JPWO2010123063A1 - 光学フィルタ及びディスプレイ評価システム - Google Patents

Abstract

液晶パネル（１０）を評価するためのディスプレイ評価システムは、光学調整装置（２０）、撮影カメラ（３０）、測定装置（３５）から構成される。また、液晶パネル（１０）には画像信号生成装置（１５）が接続されている。撮影カメラ（３０）は、ＣＣＤイメージセンサ（３１）を備えている。光学調整装置（２０）はレンズ（２２１，２２２）から構成されている。光学調整装置（２０）においては、金属板を網目状に加工し、透過率勾配を持たせている光学フィルタ（２１）を絞り位置に配置する。そして、デフォーカス位置に設置されたＣＣＤイメージセンサ（３１）において、ナイキスト周波数以上のレスポンスを抑制した形状にする。これにより、モアレ模様を抑制し、かつ１ピクセル単位で解像している画像を撮影することができる。

Description

本発明は、ディスプレイの画質を評価する場合に用いる光学フィルタ及びディスプレイ評価システムに関する。

今日、液晶パネル等のディスプレイの製造ラインは、均一な品質を実現できるように構築されている。しかし、このような製造ラインにおいても、個々のディスプレイには、製造バラツキが発生する。そこで、よりよい画像を出力するディスプレイを調整するために多様な検討が行なわれている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の技術では、調整対象装置の画質を、目標装置の画質に近似するように調整する。

しかし、各種の撮像デバイスを用いたカメラを使用して周期的なパターンを持つ対象物を撮影した場合、撮影した画像にモアレ模様が発生することがあるが、実際には画面上にはそのようなモアレ模様は無い。モアレ模様は液晶パネルのような格子状の模様（ピクセル格子模様）とＣＣＤの各画素の格子が干渉して生じる模様である。

そこで、モアレ模様を除去するための検討が行なわれている（例えば、特許文献２〜４を参照。）。
例えば、特許文献２には、フラットパネル表示器の画素欠陥を検出する画質検査装置において、画質検査に供する画像データからモアレ成分を除去するための技術が開示されている。この文献に記載された技術では、撮像装置で得られる画像データからモアレ成分を抽出し、このモアレ成分の周期を検出して周期毎に配置される画素値を結んで欠陥成分を除去した複数の平滑曲線を求める。この複数の平滑曲線上に位置する画素値と、元の画像データとの差を求めて欠陥画像データを取得し、複数の平滑曲線の平均を求めてモアレ模様を含まない平滑画像データを取得する。そして、この平滑画像データと欠陥画像データとを加算し、この加算結果を検査用画像データとして画像メモリに格納する。

また、特許文献３には、ＬＣＤ検査装置において、モアレ模様を低減し、検査精度の向上を図るための技術が開示されている。この文献に記載された技術では、被検査対象物であるＬＣＤパネルを撮影するカメラと、このカメラに接続されカメラによって撮影されたＬＣＤパネルの画像を映し出すモニタとの間に、このＬＣＤパネルを通過した光をＬＣＤパネルのブラックマスク部分まで広げるオプチカルローパスフィルタを設ける。

また、特許文献４には、ソフトウェアによる処理を必要とせず、より安価で簡単な構造の光学部材のみを用いてモアレ模様のない撮像画像を得るための技術が開示されている。この文献に記載された技術では、カメラと検査対象画面との間のいずれかの位置に光を散乱させる散乱透過板を挿入して撮像する。

特許第４１０９７０２号公報（第１頁、図１） 特開平１１−３５２０１１号公報（第１頁、図１） 特開平８−３２７４９６号公報（第１頁、図１） 特開平１１−６７８６号公報（第１頁、図１）

従来技術は、いずれにおいても大幅な画像の不鮮明化を伴い、対象物に存在するパターン周期と同レベルのサイズの変化や欠陥を観察したり検出したりすることは困難になるという問題があった。

液晶パネルのムラ補正を行なうにあたり、モアレ模様が撮影されると本来のムラ模様との区別がつかず問題となる。また、細かいムラ模様を撮影するためには、不必要に画像をぼやかすこともできない。

