百万像素为何很重要：高分辨率、像素密集型显示器的测量

多年来，显示器行业呈现出不断朝着更高分辨率屏幕发展的趋势，这些屏幕拥有数量越来越多、尺寸越来越小并且越来越密集地排列在一起的像素。数字图像在20世纪90年代成为市场主流，带有LED背光灯的LCD屏幕则在21世纪初开始流行；LCD 屏幕的销量在2007年超过了老式的阴极射线管（CRT）电视机。此后，OLED和microLED等新技术的出现加速了这一趋势。HD (高清), 4K, 和8K 显示器设备为大众市场带来了高分辨率观看体验。

高分辨率4K电视屏幕【与8K屏幕合称为超高清（UHD）屏幕】的销量预计在全球范围内将持续增长。（图片：IHS Markit）

然而，这些高分辨率屏幕的价格并不便宜，而消费者期望高标价换回的是高性能。消费类电子设备制造商们必须确保他们生产的显示器设备通过明亮、清晰且无缺陷的屏幕提供完美无暇的视觉体验。

在显示器质量方面，制造商们长期以来一直依赖于自动化视觉检测解决方案（“AVI”，也称为“自动化光学检测(AOI)”），比如智能相机和成像系统。通过使用这些工具，制造商们可以快速检测每个显示器面板，以发现缺陷（比如：死像素）和均匀性问题（也称为“Mura”，该词语来自日文，意为“瑕疵”）。对于显示器计量供应商（包括瑞淀）而言，检测系统也呈现出朝着更高分辨率规格发展的趋势，这与显示器行业的趋势是平行的。简而言之，测量高分辨率显示器需要高分辨率系统。

高分辨率不仅对于电视机等大屏幕很重要，而且对于近距离观看的智能手机和智能手表等小型显示器也很重要。用户期望获取水晶般清晰的图像。上图所示：Apple Watch 5 和 iPhone 11 Pro。

我们谈论的是像素吗？还是像素？

我们经常使用“像素”一词，像素可以指代不同的事物。“像素”一词源自“图片元素”，用于描述显示屏的单个发光元素，或者印刷图片的单个墨点。在摄影学中，像素是指相机图像传感器的最小元素（感光点），其可以记录快门打开时进入相机的光线（光子）。传感器像素通过将光子转换为电子来以数字形式存储图像。

显示器检测应用涉及以下两种特定类型的像素：显示器像素和图像传感器像素。当消费类电子产品行业谈论显示器（比如：智能手机、笔记本电脑或电视屏幕）时，一个常见的规格是显示器像素数量。

举例来说，标明像素数量为1520 x 720的显示器设备意味着，屏幕是水平方向具有1520 像素和垂直方向具有720像素的网格。1520 x 760 = 1,094,400像素，这就是整个显示器中的总像素数量。通常，更多的像素 = 更高的分辨率 = 更佳的图像清晰度和显示器质量。

多年来，显示器制造商已经能够缩小显示器像素的尺寸，并将它们排列在更紧密的空间内。这称为减小像素“间距”（像素之间的间距），从而在屏幕上创建更密集的像素阵列和更高分辨率的视觉图像。

当您观察下图中所示的不同显示面板时，请注意下方屏幕（A）中的“点”（显示器像素）如何更大，以及这些“点”之间的黑色空间如何更为明显。此显示器具有较低的像素密度、较少的每英寸像素数量（“PPI”）或较大的像素间距——这些描述具有大致相同的含义。这些像素之间的距离并非很靠近，因此您无法将尽可能多的像素置入给定的区域内。

具有不同像素尺寸、像素间距和每英寸像素数量（PPI）的显示面板示例——所有这些因素都会影响显示器分辨率。

上图中的其他显示器（由前至后）表明，像素大小及像素之间的空间逐渐缩小。最顶端/最后面的显示面板（B）具有尺寸最小的像素，并且像素之间的间距最接近（最小的像素间距），因此该显示器提供最高的每英寸像素数量（PPI）和最高的分辨率。

传感器像素

瑞淀的ProMetric^®相机等成像系统用于测量和检测显示器，以在生产过程中进行质量控制。每款相机都有特定的百万像素（MP）规格——像素数量越多，相机的分辨率则越高。举例来说，随着瑞淀最新产品的发布，我们现在拥有45MP和61MP两种型号（分别具有 4500万和6100万传感器像素）的高分辨率相机。

然而，请不要将传感器像素与显示器像素弄混淆了。当我们谈论ProMetric成像器的百万像素（MP）规格时，我们指的是相机图像传感器上的传感器像素数量。当显示器像素发射光线时，传感器像素将捕捉光线，并将其转换数字信息，然后，我们利用这些数字信息测量亮度值或色度值。

为了对如今的高分辨率、像素密集型显示器进行最准确的评估，非常重要的一点是必须能够采集高分辨率图像，以进行测量和分析。为此，如果您的相机中拥有更多的传感器像素，将会产生很大的不同。

高分辨率相机可以使用更多的传感器像素来测量显示器中更微小的细节。如果相机的像素数量等于或大于显示器的像素数量，则相机的图像可用于区分和测量单个显示器像素。由于低分辨率相机的像素数量少于显示器的像素数量，因此这类相机将不得不使用每个传感器像素对多个显示器像素进行成像，这导致其失去了区分图像中单个显示器像素的能力，并降低了测量精度。

