DE102010012078A1

DE102010012078A1 - Verfahren und Anordnung zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes

Info

Publication number: DE102010012078A1
Application number: DE102010012078A
Authority: DE
Inventors: Univ.-Prof. Dr.-Ing.habil. Linß Gerhard; Dr.-Ing. Brückner Peter; Dipl.-Ing. Göpfert Andre; Dipl.-Ing. Fütterer Richard
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine dazugehörige Anordnung zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes, insbesondere der temperaturabhängigen optischen Parameter des emittierten Lichtes wie die Wellenlänge und Intensität, bereitzustellen. Um eine konstante Beleuchtungsintensität und gleichmäßige spektrale Lichtverteilung gewährleisten zu können, wird erfindungsgemäß die Temperatur der Halbleiterlichtquellen mithilfe einer digitalen Regelung stabilisiert. Durch diese Temperaturstabilisierung können alle temperaturabhängigen Parameter konstant gehalten werden. Die Stabilisierung der Wellenlänge und der Intensität des emittierten Lichtes einer Halbleiterlichtquelle ist für eine ganze Reihe optischer Geräte und Verfahren, insbesondere für die messtechnische Bildverarbeitung, die Farbbildverarbeitung und die Spektroskopie von großer Bedeutung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes, insbesondere der temperaturabhängigen optischen Parameter des emittierten Lichtes wie die Wellenlänge und Intensität.
Halbleiterlichtquellen in Form von lichtemittierenden Dioden (LED) besitzen elektrische und optische Parameter, die stark von der Temperatur der lichtemittierenden Halbleiterschicht abhängig sind. Die Einsatzgebiete von Halbleiterlichtquellen reichen vom ultravioletten Spektralbereich (UV) über den sichtbaren Bereich (VIS) bis in den infraroten Bereich (IR). Dabei kommt der Stabilisierung der Wellenlänge und der Intensität des emittierten Lichtes eine große Bedeutung für eine ganze Reihe optischer Geräte und Verfahren zu. Besonders hervorzuheben sind hier die messtechnische Bildverarbeitung, die Farbbildverarbeitung und die Spektroskopie.
Um lichtemittierende Dioden möglichst effizient zu betreiben, muss die Temperatur dieser Halbleiterlichtquellen möglichst niedrig gehalten werden. Bedingt durch die Umwandlung elektrischer Energie in Licht entsteht in einer LED zusätzlich Verlustleistung in Form von Wärmeenergie. Die Wärmeenergie erwärmt die lichtemittierende Diode, so dass deren Temperatur gegenüber der Umgebungstemperatur steigt. Durch diese Temperaturerhöhung sinkt jedoch deren Wirkungsgrad.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Regelverfahren zur Temperaturbeeinflussung von Halbleiterlichtquellen bekannt, die mithilfe analoger Schaltungstechnik die Temperatur stabilisieren. So z. B. sind aus der DE 197 56 953 A1 und EP 0 395 259 B1 Temperatursteuerungen bekannt, bei denen ein thermoelektrisches Element (Peltierelemement) als Temperaturstellglied verwendet wird. Die Temperaturerfassung erfolgt durch analoge Temperatursensoren (Thermistoren) und die Regelung durch analoge Verstärker, wobei eine analoge Messbrückenschaltung zur Temperaturerfassung verwendet wird. Bei diesen Lösungen ist jedoch nachteilig, dass bei Änderung der Hardwareparameter eine Neukonfiguration des analogen Reglers erforderlich ist.
Weiterhin sind aus z. B. aus der EP 2 075 838 A2 und WO 2004/038290 A1 Verfahren zur Kühlung von Halbleiterlichtquellen mittels thermoelektrischer Elemente ohne geregelte Wärmeabfuhr bekannt. Bei dieser Variante wird ein Peltierelement zur Wirkungsgradsteigerung der lichtemittierenden Diode genutzt, wobei jedoch die Intensität und Wellenlängencharakteristik des emittierten Lichtes nicht geregelt wird.
