LMK BlackMURA – Standardisierte Gleichförmigkeitsmessung von Displays

BlackMURA ist ein Mess- und Auswerteverfahren für die niederfrequente Leuchtdichte-Gleichförmigkeit eines Displays, also für jene langsamen, großflächigen Helligkeitsabweichungen, die sich als Lichthöfe, dunkle Ecken oder schleierartige Flächen auf einer eigentlich gleichmäßigen Anzeige bemerkbar machen. Das Verfahren wurde gemeinsam von der German Automotive OEM Working Group Displays und dem Deutschen Flachbildschirm-Forum (DFF) entwickelt und ist als Uniformity Measurement Standard for Displays (aktuell v1.30) veröffentlicht. Es ist Bestandteil der Display Specification for Automotive Application der großen deutschen OEMs; daher steht „BlackMURA" heute praktisch synonym für die niederfrequente Gleichförmigkeitsprüfung an Automotive-Panels.

Der Standard kombiniert zwei Aspekte, die sonst getrennt behandelt werden: eine detaillierte Ausrichtungsvorschrift, damit zwei Labore mit zwei verschiedenen Kameras zum gleichen Ergebnis kommen, und einen definierten Satz an Metriken (helle Gleichförmigkeit, dunkle Gleichförmigkeit und Gradient des Schwarzbildes), der die Display-Qualität in wenigen Kennzahlen zusammenfasst.

Die vier Begriffe beschreiben unterschiedliche räumliche Frequenzen desselben physikalischen Signals (Leuchtdichte als Funktion der Position auf dem Panel):

• Niederfrequente Gleichförmigkeit → BlackMURA. BlackMURA erfasst langsame Helligkeitsverläufe über viele Pixel hinweg, etwa Helligkeitsabfälle von der Mitte zum Rand, abgedunkelte Ecken oder großflächige Mura-Bereiche. Die charakteristische Filtergröße beträgt rund 2,24 mm und leitet sich aus dem Maximum der menschlichen Kontrastempfindlichkeitsfunktion beim typischen Automotive-Betrachtungsabstand ab.
• Hochfrequente Gleichförmigkeit → Display Sparkle. Display Sparkle bewertet Sub-Millimeter-Leuchtdichtevariationen, die durch Anti-Glare-Schichten und die Pixelstruktur entstehen.
• Pixelgenaue Gleichförmigkeit → DeMURA. DeMURA liefert subpixel-genaue Leuchtdichte- und Farbkorrekturdaten für OLED-, MicroLED- und LED-Panels.
• Halo (FALD / Local Dimming). Halo bezeichnet einen wahrnehmbaren Lichthof um helle Bildinhalte auf dunklem Hintergrund bei LCDs mit Full-Array-Local-Dimming-Backlight.

LMK BlackMURA adressiert die erste Kategorie und bewertet dabei stets die gesamte aktive Displayfläche. Es ist die typische End-of-Line- (EOL-)Abnahmemessung in der Produktion und die Laborreferenz für die Prüfung gegen die OEM-Spezifikation. Der 2,24-mm-Boxfilter unterdrückt höherfrequente Inhalte gezielt, sodass das Ergebnis die Wahrnehmung der Fahrerin oder des Fahrers über die gesamte Displayfläche widerspiegelt und nicht jeden einzelnen Pixel im Detail abbildet.

Nach einer initialen Ausrichtung werden zwei Bilder des Displays erfasst und eine Auswertung durchgeführt:

1. Aus der Weißbild-Messung wird die helle Gleichförmigkeit ermittelt. Sie ergibt sich als Verhältnis der niedrigsten zur höchsten Leuchtdichte über die aktive Bildfläche, jeweils nach Anwendung des 2,24-mm-Boxfilters und einer leichten Erosion der Active-Area-Maske.
2. Aus der Schwarzbild-Messung wird die dunkle Gleichförmigkeit auf gleiche Weise berechnet.
3. Zusätzlich wird das Gradientenbild des Schwarzbildes ausgewertet. Sein lokales Maximum erkennt kleine, scharfe Schwarzbild-Defekte, die ein reines Min/Max-Verhältnis übersehen könnte.

Erst die Kombination der drei Werte ergibt ein vollständiges Bild: Die helle Gleichförmigkeit erfasst großflächigen Helligkeitsabfall, die dunkle Gleichförmigkeit zeigt Backlight-Bleed und Kontrastverlust, und das Gradientenbild macht scharfe lokale Mura sichtbar, die durch eine globale Betrachtung sonst untergehen würden. Ein Panel wird gegen die OEM-Spezifikation an allen drei Werten geprüft.

