专利名称：色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪的制作方法
色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪
技术领域：
本发明是关于ー种光源，尤其是一种将色度及亮度均匀的光源及具有该光源的色彩感测仪。
背景技木人眼对于物体顔色的感知，是来自可见光照射至物体表面后，受到物体表面反射的漫射光，刺激活化负责彩色感光的视锥细胞，并将光刺激转换为电讯号至大脑视区进行判別，从而产生顔色知觉而辨别物体的顔色。可见光的波长范围虽然因人而异，但一般约可涵盖400 750nm。由于人类感知色彩过程分别与光源、被照物表面、及观察者色彩认知有夫，并非单 纯决定于被照物，因此在定量化客观叙述物体所呈现色彩吋，即使排除较难控制的观察者变因，仍然需要考量光源所造成的影响。为排除光源差异的干扰因素，统ー对顔色的定义，国际照明委员会(International Commission onlllumination,CIE)定义出数种标准照明体与标准光源，如标准照明体A、标准照明体D与标准光源A...等。其中标准光源A可透过充填卤素气体的钨丝灯泡实现，虽然成本低廉且容易制作，但其寿命短、发光效率低，并不是理想、经济的灯源。一种市售的色差感测仪如图I所示，是采用氙灯ll(Xeon lamp)搭配滤镜制造出大致符合标准照明体D 65的光源；为满足亮度与色度均匀度的要求，更设置有ー个直径约15公分的积分球I进行混光，积分球I开ロ的总面积远小于积分球的总表面积，且出光ロ13面积约为光源入光孔12两倍大，而其所能提供的光照区域约为直径IOmm的圆，出光ロ13处的光块均匀度> 98%，而其演色性约可稍高于90。然而，此种光源因仍不能真正符合标准D65光谱分布的光源；故仅能作为色差感测仪，检测待测物的相对色彩，不能作为正确的色彩感测仪。尤其，一旦要增大检测范围，则需要増大出光ロ的面积，亦即需增大积分球的球体，若要增大可测量面积至直径200mm，则需使用直径400mm的球体，不仅球体体积庞大,仪器本身将过于笨重，且积分球的价格将大幅提升，而其光使用效率约仅10%，相当不符合エ业生产的需要。相对地，发光二极管(Light Emitting Diode, LED)具有发光效率高、使用寿命长等优点，适合作为光源；但缺点是发光光谱较窄，无法涵盖整个可见光范围，即便掺入荧光粉而由蓝光激发黄光组合的白光LED、或由红绿蓝三色组合的白光可以蒙骗人眼，让人眼认定所看到的是白光，但深究其光谱分布，仍并不满足CIE标准照明体的定义。进ー步，由于目前LED发光的材料种类众多，可以发出的光波长也愈多，亦可考虑适当搭配组合各単色窄频光，透过混光的机制，藉以合成符合CIE定义的标准照明体的模拟光源，此处称为「标准照明体模拟光」。由于「标准照明体模拟光」可以真正符合CIE标准照明体的定义，故可作为物体色的色度量测的光源。透过多种单色LED数颗组合成一套标准光的「标准照明体模拟光」，除在光谱分布上需要与标准照明体吻合外，在一定的作用面积内，还要能提供色度与亮度的均匀度各达98%与95%以上的光块，若依照市面上可以购买的LED规格进行光谱匹配模拟，LED种类需求约为20种以上。因此，如何将数目众多的LED混光，亦成为ー个待解决的议题。一般混合多色光源的技术，常见于投影机中的光学架构是将多个不同光源藉由分光分色镜片(dichroicmirror, DM)，逐渐加入主光束中，藉以整合各色光成分而组成光源。但ー方面，要将各色光逐一加入主光束中，在加入的光成分愈多时，愈早加入的光成分会因经过的分光分色镜众多而逐渐被吸收及反射而减弱，光使用效率从而降低；另方面，所有分光分色镜的架设必须完全平行，才能达到准直的出光效果。因此，这种常见的光学架构并不符合本案的需求。另ー种常见的混光架构则是利用导光板，例如目前常见的显示器中，可采用红、绿、蓝三色LED作为背光板光源，并经由导光板将侧方向发光混光混色转为面光源，此种利用压克カ制的导光板，如图2所示，可分为两段，前半段为混光区域，后半段为出光区域。导光板乃是利用光在高折射率介质往低折射率介质传递时，在某些特定角度将发生全反射的特性，使光束可以在损耗很低的情况下传递并散开，达到均匀混光的目的。此外，于特定的表面制造纹理破坏光在介质内的全反射，使光束可以离开导光板而出光，为便于说明，在此定义该表面为出光面。然而，蓝色LED元件21与红色LED元件22射出的光束均为朗伯顿分布(Lambertian distribution),光束在各发散角的强度为cos Θ的函数,从而因放置位置不同引入「空间效应」。混合后的光块将在靠近LED元件21的区域偏蓝，靠近LED元件22的区域偏红，使出光区230有明显的颜色不均匀，导致此种光学架构的混光效果不佳。