一種基于ccd的led芯片顯微表面亮度的測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量方法，涉及LED亮度測(cè)量。1)獲取亮度標(biāo)準(zhǔn)值；2)獲取亮度測(cè)量值；3)測(cè)量LED芯片顯微表面亮度。彌補(bǔ)現(xiàn)有的LED芯片表面亮度量化測(cè)量的空缺，可以對(duì)LED芯片表面的亮度分布進(jìn)行測(cè)量。在一定曝光時(shí)間下，只需獲取圖像的灰度值，就能準(zhǔn)確有效地測(cè)量出LED芯片顯微表面的亮度分布情況，并能對(duì)LED芯片顯微表面的亮度進(jìn)行量化分析。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及LED亮度測(cè)量，尤其是涉及一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測(cè) 量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 發(fā)光二極管(LED)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外普遍關(guān)注的新興發(fā)光器件。近年來(lái)LED照明產(chǎn)業(yè)迅 速發(fā)展，光效不斷增加，亮度進(jìn)一步提高，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)普及。LED以其高亮度、長(zhǎng) 壽命、小體積、安全環(huán)保，已經(jīng)在顯示、背光、照明等許多領(lǐng)域取代了傳統(tǒng)光源 [M.H.Crawford, uLEDs for solid-state lighting:Performance challenges and recent advances IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. ,vol.l5,no.4,pp.l028-1040，Jul.-Aug. 2009. ] JED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)。當(dāng)有電流流經(jīng)LED器件時(shí)，P-N 結(jié)有源區(qū)自由電子與空穴產(chǎn)生復(fù)合，并釋放出光能[E . F . Schubert，Light-Emitting Diodes ·Cambridge，U.K:Cambridge Univ.Press，2006 ·]。不同于傳統(tǒng)光源，LED點(diǎn)光源的高 亮度和窄光束輸出等性質(zhì)應(yīng)用于照明器具時(shí)，若不對(duì)光輸出角加以嚴(yán)格控制就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈 的炫光。更有甚者，某些高亮度的LED產(chǎn)品還會(huì)對(duì)人體造成一定的危害性光輻射，因此LED亮 度的測(cè)量不僅對(duì)安全合理使用LED光源有指導(dǎo)性意義，同時(shí)，還可為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)安全可靠的 LED光源提供準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
[0003] 目前，常用的LED亮度的測(cè)量方法包括：
[0004] (1)根據(jù)亮度的定義，配合照度計(jì)進(jìn)行亮度測(cè)量。
[0005] 亮度是定義成單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。假設(shè)某發(fā)光體有效發(fā)光面積為A，將照 度計(jì)放置于距該發(fā)光體正前方1長(zhǎng)度處，且所測(cè)照度為E，則發(fā)光面上的亮度為：
[0006]
[0007]其中，L為發(fā)光面上的亮度，I為發(fā)光面上的發(fā)光強(qiáng)度。
[0008] (2)配合成像式亮度計(jì)，利用成像法進(jìn)行亮度測(cè)量。
[0009] 方法（1)適合于面積較大的發(fā)光面的某一部分的光亮度的測(cè)量，且整個(gè)測(cè)試系統(tǒng) 的測(cè)量誤差較大。方法（2)適用于發(fā)光面較小而又不能靠近發(fā)光體的光源亮度的測(cè)量。同 樣，兩種方法都要求亮度計(jì)或照度計(jì)與發(fā)光面的距離比發(fā)光面的最大線度大得多，以保證 照度與距離的平方反比法則條件適用。
