2 次元色彩輝度計 CA − 2000 のインパルス表示型ディスプレイ測定技術
The New CA-2000 Two-Dimensional Luminance Colorimeter for Impulse-Type Displays

上松幹夫＊

後

Uematsu, Mikio

藤泰史＊＊

門

Goto, Yasushi

要旨
従来，測定対象ディスプレイの発光制御方式によって

脇豊＊＊

Kadowaki, Yutaka

1 はじめには２次元型の色彩輝度計で正確な測定をすることが出来

近年，ディスプレイの高品質化が進む中で，画面内のないことがあった。CA−2000では露光方法の改善によっ明るさや色の分布（ムラ）を測定・評価する必要性が高て発光特性の影響を受けず，従来測定の難しかったインくなってきた。また画面内の多数点での輝度や色度の測パルス表示型ディスプレイであっても簡便に精度よく輝定を効率よく実施したいと言うニーズも強い。多くの発度や色度の分布を測定できるようになった。

光点が離散的に存在している自動車用のメータなどの評また個々の測定器に対して個別の校正を施すことにより，露光方法改善のために必要となった光量調整用ND価においても同様のニーズが見られる。
これらの用途に適した測定器としては，当社が2001年フィルタを含む各光学構成要素に起因する測定誤差を抑に発売した「２次元色分布測定装置CA−1500」を含め，制でき，精度を犠牲にすることなく高機能を達成するこCCDセンサの出力画像を利用して測定対象物の明るさやとができた。

色の分布を測定する２次元型の色彩輝度計がある。しかしながら一点のみの測定が可能な色彩輝度計に比べて２Abstract

次元型の測定器の歴史は浅く，計測機器として改良すべ

It has long been impossible to measure an impulsetype display accurately with a two-dimensional luminanceき点が多いと言える。
筆者らは様々な測定対象物の輝度・色度分布を正確かcolorimeter. But new CA-2000 two-dimensional luminancecolorimeter easily and accurately measures the distribution of luminance and chromaticity by use of an improved
method of exposure. High performance is achieved without sacrificing accuracy through the individual calibrationand error correction of optical components, including theND filter essential to the improved method of exposure.

Photo 1 2D Color Analyzer CA-2000

つ簡便に測定ができる測定器を目指し，従来機種C A −1500の設計や仕様を全面的に見直した「２次元色彩輝度計CA−2000」を新たに開発した（Photo １）。その中で，周期的な発光を繰り返すインパルス型表示ディスプレイでも正確に測定することのできる同期測定機能を，他の基本性能を犠牲にすることなく実現した。これにより＊コニカミノルタセンシング㈱＊＊コニカミノルタセンシング㈱

開発部
開発部

開発 11 課
開発 21 課

PDPなどのインパルス型表示ディスプレイを含む幅広い

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測定ターゲットを簡便に，より精度よく測定できるようと，幾つかの誤差補正演算や表色演算を施すことで最終になった。ここではCA−2000の同期測定機能，また２次的な測定データである輝度画像データ，色度画像データ

元色彩輝度計で特に重視される測定画素感度の均一性能を作成する。の達成技術について紹介する。

３ 同期測定の実現
２ 光学構成と基本動作

３．１

ディスプレイの発光

Fig.１のように，CA−2000の光学要素は，①対物レンテレビやパソコン用モニターとして広く一般に利用さズ，②色分解用フィルタ，③光量調整用NDフィルタ，④れるLCDやPDPなどの各種ディスプレイの中には，インCCDセンサの４ブロックに大別される。

パルス型表示ディスプレイと呼ばれ，視認不可能な短い結像機能を担う対物レンズは，測定対象物までの距離周期の発光を繰り返しているものがある。に応じて画像のピントを調整するフォーカス調整機能をPDPをはじめPWM駆動によって表示階調を制御してい持つ。対物レンズはユーザーによる交換が可能であり，るディスプレイは，Fig.２に示すように短い周期で測定対象物の大きさに合わせて適切なレンズが選択可能滅である。

ムがホスファーに当たることによって発光するCRTの場

色分解用フィルタは対物レンズの直後に配置され，国点を繰り返している。また画面上を走査する電子ビー

合もFig.３に示すように発光を繰り返す。さらには，ホー際照明委員会で定義されているCIE1931等色関数

ルド型表示により発光量の変動が小さかったLCDにおいに近似する分光透過率をもつ３種類の光学フィルタXYZても，黒画面の挿入やバックライトの選択的発光によっで構成される。各フィルタは一枚の回転板に取り付けらて動画特性の改善を図る技術の導入により，発光量に時れていて光路上に挿入するフィルタを切り替えられるよ間的変動が生じるようになってきた。

