國科會專題研究計畫成果報告撰寫格式說明

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告彩色 LE 模組之色彩品質及照明色溫自動化檢測與改善研究計畫類別 : 個別型計畫整合型計畫計畫編號 :NSC99-2221-E-011-028-MY2 執行期間 : 99 年 08 月 01 日至 101 年 07 月 31 日執行機構及系所 : 國立台灣科技大學自動化及控制研究所計畫主持人 : 蔡明忠國立台灣科技大學自動化及控制研究所教授共同主持人 : 計畫參與人員 : 李家良周佳德林添祿成果報告類型 ( 依經費核定清單規定繳交 ): 精簡報告完整報告中華民國 101 年 9 月 28 日

摘要不論是戶外照明室內照明戶外看板, 甚至連手機背光源 LE 顯示器及號誌燈, 皆能夠在日常生活中看到 LE 的身影, 進而衍生出許多 LE 的應用以及相關技術與學術探討一般 LE 照明只能夠輸出單色光, 倘若能夠利用 RGB LE 發光元件的加法混色理論加以改善, 即可根據環境需求變化 LE 燈泡的色溫值本研究主要針對 LE 照明色溫品質檢測與補償作探討, 利用 RGB 三晶獨立的 LE 進行混光調配來得到預期的目標色溫值, 並透過積分球以及高精度光譜儀進行光源色溫量測首先將 LE 照明模組 (4 4 陣列 ) 單顆依序點亮 RGB, 量測該顆 LE 在最大灰階輸出時的三刺激值與色座標, 再透過重心混光比例計算出混出目標色溫之色度值所需提供的 RGB 比例, 重複動作至 16 顆 LE 完畢, 對照模組全點亮時的色溫誤差, 再對照至美國國家標準 (ANSI) 協會針對固態照明產品制定的色溫與色度指標研究結果得知, 在 ANSI 制定的八點色溫點下, 單顆點亮在低色溫時最大色溫誤差不超過 10K, 在高色溫時最大色溫值不超過 40K, 而模組中 16 顆 LE 在補償後的最大色溫誤差為 34.25K, 最小色溫誤差為 16.98K, 皆符合 ANSI 訂定的誤差範圍因此, 本研究提出的色溫品質檢測及補償方法, 確實能有效達到 LE 照明模組的色溫均勻性並提升其色溫品質關鍵詞 :LE 照明加法混色色溫補償美國國家標準協會積分球 I

Abstract Nowadays, whether outdoor lighting, indoor lighting, outdoor billboards, and even mobile phone backlight, LE display and signal lights, LE can be seen around everyone s circumstances. And then it extends many LE applications, related technology and academic research. In general, LE illumination can just only output monochromatic light. If we can use the additive color mixing theory with RGB LE lighting devices to improve the monochromatic light ones, we can change the color temperature of LE lamps that depend on the environmental requirement. This study focuses on the LE illuminant color temperature quality inspection and compensation. To get a desired color temperature, the independence of three crystal RGB LEs is used to mix light, and color temperature qualities is inspected with an integrating sphere and a spectrometer. Firstly, the RGB of LE illumination module (4 4 array) is lighted in order of its coordinate. To mix the required target color temperature, the compensated RGB lighting ratio can be derived according to the mixed light formula with original RGB tri-stimulus of maximum grey level output value and RGB vertex coordinates. Then, repeat action after sixteen LEs and module are measured. Finally, the color temperature and chrominance deviation are calculated between LE illumination module and ANSI. The experimental results from the 4 4 LEs show that the deviation of the color temperature illumination standard by ANSI is less than 10K in low color temperature, and less than 40K in high color temperature for one piece of LE after compensation by using the proposed method. As sixteen LEs of LE illumination module are lighted after compensation, the maximum color temperature deviation is 34.25K, and minimum is 16.98K for eight color temperature values, which are in compliance with the ANSI measurement tolerance. Thus, the color temperature quality inspection and compensation method in this study can really achieve the color temperature uniformity of a LE illumination module and enhance the qualities of its color temperature. keywords: LE illumination, additive color mixing, color temperature compensation, ANSI, integrating sphere II

目錄摘要...I Abstract...II 目錄...III 一報告內容... 1 ( 一 ) 前言...1 ( 二 ) 研究目的...2 ( 三 ) 文獻探討...2 ( 四 ) 研究方法...3 ( 五 ) 結果與討論...15 二參考文獻...23 三計畫成果自評...25 III

一報告內容 ( 一 ) 前言目前全球的照明市場約值八百億美元, 其中包含光源燈具等周邊元件, 然而在 LE 照明比例上僅僅只有 10% 左右, 主要原因為傳統照明燈具雖然亮度低但價格低廉, 因此,LE 成本必須要有幅度地下降, 才能夠更為人們接受有專家預估文獻顯示, 在 2015 年, 全球的 LE 照明比例將達到 50% 左右, 屆時 LE 照明市值可望高達五百億美元, 到了 2018 年則到達 60% 左右,2020 年的市場滲透率可盼達到 80%, 如圖 1[1] 圖 1. 2009-2020 年 LE 照明市場規模及滲透率預估 [1] LE 在許多地方都已取代傳統燈泡, 高亮度 LE 的主要市場可大致分為以下三類 : (1) 汽機車車燈市場方面, 汽機車的煞車燈和尾燈可用高亮度紅黃色 LE 燈 (2) 交通號誌市場方面, 紅綠燈行人穿越道的倒數器和走路的小綠人號誌可用高亮度紅綠 LE 燈 (3) 全彩 LE 顯示螢幕市場方面, 大面積的戶外 LE 看板, 如展場 LE 顯示看板佈置蘇州圓融時代廣場 LE 天幕高雄世運主場館 LE 看板台北小巨蛋 LE 巨型螢幕等 [2] 白光 LE 燈是現今最被看好的新趨勢科技產品, 早期受到日亞化學公司發明專利權和市場價格過高的影響, 使得在發明初期白光 LE 的推廣動作上並不是很快但是隨著科技的進步, 藍光 LE 研發技術與專利權逐漸被突破以後, 全世界在量產藍光 LE 的能力便大大提升, 造成產品價格逐漸降低, 間接使得在白光 LE 的開發上加快許多, 因此白光 LE 在照明與相關產業如雨後春筍般地大量應用在日常生活中 1

