大尺寸LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)

◎量測(cè)／測(cè)試所面臨之問題
欲建構(gòu)LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)來檢驗(yàn)面板品質(zhì)，將面臨的問題有：
1. 建立一套量測(cè)系統(tǒng)可快速對(duì)面板上某一點(diǎn)之9點(diǎn)、13點(diǎn)、25點(diǎn)均齊度之Luminance(輝度)、CIE(色座標(biāo))、Chromaticity、 VIEW ANGLE、Contrast Ratio、Gray Scale/Gamma、Response Time、Flicker、Cross-talk 和 Warm Up Time進(jìn)行量測(cè)。
2. 整合視覺影像定位，自動(dòng)量測(cè)面板各點(diǎn)之CIE及L(cd/m2)的變化相關(guān)函數(shù)。
3. 符合真實(shí)控制者操作介面功能之人機(jī)介面。
4. 建立自動(dòng)輸出判別是否合乎標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序。

◎應(yīng)用方案
LCD 的光學(xué)特性在量測(cè)上須整合運(yùn)動(dòng)控制、影像自動(dòng)定位、類比/數(shù)位訊號(hào)擷取、以及儀器通訊等復(fù)雜的項(xiàng)目，而市面上提供的軟硬體環(huán)境必須具備親切的使用者介面、開發(fā)時(shí)程短、易于安裝與除錯(cuò)等特性。透過對(duì)市售產(chǎn)品的嚴(yán)格篩選與評(píng)比后，以美商國(guó)家儀器(NI)的提供的軟硬體環(huán)境符合本公司的需求。特以LabVIEW 7.1 Express作為開發(fā)平臺(tái)，軟體環(huán)境搭配Vision Assistant 7.1與Report Generation Toolkit為主，在硬體環(huán)境上則使用NI USB-6009、PCI-1407、PCI-6221。    文章摘要
有鑒于平面顯示器的設(shè)計(jì)越來越邁向超大面板方向前進(jìn)，光學(xué)量測(cè)設(shè)備的量測(cè)范圍尺寸必定也需要朝向超大面板設(shè)計(jì)。光學(xué)特性的標(biāo)準(zhǔn)也不斷提高，傳統(tǒng)以人工檢驗(yàn)品質(zhì)的方式，不但耗費(fèi)無謂的人工成本，且不論檢測(cè)精密度及速度皆無法滿足較大規(guī)模的生產(chǎn)要求。因此，先進(jìn)的「電腦視覺定位系統(tǒng)」為不可或缺的，其具有測(cè)量準(zhǔn)確、快速、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，能快速針對(duì)客戶需要的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)?；趦x控自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展理念，發(fā)展『產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化視覺檢測(cè)系統(tǒng)』，配合VISION AND MOTION的運(yùn)用，依客制化需求開發(fā)以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。由于LABVIEW它能夠快速建立準(zhǔn)確的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)產(chǎn)生完整詳細(xì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，故以LABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1作為開發(fā)軟體，建立完整的自動(dòng)化量測(cè)系統(tǒng)。  光學(xué)量測(cè)設(shè)備介紹
本公司自制光學(xué)量測(cè)設(shè)備配合VISION AND MOTION的運(yùn)用，以LABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1作為開發(fā)軟體建立完整的自動(dòng)化量測(cè)系統(tǒng)。如下圖一所示，儀器包括TOPCON BM-7(or SR-3)、XYZ直線軸加上θxθy旋轉(zhuǎn)軸之五軸TABLE，控制型態(tài)為5軸伺服控制。
　 

 圖一. LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)
　  自動(dòng)量測(cè)面板各點(diǎn)之變化相關(guān)函數(shù)之特性整合
1. 視覺影像定位方法(NI PCI-1407+watec high resolution CCD)

此光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)在搭配『視覺影像定位方法』下，量測(cè)之項(xiàng)目可包含以下數(shù)種：均齊度量測(cè)、Response Time、Warm Up Time、Flicker、VIEW ANGLE、Contrast Ratio、Gray Scale/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(Find vertical edge、Find horizontal edge 、Find coordsys (2 Rects) )，程式會(huì)先自動(dòng)搜尋出LCD之未發(fā)亮邊界，如圖二、三所示。當(dāng)搜尋出邊界后，程式便可以自動(dòng)對(duì)位至所需之定點(diǎn)，此定點(diǎn)分別定義為L(zhǎng)CD之左上、右上及右下邊界。根據(jù)前述定義之左上及右上兩點(diǎn)，可決定LCD之水平夾角，并將LCD的座標(biāo)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(dòng)搜尋LCD左上角
　

