JP4336775B2 - 光学測定方法、発光素子の測定方法および発光素子の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定方法、発光素子の測定方法および発光素子の測定装置に関し、特に、分光絶対光量子束が既知の光源を作成しこれを用いて光学的測定を行う方法、発光素子の特性を測定する方法およびその装置に関するものである。

光は、人間生活と密接に関連しており、物理量であるとともに視覚に関連した心理量でもある。現在の情報化社会において視覚情報の果たす役割は非常に大きく、波長を含む光エネルギーの容易で正確な決定法は非常に重要となっている。
現在広く行われている光エネルギーの絶対値を決定する方法は、黒体放射などの放射特性既知の光源やそれにより放射特性が導かれている標準光源を用いる方法（例えば、非特許文献１参照）や、またはボロメータや熱電堆などの絶対放射計を用いる方法などが行われている（例えば、非特許文献２参照）。

黒体放射を用い分光光エネルギーを決めることは、正確ではあるが、大掛かりな装置となり取り扱いが困難である。一般的には標準電球が用いられているが、点灯条件などにより放射特性が変化し、また経年変化も比較的顕著である。また、広く用いられているリボン電球などでは、観測しているフィラメントの位置で放射特性が変わるなど、測定に際し厳格に設定条件を守る必要があり、取り扱いに細心の注意を必要とする。
絶対放射計などは、測定感度が非常に低くまた、応答速度が遅いなど信号の検出および処理が難しく、効率的で安定な測定を困難にしている。

放射特性既知の光源を基準として行われる光学的測定に、エレクトロルミネスセンス（EL）素子などの発光素子に係る各種の測定がある。ELを用いた有機発光素子（OLED）は、面積が数mm^２、厚さが数十nm程度の有機半導体層を発光層としているところに特徴がある。また、発光種は有機分子を基にしているため、その発光スペクトルはスペクトル幅が広くかつ特有のパターンを有しており、無機発光体の発光スペクトルとは大きく異なる。このためOLEDの特徴を正確に評価し、素子開発に必要な、性能の安定化および向上に資するデータを得るには、無機発光素子とは異なる方法を用いる必要があるが、一般的には従来無機発光素子の評価に用いられてきたものと類似の方法が使われている。

従来、OLEDの量子効率などを求めるための発光特性は、輝度計を用いて輝度の測定を行い、全発光エネルギーは輝度計により測定された値をもとにOLEDを完全拡散板と仮定して（Lambertの余弦法則）求めていたが、この仮定は大きな誤差を含む（例えば、特許文献１参照）。そして発光スペクトルについては、必要に応じて輝度計による測定とは別に分光光度計により測定されていた。このような輝度計と分光光度計を用いた評価方法では精度の高い評価を行うことは困難である。
また、幅広く独特のパターンのスペクトルを持つ有機材料の発光の量子効率を求めるためには、真の発光スペクトル（分光感度が補正された）の分光絶対光量子束を知る必要があり、輝度計で求めた全発光エネルギーは不正確なものである。
OLEDは、発光面積を広くとることができるが、発光層の厚みが波長より短くまた、屈折率が異なる基板の上に積層されているため、発光方向による光強度の分布が複雑となる。使用目的に応じた素子の発光特性を得るためには、発光方向の光強度の分布情報を正確に評価する必要があるが、従来の測定方法ではこの要求に応えることが難しかった。
鈴木 守 他、 「分光放射輝度・照度標準の確立」電総研研究報告 ７４２号（1974） 大場信英、 日本物理学会誌 19巻 pp.200-207(1964) 特開２００１−２５０６７５号公報

本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、第１に、測光に必要な、分光絶対光量子束が既知の光源を、正確さを損なうことなく、より簡便な方法で得ることができるようにすることであり、第２に、OLEDを含む発光素子の分光光エネルギーの絶対値を誤差少なく決定することができるようにすることである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の測定に適した波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定し、前記分光放射光源を分光絶対光量子束既知光源として用いて光学的測定を行う光学測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定し、前記分光放射光源の分光光量子束と前記発光素子の分光光量子束とを同一測定条件により測定し両者の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束を得る発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または部分比が既知のその部分光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記積分球内部に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または部分比が既知のその部分光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、発光素子の前面放射光を前記積分球内へ放出し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または部分比が既知のその部分光量子束を拡散反射板へ入射し、その反射光を受光する分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記拡散反射板に代えて前記拡散反射板が設置されていた位置に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を拡散反射板へ入射し、その反射光を受光する分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記拡散反射板に代えて前記拡散反射板が設置されていた位置に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の相対的な分光光量子束を求めることを特徴とする発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記積分球内に発光素子の少なくとも発光層を配置し、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束を前記積分球へ入射してこれにより前記発光層を発光させ、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の内部量子効率を求めることを特徴とする発光素子の測定方法、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、発光源と第１の分光器とを備え、分光絶対光量子束既知光源として用いられる分光放射光源と、前記分光放射光源の光が入射される積分球と、前記積分球から取り出された光が入射される第２の分光器と、前記第２の分光器の出射光を検出する光−電子変換量子効率が既知の光検出器と、を有する発光素子の測定装置、が提供される。

