JP4901246B2 - 分光輝度分布推定システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源の分光輝度分布を計測または推定するシステムおよび方法に関する。

一般に光源には製造誤差などにより同じロットで製造されていても分光輝度にばらつき発生する。特に発光ダイオードや有機発光ダイオードなどの発光素子を多数配列して構成される画像表示装置においては、均一な画像表示を得るために、均質な分光輝度を備えた発光素子を選別する必要がある。このような目的に、例えば発光ダイオードの分光を測定し、選別する発光ダイオード測定選別装置を用いることが知られている（特許文献１）。
特開平１１−１０３０９４号公報

しかし、従来の発光ダイオード測定選別装置では、専用の分光光度計を用いる必要がある。また、１つの分光光度計では、複数の製品を同時に測定することができない。

本発明は、分光光度計を用いることなく簡易な構成で光源の分光輝度分布を推定可能な分光輝度分布推定システムおよびその方法を提供することを目的としている。

本発明の分光輝度分布推定システムは、光源からの光を第１分光感度特性のもと検出する第１検出手段と、光源からの光を第２分光感度特性のもと検出する第２検出手段と、第１および第２検出手段による検出結果に基づいて光源の分光輝度分布を推定する分光輝度算出手段とを備えたことを特徴としている。

第１および第２検出手段における光源からの光の検出は、カメラの撮像素子により行われる。第１検出手段または第２検出手段の少なくとも一方は、カメラによるフィルタを介した光源の撮影によるものである。光源の数は例えば複数であって、複数の光源の画像はカメラにより同時に撮影される。

分光輝度算出手段において、光源の分光輝度分布は、光源において基準とされる相対分光輝度分布からのズレ量を表すパラメータを算出することにより推定される。パラメータの数は２以上であり、パラメータの数以上の数の異なる分光感度特性のもとで光源からの光の検出が行われ、各分光感度特性のもとでの検出結果に基づいて分光輝度分布が推定される。このときの異なる分光感度特性には、第１および第２分光感度特性が含まれる。またパラメータには、少なくとも分光輝度倍率、ピーク波長のシフト量、分光分布幅の何れか一つが含まれる。また更に、第１検出手段と第２検出手段は時系列に実行される。

本発明の分光輝度分布推定方法は、複数の異なる分光感度特性のもとで光源の画像を取得する手順と、画像の中から光源の映像に対応する画素の画素値を取得する手順と、各分光感度特性のもとで取得された画像の画素値に基づいて、光源の基準となる相対分光輝度分布からの光源の分光輝度分布のズレ量を算出する手順とを備えたことを特徴としている。

例えば光源の映像に対応する画素を所定の閾値を基準として抽出し、抽出された画素の画素値の平均値に基づいてズレ量を算出する。

本発明の光源の分光輝度分布を推定するためのプログラムは、コンピュータに複数の異なる分光感度特性のもとで取得された光源の画像の中から、光源の映像に対応する画素の画素値を取得する手順と、各分光感度特性のもとで取得された画像の画素値に基づいて、光源の基準となる相対分光輝度分布からの光源の分光輝度分布のズレ量を算出する手順とを実行させることを特徴としている。

以上により、本発明によれば、分光光度計を用いることなく簡易な構成で光源の分光輝度分布を推定可能な分光輝度分布推定システムおよびその方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である分光輝度分布推定システムの構成を示す模式図である。図示されるように、本実施形態の分光輝度分布推定システム１０は、被計測物である光源部１１、カメラ１２、コンピュータ１３、フィルタ１４で主に構成される。

光源部１１は、例えば検査対象となるＬＥＤや有機ＬＥＤなどの発光素子が同一平面内に複数配置されたものである。本実施形態では３つの光源Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３（例えばＬＥＤ）がランダムに配置されている。またカメラ１２は、例えばモノクロＣＣＤカメラであり、分光輝度分布の計測に必要な較正は予め行われている。

コンピュータ１３は、例えばノート型のパーソナルコンピュータであり、カメラ１２と所定のインターフェースで接続され、カメラ１２で撮像された画像は画像データとしてコンピュータ１３に転送される。また、カメラ１２のレリーズ制御をコンピュータ１３からの信号により制御することも可能である。

