JP2011023727A - 発光光線の重心波長を調整するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための装置を提供する。
【解決手段】ＬＥＤユニット１８の光軸上で後置される少なくとも１つの干渉フィルタ２０を有し、前記ＬＥＤユニット１８の発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための装置において、前記ＬＥＤユニット１８と前記干渉フィルタ２０が少なくとも１つの温度調節ユニット２２と結合されており、前記温度調節ユニット２２が少なくとも１つの温度検出ユニット３２と結合されており、前記温度検出ユニット３２が前記ＬＥＤユニット１８の温度も前記干渉フィルタの温度も検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤユニットの光軸上で後置される少なくとも１つの干渉フィルタを有し、ＬＥＤユニットの発光光線の重心（centroid）波長を制御下に厳密に調整するための装置に関する。

半導体の長い寿命と安価な製造のゆえに発光ダイオード（ＬＥＤ、light-emitting Diod）を例えば偏光計、分光計または屈折計等の精密測定機器内で光線源として利用することは一般に知られている。

しかし、ＬＥＤ発光光線の重心波長は、利用される物理的測定効果が一般に大きな波長依存性を有するので、ごく正確に調整されねばならない。

いわゆる規定液（サッカロース溶液）の場合、偏光測定における測定効果（measuring effect）の波長依存性はナノメートル当り約０．４％である。しかし、ＬＥＤによって決定される、標準的（exemplary）に分散し、型に依存した発光光線の重心波長範囲は、周囲温度とＬＥＤユニットとにごく強く依存している。

ＬＥＤユニットの温度は、電流にも周囲温度にも依存し、従って利用場所に依存している。温度に影響を及ぼすこれらの変量によって、数ナノメートルに至るまでの変位が現れることがある。

これにより、例えば精密な偏光測定はさらなる措置なしでは不可能である。ＬＥＤユニットの温度低下または温度上昇は、重心波長の変位を、従って発光光線の波長増大もしくは波長減少を常にもたらす。例えば特許文献１により、温度制御されたレーザダイオードを有する装置が公知である。特許文献２は温度制御ユニットを一体化した装置を開示している。特許文献３により温度制御式レーザを有する分光システムが公知である。さらに特許文献４は発光ダイオードの光スペクトルを制御するための方法および装置を開示している。

測定光線の重心波長変位を極力小さいものとするために、光線源の背後に配置される光学干渉フィルタが先行技術に述べられている。光学フィルタの通過帯域に関して光線源の発光光線スペクトルがきわめて幅広である場合、重心波長は実質的にフィルタによって決定される。しかし、フィルタの通過帯域と発光光線のスペクトル幅が同じオーダーである場合、フィルタ特性に光線スペクトルを掛けて合成測定光線が得られる。

しかし、両方の事例において重心波長が長期的には安定しない。というのも、干渉フィルタは当然に経年劣化（aging）プロセスに服し、こうして通過帯域の時間的変化を生じるからである。この伝送変化は通例、手間をかけてフィルタ位置を変更すること（光線内での傾動）によって補償されねばならない。干渉フィルタも、あらゆる物理的変量等の温度影響を受ける。使用される光源の伝送波長（transmission wavelength）は温度に依存しており、温度上昇時に長くなり、温度低下時に相応に短くなる。

光源の光線スペクトルと光学フィルタの通過帯域が概ね同じオーダーである場合、フィルタ特性のゆっくりとした変化の他に、短期的にも、ＬＥＤユニットの温度変化を生じるとき合成測定光線の重心波長の変位を生じることがある。まさにその場合、手間をかけて位置変更によって光学フィルタの再調整を直前に実行しても補正は達成できない。

米国特許第４７０１６０７号明細書 米国特許第５６８０４１０号明細書 英国特許出願公開第２２９２４７９号明細書 欧州特許出願公開第０５１６３９８号明細書

そこで本発明の課題は、発光ダイオードの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための装置を提供することである。

この課題は、請求項１に明示した特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

本発明に係る装置は、ＬＥＤユニットの光軸上で後置される少なくとも１つの干渉フィルタを有するＬＥＤユニットを含む。ＬＥＤユニットと干渉フィルタは、少なくとも１つの温度調節ユニットと結合されている。温度調節ユニットは、やはり少なくとも１つの温度検出ユニットと結合されており、温度検出ユニットはＬＥＤユニットの温度も干渉フィルタの温度も検出する。

こうして、本発明に係る装置でもって、発光ダイオードの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整することは特別迅速に行うことができる。こうして、干渉フィルタの機械的再調整は不要となる。

本発明に係る装置の特別好ましい一実施形態において、干渉フィルタは、組付け状態時にＬＥＤユニットに対して相対的に水平にかつ発光光線に対して垂直に回転可能に形成されている。これにより、厳密な重心波長は例えば希望する使用温度について予め設定することができる。

