中 華 大 學 碩 士 論 文
微波無電極硫燈製作與發光特性之研究 Study of Fabrication of Microwave
Electrodeless Sulfur Lamp and Luminance Characterization
系 所 別 ：機械工程學系碩士班 學號姓名 ：E09908001 徐仁宏 指導教授 ： 馬 廣 仁 博士
中 華 民 國 101 年 8 月
摘 要
微波硫燈也稱硫燈是一種全光譜無電極燈，是將石英泡殼內的發光物質（硫 粉），利用磁控管發射的微波，使它產生連續光譜，微波無電極燈具有高光效、長 壽命（60000小時）、演色性好、無汞污染、良好的光通量維持率，可發射出與太 陽光近似之光譜，微波硫燈的輸入功率較大，非常適用於大範圍室外照明、植物 工廠或太陽光模擬器等多種用途。
本研究是對於開發微波無電極硫燈，進行重要製程參數研究，瞭解其對光源 性能的影響。研究內容分兩部份進行實驗，第一部份實驗為研製微波硫燈燈泡，
並由微波電源供應器點亮光源，經由光譜分析儀量測出光源之光譜分佈及與標準 太陽光之比對其特性。第二部份實驗是探討主要製程參數包含製作微波硫燈時所 使用的硫充填量、惰性氣體之充填量，與微波電源供應器之功率等參數對微波硫 燈之發光輝度、相關色溫等性能的影響。
第一部份實驗結果顯示，所研製之微波無電極硫燈經光譜分佈量測後，觀察 到在400 nm ~ 1100 nm 是具有一全光域之連續光譜，但是在純硫燈泡之光譜中，
發現在700 nm ~ 1100 nm 紅光到紅外線區段比例偏低，當提高硫充填量與微量金 屬鹵化物後之微波燈泡後可大幅提高紅光到紅外線區段之分佈比例。
第二部份在製程參數研究結果顯示，硫充填量會對微波硫燈之光譜分佈產生 變化，並與輝度對相關色溫二者都會有明顯之改變。同時惰性氣體充填量也對微 波硫燈的輝度及色溫之變化仍有微幅之影響。最後也發現微波無電極硫燈之發光 輝度會隨輸入功率之增加會產生很大之變化，結果顯示從800 W 增加到 1200 W 之 輝度可大幅增加，輝度提升比例約達170 ％。
在本研究中微波無電極硫燈中對含硫充填量與輸入功率之綜合效果，結果顯 示從可從800 W 之 1201 cd/m2提高到1200 W 之 2812 cd/m2，輝度提升率可達230
％，此結果值得進一步改良與探討。
關鍵字：微波無電極硫燈、輝度、相關色溫、CIE 色度圖
Abstract
Microwave Sulfur Lamp is known as an electrodeless lamp with full spectrum that is very close to that of the sun light. The Sulfur within the quartz bulb was excited by the microwave emitted from the magnetron. The microwave electrodeless Sulfur lamp features high luminous efficiency, long life time (60000 hours), good color rendering, Mercury pollution free, and good light maintenance factor . With the higher power input, the microwave electrodeless Sulfur lamp is appropriate for open area outdoors lighting, plant factory, and sun lighting simulator.
In this study, the major fabricating parameters of the microwave electrodeless Sulfur lamp have been studied and evaluated their effects to the lighting performance. The study consists two parts: the first part is fabricating a microwave electrodeless Sulfur bulb, which is powered by a microwaved power supply. The spectral distribution of the bulb was examined by Spectrometer and compared to that of the sun light. The second part is to the interactions between the brightness, color temperature, and other performance of the bulb and the fabricating parameters such as: the filling volume of Sulfur, the filling volume of Inert gas, the power of the microwaved power supply.
The results from first part had shown that the fabricated microwave electrodeless Sulfur lamp has a continuous spectrum between 400 nm to 1100 nm. However, the spectrum of a pure Sulfur lamp has lower intensity between 700 nm to 1100nm, i.e. while increasing the filling volume of Sulfur and trace metal halides during the fabrication, the intensity of the microwave bulb is increased dramatically from red to the infrared region of the
From the results from the second part, it is found that the filling volume of the Sulfur will give raise to the changes of spectral distribution, brightness, and color temperature of the bulb. Meanwhile, the inert gas also has shown the slight effects on the brightness, and color temperature of the bulb. It is also found that the more rapid change of the brightness of the bulb would be corresponded to the larger input power. With the input power from 800W to 1200W, the brightness of the bulb would increase about 170%.
With the obtained results, it is possible to optimize the filling volume of the Sulfur and the input power, the brightness of the microwave electrodeless Sulfur lamp is able to be increased up to 230%, from 1201cd/m2 800W to 2812 cd/m2 1200W. The further studies will be carried on.
Keyword: microwave electrodeless Sulfur Lamp, correlated color temperature, CIE Chromaticity Diagram.
