CN104931235B - 光源检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光源检测装置与方法。该光源检测装置包含第一感光模块、第二感光模块、移动模块和处理模块。第一感光模块于第一时段于第一位置接收光源产生的光，以产生第一基准信号，并于第二时段于第一位置产生第一测量信号。第二感光模块设置于移动模块，于第二时段于第二位置接收平面光源产生的光，以产生第二测量信号。移动模块使第二感光模块相对第一感光模块移动。处理模块耦接并驱动移动模块，且依据第一基准信号、第一测量信号和第二测量信号计算对应第二位置的第一终值。前述装置还可包含测量模块，用以接收前述信号以产生测量值。

Description

光源检测装置与方法

技术领域

本发明是关于光源检测，特别是关于光源的空间均匀性(spatial uniformity)和时间稳定性(temporal stability)的具有补偿因子的低误差检测装置与方法。

背景技术

大气质量或厚度(air mass，简称AM)是用来量化(quantify)地表接收到太阳光「辐照度」(irradiance，单位为瓦特/平方公尺[W/m²])的一个概念。太阳于正上方垂直地表方向入射时，假设光穿透的大气层厚度为1，则地表的光照条件记为AMl，此太阳光的辐照度能量约为1366W/m²。由于地球人口多集中于温带或亚热带纬度地方，太阳光实际入射角是以倾斜角度照射地面，国际标准中定义这些地区平均所受的光照条件为AM1.5G，代表太阳光与地面垂直线的夹角约呈48度倾斜入射，也就是光约当穿透了1.5倍厚度的大气层，其中G(global)表示考虑了光的散射因素；AM1.5G时，太阳光的辐照度能量约为963.75W/m²。为测量计算方便，通常将AM1.5G计为1000W/m²。

测量太阳电池(solar cell或photovoltaic cell)的发电效率时，通常需在实验室中以太阳仿真器(solar simulator)重现AM1.5G的标准太阳光条件，作为人造的标准光源。太阳仿真器受制于灯泡、透镜、镜组的损耗或缺陷，随使用时间而产生误差或变异量，因而需定期校正或维修。为确保太阳仿真器的性能，国际标准IEC60904-9针对太阳仿真器性能检测，建议应考虑：光谱合致度(spectral match)、光源照明平面的辐照度的不均匀度(空间均匀性)和光源随时间变化的幅度(时间稳定性)，对太阳仿真器进行A、B、C三个等级的性能分类。其中，空间均匀性建议将光源的照明平面至少等分为64个等面积区，测量各等分区的数据。然而实际上区的数目可能高达数百，在目前实验室仍以人工和少量的昂贵传感器检验太阳仿真器的现实下空间均匀性的测量显得旷时费工，且更严重的是光源长时间使用时，光源的不稳定性会造成前后测量期间数据随之浮动而失真。

发明内容

鉴于上述问题，本发明旨在提供一种光源检测装置与方法，用于自动测量光源的空间均匀性和时间稳定性，特别是测量前者时，通过实时补偿以消除光源随时间变化的负面影响。

本发明提供的光源检测装置，包含：第一感光模块、第二感光模块、移动模块和处理模块。第一感光模块于第一时段于第一位置接收光源产生的光，以产生第一基准信号，并于第二时段于第一位置接收光源产生的光，以产生第一测量信号。第二感光模块设于移动模块上，用以于第二时段于第二位置接收光源产生的光，以产生第二测量信号。移动模块用以使第二感光模块相对第一感光模块进行一维度或二维度的移动。处理模块耦接并用以驱动移动模块，且用以依据第一基准信号、第一测量信号以及第二测量信号计算对应第二位置的第一终值。在一实施例中，本发明提供的光源检测装置还包含测量模块，测量模块耦接第一感光模块、第二感光模块和处理模块，用以接收前述信号以产生对应的基准值或测量值。

本发明提供的光源检测方法包含：于第一时段和第二时段于第一位置接收光源产生的光，以分别产生第一基准信号和第一测量信号；选择性地于第二时段于第二位置接收光源产生的光，以产生第二测量信号；以及依据第一基准信号、第一测量信号以及第二测量信号，计算对应第二位置的修正补偿值为第一终值。在一实施例中，本发明提供的光源检测方法还包含依据前述信号产生对应的基准值或测量值，而第一终值等于第二测量值乘以第一基准值除以第一测量值。

综上所述，本发明提供的光源检测装置与方法以不同时段测量的第一测量信号和第一基准信号的关系为一个补偿因子，并用此因子修正第二测量值。由于第一和第二测量信号是在同时段取得，本发明的补偿修正具有实时性。在装置设计上，本发明只需两个感光模块且可自动控制第二感光模块的位置，有助于显著减少制造成本和检测所需时间。在其他实施例中，本发明提供的光源检测装置还可包含一或多个第三感光模块平行测量，第二和第三感光模块间可有另一个补偿因子修正其测量值。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1是依据本发明一实施例光源检测装置的高阶方块图。

