第三章 LED 光源檢測程序標準化之建立
第一節 LED 量測系統
光束積分球、Keithley 電性量測設備、追溯 NIST（Nation Institute of Standards）標準燈 2 個、光強度空間分佈儀，可依據 CIE127-1997、
CIE127-2005（TC2-45）規範進行 LED 光源之平均發光強度（Averaged LED Intensity）、全光通量（ Total Luminous Flux）、 色 度 、 色 溫 、 光譜分布量測。
另溫度亦會影響尖峰波長隻漂移，CIE127-1997 建議公式如下：
36
CIE 為了解決上述 LED 在近場（near field）條件下出現的問題 而發展了平均發光強度（Averaged LED Intensity）的概念，（1）
規定光度計感測頭面積 100mm2（2）量測之 LED 的前端點與感測頭的
1.4 試驗步驟之建立
（1）線路連接：將傳輸線一端接上光度計感測頭,另一端接到 DR2000 後面面板的 Anode In 接頭、並將電源供應器插上。
（2）歸零：儀器將進入初始化的過程,此時會自動進行歸零的動作, 下面的＂ZERO＂燈會亮起,待程序完成後燈號會自動熄滅。
（3）量測單位選擇：按下 Unit 按鈕進行選擇,量測 Luminant Intensity(cd)請選擇 FLUX 檔位。
（4）LED 測試件調整：將 LED 測試件放入支架後，套上藍色的上蓋, 來調整扣環的高度,讓 LED 頂部到 Detector 的距離能固定為 10cm，用內六角扳手將螺絲鬆開，即可轉動扣環向上或向下修 正高度，高度確認後,再次將內六角螺絲鎖住。
（5）LED 測試件量測：將 LED Adaptor 鎖入 Condition B 的 Tube，
將 40044 LED Adapter 訊號線插入 Keithley 2425 Source Meter，設定電流為 20mA，即可量測。
38
圖 3-1.2 線路連接 圖 3-1.3 歸零
圖 3-1.4 量測單位選擇 圖 3-1.5 LED 測試件調整
圖 3-1.6 Adaptor 安裝 圖 3-1.7 Source Meter 操 作
)
包括 GS1252 分光光譜儀、GS1250 分光光譜儀、RS-10B 標準燈
（追溯 NIST）、Light Touch 光學分析軟體，並可搭配 CIE 127 Condition B(or A) Tube，可進行 LED 平均發光強度、色度、色溫及 光譜分析之量測。
GS1252 分光光譜儀感測頭由 1024 個 Pixel Elements 組成，每 個 Pixel 解析度 0.42nm，可量測範圍 300-1100 nm，GS1250 分光光譜 儀可量測範圍 200-400 nm。
2.2 頻譜感應曲線探討：
前一節光度計之量測原理乃利用光度計感測頭貼各種顏色濾片 方式達到符合 CIE 標準光度觀測者之規定，由光度計感測之光電流直 接計算光度值。
而 CIE127-1997 亦建議另一種光譜量測方法，以光譜儀量測系統 代替光度計感測頭，計算公式如下：
40
2.4 CIE 規範與色度座標量測：
每一光源皆具有特殊的光譜組成，光源的光譜組成會影響光源的 表觀顏色，而且也會決定被照物的顯色效果，目前本項分光光譜儀系 統抓取之光譜資料，可透過 Light Touch 光學分析軟體，依 CIE 15.2-1986、CIE 13.3-1995 規範進行光源色度座標及演色性量測研 究，計算原理，整理如下：
2.4.1 CIE1931-RGB 系統
將色彩數字化、量化是色彩學主要課題，然因無法以個別波長的 光源進行人體對顏色的反應，所以 CIE1931-RGB 系統選定「700nm 波 長之紅光 R」、「546.1nm 波長之綠光 G」、「435.8nm 波長之藍光 B」
為三原色光，並以此三原色光進行配色實驗。
C(λ)=r(λ)R+g(λ)G+b(λ)B
圖 3-1.9 配色實驗示意圖 2.4.2 CIE1931-XYZ 系統
利用 R、G、B 三刺激值可提供一個足以精確描述經人眼視覺 所見色彩的系統，但某些色彩其三刺激值中有負值的存在，這造成理 解與計算的不便，因此 CIE 假設一組不存在自然界的色光 X、Y、Z，
作為色彩空間的三原色之三刺激值，這就是 CIE1931－XYZ 系統。兩系 統間之關係如下：
X = 0.49R+ 0.31G+0.20B
Y = 0.17697R+ 0.81240G+0.01063B Z = 0.00R+ 0.01G+0.99B
圖 3-1.9 色座標示意圖
目 前 CIE 15.2-1986 、 CIE 13.3-1995 及 CNS11353 規 範 均 採 用 CIE1931-XYZ 系統，光源之三刺激值計算方式如下：
若光源入射眼睛光譜能量分佈為Φ(λ)
42
圖 3-1.10 RGB 光譜之三刺激值 圖 3-1.11 XYZ 光譜之三刺激值
表 3-1.2 CIE1931-XYZ、CIE1931-RGB 光譜之三刺激值 CIE1931-XYZ 光譜之三刺激
值
CIE1931-RGB 光譜之三刺激值
λ
(nm)
) (λ
x y
(λ)z
(λ)r
(λ)g
(λ)b
(λ)380 0.00145 0.0000 0.0065 0.0272 -0.0115 0.9843
