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    [分享]如何測量液晶投影顯示器(從色度學與ANSI測試規範談起) [复制链接]

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    光币
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    光券
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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2007-02-01
    在新一代顯示器的發展上,談到液晶顯示器,一般總是會讓人聯想到LCD Monitor,但其顯示尺寸受限於成本與現有技術,仍以20英寸以下產品為主流,中尺寸的顯示器中,則以PDP最具有明日之星的味道,而在50英寸以上的大尺寸顯示器的市場中,液晶投影顯示器,相信將是成本與技術考量下的最佳選擇。 1~`fVg  
    Hqx-~hQO  
    隨著液晶面板量產技術的逐漸成熟,解析度與開口率也大幅提升,使得液晶投影機的品質逐漸超越CRT型三槍投影顯示器。在日本各大家電廠商紛紛加入生產液晶投影機之後,幾項重要組件如LCD等價格大幅降低,使得液晶投影機的成本得以降低,進而使其在大尺寸顯示器市場中的重要性與日俱增。單槍式液晶投影機在亮度與畫質上,近年來都有長足的進步,加上在重量與體積上的優勢,其市場的快速發展有目共睹。然而在液晶投影機光學規格的測量與標示方法上,各廠家卻有相當的差異,雖然先前有兩項美國國家標準(ANSI IT7.288-1990和ANSI IT7.215-1992)可作參考,但是這兩項標準並不完全適用於現今發展的投影顯示器,所以在1996年推動新標準的訂定,而有後來新的美國國家標準(ANSI/ NAPM IT 7.228-1997)的發表,以針對含LCD、DLP、LCOS等固定解析度之單槍投影機,建立一套適用的規格標準,以下即針對色彩的度量與ANSI規範內容做一整理介紹。 *?>T,gx}  
    CL;}IBd a  
    色彩如何度量 uEP*iPLD@  
    Tc:)- z[o  
    CIE 1931 配色函數 (Color Matching Functions) qLG&WB  
    A#<?4&  
    人眼對色彩的感知是一種錯綜複雜的過程,為了將色彩的描述加以量化,國際照明協會(CIE)根據標準觀測者的視覺實驗,將人眼對不同波長的輻射能所引起的視覺感加以紀錄,計算出紅、綠、藍三原色的配色函數,即所謂的CIE 1931 Color Matching Function,如圖1所示。而根據此配色函數,後續發展出數種色彩度量定義,使人們得以對色彩加以描述運用。 [;yOBF  
    ) 7@ `ut  
    照度與各種色度的意義 h0f;F@I  
    F6|]4H.3Q  
    SmH=e@y~Lx  
    fu ,}1Mq#  
    在投影機的測試方面,需要量測照度(illuminance)與色度(chromaticity)。照度的單位為Lux,是單位面積所接受的光通量。色度表示又有 (x, y)和(u', v')兩種,下面分別加以介紹。 ZzpUUH/r  
    70nqD>M4  
    根據CIE 1931配色函數,將人眼對可見光的刺激值以XYZ表示,經下列公式換算得到x, y, Y值,即CIE 1931(x, y)色度坐標,透過此統一標準,對色彩的描述便得以量化並加以控制。 5yo%$i8I  
    5`  ~JPt  
    x, y:CIE 1931色度坐標值(Chromaticity Coordinates) q`a'gJx#y  
    Y:照度 yYYSeH  
    &64h ;P<  
    由於以 (x, y) 色度坐標所建構的色域為非均勻性,使色差難以量化表示,所以CIE於1976年將CIE 1931色度坐標加以轉換,使其所形成的色域為接近均勻之色度空間,讓色彩差異得以量化表示,即CIE 1976色度坐標,以(u', v')表示,計算公式如下所示: U&OJXJd j  
    Bahm]2  
    餘弦修正(Cosine Correction) pRpBhm;iJ  
    hH 3RP{'=  
    照度計的設計除了視效函數的接近程度影響測量的準確外,另一個重要因素是餘弦修正(Cosine Correction)。因照度定義為單位面積所接受的光通量,所以入射光角度與照度有餘弦關係,即E=E0cos ,因此照度計設計時必須要考慮餘弦修正能力,使光感測器所測量到的光通量符合餘弦定律,即E=E0cos 。 ^|(LAjet  
    #L;dI@7C  
    為滿足餘弦定律,在設計時,在光感測器前加上一具有餘弦修正效果的擴散板,使任意角度的光束經擴散板修正成對光感測器恒為固定情況入射,其作用原理如圖2所示。 N!=v4f  
    ]|a g  
    =v&hWjP  
    7U"g3 a)=  
    基於以上對色彩與照度量測的基本認識,下面將進一步就ANSI-1997的測試規範加以說明。 5H9z4-i x?  
