彩色OLED顯示器之自動化瑕疵檢測及電壓驅動補償機制研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

彩色 OLED 顯示器之自動化瑕疵檢測及電壓驅動補償機制研 究

計畫類別： 個別型計畫

計畫編號： NSC94-2212-E-011-025-

執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 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

計畫參與人員： 周千惠 游舜豪

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 95 年 10 月 30 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

彩色 OLED 顯示器之自動化瑕疵檢測及電壓驅動補償機制研究 Study of automatic defect inspection and luminance

Calibration for Color OLED Panels 計畫編號：NSC 94-2212-E011-025

執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 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 華夏技術學院電子工程系 副教授

計畫參與人員：周千惠、游舜豪 一、摘要

有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode )因其具有自發光性、亮度高、視角廣、

低電壓、效率高、反應快、重量輕、厚度薄 及構造簡單等優點，被視為21 世紀最具發展 性的產品之一。 在檢測方面， 有暗點、刮 傷、亮度不均、色 度不一等問題，本研究乃 針對彩色有機發光二極體面板提出一自動化 亮度檢測及補償機制，以達到面板亮度均勻 性，提昇產品的品質。運用彩度計結合 XY 步進馬達檢測面板各區的 RGB 平均亮度值 及色度座標，並先調整RGB 三色的灰階比例 值校正白平衡，再透過線性運算方式建立補 償表，使面板在輸出顯示之前先透過補償程 式再將補償後資料傳送至顯示器，讓面板的 發光亮度均勻性得到較好的結果。本研究以 96×64 之面板進行實驗，以電流驅動方式點 亮OLED 面板，而白光經由校正灰階值及補 償亮度值後，其CIE 色度座標由[0.28 , 0.34]

偏綠的顏色校正為[0.31 , 0.32]較接近存白光 顏色的區域，而補償後亮度均勻性也由原本 66.47% 提 升 到 91.27% ， 其 均 勻 性 提 高 了 24.8%，印證本方法能有效改善因面板製程 而造成色彩失真及亮度不均的影響。

關鍵字：有機發光二極體(OLED)、亮度均勻 性、彩度計、區域補償表(ACLUT)

Abstract

This study focuses on the uniformity

compensation of color Organic Light Emitting Diode panels. It measured the average luminance and the C.I.E. chromaticity coordinates of RGB of each area panels by a chroma meter. Firstly, the gray levels of RGB were adjusted to obtain the correct white balance. Using the linear interpolation method, the system computes the compensation value of all area in the panel to Area Compensation Look-up table(ACLUT). After the ACLUT compensating mechanism, the luminance uniformity can be improved.

An OLED panel of 96* 64 pixels was driven by a compensated circuit. Before compensation, the C.I.E. chromaticity coordinates of white light is [0.28, 0.34] that is towards the green light, and the luminance uniformity of white lighting is 66.47 %. After the compensation, the C.I.E. chromaticity coordinates of white light is [0.31, 0.32] that is towards pure white light, and the luminance uniformity of white lighting is 91.27 %. The luminance uniformity increases 24.8 %. So it proves that this method can effectively improve the non-uniform luminance which may be caused by manufacture process.

Keywords: Organic Light Emitting Diode (OLED), luminance uniformity, Chorma meter, Area Compensation Look Up Table (ACLUT)

二、緣由與目的

近年來平面顯示器之中小尺寸面板市 場快速成長，又以面板彩色化為主流，如 CSTN、TFT-LCD 及 OLED 等成長相當驚 人。一般中小尺寸應用領域為手機、數位個 人助理、攝影機、車用裝置、迷你型筆記型 電腦及電子表等。當中以手機面板的產值最 高，目前 OLED 已漸漸取代 LCD 為次螢幕 面板，甚至朝向主螢幕發展趨勢。因此世界 大廠商皆對OLED 顯示器投以高度的關注，

