固態(tài)輔助燈及其測試系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種固態(tài)輔助燈，包括：具有多個LED模塊的燈頭；耦合至LED模塊的3熱電冷卻器；和驅(qū)動單元。驅(qū)動單元能夠包括：多個電流源，每個電流源耦合到相應(yīng)的LED模塊；和處理器，其耦合至電流源并被配置為控制每個電流源，從而控制每個電流源的相應(yīng)的LED模塊的光輸出。
【專利說明】固態(tài)輔助燈及其測試系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 所公開的技術(shù)總體上涉及用于光度測量測試系統(tǒng)的輔助燈，并且更具體地，一些 實施例涉及用于光度測量測試系統(tǒng)的固態(tài)輔助燈。

【背景技術(shù)】
[0002] 行業(yè)標準測試方法不適合大規(guī)模SSL測試。當積分球和相應(yīng)的方法被應(yīng)用到安裝 在可靠性測試板、具有多個LED樣本的大電路板上的高電力LED時，條件不再理想，因此測 試結(jié)果不可能精確。例如，通常情況下，可靠性測試板容納十到八十個LED。因此，它們物理 上更大，并且需要很多更多的電氣連接件來向LED供電。如果可靠性測試板被放置在球體 內(nèi)部，線路和大電路板吸收球體內(nèi)的LED光的大部分，降低了光學(xué)測量。
[0003] 常規(guī)大規(guī)模LED測試系統(tǒng)使用退化光學(xué)測量的設(shè)計。一種克服退化的光學(xué)測量的 方法是將球體做的非常大。然而，這是非常昂貴的。此外，增加的球體表面積還會退化光學(xué) 測量，因為它允許更少的光被發(fā)送至檢測器。
[0004] 另一種用于大規(guī)模LED測試的方法是將可靠性測試板放置在球體外部，該球體配 備有從單個LED收集光的小的光學(xué)端口。所產(chǎn)生的測量沒有嚴格依據(jù)優(yōu)選的測試方法，但 是對于多數(shù)使用是足夠好的。然而，此方法具有兩個主要弊端。首先，測量值具有一些誤差， 因為可能收集所有的LED光，尤其是在寬波束模式的情況下。其次，可靠性測試板必須機械 地在X、Y和Z坐標中步進和定位，以便重復(fù)測量每個LED。這種步進需要精確魯棒控制機 械以及必要的安全系統(tǒng)，以防操作員受傷。反過來，復(fù)雜性增加了該系統(tǒng)的成本。最重要的 是，該系統(tǒng)產(chǎn)生的測量很不確定。很多時候，該系統(tǒng)不能精確地將LED定位在球孔內(nèi)；因此， 所收集的光可能會在每次測量時變化。
[0005] 此外，該系統(tǒng)經(jīng)常忽視溫度控制。當被施加電能時，高電力的LED和LED模塊產(chǎn)生 大量熱量。在封裝產(chǎn)品中，精密的傳熱結(jié)構(gòu)帶走這些熱量，確保LED的半導(dǎo)體結(jié)保持低于它 的最大溫度限制-通常低于175°C?？煽啃詼y試板可以不具有等同的傳熱結(jié)構(gòu)來帶走在其 上安裝的LED產(chǎn)生的熱量。沒有該結(jié)構(gòu)，LED在測試期間會有過熱和故障的風險。球體內(nèi)的 安裝技術(shù)和放置使得構(gòu)建傳熱結(jié)構(gòu)變得困難。因此，典型的自動測量系統(tǒng)根本不使用傳熱 結(jié)構(gòu)；相反，它們依靠短脈沖測量來限制LED產(chǎn)生的熱量。盡管此方法消除了過熱的風險， 它忽視了第二個熱問題：一些LED燈的光輸出的強度和顏色經(jīng)常會隨溫度變化。
[0006] 積分球系統(tǒng)通常用于測量光源發(fā)射的光通量或光譜輻射通量。一般情況下，積分 球是具有均勻內(nèi)部反射涂層的球形外殼。來自光源的光在這個球體內(nèi)反射從而產(chǎn)生它的內(nèi) 表面的均勻照明，并且小樣本被饋送到檢測器。此檢測器可以是任何陣列光譜儀。特定光 源或被測裝置（DUT)的測量包括比較使用DUT在球體內(nèi)獲得的傳感器讀數(shù)和使用參考標準 源在球體內(nèi)獲得的那些讀數(shù)。具體地，DUT被安裝在球體中并被照亮?xí)r獲得的傳感器讀數(shù) 和參考標準源在球體中時獲得的讀數(shù)比較。接著從這些讀數(shù)的比值和參考標準產(chǎn)生的已知 通量導(dǎo)出DUT產(chǎn)生的通量。
