TW201317549A - 量測裝置及其量測方法 - Google Patents

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Abstract

一種量測裝置係量測一待測物，並包括至少一屏幕、至少一量測單元以及至少一保持單元。屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，待測物係鄰設於屏幕之第一表面。量測單元與待測物對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面。保持單元保持屏幕、待測物及量測單元三者的相對距離，量測單元擷取屏幕之第二表面的影像，以計算待測物之光場分布。本發明之量測裝置可快速量測一待測物之光場分布，並具有成本低及準確度高的優點。

Description

量測裝置及其量測方法
本發明關於一種量測裝置及其量測方法，特別關於一種光場分布的量測裝置及其量測方法。
近年來，隨著製程與材料方面的不斷改良，各種不同的光源，例如發光二極體(Light Emitting Diode,LED)不斷地被開發出來。由於製程的關係，每一顆光源或是一項光源產品都擁有自己獨特的光強度分布，而光學設計者需要其光場分布才能進行精密設計與光學模擬，進而符合產品的規格。因此，對於各種不同光源及其產品都需要量測其光場分布。
光源的光場分布一般都直接以遠場方式進行量測，其量測距離一般建議需大於光源或燈具大小的10倍以上。在此距離之後，光強度的角度場則不再隨著距離改變而改變。而習知的技術係使用一配光曲線儀來量測遠場的光強度分布，進而建立光源的等效光場分布。
另外，一般配光曲線儀大都為測角光度計(Goniophotometer)，其需要多次單點掃描，因此，量測時間相當長。若是改為利用影像概念來量測，則可減少量測的時間。目前，市面上已有利用影像概念的量測裝置來量測光強度分布之產品，例如Radiant Imaging公司的多角度影像量測裝置：Imagine Spheres。雖然其量測的速度快，量測時間短，但因要求具有完美朗伯(Lambertian)特性的塗層，因此，價格相當昂貴。
因此，如何提供一種量測裝置及其量測方法，可取代習知的配光曲線儀及積分球而快速量測一光源之光場分布及總能量，並具有成本低及準確度高的優點，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種可取代習知的配光曲線儀及積分球而快速量測一光源之光場分布及總能量，並具有成本低及準確度高的優點之量測裝置及其量測方法。
為達上述目的，依據本發明之一種量測裝置係量測一待測物，並包括至少一屏幕、至少一量測單元以及至少一保持單元。屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，待測物係鄰設於屏幕之第一表面。量測單元與待測物對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面。保持單元保持屏幕、待測物及量測單元三者的相對距離，量測單元擷取屏幕之第二表面的影像，以計算待測物之光場分布。
在一實施例中，待測物包含一光源或一光學膜片。
在一實施例中，屏幕的材質包含紙、布、纖維或塑膠絨布紙、玻璃、壓克力、或擴散片。
在一實施例中，屏幕包含一屏幕本體及一碳粉層或一印刷層，碳粉層或印刷層位於第一表面。
在一實施例中，碳粉層或印刷層包含複數凹部，以露出屏幕本體。
在一實施例中，屏幕更包含一透光基板，透光基板緊貼於第二表面。
在一實施例中，量測單元包含輝度計、照度計、功率計、照相機或光譜儀。
在一實施例中，量測單元更包含一掃描振鏡組件，以掃描屏幕之第二表面的影像。
在一實施例中，光場分布包含光的強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
在一實施例中，保持單元具有一可移動框架，可移動框架相對待測物具有複數位置。
在一實施例中，量測單元係擷取可移動框架於複數位置時，屏幕之第二表面的複數影像。
在一實施例中，係依據該等影像計算待測物之光場分布。
在一實施例中，當屏幕、量測單元及保持單元為複數時，該些量測單元係擷取該些屏幕之該些第二表面的複數影像。
在一實施例中，保持單元更具有之一樞軸，可移動框架係以樞軸旋轉，而相對待測物具有該等位置。
在一實施例中，量測裝置更包括一單體，屏幕、可移動框架、量測單元及待測物係設置於罩體內。
在一實施例中，罩體具有一軌道，可移動框架係沿著軌道移動。
在一實施例中，量測裝置更包括一旋轉單元，其係承載並旋轉待測物，以改變待測物面對屏幕的角度，或改變待測物與一入射光線的角度。
在一實施例中，量測裝置更包括一旋轉單元，其係承載並旋轉屏幕、量測單元及保持單元，以改變待測物面對屏幕的角度。
在一實施例中，量測裝置更包括一計算單元，其係將量測單元擷取到之該些影像進行光強度修正與轉換，並經座標轉換至同一座標系統。
在一實施例中，量測裝置更包括一計算單元，其係將量測單元擷取到之該些影像進行光強度修正與轉換，並經座標轉換至同一座標系統，且計算其總能量。
在一實施例中，當待測物為一光學膜片時，量測裝置更包括一光源，光源射出光線照射在光學膜片上。
在一實施例中，當待測物為一光學膜片時，屏幕、罩體或保持單元係具有穿孔，使一光源能照射在光學膜片上。
