CN112840182A - 用于监测光谱辐射计的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于监测光谱辐射计(4)的方法，尤其用于测量发光测试对象(1)的方法，其中，借助光学系统检测测试对象(1)的光谱数据，其中，由所述光谱数据求取测试对象(1)的辐射度参量、光度参量和/或色度参量。本发明的任务是说明一种用于监测光谱辐射计(4)的方法，其中，首要的不是对光谱辐射计(4)持续地进行再校准，而是监测何时需要校准。本发明通过如下方式解决该问题：通过测量集成到该光学系统中的、具有所定义的光谱的参考光源(5)，根据该参考光谱来探测光谱辐射计(4)在波长刻度方面、在光吞吐量方面和/或在光谱灵敏度方面的改变。可选地，至少一个集成到该光学系统中的探测器可以附加地监测该参考光源(5)的稳定性。此外，本发明涉及一种用于执行该方法的设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测光谱辐射计的方法，其中，借助光学系统检测例如发光测试对象的光谱数据。由所述光谱数据能够求取测试对象的辐射度参量、光度参量和/或色度参量。
此外，本发明涉及一种用于执行该方法的设备。
背景技术
在电磁波谱的可见光范围和不可见光范围内，光测量技术中的许多任务在实践中都是借助光谱仪实现的，以便例如在简单光电二极管探测器的情况下不仅检测功率值，而且检测根据波长所解析的功率分布(光谱)。
这种光谱仪例如用于(例如在LED生产中)测量发光测试对象。借助光学测量系统检测测试对象的光谱数据。由所述光谱数据则能够求取测试对象的辐射度参量、光度参量和/或色度参量。
使用光谱辐射计的一个问题是，由于其复杂的光学器件，在其灵敏度方面相对于其他更简单的探测器可能变化得更快。对于经校准的测量系统，这表示在一定时间后，其测量会超出规范。
导致无效校准(“失校”)的最重要的影响变量是温度和老化引起的改变。重要的改变可以划分为三个类别：波长刻度中的改变、光吞吐量中的改变和光谱灵敏度中的改变(例如蓝信号灵敏度相对于红信号灵敏度的下降)。
由现有技术已知，为了进行校准，使用光谱辐射计定期测量具有已知光谱特性的参考光源，即所谓“LED标准”。在实验室操作中，通常在测量前，或者例如每天测量标准LED，并将测量结果与LED的已知参考值进行比较，以便确保光谱辐射计正确地进行测量。在制造线中，如上面所提到的那样，将生产线的测量设备与LED标准例如每周地进行比较，以便必要时能够将超出规范的光谱辐射计从生产线中移走。另一种已知方案是所谓的“标准样品”法，在此，在质量实验室中测量与测量对象结构相同的零件并设置参考值。在生产线中测量与测量对象结构相同的零件，并且相应于参考值地校正读取值。可以使用多个这种结构相同的零件，以便获得平均值。
此外已知(参阅CN101784428)安装第二个独立的测量系统(例如光谱辐射计中的光电二极管)。由此能够实现积分灵敏度的自诊断。然而，不能由此进行关于光谱误差(例如波长偏移或与光谱相关的灵敏度改变)的诊断。
发明内容
本发明所基于的任务在于，说明一种用于监测光谱辐射计的方法，在该方法中，首要的不是对光谱辐射计持续地进行再校准，而是监测何时需要校准。
本发明从开头所提及类型的方法出发通过如下方式解决该任务：通过测量集成到光学系统中的、具有已知光谱的参考光源，根据参考光谱来探测光谱辐射计在波长刻度方面、在光吞吐量方面和/或在光谱灵敏度方面的改变。
可选地，附加地设置集成到光学系统中的(高度稳定的)探测器，该探测器用于监测参考光源的稳定性。在此，可以使用光电二极管作为高度稳定的探测器。
通过将具有已知光谱的参考光源(例如LED)集成到光学系统中，能够确定测量设备的校准偏差，并且因此能够确定该测量设备的有效性。例如可以通过如下方式探测参考光谱中的改变：在确定所述校准具有有效性的那个参考时间点(例如在重新校准之后)，接收和存储参考光源的光谱。在光谱辐射计的后续使用过程中，求取相对于所存储的光谱的偏差。通过附加地集成所述高度稳定的探测器或多个探测器(例如一个或多个光电二极管)，监测用于监测光谱仪的发光二极管(参考光源)的稳定性，并且因此实现两级监测方案。
通过使用所集成的参考光源，减少在(至今手动地)检验测量系统的校准时的技术开销和时间开销。由此减少生产线的停工时间并提高生产率。此外，避免在执行检验时的人为错误。
通过由高度稳定的探测器附加地监测参考光源，一方面提高例如用作参考光源的LED的可靠性，另一方面增加直至下一次重新校准的使用持续时间。
如上面已经解释的那样，应将该方法用于如下的生产线中：在该生产线中现已存在有用于质量保证的测量系统并且在该测量系统中手动地检验该系统。这例如涉及在LED的生产中对LED进行质量检验并将其分类到不同频点(Bin)中的所谓LED处理器。另一个示例是(例如用于移动电话的)显示器的生产，在该生产中使用测量系统，以便对显示器进行补偿(例如伽玛曲线补偿、色域确定补偿等)。也可以设想在需要严格遵守规范的其他测量系统中使用。尤其在具有环境影响如温度波动的环境中。
有利地，在光学系统中使用用于光通量的测量头(积分球)、光密度测量头(望远镜光学器件)或辐射强度测量头(余弦接收器)作为耦合输入光学器件。
