CN114402181A - 成像光测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成像光测量装置，该成像光测量装置包括图像传感器(117)、光学光谱仪(120)和数据处理单元(118)，其中，图像传感器(117)和光谱仪(120)被配置成接收由测量对象(110)发出的光，数据处理单元(118)连接至图像传感器(117)和光谱仪(120)，并且处理由图像传感器(117)和光谱仪(120)输出的测量信号。本发明的目的是提供一种光测量装置，该光测量装置允许以简单且成本有效的方式对测量过程进行精确的时间控制。为此目的，本发明建议，图像传感器(117)和光谱仪(120)各自具有触发输入部(122，123)，其中，施加在该触发输入部(122，123)处的触发信号启动测量过程。

Description

成像光测量装置

技术领域

本发明涉及一种成像光测量装置，该成像光测量装置包括图像传感器和光学光谱仪，并且包括数据处理单元，其中，图像传感器和光谱仪接收由测量对象发出的光，数据处理单元连接至图像传感器和光谱仪，并且处理由图像传感器和光谱仪输出的测量信号。

背景技术

这种类型的装置在现有技术中已知的。例如，EP 3054273 A1因此描述了一种用于在质量保证中测量和检查矩阵显示设备(也称为矩阵显示器，诸如智能手机、平板电脑、便携式电脑、监控器、电视等的彩色矩阵显示器)的比色系统。

已知显示器测试环境的关键部件是呈成像比色计形式的光测量装置，该光测量装置使得有可能精确地测量单个显示器的视觉性能，这对应于人类对明度、色彩和空间关系的感知。强大的成像光测量设备能够例如精确地测量色彩(即，合适的色彩空间中的色彩坐标)、显示器的单个像素的亮度(明度)和显示器的总体均匀性。

在典型的生产过程中，每个显示器的视觉性能通过包括这种类型的成像光测量装置的自动检查系统来测试。这具有若干个优点。显示误差的定量评估是可能的，并且增加的测试速度并且尤其是整体显示质量的同时评估，即均匀性和色彩准确度。

在已知的成像比色系统中，提供数字RGB相机作为图像传感器，该数字RGB接收由显示器的像素发出的光。以这种方式，利用空间分辨率以简单的方式测量色彩分布和亮度分布，即以成像方式。此外，已知的比色系统包括光学光谱仪，其从显示器上的预定区域(“光斑”)接收光而没有空间分辨率，即以非成像方式。分束器定位在测量对象与图像传感器或光谱仪之间，该分束器分离来自测量对象的光以便借助于图像传感器和光谱仪进行检测。已知的比色系统包括数据处理单元，该数据处理单元与图像传感器和光谱仪数据连接，该单元控制测量过程并且处理由图像传感器和光谱仪输出的测量信号。在这种情况下，将来自图像传感器的RGB测量信号转换成合适的比色变量、辐射变量和光度变量(例如，转换成X、Y、Z色彩坐标)，并且基于来自光谱仪的精确测量信号对以成像方式检测到的所获得的变量进行校正，使得评估显示质量所需的比色变量和光度变量的非常快速且成本有效的成像检测是可能的。

在现代自动化检查系统中，单个测量对象在测量装置中的停留时间旨在是最小的，以便使生产量最大化。

基于微型LED阵列的现代矩阵显示器几乎已准备好上市。当测量LED时，会出现LED在操作期间发热的问题。温度变化导致发出光的光谱变化。在这种情况下，目的是在测试包含LED的测量对象时，仅在几毫秒的非常短的时间间隔内开启单个LED中的每个LED。

为了使这成为可能，需要能够精确地控制单独测量的时间顺序。

在已知的光测量装置中，数据处理单元的软件控制整个测量过程。在此过程中，命令执行时间是不确定的并且在测量之间变化，使得在100ms或更大的范围内可能存在测量不确定性。因此，必须使用超过图像传感器或光谱仪的实际测量过程的持续时间的测量持续时间(仅几毫秒)来进行操作。这仅能够确保测量实际上在可用时间窗口内发生。这由于图像传感器和光谱仪的测量因软件控制而不能同时精确地运行的事实而加剧。由于不同且变化的命令执行时间，无法精确地知道测量实际发生何种时滞。再此，不确定度也达到100ms。这导致了如下问题：当测量基于LED的测量对象时，如之前提到的，在所述LED被开启之后光谱磨合行为必须被预期到，使得例如图像传感器仍然测量冷LED，而光谱仪(几毫秒之后)测量相同LED的已经红移的光谱。然后，来自图像传感器和光谱仪的数据不匹配。