当用在显示器领域时，一方面由于导光板前方还有均光片，可以使得出光再度均匀化；另方面，人眼对于光均匀度的要求并非如此严苛；尤其，在背光板前方还有液晶模组，即使背光源当真不均匀，仍有机会藉助于液晶光阀的调制，达成反向的补偿，使所呈现的影像画面回复应有色彩，让观赏者无法察觉色彩不均匀现象。加以，背光源的LED通常是使用多颗红绿蓝三色LED，不断重复排列，即便混光不均匀，在光成分少、多次重复的架构下，也较不容易被察觉。相对地，要将上述光学架构运用于色彩感测仪，一方面需混合的色光较多，相同LED重复出现的次数较低，混光不均匀现象较难被相互弥补；另方面，色彩感测仪的光，是由光源直接照射至待测物，没有液晶光阀等介于其间，不能藉此补偿出光的不均匀；而些许不均匀都将使得照射至待测物上的光不满足CIE标准照明体的定义，并将造成量测结果不正确，并不适合作为本案的理想光源。因此，如何设计出能将多组不同中心光谱LED所发光，以更均匀的方式混光，使得光源完全符合CIE标准照明体的定义，从而将LED的光源扩展为色度及亮度均匀的面光源，将是制造色彩感测仪光源的重要课题。
发明内容本发明之一目的在于提供一种色度及亮度均匀的光源。本发明的另ー目的在于提供ー种符合CIE定义标准照明体的色度及亮度均匀的 光源。本发明的又一目的在于提供ー种可供作为色彩感测仪光源的色度及亮度均匀的光源。
本发明的再一目的在于提供一种出光面的面积可以轻易扩大的色度及亮度均匀的光源。本发明的又另一目的在于提供ー种具有色度及亮度均匀的光源的色彩感测仪。本发明的又再一目的在于提供一种可以量测大尺寸待测物，制造成本却不需大幅提升的具有色度及亮度均匀的光源的色彩感测仪。依照本发明掲示的一种色度及亮度均匀的光源包括复数个具有至少两个彼此相异中心波长的LED元件；ー组包括一片具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面的下游一次导光板的一次导光板组件，且该下游一次导光板出光面上形成有一个出光区；及ー组包括复数片彼此迭合的二次导光板、且所述二次导光板分别具有一个入光面及ー个相邻于该入光面的出光面、及所述二次导光板入光面恰对应该下游一次导光板出光区的二次导光板组件。利用上述光源制成的色度及亮度均匀的光源的色彩感测仪，是供感测待测物受光照射后的反射光色彩成分，该色彩感测仪包括一组色度及亮度均匀的光源，包括复数个具有至少两个彼此相异中心波长的LED元件；ー组包括一片具有一个入光面及ー个相邻于该入光面的出光面的下游一次导光板的一次导光板组件，且该下游一次导光板出光面上形成有一个出光区；及ー组包括复数片彼此迭合的二次导光板、且所述二次导光板分别具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面、及所述二次导光板入光面恰对应该下游一次导光板出光区的二次导光板组件；一组供把该待测物受该色度及亮度均匀的光源所发光照射后的漫射光中，各波长成分分离的分光装置；及ー组感测该分光装置所分离各波长成份光強度的感测装置。由于本案的光源架构，是将复数个中心波长相异的LED元件，分别设置在一次导光板组件的入光面，以一次导光板组件中最末一片作为下游一次导光板，并以其出光面作为一次导光板组件的出光面。随后，将二次导光板组件的复数片二次导光板，以入光面对应上述一次导光板组件出光面的方式，接纳一次导光板组件的出光，进行二次混光。由于一次导光板组件可以结合复数片一次导光板，入光面可以容纳更多LED元件，无论是藉由增加LED元件数目而增加光強度，或者是藉由多数不同中心波长的LED元件而符合D65规范，都可以顺利实现。另方面，经由两次实质上彼此垂直的混光，一次导光板组件出光不够均匀的问题可以大幅改善，整体出光的色度与亮度，都可以完全均匀化，从而达成上述所有目的。图式简单说明图I是公知色差感测仪的示意图；图2是公知导光板的立体示意图；图3是本案的色度及亮度均匀化的光源第一较佳实施例的示意图；图4是图3光源的二次导光板组件的示意图；图5是传统一次导光结构混光后撷取光块影并像确认其色均匀度的拍摄图；图6是本案经由二次导光板组件混光后撷取光块影并像确认其色均匀度的拍摄图；图7是图5及图6所撷取的影像进行光结构均匀度差异比对的线型图8是将二次导光结构的均匀度取20点观察的线型图；图9是具有图3光源的色彩感测仪之本案的第一较佳实施例的示意图；
图10是本案光源的第二较佳实施例的示意图；图11是本案色彩感测仪的第二较佳实施例的示意图；及图12是图11色彩感测仪的光轮的示意图。主要元件符号说明I积分球 11氙灯13出光ロ12入光孔 21、22、31LED 元件
230、326、326’ 出光区 3、3”光源32、32’一次导光板组件320 —次导光板3201、320’ 下游一次导光板322 入光面324出光面33、33’ 二次导光板组件330、330’ 二次导光板332 入光面334出光面4、4”分光装置 41反射式光栅42” 分色滤光片40”光轮5、5”感测装置6、6”待测物
