色彩学

自動化量測方法(白板幕量測)
Projector
White Board
自動化量測方法(生產上)
• 目前生產線對成品的品管方法：
– – – – 肉眼覺得可以就可以 用照度計每點量測，手動量測法 耗費人力時間，產能也低，整理數據也耗時 無法了解整批產品的特性
• 將色彩量測的概念導入生產線：
– – – – 自動取影像，同時取9或13點數值 設定量測標準，自動判定是否合格 提高產品品質，改善生產的流程 自動儲存量測資料，易於分析產品特性
• 影響色彩之因子：
– – – – – 燈源 (Lamp spectrum) 雙色鏡 (dichroic mirror , coating) 偏極片(polarized SSS , SPS state) 光的入射角 LCD 週邊溫度
• 改變光學或散熱元件：
– 影響亮度均勻度 – 影響色彩表現度
• 如何評估色彩影響？ ？ ？
– – – – – 灰階動態範圍 色彩飽和度 色彩平衡度 色彩一致性 色差 (dynamic range) (color saturation) (color balance) (color consistency) (color difference)
• 未來會有色彩管理系統(CMS)的規範
灰階校正
結論
• 未來開發的趨勢：
– 高成像品質 – 大量生產的能力
• 廠商急需建立的技術：
– 色彩學 的了解與量測方法
– 全面自動化 生產的技術
光感測器的接收行為
• 理想的光接收性，感測 器是 cos 接收行為 • 理論上，接受器的外型 會是平形，對斜向入射 光有餘弦函數的關係
接收面為cos接收
D D0 cos

D
光感測器對角度的行為
• Chroma 7600 感測器接近理想值 • 一般的色度計偏差值較大
投影機色彩表現能力
灰階鑑別率標準規格
• 運算出16個感應器的平均值與標準差 • 定出標準差的範圍和平均值的間隔，判別鑑別率 • 可知灰階鑑別區( M4 to M15 可鑑別)
……...
……...
s1 s2
s3
s4 M4
M8
s8
s15 s16
M15 M16
色彩平衡度
• RGB在灰階轉換時的函數曲線 • RBG三曲線無法重合時，會造成顯示的顏色 有偏離的現象
CIE 色度學
• CIE 1931：
– – – – 理想的色彩表現區域 (x , y)代表物體色彩 非均勻色彩空間 任意兩點間的距離無 法表示色差
CIE 色度學
• CIE 1976：
– – – – 色彩轉換後表現區域 (u` , v`)代表物體色彩 均勻色彩空間 任意兩點間的距離直 接表示色差
色域空間(Color Gamut Mapping)
u`v ` ( u` u 0 ) 2 ( v ` v 0 ) 2
– 加色彩深度表示 8bit drivers , 16.8M colors
均勻度的量測
• 綠色量測點，為9點量測法 • 再加邊緣紅色4點，為13點量測法 • ANSI 1997 的均勻度對四個角更嚴格規範
對比度的量測
• 分別量測16點的照度值
ANSI Standard 的演進
• 目前最新版本 ANSI 1997 • 演進的過程 1990、 1992、1996 、1997四版 • 演進過程中的轉變
– 均勻度從9點量測演進成13點量測 – 色度座標表示從(x , y) → (u` , v`) – 加色差表示法 [(u0 , v0)為標準量測值]
• ANSI 灰階校正後，開始量測數據 • 灰階可鑑別的依據是靠肉眼決定
0%
5%
10%
15%
85%
90%
95%
100%
灰階鑑別率量測
• 訊號產生器打出16階灰階尺，感測器量訊號 • 訊號藉由運算，可得該區的平均值與標準差
1 2 ……………..
Sensor number
பைடு நூலகம்
16
M1 s1
M2 s2
M16 s16
12000
R e la ti ve I n ten si ty
10000
8000
6000
4000
2000
0
380
430
480
530
580
630
680
730
780
W avelength (nm)
分光光譜學
• 所有光學元件 和被照射物體 皆以穿透(T)或 反射率(R)曲線 表示 • 所有的色感覺 皆以CIE光譜三 刺激值(x,y,z)， 來標準化表示 色彩
– 燈源光譜函數 – 分合光系統
Non-image Optics
• • • • • • • • • • Photometry and radiometry Luminous distribution curve Light source and lamp type Light collective components (reflector) Optical components (integrator, Prism, color filter) Etendue Matching projection lens to illumination path System F/# number Light valve and system gray scale Color render
I I n cos
光源的發光行為
• 理想的發光行為：
– 光源是 cos 發光體 (Lambert source) – 距離為cos的平方項 – 接收面與光軸夾cos
• 理論上，理想的投影 系統設計符合cos四次 方效應

