大尺寸LCD光學量測系統的設計解決方案與應用研究

有鑒于平面顯示器的設計越來越邁向超大面板方向前進，光學量測設備的量測范圍尺寸必定也需要朝向超大面板設計。光學特性的標準也不斷提高，傳統以人工檢驗品質的方式，不但耗費無謂的人工成本，且不論檢測精密度及速度皆無法滿足較大規模的生產要求。因此，先進的「電腦視覺定位系統」為不可或缺的，其具有測量準確、快速、擴展性強等特點，能快速針對客戶需要的參數進行自動檢測?；趦x控自動化技術發展理念，發展『產業自動化視覺檢測系統』，配合VISIONANDMOTION的運用，依客制化需求開發以滿足實際生產需求。由于LABVIEW它能夠快速建立準確的自動檢測系統，同時產生完整詳細的檢測數據，故以LABVIEW7.1搭配IMAQ7.1作為開發軟體，建立完整的自動化量測系統。光學量測設備介紹本公司自制光學量測設備配合VISIONANDMOTION的運用，以LABVIEW7.1搭配IMAQ7.1作為開發軟體建立完整的自動化量測系統。如下圖一所示，儀器包括TOPCONBM-7（orSR-3）、XYZ直線軸加上θxθy旋轉軸之五軸TABLE，控制型態為5軸伺服控制。

圖一.LCD光學量測系統

自動量測面板各點之變化相關函數之特性整合

1.視覺影像定位方法（NIPCI-1407+watechighresolutionCCD）

此光學量測系統在搭配『視覺影像定位方法』下，量測之項目可包含以下數種：均齊度量測、ResponseTime、WarmUpTime、Flicker、VIEWANGLE、ContrastRatio、GrayScale/Gamma、Cross-talk和Chromaticity等。此『視覺影像定位方法』之程序，首先必須輸入LCD尺寸大小，利用影像處理方法（Findverticaledge、Findhorizontaledge、Findcoordsys（2Rects）），程式會先自動搜尋出LCD之未發亮邊界，如圖二、三所示。當搜尋出邊界后，程式便可以自動對位至所需之定點，此定點分別定義為LCD之左上、右上及右下邊界。根據前述定義之左上及右上兩點，可決定LCD之水平夾角，并將LCD的座標系修正至與程式之座摽系一致，如圖四所示。

圖二。視覺影像定位方法-自動搜尋LCD左上角

圖三。視覺影像定位方法-自動搜尋LCD右下角

圖四。視覺影像定位方法-自動修正LCD座標系

2.9點、13點、25點均齊度

在LCD的檢測中，依據LCD發光區域輝度或色度變化的程度，可將其定義為均齊度（Uniformity）。根據VESA規范，均齊度之量測包含5點、9點…等，再由量測結果之最大值除以最小值便為均齊度，公式如下列所示：

在此LCD光學量測系統中依據不同需求包含9點、13點和25點均齊度之量測。其測定方式與數據結果如圖五及圖六所示。

圖五。九點均齊度-自動測定方法　　

3.ResponseTime和WarmUpTime測量

3.1、ResponseTime（PCI-6221+PhotosensorModule）

在LCD的檢測中，檢測TFT由關到開和開到關所需的時間，稱之為反應時間（ResponseTime）。如圖七所示，當TFT全亮時，Ton和Toff定義為T90-T10和T10-T90，反應時間為Ton+Toff。上述之T10和T90分別為TFT達到10%或90%亮度所需的時間。而檢測結果如圖八所示。

圖七。反應時間量測之示意圖

圖八。反應時間量測之圖形結果

3.2、WarmUpTime（PCI-6221+PhotosensorModule）

在LCD的檢測中，LCD點亮時輝度達到穩定狀態所需的時間，稱之為暖機時間（WarmUpTime），如圖九所示。圖中，曲線會隨著時間增長而上升，當LCD穩定時，輝度與時間的曲線會達至水平穩定。

圖九。暖機時間（WarmUpTime）之圖形曲線

2.4、VIEWANGLE和ContrastRatio檢測方法

2.4.1VIEWANGLE

LCD由于天生的物理特性，使得使用者從不同角度去看時畫面品質會有所變化。與正看時相比，斜看的時候，轉到當畫面品質已經變化到無法接受的臨界角度時，稱之為該LCD之視角。視角之定義區分為以下三種：（1）對比-從斜的方向去看LCD，與正看時相比，白色部分會變暗，黑色部分會變亮，因此對比會下降，一般當對比下降到10的時候的角度定義為該LCD的視角。（2）灰階反轉-理論上LCD從零灰階（黑色）到二五五灰階（白色）應該是灰階數越高則越亮，但是LCD在某個大角度的時候有可能看到低灰階反而比高灰階還亮，也就是看到類似黑白反轉的現象，這種現象稱之為灰階反轉。不會產生灰階反轉現象的最大角度稱之為視角。（3）色差-從不同角度去看LCD，會發現顏色會隨著角度而變化，當顏色的變化已經大到無法接受的臨界點時，該角度稱為視角。檢測結果如圖十及十一所示。