目錄
摘要 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（2）
ABSTRACT ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（3）
目錄 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（5）
誌謝 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（7）
表目錄 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（8）
圖目錄 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（9）
第一章 前言 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（11）
第二章 文獻回顧 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（12）
2-1 微波硫燈之發展 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（12）
2-2 微波無電極燈之工作機制 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（13）
2-3 分子光譜理論之分子能級結構 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（13）
2-4 分子的帶狀光譜 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（14）
2-5 微波機制之應用 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（15）
第三章 實驗方法與設備 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（19）
3-1 實驗流程 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （19）
3-2 實驗材料選用 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （21）
3-2-1 石英材料與燈泡加工 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （21）
3-2-2 燈泡填充材料 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（22）
3-2-3 燈泡真空抽氣封合 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（23）
3-3 實驗設備 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （25）
3-3-1 微波供應器 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（25）
3-3-2 分光輻射儀(Spectroradiometer) ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（27）
4-1 充入硫及鹵化物在置入光譜量測系統之性能分析 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（32）
4-2 不同之硫含量對光源性能之影響分析 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（36）
4-2-1 不同之硫含量對色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （36）
4-2-2 不同之硫含量對輝度關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （36）
4-3 不同之充入壓力對光源性能之影響分析 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（41）
4-3-1 不同之充入壓力對輝度關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（41）
4-3-2 不同之充入對色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（41）
4-4 不同之輸入功率對光源性能之影響分析 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（46）
4-4-1 不同之輸入功率對色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（46）
4-4-2 不同之輸入功率對輝度關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（46）
第五章 結 論 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（57）
第六章 後續研究方向 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（59）
參考文獻 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（60）
誌謝
我時常告訴自己只要是對的事情，就盡可能去做而永不嫌晚，在碩士再職專 班這兩年來，有時看到幾個同學因某些因素而修學，而無法完成學業，有時不免 覺得是否是對的，但又想想，學習的過程本來是辛苦的，為了要習得高深武藝，
總是要付出一些辛苦過程，相信大家都聽過「不經一翻寒徹骨，那來梅花撲鼻香」；
「台上10 分鐘；台下 10 年功」，說明的就是在努力學習的過程。
在此感謝老師 馬廣仁教授。在課業上及生活中，都讓我學習到許多的學識與 經驗，且很有耐心及包容心，學生深刻感受到，謝謝您！
謝謝實驗室之學長、學弟門，雖然與您們認識時間不多，但從您們之身上可 以看到年輕人之活力，也充滿年輕人之積極，另外也感謝碩專同學們彼此的鼓勵 提攜，有時大家總是彼此幫助，尤其是在許多課業上之問題與討論，大家都能不 辭辛勞找問題尋求最佳解答，也在此謝謝大家。
感謝賴宏仁博士，在我工作中指導我許多實驗製做之方法及設計，讓我能很 迅速的找到最佳參數及寫作論文之方法，讓我受益良多，在此感謝，也感謝工學 院院長林育立博士蒞臨我的論文口試評審，指點了許多論文中的缺失，並予以更 正，使論文增加許多內涵，在此非常感謝大家，謝謝您們。
最後特別要感謝的人是我的父母從小的養育教導，讓我能行得正勇於向前，
非常感謝，尤其是我老婆 月珠，幸好有妳伴我一路走來，將家中大小事都能處理 得當，及背後默默的支持，我才能堅持自己的腳步，追求理想，讓我能安心的完 成學業，在此感謝有妳在身邊，期待一起邁向更長遠美好的人生。
表目錄
表2-1微波硫燈與其它光源的光效和顯色指數的比較 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（16）
表3-1 為此實驗進行之製作所代表批次及編號 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（23）
表4-1 純硫燈之各區間光譜分佈 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（33）
表4-2 模擬標準太陽光之數據 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（34）
表4-3 量測出燈管性能（色溫） ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（37）
表4-4 量測出燈管性能（輝度） ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（38）
表4-5 量測出之性能數據（輝度） ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（42）
表4-6 量測出之性能數據（色溫） ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（43）
表4-7 B-S16G4 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（47）
表4-8 B-S16G12 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（49）
表4-9 B-S16G8 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（50）
表4-10 B-S8G8 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（51）
表4-11 B-S12G8 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（52）
表4-12 B-S20G8 輸入功率與輝度色溫關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（53）
圖目錄
圖2-1 硫分子的微波能級結構 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（13）
圖2-2 各種光源之光譜分佈 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（17）
圖2-3 為其所充入之物質於光譜中所產生之光譜 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（18）
圖2-4 美國勞倫斯伯克利國家實驗室所展示之微波照明設計架構 ＊＊＊＊（18）
圖3-1 實驗流程規劃 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（20）
圖3-2 接合管 tube size: OD 6mm × L 80mm 尺寸 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（21）
圖3-3 接合管樣品完成照片 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（22）
圖3-4 真空排氣設備及高溫爐 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（24）
圖3-5 微波供應器其外型設計 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（26）
圖3-6 微波供應腔實體照片 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （26）