    #A/  
    ANSI-1997 測試規範 p38-l'{#  
    Eyqa?$R  
    硬體規範  %OCb:s  
    LL|r A:  
    就前投式投影機而言,色度計(Chroma Meter)需平行分置於成像面的九個均等矩形中心點及螢幕四角落,角落點位置為成像面邊角與正中心點10%距離之處,合計共13個量測點(如圖3),對比值量測則決定於十六個均等矩形中心點(如圖4),量測單位為照度,使用的量測儀器個別感測範圍至少需包含3(3像素,且為追溯國家標準之標準儀器,其光度(Photometric)準確度需為±5%內,色度準確度需在±0.008(x,y)之內,同時亦可顯示(u',v')及相關色溫CCT,並具餘弦修正功能。 -3 *]G^y2  
    #q$HQ&k  
    ED( Sg  
    1(R}tRR7R  
    !i}w~U<  
    G j?t_Zln  
    量測前的調整 1n8/r}q'H  
    MKk\ u9  
    由於投影機的亮度(brightness)及對比(contrast)可作局部調整,因此為了避免不當的調整造成量測基準的偏差,在此標準中便設計一套調整投影機亮度和對比的方法,使各個受測標的能夠在相近的基準上接受測試與評比。 RSRS wkC  
    4E+e}\r:6  
    對於投影機亮度與對比的調校,是以一個標準影像作為參考,投影機輸出畫面格式(如圖5),是以全白的影像為背景,前景由上下兩排各四個互相連接的方格所構成,每個方格的面積為投影面積的5%,且長寬比和投影背景相同的,但在各個方格內有不同的灰階輸出:以全白訊號為100%(如同背景訊號),全黑為0%,依著由右至左的順序,上排四方格內的灰階輸出分別設定為15%、10%、5%、0%,下排四方格的輸出則為100%、95%、90%、85%。在調整投影機的亮度時,為確保不犧牲其對比表現能力,應使5%與10%的灰階訊號可以從0%和15%的訊號中辨識出來,而且對比的強弱,也應同時使95%與90%的灰階訊號與100%和85%的有所不同;循序作亮度與對比的調整,必須測試影像的輸出不僅能夠符合上述要求,並在進行以下的測試時保持相同的狀態。 ,w4(kcg%iQ  
    T3<4B!UB&  
     7xlkZF  
    xLajso1g69  
    光輸出(light output)量測 :eCwY  
    ML 9' |  
    1. ANSI流明值(ANSI Lumens) I$G['` XX/  
    V2EUW!gn 2  
    依據美國國家標準協會(ANSI)的定義,投影機光輸出的測量方法,是將輸出的投影影像等分為3×3的九個方格(圖3),於100%之全白影像輸出下,量測每個方格中的照度(illuminance)值,單位為勒克斯(lux=lumen/m2),然後將九個量測值平均,再乘上影像的投影面積(單位為平方公尺),所得到的即為該投影設備的光輸出流明(ANSI lumen)值。公式如下所列: K@]4g49A/j  
    J*A,o~U|  
    Lave = (L1 + L2 + L3 + ... + L9) / 9 %aCqi(.7  
    _;y9$"A  
    FLUXtotal (ANSI Lumen)= Lave×Area (m2) {}przrU^c  
    `$ 9x1dx  
    2. 光均勻度(Light Uniformity) khxnlry  
    &6!)jIWJ  
    在投影機光輸出均勻度的測試方面,是以全白影像輸出下,取13個量測點中之最大及最小者,並分別計算最大值及最小值與平均值之差異值與平均值之比,即得光均勻度之正反向區間。 CK@@HSm}l  
    eo?bL$A[s  
    L+=[Max of 【L1, L2,...L9, L10,..., L13】- Lave]×100/Lave t =iIY`Md%  
    L-=[Min of 【L1, L2,...L9, L10,..., L13】- Lave]×100/Lave O0v}43J [  
    ]F~dlH1Wp  
    3. 對比值(Contrast Ratio) ?l{nk5,?-Y  
    t3_O H^  
    在ANSI中對對比度的測量,是藉由輸入一個4×4大小相同之黑白棋盤式(圖4)的影像訊號,使投影機輸出此4×4黑白棋盤畫面,量測各方格中心部位的光照度來計算的。黑白棋盤中白塊部分為全白的顯示(即為100%輸出),黑塊的部分則為全黑(0%)的輸出,將棋盤中8個白方格中心之光照度平均值,與8個黑方格中心之光照度平均值相除所得之比值,即為ANSI規範之對比度,表示為(ratio):1。 M|h3Wt~7  
    %sP*=5?vA  
    Lwave = (Lw1 + Lw2 + Lw3 + Lw4 + Lw5 + Lw6 + Lw7 + Lw8)/8 9cF[seE"0  
    Lbave = (Lb1 + Lb2 + Lb3 + Lb4 + Lb5 + Lb6 + Lb7 + Lb8)/8 (ZZ8L-s  
    Contrast Ratio = (Lwave / Lbave):1 IEi^kJflU  
    q<|AZ2Ai  
    色彩量測 /,yd+wcW#  
    S%>]q s  
    投影機的色彩表現能力,是以其投影成像面整體之色彩偏離情形來加以評估,稱之為色彩均勻度(Color Uniformity)。其測試是利用色度計量測投影設備於輸出三原色光(R、G、B)及全白影像時各測試點之色度坐標值,再以九中心點量測得之u' v' 計算其平均值,並求得全部13點量測之u' v' 值與九個中心點量測平均值之最大色偏差量,即得W、R、G、B各色之色彩均勻度。其計算公式如下所列: 7n<{tM  
    J/$&NWF  
    u'0 = (u'1+u'2+u'3+.....+u'9) / 9   7JH6A'&  
    v'0 = (v'1+v'2+v'3+.....+v'9) / 9                     q]-r@yF  
    Color Uniformity=Max of【(u'-u'0)2+(v'-v'0)2】1/2 Yj49t_$b  
    u' v'=【u'1v'1, u'2v'2..., u'13v'13】 M6j y\<a  
    C&%_a~  
    結語 ^ZcGY+/~  
    g! |kp?  
    現行各廠家在投影機光學規格增進上,多著重於亮度(ANSI Lumen)的追求,但隨著投影顯示技術的日益成熟與成本的降低,投影機的使用終將進入家庭而成為資訊家電的一員,投影機的廣大市場正在於此,順應此趨勢,在對比、色彩表現能力與成像均勻度的要求上自然將日益提升,而ANSI-1997的測試規範正可提供廠商一追溯的依據,所以了解此規範並落實於生產檢測,可有效確保產品品質,也是產品競爭力建構之所在,值得各廠家研發與產品企劃人員加以重視。(中國電子設計網
     
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