為達上述目的，依據本發明之一種待測物之光場分布的量測方法，係與一量測裝置配合，量測裝置具有至少一屏幕以及至少一量測單元，屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，待測物鄰設於屏幕之第一表面，量測單元與待測物對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面，量測方法包括：藉由量測單元擷取屏幕之第二表面的一影像；改變待測物面對屏幕的角度；藉由量測單元擷取屏幕之第二表面的另一影像；以及依據該等影像計算待測物之光場分布與總能量。
在一實施例中，量測方法更包括：對量測單元所擷取到的該等影像資料進行校正及修正。
在一實施例中，量測方法更包括：將該等影像中的資料經能量轉換，並經座標轉換至同一座標系統。
在一實施例中，光場分布包含光強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
在一實施例中，量測方法更包括：對已知總能量之標準光源進行量測。
在一實施例中，當屏幕、量測單元為複數時，該些量測單元係擷取該些屏幕之該些第二表面的複數影像。
在一實施例中，係藉由一可移動框架及或一旋轉單元改變待測物面對屏幕的角度。
在一實施例中，旋轉單元係承載並旋轉待測物，或承載並旋轉屏幕、量測單元及可移動框架。
在一實施例中，量測方法更包括：依據複數影像計算待測物之光場分布後再積分計算其總能量。
為達上述目的，依據本發明之一種待測物之光場分布的量測方法，係與一量測裝置配合，量測裝置具有至少一屏幕以及至少一量測單元，屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，待測物鄰設於屏幕之第一表面，量測單元與待測物對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面，量測方法包括：藉由量測單元擷取屏幕之第二表面的一影像；改變待測物面對屏幕的角度；藉由量測單元擷取屏幕之第二表面的另一影像；對量測單元所擷取到的該等影像資料進行校正及修正；將該等影像中的資料經能量轉換，並經座標轉換至同一座標系統；以及依據該等影像計算待測物之光場分布與總能量。
承上所述，因依據本發明之量測裝置及其量測方法係量測一待測物，待測物係鄰設於屏幕之第一表面，而量測單元與待測物係對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面。另外，保持單元係保持屏幕、待測物及量測單元三者的相對距離，且量測單元擷取屏幕之第二表面的影像，以計算待測物之光場分布。藉此，可使量測單元擷取由待測物所發出不同角度及方向之光線的光場分布，以得到待測物至少半球球域之光場分布。因此，本發明之量測裝置及其量測方法可取代市售之配光曲線儀及積分球，且具有快速與方便量測，以及成本便宜等優點。
另外，於應用面來看，本發明之量測裝置亦可取代習知以積分球量測光源總功率的方式。而且，本發明經部分改良後，亦可量測雙向散射分布函數。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種量測裝置及其量測方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
請參照圖1所示，其為本發明第一實施例之一種量測裝置1的示意圖。本發明之量測裝置1係量測一待測物，並包括至少一屏幕11、一待測物之載具12、至少一量測單元13以及至少一保持單元14。於此，係以一個屏幕11、一個量測單元13及一個保持單元14為例。先說明的是，待測物可例如為一光源或一光學膜片。其中，光源可例如為發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、冷陰極螢光燈管(CCFL)、或熱陰極螢光燈管(HCFL)。再者，待測物可為單一的發光元件、一光源模組或是一照明裝置。另外，待測物若為光學膜片，則光學膜片可例如為一擴散片(板)、一增亮膜、一菱鏡片或其它，於此，並不以限定。在本實施例中，如圖1所示，待測物係以一發光二極體元件O，而載具12係承載發光二極體元件O，且其內部具有驅動發光二極體元件O之驅動電路(圖未顯示)為例。
請同時參照圖1及圖2所示，屏幕11係具有相對的一第一表面S1及一第二表面S2。於此，第一表面S1係屏幕11面對發光二極體元件O的表面，且發光二極體元件O係鄰設於屏幕11之第一表面S1，而第二表面S2係屏幕11面對量測單元13之表面。屏幕11係部分透光，其材質可例如包含紙、布、纖維、塑膠、絨布紙、玻璃、壓克力、或擴散片。於此，屏幕11係以容易取得，且成本相當低的紙張為例。
如圖2所示，屏幕11可包含一屏幕本體111及一碳粉層112或一印刷層，而碳粉層112或印刷層可以噴塗或印刷碳粉或有顏色的粉末等方式設置於第一表面S1上，使第一表面S1成為灰色、灰黑色或黑色，或可有效避免光源在第一表面S1造成反射之表面。舉例說明，如果光源的顏色為綠色，則可將第一表面S1印刷成紅色，如此可避免綠色光反射而造成雜訊。於此，係以設置一黑色之碳粉層112為例。另外，於第一表面S1上設置碳粉層112或印刷層時，可使碳粉層112或印刷層包含複數凹部(圖未顯示)，因而於凹部的底部可露出屏幕11本體，且該等凹部可以成陣列排列。另外，屏幕11更可包含一透光基板(圖未顯示)，透光基板緊貼於第二表面S2。透光基板例如可為一玻璃，可用以支撐及固定屏幕11(例如固定紙張)。由於屏幕11係為部分透光，故當發光二極體元件O發出光線照射屏幕11之第一表面S1時，一部分的光線仍可穿透屏幕11，並於第二表面S2上呈現光場分布，以讓面對屏幕11第二表面S2的量測單元13來進行光場分布的量測。