[0007] 此類型的測量易于受到稱為"自吸收誤差"效應(yīng)的影響，其中所述球系統(tǒng)的響應(yīng)由 于球體腔內(nèi)的DUT替換參考標準而改變。如果DUT的物理和光學(xué)特性與參考標準明顯不同， 這種誤差將會很明顯。由于包括固態(tài)照明（SSL)產(chǎn)品在內(nèi)的照明產(chǎn)品的物理大小和形狀能 夠與參考標準的物理大小和形狀迥然不同，自吸收效應(yīng)能夠非常明顯，而此效應(yīng)的校正對 于取得可靠結(jié)果能夠是至關(guān)重要的。
[0008] 此問題的現(xiàn)有方案是在積分球中使用輔助燈，在用DUT替換參考標準時該輔助燈 仍在積分球內(nèi)。此輔助燈用作控制元件，用于表征由于替換引起的所述球系統(tǒng)的響應(yīng)性的 任何變化。
[0009] 通過比較參考標準安裝到球體中時針對輔助燈獲得的傳感器讀數(shù)和DUT替換所 述標準時獲得的讀數(shù)來測量自吸收效應(yīng)。自吸收因子作為這些讀數(shù)的比值被計算，并作為 校正因子被應(yīng)用于原始測量值結(jié)果。
[0010] 為了適于它的用途，輔助燈最好滿足下面要求中的至少大部分：（1)穩(wěn)定性-期望 所述燈在自吸收測量的整個過程中提供可重復(fù)的輸出；(2)光譜范圍-對于分光輻射測量 應(yīng)用，期望輔助燈在分光輻射測量儀的整個光譜范圍上發(fā)射寬帶輻射。優(yōu)選地，在此范圍 的所有波長上，光信號電平足以提供可接受的信噪比性能；(3)光譜分布-對于光度測量應(yīng) 用，期望輔助燈具有類似于DUT的光譜分布的光譜分布，尤其是如果DUT的吸收特性是強光 譜相關(guān)的；以及（4)幾何分布-期望輔助燈在球體內(nèi)的通量幾何分布應(yīng)當類似于參考標準 和/或DUT的通量幾何分布。應(yīng)當屏蔽輔助燈以使它不直接照明DUT或傳感器端口的任何 部位。
[0011] 常規(guī)輔助燈存在若干缺陷。首先，常規(guī)白熾輔助燈需要大量時間（10-30分鐘）達 到穩(wěn)定狀態(tài)，即變得足夠穩(wěn)定以適于在自吸收測量中使用。相反，自吸收校正過程需要的光 學(xué)測量涉及的積分時間在十毫秒的數(shù)量級上。因此，預(yù)熱時間消耗了執(zhí)行自吸收校正過程 需要的大多數(shù)時間和所述燈的大多數(shù)有用壽命。
[0012] 其次，由于白熾燈的輸出隨時間變化而且由于環(huán)境溫度變化，自吸收過程中使用 的讀數(shù)必須在相對短的時間段內(nèi)并在相似的環(huán)境條件下執(zhí)行。實際上，這通常意味著對于 每個新類型的DUT，必須執(zhí)行整個自吸收表征過程，包括球體中物理安裝參考標準-即使是 在不需要新的球體校準時。
[0013] 白熾燈產(chǎn)生大量的熱量是成問題的，尤其是在小的球體中。通常情況下，參考標準 的輸出和DUT的輸出是溫度相關(guān)的；因此，輔助燈對球體的加熱能夠增加測量值的不穩(wěn)定 和/或使測量過程復(fù)雜。
[0014] 白熾燈在可見光譜的短波長端呈現(xiàn)的光譜通量遠遠低于在較長波長端的光譜通 量。典型的白熾燈在藍色區(qū)域呈現(xiàn)的電力近似為紅色區(qū)域的1/5,以及在光譜的紫色端的通 量近似為在紅色端的1/25。通常情況下，由于在分光輻射測量儀和光度計中使用的硅傳感 器在較短可見波長很不靈敏，這意味著紫色或藍色光的信噪比比紅色光的信噪比在幅值上 低一到兩個數(shù)量級。
[0015] 濾波器可以用于改變白熾燈的光譜，但是可用光譜形狀的范圍有限，并且對于很 多目標光譜而言，光信號的相關(guān)損失會過高。而且，照明行業(yè)的總趨勢是從白熾燈邁向更節(jié) 能的技術(shù)。在可預(yù)見的未來，獲得適于用作輔助燈的白熾燈將會變得更困難和不可能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 固態(tài)輔助燈（SSAL)包含：燈頭，其包含多個LED模塊；熱電冷卻器，其耦合至LED 模塊。輔助燈進一步包含驅(qū)動單元，其包含多個電流源，每個電流源耦合到相應(yīng)的LED模 塊；處理器，其耦合至電流源并被配置為控制每個電流源從而控制每個電流源的相應(yīng)的 LED模塊的光輸出。