圖3-7 SOMA S-2440 分光輻射計(Spectroradiometer) ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （28）
圖3-8 模擬太陽光光譜分佈情況 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（29）
圖3-9 Photo Research PR-650 分光色度計 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（31）
圖3-10 本研究中 Photo Research PR-650 分光色度計之配置示意圖 （31）
圖4-1 純硫燈之光譜分佈圖 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（32）
圖4-2 圖 4-2 為 A1 與 A2 之全光域連續光譜分佈情形 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（34）
圖4-3 製作之微波光源光譜與標準太陽光比較之光譜分佈 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊（35）
圖4-4 不同硫含量對色溫關係與不同輸入功率之變化 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（39）
圖4-5 不同硫含量對輝度關係與不同輸入功率之變化 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（40）
圖4-6 充入氣體壓力對輝度關係與不同之功率變化 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（44）
圖4-7 充入氣體壓力對色溫關係與不同之功率變化 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（45）
圖4-8 1931 x-y 色度圖座標之落點在兩正交處 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊ （48）
圖4-11 不同輸入功率變化對充入含硫量對輝度關係 ＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊（56）
第一章 前言
微波無電極硫燈以其優良之發光效益，從 1992 年開發以來受到科學家高度關 注，在照明光源之應用上可說非常廣泛，應用於模擬太陽光之光源有許多種，如金 屬鹵化物燈、長弧氙氣燈、高壓鈉氣燈等，但因為微波無電極燈無需充入汞、點燈 壽命長、尤其配合充入其他物質後可發射出與太陽光接近之光譜，並可近似太陽 光，所以隨著太陽能產業之需求，此微波無電極燈之模擬太陽光等級之光源將被應 用於太陽能測試領域，市場需求也隨之增加。
最早在1992 年 8 月在匈牙利布達佩斯市召開的第六屆國際電光源科技研究會 議上發表了此種微波硫燈機制的多篇研究論文[1]，1994 年美國能源部融合照明公 司研制，10 月正式展示此產品，它的出現與 1879 愛迪生發明了白熾電燈的意義相 提並論。
微波硫燈是一種高效全光譜無極照明系統，其硫等離子產生的微波輻射已被 製造出一種新穎的照明光源，該技術被公認為有前途的照明光源。自從2005 年以 來，由於微波共振腔製作技術之突破與改進，及對太陽能技術之關注投入與廣泛 被應用，應用一穩定光源作為測試其性能之帶領下，許多科學家們重新將微波無 電極燈技術應用於模擬人工太陽光上，微波硫燈有許多特性，如長壽命（20000 小時）、高光效（97 流明/瓦）、演色佳（Ra = 86、Tc = 6500 K）、無汞污染等，所 以目前最被看好應用於模擬太陽光之光源並將其應用於商業用途上。
模擬人工太陽是為了提供了接近自然之日光照明的一種機制，以利人們用於 太陽能電池，太陽屏幕，塑料和其他材料和設備的測試實驗等條件下，可作一控 制的室內試驗設施。另一方面如應用微波技術將各個照明領域作應用，以充分發 揮微波產品之應用價值及達到節能之特點，目前也是極重要之課題。
第二章 文獻回顧 2-1 微波硫燈之前發展
早期有關微波硫燈之論文研究，於1976 年 A.H. Childs and W.G. Schrenk 發表 一篇論文[2] ~ [3]，其論述無電極硫燈充入不同含量之硫化合物，如硫化氫、二氧 化硫、硫化鋅、硫化鈉等物質，其為採用石英管，為30mm 長 8mm 內徑，充入惰 性氣體氖、氬、氪或氙氣，其發現每個硫化物與充填之惰性氣體間，都會影響燈 之點燈溫度及穩定性，但此篇論文初期使用管狀之微波硫燈研究，而後也陸續作 了許多研究，證實純硫燈之光譜，其充入壓力為0.01 ~ 1.7 torr，經微波點燈後硫 之譜線有216.9、469.5、545.4 及 384 nm 之硫分子譜線，點燈壽命超過 20 ~40 小 時，研究中並確認了未來製作微波硫燈充入之物質為硫粉及氬氣。
另外美國Fusion Systems Corportation 發表一篇專利[4] ~ [5]，微波放電燈泡的 光譜能量的特性，可以經過填充物質以改變放電密度，改變填充物質可以放電燈 之密度進而改變的光譜特徵，微波硫燈充入硫或硒及含有添加到填充的特殊物質 是鹼金屬物質，或含有金屬物質，和稀土金屬。其為一內徑28.4mm泡殼，硫粉: 0.062 mg/cc、氬氣 60 torr 後可以產生 280 watt /cc 之功率密度。
美國太空總署（NASA）於 2000 年發表一篇有關於植物生長之論文[6]，在微 波硫燈內充入溴化鈣（CaBr2），其光譜會增加 625 nm 之光譜，其驗證了此光譜 能增加植物之光合作用，對於植物之生長有很大之幫助。
近年來GE、飛利浦和松下等公司，將使用頻率為 2.2 ~ 2.6 MHz，並引入市場 的射頻無電極燈後，使得微波頻率為2450 ± 50 MHz 之設計應用於工業、科技和醫 療上的波段，得到全世界普遍使用之頻率。
2-2 微波無電極燈之工作機制
微波硫燈是利用硫蒸氣的分子輻射產生可見光，燈內高壓蒸氣通過微波時在 放電正柱區的中間加熱所形成，它不需要電極，燈內充入硫與氬氣兩種成份，此 兩種成份與石英泡殼之間都不會發生反應，因此微波硫燈具有長壽命和光維持率 高等優點。
根據氣體放電輻射理論[7]~[9]，採用硫為發光物質是可行的，通常分子是由 兩個以上的原子構成，這些原子彼此互相影響，它的能級比原子複雜。硫分子為 雙原子結構，分子內的兩個原子核，在順著分子進行振動之同時，還圍繞旋轉軸 轉動。當分子內的電子躍遷時，不但分子內電子能量發生變化，分子振動能和轉 動能也要發生變化，這些光譜線之集合就是分子光譜。
微波硫燈中紫外輻射光極少，是因為當微波能量使電弧正柱區溫度達到640
℃時，蒸氣壓達10 大氣壓許多硫分子被激發到電子基態的低旋振勢，從而使紫外 輻射在等離子體內被強烈吸收，使微波硫燈無紫外光輸出而可見光得到極大增 強，產生滿意的光譜輸出及高的發光效率。
2-3 分子光譜理論之分子能級結構
分子由彼此之間相互影響的若干個原子組成，因而它的能級要比單個原子複 雜。結構最簡單的雙原子分子由兩個原子核合與若干個電子組成，分子內運動之 電子使分子具有電子能量Ee，原子核在平衡位置振動，使分子具有振動能 Ev，分 子線過質心且與分子軸（兩原子核的連線）垂直的某旋轉軸在空間轉動，使分子 具有轉動能Er。因此分子的總能量為：
Etot = Ee ＋ Ev ＋ Er （1）
分子的振動和轉動能量的表達方式分別為：
Er ＝( h2 / 4π2 I ) J（J ＋ 1） （3）
式（2）與式（3）中，V 和 J 分別為振動和轉動子量數，取 0,1,2,...等數值；a,b 為 常數；h 為普朗克常數；I 為轉動慣量。從（2）式和（3）式可以看出，隨著 V 的 增加，振動能級的間隔由大變小；而J 的增加，轉動能級的間隔由小變大。硫分 子的微波能級結構[10]如圖 2-1 所示。
圖2-1 硫分子的微波能級結構
2-4 分子的帶狀光譜
受激發的分子也能產生輻射。當分子內的電子躍遷時，分子內電子的能量
Ee、振動能 Ev 和轉動能 Er 都要發生變化，兩個狀態之間的能量差△E 為
△E ＝ △ Ee ＋ △ Ev ＋ △ Er （4）
因而光譜由很多波長極其接近的光譜組成，這些光譜線的集合就是分子帶狀光譜。
在（4）式中，三種能量差的大小是△ Ee ＞ △ Ev ＞ △ Er。因此，電子能量的 變化△ Ee 就決定了分子光譜帶系出現的大致波長區域。振動能的變化△ Ev 給出 各個帶的波長位置，轉動能的變化△ Er 則進一步給出形成帶的光譜線的位置。一 般來說，這種分子帶狀光譜出現在可見光區或紫外區。
在分子中也可能發生從某一電子態的較高振動能級向較低振動能級的躍遷，
發射出大部份位於近紅外區譜線，稱之為振動光譜。該譜線因轉動量子數不同而 分裂成若千條譜線，稱為振一轉光譜。而純粹的分子轉動光譜大多位於遠紅外區。
分子能量是電子能量、振動能量和轉動能量三者的總和。因此，分子光譜通 常是波長極為接近的很多光譜線的集團，粗略觀察，則在某一波長區間內呈現連 續發光區，形成所謂的帶狀光譜。因而，分子光譜光源的演色性多數都比較好。
2-5 微波機制之應用
利用微波來激發光源是90 年代初新發明的一種高效節能光源。尤於此光源為 全新的發光機制，最早於美國融合（Fusion）照明公司發展此類光源[11]，並最先 於1996 年開發出具有實用價值的微波硫燈產品，如 Solar-1000 型。後又於 1997 年該公司推出Drive-1000 型，主要技術用於瑞典（Midland）國際機場之照明。同 年在瑞典（Celsius）無線公司與美國融合（Fusion）公司合作建立，年產 10000 台 微波硫燈的合資企業。表2-1微波硫燈與其它光源的光效和顯色指數的比較。
表2-1微波硫燈與其它光源的光效和顯色指數的比較
光源種類 演色性(Ra) 光效(lm/W)
高壓鈉燈 6.3 ~ 23.5 45 ~ 110
高壓汞燈 19 ~ 50 25 ~ 55
各類型螢光燈 22 ~ 87 69 ~ 98 金屬鹵化物燈 60 ~ 80 46 ~ 98 白熾燈 88 ~ 98 7 ~ 25
高壓鈉燈 75 ~ 82 38 ~ 53
微波硫燈 69 ~ 85 95 ~ 135
目前應用於太陽光模擬光源上之系統光源有以下數種：
●微波硫燈之應用，微波硫燈能產生優越之光譜且壽命長（60000 小時），是最好 之應用光源。
●金屬鹵化物燈，其所產生之光譜能量分佈，大多為線性譜線，雖然金屬鹵化物燈 也有很好之演色性及高光效，但在光譜能量分佈上，還是有無法滿足太陽模擬器 之需求
●高壓鈉燈也是有如上述之問題，且高壓鈉燈色溫偏黃光，更無法滿足太陽模擬器 之需求。
●長弧氙氣燈是目前應用於耐候試驗機上之光源，由於長弧氙燈的光譜和太陽光譜 相近，因此長弧氙燈又有小太陽之美譽，但長弧氙氣燈製作技術高且壽命短約
（1500 小時），一方面由於在紅外部份有許多線性之譜線，在應用上須將此譜 線，用塗敷層將每一段之譜線隔離後才能使用。
所以目前最符合應用於模擬太陽光之光源，非微波硫燈莫屬，各種光源之光譜分 佈如圖2-2 所示[12]。
圖2-2 各種光源之光譜分佈
另一方面K.J.N. Badura and J.T. Verdeyen, IEEE J. of Quantum Electronics, vol.
