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Displays im Fahrzeug und wie sich ihre Qualität messen lässt

| Autor/ Redakteur: Silke Kirchner * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die unterschiedlichen LC-Displays im Fahrzeug-Cockpit müssen hohen Qualitätsansprüchen genügen. Um die Vorgaben der Automobilindustrie umzusetzen, ist hochpräzise Messtechnik notwendig. Der Beitrag zeigt einen Überblick.

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LC-Displays spielen eine wesentliche Rolle in modernen Infotainmentsystemen. Mit moderner Messtechnik lässt sich die Qualität der verbauten Displays untersuchen.
LC-Displays spielen eine wesentliche Rolle in modernen Infotainmentsystemen. Mit moderner Messtechnik lässt sich die Qualität der verbauten Displays untersuchen.
(Bild: © metamorworks - stock.adobe.com)

Human Machine Interfaces (HMI) im Fahrzeug basieren auf AR/VR-Systemen und Displays. Im deutschen Automobilmarkt gelten strenge Anforderungen an Sicherheit, Benutzerfreundlichkeit sowie integrale Ästhetik. Die Arbeitsgruppe „German Automotive OEM Working Group“ des Deutschen Flachdisplay Forum (DFF)umfasst Vertreter deutscher Automobilhersteller und veröffentlicht regelmäßig die Anforderungen an LC-Displays für das Kfz. Bevor ein OEM ein LC-Display abnimmt, muss die Qualität sorgfältig nach festen Kriterien getestet sein. Neben Know-what und Know-how ist hochpräzise optische Messtechnik gefragt.

Neben technischen Parametern ist es der Qualitätsanspruch an ein Display, der fortlaufend weiterentwickelt wird. Vertreter Deutscher OEMs treffen sich im Rahmen des DFF regelmäßig, um an aktuelle Performance-Anforderungen des Displays zu diskutieren, zu quantifizieren und in Pass/Fail-Kriterien einzuordnen. Die Ergebnisse der Arbeit werden im Dokument „Display Specification for Automotive Application“ [1] veröffentlicht.

LC-Display qualitativ überprüfen

Die Übersicht umfasst mittlerweile über 100 Prüfparametereinträge, additiv Verweisen und Referenzen auf internationale Standards zur Displayprüfung. Die messtechnische Umsetzung einiger Prüfparametereinträge ist im „Display Measurement Specification (DMS) für Automotive TFT-LCDs“ [2] beschrieben, welches vom DFF veröffentlicht wird. Ziel beider Veröffentlichungen ist es, eine objektive, konstante und qualitativ hochwertige Prüfung der LC-Displays für den Gebrauch im Fahrzeug über die gesamte Zulieferkette hinweg zu garantieren.

In den OEM-Qualitätsansprüchen enthalten ist auch, dass 100% der Displays End-of-Line (EOL) getestet werden. Die Prüfzeit pro Display ist für den Hersteller eine kritische Größe für einen effizienten Produktionsdurchsatz. Im EOL-Test muss abgewägt werden, welche der über 100 Prüfparametereinträge die Minimalanforderung an einen ausreichenden EOL-Test sind (Know-what). Weiterhin muss klar sein, wie (Know-how) und wie schnell sich die Testprozedere umsetzen lassen.

Ein Trend für ausreichende Prüfabläufe:

  • Farbe,
  • Leuchtdichtehomogenität,
  • Gamma und
  • Pixeldefekte.

Weitere vorgeschriebene Parameter wie Winkelabhängigkeiten, Temperaturrampen oder mechanische Einflüsse werden in der EOL-Prüfung oftmals vernachlässigt, um das kritische Zeitmaß nicht zu überschreiten.

Die Bestandteile der OEM-Qualitätsbewertung

Bild 1: Berechnung von dominanter Wellenlänge λdom und Farbsättigung gemäß CIE 1931 mit dem Referenzpunkt (x, y) = (0,31271; 0,32902).
Bild 1: Berechnung von dominanter Wellenlänge λdom und Farbsättigung gemäß CIE 1931 mit dem Referenzpunkt (x, y) = (0,31271; 0,32902).
(Bild: Instrument Systems)

Zur Realisierung der OEM-Farbvorschriften müssen die dominante Wellenlänge λdom und Farbsättigung gemäß CIE 1931 mit dem Referenzpunkt (x, y) = (0,31271; 0,32902) für Rot, Grün und Blau bestimmt werden, sowie die Farbkoordinaten für Weiß (Bild 1). Es gelten folgende Grenzwerte für einen erfolgreichen Farbtest:

  • Rot: x = 0,661 und y = 0,306, λdom = 623 +7/-5 nm, Sättigung >85%,
  • Grün: x = 0,298 und y: = 0,662; λdom = 549 +5/-5 nm, Sättigung >80%,
  • Blau: x = 0,137 und y: = 0,067; λdom = 469 +5/-5 nm, Sättigung >90%.

