一种基于ccd的led芯片显微表面亮度的测量方法
【专利摘要】一种基于CCD的LED芯片显微表面亮度的测量方法，涉及LED亮度测量。1)获取亮度标准值；2)获取亮度测量值；3)测量LED芯片显微表面亮度。弥补现有的LED芯片表面亮度量化测量的空缺，可以对LED芯片表面的亮度分布进行测量。在一定曝光时间下，只需获取图像的灰度值，就能准确有效地测量出LED芯片显微表面的亮度分布情况，并能对LED芯片显微表面的亮度进行量化分析。
【专利说明】
一种基于CCD的LED芯片显微表面亮度的测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及LED亮度测量，尤其是涉及一种基于CCD的LED芯片显微表面亮度的测 量方法。
【背景技术】
[0002] 发光二极管(LED)是当今国内外普遍关注的新兴发光器件。近年来LED照明产业迅 速发展，光效不断增加，亮度进一步提高，在照明领域的应用越发普及。LED以其高亮度、长 寿命、小体积、安全环保，已经在显示、背光、照明等许多领域取代了传统光源 [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的基本结构是一个半导体P-N结。当有电流流经LED器件时，P-N 结有源区自由电子与空穴产生复合，并释放出光能[E . F . Schubert，Light-Emitting Diodes ·Cambridge，U.K:Cambridge Univ.Press，2006 ·]。不同于传统光源，LED点光源的高 亮度和窄光束输出等性质应用于照明器具时，若不对光输出角加以严格控制就会产生强烈 的炫光。更有甚者，某些高亮度的LED产品还会对人体造成一定的危害性光辐射，因此LED亮 度的测量不仅对安全合理使用LED光源有指导性意义，同时，还可为设计和开发安全可靠的 LED光源提供准确的实验依据。
[0003] 目前，常用的LED亮度的测量方法包括：
[0004] (1)根据亮度的定义，配合照度计进行亮度测量。
[0005] 亮度是定义成单位投影面积上的发光强度。假设某发光体有效发光面积为A，将照 度计放置于距该发光体正前方1长度处，且所测照度为E，则发光面上的亮度为：
[0006]
[0007]其中，L为发光面上的亮度，I为发光面上的发光强度。
[0008] (2)配合成像式亮度计，利用成像法进行亮度测量。
[0009] 方法（1)适合于面积较大的发光面的某一部分的光亮度的测量，且整个测试系统 的测量误差较大。方法（2)适用于发光面较小而又不能靠近发光体的光源亮度的测量。同 样，两种方法都要求亮度计或照度计与发光面的距离比发光面的最大线度大得多，以保证 照度与距离的平方反比法则条件适用。
[0010] 然而，常用的LED亮度测量方法却很少能够对显微LED芯片表面亮度进行量化的测 量。对LED芯片表面亮度的量化测量，能够直观反映出芯片表面发光的均匀性情况，并间接 地反映出芯片表面的载流子分布以及位错等缺陷的分布情况。最终，能够为半导体发光材 料的生长以及半导体发光材料的缺陷控制提供重要的数据参考。因此，提出一种能够实时 量化地测量微观LED芯片表面发光亮度的可行性办法就显得尤为迫切。
【发明内容】
[0011]为了弥补现有的LED芯片表面亮度量化测量的空缺，本发明提供一种基于CCD的 LED芯片显微表面亮度的测量方法。
[0012]本发明包括以下步骤：
[0013] 1)获取亮度标准值，具体方法如下：
[0014] 打开实验装置的温控源与光谱仪，利用电流源供给LED电流，并将发光的LED放置 于积分球的一侧开孔处，再在积分球另一侧开孔处形成一个均匀发光面，利用成像光度探 头采集发光面的光信号，并通过光纤传输至光谱仪进行分析，得到一系列电流点下相应的 亮度标准值L;
[0015] 2)获取亮度测量值，具体方法如下：
[0016] 将成像光度探头替换为摄像头，设置摄像头的曝光时间，并利用摄像头对一系列 电流点下的发光面进行拍照，再获取对应电流点下的图像灰度值；
[0017] 在成像系统中，摄像头所测的目标亮度标准值与图像灰度值以及摄像头曝光时间 的对应关系如式（1)所示(参见文献:陈仲林，翁季，胡英奎.用数码相机测量亮度分布[J]. 照明工程学报，2005，16(3): 11-14.):
[0018]
[0019] 其中，F为相机光圈数，τ为光透过率，为常数。 Π -τη
[0020] 对式(1)中的^进行二次展开后，式(1)可转化为：
[0021]
[0022] 其中，Μ和N为常数，可根据不同因素确定。
[0023] 在保持光圈不变的情况下，亮度标准值L仅与曝光时间Τ和图像灰度值D有关，为了 区分常量与变量，将曝光时间Τ记为t。则式(2)可转化为：