[0010] 然而，常用的LED亮度測(cè)量方法卻很少能夠?qū)︼@微LED芯片表面亮度進(jìn)行量化的測(cè) 量。對(duì)LED芯片表面亮度的量化測(cè)量，能夠直觀反映出芯片表面發(fā)光的均勻性情況，并間接 地反映出芯片表面的載流子分布以及位錯(cuò)等缺陷的分布情況。最終，能夠?yàn)榘雽?dǎo)體發(fā)光材 料的生長(zhǎng)以及半導(dǎo)體發(fā)光材料的缺陷控制提供重要的數(shù)據(jù)參考。因此，提出一種能夠?qū)崟r(shí) 量化地測(cè)量微觀LED芯片表面發(fā)光亮度的可行性辦法就顯得尤為迫切。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了彌補(bǔ)現(xiàn)有的LED芯片表面亮度量化測(cè)量的空缺，本發(fā)明提供一種基于CCD的 LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量方法。
[0012]本發(fā)明包括以下步驟：
[0013] 1)獲取亮度標(biāo)準(zhǔn)值，具體方法如下：
[0014] 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置的溫控源與光譜儀，利用電流源供給LED電流，并將發(fā)光的LED放置 于積分球的一側(cè)開(kāi)孔處，再在積分球另一側(cè)開(kāi)孔處形成一個(gè)均勻發(fā)光面，利用成像光度探 頭采集發(fā)光面的光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸至光譜儀進(jìn)行分析，得到一系列電流點(diǎn)下相應(yīng)的 亮度標(biāo)準(zhǔn)值L;
[0015] 2)獲取亮度測(cè)量值，具體方法如下：
[0016] 將成像光度探頭替換為攝像頭，設(shè)置攝像頭的曝光時(shí)間，并利用攝像頭對(duì)一系列 電流點(diǎn)下的發(fā)光面進(jìn)行拍照，再獲取對(duì)應(yīng)電流點(diǎn)下的圖像灰度值；
[0017] 在成像系統(tǒng)中，攝像頭所測(cè)的目標(biāo)亮度標(biāo)準(zhǔn)值與圖像灰度值以及攝像頭曝光時(shí)間 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1)所示(參見(jiàn)文獻(xiàn):陳仲林，翁季，胡英奎.用數(shù)碼相機(jī)測(cè)量亮度分布[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2005，16(3): 11-14.):
[0018]
[0019] 其中，F(xiàn)為相機(jī)光圈數(shù)，τ為光透過(guò)率，為常數(shù)。 Π -τη
[0020] 對(duì)式(1)中的^進(jìn)行二次展開(kāi)后，式(1)可轉(zhuǎn)化為：
[0021]
[0022] 其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定。
[0023] 在保持光圈不變的情況下，亮度標(biāo)準(zhǔn)值L僅與曝光時(shí)間Τ和圖像灰度值D有關(guān)，為了 區(qū)分常量與變量，將曝光時(shí)間Τ記為t。則式(2)可轉(zhuǎn)化為：
[0024]
[0025]其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)。此時(shí)，根據(jù)式(3)，便可計(jì)算出亮度測(cè)量值L。
[0026] 3)測(cè)量LED芯片顯微表面亮度，具體方法如下：
[0027] 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對(duì)LED芯片進(jìn)行顯微拍照，獲取LED芯片的 顯微表面圖像;在一定的曝光時(shí)間t下，獲取圖像上某個(gè)像素點(diǎn)(x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù) 式(3)，便可計(jì)算出該像素點(diǎn)(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0028] 本發(fā)明可以對(duì)LED芯片表面的亮度分布進(jìn)行測(cè)量。