DE102014104234B4

DE102014104234B4 - Verfahren zur Klasseneinteilung von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen und Bildsensoranwendung mit einem Bildsensor und einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102014104234B4
Application number: DE102014104234.4A
Authority: DE
Inventors: Felix Kimme; Peter Brick
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2014-03-26
Filing date: 2014-03-26
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: KR102306627B1; WO2015144562A1; KR20160137965A; CN106133925A; DE102014104234A1; US20170100751A1; US11213859B2

Abstract

Verfahren zur Klasseneinteilung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) für eine Bildsensoranwendung, wobei das Halbleiterbauelement (301) als Lichtquelle für einen Bildsensor (302) eingerichtet ist, mit den Schritten:- Bereitstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301),- Ermitteln zumindest eines der folgenden Parameter des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (301) im Betrieb mit einem Emissionsspektrum emittierten Lichts:R=∫qR(λ)⋅S(λ)dλ⋅texp,G=∫qG(λ)⋅S(λ)dλ⋅texp,B=∫qB(λ)⋅S(λ)dλ⋅texp,wobei qR(λ), qG(λ) und qB(λ) spektrale Empfindlichkeiten eines roten, grünen und blauen Farbkanals des Bildsensors (302) sind, S(λ) das Emissionsspektrum des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) ist, texpeine Belichtungszeit ist und λ eine Wellenlänge bezeichnet,- Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen, die durch verschiedene Wertebereiche zumindest eines Parameters charakterisiert sind, der von zumindest einem der Parameter R, G und B abhängt.

Description

Es wird ein Verfahren zur Klasseneinteilung von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen angegeben. Weiterhin wird eine Bildsensoranwendung mit einem Bildsensor und einem Halbleiterbauelement angegeben.
Es sind Klasseneinteilungsverfahren bekannt, bei denen Licht emittierende Halbleiterbauelemente in vorgegebene Farbortbereiche der CIE-1931-Normfarbtafel eingeteilt werden.
Ein Aufgabe von zumindest einigen Ausführungsformen besteht darin, ein Verfahren zur Klasseneinteilung anzugeben, mit dem eine Vielzahl unterschiedlicher Licht emittierender Halbleiterbauelemente für Bildsensoranwendungen in Klassen eingeteilt werden kann. Eine weitere Aufgabe bestimmter Ausführungsformen ist es, eine Bildsensoranwendung mit einem Bildsensor und einem Halbleiterbauelement anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen Gegenstand gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Verfahren durchgeführt, das zur Klasseneinteilung („binning“) eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements eingerichtet ist, also die Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements in eine Klasse, auch als „bin“ bezeichnet, aus einer Gruppe von Klassen. Die Gruppe von Klassen kann durch zumindest einen, also einen oder mehrere, Parameter charakterisiert sein. Das bedeutet, dass jede Klasse der Gruppe von Klassen durch einen jeweiligen Wertebereich des einen oder der mehreren Parameter gekennzeichnet ist. Alle Halbleiterbauelemente, für die der oder die charakterisierenden Parameter in einem bestimmten Wertebereich ermittelt werden, werden der dem Wertebereich entsprechenden Klasse zugeordnet. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der zumindest eine zur Einteilung vorgesehene Parameter beim hier beschriebenen Verfahren für das einzuteilende Licht emittierende Halbleiterbauelement ermittelt und mit den Wertebereichen der einzelnen Klassen verglichen wird, wodurch die Klasse ermittelt werden kann, in deren Wertebereich oder Wertebereiche der eine oder die mehreren für das Licht emittierende Halbleiterbauelement ermittelten Parameter fällt.
Insbesondere kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement für eine Bildsensoranwendung vorgesehen sein und als Lichtquelle für einen Bildsensor eingerichtet sein. Das kann bedeuten, dass der vom Bildsensor aufzunehmende Umgebungsbereich durch das Halbleiterbauelement beim Betrieb der Bildsensoranwendung, beispielsweise bei einer zu geringen Umgebungshelligkeit, aufgehellt werden kann.
Gemäß zumindest einer weiteren Ausführungsform weist eine Bildsensoranwendung einen Bildsensor und ein Halbleiterbauelement auf, wobei zur Auswahl des Halbleiterbauelements das hier beschriebene Verfahren verwendet wird.