图2是依据本发明一实施例第一感光模块、第二感光模块和移动模块的配置示意图。

图3是依据本发明一实施例移动模块的立体图。

图4是依据本发明一实施例第一感光模块、第二感光模块、多个第三感光模块和移动模块的配置示意图。

图5是依据本发明一实施例第一测量信号、第二测量信号和有效测量时段的示意图。

图6是依据本发明一实施例光源检测方法的流程图。

【符号说明】

1 光源检测装置；

11 第一感光模块；

12 第二感光模块；

13 第三感光模块；

14 移动模块；

141 第一轨道；

142 第二轨道；

143 载台；

15 测量模块；

16 处理模块；

41 照光范围；

42 有效范围。

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且依据本说明书所揭露的内容、权利要求及附图，任何本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例是进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请同时参见图1和图2。图1是依据本发明一实施例光源检测装置的高阶方块图。如图1所示，光源检测装置1，包含：第一感光模块11、第二感光模块12、移动模块14(详见图3说明)、测量模块15和处理模块16。第一感光模块和第二感光模块可以是任何光电转换元件，例如光电二极管(photodiode)、太阳电池(solar cell或photovoltaic cell)或电荷耦合元件(charge-coupled device，简称CCD)。第一感光模块和第二感光模块的规格不一定相同，也无需采用同样的光电转换原理；由于第一感光模块属参考性质，实际上可以选用较平价的元件。测量模块15可包含模拟/数字转换器(analogue/digital converter)、数字多功能电表(digital multimeter)或数据撷取卡(data acquisition hardware)等。处理模块16则具运算、存储和控制移动模块14等功能，可用一台电脑实现。图2是第一感光模块11、第二感光模块12和移动模块14的配置示意图。光源检测装置1适用的对象包含但不限于平面光源。以检测平面光源为例，光源检测装置1置于光源的照光范围41内。有效范围42与照光范围41相对，有效范围42指的是此光源用于对太阳电池评价时，真正被使用的光源平面区域。

固定的第一感光模块11首先于第一时段在第一位置依其所接收的光，产生第一基准信号。接着处理模块16驱动移动模块14将第二感测元件12移动至第二位置。第二位置在光源检测装置1即为有效范围42之中，由于有效范围42内的光源才是本发明的检测重点，第二位置必须落在其中，但第一位置只要在照光范围41内即可。第二感测模块12于第二时段在第二位置依其所接收的光产生第二测量信号；同时，在第一位置第一感光模块11也产生第一测量信号。第二感测模块12也可于第一时段受光产生信号。此信号的功能非属本发明的范畴，但举例而言可配合第一基准信号提供更可信的基准值。上述的第一基准信号、第一测量信号和第二测量信号为测量模块15所接收，并分别产生第一基准值、第一测量值和第二测量值。这些信号的性质乃视产生信号的感光模块采用的光电转换原理而定；举例来说，信号可以是光电流(photocurrent)，而基准值或测量值以毫安(mA)表示；或照度(illumination intensity)，基准值或测量值以勒克斯(1ux)表示；或国际单位制的亮度单位的物理量表示。本发明并不限定测量模块15产生基准值或测量值的方式；举例而言，将第一基准信号视为一个定义域(domain)为第一时段的时间序列(time series)，则第一基准值可以是此时间序列的平均值或中位数。

最后，处理模块16依据这些值计算第二位置上经补偿修正的测量值，也就是第一终值。在一实施例中，补偿因子是第一基准值和第一测量值的比值，而第一终值等于第二测量值乘以补偿因子。一台平面光源整体的辐照度可能会在半小时间增加2％至5％，而这个算法的意义即在于逆转光源随时间的变化。以较先的测量为依归，则通过在同一位置取得先后两个值(第一基准值和第一测量值)，可知这段时间整体辐照度的变化幅度，并据此修正其他位置上的数据(第二测量值)。

请参见图3。图3是依据一实施例移动模块14的立体图。如图3所示，移动模块14包含第一轨道141、第二轨道142和载台143。载台143用以承载第二感光模块12，并可在第一轨道141上沿一平面的第一维度滑动。第一轨道141则可在第二轨道上沿同一平面的第二维度滑动。移动模块14可能包含受处理模块16控制的电动机(motor，未标示)，用以曳引载台143与第一轨道141。移动模块14也可由机器手臂配合适当的夹持器具替换。

