TWI392859B

TWI392859B - 可量測光之色度座標與亮度之裝置與方法

Info

Publication number: TWI392859B
Application number: TW98139213A
Authority: TW
Inventors: Yong Nong Chang; Shih Cin Tung; Yan Chuen Wang
Original assignee: Univ Nat Formosa
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2013-04-11
Also published as: TW201118353A

Description

可量測光之色度座標與亮度之裝置與方法

本發明係與光之量測有關，特別是關於可量測光之色度座標與亮度之裝置與方法。

當某一顏色之光源被人類所看見，從口中說出的往往只是主觀地對於顏色的判別，無法直接讀取該顏色之實際配色數量；因而國際照明委員(Commission Internationale de L’Eclairage,CIE)以許多正常視覺的人對配色感覺的平均，訂立標準觀測者之色感覺。在CIE配色實驗中，以三原色光混和，用以配出光譜中各單波光的色彩，如此所用的三原色光的數量即稱之為光譜三刺激值，並以R、G、B表示之；通常我們並不直接用三刺激值來表示色彩，而是以三原色在R、G、B相加總量中的相對比例表示，例如，當三原色光的相對亮度比例為1.0000：4.5907：0.0601時，就能匹配出等能白光，CIE將此比例選取為紅綠藍三原色的單位量，因此三原色在R、G、B相加總量中的相對比例即為用以表示人眼所見顏色之CIE色度座標。

然而，欲得知可見光源顏色之CIE色度座標及亮度，往往需具有如同CIE配色實驗所使用之測試環境，一般為利用積分球將光源處理為均勻漫射的光束輸出，再配合光譜儀對該光源進行量測才可得知，然而該等儀器價格卻十分昂貴；有鑑於此，本案發明人致力於尋找可量測光之色度座標與亮度之方法，可以相較前述該等儀器價格低得多的電子元件達成對任一人眼可見光源進行偵測，並運算出其CIE色度座標及亮度。

本發明之主要目的在於提供一種可量測光之色度座標與亮度之裝置與方法，可簡易並快速地量測出各種不同人眼可見光源之CIE色度座標及亮度，以解決需藉由複雜昂貴之儀器進行量測才可得知一光源顏色的CIE色度座標及亮度之問題。

為達成上述目的，依據本發明技術思想所提供之一種可量測光之色度座標與亮度之裝置，包含有至少一光偵測器、一多工器、一類比數位轉換器、一運算處理器，以及一顯示器。該等光偵測器係用以檢知一光源，並輸出多數對應該光源之不同波長範圍之電訊號；該多工器係用以接收該光偵測器輸出之電訊號，將不同之電訊號選擇性切換輸出；該類比數位轉換器係與該多工器電性連接，以接收該多工器輸出之電訊號，將其轉換為數位訊號後再輸出；該運算處理器係與該多工器及類比數位轉換器電性連接，以控制該多工器切換接收該光偵測器輸出之不同電訊號，以及接收該類比數位轉換器輸出之數位訊號，將該些數位訊號轉換出CIE色度座標及亮度之數值再輸出；該顯示器係與該運算處理器電性連接，以顯示該處理器運算出之數值；藉由上述技術手段，不需使用複雜昂貴之儀器進行量測，即可簡易並快速地量測出任一光源之CIE色度座標及亮度。

上述可量測光之色度座標與亮度之裝置中，可具有三光偵測器，且該等光偵測器可為以光二極體(photodiode)所製成，用以檢知該光源，並分別輸出對應該光源之紅、綠、藍光亮度之電訊號；該等光二極體耗能低、功率高、體積小，且反應迅速，可提升該量測裝置之功能性與便利性。

上述可量測光之色度座標與亮度之裝置中，該運算處理器可為一儲存有將RGB表色系統轉換為XYZ表色系統之一參數矩陣的可程式化單晶片，藉此，可使該量測裝置更為簡潔便利。更甚者，該光偵測器可對應該光源不同波長範圍輸出不同之電壓訊號，而該可程式化單晶片可儲存有將不同波長對應之電壓訊號轉換為RGB表色系統之一轉換式。

