JP5247892B2 - 発光状況測定装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1の実施形態におけるLED101の発光状況の説明図である。
なお、LED101から放射された光が発光面101aの法線方向を中心としていない場合(例えば、図1(a)で斜め方向を中心として光が放射される場合等)には、LED101によって放射される光の中心となる方向を発光中心軸という。
図1(b)は、発光中心軸上の発光面101a側から見たLED101の外観図である。なお、LED101の形状はこのような形状に限定されるものではない。
ここで、LED101は発光可能なように設計した全ての部分で光の強度が均一であることが望ましい。
つまり、LED101の一部に発光していない部分が無いか、発光しているとしてもその光の強度が一定の範囲内であるか、等の状況の測定をして一定の性能を満足するLED101のみを分別する必要が生ずる。
なお、LED101の、これらの発光の状況を総称して発光状況という。
特に、今後のLED101は、より、発光状況が一定以上の性能を有するものが求められることが予想される。
そこで、LED101の各部分ごとに、発光の有無、発光している場合にはその強度を測定し、これに基づいて分別する必要がある。さらに、LED101の外観に何らかの異常が無いか等の検査をする必要も生ずる。
そこで、本実施形態では、LED101が放射した光が一定の位置でどのように受光されるかではなく、LED101の各部分でどのように発光しているかを直接測定して発光状況を測定する。
そのための具体的な方法を以下説明する。
図3は、本実施形態によるLED101の発光状況を測定する方法を説明する際に参照する比較例である。
それによって発光したLED101の光をレンズ部123によって、屈折させてCCD105にLED101の像(実像)が結ばれる。
その際に、レンズ部123はCCD105よりもLED101側の近傍位置に配置される。より限定的にいうと、レンズ部123のLED101側の焦点位置D2よりもわずかに遠方にLED101が位置するような位置にレンズ部123を配置する。
このわずかに遠方とは、レンズ部123の第1主点位置(物体側主点)及び第2主点位置(像側主点)がともにレンズ部中心位置C1のとき、レンズ部123中心C1と焦点位置D2までの距離(焦点距離、(有効焦点距離))から、レンズ部123中心位置C1と焦点位置D2までの距離の2倍の距離の間の距離をいう。
換言すると、レンズ部123の第1主点位置(物体側主点)及び第2主点位置(像側主点)がともにレンズ部中心位置C1のときには、焦点距離の1倍から2倍の間の距離の位置に、LED101が配置される。
この範囲であれば、CCD105に結ばれる実像は実際のLED101よりも大きくなるからである。
また、CCD105は、このLED101の像(実像)が結ばれる位置に配置されている。
なお、LED101の発光中心軸上に、レンズ部123のLED101側の焦点D2、レンズ部123の中心C1、レンズ部123のCCD105側の焦点D1、CCD101の中心が配置される。
また、CCD105の受光面は発光中心軸と垂直になるように配置される。
したがって、CCD105によって、高い分解能でLED101の状況が撮像することができる。つまり、LED101の表面を写真で撮影したのと同じ状況になる。
また、CCD105のピントが完全にLED101に合っている状態なので、LED101の発光状況をCCD105によって測定することができる。
具体的には、LED101のどの部分が発光していないか判別可能である。
さらに、光学フィルタ等を用いれば発光している部分であってもその光の波長及び強度を部分ごとに検出することができる。そして、場合には本実施形態の光の強度等による分別のならず波長による分別も可能となる。
また、LED101のある部分の光の放射方向が発光中心軸とは異なる方向を向いている光をもCCD105に導光可能となる。
なお、被写界深度が浅いと、フォーカスポイントの範囲が狭くなり、それを外れた距離の被写体はピントが合わずに撮影されることになる
本実施形態の場合には、プローブ針109の位置は相対的にフォーカスポイントから遠い状態となり、CCD105に撮像される映像にはプローブ針109は全くピントが合っていない状態で撮像される。
場合によっては、全く映らない状態にもなる。
したがって、この方法では、実質的にLED101のみを撮像することが可能となる。
