JP2008091436A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子の光出力を制御する駆動電流のダイナミックレンジを圧縮してドライブ回路を簡素化すると共に、半導体発光素子の自己発熱に起因する光出力変動を補償した光源装置を実現する。
【解決手段】半導体発光素子の駆動電流及び光出力の相関関係に基づく特性データを保持する特性データ保持手段４２を有し、前記特性データに基づいて前記半導体発光素子１１の駆動電流を制御する光源装置において、 前記半導体発光素子と並列接続され、前記半導体発光素子に流れる駆動電流を分流する分流手段１０１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子の駆動電流及び光出力の相関関係に基づく特性データを保持する特性データ保持手段を有し、前記特性データに基づいて前記半導体発光素子の駆動電流を制御する光源装置に関するものである。

異なるスペクトラム分布を有する複数の半導体発光素子（以下、ＬＥＤを代表として説明する）の発光を合成する光源装置に関しては、特許文献１に技術的開示がある。この光源装置は、主として微小な光出力を精密に制御することが必要される、固体撮像素子（例：ＣＣＤ，ＣＭＯＳ）の検査用光源に用いられる。

図５は、特許文献１に開示されている従来の光源装置の構成を示す機能ブロック図である。この光源装置は、異なるスペクトラム分布を有する３個のＬＥＤ１１，２１，３１の光出力を合成するものである。

ＬＥＤ１１，２１，３１には、トランジスタで構成されるドライバ１２，２２，３２により駆動電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３が供給されて、これら駆動電流の値により夫々の光出力が制御される。

駆動電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３は、制御装置４０より、Ｄ／Ａ変換器１３，２３，３３を介して印加されるベースへの設定電圧で制御される。ＬＥＤ１１，２１，３１に印加される電圧（端子間電圧）は、Ａ／Ｄ変換器１４，２４，３４で測定されて制御装置４０に取り込まれる。

制御装置４０は、Ｄ／Ａ変換器１３，２３，３３に対してＬＥＤ１１，２１，３１の駆動電流を決める印加電圧を与える電流駆動手段４１及びこの電流駆動手段４１が参照する特性データ保持手段４２を備えている。

特性データ保持手段４２は、ＬＥＤ１１，２１，３１毎に、駆動電流，印加電圧，光出力の相関関係に基づく特性データを予め外部測定手段５０よりオフラインで測定したデータをテーブル化し、装置内の不揮発性メモリやハードディスクに記憶したものである。

外部測定手段５０は、フォトダイオード５１で測定された３個のＬＥＤ１１，２１，３１夫々の光出力による出力電流Ｉを、Ｉ／Ｖ変換回路５２で電圧値Ｖに変換し、Ａ／Ｄ変換器５３を介してオフラインデータとして前記特性データ保持手段４２に渡たす。

特性データの作成手順を、ＬＥＤ１１を代表として説明する。装置の出荷時に、ＬＥＤ１１の駆動電流Ｉ１を、Ｄ／Ａ変換器１３に設定するディジタルデータ（ＬＥＤの駆動電流）を変えながら、そのときのＬＥＤ１１の印加電圧をＡ／Ｄ変換器１４より取得し、更にＬＥＤ１１からの光出力をＡ／Ｄ変換器５３より取得して作成される。

図６は、ＬＥＤ１１を代表として示す、特性データを記憶したテーブルである。駆動電流，印加電圧，光出力の相関関係は、周囲温度により変化するので、使用環境の温度範囲で複数の周囲温度Ｔ１，Ｔ２，…Ｔｎ毎にｎ個のテーブルが形成される。ＬＥＤ２１，３１についても同様のテーブルが作成される。

図７は、周囲温度に対するＬＥＤの印加電圧の特性図である。ＬＥＤの駆動電流の違いにより、３本の特性が描かれている。図８は、駆動電流を10mAとしたときの周囲温度に対するＬＥＤの相対光出力の特性図である。