依據本發明技術思想所提供之另一種可量測光之色度座標與亮度之裝置，包含有至少一光偵測器、一可程式化單晶片，以及一顯示器；該等光偵測器係用以檢知一光源，並輸出多數對應該光源之不同波長範圍之電訊號；該可程式化單晶片內部包含有一多工處理程式、一類比數位轉換程式，以及一運算處理程式，該單晶片係用以接收該光偵測器輸出之電訊號，並分別以其該等程式依序對該些電訊號作處理，該多工處理程式係用以將該光偵測器輸出之不同電訊號選擇性切換輸出，該類比數位轉換程式係用以將該多工處理程式輸出之電訊號轉換為數位訊號後再輸出，該運算處理程式係用以將該類比數位轉換程式輸出之數位訊號，運算出CIE色度座標及亮度之數值再輸出；該顯示器係與該可程式化單晶片電性連接，用以顯示該運算處理程式運算出之數值；藉由上述技術手段，亦可不使用複雜昂貴之儀器進行量測，即簡易並快速地量測出任一光源之CIE色度座標及亮度。

上述可量測光之色度座標與亮度之裝置中，可具有三光偵測器，且該等光偵測器可為以光二極體所製成，用以檢知該光源，並分別輸出對應該光源之紅、綠、藍光亮度之電訊號；藉此，可提升該量測裝置之功能性與便利性。

依據本發明技術思想所提供之一種可量測光之色度座標與亮度之方法，係先以一額定電流驅動一光源，再使用一光譜儀與一積分球，量測該光源紅、綠、藍光波長範圍之光譜，進而得到該光源在RGB表色系統之三第一刺激值R₀ 、G₀ 、B₀ ，接著透過CIE 1931二度角色彩相稱函數(CIE 1931 2-deg XYZ Color Matching Functions)，將各該光譜在XYZ表色系統之刺激值相加，得到該光源在XYZ表色系統之三第二刺激值X₀ 、Y₀ 和Z₀ ，將R₀ 、G₀ 、B₀ 、X₀ 、Y₀ 和Z₀ 分別代入以下一第一方程式之R、G、B、X、Y和Z等參數中：

得到以下一參數矩陣：

該參數矩陣係用以將任一含有三原色波長之光源在RGB表色系統之刺激值轉換為XYZ表色系統之刺激值；利用至少一光偵測器量測出分別對應一待測光源之紅、綠、藍光亮度的電壓V_r 、V_g 、V_b ，再利用以下用以轉換該待測光源之紅、綠、藍光強度對應電壓與RGB表色系統刺激值之一第二方程式：

將V_r 、V_g 、V_b 代入該第二方程式之V_R 、V_G 、V_B 等參數中，得到該待測光源在RGB表色系統之一第一色度座標(R_t ，G_t ，B_t )即為該待測光源之紅、綠、藍光的亮度；利用以下一第三方程式：

運算出該待測光源於XYZ表色系統之一第二色度座標(X_t ，Y_t ，Z_t )；利用一第四方程式，以及一第五方程式，換算出該待測光源之一二次元色度座標(x，y)。

有關本發明所提供之可量測光之色度座標與亮度之裝置與方法的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。

以下將藉由所列舉之實施例配合隨附之圖式，詳細說明本發明之技術內容及特徵，其中：第一圖為本發明一第一較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；第二圖為本發明該第一較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之方法之步驟方塊圖；第三圖為本發明一第二較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；第四圖為本發明一第三較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；以及第五圖為本發明該第三較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之可程式化單晶片之步驟方塊圖。

如第一圖所示，本發明一第一較佳實施例所提供之可量測光之色度座標與亮度之裝置10，包含有一光電轉換電路20、一處理單元30，以及一液晶顯示器40。

該光電轉換電路20具有檢知一光源，並輸出對應該光源所包含不同波長亮度之光電訊號的功能。該光電轉換電路20包含有三光偵測二極體22、三低通濾波器24，以及三第一放大器26；各該光偵測二極體22係用以檢知一光源裝置50所發射出人眼可見之光線，依所接收到不同波長之光訊號，分別偵測出其中紅、綠、藍光之亮度，並轉換為與亮度相對應之光電流或光電壓等電訊號後，分別輸出至各該低通濾波器24；各該低通濾波器24電性連接各該光偵測二極體22及各該第一放大器26，各該低通濾波器24分別接收該光偵測二極體22輸出之各該電訊號後，濾除其中來自電路環境噪音之高頻雜訊，而得到較穩定之該電訊號，再輸出至該第一放大器26；該等第一放大器26係電性連接該處理單元30，各該第一放大器26分別接收各該低通濾波器24輸出之該電訊號，並加以放大，再輸出至該處理單元30。當然該些濾波器24並非本發明所需具備之必要條件，若電路設計上即有高品質的環境噪音隔離設備，省去該些濾波器24可減少濾波造成的功率衰減，亦可同時省去濾波元件所佔的電路空間，以及訊號於電路後級所需經過放大器的放大功率；不但減少電路體積且可降低電路成本，亦仍然可達成本發明所欲達成之功效。

