CN114264452B - 一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法，涉及微型发光器件阵列的光色检测。检测系统包括机械手臂、集光盖板、标准积分球光源、标准LED器件、显微高光谱成像光谱仪、电流源和计算机。使用二步式校准法进行检测系统相对和绝对响应曲线校准；测试微型发光器件阵列时，机械手臂控制集光盖板，使集光盖板上的通孔与微型发光器件阵列芯片一一对应，通过显微高光谱成像光谱仪测试并收集单颗芯片的图像和光谱信息，通过计算得微型发光器件阵列光度学和色度学参数。解决微型发光器件阵列单像素检测时光信号弱、像素间光串扰等问题，实现微型发光器件阵列单像素光通量、光功率绝对值批量快速检测，提升检测效率和准确性。

Description

一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及微型发光器件阵列的光色检测，特别是涉及一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及检测方法。

背景技术

随着5G+8K超高清智能微显示时代的到来，微型发光器件阵列(Mini/Micro-LED)凭借其广色域、定点驱动、高反应速度、高稳定性等优点成为面板行业翘首以待的终极显示技术。虽然微型发光器件阵列行业备受关注，但是目前其技术面临诸多挑战，造成其成本较高，这也是阻碍微型发光器件阵列显示技术大规模商用化的最大因素。微型发光器件阵列单像素检测技术，就是目前面临诸多挑战之一。

微型发光器件阵列单像素检测是指对其单个像素点的光色检测，特别是光通量和光功率检测，其反映了微型发光器件每个像素点具体的光色情况。传统发光器件的检测是封装好或用探针点亮检测，但微型发光器件阵列尺寸已小至几十微米，探针无法使用。然而单个检测封装效率太低，一般是组成微芯片阵列进行检测。

目前，对微型发光器件阵列单像素检测方法的报道非常少，当前较为主流的发光器件光学参数检测主要停留在宏观均值层面(亮度测量装置，中国专利CN104185777 B)，这种检测方法虽然能够得到发光器件整体的亮度等情况，但对于微型发光器件阵列单像素的光色参数检测却无能为力。虽然已经有专利通过显微镜和光谱仪来采集微型发光器件的光谱信息(发光器件微区光度和色度学参数测量方法及其测量装置，中国专利CN 109186946B)，通过扫描取点的方式来实现微型发光器件阵列单像素表面亮度的检测，但缺少单像素光通量、光功率绝对值的检测能力，且像素间的光串扰会导致检测数据有较大的误差。

因此，针对当前微型发光器件阵列单像素检测的局限性，探索出一种可以解决微型发光器件阵列单像素检测时光信号弱、光串扰等问题，并且能够实现微型发光器件阵列单像素光通量、光功率绝对值的批量快速检测的方法非常有意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的微型发光器件阵列单像素检测所遇到的周围像素光串扰、效率低、测试装置复杂等问题，提供有利于微弱信号的收集，提高信噪比，减少周围的芯片的噪声影响，实现对微弱信号图像信息和光谱信息准确获取，并可实现微型发光器件阵列单像素光通量、光功率绝对值批量快速检测的一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统及其检测方法。

一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统包括机械手臂、集光盖板、标准积分球光源、标准LED器件、显微高光谱成像光谱仪、电流源和计算机；所述集光盖板与机械手臂相连接，通过机械手臂实现集光盖板三维空间移动；所述显微高光谱成像光谱仪用于收集微型发光器件阵列的图像信息和光谱信息；所述电流源与微型发光器件相连，用于驱动微型发光器件；所述计算机与机械手臂和显微高光谱成像光谱仪连接，用于控制机械手臂和接收图像信息和光谱信息，并进行数据处理。