Schließlich befasst sich die WO 2009/00310 A1 mit der Regelung der Lichtintensität und der Anpassung der Ansteuerungsleistung an die Kühlkörpertemperatur, jedoch nicht mit der Regelung der Halbleiter-Lichtquellen-Temperatur.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Patentschriften unterscheiden sich von dem hier vorgestellten Regler im Wesentlichen im verwendeten Regelungsverfahren, da die bisher verwendeten Regler auf analoger Schaltungstechnik beruhen und somit eine direkte Kopplung an ein industrielles Computersystem oder einen PC nicht möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein verbessertes Verfahren und eine dazugehörige Anordnung zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes, insbesondere der temperaturabhängigen optischen Parameter des emittierten Lichtes wie die Wellenlänge und Intensität, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe verfahrensseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs und anordnungsseitig durch die im siebten Patentanspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen der Anordnung in den Patentansprüchen 8 bis 10 angegeben sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:
1 – ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung
2 – eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen digitalen Regeleinheit
Halbleiterlichtquellen in Form von lichtemittierenden Dioden (LED) besitzen elektrische und optische Parameter, die stark von der Temperatur der lichtemittierenden Halbleiterschicht abhängig sind. Um eine konstante Beleuchtungsintensität und gleichmäßige spektrale Lichtverteilung zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß die Temperatur der Halbleiterlichtquellen mithilfe einer digitalen Regelung stabilisiert. Durch diese Temperaturstabilisierung sind alle temperaturabhängigen Parameter konstant. Durch Einstellen von Solltemperaturen können die temperaturabhängigen Parameter auf einen Sollwert eingeregelt werden. Insbesondere die Wellenlänge und Intensität sind, unabhängig von der Einbaulage der Beleuchtung, durch Anpassung der Temperatur und des Stromes der Halbleiterlichtquelle einstellbar. Um dies von den Hardwareparametern unabhängig zu gewährleisten wird erfindungsgemäß eine digitale Regelung verwendet.
In der 1 ist beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (11) sind auf einer wärmeleitfähigen Platte (13) angeordnet. Sie können aber auch direkt auf dem Peltierelement (14) befestigt sein. Durch die thermische Kopplung der Außenseite der Halbleiterlichtquelle (11) (insbesondere der je nach Bauart vorhandenen Kühlfläche) und der lichtemittierenden Halbleiterschicht innerhalb des Gehäuses der Halbleiterlichtquelle ist durch den vorhandenen Wärmewiderstand ein direkter Zusammenhang zwischen der inneren Emittertemperatur und äußeren Halbleiterlichtquellen-Temperatur (Kühlfläche) gegeben, wobei Hochleistungs-Halbleiterlichtquellen über einen besonders niedrigen Wärmewiderstand verfügen, um die erzeugte Wärme schnell abführen zu können. Bei konstanter Emittertemperatur (Temperatur der lichtemittierenden Halbleiterschicht) und konstanten Vorwärtsstrom sind auch die Lichtstärke und die dominante Wellenlänge zeitlich konstant. Im Fall eines fortlaufenden Blitzbetriebes, Dauerbetrieb oder Betrieb der Halbleiterlichtquellen mit Pulsweitenmodulation ergibt sich eine konstante Temperatur der lichtemittierenden Halbleiterschicht. Diese Temperatur wird sich nach kurzer Betriebszeit einstellen. Durch die konstante Temperatur ändert sich die Wellenlänge und Leistung des emittierten Lichtes der Halbleiterlichtquellen nicht. Für die Stabilisierung der Temperatur unabhängig von der Halbleiterlichtquellen-Leistung und Umgebungstemperatur wird ein thermoelektrisches Element (14) (beispielsweise ein Peltierelement) verwendet. Das Peltierelement (14) kann zur Wärmeabfuhr von den Halbleiterlichtquellen (11) oder zum Wärmeeintrag in die Halbleiterlichtquellen (11) verwendet werden. Die Halbleiterlichtquellen werden somit je nach Umgebungstemperatur und vorgegebener Solltemperatur beheizt oder gekühlt. Die erfindungsgemäße elektronische digitale Regeleinheit (17) stellt eine konstante Temperatur ein, die dem vorgegebenen Temperatursollwert entspricht. Die Temperatur ist lageunabhängig von der Einbauposition der Lichtquelle. Als Stellglied der Temperatur der Halbleiterlichtquellen wird ein Peltierelement verwendet. Die Regelung erfolgt digital mithilfe mindestens eines Temperatursensors (12), der die Temperatur der Halbleiterlichtquellen (Temperatur der lichtemittierenden Halbleiterschicht) aufnimmt. Idealerweise handelt es sich um einen integrierten digitalen Temperatursensor mit Datenbusanbindung. Die mechanische Verbindung des Sensors erfolgt durch eine gut-wärmeleitfähige Zwischenplatte (13) zwischen Peltierelement (14) und Halbleiterlichtquellen (11). Das Peltierelement (14) und die Halbleiterlichtquellen (11) sind gut wärmeleitend über die Zwischenplatte (13) miteinander verbunden.
