DD230633A3

DD230633A3 - METHOD FOR MEASURING THE SPECTRAL POWER DISTRIBUTION OF RADIATION SOURCES

Info

Publication number: DD230633A3
Application number: DD25222283A
Authority: DD
Inventors: Aldo Bojarski; Ehrhard Kube; Gert Leidenberger
Original assignee: Aldo Bojarski; Ehrhard Kube; Gert Leidenberger
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1983-06-22
Publication date: 1985-12-04

Abstract

Mit der Erfindung wird die gesamte spektrale Leistungsverteilung zeitsparend bei kleinen geometrischen Abmessungen und vertretbarem mechanischem Aufwand ermittelt. Die "Peak"-Wellenlaenge und die Halbwertsbreite wird anhand der Leistungsverteilung bestimmt. Damit wird es moeglich, Licht emittierende Bauelemente entsprechend ihrer spektralen Leistungsverteilung, der "Peak"-Wellenlaenge und der Halbwertsbreite schnell zu charakterisieren und auszuwaehlen. Dies geschieht dadurch, dass das Licht in einen Vorschaltlichtleiter eingekoppelt und ueber eine Optik und ein Dispersionselement von einer Anzahl linear ausgerichteter, ladungsgekoppelter, von einer Taktschaltung gesteuerter Elemente in der Bildebene der Optik erfasst wird und die oertliche Ladungsverteilung in eine zeitliche Impulsfolge umgewandelt und von einem Prozessor softwaremaessig derart verarbeitet wird, dass die spektrale Leistungsverteilung, die "Peak"-Wellenlaenge und die Halbwertsbreite zur Anzeige gebracht werden, vgl. Fig. 1.With the invention, the entire spectral power distribution is determined time-saving with small geometric dimensions and reasonable mechanical effort. The "peak" wavelength and the half width are determined by power distribution. This makes it possible to rapidly characterize and select light emitting devices according to their spectral power distribution, peak wavelength and half width. This happens because the light is coupled into a Vorschaltlichtleiter and is detected by an optics and a dispersion element of a number of linearly aligned, charge coupled, controlled by a clock circuit elements in the image plane of the optics and the local charge distribution is converted into a temporal pulse train and from a Processor software is processed such that the spectral power distribution, the "peak" wavelength and the half-width are displayed, see. Fig. 1.

Description

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß von einer zu messenden Strahlungsquelle emittiertes und in einen Vorschaltlichtleiter eingekoppeltes Licht über eine Optik, deren numerische Apertur größer ist als die des Vorschaltlichtleiters und ein Dispersionselement einer bestimmten Anzahl linear ausgerichteter, in der Bildebene der Optik angeordneter, ladungsgekoppelter diskreter Elemente zugeführt wird, die von einer Taktschaltung derart gesteuert werden, daß sich in Abhängigkeit des von der Strahlungsquelle ausgesandten Strahlungsflusses die Taktfrequenz direkt proportional ändert und eine entsprechend der Taktfrequenz sich ständig wiederholende Impulsfolge erzeugt wird, deren einzelne Impulsamplituden den Ladungsspannungen der ladungsgekoppelten Elemente proportional sind und daß die Impulsfolge mittels eines die Taktschaltung steuernden Prozessors in einen Analogwert umgewandelt, der Quotient aus der Verteilung der Impulsamplituden und der spektralen Empfindlichkeit der ladungsgekoppelten Elemente gebildet, die „Peak"-Wellenlänge und die Halbwertsbreite der Strahlungsquelle berechnet und zur Anzeige gebracht werden.According to the invention, this object is achieved in that emitted from a radiation source to be measured and coupled into a Vorschaltlichtleiter light via an optic whose numerical aperture is greater than that of Vorschaltlichtleiters and a dispersion element of a certain number linearly aligned, arranged in the image plane of the optics, charge coupled discrete elements is supplied, which are controlled by a clock circuit such that depending on the radiant radiation emitted by the radiation source, the clock frequency changes directly proportional and corresponding to the clock frequency repetitive pulse train is generated whose individual pulse amplitudes are proportional to the charge voltages of the charge coupled elements and that the pulse train is converted into an analog value by means of a processor controlling the clock circuit, the quotient of the distribution of the pulse amplitudes and the spectral sensibility formed charge-coupled elements, the "peak" wavelength and the half-width of the radiation source calculated and displayed.