385 0.0022 0.0001 0.0105 0.0268 -0.0114 0.9846
390 0.0042 0.0001 0.0201 0.0263 -0.0114 0.9851
395 0.0076 0.0002 0.0362 0.0256 -0.0113 0.9857
400 0.0143 0.0004 0.0679 0.0247 -0.0112 0.9865
405 0.0232 0.0006 0.1102 0.0237 -0.0111 0.9874
410 0.0435 0.0012 0.2074 0.0225 -0.0109 0.9884
415 0.0776 0.0022 0.3713 0.0207 -0.0104 0.9897
420 0.1344 0.0040 0.6456 0.0181 -0.0094 0.9913
425 0.2148 0.0073 1.0391 0.0142 -0.0076 0.9934
430 0.2839 0.0116 1.3856 0.0088 -0.0048 0.9960
435 0.3285 0.0168 1.6230 0.0012 -0.0007 0.9995
440 0.3483 0.0230 1.7471 -0.0084 0.0048 1.0036
445 0.3481 0.0298 1.7826 -0.0213 0.0120 1.0093
450 0.3362 0.0380 1.7721 -0.0390 0.0218 1.0172
455 0.3187 0.0480 1.7441 -0.0618 0.0345 1.0273
460 0.2908 0.0600 1.6692 -0.0909 0.0517 1.0392
465 0.2511 0.0739 1.5281 -0.1281 0.0762 1.0519
470 0.1954 0.0910 1.2876 -0.1821 0.1175 1.0646
475 0.1421 0.1126 1.0419 -0.2584 0.1840 1.0744
480 0.0956 0.1390 0.8130 -0.3667 0.2906 1.0761
485 0.0580 0.1693 0.6162 -0.5200 0.4568 1.0632
490 0.0320 0.2080 0.4652 -0.7150 0.6996 1.0154
495 0.0147 0.2586 0.3533 -0.9459 1.0247 0.9212
500 0.0049 0.3230 0.2720 -1.1685 1.3905 0.7780
505 0.0024 0.4073 0.2123 -1.3182 1.7195 0.5987
510 0.0093 0.5030 0.1582 -1.3371 1.9318 0.4053
515 0.0291 0.6082 0.1117 -1.2076 1.9699 0.2377
520 0.0633 0.7100 0.0782 -0.9830 1.8534 0.1296
525 0.1096 0.7932 0.0573 -0.7386 1.6662 0.0724
530 0.1655 0.8620 0.0422 -0.5159 1.4761 0.0398
535 0.2257 0.9149 0.0298 -0.3304 1.3105 0.0199
540 0.2904 0.9540 0.0203 -0.1707 1.1628 0.0079
545 0.3597 0.9803 0.0134 -0.0293 1.0282 0.0011
550 0.4334 0.9950 0.0087 0.0974 0.9051 -0.0025
555 0.5121 1.0000 0.0057 0.2121 0.7919 -0.0040
560 0.5945 0.9950 0.0039 0.3164 0.6881 -0.0045
565 0.6784 0.9786 0.0027 0.4112 0.5932 -0.0044
570 0.7621 0.9520 0.0021 0.4973 0.5067 -0.0040
44
575 0.8425 0.9154 0.0010 0.5751 0.4283 -0.0034
580 0.9163 0.8700 0.0017 0.6449 0.3579 -0.0028
585 0.9786 0.8163 0.0014 0.7071 0.2952 -0.0023
590 1.0263 0.7570 0.0011 0.7617 0.2402 -0.0019
595 1.0567 0.6949 0.0010 0.8087 0.1928 -0.0015
600 1.0522 0.6130 0.0008 0.8475 0.1537 -0.0012
605 1.0456 0.5668 0.0006 0.8800 0.1209 -0.0009
610 1.0026 0.5030 0.0003 0.9059 0.0949 -0.0008
615 0.9384 0.4412 0.0002 0.9265 0.0741 -0.0006
620 0.8544 0.3810 0.0002 0.9425 0.0580 -0.0005
