透過線掃描方式　實現VESA標準光學量測規範

被譽為國內『第二半導體產業』的液晶面板產業，自十餘年前發展至今，已由1990年代初期的第一代小於300毫米×400毫米之小型玻璃基板，快速邁向2007年的第十代2,880毫米×3,080毫米的大型玻璃基板(圖1)。

圖1　TFT-LCD玻璃基板世代尺寸發展歷程圖

TFT-LCD的製造技術主要分為三個階段(圖2)，分別是陣列(Array)製程、液晶面板(Cell)製程及液晶顯示器模組(Liquid Crystal Display Module, LCM)製程，其中LCM製程主要是將切割完成的液晶面板與驅動IC、電路板、背光模組、導光片等外部零組件組裝起來成為液晶面板顯示器模組，然後做最後檢查，本文將介紹針對LCM的重要光學參數及量測技術，供相關測試人員參考。

資料來源：工研院IEK(12/2006) 圖2　TFT-LCD的主要三階段製程

主要光學量測參數及規範
 

目前關於LCM的量測規範包括VESA FPDM V2.0(Video Electronics Standards Association Display Metrology Committee)、SPWG(The Standard Panels Working Group)、ISO 13406-2(International Standards Organization)與TCO 05(The Swedish Confederation for Professional Employees)。這些量測規範的量測項目非常相似，不同處只有量測取樣點。圖3為VESA FPDM V2.0的量測參數列表，其中的檢測項目包含光性及電性參數。電性參數有功率消耗(Power Consumption)、反應時間(Response Time)與白畫面(White Full Panel)時的電壓、電流與功率等；光性參數則有色度(Chromaticity)、輝度(Luminance)、相關色溫(CCT)與階調(Gray Scale)等，以下說明VESA FPDM V2.0規範中的色度、輝度及其均勻性與視角量測規範。

圖3　VESA FPDM V2.0的量測參數列表

‧	色度與輝度量測
	如圖4所示，測量畫面為白色(W)、黑色(B)、紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)等色系的色度與輝度時，量測點僅有面板中央點，且儀器為垂直量測。另外，面板的對比度可由白畫面、黑畫面時的輝度值相除而得，在白畫面時還可階調量測，也就是測量畫面灰階變化(0, 36, 72, 109, 146, 182, 219, 255)時的輝度值。 為確保待測點取樣面積的些微變化不會影響量測結果及避免局部化(Localized)，規定取樣面積至少包含五百個畫素(pixel)。此外，使用取像鏡頭的儀器在測量時的視角(Angular Field of View, AFOV)必須小於兩度，並由量測區域的中央點開始計算(圖5)。 圖4　VESA FPDM V2.0中的色度與輝度量測 圖5　VESA FPDM V2.0中的量測儀器之AFOV

‧

色度與輝度的均勻性與視角量測

如圖6所示，VESA規範在測量畫面為白色、黑色、紅色、綠色、藍色等色系的色度與輝度均勻性方面，以面板的長寬尺寸H與V定義特定五點或九點進行量測。圖6(A)中的數字1～5表示特定五點的量測點，而(1)～(9)表示特定九點的量測點，並將探頭垂直於待測面板測量，利用這些點的量測值，可由下列公式可計算出色度與輝度的非均勻性，其中L表示輝度值、(x,y)表示色度座標值。 輝度的非均勻性公式： 色度的非均勻性公式： 圖6　VESA色度與輝度均勻性量測 此外，正中央處量測點，即圖6(A)的點3或點(5)，除取探頭垂直於面板時的量測外，尚須取其他四個角度的量測。圖7顯示面板中央點的其他四個角度量測的示意圖，角度位置分別是上角度θU、下角度θD 、左角度θL 、右角度θR ，所對應相對於垂直面板的角度分別為θU=15O、θD=10O、θL=30O、θR=30O，透過這樣的特定角度測量，即可判斷檢測面板是否滿足VESA規範。 圖7　VESA視角色度與輝度量測

目前可使用之量測儀器包含三類
 

為得到面板的色度值，必須使用分光輻射計或是光譜影像檢測裝置取得量測點的光譜。目前市售的相關裝置大致可分為三種，分別是濾鏡式彩色分析儀、分光式彩色分析儀與傅氏光學式彩色分析儀。