发明内容

在此背景下，本发明所解决的问题是提供一种光测量装置，该光测量装置允许以简单且成本有效的方式对测量过程进行精确的时间控制。

本发明从开头所述类型的光测量装置出发解决了这个问题，其中图像传感器和光谱仪各自具有触发输入部，其中，施加在该触发输入部处的触发信号启动测量过程。

为了清楚起见，应注意的是，测量对象不是根据本发明的光测量装置的一部分。

根据本发明，关于测量过程的启动，图像传感器和光谱仪因此不像之前那样由数据处理单元的软件控制，而是由外部触发信号控制。在本文，“外部”意味着触发信号来自光测量装置的外部，即，特别是来自数据处理单元外部，即，数据处理单元不涉及测量的启动。触发输入部直接连接至硬件，即，连接至图像传感器或光谱仪的电子器件。触发信号可以作为具有数字逻辑电平的电压信号经由简单的电信号线传输。这导致可想象的测量过程的瞬时启动，其仅受触发信号的电气或电子信号传播时间的限制。还可以想到经由与数据处理单元分离的合适的数据总线来提供触发信号。

本发明使得可以借助于触发信号由图像传感器和光谱仪实际上同时地或至少几乎同时地启动测量。其结果是，一方面，可以确保在所期望的时间点精确地启动测量，其中，具体地，确保了由图像传感器和光谱仪进行的实际同时测量。因此，防止了由于基于LED的测量对象的时间延迟而导致的问题。另一方面，能够调整测量对象的激活持续时间的测量持续时间，该测量对象典型地是如上所述的矩阵显示器或LED阵列。由此能够缩短测量窗口并且因此缩短测量对象的停留时间。测量对象能够在图像传感器和光谱仪的(已知的)测量持续时间结束之后立即更换。这显著增加了生产量。

此外，触发信号可以在各种情况下控制图像传感器和/或光谱仪的积分时间。例如，只要触发信号具有“高”的逻辑电平，图像传感器和/或光谱仪就可以执行测量。因此，可实现用于降低信号噪声的积分。此外，以这种方式，图像传感器的测量可以例如在测量对象的光源(例如，单独的LED组)被按顺序激活时继续。然后，由图像传感器生成的测量对象的图像同时示出了处于激活状态的所有LED组。与LED组的顺序激活并行地，可以借助于相应同步的顺序触发信号来启动光谱仪的多个单独测量。然后，对图像传感器的测量信号的单独校正可从每个LED组的光谱仪的测量信号得到。这样，可以在最小测量周期内执行整个测量过程。

在优选的配置中，图像传感器和/或光谱仪各自包括至少一个信号输出部，并且被配置成经由该信号输出部来输出与信号的操作状态有关的信号。信号输出部构成对应于触发输入部的外部反馈信道。在本文中，“外部”再次意指信号输出部与数据处理单元分离，并且直接连接至图像传感器或光谱仪的电子器件。

例如，图像传感器和/或光谱仪可以各自被配置成在接收触发信号之后，经由信号输出部来输出信号。在这种情况下，信号输出部用于传输信号以确认触发信号的接收，例如，在通过自动化技术集成的光测量装置的外部控制器处。结果，能够从外部识别出实际上已经启动了测量过程。

此外，图像传感器和/或光谱仪可以各自被配置成在正在进行的测量过程期间，经由信号输出部来输出信号。因此，外部控制器可以识别测量正在进行。特别有利地，图像传感器和/或光谱仪各自被配置成在测量过程完成之后，经由信号输出部来输出信号，并且在此情况下，优选地在将所测量的信号输出至数据处理单元完成之前、但至少在通过数据处理单元对所测量的信号的处理完成之前，经由信号输出部来输出信号。一旦图像传感器和光谱仪的测量完成、或一旦整个测量程序完成，就可以改变测量对象，特别是不需要等待一段时间，直到数据处理单元已经完成对来自图像传感器和光谱仪的测量信号的传输、存储和评估。因此，能够使停留时间最小化，而不出现例如由于测量对象过早地改变而导致有缺陷或不完全的测量的风险。借助于数据处理单元的所测量的信号的处理持续时间能够用于改变测量对象，使得不存在非生产性的等待时间。