Die vorab und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten gleichermaßen für das Verfahren und die Bildsensoranwendung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement bereitgestellt. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement kann beispielsweise zumindest einen oder mehrere Licht emittierende Halbleiterchips aufweisen oder daraus sein, die auf einem Arsenid-, Phosphid- und/oder Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialsystem basieren können. Beispielsweise kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement eines oder mehrere der folgenden Bauteile aufweisen oder daraus sein: eine Laserdiode, ein Laserdiodenchip, eine Leuchtdiode, ein Leuchtdiodenchip. Weiterhin kann das Halbleiterbauelement einen Wellenlängenkonversionsstoff aufweisen, der zumindest einen Teil des von einem Licht emittierenden Halbleiterchip im Betrieb abgestrahlten Lichts in Licht mit einer anderen Wellenlänge konvertiert, so dass das Licht emittierende Halbleiterbauelement bevorzugt ein mischfarbiges Licht abstrahlen kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement auch zumindest zwei Licht emittierende Halbleiterchips aufweisen, die Licht in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen emittieren, um mischfarbiges Licht zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ kann das Licht emittierende Halbleiterbauelement auch zumindest ein organisches Licht emittierendes Bauelement, insbesondere zumindest eine organische Licht emittierende Diode (OLED), aufweisen oder als solches ausgebildet sein. Spezifische Ausführungen von Licht emittierenden Halbleiterchips sowie Kombinationen von verschiedenfarbiges Licht emittierenden Halbleiterchips, Licht emittierenden Halbleiterchips mit Wellenlängenkonversionsstoffen und organischen Licht emittierenden Bauelementen zur Bildung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht weiter ausgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform strahlt das Licht emittierende Halbleiterbauelement im Betrieb Licht mit einem Emissionsspektrum S(λ) ab. Das Emissionsspektrum, das durch einen oder mehrere Licht emittierende Halbleiterchips und gegebenenfalls durch einen oder mehrere Wellenlängenkonversionsstoffe bestimmt sein kann, kann bevorzugt spektrale Komponenten bei einer Mehrzahl von unterschiedlichen Wellenlängen λ aufweisen, so dass das vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement abgestrahlte Licht mischfarbiges Licht ist. Insbesondere kann das mischfarbige Licht weißes Licht sein, etwa warmweißes oder kaltweißes Licht.
Hier und im Folgenden kann „Licht“ insbesondere elektromagnetische Strahlung mit einer oder mehreren Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen aus einem ultravioletten bis infraroten Spektralbereich bezeichnen. Insbesondere kann Licht sichtbares Licht sein und Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aus einem sichtbaren Spektralbereich von größer oder gleich 350 nm oder größer oder gleich 380 nm und kleiner oder gleich 800 nm oder kleiner oder gleich 780 nm umfassen. Sichtbares Licht kann beispielsweise durch seinen Farbort mit cx- und cy-Farbortkoordinaten gemäß der einem Fachmann bekannten so genannten CIE-1931-Farborttafel beziehungsweise CIE-Normfarbtafel charakterisierbar sein.
Als weißes Licht oder Licht mit einem weißen Leucht- oder Farbeindruck kann hier und im Folgenden Licht mit einem Farbort bezeichnet werden, der dem Farbort eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers entspricht oder, in der CIE-Normfarbtafel, um weniger als 0,23 und bevorzugt um weniger als 0,07 in cx- und/oder cy-Farbortkoordinaten vom Farbort eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers abweicht.
