如何校准一台EZContrast

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摘要:

ELDIM开发了一套用于校准新一代傅里叶光学视角测试仪的系统。这些视角测试仪能够在任意方位角以及高达88度倾斜角的范围内精确测量亮度以及颜色。由于几何问题的存在,对于任意技术来说,在高倾斜角下的精确测量都是极困难的,本文将描述一种我们开发的用于校准此类仪器的角度以及光轴的设备,并且描述它是如何进行高精度的亮度以及颜色的校准。

简介

伴随着LCD电视市场的扩张,平板显示器件的亮度、颜色以及视角的测试要求也随之增长。自从1991年ELDIM将其引入市场以来,基于傅里叶光学的视角测试仪已经成为平板显示行业作为评估显示器件光学性能的强大工具。现在,最新一代的仪器能够测试高达88度视角的亮度以及颜色,并且测试光斑可以高达6mm。由于一个简单的几何学问题,对于任何技术来说,高倾斜角下的精确测量都不是一件容易的事。例如,在垂直角度下的测试光斑是1mm直径的情况下,当测试角度达到88度时,它的测量表面最大会达到28mm。它意味着调整或校准任意视角测试系统(转角式系统或者傅里叶光学系统)都必须具有非常高的精度。这就是为什么ELDIM已经开发出一套工具用来保证所有EZContrast仪器能在最大倾斜角范围内以最高精度进行校准。本文中将提供这套校准系统的部分细节。

傅里叶光学的基本原理

傅里叶光学系统具有把样品空间角度信息成像到2D平面传感器的能力(见图1)。

图1ELDIM专利技术的傅里叶光学系统

事实上,傅里叶光学系统是由多片不同透镜(6~9片)组成的消色差透镜组,它可以从显示器表面收集极大角度的光线,并且将每个角度的光线聚焦到光路中间的傅里叶平面上,通过一个场镜和一个成像透镜后,重新将第一傅里叶平台成像到CCD传感器上。在ELDIM的专利光学设计中,在传感器前还有一个视场光阑,它是显示器件的复共轭平面。通过它可能使得测试区域的面积独立于测试的角度。结果就是,测试的光斑大小会随着角度的变化而变化,如图2所示。

图2测试光斑随倾斜角的变化

我们称这种光斑随角度变化的技术为“余弦补偿”。这种独特的特性使得整个光路的透过率在88度时仍然大于60%。如图3所示,一个单一透镜在倾斜角高于60度时几乎是无法进行光收集的。而没有“余弦补偿”技术的傅里叶光学系统在高于70度时也是无能为力的。

图3.不同技术下透镜组的视角光学透过率

  1. 角度校准

    当我们校准一台傅里叶光学视角仪的时候,第一步要做的就是将CCD上每一个像素与相对于样品出射角度进行一一对应。一个带有RGB3色LED光源的准直光机械转角仪被用来实现这一目标(见图4)。

    图4.双轴机械转角仪

    光源被固定在一个带有2个高精度旋转轴的机械平台上。其中一个旋转轴用于控制光源沿光轴进行360度的方位角旋转(通常称为Phi角)。另一个则是用于控制倾斜角的旋转(通常称为Theta角)。由于足够的系统机械结构强度,角度的精度非常地高(高于0.01度)。使用时,这个转角仪被安装到EZContrast的前端镜头之前。我们开发了一套自动化程序用于调整光源与EZContrast的光轴重合,进而完成一系列在不同方位角下高达88度倾斜角的校准(见图5)。

    图5.角度校准结果

    预计在全视角范围的校准误差小于0.15度,需要强调的是高达88度倾斜角都是实际校准的。

  2. LED标准光源

    为了校准亮度颜色并且对光学系统随角度变化光斑进行补偿,一个具有非常高均匀性,而且已知视角各向发光属性的光源就是必须的;一个在非常高视角下还具有良好亮度水平的光源(换而言之就是“朗伯光源”)也是强制要求的,以便在高达88度视角时还可以获得足够强的信号强度。为了解决这个问题,ELDIM开发了一套全新的LED光源。

    这个光源包含一个可用于标准源的LED背光,和一套对应的驱动软件用于监控背光的照度输出。它可以保证在1~100%范围内的输出水平范围内的波动在0.3%的波动范围(见图6)。

