0301 投影机光学量测的意义与定义 Revision.docx

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0301投影机光学量测的意义与定义Revision

資料投影機（DataProjector）光學量測的方法與使用參數之定義：

判別投影機投出光的亮度（其實是光通量）、投影距離、解析度、均勻度與顏色等等資料，為定量的分析依據。

可以根據這些量測結果，用來判斷一臺投影機光學品質的好壞。

（1）現在先針對文章中出現的一些物理量（若沒有出現的，是針對光度學與輻射度學的補充說明）進行定義，再一一介紹其物理意義，以及常見的光學量測項目。

1.投影距離（ProjectionDistance）：

代表投影機鏡頭前沿到螢幕的距離。

2.扭曲失真（Distortion或稱為畸變）：

代表物體經過光學系統成像後，其影像的形狀改變或失真，不再維持原先大小比例的現象。

3.螢幕尺寸（ScreenSize）：

代表物體經過光學系統成像後的螢幕畫面大小。

由螢幕影像的水平長度（ScreenImageLength）與垂直高度（ScreenImageWidth）所決定的面積大小，即為螢幕尺寸。

通常以對角線長度代表螢幕尺寸（ScreenSize）大小，例如60吋電視，即表示該電視對角線長度為60吋。

4.投影比例（ThrowRatio）：

代表（投影距離）對於（螢幕影像的水平長度）的比值。

5.變焦鏡頭（ZoomLens）：

擁有變焦功能的鏡頭。

介於最小與最大投影清晰成像距離之間的位置，皆可以調整變焦鏡頭並清晰聚焦成像。

允許位於固定投影距離的投影機（或是照相機，攝影機），調整到最小（Zoom-in，即telephotoendofzoomlens）與最大螢幕尺寸（Zoom-out，即wideangleendofzoomlens）。

6.最小投影清晰成像距離（Shortestfocaldistance）與最大投影清晰成像距離（Longestfocaldistance）：

代表投影機能夠使物體清晰成像的最近與最遠距離。

介於這兩者中間的位置，投影機都能清晰成像，此兩值規範了投影機的工作範圍大小。

7.光能（LuminousEnergy）Q：

光能為光通量的時間性積分，其單位為流明‧秒（lm‧s＝talbot或稱為泰伯）以及流明‧時（lm‧h），光源用作計算總壽命中發出光的總量或照明經濟等。

8.光能密度（LuminousDensity）q：

光能密度q＝

，代表光源發出的光束（光通量）ψ通過空間體積V時，其總光能為Q，於所有傳播體積V內的光能密度。

其單位為泰伯/米3（talbot/m2）。

9.發光強度（LuminousIntensity或稱為光度）I：

（適用於點光源）

一個點光源要向各個方向輻射光通量，假設dψ是通過某一方向上立體角元dω界內的光通量，則

叫做光源在這一方向的發光強度I，即I＝

。

當立體角單位是球面度（Steradian，縮寫sr），光通量單位是lm時，發光強度的單位是燭光（lm/sr，Candela，縮寫cd）。

10.光通量（LuminousFlux或是LuminousPower，或稱為光束）ψ：

此為描述可見光產生視覺響應強弱的能力之物理量。

光通量代表可見光在一段時間內，通過空間中給定點的能量大小。

當輻射通量為dPλ，vλ為波長在λ時的視見函數，波長在λ附近的輻射所相當的光通量為dψ＝683vλdPλ，式中常數683與光度學單位的規定有關。

光通量的單位是流明（lumen，簡寫為lm），通常使用美國國家標準學會流明（AmericanNationalStandardsInstituteLumens，簡稱ANSILumens或ANSIlms），簡稱為ANSILumens。