[0017] 根據(jù)下面的詳細描述結(jié)合附圖所公開技術(shù)的其他特征和方面將變得明顯，通過舉 例的方式說明了根據(jù)所公開的技術(shù)的實施例的特征。該
【發(fā)明內(nèi)容】
的目的不在于限制本文描 述的任何發(fā)明的范圍，其范圍僅由本文所附的權(quán)利要求限定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 根據(jù)一個或更多個不同實施例，參考下面的附圖詳細描述本文公開的技術(shù)。提供 附圖僅僅是為了舉例說明，并且附圖僅僅描繪公開的技術(shù)的典型或示例性實施例。提供這 些附圖是用于幫助讀者理解所公開的技術(shù)，并且這些附圖不應(yīng)當被認為是對其廣度、范圍 或應(yīng)用的限制。應(yīng)當注意的是，為了清楚和易于說明，這些附圖不一定按比例繪制。
[0019] 圖1是根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個實施例的示例性SSAL的框圖。
[0020] 圖2示出SSAL的并發(fā)脈沖操作。
[0021] 圖3示出SSAL的順序脈沖操作。
[0022] 圖4示出SSAL的混合脈沖操作。
[0023] 圖5示出使用單一通道驅(qū)動單元的SSAL。
[0024] 圖6示出示例性SSAL模型的每個元件的光譜分布，該模型被設(shè)計用于覆蓋全部可 視范圍。
[0025] 圖7示出這種SSAL可以被調(diào)制以逼近等能譜，與白熾燈相比，其在短波長處具有 更多的能量而在長波長處具有更少的能量。
[0026] 圖8示出相同的13個SSAL元件，這些元件被不同地調(diào)制以便逼近白熾光譜。
[0027] 圖9示出使用8個元件足夠覆蓋全部可視范圍（360-830納米），雖然比圖7和8 呈現(xiàn)的例子具有更低的光譜分辨率（以及更高的光譜結(jié)構(gòu)）。
[0028] 圖10是根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個實施例的操作SSAL的示例性過程的框圖。
[0029] 圖11示出根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個實施例實施的示例性自動SSAL測試系統(tǒng)。
[0030] 圖12根據(jù)本文描述的技術(shù)的實施例，示出與自動SSL測試系統(tǒng)連用的示例性負荷 板，其中LED為兩端子裝置。
[0031] 圖13根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出自動SSL測試系統(tǒng)的示例性開關(guān)矩陣。
[0032] 圖14不出固態(tài)燈測試系統(tǒng)。
[0033] 圖15示出使用SSAL作為工作標準測量DUT的方法。
[0034] 圖16根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，示出表征和連接積分球或半球光度計中的空間 非均勻性響應(yīng)的方法。
[0035] 圖17示出一種示例性計算模塊，該模塊可以用于實施所公開的技術(shù)的實施例的 各種特征。
[0036] 附圖目的不在于窮盡或限制本發(fā)明到所公開的精確形式。應(yīng)當理解的是，能夠?qū)?現(xiàn)具有修改和變化的本發(fā)明，并且所公開的技術(shù)的范圍僅受到權(quán)利要求書及其等同物限 制。

【具體實施方式】
[0037] 本文公開的技術(shù)涉及用于提供固態(tài)輔助燈的系統(tǒng)和方法，這種系統(tǒng)和方法，在一 些實施例中，可以減少或克服這些缺點中的一個或更多個。在一個實施例中，固態(tài)輔助燈 (SSAL)利用一種或更多種顏色（即光譜通量分布）的LED提供輔助照明并由多通道電流源 供電。在另一個實施例中，SSAL利用一多或更多種顏色（即光譜通量分布）的LED提供輔 助照明并由時分多路復(fù)用源供電。
