Display-Qualifizierung 6-Achsen-Roboter im Einsatz für die Display-Messtechnik

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Alte Messmethoden stoßen bei gekrümmten Displays, im Fahrzeug und bei höheren Präzisionsansprüchen an ihre Grenzen. Wir haben bei Dr. Armin Wedel (DFF/Fraunhofer) und Dr. Ingo Rotscholl (TechnoTeam) nachgehakt: Was bringt die nächste Generation der Messtechnik?

Herr Dr. Rotscholl, Sie haben auf dem DFF-Summit ein roboterbasiertes System für die Display-Messtechnik vorgestellt. Welche technischen Herausforderungen löst es konkret?

Das System arbeitet mit einem 6-Achsen-Industrieroboter, der mit einer Kamera sowie optional mit einem Spektrometer ausgestattet ist. Die zentrale Herausforderung besteht in der präzisen Positionierung: Das Kameramesssystem muss exakt senkrecht auf das Display ausgerichtet sein und einen minimalen Messabstand einhalten. Dabei sind der Display-Winkel, der Kamera-Winkel und das winkelabhängige Abstrahlverhalten des Displays entscheidende Faktoren.

Bisher waren dafür mechanisch-optische Bänke mit speziellen Achsen erforderlich, die nicht verkippen durften. Im Automotive-Bereich mit seinen individuellen Halterungen bedeutete das einen enormen Aufwand. Unser System richtet sich dagegen kamerabildbasiert automatisch aus. Das Display wird zunächst grob positioniert und angezeigt. Innerhalb von Sekunden stellt sich der Roboter senkrecht dazu. Eine spezielle Kabelführung bis in die sechste Achse verhindert das Aufwickeln der Kabel, was für die geforderte Flexibilität im Labor von entscheidender Bedeutung ist.

Wie präzise arbeitet das System bei goniometrischen Messungen?

Dr. Rotscholl: Für winkelaufgelöste Messungen um einen konkreten Punkt benötigen wir sehr genaue Abstandsmessungen, um ein 'Eiern um den Messpunkt' zu vermeiden. Diese hochpräzise Abstandsermittlung dauert entsprechend länger. Inklusive der Einrichtung des nachgeschalteten Systems benötigen wir etwa fünf Minuten. Die reine Ausrichtzeit liegt jedoch im Sekundenbereich – mit deutlich höherer Reproduzierbarkeit als herkömmliche Methoden.

Bei gekrümmten Displays können wir die Objektive jeweils senkrecht zur entsprechenden Oberflächennormale ausrichten. Ein Kunde mit stark gekrümmtem Display hat das bereits erfolgreich eingesetzt. Auch Fahrerperspektive-Messungen lassen sich bei goniometrischen Scans integrieren.

Sie erwähnten bildbasierte Verfahren für Umgebungslicht-Messungen. Wie funktioniert das technisch?

Dr. Rotscholl: Das Verfahren basiert auf einer studentischen Abschlussarbeit in unserem Haus und nutzt die automatische Ausrichtung auf Testbilder. Über exakte geometrische Kalibrierdaten der Kamera können wir die Kameraposition präzise bestimmen. Aus dem Bild und dem direkten Reflex lässt sich alles weitere berechnen.

Das Problem bisheriger ISO-15008-Messungen: Bereits kleinste Ausrichtungsfehler von zwei Grad können, je nach Reflexionsverteilung des Displays, eine hundertprozentige Abweichung verursachen. Manche Automotive-Displays sind in den kritischen Fahrer-Beifahrer-Blickwinkeln sensitiv. Unser bildbasiertes Verfahren zeigt diese Sensitivität direkt im Bild und ermöglicht die simultane Vermessung vieler Reflexionswinkel.

Welche neuen Display-Technologien stellen die Messtechnik vor Herausforderungen?

Dr. Rotscholl: Full Array Local Dimming (FALD) ist ein wichtiges Thema, auch in den DFF-Arbeitsgruppen. Statt eines globalen Backlights arbeitet die Technologie mit einer LED-Matrix – quasi einem niedrig aufgelösten monochromen Display im Hintergrund für die lokale Hintergrundbeleuchtung. Das erhöht den Kontrast und spart Energie.