本発明に係る装置の好ましい一実施形態において、温度検出ユニットと温度調節ユニットが制御ユニットと作用結合されており、制御ユニットは温度検出ユニットによって確定された実際値に依存して温度調節ユニットを特定の目標値に制御する。こうしてごく短い伝達経路を通して迅速で極力損失のない温度検出、評価および制御を確保することができる。このため所要の部材群はすべて１つのベースプレート上に配置しておくことができる。

本発明に係る装置の他の好ましい一実施形態において温度調節ユニットはペルティエ素子である。ペルティエ素子の利点は寸法が小さく、あらゆる可動部材が避けられることにある。これにより装置のごくコンパクトな構造様式が保証される。それに加えて、流れ方向を反転させることによってペルティエ素子で冷却することも加熱することも可能である。

本発明に係る装置の有利な一実施形態によれば、ＬＥＤユニットと温度検出ユニットは一体に形成されている。これにより、携帯用小型機器への組付けも可能とする特別コンパクトな部品が提供される。

本発明に係る装置の他の有利な一実施形態において、ＬＥＤユニットと干渉フィルタは、温度検出ユニットおよび温度調節ユニットの直接的空間的近傍（in close spatial proximity）で共通のベースプレート上に配置されている。これにより、短い熱伝達経路を確保することができる。ペルティエ素子自体がベースプレートとして機能し得ることも考えられる。

本発明に係る装置の他の好ましい一実施形態においてはペルティエ素子にヒートシンクが付設されている。過剰の熱はヒートシンクに直接放出することができる。これにより、特定温度目標値（determined temperature setpoint）への直接的制御を著しく容易とすることができる。

定格抵抗および抵抗変化の標準化を確保し、引き続き一連の測定装置の再校正を必要とすることなく温度検出器の易互換性も確保するために、本発明に係る装置の他の好ましい一実施形態において、温度検出ユニットはＰＴサーミスタまたはＰＴＣサーミスタまたはＮＴＣサーミスタまたは半導体温度検出器である。

本発明に係る装置の好ましい一実施形態によれば、温度調節ユニットが伝熱層によってベースプレートと結合されている。ＬＥＤユニットの温度検出ユニットと干渉フィルタとに対して極力損失のない熱力学的移行部を提供することをこうして確保することができる。

本発明に係る装置の有利な一実施形態において、温度調節ユニットは一方向性である。これにより、温度調節ユニットの手間のかかる駆動は節約することができる。

本発明に係る装置の他の有利な一実施形態において、温度調節ユニットは抵抗加熱による加熱フィルムである。

本発明に係る装置の好ましい一実施形態において、温度調節ユニットは２方向温度調節素子であり、これに伝熱層とヒートシンクが付設されている。そのことで、目標温度および実際温度への短い反応時間が確保される。これにより、温度上昇も温度低下も直ちに設定することができる。

本発明に係る装置の他の好ましい一実施形態において、バングバング制御器（bang-bang controller）またはＰＩＤ制御器またはＰコントローラが制御ユニットに付設されている。特にＰＩＤ制御器は、基準変量および外乱（reference variable/disturbance）の急変時（variable step）に定常誤差（steady state error）を持たないので最も適応能力があり、制御パス（control path）の２つの遅延（Ｔ１素子）を補償することができ、こうして上記制御パスを簡素化することができる。

本発明の課題はさらに、このような有利な装置用に発光光線（emitted optical radiation）の重心波長を調整するための、後置された（arranged downstream）干渉フィルタの経年劣化に起因した光学特性を補償する方法を提供することである。

この課題は、請求項１４に明示した特徴によって解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項の対象である。

干渉フィルタと組合せてＬＥＤユニットからの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための本発明に係る方法は、ＬＥＤユニットおよび干渉フィルタが温度調節ユニットと結合されるステップ、ＬＥＤユニットの温度と干渉フィルタの温度がこれらに付設された温度検出ユニットによって同時に検出されるステップ、制御ユニットが温度検出ユニットによって確定されるＬＥＤユニットおよび干渉フィルタの温度に依存して温度調節ユニットを駆動し、かつＬＥＤユニットおよび干渉フィルタの温度上昇または温度低下を実際値に依存して所定の目標値へと動的に調整するステップを含む。

干渉フィルタと組合せてＬＥＤユニットからの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための本発明に係る方法は、有利な一実施形態において、温度調節ユニットによって設定されかつ制御ユニットによって監視されるＬＥＤユニットおよび干渉フィルタの温度が特定値に調整され、希望する重心波長に依存して組付け状態時に水平軸のまわりで干渉フィルタの発光光線に垂直に干渉フィルタを回転させることによってＬＥＤユニットの発光光線の重心波長値が調整されるステップを含む。

