JPH10508984A - 特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス用であるオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス用であるオプトエレクトロニクスデバイス用の本発明による温度補償方法では、所定の定常状態で前記デバイスを動作させて、温度に従属する第１の特性値を測定し、その後、この特性値を、同じ定常状態において異なる温度で測定された比較値と比較する。そして、特性値と比較値との間の関係から、補正関数を導く。この補正関数は、温度による影響を補正するために、オプトエレクトロニクス半導体デバイスから得られる測定値を補正するのに用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス用であるオプトエレクトロニク スデバイス用温度補償方法 本発明は、オプトエレクトロニクスデバイス(opto-electronic device)に対す る温度補償方法に係り、特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス(opto-elec tronic semiconductor device)に対する温度補償方法に関する。 オプトエレクトロニクスデバイスとは、デバイス内において、電気エネルギを 光エネルギに変換するか、あるいは光エネルギを電気エネルギに変換するデバイ スのことをいう。現代科学技術においては、オプトエレクトロニクス半導体デバ イスは、非常に重要な役割を有している。すなわち、第１には、発光素子として 、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられ、第２には、測定面上に照射される 光線の強度を検知してこれに対応する電気信号を出力する素子として、フォトダ イオード(photo-diode)、フォトトランジスタ(photo-transistor)、フォトレジ スター(photo-resistor)、フォトサイリスター(photo-thyristor)等が用いられ る。 以下では、本発明による方法が、ＬＥＤと表記される発光ダイオードおよびフ ォトダイオードのみを例として説明されるが、本発明が他のオプトエレクトロニ クスデバイス（特に他のオプトエレクトロニクス半導体デバイス）に対しても適 用可能であることが解されるであろう。 光学的測定技術におけるＬＥＤおよびセンサダイオード(sensor diode)の使用 に関する問題点が、色測定(color measurement)を例として、以下に説明される 。色付けされた表面が観測者に与える色印象(color impression)は、色付けされ た表面から反射され、観測者の目に色として認識される光線のスペクトル分布に 基づいて決定される。これにより、観測者に認識される光線に関するカラー感知 関数ψ（λ）は、以下の式により与えられる。 ψ（λ） ＝ ｒ（λ）・Ｓ（λ） （１） ここで、ｒ（λ）は観測面のレミションスペクトル(remission spectrum)を示 し、Ｓ（λ）は観測面に照射される光線のスペクトル分布を示すものである。別 の言い方をすれば、観測者に認識される光線に関するカラー感知関数は、観測面 の反射特性のスペクトル分布と観測面に照射される光線のスペクトル分布との積 により与えられる。観測面に照射される光線のスペクトル分布が変化すると、そ の結果として、観測者の色印象が変化することになる。 現代の科学技術においては、対象となる表面の色を正確に検出することが非常 に重要な技術事項となっている。すなわち、１つには、再現可能に着色するため に必要となり、また、１つには、対象となる表面の色を印刷物、フィルム、写真 等に正確に複写するか、あるいはカメラ、テレビスクリーン、コンピュータモニ ター等の電子的機器を用いて正確に表示するために必要となる。 従来の色測定においては、色が検出される対象となる表面に対して、既知の正 確なスペクトル分布を有する光線が照射される。そして、例えば分光光度計を用 いて、反射光線のスペクトル分布が解析される。この際、対象となる表面の反射 特性のスペクトル分布、およびこれに基づいて表面から得られる色印象が計算可 能となり、これにより、対象表面の表示が可能となるとともに、標準化された色 特性値との比較が可能となる。 このような測定装置の装置的複雑性を低減させるために、幾つかの場合におい ては、ＬＥＤを用いて測定される表面に光線が照射され、また、測定される表面 から反射される光線を測定するために、半導体センサ、特にフォトダイオードが 使用される。このような装置が、例えばドイツ特許出願公開DE 42 02 822 A1号 明細書に記載されている。この装置においては、複数のセンサダイオード、およ び共通の基板上に配置された複数のＬＥＤが使用されている。