Die messtechnische Herausforderung ist der sogenannte Halo-Effekt: Um helle Elemente entsteht der typische LCD-Light-Leakage-Effekt, das ist ein Lichthof mit schlechterem Kontrast zum schwarzen Hintergrund. Bei beweglichen Elementen im Kombiinstrument könnte das ablenkende oder irritierende Effekte erzeugen, wenn das Backlight nicht schnell genug reagiert.

Herr Dr. Wedel, wie entwickelt das DFF Standards für neue Technologien?

Dr. Wedel: Im DFF sind aktuell drei Arbeitsgruppen aktiv. Diese entwickeln Spezifikationen für derzeit sehr wichtige Themen wie das Switchable Privacy SP(D) und Full Array Local Dimming FALD. Gerade diese beiden Themen führen zu neuen Festlegungen, die in unserer Übersicht auf der DFF-Website zu finden sind. Entscheidend ist: Messverfahren müssen technologieneutral bleiben. Ein OLED darf nicht systematisch besser als LC-Displays erscheinen, nur weil das Verfahren entsprechend formuliert wurde. Diese Balance erfordert intensive Diskussionen mit den Herstellern und gemeinsame Messungen.

Wie funktioniert die internationale Zusammenarbeit in der Standardisierung?

Dr. Wedel: Unser Joint-Meeting mit dem International Committee for Display Metrology (ICDM) war sehr aufschlussreich. Das ICDM-Dokument umfasst etwa 5.000 Seiten. Das ist ein wahres 'Buffet an Methoden' für TV, AR, VR und HDR. Sie löschen nie alte Verfahren, markieren sie höchstens als obsolet, um die wissenschaftliche Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten. Wir konzentrieren uns bei der Standardisierung ausschließlich auf Automotive-Displays.

Das ICDM muss hingegen alle denkbaren Anwendungen abdecken: Fernseher, die mal an der Wand hängen, mal auf einem Sideboard stehen, Zuschauer in einem oder fünf Meter Entfernung, verschiedene Betrachtungswinkel. Diese Variationsbreite ist enorm.

Durch unseren Automotive-Fokus können wir deutlich spezifischere und praxisnähere Standards entwickeln, während das ICDM sehr allgemeine, flexible Verfahren definieren muss. Trotz dieser unterschiedlichen Ansätze arbeiten beide Organisationen nach ähnlichen transparenten Prinzipien: jede Firma eine Stimme, klare Abstimmungsprozesse, dokumentierte Kommentare.

Welche Hardware-Innovationen kommen in der Display-Messtechnik?

Dr. Rotscholl: Wir arbeiten an mehreren Ansätzen. Ein wichtiges Thema sind Sensor-Bewegungen zur Moiré-Unterdrückung – unser 'Micro-Shaking'. Das Problem kennt jeder: Fotografiert man ein Display mit dem Smartphone, entstehen störende Streifenmuster – beispielsweise sogenannte Moiré-Effekte und Aliasing-Strukturen. Das passiert durch die Überlagerung der regelmäßigen Pixelstruktur des Displays mit der Sensorstruktur der Kamera.

Der Kamerasensor bewegt sich minimal während der Aufnahme, und zwar nur wenige Mikrometer. Diese winzige Bewegung eliminiert die störenden Strukturen effektiv. Der Vorteil gegenüber der bisherigen DFF-Standard-Methode der Defokussierung: Wir verlieren kaum Details. Beim Defokussieren wird das Bild leicht unscharf gemacht, was zwar Moiré reduziert, aber feine Strukturen verwischt.

Ein zweiter Innovationsbereich sind flüssiglinsen-basierte Objektive. Diese ermöglichen variable Fokusabstände ohne mechanische Bewegung und sind damit ideal für schnelle Anpassungen bei verschiedenen Messabständen, insbesondere im Umfeld AR/VR.