Weiterhin kann als „warmweiß“ hier und im Folgenden ein Leuchteindruck bezeichnet sein, der eine Farbtemperatur von kleiner oder gleich 5500 K, was auch als „neutral-weiß“ bezeichnet werden kann, oder kleiner oder gleich 4500 K oder kleiner oder gleich 3500 K aufweist. Weiterhin kann als warmweiße Farbtemperatur eine Farbtemperatur von kleiner oder gleich einem der vorgenannten Werten und größer oder gleich 1200 K und besonders bevorzugt größer oder gleich 2500 K bezeichnet sein. Als „kaltweiß“ kann hier und im Folgenden ein weißer Leuchteindruck bezeichnet sein, der eine Farbtemperatur von größer als 5500 K aufweist. Der Begriff „Farbtemperatur“ kann hier und im Folgenden die Farbtemperatur eines Planck'schen Schwarzkörperstrahlers bezeichnen oder auch die dem Fachmann bekannte so genannte korrelierte Farbtemperatur („correlated color temperature“, CCT) im Falle eines weißen Leuchteindrucks im oben beschriebenen Sinne, der durch Farbortkoordinaten charakterisiert werden kann, die von den Farbortkoordinaten der Planck'schen Schwarzkörperstrahler abweichen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird dem Verfahren zur Klasseneinteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements die Sensitivität des Bildsensors für die Bildsensoranwendung zugrunde gelegt. Insbesondere kann es sich bei dem Bildsensor um einen mehrfarbigen Sensor handeln, also einen Sensor, der mehrere Farbkanäle zur Aufnahme mehrerer Farben aufweist. Insbesondere kann der Bildsensor beispielsweise einen roten, einen grünen und einen blauen Farbkanal aufweisen. Jeder der Farbkanäle kann beispielsweise jeweils durch eine Mehrzahl von Bildsensorelementen, etwa in Form von Sensorpixeln des Bildsensors, gebildet sein. Beispielsweise kann der Bildsensor ein CCD-Sensor (CCD: „charge-coupled device“) oder ein CMOS-Sensor (CMOS: „complementary metal oxide semiconductor“) sein. Die detektierbaren Spektralbereiche der einzelnen Farbkanäle können beispielsweise durch geeignete Farbfilter bestimmt sein. Die Bildsensorelemente können in Abhängigkeit von der jeweils auftreffenden Lichtmenge Empfangssignalwerte erzeugen, die bevorzugt Digitalwerte sind, welche durch eine Analog-Digital-Wandlung analoger Empfangssignalwerte der Bildsensorelemente erzeugt werden. Derartige Digitalwerte können auch als „code value“ (CV) bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Bildsensor eine spektrale Empfindlichkeit q_R(λ) eines roten Farbkanals, q_G(λ) eines grünen Farbkanals und q_B(λ) eines blauen Farbkanals auf. Die spektralen Empfindlichkeiten der Farbkanäle des Bildsensors können beispielsweise im Vorfeld bestimmt werden oder durch Herstellerspezifikationen bekannt sein. Die physikalische Einheit der spektralen Empfindlichkeiten kann beispielsweise CV/(W/sr/m²/nm)/t_exp sein, wobei t_exp eine Belichtungszeit und (W/sr/m²/nm) die spektrale Strahldichte ist, die vom Bildsensor gemessen wird. Der „code value“ CV, also der von der auftreffenden Lichtmenge abhängige Empfangssignalwert, hängt von der Belichtungszeit t_exp ab.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mit dem Emissionsspektrum S(λ) des Licht emittierenden Halbleiterbauelements und den spektralen Empfindlichkeiten q_R(λ), q_G(λ) und q_B(λ) des roten, grünen und blauen Farbkanals des Bildsensors zumindest einer oder mehrere der folgenden Parameter des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelements im Betrieb mit dem Emissionsspektrum S(λ) emittierten Lichts ermittelt: $R = \int q_{R} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$G = \int q_{G} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$B = \int q_{B} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p} .$
Im Hinblick auf die vorgenannten Einheiten der spektralen Empfindlichkeiten des Bildsensors ist bei der Ermittlung der Parameter R, G und B als Emissionsspektrum S(λ) die spektrale Strahldichte zu verwenden. Darüber hinaus sind auch andere Definitionen der spektralen Empfindlichkeiten und des Emissionsspektrums möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt eine Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen, die durch verschiedene Wertebereiche zumindest eines Parameters charakterisiert sind, der von zumindest einem der Parameter R, G und B abhängt. Mit anderen Worten sind die Klassen, in die das Licht emittierende Halbleiterbauelement eingeteilt werden kann, durch einen oder mehrere Parameter charakterisiert, die jeweils von zumindest einem oder mehreren der Parameter R, G und B abhängen. Nach Ermittlung eines oder mehrerer der Parameter R, G, B für das einzuteilende Licht emittierende Halbleiterbauelement kann dieses somit einem Wertebereich des zumindest einen charakterisierenden Parameters und damit einer Klasse zugeordnet werden.
Die Werte R, G und B spannen den Bildsensorfarbraum auf. Die Bewertung und die Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements erfolgen somit beim hier beschriebenen Verfahren im Bildsensorfarbraum. Da die absolute spektrale Strahldichte durch t_exp normiert wird, erfolgt das Binning vorteilhafterweise in einem relativen, normierten Bildsensorfarbraum.