また、プローブ針109に隠れた部分の発光状況をも測定することが可能となる。なお、このプローブ針109に隠れた部分の光は、プローブ針109によって遮られない光路を通った光によって測定されている。
また、図3に示された比較例の方法では、CCD105によって導光される光の範囲はθ2の範囲だけである。その結果、CCD105へ入射する光の光量が少なくなり、その分高速での撮像が困難になる。さらに、LED101のある部分の光の放射方向が発光中心軸とは異なる方向を向いている光の大部分を導光することはできなくなってしまう。
さらに、図3に示された比較例の方法では、フォーカスしているLED101とレンズ部123の距離が遠いため、被写界深度が深い状態となっている。
つまり、プローブ針109も被写界深度の範囲内に入ってしまい、不要なプローブまで撮像してしまう。
そして、プローブ針109をも撮像してしまう結果、プローブ針109に隠れた部分の発光状況を測定することができない。
なお、図3において、C2はレンズ部123の中心であり、D3はレンズ部123のCCD105側の焦点であり、D4はレンズ部123のLED101側の焦点である。
さらに、レンズ部123がLED101に近いほどプローブ針109の被写界深度を浅く設定することができる。
焦点距離が短いレンズ部123を用いると、これらを同時に実現することができる。
なぜなら、焦点距離が短いと拡大率を上げることできるからである。
また、焦点距離が短いと、レンズ部123の焦点よりもわずかに遠距離に配置するLED101の位置もよりレンズ部123に近接できるからである。
さらに、LED101の位置もよりレンズ部123に近接させることができると、よりフォーカスポイントの位置とプローブ針109との距離差の影響を大きくすることができ、プローブ針の被写界深度を浅くして、プローブ針109の位置が被写界深度から相対的に大きく外れさせることができる。そして、その結果、プローブ針109をほとんど撮像しないようにすることが可能となる。
そこで、以下に、焦点距離を大きくすることが可能な実際の装置(半導体発光素子用受光モジュール1)の構造を説明する。
もっとも、この全てが半導体発光素子用受光モジュール1の必須の構成ではなく、少なくとも、CCD105、レンズ部123を有していれば足りる。
なお、図5の発光状況測定装置3は、半導体発光素子用受光モジュール1に加え、LED101の電気特性を検査するためのプローブ針109及び電気特性計測部119及びテスタ151を有している。
LED101は水平に設置されているワーク102上に配置されている。
このワーク102と対向する位置に、ホルダ107が、空間を隔てて配置されている。
ホルダ107の内部には、CCD105が配置されている。
LED101、ワーク102及びCCD105は互いに平行となる様に配置されている。
プローブ針109は、光量の測定及び電気特性測定時にはLED101に接触して、電圧をLED101に印加する。
ワーク102及びLED101が固定されている状態でプローブ針109が移動して、プローブ針109とLED101とが接触してもよい。逆に、プローブ針109が固定されている状態でワーク102及びLED101が移動して、プローブ針109とLED101とが接触してもよい。
プローブ針109は、電気特性計測部119と接続されている。
プローブ針109は、LED101の発光面101aとほぼ平行に、LED101の発光面101aの法線と直角方向に放射状に延在している。
さらに、ホルダ107は、遮蔽部107a、円筒形状の側面部107bとの間に、円筒形状の円筒部107d及び延在部107eを有している。
側面部107bは円筒形状を有し、θ=0°の方向(LED101の発光面101a法線方向)に延在した形状を有している。
円筒部107dは、底面(円形状)の直径の1.5倍程度の長さを有する円筒の形状を有している。そして、円筒部107dの中空空間を形成する内周面は、延在部107eがなす円柱状の中空空間を形成する内周面と一致するように形成されている。
円筒部107dの内周面及び延在部107eの内周面の直径、円筒部107dの外周面、側面部107bの内周面、側面部107bの外周面及び延在部107eの外周面の順に、直径が大きく形成されている。
遮蔽部107a、円筒部107d、延在部107e及び側面部107bの中心軸はθ=0°の方向を有しており、LED101の発光面101aの法線と同一である。
側面部107bの内周面が形成する中空空間に、CCD105が配置されている。