( 二 ) 研究目的視覺往往會帶給人們不一樣的心理作用, 不同的色光照射在不同的物體上會顯得更加強烈, 環境燈光也會影響著人類的心情色溫值越低屬於暖色光偏向紅光, 色溫值越高屬於冷色光偏向藍光, 例如 : 鎢絲燈白熾燈鹵素燈點亮時一般介於色溫值 2700K 至 3200K 之間 ; 在晴天的大太陽底下色溫值約介於 5000K 至 6500K 之間 ; 一般日光燈約為 6000K 左右, 我們處在色溫值較低的環境中會以為周遭環境很溫暖, 處在高色溫值便會覺得環境溫度較低而感到寒冷, 因此, 色溫並不代表光源的實際溫度, 但與心理感受有關, 而適當的光線照明有助於人們的心理與身體狀態此外, 不同的光源照射, 會使得人眼對該物的色彩程度感到不同, 所以在觀看影片或照片時, 不同的畫面會因為拍攝地點的光源與拍攝時間的不同導致畫面失真, 在顯示器也必須要有固定的色溫輸出, 才能夠如實地呈現拍攝畫面, 因此, 色溫校正也可運用到顯示器上本研究的研究目的在於達到 LE 照明模組 (4 4 陣列 ) 的色溫調控, 參考色溫係根據 ANSI 所訂定的照明色溫量測值 2700K 至 6500K 等八組色溫值, 透過加法混光理論得到混出目標色溫值所需提供的 RGB 比例, 藉此調整照明模組各顆 LE 的 RGB 灰階值輸出值來混合出預測色溫值, 從單顆 LE 色溫補償至全模組 16 顆 LE 的色溫補償, 並以實作結果驗證理論推導的可行性, 確定本研究的色溫補償方法是否符合 ANSI 制訂的色溫誤差範圍值同時, 該技術可拓展至更大型的照明模組, 並運用至戶外照明上, 根據外界的不同環境所需要的色溫值以開迴路或閉迴路方式進行光源的色溫調控 ( 三 ) 文獻探討在 LE 模組快速亮度均勻性檢測方面, 王凱生等人發展一套彩色 LE 顯示模組快速陣列式品質檢測與補償機制 [3], 使用自動化陣列式亮度檢測機台, 以達成快速且精準地量測 LE 顯示模組每一顆 LE 亮度特性, 針對 LE 模組亮度不均勻現象建立 CLUT, 再加上可即時運算補償的彩色 LE 驅動模組, 使 LE 模組亮度均勻性可達 98% 以上 [3-5] 在 LE 模組快速色度與亮度均勻性檢測方面, 張書槐在論文彩色 LE 顯示模組之色彩品質檢測與補償研究中, 將色彩檢測模組檢測數據與輝度色度計測量之三刺激值, 以最小平方近似法作配色函數校正, 針對 2R1G1B LE 顯示模組進行白光色度校正補償後, 其測量結果平均色差與亮度差異性皆明顯改善 [2] Mang Ou-Yang, Ting-Wei Huang, Yao-Fang Hsieh, and Yi-Ting Kuo 在論文 Optimize Maximal Brightness and Correlated Color Temperature for Multi-primary color displays 中利用色度及亮度定理, 提出一套由色彩顯示器的 RGB 三原色及目標值推導出的混光亮度比例 [6] 本研究將此亮度比例理論延伸到 LE 照明模組 RGB 灰階輸出值上李家良在論文三晶獨立 LE 顯示之色彩品質檢測與均勻度改善研究中, 透過色彩檢測 2

模組進行色度量測, 並轉換成 LE 顯示模組 RGB 灰階輸出值, 進而達成色度調控, 該研究在白光混光前的平均色差 (ΔE uv ) 為 0.062, 補償混光後白光的平均色差 (ΔE uv ) 下降至 0.0025, 色差降低的結果相當明顯, 對於本研究中的色溫調控有莫大的幫助 [7] 以上文獻在檢測方面只有少部分應用光譜儀, 而且多為檢測 LE 顯示器的色彩與亮度特性研究 ; 對於色溫研究方面, 多針對普朗克近似曲線方程式做討論, 少數研究針對色溫做校正或補償, 本研究中利用 LE 照明模組搭配積分球與光譜儀, 並結合色彩混光研究, 發展出 LE 照明模組在色溫照明方面的品質檢測與補償方法, 使可變化色溫的照明燈具方面有更全面性的延伸 ( 四 ) 研究方法本研究目標為發展一套三晶獨立 LE 照明模組色溫品質改善檢測機制, 探討 LE 照明模組技術的設計光源之色溫差值現象, 利用前章節提到的色彩學理論計算出補償值, 接著透過 PWM 數位控制亮度比例可達到量測目標色度與色溫均勻性, 使其輸出光色可接近目標色溫值, 並期許本研究能在 LE 產業界中對於 LE 顯示或照明模組能夠快速檢測及品質評斷能有所貢獻本系統將分為軟硬體系統規劃積分球與光譜儀裝置的色彩感測系統, 並敘述色彩均勻性檢測與補償流程因實驗用的照明模組組合後為面光源, 若是將 4 4 陣列的 RGB LE 照明模組放置在外部, 光源由線路孔照射入球內部, 可確保光線直接進入積分球內, 而不會被電路板給吸收, 提升了量測的準確性, 圖 2 為實驗設計的系統架構示意圖, 光線在積分球內均勻分布後透過光譜儀取得各波長的強度值, 將數值傳回 PC 端計算色溫品質, 此外, 在實驗量測其間為了確保量測的穩定性, 光纖必須加以固定以防止晃動而導致不穩定性, 並選擇暗室環境防止其餘雜散光影響光譜儀量測之精準度, 球外部使用黑色遮光布罩在積分球周圍以防止雜散光進入圖 2. 系統架構示意圖 3