所述机械手臂可以进行三维空间移动，通过计算机调整程序参数，控制机械手臂的机械爪三维移动。

所述集光盖板尺寸参数根据微型发光器件阵列尺寸进行设计，以满足各种特殊情况下的检测要求。

所述集光盖板与机械手臂的机械爪相连接，通过机械手臂控制集光盖板，通过定位标记，实现集光盖板与微型发光器件阵列的精准定位。

所述集光盖板为带有通孔的平板，通孔的尺寸和布局与微型发光器件阵列芯片的尺寸和布局一一对应；通孔分为上中下三段式，其中上段为垂直结构，中端为倾斜结构，形成反光杯式，下段为垂直套筒结构；其中下段套筒尺寸需略大于微型发光器件芯片尺寸，从而能够覆盖芯片，防止因芯片间距小，相邻芯片对待测芯片产生的光串扰现象；三段式通孔的内壁进行镀金处理，增强通孔的反光性，加上反光杯式设计，从而满足对发光器件微弱光信号的收集。

所述显微高光谱成像光谱仪由显微镜和高光谱成像仪组建而成，通过调整其与微型发光器件阵列之间的距离，不仅可以实现对微型发光器件阵列微弱信号准确采集，还可以获得任意像素光谱信息，从而实现视野范围内的单像素光色信息的批量快速检测。

所述集光盖板上设有多个定位标记，通过集光盖板与微型发光器件阵列之间的定位标记，经过机械手臂控制，以确保集光盖板与微型发光器件阵列位置一一对应。

一种微型发光器件阵列单像素的光色检测方法，包括以下步骤：

1)二步式校准检测系统。依次连接好检测系统，分别将标准积分球(带集光盖板)、标准LED器件与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球(带集光盖板)或标准微型发光器件(标准LED器件)精准定位，分别进行检测系统和绝对响应曲线校准，保存校准曲线；

2)微型发光器件阵列检测。将微型发光器件阵列与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂控制集光盖板，使集光盖板下段套筒与芯片一一对应，并覆盖芯片，调整显微高光谱成像光谱仪进行检测，然后通过计算机调用校准曲线，得到微型发光器件阵列单像素的图像信息和光谱信息，包括光通量和光功率。

在步骤1)中，所述系统校准具体步骤为：

(1)准备标准光谱数据。用已校准过的光谱系统得到标准积分球光源(带集光盖板)的光谱辐照度分布数据E₀(λ)，用已校准过的光谱系统得到一个标准微型发光器件(标准LED器件)的绝对功率分布数据P_LED(λ)。

(2)校准相对光谱辐照度系数曲线。依次连接好检测系统，将已校准过的标准积分球光源(带集光盖板)置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球光源精准定位；先关闭标准积分球光源，测出标准积分球光源在暗环境下的光谱分布数据D₀(λ)；然后点亮标准积分球光源，待其发光稳定后，调整曝光时间t₀，显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P₀(λ)；从而得到相对光谱辐照度校正系数曲线C_r(λ):

(3)校准绝对光功率分布系数曲线。依次连接好检测系统，将已校准过的标准LED器件置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准LED器件精准定位；先关闭标准LED器件，测出在暗环境下的光谱分布数据D_0LED(λ)；然后点亮标准LED器件(工作条件与校准时工作条件一致)，待其发光稳定后，调整曝光时间t_0LED，显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P_0LED(λ)；从而得到绝对光谱校正系数曲线C(λ):

在步骤2)中，通过显微高光谱成像光谱仪检测，分别在关闭微型发光器件阵列和点亮微型发光器件阵列的情况下，得到暗环境下光谱分布D_s(λ)和微型发光器件阵列单像素光谱分布P_s(λ)，则绝对光谱功率分布P(λ):