625 0.7514 0.3210 0.0001 0.9550 0.0454 -0.0004
630 0.6424 0.2650 0.0000 0.9649 0.0354 -0.0003
635 0.5419 0.2170 0.0000 0.9730 0.0272 -0.0002
640 0.4479 0.1750 0.0000 0.9797 0.0205 -0.0002
645 0.3608 0.1382 0.0000 0.9850 0.0152 -0.0002
650 0.2835 0.1070 0.0000 0.9888 0.0113 -0.0001
655 0.2187 0.0816 0.0000 0.9918 0.0083 -0.0001
660 0.1649 0.0610 0.0000 0.9940 0.0061 -0.0001
665 0.1212 0.0446 0.0000 0.9954 0.0047 -0.0001
670 0.0874 0.0320 0.0000 0.9966 0.0035 -0.0001
675 0.0636 0.0232 0.0000 0.9975 0.0025 0.0000
680 0.0468 0.0170 0.0000 0.9984 0.0016 0.0000
685 0.0329 0.0119 0.0000 0.9991 0.0009 0.0000
690 0.0227 0.0082 0.0000 0.9996 0.0004 0.0000
695 0.0158 0.0057 0.0000 0.9999 0.0001 0.0000
700 0.0114 0.0041 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
705 0.0081 0.0029 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
710 0.0058 0.0021 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
715 0.0041 0.0015 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
720 0.0029 0.0010 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
725 0.0020 0.0007 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
730 0.0014 0.0005 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
735 0.0010 0.0004 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
740 0.0007 0.0002 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
745 0.0005 0.0002 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
750 0.0003 0.0001 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
755 0.0002 0.0001 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
760 0.0002 0.0001 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
765 0.0001 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
770 0.0001 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
775 0.0001 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
780 0.0000 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000
2.4.3.CIE1963-uv 色度座標系統
色座標上兩點的距離稱為色差，在保持相同色差之下，CIE1931-xy 色度座標系統上不同的位置，看到的顏色變化程度會一樣嗎？答案是否 定的。在波長 490nm 時，變動 1nm 人眼即可察覺顏色產生變化。但在 波長 420nm 時，卻要變動 6nm 人眼才能察覺顏色產生變化。所以 CIE1931--xy 座標圖並非均等性。為了使空間中任意兩色彩的空間差距 更接近人眼的色彩視覺，因此 CIE 於 1976 年提出了一個均勻色度尺標 圖 (CIE 1976 uniform chromaticity scale diagram)，就是 u＇v＇
色度座標系統 (亦稱 CIE 1976 UCS 色度圖)，與光源之三刺激值 X、Y、
