中文摘要
本文主要是利用對光相當敏感的光接收二極體，來做出一套可以 量測遠場光源之空間立體分佈的儀器。此儀器以每 0.9 度為檢測角 度，每 8 個檢測角度合成一個模組，考慮到 90 度及 0 度角，故共製 作了 13 個模組，在空間形成一近似但大於四分之一圓的形狀，量測 半徑為 31.6 公分，再利用步進馬達的定位方式，將預待測試之光源，
以每步旋轉一最小角度的方式旋轉，整體量測完畢也就轉動了 360 度，以此檢測該光源之遠場光強度分佈之圖形，本量測系統目的在利 用單一維度之機構，及其陣列感測方式，來縮短量測時間，並將該圖 形顯示於電腦上，電腦端將使用 LabVIEW，這套圖形模組化的系統 整合軟體，來達成控制及顯示圖形之功能，而資料傳輸介面將使用 RS232 串列傳輸的方式來達成，至於電路系統部份則使用 Cygnal C8051F020 來當做核心控制器，程式設計方式採用 C 語言。
關鍵字：
分光儀、測角器、光二極體量測儀、遠場光學量測儀、光密度分佈儀
Abstract
The purpose of this paper is to setup a far field measurement system for light emitting devices. There are thirteen (13) photo-detector array modules forming a 90 degree arch with a diameter of 63.2cm. Each modules comprises eight photo-detectors, and each detector covers 0.9 degree. A stepping motor, placed at the center of the arch, rotates a device under test, namely a light emitting device, through 360°with a step size of 1.8 degree. With programming in C language, a powerful and high speed micro-controller, Cygnal C8051-F020, is employed in the data acquisition sub-system that bridges the photo-detector array modules and a personal computer. The communication between the personal computer and the data acquisition sub-system is through a RS232 interface that allows a Labview based program to control the 3-dimensional far field measurement flow. A fast, reliable, user-friendly measurement system has been achieved by using the above mentioned scheme.
Keywords:
goniometer, photo detector, far field measurement system, photo-density
detecter
致謝
研究所的兩年，一轉眼就過了，在此首先要感謝的，是學生的指導教授林君 明教授，教導學生許多不只是專業上的知識，還有做人處事的道理，在學生的求 學過程中，給予學生相當多的幫助，讓學生能在此專業領域中，有相當程度的水 準及興趣，另外便是要感謝樺晶科技總經理，謝正雄教授，給予學生許多觀念性 的啟發，及實作上的訓練，黃榮南博士在專案管理及軟體界面設計上的教導，李 文岑協理，給予學生相當多變化的思考空間，並在許多電路及系統整合的問題 上，給予學生相當大的幫助，蔡明宏經理在電路及元件特性上的教導，簡忠勳副 理在系統軟體顯示及系統控制上的建議，及樺晶科技所有員工們，給予學生在精 神上，或是技術上的協助。
另一方面要感謝黃少琦學長給予學弟相當多在電路上的協助與解答，陳俊良 學長給予學弟在實測及機構設計的幫助，還要感謝的同學有：莊凱驛、彭瑞欽；
學弟有：胡建煜、陳嘉賢、張凱博、廖崇文、最後要感謝，也是對我影響最大的，
就是我的家人及我最體貼的女友，在我難過的時候，給予我鼓勵與支持，在我開 心時，能與我一同分享喜悅，感謝你們所有人對科謀的關心及支持，我會一直在 人生的道路上努力的。
獻給所有與我一同經歷過的人
目 錄
摘要 Ⅰ
ABSTRACT Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 Ⅶ
第一章 導論 1
1.1 白光 LED 未來的重要性 1
1.2 白光 LED 的特性及限制 3
1.3 分光曲線及量測對白光 LED 的重要性 5
1.4 本文要旨與章節提要 7
第二章 光場幾何分析與量測方法 8
第三章 光場量測系統電路 13
3.1 光接收二極體工作原理 13
3.2 光接收模組之電路設計與分析 16
3.3 後端微處理器控制電路設計說明 22
3.4 發光源電源設計 24
