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TWI529342B - Correct the light source - Google Patents

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TWI529342B
TWI529342B TW099116340A TW99116340A TWI529342B TW I529342 B TWI529342 B TW I529342B TW 099116340 A TW099116340 A TW 099116340A TW 99116340 A TW99116340 A TW 99116340A TW I529342 B TWI529342 B TW I529342B
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湯瑪士 納吉爾
迪特立夫 漢納克
賽門 史特姆
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儀器系統光學測量科技有限公司
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Description

校正光源 發明領域
本發明係有關校正光源，特別係在LED的應用之下(LED分別代表Light Emitting Diode，發光二極體)。
發明背景
除了其他的以外，校正光源可用於光或輻射之測量儀表的絕對校正，例如頻譜儀、光度計或輻射計等等。習知的是，將電流與溫度穩定的參考LED用作校正光源。LED可於可見、紅外或遠紅外波長範圍中放射輻射。設置在電路板上的半導體晶片提供LED之輻射產生。由於用於半導體之材料的不同物理特性，所需波長可被設定。
在校正光源上的一個基本需求包含頻譜分佈及強度的高穩定性。目前只發現使用具有典型上為約20mA之操作電流的所謂的標準LED。針對作為LED之校正光源所需之穩定光能之用，其係透過恆定電能功率UF*IF(UF=前向電壓，而IF=前向電流)而達成。因此，通常在電流饋入IF上係應用一個穩定的電源。落於半導體晶片上的前向電壓UF係在LED的接點上被量測。因為LED之前向電壓UF乘恆定電流IF只隨著溫度改變，故可透過部件之溫度控制而穩定前向電壓UF，並因而穩定所輻射出之光能。操作LED之操作點通常係清楚地落於比環境溫度高約40℃處。就約40℃的晶片溫度而言，必須由先前所應用之標準LED加熱此部件。為 作穩定，加熱元件通常係以加熱電阻、加熱二極體等等形式來使用。經由前向電壓UF之量測及熱的對應調整，部件及隨之的LED晶片被保持在一個恆定溫度上。所指涉之校正光源的一個缺點存在於以所應用之標準LED可獲得的微薄光能之中。
為達成LED的朗伯輻射特性(Lambertsche Abstrahlcharakteristik)，一個擴散裝置如蓋般坐落在LED前。此擴散裝置係嵌在校正光源用來抵禦環境影響的一個外殼中。
然而，環境溫度亦影響校正光源之輻射光能與輻射頻譜(LED顏色)。因此，藉由習知的校正光源，即使配合LED溫度的有效溫度操控，環境溫度之快速波動仍無法足夠快速地補償，這導致校正光源在光照強度上的不為所欲的時間波動。
發明概要
本發明係奠基於提供溫度穩定的校正光源這樣的任務。
本發明係以申請專利範圍第1項之標的來完成此任務。較佳實施例述於依附項。
圖式簡單說明
現在將基於參考隨附圖式之說明而更詳細闡明本發明及更進一步之特徵與本發明之優點，其中：第1圖為一個校正光源之示意圖；第2圖示出第1圖在高功率LED區域之放大圖； 第3圖示出溫度操控之主要電路圖；並且第4圖示出高功率LED的一種替代實作之示意圖。
較佳實施例之詳細說明
