CN103299168A - 量化光源的颜色和强度的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
提供了量化包括LEDs、高亮度LEDs和其他固态光源（SSLs）的光源的颜色和强度的系统和方法，其使用C参数来构建光谱功率分布的模型，以在制造物件中、在设计使用该物件的流程和产品中、以及在描述/定义该物件中改善测量波长和辐射通量的光学性质的精确性、准确性、可重复性以及有效性。在一实施例中，表征SSL源的方法包括被测SSL源、该SSL源的光发射的光谱功率分布、曲线拟合函数、包含该曲线拟合函数的阶数、节点的数量、波长边界限制、饱和阈值和本底噪声阈值的一组配置数据、用于曲线拟合、节点检测、迭代和程序控制以及输入和输出数据的计算装置；以及一组C参数、噪声参数和置信值。提供了量化包括LEDs、HBLEDs（高亮度LEDs）和其他固态光源（SSLs）的系统和方法，其使用C参数来构建光谱功能分布（SPD）的模型，以在制造物件中、在设计使用该物件的流程和产品中、以及在描述/定义该物件中改善测量波长和辐射通量的光学性质的精确性、准确性、可重复性以及有效性。在一实施例中，表征固态光（SSL）源的方法包括被测SSL源（被测装置）、该SSL源的光发射的光谱功率分布（SPD）、曲线拟合函数、包含该曲线拟合函数的阶数、节点的数量、波长边界限制、饱和阈值和本底噪声阈值的一组配置数据，用于曲线拟合、节点检测、迭代和程序控制以及输入和输出数据的计算装置；以及一组C参数、噪声参数，和置信值。
Description
对相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2010年8月10日提交的美国专利申请号为61/372，247、名称为“量化光的颜色和强度的系统和方法”的临时专利申请的优先权，通过引用该临时专利申请的全部内容援引其于此。
技术领域
本发明主要涉及一种量化光源的颜色和强度的系统和方法，并且更特别地涉及量化包括LEDs（发光二极管）、HBLEDs（高亮度LEDs）以及其他SSL（固态光）源的光源的颜色和强度的系统和方法，其使用C参数来构建光谱功率分布（SPD）的模型，以在制造物件中、在设计使用该物件的流程和产品中、以及在描述/定义该物件中改善测量波长和辐射通量的光学性质的精确性、准确性、可重复性以及有效性。
背景技术
用来量化物件的属性或性能的系统和方法在制造该物件中、设计使用该物件的流程和产品中、以及描述该物件给用户中起到至关重要的作用。
历年来，各种照明产业已开发了用于量化光源的颜色和强度的若干系统或方法。这类系统和方法依赖于由监管机构、产生标准的机关、产业利益相关者和个别组织建立的度量标准（基于特定标准的测量的系统）和测量值（通过测量确定的表示数量、程度或尺寸的数值）。1860年的都市气体法，例如，将一支燃烧的蜡烛的强度量化为公知标准，其引入了度量标准“烛光”的标准定义。1931年，国际照明委员会引入了CIE1931XYZ色彩空间和XYZ色彩坐标。该CIE1931色彩空间建立了用于基于一组数学坐标来描述物件的被感知到的颜色的度量标准。该CIE1931色彩度量标准是基于三个视觉响应函数（函数是两个集合间的关系，其中第二集合的一个元素被分配到第一集合的每个元素，如表达式y=2x中），这些视觉响应函数针对人眼中三种类型的视锥细胞，描述颜色和强度的关系。这些视觉响应函数被称为颜色匹配函数，并产生由被称为三色刺激值的三个值（值为特定大小、数字或数量）组成的颜色表示。由这些CIE三色刺激值，度量标准如相关色温（CCT）、显色指数（CRI）、CIE（x，y）、流明、主波长和麦克亚当椭圆可以被测量或导出。这些给在特定条件下的人类观测者的照明系统量化的度量标准已被制造者、设计者和客户用来将产品分级、计算在新应用中的产品的性能、以及从竞争源中比较产品，其能使制造者、设计者和客户将产品分级、计算在新应用中的产品的性能、以及从竞争源中比较产品。
前述的和被广泛使用的发光度量标准非常适合于被人类观测者量化在特定照明和观测条件下的物件的颜色和强度。由于有许多应用和流程，在其中SSL不是被人眼直接观测，使用用于制造SSLs和设计基于SSLs的照明系统的这些度量标准出现了问题。本发明克服了误用度量标准的这个问题。
