Optoelektronische Sensoren Für eine farbstabile LED-Ansteuerung im Passagierflugzeug

Regelschleifen in den RGBW-Leuchtsystemen sind nötig um alterungsresistente Farbsensoren einzubauen.
Regelschleifen in den RGBW-Leuchtsystemen sind nötig um alterungsresistente Farbsensoren einzubauen.

Alterungseffekte von LED-Chips sorgen in RGBW-Leuchtsystemen noch immer für merkliche Farbverschiebungen. Um hohen Ansprüchen an die Farbqualität über die gesamte Lebensdauer zu genügen, sind Regelschleifen nötig – und dort kommt es auf einen alterungsresistenten Farbsensor an.

Optoelektronische Sensoren sind in Form von Farbsensoren häufig Teil einer Regelschleife, mit der LEDs über einen langen Zeitraum farbstabil gehalten werden. Ein typisches Anwendungsbeispiel ist eine RGBW-LED-Kabinenbeleuchtung für Passagierflugzeuge. Die einzelnen LED-Chips verlieren über ihre Laufzeit bekanntermaßen an Intensität, was sich beim RGBW-Modul als kontinuierliches Abdriften des Farborts bemerkbar macht. Um die für Kabinenbeleuchtungseinheiten geforderte Lebenszeit von bis zu 60.000 Stunden trotzdem zu erreichen, wird das Abdriften des Farb­orts häufig mit einer Regelschleife kompensiert, in der ein Farbsensor als Messglied fungiert. Der Sensor selbst muss für diesen Zweck unempfindlich gegen Alterungseffekte sein. Ob das der Fall ist, hängt stark von der im Sensor genutzten Farbfiltermethode ab.

Wellenlängenselektive Filterung in Fotoempfängern

Der Aufbau eines Farbsensors ist in Bild 1 gezeigt. Direkt unter dem Schutzglas befinden sich verschiedene Farbfilter (in diesem Fall als Interferenzfilter ausgeführt), mit denen der Sensor in wellenlängenselektive Bereiche eingeteilt wird.
Generell werden Filter häufig in Fotoempfängern zur Unterdrückung unerwünschter Wellenlängenbereiche eingesetzt. Eine sehr bekannte Anwendung ist der Tageslichtfilter bei Infrarot-Fernbedienungen. Auftreffendes sichtbares Licht würde hier die Infrarot-Signale überlagern und damit die Signalübertragung stören. Im umgekehrten Fall werden Infrarotfilter verwendet, wenn Fotoempfänger für sichtbares Licht bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, da sonst das durch die Wärmestrahlung erzeugte Signal größer als das Messsignal sein könnte. Zwei wesentliche Prinzipien der wellenlängenselektiven Filterung werden in der Praxis eingesetzt: Die Filterung durch Absorptionsschichten und die Verwendung von Interferenzfiltern. Bei Absorptionsfiltern wird das auftreffende Licht meist in Wärme umgewandelt. Ein anderer Mechanismus ist die verzögerte Freisetzung von Licht (Fluoreszenz) nach vorheriger Absorption der Lichtenergie oder die Umwandlung in elektrische Energie (innerer fotoelektrischer Effekt). Die Umsetzung der Lichtenergie in Wärme zeigt den Nachteil von Absorptionsfiltern. Durch eine hohe Lichtintensität kommt es zum Aufheizen der Filterschicht, welche damit zum einen ihr wellenlängenabhängiges Absorptionsverhalten ändert und zum anderen einer Alterung unterliegt, welche ebenfalls zu einer Verschiebung der Filtercharakteristik führt. Interferenzfilter arbeiten nach dem Prinzip der Reflexion und Interferenz an Grenzschichten zwischen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Ein bekannter Vertreter eines Interferenzfilters ist das sogenannte „Anti-Reflection Coating“ (ARC). Diese oft aus SiO2 bestehenden dünnen Schichten werden im Halbleiterprozess direkt auf die optisch aktiven Flächen von Fotodioden aufgebracht und in ihrer Schichtdicke so gewählt, dass der Reflexionsgrad für die interessierende Wellenlänge sehr klein wird. Die Filter arbeiten nach dem Prinzip der destruktiven Interferenz, bei der die reflektierten Lichtstrahlen einen Phasenunterschied von 180° bei gleicher Amplitude aufweisen und sich damit im Idealfall auslöschen. Durch die Verwendung mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes ist es möglich, gezielt schmalbandige Filtercharakteristiken zu erzeugen. Sind diese Filterschichten zudem dielektrische Schichten, so ist deren Absorptionsgrad im interessierenden Wellenlängenbereich null und die Filterung erfolgt ausschließlich durch Interferenz – ohne Wärmeentwicklung.

Der innere fotoelektrische Effekt

Die Grundlage vieler optoelektronischer Sensoren bildet der innere fotoelektrische Effekt. Dabei werden im Halbeiter Ladungsträgerpaare (Elek­tron-Loch-Paare) generiert, wenn ein Lichtquant (Photon) mit ausreichender Energie auf das Halbleitermaterial trifft. Die Ladungstrennung der Elektron-Loch-Paare durch ein elektrisches Feld gestattet die Nutzung des inneren fotoelektrischen Effektes als Fotostrom-Generator.

Voraussetzung für eine erfolgreiche Erzeugung eines Elektron-Loch-Paars im Halbleitermaterial ist eine Energie des eingestrahlten Photons, welche größer als die Bandabstandsenergie des Halbleiters ist. Die Energie eines Photons wird über dessen Wellenlänge definiert. Damit ergibt sich eine materialspezifische Grenzwellenlänge, bis zu der Halbleiter als Fotoempfänger nutzbar sind (siehe Tabelle). Die Grenzwellenlänge λG berechnet sich nach folgender Formel:

mit h: Planksches Wirkungsquantum, λ: Wellenlänge des eingestrahlten Lichts, Egap: Bandabstandsenergie und c: Lichtgeschwindigkeit.

Bei der gemeinsamen Integration von Fotoempfängern und Auswerteschaltungen kommen oft preiswerte CMOS-Halbleiterprozesse auf der Grundlage von Silizium zur Anwendung. Aufgrund der steigenden Reflexion an Si-Oberflächen mit kleiner werdender Wellenlänge sowie der geringeren Eindringtiefe von kurzwelligem Licht ist der effektiv detektierbare Bereich des Lichts auf etwa 200 nm bis 1100 nm eingeschränkt. Damit überdeckt der Detektionsbereich den für den Menschen sichtbaren Bereich des Lichts vollständig.

Für Farbsensoren, die in Regelkreisen für RGBW-LED-Systemen eingesetzt werden sollen, ist das eine zentrale Voraussetzung. In integrierten Lichtsensoren werden meistens Fotodioden verwendet. Zum einen sind sie einfach zu entwerfen und herzustellen, zum anderen sind sie auch für höhere Signalfrequenzen einsetzbar.

In Verbindung mit wellenlängensensitiven Filtern ist man damit in der Lage, Farben zu messen bzw. zu unterscheiden. Wannendioden (Bild 2) werden bevorzugt für langwelliges Licht eingesetzt, da dieses eine größere Eindringtiefe als kurzwelliges Licht besitzt. Damit erreicht es die tiefer liegende Raumladungszone, in der Elektron-Loch-Paare gebildet werden. Die dünne Antireflexionsschicht (ARC) arbeitet nach dem Prinzip des Interferenzfilters und vermindert so Reflexionen im interessierenden Wellenlängenbereich.