TWI484119B - 人造光源 - Google Patents

Description

人造光源

本發明係相關於光源，尤指一種可使用於測試系統中的人造光源。

一些測試系統需要使用人造光源。舉例來說，這些測試系統可能需使用人造光源來模擬定義為AM1.5G的太陽光，以測試太陽能電池(solar cell)的轉換效率(conversion efficiency)。

然而，目前市面上常見的人造光源可能會面臨以下的一或多個問題：能源效率較低、輸出光的均勻度較低、及輸出光的準直性(collimation)較低。這些問題除了可能導致測試成本增加、還可能會降低測試的準確度。

本發明的目的之一，在於提供一種人造光源，以提升能源效率，並提升輸出光的均勻度及準直性。

本發明的實施例揭露一種人造光源，包含有發光板、混光管、及出光板。其中，發光板構成中空柱狀體的頂板，混光管構成中空柱狀體的柱身，出光板構成中空柱狀體的底板，且出光板包含有準直用光學膜片。

上述實施例的人造光源有很好的能源效率，且其輸出光有很好的均勻度及準直性。

圖1為本發明的人造光源一實施例的立體圖。本實施例的人造光源100包含有一發光板120、一混光管140、及一出光板160。如圖1所示，發光板120、混光管140、及出光板160構成一中空柱狀體(hollow pillar)，其中，發光板120構成中空柱狀體的頂板、混光管140構成中空柱狀體的柱身、而出光板160構成中空柱狀體的底板，這三個元件所 圍繞出的內部空間是一個能讓不同光譜的光線充分混和的混光腔(light-blending cavity)。

受測裝置(未繪示)可放置於中空柱狀體的下方，受測裝置受人造光源100的輸出光照射到的受光面可以平行於出光板160且與其間隔一段距離，例如7~10公分的距離，這樣的距離可以讓探針或其他測試用元件伸到人造光源100的出光板160與受測裝置的受光面之間，以量測受測裝置受輸出光照射時的響應。

舉例來說，前述的受測裝置可以是太陽能電池(solar cell)，若其受光面為15.6公分x 15.6公分的矩形，則前述中空柱狀體可以是一長方體，由發光板120及出光板160分別構成的頂板及底板可以是20公分x 20公分的矩形，中空柱狀體的高度至少是20公分，例如可為40公分高。而在其他實施例中，中空柱狀體亦可以是中空圓柱(column)或其他形狀的中空柱狀體。若中空柱狀體是圓柱，則發光板120及出光板160的表面將會是圓形，而非如圖1所示的矩形。

發光板120在面向出光板160的一面交錯地設置有N種不同的發光二極體(LED)，用來將N種不同光譜的光經由混光管140射向出光板160。

舉例來說，前述N種不同光譜的LED可包含有一或多種螢光粉轉換白光LED(phosphor converted LED)、一或多種紅光LED、一或多種綠光LED、及一或多種藍光LED，此時，N的值至少為4。若人造光源100需產生具有高連續光譜的輸出光，以精準地模擬定義為AM1.5G的太陽光，則前述N種不同光譜的LED可包含有十種以上不同光譜的LED，例如圖2的表格所列舉的各種LED，此時，N的值係大於10。

人造光源100可使用N個不同的驅動訊號來控制發光板120上N種不同光譜的LED。藉由調整N個驅動訊號中的至少一者，人造光源100可改變前述N種不同光譜的光的能量在人造光源100的輸出光的總能量中所佔的比例，以讓輸出光的光譜盡量接近欲模擬的光譜。

混光管140是個中空的管體，其內表面可以有反射率(reflectance) 很高的鍍膜(coating)或反射片(reflective plates)。為了減少能量耗損，混光管140內表面的反射率至少應大於80%，舉例來說，對於波長介於350奈米(nm)與1100奈米間的任意光線而言，混光管140內表面的反射率、穿透率(transmittance)、及吸收率(absorptance)可以分別為97%、0%、及3%。由於混光管140的高度至少20公分，發光板120所射出的任一光線在抵達出光板160前，可能會先經過混光管140的內表面反射不定次數，因此混光管140可讓經過它而抵達出光板160的光有更好的均勻度。

