通过相同结构的光接收二极管识别紫外线发光二极管的发射辐射

摘要

通过相同结构的光接收二极管识别紫外线发光二极管的发射辐射。所述装置包含设置在风化室（1）中的发光二极管（UV-LED）（2）以及紫外线光接收二极管（4），它具有与紫外线发光二极管（2）相同的材料基础，并相对于紫外线发光二极管（2）这样设置，即使在装置运行过程中紫外线发光二极管（2）发射的部分辐射到达紫外线光接收二极管（4）上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于进行试样的人工风化或耐光性检验的装置、一 种紫外线照射装置和一种运行一种用于进行试样的人工风化或耐光性检 验的装置的方法。

背景技术

在人工风化装置中对试样、尤其是平面的材料试样的在大气环境下 的老化状态进行评估，其中对试样进行人工风化。为达到这一目的，上 述装置通常包含风化室，其中设置有用于固定进行风化的试样的固定装 置以及用于对试样进行辐照、尤其是紫外线辐照的辐射源。

在对材料试样进行人工风化或耐光性检验的此类装置中大多必须对 材料的使用寿命进行评估，这些材料在使用过程中持续处在自然的天气 环境中，并且在气候影响下其状况逐渐变差，上述气候影响包括太阳光、 太阳热、潮湿等。为真实模拟自然的气候条件，有利的是，在装置中产 生的光线的光谱能量分配尽可能符合自然光照的光谱能量分配，因此在 此类设备中一直使用氙气辐射器作为辐射源。此外，在材料的慢速拍摄 的老化试验中基本上是对试样进行比自然条件下更密集的辐照，以使试 样老化。由此在较短时间后即可就材料试样的长期老化状态做出结论。

大部分在人工风化设备中进行试验的材料试样都由聚合材料制成。 其中受大气影响的老化基本上是由阳光辐射中的紫外线比例造成的。在 此进行的光化学的源过程，也就是照片的吸附和活跃态或自由基的产生， 都是不受温度影响的。与此相反，后续的与聚合物或添加剂的反应步骤 是受温度影响的，因此，所观察的材料的老化也同样是受温度影响的。

在至今已知的风化试验设备中大多使用氙气灯作为辐射源。众所周 知，使用氙气灯虽然不能很好地模拟太阳光谱，但是所发出的辐照在红 外光谱范围中却包含比较高的光谱比例，为防止试样升温过大，必须使 用过滤器过滤上述红外光谱。此外，市面通用的氙气辐射源的使用寿命 只有约1500小时。

此外也可使用金属卤素灯作为辐射源，但是具有一个缺点，即它不 可调节或非常难调节。具有同样特点的是荧光灯，它同样广泛地在风化 检验设备中被使用为辐射源，但是不利的是它的使用寿命较短。

另外，所有提及的辐射源都具有一个缺点，即它的光谱不可改变。

上述风化检验设备的常规辐射源的另外一个缺点是其结构和控制方 式相对不灵活，无法根据待辐照材料试样的表面的不同条件进行调整。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一个使用于人工风化或耐光性检验装 置中的辐射装置，通过这一装置可很好地识别包含在装置中的紫外线发 光二极管的发射辐射。

通过独立的权利要求书中所述的特性解决这一任务。在从属权利要 求书中说明了本发明的有利设计和进一步方案。

根据第一方面，本发明涉及一种用于试样的人工风化或耐光性检验 的装置，包含风化室，在风化室中设置有紫外线发光二极管（UV-LED） 和紫外线光接收二极管。紫外线光接收二极管的材料基础与紫外线发光 二极管相同，并相对于其紫外线发光二极管这样设置，使在装置运行过 程中一部分由紫外线发光二极管发射的辐射到达紫外线光接收二极管。 特别地，可以将紫外线光接收二极管的内部结构，尤其是半导体层结构 设计成与紫外线发光二极管相同。

根据第二方面，本发明涉及一种紫外线辐射装置，它可使用在根据 第一点的装置中。在这一装置的专利申请中根据第一方面说明的全部特 性和进一步方案以相同方式对根据第二方面的紫外线辐射装置起作用。

