一種提高發光二極體主波長計算精度的方法
2023-08-10 20:04:21
專利名稱：一種提高發光二極體主波長計算精度的方法
技術領域：
本發明屬於光電技術領域，主要涉及發光二極體(LED)的色度學 參數測試，具體涉及一種提高發光二極體主波長計算精度的方法。
背景技術：
發光二極體(LED)是一種把電能直接轉換為光能的固體發光器件， 它以體積小、耗電低、響應速度快、發光度亮高且調整靈活、使用壽 命長、穩定性好、抗震性強等優點被廣泛應用於照明、交通指示燈、 戶外廣告顯示屏和儀器儀表顯示等領域。在發光二極體的應用中，作 為一個光源，顏色是影響顯示效果的一個關鍵因素，決定顏色的則是 它的波長特性。由於發光二極體的輻射能量分布是-一種窄帶的準單色 光光譜，因此測量它的色度學參數就尤為重要。
為方便起見，通常使用相對光譜能量分布屍U)來描述發光二極體 在光輻射波長範圍內各個波長的輻射能量分布情況，圖1所示是GaN 基藍光發光二極體的相對光譜能量分布曲線PU)，當相對光譜能量分 布曲線,U)確定之後，器件的有關主波長、純度等相關色度學參數亦 隨之而定。在圖1中，Xp是峰值波長，它對應於某一波長範圍內的最 大光學輻射能量，發光二極體的輻射光往往由許多不同波長的光所組 成，而且不同波長的光在其中所佔的比例也不同，因此發光二極體的 輻射光可以有多個峰值波長，如採用GaP材料製成的發光二極體可發 出多個峰值波長的光。另外，由於發光二極體的輻射光不是純單色的， 即輻射光譜具有 一定的光譜寬度或存在多個峰值波長，為描述發光二 極管的色度特性而引入主波長Xd。主波長入d直接反映人眼對發光二極 管輻射光顏色的視覺感受，它是衡量發光二極體色參數的重要指標，發光二極體發光的單色性越好，則主波長人d越接近峰值波長入p。
色度學的研究表明，不同顏色的光能夠引起人眼球中紅、綠、藍視 網膜錐細胞的不同刺激水平，每個人對顏色和光通量的感知有著細微 的差別，對顏色的感知是一個主觀的過程，不能用純粹的客觀方法測 量。因此，顏色不僅取決於光刺激，而且還取決於人眼的視覺特性。 如果已知發光二極體的相對光譜能量分布,U)，根據國際照明委員會 (CIE)的規定，由它引起的CIE三刺激值X、 Y、 Z可以按下式計算
X二K
廣780 —
Y二K屍(/1)>，("^ ^、 場 (1)
Z二K
場
式中K為調整因數，4"、 y(義)、4A)為國際照明委員會(C工E)給出 的"1931CIE -XYZ標準色度觀察者光譜三刺激值"，也稱配色函數， 如圖2所示。
在實際計算三刺激值X、 Y、 Z時，常用求和來代替式(1)的積分
式=
780 —
X = K》 義
A=380 780 —
Y二K》福職 (2)
780
;.=380
由式(2)計算得到X、 Y、 Z三刺激值後可求得被測發光二極體的色度坐標為formula see original document page 6(3)
國際照明委員會(CIE)定義，任何一個顏色都可以看作為用某 一個 光譜色按-'定比例與一個參照光源(如CIE標準光源A、 B、 C等，等能 光源E，標準照明體D65等)相混合而匹配出來的顏色，這個光譜色就 是顏色的主波長，它相當於人眼觀測到的顏色的色調。為了進一歩闡 明"主波長"的概念，從前面的定義得知，需要一個參照光源。如圖3 所小，在色度圖中心的取點代表等能白光，它由三原色的各三分之一單 位混合而成的，其色度坐標為xe二O. 3333， ye = 0. 3333， ze二O. 3333， 可以把它當作參照光源。^代表某一實際顏色，連接％和&並延長與光 譜軌跡線相交於-義d點，則、為S,的主波長。在圖3中，義d二565nm，稱 565nm為顏色&以恥為參照光源的主波長。根據加混色定律，5;可以用Z^ 和光譜波長為^d的光譜色相混合而獲得。