該處理單元30包含有一多工處理器32、一第二放大器34、一類比數位轉換器36，以及一運算處理器38；該處理單元30接收該等第一放大器26輸出之該些電訊號，先由該多工處理器32選擇性地切換導通各該光偵測二極體22，以將各該電訊號切換輸出至該第二放大器34；該第二放大器34接收該多工處理器32輸出之電訊號，將其加以放大而增加其解析度後，再輸出至該類比數位轉換器36；該類比數位轉換器36接收該第二放大器34輸出之電訊號，將其轉換為一數位訊號後，再輸出至該運算處理器38；該運算處理器38具有一可程式化單晶片，可藉由撰寫並儲存於內部之程式，對該類比數位轉換器36輸出之該數位訊號運算出該光源裝置50所發射出之光線的CIE色度座標及亮度。

該液晶顯示器40係電性連接該處理單元30，用以接收並處理該運算處理器38輸出之訊號，將該光源裝置50所發射出之光線的CIE色度座標及亮度顯示出來。

以上係為本實施例所提供之可量測光之色度座標與亮度之裝置10，其中該運算處理器38內，所寫入之運算處理程式，係量測光之色度座標與亮度之方法中重要的一環；請參閱第二圖，該運算處理程式所運用之公式求得的方法，以及使用該公式之方法，以一例子介紹如下：以一20mA之電流驅動一為三原色發光二極體(RGB LED)之光源，並使用一光譜儀與一積分球，量測該光源紅、綠、藍光波長範圍之光譜，進而得到該光源在RGB表色系統之三第一刺激值R₀ 、G₀ 、B₀ ；再透過CIE 1931二度角色彩相稱函數(CIE 1931 2-deg XYZ Color Matching Functions)，將各該光譜在XYZ表色系統之刺激值相加，得到該光源在XYZ表色系統之三第二刺激值X₀ 、Y₀ 和Z₀ ；將R₀ 、G₀ 、B₀ 、X₀ 、Y₀ 和Z₀ 分別代入以下一第一方程式之R、G、B、X、Y和Z等參數中：得到以RGB表色系統轉換為XYZ表色系統之參數矩陣因此該參數矩陣可用以將任一RGB LED光源在RGB表色系統之刺激值轉換為XYZ表色系統之刺激值；再者，以下一第二方程式：係任一RGB LED光源在RGB表色系統之刺激值與用以偵測紅、綠、藍光亮度之光二極體產生之對應電壓訊號，兩者間之轉換式；當前述該可量測光之色度座標與亮度之裝置10偵測到該光源裝置50所發射出之光線，並量測出其中紅、藍、綠光所分別對應之電壓值V_r 、V_g 、V_b ，該處理單元30內該類比數位轉換器36將該等電壓值轉換數位訊號後，輸入至該運算處理器38，其利用該第二方程式，將該等電壓值V_r 、V_g 、V_b 分別代入該第二方程式之三電壓參數V_R 、V_G 、V_B ，則可運算出該光源裝置50所發射出之光線中，分別代表紅、藍、綠光之三亮度值R_t 、G_t 和B_t ；該運算處理器38內另利用了以下一第三方程式：並運用前述求得之該參數矩陣，將該第二方程式運算出之該等亮度值R_t 、G_t 和B_t 換算為相對應之三XYZ表色系統刺激值X_t 、Y_t 和Z_t ，亦可表示為該光源裝置50所發射出之光線在XYZ表色系統之一色度座標(X_t ，Y_t ，Z_t )；該運算處理器38內並還利用以下一第四方程式：以及以下一第五方程式：將該第三方程式運算出之三刺激值X_t 、Y_t 和Z_t 換算為相對應之二數值x、y，亦可表示為該光源裝置50所發射出之光線之一二次元色度座標(x，y)。

藉此，該可量測光之色度座標與亮度之裝置10之該運算處理器38，輸出該光源裝置50所發射出之光線中，分別代表紅、藍、綠光之該等亮度值R_t 、G_t 和B_t ，以及代表CIE色度座標之該等數值x、y所對應之訊號，該液晶顯示器40接收後，將各該值顯示出來。