また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、発光源と第１の分光器とを備え、分光絶対光量子束既知光源として用いられる分光放射光源と、前記分光放射光源の光が入射される拡散反射板と、前記拡散反射板からの反射光が導入される第２の分光器と、前記第２の分光器の出射光を検出する光−電子変換量子効率が既知の光検出器と、を有する発光素子の測定装置、が提供される。

本発明の分光絶対光量子束既知光源の光源として用いられるランプは、特に限定されるものではないが連続スペクトルを有するタングステンランプ、重水素放電管やキセノンランプなどであり、比較的安価に入手できるものである。また、光−電子変換量子効率が既知の光検出器には、特に限定されるものではないが、例えばシリコンフォトダイオードやシリコンフォトダイオードを１次元状ないし２次元状に配列したＣＣＤ(charge coupled device)を用いることができ、例えば、シリコンフォトダイオードは経時変化が少なく安定した特性を期待することができる。本発明においては、これらの容易に入手でき安定した特性を有するデバイスを用いて分光絶対光量子束既知光源を構成することができるので、本発明によれば、簡易にかつ安価にしかも精度の高い基準光源を得ることができる。
また、本発明においては、分光絶対光量子束既知光源を基準として、発光素子の全放射光、前面放射光、あるいは蛍光、燐光の分光光量子束の絶対値を求めるものであるので、発光素子の放射絶対光量子束やその量子効率やエネルギー効率などのOLEDをはじめとする発光素子を開発する上で必要なデータを容易に精度よく得ることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。ランプ１より放射された光は集光光学系２により集光されて分光器３に入射される。分光器３の出射光は集光光学系４により集光されて光検出器５に入射され光電変換される。光検出器５を流れる光電流は電流計６により検出され、その出力はコンピュータ７へ入力され、記録され必要に応じて表示される。
ランプ1としては、使用目的に応じて適当な波長範囲（例えば0.2 〜1.1μm）に連続スペクトルを持つものや適当な波長に線スペクトルを持つものなど任意のものを採用することができる。連続スペクトルのものとしてはタングステンランプ、重水素放電管やキセノンランプを挙げることができ、また線スペクトルを持つものとしては水銀ランプを挙げることができる。分光器３は、波長分散素子として一般のプリズムや回折格子を有するものであり、迷光が少ないものが望ましい。分光器３の分光波長はコンピュータ７により制御される。また集光光学系２、４としては、レンズや反射鏡などを用いることができる。また、光検出器５には、何らかの方法で量子効率などが既知となった検出器を用いる。たとえば、Siフォトダイオードでは、広い波長範囲（0.2―1.1 μm）にわたり、光―電子変換量子効率は既知であり、（450―900 nm）でほぼ一定となっている。非常に発達した半導体技術により作製されるため、安定した性能の素子が供給されており、素子はほとんど経時変化を受けない。光検出器の光−電子変換面の大きさはある程度自由に選ぶことが可能であるが、Siフォトダイオードでは場所による検出感度の感度むらも非常に小さいという他の光検出器にはない特徴を有し、測定誤差を容易に小さくすることが可能となる。また、光検出器としてリニア型ないしエリア型のイメージセンサを用いることができる。

ランプ１、集光光学系２、４および分光器３は、分光光源１００を構成しており、本発明により分光絶対光量子束既知光源として用いられるものである。分光光源１００を出射する光は、すべて光検出器５に入射させることもできるが部分光のみを入射させることもできる。後者の場合には、部分光の全体に対する割合を既知としておくかあるいは常に部分光のみを用いるようにする。すなわち、部分光をもって分光絶対光量子束既知光源の放射する光として取り扱う。

ここで、分光光源１００の全出射光が光検出器５に入射され光検出器５としてSiフォトダイオードを用いるものとする。このとき、光源からの光量子束の絶対値を式（１）により求める。
n(λ) Δλ＝i^Si(λ)Δλ/{e・η(λ)} ・・・（１）
ここに、
n(λ)Δλ；波長λにおける分光光量子数
η(λ)；Siフォトダイオードの量子効率
i^Si(λ)；Siフォトダイオードの出力（A）
e；電子の電荷
以上により、光量子束の絶対値が既知の分光光源１００が得られたことになる。