しかし、このよう な 装置に関しては、ＬＥＤおよびセンサタイオードのスペクトル特性および強度が 温度従属性を有するために、測定精度を上げるためには、ＬＥＤおよびセンサダ イオードの温度を検出しなければならないという問題点がある。 このような問題は、上記の装置において、共通の基板上に温度センサを配置す ることで解決される。装置内の制御部には、ＬＥＤおよびセンサダイオードに関 する複数のスペクトル特性が記憶されており、それぞれの色測定時においては、 第１に、基板の温度が検出され、そして、色測定の解析を行うために対応する曲 線が選択される。 しかし、上記のような方法は、第１に、測定装置内で温度センサを使用するこ とで、比較的コストが高くなるという短所を有している。さらに、より大きな短 所として、すべての半導体デバイスが同じ温度を示すような温度変化が測定装置 内において生じるまでに、所定の時間がかかるということが上げられる。ＬＥＤ は動作中において温度上昇を起こすので、このことは特に問題となる。ＬＥＤの 温度上昇が温度センサにより確実に検出できるようになる頃には、測定処理は既 に終了してしまっている。 本発明は、半導体の温度変化に対する迅速かつ正確な補償を可能とする、オプ トエレクトロニクスデバイス、特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス用の 温度補償方法を提供することを目的とする。 本発明によれば、請求項１に記載された方法を用いることで、上記の目的は達 成される。 また、本発明の好適な実施の形態は、従属請求項により明らかにされる。 以下では、添付の図面を参照して、本発明が説明される。 図１は、ＬＥＤに関する順方向電圧と周囲温度との間の関係を示す図である。 この図においては、順方向電圧の変化が横座標で示され、温度変化が縦座標で示 されている。 図２は、センサダイオードに関しての同一温度における測定されたセンサ信号 と順方向電圧との間の関係を示す図である。 以下に、発光ダイオード（ＬＥＤ）に関する温度に従属した変動を補償するこ とに関して、本発明が説明される。 本発明における代替的な実施の形態によれば、一定の電流を供給して、ＬＥＤ が動作される。すなわち、ＬＥＤへの電流は、所定の定電流を発生させる（この 分野では周知の）回路により供給される。この際、同時に、ＬＥＤの順方向電圧 が測定される。 一定の電流が供給されている際には、順方向電圧が周囲温度に対する従属性を 示し、このような従属的関係が、１０°Ｃから４０°Ｃの範囲において、図１に 示されている。 温度の変化に伴う順方向電圧の変化の割合は、ＬＥＤの種類に応じて異なり、 通常、１°Ｃ当たり２ｍｖから１０ｍｖの変化量を有する。 ＬＥＤの温度補償を実施する際には、ＬＥＤが、常時、定電流により駆動され 、同時に、順方向電圧が測定される。順方向電圧の測定値は、好ましくは記憶さ れ、色測定のさらなる解析のために用いられるＬＥＤのスペクトル特性が、測定 された電圧値に基づいて決定される。ＬＥＤは動作中において温度が上昇するが 、上記のような方法を用いれば、温度の変化を確実にとらえることができ、同時 に、ＬＥＤの温度に対応するスペクトル分布あるいは強度を導き出すことが可能 となる。 本発明の他の実施の形態によれば、ＬＥＤが定電圧源を用いて動作され、電流 値が測定される。そして、この測定された電流値に基づいて、色測定に関する解 析が同様の方法を用いて実施される。 以下に、センサダイオードの温度補償に対する本発明の適用に関して説明する 。 センサダイオードに関しても、定電流を供給してセンサダイオードをダイオー ドとして駆動させる際、すなわちセンサダイオードに対して順方向に定電流が供 給される際には、順方向電圧が温度に対して従属性を有する。この従属関係は、 以下の式で示される。 Ｋ_bはボルツマン定数を示し、ｅは電荷素量を示し、Ｉ_oは外部電界を除いた（ 拡散電流に釣り合う）実質的に温度に独立な電流を示し、Ｉは外部から供給され る定電流を示し、Ｕ_oは材料の種類により決定されるオフセット電圧(offset vol tage)を示し、Ｔは半導体ダイオードの温度を示す。 定電流が供給される際には、センサダイオードの温度係数は、材料定数のみに 従属する。これにより、式（２）は以下のように変形される。 Ｕ＝α・Ｔ＋Ｃ (３) あるいは Ｕ_x−Ｕ_o＝α（Ｔ_x−Ｔ_o） (４) ここで、Ｕ_xは定電流が供給された状態での温度Ｔ_xにおけるセンサダイオード の順方向電圧を示し、Ｕ_oは定電流が供給された状態での温度Ｔ_o（基準温度）に おけるセンサダイオードの順方向電圧を示す。また、αはセンサダイオードの温 度係数を示す。 式（４）を変形すると、式（５）が得られる。 式（５）を用いれば、ダイオードの順方向電圧を測定することにより、ダイオ ードの温度を決定することができる。 すなわち、定電流が供給された状態での異なる周囲温度におけるセンサダイオ ードの順方向電圧をそれぞれ測定することにより、温度係数αを決定することが 可能となる。