眼鏡穿透光譜特性的量測
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(2) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 摘要 本篇論文目的是利用微型光譜儀（型號：USB2000）進行眼鏡鏡片穿 透光譜的測量，得知市售眼鏡鏡片所強調的賣點是否與我們測量結果相 符，進一步了解測到的光譜所代表的意義。眼鏡鏡片規格項目相當多，本 篇論文以「多層膜」及「抗紫外線」為本次研究重點，藉由光譜曲線的呈 現，探究多層膜所代表的意義，與抗紫外線眼鏡鏡片的抗紫外線功效。 我們進行市場調查，消費者對於眼鏡鏡片的認知程度，得到的結論是： 面對五花八門、琳瑯滿目的行銷手法，消費者很難分辨孰真孰假，造成眼 鏡市場的混亂，而最終傷害的卻是消費者寶貴的眼睛。 逢甲大學電機系師生也體認到眼鏡鏡片的品質不好，會對眼睛產生不 良的嚴重後果，為了讓消費者可以清楚、明確的了解眼鏡鏡片的這些特質， 電機系於今年（95 年）將成立眼鏡鏡片製作實驗室，由逢甲大學電機系陳 德請老師負責，招集一群眼鏡鏡片方面的學界及專家，提供消費者有關眼 鏡鏡片製作及品質測試相關知識，使消費者對眼鏡鏡片有深入了解，以確 保寶貴的眼睛不受無謂傷害。 由本篇研究發現，因為許多特定眼鏡鏡片都具有某種的功能，可是消 費者被業者選擇性引導，模糊焦點，而產生認知錯誤的情形，所以本文目 的再提昇消費者對眼鏡鏡片有正確的認知，這是我們所共同努力的目標。 關鍵字：多層膜、抗紫外線、微型光譜儀. I. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(3) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 目錄 摘要………………………………………………………Ⅰ 第一章 緒論……………………………………………1 第二章 簡介……………………………………………2 第三章 實驗架構與使用設備…………………………7 第四章 實驗步驟及實驗數據…………………………10 第五章 結果與討論……………………………………26 第六章 結論……………………………………………26 參考資料…………………………………………………26 附錄………………………………………………………27. II. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(4) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 第一章 緒論 1-1 研究動機 眼睛是人類的靈魂之窗，許多美麗的事物藉著眼睛讓我們感到美好， 而人們也越來越重視聲光享受，越來越多的特效轟炸著我們，在絢麗的聲 光特效的背後，帶來的是視力的衰退：近視、散光…，使得國人配戴眼鏡 的比率大幅上升，那麼眼鏡的品質好壞就越發重要。 近年來，臭氧層的遭受破壞，使得紫外線（UV）的威脅日趨嚴重，致 使眼球被紫外線傷害的案例也愈來愈多，而且許多研究中心在他們研究報 告中指出，紫外線穿過眼球水晶體時會被吸收，而長期的吸收會造成白內 障，致使罹患白內障的人口也日趨增多，因此配戴一副具有抗紫外線功能 的眼鏡，是非常必要的，配戴抗紫外線鏡片的眼鏡族，每年呈倍數成長， 可見重視眼睛健康的人不在少數；現今隨處可見的顯示器，其所散發出的 輻射，對於眼睛造成嚴重的侵害，因此一副好的眼鏡必須具備隔離對眼睛 有害波長的功能。 市面上的眼鏡業者，不停的推層出新，無不強調自個的眼鏡有多好， 防紫外線、抗輻射、多層膜設計…等等，許許多多的噱頭，讓消費者目不 暇給。電視上也曾報導過很多的黑心商品，那麼到底消費者所購買到的眼 鏡是否真的達到他們所希望的需求呢？還是說一切都只是業者為了提高銷 售量而捏造的假象呢？. 1-2 研究目的 對於眼鏡鏡片的光譜特性進行研究及量測。. 1-3 研究方法 利用微型光譜儀（型號：USB2000） ，對眼鏡鏡片進行光譜特性量測及 分析。. 1. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(5) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 第二章 簡介 2-1 USB2000 微型光纖光譜儀 「USB2000 微型光纖光譜儀」是「S2000 微型光纖光譜儀」的隨插即 用型版本，此型號光譜儀的設計是為了滿足使用方便的要求，以避免光譜 儀到電腦介面的麻煩。在 USB2000 中，A/D 轉換卡已經安裝在光譜儀的電 路板上，USB2000 與電腦通過 USB 介面相連，可支援光譜儀的快速轉換。 只要將 OOIBase32 光譜儀操作軟體在電腦裡安裝好，並連接好 USB2000 光纖光譜儀，光譜儀操作軟體即可識別並且讀取 USB2000 光譜儀記憶體中 的專有參數，並可以進行參數調整以適合每個特定的光譜儀。這樣既可節 省時間，又可以減少設置錯誤。每個 USB2000 記憶體中所儲存的資料包 括：波長校準係數、線性係數及對應每個光譜儀專有的序列號。 USB2000 同樣使用 2048 像元的線型 CCD 探測器及已有 S2000 光譜儀 的光路系統。通過 S2000 光路系統，USB2000 接收採樣光纖傳來的光，經 過內部安裝的光柵進行分光後發射到探測器，探測器可以接收 200-1100nm 的光譜範圍。 歸納上述，USB2000 微型光纖光譜儀的優點以條列式敘述如下： ‧ 即插即用型介面：可直接插入任何臺式電腦或筆記本電腦的 USB 介 面，也可通過串列口與臺式電腦、筆記本電腦或掌上型電腦相連 ‧ 不需外部供電：可直接從相連的電腦獲得電源 ‧ 流水線啟動軟體：可自動讀取光譜儀的校準係數 ‧ 接插型模組化設計：光源和採樣腔等可直接接插、連接到 USB2000 的 介面上. 2. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(6) 眼鏡穿透光譜特性的量測 特 性 參 數 <0.05%@600nm, 外形尺寸：. 89.1mm×63.3mm×34.4mm. 散射光：. <0.10%@435nm, <0.10%@250nm. 重量：. 功率消耗：. 86 光子/計數，2.9×10-17焦耳/計. 190 克（不包括連接線纜）. 90 mA@5VDC. 靈敏度. 數，. （估計）：. 2.9×10-17瓦/計數（積分時間為 1 秒）. 波長範圍：. 每 13ms 一個全掃描入記憶體（USB. 200-1100 nm 資料傳輸速. 探測器：. 2048 像元的線型矽 CCD 陣列. 介面） 每 300ms 一個全掃描入記憶體（串. 