遮蔽部107aの中心部には、円錐台形の中空部を形成する円形開口部107cが形成されている。この円形開口部107cがあることによって、LED101から放射された光をCCD105が受光可能となっている。
遮蔽部107aの外周面は、LED101に向かって傾斜する外周傾斜面107iから形成されている。遮蔽部107aの内周面によって形成される中空空間は、傾斜面107f、平行面107g及び直角面107hから形成されている。
LED101側から、傾斜面107f、平行面107g及び直角面107hの順に形成されている。
傾斜面107fは、LED101側に向かって直径が大になるように形成されており、これによって上記した円錐台形の中空部をなす円形開口部107cを形成する。
平行面107gは、上記した発光中心軸からの放射方向に向かって延在する平面を有しており、より具体的には、上記した円錐台形の中空部をなす円形開口部107cの上面の外周位置(開口面端部107j)から底面の外周位置に相当する経方向の位置に向かって水平に延びる平面を有している。また、平行面107gの法線方向は発光中心軸と同一の方向を有している。
直角面107hは、発光中心軸を中心とした円柱形状の中空区間を形成する。
また、この傾斜面107fのCCD105側の端部である開口面端部107jは、θ=60°以上となる位置に形成される。
レンズ部123は、LED101側から順に、第1のフレネルレンズ125a(第1のレンズ125)、第2のフレネルレンズ127a(第2のレンズ127)及び第3のフレネルレンズ129a(第3のレンズ129)から形成される。
このように複数のレンズを用いることで、全体としてみれば焦点距離が短いレンズ部123とすることが可能となる。
以下、レンズ部123について、より詳細に説明する。
このわずかに遠方とは、レンズ部123の第1主点位置(物体側主点)及び第2主点位置(像側主点)がともにレンズ部中心位置C1のとき、レンズ部123中心C1と焦点位置D2までの距離(焦点距離、(有効焦点距離))から、レンズ部123中心位置C1と焦点位置D2までの距離の2倍の距離の間の距離をいう。
換言すると、レンズ部123の第1主点位置(物体側主点)及び第2主点位置(像側主点)がともにレンズ部中心位置C1のときには、焦点距離の1倍から2倍の間の距離の位置に、LED101が配置される。
この範囲であれば、CCD105に結ばれる実像は実際のLED101よりも大きくなるからである。
また、CCD105は、このLED101の像(実像)が結ばれる位置に配置されている。
さらに、第1のフレネルレンズ125a、第2のフレネルレンズ127a及び第3のフレネルレンズ129aから形成されるレンズ部123の開口数NAは0.86以上を有していると好適である。
なぜ、開口数NAが0.86以上であると好適であるか以下説明する。
まず、開口数NAは、
NA=nsinθ で表される(図4(b)も参照のこと)。
nはレンズ入射前光を通過させている物質の屈折率である。
本実施形態では、LED101から放射された光は、空気内を通過するのでn=1.0003程度であるから、NA=sinθと考えて良い。
ここで、通常のLED101はθが60°までの範囲に光を照射可能であればよい場合が大多数である。
また、θが60°以上の範囲は通常光の強度が弱く、そのθが60°以上の範囲については使用しないことが通常である。
したがって、θが60°の範囲までの光をCCD101で受光してその光の状況を測定できれば足りる。
そのため、上記NAを求める式のθに60°を代入すると、開口数NAは0.86以上を有すれば良いことになる。
また、開口数NAが大きいということは、屈折率か高いことを意味し、屈折率が高いということは焦点距離も短いということである。
つまり、第1のフレネルレンズ125a、第2のフレネルレンズ127a及び第3のフレネルレンズ129aを組み合わせて1つのレンズ部123としてみなしたことで、開口数NAが0.86以上となるように形成されている。
第1の理由は、フレネルレンズは薄く形成することができることから、第1のフレネルレンズ125aをLED101に近接させることが可能となるからである。
つまり、例えば通常の凸レンズであれば、発光中心軸部分が大きく膨らんだ構造となってしまうことから、レンズ部123をLED101に近接させることが困難となるが、フレネルレンズとしたことから第1のフレネルレンズ125aをLED101に近接させることが可能となる。
