DE102012107743A1

DE102012107743A1 - Optoelektronischer Sensor, optoelektronisches Bauelement mit einem optoelektronischen Sensor und Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors

Info

Publication number: DE102012107743A1
Application number: DE102012107743.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Müller; Hubert Halbritter
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2012-08-22
Filing date: 2012-08-22
Publication date: 2014-02-27
Also published as: WO2014029733A3; WO2014029733A2

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (5) zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle (10) in mindestens einem Wellenlängenbereich (λ1,min, λ1,max) angegeben, umfassend einen ersten Fotodetektor (1) und einen zweiten Fotodetektor (2), wobei er erste Fotodetektor (1) eine spektrale Empfindlichkeit S1(λ) und der zweite Fotodetektor (2) eine spektrale Empfindlichkeit S2(λ) aufweist. Die spektralen Empfindlichkeiten sind voneinander verschieden, wobei ein Quotient S1(λ)/S2(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in dem mindestens einem Wellenlängenbereich (λ1,min, λ1,max) monoton ansteigt oder monoton abnimmt. Weiterhin werden ein optoelektronisches Bauelement (12) mit dem optoelektronischen Sensor (5) und ein Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors (5) angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, ein optoelektronisches Bauelement mit einem optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors.
Lichtemittierende optoelektronische Bauelemente haben die Eigenschaft, dass sich während des Betriebs z. B. aufgrund einer Temperaturänderung oder einer Alterung des Bauelements die Wellenlänge und/oder die Ausgangsleistung in unerwünschter Weise verändern können.
Ein optoelektronisches Bauelement kann beispielsweise mit einem Temperatursensor und/oder einem Helligkeitssensor versehen werden, um die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der detektierten Temperatur und/oder der detektierten Helligkeit im Fall einer Abweichung von einem Sollwert zu korrigieren. Bei der Verwendung eines Temperatursensors muss dabei eine bekannte Temperaturkennlinie des optoelektronischen Bauelements zugrunde gelegt werden, bei der möglicherweise Alterserscheinungen nicht berücksichtigt werden. Bei der Verwendung eines Helligkeitssensors kann zwar die Helligkeit unabhängig von einer bekannten Temperaturkennlinie in Richtung eines Sollwerts korrigiert werden, beispielsweise durch eine Anpassung der Betriebsstromstärke, wobei aber eine Änderung der Wellenlänge oder des Farborts aufgrund eines möglicherweise verschiedenen Temperaturverhaltens mehrerer farbiger Emitter in der Lichtquelle, insbesondere im Fall von RGB-LEDs, nicht berücksichtigt werden.
Um sowohl die Helligkeit als auch den Farbort eines optoelektronischen Bauelements messen und gegebenenfalls korrigieren zu können, werden in der Regel vergleichsweise aufwändige RGB-Farbsensoren eingesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Sensor anzugeben, der dazu geeignet ist, mit vergleichsweise geringem Aufwand sowohl eine Änderung der Wellenlänge als auch eine Änderung der optischen Leistung einer Lichtquelle in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zu detektieren. Weiterhin soll ein optoelektronisches Bauelement mit einem derartigen Sensor und ein Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch einen optoelektronischen Sensor, ein optoelektronisches Bauelement mit dem optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der optoelektronische Sensor ist vorteilhaft zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle in mindestens einem Wellenlängenbereich vorgesehen. Der optoelektronische Sensor umfasst gemäß zumindest einer Ausgestaltung einen ersten Fotodetektor und einen zweiten Fotodetektor. Der erste Fotodetektor und der zweite Fotodetektor können insbesondere Halbleiter-Fotodetektoren sein, beispielsweise Silizium-Fotodetektoren.
Der erste Fotodetektor weist eine spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) und der zweite Fotodetektor eine spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) auf, wobei λ die Wellenlänge ist. Die spektralen Empfindlichkeiten sind vorteilhaft voneinander verschieden, wobei ein Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten der beiden Fotodetektoren in dem mindestens einem Wellenlängenbereich vorzugsweise monoton ansteigt oder monoton abnimmt.