图3中的载台143可轻易地被延伸或复制以承载更多的感光模块。如图4所示，在此实施例中，移动模块14的第一轨道141上分布了第二感光模块12和四个第三感光模块13，涵盖有效范围42的宽度。请注意第二感光模块12和第三感光模块13实质上并无不同，在此仅为说明方便而区分；因此对某第三感光模块13，第三测量信号在某第三位置上产生，并被测量模块15转换为第三测量值，以及最后处理模块16计算对应第三位置的第二终值的过程，应与第二感光模块12类似。本发明也不限定感光模块的数量，以及如何在第一轨道141上排列和分布，凡本领域普通技术人员都可自由设计。如图4的配置方式，优点在于第二感光模块12和第三感光模块13不需再沿第一维度而只需沿第二维度移动测量，可简化移动模块14的设计，更重要的是进一步缩短了整体检测平面光源所需的时间。

当光源检测装置1具有多个活动的感光模块时，可能需要另外一层的补偿修正来消除个体之间的固有差别；所谓固有差别即是在相同条件下不同感光模块测量的结果所存在的歧异。在一实施例中，第二感光模块12被选为参考元件。仿照第一终值中补偿因子的算法，假设来自第二感光模块12和第三感光模块13的数据呈固定比值，则可在一标准光照条件下(如AM1.5G)使第二感光模块12和第三感光模块13分别产生第二基准信号和第三基准信号，再将两信号分别转换为第二基准值和第三基准值。在一实施例中，用以消除感光模块间个体差异的补偿因子，即第二基准值和该第三基准值的比值，而前述第二终值等于第三测量值乘以此补偿因子，再乘上前述依据第一感光模块11的补偿因子。

光源检测装置1可用于连续发光的稳态式照明光源，也可用于脉冲发光的照明光源。应用于后者时，由于一次脉冲的长度(可视为前述的第二时段)只在10到100毫秒(ms)间，测量模块15不需随时接收第二测量信号并产生第二测量值。请参见图5。图5是依据本发明一实施例，关于第一测量信号和第二测量信号的示意图。如图5所示，测量模块15可在第一测量信号超过某一预设值时才被触发接收第二测量信号。由于脉冲最前段和最后段通常存在噪声，测量模块15可等候一延迟(delay)才进入有效测量时段，有效测量时段是第二时段的一部分。如前所述，测量模块15可取第二测量信号(作为一时间序列)在有效测量时段中的平均值或中位数，以产生第二测量值。

请配合图1参见图6。图6是依据本发明一实施例光源检测方法的流程图。如图所示，于步骤S61中，第一感光模块11于第一时段在第一位置接收光源产生的光以产生第一基准信号，测量模块15并依据第一基准信号产生第一基准值。于步骤S63中，第一感光模块11于第二时段在第一位置产生第一测量信号，测量模块15并依据第一测量信号产生第一测量值；第二感光模块12被移动模块14移动至第二位置产生第二测量信号。于步骤S65中，处理模块16判断第一测量值是否大于预设值；若是则进行步骤S67，若否则回到步骤S63继续等待第一感光模块11的触发。于步骤S67中，测量模块15依据有效测量时段的第二测量信号产生第二测量值，有效测量时段是第二时段的一部分。于步骤S69中，处理模块16依据第一基准值、第一测量值和第二测量值计算对应第二位置的第一终值。在一实施例中，第一终值等于第二测量值乘以第一基准值除以第一测量值。

在一实施例中，移动模块14复于第三时段将第二感光模块12移动至第四位置，步骤S63至S69针对第四位置执行以产生第三终值，如此反复直到光源检测装置1完成有效范围42的测量。取得对应多个位置的终值后，即可依据IEC60904-9所建议的公式计算光源各处的辐照度的不均匀度。同时，若以第二感光模块12或第三感光模块13测量有效范围42上，同一位置在不同时段的辐照度，也可估计出光源随时间的变化。对于脉冲发光的照明光源，第二感光模块12或第三感光模块13在有效范围42上，测量模块15可在第一测量信号超过某一预设值时，进入有效测量时段接收第二测量信号或第三测量信号，此有效测量时段(作为一时间序列)，如图5所示，可估计出脉冲发光的每次脉冲光的时间稳定性(有效测量时段的时间内光源强度变化量)。

综上所述，本发明的光源检测装置与方法可自动测量光源的空间均匀性和时间稳定性，特别是测量前者时能通过实时补偿以消除光源时间不稳定性的负面影响。对于脉冲式的光源，本发明提供一种触发机制使测量模块14在必要时才接收第二测量信号产生第二测量值，减少数据量和处理模块16的负担。本发明也可使用多个置于有效范围42上的感光模块提高测量速率，并以另一基于标准光照条件的跨模块补偿因子校正终值。

Claims (13)