図９は、図７及び図８の特性から容易に導かれる、駆動電流を10mAとしたときのＬＥＤの印加電圧に対する相対光出力の特性図である。この特性は、実際に周囲温度を変化させながら印加電圧の測定により求めることもできる。

図９の特性図は、駆動電流10mA一定の場合を示しているが、使用する駆動電流の範囲で電流値を変えてＬＥＤの印加電圧に対する相対光出力の関係を求め、使用するＬＥＤの種類毎に図６のようにテーブル化して装置内の不揮発性メモリやハードディスクに保存しておく。

装置の運転時に各ＬＥＤの出力を所定の光出力に設定し、所定のスペクトラム分布を実現し、それを一定に保つ手順を説明する。一例として、ＬＥＤ１１に1mWの光出力を設定したい場合を想定する。

予め求めてある図６のテーブルの相関関係を利用してＬＥＤの駆動電流値を決める。この場合、10.00mAに設定すればよいことになるので、制御装置５０からＤ／Ａ変換器１３にＬＥＤ１１の駆動電流が10.00mAになるようなディジタルデータを設定する。

ここで、図６のテーブルを求めた時点の周囲温度が20℃で、現在のＬＥＤ１１の周囲温度が40℃に上昇していたとする。この時、図８によると光出力は４％の低下がある。ここで、図７によりＬＥＤの印加電圧を見ると3.04Vになる。この電圧は、Ａ／Ｄ変換器１４で測定できる。

予め求めておいた図６のテーブルと比較すると、3.55V-3.40V=0.15Vの低下があることを確認できるので、予め求めておいた図９のＬＥＤの印加電圧と光出力の関係から４％の光出力の低下があることを知ることができる。この分の光出力を補正するためには、図６のテーブルから増加させる駆動電流値を算出し、その電流値でＬＥＤ１１を駆動すればよい。

この補正を、全てのＬＥＤに対して温度変化よりも十分細かい周期（１／３０秒〜数秒）で実施すれば、各ＬＥＤの光出力はいつも一定とみなすことができる。図６のテーブルは、装置に内蔵している構成要素で再測定できるので、装置の定期点検時に再測定し最新データに更新することもできる。
特開２００５−１９５４４４号公報

従来の光源装置では、非常に微弱な光出力から定格電流の光出力まで制御するには、後述する図２の駆動電流対光出力特性図に示すように、駆動電流のダイナミックレンジが５桁必要となる。図２では、発光点の最小電流が0.001mAであり、定格最大電流が20mAと読める。

これを８ビットのＤ／Ａ変換器（＝２５６階調）で電流制御しようとすると、最小電流設定の１ビットを設定しても20mA/256=0.078mA流れてしまう。図２から、0.078mAの光出力を見ると、50mW程度の光出力が得られており、それ以下の光出力制御はできないことが分かる。

Ｄ／Ａ変換器の分解能を上げればこの問題は改善されるが、ＬＥＤは放電灯やハロゲンランプと異なり光出力が少ないことから、１本のＬＥＤで使われることはなく、同時に多数使用されるため、高精度のＤ／Ａ変換器で多数チャンネルの制御をするのは相当大掛かりな装置規模と高コストを招き、用途が限定される。

更に、ＬＥＤには定格電流まで流す回路であるため、それに合わせた定格の能動部品や容量を必要とすることから、定格電流の1/10,000以下といった微小電流でＬＥＤを駆動した場合、回路の容量チャージ時間が数百〜数千μsec必要となり、早い応答を望む装置では低光出力時のＬＥＤの立ち上がり時間が大幅に遅れることになる。

ＬＥＤの動作点（駆動電流と光出力の関係）は、周囲温度の変化やＬＥＤ自身の発熱により簡単に変化してしまう。従って、所定のスペクトラム分布を維持するためには、各ＬＥＤを駆動する電流は頻繁に設定し直す必要がある。

