JP2007078502A - 発光体の測光装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光量を迅速且つ高精度に測定できるダイナミックレンジの広い測光装置を提供する。
【解決手段】 発光ダイオードLEDからの放射光を受けて起電流に応じた検出データを出力するフォトダイオードPD及びPDアンプ1と、放射光の相対的なスペクトル分布データを出力する分光計2と、検出データ及びスペクトル分布データを受けて測光データを算出する演算部3とを備えた測光装置MEAである。演算部3には、フォトダイオードPDの分光感度データを記憶する第1記憶部TBL1が設けられると共に、分光計2から出力されたスペクトル分布データと、第1記憶部TBL1から読み出した分光感度データとを、波長毎に積算して、スペクトル分布データを補正する第1手段と、補正されたスペクトル分布データに基づいて、検出データを波長毎の構成要素に分解する第2手段と、が設けられている。
【選択図】 図1
【解決手段】 発光ダイオードLEDからの放射光を受けて起電流に応じた検出データを出力するフォトダイオードPD及びPDアンプ1と、放射光の相対的なスペクトル分布データを出力する分光計2と、検出データ及びスペクトル分布データを受けて測光データを算出する演算部3とを備えた測光装置MEAである。演算部3には、フォトダイオードPDの分光感度データを記憶する第1記憶部TBL1が設けられると共に、分光計2から出力されたスペクトル分布データと、第1記憶部TBL1から読み出した分光感度データとを、波長毎に積算して、スペクトル分布データを補正する第1手段と、補正されたスペクトル分布データに基づいて、検出データを波長毎の構成要素に分解する第2手段と、が設けられている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、発光体の光量を迅速且つ高精度に計測できる測光装置に関し、典型的には、製造メーカの検査ライン上の発光体について、その光量値を連続的に測定する用途で活用される。
発光ダイオードなどの製造メーカでは、最終検査の一環として、各素子の光量を計測する必要がある。光量値としては、例えば、光度(Luminous Intensity)が要求される。ここで、光度Iγ(カンデラ値)は、光束Φγ(ルーメン値)の単位立体角dΩ当りの割合であり、Iγ=dΦγ/dΩで与えられる。一方、光束Φγは、放射束を、CIE標準分光視感効率V(λ)で重価積分したものであり、最大視感効果度Kmも加味して、下式のように定義される。なお、放射束とは、光源が空間に放射するパワー[W]、つまり、単位時間当たりの放射エネルギー[J/s]である。
このような光量を計測するには、フォトダイオードを用いて、発光体からの放射光を視感度フィルタを通して受け、その起電流値に基づいて、光束値や光度を求めることが考えられる。ここで、視感度フィルタは、人間の視感度に対応して、CIE標準分光視感効率の特性V(λ)を再現するフィルタである。
フォトダイオードは、このような視感度フィルタを通過した放射光を受けるため、その起電流値に基づいて、光束(ルーメン値)や光度(カンデラ値)を求めることができる。すなわち、フォトダイオードの出力を、光量が既知の別のマスター光源で校正するか、或いは、同一発光源を他の標準測定器を用いて測定し、その測定値に基づいてフォトダイオードの出力を補正すれば良いことになる。
しかしながら、上記の方法で得られる検出値は、視感度フィルタの特性に大きく依存するという問題点がある。しかも、一般の視感度フィルタには、青緑波長域の特性にズレがあることも多いため、検出値の精度に信頼性が欠けるという欠点がある。また、フォトダイオードは、発生する起電流の感度が、放射光の波長に対して相違するが、上記の方法では、この波長に対する感度変化の問題を全く考慮できないという致命的な欠点もある。
このような欠点を解消する対策としては、先ず、検査ラインで使用できるよう、高精度であるだけでなく、迅速に計測処理を完了できることが必要である。また、あらゆる検査ラインで汎用的に使用できるためには、光量変動が大きくても対応可能なダイナミックレンジの広いものが必要である。