 圖三. 視覺影像定位方法-自動(dòng)搜尋LCD右下角

 圖四. 視覺影像定位方法-自動(dòng)修正LCD座標(biāo)系
　

2. 9點(diǎn)、13點(diǎn)、25點(diǎn)均齊度

在LCD的檢測(cè)中，依據(jù)LCD發(fā)光區(qū)域輝度或色度變化的程度，可將其定義為均齊度(Uniformity)。根據(jù)VESA規(guī)范，均齊度之量測(cè)包含5點(diǎn)、9點(diǎn)…等，再由量測(cè)結(jié)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(xué)量測(cè)系統(tǒng)中依據(jù)不同需求包含9點(diǎn)、13點(diǎn)和25點(diǎn)均齊度之量測(cè)。其測(cè)定方式與數(shù)據(jù)結(jié)果如圖五及圖六所示。
　 

圖五. 九點(diǎn)均齊度-自動(dòng)測(cè)定方法
　 

3. Response Time和Warm Up Time測(cè)量

3.1 Response Time (PCI-6221+ Photosensor Module <Hamamatsu>)
在LCD 的檢測(cè)中，檢測(cè)TFT由關(guān)到開和開到關(guān)所需的時(shí)間，稱之為反應(yīng)時(shí)間(Response Time)。如圖七所示，當(dāng)TFT全亮?xí)r，Ton和Toff定義為T90- T10和T10- T90，反應(yīng)時(shí)間為Ton+Toff。上述之T10和T90分別為TFT達(dá)到10%或90%亮度所需的時(shí)間。而檢測(cè)結(jié)果如圖八所示。
　 

 圖七. 反應(yīng)時(shí)間量測(cè)之示意圖
　

 圖八. 反應(yīng)時(shí)間量測(cè)之圖形結(jié)果
　

3.2 Warm Up Time (PCI-6221+ Photosensor Module <Hamamatsu>)

在LCD的檢測(cè)中， LCD點(diǎn)亮?xí)r輝度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間，稱之為暖機(jī)時(shí)間(Warm Up Time)，如圖九所示。圖中，曲線會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而上升，當(dāng)LCD穩(wěn)定時(shí)，輝度與時(shí)間的曲線會(huì)達(dá)至水平穩(wěn)定。

圖九. 暖機(jī)時(shí)間(Warm Up Time)之圖形曲線
　

2.4 VIEW ANGLE和Contrast Ratio檢測(cè)方法

2.4.1VIEW ANGLE
LCD由于天生的物理特性，使得使用者從不同角度去看時(shí)畫面品質(zhì)會(huì)有所變化。與正看時(shí)相比，斜看的時(shí)候，轉(zhuǎn)到當(dāng)畫面品質(zhì)已經(jīng)變化到無法接受的臨界角度時(shí)，稱之為該LCD之視角。視角之定義區(qū)分為以下三種：(1)對(duì)比-從斜的方向去看LCD，與正看時(shí)相比，白色部分會(huì)變暗，黑色部分會(huì)變亮，因此對(duì)比會(huì)下降，一般當(dāng)對(duì)比下降到 10的時(shí)候的角度定義為該LCD的視角。(2)灰階反轉(zhuǎn)-理論上LCD從零灰階(黑色)到二五五灰階(白色)應(yīng)該是灰階數(shù)越高則越亮，但是LCD在某個(gè)大角度的時(shí)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(zhuǎn)的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱之為灰階反轉(zhuǎn)。不會(huì)產(chǎn)生灰階反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的最大角度稱之為視角。 (3)色差-從不同角度去看LCD，會(huì)發(fā)現(xiàn)顏色會(huì)隨著角度而變化，當(dāng)顏色的變化已經(jīng)大到無法接受的臨界點(diǎn)時(shí)，該角度稱為視角。檢測(cè)結(jié)果如圖十及十一所示。

圖十. 視角量測(cè)-對(duì)比法　

 圖十一. 視角量測(cè)-對(duì)比法圖形與數(shù)據(jù)結(jié)果
　2.4.2 Contrast Ratio
對(duì)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 Gray Scale/Gamma與Cross-talk量測(cè)

2.5.1 Gray Scale/Gamma
Gamma curve是指不同灰階與亮度的關(guān)系曲線。把零到二五五灰階當(dāng)x軸，亮度為y軸，畫出來的曲線稱為Gamma curve。由于人眼對(duì)于光線強(qiáng)度感應(yīng)為對(duì)數(shù)值，因此灰階對(duì)應(yīng)輝度通常設(shè)計(jì)成一條曲線，故將Gamma curve取對(duì)數(shù)后為一條直線。檢測(cè)過程與結(jié)果會(huì)與人眼觀察相同，分別如圖十二及十三所示。 