[0024]
[0025]其中，A、B均为常数系数。此时，根据式(3)，便可计算出亮度测量值L。
[0026] 3)测量LED芯片显微表面亮度，具体方法如下：
[0027] 将摄像头10与显微镜相连接，在暗室中对LED芯片进行显微拍照，获取LED芯片的 显微表面图像;在一定的曝光时间t下，获取图像上某个像素点(x，y)的灰度值D(x，y)，根据 式(3)，便可计算出该像素点(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0028] 本发明可以对LED芯片表面的亮度分布进行测量。
[0029] 本发明的有益效果是:在一定曝光时间下，只需获取图像的灰度值，就能准确有效 地测量出LED芯片显微表面的亮度分布情况，并能对LED芯片显微表面的亮度进行量化分 析。
【附图说明】
[0030] 图1是本发明测量均匀发光面亮度标准值的实验原理图。
[0031] 图2是本发明测量均匀发光面实际亮度值的实验原理图。
[0032]图3是不同曝光时间下亮度值与灰度值的拟合曲线。
[0033]图4是归一化曝光时间下亮度值与灰度值的拟合曲线。
[0034]图5是"亮度值一灰度值拟合函数"的系数与拟合次数的关系。
[0035] 在图1和2中，各标记为：1-成像光度探头、2-积分球、3-LED、4-LED温控仪、5-温控 源、6-光谱仪、7-电流源、8-电脑、9-光纤、10-摄像头。
【具体实施方式】
[0036]本发明实施例包括以下步骤：
[0037] 1)获取亮度标准值，具体方法如下：
[0038] 打开实验装置的温控源5与光谱仪6,利用电流源7供给LED 3电流，并将发光的LED 3放置于积分球2的一侧开孔处，再在积分球2另一侧开孔处形成一个均匀发光面，利用成像 光度探头1采集发光面的光信号，并通过光纤9传输至光谱仪6进行分析，得到一系列电流点 下相应的亮度标准值L;
[0039] 2)获取亮度测量值，具体方法如下：
[0040] 将成像光度探头1替换为摄像头10,设置摄像头10的曝光时间T，并利用摄像头10 对一系列电流点下的发光面进行拍照，再获取对应电流点下的图像灰度值D;
[0041] 在成像系统中，摄像头10所测的目标亮度标准值L与图像灰度值D以及摄像头10曝 光时间T的对应关系如式（1)所示(参见文献:陈仲林，翁季，胡英奎.用数码相机测量亮度分 布[J].照明工程学报，2005,16(3): 11-14.):
[0042]
[0043]其中，F为相机光圈数，τ为光透过率，v和m为常数。
[0044] 对式(1)中的进行二次展开后，式(1)可转化为：
[0045]
[0046] 其中，Μ和N为常数，可根据不同因素确定。
[0047] 在保持光圈不变的情况下，亮度标准值L仅与曝光时间Τ和图像灰度值D有关，为了 区分常量与变量，将曝光时间Τ记为t。则式(2)可转化为：
[0048]
[0049] 其中，A、B均为常数系数。此时，根据式(3)，便可计算出亮度测量值L。
[0050] 3)测量LED芯片显微表面亮度，具体方法如下：
[0051] 将摄像头10与显微镜相连接，在暗室中对LED芯片进行显微拍照，获取LED芯片的 显微表面图像;在一定的曝光时间t下，获取图像上某个像素点(x，y)的灰度值D(x，y)，根据 式(3)，便可计算出该像素点(x，y)的亮度值L(x，y)。
[0052] LED芯片显微表面亮度的测量过程可以分为3个部分：
[0053] 1、亮度标准值的获取；
[0054] 2、亮度测量值的计算与误差分析；
[0055] 3、LED芯片显微表面亮度的测量。
[0056]下面结合具体实施例以及附图对本发明的实现过程进行详细论述：
[0057] 1、亮度标准值的获取：
[0058] (1)根据图1的实验原理图连接好实验装置，并开启光谱仪6,使其充分预热lh;
[0059] (2)开启温控源5,使得LED温控仪4能够正常对放置于热沉上的LED 3进行温度控 制；
[0060] (3)将LED光源3放置于积分球2带有挡板的开孔处，并利用电流源7给功率为1W的 LED提供5mA电流。此时，积分球2另一侧开孔处便可以视为均匀发光面；
[0061] (4)在距离积分球2的1.5m处放置一台三脚架，并将成像光度探头1放置于三脚架 顶部。将成像光度探头1的档位拨至"VIEW"，利用人眼观察均匀发光面是否在视野范围之 内。调整三脚架的高度与水平，确保积分球2的开孔均匀发光面中心位于成像光度探头1的 十字光标处；
[0062] (5)将成像光度探头1的档位拨至"MEASURE"，将测量档位调整到"3"。成像光度探 头1采集光信号，并通过光纤9传输至光谱仪6进行分析。利用电脑8的光谱仪6原配软件 SpecWin测量出光谱的亮度。此时，所采集的亮度值即为亮度标准值；