Als Vorschaltlichtleiter kann sowohl ein Stepindex-Lichtleiter als auch ein Monomodelichtleiter eingesetzt werden. Die gegenüber einer Fotodiode wesentlich geringere Empfangsfläche eines ladungsgekoppelten Elementes in Verbindung mit dem Vorschaltlichtleiter garantieren eine hohe Auflösung bei kleinen geometrischen Abmessungen der Anordnung.As Vorschaltlichtleiter both a step index light guide and a single mode optical fiber can be used. The substantially lower compared to a photodiode receiving surface of a charge-coupled element in conjunction with the Vorschaltlichtleiter guarantee high resolution with small geometric dimensions of the arrangement.

embodiment

Anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.Reference to a reproduced in the drawing embodiment, the invention is explained in detail.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,1 shows an arrangement for carrying out the method,

Fig.2 eine durch die ladungsgekoppelten Elemente gelieferte Verteilung der Impulsamplituden la, das heißt, die zeitliche Impulsfolge,FIG. 2 shows a distribution of the pulse amplitudes 1 a provided by the charge-coupled elements, that is, the temporal pulse sequence, FIG.

Fig.3 eine bekannte spektrale Empfindlichkeitsverteilung si der ladungsgekoppelten Elemente, Fig.4 eine spektrale Leistungsverteilung s2 einer Strahlungsquelle undFIG. 3 shows a known spectral sensitivity distribution si of the charge-coupled elements, FIG. 4 shows a spectral power distribution s2 of a radiation source and FIG

Fig. 5 eine Kurve der Wellenlängenabhängigkeit des von einem Reflexionsgitter hervorgerufenen Reflexionswinkels ß. Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Sendemodul mit einer Licht emittierenden Strahlungsquelle 1, zum Beispiel einer Lumineszenzdiode und einem Stück eines Multimoden-Lichtleiters 2, einer Koppelmuffe 3, einem Monomodelichtleiter 4 als Vorschaltlichtleiter, einer Optik 5, einem Reflexionsgitter 6, einer Anordnung einer Anzahl linear ausgerichteter ladungsgekoppelter Elemente 7, einer Taktschaltung.8, einem Prozessor 9 und einem Indikator 10.Fig. 5 is a curve of the wavelength dependence of the caused by a reflection grating reflection angle ß. The arrangement shown in Fig. 1 for carrying out the method according to the invention consists essentially of a transmission module with a light emitting radiation source 1, for example a light emitting diode and a piece of multimode optical fiber 2, a coupling sleeve 3, a single mode optical fiber 4 as Vorschaltlichtleiter, an optics 5, a reflection grating 6, an arrangement of a number of linearly aligned charge-coupled elements 7, a clock circuit 8, a processor 9 and an indicator 10.

Mit dieser Anordnung wird verfahrensgemäß der Erfindung die spektrale Leistungsverteilung von Licht emittierenden Bauelementen erfaßt und die „Peak"-Wellenlänge sowie die spektrale Bandbreite Δλ₅, das heißt die Halbwertsbreite ermittelt, vgl. Fig. 5.With this arrangement, according to the invention, the spectral power distribution of light-emitting components is detected and the "peak" wavelength and the spectral bandwidth Δλ ₅ , that is, the half-width is determined, see FIG. 5.