[0038] 圖1是根據(jù)本文描述的技術(shù)的一個實施例的示例性SSAL的框圖?，F(xiàn)在參考圖1， 示例性SSAL包括驅(qū)動單元25,電纜或電纜組件27和燈頭28。驅(qū)動單元25向燈頭28供電。 具體地，在一些實施例中，驅(qū)動單元25提供精確的電流脈沖以驅(qū)動燈頭中的一排或更多排 LED 29a-29n。它還用作到用戶的控制和通信鏈路-通過前面板用戶接口或控制裝置31或 外部計算機。
[0039] 驅(qū)動單元25使用多個脈沖的電流源32a、32b、32n向燈頭28供電，所述脈沖的電 流源向每個有色LED排29a、29b、29n提供單獨的差分驅(qū)動電流。電流源32a、32b、32n從 AC-DC電力轉(zhuǎn)換器33接收DC電力，其中AC-DC電力轉(zhuǎn)換器能夠連接至外部AC電源。電流 源32a、32b、32η在通信/控制處理器34的控制下向它們各自的LED排29a、29b、29η提供 脈沖電力。能夠包括觸發(fā)和同步邏輯裝置35控制光何時產(chǎn)生以及從哪一排產(chǎn)生。此邏輯 裝置35可以用于，例如，同步分光輻射測量儀。電纜27在電流源32和燈頭28之間傳遞信 號。
[0040] 驅(qū)動單元25還包括熱電控制功能以調(diào)整LED 29的溫度。LED 29是高溫度靈敏 的-它們的輸出光通量能夠在溫度改變一度時改變數(shù)十百分比。因此，溫度傳感器（未示 出）在處理器34的控制下向熱電冷卻器控制裝置36提供溫度信息。熱電冷卻器控制裝置 36能夠基于溫度信息控制熱電冷卻器40提供的冷卻量從而幫助維持期望的溫度。為了證 實LED29的操作點是正確的，該單元還包括電壓感測電路以便在電流脈沖期間采樣和測量 每排的正向電壓。
[0041] 能夠包括差分多路復(fù)用器41，其能夠采樣處理器34能夠使用的參數(shù)以確認操作 在合適邊界內(nèi)。采樣的參數(shù)能夠包括施加到LED排29a、29b、29n的電壓、電流和溫度。能 夠提供A/D轉(zhuǎn)換器42以數(shù)字化針對處理器34所采樣的多路復(fù)用參數(shù)。A-D轉(zhuǎn)換器42能夠 是單獨的或能夠在處理器34內(nèi)部。
[0042] 燈頭28被配置為安裝在球體上并且優(yōu)選提供整個球體的受控照明。燈頭28通常 通過球體壁中的端口附接到積分球。燈頭28的主體能夠存在于球體外部，而燈頭的一部分 延伸至球體內(nèi)，在球體內(nèi)部提供2 π或4 π模式的照明。該精確模式取決于LED輻射模式 和LED 29安裝的方法。也能夠在LED 29的前面提供漫射器光學(xué)器件39以調(diào)整或影響該 模式。燈頭內(nèi)的LED 29被安裝到熱電冷卻器40。熱電冷卻器40在操作期間將LED 29保 持在預(yù)定溫度，使得能夠更加一致地維持光輸出并具有更高的可重復(fù)性。
[0043] 燈頭28上的LED排29a、29b、29η能夠被配置為提供不同的顏色輸出。例如，每排 可以提供不同的顏色輸出，并且控制每排提供的照明能夠控制燈頭28的總光譜輸出。
[0044] 在操作中，通過組合若干元件的輸出或具有不同顏色（即光譜通量分布）的 LED(例如排29a、29b、29n)的類型來獲得燈頭28的期望輸出光譜。在圖6-8中示出這種情 形的例子，下面將更詳細地進行描述。通過調(diào)制每個顏色的相對輸出（例如，每排），可以調(diào) 整總的輸出光譜的形狀和幅度。在優(yōu)選的實施例中，SSAL被設(shè)計為產(chǎn)生具有可忽略的預(yù)熱 時間段的光。為了實現(xiàn)這個目的，可以使用短的單個光脈沖而非穩(wěn)定狀態(tài)輸出。
[0045] 在各種實施例中，SSAL可以在至少四個不同的模式中操作。在這些模式的兩個中 (連續(xù)和規(guī)律脈沖），SSAL產(chǎn)生在光度測量或分光輻射測量的時間尺度上近似恒定的輸出。 在其他兩個模式中（單一脈沖和單一突發(fā)脈沖），SSAL產(chǎn)生能夠與儀器測量同步的短的單 個脈沖或突發(fā)脈沖。實際上，其中一個實施例利用單一脈沖模式。