P(λ)＝[P_s(λ)-D_s(λ)]·C(λ)/t_s；

其中，t_s为显微高光谱成像光谱仪所用的曝光时间；由P(λ)通过色度参数常规计算方法得到色度学参数，如色品坐标、主波长、相关色温(CCT)、纯度等。

对应的光功率P_s为：

对应的光通量Ф_s为：

其中，V(λ)为光谱光视效率。

与现有技术相比，本发明的技术方案有益效果在于：

1.三段式集光盖板，内壁进行镀金处理，增强其反光性，加上反光杯式设计，有利于微弱信号的收集；其中下段套筒突出部分能够覆盖芯片，防止相邻芯片产生的光串扰。

2.二步式校准方法有利于克服微弱信号对系统校准的不利影响，大大提高信噪比。

3.计算机控制集光盖板完成与芯片的定位，使集光盖板套筒能够覆盖芯片，减少周围的芯片的噪声影响，实现对微弱信号图像信息和光谱信息的准确获取。显微高光谱成像光谱仪实现批量高效的微型发光器件阵列单像素的光色检测。

附图说明

图1为显微高光谱成像检测系统的结构示意图；

图2为机械手臂的结构示意图；

图3为集光盖板的工作示意图；

图4为集光盖板的俯视图；

图5为显微高光谱成像光谱仪获取的标准光源的光谱图像；

图6为标准光源的辐照度图谱；

图7为光谱的绝对校准曲线；

图8为显微高光谱成像光谱仪获取芯片图像。

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1～4，所述微型发光器件阵列单像素的光色检测系统包括机械手臂1、集光盖板2、显微高光谱成像光谱仪3、电流源4、计算机5、标准LED器件6和标准积分球光源7；所述机械手臂1与计算机5相连接，通过计算机控制实现三维空间移动；所述集光盖板2与机械手臂1的机械爪11相连接，通过机械手臂1实现集光盖板2空间三维移动；所述显微高光谱成像光谱仪3用于收集标准LED器件6和标准积分球光源7的图像信息和光谱信息；所述电流源4与标准LED器件6相连，用于驱动标准LED器件6件工作；所述计算机5与显微高光谱成像光谱仪3连接，用于接收图像信息和光谱信息，并进行数据处理。

实施例设有芯片尺寸为200x100um的标准LED器件6与电流源4连接，集光盖板2下端套筒尺寸为220x110um，盖板2能够被机械手臂1的机械手爪11固定；如图2和图3，过计算机5控制，使机械手臂能够沿着空间X方向轴8、Y方向轴9和Z方向轴10三维移动，通过集光盖板2上的定位标记15，使集光盖板2实现与芯片12的精准定位。然后接通电流源4，通过显微高光谱成像光谱仪3采集图像信息和光谱信息，通过计算机5来进行数据处理，得到标准LED器件6和标准积分球光源7的光色参数。

所述集光盖板为带有通孔的平板，如图3，通孔13的尺寸和布局与微型发光器件阵列芯片12的尺寸和布局一一对应；通孔分为上中下三段式，其中上段为垂直结构，中端为倾斜结构，形成反光杯式，下段为垂直套筒结构；其中下段套筒尺寸需略大于微型发光器件芯片尺寸，从而能够覆盖芯片，防止因芯片间距小，相邻芯片对待测芯片产生的光串扰现象；三段式通孔的内壁进行镀金处理，金属层14增强通孔的反光性，加上反光杯式设计，从而满足对发光器件微弱光信号的收集。

所述显微高光谱成像光谱仪3由显微镜和高光谱成像仪组建而成，通过调整其与微型发光器件阵列6之间的距离，不仅可以实现对微型发光器件阵列微弱信号准确采集，还可以获得任意像素光谱信息，从而实现视野范围内的单像素光色信息的批量快速检测。

一种微型发光器件阵列单像素的光色检测方法，具体步骤如下：

(1)二步式校准检测系统。依次连接好检测系统，分别将标准积分球(带集光盖板)、标准LED器件与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球(带集光盖板)或标准微型发光器件(标准LED器件)精准定位，分别进行检测系统和绝对响应曲线校准，保存校准曲线；

(2)微型发光器件阵列检测。将微型发光器件阵列与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂控制集光盖板，使集光盖板下段套筒与芯片一一对应，并覆盖芯片，调整显微高光谱成像光谱仪进行检测，然后通过计算机调用校准曲线，得到微型发光器件阵列单像素的图像信息和光谱信息，包括光通量和光功率。