第1圖示出具有一個外殼4的一個創新校正光源2之示意圖。外殼4係由彼此栓鎖住的一個前部和一個後部空心圓柱殼體部份6和8共同組成。「前部」與「後部」之指稱係參照輻射源所產生之光束射出殼體4的輻射方向。光束係指，例如，透過一個對應光學及/或機械光束導引器所導向的在紅外、可見與遠紅外區域之輻射。前部殼體部份6係以含有一個中央開口12的一個圓形孔徑面積10閉合成末梢。穿過開口12，係有一剛性出口撐持元件14突出，其具有較佳為封閉且圓筒型的側壁(並且可能有反射內壁)以及作為輻射源所產生之光束之出口的一個前部光線出口15。撐持元件14之後方敞開末端係裝配在用於固定一個高功率LED 18的一個板22上，並將LED 18固持於該板上。
於示於第1圖之實施例中，一個擴散裝置16處於光線出口15中。擴散裝置16為一個體積散射器(相對於表面散射器而言)，光線盡可能地向外在所有空間方向上同質，較佳係以朗伯輻射特性輻射。校正規章模擬擴散裝置16之輻射面積。於另一個未示出的實施例中，光線出口15可亦為敞開的，或是由其他對光線而言透明的物質(例如，針對在可見波長範圍中之光線的窗玻璃)覆蓋。擴散裝置16、敞開的孔洞(或是其前側內緣)或其他透明物質為外露的光 線界定出一個確切的孔徑，也就是說，離高功率LED 18一段固定距離，並因而影響校正光源之輻射特性。可在半導體輻射源18與光線出口15之間的輻射路徑中置放更多光學元件。
所謂的高功率或高電流(High-Power或High-Current)LED 18為具有高供應功率(典型上在至少350毫安培(mA)的操作電流及例如為1毫米(mm)的晶片邊長下為至少1瓦特(Watt))的一個半導體輻射源，相較於僅能產生幾十毫流明(Lumen)的傳統LED，其可產生數流明的光通量。高功率LED 18主要係為了能夠置備對於光或輻射量測之校正而言足夠的光能而使用。然而，所測得之電能，特別係於高功率LED，只有一部分被轉換成光，其餘必須以熱能排出。於高功率LED的明顯高功率密度使得部件之主動或被動冷卻為必要的。此外，LED之穩定化無法再透過更多熱能之輸入而達成。
外殼4與撐持元件14係由具有極低導熱係數的材料(例如合適的塑膠)製成。擴散裝置16可係由一種燒結石英玻璃製成，其係例如固附於撐持元件14之塑膠材料中。取代擴散裝置16，或是除了擴散裝置16以外，可有未示於圖中的一個選擇性的由玻璃、石英或其他選擇性透明材料所製成的透明窗戶坐落於光線出口15中。於所例示之實施形式中，撐持元件14與擴散裝置16從開口12在孔徑面積10上稍微向外突出，或者是，其亦可齊平地封住孔徑面積10。在撐持元件14之圓柱外壁與開口12之圓形內緣之間為一個環 狀間隙13，其容許外殼4之熱擴散，而不使內緣與撐持元件14有所接觸。可例如以柔韌的矽封墊來封密環狀間隙13，以封閉外殼4之內部空間不受外界影響。其他方面，撐持元件14與該殼體機械式解耦，以避免例如外殼4受到熱所控制的長度變化之轉變。撐持元件14穿過外殼4，因而不受力，或可自由朝向外殼4移動。環狀間隙13界定出介於外殼4與撐持元件14之間的一個距離，其以一種隔熱氣墊填滿(或許，可亦以另一種隔熱材料填滿環狀間隙中的空白空間，當已如此確保機械式解耦及隨之而來的自由可移動性時，作用在撐持元件14上的力便微不足道)。此距離至少係如此量測，以例如使外殼4受環境溫度波動所控制的長度變化不在撐持元件14上作用，且因而撐持元件14連同其上頭所耦接的高功率LED 18與外殼4保持機械式的自由關係。
這樣的機械式解耦確保光線出口15被定位在距離半導體輻射源18一段固定距離處，並因而與之後所輻射之光束的距離亦為固定的。因此，從光線出口15到半導體輻射源18之距離即為光線出口15確定從開口15所輻射出的光線輻射之開口角度，並因而確定從開口15所輻射出的光束之開口角度。當然，撐持元件14並非直接從外殼4懸著，如將更於下文中詳細說明的。因此，該機械式解耦僅考量對直接機械式耦接之避免，並因而避免在這兩個元件之間的有關直接力轉變，特別是在溫度變化的時候。
