大尺寸LCD光学量测系统的设计解决方案与应用研究

有鉴于平面显示器的设计越来越迈向超大面板方向前进，光学量测设备的量测范围尺寸必定也需要朝向超大面板设计。光学特性的标准也不断提高，传统以人工检验品质的方式，不但耗费无谓的人工成本，且不论检测精密度及速度皆无法满足较大规模的生产要求。因此，先进的「电脑视觉定位系统」为不可或缺的，其具有测量准确、快速、扩展性强等特点，能快速针对客户需要的参数进行自动检测。基于仪控自动化技术发展理念，发展『产业自动化视觉检测系统』，配合VISIONANDMOTION的运用，依客制化需求开发以满足实际生产需求。由于LABVIEW它能够快速建立准确的自动检测系统，同时产生完整详细的检测数据，故以LABVIEW7.1搭配IMAQ7.1作为开发软体，建立完整的自动化量测系统。光学量测设备介绍本公司自制光学量测设备配合VISIONANDMOTION的运用，以LABVIEW7.1搭配IMAQ7.1作为开发软体建立完整的自动化量测系统。如下图一所示，仪器包括TOPCONBM-7（orSR-3）、XYZ直线轴加上θxθy旋转轴之五轴TABLE，控制型态为5轴伺服控制。

图一.LCD光学量测系统

自动量测面板各点之变化相关函数之特性整合

1.视觉影像定位方法（NIPCI-1407+watechighresolutionCCD）

此光学量测系统在搭配『视觉影像定位方法』下，量测之项目可包含以下数种：均齐度量测、ResponseTime、WarmUpTime、Flicker、VIEWANGLE、ContrastRatio、GrayScale/Gamma、Cross-talk和Chromaticity等。此『视觉影像定位方法』之程序，首先必须输入LCD尺寸大小，利用影像处理方法（Findverticaledge、Findhorizontaledge、Findcoordsys（2Rects）），程式会先自动搜寻出LCD之未发亮边界，如图二、三所示。当搜寻出边界后，程式便可以自动对位至所需之定点，此定点分别定义为LCD之左上、右上及右下边界。根据前述定义之左上及右上两点，可决定LCD之水平夹角，并将LCD的座标系修正至与程式之座摽系一致，如图四所示。

图二。视觉影像定位方法-自动搜寻LCD左上角

图三。视觉影像定位方法-自动搜寻LCD右下角

图四。视觉影像定位方法-自动修正LCD座标系

2.9点、13点、25点均齐度

在LCD的检测中，依据LCD发光区域辉度或色度变化的程度，可将其定义为均齐度（Uniformity）。根据VESA规范，均齐度之量测包含5点、9点…等，再由量测结果之最大值除以最小值便为均齐度，公式如下列所示：

在此LCD光学量测系统中依据不同需求包含9点、13点和25点均齐度之量测。其测定方式与数据结果如图五及图六所示。

图五。九点均齐度-自动测定方法　　

3.ResponseTime和WarmUpTime测量

3.1、ResponseTime（PCI-6221+PhotosensorModule）

在LCD的检测中，检测TFT由关到开和开到关所需的时间，称之为反应时间（ResponseTime）。如图七所示，当TFT全亮时，Ton和Toff定义为T90-T10和T10-T90，反应时间为Ton+Toff。上述之T10和T90分别为TFT达到10%或90%亮度所需的时间。而检测结果如图八所示。

图七。反应时间量测之示意图

图八。反应时间量测之图形结果

3.2、WarmUpTime（PCI-6221+PhotosensorModule）

在LCD的检测中，LCD点亮时辉度达到稳定状态所需的时间，称之为暖机时间（WarmUpTime），如图九所示。图中，曲线会随着时间增长而上升，当LCD稳定时，辉度与时间的曲线会达至水平稳定。

图九。暖机时间（WarmUpTime）之图形曲线

2.4、VIEWANGLE和ContrastRatio检测方法

2.4.1VIEWANGLE

LCD由于天生的物理特性，使得使用者从不同角度去看时画面品质会有所变化。与正看时相比，斜看的时候，转到当画面品质已经变化到无法接受的临界角度时，称之为该LCD之视角。视角之定义区分为以下三种：（1）对比-从斜的方向去看LCD，与正看时相比，白色部分会变暗，黑色部分会变亮，因此对比会下降，一般当对比下降到10的时候的角度定义为该LCD的视角。（2）灰阶反转-理论上LCD从零灰阶（黑色）到二五五灰阶（白色）应该是灰阶数越高则越亮，但是LCD在某个大角度的时候有可能看到低灰阶反而比高灰阶还亮，也就是看到类似黑白反转的现象，这种现象称之为灰阶反转。不会产生灰阶反转现象的最大角度称之为视角。（3）色差-从不同角度去看LCD，会发现颜色会随着角度而变化，当颜色的变化已经大到无法接受的临界点时，该角度称为视角。检测结果如图十及十一所示。