率：. 列 口）. 光柵：. 14 種光柵，波長從紫外到近紅外. 積分時間：. 寬 5, 10, 25, 50, 100 或 200um 的狹 入射孔徑：. 縫. 3ms～65s SMA905 介面，與 0.22NA 的單股光. 光纖連接：. 或光纖(無狹縫). 纖 相連. 長波通或帶通濾波片，安裝在光譜儀. Windows98/Me/2000/XP (通過. 各類濾波片： 內 焦距： 光學解析度：. USB. 42 mm（輸入）， 68 mm（輸出）. 介面與臺式電腦、或筆記本電腦相連. 0.3～10.0 nm FWHM（與光柵和狹. 時). 縫寬度的選擇有關）. 任何 32 位元 Windows 作業系統（通 作業系統：. 過 串列口與臺式電腦或筆記本電腦相. 動態範圍：. 2×108（系統），2000:1（單個掃描. 連 時）. 信號）. Windows CE 2.11 及上述作業系統 （通過串列口與掌上電腦相連時）. 3. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(7) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 2-2 多層膜的優點 近代光學科技的突飛猛進，鏡片已經發展出多層膜防反光功能特性， 就光學科技上來說，多層膜鏡片是利用光波干擾原理，以電腦真空鍍膜機 鍍上多層薄膜，多層膜鏡片一般是在鏡片凹面和凸面上各鍍上五層以上薄 膜，藉著塗上的物質，減少反光，增加透視率約達 99 %，可以增加眼睛無 害的「可見光」通過鏡片，因此在鏡片上幾乎僅剩非常微小反光，也沒有 幻影，所以不會干擾視線。 多層膜玻璃鏡片的特點，是可以消除燈光在視覺中的多重影像，而且 在不良的燈光下也能提昇視覺的敏銳性。另外則是可以減少深度近視的度 數圈，增加清晰度及鏡片邊像視覺，減低了反光和類似鬼影的干擾，使外 型更美觀 。. 2-3 玻璃鏡片的優缺點 最早被研發出來的眼鏡鏡片是玻璃材質的，玻璃眼鏡片的特點是： 優點： 1. 材質堅硬，不易刮傷。 2. 玻璃鏡片具有高折射率，可以發展出傳真度較高的超薄鏡片。 缺點： 1. 玻璃鏡片比重較重，配戴壓力較大。 2. 玻璃鏡片容易破碎。 比起樹脂鏡片（俗稱安全鏡片），玻璃鏡片比較重也容易破 碎，所以大多數歐美國家絕對禁止學生配戴玻璃鏡片，以免 好動的學生意外碰撞時發生眼睛傷害。. 2-4 樹脂鏡片的優缺點 樹脂鏡片（俗稱安全鏡片）可說是光學科技一大成就和突破，它是光 學工程師在二次大戰時，試驗出的一種稱為 CR-39 的新材料製成。 優點： 1. 重量比玻璃鏡片減輕 1/2。 2. 安全性是一般玻璃鏡片的 10 倍。一般人將樹脂鏡片稱為安全鏡 片，是因為樹脂鏡片不易破裂，即使受撞擊發生破裂時，碎片很少， 破片面積大而鈍邊，使眼部及臉部的受傷可以減低到最低程度，安 全性比玻璃鏡片高。 4. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(8) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 3. 透光率比一般鏡片高。 4. 樹脂鏡片容易染色，可以依照需要染製成各種不同透光率的彩色鏡 片。 5. 樹脂鏡片可以加抗紫外線鍍膜，防止眼睛受紫外線傷害。這是玻璃 鏡片較難做到的功能 缺點： 1. 樹脂鏡片比起玻璃鏡片的厚度仍然比較厚。但它可以利用「非球面 設計」來改善厚度，而且可帶給配戴者更佳之視覺品質。 2. 樹脂鏡片比較容易刮傷，但這方面是可以被克服的，現在大多數的 樹脂鏡片大多有加硬化處裡，所以其耐磨性已改善甚多。另在鏡片 清潔擦拭和取放時多加注意就可以避免的，尤其是清潔鏡片時，最 好用洗潔劑配合清水沖洗，然後再用軟布或面紙輕輕的將水擦乾即 可，避免用衣角、粗布或粗紙擦拭，以免造成鏡片刮傷。. 2-5 紫外線（UV）： UV-C：（190nm-280nm）會被臭氧層吸收，不會達到地表。 UV-B：（280nm-315nm）會達到地表被皮膚吸收，產生黑色素沉澱而 曬黑；可被眼睛外表吸收，但是曝曬太久會引發「雪盲」 。 UV-A：（315nm-400nm）會達到地表，為可見光譜界線，會穿透眼睛 外表的結構，被水晶體吸收，已被證實水晶體會累積 UV-A 而引發「日照 性白內障」 。. 2-6 眼鏡鏡片專有名詞的相關特性： 由於介質的折射率隨光的波長而變化所發生的現象，稱為光的色散 （disperion） 。通常用色散 v 描述介質的色散特性。若紫光、黃光、紅光在 介質內的折射率分別是 nv、ny、nr，則色散率（dispersive power）定義為： 阿貝係數（色散率， dispersive power）=. ⎛ n(y) - 1 ⎞ 黃光折射率 - 1 ⎜⎜ν = ⎟ n(v) - n(r) ⎟⎠ 紫光折射率 - 紅光折射率 ⎝. 阿貝係數代表解析度高低，阿貝係數越高，解析度越高。 解析度與光透率成正比，即阿貝係數越高，光透率越高。 光透率與折射率成反比，但折射率跟鏡片厚薄成反比，折射率越高， 鏡片越薄。 5. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(9) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 光強度是指在一定方向範圍內發出的可見光輻射強弱的物理量，它可 以用光源在單位立體角發出的光通量數值量度，其單位是「坎德拉 （candela） 」 光源功率（瓦特） P 光強度 = I = 2 有效面積（ m ) A. 2-7 抗紫外線國際標準值： 國際標準：抗 UV-380nm 以下的波長。 市面常見：抗 UV-400nm 以下的波長。. 2-8 各色光相關資料： 顏色. 頻率範圍(THz). 真空中波長(nm). 紅. 384~482. 622~780. 橘. 482~503. 597~622. 黃. 503~520. 577~597. 綠. 520~610. 492~577. 藍. 610~659. 455~492. 紫. 659~769. 390~455. 6. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(10) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 第三章 實驗架構與使用設備 實驗架構如圖 3-1 所示，LED 光源置於防外界光源干擾之自製光源黑色套 筒之内，兩者組合成一 LED 光源組，整套 LED 光源組再置於支架上。