TW201600837A - 光譜儀 - Google Patents

Abstract

一種光譜儀，用以分析一待測光。光譜儀包括一分光單元、一光偵測器及一處理單元。分光單元將待測光的不同的波長成分分解。光偵測器偵測被分解的待測光，以獲得一光譜。處理單元電性連接至光偵測器，且用以根據來自光偵測器的光譜計算出光譜於一特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，其中該特定波段是落在從紅外光至紫外光的可見光與不可見光的波段內。

Description

光譜儀

本發明是有關於一種光學量測裝置，且特別是有關於一種光譜儀。

眼睛是人類用以感知視覺成像的重要器官，被稱作「靈魂之窗」。隨著發光二極體(Light Emitting Diode，以下簡稱LED)相關產品的廣泛應用，探討LED產品對眼睛造成的影響逐漸受到科學及醫學領域的重視。經過各方研究，發現作為LED光源主成分的藍光、紫外光等是造成人眼或人體各部不適的主因之一。

對白光LED光源進行分光所得之光譜中，藍光、紫外光等的波長區間的能量佔了很大的比例。亦即，長期注視LED光源會導致眼睛暴露於高能量的藍光、紫外光或者其他波段的光線等，且目前已經出現藍光造成人眼或人體各部傷害之案例。基於上述理由，如何讓使用者評估LED產品所發的光對人眼或人體各部的傷害程度，並在使用LED產品的同時掌握眼睛所接收的藍光、紫外光或者其他波段的光線等的強度，以適當控制LED產品的使用頻率，是當下極需研究的課題。

現有的光譜儀雖然可對一待測光進行分光以得到對應的光譜，但該光譜只能顯示該待測光的各色光線的概略組成，而無法進一步對大家所關注的藍光、紫外光或者其他波段的光線等所佔比例及其光輻射功率密度提供資訊，故無法有效衡量LED所發的光對人眼或人體各部的傷害程度或可能性，或是在使用LED產品時評估眼睛所接觸到的藍光、紫外光或者其他波段的光線等的強度。

本發明提供一種光譜儀，其可用以分析待測光中的特定波段的比例，以讓使用者藉此評估待測光對人眼或人體各部的傷害程度。

本發明的一實施例提出一種光譜儀，用以分析一待測光。光譜儀包括一分光單元、一光偵測器及一處理單元。分光單元將待測光的不同的波長成分分解。光偵測器偵測被分解的待測光，以獲得一光譜。處理單元電性連接至光偵測器，且用以根據來自光偵測器的光譜計算出光譜於一特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，其中該特定波段是落在從紅外光至紫外光的可見光與不可見光的波段內。

在本發明的一實施例中，光譜儀更包括一顯示單元，其電性連接至處理單元。處理單元用以命令顯示單元顯示光譜於特 定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射量的至少其中之一的比例。

在本發明的一實施例中，處理單元根據光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，命令顯示單元對應顯示一訊息，以提供使用者待測光對人眼或人體是否有害的資訊或有害程度的資訊。

在本發明的一實施例中，處理單元用以根據來自光偵測器的光譜命令顯示單元顯示待測光於特定波段中的光輻射功率密度。

在本發明的一實施例中，處理單元根據待測光於特定波段中的光輻射功率密度，命令顯示單元對應顯示一訊息，以提供使用者待測光對人眼或人體是否有害的資訊或有害程度的資訊。

在本發明的一實施例中，處理單元用以根據來自光偵測器的光譜計算出待測光於特定波段中的光輻射功率密度。

在本發明的一實施例中，光偵測器用以偵測待測光的不同的波長成分的光輻射功率密度。

在本發明的一實施例中，光偵測器為影像感測器。

在本發明的一實施例中，更包括一使用者介面，電性連接至該處理單元，其中使用者藉由該使用者介面來調整特定波段的範圍。

在本發明之實施例之光譜儀中，處理單元可根據來自光 偵測器的光譜計算出光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，因此使用者可藉此判斷所使用的光源對眼睛的傷害程度或可能性，並藉以適當控制電子產品或光源的使用頻率，以避免眼睛的不適乃至預防黃斑部病變或其他眼睛疾病。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

