Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem
advertisement
Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Rozprawa doktorska mgr inż. Joanna Parzych Politechnika Poznańska Instytut Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Zakład Metrologii i Optoelektroniki Promotor: prof. dr inż. hab. Anna Cysewska-Sobusiak Poznań 2014 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Spis treści Streszczenie ………………………………………………………………………….… 4 Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia …………………………………... 6 1. Wstęp ……………………………………………………………..…………….... 9 1.1. Określenie problematyki ………………..…………………………………. 9 1.2. Teza, cele i zakres pracy …………………………………………………... 11 2. Charakter fizyczny zjawiska luminescencji ………………………...….………... 14 2.1. Zjawisko luminescencji …………………………………………………… 14 2.2. Zjawisko elektroluminescencji ……………………………………………. 18 3. Diody elektroluminescencyjne …………………………………………………... 19 3.1. Podstawy fizyczne działania diod elektroluminescencyjnych ………..…… 19 3.2. Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła ……………………………………………………………………... 28 3.3. Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy ………….. 30 3.4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych ……………………………. 33 3.5. Metody pomiaru optycznych parametrów diod LED oraz zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiaru ………………………………………... 36 4. Przetworniki CCD ……………………………………………………………..… 39 4.1. Budowa i zasada działania przetworników CCD ……………………….… 39 4.2. Obszary zastosowań przetworników CCD ………………………………... 49 5. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD …………………….………………………………………… 54 5.1. Ograniczenia związane z charakterem zjawiska luminescencji oraz z budową przetwornika CCD ………………………………………………………… 54 5.2. Problemy metrologiczne występujące w wybranych badaniach z zastosowaniem układu: matryca LED – przetwornik CCD ……………………………..…. 56 5.3. Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania diod LED z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD ……………….. 62 6. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD ……………………………………………………………. 66 6.1. Struktura modelu pomiarowego …………………………………………... 66 6.1.1. Założenia do modelowania ……………………………………….. 66 6.1.2. Schemat funkcjonalny …………………………………………….. 67 6.1.3. Równanie przetwarzania ………………………………………….. 69 Spis treści 2 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 6.2. Eksperymentalna weryfikacja modelu pomiarowego …...………………… 71 6.2.1. Stanowisko pomiarowe …………………….……………………... 71 6.2.2. Oprogramowanie ………………………………………………….. 72 6.2.3. Przebieg pomiarów, uzyskane wyniki i ocena ich niepewności ...... 77 7. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD ..... 118 7.1. Pomiary związane ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez matryce diod LED ..………………………………….. 118 7.2. Badanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą ………. 125 8. Podsumowanie ..………………………………………………………………….. 136 9. Literatura .…………………………………………………………….………….. 139 Spis treści 3 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Streszczenie Tematyka pracy dotyczy interdyscyplinarnego obszaru badań związanego z obserwacją i akwizycją promieniowania emitowanego ze źródeł elektroluminescencyjnych za pomocą przyrządu z przetwornikiem CCD. W pracy omówiono charakter zjawisk luminescencyjnych i podstawy fizyczne działania zarówno diod LED, jak i przetworników CCD, a także zaprezentowano ich obecne wybrane zastosowania. Przeanalizowano ograniczenia występujące w procesie rejestracji złożonych zjawisk luminescencyjnych wynikające z charakteru tych zjawisk oraz budowy przetwornika CCD. Omówiono problemy metrologiczne pojawiające się w pomiarach przeprowadzanych na potrzeby określonych aplikacji. Uwzględniono m.in. cel i rodzaj badań, istotne parametry pomiarowe i elementy nowości wnoszone przez proponowany sposób uzyskiwania danych o promieniowaniu emitowanym przez diody LED. Zaprezentowano pomiarowy model detekcji promieniowania elektroluminescencyjnego w układzie: matryca LED – przetwornik CCD, na który składają się kolejno przedstawione następujące zagadnienia: założenia, cele i ograniczenia modelowania, schemat funkcjonalny modelu, równanie przetwarzania, stanowisko badawcze, program sterujący pomiarem zrealizowany w środowisku graficznym LabVIEW, ocena niedokładności wyniku pomiaru. W pracy zawarto wyniki pomiarów związanych ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne oraz dotyczące badań wpływu temperatury na przetwornik CCD. Na podstawie uzyskanych wyników eksperymentalnych określono zależność pomiędzy natężeniem promieniowania pochodzącego z diod LED a wartością otrzymaną z zarejestrowanego obrazu. Zbadano również wpływ następujących wybranych czynników na wynik rejestracji kamerą CCD: odległości pomiarowej, kąta między osiami geometrycznymi diody LED i detektora, temperatury otoczenia, oświetlenia zewnętrznego, nastawy ostrości kamery CCD. Streszczenie 4 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Summary The subject of the work concerns with the interdisciplinary area of the research related to the observation and aquisition of the radiation emitted by electroluminescence light sources using the device with a CCD sensor. The nature of luminescent phenomena and physical basis of the operation of both LED diodes and CCD imagers are discussed, and their present selected applications are shown. The limitations with the registration process of the complex luminescent phenomena, which result from the nature of these phenomena as well as the structures of CCD devices have been analyzed. The metrological problems appearing in the measurements conducted for specific applications were discussed. Among the other things, the purpose and kind of a given study, the significant measuring parameters and the elements of novelty brought by the proposed way of obtaining the data about the radiation emitted by light-emitting diodes are taken into account. The measuring model of electroluminescence radiation detection by a set: LED matrix CCD device is presented. The particular questions were considered as follows: the assumptions, aims and limitations of modeling, the functional scheme of the model, the processing equation, the measurement system, the control program implemented in LabVIEW graphical environment, the evaluation of uncertainty of measurement results. On the one hand, the work contains the results of the measurements associated with the uniformity and intensity of the radiation emitted by light-emitting diodes, and on the other hand the results of evaluation of temperature influence on charge-coupled devices are included. On the basis of the obtained experimental results, the relationship between the intensity of the radiation emitted by the LEDs and the value getting from the registered images has been established. Furthermore, the influence of the following selected factors as: measuring distance, angle between geometrical axes of LED diode and detector, ambient temperature, external illumination, sharpness setting of CCD camera was also examined. Streszczenie 5 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia Wielkości związane z emisją i detekcją promieniowania Wielkości fotometryczne i radiometryczne Ee natężenie napromienienia Ep fotonowe natężenie napromienienia E natężenie oświetlenia Ie natężenie promieniowania Ip gęstość fotonów I światłość Km fotometryczny równoważnik promieniowania Le luminancja energetyczna Lp luminancja fotonowa L luminancja świetlna Me egzytancja energetyczna Mp egzytancja fotonowa M egzytancja świetlna P moc promieniowania e strumień energetyczny p strumień fotonowy strumień świetlny V() krzywa względnej czułości spektralnej (fotopowej) ludzkiego oka Wielkości związane z parametrami LED IF prąd przewodzenia diody LED TB temperatura barwowa U, UCC napięcie zasilania UR wsteczne napięcie przebicia E natężenie oświetlenia I światłość Wielkości związane z parametrami przetwornika CCD D zdolność detekcji D* znormalizowana zdolność detekcji fk funkcja określająca zależność między średnią jaskrawością a natężeniem promieniowania Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 6 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Id natężenie prądu ciemnego ILED natężenie promieniowania uzyskane z pomiarów kamerą CCD k1, k2 stałe funkcji fk n liczba pikseli o danym poziomie jasności nmax maksymalna liczba pikseli o danym poziomie jasności N jaskrawość (poziom jasności piksela) Nśr średnia jaskrawość (średni poziomów jasności pikseli) NE liczba zgromadzonych ładunków elektrycznych NEP moc równoważna z szumami P moc promieniowania QE wydajność kwantowa r odległość diody LED od detektora R czułość bezwzględna SL czułość świetlna SNR stosunek sygnału do szumu td czas opóźnienia sygnału emitowanego przez diodę LED względem impulsu wyzwalającego te czas ekspozycji ti czas integracji ts czas trwania sygnału emitowanego przez diodę LED tw czas trwania impulsu wyzwalającego T okres przebiegu sygnału emitowanego przez diodę LED Tw okres przebiegu wyzwalającego UA wartość analogowa napięcia UD wartość cyfrowa napięcia X ekspozycja Z końcowa wartość cyfrowa sprawność przesuwu ładunku czas odpowiedzi Wielkości fizyczne A absorpcja DF fluorescencja opóźniona F fluorescencja IC konwersja wewnętrzna ISC konwersja międzysystemowa P fosforescencja Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 7 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Miary niedokładności wyniku pomiaru kα współczynnik rozszerzenia uA niepewność standardowa typu A uB, niepewność standardowa typu B uC złożona niepewność standardowa; niepewność standardowa łączna ur niepewność rozszerzona α poziom ufności δEv względny błąd pomiaru natężenia oświetlenia δI względny błąd pomiaru prądu zasilania δILED względny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD δIv względny błąd pomiaru natężenia promieniowania (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza δN δNśr δr względny błąd pomiaru poziomu jasności piksela względny błąd pomiaru średniej jaskrawości względny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora δU względny błąd pomiaru napięcie zasilania ΔEv bezwzględny błąd pomiaru natężenia oświetlenia ΔI bezwzględny błąd pomiaru prądu zasilania ΔILED bezwzględny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD (przed korekcją) ΔIv bezwzględny błąd pomiaru natężenia światła (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza ΔN ΔNśr Δr bezwzględny błąd pomiaru poziomu jasności piksela bezwzględny błąd pomiaru średniej jaskrawości bezwzględny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora Δte bezwzględny błąd nastawy czasu ekspozycji Δts bezwzględny błąd nastawy czasu trwania sygnału emitowanego przez LED ΔT bezwzględny błąd nastawy temperatury ΔU bezwzględny błąd pomiaru napięcia zasilania ΔgrI bezwzględny graniczny błąd pomiaru prądu zasilania ΔgrILED bezwzględny graniczny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD bezwzględny graniczny błąd pomiaru napięcia zasilania ΔgrU Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 8 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 1. Wstęp 1.1. Określenie problematyki Historia diody elektroluminescencyjnej LED (Light Emitting Diode) sięga prawie 100 lat wstecz, gdy w 1927 roku O.W. Łosiew odkrył, że diody ostrzowe stosowane w odbiornikach radiowych emitują światło [100,133]. Następne lata przyniosły kolejne odkrycia [7,100,133], w tym m.in.: w 1936 roku G. Destriau jako pierwszy użył wyrażenia „elektroluminescencja” w swoich badaniach nad emisją luminescencji ze sproszkowanego siarczku cynku ZnS, w latach pięćdziesiątych XX wieku H. Walker sztucznie wytworzył takie związki półprzewodnikowe, jak: