固态辅助灯及其测试系统的制作方法
【专利摘要】一种固态辅助灯，包括：具有多个LED模块的灯头；耦合至LED模块的3热电冷却器；和驱动单元。驱动单元能够包括：多个电流源，每个电流源耦合到相应的LED模块；和处理器，其耦合至电流源并被配置为控制每个电流源，从而控制每个电流源的相应的LED模块的光输出。
【专利说明】固态辅助灯及其测试系统
【技术领域】
[0001] 所公开的技术总体上涉及用于光度测量测试系统的辅助灯，并且更具体地，一些 实施例涉及用于光度测量测试系统的固态辅助灯。
【背景技术】
[0002] 行业标准测试方法不适合大规模SSL测试。当积分球和相应的方法被应用到安装 在可靠性测试板、具有多个LED样本的大电路板上的高电力LED时，条件不再理想，因此测 试结果不可能精确。例如，通常情况下，可靠性测试板容纳十到八十个LED。因此，它们物理 上更大，并且需要很多更多的电气连接件来向LED供电。如果可靠性测试板被放置在球体 内部，线路和大电路板吸收球体内的LED光的大部分，降低了光学测量。
[0003] 常规大规模LED测试系统使用退化光学测量的设计。一种克服退化的光学测量的 方法是将球体做的非常大。然而，这是非常昂贵的。此外，增加的球体表面积还会退化光学 测量，因为它允许更少的光被发送至检测器。
[0004] 另一种用于大规模LED测试的方法是将可靠性测试板放置在球体外部，该球体配 备有从单个LED收集光的小的光学端口。所产生的测量没有严格依据优选的测试方法，但 是对于多数使用是足够好的。然而，此方法具有两个主要弊端。首先，测量值具有一些误差， 因为可能收集所有的LED光，尤其是在宽波束模式的情况下。其次，可靠性测试板必须机械 地在X、Y和Z坐标中步进和定位，以便重复测量每个LED。这种步进需要精确鲁棒控制机 械以及必要的安全系统，以防操作员受伤。反过来，复杂性增加了该系统的成本。最重要的 是，该系统产生的测量很不确定。很多时候，该系统不能精确地将LED定位在球孔内；因此， 所收集的光可能会在每次测量时变化。
[0005] 此外，该系统经常忽视温度控制。当被施加电能时，高电力的LED和LED模块产生 大量热量。在封装产品中，精密的传热结构带走这些热量，确保LED的半导体结保持低于它 的最大温度限制-通常低于175°C。可靠性测试板可以不具有等同的传热结构来带走在其 上安装的LED产生的热量。没有该结构，LED在测试期间会有过热和故障的风险。球体内的 安装技术和放置使得构建传热结构变得困难。因此，典型的自动测量系统根本不使用传热 结构；相反，它们依靠短脉冲测量来限制LED产生的热量。尽管此方法消除了过热的风险， 它忽视了第二个热问题：一些LED灯的光输出的强度和颜色经常会随温度变化。
[0006] 积分球系统通常用于测量光源发射的光通量或光谱辐射通量。一般情况下，积分 球是具有均匀内部反射涂层的球形外壳。来自光源的光在这个球体内反射从而产生它的内 表面的均匀照明，并且小样本被馈送到检测器。此检测器可以是任何阵列光谱仪。特定光 源或被测装置（DUT)的测量包括比较使用DUT在球体内获得的传感器读数和使用参考标准 源在球体内获得的那些读数。具体地，DUT被安装在球体中并被照亮时获得的传感器读数 和参考标准源在球体中时获得的读数比较。接着从这些读数的比值和参考标准产生的已知 通量导出DUT产生的通量。
[0007] 此类型的测量易于受到称为"自吸收误差"效应的影响，其中所述球系统的响应由 于球体腔内的DUT替换参考标准而改变。如果DUT的物理和光学特性与参考标准明显不同， 这种误差将会很明显。由于包括固态照明（SSL)产品在内的照明产品的物理大小和形状能 够与参考标准的物理大小和形状迥然不同，自吸收效应能够非常明显，而此效应的校正对 于取得可靠结果能够是至关重要的。
[0008] 此问题的现有方案是在积分球中使用辅助灯，在用DUT替换参考标准时该辅助灯 仍在积分球内。此辅助灯用作控制元件，用于表征由于替换引起的所述球系统的响应性的 任何变化。
[0009] 通过比较参考标准安装到球体中时针对辅助灯获得的传感器读数和DUT替换所 述标准时获得的读数来测量自吸收效应。自吸收因子作为这些读数的比值被计算，并作为 校正因子被应用于原始测量值结果。
