发光器件微区光度和色度学参数的测量方法及其测量装置

摘要

发光器件微区光度和色度学参数的测量方法及其测量装置，涉及发光器件光度和色度学参数测量领域。发光器件微区光度和色度学参数的测量装置包括辐亮度光源校准系统和显微高光谱成像测试系统，辐亮度光源校准系统包括光谱仪、光谱辐亮度探头、积分球和卤钨灯光源；所述显微高光谱成像测试系统包括高光谱成像仪、显微镜、控温电源和驱动电源；首先获取均匀发光平面的光谱辐亮度分布校准文件，然后校准显微高光谱成像测试系统，最后测试并计算待测样品的光度和色度参数；本发明可解决发光器件或微显示阵列的二维表面光度、色度学及均匀性测量分析问题，快速全面检测器件发光质量。

说明书

技术领域

本发明涉及发光器件光度和色度学参数测量领域，尤其涉及一种基于高光谱成像的发光器件微区光度和色度学参数的测量方法及其测量装置。

背景技术

在信息技术的各个领域中，发光器件遍布在人们的生活中，不断地改变着人们的生活方式，提高了人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。尤其以半导体发光器件(LED、OLED)为代表的半导体照明与显示是21世纪最具发展前景的高技术领域之一，不仅是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，而且在智能手机、平板电脑、可穿戴设备、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)等方面，可满足新型显示技术高分辨率、高亮度、低功耗、高可靠性、柔性可穿戴等方面的要求。评价显示屏性能的重要指标就是亮度和均匀性，显示屏若没有进行很好的均匀性校正，将直接影响到显示效果，通常表现为“麻点”和“马赛克”现象。

目前的亮度和均匀性检测设备大多数停留在宏观平均层面上，无法用于精确测量微显示阵列(亮度测量装置，中国专利CN 104185777 B)。虽然已有专利通过CCD相机与显微镜结合得到LED芯片表面亮度分布(一种基于CCD的LED芯片显微表面亮度的测量方法，中国专利CN 105973571 B)，但是其局限性比较大，主要是需用与待测LED芯片同一光谱分布的标准光源来校准系统，对不同的LED芯片得重新校准系统，校准文件缺乏通用性；并且只能单独得到像素的亮度值，无法测色度学(如色坐标，色温)等参数。

因此找出一种方法既可以精确地测量发光器件的表面光度及分布(辐亮度、亮度和均匀性等)，又可以同时得到色度学(色坐标、相关色温和色纯度等)一系列参数，对准确描述微区发光性能和快速检测器件发光质量是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供发光器件微区光度和色度学参数的测量方法及其测量装置，以解决发光器件或微显示阵列的二维表面光度、色度学及均匀性测量分析问题，快速全面检测器件发光质量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

发光器件微区光度和色度学参数的测量装置，包括辐亮度光源校准系统，所述辐亮度光源校准系统包括计算机、光谱仪、光谱辐亮度探头、积分球和卤钨灯光源；所述卤钨灯光源通过光纤连接积分球；所述光谱辐亮度探头位于积分球的正面，且光谱辐亮度探头与光谱仪通过光纤连接；所述计算机与光谱仪连接。

本发明还包括显微高光谱成像测试系统，所述显微高光谱成像测试系统包括计算机、高光谱成像仪、显微镜、控温热沉、控温电源和驱动电源；驱动电源连接待测的样品；控温电源与控温热沉连接，样品置于控温热沉上；显微镜设于样品上方；高光谱成像仪设于显微镜的上方并与显微镜连接；计算机连接高光谱成像仪。

发光器件微区光度和色度学参数的测量方法包括以下步骤：

步骤1、获取均匀发光平面的光谱辐亮度分布校准文件；首先打开卤钨灯光源，卤钨灯光源提供可见光波段连续波长的光谱数据，然后通过光纤将卤钨灯光源的光引入一个拥有采样平面的积分球里，待发光稳定后，光源在积分球的出光口形成稳定的均匀发光平面，最后光谱辐亮度探头采集均匀发光平面并通过光纤将光导入光谱仪，进而得到均匀发光平面的光谱辐亮度分布R_S(λ)；

步骤2、校准显微高光谱成像测试系统；首先将积分球的出光口朝上放置在显微镜的载物台上，调整焦距使得镜头聚焦在出光口平面上，采集暗电流下的视野内每一点光谱D₀(λ)，然后点亮卤钨灯光源至发光稳定，调整合适的曝光时间t₀，并采集出光口平面上的每个像素点的光谱P₀(λ)，最后利用步骤1获取的光谱辐亮度分布R_S(λ)，得到每一像素点光谱辐亮度校正曲线C(λ)；