Besonders spannend ist die Sensor-Fusion von Spektrometer und Kamera am Robotersystem. Hier können wir verschiedene Messdaten intelligent kombinieren. Die beiden Datensätze validieren sich gegenseitig und erhöhen die Messgenauigkeit erheblich. Das praktische Ergebnis: robustere, schnellere und genauere Messungen, die besonders wichtig bei den steigenden Qualitätsanforderungen moderner Displays sind.

Wie bewerten Sie KI-Einsatz in der Messtechnik?

Dr. Rotscholl: Bei Software-Entwicklung und Support sehe ich großes Potenzial. KI kann schnell fundierte Antworten zu DFF-Standards geben und erklären, wie man Blickwinkel-Messungen – unseren Gleichförmigkeits-Standard – mit bestimmten Messsystemen umsetzt.

Bei Auswerte-Algorithmen bin ich skeptisch. Deep Learning wird schon länger in der Produktion für spezifische Aufgaben eingesetzt. Aber wenn ein Sprachmodell bei identischen Rohwerten einmal 'in Ordnung' und beim nächsten Mal 'nicht in Ordnung' sagt, ist das inakzeptabel. Bei deterministischen Algorithmen mit ein bis zwei Parametern weiß ich genau, wo ich ansetzen muss. Bei KI-Modellen kann man schnell ins Rätselraten verfallen.

Was bedeuten diese Entwicklungen für die Praxis?

Dr. Wedel: Laborakkreditierungen nach ISO 17025 werden im europäischen Automotive-Umfeld immer wichtiger. Parallel arbeiten wir in den Arbeitsgruppen an spezifischen Aufgabenstellungen. Denn nur so kann man Standards mitgestalten und Entwicklungen früh erkennen.

Dr. Rotscholl: Der Hardware-Bedarf hängt stark von der spezifischen Messaufgabe ab. Bei flexiblen OLEDs beispielsweise reicht für Standardmessungen wie Leuchtdichte oder Farbwerte häufig die vorhandene Hardware aus. Anders verhält es sich bei präzisen Messungen in sehr dunklen Graustufen dimmbarer OLEDs: Hier brauchen wir spezielle, hochsensitive Hardware. Entscheidend ist das Detection Limit – also wie tief das System noch messen kann. Dafür gibt es klare Kennwerte aus technischen Reports der CIE als Orientierung, die auch in DFF-Spezifikationen referenziert werden – allerdings nur die notwendigen, nicht unnötig viele.

Ein interessanter Sonderfall sind Pillar-to-Pillar-Displays. Das sind die extrem breiten Displays, die sich über das gesamte Armaturenbrett erstrecken. Messtechnisch bringen sie zunächst keine neuen Herausforderungen mit sich, sie sind schlicht sehr breit. Das Problem liegt in der praktischen Umsetzung: Gleichförmigkeitsmessungen sollen idealerweise in einem einzigen Kameraschuss erfolgen. Unsere DFF-Gleichförmigkeitsmessspezifikation fordert jedoch mehr als ein Kamerapixel pro Displaypixel für ausreichende Auflösung. Bei Pillar-to-Pillar-Displays wird das kritisch: Vertikal haben wir ausreichend Pixel, aber horizontal erfassen wir das Display kaum vollständig.

Unsere Lösungsoptionen für diese speziellen Displays sind: Kameras mit höherer Pixelzahl, was aber nur bedingt hilft, Algorithmen für Bilderfusion mehrerer Aufnahmen sowie geänderte Auswertungsstrategien, statt einem Bild eben zwei oder drei. Die Entscheidung hängt vom Anwendungsfall ab: Entwickeln wir Hardware für Ein-Schuss-Aufnahmen? Schaffen wir Algorithmen für vorhandene Hardware? Oder überlassen wir den Herstellern die Wahl der Strategie? Roboterbasierte Systeme und bildbasierte Verfahren setzen neue Maßstäbe in Präzision, Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit. Das ist entscheidend für die steigenden Qualitätsanforderungen, nicht nur im Automotive-Bereich, sondern in allen Display-Anwendungen. (heh)

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