光學積分求量測原理積分球的基本工作如圖 3, 光線由輸入端進入球體內後, 光線在球體內部被均勻的多次反射以及漫射, 因此輸出孔所得到的光線為相當均勻的漫射光束 [8] 圖 3. 積分球工作原理示意圖積分球可用來獲得均勻之照明度與色度, 或者用來均勻混和兩種以上之光源 ; 簡言之, 就是讓光源在一個反射率接近 100% 的球體內壁作多次反射, 我們可以假設在球體表面上的每一個區域所受到的光亮度是一樣的, 因此使用積分球搭配光纖來做光譜量測, 可確保光源不會失真而影響量測結果本次實驗使用的是直徑 30cm 的積分球, 實體圖如圖 4, 架構示意圖如圖 4.14 圖 4. 30cm 積分球實體圖 4

圖 5. 積分球架構示意圖 LE 色彩與色溫量測儀器由於 LE 的發光特性, 在光電轉換效率上, 其發射出來的色光有 15~25% 落在可見光的範圍內, 相較於以往的傳統燈泡, 只有 5% 的落在可見光的範圍內, 所以 LE 是現今可見光頻譜範圍中效率最高的光源使用光學積分球配合光譜儀為理想之光學特性量測儀器, 本研究使用之光譜量測機構為分光光譜儀 ( 型號為 BRC111A)[9], 實體如圖 6,BRC111A 光譜儀使用 2048 單元陣列 CC, 提供了高解析度 ( 可達 0.3nm) 及快速反應 ( 最小 0.9ms) 的性能, 且光譜量測範圍可達到 200-1050nm, 可是用於各種顏色 LE 的光譜範圍, 且搭配檢測軟體 HMTOptics Measurement Software[9], 使我們再進行色溫檢測時, 得到更準確的測量結果圖 6. 光譜測量系統實體圖 5

三晶獨立 LE 照明模組架構本研究實驗使用的 LE 照明模組為 (4 行 4 列 ) 16 顆彩色 LE, 並以 4 顆 LE 做並聯方式驅動, 以定電流配合 PWM 方式來控制 LE 的亮度值,RGB 三色分別由三個驅動 IC 控制, 在此所使用的驅動 IC 型號為 TLC5940, 是由 TI ( 德州儀器公司 ) 所出產的 IC [10] 此 IC 可輸出 16 個定電流源, 每一定電流最大可輸出 120mA, 而本實驗所使用的 LE 為高功率 LE, 每一色的額定電流只需 30mA, 所以 16 個接腳各別控制各像素的 LE 的單色光, 在此使用三個 TLC5940 控制 LE 的三色光以達混光效果, 並依據 TLC5940 的 IC 功能, 同步將各個參數值轉換成 PWM 方波以控制 LE 照明模組的亮度, 圖 7 為 LE 照明模組驅動電路方塊圖圖 7. LE 照明模組驅動電路方塊電路經過實際測試, 利用 RS232 介面電腦端傳送發光指令字串進入微處理器後, 將可控制各像素的 LE 燈所需要的 RGB 混光比例且即時傳輸補償後的影像, 整體延遲與資料傳輸速率皆符合預期的效果, 圖 8 為 LE 照明模組實體圖 6

圖 8. LE 照明模組實體圖 [7] 圖 8 中方框 1 為 C 5V 1A 電源提供電路中最後一段的 LE 驅動電流, 方框 2 為 RS 232 串列輸出埠, 其將電腦控制指令透過方框 3 中的 IC(S232A) 傳輸至方框 4 的微處理器 (18f2520), 來控制方框 5 中 IC(TLC5940) 以利於產生 PWM 波形與定電流輸出, 最後方框 5 的三顆 IC 各別驅動方框 6 的照明模組中各顆 LE 的 RGB 三原色來產生適當的色度及色溫值 7

色彩量測與補償方法 LE 照明模組顯示色溫補償架構的補償方法, 主要包含色度校正以及亮度調整, 然而色度與色溫關係在現今照明與色彩領域是以公式轉換為基準, 因此, 補償後的色溫值要準確, 勢必在色度座標上必須也要有一定的準確性三原色正規化對於 LE 發光顯示模組而言, 各像素的 LE 分別透過 RGB 電子訊號量的強弱發射出不同程度的 RGB 色光, 透過人眼產生色刺激而達到混色效果, 色刺激經由視神經傳遞到大腦形成色覺, 對於色彩變化流程, 如圖 9 所示, 同時可了解到該光源混色後的色座標與色溫值 [11] 圖 9. 照明模組色彩變換流程色溫補償方法國際照明委員會 (CIE) 進行的顏色混合匹配實驗提到, 當三原色光的亮度比例為 1.0000: 4.5907:0.0601 時就能匹配出標準白光, 所以 CIE 選取這一比例正規化為紅綠藍三原色的單位量儘管這三原色的亮度值並不相等, 但 CIE 卻把每一原色的亮度值作為一個單位看待, 所以在加法混色中紅綠藍三原色光等比例混合結果為白光, 其運算式為 (R)+(G)+(B)=(W), 由於 LE 材料與製程之進步, 發光效率亮度波長皆有提升及改變, 因此 CIE 制訂之混光比例已不適合應用於現今使用的 LE 光源 LE 優勢在於適用於各種環境場合下使用, 很容易就能達成客製化需求, 可以為了改變環境氣氛, 適度地改變色度亮度以白光為例, 圖 10 以三組 LE 的 RGB 表示 LE 模組混色示意圖, 而本研究使用的 LE 照明模組共有 16 顆獨立的 LE, 因此在混光方面會有 R 1 G 1 BB1~ R 16 G 16 B 16 B 的組合,LE 各像素彼此有色差與色溫值不均勻現象, 但各別依一定的比例混光時, 混光色溫值位置會落於 T 1 T 2 T 3,, T 16 上, 與 LE 8