於第2圖之放大圖中，精確示出高功率LED 18之結構與托架。LED晶片20係設於一個特殊導熱電路板22(例如金屬 核心導體或陶瓷電路板)上。可於LED晶片20上置放一個透鏡體24，其綑束在擴散裝置16或光線出口15之方向中所產生之光線。接線26將LED晶片20與電路板電氣式地連接，從再次未示於圖中之內部連接導向對校正光源2之亦未示於圖中之電氣式連接。撐持元件14直接透過黏接將其下端與板22之頂端連接。或者是，其可亦直接與板22連接，其中，其下端之內緣固接在透鏡體24或LED晶片20邊，或以其他方式如其間接固接在電路板邊。其主要係用於，將從透鏡體24(或當透鏡體24不存在時之LED晶片20)至光線開口15或擴散裝置16之距離維持固定，因為此距離會影響校正光源之光束或光通量。
因為高功率LED 18之電流密度比一般LED高20到50倍，所以接線26之電阻可改變。因此，在某些情況(通常是在要供給高功率LED 18之電源的情況)中，在高功率LED 18之電氣式接點上所量測的前向電壓並不適於作為用來穩定高功率LED 18的控制變數。溫度被用作控制變數，如於下文中詳細說明的，並被穩定在一個常值上。因此，隨著恆定供應電流，前向電壓在LED晶片20之p/n接面之下降亦為恆定，且高功率LED 18之電和光能(輻射出之照度與輻射頻譜)被穩定。前向電壓UF為溫度與電流IF的一個函數。對於前向電壓的於恆定電流時的一個典型的溫度係數為約-1.5至-2.5mV/K。因此，在較高溫度與恆定電流IF下，前向電壓較低。故隨著LED晶片20之晶片溫度升高，所輻射出之光能降低。此外，其輻射頻譜(顏色)亦改變。
所述溫度穩定亦作為高功率LED 18之熱保護。就數瓦特(例如，在2A的最大操作電流時的5W)的電能而言，靠近一個高光輸出的高功率LED 18亦產生高升的功率損耗，這導致LED晶片20的強熱化。為了避免LED晶片20之壽命減短或甚至是毀滅，這些功率損耗必須被排除。
LED晶片20之溫度控制係經由具良好導熱性且由鋯銅(或其他具良好導熱性之材料製成的第一晶粒28(即，第一導熱連接元件)來達成，其前端係固附於板22之底側，而其後端係固附於一個珀耳帖元件(Peltierelement)30(即，冷卻裝置)之冷側邊。第一晶粒28之高導熱性及其配合珀耳帖元件30之使用(以例如數十瓦特的冷卻/加熱能)使在LED晶片20之所需溫度能在介於+5℃和+85℃之間的範圍內快速調整，此範圍較佳係高於露點以避免露滴，尤其是例如介於+25℃與+35℃之間，約+30℃尤佳。於第一晶粒28中，對板22之承載面更下方嵌有一個溫度感測器32，其係在銑削於第一晶粒28內的一個腔室中。或者是，溫度感測器32可亦係備設在板22上方而直接與LED晶片20相鄰。其應盡可能地接近LED晶片20旁而設置，以使其量測溫度與LED晶片20之量測溫度一致。
珀耳帖元件30之熱側邊係固附於由鋯銅製成的(或由其他導熱性佳之材料所製成的)第二晶粒34(即，第二導熱連接元件)之前端，其後端與具有加大的熱交換上表面的一個散熱器36以螺絲固定。第二晶粒34之後端係藉由一個隔熱撐持裝置38而保持在前部殼體部份6的殼體內壁邊。因 此，由擴散裝置16、撐持元件14、板22、LED晶片20、第一晶粒28、珀耳帖元件30與第二晶粒34所構成的整個配置僅係透過這個撐持裝置38而與外殼4連接，並且因此，環境溫度在此配置上的熱傳導被強力地抑制。
散熱器36將其熱遞交給處於後部殼體部份8中之周圍空氣，其熱量從在殼體部份8之後部開口端的一個通風裝置40排散到外面的空氣。以這樣的措施，LED晶片20之功率損耗將有效地被轉移。