由左邊 LED 光源組來的光束被右方聚光鏡聚焦在傳導光纖上，再進入微型光譜儀光學 系統，光束經此光學系統做光譜分光，光譜分光後之光束成像在線型電藕合裝置 (CCD)感測器上，而被 CCD 感測器所感測。CCD 感測器將光信號轉換為電子信 號，此電子信號經資料處理器(A/D)轉換為數位式信號，再經個人電腦中之軟體 進行分析，將最後結果呈現在個人電腦監視器上。若要測試眼鏡鏡片的光譜 特性，只要將眼鏡鏡片置於 LED 光源組與聚光鏡之間即可。. 光源及光源夾. 眼鏡及眼鏡夾 聚光鏡. 傳導光纖 微型光譜儀. PC(含分析軟 USB 信號線. 圖 3-1 實驗架構. 本篇論文所使用儀器、夾具及材料如下列各圖所示含：微型光譜儀壹 套、支架數組、螺旋測微器壹個、游標尺壹支、各式 LED 光源、樹脂鏡片 及其它所需耗材…等。. 7. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(11) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 微型光譜儀 USB2000*1 組. 游標尺*1 支. 螺旋測微器*1 個. 支架*數組. 8. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(12) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 光的三原色(RGB)：綠光 LED*1 個、紅光 LED*1 個、 藍光 LED*1 個、白光 LED*1 個、驗鈔筆*1 個. 黑箱*1 個. 黑布*1 匹. 9. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(13) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 第四章 實驗步驟及實驗數據 4-1 實驗步驟： (1)組裝 USB2000，將 USB2000 連接至電腦。 (2)以 LED 當光源，將 LED 接上電源供應器，調整電源供應器電壓。 (3)架設支架，固定 USB2000 光纖頭、LED 光源。（如圖 4-1）. （圖 4-1） (4)將系統蓋罩黑箱和黑布。 （如圖 4-2、圖 4-3）. 10. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(14) 眼鏡穿透光譜特性的量測. （圖 4-2）. （圖 4-3）. 11. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(15) 眼鏡穿透光譜特性的量測. (5)開啟程式「OOIBase32」 。 (6)關掉 LED 光源，按下程式「OOIBase32」的「Global Dark」按鈕， 紀錄當時的背景光。 (7)按下程式「OOIBase32」的「Subtract Dark Spectrum」按鈕，扣除背 景光譜。 (8)打開 LED 光源，開始測量 LED 光譜；按下按下程式「OOIBase32」 的「Global Snapshot」按鈕，擷取 LED 光譜。 (9)按下程式「OOIBase32」的「File」→「Save」→「Sample」 ，存檔。 (10)用螺旋測微器量出鏡片即將測量點厚度，並紀錄鏡片相關資料。 (11)將鏡片放置在 USB2000 光纖頭與 LED 光源之間固定，重複步驟 (4)~(10)。 （如圖 4-4）. （圖 4-4） (12)使用 Excel 試算表分析數據資料。. 12. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(16) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 4-2 實驗數據： 1.各種光源光譜圖： 紅光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 紅光LED(100msec). 光強度(cd). 300 200 100. 數列1. 0 -100 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 綠光：電壓（V）=10.5V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 綠光LED(100msec). 光強度(cd). 150 100 50. 數列1. 0 -50 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 波長(nm). 13. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(17) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 藍光：電壓（V）=5.2V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec 藍光LED(10msec). 光強度(cd). 3000 2000 1000. 數列1. 0 -1000 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 波長(nm). 白光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec 白光LED(10msec). 光強度(cd). 1000 500 數列1 0 -500. 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 14. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(18) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 驗鈔筆：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=5msec. 光強度(cd). 驗鈔筆(5msec) 4000 3000 2000 1000 0 -1000 0. 數列1. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 波長(nm). 太陽光： 時間：12:00 積分時間（Inreg.Time）=3msec 太陽光(3msec). 光強度(cd). 1500 1000 數列1. 500 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 -500 波長(nm). 15. