TWI487887B - 光源檢測裝置與方法 - Google Patents

Description

光源檢測裝置與方法

本揭露係關於光源檢測，特別係關於光源的空間均勻性(spatial uniformity)和時間穩定性(temporal stability)的具補償因子的低誤差檢測裝置與方法。

大氣質量或厚度(air mass，簡稱AM)是用來量化(quantify)地表接收到太陽光「輻照度」(irradiance，單位為瓦特/平方公尺〔W/m² 〕)的一個概念。太陽於正上方垂直地表方向入射時，假設光穿透的大氣層厚度為1，則地表的光照條件記為AM1，此太陽光之輻照度能量約為1366W/m² 。由於地球人口多集中於溫帶或亞熱帶緯度地方，太陽光實際入射角是以傾斜角度照射地面，國際標準中定義這些地區平均所受的光照條件為AM1.5G，代表太陽光與地面垂直線的夾角約呈48度傾斜入射，也就是光約當穿透了1.5倍厚度的大氣層，其中G(global)表示考量了光的散射因素；AM1.5G時，太陽光的輻照度能量約為963.75W/m² 。為量測計算方便，通常將AM1.5G計為1000W/m² 。

量測太陽電池(solar cell或photovoltaic cell)的發電效率時，通常需在實驗室中以太陽模擬器(solar simulator)重 現AM1.5G的標準太陽光條件，作為人造的標準光源。太陽模擬器受制於燈泡、透鏡、鏡組的損耗或缺陷，隨使用時間而產生誤差或變異量，因而需定期校正或維修。為確保太陽模擬器之性能，國際標準IEC 60904-9針對太陽模擬器性能檢測，建議應考量：光譜合致度(spectral match)、光源照明平面之輻照度的不均勻度(空間均勻性)和光源隨時間變化的幅度(時間穩定性)，對太陽模擬器進行A、B、C三個等級的性能分類。其中，空間均勻性建議將光源的照明平面至少等分為64個等面積區，量測各等分區之數據。然而實務上區的數目可能高達數百，在目前實驗室仍以人工和少量的昂貴感測器檢驗太陽模擬器的現實下空間均勻性的量測顯得曠時費工，且更嚴重的是光源長時間使用時，光源的不穩定性會造成前後量測期間數據隨之浮動而失真。

鑒於上述問題，本揭露旨在提供一種光源檢測裝置與方法，用於自動量測光源的空間均勻性和時間穩定性，特別是量測前者時，透過即時補償以消除光源隨時間變化的負面影響。

本揭露提供之光源檢測裝置，包含：第一感光模組、第二感光模組、移動模組和處理模組。第一感光模組於第一時段於第一位置接收光源產生的光，以產生第一基準訊號，並於第二時段於第一位置接收光源產生的光，以產生第一量測訊號。第二感光模組設於移動模組上，用以於第二時段於第二位置接收光源產生的光，以產生第二量測訊號。移動模組用以使第二感光模組 相對第一感光模組進行一維度或二維度之移動。處理模組耦接並用以驅動移動模組，且用以依據第一基準訊號、第一量測訊號以及第二量測訊號計算對應第二位置的第一終值。在一實施例中，本揭露提供之光源檢測裝置更包含量測模組，量測模組耦接第一感光模組、第二感光模組和處理模組，用以接收前述訊號以產生對應的基準值或量測值。

本揭露提供之光源檢測方法包含：於第一時段和第二時段於第一位置接收光源產生的光，以分別產生第一基準訊號和第一量測訊號；選擇性地於第二時段於第二位置接收光源產生的光，以產生第二量測訊號；以及依據第一基準訊號、第一量測訊號以及第二量測訊號，計算對應第二位置的修正補償值為第一終值。在一實施例中，本揭露提供之光源檢測方法更包含依據前述訊號產生對應的基準值或量測值，而第一終值等於第二量測值乘以第一基準值除以第一量測值。

