CN101566505A - 一种快速计算发光二极管主波长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于发光二极管(LED)色度学参数测量中快速计算主波长的方法，由分区间判断算法和变步长查询算法构成。本发明通过光谱仪的感光器件(CCD)获得被测发光二极管的相对光谱能量分布曲线数据P(λ_i)，根据CIE 19312°

配色函数，计算出其色度坐标。以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，将CIE1931色度图中波长范围在360nm－780nm之间的数据进行分区，根据其色度坐标判断主波长所在的区间和用变步长查询算法，快速计算出被测发光二极管辐射光的主波长，精度为1nm。本发明减少了主波长计算中的运算量，提高了工作效率，用于发光二极管色度参数的在线测量和分选。

Description

一种快速计算发光二极管主波长的方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，主要涉及发光二极管(LED)的色度学参数测试技术，更具体的说是涉及发光二极管(LED)的色度学参数测量中的一种快速计算主波长的方法。

背景技术

发光二极管(LED)是一种把电能直接转换为光能的固体发光器件，它以体积小、耗电低、响应速度快、发光度亮高且调整灵活、使用寿命长、稳定性好、抗震性强等优点被广泛应用于照明、交通指示灯、户外广告显示屏和仪器仪表显示等领域。在发光二极管的应用中，作为一个光源，颜色是影响显示效果的一个关键因素，决定颜色的则是它的波长特性。由于发光二极管的辐射能量分布是一种窄带的准单色光光谱，因此测量它的色度学参数就尤为重要。

为方便起见，通常使用相对光谱能量分布P(λ)来描述发光二极管在光辐射波长范围内各个波长的辐射能量分布情况，图1所示是GaN基蓝光发光二极管的相对光谱能量分布曲线P(λ)，当相对光谱能量分布曲线P(λ)确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。在图1中，λ_p是峰值波长，它对应于某一波长范围内的最大光学辐射能量，发光二极管的辐射光往往由许多不同波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同，因此发光二极管的辐射光可以有多个峰值波长，如采用GaP材料制成的发光二极管可发出多个峰值波长的光。另外，由于发光二极管的辐射光不是纯单色的，即辐射光谱具有一定的光谱宽度或存在多个峰值波长，为描述发光二极管的色度特性而引入主波长λ_d。主波长λ_d直接反映人眼对发光二极管辐射光颜色的视觉感受，它是衡量发光二极管色参数的重要指标，发光二极管发光的单色性越好，则主波长λ_d越接近峰值波长λ_p。

色度学的研究表明，不同颜色的光能够引起人眼球中红、绿、蓝视网膜锥细胞的不同刺激水平，每个人对颜色和光通量的感知有着细微的差别，对颜色的感知是一个主观的过程，不能用纯粹的客观方法测量。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且还取决于人眼的视觉特性。在实际测量中，如果已知发光二极管的相对光谱能量分布P(λ)，根据国际照明委员会(CIE)的规定，由它引起的CIE三刺激值X、Y、Z可以按下式计算：

$X=K\underset{\mathrm{\λ}=360}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

$Y=K\underset{\mathrm{\λ}=360}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}---\left(1\right)$

$Z=K\underset{\mathrm{\λ}=360}{\overset{780}{\mathrm{\Σ}}}P\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ\λ}$

式中K为调整因数，x(λ)、y(λ)、z(λ)为国际照明委员会(CIE)给出的“CIE 1931 XYZ标准色度观察者光谱三刺激值”，也称配色函数，如图2所示。

由式(1)计算得到X、Y、Z三刺激值后可求得被测发光二极管的色度坐标为：

$x=\frac{X}{X+Y+Z}$

$y=\frac{Y}{X+Y+Z}---\left(2\right)$

$z=\frac{Z}{X+Y+Z}$

国际照明委员会(CIE)定义，任何一个颜色都可以看作为用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源(如CIE标准光源A、B、C等，等能光源E，标准照明体D65等)相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长，它相当于人眼观测到的颜色的色调。为了进一步阐明“主波长”的概念，从前面的定义得知，需要一个参照光源。如图3所示，在色度图中心的W_E点代表等能白光，它由三原色的各三分之一单位混合而成的，其色度坐标为：xe＝0.3333，ye＝0.3333，ze＝0.3333，可以把它当作参照光源。S₁代表某一实际颜色，连接W_E和S₁并延长与光谱轨迹线相交于λ_d点，则λ_d为S₁的主波长。在图3中，λ_d＝565nm，称565nm为颜色S₁以W_E为参照光源的主波长。根据加混色定律，S₁可以用W_E和光谱波长为λ_d的光谱色相混合而获得。

