一种提高发光二极管主波长计算精度的方法

专利名称：一种提高发光二极管主波长计算精度的方法
技术领域：
本发明属于光电技术领域，主要涉及发光二极管(LED)的色度学 参数测试，具体涉及一种提高发光二极管主波长计算精度的方法。
背景技术：
发光二极管(LED)是一种把电能直接转换为光能的固体发光器件， 它以体积小、耗电低、响应速度快、发光度亮高且调整灵活、使用寿 命长、稳定性好、抗震性强等优点被广泛应用于照明、交通指示灯、 户外广告显示屏和仪器仪表显示等领域。在发光二极管的应用中，作 为一个光源，颜色是影响显示效果的一个关键因素，决定颜色的则是 它的波长特性。由于发光二极管的辐射能量分布是-一种窄带的准单色 光光谱，因此测量它的色度学参数就尤为重要。
为方便起见，通常使用相对光谱能量分布尸U)来描述发光二极管 在光辐射波长范围内各个波长的辐射能量分布情况，图1所示是GaN 基蓝光发光二极管的相对光谱能量分布曲线PU)，当相对光谱能量分 布曲线,U)确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦 随之而定。在图1中，Xp是峰值波长，它对应于某一波长范围内的最 大光学辐射能量，发光二极管的辐射光往往由许多不同波长的光所组 成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同，因此发光二极管的 辐射光可以有多个峰值波长，如采用GaP材料制成的发光二极管可发 出多个峰值波长的光。另外，由于发光二极管的辐射光不是纯单色的， 即辐射光谱具有 一定的光谱宽度或存在多个峰值波长，为描述发光二 极管的色度特性而引入主波长Xd。主波长入d直接反映人眼对发光二极 管辐射光颜色的视觉感受，它是衡量发光二极管色参数的重要指标，发光二极管发光的单色性越好，则主波长人d越接近峰值波长入p。
色度学的研究表明，不同颜色的光能够引起人眼球中红、绿、蓝视 网膜锥细胞的不同刺激水平，每个人对颜色和光通量的感知有着细微 的差别，对颜色的感知是一个主观的过程，不能用纯粹的客观方法测 量。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且还取决于人眼的视觉特性。 如果已知发光二极管的相对光谱能量分布,U)，根据国际照明委员会 (CIE)的规定，由它引起的CIE三刺激值X、 Y、 Z可以按下式计算
X二K
广780 —
Y二K尸(/1)>，("^ ^、 场 (1)
Z二K
场
式中K为调整因数，4"、 y(义)、4A)为国际照明委员会(C工E)给出 的"1931CIE -XYZ标准色度观察者光谱三刺激值"，也称配色函数， 如图2所示。
在实际计算三刺激值X、 Y、 Z时，常用求和来代替式(1)的积分
式=
780 —
X = K》 义
A=380 780 —
Y二K》福职 (2)
780
;.=380
由式(2)计算得到X、 Y、 Z三刺激值后可求得被测发光二极管的色度坐标为<formula>formula see original document page 6</formula>(3)
国际照明委员会(CIE)定义，任何一个颜色都可以看作为用某 一个 光谱色按-'定比例与一个参照光源(如CIE标准光源A、 B、 C等，等能 光源E，标准照明体D65等)相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就 是颜色的主波长，它相当于人眼观测到的颜色的色调。为了进一歩阐 明"主波长"的概念，从前面的定义得知，需要一个参照光源。如图3 所小，在色度图中心的取点代表等能白光，它由三原色的各三分之一单 位混合而成的，其色度坐标为xe二O. 3333， ye = 0. 3333， ze二O. 3333， 可以把它当作参照光源。^代表某一实际颜色，连接％和&并延长与光 谱轨迹线相交于-义d点，则、为S,的主波长。在图3中，义d二565nm，称 565nm为颜色&以恥为参照光源的主波长。根据加混色定律，5;可以用Z^ 和光谱波长为^d的光谱色相混合而获得。
在得到被测发光二极管发光器件的色度坐标后，其主波长就不难确 定。要确定发光二极管辐射光的颜色，可以用色度坐标及其主波长来 描述。根据前面的论述，如果已知发光二极管的相对光谱能量尸Q)分 布函数，在计算得到X、 Y、 Z二剌激值后可求得被测发光二极管的色度 坐标，可以采用等能白光K光源(xe = 0. 3333， ye = 0. 3333)作为参照 光源来计算决定其主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点 与样品颜色色度点的直线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。