綜上所述，本揭露提供之光源檢測裝置與方法以不同時段量測的第一量測訊號和第一基準訊號的關係為一個補償因子，並用此因子修正第二量測值。由於第一和第二量測訊號是在同時段取得，本揭露的補償修正具有即時性。在裝置設計上，本揭露只需兩個感光模組且可自動控制第二感光模組的位置，有助於顯著減少製造成本和檢測所需時間。在其他實施例中，本揭露提供之光源檢測裝置更可包含一或多個第三感光模組平行量測，第二和第三感光模組間可有另一個補償因子修正其量測值。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

1‧‧‧光源檢測裝置

11‧‧‧第一感光模組

12‧‧‧第二感光模組

13‧‧‧第三感光模組

14‧‧‧移動模組

141‧‧‧第一軌道

142‧‧‧第二軌道

143‧‧‧載臺

15‧‧‧量測模組

16‧‧‧處理模組

41‧‧‧照光範圍

42‧‧‧有效範圍

第1圖係依據本揭露一實施例光源檢測裝置的高階方塊圖。

第2圖係依據本揭露一實施例第一感光模組、第二感光模組和移動模組的配置示意圖。

第3圖係依據本揭露一實施例移動模組的立體圖。

第4圖係依據本揭露一實施例第一感光模組、第二感光模組、多個第三感光模組和移動模組的配置示意圖。

第5圖係依據本揭露一實施例第一量測訊號、第二量測訊號和有效量測時段的示意圖。

第6圖係依據本揭露一實施例光源檢測方法的流程圖。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且依據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請同時參見第1圖和第2圖。第1圖係依據本揭露 一實施例光源檢測裝置的高階方塊圖。如第1圖所示，光源檢測裝置1，包含：第一感光模組11、第二感光模組12、移動模組14(詳見第3圖說明)、量測模組15和處理模組16。第一感光模組和第二感光模組可以是任何光電轉換元件，例如光電二極體(photodiode)、太陽電池(solar cell或photovoltaic cell)或電荷耦合元件(charge-coupled device，簡稱CCD)。第一感光模組和第二感光模組的規格不一定相同，也毋需採用同樣的光電轉換原理；由於第一感光模組屬參考性質，實務上可以選用較平價的元件。量測模組15可包含類比/數位轉換器(analogue/digital converter)、數位多功能電表(digital multimeter)或資料擷取卡(data acquisition hardware)等。處理模組16則具運算、儲存和控制移動模組14等功能，可用一臺電腦實作。第2圖係第一感光模組11、第二感光模組12和移動模組14的配置示意圖。光源檢測裝置1適用的對象包含但不限於平面光源。以檢測平面光源為例，光源檢測裝置1係置於光源的照光範圍41內。有效範圍42與照光範圍41相對，有效範圍42指的是此光源用於對太陽電池評價時，真正被使用的光源平面區域。

固定的第一感光模組11首先於第一時段在第一位置依其所接收的光，產生第一基準訊號。接著處理模組16驅動移動模組14將第二感測元件12移動至第二位置。第二位置在光源檢測裝置1即為有效範圍42之中，由於有效範圍42內的光源才是本揭露之檢測重點，第二位置必須落在其中，但第一位置只要在 照光範圍41內即可。第二感測模組12於第二時段在第二位置依其所接收的光產生第二量測訊號；同時，在第一位置第一感光模組11亦產生第一量測訊號。第二感測模組12亦可於第一時段受光產生訊號。此訊號的功能非屬本揭露之範疇，但舉例而言可配合第一基準訊號提供更可信的基準值。上述的第一基準訊號、第一量測訊號和第二量測訊號為量測模組15所接收，並分別產生第一基準值、第一量測值和第二量測值。這些訊號的性質乃視產生訊號的感光模組採用的光電轉換原理而定；舉例來說，訊號可以是光電流(photocurrent)，而基準值或量測值以毫安培(mA)表示；或照度(illumination intensity)，基準值或量測值以勒克斯(lux)表示；或國際單位制之光度單位之物理量表示。本揭露並不限定量測模組15產生基準值或量測值的方式；舉例而言，將第一基準訊號視為一個定義域(domain)為第一時段的時間數列(time series)，則第一基準值可以是此時間數列的平均值或中位數。

