JP2011519178A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、感光素子１０１と、該感光素子の前方に配置された波長変換器１０３と、を有する光検出器であって、該波長変換器は、第１の波長の光を第２の波長の光へと変換し、該第２の波長の光を該感光素子へと導くように構成された、光検出器に関する。利点は、可視スペクトル全体に亘る安定した測定が提供される点である。
Description
本発明は、光検出器に関する。
光感知素子として例えばフォトダイオード又はフォトレジスタを有する既知の光検出器は通常、それぞれの波長依存の光応答により決定される波長特有の特性を持つ。特に、光検出器は、発光素子により発せられた光を感知するための発光ダイオード構成の光束フィードバック経路に実装され得る。
光束フィードバック制御は、将来の広範な色制御された多光発光ダイオード（ＬＥＤ）製品において実装されることが予期される。発せられる光を制御するために、例えば広い周波数及び／又は温度範囲に亘って安定した特性を持つ光検出器が必要とされる。光束フィードバック信号は、ＬＥＤの温度及び劣化による光束減少を監視するために利用され得る。斯くして、温度及び劣化に対して安定した光応答を持つ光検出器を得ることが必須である。しかしながら、スペクトル測定は、殆どのシリコンの光検出器が、青色及び赤外領域において温度依存性の高い光応答を持ち、許容可能な温度安定性は緑色及び赤色領域において得られることを示している。
図７は、基準温度（ここでは２５℃）におけるフォトダイオードのスペクトル応答により正規化された、シリコンのフォトダイオードの温度依存のスペクトル光応答を示す。図７において、参照番号７０１は２５℃における温度依存を示し、参照番号７０３は４０℃における温度依存を示し、参照番号７０５は６０℃における温度依存を示し、参照番号７０７は８５℃における温度依存を示し、参照番号７０９は１００℃における温度依存を示し、参照番号７１１は１２０℃における温度依存を示す。
図７に示されるように、温度により引き起こされる感度変化は、ロイヤルブルーのＬＥＤ発光器の典型的な発光波長に凡そ対応する４５０ｎｍにおいて最大の減少を示し、該波長はしばしばロイヤルブルーＬＥＤ又はポンプＬＥＤとしてロイヤルブルーＬＥＤに依存する蛍光体変換白色ＬＥＤを用いる多ＬＥＤシステムにおいて利用される。国際特許出願公開WO2007/007238は、ＬＥＤにおいて光を変換するための斯かる概念を開示している。
光束フィードバックによって色制御される多原色システムにおいては、室温における較正ステップが、色ストリングの出力光束を、較正の間に同時に測定される光応答に関連付ける。センサの光応答が温度依存である場合、動作中のランプにおいて予想される対象温度（例えば８０℃）においては、較正関係はもはや維持されない。図７の例においては、緑色／赤色光についての感度に対する青色光についての感度の比は、温度と共に変化している。従って、光束フィードバックシステムは、高温においては、緑色及び赤色信号に比べると青色信号をあまりにも供給されず、温度に伴う該システムの色点ドリフトをもたらす。これらの誤りを補正することは、センサの温度を測定すること、及び特有の温度依存の感度特性についての情報を用いることを必要とする。
図６は、図７において考察された光検出器、即ちシリコンの光ダイオードによる光検出器について、絶対スペクトル感度を温度の関数として示す。図６に示されるように、センサの感度は一般的に、緑色及び赤色領域におけるよりも、青色領域において低い。このことは、図５に示されるように、センサが有限の解像度を持つＡＤ変換器及びトランスインピーダンス増幅器に接続されるような実際のシステムに重要である。
図５は、フォトダイオード５０１、フィードバック抵抗５０３、オペアンプ５０５及びＡＤ変換器５０７を持つ、典型的なセンサ−トランスインピーダンス−ＡＤ変換器の信号連鎖を示す。