‧	濾鏡式彩色分析儀
	濾鏡式彩色分析儀利用三片濾光片的切換進行量測，此三片x、y、z濾光片的曲線分別是模擬人眼對紅光700奈米、綠光546奈米及藍光436奈米的反應曲線(圖8)，而由圖9的量測架構可在一次測量得到面板上單點單角度的色度值。測量時分別切換此三片濾光片後所量得的光譜，再依據以下的公式對380～780奈米的光譜範圍進行積分，計算三刺激值X、Y、Z與色度值x、y、z。 三刺激值公式： 色度值公式： 圖8　x、y、z濾光片的曲線 圖9　濾鏡式彩色分析儀的量測架構

‧	分光式彩色分析儀
	此類裝置利用光柵為分光元件得到光譜資訊，再根據上述定義計算出色度值。分光式彩色分析儀的量測架構與濾鏡式彩色分析儀的相同，也是一次量測得到面板上單點單角度的色度值。

‧	傅氏光學式彩色分析儀
	此類裝置以傅氏光學原理搭配分光式影像光譜量測架構(圖10)，將單點在不同角度的發射光作傅氏轉換再透過濾光鏡投射在二維光二極體陣列偵測器(Photodiode Array)上，因此可以得到面板上單點多角度的色度值。 圖10　傅氏光學式彩色分析儀原理

量測新法需求誕生
 

近年來面板面積變大、製程速度加快的趨勢下，快速且精準的檢測變得越來越重要。綜觀以上量測方法，使用單點量測儀器時，要測量整個面板必須二維移動探頭或面板，將導致量測時間太久、資料須逐點組合，且影像容易失真。而區域影像(Global Imaging)因使用濾光片，波長解析度受限，所以在大面積快速、高空間/光譜解析的量測應用要求下並不適用，且為獲得不同視角的色度、輝度等光學參數，探頭或面板必須做相對角度偏擺、旋轉，導致定位機構複雜、機構動作耗時，迄今並無可同時達到符合VESA量測規範的快速量測裝置，因此迫切需要新的量測方法。
 

為克服傳統方法無法同時達到面板上多點多角度精準量測的問題，工研院量測中心提出新一代的光譜影像量測技術，即透過線掃描(Line Scanning)方式。因線掃描樣品僅須單方向移動，具量測速度上的優越性，且影像繪製(Mapping)容易，不易失真，加上使用光色散元件，光譜解析度高，適合大面積光譜影像量測，此即為多通道光譜影像檢測技術，在發展光譜機器視覺(Spectral Machine Version)中是不可或缺的新技術。
 

圖11所示為多通道多角度光譜影像檢測裝置，為多通道光譜影像檢測裝置搭配多蕊光纖束而成。其中多通道光譜影像檢測裝置由光狹縫、準直鏡(Collimator Lens)鏡組、光柵、聚焦鏡(Focusing Lens)鏡組及二維陣列感測器(Array Sensor)構成。由於利用多蕊光纖束為光收集器，因此可收集面板上各接收視角、不同空間位置的光，所以在感測器上可同時獲得光波長及視角與空間資訊(圖11)，偵測器上的x軸為光波長色散軸，y軸為視角與空間軸。

圖11　多通道光譜影像檢測裝置的多通道光譜資訊

圖12　七通道量測架構

利用此多通道多角度光譜影像檢測裝置，將七根光纖探頭以一維離散多通道多視角形式排列，使光纖光接收角度可符合VESA規範設計安排(圖12)，並將待測面板三次平移量測，就可在VESA規範下測量完整個面板的光譜，或將十三根光纖探頭陣列分布在待測面板上(圖13)，在光纖探頭及待測面板不掃描情況下，可在VESA規範下一次測得樣品上二維離散多通道多視角面板光譜。所得到的光譜資訊只要再由色度演算法計算，便可快速且精確得到多通道多視角的面板光學參數資訊，遠快於現有的單點十三次量測。值得一提的是，此裝置目前的規格包括七個通道數、380～780奈米光譜量測範圍、視角小於等於2deg、輝度準確度小於等於±2%及色度準確度±0.002，已可與國際大廠的儀器媲美。

圖13　十三通道量測架構

(本文作者任職於工研院量測中心)