Beispielsweise steigt die spektrale Empfindlichkeit des ersten Fotodetektors in dem Wellenlängenbereich monoton an oder nimmt monoton ab, während die spektrale Empfindlichkeit des zweiten Fotodetektors in dem Wellenlängenbereich mit einer anderen Steigung monoton ansteigt oder monoton abnimmt, oder in dem Wellenlängenbereich konstant ist.
Der optoelektronische Sensor weist vorteilhaft nur zwei Fotodetektoren auf und macht sich zur Detektion der Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit der beiden Fotodetektoren zunutze. Da nur zwei Fotodetektoren eingesetzt werden, kann der optoelektronische Sensor vergleichsweise einfach und kostengünstig hergestellt werden. Im Gegensatz dazu weisen beispielsweise RGB-Farbsensoren mindestens drei Fotodetektoren auf.
Dadurch, dass der Quotient der spektralen Empfindlichkeiten der beiden Fotodetektoren in dem mindestens einen vorgegebenen Wellenlängenbereich, in dem die Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle detektiert werden soll, monoton ansteigt oder monoton abnimmt, verändert ein Quotient I₁/I₂ aus dem Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors und dem Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors seinen Wert, wenn sich die Wellenlänge der Lichtquelle innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs zu einer anderen Wellenlänge hin ändert. Wenn sich dagegen nur die optische Leistung der Lichtquelle ändert, ohne dass sich dabei die Wellenlänge ändert, ändert sich der Quotient der Detektorsignale I₁/I₂ nicht. Somit ist der Quotient I₁/I₂ der beiden Detektorsignale ein Maß für die Änderung der Wellenlänge der Lichtquelle.
Dadurch, dass der Quotient der spektralen Empfindlichkeiten der Fotodetektoren in dem mindestens einen vorgegebenen Wellenlängebereich monoton ansteigt oder monoton abnimmt, kann ein Quotient I₁/I₂ der Detektorsignale in dem Wellenlängebereich jeweils eindeutig einer Wellenlänge der Lichtquelle zugeordnet werden.
Gemäß zumindest einer Ausgestaltung umfasst der optoelektronische Sensor weiterhin eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors, ein Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors und einen Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale zu bestimmen. Bei dem Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors und dem Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors handelt es sich vorzugsweise jeweils um den gemessenen Fotostrom oder eine daraus abgeleitete oder davon abhängige Größe.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung steigt der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in dem mindestens einem vorgegebenen Wellenlängenbereich zumindest näherungsweise linear mit der Wellenlänge an oder nimmt zumindest näherungsweise linear mit der Wellenlänge ab. In diesem Fall ist eine Änderung Δλ der Wellenlänge der Lichtquelle vorteilhaft proportional zur Änderung ΔI₁/I₂des Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale. Eine Änderung der Wellenlänge kann daher in Kenntnis des Proportionalitätsfaktors besonders einfach aus Änderung des Quotienten der Detektorsignale bestimmt werden.
Vorzugsweise ist die spektrale Empfindlichkeit des ersten oder des zweiten Fotodetektors in dem mindestens einen Wellenlängenbereich zumindest näherungsweise konstant. Der erste oder der zweite Fotodetektor mit der zumindest näherungsweise konstanten spektralen Empfindlichkeit wird bei dieser Ausgestaltung vorteilhaft als Referenzdetektor eingesetzt. Das Detektorsignal des als Referenzdetektor fungierenden ersten oder zweiten Fotodetektors ist vorteilhaft unabhängig von der Wellenlänge proportional zur optischen Leistung der Lichtquelle. Eine Änderung der optischen Leistung kann daher auf einfache Weise aus der Änderung des Detektorsignals des Referenzdetektors bestimmt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der erste und/oder der zweite Fotodetektor ein optisches Filter zur gezielten Einstellung der spektralen Empfindlichkeit auf. Das optische Filter ist vorteilhaft dazu geeignet, die spektrale Empfindlichkeit des Fotodetektors derart einzustellen, dass die spektrale Empfindlichkeit in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich eine konstante Steigung aufweist oder besonders bevorzugt bei einem der beiden Fotodetektoren konstant ist. Der Fotodetektor mit konstanter spektraler Empfindlichkeit kann insbesondere als Referenzdetektor fungieren.