QE-21, No. 7, July 1985.（一種提升微波發射燈之改善效率）[13]，其提出利用射頻 功率及充入之硫填量、氣體壓力等參數來控制發光性能，並可增加發光效效率11
％，其光譜分佈如圖2-3 所示。
圖2-3 光譜分佈
另外美國勞倫斯伯克利國家實驗室的研究小組提出[14]，發表以微波硫燈應用 於一般照明上，利用微波所產生之高效率（1000 W），簡要介紹了這一新系統的設 計和初步測試，挑戰大面積照明分佈，避免高亮度炫光提供高品質之照明系統，
其所展示之微波照明設計架構如圖2-4 所示。
圖2-4 美國勞倫斯伯克利國家實驗室所展示之微波照明設計架構
第三章 實驗方法與設備
本研究將分實驗流程、實驗設計與材料選用、實驗設備三個部分詳細介紹。
3-1 實驗流程
本研究之實驗流程規劃如圖3-1 所示，圖中包含實驗設計、材料選用、微波硫 燈製作與點燈，以及微波硫燈之發光特性檢測等部分。同時在研究步驟又可分為 兩個部分：
第一部份是微波硫燈試製研究，首先是準備石英燈泡，同時選用硫粉、微量 金屬鹵化物、惰性氣體等材料，加工後燈泡經過抽真空、充填、封合步驟完成微 波硫燈燈泡製作。最後利用電源供應器之微波供應腔來進行點燈，以確認所研製 之微波硫燈是否能夠順利點燈。
第二部份是進行重要參數研究，其中包含製作微波硫燈時所使用之硫充填量(8 mg~20mg)、惰性氣體之充填量(4 torr~12 torr)、與微波電源供應器之功率(800 W~1200 W)等参數，以研究對微波硫燈之發光特性的影響。
最後順利點燈之微波硫燈，將利用SOMA分光輻射計(Spectroradiometer)型號 S-2440，來進行400nm~1100nm範圍內之光譜分布量測。同時也利用另一種Photo Research分光色度計(colorimeter)型號PR-650，來量測發光光譜之特性，例如輝度 (luminance)、相關色溫(correlated colour temperature)、以及色座標等特性。經整理 與分析，了解硫充填量、充填氣體壓力，以及功率等這些重要参數對微波硫燈之 光譜分佈、發光輝度與色溫等特性的影響。
圖3-1 本研究之實驗流程
實驗設計/材料選用
真空抽氣/氣體/封合
光源特性量測 (Luminance；CCT) 光譜分布量測
(400~1100nm)
微波硫燈點燈實驗 石英燈泡加工
• S powder
• Metal halides
• Inert gas
• S : 8 ~ 20 mg
• Xe/He: 4~12 torr
• OD: 33 ~35 mm
• 800~1200W
實驗結果分析整理
3-2 實驗材料選用
3-2-1 石英材料與燈泡加工
製作微波無電極硫燈因微波磁控之溫度石英玻璃的二氧化矽含量通常都在 99.9％以上，因此其透光性能極好，從真空紫外波段到中紅外線波段都可透光。隨 著光源技術之發展，要求研製質量更好、能承受更高負載光源，對於玻璃接合材 料於製燈工藝上之要求也越來越高。在電光源中，需要透紫外性能好好的紫外線 燈和高要求的紅外線燈都離不開石英玻璃。石英玻璃的耐高溫性質遠超過任何一 種玻璃，其特性有熔化溫度達1715℃以上，軟化溫度在 1580℃左右，能承受的工 作溫度達1000℃，這是其他玻璃所不能實現的。耐高溫石英玻璃常用於鹵鎢燈、
高壓氣體放電燈、大功率脈衝氙燈、微波無電極燈等。本研究所選用石英玻璃為 高純度石英玻璃，OH 含量低於 10 ppm。
因此本實驗之光源製作為一用石英管製作之一球體，所吹製之外徑為ball size:
OD 35mm，接合管 tube size: OD 6mm × L 80mm 樣品尺寸圖 3-2 所示，吹製壁厚為 2 mm，利用公式可換算出內容積約為 15.6 cc，本論文以相同之泡殼大小製作，所 以內容積取一致性，樣品接合完成照片如圖3-3 所示。
圖3-2 接合管 tube size: OD 6mm × L 80mm 尺寸
圖3-3 樣品接合完成照片
3-2-2 燈泡填充材料
本研究石英燈泡之主要組成，首先有硫粉，純度在％。其次是微量溴化物或 碘化物之鹵化物，純度在％以上。最後還有惰性氣體，例如，純度在％以上。這 些物質能在微波能量激發下發光。
第一部份實驗進行之製作所代表批次（A）及編號為，分別充入 A-1：硫粉：
12 mg、、A-2：硫粉：18 mg、A-1、A-2：氣體壓力（10 ~ 20
torr
）、A-1、A-2：微量稀土族碘化物（1.2 mg），以所換算出之內容積 15.6 cc，將硫之充填量除以 內容積，可得A-1 之硫之充填量為 0.77 mg/ cc、A-1 之硫之充填量為 1.15 mg/ cc，
其餘之批號之硫之充填量以此換算可得不同之充填量值。
表3-1 為第二部實驗進行之製作所代表批（B）次及編號，S 編號代表充入之 硫充填量，數字代表硫充填量（mg），G 編號代表充入之惰性氣體，數字代表氣 體充填量（torr），並且都填入等量微量鹵化物質，石英燈泡最後真空封合後，進 行光源之各項特性分析。
表3-1 第二部份實驗燈泡樣品之編號
燈泡樣品編號
主要組成
S (mg)
Xe+He (torr)
微量稀土 碘化物
(mg)
B1-S8G8 8 8 1.2
B2-S12G8 12 8 1.2
B3-S16G8 16 8 1.2
B4-S20G8 20 8 1.2
B5-S16G4 16 4 1.2
B6-S16G12 16 12 1.2
3-2-3 燈泡真空抽氣封合
真空排氣系統為製作光源時最主要之設備，將影響所研製燈泡之品質，尤其 要製作出一高效率之光源，真空系統是不可或缺之設備。本實驗是將製作好之石 英球體，置於真空系統中先進行洩漏性檢測，觀察是否於抽氣狀態下，其真空抽 氣之情形，如果能於5 分鐘內完成真空度低於 10-5 torr 以下，並於各接合處用酒 精噴灑些許，觀察真空度是否有提升或數值強烈變化，如果無變化或真空度值持 續下降，我們將認為此石英燈泡接合是屬於無洩漏之情形。
其次將無洩漏之石英空燈泡，將高溫爐移至抽真空玻管位置上，作高溫加熱 除氣，高溫爐之設定，溫度以每分鐘20 度上升至 600℃，持溫 30 分鐘，在以每分 鐘20 度下降至常溫，此目的在將玻管於製作過程中，可能產生之污染或雜質於高 溫爐中作一最後之清潔工作，使燈管內部保證是一乾淨之腔體。
石英燈泡在真空手套箱進行充填作業，進行管束封管、最後利用真空系統進 行石英燈泡惰性氣體之充填作業，將進行充入惰性氣體氣體，充入後再進行石英 燈泡抽氣管封合之作業，並完成此微波燈泡之製作，真空排氣設備及高溫爐移真 空玻管除氣如圖3-4 所示。
圖3-4 真空排氣設備及高溫爐移真空玻管除氣
3-3 實驗設備
3-3-1 微波供應器