模組目標色度 T 0 有色溫差現象圖 10. LE 混光示意圖本研究著重在 LE 混光後檢測與調控系統, 使用光譜儀及積分球, 針對三晶獨立 LE 照明模組, 量測並計算各顆 LE 之三刺激值及色度座標, 並比較其色度誤差與色溫誤差值利用高功率 LE 所組成的 LE 發光顯示模組, 應用重心加法混光重心法則與色溫均勻性補償計算, 並透過單晶片控制方式調整 RGB 配光比例, 可解決單顆 LE 因快速分群導致色度與亮度不均勻性問題基於上述結果所構成之驅電路搭配單晶片控制, 依混光比例以脈波寬度調變方式 (PWM) 各別調整 RGB 之工作週期, 調節混光示意如圖 11, 可達到控制各原色光發光強度而完成混光之要求, 並結合亮度均勻度成果, 探討 LE 模組色彩均勻性調控可能性圖 11. LE 照明模組 PWM 調節色度混光示意圖 9

想要藉由 RGB LE 混光調控達到色溫校正, 可以由下列公式得到 RGB 混光分量 Y R Y G Y B 的亮度比例 : x x x x x x x x x x x x yg yb yb yr yr yg Y:Y:Y R G B= : : y y y y y y y y y y y y y y y y y y F G F B F B F R F R F G F G F B F B F R F R F G G B B R R G (1) 圖 12 為 LE 顯示之色彩均勻性補償構想示意圖, 目標色溫設定好之後, 利用公式將色溫轉成目標色度座標, 利用積分球與光譜儀量測原始 RGB 的三刺激值 XYZ 與三原色座標數據, 並計算達成目標色度的混光比例, 接著進行色度線性校正與補償, 最後作模組內各顆 LE 的 RGB 分量調整, 可避免三原色光產生過飽和的現象圖 12. 為 LE 顯示模組色彩均勻性補償示意圖而為了最佳化亮度利用, 須先知道 RGB LE 各別最大亮度 Y Rmax Y Gmax Y Bmax, 再各別除上目標色度所需 RGB 分量可得 K R K G K B, 其中相除數值最小者表示該色光在調光過程中最快達到最高亮度, 取最小 (K R K G K B ) 值為 K min ; 再乘回 RGB 混光分量 Y R Y G Y B 即可求得各 LE 實際應輸出之亮度 Y Rnit Y Gnit Y Bnit, 最後再由光譜儀驗證最後輸出混光色溫值 10

色溫與相對色溫設有一反射與穿透率皆為零, 吸收率為一的物體, 我們可將此物體定義為黑體色溫是以黑體顏色當下的溫度所定義, 例如, 在工業鋼材製造方面, 把鋼質材料逐步地加熱, 此時鋼材的顏色會由橘紅色慢慢變成白色, 在持續地提升加熱溫度, 會發現鋼材的顏色會慢慢變成藍白色因此, 物體加熱到不同的溫度時, 其發射出來的光譜也會不同, 表現出來的顏色也不同, 我們把這個溫度稱做為色溫色溫的定義與普朗克黑體輻射定律有關, 黑體是一種在高熱下不會燃燒的理想物體, 隨著溫度的增加, 黑體本身會輻射出具有顏色的色光, 當一個光源的光譜分佈與該黑體輻射出來的光譜相同時, 可以用黑體表面的絕對溫度來代表這樣的光譜分佈, 色溫通常用凱氏溫度 (K) 來表示譬如鎢絲燈是 2700K 日光下是 6500K 以及陰天是 10000k 色溫等當光源的光譜分佈完全與黑體完全一致時, 其所表示的色溫就是絕對色溫但是當某種光源的光譜分佈沒有與黑體完全一致但很接近, 取最接近的黑體輻射的絕對色溫來代表, 稱之為相對色溫 ( 或相關色溫 ) 絕對色溫是唯一的, 但是相對色溫卻可能有無限種組合是將一系列不同絕對溫度的黑體輻射色度點描繪成一曲線, 稱之為普朗克軌跡 (Planckian locus) 或黑體軌跡 ; 相對色溫值可以由各輻射色度點向普朗克軌跡做垂線後, 與該交點對應的絕對溫度求出, 該垂線稱之為等色溫線, 圖 13 表示對於不同色溫值對應 xy 色度圖上的結果, 相關色溫可容許範圍如圖 14[12] 圖 13. 普朗克軌跡 ( ) 與輔助標準照明體色度點 ( ) 11

圖 14. 普朗克軌跡 ( 粗線 ) 等色溫線 ( 細線 ) 色溫範圍 ( 紅框 ) 一般來說, 光源顯現的光色至人眼後, 我們除了直接說出該光源屬於何種顏色外, 還可以由座標方式來表示, 也可利用色溫取代其色相因此,1968 年由 A. R. Robertson[13] 利用三角垂足插值法計算出相對色溫 (Tc) 與 CIE 1931 xy 座標的關係式如式 3-6 4000K T 7000K x C 9 6 3 10 10 10 = 4.5993 + 2.9645 + 0.09905 + 0.24406 T T T 3 2 c c c y x x 2 = 3.000 + 2.870 0.275 7000K T 25000K x C 9 6 3 10 10 10 = 2.0031 + 1.8997 + 0.24734 + 0.237040 T T T 3 2 c c c (3-6) y x x 2 = 3.000 + 2.870 0.275 12