Das optische Filter des ersten und/oder zweiten Fotodetektors kann insbesondere ein optisches Interferenzfilter sein. Das optische Interferenzfilter ist vorteilhaft über der Strahlungseintrittsfläche des ersten und/oder zweiten Fotodetektors angeordnet uns kann insbesondere unmittelbar auf die Strahlungseintrittsfläche des ersten und/oder zweiten Fotodetektors aufgebracht sein. Der erste und/oder zweite Fotodetektor können beispielsweise Halbleiter-Fotodetektoren sein, wobei zumindest einer der Fotodetektoren vorteilhaft ein optisches Interferenzfilter auf der Strahlungseintrittsfläche aufweist. Beispielsweise können beide Fotodetektoren das gleiche Halbeleitermaterial wie beispielsweise Silizium aufweisen, wobei zur Erzeugung der voneinander verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten einer der Fotodetektoren mit einem optischen Filter versehen ist.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der optoelektronische Sensor zur Detektion der Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle in mehreren vorgegebenen Wellenlängenbereichen geeignet. Bei dieser Ausgestaltung steigt der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in den vorgegebenen Wellenlängenbereichen vorteilhaft jeweils monoton mit der Wellenlänge an oder nimmt monoton mit der Wellenlänge ab. Vorzugsweise steigt der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in den vorgegebenen Wellenlängenbereichen jeweils linear mit der Wellenlänge an oder nimmt linear mit der Wellenlänge ab.
Bei dieser Ausgestaltung muss der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten nicht in jedem der vorgegebenen Wellenlängenbereiche gleichermaßen monoton ansteigen oder monoton abnehmen. Vielmehr ist es ausreichend, wenn der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in jedem der vorgegebenen Wellenlängenbereiche jeweils die Bedingung erfüllt, dass er entweder monoton ansteigt oder monoton abnimmt. Beispielsweise kann der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in einem ersten Wellenlängenbereich monoton ansteigen, in einem zweiten Wellenlängenbereich monoton abnehmen und in einem dritten Wellenlängenbereich erneut monoton ansteigen.
Die Anzahl der Wellenlängenbereiche beträgt vorzugsweise mindestens drei. Die mehreren Wellenlängenbereiche können insbesondere verschiedenen Farben zugeordnet sein. Vorzugsweise umfasst ein erster Wellenlängenbereich blaues Licht, ein zweiter Wellenlängenbereich grünes Licht, und ein dritter Wellenlängenbereich rotes Licht. Der optoelektronische Sensor ist in diesem Fall vorteilhaft zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge mehrerer Emitter einer RGB-Lichtquelle geeignet.
Es wird weiterhin ein optoelektronisches Bauelement angegeben, das den zuvor beschriebenen optoelektronischen Sensor und eine Lichtquelle umfasst. Bei dem optoelektronischen Bauelement ist der optoelektronische Sensor zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge der Lichtquelle in mindestens einem vorgegebenen Wellenlängenbereich vorgesehen. Die Lichtquelle des optoelektronischen Bauelements weist mindestens einen Emitter auf, der in dem mindestens einen Wellenlängenbereich emittiert.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Lichtquelle mehrere Emitter auf, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen emittieren. Bei dieser Ausgestaltung kann der optoelektronische Sensor insbesondere dazu vorgesehen sein, für jeden der mehreren Emitter eine Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge zu detektieren.
Die Lichtquelle des optoelektronischen Bauelements kann insbesondere eine LED-Lichtquelle sein. Insbesondere können die mehreren Emitter der Lichtquelle jeweils LED-Chips sein. Die LED-Lichtquelle kann insbesondere eine mehrfarbige LED sein, die mehrere LED-Chips enthält, die Strahlung in den mehreren Wellenlängenbereichen emittieren. Beispielsweise kann es sich bei der LED-Lichtquelle um eine RGB-LED handeln, welche mindestens drei LED-Chips aufweist, die in den Farben rot, grün und blau emittieren.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des optoelektronischen Bauelements ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des optoelektronischen Sensors und umgekehrt.