フィルタ１４は、カメラ１２の撮像素子（図示せず）の分光感度特性を変更するためのフィルタであり、本実施形態では、フィルタ１４を介さずに光源部１１を撮像したデータと、フィルタ１４を介して撮像されたデータとを用いて後述する方法により各発光素子の分光輝度分布の推定が行われる。フィルタ１４を用いないときのカメラ１２における撮像素子の分光感度特性（第１分光感度特性）とフィルタを用いたときの撮像素子の分光感度特性（第２分光感度特性）は、光源の分光輝度分布に対して十分な感度を有するように選択されるとともに、後述する未知変数を算出できるよう互いに異なる特性を有するように選択される。なお、フィルタ１４としては、例えばアルミ薄膜や誘電体薄膜が形成されたガラス基盤などが用いられる。

図２は、光源を代表する分光輝度分布ＳＬと、フィルタ１４を用いないときの撮像素子における分光感度特性Ｓ１と、フィルタ１４を用いたときの撮像素子における分光感度特性Ｓ２を模式的に示したグラフである。なお、光源Ｌ１〜Ｌ３の実際の分光輝度分布は、製品誤差により各々分光輝度分布ＳＬからずれており、本発明では各光源Ｌ１〜Ｌ３に対する実際の分光輝度分布の推定が行われる。すなわち本実施形態では、基準となる（所与の）相対分光輝度分布に対する光源Ｌ１〜Ｌ３の実際の分光輝度倍率（分光輝度の強弱）とピーク波長のシフト量を未知変数とし、これらを求めることにより分光輝度分布が推定される。

次に図３〜図６を参照して、本実施形態における分光輝度分布推定の手順について説明する。図３は本実施形態の分光輝度分布推定の手順を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートは、コンピュータ１３で実行される処理手順を示したもので、以下に説明するカメラ１２による光源部１１の撮影が行われた後に実行される。

まず、光源（発光ダイオード）Ｌ１〜Ｌ３を点灯させ、カメラ１２によりフィルタ１４なしで光源部１１の撮影を行い、次にフィルタ１４を装着して光源部１１の撮影を行う。図４に、フィルタ１４なしで撮影された光源部１１の画像ＩＭ１と、フィルタ１４を通して撮影された光源部１１の画像ＩＭ２の模式図を示す。これらの画像は、異なる分光感度特性の下で撮影されるため、２枚の画像ＩＭ１、ＩＭ２の間において光源Ｌ１〜Ｌ３に対応する領域の画素値は異なる値となる。なお、撮影に当たっては、光源Ｌ１〜Ｌ３を含む面は撮像面に平行に配置されるとともに、撮影画像が光源Ｌ１〜Ｌ３の配光分布特性による影響を受けず、各光源Ｌ１〜Ｌ３からの光がカメラ１２に略等しい入射角で入射するように十分な距離（Ｄ）が取られる（図１参照）。また、この距離において撮像倍率が適正な値となるようにレンズ焦点距離は選択される。

カメラ１２による光源部１１の撮影が終了すると、取得された光源部１１の画像データは、コンピュータ１３に転送され、図３のフローチャートに沿った処理がコンピュータ１３において実行される。

図５に示されるように、コンピュータ１３の記憶装置１３１には、検査対象となる光源（発光ダイオード）Ｌ１〜Ｌ３の相対分光輝度分布Ｒ（λ）と、フィルタ１４を用いないときの撮像素子における分光感度分布（第１分光感度特性）Ｓ^（１）（λ）と、フィルタ１４を通したときの撮像素子における分光感度分布（第２分光感度特性）Ｓ^（２）（λ）のデータが予め記録されており、ステップＳ１０１では、これらのデータが記憶装置１３１からＣＰＵ１３２に読み込まれる。なお、相対分光輝度分布Ｒ（λ）は、発光素子の製造元、あるいは計測によりその製品の代表的な特性として予め与えられたものである。また、分光感度分布Ｓ^（２）（λ）は、フィルタ１４の分光透過率Ｔ（λ）と撮像素子の分光感度分布Ｓ^（１）（λ）とにより、Ｓ^（２）（λ）＝Ｔ（λ）・Ｓ^（１）（λ）として求められる。

ステップＳ１０２では、カメラ１２から転送され、記録装置１３１に記録された画像ＩＭ１、ＩＭ２の画像データがＣＰＵ１３２に読み込まれる。ステップＳ１０３では、フィルタ１４なしで得られた画像ＩＭ１から光源Ｌ１〜Ｌ３が写っている領域が計算対象領域として特定される。領域の特定は、例えば所定の閾値を設定し、この閾値以上の画素値を有する画素を画像ＩＭ１から抽出することにより行われる。

