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DE69222354T2 - Methode und Apparat zur Steuerung des Emissionsspektrums einer Elektrolumineszensdiode - Google Patents

Methode und Apparat zur Steuerung des Emissionsspektrums einer Elektrolumineszensdiode

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DE69222354T2
DE69222354T2 DE69222354T DE69222354T DE69222354T2 DE 69222354 T2 DE69222354 T2 DE 69222354T2 DE 69222354 T DE69222354 T DE 69222354T DE 69222354 T DE69222354 T DE 69222354T DE 69222354 T2 DE69222354 T2 DE 69222354T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung des Emissionsspektrums einer lichtemittierenden Diode und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit Hilfe derer das Emissionsspektrum einer lichtemittierenden Diode (LED) mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden kann, damit diese letztere als ein Emissionselement einer Standard-Lichtquelle, wie eine LED-Lichtquelle für einen Sensor, in einer optischen übertragungsvorrichtung und ähnlichem verwendet werden kann.
  • Es ist bekannt, daß sich das Emissionsspektrum einer LED mit der Umgebungstemperatur oder mit dem Erregerstrom ändert. Um dem Rechnung zu tragen, wird zur Herstellung einer LED-Standard- Lichtquelle, die Licht mit einer bestimmten Spektralwellenlänge emittiert, die LED beispielsweise in eine thermostatische Kammer eingesetzt, und die Temperatur der LED wird auf einen bestimmten Wert gesteuert, während das Emissionsspektrum überwacht wird.
  • Beispiele von Vorrichtungen zur Steuerung der Temperatur einer LED oder von anderen lichtemittierenden Halbleitereinrichtungen sind beispielsweise in GB-A-2 224 374 und WO-A-87 01 875 beschrieben. Derartige Vorrichtungen benötigen relativ komplizierte Einrichtungen zur Temperaturmessung und/oder -steuerung und haben daher Nachteile, und zwar entweder wegen der fehlenden Genauigkeit der Steuerung oder wegen der unnötig komplizierten Steuerungseinrichtungen.
  • Ferner wurde eine Anordnung - siehe US-A-5 018 154 - zur Stabilisierung der optischen Ausgabe eines Halbleiterlasers vorgeschlagen, bei der die Temperatur eines Halbleiterlasers direkt gemessen und die gemessene Temperatur verwendet wird, um von einem Kompensationsschaltkreis einen Korrekturkoeffizienten herzuleiten, damit die Betriebsparameter der Halbleitervorrichtung gesteuert werden können, um optische Ausgabefehler zu kompensieren, die durch Temperaturveränderungen hervorgerufen werden. Jedoch sieht eine solche Anordnung keine Steuerung der Emissionswellenlänge des Lasers vor und erfordert zusätzliche Meßelemente einschließlich Einrichtungen zum Messen der optischen Ausgabe des Lasers
  • Um das Emissionsspektrum quantitativ und genau zu steuern, indem das Emissionsspektrum selbst überwacht wird, ist ein Spektrometer erforderlich, das sperrig und teuer ist. Das System als Ganzes wird daher sehr teuer, ist unbequem zu transportieren und schwer zu handhaben.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, das obengenannte Problem zu lösen und eine Vorrichtung zur Steuerung des Emissionsspektrums zu schaffen, die einfach ist, eine kleine Größe hat und einfach zu handhaben ist. Außerdem sollen die Herstellungskosten des Systems vermindert werden, indem eine Massenproduktion unter Verwendung integrierter Schaltkreise ermöglicht wird.
  • Die Erfindung schafft folglich ein Verfahren zur Steuerung der Emissionswellenlänge einer lichtemittierenden Diode (LED), gekennzeichnet durch die Schritte: Messen der Umgebungstemperatur der LED, Messen der der LED zugeführten Erregungsleistung, Berechnen der Emissionswellenlänge aus den gemessenen Werten von Temperatur und zugeführter Leistung und aus bekannten Kennwerten der LED, Bestimmen der Differenz zwischen der berechneten Emissionswellenlänge und einer gewünschten Emissionswellenlänge und Steuern der der LED zugeführten Leistung, um diese Differenz zu reduzieren.
  • Die Erfindung schafft außerdem eine Vorrichtung zur Steuerung des Emmissionsspektrums einer lichtemittierenden Diode mit einer Einrichtung zum Speisen einer lichtemittierenden Diode (LED), gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Messen der durch die Einrichtung zum Speisen der LED zugeführten Leistung, eine Einrichtung zum Messen der Temperatur der LED, eine Einrichtung zur Steuerung der der LED zugeführten Leistung und eine Einrichtung zum Berechnen der Emissionswellenlänge der LED aus den gemessenen Werten und zum Ansteuern der Steuerungseinrichtung, um die der LED zugeführte Leistung entsprechend einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Emissionswellenlänge und einem gewünschten Wert zu verändern.