在得到被測發光二極體發光器件的色度坐標後，其主波長就不難確 定。要確定發光二極體輻射光的顏色，可以用色度坐標及其主波長來 描述。根據前面的論述，如果已知發光二極體的相對光譜能量屍Q)分 布函數，在計算得到X、 Y、 Z二剌激值後可求得被測發光二極體的色度 坐標，可以採用等能白光K光源(xe = 0. 3333， ye = 0. 3333)作為參照 光源來計算決定其主波長。計算時根據色度圖上連接參照光源色度點 與樣品顏色色度點的直線的斜率，查表讀出直線與光譜軌跡的交點，確定主波長。
通常，發光二極體的相對光譜能量屍u)分布函數是由光譜儀中的
CCD感光器件採樣得到，對380nm-.780rim波長範圍，2048像素的線陣 CCD的光譜取樣解析度可達0. 2nm左右，4096像素的線陣CCD的光譜 取樣解析度可達O. lmii左右。實際上，由於光譜儀CCD像素位置與波 長的對應關係不是線性的，波長標定時需要曲線來擬合校正，也就是 說某一像素所對應的波長不 -定是整數和/或線性關係。而由國際照明 委員會(CI:E)給出的CIE-1931 2° ;(義)、—y—W)、 S(A)配色函數是按波長 的整數給出，且最小精度為lnm。這給發光二極體主波長的高精度計算 帶來了困難。即使相對光譜能量屍U)分布函數是按整數波長取樣，通 過色度坐標査表計算得到的主波長精度也只能精確到]nm。因此，主波 長的計算要達到更高的精度，需要對CIE-1931 2° ;(A)、 —y(義)、《"配 色^數進行插值，才能算出每--個像素位置所代表的波長對應的色度 坐標。
發明內容
鑑丁」上述的由CIE-1931 2° A:U)、 —y(義)、^U)配色函數直接査表計 算發光二極體主波長精度低的不足，本發明的目的在於提供一種提高 發光二極體主波長計算精度的方法。
為實現i:.述目的，本發明- -種提高發光二極體主波長計算精度的 方法，通過光譜儀的感光器件獲得被測發光二極體的--"系列離散的相 對光譜能量分布曲線數據屍U,)，根據C工E-19312° x(義)、；W)、 R義) 配色函數，計算出色度坐標，依據CIE 1931色度圖上連接參照光源色 度點與被測發光二極體發光顏色色度點的直線的斜率dk，查表讀出該 直線與光譜軌跡的交點，確定主波長Xd的初始值，在此基礎上，採用
7多點斜率和斜率倒數相結合的拉格朗日插值算法，計算出主波長Xd的
精確值。
上述採用多點斜率和斜率倒數相結合的拉格朗日插值算法包括下
列歩驟
主波長Xd的初始值在第--設定主波長範圍內，第二設定主波長範 圍外時，採用多點斜率拉格朗日插值算法；
主波長Xd的初始值在第二設定主波長範圍內時，採用多點斜率倒 數拉格朗日插值算法，保證了插值的精度，避免了發散性；
其中，第二設定主波長範圍是以CIE 1931色度圖上的直線+ 90° 時，其斜率(lk趨向於士^對應的主波長Xd為中心的一定範圍，第一設 定主波長範圍大於第二設定主波長範圍且包含第二設定主波長範圍。
在一種優選實施方式中，以等能白光作為參照光源，第一設定主 波長範圍38nm 700r皿，第二設定主波長範圍520nffl 580nni，多點斜 率為五點斜率，採用連續的六個數據斜率及波長值，用其中的一個數 據作為插值數據，其他五個為已知點，推算出該斜率對應的主波長人d。
採用斜率和斜率倒數結合的拉格朗日(Lagrange)插值算法，既提 高了主波長的計算精度，同時也避免了數據發散的可能性。
本發明通過測量發光二極體的相對光譜能量分布曲線，由此得到 其色度坐標，採用斜率和斜率倒數相結合的多點拉格朗日插值，計算 出被測發光二極體輻射光的主波長，精度可優於O. lnm。本發明在計算 複雜度增加很少的基礎上，大大提高了計算精度，具有很高的實用價 值。
圖1是GaN基藍光發光二極體的相對光譜能量分布曲線,U)。圖1中Xp是對應最大光學輻射能量的波長，稱為峰值波長，圖l中入d是 直接反映人眼對發光二極體輻射光顏色視覺感受的波長，相當於人眼 觀測到輻射光顏色的色調，稱為主波長。
圖2是1931 CIE—XYZ標準色度觀察者光譜三刺激值(亦稱配色 函數)。1931CIE—XYZ的光譜三剌激值不能通過直接匹配實驗來獲得， 是由1931CIE-RGB系統的有關數據經坐標轉換和定標而確定的。