図６に抽出された１つの計算対象領域を模式的に示す。なお、図６の場合２４個の画素からなる領域が、計算対象領域（光源が写っている領域）として特定されている。このような方法により、各光源Ｌ１〜Ｌ３に対応する計算対象領域Ａ１〜Ａ３が図７のように特定される。また、本実施形態では、画像ＩＭ１で特定された計算対象領域Ａ１〜Ａ３を画像ＩＭ２の計算対象領域として用いるが、各画像において各々求める構成としてもよい。また、画素値の高い画素を中心として所定の矩形領域を計算対象領域とすることもでき、ノイズの影響を無視できる場合には、計算対象領域を１画素とすることも可能である。

ステップＳ１０４では、画像ＩＭ１、ＩＭ２の各計算対象領域Ａ１〜Ａ３における画素値の平均値Ｉ_ｉ ^（１）、Ｉ_ｉ ^（２）（ｉ＝１，２，３）が算出される。ここで下付の添え字ｉは、３つの計算対象領域Ａ１〜Ａ３との対応を示し、上付の添え字（１）、（２）は、画像ＩＭ１、ＩＭ２との対応を示す。例えば、Ｉ_２ ^（１）の場合、画像ＩＭ１の計算対象領域Ａ２における画素値の平均値を表す。

ステップＳ１０５では、各光源Ｌ１〜Ｌ３の相対分光輝度分布からのズレ量が、異なる分光感度特性の下で取得された画像データに基づいて計算される。すなわち、本実施形態では、各光源Ｌ１〜Ｌ３の実際の分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）（ｉ＝１，２，３）が、相対分光輝度分布に対する倍率（分光輝度倍率）Ｍ_ｉ（ｉ＝１，２，３）と分光輝度分布のピーク波長のシフト量Δλ_ｉ（ｉ＝１，２，３）によりＲ_ｉ（λ）＝Ｍ_ｉ・Ｒ（λ−Δλ_ｉ）として表されるものと仮定して、未知変数Ｍ_ｉ、Δλ_ｉが計算対象領域Ａ１〜Ａ３における平均値Ｉ_ｉ ^（１）、Ｉ_ｉ ^（２）に基づいて光源Ｌ１〜Ｌ３毎に算出される。なお、具体的な算出方法については後述する。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で算出された分光輝度倍率Ｍ_ｉとピーク波長のシフト量Δλ_ｉから算出されるＭ_ｉ・Ｒ（λ−Δλ_ｉ）が各光源Ｌ１〜Ｌ３の分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）として推定され、分光輝度倍率Ｍ_ｉとピーク波長のシフト量Δλ_ｉ、または／かつＭ_ｉ・Ｒ（λ−Δλ_ｉ）により算出された値が記録装置１３１などに記録され、この処理は終了する。

次に未知変数Ｍ_ｉ、Δλ_ｉのより具体的な算出方法について説明する。本実施形態においては、各光源Ｌ１〜Ｌ３の計算対象領域における分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）が、Ｍ_ｉ・Ｒ（λ−Δλ_ｉ）であると仮定される。したがって、平均値Ｉ_ｉ ^（１）、Ｉ_ｉ ^（２）と分光輝度倍率Ｍ_ｉ、ピーク波長のシフト量Δλ_ｉとの間には以下の（１）式、（２）式の関係がある。
Ｉ_ｉ ^（１）＝Ｍ_ｉ∫Ｒ（λ−Δλ_ｉ）Ｓ^（１）（λ）ｄλ ・・・（１）
Ｉ_ｉ ^（２）＝Ｍ_ｉ∫Ｒ（λ−Δλ_ｉ）Ｓ^（２）（λ）ｄλ ・・・（２）
但し（１）、（２）式における波長λに関する積分は、所定の波長領域λ_１〜λ_２に渡って行われる。波長領域λ_１〜λ_２は、例えば可視光の波長領域（約３８０〜７８０ｎｍ）に対応するが、発光素子や目的に応じてこの積分範囲は適宜選択される。

また、上記（１）式および（２）式から分光輝度倍率Ｍ_ｉを消去すると、次の（３）式が得られる。
Ｉ_ｉ ^（１）∫Ｒ（λ−Δλ_ｉ）Ｓ^（１）（λ）ｄλ
＝Ｉ_ｉ ^（２）∫Ｒ（λ−Δλ_ｉ）Ｓ^（２）（λ）ｄλ ・・・（３）

本実施形態では（３）式におけるΔλ_ｉをニュートン法など所定の数値計算方法を用いて算出し、算出されたΔλ_ｉに基づいて分光輝度倍率Ｍ_ｉが算出される。

以上により、本実施形態によれば分光光度計などの装置を用いることなく、一定の測定条件下における光源の分光輝度分布を推定することができる。また、本実施形態では、カメラで複数の光源を同時に撮影し、同一測定条件下におけるこれら複数の光源の分光輝度分布を同時に推定することができる。

