Laboratorium systemów wizualizacji informacji Pomiary charakterystyk spektralnych elementów modułu displeja. Kolorymetria. Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdaoska Gdańsk 006
1. Wprowadzenie. Postrzeganie informacji przez człowieka System wzroku człowieka jest tak skonstruowany, że potrafi odbierać (detektor oko) i interpretować (jednostka logiczna mózg) wrażenia barwne. Oko zawiera trzy typy specyficznych detektorów barwy, tzw. czopków, które reagują na trzy różne barwy: czerwoną (red R), zieloną (green G) i niebieską (blue B). Barwy te zwane są barwami podstawowymi (Primaries). Ze względu na specyfikę systemu wzroku człowieka, każde wrażenie barwne może być zatem odtworzone przez addytywne (sumacyjne) mieszanie (additive color mixing) barw podstawowych. Ilustruje to rysunek 1. R G B R + G + B = W (White) R + G = Y (Yellow) B + B = C (Cyan) R + B = M (Magenta) Rysunek 1. Addytywne składanie barw. Addytywne mieszanie barw ma zastosowanie do obiektów będących źródłem światła bądź odbijających światło padające z zewnątrz. Dla uzyskania oczekiwanego efektu światło musi zostać wymieszane przez zewnętrzny układ (zapewnienie dużej jednorodności); podobny efekt uzyskamy, gdy niewielkie rozmiarowo (quasi-punkotwe) źródła światła umieścimy w odległości mniejszej niż możliwości rozdzielczości kątowej systemu wzroku człowieka. Działa w ten sposób szereg współczesnych barwnych displejów. C M Y K C + M + Y = K (Black) C + M = B (Blue) C + Y = R (Red) M + Y = G (Green) Rysunek. Substraktywne składanie barw. Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona
System wzroku człowieka jest systemem adaptacyjnym. Oznacza to, że dostosowuje się on do warunków obserwacji (np. natężenia oświetlenia zewnętrznego). Wrażenia barwne nie są więc jednoznaczne i jako takie nie mogą być traktowane jako obiektywna ocena barwy. Dlatego niezbędne są optoelektroniczne systemy do określenia i klasyfikacji barwy w sposób jednoznaczny.. System kolorymetryczny Najbardziej pełną informację niesie charakterystyka widmowa badanego obiektu w zakresie 380 780 nm (zakres widzialny), pomierzona za pomocą dowolnego spektrometru. Powinna ona zawierać korektę ze względu na charakterystyki widmowe systemu pomiarowego (źródło, detektor, elementy transmisyjne). Jednakże interpretacja pełnej charakterystyki jest niewygodna, ponieważ: wymagana jest ocena jednocześnie całego widma; znacznie łatwiej operować jakimś parametrem lub parametrami liczbowymi, niż przebiegiem funkcji transmitancji czy reflektancji; wskazane jest, aby proponowany system liczbowy do oceny barwy był jak najlepiej skorelowany z systemem wzroku człowieka; system wzroku człowieka działa w ten sposób, że interpretuje sygnały (bodźce) pochodzące od trzech grup receptorów, z których każdy reaguje na inny przedział długości fali, jest to więc system trójchromatyczny. Pierwszy szeroko stosowany system do oceny barwy (kolorymetryczny) zaproponowany został w 1931 roku (CIE 1931). Wprowadził on pojęcie tzw. bodźców, oznaczanych X, Y, Z. Wartości tych parametrów uzyskiwane są poprzez wymnożenie charakterystyki widmowej badanego obiektu przez kolorymetryczne funkcje dopasowujące (color matching functions) x (red), y (green), z (blue), których przebieg pokazano na rysunku 3. Rysunek 3. Kolorymetryczne funkcje dopasowujące. Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 3
Wartości poszczególnych bodźców wyznaczane są z następujących zależności: X k 70 nm S x d Y k 70 nm S y d Z k 70 nm S z d 380 nm 380 nm 380 nm gdzie: S( ) charakterystyka widmowa obiektu, k współczynnik dopasowujący. Wartość bodźca Y jest równa wartości luminancji L: Y = L. Następnie wyznaczane są następujące wartości: X Y Z x ; y ; z ; przy czym: x y z 1 X Y Z X Y Z X Y Z Graficzne przedstawienie wykresu kolorymetrycznego przedstawiono na rysunku 4. Rysunek 4. Wykres CIE 1931 oraz tzw. elipsy MacAdama. Uwaga: Ponieważ z = 1 x y i może zostać wyznaczone, podawane są tylko współrzędne kolorymetryczne x, y, graficznie przedstawiane na płaszczyźnie dwuwymiarowej. Dodatkowo podawana jest luminancja L stąd zamiast nazwy CIE 1931 yżywa się często nazwy Lxy. Jedną z istotniejszych niedogodności systemu CIE 1931 jest jego silna nieliniowość. Uwidacznia się to tym, że minimalne postrzegalne różnice barwy (różnice te są reprezentowane przez elipsy MacAdama rysunek 4) silnie zależą od barwy. W 1976 roku zaproponowano zatem pewne przekształcenia w celu minimalizacji tego zjawiska. Wprowadzono nowy system CIE 1976 (Lu v ), w którym współrzędne kolorymetryczne u oraz v zdefiniowano następująco: Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 4