ここで、モアレ模様はディジタル信号処理理論における折り返し歪みである。この折り返し歪みが模様として見えたのがモアレ模様である。折り返し歪みとは、ナイキスト周波数以上の周波数が、サンプリングによって低周波側に現れたものである。

図１１は、光の量を調整するための一般的な円形絞り５０を示したものであり、開口領域により光を透過させる。
図１２は、一般的な円形絞り５０でのボケの形状（点像強度分布関数ＰＳＦ：Point Spread Function）の例であり、図１３はこの形状を２次元で表示したものである。

このような円形絞り５０を用いた場合、周波数特性は図１４に示すようになる。高域成分が十分に減衰されていないことが分かる。
また、一般的な光学ローパスフィルタは、水晶板で構成されＣＣＤ直前に設置される。しかしながら、水晶ローパスフィルタは水晶の複屈折（ダブリング）を利用しているため、１つの点を僅かに分離した２つの点に２重に写すことが基本である。一般には水晶板を２枚重ねて、この効果を縦横２回使用することにより、１つの点を４つに分離した４重の点としてＣＣＤ上に写す。このようなローパスフィルタでは、モアレ模様を除去することはできない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、このナイキスト周波数に注目し、モアレ模様を抑制し、かつ１ピクセル単位で解像している画像を撮影するための光学フィルタ及びディスプレイ評価システムを提供することにある。

上記問題点を解決するために、本発明は、複数の受光画素を備えた固体撮像素子に適用する光学フィルタであって、前記固体撮像素子における受光画素のピッチに基づいて決まるナイキスト周波数以上の周波数における空間周波数成分を抑制した波形を生成する透過率分布を設けたことを要旨とする。

本発明によれば、高域周波数成分を十分に減衰させることが可能である。そして、ＰＳＦの大きさを適切に設定してナイキスト周波数を落ち始めの点に設定すれば、ナイキスト周波数以上の周波数成分を十分に減衰し、ナイキスト周波数以下の周波数成分は良く通す理想的な光学ローパスフィルタを作成することが可能となる。

本発明の好ましい態様において、前記透過率分布を設けるために、光学フィルタを横断する少なくとも一つの横断軸に対して、正規分布の開口幅を有する開口部が設けられる。
上記態様によれば、前記横断軸を、撮影対象の周期的パターン模様（例えば、液晶パネルのような格子状模様）に合わせることにより、高周波成分を減衰させることができる。

なお、上記態様において、前記開口部を、横断軸に対して対称に配置した２つの正規分布曲線により構成することが好ましい。
これにより、横断軸に対して直交する直交軸においても、「山」形状の開口部を得ることができるので、直交軸方向においても、高周波数成分の発生を抑制することができる。

本発明の好ましい態様では、前記透過率分布は、プレートに形成された開孔の密度分布を用いて構成される。
これにより、プレートの開孔の密度分布が光学フィルタにおける透過率分布、言い換えれば光学濃度分布に対応し、プレートに対する孔加工で精密に光学濃度分布を設定することができる。

本発明の別の態様では、前記透過率分布は、透明板に形成されたドットパターンの密度分布を用いて構成される。
これにより、透明板の強度を維持しながら、透過率を容易に高くすることができる。

本発明の好ましい態様では、前記透過率分布として、固体撮像素子の受光面における光強度が正規分布になるように構成した分布を用いる。
これにより、ナイキスト周波数以上の周波数を確実に減衰させることができる。

本発明はまた、複数の受光画素を備えた固体撮像素子と、評価対象のディスプレイの画像をフォーカスする光学系部材と、前記光学系部材の絞り位置に設置され、前記固体撮像素子における受光画素のピッチに基づいて決まるナイキスト周波数以上の周波数における空間周波数成分を抑制した波形を生成する透過率分布を設けた光学フィルタとを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、ナイキスト周波数以上の周波数成分によるモアレ模様の発生を抑制して、ディスプレイの評価を的確に行なうことができる。
上記した本発明によれば、モアレ模様を抑制し、かつ１ピクセル単位で解像している画像を撮影するための光学フィルタ及びディスプレイ評価システムを提供することができる。