紛紛加入OLED 顯示器的研究開發與製作量 產，顯示OLED 產業值得期待。OLED 雖更 具有許多優點可能成為下一世代顯示器主 流。然而此技術目前尚處開發階段，尤其在 量產製程上仍有些許瓶頸尚待克服。而業界 在OLED 生產線上所需之理想像素檢驗機器 也不普遍，加以目前發表之相關研究大多在 材料上，著重發光效率之提升與壽命之增加 等。電子電機人員在此領域較少，針對有機 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]，而在面板像素的發 光亮度檢測上著墨較少。近代影像處理在 軟、硬體表現均較以往有大幅度的提昇與改 進，台灣大學傅楸善教授於 2003 年發表相 關 PLED 影像檢測方式[3]， 利用影像處理 的方式做產品的品管檢測，其並未涵蓋電路 驅動與亮度校正問題。但發光亮度不均勻問 題[4-7]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。

對於顯示器的亮度均勻性規範在電視等 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。但是本著提升人類真善美的動力，以及 隨著材料科技和製程技術的迅速發展，未來 不管是高畫質電視(HDTV)的出現，還是高解 析度的電腦面板及監視器面板，都會慢慢開 始提高對均勻性的要求；甚至是以提高生活 品質為宗旨的3C 消費性產品所使用的小型 顯示面板，也必定都會將均勻性列入產品競

爭力的指標當中。

因此本研究嘗試以標準色度計 CS-200 結合XY 步進馬達，量測全彩 OLED 面板的 R、G、B 亮度值並呈現分佈狀況，利用數值 分析運算各區域需要補償的比例值，建立一 ACLUT，使面板在傳送影像資訊前先經過 ACLUT 作補償值轉換後再顯現到面板上，

以達到彩色控制與亮度補償目的，解決亮度 不均勻問題。希望完成此光機電整合之實用 OLED 檢測技術，期能為此新興產業有所助 益。

三、研究方法

本研究是以全彩 OLED 為研究對象進行 亮度檢測及補償，再利用彩度計CS-200 檢測 OLED 面板的亮度值，再經由數值運算了解 整各面板的亮度分布狀況，建立補償值的 ACLUT，使得面板再顯示畫面之前先經過已 嵌入至積體電路裡的 ACLUT，經補償過後 的亮度值送至控制 IC 再輸出至顯示面板 中，以達到面板亮度均勻的效果。

(一)亮度檢測 1. 量測單位

此 實 驗 檢 測 單 位 為 輝 度(Luminance, cd/m²)，其物理意義為一光源或一被照面之 輝度指其單位表面在某一方向上的光強度密 度，也可說是人眼所感知此光源或被照面之 明亮程度。輝度亦有人稱為亮度亦等於nit(尼 特)。

2. 區域檢測

現行各廠牌公司針對顯示器發光亮度檢 測方法，有分為5 區(sharp)、9 區(HannStar、

Philips)、13 區檢測(LG)，而大多都採用美國 國家標準協會(ANSI)所制定的 9 區檢測及 13 區檢測。目前對於檢測顯示器面板的亮度均 勻性取樣標準不盡相同，並無統一作法，但 檢測取樣的數目越多，則會愈接近整各面板 的實際亮度顯示情況。因此在本研究中，面 板為 96*64 大小，運用線性馬達來移動檢測 平台，移動速度快及解析度達1μｍ，所以將 OLED 面板劃分為 64 區域(8x8,如圖 1 所 示)，以提高亮度均勻性檢測的準確度。

圖1 64 區檢測示意圖 3. 均勻性計算方式

在平面顯示器中，發光的亮度與發光亮 度的均勻性，是相當重要的規範之一。如果 顯示器的四周與中間的發光亮度不一樣，對 使用者而言，在視覺的感官上是不太舒適 地，尤其越大的面板均勻性會越差，相對就 越顯得均勻性的重要性，像是TV 電視及廣 告看板顯示器等，因其面板尺寸較大，對均 勻性的要求越高。因此如何使FPD 的顯示均 勻性提高，一直是業界研究設計的方向。對 於面板發光亮度之均勻性的計算方式有幾種 方式，有些是取中間亮度值與周圍亮度值的 比值當為均勻度，也有將測得的最小亮度值 除以最大亮度值即為此面板的均勻度。而本 研究多考慮整個面板的亮度平均值，其為將 面板分為數個等份區域，分別測量每個區域 中心點的亮度，再把量測到亮度最大值減最 小值除以平均值，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)。