Vor Beginn der Messung wird die Anordnung geeicht. Das aus dem Sendemodul 1; 2 austretende Licht wird mittels der Koppelmuffe 3 in den Monomodelichtleiter 4, der zum Beispiel einen Kerndurchmesser von 10/xm besitzt, eingekoppelt. Das aus dem Monomodelichtleiter 4 unter dem Aperturwinkel austretende Licht gelangt über die Optik 5 unter einem Einfallswinkel a = 40° auf ein Reflexionsgitter 6, das eine spektrale Zerlegung des Lichtes vornimmt. Für jeden Spektralanteil, der in dem einfallenden Strahlenbündel enthalten ist, entsteht nach Reflexion am Refiexionsgitter 6 wieder ein Strahlenbündel mit einem Reflexionswinkel ß, wobei die Neigung dieser Bündel zueinander ein Maß für die Wellenlänge ist. Jedes Bündel wird anschließend bei der Anordnung ladungsgekoppelter Elemente 7, die in der Bildebene der Optik 5 liegt, jeweils zu einem Bild zusammengeführt, wobei verschiedene Spektralanteile zu verschiedenen Bildorten gehören, das heißt, infolge der verschiedenen Reflexionswinkel β der Strahlenanteile wird der Lichtleiterkerndurchmesser entsprechend der Dispersionsfunktion D (λ) an verschiedenen Orten abgebildet. Für die Dispersionsfunktion gilt:Before starting the measurement, the arrangement is calibrated. That from the transmission module 1; 2 emerging light is coupled by means of the coupling sleeve 3 in the single mode optical fiber 4, which has, for example, a core diameter of 10 / xm. The light emerging from the monomode light guide 4 at the aperture angle passes through the optics 5 at an angle of incidence a = 40 ° onto a reflection grating 6, which performs a spectral decomposition of the light. For each spectral component contained in the incident beam, after reflection at the reflection grating 6, a beam with a reflection angle β is again formed, the inclination of these beams being a measure of the wavelength. Each bundle is then combined in the arrangement of charge-coupled elements 7, which is in the image plane of the optics 5, each to form a picture, with different spectral components belonging to different image locations, that is, due to the different reflection angle β of the beam components, the optical fiber core diameter corresponding to the dispersion function D (λ) shown in different places. For the dispersion function:

D (Λ ) - Q /TJ(A ) - /3D (Λ) - Q / TJ (A) - / 3

worin bedeuten: Q der Abstand zwischen der Bildebene der Optik 5 und dem Zentrum der beleuchteten Fläche des Reflexionsgitters 6, β den wellenlängenabhängigen Reflexionswinkel, λ₀ die „Peak"-Wellenlänge und λ die variable Wellenlänge.where Q is the distance between the image plane of the optic 5 and the center of the illuminated surface of the reflection grating 6, β the wavelength-dependent reflection angle, λ ₀ the "peak" wavelength and λ the variable wavelength.

Bei einem Einfallswinkel von α = 40° ergibt sich unter Beachtung der Abhängigkeit des Reflexionswinkels /3 von der Wellenlänge λ und Q = 15,138mm die lineare Dispersion zu:At an angle of incidence of α = 40 °, the linear dispersion results, taking into account the dependence of the reflection angle / 3 on the wavelength λ and Q = 15.138 mm:

*. = Q {^Λ*) = ίο*. = Q { ^Λ *) = ίο

_ ΔΛ. Λ-Λ_β λ-Λο ... ._ ΔΛ. Λ-Λ _β λ-Λο ....