Dem hier beschriebenen Verfahren liegen folgende Überlegungen zugrunde. Licht emittierende Halbleiterbauelemente wie etwa Leuchtdiodenchips werden heutzutage als Beleuchtungsquellen für Bildaufnahmeverfahren verwendet. So werden beispielsweise Leuchtdiodenchips enthaltende Licht emittierende Halbleiterbauelemente als Blitzlichtquellen in Mobiltelefone integriert. Hierbei werden etwa einzelne Halbleiterbauelemente oder auch Paare von Halbleiterbauelementen mit dem gleichen Emissionsspektrum verwendet. Alternativ hierzu werden auch zwei oder mehrere Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Emissionsspektren verwendet, um durch Mischung der Emissionsspektren den so entstehenden Farbort an das Umgebungslicht anzupassen. Die Halbleiterbauelemente werden zur Vorauswahl in verschiedene Klassen eingeteilt. In bekannten Verfahren werden für eine entsprechende Einteilung üblicherweise einer oder mehrere der folgenden fotometrischen Parameter herangezogen: Helligkeit (beispielsweise in Lumen oder Candela), Farbort (beispielsweise cx/cy, u'/v', korrelierte Farbtemperatur CCT, Peakwellenlänge, dominante Wellenlänge), Betriebsspannung.
Ein Bildsensor erfasst bei der Aufnahme eines Bildes normalerweise jedoch nicht nur das Licht der Beleuchtungsquelle, also etwa eines oder mehrerer Halbleiterbauelemente, sondern auch einen Anteil des Umgebungslichts. Daher wird bei bekannten Verfahren typischerweise ein gleicher Farbort gemäß der CIE-Normfarbtafel, auch als XYZ-Farbraum bezeichnet, oder eine gleiche Farbtemperatur für die beiden Lichtarten, also für das Licht der Beleuchtungsquelle und das Umgebungslicht, gewählt. Jedoch kann man feststellen, dass aufgrund der unterschiedlichen Spektren der beiden Lichtarten unterschiedliche Rohdatenwerte für einen Bildsensor resultieren.
Weiterhin können auch verschiedene Licht emittierende Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Emissionsspektren dennoch gleiche Normfarbwerte im XYZ-Farbraum aufweisen und damit einer gleichen Klasse bei einem auf einer fotometrischen Größe basierenden Binning-Verfahren zugeordnet werden. Eine Beleuchtung mit den verschiedenen Licht emittierenden Halbleiterbauelementen in einer Vielzahl von gleichartigen Bildsensoranwendungen resultiert jedoch aufgrund der unterschiedlichen Emissionsspektren in unterschiedlichen Rohdatenwerten für den jeweiligen Bildsensor der einzelnen Bildsensoranwendungen, was eine Anpassung des Weißabgleichs für jedes Halbleiterbauelement erfordern würde. Eine solche Anpassung des Weißabgleichs versucht man jedoch zu vermeiden, da sonst jede Bildsensoranwendung separat kalibriert werden müsste.
Da beispielsweise ein Weißabgleich von einem Bildaufnahmegerät im Sensorfarbraum durchgeführt wird, in dem, wie oben beschrieben ist, unterschiedliche Lichtspektren trotz gleicher Normfarbwerte im XYZ-Farbraum zu unterschiedlichen Farbortkoordinaten führen können, was wiederum zu unterschiedlichen Rohdatenwerten für den Bildsensor führt, wird daher mit Vorteil beim vorliegenden Verfahren die Klasseneinteilung der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente nicht unter Heranziehung eines oder mehrerer der oben genannten fotometrischen Parametern vorgenommen. Vielmehr werden bei dem hier beschriebenen Verfahren eine Bewertung und eine Klasseneinteilung im Sensorfarbraum vorgenommen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Klasseneinteilung in Abhängigkeit von einer Linearkombination der Parameter R, B und B. Die Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen, die durch verschiedene Wertebereiche zumindest eines Parameters charakterisiert sind, kann also auch von zumindest einer Linearkombination von zwei oder drei der Parameter R, G und B abhängen. Hierzu kann eine Lineartransformation der Parameter R, G und B in Parameter R*, G*, B* erfolgen mit $(\begin{matrix} R * \\ G * \\ B * \end{matrix}) = (\begin{matrix} a_{1} & a_{2} & a_{3} \\ a_{4} & a_{5} & a_{6} \\ a_{7} & a_{8} & a_{9} \end{matrix}) (\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}),$
wobei a₁,...,a₉ geeignet zu wählende Faktoren sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Licht emittierende Halbleiterbauelement in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter rg1 = R/(R+G+B) und/oder bg1 = B/(R+G+B) charakterisiert sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Licht emittierende Halbleiterbauelement in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter rg2 = G/R und/oder bg2 = G/B charakterisiert sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Licht emittierende Halbleiterbauelement in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter rg3 = R/G und/oder bg3 = B/G charakterisiert sind.