[0046] 在連續(xù)模式中，在恒定集合電流下驅(qū)動SSAL的每個元件。在規(guī)律脈沖模式下，由 一系列規(guī)律脈沖驅(qū)動SSAL的每個元件，該系列規(guī)律脈沖具有比測量儀器的時間常量更小 的周期。結(jié)果被測定為恒定輸出。在單一脈沖模式中，在恒定集合電流下由短的單個脈沖 驅(qū)動SSAL的每個元件。在單一突發(fā)脈沖模式中，由短的突發(fā)規(guī)律脈沖驅(qū)動SSAL的每個元 件。突發(fā)脈沖的持續(xù)時間小于傳感器的積分時間，并且脈沖串具有比傳感器的時間常量更 小的周期。
[0047] 可以使用不同類型的調(diào)制控制輸出。在一些實施例中，可以使用電流調(diào)制、脈沖寬 度調(diào)制或其某些組合來控制每個SSAL元件的輸出。使用電流調(diào)制，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動SSAL的 集合電流來調(diào)制SSAL的每個元件的輸出。使用脈沖寬度調(diào)制（PWM)，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度而 集合電流保持恒定，來調(diào)制SSAL的每個元件的輸出。脈沖寬度調(diào)制能夠大體允許輸出調(diào)節(jié) 而沒有不期望的顏色變化。
[0048] 如圖2所示，所有SSAL元件可以是同時脈沖的。這樣產(chǎn)生的輸出光譜是暫時恒定 的。可替代地，SSAL元件可以按順序被提供脈沖，如在圖3中所示。在這種情況下，輸出光 譜在光脈沖期間改變。分光輻射測量儀將這種變化光譜并入到期望復(fù)合光譜中。SSAL元 件還可以是半順序脈沖的。在圖4中示出這種混合方法。順序或半順序的方法與時分復(fù)用 (TDM)的應(yīng)用兼容，如下面參考圖5所描述的。
[0049] 對LED應(yīng)用驅(qū)動電流增加了它的內(nèi)部結(jié)溫度。如果應(yīng)用的驅(qū)動電流恒定，該內(nèi)部 溫度將升高直到到達熱平衡，其中LED結(jié)溫度維持在環(huán)境溫度以上的一些恒定值。LED是高 度溫度靈敏的；總通量輸出和色度（顏色）能夠隨著結(jié)溫度的小幅改變而明顯改變。
[0050] 在連續(xù)和規(guī)律脈沖模式中，這種對光學(xué)輸出的熱效應(yīng)的幅度大體上相等，取決于 施加到LED的時間平均電流。每個LED的輸出將逐漸漂移直到到達熱平衡。為了在這些模 式中獲得可重復(fù)測量，有必要等待直到所有LED都達到熱平衡，這會需要若干分鐘或更多。
[0051] 在單一脈沖和單一突發(fā)脈沖模式中，獲得具有可忽略的預(yù)熱時間的可重復(fù)測量是 可能的。在這些模式中，使用單個脈沖或突發(fā)脈沖同步測量，并且脈沖或突發(fā)脈沖是短的 (通常在10-100毫秒的數(shù)量級），因此光學(xué)輸出的自加熱和相關(guān)的改變是有限的。在每個 脈沖之后，另一個光脈沖產(chǎn)生之前，TEC 40將LED 29帶回到它們的標稱溫度。
[0052] 在另一個實施例中，能夠提供單一通道驅(qū)動單元。在圖5中示出單一通道實施例 的例子。如上面討論的，半順序和順序脈沖方法具有的優(yōu)點是降低峰值加熱電力。在順序 方法中，每次僅有單個LED通道有效。時間復(fù)用的多通道脈沖電流源45能夠與電流感測 邏輯裝置46共同使用以驅(qū)動LED排29a、29b、29n。此電流源45能夠被配置為在不同的 時分給每個排29a、29b、29n提供驅(qū)動電流脈沖。脈沖作為TDM信號被發(fā)送至電流導(dǎo)引邏 輯裝置46。電流導(dǎo)引邏輯裝置46解復(fù)用TDM信號，并將電流脈沖引導(dǎo)至它們各自的LED 排29a、29b、29n。作為一個例子，這些實施例可以使用美國專利號12/840, 454(
【發(fā)明者】J·N·胡利特, J·E·利蘭德 申請人:威特瑞克斯電子系統(tǒng)公司