第四章 實驗製作 25
4.1 硬體設計說明 25
4.1.1 量測部份 25
4.1.2 感測部份 27
4.1.3 校正部份 31
4.2 軟體設計說明 32
4.2.1 程式設計流程 32
4.2.2 操作畫面介紹及說明 36
第五章 量測結果 39
第六章 結論 43
參考文獻 44
附錄 A RS232 介面說明 46
圖目錄
圖 1-1 2002 全球白光 LED 應用市場 圖 1-2 藍光加黃色螢光粉
圖 1-3 紫外光加上 RGB 三色螢光粉 圖 1-4 藍光加混合型螢光粉
圖 1-5 紅藍綠三色白光源 圖 1-6 光分佈處理不均示意圖 圖 1-7 理想 RGB 白光二極體示意圖 圖 1-8 一般光場量測所採用的架構 圖 1-9 LED 發光曲線的缺陷
圖 1-10 一般 LED 光量測的方式
圖 2-1 LED 模型及量測光強度分怖圖 圖 2-2 半球體光場表示圖
圖 2-3 立體光場表示圖
圖 2-4 測角器（Goniometer）的示意圖 圖 2-5 沿襲測角器之原理的光場量測儀 圖 2-6 測角器原理變化的光場量測儀 圖 2-7 本系統所設計之光場量測儀
圖 3-1 (a) 理想化的 PIN 光二極體結構圖，（b）光二極體的淨空間電荷密度，（c）
光二極體的內建電場，（d）作光檢測作用的 PIN 光二極體是被逆向偏 壓的。
圖 3-2 電洞與電子的漂移速度和電場的關係 圖 3-3 光接收電路
圖 3-4 修改過後之光接收電路
圖 3-5 接收模組電路量測系統方塊示意圖 圖 3-6 電路及相關波形顯示圖（一）
圖 3-7 電路及相關波形顯示圖（二）
圖 3-8 接收模組感測面
圖 3-9 接收模組信號輸出、入端 圖 3-10 整體系統組合圖
圖 3-11 後端整體電路實體圖 圖 3-12 LED 定電流供應電路
圖 4-1 為一未加裝 LED 固定座之組合機構
圖 4-2 將 LED 固定座裝在步進馬達轉軸上之組合圖 圖 4-3 光學桌之模型
圖 4-4 將 93.6 度的角度繪出，並分成 13 等份，為各模組所置放之位置 圖 4-5 去除 93.6 度以外的部份
圖 4-6 感測器底座 圖 4-7（a） 支撐柱底部 圖 4-7（b） 支撐柱量測面 圖 4-8 完成之感測器底座
圖 4-9 未加裝感測模組之組合機構 圖 4-10 量測機構組裝圖
圖 4-11 整體光場量測系統機構圖 圖 4-12 LabVIEW 功能簡圖 圖 4-13 校正模式功能圖 圖 4-14 量測模式功能圖 圖 4-15 顯示模式功能圖 圖 4-16 人機界面畫面
圖 4-17 圖形建構程式設計圖 圖 4-18 量測模式
圖 4-19 量測模式 圖 4-20 顯示模式
圖 5-1 紅光 LED 的發光源 圖 5-2 紅光光場量測結果
圖 5-3 LED 綠光發光源圖 5-4 綠光光場量測結果 圖 5-5 LED 藍光發光源
圖 5-7 藍光光場量測結果
圖 5-8 半圓柱體遮掩之 LED 發光光場量測圖
表目錄
表 1-1 白光 LED 照明效益分析 表 1-2 全球高亮度 LED 應用分佈 表 1-3 白光 LED 應用材料及發光原理 表 2-1 CIE 量測標準表
第一章 導論
1.1 、白光 LED 未來的重要性
白光LED 是未來二十年最被看好的 LED 新興產品，它是照明工業的二 次革命未來在照明市場的發展潛力值得期待。與白熾鎢絲燈泡及日光燈相 比，LED 具有體積小(多顆、多種組合)、發熱量低(沒有熱幅射)、耗電量小(低 電壓、低電流起動)、壽命長(1 萬小時以上)、反應速度快(可在高頻操作)、
環保(耐震、耐衝擊不易破、廢棄物可回收，沒有污染)、可平面封裝易開發 成輕薄短小產品等優點。它沒有白熾燈泡高耗電、易碎亦無日光燈廢棄物含 汞污染的問題等缺點。它未來二十年將，將替代傳統照明器具的商品，可彌 補全球能源短缺的憂慮。歐、美及日本等先進國沒認定為國家政策投注許多 人力，成立專門的機構推動白光LED 未來的研發工作。下表就我國及美、
日比較能源效益，若採用白光LED 照明計劃，推估全球每年可減少 25 億噸 二氧化碳排放量。
表 1-1 白光 LED 照明效益分析
地區\效益 條件 能源節約 降低二氧化碳排放
台灣 25%白熾燈及 100%日光燈 被白光LED 取代。
省下110 億度電力，約 合1 座核能電廠發電量。
日本 100%白熾燈泡被白光 LED 取代。
可減少一到二座發電廠 發電量。
每年節省10 億公升 以上的原油消耗。
美國 55%白熾燈泡及 55%日光燈 被白光LED 取代。
每年約省下350 億美元 電費。
每年減少7.55 億噸 二氧化碳排放量。
目前白光LED 的應用，在照明方面，主要是供汽車內閱讀燈、裝飾燈等使 用，其餘約有95%以上是供 LCD 背光源使用，且因發光效率與壽命問題，目前 該產品主要是供小尺寸背光源使用，就應用面來看，明年白光LED 市場以彩色
資料來源：光電協進會，2000/7 製表：毛履兆
手機之螢幕背光源及手機附數位相機之閃光燈最為看好，後續來看，白光LED 目標將在大尺寸LCD 背光源以及全球照明光源替換市場。
表 1-2 全球高亮度 LED 應用分佈
年度 2000 年 2001 年 2002 年
背光源 327 360 756
顯示器 375 312 414
汽車 266 312 324
電子設備 194 120 216
