CN113218628A - 一种微型发光器件空间光色分布检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种微型发光器件空间光色分布检测系统及其检测方法，涉及微型发光器件。检测系统包括带空腔的半球体、底板、三维台、电流源、光纤、光纤集成面板、分束镜、CCD相机、高光谱成像光谱仪和计算机；微型发光器件与电流源相连接，置于球心处，将已知辐照度光谱分布数据的标准光源置于半球体中心位置，进行系统校准；光纤将空间光分布传输到光纤集成面板上，高光谱成像光谱仪采集二维图像及光谱信息，通过计算机数据处理，得到微型发光器件三维空间光色分布，所有光纤光分布积分后即为微型发光器件光通量或光功率。将发光器件的三维空间光色分布特性转化为二维分布特性，能快速准确地检测出微型发光器件的光学特性。

Description

一种微型发光器件空间光色分布检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及微型发光器件，尤其是涉及一种微型发光器件空间光色分布检测系统及其检测方法。

背景技术

光源空间分布是指光源发出的光在空间上的分布，反映了光源发光空间分布的情况，采用科学的测试方法是获得光源性能准确的关键因素。

传统光源空间分布特性的测试主要采用的是光源配光曲线测量设备。最常见的测量配光曲线的方法是采用分布光度计与光源的相对运动来获取光源的空间分布。

目前，常用的分布光度计结构有旋转反光镜式分布光度计和运动反光镜式分布光度计等几种(分光光度计，中国专利CN101813516 B)。旋转反光镜式测量需要被测光源在一个相当大的空间范围内作类圆周运动，同时反射镜和辅助轴必须以主轴相同的角速度反方向同步转动，这种测量方式对待测光源以及系统运动协调配合有很高的要求；运动反光镜式测量方法无需待测光源在空间内作大范围的运动，但被测光源反射到探测器上的光束在测量过程中方向会随时变化，若探测器在各个方向的灵敏度不一致，将会造成光度计测量结果存在较大的误差(一种LED配光曲线快速测量方法，中国专利CN 104977155 B)。

传统光源测量空间分布往往仅有一个探头，需要三维转动机构来进行空间探测。由于转动路径复杂，极易因为定位精度误差导致测试的可靠性和稳定性大大降低。在此基础上，部分研究机构研制出多探头对光源空间分布的检测系统，其特点为多个探头分布在固定支架上，固定支架通过转动机构，围绕待测光源进行转动，多路检测探头收集光信号，检测出待测光源的空间分布(一种光源近场空间分布多路系统，中国专利CN 105954209A)。

当前光源空间分布测试技术主要针对传统大尺寸光源，用于微型发光器件空间光色分布测试存在以下难点：1、微小尺寸导致测试系统定位困难；2、发光微弱要求测试仪器有更高灵敏度，微型发光器件工作电流相对功率器件可小至几个数量级，在微弱发光情况下，传统测试系统探测噪声增大，要求探测器有更高灵敏度和信噪比。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的光源空间分布测试时间长、测试装置复杂、测试时效性差、测试空间要求高等问题，提供用于检测微型发光器件空间光色分布、光通量/光功率等光学特性的一种微型发光器件空间光色分布检测系统。

本发明的另一目的在于提供无需进行空间转动扫描式测量，避免空间检测的定位误差，极大地节约检测时间的一种微型发光器件空间光色分布检测方法。

所述微型发光器件空间光色分布检测系统包括带空腔的半球体、底板、三维台、电流源、光纤、光纤集成面板、分束镜、CCD相机、高光谱成像光谱仪和计算机；带空腔的半球体位于底板上固定的位置；所述三维台固定在底板的中心位置，电流源用于连接待检测微型发光器件；带空腔的半球体上设有若干光纤孔；光纤的一端插入半球体的光纤孔内，光纤的另一端按角度对应关系固定在光纤集成面板上，分束镜将采集到的光谱信息分成两束光路，一束光由CCD相机接收，另外一束光由高光谱成像光谱仪接收，CCD相机用于采集二维图像信息传送至计算机，并辅助定位发光器件处于半球体中心位置；高光谱成像光谱仪用于采集光纤集成面板的光谱数据并传送至计算机，计算机进行数据处理，得到发光器件的三维空间光色分布。

