臺灣博碩士論文加值系統

全球發光二極體（LED）產業發展迅速，尤以高亮度發光二極體為最，高亮度發光二極體的亮度也一直在突破。在技術研發競爭中，如何快速得到生產產品品質成為極重要的課題，本研究在此前題下，整合積分球、光譜儀、運動控制設備與色彩擷取設備，設計一套可量測高亮度發光二極體之檢測系統，配合LabVIEW虛擬儀控軟體撰寫光電特性量測之人機介面控制軟體，做為系統操作控制之用。同時以3D設計軟體設計出定位及分類機構，完成檢測系統自動化的目的。此系統針對高亮度砲彈型封裝發光二極體實施光電檢測，並相容於一般砲彈型封裝之發光二極體，可將檢測單元進行數個不同等級之分類，期以精準檢測作為未來工廠出廠前的分類系統。

Global LED（Light Emitting Diode） industry have achieved staggering success in the past ten years, especially HB（High-Brightness） LEDs. Recently, the light output of HB LEDs has gradually increasing, also, white light LEDs have been developing and been led into actual market, HB LEDs are expected to be apply to general illumination, ranking among conventional vacuum system light sources, such as incandescent lamps, fluorescent lamps, HID lamps and so on. To apply them to general illumination, other optical properties than those of original LED applicable field, such as for indicator uses and/or display uses shall be required and measured.
Through these backgrounds, the purpose of this thesis is to develop an automatic system that is designed to measure electro-optical properties and classify the quality HB LEDs. The system link up hardware that includes integrating sphere, spectrometer, color detector, motion control and data acquisition facilities with software. This project would be planned to apply LabVIEW to compile the measurements program of HB LEDs of electro-optical properties for quality control; including luminous flux, luminous intensity, luminescence efficiency, CIE 1931 chromaticity coordinates, dominant wavelength, purity, color temperature and forward bias, so as to develop a PC-based environmental monitoring and complete a precise inspection system for testing HB LEDs. The system provides data reports for electro-optical properties; the data can be use to sort LEDs. At the same time, by using the 3D design software to devise a positioning and classifying mechanism. It will be integrating into a PC controlled program.
This system is mainly aimed at HB LEDs of lamp type, can be use in normal lamp type of LEDs, too. It also allows users to classify LEDs for several Classes. Hopefully, the accurately detect will be able to help the companies' operation system in the future.