量測單元13與發光二極體元件O對應設置，且量測單元13係鄰設於屏幕11之第二表面S2。藉由量測單元13可擷取屏幕11之第二表面S2的影像，藉此可計算發光二極體元件O之光場分布。其中，量測單元13可例如包含一輝度計(luminance meter)、一照度計(lux meter)、一功率計(power meter)、一照相機(camera)、或一光譜儀(spectrometer)。於此，量測單元13係以一照相機為例。
保持單元14係保持屏幕11、發光二極體元件O以及量測單元13三者的相對距離。在本實施例中，如圖1所示，保持單元14具有一可移動框架141，可移動框架141係保持屏幕11、發光二極體元件O以及量測單元13三者的相對距離，並且固定屏幕11及量測單元13的相對位置。換言之，屏幕11及量測單元13係設置於可移動框架141上，且固定於可移動框架141上，使得屏幕11與量測單元13之間的距離係固定不變的。另外，當可移動框架141移動或轉動時，屏幕11、發光二極體元件O以及量測單元13三者之間的相對距離是不會改變的。特別一提的是，本發明並不限定可移動框架141為圖1的實施態樣，只要可移動框架141可固定屏幕11及量測單元13之間的相對位置，並使屏幕11、發光二極體元件O以及量測單元13三者之間的相對距離不會改變即可。
本實施例中，量測裝置1更可包括一旋轉單元15，旋轉單元15係可承載並旋轉屏幕11、量測單元13及保持單元14，或者可承載並旋轉發光二極體元件O，以改變發光二極體元件O面對屏幕11的角度，使量測單元13可擷取由發光二極體元件O所發出不同角度及方向之光場分布。另外，於其它的實施態樣中，旋轉單元15可承載並旋轉發光二極體元件O，或改變發光二極體元件O與一入射光線的角度。
詳而言之，本實施例中，當發光二極體元件O發出光線投射至屏幕11的第一表面S1時，量測單元13可擷取屏幕11之第二表面S2的影像。當旋轉單元15旋轉至另一位置，使發光二極體元件O面對屏幕11的角度改變時，量測單元13可擷取屏幕11之第二表面S2的另一影像。其中，旋轉單元15可為一旋轉架或一旋轉支架。在本實施例中，旋轉單元15係以一環形旋轉架為例，並承載及旋轉屏幕11、量測單元13及保持單元14，載具12及發光二極體元件O則為不轉動，且位於環形旋轉架的中心。
請參照圖3A至圖3D所示，其分別為量測裝置1的保持單元14位於不同位置的俯視示意圖。當旋轉單元15旋轉時，可移動框架141相對發光二極體元件O可具有至少一第一位置P1與一第二位置P2，且量測單元13可分別擷取可移動框架141於第一位置P1及第二位置P2時，屏幕11之第二表面S2的一第一影像及一第二影像，且可依據第一影像及第二影像來計算發光二極體元件O之光場分布。其中，光場分布可包含光的強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
在本實施例中，發光二極體元件O之光場分布係指發光二極體元件O所發出光的強度(intensity)分布。藉由旋轉單元15的轉動，量測單元13係可分別擷取可移動框架141相發光二極體元件O於第一位置P1(如圖3A所示)、第二位置P2(如圖3B所示)、第三位置P3(如圖3C所示)及第四位置P4(如圖3D所示)之第二表面S2的四個影像。另外，還可以手動的方式，將保持單元14立設於發光二極體元件O的正上方(圖中未顯示)，以進行第五位置的影像擷取。於此，量測單元13(照相機)係擷取屏幕11之第二表面S2之影像的輝度(radiance)，藉此，可計算而得到發光二極體元件O之不同方向的光強度分布。不過，圖3A至圖3D的位置只是舉例，使用者當然可藉由旋轉單元15的轉動，使量測單元13可擷取可移動框架141相對發光二極體元件O其它不同位置之第二表面S2之其它影像的輝度。
另外，請參照圖4A及圖4B所示，其分別為另一實施態樣之量測裝置1a的示意圖。
與量測裝置1相同，量測裝置1a一樣可以如圖3A至圖3D所示，可藉由旋轉單元15的轉動，使量測單元13可分別擷取可移動框架141相對發光二極體元件O於第一位置P1至第四位置P4之第二表面S2的四個影像。另外，如圖4A所示，為了量測發光二極體元件O至少半球球域的光場分布，保持單元14a更可具有一樞軸142，樞軸142的一端係固定於旋轉單元15，進而固定整個保持單元14與發光二極體元件O的相對距離。而可移動框架141可以樞軸142旋轉，而相對發光二極體元件O具有該等不同的位置。其中，圖4A係顯示保持單元14a於第一位置P1。另外，如圖4B所示，可移動框架141可以樞軸142為支點旋轉，使其相對於發光二極體元件O旋轉而立於發光二極體元件O之正上方，使保持單元14a於一第五位置P5，此時，保持單元14a仍維持著屏幕11、發光二極體元件O以及量測單元13三者的相對距離不變。於此，係以二個樞軸142分別位於可移動框架141之二側為例。因此，藉由旋轉單元15之旋轉，不僅可使量測單元13分別擷取可移動框架141相對發光二極體元件O於第一位置P1～第四位置P4的四個影像的輝度，再藉由以樞軸142為支點，可使可移動框架141相對發光二極體元件O而立於發光二極體元件O之上側，使量測單元13擷取可移動框架141相對發光二極體元件O於第五位置P5的影像的輝度。因此，量測裝置1a可藉由量測單元13擷取屏幕11之第二表面S2的至少五個位置P1～P5的五個影像的輝度，並藉以計算發光二極體元件O之至少半球球域的強度分布。其中，位置P1～P5之五個影像的輝度即是發光二極體元件O之五個不同角度之光線的輝度。特別一提的是，為了怕環境光線影響量測裝置1、1a的準確性，因此，量測單元13量測屏幕11之第二表S2的影像時，需將量測裝置1、1a置放於一全暗的環境中，以免環境光線干擾量測而影響其準確性。或者，可藉由覆蓋一遮光布於量測裝置1、1a，以排除環境光線的干擾。