在步骤(1)中，所述系统校准具体步骤为：

1)准备标准光谱数据。如图6，用已校准过的光谱系统得到标准积分球光源(带集光盖板)的光谱辐照度分布数据E₀(λ)，用已校准过的光谱系统得到一个标准微型发光器件(标准LED器件)的绝对功率分布数据P_LED(λ)。

2)校准相对光谱辐照度系数曲线。依次连接好检测系统，将已校准过的标准积分球光源(带集光盖板)置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球光源精准定位；先关闭标准积分球光源，测出标准积分球光源在暗环境下的光谱分布数据D₀(λ)；然后点亮标准积分球光源，待其发光稳定后，调整曝光时间t₀，如图5，由显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P₀(λ)；从而得到相对光谱辐照度校正系数曲线C_r(λ):

3)校准绝对光功率分布系数曲线。依次连接好检测系统，将已校准过的标准LED器件置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准LED器件精准定位；先关闭标准LED器件，测出在暗环境下的光谱分布数据D_0LED(λ)；然后点亮标准LED器件(工作条件与校准时工作条件一致)，待其发光稳定后，调整曝光时间t_0LED，显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P_0LED(λ)；如图7所示，从而得到绝对光谱校正系数曲线C(λ):

在步骤(2)中，通过显微高光谱成像光谱仪检测，分别在关闭微型发光器件阵列和点亮微型发光器件阵列的情况下，得到暗环境下光谱分布D_s(λ)和微型发光器件阵列单像素光谱分布P_s(λ)，则绝对光谱功率分布P(λ):

P(λ)＝[P_s(λ)-D_s(λ)]·C(λ)/t_s；

其中，t_s为显微高光谱成像光谱仪所用的曝光时间；由P(λ)通过色度参数常规计算方法得到色度学参数，如色品坐标、主波长、相关色温(CCT)、纯度等。

对应的光功率P_s为：

对应的光通量Ф_s为：

其中，V(λ)为光谱光视效率。

图8给出显微高光谱成像光谱仪获取芯片图像。

本发明首先使用二步式校准法分别进行检测系统相对和绝对响应曲线校准；测试微型发光器件阵列时，通过机械手臂控制集光盖板，使集光盖板上的通孔与微型发光器件阵列芯片一一对应，通过显微高光谱成像光谱仪测试并收集单颗芯片的图像信息和光谱信息，通过计算得到微型发光器件阵列的光度学和色度学参数。本发明不仅可以解决微型发光器件阵列单像素检测时光信号弱、像素间光串扰等问题，并且能够实现微型发光器件阵列单像素光通量、光功率绝对值的批量快速检测，极大地提升微型发光器件阵列单像素光色检测的效率和准确性。

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 (8)

1.一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统，其特征在于包括机械手臂、集光盖板、标准积分球光源、标准LED器件、显微高光谱成像光谱仪、电流源和计算机；所述集光盖板为带有通孔的平板，通孔呈反光杯式结构，内壁镀金，用于收集发光器件微弱光信号，并带有多个定位标记；所述机械手臂通过机械爪与集光盖板相连接，通过机械手臂控制集光盖板在三维空间移动，并通过集光盖板上与微型发光器件阵列之间的定位标记，实现集光盖板与微型发光器件阵列的精准定位；所述显微高光谱成像光谱仪用于收集微型发光器件阵列的图像信息和光谱信息；所述电流源与微型发光器件阵列相连，用于驱动微型发光器件阵列；所述计算机与机械手臂和显微高光谱成像光谱仪连接，用于控制机械手臂和接收图像信息和光谱信息，并能够进行数据处理。