目錄
摘要....................................................I
Abstract...............................................II
誌謝...................................................IV
目錄....................................................V
表目錄..................................................X
圖目錄.................................................XI
第1章 緒論..............................................1
1.1 前言................................................1
1.2 研究動機與方法.......................................3
1.3 文獻回顧............................................4
1.3.1 發光二極體.......................................4
1.3.2 白光發光二極體....................................5
1.3.3 LED檢測機構回顧..................................6
1.3.4 光與色彩量測回顧.................................8
1.3.5 運動控制之應用...................................9
1.3.6 LabVIEW軟體之應用...............................10
1.4 論文架構...........................................10
第2章 光學與色彩學.....................................13
2.1 光理論簡介.........................................13
2.2 視覺基礎...........................................15
2.3 光譜光視效率（比視感度）.............................16
2.4 色彩理論...........................................17
2.4.1 色彩三屬性......................................17
2.4.2 色彩表示法......................................18
2.4.3 配色函數........................................21
2.4.4 色彩匹配實驗....................................22
2.4.5 色度座標與麥斯威爾色彩三角形......................24
2.4.6 RGB表色系統.....................................25
2.4.7 XYZ表色系統.....................................27
2.4.8 CIE色度座標.....................................29
2.4.9 光源色溫（Color temperature）...................31
2.4.10 相對光譜能量分佈................................32
2.4.11 主波長（Dominant wavelength）與刺激純度（Purity）............................................34
第3章 量測理論.........................................36
3.1 光量測理論........................................36
3.2 LED標準量測原理...................................40
3.2.1 LED量測軸........................................40
3.2.2 LED量測距離......................................41
3.3 積分球原理.........................................42
第4章 高亮度發光二極體自動化量測系統......................47
4.1 實驗架構規劃.......................................47
4.2 實驗架構...........................................48
4.2.1 硬體架構簡介....................................48
4.2.2 LED光電量測機構.................................49
4.2.3 LED定位檢測機構.................................51
4.2.4 LED分類機構.....................................54
4.2.5 實驗設備........................................56
4.3 運動控制規劃.......................................65
4.4 軟體規劃...........................................69
4.4.1 LED之順向偏壓...................................70
4.4.2 光強度量測程式..................................72
4.4.3 光通量之量測程式................................74
4.4.4 發光效率量測程式................................75
4.4.5 CIE1931色度座標程式.............................76
4.4.6 主波長與刺激純度................................78
4.4.7 色溫程式........................................80
4.4.8 LED定位程式.....................................84
4.4.9 LED分類程式.....................................88
4.5 系統整合...........................................93
第5章 結果與討論.......................................99
5.1 馬達定位驗證......................................99
5.2 檢測結果展示與驗證................................100
5.2.1 檢測條件設定.....................................101
5.2.2 單一有限次數（Finate）量測.......................101
5.2.3 連續（Continuous）量測...................................................105
5.2.4 量測值準確度驗證.................................109
5.3 LED分類比對......................................114
第6章 結論與建議.......................................116
6.1 結論..............................................116
6.2 未來研究方向之建議..................................117
參考文獻...............................................118
附錄A. 軟體介紹........................................120
附錄B. 人眼明視覺與暗視覺的光譜光視效率（最大值=1）........128
附錄C. 可見光光譜色（380～700，Δλ＝1 nm）在CIE1931色度圖上相應於等能光源恆定主波長線的斜率..............................129
附錄D. 等溫線在黑體軌跡的色度座標及斜率...................135
作者簡介...............................................136
表目錄
表1- 1 各研究領域發光效率需求比照表 2
表1- 2　LED之分類及用途 5

表2- 1 可見光之各光色的波長 15

表4- 1　光纖規格 57
表4- 2　光譜分光儀規格 57
表4- 3　積分球規格表 61

表5- 1 光通量比對表 109
表5- 2 發光強度比對表 110
表5- 3 主波長比對表 111
表5- 4 刺激純度比對表 112
表5- 5 色溫比對表 113
表5- 6 藍光分類比對表 114
表5- 7 藍光分類比對表 115

圖目錄
圖1- 1 台大能源所研製之108W LED路燈 2
圖1- 2 LED能量效率發展演進與預期目標 2
圖1- 3 發光二極體之構造圖 4
圖1- 4 LED檢測台架構示意圖 7
圖1- 5 系統設計圖 8

圖2- 1 電磁頻譜（包含可見光光譜） 14
圖2- 2 (a)人眼構造圖；(b)視網膜剖面圖 16
圖2- 3 光譜光視效率圖（明視覺與暗視覺） 17
圖2- 4 色相圖 17
圖2- 5 彩度與明度 18
圖2- 6 加色法混色 20
圖2- 7 減色法混色 20
圖2- 8 色彩匹配實驗 23
圖2- 9 麥斯威爾色彩三角形 25
圖2- 10 CIE-1931 RGB色度系統配色函數光譜圖 26
圖2- 11 CIE-XYZ表色系統配色函數 27
圖2- 12 CIE1931-RGB向XYZ轉換色度圖 28
圖2- 13 CIE-xyY色立體色彩空間 29
圖2- 14 CIE-1931色度圖 30
圖2- 15 CIE-1931色溫軌跡線 32
圖2- 16 分光輻射度計 33
圖2- 17 CIE1931主波長及純度計算 34
圖2- 18 主波長及刺激純度圖 35

圖3- 1 光通量 37
圖3- 2 發光強度 38
圖3- 3 光源立體角 39
圖3- 4 CIE TC定義量測LED光之參考軸 40
圖3- 5 CIE 127-A與127-B量測規定 42
圖3- 6 積分球內部工作原理 43
圖3- 7 積分球內部反射 44