分光光源１００からの光の一部 n^part(λ)ΔλをSiフォトダイオードに入射させる場合は、全体に対する比αを式（２）で定義すると、
α=n^part(λ)Δλ/n (λ)Δλ= i^Si,part(λ)Δλ/i^Si (λ)Δλ ・・・(2)
光源からの光量子束の絶対値は式（３）により求めることができる。
n(λ)Δλ＝n^part(λ)Δλ/α＝i^Si,part (λ)Δλ/{e・η(λ)・α}・・・(3)

本発明においては、以上のようにして、分光光量子数を単位として分光光エネルギーを決定するが、分光光量子単位とradiometory(放射測光)単位は、式(4)により変換することができる。さらに、人間生活のための光エネルギーの単位には、人間の視感度に準拠したphotometryによるものが必要となるが、photometry(=visual photometry：視感測光)単位とradiometory単位は式(5)を用い関連づけることができる。
Φ_e(λ)Δλ=n(λ)Δλ・h(c/λ) ・・(4)
Φ_V(λ)Δλ=K_mV(λ)Φ_e(λ)Δλ ・・・(5)
ここに、
Φ_e(λ)Δλ；分光放射束（W）
Φ_V(λ)Δλ；分光光束 （lumen）
K_m；最大視感効率
V(λ)= K(λ)/K_m；分光視感効率
h；プランク定数
c；光速

図２は、本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。本実施の形態において、分光光源１００は、図１に示される第１の実施の形態の分光光源１００と同等の構成を有するものである。また、図２において、図１に示された要素と同等のものには同一の参照番号が付されているので重複する説明は省略する。本実施の形態においては、光学的特性(拡散反射率など)が既知で光入射窓８ａ、８ｂ、光出射窓８ｃが設けられた積分球８が用いられる。図２に示すように、分光光源１００より出射された光は、光入射窓８ａより積分球８内へ入射される。積分球８内には、入射光が直接光出射窓８ｃへ到達することを防止するためにバッフル９が配置されている。光出射窓８ｃから出射した光は光検出器５に入射される。

この測定時に使用されていない光出射窓８bは、積分球内面と同等の反射率を有する部材により塞がれている(以下の実施の形態においても使用されていない入射ないし出射窓は積分球内面と同等の反射率を有する部材により塞がれているものとする)。本実施の形態においても光検出器５にはSiフォトダイオードが用いられているものとする。
積分球中の全分光光量子束n^Int(λ)Δλは、式(6)により与えられる。
n^Int(λ)Δλ= n (λ)Δλρ(λ) (1-f) ・・・(6)
ここで、
n(λ)Δλ；入射分光光量子束
ρ(λ)；積分球の拡散反射率
f=(A_i+A_e)/A_S ・・・(7)
A_S,A_i,A_eは、それぞれ、積分球の面積、光入射窓の面積、光出射窓の面積である。
また、積分球につけた光出射窓の立体角をΩ、そこでの分光光量子束をn^Int(Ω,λ)Δλとすると、
n^Int(λ)Δλ=n^Int(Ω,λ)Δλ・4π/Ω ・・・(8)
n^Int(Ω,λ)Δλ= i^Si(λ)Δλ/{e・η(λ)} ・・・(9)
であるから、入射分光光量子束は、
n (λ)Δλ=[{1-ρ(λ) (1-f) }/ρ(λ) (1-f) ] n^Int(λ)Δλ
=[{1/ρ(λ) (1-f) }-1] n^Int(Ω,λ)Δλ・(4π/Ω)
=[{1/ρ(λ) (1-f) }-1] i^Si(λ)Δλ/{e・η(λ)}・(4π/Ω) ・・・(10)

本実施の形態においても、第１の実施の形態同様、分光光源１００を出射する光を、すべて積分球に入射させることもできるが一部 n^part(λ)Δλのみを入射させることもできる。後者の場合には、部分光の全体に対する割合を既知としておくかあるいは常に部分光のみを用いるようにする。
また、ランプや分光器などがもつ波長特性および光検出器のダイナミックレンジなどにより校正すべきすべての波長に渡って分光絶対光量子束を求めることが困難な場合は、使用波長において拡散反射率既知の積分球を用い、分光光量子束の相対値を求める。次に、ある特定の波長において、第１の実施の形態の方法もしくは式（10）により分光光量子束の絶対値を求め、その値を基準にしてすべての波長の絶対値を決定してもよい。