[0063] (6)改变电流源7的输出电流，分别测量出511^，1〇11^，1511^，...，34511^，35〇11^共70 个电流点下所对应的亮度标准值L。
[0064] 2、亮度测量值的计算与误差分析：
[0065] (1)在相同条件下，将实验仪器按照实验原理图2进行连接。其中，将成像光度探头 1替换为摄像头10。
[0066] (2)同样，要求摄像头10中心与积分球2的开孔均匀发光面中心平齐，然后调整摄 像头10与发光面的距离，使得摄像头10能够正确聚焦。
[0067] (3)对摄像头10进行白平衡校正，并设置曝光时间为lms。改变电流源7的输出电 流，利用摄像头10分别拍摄5mA，10mA，15mA，...，345mA，350mA共70个电流点下所对应的图 像。
[0068] (4)剔除存在R、G、B三基色分量饱和的图像，并取所拍摄图像正中间10%的像素点 进行去噪等校正处理，以防止因镜头畸变产生较大误差。然后，根据灰度值D的浮点算法D = R · 0 · 3+G · 0.59+B · 0.11，计算出每个电流点下所对应的灰度值D。
[0069] (5)根据每个电流点下所对应的灰度值与亮度标准值的关系进行曲线拟合，得到 一条拟合曲线。改变摄像头1 〇的曝光时间，以同样的方法分别得到lms、2ms、3ms、4ms、5ms的 曝光条件下的5条拟合曲线，如图3所示。在暗室环境下，灰度值为0时所测得亮度值也为0。 故，设置拟合曲线的拟合方程形如y=A · x2+B · X。经曲线拟合，5条拟合曲线中方最小R2值 为0.9996，具有很高的拟合度。
[0070] (6)将5条拟合曲线对曝光时间t进行归一化，如图4所示。归一化后方程的两个系 数分别取平均，得到A为0.0273; B为5.7424，如图5所示;可得，亮度值L的预测曲线为
[0071]
[0072] 其中，L为亮度值，D为灰度值，t为曝光时间。
[0073] 根据亮度值拟合曲线，随机挑选5个电流点进行误差分析，最大误差不超过3%，可 见利用这种方法对亮度进行预测具有很好的准确性，如表1所示。
[0074] 表 1
[0075] _
[0076] 3、LED芯片显微表面亮度的测量：
[0077] (1)摄像头10连接光学显微镜目镜，在暗室中对发光的LED进行拍照，获得LED的显 微表面图像；
[0078] (2)在一定的曝光时间t下，获得图像上某个像素点(x，y)的灰度值D(x，y)。根据式 (4)，便可计算出该像素点(x，y)的亮度值L(x，y)。因此，通过获取显微表面图像上像素点所 对应的灰度值，便可实现对LED芯片显微表面亮度值的测量。
[0079]综上所述，利用本发明可以准确而又高效地测量出LED芯片显微表面的亮度分布 情况。
【主权项】
1. 一种基于CCD的L邸忍片显微表面亮度的测量方法，其特征在于包括w下步骤： 1) 获取亮度标准值，具体方法如下： 打开实验装置的溫控源与光谱仪，利用电流源供给LED电流，并将发光的LED放置于积 分球的一侧开孔处，再在积分球另一侧开孔处形成一个均匀发光面，利用成像光度探头采 集发光面的光信号，并通过光纤传输至光谱仪进行分析，得到一系列电流点下相应的亮度 标准值L 2) 获取亮度测量值，具体方法如下： 将成像光度探头替换为摄像头，设置摄像头的曝光时间，并利用摄像头对一系列电流 点下的发光面进行拍照，再获取对应电流点下的图像灰度值； 在成像系统中，摄像头所测的目标亮度标准值与图像灰度值W及摄像头曝光时间的对 应关系如式(1)所示：其中，F为相机光圈数，τ为光透过率，V和m为常数； 对式(1)中的进行二次展开后，式(1)转化为：其中，Μ和N为常数，可根据不同因素确定； 在保持光圈不变的情况下，亮度标准值L仅与曝光时间Τ和图像灰度值D有关，为了区分 常量与变量，将曝光时间巧己为t，则式(2)转化为：其中，A、B均为常数系数，此时，根据式(3)，便计算出亮度测量值L 3) 测量L邸忍片显微表面亮度，具体方法如下： 将摄像头10与显微镜相连接，在暗室中对Lm)忍片进行显微拍照，获取Lm)忍片的显微 表面图像;在一定的曝光时间t下，获取图像上某个像素点（x，y)的灰度值D(x，y)，根据式 (3)，便计算出该像素点(x，y)的亮度值L(x，y)。
【文档编号】G01M11/02GK105973571SQ201610268420
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】高玉琳, 严威, 肖菁菁, 郑莉莉, 吕毅军, 陈忠
【申请人】厦门大学