其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。

面板發光亮度均勻性計算方式為：

( )

% 100 1 ^{max min} ⎥×

⎦

⎢ ⎤

⎣

⎡ −

−

=

ave Uniformity

L L

L L (1)

如以13 區檢測為例，其中Lmax為L[1], L[2], L[3], …, L[13]中最大的亮度值；Lmin是 L[1], L[2], L[3], … L[13]中最小的亮度值；而 Lave則是L[1], L[2], L[3], ……, L[13]的平均 亮度值。

(二)補償方法

實驗中量測出64 區域中心亮度值，其每 一區域的亮度值皆不大相同，依照面板的材 料特性及面板製程上的限制有所差異，但一 般面板大多是周邊亮度值會低於中間亮度 值，尤其以四個角落更為明顯。而本研究根 據量測面板的RGBW Gamma 曲線(圖 2)，可

發現灰階值與亮度值呈線性比例，因此可利 用線性運算方式作亮度均勻性的補償值運 算。

圖2 OLED 面板之 RGBW Gamma 曲線 1. 線性內插運算

平面顯示器面板在鄰近區域之間的亮度 變化差異性不大，若兩鄰近的畫素的距離△d 很小時，畫素與畫素之機亮度的差異可假設 為線性的連續變化，因此可以利用線性內插 方式運算未量測點的補償值，作亮度均勻性 的補償運算。本研究將96*64OLED面板，區 分為8*8 矩陣區塊，取中心點共 64 點為控制 點及測亮度，其中測得最高亮度值區域之亮 度值為T，第一區的亮度為 ，第二區亮度 為 ，而為了讓一、二區均可發出T 亮度，

所以補償兩區域的灰階值，提升其發光亮 度，達到亮度均勻性。補償數值公式及其他 未經量測點的補償值計算公式推導如下，此 方法為計算出各區域的補償比例後，依比例 建出區域性補償表，圖 3 為示意圖。M

M1

M2

1、 M2為量測區域像素 1,2 的量測值，T為目標 值，X 、₁ X 為量測區域 1 與 2 之間未檢測₂ 的 區 域 像 素 ， 設 區 域 間 之 距 離

l l l

l₁ = ₂ = ₃ = ，且 ，運用內差公 式可推導各區域的補償值 、 。

2 1

3 C C

d = −

1

Cx C_x2

1 3 1

1 1 3 3(

d = d = C −C₂)

2 3 1

2 2

( ) 3 3

d = d = C −C₂ (2)

1

C =x _{1 1} 2 ₁ 1 3 3 C −d = C + C₂

2

C =x _{1 2} 1 ₁ 2 3 3

C −d = C + C₂ (3)

其中 、 即為 、 之補償值。

因此補償數值公式如(4)所示，其中 為各區 域

1

Cx C_x2 X₁ X₂ Ki

X 的補償比例，而 g 則是原始色階值。此i

式適用於R、G、B 三色之補償運算。

( )_{i i}* ( )_i

f X =K g X , _i 1 C^xi

K T

⎡ = + ⎤

⎢ ⎥

⎣ ⎦ (4)

圖3 線性補償示意圖

2. 線性內插運算 (1) 建立 ACLUT

將影像顯示的訊號分成水平訊號(H.S.) 和垂直同步訊號(V.S.)，經過補償查詢(LUT) 電路，將顯示資料與補償資料作運算，然後 補償過後的顯示資料再送至資料驅動晶片，