図３は、本発明の第３の実施の形態を示す概略図である。本実施の形態において、分光光源１００は、図１に示される第１の実施の形態の分光光源１００と同等の構成を有するものである。また、図３において、図１に示された要素と同等のものには同一の参照番号が付されているので重複する説明は省略する。本実施の形態においては、光源の分光絶対光量子束の集光点に入射光に対して垂直に拡散反射率ρ（λ）が既知の拡散反射板１０を配置し、その反射光を拡散反射板１０の前方（角度θ、距離ｒ）に置いた量子効率既知の光検出器５（本実施の形態においては検出部面積A_Si をもつSiフォトダイオード）により受光する。拡散反射板１０の受光面は、光吸収体からなり所定の面積の開口を有するマスク１１により覆われている。

拡散反射板１０にあたる分光絶対光量子束をn(λ)Δλとすると、光検出器５に到達する光量子束は、
ρ(λ)n(λ)ΔλA_Sicosθ/πr² ・・・(11)
であり、光検出器の出力をi^Si(λ)Δλとすると、
n(λ)Δλ＝(πr²/A_Sicosθ)・{i^Si(λ)Δλ/e・η(λ)}/ρ(λ) ・・・（12）
本実施の形態においては、Lambertの余弦法則を仮定しているが、拡散反射板の場合には、この法則に比較的よく適合しているので、誤差は比較的少なく抑えることができる。しかし、より精度を上げるのであれば次のようにすればよい。Lambertの法則に従う場合には放射パターンは図４においてAに示すようになるが、実際の放射パターンはBのようになる。そこで、角度を変えて複数の位置において（例えば３、４個所において）光量子束の絶対値を測定して例えば図４にａ〜ｄと示される実測値点を得る。これらの実測値点から放射パターンBを推定し、全角度（０〜180°）にわたって光量子束を積分してn(λ)Δλを得る。

図３に示す装置を用いて分光光量子束の相対値を求めることができる。この場合、分光光源１００の全放射光を拡散反射板１０に集光してもよいが、部分光であってもよい。
いま、部分光を拡散反射板１０に入射するものとし、拡散反射板にあたる分光絶対光量子束をn^part(λ)Δλとすると、光検出器に到達する光量子束は、
ρ(λ)n^part(λ)ΔλA_Sicosθ/πr² であり、光検出器の出力をi^Si(λ)Δλとすると、
n^part(λ)Δλ＝(πr²/A_Sicosθ)・{i^Si(λ)Δλ/e・η(λ)}/ρ(λ)・・・（13）
また、相対値n^relative(λ)Δλは、C_instrumentを比例定数として、
n^relative(λ)Δλ＝C_instrumenti^Si(λ)Δλ/e・η(λ) ・・・（14）
で求めることができる。
ここで、分光光量子束の絶対値を求めるには、式（1）、（10）、（12）等を用いてある特定の波長での絶対値を求め、これと式（14）とを用いればよい。

図５、図６は、本発明の第４の実施の形態を説明するための概略図である。本実施の形態においては分光絶対光量子束が既知の光源を用いて分光感度の補正を行った後、すなわち分光感度の校正を行った後有機発光素子（OLED）の分光光量子束の測定を行う。
まず、図５に示すように、装置を構成して、分光絶対光量子束が既知の分光光源１００を用いて積分球１８を含む測定系の校正を行う。図５に示すように、分光光源１００から出射される光の全て（または部分比が明らかである一部）を、内面に拡散反射面を持つ積分球１８へ導入し、積分球１８から取り出された光を集光光学系(本実施の形態では光ファイバ束により構成される)１２を介して分光器１３へ導く。そして、分光器１３の出力光を光検出器(例えばSiフォトダイオード)１５で受光する。光検出器１５の出力は電流計１６により検出されコンピュータ１７において記録され、必要に応じて表示される。コンピュータ１７は、分光器３、１３の波長の制御を行う。積分球の内部の拡散反射面は、一般的に用いられる拡散反射率の高い材料（BaSO4、MgOなど）の塗布膜でもよいが、また汚れが付着し難い高い拡散反射率をもつ白色プラスチックなどで構成してもよい。積分球１８の内部には、分光光源１００の出射光が直接光出射窓へ到達するのを防止するためのバッフル１９が配置されている。このバッフル１９には積分球１８の内面と同じ拡散反射面係数をもつように考慮されている。
本実施の形態において用いられる光検出器１５、電流計１６およびコンピュータ１７は、分光光源１００の分光絶対光量子束を決定する際に用いたもの(すなわち、第１ないし第３の実施の形態において用いられたもの)と同一のものであっても別に用意されたものであってもよい。

