2000-03-01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。(一)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＝VQ，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dd叫做光源在這一方向的發光強度I，即I＝dd。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＝cos2dSdd。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＝dSd。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，考慮圖1dS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＝dSd(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＝dSd中的dψ換成dP，則可得到輻射出射度(RadiantEmittance)M＝dSdP。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)/(Projection