Die Parameter rgX und bgX mit X = 1, 2 oder 3 weisen den Vorteil auf, dass die Einteilung in einem relativen, normierten Bildsensorfarbraum erfolgt, da die vorab beschriebenen Parameter rgX und bgX unabhängig von der Belichtungszeit t_exp sind.
Die Parameter rgX und bgX mit X = 1, 2 oder 3 können auch durch entsprechende Kombinationen der durch die oben beschriebene Lineartransformation erhältlichen Parameter R*, G* und B* gebildet werden. Hierbei ist es insbesondere auch möglich, durch die beschriebene Transformation die Produktionsstreuung auf einen der Parameter rgX und bgX zu beschränken, so dass die Klasseneinteilung eindimensional durchgeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Bildsensoranwendung eine Anwendung, bei der ein elektronisches Gerät mit einem Bildsensor Einzelbilder oder Bildsequenzen aufnimmt. Entsprechend kann die Bildsensoranwendung ausgewählt sein aus einer der folgenden Anwendungen: Kamera, beispielsweise Videokamera oder Fotoapparat, medizinische bildgebende Einrichtung. Entsprechend kann der Bildsensor ein Teil einer Videokamera, eines Fotoapparats, eines Mobiltelefons oder einer medizinischen bildgebenden Einrichtung sein. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement kann Teil einer Videokamera, eines Fotoapparats, eines Mobiltelefons, einer Stadionbeleuchtung, einer Bühnenbeleuchtung, einer Studiobeleuchtung oder einer medizinischen bildgebenden Einrichtung sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Klasse, in die das Licht emittierende Halbleiterbauelement eingeteilt wird, durch rgX-Werte und bgX-Werte mit X = 1, 2 oder 3 charakterisiert, die dem entsprechenden rgX-Wert und bgX-Wert von Sonnenlicht oder von Licht nach einer Normlichtart A oder D oder von Licht eines Planck'schen Strahlers entsprechen. Dem Fachmann sind zur Normlichtart D verschiedene Normlichtarten, beispielsweise D50, D55, D65, D75 und D93, bekannt. Erfolgt die Einteilung in eine Klasse mit einer möglichst geringen Streuung um einen solchen Zielwert, kann die Anpassung eines Weißabgleich-Algorithmus entfallen. Bei gleichen Farborten im Bildsensorfarbraum kann ein reproduzierbarer Weißabgleich stattfinden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die Wertebereiche der Parameter zur Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements, also insbesondere der vorgenannten Parameter rgX und bgX mit X = 1, 2 oder 3, durch einen Zielwert und eine vorgegebene Abweichung von diesem Wert definiert. Die Abweichung vom Zielwert kann dabei beispielsweise kleiner oder gleich 20% oder kleiner oder gleich 15% oder kleiner oder gleich 10% oder kleiner oder gleich 5% oder kleiner oder gleich 1% sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Bildsensoranwendung zumindest zwei Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen charakterisierenden Parametern, also insbesondere mit unterschiedlichen rgX-Werten und bgX-Werten mit X = 1, 2 oder 3, auf. Insbesondere können die Halbleiterbauelemente auch aus unterschiedlichen Klassen sein. In einem durch die entsprechenden Parameter aufgespannten Farbraum bilden die Parameterwerte der zwei Halbleiterbauelemente eine Linie, die die Planck'sche Schwarzkörperkurve zweimal schneidet. Werden mehr als zwei verschiedene Licht emittierende Halbleiterbauelemente verwendet, so bilden diese ein Polygon im entsprechenden Farbraum, das einen Teil der Planck'schen Schwarzkörperkurve einschließt. Hierdurch ist es möglich, bei der Bildsensoranwendung durch eine gezielte Einstellung der relativen Intensitätsanteile der Licht emittierende Halbleiterbauelemente durchstimmbare Mischspektren zu erreichen, die beispielsweise an mehrere Umgebungslichtarten angepasst werden können.
Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:

1 eine Simulation von Farborten verschiedener Licht emittierender Halbleiterbauelemente,
2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Klasseneinteilung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3A und 3B Bildsensoranwendungen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
4 eine Farborttafel mit Farborten von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, können verschiedene Licht emittierende Halbleiterbauelemente unterschiedliche Emissionsspektren aber dennoch gleiche Normfarbwerte in der CIE-Normfarbtafel aufweisen. Im Farbraum eines Bildsensors jedoch können sich die Farborte der unterschiedlichen Emissionsspektren mitunter deutlich unterscheiden. Dies liegt daran, dass der CIE-Normfarbtafel das menschliche Auge und dessen Sensitivität zugrunde gelegt sind, von der die Sensitivität des Bildsensors abweicht, sodass unterschiedliche spektrale Komponenten des Emissionsspektrums unterschiedlich stark in den beiden Farbräumen gewichtet werden. In 1 ist eine Simulation für die Farborte eine Vielzahl von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen mit unterschiedlichen Emissionsspektren im XYZ-Farbraum, also in der CIE-Normfarbtafel, sowie in der Bildsensorfarbtafel gezeigt. Die obere horizontale und die rechte vertikale Achse bezeichnen dabei die relative Abweichung der Farbortkoordinaten cx, cy von einem Mittelwert µ_cx, µ_cy der Gesamtheit aller simulierten Halbleiterbauelemente im XYZ-Farbraum, während die untere horizontale und die linke vertikale Achse die relative Abweichung entsprechender Farbortkoordinaten von entsprechenden Mittelwerten im Bildsensorfarbraum bezeichnen. Die Achsenzuordnung ist auch durch die Pfeile im Diagramm angedeutet.
Die Emissionsspektren der unterschiedlichen Licht emittierenden Halbleiterbauelemente sind so simuliert, dass sie zwar verschieden sind, jedoch alle denselben Farbort im XYZ-Farbraum ergeben. Im gezeigten Diagramm ist daher nur ein Punkt 11 (ausgefüllter Kreis) erkennbar ist, der die überlappenden Farborte im XYZ-Farbraum repräsentiert. Im Bildsensorfarbraum hingegen resultieren aus den unterschiedlichen Emissionsspektren eine Vielzahl von unterschiedlichen Farbortkoordinaten und damit eine Wolke von Punkten (ausgefüllte Quadrate), von denen beispielhaft der Punkt 12 mit einem Bezugszeichen bezeichnet ist.
Unterschiedliche Licht emittierende Halbleiterbauelemente, also Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Emissionsspektren, die im XYZ-Farbraum dieselben Farbortkoordinaten aufweisen, können somit im Bildsensorfarbraum eine große Wolke von unterschiedlichen Farborten bilden, sodass jedes der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente zu unterschiedlichen Rohdatenwerten für den Bildsensor führen kann.
In 2 ist ein Verfahren zur Klasseneinteilung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements für eine Bildsensoranwendung beschrieben, wobei das Halbleiterbauelement als Lichtquelle für einen Bildsensor eingerichtet ist, das den in 1 gezeigten Effekt berücksichtigt und das eine Klasseneinteilung im Farbraum des Bildsensors vornimmt. Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt 1 ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement bereitgestellt. Das Licht emittierende Halbleiterbauelement, das gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil ausgebildet sein kann und einen oder mehrere Licht emittierende Halbleiterchips, gegebenenfalls in Kombination mit einem oder mehreren Wellenlängenkonversionsstoffen, aufweisen kann, weist ein Emissionsspektrum S(λ) auf.
In einem weiteren Verfahrensschritt 2 wird zumindest einer der folgenden Parameter des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement im Betrieb mit dem Emissionsspektrum S(λ) emittierten Lichts ermittelt: $R = \int q_{R} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$G = \int q_{G} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$B = \int q_{B} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p} .$
Hierbei sind q_R(λ), q_G(λ) und q_B(λ) die spektralen Empfindlichkeiten eines roten, grünen und blauen Farbkanals des Bildsensors, die durch vorherige Ermittlung oder aus Herstellerspezifikationen bekannt sind. Die spektralen Empfindlichkeiten weisen beispielsweise die physikalische Einheit CV/ (W/sr/m²/nm) /t_exp auf, wobei der „code value“ CV von der eingestrahlten Lichtmenge und der Belichtungszeit t_exp abhängt. Entsprechend ist das Emissionsspektrum S(λ) die spektrale Strahldichte. Die Integration erfolgt dabei über einen Wellenlängenbereich, der alle in den spektralen Empfindlichkeiten und im Emissionsspektrum S(λ) enthaltenen relevanten Wellenlängen enthält, also beispielsweise über einen Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektralbereich, beispielsweise von 350 nm bis 800 nm oder von 380 nm bis 750 nm. Die so ermittelten R-, G- und B-Werte spannen den Bildsensorfarbraum auf.
Das Emissionsspektrum kann beispielsweise vorab bestimmt werden oder aus Herstellerspezifikationen bekannt sein. Alternativ ist es auch möglich, dass eine Messeinrichtung verwendet wird, die beispielsweise die Farbkanäle des Bildsensors berücksichtigt und gemäß der vorab angegebenen Ermittlung der Parameter R, G und B diese ausgibt.