第一晶粒28是作成如此大小的，一方面珀耳帖元件30之熱側邊要離LED晶片20夠遠，以使那兒所產生之熱能(相當於數瓦特的所排出之功率損耗)保持在遠離LED晶片之處，其另一方面又要離LED晶片20夠近，以使熱交換得以快速完成(較佳係在毫秒範圍內)。
為了溫度調節，如於第3圖中概略所示，溫度感測器32之量測信號會被饋給一個(PID)調節器42，其將量測溫度與一個設定溫度值(操縱變數)做比較。調節器42依據比較結果是升高或降低而饋給電能給珀耳帖元件30。為此，溫度感測器32就如珀耳帖元件30地，以未示於圖中之連接線路與調節器42電氣式連接。調節器42之調節器參數係如此選擇，以，例如，確保0.01℃的調整精度。
透過將高功率LED 18收納在低導熱性的塑膠殼體4中，環境之溫度變化會被抑制成能達到足夠的調節精度及調節速度的程度。若沒有這樣的收納則，詳言之，從LED晶片20直至珀耳帖元件30的冷卻路徑會太過緩慢，而無法 夠快地反應干擾。由於光線出口15(或擴散裝置16)與外殼4機械式與熱解耦及其在LED晶片20上的強健支撐，外殼受溫度影響的長度變化並不在光線出口(或擴散裝置16)到高功率LED 18之距離上轉變，且因而並不在從校正光源2外放之光束上轉變。這些措施導致光束在從20℃到30℃之環境溫度中低於0.1%的所需穩定性。撐持元件14被如此懸在外殼4上，以使介於板22上的各個元件，第一晶粒28、珀耳帖元件30、第二晶粒34與散熱器36，之能量流發生。
如此穩定的一個光源可作為各種光測定及輻射測量值的轉換標準。典型的變數為總光束或總輻射能及CIE127：2007的平均LED密度。
第4圖以備設在板22上的由三個不同顏色的高功率LED元件44及溫度感測器32所組成的晶片陣列46示出高功率LED 18的一個替代實作，此等高功率LED元件44可經由混色而調成任何顏色。
替代於高功率LED 18，亦可使用標準或高亮度LED。珀耳帖元件30可然後將LED溫度加熱成高於環境溫度的一個恆定值，例如40℃。替代於珀耳帖元件30，LED亦可直接經由其接線而被加熱，其接通成電阻加熱。或者是，亦可不安排主動溫度穩定。在這種情況中，當達到前向電壓UF時，溫度在某段時間後便自行獨立穩定於一個溫度值。於是所消耗之電能及所送出之光能與功率損耗隨之亦為穩定的。除了所述穩定電流供應之外，尚可係以可變電流操作。那麼，此電流調變導致溫度波動。因此，可饋給LED 週期性地開啟與關閉的一個高脈衝電流。如同半導體輻射源，可亦使用OLED(有機發光二極體)或半導體雷射。
申請人保留對於藉由恆定電流饋給之具有高功率18之校正光源之溫度穩定之概念之保護，無關乎光線出口15與外殼2之解耦。
2‧‧‧校正光源
4‧‧‧外殼/殼體
6、8‧‧‧殼體部份
10‧‧‧孔徑面積
12‧‧‧中央開口/開口
13‧‧‧環狀間隙
14‧‧‧撐持元件
15‧‧‧光線出口
16‧‧‧擴散裝置
18‧‧‧LED(發光二極體)/半導體輻射源
20‧‧‧LED晶片
22‧‧‧板
24‧‧‧透鏡體
26‧‧‧接線
28‧‧‧第一晶粒
30‧‧‧珀耳帖元件(Peltierelement)
32‧‧‧溫度感測器
34‧‧‧第二晶粒
36‧‧‧散熱器
38‧‧‧撐持裝置
40‧‧‧通風裝置
42‧‧‧調節器
44‧‧‧高功率LED元件
46‧‧‧晶片陣列
第1圖為一個校正光源之示意圖。
第2圖示出第1圖在高功率LED區域之放大圖。
第3圖示出溫度操控之主要電路圖。
第4圖示出高功率LED的一種替代實作之示意圖。
2‧‧‧校正光源
4‧‧‧外殼/殼體
6、8‧‧‧殼體部份
10‧‧‧孔徑面積
12‧‧‧中央開口/開口
13‧‧‧環狀間隙
14‧‧‧撐持元件
15‧‧‧光線出口
16‧‧‧擴散裝置
18‧‧‧LED(發光二極體)/半導體輻射源
28‧‧‧第一晶粒
30‧‧‧珀耳帖元件(Peltierelement)
34‧‧‧第二晶粒
36‧‧‧散熱器
38‧‧‧撐持裝置
40‧‧‧通風裝置

Claims (15)