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(19) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 3. 掛載鏡片後，對於各色光源光譜圖： 鏡片相關資料： 材質 多層膜 抗紫外線 樣品鏡片 1 樹脂 ○ ╳ 樣品鏡片 2 樹脂 ○ ○. 折射率 1.600 1.560. 鏡片厚度 2.51mm 3.89mm. 樣品鏡片 1（具多層膜，不具抗紫外線）： 紅光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 眼鏡到光源的距離=20.5cm 樣品鏡片1+紅光LED(100msec). 光強度(cd). 300 200 100. 數列1. 0 -100 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 綠光：電壓（V）=10.5V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 眼鏡到光源的距離=20.0cm 樣品鏡片1+綠光LED(100msec). 光強度(cd). 150 100 50. 數列1. 0 -50 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 波長(nm). 16. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(20) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 藍光：電壓（V）=5.2V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec. 眼鏡到光源的距離=21.0cm 樣品鏡片1+藍光LED(10msec). 光強度(cd). 3000 2000 1000. 數列1. 0 -1000 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 波長(nm). 白光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec. 眼鏡到光源的距離=21.5cm. 光強度(cd). 樣品鏡片1+白光LED(10msec) 800 600 400 200 0 -200 0. 數列1. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 17. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(21) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 驗鈔筆：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=5msec. 眼鏡到光源的距離=20.5cm. 光強度(cd). 樣品鏡片1+驗鈔筆(5msec) 1000 500. 數列1. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 波長(nm). 太陽光： 時間：12:00 積分時間（Inreg.Time）=3msec 樣品鏡片1+太陽光(3msec). 光強度(cd). 1000 500 數列1 0 -500. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 100 0 波長(nm). 18. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(22) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 樣品鏡片 2（具多層膜，具抗紫外線）： 紅光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 鏡片到光源的距離=20.5cm 紅光LED(100msec)UV-400. 光強度(cd). 300 200 100. 數列1. 0 -100 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 綠光：電壓（V）=10.5V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=100msec 眼鏡到光源的距離=20.0cm 綠光LED(100msec)UV-400. 光強度(cd). 150 100 50. 數列1. 0 -50 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 波長(nm). 19. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(23) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 藍光：電壓（V）=5.2V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec. 眼鏡到光源的距離=21.0cm 藍光LED(10msec)UV-400. 光強度(cd). 3000 2000 1000. 數列1. 0 -1000 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 波長(nm). 白光：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=10msec. 眼鏡到光源的距離=21.5cm. 光強度(cd). 白光LED(10msec)UV-400 800 600 400 200 0 -200 0. 數列1. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 20. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(24) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 驗鈔筆：電壓（V）=5.0V 電阻（R）=1K（Ohm） 積分時間（Inreg.Time）=5msec. 眼鏡到光源的距離=20.5cm 驗鈔筆(5msec)UV-400. 光強度(cd). 3000 2000 1000. 數列1. 