InSB, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP oraz InAs, R. Braunstein obserwował emisję podczerwieni z GaAs i innych stopów, R. Blard i G. Pittman wykazali, że GaAs emituje promieniowanie podczerwone, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny, N. Holonyak Jr. wykonał pierwszą diodę emitującą promieniowanie widzialne – światło czerwone. Jednak wszystkie te odkrycia znalazły praktyczne zastosowania dopiero pod koniec lat sześćdziesiątych XX wieku, gdy do masowej produkcji wprowadzono diody „czerwone” na bazie GaAsP [32,100,118]. Podczas gdy diody LED wchodziły powoli na rynek komercyjny jako różnego rodzaju wskaźniki na potrzeby sygnalizacji, wyświetlaczy alfanumerycznych i pierwszych kieszonkowych kalkulatorów, W.S. Boyle i G.E. Smith (poszukując nowego sposobu rejestracji obrazu) zbudowali w 1969 roku pierwszy egzemplarz urządzenia o sprzężeniu ładunkowym czyli przetwornik CCD (Charge Coupled Device) [6,42,51]. Jego wymiary były niewielkie (zaledwie 8×8 pikseli), ale już kilka lat później, w 1973 roku, matryce CCD miały wymiary (100×100) pikseli i zaczęto je stosować na potrzeby obserwacji astronomicznych [57,114,140]. Znaczący postęp w technologii struktur półprzewodnikowych (w tym ich miniaturyzacja oraz polepszenie parametrów optycznych i elektrycznych) przyczynił się do powstania nowych obszarów aplikacyjnych zarówno diod LED, jak i przetworników CCD. Wstęp 9 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Liczne zalety współczesnych diod elektroluminescencyjnych powodują ich obecne coraz szersze zastosowanie nie tylko w celach oświetleniowych, ale również jako pomiarowe elementy różnego rodzaju przetworników i układów, m.in. w komunikacji optycznej, w badaniach spektrofotometrycznych, w monitorowaniu optycznych właściwości obiektów biologicznych, w czujnikach wielkości nieelektrycznych oraz w badaniach zjawisk luminescencyjnych. Przetworniki CCD mają także coraz lepsze parametry optyczne, w szczególności takie jak: rozdzielczość, czułość, stosunek sygnału do szumu, dzięki czemu coraz częściej wykorzystuje się je w urządzeniach do obserwacji, rejestracji i gromadzenia danych pomiarowych w astronomii, medycynie, spektrometrii czy też w optoelektronice. Spotykane w dostępnej literaturze zastosowania obejmujące jednoczesne wykorzystanie przetworników CCD jako fotodetektory i diod elektroluminescencyjnych jako fotoemitery, obejmują: systemy wizyjne do pomiaru lokalizacji robotów mobilnych: kamera z przetwornikiem CCD wykorzystana jest do rejestracji położenia robota względem znaczników orientacyjnych, których rolę pełnią diody elektroluminescencyjne [55]; układy obrazowania fluorescencji takie jak LIFA (Fluorescence Lifetime Attachment), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), mikroskopia luminescencyjna, systemy detekcji i obrazowania fluorescencji procesów biologicznych i chemicznych, w których luminescencja wzbudzana jest światłem emitowanym przez diody LED a kamera CCD lub spektrometr z przetwornikiem CCD rejestruje to zjawisko [2,22,101,104]; drogowe systemy pozycjonujące, w których kamera CCD pełni rolę detektora wzorów wyświetlanych z dużą częstotliwością przez matryce LED zamontowane w sygnalizatorach świetlnych na skrzyżowaniach dróg [60]; monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych – diody LED emitujące promieniowanie czerwone, podczerwone lub ich kombinację użyte są do prześwietlania obiektów biologicznych, a kamera CCD rejestruje uzyskany obraz [40]. Na parametry optyczne i elektryczne LED i CCD wpływa specyfika ich procesów produkcyjnych. Nawet w ramach tej samej wytworzonej serii parametry poszczególnych elementów mogą się różnić, w szczególności dotyczy to światłości i barwy promieniowania emitowanego przez diody LED oraz czułości świetlnej w przypadku matryc CCD. Zważywszy na rosnące zapotrzebowanie na zastosowania LED i CCD, istnieje konieczność Wstęp 10 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED testowania tych elementów zarówno podczas ich produkcji, jak i w procesie wyboru do określonego celu. Szczegółowe określenie charakterystyk optycznych jest ważne zwłaszcza przy aplikacjach LED jako pomiarowych źródeł promieniowania optycznego oraz w konstrukcji czujników i urządzeń z ich udziałem. Niemniej istotne jest określenie zalet i wad cech przetworników CCD jako detektorów stosowanych w różnego rodzaju pomiarach, a także zdefiniowanie ich ograniczeń i stopnia w jakim wpływają na nie warunki zewnętrzne, np. temperatura. 1.2. Teza, cele i zakres pracy W pracy podjęto badania, których przedmiotem są pomiary i rejestracja promieniowania emitowanego ze źródeł elektroluminescencyjnych przy użyciu urządzeń z przetwornikami CCD. Tematyka jest interdyscyplinarna, ale głównie skupiono się na: problemach metrologicznych dotyczących pozyskiwania danych o parametrach optycznych diod elektroluminescencyjnych za pomocą urządzeń optoelektronicznych, których głównym elementem składowym jest przetwornik CCD, takich jak cyfrowa kamera CCD, ograniczeniach, jakie na tego typu pomiary nakłada charakter badanego obiektu i zjawisko elektroluminescencji oraz budowa i zasada działania przetworników ze sprzężeniem ładunkowym. Głównymi celami pracy są: 1. Zaproponowanie nowego sposobu uzyskiwania informacji o parametrach promieniowania emitowanego przez matrycę LED za pomocą kamery CCD, umożliwiającego otrzymywanie danych o wartości natężenia promieniowania poszczególnych diod LED w matrycach wielodiodowych. 2. Opracowanie pomiarowego modelu procesu detekcji promieniowania w układzie: dioda LED – przetwornik CCD, w postaci schematu strukturalnego i zweryfikowanego empirycznie równania przetwarzania wiążącego użyteczne w praktyce parametry promieniowania emitowanego przez matrycę LED i parametry obrazu zarejestrowanego przez kamerę CCD. Wstęp 11 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Postawiono następującą tezę: Wykorzystanie pomiarowego modelu detekcji w układzie: matryca LED – przetwornik CCD umożliwia, po odpowiednich procesach przekształcania, wystarczająco wiarygodne uzyskanie z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD przydatnych w praktyce informacji o parametrach promieniowania emitowanego przez matrycę diod LED. W celu potwierdzenia tezy, sformułowano i zrealizowano następujące zadania szczegółowe: analiza warunków umożliwiających rejestrację wybranych parametrów charakteryzujących promieniowanie emitowane przez diody LED; analiza ograniczeń rejestracji promieniowania optycznego wynikających z budowy i zasady działania przetwornika CCD; budowa układu pomiarowego: matryca LED – przetwornik CCD; opracowanie programu sterującego parametrami kamery CCD w środowisku graficznym LabVIEW; obserwacja i rejestracja obrazów jako efektów zjawisk elektroluminescencyjnych za pomocą kamery CCD; opracowanie sposobu uzyskiwania informacji o promieniowaniu diod LED z obrazów uzyskanych z kamery CCD; zbadanie wpływu temperatury na wynik rejestracji promieniowania za pomocą kamery CCD; analiza i interpretacja wyników uzyskanych z otrzymanych obrazów w celu określenia zależności pomiędzy natężeniem promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne a odpowiedzią kamery CCD. Ważne z metrologicznego punktu widzenia podstawy fizyczne dotyczące działania diod LED i przetworników CCD oraz ich aktualne i perspektywiczne obszary zastosowań omówiono syntetycznie w rozdziałach 2, 3 i 4. W rozdziale 2 przedstawiono wybrane zagadnienia teoretyczne dotyczące zjawiska luminescencji, w tym jego rodzaje i materiały w jakich zachodzi, ze szczególnym uwzględnieniem zjawiska elektroluminescencji. Rozdział 3 zawiera opis podstaw fizycznych działania diod elektroluminescencyjnych, ich podział oraz wykaz materiałów stosowanych do ich konstrukcji. Omówiono parametry charakteryzujące diody LED (w tym parametry elektryczne i optyczne), również w porównaniu do innych źródeł światła. Zaprezentowano przegląd diod LED dużej mocy, Wstęp 12 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED ich konstrukcji, rodzajów i sposobu zasilania. Wyróżniono obszary, w których diody elektroluminescencyjne znajdują zastosowanie oraz omówiono jakie obecnie stosowane metody pomiaru parametrów optycznych diod LED, a także zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiarów ich charakterystycznych parametrów. W rozdziale 4 omówiono budowę i zasadę działania przetworników CCD (z uwzględnieniem procesów fizycznych zachodzących w nich podczas pracy), ich podział oraz parametry elektryczne i optyczne. Wspomniano również o szumach występujących w przetwornikach CCD, ich rodzajach i wpływie, jaki wywierają na końcowy wynik rejestracji za pomocą kamery CCD. Przedstawiono obszary aplikacyjne przetworników CCD oraz porównano je z przetwornikami CMOS, które mają podobne zastosowania. Wyniki własnych prac analitycznych, doświadczalnych i konstrukcyjnych zawarto głównie w rozdziałach 5, 6 i 7. Część wyników tych prac opublikowano [8087]. Rozdział 5 poświęcono analizie zagadnień związanych z procesem rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD. Uwzględniono zarówno ograniczenia powodowane charakterem zjawiska luminescencji, jak i zakłócenia oraz błędy wynikające z budowy i zasady działania przetwornika. Omówiono również problemy metrologiczne występujące w wybranych zastosowaniach zawierających układ: matryca LED – przetwornik CCD. Zwrócono uwagę na: zakłócenia i błędy powstające w torze pomiarowym, wpływ konkretnego zastosowania diod LED na wybór rodzaju ich badań oraz sposób pomiaru. W rozdziale 6 zaprezentowano opracowany pomiarowy model detekcji. Przedstawiono założenia do budowy modelu i jego schemat funkcjonalny. Opisano wykonane stanowisko pomiarowe i opracowane oprogramowanie oraz zamieszczono wyniki przeprowadzonej eksperymentalnej weryfikacji modelu, a także wyniki badania wpływu wybranych czynników na rejestracje promieniowania optycznego. Zaprezentowano wyniki przeprowadzonej analizy niepewności wyników przetwarzania. W rozdziale 7 skoncentrowano się na analizie wyników przeprowadzonych badań związanych odpowiednio ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia emitowanego promieniowania oraz z wpływem temperatury na wyniki przetwarzania. W rozdziale 8 podsumowano zawarte w pracy badania oraz sformułowano wynikające z nich wnioski końcowe i zalecenia aplikacyjne. Wstęp 13 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 2. Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 2.1. Zjawisko luminescencji Zjawisko luminescencji, zwane również jarzeniem lub zimnym świeceniem, jest to emisja promieniowania elektromagnetycznego w zakresie widzialnym widma o natężeniu wyższym niż natężenie promieniowania cieplnego w danej temperaturze, a czas trwania tego zjawiska jest dłuższy od okresu emitowanej fali świetlnej wywołanej temperaturą. Każde ciało fizyczne może emitować promieniowanie widzialne, jeśli „podgrzejemy” je do odpowiedniej temperatury, znacznie wyższej od temperatury otoczenia (400 C i więcej). Natomiast w przypadku luminescencji przyczyna emisji promieniowania jest inna niż tylko wzrost temperatury emitującego źródła [10,27,37,53]. Luminescencję można podzielić, ze względu na czas jej trwania, na następujące trzy rodzaje [27,54,115]: fluorescencja – zjawisko trwające wyłącznie podczas działania czynnika wzbudzającego; czas życia fluorescencji mieści się w przedziale od ns do μs; fluorescencja opóźniona – zjawisko o dłuższym niż fluorescencja czasie życia, równym od kilku do kilkuset μs, ze względu na dodatkowe przejścia między stanami energetycznymi; fosforescencja – zjawisko, które trwa przez określony czas (nawet rzędu sekund) już po ustąpieniu działania czynnika wzbudzającego, przy czym czas ten zależy od temperatury. Zjawisko luminescencji (emisji nadmiaru energii) zachodzi w efekcie wcześniejszego zaabsorbowania energii, która może być dostarczona w wyniku różnych procesów. W zależności od sposobu wzbudzenia emisji promieniowania, można wyróżnić następujące rodzaje luminescencji [27,37,132]: bioluminescencja – najstarszy znany rodzaj luminescencji, występuje w przyrodzie, np. u świetlików; chemiluminescencja – emisja promieniowania, która towarzyszy reakcjom chemicznym zachodzącym w temperaturze pokojowej; elektroluminescencja – świecenie w wyniku działania stałego lub zmiennego pola elektrycznego; Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 14 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED fotoluminescencja – emisja kwantu światła, wywołana absorpcją promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widma od ultrafioletu do podczerwieni o energii mniejszej niż energia wzbudzenia; rentgenoluminescencja – emisja promieniowania w efekcie wzbudzenia energią pochodzącą z promieniowania X; radioluminescencja – świecenie będące reakcją na działanie promieniowania α, β i γ; sonoluminescencja – zjawisko luminescencji wywołane ultradźwiękami; termoluminescencja – emisja promieniowania wynikająca ze zwiększenia temperatury (niższej niż temperatura żarzenia), poprzedzona absorpcją energii w efekcie napromieniowania; tryboluminescencja – luminescencja zachodząca pod wpływem działania czynników mechanicznych, np. tarcia, zginania, ściskania. Na rysunku 2.1a przedstawiono schemat Jabłońskiego ilustrujący przejścia między poziomami energetycznymi, a na rys. 2.1b schemat układu wzajemnych położeń pasm absorpcji, fluorescencji i fosforescencji obrazujący prawo Stokesa [54,115]. a) S2 IC ISC Energia S1 F T DF A P ISC IC S0 Emisja Abs orbancja b) A F P Długość fali [nm] Rys. 2.1. Schemat Jabłońskiego (a) i schemat układu wzajemnych położeń pasm absorpcji, fluorescencji i fosforescencji obrazujący prawo Stokesa (b) Oznaczenia: linia gruba – poziomy elektronowe, linia cienka – poziomy oscylacyjne, strzałki ciągłe – procesy promieniste, strzałki przerywane – procesy niepromieniste, A – absorpcja, F – fluorescencja, DF – fluorescencja opóźniona, P – fosforescencja, IC – konwersja wewnętrzna, ISC – konwersja międzysystemowa, S0 – podstawowy poziom energetyczny, S1, S1, T – wzbudzone poziomy energetyczne [27,37,115] Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 15 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Niezależnie od czynnika wzbudzającego – czy będzie to absorpcja fotonów w procesie fotoluminescencji, zmiana temperatury w termoluminescencji, czy też pole elektryczne działające na złącze p-n w procesie elektroluminescencji – w każdym przypadku mamy do czynienia najpierw z absorpcją energii przez elektrony (wzbudzenie na wyższy poziom energetyczny), a następnie z emisją nadwyżki energii w formie promienistej przy powrocie do stanu podstawowego. Przykład: wzbudzenie elektronu z pasma walencyjnego w półprzewodniku na poziom Fermiego (poziom metatrwały), a następnie do pasma przewodnictwa (lub bezpośrednio do pasma przewodnictwa w zależności od wielkości zaabsorbowanego kwantu energii) oraz jego powrót do stanu podstawowego z jednoczesną emisją promieniowania zachodzącą w wyniku rekombinacji elektronu z dziurą (rys. 2.2) [7,37,54,95,122]. a) Energia [eV] Pasmo przewodnictwa Poziom Fermiego Szerokość pasma zabronionego E g Poziom akceptorowy Pasmo walencyjne Długość fali [nm] b) Energia [eV] Pasmo przewodnictwa Poziom Fermiego Promieniowanie Szerokość pasma zabronionego Eg Poziom akceptorowy Pasmo walencyjne Pęd elektronów Rys. 2.2. Schemat energetyczny półprzewodnika: a) poziomy energetyczne, b) przejście elektronu z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego z jednoczesną emisją promieniowania [95] Długość fali emitowanego promieniowania jest zawsze równa bądź większa niż długość fali promieniowania wzbudzającego, a ilość energii (liczba fotonów) jest mniejsza bądź Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 16 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED równa energii zaabsorbowanej (zgodnie z prawem Stokesa zilustrowanym na rys. 2.1b) [54,114]. Materiały, które wykazują emisję promieniowania luminescencyjnego w zakresie od podczerwieni do nadfioletu nazywa się luminoforami. Luminofory dzielą się na organiczne i nieorganiczne. Wśród tych pierwszych można wyróżnić: związki aromatyczne i heterocykliczne, niektóre barwniki (np. fluoresceina, eozyna, rodamina, uranina) oraz związki biologiczne: aromatyczne aminokwasy (np. tryptofan), zasady nukleinowe w DNA i RNA (adenina, guanina, cytozyna, tymina, uracyl), barwniki roślinne (np. chlorofil, karotenoidy), niektóre witaminy i hormony. Druga grupa luminoforów (luminofory nieorganiczne) otrzymywana jest najczęściej metodą Lenarda w wyniku spiekania materiału podstawowego (np. siarczku, krzemianu czy fosforanu) z topnikiem i aktywatorem, którego rolę spełniają niewielkie ilości związków metali innych niż materiał podstawowy. Luminofory nieorganiczne można podzielić na [7,27]: siarczkowe – stosowane w scyntylatorach, oscyloskopach oraz jako rentgenoluminofory, katodoluminofory i składniki farb świecących: siarczki wapniowców, siarczki kadmu i cynku, związki tlenosiarczkowe; selenkowe – głównie ZnSe oraz CdSe; elektroluminofory te stosowano w pierwszych produkowanych półprzewodnikowych wyświetlaczach 7-segmentowych; halofosforany – halofosforan wapnia; fotoluminofory stosowane jako luminofory w lampach fluorescencyjnych; wolframiany: magnezu – stosowane jako luminofor w niektórych świetlówkach, wapnia – stosowane w technice rentgenowskiej; luminofory na bazie związków itru: tantalanian itru aktywowany tulem lub niobem – stosowany do produkcji wysokoczułych folii wzmacniających RTG, tlenosiarczek itru aktywowany europem – stosowany jako czerwony luminofor w telewizji kolorowej. Wśród luminoforów półprzewodnikowych istnieją dwa typy domieszkowania (rys. 2.3) [27]: ujemny (typ n) – domieszka wprowadzająca poziom akceptorowy (CL – centrum luminescencji), Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 17 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych dodatni (typ p) – domieszka wprowadzająca poziom donorowy (pułapka). Energia [eV] Pasmo przewodnictwa Pułapka E Szerokość pasma zabronionego hu Centrum luminescencyjne Pasmo walencyjne Długość fali [nm] Rys. 2.3. Poziomy energetyczne w półprzewodnikach domieszkowanych typu n i p [27] 2.2. Zjawisko elektroluminescencji Elektroluminescencja jest jednym z rodzajów luminescencji. Zjawisko to powstaje w wyniku dostarczenia do układu energii, której źródłem jest prąd elektryczny lub zewnętrzne pole elektryczne. U podstaw elektroluminescencji, tak samo jak w przypadku luminescencji, leży zjawisko rekombinacji promienistej, będące jednym ze sposobów przejścia układu z wyższego do niższego stanu energetycznego (ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego). Zjawisko elektroluminescencji zachodzi w półprzewodnikowych diodach, w których emisja światła występuje pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w złączu p-n. Najbardziej efektywna elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje wówczas, gdy rekombinacja swobodnych nośników ładunku w złączu p-n zachodzi przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Intensywność emisji promieniowania zależy od wartości doprowadzonego prądu (zależność ta ma charakter liniowy w szerokim zakresie wartości prądu), natomiast pochłanianie wewnętrzne oraz całkowite odbicie wewnętrzne to zjawiska, które zakłócają proces elektroluminescencji [7,32,132]. Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 18 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 3. Diody elektroluminescencyjne 3.1. Podstawy fizyczne działania diod elektroluminescencyjnych Dioda elektroluminescencyjna LED (Light Emitting Diode) jest półprzewodnikową strukturą optoelektroniczną zamieniającą energię elektryczną na energię świetlną. Zamiana ta zachodzi w złączu p-n w wyniku generacji i rekombinacji ładunków wywołanej zewnętrznym polem elektrycznym. Nadmiar energii powstały w efekcie rekombinacji promienistej nośników zostaje wyemitowany w postaci kwantu świata. W najprostszym wariancie dioda LED to pojedyncze złącze półprzewodnikowe p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Schemat ogólny budowy takiej diody pokazano na rysunku 3.1 [7,25,32,37,38,66,132]. „Samo” złącze p-n powstaje w wyniku połączenia dwóch warstw materiałów Materiał typu p. Anoda Obszar aktywny półprzewodnikowych: typu n i typu p (rys. 3.2). Materiał typu n Katoda Rys. 3.1. Schemat ogólny budowy diody elektroluminescencyjnej [38,95,132] Rekombinacja promienista Wzbudzone elektrony Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione Poziom donorowy Kierunek przepływu dziur Kierunek przepływu elektronów Poziom akceptorowy Pasmo walencyjne Typ n Typ p Dziury Obszar aktywny Rys. 3.2. Schemat energetyczny półprzewodnikowego złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia [66,122,132] Diody elektroluminescencyjne 19 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Półprzewodniki typu n mają nadmiar elektronów w paśmie walencyjnym, natomiast materiały typu p wykazują nadmiar dziur w tym paśmie. Spolaryzowanie złącza p-n w kierunku przewodzenia powoduje wstrzykiwanie elektronów wzbudzonych polem elektrycznym do pasma przewodnictwa półprzewodnika typu p oraz dziur do pasma walencyjnego materiału typu p. Ruch, zarówno elektronów, jak i dziur, jest spowodowany przez zewnętrzne pole elektryczne. Na styku obu rodzajów półprzewodników powstaje obszar aktywny, w którym wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami. Nadmiar energii, który powstaje w wyniku anihilacji pary elektron-dziura, jest emitowany w formie fotonu (kwantu światła) – następuje rekombinacja promienista. Szerokość pasma zabronionego określa wartość energii wypromieniowanej w procesie tej rekombinacji, czyli wartość energii wyemitowanej jest w przybliżeniu równa różnicy energii między poziomem wzbudzenia a poziomem podstawowym. Tak więc, wartość przerwy energetycznej jest charakterystyczna dla danego materiału półprzewodnikowego i umożliwia – dzięki doborowi udziału procentowego poszczególnych pierwiastków składowych w związkach półprzewodnikowych – wytwarzanie półprzewodników, których szerokości pasma zabronionego odpowiadają wartości energii od ultrafioletu po daleką podczerwień. To z kolei pozwala na wytwarzanie diod LED emitujących promieniowanie o praktycznie dowolnej długości fali (rys. 3.3) [7,25,32,37,66,122,132]. y 520 0.8 540 0.7 zielona 560 0.6 0.5 żółtozielona 500 580 0.4 biała 0.3 490 700 0.2 0.1 600 620 650 czerwona 480 fioletowa 430 380 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 x Rys. 3.3. Trójkąt barw diod LED CIE (The Commission Internationale de L'Éclairage) [3,19,32,96,100,122,132] Diody elektroluminescencyjne 20 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Złącze p-n jest głównym elementem diody LED, natomiast inne podstawowe elementy tworzące jej strukturę to (rys. 3.4) [7,76,95,121,137]: soczewka – wpływa na końcowy kształt wiązki promieniowania emitowanego przez diodę; pełni również funkcje ochronne (wytrzymałość mechaniczna, termiczna oraz odporność na promieniowanie o dużym natężeniu), odbłyśnik (reflektor) – kształtuje wiązkę światła emitowanego przez złącze w pierwszej fazie; im wyższy odbłyśnik, tym bardziej skupiona wiązka dociera do soczewki; w zależności od przeznaczenia diody, stosuje się odbłyśnik różnej wysokości bądź nie stosuje się go wcale, podłoże – jednym z jego głównych zadań jest oddawanie ciepła wytworzonego przez złącze do radiatora lub otoczenia, a cechuje go neutralność elektryczna. Soczewka Chip LED Złote łącze Reflektor/Odbłyśnik