本発明の一実施形態のディスプレイ評価システムの説明図。 ディスプレイ評価システムにおける光線図。 本発明のフィルタを用いた場合の光強度分布の説明図。 本発明のフィルタを用いた場合の光強度分布（２次元）の説明図。 本発明のフィルタを用いた場合の光強度分布の周波数特性の説明図。 デフォーカス量と光強度分布の周波数特性との関係の説明図であって、（ａ）はデフォーカス量を２倍、（ｂ）は基準、（ｃ）は基準の半分に変化させたときの周波数特性。 本発明の一実施形態のフィルタの説明図。 本発明の第２実施形態のフィルタの説明図であって、（ａ）は撮影対象の画素、（ｂ）はフィルタ構造の説明図。 本発明の他の実施形態のフィルタの説明図であって、（ａ）は一つの正規分布曲線を用いた開口部、（ｂ）は曲線上の正規分布曲線を用いた開口部。 本発明の他の実施形態のフィルタの説明図。 従来の絞りの説明図。 従来の絞りを用いた場合の光強度分布の説明図。 従来の絞りを用いた場合の光強度分布（２次元）の説明図。 従来の絞りを用いた場合の光強度分布の周波数特性の説明図。

（第１実施形態）
以下、本発明の光学フィルタ及びディスプレイ評価システムについて説明する。本実施形態では、ＣＣＤイメージセンサを用いて、調整対象の表示パネルの画質を評価する場合を想定する。ここでは、図１に示すように、調整対象の表示パネルとして、液晶パネル１０を用いる。この液晶パネル１０は、所定の周期（第１ピッチ）で配置された画素素子により画像を形成する。

そして、この液晶パネル１０を評価するためのディスプレイ評価システムは、光学調整装置２０、撮影カメラ３０、測定装置３５から構成される。また、液晶パネル１０には画像信号生成装置１５が接続されている。

ここで、撮像手段（撮像装置）としての撮影カメラ３０は、光学調整装置２０を介して取得した画像を撮影し、出力画像データを測定装置３５に供給する。本実施形態では、撮影カメラ３０には、固体撮像素子としてのＣＣＤイメージセンサ３１を備えたモノクロカメラを用いる。ＣＣＤイメージセンサ３１は、所定の周期（第１ピッチとは異なる第２ピッチ）で配置された画素センサにより画像を撮影する。

測定装置３５は、ＣＣＤイメージセンサ３１から取得した画像の画質を評価する。
画像信号生成装置１５は、液晶パネル１０に、画質評価のためのテストパターン信号を供給する。このテストパターン信号に応じて、液晶パネル１０上にテストパターン画像が出力される。

光学調整装置２０は、液晶パネル１０上に表示された画像のフォーカスを調整する装置である。光学調整装置２０は光学フィルタ２１、画像をフォーカスする光学系部材としてのレンズ（２２１，２２２）から構成されている。後述するようにＰＳＦ形状をなめらかな「山」形状とするため、絞り部分に入れる光学フィルタ２１の周辺部分の透過率を、ほぼ「０」にする必要がある。このように透過率の低いフィルタを入れるため、レンズ（２２１，２２２）としては、十分に明るいＦ値のレンズを用いて設計し、フィルタを入れた後の実効Ｆ値が目的の値になるように設計する。

（光学フィルタ）
本実施形態では、デフォーカス位置に設置されたＣＣＤイメージセンサ３１の受光面でのＰＳＦを目的の形状に設定する。具体的には、ＣＣＤイメージセンサ３１における画素のピッチに基づいて決まるナイキスト周波数以上の周波数における空間周波数成分を抑制した波形を生成する透過率分布を、光学フィルタ２１に設ける。このため、光学調整装置２０においては、レンズ（２２１，２２２）の絞り位置に、ローパスフィルタとして光学濃度勾配を持つ光学フィルタ２１を挿入する。