なお、以上で算出される各光源の分光輝度分布は、絶対的な値ではなく、測定条件（撮影距離、像倍率、露光時間、絞り値等）が同一の下で同じ撮像素子を用いて計測したときの各光源間における相対的な値である。本実施形態において算出される分光輝度分布を絶対的な値とするには、上述した光源の撮影と同一の条件下、測定波長領域（例えば可視光領域）の各波長において１［Ｗ］／［ｓｒ・ｍ^２・ｎｍ］の光を受けた場合の画素値をそれぞれの分光感度特性として記録し、これを用いて上記計算によりそれぞれの分光輝度分布を算出すれば、算出された分光輝度分布の値は、計算対象領域での絶対的な値の平均値と考えることができる。

また、各光源からカメラに入射する光の放射束Φeは、撮像素子１画素の面積をＢ、撮像倍率をＭｓ、計算対象領域Ａ_ｉの画素総数をＮ、光源Ｌ_ｉを点光源Ｏと考えたときに光源Ｌ_ｉからカメラの絞りを通して入射される光の立体角ωとするとき、以下の式により算出される。
Φe＝ω・Ｂ・Ｎ／Ｍｓ^２・Ｍ_ｉ∫Ｒ（λ−Δλ_ｉ）ｄλ
ここで、像倍率Ｍｓは、光源の大きさをｂ、撮像面１６における光源の像の大きさをａとしたときにＭｓ＝ａ／ｂと表される。なお、図８にカメラのレンズ１５を介した像倍率Ｍｓ、立体角ωなどの関係を模式的に示す。図８においては、絞りは図示されずレンズ１６のみが示されるが、立体角ωは絞りによって規定される。

本実施形態では、分光輝度倍率Ｍ_ｉとピーク波長のシフト量Δλ_ｉを２つのパラメータとし、各光源の分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）がこれらのパラメータを用いてＭ_ｉ・Ｒ（λ−Δλ_ｉ）によって表されると仮定したため、２つの分光感度特性（分光感度分布）の下で各光源の撮影を行った。しかし、例えば分光輝度倍率Ｍ_ｉとピーク波長のシフト量Δλ_ｉに加えて、分光分布の幅をパラメータとして加えることも可能である。例えば変数ｋ_ｉ（ｉ：光源を識別する添え字）を分光分布の幅を表すパラメータとすると、各光源の分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）は、Ｍ_ｉ・Ｒ［ｋ_ｉ・（λ−Δλ_ｉ）］と表される。

この場合、未知変数（パラメータ）の数が３個となるので、光源は３つの異なる分光感度特性（分光感度分布）の下において撮影され、それらの値に基づいて各パラメータの値が算出される。同様に光源の分光輝度分布Ｒ_ｉ（λ）をｎ個のパラメータを含む形で仮定する場合には、ｎ個以上の異なる分光感度特性の下において光源の撮影が行われる。但し、測定に用いられる分光感度分布は、測定される光源のスペクトルピーク値近傍で十分な感度を備える必要があるとともに、各分光感度分布は一次独立である必要がある。

本実施形態では、３個の光源について同時に分光輝度分布の測定を行ったが、同時に測定可能な光源の数は３個に限定されるものではない。また、本実施形態では、撮像素子の分光感度特性と、これにフィルタを掛けたときの分光感度特性を用いて２つの分光感度特性を得たが、２つのフィルタを用いて、２つの異なる分光感度特性を得ることも可能である。

また、本実施形態では時系列に異なる分光感度特性の下で光源の撮影を行ったが、例えば複数の撮像素子に異なるフィルタを設けて（あるいは異なる分光感度特性を有する撮像素子を用いて）、同時に異なる分光感度特性の下で撮影を行うことも可能である。またカラーフィルタアレイを設けた撮像素子を用いて同時に異なる分光感度特性の下でのデータを取ることも可能である。

本実施形態では、発光素子など、自ら光を発する１次光源の分光輝度分布を推定する場合を例に説明を行ったが、本発明は、分光輝度分布の形状が仮定できる光源であれば発光素子以外の光源にも適用することができる。例えば拡散反射、拡散透過を行うような２次光源の分光輝度分布の推定にも用いることができる。この場合、例えば面光源の面内における複数の位置の分光輝度分布を同時に推定することが可能である。

