TWI354778B - Quantum efficiency measurement apparatus and quant - Google Patents

Description

1354778 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於用來測定對象物的量子效率之裝 Y-【先前技術】 近年來螢光燈或顯示器的開發進步快速。伴隨著這樣 的開發，做為將用於這些螢光燈或顯示器的螢光體性能做 ^正確地評價的指標’―般著眼於量子效率。—般來說， 量子效率的意思是指螢光發光的光量子數被對象物（典型 上是螢光體）吸收的光量子數所佔的比例。 、 像這樣的測定量子效率的典型方法’在“大久保、重 田「NBS #準螢光體的量子效率測定」中揭露了螢光體量 子效率的測定光學組件。而代替這樣的這樣的架構， ^ 09-292281號公報（㈣文獻n、特開平ΐ(Μ42ι^ 號Α報（專利文獻2)以及特開平1Q 293㈣號公報（專 利文獻3)等都提出了用來測定量子效率的架構及方法。 關於上述習知技術的量子效率測定裴置，不管是哪一 種都要使用用來捕捉對象物（螢光體）所發的螢光的積分 球。-般來說，因為螢光體所發出的螢光微弱，要提高測 定精度’最好使用直徑更小的積分球。 另外這些積分球内部會設有遮光板，用來抑制螢光體 所發的螢光及/或發光體表面的反射光直接人射檢出器。 專利文獻1 :特開平09-292281號公報 //δ 線以既定的角度朝第3窗照射。 Μ土的疋洌疋對象物為封入具有透光性的容器内的液 體，配置於光源的光軸上。 另外較佳的是上述測定對象物全體收納於上述半球部 内0 較佳的是半球部包括第3窗’設置於與通過半球部的 -·參：中^的平面鏡法線相交的位4，並且用來安裝測 疋對象物及標準體。第〗脔 所 第1由5又置於平面鏡上的半球部的實 貝曲率中心的位置。測 —j疋對象物為封入具有透光性的筒狀 谷益内的液體，筒狀玄翌 门狀合益女裝於第3窗的表面是由具有透 =所構成’一—光反射性的 再根據本發明另一個新顆特徵的量子效率測定 括以下步驟：準偌+ 、.、 旱備包括内面具有光擴散反射層的半球部、 以通過半球部的實、 + 、羊中心並且盍住半球部的開口部的 方式配置的平面镑的壯. •見的裝置，女裝測定對象物於設置 平面鏡的半球部督晳ώ、玄，+ 、“… 貝曲率中心的位置的第1窗；將激發光 通過设置於半球部的第 ό ® 對平面鏡的法線以既定的角 度朝測定對象物昭私.泳、ra n 〜 ’、、、，，透過設置於與平面鏡的第1窗有一 定距離的位置的笛9 # 的第2固，將測定對象物安裝時的半球部内 的頻謹做為第i頻譜測定；安裝具有已知反射率特性= 準體於第1窗；將激發光通過上述第3窗，對 線以既定的角廑鉬萨唯触μ A J ^ 、. 朝糕4體照射；透過第2窗，將標準體安 裝時的半球部内的頻議 '曰做為苐2頻譜測定；根據第1頻譜 1354778 與第2頻譜，計算出上述測定對象物的量子效率 【貫施方式】 本發明的實施例將參照圖式做詳細說明。圖中相同或 是相當的部份’將會以同一符號標記而不重複說明。 [實施例1 ] 〈相關技術〉 首先為了使本實施例的量子測定裝置更容易理解，參 照第1圖說明與本實施例相關連的量子效率測定裝置。 如第1圖所示，與本實施例相關連的量子效率測定裝 置300測定螢光體等對象物（以下稱「試料〇Bj」）的量 子效率。具體而言量子效率測定裝置300包含積分球3〇2、 遮光板304、受光部306、光纖308、以及分光測定裝置31〇。 在此量子效率測定裝置300，試料〇BJ安被安裝於射至於 積分球302的試料窗312，設於積分球外部的光源（圖中 未顯示）所發出的激發光320過光源窗314照射此試料 此激發光320在低壓水銀螢光燈的情況下會使用2〇〇 〜4〇〇nm 的紫外單色光，在 LED (Light Emitting Diode) 的7員域則使用紫外或可見單色光等。試料OBJ接收激發光 32〇後發出螢光。此試料OBJ所發射的螢光會在積分球302 的内面多重反射並積分（均一化）。又所照射的激發光32〇 P刀也會在试料OBj反射，而此反射的激發光320也 會在積分球302内多重反射。 文光部306透過設於積分球3〇2的觀測窗316，抽出 1354778 積分球302的光的一咅丨 部分’並藉由光纖3〇8導向分光測定

