CN1959355A

CN1959355A - 半导体光源发光色度、强度及白平衡的检测方法

Info

Publication number: CN1959355A
Application number: CN 200510117287
Authority: CN
Inventors: 韩德俊
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2007-05-09

Abstract

本发明提供一种利用掩埋双pn结半导体光波长探测器检测半导体光源发光色度、强度及白平衡的方法。该掩埋双pn结半导体光波长探测器不仅仅用来测量波长，而且同时用来测量发光强度(或光功率)。对于半导体激光器、超辐射发光二极管、边发射二极管、窄谱线宽度面发射发光二极管等光谱宽度远小于国际照明委员会确定的光谱三刺激值函数半宽的半导体光源，其发光波长和强度可以用半导体光波长探测器测量得到，由此进一步依据国际照明委员会确定的表色体系，得到所述半导体光源的色度三刺激值及色品坐标。本发明还能够检测红绿蓝三基色半导体光源混合白光的白平衡(或偏色)。本发明所用器件简单、灵巧和成本低，测量精度较高。

Description

半导体光源发光色度、强度及白平衡的检测方法

一、所属技术领域

本发明涉及一种利用掩埋双pn结半导体光波长探测器检测半导体光源(例如半导体激光器、超辐射发光二极管、边发射二极管、窄谱线宽度面发射发光二极管等)发光色度、强度及白平衡的方法。属于光电探测、色度测量、半导体技术等领域。

二、背景技术

半导体发光二极管等半导体光源由于具有省电、寿命长、色度纯、无频闪、环保等优点，在发光、显示和照明等领域得到广泛应用，有可能替代白炽灯、荧光灯成为未来通用照明的首选(参阅Jeff Y.Tsao，“SOLID-STATE LIGHTING：LAMPS，CHIPS ANDMATERIALS FOR TOMORROW”，IEEE Circuits & Devices Vol 20 No 3 pp 28-37，2004)。描述发光二极管有两个重要的光学参数。一个是表征颜色特性的中心波长，另一个是发光强度。其测量方法一般采用CCD单色仪和普通光探测器；或是利用分别带有红、绿、蓝三色滤光片的普通光探测器。前一种方法对于光谱的测量比较准确，对于发光强度的测量一般还须要另外一个光探测器，所使用的检测装置体积较大和比较笨拙，许多应用受到限制。例如，数字高清电视的白光背投可以用红绿蓝三元色发光二极管混合白光来实现。由于用来制作各基色发光二极管的半导体材料、工艺不同，各基色发光二极管的光衰速度不同，长期使用就需要对白平衡(或偏色)进行自动监测。上述第一种方法显然较难采用。对于上述后一种方法，采用半导体工艺技术可以将传感器做小(参阅Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司的可编程彩色光/频率转换器TCS230说明)，但发光二极管的光谱宽度较窄，滤光片须与国际照明委员会(CIE)规定的标准色匹配函数成正比，以得到待测色的三刺激值，两者很难完全匹配，因而造成测量的原理误差，这种方法测量的精度一般较低(参阅陈炳若等，“颜色探测的研究与进展”，半导体光电，第21卷，第4期，第238页，2000年)。

一种利用两个背靠背的半导体pn结的色敏传感器可以用来测量单色光(例如激光器发出的光或来自光栅单色仪出射狭缝的光)或光谱宽度较窄的准单色光(例如半导体发光二极管)的中心波长(参阅G.N.Lu，M.B，et al.，“Colour detection using aburied double p-n junction structure implemented in the CMOS process”，ElectronicsLetters，Vol.32，No.6，p.594，1996。或者参阅B.R.Chen，et al.，“The identification ofcolor difference of polychromatic light by silicon color sensor with double PN junction”，Sensors and Actuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。该色敏传感器的两个pn结光电流之比与光强无关，而与波长在一定范围内成单调对应关系。经过定标，利用这种色敏传感器的两个pn结光电流之比可以用来测量单色光或准单色光的中心波长。

一般认为，这种色敏传感器不能同时测量颜色的三刺激值，可以测量单色光的波长，或区分两个不同光谱组成的复色光，即色差辨别(参阅B.R.Chen，et al.，“Theidentification of color difference of polychromatic light by silicon color sensor withdouble PN junction”，Sensors and Actuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。并且，一般应用只是把这种器件当成色敏传感器。即只用它测量光波长，不用它同时测量光功率(参阅G.N.Lu，M.B，et al.，“Colour detection using a buried double p-n junctionstructure implemented in the CMOS process”，Electronics Letters，Vol.32，No.6，p.594，1996。或者参阅B.R.Chen，et al.，“The identification of color difference ofpolychromatic light by silicon color sensor with double PN junction”，Sensors andActuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。