0 -1000 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 波長(nm). 太陽光： 時間：12:00 積分時間（Inreg.Time）=3msec 太陽光(3msec)UV-400. 光強度(cd). 1500 1000 500. 數列1. 0 -500 0. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 波長(nm). 21. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(25) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 4.掛載鏡片鏡片前後，光譜比較圖：. 樣品鏡片 1（具多層膜，不具抗紫外線） 樣品鏡片1+紅光LED(100msec)比較圖. 200. 紅光LED. 100. 掛載樣品鏡片1 1019.8. 954.64. 886.51. 815.58. 742. 665.93. 587.51. 506.9. -100. 424.26. 0 339.73. 光強度(cd). 300. 波長(nm). 樣品鏡片1+綠光LED(100msec)比較圖. 100. 綠光LED. 50. 掛載樣品鏡片1 994.39. 922.9. 848.08. 770.1. 689.17. 605.48. 519.22. -50. 430.57. 0 339.73. 光強度(cd). 150. 波長(nm). 樣品鏡片1+藍光LED(10msec)比較圖. 2000. 藍光LED. 1000. 掛載樣品鏡片1. 22. 1017.26. 波長(nm). 943.93. 866.93. 786.46. 702.75. 616. 526.44. -1000. 434.28. 0 339.73. 光強度(cd). 3000. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(26) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 樣品鏡片1+白光LED(10msec)比較圖. 500. 白光LED 掛載樣品鏡片1. 波長(nm). 1001.29. 929.24. 853.75. 775.02. 693.25. 608.64. 521.38. -500. 431.68. 0 339.73. 光強度(cd). 1000. 驗鈔筆. 波長(nm). 1021.78. 948.1. 870.68. 789.72. 705.45. 618.1. 527.88. 掛載樣品鏡片1 435.02. 4000 3000 2000 1000 0 -1000. 339.73. 光強度(cd). 樣品鏡片1+驗鈔筆(5msec)比較圖. 太陽光. 1001.29. 929.24. 853.75. 775.02. 693.25. 608.64. 521.38. 掛載樣品鏡片1. 431.68. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200. 339.73. 光強度(cd). 樣品鏡片1+太陽光(3msec)比較圖. 波長(nm). 23. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(27) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 樣品鏡片 2（具多層膜，具抗紫外線） 樣品鏡片2+紅光LED(100msec)比較圖. 200. 紅光LED. 100. 掛載樣品鏡片2 1019.8. 954.64. 886.51. 815.58. 742. 665.93. 587.51. 506.9. -100. 424.26. 0 339.73. 光強度(cd). 300. 波長(nm). 樣品鏡片2+綠光LED(100msec)比較圖. 100. 綠光LED. 50. 掛載樣品鏡片2 994.39. 922.9. 848.08. 770.1. 689.17. 605.48. 519.22. -50. 430.57. 0 339.73. 光強度(cd). 150. 波長(nm). 樣品鏡片2+藍光LED(10msec)比較圖. 2000 1000. 24. 1017.26. 波長(nm). 943.93. 866.93. 786.46. 702.75. 616. 526.44. 掛載樣品鏡片2 434.28. 0 -1000. 藍光LED 339.73. 光強度(cd). 3000. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(28) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 樣品鏡片2+白光LED(10msec)比較圖. 500. 白光LED 掛載樣品鏡片2. 波長(nm). 1001.29. 929.24. 853.75. 775.02. 693.25. 608.64. 521.38. -500. 431.68. 0 339.73. 光強度(cd). 1000. 驗鈔筆. 波長(nm). 1012.71. 939.75. 863.17. 783.2. 700.04. 613.9. 524.99. 掛載樣品鏡片2 433.54. 4000 3000 2000 1000 0 -1000. 339.73. 光強度(cd). 樣品鏡片2+驗鈔筆(5msec)比較圖. 太陽光. 1001.29. 929.24. 853.75. 775.02. 693.25. 608.64. 521.38. 掛載樣品鏡片2. 431.68. 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 -200. 339.73. 光強度(cd). 樣品鏡片2+太陽光(3msec)比較圖. 波長(nm). 25. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(29) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 第五章 結果與討論 比較樣品鏡片 1 和樣品鏡片 2 之 UV 比較圖，樣品鏡片 2 的 UV 比較 圖，掛載鏡片前後差距甚大，得知多層膜不具抗紫外線功能，由抵擋強度 百分比圖更可明顯看出，抗紫外線鏡片 UV-400，抵擋紫外線強度將近 75%；而掛載鏡片前後數線大多重合，代表透光率高，表示鏡片具有高解 析度的特點。 