提升MicroLED晶圆与微显示器测试效率与精度的光学解决方案

MicroLED显示技术以高对比度、快速响应、宽广色域和长寿命等优势，正逐步成为新一代高端显示应用的热门选择。然而，从晶圆到显示模组的生产过程中，仍存在多项技术挑战，例如：

1. 大规模并行化测试：
在晶圆或显示模组层面，需要在短时间内快速完成对数百万个微小MicroLED的光学表征

2. 计量学限制：
由于MicroLED的发射带宽较窄且存在约5nm的波长波动（wavelength variability≈ 5 nm），测量必须同时具备高光谱分辨率与快速采样能力，才能避免色度与光谱偏差,

3. 硬件要求：
为了快速测试与测量数量达数百万、尺寸为微米级的MicroLED，需要高分辨率光学与相机，以及精确的检测算法，以在低过采样比（Rs）条件下避免图像伪影（由像素栅格/取样不足引起）。

图1:MicroLED微显示器白色测试图案的高分辨率成像细节。

传统的LIV（电流–电压–亮度）积分球测试方法通常需要耗时数小时才能完成一片晶圆的测量，难以满足大规模生产的效率要求。为此，Instrument Systems研究团队开发了一种光谱增强成像光度测量装置（Spectrally Enhanced Imaging Light Measurement Device，ILMD），即 LumiTop 系统。

该系统将高分辨率成像相机与可溯源光谱辐射计相结合，在测量速度与光谱精度之间实现了良好的平衡，适用于晶圆及显示器的快速光学测量。

图2：LIV积分球测试与成像光致发光（PL）测试系统的对比示意图。

量测方法

LumiTop系统基于光谱增强成像原理，结合光谱仪与成像相机进行同步测量与校准。以下介绍其核心方法与实验配置：

1. 色彩校正
在每次成像过程中，系统都会进行实时光谱校正（Live Calibration）。
光谱辐射计提供参考光谱数据，用于修正因制造公差或驱动条件差异造成的光谱变化。该过程确保在不同发光条件下仍能获得一致的色度与亮度结果。
[参考文献1, 2]

2. 实验设置
光致发光测试（Photoluminescence，晶圆测试）
• 测试对象：6 英寸MicroLED 晶圆，包含约1700 万个发光单元
• 拍摄配置：共捕获 165 张拼接图像，每帧包含约 10 万个MicroLED
• 总测量时间：约 5 分钟
该方法通过成像光谱校正，实现晶圆级 µLED 的快速表征。

电致发光测试（Electroluminescence, 微显示器测试）
• 测试对象：RGBW 微显示器，共约 170 万个发光像素
• 像素尺寸：5 µm，像素间距 11 µm
• 拍摄设备：1.5 亿像素高分辨率相机
• 测试时长：数秒内完成单次测量
该方法适用于微显示器的快速亮度与色度测试，具备显著的时间效率优势。
[参考文献3]

3. 单像素/发光单元分析（Single Pixel/Emitter Evaluation, SPE）演算法
SPE演算法针对每个MicroLED 发光单元计算以下参数：
• 主波长（Dominant Wavelength）
• 亮度（Luminance）
• 色度坐标（Chromaticity）
• 三刺激值（Tristimulus Values X, Y, Z）
• 发光区域大小与位置（Emitter Size / Location）
• 纯度（Purity）
该算法可扩展用于缺陷检测与统计分析，为后续显示器的Demura提供数据支持。
[参考文献3]

4. 优化阶梯核滤波（Optimized Stepped Kernel Filters）
在低过采样比（Rs = 2–5）条件下，传统均值滤波（Moving Window Average）可能产生周期性伪影。为此，引入阶梯核滤波器，并通过优化权重分布，使其凹口频率（notch frequency）与采样比 1/Rs精确匹配。
此方法可在较低采样率下有效抑制像素阵列周期信号，提高成像测量的稳定性与可重复性。
[参考文献 4]

图3：MicroLED微显示器的色度测量对比结果。
采用实时光谱校正（Live Calibration）的ILMD测量结果与CAS光谱仪相符，而静态校正方式出现了明显的系统性偏差。

测量结果

1. 测量速度
利用成像式光度测量方法，可在数分钟内完成整片晶圆的测试，而传统的 LIV 测试通常需要数小时。测试时间与发光单元数量呈线性关系，使系统能够在不降低精度的前提下，适用于不同尺寸与密度的 MicroLED 阵列。