u ' X 4X 15Y 3Z x 4x 1 y 3 v ' X 9Y 15Y 3Z x 9y 1 y 3 Różnicę barwy (inaczej kontrast barwny) można określić z zależności: C u ' v ' u' v' Rysunek 5 przedstawia wykres kolorymetryczny CIE 1976 wraz z elipsami MacAdama. Rysunek 5. Wykres CIE 1976 wraz z elipsami MacAdama. 3. Pomiary charakterystyk widmowych displejów ciekłokrystalicznych Postrzeganie informacji prezentowanej na displeju ciekłokrystalicznym jest, jak wiadomo, zależne od warunków obserwacji displeja, jego jasności i kontrastu. Bardzo istotna jest także w przypadku displeja barwnego właściwa ocena jego barwy. Możliwości prezentacji informacji barwnej zależy zarówno od rodzaju displeja (komórka TN, matryca aktywna) jak i od modu pracy (pozytywowy, negatywowy dla komórki TN): Pozytywowy mod pracy (dla komórki TN) wymaga bardzo dużej jasności tła; zastosowanie barwy ograniczone jest zwykle do jednobarwnego podświetlenia całości displeja (barwne tło). Negatywowy mod pracy daje większe możliwości zastosowania displejów wielobarwnych. Displeje te mają ciemne tło, a selektywne zastosowanie różnobarwnego podświetlenia do różnych segmentów displeja pozwala na uzyskanie displeja wielobarwnego. Jedną z metod umożliwiających poprawę właściwości optycznych displeja (poprzez wprowadzenie barwy) jest zastosowanie dodatkowego elementu optycznego barwników dichroitycznych, dodanych do mieszanin ciekłokrystalicznych wypełniających komórkę. Barwniki te mogą być stosowane w formie mieszanin zapewniających achromatyczne widmo absorpcji, bądź jako indywidualne barwniki o selektywnym widmie absorpcji. Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 5
Wykorzystywane jest także addytywne mieszanie barw, co pozwala na uzyskanie różnych barw w szerokim zakresie. Dla modułów displejów prezentujących informację barwną, o wielkości kontrastu, różnicy barw, ich rozkładach przestrzennych, barwie wysterowanych segmentów i tła będą decydowały charakterystyki widmowe wszystkich elementów displeja i ich wzajemne powiązania: widmo źródła światła, widmo dyfuzora, transflektora, widmo transmisji zastosowanego filtru czy barwnika, widmo transmisji komórki ciekłokrystalicznej w stanie ON, widmo transmisji komórki ciekłokrystalicznej w stanie OFF, widmo transmisji polaryzatorów równoległych, widmo transmisji polaryzatorów skrzyżowanych. Informacje o właściwościach spektralnych elementów składowych displeja ciekłokrystalicznego umożliwiają ich właściwą ocenę i optymalizację ich konstrukcji. Pomiary optycznych właściwości standardowych (achromatycznych) displejów ciekłokrystalicznych wykonuje się za pomocą fotometrycznych mierników natężenia światła o charakterystyce czułości widmowej V( ), według normy CIE odpowiadającej czułości widmowej obserwatora fotometrycznego normalnego. W przypadku optymalizacji komórki/modułu displeja z zastosowaniem elementów barwnych można stosować pomiary fotometryczne, o ile mamy do czynienia z displejem jednobarwnym lub zastosowanie dodatkowych elementów barwnych wykorzystywane jest np. dla redukcji tzw. transmisji resztkowej. W tej sytuacji następuje poprawa fotometrycznych własności elektrooptycznych displeja. Jednakże stosowanie dla displejów barwnych jako kryterium optymalizacji kontrastu C lub współczynnika kontrastu CR (a więc parametrów opartych na stosunku luminancji L), jest związane z niebezpieczeństwem nieuwzględnienia wpływu barwy na postrzeganie prezentowanej informacji, szczególnie dla segmentów o dużym nasyceniu barw a o zbliżonych luminancjach. W tej sytuacji należy korzystać z tzw. kontrastu barwnego ΔC u v (CIE 1976) lub ΔE dla systemu Lab, danego zależnością: E L a b 4. Obsługa systemu pomiarowego 1. Uruchomienie systemu Włączyć zasilanie bloku elektronicznej (przycisk pomarańczowy i kluczyk) Włączyć ploter, drukarkę, następnie obie części komputera oraz monitor Po zgłoszeniu się systemu Basic 4.0 (domyślnie) wpisać poniższą sekwencję: MSI :,700,1,3 RETURN LOAD LSCAN RETURN RUN RETURN Zgłosi się program λ-scan. Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 6