另一个选项是图像传感器和/或光谱仪各自被配置成在准备好进行测量时，经由该信号输出部来输出信号。因此，外部控制器可以识别何时可以开始新的测量过程。这还有助于使测量对象在光测量装置处的停留时间最小化。一旦硬件就绪，就可以开始测量，而不需要由于数据处理单元的不确定的和变化的信号传播时间而考虑安全裕度。

在一个可行的配置中，在图像传感器和/或光谱仪中，为上述信号中的至少两个中的每一个提供单独的信号输出(触发确认、正在进行测量、测量完成、准备进行测量)。以此方式，每个反馈信号可以作为简单的电信号进行传输。还可以设想到经由数据总线(与数据处理单元分离)进行传输。

在根据本发明的光测量装置的另一个优选配置中，可以提供控制单元，该控制单元与数据处理单元分离，并且被连接到图像传感器和光谱仪的触发输入部。外部控制单元用作接口，可以说用于致动自动化系统中的光测量装置，例如，在矩阵显示器的工业大规模生产中。在此过程中，所述装置完全在电气/电子层面上被致动，即，不涉及数据处理单元。

控制单元还方便地连接到图像传感器和光谱仪的信号输出部，其中控制单元被配置成经由触发输入部来致动图像传感器和光谱仪，并且，特别地基于经由图像传感器和光谱仪的信号输出部所输出的信号，来致动图像传感器和光谱仪。例如，通过逻辑上地链接，启动借助于图像传感器和光谱仪的同步测量，可以取决于图像传感器和光谱仪两者，图像传感器和光谱仪两者经由它们对应的信号输出来指示它们准备好进行测量。以相同的方式，控制单元可以逻辑地互连信号输出部，经由该信号输出部指示由图像传感器和光谱仪两者的测量的完成，使得一旦两个模态(即，图像传感器和光谱仪)完成了它们的测量，就通过外部自动化技术引发测量对象的改变。

在另一优选配置中，控制单元可以被配置成致动光测量装置的至少一个外围元件，其中，该外围元件选自：

-光束偏转器件，该光束偏转器件用于将由测量对象发生的光偏转到图像传感器或光谱仪上，

-光学滤光轮，该光学滤光轮被布置在图像传感器或光谱仪的上游，

-偏振器，该偏振器被布置在图像传感器或光谱仪的上游，或

-定位器件，该定位器件用于相对于图像传感器和光谱仪定位测量对象。控制单元可以方便地用于控制光测量装置的可选外围设备。代替分束器(如在现有技术中)，可以提供光束偏转器件(例如，可以通过致动器移动到光路中的镜件)以便将来自测量对象的光偏转到图像传感器或光谱仪上。控制单元然后控制测量顺序，以便依次地执行借助于图像传感器的测量和借助于光谱仪的测量，其中，光束偏转器件在两个测量之间被致动。光学滤光轮可设置在例如成像滤光轮比色计中来作为图像传感器。这还可以致动该控制单元以便依次通过相应的过滤来启动顺序测量。所谓的像素偏移也可以由光束偏转器件(例如，以在光路中可旋转的玻璃板的形式)实现，特别地以防止在借助于图像传感器的测量期间的波纹(Moiré)图案。外围元件的其他示例是在光路中的偏振滤光器、或定位设备(例如，单轴、双轴或三轴定位系统)，以便相对于图像传感器和/或光谱仪精确地定向测量对象。当测量矩阵显示器时，准确定位对于确保显示矩阵的图像在图像传感器的传感器矩阵上的正确取向是重要的。

此外，控制单元可以方便地用于致动用于自动地改变测量对象的改变设备。以此方式，控制单元也被集成到根据本发明的光测量装置的自动化环境中。控制单元可有利地直接协调和同步测量对象的改变与正被执行的测量。这样，测量对象的停留时间被最小化。在这种情况下，控制单元还方便地致动容置在测量对象中的电光源，诸如作为显示器的一部分或者晶圆上的LED阵列等。以此方式，对测量对象的发光元件的激活可以与测量过程最佳地同步。

数据处理单元优选地被配置成将由图像传感器和光谱仪输出的测量信号，优选地以成像方式导成辐射度变量和/或光度变量(例如，辐射功率、辐射强度、辐射通量密度、辐射或色彩坐标)，即，通过将辐射度变量和/或光度变量的值分配给由测量对象上的图像传感器所检测到的各个位置。

