一種基于ccd的led芯片顯微表面亮度的測量方法
【專利摘要】一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測量方法，涉及LED亮度測量。1)獲取亮度標準值；2)獲取亮度測量值；3)測量LED芯片顯微表面亮度。彌補現(xiàn)有的LED芯片表面亮度量化測量的空缺，可以對LED芯片表面的亮度分布進行測量。在一定曝光時間下，只需獲取圖像的灰度值，就能準確有效地測量出LED芯片顯微表面的亮度分布情況，并能對LED芯片顯微表面的亮度進行量化分析。
【專利說明】
一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測量方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及LED亮度測量，尤其是涉及一種基于CCD的LED芯片顯微表面亮度的測 量方法。
【背景技術】
[0002] 發(fā)光二極管(LED)是當今國內外普遍關注的新興發(fā)光器件。近年來LED照明產(chǎn)業(yè)迅 速發(fā)展，光效不斷增加，亮度進一步提高，在照明領域的應用越發(fā)普及。LED以其高亮度、長 壽命、小體積、安全環(huán)保，已經(jīng)在顯示、背光、照明等許多領域取代了傳統(tǒng)光源 [M.H.Crawford, uLEDs for solid-state lighting:Performance challenges and recent advances IEEE J. Sel. Topics Quantum Electron. ,vol.l5,no.4,pp.l028-1040，Jul.-Aug. 2009. ] JED的基本結構是一個半導體P-N結。當有電流流經(jīng)LED器件時，P-N 結有源區(qū)自由電子與空穴產(chǎn)生復合，并釋放出光能[E . F . Schubert，Light-Emitting Diodes ·Cambridge，U.K:Cambridge Univ.Press，2006 ·]。不同于傳統(tǒng)光源，LED點光源的高 亮度和窄光束輸出等性質應用于照明器具時，若不對光輸出角加以嚴格控制就會產(chǎn)生強烈 的炫光。更有甚者，某些高亮度的LED產(chǎn)品還會對人體造成一定的危害性光輻射，因此LED亮 度的測量不僅對安全合理使用LED光源有指導性意義，同時，還可為設計和開發(fā)安全可靠的 LED光源提供準確的實驗依據(jù)。
[0003] 目前，常用的LED亮度的測量方法包括：
[0004] (1)根據(jù)亮度的定義，配合照度計進行亮度測量。
[0005] 亮度是定義成單位投影面積上的發(fā)光強度。假設某發(fā)光體有效發(fā)光面積為A，將照 度計放置于距該發(fā)光體正前方1長度處，且所測照度為E，則發(fā)光面上的亮度為：
[0006]
[0007]其中，L為發(fā)光面上的亮度，I為發(fā)光面上的發(fā)光強度。
[0008] (2)配合成像式亮度計，利用成像法進行亮度測量。
[0009] 方法（1)適合于面積較大的發(fā)光面的某一部分的光亮度的測量，且整個測試系統(tǒng) 的測量誤差較大。方法（2)適用于發(fā)光面較小而又不能靠近發(fā)光體的光源亮度的測量。同 樣，兩種方法都要求亮度計或照度計與發(fā)光面的距離比發(fā)光面的最大線度大得多，以保證 照度與距離的平方反比法則條件適用。
[0010] 然而，常用的LED亮度測量方法卻很少能夠對顯微LED芯片表面亮度進行量化的測 量。對LED芯片表面亮度的量化測量，能夠直觀反映出芯片表面發(fā)光的均勻性情況，并間接 地反映出芯片表面的載流子分布以及位錯等缺陷的分布情況。最終，能夠為半導體發(fā)光材 料的生長以及半導體發(fā)光材料的缺陷控制提供重要的數(shù)據(jù)參考。因此，提出一種能夠實時 量化地測量微觀LED芯片表面發(fā)光亮度的可行性辦法就顯得尤為迫切。

【發(fā)明內容】