圖十二. Gamma curve檢測(cè)過程  

圖十三. Gamma curve檢測(cè)結(jié)果
2.5.2 Cross-talk量測(cè)方式
LCD的Cross-talk是指螢?zāi)恢心硡^(qū)域的畫面影響到鄰近區(qū)域亮度的現(xiàn)象。一般Cross -talk測(cè)試畫面是在底色一二八灰階的狀態(tài)下，畫一個(gè)有螢?zāi)凰姆种淮蟮暮谏綁K擺在正中央，理論上周圍還是都要維持一二八灰階，但若發(fā)現(xiàn)上下左右四塊區(qū)域變暗，就作叫Cross-talk。檢測(cè)示意圖與程序，分別如圖十四及十五所示。
　 

圖十四. Cross-talk檢測(cè)示意圖
　 

圖十五. Cross-talk檢測(cè)程序
2.6 Chromaticity量測(cè)方法
色飽和度是指LCD色彩鮮艷的程度。LCD是由紅、綠和藍(lán)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?yàn)闊o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(guī)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(cè)結(jié)果，如圖十六所示。
 

　 圖十六. Chromaticity檢測(cè)結(jié)果

　  人機(jī)介面
3.1 控制者人機(jī)介面
我們以LabVIEW 7.1 Express開發(fā)平臺(tái)所設(shè)計(jì)的LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)介面，程式架構(gòu)是以EVENT結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，依據(jù)不同的量測(cè)項(xiàng)目，以彈跳式視窗顯示，程式結(jié)構(gòu)與操作畫面分別如圖十七和十八所示。同時(shí)，依據(jù)不同的量測(cè)需求，程式可便捷地新增或移除多余的子程式，建立簡(jiǎn)易的操作者介面。圖十九最上方的表格可顯示產(chǎn)品的序號(hào)及現(xiàn)場(chǎng)所反應(yīng)的物理特性，圖形則為各種量測(cè)之結(jié)果。Tab Control可以選擇欲檢視之量測(cè)項(xiàng)目和所測(cè)試之?dāng)?shù)據(jù)。此系統(tǒng)所有設(shè)定及反應(yīng)皆為自動(dòng)化，并搭配現(xiàn)場(chǎng)操作以求得最佳的操作介面。

圖十七. EVENT結(jié)構(gòu)
　 

圖十八. 操作畫面之彈跳式視窗
　 

圖十九. 系統(tǒng)架構(gòu)主畫面
　

3.2 自動(dòng)輸出量測(cè)結(jié)果
由上一章節(jié)所說的光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)，可由LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)中提供的選單式報(bào)表系統(tǒng)，讓操作者可任意選定量測(cè)流程，以了解目前LCD產(chǎn)品的品質(zhì)并對(duì)產(chǎn)線的作即時(shí)的回報(bào)，如圖二十所示。經(jīng)LCD光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)，完成產(chǎn)品各項(xiàng)光學(xué)量測(cè)之動(dòng)作與訊息回饋等功能；在系統(tǒng)作業(yè)過程中，以數(shù)據(jù)及圖形顯示以提供操作者必要處置之參考依據(jù)。
 

　圖二十. 量測(cè)報(bào)表輸出
　  結(jié)論
LCD 產(chǎn)業(yè)世代不斷更新，目前臺(tái)灣更將朝向七代線前進(jìn)，所需之量測(cè)架構(gòu)更為復(fù)雜，量測(cè)規(guī)范日新月異，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)之軟體無法提供隨時(shí)更新服務(wù)，幸有LABVIEW提供快速整合開發(fā)軟體，使得開發(fā)時(shí)程縮短三分之二，足以滿足客戶即時(shí)更新之需求。運(yùn)用IMAQ Vision Assistant 7.1 函數(shù)更可輕易規(guī)劃影像定位系統(tǒng)，利用PCI-1407取得影像后，使用簡(jiǎn)單幾個(gè)IMAQ VI 即可標(biāo)定出所需之座標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，這一方面大幅提升產(chǎn)品量測(cè)特性，并可排除人為定位誤差提昇設(shè)備量測(cè)重現(xiàn)性，可提供最人性化介面與市面上一般量測(cè)系統(tǒng)有很大之差異性，這是我們選擇使用LABVIEW開發(fā)系統(tǒng)最大的動(dòng)力，加上NI先前推出USB-6009 DAQ模組，改善類比訊號(hào)線路過長(zhǎng)造成訊號(hào)失真問題，適時(shí)解決Response Time、Flicker量測(cè)。

本量測(cè)系統(tǒng)提供選單式選項(xiàng)，讓操作者可任意選定量測(cè)流程，大幅降低操作介面設(shè)計(jì)時(shí)間，并可規(guī)劃更詳細(xì)量測(cè)流程，依選定量測(cè)程序依序量測(cè)出客戶所要求之?dāng)?shù)據(jù)，并將該量測(cè)數(shù)據(jù)輸出至EXCEL報(bào)表上