太阳能电池光接收装置及具有该装置的全光通量检测系统

摘要

本发明是利用一组太阳能电池作为光接收装置，妥善利用其价格适宜、且所需空间比积分球小而利于设置；更因其反射系数低而可有效判读来自待测光源如LED晶粒或LED模块所发出的光，将照射其上的光通量全部接收转换为电能输出。再辅以光谱分析，从而对太阳能电池的频率响应不均进行补偿校正，从而获得造价低廉、检测数值精准的太阳能电池光接收装置及具有该装置的全光通量检测系统。

说明书

技术领域

本发明为一种光源全光通量检测系统，特别是一种太阳能电池光接收装置及具有该装置的全光通量检测系统。

背景技术

光源的全光通量(Total Luminous Flux，单位：lumen)是应用时的一个重要参数，尤其是在例如发光二极管(LED)以蓝光或紫光LED作为白光LED光源的应用时，更是必须考虑的重要数值。按照CIE的标准，其全光通量大小的测量，必须如图1所示，将待测LED 2置于一个足够大积分球(OpticalIntegrating Sphere)1内的某一处，使得置于其内部的待测光源如LED 2所发出的光均匀地分布在积分球1内部，让所发光经由积分球1输出部B处的光纤4输出至光谱能量分析仪(Spectrometer)5中，从而得到LED2待测光的光谱能量响应I_LED(λ)。

撤除待测光源后，另外利用一个已知亮度为E(λ)的标准光源6，将所发光束通过一个光栏7，其开口大小为A₀。所发光束经由积分球1的输入部A射入积分球1，同样经输出部B与光纤4将积分球1内所均匀化的光能传送至光谱能量分析仪5中，从而得到标准光源的光谱能量响应为I_ext(λ)。经过此种校正过的标准光源比对，才能得到待测光源的全光通量为

式(1)中k为考量积分球1不均匀度、及内部遮板3所引起的不对称性的校正系数。

此种量测结构，不管如何将待测光源置放进积分球，以及每次量测完毕，如何将测毕的光源取出，都会造成量测速度的门槛限制；此外，积分球1内，还需要额外设置遮板3，又使得结构相对复杂；而积分球1的尺寸有限制，也使得整体检测系统体积无法缩减，造成此方法一般只在实验室中量测使用，并不适用于一般生产线。

为简化结构、提升测试效率，如图2所示的真正用于生产线上、检测待测发光组件的公知全光通量测试设备，会选择将待测光源，例如LED 2’置于积分球1’外，并且另形成一光输入部A’，故被称为双开口积分球1’。此输入部A’的尺寸必须足够将待测LED 2’朝各方向发出的光能全部纳入积分球1’中。此外，为防止由输入部A’进入的光直接入射到输出部B’，在输入部A’与输出部B’间设置有内部遮板3’，由输出部B’溢出的光，则同样经由光纤4’导入光谱能量分析仪5’内。

其中，如图3的放大示意图所示，输入部A’将待测LED 2’的光有效纳入积分球1’的纳入角为：θ＝tan^-1(r/h)，其中h为LED 2’与积分球1’的距离，r为输入部A’的半径。假设LED的光场呈cosθ分布，则当纳入角θ＝78.69°时，纳入积分球的总能量占总发光能量的(1-cos² θ)＝96.1％，也就是说有3.9％的能量未被纳入。依照上式计算，此时r/h＝5，亦即当h＝2cm时，r至少为10cm，使得积分球1’的直径大小至少必须为60cm以上；最好直径能有一米左右，才能让待测LED 2’发光均匀分布。

如上所述，若待测LED 2’所发的光，大部分经由输入部A’射入积分球1’，并且均匀分布，则利用已经校正好的积分球反射频谱响应R(λ)，加权计算LED的光谱能量响应I_LED(λ)，即可得到LED 2’的全光通量

式(2)中k为校正系数，其中包括积分球1’的通过比率(throughput)、积分球的不均匀度及积分球1’开口未纳入量比例等修正因子。

然而，利用此方法量测，仍将面临下列两个棘手问题：1.积分球1’开口的未纳入量，如果待测光源的光场并不是cosθ分布，则其校正值将有较大的误差值；尤其当待测光源是例如白炽灯或萤光灯等发光角度朝向四面八方者，误差更是无法忽视。

2.由输入部A’输入的光通量，将分别由输出部B’与输入部A’输出，且考虑两者的面积比。定义A”、B”分别为输入及输出部的截面积，因输入部A’截面积A”远大于输出部B’截面积B”，假设积分球1’的反射系数为100％，则待测光源LED 2’的光通量中的A”/(A”+B”)比率部分，将由输入部A’处反射回到LED 2’待测物组件侧，粗略估计其反射量几乎达90％以上。而此反射回到组件的光通量，部分将再反射回到积分球1’内，但需视待测LED 2’组件的表面状况不同而有所差异，即使仅假设变异量为10％，都将对LED光通量的量测造成9％的变异，造成量测精度的重大难点。