順方向電圧と温度との間の関係は線形であるので、この関係を導く ためには、２つの測定点を検出して、これら２つの測定点間を直線で結ぶことで 充分である。 温度測定、すなわち順方向電圧の測定を実施するためには、対象となる表面に 照射する光線の強度を測定するためにダイオードの逆方向に設定される実際の測 定動作から、センサダイオードの動作方向が順方向に切り換えられて、センサダ イオードに定電流が供給される。この際、測定される順方向電圧は、温度を導く ための指標となり、センサ信号を解析する際に参照される。 上記の温度従属特性の検出は、周囲温度を変化させて実施される。しかし、セ ンサダイオードが使用されている光学的デバイスの製造中において、周囲温度を 変化させてそれぞれのセンサに関する温度従属特性を検出することは、コストが 非常に高くつく。それゆえ、本発明により、温度に対するセンサ信号の従属特性 を導き出す方法が提供される。 この方法においては、測定処理を比較的簡略にするために、定常的な光源を用 いてセンサに光線が照射される。 測定を実施する際には、開始点となる周囲温度Ｔ_oにおいて、ダイオードが動 作され、この周囲温度における定常光源に対するセンサの感度を示すセンサ信号 Ｓ_oが測定される。そして、センサダイオードが、順方向に動作するように切り 換えられるとともに、小さな電流Ｉ_oにより動作される。この電流に対して、順 方向電圧Ｕ_oが測定される。 そして、センサダイオードが、短時間に順方向において著しく大きな電流によ り駆動される。この電流の大きさは、センサダイオードの温度を上昇させるよう に適切に設定されている。 この温度上昇時間が経過した後は、再び小さな電流Ｉ_oが供給されて、順方向 電圧Ｕ₁が測定される。この際、センサダイオードは高い温度Ｔ₁を有しているの で、測定される順方向電圧は、開始温度Ｔ_oにおいて測定された順方向電圧Ｕ_oよ りも小さくなる。そして、ダイオードが光量測定動作に切り換えられ、定常光源 に対するセンサ信号Ｓ₁が記録される。 上記の測定処理を実施することで、２組の数値を得ることができる。すなわち 、順方向電圧Ｕ_oにおいて測定された第１のセンサ読み取り値Ｓ_o、および順方向 電圧Ｕ₁において測定された第２のセンサ読み取り値Ｓ₁を得ることができる。温 度に対する順方向電圧の変化は線形であるので、図２に示されるように、上記の ように得られた２点間を直線で結ぶことが可能である。この直線により、同じ光 線強度における順方向電圧とセンサ値との間の関係が与えられる。これにより、 次の式をおおよそあてはめることが可能となる。 Ｓ₁ ＝Ｓ_o ＋ α（Ｕ₁−Ｕ_o） (６) そして、温度係数αは、以下の式から与えられる。 結果的に、本発明の方法におけるこの実施の形態によれば、個々の測定信号を 記録した後に、一定の小さな電流により、対応する順方向電圧をもとめればよい のみとなる。この順方向電圧は、測定された信号値を補正するのに用いられる。 この方法は、光量測定値を補正するにあたって、順方向電圧の変化に対応するセ ンサダイオードの温度の変化を用いるのではなく、直接的にセンサ読み取り値お よび順方向電圧値を使用可能であるという主要な利点を有している。これにより 、正確性に欠けるとともに時間的補償の必要性から測定に時間がかかる温度測定 を実施することなしに、順方向電圧値とセンサ信号値との間の関係を基にして、 正確に補正を実施することができる。 上記の実施の形態では、一定の電流を供給して測定が実施されていた。 本発明によるこれとは別の実施の形態においては、フォトダイオードを逆方向 に動作させてセンサ値を測定するのに対応させて、一定の電圧の供給が実施され る。この際、温度に従属する順方向電圧を測定する代わりに、同様の方法を用い て、温度に従属するオフセット電流(offset current)が測定される。また、この 実施の形態においても、順方向に電流を供給することで、短時間にダイオードの 温度が上昇されて、温度が変化される。 また、本発明の他の実施の形態によれば、上記のすべての方法において、ダイ オードの温度を上昇させるために、小さな発熱体が使用される。あるいは、発熱 体として使用可能な部材が、センサダイオード上に配置される。 本発明による方法は、測定をするに際して、非常に簡単に実施可能であるとい う利点をも有している。さらに、装置に既にセンサダイオードが設置されている 場合に、この方法を用いることが可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 特にオプトエレクトロニクス半導体デバイス用であるオプトエレクトロニ クスデバイス用温度補償方法であって、 前記デバイスを所定の定常状態の下で動作させて、温度従属性を有する第１の 特性値を測定し、 前記特性値を、同じ定常状態であるが異なる温度の下で測定された比較値と比 較し、 前記特性値と前記比較値との間の関係から、前記デバイスにより測定される測 定値の温度従属性を補償するように前記測定値を補正するための補正関数を導く ことを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ２． 