50‧‧‧待測光

100、100a‧‧‧光譜儀

110‧‧‧殼體

120‧‧‧入光孔

130‧‧‧分光單元

140‧‧‧光偵測器

150‧‧‧處理單元

160‧‧‧顯示單元

170‧‧‧使用者介面

180‧‧‧外部主機

S1、S2‧‧‧電訊號

圖1為本發明的第一實施例的光譜儀的示意圖。

圖2為圖1之光譜儀所測得的某一種光譜的示意圖。

圖3為本發明之第二實施例的光譜儀的示意圖。

(第一實施例)

圖1為本發明的第一實施例的光譜儀的示意圖。請參照圖1，本實施例的光譜儀100包括分光單元130、光偵測器140及處理單元150。在本實施例中，光譜儀100可更包括一外殼110，而分光單元130、光偵測器140及處理單元150配置於外殼110中。

使用本實施例的光譜儀100對一待測光50進行分析時，待測光50可從外殼110上的入光孔120入射至光譜儀100中，並 經由分光單元130將待測光50的不同的波長成分分解。在本實施例中，分光單元130例如為分光光柵(grating)。然而，在其他實施例中，分光單元130亦可以是分光鏡(spectroscope)、光濾片或其他依特定波長來使光分解的元件。

光偵測器140會偵測被分光單元130分解的待測光50，且偵測待測光50的不同的波長成分的光輻射功率密度，以獲得一光譜。在本實施例中，光偵測器140為影像感測器，例如是一維影像感測器，其中一維影像感測器例如是電荷耦合元件(Charge Couple Device，CCD)或互補式金氧半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)感測器。被分光單元130分解的待測光50中不同的波長的部分會照射於光偵測器140上不同的位置，因此光偵測器140可測得待測光50中不同波長成分所對應的光輻射功率密度，例如是照度、輻照度等。

光偵測器140和處理單元150電性連接，且經由光偵測器140所獲得的光譜的資訊會被轉換成電訊號S1而傳送至處理單元150。處理單元150根據來自光偵測器140的光譜，計算出此光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例。光輻射量例如為光輻射功率密度、光輻射功率強度或光輻射能量。在本實施例中，特定波段是落在從紅外光至紫外光的可見光與不可見光的波段內。舉例言之，光譜的資訊是存在於電訊號S1中，而處理單元根據電訊號S1計算出光譜於特定波段中的光輻射量相對於 光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例。

圖2為圖1之光譜儀所測得的某一種光譜的示意圖。請參照圖1與圖2，圖2中的光譜是以對LED光源作分析所測得的LED的光譜為例，而待測光50即為LED所發出的光，但本發明不以此為限，本發明的實施例的光譜儀可用以量測其他任何使用者想量測的光源，例如螢光燈管、白熾燈泡、鹵素燈等。在圖2中，光譜的橫軸為光的波長(單位為奈米)，縱軸為光輻射功率密度，例如是照度、幅照度等，而單位例如為勒克斯(lux)。根據圖2所示的光譜可知，位於左側的波峰附近的光譜是屬於特定波段，亦即，在白光LED光源所發出的光中，該特定波段的能量佔有很大一部分的比例。以下將進一步說明本發明用以分析測量待測光50的特定波段的光強度之技術。

具體而言，當待測光50的光譜的電訊號S1傳送至處理單元150後，處理單元可計算圖2中光譜曲線下從X1奈米至X2奈米的積分面積(此積分面積即對應至該特定波段的光輻射量)，且計算整個光譜曲線下的積分面積(此積分面積即對應至光譜的總能量，且此積分面積例如是在可見光波段中的積分面積)。接著，處理單元再計算上述兩個積分面積的比例，即可計算出上述特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例。

進而，本實施例的光譜儀100還包括使用者介面170。使 用者界面170電性連接至處理單元150，其中使用者能夠藉由使用者介面170來調整特定波段的X1至X2的波段範圍，使該波段範圍落在從紅外光至紫外光的可見光與不可見光的波段內。