有利地，使用温度稳定的LED作为参考光源。可以借助恒定电流运行LED，使得LED在一定时间后处于热力学平衡状态。然后在稳定状态下检测光谱。或者以短的光闪烁(即以脉冲的方式)运行参考光源(LED)，以便确保LED的虽然不稳定但可重复的热状态。
有利地，将参考光源尽可能地集成到测量系统中的通常进行测试对象的光接收的地方，从而使得参考光源和测量对象的光学路径尽可能相似。例如，如果接收光学器件包括通过光纤与光谱辐射计耦合的积分球，则优选将参考光源也安装到积分球中。
有利地，使用白色LED作为参考光源，这使得可以单个地探测三种典型的重要改变：
-通过光谱的蓝信号峰值可以检验波长刻度；
-通过信号电平的改变可以检验光吞吐量；
-通过光谱形状可以检验光谱灵敏度的改变。
附图说明
以下根据附图示出并阐述本发明的实施例。附图示出：
图1：第一实施方式中根据本发明的设备的示图；
图2：根据本发明的方法的流程图的示图；
图3：用作参考光源5的白色LED的光谱；
图4：参考光谱和所测量的光谱的比较；
图5：替代实施方式中根据本发明的设备的示图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的设备。借助电流源2运行测试对象1，该测试对象例如是为了质量保证而待测量的LED。LED 1所发射的光被作为接收光学器件的光学系统接收，该光学系统包括光谱辐射计4的测量头3，其中，该测量头3通过光纤与光谱辐射计4连接。此外，该接收光学器件包括参考光源5，该参考光源被可控的精密电流源6操控并且被供以电能。参照光源5例如是具有已知光谱特性的白色LED，其光也被光谱辐射计4的测量头3接收。在图1的实施方式中，测量头4包括积分球，以便对由LED 1所发射的光和参考光源5的光进行检测并且关于不同的发射方向进行积分。在此，参考光源5被集成(即固定安装)到积分球中。除测量头3外，还有高度稳定的光探测器(未示出)被集成到光学系统中，该光探测器监测参考光源5的发射稳定性。此外，该设备包括计算机系统(未示出)，该计算机系统与光谱辐射计4进行通信，以便启动相应的测量、预给定校正参数并且读取所检测的测量数据。此外，该计算机系统接收参考光源5的精密电流源6的运行数据和高度稳定的光探测器的测量数据。根据本发明重要的是，参考光源5被集成到承担该设备的接收光学器件功能的光学系统中，以便能够随时确定光谱辐射计4的校准偏差。借助包括光谱辐射计4和测量头3的同一测量组件来测量测试对象1的光和参考光源5的光。在计算机系统中对这两个光谱数据项(即参考光源5的已知光谱和光谱辐射计4的相应测量数据)进行比较，以便检验校准的有效性。如果所测量的数据与参考光源5的所存储的校准数据之间的差异足够小，即低于预给定的阈，则可以借助计算机系统来执行对由测试对象1所检测的测量数据的相应调整/校正。与该过程并行地，借助高度稳定的光探测器监测参考光源5，将光探测器的测量数据也传输到计算机系统中，以便总体上实现最可靠的测量。一旦通过高度稳定的光探测器确定到参考光源5的光发射中的偏差，就表明参考光源5的存储在计算机系统中的校准数据(例如由于参考光源5的老化)不再有效，因此需要对系统进行完全重新校准，必要时需要更换参考光源5。
图2说明根据本发明的方法。在步骤20中，例如通过以下方式提供用于测量的各下一个待测量的测试对象1：以所设置的方式将该测试对象相对于光谱辐射计4的测量头3定位。在步骤21中，借助光谱辐射计4执行对测试对象1的辐射度参量、光度参量和/或色度参量的测量。为此，计算机系统适当地操控光谱辐射计4。在步骤22中，询问是否需要检验光谱辐射计4的校准。例如在确定的预给定测量次数之后，可能是这种情况。如果不需要检验，则流程分叉回到步骤20并且提供和测量下一个测试对象1。如果询问得出应对校准进行检验，则在步骤23中借助精密电流源6激活参考光源5，并且借助光谱辐射计4通过测量头3测量该参考光源的光。在步骤24中询问：在步骤23中由参考光源5所检测的测量数据与参考光源5的预存储在计算机系统中的参考光谱数据的偏差是低于还是高于预给定的阈。如果该偏差低于所述阈，则该方法再次分叉回到步骤20并且定位和测量下一个测试对象1。如果校准数据的偏差高于所述阈，则在步骤25中询问：该偏差是否还足够小，以便将相应的校正应用于分别由测试对象所检测的测量数据。如果是这种情况，在步骤26中，根据由参考光源5借助光谱辐射计4所检测到的测量数据与参考光源5的所存储的参考光谱的比较推导出相应的校正参数。然后，在随后的测量过程中，将所述校正数据应用于由测试对象1所检测的测量数据，以便相应地补偿所确定的偏差。若所确定的偏差过大，则在步骤27中对系统进行完全重新校准。
图3示出用作参考光源5的白色LED的光谱，该光谱的表征最大值在蓝色和黄色光谱范围内。示出的是实曲线31，其描述参考光源5的存储在计算机系统中的已知光谱。虚曲线32是参考光源5的在步骤23中借助光谱辐射计4通过测量头3所测量的功率谱。这两条曲线31、32明显地彼此偏离。在450nm处的峰值区域中，所测量的功率与实际功率明显偏离。这由双箭头33表明。
图4将图3的曲线32和31的比率相应地示出为曲线41。可以看到，该比率在整个可见光光谱范围上明显低于1.0(理想的一致性)。例如在550nm处(用圆圈示出)，偏差约为5％。虚直线42由曲线41的线性回归得出。可以在步骤26(图2)中推导出该曲线42，以便在随后的测量步骤中用于所检测的测量数据的相应校正。