光出力制御の基本は、ＬＥＤの光出力を事前にフォトダイオードで検出し、駆動電流を制御することで所望の光出力を得ることを前提にしている。つまり、周囲温度の変化と、ＬＥＤ自身の発熱の再現性がある程度得られる、若しくは制御することで、ある駆動電流ではいつも所定の光出力が再現性良く得られるという、“駆動電流＝光出力”の関係が前提である。

ところが、定格電流の1/10,000以下程度の駆動電流で点灯するとＬＥＤの自己発熱で光出力が安定せず、前記の“駆動電流＝光出力”の関係が成り立たない。周囲温度、駆動電流をきっちり制御しても点灯毎に光出力が数％〜１０％のばらつきが発生し、ある時点で光出力モニターをして駆動電流を決定しても大きな誤差となってしまい、色ずれや光出力の過不足となってしまう。

この問題は従来装置の構成では避けようがなく、“駆動電流≠光出力”の領域を避けて使用するしかない。光るか光らないかの微弱な光出力を扱うには、減光フィルターを常時入れて光出力を全体的に抑えて使うか、微弱光出力を得ようとするときのみ減光フィルターを出し入れして光出力を抑えなければならない。

これでは、ＬＥＤの長所である駆動電流を変えれば容易にダイナミックな調光ができ、小型で機構を持たないアプリケーションの提供に大きな支障となる。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、半導体発光素子の光出力を制御する駆動電流のダイナミックレンジを圧縮してドライブ回路を簡素化すると共に、半導体発光素子の自己発熱に起因する光出力変動を補償した光源装置の実現を目的としている。

このような課題を達成するために、本発明は次の通りの構成になっている。
（１）半導体発光素子の駆動電流及び光出力の相関関係に基づく特性データを保持する特性データ保持手段を有し、前記特性データに基づいて前記半導体発光素子の駆動電流を制御する光源装置において、
前記半導体発光素子と並列接続され、前記半導体発光素子に流れる駆動電流を分流する分流手段を備えることを特徴とする光源装置。

（２）前記半導体発光素子の自己発熱と前記分流手段の自己発熱とを所定の関係に維持する熱管理手段を備えることを特徴とする（１）に記載の光源装置。

（３）前記分流手段は、抵抗であることを特徴とする（１）または（２）に記載の光源装置。

（４）前記分流手段は、定電流ダイオードまたはサーミスタであることを特徴とする（１）または（２）に記載の光源装置。

（５）前記分流手段は、抵抗並びに定電流ダイオードまたはサーミスタの組み合わせ回路であることを特徴とする（１）または（２）に記載の光源装置。

（６）前記熱管理手段は、前記半導体発光素子の自己発熱を前記分流回路手段に伝熱する熱結合手段であることを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載の光源装置。

（７）前記熱管理手段は、互いに熱絶縁された前記半導体発光素子と前記分流回路手段とを独立に温度制御することを特徴とする（２）乃至（４）のいずれかに記載の光源装置。

（８）前記半導体発光素子はＬＥＤであることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の光源装置。

（９）前記半導体発光素子はレーザダイオードであることを特徴とする（１）乃至（７）のいずれかに記載の光源装置。

一般に、微小電流を高精度にＬＥＤに送るためのドライブ回路はダイナミック性が要求されるが、本発明による分流手段の付加により、ダイナミックレンジを圧縮してドライブ回路路の簡素化が図れる。

従来構成では、図２に示すように、0.001mA〜20mAの発光範囲で電流制御する場合、８ビットのＤ／Ａ変換器（＝２５６階調）で電流制御すると、最小電流設定の１ビットを設定しても20mA/256=0.078mA流れてしまい、0.078mAの光出力は50mW程度となり、それ以下の光出力制御はできない。