附图说明

以下将参考附图更详细地解释本发明的实施例，在附图中：

图1是呈框图形式的根据本发明的光测量装置的示意图，该光测量装置集成在用于矩阵显示器的生产线中。

具体实施方式

在图1中，由附图标记110表示待被检查色度、亮度和均匀性的测量对象(例如，微型LED矩阵显示器)。由测量对象110发出的光111被引导到成像比色装置112上。光111穿过光学元件(透镜/屏幕)的组件113和分束器114。分束器114将光111分成第一部分光束115和第二部分光束116。

图像传感器形式的RGB相机117接收第一部分光束115，使得在RGB相机117的传感器布置(例如，CCD传感器)上的图像平面中生成测量对象110的二维图像。所产生的(数字)相机图像形成RGB色彩值的二维矩阵，该二维矩阵向测量对象110上的每个位置分配成组的RGB色彩值。

RGB色彩值的矩阵作为数字测量信号被传输至数据处理单元118，该数据处理单元118包括将RGB色彩值转换成XYZ色彩坐标的处理器119，使得成组的XYZ色彩坐标被分配给测量对象110上的每个位置。

第二部分光束116被引导到光学光谱仪120上。在本发明的含义内，在最普遍的意义上，光谱仪被理解为用于检测光谱的装置(即，光强的波长依赖性)。该定义涵盖光谱高分辨率光谱仪，例如具有带有色散光谱分裂和CCD传感器的Czerny-Turner设计，而且还包括简单、紧凑和成本有效的已知类型的光电三滤镜比色计，其中光谱分辨率低并对应于所使用的X、Y、Z滤光器的滤光器特性(甚至有时光谱重叠)。光谱仪120同样产生XYZ色彩坐标，但不是像图像传感器117以图像的形式，而是替代地没有空间分辨率。第二部分光束116从测量对象110上的区域(“光斑”)内的一系列位置发出。在由光谱仪120进行的测量期间，对该光斑的表面积取平均值。

光谱仪120的XYZ色彩坐标同样以数字测量信号的形式被传输至数据处理单元118。如果这是高分辨率光谱仪120，则它可以替代地将测量的光学光谱(作为波长的函数的光强)直接传输至数据处理单元118。所述单元然后根据CIE标准系统，通过利用存储在数据处理单元118中的三色曲线进行加权来跨光谱积分，以计算XYZ色彩坐标。处理器119通过将由光谱仪120确定的XYZ色彩坐标与从来自图像传感器117的RGB值确定的XYZ色彩坐标的子集进行比较来导出校正值，其中色彩坐标被分配给发出第二部分光束116的光斑内的位置。处理器119然后将校正值应用于从RGB值生成的XYZ色彩坐标的整个集合，以便由此获得由测量对象发出的光的XYZ坐标的完整、精确的图像。

经由显示装置121最后输出这些计算的结果，以便评估色彩均匀性和各种类型的伪影(线缺陷、像素缺陷、黑色色差(Black Mura)、黄色色差(Yellow Mura)等)。也可以通过处理器119的相应的图像处理软件以自动的方式识别此类伪影。如果所研究的测量对象不满足适用的质量标准，则可以经由显示装置121输出信号。

根据本发明，RGB相机117和光谱仪120各自包括触发输入部，分别由箭头122、123指示。施加到触发输入部122、123的电触发信号(例如，逻辑信号的低/高沿)在各自情况下启动测量过程。触发输入部122、123直接连接至硬件，即，连接至RGB相机117或光谱仪120的电子器件。

根据本发明，RGB相机117和光谱仪120各自包括分别由箭头124、125和126、127指示的两个信号输出部。RGB相机117和光谱仪120分别经由信号输出部124、126输出指示相关测量过程已经完成的信号。指示RGB相机117或光谱仪120准备好并开始下一个测量的信号分别经由信号输出部125、127被输出(一旦在之前的测量过程之后所测量的信号被完全传输至数据处理单元118)。

控制单元128连接到触发输入部122、123以及信号输出部124至127。控制单元128包括两个子单元129、130，其中子单元129被分配给光测量装置本身，并且子单元130被分配给外部自动化技术。子单元129用作接口以用于在上级自动化系统中致动光测量装置，例如，在矩阵显示器的工业大规模生产中。就其本身而言，子单元129接收来自子单元130的输入信号131，借助于该输入信号，启动RGB相机117和光谱仪120进行同步测量。响应于输入信号131，子单元129向触发输入部122、123同时输出触发信号。子单元129对信号输出部124至127执行逻辑链接，使得当RGB相机117和光谱仪120两者指示相关测量过程完成时，产生第一输出信号132。当RGB相机117和光谱仪120两者指示它们准备好以用于下一个测量过程时，生成第二输出信号133。