照明 24 48 90
總計 1186 1152 1800
另外，根據富士Chimera 總研預估值，預計 2004 年 LED 整體市場量年成長 率約17%，其中可見光年成長約 17.7%，而可見光中的白光 LED 年成長率卻高 達29.9%，預計 2005 年 LED 整體市場量年成長率約 14.6%，其中可見光年成長 約15%，而可見光中的白光 LED 年成長率約 28.6%，據上所述，白光 LED 為近 幾年LED 產業中成長較高的領域，甚至以 PIDA2003/6 資料指出，預估 2004 年 白光LED 全球需求量為 65.91 億顆，較今年成長 61%，預估 2005 年年成長率仍 有45%，我們可以就上述之數據及資料顯示來看出白光 LED 在未來的重要性。
圖 1-1 2002 全球白光 LED 應用市場
資料來源：Strategies Unlimited，PIDA
1.2、白光 LED 的特性及限制
白光LED 主要分類有單晶型及多晶型，每種不同的材料其表示白光的方式 也有所不同，其主要特性將於下表中說明：
表 1-3 白光 LED 應用材料及發光原理
方式 激發源 發光元素與螢光材料 發光原理及特性 藍色LED InGaN/YAG 黃色螢光粉
（如圖 1-2）
以藍色光激發螢光粉(黃色發 光)，特點為製作簡單，演色 性佳，及光源穩定等特點。
單晶型
紫外光LED InGaN/RGB 三波長螢光粉
（如圖 1-3）
以紫外光激發RGB 螢光粉(原 理同螢光燈)，特點為高彩度 白光光源，可發出穩定之光 源。
藍色LED 黃綠色LED 藍綠色LED 橙色LED
InGaN GaP
AlInGaP
（如圖 1-4）
將互補的2 色裝成一組，特點 為可發出穩定且演色性佳之 白光光源。
多晶型
藍色LED 綠色LED 紅色LED
InGaN AlInGaP
AlGaAs
（如圖 1-5）
將3 原色裝成一組，特點是擁 有最好的發光效率，及可調整 式的白光源，需要一回授系統 去維持白光的亮度及顏色。
圖 1-2 藍光加黃色螢光粉 圖1-3 紫外光加上 RGB 三色螢光粉 資料來源：論文特集
目前各廠商主要都先從藍光 LED 開始研發及量產，有了藍光的技術之後再 開始研發白光 LED，然而目前最常用藍光加上黃色螢光粉來產生白光，但是用 藍光LED 來發白光的發光效率仍然不足，因此另外一個方向就是往紫外光 LED 來發展，利用紫外光加RGB 三波長螢光粉來達到白光的效果，其發光效率比藍 光好上許多，研究顯示若發光波長能到 254nm，則可以不加螢光粉也能自發白 光。目前紫外光 LED 以美國 Cree 所做的紫外光 LED 技術層級最高，已達 21 lm/W(目前市售藍光 LED 約為 4 lm/W)，而以各國規劃的進度來看，在白光發光 效率方面，一旦白光LED 的發光效率要超過 100lm/W 以上，就能進入廣大的照 明市場，並取代目前的日光燈(約 60~100lm/W)，因此各國均以達到 100lm/W 以 上為目標。預估白光LED 要取代照明很可能在十年內發生。
圖 1-5 紅藍綠三色白光源 圖 1-4 藍光加混合型螢光粉
1.3、分光曲線及量測對白光 LED 的重要性
由RGB 三色所混成之白光 LED，在實用價值上最高，雖說其控制方式是白 光LED 種類中，最複雜的一種，但其可產生任何光譜的優點，不但將其控制的 缺點給掩蓋，還因此而隱藏著相當大的商機，但隱憂還是存在，由於需要RGB 三種顏色的LED 晶粒封裝在同一個元件中，所以其各個 LED 晶粒所擺放之位 置，自然就形成一相當重要的因素，圖 1-6 為因晶粒擺放位置錯誤所可能發生的 狀況的示意圖，圖 1-7 為一理想之 RGB 混成白光 LED 示意圖。
圖1-6 光分佈處理不均示意圖 圖 1-7 理想 RGB 白光二極體示意圖
由此我們可以了解在RGB 白光 LED 中，各個顏色的 LED 所擺放的位置不 但要精準，且其個別之光場分佈還要均勻，也因此LED 之光場分佈量測，是相 當重要的。
圖1-8 一般光場量測所採用的架構
R R
B B
G
G
W W
圖1-9 LED 發光曲線的缺陷
LED 產品製作過程需要經過點膠、點晶、烘乾、打線、封装、去結、檢測 等十餘道程序，而LED 晶片尺寸相當小，約在 8µｍ∼14µｍ，因此在生產過程 中必須格外小心，而在這些過程中，只要有一個製程沒有掌握好的話，其成品 LED 之分光曲線通常都會有缺陷，又白光 LED 所應用之領域相當多，如手術台 照明、一般室內照明、車用照明、交通號誌指示等相當多的應用，若存在著此種 缺陷，影響的不只是發光品質，還更可能直接或間接的影響大家的生命安全，故 要避免這種問題發生，最好的方式，便是在品質檢驗時，加強並嚴格把守光場分 佈量測這一個關卡，這個動作不但可以將品質提高，還可利用光場量測儀將缺陷 的原因找出來，加以改進。
圖1-10 一般 LED 光量測的方式
1.5、本文要旨與章節提要
經過上述幾節之介紹，我們不難發現，我們確實是須要一套，既有效率、功 能又齊全之光場量測系統，而本文所要介紹之光場量測系統，不但完全符合這個 要求，還另外提供了相當多的便利之處。
在機構方面，我們將量測轉動件的數目減至最少，不但可降低機械故障的問 題，還可省下大筆之定期維護費用，在感測器部份，使用一微陣列式分佈的方式，