Somit bewirkt die spektrale Bandbreite Δλ₅ eines Licht emittierenden Bauelementes bei einer Wellenlänge von 50 nm (realer Wert für Lumineszenzdioden) eine Aufweitung des Lichtleiterkerndurchmessers in der Bildebene senkrecht zur Gitternormalen des Reflexionsgitters 6 bei einer 1:1 Abbildung auf ungefähr 500 μηη. Damit kann die örtliche Verteilung der spektralen Leistung bei einer Größe der ladungsgekoppelten Elemente von 10x 10μιη² von 50 diskreten Elementen übernommen und entsprechend einer durch die Taktschaltung 8 erzeugten Taktfrequenz in eine sich ständig wiederholende zeitliche Impulsfolge gemäß Fig. 2 umgewandelt werden. Ladungsgekoppelte Elemente, im englischen Sprachgebrauch als charge coupled devices (CCD) bezeichnet, sind ladungsgekoppelte Fotoelemente. Sie gehören zur Gruppe der Ladungsverschiebeschaltungen. Als Fotoelemente werden MOS-Kondensatoren oder MOS-Fotodioden verwendet, die linear als Zeile auf einem Substrat angeordnet sind. Die Anzahl η der diskreten Elemente pro Linearzeile kann η = 256; 512; 1024 oder 1728 betragen. Die auf jedes diskrete Element auftreffenden Photonen setzen im Element eine Menge Ladungsträger frei, die der Menge der auftreffenden Photonen proportional ist. Diese Ladungsträger werden während einer als Integrationsphase bezeichneten Zeitdauer, zum Beispiel in den MOS-Kondensatoren, gesammelt (integriert). Die Integrationsphase wird auch als Integrationszeit bezeichnet und hängt indirekt proportional mit der Taktfrequenz zusammen, das heißt, die Integrationszeit läßt sich mit Hilfe der Taktschaltung 8 variieren.Thus, the spectral bandwidth Δλ _{5 of} a light emitting device at a wavelength of 50 nm (real value for light emitting diodes) causes a widening of the optical fiber core diameter in the image plane perpendicular to the lattice normal of the reflection grating 6 at a 1: 1 mapping to about 500 μηη. Thus, the spatial distribution of the spectral power at a size of the charge-coupled elements of 10x 10μιη ^{2 can be taken} from 50 discrete elements and converted according to a clock frequency generated by the clock circuit 8 in a repetitive temporal pulse train of FIG. Charge-coupled devices, commonly referred to as charge coupled devices (CCDs), are charge-coupled photovoltaic cells. They belong to the group of charge transfer circuits. The photoelements used are MOS capacitors or MOS photodiodes, which are arranged linearly as a row on a substrate. The number η of the discrete elements per linear line can be η = 256; 512; 1024 or 1728 amount. The photons striking each discrete element release an amount of charge carriers in the element that is proportional to the amount of incident photons. These charge carriers are collected (integrated) during a period of time known as the integration phase, for example in the MOS capacitors. The integration phase is also referred to as the integration time and is indirectly proportional to the clock frequency, that is, the integration time can be varied using the clock circuit 8.

Die zeitliche Impulsfolge gemäß Fig. 2 wird anschließend dem Prozessor 9 zugeführt, der entsprechend einem Programm aus der zeitlichen Impulsfolge, der bekannten spektralen Empfindlichkeit der ladungsgekoppelten Elemente den geometrischen Abmessungen des Monomodelichtleiters 4 und der ladungsgekoppelten Elemente 7, der Abhängigkeit des Reflexionswinkels β von der Wellenlänge λ bei vorgegebenem Einfallswinkel α und dem bekannten Abstand Q zwischen Bildebene und dem Zentrum der beleuchteten Fläche des Reflexionsgitters 6, die spektrale Leistungsverteilung des Licht emittierenden Bauelementes 1 berechnet, wobei der Quotient zwischen der Amplitudenverteilung der 50 ladungsgekoppelten Elemente und den Amplituden der spektralen Empfindlichkeiten der ladungsgekoppelten Elemente berechnet und der Maximalwert der ermittelten spektralen Leistungsverteilung, die „Peak"-Wellenlänge λ₀ und die Differenz Δλ₅ derjenigen Wellenlängen zur Anzeige gebracht werden, deren Amplituden die Hälfte des Maximalwertes erreicht haben, vgl. Fig.4.The temporal pulse sequence according to FIG. 2 is then fed to the processor 9, which according to a program from the temporal pulse train, the known spectral sensitivity of the charge-coupled elements the geometric dimensions of the single mode optical fiber 4 and the charge coupled elements 7, the dependence of the reflection angle β on the wavelength λ at a given angle of incidence α and the known distance Q between the image plane and the center of the illuminated surface of the reflection grating 6, the spectral power distribution of the light-emitting device 1 calculated, the quotient between the amplitude distribution of the charge-coupled elements 50 and the amplitudes of the spectral sensitivities of the charge-coupled Calculate elements and the maximum value of the determined spectral power distribution, the "peak" wavelength λ ₀ and the difference Δλ _{5 of} those wavelengths are displayed, the amplitudes of the Half of the maximum value, cf. Figure 4.