Es liegt aber auch im Bereich der Erfindung, dass der Temperatursensor (12) direkt an der Halbleiterlichtquelle (11) befestigt ist und die Halbleiterlichtquelle (11) und das Peltierelement (14) gut wärmeleitend direkt miteinander verbunden sind.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Peltierelementes (14) ist ein Kühlkörper (16) befestigt, der in Abhängigkeit von der Leistung der Halbleiterlichtquellen (11) und den Umgebungsbedingungen mit einem Lüfter (18) versehen werden kann. Die Lüfterdrehzahl wiederum ist in Abhängigkeit von der Differenztemperatur zwischen der Peltierelement-Oberseite und -Unterseite regulierbar, d. h. von der Differenz zwischen Halbleiterlichtquellen- und Kühlkörpertemperatur, da der Wärmeübergangswiderstand zwischen Peltierelement (14) und Kühlkörper (16) vernachlässigbar gering ist. Für die Drehzahlregelung ist ein weiterer Temperatursensor (15) am Kühlkörper (16) vorgesehen.
Die Halbleiterlichtquellen (11), der Temperatursensor (12), das thermoelektrische Elment (14) und sofern vorhanden der Temperatursensor (15) und der Lüfter (18) sind mit der digitalen Regeleinheit (17) elektrisch verbunden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße digitale Regeleinheit (17). Sie besteht aus einer zentralen Recheneinheit (21) und einem Leistungsstellglied (22) für das thermoelektrische Element (14). Die zentrale Recheneinheit (21) erhält digital die zur Regelung notwendigen Temperaturmesswerte über eine Schnittstelle. Ein Temperatur-Sollwert kann extern vorgegeben werden. Anhand dieser Daten errechnet der Regelalgorithmus die Regeldaten. Das mit der zentralen Recheneinheit (21) verbundene Leistungsstellglied (22) liefert die erforderliche elektrische Leistung für das Peltierelelent (14). Weiterhin kann ein Leistungsstellglied (23) für die lichtemittierenden Dioden (11) und ein Leistungsstellglied (24) für einen Lüfter (18) in der digitalen Regeleinheit (17) vorgesehen sein. Die Leistungsstellglieder (22), (23) und (24) sind mit der zentralen Recheneinheit (21) verbunden und werden von dieser angesteuert. Die zentrale Recheneinheit (21) erhält digitale Temperaturmesswerte von dem Temperatursensor (12), der die Temperatur der lichtemittierenden Dioden (11) über einen Datenbus übermittelt. Für die Lüfterregelung wird ein weiterer Temperatursensor (15) verwendet. Der vorgegebene Sollwert für die einzuregelnde Temperatur der lichtemittierenden Dioden (lichtemittierende Halbleiterschicht) kann fest in den digitalen Speicher der zentralen Recheneinheit (21) einprogrammiert werden, er kann aber auch extern der zentralen Recheneinheit (21) übermittelt werden und somit im möglichen Betriebsbereich frei eingestellt werden. Das Leistungsstellglied (23) der lichtemittierenden Dioden (11) kann von der zentralen Recheneinheit (21) gesteuert werden. Die Sollwerte für den Betriebspunkt kennen fest einprogrammiert werden oder extern der zentralen Recheneinheit (21) übermittelt werden. Das Leistungsstellglied (23) kann von einem externen Trigger gesteuert werden. In Abhängigkeit von der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die Regeleinheit (21) aus 1 bis 3 einzelnen regulierbaren Leistungsstellgliedern.