DE4434266B4

DE4434266B4 - Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit von optoelektronischen Dioden

Info

Publication number: DE4434266B4
Application number: DE4434266A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Phys. Sperling
Original assignee: BYK Gardner GmbH
Current assignee: BYK Gardner GmbH
Priority date: 1994-09-24
Filing date: 1994-09-24
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2014-09-25
Also published as: WO1996009667A1; JPH10508984A; DE4434266A1; US5917183A

Abstract

Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der optischen Charakteristik von elektrooptischen Dioden, wobei die Diode unter vorgegebenem konstanten elektrischem Strom bzw. unter vorgegebener konstanter elektrischer Spannung bei einer ersten Temperatur betrieben und mit dieser Diode eine erste elektrische Spannung bzw. ein erster elektrischer Strom gemessen wird, der von der Temperatur abhängig ist,
diese erste elektrische Spannung bzw. dieser erste elektrische Strom mit einer Vergleichsspannung bzw. einem Vergleichsstrom verglichen wird, die bzw. der unter dem gleichen konstanten elektrischen Strom bzw. unter der gleichen konstanten elektrischen Spannung, aber bei unterschiedlicher Temperatur mit dieser Diode ermittelt worden ist, und
aus der Beziehung zwischen dieser elektrischen Spannung bzw. diesem elektrischen Strom und dieser Vergleichsspannung bzw. diesem Vergleichsstrom eine Korrekturfunktion abgeleitet wird, durch die dann die optische Charakteristik der Diode aus der im wesentlichen gleichzeitig erfassten Spannung bzw. dem im wesentlichen gleichzeitig erfassten Strom bei Betrieb mit dem vorgegebenen konstanten elektrischen Strom bzw. der...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der optischen Charakteristik von optoelektronischen Dioden.
Optoelektronische Dioden sind Bauelemente, bei denen entweder elektrische Energie in Lichtenergie umgewandelt wird oder Lichtenergie in elektrische Energie. In der heutigen Technik haben optoelektronische Halbleiterdioden besondere Bedeutung erlangt, und zwar auf der einen Seite insbesondere die lichtemittierenden Dioden (light emitting diodes, LED) als lichtausstrahlende Elemente und Fotodioden, die die Intensität des auf eine Messfläche auftreffenden Lichtes erfassen und ein dafür repräsentatives elektrisches Signal ausgeben, auf der anderen Seite.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beispielhaft in bezug auf lichtemittierende Dioden, im folgenden als LED bezeichnet und in bezug auf Fotodioden beschrieben.

Das Problem beim Einsatz von LED's und Sensordioden in der optischen Messtechnik wird nachfolgend am Beispiel der Farbmessung erläutert: Dem Farbeindruck, den eine farbige Oberfläche dem Beobachter vermittelt, liegt eine bestimmte spektrale Verteilung des von der Oberfläche reflektierten Lichtes zugrunde, die im Auge des Beobachters als Farbe erkannt wird. Dabei ergibt sich die vom Beobachter wahrgenommene Farbreizfunktion φ(λ) φ(λ) = r(λ)·s(λ)wobei r(λ) das Remissionsspektrum der Oberfläche charakterisiert und S(λ) die spektrale Verteilung des auf die Oberfläche auftreffenden Lichtes. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die vom Beobachter wahrgenommene Farbreizfunktion das Produkt der spektralen Verteilung der Reflexionseigenschaften der Oberfläche und der spektralen Verteilung des auf der Oberfläche auftreffenden Lichtes ist. Ändert sich die spektrale Verteilung des Lichtes, welches auf die Oberfläche trifft, so ändert sich auch der Farbeindruck für den Beobachter.

In der Technik ist es von großer Bedeutung, die Farbe von Oberflächen korrekt erfassen zu können, um einerseits Farben reproduzierbar herstellen zu können und um andererseits die Farbe von Flächen korrekt in Druckerzeugnissen, Filmen, Fotografien und über elektronische Geräte wie Kameras, Fernsehbildschirme, Computermonitore und dergleichen erfassen und wiedergeben zu können.