圖3是根據CIE 1931色度圖的主波長計算示意圖，獲得被測發光 二極體的色度坐標後，採用等能白光點^作為參照光源來計算其發光 顏色的主波長。計算時根據色度圖上連接參照光源色度點ff￡ (xe，ye) 與樣品顏色色度點& (x，y)的連線的斜率，查表讀出直線與光譜軌跡 的交點，確定主波長入d。
圖4是發光二極體的相對光譜能量分布曲線PU)測量、色度坐標 和主波長計算原理圖。
圖5是根據CTE-1931 2。 4A)、 y(義)、^義)配色函數，以等能白光 點取作為參照光源得到的斜率變化曲線，斜率在直線士90。時》士①。
具體實施例方式
如上面所述，任何一個顏色都可以看作用某一個光譜色按一定比 例與一個參照光源(如等能白光^等)相混合而匹配出來的顏色，這 個光譜色就是顏色的主波長，顏色的主波長相當於人眼觀測到的顏色 的色調。若已獲得被測發光二極體的色度坐標，就可以採用等能白光 ,"乍為參照光源來計算其發光顏色的主波長。計算時根據色度圖上連
接參照光源色度點^ (xe，ye)與樣品顏色色度點& (x,y)的直線斜率， 查表讀出直線與光譜軌跡的交點，確定主波長。
9下面結合附圖4對本發明的具體實施進行詳細描述。圖4中，l是 被測發光二極體；由2光譜儀對1發光二極體輻射的相對光譜能量分 布函數屍u)函數取樣得到一系列離散的光譜數據P(乂0，根據CIE-1931 2° ;(義)、y(A)、 R義)配色函數；3計算出色度坐標x、 y。以等能白光
(xe = 0.3333， ye二0.3333)作為參照光源；4採用分段計算確定被 測發光二極體色度點的色度坐標與等能白光點『￡連線的斜率dk和主 波長人d的範圍；5快速査詢算法計算出CIE 1931色度圖上參照光源色 度點與被測發光二極體色度點連線的斜率dk，查表讀出該連線的延長 線與光譜軌跡的交點，確定精度為lnm的主波長Id計算值(參見圖3)。 在此基礎上；6作為實施本發明的特例，採用五點斜率和斜率倒數相結 合進行拉格朗日插值，計算出被測發光二極體輻射光準確的主波長；7 驗證算法採用連續的6個數據斜率及波長值，用其中的一個數據作為 插值數據，其他五個為己知點，推算出該斜率所對應的波長Xd及插值 誤差。
涉及本發明的五點斜率和斜率倒數相結合的拉格朗日插值算法敘 述如下
己知五點的坐標值(xl，yl), (x2，y2)， (x3，y3), (x4，y4)， (x5,y5),而且
xl-x5均不相同，則函數
y= .e (y， -xt-—xr) ")
為過以上五點的拉格朗日插值函數，忽略餘項。
將上面的公式用於(斜率dk，波長Xd)中，五點依次設為(dkl,Xd-2), (dk2，入d-l)， (dk3,入dO)， (dk4, Xd+1), (dk5,入d+2)，待求函數點為(dk， Xd)。另外，根據cie-1931 2° ;w)、 ^a)、 ^a)配色函數，以等能白
光,￡點作為參照光源得到的斜率表k[380nm-780nm]可以看出，見圖5， 斜率在直線土90。時^士Qo，因此當主波長在[520，580]範圍時，採用五點斜 率倒數拉格朗日插值，保證了插值的精度，避免了發散性(見驗證方法)。
插值算法如下
//斜率倒數插值
if (kmin>:520) and (kmin<=580》 then xl 二l .0/k[kmin-2] = kmin-2
.範圍[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為招
y2= kmin-1 y3= l〈min+0 y產kmin+1 y5= kmin+2
值點對應l
else
〃斜率插值(主波長範圍[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)
計算出來的y值就是所要得到的精確的主波長計算值Xd，其精度可優於O.lmn。
可見
(1) 主波長在380nm--520nm， 580nm-700nm範圍時，採用五點斜率拉
(2) 由於斜率在直線±90°時^±~，主波長在520nra-580nm範圍時， 採用五點斜率倒數拉格朗日插值，保證了插值的精度，避免了發散性。
