[发明专利]色度及亮度均匀的光源及具该光源的色彩感测仪

说明书

【技术领域】

本发明是关于一种光源，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。

【背景技术】

人眼对于物体颜色的感知，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别，从而产生颜色知觉而辨别物体的颜色。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关，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时，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，统一对颜色的定义，国际照明委员会(International Commission onIllumination，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1所示，是采用氙灯11(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，更设置有一个直径约15公分的积分球1进行混光，积分球1开口的总面积远小于积分球的总表面积，且出光口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10mm的圆，出光口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，则需要增大出光口的面积，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％，相当不符合工业生产的需要。

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。

进一步，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单色窄频光，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，亦成为一个待解决的议题。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(dichroic mirror，DM)，逐渐加入主光束中，藉以整合各色光成分而组成光源。但一方面，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。

另一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，此种利用压克力制的导光板，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。