本實驗之微波驅動引擎是使用一微波供應腔來進行微波燈燈泡之驅動，此驅 動引擎可提供500 W 到 1300 W 之範圍作驅動設定，這種獨特的設計可將我們的無 電極燈泡驅動並量測出光譜分佈，圖3-5 所示為此此驅動引擎特性是燈泡外部能產 生高頻能量使其驅動光源轉換成高效率的光源，其外型設計如。此驅動引擎可以 利用旁邊之一磁控管產生高頻能量2.45GHZ（微波）及光引擎可提供電源供應器 與循環風扇冷卻的空氣之動作（Air Outlet），並藉由一組旋轉馬達代動燈管轉動，
及上有一陶瓷蓋（Mirror）其目的可將磁控能量均勻加在光源之泡殼上。圖 3-6 為 此微波供應腔實體照片。
其微波電源供應器組件各項參數如下所示。
額定電壓：220 VAC ± 10 ％
頻率：45 ~ 65 Hz
功率因素：＞0.95 於全功率輸出
磁控頻率：2.45 GHz
圖3-5 微波供應腔其外型設計
圖3-6 微波供應腔實體照片
3-3-2 分光輻射儀(Spectroradiometer)
本實驗將利用日本SOMA 公司製造之分光輻射計(Spectroradiometer)，型號為 S-2440，來進行點燈時 400nm~1100nm 範圍內之光譜分布量測，其所附軟體(Spectral Irradiance Program-Configure-S-2440：104193）進行光譜量測，其軟體並可模擬出 標準太陽光AM1.5G 時之各波段之輻射強度及太陽光之光譜分佈，並能分析出所 研製硫燈點燈時之光譜分佈，與模擬標準太陽光之輻射強度做一比較。也就是IEC 60904 規範中將 400nm~1100nm 光譜範圍分割為六區段，所製作出之微波硫燈光源 可量測出各波段間之值分佈比例，並判斷與標準太陽光所比對後之情形。
所謂標準太陽光AM1.5G 之意思為：
太陽光穿過大氣層時，其光譜中某些波段會與大氣中的化學物質與水蒸汽等作用 而被吸收，最顯著的例子就是臭氧層可攔截掉大部分的紫外光。到達地表的太陽 光的波長一般介於近紫外線到遠紅外線之間。太陽光在大氣中穿越的距離越長，
到達地表的能量便越弱。
我們將外太空不受大氣影響的光譜設為 AM0，從天頂垂直入射時通過的空氣 質量稱為AM1 ，則晴天時太陽在水平面上方 41.81 度入射時通過的太陽光譜為 AM1.5。AM1.5 的光譜標準是由美國材料試驗協會 American Society For Testing and Materials
（
ASTM）
所制定，為太陽能電池室內測試模擬最常用的光譜標準，符合 AM1.5 光源的太陽光模擬器可提供的進光強度應可達 100mW/cm2。所使用SOMA S-2440 太陽分光辐射計是設計用來精確測量太陽光的光譜辐射 照度，對自然太陽光，以及穩態、脈衝式太陽光源模擬器之光譜檢查與測定都可 適用。將它用於太陽光模擬器和所隨附之軟體配合使用，可以對光源進行測試和 量化。此款高性能的分光辐射計外形輕巧，常用於是各類光源用户與研究單位。
S-2440 分光輻射計(Spectroradiometer)，其如圖 3-7 所示，主要規格為:
分光半波寬：5 nm
曝光時間：2.5~1,000 msec
對照規範：IEC 60904、JIS C 8912、JIS C 8933
其他: USB 2.0 介面，AC 100V 電源
圖3-8 所示為使用S-2440 太陽分光辐射計，光源經量測後利用所附軟體計算 與比對，所繪之300~1100 nm 光譜圖。
圖3-7 SOMA S-2440 分光輻射計(Spectroradiometer)
圖3-8 模擬太陽光光譜分佈情況
3-3-3 光源分光輻射計(Spectroradiometer)特性量測
本研究利用Photo Research 分光色度計(colorimeter) 來量測發光光譜之各項特 性，型號為PR-650，所量測之數據包含輝度(luminance)，單位為 cd/m2；相關色溫 (correlated colour temperature)，單位為 K；以及 x、y 座標等基本特性。利用此簡 易PR650 分光式色度計量測方法將可比較本研究中不同硫充填量(8 mg~20 mg)、
充填氣體壓力(4 torr~12 torr)與輸入功率(800 W~1200 W)等參數對微波硫燈之輝度 與相關色溫等光源性能的影響。
PR-650 SpectraScan Colorimeter 是 Photo Research 家族光譜快速掃描設備中最 新的一種。它是一種便攜、且基於非接觸式測試光譜光亮度的光度計/色度計。它 能夠完全實現追溯美國NIST 標準的、分光式地光度/色度測量，解決了使用濾光 片式的同類產品導致的誤差。此儀器可由電池供電，且使用特殊的Pritchard 型觀 測光路、一個凹面全息衍射光柵、一個可自掃描且帶有線陣二極管陣列的光譜儀，
所有這些特點可以獲取380-780nm 間的完整可見光波段，同時 CMOS 微處理器幾 乎可進行實時控制。LED 指示燈安裝在觀測光路中，易於操作，ICM 卡可存儲所 有的操作程序和150 次的測量文件。所有這些組件全部集中在輕便的一體，並可 達到最高的色度測量精度。
Photo Research PR-650 SpectraScan Colorimeter，其如圖 3-9 所示，主要規格為:
型號(Model): PR-650 SpectraScan colorimeter
光譜範圍(Spectral rangr) : 380~780 nm
光譜帶寬(Spectral bandwidth) : 8 nm
光譜準確度(Spectral accuracy) : ± 2 nm
波長分辨率(Wavelength resolution) : ＜3.5 nm/pixel
測量光源的色度準確度(Color accuracy)：±0.0015x， ±0.001y (CIE 1931)
操作溫度(Operating temperature): 1~35℃
PR-650 分光色度計(colorimeter)之配置示意圖其如圖 3-10 所示。主要由電源
供應器點亮微波燈泡，光源產生之輻射光將照射於一塗有BaSO4之標準偵測基板 上，經PR-650 分光色度計聚焦於偵測板上並量測各項光源性能。
圖3-9 Photo Research PR-650 分光色度計
偵測點:
BaSO 4
塗層180 cm 100 cm
40 cm
80 cm 20 ○
第 4 章 結果與討論
4-1 充入硫及鹵化物在置入光譜量測系統之性能分析
首先本實驗分別充入以純硫（12 mg）、相同之氣體壓力下充入之微波無電極 燈（A-1），經量測出之純硫燈光譜分佈圖為如圖 4-1 所示，經分析與文獻所顯示 出之微波硫燈有相似之光譜，在表4-1 為純硫燈所量測出之模擬區間強度分佈情 形。從表4-1 結果顯示純硫燈之各區間光譜分佈，最強部份集中於 400 ~ 700 nm 部 份，尤其在紅光區域700 ~ 1100 nm 部份明顯較弱，此也顯示微波硫燈經微波磁控 所發出之光，大部份在可見光之範圍，顯見尤其在500 ~ 600 nm 處有最強之輻射 強度。