换言之，要正确量测待测发光组件的全光通量，又要考虑生产线的迅速与待测发光组件的出入便利，而使用现行光传感器，又受限于其尺寸大小而组合不易，且价格因而大幅提高；因此，无疑造成生产制造发光组件与使用发光组件厂商的两难困境。

发明内容

因此，本发明的一个目的，在于提供一种结构简单、占用空间有限的全光通量检测系统。

本发明的另一个目的，在于提供一种可正确补偿频谱响应的量测误差，使检测误差值降低的全光通量检测系统。

本发明的再一个目的，在于提供一种制造成本低廉、降低发光组件测试成本的全光通量检测系统。

本发明的又一个目的，在于提供一种可根据不同待测物的需求，提供不同结构的全光通量检测系统。

本发明的又另一个目的，在于提供一种对于发光立体角度覆盖率良好，且待测光源易于进出的全光通量检测系统用的具有太阳能电池的光接收装置。

所以，本发明的一种具有太阳能电池的光接收装置的全光通量检测系统，供量测一组待测光源全光通量，该待测光源具有一个发光立体角度，其中该太阳能电池具有一个受光面，该检测系统包含：一个供置放并供能使该待测光源发光的置放座；一组包括至少一片受光面朝向该置放座、且被设置成笼罩该发光立体角度达一预定比例的太阳能电池，用来将待测光源照射至上述至少一片太阳能电池的光能转换为电能的光接收装置；及一组接收来自该光接收装置所转换的电能的处理装置。

本发明中提出利用太阳能电池(solar cell photovoltaic)作为光接收装置，一方面利用太阳能电池的结构简单、价格适宜，让制造出的设备具有市场竞争力；另一方面以其低反射、高吸收的特性，有效地量测全光通量而避免反射问题，提高量测灵敏度；尤其加入了光谱能量响应的补偿，让量测精度提升。另外，太阳能电池目前有单晶硅(single crystal)型、多晶硅(polycrystal)型、薄膜型(thin-film amorphous silicon)、化合物半导体太阳能电池及有机/无机太阳能电池，不仅都可以作为本发明的光接受装置，更能依照各自特性而设计出不同结构，以提供检测的适应性。

由于本发明的贡献，得以大幅改善公知检测方式的缺陷，供在生产线上建立占用空间有限、价格适宜、检测精度良好的待测光源全光通量检测系统。

附图说明

图1为一公知检测待测LED组件全光通量测试设备的俯视图；

图2为另一公知检测待测LED组件全光通量测试设备的侧视图；

图3为图2的局部放大示意图；

图4为本发明具全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第一较佳实施例的立体示意图；

图5为本发明全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第一较佳实施例的侧视剖面示意图；

图6为本发明全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第一较佳实施例的后视图；

图7为本发明全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第二较佳实施例的侧视剖面示意图；

图8～10为本发明全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第三较佳实施例的运作状态示意图

主要组件符号说明

1、1’...积分球

10、10’、10”...光接收装置

102、104、106、108、110、112...太阳能电池

2、2’、30...待测LED

20、20’、20”...输送装置

202、202’、202”...置放座

3、3’...遮板                     32...待测光棒

4、4’、40、40”...光纤

5、5’、50、50”...光谱能量分析仪

6...标准光源                      7...光栏

11...壳体                         12...薄膜型太阳能电池

60、60’、60”...处理器

70、70’、70”...传输装置

80...空缺区                       90...传送装置

A、A’...输入部

B、B’、C...输出部

A”...输入部截面积

B”...输出部截面积

h...LED与积分球的间的距离

r...输入部的半径

θ...纳入角

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。为方便说明，本发明的检测系统与光接收装置中的待测光源均以LED为例，当然，其它发光组件诸如灯泡、灯管亦可采用本发明所揭示的结构加以检测。

受限于目前的太阳能电池制作过程，各片硅芯片性能多少有所差异，其各自的光电转换效率及光谱响应随之有所不同。因此，每一片太阳能电池都必须独立校准，经过光谱能量分析仪测试，以获得每片太阳能电池的个别光谱反应系数R_n，m(λ)(单位为Amp/Watt，即每瓦光射入可以得到的光电流量)。其中n表示第n个面上的第m个光电池。由于本结构中，各个太阳能电池所得的能量将被个别补偿校准，而且各太阳能电池的空间均匀度(Space-uniformity)也经过筛选，以提供正确量测结果。

图4为本发明全光通量检测系统用的具有太阳能电池光接收装置及该系统第一较佳实施例立体示意图，光接收装置是例如由六片分别位于上、右、左、前、后、下的太阳能电池102、104、106、108、110、112所共同围绕形成一个容置空间。本例中，是以具有多颗LED晶粒的光棒(light bar)作为待测物，并由输送装置运送，使得待测的光棒被运送至该容置空间的中心点时，被供能发光。

