CN103807646A - 一种人造光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人造光源，包含光源模组与混光模组，该混光模组包含混光单元与准直腔体，混光单元置于光源模组与准直腔体之间，准直腔体具有相对之入光面与出光面，入光面之面积小于出光面之面积，且混光单元面向入光面设置。

Description

一种人造光源

技术领域

本发明是有关于一种人造光源。

背景技术

人造光源可用来作为测试光学元件的模拟光源。举例而言，人造光源可模拟定义为空气质量(Air Mass,AM)为1.5G的太阳光，以用来测试太阳能电池的转换效率。然而，目前市面上常见的人造光源可能会面临下列问题：低能源效率与输出光的准直性皆较差。这些问题不但会提高测试的成本，亦可能会降低测试结果的可靠度。因此如何改善上述问题，已成为业界亟需解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种人造光源，以提升能源效率与输出光的准直性。

本发明的一态样提供一种人造光源，包含光源模组与混光模组。混光模组包含混光单元与准直腔体。混光单元置于光源模组与准直腔体之间。准直腔体具有相对的入光面与出光面，入光面的面积小于出光面的面积，且混光单元面向入光面设置。

在一或多个实施方式中，光源模组用以提供具不同波长的多个光束，混光单元用以混合该些光束，且准直腔体用以准直通过入光面的该些光束。

在一或多个实施方式中，准直腔体包含多个反射板。反射板环绕地共同定义出入光面与出光面。

在一或多个实施方式中，每一反射板皆具有自入光面至出光面的延伸方向，且入光面具有法线方向。法线方向与延伸方向相夹一夹角，且夹角介于0度至90度之间。

在一或多个实施方式中，夹角为约4度至20度。

在一或多个实施方式中，反射板表面的反射率大于80%。

在一或多个实施方式中，入光面与出光面皆为多边形。

在一或多个实施方式中，混光模组更包含扩散板，置于混光单元与准直腔体之间。

在一或多个实施方式中，混光单元为一反射腔体。

在一或多个实施方式中，混光单元包含胶体与多个散射粒子。散射粒子分布于胶体中。

因此，通过上述的混光模组，人造光源能够改善能源效率，并提高输出光的准直性。

附图说明

图1为本发明人造光源的剖面图。

图2为图1之准直腔体的立体图。

图3为本发明人造光源的距离与亮度均匀度的模拟关系图。

图4为图1之混光单元的立体图。

图5为本发明光源模组与混光单元的剖面图。

其中：

100：光源模组     110：光源

200：混光模组     210、210’：混光单元

212：胶体         214：散射粒子

216、226：反射板          218：混光腔

220：准直腔体             222：入光面

224：出光面               230：扩散板

D：延伸方向               N：法线方向

θ：夹角

具体实施方式

以下将以图式揭露本发明的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本发明。也就是说，在本发明部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化图式起见，一些习知惯用的结构与元件在图式中将以简单示意的方式绘示之。

图1为本发明人造光源的剖面图。人造光源包含光源模组100与混光模组200。混光模组200包含混光单元210与准直腔体220。混光单元210置于光源模组100与准直腔体220之间。准直腔体220具有相对的入光面222与出光面224，入光面222的面积小于出光面224的面积，且混光单元210面向入光面222设置。

简言之，本发明人造光源能够提高输出光的准直性。具体而言，通过入光面222与出光面224的光线皆具有一出光角。出光角与光线的准直性成反比，也就是说，出光角越大，准直性越低。根据光线扩展度(etendue)守恒定理，光线的出光角与出光面积的乘积为定值，亦即出光角与出光面积成反比。而因入光面222的面积小于出光面224的面积，因此出光面224的光线的出光角便小于入光面222的光线的出光角，也就是说，通过出光面224的光线较通过入光面222的光线有较佳的准直性。

在测试当下，受测装置(未绘示)能够放置于准直腔体220的出光面224的下方而被人造光源所照射。受测装置的受光面可实质平行于出光面224且与其间隔一段距离，此段距离即为工作距离。当通过出光面224的光线具有较好的准直性时，工作距离也相对增加。如此一来，在测试当下，人造光源与受测装置之间便有足够的工作距离，使得探针或其他元件能够伸入其间，以量测受测装置受人照光源照射时的响应。