一方、分流手段を付加した本発明構成では、図３に示すように、同じ８ビットのＤ／Ａ変換器（＝２５６階調）で電流制御する場合を考え、0.078mAの光出力を見ると、１ビットでは発光せず、２ビットで光出力2mWを得ることができる。

本発明によれば、同じＤ／Ａ変換器の性能でも、駆動電流を従来構成に比較してダイナミックに振ることができ、その時の光出力もダイナミック性を有することが可能となる。

図２に示すように、従来構成では５桁のダイナミックレンジを求められるが、８ビットの限られた階調数で制御すると、低照度の制御を微細に実行できない。分流手段を付加した本発明構成では、図３に示すように、同一の発光範囲で３桁のレンジをもてば足り、８ビットの限られた階調数でも充分な分解能で制御することが可能となる。

また、設定分解能もドライバで設定した電流を乗じた電流で制御できることから、ＬＥＤ駆動電流は分流比倍精度を上げられることになる。

更に、ＬＥＤには定格電流まで流す回路であるため、それに合わせた定格の能動部品や容量を必要とすることから、従来構成では、定格電流の1/10,000以下といった微小電流でＬＥＤを駆動した場合、回路の容量チャージ時間が数百〜数千μsec必要となり、早い応答を望む装置では低光出力時のＬＥＤの立ち上がり時間が大幅に遅れる問題があるが、本発明により付加された分流手段によりドライブ電流を100倍程度大きくできることから数倍の高速化を図ることができる。

従来構成では、定格電流の1/10,000以下程度の駆動電流で点灯するとＬＥＤの自己発熱で光出力が安定せず、“駆動電流＝光出力”の関係が成り立たない問題があるが、本発明で導入されたＬＥＤの自己発熱と分流手段の自己発熱とを所定の関係に維持する熱管理手段により、微小光出力時においても“駆動電流＝光出力”の関係を維持して安定な光出力制御を実現することができる。

以下、本発明を図面により詳細に説明する。図１は、本発明を適用した光源装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。図５で説明した従来装置と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。

従来装置の構成に付加された本発明の特徴部の第１は、ＬＥＤ１１，２１，３１に並列接続された抵抗１０１，１０２，１０３を備える点にある。これら抵抗は、夫々ＬＥＤ１１，２１，３１の駆動電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の分流手段を形成する。

本発明の特徴部の第２は、ＬＥＤ１１，２１，３１の自己発熱と、夫々の分流手段１０１，１０２，１０３の自己発熱とを、所定の関係に維持する熱管理手段２０１，２０２，２０３を備える点にある。

まず、分流手段の作用につき説明する。図２は、代表的なＬＥＤ（定格最大電流20mA）の駆動電流対光出力特性図である。左下に変極点が見られるが、この近傍がＬＥＤが発光するかしないかの微弱な発光が始まる点であり、この領域が“駆動電流≠光出力”の範囲である。

図３は、本発明の分流手段（抵抗）を並列接続したＬＥＤの駆動電流対光出力特性図である。図３は、図２と同一スケールで描画されており、両者間の特性変化は、分流手段を付加したことに起因すると見ることができる。

両者を対比すれば、図２では0.001mA〜20mAの発光範囲で電流制御する場合、５桁のダイナミックレンジを求められるが、８ビットの限られた階調数で制御するために低照度の制御を微細に実行できない。

一方、分流手段を付加した本発明構成では、図３に示すように、同一の発光範囲の制御では、３桁のレンジをもてば足り、８ビットの限られた階調数でも充分な分解能で制御することが可能となる。

ＬＥＤの抵抗値は、発光直前では2〜3MΩでほとんど電流が流れないが、駆動電圧が上がって電子と正孔の再結合が加速し抵抗値が下がり光出力が増加していくと、抵抗値は電圧にほぼ比例して徐々に下がり、定格電流付近では数Ωまで下がる。