2. 测量精度
在采用光谱仪实时校正的条件下，相机获取的色度值与光谱辐射计单独测量的结果高度一致，色差控制在一个色点以内。

3. 灵活性与可扩展性
SPE（Single Pixel/Emitter Evaluation）演算法可根据需求调整分析内容。例如，当测试目标仅为缺陷检测时，系统可显著缩短计算时间（理论上可提高一个数量级）。这种可配置特性使其适用于研发、验证以及生产监控等不同应用场景。

4. 对显示应用的意义
该方法的测试结果可直接用于显示器的像素级亮度与色度校正（Demura）过程，有助于提升显示模组在量产阶段的色彩与亮度均匀性。

5. 优化的阶梯核滤波验证
实验进一步验证了优化的阶梯核滤波在不同过采样比（Rs=2–5）下的有效性。通过调整滤波器权重，使其凹口频率与采样比1/Rs精确匹配，可有效抑制像素阵列造成的取样伪影（sampling artefacts）。这种方法在较低采样率下仍能维持良好的信噪比与空间均匀性。

图4：通过优化阶梯核滤波，可有效去除采样伪影（sampling artefacts）。

应用意义与价值
将成像光度测量设备（ILMD）与光谱仪相结合的测量方法，在 MicroLED 的晶圆与显示模组测试中兼顾测量速度、光谱精度与可追溯性，实现了成像相机（速度）与光谱辐射计（光谱精度）之间的平衡。
这种测量方法：
• 使晶圆级光学测试在时间与成本上更具可操作性。
• 可对每个发光单元进行完整的光谱、空间与色度分析。
• 适用于量产阶段的良率评估与均匀性校正（Demura）流程。
• 为 MicroLED 显示制造提供数据参考与技术支持。

结论
结合高分辨率成像相机、光谱辐射计与实时光谱校正（Live Calibration）的测量方法，在保持色度与光谱测量精度的同时，可将MicroLED晶圆的测试时间由数小时缩短至数分钟。该方法为工业级MicroLED光学量测提供了一种高效且可追溯的技术路径，有助于支援 MicroLED 从研发阶段迈向显示量产化的测试需求。
在不同的显示应用中，校正方式的选择对色度准确度具有关键影响。实时校正方法通过光谱仪的实时参考，并结合被测件（DUT）的发光特性，能够在多种显示技术下保持结果的一致性与可追溯性。与传统方式相比，该方法可有效降低测量误差来源，适用于研发验证与生产测试等场景，支持高精度的色度量测。
此外，优化后的阶梯核移动平均滤波器在低取样比条件下，为混叠与平均处理问题提供了可验证且具数学依据的解决方案。该方法能够精确抑制显示像素矩阵造成的调制效应，在减少过度取样需求的同时，提升量测效率与数据稳定性。

图5：RTS: 面向MicroLED晶圆与显示器量产测试的解决方案

作者简介

Tobias Steinel博士
Instrument Systems GmbH产品经理。长期致力于显示光学测量与高精度光谱系统的研究与开发，主要聚焦AR/VR、微显示器及半导体光源的光谱表征与测试应用。

参考文献
[1] Schanz, R., Fischer, F. and Steinel, T. (2024), 58-3: Impact of Calibration Sources on Accuracy of Chromaticity Measurements of LED based Displays. SID Symposium Digest of Technical Papers, 55: 801-804. https://doi.org/10.1002/sdtp.17649
[2] Steinel, T. and Wolf, M. (2021), 58-3: Invited Paper: Color Uniformity of μLED Displays: New Color Calibration Concept for Fast and Accurate Optical Testing. SID Symposium Digest of Technical Papers, 52: 822-825. https://doi.org/10.1002/sdtp.14809
[3] Tobias Steinel, Habib Gahbiche, Pooja Baisoya, Roland Schanz, (2023), Invited Paper: Rapid Testing of µLEDs and Microdisplays on Wafer. ICDT China, Session 24.3.
[4] Becker, M.E. and Steinel, T. (2025), 30-3: Matched Moving-Window Averaging Filter. SID Symposium Digest of Technical Papers, 56: 397-400. https://doi.org/10.1002/sdtp.18176

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*本文同时发表于 Photonics & Imaging Technology