分光光源１００の出射光の量子数n(λ)Δλは、式(1)、(10)または(12)により既に求められている。そして、この量子数は積分球８への入射光量子数となり、これは図6の測定系(積分球１８、集光光学系１２、分光器１３および光検出器１５を含む測定系)により、その出力電流をi^det1,std(λ)Δλ、補正係数をcorr^det1(λ)として、以下の式(15)で求められる。
n(λ)Δλ={1/corr^det1(λ)}i^det1,std(λ)Δλ/e ・・・(15)
例えば、式(1)と式(15)とを等置することにより、補正係数は式(16)のように求まる。
corr^det1(λ)=i^det1,std(λ)Δλ・η(λ)/i^Si(λ)Δλ ・・・(16)

次に、図６に示すように、測定すべき発光素子、ここでは有機発光素子（OLED）１４を積分球１８中に保持し、分光感度の補正値が求まった光検出系で光電変換電流を測定し、式（1７）によりOLEDの全分光絶対光量子束を求める。
n^OLED(λ)Δλ=i^det1,OLED(λ)Δλ/{e・corr^det1(λ) } ・・・（1７）
ここに、
n^OLED(λ)；OLEDの全分光光量子束
i^det1,OLED(λ)；光検出器1５の出力電流（A）
OLEDの全分光光量子束が求まると、これとOLEDへの注入電流とから外部量子効率を求めることができる。

図７は、本発明の第５の実施の形態を説明するための概略図である。本実施の形態においては有機発光素子の前方へ出射される光についてのみ測定が行われる。図７に示される測定を行うに先立って予め図5に示される装置構成により、測定系の補正係数は式(16)により求まっているものとする。
図７に示されるように、有機発光素子１４を、その前面のみを露出させるマスクを介して積分球１８の光入射窓に取り付ける。このときの出力電流をi^det1,OLED(λ)とすると、有機発光素子の前方放射分光光量子束n^OLED,front(λ)は、次の式(18)により求まる。
n^OLED,front(λ)Δλ=i^det1,OLED(λ)Δλ/{e・corr^det1(λ) } ・・・（18）
全放射分光光量子束と前方放射分光光量子束とが分かると両者から光の取り出し効率を知ることができる。

図８、図９は、本発明の第6の実施の形態を説明するための概略図である。図5に示した第4の実施の形態では、分光光源１００からの光は積分球１８の拡散反射面に直接照射されていたが、本実施の形態においては、測定すべきOLEDが保持される場所においた、拡散反射率既知の拡散反射板に照射される。すなわち、図８に示されるように、積分球１８内に拡散反射率がρ(λ)の拡散反射板２０が配置される。このとき、出力電流がi^det2,std(λ)であるとすると式（19）により補正係数corr^det2(λ)が求められる。
corr^det2(λ)=i^det2,std(λ)Δλ・η(λ)/{ρ(λ)・i^Si(λ)Δλ} ・・・(19)
よって、図9に示されるように有機発光素子１４を積分球１８中に保持するときは、そのときの出力電流をi^det2,OLED(λ)としてOLEDの全分光絶対光量子束は式(20)により求められる。
n^OLED(λ)Δλ=i^det2,OLED(λ)Δλ/{e・corr^det2(λ)} ・・・（20）

図１０、図１１は、本発明の第７の実施の形態を説明するための概略図である。本実施の形態は拡散反射板を用いて発光素子の全絶対光量子束を求める方法に関する。
まず、図１０に示されるように測定装置を構成して、測定系(集光光学系、分光器および光検出器からなる)の補正係数を求める。図１０に示されるように、分光絶対光量子束が既知の分光光源１００の全出射光(または部分比が既知の部分光)を拡散反射率既知〔ρ(λ)〕の拡散反射板２０に入射し、その反射光を集光光学系（本実施の形態では光ファイバー束）２２に集光し、分光器１３へ導く。拡散反射板２０の表面は、光吸収材からなり、測定すべきOLEDの発光面積(A_OLED)と同じ開口（開口面積A_S；m²）を有するマスク２１により覆われている。分光光源１００の出射光は拡散反射板２０に垂直に入射され、集光光学系２２の集光窓は拡散反射板２０に立てた垂線に対し角度θの位置に配置されている。
分光光源１００により照射された拡散反射板２０の光量子輝度L_S(λ)（個/m²・Ω）は、式（21）により求められる。
L_S(λ)=ρ(λ)ｎ(λ)Δλ/(πA_S・cosθ) ・・・（21）
これを本実施の形態の測定系で測定した出力電流がi^det3,std(λ)であるとすると、この出力電流を補正係数と電子の電荷(e)で除した値が上記光量子輝度を示すことになる。すなわち、式（22）が成立する。
L_S(λ)=ρ(λ)ｎ(λ)Δλ/(πA_S・cosθ)
=i^det3,std(λ)Δλ/{e・corr^det3(λ) } ・・・（22）
したがって、補正係数は、
corr^det3(λ)=i^det3,std(λ)ΔλπA_S・cosθ/{e・ρ(λ)ｎ(λ)Δλ}
式(1)を代入して、
corr^det3(λ)=i^det3,std(λ)ΔλπA_S・cosθη(λ)/{ρ(λ)i^Si(λ)Δλ}・・（23）