Katoda Anoda Rys. 3.4. Budowa konwencjonalnej diody elektroluminescencyjnej [25,62,78,96,97] Te cztery elementy: soczewka, odbłyśnik, złącze p-n i podłoże mogą tworzyć różne konstrukcje: płasko-równoległą, półsferyczną lub kulę Weierstrassa. W zależności od wybranej konstrukcji uzyskuje się różne rozkłady przestrzenne natężenia promieniowania. W przypadku konstrukcji płaskiej emitowane promieniowanie ma taką samą wartość we wszystkich punktach płaszczyzny złącza (rys. 3.5), ale układ ten jest mało wydajny ze względu na straty wywołane odbiciem wewnętrznym. Konstrukcja półsferyczna (rys. 3.6) daje lepsze efekty, gdyż natężenie promieniowania izotropowego jest większe ze względu na możliwość eliminacji odbicia wewnętrznego przez dobór odpowiedniej średnicy złącza. W przypadku konstrukcji kuli Weierstrassa (rys. 3.7) natężenie promieniowania jest jeszcze większe niż w pozostałych konstrukcjach [19,95,100]. Diody elektroluminescencyjne 21 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a) b) Powietrze E0 Półprzewodnik Płaszczyzna złącza Rys. 3.5. Schemat diody o konstrukcji płasko-równoległej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95] a) b) Powietrze j b Półprzewodnik j Złącze d D Rys. 3.6. Schemat diody o konstrukcji półsferycznej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95] a) b) Półprzewodnik Powietrze O R Droga promieni j O1 Złącze E(j ) O2 Rys. 3.7. Schemat diody o konstrukcji kuli Weierstrassa: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95] Poza możliwościami doboru pożądanej barwy emitowanego promieniowania oraz odpowiedniej charakterystyki kątowej diody LED mają wiele innych zalet, do których należą [20,25,76,78,113,123]: energooszczędność (niskie napięcie zasilania i mały pobór mocy), długi czas życia (od 50 000 do 100 000 godzin), duża trwałość (mała awaryjność, wysoka odporność na uderzenia i wibracje oraz na wysokie i niskie temperatury otoczenia), szeroki zakres wartości emitowanego strumienia świetlnego, ukierunkowany strumień świetlny (określony kąt bryłowy rozsyłu światła; brak strat związanych z rozsyłem światła na boki), Diody elektroluminescencyjne 22 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED stosunkowo duża skuteczność świetlna (skuteczność świetlna zależy od temperatury, przy czym maksymalna wartość temperatury wynosi 100 °C), wysoki współczynnik oddawania barw (nastawiany współczynnik oddawania barw CRI, nawet do wartości 95), szeroki zakres temperatury barwy bieli, niski poziom emisji promieniowania podczerwonego (nie dotyczy diod IR) oraz brak lub niski poziom emisji promieniowania ultrafioletowego, małe wymiary (nawet rzędu μm), co daje możliwość formowania dowolnie dużych zespołów (matryc LED), krótki czas odpowiedzi optycznej: czas włączenia 100 ns, czas wyłączenia 200 ns, łatwość w sterowaniu i obsłudze: możliwość integracji z elektronicznymi układami scalonymi oraz zasilanie i sterowanie w identyczny sposób jak ma to miejsce w różnych urządzeniach elektronicznych, niska temperatura pracy, tania produkcja masowa, przyczynianie się do ochrony środowiska ze względu na mniejsze zapotrzebowanie na energię oraz łatwość utylizacji. Parametrami elektrycznymi diod LED podawanymi w katalogach są przede wszystkim [32,37,123]: wartości natężenia prądu przewodzenia oraz maksymalnego prądu przewodzenia (do kilkudziesięciu mA), natężenie prądu wstecznego (do kilkudziesięciu V), napięcie przewodzenia (do kilku V), maksymalne napięcie wsteczne (do kilku V), pojemność doprowadzeń i pojemność złącza, moc rozproszona i całkowita moc tracona, zakres temperatury pracy (od 30 C do +65 C). Natomiast podawane w katalogach parametry optyczne diod LED, to [25,32,37,123]: rozkład kątowy emitowanego promieniowania, kąt rozsyłu (kąt świecenia), długość fali dominującej, długość fali dla maksymalnej wartości natężenia napromienienia, Diody elektroluminescencyjne 23 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED widmowa szerokość połówkowa, światłość (dla diod LED emitujących promieniowanie widzialne). Na rysunku 3.8a przedstawiono przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe diod LED, a na rys. 3.8b charakterystyki widmowe, których przebieg zależy od materiału półprzewodnikowego, z jakiego jest wykonana dioda LED. a) Natężenie [mA] Niebieska 60 Czerwona Żółta 50 40 30 20 Zielona 10 0 0,5 b) Natężenie [j.w.] 1 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Napię cie [V] GaAs GaN GaAsP GaP GaAs6 P4 GaP:N GaAsP GaAs14 P85 GaAs35 P55 GaP:ZnO 0,5 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Długość fali [nm] Rys. 3.8. Przykładowe charakterystyki prądowo-napięciowe (a) oraz widmowe (b) diod LED [32,90,122] Diody LED są źródłami promieniowania quasimonochromatycznego, a więc wytwarzają promieniowanie w stosunkowo wąskim zakresie widma. Chociaż możliwe jest wytworzenie diody emitującej prawie każdą barwę światła (rys. 3.3 i 3.8), to nie można bezpośrednio uzyskać światła białego, bazując na pojedynczym złączu p-n. Spowodowane jest to naturą światła białego, które jest wrażeniem wzrokowym powstałym w wyniku pobudzenia siatkówki oka promieniowaniem zawierającym długości fali z całego zakresu widma widzialnego. W celu uzyskania „białej” diody LED stosuje się trzy podstawowe metody [32,38,61,62,78,96,97,118,134]: 1) mieszanie światła kilku barw – struktury trzech diod LED o różnych barwach (czerwona, zielona i niebieska) są umieszczone w jednej obudowie; światło białe powstaje w wyniku mieszania barw w odpowiednich proporcjach, Diody elektroluminescencyjne 24 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 2) konwersję długości fali z wykorzystaniem luminoforu – pojedynczą diodę LED, która emituje promieniowanie z zakresu nadfioletu (UV), pokrywa się trzema warstwami luminoforu, z których każda konwertuje promieniowanie UV na jedną z trzech barw podstawowych; w efekcie wymieszania tych barw powstaje światło białe, 3) metodę hybrydową, która jest połączeniem metod 1 i 2. We wszystkich technikach wykorzystuje się podstawowe prawo kolorymetrii, czyli sumowanie podstawowych barw światła: czerwonego, zielonego i niebieskiego RGB (Red Green Blue) z zachowaniem warunku ścisłych stosunków ilościowych między natężeniem poszczególnych barw składowych. Ponadto, ze względu na odczuwanie odcieni barwy światła białego jako barwy ciepłej lub zimnej, powszechnie stosuje się podział barw światła białego na cztery kategorie, w zależności od wartości temperatury barwowej TB: barwa intensywnie ciepłobiała (TB od 2500 K do 2800 K), barwa ciepłobiała (TB od 2800 K do 3500 K), barwa biała (TB od 3500 K do 5000 K), barwa dzienna (TB większa od 5000 K). Pierwszymi materiałami półprzewodnikowymi, których użyto do wytworzenia diody elektroluminescencyjnej, były: węglik krzemu (SiC) oraz siarczek cynku (ZnS) domieszkowany miedzią (Cu). Wraz z postępem technologii zaczęto stosować inne materiały, takie jak: antymonek indu (InSb), fosforek glinu (AlP), aresenek glinu (AlAs), antymonek glinu (AlSb), fosforek germanu (GaP), arsenek germanu (GaAs), antymonek germanu (GaSb), fosforek indu (InP) oraz arsenek indu (InAs). Obecnie diody LED są wytwarzane z materiałów bazujących głównie na arsenkach, azotkach i fosforkach germanu, glinu lub indu oraz ich związkach potrójnych i poczwórnych domieszkowanych m.in. magnezem bądź krzemem (np. AlInGaP, InGaN, AlGaAs/GaAs, InGaN/GaN, InGaAlP/InP, GaN/InGaN/AlGaN) [3,7,10,32,78,90,95,96,100,118,122,133]. Na rysunku 3.9 przedstawiono część z wymienionych materiałów wraz z długością emitowanej fali i odpowiadającą jej barwą promieniowania luminescencyjnego, a w tabeli 3.1 zestawiono barwy z długościami fali oraz odpowiadającymi im wartościami energii. Podziału diod LED można dokonać na kilka sposobów: ze względu na rodzaj materiału z jakiego wykonano warstwy p i n [7,96,100,118]: diody homozłączowe, w których oba obszary są wytworzone z tego samego półprzewodnika silnie domieszkowanego tak, aby uzyskać typ p i typ n; charakteryzują się małą sprawnością, Diody elektroluminescencyjne 25 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED diody heterozłączowe, w których do wytworzenia złącza p-n użyte są dwa różne półprzewodniki; charakteryzują się dużą sprawnością, ze względu na zakres spektralny emitowanego promieniowania (tab. 3.1) [118]: diody UV (ultrafiolet), diody VIS (promieniowanie widzialne), diody IR (podczerwień), diody RGB (trójkolorowe), diody RGBA (trójkolorowe rozszerzone o barwę bursztynową), diody emitujące światło białe, ze względu na wartość mocy [100]: diody konwencjonalne, diody superluminescencyjne SLED (Superluminescence LED), lampy LED, moduły LED, diody dużej mocy, ze względu na wymiary [134]: diody konwencjonalne (o średnicy 5 mm i 3 mm), diody do montażu powierzchniowego SMD (Surface Mount Device), diody o bardzo małych wymiarach: zawierające w strukturze studnię kwantową QW (Quantum Wells) o wymiarach od 10 nm do 20 nm i kropki kwantowe QD (Quantum Dots) o wymiarach rzędu nm, ze względu na strukturę [100,118]: diody z warstwą odporną na rozciąganie i ściskanie (LED with Tensile and Compressive Strained), np. TSBC (Tensile Straine Barier Cladding), diody ze złączem tunelowym p+/n+ TJ (Tunel Junction), diody z elektronową warstwą rezerwową, diody ze strukturą flip-chip, diody z wnęką nierezonansową, diody z wnęką rezonansową i kryształem fotonicznym, diody z warstwą typu n na dole struktury (n-down structure LED), diody z warstwą typu p na dole struktury (inverted p-down LED) ze względu na rodzaj obudowy: obudowa może mieć różny kształt i może być kolorowa lub bezbarwna). Diody elektroluminescencyjne 26 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Ponadto wśród diod białych można rozróżnić: diody, w których wykorzystano konwersję długości fali (dichromatyczne i polichromatyczne) i diody wykorzystujące mieszanie barw (trójkolorowe i trójkolorowe rozszerzone), diody wysokiej jasności świecenia o wartości światłości większej niż 0,2 cd (diody HB) oraz diody białe o różnej temperaturze emitowanej barwy (np. diody ciepłobiałe). Pasmo 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 λ [μm] 1,0 Energia 3,0 Materiał 2,5 Czerwony 625-720nm 570-600nm Pomarańczowy 600-625nm 515-760nm Żółty 490-515nm Zielony 455-490nm Cyjan Barwa 390-455nm Fiolet Ultrafiolet 10-380mn Niebieski Pasmo widzialne Promieniowanie podczerwone od 720mn λ [ nm] 2,0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 Eg [eV] Eg [eV] GaAs (arsen ek galu) GaP (fosforek galu) Eg [eV] GaAsP (fosfoarsen ek galu) Eg [eV] GaAlAs (arsen ek glinowo-galowy ) Eg [eV] SiC Eg [eV] (węglik krzemu) Rys. 3.9. Poglądowe przedstawienie właściwości materiałów, z których wykonuje się diody elektroluminescencyjne [95] Tab. 3.1. Rodzaje emitowanego przez LED promieniowania i odpowiadające im długości fali oraz energia fotonów [3,7,10,32,78,90,100,118,122] Rodzaje emitowanego przez LED promieniowania promieniowanie UV Długość fali [nm] Energia fotonu h [eV] < 390 > 3,18 światło fioletowe 390 – 455 2,72 – 3,18 światło niebieskie 455 – 490 2,53 – 2,72 światło cyjanowe 490 – 515 2,41 – 2,53 światło zielone 515 – 570 2,18 – 2,41 światło żółte 570 – 600 2,06 – 2,18 światło pomarańczowe 600 – 625 1,98 – 2,06 światło czerwone 625 – 720 1,72 – 1,98 promieniowanie IR > 720 < 1,72 Diody elektroluminescencyjne 27 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 3.2. Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła Każdy obiekt może odbijać lub rozpraszać padające na niego światło, może też je wysyłać. Obiekty, które emitują promieniowanie widzialne nazywa się źródłami światła. Dzielą się one na naturalne i sztuczne źródła światła. Do pierwszego rodzaju zalicza się: źródła atmosferyczne i kosmiczne (Słońce i inne ciała niebieskie, pioruny i błyskawice, zorzę polarną), źródła bioluminescencyjne (świetliki, pleśnie bioluminescencyjne, ryby głębinowe) oraz źródła ziemskie (czynne wulkany i ich lawę). Drugi typ obejmuje termiczne źródła światła (lampy halogenowe, lampy łukowe, żarówki), źródła, w których światło uzyskiwane jest w procesie spalania (pochodnie, świece, lampy olejowe, lampy naftowe, lampy karbidowe, lampy gazowe), źródła chemiczne, w których światło jest wynikiem zachodzenia zjawisk luminescencyjnych: chemiluminescencji, fluorescencji, fosforescencji (lampy fluorescencyjne) oraz źródła, w których promieniowanie jest pochodną emisji z elektronów w atomie lub ciele stałym (diody elektroluminescencyjne, lampy kwarcowe, lampy rtęciowe, lasery, masery). Kryteriów podziału źródeł światła jest więcej, np. ze względu na źródło zasilania (energia elektryczna, gaz, spalanie, procesy chemiczne), ze względu na szerokość spektralną (szerokopasmowe, o wielu liniach widma, o pojedynczej linii widmowej), czy też ze względu na zakres spektralny emitowanego promieniowania [7,132]. Każde z wymienionych źródeł światła ma swoje zalety i wady. Diody LED cechują się szeregiem istotnych parametrów, dzięki którym mogą być konkurencyjne w porównaniu z innymi źródłami, z punktu widzenia wymagań stawianych przez technikę oświetleniową i liczne inne zastosowania. Do tych parametrów należy zaliczyć [39,6163,76,78,135]: skuteczność świetlną dochodzącą do 200 lm/W (w oprawie do 150 lm/W), sprawność energetyczną większą niż mają żarówki (8%) i porównywalną ze sprawnością źródeł fluorescencyjnych (25%) [39], wysoką trwałość i długi czas życia – mogą pracować kilkadziesiąt razy dłużej niż żarówki [91,124], możliwość prostej zmiany wartości natężenia światła, ze względu na liniową charakterystykę świetlną), możliwość doboru wartości współczynnika oddawania barw CRI (do 95 CRI), a w związku z tym [61,91,124]: szeroki zakres temperatury barwy bieli, Diody elektroluminescencyjne 28 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych różnorodność barw emitowanego światła, charakterystykę widmową na tyle wąską, by oko ludzkie odbierało światło jako jednobarwne (rys. 3.10) [7,19,78]. 2 4 3 1 Rys. 3.10. Porównanie krzywej względnej czułości spektralnej ludzkiego oka (1), widma spektralnego niebieskiej diody LED (2), widma spektralnego typowej lampy wyładowczej (3) oraz przykładowej odpowiedzi fotodetektora skorygowanego spektralnie do widmowej skuteczności biologicznej widzenia fotopowego (4) [25] Ponadto diody LED cechują liczne zalety użytkowe [134]: w przeciwieństwie do źródeł fluorescencyjnych nie zawierają rtęci, a charakterystyka widmowa „białych” diod LED nie obejmuje szkodliwego promieniowania UV [61,63, 76,123], konstrukcja z założenia prowadzi do miniaturyzacji, co ma istotne znaczenie zarówno w dekoracyjnej technice oświetleniowej, jak i w badaniach naukowych oraz zastosowaniach medycznych [76,78,91,124], praktycznie, zaraz po załączeniu zasilania, świecą z pełną mocą (brak opóźnienia cechującego lampy fluorescencyjne) [61,63], strumień świetlny może być prawie dowolnie ukierunkowany [76,91], oszczędne zużycie energii elektrycznej, a więc nie przyczynianie się znacząco do emisji szkodliwych gazów [76,91]. Diody elektroluminescencyjne 29 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 3.3. Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy Jak wspomniano w rozdziale 3.1, wśród diod elektroluminescencyjnych o dużej mocy promieniowania wyróżnia się pięć rodzajów. Są to: pojedyncze diody SLED o wysokiej wartości promieniowania luminescencyjnego, lampy LED oraz matryce diod LED, które dzielą się na dwa typy: moduły LED i diody LED mocy. SLED mają strukturę podobną do struktury diody krawędziowej i lasera półprzewodnikowego. Ich działanie opiera się na mechanizmie emisji wymuszonej, ale bez sprzężenia zwrotnego. Duże straty optyczne na jednym z końców zapobiegają odbiciom, a więc w konsekwencji także akcji laserowej. Charakteryzują się bardzo dużą luminescencją, dobrą koherencją przestrzenną, brakiem koherencji czasowej i mają duże moce optyczne. Lampy LED mają formę umocowanego na cokole sześcianu lub czworościanu z zamontowanymi diodami, co pozwala na umieszczenie ich w zwykłej oprawie oświetleniowej stosowanej do żarówek bądź lamp halogenowych. Ze względu na pochodzenie światła z wielu punktów (od poszczególnych diod), problemem jest uzyskanie jednolitego strumienia świetlnego. Jako rozwiązanie stosuje się różnego typu konstrukcje opraw oświetleniowych, np. zestaw: reflektor paraboliczny, reflektor stożkowy i soczewki fresnelowskie [26]. Moduły LED tworzą zestawy od kilku do nawet kilkudziesięciu diod umieszczonych na płytce drukowanej wykonanej ze sztywnego lub elastycznego materiału, na której są również umieszczone elementy układu zasilającego. Można je podzielić na dwa główne typy: zawierające skupiający światło układ optyczny i niezawierające elementów układu optycznego. Mogą m.in. mieć postać sztywnej linijki diod, np. moduł LINEARlight (32 diody na sztywnej płytce o wymiarach 448 mm × 10 mm × 4 mm), elastycznej taśmy, np. moduł LINEARlight Flex (od 120 do 600 diod na elastycznej taśmie samoprzylepnej o długości nawet 8 400 mm), panelu z podwójnym rzędem diod, np. moduł EFFECTlight lub łańcucha składającego się z paneli diodowych złożonych z dwóch diod, np. moduł BACKlight. Mogą mieć również formę okrągłą (diody montowane na okrągłej sztywnej płytce drukowanej, np. moduł COINlight), podświetlanej tabliczki czy oprawy wskaźnikowej np. moduły LEDtag i MARKERlight oraz płaskiego modułu ze światłowodem w kształcie płytki [112,113]. Moduły diodowe pozwalają na podział na mniejsze jednostki oraz na rozbudowę w większe systemy poprzez łączenie szeregowe (przy zasilaniu źródłem prądowym) lub łączenie równoległe (przy zasilaniu źródłem napięciowym). Typowe wartości napięcia Diody elektroluminescencyjne 30 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED zasilania to 10 V lub 24 V, a w przypadku zasilania ze źródła prądowego: 350 mA lub 700 mA [112,113]. Diody LED mocy mają postać matrycy diod zamontowanej w jednej oprawie, np. grupy sześciu kryształów półprzewodnikowych niezależnie od siebie generujących promieniowanie, zabudowanych w jednej obudowie. O parametrach strumienia świetlnego generowanego przez tego rodzaju diody decydują cztery poziomy optyczne [38]: poziom pierwszy – "optyka" w chipie półprzewodnikowym (eliminacja bądź zmniejszenie wewnętrznego odbicia światła w celu zwiększenia wewnętrznej sprawności diody), poziom drugi – parametry optyczne obudowy (dopasowanie współczynnika załamania światła na granicy półprzewodnik – powietrze, zwiększenie sprawności zewnętrznej diody, funkcje ochronne), poziom trzeci – "optyka" instalowana nad obudową diody (definiowanie kąta rozsyłu promieniowania przy użyciu soczewki lub reflektora i uchwytu), poziom czwarty – oprawa oświetleniowa (wytwarzanie jednolitego strumienia świetlnego, odpowiednie wymieszanie i rozproszenie światła). Sterowanie pojedynczą diodą LED można zrealizować na trzy sposoby: przy zasilaniu prądem stałym poprzez zmianę wartości prądu diody, a przy zasilaniu impulsowym poprzez zmianę wartości wysokości impulsu prądu oraz poprzez zmianę wartości współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego PWM (Phase Wave Modulation) [36,38,136]. Do zasilania diod LED stosuje się dwa rodzaje zasilaczy: liniowe, bazujące na transformatorach pracujących przy częstotliwości sieci zasilającej, oraz typu SMPS (Switched Mode Power Supplies), pracujące przy częstotliwości wyższej niż częstotliwość sieci zasilającej. Natomiast sterowanie matrycami LED zależy od sposobu połączenia rezystorów i diod w matrycę. Wyróżnia się trzy podstawowe typy połączenia [36,39,136]: układ ekonomiczny może występować nierównomierny dopływ prądu do poszczególnych diod, ale awaria jednej z nich nie wpływa na pracę pozostałych, układ podstawowy można dokładnie określić wartość prądu płynącego przez każdą z gałęzi, natomiast awaria pojedynczej diody w danej gałęzi wpływa na jej pracę, ale nie ma wpływu na prądy płynące przez sąsiednie gałęzie, układ bezpieczny każda dioda jest sterowana indywidualnie, a przy awarii pojedynczej diody pozostałe diody świecą, ale diody połączone równolegle z diodą uszkodzoną są przesterowane. Diody elektroluminescencyjne 31 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED W przypadku układów ekonomicznego i bezpiecznego awarie są trudne do wykrycia [36,39]. Niezależnie od sposobu zasilania i typu zasilacza układ musi charakteryzować się: użyteczną trwałością porównywalną z trwałością diod LED, konstrukcją stworzoną do ciągłej pracy przy pełnym obciążeniu, odpornością na temperaturę wyższą niż temperatura otoczenia (praca w szerokim zakresie temperatury: od 40 C do +60 C), możliwością korekcji współczynnika mocy i nastawy wartości strumienia świetlnego (w przypadku zastosowań w technice oświetleniowej). Ponadto diody LED dużej mocy wymagają dobrego odprowadzania ciepła, które wydziela się w chipie diody w 50% następuje jego rozpraszanie przez promieniowanie cieplne i w 50% przez konwekcję. Tak duża ilość ciepła w rozpraszaniu konwekcyjnym wymaga chłodzenia, gdyż wydajność oraz trwałość diody zależą od temperatury złącza. Wzrost temperatury pracy powoduje zmniejszenie napięcia przewodzenia diody, przez co powstaje różnica między napięciem zasilania a napięciem przewodzenia. Aby zabezpieczyć układ przed tego typu zmianą napięcia przewodzenia, do układu włącza się rezystor połączony szeregowo z diodą LED (rys. 3.11). Jego stabilizujący wpływ jest tym wyraźniejszy, im większy jest spadek napięcia przewodzenia diody, gdyż na rezystorze odkłada się powstała różnica napięć [38,44,76,123,136138]. UCC R Dioda LED Rys. 3.11. Dwójnik dioda LED rezystor stosowany w celu zabezpieczenia diody przed wahaniami napięcia zasilania Firmy zajmujące się produkcją diod LED mocy stosują różne konstrukcje w celu uzyskania określonych parametrów. W zależności od zastosowanych rozwiązań technologicznych otrzymuje się diody o mocy od 1 W do około 2,5 W, a w przypadku paneli diodowych do około 5 W, natomiast otrzymany strumień świetlny osiąga wartości od 65 lm do 70 lm, a nawet 160 lm przy wartości prądu od 700 mA do 1000 mA, co odpowiada wydajności świetlnej w zakresie (30 – 40) lm/W [38,112,113]. Na rysunku 3.12 przedstawiono budowę standardowej diody LED mocy, a na rys. 3.13 pokazano przykłady dostępnych w sprzedaży konstrukcji: lampy LED w oprawie dostosowanej do konwencjonalnych żarówek firmy Philips, diody LED mocy firmy Osram i modułów LED firmy Luxeon [38]. Diody elektroluminescencyjne 32 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a) b) Soczewka z tworzywa SZKLANA SOCZEWKA Kontakt katodowy REFLEKTOR Chip LED CHIP NA PODSTAWCE Spoiwo Złoty drut PODŁOŻE Element z miedzi odprowadzający ciepło z chipa Silikon chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi Rys. 3.12. Schemat budowy diody LED mocy: a) przekrój przez diodę XLamp b) przekrój przez diodę Luxeon [38,6163,138] a) b) d) e) c) Rys. 3.13. Przykłady lamp elektroluminescencyjnych: Philips Master LED (a) i Osram Opto Semiconductors Golden DRAGON (b), diody dużej mocy XI3535 (c) oraz modułów LED: Luxeon Ring (d) i Luxeon (e) [38,62,126,127,139,143,145] 3.4. Zastosowania diod elektroluminescencyjnych Obszary zastosowań diod LED są już obecnie różnorodne (w tym spektrometria, medycyna, optoelektronika, telekomunikacja, technika oświetleniowa), a wraz z postępem badań i rozwojem technologicznym pojawiają się wciąż coraz nowsze i ciekawsze sposoby ich wykorzystania (rys. 3.14). Diody elektroluminescencyjne 33 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Obecne obszary ich zastosowań obejmują m.in.: badania spektrofotometryczne: układy detekcji