. Ustawienia początkowe Ustawienia sprzętowe Ustawić monochromator jako aktywny dźwignia z prawej strony bloku monochromatora wciśnięta, Ustawić filtr pusty na kole z filtrami przed fotopowielaczem widoczny punkt bez białych oznaczeń, Przełączyć sterowanie na ręczne (przełącznik na płycie czołowej w położeniu hand), ustawić wartość początkową długości fali na 550 nm, przełączyć sterowanie na automatyczne (przełącznik w położeniu mot), Ustawić szerokość połówkową monochromatora wg. uznania lub sugestii prowadzącego, Włączyć oświetlenie transmisyjne lub refleksyjne (w wypadku oświetlenia refleksyjnego zastosować należy wzorzec bieli). Ustawienia programowe Ustawić wartość poczatkową długości fali na 550nm (home position), Ustawić wysokie napięcie na fotopowielaczu: Wpisać: M RETURN Wybrać tryb automatycznego doboru napięcia dla 70-80% zakresu przetwornika, dla długości fali 600-610nm, lub wpisać wartość napięcia ręcznie, Po wpisaniu Y (Yes) na ostatnim polu napięcie zostanie ustawione. 3. Kalibracja systemu (pomiar standardu) Ustawić wysokość mikroskopu nad stolikiem pomiarowym, Wpisać M3 RETURN, Wybrać opcję S (pomiar charakterystyki systemu/standardu) RETURN, Ustawić zakres długości fali i krok pomiaru, Ustawić aktywną funkcję uśredniania dynamicznego (z podaniem parametru LIMIT w zakresie 1-0; większa wartość oznacza dokładniejszy pomiar, kosztem czasu pomiaru), Wpisać Y (Yes) na ostatnim polu znakowym, Dodać opis mierzonej charakterystyki (drukowana jest tylko pierwsze pole nazwa), Ponownie wpisać Y (Yes) na ostatnim polu znakowym. Charakterystyka systemu zostanie pomierzona. 4. Pomiar obiektu Położyć mierzony obiekt na stoliku pomiarowym, Wpisać M3 RETURN, Wybrać opcję O (pomiar charakterystyki obiektu) RETURN, Postępować analogicznie jak przy pomiarze charakterystyki systemu. Uwaga: Zakres długości fali i krok pomiaru muszą być analogiczne jak we wcześniej pomierzonej charakterystyce systemu! Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 7
5. Wydruki wyników pomiarów Wpisać E1 RETURN, Wybrać jedną z opcji: S charakterystyka systemu, O charakterystyka obiektu, tak jak została zmierzona, Q charakterystyka obiektu z uwzględnieniem charakterystyki systemu, Wybrać rodzaj wykresu: nowy lub istniejący, Ustawić oś X w [nm], W miarę potrzeby zmienić domyślne ustawienia wykresu (max, min, opcje normalizacji itp.), Dobrać styl linii i kolor (numer) pisaka, Wydrukować charakterystyki na ploterze. Uwaga 1: Charakterystyki muszą być drukowane bezpośrednio po pomiarze (system domyślnie nie zapamiętuje danych). Uwaga : Istnieje możliwość drukowania kilku charakterystyk na jednym wykresie (nie należy wówczas wybierać nowego wykresu). 6. Wyznaczanie współrzędnych kolorymetrycznych Wpisać E6 RETURN. System wyznaczy współrzędne kolorymetryczne ostatnio mierzonego obiektu dla podstawowych rodzajów oświetlenia (A, C, D65, E) w systemach CIE 1931 oraz CIE 1976 Lab. Ustawić R lub S (S wyznaczone współrzędne staną się punktem odniesienia dla następnych pomiarów) RETURN, Zapisać wybrane współrzędne lub wydrukować całość na drukarce: dump=y (Yes) Uwaga 1: Współrzędne kolorymetryczne muszą być wyznaczane bezpośrednio po pomiarze (system domyślnie nie zapamiętuje danych). ZADANIA POMIAROWE 1. Wykonać pomiary charakterystyk widmowych wybranych obiektów (komórki ciekłokrystalicznej, filtrów barwnych, polaryzatorów, źródeł światła diod LED, złożenia różnych elementów) i przeprowadzić analizę kolorymetryczną wg. szczegółowych poleceń prowadzącego laboratorium.. Opracować i skomentować wyniki pomiarów. Laboratorium systemów wizualizacji informacji Strona 8