以供OLED 面板顯示，呈現高亮度均勻性的 畫 面 。 域 補 償 查 詢 表(Area Compensation Look Up Table ,ACLUT)是由每一區所檢測 出的亮度與最高亮度值(補償目標值)作線性 運算所建立。圖4 為面板補償流程圖。

LUT 64(R)

× 64(G)

× 64(B) Display

Data

Area Counter Pixel-ck

Hs Vs

Compensated data output Data

圖 4 面板亮度補償流程圖 (2) ACLUT 查詢原理

將此補償表放置於顯示資料輸入端，依 顯示位址找到補償對應表，即可進行亮度均 勻補償動作。此 OLED 亮度檢測共建立 64 筆資料的LUT 補償表，假設補償後值為C′， 補償前原始亮度值為 C，而 i 表示為第 i 區 域，則LUT 補償表裡的每一筆資料可表示為 以下式子

Ci

Ci′ = × K_i i=0,1,2…64 (5) K 為各區域i X 的補償比例，由式(4)得知。 _i

(3) 補償程式設計

由位置電路傳送水平訊號至面板驅動晶 片及傳送垂直訊號觸發顯示器的暫存記憶體 與區域補償查詢表(ACLUT)的區域。依照需 顯示的 Pixel 經由位置開關可得知其位於的 區域及補償值，因此原始資料可經過ACLUT 與補償資料做運算，然後將補償過後的顯示 資料送至資料驅動晶片，以供面板顯示。

3. 系統架構

本實驗以驅動裝置點亮所需檢測的面 板，控制線性馬達XY-table 移動面板檢測區 域，再以高精度亮度量測之色度計量測發光 區域亮度，以供電腦分析使用，圖 5 為系統 架構圖與實體圖，其中包含XYZ 步進馬達平 台、CS-200 分光色度計、OLED 全彩 Panel、

驅動電路板。CS-200 架設在 Z 軸平台上，為 求實驗的準確性，當目鏡校準完成後，Z 軸 不再移動。而為求檢測面板可水平放置、不 偏斜，製作一塊符合面板尺寸的鋁擠型放置 θ 軸上，同樣為了實驗的準確性，位置校準 後就不再移動。而此系統是以 Visual Basic 6.0 程式語言開發系統程式，整合 CS-200 與 XY-table 設備傳輸，透過人機介面控制系統 動作，人機介面主要畫面有硬體設備的參數 設定及檢測數據、馬達座摽位置顯示，還可 即時觀測檢測的區域。

圖5 系統架構圖 四、研究成果

本實驗主要檢測一大小為 96*64 的全彩 OLED 面板，採用 CS-200 分光式色度計作量 測，以XY-table 承載 OLED 面板，定距離移 動座標，達到自動化檢測64 區域亮度值。檢 測實驗條件：(1).在暗室環境下進行檢測。(2).

檢測面板開啟電源後經 5 分鐘後再進行量 測。(3). 每一檢測面板均進行 64 區域量測，

而且在同一檢測點重複檢測 10 次。因 OLED 面板製程材料關係，使得紅光材料的 亮度最低再來是藍光，而綠光的亮度是最高 的。因此可得知當 RGB 三色灰階皆為 255 時，本應顯示純白光，但因三色的亮度值差 異很大所以此時白光呈現較偏綠的顏色，因 此在做亮度檢測前，先校正面板的灰階，使 面板呈現的顏色不失真。再針對RGB 三色個 別做檢測及補償，最後檢測白光補償前後的 均勻性作比較。

(一)灰階檢測與校正

依據所量測出的RGB 三色 gamma 曲線 (圖 6)，從圖中發現三色的 gamma curve 皆是 線性曲線，而綠光亮度最高可達57.35 nits、

藍 光 最 高 為 33.96nits 、 紅 光 最 高 為 29.82nits，因 RGB gamma 曲線皆不相同因此 導致白光偏綠色[0.28 , 0.34]，所以此實驗以 紅光曲線為基準，將藍光及綠光的 gamma 曲線校正至與紅光的gamma 曲線一致。校正 後的RGB gamma 曲線如圖 7 所示，其斜率 約為0.1，代表 10 灰階值顯示 1 單位亮度值 (nits)，根據運算出的 RGB 三色校正灰階比 例值為[1.00：0.52：0.88]，而校正後三色的 gamma 曲線已相當趨近了。經校正後，白光 [0.31 , 0.32]較趨近於真正白光需顯示的區 域，此結果證明調整gamma 曲線可校正白光 灰階的色度。