    图6.LED标准光源(上图),LED光源结构(下图)

    对于EZContrast的校准,特别是高倾斜角的校准,我们需要一个非常均匀的光源,这个光源必须近似于一个朗伯光源,只有一个LED光源是不能满足要求的,我们在光源的最表面增加了一个Opal散射板,同时在LED背光与Opal散射板之间增加了一片补偿膜以保证其均匀性(见图6下)。补偿膜的设计是通过使用我们的面成像亮度计MURATest测试没有补偿膜的LCD背光的均匀性,然后计算出补偿系数并通过打印技术生产出补偿膜。最后,还是通过MURATest面亮度计来测试并确认光源的面发光均匀性(见图7)。

    图7.没有补偿膜的均匀性(上),有补偿膜的均匀性(下)

    不计算边沿,LED光源发光面的面均匀性高于98%。

    接下来,我们把Topcon的SR3光谱仪固定到一个基准转角仪上来测试光源的绝对亮度。SR3光谱仪的位置可能精准地调整到所有的测试角度上。我们已经确认过LED光源的发光属性是各向同性的。一个角度的测试结果如图8所示。

    图8.LED光源的视角发光属性

    可以看到,我们的LED光源与标准的朗伯光源差别并不大,除了在非常高的倾斜角度下。然则即使在88度倾斜角下,LED的亮度水平仍然高达30%,所以我们的仪器的校准可以轻易并精确地进行。为了进行校准,仍然需要确保LED标准光源的表面与仪器的光轴是完全垂直的。实际操作中,LED被固定在一个可以进行水平和倾斜调整的夹具中,并且会自动化软件控制调整仪器聚焦到LED光源表面。在图7中,也可以看到一个EZcontrast没有经过平场校准的测试数据。由于我们的“余弦补偿”专利,它仍然保持了不错的朗伯特性,除了在极高倾斜角。这个属性对于确保全视角下的精确测量非常地重要。一个没有“余弦补偿”的系统在70度倾斜角以下根本就无法测试。

  3. 发光光谱以及颜色校准

    所有的EZContrast系统都是为了实现尽可能精确的亮度和颜色测量而设计制造的。我们使用一个单色的PeltierCCD传感器,同时通过一个NIST校准的光电二极管进行整个系统的绝对光谱响应曲线。之后,配套的Color Filter就可以被设计和制造出来以确保整个系统加上配套Color Filter后的光谱响应曲线能够完美地匹配CIE曲线。通常,我们使用5片Color Filter来实现(1片Blue,2片Red,2片Green)。一个实验样品的结果见图9

    图9.EZContrast滤镜的光谱响应曲线与CIE曲线对比

    这是唯一能确认在整个色彩空间进行精确测试的方法。然而,滤镜的设计与制造从来不会完美无缺,而且系统在制造的最后阶段都会要求做最后的颜色校准。我们已经实现在校准时使用一套的彩色滤镜配合LED光源进行颜色校准。

    第一个优势是LED的发光光谱是接近于目前LCD显示器件普遍使用的LED背光的光谱。因此,在使用的光谱范围内的校准才会更精确。

    图10.LED光源加上滤镜后的光谱

    第二个优势是整套滤镜的颜色可以覆盖大部分的色彩空间,这样仪器的颜色精度在主要的彩色空间内得到很好的提升(见图11和表1)

    图11使用滤镜后的校准颜色位置分布

    表1.用于校准的滤镜色坐标

  4. 结论

    本文中我们介绍了一套针对ELDIM的傅里叶光学视角测试仪的校准系统。这套校准工具是为了解决高倾斜角下的精确测量问题,对所有的测量仪器来说都是非常重要的问题。

    为了实现这个目标,我们首先使用一个转角仪来对进行精确地校准(这个转角仪也可以以用于其他关于透过率的测试,比如偏光片,散射片…….)。

    第二步需要进行平场校准以及亮度、色度的校准。在这一步我们开发一个标准LED光源和配套的11片彩色滤镜。光源的发光部是均匀的,高达88度亮度都是可校准的,更重要的是光源的视角特性是接近一个朗伯光源,这使得我们可以在非常高的角度进行精确的校准。

2021-07-10T18:37:58+08:00