Der DFF-Standard definiert nicht nur Metriken, sondern auch eine schrittweise Setup-Prozedur, die vor jeder Messung durchgeführt werden muss. Die Prozedur besteht aus drei Teilen:

• Geometrische Ausrichtung. Sie begrenzt die Winkel zwischen Kameraoptikachse und Display-Normale auf ≤ 0,5° für jede der drei Achsen und reduziert den lateralen Versatz zwischen Optikachse und Display-Mitte auf weniger als einen Displaypixel. Der Live-Ansichtsmodus der LMK-Leuchtdichtemesskamera wird genutzt, um diese Toleranz interaktiv zu erreichen und zu prüfen.
• Reproduzierbares Defokussieren. Dieser Schritt nutzt ein Linienraster-Testmuster, um einen reproduzierbaren optischen Defokus einzustellen, der Moiré unterdrückt, ohne die niederfrequenten Inhalte zu beeinflussen. Der Defokus wird dabei so eingestellt, dass die Modulationstiefe des 4-Pixel-Rasters typischerweise zwischen 50 % und 90 % liegt.
• Messfeldwinkel-Test: Dieser überprüft, ob der gewählte Messabstand groß genug ist, sodass der Einfluss schräger Blickrichtungen auf die gemessene Leuchtdichte an den Display-Ecken unter 5 % bleibt.

Ohne diese Prozedur können zwei Labore am selben Panel zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen. Die Streuung entsteht dann nicht durch das Panel oder die Kamera, sondern durch die Messgeometrie.

Alle drei Ausrichtungsschritte lassen sich auf der LMK-Position-Roboterplattform automatisieren: Das Live-Leuchtdichtebild führt den 6-Achs-Roboter in die BlackMURA-konforme Pose, und der Messfeldwinkel-Test wird durch laterale Roboterbewegungen ausgeführt.

Der BlackMURA-Standard legt alles fest außer dem Messabstand. Der notwendige Abstand hängt von drei Größen ab, die sich nicht vorab festlegen lassen: dem Bildfeld des Objektivs, der Diagonalen des Panels und der winkelabhängigen Leuchtdichteverteilung des Panels selbst. Letztere fällt bei einem klassischen TFT moderat aus, ist aber bei Panels mit Privacy-Folie oder umschaltbarem Privacy-Modus deutlich ausgeprägter. Solche Panels brauchen daher oft erheblich größere Messabstände, als sich aus Bildfeld und Paneldiagonale allein ergeben würde. Der Standard löst das über den Messfeldwinkel-Test. Das Labor wählt einen Abstand, bei dem dieser Test die 5-%-Grenze einhält.

Für ein klassisches 12,3″-16:9-Automotive-Panel mit einem maximal tolerierbaren Bildfeldwinkel von rund 10° ergibt das einen Messabstand von etwa 1,5 m. Bei modernen Pillar-to-Pillar-Displays wächst der erforderliche Abstand linear mit der Panelbreite; ein 48″-6:1-Pillar-to-Pillar-Display käme so auf rund 5,0 m Messabstand.

In Produktionsumgebungen und kleinen Laboren ist das nicht praktikabel. Genau diese Lücke schließen Kurzdistanz-Korrektur und Image Stitching.

Der Standard begrenzt explizit zwei zentrale Eigenschaften der bildgebenden Leuchtdichtemesskamera (ILMD), denn eine fehlangepasste oder ungleichmäßige Kamera verfälscht das Ergebnis:

• Ungleichförmigkeitsindex f₂₁ ≤ 2 %. Dieser Wert ist der dominante ILMD-Einfluss auf BlackMURA-Ergebnisse. Je geringer die eigene Ungleichförmigkeit des Panels ist, desto stärker schlägt der relative Anteil von f₂₁ durch. Kameras mit f₂₁ > 2 % sind daher nicht zulässig.
• Spektrale Anpassung f₁′ ≤ 5 %. Dieser Index quantifiziert die Abweichung der spektralen Kameraempfindlichkeit von der photopischen Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) und ist relevant, weil sich das Spektrum zwischen Dunkel- und Hellmodus ändert.

Beide Kennzahlen sind in CIE 244:2021 und DIN 5032-10 formal definiert. Alle für BlackMURA eingesetzten LMK-Kameras werden im Rahmen der TechnoTeam-Standardkalibrierung gegen diese Indizes charakterisiert und zertifiziert. Eine zusätzliche geometrische Kalibrierung ist dafür nicht erforderlich.

In einer kompakten Fertigungszelle ist der Messabstand in der Praxis oft nicht realisierbar. Die Kurzdistanz-Winkelkorrektur ermöglicht BlackMURA-Messungen bei deutlich kürzerem Abstand: Die winkelabhängige Leuchtdichteverteilung des Panels wird einmalig erfasst (z. B. mit einem Konoskop-Objektiv) und genutzt, um den Beitrag schräger Blickrichtungen aus der Kurzdistanz-Aufnahme rechnerisch herauszurechnen. Eine einzige Kurzdistanz-Aufnahme liefert dann dieselben Gleichförmigkeitswerte wie eine Langdistanz-Referenz (in der zugehörigen Publikation "Distinguished Paper: Short Distance Uniformity and BlackMURA Measurements" validiert für 350 mm gegenüber 1.100 mm). Derselbe Ansatz ist außerdem der praktikable Weg, um Panels mit von vornherein starkem Winkelabfall (etwa Privacy-Folien oder umschaltbare Privacy-Displays) in Standardabständen überhaupt auf Gleichförmigkeit prüfen zu können.

