大尺寸LCD光学量测系统

背景及动机
◎团队名称：光达检测科技（工程师）

◎应用领域：制造业/工业自动化

◎适用范围：1"～60" LCD

◎使用产品：
LabVIEW 7.1 Express
Vision Assistant 7.1
Report Generation Toolkit
NI USB-6009
NI PCI-1407
NI PCI-6221

◎量测／测试所面临之问题
欲建构LCD光学量测系统来检验面板品质，将面临的问题有：
1. 建立一套量测系统可快速对面板上某一点之9点、13点、25点均齐度之Luminance(辉度)、CIE(色座标)、Chromaticity、VIEW ANGLE、Contrast Ratio、Gray Scale/Gamma、Response Time、Flicker、Cross-talk 和 Warm Up Time进行量测。
2. 整合视觉影像定位，自动量测面板各点之CIE及L(cd/m2)的变化相关函数。
3. 符合真实控制者操作介面功能之人机介面。
4. 建立自动输出判别是否合乎标准作业程序。

◎应用方案
LCD的光学特性在量测上须整合运动控制、影像自动定位、类比/数位讯号撷取、以及仪器通讯等复杂的项目，而市面上提供的软硬体环境必须具备亲切的使用者介面、开发时程短、易于安装与除错等特性。透过对市售产品的严格筛选与评比后，以美商国家仪器(NI)的提供的软硬体环境符合本公司的需求。特以LabVIEW 7.1 Express作为开发平台，软体环境搭配Vision Assistant 7.1与Report Generation Toolkit为主，在硬体环境上则使用NI USB-6009、PCI-1407、PCI-6221。
文章摘要
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VISION AND MOTION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LABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1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VISION AND MOTION的运用，以LABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1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TOPCON BM-7(or SR-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(NI PCI-1407+watec high resolution CCD)

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、Response Time、Warm Up Time、Flicker、VIEW ANGLE、Contrast Ratio、Gray Scale/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(Find vertical edge、Find horizontal edge 、Find coordsys (2 Rects) )，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
　

图六. 九点均齐度-自动测定之数据结果
　

3. Response Time和Warm Up Time测量

3.1 Response Time (PCI-6221+ Photosensor Module <Hamamatsu>)
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(Response Time)。 如图七所示，当TFT全亮时，T_on和T_off定义为T₉₀- T₁₀和T₁₀- T₉₀，反应时间为T_on+T_off。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 Warm Up Time (PCI-6221+ Photosensor Module <Hamamatsu>)

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(Warm Up Time)，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(Warm Up Time)之图形曲线
　

2.4 VIEW ANGLE和Contrast Ratio检测方法

2.4.1VIEW ANGLE
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
　

2.4.2 Contrast Ratio
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 Gray Scale/Gamma与Cross-talk量测

2.5.1 Gray Scale/Gamma
Gamma curve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Gamma curve。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Gamma curve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. Gamma curve检测过程
　

图十三. Gamma curve检测结果
　

2.5.2 Cross-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
　

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LabVIEW 7.1 Express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。Tab Control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IMAQ Vision Assistant 7.1 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IMAQ VI 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-6009 DAQ模组，改善类比讯号线路过长造成讯号失真问题，适时解决Response Time、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。