第2の理由は、レンズ部123は、第1のフレネルレンズ125a、第2のフレネルレンズ127a及び第3のフレネルレンズ129aの3つのレンズ部材から構成されているが、これらを発光中心軸部分が膨らんだ凸レンズ等を使用してしまうと、一つ一つが大きく空間を占有してしまい、レンズ部123の厚みが大きくなってしまうからである。
第3の理由は、凸レンズで形成すると、レンズ部123第1のレンズ中心125cと第2のレンズ中心127cとの距離、及び、第2のレンズ中心127cと第3のフレネルレンズ中心129cとの距離を大きく取らなければならないからである。
つまり、このようにレンズを配置する距離が大きくなると、第1のレンズ125を通過した後の光はフレネルレンズを使用した場合に比べて長い距離直進することになる、同様に、第2のレンズ127を通過した後の光は長い距離直進することになる。そうすると、光は大きく広がって進むことになり、この広がった光をCCD105の受光領域内に収める様に屈折させる為の第2のレンズ127および第3のレンズ129は大きな直径のレンズが必要となってしまう。
さらに、大きな直径の凸レンズは、発光中心軸の厚さがさらに厚くなってしまうという悪循環となってしまうからである。
以上より、複数枚のレンズを使用してレンズ部123を形成する場合には、フレネルレンズを用いることがより好適である。
このように構成すると、半導体発光素子用受光モジュール1が測定可能な波長の範囲を300nm〜1500nmと広範囲とすることが可能となる。
つまり、フレネルレンズの材質はシリコンを主成分としたことによって、レンズ部123を高温にも耐えられるようにすることが可能となる。そして、高温に耐えられることから、LED101が放射する光の波長が300nm〜1500nmであっても使用可能となる。
また、アクリル等のプラスチック材料であると光によって劣化のおそれがあるが、シリコンを主成分としたことから、光による劣化が極めて小さくすることが可能となる。
さらに、シリコンが主成分であることによって、アクリル等のプラスチック材料よりも高い屈折率を実現することが可能となる。
また、第2のフレネルレンズ127a及び第3のフレネルレンズ129aの順に、円筒部107dの内周面に所定の光学距離だけ離間した位置で発光中心軸に沿って嵌合される。
このニードル保持機構は、プローブ針109を保持する位置決めユニット159としての機能を有している。また、このニードル保持機構は、後述するESDユニット155及びHVユニット153に電気的に接続されており、これらによって電気特性を計測する。
また、プローブ針109が移動してLED101と接触する場合には、ニードル保持機構はプローブ針109を移動する機能及び位置決めする機能をも有している。
このように、外周傾斜面107iの外部にニードル保持機構を配置したことによって、ニードル保持機構が邪魔になって第1のフレネルレンズ125aをLED101に近接させることが困難となることがない。
つまり、このような構成によって、第1のフレネルレンズ125aをLED101に近接させることが可能となる。
そして、その受光素子は受光した光の強度(情報)の電気信号をアナログ信号として、信号線111を介して画像処理部113に出力する。
このCCD105が出力する光の情報は、X方向(横方向)及びY方向(縦方向)の位置が特定された情報であることから、面としての受光情報(画像情報)ということができる。
また、CCD105はレンズ部123によりLED101にフォーカスしていることから、CCD105はLED101の発光状況の情報(発光情報)を測定している。
画像処理部113は、このアナログ値をアナログ値からデジタル値にA/D変換する。
さらに、画像処理部113は必要に応じて画像処理を行う。
そして、デジタル値に変換された光量情報は、通信線を介してテスタ151に出力される(図5も参照のこと)。
画像処理部113はスペーサ117を介してホルダ107と物理的に接続している。
半導体発光素子用受光モジュール1は、本実施形態では、ワーク102(試料設置台)、CCD105、ホルダ107、信号線111、画像処理部113、通信線115、スペーサ117及びレンズ123を有している。
もっとも、この全てが半導体発光素子用受光モジュール1の必須の構成ではなく、少なくとも、CCD105及びレンズ123を有していれば足りる。
電気特性計測部119は、HVユニット153、ESDユニット155、切替えユニット157及び位置決めユニット159を有している。
そして、その受光素子は受光した光の強度(情報)の電気信号をアナログ信号として、信号線111を介して画像処理部113に出力する。