整个视野所有像素点的光谱辐亮度校正曲线为一个三维矩阵M(x,y,C(λ))，其中x、y为高光谱成像测试系统成像维像素点的横纵坐标；对显微镜的不同放大倍数，需分别测试光谱辐亮度校正曲线三维矩阵M(x,y,C(λ))；

步骤3、测试并计算待测样品的光度和色度参数；首先调节显微高光谱成像测试系统，采集所拍摄区域内的每一像素点数据，然后调用对应实验条件下的步骤2获得的光谱辐亮度校正数据M(x,y,C(λ))进行光谱校正，单个像素点辐亮度光谱的计算公式如下：

其中，P(λ)为待测样品的光子数光谱，D(λ)为暗电流光子数光谱，t为曝光时间，L(λ)为亮度校正后的辐亮度光谱；

步骤4、对步骤3中校正后的光谱进行绝对亮度、平均亮度、色坐标和相关色温参数的计算。

相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明提供了一种获取发光器件微区表面二维辐亮度光谱分布的高光谱图谱合一的校准和测试方法。

2、通过本发明的测量装置和测量方法可获取发光器件微区表面二维各像素点的光度、色度学一系列参数，对发光器件微区进行像素级别的特性分析。

3、通过本发明测量方法可得到发光器件微区表面二维详细分布特性，有助于快速全面检测器件发光质量。

附图说明

图1为辐亮度光源校准系统的结构示意图；

图2为显微高光谱成像测试系统的结构示意图；

图3为实施例1的某一像素点的辐亮度光谱图；

图4为实施例1的样品表面照片以及要分析的区域；

图5为实施例1的绝对亮度值的伪彩图以及要分析的区域；

图6为图5中分析区域的绝对亮度值变化趋势的分析图；

图7为实施例2的样品表面照片以及要分析的区域；

图8为图7中分析区域的绝对亮度值变化趋势的分析图。

附图标记：计算机1，光谱仪2，光谱辐亮度探头3，积分球4，卤钨灯光源5，高光谱成像仪6，显微镜7，样品8，控温热沉9，驱动电源10，控温电源11。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1～2所示，本发明包括辐亮度光源校准系统和显微高光谱成像测试系统。

所述辐亮度光源校准系统包括计算机1、光谱仪2、光谱辐亮度探头3、积分球4和卤钨灯光源5；所述卤钨灯光源5通过光纤连接积分球4；所述光谱辐亮度探头3位于积分球4的正面，且光谱辐亮度探头3与光谱仪2通过光纤连接；所述计算机1与光谱仪2连接。

所述显微高光谱成像测试系统包括计算机1、高光谱成像仪6、显微镜7、控温热沉9、控温电源11和驱动电源10；驱动电源10连接样品8，驱动电源10用于驱动样品8；控温电源11与控温热沉9连接，控温电源11用于控制样品8的温度；显微镜7设于样品8上方，显微镜7用于透过样品8发出的光；高光谱成像仪6设于显微镜7的上方并与显微镜7连接，高光谱成像仪6用于收集显微镜7透过的光并得到高光谱数据；计算机1连接高光谱成像仪6，计算机1用于将接收的高光谱数据进行处理。

所述计算机1包括控制单元和数据处理单元，所述控制单元是指对高光谱成像仪6和光谱仪2的控制，并通过采集软件对待测样品8进行采集，所述数据处理单元是对所得到的光谱数据和高光谱数据进行处理，进而得到光度、色度学参数平均值、均匀性、伪彩图和变化趋势图等。

发光器件微区光度和色度学参数的测量方法包括以下步骤：

步骤1、获取均匀发光平面的光谱辐亮度分布校准文件；首先打开卤钨灯光源5，卤钨灯光源5提供可见光波段连续波长的光谱数据，然后通过光纤将卤钨灯光源5的光引入一个内径为25mm拥有圆形出光口的采样平面的积分球4里，对不同放大倍数，采用不同直径的采样平面出光口，分别为：1000×—2mm、500×—4mm、100×—6mm、50×—10mm，待发光稳定后，光源在积分球4的出光口形成稳定的均匀发光平面，最后利用标准的光谱辐亮度探头3采集均匀发光平面并通过光纤将光导入光谱仪2，进而得到均匀发光平面的光谱辐亮度分布R_S(λ)；

步骤2、校准显微高光谱成像测试系统；首先将积分球4的出光口朝上放置在显微镜7的载物台上，调整焦距使得镜头聚焦在出光口平面上，采集暗电流下的视野内每一点光谱D₀(λ)，然后点亮卤钨灯光源5至发光稳定，调整合适的曝光时间t₀，并采集出光口平面上的每个像素点的光谱P₀(λ)，最后利用步骤1获取的光谱辐亮度分布R_S(λ)，得到每一像素点光谱辐亮度校正曲线C(λ),λ取380～780nm；