この発明は、上記の要請に鑑みてなされたものであって、視感度フィルタを用いる必要がなく、光量を迅速且つ高精度に測定できるダイナミックレンジの広い測光装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明は、発光体からの放射光を受けてその強度に応じた検出データを出力する受光部と、前記放射光を受けて、その相対的なスペクトル分布データを出力する分光分析部と、前記検出データ及びスペクトル分布データを受けて測光データを算出する演算部とを備えた測光装置であって、前記演算部には、前記放射光の波長毎に異なる、前記受光部の感度を特定する分光感度データを記憶する第1記憶部が設けられると共に、前記分光分析部から出力された前記スペクトル分布データと、前記第1記憶部から読み出した前記分光感度データとを波長毎に積算して、前記スペクトル分布データを補正する第1手段と、補正されたスペクトル分布データに基づいて、前記受光部から得られた前記検出データを波長毎の構成要素に分解する第2手段と、が設けられて、放射束と光束と光度とが算出可能に構成されている。
本発明では、分光分析部が出力するスペクトル分布データを、受光部の出力する検出データに基づいて補正するので、相対値で得られたスペクトル分布データを物理量に変換することができる。ここで、相対値であるスペクトル分布データの精度を上げることは比較的容易であり、また、第1手段の実行する補正演算も単なる積和計算であるから、迅速且つ高精度に光量を計測することができる。また、受光部は、発光体からの放射光を、直接又は直接的に受けることができ、視感度フィルタを使用する必要がない。そして、視感度フィルタを使用しないので、可視域に限定されず、紫外域や赤外域の光量についても計測可能となる。
本発明は、相対値であるスペクトル分布データを、絶対値校正可能な検出データに基づいて補正している。本発明では、分光分析部で受けた放射光から物理量(検出データ)を検出し、この検出データに基づいてスペクトル分布データを絶対値校正することも原理的には可能である。但し、一般に、分光分析部では受光面積を広くできず、そのため光量変動に対応できないので、現実的妥当性には欠ける。したがって、本発明では、分光分析部として、完成品の(高精度の)分光計を採用する一方、これとは別に、(高精度の)受光部を設けるのが好適である。
なお、本発明では、放射束と光束と光度とが算出可能に構成されているが、必ずしも、その全てを算出する必要はなく、適宜に選択された何れかを算出して、記憶及び/又は表示出力するのが好適である。
本発明の演算部には、好ましくは、人間の分光視感度効率データを記憶する第2記憶部が更に設けられると共に、波長毎に分解された前記検出データと、前記第2記憶部から読み出された前記分光視感度効率データとを、波長毎に積算して、その各積算値を全波長にわたって加算することで視感度補正された放射量を算出する第3手段が更に設けられている。また、前記受光部は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードの起電流を電圧変換する変換部とを備えて構成されるのが好適である。
更に好ましくは、前記第1手段と前記第2手段は、全体として以下の演算を実行している。P(λ)×PDI/SUM・・・・(式1)
但し、SUM=Σ(P(λ)×PD(λ))
但し、SUM=Σ(P(λ)×PD(λ))
以上説明した本発明によれば、視感度フィルタを用いる必要がなく、光量を迅速且つ高精度に測定できるダイナミックレンジの広い測光装置を実現できる。
以下、実施例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図1(a)は、実施例に係る測光装置MEAの概略構成を例示するブロック図である。この測光装置MEAでは、検査ライン上の発光ダイオードLEDを点灯制御すると共に、発光ダイオードLEDからの放射束値[W:ワット]と、視感度補正された光束値[Lm:ルーメン]と、光度値[Cd:カンデラ]とを自動計算して出力している。
図示の通り、この測光装置MEAは、発光ダイオードLEDを点灯制御する発光駆動部DRと、発光ダイオードLEDからの放射光を受けるフォトダイオードPDと、フォトダイオードPDの起電流に比例した電圧を出力するPDアンプ1と、発光ダイオードLEDからの放射光の分光スペクトルを正確に求める分光計2と、PDアンプ1及び分光計2からの出力を受けて上記した各種の測光値を算出する演算部3と、装置各部の動作を適宜に制御する機器制御部4とを中心に構成されている。