此外，有关光源、视场、环境光、瞳孔放大、以及颜色匹配函数（CMF）的相关性和准确性的这些度量标准中的隐含假设，在这些度量标准被用于许多光源，特别是LEDs、HBLEDs和其他SSL源时带来了错误。主波长和发光强度度量标准假设在日光下的人类观测者通过受限制的2或10度视场来观测光源。这些条件常常在测试过程中没有被准确地再现，并且很少适用于当光源被组装成最终产品时光源被实际查看的方式。这些度量标准受到被称为同色异谱的现象的害处，该被称为同色异谱的现象为人类观测者不能由彼此辨别出不同色光源的某种混合。所有这些问题给SSLs的光谱特性的测量带来不确定性，以不利地影响测量的精确性和可重复性。本发明克服了这些限制。
这些问题对产生连续光谱的光源（经典黑体发射体）如在传统灯泡中发现的钨丝具有较少影响。然而，传统光的颜色和强度度量标准已证明不足以量化用于设计、制造和组装流程的SSL源的颜色和强度。例如，如HBLEDs的SSL源被用作光发射的主源。不同于钨丝，HBLEDs不是黑体辐射的发射体。LED通过化合物半导体中电子和空穴的带隙辐射性复合辐射出光。来自SSL的发射光的光谱特征明显地不同于黑体辐射源。由于基本的物理原理从根本上是不同的，使用传统度量标准来表征SSL光源的颜色和强度从根本上是不正确的。本发明克服了该问题。
SSL（以下使用LED作为例子）的典型的制造工艺从在圆片衬底上制造LED开始。这些衬底进行物理和光学缺陷的检查，LED发射的SPD被记录于该圆片的各个点上并被转换成用来确定该圆片或芯片的均匀性和光学特征的度量标准。在该评估过程中收集的数据通常以两种方式使用。第一，控制产品质量，该数据与质量标准比较以确定该圆片和其芯片在多大程度上符合质量标准。该圆片的质量（由缺陷的数量和类型及光学输出确定）确定该圆片是否被允许继续在制造工艺中和确定该圆片的最终可用性。该数据的第二个用途是用于制造工艺的改进。在该评估过程中收集的数据被相关联于特定工艺输入。一旦相互关联被确定，这些工艺输入可以被控制和操作以提高工艺成品率和减少非一致性。用于SSLs的传统光度量标准的不确定性和在后续制造工艺步骤中使用相同度量标准的不适应性增加了制造工艺的变动范围。本发明缩小该变动范围从而导致对SSLs的制造工艺及相关照明系统的设计和制造的改进。
发明内容
本发明主要涉及一种量化光源的颜色和强度的系统和方法，并且更特别地涉及量化包括LEDs、HBLEDs以及其他SSL源的光源的颜色和强度的系统和方法，其使用C参数来构建光谱功率分布（SPD）的模型，以在制造物件中、在设计使用该物件的流程和产品中、以及在描述/定义该物件中改善测量波长和辐射通量的光学性质的精确性、准确性、可重复性以及有效性。
本发明提供一种C参数系统和方法，其包含用于以相比于公知于本领域技术人员的通常使用的发光度量标准的改进的精确性和效率来描述如LED、HBLED或其他SSL源的光源的颜色成分和强度的系统和方法。该C参数系统和方法是量化、规定、传达、评估、比较和分级光源的颜色和强度、各光源的总和或各光源间的差异、以及由反射或折射表面和材料的光的反射和吸收的改进的系统和方法。该C参数系统和方法是控制光源，例如LEDs、HBLEDs或其他SSL光源的制造的改进的系统和方法。
作为一系列（一组按阶数安排的相似事物）函数的光学SPD的表达式，一个例子是高斯函数，显著地提高了量化和表征包括SSL源的光源的光学输出功率的能力。所需的SPD可以以一组C参数被简洁地表示，而被测试的SSL的质量可然后按照C参数的个体或子集的一组绝对偏差或相互关联，或作为所需的SPD的绝对偏差或作为与所需的SPD的相互关联被描述。C参数是实数，其为用以表征SSL的SPD的函数的系数。C参数元组是一组C参数，其一起满足用以表征SSL的SPD的函数的解。术语C参数表示C参数元组的集合，当其被合并时，表征SSL的SPD。
附图说明
图1为示出了根据本发明的原理的量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法的一个实施例的示意图。
图2为示出了根据本发明的原理的查找SPD中的节点的方法的一个实施例的示意图。
图3为示出了根据本发明的原理的使用上述量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法来输入C参数及输出SPD和各种度量标准的流程的一个实施例的示意图。