在本實施例中，處理單元150和顯示單元160電性連接。當處理單元150計算出上述的能量比例之後，會將此比例以電訊號S2的形式傳送至顯示單元160，其中電訊號S2例如為顯示訊號。也就是說，處理單元150會命令顯示單元160顯示光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例。如此一來，使用者就能夠經由顯示單元160，了解到待測光50中的該特定波段的光線所佔的比例。顯示單元160例如是液晶顯示器、有機發光二極體顯示器、電泳顯示器、發光二極體顯示器或其他適當的顯示器。

有鑒於使用者可能會不瞭解上述比例所代表的含意，譬如究竟上述比例是多少才算安全範圍，因此處理單元150還能夠根據上述光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，命令顯示單元160對應地顯示出一訊息，以提供使用者待測光50對人眼或人體各部是否有害的資訊，或是有害程度的資訊。此訊息例如是顯示有害或無害，或者顯示有害程度百分比，或者將有害至無害分成幾個等級，這些等級可包括非常有害、稍微有害、接近無害、完全無害等。

相較於單純顯示上述能量比例，經由本實施例的處理單元150的運算並且直接轉換成對人眼或人體各部是否有害的資訊或有害程度的資訊，將有助於使用者評估LED產品或具有其他光源的產品所發的光對人眼或人體各部的傷害程度或可能性，若發現LED產品或具有其他光源的產品的特定波段的能量超出正常LED產品或具有其他光源的產品，則可以避免去使用此類LED產品或具有其他光源的產品。此外，藉由本實施例的光譜儀還可以讓使用者快速瞭解到所使用的LED產品或具有其他光源的產品中特定波段所佔的能量比例，藉以適當控制使用LED產品或具有其他光源的產品的頻率，以避免產生眼睛的不適。

在本實施例中，處理單元150還可根據來自光偵測器140的光譜計算出待測光50於特定波段中的光輻射功率密度(例如是照度、輻照度等)。具體而言，當待測光50的光譜的電訊號S1傳送至處理單元150後，處理單元會對圖2所示的光譜進行分析，將光譜曲線下方X1奈米至X2奈米的面積進行積分，以得到特定波段的光輻射功率密度(例如照度、輻照度等)。

當處理單元150計算出上述光輻射功率密度之後，可將上述光輻射功率密度以電訊號S2的形式傳送至顯示單元160。也就是說，處理單元150會命令顯示單元160顯示光譜於特定波段中的光輻射功率密度。如此一來，使用者就能夠經由顯示單元160了解到一待測光50中的特定波段的光輻射功率密度。

進而，處理單元150還能夠根據待測光50於特定波段中 的光輻射功率密度，輸出電訊號S2至顯示單元160，命令顯示單元160對應顯示一訊息，以提供使用者待測光50對人眼或人體各部是否有害的資訊或有害程度的資訊。

在本實施例中，顯示單元160是設置在外殼110上，且光譜儀100的體積小而適於手持，因此光譜儀100適於讓使用者隨身攜帶，以便於在各種不同的場合中判斷光源對人眼或人體各部的傷害程度。

處理單元150可以利用軟體、韌體或硬體的方式來實現上述功能。當處理單元150是以軟體的方式來實現時，處理單元包括處理器(例如微處理器)、電性連接至處理器的隨機存取記憶體及電性連接至隨機存取記憶體的儲存單元(例如為快閃記憶體、唯讀記憶體或硬碟)。當處理單元150運作時，儲存單元中的程式指令(例如程式碼)會先被載入隨機存取記憶體，然後隨機存取記憶體中的程式指令再被載入於處理器中，使處理器執行上述功能。另一方面，當處理單元150是以硬體的方式來實現時，處理單元150可以是數位邏輯電路。此外，本實施例之光譜儀100亦可被整合至行動裝置(例如智慧型手機、平板電腦或數位相機)中，而處理器即為行動裝置的中央處理器(CPU)，而程式指令是以行動裝置的應用程式的方式來撰寫。

此外，市面上有許多標榜能夠過濾藍光或者其他波段的光源的濾光產品，例如濾光片等，但使用者無法判斷其效果為何。此時，處理單元150能夠用以計算出特定波段中的光輻射量的變 化程度，例如將使用濾光片前的特定波段的光輻射量減去使用濾光片後的該波段的光輻射量所得之差值，或者將該差值除以使用濾光片前的該波段的光輻射量所得之光輻射量的變化比率。