举例而言，若受测装置为一片平行于出光面224的太阳能电池，自出光面224射出的输出光的出光角应会等于其抵达太阳能电池的入射角。由于本发明人造光源的输出光具有良好的准直性，大部份的输出光在抵达太阳能电池时的入射角皆会小于一定的角度(例如30度)，而这些入射角之间的差异并不会对太阳能电池的电流响应产生太大的影响。也就是说，输出光若具有良好的准直性，则可提升对太阳能电池的测试准确性。

在本实施方式中，光源模组100用以提供具不同波长的多个光束，混光单元210用以混合该些光束，且准直腔体220用以准直通过入光面222的该些光束。详细而言，人造光源藉由产生与太阳光波长范围相似的光线以模拟太阳光，其中一种方式可将不同波长的光线混合在一起以达成上述目的。光源模组100可包含多个光源，这些光源可分别提供相同或不同波长的光束。当光源模组100发出的光束进入混光模组200的混光单元210后，这些光束会在混光单元210中进行混合，例如混合成均匀的白光。而后光束再由准直腔体220的入光面222射入准直腔体220。因出光角较大的光束会射至准直腔体220的内壁，因此会被准直腔体220反射。如此一来，射至出光面224的光束的出光角即可变小，以达到准直光束的目的。

接着请一并参照图1与图2，其中图2为图1的准直腔体220的立体图。在本实施方式中，准直腔体220可包含多个反射板226。反射板226环绕地共同定义出入光面222与出光面224。例如在图2中，准直腔体220包含四个反射板226，因此入光面222与出光面224皆为四边形。通过设置反射板226，通过入光面222的大角度的光能够被反射成较小角度的光。而为了减少能量耗损，反射板226表面的反射率(Reflectance)大于80%，例如反射板226可皆为银镜。举例而言，对于波长介于350奈米至1100奈米的光而言，反射板226表面的反射率、穿透率(Transmittance)与吸收率(Absorptance)可分别为97%、0%与3%。另外应注意的是，虽然在图1中，光束在准直腔体220中经过一次或不经过反射即到达出光面224，然而图1仅为例示。实际上，光束可能会在准直腔体220经过多次反射才到达出光面224。

请回到图1，每一反射板226皆具有自入光面222至出光面224的延伸方向D，且入光面222具有法线方向N。法线方向N与延伸方向D相夹一夹角θ，且夹角θ介于0度至90度之间。换句话说，由图1的剖面图来看，准直腔体220形成正梯形，入光面222位于正梯形的上底，出光面224位于正梯形的下底，而反射板226则位于正梯形的腰边。

在其他的实施方式中，夹角θ可选择介于4度至20度之间。在此构造下，人造光源的工作距离可达到100至350毫米。接着请参照图3，其为本发明人造光源的工作距离与亮度均匀度的模拟关系图。其中图3的工作距离的定义为准直腔体自出光面往外延伸的垂直距离，图3中显示了0至300毫米的工作距离作模拟。另外为了取得亮度均匀度，在本实施例中在各工作距离取得160毫米×160毫米的面积，并等分成8×8个区域且分别量测此64个区域的照度值，辐照不均匀度即为(最大照度值-最小照度值)/(最大照度值+最小照度值)。若辐照不均匀度越小，代表光源能量越均匀分布于该面积内，其中若辐照不均匀度小于2%即符合IEC60904-9中CLASS A等级的要求。

由图3得知，当夹角θ为10度，工作距离为0至200毫米时，亮度均匀度小于2%。当夹角θ为15度，工作距离为0至300毫米时，亮度均匀度小于2%。当夹角θ为20度，工作距离为80至300毫米时，亮度均匀度小于2%。当夹角θ为25度，工作距离为100至300毫米时，亮度均匀度小于2%。因此，相较于夹角θ为0度时，准直腔体能够具有较低值的辐照不均匀度，与较佳的准直性，且较长的工作距离。