然而，本實施例之照相機擷取到屏幕11的第二表面S2之輝度分布並非真正的輝度分布，因為照相機內的傳感器之灰階值與光線的絕對能量為非線性之關係，因此在擷取輝度分布之前，必須先找出傳感器之灰階值與能量轉換關係，進而再對擷取到之灰階值分布做轉換，如此，才能得到正確的絕對輝度分布。
為了得到灰階值與輝度的轉換關係，於此係藉由一已知總能量之標準光源(例如白光)照射在屏幕11之第一表面S1上，並由量測單元13擷取第二表面S2的影像，並記錄照相機之傳感器量到的灰階值及一功率計的能量值，如此，即可得知已知總能量之光源的灰階值，進而計算而可得到不同灰階值對應之總能量的數據，如此，才可得到真正的光場能量分布。
另外，必須再將量測單元13所擷取到的發光二極體元件O於各個不同角度(於位置P1~P5)之光強度分布，轉換至同一個座標系統。因此，量測裝置1a更可包括一計算單元(圖未顯示)，計算單元係將量測單元13擷取到之該些影像的資料(強度分布的資料)進行光強度修正與轉換，並經座標轉換至同一座標系統。另外，也可藉此進而計算該些影像的資料的總能量。舉例來說，計算單元係先將量測單元13擷取之發光二極體元件O不同角度光線強度的每一點定義其直角(卡氏)座標，並利用座標轉換將每個角度擷取到的位置座標轉換至同一直角(卡氏)座標，再轉換至球座標系統。
以下，請分別參照圖5A至圖5C所示，以說明如何將量測單元13擷取到之該些影像之強度的座標轉換至同一球座標系統。換言之，係將發光二極體元件O向不同方向發射，而間接映於屏幕11之第二表面S2之光線強度的座標全部轉換至同一個球座標系統。其中，圖5A及圖5B只顯示發光二極體元件O、屏幕21及量測單元23，而座標系的原點位置係為發光二極體元件O的中心點。
如圖5A及圖5B所示，將每個角度擷取到的位置座標轉換至同一直角座標系統的座標轉換公式為：
其中，(x,y,z)為實驗室的座標系，而被量測單元13擷取到的影像之座標系為(x’,y’,z’)。另外，圖5A之屏幕11及量測單元13先以X軸為軸心逆時鐘轉動之角度為Φy(由虛線之屏幕11旋轉至實線之屏幕11)，而圖5B之屏幕11及量測單元13以Y軸為軸心順時鐘轉動角度為Φx(由虛線之屏幕11旋轉至實線之屏幕11)。
之後，計算單元可再將於不同位置P1~P5的影像中所有新的座標分別轉換成球(極)座標系統，以建立至少半球球域的強度分布，如此，便可得到發光二極體元件O之光場強度分布。而球座標與直角(卡式)座標關係式可如下所示：
其中，如圖5C所示，θ、Φ為定義之球座標，而x、y、z為上述轉換過之新的座標。
另外，為得到光強正確值，需進行光強度修正與轉換，本發明係利用量測單元13(照相機)拍攝屏幕11之第二表面S2的輝度分布後，再利用餘弦三次方定理(cosine third law)將光線的輝度轉換成光線的強度。請參照圖5D所示，散射光之光強(Isource)與其在屏幕11上造成之照度(illumines,Escreen)轉換關係式可為：
Escreen(θ2)=cos3θ1‧Isource
其中，θ1是屏幕11之法線與散射光線之夾角，而θ2為量測單元13之鏡頭光軸與屏幕11上某點之散射光線的夾角。
另外，以照相機作為量測單元13來擷取屏幕11的影像時，因為屏幕11本身的材質不均的特性、影像擷取時的幾何角度不同，以及量測單元13之鏡頭會有暈影(vignette)或暗角的現象，會對擷取到的輝度分布產生影響，因此必須對量測單元13所擷取到的影像資料進行修正。其中，屏幕11及鏡頭暈影校正係可利用一均勻輝度的光線(例如中午12點時的太陽光)直接照射在屏幕11上，再用輝度計擷取其輝度分布，以作為屏幕散射特性、影像擷取幾何角度及鏡頭暈影之校正參數，藉此對輝度計所擷取到的影像資料進行校正。而光強與量測單元13之傳感器的照度關係可為：
其中，C screen_vignetting (θ 2 )是利用均勻輝度光線架構之傳感器上的分布，I screen (θ 2 ,θ s =0)為不同入射角散射光在屏幕11之法線位置的光強。
特別一提的是，若屏幕11符合朗伯特性，則可不用進行量測單元13的校正，而其轉換關係可直接為：
其中，θ2為量測單元13之鏡頭光軸與屏幕11上某點之散射光線的夾角。
因此，在擷取發光二極體元件O之不同角度之輝度分布並進行光線的強度修正和座標轉換後，接著計算單元可再將各個不同角度之強度分布整合起來。
經座標轉換後的球座標系統展開成θ、Φ平面可如圖6A所示。其中，Y軸為夾角θ大小，而X軸為夾角Φ大小。特別一提的是，以下每個複數影像θ、Φ的範圍只是舉例，並非一定要照這個分布切割每張複數影像在θ、Φ之位置。
於圖6A中，擷取發光二極體元件O正上方光強度分布之角度θ的範圍為0度到40度之間，而角度Φ則為0度至360度之間。另外，於Y軸方向的角度θ大於40度至90度之光強度分布中，每次只能量測到一部分的角度Φ的範圍，因此必須分開多張來擷取。在將所有擷取到之光強度分布球座標位置算出來後，可將各角度位置擷取到的分布圖分別對應回其球座標，最後即可整合所有資料成為至少半球球域之光強度分布。