Bei einem Verfahren zum Betrieb des optoelektronischen Sensors wird der optoelektronische Sensor mit einer Lichtquelle beleuchtet, wobei die Lichtquelle mindestens einen Emitter aufweist, der in dem mindestens einen Wellenlängenbereich emittiert.
Während des Betriebs des Emitters wird ein Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors, ein Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors und ein Quotient der Detektorsignale I₁/I₂ bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer in dem optoelektronischen Bauelement enthaltenen Auswerteeinheit.
Eine Änderung der Wellenlänge des mindestens einen Emitters wird bei dem Verfahren vorteilhaft aus dem Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale bestimmt.
Weiterhin wird bei dem Verfahren vorteilhaft eine Änderung der Leistung des mindestens einen Emitters aus dem Detektorsignal des ersten oder zweiten Fotodetektors bestimmt. Der erste oder der zweite Fotodetektor fungiert in diesem Fall als Referenzdetektor und weist vorzugsweise eine spektrale Empfindlichkeit auf, die in dem Wellenlängenbereich im Wesentlichen konstant ist.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens weist die Lichtquelle mehrere Emitter auf, die jeweils in einem von mehreren Wellenlängenbereichen emittieren, wobei vorteilhaft während der Bestimmung der Detektorsignale und des Quotienten der Detektorsignale jeweils nur einer der Emitter betrieben wird. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Änderung der Wellenlänge und/oder der Leistung für einen der mehreren Emitter bestimmt werden. Vorzugsweise wird eine Änderung der Wellenlänge oder der Leistung nacheinander für jeden der Emitter bestimmt. Hierzu können insbesondere mehrere Emitter der Lichtquelle, beispielsweise mehrere mittels Pulsweitenmodulation gesteuerte LEDs, im Zeitmultiplexverfahren betrieben werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus der der vorherigen Beschreibung des optoelektronischen Sensors und des optoelektronischen Bauelements und umgekehrt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein optoelektronisches Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das einen optoelektronischen Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst,
2A schematische grafische Darstellungen der spektralen Empfindlichkeit S₁ des ersten Fotodetektors und der spektralen Empfindlichkeit S₂ des zweiten Fotodetektors bei einem Ausführungsbeispiel,
2B eine schematische grafische Darstellung des Quotienten I₁/I₂(λ) der Detektorsignale für beispielhafte optischen Leistungen P_i(λ) der Emitter einer bei einem Ausführungsbeispiel,
3A schematische grafische Darstellungen der spektralen Empfindlichkeit S₁ des ersten Fotodetektors und der spektralen Empfindlichkeit S₂ des zweiten Fotodetektors bei einem Ausführungsbeispiel,
3B eine schematische grafische Darstellung des Quotienten I₁/I₂(λ) der Detektorsignale für beispielhafte optischen Leistungen P_i(λ) der Emitter einer bei einem Ausführungsbeispiel,
4 eine grafische Darstellung der spektralen Empfindlichkeit S₁(λ) des ersten Fotodetektors und der spektralen Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors bei einem Ausführungsbeispiel, und
5 eine grafische Darstellung der spektralen Empfindlichkeit S₁(λ) des ersten Fotodetektors bei einem Ausführungsbeispiel.
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
Das in 1 dargestellte optoelektronische Bauelement 12 weist einen optoelektronischen Sensor 5 und eine Lichtquelle 10 auf. Die Lichtquelle 10 weist beispielsweise mehrere Emitter 6, 7, 8 auf, welche Strahlung 11 in mehreren Wellenlängenbereichen emittieren. Bei den Emittern 6, 7, 8 der Lichtquelle 10 kann es insbesondere um LED-Chips handeln. Die mehreren Emitter 6, 7, 8 der Lichtquelle 10 können beispielsweise auf einem gemeinsamen Träger 9 und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel sind die mehreren Emitter 6, 7, 8 zur Emission von Strahlung 11 in mehreren Wellenlängenbereichen vorgesehen. Beispielsweise emittiert ein erster Emitter 6 in einem ersten Wellenlängenbereich zwischen einer Wellenlänge λ_1,min und einer Wellenlänge λ_1,max ein Emitter 7 in einem zweiten Wellenlängenbereich zwischen einer Wellenlänge λ_2,min und einer Wellenlänge λ_2,max, und ein dritter Emitter 8 in einem dritten Wellenlängenbereich zwischen einer Wellenlänge λ_3,min und einer Wellenlänge λ_3,max.