接着请回到图2。在本实施方式中，入光面222与出光面224可皆为多边形。具体而言，为了方便制作准直腔体220，可先制作多个相同的板体，再将这些板体分别镀上反射层(例如为银层)，以制成反射板226。之后这些反射板226再组合成准直腔体220。而入光面222与出光面224的形状则由反射板226的形状与数量而定。其中因反射板226系在组合成准直腔体220之前便已镀上反射层，因此反射层可较为均匀，另外因每一反射板226的形状为实质相同，因此有助于大量制造且节省工时。然而上述的制造方法仅为例示，并非用以限制本发明。本发明所属领域具通常知识者，可视实际情形，弹性设计准直腔体220的制造方法。

接着请一并参照图1与图4，其中图4为图1的混光单元210的立体图。在本实施方式中，混光单元210可为反射腔体。具体而言，混光单元210可包含多个反射板216。反射板216环绕地共同定义出一混光腔218。光源模组100发出的光束能够在混光腔218经由被反射板216反射而充分混合，以让到达准直腔体220的入光面222的光束具有较好的颜色均匀度。其中反射板216的材质、反射率、穿透率与吸收率可与反射板226相同，亦可不同。

请回到图1。在本实施方式中，混光模组200可更包含扩散板230，置于混光单元210与准直腔体220之间。扩散板230可以让穿透它的光具有漫射型散射的特性，因此能够更进一步地混合于混光单元210中的光，使其有更佳的均匀度。

在本实施方式中，光源模组100可包含多种发光二极体(LightEmitting Diode,LED)，不同的发光二极体可发出不同波长的光束。举例而言，这些发光二极体可包含白光发光二极体、红光发光二极体、绿光发光二极体与蓝光发光二极体。若人造光源需产生具有高连续光谱的输出光，以精准地模拟定义为AM1.5G的太阳光，则上述的发光二极体的种类可高达十种以上，然而本发明不以此为限。

光源模组100可更包含驱动器，以控制并驱动上述的发光二极体。通过分别调整各发光二极体的驱动信号，可改变人造光源的输出光中各波长的光束的能量比例，以让输出光的光谱尽量接近欲模拟的光谱。

接着请参照图5，其为本发明另一实施方式的光源模组100与混光单元210’的剖面图。不同于在图4中，混光单元210是通过光束自反射板216反射而达到混光的目的，在本实施方式中，混光单元210’可包含胶体212与多个散射粒子214。散射粒子214分布于胶体212中。具体而言，光源模组100可包含多个光源110(如发光二极体)。胶体212包覆光源110，因此光源110所发出的光束便可直接进入胶体212。在胶体212中行进的光束可能会射至散射粒子214，因此被散射粒子214所反射，进而改变光束的行进方向。通过多次的反射，不同波长的光束便能够均匀地在胶体212中混合以达到混光的目的。应注意的是，上述的混光单元210与210’皆仅为例示，并非用以限制本发明。基本上，只要能够达到均匀混光目的的混光单元皆在本发明的范畴中。至于在图5中，通过混光单元210’后的光束的行进过程因与图1相同，因此便不再赘述。

虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求的范围所界定者为准。

Claims (10)

1.一种人造光源，其特征在于：包含：

一光源模组；以及

一混光模组，包含：

一混光单元；以及

一准直腔体，该混光单元置于该光源模组与该准直腔体之间，其中该准直腔体具有相对的一入光面与一出光面，该入光面的面积小于该出光面的面积，且该混光单元面向该入光面设置。

2.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该光源模组用以提供具不同波长的多个光束，该混光单元用以混合该些光束，且该准直腔体用以准直通过该入光面的该些光束。

3.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该准直腔体包含多个反射板，该些反射板环绕地共同定义出该入光面与该出光面。

4.根据权利要求3所述的人造光源，其特征在于：其中每一该些反射板皆具有自该入光面至该出光面的一延伸方向，且该入光面具有一法线方向，该法线方向与该延伸方向相夹一夹角，且该夹角介于0度至90度之间。

5.根据权利要求4所述的人造光源，其特征在于：其中该夹角为约4度至20度。

6.根据权利要求3所述的人造光源，其特征在于：其中该些反射板表面的反射率大于80%。

7.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该入光面与该出光面皆为多边形。

8.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该混光模组更包含：

一扩散板，置于该混光单元与该准直腔体之间。

9.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该混光单元为一反射腔体。

10.根据权利要求1所述的人造光源，其特征在于：其中该混光单元包含：

一胶体；以及

多个散射粒子，分布于该胶体中。

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