演算部3は、典型的にはパーソナルコンピュータで構成され、測光装置MEAの中央制御部として機能している。そして、演算部3で算出された測光値は、逐次、演算部4に内蔵又は接続されている記憶部に記憶されると共に、表示出力部5に出力される。
この実施例のフォトダイオードPDは、直径10mm程度の受光面を有している。但し、ハウジングなどの制約から、実効面積としては、半径r=4の円として、r2×π=50.27[mm2]となる。一方、発光ダイオードLEDとフォトダイオードPDの距離WDは、42mm程度に設定することができるので、1ステラジアン(Sr)当りの受光面積は、WD×WD=1764[mm2]となる。したがって、面積比は、r2×π/(WD×WD)=0.028となる。
図1(b)に原理図を示す通り、PDアンプ1は、OPアンプ6と、n個の帰還抵抗Ri(R1〜Rn)と、負荷抵抗RLと、各帰還抵抗に接続されたn個のスイッチ素子Si(S1〜Sn)とで構成されている。ここで、スイッチ素子Siは、その何れか1つが機器制御部4によってON状態とされ、残りはOFF状態とされる。
OPアンプ6の反転入力端子と非反転入力端子とはイマジナル・ショート状態であり、OPアンプ6の入力インピーダンスはほぼ無限大である。そのため、フォトダイオードPDの起電流Iは、全て帰還抵抗Riに流れることになり、PDアンプ1の出力電圧Voは、フォトダイオードPDの起電流Iに比例して、Vo=−Ri×Iとなる。なお、帰還抵抗Ri(R1〜Rn)の抵抗値は、PDアンプ1に要求されるゲインに応じて設定されるので、例えば、105、106、107、108の4種類のゲインが要求される場合であれば、4つの帰還抵抗R1〜R4の抵抗値は、105〜108[Ω]となる。
上記した構成のPDアンプ1の出力電圧Voは、A/Dコンバータ7と第1通信部8とを経由して、演算部3に取得される。ここで、A/Dコンバータ7の分解能は、例えば、12ビット又は16ビットである。なお、A/Dコンバータ7に供給される基準電圧など、A/Dコンバータ7の動作状態は、機器制御部4によって、PDアンプ1のゲイン応じて適宜に変更される。また、第1通信部8は、この実施例では、RS232C規格などのシリアル通信によって、A/Dコンバータ7の出力を演算部4に伝送している。
分光計2としては、この実施例では、回折格子(grating)を用いて放射光を分光させる格子分光計(grating spectrometer)が使用される。この分光計2は、放射光のスペクトラム(分光分布データ)を、光エネルギー強度の相対値を示すカウント値として出力するが、そのカウント値は、第2通信部9を通して、演算部3に伝送される。なお、第2通信部9は、この実施例では、8ビット幅又は16ビット幅で高速にデータを伝送するために、SCSI規格に基づくパラレル通信方式を採っている。
一方、演算部3には、各装置MEAで使用される個々のフォトダイオードPDについての、分光感度データPD(λ)を記憶する分光感度テーブルTBL1が設けられている(図5(b)参照)。図2に示すように、一般に、フォトダイオードは、波長λに対応して感度が上がるが、この実施例では、測定対象が発光ダイオードLEDであるので、可視域の波長範囲(λ=300〜800[nm])について、1[nm]間隔の分光感度データ[A/W]が記憶されている。なお、この分光感度テーブルTBL1では、単位エネルギー単位時間照射(1[μJ/s]=1[μW])に対する、フォトダイオードの起電流値[μA]を単位波長(1[nm])間隔で示している。なお、分光感度テーブルTBL1を構築するために、フォトダイオード毎に分光感度データを測定しても良いが、素子メーカから提供されるデータを使用するのが簡易的である。
また、演算部3には、人間の視感度特性V(λ)を、単位波長(1[nm])間隔で記憶する視感度テーブルTBL2も設けられている(図5(b)参照)。ここで、視感度特性としては、CIEによる標準分光視感度効率(spectral luminous efficiency)を使用している。この視感度特性は、波長λ=555[nm]の単色放射に対して感ずる明るさを1に正規化して、その他の波長で感ずる同一放射強度の明るさの比を表している(図3)。図3に示す通り、例えば、波長λ=470[nm]の光は、物理的に同一の放射強度であっても、波長λ=555[nm]の光の約10分の1の明るさにしか感じないことになる。