ＡＤ変換器５０７は、特定の電圧入力範囲について所与のビット解像度を持つ線形信号を出力し、フィードバック抵抗は、結果の最大信号が特定の範囲に合致し、該信号のとり得る最良の解像度を得るように選択される。青色領域においてかなり低いセンサの感度のため、最大信号は赤色ストリングがオンである場合に該信号について得られ、フィードバック抵抗は、適切な入力信号をＡＤ変換器に出力するように選択される。青色ストリングがオンである場合に該信号はかなり低くなるため、青色信号についての解像度は低くなり、このことは光束フィードバックシステムにおける色制御の不正確さに導き得る。切り換え可能なフィードバック抵抗を導入し、その一方で種々の色チャネルを感知して、ＡＤ変換器への入力信号を各色ストリングについて適切な値に適合させることも可能であるが、このことはシステムにかなりの複雑さ及びコストをもたらしてしまう。更なる問題は、特定のフォトダイオードの挙動を予測することが困難である点である。上述した切り換えは、動作温度においてフォトダイオードがどのように挙動するかについての正確な知識を必要とする。該挙動が既知であれば、フォトダイオードは容易に較正され得る。
それ故、可視スペクトル領域においてより均一な感度を持つセンサは、より信頼性が高く且つ単純な、全ての色ストリングの光束感知に寄与し得る。
本発明の目的は、既知の光検出器の効率を改善することにある。
本目的は、独立請求項の特徴により達成される。有利な実施例は、従属請求項に規定される。
本発明は、例えばフォトダイオード又はフォトレジスタの光検出器の効率は、波長変換器を光検出器の前方に配置して、第１の波長の光を、光検出器が改善された特性の光応答を持つ第２の波長の光へと変換する場合に向上され得るという知見に基づくものである。
本発明は、感光素子と、前記感光素子の前方に配置された波長変換器と、を有する光検出器であって、前記波長変換器は、第１の波長の光を第２の波長の光へと変換し、前記第２の波長の光を前記感光素子へと導くように構成された、光検出器に関する。例えば、前記第１の波長は前記第２の波長よりも短くても良い。更に、前記第１の波長は第１の周波数帯域内に配置され、前記第２の波長は第２の周波数帯域内に配置され、前記第１及び第２の周波数帯域は、互いに対してシフトされたものであっても良い。
一実施例によれば、前記第２の波長は、前記感光素子の光応答が別の特性を持つ波長により決定され、前記別の特性とは特に、前記第１の波長における前記感光素子の光応答よりも改善された温度特性、又は増大された前記光応答の値である。
一実施例によれば、前記感光素子は、特にフォトレジスタ若しくはフォトダイオードのような光センサ、又は、特にシリコン層、硫化カドミウム層、ゲルマニウム層、インジウムガリウム砒素層若しくは硫化鉛層のような感光層である。
一実施例によれば、前記波長変換器は、ポンピングされた波長が正確に決定され得るという利点に関連した、特に無機蛍光体、量子ドット又はナノ結晶のような、波長変換物質を有する。
一実施例によれば、前記第１の波長は青色光に関連し、前記第２の波長は赤色光、緑色光又はアンバー光に関連する。
本発明は更に、光センサのための装着可能な波長変換器に関する。該装着可能な波長変換器は、前記光センサに装着するための装着可能な素子を有し、前記装着可能な素子は第１の波長の光を第２の波長に変換するための波長変換器を有する。
一実施例によれば、前記波長変換器は、特に無機蛍光体のような波長変換物質を有する。
一実施例によれば、前記第１の波長は青色光に関連し、前記第２の波長は赤色光、緑色光又はアンバー光に関連する。
本発明は更に、特にフォトダイオード又はフォトレジスタのような感光素子と、装着可能な波長変換器とを有する、光検出器に関する。
本発明は更に、発光ダイオード構成、特にＬＥＤランプであって、光を発するための少なくとも１つの発光ダイオードと、前記発光ダイオード構成の光束フィードバック経路に配置された光検出器とを有する、発光ダイオード構成に関する。