在得到被测发光二极管发光器件的色度坐标后，其主波长就不难确定。要确定发光二极管辐射光的颜色，可以用色度坐标及其主波长来描述。根据前面的论述，如果已知发光二极管的相对光谱能量P(λ)分布函数，在计算得到X、Y、Z三刺激值后可求得被测发光二极管的色度坐标，可以采用等能白光W_E光源(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源来计算决定其主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点与样品颜色色度点的直线的斜率dk，

$\mathrm{dk}=\frac{y-\mathrm{ye}}{x-\mathrm{xe}}---\left(3\right)$

利用计算机编程查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长λ_d。

计算主波长λ_d的关键是如何快速地找到光谱轨迹上对应的主波长点。常规方法是在380nm一780nm这段轨迹上逐点算出它们与等能白光W_E点的斜率，然后逐次与光谱轨迹上对应主波长点的斜率进行比较，直至找到斜率相等那点，这点就是被测样品的主波长λ_d。

显然，采用逐点查表寻找主波长的方法运算量很大，无法满足实际生产中快速在线测量的要求。另外，若以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源来计算主波长，由于±90°直线的斜率为±∞，由(3)式计算得出结果在554nm、555nm附近发散，存在溢出错误的可能性，如图4所示。

发明内容

为避免上述由CIE-1931色度图直接查表计算发光二极管主波长存在运算量过大和在某一波长范围内计算结果可能发散的问题，本发明提供一种快速计算发光二极管主波长的方法，包括：

1.分区间判断算法，根据色度坐标x、y值判断被测样品主波长所在的区间；

2.变步长查询算法，在主波长对应的区间中采用变步长的办法快速查询到最接近的主波长。

本发明是采用如下的技术方案来实现上述目的，其特征在于：

(1)所述的分区间判断算法是根据CIE 1931色度图，以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，将CIE 1931色度图上的按纯光谱色波长(主波长)分为若干个区间，确保在每一个区间内主波长与等能白光W_E点连线的斜率变化是单调递减，根据被测发光二极管的色度坐标x、y值判断其主波长所在的区间，分区间判断算法在避免以等能白光W_E作为参照光源来计算主波长时，由于±90°直线的斜率→±∞时可能出现的计算结果可能发散的错误，同时也缩小了逐点查表寻找范围，提高计算速度；

(2)所述的变步长查询算法是在分区间判断算法确定主波长所在的区间后，先用一较大的步长去查找到主波长估算值，然后以较小的步长对相邻的数值逐个比对，找到最接近的点，得到更准确的主波长值。

本发明采用上述技术方案所能达到的有益效果是：通过光谱仪的感光器件获得被测发光二极管的一系列离散的相对光谱能量分布曲线数据P(λ_i)并根据CIE-19312°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函数，计算出其色度坐标后，本发明可根据其色度坐标x、y值快速地计算出主波长，大大减少了运算量，可以实现发光二极管色度参数的在线测量及分选，提高工作效率。

附图说明

图1是GaN基蓝光发光二极管的相对光谱能量分布曲线P(λ)。图1中，λ_p是对应最大光学辐射能量的波长，称为峰值波长，λ_d是直接反映人眼对发光二极管辐射光颜色视觉感受的波长，相当于人眼观测到辐射光颜色的色调，称为主波长。

图2是CIE1931 XYZ标准色度观察者光谱三刺激值(亦称配色函数)。CIE1931 XYZ的光谱三剌激值不能通过直接匹配实验来获得，是由CIE 1931 RGB系统的有关数据经坐标转换和定标而确定的。

图3是根据CIE 1931色度图的主波长计算示意图，获得被测发光二极管的色度坐标后，采用等能白光点W_E作为参照光源来计算其发光颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点W_E(xe，ye)与样品颜色色度点S₁(x，y)的连线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长λ_d。

图4是根据CIE 1931 2°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函数，以等能白光点W_E作为参照光源得到的斜率变化曲线，斜率在直线±90°(555nm附近)时→±∞。

图5是实施本发明的技术方案原理框图，通过测量发光二极管的相对光谱能量分布曲线P(λ)并计算出其色度坐标，采用分区间判断和变步长快速查询算法快速计算出主波长λ_d的实施过程示意。

图6是CIE 1931色度图分区间的示意图，本发明将CIE 1931色度图360nm-780nm之间的主波长分为四个区间，即I[360nm-491nm]、II[492nm-554nm]、III[555nm-610nm]和IV[611nm-780nm]，确保在每一个区间内，主波长与等能白点连线的斜率是呈单调递减变化。

图7、图8、图9、图10分别是CIE 1931色度图360nm-491nm、492nm-554nm、555nm-610nm和611nm-780nm区间内，主波长与等能白点连线的斜率变化情况示意图。

具体实施方式

如上所述，任何一个颜色都可以看作用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源(如等能白光W_E等)相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长，颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色的色调。若已获得被测发光二极管的色度坐标，就可以采用等能白光W_E作为参照光源，应用本发明来快速计算其主波长。