最後，處理模組16依據這些值計算第二位置上經補償修正的量測值，亦即第一終值。在一實施例中，補償因子是第一基準值和第一量測值的比值，而第一終值等於第二量測值乘以補償因子。一臺平面光源整體的輻照度可能會在半小時間增加2%至5%，而這個算法的意義即在於逆轉光源隨時間的變化。以較先的量測為依歸，則藉由在同一位置取得先後兩個值(第一基準值和第一量測值)，可知這段時間整體輻照度的變化幅度，並據此 修正其他位置上的數據(第二量測值)。

請參見第3圖。第3圖係依據一實施例移動模組14的立體圖。如第3圖所示，移動模組14包含第一軌道141、第二軌道142和載臺143。載臺143用以承載第二感光模組12，並可在第一軌道141上沿一平面的第一維度滑動。第一軌道141則可在第二軌道上沿同一平面的第二維度滑動。移動模組14可能包含受處理模組16控制的電動機(motor，未標示)，用以曳引載臺143與第一軌道141。移動模組14亦可由機器手臂配合適當之夾持器具替換。

第3圖中的載臺143可輕易地被延伸或複製以承載更多的感光模組。如第4圖所示，在此實施例中，移動模組14的第一軌道141上分布了第二感光模組12和四個第三感光模組13，涵蓋有效範圍42的寬度。請注意第二感光模組12和第三感光模組13實質上並無不同，在此僅為說明方便而區分；因此對某第三感光模組13，第三量測訊號在某第三位置上產生，並被量測模組15轉換為第三量測值，以及最後處理模組16計算對應第三位置的第二終值的過程，應與第二感光模組12類似。本揭露亦不限定感光模組的數量，以及如何在第一軌道141上排列和分布，凡所屬領域具通常知識者皆可自由設計。如第4圖的配置方式，優點在於第二感光模組12和第三感光模組13不需再沿第一維度而只需沿第二維度移動量測，可簡化移動模組14的設計，更重要的是進一步縮短了整體檢測平面光源所需的時間。

當光源檢測裝置1具有多個活動的感光模組時，可能需要另外一層的補償修正來消弭個體之間的固有差別；所謂固有差別即是在相同條件下不同感光模組量測的結果所存在之歧異。在一實施例中，第二感光模組12被選為參考元件。仿照第一終值中補償因子的算法，假設來自第二感光模組12和第三感光模組13的數據呈固定比值，則可在一標準光照條件下(如AM1.5G)使第二感光模組12和第三感光模組13分別產生第二基準訊號和第三基準訊號，再將兩訊號分別轉換為第二基準值和第三基準值。在一實施例中，用以消弭感光模組間個體差異的補償因子，即第二基準值和該第三基準值的比值，而前述第二終值等於第三量測值乘以此補償因子，再乘上前述依據第一感光模組11的補償因子。

光源檢測裝置1可用於連續發光的穩態式照明光源，也可用於脈衝發光的照明光源。應用於後者時，由於一次脈波的長度(可視為前述的第二時段)只在10到100毫秒(ms)間，量測模組15不需隨時接收第二量測訊號並產生第二量測值。請參見第5圖。第5圖係依據本揭露一實施例，關於第一量測訊號和第二量測訊號的示意圖。如第5圖所示，量測模組15可在第一量測訊號超過某一預設值時才被觸發接收第二量測訊號。由於脈波最前段和最後段通常存在雜訊，量測模組15可等候一延遲(delay)才進入有效量測時段，有效量測時段係第二時段的一部分。如前所述，量測模組15可取第二量測訊號(作為一時間數列) 在有效量測時段中的平均值或中位數，以產生第二量測值。