所述带空腔的半球体的半径和三维台尺寸可根据待测微型器件尺寸进行具体设计调整。

所述半球体为带空腔的半球体，光纤孔随球腔呈现空间立体式分布；以球心为坐标原点，建立三维坐标系，在球表面每隔α和θ角度预留一个光谱采集装置光纤孔；也可根据光纤尺寸以及精度要求，进行不同规格光纤孔的设计，实现光纤孔的多样化布局。

所述光纤孔可以球心为坐标原点，建立三维坐标系，在半球体表面每隔一定角度预留一个光纤孔；也可根据光纤尺寸以及精度要求，进行不同规格光纤孔的设计，实现光纤孔的多样化布局。

所述底板与带空腔的半球体上可设有多个定位标记，通过底板与半球体之间的定位标记，以确保半球体位于底板上固定的位置。

所述三维台固定在底板中心位置，通过调节三维台，用于调整待测微型发光器件与半球体的相对位置。

所述光纤集成面板上每根光纤对应半球面特定空间角度。

每条光纤根据半球体光纤孔的布局，在光纤集成面板上密集规则排列，即每条光纤对应发光器件特定空间角度光分布。

所述微型发光器件空间光色分布检测方法的具体步骤如下：

1)依次连接好检测系统，将微型发光器件与电流源相连接，置于球心处，通过调节三维台调整发光器件与半球体的相对位置；按微型发光器件定位方案，将已知辐照度光谱分布数据的标准光源置于半球体中心位置，进行系统校准；

2)各光纤将空间光分布传输到光纤集成面板上，高光谱成像光谱仪采集光纤集成面板二维图像及光谱信息，通过计算机数据处理，得到微型发光器件三维空间光色分布，包含色温、显色指数、峰值波长、主波长等光学和色度学参数，所有光纤光分布积分后即为微型发光器件光通量或光功率。

在步骤1)中，所述微型发光器件定位方案包括：

(1)底板与半球体设计多个定位标记，通过底板与半球体之间的定位标记，确保半球体位于底板上固定的位置；

(2)点亮发光器件，通过分束镜将集成面板光谱信息分成两道光路，CCD相机通过半球体光纤采集发光器件的二维平面轮廓图形，通过调整三维台旋钮，使发光器件二维平面轮廓图形位于视野中心位置，即发光器件处于半球体中心位置。

在步骤1)中，所述系统校准的具体步骤可为：

依次连接好检测系统设备，按微型发光器件定位技术方案，将已知辐照度光谱分布数据R₀(λ)的标准光源置于半球体中心位置；先关闭标准光源，测出标准光源在暗环境下的光谱分布D₀(λ)；然后点亮标准光源，待其发光稳定后，调整曝光时间t₀，高光谱成像光谱仪收集光谱分布P₀(λ)；进而通过得到光谱辐照度校正系数曲线C(λ)；

在步骤2)中，所述微型发光器件三维空间光色分布测试方法具体如下：

将待测微型发光器件置于半球体中心位置；分别在关闭光源和点亮光源情况下用高光谱成像光谱仪测试光源光谱分布，实际测试得到的辐照度光谱分布R(λ):