子单元130被配置成响应于第一输出信号132(即，每次在最后一次测量完成时)，启动改变测量对象110的改变设备134。为此，当前测量对象110被移除并返回到示意性指示的生产线135。在每种情况下，下一个测量对象110从生产线135移除并朝向比色装置112定位在测试组件上。此外，子单元130被配置成一旦测量对象110已经完成改变并且响应于第二输出信号133(即，当RGB相机117和光谱仪120准备好测量时)，将输入信号131输出至子单元129，使得下一个测量过程分别经由RGB相机117和光谱仪的触发输入部122、123被开始。同时，子单元130在期望的测量周期内激活从测量对象110输出的光。

控制单元128能够由简单的逻辑元件(或FPGA)来实现。相应地定义信号传播时间。成本很低。

控制单元128与触发输入部122、123以及信号输出部124至127相结合，由此可以实现自动化测量顺序，而无需数据处理单元118参与控制。测量对象110在测试组件处的停留时间由此能够被最小化，而没有由于数据处理单元118的软件中波动的命令执行时间而导致误差的风险。此外，借助于RGB相机117和光谱仪120保证了测量的精确时间的同步性。

Claims (15)

1.一种成像光测量装置，包括图像传感器(117)、光学光谱仪(120)，和数据处理单元(118)，其中，所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)被配置成接收由测量对象(110)发出的光，所述数据处理单元(118)连接至所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)，并且处理由所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)输出的测量信号，

其特征在于，所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)各自具有触发输入部(122，123)，其中，施加在所述触发输入部(122，123)处的触发信号启动测量过程。

2.根据权利要求1所述的光测量装置，其特征在于，所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)各自包括至少一个信号输出部(124至127)，并且被配置成经由所述信号输出部(124至127)来输出与信号的相关操作状态有关的信号。

3.根据权利要求2所述的光测量装置，其特征在于，所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)各自被配置成在接收所述触发信号之后，经由所述信号输出部(124至127)来输出信号。

4.根据权利要求2或3所述的光测量装置，其特征在于，所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)各自被配置成在正在进行的测量过程期间，经由所述信号输出部(124至127)来输出信号。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)各自被配置成在所述测量过程完成之后，经由所述信号输出部(124至127)来输出信号，并且优选地在将所测量的信号传输至所述数据处理单元(118)完成之前，经由所述信号输出部(124至127)来输出信号。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)各自被配置成当准备好进行测量时，经由所述信号输出部(124至127)来输出信号。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述触发信号在各自情况下控制所述图像传感器(117)和/或所述光谱仪(120)的积分时间。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光测量装置，其特征在于，包括控制单元(128)，所述控制单元(128)与所述数据处理单元(118)分离，并且连接至所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)的所述触发输入部(122，123)。

9.根据权利要求8以及权利要求2至6中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述控制单元(128)连接至所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)的所述信号输出部(124至127)。

10.根据权利要求8或9所述的光测量装置，其特征在于，所述控制单元(128)被配置成经由所述触发输入部(122，123)来致动所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)，并且，特别地基于经由所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)的所述信号部(124至127)所输出的信号，来致动所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述控制单元(128)被配置成致动所述光测量装置中的至少一个外围元件，其中，所述外围元件优选地选自：

-光束偏转器件，所述光束偏转器件用于将由所述测量对象(110)发出的光偏转到所述图像传感器(117)或所述光谱仪(120)上，

-光学滤光轮，所述光学滤光轮被布置在所述图像传感器(117)或所述光谱仪(120)的上游，

-偏振器，所述偏振器被布置在所述图像传感器(117)或所述光谱仪(120)的上游，或者

-定位器件，所述定位器件用于相对于所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)来定位所述测量对象(110)。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述控制单元(128)致动用于自动改变所述测量对象(110)的改变设备(134)。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述控制单元(128)致动容置在所述测量对象(110)中的电光源。

14.根据权利要求13所述的光测量装置，其特征在于，所述测量对象(110)是矩阵显示设备。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的光测量装置，其特征在于，所述数据处理单元(118)被配置成将由所述图像传感器(117)和所述光谱仪(120)输出的所述测量信号转换成辐射度变量和/或光度变量，例如转换成色彩坐标。

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