Die Strahlung der mehreren Emitter 6, 7, 8 kann insbesondere verschiedene Farben oder Farborte aufweisen. Beispielsweise ist die Lichtquelle 10 eine RGB-Lichtquelle, wobei der erste Emitter 6 blaues Licht, der zweite Emitter 7 grünes Licht und der dritte Emitter 8 rotes Licht emittiert. Die von der Lichtquelle 10 emittierte Strahlung 11 kann eine Mischstrahlung sein, die von der optischen Leistung und den emittierten Wellenlängen der Emitter 6, 7, 8 abhängt.
Bei einer RGB-Lichtquelle 10 wird die Farbe und/oder der Farbort der emittierten Mischstrahlung 11 in der Regel durch eine Einstellung der Betriebsstromstärken der einzelnen Emitter 6, 7, 8 geregelt, beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation.
Es kann jedoch sein, dass die von einem der Emitter 6, 7, 8 emittierte Strahlung bei einer vorgegebenen Betriebsstromstärke hinsichtlich der Wellenlänge und/oder der optischen Leistung von einem Sollwert abweicht, beispielsweise aufgrund einer Temperaturänderung oder aufgrund von Alterungseffekten des Emitters.
Um eine Änderung der Wellenlänge und/oder der optischen Leistung der Emitter 6, 7, 8 festzustellen, weist das optoelektronische Bauelement 12 einen optoelektronischen Sensor 5 auf. Der optoelektronische Sensor 5 enthält einen ersten Fotodetektor 1 und einen zweiten Fotodetektor 2. Bei den Fotodetektoren 1, 2 kann es sich insbesondere um Halbleiter-Fotodioden handeln, insbesondere um Silizium-Fotodioden. Die Fotodetektoren 1, 2 sind vorzugsweise auf einem gemeinsamen Träger 13 angeordnet und auf diese Weise thermisch miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass sich Temperaturänderungen in gleicher Weise auf beide Fotodetektoren 1, 2 auswirken.
Weiterhin enthält der optoelektronische Sensor 5 eine Auswerteeinheit 3. Die Auswerteeinheit 3 ist dazu eingerichtet, ein Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors 1, ein Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors 2 und einen Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale zu bestimmen. Bei der Bestimmung der Detektorsignale I₁, I₂ wird vorzugsweise jeweils nur einer der Emitter 6, 7, 8 betrieben, um eine Änderung der Wellenlänge und/oder der optischen Leistung für den jeweiligen Emitter 6, 7, 8 zu bestimmen. Dies kann zeitversetzt nacheinander für alle Emitter 6, 7, 8 erfolgen, beispielsweise beim Betrieb der Emitter 6, 7, 8 im Zeitmultiplexverfahren.
Das Verfahren zur Bestimmung einer Änderung der Wellenlänge und/oder der optischen Leistung der Emitter 6, 7, 8 macht sich voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeiten S₁(λ), S₂(λ) der Fotodetektoren 1, 2 zunutze. Die beiden Fotodetektoren 1, 2 können beispielsweise aufgrund verschiedener Materialien verschiedene spektrale Empfindlichkeiten S₁(λ), S₂(λ) aufweisen.
Weiterhin ist es möglich, dass zumindest einer der Fotodetektoren 1, 2 mit einem optischen Filter 4 versehen ist, um die spektrale Empfindlichkeit gezielt einzustellen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 weist beispielsweise der zweite Fotodetektor 2 zur Einstellung der spektralen Empfindlichkeit S₂(λ) ein optisches Filter 4 auf, das über der Strahlungseintrittsfläche des zweiten Fotodetektors 2 angeordnet ist. Das optische Filter 4 kann insbesondere ein optisches Interferenzschichtsystem sein, das beispielsweise unmittelbar auf die Oberfläche des zweiten Fotodetektors 2 aufgebracht ist. Bei der Anordnung eines optischen Filters 4 über einem der Fotodetektoren 1, 2 können beide Fotodetektoren vorteilhaft das gleiche Material, beispielsweise Silizium, aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass beide Detektoren das gleiche Temperaturverhalten aufweisen.