Bei der konventionellen Farbmessung wird die Oberfläche, deren Farbe zu erfassen ist, mit einem Licht bestrahlt, dessen spektrale Verteilung genau bekannt ist. Das reflektierte Licht wird spektral z. B. mit einem Spektralphotometer analysiert, woraus sich dann das spektrale Reflexionsverhalten der Oberfläche und daraus der durch die Oberfläche vermittelte Farbeindruck errechnen und mit genormten Farbkennwerten darstellen und vergleichen lässt.

Um den apparativen Aufwand für solche Messvorrichtungen zu verringern, ist man seit einiger Zeit dazu übergegangen, die zu messende Oberfläche mit LED's zu belichten und das von der Oberfläche reflektierte Licht mit Halbleitersensoren und insbesondere mit Fotodioden zu messen. Ein solches Gerät ist bei spielsweise in der DE 42 02 822 A1 beschrieben. Dabei werden eine Anzahl von LED's verwendet, die auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind, sowie eine Anzahl von Sensordioden. Das Problem bei diesen Geräten ist jedoch, dass die spektrale Charakteristik und die Intensität sowohl der LED's als auch der Sensordioden von der Temperatur abhängig ist, so dass zur Steigerung der Messgenauigkeit die Temperatur der LED's und der Sensordioden erfasst werden muss.

Bei dem vorgenannten Gerät geschieht dies, indem auf dem gemeinsamen Substrat ein Temperatursensor angeordnet ist. In einer Steuereinrichtung des Gerätes sind eine Vielzahl von spektralen Charakteristiken für die LED's und die Sensordioden abgespeichert und es wird bei jeder Messung zunächst die Temperatur des Substrates bestimmt und dann die entsprechende Kurve für die Auswertung der Messung ausgewählt.

Dieses Verfahren hat zunächst den Nachteil, dass die Verwendung eines Temperatursensors in der Messeinrichtung relativ aufwendig ist. Vor allen Dingen besteht aber der erheblichere Nachteil, dass es eine gewisse Zeit dauert, bis innerhalb der Messvorrichtung ein Temperaturausgleich stattgefunden hat, so dass alle Halbleiter die gleiche Temperatur aufweisen. Dies ist insbesondere deshalb problematisch, da sich die LED's während des Betriebes erwärmen. Bis diese Erwärmung der LED's vom Temperatursensor zuverlässig erfasst worden ist, ist der Messvorgang in der Regel aber bereits abgeschlossen.

Aus dem Artikel "Temperature stabilisation of light-emitting diode radiation" von J. Mroczka (J. Phys. E: Sci. Instrum. 21 (1988), S. 306 – 309) sind verschiedene Verfahren zur Temperaturstabilisierung von LEDs bekannt, bei denen zusätzliche thermosensitive Elemente die Temperatur der LEDs bestimmen. Nachteilig bei den dort dargestellten Verfahren ist, dass die Temperatur an einem zusätzlichen Bauteil bestimmt wird, dessen Temperatur sich in temperaturveränderlichen Systemen von der Temperatur der LEDs unterscheiden kann.

In der DE 23 09 446 B2 ist eine Schaltungsanordnung zur Kompensation des Temperaturgangs der Strahlungsstärke von Leuchtdioden offenbart, bei der in Serie und parallel zur Leuchtdiode Vorwiderstände geschaltet werden. In "Einfache Schaltung zum Eliminieren des Temperaturkoeffizienten von Luminiszenzdioden" (Siemens-Bauteile-Information 11 (1973, Heft 1, S. 14–15)) haben F. Keiner und G. Krause ebenfalls eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Temperaturkompensation von Luminiszenzdioden beschrieben, bei dem zur Temperaturkompensation ein zusätzlicher Widerstand in Parallelschaltung vorgesehen ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass sich mit ändernder Temperatur auch die optische Charakteristik eines Bauelements verändert und dass diese optische Charakteristik nicht erfasst werden kann.

Die EP 05 16 398 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung des Emissionsspektrums einer LED, bei dem zur Messung der Umgebungstemperatur ein zusätzlicher Temperatursensor verwendet wird. Nachteilig ist, dass durch die Verwendung eines räumlich getrennten Temperatursensors die Temperaturbestimmung der LED nur mit beschränkter Genauigkeit erfolgen kann.