次に、図１１に示すように、拡散反射板２０の位置に測定すべき有機発光素子１４をおき、補正係数の求められた光検出系でその分光絶対光量子束を測定する。OLEDからの前面放出絶対光量子束をn^OLED,front(λ)とすると、その光量子輝度L^OLED(λ)は、式（24）により与えられる。
L^OLED(λ)=n^OLED,front(λ)Δλ/{πA_OLED・cosθ} ・・・（24）
測定系の出力電流i^det3,OLED(λ)を電子の電荷と測定系の補正係数で除した値が光量子輝度となるから式（25）が成立する。
L^OLED(λ)=i^det3,OLED(λ)Δλ/{e・corr^det3(λ) } ・・・（25）
したがって、
n^OLED,front(λ)Δλ=i^det3,OLED(λ)ΔλπA_OLED・cosθ/{e・corr^det3(λ)} ・・・（26）

式（21）および式（24）は、Lambertの法則が前提となっている。しかし、特に発光素子の放射パターンはこの法則からのずれが大きい可能性がある。したがって、より高い精度の光量子束を得るためには、拡散反射板２０および有機発光素子１４の双方について、あるいは、少なくとも有機発光素子１４について、角度を変えて複数（例えば３、４個所）の位置において光電変換電流を測定して複数の実測値を得る。これらの実測値から放射パターンを推定し(図４参照)、全角度（０〜180°）にわたって積分して全放射光量子束を求めるようにしてもよい。

次に、有機発光素子とその発光層のみをガラス基板上に形成した素子(以下、発光層エレメントという)についてフォトルミネッセンス（PL）測定およびエレクトロルミネッセンス（EL）測定を行い量子効率などを求める実施の形態(第8の実施の形態)について説明する。
はじめに、図１２を参照して、有機発光素子の発光過程について説明する。有機発光素子の発光層に電子と正孔が注入されると、発光層において一重項状態と三重項状態の電子−正孔対が生成される。これらの電子−正孔対の一部は発光して消滅し、他の一部は発光することなく消滅しあるいは他の状態へ遷移する。発生した光の一部は素子外部へ放出され、他の一部は電極に吸収されるなどして内部消滅する。また、電流注入により励起対を生成する方法に代え、有機発光素子または発光層エレメントに適当な波長の励起光を照射することにより、一重項状態ないし三重項状態の電子−正孔対を生成することができる。
図１２において、各過程には添え字付きのηによりその過程での効率(収率)が示されている。

発光層エレメントとしては、有機発光素子に用いられる有機発光材料をガラス基板に同じ作製手法を用い同じ形状で形成したものを用いる。ELおよびPL測定は、例えば図１に示した装置構成により、分光絶対光量子束が既知となった分光光源１００を用い、例えば図５に示した装置構成により、測定系の校正が終了した装置を用いて行われる。
図１３は、発光層エレメントのPL測定を行う装置構成の概略図である。図１３において、図５に示される部分と同等の部分には同一の参照符号が付せられている。図１３に示すように、積分球１８内に発光層エレメント２４を配置し、分光光源１００の出射光を照射して、１重項状態へ励起し、それからの発光を測定する。このとき、図１４に示すように、発光層エレメント２４への入射光をI_０、透過光をIとするとき、I_０−I＝I_absが吸収されたことになり、発光I _Fが観測される。このときの発光量子収率φ_emissは、
φ_emiss=∫I_Fdλ/∫I_absdλ ・・・（27）
で、表され、
φ_emiss≒η_F ・・・（28）
と見なすことができる。
ここに、
∫I_absdλ；発光層エレメントの全光吸収量（個）
∫I_Fdλ；発光層エレメントの全発光量（個）