通常，发光二极管的相对光谱能量尸u)分布函数是由光谱仪中的
CCD感光器件采样得到，对380nm-.780rim波长范围，2048像素的线阵 CCD的光谱取样分辨率可达0. 2nm左右，4096像素的线阵CCD的光谱 取样分辨率可达O. lmii左右。实际上，由于光谱仪CCD像素位置与波 长的对应关系不是线性的，波长标定时需要曲线来拟合校正，也就是 说某一像素所对应的波长不 -定是整数和/或线性关系。而由国际照明 委员会(CI:E)给出的CIE-1931 2° ;(义)、—y—W)、 S(A)配色函数是按波长 的整数给出，且最小精度为lnm。这给发光二极管主波长的高精度计算 带来了困难。即使相对光谱能量尸U)分布函数是按整数波长取样，通 过色度坐标査表计算得到的主波长精度也只能精确到]nm。因此，主波 长的计算要达到更高的精度，需要对CIE-1931 2° ;(A)、 —y(义)、《"配 色^数进行插值，才能算出每--个像素位置所代表的波长对应的色度 坐标。

发明内容
鉴丁」上述的由CIE-1931 2° A:U)、 —y(义)、^U)配色函数直接査表计 算发光二极管主波长精度低的不足，本发明的目的在于提供一种提高 发光二极管主波长计算精度的方法。
为实现i:.述目的，本发明- -种提高发光二极管主波长计算精度的 方法，通过光谱仪的感光器件获得被测发光二极管的--"系列离散的相 对光谱能量分布曲线数据尸U,)，根据C工E-19312° x(义)、；W)、 R义) 配色函数，计算出色度坐标，依据CIE 1931色度图上连接参照光源色 度点与被测发光二极管发光颜色色度点的直线的斜率dk，查表读出该 直线与光谱轨迹的交点，确定主波长Xd的初始值，在此基础上，采用
7多点斜率和斜率倒数相结合的拉格朗日插值算法，计算出主波长Xd的
精确值。
上述采用多点斜率和斜率倒数相结合的拉格朗日插值算法包括下
列歩骤
主波长Xd的初始值在第--设定主波长范围内，第二设定主波长范 围外时，采用多点斜率拉格朗日插值算法；
主波长Xd的初始值在第二设定主波长范围内时，采用多点斜率倒 数拉格朗日插值算法，保证了插值的精度，避免了发散性；
其中，第二设定主波长范围是以CIE 1931色度图上的直线+ 90° 时，其斜率(lk趋向于士^对应的主波长Xd为中心的一定范围，第一设 定主波长范围大于第二设定主波长范围且包含第二设定主波长范围。
在一种优选实施方式中，以等能白光作为参照光源，第一设定主 波长范围38()nm 700r皿，第二设定主波长范围520nffl 580nni，多点斜 率为五点斜率，采用连续的六个数据斜率及波长值，用其中的一个数 据作为插值数据，其他五个为已知点，推算出该斜率对应的主波长人d。
采用斜率和斜率倒数结合的拉格朗日(Lagrange)插值算法，既提 高了主波长的计算精度，同时也避免了数据发散的可能性。
本发明通过测量发光二极管的相对光谱能量分布曲线，由此得到 其色度坐标，采用斜率和斜率倒数相结合的多点拉格朗日插值，计算 出被测发光二极管辐射光的主波长，精度可优于O. lnm。本发明在计算 复杂度增加很少的基础上，大大提高了计算精度，具有很高的实用价 值。


图1是GaN基蓝光发光二极管的相对光谱能量分布曲线,U)。图1中Xp是对应最大光学辐射能量的波长，称为峰值波长，图l中入d是 直接反映人眼对发光二极管辐射光颜色视觉感受的波长，相当于人眼 观测到辐射光颜色的色调，称为主波长。
图2是1931 CIE—XYZ标准色度观察者光谱三刺激值(亦称配色 函数)。1931CIE—XYZ的光谱三剌激值不能通过直接匹配实验来获得， 是由1931CIE-RGB系统的有关数据经坐标转换和定标而确定的。
图3是根据CIE 1931色度图的主波长计算示意图，获得被测发光 二极管的色度坐标后，采用等能白光点^作为参照光源来计算其发光 颜色的主波长。计算时根据色度图上连接参照光源色度点ff￡ (xe，ye) 与样品颜色色度点& (x，y)的连线的斜率，查表读出直线与光谱轨迹 的交点，确定主波长入d。
图4是发光二极管的相对光谱能量分布曲线PU)测量、色度坐标 和主波长计算原理图。
图5是根据CTE-1931 2。 4A)、 y(义)、^义)配色函数，以等能白光 点取作为参照光源得到的斜率变化曲线，斜率在直线士90。时》士①。