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Stabilisierung des emittierten Lichtes enthält eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen als Beleuchtungsquelle. Halbleiterlichtquellen in Form von lichtemittierenden Dioden besitzen die Eigenschaft, dass deren optische und elektrische Parameter temperaturabhängig sind. Durch eine digitale Regelung wird diese Temperatur auf einen gewünschten Wert stabilisiert. Bedingt durch die Einstellmöglichkeit dieser Temperatur können die temperaturabhängigen Parameter der Halbleiterlichtquellen in einem gewissen Fenster abgestimmt werden. Dieses Fenster ergibt sich aus den Betriebsdaten und Kennlinien der verwendeten Halbleiterlichtquellen. In diesem Fenster kann die Wellenlänge entsprechend der Wellenlängen/Temperatur-Kennlinie vollständig durchfahren werden.
Die durch den Betrieb von Halbleiterlichtquellen erzeugte Verlustleistung P_v in Form von Abwärme führt zu einer Erwärmung des Inneren der Halbleiterlichtquellen und somit auch zur Erwärmung der lichtemittierenden Halbleiterschicht. Diese Abwärme wird durch die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien an das Gehäuse der Halbleiterlichtquellen und nachfolgend an die Umgebung abgegeben. Je nach Aufbau der Halbleiterlichtquellen, Verlustleistung und Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftströmung, Kühlmaßnahmen an der Halbleiterlichtquelle) verändert sich die Temperatur im Inneren der Halbleiterlichtquelle unterschiedlich stark. Mit der Temperaturänderung verändern sich auch die elektrischen und optischen Parameter der Halbleiterlichtquelle, wobei die beeinflussten elektrischen Parameter die Vorwärtsspannung U_f und der Vorwärtsstrom I_f sind. Die temperaturabhängigen optischen Parameter der Halbleiterlichtquelle sind die abgegebene Lichtleistung (und damit Lichtstärke) sowie die dominante Wellenlänge beziehungsweise das emittierte Lichtspektrum. Hochleistungslichtquellen generieren besonders viel Verlustleistung (Abwärme) und die Temperaturschwankungen der Halbleiterschicht fallen besonders stark aus. Diese Schwankungen können auch zu einer Überbelastung der Halbleiterlichtquellen und somit zu Beschädigungen oder Zerstörung der Halbleiterlichtquellen führen. Außerdem sind eine konstante Wellenlänge und Intensität. notwendig, um reproduzierbare Ergebnisse, insbesondere bei Messungen, zu erlangen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes ist die Solltemperatur der lichtemittierenden Schicht. frei einstellbar. Somit kann aktiv Einfluss auf die Wellenlänge des emittierten Lichtes genommen werden. Je nach eingestellter Temperatur ergibt sich eine bestimmte Leuchtstärke und Wellenlänge. Außerdem kann die Intensität des emittierten Lichtes über den Halbleiterlichtquellen-Strom eingestellt werden, so dass Wellenlänge und Intensität unabhängig voneinander wählbar sind. Der mögliche Einstellbereich der Wellenlänge ergibt sich aus den technischen Grenzen der verwendeten Halbleiterlichtquelle. Dabei sind die maximale sowie die minimale Betriebstemperatur der LED sowie des Peltierelements als Ober- und Untergrenze gegeben. Ein zusätzlich begrenzender Faktor der Temperatur ist die maximale Leistung des Peltierelementes.
