专利名称：校正光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及校正光源，尤其涉及使用了 LED情况下的校正光源(LED代表Light Emitting Diode，发光二极管)。
背景技术：
除了其他的以外，校正光源可用于光或辐射测量仪表(如频谱仪、亮度计或辐射计等等)的绝对校正。已知的是，将电流与温度稳定的参考LED用作校正光源。LED可发射可见、红外或紫外波长范围内的辐射。设置在电路板上的半导体芯片提供LED之辐射的产生。基于用于半导体的材料的不同物理特性，可以设置所需的波长。对校正光源的一个基本需求是辐射频谱分布及强度的高稳定性。目前只发现使用一般为约20mA的操作电流的所谓的标准LED。作为校正光源而所要求的LED的稳定光功率，可通过一个恒定的电功率叫*;恥=前向电压，而If=前向电流)而达成。因此，通常在电流馈入If上应用一个稳定的电源。作用于半导体芯片上的前向电压Uf在LED的接点上被测量。因为在恒定电流If下，LED的前向电压Uf只随温度改变，故可通过对部件的温度进行控制而稳定前向电压Uf，并由此而稳定所辐射的光功率。LED被驱动时所处的工作点通常明显高于环境温度，为约40°C。就约40°C的芯片温度而言，在目前所用的标准LED中，所述部件必须被加热。为了所述的稳定，通常使用加热电阻、加热二极管等形式的加热组件。 经由前向电压Uf的测量及加热功率的对应调整，部件及随之的LED芯片被保持在一个恒定温度上。上述校正光源的一个缺点在于可借助于所用的标准LED而获得的光功率较小。为实现LED 的朗伯辐射特性(Lambertsche Abstrahlcharakteristik)，一个扩散装置作为一个盖位于LED之前。此扩散装置嵌在一个用于保护校正光源免受环境影响的外壳中。然而，环境温度亦影响校正光源所辐射的光功率与辐射频谱(LED颜色)。因此，对于已知的校正光源，即使配合LED温度的有效温度控制，环境温度的快速波动仍无法足够快速地得到补偿，这导致校正光源在光照强度上的不为所需的时间波动。
发明内容
本发明的任务在于提供温度稳定的校正光源。本发明通过权利要求1的对象来完成此任务。从属权利要求给出了优选实施方案。
现在将参考附图通过描述来更详细地阐明本发明及其更多的特征及优点，其中图1为根据本发明的一个校正光源的示意图；图2示出图1高功率LED区域之放大图；图3示出用于温度控制的原理图；以及
图4示出高功率LED的一种替代实施方案的示意图。
具体实施例方式图1示出根据本发明的校正光源2的示意图，该校正光源2具有一个外壳4。外壳4由彼此旋紧的一个前部和一个后部空心圆柱壳体部分6和8共同组成。术语“前部” 与“后部”的命定与辐射源产生的光束从壳体4中出来的光束方向相关。光束系指，例如， 通过一个对应光学及/或机械光束导引器所导向的在红外、可见与紫外区域的辐射。前部壳体部份6的正面通过一个含有一个中央开口 12的圆形表面10闭合。一个刚性出口撑持组件14突出穿过开口 12，该刚性出口撑持组件具有优选为封闭的、圆筒型的侧壁(以及如果必要，可以有反射内壁)以及一个前部光线出口 15，前部光线出口用作辐射源所产生的光束的出口。撑持组件14的后方的敞开的末端被装配在一个用于固定一个高功率LED 18 的装配板22上，并将LED 18纳于其中。在图1示出的实施例中，一个扩散装置16处于光线出口 15中。扩散装置16为一个体积散射器(相对于表面散射器而言)，该体积散射器使光线尽可能地向外在所有空间方向上均质地且优选还以朗伯辐射特性进行辐射。校正规则预先给出扩散装置16的辐射表面。在另一个未示出的实施例中，光线出口 15也可以是敞开的，或是由其他对光束透明的物质(例如，针对在可见波长范围中的光束，使用玻璃片)覆盖。扩散装置16、敞开的孔洞(或是其正面的内缘)或其他透明物质为离开的光束(确切地说，离高功率LED 18—段固定距离)限定出一个确切的光圈，并因而影响校正光源的辐射特性。可在半导体辐射源 18与光线出口 15之间的辐射路径中置放更多光学组件。所谓的高功率或高电流(High-Power或High-Current) LED 18为具有较高的供应功率(在至少350毫安(mA)的工作电流及例如为1毫米(mm)的芯片边长下，该供应功率典型地为至少1瓦特(Watt))的一个半导体辐射源，相较于仅能产生几十毫流明的传统LED， 其可产生数流明的光通量。