图十。视角量测-对比法　　

图十一。视角量测-对比法图形与数据结果

2.4.2ContrastRatio

对比的定义为在暗室之中，白色画面的亮度除以黑色画面的亮度。

2.5、GrayScale/Gamma与Cross-talk量测

2.5.1GrayScale/Gamma

Gammacurve是指不同灰阶与亮度的关系曲线。把零到二五五灰阶当x轴，亮度为y轴，画出来的曲线称为Gammacurve。由于人眼对于光线强度感应为对数值，因此灰阶对应辉度通常设计成一条曲线，故将Gammacurve取对数后为一条直线。检测过程与结果会与人眼观察相同，分别如图十二及十三所示。

图十二.Gammacurve检测过程

图十三.Gammacurve检测结果

2.5.2Cross-talk量测方式

LCD的Cross-talk是指萤幕中某区域的画面影响到邻近区域亮度的现象。一般Cross-talk测试画面是在底色一二八灰阶的状态下，画一个有萤幕四分之一大的黑色方块摆在正中央，理论上周围还是都要维持一二八灰阶，但若发现上下左右四块区域变暗，就作叫Cross-talk。检测示意图与程序，分别如图十四及十五所示。

图十四.Cross-talk检测示意图

图十五.Cross-talk检测程序［page］

2.6、Chromaticity量测方法

色饱和度是指LCD色彩鲜艳的程度。LCD是由红、绿和蓝色三原色组合成任意颜色，如果RGB三原色越鲜艳，则该LCD可以表示的颜色范围就更广，这是因为无法显示比三原色更鲜艳的颜色。色饱和度的表示是以NTSC所规定的三原色色域面积为分母，显示器三原色色域面积为分子去求百分比。检测结果，如图十六所示。

图十六.Chromaticity检测结果

人机介面

3.1、控制者人机介面

我们以LABVIEW7.1Express开发平台所设计的LCD光学量测系统的人机介面，程式架构是以EVENT结构为蓝本，依据不同的量测项目，以弹跳式视窗显示，程式结构与操作画面分别如图十七和十八所示。同时，依据不同的量测需求，程式可便捷地新增或移除多余的子程式，建立简易的操作者介面。图十九最上方的表格可显示产品的序号及现场所反应的物理特性，图形则为各种量测之结果。TabControl可以选择欲检视之量测项目和所测试之数据。此系统所有设定及反应皆为自动化，并搭配现场操作以求得最佳的操作介面。

图十七.EVENT结构

图十八。操作画面之弹跳式视窗

图十九。系统架构主画面

3.2、自动输出量测结果

由上一章节所说的光学量测系统，可由LCD光学量测系统中提供的选单式报表系统，让操作者可任意选定量测流程，以了解目前LCD产品的品质并对产线的作即时的回报，如图二十所示。经LCD光学量测系统，完成产品各项光学量测之动作与讯息回馈等功能；在系统作业过程中，以数据及图形显示以提供操作者必要处置之参考依据。

图二十。量测报表输出

结论

LCD产业世代不断更新，目前台湾更将朝向七代线前进，所需之量测架构更为复杂，量测规范日新月异，传统设计之软体无法提供随时更新服务，幸有LABVIEW提供快速整合开发软体，使得开发时程缩短三分之二，足以满足客户即时更新之需求。运用IMAQVisionAssistant7.1函数更可轻易规划影像定位系统，利用PCI-1407取得影像后，使用简单几个IMAQVI即可标定出所需之座标进行量测，这一方面大幅提升产品量测特性，并可排除人为定位误差提昇设备量测重现性，可提供最人性化介面与市面上一般量测系统有很大之差异性，这是我们选择使用LABVIEW开发系统最大的动力，加上NI先前推出USB-6009DAQ模组，改善类比讯号线路过长造成讯号失真问题，适时解决ResponseTime、Flicker量测。

本量测系统提供选单式选项，让操作者可任意选定量测流程，大幅降低操作介面设计时间，并可规划更详细量测流程，依选定量测程序依序量测出客户所要求之数据，并将该量测数据输出至EXCEL报表上。

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