圖十。視角量測-對比法　　

圖十一。視角量測-對比法圖形與數據結果

2.4.2ContrastRatio

對比的定義為在暗室之中，白色畫面的亮度除以黑色畫面的亮度。

2.5、GrayScale/Gamma與Cross-talk量測

2.5.1GrayScale/Gamma

Gammacurve是指不同灰階與亮度的關系曲線。把零到二五五灰階當x軸，亮度為y軸，畫出來的曲線稱為Gammacurve。由于人眼對于光線強度感應為對數值，因此灰階對應輝度通常設計成一條曲線，故將Gammacurve取對數后為一條直線。檢測過程與結果會與人眼觀察相同，分別如圖十二及十三所示。

圖十二.Gammacurve檢測過程

圖十三.Gammacurve檢測結果

2.5.2Cross-talk量測方式

LCD的Cross-talk是指螢幕中某區域的畫面影響到鄰近區域亮度的現象。一般Cross-talk測試畫面是在底色一二八灰階的狀態下，畫一個有螢幕四分之一大的黑色方塊擺在正中央，理論上周圍還是都要維持一二八灰階，但若發現上下左右四塊區域變暗，就作叫Cross-talk。檢測示意圖與程序，分別如圖十四及十五所示。

圖十四.Cross-talk檢測示意圖

圖十五.Cross-talk檢測程序［page］

2.6、Chromaticity量測方法

色飽和度是指LCD色彩鮮艷的程度。LCD是由紅、綠和藍色三原色組合成任意顏色，如果RGB三原色越鮮艷，則該LCD可以表示的顏色范圍就更廣，這是因為無法顯示比三原色更鮮艷的顏色。色飽和度的表示是以NTSC所規定的三原色色域面積為分母，顯示器三原色色域面積為分子去求百分比。檢測結果，如圖十六所示。

圖十六.Chromaticity檢測結果

人機介面

3.1、控制者人機介面

我們以LABVIEW7.1Express開發平臺所設計的LCD光學量測系統的人機介面，程式架構是以EVENT結構為藍本，依據不同的量測項目，以彈跳式視窗顯示，程式結構與操作畫面分別如圖十七和十八所示。同時，依據不同的量測需求，程式可便捷地新增或移除多余的子程式，建立簡易的操作者介面。圖十九最上方的表格可顯示產品的序號及現場所反應的物理特性，圖形則為各種量測之結果。TabControl可以選擇欲檢視之量測項目和所測試之數據。此系統所有設定及反應皆為自動化，并搭配現場操作以求得最佳的操作介面。

圖十七.EVENT結構

圖十八。操作畫面之彈跳式視窗

圖十九。系統架構主畫面

3.2、自動輸出量測結果

由上一章節所說的光學量測系統，可由LCD光學量測系統中提供的選單式報表系統，讓操作者可任意選定量測流程，以了解目前LCD產品的品質并對產線的作即時的回報，如圖二十所示。經LCD光學量測系統，完成產品各項光學量測之動作與訊息回饋等功能；在系統作業過程中，以數據及圖形顯示以提供操作者必要處置之參考依據。

圖二十。量測報表輸出

結論

LCD產業世代不斷更新，目前臺灣更將朝向七代線前進，所需之量測架構更為復雜，量測規范日新月異，傳統設計之軟體無法提供隨時更新服務，幸有LABVIEW提供快速整合開發軟體，使得開發時程縮短三分之二，足以滿足客戶即時更新之需求。運用IMAQVisionAssistant7.1函數更可輕易規劃影像定位系統，利用PCI-1407取得影像后，使用簡單幾個IMAQVI即可標定出所需之座標進行量測，這一方面大幅提升產品量測特性，并可排除人為定位誤差提昇設備量測重現性，可提供最人性化介面與市面上一般量測系統有很大之差異性，這是我們選擇使用LABVIEW開發系統最大的動力，加上NI先前推出USB-6009DAQ模組，改善類比訊號線路過長造成訊號失真問題，適時解決ResponseTime、Flicker量測。

本量測系統提供選單式選項，讓操作者可任意選定量測流程，大幅降低操作介面設計時間，并可規劃更詳細量測流程，依選定量測程序依序量測出客戶所要求之數據，并將該量測數據輸出至EXCEL報表上。

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