驗證方法介紹如下
採用連續的6個數據斜率及波長值，用其中的一個數據作為插值 數據，其他五個為已知點，推算出該斜率對應的波長。測試的結果為 在[380mn， 520nm] [580nm， 700nm]可見光範圍內，五點斜率拉格朗日 插值誤差小於0.002%。在[520nm， 580nm]可見光範圍內，採用五點斜 率倒數拉格朗R插值誤差也小於0.002%。因此，實際測試中採用此方 法可行，可大大提高計算精度。在700nm以上時斜率相等，無法採用 此驗證方法。
權利要求
1、一種提高發光二極體主波長計算精度的方法，通過光譜儀的感光器件(CCD)獲得被測發光二極體的一系列離散的相對光譜能量分布曲線數據P(λi)，根據CIE-19312°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函數，計算出色度坐標，依據CIE 1931色度圖上連接參照光源色度點(WE)與被測發光二極體發光顏色色度點(SI)的直線(WESI)的斜率dk，查表讀出該直線與光譜軌跡的交點，確定主波長λd的初始值，其特徵在於再採用多點斜率和斜率倒數相結合的拉格朗日(Lagrange)插值算法，計算出主波長λd的精確值；所述採用多點斜率和斜率倒數相結合的拉格朗日(Lagrange)插值算法包括下列步驟主波長λd的初始值在第一設定主波長範圍內，第二設定主波長範圍外時，採用多點斜率拉格朗日插值算法；主波長λd的初始值在第二設定主波長範圍內時，採用多點斜率倒數拉格朗日插值算法，保證了插值的精度，避免了發散性；其中，第二設定主波長範圍是以CIE 1931色度圖上的直線(WESI)+90°時，其斜率dk趨向於±∞對應的主波長λd為中心的一定範圍，第一設定主波長範圍大於第二設定主波長範圍且包含第二設定主波長範圍。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第一設定主波長範 圍為380rim 700nm。
3、 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述第二設定主波長範 圍為520加] 580nm。
4、 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於所述第一設定主波長範 圍為380nm 700nm。
5、 根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於所述多點斜 率為五點斜率，採用連續的六個數據斜率及波長值，用其中的一個 數據作為插值數據，其他五個為己知點，推算出該斜率對應的主波 長人d。
6、 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於所述參照光源為等能白光。
7、 根據權利要求1至4任一項所述的方法，其特徵在於所述參照光 源為等能白光。
全文摘要
本發明公開一種用於發光二極體(LED)色度學參數測量中提高主波長計算精度的方法。本發明通過光譜儀的感光器件(CCD)獲得被測發光二極體的相對光譜能量分布曲線數據P(λi)，根據CIE-1931 2°x(λ)、y(λ)、z(λ)配色函數，計算出色度坐標。以等能白光WE(xe＝0.3333，ye＝0.3333)作為參照光源，在用分段和快速查詢算法計算出CIE 1931色度圖上等能白光WE色度點與所測發光二極體發光顏色色度點連線的斜率dk和計算出精度為1nm的主波長λd的基礎上，採用多點斜率和斜率倒數相結合進行拉格朗日插值，計算出被測發光二極體輻射光的主波長，精度可優於0.1nm。本發明在計算複雜度增加很少的基礎上，大大提高了計算精度，具有很高的實用價值。
文檔編號G01J9/00GK101520345SQ20091003791
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月16日 優先權日2009年3月16日
發明者李耀棠, 肖國龍, 龔正平 申請人:中科院廣州電子技術有限公司