將感測器平均的置於四分之一圓的圓周上，利用轉動LED 的方式，來達成光場 量測的目的，在校正模式上，可用任何一個發光二極體來當做校正光源，基於我 們的理論，並不須要刻意用一標準樣品（Golden Sample）來校正，且轉動量測 系統方面，可因待測物的尺寸來調整距離，另外要提的一點就是，為了各種不同 形狀之發光二極體，我們還設計一轉接板，使其在非破壞檢測之前提下，輕鬆的 完成光場量測的目的。以下便是本文各章節的要點簡介。
我們在第二章，將會介紹目前所使用之各種光場量測儀器，並仔細地分析其 動作原理及設計動機，還會將本文所設計之系統與之相比較，列出各別優缺點，
由此章可以了解，本文所設計之系統，其效能將優於其他相同之量測儀器。
第三章將介紹，本系統量測核心之光接收模組的設計，將說明其設計原理，
與電路板中各要點之輸出波形，還有分享一些電路板設計過程中，所要注意的一 些細節。
第四章將利用3D 立體圖，與實體照片來說明硬體機構的設計，並將軟體操 作畫面及設計流程，做一詳細之說明。
第五章將會驗證此系統之可行性，並與同類型之光場量測儀器系統做一比 較，包括外觀、量測效率、結果可信度等，做一詳盡的比較。
第六章將針對我們所量測出來的結果所做一評論及檢討。
第二章 光場幾何分析與量測方法
要進行光場量測時，需要先對發光源的形態做一定義，也就是點光源的判 定，通常與發光源的大小有關，根據中國國家標準局的定義，點光源的定義為發 光源或受光源的面積（以最大面積來定義）十倍以上的距離，稱為點光源的量測 距離，而在這距離外的發光源就可以定義成點光源，而CIE 的定義中，對光量 測距離的定義，是以感光元件所看出去的立體角度，來決定量測的距離，其定義 表示如下表 2-1，如此定義完點光源的定義後，我們便可開始進行其幾何光場的 分析。
表 2-1 CIE 量測標準表 CIE 定義 LED 發光源端點
到感測器的量測距離
立體角 平面角度
條件A 316 ㎜ 0.001sr 2°
條件B 100 ㎜ 0.01sr 6.5°
在量測一點光源時所用的表示方式，通常是在它的點光源的量測距離外，建 立一個圓球面，再利用這個圓球面上各點對發光源的感應強弱，來表示其發光源 相對的光場分佈圖，就一般LED 而言，我們可以建立如圖 2-1 的模型，並使用 ASAP 模擬得知，其在點光源量測距離外的光分佈強度圖，在此我們可以看出，
LED 的發光分佈範圍，事實上並不是均勻且非全球面的發光，這是因為其 LED 封裝的外表有聚光的特性，且LED 本身就無法向背後發光的特點所致，導致 LED 的光場分佈，指向性通常都非常的強，當然也有發光分佈相當均勻的LED，但 其主要的發光面大致都是朝著上半球面，既然我們知道LED 的光分佈範圍，都 在其指向性較強的半球面上，於是我們便可以將LED 光場量測的重心，放在發 光源發光上半球的球面上。
圖 2-1 LED 模型及量測光強度分怖圖
我們將LED 發光分佈的範圍由全球面改成半球面，不但不會影響量測數據 及結果，這樣的表示方式還有助於我們對光場分佈的現象做分析，如圖2-2 我們 將球體上的每一點對發光源（圓心）的強度，用顏色深淺來表示受光強度的大小，
就可以很清楚的觀察出其光場分佈的現象，這種表示法僅可以讓我們知道發光源 的方向性，及大致上的分佈示意圖，若想看到真正的立體發光分佈圖就需要用量 測器來測量，才能得知。
圖 2-2 半球體光場表示圖
圖 2-2 之示意圖若將其轉變成立體示意圖的話，便可用圖 2-3 來表示，我 們可以看見，在圖2-2 中顏色較淺的部份，為光分佈較弱的地方，這樣的示意圖 用圖2-2 來表示只能看一個大概而已，而在圖 2-3 確可以更容易的觀察出來。
圖 2-3 立體光場表示圖
也就是因為這樣，傳統的LED 光場量測系統大多沿襲著測角器（Goniometer）
的方式來測量光場的強度分佈，這種量測方式原意是要測量發光源的每一個角度 的光通量，但在LED 的光場量測系統中，會根據 LED 發光特性，將此量測機構 改成只有0∼90 度的測量角，而採用光接收二極體或是 CCD 來當做感光元件，
再利用與測角器（Goniometer）相同的滑軌帶動方式來將感光元件帶至每一個角 度，於是我們便可以取得此發光源的半球面立體光場分佈圖。
圖 2-4 測角器（Goniometer）的示意圖
傳統的LED 光場量測器因為採用測角器（Goniometer）的概念及 CIE 的標 準，故多沿襲測角器（Goniometer）的模式進行，這樣的方式有個好處就是，感 測器端較好校正，但這類型的機構設計，通常有一個共通的缺點，就是量測速度 過慢，但還是業界比較常使用的光場量測儀器。
圖 2-5 沿襲測角器之原理的光場量測儀
圖2-6 表示為另一型態的光場量測儀器，但是轉動件由感測器變成發光源，
而感測器則是固定件，這樣的好處除了感測器較好校正外，還有一點便是利用固 定件的感測器來對光源做另外相關的光檢測項目，如光譜或是光的能量值。但還 是有量測速度過慢的現象，且轉動件過多會有維護上的困難及機件上的老化，這 些都會影響量測的數據，故本文所提出之系統，將改善這些缺點。
圖 2-6 測角器原理變化的光場量測儀
本文所提到的光場量測系統，與先前所介紹的系統都不相同，我們將轉動件 減少到只有一個步進馬達的轉軸轉動LED 裝置而已，並沒有多餘會移動的機 構，如此一來，機件老化的問題便解決了，再來便是感測器端，我們採用固定感 測器端的優點，可以對待量測的光源，進行除了光分佈量測以外的相關光參數測 量，再者，我們又將感測器由單顆改為多顆，並排成一維陣列的形式，如此一來 不但將量測的效率給大幅度的提昇外，還兼顧了維修容易及預留了未來多功能性 的發展空間。
