TWI461664B - 光源品質量測裝置 - Google Patents

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TWI461664B TW102132191A TW102132191A TWI461664B TW I461664 B TWI461664 B TW I461664B TW 102132191 A TW102132191 A TW 102132191A TW 102132191 A TW102132191 A TW 102132191A TW I461664 B TWI461664 B TW I461664B
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Chun Ju Tseng
Fu Chin Yang
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Nat Univ Tsing Hua
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Description

光源品質量測裝置
本發明係關於一種分析與定義光源品質之裝置，尤指以黑體輻射光譜為基準進而分析光源品質之一種光源品質量測裝置。
光的使用為人類文明社會的一項重要應用，因此古人能夠靠著天然光而生活，日出而作，日入而息。自愛迪生發明燈泡之後，隨著科技之進步，人類所使用的光源已由燈泡發展至白熾燈(Incandescent bulb)以及螢光燈(Fluorescent tube)；並且，進一步地，目前最新的照明技術為固態照明(Solid-State Lighting,SSL)技術，例如發光二極體(Light-Emitting Diode,LED)、有機發光半導體(Organic Light-Emitting Diode,OLED)以及高分子發光二極體(Polymer Light-Emitting Diode,PLED)都是固態照明技術(SSL)之產物。
照明品質綜合評價(Ergonomic Lighting Indicator,ELI)是一個全面性的照明品質評估標準。請參閱第一圖， 係照明品質綜合評價之程度指標圖。如第一圖所示，照明品質綜合評價(ELI)以五種指標評估一個照明光源之品質程度，包括：A 視覺表現(Visual performance)：包括照度、演色性、與對比度等因素；B 情境(Vista)：包括使用者心理、視覺階層、與建築材料等因素；C 視覺舒適度(Visual comfort)：包括光的分布均勻度、是否存在不舒適的眩光、以及光源有無閃爍等因素；D 生命力(Vitality)：包括對人們心理的影響、與刺激等因素；以及E 權能(Empowerment)：包括個人化的調光、選擇性的照明場景、與佈局等因素。
如此，經由上述，吾人可以得知的是，包括視覺表現、情境、生命力以及權能，照明品質綜合評價的五種評估指標之中就有四個指標係決定於人們的生理感受度；由此可知，人們的生理感受度對於照明品質綜合評價的重要性。
不同於照明品質綜合評價(ELI)，演色性指數(Color Rendering Index,CRI)利用不同的方式來評估光的品質。測量演色性指數必須根據以下步驟：首先，以一待測光源照射一物件，使得該物件顯示其一物件顏色；接著， 以一參照光源該物件，使得該物件顯示其一參照物件顏色；最後，將該物件顏色與該參照物件顏色於DIN 6169所規定之八個色樣上進行量化比較，即可獲得該待測光源之一演色性指數(CRI)。
由上述演色性指數之測量步驟，吾人可以得知該步驟主要係將待測光源與參照光源進行比對，並沒有考慮到人們對於該待測光源的生理感受度。由此，吾人可以預測的是，具有高演色性指數(CRI)的待測光源，其不一定帶給人們良好的視覺表現、情境、生命力、以及權能；也就是說，目前各照明設備廠商以演色性指數表示(或證明)其所販售的照明設備之光源品質，這樣的作法並不正確。
因此，有鑑於習用的演色性指數並不適合作為光源品質之評估標準缺點與不足，本案之發明人係極力加以研究發明，終於研發完成本發明之一種光源品質量測裝置。
本發明之主要目的，在於提供一種光源品質量測裝置，此裝置係以人的生理感受度為基準所進行的指標評估；於評估的技術操作上，係藉由光度函數將一發光元件的能量光譜轉換成人眼感受度較為敏感的一亮度光譜；接著再藉由與黑體輻射光譜的光譜比對，進而決定該發光元件所發出的光的品質高低；如此，相較於習用的演色性指 數評估方法，本發明之光源品質量測裝置所採用的光源品質評估方式係更具公正性與一致性。