ここで分流手段の抵抗は、概ね発光直前のＬＥＤの抵抗値（2MΩ）の1/100程度の抵抗値（20KΩ）のものを選定する。ＬＥＤの特性、制御回路の特性等により、必ずしも1/100が最適でない場合もあり、1/10〜1/1000の範囲であっても構わない。

1/100の抵抗を選定した場合、発光直前では駆動電流はほとんどＬＥＤに流れず、抵抗に略100倍流れる。発光が始まりＬＥＤの抵抗値が下がると徐々に分流比率がＬＥＤ側に移り、ＬＥＤの定格電流の1/100程度まで電流が流れるとほぼ抵抗には分流しなくなり、抵抗の影響はなくなり、ＬＥＤ単体での発光状態に移行する。

図３の特性では、駆動電流が0.2mA以降の右側では、図２の特性とほぼ同一であり、抵抗の影響を受けていないことが分かる。即ち、本発明の分流手段はもっぱら駆動電流が0.2mA以下の微小電流領域でのＬＥＤ特性の改善に寄与し、制御のダイナミックレンジの圧縮効果をもたらしていることが分かる。

次に、熱管理手段の作用に付き説明する。従来技術の問題点で述べた“駆動電流＝光出力”の関係が成り立たない領域では使えないという問題に対しても、ＬＥＤと分流手段との熱関係を管理することで安定な制御を実現することが可能である。

分流手段として1/100程度の抵抗値のものを選定するとしたが、これに合わせて抵抗の抵抗温度係数（ppm/℃）についても以下のように選考する。

ドライバからの駆動電流をＩ_０、ＬＥＤ側に流れる電流をＩ_L、ＬＥＤの抵抗値をＲ_L、分流手段の抵抗値をＲとすると、ＬＥＤに流れる電流Ｉ_Lは、
Ｉ_L＝｛Ｒ／（Ｒ_L＋Ｒ）｝・Ｉ_０＝｛（Ｒ／Ｒ_L）／（１＋（Ｒ／Ｒ_L））｝・Ｉ_０
＝（Ｒ／Ｒ_L）・（１＋（Ｒ／Ｒ_L））^-1・Ｉ_０ （１）

ここで、発光直後の抵抗値はＬＥＤのほうが100倍大きいことから、Ｒ＜＜Ｒ_Lとすれば、
Ｉ_L＝（Ｒ／Ｒ_L）・（１−（Ｒ／Ｒ_L））・Ｉ_０
＝（Ｒ／Ｒ_L）・Ｉ_０ （２）

温度変化によるＩ_Lの変化をΔＩ_Lとすれば、
ΔＩ_L＝（ΔＲ／ΔＩ_L）・Ｉ_０ （３）

光出力Ｌは、駆動電流Ｉ_Lに比例する。また、Ｉ_Lは（２）式のようにＲに比例することから、温度変化による光出力変化をΔＬとすれば、
ΔＬ∝ΔＩ_L∝ΔＲ （４）
となる。

温度変化ΔＴによりΔＩ_Lが減少し、光出力ΔＬが減光しても光出力を一定に保つには、
（ΔＬ／ΔＴ）＝（ΔＲ／ΔＴ） （５）
の関係が維持されるように、光出力変化分と等価になる抵抗温度係数（ppm/℃）を持つ抵抗を選考すればよいことが分かる。

即ち、ＬＥＤの自己発熱による光出力の変動と、分流手段の自己発熱による光出力の変動とを略一致させることで、“駆動電流＝光出力”の関係が常に成り立つようのＬＥＤの光出力を制御することが可能となる。

このようにして選考した抵抗を、ＬＥＤの近傍または適当に離した位置に実装し、ＬＥＤの自己発熱を抵抗に伝熱することでＬＥＤと抵抗が熱結合され、上式のように光出力を一定に保つような関係ができる。