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
波長(nm)
Ir ra d ia n ce
A-1
圖4-1 A-1 純硫燈光譜分佈圖
表4-1 純硫燈之各區間光譜分佈
A-1
（nm） AM1.5G Solar Simulator Coincidence
400 ~ 500 18.5 25.8 1.40
500 ~ 600 20.1 39.4 1.98
600 ~ 700 18.3 19.3 1.05
700 ~ 800 14.8 8.3 0.557
800 ~ 900 12.2 3.4 0.275
900 ~ 1100 16.1 3.7 0.235
SUM 100
接下來此實驗分別充入微量稀釷族點化物（1.2
mg
），在不同之含硫量充入 情況，量測出不同之光譜分佈情形，經光譜分佈量測，顯示在400 nm ~ 1100 nm 是具有全光域之連續光譜。但與太陽光光譜分佈比較，純硫燈泡(編號 A1 )在 700 nm ~ 1100 nm 範圍偏低，也就是紅光到紅外線區段比例較弱。當提高硫充填量與 微量金屬鹵化物後之微波燈泡(編號 A2)，所量測出之光譜分佈顯示可大幅提高紅 光到紅外線區段之分佈比例。其在光譜模擬軟體所量測出之判別情形，其與標準太陽光之比較如表4-2 所 示，圖4-2 為 A1 與 A2 之全光域連續光譜分佈情形，圖 4-3 為其光譜與模擬標準 太陽光（AM1.5G）比較之光譜分佈情形。
表4-2 模擬標準太陽光之數據
A-2
（nm） AM1.5G Solar Simulator Coincidence 400 ~ 500 18.5 11.3 0.87 500 ~ 600 20.1 23.7 1.07 600 ~ 700 18.3 20.5 1.11 700 ~ 800 14.8 15.4 1.07 800 ~ 900 12.2 11.7 0.988 900 ~ 1100 16.1 17.4 0.884
SUM 100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
波 長 (nm)
Irra d ia n ce A-1
A-2
圖4-2 為 A1 與 A2 之全光域連續光譜分佈情形
0.00 0.50 1.00 1.50
260 460 660 860 1060
波長(nm)
輻射強度
AM1.5G
A-2
圖4-3 製作之微波光源光譜與標準太陽光比較之光譜分佈
4-2 不同之硫含量對光源性能之影響分析
4-2-1 不同之硫含量對色溫之關係
本實驗更進一步分別充入8 mg、12 mg、16 mg、20 mg 之硫含量，經微波後 分別輸入不同之功率（800 W、900 W、1000 W、1100 W、1200 W）對色溫之關係 變化，實驗結果量測出燈管性能如表4-3（色溫）及結果分析作圖 4-4 所示，分別 敘述如下：
1、從圖表 4-4 可看出在相同硫含量下（8 mg），輸入功率在 800 W 時為 7511 K，
輸入功率增加至1200 W 時為 7362 K，光源色溫變化不大約 150 K，其它相同 硫含量下，變化更小。
2、但隨含硫量之增加及輸入功率之增加，從含硫量 8 mg 輸入功率 800 W 為 7511 K 至含硫量 20 mg 輸入功率 1200 W 為 6142 K，色溫下降約 1370 K，此可知含 硫量之增加可調降微波硫燈之色溫。
4-2-2 不同之硫含量對輝度之關係
對輝度之關係變化，實驗結果量測出燈管性能如表4-4（輝度）及結果分析作 圖4-5 所示，表中量測之性能對輝度之關係可觀察出幾個現象，分別敘述如下：
1、從圖表 4-5 可知在相同硫含量下（8 mg），輸入功率在 800 W 時輝度為 1201 cd/m2，至20 mg 輸入功率 800 W 時其輝度上升至 1530 cd/m2，輝度提升約330 cd/m2，此可知含硫量之增加可提升微波硫燈之輝度。
2、隨含硫量之增加及輸入功率之增加，從含硫量 8 mg 輸入功率 800 W 為 1201 cd/m2至含硫量20 mg 輸入功率 1200 W 為 2812 cd/m2，輝度可大幅提升約1600 cd/m2。
表4-3 不同之硫含量量測出燈管性能（色溫）
輸入功率
(W) 800W 900W 1000W 1100W 1200W
硫含量(mg) 色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
B1 8 7511 7455 7441 7427 7362
B2 12 6736 6774 6791 6787 6742
B3 16 6311 6343 6339 6326 6288
B4 20 6136 6174 6191 6187 6142
表4-4 不同之硫含量量測出燈管性能（輝度）
輸入功率
(W) 800W 900W 1000W 1100W 1200W
硫含量(mg) 輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
B1 8 1201 1418 1604 1807 2046
B2 12 1334 1566 1780 2011 2244
B3 16 1319 1575 1882 2059 2279
B4 20 1530 1858 2173 2484 2812
6000 6400 6800 7200 7600 8000
6 11 16 21
硫 量(mg)
色溫 (K ) 800W
900W 1000W 1100W 1200W
圖4-4 硫含量對色溫關係與不同輸入功率之變化
1000 1500 2000 2500 3000
6 11 16 21
硫量(mg)
輝度 (c d /m 2 ) 800W
900W 1000W 1100W 1200W 1300W
圖4-5 硫含量對輝度關係與不同之功率變化
4-3 不同之充入壓力對光源性能之影響分析
4-3-1 不同之充入壓力對輝度之關係
光源製作中另一項重要探討之因素為充入氣體（Filled Gas）或緩沖氣體（Buffer Gas），由於氣體放電過程是由電子與離子對氣體的碰撞電離與光電離等基本過 程，所以對於充入氣體壓力與光源之自發光間有其密不可分之關係，此實驗在探 討充入氣體壓力在(4、8、12 torr）對光源輝度之關係分析，從製作實驗所量測出 之性能數據結果如表4-5 與圖 4-6，所顯示量測之結果對輝度，其結果分析如下：
1、從表 4-5 可知在充入氣體之壓力 4 torr 時，輸入功率在 800 W 時輝度為 1371 cd/m2，至12 torr 輸入功率 800 W 時其輝度 1413cd/m2，輝度幾乎無增加，此可 知充入氣體之壓力對相同輸入功率之微波硫燈之輝度影響甚小。