高像素数量将转化为高空间分辨率，这决定了测量系统区分图像中微小细节的能力。举例来说，最左侧的图像具有低像素数量（低分辨率），因此几乎没有可辨别的细节。最右侧的图像具有高像素数量（高分辨率），提供出色的细节和清晰度。

传感器百万像素为何很重要

下面是显示器像素与相机传感器像素之比较概念图示。在这个简化的示意图中，每个方格代表一个像素。如果显示器面板（A）和相机传感器（B）具有相同数量的像素（比例为1:1），则来自每个显示器像素的数据可以被相机传感器上的单个像素完全采集到。

显示器像素与相机传感器像素之比较概念图示。

然而，如果显示器（C）的像素数量比相机传感器（B）的像素数量多得多，这意味着每个传感器像素必须存储多个显示器像素的数据（比例为4:1），这限制了所捕捉的细节量。虽然低分辨率相机可以拍摄显示器的多个图像以捕捉更多的细节，但这会降低检测速度（相应地增加测量或循环时间），这不适用于高速生产线。理想情况下，高分辨率显示器（C）将由高分辨率传感器（D）进行成像，其中多个传感器像素将专门用于采集每个显示器像素的数据——在这个理论性示例中，显示器像素与传感器像素的比例为1:4。

高分辨率成像对于测量每个显示器像素的组成部分也非常重要。在如今的OLED和microLED显示器中，每个像素由三个亚像素元件（红光、绿光和蓝光二极管）组成，每个元件都会产生自己的光。由于每个亚像素的光发射可能会有所不同（导致显示器中出现可见的质量问题），因此显示器测量系统捕捉到亚像素层面的细节至关重要。在理想情况下，测量系统应当通过单个图像（单次相机拍摄）采集到这种细节水平的数据，以跟上高速生产线的速度。

OLED显示器像素的放大视图，每个像素包含一个红光、一个蓝光和两个绿光亚像素元素。

新型高分辨率检测解决方案：ProMetric 45MP和61MP相机

在今年的SID（信息显示协会）2021年显示周(Display Week)研讨会暨博览会上，瑞淀宣布了推出新一代高分辨率系统：ProMetric Y45 和 Y61 成像光度计 以及ProMetric I61 成像色度计。这些产品名称中的“45”和“61”指的是每台相机传感器中的百万像素数量。

通过提高相机分辨率，我们能够将更多的传感器像素应用于每个显示器像素，从而增加了相机可以采集到的细节量——举例来说，这将使我们能够准确测量单个亚像素。此外，瑞淀还开发了软件算法及其他技术，以最大限度地提高我们相机的性能，确保能够以可重复的精度区分和测量显示器像素和亚像素。

瑞淀的产品开发团队在设计测量系统时不断接受挑战，期望在成像细节与成像速度之间取得恰当的平衡，以确保显示器检测的准确性和效率。这意味着生产更高分辨率的成像系统和开发更先进的图像处理方法，以跟上新兴显示器技术不断提高的分辨率需求。

为了解决显示器行业使用现有硬件应对不断提高的显示器分辨率的需求，我们专门开发了建个像素测量方法（美国专利号：9,135,851）和像素分割计算 测量方法（美国专利号：10,971,044）（有关这些方法的更多信息，请阅读我们的白皮书）。这些新型45MP和61MP成像解决方案提升了用户以更多的细节和更高的准确度对最高分辨率的显示器进行成像的能力，同时还可通过单个图像采集到整个显示器的数据，以确保能够在生产线速度下进行测量。

瑞淀的新型ProMetric I61成像色度计（左）和ProMetric Y45成像亮度计（右）。

并非所有像素都是一样的

然而，并非所有传感器像素都是一样的。像素大小和容量（“阱深”）决定了像素可以容纳多少数据（即多少电子），这限制了每个传感器像素的测量精度。此外，传感器像素还存在其他定性差异，比如：动态范围和信噪比（SNR）——用于衡量每个传感器像素采集到的良好信号量（来自显示器图像的电子）与噪声量（来自其他来源的电子）比例的指标。较差的动态范围和大量的图像噪声将会限制测量精度。

在为我们的ProMetric系统选择传感器之前，瑞淀会根据这些标准及其他相关标准仔细测试可用的传感器组件。然后，在装配相机之前、期间和之后，我们会严格测试每种传感器，以确保其性能符合我们的高标准——以及我们的客户所期望的高标准。

Of 当然，除了传感器之外，还有许多其他因素也促进了瑞淀成像系统的卓越品质，包括：

• 电子设备的设计与工程开发，以控制温度和限制热噪声。
• 镜头选择和光学设计，以识别和消除杂散光等问题。
• 镜头标定，以消除广角光学元件的失真或“鱼眼”效应。
• 将滤光片和三色刺激滤色片与高级标定相结合，以确保达到光测量标准（CIE色彩匹配函数）的准确性。
• 业界领先的图像分析和自动化软件：TrueTest™。

目前市场上可见的分辨率最高的显示器之一：三星在其65英寸NEO QLED屏幕上提供3300万像素。（图片© Samsung Display)

通过将高分辨率传感器与精心的工程设计相结合，瑞淀的新型ProMetric成像系统可以对高分辨率、像素密集型显示器高速执行检测，以跟上高速生产线的速度。随着MicroLED、量子点（QD）和其他纳米级显示器像素技术变得越来越普遍，我们的产品组合中新增了 45MP和61MP两种ProMetric产品型号，这使我们能够帮助显示器制造商解决当前和未来遇到的各种测量挑战。