然而，將球座標展開成θ、Φ平面之分布並不直觀，因此，本發明將資料整合後，須再將光強度分布轉換成其它較直觀之座標系統，如圖6B所示。
在圖6B中，每一點與原點之距離為角度θ，而與軸Θxx之夾角為Φ，而隨意取一角度Φ(角度θ由0度至90度)之分布即為光源之一維光強度分布。
以下，請分別參照圖7A至圖7F所示，其分別為本發明之量測裝置1a量測發光二極體元件O(一發光二極體元件)之結果示意圖。
如圖7A及圖7B所示，其分別為量測單元13(影像式輝度計)擷取發光二極體元件O之正上方(如圖4B的位置，P5)之光強度分布圖。其中，圖7A係未經校正的光強度分布圖，而圖7B係經校正後的光強度分布圖。
另外，如圖7C及圖7D所示，其分別為量測單元13擷取發光二極體元件O之水平方向(如圖4A的位置，P1)之光強度分布圖。其中，圖7C係未經暈影修正的光強度分布圖，而圖7D係經修正後的光強度分布圖。
另外，如圖7E及圖7F所示，其分別發光二極體元件O為Cree XR-E之發光二極體，並將其座標轉換成球座標後，並展開成θ、Φ平面的光強度分布圖及將其轉換成較直觀之座標系統的光強度分布圖。
此外，如圖7G及圖7H所示，其分別發光二極體元件O為Cree XP-G之發光二極體，並將其座標轉換成球座標後，並展開成θ、Φ平面的光強度分布圖及將其轉換成較直觀之座標系統的光強度分布圖。
最後，將本發明之量測裝置1(或1a)的量測結果與利用習知技術所量測的結果作比較，其中，習知技術係固定功率計(power meter)與Cree XR-E之發光二極體的相對距離，並旋轉發光二極體，以量測其一維光強度分布。利用本發明量測裝置的量測結果，與習知技術所得的結果相似程度高達99%以上。故可證明本發明之量測裝置可快速量測光源之光強度分布(光場分布)，並具有成本低及準確度高的優點。再說明的是，在本實施例中，除了發光二極體元件O之外，其它的元件之表面如果可先進行適當的表面處理的話，則可減少量測時的雜訊。於此，所謂適當的表面處理是指使元件表面相對於發光二極體元件O具有吸收光線的特性。舉例來說，量測發光二極體元件O之光場分布時，如盡可能將量測裝置之元件的表面塗黑，則能減少量測時的雜訊。
另外，請參照圖8A及圖8B所示，其分別為另一實施態樣之量測裝置1b的示意圖。
與量測裝置1a相同，量測裝置1b一樣如圖3A至圖3D以及圖4B所示，可使量測單元13擷取屏幕11之第二表面S2的至少五個位置P1～P5的五個影像的輝度，進而得到發光二極體元件O之至少半球球域的光強度分布。
不同的是，為了得到發光二極體元件O之全球球域的光強度分布，如圖8A所示，在量測裝置1b中，發光二極體元件O係設置於一旋轉架F上，且旋轉架F係藉由兩支架R1、R2(亦可使用單一支架)樞接並承載旋轉架F，支架R1、R2係保持不動。其中，可藉由支架R1、R2及旋轉架F翻轉發光二極體元件O，且其設計上以不擋到光源為原則，而且需具有卡榫(圖未顯示)固定光源於某個角度。因此，當轉動旋轉架F轉至一角度時，如圖8B所示，發光二極體元件O跟著旋轉架F轉動一角度，於此係以旋轉90度為例。而量測單元13再重覆擷取屏幕11之第二表面S2的至少五個位置P1～P5的五個影像的輝度，故量測單元13可量測發光二極體元件O另一至少半球的光線對屏幕11之第二表面S2所產生的影像，以得到另一至少半球球域的光強度分布，進而可整合上述之發光二極體元件O之至少半球球域的光強度分布，以建立發光二極體元件O之整個球域的光強度分布。
另外，請參照圖8C所示，其為另一實施態樣之量測裝置1c的示意圖。
與前述實施例之量測裝置1不同的地方在於，量測裝置1c可具有複數保持單元14，並可將本發明之量測裝置1b的保持單元14直接應用於發光二極體元件O的生產線上。例如於傳送發光二極體元件O之生產線之輸送帶W上，依次擺放五個位於不同角度的可移動框架14c，其上分別固定有屏幕11、量測單元13，以讓發光二極體元件O於輸送帶W被傳送的過程中，定點停留後以量測發光二極體元件O於不同角度的光強度分布，進而得到發光二極體元件O至少半球球域的光強度分布。
請參照圖8D所示，其為又一實施之量測裝置1d的示意圖。注意的是，為了可以顯示量測單元13與發光二極體元件O的相對位置關係，圖中並未顯示屏幕11，以及固定量測單元13的支架。
與量測裝置1不同的是，量測裝置1d之屏幕(圖未顯示)、量測單元13及保持單元14為複數時，該等保持單元14d係組合成一組合式框架，該些量測單元13係可同時擷取該些屏幕之第二表面的複數影像。舉例來說，圖8的屏幕(圖未顯示)、量測單元13及保持單元14d的數量分別為五個，且藉由該等保持單元14d，可相對於發光二極體元件O的五個方位設置五個量測單元13，以同時或分別擷取發光二極體元件O不同角度的光場分布，進而得到發光二極體元件O至少半球球域之光場分布。
另外，請參照圖9A及圖9B所示，其分別為本發明第二實施例之量測裝置2的示意圖。
與第一實施例的量測裝置1a不同的是，本實施例之保持單元24係包含一旋轉支架242，屏幕21及量測單元23係固定於旋轉支架242上，以固定屏幕21與量測單元23之間的相對距離。藉由旋轉支架242的旋轉，屏幕21及量測單元23可相對於不動的發光二極體元件O而移動，使量測單元23可量測如圖3A至圖3D所示的第一位置P1及第五位置P5之屏幕21的第二表面S2的不同影像。