抵抗光強度所代表的意義是因為某些因素（例如：反射、折射、鏡片 吸收…等等）而沒有進入測量範圍的光線比例，由「樣品鏡片 2+太陽光比 較圖」可以明顯看出，UV-400 抗紫外線鏡片，在波長 350nm~400nm 間， 最多可阻擋 56%的紫外光；而抵抗掉光強度並不代表可以消除傷害眼睛的 波長，多層膜只是讓我們更方便、更清晰的看清楚世界，但是傷害眼睛的 波長並未隨著多層膜鏡片隨之解決。. 第六章 結論 本次實驗得知：「多層膜並不具有抗紫外線功能」 ，根據調查發現，有 百分之九十二的消費者認為，多層模具有抗紫外線功能。而太陽眼鏡和有 色鏡片只能降低光強度，並不能有效阻隔紫外線。所以消費者希望購買具 有抗紫外線功能的眼鏡時，需要注意鏡片是否真的具有抗紫外線功能；多 層模的功能在於鏡片不容易反光，增加透光率；增加透光率即增加解析度， 讓使用者所看到的圖像不易失真。 近年來罹患白內障的人數日漸愈增，懂得保護眼睛乃是當務之急，市 面上的眼鏡不勝枚舉，真正知道如何選擇眼鏡才是上策。所以往後對鏡片 的深入探討越發重要，以其對世界上每個人的靈魂之窗有所保護。 本篇論文感謝國科會. 誌謝 本篇論文感謝國科會(NSC-94-2622-E-035-014-CC3)經費的支持以及科旭光學公 司所提供的光學鏡片得以完成，在此特別誌謝。. 參考資料 （1）陳益峰， 「適用於彩色濾光片量測之微型光譜儀研製」 ，華梵大學機電 工程研究所碩士論文，民國九十一年六月。 （2）USB2000 user manual（宗豪科技公司代理） （3）http://www.modernmgz.com/0405new.htm （4）http://www.taiwanspectacles.org.tw/aspx/download.aspx （5）http://www.formosa-optical.com.tw/ （6）http://www.kobayashi.com.tw/Info_5.htm 26. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(30) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 附錄 ＊ 將 USB2000 的特性及設置整理如下，以方便他人日後研究。. 光譜學是測量紫外線、可見光、近紅外線、紅外波段光強度的一種技 術。光譜測量的應用範圍非常廣泛，如顏色測量、化學成份的濃度測量、 電磁輻射分析。 光譜儀器一般都包括入射狹縫、准直鏡、色散元件（光柵或稜鏡） 、聚 焦光學系統和探測器。在單色儀中還要加上出射狹縫，讓整個光譜中一個 很窄的部份照射到單像元探測器上。單色儀中的入射和出射狹縫往往位置 固定而寬度可調，通過旋轉光柵來對整個光譜進行掃描。 在九十年代，微電子領域中的多像元光學探測器迅猛發展，如 CCD 陣列、光電二極體陣列等，使生產低成本掃瞄器和 CCD 相機成為可能。 荷蘭 Avantes 的光譜儀使用了相同的 CCD 和光電二極體陣列探測器，可以 對整個光譜進行快速掃瞄而不必移動光柵。 由於通信技術對光纖的需求大大增長，從而開發了低損耗的石英光 纖。該光纖同樣可以用於光譜儀中，把樣品產生的信號光傳導到光譜儀的 光學平臺中。由於光纖的耦合非常容易，所以很方便地搭建起由光源、取 樣附件和光纖光譜儀組成的測量系統。 光纖光譜儀的優點在於系統的模組化和靈活性。荷蘭 Avantes 公司的 微小型光纖光譜儀的測量速度非常快，使得它可以用於線上分析。而且由 於它選用低成本的通用探測器，所以光譜儀的成本也大大降低，從而大大 擴展了它的應用領域。. 27. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(31) 眼鏡穿透光譜特性的量測. ‧光學平臺設計 該公司的 AvaSpec 系列光譜儀採用對稱式 Czerny-Turner 光學平臺設 計，焦距有 45mm 和 75mm 兩種。信號光由一個標準的 SMA905 介面進入 光學平臺，經一個球面准直，然後由一塊平面光柵分光，經由第二塊球面 鏡聚焦到一塊一維線性探測器陣列上。. 圖 1 AvaSpec 光學平臺設計圖 光學平臺內包括很多元件，可以根據不同的應用選擇不同的配置。這 些元件的選擇對光譜儀的參數影響非常大，如繞射光柵、入射狹縫、消二 級繞射效應濾光片和探測器鍍膜等。. ‧如何為您的應用配置光譜儀 AvaSpec 系列光譜儀採用模組化設計，用戶可以根據自己的應用來選 擇所需要的光學元件和其他選件，本節的內容就是引導您如何選擇合適的 光柵、狹縫寬度、探測器和其他選件。 1.波長範圍： 在為一台光譜儀系統選擇最優化配置的時候，波長範 圍是決定光柵型號的首先要考慮的重要參數。如果您需要 較寬的波長範圍，我們建議您使用 A 型號（300 線/mm） 或者 B 型號（600 線/mm）光柵（請看「如何選擇合適的 光柵」部份的表 2） 。另一個重要元件是探測器的選擇。荷 蘭 Avantes 公司提供了 4 種有著不同的靈敏度特性曲線的 探測器型號。對於紫外波段的應用，可以選用 256/1024 像 元的 CMOS 探測器或者（深）紫外增強型 2048 像元 CCD 探測器。如果您既需要較寬波長範圍同時又需要高解析 度，則多通道光譜儀（最高 8 通道）是最佳的選擇。 28. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(32) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 2.光學解析度： 如果您需要高光學解析度，我們建議您同時選擇 1200 線/mm 或者更高線對數的光柵（C.D.E 或 F 型） 、窄狹縫和 2048 像元的 CCD 探測器。例如：在 AvaSpec-2048 上，10 微米窄縫可以獲得最佳解析度。 （請看「光學解析度」部份 的表 3） 3.靈敏度： 說起靈敏度，重要的是要區分開是光度學中的靈敏度 （光譜儀所能測到的最小信號強度是多少？）還是化學計 量中的靈敏度（光譜儀能夠測量到的最小吸收率差）。 a.光度計量靈敏度： 對於如螢光和喇曼等需要高靈敏度光譜儀的應 用，我們建議選擇採用 2048 像元 CCD 探測器的 AvaSpec-2048。而且還要選擇 DCL-UV/VIS 探測器靈敏 度增強透鏡；較寬的狹縫（100 微米或者更寬）或者 不安裝狹縫；一個 A 型號（300 線/mm）光柵。對於 A 型號光柵，光色散最小，所以它的靈敏度在所有光柵 中是最高的。作為選擇，還可以使用熱電製冷型 CCD 探測器 AvaSpec-2048-TEC，該型號可以採用長積分時 間（60 秒），並可以降低雜訊和提高動態範圍。 b.