2、從圖 4-6 可知在充入氣體之壓力 4 torr 時，輸入功率在 800 W 時輝度為 1371 cd/m2，至12 torr 輸入功率 1200W 時其輝度 2471 cd/m2，輝度增加1100 cd/m2。 3、從實驗數據可知隨輸入功率之增加，不管含硫量與充入氣體之壓力輸入，都會
對輝度有提升之效果。
4-3-2 不同之充入壓力對色溫之關係
充入氣體壓力在(4、8、12 torr）對光源色溫之關係分析，實驗所量測出之性 能數據結果如表4-6，從與圖 4-7，其結果分析如下：
1、表 4-6 中可觀察出，從充入氣體之壓力 4 torr 於 800W 時之色溫 6206 K 到充入 氣體之壓力12 torr 於 800W 其時之色溫為 5610 K，其在相同輸入功率之色溫下 降約600 K。
2、從圖 4-7 中可觀察出，充入氣體壓力對色溫之變化關係呈線性下降，且隨輸入 功率之不同，從充入氣體之壓力4 torr 於 800W 時之色溫 6206 K 到充入氣體之
表4-5 不同之充入壓力量測出之性能數據（輝度）
輸入功率(W) 800W 900W 1000W 1100W 1200W
氣體壓力 (torr)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
輝度 (cd/m2)
B5 4 1371 1656 1921 2147 2421
B3 8 1319 1575 1882 2059 2279
B6 12 1413 1662 1950 2236 2471
表4-6 不同之充入壓力量測出之性能數據（色溫）
輸入功率(W) 800W 900W 1000W 1100W 1200W
氣體壓力 (torr)
色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
色溫 (K)
B5 4 6206 6268 6242 6252 6300
B3 8 6311 6343 6339 6326 6288
B6 12 5610 5641 5628 5733 5713
0 1000 2000 3000
2 4 6 8 10 12 14
充填氣體壓力(torr)
輝度 (c d /m 2 ) 800W
900W 1000W 1100W 1200W
圖4-6 充入氣體壓力對輝度關係與不同之功率變化
4000 5000 6000 7000 8000
2 4 6 8 10 12 14
充 填 氣 體 壓 力 (torr) 色溫 (K )
1100W 1200W 1000W 900W 800W
圖4-7 充入氣體壓力對色溫關係與不同之功率變化
4-4 不同之輸入功率對光源性能之影響分析
4-4-1 不同之輸入功率對色溫之關係
在此章節中所量測出之色座標其所代表之意義為，CIE 1931 x-y 色度圖座標，
所量測出數字代表座標軸位置，如表4-7 之 B-S16G4 800 W 色座標 (x) 為 0.314，
色座標 (y) 為 0.36，在 CIE 1931 x-y 色度圖座標之落點在兩正交處，位於光顏色 帶有些微綠白光如圖4-8 紅色線條交叉處所示，其它所量測出之值落點則依所述。
從上一節之分析，可知輸入功率對充入之氣體壓力及輸入功率對充入硫含量 都會對光源色溫之變化，本實驗所有量測出之數據分別如表4-7、4-8、4-9、4-10、
4-11、4-12 所示，從圖 4-9 可分析出輸入功率與充入之含硫量與相同充入之氣體壓 力對色溫間之關係，其分析結果如下：
1、從圖 4-9 實驗數據可觀察出要改變色溫，最好之方式就是改變充入硫含量，隨 含硫量之增加及輸入功率之增加，從含硫量8 mg 輸入功率 800 W 為 7511 K 至 含硫量20 mg 輸入功率 1200 W 為 6142 K，色溫下降約 1370 K，此可知含硫量 之增加可大幅調降微波硫燈之色溫。
4-4-2 不同之輸入功率對輝度之關係
輸入功率對充入之氣體壓力與輸入功率對充入硫含量對微波光源輝度之變 化，從圖4-10 與圖 4-11 可分析，其分析結果如下：
1、從圖 4-10 中可觀察出，隨著輸入功率之增加（800 W ~ 1200W）其與輝度間之 關係呈現線性之上升，但以充入氣體壓力（4、8、12 torr）來觀察，對輸入功 率之增加與輝度間是呈不明顯之變化或無變化。
2、從圖 4-10 相同充入氣體壓力不同之硫含量之 B1-S8G8 之燈管中可觀察出在 800 W 時其輝度為 1201 cd/m2，至B4-S20G8 之燈管中，輸送功率增加至 1200 W 時其輝度為2812 cd/m2，輝度大幅提升約1600 cd/m2。
3、從圖 4-11 相同硫含量不同充氣壓力之 B1-S8G8 之燈管中可觀察出在 800 W 時 其輝度為1371 cd/m2，輸入功率增加至1200 W 時其輝度為 2471 cd/m2，輝度提
升約1100 cd/m2。
4、分析可知要提升微波無電極燈之光亮度，最好之方式是大幅增加硫充入量及提 高輸入功率，將能達到最佳效率。
表4-7 B5-S16G4 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B5-S16G4
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1371 0.314 0.36 6206 20.1
900 1656 0.314 0.36 6268 24.4
1000 1921 0.314 0.36 6242 28.1
1100
2147 0.315 0.357 6252 32.3
1200 2421 0.314 0.356 6300 36
圖4-8 1931 x-y 色度圖座標之落點在兩正交處
表4-8 B6-S16G12 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B6-S16G12
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1413 0.332 0.378 5610 27.5
900 1662 0.331 0.376 5641 32.6
1000 1950 0.329 0.377 5628 39
1100 2236 0.328 0.37 5733 42.1
1200 2471 0.328 0.37 5713 46.4
表4-9 B3-S16G8 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B3-S16G8
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1319 0.314 0.351 6311 23.8