Z
關係如下：
46
300 400 500 600 700 800 900
0 0.2 0.4 0.6
CIE reference 1 CIE reference 2 CIE reference 3 CIE reference 4
1
2 3
4
300 400 500 600 700 800 900
0 0.2 0.4 0.6 0.8
CIE reference 8 CIE reference 7 CIE reference 6 CIE reference 5
7 v＇= 9Y/(X+15Y+3Z)= 9y/(-2x+12y+3)
2.4.4.演色性：
光源對物體的顯色能力稱為演色性，光所發射的光譜內容決定光源 的光色，但同樣光色可由許多、少數甚至僅僅兩個單色光波組合而成，
影響所及，對各個顏色的演色性亦大不相同，目前最常以平均演色指數 (Average Color Rendering Index, CRI )系統作為評量指標。
該系統以 8 種彩度中等的標準色樣來檢驗，比較在測試光源下與 在同色溫的基準光源下此 8 色的偏離(deviation)程度，以測量該光源 的演色指數，取平均偏差值 Ra 20～100， 以 100 為最高。平均色差愈 大，Ra 值愈低。
圖 3-1.12 演色性計算之標準色樣與相對頻譜反射率
2.5 試驗步驟之建立：
（1）光譜儀與 CIE 127 Condition B（或 A）Tube 安裝：
將 GPIB USB 的 cable 接到電腦，待電腦連上 GPIN 介面後，再開 啟電源，電腦若是可以正確啟動 GPIB Driver 則 GPIB 的 Active 燈 會亮起來，開啟 GS1271 控制器的電源，將 B（或 A）Tube 與光譜儀 連結後，就可以進行相關量測。
圖 3-1.13 光譜儀安裝
（2）光譜儀校正程序：
a.將光譜儀擺放與標準燈源間距 25cm，並點燈 15 分鐘以上，以達光 源穩定，將光譜儀及標準燈源蓋上一塊不透光光學布（防止環境因 素干擾）。
1 2 3 4 5 6 7 8
48
b.開啟 Light Touch 軟體，點選 Front Panel 按鈕，完成相關設定後，
點選 WorkSpac 之 Calibrate 按鈕，並 downlowd 標準燈（RS-10B）
之校正檔案，作光譜儀校正，完成後再點選 Workspace 之 Measure 按鈕，量測結果值與校正報告比對。
.。
圖 3-1.15 光譜儀校正電腦畫面
（3）LED 光源量測：
a.完成光譜儀校正及 LED 光源安裝後，開啟 Light Touch 軟體，點選 HardWare 按鈕，根據使用的 Detector 型號選擇相對應的 Model，
及光譜儀 Slit Size，來設定參數。
圖 3-1.16 光譜儀設定電腦畫面
圖 3-1.17 光譜儀設定電腦畫面
b.完成光譜儀參數設定後，點選 Workspace 之 Measure 按鈕開始量 測，並將量測結果帶入軟體之 Math、Analysis、2Excell 按鈕，即 可分析光源之色度、色溫、光照度、輻射照度、感測光電子數、尖 峰波長、主波長…………等分析。
圖 3-1.18 光譜儀量測電腦畫面
50 搭配 GS1252 分光光譜儀、Light Touch 光學分析軟體或 DR2000 光度計，
依據 CIE 127-2005 進行 LED 全光通量之量測。
3.2 量測原理：
依據 CIE 127-2005（TC2-45）規範，LED 全光通量之量測乃利用 與標準燈之比對，感測頭（光度計或光譜儀）所量測之光照度差值，計
3.3 試驗步驟之建立：
a.將 30cm 積分球與 GS1252 分光光譜儀（或 DR2000 光度計）連結，如 圖 3-1.19 所示，先將 RS-20 標準燈（追溯 NIST）點亮 15 分鐘以上 後，並將待測 LED 光源放入積分球內（不點亮），再調整標準燈照射 方向，使其產生之光線直接由積分球之輔助燈照射處射入球內，蓋上 一塊不透光光學布（防止環境因素干擾）後，利用 GS1252 分光光譜 儀之 Light Touch 軟體或直接由 DR2000 光度計量測Ee，量測結果值 再與校正報告比對。。
圖 3-1.20 積分球量測Ee
b.同時點亮待測 LED 光源及 RS-20 標準燈（照射方向在量測過程不得改 變），利用 GS1252 分光光譜儀之 Light Touch 軟體或直接由 DR2000 光度計量測Ee+i。
圖 3-1.21 積分球量測Ee+i
c.經過計算，就可得到待測 LED 光源之全光通量。
52
4.光強度空間分佈量測系統：
4.1 光強度空間分佈量測系統的組成：
包括 940LED 主機 30 公分、可搭配 GS1252 分光光譜儀、Goniometer 光學分析軟體、940LED 軟體，依據 CIE 127-1997 進行光強度空間分 佈量測。
4.2 試驗步驟之建立：
a.將 940LED 主機與 GS1252 光譜儀結合並鎖定，並利用 alignment 工 具將 LED 位置的調整到光譜儀 Detector 的距離為 10cm。
圖 3-1.22 940LED 主機與 GS1252 光譜儀結合
圖 3-1.23 LED 安裝位置之調整確認