Der Bildsensor kann beispielsweise ein CCD-Sensor oder ein CMOS-Sensor sein, der eine Mehrzahl von Bildsensorelementen in Form von Sensorpixeln aufweist. Die einzelnen Farbkanäle können durch jeweils einen Teil der Bildsensorelemente mit entsprechenden Farbfiltern gebildet werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt 3 erfolgt eine Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen, die durch verschiedene Wertebereiche zumindest eines Parameters charakterisiert sind, der von zumindest einem der Parameter R, G und B abhängt. Zur Klasseneinteilung wird also zumindest einer der Parameter R, G und B berücksichtigt. Die einzelnen Klassen sind durch Wertebereiche gekennzeichnet, die durch einen Zielwert und eine Abweichung von diesem definiert sein können. Die relative Abweichung vom Zielwert im Wertebereich jeder Klasse kann beispielsweise kleiner oder gleich 20% sein. Weiterhin sind auch geringere Abweichungen, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben ist, möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Klasseneinteilung in einem relativen, normierten Bildsensorfarbraum erfolgt, der durch Parameter aufgespannt wird, die nicht von der Belichtungszeit t_exp abhängen. Beispielsweise kann das Licht emittierende Bauelement in Verfahrensschritt 3 in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt werden, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter rgX und/oder bgX charakterisiert sind. Hierbei kann X = 1, 2 oder 3 sein: $- X = 1 : rg1 = R/ (R + G + B), bg1 = B/ (R + G + B);$
$- X = 2 : rg2 = G/R, bg2 = G/B,$
$- X = 3 : rg3 = R/G, bg3 = B/G .$
Eines oder mehrere mit dem vorab beschriebenen Verfahren in Klassen eingeteilte Licht emittierende Halbleiterbauelemente können für Bildsensoranwendungen verwendet werden, bei denen mittels eines Bildsensors Bilder oder Bildsequenzen aufgenommen werden.
In 3A ist ein Ausführungsbeispiel für eine Bildsensoranwendung gezeigt, die durch eine Kamera in einem Mobiltelefon 300 gebildet wird. Das Mobiltelefon 300 weist, angedeutet durch die gestrichelten Linien, zumindest ein Licht emittierendes Halbleiterbauelement 301 und einen Bildsensor 302 auf und ist sowohl zur Aufnahme von Einzelbildern als auch zur Aufnahme von Bildsequenzen, also Filmen, vorgesehen und eingerichtet. Das Mobiltelefon 300 repräsentiert eine Vielzahl von Mobiltelefonen, die vorzugsweise alle eines oder mehrere Licht emittierende Halbleiterbauelemente 301 aufweisen, die aus der oder denselben Klassen gemäß dem vorab beschriebenen Verfahren ausgewählt sind. Hierdurch kann mit Vorteil erreicht werden, dass die Emissionsspektren der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente 301 bei jedem Mobiltelefon 300 im jeweiligen Bildsensor 302 im Wesentlichen zu den gleichen Rohdatenwerten in den einzelnen Farbkanälen führen. Daher ist auch bei einer Vielzahl von Mobiltelefonen eine einheitliche Anpassung des Weißabgleich-Algorithmus möglich, sodass nicht jedes hergestellte Mobiltelefon separat kalibriert werden muss.
Alternativ zum gezeigten Mobiltelefon 300 kann die Bildsensoranwendung beispielsweise auch eine Videokamera oder ein Fotoapparat oder eine medizinische bildgebende Einrichtung sein.
In 3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Bildsensoranwendung gezeigt, die zur Aufnahme von Bildern oder Bildsequenzen in einem Stadion, auf einer Bühne oder in einem Studio eingerichtet ist und die eine Stadion-, Bühnen- oder Studiobeleuchtung 303 aufweist. Mit der Beleuchtung 303, die beispielsweise durch einen oder mehrere Scheinwerfer oder durch eine Flutlichtanlage gebildet sein kann und die eine Mehrzahl von Licht emittierenden Halbleiterbauelementen 301 aufweist, kann eine Szene beleuchtet werden, die mittels der Kamera 304 aufgenommen werden kann. Die Kamera 304 weist einen Bildsensor 302 auf. Wie in Verbindung mit dem vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben ist, wird auch bei der Beleuchtungsanwendung des Ausführungsbeispiels der 3B zur Auswahl der Licht emittierenden Halbleiterbauelemente 301 ein Verfahren gemäß der vorherigen Beschreibung verwendet.