圖 2-7 本系統所設計之光場量測儀
第三章 光場量測系統電路
3.1 光接收二極體工作原理
光檢測器的種類相當多，每種光檢測器在結構、材料及應用上都有一定程度 上的差異，而本文之光接收模組所選用的光檢測器為PIN 光二極體，此種光二 極體有著反應速度快、可檢測波長範圍大及便宜等優點，用PIN 光二極體來建 構此量測系統是再適合不過了。
PIN 半導體元件的理想化結構如圖 3-1（a）所示為p - 本質- + n 的結構；本+ 質層的濃度小於p 和+ n 區域，而且寬度大於+ p 和+ n 區，典型值為 5-50um，依+ 特殊應用而定。在理想化的PIN 光二極體 （Pinphotodiode），為方便起見，我們 可以使用i-Si 當作是真正的本質半導體。當 PIN 結構被形成時，電洞與電子分別 由p 和+ n 區往 i-Si 層擴散，在 i-Si 層的電洞與電子會復合而消失，這會在+ p 區+ 留下薄的負受體離子層，在n 區留下薄的正施體離子層，如圖 3-1 所示。 +
圖 3-1 (a) 理想化的 PIN 光二極體結構圖，（b）光二極體的淨空間電荷密度，（c）
光二極體的內建電場，（d）作光檢測作用的 PIN 光二極體是被逆向偏壓的。
在i-Si 層有均勻的內建電場E ，電場方向是由正的施體離子指向負的受體0 離子，與PN 接面光二極體比較，PN 接面空乏區中的內建電場是不均勻的。在 沒有外加偏壓之下，內建電場E 會阻止多數載子進一步擴散到 i-Si 層而達成平0 衡。
如同平行板電容器，有兩層非常薄的正、負電荷被寬度W 的 i-Si 所分離 ， PIN 二極體的接面或空乏層電容（junction or depletion layer capacitance）可表示 為：
W A ε
= ε
Cdep 0 r （3.1）
這裡的A 是截面積，ε0εr 是半導體（Si）的介電常數，與 PN 接面比較，
這裡的W 是 i-Si 層寬度，是一個固定值，所以接面電容不會隨外加電壓而改變。
在快速的PIN 光二極體中，C 典型值約 PF，所以對於 50 Ω 的負載電阻，dep RCdep 砌時間常數約為50 ps。
當一個 Vr 的逆向偏壓外加到 PIN 元件時，電壓幾乎跨在整個 i-Si 層寬度，
在p 和+ n 區薄層的施體與受體電荷空乏區，幾乎沒有壓降。逆向偏壓 + Vr 使內 建電壓增加到 V0 +Vr，如圖3-1（d），在 i-Si 層的電場 E 仍然是均勻的且增加 到：
W
≈V W +V E
=
E r r （Vr >> Vo） （3.2）
PIN 結構的設計使得光吸收發生在 i-Si 層，在 i-Si 層由光產生的電子-電洞對 被電場E 分離，且分別往p 和+ n 區漂移，如圖 3-1（d）。當光產生的載子經過+ i-Si 層漂移時，會產生外光電流，在圖 3-1（d）中外接一個小電阻 R，可偵測到 電壓輸出。PIN 光二極體的響應時間（response time）可由越過寬度 W 的 i-Si 層 的光載子躍遷時間所決定；增加W 寬度可允許更多的光子被吸收而增加量子效 率，但會使得躍遷時間變長，而降低響應速度。對於在i-Si 層邊緣由光產生的載 子電荷，越過i-Si 層的躍遷時間或漂移時間tdrift為：
d
drift V
= W
t （3.3）
這裡的V 是漂移速度。為了降低漂移時間，也就是增加響應速度，我們必d 須增加V ，因此必須增加外部電場 E。在高電場時，d V 並不如預期的是用d µdE
（µ 是漂移的移動率 ），而是趨向於飽和速度d V ；在矽半導體材料中，當電場sat 高於106Vm-1時，飽和速度 V 約為sat 105ms-1；Vd =µdE的關係式僅在低電場中 發現，在高電場時，電洞與電子的漂移速度都會達到飽和。對於寬度為10um 的 i-Si 層，載子漂移為飽和速度，漂移時間大約為 0.1ns，這比典型的RC 時間常dep 數還長。PIN 光二極體的速度必然受限於越過 i-Si 層光載子的躍遷時間。
圖 3-1 中的 PIN 光二極體結構當然是理想的，在實際的 PIN 光二極體，
i-Si 層有些微的摻雜。例如 i-Si 層為淺的 n 型摻雜，這標示為 v 層，這樣結構就 是p+vn+。三明治的v 層變成其有小濃度正施體電荷的空乏層，這樣整個光二極 體的電場不再是均勻的，在p+v接面的電場最大，且隨著v-Si 微微的減小到達n+ 區。為近似起見，我們仍可將v-Si 視為 i-Si 層。
圖 3-2 電洞與電子的漂移速度和電場的關係
3.2 光接收模組之電路設計與分析
因為PIN 光接收二極體必須要處在一負電壓供給的狀態下，其反應快速的 優點才會顯示出來，因此在先前我們對光接收二極體之週邊電路的設計如下：
圖 3-3 光接收電路
在這個電路下，我們確實在輸出端得到一個對光場反應相當快速的結果，但 因為我們是使用陣列式的方式排列，故在資料擷取時，一定會使用到類比開關
（Multiplexer）來切換每個通道，以便得到該通道中之光接收二極體之反應值，