本発明は更に、光検出器を有する多色発光装置であって、前記感光素子は、前記波長変換器から入射する前記第２の波長を持つ第１の光成分と、前記波長変換器を通過せずに前記感光素子に直接に入射する前記第２の波長を持つ第２の光成分とを感知する多色発光装置に関する。更なる態様によれば、該多色発光装置は、光検出器を複数有し、各前記光検出器が異なる波長に関連する波長変換器を持っても良い。
本発明の更なる実施例は、図面を参照しながら説明される。
図１は、感光素子１０３の前方に配置された波長変換器１０１を持つ光検出器を示す。波長変換器１０１は、蛍光体物質又は他のいずれかの波長変換物質を有しても良い。感光素子１０３は、フォトダイオード又はフォトレジスタの感光層であっても良い。一実施例によれば、感光素子１０３は、フォトダイオード又はフォトレジスタであっても良い。
波長変換器１０１は例えば、青色光を、該青色光が感光素子１０３の感知領域に到達する前に、又は、該青色光が感光素子１０３に到達する前に、より長い波長に変換する。例えば、該波長変換器は、温度安定性の、光変換のための光変換蛍光体物質を有しても良い。好適には、該光は、感光素子１０３の光応答がより安定しており、青色領域における光応答よりも高い値を持つ波長領域へと変換される。
一実施例によれば、例えば青色領域から、例えば緑色及び／又はアンバー領域における、より高い波長へと光を変換するために、種々の蛍光体物質が利用され得る。
好適には、発せられる光を不変に保つことが可能であり、光検出器において、受光された光が光検出器が異なる特性を持つような別の波長へと変換されるような波長変換器１０１が、センサをカバーするように利用される。例えば、光変換物質は、青色光を吸収し、より長い波長における光検出器即ち光センサのアクティブ領域へと少なくとも部分的に変換された光を再び発しても良い。斯くして、光検出器の波長依存性は平坦化される。
更に、波長変換器１０１は、例として、１００℃よりも低い温度で非常に温度安定性の高い蛍光体物質を有しても良い。このことは、改善されたセンサの温度安定性に帰着する。
一実施例によれば、波長変換器１０１は、例えば一般的な光検出器の前方に装着され得る別個の素子として形成されても良い。例えば、斯かる波長変換器は、結晶物質の密度に比べて９５％よりも大きな密度を持つセラミックの蛍光体板（例えば、フォトダイオードの上部に配置されたLumiramic（登録商標）板を形成するように波長変換器が構成されても良いことを示す図２に示されるような、青色光をアンバー領域に変換するようなLumiramic板）を有しても良い。
図３は、例えば青色光源の上部に配置された例えば１５０μｍの厚さのアンバーのLumiramic板のような蛍光体板を有する波長変換器からの発光スペクトルを示す。図３における矢印により示されるように、青色光がアンバーに変換される。
図４及び４Ｂは、蛍光体−フォトダイオード系の測定された結果のスペクトル感光性を示す。図４Ａは、フォトダイオード上に配置されたアンバーのLumiramic波長変換器を有するシステムの温度依存のスペクトル感光性を示し、温度はケルビンで示されている。図４Ｂは、フォトダイオード及び該フォトダイオード上に配置された波長変換器として動作するアンバーのLumiramic板を有する結果の光検出器構成の変化を、異なる温度で示す。曲線４０１は２５℃における変化を示し、曲線４０３は４０℃における変化を示し、曲線４０５は６０℃における変化を示し、曲線４０７は８０℃における変化を示し、曲線４０９は１００℃における変化を示し、曲線４１１は１２０℃における変化を示す。
図４Ａ及び４Ｂに示される結果を図６及び７に示される曲線と比較すると、フォトダイオードの性能の著しい改善が示されている。特に、赤色に対する青色の感度比がＰＳ（４５０ｎｍ）／ＰＳ（６３０ｎｍ）＝０．５３となり、蛍光体の波長変換器を用いない場合のＰＳ（４５０ｎｍ）／ＰＳ（６３０ｎｍ）＝０．１７と比較した場合に、４５０ｎｍにおける青色領域における感度が改善されている。
更に、温度依存の感度低下が可視スペクトル領域に亘って略均一であり、２５℃から８０℃まで加熱された場合、最大で３％の低下である。例えば蛍光体物質を有するいずれの波長変換素子をも用いずに、同一の光検出器及び同一の温度変化に対して、スペクトル感度は４５０ｎｍにおいて８％だけ低下する。