圖4- 1 整體系統架構流程圖 47
圖4- 2 硬體架構示意圖 48
圖4- 3 光電系統的典型配置 49
圖4- 4 光電量測機構組織架構圖 50
圖4- 5 光電量測機構示意圖 51
圖4- 6 LED定位檢測機構組織圖 52
圖4- 7 LED定位機構示意圖 53
圖4- 8 LED定位機構實體圖 53
圖4- 9 LED治具圖（a）簧片未開（b）簧片張開 54
圖4- 10 LED分類機構示意圖 55
圖4- 11 LED分類機構示意圖 56
圖4- 12 光譜分光儀BRC711E PDA與光纖 57
圖4- 13 電源供應器實體圖 58
圖4- 14 放大電路板實體圖 59
圖4- 15 資料擷取盒 60
圖4- 16 積分球 61
圖4- 17 PCI-7344馬達運動控制卡實體圖 62
圖4- 18 馬達運動控制介面盒實體圖 63
圖4- 19 馬達驅動器實體圖 63
圖4- 20 步進馬達實體圖（1）定位機構馬達（2）分類機構馬達 64
圖4- 21 線性軸承座（軸徑8mm） 65
圖4- 22 運動控制系統組成元件 65
圖4- 23 運動控制流程圖 66
圖4- 24 開迴路系統組成模式 66
圖4- 25 2相與3相的轉矩瀲波比較圖 68
圖4- 26 0.72˚/步馬達步級角示意 68
圖4- 27 極限開關的接觸緩衝區 69
圖4- 28 軟體規劃組織圖 70
圖4- 29 順向偏壓之程式 71
圖4- 30 順向偏壓之程式設定 72
圖4- 31 光強度程式 73
圖4- 32 光通量程式 74
圖4- 33 發光效率程式 76
圖4- 34 CIE 1931色度座標程式 77
圖4- 35 主波長與刺激純度之程式 79
圖4- 36 CIE1931色溫等溫線 80
圖4- 37 經轉換後之等距等溫線 81
圖4- 38 色溫內差法圖示 82
圖4- 39 色溫程式（1） 83
圖4- 40 色溫程式（2） 84
圖4- 41 定位程式設計 85
圖4- 42 LED定位移動距離 85
圖4- 43 半自動有限次數定位程式 86
圖4- 44 連續定位程式 87
圖4- 45 系統分類區域界定 89
圖4- 46 邏輯判斷式系統圖 90
圖4- 47 定位點示意圖 91
圖4- 48 分類判斷程式 92
圖4- 49 分類運動程式 92
圖4- 50 檢測系統作動流程 93
圖4- 51 程式流程圖 94
圖4- 52 人機介面之校正教導模式 95
圖4- 53 校正選擇 96
圖4- 54 色彩感測校正區 96
圖4- 55 運動控制設定區 97
圖4- 56 人機介面之量測模式 98
圖4- 57 量測模式選項 98

圖5- 1 定位點位置顯示座標 99
圖5- 2 定位判斷燈號 99
圖5- 3 （a）未發亮LED （b）藍光LED（c）白光LED 100
圖5- 4 （a）LED電壓與電流的關係；（b）封裝後的指向角度 100
圖5- 5 藍光單顆量測值 102
圖5- 6 藍光波形圖（以10 nm為單位） 102
圖5- 7 藍光LED多顆量測 103
圖5- 8 白光單顆量測值 104
圖5- 9 白光波型圖 104
圖5- 10 白光半自動量測 105
圖5- 11 藍光連續檢測 106
圖5- 12 藍光量測值excel表格 107
圖5- 13 白光連續檢測 108
圖5- 14 白光量測值excel表格 108
圖5- 15 藍光LED分類結果 114
圖5- 16 白光LED分類結果 115

附圖A- 1 LabVIEW之人機介面 124
附圖A- 2 LabVIEW之程式方塊圖 124
附圖A- 3 NI-DAQ軟體撰寫的程式 125
附圖A- 4 NI-Motion軟體撰寫的程式 126
附圖A- 5 INVENTOR軟體之設計零件圖 127

參考文獻
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