本发明的基础认识是，可根据这一发明提供具有最大敏感性的紫外 线光接收二极管，其结构与紫外线发光二极管相同，且用于识别发光二 极管的发射辐射。此类紫外线光接收二极管可包含光谱吸收带，它基本 上与紫外线发光二极管的光谱光照带相符合。特别地，可使紫外线光接 收二极管的吸收带和紫外线发光二极管的光照带的最大值为一个相同的 波长或至少二者相接近。

与其他设置方法相比，基本优势在于，通过使用上述说明的装置已 经具有光谱方面特制的接收器。如使用光谱宽频的紫外线接收器，必须 在紫外线接收器前设置一个紫外线发光二极管具有穿透性的过滤器，用 于确定一个或多个不同的紫外线发光二极管的输出功率。

根据本发明的一实施方式可提供两个一致的紫外线发光二极管或至 少两个名义上或根据制造商说明一致的紫外线发光二极管，其中一个在 安装过程中作为紫外线光接收二极管被插入到人工风化或耐光性检验的 装置的试样室中，并相应进行电气布线。在此证明有利的是，两个紫外 线发光二极管使用一种相同的制造商方面的材料，以确保两个紫外线发 光二极管具有相同的生产过程，尤其是在工艺室的半导体层结构的生产 过程中具有一种相同的工艺过程。通过这一方式可确保两个紫外线发光 二极管尽可能准确地包含相同的半导体层结构，这样，由两个紫外线发 光二极管随后在运行过程中使用的紫外线光接收二极管的光谱吸收特性 尽可能精准地与待测量的紫外线发光二极管的光谱发射特性相一致。由 此在运行过程中紫外线发光二极管就具有尽可能高的敏感度。

根据该装置的一实施方式通过这一方式设置紫外线光接收二极管， 使在装置运行过程中由多个紫外线发光二极管发射的辐射能够到达紫外 线光接收二极管，其中优选地，紫外线发光二极管具有相同的输出波长。

根据一实施方式，装置包含多个等级的具有不同光照带的紫外线发 光二极管和相应的多个紫外线光接收二极管，其中每个紫外线光接收二 极管与一个等级的紫外线发光二极管具有相同的材料基础，特别地，每 个紫外线光接收二极管具有与紫外线发光二极管一致的内部结构或一致 的半导体层结构。因此可如此设计，即将一个等级的数个或全部紫外线 发光二极管分配给一个特定的，具有相同结构的紫外线光接收二极管， 用于识别这些紫外线发光二极管的输出辐射。

根据该装置的一实施方式，一个或数个紫外线发光二极管与紫外线 光接收二极管设置在一个共同的支柱、尤其是一个电路板。

根据该装置的一实施方式，将一个或数个紫外线发光二极管设置在 一个共同支柱上，将紫外线光接收二极管设置在另一支柱上。特别地， 可将与紫外线辐射装置处在相对位置的试样层上的待检查的试样设置在 恰当的支柱上，并将一个或数个紫外线光接收二极管同样设置在这一支 柱上。

根据该装置的一实施方式，将一个或数个紫外线发光二极管和紫外 线光接收二极管以相同方式对齐。例如通过这一方式对齐紫外线发光二 极管，使其将紫外线辐射以直角发射到电路板层面上，并将紫外线光接 收二极管以相同方式空间对齐地安装在电路板上，由此，它对于以垂直 于电路板的方向到达紫外线光接收二极管上的紫外线辐射同样具有敏感 性。在这一情况下同样确保将紫外线发光二极管发射的辐射以恰当方式 引导至紫外线光接收二极管。例如，这一点可通过恰当成型的、由恰当 材料制成的连接介质来实现，下文根据实施例进行详细说明。

根据该装置的一实施方式，以不同方式对齐一个或数个紫外线发光 二极管和紫外线光接收二极管，例如其中紫外线光接收二极管可设置为 倾斜方式，有利的是向紫外线发光二极管方向倾斜。在不使用额外的连 接介质的情况下，通过这一方式同样可将紫外线发光二极管的发射辐射 引导至紫外线光接收二极管。不过在这种情况下还是可以使用此类连接 介质。