但是，也因為如此，一個相當大的問題便產生了，那就是在通道尚未切換到的光 接收二極體，因同時受到發光源照射，會產生一反應電流，這個反應電流會一直 儲存，當你切換至此通道時，累積電流會全部衝到系統電路中，於是便會在輸出 端產生一脈衝波，此脈衝波之峰值已處飽和，當能量消耗至一定程度時，輸出才 會顯示其光接收二極體所真實感受到的光場，這樣的結果，不但EMI 測試結果
再者，當輸出之脈衝波被消耗到為真實的光場反應時，往往需要1ms 以上的時 間，這對系統的效率及PIN 光接收二極體的優點都是相當大的傷害。
於是我們將光接收電路修改如下：
圖 3-4 修改過後之光接收電路
我們將原本的負電源供給給改成為接至地，這樣的優點是反應速度與接至 VSS 相比，差異不大，且開關切換時所產生的脈衝波振幅，明顯小了許多，這個 電路雖看似簡單，但若放大器選的不好，相同的電路一定會有不一樣的結果，故 在這個電路中所要選擇的放大器要有輸入阻抗高、漏電流小、頻寬要大及直流位 移要小等等的要素，這個電路才會動作的很正常。
我們因考慮光場量測幾何平面的問題，將感測器以1/4 圓的形式顯示出來，
但因PCB 板的可饒性不佳，軟板單價太高，故選擇將這個 1/4 圓的感測環，以 近似圓的方式表現出來，也因此我們將8 個感測器做為一基本單位，來開發感測 模組，我們也考慮到角度的問題，所以8 個感測器的擺放位置各有所不同，但差 異很小，目的就是要解決感測器不在相對發光角度上的問題。
以下便是就上述電路設計做一波形說明：
感測器(Photodiode) * 8
MUX
TIA ( Programable )
Sample & Hold Circuit
類比信號輸出 8
圖 3-5 接收模組電路量測系統方塊示意圖
圖 3-6 電路及相關波形顯示圖（一）
我們可以在這個波形顯示中看到幾件事情，波形一顯示數位控制信號輸入並 控制類比開關的切換，我們可以很明顯的注意到，信號之上升源與下降源都有一 個像修飾過的弧角，這是RC 充放電的特性，在數位信號輸入端加上一 RC 電路，
可讓數位信號輸出波形不會有突波產生，如此不但不會影響信號傳送的準確性，
還避免掉因突波而有可能產生的誤動作。
而波形二顯示說當數位信號輸入時，經由類比開關選擇致能通道後，TIA 電 路的輸出波形，我們可以看到這個波形有許多的突波，振幅約在2V 左右，這個 突波的由來便是上述所說的，當類比開關切換時，光接收二極體所儲存之反應電 流，全部衝到TIA 電路中所造成的，若光接收二極體是以負偏壓供給的方式；
則此突波的振幅將達到
波形一 波形二
圖 3-7 電路及相關波形顯示圖（二）
波形三我們可以看到取樣電路之後，與取樣電路之前的信號準位，波形三圖 中黃色信號是從類比開關輸出，經由TIA 電路到取樣電路之前的信號，有一定 的突波存在，而藍色信號顯示的是黃色信號經由取樣電路出來後的信號，可以看 出我們已經將突波給清除了，事實應該說我們已經降突波給避掉了，如此這個模 組的輸出端就不會有突波過大這個問題，且該模組輸出後是要經由另一類比開關 傳至類比轉數位的IC 上，所以平穩的輸出信號是相當重要的，至於信號的平穩 度要如何維持呢？答案就在電容及前後級驅動放大器上。
波形三 波形四
波形二
平穩的輸出信號，是靠取樣與維持（Sample & Hold）電路所製造的，在電 容上，我們要選用漏電流小的電容，而放大器也要選擇漏電流小的放大器，再加 上一切換速度快、漏電流小及接通組抗小的類比放大器，這個取樣與維持電路便 可依電路圖的指示而產生了。
圖 3-8 接收模組感測面 圖 3-9 接收模組信號輸出、入端
3.3 後端微處理器控制電路設計說明
接下來要介紹的是本系統的核心之一，微處理器控制週邊電路，我們所使用 的微處理器為CYGNAL 所出產的 C8051F02X 系列之產品，本系統選用 F020 之 控制晶片，該型號晶片擁有相當強大之功能，我們在這邊將使用它控制步進馬 達、傳送邏輯控制信號、內建類比轉數位功能（ADC）及串列傳輸（RS232，與 電腦溝通之管道）之功能。
圖 3-10 整體系統組合圖
圖 3-11 中標示 1 的區塊功能為：MCU 送出通道選擇信號，致能類比開關，
選擇導通之通道，並將PD 信號經由類比開關引進 MCU 之 ADC 中，進行轉換。
在感測端的模組電路之控制通道信號是相互並聯的，也就是說一個通道選擇信號 進來，將同時有13 個通道的感測器動作，而這 13 組感測信號經由取樣後，送至 後端電路進行處理，如此可將感測模組的暫態響應時間給壓縮，進而將系統效能 提高。
圖中標示2 的區塊功能為：MCU 送出步進馬達之控制信號，此信號會經由
雜訊經由光耦合器給隔絕，避免影響系統信號的正常性，由於光耦合器是一反閘 的動作，故我們將MCU 要傳至光耦合器之信號中，加入一個邏輯反閘，如此步 進馬達的信號便與MCU 所送出之信號相同，以方便撰寫程式及維護。
圖中標示3 的區塊功能為：要將 MCU 送至感光模組的控制信號加強，故加 上一BUFFER，使得信號不會因距離而衰減；傳出的控制信號，主要是用來控制 通道的選擇、增益的控制及信號取樣的開關控制。
圖中標示4 的區塊功能為：系統電源的相關電路，可有效的降低電源雜訊及 系統內部所產生的雜訊。
圖 3-11 後端整體電路設計圖
3
4 1
2
3.4 光源電源電路設計
發光源電源供應由系統提供，不外加電源，原則上以外部手動控制電流電壓 供應為主，為求其電流供應之穩定性，故採用一放大器與電晶體來達成，並用電 流表及可變電阻來顯示及調整所供應之電流值。