11.光亮度（Luminance或譯為輝度）L：

從某一面元發出的光，沿著給定的方向，在每一單位面積dS每一單位立體角dω內發射的光通量dψ，稱之為光亮度L，L＝

。

當光通量單位是流明，面積單位是米2，立體角單位是球面度sr（Steradian）時，光亮度單位是尼都（lm/（m2‧sr），nit，簡稱nt）。

12.光照度（Illuminance或是Illumination）E：

當物體表面被照明時，若照射到單位面積dS上的光通量是dψ，則稱投射到單位面積面元上的光通量為光照度，即E＝

。

當光通量單位是流明，面積單位是米2時，光照度單位是勒克斯（lm/m2，lx或lux）。

13.光出射度（LuminousEmittance或LuminousExitance，或稱為光束發散度）M：

單位面積的面元發出的總光通量為面光源的光出射度M。

對於面光源，考慮它的小面元dS（圖1），若dS沿各方向（實際上是面的一側）發出的總光通量為dψ，則M＝

（lm/m2）。

它的單位是勒克斯（lx或lux），與光照度E的單位一樣。

它的單位也有使用弧度勒克斯（radlux，簡寫成rlx），1rlx＝1lm/m2。

14.亮度（Brightness或譯為明度）：

代表明暗程度，是觀察者對於物理量光亮度（Luminance）的生理反應。

亮度無法用儀器量測而得，只有光亮度與光通量可用儀器量測得到。

15.對比（Contrast或是ContrastRatio）：

對比代表視觀察對象（如螢幕）的光亮度（或光照度，光通量）相對於背景的光亮度（或光照度，光通量）之比值。

16.量測對比（Contrast或是ContrastRatio）：

量測對比代表扣除背景光源（雜散光）的影響，投影機投出的光亮度（或光照度，光通量）在最亮與最暗時的比值。

量測上常用者有兩種：

一種稱為Fullon/FulloffContrast（全白/全黑對比），利用DMW軟體，量測白畫面（ANSIBrightnessScreen）（最亮）與黑畫面（DarkScreen）（最暗）時，中心點光亮度（或光照度，光通量）的比值；另外一種稱為CheckerboardContrast（西洋棋盤格式對比），量測（ANSIContrastScreen）畫面上16個黑白相間方格，中心點光亮度（或光照度，光通量）之值，其中（8格白色畫面淨光照度平均值）對（8格黑色畫面淨光照度平均值）的比值，即是CheckerboardContrast。

一般我們所說的對比即是指量測對比而言。

17.解析度（Resolution又稱為分辨率）：

解析度代表投影機（或所有的家電顯示產品，如電腦、電視、數位相機、示波器等等）螢幕畫面上，相鄰兩點像素（pixels或稱為畫素）能清楚成像，清晰分辨的程度。

兩點成像愈清晰代表解析度愈好。

18.螢幕解析度（ScreenResolution）：

螢幕解析度代表投影機（或所有的家電顯示產品，如電腦、電視、數位相機、示波器等等）螢幕畫面上，螢幕單位點（pixels，即映像點、或稱為像素、畫素）的數目多寡。

單位點數目愈多代表螢幕解析度愈好。

一般我們所說的解析度即是指螢幕解析度而言。

（Theresolutionchartneededtobe4×3or8×6arrays.）

19.均勻度（Uniformity）：

均勻度分為兩種，一個是整個螢幕畫面上，光通量（或是光照度）分布的均勻度，以Uniformity來表示。

另一個是色座標（x，y）分布的均勻度，以Xmax/Xmin與Ymax/Ymin，或者是Δu’v’代表。

均勻度量測的畫面大小至少要是3×3pixels的九宮格，通常用Lumen-13pt方程式的13pt量測。

20.國際照明委員會（CommissionInternationaldeI’Eclairage簡稱CIE）：

CIE是一個國際組織，致力於其會員國間的合作與資訊的交換，包括所有與藝術和科學照明有關的事務。

21.CIE1931標準色度系統（CIE1931ChromaticityValues）：

在CIE顏色空間，用笛卡兒座標系統（CartesianCoordinates）定義出的顏色座標，以（x，y）來表示。

1976年，CIE定義了更均勻的顏色空間，其顏色座標，以（u’，v’）來表示。

22.顏色座標（ColorCoordinate簡稱色座標）：

由CIE建立的2維空間，用來描述色度學（Colorimetry）中的顏色。

有兩套系統描述色座標。

一套是CIE1931標準色度系統，符號為（x，y）；另一套是改良過的，顏色更均勻的CIE1976標準色度系統，符號為（u’，v’）。

23.灰階（GrayLevel）：

從觀察者知覺上，將從黑到白的明度（即亮度）標尺均勻等距地分成許多等級，此等級稱為明度值V（也可以稱為亮度值，或是灰階值），數值越大表示視知覺的明度（即亮度）越高。

