WO2009024134A1 - Verfahren und vorrichtung zur exakten und geregelten schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten strahlung einer leuchtdiode - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur exakten und geregelten schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten strahlung einer leuchtdiode Download PDF

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    • H05B45/20—Controlling the colour of the light
    • H05B45/28—Controlling the colour of the light using temperature feedback

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus according to the preamble of claim 3 for the exact and regulated strictlyschwfitenjustage the emitted radiation of a light emitting diode.
  • the use of light-emitting diodes as a radiation source in precision measuring instruments such. B. in polarimeters, spectrometers or refractometers more and more.
  • the centroid wavelength of the emitted LED radiation must be adjusted very accurately, since in general the used physical measuring effect has a large wavelength dependence.
  • the wavelength dependence of the measuring effect in a polarimetric measurement is about 0.4% per nanometer.
  • the type-dependent region of the centroid wavelength of the emitted radiation which is predetermined by the LED and which diffuses by way of example depends very much on the ambient temperature and on the LED chip temperature.
  • Chip temperature depends on both the current and the ambient temperature, and thus on the site. Displacement up to a few nanometers is possible, which makes, for example, a precise polarimetric measurement impossible without further measures. Chip temperature increase and decrease leads to a shift of the centroid wavelength to larger or smaller wavelengths of the emitted radiation.
  • optical interference filters are described in the prior art, which are arranged behind the radiation source. If the emitted radiation spectrum of the radiation source is very wide, relative to the transmission range of the optical filter, the center-of-mass wavelength is essentially determined by the filter. However, if the transmission range of the filter and the spectral width of the emitted radiation are of the same order of magnitude, the result of the multiplication of the filter characteristic by the radiation spectrum is a resulting measuring radiation. In both cases, however, the centroid wavelength is not stable in the long term, since the interference filter is subject to natural aging processes and thus there is a temporal change in the transmission range.
  • This change in permeability must be regularly compensated by a complex change in the position of the filter.
  • that the radiation spectrum of the source and the transmission range of the optical filter are approximately of the same order of magnitude, in addition to the slow change in the filter characteristics, it may also be necessary in the short term to shift the center-of-mass shift. Length of the resulting measuring radiation, if it comes to a change in the chip temperature. Especially in this case, even a previously performed complex readjustment of the optical filter by changing the position can not achieve a balance.
  • Another object is to provide a method and a device that can compensate for the aging-related change of an optical filter without costly change in position.
  • the problems outlined are solved by a method in which the LED chip temperature is tapped directly from a temperature detection unit and at the same time the LED chip is connected to a temperature control unit.
  • the output quantity coming from the temperature detection unit serves as the input variable of a control unit.
  • the output of the control unit is connected to the temperature control unit.
  • the age-related change of the filter unit can be readjusted without complex changes in position by simply changing the LED chip temperature by means of the control unit.
  • the center wavelength of the emitted radiation have a certain value, the radiation must be removed by a suitable method, eg. B. spectrometry detected and adjusted by means of the control unit to the desired value.
  • the method may also be part of a device, for. As polarimeter or refractometer, which determines the value of the center wavelength of the emitted radiation indirectly together with a gold standard.
  • the illustrated method thus fulfills all the above-mentioned requirements, in particular a regulated and simple adjustment of the center-of-mass wavelength of the emitted radiation is possible.
  • Fig. 1 is a diagram of the method according to the invention for the exact and regulated Schwerscellentswelleninjustage the emitted radiation of a light emitting diode;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device for exact and regulated center-of-gravity adjustment of the emitted radiation of a light-emitting diode according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 3 is a representation corresponding to Figure 2 of a device, but according to a preferred second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the procedure for exact and regulated center-of-mass wavelength adjustment of the emitted radiation of a light-emitting diode.
  • the LED chip (1) is placed as close as possible to a temperature detection unit (2) and to a temperature control unit (3) in order to ensure the least possible delay-free and low-interference heat transfer.
  • the output quantity delivered by the temperature detection unit (2) is passed directly to a control unit (4), which adjusts and adjusts the temperature of the LED chip (1) to a fixed value via the temperature control unit (3).
  • the value of the center wavelength of the emitted radiation of the light emitting diode by means of the control unit (4) can be increased or decreased and adjusted exactly by changing the LED chip temperature, as well as easily changed at any time.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device that can be used for the exact and regulated center-of-gravity adjustment of the emitted radiation of a light-emitting diode.
