半導體光源發光色度、強度及白平衡的檢測方法
2023-10-30 18:38:32
專利名稱：半導體光源發光色度、強度及白平衡的檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種利用掩埋雙pn結半導體光波長探測器檢測半導體光源(例如半導體雷射器、超輻射發光二極體、邊發射二極體、窄譜線寬度面發射發光二極體等)發光色度、強度及白平衡的方法。屬於光電探測、色度測量、半導體技術等領域。
背景技術：
半導體發光二極體等半導體光源由於具有省電、壽命長、色度純、無頻閃、環保等優點，在發光、顯示和照明等領域得到廣泛應用，有可能替代白熾燈、螢光燈成為未來通用照明的首選(參閱Jeff Y.Tsao，「SOLID-STATE LIGHTINGLAMPS，CHIPS ANDMATERIALS FOR TOMORROW」，IEEE Circuits Devices Vol 20 No 3 pp 28-37，2004)。描述發光二極體有兩個重要的光學參數。一個是表徵顏色特性的中心波長，另一個是發光強度。其測量方法一般採用CCD單色儀和普通光探測器；或是利用分別帶有紅、綠、藍三色濾光片的普通光探測器。前一種方法對於光譜的測量比較準確，對於發光強度的測量一般還須要另外一個光探測器，所使用的檢測裝置體積較大和比較笨拙，許多應用受到限制。例如，數字高畫質電視的白光背投可以用紅綠藍三元色發光二極體混合白光來實現。由於用來製作各基色發光二極體的半導體材料、工藝不同，各基色發光二極體的光衰速度不同，長期使用就需要對白平衡(或偏色)進行自動監測。上述第一種方法顯然較難採用。對於上述後一種方法，採用半導體工藝技術可以將傳感器做小(參閱Texas Advanced Optoelectronic Solutions公司的可編程彩色光/頻率轉換器TCS230說明)，但發光二極體的光譜寬度較窄，濾光片須與國際照明委員會(CIE)規定的標準色匹配函數成正比，以得到待測色的三刺激值，兩者很難完全匹配，因而造成測量的原理誤差，這種方法測量的精度一般較低(參閱陳炳若等，「顏色探測的研究與進展」，半導體光電，第21卷，第4期，第238頁，2000年)。
一種利用兩個背靠背的半導體pn結的色敏傳感器可以用來測量單色光(例如雷射器發出的光或來自光柵單色儀出射狹縫的光)或光譜寬度較窄的準單色光(例如半導體發光二極體)的中心波長(參閱G.N.Lu，M.B，et al.，「Colour detection using aburied double p-n junction structure implemented in the CMOS process」，ElectronicsLetters，Vol.32，No.6，p.594，1996。或者參閱B.R.Chen，et al.，「The identification ofcolor difference of polychromatic light by silicon color sensor with double PN junction」，Sensors and Actuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。該色敏傳感器的兩個pn結光電流之比與光強無關，而與波長在一定範圍內成單調對應關係。經過定標，利用這種色敏傳感器的兩個pn結光電流之比可以用來測量單色光或準單色光的中心波長。
一般認為，這種色敏傳感器不能同時測量顏色的三刺激值，可以測量單色光的波長，或區分兩個不同光譜組成的複色光，即色差辨別(參閱B.R.Chen，et al.，「Theidentification of color difference of polychromatic light by silicon color sensor withdouble PN junction」，Sensors and Actuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。並且，一般應用只是把這種器件當成色敏傳感器。即只用它測量光波長，不用它同時測量光功率(參閱G.N.Lu，M.B，et al.，「Colour detection using a buried double p-n junctionstructure implemented in the CMOS process」，Electronics Letters，Vol.32，No.6，p.594，1996。或者參閱B.R.Chen，et al.，「The identification of color difference ofpolychromatic light by silicon color sensor with double PN junction」，Sensors andActuators A，Vol.109，p.72-75，2003)。