本发明提供一种利用上述掩埋双pn结色敏传感器检测半导体光源发光色度、强度及白平衡的方法。该掩埋双pn结色敏传感器不仅仅用来测量波长，而且同时用来测量发光强度(或光功率)。因此在本发明申请中将这种器件称为半导体光波长探测器。由于国际照明委员会(CIE)确定的光谱三刺激值函数的半宽在50nm以上，而一般的半导体发光二极管的半宽(FWHM)不超过20nm。因此，光谱线宽更窄的半导体激光器、超辐射发光二极管、边发射发光二极管、窄谱线宽度面发射发光二极管等半导体光源的光谱半宽可以远小于国际照明委员会确定的光谱三刺激值函数的半宽。对于所述较窄谱线宽度的半导体光源，其发光中心波长和强度可以用半导体光波长探测器同时测量得到，由此进一步依据国际照明委员会确定的表色体系，得到所述半导体光源的色度三刺激值及色品坐标。

三、发明内容

(1)发明目的

提供一种检测半导体光源(例如半导体激光器、超辐射发光二极管、边发射发光二极管、窄谱线宽度面发射发光二极管等，其光谱线宽远小于国际照明委员会光谱三刺激值函数的半宽，下同)发光色度、强度及白平衡的方法。它利用掩埋的双pn结半导体光波长探测器，能检测所述半导体光源发光中心波长(或色品坐标)及发光强度。适合用于发光二极管芯片及器件的快速检测、实际指导用红绿蓝三基色发光二极管混合出白光光源以及红绿蓝三基色发光二极管混合白光白平衡(或偏色)的监测等方面。所用器件比上述CCD单色仪外加普通光探测器的简单、灵巧和成本低，测量精度比带三基色滤光片的光探测器高。

(2)技术方案

一种测量半导体光源色度及强度的方法，其特征是：采用掩埋双p-n结半导体光波长探测器(如图1所示)。

采用所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器测量半导体光源发光色度及强度的方法是：

光从探测器的入射窗口进入探测器内。工作时所述探测器由浅至深的两个p-n结光电二极管可以加反向偏压，也可以不加偏压；工作时所述探测器由浅至深的两个p-n结光电二极管同时探测光信号，分别得到光电流I1和I2，I2与I1之比与入射光功率无关，与入射单色光波长或准单色光中心波长呈单调对应关系。通过测量标定后的半导体光波长探测器的I2与I1之比，便可以得到半导体光源的中心波长。

本发明所述半导体光源为半导体激光器、超辐射发光二极管、边发射二极管、窄谱线宽度面发射发光二极管等，其光谱半宽(FWHM)远小于国际照明委员会(CIE)确定的光谱三刺激值函数的半宽。因此，所述半导体光源的发光中心波长和强度可以用半导体光波长探测器测量得到。由此进一步依据国际照明委员会确定的表色体系，所述半导体光源的色度三刺激值X，Y，Z将分别等于：

X＝S(λ_C) X(λ_C)，Y＝S(λ_C) Y(λ_C)，Z＝S(λ_C) Z(λ_C)

其中λ_C是用光波长探测器测量得到的中心波长，S(λ_C)为用光波长探测器测量得到的光强， X(λ_C)， Y(λ_C)， Z(λ_C)分别为对应波长λ_C的光谱三刺激值。

色品坐标x，y，z分别等于：

x = \frac{X}{X + Y + Z},

y = \frac{Y}{X + Y + Z},

z = \frac{Z}{X + Y + Z}

所述半导体光源的光强可以通过测量标定后的所述半导体光波长探测器的I1、I2或其线性叠加aI1+bI2(a，b为权重系数)得到。

采用所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测红绿蓝三基色发光二极管混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法是：根据上述测量所述半导体光源色度及强度的方法，分别测量出所述红色、绿色及蓝色半导体光源的色度三刺激值及强度：

X_R＝S(λ_R) X(λ_R)，Y_R＝S(λ_R) Y(λR)，Z_R＝S(λ_R) Z(λ_R)

X_G＝S(λ_G) X(λ_G)，Y_G＝S(λ_G) Y(λ_G)，Z_G＝S(λ_G) Z(λ_G)