本実施形態で用いる光学フィルタ２１は、図７に示すように、金属板（プレート）を網目状に加工することにより形成され、それによって光学フィルタ２１に目的の光学濃度勾配を持たせている。具体的には、光学フィルタ２１に、開孔２１１を設ける。この開孔２１１の密度分布を、光学フィルタ２１の中心からの位置（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）により変える。すなわち、開孔２１１の分布密度が光学フィルタ２１の中心から径方向外側に向かって同心円的に変化（減少）するように、開孔２１１が光学フィルタ２１に設けられる。

このようにすれば、金属板の加工精度で精密に光学濃度分布を設定することが可能となる。この網目の遮蔽率が光学濃度分布に対応する。
開孔２１１からなる網目模様自体は、像面では極めて細かな模様となるために、解像されずに開孔２１１の密度分布に応じたグラデーションを得ることができる。

（デフォーカス量の決定）
次に、デフォーカス量の決定について説明する。
液晶パネル１０の画素から発せられた光は、図２に示す光路に従ってＣＣＤイメージセンサ３１に達する。ここで、光学調整装置２０の焦点位置からＣＣＤイメージセンサ３１までの距離をデフォーカス量（ｄｆ）とする。この場合、絞りの形状がデフォーカス量（ｄｆ）に比例した大きさでＣＣＤイメージセンサ３１上に投影される。従って、デフォーカス量（ｄｆ）を調整することにより、自由な大きさのデフォーカス画像（ボケ）を作ることができる。なお、ボケの形はデフォーカス量（ｄｆ）に依存しない。

図３に、本実施形態の目的のボケ形状、すなわちフィルタを用いた場合の光強度分布を示す。高さ方向が光の強度、ＸＹ軸はＣＣＤイメージセンサ３１面上での位置を示す。
図４は、この光強度分布を２次元で表示したものである。横軸目盛はＣＣＤイメージセンサ３１のピッチの長さがちょうど「１」になるように正規化している。縦軸目盛は、最大光強度で正規化されている。

図５は、この形状の周波数特性を示したものである。横軸の単位は周波数で、ＣＣＤイメージセンサ３１のピッチにより決まるナイキスト周波数が「１」になるように正規化している。縦軸の単位はレスポンスでｄＢ表示されており、−４０ｄＢの場合には「１／１００」となる。

本実施形態のデフォーカス量（ｄｆ）は、ボケの大きさが図５になるように調整されている。ボケの形は絞り位置に入れる光学フィルタ２１により決定されており、デフォーカス量を変えても変化しない。

また、図５を基準としてデフォーカス量を変化させた周波数特性を図６に示す。ここで、図６の（ａ）はデフォーカス量を基準の２倍、（ｂ）は基準と同じ、（ｃ）基準の半分に変化させたときの周波数特性である。デフォーカス量を大きくするとボケが大きくなり、低い周波数から減衰してしまう代わりに、ナイキスト周波数以上の周波数を確実に減衰させることが可能である。デフォーカス量を小さくするとボケが小さくなり、低い周波数の減衰が抑えられる代わりに、ナイキスト周波数以上の周波数を減衰させることができずに増加してしまう。このように、デフォーカス量を変化させることにより、高域周波数の減衰量と、低周波成分の通過量とのトレードオフがとれる。

ここで、液晶パネル１０上の点光源に対して、デフォーカス位置における光の強度「Ｖ（ｒ）」は正規分布となるように設定されており、下記算出式により表される。
Ｖ（ｒ）＝ｅｘｐ（−２＊ｒ^２）
ここで、「ｒ」は原点（０，０）からの距離であり、ＣＣＤイメージセンサ３１のピッチ間隔と等しい長さを「１」（単位）としている。本実施形態の光学フィルタ２１の透過率分布も正規分布に近似しており、デフォーカス位置において光強度が正規分布になるように補正されている。なお、透過率分布は正規分布に近い方が望ましいが、実質的に正規分布からのズレがある場合にも、モアレの発生を低減することができる。