化學計量靈敏度： 為了能探測出兩個幅值很接近的吸收率數值，您 需要高信噪比的探測器。AvaSpec-256/1024 光譜儀中的 256/1024 像元 CMOS 探測器擁有最高的信噪比。通過 把多幅光譜圖進行平均也可以提高信噪比 4.時間和速度 通過使用陣列探測器並且沒有運動元件的方法可以非 常高速地獲取資料。然而，對於每個具體應用都有最優化 的探測器。在需要快速反應的應用中，我們推薦使用 AvaSpec-2048 FT 快觸發型 CCD 光譜儀。 如果只需要傳輸較少的像元，一般地，AvaSpec-102 型 光譜儀是測量速度最快的光譜儀。. 29. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(33) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 表 1 光譜儀配置快速指南 OSF 消 AvaSpec DCL 靈 光柵 波長範圍 紫外增 狹縫寬 解析度 二級繞 應用 光譜儀 敏度增 型號 （nm） 強鍍膜 度（um）（nm） 射效應 型號 強透鏡 濾光片 生物醫學 2048 NB 500-1000 50 1.2 475nm 化學 1024 UA 200-1100 50 2.0 102 VA 360-780 100 6.4 X/顏色測量 256 VA 360-780 50 3.2 2048 BB 360-780 200 4.1 X/螢光測量 2048 VA 350-1100 200 8.0 X 水果糖分測量 102 IA 800-1100 50 5.4 X 550nm 寶石學 2048 VA 350-1100 25 1.4 X 高解析度應用 2048 VD 600-700 10 0.07 550nm 發光測量 2048 UA 200-1100 UV 50 2.8 X/半導體雷射器 2048 NC 700-800 10 0.1 550nm LED 2048 VA 350-1100 25 1.4 X/LIBS 2048FT UE 200-300 DUV 10 0.09 喇曼 2048TEC IB 780-1100 50 1.2 X 550nm 薄膜厚度 2048 UA 200-1100 UV 4.1 X 紫外/可見/近紅外 2048 UA 200-1100 UV 25 1.4 X/-. 30. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年). OSC 消二 級繞射效 應鍍膜 200-1100nm 350-1100nm 350-1100nm 200-1100nm 350-1100nm 200-1100nm 200-1100nm.
(34) 眼鏡穿透光譜特性的量測. ‧如何選擇合適的光柵？ 繞射光柵是一種把入射的多色光分解成它所包括的波長光譜的光學元 件。光柵是由在鍍膜的基底材料上刻劃出一道道等寬等間距的平行凹槽製 成的。 光纖光譜儀的光柵要由用戶指定，永久安裝在光譜儀中，這樣就需要 用戶說明要使用的波長範圍。有時光柵的可用光譜範圍要大於照射到探測 器上的光譜範圍，這時胃了覆蓋更寬的光譜範圍，可選擇具有不同光柵的 雙光路或多光路光譜儀。同樣地，為了在更寬的光譜範圍內實現更高的解 析度，也可以選擇雙光路或多光路光譜儀。 表 2 是 AvaSpec-2048 光譜儀的光柵選擇和波長範圍表。波長範圍取決 於光柵的起始波長和光柵線對數。波長越長則色散效應越大，可選擇的波 長範圍越小。 表 2 AvaSpec-2048 光譜儀的光柵選擇和波長範圍表 每塊光柵覆蓋 可用波長範圍 光柵線對數（線 閃耀波長 光柵型 應用範圍 的光譜範圍 （nm） /mm） （nm） 號 （nm） UV/VIS/NIR 200-1100 900 300 300 UA UV/VIS 200-850 520 600 250 UB UV 200-750 250-220* 1200 250 UC UV 200-650 165-145* 1800 250 UD UV 200-580 115-70* 2400 250 UE UV 220-400 75-50* 3600 250 UF UV/VIS 250-850 520 600 370 BB VIS/NIR 300-1100 800 300 500 VA VIS 360-1000 500 600 500 VB VIS 300-800 250-200* 1200 500 VC VIS 350-750 145-100* 1800 500 VD NIR 500-1050 500 600 750 NB NIR 500-1050 220-150* 1200 630 NC NIR 600-1100 500 300 1000 IA NIR 600-1100 500 600 1000 IB *注：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，實際光譜範圍越 小. 31. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(35) 眼鏡穿透光譜特性的量測. ‧如何選擇最優的光學解析度？ 光學解析度定義為光譜儀可以分開的最小波長差。要把兩個光譜線分 開則至少要把它們成像到探測器的兩個相臨像元上。因為光柵決定了不同 波長在探測器上可分開的程度（色散），所以它對光譜儀的解析度來說是 一個非常重要的元件。 另一個重要參數是進入到光譜儀的光束寬度，它基本上取決於光譜儀 上安裝的固定入射狹縫寬度或入射光纖芯徑（當沒有安裝狹縫時）。狹縫 的尺寸有：10、25 或 50μm×1000μm（高）和 100、200 或 500μm×2000μm （高）。再指定波長處，狹縫成象到探測器陣列上時會覆蓋幾個象元。而 如果要分開兩條光譜線，就必須把它們色散到這個像尺寸再加上一個像 元。當入射光纖的芯徑大於狹縫的寬度時，解析度就要由狹縫的寬度（有 效寬度）來決定。 表 3 AvaSpec-2048 的解析度（半寬度 nm） 狹縫寬度（μm） 光柵（線 10 25 50 100 200 500 /mm） 300 0.8 1.4 2.4 4.3 8.0 20.0 600 0.4 0.7 1.2 2.1 4.1 10.0 1200 0.1-0.2* 0.2-0.3* 0.4-0.6* 0.7-1.0* 1.4-2.0* 3.3-4.8* 1800 0.07-0.12* 0.12-0.21* 0.2-0.36* 0.4-0.7* 0.7-1.4* 1.7-3.3* 2400 0.05-0.09* 0.08-0.15* 0.14-0.25* 0.3-0.5* 0.5-0.9* 1.2-2.2* 3600 0.04-0.06* 0.07-0.10* 0.11-0.16* 0.2-0.3* 0.4-0.6* 0.9-1.4* *注：取決於光柵的起始波長；波長越長，光柵色散越大，解析度越高 所選光柵和入射光束的有效寬度（光纖芯徑或入射狹縫）對解析度的 影響如表 3 所示，表 3 給出的是 AvaSpec-2048 型光譜儀的典型解析度值。 