[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]

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。 B`EgL/Wg[  
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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 bWZw  
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色彩如何度量 b<7qmg3  
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CIE 1931 配色函數 (Color Matching Functions) U8z"{  
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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。 1zW6Pb  
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照度與各種色度的意義 9%6`ZS~3  
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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。 *X=-^\G  
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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。 E1_4\S*z  
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x， y：CIE 1931色度坐標值(Chromaticity Coordinates) B35f5m7r  
Y：照度 ;d40:q<  
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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： #9Z-Hd<  
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餘弦修正（Cosine Correction） bnQO}G  
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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 。 DBDfBb  
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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。 ^+<uHd>  
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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。 -2_$zk*n  
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ANSI-1997 測試規範 Efl+`6`J  
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硬體規範 h@d m:=ul  
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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。 uX[

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量測前的調整 DVl:s  
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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。 :*1w;>o)n  
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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。 |sh U  
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光輸出(light output)量測 $BY{:#a]  
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1. ANSI流明值（ANSI Lumens） ;l'I.j  
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依據美國國家標準協會（ANSI）的定義，投影機光輸出的測量方法，是將輸出的投影影像等分為3×3的九個方格(圖3)，於100%之全白影像輸出下，量測每個方格中的照度(illuminance)值，單位為勒克斯(lux=lumen/m2)，然後將九個量測值平均，再乘上影像的投影面積(單位為平方公尺)，所得到的即為該投影設備的光輸出流明(ANSI lumen)值。公式如下所列： c z|IBsa*  
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Lave = (L1 + L2 + L3 + ... + L9) / 9 D }\`5L<  
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FLUXtotal (ANSI Lumen)= Lave×Area (m2) i*<,@*  
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2. 光均勻度（Light Uniformity） 5kF5`5+Vj  
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在投影機光輸出均勻度的測試方面，是以全白影像輸出下，取13個量測點中之最大及最小者，並分別計算最大值及最小值與平均值之差異值與平均值之比，即得光均勻度之正反向區間。 HD ~9EK~  
CS/-:>s%  
L+=[Max of 【L1, L2,...L9, L10,..., L13】- Lave]×100/Lave m_B5M0},  
L-=[Min of 【L1, L2,...L9, L10,..., L13】- Lave]×100/Lave abND#t  
VsC]z, o
V  
3. 對比值（Contrast Ratio） J:5n/m^A  
zkMQ=,[  
在ANSI中對對比度的測量，是藉由輸入一個4×4大小相同之黑白棋盤式（圖4）的影像訊號，使投影機輸出此4×4黑白棋盤畫面，量測各方格中心部位的光照度來計算的。黑白棋盤中白塊部分為全白的顯示（即為100%輸出），黑塊的部分則為全黑（0%）的輸出，將棋盤中8個白方格中心之光照度平均值，與8個黑方格中心之光照度平均值相除所得之比值，即為ANSI規範之對比度，表示為（ratio）:1。 r2G<::<zL  
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Lwave = (Lw1 + Lw2 + Lw3 + Lw4 + Lw5 + Lw6 + Lw7 + Lw8)/8 jhL
h~. 8  
Lbave = (Lb1 + Lb2 + Lb3 + Lb4 + Lb5 + Lb6 + Lb7 + Lb8)/8 9\8""-  
Contrast Ratio = (Lwave / Lbave)：1 -n9e-0  
OjN]mp-q  
色彩量測 jnTl%aQYc  
HZT;7<  
投影機的色彩表現能力，是以其投影成像面整體之色彩偏離情形來加以評估，稱之為色彩均勻度（Color Uniformity）。其測試是利用色度計量測投影設備於輸出三原色光（R、G、B）及全白影像時各測試點之色度坐標值，再以九中心點量測得之u' v' 計算其平均值，並求得全部13點量測之u' v' 值與九個中心點量測平均值之最大色偏差量，即得W、R、G、B各色之色彩均勻度。其計算公式如下所列： {x8`gP\H  
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u'0 = (u'1＋u'2＋u'3＋.....＋u'9) / 9   )nY/
RO  
v'0 = (v'1＋v'2＋v'3＋.....＋v'9) / 9                     6]Jv3Re'(I  
Color Uniformity=Max of【（u'－u'0）2＋（v'－v'0）2】1/2 ^6*? a9jO>  
u' v'=【u'1v'1, u'2v'2..., u'13v'13】 o$-Phl  
$3L7R  
結語 &l Q j?]  
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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