根据该装置的一实施方式，在紫外线发光二极管发射的辐射中的、 到达紫外线光接收二极管的一部分的光程中设置有连接介质，用于使辐 射部分转向紫外线光接收二极管。根据一实施方式，连接介质可以是紫 外线辐射可穿透的玻璃片，比如石英玻璃片。根据一实施方式，连接介 质可以是紫外线辐射可穿透的玻璃纤维。根据一实施方式在连接介质上 可涂上一层紫外线辐射不可穿透的涂层，以防止散射进入连接介质或到 达紫外线光接收二极管。

根据一实施方式，该装置包含至少另外一个紫外线发光二极管，其 中在装置运行过程中，另外一个紫外线发光二极管发射的部分辐射到达 紫外线光接收二极管。在使用连接介质的情况下，可对另外一个紫外线 发光二极管和连接介质之间的相对位置进行设置，使在装置运行过程中 通过连接介质将另外一个紫外线发光二极管发射的部分辐射转向紫外线 光接收二极管。例如可设计连接介质的入光侧末端上的第一紫外线发光 二极管的辐射部分进入连接介质中，且连接介质的对面入光侧末端上的 另一个紫外线发光二极管的辐射部分进入连接介质中，然后将连接介质 中的两个辐射部分转向紫外线光接收二极管。在这种情况下连接介质可 以是一个玻璃片、尤其是平坦的玻璃片，例如石英玻璃片，或者是纤维 玻璃。

根据该装置的一实施方式，紫外线光接收二极管可以选择作为紫外 线光接收二极管或紫外线发光二极管运行。为达到上述目的，可通过这 一方式设计外部电气接线，即在光辐射的开关配置中可在二极管的流通 方向上接通电压，向二极管输送电流，且在光接收的开关配置中，可将 另一个电压（如情况可能为二极管封锁方向上的电压）接通在二极管上， 在此可识别二极管通过光射入产生的电流。

根据第三方面，本发明同样涉及一种用于试样的人工风化或耐光性 检验的装置的运行方法，其中这一方法包括以下步骤：

a.装备风化室；

b.在相同材料基础上装备至少两个紫外线半导体二极管，尤其具有 一致的内部结构或一致的半导体层结构；

c.在风化室中设置两个紫外线半导体二极管中的第一个，并运行第 一紫外线半导体二极管作为紫外线发光二极管；

d.在风化室中设置两个紫外线半导体二极管中的第二个；

e.运行第二紫外线半导体二极管作为紫外线光接收二极管，其中相 对于第一紫外线半导体二极管设置第二紫外线半导体二极管，使在装置 运行过程中第一紫外线半导体二极管发射出的部分辐射到达第二紫外线 半导体二极管。

根据本方法的一实施方式，在步骤b中装备多个等级的具有不同光 照带的紫外线发光二极管和多个紫外线光接收二极管，其中每个紫外线 光接收二极管与一个等级的紫外线发光二极管具有相同的材料基础，特 别地，每个紫外线光接收二极管具有与紫外线发光二极管一致的内部结 构或具有一致的半导体层结构。其中可对多个等级的具有不同光照带的 紫外线发光二极管进行选择，以实现光谱分配，通过光谱分配可对特定 的紫外线光谱特性进行近似计算。尤其可借助紫外线发光二极管在短波 侧上对自然太阳光的紫外线成份的上升边缘进行近似计算。但还可对已 知的紫外线光源的紫外线光照带进行近似计算，或对其它任意定义的紫 外线特性进行近似计算。

根据本发明的一实施方式，在运行过程中可在一个或数个紫外线光 接收二极管的输出信号基础上对一个或数个紫外线发光二极管进行调 节。例如，一个简单的调节方法为对紫外线光接收二极管识别到的辐射 强度的降低进行评估。但是也可以考虑复杂的调节方法，例如对每个具 有不同光照带的紫外线发光二极管的辐射功率进行调节，以使待检验试 样层中的光谱分配尽可能具有空间均匀性，或者说，将光谱分配的空间 均匀性限制在规定的偏差内。反之通过所期待的试样层上的光谱分配， 可对自然太阳辐射的紫外线部分、尤其是紫外线范围中的上升边缘，或 对另一个期待的紫外线特性进行最佳的近似计算。