fluorescencji (źródło wzbudzenia) [2,10,22,56,89,102], mikroskopia fluorescencyjna (źródło światła modulowanego) [101,104]; fotometrię: pomiary dwukierunkowej funkcji rozkładu odbicia BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) [75]; diagnostykę i terapię medyczną: monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych [10,17,20,107], stomatologia [6163], biometria okulistyczna [52], fotodynamiczna terapia PDT (Photodynamic Therapy) i diagnostyka PDD (Photodynamic Diagnostics) [10,17,61,63], tomografia laserowa; optoelektronikę i telekomunikację: systemy komunikacji optycznej (emisja nośnika informacji pomiarowej) [76,100], źródła zdeterminowanych wymuszeń w światłowodowych czujnikach wielkości nieelektrycznych [7], podświetlanie wyświetlaczy LCD [20,39,44,62,76,78], wyświetlacze segmentowe [7,78], ekrany informacyjne [3,63,76], lekkie źródła kompaktowe [39], elementy sygnalizacyjne małej mocy (kontrolki, wskaźniki) [76], żyroskopy i czujniki optyczne [61,64,118]; technikę oświetleniową: oświetlenie wewnętrzne (górne, ścienne i podłogowe) [38,39,6163,76,78,91,112,123], oświetlenie terenów zewnętrznych (dekoracyjne, architektoniczne), [38,39,44,61,63, 76, 78,91,112, 123,124], oświetlenie punktowe i rozproszone [38,39,61,63,78,91,112], oświetlenie barwne [6163,78,91,112,124], lampy operacyjne [61], oświetlenie sceniczne [61], sygnalizacja świetlna [20,38,44,6163,78,123], Diody elektroluminescencyjne 34 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a) b) c) d) e) f) Rys. 3.14. Przykłady zastosowań diod LED: a) znaki sygnalizacyjne, b) lampa naświetlająca w terapii fotodynamicznej, c) oświetlenie drogowe, d) sygnalizacja świetlna, e) sztuczny ogień w kominku, f) lampka do czytania [61,144] źródła światła w latarniach morskich [62,63], oświetlenie lotniskowe [62,68], latarki [6163], źródła światła w górnictwie [62], Diody elektroluminescencyjne 35 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED oświetlenie zewnętrzne i wewnętrzne w motoryzacji (reflektory, światła stopu i skrętu, lampka górna, podświetlenie tarczy i wskaźników) [38,6163,67,77], oświetlenie rowerowe [62], oświetlenie krawędziowe znaków informacyjnych oraz wejść i wyjść [61,112], sztuczny ogień [61], reklamy świetlne [3,44,112], reflektory [61,63], światła sygnalizacyjne przeszkodowe (przy podejściach do lotniska, na wysokich obiektach) [38,68,76]. Diody LED mocy są głównie stosowane w celach oświetleniowych wymagających dużej jasności, takich jak: oświetlenie drogi (reflektory samochodowe) czy sali operacyjnej (lampy operacyjne), w przenośnych źródłach światła (np. latarkach) oraz związanych z badaniami optoelektronicznymi (lasery diodowe, żyroskopy i czujniki optyczne, komunikacja optyczna). 3.5. Metody pomiaru optycznych parametrów diod LED oraz zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiaru Pomiarami właściwości optycznych źródeł promieniowania, w tym również diod elektroluminescencyjnych, zajmuje się radiometria, której przedmiotem jest miara transferu energii lub mocy promieniowania ze źródła do detektora przy użyciu trzech rodzajów wielkości: energetycznych (o indeksie e), fotometrycznych (o indeksie ) oraz fotonowych (o indeksie q) [42,100,122]. Wybór jednego z wymienionych typów wielkości do opisania parametrów optycznych badanego źródła zależy od zakresu spektralnego emitowanego przez nie promieniowania. Tak więc, do określenia właściwości promieniowania podczerwonego wykorzystywane są wielkości energetyczne i fotonowe, natomiast wielkości fotometryczne (świetlne) używane są jedynie w przypadku promieniowania widzialnego (światła) [6,7]. W tabeli 3.2 zestawiono wielkości promieniste wraz z odpowiadającymi im jednostkami. W pomiarach wielkości świetlnych stosuje się dwie metody [6,19,90,93,42,100,122]: metodę fotometryczną, w której uwzględnia się krzywą czułości spektralnej ludzkiego oka na światło, metodę spektroradiometryczną, w której promieniowanie traktowane jest jako postać energii rozchodzącej się w przestrzeni. W metodzie fotometrycznej wykorzystuje się szerokopasmowe detektory w połączeniu z filtrami V() odwzorowującymi krzywą czułości spektralnej ludzkiego oka na światło Diody elektroluminescencyjne 36 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED (w zakresie od 380 nm do 780 nm), a odpowiedź detektora jest wprost proporcjonalna do mierzonej wielkości fotometrycznej. Natomiast w metodzie spektroradiometrycznej mamy do czynienia z pomiarem mocy emitowanej w całym zakresie spektralnym, a uzyskany wynik jest przeliczany na wielkość fotometryczną zgodnie ze standardami CIE (The Commission Internationale de L'Éclairage) [19,25,121,122]. Ponadto filtry V() są zoptymalizowane do badania optycznych właściwości źródeł światła, dla których maksimum mocy promieniowania przypada na obszar podczerwieni. W pomiarach tego typu źródeł, dokładność dopasowania krzywej czułości spektralnej nie jest tak istotna, ze względu na niewielką emisję w zakresie światła niebieskiego. Natomiast w badaniach diod elektroluminescencyjnych o krzywej spektralnej zbliżonej kształtem do krzywej gaussowskiej, przy niewystarczającym dopasowaniu krzywej filtra V() występują duże zniekształcenia, zwłaszcza w przypadku niebieskich, czerwonych i białych diod LED. Tego typu błędów unika się w metodzie spektroradiometrycznej, ze względu na obliczanie wartości wielkości fotometrycznych z danych spektralnych, przy użyciu dobrze zdefiniowanych funkcji CIE. Jednak zwiększenie dokładności wymaga wydłużenia czasu trwania pomiaru oraz zastosowania precyzyjnych spektroradiometrów, które spełniają określone standardy związane m.in. z ich rozdzielczością spektralną, czułością, liniowością i współczynnikiem określającym stosunek sygnału do szumu [19,25]. W poszczególnych rodzajach pomiarów stosuje się takie same ogólne wielkości, jak np.: strumień, natężenie, luminancja czy egzytancja, różniące się jedynie jednostkami w jakich są wyrażone. Relacja określająca ilość energii przypadającej na foton: E = hc/ pozwala na łatwą zamianę jednostek pomiędzy nimi. Fotometryczny równoważnik promieniowania Km = 683 lm/W umożliwia przeliczenie wartości wielkości radiometrycznych na wartości wielkości fotometrycznych [6,7,25,93,100,122]. Najważniejsze zalecenia dotyczące pomiarów fotometrycznych diod LED zawarte są w normach PN-EN13032-1 i PN-EN 13032-2 (pomiar i prezentacja danych, dokładność przyrządów do pomiarów fotometrycznych) oraz PN-EN62031 (moduły LED) i IEC/TS 62504 (terminologia i definicje dotyczące diod LED). Ponadto, ze względu na trudności w pomiarze rzeczywistej wartości natężenia promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne, w praktyce mierzy się średnią kierunkową wartość natężenia promieniowania. W publikacji CIE 127 są przedstawione dwa rodzaje standardowych warunków pomiaru tej wielkości, przy założeniu wielkości powierzchni detektora równej 100 mm2 (tab. 3.3) [19,23,24,90,93,121]. Diody elektroluminescencyjne 37 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 3.2. Zestawienie wielkości promienistych wraz z odpowiadającymi im jednostkami [6,7,10,19,25,42,93,100,122] Symbol Qe e Ie Ee Me Le Qp p Ip Ep Mp Lp Q I E M L Wielkość Jednostka Definicja Energetyczne wielkości radiometryczne Energia J Ilość energii emitowanej, przenoszonej lub promieniowania padającej na powierzchnię Strumień energetyczny W Moc emitowana, przenoszona lub padająca (Moc promienista) na powierzchnię Natężenie W/sr Ilość energii emitowanej w jednostkowym promieniowania kącie bryłowym Natężenie W/m2 Ilość energii padającej na jednostkową napromienienia powierzchnię 2 Egzytancja W/m Ilość energii emitowanej przez jednostkową energetyczna powierzchnię źródła Luminancja W/(m2sr) Ilość energii emitowanej przez jednostkową energetyczna powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Fotonowe wielkości radiometryczne Liczba fotonów fotony Liczba fotonów Strumień fotonowy fotony/s Liczba fotonów przechodząca przez określona powierzchnię w jednostkowym czasie Gęstość fotonów fotony/(s sr) Liczba fotonów emitowanych w jednostkowym kącie bryłowym Fotonowe natężenie fotony/(s m2) Liczba fotonów padających na jednostkową napromienienia powierzchnię 2 Egzytancja fotonowa fotony/(s m ) Liczba fotonów emitowanych przez jednostkową powierzchnię źródła Luminancja fotonowa fotony/(s m2 sr) Liczba fotonów emitowanych przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Wielkości fotometryczne Ilość światła lm s Ilość światła Strumień świetlny lm Ilość światła przechodzącego przez określona powierzchnię w jednostkowym czasie Światłość lm/sr = cd Ilość światła emitowanego w jednostkowym kącie bryłowym Natężenie oświetlenia lm/m2 = lx Ilość światła padającego na jednostkową powierzchnię 2 Egzytancja świetlna lm/m Ilość światła emitowanego przez jednostkową powierzchnię źródła Luminancja świetlna lm/(m2 sr) Ilość światła emitowanego przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Tab. 3.3. Rekomendacja CIE dotycząca pomiaru średniej intensywności promieniowania optycznego [19,23,25] Kąt bryłowy Kąt planarny Warunek A Odległość między LED a detektorem 316 mm 0,001 sr 2 Warunek B 100 mm 0,01 sr 6,5 Rekomendacja CIE Diody elektroluminescencyjne 38 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 4. Przetworniki CCD 4.1. Budowa i zasada działania przetworników CCD Przetwornik CCD (Charge Coupled Device) to rodzaj wielokanałowego przetwornika wizyjnego o sprzężeniu ładunkowym. Ma postać matrycy składającej się z regularnego układu fotodetektorów (niezależnych światłoczułych komórek), których rolę pełnią kondensatory MOS (Metal Oxide Silicon) [6,7,51,92,119,122]. VG SiO2 Elektroda (bramka) SiO2 Ładunek p-Si Studnia potencjału VS Rys. 4.1. Struktura kondensatora MOS na podłożu krzemowym [6,51,121] Pojedynczy kondensator MOS (rys. 4.1) jest zbudowany z trzech warstw: przewodnika (metal), izolatora (tlenek krzemu SiO2) i półprzewodnika (silnie domieszkowany monokryształ krzemu). Strukturę MOS uzyskuje się poprzez pasywację podłoża krzemowego czyli wytworzenie warstwy izolatora SiO2 na warstwie półprzewodnika, następnie na warstwę dielektryka zostaje napylona cienka warstwa metalu, która pełni funkcję elektrody (bramki). W przypadku, gdy półprzewodnik będący bazą kondensatora jest domieszkowany dodatnio, to elektroda również musi być spolaryzowana dodatnio [6,7,42,51,57,92,120,122]. W wyniku przyłożenia dodatniego potencjału do przewodzącej elektrody, dziury z obszaru na granicy dielektryk – półprzewodnik odpływają w głąb podłoża, przez co w cienkiej warstwie półprzewodnika (położonej bezpośrednio pod powierzchnią styku obu materiałów) wytwarza się zubożony obszar o powierzchni zbliżonej do powierzchni bramki. Dalsze zwiększanie napięcia na elektrodzie powoduje odpływ dziur i gromadzenie się elektronów na granicy z izolatorem, a charakter przewodnictwa ulega inwersji. Pod bramką Przetworniki CCD 39 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED powstaje tzw. studnia potencjału, czyli obszar o najmniejszej energii potencjalnej. Powierzchnia przez nią zajmowana jest zdeterminowana rozmiarami elektrody (studnia nieznacznie wykracza poza obrys bramki), jej głębokość zależy od wartości przyłożonego napięcia, a objętość studni potencjału określa ładunek, jaki może być zakumulowany w kondensatorze MOS [6,7,42,51,122]. Światło absorbowane przez wieloelementową matrycę CCD powoduje uwolnienie nośników na skutek przekazania przez fotony energii do elektronów, które gromadzą się w studni potencjału (zachodzi wewnętrzny efekt fotoelektryczny). Wielkość zakumulowanego ładunku przestrzennego jest proporcjonalna do natężenia padającego promieniowania oraz do czasu ekspozycji (czasu gromadzenia ładunku). Tak więc, każdy taki obszar pełni rolę pojedynczego