このCCD105が出力する光の情報は、X方向(横方向)及びY方向(縦方向)の位置が特定された情報であることから、面としての受光情報(画像情報)ということができる。
つまり、CCD105が出力する情報は面としての受光情報であるから画像情報ということもできる。そのため、CCD105は受光手段であるということができ、さらに特定的に表現すれば撮像手段であるということができる。
また、CCD105はレンズ部123によりLED101にフォーカスしていることから、CCD105はLED101の発光状況の情報(発光情報)を測定している。
画像処理部113は、このアナログ値をアナログ値からデジタル値にA/D変換する。さらに、画像処理部113は必要に応じて画像処理を行う。
そして、デジタル値に変換された光量情報は、通信線を介してテスタ151に出力される。
また、プローブ針109は位置決めユニット159によって位置決め固定されている。
この位置決めユニット159は、ワーク102が移動する形式のものであれば、プローブ針109の先端位置を一定の位置に保持する機能を有する。逆に、この位置決めユニット159は、プローブ針109が移動する形式のものであれば、プローブ針109の先端位置をLED101が載置されるワーク102上の所定の位置に移動させ、その後その位置に保持する機能を有する。
通常、このHVユニット153からの電圧の印加状態で、LED101が発光する光をCCD105が測定を行う。
HVユニット153が検出した各種特性情報はテスタ151に出力される。
ESDユニット155が検出した静電破壊情報はテスタ151に出力される。
つまり、この切替えユニット157によって、プローブ針109を介してLED101に印加される電圧が変更される。そして、この変更によって、LED101の検査項目が、定格電圧での各種特性を検出、又は、静電破壊の有無を検出にそれぞれ変更される。
そして、テスタ151は、この入力からLED101の特性を分析・分別を行う。つまり、テスタ151はこの発光状況測定装置3の制御部としての機能を有している。
特に、本実施形態においては、テスタ151は、画像情報から必要に応じて画像処理等を行い、発光状況を検出(検査、測定)する。
さらに、テスタ151はこの発行状況に応じてLED101を分析・分別する。
例えば、テスタ151は、一定の性能を有しないLED101は破棄するべき旨の分別を行う。さらに、光の強度(光量)毎に分別を行う。
なお、物理的な分別は、発光状況測定装置3による検査の後の工程で行われる。
この場合には、ユーザによってさらに必要な検査・分別が可能となるという利点がある。
図6(a)では、LED101の端子101bにリード線101cによって電力を供給することによってLED101が発光している。また、レンズ部123はLED101の近傍に位置している。それに対して、比較例では、図7(a)のように、レンズ部123はCCD105の近傍に位置している。
図6(a)の本実施形態の発光状況測定装置3を用いると図6(b)のような画像情報が取得できる。それに対して、図7(a)の比較例の方法では、図7(b)のような画像情報しか取得できない。なお、図7(a)の方法では、図6(b)のような拡大した画像は取得できない(図3参照のこと)が、比較するために10倍以上拡大して図7(b)の画像としている。
この図6(b)と図7(b)とを比較すると容易に理解可能であるが、図6の方がより高分解能の画像と言うことができる。
また、本実施形態の発光状況測定装置3では、リード線101cが無い画像を得ることができたことも分かる。
本発明の方法は、発光しない半導体デバイスにも適用可能である。それらのデバイスであってもその外観等を測定する必要がある場合もあり、その場合には同様に測定可能であるからである。
本実施形態の発光状況測定装置3は、LED101が放射する光を受光して発光状況の測定を行う発光状況測定装置3である。
また、発光状況測定装置3は、LED101の発光中心軸上で、かつ、LED101に対向して配置され、LED101の発光状況を撮像するCCD105と、を有する。
そして、LED101が発光する光が入射され、光をCCD105へ向けて出射するレンズ部123と、を有する。
加えて、レンズ部123は、LED101とCCD105との間に配置されるとともに、CCD105よりもLED101の近傍位置に配置されている。
このような構成を有することから、簡単な構成でLED101自体の発光状況、外観を検査することが可能な発光状況測定装置3を得ることができる。