b.開啟 940LED 軟體，點選 Panel 之 setup 按鈕完成設定後，再點選 Macro 按鈕編輯要測試的點數及其方位。
圖 3-1.24 空間測試點數編輯畫面
c.開啟 Goniometer 軟體，點選 Panel 之 setup 設定，完成與 940LED 軟 體連結之設定後，按下＂Start Measurement＂即可開始進行量測。
圖 3-1.25 Goniometer 軟體設定畫面
54
圖 3-1.26 Goniometer 軟體量測畫面
第二節 實驗結果與討論
經 由 前 章 節 實 驗 儀 器 操 作 程 序 標 準 化 之 建 立 後 ， 本 節 將 分 別 針 對 8 個 常 見 LED 光源之平均發光強度（Averaged LED Intensity）、
全光通量（ Total Luminous Flux）、 色 度 、 色 溫 、 光譜分布量測，
並 探 討 量 測 過 程 之 影 響 參 數 。 一、平均光強度量測 ：
由 表 3-2.1 可看出市面上常見之 LED 光 源 約 0.29~3.86 lux（B Tube 模式）。
二、全光通量量測 ：
由 表 3-2.3 可看出市面上常見之 LED 光 源 約 0.03~0.9Lm， 光源效 率約 1~15 Lm/W。
三、LED 色度座標、色溫及尖峰波長量測 ：
由 表 3-2.4 可看出紅色 LED 色度座標（0.6995, 0.2896）、橙色 LED
（0.68, 0.313）、淺紅色 LED（0.637, 0.3544）黃色 LED（0.5663, 0.4259）、綠色 LED（0.4421,0.4421）、白色 LED（0.2752, 0.2727）
藍 色 LED （ 0.1321, 0.0766 ）； 色 溫 1625K~11970K ； 尖 峰 波 長 465nm~656nm；主波長 470.2 nm~633.1nm。
四、LED 光譜分布量測
紅色、白色、藍色、黃色、橙色、綠色、淺紅色、藍色 LED 量 測 所 得 之 光譜分布如圖 3-1.27~圖 3-1.34 所示，其他燈源量 測 所 得 之 光 譜分布如圖 3-1.35~圖 3-1.40 所示。
56
表 3-2.3 常見之 LED 光 源 全光通量 ：
58
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 0.4 0.8 1.2 1.6
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
波長(nm)
波長(nm)
圖 3-1.27 1 號紅色 LED 光譜分布
圖 3-1.28 2 號白色 LED 光譜分布
輻射照度
輻射照度
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0
4 8 12
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 0.01 0.02 0.03 0.04
波長(nm)
波長(nm)
圖 3-1.29 3 號藍色 LED 光譜分布
圖 3-1.30 4 號黃色 LED 光譜分布 輻射照度輻射照度
60
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
波長(nm)
波長(nm)
圖 3-1.31 5 號橙色 LED 光譜分布
圖 3-1.32 6 號綠色 LED 光譜分布
輻射照度輻射照度
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 0
0.01 0.02 0.03 0.04
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
0 4 8 12
波長(nm)
波長(nm)
圖 3-1.33 7 號淺紅色 LED 光譜分布
圖 3-2.34 8 號藍色 LED 光譜分布
輻射照度輻射照度
62
380 430 480 530 580 630 680 730 780
wavelength (nm) 0
1 2 3 4
count
380 430 480 530 580 630 680 730 780
wavelength (nm) 0
1 2 3 4 5
count
圖 3-2.35 21WU 型燈管光譜分布
圖 3-2.36 球型省電燈泡光譜分布
380 430 480 530 580 630 680 730 780 wavelength (nm)
0 4 8 12 16 20
count
380 430 480 530 580 630 680 730 780
wavelength (nm) 0
0.5 1 1.5 2 2.5
count
圖 3-2.37 高壓鈉燈光譜分布
圖 3-2.38 植物用日光燈光譜分布
64
380 430 480 530 580 630 680 730 780
wavelength (nm) 0
0.5 1 1.5 2 2.5
count
380 430 480 530 580 630 680 730 780
wavelength (nm) 0
1 2 3
count
圖 3-2.39 晝光色日光燈光譜分布
圖 3-2.40 燈炮色日光燈光譜分布