Aus der WO 92/19014 A1 ist eine Halbleiterleuchtdioden-Temperatursteuerung bekannt, bei welcher die Temperatur einer Leuchtdiode direkt aus der an ihr anliegenden Spannung und dem dabei durch diese fließenden Strom ermittelt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit von optoelektronischen Dioden zur Verfügung zu stellen, durch welches eine schnelle und präzise Berücksichtigung von Temperaturänderungen der Dioden möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren des Anspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nun nachfolgend in bezug auf die Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:
1 den Zusammenhang zwischen der Durchlassspannung und der Umgebungstemperatur für die LED, wobei in dem Diagramm die Änderung der Durchlassspannung auf der Ordinate und die Änderung der Temperatur auf der Abszisse aufgetragen ist,
2 den Zusammenhang zwischen dem gemessenen Sensorsignal einer Sensordiode und der Durchlassspannung bei gleicher Temperatur.
Die Erfindung wird nun zunächst in bezug auf die Berücksichtigung des temperaturabhängigen Driftens von lichtemittierenden Dioden (LED's) beschrieben.
Gemäß einer Alternative der Erfindung wird die LED mit einer konstanten Stromquelle betrieben. Dies bedeutet, dass die Stromversorgung der LED mit einer (im Stand der Technik bekannten) Schaltung erfolgt, die jeweils einen vorgegebenen konstanten Strom liefert. Gleichzeitig wird die Durchlassspannung der LED gemessen.
Für den vorgegebenen Strom gibt es eine Abhängigkeit der Durchlassspannung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur, die in 1 für den Bereich zwischen + 10°C bis 40°C grafisch dargestellt ist.
Die Änderung der Durchlassspannung mit der Temperatur ist vom jeweiligen LED-Typ abhängig und beträgt in der Regel zwischen 2 und 10 mV pro 1°C.
Die Erfassung der Temperaturkennlinie der LED findet also in der Weise statt, dass immer dann, wenn die LED mit konstantem Strom aktiviert wird, gleichzeitig auch die Durchlassspannung gemessen wird. Der Messwert der Durchlassspannung wird vorzugs weise abgespeichert und die für die weiteren Auswertungen der Messung herangezogene spektrale Charakteristik der LED anhand des gemessenen Spannungskennwertes bestimmt. Da sich die LED während des Betriebes selbst erwärmt, kann durch diese Messung zuverlässig die jeweilige Temperatur und damit auch die jeweilige spektrale Verteilung bzw. die Intensität der LED erfasst und berücksichtigt werden.
Alternativ kann die LED auch mit einer Konstant-Spannungsquelle betrieben und der Strom gemessen werden. Die Auswertung erfolgt dann in derselben Weise mit dem gemessenen Strom-Kennwert.
Im folgenden wird nun die Anwendung der Erfindung zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der optischen Charakteristik von Sensordioden beschrieben.
Auch bei der Sensordiode ist die Durchlassspannung, wenn die Sensordiode im Diodenbetrieb, d. h. in Durchlassrichtung mit einer Konstantstromquelle betrieben wird, von der Temperatur abhängig. Diese Abhängigkeit lässt sich wie folgt ausdrücken:
Darin bedeuten:
k_b die Boltzmannkonstante, e die Elementarladung, I_o der im wesentlichen von der Temperatur unabhängige Strom ohne äußeres Feld (im Gleichgewicht der Diffusionsstrom), I der eingeprägte Konstantstrom, U_o eine materialabhängige Offsetspannung und T die Temperatur der Halbleiterdiode.
Bei konstantem Strom ist der Temperaturkoeffizient der Sensordiode somit nur von Materialkonstanten abhängig. Dadurch reduziert sich Gleichung 2 zu: U = α . T + C (3)bzw. Ux – Uo – α(Tx – To) (4)
Dabei bedeutet U_x die Durchlaßspannung der Sensordiode bei dem konstanten Strom und der Temperatur T_x , U_o die Durchlaßspannung der Diode beim Konstantstrom bei der Temperatur T_o (Bezugstemperatur) und α der Temperaturkoeffizient der Sensordiode.
Stellt man diese Gleichung um, so folgt als Gleichung:
Dies bedeutet, daß mit dieser Gleichung durch die Messung der Durchlaßspannung der Diode die Temperatur der Diode ermittelt werden kann.
Der Temperaturkoeffizient α kann ermittelt werden, indem die Durchlaßspannung der Sensordiode bei konstantem Strom bei verschiedenen Umgebungstemperaturen gemessen wird. Da der Zusammenhang zwischen der Änderung der Durchlaßspannung und der Temperatur weitgehend linear ist, genügt die Erfassung von zwei Punkten, durch die dann eine Gerade als Kennlinie gelegt werden kann.