因此，為了達成本發明上述之目的，本案之發明人提出一種光源品質量測裝置，係包括：一光接收單元，用以接收外部一光源所發出之一光訊號；一第一處理單元，係耦接於該光接收單元並具有一黑體輻射光譜轉換模組，用以接收該光訊號，並將所接收到的該光訊號處理成為一光譜資料；同時，第一處理單元自該光訊號之中擷取出該光源之一色溫資料，並藉由其黑體輻射光譜轉換模組將該色溫資料轉換成一黑體輻射光譜(Black Body Radiation Spectrum)；一記憶單元，係耦接於第一處理單元，用以儲存該光譜資料、該色溫資料與該黑體輻射光譜；一第二處理單元，係耦接於該第一處理單元並具有一亮度光譜轉換模組與一光譜比對模組，其中，藉由該亮度光譜轉換模組，該第二處理單元係將該光譜資料自該記憶單元之中取出並且轉換成一亮度光譜(Luminance Spectrum)，進而將該亮度光譜儲存於該記憶單元內；並且，透過該光譜比對模組，第二處理單元可將該亮度光譜與該黑體輻射光譜進行比對，以獲得該光源之一黑體輻射 相似性指標；一顯示單元，係耦接於第二處理單元，用以顯示該黑體輻射相似性指標；以及一電源管理單元，係耦接於該光接收單元、該第一處理單元、該第二處理單元、與該顯示單元，以提供電源至光接收單元、第一處理單元、第二處理單元、與顯示單元。
1‧‧‧光源品質量測裝置
11‧‧‧光接收單元
12‧‧‧第一處理單元
13‧‧‧記憶單元
14‧‧‧第二處理單元
16‧‧‧顯示單元
17‧‧‧電源管理單元
18‧‧‧連接單元
19‧‧‧輸入單元
2‧‧‧光源
121‧‧‧黑體輻射光譜轉換模組
141‧‧‧亮度光譜轉換模組
142‧‧‧光譜比對模組
3‧‧‧電連接器纜線
4‧‧‧電子裝置
1A‧‧‧無線傳輸模組
11a‧‧‧光接收裝置
14a‧‧‧處理裝置
16a‧‧‧顯示裝置
18a‧‧‧連接裝置
19a‧‧‧輸入裝置
第一圖係一種照明品質綜合評價之程度指標圖；第二圖係本發明之一種光源品質量測裝置的架構圖；第三圖係光源品質量測裝置的立體示意圖；第四A圖係光源品質量測裝置與一電子裝置的立體示意圖；第四B圖係光源品質量測裝置與電子裝置的第二立體示意圖；第四C圖係光源品質量測裝置與電子裝置的第三立體示意圖；第五圖係本發明之一種光源品質量測裝置之第二實施例的架構圖；第六圖係光源品質量測裝置之第二實施例的立體示意圖； 第七圖係本發明之光源品質量測裝置的第三實施例的架構圖；第八圖係各種光源之能量光譜圖；第九圖係一光度函數之曲線圖；第十圖係白熾燈泡、高壓鈉燈、該螢光燈、以及LED燈之亮度光譜與黑體輻射光譜之光譜比對示意圖；以及第十一圖係白熾燈泡、高壓鈉燈、該螢光燈、以及LED燈之黑體輻射相似性指標的統計表。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種光源品質量測裝置，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
本發明之一種光源品質量測裝置可用以分析、評估各種照明元件所發出的光源之品質，例如：白熾燈泡、高壓鈉燈、螢光燈、LED燈、OLED燈、高分子發光二極體燈(Polymer Light-Emitting Diode,PLED)、與燭光。請參閱第二圖，係本發明之一種光源品質量測裝置的架構圖；並且，請同時參閱第三圖，係光源品質量測裝置的立體示意圖。如第二圖與第三圖所示，本發明之光源品質量測裝置1主要係由一光接收單元11、一第一處理單元12、一記憶單元13、一第二處理單元14、一顯示單元16、一電源管 理單元17、一連接單元18、以及一輸入單元19所構成。
如圖所示，光接收單元11係用以接收外部一光源2所發出之一光訊號。該第一處理單元12係耦接於該光接收單元11並具有一黑體輻射光譜轉換模組121，用以接收該光訊號，並將所接收到的該光訊號處理成為一光譜資料；同時，第一處理單元12自該光訊號之中擷取出該光源之一色溫資料，並藉由其黑體輻射光譜轉換模組121將該色溫資料轉換成一黑體輻射光譜(Black Body Radiation Spectrum)。
於此，必須補充說明的是，該黑體輻射光譜轉換模組121係透過一普朗克定律(Planck's law)將該色溫資料轉換成該黑體輻射光譜，並且該普朗克定律之公式如下所示：I BR (λ,T)=(2hc2 /λ5 )/[1/(e(hc/λkT) -1)]；其中，h為普朗克常數、c為光速、k為波茲曼常數、T為溫度。並且，上述之該光源2之該光譜指的是能量光譜(Power Spectrum)。