また、３重項状態へ光励起した場合も類似の式で表すことができ、発光量子収率φ_emiss、発光効率η_Pは、式(29)、式(30)から得ることができる。
φ_emiss=∫I_Pdλ/∫I_absdλ ・・・（29）
φ_emiss≒η_P ・・・（30）
ここに、
∫I_Pdλ；発光層エレメントの全発光量（個）
次に、図１５に示すように、積分球１８内に有機発光素子１４を配置し、分光光源１００の出射光を照射して、一重項状態へ励起し、それからの発光を測定する。このとき、発光量子収率φ_emiss,OLEDは、
φ_emiss,OLED≒η_Fη_ext ・・・（31）
となる。
同様に、三重項状態へ励起した場合の発光量子収率φ_emiss,OLEDは、
φ_emiss,OLED≒η_Pη_ext ・・・（32）
となる。
次に、図１５に示すように、有機発光素子１４を積分球１８内に保持した状態で、有機発光素子１４の発光層に電子、正孔を注入してEL測定を行う。電子、正孔の注入バランスを１と仮定すると、外部量子効率φ_{ext, OLED}は、
φ_ext,OLED≒η_Sη_Fη_ext ・・・（33）
または、
φ_ext,OLED≒η_Tη_Pη_ext ・・・（34）
となる。
以上説明したように、本発明によれば、分光絶対光量子数既知の光源を励起光として用い、分光感度が補正された測定系によりそれぞれの発光効率を測定し、発光素子の発光各過程での量子効率η_S(η_T)、η_F(η_P)、η_extの知見を得る事が可能となる。

また、式（31）、（32）の発光量子収率を求める過程において、励起光の波長を選択することにより、励起光の試料への侵入深さを調節することができる。励起光の試料への侵入深さと発光量子収率との関係を調べることにより、電極による発光量子収率への影響を知ることができる。

本発明の第１の実施の形態を説明するための、分光光源の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 本発明の第２の実施の形態を説明するための、分光光源の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 本発明の第３の実施の形態を説明するための、分光光源の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 拡散反射板の反射パターンの説明図。 本発明の第４の実施の形態を説明するための、発光素子測定系の校正方法を示す概略図。 本発明の第４の実施の形態を説明するための、発光素子の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 本発明の第５の実施の形態を説明するための、発光素子の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 本発明の第６の実施の形態を説明するための、発光素子測定系の校正方法を示す概略図。 本発明の第６の実施の形態を説明するための、発光素子の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 本発明の第７の実施の形態を説明するための、発光素子測定系の校正方法を示す概略図。 本発明の第７の実施の形態を説明するための、発光素子の分光絶対光量子束を測定する方法を示す概略図。 発光素子の発光の各過程の説明図。 本発明の第８の実施の形態を説明するための、発光層エレメントのフォトルミネッセンス測定の方法を示す概略図。 発光層エレメントに対する光励起の状態を説明する図。 本発明の第８の実施の形態を説明するための、発光素子のエレクトロルミネッセンス測定の方法を示す概略図。

符号の説明

１ ランプ
２、４、１２、２２ 集光光学系
３、１３ 分光器
５、１５ 光検出器
６、１６ 電流計
７、１７ コンピュータ
８、１８ 積分球
９、１９ バッフル
１０、２０ 拡散反射板
１１、２１ マスク
１４ 有機発光素子(OLED)
２４ 発光層エレメント
１００ 分光光源

Claims (27)