图4为示出了用于照明装置的SSL制造测试仪器的一个实施例的示意图。根据本发明的原理，该仪器实施上述量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法。
图5为示出了根据本发明的原理的用于实施上述量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法的生物医学装置的SSL制造测试仪器的一个实施例的示意图。
图6为示出了根据本发明的原理的在实施上述量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法的联网的C参数模块配置中的制造SSL测试仪器的一个实施例的示意图。
具体实施方式
图1示出了本发明的一个实施例，其中SSL源，如被测试的HBLED装置100（以下简称“被测装置100”），发射光能量102进入光谱采集测试仪器104，该光谱采集测试仪器104捕获发射的光能量作为光谱，其描述功率或能量为波长的函数。为了HBLED测试和测量的目的，该光谱是未经过滤的光谱功率分布（SPD）106。该未经过滤的SPD106被输入到C参数模块108。该C参数模块108表征由被测装置100发射的能量或功率为按照线性叠加的函数形式的波长的函数。用于该系列的函数的该特定形式由被测装置100的物理原理决定。在HBLED应用的例子中，引起光学发射的物理机制（带隙化合物半导体中空穴/电子的辐射性复合）是可由称为高斯函数的函数描述的。在本发明的该实例中，该C参数模块108被安排和配置成求解高斯函数系数。每个安排和配置提供系数给高斯函数。如此，对于本发明的该实例，该C参数模块108输出包含多组3个系数的C参数146，每组确定被称为节点124的一条高斯曲线。与给定的SPD112相关联的这些C参数是被称为一组节点124的该系列高斯曲线的系数，从而当求其和时，所产生的曲线具有与所测量的SPD112的形状和大小的有效关联。
此外，在图1中，光谱选择流程110采取如输入波长阈值（高和低）114、信噪比（S/N）阈值116和杂散像素滤去限制118以从未经过滤的SPD106中选择感兴趣的光谱数据，以及输出阈值输入114、116、118和所选择的SPD112到节点查找器流程120。
该节点查找器流程120然后采取如输入节点126的数量以查找SPD122，并输出SPD122和每个“找到”的节点124与节点边界132到节点分类器流程130。
该节点分类器流程130然后确定每个节点124的优化阶数1…N134。这些节点边界132和阶数1…N134被初始求解器流程136用作约束条件。
该初始求解器流程136使用节点边界132在每个节点124和每个阶数1…N134上迭代以确定每个节点124和阶数1…N134的初始解组的初始C参数138和初始噪声参数140。
这些初始C参数138和初始噪声参数140为求解器流程142的输入，该求解器流程142对于每个阶数1…N134的有边界的节点（124，132）找出高斯函数的最合适解的系数，并与置信因数144和噪声参数150一起输出这些系数作为一组N阶C参数146。
此外，在图1中，一组归一化的C参数148可以选择性地产生。这些归一化C参数148是C参数，其中各单个曲线的总和的大小已被归一化以在保存相对颜色成分或波长的同时除去强度的影响。
应该理解的是C参数是一组实数，其精确地描述光源的光学输出功率为波长的函数（例如颜色成分）。该C参数系统和方法构建光源的光学输出功率的模型为一组函数，例如，一系列高斯函数。在本发明的一个实施例中，其中高斯函数被用来构建SSL的光学输出功率的模型，有三个高斯函数系数（以下简称C参数元组），其分别描述增益、中心波长和标准偏差。在本发明的一个实施例中，当被配置为二阶拟合时，两个C参数元组将被生成，一个用于各自阶数。一般规定，‘n’阶拟合产生‘n’个C参数元组。在本发明的一个实施例中，具有3个高斯函数系数和2阶拟合，上述方法输出6个C参数。在本发明的一个实施例中，对于具有两个主动发光元件的SSL，如抽取蓝色荧光粉的HBLED，其SSL SPD被构建模型为具有两个节点的双峰分布。节点是包含最小波长至最大波长内的所有节点的SPD的独有的子集。在功能上，每个节点相应于该被测装置内的光生成机制，例如：{蓝色LED，荧光粉}、{红色LED，绿色LED，蓝色LED}、{红色LED，绿色LED，蓝色LED，黄色LED}。在本发明的一个实施例中，具有两个分立的发射源和因此两个节点，该方法输出12个实数，其被组织成2组（每个主动元件或SPD节点一组）2个C参数元组（每个曲线拟合解的阶数一个），对于共12个实数C参数，每个C参数元组包含3个高斯函数系数。