Received

Sensor D1 D2
D2 D1 cos4
• 定義：光源在某一方向單位立體角內，所發出之光通量。 • 單位：燭光 ( cd : Candela) • 公式：
dF I d
I
d
dF
= 單位立體角
照度 (Illumination)
• 定義：被照體單位面積上所受之光通量。 • 單位：勒克斯 ( lux = lm/m2 ) 輻透 (Phot = lm/cm2) • 公式： 平方反比定律 光的餘弦定律
Standard profile Screen
Color difference
function
自動化量測方法(軟體功能)
• • • • • • 在光學實驗室或暗房內，架設量測儀器 要擁有量亮度與色彩的感測器 由訊號產生器將量測圖案投影到量測螢幕 感測器可自動量亮度和色彩的資料 更換不同的圖案，量測ANSI所規定的規格 資料可自動儲存與分類，便於分析問題
Red color shift R Blue color shift G
B
色彩一致性
• 在螢幕上不同位置，對同一色彩所表現差異性 • 色彩的平均值和每點間的差異性，可知光學投 影系統的一致性
A1
A2
A3 A4
A5
色差
• 標準的三原色值，與投影後量測值的差異性 • 色差值可知光學投影系統，對各色彩的靈敏度
• 色域空間代表色彩 能力的表現範圍 • 曲線內代表A、B兩 物體可表現的色彩 範圍
– A：紅色表現佳 – B：藍色表現佳 A B
分光光譜學
• 分光光譜學：從光源的光譜能量值出發的學科 • 光譜函數圖形：波長與強度函數
90W S P D thr ough 10 mm aper tur e N A = 0.5
分光光譜學
• 以一個偏光片而言，對一個光源的光束可分為S-plane and P-plane，不同入射角有不同反射率 • 同一個入射角，不同波長的偏極態，也有不同的反射率 • 同理，不同廠牌的偏光片，反射率均不同
色彩規格
• 色彩規格是液晶投影機尚未研究的領域 • 評估投影成像系統色彩的表現行為 • 相近光顯示器所定義的規格：
白場照度平均值 對比度 100 % 黑場照度平均值
色座標的量測
• 以中心點量測色座標，標示如下：
White : u`=
v`=
Red : u`=
v`=
Green : u`=
v`=
Blue : u`=
v`=
中心點 量測
色彩光學(Chromatic Optics)
• 色彩光學：結合色彩量測與非成像光學的科學 • 色彩工學(Colorimetry)：
E dF dA E I r2 E F cos E n cos A
輝度 (Luminance)
• 定義：光源在某一方向上，單位投影面積所發出的光強度。 • 單位：尼都 ( nit : nt= cd/m2 ) • 公式： Lambert 定律
L I S' L dI dI dS' dScos
– – – – – – CIE 標準色度學 分光光譜學(Spectrophotometry) 濃度學(Densitometry) 彩色複製學 (Color reproduction) 色彩印刷學 (Color printing) 色彩管理系統(CMS system)
• 非成像光學：液晶投影機的光學系統
光通量 (Flux)
• 定義：光源在單位時間內所發出之能量。亦稱為光束(F) • 單位：流明 ( lm : Lumen) Y(l) • 公式：
F C V(l ) Y(l )dl
380 780 780
S
V(l ) Y(l )dl
380
F CS
S = 視感度曲線之最大值
光強度 (Intensity)