伴隨著電腦運算技術的進步,2001 年由 u-il Hong Bong-Soon Kang[14] 所提出的色溫值範圍從 1600K 至 25000K 的近似公式如式 3-7, 本研究運用的色溫範圍為 2700K~6500K, 式 3-6 並無法有效的使用, 因此本論文利用式 3-7 以取得色溫值小於 4000K 的 xy 座標值 1600K T 4000K x C 9 6 3 10 10 10 = 0.2661239 0.2343580 + 0.8776956 + 0.179910 T T T 4000K T 25000K x x C 3 2 c c c 9 6 3 10 10 10 = 3.0258469 + 2.1070379 + 0.2226347 + 0.24039 T T T 0.38405 3 2 c c c y x x x 3 2 = 3.0817580 5.8733867 + 3.75112997 0.37001483 (3-7) 0.38405 x 0.50338 y x x x 3 2 = 0.9549476 1.37418593 + 2.09137015 0.16748867 0.50338 x y x x x 3 2 = 1.1063814 1.34811020 + 2.18555832 0.20219683 C.S. McCamy[15][16] 於 1992 年及 1993 年分別提出兩種計算相對色溫在介於 2222K~13000K 可適用的一元三次多項近似公式, 如式 3-8 與式 3-9, 這兩種公式在國內外論文皆有人使用, 並沒有特定哪版本為主流 McCamy 於 1992 年定義之色溫 : T = n + n n+ c n = x y 3 2 437 3601 6861 5514.31 0.3320 0.1858 McCamy 於 1993 年定義之色溫 : T = n + n n+ c n = x y 3 2 449 3525 6823.3 5520.33 0.3320 0.1858 (3-8) (3-9) 前段提到色溫透過公式得到的色座標值屬於近似公式, 假定原先設定的色溫值為 T c1, 得到的座標值為 (x,y ) 此段利用色座標轉換色溫時也是屬於近似公式, 假定得到的色溫值為 13

Tc2, 理論上色溫轉色座標與色座標轉色溫的過程中, 前後色溫值 T c1 T c2 必定會有公式上的誤差 (ΔT c = T c1 - T c2 ), 在實際模擬從 1667K 至 25000K 的過程中, 擷取主要照明用的色溫範圍 2700K 至 6500K,T c1 以 1K 為間隔得到 T c2, 色溫誤差 ΔTc 在 McCamy 1992 比 1993 年提出的公式來的小, 然而以上兩式誤差值皆在 ±10K 以內, 近似式產生的誤差在實用上以達到可忽略的程度 ANSI 色溫誤差量測品質規範美國國家標準協會於 2008 年制定的照明規範 C78.377-2008, 藉此制定光源在相對色溫下所對應之色座標區域中的色溫量測誤差範圍, 主要色溫值量測範圍為 2500K 至 7000K, 分別對應八個色座標區塊, 規範定義範圍由暖色系光色至冷色系光色, 如白熾燈泡鹵素燈之色溫為 3000K, 光色略帶紅光, 而日光燈色溫約為 3000K~5000K, 若晝白日光燈其色溫則大於 5000K, 光色略帶藍光, 圖 15 中之色溫曲線就是所謂的普朗克黑體輻射軌跡線, 同一相對色溫可由多種色度組合, 只要光源混光後越靠近色溫曲線的目標位置, 即可任意調控色溫值, 表 1 為區域內各色溫對應的色溫允許範圍表, 表 2 為區域內各色溫對應的 CIE(x,y) 中心座標值與容許四邊形範圍的角點座標 [17] 圖 15. CIE 1931 色溫曲線 [17] 14

表 1. 色溫容許範圍值 [17] 標示色溫目標色溫與容許範圍 2700K 2725 ± 145 3000K 3045 ± 175 3500K 3465 ± 245 4000K 3985 ± 275 4500K 4503 ± 243 5000K 5028 ± 283 5700K 5665 ± 355 6500K 6530 ± 510 表 2 區域內色溫所對應色座標區域表中心點座標容許四邊形角點座標中心點座標容許四邊形角點座標 2700K 3000K 3500K 4000K x y x y x y x y 0.4578 0.4101 0.4338 0.4030 0.4073 0.3917 0.3818 0.3797 0.4813 0.4319 0.4562 0.4260 0.4299 0.4165. 0.4006 0.4044 0.4562 0.4260 0.4299 0.4165 0.3996 0.4015 0.3736 0.3874 0.4373 0.3893 0.4147 0.3814 0.3889 0.3690 0.3670 0.3578 0.4593 0.3944 0.4373 0.3893 0.4147 0.3814 0.3898 0.3716. 4500K 5000K 5700K 6500K x y x y x y x y 0.3611 0.3658 0.3447 0.3553 0.3287 0.3417 0.3123 0.3282 0.3739 0.3874 0.3551 0.3760 0.3376 0.3616 0.3205 0.3481 0.3548 0.3736 0.3376 0.3616 0.3207 0.3462 0.3028 0.3304 0.3512 0.3465 0.3366 0.3369 0.3222 0.3243 0.3068 0.3113 0.3670 0.3578 0.3515 0.3487 0.3366 0.3369 0.3221 0.3261 ( 五 ) 結果與討論本研究針對三晶獨立 LE 照明模組進行色溫均勻檢測實驗, 實驗規劃配合第三章所提的 RGB 混光理論, 再與光學檢測軟體硬體做系統整合, 包括照明模組驅動色彩檢測軟體以及光譜儀測量 LE 照明模組平台首先使用光譜儀測量 LE 照明模組各像素的 RGB 色度特性 ( 飽和三刺激值與色座標 ), 即可透過理論推導進行混光, 混出目標色溫值, 最後再與目標色溫值作品質分析, 並利用美國國家標準協會制訂的色溫檢測標準驗證其準確性另外透過 15

加法混光原理可得混光比例, 實際亮度轉換成灰階輸出,RGB 經過混光後可得混光色度座標, 再與事先預測混光色度比較, 驗證其色彩再現實驗效果重心加法混色 RGB 預設參數本研究使用積分球配合光譜儀測量 LE 照明模組的色溫品值, 首先定義 LE 照明模組 4 4 區域座標 (0,0) ~ (3,3), 絕對座標位置如圖 16, 以供驗證色溫檢測與補償機制, 模組中三原色光輝階值定義為 (R, G, B), 圖 17 為三原色光 R(255, 0, 0) G(0, 255, 0) B(0, 0, 255) 發光示意圖圖 16. LE 照明模組座標示意圖 (a)r(255, 0, 0) (b) G(0, 255, 0) (c) B(0, 0, 255) 圖 17. LE 顯示模組三原色及白光點亮示意圖欲達到 LE 照明模組混光出指定目標色溫值, 先決條件在於先取得 RGB 三原色的 xy 色度座標值以及最大灰階值 (255) 所產生的最大三刺激值 ( 飽和 ), 透過 3.4 節提出的加法混色原 16