理論上，可以畫分成無限多個灰階值。

實際上的作法，是利用電子訊號提供不同的電壓位準，構成不同的灰階值，因為電子訊號能提供的電壓位準有極限，所以實際的灰階值有限。

常用的灰階數值有16，64，128，256這幾種等級。

就光學而言，當投影機的量測對比提高，所能表現的灰階數目也跟著變多。

24.超高壓金屬汞燈泡中的弧形管（ArcofUltra-HighPressureMetal-HgLamp）：

燈泡由外管與弧形管組成。

此弧形管主要為提供熱電子受激發光的用途。

外殼由透明石英玻璃製作，管內封入水銀與惰性氣體（主要為氬），包括一對主電極與一個輔助電極，兩極間以薄鉬箔分開，管的兩端封閉。

主電極為鎢絲軸捲附鎢絲線圈，其上塗布鹼土類氧化物等熱電子輻射物質。

輔助電極為了起動容易。

燈泡外管為硬質玻璃，與弧形管之間封入如氬氣的惰性氣體50～100kPa（0.5～1大氣壓）程度，擔任弧形管或構成配件的保護，特性的穩定化等任務。

外管的一端有燈座。

25.積分桿（IntegratingRod或是Integrator，或是LightPipe）：

一個光學元件，使得從光源來的（原本空間分佈不均勻的）光線，經過此元件後，產生空間均勻化的光照度（Illumination），或是接近空間均勻化的光照度。

26.光度學（Photometry）：

是研究可見光區內電磁輻射能（RadiantEnergy）的計量科學。

27.輻射度學（Radiometry）：

研究輻射能測量，以及能量在光學系統中傳輸流動相關問題的學問。

其討論範圍遍及整個輻射光譜區域。

輻射度學與光度學是相對應的，只要用輻射通量P代替光通量ψ，就可以得到輻射度學中相應的各物理量和基本規律。

例如把光出射度M＝

中的dψ換成dP，則可得到輻射出射度（RadiantEmittance）M＝

。

在本文的最後面有列出光度學與輻射度學相對應的各物理量。

（二）現在根據常見的光學量測項目一一解釋如下：

首先是待測機台的設定，注重其亮度（Brightness）與對比（Contrast）的設定值，一般是使用其預設值。

例如PlusU2－870機型，開機後，根據其使用手冊，選擇UsePresetValue，投影機的畫面就會以其內部預設值出現。

但必須注意：

Preset值未必有依據ANSI標準來設定OSD（OnScreenDisplay）之亮度（Brightness）與對比（Contrast），以PresetValue來量測，是為了確保每次量測條件皆相同。

若依ANSI標準，必須調整Brightness及Contrast，使最亮4灰階（100%、95%、90%、85%）及最暗4灰階（0%、5%、10%、15%）皆可分辨，始可開始量測。

接著擺好投影機位置，使投影畫面（螢幕）清晰成像，而且水平對稱。

此時可以皮尺量出投影機鏡頭前沿到螢幕的距離，此值稱為投影距離（ProjectionDistance）。

螢幕影像的水平長度（ScreenImageLength）與垂直高度（ScreenImageWidth），一般是量測中心水平長度（CentralHorizontalLength）與中心垂直高度（CentralVerticalWidth），其單位通常使用mm。

根據這些數據，電腦程式可以算出螢幕影像對角線長度（ScreenImageDiagonal）與投影比例（ThrowRatio），此值的定義有以下幾種方式：

ThrowRatio≡（ScreenImageDiagonal）/（ProjectionDistance）（olddefinition）

≡（ScreenImageLength）/（ProjectionDistance）（new1definition）

≡（ProjectionDistance）/（ScreenImageLength）（new2definition）

目前使用（new2definition），但是13pt的電腦程式仍然以（olddefinition）計算，在以後的光學測試報告中，都將採用（new2definition）來計算ThrowRatio。