一般來說’在觀測窗316的視角特

分光測定裝置31〇測定在受光部： 譜。也就是分光裝置31 〇測定積分球3〇2 譜）。 另外也會安裝著具有已知反射率特性的標準體REF， 取代試料QBI來做與上述相同的測定。然後根據安裝試料 OBJ時所測定的頻譜與安裝標準體REF時所測定的頻譜， 計算出試料OBJ的量子效率。 如上所述’藉由使用積分球3〇2 ’即使試料〇BJ沒有 如表面具有鏡面性的完全擴散反射特性，也能夠正確地測 定量子效率。又積分球302本身有遮光容器的機能，因此 可以抑制外界光的影響。 但是在量子效率測定裝置300，在試料〇BJ所生的螢 光與試料OBJ反射的一部分激發光320直接入射觀測窗316 的話，因為會造成誤差’所以試料窗31 2與觀測窗31 6之 間設有遮光板304。 一般來說，因為螢光體所發出的螢光微弱，要提高測 定精度，最好使用直徑更小的積分球3 0 2。但使用直徑更 小的積分球302的情況下，由遮光板304所導致的光吸收 影響相對增大，而會對測量精度有不好的影響。也就是因 9 1354778 為遮光板304阻礙了積分球302的内壁面的相互反射或是 因為遮光板304導致的光吸收導致積分效率下降遮光板 304成為測定誤差的主要原因。 〈裝置架構〉 接著參照第2圖及第3圖，說明本實施例的量子效率 測定裝置SYS1。 第2圖所示的量子效率測定裝置SYS1包含半球積分器 100與3十算處理部200。如第3圖所示，半球積分器是 由半球部1與蓋住半球部1的開口部而配置的平面鏡5所 構成。半球部1透過回轉軸104與基部1〇2做可自由轉動 的連接。量子效率測定裝置SYS1更包含用來測定半球部i 的内壁面照度（光譜）的光譜儀6與產生激發光li的光源 7 ° 如後所述，在根據本實施例的量子測定裝置§ Y S 1中， 為量子效率的測定對象的試料OBJ 1以及具有已知反射率 特性的標準體REF 1分別安裝於設於平面鏡5上的試料窗 2。接著根據試料OBJ 1及標準體DEF1分別安裝時光譜儀6 所測定的各自的頻譜，計算出試料OBJ 1的量子效率。 本實施例的量子效率測定裝置SYS1典型上適用於榮 光燈用螢光體或LED用螢光體等固體狀試料的量子效率測 定。又標準體REF1典型上為表面塗布硫酸鋇的物體。試料 0BJ1及標準體REF1兩者的成型都大約與試料窗2的直後 一致。這是因為最好讓半球積分器100實現遮光容器的機 能，達成避免外界光造成的對測定精度影響的目的。又_ 10 1354778 接著說明本實施例的量子效率測定裝置SYS1的積分 機能。如第3圖所示，來自光源7的激發光[1入射安裝於 試料® 2的試料〇Bj i後，因應材質或形狀的比例，試料 0BJ1吸收激發光L1並且該能量的一部分產生螢光。而沒 有被試料0BJ1吸收的激發光L1則在試料〇BJ1反射。包含 試料OBJ 1發出的螢光及在試料〇BJ丨反射的激發光L1的光 束主要朝向半球部1的内面傳播。 另一方面，平面鏡5將半球部1反射後再入射的來自 0BJ1的光束反射，並同時形成半球部i内面的虛像。如上 所述’平面鏡5配置通過半球部1的曲率中心，因此形成 於平面鏡5與半球部1之間的空間為具有一定曲率的半 球。藉由半球部1的内面與平面鏡所生成的虛像，能夠得 到與使用整體積分球相同的照度分佈。換言之，可以視為 激發光L· 1分別照射兩個在積分球内彼此對稱配置的試料 0BJ1。 試料0BJ1所產生的螢光及在試料〇Βη反射的激發光 L1藉由在半球部1及平面鏡5包圍的空間内反覆的反射， 使半球部1的内面照度均一化。測定此均一化的照度（頻 谱）就能夠測定試料0 B J1的量子效率。 