高功率LED 18优选用于下述目的提供足够的光功率使能够实现光或辐射测量仪表的校正。不过，所提供的电能，特别是在高功率LED下，只有一部分电能被转换成光，其余电能必须以热能排出。高功率LED下的明显较高的功率密度使得部件的主动或被动冷却成为必要。此外，LED的稳定不能再通过更多热能的输入而实现。外壳4与撑持组件14由具有极低导热系数的材料(例如合适的塑料)制成。扩散装置16可由一种烧结石英玻璃制成，其例如接合于撑持组件14的塑料材料中。取代扩散装置16，或是除了扩散装置16以外，可有未示于图中的由玻璃、石英或其他光学透明材料所制成的一个光学透明窗坐落于光线出口 15中。在所示的实施形式中，带有扩散装置16 的撑持组件14通过开口 12从圆形表面10稍微向外突出，或者是，其亦可齐平地封住圆形表面10。在撑持组件14的圆柱形外壁与开口 12的圆形内缘之间为一个较小的环状间隙 13，其容许外壳4之热扩散，而不使所述内缘与撑持组件14有所接触。可例如以柔韧的硅封垫来密封环状间隙13，以封闭外壳4之内部空间使其不受外界影响。其他方面，撑持组件 14未与该外壳4有任何机械式耦接，以避免受热控制的长度变化的传递。撑持组件14由此穿过外壳4而不受力，或可朝向外壳4自由移动。环状间隙13界定出介于外壳4与撑持组件14之间的一个距离，其以一种隔热气垫填满(或许，可亦以另一种隔热材料填满环状间隙中的空白空间，只要确保无机械式耦接及随之而来的自由可移动性时，从外壳4作用在撑持组件14上的力便微不足道)。此距离至少如此确定，即，使例如通过环境温度波动所控制的外壳4的长度变化不作用至撑持组件14上，且由此使撑持组件14连同其上所耦接的高功率LED 18与外壳4保持机械式的自由关系。这样的无任何机械式耦接也即确保了，光线出口 15被定位在距离半导体辐射源 18—段固定距离处，并因而与之后所辐射之光束的距离亦为固定的。因此，从光线出口 15 到半导体辐射源18的距离即确定了用于从开口 15辐射出的光束的开口角度，并因而确定从开口 15辐射出的光束。当然，撑持组件14间接地悬于外壳4上，如下文中将详细说明的。因此，这样无任何机械式耦接即考虑避免直接机械式耦接，并因而避免在这两个组件之间的相关的直接的力传递，特别是在温度变化的时候。在图2的放大图中，精确示出高功率LED 18的结构与托架。LED芯片20设于一个特定的导热电路板22 (例如金属核心导体或陶瓷电路板)，上。可于LED芯片20上放置一个透镜体对，其捆束在扩散装置16或光线出口 15方向中所产生的光线。接线^MfLED 芯片20与电路板22电气式地连接，图中未示出的连接导线从该电路板通向同样未示于图中的校正光源2的电接口。撑持组件14直接通过粘接将其下端与电路板22之顶端连接。 或者是，其可与电路板22间接连接，其中，其下端之内缘侧面固接在透镜体M或LED芯片 20，或以其他方式，如间接地，固接在电路板22上。其主要用于，将从透镜体M (或当芯片体M不存在时，将LED芯片20)至光线出口 15或扩散装置16的距离维持固定，因为此距离会影响校正光源2的光通量或光强度。因为高功率LED 18的电流密度比一般LED高20到50倍，所以接线沈的传输电阻可改变。因此，在某些情况，通常用作高功率LED 18的功率供给的，在高功率LED 18的电气式接点上所测量的前向电压并不适于作为用来稳定高功率LED 18的控制变量。温度被用作控制变量，如下文将要详细说明的，并被稳定在一个常值上。因此，在恒定的供应电流下，LED芯片20的ρ/η结的前向电压降亦为恒定，且高功率LED 18的电和光功率(辐射出的光强度与辐射频谱)被稳定。前向电压Uf为温度与电流If的一个函数。在恒定电流下，对于前向电压，一个典型的温度系数为约-1. 5至-2. 5mV/K。因此，在较高温度与恒定电流If下，前向电压较低。故随着LED芯片20的芯片温度升高，所辐射的光功率降低。此外，其辐射频谱(颜色)亦改变。所述温度稳定亦作为高功率LED 18的热保护。在数瓦特(例如，在2A的最大工作电流下为5W)的电功率下，高功率LED 18既产生高的照明效率，也产生高升的损耗功率， 这导致LED芯片20的强热化。为了避免LED芯片20的寿命减短或甚至是毁灭，这些损耗功率必须被排除。