图2是各种SSL源的SPD输出的曲线图，每个SSL源包含蓝色HBLED装置和荧光粉涂层，该图显示出所产生的双峰SPD。在本发明的一个实施例中，每个SPD被构建模型为具有两个节点200，每个节点200由最小波长202和最大波长204划出边界并与2阶高斯函数相拟合。
图3示出了本发明的一个实施例，其中用于装置的C参数146被用以输出SPD122和可由该装置的SPD122导出的其他度量标准302。如图所示，现有度量标准的不可改变性的问题通过重新构建SPD、然后从该重构的SPD导出光输出度量标准来被克服。图3还示出了通过将SPD编码为一组C参数来压缩SPD的方法，该组C参数可被用于以最少的信息损失将已编码信息解压缩回原始SPD。损失的数量与拟合函数的阶数成反比例地关联。
图4示出了本发明的一个实施例，其中立方5010CP系统400实施该C参数方法以测试白色HBLED SSL。在该实施例中，被测装置100是包含两个光发射源的白色HBLED SSL，一个蓝色LED和一个黄色荧光粉涂层。测试仪，例如，立方5010LED测试仪404，输入电能402到被测装置100。该被测装置100发射光能量102，其被测试仪404采集并被传递到立方5010CP系统400。该立方5010CP系统400包含C参数模块108，其与测试仪404结合以输入光能量102并实施C参数方法以输出C参数146。
图5示出了本发明的一个实施例，其中立方5010CP系统500实施该C参数方法以测试为生物医学应用制造的红色/红外SSL。在该实施例中，被测装置100是包含两个光发射源的红色和红外LED SSL，一个红色LED和一个红外LED。测试仪，一个可能实例为立方5010LED测试仪404，输入电能402到被测装置100。该被测装置100发射光能量102，其被测试仪404采集并被传递到立方5010CP系统500。该立方5010CP系统500包含C参数模块108，其与测试仪404结合以输入光能量102并实施C参数方法以输出C参数146。
图6示出了本发明的一个实施例，其中立方5010CP网络连接系统600实施该C参数方法以测试网络连接配置下的SSL。在该实施例中，被测装置100是SSL。测试仪，例如，立方5010LED测试仪404，输入电能402到被测装置100。该被测装置100发射光能量102，其被测试仪404采集并通过网络链接602被传递到立方5010CP网络连接系统600。该立方5010CP网络连接系统600包含C参数模块108，其通过网络连接与测试仪404结合以输入光能量数据102并实施C参数方法以输出C参数146。
用于提供量化SSL源的颜色和强度的C参数系统和方法的本发明的特征、特点和优点包括但不限于下述：
1.该C参数系统和方法表示存在于SPD中的节点为一组曲线拟合函数系数。
2.本发明的一个实例产生C参数，其表示存在于SPD中的一个或更多个节点为一组高斯函数系数。
3.该C参数系统和方法由这些C参数重新构建SPD。
4.该C参数系统和方法压缩SPD而没有损失信息。
5.该C参数系统和方法表征包括但不限于LEDs的SSL光源的SPD。
6.该C参数系统和方法归一化SPD的颜色成分。
7.该C参数系统和方法检测存在于LEDs的光谱测量中的非信号数据，如但不限于配置错误、测量噪声、制造缺陷。
8.该C参数系统和方法以这样的方式过滤存在于SSLs的SPD的测量中的噪声，该方式为该C参数系统和方法相比于公知于本领域技术人员的传统系统和方法如箱货车（box-car）过滤或高斯过滤，改进了噪声过滤。
9.该C参数系统和方法除去存在于LEDs的SPD的光谱测量中的暗噪声和散粒噪声，并增加测试过程中LEDs的信噪比。
10.该C参数系统和方法产生对SSL制造工艺有用的度量标准。
11.本发明的一个实例产生工艺控制数据，其改进用于SSL应用的半导体LEDs的制造工艺。
12.本发明的一个实例产生工艺控制数据，其改进用于生物医学应用的半导体LEDs的制造工艺。
13.该C参数系统和方法改进制造过程中SSL装置的分装、分类和分级。
