大尺寸LCD光學(xué)量測系統

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

◎應用方案
LCD 的光學(xué)特性在量測上須整合運動(dòng)控制、影像自動(dòng)定位、類(lèi)比/數位訊號擷取、以及儀器通訊等復雜的項目，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(kāi)發(fā)時(shí)程短、易于安裝與除錯等特性。透過(guò)對市售產(chǎn)品的嚴格篩選與評比后，以美商國家儀器(NI)的提供的軟硬體環(huán)境符合本公司的需求。特以L(fǎng)abVIEW 7.1 Express作為開(kāi)發(fā)平臺，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計越來(lái)越邁向超大面板方向前進(jìn)，光學(xué)量測設備的量測范圍尺寸必定也需要朝向超大面板設計。光學(xué)特性的標準也不斷提高，傳統以人工檢驗品質(zhì)的方式，不但耗費無(wú)謂的人工成本，且不論檢測精密度及速度皆無(wú)法滿(mǎn)足較大規模的生產(chǎn)要求。因此，先進(jìn)的「電腦視覺(jué)定位系統」為不可或缺的，其具有測量準確、快速、擴展性強等特點(diǎn)，能快速針對客戶(hù)需要的參數進(jìn)行自動(dòng)檢測?；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(jué)檢測系統』，配合VISION AND MOTION的運用，依客制化需求開(kāi)發(fā)以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。由于LABVIEW它能夠快速建立準確的自動(dòng)檢測系統，同時(shí)產(chǎn)生完整詳細的檢測數據，故以L(fǎng)ABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1作為開(kāi)發(fā)軟體，建立完整的自動(dòng)化量測系統。 光學(xué)量測設備介紹
本公司自制光學(xué)量測設備配合VISION AND MOTION的運用，以L(fǎng)ABVIEW 7.1搭配IMAQ 7.1作為開(kāi)發(fā)軟體建立完整的自動(dòng)化量測系統。如下圖一所示，儀器包括TOPCON BM-7(or SR-3)、XYZ直線(xiàn)軸加上θxθy旋轉軸之五軸TABLE，控制型態(tài)為5軸伺服控制。
　

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

此光學(xué)量測系統在搭配『視覺(jué)影像定位方法』下，量測之項目可包含以下數種：均齊度量測、Response Time、Warm Up Time、Flicker、VIEW ANGLE、Contrast Ratio、Gray Scale/Gamma、Cross-talk和Chromaticity等。此『視覺(jué)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。當搜尋出邊界后，程式便可以自動(dòng)對位至所需之定點(diǎn)，此定點(diǎn)分別定義為L(cháng)CD之左上、右上及右下邊界。根據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的座標系修正至與程式之座肯狄恢攏如圖四所示。
　

圖二. 視覺(jué)影像定位方法-自動(dòng)搜尋LCD左上角
　

圖三. 視覺(jué)影像定位方法-自動(dòng)搜尋LCD右下角

圖四. 視覺(jué)影像定位方法-自動(dòng)修正LCD座標系
　

2. 9點(diǎn)、13點(diǎn)、25點(diǎn)均齊度

在LCD的檢測中，依據LCD發(fā)光區域輝度或色度變化的程度，可將其定義為均齊度(Uniformity)。根據VESA規范，均齊度之量測包含5點(diǎn)、9點(diǎn)…等，再由量測結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)量測系統中依據不同需求包含9點(diǎn)、13點(diǎn)和25點(diǎn)均齊度之量測。其測定方式與數據結果如圖五及圖六所示。
　

圖五. 九點(diǎn)均齊度-自動(dòng)測定方法
　

3. Response Time和Warm Up Time測量

3.1 Response Time (PCI-6221+ Photosensor Module Hamamatsu>)
在LCD 的檢測中，檢測TFT由關(guān)到開(kāi)和開(kāi)到關(guān)所需的時(shí)間，稱(chēng)之為反應時(shí)間(Response Time)。如圖七所示，當TFT全亮時(shí)，Ton和Toff定義為T(mén)90- T10和T10- T90，反應時(shí)間為T(mén)on+Toff。上述之T10和T90分別為T(mén)FT達到10%或90%亮度所需的時(shí)間。而檢測結果如圖八所示。
　

圖七. 反應時(shí)間量測之示意圖
　

圖八. 反應時(shí)間量測之圖形結果
　

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

在LCD的檢測中， LCD點(diǎn)亮時(shí)輝度達到穩定狀態(tài)所需的時(shí)間，稱(chēng)之為暖機時(shí)間(Warm Up Time)，如圖九所示。圖中，曲線(xiàn)會(huì )隨著(zhù)時(shí)間增長(cháng)而上升，當LCD穩定時(shí)，輝度與時(shí)間的曲線(xiàn)會(huì )達至水平穩定。

圖九. 暖機時(shí)間(Warm Up Time)之圖形曲線(xiàn)
　