LED芯片20的热缓和通过一个由铜-锆(Kupfer-Zirkonium)制成的(或由其他导热性好的材料所制成的)导热性好的第一挡块(Stempel)28实现，其前端固附于电路板 22的底侧，而其后端固附于一个珀耳帖组件(PeltierelementMO的冷侧边。第一挡块观的高导热性及配合其使用的珀耳帖组件30 (以例如数十瓦特的冷却/加热功率)使LED芯片20的所需温度能在介于+5°C和+85°C之间的范围内快速调整，优选的是，此范围高于露点以避免露滴，尤其优选的是，例如介于+25°C与+35°C之间，以及更为优选的是，约+30°C。 在第一挡块观中，在电路板22的远离其承载面的下方嵌有一个温度传感器32，其位于铣削于第一挡块观内的一个腔室中。或者是，温度传感器32可设在电路板22上方而直接与LED芯片20相邻。其应尽可能地接近LED芯片20旁而设置，以使其测量温度与LED芯片 20的测量温度一致。珀耳帖组件30的热侧边固附于由铜-锆制成的(或由其他导热性好的材料所制成的)第二挡块34的前端，其后端与具有加大的热交换上表面的一个冷却体36旋紧。第二挡块34的后端藉由一个隔热撑持装置38而保持在前部壳体部分6的壳体内壁上。因此， 由扩散装置16、撑持组件14、电路板22、LED芯片20、第一挡块观、珀耳帖组件30与第二挡块34所构成的整个配置仅通过这个撑持装置38而与外壳4连接，并且因此，从环境温度至此配置的热传导被强力地抑制。冷却体36将其热递交给处于后部壳体部分8中的环境空气上，其热量由壳体部分 8的后部开口端的一个通风装置40排散到外面的空气。以这样的措施，LED芯片20的损耗功率将有效地被转移。第一挡块观的尺寸如此确定一方面使珀耳帖组件30的热侧边要离LED芯片20 够远，以使那儿所产生之热能(相当于数瓦特的所排出的损耗功率)保持在远离LED芯片之处，其另一方面又要离LED芯片20够近，以使热交换得以快速完成(优选的是在毫秒范围内)。为了温度调节，如在图3中示意性示出的，温度传感器32的测量信号会被馈给一个(PID)调节器42，其将测量的温度与一个预先设定的温度值(参考值)做比较。调节器 42依据比较结果来升高或降低馈给珀耳帖组件30的电功率。为此，温度传感器32就如珀耳帖组件30地，通过图中未示出的连接线路与调节器42电气式连接。调节器42的调节器参数被选择为，例如，确保ο. ore的调整精度。通过将高功率LED 18收纳在低导热性的塑料壳体4中，会缓冲环境的温度变化， 从而能达到足够的调节精度及调节速度。若没有这样的收纳，则从LED芯片20直至珀耳帖组件30的冷却路径会太过缓慢，无法够快地抵消干扰。由于光线出口 15 (或扩散装置16) 未与外壳4有任何机械式耦接和热耦接及其在LED芯片20上的强健支撑，外壳受温度影响的长度变化并不作用至光线出口(或扩散装置16)到高功率LED 18的距离上，且因而并不作用至从校正光源2出来的光束。这些措施实现了光束在从20°C到30°C的环境温度中低于0. 的所需稳定性。撑持组件14被如此悬在外壳4上，S卩，使这两个组件之间的力流通过电路板22，第一挡块观、珀耳帖组件30、第二挡块34与冷却体36，而实现。如此稳定的一个光源可作为各种光测量或辐射测量值的转换标准。典型的值为基于CIE127 2007的总光束或总辐射功率及平均LED密度。图4示出高功率LED 18的一个替代实施方案，高功率LED处于设在电路板22上的由三个不同颜色的高功率LED组件44及温度传感器32所组成的芯片阵列46的形式，借助所述的三个不同颜色的高功率LED组件44，可经由混色而调成任何颜色。替代于高功率LED 18，亦可使用标准或高亮度LED。珀耳帖组件30可然后将LED 温度加热成高于环境温度的一个恒定值，例如40°C。替代于珀耳帖组件30，LED亦可直接经由其接线而被加热，所述接线可以作为电阻来提供。或者是，亦可不安排主动的温度稳定。 在这种情况中，当达到前向电压Uf时，温度在某段时间后便自行独立地稳定于一个温度值。 于是所消耗的电功率及所送出的光功率与损耗功率随之亦为稳定的。除了所述的稳定电流供应之外，也可由可变电流来驱动LED。那么，此电流调制导致温度波动。因此，可馈给LED
7周期性地开启与关闭的一个高脉冲电流。如同半导体辐射源，也可使用OLED(有机发光二极管)或半导体激光。 申请人:保留对在恒定电流馈给下的具有高功率LED 18的校正光源的温度稳定这一概念自身的保护，无关乎光线出口 15未与外壳2耦接。