圖 3-12 LED 定電流供應電路
第四章 實驗製作
4.1 硬體設計說明
在此我們將介紹本系統所使用的機構，我們將會用零件各別介紹，及組件流 程介紹的方式，來解說系統機構的功能性。
4.1.1 量測部份
量測機構部份主要功能是將發光源（LED）固定並旋轉，同時還需擁有前、
後量測距離及高度之調整功能，且因要承載步進馬達，故整體之穩定性是相當重 要的，量測部份便是基於這些條件下所設計出來的。
此機構將在V 形測距尺上做前後的移動，又本身可做 Z 軸的移動，只要確 認量測高度後，將止步螺絲鎖上便可，如此便可固定LED 發光點在量測中心的 點上。
圖 4-1 為一未加裝 LED 固定座之組合機構
圖 4-2 將 LED 固定座裝在步進馬達轉軸上之組合圖
4.1.2 感測部份
在此我們將要說明，機構的中心量測點是如何定義出來的，首先我們將光學 桌的模型建立出來，利用光學桌上的定位孔來製作相關量測及校正機構。
圖 4-3 光學桌之模型
接下來在這個已建立之模型上，定一點為中心點，以這個點為圓心向外擴張 後，將其93.6 度的角度繪出（因為單個感測器模組為 7.2 度，故需 13 組才能將 完整的90 度包含在內，所以是 93.6 度），預定其固定底座之內徑為 25 ㎝，外徑 為34 ㎝，則當此基底上之孔洞若完全與光學桌對齊時，中心點就可以清楚的定 出來了，經過PRO\E 機構設計軟體計算，可將誤差降低至最小。
圖 4-4 將 93.6 度的角度繪出，並分成 13 等份，為各模組所置放之位置
將93.6 度及內、外徑中間的部份取出，現在我們可以很確定的是若能以這 個面板為基底做一支撐臂，連接至加工過後的感測器機構，便能很精準的定出所 有的角度及位置。
圖 4-5 去除 93.6 度以外的部份
將上述建立之基板與感測器底座相結合，取出可與光學桌定位之孔後，再將 基板去除，如此便可得一可聯接感測器支柱，及在光學桌上定位之感測器底座，
此底座用來支撐感測器支柱的孔位共有前後兩排，後排是用來裝置感測器模組，
而前排是預留給未來新增功能用。
圖 4-6 感測器底座
利用後排孔位的位置，我們將感測器支柱設計成下圖，不但擁有強度，不易 彎曲，還兼顧了感測器固定功能。
圖 4-7（a） 支撐柱底部 圖 4-7（b） 支撐柱量測面 此兩點為與光學
桌相結合之定位 點
與感測器底 座相符合之
孔位 模組定位孔，凹槽是為了避開模組 上較高之元件
圖 4-8 完成之感測器底座
將量測部份的零件組合後，我們可以看到成果如下，這個機構在組合上相當 順手，可證明我們在模擬軟體上所設計的圖形是正確的，所以我們可以很清楚且 簡易的就看出量測中心位置所在。
與光學桌之定位點
93.6 度 量測中心點
4.1.3 校正部份
在校正部份，我們採用對點光源均勻取樣後平均之方式來校正比例因子及直 流偏移的參數，並存入系統電腦程式中，以便資料取出後方便校正。
校正機構組裝圖中，LED 發光點需比量測高度低，校正效果才會出來，若 高於或等於量測高度，則有可能會發生校正不良之問題。
圖 4-10 量測機構組裝圖
將三部份之機構組裝起來，便是我們所要建構之光場量測系統的硬體部份，
此機構在實際進行量測時將會用黑絨布將其金屬部份遮掩住，其他遮不到的地方 將用黑色不反光之模型漆塗抹，務必將所有會反光的部份全部避免掉，以達到量 測結果的準確性。
圖 4-11 整體光場量測系統機構圖
4.2 軟體設計說明
學生在此將在業界中，使用率最高的機電整合控制軟體”LabVIEW ”，拿來 當作系統使用者界面，”LabVIEW ”是一個威力強大且具有彈性的儀表分析軟體 系統，它使用圖形介面來建立名為虛擬儀表的程式，非常適合拿來當做本系統之 控制軟體。
4.2.1 程式設計流程
在此”LabVIEW ”只被用來顯示光場分佈，及提供功能需求給 MCU，故主要 的工作便是利用串列傳輸的介面，與MCU 進行命令傳遞及資料回傳，回傳之資 料經過處理後，顯示在3D 圖面上，下圖為一功能表示簡圖。
圖 4-12 LabVIEW 功能簡圖
校正模式功能詳述：
基本上這兩個校正參數的功能，對MCU 所用的都是同一個命令字元，這是 因為這兩種校正參數，都是要取一次感測器所感應的值來做處理，不同的是直流 校正不需要校正光源，而比例因子校正需要校正光源，且若校正光源並不是均勻 光源時，則可使用多次校正後平均的方式來接近比例因子參數。這就是這兩種校 正功能最大的不同。
圖 4-13 校正模式功能圖
量測模式功能詳述：
量測模式主要是將步進馬達所轉動LED 的不同角度的光場強度給取出，並 存於一個二維陣列中，每感測並儲存完100 筆資料後，便使步進馬達轉動一最小 角度，進行下一次的感測動作，直到200 步轉完，也就回到原點了，而整個量測 動作也因此而結束。
圖 4-14 量測模式功能圖
顯示模式功能詳述：
顯示模式要動作的前提是，必須要先執行量測及校正的功能，取得校正的參 數及量測的數值，才能正確的將圖形顯示出來，校正的功能在開啟RS232 埠後，
只需執行一次，若RS232 埠被關閉後再開，便需要再執行一次。
圖 4-15 顯示模式功能圖
4.2.2 操作畫面介紹及說明
由於LabVIEW 這套圖形界面設計軟體，有兩個程式撰寫區，一個是人機介 面，就是下圖所顯示的畫面，另一個是圖形程式建構區，由於此區塊之所建構範 圍過大，故只選用幾個較重要的畫面來介紹之。
圖 4-16 人機界面畫面