本発明は例えば発光素子の選別に用いることも可能であるが、例えば光源部に有機ＬＥＤを用いた表示パネルや、プラズマディスプレイパネルなどを用い、これらの表示パネルにおける分光輝度分布のバラツキの測定に用いることも可能である。

本発明の一実施形態である分光輝度分布推定システムの構成を示す模式図である。 光源を代表する分光輝度分布と、フィルタを用いないときの撮像素子における分光感度特性と、フィルタを用いたときの撮像素子における分光感度特性の関係を示すグラフである。 本実施形態の分光輝度分布推定の手順を示すフローチャートである。 フィルタなしで撮影された光源部の画像と、フィルタを通して撮影された光源部の画像の模式図である。 記憶装置からＣＰＵへのデータ読み込みの様子を模式的に示す図である。 抽出された計算対象領域の模式図である。 光源部の画像において特定された各光源に対する計算対象領域を示す図である。 カメラのレンズを介した像倍率Ｍｓ、立体角ωなどの関係を示す模式図である。

符号の説明

１０ 分光輝度分布推定システム
１１ 光源部
１２ カメラ
１３ コンピュータ
１４ フィルタ
Ｌ１〜Ｌ３ 光源（発光素子）

Claims (11)

1. 光源からの画像を第１分光感度特性のもと検出する第１検出手段と、
   前記光源からの画像を前記第１分光感度特性とは異なる第２分光感度特性のもと検出する第２検出手段と、
   前記第１および第２検出手段による検出結果に基づいて、前記光源の分光輝度分布を前記光源の基準とされる相対分光輝度分布からのズレ量を表すパラメータを前記光源の映像に対応する画素を所定の閾値を基準として抽出し、抽出された画素の画素値の平均値に基づいて算出することにより推定する分光輝度算出手段と
   を備えることを特徴とする分光輝度分布推定システム。
2. 前記第１および第２分光感度特性が測定波長範囲内で互いに重なり合うことを特徴とする請求項１に記載の分光輝度分布推定システム。
3. 前記パラメータの数が２以上であり、前記パラメータの数以上の数の異なる分光感度特性のもとで前記光源からの光の検出が行われ、各分光感度特性のもとでの検出結果に基づいて前記分光輝度分布が推定され、前記異なる分光感度特性に前記第１および第２分光感度特性が含まれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光輝度分布推定システム。
4. 前記パラメータに少なくとも分光輝度倍率、ピーク波長のシフト量、分光分布幅の何れか一つが含まれることを特徴とする請求項３に記載の分光輝度分布推定システム。
5. 前記第１および第２検出手段における前記光源からの光の検出がカメラの撮像素子により行われることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光輝度分布推定システム。
6. 前記第１検出手段または前記第２検出手段の少なくとも一方が、前記カメラによるフィルタを介した前記光源の撮影によるものであることを特徴とする請求項５に記載の分光輝度分布推定システム。
7. 前記光源の数が複数であって、前記複数の光源の画像が前記カメラにより同時に撮影されることを特徴とする請求項５に記載の分光輝度分布推定システム。
8. 前記第１検出手段と前記第２検出手段が時系列に実行されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光輝度分布推定システム。
9. 光源の画像を第１分光感度特性のもと検出する第１検出手順と、
   前記光源の画像を前記第１分光感度特性とは異なる第２分光感度特性のもと検出する第２検出手順と、
   前記第１および第２検出手順における検出結果に基づいて、前記光源の分光輝度分布を、前記光源の基準とされる相対分光輝度分布からのズレ量を表すパラメータを前記光源の映像に対応する画素を所定の閾値を基準として抽出し、抽出された画素の画素値の平均値に基づいて算出することにより推定する分光輝度算出手順と
   を備えることを特徴とする分光輝度分布推方法。
10. 前記ズレ量を表すパラメータが、分光輝度倍率、ピーク波長のシフト量、分光分布幅の少なくとも何れか一つを含むことを特徴とする請求項９に記載の分光輝度分布推定方法。
11. 光源の分光輝度分布を推定するためにコンピュータに、
    光源の画像を第１分光感度特性のもと検出する第１検出手順と、
    前記光源の画像を前記第１分光感度特性とは異なる第２分光感度特性のもと検出する第２検出手順と、
    前記第１および第２検出手順における検出結果に基づいて、前記光源の分光輝度分布を、前記光源の基準とされる相対分光輝度分布からのズレ量を表すパラメータを前記光源の映像に対応する画素を所定の閾値を基準として抽出し、抽出された画素の画素値の平均値に基づいて算出することにより推定する分光輝度算出手順と
    を実行させるためのプログラム。

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