当然，若待测光源较大，例如为一灯具时，单一片太阳能电池的尺寸可能无法涵盖单一侧面，每一面都需要更多片太阳能电池才足以组合成上述光接收装置。

各太阳能电池102、104、106、108、110、112的短路光电流(short-circuitphotocurrent)，各自独立地经由传输装置70输出至处理器60进行量测与比对运算。另一方面，一根光纤40的接收面面向容置空间而被固定连接于输出部C，另一端则连接至光谱能量分析仪50。

利用置于输出部C处的光纤40把极小部分的光通量导入光谱能量分析仪50中，得到待测LED 30的光谱能量分布S_LED(λ)，则各个太阳能电池的短路光电流

因此对应第n，m个太阳能电池量到的LED部份光通量

经由光谱能量分析仪50所得到的待测LED 30的光谱能量分布，透过光谱能量分析仪50与处理器60之间的传送装置90将光谱能量分布汇入处理器60，并与各个太阳能电池测得的LED部份光通量整合成待测LED的全光通量

如上述公式推导得知，必须先校正得到各太阳能电池的光谱反应系数R_n，m(λ)，存入处理器60中，并且依据由光谱能量分析仪50中实时得到的待测光棒32中LED的光谱S_LED(λ)，输入处理器60中，对光电池所对应的光通量进行补偿加权运算，最后相加，即可得到待测光棒32的全部光通量，单位为瓦特(watt)。

如果要换算为可见光功率单位流明(lumen)必须利用CIE所规定的标准视函数V(λ)来换算，其为

因此LED的全部光通量为

图5及图6为图4实施例的剖面及后视图，由于光接收装置10在对应输送装置运行部分形成有一空缺区80，恰可容输送装置运行。如上所述，当待测光棒32位于该光接收装置10中时，由输送装置20上的置放座202送能给该待测光棒32，使其发光以进行测试。

图7所示为本发明第二较佳实施例的侧视图，当待测光源例如LED在制造工艺上更稳定时，各发光组件所发光谱稳定度提升，对于要求较不严格的产品，便可省略前述实施例中的光谱能量分析仪而以固定预定的参考组件的光谱进行演算即可。一方面更降低检测系统的造价，同时使其结构更简单，占用空间更少。

本例中，上述光接收装置10’为单一片的平板型太阳能电池，且光接收装置10’与置放座202’距离是使当该待测LED 30发光时、照射至光接收装置10’的光能远大于照射至该光接收装置10’受光面以外光能，该光接收装置10’因为呈一平面状态，所以仅需固定同一位置无需变动方向。当输送装置20’将承载有多个透过置放座202’供能的待测LED 30移动至光接收装置10’下方进行光通量检测时，此时经由光接收装置10’将光能转换成电能，通过装设在光接收装置10’一端的传输装置70’传送电能至另一端的处理器60’。

图8至10为本发明全光通量检测系统第三较佳实施例的运作状态示意图。为方便说明，本例以三组光接收装置10”为例。分别包含：一具有弧形部分的壳体11”及组设于壳体11”内部的薄膜型太阳能电池12”，利用薄膜型太阳能电池12”的可塑性，构成一符合特定需求的光接收装置形状。

当输送装置20”将承载待测LED 30的置放座202”移动至光接收装置10”下方预定位置时，可笼罩待测光源与置放座202”的光接收装置10”会向置放座202”移动至一固定高度而覆盖住待测LED 30的发光立体角度。此时置放座202”将对待测LED 30供能，使其发光。同时光接收装置10”将此光能接收并利用附着于壳体11”内部的薄膜型太阳能光电池12”将光能转换为电能，由传输装置70”传导至处理器60”。

如第一实施例所示，装设在光接收装置10”端的光纤40”已将局部的光能传导至光谱能量分析仪50”，经光谱能量分析仪50”分析后，将取得的信息透过无线传输的方式传送至处理器60”，并与刚才所接收的电能比对，产生所需检测的全光通量。

如图10所示，完成所有检测后，光接收装置10”会循原途径回到与输送装置20”保持一预定距离的起始位置，当光接收装置10”离开后，输送装置20”则往原预定方向移动，将下一批待测LED 30送至需检测的位置，周而复始。

由太阳能电池的尺寸与价格，可使本申请的光接收装置无论在制造成本、还是架构生产线的便利方面，都大幅优于常用积分球；另外，太阳能电池主动接收光能，且几乎全部吸收该光能，只要能笼罩待测光源的发光立体角度达一定比例，即可正确推估待测光源的全光通量，无须顾虑待测物的反射系数变化等因素，提高检测结果的精度；何况结构设计具有相当变化性，更可根据客户的需求而改变形状设计，从而增加客户定制化的弹性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，不能以此构成对本发明保护范围的限制，任何依本发明申请权利要求保护范围及说明内容所作的等同变化与修改，仍属本发明专利涵盖的范围内。