具体实施例方式
如上面所述，任何一个颜色都可以看作用某一个光谱色按一定比 例与一个参照光源(如等能白光^等)相混合而匹配出来的颜色，这 个光谱色就是颜色的主波长，颜色的主波长相当于人眼观测到的颜色 的色调。若已获得被测发光二极管的色度坐标，就可以采用等能白光 ,"乍为参照光源来计算其发光颜色的主波长。计算时根据色度图上连
接参照光源色度点^ (xe，ye)与样品颜色色度点& (x,y)的直线斜率， 查表读出直线与光谱轨迹的交点，确定主波长。
9下面结合附图4对本发明的具体实施进行详细描述。图4中，l是 被测发光二极管；由2光谱仪对1发光二极管辐射的相对光谱能量分 布函数尸u)函数取样得到一系列离散的光谱数据P(乂0，根据CIE-1931 2° ;(义)、y(A)、 R义)配色函数；3计算出色度坐标x、 y。以等能白光
(xe = 0.3333， ye二0.3333)作为参照光源；4采用分段计算确定被 测发光二极管色度点的色度坐标与等能白光点『￡连线的斜率dk和主 波长人d的范围；5快速査询算法计算出CIE 1931色度图上参照光源色 度点与被测发光二极管色度点连线的斜率dk，查表读出该连线的延长 线与光谱轨迹的交点，确定精度为lnm的主波长Id计算值(参见图3)。 在此基础上；6作为实施本发明的特例，采用五点斜率和斜率倒数相结 合进行拉格朗日插值，计算出被测发光二极管辐射光准确的主波长；7 验证算法采用连续的6个数据斜率及波长值，用其中的一个数据作为 插值数据，其他五个为己知点，推算出该斜率所对应的波长Xd及插值 误差。
涉及本发明的五点斜率和斜率倒数相结合的拉格朗日插值算法叙 述如下
己知五点的坐标值(xl，yl), (x2，y2)， (x3，y3), (x4，y4)， (x5,y5),而且
xl-x5均不相同，则函数
y= .e (y， -xt-—xr) ")
为过以上五点的拉格朗日插值函数，忽略余项。
将上面的公式用于(斜率dk，波长Xd)中，五点依次设为(dkl,Xd-2), (dk2，入d-l)， (dk3,入dO)， (dk4, Xd+1), (dk5,入d+2)，待求函数点为(dk， Xd)。另外，根据cie-1931 2° ;w)、 ^a)、 ^a)配色函数，以等能白
光,￡点作为参照光源得到的斜率表k[380nm-780nm]可以看出，见图5， 斜率在直线土90。时^士Qo，因此当主波长在[520，580]范围时，采用五点斜 率倒数拉格朗日插值，保证了插值的精度，避免了发散性(见验证方法)。
插值算法如下
//斜率倒数插值
if (kmin>:520) and (kmin<=580》 then xl 二l .0/k[kmin-2] = kmin-2
.范围[520,580])
x2=l .()/k[kinin-1] x3=1.0/l([kmin+0] x4: l.()/k|kmin+lj x5:::l.()Zk[kmin+2] x::/dk 〃dk为招
y2= kmin-1 y3= l〈min+0 y产kmin+1 y5= kmin+2
值点对应l
else
〃斜率插值(主波长范围[380,520], [580,700])
x l二k卩〈min-2:l y 1 = kmin-2
x2二k[kmin- ] ] y2= kmin-1
x3=k.[kmin+0] y3= kmin+0
x4:k| kmin+ ] ] y4= kmin十1
x5::k卩〈min+2] y5二 kmin+2
x二:dk end if
人5'
y yl*(x-x2)/(xl-x2)*(x-x3)Z(x"x3)*(x-x4)/(xbx4)*(x-x5)/(xl-x5) y二y+y 2 * (x-x 1 )Z(x2-x 1) * (x-x3 )Z(x2-x3) * (x-x4)/(x2-x4) * (x-x5 )/(x2-x5) y 二y+y 3 * (x-x 1 )/(x3 -x 1 )* (x-x2)/(x3 -x2 )* (x-x4)/(x3 -x4) * (x-x5 )/(x3 -x5) r:y-卜y 4 * (x一x i )/(x4-x i )* (x-x2)/(x4-x2 )* (x-x3 )/(x4-x3) * (x-x5 )/(x4-x5) y二y十y5承(x-xl)/(x5-x〗)*(x-x2)/(x5-x2)*(x-x3)/(x5-x3)*(x-x4)/(x5-x4)
计算出来的y值就是所要得到的精确的主波长计算值Xd，其精度可优于O.lmn。
可见