X_B＝S(λ_B) X(λ_B)，Y_B＝S(λ_B) Y(λ_B)，Z_B＝S(λ_B) Z(λ_B)

再根据线性混色原理，得到混合白光色度的三刺激值：

X_W＝X_R+X_G+X_B，Y_W＝Y_R+Y_G+Y_B，Z_W＝Z_R+Z_G+Z_B，

混合白光的色品坐标等于：

x_{W} = \frac{X_{W}}{X_{W} + Y_{W} + Z_{W}},

y_{W} = \frac{Y_{W}}{X_{W} + Y_{W} + Z_{W}},

z_{W} = \frac{Z_{W}}{X_{W} + Y_{W} + Z_{W}}

与白平衡时的色品坐标比较，便可以检测出偏色；

采用所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测红绿蓝三基色发光二极管混合白光的白平衡(偏色)的方法，其特征是：根据上述测量所述半导体光源发光中心波长及强度的方法，分别测量红-绿发光二极管及蓝-绿发光二极管同时工作时的有效波长及强度，与白平衡时红-绿发光二极管及蓝-绿发光二极管同时工作时的有效波长进行比较，由此得出混合白光的色差。

所述半导体光源光谱的半宽可以是0.01-50nm。与国际照明委员会(CIE)确定的光谱三刺激值函数的半宽比较，所述半导体光源光谱的半宽越小，测量色度的误差越小。为了减小波长测量的误差，所述波长探测器前可以加一个滤色片。

所述半导体光波长探测器可以具有p-n-p结构(参阅附图1)，也可以具有n-p-n结构，或由这二种基本结构构成的其它变种结构。其中一个pn结的结深可以是0.01-0.5微米，另一个结的结深可以是0.5-2微米；制作所述光波长探测器的半导体材料可以是硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟等半导体材料或与它们相关的异质结半导体材料。

(3)有益效果

这种半导体光源发光色度、强度及白平衡的测量方法适合应用于低成本、快速检测半导体光源(例如半导体发光二极管、半导体激光器、红绿蓝三基色半导体发光二极管混合白光)的色度及强度。尤其适合用于生产过程中低成本、快速检测发光二极管芯片，指导红绿蓝三基色发光二极管混合白光、半导体白光光源偏色的监测等方面。所述方法简单，探测器体积小、结构灵巧简单，成本低，测量精度较高。

四、附图说明

图1掩埋双pn结半导体光波长探测器结构示意图。1-钝化膜，2-p型区(重掺杂受主区)，3-n型区(一般掺杂施主区)，4-p型区(轻掺杂受主区)，5-p型区(重掺杂受主区)，6-正面电极，7-正面电极，8-背面电极。

五、具体实施方式

本发明在实施时，所述半导体光源发射的光从所述掩埋双pn结半导体光波长探测器的入射窗口进入探测器。工作时所述探测器由浅至深的两个p-n结光电二极管可以加反向偏压，也可以不加偏压；工作时所述探测器由浅至深的两个p-n结光电二极管同时探测光信号，分别得到光电流I1和I2。I2与I1之比与入射光功率无关，与所述半导体光源入射光中心波长呈单调对应关系。通过测量事先标定过的所述探测器的I2与I1之比，便可以得到所述单色光的中心波长。

所述半导体光源的光强可以通过测量事先标定过的所述半导体光波长探测器的I1、I2或其线性叠加aI1+bI2(a，b为权重系数)得到。

所述半导体光源的色度三刺激值X，Y，Z分别等于：

X＝S(λ_C) X(λ_C)，Y＝S(λ_C) Y(λ_C)，Z＝S(λ_C) Z(λ_C)

其中λ_C是用光波长探测器测量得到的所述半导体光源的中心波长，S(λ_C)为用光波长探测器测量得到的光强， X(λ_C)， Y(λ_C)， Z(λ_C)分别为对应波长λ_C的光谱三刺激值。

色品坐标x，y，z分别等于：

x = \frac{X}{X + Y + Z},

y = \frac{Y}{X + Y + Z},

z = \frac{Z}{X + Y + Z}

采用所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测所述红绿蓝三基色半导体光源混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法是：根据所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器测量所述半导体光源色度的方法，分别测量出所述红色、绿色及蓝色半导体光源的色度三刺激值及强度，再根据线性混色原理，得到混合白光的色度三刺激值，继而得到其色品坐标，与白平衡时的色品坐标比较，可以检测出偏色；