如上所述’本實施例的量子效率測定裝置SYSi中，合 成平面鏡5與半球部1之間所形成的空間以及平面鏡5所 生成的此空間虛像的狀態可實質地視為球體。因此，「半 球部的實質曲率中心」的概念是指半球部1整體曲率中心 以外，也包含能夠獲得與上述使用球體積分球時相同的照 1354778 度分佈的附近的位置。 代替試料0BJ1，在安裝標準體REF1於試科窗2時也 能夠獲得相同的積分效果。因為標準體REF1不會產生榮 光’由光源7發射的激發光入射安裝於咸料窗2的標準體 REF1後’會因應標準體REF1的反射率特性反射。 〈試料及標準體的安裝〉 如上所述，試料ΟΒΠ及標準體rEF1安裝於設於平面 鏡5的試料窗2，此時試料0BJ1及標準體REn的安裝最 好使露出面實質上與平面鏡5在半球部這一側的表面（反 射面5a) —致。觀測窗3的開口面與試料或標準體 REF1的露出面實質上不一致的情況下，例如試料〇BJi的 露出面比觀測窗3的開口面還要低陷的情況下，收到激發 光L1而在試料0BJ1產生的螢光以及在試料〇Bji反射的激 發光L1會被觀測窗3的側面吸收而產生誤差。或是試料 OBJ 1的露出面比觀測窗3的開口面還要高起的情況下，該 凸出的部份在半球部1内面的光擴散反射層la與平面鏡5 的反射面5a所構成的積分空間内，會阻礙收到激發光u 而在試料0BJ1產生的螢光以及在試料〇Bji反射的激發光 L1互相反射。 在第3圖所示的架構’因為試料窗2與觀測窗3在同 一平面的平面鏡5上，如果試料〇BJ 1及標準體REF1的露 出面疋平面的話’觀測窗3的觀測視野就不會直接入射螢 光及反射光。因此不需要如第1圖所示的遮光板3〇4的配 置。因此抑制遮光板所造成的光吸收誤差的同時，藉由上 14 述虛像」可以讓半球部1的内壁面照度更加提高。由於 以上兩個作用，使得量子效率能夠以更高的精度測定。 〈測定原理〉 旦接著參照第4(A)圖及第4(B)圖，說明本實施例的 里子效率測定裝置SYS1的測定原理。 —般對於螢光體的試料0BJ1，激發光照射後一部 刀（光里子）被吸收用於螢光發光，同時剩餘的激發光u 在該表面反射。在此激發光L1的波長範圍以〜λΐΗ表 不D式料0BJ1所產生的螢光成份的波長範圍以λ 2L〜入2Η 表示 般來§兒激發光L1是紫外光，螢光是可見光，所以 波長範圍λ 1L〜λΐΗ與；lu〜λ2Η並不會重疊。因此光譜儀6 所測疋的頻譜中，可以將對應個別的波長範圍的成份選擇 地抽出而將兩者分離。 如第4(A)圖所示’激發光li的頻譜以 不。此時以激發光L1照射，從試料0Bj丨產生的螢光成份 的頻譜以P ( λ )表示，在試料0BJ1反射的反射光成份的 頻譜以R( λ)表示。也就是螢光成份的頻譜ρ( 相當 於安裝試料OB J1時光譜儀6所測定的頻譜Ε ( η (又）對 應螢光的波長範圍（λ η〜Λ ΖΗ)的成份，反射光成份的頻 譜R ( λ )相當於光譜儀6所測定的頻譜Ε ((）對應 激發光L1光的波長範圍（λ lL〜λ ιη)的成份。 而如第4(B)圖所示’標準體REFi的反射率特性以 p s( λ )來表不，將具有頻譜E。（ λ )的激發光u照射標 準體REF1，所測定的頻譜為E(2)(入）=ps(A )· Efl(入）。 15 1354778 根據這個式子，激發光L1的頻譜Ε〇(又）可以表示如第（1) 式。 Ε0{λ) = ΈΡ{λ)/ρ8{λ) …（1) 又如第4(A)圖所示，由激發光L1的頻譜Ε〇( λ) 除去在試料OB J1反射的反射光成份頻譜R (又）所剩餘的 成份（光量子）能夠看成是被試料0BJ1所吸收。