請注意，光柵的線對數越高，色散效應隨波長變化就會越顯著，波長越長 色散效應越大，因此在最長波長處會得到最高解析度。表 3 中的解析度的 定義是最大峰值光強 50%處（FWHM）所對應的譜線寬度（nm）。. 圖 2 半寬度的定義探測器 32. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(36) 眼鏡穿透光譜特性的量測. AvaSpec 光譜儀有多種探測器，目前在 200-1100nm 波長範圍內我們提 供 CCD、CMOS 和光電二極體陣列，在 NIR（900-2200nm）範圍則使用 InGaAs 陣列。 1.CCD 探測器（AvaSpec-2048） CCD 探測器中儲存著電荷，而當光子照射到其光敏面時電荷就會被釋 放。在積分時間的結尾，剩餘的電荷就會傳送到緩衝器中，然後這個信號 被傳送到 A/D 轉換卡。CCD 探測器具有自然積分的特性因此具有非常大的 動態範圍，它只受暗（熱）電流和 AD 轉換卡速度的限制。 CCD 探測器的優點是像元數多（2048）、靈敏度高、回應速度快；缺 點是雜訊比低。 2.紫外（UV/DUV）增強鍍膜 對於波長小於 350nm 的應用，AvaSpec-2048 型光譜儀提供兩個特殊的 探測器鍍膜供用戶選擇－UV 或 DUV。未鍍膜的 CCD 探測器對波長小於 350nm 的光信號的回應很低，DUV 鍍膜增強了探測器在 150-350nm 的回應， UV 鍍膜則增強了探測器再 200-350nm 的回應。在可見光範圍內 UV 鍍膜的 整體效率要高於 DUV 鍍膜（圖 3）。DUV 鍍膜的鬆弛（relax time）時間很 短（納秒量級），因此非常適合於如雷射感生螢光光譜的快觸發應用。UV 鍍膜的鬆弛時間則要長的多（幾百個微秒）。. 圖 3 探測器光譜靈敏度曲線 33. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(37) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 3.光電二極體陣列（AvaSpec-102） 一個矽光電二極體陣列是一個由多個二極體單元（像素）組成的線性 陣列，對於 AvaSpec-102 型光譜儀來說象元數是 102。當信號光照射到光電 二極體上時，電子就會被激發並輸出電信號。大部分光電二極體陣列都包 括讀出/積分放大器一體式的集成化信號處理電路。 光電二極體的優點是在近紅外區靈敏度高，回應速度快；缺點是像元 數較少、在紫外波段沒有回應。 4.CMOS 線性成象感測器（AvaSpec-256/1024） 所謂的 CMOS 線性成像感測器比 CCD 陣列傳感器具有較低的電荷-電 壓轉換效率，因此具有較低的光靈敏度，但是卻具有較高的雜訊比。CMOS 的內部電路中有箝位元電路，可以把雜訊抑制到一個很低的水準。 CMOS 探測器的優點是信噪比高、紫外波段靈敏度高；缺點是讀出速 率低、靈敏度低、成本相對較高（1024 個象元）。. 靈敏度 探測器像元在某一特定波長處的靈敏度定義為照射到該像元上的單位 輻射度所產生的電信號輸出。對於一個給定的 A/D 轉換卡來說可以理解為 每毫焦耳入射光能量所產生的記數值。而入射到光譜儀中的信號光能量與 照射到單個探測器像元上的光能量之間的關係則主要取決於光譜儀光學平 臺的結構設計，主要影響因素有光柵的效率、入射光纖或狹縫的尺寸、光 學鏡片的性能、是否使用靈敏度增強透鏡等。對於一個給定配置的光譜儀 能夠測量六、七十個級次的光輻射。表 4 給出了一些標準探測器的參數。 作為可選項的靈敏度增強透鏡（DCL）可以直接安裝在探測器陣列上。這 個石英透鏡（如用於 AvaSpec-2048 的 DCL-UV）可以把系統的靈敏度提高 3-5 倍（取決於所用的光纖芯徑）。. 34. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
(38) 眼鏡穿透光譜特性的量測. 探測器 類型 像元數，間距 像元寬度/高度 靈敏度（AvaLight-HAL，8μm 光纖， 每 ms 積分時間內的記數） 峰值波長 信號雜訊比 暗雜訊 波長範圍 頻率. 表 4 探測器參數表 TAOS102 HAM256 HAM1024 SONY2048 光電二極體陣 CMOS 線性陣 CMOS 線性陣 CCD 線性陣列 列 列 列 102,85μm 256,25μm 1024,25μm 2048,14μm 77×85μm 25×500μm 25×500μm 14×56μm 1000. 30. 30. 5000. (AvaSpec-102) (AvaSpec-256) (AvaSpec-1024) (AvaSpec-2048) 750nm 500nm 1000:1 2000:1 15 個記數 7 個記數 360-1100nm 200-1100nm 2MHz 330kHz *紫外鍍膜. 500nm 2000:1 11 個記數 200-1100nm 330kHz. 500nm 250:1 10 個記數 200*-1100nm 2MHz. ‧雜散光和二級繞射效應 雜散光是非信號波長的光輻射照射在探測器像元上所產生的誤差信 號，雜散光的來源是： ‧周圍環境光輻射 ‧有設計缺陷的光學元件所產生的散射光或非光學元件產生的反射光 ‧不同繞射級次光的重疊 把光譜儀安裝在光密封的外殼內可以有效地消除周圍環境帶來的雜散 光。 當光譜儀工作在探測極限時（微弱光探測） ，則光學平臺、光柵、聚焦 鏡的雜散光就決定了光譜儀的最終探測極限。大多數光柵都是全息型光 柵，雜散光很低。AvaSpec 光譜儀典型的雜散光參數是<0.05%@600nm; <0.1%@435nm; <0.1%@250nm。 對於低線對數光柵（寬可測波長範圍）來說，往往會發生光柵的二級 繞射光之間的重疊。這些高級次繞射光在大多數場合可以忽略不計，但在 某些場合下則必須考慮。所採取的策略就是限制到達可能出現級次重疊光 譜範圍的光。消除的方法可以通過在光譜儀入射 SMA 介面處安裝一個長 帶通濾光片或在 HAM1024 或 SONY2048 探測器上鍍特殊膜來實現。. 35. (逢甲大學學生報告 ePaper(2006 年).
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