出光板160可以包含有一或多片相互平行的光學膜片(optical film)，這一或多片光學膜片可以平行於發光板120。此處列舉出光板160的四個例子。在第一個例子中，出光板160包含有一準直用光學膜片(collimating optical film)。在第二個例子中，出光板160包含有一準直用光學膜片及一分光鏡(beam splitter)，其中分光鏡設置於準直用光學膜片面向發光板120的一側。在第三個例子中，出光板160包含有一準直用光學膜片及一擴散片(diffuser)，其中擴散片設置於準直用光學膜片面向發光板120的一側。在第四個例子中，出光板160包含有一準直用光學膜片、一擴散片、及一分光鏡，其中擴散片設置於準直用光學膜片面向發光板120的一側，分光鏡設置於擴散片面向發光板120的一側，換句話說，擴散片係設置於準直用光學膜片與分光鏡之間。

前述任一例子的分光鏡的穿透率可小於80%，它可將部分經過混光管140而抵達出光板160的光線再次反射回混光管140中，增加這些光線的反射次數，以確保最終穿過出光板160的輸出光的均勻度。舉例來說，對於波長介於350奈米與1100奈米間的任意光線而言，前述任一例子的分光鏡的反射率、穿透率、及吸收率可以分別為21%、75%、及4%。

前述任一例子的擴散片可以讓穿透它的光具有漫射型散射(Lambertian diffusion)的特性，它可增加光線穿透擴散片而入射至準直用光學膜片時入射角的分布範圍，以避免過多的光線受準直用光學膜片反射回混光管140中，換句話說，擴散片可增加光線穿過出光板160的機 會。舉例來說，對於波長介於350奈米與1100奈米間的任意光線而言，前述任一例子的擴散片的反射率、穿透率、及吸收率可以分別為19%、72.5%、及8.5%。

前述任一例子的準直用光學膜片可讓輸出光有更好的準直性(collimation)，舉例來說，任一光線自出光板160射出時會有一出光角(亦即射出光線與出光板160的垂直方向間的夾角)，而準直用光學膜片可讓輸出光幾乎只包含有出光角小於30度的光線，而幾乎不含有出光角大於40度的光線。若受測裝置是一片平行於出光板160的太陽能電池，一光線自出光板160射出時的出光角應會等於其抵達太陽能電池的入射角。而由於輸出光具有良好的準直性，輸出光中絕大多數的光線在抵達太陽能電池時的入射角都會小於30度，而這些入射角間的差異並不會對太陽能電池的電流響應產生太大的影響。換句話說，輸出光良好的準直性將可提升對太陽能電池的測試準確度。

為了讓準直用光學膜片具有前段所述的特性，準直用光學膜片上可以具有一維度或二維度的微結構，例如菱形、矩形、圓形、或長條形...的微結構。

圖3為本發明的人造光源另一實施例的立體圖。本實施例的人造光源100'大致相同於圖1的人造光源100，不同處僅在於人造光源100'另包含有一導光管(light-guiding pipe)180。如圖3所示，導光管180構成混光管140的一延伸段(extension)，且出光板160介於混光管140與導光管180之間。

類似於混光管140，導光管180可以是中空的管體，其內表面可以有反射率很高的鍍膜或反射片。為了減少能量耗損，導光管180內表面的反射率至少應大於80%，舉例來說，對於波長介於350奈米與1100奈米間的任意光線而言，導光管180內表面的反射率、穿透率、及吸收率可以分別為97%、0%、及3%。導光管180可提昇人造光源100'的輸出光抵達受測裝置時的能量均勻度，例如提升至98%或以上，因此，導光管180可降低輸出光抵達受測裝置時的漸暈效應(vignetting effect)， 而更加提升測試的準確度。