上記算出式では、「ｒ」を大きくしても「０」にはならないので、厳密には光の存在範囲が無限になる。これでは製作不能であるので、適当な範囲で打ち切ることになる。この打ち切りを考慮した場合の最適形状は上式とは異なるが、結果的に上記算出式と良く似た形になる。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
・本実施形態では、絞り位置において、透過率勾配（光学濃度勾配）を有する光学フィルタ２１を設ける。このフィルタにより、画像においてナイキスト周波数成分以上を遮断する。ここで、本実施形態の周波数特性（図５）と通常の絞りの周波数特性（図１４）とを比較する。図１４と図５とにおいては、ボケの大きさを調整してナイキスト周波数でのレスポンスが同一になるようにしてある。両図の周波数特性を見比べると、目的の形状では高い周波数が良く減衰されているが、一般的な形状のボケでは高い周波数が減衰しないことが分かる。

モアレ模様の発生原因はディスプレイの格子模様であり、これは高い周波数に集中している。この高い周波数を効果的に減衰することができればモアレ模様の発生を抑えることができる。従って、モアレ模様を抑制して、ディスプレイの評価を的確に行なうことができる。

・ 本実施形態では、光学フィルタ２１において目的の光学濃度勾配を実現するために、金属板を網目状に加工する。一般的な減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を用いて光学濃度分布を精密に変化させても、この光学濃度勾配を制御することは困難である。本実施形態では、金属板の網目の遮蔽率が光学濃度分布に対応し、金属加工精度で精密に光学濃度分布を設定することができる。

（第２実施形態）
上記第１実施形態においては、光学フィルタ２１に開孔２１１をその分布密度が同心円的に変化するように設けることにより、光学フィルタ２１に透過率分布を設けた。第２実施形態においては、正規分布の開口幅を有する開口部を用いた光学フィルタを説明する。

ここでは、図８（ａ）に示す液晶パネル１０の画素１１に対して、図８（ｂ）に示す光学フィルタ２１を用いる。この光学フィルタ２１は、開口部２１３を有する。この開口部２１３は、横断軸２１４に対して対称に配置された２つの正規分布曲線を接合した形状の縁部により構成される。本実施形態では、この横断軸２１４を、光軸（光学フィルタ２１）の中心を通るように配置する。

この光学フィルタ２１を用いる場合には、ＲＧＢ各色の画素１１の配置された方向（図８（ａ）においては水平方向）に、横断軸２１４を合わせる。
本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

・ 本実施形態では、開口部２１３は、横断軸２１４に対して対称に配置された２つの正規分布曲線を接合した形状を有する。液晶パネル１０においては、ＲＧＢ各色の画素１１の相対的な輝度が異なるため、縦縞の輝度模様（周期的パターン模様）が生じる。この周期パターン模様の発生方向（ここでは水平方向）に合わせて、正規分布曲線からなる開口部を設けることにより、モアレ模様を抑制して、ディスプレイの評価を的確に行なうことができる。

・ 本実施形態では、同じ形状の正規分布曲線を対称に接合した形状の開口部２１３を設けることにより、横断軸に直交する直交軸（図８では垂直方向）においても、「山」形状の開口幅分布を得ることができる。これにより、直交軸における高周波数成分の発生を抑制することができる。

・ 本実施形態では、開口部２１３の横断軸２１４を、光軸（光学フィルタ２１）の中心を通るように構成する。これにより、レンズの収差の発生を抑制することができる。
また、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

○ 上記実施形態においては、液晶パネル１０のモアレ模様の抑制に適用したが、調整対象の表示パネルはこれに限定されるものではない。プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、有機ＥＬディスプレイ、投影型プロジェクタ等のような周期的な画素により構成された画像の出力装置に適用することも可能である。