本發明提供一種利用上述掩埋雙pn結色敏傳感器檢測半導體光源發光色度、強度及白平衡的方法。該掩埋雙pn結色敏傳感器不僅僅用來測量波長，而且同時用來測量發光強度(或光功率)。因此在本發明申請中將這種器件稱為半導體光波長探測器。由於國際照明委員會(CIE)確定的光譜三刺激值函數的半寬在50nm以上，而一般的半導體發光二極體的半寬(FWHM)不超過20nm。因此，光譜線寬更窄的半導體雷射器、超輻射發光二極體、邊發射發光二極體、窄譜線寬度面發射發光二極體等半導體光源的光譜半寬可以遠小於國際照明委員會確定的光譜三刺激值函數的半寬。對於所述較窄譜線寬度的半導體光源，其發光中心波長和強度可以用半導體光波長探測器同時測量得到，由此進一步依據國際照明委員會確定的表色體系，得到所述半導體光源的色度三刺激值及色品坐標。
發明內容
(1)發明目的提供一種檢測半導體光源(例如半導體雷射器、超輻射發光二極體、邊發射發光二極體、窄譜線寬度面發射發光二極體等，其光譜線寬遠小於國際照明委員會光譜三刺激值函數的半寬，下同)發光色度、強度及白平衡的方法。它利用掩埋的雙pn結半導體光波長探測器，能檢測所述半導體光源發光中心波長(或色品坐標)及發光強度。適合用於發光二極體晶片及器件的快速檢測、實際指導用紅綠藍三基色發光二極體混合出白光光源以及紅綠藍三基色發光二極體混合白光白平衡(或偏色)的監測等方面。所用器件比上述CCD單色儀外加普通光探測器的簡單、靈巧和成本低，測量精度比帶三基色濾光片的光探測器高。
(2)技術方案一種測量半導體光源色度及強度的方法，其特徵是採用掩埋雙p-n結半導體光波長探測器(如圖1所示)。
採用所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器測量半導體光源發光色度及強度的方法是光從探測器的入射窗口進入探測器內。工作時所述探測器由淺至深的兩個p-n結光電二極體可以加反向偏壓，也可以不加偏壓；工作時所述探測器由淺至深的兩個p-n結光電二極體同時探測光信號，分別得到光電流I1和I2，I2與I1之比與入射光功率無關，與入射單色光波長或準單色光中心波長呈單調對應關係。通過測量標定後的半導體光波長探測器的I2與I1之比，便可以得到半導體光源的中心波長。
本發明所述半導體光源為半導體雷射器、超輻射發光二極體、邊發射二極體、窄譜線寬度面發射發光二極體等，其光譜半寬(FWHM)遠小於國際照明委員會(CIE)確定的光譜三刺激值函數的半寬。因此，所述半導體光源的發光中心波長和強度可以用半導體光波長探測器測量得到。由此進一步依據國際照明委員會確定的表色體系，所述半導體光源的色度三刺激值X，Y，Z將分別等於X＝S(λC)X(λC)，Y＝S(λC)Y(λC)，Z＝S(λC)Z(λC)其中λC是用光波長探測器測量得到的中心波長，S(λC)為用光波長探測器測量得到的光強，X(λC)，Y(λC)，Z(λC)分別為對應波長λC的光譜三刺激值。
色品坐標x，y，z分別等於x=XX+Y+Z,]]>y=YX+Y+Z,]]>z=ZX+Y+Z]]>所述半導體光源的光強可以通過測量標定後的所述半導體光波長探測器的I1、I2或其線性疊加aI1+bI2(a，b為權重係數)得到。
採用所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測紅綠藍三基色發光二極體混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法是根據上述測量所述半導體光源色度及強度的方法，分別測量出所述紅色、綠色及藍色半導體光源的色度三刺激值及強度
XR＝S(λR)X(λR)，YR＝S(λR)Y(λR)，ZR＝S(λR)Z(λR)XG＝S(λG)X(λG)，YG＝S(λG)Y(λG)，ZG＝S(λG)Z(λG)XB＝S(λB)X(λB)，YB＝S(λB)Y(λB)，ZB＝S(λB)Z(λB)再根據線性混色原理，得到混合白光色度的三刺激值XW＝XR+XG+XB，YW＝YR+YG+YB，ZW＝ZR+ZG+ZB，混合白光的色品坐標等於xW=XWXW+YW+ZW,]]>yW=YWXW+YW+ZW,]]>zW=ZWXW+YW+ZW]]>與白平衡時的色品坐標比較，便可以檢測出偏色；採用所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測紅綠藍三基色發光二極體混合白光的白平衡(偏色)的方法，其特徵是根據上述測量所述半導體光源發光中心波長及強度的方法，分別測量紅-綠髮光二極體及藍-綠髮光二極體同時工作時的有效波長及強度，與白平衡時紅-綠髮光二極體及藍-綠髮光二極體同時工作時的有效波長進行比較，由此得出混合白光的色差。