elementu przetwarzająco-akumulującego i może być traktowany jako kondensator. Podczas detekcji (zbierania ładunku), do elektrody przyłożone jest dodatnie napięcie, a więc elektrony uwolnione w efekcie fotoelektrycznym gromadzą się pod nią. Zamknięcie migawki (odcięcie dostępu promieniowania do matrycy) kończy proces detekcji i „zamraża” obraz w postaci ładunku objętościowego pod bramką [6,42,51]. Po generacji i akumulacji nośników następuje trzeci etap: transfer „zamrożonego” ładunku z jednego elementu pojemnościowego do kolejnego, aż do komórki pamięci znajdującej się w rejestrze przesuwającym (rejestrze odczytu). Proces ten polega na przyłożeniu potencjału o odpowiedniej wartości do elektrody sąsiadującej z bramką, pod którą znajduje się studnia potencjału, co powoduje przesunięcie pod nią ładunku w wyniku działania mechanizmów unoszenia i dyfuzji. Sekwencyjne powtarzanie tego procesu pozwala na transfer ładunku na zewnątrz matrycy CCD, aż do elektrody zbierającej, która ma postać silnie domieszkowanego półprzewodnika typu n – kondensator MOS znajdujący się pod tą elektrodą pełni rolę elementarnej komórki pamięci. Obraz uzyskuje się przez odczyt sygnałów ze wszystkich komórek pamięci w matrycy CCD, które następnie są wzmacniane i konwertowane do postaci cyfrowej przy użyciu przetworników analogowocyfrowych [6,7,42,51,122]. Transport ładunku może zachodzić na kilka sposobów: w cyklu dwufazowym, trójfazowym lub czterofazowym (rys. 4.2). Cykle te różni liczba przykładanych jednocześnie potencjałów (liczba faz przykładania potencjałów) oraz liczba bramek składających się na pojedynczy piksel czyli najmniejszy element obrazu dwuwymiarowego. Przykładowo, w przypadku cyklu trójfazowego pojedynczy piksel stanowi obszar pod trzema elektrodami. W celu zmniejszenia wymiarów piksela konstruuje się również kondensatory MOS, Przetworniki CCD 40 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych w których przenoszenie ładunku zachodzi w cyklu pseudofazowym lub jednofazowym [6,42,51,122]. Cykl czterofazowy f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 Cykl trójfazowy f1 f2 f3 f1 f2 f3 f1 Cykl dwufazowy f1 f2 f1 f2 f1 f2 f1 Cykle zegarowe 1 2 3 4 5 Czas t0 t1 t2 Rys. 4.2. Schemat ilustrujący transport ładunku w cyklu: dwufazowym, trójfazowym i czterofazowym [6,51,122] Z obrazu otrzymanego z przetwornika CCD można uzyskać jedynie te dane o jakości rejestrowanego obiektu, które są związane z natężeniem promieniowania, lecz nie daje to informacji na temat kolorów. Aby otrzymać obraz kolorowy, należy użyć barwnych filtrów zawierających trzy podstawowe kolory: czerwony, zielony i niebieski (tzw. dyskretny filtr optyczny DFO, typu addytywnego). Stosuje się trzy techniki uzyskiwania kolorowego obrazu [42]: rejestrację obrazu przez trzy przetworniki, z których każdy zawiera filtr w jednej z trzech barw; każdy piksel matrycy dostarcza informacji o trzech kolorach, rozwiązanie to zapewnia dużą rozdzielczość, ale jest najbardziej skomplikowane technicznie i kosztowne, wirujący zestaw filtrów przesuwany nad kolejnymi pikselami jednego przetwornika CCD; każdy piksel przekazuje informację o trzech kolorach, metoda ta stosowana jest głównie do rejestracji obrazów statycznych lub wolnozmiennych ze względu na niską efektywną częstotliwość przetwarzania, filtry napylone w trakcie procesu produkcji na elementy światłoczułe lub umieszczone nad nimi; każdy piksel ma przypisany jeden filtr o danym kolorze, a więc informacja Przetworniki CCD 41 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED pochodząca z niego dotyczy tylko jednej barwy, ale dzięki interpolacji danych o składowych koloru z sąsiednich pikseli można wystarczająco dokładnie określić barwę danego elementu światłoczułego. Na rysunku 4.3 przedstawiono jeden z najczęściej wykorzystywanych filtrów: filtr Bayera oraz przekrój przez matrycę CCD z nałożonym filtrem Bayera. W filtrach tego typu w każdym wierszu występuje kolor zielony naprzemiennie z barwą czerwoną lub niebieską, które pojawiają się co drugi wiersz. Taki układ jest stosowany ze względu na dużą czułość oka ludzkiego na barwę zieloną. Dzięki temu sygnał luminancji (rekonstruowany na bazie koloru zielonego) ma dużą rozdzielczość, a sygnał chrominancji, mimo zmniejszenia swojej rozdzielczości, nie wpływa na obniżenie ostrości obrazu [42,103]. a) b) Piksel Mikrosoczewka Element filtru Bayera Widok piksela z góry Fotodioda Przekrój poprzeczny matrycy Rysunek uproszczony Rys. 4.3. Układ barw w filtrze Bayera (a) oraz schemat matrycy CCD z nałożonym filtrem [130] Przetworniki CCD można podzielić ze względu na [6,7,42,51,120,122]: 1) położenie kanału, w którym zachodzi transport ładunku objętościowego: przetworniki CCD powierzchniowe SCCD (Surface Channel CCD), w których gromadzenie i transfer ładunku odbywa się w obszarze przypowierzchniowym, w którym przepływ nośników może zostać zakłócony. Z jednej strony zakłócenia wywołują defekty występujące w podłożu (najwięcej ich znajduje się przy powierzchni materiału), powodujące pojawianie się lokalnych studni potencjału głębszych od studni potencjału wytwarzanych za pomocą napięcia, które mogą pułapkować „paczki” ładunku. Z drugiej strony, zbyt duża częstotliwość zmian potencjałów sterujących przepływem w połączeniu z defektami materiałowymi zmniejszającymi prędkość przenoszenia ładunku może spowodować rozdzielenie „paczek” ładunku. W wyniku obu tych mechanizmów, końcowy obraz może ulec Przetworniki CCD 42 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych zafałszowaniu: zmniejszenie lub zwiększenie sygnału bądź tzw. przesłuchy, gdy „zagubiona” część ładunku pojawia się w następnych „paczkach”; przetworniki CCD z kanałem zagrzebanym BCCD (Buried Chanel CCD), w których zbieranie i przepływ nośników zachodzi w głębszych warstwach półprzewodnika, gdzie defekty materiałowe występują zdecydowanie rzadziej niż przy powierzchni. Z tego względu przetworniki te są w dużym stopniu pozbawione opisanych wcześniej zakłóceń, a w efekcie zwiększa się sprawność i prędkość przesuwu ładunku; 2) sekwencję zmian potencjału: przetworniki CCD z cyklem czterofazowym, przetworniki CCD z cyklem trójfazowym, przetworniki CCD z cyklem dwufazowym, przetworniki CCD z cyklem pseododwufazowym, przetworniki CCD z cyklem jednofazowym; 3) architekturę odczytu ładunku z rejestru (rys. 4.4) [57,120]: przetworniki z przesuwem ramki FT (Frame Transfer Sensor) – matryca CCD jest podzielona na dwie sekcje tworzone przez pionowe rejestry: obrazową (obszar naświetlany) oraz odpowiedzialną za detekcję i kumulację pamięciową, która odpowiada za przechowywanie ładunku. Na każdy rejestr z obszaru obrazowego przypada jeden rejestr pamięciowy. Odczyt następuje w wyniku szybkiego jednoczesnego przesuwu ładunków z całego obszaru sekcji obrazowej do pionowych rejestrów sekcji pamięciowej (przesuwana jest cała ramka na raz); przetworniki z przesuwem międzykolumnowym IL (Interline Transfer Sensor) – rejestry obrazowe i rejestry przesuwające są rozmieszczone naprzemiennie w kolumnach, a każdy element CCD w pojedynczej kolumnie ma odpowiadający sobie element w rejestrze przesuwającym. Po zgromadzeniu ładunków następuje ich przemieszczenie do pionowych rejestrów przesuwających, skąd są sukcesywnie przenoszone linia po linii do rejestru poziomego i dalej na wyjście przetwornika CCD; przetworniki FIT (Frame Interline Transfer Sensor) – połączenie obu powyższych rozwiązań. Matryca CCD jest podzielona na sekcje obrazową i pamięciową, ale jednocześnie zawiera pionowe rejestry przesuwające pomiędzy kolumnami sekcji obrazowej. Przetworniki CCD 43 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych a) Izolacja między rejestrami (bateria potencjałowa - kanał nadmiarowy) Scalony analizator linii typu SR Obszar naświetlony Obszar zaciemniony (maska AL) Sekcja obrazowa Sterowanie ogólne Sterowanie sekcji obrazowej Ogniwo rejestru pionowego T T T T T T ZBT1 Sterowanie sekcj i pamięci Sekcja pamięci T T T T T T Vs (t) ZBT2 T T T T T T T T T T T T Vo Rejestr wyjściowy Ogniwo rejestru wyjściowego b) c) Bramka transferowa Bramka transferowa Dren Rejestr CCD Detektor Detektor Sekcja obrazowa Rejestr CCD Sekcja pamięci FPA Rejestr CCD Rejestr CCD FPA Rys. 4.4. Architektura odczytu ładunku: w przetworniku FT (a), w przetworniku IL (b) i w przetworniku FIT (c) [6] Przetworniki CCD 44 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Ponadto można rozróżnić przetworniki CCD ze względu na [6,42]: zastosowaną w matrycy CCD metodę odczytu sygnału: układy z tzw. pływającą dyfuzją (floating diffusion), układy z podwójnym skorelowanym próbkowaniem (correlated double sampling) i układy przedwzmacniacza z tzw. pływającą bramką (floating gate), wykorzystaną technikę otrzymywania koloru: rejestracja przy użyciu trzech przetworników, wirujący zestaw filtrów, statyczny zestaw filtrów, oraz z uwagi na to, z której strony jest oświetlany przetwornik CCD: Back-thinned CCD (promieniowanie pada bezpośrednio na półprzewodnik) i Front-Side CCD (światło pada najpierw na elektrody). Najważniejszymi metrologicznymi parametrami przetworników CCD są [6,7,42,51,57, 120,122]: Czułość bezwzględna R (Responsivity), będąca ilorazem wejściowego napięcia U lub natężenia prądu I i iloczynu mocy PS promieniowania przypadającego na 1 cm2 i powierzchni A, na którą pada: R U V I A lub R . PS A W PS A W (4.1) Im większa czułość bezwzględna, tym większa zdolność przetwornika do rejestracji padającego promieniowania. Moc równoważna szumów NEP (Noise Equivalent Power) to iloraz dwóch iloczynów: mocy PS promieniowania przypadającego na 1cm2 i powierzchni A, na którą pada oraz stosunku sygnału do szumu S/N i pierwiastka kwadratowego z szerokości widmowej szumu przypadającej na 1 cm2 powierzchni: NEP PS A W S 1 Hz 2 N . (4.2) Moc równoważna określa minimalną wartość PS, dla której S/N = 1, czyli powyżej której rejestrowany sygnał wyróżnia się spośród szumów. Im większa wartość NEP, tym mniejszą wartość natężenia może mieć sygnał rejestrowany przez przetwornik. Zdolność detekcji D (Detectivity) jest odwrotnością mocy równoważnej szumom: 12 1 Hz D NEP W Przetworniki CCD . (4.3) 45 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Im większa zdolność detekcji, tym mniejszą moc promieniowania padającego można zmierzyć za pomocą przetwornika. Znormalizowana zdolność detekcji D* (Normalized Detectivity) uwzględnia również wielkość powierzchni A, na którą pada promieniowanie: 1 A cm Hz 2 D NEP W . (4.4) Wydajność kwantowa QE (Quantum Efficienty) to stosunek liczby fotonów wygenerowanych w detektorze do liczby padających na niego fotonów. Wpływ na wartość QE mają m.in.: pojemność studni potencjału (Full Well Capacity), która określa ile nośników ładunku może jednocześnie znaleźć się w pojedynczym pikselu. Wielkość ta zależy od domieszkowania podłoża, rozmiarów elementu światłoczułego i architektury matrycy CCD, przybiera wartości z przedziału od 50 000 do 1 mln pikseli, a jej granice wyznaczają: szumy detektora (dolna granica) i maksymalna wartość sygnału, jaka może zostać zmierzona przez detektor (górna granica); liczba pikseli w detektorze (Total Electron Capacity) – im większa matryca i im mniejsze rozmiary pikseli, tym większa rozdzielczość przetwornika, ale i dłuższy czas odczytu; zdolność utrzymania ładunku do momentu pomiaru jego wartości – istnieje możliwość rozpraszania się ładunku na sąsiednie piksele, co wywołuje wrażenie złego zogniskowania obrazu z powodu samoistnego rozładowywania się kondensatorów; Zakres dynamiczny (Dynamic Range) jest to iloraz sygnałów: maksymalnego i minimalnego, jakie mogą zostać zmierzone przy użyciu przetwornika. Jest on zdeterminowany przez właściwości przetwornika A/C i decyduje o wielkości S odróżnialnej przez detektor, czyli dla jakich