(1) 主波长在380nm--520nm， 580nm-700nm范围时，采用五点斜率拉
(2) 由于斜率在直线±90°时^±~，主波长在520nra-580nm范围时， 采用五点斜率倒数拉格朗日插值，保证了插值的精度，避免了发散性。
验证方法介绍如下
采用连续的6个数据斜率及波长值，用其中的一个数据作为插值 数据，其他五个为已知点，推算出该斜率对应的波长。测试的结果为 在[380mn， 520nm] [580nm， 700nm]可见光范围内，五点斜率拉格朗日 插值误差小于0.002%。在[520nm， 580nm]可见光范围内，采用五点斜 率倒数拉格朗R插值误差也小于0.002%。因此，实际测试中采用此方 法可行，可大大提高计算精度。在700nm以上时斜率相等，无法采用 此验证方法。
权利要求
1、一种提高发光二极管主波长计算精度的方法，通过光谱仪的感光器件(CCD)获得被测发光二极管的一系列离散的相对光谱能量分布曲线数据P(λi)，根据CIE-19312°<overscore>x</overscore>(λ)、<overscore>y</overscore>(λ)、<overscore>z</overscore>(λ)配色函数，计算出色度坐标，依据CIE 1931色度图上连接参照光源色度点(WE)与被测发光二极管发光颜色色度点(SI)的直线(WESI)的斜率dk，查表读出该直线与光谱轨迹的交点，确定主波长λd的初始值，其特征在于再采用多点斜率和斜率倒数相结合的拉格朗日(Lagrange)插值算法，计算出主波长λd的精确值；所述采用多点斜率和斜率倒数相结合的拉格朗日(Lagrange)插值算法包括下列步骤主波长λd的初始值在第一设定主波长范围内，第二设定主波长范围外时，采用多点斜率拉格朗日插值算法；主波长λd的初始值在第二设定主波长范围内时，采用多点斜率倒数拉格朗日插值算法，保证了插值的精度，避免了发散性；其中，第二设定主波长范围是以CIE 1931色度图上的直线(WESI)+90°时，其斜率dk趋向于±∞对应的主波长λd为中心的一定范围，第一设定主波长范围大于第二设定主波长范围且包含第二设定主波长范围。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第一设定主波长范 围为380rim 700nm。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述第二设定主波长范 围为520加] 580nm。
4、 根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述第一设定主波长范 围为380nm 700nm。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于所述多点斜 率为五点斜率，采用连续的六个数据斜率及波长值，用其中的一个 数据作为插值数据，其他五个为己知点，推算出该斜率对应的主波 长人d。
6、 根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述参照光源为等能白光。
7、 根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于所述参照光 源为等能白光。
全文摘要
本发明公开一种用于发光二极管(LED)色度学参数测量中提高主波长计算精度的方法。本发明通过光谱仪的感光器件(CCD)获得被测发光二极管的相对光谱能量分布曲线数据P(λ_i)，根据CIE-1931 2°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函数，计算出色度坐标。以等能白光W_E(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作为参照光源，在用分段和快速查询算法计算出CIE 1931色度图上等能白光W_E色度点与所测发光二极管发光颜色色度点连线的斜率dk和计算出精度为1nm的主波长λd的基础上，采用多点斜率和斜率倒数相结合进行拉格朗日插值，计算出被测发光二极管辐射光的主波长，精度可优于0.1nm。本发明在计算复杂度增加很少的基础上，大大提高了计算精度，具有很高的实用价值。
文档编号G01J9/00GK101520345SQ20091003791
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者李耀棠, 肖国龙, 龚正平 申请人:中科院广州电子技术有限公司