值得一提的是，本實施例中，該光電轉換電路20係以三個該光偵測二極體22，達到檢知該光源裝置50所發射出之光線，並輸出對應其中紅、綠、藍光亮度之訊號的功能，然而，實際上達成該功能之方式並不以此為限，亦可使用以下所舉之一第二較佳實施例所利用之方式。

如第三圖所示，本發明之該第二較佳實施例所提供之可量測光之色度座標與亮度之裝置60，與前述該第一較佳實施例所提供之裝置10的差別僅在於光電轉換電路的部份，其餘部分均與該裝置10相同。本實施例之光電轉換電路70，包含有一偵測範圍可涵蓋紅、綠、藍光波長之光偵測器72，以及如上述實施例所提供用以對應處理各光波長之三低通濾波器74及三第一放大器76。

該光偵測器72係用以檢知該光源裝置50所發射出人眼可見之光線，將所接收到不同波長之光訊號，分別轉換為電壓訊號後，輸出至各該低通濾波器74與各該第一放大器76。

藉此，本實施例之光電轉換電路70亦可達到檢知該光源裝置50所發射出之光線，並藉由如該第一較佳實施例中所述之處理單元30以多工控制切換輸出對應其中紅、綠、藍光亮度之電訊號，再由該處理單元30進行放大處理、數位類比轉換以及運算處理，最後再由如該第一較佳實施例中所述之液晶顯示器40將運算出之數值顯示出來，即可達到量測該光源裝置50所發射出之光線的色度座標及亮度之功能。

再者，前述該第一較佳實施例中，該處理單元30係以該多工處理器32、該第二放大器34、該類比數位轉換器36，以及該運算處理器38，達到將輸入之訊號做多工、放大處理，以及數位類比轉換，並進行運算的功能，然而，實際上達成該功能之方式並不以此為限，亦可使用以下所舉之一第三較佳實施例所利用之方式。

如第四圖所示，本發明之該第三較佳實施例所提供之可量測光之色度座標與亮度之裝置80，與前述該第一較佳實施例所提供之裝置10的差別僅在於處理單元的部份，其餘部分均與該裝置10相同。本實施例之處理單元係為一可程式化單晶片90，可撰寫並儲存有一多工處理程式、一放大程式、一類比數位轉換程式，以及一運算處理程式，分別依序進行多工處理、放大處理、類比數位轉換處理，以及運算處理之步驟，如第五圖所示；意即，該等程式之功能係分別與該第一實施例中該多工處理器32、該第二放大器34、該類比數位轉換器36，以及該運算處理器38相同。

藉此，本實施例之該可程式化單晶片90，亦可達到接收如該第一或第二較佳實施例中所述之該光電轉換電路20,70輸出之訊號，並進行多工、放大處理、數位類比轉換，以及運算處理的功能，最後再由如該第一較佳實施例中所述之液晶顯示器40將運算出之數值顯示出來，即可達到量測該光源裝置50所發射出之光線的色度座標及亮度之功能。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

[第一較佳實施例]

10．．．可量測光之色度座標與亮度之裝置

20．．．光電轉換電路

22．．．光偵測二極體

24．．．低通濾波器

26．．．第一放大器

30．．．處理單元

32．．．多工處理器

34．．．第二放大器

36．．．類比數位轉換器

38．．．運算處理器

40．．．液晶顯示器

50．．．光源裝置

[第二較佳實施例]

50．．．光源裝置

60．．．可量測光之色度座標與亮度之裝置

70．．．光電轉換電路

72．．．光偵測器

74．．．低通濾波器

76．．．第一放大器

[第三較佳實施例]