具体实施方式有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合參考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。为使光谱分布满足CIE标准照明体的定义，本案可利用目前多组不同光谱的LED元件，适当搭配组合多个不同中心波长的窄频光源，并经导光板的混光机制，合成符合CIE定义标准照明体之『标准照明体模拟光』，作为物体顔色的色度量测的光源，以CIE1931-(X，Y，Z)色度系统进行物体色的量测，透过简单的方程式描述如下式W= I S l-wdifff = XxYtZ ；_ _____
*'V 裳 71, Zi在本式中，S为照射光，R是待测物表面反射率， 5则是色匹配函数，都是波长的函数。由上述方程式得知，照射光的光谱分布将直接影响三刺激值(χ，γ，ζ)的结果，故作为ー色度计或色彩感测仪的打光光块，在有效区域内，其混色与混光均匀度均需达到特定規格。为实现模拟光源近似标准光源，本案的光源3如图3所示，包括有复数LED元件31、一次导光板组件32、及二次导光板组件33。本例中的一次导光板组件32是采多片堆迭式架构，利用多片导光板320依相同的几何方向层迭成柱体(cube)后，扩大入光面以满足需填布众多LED的需求。各片一次导光板320均具有一个入光面322及一个与入光面322相邻的出光面324，而出光面324上形成有一个出光区326，且由于本例中的各片一次导光板320都是矩形结构，因此是以出光面324彼此平行的方式对应迭合；且为便于说明起见，在此定义层迭的多片一次导光板320中，出光面324位于最外侧的一片,称为下游一次导光板 320!。ー并參考图4所示，本例的二次导光板组件33是由复数片二次导光板330迭合而成的长方体结构，同样地，这些二次导光板330也分别具有一个出光面334及一个小于出光面334的面积的入光面332，且由于本例中的二次导光板330入光面332也共平面，并且所述入光面332的总面积略等于上述下游一次导光板320i的出光区326，使得二次导光板组件33与一次导光板组件32结合时，来自一次导光板组件32的一次混合光，恰可几乎完全进入二次导光板组件33进行二次混光，而少有能量损失。为明确显示本案的改善效果，图5所示是将传统一次导光结构的混合光束打光至一均匀散射的白板后，利用CCD camera取像比对并确认其光块的色均匀度；图6则是本案经由二次导光板组件混光后，同样实验所撷取影像，不仅两者在所撷取待测物影像的均匀度方面产生显著差异，尤其如图7所示，一旦在所撷取的影像上以中央点为基准，依照同样距离分别在两张影像水平方向上，向中央点的左右各取两点，并以中央点为100%，则左右两点进行比对可以发现，传统一次导光结构均匀度差异在土 13 %左右，本案的影像色均匀度明显改善至±2%内。若以图式垂直方向观察本案二次导光结构的均匀度，取20点观察，结果如图8所示，均匀度超过98%。
藉由上述光源3，本发明掲示的色彩感测仪的第一较佳实施例如图9所示，包括有光源3、分光装置4、及感测装置5。承上所述，所述LED元件是依照其各自发光中心波长、发出对应该中心波长在标准照明体D65的光谱分布中的权重的亮度。藉此，符合D65标准的光源3照射至待测物6后，所产生的漫射光经由例释为反射式光栅41的分光装置4，将漫射光中各波长成分逐一分离，并且调整反射式光栅41角度，使得所选择的某一波长成分反射至感测装置5，随后改变角度，逐步量测各分离的波长成份光強度，使得来自待测物6的漫反射成分被感测装置5精确量測。
当然，如熟悉本技术领域者所能轻易理解，前述导光板的形状为矩形、一次导光板组件为复数片导光板迭合、且一次导光板组件出光区尺寸恰等于二次导光板组件入光面等，都是为便于说明而举例，本案光源的第二较佳实施例如图10所示，其中一次导光板组件32’仅有单一片下游一次导光板320’，下游一次导光板320’与二次导光板组件33’中的二次导光板330’均呈楔形结构，且下游一次导光板320’的出光区326’面积略大于二次导光板组件33’的入光面总面积，使得二次导光板组件33’的入光面涵盖下游一次导光板出光区326’达ー个预定比例，下游一次导光板320’的大部份出光仍可进入二次导光板组件33’而没有明显损失。本案色彩感测仪的第二较佳实施例分别如图11及12所示，其中，分光装置4”是ー个具有多个分色滤光片42”的光轮40”，随光轮40”的转动，光源3”照射至待测物6”后产生的漫反射光随光轮40”的时序转动，分别透经例如红、蓝、绿分色的三个分色滤光片42”进行分色过滤，并由感测装置5”逐个量测各不同波长成分。由于本案的一种色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪，是利用两次导光板组件的结合，令各个LED元件所发的光束能进行ニ维的混光混色，当一次导光板组件进行第一次混光后，色度及亮度的均匀度还有所不足，再导入二次导光板组件进行第二次的混光，即可将原本色度及亮度还不均匀的情况改善，令色度及亮度均匀后的混光符合标准照明体D65的光源，因此，使用本案的色彩感测仪，不仅更精准，而且体积也相对变小，在操作上亦更加的方便。