圖6 RGB gamma 曲線

圖7 初步校正後 RGB gamma 曲線 (二) RGB 亮度檢測及補償

本實驗檢測的對象為彩色OLED 96x64 的面板，將面板分為 64 各區域， CS-2005 之量測範圍為1^o(約 4 Pixels)分別對每一區域 的中心點量測10 次，再取平均值當其區域代 表值。而實驗中各別檢測紅光(R)、綠光(G)、

藍光(B)不同灰階值的 64 各區域亮度值(如圖 8 所示)，可根據(4)的線性內插方法算出其他 同一列未量測的112(8×14)各區域亮度值，而 偶數列未量測區域則由直接由上下區塊取平 均值來估算，所以一OLED面板共有 330 區 域亮度值(如圖 9 所示)，觀測其分布狀況，

再建立適當的ACLUT。最後做補償後的亮度 檢測，驗證經由ACLUT補償過後的面板是否 提高了亮度均勻性。

圖8 64 區域亮度值(R-200)

圖9 線性內插算出的 330 區域亮度值 1. 紅光檢測

檢測紅光在不同灰階值下的區域亮度值 分佈是否一致及面板均勻度情況。而以灰階 值200、128、64 各別作檢測，紅光灰階 200 量測出的各區域亮度值，根據式子(1)所述的

亮度均勻性計算公式，計算出亮度均勻性為 76.39% ， 紅 光 灰 階 128 的 亮 度 均 勻 性 為 74.77%，紅光灰階 64 的各亮度均勻性為 75.75%，所以紅光之補償表採用灰階 200 的 補償比例值，補償後的R-200 亮度均勻性為 92.05%、R-128 亮度均勻性為 90.34%、R-64 亮度均勻性為82.40%。

2. 藍光檢測

藍光灰階200 亮度均勻性為 81.67%，灰 階128 的亮度均勻性為 81.36%，灰階 64 的 亮度均勻性為81.31%。依藍光的亮度分佈圖 可看出與紅光的亮度分佈情況相似，面板底 部最亮，四周為偏暗。而藍光在不同灰階值 的亮度均勻性表現很一致，約為81%。以綠 光之補償表採用灰階200 的補償比例值，補 償後的B-200 亮度均勻性為 92.718%、B-128 亮度均勻性為 90.99%、B-64 亮度均勻性為 87.02%。

3. 綠光檢測

綠光灰階 200 量測出的亮度均勻性為 85.78 % ， 灰 階 128 的 其 亮 度 均 勻 性 為 85.97%，灰階 64 的亮度均勻性為 86.38%。

從綠光的三個亮度分佈圖看出面板亮度呈現 不均勻情形，與紅光及藍光的亮度分佈狀況 相似，其面板上方最暗及四周圍偏暗。而以 此面板的綠光均勻性來看，其亮度均勻性介 於85%~86%，比紅光的均勻性表現好很多，

且綠光的發光亮度也比紅光及藍光高出許 多，以灰階200 來看，綠光平均可顯現約 47 nits 的亮度，而紅光只可表現出 28 nits 的亮 度，藍光則約30 nits 的亮度。所以綠光之補 償表採用灰階200 的補償比例值，補償後的 G-200 亮度均勻性為 93.887%、G-128 亮度均 勻性為90.36%、G-64 亮度均勻性為 88.66%。

RGB 三色補償後的亮度分佈圖可發現 亮度大多都提升到最高亮點了，但還是有些 區域過補償，可是以全面板均勻性來看，均 勻度提高不少，可看出紅光補償較好，灰階 200 的均勻度提高約 16%，而藍光的均勻度 大約提升 10%，綠光的均勻度提升較少，最 高約 8%，雖均勻度沒辦法達到 100%，但以現 今面板的規格來說，90%的均勻度也算很高 了。