Grenzen des Verfahrens: Die Korrektur setzt voraus, dass die Winkelverteilung über die aktive Fläche hinweg überall gleich ist; diese Modellannahme kann durch lokale Mura-Defekte verletzt werden. Praktische Empfehlung: Den Messabstand so groß wählen, wie es die Fertigungszelle zulässt, damit die Korrekturfaktoren klein bleiben.

Wenn die Zelle einen noch kürzeren Abstand erzwingt, lässt sich der verbleibende Winkelanteil pro Teilaufnahme weiter reduzieren, indem man die Korrektur mit LMK Image Stitching kombiniert: Jede Teilaufnahme wird mit kleinerem Bildfeld erfasst, die Winkelkorrektur pro Teilbild angewendet und die Teilbilder werden zu einem nahtlosen Gesamtbild in voller Auflösung zusammengesetzt. Damit sind auch bei großen Pillar-to-Pillar-Panels Messabstände von 300–400 mm praktikabel.

OLED- und MicroLED-Panels verhalten sich im Dunkelzustand grundsätzlich anders als LCDs: Jeder Subpixel ist seine eigene Lichtquelle, sodass das reine Schwarzbild tatsächlich „aus" ist; es gibt keinen Backlight-Bleed, der durch eine klassische Dunkel-Uniformitätsmessung erfasst werden könnte. Die reine Schwarzbild-Messung allein ist für diese Panels also wenig aussagekräftig. Der relevante Defekt zeigt sich stattdessen bei niedrigen Grauwerten: Hier wird die Leuchtdichtevariation auf Subpixel-Ebene als grobkörnige Verdunkelung sichtbar, bekannt als DeepGrayMURA. Strenggenommen ist das kein klassischer BlackMURA-Defekt, aber dieselbe Mess-Pipeline erfasst ihn: Die Prozedur wird einfach auf einer definierten niedrigen Graustufe statt auf dem reinen Schwarzbild ausgeführt. LMK BlackMURA setzt das über entsprechende Grauwert-Anpassungen im Testbild um.

Für die pixelgenaue Korrektur in der OLED-Produktion eignet sich das spezialisierte LMK DeMURA. Siehe dazu auch die Applikationsseite zu DeMURA.

Die BlackMURA-Setup-Prozedur (geometrische Ausrichtung auf ≤ 0,5°, lateraler Versatz unter einem Displaypixel, reproduzierbares Defokussieren und der Messfeldwinkel-Test) ist genau der Arbeitsschritt, der am stärksten von einer Automatisierung profitiert. Auf einer 6-Achs-LMK-Position-Plattform:

• Der Roboter fährt die Kamera in eine gespeicherte Pose; das Live-Leuchtdichtebild übernimmt anschließend die Feinausrichtung und führt sie in Sekunden in die BlackMURA-Toleranzen.
• Der Messfeldwinkel-Test läuft automatisch über laterale Roboterbewegungen ab; die 5-%-Prüfung wird zusammen mit der Messung protokolliert.
• Für Kurzdistanz-Messungen mit Stitching fährt der Roboter das Teilbild-Muster reproduzierbar über das Panel; TechnoTeams Advanced-Pixel-Registration- (APR-)Workflow setzt die Teilbilder pixelgenau zu einem Gesamtbild zusammen, ohne dass eine spezielle Aufnahmevorrichtung nötig ist.

Damit wird BlackMURA vom abstrakten Standard zur alltagstauglichen Routinemessung: Die Ausrichtungsqualität hängt nicht mehr von der Erfahrung des Bedieners ab; dieselbe Kamera, dasselbe Objektiv und dasselbe DUT liefern Schicht für Schicht und Labor für Labor dieselben Werte.

Das LMK BlackMURA LabSoft-Add-on ist primär für den Laboreinsatz konzipiert: Entwicklung, Qualifizierung, Prototypenbewertung, Prüfung gegen die OEM-Spezifikation und Ursachenanalyse. Der LabSoft-Workflow gibt der Entwicklerin oder dem Entwickler vollen Einblick in die Messung — Leuchtdichtebilder, Masken, Gradientenbilder und Zwischenwerte sind durchgängig sichtbar. Im Labor ist das ein Vorteil; für eine Bedienperson in der Linie wäre es deutlich mehr Funktionalität als nötig.

Für den Inline- bzw. End-of-Line-Einsatz in der Produktion ist dieselbe BlackMURA-Auswertung daher in den TechnoTeam-LightChecker integriert, ein System, das auf taktzeitgebundene Linienmessungen und eine schlanke Bedienoberfläche zugeschnitten ist. Da der algorithmische Kern identisch ist, fällt ein Panel im Labor und in der Linie nach denselben Kriterien aus.

Kurz: LabSoft fürs Labor, LightChecker für die Linie. Gleicher Standard, gleiche Zahlen.