  • Weitere bevorzugte Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen deutlich.
  • Die Erfindung wird mittels eines Beispiels in den nachfolgenden zeichnungen dargestellt, in denen:
  • Figur 1 ein Blockschaltkreisdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist,
  • Figur 2 eine Seitenansicht einer beispielhaften LED zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist,
  • Figur 3 ein Flußdiagramm ist, in dem die Schritte zur Berechnung der Emissionswellenlänge einer LED dargestellt sind, und
  • Figur 4 ein Flußdiagramm ist, in dem die Schritte zur Steuerung der Emissionswellenlänge einer LED dargestellt sind.
  • Zunächst wird das Prinzip zur Steuerung eines LED-Emissionsspektrums gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
  • Die Energie der Emissionswellenlänge wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
  • (Emissionswellenlängenenergie) (optischer Bandabstand bei einer Standardtemperatur) - α x (zugeführter Leistung) - β x (Abweichung von einer Standardtemperatur) --------- (1).
  • Die Standardtemperatur in Gleichung (1) kann eine zuvor bestimmte willkürliche Temperatur sein, und die Koeffizienten α und β sind experimentell bestimmte Werte, die auf Kennwerten der LED basieren, wie deren Material, deren Form, etc. Der optische Bandabstand eines Materials vermindert sich mit der Temperatur, die durch die Erregungsenergie oder durch einen Anstieg der Umgebungstemperatur erzeugt wird. Da die Wellenlängenenergie (Kehrwert der Emissionswellenlänge) vom optischen Bandabstand abhängig ist, kann die Wellenlänge aus Gleichung (1) bestimmt werden, wenn die Werte der Koeffizienten α und β experimentell bestimmt worden sind. Das Emissionswellenlängenspektrum kann folglich gesteuert werden, indem die entsprechende Erregungsenergie der LED gesteuert wird.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist eine LED mit einem zugehörigen Temperatursensor, nicht gezeigt, durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die LED 1 ist über einen Schaltkreis 2 zur Messung und Steuerung des von der LED 1 aufgenommenen Stroms und über einen Schaltkreis 3 zur Messung und Steuerung der an der LED 1 anliegenden Spannung mit einer Energiequelle verbunden, die schematisch bei 7 dargestellt ist. Ein Eingang eines Temperatur meßschaltkreises 4 ist mit einem Ausgang des Sensors gekoppelt, und ein Ausgang des Temperaturmeßschaltkreises 4 ist mit einem Eingang einer Berechnungseinheit 5 gekoppelt. Weitere Eingänge der Berechnungseinheit 5 sind mit Meßausgängen der Schaltkreise 2 und 3 gekoppelt, und ein Ausgang der Berechnungseinheit 5 ist mit einem Eingang eines Schaltkreises 6 zur Steuerung der Emissionswellenlänge der LED gekoppelt, wobei der letztere Schaltkreis Ausgänge hat, die mit Steuereingänge der Schaltkreise 2 und 3 gekoppelt sind.
  • In diesem Fall ist die Temperatur, die von dem erwähnten Sensor zu messen ist, nicht auf die Temperatur der LED selbst beschränkt, und die Temperatur der Umgebung, in der sich die LED befindet, kann gemessen werden. Der Sensor kann entweder ein Berührungssensor oder ein berührungsloser Sensor sein, und der gewünschte Bereich, in dem ein Sensor vorgesehen werden kann, befindet sich bei einem Berührungssensor innerhalb eines Radius von 300 mm von einer abstrahlenden LED und innerhalb von 15 mm bei einem berührungslosen Sensor. Falls gewünscht, kann mehr als eine LED oder mehr als ein Sensor vorgesehen sein; unter der Voraussetzung, daß sich bei den Kombinationen der Positionen von Sensoren und der Positionen von LEDs der kürzeste Abstand innerhalb des Bereichs von 300 mm oder 15 mm befindet, kann in diesem Fall die Anordnung als zufriedenstellend betrachtet werden. Ein Thermopaar oder ein Platinwiderstand können als ein Berührungssensor verwendet werden, und ein Infrarotstrahlendetektor oder eine Thermosäule können als ein berührungsloser Sensor verwendet werden.
  • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer LED-Lampe, die mit einem Sensor zur Temperaturmessung versehen ist. Eine LED 11 ist an einer TO17-Gehäuseheizung angebracht, ein C-A-Thermopaar 12 ist mit einem Epoxidharz-Kleber 13 befestigt, wie Araldite (eingetragene Marke), die LED und ein Anschlußstift 16 sind mit einem Au-Draht 14 verbunden, und die obengenannte Anordnung ist in einem transparenten Beschichtungsharz 15 eingeschlossen.