(三)校正補償後白光均勻度檢測

此實驗综和前述之灰階校正及亮度補償 機制，將面板原始資料先經過灰階校正程式

的修補，然後再由建立好的亮度補償表補償 需提升的亮度，補償前的白光由已校正好的 三色灰階比例值點亮後做量測，而補償後的 白光則是經過校正及補償後的面板點亮做量 測，其校正補償的過程，先經過已先設好的 gamma Scaler 校正色階，然後再經過 floating 的 ACLUT 補償亮度值以提高亮度均勻性。

以下為以白光做檢測的實驗。

圖10 為白光補償前的亮度分佈圖，此面 板顯示的白光已經過白平衡調整後，此調整 的RGB灰階比為[1:0.52:0.88]，其平均亮度為 84.65 nits，亮度均勻性為 66.47%，最大亮度 為63.46 nits、最小亮度 45.68 nits、平均亮度為 53.03 nits，從亮度分佈圖可看出面板上方亮度 較低及四周圍亮度比中間亮度低的狀況。而 補償前白光的亮度均勻性皆低於紅、藍、綠 三色的亮度均勻性。圖11 補償後白光亮度分 佈 圖 ， 校 正 補 償 後 的 白 光 亮 度 均 勻 性 為 91.27%，由圖中可看出亮度較平坦及均勻。

補償後白光的亮度均勻性提昇了 24.8%，其 提升均勻性的效果非常好。

0 2 4 6 8 0

2 4

6 8 35

40 45 50 55 60 65

Row W

Column

nits

圖10 白光補償前亮度分佈圖

0 5

10 15

0 5

10 15

20 35

40 45 50 55 60 65

Row CW

Column

nits

圖11 白光補償後亮度分佈圖

五、結論

基於人眼檢測的不穩定性與因製程或材 料上造成亮度不均的瑕疵，本研究開發一自 動 化 亮 度 檢 測 及 補 償 之 系 統 。 此 系 統 以 CS-200 彩度計搭配 XY 步進馬達再配合 PC-Base 建立一自動化檢測系統，利用高精 度及靈敏度高的彩度計檢測面板的亮度值，

其檢測速度最快為0.5 秒/次，再結合微步進 馬達精準定位面板位置達全面性檢測功能，

步進馬達解析度為1μm，可運用在檢測小尺 寸面板上。實驗結果分三部份：(1)首先針對 三原色RGB 檢測 Gamma 曲線，發現三色曲 線皆不相同，尤其以白光最為明顯，CIE 座 標位在[0.28,0.34]，其顏色偏向綠色。所以首 先校正RGB 的灰階比值，使其三原色的配色 能符合 CIE 座摽。根據本實驗面板 RGB 灰 階比為[1:0.52:0.88]，而校正後白光的 CIE 位 置位在[0.31,0.32]，已相當符合白光的標準區 域位置[0.33,0.33]。(2) 針對彩色面板的亮度 均勻性檢測，本研究以三原色RGB 為補償標 準，各別檢測RGB 面板的亮度值，再依據本 研 究 所 提 出 的 線 性 補 償 方 法 建 立 一 ACLUT，使面板經補償過後可提升亮度均勻 性，其 RGB 亮度均勻姓提升 9%~15%，而 RGB 各灰階補償前後的標準差也明顯降 低，總體來看以紅光補償效果最佳。 (3) 檢 測 校 正 後 未 補 償 前 的 白 光 均 勻 性 為 66.47%，然後經線性補償後，白光的亮度均 勻性提高到91.27%，大大提升了 24.8%，證 明此研究提出的軟體補償機制是可行的，未 來希望能真正落實在產業上。

六、致謝

感謝國科會計畫NSC 94-2212-E011-025 提供研究補助。

七、參考文獻

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