附图说明

附图1根据本发明的用于试样的人工风化或耐光性检验的装置的 实施例的立体图；

附图2带有紫外线发光二极管和紫外线光接收二极管的紫外线辐 射模块的俯视图；

附图3由紫外线发光二极管，紫外线光接收二极管和设置于二者之 间的连接介质构成的结构的侧面横截面图。

具体实施方式

下文结合实施方式和附图对本发明进行进一步说明。

附图1立体显示了人工风化或耐光性检验装置的实施方式。装置包 含风化室1，其中设置有紫外线辐射装置20。在试样室1的底部，可在 底板上设置适合的固定装置，可用于固定一定数目的试样3。由此将装置 设计为具有固定试样固定装置的风化设备。但是本发明也可使用在具有 移动固定试样固定装置的风化设备中。

紫外线辐射装置20可包含多个紫外线发光二极管2，它们可沿着矩 阵的行和列安装在平坦的平面上，例如电路板上，同时根据它们的反射 特性可将它们对齐，使发射的辐射垂直向下对准待检验的试样3。在实用 的实施方式中电路板连同固定在其下表面上的紫外线发光二极管一起可 被设计为插入式暗盒的一部分，其中暗盒可插入位于装置100的上侧的、 为此设置的间隙中。在此，电路板可构成插入式暗盒的一个下底面，同 时冷却介质可穿过位于上方的空间范围，以便有效地散发紫外线发光二 极管产生的热量。

装置100自然可包含其他元件，用于使试样3产生风化，为简化说 明，在此不显示这些元件。

紫外线发光二极管2可安装在同一电路板上。同样在这个电路板上 可安装有一个或数个紫外线光接收二极管4，通过它们可各识别紫外线发 光二极管2发射的辐射。在下面一实施例中说明了如何将辐射引导到紫 外线光接收二极管4上。作为设置在紫外线发光二极管2的层面上的紫 外线光接收二极管4的替代或补充，可在试样3的层面上设置紫外线光 接收二极管4’。紫外线光接收二极管4和4’与紫外线发光二极管2或具 有特定等级紫外线光照带的特定等级的紫外线发光二极管2具有相同的 材料基础。在紫外线发光二极管2内部可存在与不同紫外线光照带相符 合的一定数量的不同等级，也可存在相应数量的不同紫外线光接收二极 管4和4’，以识别不同等级的不同紫外线发光二极管2发射的辐射。

附图2为根据一实施方式的紫外线辐射模块或紫外线辐射装置的俯 视图。如图1所示，紫外线辐射模块20通常包含多个紫外线发光二极管 2。紫外线发光二极管2可安装在平坦的长方形支柱5上，它可以是电路 板。如图1所示，紫外线辐射模块20可固定在一用于试样的人工风化或 耐光性试样的装置100中。与附图1中的设置不同，紫外线发光二极管2 的分配不是空间均衡的，而是连结为多个小组21，其中小组21的形成可 以是一致的。在所示的实施例中，小组各包含三个紫外线发光二极管2， 具有不同紫外线光照带，通过它们可对期待的紫外线光谱特性，例如太 阳辐射的紫外线上升边缘进行近似计算。但是每个小组21也可仅包含两 个带有光照带的紫外线发光二极管。但是在每个小组中也可包含超过三 个具有不同紫外线光照带的紫外线发光二极管。如有必要，在小组中特 定等级的，即具有特定紫外线光照带的紫外线发光二极管的数量可大于 1。