另外，量測裝置2更可包括一罩體26，其略呈扇形，而旋轉支架242係樞設於罩體26上，屏幕21、旋轉支架242、量測單元23及發光二極體元件O係設置於罩體26內。罩體26可提供量測裝置2一個全黑的量測環境，以避免環境光線影響量測的準確性。其中，罩體26具有至少一軌道261，且旋轉支架242係沿著軌道261移動。於此，係以4個弧形軌道261為例，分別作為旋轉支架242與屏幕21以及量測單元23旋轉所用的軌道261。如圖9A及圖9B所示，沿著罩體26上的軌道261旋轉旋轉支架242，以改變屏幕21及量測單元23與發光二極體元件O之相對位置，進而使量測單元23可擷取量測發光二極體元件O於不同仰角角度所發出的光線映於屏幕21之第二表面S2的影像。
此外，量測裝置2還可以包含一旋轉單元25，旋轉單元25係承載並旋轉發光二極體元件O，以讓量測單元23可量得發光二極體元件O於不同水平角度的光場分佈。其中，量測裝置2其它元件的技術特徵可參照量測裝置1a，於此不再贅述。
請參照圖10所示，其為本發明第三實施例之量測裝置3的示意圖。
與第一實施例的量測裝置1a不同的是，量測裝置3之量測單元33可包含一掃描振鏡(Galvo mirror)組件331以及一量測元件332，掃描振鏡組件331係依序掃描屏幕31之第二表面S2的各點影像。於此，掃描振鏡組件331係包含二個光學振鏡，而量測元件332係以一光譜儀為例。藉由二個光學振鏡的配合轉動，可依序掃描屏幕31之第二表面(圖未顯示)上不同座標的影像，並使發光二極體元件O發光射至屏幕31，且映射於第二表面上不同座標的光線強度被光譜儀所接收。再搭配發光二極體元件O設置於一旋轉單元35上，藉此，可以量測發光二極體元件O的至少半球球域的光強度分布，亦可獲得光強度分布上每一點的光譜分布。
另外，請參照圖11所示，其為本發明之一種待測物之光場分布之量測方法的流程圖。
本發明待測物之光場分布的量測方法係與一量測裝置配合。於此，係以量測裝置1a為例來說明，而其相關的圖示可參照上述之圖示。
本發明之量測方法係包括步驟S01至S03。
步驟S01為：如圖4A所示，藉由量測單元13擷取屏幕11之第二表面S2的一影像。
步驟S02為：如圖4A及圖4B所示，改變待測物面對屏幕11的角度。於此，係藉由旋轉單元15的旋轉及樞軸142轉動，以改變發光二極體元件O面對屏幕11的角度。其中，如圖9A及圖9B所示，旋轉單元25可承載並旋轉發光二極體元件O，或者也可如圖4A及圖4B所示，旋轉單元15可承載並旋轉屏幕11、量測單元13及可移動框架141
步驟S03為：藉由量測單元13擷取屏幕11之第二表面S2的另一影像。於此，係藉由步驟S02改變待測物面對屏幕11的角度後，以量測單元13擷取屏幕11之第二表面S2的至少5個位置之影像的輝度分布，並藉以計算發光二極體元件O之至少半球球域的光場分布。另外，當屏幕11、量測單元13為複數時，該些量測單元13係可同時或分別擷取該些屏幕11之該些第二表面S2的複數影像。
另外，本發明之量測方法更可包括步驟S04至S05。步驟S04為：對量測單元13所擷取到的該等影像資料進行校正及修正。於此，因屏幕11本身的材質不均的特性、影像擷取時的幾何角度不同，以及因量測單元13之鏡頭會有暈影或暗角的現象，會對擷取到的輝度分布產生影響，因此必須對量測單元13所擷取到的影像資料進行修正。其中，屏幕11及鏡頭暈影校正係可利用一均勻輝度的光線(例如中午12點時的太陽光)直接照射在屏幕11上，再用輝度計擷取其輝度分布，以作為屏幕散射特性、影像擷取幾何角度及鏡頭暈影之校正參數，藉此對輝度計所擷取到的影像資料進行校正。若屏幕11及量測單元13未更換時，則不用每次量測時都要進行步驟S04的校正及修正。
步驟S05為：將該等影像中的資料經能量轉換，並經座標轉換至同一座標系統。於此，係將第二表面S2的至少五個位置的五個影像的資料經座標轉換至同一球座標系統。
此外，本發明之量測方法更可包括步驟S06。步驟S06為：依據該等影像計算待測物之光場分布與總能量。於此，係藉由一計算單元，並依據上述之至少5個影像資料計算發光二極體元件O之光場分布，進而可計算其總能量。其中，光場分布可包含光強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
接著，為了使本發明之量測方法所量得的光場分布更加準確，本發明之量測方法更可包括：對已知總能量之標準光源進行量測，以得到影像灰階值與絕對能量的轉換關係。
此外，本發明之量測方法的其它技術特徵可參照上述的詳細說明，於此不再贅述。
經由上述，可發現本發明之量測裝置及其量測方法可取代市售之配光曲線儀，且具有快速與方便量測，以及成本便宜等優點。另外，於應用面來看，本發明之量測裝置及其量測方法只要得到光源全球球域的光強度分布，計算單元也可將光強分布對立體角積分後便可得到其總功率，因此，可取代習知以積分球量測光源總功率的方式。
此外，本發明之量測裝置經部分改良後，亦可量測一光學膜片的雙向散射分布函數(Bidirectional Scattering Distribution Function,BSDF)，如圖12A與圖12B所示，其分別為本發明另一實施例之量測裝置4的示意圖。其中，待測物係為一光學膜片，而光學膜片係以一擴散片L為例。於此，係以載具42固定擴散片L，再以一穩定光源S(例如為雷射)射出光線照射在擴散片L上，並旋轉擴散片L來改變光線的入射角，並對擴散片L之中心旋轉整個量測儀器，則可得到擴散片L的出光側至少半球球域之光強度分布，進而可計算出擴散片L之雙向散射分布函數。值得一提的是，量測裝置4之屏幕41與量測裝置1a之屏幕11不同，屏幕41在量測反射光分布需存在有穿孔，以讓穩定光源S可穿透屏幕41射至擴散片L上。另外，保持單元44也需具具適當的穿孔，以讓光源S可穿透保持單元44而射至在擴散片L上。此外，若應用圖9A之第二較佳實施例來量測擴散片L之雙向散射分布函數，當旋轉整個量測儀器時，量測裝置2之罩體26需有可讓光源路徑通過之通道，也就是要在罩體26上開孔，以讓光源可通過罩體26而射至擴散片L。