所述半導體光源光譜的半寬可以是0.01-50nm。與國際照明委員會(CIE)確定的光譜三刺激值函數的半寬比較，所述半導體光源光譜的半寬越小，測量色度的誤差越小。為了減小波長測量的誤差，所述波長探測器前可以加一個濾色片。
所述半導體光波長探測器可以具有p-n-p結構(參閱附圖1)，也可以具有n-p-n結構，或由這二種基本結構構成的其它變種結構。其中一個pn結的結深可以是0.01-0.5微米，另一個結的結深可以是0.5-2微米；製作所述光波長探測器的半導體材料可以是矽、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦等半導體材料或與它們相關的異質結半導體材料。
(3)有益效果這種半導體光源發光色度、強度及白平衡的測量方法適合應用於低成本、快速檢測半導體光源(例如半導體發光二極體、半導體雷射器、紅綠藍三基色半導體發光二極體混合白光)的色度及強度。尤其適合用於生產過程中低成本、快速檢測發光二極體晶片，指導紅綠藍三基色發光二極體混合白光、半導體白光光源偏色的監測等方面。所述方法簡單，探測器體積小、結構靈巧簡單，成本低，測量精度較高。
四
圖1掩埋雙pn結半導體光波長探測器結構示意圖。1-鈍化膜，2-p型區(重摻雜受主區)，3-n型區(一般摻雜施主區)，4-p型區(輕摻雜受主區)，5-p型區(重摻雜受主區)，6-正面電極，7-正面電極，8-背面電極。
五具體實施例方式
本發明在實施時，所述半導體光源發射的光從所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器的入射窗口進入探測器。工作時所述探測器由淺至深的兩個p-n結光電二極體可以加反向偏壓，也可以不加偏壓；工作時所述探測器由淺至深的兩個p-n結光電二極體同時探測光信號，分別得到光電流I1和I2。I2與I1之比與入射光功率無關，與所述半導體光源入射光中心波長呈單調對應關係。通過測量事先標定過的所述探測器的I2與I1之比，便可以得到所述單色光的中心波長。
所述半導體光源的光強可以通過測量事先標定過的所述半導體光波長探測器的I1、I2或其線性疊加aI1+bI2(a，b為權重係數)得到。
所述半導體光源的色度三刺激值X，Y，Z分別等於X＝S(λC)X(λC)，Y＝S(λC)Y(λC)，Z＝S(λC)Z(λC)其中λC是用光波長探測器測量得到的所述半導體光源的中心波長，S(λC)為用光波長探測器測量得到的光強，X(λC)，Y(λC)，Z(λC)分別為對應波長λC的光譜三刺激值。
色品坐標x，y，z分別等於x=XX+Y+Z,]]>y=YX+Y+Z,]]>z=ZX+Y+Z]]>採用所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測所述紅綠藍三基色半導體光源混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法是根據所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器測量所述半導體光源色度的方法，分別測量出所述紅色、綠色及藍色半導體光源的色度三刺激值及強度，再根據線性混色原理，得到混合白光的色度三刺激值，繼而得到其色品坐標，與白平衡時的色品坐標比較，可以檢測出偏色；
採用所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測所述紅綠藍三基色半導體光源混合白光的白平衡(偏色)的方法是根據所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器測量所述半導體光源的中心波長及強度的方法，分別測量紅-綠半導體光源及藍-綠半導體光源同時工作時的有效波長及強度，與白平衡時紅-綠及藍-綠半導體光源同時工作時的有效波長及強度比較，由此得出混合白光的色差。
所述半導體光源光譜的半寬可以是0.01-50nm。與國際照明委員會(CIE)確定的光譜三刺激值函數的半寬(50nm以上)比較，所述半導體光源光譜的半寬越小，根據本發明測量其發光色度的誤差越小。為了減小波長測量的誤差，所述波長探測器前可以加一個濾色片。
