系统之光学特性量测及评价.ppt

1、系統之光學特性量測及評價,報告者 : 許志祿 (Hsu Chih-Lu) 指導者 : 王思克 (Ken Wang) 日期 : 2000/08/17,投影機光學量測的目的,目的 : 判別投影機投出光的亮度(其實是光通量)、投影距離、 解析度、均勻度與顏色等等光學資料，為定量的分析依據。 可以根據這些量測結果，用來判斷一臺投影機光學品質的好壞。,內容,常見的光學量測項目與相關背景知識介紹 常見的光學品質項目 DLP Projector常見的光學現象與問題 結論,資料投影機(Data Projector)使用參數之定義與光學量測的方法,常見的光學量測項目與相關背景知識(一): 與距離相關的物理量 1

2、.投影距離(Projection Distance) 2.螢幕尺寸(Screen Size) 3.投影比例(Throw Ratio) 4.定焦鏡頭(Fixed Lens)與變焦鏡頭(Zoom Lens) 5.最小投影清晰成像距離(Shortest focal distance)與 最大投影清晰成像距離(Longest focal distance) 6.扭曲失真(Distortion或稱為畸變) 7.彗差(Coma) 8.解析度(Resolution又稱為分辨率) 9.螢幕解析度(Screen Resolution) 10.鏡頭解析度(Resolution of Projection Lens

3、),常見的光學量測項目與相關背景知識(二): 與亮度相關的物理量 11.光度學(Photometry)與輻射度學(Radiometry) 12.光能(Luminous Energy)Q 13.光能密度(Luminous Density) q 14.發光強度(Luminous Intensity或稱為光度) I:(適用於點光源) 15.光通量(Luminous Flux或是Luminous Power，或稱為光束) 16.光亮度(Luminance或譯為輝度)L 17.亮度(Brightness或譯為明度) 18.光照度(Illuminance或是Illumination)E 19.光出射度(L

4、uminous Emittance或Luminous Exitance，或稱為 光束發散度)M,資料投影機(Data Projector)使用參數之定義與光學量測的方法,常見的光學量測項目與相關背景知識(三): 與亮度相關的物理量或元件 20.美國國家標準學會流明(American National Standards Institute Lumens，簡稱ANSI Lumens或ANSI lms) 21.對比(Contrast或是Contrast Ratio) 22.量測對比(Contrast或是Contrast Ratio) 23.均勻度(Uniformity) 24.灰階(Gray Le

5、vel) 25.超高壓金屬汞燈泡中的弧形管 (Arc of Ultra-High Pressure Metal-Hg Lamp) 26.積分桿 (Integrating Rod或是Integrator，或是Light Pipe),資料投影機(Data Projector)使用參數之定義與光學量測的方法,常見的光學量測項目與相關背景知識(四): 與光學量度相關的組織 27.國際照明委員會(Commission International de IEclairage 簡稱CIE) 與顏色相關的物理量 28.色度學(Colorimetry) 29. CIE1931標準色度系統(CIE1931 Chr

6、omaticity Values) 30.顏色座標(Color Coordinate簡稱色座標) 31.色溫(Color Temperature) TC32.橫向色差(Lateral Color Error),資料投影機(Data Projector)使用參數之定義與光學量測的方法,常見的光學量測項目與相關背景知識(一),6.扭曲失真(Distortion或稱為畸變),Horizontal Distortion(AC)/C (up) and (BC)C (down),Vertical Distortion(DE2F)/2F,常見的光學量測項目與相關背景知識(一),COMAT=HAB-HP,7.

7、彗差(Coma) 彗差會隨著透鏡形狀和孔徑光闌的位置而改變,常見的光學量測項目與相關背景知識(一),8.解析度(Resolution又稱為分辨率) 相鄰兩點像素(pixels或稱為畫素)能清楚成像，清晰分辨的程度。 兩點成像愈清晰代表解析度愈好。 9.螢幕解析度(Screen Resolution) 螢幕解析度代表投影機(或所有的家電顯示產品，如電腦、電視 、數位相機、示波器等等)螢幕畫面上，螢幕單位點(pixels，即映 像點、或稱為像素、畫素)的數目多寡。單位點數目愈多代表螢幕 解析度愈好。一般我們所說的解析度即是指螢幕解析度而言。,常見的光學量測項目與相關背景知識(一),常見的光學量測項