Bezugszeichenliste

11: Halbleiterlichtquelle
12: Temperatursensor (digital oder analog)
13: wärmeleitende Zwischenplatte
14: thermoelektrisches Element
15: Temperatursensor
16: Kühlkörper
17: digitale Regeleinheit
18: Lüfter
21: zentrale Recheneinheit
22: Leistungsstellglied thermoelektrisches Element
23: Leistungsstellglied Halbleiterlichtquelle
24: Leistungsstellglied Lüfter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19756953 A1 [0004]
EP 0395259 B1 [0004]
EP 2075838 A2 [0005]
WO 2004/038290 A1 [0005]
WO 2009/00310 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes, wobei die Halbleiterlichtquelle (11) eine lichtemittierende Halbleiterschicht und ein an ein thermoelektrisches Element (14) thermisch gekoppeltes Gehäuse umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des thermoelektrischen Elements (14) mit Hilfe einer digitalen Istwerterfassung und einer digitalen Sollwertberechnung der Temperatur der lichtemittierenden Schicht einstell- und steuerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der lichtemittierenden Halbleiterschicht mit Hilfe einer digitalen Istwerterfassung und einer digitalen Sollwertberechnung der Temperatur der lichtemittierenden Schicht einstell- und steuerbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des emittierten Lichtes durch Regulierung des Halbleiterlichtquellen-Stromes einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung eines mit dem thermoelektrischen Element (14) gekoppelten Kühlkörpers (16) mit Hilfe einer digitalen Istwerterfassung und einer digitalen Sollwertberechnung der Temperatur der lichtemittierenden Schicht einstell- und steuerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte für die digitale Sollwertberechnung der Temperatur der lichtemittierenden Schicht frei einstellbar oder in einem digitalen Speicher hinterlegt sind.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die in einem digitalen Speicher hinterlegten Sollwerte der Temperatur der lichtemittierenden Schicht aus einer zuvor erstellten Wellenlängen/Temperatur-Kennlinie der lichtemittierenden Halbleiterschicht ausgewählt werden.
Anordnung zur Stabilisierung des von einer Halbleiterlichtquelle emittierten Lichtes mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bestehend aus – mindestens einer Halbleiterlichtquelle (11), die eine lichtemittierende Halbleiterschicht und ein an ein thermoelektrisches Element (14) thermisch gekoppeltes Gehäuse umfasst; – mindestens einem digitalen Temperatursensor (12), der am Gehäuse der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (11) befestigt ist; – einen Kühlkörper (16), der an mindestens einer der Halbleiterlichtquelle (11) abgewandten Seite des thermoelektrischen Elementes (14) angeordnet ist; – einer digitalen Regeleinheit (17), die eine zentrale Recheneinheit (21) zur Erfassung der Istwerte und Berechnung der Sollwerte der Temperatur der lichtemittierenden Schicht und mindestens ein Leistungsstellglied (22) zur Ansteuerung des thermoelektrischen Elements (14) umfasst und die mindestens eine Halbleiterlichtquelle (11), der digitale Temperatursensor (12) und das elektrothermische Element (14) mit der digitalen Regeleinheit (17) elektrisch verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass am Kühlkörper (16) ein zweiter digitaler Temperatursensor (15) zur Erfassung der Temperatur an der der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (11) abgewandten Seite des thermoelektrischen Elementes (14) vorgesehen ist und die digitale Reglereinheit (17) ein zweites Leistungsstellglied (24) zur Ansteuerung eines am Kühlkörper (16) positionierten Lüfters (18) aufweist und der digitale Temperatursensor (15) und der Lüfter (18) mit der digitalen Reglereinheit (17) elektrisch verbunden sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse der mindestens einen Halbleiterlichtquelle (11) über eine wärmeleitende Zwischenplatte (13) mit dem thermoelektrischen Element (14) thermisch gekoppelt ist und der digitale Temperatursensor (12) an der wärmeleitenden Zwischenplatte (13) befestigt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (14) ein Peltierelement ist.