承上述之說明，該記憶單元13係耦接於第一處理單元12，用以儲存該光譜資料、該色溫資料與該黑體輻射光譜。該第二處理單元14係耦接於第一處理單元12並具有一亮度光譜轉換模組141與一光譜比對模組142，其中，藉由該亮度光譜轉換模組141，該第二處理單元14係將該光譜資料自該記憶單元13之中取出並且轉換成一亮度光譜(Luminance Spectrum)，進而將該亮度光譜儲存於該 記憶單元13內；並且，透過該光譜比對模組142，第二處理單元14可將該亮度光譜與該黑體輻射光譜進行比對，以獲得該光源之一黑體輻射相似性指標。
特別地，於本發明中，該亮度光譜轉換模組141係藉由將該光譜資料乘以一光度函數(Luminosity Function)的方式，進而將該光譜資料轉換成該亮度光譜。此外，該光譜比對模組142係透過一光譜比對函式以先將該亮度光譜與該黑體輻射光譜相互疊合，藉此計算該亮度光譜與該黑體輻射光譜之一重疊面積，進而再將該重疊面積除以該黑體輻射光譜之面積，以獲得該黑體輻射相似性指標；其中，該光譜比對函式係如下所示：SR BR =[(ʃL (λ,T)dλ )/(ʃL BR (λ,T)dλ )]x100% (1)
α =(ʃL BR (λ,T)dλ )/(ʃL l (λ,T)dλ ) (3)
於上述的3各式子中，SRBR 表示為該黑體輻射相似性指標(Spectral Resemblance with Respect to the Blackbody-Radiation,SRBR)、L (λ ,T)表示為該重疊面積、α 表示為一等亮度常數、L l (λ ,T)表示為該亮度光譜、L BR (λ ,T)表示為該黑體輻射光譜。
繼續地說明該光源品質量測裝置1，其中，顯示單元16係耦接於第二處理單元14，用以顯示該黑體輻射 相似性指標；且，電源管理單元17，例如電池或者電源供應器，係耦接於該光接收單元11、該第一處理單元12、該第二處理單元14、與該顯示單元16，以提供電源至光接收單元11、第一處理單元12、第二處理單元14、與顯示單元16。此外，一連接單元18，例如USB連接器、MiniUSB連接器或者MicroUSB連接器，係耦接於該第二處理單元14，並可透過一電連接器纜線3而電性連接至外部一電子裝置4，以將該光譜資料、該色溫資料、該黑體輻射光譜、與該黑體輻射相似性指標傳送至該電子裝置4。
於此，必須特別說明的是，雖然第三圖所示的電子裝置4為筆記型電腦，但並非以此限制該電子裝置4之實施態樣；於不同的資料傳輸的應用中，如第四A圖、第四B圖與第四C圖所示，電子裝置4也可以是智慧型手機、平板電腦、或者桌上型電腦。再者，該輸入單元19(即第三圖所示之按鍵組)係耦接於該第二處理單元14，其中，藉由該輸入單元19可設定該光源之一基本資訊，以供該第一處理單元12與該第二處理單元14執行資料轉換之用。
此外，上述第三圖、第四A圖、第四B圖與第四C圖所繪示的光源品質量測裝置1都是以電連接器纜線為主要的資料傳輸工具；然而，以時下流行的智慧型手機與平板電腦來說，其不僅搭載了電連接器，也同時搭載有無線傳輸模組，例如wifi無線傳輸模組與藍芽無線傳輸模 組。有鑑於此，本發明更提供了該光源品質量測裝置1之第二實施例。請同時參閱第五圖與第六圖，係本發明之光源品質量測裝置之第二實施例的架構圖與立體示意圖。如第五圖與第六圖所示，光源品質量測裝置1之第二實施例主要係由一光接收單元11、一第一處理單元12、一記憶單元13、一第二處理單元14、一顯示單元16、一電源管理單元17、一連接單元18、一輸入單元19、以及一無線傳輸模組1A所構成。
承上述之說明，該無線傳輸模組1A係耦接於該第二處理單元14，其中，無線傳輸模組1A可為Wi-Fi無線傳輸模組、RFID無線傳輸模組、藍芽無線傳輸模組、紅外線無線傳輸模組、或Zigbee無線傳輸模組；如此，第二處理單元14可藉由該無線傳輸模組1A將該光譜資料、該色溫資料、該黑體輻射光譜、與該黑體輻射相似性指標傳送至該電子裝置4。