2.如权利要求1所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统，其特征在于所述集光盖板为带有通孔的平板，通孔的尺寸和布局与微型发光器件阵列芯片的尺寸和布局一一对应；通孔分为上中下三段式，其中上段为垂直结构，中端为倾斜结构，形成反光杯式，下段为垂直套筒结构；其中下段套筒尺寸需略大于微型发光器件阵列芯片尺寸，从而能够覆盖芯片，防止因芯片间距小，相邻芯片对待测芯片产生的光串扰现象；三段式通孔的内壁进行镀金处理，增强通孔的反光性，加上反光杯式设计，从而满足对发光器件微弱光信号的收集。

3.如权利要求1所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统，其特征在于所述显微高光谱成像光谱仪由显微镜和高光谱成像仪组建而成，通过调整其与微型发光器件阵列之间的距离，不仅可以实现对微型发光器件阵列微弱信号准确采集，还可以获得任意像素光谱信息，从而实现视野范围内的单像素光色信息的批量快速检测。

4.如权利要求1所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统，其特征在于所述机械手臂进行三维空间移动是通过计算机调整参数，控制机械手臂的机械爪三维移动。

5.如权利要求1所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测系统，其特征在于所述集光盖板尺寸参数根据微型发光器件阵列尺寸设置。

6.一种微型发光器件阵列单像素的光色检测方法，其特征在于其具体步骤如下：

1)二步式校准检测系统：依次连接好检测系统，分别将标准积分球光源、标准LED器件与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球光源或标准LED器件精准定位，分别进行检测系统相对和绝对响应曲线校准，保存校准曲线；

2)微型发光器件阵列检测：将微型发光器件阵列与电流源相连接，置于显微高光谱成像光谱仪的视野区，通过机械手臂控制集光盖板，使集光盖板下段套筒与芯片一一对应，并覆盖芯片，调整显微高光谱成像光谱仪进行检测，然后通过计算机调用校准曲线，得到微型发光器件阵列单像素的图像信息和光谱信息，包括光通量和光功率。

7.如权利要求6所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测方法，其特征在于在步骤1)中，所述二步式校准检测系统的具体步骤为：

(1)准备标准光谱数据：用已校准过的光谱系统得到标准积分球光源的光谱辐照度分布数据E₀(λ)，用已校准过的光谱系统得到一个标准LED器件的绝对功率分布数据P_LED(λ)；

(2)校准相对光谱辐照度系数曲线：依次连接好检测系统，将已校准过的标准积分球光源置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准积分球光源精准定位；先关闭标准积分球光源，测出标准积分球光源在暗环境下的光谱分布数据D₀(λ)；然后点亮标准积分球光源，待其发光稳定后，调整曝光时间t₀，显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P₀(λ)；从而得到相对光谱辐照度校正系数曲线C_r(λ)：

(3)校准绝对光谱功率分布系数曲线：依次连接好检测系统，将已校准过的标准LED器件置于显微高光谱仪视野区，调节对焦旋钮，并通过机械手臂完成集光盖板与标准LED器件精准定位；先关闭标准LED器件，测出在暗环境下的光谱分布数据D_0LED(λ)；然后点亮标准LED器件，工作条件与校准时工作条件一致，待其发光稳定后，调整曝光时间t_0LED，显微高光谱成像光谱仪收集到的光谱分布数据P_0LED(λ)；从而得到绝对光谱校正系数曲线C(λ)：

8.如权利要求6所述一种微型发光器件阵列单像素的光色检测方法，其特征在于在步骤2)中，通过显微高光谱成像光谱仪检测，分别在关闭微型发光器件阵列和点亮微型发光器件阵列的情况下，得到暗环境下光谱分布D_s(λ)和微型发光器件阵列单像素光谱分布P_s(λ)，则绝对光谱功率分布P(λ):

P(λ)＝[P_s(λ)-D_s(λ)]·C(λ)/t_s；

其中，t_s为显微高光谱成像光谱仪所用的曝光时间；由P(λ)通过色度参数常规计算方法得到色度学参数，如色品坐标、主波长、相关色温、纯度；

对应的光功率P_s为：

对应的光通量Ф_s为：

其中，V(λ)为光谱光视效率。

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