TW201314185A - 量測發光二極體光譜的系統 - Google Patents

Abstract

一種量測發光二極體光譜系統，用以量測發光二極體的光譜，該系統包括濾光器陣列、感測器陣列以及資料處理單元，其中濾光器陣列接收來自發光二極體的發射光線，經濾光處理後的光線傳送至感測器陣列，由感測器陣列產生電氣感測信號，資料處理單元接收電氣感測信號，並利用複數個均勻分佈或非均勻分佈之函數為基底函數以進行轉換處理，產生具最佳匹配的合成函數以代表發光二極體之發射光線的光譜。本系統可以整合性單晶片實現，具有小型化、穩固以及易於攜帶且方便使用的特點。

Description

量測發光二極體光譜的系統

本發明係有關於量測發光二極體光譜，利用濾光器陣列、感測器陣列以及資料處理單元建構量測系統，尤其是利用非均勻分佈之函數為基底函數進行轉換處理，使用能代表發光二極體光譜以及考量濾光器(感測器)陣列特性之最佳基底函數，以利重建組合發光二極體光譜。

發光二極體(LED)是固態半導體發光源，且比起傳統發光源，比如白熾燈泡，LED具有較小尺寸、較低功率需求、較高發光效率、較高可靠度、較低自我發熱以及適用於高速切換頻率的優點。因此，近年來LED已逐步取代傳統發光源，並擴大應用範圍。

本質上，LED的光學特性具有相當差異性，即使是同一批生產的LED之間也會因為製程的漂移、操作電壓或電流不同、操作溫度改變、使用時數等而引起LED發光光譜或顏色的漂移。因此，需要精確量測與監控LED的光譜，藉以提供適當的補償或分類，而一般在傳統上常使用高精確性實驗室等級的光譜儀(Spectrometer)作為量測系統。

然而，習用技術中使用光譜儀的缺點在於，需要大量或複雜的濾光功能的濾光片，以使得光譜儀中的感測元件能適當的對特定波長範圍產生相對應電氣信號，進而提供光譜資訊，因此系統體積龐大，製造成本高且不穩固，且光譜儀本身需要相當精確的經常校正，以維持所需的精確度。因此，需要一種可藉低成本半導體製程而實現的量測發光二極體光譜系統，利用特定的轉換處理，得到高精確度的LED光譜，藉以解決上述習用技術的問題。

本發明的目的在於提供一種量測發光二極體光譜系統，用以量測發光二極體的光譜，且本發明的系統主要是包括濾光器陣列、感測器陣列以及資料處理單元，其中外部發光二極體所發射的光線係投射至具濾光處理的濾光器陣列上，經濾光器陣列濾光處理後的光線進一步傳送至感測器陣列，感測器陣列將接收的光線轉換成電氣感測信號，資料處理單元接收感測器陣列所產生的電氣感測信號，並利用複數個均勻分佈之函數為基底函數，或配合優化演算法找出複數個非均勻分佈的函數以當作所需的基底函數，以代表發光二極體之發射光線的光譜，進而進行轉換處理以產生最佳LED光譜量測。

本發明量測發光二極體光譜的系統可利用半導體製程而以整合性單一電氣裝置或單晶片的型式實現，因此具有小型化、穩固且易於攜帶且方便操作使用的特點，可擴大量測發光二極體光譜的應用範圍。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

參閱第一圖，依據本發明實施例量測發光二極體光譜系統之示意圖。如第一圖所示，本發明量測發光二極體光譜系統主要是包括濾光器陣列10、感測器陣列20以及資料處理單元30，用以量測外部發光二極體40所發射之光線L的光譜。