  • Wenn die oben beschriebene Anordnung in den Schaltkreis aus Fig. 1 eingesetzt wird, funktioniert das System wie folgt: Ein durch das Thermopaar 12 erfaßtes Temperatursignal wird mit Hilfe des Temperaturmeßschaltkreises 4, der einen Spannungsmesser und einen A/D-Wandler enthält, in ein digitales Signal umgewandelt, und die Temperaturinf ormation wird der Berechnungseinheit 5 zugeführt. Andererseits werden die Spannungs- und Stromwerte, die der LED 11 zugeführt werden, von dem Meß- und Steuerschaltkreis 2 und dem Meß- und Steuerschaltkreis 3 der Berechnungseinheit 5 zugeführt. In der Berechnungseinheit 5 wird unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (1) eine Berechnung durchgeführt, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, um die aktuelle Emissionswellenlänge der LED 11 zu bestimmen. Aus dem berechneten Ergebnis wird die Differenz zwischen der berechneten Wellenlänge und einer gewünschten Wellenlänge in der Emissionswellenlängensteuerungseinrichtung 6 bestimmt, und die Emissionswellenlänge wird gemäß der Gleichung (1), wie ebenfalls später beschrieben wird, mit Hilfe des Strommeß- und Steuerungsschaltkreises 2 und/oder mit Hilfe des Spannungsmeß- und Steuerungsschaltkreises 3 gesteuert. Die Leistungssteuerung für die LED kann durchgeführt werden, indem der Strom oder die Spannung separat oder beide gleichzeitig gesteuert werden. Dadurch kann von der LED ein gewünschtes Emissionswellenlängenspektrum erhalten werden.
  • Die obengenannte Emissionswellenlängenberechnung wird nun erläutert. Wie in Fig. 3 gezeigt, werden die folgenden Datenwerte aus gespeicherten Datenkennwerten der LED hergeleitet: der Koeffizient α ist 0,1946; der Koeffizient β ist 4,707 x und der optische Abstand, Eg, bei einer Standardtemperatur ist 1,828580 eV (Schritte 31 bis 33). Dann werden gemessene Werte von 0,03 A, 1,86 V und 60ºC für den Strom, i, die Spannung, v, bzw. die Temperatur, T, eingesetzt (Schritte 34 bis 36). Der Wert m1 = α x i x v und der Wert m2 = Eg - 60 x β werden bestimmt (Schritt 37), und die aktuelle Emissionswellenlänge HC1 ergibt sich aus der Formel 1240/(m2-m1) (Schritt 38). Der Wert (m2-m1) entspricht der rechten Seite der Gleichung (1), und der Kehrwert davon ist die Emissionswellenlänge. Die Zahl 1240 in Schritt 38 ist eine Konstante.
  • In dem Emissionswellenlängen-Steuerungsverfahren, wie in Fig. 4 gezeigt, wird zuerst eine gewünschte Wellenlänge HC2 eingegeben, und dann wird die aktuelle Emissionswellenlänge HC1, die aus der vorstehenden Berechnung hergeleitet wird, eingegeben (Schritt 41 und 42). Danach werden die Werte HC1 und HC2 verglichen, und wenn HC1 größer ist, wird die der LED 11 zugeführte Leistung vermindert, und wenn HC1 kleiner ist, wird die Leistung erhöht. Die vorstehenden Verfahrensschritte werden fortlaufend wiederholt, und daher kann die Emissionswellenlänge bei dem gewünschten Wert HC2 gehalten werden.
  • Eine einfache Erläuterung der Koeffizienten α und β erfolgt in den nachfolgenden Beispielen.
  • 1. Bei 273 K,
  • wenn i = 10 mA, v = 1,720 V und die Mittenfrequenz, HC, = 679,2 nm erfaßt werden, und wenn i = 20 mA, v = 1,825 V und die Mittenfrequenz, HC, = 680,6 nm erfaßt werden, und diese Daten in Gleichung (1) eingesetzt werden, wird der Wert α = 0,1945336- erhalten.
  • 2. Bei 293 K,
  • wenn i = 10 mA, v = 1,690 V und die Mittenfrequenz, HC, = 679,2 nm erfaßt werden, und wenn i = 20 mA, v = 1,800 V und die Mittenfrequenz, HC, = 682,7 nm erfaßt werden, und diese Daten in Gleichung (1) eingesetzt werden, wird der Wert α = 0,1945654- erhalten. Daher ist es offensichtlich, daß α eine Konstante ist, die unabhängig von der Temperatur ist und den Wert von etwa 0,2 hat. Wenn die Gleichung (1) nach β aufgelöst wird, und zwar unter den Bedingungen 1 und 2, die vorstehend beschrieben sind, erhält man für β = 4,707 x 10&supmin;&sup4;.