理, 可計算出混合的 RGB 亮度比, 進而轉換成 RGB 灰階值 (0~255), 以線性比例關係換算出混光所需 RGB 灰階值, 接著量測混光後的色溫值, 以隨機一顆 LE 為例, 表 3 為光譜儀實際量測到的 RGB 三原色分段灰階值的三刺激值 XYZ 表 3. 三原色分段灰階值與三刺激值 ( 隨機一顆 LE) RE GREEN BLUE 灰階值 X Y Z X Y Z X Y Z 0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 15 161.88 71.90 3.62 56.18 208.89 31.51 132.65 57.05 831.33 31 323.76 143.80 7.25 112.36 417.78 63.01 265.29 114.11 1662.67 47 485.67 218.21 7.72 165.53 625.80 88.06 410.70 180.52 2515.84 63 641.49 284.91 6.13 212.15 828.31 113.17 556.20 247.51 3370.52 79 809.87 364.25 16.14 264.87 1037.14 139.22 695.47 307.90 4219.67 95 960.80 429.04 10.46 322.17 1250.68 168.99 839.02 372.49 5082.39 111 1129.72 506.26 19.93 370.16 1456.02 192.96 976.85 434.49 5935.24 127 1292.36 579.50 17.90 423.42 1669.00 217.50 1128.77 503.50 6817.98 143 1455.08 652.96 20.40 470.69 1875.87 237.41 1266.83 564.95 7666.05 159 1609.07 720.25 23.78 524.25 2090.00 265.23 1413.86 631.80 8536.45 175 1760.60 784.97 15.03 576.75 2298.48 293.59 1561.17 700.98 9405.55 191 1928.75 862.54 21.54 630.59 2512.17 320.09 1688.87 752.52 10243.31 207 2084.67 930.71 19.26 680.58 2721.98 342.18 1837.07 822.78 11100.43 223 2247.94 1005.43 27.16 732.95 2934.86 368.62 1977.52 887.31 11945.15 239 2402.89 1074.31 26.36 785.83 3143.41 395.89 2125.87 958.07 12799.69 255 2559.17 1143.37 26.74 840.01 3354.93 422.85 2256.78 1016.31 13619.05 色彩與色溫再現與實驗結果為了證明加法混色在 LE 照明模組中是可行的, 實驗使用積分球與光譜儀色彩及色溫檢測平台來量測 LE 照明模組, 以座標 (1,3) 的 LE 為例, 座標對應如圖 16., 並以 CIE 訂定的標準光源做為目標, 量測三原色 RGB 各別色光的三刺激值以及色度座標值, 由式 3-19 可以預測出混光後的座標 (x mix, y mix ) 會落在三色度座標 (x R, y R ) (x G, y G ) 及 (x B, y B ) 連線重心位置, 三原色光的亮度大小即為混光重心的權重值 RGB, 目標刺激值 [F]= R[R]+G[G]+B[B], 表 4 為該 LE 混光前的目標值與實驗後的實際量測值 17

表 4. LE 照明模組 (1,3) 色溫校正補償實際測量比較數據灰階比例輸出混色溫差目標值實際量測值標準光 (K) 色度差光源色溫色溫 x y R G B 值 (K) 值 (K) x y T ΔExy A 2856 0.4476 0.4074 255 112 115 2864 0.4472 0.4084 8 0.001046 B 4874 0.3484 0.3516 255 159 56 4876 0.3486 0.3519 12 0.000350 C 6774 0.3101 0.3162 255 177 88 6758 0.3101 0.3188-16 0.002608 50 5000 0.3457 0.3585 255 169 55 5012 0.3449 0.3584 12 0.000808 55 5500 0.3324 0.3474 255 176 65 5509 0.3323 0.3469 9 0.000470 65 6504 0.3127 0.3290 255 187 83 6519 0.3124 0.3296 15 0.000676 75 7500 0.2990 0.3149 255 195 98 7509 0.2989 0.3150 9 0.000157 將表 4 目標值以及實際量測值以 CIE 1931 xy 色度座標表示, 如圖 18, 能夠更明確的看出混光後的座標能夠準確的坐落在目標色度上, 若是在實驗上越能夠準確的混出目標色度, 則色溫值與目標值間的誤差即會降低圖 18. LE 照明模組 (1,3) 色域表現圖由以上數據結果可證明出加法混光利用在 LE 照明模組的色彩及色溫校正的可行性, 無論是要混合出目標色溫或是目標色度, 只要了解 LE 照明模組的三原色座標最大三刺激值, 即能得到目標的混光色度 ; 可是因綠光與藍光在 LE 先天製程上的亮度比紅光大上許多, 導致補償到目標色度時, 紅光會先達到亮度飽和, 倘若綠光與藍光如再繼續加大亮度, 則會破壞 RGB 混光比例, 目標色度與色溫值就不會是預測的結果, 所以色度補償勢必會導致總亮度的損失 18