濾光器陣列10包括複數個以陣列方式配置的濾光器，每個濾光器具有濾光處理功能，可過濾或衰減特定範圍的光線。因此，發光二極體40所發射的光線投射至濾光器陣列10，由濾光器陣列10進行濾光處理，而經濾光處理後的其餘光線進一步傳送至感測器陣列20。感測器陣列20包括複數個以陣列方式配置的光感測器，用以將所接收到的光線經光電轉換處理而產生電氣感測信號R，其中光感測器可藉互補式金氧半感測器(CMOS Sensor)或電荷耦合感測器(CCD Sensor)而實現。

資料處理單元30接收感測器陣列20所產生的電氣感測信號R，並進行轉換處理以產生可代表發光二極體40之光譜。資料處理單元30的轉換處理主要是利用複數個函數為基底函數，再將基底函數進行最佳線性組合，以形成對應於電氣感測信號R的最佳函數。在本實施範例中，係利用高斯函數用以方便具體說明。考量高斯函數之半高全幅寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)以及尖峰波長(Peak Wavelength，λp)當作所需的參數，如第二圖，一般的高斯函數可表示成，其中FHWM≒2.355σ。因此，可由最佳的FWHM以及λp設計出最佳高斯函數，藉以當作建構發光二極體40光譜之基底。

以下為資料處理單元30之轉換處理的詳細說明。

假設使用一LED當作發光源照射具有N個濾光器的濾光器陣列10，且共使用M個LED當作發光源以進行M次測試，則可獲得具有MxN個相對應感測器的感測器陣列20輸出感測信號R _MXN ，且感測信號R _MXN 可表示成矩陣形式：

其中r _m,n(m=1,2,...,M；n=1,2,...,N)係代表感測器陣列20的感測器對第m個LED之第n個濾光器的相對應感測信號。

進一步假設利用K個函數當作基底函數，以逼近LED光譜，且有K個係數，b₁至b_k，代表每個函數的加權值，則加權係數矩陣B _MXN 可表示如下：

其中b _m,k(m=1,2,...,M；k=1,2,...,K)係代表對於第m個LED之第k個加權係數。

上述感測信號R _MXN 以及加權係數矩陣B _MXN 的關係可藉轉換矩陣T _NXK 而表示成：RT=B，或T=B，其中代表慕爾潘羅斯假反函數(Moore-Penrose Pseudo-Inverse)運算子，而代表感測信號R _MXN 的相對應慕爾潘羅斯假反函數。加權係數矩陣B _MXN 可藉以下方程式而獲得：

其中已知的LED光譜矩陣S及所選取的基底函數矩陣G係分別表示成：

且s _m 及g _k 分別是第m個已知LED光譜及第k個函數的1×L向量。

在獲得轉換矩陣T _NXK 後，對於具感測陣列輸出信號r _IXN 的待測LED光譜，其相對應的加權係數矩陣b _IXK 可為b=rT。因此，可依據轉換矩陣T _NXK 及基底函數矩陣G _KXL ，將感測陣列輸出信號r _IXN 利用下式進行轉換而獲得所需的待測LED光譜=rTG。

上述當作基底函數的該等函數可為均勻分佈或非均勻分佈，亦即該等函數的中心位置可為等間隔或非等間隔分離(各函數之寬度可不同)。對於均勻分佈的函數，可在所需的波長範圍內選取所需個數的函數，如第三圖所示，係在580至680nm之間選取均勻分佈的八個高斯函數。而第四圖顯示在580至680nm之間選取非均勻分佈的八個高斯函數。要注意的是，第三圖及第四圖只是用以說明本發明的特點而已，並非用以限定本發明的範圍，因此，所選取之函式可別於高斯函數，所選取的個數可為任意正整數。