1. 被測定対象の測定に適した波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定し、前記分光放射光源を分光絶対光量子束既知光源として用いて光学的測定を行う光学測定方法。
2. 前記分光放射光源が、ランプと分光器とを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定方法。
3. 前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または前記分光放射光源の部分比が既知の部分分光光量子束を前記光検出器に入射し、前記分光放射光源の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定方法。
4. 前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または前記分光放射光源の部分比が既知の部分分光光量子束を光学的特性が既知の積分球へ入射し、前記積分球に設置された前記光検出器により前記分光放射光源の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定方法。
5. 前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または前記分光放射光源の部分比が既知の部分分光光量子束を拡散反射率が既知の拡散反射板へ入射し、その反射光を前記光検出器により受光して前記分光放射光源の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定方法。
6. 前記分光放射光源の前記波長範囲の特定の波長の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定すると共に、前記分光放射光源から放射される前記波長範囲の分光光量子束を光−電子変換量子効率が既知の光検出器により測定して前記分光放射光源の分光光量子束の相対値を求め、両測定結果から前記分光放射光源の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の光学測定方法。
7. 前記分光放射光源から放射される分光光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された光−電子変換量子効率が既知の光検出器により前記分光放射光源の分光光量子束の相対値を求めることを特徴とする請求項６に記載の光学測定方法。
8. 前記分光放射光源から放射される分光光量子束を拡散反射率が既知の拡散反射板へ入射し、前記拡散反射板の反射光を光−電子変換量子効率が既知の光検出器により測定して前記分光放射光源の分光光量子束の相対値を求めることを特徴とする請求項６に記載の光学測定方法。
9. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定し、前記分光放射光源の分光光量子束と前記発光素子の分光光量子束とを同一測定条件により測定し両者の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束を得る発光素子の測定方法。
10. 前記分光放射光源と前記発光素子とを同一の分光器と同一の光検出器とを用いて測定することを特徴とする請求項９に記載の発光素子の測定方法。
11. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記積分球内部に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
12. 請求項１１に記載された発光素子の測定方法により得られた前記発光素子の分光光量子束の絶対値を用いて前記発光素子の外部量子効率を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
13. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、発光素子の前面放射光を前記積分球内へ放出し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
14. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を拡散反射板へ入射し、その反射光を受光する分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記拡散反射板に代えて前記拡散反射板が設置されていた位置に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の分光光量子束の絶対値を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
15. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を拡散反射板へ入射し、その反射光を受光する分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記拡散反射板に代えて前記拡散反射板が設置されていた位置に発光素子を配置し、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の相対的な分光光量子束を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
16. 被測定対象の発光素子の発光波長範囲に光エネルギーを有する分光放射光源の分光光量子束の絶対値を光−電子変換量子効率が既知の光検出器を用いて決定する第１の過程と、前記分光放射光源から放射される分光光量子束を積分球へ入射し、前記積分球に設置された分光器と光検出器とを用いて前記分光放射光源の分光光量子束を測定する第２の過程と、前記積分球内に発光素子の少なくとも発光層を配置し、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束を前記積分球へ入射してこれにより前記発光層を発光させ、前記分光器と前記光検出器とを用いて前記発光素子の分光光量子束を測定する第３の過程と、を有し、第２、第３の過程の測定結果を比較することにより前記発光素子の量子効率を求めることを特徴とする発光素子の測定方法。
17. 前記積分球または前記拡散反射板へ入射される前記分光放射光源からの分光光量子束は、前記分光放射光源から放射される全分光光量子束または前記分光放射光源の部分比が既知の部分分光光量子束であることを特徴とする請求項１１、１３、１４または１６に記載の発光素子の測定方法。
18. 前記積分球または前記拡散反射板と前記分光器との間に集光手段が介在していることを特徴とする請求項１１から１７のいずれかに記載の発光素子の測定方法。
19. 前記集光手段が光ファイバ束であることを特徴とする請求項１８に記載の発光素子の測定方法。
20. 前記発光素子がエレクトロルミネッセンス(EL)素子であることを特徴とする請求項９から１９のいずれかに記載の発光素子の測定方法。
21. 発光源と第１の分光器とを備え、分光絶対光量子束既知光源として用いられる分光放射光源と、前記分光放射光源の光が入射される積分球と、前記積分球から取り出された光が入射される第２の分光器と、前記第２の分光器の出射光を検出する光−電子変換量子効率が既知の光検出器と、を有する発光素子の測定装置。
22. 前記分光放射光源に代えて、少なくとも前記積分球の内部または入射窓に発光素子を設置できることを特徴とする請求項２１に記載の発光素子の測定装置。
23. 発光源と第１の分光器とを備え、分光絶対光量子束既知光源として用いられる分光放射光源と、前記分光放射光源の光が入射される拡散反射板と、前記拡散反射板からの反射光が導入される第２の分光器と、前記第２の分光器の出射光を検出する光−電子変換量子効率が既知の光検出器と、を有する発光素子の測定装置。
24. 前記拡散反射板に代えて、該拡散反射板の取り付け位置に発光素子を設置できることを特徴とする請求項２３に記載の発光素子の測定装置。
25. 前記拡散反射板の前面には、光入射部に開口を有する、光吸収材料からなるマスクが配置されていることを特徴とする請求項２３に記載の発光素子の測定装置。
26. 前記光検出器の出力信号が入力され、前記第１および第２の分光器を制御するコンピュータが備えられていることを特徴とする請求項２１から２５のいずれかに記載の発光素子の測定装置。
27. 前記光検出器がシリコンフォトダイオードによって構成されていることを特徴とする請求項２１から２６のいずれかに記載の発光素子の測定装置。
    

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