R(λ)＝(P(λ)-D(λ))xC(λ)/t；

其中，P(λ)为待测光源光谱分布，D(λ)为待测光源暗环境下光谱分布，t为高光谱成像光谱仪所用时曝光时间；

则对应的辐照度E_ei为：

则对应的照度E_vi为：

其中，V(λ)为光谱光视效率(视见函数)；

由于每根光纤对应半球面特定空间角度，因而通过集成面板光纤二维光分布即可得到发光器件的三维空间光色分布。

在步骤2)中，所述微型发光器件光通量或光功率的计算方法如下：

根据光纤探头分布情况，将半球体表面分成对应的块数，每根光纤对应一块表面。

选取单位区域面积为S_i，因是个定值，所以每个区域的面积：

其中，α和θ为与x轴和z轴方向变化的弧度。α和θ可为固定值，也可根据设计需要不同角度取不同量；

则该区域的光功率φ_ei为：

φ_ei＝E_ei·S_i＝1,2,3…

所以，总光功率

i＝1，2，3…，n，其中n为光纤个数。

光通量Φ_vi为：

Φ_vi＝E_vi·S_i＝1,2,3…

所以，总光通量

i＝1，2，3…，n，其中n为光纤个数。

根据每根光纤测得的辐照度光谱分布R(λ)，还可以得到色温、显色指数、峰值波长、主波长等光学和色度学参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.通过球面固定的光纤将空间数据传递到光纤集成面板上，将三维空间光色分布转化为二维平面分布，从而可以使用高光谱成像光谱仪对光纤集成面板进行检测分析，全面快速得到待测光源三维空间光色分布等特性。半球体的半径大小可根据具体情况，进行具体设计，来满足单颗或者是阵列的微型发光器件的性能检测。

2.方便光学定位，通过光纤集成面板成像，配合二维调整台，解决微型器件光学定位难题。

3.无需像传统光源检测设备进行空间转动扫描式测量，精简设备结构，避免空间检测的定位误差，极大地节约检测时间。

附图说明

图1为本发明实施例的微型LED光源检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的半球体和底座的主视示意图；

图3为本发明实施例的半球体的俯视示意图；

图4为本发明实施例的半球体光纤孔分布示意图；

图5为本发明实施例的集成显示面板主视示意图；

图6为本发明实施例的底板和三维台的主视示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1～6，为本发明实施例的光谱测试系统结构示意图，所述微型发光器件空间光色分布检测系统包括带空腔的半球体6、底板5、三维台3、电流源2、光纤7、光纤集成面板8、分束镜9、CCD相机10、高光谱成像光谱仪11和计算机12；带空腔的半球体6位于底板5上固定的位置；所述三维台3固定在底板5的中心位置，电流源2用于连接待检测微型发光器件；带空腔的半球体6上设有若干光纤孔4；光纤7的一端插入半球体的光纤孔4内，光纤7的另一端按角度对应关系固定在光纤集成面板8上，分束镜9将采集到的光谱信息分成两束光路，一束光由CCD相机10接收，另外一束光由高光谱成像光谱仪11接收，CCD相机10用于采集二维图像信息传送至计算机12，并辅助定位发光器件处于半球体中心位置；高光谱成像光谱仪11用于采集光纤集成面板的光谱数据并传送至计算机12，计算机12进行数据处理，得到发光器件的三维空间光色分布。

实施例设有尺寸为100×100μm的MiniLED芯片1与电流源2连接，置于三维台3上；半径为10mm的半球体6固定在底板5上；如图4所示，半球体6分别每取α＝10°和θ＝10°预留一个光谱采集装置光纤孔4；如图1所示，半球体光纤孔4通过光纤7与光纤集成面板8连接，光纤集成面板上的每条光纤根据半球体光纤孔的布局，在面板上密集规则排列；然后点亮发光器件，通过分束镜9将集成面板光谱信息分成两道光路，CCD相机10采集图像，快速辅助定位发光器件处于半球体中心位置；高光谱成像光谱仪11采集光纤集成面板二维图像及光谱信息，通过计算机12数据处理，可得到发光器件的三维空间光色分布，包含色温、显色指数、峰值波长、主波长等光学和色度学参数，所有光纤光分布积分后即为发光器件光通量或光功率。

为完成控制采集部分准确性，微型发光器件定位采用如下技术方案：

底板与半球体设计多个定位标记，通过底板与半球体之间的定位标记，确保半球体位于底板上固定的位置；三维台固定在底板中心位置，通过调节三维台，可调整发光器件与半球体的相对位置。