900 1575 0.314 0.35 6343 28.7
1000 1882 0.314 0.35 6339 32.9
1100 2059 0.314 0.35 6326 37.8
1200 2279 0.315 0.349 6288 42.7
表4-10 B1-S8G8 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B1-S8G8
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1201 0.297 0.32 7511 20.1
900 1418 0.299 0.321 7455 23.8
1000 1604 0.299 0.321 7441 28.1
1100 1807 0.299 0.321 7427 31.1
1200 2046 0.299 0.321 7362 36
表4-11 B2-S12G8 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B2-S12G8
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1334 0.306 0.338 6736 22
900 1566 0.306 0.338 6774 26.2
1000 1780 0.306 0.338 6791 30.5
1100 2011 0.306 0.338 6787 34.2
1200 2244 0.307 0.338 6742 39
表4-12 B4-S20G8 輸入功率與輝度色溫關係
燈管編號 B4-S20G8
輸入功率 (W)
輝度 (cd/m2)
色座標 (x)
色座標 (y)
色溫 (K)
Flux (%)
800 1530 0.348 0.426 6136 32.9
900 1858 0.347 0.424 6174 39
1000 2173 0.359 0.417 6191 46.4
1100 2484 0.358 0.415 6187 52.5
1200 2812 0.356 0.413 6142 59.2
5500 6000 6500 7000 7500 8000
700 800 900 1000 1100 1200 1300
輸入功率(W)
色溫 (K ) S8G8
S12G8 S16G8 S20G8
圖4-9 不同輸入功率變化對對充入含硫量對色溫關係
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
700 800 900 1000 1100 1200 1300
輸入功率(W) 輝度 (c d /m 2 )
S8G8 S12G8 S16G8 S20G8
圖4-10 不同輸入功率變化對充入氣體壓力對輝度關係
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
700 800 900 1000 1100 1200 1300 輸入功率(W)
輝度 (c d /m 2 )
S16G4 S16G8 S16G12
圖4-11 不同輸入功率變化對充入含硫量對輝度關係
第五章 結 論
本研究主要的實驗內容為建立微波硫燈製作技術，以及進行重要製程參數研 究，瞭解其對光源性能的影響。其中主要參數包含製作微波硫燈時所使用不同的 硫充填量、不同的惰性氣體之充填量，與不同的微波電源供應器之功率等，研究 這些參數對微波硫燈之發光輝度(luminance)、相關色溫(correlated color temperature) 等性能的影響。由各項實驗的結果可歸納下列幾項結論：
1. 本研究中所製作之微波無電極硫燈，經光譜分佈量測，顯示在 400 nm ~ 1100 nm 是具有全光域之連續光譜。光譜分佈比較，純硫燈泡(編號 A1 )在 700 nm ~ 1100 nm 範圍偏低，也就是紅光到紅外線區段比例較弱。當提高硫充填量與微 量金屬鹵化物後之微波燈泡(編號 A2)，所量測出之光譜分佈顯示可大幅提高 紅光到紅外線區段之分佈比例。
2. 在製程參數研究中，隨著硫充填量增加，會對光譜分佈產生變化，並對相關色 溫(CCT)與輝度二者都會有明顯之改變。結果顯示在 800W 功率下，B1-S8G8 燈泡之色溫為7511 K，而 B3-S20G8 燈泡之色溫可下降到 6142 K，色溫明顯 下降約1370 K。
3. 隨著硫充填量的增加，會對微波無電極硫燈之發光強度或輝度有明顯提升。其 提升之情形，結果為B1-S8G8 燈泡之 1201 cd/m2，提高到B4-S20G8 之 1530 cd/m2，輝度提升量約27.4 ％。
4. 在本研究中，改變惰性氣體充填量之壓力(4、8、12 torr）對微波硫燈的輝度及 色溫之變化仍有微幅之影響，顯示色溫變化可下降約580K，充填氣體對於微 波硫燈輝度變化量約8%。
5. 在實驗中可觀察到微波無電極硫燈隨著輸入功率之變化對色溫之無明顯之影 響。結果顯示在B1-S8G8 燈泡在 800 W 之 7511 K 到 1200 W 之 7362 K，色溫
很大之變化，結果顯示B1-S8G8 從 800 W 之 1201 cd/m2到可增加到1200 W 之2046 cd/m2，輝度明顯變化，輝度提升比例達170 ％。
7. 本研究中微波無電極硫燈中對含硫充填量與輸入功率之綜合效果，結果顯示從
（800 W） B1-S8G8 之 1201 cd/m2到（1200 W）B4-S20G8 之 2812 cd/m2，輝 度明顯變化，輝度提升率可達230 ％。
第六章 後續研究方向
本研究之碩士論文中僅針對微波無電極硫燈之發光特性作一探討，期望對於應 用於製作模擬太陽光源之性能上能有幫助，綜觀微波無電極燈之發展與應用，有 幾個方向：.
●
往高階之模擬太陽光模樣器作應用●
往一般照明上作應用●
.往植物工廠領域作應用發展。因此未來在微波無電極硫燈之製作技術及應用上有幾種方向可在此領域作進一步 研究：
1、探討微波硫燈應用模擬太陽光之應用，進一步將充填物質（硫、金屬鹵化 物、氣體壓力）對光源發光之穩定性測試、均勻性量測、及縮短重覆啟動 之時間之影響作進一步研究，尋求符合國際規範中對光譜分佈之要求。
2、利用微波硫燈光源之全光域能量分佈特性，開發適合大型植物工廠用途，
探討對各種不同之金屬鹵化物填加物，增加400 ~ 520 nm、610 ~ 720 nm 光 譜變化，探討是否會影響對植物生長之探討。
3、研製大型戶外照明用之微波無電極燈，經由不同燈泡之參數設計，開發不 同色溫上之應用領域，或探討（光源尺寸、外型、充填物組成）對光源效率 及的影響，尋求微波無電極燈高光效（＞90 lm/W）更節能之照明光源。
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