  • the device has a temperature detection unit (2) (eg a Pt temperature sensor, a PTC, an NTC, a semiconductor temperature sensor, etc.), which is applied directly to the rear side of an LED by means of a heat-conducting layer (5) Contact to the LED chip 1 is.
  • a temperature detection unit (2) eg a Pt temperature sensor, a PTC, an NTC, a semiconductor temperature sensor, etc.
  • Both the rear side of the LED and the temperature detection unit (2) are likewise connected by means of the heat-conducting layer (5) to the temperature control unit (3), which consists of a unidirectional temperature control element (3.1) (eg a heating foil, a heating resistor etc.). consists.
  • the output quantity supplied by the temperature detection unit (2) is applied directly to the input of a control unit (4) (eg a 2-point controller, a PID controller or a ⁇ controller, etc.).
  • the output of the controller (4) then adjusts the temperature control unit (3) to the specified temperature and thus adjusts the center of gravity wavelength.
  • the value of the LED chip temperature can only be increased by heating and thus the value of the center wavelength of the emitted radiation can only be increased.
  • the temperature control unit (3) consists of a bidirectional temperature control element (3.2) (eg a Peltier element etc.), a heat-conducting layer (3.3) and a heat exchanger (3.4 ) (eg, a heat sink, a solid, etc.), allowing for both faster heat exchange with the environment and LED chip temperature increase and decrease.
  • a bidirectional temperature control element 3.2
  • a heat-conducting layer 3.3
  • a heat exchanger 3.4
  • the device described can be used in polarimeters, refractometers and spectrometers.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode ist ein LED-Chip (1) möglichst nah an einer Temperaturerfassungseinheit (2) und an einer Temperiereinheit (3) platziert, und die von der Temperaturerfassungseinheit (2) gelieferte Ausgangsgröße wird an eine Regeleinheit (4) weitergegeben, und die Ausgangsgröße der Regeleinheit (4) wird an eine Temperiereinheit (3) weitergegeben, und die Temperatur des LED-Chips (1) wird über die Temperiereinheit (3) auf einen durch die Regeleinheit (4) vorgegebenen Wert exakt justiert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 für die exakte und geregelte Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode.
Aufgrund der langen Lebensdauer und der kostengünstigen Herstellung von Halbleitern verbreitet sich der Einsatz von Leuchtdioden (LED) als Strahlungsquelle in Präzisionsmessgeräten wie z. B. in Polarimetern, Spektrometern oder Refraktometern immer weiter. Dabei muss die Schwerpunktswellenlänge der emittierten LED-Strahlung jedoch sehr genau justiert werden, da im Allgemeinen der genutzte physikalische Messeffekt eine große Wellenlängenabhängigkeit besitzt. So beträgt beispielsweise im Fall einer so genannten Normallösung (Saccharoselösung) die Wellenlängenabhängigkeit des Messeffekts bei einer polarimetrischen Messung etwa 0,4 % pro Nanometer. Der von der LED vorgegebene und exemplarisch streuende typabhängige Bereich der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung hängt jedoch sehr stark von der Umgebungstemperatur und von der LED- Chiptemperatur ab. Die Chiptemperatur hängt sowohl vom Strom als auch von der Umgebungstemperatur, und damit vom Einsatzort, ab. Verschiebung bis zu einigen Nanometem sind dabei möglich, was beispielsweise eine präzise polarimetrische Messung ohne weitere Maßnahmen unmöglich macht. Eine Chiptemperaturzunahme und -abnähme führt zu einer Verschiebung der Schwerpunktswellenlänge zu größeren bzw. zu kleineren Wellenlängen der emittierten Strahlung.