請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記所定の定常状態が、前記デバイスを一定の電流で動作させることで与えら れることを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ３． 請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記所定の定常状態が、前記デバイスを一定の電圧で動作させることで与えら れることを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ４． 請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記デバイスが発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、 前記所定の定常状態が、前記ＬＥＤを一定の電流で動作させることで与えられ 、 前記第１の特性値が、前記一定の電流のもとで測定される順方向電圧であるこ とを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ５． 請求項２記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記補正関数が、前記順方向電圧と前記温度との間の線形的関係から導き出さ れることを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ６． 請求項２記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記補正関数が、前記順方向電圧と前記温度との間の非線形的関係から導き出 されることを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ７． 請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記デバイスが発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、 前記所定の定常状態が、前記ＬＥＤを一定の電圧で動作させることで与えられ 、 前記特性値が、前記一定の電圧のもとで測定されるオフセット電流であること を特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ８． 請求項１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 前記デバイスが半導体センサダイオードであり、 前記所定の定常状態が、前記半導体センサダイオードを順方向に一定の電流で 動作させることで与えられ、 前記特性値が、前記一定の電流のもとで測定される順方向電圧であることを特 徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 ９． 請求項８記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法において 、 温度の変化に伴う前記特性値の変化を検出するために、前記半導体センサダイ オードが、該半導体センサダイオードの逆方向に設定される測定動作から、該半 導体センサダイオードの順方向に設定される温度検出動作へ切り換えられること を特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 １０． 請求項８または請求項９に記載されたオプトエレクトロニクスデバイス 用温度補償方法において、 前記測定値を補正するための補正値が、光線強度の補正値であり、 この補正値が、定常光源の光線強度を低い温度と高い温度とでそれぞれ測定す ることで導き出されることを特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度 補償方法。 １１． 請求項１０記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法にお いて、 短期間に順方向において大きな電流を供給して前記半導体センサダイオードを 駆動することにより、前記半導体センサダイオードが前記高い温度にされること を特徴とするオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法。 １２． 請求項１１記載のオプトエレクトロニクスデバイス用温度補償方法にお いて、 抵抗器等の発熱体により前記半導体センサダイオードを加熱することにより、 前記半導体センサダイオードが前記高い温度にされることを特徴とするオプトエ レクトロニクスデバイス用温度補償方法。