因此為了將頻譜（放射能）轉換為光量子數’以he/ λ ( h為普朗克常數，c為光速）除以頻譜，試料OB J1所 吸收的光量子數Ab可以表示如第（2)式。其中k=l/he。 ^2\λ) 、Ps(乂) …（2)

Ab=k^ \λ- \l ^ι\λ)\δλ 又螢光的光量子數Pph可以表示如第（3)式。 \h

Pph=k· \λ·ΈΡ{λ)δλ …（3) hi 因此，試料objl的内部量子效率QEin可以表示如第 (4)式。 秦 QEin=Pph/Ab ... ( 4 ) 〈控制構造〉 接著參照第5圖，說明本實施例的量子效率測定裝置 SYS1的計算處理部200的控制構造。 如第5圖所示’計算處理部2 〇 〇的控制構造包括切換 部202、緩衝器204、206、選擇部（SEL) 208、210、除法 部216、226、初期設定保持部218、加減法部22〇、乘法 16 丄354778 • Ax2’朝著安裝於試料窗9的試料0BJ1或標準體REF1照射。 觀測窗13為用來觀測半球部ία内面照度的開口，設 於與光源窗10有一定的距離的更外圍的位置。然後通過觀 測窗13將光導向光譜儀6 ^觀測窗13限制接收激發光L1 在試料0BJ1產生的螢光及在試料0BJ1反射的激發光以直 接入射光譜儀6。更具體地說，觀測窗13是一種孔徑，此 孔授的開口在半球部1A外部這邊的直徑比起在半球部1 a 内部這邊的直徑大。藉由設置這種限制觀測視野的觀測窗 ® 1 3，不必設置如第1圖所示的遮光板3〇4，就能夠以更高 的精度測定量子效率。 平面鏡5A的其他部份與第3圖所示的平面鏡5相同， 在此不重複說明。關於光譜儀6與光源7如同上述而不重 複說明。而關於光譜儀6與光源7最好是以如第7圖所示 的位置關係配置兩者。 而關於本實施例的量子效率測定裝置SYS2的計算處 φ 理部20〇的控制構造以及使用本實施例的量子效率測定裝 置SYS2的量子效率測定之處理順序的流程，分別與第5圖 及第6圖相同，在此不重複說明。 〈本實施例的效果〉 根據本實施例’採用限制觀測視野的觀測窗，而不需 要在半球積分器内設置用來抑制由試料直接入射的光的遮 光板。因此能夠抑制由於遮光板的光吸收所產生的測定誤 差發生。又根據本實施例，利用平面鏡所生成的虛像，比 起使用具有相同半性的積分球能夠獲得理論上2倍的光強 23 ^54778 度。因此即使限制觀測窗的觀測視野也能夠獲得充分的亮 度。 因此能約以更高的精度測定量子效率。 [實施例3 ] 上述的實施例1及2主要說明了適合固體狀試料的量 子效率測定的架構。另一方面，在實施例3將說明適合液體 狀試料的量子效率測定的架構。 〈相關連技術〉 首先為了使本實施例的量子效率測定裝置更容易理 解’參照第1 0圖說明與本實施例相關連的量子效率測定裝 置。 第10圖所示的與本實施例相關連的量子效率測定裝 置350主要測定液體狀試料OBJ的量子效率。具體來說， 量子效率測定裝置350包含積分球352、支持部354、遮光 板358、^:光部360、光纖362、分光測定裝置364。在此 里子效率測定裝置350中，封入試料的透明容器356藉由 支持部352吊下於積分球352内，設於積分球352外部的 光源（圖中未顯示）通過光源窗366對此試料〇Bj照射激 發光370。試料〇BJ收到此激發光37〇後發射螢光。由此 试料OBJ發射的螢光在積分球352的内面多重反射而積分 (均一化）。文光部3 6 0通過設於積分球3 5 2的觀測窗3 6 8 抽出積分球352的光的一部分，並透過光纖362將其導至 分光測定裝置364。 因為试料〇BJ所產生的螢光及在試料〇BJ所反射的激 24

Claims (1)

1354778 _ 第098120568號卜年斤月^日修⑵替換頁：100年8月3曰修正替換頁 七、申請專利範圍： 1. 一種量子效率測定裝置，包括： 半球部’内面具有光擴散反射層； 平面鏡，以通過上述半球部的實質曲率中心並且蓋住 上述半球部的開口部的方式配置，上述平面鏡包括： 第1囪，6又置於上述半球部的實質曲率中心的位 置’用來安裝測定對象物； 第2窗’設置於與上述第lf具有—定的距離的位

光譜儀，透過上述第2窗測定上述半球部内的頻譜； 光源，將激發光通過設置於上述半球部的第3窗7對 上述平面鏡的法線以既定的角度朝上述第1窗照射； 計算處理部’根據上述測定對象物安裝於上述第工窗 時上述光譜儀所測定的帛1頻譜、及用具有已知反射率特 性的標準體取代上述測㈣象物安裝於上述第1窗時上述 光譜儀所測定的第2頻譜，計算出上述測㈣象物的量子