光出力が変わるとＬＥＤと抵抗に流れていた電流の分流比が変わり、抵抗側に流れていた電流が光出力減少分だけＬＥＤ側に移ることで光出力が一定に保たれるわけである。

ＬＥＤを多数高密度で実装した装置では、ＬＥＤを冷却しないと半導体の接合部の温度上昇が許容値を越え、極端に短寿命になったり破損に至る。このように冷却を要する環境においても、上記熱結合関係を崩さないように実装し、全体を冷却すれば微弱な照度から定格電流を超えた電流までの範囲で安定した光出力の制御が可能となる。

更に、熱管理の別の手法としては、ＬＥＤと抵抗を夫々熱絶縁し、一方または両方を独立して温度制御する手法も考えられる。

実施形態では、分流手段に用いる素子として抵抗をあげて説明したが、前記熱結合の関係を得ることが重要であり、必ずしも抵抗でなくてもよい。抵抗以外では、定電流ダイオードやサーミスタ等の抵抗温度係数が近似するものは使用可能である。

図４は、ＬＥＤに対する並列抵抗の接続形態を示す回路図である。図４（Ａ）は、図１で採用されている基本接続を示す。図４（Ｂ）乃至図４（Ｄ）は、接続のバリエーション例を示す。

図４（Ｂ）のように、直列接続された複数のＬＥＤに対して全体にかかるように抵抗を並列接続してもよい。図４（Ｄ）のように一部のＬＥＤにかかるように接続してもよい。図４（Ｃ）のように複数の抵抗を接続する形態でもよい。これら接続例以外でも発明の効果を逸脱しない範囲での変形も含まれる。

以上説明した実施形態では、半導体発光素子としてＬＥＤを用いた場合を説明したが、ＬＥＤのみならずレーザダイオードであってもよい。

本発明を適用した光源装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 代表的なＬＥＤの駆動電流対光出力特性図である。 本発明の分流手段を並列接続したＬＥＤの駆動電流対光出力特性図である。 ＬＥＤに対する並列抵抗の接続形態を示す回路図である。 特許文献１に開示されている従来の光源装置の構成を示す機能ブロック図である。 ＬＥＤ１１を代表として示す、特性データを記憶したテーブルである。 周囲温度に対するＬＥＤの印加電圧の特性図である。 周囲温度に対するＬＥＤの相対光出力の特性図である。 ＬＥＤの印加電圧に対する相対光出力の特性図である。

符号の説明

１１，２１，３１ ＬＥＤ
１３，２３，３３ Ｄ／Ａ変換器
１４，２４，３４ Ａ／Ｄ変換器
４０ 制御装置
４１ 電流駆動手段
４２ 特性データ保持手段
５０ 外部測定手段
５１ フォトダイオード
５２ Ｉ／Ｖ変換回路
５３ Ａ／Ｄ変換器
１０１，１０２，１０３ 分流手段
２０１，２０２，２０３ 熱管理手段

Claims (9)

1. 半導体発光素子の駆動電流及び光出力の相関関係に基づく特性データを保持する特性データ保持手段を有し、前記特性データに基づいて前記半導体発光素子の駆動電流を制御する光源装置において、
   前記半導体発光素子と並列接続され、前記半導体発光素子に流れる駆動電流を分流する分流手段を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記半導体発光素子の自己発熱と前記分流手段の自己発熱とを所定の関係に維持する熱管理手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記分流手段は、抵抗であることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記分流手段は、定電流ダイオードまたはサーミスタであることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
5. 前記分流手段は、抵抗並びに定電流ダイオードまたはサーミスタの組み合わせ回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
6. 前記熱管理手段は、前記半導体発光素子の自己発熱を前記分流回路手段に伝熱する熱結合手段であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の光源装置。
7. 前記熱管理手段は、互いに熱絶縁された前記半導体発光素子と前記分流回路手段とを独立に温度制御することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の光源装置。
8. 前記半導体発光素子はＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光源装置。
9. 前記半導体発光素子はレーザダイオードであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の光源装置。

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