 87.84%，並將上 述量測所計算出的灰階值，繪製成均勻 場圖以及空間強度圖，如圖 21 及圖 22 所示，由圖可以很容易的看出，面板的 發光亮度是不均勻的，最亮的地方在面 板的中央及偏右，較暗的地方在四周及 偏左。
121 123 124 126 126 126 125 123
120 122 126 128 129 126 123 121
122 125 127 131 131 128 125 123
122 124 127 129 129 127 124 120
圖 17 面板Ⅱ補償前各區灰階值
圖 18 面板Ⅱ補償前灰階均勻場圖
圖 19 面板Ⅱ補償前灰階空間強度圖
119 122 122 126 123 122 125 122
120 120 123 127 129 125 125 126
120 118 121 125 128 124 126 128
116 118 123 124 131 122 125 122
圖 20 面板Ⅲ補償前各區灰階值
1 2 3 4 5 6 7 8
1
2
3
4
120 125 130
圖 21 面板Ⅲ補償前灰階均勻場圖
圖 22. 面板Ⅲ補償前灰階空間強度圖 將第Ⅲ面板利用圖 8 之灰階與輝度關 係，可將計算所得到的灰階值，轉換還原成 輝度值，如圖 23 所示。將補償前之各區量測 之灰階值轉換還原成輝度值之後，繪製成補 償前轉換之輝度均勻場圖以及補償前轉換之 輝度空間分布圖，如圖 24 及圖 25 所示。
1209 1242 1242 1286 1253 1242 1275 1242 1220 1220 1253 1297 1319 1275 1275 1286 1220 1198 1231 1275 1308 1264 1286 1308 1176 1198 1253 1264 1341 1242 1275 1242
圖 23 面板Ⅲ補償前各區轉換之輝度值
圖 24 面板Ⅲ補償前轉換之輝度均勻場圖
圖 25 面板Ⅲ補償前轉換之輝度空間分布 3. 補償後均勻性檢測分析
選擇均勻性較差的面板 Ш 進行亮度補
償，補償後的面板和補償前一樣分別以定電 壓 4.75V 之灰度 11 點亮檢測面板 32 個區域 的中心 4 個畫素，利用 CCD 取像檢測之灰階 值。32 個區域中，最高灰階值為 132，最低 為 130，計算出補償後面板的亮度均勻性為 98.47%，利用圖 8 之灰階與輝度關係，可將 計算所得到的灰階值，轉換還原成輝度值，
如圖 26 所示。將補償後之各區量測之灰階值
轉換還原成輝度值之後，繪製成補償後轉換
之輝度空間分布圖如圖 27 所示。由圖可以非
常容易看出面板的發光亮度均勻性已經提高
了很多。我們可以發現，面板 Ш 補償前的亮
度均勻性為 87.84%，補償後的亮度均勻性為
98.47%，其均勻性提高了 10.63%，已經非常
接近 99%。圖 28 為面板 Ш 經本研究所提出
之亮度補償電路所補償後之全點亮畫面。
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1330 1330 1341 1341 1330 1330 1341 1330
1330 1330 1341 1341 1352 1341 1341 1330
1330 1330 1330 1341 1352 1341 1341 1352
1330 1330 1330 1341 1341 1330 1330 1330