就如上述在各個模式中的介紹，真正的人機界面就如上圖所示，只要照著各 模式的操作方式去進行，便可以得到顯示之立體光場顯示。
量測區 校正區 顯示區 串列傳輸之參數設定
下圖為本系統之人機界面圖形程式，紅線標註之A 區是串列傳輸之程式方 塊圖，將其由序向程式迴圈中獨立出來，將會加快系統速度，減少系統產生之錯 誤，B 區為一開始模式按鈕是否被按下之檢測程式，圖 4-27 為一量測模式之程 式建構圖，我們可以看見，從最外圈開始算起，此程式約有五層深度，圖4-28 為一校正模式之程式建構圖，圖4-29 為一顯示模式之程式建構圖，各模式細節 部份相當多，在此不多做贅述。
圖 4-17 圖形建構程式設計圖
圖 4-18 量測模式
A
B
圖 4-19 量測模式
圖 4-20 顯示模式
第五章 量測結果
我們在此將所有感測器的值給攤開成XY 平面表示，這樣有助於我們觀察 LED 的光場量測結果，以下將是對 RGB 分別三色 LED 所做的量測結果。
圖 5-1 紅光 LED 的發光源
圖 5-2 紅光光場量測結果 感測器分佈角度0∼90 度
步進馬達轉動角度0∼360 度
圖 5-1 紅光 LED 的發光源圖 5-2 紅光光場量測結果圖 5-3 LED 綠光發光源
圖 5-4 綠光光場量測結果
步進馬達轉動角度0∼360 度 感測器分佈角度0∼90 度
圖 5-5 LED 藍光發光源
圖 5-7 藍光光場量測結果
步進馬達轉動角度0∼360 度 感測器分佈角度0∼90 度
5-8 半圓柱體遮掩之 LED 發光光場量測圖
根據上述的量測結果，我們可以確信本文所設計之光場量測系統，是可以量 測（RGB）白光 LED 的各別光場，利用導通不同的光波長來進行光場量測，便 可對各個波長的LED 做調整，以達到其發光效能最好的狀況。
感測器分佈角度0∼90 度
步進馬達轉動角度0∼360 度
第六章 結論
本系統在經過測量及實驗過後，其表現比預期還好，整體量測速度約在10 秒左右，而這速度並不是最快的速度，學生為求資料穩定及準確性，刻意將步進 馬達的脈波寬度，及電路控制時間延長，若調整至最大可接受範圍內的話，保守 估計應有8 秒內的表現，而量測速度的快慢與測量結果也有關係，如果測量時間 動輒數十分鐘，那麼熱的幅射就會影響量測結果，所以量測時間的快慢對量測數 據的準確性也是相當重要的，經過我們測量過後的結果，故我們可以相信本文所 提出之光場量測系統設計概念是可行的，且執行效率確實比以往提高了好幾倍，
未來在白光（RGB）或是任一波長之 LED 上的檢測，將是相當有效率的。
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附錄 A
RS232-C 介面說明
RS232-C 之信號歸類與腳位定義如附錄表一。傳送與接收資
料，為 TX 及 RX，此二信號在不傳資料時均保持在邏輯"1"。
附錄表一、RS232-C 之信號歸類與腳位定義
RS232 Pin Assignments （DB9 PC signal set）Pin 1 Received Line Signal Detector
（Data Carrier Detect）
Pin 2 Received Data Pin 3 Transmit Data
Pin 4 Data Terminal Ready Pin 5 Signal Ground Pin 6 Data Set Ready Pin 7 Request To Send Pin 8 Clear To Send Pin 9 Ring Indicator
RS-232．C 之電氣規格如下:
1、信號傳輸率 < 20K-bps。
2、為負邏輯雙極性信號：邏輯"1"為-3V∼-l5V，邏輯"0"為+3V∼＋
l5V。
Ａ-1、非同步通信協定
非同步式串列資料是以字元（Word）做為傳輸單位，傳輸間隔可 為任意時間，其資料傳輸是依靠用來形成資料框架（Frame）的起始 位元（StartBit）與結束位元（StopBlt）未動作。如圖 2-2 所示，起始 位元必須為邏輯"0。，結束位元則為邏輯。川。在起始位元之後有 5
到 8 位元所組成的資料位元組，這些位元組即用來代表傳送字元的 A"SCnI 碼或其他字元碼。在字元碼之後則為偵錯用的同住位元
（ParltyBlt），同住位元可以不加以使用、或選擇偶同住、或奇同位。
起始位元大小只能為 1 位元，而停止位元大小則可為 1 位元~2 位元。
住元所組成的資料區段稱為 1 框資料。1 框資料的長度可由 7 位元至 11 位元不等。在資料傳輸時，傳送端與接收端的資料框格式必須一 致，否則會出現傳輸錯誤。以 11 位元的框計算為例，扣掉起始位元 後，資料框為 10 位元。若以此格式傳輸，則接收瑞取樣 10 個位元後 允許 1 位元時間之內的誤差，即接收時脈不準度容許範圍為 10%，
但取樣一般在住元時間中央，故時脈誤差容許度應以上 5%計。
（1）起始位元:
在非同步串列通信協定中，規定空閒（Idle）的通信線路必需維
持在邏輯"1"狀態。當傳送端想傳送一個字元資料時，得先送出上一
位元時間的邏輯"0"信號。接收端在偵測到這個起始位元後就由空間
進入活動，準備接收該資料通信位元組，因此起始位元的作用有如"
機車運行中點火發動"。
Figure 4 : TTL/CMOS Serial Logic Waveform