Die Bestimmung einer Änderung der Wellenlänge λ und/oder der optischen Leistung P der von einem der Emitter 6, 7, 8 emittierten Strahlung wird im Folgenden anhand der 2 und 3 näher erläutert.
In 2A sind die spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) des ersten Fotodetektors und die spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ bei einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Der erste Fotodetektor weist eine spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) auf, die in einem ersten Wellenlängenbereich monoton ansteigt, in einem zweiten Wellenlängenbereich monoton abnimmt und in einem dritten Wellenlängenbereich monoton ansteigt. Eine derartige Filtercharakteristik kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass auf den ersten Fotodetektor ein optisches Filter aufgebracht ist, das im Zusammenwirken mit der spektralen Empfindlichkeit des Materials des ersten Fotodetektors die dargestellte spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) ergibt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Steigung der spektralen Empfindlichkeit in den Wellenlängenbereichen vorteilhaft jeweils konstant, d. h. die spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) nimmt in den einzelnen Wellenlängenbereichen entweder linear zu oder linear ab.
Die spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors unterscheidet sich von der spektralen Empfindlichkeit S₁(λ) des ersten Fotodetektors. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors in den vorgesehenen Wellenlängenbereichen vorteilhaft konstant. Dazu kann beispielsweise ein Detektormaterial verwendet werden, dessen spektrale Empfindlichkeit sich in den vorgesehenen Wellenlängenbereichen im Wesentlichen nicht mit der Wellenlänge ändert. Es kann aber auch auf den zweiten Fotodetektor beispielsweise ein geeignetes optisches Filter aufgebracht sein, mit dem die dargestellte spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) erzielt wird.
In 2B ist der spektrale Verlauf des Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ dargestellt. Weiterhin sind beispielhaft optische Ausgangsleistungen P_i der Emitter in den Wellenlängenbereichen dargestellt. Beispielsweise emittiert ein erster Emitter eine optische Leistung P₁ in einem ersten Wellenlängenbereich. Wenn sich, wie durch den Pfeil angedeutet, die Wellenlänge des Emissionsspektrums innerhalb des ersten Wellenlängenbereichs zu einer größeren Wellenlänge verschiebt, sodass die optische Leistung den Verlauf P₁’ annimmt, steigt der Quotient I₁/I₂ der Detektorsignale. Aus der Änderung des Quotienten I₁/I₂ kann daher die Änderung der Wellenlänge λ des Emitters bestimmt werden. Im dargestellten Fall eines linearen Anstiegs des Quotienten I₁/I₂ in dem ersten Wellenlängenbereich, der durch eine entsprechende Einstellung der spektralen Empfindlichkeiten S₁(λ), S₂(λ) erzielt werden kann, ist die Änderung des Quotienten I₁/I₂ proportional zur Änderung der Wellenlänge λ.
Die optische Leistung des ersten Emitters kann vorteilhaft aus dem Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors bestimmt werden, der als Referenzdetektor fungiert. Wenn der zweite Fotodetektor wie im dargestellten Ausführungsbeispiel eine von der Wellenlänge λ unabhängige spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) aufweist, ist Änderung des zweiten Detektorsignals proportional zur Änderung der optischen Leistung des ersten Emitters.
In analoger Weise können eine Änderung der Wellenlänge λ und/oder der optischen Leistung P₂, P₂’ eines zweiten Emitters in dem zweiten Wellenlängenbereich sowie eine Änderung der Wellenlänge λ und/oder der optischen Leistung P₃, P₃’ eines dritten Emitters in dem dritten Wellenlängenbereich bestimmt werden. Bei der Messung der Detektorsignale I₁, I₂ werden die Emitter vorteilhaft jeweils einzeln betrieben.