請配合第1圖參見第6圖。第6圖係依據本揭露一實施例光源檢測方法的流程圖。如圖所示，於步驟S61中，第一感光模組11於第一時段在第一位置接收光源產生的光以產生第一基準訊號，量測模組15並依據第一基準訊號產生第一基準值。於步驟S63中，第一感光模組11於第二時段在第一位置產生第一量測訊號，量測模組15並依據第一量測訊號產生第一量測值；第二感光模組12被移動模組14移動至第二位置產生第二量測訊號。於步驟S65中，處理模組16判斷第一量測值是否大於預設值；若是則進行步驟S67，若否則回到步驟S63繼續等待第一感光模組11的觸發。於步驟S67中，量測模組15依據有效量測時段的第二量測訊號產生第二量測值，有效量測時段係第二時段的一部分。於步驟S69中，處理模組16依據第一基準值、第一量測值和第二量測值計算對應第二位置的第一終值。在一實施例中，第一終值等於第二量測值乘以第一基準值除以第一量測值。

在一實施例中，移動模組14復於第三時段將第二感光模組12移動至第四位置，並進行步驟S63至S69針對第四位置執行以產生第三終值。更詳細地來說，第二感光模組12更被移動模組14移動至第四位置產生第四量測訊號(對應於步驟S63)。處理模組16接著判斷第一量測值是否大於預設值(對應於步驟S65)。若否，則繼續等待第一感光模組11的觸發(對應於步驟S63)。若是，量測模組15依據另一有效量測時段的第四量測訊 號產生第四量測值，而所述另一有效量測時段係第四時段的一部分(對應於步驟67)。處理模組16依據第一基準值、第一量測值和第四量測值計算對應第四位置的第三終值。在一實施例中，第三終值等於第四量測值乘以第一基準值除以第一量測值(對應於步驟S69)。如此反覆直到光源檢測裝置1完成有效範圍42的量測。取得對應多個位置的終值後，即可依據IEC 60904-9所建議的公式計算光源各處的輻照度的不均勻度。同時，若以第二感光模組12或第三感光模組13量測有效範圍42上，同一位置在不同時段的輻照度，亦可估計出光源隨時間的變化。對於脈衝發光的照明光源，第二感光模組12或第三感光模組13在有效範圍42上，量測模組15可在第一量測訊號超過某一預設值時，進入有效量測時段接收第二量測訊號或第三量測訊號，此有效量測時段(作為一時間數列)，如第5圖所示，可估計出脈衝發光之每次脈衝光之時間穩定性(有效量測時段之時間內光源強度變化量)。

綜上所述，本揭露之光源檢測裝置與方法可自動量測光源的空間均勻性和時間穩定性，特別是量測前者時能透過即時補償以消除光源時間不穩定性的負面影響。對於脈衝式的光源，本揭露提供一種觸發機制使量測模組14在必要時才接收第二量測訊號產生第二量測值，減少數據量和處理模組16的負擔。本揭露亦可使用多個置於有效範圍42上的感光模組提高量測速率，並以另一基於標準光照條件的跨模組補償因子校正終值。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用 以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1‧‧‧光源檢測裝置

11‧‧‧第一感光模組

12‧‧‧第二感光模組

14‧‧‧移動模組

15‧‧‧量測模組

16‧‧‧處理模組

Claims (16)