2.4 VIEW ANGLE和Contrast Ratio檢測方法

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(huà)面品質(zhì)會(huì )有所變化。與正看時(shí)相比，斜看的時(shí)候，轉到當畫(huà)面品質(zhì)已經(jīng)變化到無(wú)法接受的臨界角度時(shí)，稱(chēng)之為該LCD之視角。視角之定義區分為以下三種：(1)對比-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，因此對比會(huì )下降，一般當對比下降到 10的時(shí)候的角度定義為該LCD的視角。(2)灰階反轉-理論上LCD從零灰階(黑色)到二五五灰階(白色)應該是灰階數越高則越亮，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(lèi)似黑白反轉的現象，這種現象稱(chēng)之為灰階反轉。不會(huì )產(chǎn)生灰階反轉現象的最大角度稱(chēng)之為視角。 (3)色差-從不同角度去看LCD，會(huì )發(fā)現顏色會(huì )隨著(zhù)角度而變化，當顏色的變化已經(jīng)大到無(wú)法接受的臨界點(diǎn)時(shí)，該角度稱(chēng)為視角。檢測結果如圖十及十一所示。

圖十. 視角量測-對比法　

圖十一. 視角量測-對比法圖形與數據結果
　2.4.2 Contrast Ratio
對比的定義為在暗室之中，白色畫(huà)面的亮度除以黑色畫(huà)面的亮度。

2.5 Gray Scale/Gamma與Cross-talk量測

2.5.1 Gray Scale/Gamma
Gamma curve是指不同灰階與亮度的關(guān)系曲線(xiàn)。把零到二五五灰階當x軸，亮度為y軸，畫(huà)出來(lái)的曲線(xiàn)稱(chēng)為Gamma curve。由于人眼對于光線(xiàn)強度感應為對數值，因此灰階對應輝度通常設計成一條曲線(xiàn)，故將Gamma curve取對數后為一條直線(xiàn)。檢測過(guò)程與結果會(huì )與人眼觀(guān)察相同，分別如圖十二及十三所示。

圖十二. Gamma curve檢測過(guò)程

圖十三. Gamma curve檢測結果
2.5.2 Cross-talk量測方式
LCD的Cross-talk是指螢幕中某區域的畫(huà)面影響到鄰近區域亮度的現象。一般Cross -talk測試畫(huà)面是在底色一二八灰階的狀態(tài)下，畫(huà)一個(gè)有螢幕四分之一大的黑色方塊擺在正中央，理論上周?chē)€是都要維持一二八灰階，但若發(fā)現上下左右四塊區域變暗，就作叫Cross-talk。檢測示意圖與程序，分別如圖十四及十五所示。
　

圖十四. Cross-talk檢測示意圖
　

圖十五. Cross-talk檢測程序
2.6 Chromaticity量測方法
色飽和度是指LCD色彩鮮艷的程度。LCD是由紅、綠和藍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，這是因為無(wú)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。檢測結果，如圖十六所示。

　圖十六. Chromaticity檢測結果

　 人機介面
3.1 控制者人機介面
我們以L(fǎng)abVIEW 7.1 Express開(kāi)發(fā)平臺所設計的LCD光學(xué)量測系統的人機介面，程式架構是以EVENT結構為藍本，依據不同的量測項目，以彈跳式視窗顯示，程式結構與操作畫(huà)面分別如圖十七和十八所示。同時(shí)，依據不同的量測需求，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)品的序號及現場(chǎng)所反應的物理特性，圖形則為各種量測之結果。Tab Control可以選擇欲檢視之量測項目和所測試之數據。此系統所有設定及反應皆為自動(dòng)化，并搭配現場(chǎng)操作以求得最佳的操作介面。

圖十七. EVENT結構
　

圖十八. 操作畫(huà)面之彈跳式視窗
　

圖十九. 系統架構主畫(huà)面
　

3.2 自動(dòng)輸出量測結果
由上一章節所說(shuō)的光學(xué)量測系統，可由LCD光學(xué)量測系統中提供的選單式報表系統，讓操作者可任意選定量測流程，以了解目前LCD產(chǎn)品的品質(zhì)并對產(chǎn)線(xiàn)的作即時(shí)的回報，如圖二十所示。經(jīng)LCD光學(xué)量測系統，完成產(chǎn)品各項光學(xué)量測之動(dòng)作與訊息回饋等功能；在系統作業(yè)過(guò)程中，以數據及圖形顯示以提供操作者必要處置之參考依據。

　圖二十. 量測報表輸出
　 結論
LCD 產(chǎn)業(yè)世代不斷更新，目前臺灣更將朝向七代線(xiàn)前進(jìn)，所需之量測架構更為復雜，量測規范日新月異，傳統設計之軟體無(wú)法提供隨時(shí)更新服務(wù)，幸有LABVIEW提供快速整合開(kāi)發(fā)軟體，使得開(kāi)發(fā)時(shí)程縮短三分之二，足以滿(mǎn)足客戶(hù)即時(shí)更新之需求。運用IMAQ Vision Assistant 7.1 函數更可輕易規劃影像定位系統，利用PCI-1407取得影像后，使用簡(jiǎn)單幾個(gè)IMAQ VI 即可標定出所需之座標進(jìn)行量測，這一方面大幅提升產(chǎn)品量測特性，并可排除人為定位誤差提N設備量測重現性，可提供最人性化介面與市面上一般量測系統有很大之差異性，這是我們選擇使用LABVIEW開(kāi)發(fā)系統最大的動(dòng)力，加上NI先前推出USB-6009 DAQ模組，改善類(lèi)比訊號線(xiàn)路過(guò)長(cháng)造成訊號失真問(wèn)題，適時(shí)解決Response Time、Flicker量測。

本量測系統提供選單式選項，讓操作者可任意選定量測流程，大幅降低操作介面設計時(shí)間，并可規劃更詳細量測流程，依選定量測程序依序量測出客戶(hù)所要求之數據，并將該量測數據輸出至EXCEL報表上