In 3A sind die spektralen Empfindlichkeiten S₁(λ) des ersten Fotodetektors und S₂(λ) des zweiten Fotodetektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ bei einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel steigt die spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) des ersten Fotodetektors beispielsweise in einem ersten Wellenlängenbereich monoton an und nimmt in einem zweiten Wellenlängenbereich monoton ab. Die spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors nimmt in beiden Wellenlängenbereichen mit vorzugsweise konstanter Steigung monoton zu. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel kann eine Änderung der optischen Leistung aus der bekannten spektralen Empfindlichkeit S₂(λ) des zweiten Fotodetektors und dem Detektorsignal I₂ bestimmt werden.
Der Verlauf des Quotienten der Detektorsignale I₁/I₂ sowie ein beispielhafter spektraler Verlauf der optischen Leistungen P₁, P₂ für zwei verschiedene Emitter sind in 3B dargestellt. Eine Verschiebung der Wellenlänge der Emitter wird wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel aus einer Änderung des Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale bestimmt.
Wenn sich beispielsweise die Wellenlänge λ der emittierten optischen Leistung P₁ des ersten Emitters im ersten Wellenlängenbereich zu einer größeren Wellenlänge hin verschiebt, sodass die optische Leistung den dargestellten Verlauf P₁’ annimmt, steigt der Quotient I₁/I₂ entsprechend an. Der Quotient I₁/I₂ ist vorteilhaft unabhängig vom Maximalwert der optischen Leistung P₁. Es ist daher möglich, aus der Änderung des Quotienten I₁/I₂ die Änderung der Wellenlänge des Emitters zu bestimmen.
In analoger Weise nimmt der Quotient I₁/I₂ ab, wenn sich der spektrale Verlauf der optischen Leistung P₂ eines zweiten Emitters in dem zweiten Wellenlängenbereich zu einer größeren Wellenlänge hin verschiebt, sodass die optische Leistung beispielsweise den dargestellten Verlauf P₂’ annimmt. Für den zweiten Emitter kann aus der Änderung des Quotienten I₁/I₂ ebenfalls die Änderung der Wellenlänge λ bestimmt werden.
In 4 sind die spektralen Empfindlichkeiten S₁(λ), S₂(λ) des ersten Fotodetektors und des zweiten Fotodetektors in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ bei einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Bei dem ersten Fotodetektor handelt es sich beispielsweise um eine Silizium-Fotodiode, deren spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) bei einer Wellenlänge oberhalb von 800 nm ein Maximum annimmt.
Der zweite Fotodetektor ist bei dem Ausführungsbeispiel ebenfalls eine Silizium-Fotodiode, deren spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) aber durch Aufbringen eines optischen Filters derart eingestellt wurde, dass sie in dem betrachteten Wellenlängenbereich im Wesentlichen konstant ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der zweite Fotodetektor vorteilhaft als Referenzdetektor zur Bestimmung einer Änderung der optischen Leistung eines Emitters verwendet werden.
5 zeigt die spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) eines Ausführungsbeispiels eines Fotodetektors, bei dem es sich um eine Silizium-Fotodiode handelt, auf die ein optisches Filter aufgebracht ist. Dargestellt ist die simulierte spektrale Empfindlichkeit sowie eine Approximation der simulierten Kurve durch eine linear abnehmende spektrale Empfindlichkeit im blauen und roten Spektralbereich sowie eine linear zunehmende spektrale Empfindlichkeit im grünen Spektralbereich. Das optische Filter enthält bei diesem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Silizium-Fotodiode eine 100 nm dicke SiO₂-Schicht, eine 250 nm dicke TiO₂-Schicht und eine 500 μm dicke Epoxidharzschicht.
Das Ausführungsbeispiel zeigt, dass sich mit einem derartigen optischen Filter auf dem Fotodetektor im blauen und roten Spektralbereich jeweils eine zumindest näherungsweise linear abnehmende und im grünen Spektralbereich eine zumindest näherungsweise linear steigende spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) des Fotodetektors realisieren lässt.