これらの測定は、本発明のフォトダイオード装置が、広い温度範囲に亘って安定であることを示し、このことは光検出器を例えばLumiramicのような青色変換蛍光体物質でカバーすることにより達成される。斯くして、青色の入射光は、シリコンのセンサの感度がより高く、温度依存性がより低い、より長い波長へと変換される。このことは、全ての温度又は波長について、平坦なスペクトル光応答に帰着する。
青色領域における光検出器の改善された効率は、当該領域におけるＬＥＤにより発せられる光の量の測定の向上された精度をもたらす。斯くして、少量の光でさえも、測定により効率的に捕捉され得る。従って、本発明の手法は、種々の波長に関連した、例えば赤色、緑色又は青色（ＲＧＢ）のような種々のスペクトルに関連した、種々のＬＥＤのアレイを有する多色ＬＥＤの色を制御するためにも利用され得る。斯かる目的のためには、特定の光（例えば赤色）に関連した光検出器が、別の光（例えば緑色又は青色）を当該特定の光に変換する波長変換器と共に用いられても良い。更に、対応して適合された波長変換器を備えた複数の光検出器が利用されても良い。
Claims (10)
- 感光素子と、
前記感光素子の前方に配置された、特に前記感光素子に直接に装着された、波長変換器と、
を有する光検出器であって、前記波長変換器は、第１の波長の光を第２の波長の光へと変換し、前記第２の波長の光を前記感光素子へと導くように構成された、光検出器。 - 前記第２の波長は、前記感光素子の光応答が別の特性を持つ波長により決定され、前記別の特性とは特に、前記第１の波長における前記感光素子の光応答よりも改善された温度特性、又は増大された前記光応答の値である、請求項１に記載の光検出器。
- 前記感光素子は、特にフォトレジスタ若しくはフォトダイオードのような光センサ、又は、特にシリコン層、硫化カドミウム層、ゲルマニウム層、インジウムガリウム砒素層若しくは硫化鉛層のような感光層である、請求項１又は２に記載の光検出器。
- 前記波長変換器は、特に無機蛍光体、量子ドット又はナノ結晶のような、波長変換物質を有する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光検出器。
- 前記第１の波長は青色光に関連し、前記第２の波長は赤色光、緑色光又はアンバー光に関連する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光検出器。
- 光センサに装着するための装着可能な波長変換器であって、前記光センサに装着するための装着可能な素子を有し、前記装着可能な素子は波長変換器を有し、前記波長変換器は特に、第１の波長の光を第２の波長に変換するための、無機蛍光体、量子ドット又はナノ結晶を有する、装着可能な波長変換器。
- 前記第１の波長は青色光に関連し、前記第２の波長は赤色光、緑色光又はアンバー光に関連する、請求項６に記載の装着可能な波長変換器。
- 特にフォトダイオード又はフォトレジスタのような感光素子と、請求項６又は７に記載の装着可能な波長変換器とを有する、光検出器。
- 発光ダイオード構成であって、光を発するための少なくとも１つの発光ダイオードと、前記発光ダイオード構成の光束フィードバック経路に配置された請求項１乃至５及び８のいずれか一項に記載の光検出器とを有する、発光ダイオード構成。
- 請求項１乃至５及び８のいずれか一項に記載の光検出器を有する多色発光装置であって、前記感光素子は、前記波長変換器から入射する前記第２の波長を持つ第１の光成分と、前記波長変換器を通過せずに前記感光素子に直接に入射する前記第２の波長を持つ第２の光成分とを感知し、又は前記多色発光装置は、請求項１乃至５及び８のいずれか一項に記載の光検出器を複数有し、各前記光検出器が異なる波長に関連する波長変換器を持つ、多色発光装置。
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