8、目與相關背景知識(一),10.鏡頭解析度(Resolution of Projection Lens) Resolution (for a 1612 block resolution screen),VGA 640480 SVGA 800600 XGA 1024768 SXGA 12801024 UXGA 16001200 OR 16001280 HDTV 19201080,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),與亮度相關的物理量 11.光度學(Photometry)與輻射度學(Radiometry) 光度學是研究可見光區(380780 nm)內電磁輻射能(Radiant Energy)的計

9、量科學。 輻射度學研究輻射能測量，以及能量在光學系統中傳輸 流動相關問題的學問。其討論範圍遍及整個輻射光譜區域。 輻射度學與光度學是相對應的，只要用輻射通量P代替光通量 ，就可以得到輻射度學中相應的各物理量和基本規律。,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),12.光能(Luminous Energy)Q 光能為光通量的時間性積分，其單位為流明秒 (lmstalbot 或稱為泰伯)以及流明時( lmh)，光源用作計算 總壽命(Total Lifetime)中發出光的總量或照明經濟等。 13.光能密度(Luminous Density) q 光能密度q Q / V，代表光源發出的光束(光通量)通

10、過空間 體積V時，其總光能為Q，於所有傳播體積V內的光能密度。其 單位為泰伯/米3(talbot / m2)。,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),14.發光強度(Luminous Intensity或稱為光度) I:(適用於點光源) 一個點光源要向各個方向輻射光通量，假設d是通過某一 方向上立體角元d界內的光通量，則d / d叫做光源在這 一方向的發光強度I，即I d / d 。當立體角單位是球面度 (Steradian，縮寫sr)，光通量單位是lm時，發光強度的單位是 燭光( lm / sr，Candela，縮寫cd)。,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),15.光通量(Lumin

11、ous Flux或是Luminous Power，或稱為光束)描述可見光產生視覺響應強弱的能力之物理量。光通量代表 可見光在一段時間內，通過空間中給定點的能量大小。當輻射 通量為dP，v為波長在時的視見函數，波長在附近的輻 射所相當的光通量為d683 v dP，式中常數683與光度學 單位的規定有關。光通量的單位是流明(lumen，簡寫為lm)，通 常使用美國國家標準學會流明(American National Standards Institute Lumens，簡稱ANSI Lumens或ANSI lms)， 簡稱為ANSI Lumens。,16.光亮度(Luminance或譯為輝度)L(

12、一) 從某一面元發出的光，沿著給定的方向，在每一單位面積dS 每一單位立體角d內發射的光通量d，稱之為光亮度L， L 。當光通量單位是流明，面積單位是米2，立體角 單位是球面度sr(Steradian)時，光亮度單位是尼都(lm / (m2 sr) ，nit，簡稱nt)。,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),dS (Source),常見的光學量測項目與相關背景知識(二),16.光亮度(Luminance或譯為輝度)L(二),對Lambert面來說，光亮度L(cd / m2)是常數,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),17.亮度(Brightness或譯為明度) 代表明暗程度，是觀察者對

13、於物理量光亮度(Luminance)的 生理反應。亮度無法用儀器量測而得，只有光亮度與光通量可 用儀器量測得到。(輝度計量測光亮度；照度計量測照度，再乘 以面積，即是光通量)(lm= m2 Lux),常見的光學量測項目與相關背景知識(二),18.光照度(Illuminance或是Illumination)E 當物體表面被照明時，若照射到單位面積dS上的光通量是d ，則稱投射到單位面積面元上的光通量為光照度，即Ed/dS。 當光通量單位是流明，面積單位是米2時，光照度單位是勒克斯 (lm / m2，lx或lux)。,常見的光學量測項目與相關背景知識(二),19.光出射度(Luminous Emi

14、ttance或Luminous Exitance，或稱為 光束發散度)M 單位面積的面元發出的總光通量為面光源的光出射度M。對於 面光源，考慮它的小面元dS (圖1)，若dS沿各方向(實際上是面的 一側)發出的總光通量為d，則M d/dS(lm / m2 )。它的單位 是勒克斯(lx或lux)，與光照度E的單位一樣。它的單位也有使用 弧度勒克斯(radlux，簡寫成rlx)，1rlx1lm/m2。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),20.美國國家標準學會流明(American National Standards Institute Lumens，簡稱ANSI Lumens或ANSI l