Auf diese Weise wird die Detektion von Wellenlängenänderungen von Emittern im blauen, grünen und roten Spektralbereich ermöglicht. Die Verwendung eines derartigen optischen Filters ist daher besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise eine Detektion der Änderung der Wellenlänge und/oder der optischen Leistung einer RGB-Lichtquelle bestimmt werden soll. Wenn ein Fotodetektor mit der dargestellten spektralen Empfindlichkeit S₁(λ) als erster Fotodetektor und ein zweiter Fotodetektor mit konstanter spektraler Empfindlichkeit verwendet wird, ergibt sich beispielsweise für eine rote LED bei einer Wellenlänge von etwa 678 nm eine Änderung des Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale von 0,8 %/nm.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Optoelektronischer Sensor (5) zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle (10) in mindestens einem Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max), umfassend einen ersten Fotodetektor (1) und einen zweiten Fotodetektor (2), wobei – der erste Fotodetektor (1) eine spektrale Empfindlichkeit S₁(λ) und der zweite Fotodetektor (2) eine spektrale Empfindlichkeit S₂(λ) aufweist, – die spektralen Empfindlichkeiten S₁(λ), S₂(λ) voneinander verschieden sind, und – ein Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in dem mindestens einem Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) monoton ansteigt oder monoton abnimmt.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, umfassend eine Auswerteeinheit (3), die dazu eingerichtet ist, ein Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors (1), ein Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors (2) und einen Quotienten I₁/I₂ der Detektorsignale zu bestimmen.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in dem mindestens einem vorgegebenen Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) linear ansteigt oder linear abnimmt.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die spektrale Empfindlichkeit des ersten Fotodetektors (1) oder des zweiten Fotodetektors (2) in dem mindestens einen Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) konstant ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Fotodetektor (1) und/oder der zweite Fotodetektor (2) ein optisches Filter (4) zur Einstellung der spektralen Empfindlichkeit aufweist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optoelektronische Sensor (5) zur Detektion der Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge einer Lichtquelle (10) in mehreren vorgegebenen Wellenlängenbereichen (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) vorgesehen ist, und der Quotient S₁(λ)/S₂(λ) der spektralen Empfindlichkeiten in den vorgegebenen Wellenlängenbereichen (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) jeweils monoton ansteigt oder monoton abnimmt.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der Wellenlängenbereiche (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) mindestens drei beträgt.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Wellenlängenbereiche (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) verschiedenen Farben zugeordnet sind.
Optoelektronisches Bauelement (12) mit einem optoelektronischen Sensor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Lichtquelle (10), wobei – der optoelektronische Sensor (5) zur Detektion einer Änderung der Leistung und/oder der Wellenlänge der Lichtquelle (10) in dem mindestens einem Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) vorgesehen ist, und – die Lichtquelle (10) mindestens einen Emitter (6, 7, 8) aufweist, der in dem mindestens einem Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) emittiert.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Lichtquelle mehrere Emitter (6, 7, 8) aufweist, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) emittieren.
Optoelektronisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei die mehreren Emitter (6, 7, 8) jeweils LED-Chips sind.
Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei – der optoelektronische Sensor (5) mit einer Lichtquelle beleuchtet (10) wird, – die Lichtquelle (10) mindestens einen Emitter (6, 7, 8) aufweist, der in dem mindestens einem Wellenlängenbereich (λ_1,min, λ_1,max) emittiert, und – ein Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors (1), ein Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors (2) und ein Quotient der Detektorsignale I₁/I₂ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Änderung der Wellenlänge des mindestens Emitters (6, 7, 8) aus dem Quotienten der Detektorsignale I₁/I₂ bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem eine Änderung der Leistung des mindestens einen Emitters (6, 7, 8) aus dem Detektorsignal I₁ des ersten Fotodetektors (1) oder dem Detektorsignal I₂ des zweiten Fotodetektors (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Lichtquelle (10) mehrere Emitter (6, 7, 8) aufweist, die in verschiedenen Wellenlängenbereichen (λ_1,min, λ_1,max; λ_2,min, λ_2,max; λ_3,min, λ_3,max) emittieren, und wobei während der Bestimmung der Detektorsignale I₁, I₂ jeweils nur einer der Emitter (6, 7, 8) betrieben wird.