並且，本發明之光源品質量測裝置1係更包括一第三實施例，請參閱第七圖，係本發明之一種光源品質量測裝置的第三實施例的架構圖，如第七圖所示，該光源品質量測裝置1的第三實施例係包括，一處理裝置14a、一顯示裝置16a與一光接收裝置11a，其中，該光接收裝置11a為一光譜分析儀，可接收外部光源2所發出的光訊號，同時將所接收到的該光訊號處理成為光譜資料。該處理裝 置14a為一電腦主機，其內建有黑體輻射光譜轉換模組可將光譜分析儀所送來的色溫資料轉換成黑體輻射光譜。此外，處理裝置14a同時內建有亮度光譜轉換模組與光譜比對模組。如此，藉由亮度光譜轉換模組，該光譜資料可被轉換成亮度光譜(Luminance Spectrum)；並且，透過光譜比對模組，該亮度光譜與該黑體輻射光譜可被進行比對，以獲得該光源2之黑體輻射相似性指標。
另外，對於第七圖所示的光源品質量測裝置1的第三實施例之架構而言，電源管理單元指的是電腦主機的電源供應器(power supply)；連接裝置18a指的是電腦主機所搭載的電連接器；輸入裝置19a指的是鍵盤與滑鼠。然而，必須再特別說明的是，由於處理裝置14a為電腦主機，因此，黑體輻射光譜轉換模組、亮度光譜轉換模組與光譜比對模組可被實現於一工程統計軟體(例如Excel®軟體)之中。當然，於此並不限定僅將黑體輻射光譜轉換模組、亮度光譜轉換模組與光譜比對模組實現於Excel®軟體內，在不同的應用之中，任何其它可執行公式與函數運算之軟體，例如：C、C++、MATLAB、Fortran、Visual Basic等軟體，都可以被拿來實驗黑體輻射光譜轉換模組、亮度光譜轉換模組與光譜比對模組。
為了證明本發明之光源品質量測裝置的可行性，以下將藉由各種實驗數據的呈現來加以證明之，其中， 實驗數據係以白熾燈泡、高壓鈉燈、螢光燈、與LED燈為發光源所進行。請參閱第八圖，係各種光源之能量光譜圖。使用本發明之光源品質量測裝置之對任一光源進行光源品質評估，係必須先取得該光源之能量光譜(Power Spectrum)。其中，第八圖之圖(a)至圖(d)係分別為白熾燈泡、高壓鈉燈(High pressure sodium lamp)、螢光燈、以及LED燈之能量光譜。繼續地請參閱第九圖，係光度函數之曲線圖。於取得發光元件之能量光譜後，如第九圖所示，亮度光譜轉換模組141所用來進行轉換的光度函數(Luminosity Function)的曲線圖係繪示於第九圖中。
最後，請參閱第十圖，係該白熾燈泡、該高壓鈉燈、該螢光燈、以及該LED燈之亮度光譜與黑體輻射光譜之光譜比對示意圖。如第十圖之圖(a)所示，取得白熾燈泡之亮度光譜之後，吾人便可藉由將白熾燈泡之亮度光譜疊合其黑體輻射光譜的方式，計算白熾燈泡之一黑體輻射相似性指標。並且，如第十圖之圖(b)至第十圖之圖(d)所示，透過相同的作法可獲得高壓鈉燈、螢光燈與LED燈之黑體輻射相似性指標。
請再參閱第十一圖，係該白熾燈泡、該高壓鈉燈、該螢光燈、以及該LED燈之黑體輻射相似性指標的統計表。如第十一圖的統計表所示，白熾燈泡的演色性指數(CRI)為100，且其黑體輻射相似性指標(SRBR )為97。另， 高壓鈉燈的演色性指數(CRI)為61，但其黑體輻射相似性指標(SRBR )僅有22。且，螢光燈的演色性指數(CRI)為78，反而黑體輻射相似性指標(SRBR )係較高的，有98。最後，LED燈的演色性指數(CRI)為94，且其黑體輻射相似性指標(SRBR )為97，兩者相去不遠。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之光源品質量測裝置，並且，經由上述，吾人可以得知本發明最主要的技術特徵在於，本發明之裝置主要係以人的生理感受度為基準所進行的指標評估，並以光度函數將發光元件的能量光譜轉換成人眼感受度較為敏感的亮度光譜，再藉由光譜比對的方式，決定該發光元件所發出的光的品質高低；可想而知，相較於習用的演色性指數評估方法，本發明之以黑體輻射光譜相似性分析光源品質之方法更具公正性與一致性；在既定的分析評估流程下，不會因為不同量測儀器或者計算公式而有所誤差。
必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1‧‧‧光源品質量測裝置
11‧‧‧光接收單元
12‧‧‧第一處理單元
13‧‧‧記憶單元
14‧‧‧第二處理單元
16‧‧‧顯示單元
17‧‧‧電源管理單元
18‧‧‧連接單元
19‧‧‧輸入單元
121‧‧‧黑體輻射光譜轉換模組
141‧‧‧亮度光譜轉換模組
142‧‧‧光譜比對模組

Claims (10)