所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器由兩個背靠背的半導體p-n結光電二極體組成，所述兩個p-n結沿與被探測光信號入射方向對準排列(參閱附圖1)。工作時兩個p-n結光電二極體同時探測和讀取光信號。所述半導體光波長探測器可以具有p-n-p結構(參閱附圖1)，或者具有n-p-n結構，或由這二種基本結構構成的其他變種結構；其中一個pn結的結深可以是0.05-0.5微米，另一個結的結深可以是0.5-2微米；製作所述光波長探測器的半導體材料可以是矽、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦或與之相關的異質結半導體材料。
需要說明的是，上述實施例僅為說明本發明而非限制本發明的專利範圍，任何基於本發明的等同變換技術，均應在本發明的專利保護範圍內。
權利要求
1.一種檢測半導體光源的色度、強度及白平衡的新方法，其特徵是採用掩埋雙p-n結半導體光波長探測器。
2.根據權力要求1所述半導體光源，其特徵是光譜的半寬可以是0.01-50nm。
3.根據權力要求1所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器，其特徵是由兩個背靠背的半導體p-n結光電二極體組成；其中一個pn結的結深可以是0.05-0.5微米，另一個結的結深可以是0.5-2微米；所述兩個p-n結沿與被測光信號入射方向對準排列；工作時所述兩個p-n結光電二極體可以加反向偏壓，也可以不加偏壓；工作時所述兩個p-n結光電二極體同時探測和讀取光信號；製作所述光波長探測器的半導體材料可以是矽、碳化矽、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦或與之相關的異質結半導體材料；所述光波長探測器前可以加一個濾色片。
4.一種使用權利要求3所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器測量如權力要求2所述半導體光源中心波長的方法，其特徵是通過測量事先標定過的所述半導體光波長探測器的兩個pn結光電流之比，根據標定數據得到被測半導體光源的中心波長。
5.一種使用權利要求3所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器測量如權力要求2所述半導體光源的光強，其特徵是通過測量事先標定過的所述半導體光波長探測器的兩個pn結光電流之一或兩個光電流的線性疊加，根據相應的標定數據得到所述半導體光源的光強。
6.一種使用權力要求3所述掩埋雙pn結半導體光波長探測器測量如權力要求2所述半導體光源的色度，其特徵是所述半導體光源色度三刺激值X，Y，Z分別等於X＝S(λC)X(λC)，Y＝S(λC)Y(λC)，Z＝S(λC)Z(λC)其中λC是用所述光波長探測器測量得到的中心波長，S(λC)為根據權利要求5測量得到的光強，X(λC)，Y(λC)，Z(λC)分別為對應波長λC的光譜三刺激值。
7.一種使用權力要求3所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測如權力要求2所述紅綠藍三基色半導體光源混合白光的色度及白平衡(或偏色)的方法，其特徵是根據權利要求6和權利要求5所述測量色度三刺激值及強度的方法，分別測量出所述紅色、綠色及藍色半導體光源的色度三刺激值及強度，再根據線性混色原理，得到其混合白光的色度三刺激值及色品坐標，與嚴格白平衡時的色度坐標比較，可以檢測出偏色。
8.一種使用權力要求3所述掩埋雙p-n結半導體光波長探測器檢測如權力要求2所述紅綠藍三基色發光二極體混合白光的白平衡(或偏色)的方法，其特徵是根據權利要求4和權利要求5所述測量如權力要求2所述半導體光源中心波長及強度的方法，分別測量紅-綠及藍-綠所述半導體光源同時工作時的有效波長及強度，與嚴格白平衡時所述紅-綠及藍-綠半導體光源同時工作時的相應有效波長及強度比較，由此得到混合白光的色差。
全文摘要
本發明提供一種利用掩埋雙pn結半導體光波長探測器檢測半導體光源發光色度、強度及白平衡的方法。該掩埋雙pn結半導體光波長探測器不僅僅用來測量波長，而且同時用來測量發光強度(或光功率)。對於半導體雷射器、超輻射發光二極體、邊發射二極體、窄譜線寬度面發射發光二極體等光譜寬度遠小於國際照明委員會確定的光譜三刺激值函數半寬的半導體光源，其發光波長和強度可以用半導體光波長探測器測量得到，由此進一步依據國際照明委員會確定的表色體系，得到所述半導體光源的色度三刺激值及色品坐標。本發明還能夠檢測紅綠藍三基色半導體光源混合白光的白平衡(或偏色)。本發明所用器件簡單、靈巧和成本低，測量精度較高。
文檔編號G01J1/42GK1959355SQ20051011728
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月3日 優先權日2005年11月3日
發明者韓德俊 申請人:北京師範大學