○ 上記実施形態においては、所定の周期で配置された画素センサを備えたＣＣＤイメージセンサ３１を用いて画像を撮影したが、撮像素子はこれに限定されるものではない。ディスプレイの画素配置の周期に起因してモアレ模様が発生するような周期で配置された画素センサを備えた撮像素子（例えば、ＣＭＯＳ撮像素子）に適用することができる。

○ 上記実施形態においては、金属板を加工して光学フィルタ２１を作成した。これに代えて、透明板（例えばガラス板）上に網目模様を印刷することにより光学フィルタ２１を作成することもできる。ガラス板上に、ドットの分布密度が異なるドットパターンを形成する。ドットは例えば、その分布密度が光学フィルタ２１の中心から径方向外側に向かって同心円的に変化（増大）するように配置される。金属板の加工の場合には、開孔の数が多くなると金属板の強度が落ちる場合があるが、ガラス板の場合には、透過率を容易に高くすることができる。

ただし、ガラス板を用いる場合には、ガラス板を含めたレンズ設計が必要である。また、ガラス表面での不必要な反射を抑制するために、レンズと同様の低反射コーティングを施す必要がある。

このとき使用するレンズについては、絞り位置での光線の通過位置とデフォーカス時の像面への到達位置の関係が、撮像エリア全般に亘って変化しないことが望ましい。従って、これは撮像エリア全般に亘って、ほぼ無収差のレンズを用いる。

○ 上記第２実施形態においては、開口部２１３の縁部を、横断軸２１４に対して対称に正規分布曲線を接合した曲線により構成した。この縁部の形状はこれに限定されるものではなく、開口部２１３の開口幅が横断軸に対して正規分布になっていればよい。例えば、図９（ａ）に示すように、直線と正規分布曲線とを縁部とする開口部を用いることも可能である。また、図９（ｂ）に示すように、曲線上に正規分布の開口幅を設定することにより、開口部を形成することも可能である。

また、開口部２１３において、横断軸２１４上の開口幅の分布が正規分布に近ければよい。この場合、開口幅が部分的に正規分布又は正規分布に近い分布になっている場合にも、モアレの発生を低減することができる。

○ 上記第２実施形態においては、開口部２１３の横断軸２１４を、光軸（光学フィルタ２１）の中心を通るように構成したが、この位置は中心に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、横断軸２１４が光学フィルタ２１の中心からずれている場合にも、モアレの発生を低減することができる。

１０…液晶パネル、１５…画像信号生成装置、２０…光学調整装置、２１…光学フィルタ、２１１…開孔、２１３…開口部、２１４…横断軸、２２１，２２２…レンズ、３０…撮影カメラ、３１…ＣＣＤイメージセンサ、３５…測定装置。

Claims (7)

1. 複数の受光画素を備えた固体撮像素子に適用する光学フィルタであって、
   前記固体撮像素子における受光画素のピッチに基づいて決まるナイキスト周波数以上の周波数における空間周波数成分を抑制した波形を生成する透過率分布を設けたことを特徴とする光学フィルタ。
2. 前記透過率分布を設けるために、光学フィルタを横断する少なくとも一つの横断軸に対して、正規分布の開口幅を有する開口部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
3. 前記開口部を、横断軸に対して対称に配置した２つの正規分布曲線により構成したことを特徴とする請求項２に記載の光学フィルタ。
4. 前記透過率分布は、プレートに形成された開孔の密度分布を用いて構成することを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
5. 前記透過率分布は、透明板に形成されたドットパターンの密度分布を用いて構成することを特徴とする請求項１に記載の光学フィルタ。
6. 前記透過率分布として、固体撮像素子の受光面における光強度が正規分布になるように構成した分布を用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の光学フィルタ。
7. 複数の受光画素を備えた固体撮像素子と、
   評価対象のディスプレイの画像をフォーカスする光学系部材と、
   前記光学系部材の絞り位置に設置され、前記固体撮像素子における受光画素のピッチに基づいて決まるナイキスト周波数以上の周波数における空間周波数成分を抑制した波形を生成する透過率分布を設けた光学フィルタと
   を備えたことを特徴とするディスプレイ評価システム。

Images