色彩與色溫均勻性補償實驗結果本研究針對美國國家標準協會 (ANSI) 制訂的規範 C78.377-2008 中色溫值 2700K 3000K 3500K 4000K 4500K 5000K 5700K 以及 6500K 八種色溫值做品質分析, 各色溫值有其容許範圍, 詳細色溫範圍與中心點座標如表 1 及表 2, 數據及說明如下 : 照明模組於各色溫值整體檢測與補償效果 LE 照明模組配合前八小節各顆 LE 在各色溫值的混光比例結果進行調控, 經過色彩與色溫均勻性檢測與補償流程後, 換算出 RGB 的灰階比例輸出值, 並實際驅動 LE 照明模組做驗證, 對該模組中的 16 顆 LE 說明其混光效果與目標值差異性將各點量測到的三刺激值色度座標以及色溫值整理成表 5, 以下為數據討論 : (1) 在 2700K 時, 整體混光後座標為 (0.4586, 0.4093) 色度差 Exy 為 0.00119, 色溫差 T 為 22.76K (2) 在 3000K 時, 整體混光後座標為 (0.4351, 0.4036) 色度差 Exy 為 0.00168, 色溫差 T 為 27.86K (3) 在 3500K 時, 整體混光後座標為 (0.4047, 0.3896) 色度差 Exy 為 0.00340, 色溫差 T 為 23.11K (4) 在 4000K 時, 整體混光後座標為 (0.3794, 0.3765) 色度差 Exy 為 0.00399, 色溫差 T 為 34.25K (5) 在 4500K 時, 整體混光後座標為 (0.3613, 0.3645) 色度差 Exy 為 0.00126, 色溫差 T 為 20.73K (6) 在 50000K 時, 整體混光後座標為 (0.3444, 0.3513) 色度差 Exy 為 0.00404, 色溫差 T 為 28.99K (7) 在 5700K 時, 整體混光後座標為 (0.3276, 0.3378) 色度差 Exy 為 0.00405, 色溫差 T 為 18.57K 在 6500K 時, 整體混光後座標為 (0.3132, 0.3234) 色度差 Exy 為 0.00490, 色溫差 T 為 16.98K 19

表 5. 補償後所有 LE 點亮的量測數據目標色溫值混光後實際量測值色度差色溫差 (K) 色溫值 (K) X Y Z x y z Exy T 色溫誤差百分比 2700K 44359.8 39582.8 12778.1 0.4586 0.4092 0.13211 0.00329 2722.76 22.76 0.843% 3000K 45846.2 42499.7 16957.9 0.4354 0.4036 0.16104 0.00368 3027.86 27.86 0.929% 3500K 47415.1 45646.1 24112.3 0.4047 0.3896 0.20578 0.00340 3523.11 23.11 0.660% 4000K 49081.8 48701.2 31572.4 0.3794 0.3765 0.24407 0.00399 4034.25 34.25 0.856% 4500K 50648.0 51106.8 38437.0 0.3613 0.3645 0.27417 0.00376 4520.73 20.73 0.461% 5000K 51921.1 52959.0 45882.3 0.3444 0.3513 0.30434 0.00404 5028.99 28.99 0.580% 5700K 53583.6 55241.1 54714.9 0.3276 0.3378 0.33457 0.00405 5718.57 18.57 0.326% 6500K 55199.7 56987.3 64031.2 0.3132 0.3234 0.36336 0.00490 6533.98 33.98 0.523% 20

表 5 中為各色溫值時,LE 照明模組整體混光後在積分球內檢測的結果, 將數據轉換成直方圖如圖 19, 能夠知道在各八組待測色溫值目標值與混光後實際量測值的誤差值並不明顯, 實際上, 人眼對於這些許色溫誤差值並無法準確判定出顏色的差異圖 19. LE 照明模組八組目標色溫值與實際量測值對於該八組色溫值的色度方面, 色度差最大的為 6500K 時所表現的色度座標, 色度差相對於其他待測色溫點較來的高, 同時色溫值誤差也相對提高, 但卻不是最高的色溫差值, 因此, 色溫值若是要有較高的精準度, 同時也必須提高色度的精準度, 色度值越接近, 座標值代入色溫的近似公式誤差即可立即降低色溫值 2700K 至 6500K 的範圍內, 由 CIE-1931 xy 色度座標圖中可知, 顏色由橘紅往橘黃變色, 色溫值越高, 藍光權重值加重, 色光漸漸形成白光, 雖然人眼無法對於低色溫差的兩色光做出顏色上的差異, 但本研究中使用的八組目標色溫間格至少有 300K, 對於人眼來說早已能夠判斷色度差, 而模組混合後的光源在雙眼直視上雖能夠辨別出色光的變化, 但利用數位相機拍照時, 高亮度且直射相機鏡頭的色光會因相機的自動曝光功能給吸收掉, 無法有效看出色光的變化, 因此, 利用光線在積分球內無限次數的反射與漫射, 並藉由隔板阻隔直射的光源, 更能夠有效看出色光的變化形態, 圖 20 為 LE 照明模組由 2700K 至 6500K 於積分球內的混光情形, 是數位相機由積分球上的校正光源孔拍攝到的影像, 其中圓孔即為校正光源孔, 中心色光部分為內部擋板 21

2700K 3000K 3500K 4000K 6500K 5700K 5000K 4500K 圖 20.LE 照明模組光源於積分球內混光情形本研究探討三晶獨立 LE 照明模組中的色溫均勻性, 以調控三原色 RGB 的 LE 三色光, 各自獨立調整各色光灰階輸出, 灰階輸出值越大亮度也就越大, 透過 RGB 三色光的混色達到色溫校正, 並針對色溫調控方面提出一色溫檢測機制, 使用 4 4 陣列的 RGB LE 照明模組進行實驗, 同時搭配積分球與光譜儀得知混光後的色溫值是否達到預測色溫值, 因積分球內為均勻的朗伯表面, 光在內部進行無限次的反射與漫射, 因此, 光源會均勻的分布在積分球內壁上, 均勻光源透過光纖進到光譜儀的到混光後的刺激值, 再透過軟體檢測照明模組混光後的色溫值, 其檢測結果具有相當高的可靠性, 大大的提高模組間各顆 LE 色溫值的一致性 22

