JP2007078502A - 発光体の測光装置 - Google Patents

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

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））

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、ｒ^２×π＝５０．２７［ｍｍ^２］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［ｍｍ^２］となる。したがって、面積比は、ｒ^２×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、１０^５、１０^６、１０^７、１０^８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、１０^５〜１０^８［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＝ｒ^２×π＝５０．２７［ｍｍ^２］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。

実施例に係る測光装置の概略構成を示すブロック図である。 フォトダイオードの分光感度特性を例示する特性図である。 人間の視感度効率を示す特性図である。 発光ダイオードからの放射光のスペクトル分布を例示する特性図である。 図１の測光装置の動作を示すフローチャート（ａ）と、演算部の内部構成を示す図面（ｂ）である。 図１の測光装置の演算処理を説明するフローチャートである。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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