15、ms) 此學會制定相關的國際量測標準。進行量測時，一般而言 投影機的Preset值未必有依據ANSI標準來設定OSD(On Screen Display)之亮度(Brightness)與對比(Contrast)，以Preset Value來量 測，是為了確保每次量測條件皆相同。若依ANSI標準，必須調 整Brightness及Contrast，使最亮4灰階(100%、95%、90%、85%) 及最暗4灰階(0%、5%、10%、15%)皆可分辨，始可開始量測。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),21.對比(Contrast或是Contrast Ratio) 對比代表視觀察對象(如螢幕)的光

16、亮度(或光照度，光通量) 相對於背景的光亮度(或光照度，光通量)之比值。 22.量測對比(Contrast或是Contrast Ratio) 量測對比代表扣除背景光源(雜散光)的影響，投影機投出的 光亮度(或光照度，光通量)在最亮與最暗時的比值。 量測上常用者有兩種： Full on / Full off Contrast(全白/全黑對比)(ANSI Contrast) Checkerboard Contrast(西洋棋盤格式對比),常見的光學量測項目與相關背景知識(三),22.量測對比(Contrast或是Contrast Ratio) Full on / Full off Contrast

17、(全白/全黑對比)(ANSI Contrast) Checkerboard Contrast(西洋棋盤格式對比),常見的光學量測項目與相關背景知識(三),23.均勻度(Uniformity) 均勻度分為兩種，一個是整個螢幕畫面上，光通量(或是光照度) 分布的均勻度，以Uniformity來表示。另一個是色座標(x，y)分布 的均勻度，以Xmax / X min與Ymax / Ymin，或者是uv 代表。 均勻度量測的畫面大小至少要是33 pixels的九宮格， 通常用Lumen-13pt方程式的13pt量測；或 Chroma Pattern Generator 的ANSI Brightness

18、 Screen量測。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),23.均勻度(Uniformity),ANSI Brightness Screen,(光照度Y，色座標x ，色座標y),常見的光學量測項目與相關背景知識(三),24.灰階(Gray Level) 從觀察者知覺上，將從黑到白的明度(即亮度)標尺均勻等距地 分成許多等級，此等級稱為明度值V(也可以稱為亮度值，或是 灰階值)，數值越大表示視知覺的明度(即亮度)越高。理論上， 可以畫分成無限多個灰階值。實際上的作法，是利用電子訊號 提供不同的電壓位準，構成不同的灰階值，因為電子訊號能提 供的電壓位準有極限，所以實際的灰階值有限。常用的灰階數

19、值 有16，64，128，256這幾種等級。就光學而言，當投影機的量測 對比提高，所能表現的灰階數目也跟著變多。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),25.超高壓金屬汞燈泡中的弧形管 (Arc of Ultra-High Pressure Metal-Hg Lamp) Arc Place(燈泡中弧形管的位置)的量測。主要是將聚焦鏡頭 放在投影機與螢幕之間的光路上，使投影光束聚焦於螢幕上， 看燈泡中弧形管的位置在那裡。此量測的意義在於：一般燈泡 能量分佈曲線為高斯分佈(Gauss Distribution)，如果其位置偏離 中心，則使用燈泡的效率或許會變差。如果其位置愈靠近中心 ，且左右對稱

20、，則使用燈泡的效率會比較好。,26.積分桿 (Integrating Rod或是Integrator，或是Light Pipe) 此光學元件，可使得從光源來的(原本空間分佈不均勻的)光線 ，經過此元件後，產生空間均勻化的光照度(Illumination)，或是 接近空間均勻化的光照度。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),26.積分桿 (Integrating Rod或是Integrator，或是Light Pipe) Integrating Rod Use Rate(積分桿使用效率)的量測： DMW之黑色畫面(Dark Screen)，此時量得的螢幕外框尺寸，是 積分桿投影到螢幕的尺寸大

21、小。 白色畫面時量得的螢幕外框尺寸，是投影影像的實際尺寸大小。 從這些數據可以估算出積分桿的使用效率。此量測與投影機的 亮度提升有密切關係，我們可以根據量測結果，來修正積分桿 的設計尺寸公差與可容許的製造尺寸公差，進而得到亮度更高的 投影效果。,常見的光學量測項目與相關背景知識(三),與光學量度相關的組織 27.國際照明委員會(Commission International de IEclairage 簡稱CIE) CIE是一個國際組織，致力於其會員國間的合作與資訊的 交換，包括所有與藝術和科學照明有關的事務。,常見的光學量測項目與相關背景知識(四),與顏色相關的物理量 28.色度學(Col