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是:在一定曝光時(shí)間下，只需獲取圖像的灰度值，就能準(zhǔn)確有效 地測(cè)量出LED芯片顯微表面的亮度分布情況，并能對(duì)LED芯片顯微表面的亮度進(jìn)行量化分 析。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是本發(fā)明測(cè)量均勻發(fā)光面亮度標(biāo)準(zhǔn)值的實(shí)驗(yàn)原理圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明測(cè)量均勻發(fā)光面實(shí)際亮度值的實(shí)驗(yàn)原理圖。
[0032]圖3是不同曝光時(shí)間下亮度值與灰度值的擬合曲線。
[0033]圖4是歸一化曝光時(shí)間下亮度值與灰度值的擬合曲線。
[0034]圖5是"亮度值一灰度值擬合函數(shù)"的系數(shù)與擬合次數(shù)的關(guān)系。
[0035] 在圖1和2中，各標(biāo)記為：1-成像光度探頭、2-積分球、3-LED、4-LED溫控儀、5-溫控 源、6-光譜儀、7-電流源、8-電腦、9-光纖、10-攝像頭。
【具體實(shí)施方式】
[0036]本發(fā)明實(shí)施例包括以下步驟：
[0037] 1)獲取亮度標(biāo)準(zhǔn)值，具體方法如下：
[0038] 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置的溫控源5與光譜儀6,利用電流源7供給LED 3電流，并將發(fā)光的LED 3放置于積分球2的一側(cè)開(kāi)孔處，再在積分球2另一側(cè)開(kāi)孔處形成一個(gè)均勻發(fā)光面，利用成像 光度探頭1采集發(fā)光面的光信號(hào)，并通過(guò)光纖9傳輸至光譜儀6進(jìn)行分析，得到一系列電流點(diǎn) 下相應(yīng)的亮度標(biāo)準(zhǔn)值L;
[0039] 2)獲取亮度測(cè)量值，具體方法如下：
[0040] 將成像光度探頭1替換為攝像頭10,設(shè)置攝像頭10的曝光時(shí)間T，并利用攝像頭10 對(duì)一系列電流點(diǎn)下的發(fā)光面進(jìn)行拍照，再獲取對(duì)應(yīng)電流點(diǎn)下的圖像灰度值D;
[0041] 在成像系統(tǒng)中，攝像頭10所測(cè)的目標(biāo)亮度標(biāo)準(zhǔn)值L與圖像灰度值D以及攝像頭10曝 光時(shí)間T的對(duì)應(yīng)關(guān)系如式（1)所示(參見(jiàn)文獻(xiàn):陳仲林，翁季，胡英奎.用數(shù)碼相機(jī)測(cè)量亮度分 布[J].照明工程學(xué)報(bào)，2005,16(3): 11-14.):
[0042]
[0043]其中，F(xiàn)為相機(jī)光圈數(shù)，τ為光透過(guò)率，v和m為常數(shù)。
[0044] 對(duì)式(1)中的進(jìn)行二次展開(kāi)后，式(1)可轉(zhuǎn)化為：
[0045]
[0046] 其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定。
[0047] 在保持光圈不變的情況下，亮度標(biāo)準(zhǔn)值L僅與曝光時(shí)間Τ和圖像灰度值D有關(guān)，為了 區(qū)分常量與變量，將曝光時(shí)間Τ記為t。則式(2)可轉(zhuǎn)化為：
[0048]
[0049] 其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)。此時(shí)，根據(jù)式(3)，便可計(jì)算出亮度測(cè)量值L。
[0050] 3)測(cè)量LED芯片顯微表面亮度，具體方法如下：
[0051] 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對(duì)LED芯片進(jìn)行顯微拍照，獲取LED芯片的 顯微表面圖像;在一定的曝光時(shí)間t下，獲取圖像上某個(gè)像素點(diǎn)(x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù) 式(3)，便可計(jì)算出該像素點(diǎn)(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0052] LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量過(guò)程可以分為3個(gè)部分：