50．．．光源裝置

80．．．可量測光之色度座標與亮度之裝置

90．．．可程式化單晶片

第一圖為本發明之第一較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；

第二圖為本發明之第一較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之方法之步驟方塊圖；

第三圖為本發明之第二較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；

第四圖為本發明之第三較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之方塊圖；以及

第五圖為本發明之第三較佳實施例所提供之可量測光之色度座標及亮度之裝置之可程式化單晶片之步驟方塊圖。

10．．．可量測光之色度座標與亮度之裝置

20．．．光電轉換電路

22．．．光偵測二極體

24．．．低通濾波器

26．．．第一放大器

30．．．處理單元

32．．．多工處理器

34．．．第二放大器

36．．．類比數位轉換器

38．．．運算處理器

40．．．液晶顯示器

50．．．光源裝置

Claims

一種可量測光之色度座標與亮度之裝置，用以量測人眼可見光源之色度座標，該裝置包含有：至少一光偵測器，係用以檢知上述光源，並輸出多數對應該光源之不同波長範圍之電訊號；一多工器，用以接收該光偵測器輸出之電訊號，將不同之電訊號選擇性切換輸出；一類比數位轉換器，係與該多工器電性連接，以接收該多工器輸出之電訊號，將其轉換為數位訊號後再輸出；一運算處理器，係與該多工器及類比數位轉換器電性連接，以控制該多工器切換接收該光偵測器輸出之不同電訊號，以及接收該類比數位轉換器輸出之數位訊號，將該些數位訊號轉換出CIE色度座標及亮度之數值再輸出；以及一顯示器，係與該運算處理器電性連接，以顯示該處理器運算出之數值。
如申請專利範圍第1項所述之可量測光之色度座標與亮度之裝置，係具有三光偵測器，該等光偵測器係為以光二極體所製成，用以檢知該光源，並分別輸出對應該光源之紅、綠、藍光亮度之電訊號。
如申請專利範圍第1或2項所述之可量測光之色度座標與亮度之裝置，其中該運算處理器係為一可程式化單晶片，該可程式化單晶片儲存有將RGB表色系統轉換為XYZ表色系統之一參數矩陣。
如申請專利範圍第3項所述之可量測光之色度座標與亮度之裝置，其中該光偵測器為對應該光源不同波長範圍輸出不同之電壓訊號，該可程式化單晶片儲存有將不同波長對應之電壓訊號轉換為RGB表色系統之一轉換式。
一種可量測光之色度座標與亮度之裝置，用以量測人眼可見光源之色度座標，該裝置包含有：至少一光偵測器，係用以檢知上述光源，並輸出多數對應該光源之不同波長範圍之電訊號；一可程式化單晶片，內部包含有複數個程式，係用以接收該光偵測器輸出之電訊號，並分別以其該等程式依序對該些電訊號作處理，該等程式依序為：一多工處理程式，係用以將該光偵測器輸出之不同電訊號選擇性切換輸出；一類比數位轉換程式，係用以將該多工處理程式輸出之電訊號，轉換為數位訊號後再輸出；以及一運算處理程式，係用以將該類比數位轉換程式輸出之數位訊號，運算出CIE色度座標及亮度之數值再輸出；以及一顯示器，係與該可程式化單晶片電性連接，用以顯示該運算處理程式運算出之數值。
如申請專利範圍第5項所述之可量測光之色度座標與亮度之裝置，係具有三光偵測器，且該等光偵測器係為以光二極體所製成，用以檢知該光源，並分別輸出對應該光源之紅、綠、藍光亮度之電訊號。
一種可量測光之色度座標與亮度之方法，包含下列步驟：a)提供一涵蓋紅、綠、藍三原色波長範圍之光源；b)使用一光譜儀與一積分球，分別量測該光源紅、綠、藍光波長範圍之光譜，進而得到該光源在RGB表色系統之三第一刺激值R₀ 、G₀ 、B₀ ；c)透過CIE 1931二度角色彩相稱函數，將各該光譜在XYZ表色系統之刺激值相加，得到該光源在XYZ表色系統之三第二刺激值X₀ 、Y₀ 和Z₀ ；d)將該光源之該等第一刺激值R₀ 、G₀ 、B₀ ，以及該等第二刺激值X₀ 、Y₀ 和Z₀ 分別代入以下一第一方程式之R、G、B、X、Y和Z等參數中：得到以下一參數矩陣：該參數矩陣用以將任一含有三原色波長之光源在RGB表色系統之刺激值轉換為XYZ表色系統之刺激值；e)利用至少一光偵測器量測出分別對應一待測光源之紅、綠、藍光亮度的第一電壓V_r 、第二電壓V_g ，以及第三電壓V_b ；f)利用以下用以轉換該待測光源之紅、綠、藍光亮度對應電壓與RGB表色系統刺激值之一第二方程式：將步驟e)量測到之該等電壓V_r 、V_g 、V_b 代入該第二方程式之V_R 、V_G 、V_B 等參數中，得到該待測光源在RGB表色系統之一第一色度座標(R_t ，G_t ，B_t )，即為該待測光源之紅、綠、藍光的亮度；g)利用以下一第三方程式：運算出該待測光源於XYZ表色系統之一第二色度座標(X_t ，Y_t ，Z_t )；h)利用一第四方程式：以及一第五方程式：換算出該待測光源之一二次元色度座標(x，y)。