1. 一種光源檢測裝置，包含：一第一感光模組，用以於一第一時段於一第一位置接收一光源產生的光以產生一第一基準訊號，並用以於一第二時段於該第一位置接收該光源產生的光以產生一第一量測訊號；一第二感光模組，用以於該第二時段於一第二位置接收該光源產生的光以產生一第二量測訊號；一移動模組，用以使該第二感光模組相對該第一感光模組移動，該第二感光模組設置於該移動模組；以及一處理模組，耦接該移動模組，用以驅動該移動模組，並用以依據該第一基準訊號、該第一量測訊號以及該第二量測訊號，計算對應該第二位置的一第一終值。
2. 如請求項1所述的光源檢測裝置，更包含一量測模組，耦接該第一感光模組、該第二感光模組和該處理模組，用以接收該第一基準訊號以產生一第一基準值，並用以接收該第一量測訊號以產生一第一量測值，以及用以接收該第二量測訊號以產生一第二量測值。
3. 如請求項2所述的光源檢測裝置，其中該第一終值係該第二量測值乘以該第一基準值除以該第一量測值。
4. 如請求項3所述的光源檢測裝置，其中當該第一量測值大於一預設值時，該量測模組接收該第二量測訊號，以產生該第 二量測值。
5. 如請求項4所述的光源檢測裝置，其中該量測模組接收該第二量測訊號，以產生該第二量測值係依據一有效量測時段的該第二量測訊號產生該第二量測值，該第二時段包含該有效量測時段。
6. 如請求項2所述的光源檢測裝置，更包含：至少一第三感光模組，設置於該移動模組，耦接該量測模組，用以於該第二時段於一第三位置接收該光源產生的光以產生一第三量測訊號；其中該移動模組更用以使該第三感光模組相對該第一感光模組移動，該量測模組更用以接收該第三量測訊號以產生一第三量測值，該處理模組更用以依據該第一基準值、該第一量測值、該第三量測值以及一補償因子，計算對應該第三位置的一第二終值，該補償因子關聯於該第二感光模組和該第三感光模組。
7. 如請求項6所述的光源檢測裝置，其中於一標準光照條件下，該第二感光模組產生一第二基準訊號，該第二基準訊號對應一第二基準值，該第三感光模組產生一第三基準訊號，該第三基準訊號對應一第三基準值，該補償因子係該第二基準值除以該第三基準值，該第二終值係該第三量測值乘以該補償因子乘以該第一基準值除以該第一量測值。
8. 如請求項1所述的光源檢測裝置，其中該第二感光模組更用以於一第三時段於一第四位置接收該光源產生的光以產生一第四量測訊號，該處理模組更用以依據該第一基準訊號、該第一量測訊號以及該第四量測訊號，計算對應該第四位置的一第三終值。
9. 如請求項1所述的光源檢測裝置，其中該第一感光模組或該第二感光模組係光電二極體、太陽電池或電荷耦合元件。
10. 一種光源檢測方法，包含：於一第一時段於一第一位置接收一光源產生的光以產生一第一基準訊號；於一第二時段於該第一位置接收該光源產生的光以產生一第一量測訊號；於該第二時段於一第二位置接收該光源產生的光以產生一第二量測訊號；以及依據該第一基準訊號、該第一量測訊號以及該第二量測訊號，計算對應該第二位置的一第一終值。
11. 如請求項10所述的光源檢測方法，更包含：依據該第一基準訊號，產生一第一基準值；依據該第一量測訊號，產生一第一量測值；以及選擇性地依據該第二量測訊號，產生一第二量測值；其中該第一終值係該第二量測值乘以該第一基準值除以該第一量測值。
12. 如請求項11所述的光源檢測方法，其中選擇性地依據該第二量測訊號產生該第二量測值的步驟包含：判斷該第一量測值是否大於一預設值；以及當該第一量測值大於該預設值時，依據該第二量測訊號產生該第二量測值。
13. 如請求項12所述的光源檢測方法，其中依據該第二量測訊號產生該第二量測值的步驟係依據一有效量測時段的該第二量測訊號產生該第二量測值，該第二時段包含該有效量測時段。
14. 如請求項11所述的光源檢測方法，更包含：於該第二時段於一第三位置接收該光源產生的光以產生一第三量測訊號；依據該第三量測訊號，產生一第三量測值；以及依據該第一基準值、該第一量測值、該第三量測值以及一補償因子，計算對應該第三位置的一第二終值。
15. 如請求項14所述的光源檢測方法，更包含：於一標準光照條件下，產生一第二基準訊號，該第二基準訊號對應一第二基準值；以及於該標準光照條件下，產生一第三基準訊號，該第三基準訊號對應一第三基準值；其中該補償因子係該第二基準值除以該第三基準值，該第二終值係該第三量測值乘以該補償因子乘以該第一基準值除以該第一量測值。
16. 如請求項10所述的光源檢測方法，更包含：於一第三時段於一第四位置接收該光源產生的光以產生一第四量測訊號；以及依據該第一基準訊號、該第一量測訊號以及該第四量測訊號，計算對應該第四位置的一第三終值。