うになっており，測定時にXYZフィルタを順次切り替えることにより色分解した画像を取得する仕組みとなっている。
光量調整用NDフィルタはXYZフィルタとCCDセンサの間に配置され，およそ100%〜1.5%までの透過率の異なる７枚の光学NDフィルタにて構成される。XYZフィルタと同様の機構により，入射光量の強さに応じて必要なNDフィルタを光路上に挿入できる。

Fig.2 Luminous profile image of PDP

NDフィルタの背後に配置されるCCDセンサは対物レンズや各光学フィルタを経て入射される光を撮像して映像信号を出力する。そして映像信号はAD変換され，２次元配列の数値データ（以下，画像データ）として取得される。
輝度・色度の測定においては，XYZフィルタを切り替えながら撮像を行ってXYZの各画像データを取得，併せて取得したダーク画像によるノイズ除去処理を施したあFig.3 Luminous profile image of CRT

３．２

測定への影響と原因

PDPを２次元測定器で測定したときの結果例をFig.５に示す。縦軸は測定画面中央部の輝度値や色度値を表しており，10回繰り返して測定をしたときの測定値変動を表している。
従来の測定方法による点線の変化量を見ると，輝度Lvで約20%の幅，色度xで約0.04，ｙで約0.08の幅で変動が生じている。
Fig.1 Optical components of the CA-2000

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原因と対策グを実施できるようになり，再現性の良い測定データをこの現象は，測定時のCCD露光時間とディスプレイの発光周期が合致していないことによって引き起こされている。

取得できるようになった。
Fig.５の実線のグラフに着目すると，同期測定によって測定結果の変動が低減されていることがわかる。この実Fig.４はPDPの発光と測定器の露光タイミングを重ねた模式図である。背景がPDPの発光，No.１〜９および10〜18の枠が露光期間をあらわす。
ここで露光No.９に着目すると，露光時間の大半がPDP未発光の時間帯に掛かっており，この露光によって得られる信号量は小さい。一方でNo.４やNo.５の露光は長く発験データにおいては輝度Lvで約0.5%未満，色度xyで0.001未満の変動に抑制されている。
Luminance (cd/m2)

３．３

Normal measurement
Sync. measurement

Number of measurements
Luminance value repeatability of PDP measurement

光状態を捉えており大きな信号が得られる。つまり発光となる箇所をサンプリングしてしまい，検出信号の大きさが変動していると言える。結果，Fig.５の点線で示されるように測定再現性が損なわれてしまう。

Chromaticity (x)露光の周期が一致していないため発光プロファイルの異なお，CRTのように画面内の位置によって発光タイミ

Number of measurements
Luminance value repeatability of PDP measurementになる。

Chromaticity (y)ングが異なるディスプレイにおいては，測定再現性が損なわれると同時に空間的なムラとしても観察されること

Normal measurement
Sync. measurement

Normal measurement
Sync. measurement

Number of measurements
Luminance value repeatability of PDP measurement

Fig.5 Measurement value repeatability

３．４

光量調整手段としてNDフィルタの採用

CCDセンサによる撮像において露光時間制御は光量調
Fig.4 Luminous profile image of PDP
and measurement exposures

整手段のひとつであるが，前述の同期測定手段ではディスプレイ発光周期よりも短い露光時間を使えなくなると言う制約が生じ，光量が大きすぎる測定対象物で問題とディスプレイの評価においては，発光応答性の観察ななる。測定対象の光量を選ばない汎用性の高い2次元色彩

どを除き，視認できない発光変動の影響を受けないで見輝度計とするためには，光量が大きすぎる場合に別の光た目通りの安定した輝度や色度の計測結果を得ることが量調整手段が必要になってくる。

期待される。

そこでCA−2000では光量の調整方法としてNDフィルタ

そこでCA−2000ではCCDの露光時間を細かく調整してを内蔵した。露光時間を最短時間（ディスプレイの発光測定対象物の発光周期に合わせることにした。具体的に周期）に設定してもなお光量が大きすぎる場合には内蔵