[0010] 为了适于它的用途，辅助灯最好满足下面要求中的至少大部分：（1)稳定性-期望 所述灯在自吸收测量的整个过程中提供可重复的输出；(2)光谱范围-对于分光辐射测量 应用，期望辅助灯在分光辐射测量仪的整个光谱范围上发射宽带辐射。优选地，在此范围 的所有波长上，光信号电平足以提供可接受的信噪比性能；(3)光谱分布-对于光度测量应 用，期望辅助灯具有类似于DUT的光谱分布的光谱分布，尤其是如果DUT的吸收特性是强光 谱相关的；以及（4)几何分布-期望辅助灯在球体内的通量几何分布应当类似于参考标准 和/或DUT的通量几何分布。应当屏蔽辅助灯以使它不直接照明DUT或传感器端口的任何 部位。
[0011] 常规辅助灯存在若干缺陷。首先，常规白炽辅助灯需要大量时间（10-30分钟）达 到稳定状态，即变得足够稳定以适于在自吸收测量中使用。相反，自吸收校正过程需要的光 学测量涉及的积分时间在十毫秒的数量级上。因此，预热时间消耗了执行自吸收校正过程 需要的大多数时间和所述灯的大多数有用寿命。
[0012] 其次，由于白炽灯的输出随时间变化而且由于环境温度变化，自吸收过程中使用 的读数必须在相对短的时间段内并在相似的环境条件下执行。实际上，这通常意味着对于 每个新类型的DUT，必须执行整个自吸收表征过程，包括球体中物理安装参考标准-即使是 在不需要新的球体校准时。
[0013] 白炽灯产生大量的热量是成问题的，尤其是在小的球体中。通常情况下，参考标准 的输出和DUT的输出是温度相关的；因此，辅助灯对球体的加热能够增加测量值的不稳定 和/或使测量过程复杂。
[0014] 白炽灯在可见光谱的短波长端呈现的光谱通量远远低于在较长波长端的光谱通 量。典型的白炽灯在蓝色区域呈现的电力近似为红色区域的1/5,以及在光谱的紫色端的通 量近似为在红色端的1/25。通常情况下，由于在分光辐射测量仪和光度计中使用的硅传感 器在较短可见波长很不灵敏，这意味着紫色或蓝色光的信噪比比红色光的信噪比在幅值上 低一到两个数量级。
[0015] 滤波器可以用于改变白炽灯的光谱，但是可用光谱形状的范围有限，并且对于很 多目标光谱而言，光信号的相关损失会过高。而且，照明行业的总趋势是从白炽灯迈向更节 能的技术。在可预见的未来，获得适于用作辅助灯的白炽灯将会变得更困难和不可能。
【发明内容】
[0016] 固态辅助灯（SSAL)包含：灯头，其包含多个LED模块；热电冷却器，其耦合至LED 模块。辅助灯进一步包含驱动单元，其包含多个电流源，每个电流源耦合到相应的LED模 块；处理器，其耦合至电流源并被配置为控制每个电流源从而控制每个电流源的相应的 LED模块的光输出。
[0017] 根据下面的详细描述结合附图所公开技术的其他特征和方面将变得明显，通过举 例的方式说明了根据所公开的技术的实施例的特征。该
【发明内容】
的目的不在于限制本文描 述的任何发明的范围，其范围仅由本文所附的权利要求限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 根据一个或更多个不同实施例，参考下面的附图详细描述本文公开的技术。提供 附图仅仅是为了举例说明，并且附图仅仅描绘公开的技术的典型或示例性实施例。提供这 些附图是用于帮助读者理解所公开的技术，并且这些附图不应当被认为是对其广度、范围 或应用的限制。应当注意的是，为了清楚和易于说明，这些附图不一定按比例绘制。
[0019] 图1是根据本文描述的技术的一个实施例的示例性SSAL的框图。
[0020] 图2示出SSAL的并发脉冲操作。
[0021] 图3示出SSAL的顺序脉冲操作。
[0022] 图4示出SSAL的混合脉冲操作。
[0023] 图5示出使用单一通道驱动单元的SSAL。
[0024] 图6示出示例性SSAL模型的每个元件的光谱分布，该模型被设计用于覆盖全部可 视范围。
[0025] 图7示出这种SSAL可以被调制以逼近等能谱，与白炽灯相比，其在短波长处具有 更多的能量而在长波长处具有更少的能量。
[0026] 图8示出相同的13个SSAL元件，这些元件被不同地调制以便逼近白炽光谱。