下面结合图5和图6对本发明的具体实施进行详细描述。

图5中，1是被测发光二极管，由2光谱仪对1发光二极管辐射的相对光谱能量＝分布函数P(λ)函数取样得到一系列离散的光谱数据P(λ_i)，i＝1，…，2048，3是根据CIE 19312°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函数计算出色度坐标x、y。

图6是作为本发明的一个实施特例，在CIE 1931色度图中，以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，将CIE 1931色度图360nm-780nm之间的主波长分为四个区间，即I[360nm-491nm]、II[492nm-554nm]、III[555nm-610nm]和IV[611nm-780nm]，在这4个区间内，过(x，y)及(xe，ye)两点直线的斜率 $\mathrm{dk}=\frac{y-\mathrm{ye}}{x-\mathrm{xe}}$ 均为单调函数，如图7、图8、图9和图10所示。本发明根据被测发光二极管的色度坐标x、y值及其斜率dk快速判断出主波长λ_d所在的区间，分区间判断算法如下：

if(dx＜0)and(dy＜0)then lLim＝360 uLim＝491

if(dx＜0)and(dy＞0)then lLim＝492 uLim＝554

if(dx＞0)and(dy＞0)then lLim＝555 uLim＝610

if(dx＞0)and(dy＜0)then lLim＝611 uLim＝780

由上述算法，可根据被测发光二极管的色度坐标x、y值快速判断其主波长λ_d所在的区间。

图5中，5是用变步长查询算法快速计算主波长λ_d。在对应的主波长区间内，先用5nm的步长，查询最接近的斜率点；然后对接近的点前后各5个点进行逐一查询，找到更接近点的主波长λ_d值，变步长快速查询算法如下：

(1)为方便解释，定义dy＝y-ye，dx＝x-xe，dk＝dy/dx，对dk赋初值。

(2)根据主波长所在范围[lLim，uLim]和斜率dk，查找较精确的波长值，步长为5nm。

A)dkmin＝fabs(k[lLim]-dk)

I＝1Lim+1 kmin＝lLim//赋初值

B)if(fabs(k[I]-dk)＜dkmin)then

kmin＝I dkmin＝fabs(k[kmin]-dk)

C)I＝I+5//步长为5nm

D)if I＜＝uLim then goto B  //继续查找

E)缩小主波长范围：lLim＝kmin-5，uLim＝kmin+5。

(3)根据新的主波长范围：[lLim，uLim]和斜率dk，查找较精确的波长值，步长为1nm。

注：k[360-780]是过等能白光点W_E和[360nm-780nm]中主波长色坐标点构成的直线的斜率表，fabs()为绝对值函数，用kmin标记斜率中间值，I为数组指针。

F)dkmin＝fabs(k[lLim]-dk)

I＝lLim+1kmin＝lLim  //赋初值

G)if(fabs(k[I]-dk)＜dkmin)then

kmin＝I dkmin＝fabs(k[kmin]-dk)

H)I＝I+1//步长为1nm

I)if I＜＝uLim then goto G)//继续查找

J)到此，kmin即为主波长λ_d，精度为1nm。

Claims (4)

1、一种用于发光二极管(LED)主波长测量中的快速计算方法，由分区间判断算法和变步长查询算法构成，其特征在于：分区间判断算法是以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，将CIE 1931色度图上的按纯光谱色波长(主波长)分为若干个区间，确保在每一个区间内主波长与等能白光W_E点连线的斜率变化是单调递减，快速判断出被测发光二极管主波长所在的区间；变步长查询算法是在分区间判断算法确定主波长所在的区间后，先用一较大的步长去查找到主波长估算值，然后再以较小的步长对相邻的数值逐个比对，找到最接近的点，确定准的主波长值。

2、根据权利要求1所述的分区间判断算法，其特征是以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，将CIE 1931色度图360nm-780nm之间的主波长分为四个区间，即[360nm-491nm]、[492nm-554nm]、[555nm-610nm]和[611nm-780nm]，根据被测发光二极管色度坐标x、y值判断其主波长所在的区间。

3、根据权利要求1和2所述的分区间判断算法，其特征是分区间判断算法避免以等能白光W_E作为参照光源来计算主波长时，由于±90°直线的斜率→±∞时可能出现计算结果可能发散的错误，也缩小了逐点查表的寻找范围，提高计算速度。

4、根据权利要求1所述的变步长查询算法，其特征是根据1nm精度的CIE 1931 2°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函数，在判断出被测发光二极管主波长所在的区间后，先用5nm的步长去查找到5nm精度的主波长，然后以1nm的步长对相邻的数值逐个比对，找到最接近的点，确定主波长值。

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