當投影機放置在固定的投影距離時，此值愈大代表螢幕畫面愈小，此值愈小代表螢幕畫面愈大。

以下是一個實際例子：

ProjectionDistance=2100mm

ScreenImageLength=890mm（CentralHorizontalLength）

ScreenImageWidth=670mm（CentralVerticalWidth）

ThrowRatio（ProjectionDistance/ScreenImageLength）=2.360：

1

下一個參數是扭曲失真（Distortion或稱為畸變），其定義如下圖所示：

and

此Distortion的定義為Philips公司的標準。

舉一個實例如下：

用皮尺量出所有參數A、B、C、D、E、F

HorizontalDistortion≡（A－C）/C（up）and（B－C）C（down）

A＝TopHorizontalLength＝892mm

B＝BottomHorizontalLength＝890mm

C＝CentralHorizontalLength＝890mm

VerticalDistortion≡（D＋E－2F）/2F

D＝LeftVerticalWidth＝670mm

E＝RightVerticalWidth＝670mm

F＝CentralVerticalWidth＝670mm

根據公式算出HorizontalDistortion＝0.22%（up）and0%（down）

VerticalDistortion＝0%

至於zoom-in（縮小畫面）則代表投影機變焦鏡頭縮到最小，此時螢幕畫面最小；zoom-out（放大畫面）則代表投影機變焦鏡頭放到最大，此時螢幕畫面最大。

最小投影清晰成像距離（Shortestfocaldistance）與最大投影清晰成像距離（Longestfocaldistance）（單位通常用m），代表投影機能夠使用的工作範圍。

舉例而言Sinatra（CompaqMP1600）的ShortestandLongestfocaldistance分別為1公尺與10公尺，所以投影機能夠使用的工作範圍為1～10m。

接著討論亮度（Brightness）。

亮度代表明暗程度，是觀察者對於物理量光亮度（Luminance）的生理反應。

亮度無法用儀器量測而得，只有光亮度可用儀器量測得到。

通常使用美國國家標準學會流明（AmericanNationalStandardsInstituteLumens，簡稱ANSILumens或ANSIlms），單位與Watt相當，代表螢幕畫面上每秒所接收的能量，換言之，實際上我們量測到的是光通量（LuminousFlux），不是亮度或是光亮度。

計算投影機投影在螢幕畫面上的總光通量（TotalFlux）（單位是ANSIlms）與誤差（＋/－%）方法將於底下介紹。

先注意待測機臺的螢幕解析度（ScreenResolution，即螢幕單位點數目，映像點數目、或稱為像素數目、畫素數目）為XGA（ExtendedGraphicsAdapter，展延視訊圖形介面卡，螢幕解析度1024×768）或SVGA（SuperVideoGraphicsAdapter，超級視訊圖形介面卡，螢幕解析度800×600），然後選擇與其相同的電腦（或ChromaPatternGenerator圖形產生器）螢幕解析度，之後打開用MS-DOS寫成的Lumen-13pt程式。

進入該程式後，可看見如下圖的九宮格，其中有13個圓圈，旁邊有兩個箭頭，這些圓圈與箭頭代表需量測的位置。

通常只要量測13個圓圈的光照度（Illuminance）與顏色座標（稍後見底下的解釋）即可，量測儀器用CL100光色計（一般稱為色度計）。

色度計上有三個位置顯示資料，從左至右依序為光照度（Lux代表單位面積的流明值，必須乘以總面積才是總光通量，才是總流明值ANSILumens），色座標（x，y）。

量完13pt的光照度、色座標數值與投影距離、螢幕影像的水平長度與垂直高度，將之代入Lumen-13pt程式中，程式會算出以下數值（其代表意義將於稍後解釋）：

TotalFlux（總光通量）、Uniformity（均勻度）、AverageColor（平均色座標）、ThrowRatio（其定義已於前面討論過，不再重述一遍）、Xmax/Xmin與Ymax/Ymin。