  1. 一種校正光源，其具有：一具有一開口的殼體，一容納在該殼體內的板，由該板所固持的一半導體光源，用以產生一光束，一出口開口撐持元件，其在該開口的區域中具有作用為一孔徑的一光線出口開口，由該半導體光源所產生之光束透過該孔徑從該殼體向外輻射，其中該出口開口撐持元件及該半導體光源係與該殼體機械性及熱解耦且該撐持元件係附接於該半導體光源之該板，且其中該出口開口撐持元件的側壁與開口的內緣之間係設有一間隙。
  2. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中在該光線出口開口中設有一擴散裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中該半導體光源包含一LED。
  4. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其更包含：一與該板連接並固持在該殼體內的主動冷卻裝置，該主動冷卻裝置係用以冷卻該半導體光源。
  5. 如申請專利範圍第4項之校正光源，其更包含：一固持在該殼體內的第一導熱連接元件，其將該冷卻裝置之一冷側邊與該半導體光源之該板連接，且將來自該半導體光源之熱導向該冷卻裝置，其中該第一連接元件之尺寸為可使該冷卻裝置之一熱側邊遠離該半導 體光源以確保在該處產生的熱與該半導體光源保持距離，另一方面，又離該半導體光源接近以確保在該冷卻裝置與該半導體光源之間之熱交換得以快速完成。
  6. 如申請專利範圍第5項之校正光源，其更包含：一固持在該殼體內的第二導熱連接元件，其與該冷卻裝置之該熱側邊連接，一附接在該第二導熱連接元件之端部的散熱器，其面向離開該散熱器並具有一加大熱交換表面，用以將熱排散至周遭空氣，以及一風扇，用以將暖化之周遭空氣從該散熱器帶開。
  7. 如申請專利範圍第6項之校正光源，其中該第二導熱連接元件藉由一隔熱固持裝置固持在該殼體上。
  8. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中該殼體與該出口開口撐持元件係由一種具有隔熱性質的材料製成。
  9. 如申請專利範圍第4項之校正光源，其更包含：安排成緊靠近該半導體光源的一溫度感測器，用以量測該半導體光源之溫度，以及一溫度調節器，用以依據該溫度感測器所量測之溫度而調節供給至該主動冷卻裝置之功率。
  10. 如申請專利範圍第9項之校正光源，其更包含：一恆定電流源，用以供給該半導體光源恆定電流，其中該溫度調節器係經設定以保持溫度恆定在一固定指定值上。
  11. 如申請專利範圍第9項之校正光源，其中該半導體光源 包含多個LED與該溫度感測器配置於一晶片陣列上。
  12. 如申請專利範圍第4之校正光源，其中該主動冷卻裝置包含一珀耳帖元件(Peltierelement)。
  13. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中該出口開口撐持元件為具有一封閉的側壁與一敞開的光線出口開口的一空心體。
  14. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中該間隙被封密。
  15. 如申請專利範圍第1項之校正光源，其中在該光線出口開口中設有由玻璃、石英或其他透光材料所製成的一透光窗。
TW099116340A 2009-05-26 2010-05-21 Correct the light source TWI529342B (zh)

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EP (1) EP2435808B8 (zh)
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