[0027] 图9示出使用8个元件足够覆盖全部可视范围（360-830纳米），虽然比图7和8 呈现的例子具有更低的光谱分辨率（以及更高的光谱结构）。
[0028] 图10是根据本文描述的技术的一个实施例的操作SSAL的示例性过程的框图。
[0029] 图11示出根据本文描述的技术的一个实施例实施的示例性自动SSAL测试系统。
[0030] 图12根据本文描述的技术的实施例，示出与自动SSL测试系统连用的示例性负荷 板，其中LED为两端子装置。
[0031] 图13根据本发明的一个实施例，示出自动SSL测试系统的示例性开关矩阵。
[0032] 图14不出固态灯测试系统。
[0033] 图15示出使用SSAL作为工作标准测量DUT的方法。
[0034] 图16根据本发明的一个实施例，示出表征和连接积分球或半球光度计中的空间 非均匀性响应的方法。
[0035] 图17示出一种示例性计算模块，该模块可以用于实施所公开的技术的实施例的 各种特征。
[0036] 附图目的不在于穷尽或限制本发明到所公开的精确形式。应当理解的是，能够实 现具有修改和变化的本发明，并且所公开的技术的范围仅受到权利要求书及其等同物限 制。
【具体实施方式】
[0037] 本文公开的技术涉及用于提供固态辅助灯的系统和方法，这种系统和方法，在一 些实施例中，可以减少或克服这些缺点中的一个或更多个。在一个实施例中，固态辅助灯 (SSAL)利用一种或更多种颜色（即光谱通量分布）的LED提供辅助照明并由多通道电流源 供电。在另一个实施例中，SSAL利用一多或更多种颜色（即光谱通量分布）的LED提供辅 助照明并由时分多路复用源供电。
[0038] 图1是根据本文描述的技术的一个实施例的示例性SSAL的框图。现在参考图1， 示例性SSAL包括驱动单元25,电缆或电缆组件27和灯头28。驱动单元25向灯头28供电。 具体地，在一些实施例中，驱动单元25提供精确的电流脉冲以驱动灯头中的一排或更多排 LED 29a-29n。它还用作到用户的控制和通信链路-通过前面板用户接口或控制装置31或 外部计算机。
[0039] 驱动单元25使用多个脉冲的电流源32a、32b、32n向灯头28供电，所述脉冲的电 流源向每个有色LED排29a、29b、29n提供单独的差分驱动电流。电流源32a、32b、32n从 AC-DC电力转换器33接收DC电力，其中AC-DC电力转换器能够连接至外部AC电源。电流 源32a、32b、32η在通信/控制处理器34的控制下向它们各自的LED排29a、29b、29η提供 脉冲电力。能够包括触发和同步逻辑装置35控制光何时产生以及从哪一排产生。此逻辑 装置35可以用于，例如，同步分光辐射测量仪。电缆27在电流源32和灯头28之间传递信 号。
[0040] 驱动单元25还包括热电控制功能以调整LED 29的温度。LED 29是高温度灵敏 的-它们的输出光通量能够在温度改变一度时改变数十百分比。因此，温度传感器（未示 出）在处理器34的控制下向热电冷却器控制装置36提供温度信息。热电冷却器控制装置 36能够基于温度信息控制热电冷却器40提供的冷却量从而帮助维持期望的温度。为了证 实LED29的操作点是正确的，该单元还包括电压感测电路以便在电流脉冲期间采样和测量 每排的正向电压。
[0041] 能够包括差分多路复用器41，其能够采样处理器34能够使用的参数以确认操作 在合适边界内。采样的参数能够包括施加到LED排29a、29b、29n的电压、电流和温度。能 够提供A/D转换器42以数字化针对处理器34所采样的多路复用参数。A-D转换器42能够 是单独的或能够在处理器34内部。
[0042] 灯头28被配置为安装在球体上并且优选提供整个球体的受控照明。灯头28通常 通过球体壁中的端口附接到积分球。灯头28的主体能够存在于球体外部，而灯头的一部分 延伸至球体内，在球体内部提供2 π或4 π模式的照明。该精确模式取决于LED辐射模式 和LED 29安装的方法。也能够在LED 29的前面提供漫射器光学器件39以调整或影响该 模式。灯头内的LED 29被安装到热电冷却器40。热电冷却器40在操作期间将LED 29保 持在预定温度，使得能够更加一致地维持光输出并具有更高的可重复性。