このような構成を有することから、CCD105によって、高い分解能でLED101の状況が撮像することができる。また、CCD105のピントが完全にLED101に合っている状態なので、LED101の発光状況をCCD105によって測定することができる。具体的には、LED101のどの部分が発光していないか判別可能である。さらに、光学フィルタ等を用いれば発光している部分であってもその光の強度及び波長を部分ごとに検出することができる。
また、広範囲の光をCCD105に集光させることができ、短時間での測定が可能となる。さらにまた、LED101のある部分の光の放射方向が発光中心軸とは異なる方向を向いている光をもCCD105に導光可能となる。
加えて、実質的にLED101のみを撮像することが可能となる。また、プローブ針109に隠れた部分の発光状況をも測定することが可能となる。なお、このプローブ針109に隠れた部分の光は、プローブ針109によって遮られない光路を通った光によって測定されている。
このような構成を有することから、より拡大されたことによって分解能が高く、θの角度が広範囲の光をCCD105に受光させることができ、LED101以外を排除した画像情報を得ることができる。
このような構成を有することから、ユーザによってさらに必要な検査・分別が可能となるという利点がある。
このような構成によって高いNA値を容易に得ることが可能となる。
このような構成を有することによって、第1のフレネルレンズ125aをLED101に近接させることが可能となる。
本発明において発光状況とは、部分ごとの発光の有無、その部分において発光している光の強度、その部分において発光している光の波長等の光に含まれる全ての情報をいう。
また、実施形態のCCD105は、本発明における撮像手段の一例である。つまり、撮像手段とは面としての受光情報を取得可能なものであればどのようなものであっても良い。
また、LED101は、本発明における半導体発光素子の一例である。つまり、半導体発光素子とは、光を発光する素子であればどのようなものであっても良い。ここで、光は可視光に限定されるものではなく、例えば、赤外線、紫外線等であってよい。
さらに、レンズ部123は、本発明のレンズ部の一例である。つまり、レンズ部123は、光を屈折し像を拡大可能なものであればどのようなものであっても良い。複数のレンズから構成されていても良い。また、凸レンズのみから構成される必要もない。
本発明において発光中心軸は、半導体発光素子が光を発する際に光の中心となる軸をいう。
3 発光状況測定装置
101 LED(半導体発光素子)
105 CCD(撮像手段)
113 画像処理部
123 レンズ部
125a 第1のフレネルレンズ
151 テスタ
152 表示部
Claims (5)
- LEDが放射する光を受光して発光状況を直接測定する発光状況測定装置であって、
前記LEDの発光中心軸上で、かつ、前記LEDに対向して配置され、前記LEDの発光状況を撮像する撮像手段と、
前記LEDが発光する光が入射され、前記光を前記撮像手段へ向けて出射するレンズ部と、を有し、
前記レンズ部は、前記LEDと前記撮像手段との間に配置されるとともに、前記撮像手段よりも前記LEDの近傍位置に配置され、
前記レンズ部は、複数のレンズから構成され、少なくとも前記複数のレンズのうち最もLEDに近い位置に配置されるレンズは、フレネルレンズによって構成される発光状況測定装置。 - 前記レンズ部の前記LED側の焦点の距離の1倍よりもわずかに大の位置から2倍の位置の距離に前記LEDが位置するような位置にレンズ部を配置し、撮像手段は、このLEDの実像が結ばれる位置に配置されている
請求項1に記載の発光状況測定装置。 - 前記レンズ部は、その開口数が0.86以上に形成されている
請求項2に記載の発光状況測定装置。 - 前記撮像手段において撮像された画像情報を処理する画像処理部と、
前記画像情報を画像として表示する表示部と、を有する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の発光状況測定装置。 - 前記発光状況測定装置の外部には、前記LEDの表面に物理的に接触して前記LEDを発光させるための電圧を印加するプローブ針を備えたニードル保持機構を備える
請求項1〜4のいずれか1項に記載の発光状況測定装置。
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