14.该C参数系统和方法可以用来为颜色混合应用如荧光粉/蓝色分装和匹配LEDs以优化SSL的合并输出。
15.和光通量比起来，该C参数系统和方法是LED的强度的改进测量。
16.和色彩空间的色彩坐标比起来，该C参数系统和方法是LED的颜色的改进测量。
17.本发明的一个实例相比于传统技术如N波段（RGB）表示，改进了光学系统设计软件。
18.C参数提供需要的颜色成分信息以准确地计算LED或其他SSL装置的发射器与机械、化学和光学部件间的光学相互作用。
19.该C参数系统和方法消除了当使用用于涉及反射和吸收光发射的非直接照明应用的光度描述时产生的问题。
20.该C参数系统和方法准确地表示除被人眼直接观测外的应用的LEDs的SPD。应用的例子包括光敏有机材料和对光的人体生理反应如昼夜节律和被蓝光刺激的血清素和褪黑素的分泌。
21.该C参数系统和方法是将多个LEDs的SPDs合并成单个SPD的改进的系统和方法。
22.该C参数系统和方法在合并或合成功率分布如白色HBLED或RGB白色LED的发射中分离出每个发射器的SPD。
23.该C参数系统和方法分别地量化LEDs的颜色和强度为分立元件。
24.该C参数系统和方法改进了“选择凹谷(saddle)”系统和方法以估计LED的结温。
25.该C参数系统和方法确定合成发射装置或SSL中每个LED的分离的结温曲线。
Claims (27)
1.一种表征固态光（SSL）源的方法，其特征在于，包括：
提供SSL源；
给所述SSL源通电以发射光；
采集由所述SSL源发射的光的光谱功率分布（SPD）；
选择所述SPD；
配置曲线拟合函数的阶数、节点的数量、一组波长边界限制、饱和阈值、本底噪声阈值；
检测所述SPD中的节点；
求解拟合特定类型的函数的函数系数；
迭代以找出最优解；
检查置信值；
生成表征所述SSL源的一组C参数、一组噪声参数和一组置信值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
归一化所述的一组C参数以在保存相对颜色成分和/或波长的同时去除强度的影响；以及
生成一组归一化C参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
压缩SPD信息量。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
过滤所述SPD中的噪声。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
收集所述的一组C参数；
使用C参数作为函数系数来合并函数；
由所述函数的合并来重新构建SPD；以及
生成重构的SPD。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：
生成由所述重构的SPD导出的一组度量标准。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：
解压缩所述SPD。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
制造所述SSL源；
为所述SSL源生成所述的一组C参数；以及
提供用于评估和改进制造所述SSL源的所述步骤的工艺控制反馈数据。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SSL源通过化合物半导体中的电子和空穴的带隙辐射性复合辐射出光。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SSL源为发光二极管LED。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SSL源为高亮度发光二极管HBLED。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SSL源是由多于一个光发射源组成。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，表征所述SSL源的所述步骤包括：