[0011]為了彌補現(xiàn)有的LED芯片表面亮度量化測量的空缺，本發(fā)明提供一種基于CCD的 LED芯片顯微表面亮度的測量方法。
[0012]本發(fā)明包括以下步驟：
[0013] 1)獲取亮度標準值，具體方法如下：
[0014] 打開實驗裝置的溫控源與光譜儀，利用電流源供給LED電流，并將發(fā)光的LED放置 于積分球的一側開孔處，再在積分球另一側開孔處形成一個均勻發(fā)光面，利用成像光度探 頭采集發(fā)光面的光信號，并通過光纖傳輸至光譜儀進行分析，得到一系列電流點下相應的 亮度標準值L;
[0015] 2)獲取亮度測量值，具體方法如下：
[0016] 將成像光度探頭替換為攝像頭，設置攝像頭的曝光時間，并利用攝像頭對一系列 電流點下的發(fā)光面進行拍照，再獲取對應電流點下的圖像灰度值；
[0017] 在成像系統(tǒng)中，攝像頭所測的目標亮度標準值與圖像灰度值以及攝像頭曝光時間 的對應關系如式（1)所示(參見文獻:陳仲林，翁季，胡英奎.用數(shù)碼相機測量亮度分布[J]. 照明工程學報，2005，16(3): 11-14.):
[0018]
[0019] 其中，F(xiàn)為相機光圈數(shù)，τ為光透過率，為常數(shù)。 Π -τη
[0020] 對式(1)中的^進行二次展開后，式(1)可轉化為：
[0021]
[0022] 其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定。
[0023] 在保持光圈不變的情況下，亮度標準值L僅與曝光時間Τ和圖像灰度值D有關，為了 區(qū)分常量與變量，將曝光時間Τ記為t。則式(2)可轉化為：
[0024]
[0025]其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)。此時，根據(jù)式(3)，便可計算出亮度測量值L。
[0026] 3)測量LED芯片顯微表面亮度，具體方法如下：
[0027] 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對LED芯片進行顯微拍照，獲取LED芯片的 顯微表面圖像;在一定的曝光時間t下，獲取圖像上某個像素點(x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù) 式(3)，便可計算出該像素點(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0028] 本發(fā)明可以對LED芯片表面的亮度分布進行測量。
[0029] 本發(fā)明的有益效果是:在一定曝光時間下，只需獲取圖像的灰度值，就能準確有效 地測量出LED芯片顯微表面的亮度分布情況，并能對LED芯片顯微表面的亮度進行量化分 析。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明測量均勻發(fā)光面亮度標準值的實驗原理圖。
[0031] 圖2是本發(fā)明測量均勻發(fā)光面實際亮度值的實驗原理圖。
[0032]圖3是不同曝光時間下亮度值與灰度值的擬合曲線。
[0033]圖4是歸一化曝光時間下亮度值與灰度值的擬合曲線。
[0034]圖5是"亮度值一灰度值擬合函數(shù)"的系數(shù)與擬合次數(shù)的關系。
[0035] 在圖1和2中，各標記為：1-成像光度探頭、2-積分球、3-LED、4-LED溫控儀、5-溫控 源、6-光譜儀、7-電流源、8-電腦、9-光纖、10-攝像頭。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明實施例包括以下步驟：
[0037] 1)獲取亮度標準值，具體方法如下：
[0038] 打開實驗裝置的溫控源5與光譜儀6,利用電流源7供給LED 3電流，并將發(fā)光的LED 3放置于積分球2的一側開孔處，再在積分球2另一側開孔處形成一個均勻發(fā)光面，利用成像 光度探頭1采集發(fā)光面的光信號，并通過光纖9傳輸至光譜儀6進行分析，得到一系列電流點 下相應的亮度標準值L;