為了確保能降低漸暈效應，受測裝置的受光面與導光管180離出光板160較遠的底緣(bottom rim)間的垂直距離應避免過大。如前文所述，不論有沒有導光管180，受測裝置的受光面可以平行於出光板160且與出光板160間隔一段距離，例如7~10公分的距離。而由於導光管180的高度可以介於6~7公分，故受測裝置的受光面與導光管180底緣間的垂直距離可以介於0~4公分之間。

導光管180的底緣可具有至少一凹口(indention)，例如圖3所繪示的凹口18a、18b、18c、18d、18e、及18f、及在導光管180兩個未繪示的側面的其他凹口。舉例來說，任一凹口可以是矩形的開口(opening)，它可自導光管180的底緣朝向出光板160的方向凹入至少1.5公分，讓探針或其他測試用元件可伸到受測裝置的受光面上，以量測受測裝置受輸出光照射時的響應。為了確保探針或其他測試用元件可以通過，任一凹口的高度可為2.5公分，寬度則可為0.6公分。

以上實施例的人造光源100/100'具有很多優點，在此僅舉例其中的三個優點。第一，由於而LED的發光效率相當好，且混光管140內表面的反射率相當高，故人造光源100/100'會有很好的能源效率。第二，由於混光管140具有足夠的高度，人造光源100/100'的輸出光的均勻度也會相當好。第三，由於出光板160包含有準直用光學膜片，故人造光源100/100'的輸出光會有相當好的準直性。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100、100’‧‧‧人造光源

120‧‧‧發光板

140‧‧‧混光管

160‧‧‧出光板

180‧‧‧導光管

18a、18b、18c、18d、18e、18f‧‧‧凹口

圖1為本發明的人造光源一實施例的立體圖。

圖2的表格列舉了圖1的出光板上可包含的多種LED的規格。

圖3為本發明的人造光源另一實施例的立體圖。

100’‧‧‧人造光源

120‧‧‧發光板

140‧‧‧混光管

160‧‧‧出光板

180‧‧‧導光管

18a、18b、18c、18d、18e、18f‧‧‧凹口

Claims (10)

1. 一種人造光源，包含有一發光板、一混光管、及一出光板，其特徵在於：該發光板構成一中空柱狀體的一頂板，該混光管構成該中空柱狀體的一柱身，該出光板構成該中空柱狀體的一底板，且該出光板包含有一準直用光學膜片。
2. 如請求項1所述之人造光源，其特徵在於：該出光板另包含有一擴散片，設置於該準直用光學膜片面向該發光板的一側。
3. 如請求項1所述之人造光源，其特徵在於：該出光板另包含有一分光鏡，設置於該準直用光學膜片面向該發光板的一側。
4. 如請求項1所述之人造光源，其特徵在於：該出光板另包含有一擴散片及一分光鏡，該擴散片設置於該準直用光學膜片面向該發光板的一側，該分光鏡設置於該擴散片面向該發光板的一側。
5. 如請求項3或4所述之人造光源，其特徵在於：該分光鏡的穿透率小於80%。
6. 如請求項1、2、3、或4所述之人造光源，其特徵在於：該混光管一內表面的反射率大於80%。
7. 如請求項1、2、3、或4所述之人造光源，其特徵在於：該中空柱狀體至少20公分高。
8. 如請求項1、2、3、或4所述之人造光源，其特徵在於：該發光板在面向該出光板的一面上設置有十種以上具有不同光譜的發光二極體。
9. 如請求項1、2、3、或4所述之人造光源，其特徵在於：該人造光源另包含一導光管，該導光管構成該混光管的一延伸段，該出光板介於該導光管及該混光管之間，且該導光管的一底緣具有至少一凹口。
10. 如請求項9所述之人造光源，其特徵在於：該至少一凹口 自該底緣朝向該出光板凹入至少1.5公分。