はディスプレイの発光周期を予め本器に設定しておき，NDフィルタを挿入することで光量を制限する。これによその周期に基づいて測定時の露光時間を決定する。Fig.４

り輝度の高いインパルス型表示ディスプレイであってもの右側に描いている模式図は，露光時間を発光周期に一同期測定によって精度よく輝度・色度の分布が測定でき致させている状態を表す。発光と露光の位相が異なってる。

も常に1フレーム分の発光量を捉えることができ，検出信

ところで，NDフィルタを内蔵することにより，その光号が安定させることができる。なお露光時間は発光周期学特性による測定値への影響が問題となってくる。そこの整数倍であれば良く，測定対象の光量に応じて長い露で，次章に記載する校正を施すことでNDフィルタを含む光時間を利用することが可能である。

各光学要素に起因する誤差を除去し，２次元色彩輝度計

CA−2000が必要とする画素数や感度，ノイズ性能を有で必要とされる高い測定性能を実現している。

しており，なおかつ露光時間の微調整機能を備えた既成のCCDカメラが存在しなかったため，今回はCCD制御モジュールを新規に開発した。これにより画素数や測定輝４ 高い均一性能の実現

度範囲，性能などの達成に併せて露光時間を1μsピッチでCA−2000の仕様の中に「測定点間誤差」と言う項目が微調整する機能が実現。発光周期に合致するサンプリンある。測定画素の輝度や色度に対する感度の均一性を表

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す評価尺度であるが，輝度・色度の分布（ムラ）測定を

Fig.７は，ピントリングの位置を変えて均一光源を測定主目的として使用される2次元色彩輝度計にとって，このしたときの測定画像データの画面中央付近の断面図を示性能は特に重要である。例えば測定結果を画像として観す。この画像データの不均一性（平均値に対する個々の察する場合，不均一性はムラの識別可能レベルを低下さデータのバラツキ）を評価すると，およそ±0.5%となっせ，パターン状の不均一性が存在する場合には測定ターている。いずれの測定距離においても光学系に起因するゲットに在らぬムラが観察されてしまう。

不均一性が除去され，高い均一性が実現されていること

画素感度の均一性を損ねる主な要因としては，CCDのがわかる。

感度ムラ，XYZやNDフィルタの透過率ムラ，そして対物レンズのシェーディング特性がある。特に対物レンズによるシェーディング特性はFig.６に示す通りピントリングの位置に対しても依存性を持ち，測定対象物までの距離に応じてピント調整するだけで測定結果に違いが生じてしまう。

Fig.7 Horizontal section of measured image center

５ まとめ
発光量が変動するディスプレイを安定的に測定するためのサンプリング手法，また高い均一性を実現するため
Fig.6 Relative shading curve of a telephoto object lensの校正について述べた。
ディスプレイの開発競争が激しくなり，開発や製造に測定器に要求される様々な仕様を踏まえて均一性能のおける評価の作業を効率よく実施したいと言うニーズが実現方法を考えた場合，全ての光学要素の不均一性を部高まる中，一点のみの測定が可能な色彩輝度計から２次品単 位 で 抑 制 す る こ と は 実 現 困 難 で あ っ た 。 そこで

元色彩輝度計に置き換えようとする動きも増えている。

CA−2000では約100万画素の全CCD画素に対し，対物レンそしてこのような動きはディスプレイ業界のみならず，ズ種類，ピントリング位置，NDフィルタ種類の全ての組自動車用メータなど他の業界にも見られる。

合せおいて校正を施すことで不均一性誤差を補正するこセンサが完成したいま，輝度や色度の分布を効率よくとにした。具体的な校正画素数や校正ポイントを従来機簡便に評価できる特徴をもつ２次元色彩輝度計に期待さ種であるCA−1500と比較するとTable １のようになる。

れるアプリケーションをよく捉え，これからも広く利用される計測器の提供を目指したい。

Table 1 Comparison of calibration pixels and point numbers●参考文献１）吹抜敬彦，北村彰規，映像情報メディア学会誌，59，1841 (2005)

CA−1500に比べて校正画素数を増やすことにより，精度を犠牲にすることなく高い画素数の測定画像データを提供できるようになった。また校正点数（レンズ×距離×ND）を増やすことによりレンズ交換性，同期測定などの新機能と精度を両立し，サイズや発光形態，輝度などを選ばず様々な特徴の測定対象を幅広く測定することが出来るようになった。なおレンズの種類によって校正点数が異なるのは個々のシェーディング特性の違いによるものであり，最小限の校正点数により必要な性能が達成されるようにしている。

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