采用所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测所述红绿蓝三基色半导体光源混合白光的白平衡(偏色)的方法是：根据所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器测量所述半导体光源的中心波长及强度的方法，分别测量红-绿半导体光源及蓝-绿半导体光源同时工作时的有效波长及强度，与白平衡时红-绿及蓝-绿半导体光源同时工作时的有效波长及强度比较，由此得出混合白光的色差。

所述半导体光源光谱的半宽可以是0.01-50nm。与国际照明委员会(CIE)确定的光谱三刺激值函数的半宽(50nm以上)比较，所述半导体光源光谱的半宽越小，根据本发明测量其发光色度的误差越小。为了减小波长测量的误差，所述波长探测器前可以加一个滤色片。

所述掩埋双pn结半导体光波长探测器由两个背靠背的半导体p-n结光电二极管组成，所述两个p-n结沿与被探测光信号入射方向对准排列(参阅附图1)。工作时两个p-n结光电二极管同时探测和读取光信号。所述半导体光波长探测器可以具有p-n-p结构(参阅附图1)，或者具有n-p-n结构，或由这二种基本结构构成的其他变种结构；其中一个pn结的结深可以是0.05-0.5微米，另一个结的结深可以是0.5-2微米；制作所述光波长探测器的半导体材料可以是硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟或与之相关的异质结半导体材料。

需要说明的是，上述实施例仅为说明本发明而非限制本发明的专利范围，任何基于本发明的等同变换技术，均应在本发明的专利保护范围内。

Claims

1、一种检测半导体光源的色度、强度及白平衡的新方法，其特征是：采用掩埋双p-n结半导体光波长探测器。

2、根据权力要求1所述半导体光源，其特征是：光谱的半宽可以是0.01-50nm。

3、根据权力要求1所述掩埋双pn结半导体光波长探测器，其特征是：由两个背靠背的半导体p-n结光电二极管组成；其中一个pn结的结深可以是0.05-0.5微米，另一个结的结深可以是0.5-2微米；所述两个p-n结沿与被测光信号入射方向对准排列；工作时所述两个p-n结光电二极管可以加反向偏压，也可以不加偏压；工作时所述两个p-n结光电二极管同时探测和读取光信号；制作所述光波长探测器的半导体材料可以是硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、磷化铟或与之相关的异质结半导体材料；所述光波长探测器前可以加一个滤色片。

4、一种使用权利要求3所述掩埋双pn结半导体光波长探测器测量如权力要求2所述半导体光源中心波长的方法，其特征是：通过测量事先标定过的所述半导体光波长探测器的两个pn结光电流之比，根据标定数据得到被测半导体光源的中心波长。

5、一种使用权利要求3所述掩埋双pn结半导体光波长探测器测量如权力要求2所述半导体光源的光强，其特征是：通过测量事先标定过的所述半导体光波长探测器的两个pn结光电流之一或两个光电流的线性叠加，根据相应的标定数据得到所述半导体光源的光强。

6、一种使用权力要求3所述掩埋双pn结半导体光波长探测器测量如权力要求2所述半导体光源的色度，其特征是：所述半导体光源色度三刺激值X，Y，Z分别等于：

X＝S(λ_C)X(λ_C)，Y＝S(λ_C)Y(λ_C)，Z＝S(λ_C)Z(λ_C)

其中λ_C是用所述光波长探测器测量得到的中心波长，S(λ_C)为根据权利要求5测量得到的光强， X(λ_C)， Y(λ_C)， Z(λ_C)分别为对应波长λ_C的光谱三刺激值。

7、一种使用权力要求3所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测如权力要求2所述红绿蓝三基色半导体光源混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法，其特征是：根据权利要求6和权利要求5所述测量色度三刺激值及强度的方法，分别测量出所述红色、绿色及蓝色半导体光源的色度三刺激值及强度，再根据线性混色原理，得到其混合白光的色度三刺激值及色品坐标，与严格白平衡时的色度坐标比较，可以检测出偏色。

8、一种使用权力要求3所述掩埋双p-n结半导体光波长探测器检测如权力要求2所述红绿蓝三基色发光二极管混合白光的白平衡(或偏色)的方法，其特征是：根据权利要求4和权利要求5所述测量如权力要求2所述半导体光源中心波长及强度的方法，分别测量红-绿及蓝-绿所述半导体光源同时工作时的有效波长及强度，与严格白平衡时所述红-绿及蓝-绿半导体光源同时工作时的相应有效波长及强度比较，由此得到混合白光的色差。