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，SP凡依本发明申请专利权利要求书范围及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆 应仍属本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种色度及亮度均匀的光源，其特征在于，包括 复数个具有至少两个彼此相异中心波长的LED元件； ー组包括一片具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面的下游一次导光板的一次导光板组件，且该下游一次导光板出光面上形成有一个出光区；及 ー组包括复数片彼此迭合的二次导光板、且所述二次导光板分别具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面、及所述二次导光板入光面恰对应该下游一次导光板出光区的二次导光板组件。
2.如权利要求I所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述二次导光板的入光面是涵盖该下游一次导光板出光区达ー个预定比例。
3.如权利要求2所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述二次导光板的入光面是涵盖该下游一次导光板出光区。
4.如权利要求1、2或3所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述二次导光板的入光面是共平面。
5.如权利要求1、2或3所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述二次导光板是长方体，且所述入光面具有小于所述出光面的面积。
6.如权利要求I、2或3所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中该一次导光板组件更包括复数片与该下游一次导光板迭合的上游一次导光板、及所述上游一次导光板分别具有一个入光面及一个相邻于该入光面且与该下游一次导光板出光面对应设置的出光面。
7.如权利要求6所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述一次导光板入光面是共平面。
8.如权利要求1、2或3所述色度及亮度均匀的光源，其特征在于，其中所述复数个LED元件分别具有复数个发光中心波长，且所述LED元件是依照其各自发光中心波长、发出对应该中心波长在标准照明体D65的光谱分布中的权重的亮度。
9.ー种具有色度及亮度均匀的光源的色彩感测仪，是供感测ー个待测物受光照射后的反射光色彩成分，其特征在于，该色彩感测仪包括 一组色度及亮度均匀的光源，包括 复数个具有至少两个彼此相异中心波长的LED元件； ー组包括一片具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面的下游一次导光板的一次导光板组件，且该下游一次导光板出光面上形成有一个出光区；及 ー组包括复数片彼此迭合的二次导光板、且所述二次导光板分别具有一个入光面及一个相邻于该入光面的出光面、及所述二次导光板入光面恰对应该下游一次导光板出光区的二次导光板组件； 一组供把该待测物受该色度及亮度均匀的光源所发光照射后的漫射光中，各波长成分分离的分光装置 '及 ー组感测该分光装置所分离各波长成份光強度的感测装置。
10.如权利要求9所述色彩感测仪，其特征在于，其中该分光装置包括ー组反射式光柵。
11.如权利要求9所述色彩感测仪，其特征在于，其中该分光装置包括ー组分色滤光片。
全文摘要
一种色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪，主要包括光源、分光装置、及感测装置，而本案的光源更包括有复数个LED元件、一次导光板组件、及二次导光板组件，是利用一次导光板组件将复数个LED元件的各个光谱进行第一次色度及亮度的匀化，再将第一次均匀化的光导入二次导光板组件再次进行第二次的色度及亮度均匀化，以作为色彩感测仪的光源，因此，本案光源不仅色度及亮度均匀化效果佳，光源更可以符合标准照明体D65，令色彩感测仪检测结果更精准，尤其感测仪的检测尺寸可以增大而成本不致大幅提高。
文档编号G01J3/10GK102680095SQ20111005424
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者冯清章, 杨兰升, 王遵义 申请人:致茂电子(苏州)有限公司