在电路板5上可在小组21的上排下方安装连接介质，比如石英玻璃 块6，其中紫外线发光二极管2发射的部分辐射进入连接介质中。可将 一个或数个紫外线光接收二极管4安装在石英玻璃块6的右外末端，其 中辐射到达紫外线光接收二极管。例如可存在三个不同的紫外线光接收 二极管4，其中每个都与两个小组21的特定一个紫外线发光二极管2具 有相同的材料基础。单个紫外线发光二极管21的部分辐射束可通过玻璃 纤维块从紫外线发光二极管21进入石英玻璃块6中。在装置20的运行 过程中，紫外线发光二极管2发射的部分辐射到达特定一个紫外线光接 收二极管4上。紫外线光接收二极管4在内部层结构方面可与紫外线发 光二极管2一致，以使其光谱吸收特性基本与紫外线发光二极管2的光 谱发射特性相符合，且使其对紫外线发光二极管2发射的辐射具有最佳 敏感性。特别地，紫外线光接收二极管4原本同样可以是一个紫外线发 光二极管，只不过在外部电气接线方面被使用为紫外线光接收二极管。 有利的是，紫外线发光二极管2和紫外线光接收二极管4在制造商方面 原本都是作为紫外线发光二极管在一个相同的生产过程中制造的，特别 是在相同的工艺室中形成两个二极管的半导体层结构。

此外还可对位于一个小组中的紫外线发光二极管2之间的距离进行 设计，使其相对于紫外线辐射装置20与试样层之间的距离具有可忽略性。 其结果是，每个小组21相对于试样层都产生一个以期望的方式混合（“完 成”）的光谱。可将各个直接相邻的紫外线发光二极管的中心点距离的平 均值规定为紫外线发光二极管2之间的距离，且紫外线辐射装置20和试 样层之间的距离可以是这一距离的10倍、50倍或100倍。

也可考虑，通过这一方式形成紫外线光接收二极管4的外部电气接 线，使可以选择地使用其作为紫外线发光二极管或紫外线光接收二极管。

附图3显示了由两个紫外线发光二极管2，一个紫外线光接收二极 管4和一个设置于二者之间的连接介质6构成的结构的侧面横截面图。 上述组件可安装在支柱5上，例如电路板。两个紫外线发光二极管2中 的左侧一个进行对齐，使其主要反射方向为与支柱5的层面垂直向下， 在根据余弦函数采用朗伯辐射器的情况下，与反射方向之间的夹角增大， 而辐射功率降低。以与支柱5层面之间的小的夹角发射的辐射可由适当 的、紫外线可穿透的连接介质5吸收，并进一步引导到紫外线光接收二 极管4的方向上。在所示的实施例中，连接介质6可由石英板构成，其 下表面位于支柱5上并可直接固定在紫外线光接收二极管4的上方。可 通过这一方式形成石英板6，其下表面可具有凹处，紫外线光接收二极管 4可容纳在上述凹处中。在入光侧末端上石英板6吸收一部分以辐射束7 为形式的、由紫外线发光二极管2发射的辐射中。从上述辐射束出发， 又有一部分沿着石英板6上的上表面和下表面的全反射路径进入紫外线 光接收二极管4中。在石英板6的上表面可设置一层紫外线辐射可穿透 的涂层6.1，用于防止试样室中的紫外线散射到达紫外线光接收二极管4 上。

可进一步设计，使另外一个右侧紫外线发光二极管2的辐射部分到 达石英板6的另一个入光侧末端，并被引导至紫外线光接收二极管4上。 可通过这一方式形成石英板6，使其它紫外线发光二极管2的辐射部分 到达其它入光侧末端并被引导至紫外线光接收二极管4上。

也可使用紫外线可穿透的玻璃纤维代替石英板作为连接介质6。可使 玻璃纤维及其入光侧末端任意接近紫外线发光二极管2。例如在玻璃纤 维的部分外围上可设置紫外线不可穿透的涂层，以防止紫外线散射进入。

虽然在这一说明书中对具体实施方式进行了描述和说明，但是本领 域的专业人员必须意识到，在不偏离本发明保护范围的情况下，可通过 大量可选的和/或等效的实施方式替换在此显示和说明的具体实施方式。 本申请覆盖了在此分析的具体实施方式的任何调整或变更。因此规定， 本发明仅通过权利要求及其等效物来限制。