权利要求
1.一种校正光源，其具有具有一个开口(12)的一个壳体0)，容纳在该壳体O)内一个支撑装置02)，由该支撑装置0 所支撑的一个半导体辐射源(18)，用以产生光束，具有设置在该开口(12)的区域中的一个光线出口(15)的一个出口撑持组件(14)，由该半导体辐射源(18)所产生的光束通过该光线出口从该壳体向外辐射，其中未与该壳体( 有任何机械式耦接的该出口撑持组件(14)是固设于该半导体辐射源(18)的该支撑装置0 上。
2.如权利要求1所述的校正光源，其中在该光线出口(15)中设有一个扩散装置(12)。
3.如权利要求1或2所述的校正光源，其中该半导体辐射源(18)包含一个高功率LED。
4.如前述权利要求之一所述的校正光源，其还具有与该支撑装置0 连接并容纳在该壳体(2)内的一个主动冷却装置(30)，用以冷却该半导体辐射源(18)。
5.如权利要求4所述的校正光源，其还具有容纳在该壳体( 内的一第一导热连接组件( )，其将该冷却装置(30)之该冷侧边与该半导体辐射源(18)的该支撑装置0 连接，且将该半导体辐射源(18)的热导向该冷却装置(30)，其中该第一连接组件08)的尺寸被设置为，使得一方面，该冷却装置(30)的热侧边离该半导体辐射源(18)够远而使在该处产生的热远离该半导体辐射源(18)，另一方面，又离该半导体辐射源(18)够近，以使在冷却装置(30)与半导体辐射源(18)间的热交换得以快速完成。
6.如权利要求5所述的校正光源，其还具有容纳在该壳体( 内的一个第二导热连接组件(34)，其与该冷却装置(30)的该热侧边连接，连接在该第二连接组件(34)的远离该冷却装置(30)的端部上的一个冷却体(36)，其具有加大的一个热交换表面，用以将热排散至环境空气上，以及一个通风装置(40)，用以将暖化的环境空气从该冷却体(36)导开。
7.如权利要求6所述的校正光源，其中该第二连接组件(34)藉由一个隔热撑持装置 (38)被支撑在该壳体(2)上。
8.如前述权利要求之一所述的校正光源，其中该壳体(2)与该出口撑持组件(14)由一种隔热好的材料制成。
9.如前述权利要求之一所述的校正光源，其还具有一个紧靠近该半导体辐射源(18)设置的(3 温度传感器，用以测量该半导体辐射源 (18)的温度，以及一个温度调节装置(42)，用以依据该温度传感器(3 所测量的温度而调节该主动冷却装置(30)的功率。
10.如权利要求9所述的校正光源，其还具有一个恒定电流源，用以向该半导体辐射源(18)提供恒定电流，其中该温度调节装置 (42)被设定为，使温度恒定地保持在一个固定的预设值上。
11.如前述权利要求之一所述的校正光源，其中该半导体辐射源(18)包含多个高功率LED(44)，其与该温度传感器(32)共同设置于一个芯片阵列06)上。
12.如权利要求4-11所述的校正光源，其中该主动冷却装置(30)包含一个珀耳帖组件。
13.如前述权利要求之一所述的校正光源，其中该出口撑持组件(14)为一个具有封闭的侧壁与敞开的光线出口(15)的空心体。
14.如权利要求13所述的校正光源，其中在该出口撑持组件(14)的所述侧壁与该开口 (12)的内缘之间设置一个间隙，其优选为是密封的。
15.如前述权利要求之一所述的校正光源，其中在该光线出口(15)中设有由玻璃、石英或其他光学透明材料所制成的一个光学透明的窗口。
全文摘要
本发明涉及一种校正光源，其具有以下部件具有一个开口(12)的一个壳体(2)；容纳在该壳体(2)内一个支撑装置(22)；由该支撑装置(22)所支撑的一个半导体辐射源(18)，用以产生光束；具有设置在该开口(12)的区域中的一个光线出口(15)的一个出口撑持组件(14)，由该半导体辐射源(18)所产生的光束通过该光线出口从该壳体(2)向外辐射；其中未与该壳体(2)有任何机械式耦接的该出口撑持组件(14)是固设于该半导体辐射源(18)的该支撑装置(22)上。
文档编号G01J5/52GK102449446SQ201080023241
公开日2012年5月9日 申请日期2010年5月18日 优先权日2009年5月26日
发明者德特勒夫·汉纳克, 托马斯·内格勒, 西蒙·施图尔姆 申请人:仪器系统光学测量科技有限公司