これらの措置で提供される方法でもって、発光ダイオードの発光光線の重心波長を迅速確実に設定することは長期にわたって保証することができる。発光ダイオード発光光線の老化に起因した重心波長変位はこうして補償することができる。

上記発明の使用は偏光計内で行われる。

上記発明の使用は屈折計内で行われる。

上記発明の使用は分光計内で行われる。

自明のことであるが、上で指摘した特徴および以下でなお説明する特徴は記載した組合せまたは実施形態においてだけでなく、別の組合せにおいても、別の実施形態の特徴と共に、または単独でも、本発明の枠から逸脱することなく利用可能である。

以下、添付図面を参考に例示的実施形態に基づいて本発明が詳しく説明される。

本発明に係る装置の略側面図である。

図１に示すように、装置１０は、実質的に上面１４と下面１６とを有するベースプレート１２から成る。上面１４にＬＥＤユニット１８、例えばＬＥＤチップが配置されている。ＬＥＤユニット１８の光路中でやはりベースプレート１２の上面１４に干渉フィルタ２０が配置されている。

ベースプレート１２の下面１６が温度調節ユニット２２と作用結合（operatively connected）されている。温度調節ユニット２２は、それ自体ヒートシンク２４と結合されている。この実施形態において、ヒートシンク２４は多数の冷却フィン２６を有する。場合によって発生する熱をなお一層効率的に排出できるようにするために、付加的にヒートシンク２４に排気装置（図示せず）を付設しておくことができる。

温度調節ユニット２２は、平面的に形成されており、この実施例においてペルティエ素子である。温度調節ユニット２２に伝熱層２８と伝熱層３０が付設されており、伝熱層は温度調節ユニット自体と概ね同じ寸法を有する。伝熱層２８、３０はベースプレート１２の下面１６とヒートシンク２６との間に熱力学的に好ましい移行部を生じるように形成されている。

ＬＥＤユニット１８に温度検出ユニット３２が付設されている。この実施例において、温度検出ユニット３２とＬＥＤユニット１８は一体に形成されている。ＬＥＤユニット１８が発光ダイオード３４を有する。発光ダイオード３４から発光される光線３６は干渉フィルタの方向に放射される。

温度検出ユニット３２と温度調節ユニット２２が制御ユニット３８によって互いに結合されている。制御ユニット３８は、所定の目標値と温度検出ユニット３２によって検出された実際の実際値とに依存して温度調節ユニット２２を制御する。温度調節ユニット２２は、実質的にベースプレート１２と同じ寸法を有し、ＬＥＤユニット１８および干渉フィルタ２０を同程度に温度調節する。

本装置および本方法の機能様式を以下で説明する。

本発明によれば、ＬＥＤユニット１８および干渉フィルタ２０の温度は温度検出ユニット３２によって直接ピックアップされる。ＬＥＤユニット１８が温度調節ユニット２２と結合されている。温度検出ユニット３２から到来する出力変量(output variable)が制御ユニット３８の入力変量として役立つ。制御ユニット３８の出力端子が温度調節ユニット２２と結合されている。制御ユニット３８によって予め与えられて温度調節ユニット２２によって発生される温度を介してＬＥＤユニット１８および干渉フィルタ２０の温度が高められまたは下げられ、発光光線３６の重心波長は波長増大もしくは波長減少の方に変位され、これにより厳密に調整することができる。

光学フィルタユニット、ここでは干渉フィルタ２０が光線源、ここでは発光ダイオード３４の前にある場合、制御ユニット３８を介してＬＥＤユニット１８の温度を単純に変更することによって、干渉フィルタ２０の経年劣化に起因した変化を手間のかかる位置変更なしに再調整することができる。発光光線３６の重心波長が特定値（determined value）を有すべきである場合、発光光線３６は好適な方法、例えば分光分析によって検出し、制御ユニット３８によって希望値に設定されねばならない。それに代えて本方法は、石英標準(quartz standard)と共に発光光線３６の重心波長値を間接的に判定する機器、例えば偏光計または屈折計の構成要素とすることもできる。

既存の希望する重心波長に依存して、干渉フィルタ２０の傾動（tilting）によって発光ダイオード３４の発光光線３６の重心波長値は予め設定することができる。それに応じて測定機器の寿命中に場合によって現れるあらゆる波長変化は例えば、校正済み石英プレートによる点検測定によって確認することができる。次に目標値は制御ユニット３８によって温度変更を介して再び設定することができる。

発光光線３６の重心波長が特定値を有すべきである場合、制御ユニット３８の出力変量(output variable)は、発光光線３６が希望する重心波長を有することになるまで設定されねばならない。

温度検出ユニット３２から提供される出力変量は、制御ユニット３８の入力端子（例えばバング−バング制御器、ＰＩＤ制御器またはＰコントローラ等）に直接印加される。制御ユニット３８の出力端子１２は、次に温度調節ユニット２２を所定温度に設定し、こうして重心波長を調整する。