Zur Temperaturmessung, d. h. zur Messung der Durchlaßspannung, wird die Sensordiode vom eigentlichen Meßbetrieb, der in Sperrrichtung der Diode erfolgt und in welchem die Intensität des auf die Meßfläche fallenden Lichtes gemessen wird, in den Durchlaßbetrieb umgeschaltelt und die Sensordiode mit konstantem Strom versorgt. Die dann gemessene Durchlaßspannung ist ein Maß für die jeweilige Temperatur und wird bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt.
Die Erfassung der Temperaturkennlinie kann, wie vorstehend ausgeführt, durch Veränderung der Umgebungstemperatur erfolgen. Bei der Herstellung von optischen Geräten, in denen derartige Sensordioden verwendet werden, ist es jedoch relativ aufwendig, für jeden Sensor die Temperaturkennlinie durch Veränderung der Umgebungstemperatur zu erfassen. Durch die Erfindung wird deshalb auch ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem die Abhängigkeit des Sensorsignals von der Temperatur ermittelt werden kann.
Bei diesem Verfahren wird der Sensor durch eine konstante. Lichtquelle bestrahlt, was meßtechnisch relativ einfach zu verwirklichen ist.
Bei der zum Ausgangszeitpunkt herrschenden Umgangstemperatur T_o wird die Diode im Meßbetrieb betrieben und es wird das Sensorsignal S_o gemessen, welches die Empfindlichkeit des Sensors für die konstante Lichtquelle bei der Umgebungstemperatur angibt. Dann wird die Sensordiode in den Durchlaßbetrieb umgeschaltet und mit einem kleinen Strom I_o betrieben. Für diesen Strom wird die Durchlaßspannung U_o gemessen Dann wird die Sensordiode kurzzeitig mit einem deutlich höheren Strom in Durchlaßrichtung betrieben, wobei dieser Strom derart gewählt, ist, daß er zu einer Erwärmung der Sensordiode führt.
Nach der Erwärmungsperiode wird wieder der gleiche kleine Strom I_o verwendet und die Durchlaßspannung U₁gemessen. Da die Sensordiode nun eine höhere Temperatur T₁ aufweist, ist diese Durchlaßspannung niedriger als die Durchlaßspannung U_o bei der Messung mit der Anfangstemperatur T_o. Dann wird die Diode in den Meßbetrieb geschaltet und nun das Sensorsignal S₁ für die konstante Lichtquelle aufgenommen.
Aus diesem Meßvorgang ergeben sich zwei Wertepaare, nämlich die erste gemessene Sensoranzeige S_o bei der Durchlaßspannung U_o und die zweite gemessene Sensoranzeige S₁ bei der Durchlaßspannung U₁. Da die Änderung der Durchlaßspannung mit der Temperatur linear verläuft, kann, wie in 2 aufgezeichnet, durch diese beiden Punkte eine Gerade gelegt werden. Diese Gerade ergibt den Zusammenhang zwischen der Durchlaßspannung und der Sensoranzeige bei gleicher Lichtintensität an. Dabei gilt angenähert folgende Bezichung: S1 = So + α(U1 – Uo) (6)
Für den Temperaturkoeffizienten α gilt:
Bei der Messung muß also bei dieser Ausführungsform des Verfahrens lediglich nach der Aufnahme des jeweiligen Meßsignals mit dem konstanten kleinen Strom die Durchlaßspannung ermittelt werden. Diese Durchlaßspannung kann dann dazu verwendet werden, das gemessene Signal zu korrigieren. Das Verfahren hat den großen Vorteil, daß als Korrekturgrößen unmittelbar Sensoranzeige und Durchlaßspannung verwendet werden und nicht der Wert der Temperatur, den die Sensordiode bei der Veränderung der Durchlaßspannung hatte. Dadurch kann ein sehr präziser Zusammenhang zwischen Durchlaßspannung und Sensorsignal bestimmt werden, ohne daß eine möglicherweise ungenaue und aufgrund der Ausgleichzeiten auch zeitlich schwierige Temperaturmessung durchgeführt werden müßte.
Bei der vorstehenden Ausführungsform wurde die Messung mit konstantem Strom durchgeführt.
Alternativ kann insbesondere bei einer in Sperrichtung betriebenen Fotodiode auch eine Konstant-Spannungsquelle verwendet werden, wobei dann in gleicher Weise wie zuvor statt der temperaturabhängigen Durchlaßspannung der temperaturabhängige Offsetstrom gemessen wird. Dabei kann ebenfalls eine Temperaturänderung herbeigeführt werden, indem die Diode mit einem in Durchlaßrichtung fließenden Strom kurz aufgeheizt wird.
Alternativ kann zum Aufheizen der Diode oder des entsprechenden Elementes bei allen vorgenannten Verfahrensvarianten auch ein kleines Heizelement verwendet werden, welches auf der Sensordiode angeordnet ist.
Das Verfahren hat zudem den Vorteil, daß es meßtechnisch sehr einfach durchgeführt werden kann, so daß es beispielsweise auch dann angewendet werden kann, wenn die Sensordioden bereits in eine entsprechende Vorrichtung eingebaut sind.