Um die Schwerpunktswellenlängenverschiebung der Messstrahlung möglichst zu minimieren werden im Stand der Technik optische Interferenzfilter beschrieben, die hinter der Strahlungsquelle angeordnet sind. Ist das emittierte Strahlungsspektrum der Strahlungsquelle dabei sehr breit, bezogen auf den Durchlässigkeitsbereich des optischen Filters, wird die Schwerpunktswellenlänge im Wesentlichen durch das Filter festgelegt. Befinden sich jedoch der Durchlässigkeitsbereich des Filters und die Spektralbreite der emittierten Strahlung in derselben Größenordnung, ergibt sich aus der Multiplikation der Filtercharakteristik mit dem Strahlungsspektrum eine resultierende Messstrahlung. In beiden Fällen ist die Schwerpunktswellenlänge jedoch auf Dauer nicht stabil, da das Interferenzfilter natürlichen Alterungsprozessen unterliegt und es somit zu einer zeitlichen Veränderung des Durchlässigkeitsbereiches kommt. Diese Veränderung der Durchlässigkeit muss regelmäßig durch eine aufwändige Lageveränderung des Filters ausgeglichen werden. In dem genannten Fall, dass sich das Strahlungsspektrum der Quelle und der Durchlässigkeitsbereich des optischen Filters etwa in derselben Größenordnung befinden, kann es neben der langsamen Veränderung der Filtereigenschaften auch kurzfristig zu einer Verschiebung der Schwerpunktswellen- länge der resultierenden Messstrahlung führen, wenn es zu einer Änderung der Chiptemperatur kommt. Gerade in diesem Fall kann auch eine unmittelbar zuvor durchgeführte aufwändige Nachjustage des optischen Filters durch Lageveränderung keinen Abgleich erzielen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode zu schaffen, die die Schwerpunktswellenlänge auch dauerhaft stabil hält.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die die alterungsbedingte Veränderung eines optischen Filters ohne aufwändige Lageveränderung ausgleichen kann.
Die verfahrenstechnische Lösung erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 wobei sich eine vorteilhafte Vorgehensweise aus dem Unteranspruch 2 ergibt.
Eine Vorrichtung zur Lösung der genannten Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 gegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 4 bis 11 gekennzeichnet.
Anwendungen einer derartigen Vorrichtung finden sich gemäß dem Anspruch 12.
Erfindungsgemäß werden die skizzierten Probleme durch ein Verfahren gelöst, bei dem die LED-Chiptemperatur direkt von einer Temperaturerfassungseinheit abgegriffen wird und gleichzeitig der LED-Chip mit einer Temperiereinheit verbunden ist. Die von der Temperaturerfassungseinheit kommende Ausgängsgröße dient als Eingangsgröße einer Regeleinheit. Der Ausgang der Regeleinheit ist mit der Temperiereinheit verbunden. Über die von der Regeleinheit vorgegebene und von der Temperiereinheit erzeugte Temperatur, kann die LED-Chiptemperatur erhöht oder erniedrigt werden, so dass die Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung zu größeren bzw. kleineren Wellenlängen verschoben und exakt justiert werden kann.
Befindet sich eine optische Filtereinheit hinter der Strahlungsquelle kann durch einfache Änderung der LED-Chiptemperatur mittels der Regeleinheit die alterungsbedingte Veränderung der Filtereinheit ohne aufwändige Lageveränderung nachjustiert werden. Soll die Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung einen bestimmten Wert besitzen, muss die Strahlung mit einer geeigneten Methode, z. B. Spektometrie, erfasst und mittels der Regeleinheit auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Alternativ dazu kann das Verfahren auch Bestandteil eines Gerätes, z. B. Polarimeter oder Refraktometer, sein, das zusammen mit einem Goldstandard den Wert der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung indirekt bestimmt. Das dargestellte Verfahren erfüllt somit alle oben erwähnten Erfordernisse, insbesondere ist eine geregelte und einfache Justage der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung möglich.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen oder Ausführungsformen, sondern auch in anderen Kombinationen, mit Merkmalen anderer Ausführungsformen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens zur exakten und geregelten Schwer punktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur exakten und geregelten Schwer- punktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode gemäß einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Fig. 3 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung einer Vorrichtung, jedoch gemäß einem bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung;