提供C参数模块，其被安排和配置成求解函数系数，其中所述C参数模块输出包含多组C参数元组的一组C参数，每组C参数元组包含所选择的函数的一组系数，该组系数拟合于表示一个节点的曲线，从而当求所述C参数的和时，所产生的曲线与所述SPD的形状和大小相关联。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
提供C参数模块，其被安排和配置成求解高斯函数系数，其中所述C参数模块输出包含多组C参数元组的一组C参数，每组C参数元组输出包含确定表示一个节点的一条高斯曲线的3个系数，从而当求所述C参数的和时，所产生的曲线与所述SPD的形状和大小相关联。
15.一种表征固态光（SSL）源的系统，其特征在于，包括：
SSL源；
激发所述SSL源发射光的电源；
用于采集由所述SSL源发射的光的光谱功率分布（SPD）的装置；
曲线拟合函数；
一组收集的配置数据，其包含所述曲线拟合函数的阶数、节点的数量、一组波长边界限制、饱和阈值、本底噪声阈值；
用于曲线拟合、节点检测、迭代和程序控制以及输入和输出数据的计算装置；以及
用于生成一组C参数、噪声参数和置信值的装置。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括：
用于归一化所述C参数以在保存相对颜色成分和/或波长的同时去除强度的影响的装置。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，还包括：
用于压缩SPD信息量的装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，还包括：
用于从所述SPD过滤噪声的装置。
19.根据权利要求18所述的系统，其特征在于，还包括：
用于收集所述的一组C参数的装置；
用于生成重构的SPD的装置。
20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，还包括：
用于从所述重构的SPD生成一组度量标准的装置。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括：
用于解压缩所述SPD的装置。
22.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括：
用于制造所述SSL源的装置；
用于为所述SSL源收集所述的一组C参数的装置；以及
用于提供用于评估和改进制造所述SSL源的步骤的工艺控制反馈数据的装置。
23.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述SSL源通过化合物半导体中的电子和空穴的带隙辐射性复合辐射出光。
24.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述SSL源为LED。
25.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述SSL源为HBLED。
26.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述SSL源是由多于一个光发射源组成。
27.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，用于生成一组C参数、噪声参数和置信值的所述装置包括：
C参数模块，其被安排和配置成求解高斯函数系数，其中所述C参数模块输出包含多组C参数元组的一组C参数，每组C参数元组包含确定表示一个节点的一条高斯曲线的3个系数，从而当求所述C参数的和时，所产生的曲线与所述SPD的形状和大小相关联。
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| Heimpold et al. | Spectral Deviation: a New Parameter for Efficient Design of High Quality Tuneable White Lighting | |
| Zheng et al. | Smart Lighting with Autonomous Color Tunability |
Legal Events
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