[0043] 灯头28上的LED排29a、29b、29η能够被配置为提供不同的颜色输出。例如，每排 可以提供不同的颜色输出，并且控制每排提供的照明能够控制灯头28的总光谱输出。
[0044] 在操作中，通过组合若干元件的输出或具有不同颜色（即光谱通量分布）的 LED(例如排29a、29b、29n)的类型来获得灯头28的期望输出光谱。在图6-8中示出这种情 形的例子，下面将更详细地进行描述。通过调制每个颜色的相对输出（例如，每排），可以调 整总的输出光谱的形状和幅度。在优选的实施例中，SSAL被设计为产生具有可忽略的预热 时间段的光。为了实现这个目的，可以使用短的单个光脉冲而非稳定状态输出。
[0045] 在各种实施例中，SSAL可以在至少四个不同的模式中操作。在这些模式的两个中 (连续和规律脉冲），SSAL产生在光度测量或分光辐射测量的时间尺度上近似恒定的输出。 在其他两个模式中（单一脉冲和单一突发脉冲），SSAL产生能够与仪器测量同步的短的单 个脉冲或突发脉冲。实际上，其中一个实施例利用单一脉冲模式。
[0046] 在连续模式中，在恒定集合电流下驱动SSAL的每个元件。在规律脉冲模式下，由 一系列规律脉冲驱动SSAL的每个元件，该系列规律脉冲具有比测量仪器的时间常量更小 的周期。结果被测定为恒定输出。在单一脉冲模式中，在恒定集合电流下由短的单个脉冲 驱动SSAL的每个元件。在单一突发脉冲模式中，由短的突发规律脉冲驱动SSAL的每个元 件。突发脉冲的持续时间小于传感器的积分时间，并且脉冲串具有比传感器的时间常量更 小的周期。
[0047] 可以使用不同类型的调制控制输出。在一些实施例中，可以使用电流调制、脉冲宽 度调制或其某些组合来控制每个SSAL元件的输出。使用电流调制，通过调节驱动SSAL的 集合电流来调制SSAL的每个元件的输出。使用脉冲宽度调制（PWM)，通过调节脉冲宽度而 集合电流保持恒定，来调制SSAL的每个元件的输出。脉冲宽度调制能够大体允许输出调节 而没有不期望的颜色变化。
[0048] 如图2所示，所有SSAL元件可以是同时脉冲的。这样产生的输出光谱是暂时恒定 的。可替代地，SSAL元件可以按顺序被提供脉冲，如在图3中所示。在这种情况下，输出光 谱在光脉冲期间改变。分光辐射测量仪将这种变化光谱并入到期望复合光谱中。SSAL元 件还可以是半顺序脉冲的。在图4中示出这种混合方法。顺序或半顺序的方法与时分复用 (TDM)的应用兼容，如下面参考图5所描述的。
[0049] 对LED应用驱动电流增加了它的内部结温度。如果应用的驱动电流恒定，该内部 温度将升高直到到达热平衡，其中LED结温度维持在环境温度以上的一些恒定值。LED是高 度温度灵敏的；总通量输出和色度（颜色）能够随着结温度的小幅改变而明显改变。
[0050] 在连续和规律脉冲模式中，这种对光学输出的热效应的幅度大体上相等，取决于 施加到LED的时间平均电流。每个LED的输出将逐渐漂移直到到达热平衡。为了在这些模 式中获得可重复测量，有必要等待直到所有LED都达到热平衡，这会需要若干分钟或更多。
[0051] 在单一脉冲和单一突发脉冲模式中，获得具有可忽略的预热时间的可重复测量是 可能的。在这些模式中，使用单个脉冲或突发脉冲同步测量，并且脉冲或突发脉冲是短的 (通常在10-100毫秒的数量级），因此光学输出的自加热和相关的改变是有限的。在每个 脉冲之后，另一个光脉冲产生之前，TEC 40将LED 29带回到它们的标称温度。
[0052] 在另一个实施例中，能够提供单一通道驱动单元。在图5中示出单一通道实施例 的例子。如上面讨论的，半顺序和顺序脉冲方法具有的优点是降低峰值加热电力。在顺序 方法中，每次仅有单个LED通道有效。时间复用的多通道脉冲电流源45能够与电流感测 逻辑装置46共同使用以驱动LED排29a、29b、29n。此电流源45能够被配置为在不同的 时分给每个排29a、29b、29n提供驱动电流脉冲。脉冲作为TDM信号被发送至电流导引逻 辑装置46。电流导引逻辑装置46解复用TDM信号，并将电流脉冲引导至它们各自的LED 排29a、29b、29n。作为一个例子，这些实施例可以使用美国专利号12/840, 454(
【发明者】J·N·胡利特, J·E·利兰德 申请人:威特瑞克斯电子系统公司