Figur 1 zeigt die Vorgehensweise zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängen- justage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode. Der LED-Chip (1) ist möglichst nah an einer Temperaturerfassungseinheit (2) und an einer Temperiereinheit (3) platziert, um eine möglichst verzögerungsfreien und störarmen Wärmeübergang zu gewährleisten. Die von der Temperaturerfassungseinheit (2) gelieferte Ausgangsgröße wird direkt an eine Regeleinheit (4) gegeben, die die Temperatur des LED-Chips (1 ) über die Temperiereinheit (3) auf einen festen Wert einstellt und justiert. Abhängig von der gewünschten und vorliegenden Schwerpunktswellenlänge kann durch Änderung der LED-Chiptemperatur der Wert der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung der Leuchtdiode mittels der Regeleinheit (4) vergrößert oder verkleinert und exakt justiert werden, sowie jeder Zeit auch sehr einfach verändert werden. Soll die Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung einen bestimmten Wert besitzen, muss die Ausgangsgröße der Regeleinheit (4) so eingestellt werden, bis die Strahlung die gewünschte Schwerpunktswellenlänge besitzt. Der Wert der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung kann dazu beispielsweise mit einer geeigneten Methode ermittelt werden. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, wie sie zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode verwendet werden kann. Die Vorrichtung besitzt eine Temperaturerfassungseinheit (2) (z. B. einen Pt-Temperaturfühler, einen PTC, einen NTC, einen Halbleitertemperatursensor etc.), die mittels einer wärmeleitenden Schicht (5) direkt auf die Rückseite einer LED aufgebracht ist und somit im direkten Kontakt zu dem LED-Chip 1 steht. Sowohl die Rückseite der LED als auch die Temperaturerfassungseinheit (2) sind ebenfalls mittels der wärmeleitenden Schicht (5) mit der Temperiereinheit (3) verbunden, die aus einem unidirektionalen Temperierelement (3.1) (z. B. einer Heizfolie, einen Heizwiderstand etc.) besteht. Die von der Temperaturerfassungseinheit (2) gelieferte Ausgangsgröße wird direkt an den Eingang einer Regeleinheit (4) (z. B. einen 2-Punkt-Regler, einen PID-Regler oder einen μ-Controller etc.) angelegt. Der Ausgang des Reglers (4)stellt die Temperiereinheit (3) dann auf die vorgegebene Temperatur ein und justiert so die Schwerpunktswellenlänge. In dieser einfachen Variante kann der Wert der LED-Chiptemperatur nur durch Heizen erhöht und somit der Wert der Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung nur vergrößert werden.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ähnlich wie Figur 2, bei der die Temperiereinheit (3) jedoch aus einem bidirektionalen Temperierelement (3.2) (z. B. einem Peltierelement etc.), einer wärmeleitenden Schicht (3.3) und einem Wärmetauscher (3.4) (z. B. einem Kühlkörper, einem Vollkörper etc.) besteht, was sowohl einen schnelleren Wärmeaustausch mit der Umgebung als auch eine LED-Chiptemperaturerhöhung und -erniedrigung ermöglicht.
Die beschriebene Vorrichtung kann Verwendung finden in Polarimetern, Refraktometern und Spektrometem.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode, dadurch gekennzeichnet, dass ein LED-Chip (1 ) möglichst nah an einer Temperaturerfassungseinheit (2) und an einer Temperiereinheit (3) platziert ist, die von der Temperaturerfassungseinheit (2) gelieferte Ausgangsgröße an eine Regeleinheit (4) weitergegeben wird, die Ausgangsgröße der Regeleinheit (4) an die Temperiereinheit (3) weitergegeben wird, und die Temperatur des LED-Chips (1 ) über die Temperiereinheit (3) auf einen durch die Regeleinheit (4) vorgegebenen Wert exakt justiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgröße der Regeleinheit (4) so eingestellt wird, dass die Schwerpunktswellenlänge der emittierten Strahlung einen gewünschten Wert hat.
3. Vorrichtung zur exakten und geregelten Schwerpunktswellenlängenjustage der emittierten Strahlung einer Leuchtdiode, gekennzeichnet durch eine Temperaturerfassungseinheit (2) die zusammen mit einer Temperiereinheit (3) möglichst nahe an einem LED-Chip (1 ) platziert ist, einer Regeleinheit (4) deren Ausgang mit der Temperiereinheit (3) verbunden ist und deren Eingang direkt mit dem Ausgang einer Temperaturerfassungseinheit (2) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassungseinheit (2) einen Pt-Temperaturfühler, einen NTC, einen PTC oder einen Halbleitertemperatursensor aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (3) aus einem unidirektionalen Temperierelement (3.1) besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das unidirektionale Temperierelement (3.1 ) eine Heizfolie oder einen Heizwiderstand aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinheit (3) aus einem bidirektionalen Temperierelement (3.2), einer wärmeleitenden Schicht (3.3) und einem Wärmetauscher (3.4) besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das bidirektionale Temperierelement (3.2) ein Peltierelement aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das der Wärmetauscher (3.4) einen Kühlkörper oder einen Vollkörper aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (4) einen 2-Punkt-Regler, einen PID-Regler oder einen μ-Controller aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die LED mit der Temperaturerfassungseinheit (2) und der Temperiereinheit (3) mittels einer wärmeleitenden Schicht (5) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass sie Verwendung in einem Polarimeter, in einem Refraktometer oder in einem Spektrometer findet.
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