Claims

Invention claim:

Method for measuring the spectral power distribution of light-emitting radiation sources, for example of light-emitting diodes or laser diodes, characterized in that the light emitted by a radiation source (1) and coupled into a ballast light conductor (4) via an optical system (5) whose numerical aperture is larger is supplied as that of the single-mode optical waveguide (4), and a dispersion element (6) of a certain number of linearly aligned, in the image plane of the optics (5) arranged charge coupled discrete elements (7), which are controlled by a clock circuit (8) so in that, as a function of the radiation flux emitted by the radiation source (1), the clock frequency changes in direct proportion and a repetitive pulse sequence is generated whose individual pulse amplitudes are proportional to the charge voltages of the charge-coupled elements (7) and in that the pulse sequence a d The clock circuit (8) controlling processor (9) converted into an analog value, the quotient of the distribution of the pulse amplitudes and the spectral sensitivity of the charge coupled elements (7) formed, the "peak" wavelength (X ₀ ) and the half width (Δλ ₅ ) and displayed.

For this

2 pages drawings

field of use

The invention relates to a method for measuring the spectral power distribution of light-emitting radiation sources, for example of light-emitting diodes or laser diodes, whose spectral power distribution is of particular interest in their use in optical communications technology.

Characteristic of known technical solutions

The measurement of the spectral power distribution of radiation sources by means of monochromators or spectrometers is generally known. Construction elements of both variants are an entrance slit, a special optic, a dispersion element and, in the case of monochromators, additionally an exit slit, cf. F. Kohlrausch, "Practical Physics", Volume 1, BGTeuber Publishing Company, Leipzig 1955, H. Haferkorn, "Optics", VEB German publishing house of the sciences, Berlin 1980. With monochromators the light emanating from the radiation source passes over the entrance slit , the optics and the dispersion element on the exit slit diaphragm. The dispersion element used is, for example, a prism or a diffraction grating. For the measurement, a relative movement between the dispersion element and the exit slit diaphragm is made so that the entire light emerging from the dispersion element passes through the exit slit diaphragm. The parameter of the relative movement required for this, for example the angle of rotation of the dispersion element transversely to the direction of light incidence, is a measure of the wavelength. If the spectral power distribution is to be determined, then a photodiode is arranged behind the exit slit diaphragm and the light passing through the exit slit diaphragm is detected for discrete rotational angles, that is, the spectral power distribution is recorded point by point as a curve. In spectrographs, the light emanating from the radiation source reaches the entrance slit diaphragm, which lies in the focal plane of the optics. The optics converts the light passing through the entrance slit diaphragm into parallel rays. These rays reach the dispersion element and are decomposed here. For each spectral component which is contained in the incident beam, a parallel beam of rays arises again behind the dispersion element, the inclination of this beam relative to one another being a measure of the wavelength. By a second optics, each parallel beam is brought together in the point of its focal plane, the different spectral components arise at different points. The resulting spectrum in the focal plane is then successively recorded point by point via a photodiode.

Both methods are associated with a large technical equipment and in particular with a high expenditure of time. For a production monitoring or production control of light-emitting Bauejementen they are therefore uneconomical. The associated devices are also not suitable for mobile use due to their mass. Methods in which only the "peak" wavelength, ie the wavelength at maximum radiation emission, is determined on the basis of interference patterns are described in DE-OS 2946560,2823060, G 01 J / 3.00 the required equipment expense relatively large.

Further, an arrangement for determining the "peak" wavelength of laser or light emitting diodes is known in which a single crystal quartz rotator is used as a dispersion element, wherein the quartz rotator is located between two Glan-Thomson prisms, one of which as a polarizer and the The crystal rotates the polarization plane of the light emanating from the polarizer as a function of the wavelength, and if a photodiode is placed behind the analyzer for evaluation, the analyzer must be set until the current delivered by the photodiode reaches a maximum The adjustment angle is then a measure of the wavelength, see Electronic Letters 16 (1980) 24, pp 912 to 913. With this arrangement, the determination of the spectral power distribution is not possible.

Object of the invention

The aim of the invention is to automate the determination of the spectral power distribution of light-emitting components.

Essence of the invention

The invention is based on the object, a time-saving and low effort requiring method for measuring the spectral power distribution of the "peak" wavelength and the half-width, which is the difference of the two wavelengths at which the spectral power component to half of the spectral power component of the "peak "Wavelength is to create, which determines the entire spectral power distribution with a single measurement and at the same time the" peak "wavelength and the spectral bandwidth are set so that can characterize light emitting devices.