  1. 一種光源品質量測裝置，係包括：一光接收單元，用以接收外部一光源所發出之一光訊號；一第一處理單元，係耦接於該光接收單元並具有一黑體輻射光譜轉換模組，用以接收該光訊號，並將所接收到的該光訊號處理成為一光譜資料；同時，第一處理單元自該光訊號之中擷取出該光源之一色溫資料，並藉由其黑體輻射光譜轉換模組將該色溫資料轉換成一黑體輻射光譜(Black Body Radiation Spectrum)；一記憶單元，係耦接於第一處理單元，用以儲存該光譜資料、該色溫資料與該黑體輻射光譜；一第二處理單元，係耦接於該第一處理單元並具有一亮度光譜轉換模組與一光譜比對模組，其中，藉由該亮度光譜轉換模組，該第二處理單元係將該光譜資料自該記憶單元之中取出並且轉換成一亮度光譜(Luminance Spectrum)，進而將該亮度光譜儲存於該記憶單元內；並且，透過該光譜比對模組，第二處理單元可將該亮度光譜與該黑體輻射光譜進行比對，以獲得該光源之一黑體輻射相似性指標；一顯示單元，係耦接於第二處理單元，用以顯示該黑體輻射相似性指標；以及一電源管理單元，係耦接於該光接收單元、該第一處理 單元、該第二處理單元、與該顯示單元，以提供電源至光接收單元、第一處理單元、第二處理單元、與顯示單元。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光源品質量測裝置，更包括：一連接單元，係耦接於該第二處理單元，用以電性連接至外部一電子裝置，以將該光譜資料、該色溫資料、該黑體輻射光譜、與該黑體輻射相似性指標傳送至該電子裝置；以及一輸入單元，係耦接於該第二處理單元，其中，藉由該輸入單元可設定該光源之一基本資訊，以供該第一處理單元與該第二處理單元執行資料轉換之用。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光源品質量測裝置，其中，該電源管理單元係選自於下列群組之任一者：電池與電源供應器。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之光源品質量測裝置，其中，該輸入單元為一按鍵組。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之光源品質量測裝置，其中，其中，該連接單元係選自於下列群組之任一者：USB連 接器、MiniUSB連接器與MicroUSB連接器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光源品質量測裝置，其中，該黑體輻射光譜轉換模組係透過一普朗克定律(Planck's law)將該色溫資料轉換成該黑體輻射光譜，並且該普朗克定律之公式如下所示：I BR (λ,T)=(2hc2 /λ5 )/[1/(e(hc/λkT) -1)]；其中，h為普朗克常數，c為光速，k為波茲曼常數，且T為溫度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光源品質量測裝置，其中，該亮度光譜轉換模組係藉由將該光譜資料乘以一光度函數(Luminosity Function)的方式，進而將該光譜資料轉換成該亮度光譜。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光源品質量測裝置，其中，該光譜比對模組係透過一光譜比對函式以先將該亮度光譜與該黑體輻射光譜相互疊合，藉此計算該亮度光譜與該黑體輻射光譜之一重疊面積，進而再將該重疊面積除以該黑體輻射光譜之面積，以獲得該黑體輻射相似性指標；其中，該光譜比對函式係如下所示：SR BR =[(ʃL (λ,T)dλ )/(ʃL BR (λ,T)dλ )]x100% (1) α =(ʃL BR (λ,T)dλ )/(ʃL l (λ,T)dλ ) (3)其中，SRBR 表示為該黑體輻射相似性指標(Spectral Resemblance with Respect to the Blackbody-Radiation,SRBR )、L (λ,T)表示為該重疊面積、α 表示為一等亮度常數、L l (λ,T)表示為該亮度光譜、L BR (λ,T)表示為該黑體輻射光譜。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光源品質量測裝置，其中，該光源之該光譜係為一能量光譜(Power Spectrum)。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之光源品質量測裝置，其中，其中，該電子裝置係選自於下列群組之任一者：智慧型手機、平板電腦、桌上型電腦與筆記型電腦。
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