整个视野所有像素点的光谱辐亮度校正曲线为一个三维矩阵M(x,y,C(λ))，其中x、y为高光谱成像测试系统成像维像素点的横纵坐标(1～n，1～m)；对显微镜7的不同放大倍数，需分别测试光谱辐亮度校正曲线三维矩阵M(x,y,C(λ))；

步骤3、测试并计算待测样品8的光度和色度参数；首先调节显微高光谱成像测试系统，采集所拍摄区域内的每一像素点数据，然后调用对应实验条件下的步骤2获得的光谱辐亮度校正数据M(x,y,C(λ))进行光谱校正，单个像素点辐亮度光谱的计算公式如下：

其中，P(λ)为待测样品8的光子数光谱，D(λ)为暗电流光子数光谱，t为曝光时间，L(λ)为亮度校正后的辐亮度光谱；

步骤4、对步骤3中校正后的光谱进行绝对亮度、平均亮度、色坐标和相关色温参数的计算。

下面结合两个测试案例进行说明样品测试及光度、色度参数计算过程。

实施例1：OLED样品

步骤1、采集待测样品OLED的高光谱数据。首先把待测的OLED样品放在图2所示的显微镜7载物台的控温热沉9上，将样品8与驱动电源10连接，通过控温电源11调节控温热沉9的温度从而保证样品的温度保持不变。选择合适的放大倍数的物镜，打开高光谱成像仪6，调节显微镜7的焦距，使其聚焦在OLED样品表面。先不点亮样品，通过高光谱成像仪6采集暗电流下的光谱信息D(λ)，然后点亮OLED，采集OLED样品在不同驱动条件下的光子数光谱P(λ)。

步骤2、进行数据分析及计算。首先使用相对应放大倍数下的校正矩阵M(x,y,C(λ))，用公式(2)进行光谱校正，得到校正后的各像素点辐亮度光谱L(λ)。进行相关的光色参数分析处理，其中亮度L的计算公式如下：

其中，K_m为最大光谱光视效率，值为683lm/W，V(λ)为人眼相对光谱敏感度曲线。

步骤3、误差分析。使用标准亮度计获取同等工作条件下的OLED样品表面标准的平均亮度，与本发明方法在放大50倍下测试得到相同区域的平均亮度进行对比，如表1所示，最大误差不超过3％，测试亮度准确性较高。

表1

步骤4、对采集到的高光谱数据进行一系列的分析。表2为OLED显示全白图片测试得到的平均亮度、相关色温、色坐标等一系列参数。

表2

亮度(cd/m²)相关色温(K)色坐标(x,y)标准仪器测试值256.612454(0.2472,0.3112)本发明测试值249.812273(0.2461,0.3100)

图3为当OLED样品在显示全白图片时，选取某一像素点得到的辐亮度光谱图。图4为放大500倍时拍摄OLED样品的表面照片，在图4中选取要分析的区域，X轴选取4个点，Y轴选取9个点，表3为图4中所选区域内各像素点的绝对亮度值。

表3(cd/m²)

图5为OLED样品按一定间隔点亮芯片采集到的绝对亮度值的伪彩图。图6为图5中选取某一列像素点的绝对亮度值变化趋势的分析图。

实施例2：micro-LED样品

步骤1、采集测试样品micro-LED的高光谱数据。首先把待测的micro-LED样品放在图2所示的系统的显微镜7载物台的控温热沉9上，将样品8与驱动电源10连接，通过控温电源11调节控温热沉9的温度从而保证样品的温度保持不变。选择合适的放大倍数的物镜，打开高光谱成像仪6，调节显微镜7的焦距，使其聚焦在micro-LED样品表面。不点亮样品，通过高光谱成像仪6采集暗电流下的光谱信息D(λ)。之后点亮micro-LED，采集micro-LED样品在不同驱动条件下的光子数光谱P(λ)。

步骤2、导入所采集到光谱数据，使用相对应放大倍数下的校正矩阵M(x,y,C(λ))，用公式(2)进行光谱校正，得到校正后各像素点的辐亮度光谱L(λ)并进行相关分析处理。图7为micro-LED样品表面图片。图8为图7中所选某一行像素点的绝对亮度值变化趋势的分析图。从图中可以看出micro-LED样品表面亮度比较均匀，虽然四周亮中间暗，但是变化平稳。

实施例1和实施例2表明本发明可以准确而又高效地测量出发光器件微区光度、色度学参数分布及其变化情况。