綜上所述，因依據本發明之量測裝置及其量測方法係量測一待測物，待測物係鄰設於屏幕之第一表面，而量測單元與待測物係對應設置，並鄰設於屏幕之第二表面。另外，保持單元係保持屏幕、待測物及量測單元三者的相對距離，且量測單元擷取屏幕之第二表面的影像，以計算待測物之光場分布。藉此，可使量測單元擷取由待測物所發出不同角度及方向之光線的光場分布，以得到待測物至少半球球域之光場分布。因此，本發明之量測裝置及其量測方法可取代市售之配光曲線儀及積分球，且具有快速與方便量測，以及成本便宜等優點。
另外，於應用面來看，本發明之量測裝置亦可取代習知以積分球量測光源總功率的方式。此外，本發明經部分改良後，亦可量測雙向散射分布函數。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、1a、1b、1c、1d、2、3、4．．．量測裝置
11、21、31、41．．．屏幕
111．．．屏幕本體
112．．．碳粉層
12、22、32、42．．．載具
13、23、33、43．．．量測單元
14、14a、14c、14d、24、34、44．．．保持單元
141、241．．．可移動框架
142．．．樞軸
15、25、45．．．旋轉單元
242．．．旋轉支架
26．．．罩體
261．．．軌道
331．．．掃描振鏡組件
332．．．量測元件
F．．．旋轉架
L．．．擴散片
O．．．發光二極體元件
P1～P5．．．位置
R1、R2．．．支架
S．．．光源
S1．．．第一表面
S2．．．第二表面
S01～S06．．．步驟
W．．．輸送帶
X、Y、Z、X'、Y'、Z'、Θx、Θy．．．座標軸
θ、θ1、θ2、Φ、Φx、Φy．．．角度
圖1為本發明第一較佳實施例之一種量測裝置的示意圖；
圖2為圖1之屏幕的實施示意圖；
圖3A至圖3D分別為量測裝置的保持單元位於不同位置的俯視示意圖；
圖4A及圖4B分別為另一實施態樣之量測裝置的示意圖；
圖5A至圖5C分別為座標轉換至同一座標系統的示意圖；
圖5D為本發明之屏幕與量測單元之相對幾何位置關係示意圖；
圖6A為球座標展開成θ、Φ平面的示意圖；
圖6B為光強度分布之球座標的示意圖；
圖7A～圖7H分別為本發明之量測裝置量測一發光二極體元件之結果示意圖；
圖8A至圖8D分別為不同實施態樣之量測裝置的示意圖；
圖9A及圖9B分別為本發明第二較佳實施例之量測裝置的示意圖；
圖10為本發明第三較佳實施例之量測裝置的示意圖；
圖11為本發明之光場分布的量測方法流程圖；以及
圖12A及圖12B分別為本發明另一實施例之量測裝置的示意圖。
1．．．量測裝置
11．．．屏幕
12．．．載具
13．．．量測單元
14．．．保持單元
141．．．可移動框架
15．．．旋轉單元
S1．．．第一表面
O．．．發光二極體元件

Claims (32)

  1. 一種量測裝置，係量測一待測物，並包括：至少一屏幕，係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，該待測物係鄰設於該屏幕之該第一表面；至少一量測單元，與該待測物對應設置，並鄰設於該屏幕之該第二表面；以及至少一保持單元，保持該屏幕、該待測物及該量測單元三者的相對距離，該量測單元擷取該屏幕之該第二表面的影像，以計算該待測物之光場分布。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該待測物包含一光源或一光學膜片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該屏幕的材質包含紙、布、纖維、塑膠、絨布紙、玻璃、壓克力、或擴散片。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該屏幕包含一屏幕本體及一碳粉層或一印刷層，該碳粉層或該印刷層位於該第一表面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之量測裝置，其中該碳粉層或該印刷層包含複數凹部，以露出該屏幕本體。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該屏幕更包含一透光基板，該透光基板緊貼於該第二表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該量測單元包含輝度計、照度計、功率計、照相機或光譜儀。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該量測單元更包含一掃描振鏡組件，以掃描該屏幕之該第二表面的影像。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該光場分布包含光的強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中該保持單元具有一可移動框架，該可移動框架相對該待測物具有複數位置。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之量測裝置，其中該量測單元係擷取該可移動框架於該等位置時，該屏幕之該第二表面的複數影像。