[0053] 1、亮度標(biāo)準(zhǔn)值的獲??；
[0054] 2、亮度測(cè)量值的計(jì)算與誤差分析；
[0055] 3、LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量。
[0056]下面結(jié)合具體實(shí)施例以及附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)論述：
[0057] 1、亮度標(biāo)準(zhǔn)值的獲?。?br>[0058] (1)根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)原理圖連接好實(shí)驗(yàn)裝置，并開(kāi)啟光譜儀6,使其充分預(yù)熱lh;
[0059] (2)開(kāi)啟溫控源5,使得LED溫控儀4能夠正常對(duì)放置于熱沉上的LED 3進(jìn)行溫度控 制；
[0060] (3)將LED光源3放置于積分球2帶有擋板的開(kāi)孔處，并利用電流源7給功率為1W的 LED提供5mA電流。此時(shí)，積分球2另一側(cè)開(kāi)孔處便可以視為均勻發(fā)光面；
[0061] (4)在距離積分球2的1.5m處放置一臺(tái)三腳架，并將成像光度探頭1放置于三腳架 頂部。將成像光度探頭1的檔位撥至"VIEW"，利用人眼觀察均勻發(fā)光面是否在視野范圍之 內(nèi)。調(diào)整三腳架的高度與水平，確保積分球2的開(kāi)孔均勻發(fā)光面中心位于成像光度探頭1的 十字光標(biāo)處；
[0062] (5)將成像光度探頭1的檔位撥至"MEASURE"，將測(cè)量檔位調(diào)整到"3"。成像光度探 頭1采集光信號(hào)，并通過(guò)光纖9傳輸至光譜儀6進(jìn)行分析。利用電腦8的光譜儀6原配軟件 SpecWin測(cè)量出光譜的亮度。此時(shí)，所采集的亮度值即為亮度標(biāo)準(zhǔn)值；
[0063] (6)改變電流源7的輸出電流，分別測(cè)量出511^，1〇11^，1511^，...，34511^，35〇11^共70 個(gè)電流點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的亮度標(biāo)準(zhǔn)值L。
[0064] 2、亮度測(cè)量值的計(jì)算與誤差分析：
[0065] (1)在相同條件下，將實(shí)驗(yàn)儀器按照實(shí)驗(yàn)原理圖2進(jìn)行連接。其中，將成像光度探頭 1替換為攝像頭10。
[0066] (2)同樣，要求攝像頭10中心與積分球2的開(kāi)孔均勻發(fā)光面中心平齊，然后調(diào)整攝 像頭10與發(fā)光面的距離，使得攝像頭10能夠正確聚焦。
[0067] (3)對(duì)攝像頭10進(jìn)行白平衡校正，并設(shè)置曝光時(shí)間為lms。改變電流源7的輸出電 流，利用攝像頭10分別拍攝5mA，10mA，15mA，...，345mA，350mA共70個(gè)電流點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的圖 像。
[0068] (4)剔除存在R、G、B三基色分量飽和的圖像，并取所拍攝圖像正中間10%的像素點(diǎn) 進(jìn)行去噪等校正處理，以防止因鏡頭畸變產(chǎn)生較大誤差。然后，根據(jù)灰度值D的浮點(diǎn)算法D = R · 0 · 3+G · 0.59+B · 0.11，計(jì)算出每個(gè)電流點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的灰度值D。
[0069] (5)根據(jù)每個(gè)電流點(diǎn)下所對(duì)應(yīng)的灰度值與亮度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合，得到 一條擬合曲線。改變攝像頭1 〇的曝光時(shí)間，以同樣的方法分別得到lms、2ms、3ms、4ms、5ms的 曝光條件下的5條擬合曲線，如圖3所示。在暗室環(huán)境下，灰度值為0時(shí)所測(cè)得亮度值也為0。 故，設(shè)置擬合曲線的擬合方程形如y=A · x2+B · X。經(jīng)曲線擬合，5條擬合曲線中方最小R2值 為0.9996，具有很高的擬合度。