因此，綜上所述，資料處理單元30的轉換處理包括以下步驟：選取複數個均勻分佈的函數，或利用PSO方法選取複數個非均勻分佈的函數，藉以當作基底函數，進而獲得基底函數矩陣G；依據B=S，利用已知光譜矩陣S並配合基底函數矩陣G的慕爾潘羅斯假反函數以計算相對應的加權係數矩陣B；依據T=B，利用感測器陣列20對已知LED光譜所產生電氣感測信號(矩陣)R的慕爾潘羅斯假反函數(矩陣)以及所得到的加權係數(矩陣)B，藉以計算相對應的轉換函數(矩陣)T；最後，依據=rTG，帶入感測器陣列20對待測LED的感測信號(矩陣)r，所獲得的轉換函數(矩陣)T，以及已選取的基底函數(矩陣)G，藉以計算所需的待測LED光譜(矩陣)，並且提供相對應的半高全幅寬(FWHM)以及尖峰波長(λp)。

上述資料處理單元30的轉換處理可藉電子裝置、微處理器或單晶片處理器，利用其內建的韌體或軟體程式而實現。

本發明的特點在於，可利用半導體製程將所需的濾光器陣列、感測器陣列以及資料處理單元整合成單一電氣裝置或單晶片，因此，具有小型化、穩固及易於攜帶且方便操作使用的優點，可擴大量測發光二極體光譜的應用範圍。

本發明的另一特點在於，資料處理單元的轉換處理包括：選取複數個函數當作基底函數；利用已知LED光譜計算加權係數；計算轉換函數；計算待測LED光譜。可藉以提高待測LED光譜的精確度，並可在低成本的硬體架構下實現，具有高經濟價值的產業利用性。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10．．．濾光器陣列

20．．．感測器陣列

30．．．資料處理單元

40．．．發光二極體

L．．．光線

R．．．感測信號

．．．光譜

第一圖是依據本發明實施例量測發光二極體光譜系統之示意圖。

第二圖是高斯函數的示意圖。

第三圖顯示均勻分佈的八個高斯函數之示意圖。

第四圖顯示非均勻分佈的八個高斯函數之示意圖。

10．．．濾光器陣列

20．．．感測器陣列

30．．．資料處理單元

40．．．發光二極體

L．．．光線

R．．．感測信號

．．．光譜

Claims (3)

1. 一種量測發光二極體光譜的系統，係用以量測發光二極體(LED)所發射之光線的光譜，該量測發光二極體光譜系統包括：一濾光器陣列，接收該LED所發射之光線，且該包括複數個以陣列方式配置的濾光器，每個濾光器具有將該LED所發射之光線進行濾光處理的濾光處理功能；一感測器陣列，接收經該濾光器陣列之濾光處理後的光線，且該感測器陣列包括複數個以陣列方式配置的光感測器，用以將所接收到的光線經光電轉換處理而產生電氣感測信號；以及一資料處理單元，接收該感測器陣列所產生的電氣感測信號，並進行一轉換處理以產生代表該LED之光譜，其中該轉換處理包括以下步驟：選取複數個均勻分佈的函數，或利用優化演算法以選取複數個非均勻分佈的函數，藉以當作基底函數，進而獲得由該等函數所構成的一基底函數矩陣G；利用一已知LED光譜矩陣S，配合該基底函數矩陣G的慕爾潘羅斯假反函數(Moore-Penrose Pseudo-Inverse)，依據B=S，以計算相對應的一加權係數矩陣B；利用該感測器陣列對該已知LED光譜矩陣S所產生之一電氣感測信號矩陣R的慕爾潘羅斯假反函數矩陣以及該加權係數矩陣B，依據T=B以計算相對應的一轉換函數矩陣T；以及利用該感測器陣列對一待測LED的感測信號輸出r，該轉換函數矩陣T，以及該基底函數矩陣G，依據=rTG，計算該待測LED之一光譜。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之量測發光二極體光譜的系統，其中該光感測器係藉互補式金氧半感測器(CMOS Sensor)或電荷耦合感測器(CCD Sensor)而實現。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之量測發光二極體光譜的系統，其中該資料處理單元的轉換處理係藉一電子裝置而實現，或藉一微處理器或一單晶片處理器並利用其內建的韌體或軟體程式而實現。