[0039] 2)獲取亮度測量值，具體方法如下：
[0040] 將成像光度探頭1替換為攝像頭10,設置攝像頭10的曝光時間T，并利用攝像頭10 對一系列電流點下的發(fā)光面進行拍照，再獲取對應電流點下的圖像灰度值D;
[0041] 在成像系統(tǒng)中，攝像頭10所測的目標亮度標準值L與圖像灰度值D以及攝像頭10曝 光時間T的對應關系如式（1)所示(參見文獻:陳仲林，翁季，胡英奎.用數(shù)碼相機測量亮度分 布[J].照明工程學報，2005,16(3): 11-14.):
[0042]
[0043]其中，F(xiàn)為相機光圈數(shù)，τ為光透過率，v和m為常數(shù)。
[0044] 對式(1)中的進行二次展開后，式(1)可轉化為：
[0045]
[0046] 其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定。
[0047] 在保持光圈不變的情況下，亮度標準值L僅與曝光時間Τ和圖像灰度值D有關，為了 區(qū)分常量與變量，將曝光時間Τ記為t。則式(2)可轉化為：
[0048]
[0049] 其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)。此時，根據(jù)式(3)，便可計算出亮度測量值L。
[0050] 3)測量LED芯片顯微表面亮度，具體方法如下：
[0051] 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對LED芯片進行顯微拍照，獲取LED芯片的 顯微表面圖像;在一定的曝光時間t下，獲取圖像上某個像素點(x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù) 式(3)，便可計算出該像素點(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0052] LED芯片顯微表面亮度的測量過程可以分為3個部分：
[0053] 1、亮度標準值的獲??；
[0054] 2、亮度測量值的計算與誤差分析；
[0055] 3、LED芯片顯微表面亮度的測量。
[0056]下面結合具體實施例以及附圖對本發(fā)明的實現(xiàn)過程進行詳細論述：
[0057] 1、亮度標準值的獲?。?br>[0058] (1)根據(jù)圖1的實驗原理圖連接好實驗裝置，并開啟光譜儀6,使其充分預熱lh;
[0059] (2)開啟溫控源5,使得LED溫控儀4能夠正常對放置于熱沉上的LED 3進行溫度控 制；
[0060] (3)將LED光源3放置于積分球2帶有擋板的開孔處，并利用電流源7給功率為1W的 LED提供5mA電流。此時，積分球2另一側開孔處便可以視為均勻發(fā)光面；
[0061] (4)在距離積分球2的1.5m處放置一臺三腳架，并將成像光度探頭1放置于三腳架 頂部。將成像光度探頭1的檔位撥至"VIEW"，利用人眼觀察均勻發(fā)光面是否在視野范圍之 內。調整三腳架的高度與水平，確保積分球2的開孔均勻發(fā)光面中心位于成像光度探頭1的 十字光標處；
[0062] (5)將成像光度探頭1的檔位撥至"MEASURE"，將測量檔位調整到"3"。成像光度探 頭1采集光信號，并通過光纖9傳輸至光譜儀6進行分析。利用電腦8的光譜儀6原配軟件 SpecWin測量出光譜的亮度。此時，所采集的亮度值即為亮度標準值；
[0063] (6)改變電流源7的輸出電流，分別測量出511^，1〇11^，1511^，...，34511^，35〇11^共70 個電流點下所對應的亮度標準值L。
[0064] 2、亮度測量值的計算與誤差分析：
[0065] (1)在相同條件下，將實驗儀器按照實驗原理圖2進行連接。其中，將成像光度探頭 1替換為攝像頭10。
[0066] (2)同樣，要求攝像頭10中心與積分球2的開孔均勻發(fā)光面中心平齊，然后調整攝 像頭10與發(fā)光面的距離，使得攝像頭10能夠正確聚焦。