所述光纤集成面板可用于兼顾发光器件中心定位，点亮发光器件，通过分束镜将集成面板光谱信息分成两道光路，CCD相机通过半球体光纤采集发光器件的二维平面轮廓图形，通过调整三维台旋钮，使发光器件二维平面轮廓图形位于视野中心位置，即发光器件处于半球体中心位置。将发光器件三维空间分布一一映射到集成面板的二维平面，方便CCD相机或高光谱成像光谱仪进行快速数据收集，从二维图像和光谱信息方便地导出发光器件三维空间光色分布。

所述光源校准系统，采用如下技术方案：

依次连接好检测系统设备，按照上面所述微型发光器件定位技术方案，将已知辐照度光谱分布数据R₀(λ)的标准光源置于半球体中心位置；先关闭标准光源，测出标准光源在暗环境下的光谱分布D₀(λ)；然后点亮标准光源，待其发光稳定后，调整适合的曝光时间t₀，高光谱成像光谱仪收集光谱分布P0(λ)；进而通过得到光谱辐照度校正系数曲线C₀(λ)；

待测微型发光器件空间分布测试方法如下：

依次连接好检测系统设备，按照上面所述微型发光器件定位技术方案，将待测微型发光器件置于半球体中心位置；分别在关闭光源和点亮光源情况下用高光谱成像光谱仪测试光源光谱分布，实际测试得到的辐照度光谱分布R₁(λ):

R₁(λ)＝(P₁(λ)-D₁(λ))xC(λ)/t₁；

其中，P₁(λ)为待测光源光谱分布，D₁(λ)为待测光源暗环境下光谱分布，t₁为高光谱成像光谱仪所用时曝光时间。

则对应的辐照度E_e1为：

则对应的照度Ev1为：

其中，V(λ)为光谱光视效率(视见函数)。

由于每根光纤对应半球面特定空间角度，因而通过集成面板光纤二维光分布即可得到发光器件的三维空间光色分布。

全光通量和光功率的计算方法如下：

根据探头分布情况，将半球体表面分成对应的块数，每根光纤对应一块表面。

选取单位区域面积为Si，因是个定值，所以每个区域的面积：

其中α和θ为与x轴和z轴方向变化的弧度。

则该区域的光功率φ_ei为：

φ_ei＝E_ei·S_i＝1,2,3…

所以，总光功率

i＝1，2，3…，n，其中n为光纤个数。

光通量Φ_vi为：

Φ_vi＝E_vi·S_i＝1,2,3…

所以，总光通量

i＝1，2，3…，n，其中n为光纤个数。

同时，经过计算机数据处理，还可以得到光功率、色温、显色指数、峰值波长、主波长等光学和色度学参数。

此外，本发明还有很多其他多种实施例和应用范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于包括电流源、三维台、底板、带空腔的半球体、光纤、光纤集成面板、分束镜、CCD相机、高光谱成像光谱仪和计算机；所述带空腔的半球体位于底板上固定的位置；所述三维台固定在底板的中心位置，电流源用于连接待检测微型发光器件；带空腔的半球体上设有若干光纤孔；光纤的一端插入半球体的光纤孔内，光纤的另一端按角度对应关系固定在光纤集成面板上，分束镜将光纤集成面板采集到的光谱信息分成两束光路，一束光由CCD相机接收，另外一束光由高光谱成像光谱仪接收，CCD相机用于采集二维图像信息传送至计算机，并辅助定位发光器件处于半球体中心位置；高光谱成像光谱仪采集到光纤集成面板的光谱数据并传送至计算机，计算机进行数据处理，得到发光器件的三维空间光色分布。

2.如权利要求1所述一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于所述带空腔的半球体的半径和三维台的大小根据待测微型器件尺寸进行设计。

3.如权利要求1所述一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于所述半球体为带空腔的半球体，光纤孔随球腔呈现空间立体式分布；以球心为坐标原点，建立三维坐标系，在球表面每隔α和θ角度预留一个光谱采集装置光纤孔；也可根据光纤尺寸以及精度要求，进行不同规格光纤孔的设计，实现光纤孔的多样化布局。