22、orimetry) 研究顏色度量與評價方法的計量科學。 29. CIE1931標準色度系統(CIE1931 Chromaticity Values) 在CIE顏色空間，用笛卡兒座標系統(Cartesian Coordinates) 定義出的顏色座標，以(x，y)來表示。1976年，CIE定義了更 均勻的顏色空間，其顏色座標，以(u，v)來表示。,常見的光學量測項目與相關背景知識(四),常見的光學量測項目與相關背景知識(四),29. CIE1931標準色度系統(CIE1931 Chromaticity Values),註：光譜軌跡外之所有顏色都是物理上無法實現的,常見的光學量測項目與相關背景知識

23、(四),30.顏色座標(Color Coordinate簡稱色座標或色品) 由CIE建立的2維空間，用來描述色度學(Colorimetry)中的 顏色。有兩套系統描述色座標。一套是CIE1931標準色度系統 ，符號為(x，y)；另一套是改良過的，顏色更均勻的CIE1976 標準色度系統，符號為(u，v)。,常見的光學量測項目與相關背景知識(四),31.色溫(Color Temperature) TC 色溫待測光源的色品與某溫度下的黑體色品相同時， 則將黑體溫度稱為此光源之顏色溫度。 相關色溫待測光源的色品與某溫度下的黑體色品最接近， 或其座標相差距離最小，則將該黑體溫度稱為此光源 之相關顏色溫

24、度。 色溫量測(一)可用光譜輻射計測出光譜，利用色度學公式計算。 (二)或利用色溫計採雙色法測兩個波長相對光譜功率比值。 (三)一般是量出色座標，再利用公式計算出色溫。 用途描述光源之光色。,常見的光學量測項目與相關背景知識(四),31.色溫(Color Temperature),常見的光學量測項目與相關背景知識(四),32.橫向色差(Lateral Color Error) 起因於不同波長顏色的光，經過光學系統有不同的放大率。,亮度(Brightness) 均勻度(Uniformity) 對比(Contrast Ratio) 解析度(Resolution) 投影比(Throw Ratio)

25、顏色(Color ) 色溫(Color Temperature) 燈泡壽命(Lifetime of Lamp) 變焦鏡頭的放大倍率(Magnifying Power of Zoom Lens) (或稱為Zoom Ratio),常見的光學品質項目,亮度不足 顏色不對 解析度不良 無畫面或白畫面,DLP Projector常見的光學現象與問題,DLP Projector常見的光學現象與問題,亮度不足 通常影響投影機亮度的因素有以下幾種：(以EP7系列為例) (一)橢圓燈泡：燈泡本身的因素有兩種。一個是燈泡本身不夠亮 ；另一個是燈泡Arc歪掉，使光源主要能量未打進Rod而損失。 (二)燈泡組裝：燈泡

26、與Rod定位不良，有相對位移。 (三)Rod：Rod本身定位不良，使光大量損失。 (四)光學元件：穿透式元件的穿透率太低，或者是反射式元件的 反射率太低。例如鏡頭穿透率不足。 (五)電子軟體：Firmware的參數設定，如(Brightness，Contrast， Color Temperature)，沒有按照ANSI標準調到最佳。 (六)其他：有些光學元件沒有安裝，裝錯，裝反或脫落。,DLP Projector常見的光學現象與問題,亮度不足的對策 根據經驗歸納，公司遭遇到的投影機亮度不足問題，通常有以 上數種情形。其解決順序依序為： (一)檢查電子軟體的參數設定是否正確？ (二)檢查光學穿透式元件的穿透率，以及反射式元件的 反射率，是否符合規格?如鏡頭。 (三)檢查燈泡本身的亮度是否太低？Arc是否歪掉？ (四)檢查Rod定位與燈泡組裝是否在正確位置上？ (五)檢查光學元件是否少裝，裝錯，裝反或脫落 ？ 經過有系統的檢查，將可迅速解決投影機亮度不足問題。,顏色不對 光學 機構組裝 電子(軟