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之量測裝置，其中係依據該等影像計算該待測物之光場分布。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中當該屏幕、該量測單元及該保持單元為複數時，該些量測單元係擷取該些屏幕之該些第二表面的複數影像。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之量測裝置，其中該保持單元更具有之一樞軸，該可移動框架係以該樞軸旋轉，而相對該待測物具有該等位置。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之量測裝置，更包括：一罩體，該屏幕、該可移動框架、該量測單元及該待測物係設置於該罩體內。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之量測裝置，其中該罩體具有一軌道，該可移動框架係沿著該軌道移動。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，更包括：一旋轉單元，係承載並旋轉該待測物，以改變該待測物面對該屏幕的角度，或改變該待測物與一入射光線的角度。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，更包括：一旋轉單元，係承載並旋轉該屏幕、該量測單元及該保持單元，以改變該待測物面對該屏幕的角度。
  19. 如申請專利範圍第11項或第13項所述之量測裝置，更包括：一計算單元，係將該量測單元擷取到之該些影像進行光強度修正與轉換，並經座標轉換至同一座標系統。
  20. 如申請專利範圍第11項或第13項所述之量測裝置，更包括：一計算單元，係將該量測單元擷取到之該些影像進行光強度修正與轉換，並經座標轉換至同一座標系統，且計算其總能量。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之量測裝置，其中當該待測物為一光學膜片時，該量測裝置更包括一光源，該光源射出光線照射在該光學膜片上。
  22. 如申請專利範圍第1項或第15項所述之量測裝置，其中當該待測物為一光學膜片時，該屏幕、該罩體或該保持單元係具有穿孔，使一光源能照射在光學膜片上。
  23. 一種待測物之光場分布的量測方法，係與一量測裝置配合，該量測裝置具有至少一屏幕以及至少一量測單元，該屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，該待測物鄰設於該屏幕之該第一表面，該量測單元與該待測物對應設置，並鄰設於該屏幕之該第二表面，該量測方法包括：藉由該量測單元擷取該屏幕之該第二表面的一影像；改變該待測物面對該屏幕的角度；藉由該量測單元擷取該屏幕之該第二表面的另一影像；以及依據該等影像計算該待測物之光場分布與總能量。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，更包括：對量測單元所擷取到的該等影像資料進行校正及修正。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，更包括：將該等影像中的資料經能量轉換，並經座標轉換至同一座標系統。
  26. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，其中該光場分布包含光強度分布、色彩分布或光頻譜分布。
  27. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，更包括：對已知總能量之標準光源進行量測。
  28. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，其中當該屏幕、該量測單元為複數時，該些量測單元係擷取該些屏幕之該些第二表面的複數影像。
  29. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，其中係藉由一可移動框架及或一旋轉單元改變該待測物面對該屏幕的角度。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之量測方法，其中該旋轉單元係承載並旋轉該待測物，或承載並旋轉該屏幕、該量測單元及該可移動框架。
  31. 如申請專利範圍第23項所述之量測方法，更包括：依據該等影像計算待測物之光場分布後，再積分計算其總能量。
  32. 一種待測物之光場分布的量測方法，係與一量測裝置配合，該量測裝置具有至少一屏幕以及至少一量測單元，該屏幕係部分透光，且具有相對的一第一表面及一第二表面，該待測物鄰設於該屏幕之該第一表面，該量測單元與該待測物對應設置，並鄰設於該屏幕之該第二表面，該量測方法包括：藉由該量測單元擷取該屏幕之該第二表面的一影像；改變該待測物面對該屏幕的角度；藉由該量測單元擷取該屏幕之該第二表面的另一影像；對量測單元所擷取到的該等影像資料進行校正及修正；將該等影像中的資料經能量轉換，並經座標轉換至同一座標系統；以及依據該等影像計算該待測物之光場分布與總能量。
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