1.一种光源检测装置，其特征在于，包含：

第一感光模块，用以于第一时段于第一位置接收光源产生的光以产生第一基准信号，并用以于第二时段于该第一位置接收该光源产生的光以产生第一测量信号；

第二感光模块，用以于该第二时段于第二位置接收该光源产生的光以产生第二测量信号；

移动模块，用以使该第二感光模块相对该第一感光模块移动，该第二感光模块设置于该移动模块；

处理模块，耦接该移动模块，用以驱动该移动模块，并用以依据该第一基准信号、该第一测量信号以及该第二测量信号，计算对应该第二位置的第一终值；以及

测量模块，耦接该第一感光模块、该第二感光模块和该处理模块，用以接收该第一基准信号以产生第一基准值，并用以接收该第一测量信号以产生第一测量值，以及用以接收该第二测量信号以产生第二测量值；其中该第一终值是该第二测量值乘以该第一基准值除以该第一测量值。

2.根据权利要求1所述的光源检测装置，其中当该第一测量值大于一预设值时，该测量模块接收该第二测量信号，以产生该第二测量值。

3.根据权利要求2所述的光源检测装置，其中该测量模块接收该第二测量信号，以产生该第二测量值是依据一有效测量时段的该第二测量信号产生该第二测量值，该第二时段包含该有效测量时段。

4.根据权利要求1所述的光源检测装置，其特征在于，还包含：

至少一第三感光模块，设置于该移动模块，耦接该测量模块，用以于该第二时段于第三位置接收该光源产生的光以产生第三测量信号；

其中该移动模块还用以使该第三感光模块相对该第一感光模块移动，该测量模块还用以接收该第三测量信号以产生第三测量值，该处理模块还用以依据该第一基准值、该第一测量值、该第三测量值以及补偿因子，计算对应该第三位置的第二终值，该补偿因子关联于该第二感光模块和该第三感光模块。

5.根据权利要求4所述的光源检测装置，其中于标准光照条件下，该第二感光模块产生第二基准信号，该第二基准信号对应第二基准值，该第三感光模块产生第三基准信号，该第三基准信号对应第三基准值，该补偿因子是该第二基准值除以该第三基准值，该第二终值是该第三测量值乘以该补偿因子乘以该第一基准值除以该第一测量值。

6.根据权利要求1所述的光源检测装置，其中该第二感光模块还用以于第三时段于第四位置接收该光源产生的光以产生第四测量信号，该处理模块还用以依据该第一基准信号、该第一测量信号以及该第四测量信号，计算对应该第四位置的第三终值。

7.根据权利要求1所述的光源检测装置，其中该第一感光模块或该第二感光模块是光电二极管、太阳电池或电荷耦合元件。

8.一种光源检测方法，其特征在于，包含：

于第一时段于第一位置接收光源产生的光以产生第一基准信号；

于第二时段于该第一位置接收该光源产生的光以产生第一测量信号；

于该第二时段于第二位置接收该光源产生的光以产生第二测量信号；以及

依据该第一基准信号、该第一测量信号以及该第二测量信号，计算对应该第二位置的第一终值；

依据该第一基准信号，产生第一基准值；

依据该第一测量信号，产生第一测量值；以及

选择性地依据该第二测量信号，产生第二测量值；

其中该第一终值是该第二测量值乘以该第一基准值除以该第一测量值。

9.根据权利要求8所述的光源检测方法，其中选择性地依据该第二测量信号产生该第二测量值的步骤包含：

判断该第一测量值是否大于预设值；以及

当该第一测量值大于该预设值时，依据该第二测量信号产生该第二测量值。

10.根据权利要求9所述的光源检测方法，其中依据该第二测量信号产生该第二测量值的步骤是依据有效测量时段的该第二测量信号产生该第二测量值，该第二时段包含该有效测量时段。

11.根据权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于，还包含：

于该第二时段于第三位置接收该光源产生的光以产生第三测量信号；

依据该第三测量信号，产生第三测量值；以及

依据该第一基准值、该第一测量值、该第三测量值以及补偿因子，计算对应该第三位置的第二终值。

12.根据权利要求11所述的光源检测方法，其特征在于，还包含：

于标准光照条件下，产生第二基准信号，该第二基准信号对应第二基准值；以及

于该标准光照条件下，产生第三基准信号，该第三基准信号对应第三基准值；

其中该补偿因子是该第二基准值除以该第三基准值，该第二终值是该第三测量值乘以该补偿因子乘以该第一基准值除以该第一测量值。

13.根据权利要求8所述的光源检测方法，其特征在于，还包含：

于第三时段于第四位置接收该光源产生的光以产生第四测量信号；以及

依据该第一基准信号、该第一测量信号以及该第四测量信号，计算对应该第四位置的第三终值。