如此一來，使用者便能利用處理單元150所計算得到的上述光輻射量的差值或者變化比率，來檢測一濾光產品對於特定波段的濾光效果，而能挑選到真正具有功效的濾光產品。此外，除了使用濾光片外，亦有使用其他方法來降低特定波段中的光輻射量的產品，而本實施例之光譜儀100亦能用以檢驗此種產品的改善成效。

(第二實施例)

雖然如上所述，顯示單元160可以配置於外殼110上，但本發明的光譜儀100亦可以不設置顯示單元，而經由外部裝置進行訊息輸出與顯示，如圖3所示。

圖3為本發明之第二實施例的光譜儀的示意圖。請參考圖3，本實施例之光譜儀100a與圖1之光譜儀100類似，而兩者的差異如下所述。在本實施例中，處理單元150可以和一外部主機180電性連接，且當處理單元150計算出待測光50的特定波段的光輻射量比例或者光輻射功率密度之後，會將該特定波段的光輻射量比例或光輻射功率密度作為電訊號S2傳送至外部主機180，而電訊號S2例如為資料訊號。此外，外部主機180(例如為電腦)使該特定波段的光輻射量比例或光輻射功率密度顯示於未繪示的外部顯示單元(例如為電腦的螢幕)。

同樣地，處理單元150也能夠根據上述特定波段的光輻射量比例或光輻射功率密度，命令外部主機180對應地使一訊息顯示於未繪示的外部顯示單元，以提供使用者待測光50對人眼或人體各部是否有害的資訊，或是有害程度的資訊。

綜上所述，在本發明之實施例之光譜儀中，處理單元可根據來自光偵測器的光譜計算出光譜於特定波段中的光輻射量相對於光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，因此使用者可藉此判斷所使用的光源對眼睛的傷害程度或可能性，並藉以適當控制電子產品或光源的使用頻率，以避免眼睛的不適乃至預防黃斑部病變或其他眼睛疾病。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

50‧‧‧待測光

100‧‧‧光譜儀

110‧‧‧殼體

120‧‧‧入光孔

130‧‧‧分光單元

140‧‧‧光偵測器

150‧‧‧處理單元

160‧‧‧顯示單元

170‧‧‧使用者介面

S1、S2‧‧‧電訊號

Claims (10)

1. 一種光譜儀，用以分析一待測光，該光譜儀包括：一分光單元，將該待測光的不同的波長成分分解；一光偵測器，偵測被分解的該待測光，以獲得一光譜；以及一處理單元，電性連接至該光偵測器，且用以根據來自該光偵測器的該光譜計算出該光譜於一特定波段中的光輻射量相對於該光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，其中該特定波段是落在從紅外光至紫外光的可見光與不可見光的波段內。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，更包括一顯示單元，電性連接至該處理單元，其中該處理單元用以命令該顯示單元顯示該光譜於該特定波段中的光輻射量相對於該光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光譜儀，其中該處理單元根據該光譜於該特定波段中的光輻射量相對於該光譜的總光輻射功率密度、總光輻射功率強度及總光輻射能量的至少其中之一的比例，命令該顯示單元對應顯示一訊息，以提供使用者該待測光對人眼或人體是否有害的資訊或有害程度的資訊。
4. 如申請專利範圍第2項所述的光譜儀，其中該處理單元用以根據來自該光偵測器的該光譜命令該顯示單元顯示該待測光於該特定波段中的光輻射功率密度。
5. 如申請專利範圍第4項所述的光譜儀，其中該處理單元根據該待測光於該特定波段中的光輻射功率密度，命令該顯示單元對應顯示一訊息，以提供使用者該待測光對人眼或人體是否有害的資訊或有害程度的資訊。
6. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該處理單元用以根據來自該光偵測器的該光譜計算出該待測光於該特定波段中的光輻射功率密度。
7. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該光偵測器用以偵測該待測光的不同的波長成分的光輻射功率密度。
8. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該光偵測器為影像感測器。
9. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，更包括一使用者介面，電性連接至該處理單元，其中使用者藉由該使用者介面來調整該特定波段的範圍。
10. 如申請專利範圍第1項所述的光譜儀，其中該處理單元用以計算出該特定波段中的光輻射量的變化程度。