4.如权利要求1所述一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于所述光纤孔可以球心为坐标原点，建立三维坐标系，在半球体表面每隔一定角度预留一个光纤孔；也可根据光纤尺寸以及精度要求，进行不同规格光纤孔的设计，实现光纤孔的多样化布局。

5.如权利要求1所述一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于所述底板与带空腔的半球体上可设有多个定位标记，通过底板与半球体之间的定位标记，以确保半球体位于底板上固定的位置；所述三维台固定在底板中心位置，通过调节三维台，用于调整待测微型发光器件与半球体的相对位置。

6.如权利要求1所述一种微型发光器件空间光色分布检测系统，其特征在于所述光纤集成面板上每根光纤对应半球面特定空间角度；每条光纤根据半球体光纤孔的布局，在光纤集成面板上密集规则排列，即每条光纤对应发光器件特定空间角度光分布。

7.一种微型发光器件空间光色分布检测方法，其特征在于其具体步骤如下：

1)依次连接好检测系统，将微型发光器件与电流源相连接，置于球心处，通过调节三维台调整发光器件与半球体的相对位置；按微型发光器件定位方案，将已知辐照度光谱分布数据的标准光源置于半球体中心位置，进行系统校准；

2)各光纤将空间光分布传输到光纤集成面板上，高光谱成像光谱仪采集光纤集成面板二维图像及光谱信息，通过计算机数据处理，得到微型发光器件三维空间光色分布，包含色温、显色指数、峰值波长、主波长等光学和色度学参数，所有光纤光分布积分后即为微型发光器件光通量或光功率。

8.如权利要求7所述一种微型发光器件空间光色分布检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述微型发光器件定位方案包括：

(1)底板与半球体设计多个定位标记，通过底板与半球体之间的定位标记，确保半球体位于底板上固定的位置；

(2)点亮发光器件，通过分束镜将集成面板光谱信息分成两道光路，CCD相机通过半球体光纤采集发光器件的二维平面轮廓图形，通过调整三维台旋钮，使发光器件二维平面轮廓图形位于视野中心位置，即发光器件处于半球体中心位置。

9.如权利要求7所述一种微型发光器件空间光色分布检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述系统校准的具体步骤为：

依次连接好检测系统设备，按微型发光器件定位技术方案，将已知辐照度光谱分布数据R₀(λ)的标准光源置于半球体中心位置；先关闭标准光源，测出标准光源在暗环境下的光谱分布D₀(λ)；然后点亮标准光源，待其发光稳定后，调整曝光时间t₀，高光谱成像光谱仪收集光谱分布P₀(λ)；进而通过得到光谱辐照度校正系数曲线C(λ)；

10.如权利要求7所述一种微型发光器件空间光色分布检测方法，其特征在于在步骤2)中，所述微型发光器件三维空间光色分布测试方法具体如下：

将待测微型发光器件置于半球体中心位置；分别在关闭光源和点亮光源情况下用高光谱成像光谱仪测试光源光谱分布，实际测试得到的辐照度光谱分布R(λ):

R(λ)＝(P(λ)-D(λ))xC(λ)/t；

其中，P(λ)为待测光源光谱分布，D(λ)为待测光源暗环境下光谱分布，t为高光谱成像光谱仪所用时曝光时间；

则对应的辐照度E_ei为：

则对应的照度E_vi为：

其中，V(λ)为光谱光视效率；

由于每根光纤对应半球面特定空间角度，因而通过集成面板光纤二维光分布即可得到发光器件的三维空间光色分布；

所述微型发光器件光通量或光功率的计算方法如下：

根据光纤探头分布情况，将半球体表面分成对应的块数，每根光纤对应一块表面；

选取单位区域面积为Si，因是个定值，所以每个区域的面积：

其中，α和θ为与x轴和z轴方向变化的弧度；α和θ可为固定值，也可根据设计需要不同角度取不同量；

则该区域的光功率φei为：

φei＝Eei·Sii＝1,2,3…

所以，总光功率

其中n为光纤个数；

光通量Φvi为：

Φvi＝Evi·Sii＝1,2,3…

所以，总光通量

其中n为光纤个数。

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