続いて、図1の測光装置MEAの動作内容(測光アルゴリズム)を、図5(a)のフローチャートに基づいて説明する。図示のように、最初に、演算部(中央制御部)3からの指示に基づいて機器制御部4が動作して、装置各部の動作条件が設定される(ST1)。例えば、測光時間間隔や、発光ダイオードの点灯時間や、PDアンプのゲインや、分光計の露光時間などが、必要とされる測定条件に応じて設定される。
このような初期処理が終われば、演算部3からの指示に基づいて機器制御部4が発光駆動部DRを制御して、発光ダイオードLEDに駆動信号が供給される(ST2)。また、発光ダイオードLEDの点灯に対応して分光計2の動作が開始される(ST3)。
次に、演算部3は、A/Dコンバータ7と第1通信部8を通して、フォトダイオードPDの起電流に比例した電圧値を取得する(ST4)。そして、A/Dコンバータ7の分解能やPDアンプ1のゲインに基づいて、フォトダイオードPDの起電流値[μA]を求めてこれを記憶する。なお、ここでは、フォトダイオードPDの起電流値が、PDI[μA]であったとする。
続いて、演算部3は、第2通信部9を通して、発光ダイオードLEDからの放射光の分光分布データP(λ)を取得して、記憶テーブルTBL3に格納する(ST6)。分光分布データP(λ)は、放射光のスペクトル分布を相対値で示すもので、光エネルギーの相対強度が、1[nm]間隔で計測カウント値として示される(図4、図5(b)参照)。
以上のようにして計測結果を取得すると、取得した計測データに基づいて、適宜な演算処理を実行し、実放射束の総量である受光面視感パワー量Φ[μW]と、受光面光束量(ルーメン)[μLm]と、光度(カンデラ)[μcd]とを算出して記憶及び表示する(ST7)。以下、同様であり、次の検査対象(発光ダイオード)についてもステップST2〜ST7の処理を繰り返す。
図6は、データ演算処理(ST6)の具体的内容を示すフローチャートである。先ず、分光感度テーブルTBL1の分光感度データPD(λ)と、記憶テーブルTBL3の分光分布データP(λ)とを読み出して積算し、積算結果を波長λ毎に一時ファイルに記憶する(ST61)。すなわち、X(λ)←PD(λ)×P(λ)の演算を実行する。
フォトダイオードPDは、図4のようなスペクトル分布特性P(λ)を示す放射光を受けて、起電流PDIを発生している。但し、フォトダイオードPDには、図2のような感度特性PD(λ)があるので、上記ステップST61の処理によって、分光計2から得られたカウント値である分光分布データP(λ)を、感度特性PD(λ)に合わせて補正するのである。したがって、補正された分光分布データX(λ)を有する放射光が、フラットな感度特性を有するフォトダイオードに照射された結果として、起電流PDIが得られたと擬制することができる。
そして次に、補正した分光分布データX(λ)を全波長λについて積分して、総カウント値を求める(ST62)。具体的には、SUM←ΣX(λ)の総和計算を実行して、計算結果を変数SUMに記憶する。
以上の処理の結果、各波長λについて、全体(=SUM)との関係で案分比(=X(λ)/SUM)が特定されるので、フォトダイオードPDの起電流値PDI(トータル値)に案分比を積算して一時記憶する。つまり、Y(λ)←PDI×X(λ)/SUMの処理を施す(ST63)。このステップST63の処理によって、フォトダイオードから検出された起電流値PDIが、波長λ毎に分解されたことになる。
このように、一時記憶されたY(λ)は、フォトダイオードから検出された総物理量たる起電流値PDIを、その構成要素に分解したものであると考えることができる。次に、一次記憶されているY(λ)の値を、分光感度データPD(λ)で除算して(Y(λ)/PD(λ))、放射光のパワーを単位波長λ[=1nm]毎に分解する(ST64)。
以上の処理の結果、正確に放射光のスペクトル分布を特定するが相対値に過ぎない分光分布データP(λ)が、放射光の物理量で絶対値で特定する起電流値PDIによって校正されて、絶対値で特定されたスペクトル分布が得られたことになる(式1参照)。なお、ステップST63とST64の処理を纏めて、式1の演算を実行しても良いのは勿論である。
ところで、光束Φγ[Lm]は、放射束を、分光視感効率V(λ)と最大視感効果度Km(Spectral luminous Efficiency)とに基づいて評価し直したものであり、次の式2で与えられる。