Insbesondere kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn bei den vorab beschriebenen Bildsensoranwendungen Licht emittierende Halbleiterbauelemente 301 verwendet werden, deren zur Klasseneinteilung verwendete Parameter, insbesondere deren rgX- und bgX-Werte, denen der Sonne oder eines äquivalenten Umgebungslichts nach Normlichtart A oder D oder eines Planck'schen Strahlers entsprechen. Bei einer möglichst kleinen Streuung um geeignete Zielwerte und einer entsprechenden Klasseneinteilung kann es möglich sein, dass die Anpassung des Weißabgleich-Algorithmus entfallen kann. Insbesondere kann bei gleichen Farborten im Bildsensorfarbraum ein reproduzierbarer Weißabgleich stattfinden.
Werden mehrere Licht emittierende Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Farbortkoordinaten, beispielsweise auch mehrere Licht emittierende Halbleiterbauelemente, die aus unterschiedlichen Klassen des vorab beschriebenen Verfahrens stammen, verwendet, so bilden diese im Falle von zwei Licht emittierenden Halbleiterbauelementen eine Linie 401 im Bildsensorfarbraum, die die Planck'sche Schwarzkörperkurve 402 zweimal schneidet, wie in 4 gezeigt ist. Bei einer Verwendung von mehr als zwei Licht emittierenden Halbleiterbauelementen mit unterschiedlichen Emissionsspektren bilden diese ein Polygon im Bildsensorfarbraum, das einen Teil der Planck'schen Schwarzkörperkurve einschließt. Durch die verschiedenen Licht emittierenden Halbleiterbauelemente können unterschiedliche Mischspektren für die Bildsensoranwendung erzeugt werden, wobei durch eine Anpassung der resultierenden rgX- und bgX-Werte Mischspektren erzeugt werden können, die an mehrere Umgebungslichtarten angepasst sind.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele können weitere oder alternative Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Klasseneinteilung eines Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) für eine Bildsensoranwendung, wobei das Halbleiterbauelement (301) als Lichtquelle für einen Bildsensor (302) eingerichtet ist, mit den Schritten: - Bereitstellung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301), - Ermitteln zumindest eines der folgenden Parameter des vom Licht emittierenden Halbleiterbauelement (301) im Betrieb mit einem Emissionsspektrum emittierten Lichts: $R = \int q_{R} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$G = \int q_{G} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
$B = \int q_{B} (λ) \cdot S (λ) d λ \cdot t_{e x p},$
wobei q_R(λ), q_G(λ) und q_B(λ) spektrale Empfindlichkeiten eines roten, grünen und blauen Farbkanals des Bildsensors (302) sind, S(λ) das Emissionsspektrum des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) ist, t_exp eine Belichtungszeit ist und λ eine Wellenlänge bezeichnet, - Einteilung des Licht emittierenden Halbleiterbauelements (301) in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen, die durch verschiedene Wertebereiche zumindest eines Parameters charakterisiert sind, der von zumindest einem der Parameter R, G und B abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt wird, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter $rg 1 = R / (R + G + B)$
und/oder $bg 1 = B / (R + G + B)$
charakterisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt wird, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter $rg 2 = G / R$
und/oder $b 2 = G / B$
charakterisiert sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) in eine Klasse aus einer Gruppe von Klassen eingeteilt wird, die durch jeweilige Wertebereiche der Parameter $rg 3 = R / G$
und/oder $bg 3 = B / G$
charakterisiert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Klasse, in die das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) eingeteilt wird, durch rgX-Werte und bgX-Werte mit X = 1, 2 oder 3 charakterisiert ist, die dem entsprechenden rgX-Wert und bgX-Wert von Sonnenlicht oder von Licht nach einer Normlichtart A oder D oder von Licht eines Planck'schen Strahlers entsprechen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bildsensor (302) Teil einer Videokamera, eines Fotoapparats, eines Mobiltelefons oder einer medizinischen bildgebenden Einrichtung ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Halbleiterbauelement (301) Teil einer Videokamera, eines Fotoapparats, eines Mobiltelefons, einer Stadionbeleuchtung, einer Bühnenbeleuchtung, einer Studiobeleuchtung oder einer medizinischen bildgebenden Einrichtung ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) zumindest einen Licht emittierenden Halbleiterchip aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Licht emittierende Halbleiterbauelement (301) im Betrieb weißes Licht abstrahlt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Bildsensor (302) ein CCD-Sensor oder CMOS-Sensor ist.
Bildsensoranwendung, aufweisend einen Bildsensor (302) und zumindest ein Halbleiterbauelement (301), wobei zur Auswahl des Halbleiterbauelements (301) ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 verwendet wird.