なお触れておくなら、ＬＥＤ用にも干渉フィルタ用にも独自の温度調節ユニットと各１つの温度検出ユニットを設けることも可能である。しかしこれは手間がかかり、構造、取扱いが複雑となり、従って比較的高価となる。

１０ 装置
１２ ベースプレート
１４ 上面
１６ 下面
１８ ＬＥＤユニット
２０ 干渉フィルタ
２２ 温度調節ユニット
２４ ヒートシンク
２６ 冷却フィン
２８ 伝熱層
３０ 伝熱層
３２ 温度検出ユニット
３４ 発光ダイオード
３６ 発光光線
３８ 制御ユニット

Claims (18)

1. ＬＥＤユニットの光軸上で後置される少なくとも１つの干渉フィルタを有し、前記ＬＥＤユニットの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための装置において、前記ＬＥＤユニット（１８）と前記干渉フィルタ（２０）が少なくとも１つの温度調節ユニット（２２）と結合されており、前記温度調節ユニット（２２）が少なくとも１つの温度検出ユニット（３２）と結合されており、前記温度検出ユニット（３２）が前記ＬＥＤユニット（１８）の温度も前記干渉フィルタ（２０）の温度も検出することを特徴とする装置。
2. 前記干渉フィルタ（２０）は、組付け状態時に前記ＬＥＤユニット（１８）に対して相対的に水平にかつ発光光線（３６）に対して垂直に回転可能に形成されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 前記温度検出ユニット（３２）と前記温度調節ユニット（２２）が制御ユニット（３８）と作用結合されており、前記制御ユニットが前記温度検出ユニット（３２）によって確定された実際値に依存して前記温度調節ユニット（２２）を特定の目標値に制御することを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 前記温度調節ユニット（２２）がペルティエ素子であることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
5. 前記ＬＥＤユニット（１８）と前記温度検出ユニット（３２）が一体に形成されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
6. 前記ＬＥＤユニット（１８）と前記干渉フィルタ（２０）が前記温度検出ユニット（３２）および前記温度調節ユニット（２２）の直接的空間的近傍で共通のベースプレート（１２）上に配置されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
7. 前記ペルティエ素子（２２）にヒートシンク（２４）が付設されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
8. 前記温度検出ユニット（３２）がＰＴサーミスタまたはＰＴＣサーミスタまたはＮＴＣサーミスタまたは半導体温度検出器であることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
9. 前記温度調節ユニット（２２）が伝熱層（２８）によって前記ベースプレート（１２）と結合されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
10. 前記温度調節ユニット（２２）が一方向性であることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
11. 前記温度調節ユニット（２２）が抵抗加熱による加熱フィルムであることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
12. 前記温度調節ユニット（２２）が２方向温度調節素子であり、これに伝熱層（２８、３０）とヒートシンク（２４）が付設されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項記載の装置。
13. バングバング制御器またはＰＩＤ制御器またはｐコントローラが前記制御ユニット（３８）に付設されていることを特徴とする、先行請求項のいずれか１項記載の装置。
14. 干渉フィルタと組合せてＬＥＤユニットからの発光光線の重心波長を制御下に厳密に調整するための方法において、前記ＬＥＤユニット（１８）および前記干渉フィルタ（２０）が少なくとも１つの温度調節ユニット（２２）と結合され、前記ＬＥＤユニット（１８）の温度と前記干渉フィルタ（２０）の温度がこれらに付設された温度検出ユニット（３２）によって同時に検出され、制御ユニット（３８）が前記温度検出ユニット（３２）によって確定される前記ＬＥＤユニット（１８）および前記干渉フィルタ（２０）の温度に依存して前記温度調節ユニット（２２）を駆動し、かつ前記ＬＥＤユニット（１８）および前記干渉フィルタ（２０）の温度上昇または温度低下を実際値に依存して所定の目標値へと動的に調整することを特徴とする方法。
15. 前記温度調節ユニット（２２）によって設定されかつ前記制御ユニット（３８）によって監視される前記ＬＥＤユニット（１８）および前記干渉フィルタ（２０）の温度が特定値に調整され、希望する重心波長に依存して組付け状態時に水平軸のまわりで発光光線（３６）に垂直に前記干渉フィルタ（２０）を回転させることによって前記ＬＥＤユニット（１８）の発光光線（３６）の重心波長値が設定されることを特徴とする、請求項１４記載の方法。
16. 請求項１〜１３のいずれか１項または複数項記載の装置および方法の使用において、偏光計内で行われることを特徴とする使用。
17. 請求項１〜１３のいずれか１項または複数項記載の装置および方法の使用において、屈折計内で行われることを特徴とする使用。
18. 請求項１〜１３のいずれか１項または複数項記載の装置および方法の使用において、分光計内で行われることを特徴とする使用。

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