  • Wenn in Gleichung (1) die Standardtemperatur, Td, = 273 K, Eg 1,828580, die Temperatur, Ti, = 333 K (60ºC) und der durch die LED fließende Strom i = 30 InA ist, erhält man unter Verwendung der Werte α = 0,2 und β = 4,707 x 10&supmin;&sup4; für die Spannung, v, = 1,86 V; wenn HC durch ein Verfahren unter Verwendung dieser Daten erhalten wird, wird eine Emissionswellenlänge, HC, bei 692,888 nm erhalten. Andererseits wird ein gemessener Wert, der experimentell bestimmt ist, bei 692,900 nm erhalten. Daher ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fehler (Differenz zwischen der Emissionswellenlängenenergie, die durch die Berechnung erhalten wird, und dem Meßwert) kleiner als 0,03 meV.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, ist es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung möglich, eine Emissionswellenlänge sehr genau zu bestimmen, indem einfach der Strom, die Spannung und die Temperatur der LED gesteuert werden, und zwar mit einer einfachen Vorrichtung und ohne aktuelle Messung des Emissionsspektrums, bei der teure Einrichtungen, wie zum Beispiel ein Spektrometer erforderlich sind. Daher ist es möglich, eine Vorrichtung zur Steuerung des Emissionsspektrums zu schaffen, die preiswert ist und für eine LED-Standard-Lichtquelle, LED-Lichtquellen für Sensoren, optische Übertragungseinrichtungen und ähnliches verwendet werden kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung der Emissionswellenlänge einer lichtemittierenden Diode (LED) (1), gekennzeichnet durch die Schritte: Messen der Umgebungstemperatur (4) der LED, Messen der der LED zugeführten Erregungsleistung, Berechnen der Emissionswellenlänge aus den gemessenen Werten von Temperatur und zugeführter Leistung und aus bekannten Kennwerten der LED, Bestimmen der Differenz zwischen der berechneten Emissionswellenlänge und einer gewünschten Emissionswellenlänge und Steuern (6) der der LED (1) zugeführten Leistung, um diese Differenz zu reduzieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der LED mittels eines Sensors in thermischem Kontakt mit der LED und bezüglich dieser innerhalb eines Radius von 300 mm gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der LED mittels eines Sensors gemessen wird, der auf Strahlungswärme anspricht und außer Kontakt mit der LED innerhalb eines Radius von 15 mm bezüglich dieser angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die der LED zugeführte Leistung gemessen wird, indem getrennt die an dieser anliegende Spannung und der von dieser aufgenommene Strom gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Emissionswellenlänge aus der Formel berechnet wird:
(Emissionswellenlängenenergie) = (optischer Bandabstand bei einer Standardtemperatur) - α x (zugeführte Leistung) - β x (Abweichung von einer Standardtemperatur),
wobei α und β Koeffizienten sind, die experimentell für die betreffende LED bestimmt werden.
6. Vorrichtung zur Steuerung des Emmissionsspektrums einer lichtemittierenden Diode, mit einer Einrichtung (2, 3) zum Speisen einer lichtemittierenden Diode (LED) (1, 11), gekennzeichnet durch eine Einrichtung (2, 3) zum Messen der durch die Einrichtung (2, 3) zum Speisen der LED zugeführten Leistung, eine Einrichtung (12, 4) zum Messen der Temperatur der LED, eine Einrichtung (6) zur Steuerung der der LED zugeführten Leistung und eine Einrichtung (5) zum Berechnen der Emissionswellenlänge der LED aus den gemessenen Werten und zum Ansteuern der Steuerungseinrichtung (6), um die der LED zugeführte Leistung entsprechend einer Differenz zwischen dem berechneten Wert der Emissionswellenlänge und einem gewünschten Wert zu verändern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der Temperatur der LED (11) ein Thermoelement (13), das mit der LED (11) thermischen Kontakt hat, und einen Meßschaltkreis (4) enthält, der auf die Ausgabe des Thermoelementes anspricht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (5) zum Berechnen der Emissionswellenlänge einen Datenprozessor enthält, der programmiert ist, um die Emissionswellenlänge aus Werten zu bestimmen, die von der Meßeinrichtung (2, 3, 4) und aus gespeicherten Datenwerten stammen, die die LED betreffen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen der zugeführten Leistung getrennte Einrichtungen (2, 3) enthält, um jeweils den Strom und die Spannung zu messen, die der LED zugeführt werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Steuerung der der LED zugeführten Leistung dazu ausgestaltet ist, um den Strom und/oder die Spannung zu steuern, die der LED zugeführt werden.
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