如以上实施方案示出的那样，根据本发明的方法相对于现有技术具有如下优点：借助参考光源5能够在短时间间隔内以最小的开销监测光谱辐射计4的校准，从而改善测量结果的质量和可靠性。借助被集成到检测光学器件中的参考光源5，用于检验的时间开销仅持续数秒。在低的偏差的情况下，随后可以自动化地进行对测量数据的相应校正，从而能够增加在完全重新校准之间的时间间隔，所述完全重新校准需要巨大的人工开销。由此，在测量结果质量更高的同时提高有效的测量时间和吞吐量。
在图5的实施方式中，测试对象1是为了(例如在光密度方面的)质量保证而待测量的矩阵显示器，在该矩阵显示器上呈现合适的测试图案。显示器所发射的光被作为接收光学器件的光学系统接收，该光学系统包括测量头3，其通过光纤与光谱辐射计4连接。该接收光学器件还包括物镜51和CCD图像传感器52。借助分束器53将显示器的一部分光通过光纤提供给光谱辐射计4。参考光源5被集成到测量头3中，该参考光源被同样被集成的精密电流源6操控并且被供以电能。如图1的实施方式，参照光源5例如又是具有已知光谱特性的白色LED，其光同样通过光纤被提供给光谱辐射计4。在图5的实施方式中，如先前关于图1至图4所描述的那样对监测光谱辐射计的校准的原理性方法进行描述。
Claims (19)
1.一种用于监测光谱辐射计(4)、尤其用于测量发光的测试对象(1)的方法，在所述方法中，借助光学系统检测所述测试对象(1)的光谱数据，其中，由所述光谱数据求取所述测试对象(1)的辐射度参量、光度参量和/或色度参量，
其特征在于，
通过被集成到所述光学系统中的参考光源(5)来探测所述光谱辐射计(4)在波长刻度方面、在光吞吐量方面和/或在光谱灵敏度方面的改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助附加地集成到所述光学系统中的探测器(7)来监测所述参考光源(5)的稳定性。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述光学系统中设置用于光通量的测量头(3)作为耦合输入光学器件。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述测量头(3)中使用积分球。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述光学系统中设置光密度测量头作为耦合输入光学器件。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述光学系统中设置辐射强度测量头作为耦合输入光学器件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考光源(5)是具有精密电流源(6)的LED。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，如此运行所述参考光源(5)，使得所述参考光源稳定在热力学平衡状态中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，以脉冲的方式运行所述参考光源(5)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述参考光源(5)如此布置，使得所述参考光源(5)和所述耦合输入光学器件到所述测试对象(1)的光学路径具有大致相同的长度。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述参考光源(5)安装在所述积分球中。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其特征在于，使用白色LED作为参考光源(5)。
13.一种用于执行根据权利要求1至12中任一项所述的方法的设备，所述设备包括光谱辐射计(4)和与所述光谱辐射计(4)耦合的光学系统，所述光学系统用作用于来自测试对象(1)的光的接收光学器件，其特征在于，参考光源(5)被集成到所述接收光学器件中。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述参考光源(5)是LED。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光学系统具有用于光通量的测量头(3)作为耦合输入光学器件。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述测量头(3)包括积分球。
17.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光学系统具有光密度测量头作为耦合输入光学器件。
18.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光学系统具有辐射强度测量头作为耦合输入光学器件。
19.根据权利要求13至18中任一项所述的设备，其特征在于，所述参考光源(5)是温度稳定的，并且借助精密电流源(6)来运行所述参考光源。
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