[0067] (3)對攝像頭10進行白平衡校正，并設置曝光時間為lms。改變電流源7的輸出電 流，利用攝像頭10分別拍攝5mA，10mA，15mA，...，345mA，350mA共70個電流點下所對應的圖 像。
[0068] (4)剔除存在R、G、B三基色分量飽和的圖像，并取所拍攝圖像正中間10%的像素點 進行去噪等校正處理，以防止因鏡頭畸變產(chǎn)生較大誤差。然后，根據(jù)灰度值D的浮點算法D = R · 0 · 3+G · 0.59+B · 0.11，計算出每個電流點下所對應的灰度值D。
[0069] (5)根據(jù)每個電流點下所對應的灰度值與亮度標準值的關系進行曲線擬合，得到 一條擬合曲線。改變攝像頭1 〇的曝光時間，以同樣的方法分別得到lms、2ms、3ms、4ms、5ms的 曝光條件下的5條擬合曲線，如圖3所示。在暗室環(huán)境下，灰度值為0時所測得亮度值也為0。 故，設置擬合曲線的擬合方程形如y=A · x2+B · X。經(jīng)曲線擬合，5條擬合曲線中方最小R2值 為0.9996，具有很高的擬合度。
[0070] (6)將5條擬合曲線對曝光時間t進行歸一化，如圖4所示。歸一化后方程的兩個系 數(shù)分別取平均，得到A為0.0273; B為5.7424，如圖5所示;可得，亮度值L的預測曲線為
[0071]
[0072] 其中，L為亮度值，D為灰度值，t為曝光時間。
[0073] 根據(jù)亮度值擬合曲線，隨機挑選5個電流點進行誤差分析，最大誤差不超過3%，可 見利用這種方法對亮度進行預測具有很好的準確性，如表1所示。
[0074] 表 1
[0075] _
[0076] 3、LED芯片顯微表面亮度的測量：
[0077] (1)攝像頭10連接光學顯微鏡目鏡，在暗室中對發(fā)光的LED進行拍照，獲得LED的顯 微表面圖像；
[0078] (2)在一定的曝光時間t下，獲得圖像上某個像素點(x，y)的灰度值D(x，y)。根據(jù)式 (4)，便可計算出該像素點(x，y)的亮度值L(x，y)。因此，通過獲取顯微表面圖像上像素點所 對應的灰度值，便可實現(xiàn)對LED芯片顯微表面亮度值的測量。
[0079]綜上所述，利用本發(fā)明可以準確而又高效地測量出LED芯片顯微表面的亮度分布 情況。
【主權項】
1. 一種基于CCD的L邸忍片顯微表面亮度的測量方法，其特征在于包括w下步驟： 1) 獲取亮度標準值，具體方法如下： 打開實驗裝置的溫控源與光譜儀，利用電流源供給LED電流，并將發(fā)光的LED放置于積 分球的一側開孔處，再在積分球另一側開孔處形成一個均勻發(fā)光面，利用成像光度探頭采 集發(fā)光面的光信號，并通過光纖傳輸至光譜儀進行分析，得到一系列電流點下相應的亮度 標準值L 2) 獲取亮度測量值，具體方法如下： 將成像光度探頭替換為攝像頭，設置攝像頭的曝光時間，并利用攝像頭對一系列電流 點下的發(fā)光面進行拍照，再獲取對應電流點下的圖像灰度值； 在成像系統(tǒng)中，攝像頭所測的目標亮度標準值與圖像灰度值W及攝像頭曝光時間的對 應關系如式(1)所示：其中，F(xiàn)為相機光圈數(shù)，τ為光透過率，V和m為常數(shù)； 對式(1)中的進行二次展開后，式(1)轉化為：其中，Μ和N為常數(shù)，可根據(jù)不同因素確定； 在保持光圈不變的情況下，亮度標準值L僅與曝光時間Τ和圖像灰度值D有關，為了區(qū)分 常量與變量，將曝光時間巧己為t，則式(2)轉化為：其中，A、B均為常數(shù)系數(shù)，此時，根據(jù)式(3)，便計算出亮度測量值L 3) 測量L邸忍片顯微表面亮度，具體方法如下： 將攝像頭10與顯微鏡相連接，在暗室中對Lm)忍片進行顯微拍照，獲取Lm)忍片的顯微 表面圖像;在一定的曝光時間t下，獲取圖像上某個像素點（x，y)的灰度值D(x，y)，根據(jù)式 (3)，便計算出該像素點(x，y)的亮度值L(x，y)。
【文檔編號】G01M11/02GK105973571SQ201610268420
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】高玉琳, 嚴威, 肖菁菁, 鄭莉莉, 呂毅軍, 陳忠
【申請人】廈門大學