2·如申請專利範圍第1項所述之量子效率測定裝置 八中上述第1窗的ge>置架構是使上述測定對象物的安裝 以讓上述測定對象物的露出面與上述平面鏡的上述上 部内側面實質上一致。 3.如申請專利範圍第i項或第2項所 定裝置， 丁欢早， 其中上述第2窗包括配置於上述半球部的内部與上述光$ 2075-I0556-PF1 36 1354778 r- 第098120568號 （°°年α 2日修(更_>正替換頁1 〇〇年8月3日修正替換頁 V *·· — *· ·> · m» · - 儀之間的先穿透擴散片。 4. 一種量子效率測定裝置，包括： 半球部’内面具有光擴散反射層； 平面鏡’以通過上述半球部的實質曲率中心並且蓋住 上述半球部的開口部的方式配置，上述平面鏡包括： 第1窗，設置於上述半球部的實質曲率中心附近， 用來安裝測定對象物； • 第2窗，設置於與上述第1窗具有一定的距離的位 八光源’將激發光通過設置於上述第以，朝至少一部 分露出上述半球部内而配置的敎對象物照射； 光譜儀，透過上述第？兹％丨一 L 1 盆 达第2 ®測定上述半球部内的頻譜， ，、中上述第2窗限制由上 上述光譜儀； Μ疋對象物而來的光直接入射

内時所根據上述測定對象物安裝於上述半球部 特性或透= =::1頻譜、及用具有已知反射率 述半球部内時上述光：儀所取：上述測定對象物安裝於上 測定對象物的量子效率。〜的第2頻譜’計算出上述 5.如申請專利範圍第4 其中上述第2窗為—在：斤述之置子效率測定裝置， 球部内側的孔徑大的開口 、求°卩外側的孔徑比在上述半 6·如申請專利範圍第*項 定裝置， 、或第5項所述之量子效率測 2075-J0556-PF] 37 1354778 100年8月3日修正替換頁 第 098120568 號--- (°°年f月}曰修(力正替換頁 其中： ；- 上述半球部包括第3窗，設置於與通過上述半球部的 實質曲率中心的平面鏡法線相交的位置並且用來安裝上 述測定對象物及上述標準體， 上述光源的配置使得上述激發光對上述平面鏡的法線 以既定的角度朝上述第3窗照射。 7. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之量子效率測 定裝置， 其中上述測定對象物為封入具有透光性的容器内的液體， 配置於上述光源的光轴上。 8. 如申明專利範圍第7項所述之量子效率測定裝置， 其中上述測定對象物全體收納於上述半球部内。 9. 如申請專利範圍第4項或第5項所述之量子效率測 定裝置， 其中： 上述半球部包括第3窗，設置於與通過上述半球部的 實質曲率中心的平面鏡法線相交的位置，並且用來安裝上 述測定對象物及上述標準體， 上述第1窗設置於上述平面鏡上的上述半球部的實質 曲率中心的位置， 上述測定對象物為封入具有透光性的筒狀容器内的液 體，上述筒狀容器安裝於上述第3窗的表面是由具有透光 性的材料所構成’其他部份的表面則由具有光反射性的材 料所構成。 2075-l〇556^PF1 38 第 098120568號

100年8月3日修正替換頁 1354778 10. —種量子效率測定方法，包括： 步驟’準備包括内面具有光擴散反射 通過上述半球部的實質曲率中心並且蓋住上述::二 口部的方式配置的平面鏡的裝置； 步驟，安裝測定對象物於設置於包括上述平面鏡的上 述半球部實質曲率中心的位置的第i窗； 步驟，將激發光通過設置於上述半球部的第3窗 上述平面鏡的法線以既定的角度朝上述測定對象物昭射. 步驟，透過設置於與上述平面鏡的上述 距離的位置的第2窗，將上述測定對象物安裝時的上述: 球部内的頻譜做為第1頻譜測定； 窗；步驟，安裝具有已知反射率特性的標準體於上述第〗 步驟，將激發光通過上述第3窗， 線以既^的角度朝上述標準體照射； …面鏡的法 步驟透過第 部内的頻譜做為第2頻譜測定； 上这丰球 步驟’根據上述第！頻譜與上述第2頻 述測定對象物的量子效率β θ 。算出上 2075-10556-PF1 39