二參考文獻 [1] 拓墣產業研究所,http://www.topology.com.tw [2] 張書槐, 彩色 LE 顯示模組之色彩品質檢測與補償研究, 碩士論文, 國立台灣科技大學自動化及控制研究所,2009 [3] 王凱生, 彩色 LE 顯示模組之快速陣列式品質檢測及補償研究, 碩士論文, 國立台灣科技大學自動化及控制研究所,2008 [4] 蔡明忠王凱生李旻鴻, LE 顯示模組之快速陣列式品質檢測及均勻度補償, 2008 AOI Forum & Show, 新竹交通大學,Taiwan,28 Oct. 2008 [5] 蔡明忠王凱生李旻鴻張書槐, LE 顯示模組之陣列式光學檢測模組研製及均勻度補償應用, 技術學刊 24 卷 3 期,pp.205-212,2009 年 9 月 [6] Ou-Yang Mang, Ting-Wei Huang, Yao-Fang Hsieh, Yi-Ting Kuo, Research of The Chromaticity Coordinates and Color Spectrum Calibration Using Tristimulus Sensors and Eigenspectrum Method, Proc. of SPIE Vol. 7432, pp.743214-1, San iego, California, United States, August, 2009. [7] 李家良, 三晶獨立 LE 顯示之色彩品質檢測宇均勻度改善研究, 碩士論文, 國立台灣科技大學自動化及控制研究所,2011 [8] 陳文彥, 白光發光二極體封裝研究, 碩士論文, 國立台灣科技大學電子工程系,2009 [9] 宏明科技,http://www.hmtech.com.tw/,2012 [10] 德州儀器公司,http://www.ti.com/,2012 [11] 陳鴻興等, 顯示色彩工程學, 全華圖書, 台北市,2011. [12] 大田登原著, 陳鴻興陳君彥編譯, 基礎色彩再現工程, 中議修訂二版, 全華圖書, 台北縣,2009. [13] A. R. Robertson, "Computation of Correlated Color Temperature and istribution Temperature," JOSA, vol. 58, pp.1528-1535, 1968. [14] u-il Hong, Bong-Soon Kang, 1.5 Temperature Calculator, Technical Report, Computer Engineering of onga university in Korea, 2001. [15] C. S. McCamy, "Correlated color Temperature as An Explicit Function of Chromaticity Coordinates," Color Research & Application, vol. 17, pp.142-144, 1992. [16] C. S. McCamy, "Correlated Color Temperature as An Explicit Function of Chromaticity Coordinates," Color Research & Application, vol. 18, pp.150, 1993. [17] American National Standards Institute(ANSI), ANSI ANSLG C38.377 Specifications for The Chromaticity of Solid State Lighting Products, 2008. [18]Ming-Jong Tsai,,J. L. Lee and Chia-de Chou, Color Quality Inspection and Compensation for Color LE isplay Modules, Proceedings of 2011 International Conference on Machine Learning and Cybernetics (ICMLC 2011), Guilin, China, July. 09-13, 2011.(EI)(3713) [19]Ming-Jong Tsai,J. L. Lee and Chia-Te Chou, A Sequential Color Measurement for 3 in 1 Color LE Modules, Proceedings of Automation 2011- International Conference on Automation Technology, Yinlin, Taiwan, Nov. 18-19, 2011. 23

[20]CHIA-TE CHOU, CHIA-LIANG LEE, CHANG-JUNG JUAN, TIEN-LU LIN, MING-JONG TSAI, COLOR TEMPERATURE COMPENSATION FOR LE LIGHTING ILLUMINATION, Proceedings of 2012 International Conference on Machine Learning and Cybernetics (ICMLC 2011), Xian, China, July 15-17, 2012.(EI)(4233) [21] 周佳德, LE 照明模組之色溫品質檢測與補償研究, 碩士論文, 國立台灣科技大學自動化及控制研究所,2012 24

三計畫成果自評本研究中針對 LE 照明模組之色溫品質檢測, 探討 LE 色溫混光理論與補償方法, 由實驗結果得知, 可達到我們所要求的色差品質及色溫檢測誤差 ; 在學術成就技術創新包括 : (1) 利用的光譜儀搭配積分球系統可以實用地檢測 LE 色溫特性, 目前針對三晶獨立 LE 顯示規格 (16 Pixel), 未來可改設計成陣列式 LE 顯示模組 (16 16 LE), 配合自動化檢測整合, 可作為線上 LE 全面性檢測應用, 但模組大小提升後對於積分球大小也必須做提升 (2) 本研究提出的色溫校正補償不僅僅運用在色溫照明, 還能夠運用在室內 LC 螢幕, 戶外 LE 顯示面板等, 若將其發展成自動化回授系統, 根據目前的環境得到所需要的色溫值, 進而調控光源的 RGB 分量進行混光, 可望成為智慧建築內的發光照明系統 (3) 倘若 RGB 燈具利用本論文使用的混光理論, 再加入近年來業界使用的琥珀色 (amber) 及白色 (white) 的 LE 形成 RGBAW 五色燈, 適當調整琥珀色及白光的比例做到吸收光線與緩和光線銳利度, 可提高照明模組的演色性 (CRI), 做到客製化燈具設計 (4) 運用重心加法混光原理, 藉此特性可成功指定任意色光色度由光譜儀測量 LE 顯示色彩特性, 在色度與亮度參數計算 RGB LE 色光混光比例, 在不破壞 RGB 分量的情況下, 由灰階輸出達成混光色度校正, 成功地將 LE 模組色度均勻化補償, 解決色彩不均勻此問題 (5) 由前面實驗所量測的色度值透過公式轉換成色溫, 與目標作色溫誤差比較, 可以得到不錯的量測結果, 其色溫差異可在 35K 以下 (6) 本研究已發表三篇國際性研討會論文, 培育兩位已畢業碩士班研究生, 一位博士班研究生肄業中本研究建構之色溫品質檢測與補償方法, 可以針對 LE 色溫檢測與補償這項業界尚未成熟之構想, 進行初步之研究與探討, 由實驗結果證明, 其混光與補償方法是可行且具有相當理想之成果, 因此, 本研究提出的方法能夠處理可調控色溫燈具的發光源設計 25