そこで、視感度テーブルTBL2に記憶されている分光視感度効率データV(λ)を読み出して、これをY(λ)/PD(λ)の値に積算して、視感度補正されたパワー値とする(ST65)。つまり、Z(λ)←Y(λ)/PD(λ)×V(λ)の演算を行う。次に、ΣZ(λ)の演算によって、全波長について総和を求めると、フォトダイオード受光面での視感パワー量[μW]、つまり放射束Φが求まる(ST66)。次に、ステップST66の処理で算出された放射束Φに、最大視感効果度定数Km(=683[Lm/W])を積算して、フォトダイオード受光面での光束量Φγ[μLm]を求める(ST67)。
ところで、光度Iγ[カンデラ]は、単位立体角(1ステラジアン)当りの光束量Φγ[ルーメン]である。本実施例では、発光ダイオードLEDとフォトダイオードPDの離間距離がWDであり、フォトダイオードの受光面積がSであるから、Iγ←Φγ×WD×WD/Sの計算によって光度Iγが算出される(ST68)。なお、WD=42mm程度、S=r2×π=50.27[mm2]程度である。
以上説明したように、本実施例では、分光計2から得られるスペクトルデータP(λ)と、フォトダイオードの分光感度データPD(λ)とに基づいて、フォトダイオードの検出値PDIを、各波長毎の放射束実値に変換している。ここで、相対値を示すスペクトルデータP(λ)の精度を上げることは、比較的容易であるから、算出される各波長毎の放射束実値の精度も高い。したがって、放射束実値から算出されて表示出力される各測光値も高精度なものとなる。なお、本実施例の測光値としては、受光総量の放射束[μW]、各波長放射束を視感度補正して換算した光束値[μLm]、1ステラジアン当りの光束である光度値[μCd]が算出されるが、表示出力する測光値は適宜に選択されて良いのは勿論である。
以上、本発明について具体的に説明したが、実施例として例示した記載内容は、何ら本発明を限定するものではない。例えば、実施例では発光ダイオードの光量を測定したが、その他の発光体に対しても適応可能である。また、可視域の計測に限定されず、紫外域や赤外域など任意の領域についても計測可能である。
LED 発光体(発光ダイオード)
PD 受光部(フォトダイオード)
2 分光分析部(分光計)
3 演算部
MEA 測光装置
TBL1 第1記憶部
PD 受光部(フォトダイオード)
2 分光分析部(分光計)
3 演算部
MEA 測光装置
TBL1 第1記憶部
Claims (5)
- 発光体からの放射光を受けてその強度に応じた検出データを出力する受光部と、前記放射光を受けて、その相対的なスペクトル分布データを出力する分光分析部と、前記検出データ及びスペクトル分布データを受けて測光データを算出する演算部とを備えた測光装置であって、
前記演算部には、前記放射光の波長毎に異なる、前記受光部の感度を特定する分光感度データを記憶する第1記憶部が設けられると共に、
前記分光分析部から出力された前記スペクトル分布データと、前記第1記憶部から読み出した前記分光感度データとを、波長毎に積算して、前記スペクトル分布データを補正する第1手段と、
補正されたスペクトル分布データに基づいて、前記受光部から得られた前記検出データを波長毎の構成要素に分解する第2手段と、が設けられて、
放射束と光束と光度とが算出可能に構成されていることを特徴とする測光装置。 - 前記演算部には、人間の分光視感度効率データを記憶する第2記憶部が更に設けられると共に、
波長毎に分解された前記検出データと、前記第2記憶部から読み出された前記分光視感度効率データとを、波長毎に積算して、その各積算値を全波長にわたって加算することで視感度補正された放射量を算出する第3手段が更に設けられている請求項1に記載の測光装置。 - 前記分光分析部は、完成品たる分光計で構成されている請求項1又は2に記載の測光装置。
- 前記受光部は、フォトダイオードと、前記フォトダイオードの起電流を電圧変換する変換部とを備えて構成されている請求項1〜4の何れかに記載の測光装置。
- 前記第1手段と前記第2手段は、全体として式1の演算を実行している請求項4に記載の測光装置。
P(λ)×PDI/SUM・・・・(式1)
但し、SUM=Σ(P(λ)×PD(λ))
PDI:フォトダイオードの起電流値
P(λ):分光部が出力するスペクトル分布データ
PD(λ):第1記憶部が記憶する分光感度データ
λ:波長 Σ:全波長域での総和演算
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