Claims

Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der optischen Charakteristik von elektrooptischen Dioden, wobei die Diode unter vorgegebenem konstanten elektrischem Strom bzw. unter vorgegebener konstanter elektrischer Spannung bei einer ersten Temperatur betrieben und mit dieser Diode eine erste elektrische Spannung bzw. ein erster elektrischer Strom gemessen wird, der von der Temperatur abhängig ist, diese erste elektrische Spannung bzw. dieser erste elektrische Strom mit einer Vergleichsspannung bzw. einem Vergleichsstrom verglichen wird, die bzw. der unter dem gleichen konstanten elektrischen Strom bzw. unter der gleichen konstanten elektrischen Spannung, aber bei unterschiedlicher Temperatur mit dieser Diode ermittelt worden ist, und aus der Beziehung zwischen dieser elektrischen Spannung bzw. diesem elektrischen Strom und dieser Vergleichsspannung bzw. diesem Vergleichsstrom eine Korrekturfunktion abgeleitet wird, durch die dann die optische Charakteristik der Diode aus der im wesentlichen gleichzeitig erfassten Spannung bzw. dem im wesentlichen gleichzeitig erfassten Strom bei Betrieb mit dem vorgegebenen konstanten elektrischen Strom bzw. der vorgegebenen konstanten elektrischen Spannung bei der entsprechenden Temperatur ermittelt wird.
Verfahren zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der optischen Charakteristik gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Strom vorgegeben ist, mit dem die optoelektronische Diode betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine konstante Spannung vorgegeben ist, die an der optoelektronischen Diode anliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Diode eine lichtausstrahlende Diode (LED) ist, dass diese LED mit einem konstanten Strom betrieben wird und die Durchlassspannung bei diesem konstanten Strom gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Korrekturfunktion aus einem linearen Zusammenhang zwischen der Durchlassspannung und der Temperatur ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Korrekturfunktion aus einem nicht-linearen Zusammenhang zwischen der Durchlassspannung und der Temperatur ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Diode eine lichtausstrahlende Diode (LED) ist, dass diese LED mit einer konstanten Spannung betrieben wird und der Offsetstrom bei dieser konstanten Spannung gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optoelektronische Diode eine Halbleiter-Sensordiode ist und dass die Sensordiode mit einem konstanten Strom in Durchlassrichtung betrieben wird, und bei diesem konstanten Strom die Durchlassspannung gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensordiode zur Erfassung der Änderung ihrer Eigenschaften mit der Temperatur vom Messbetrieb, der in Sperrrichtung der Diode erfolgt, in den Temperatur-Erkennungsbetrieb in Durchlassrichtung der Diode umgeschaltet wird.
Verfahren gemäß Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturfunktion eine Lichtintensitäts-Korrekturfunktion ist, die erfasst wird, indem die Lichtintensität einer konstanten Lichtquelle einmal bei einer niedrigen Temperatur und einmal bei einer höheren Temperatur gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese höhere Temperatur der Sensordiode erzielt wird, indem die Sensordiode kurzzeitig mit einem höheren Strom in Durchlassrichtung betrieben wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese höhere Temperatur erzielt wird, indem die Diode mit einem Heizelement, einem Widerstand oder dergleichen beheizt wird.