九宮格如下圖所示：

其中的空格依序填入光照度與色座標（x，y）

（10,x10,y10）

（1,x1,y1）

（2,x2,y2）

（11,x11,y11）

（3,x3,y3）

（15,x15,y15）

（14,x14,y14）

（4,x4,y4）

（5,x5,y5）

（6,x6,y6）

（7,x7,y7）

（12,x12,y12）

（8,x8,y8）

（9,x9,y9）

（13,x13,y13）

各項目的定義和意義一一介紹如下：

TotalFlux≡（中間九點（1、2…到9）光照度平均值）×（螢幕畫面總面積）（m2）

（＋/－%）計算方式≡（全部13點光照度之Max/Min減掉中間九點光照度平均值）

（中間九點光照度平均值）

（3×3）≡（中間九點（1、2…到9）光照度值的Min）

（中間九點（1、2…到9）光照度值的Max）

Uniformity

（Corner）≡（邊緣四點（10、11、12、13）光照度值的Min）

（全部13點（1、2…到13）光照度值的Max）

（Japanese）≡（中間九點的四角（1、3、7、9）光照度值的平均值）

（中間第五點（5）的光照度值）

AverageColor≡中間九點色座標（x，y）的平均值

Xmax/Xmin與Ymax/Ymin≡（全部13點（1、2…到13）色座標（x，y）的Max）

（邊緣四點（10、11、12、13）色座標（x，y）的Min）

（Corner）

≡（中間九點（1、2…到9）色座標（x，y）的Max）

（中間九點（1、2…到9）色座標（x，y）的Min）

（3×3）

TotalFlux此值代表投影機投射在螢幕畫面上的總光通量大小，其單位為ANSI流明，數值愈高螢幕畫面愈亮。

（＋/－%）則是光通量的最大與最小誤差值。

以下是一個例子：

ScreenImageAverageLuminousFlux（lm）=507（＋18/－21%）

Uniformity代表整個螢幕畫面上，光通量（或是光照度）分布的均勻度。

有三種不同標準與算法，分別是（3×3、Corner、Japanese）。

其中（3×3）與（Japanese）兩種不同算法，代表九宮格中央九點（1、2…到9）光通量（或是光照度）分布的均勻度；而（Corner）算法，則代表整個螢幕畫面光通量（或是光照度）分布的均勻度。

一般而言，Uniformity的數值越接近1（100%），整個螢幕畫面上的光通量（或是光照度）分布越均勻；若是越接近0（0%），整個螢幕畫面上的光通量（或是光照度）分布越不均勻。

AverageColor是根據CIE1931標準色度系統（其定義參見色度學資料或書籍），計算出來的平均色座標（x，y）。

此CIE1931標準色度系統，代表人眼的平均顏色視覺特性。

通常量測的顏色有以下七種：

White（W白色）、Red（R紅色）、Green（G綠色）、Blue（B藍色）、Yellow（Y黃色）、Magenta（M紫色）、Cyan（C青綠色）。

至於黑色Black（B），一般認定為完全吸收，所以不予量測。

如果有人說”黑色的色座標是多少（x，y）”，這樣的說法是沒有意義的。

在量測螢幕畫面的亮度與色座標時，有兩種方法。

一種是直接量測Lumen-13pt程式中的13pt；另一種量測方法，通常先用Lumen-13pt程式，標定13個圓圈中心的位置，再切換到DMW（DisplayMateforWindows）軟體，進入MiscellaneousEffects選項裡，之後選出白色畫面，此時可按快速切換鍵F1，（如果一直按F1）可以從中見到以下七種顏色的循環：

White（W白色）、Yellow（Y黃色）、Magenta（M紫色）、Red（R紅色）、Cyan（C青綠色）、Green（G綠色）、Blue（B藍色）。

此時就可以色度計CL100，量出13pt的光通量與色座標，再代入Lumen-13pt程式算出TotalFlux、Uniformity、AverageColor、ThrowRatio、Xmax/Xmin與Ymax/Ymin等資料。

Xmax/Xmin與Ymax/Ymin代表色座標（x，y）分布的均勻度。

這裡列出兩種不同算法（3×3、Corner）。

其中（3×3）代表九宮格中央九點（1、2…到9）色座標（x，y）的均勻度；而（Corner）算法，則代表整個螢幕畫面上，色座標（x，y）的均勻度。

通常此比值越接近1（100%），整個螢幕畫面上的色座標（x，y）分布越均勻；若是越大於1（100%），整個螢幕畫面上的色座標（x，y）分布越不均勻。

再來討論對比（ContrastorContrastRatio）的概念。

對比代表視觀察對象（如螢幕）的光亮度（或光照度）相對於背景的光亮度（或光照度）之比值。

對比與灰階（GrayLevel）的概念有很大的關係。

從觀察者知覺上，將從黑到白的明度（即亮度）標尺均勻等距地分成許多等級，此等級稱為明度值V（也可以稱為亮度值，或是灰階值），數值越大表示視知覺的明度（即亮度）越高。

常用的灰階數值有16，64，128，256這幾種等級。

以16灰階為例：

16為理想白色，0為理想黑色。

如果對比愈強烈，代表從黑到白之間的明度標尺可以容許存在的灰階值愈多。

我們看物體時，根據此種亮度（或照度）對比來分辨，如果亮度（或照度）對比為0時，無法分辨所看的物體，所以此值通常越大越好。

在量測上，有兩種不同的方法。