[0070] (6)將5條擬合曲線對(duì)曝光時(shí)間t進(jìn)行歸一化，如圖4所示。歸一化后方程的兩個(gè)系 數(shù)分別取平均，得到A為0.0273; B為5.7424，如圖5所示;可得，亮度值L的預(yù)測(cè)曲線為
[0071]
[0072] 其中，L為亮度值，D為灰度值，t為曝光時(shí)間。
[0073] 根據(jù)亮度值擬合曲線，隨機(jī)挑選5個(gè)電流點(diǎn)進(jìn)行誤差分析，最大誤差不超過(guò)3%，可 見(jiàn)利用這種方法對(duì)亮度進(jìn)行預(yù)測(cè)具有很好的準(zhǔn)確性，如表1所示。
[0074] 表 1
[0075] _
[0076] 3、LED芯片顯微表面亮度的測(cè)量：
[0077] (1)攝像頭10連接光學(xué)顯微鏡目鏡，在暗室中對(duì)發(fā)光的LED進(jìn)行拍照，獲得LED的顯 微表面圖像；
[0078] (2)在一定的曝光時(shí)間t下，獲得圖像上某個(gè)像素點(diǎn)(x，y)的灰度值D(x，y)。根據(jù)式 (4)，便可計(jì)算出該像素點(diǎn)(x，y)的亮度值L(x，y)。因此，通過(guò)獲取顯微表面圖像上像素點(diǎn)所 對(duì)應(yīng)的灰度值，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED芯片顯微表面亮度值的測(cè)量。
[0079]綜上所述，利用本發(fā)明可以準(zhǔn)確而又高效地測(cè)量出LED芯片顯微表面的亮度分布 情況。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于CCD的L邸忍片顯微表面亮度的測(cè)量方法，其特征在于包括w下步驟： 1) 獲取亮度標(biāo)準(zhǔn)值，具體方法如下： 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)裝置的溫控源與光譜儀，利用電流源供給LED電流，并將發(fā)光的LED放置于積 分球的一側(cè)開(kāi)孔處，再在積分球另一側(cè)開(kāi)孔處形成一個(gè)均勻發(fā)光面，利用成像光度探頭采 集發(fā)光面的光信號(hào)，并通過(guò)光纖傳輸至光譜儀進(jìn)行分析，得到一系列電流點(diǎn)下相應(yīng)的亮度 標(biāo)準(zhǔn)值L 2) 獲取亮度測(cè)量值，具體方法如下： 將成像光度探頭替換為攝像頭，設(shè)置攝像頭的曝光時(shí)間，并利用攝像頭對(duì)一系列電流 點(diǎn)下的發(fā)光面進(jìn)行拍照，再獲取對(duì)應(yīng)電流點(diǎn)下的圖像灰度值； 在成像系統(tǒng)中，攝像頭所測(cè)的目標(biāo)亮度標(biāo)準(zhǔn)值與圖像灰度值W及攝像頭曝光時(shí)間的對(duì) 應(yīng)關(guān)系如式(1)所示：其中，F(xiàn)為相機(jī)光圈數(shù)，τ為光透過(guò)率，V和m為常數(shù)； 對(duì)式(1)中的進(jìn)行二次展開(kāi)后，式(1)轉(zhuǎn)化為：其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定； 在保持光圈不變的情況下，亮度標(biāo)準(zhǔn)值L僅與曝光時(shí)間Τ和圖像灰度值D有關(guān)，為了區(qū)分 常量與變量，將曝光時(shí)間巧己為t，則式(2)轉(zhuǎn)化為：其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)，此時(shí)，根據(jù)式(3)，便計(jì)算出亮度測(cè)量值L 3) 測(cè)量L邸忍片顯微表面亮度，具體方法如下： 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對(duì)Lm)忍片進(jìn)行顯微拍照，獲取Lm)忍片的顯微 表面圖像;在一定的曝光時(shí)間t下，獲取圖像上某個(gè)像素點(diǎn)（x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù)式 (3)，便計(jì)算出該像素點(diǎn)(x，y)的亮度值L(x，y)。
【文檔編號(hào)】G01M11/02GK105973571SQ201610268420
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】高玉琳, 嚴(yán)威, 肖菁菁, 鄭莉莉, 呂毅軍, 陳忠
【申請(qǐng)人】廈門(mén)大學(xué)