Die Bewertung der Leuchtdichtegleichmäßigkeit eines Displays ist ein kritischer Bestandteil der OEM-Qualitätsbewertung, da die Displays auch bei ungünstigen Bedingungen einwandfrei lesbar sein müssen. Die OEM-Anforderung beruft sich auf den „Uniformity Measurement Standard for Displays“ [3] und fordert einen Prozentsatz von ≥75% für die Leuchtdichtehomogenität im Weißbild und ≥50% für ein schwarzes Testbild.

Verschiedene Pixelfehler im Display

Bild 2: Technischer Aufbau für hochpräzise 2D-Messungen in Produktionsgeschwindigkeit mit einer spektral optimierten Leuchtdichte- und Farbmesskamera.
Bild 2: Technischer Aufbau für hochpräzise 2D-Messungen in Produktionsgeschwindigkeit mit einer spektral optimierten Leuchtdichte- und Farbmesskamera.
(Bild: Instrument Systems)

Bild 3: Zwei-Shot-Gamma-Messung. Oben: Ein Gamma-Testbild enthält neun verschiedene Graustufen, sodass 18 Graulevel mit nur zwei Bildaufnahmen bestimmt werden können. Ein Weißbild dient zur Korrektur von räumlich bedingter Leuchtdichteinhomogenität. Unten: Elektro-optische Kennlinien. Nach der Weißbildkorrektur (rechts) liegt die elektro-optische Transferfunktion des DUT innerhalb des Toleranzbandes (blau gestrichelte Linien) wie von den OEMs gefordert.
Bild 3: Zwei-Shot-Gamma-Messung. Oben: Ein Gamma-Testbild enthält neun verschiedene Graustufen, sodass 18 Graulevel mit nur zwei Bildaufnahmen bestimmt werden können. Ein Weißbild dient zur Korrektur von räumlich bedingter Leuchtdichteinhomogenität. Unten: Elektro-optische Kennlinien. Nach der Weißbildkorrektur (rechts) liegt die elektro-optische Transferfunktion des DUT innerhalb des Toleranzbandes (blau gestrichelte Linien) wie von den OEMs gefordert.
(Bild: Instrument Systems)

Der relative Leuchtdichtegradient muss bei Normalisierung auf den weißen Bildschirm kleiner als 0,02% pro mm sein. Die Hellempfindung des Auges unter photopischen Bedingungen spiegelt sich im Gamma-Exponenten wieder, der aus der elektrooptischen Übertragungskurve extrahiert wird. Um die OEM-Qualitätskriterien zu erfüllen, muss die Leuchtdichte aller 255 Graustufen im Vollbildmodus nacheinander vermessen werden und ein Ziel-Gammawert γ = 2,2 mit einer Toleranz von δγ = 0,2 erreicht sein. Die Anzahl akzeptierter Pixeldefekte für verschiedene Pixeldefekt-Untergruppen ist von den OEMs streng limitiert. Beschädigte Pixel können zu Sicherheitsrisiken führen. Drei Defekt-Gruppen sind durch die OEM kategorisiert:

  • Hot Pixel: Pixel, die sich in einem immer hellen Zustand befinden.
  • Weak Bright Pixel: lassen nur teilweise Licht durch und sind niemals vollständig schwarz oder weiß.
  • Dead Pixel: sitzen in einem ausgeschalteten Zustand fest und lassen kein Licht durch.

Die Qualität wird mit präziser Messtechnik bewertet. Für die Farbe ist eine spektralphotometrische Messung nach ISO 7724-2 vorgeschrieben. Dies impliziert eine Wiederholbarkeit des verwendeten Spektralphotometers besser als 0,001 (absolut) und eine Genauigkeit von 0,002 (absolut). Mit einem Spektrometer korrigierten 2D-Kolorimeter lässt sich schnell eine 2D-Farbbewertung mit spektralradiometrischer Präzision nach OEM Kriterien (sieht dazu Bild 2) durchführen.

Das Kombinationsmesssystem testet Farbe, Leuchtdichtegleichmäßigkeit, Gamma und Pixelfehler gemäß den OEM-Vorschriften in 15 Sekunden je Display. Berücksichtigt werden neun Testbilder (Bild 3) und benutzerspezifische Bedingungen wie Handlerzeit, Dauer der Datenübertragung oder eine Weißpunktkalibrierung werden ausgeschlossen.

Referenzen

[1] German Automotive OEM Working Group, Display Specification for Automotive Application V5.1 (2018)
[2] German Flat Panel Display Forum (DFF), Display Measurement Specification (DMS) for Automotive-TFT LCDs.
[3] German Automotive OEM Working Group, Uniformity Measurement Standard for Displays V1.30 (May 2018)

* Dr. Silke Kirchner ist Produktmanagerin für den Bereich Automotive Interior bei Instrument Systems Optische Messtechnik GmbH in München.

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