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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.投影距離(Projection Di
2、stance)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),常見的光學量測項目與相關背景知識(二):與亮度相關的
3、物理量11.光度學(Photometry)與輻射度學(Radiometry)12.光能(Luminous Energy)Q13.光能密度(Luminous Density)q14.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)L17.亮度(Brightness或譯為明度)18.光照度(Illuminance或是Illumination)E19.光出射度(Luminous Emittance或Luminous Exitance，或稱為
4、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 Level)25.超高壓金屬汞燈泡中的弧形管(Arc of Ultra-High Pressur
5、e 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 Chromaticity Values)30.顏色座標(Color Coordinate簡稱色座標)31.色溫(Col
6、or 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.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(Resoluti
7、on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),常見的光學量測項目與相關背景知識(一),10.鏡頭解析度(Resolution of Projection Lens)Resolution(for a 161
8、2 block resolution screen),VGA 640480SVGA 800600XGA 1024768SXGA 12801024UXGA 16001200 OR 16001280HDTV 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
9、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 Int
10、ensity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(Luminous 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
11、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(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
12、)，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(Illum
13、inance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 Emittance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lu
14、x)，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 lms)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，
15、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 Contr
16、ast(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(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
17、，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 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
18、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
19、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，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Integr
20、ator，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
21、 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(Colorimetry)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(
22、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(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
23、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(Brigh
24、tness)均勻度(Uniformity)對比(Contrast Ratio)解析度(Resolution)投影比(Throw Ratio)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
25、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
26、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(軟體與元件)電力熱傳,DLP Projector常見的光學現象與問題,DLP Projector常見的光學現象與問題,顏色不對光學(a)TI DMD製程有瑕疵暗畫面有異色(b)Color Wheel Sensor角度
27、不對顏色混亂(c)Color Wheel光譜改變顏色(d)Projection Lens 主要顏色的能量穿透率光譜改變顏色(e)OSRAM UHP Lamp 光譜改變顏色(f)其他鍍膜元件改變顏色,DLP Projector常見的光學現象與問題,顏色不對機構組裝(a)TI DMD 組裝接觸不良白畫面有黑線顏色不對電子軟體(a)異色Color Temperature Index 不正確(b)溢色 64灰階畫面顏色不正常(c)色差 電子軟體參數不對，未抓到最佳值電子元件(a)因過熱元件故障或損壞燒機後畫面變白色，無RGB顏色光電元件(a)DMD壞掉無畫面；白畫面；或畫面不動，沒有變化,DLP Pr
28、ojector常見的光學現象與問題,顏色不對電力(a)Ballast故障無畫面，無法啟動顏色不對熱傳(a)過熱 使光學元件鍍膜脫落或變質，或使電子元件故障 而變色,DLP Projector常見的光學現象與問題,投影機出現光學問題之簡易快速判斷方法顏色，對比，色溫光學/電子亮度，均勻度光學/機構/電子/電力解析度，投影比，變焦鏡頭放大倍率光學/熱傳，受限於鏡頭/DMD與光學設計架構燈泡壽命燈泡廠商,結論,系統之光學特性量測與評價著眼於以上介紹的各個光學量(光學品質)的整體表現。一般而言，依照客戶的需求，設計投影機(或一般光學儀器，如照相機、光譜儀、干涉儀、望遠鏡，顯微鏡等等)，將光學元件安排在光路上適當的位置，以達到我們想要的光學特性，例如亮度(Brightness)、對比(Contrast)、顏色(Color)、灰階(Gray level)，解析度(Resolution)、均勻度(Uniformity)。根據實際量測經驗，各公司的投影機各有勝處，難以全勝。,