wartości S, S i S+S są traktowane jako sygnały o różnych wartościach; Sprawność przesuwu ładunku (Charge Transfer Efficiency) jest definiowana jako iloraz ilości ładunku przesuniętego między sąsiednimi elektrodami i ilości ładunku pierwotnie zgromadzonego pod jedną z tych elektrod lub jako różnica jedności i współczynnika strat przenoszenia określającego niesprawność transferu: 1 . Przetworniki CCD (4.5) 46 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Stosunek sygnału do szumu SNR (Signal to Noise Ratio), który zależy od: liczby fotonów Ns padających na detektor; szumu ciemnego Id1/2; szumu odczytu Nr, pochodzącego z elektronicznych układów odczytu przetwornika CCD; SNR N Ns s Id Nr 1 2 2 . (4.6) SNR wzrasta wykładniczo wraz ze zwiększaniem pojemności studni potencjału. Czułość świetlna SL to iloraz współczynnika SNR oraz wydajności kwantowej, określa czułość detektora na światło o danej długości fali: SL SNR . QE (4.7) Prąd ciemny Id – prąd generowany w wyniku zbierania przez piksele sygnału nawet przy braku oświetlenia. Powstaje on w efekcie generacji termicznej w naturalnej masie krzemowej, w studni potencjału oraz w obszarach przypowierzchniowych na styku izolator – półprzewodnik: I d Rd t d A , (4.8) gdzie td jest czasem ekspozycji a Rd jest współczynnikiem proporcjonalności w danej temperaturze. Tak więc, prąd ciemny zależy od czasu ekspozycji, współczynnika Rd oraz od temperatury detektora (charakterystyka prądu ciemnego w funkcji czasu ekspozycji jest liniowa w zakresie temperatury pracy danego detektora); Współczynnik wypełnienia piksela określa wielkość obszaru aktywnego piksela, biorącego udział w konwersji padającego promieniowania; Liniowość odpowiedzi świadczy o tym, że sygnał rejestrowany przez przetwornik CCD jest wprost proporcjonalny do natężenia padającego promieniowania (odpowiedź detektora na sygnał wejściowy jest wprost proporcjonalna do tego sygnału); Czas odpowiedzi – jest ważnym parametrem w badaniach dynamiki procesów szybkozmiennych przeprowadzanych w czasie rzeczywistym; Gorące piksele: ponieważ jednakowa czułość wszystkich pikseli na padające promieniowanie jest trudna do uzyskania w procesie technologicznym, dlatego w matrycy CCD mogą występować tzw. gorące piksele, w których nawet przy braku oświetlenia mogą być generowane nośniki. Przetworniki CCD 47 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Na dokładność pomiaru sygnału za pomocą przetwornika CCD mają również wpływ szumy pochodzące z różnych źródeł, w tym [6,9,28,42,51,57,69,70,120,122]: szum fotonowy (Shot Noise) – wynika z losowej fluktuacji fotonów w wiązce padającego światła i jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z natężenia absorbowanego promieniowania; szum termiczny (Thermal Noise) – jest związany ze statystycznymi fluktuacjami podczas tworzenia termicznego sygnału wywołanego obecnością elektronów termicznych; powyżej +25C każdy wzrost temperatury o 10C powoduje podwojenie wartości szumu termicznego; szum odczytu (Read-out Noise) – powstaje przy odczycie zawartości poszczególnych pikseli i zależy od jakości zczytującego układu elektronicznego; szum różowy (Pink Noise) – proporcjonalny do odwrotności częstotliwości padającego promieniowania; występuje przy małych wartościach częstotliwości; szum generacyjno-rekombinacyjny (White Noise) – wynika ze statystycznego charakteru dyfuzji ładunków, a tym samym statystycznych fluktuacji liczby generacji i rekombinacji par elektron-dziura; pojawia się przy wyższej częstotliwości; kwantyzacja szumu (Quantum Noise) – błędy wprowadzane w trakcie konwersji w przetworniku analogowo-cyfrowym. Idealny sygnał a) A b) A Szum fotonowy c) A A A A Szum związany z prądem ciemnym d) A A A A Szum 1/f e) A Kwantyzacja szumu Rys. 4.5. Wpływ szumu na sygnał transportowany w przetworniku CCD: a) idealny sygnał; b), c), d) i e) sygnały zaszumione odpowiednio: szumem fotonowym (b), szumem związanym z prądem ciemnym (c), szumem różowym (d), szumem kwantowym (e) [42] Przetworniki CCD 48 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Wymienione szumy powodują pogorszenie jakości sygnału, zmniejszają jego czytelność oraz wprowadzają przekłamania do końcowej informacji. Rysunek 4.5 ilustruje wpływ wybranych rodzajów szumów na sygnał końcowy. 4.2. Obszary zastosowań przetworników CCD Początkowo przetworniki CCD były wykorzystywane głównie w astronomii jako sensory w teleskopach obserwacyjnych i śledzących ruch obiektów na niebie. W miarę rozwoju badań i postępu technologicznego obszar zastosowań CCD rozszerzył się, obejmując komercyjne i specjalistyczne wykorzystanie matryc CCD w aparatach fotograficznych, w kamerach cyfrowych, filmowych i telewizyjnych oraz różnego rodzaju systemach wizyjnych służących do rejestracji obrazu w czasie rzeczywistym. Obecne aplikacje przetworników CCD można podzielić na powszechnie spotykane: w dziedzinie fotografii (amatorskiej i profesjonalnej) [18,42], w przemyśle filmowym i telewizyjnym [42,114], w systemach monitoringu i bezpieczeństwa [114] oraz bardziej wyspecjalizowane w badaniach naukowych: w astronomii: obserwacja i śledzenie ruchu obiektów [43,51,57,58]; w biologii: badania genetyczne (śledzenie przemian RNA, rozpoznawanie sekwencji DNA) [10,12,13], detekcja optycznych właściwości obiektów biologicznych [120], symulacja procesów związanych z sekwencjonowaniem DNA [10,1214], fotodetekcja w systemach biologicznych (procedura FISH (Fluorescent In Situ Hybridization), detekcja fluorescencji protein, wykrywanie guzów w strukturze organów małych zwierząt) [1,73,102]; w medycynie: autoradiografia (radiografia izotopowa) [8], cyfrowa angiografia subtrakcyjna [72], wideoendoskopia [15,16], systemy monitorowania śródoperacyjnego [40]; w automatyce i robotyce: pomiary położenia i orientacji robotów mobilnych [55,64]; Przetworniki CCD 49 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED w spektrometrii: spektroskopia fluorescencyjna [2,34], spektrometria ramanowska [35]; w radiometrii: radiometria – detektory w radiospektrometrach [19]; w optoelektronice: systemy do rozpoznawania geometrycznych parametrów i struktury wewnętrznej matryc LED [117], systemy wizyjne [88]; w obrazowaniu 2D i 3D: mikroskopia stereoskopowa [94], mikroskopia fluorescencyjna [22,73,99,100,104], systemy obrazowania fluorescencji [1,4,71,89,101,103,106,120]; w pomiarach temperaturowych: detekcja zmian temperatury w systemach zasilania [74], termografia trójwymiarowa [119], bezkontaktowe pomiary temperatury [79]; oraz: do wykrywania zmian promieniowania azotu i szybkości przepływu na granicach cieplnego strumienia plazmy [29,41,113], do określania zawartości azotu w uprawach [29], do rozpoznawania wzorów i kształtów [42,117], w systemach monitorowania/detekcji pożarów lasów [59,116], w systemach biometrycznych [119], w militarnych systemach namierzania powietrze-ziemia (detekcja, rozpoznanie i identyfikacja na długie dystanse) [42,98]. Jednak przyrządy z przetwornikami CCD nie są jedynymi urządzeniami stosowanymi do pozyskiwania cyfrowego obrazu, podobne obszary zastosowań znajdują przetworniki CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Oba typy sensorów bazują na technologii MOS i działają na tej samej zasadzie, gdyż piksele tworzące matrycę CCD lub CMOS generują ładunki elektryczne pod wpływem padającego na nie światła. Różnica między tymi przetwornikami dotyczy miejsca konwersji zebranego ładunku na napięcie [120,128131,140142]. Przetworniki CCD 50 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED W przypadku sensorów CCD, ładunek zakumulowany w poszczególnych pikselach jest transportowany po zakończeniu ekspozycji do odpowiednich rejestrów, gdzie zachodzi jego konwersja na napięcie, a następnie jest przekazywany na wyjście. Natomiast w matrycach CMOS, każdy piksel ma swój własny zintegrowany z nim układ elektroniczny, w którym dochodzi do szeregu konwersji, w tym zamiany ładunku na napięcie (rys. 4.7). Tak więc, oba przetworniki różnią się od siebie nie tylko liczbą funkcji realizowanych bezpośrednio w matrycy czy liczbą procesów w niej zachodzących (rys. 4.8), ale również wartościami szeregu charakterystycznych parametrów (tab. 4.1) [128131,140142]. Rys. 4.7. Porównanie struktury przetworników CCD i CMOS [128] Rys. 4.8. Porównanie funkcji wbudowanych w przetworniki CCD i CMOS [128] Jedna i druga technologia ma swoje mocne i słabe strony. Trudno kategorycznie stwierdzić, która z nich jest lepsza: podczas gdy CCD oferuje większą czułość świetlną i lepszy współczynnik wypełnienia, użycie CMOS umożliwia odczyt danych z większą prędkością [8,128131,140142]. Dlatego wybór rodzaju przetwornika zależy przede wszystkim od jego planowanego zastosowania i wymaganych parametrów. W pomiarach promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne takimi parametrami będą między innymi: czułość świetlna, odpowiedź spektralna detektora, małe szumy związane Przetworniki CCD 51 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED z akumulacją ładunku czy też jednorodność elementów matrycy. Parametry te są lepsze dla przetwornika CCD niż dla CMOS, stąd też do badań będących tematem niniejszej pracy wybrano kamerę z matrycą CCD. Ponadto zakres spektralny detektora powinien obejmować cały zakres spektralny badanej diody LED [120]. Tab. 4.1. Porównanie parametrów przetworników CCD i CMOS [120,128131,140142] Przetworniki CCD Pojedyncze piksele nie są bezpośrednio zintegrowane z układem elektronicznym Odczyt sygnału z poszczególnych wierszy matrycy detektora Długi czas odczytu – ładunki z pikseli doprowadzane są kolejno do jednego układu przetwarzającego Występują szumy związane z transportem ładunku Dostęp do pamięci pojedynczego piksela dopiero po odczycie zawartości całej matrycy Przetworniki CMOS Każdy piksel jest zintegrowany z własnym oddzielnym układem elektronicznym Odczyt sygnału jednocześnie z całej matrycy detektora Krótki czas odczytu – przetwarzanie ładunku na napięcie zachodzi równocześnie dla wszystkich pikseli Brak szumów związanych z transportem ładunku Bezpośredni dostęp do dowolnego piksela – możliwość selektywnego odczytu i przetwarzania wybranego fragmentu obrazu (funkcja okienkowania) Współczynnik wypełnienia czyli stosunek powierzchni zajmowanej przez wszystkie piksele do powierzchni całej matrycy większy w przetwornikach CCD niż w przetwornikach CMOS Duża czułość Mała czułość Większa szybkość odczytu (nawet do 1 000 klatek na sekundę) w przetwornikach CMOS niż w przetwornikach CCD, stąd mniejsze opóźnienia i możliwość nagrywania w spowolnionym tempie Wysoka czułość bezwzględna w przetwornikach CCD w porównaniu do przetworników CMOS – duże wzmocnienie sygnału kosztem niewielkiej mocy Właściwości dynamiczne lepsze w przetwornikach CMOS niż w przetwornikach CCD Jednorodność pikseli Niejednorodność pikseli z powodu niejednakowych układów elektronicznych związanych z poszczególnymi pikselami Stosunkowo duży szum związany z niejednorodnością pikseli w przetwornikach CMOS w porównaniu do przetworników CCD, co powoduje większy szum odczytu Migawkowanie nie wpływa na pogorszenie Migawkowanie wymaga zastosowania dodatkowych współczynnika wypełnienia tranzystorów, które pogarszają współczynnik wypełnienia Możliwość przepełnienia piksela – mogą Niewrażliwość piksela na przepełnienie – zdolność pojawiać się tzw. przesłuchy do odprowadzenia nadmiaru sygnału z prześwietlonych pikseli bez zakłócania pracy sąsiednich komórek Wymagane zasilanie określonych układów Wymagane zasilanie napięciem o jednej wartości (5V napięciem o różnych wartościach (od 10 V lub mniej) do 15 V) Duży pobór mocy Mały pobór mocy Mała wartość prądu ciemnego oraz szumu z Duża wartość prądu ciemnego oraz szumu z nim nim związanego związanego Małe wymiary sensora CCD Duże wymiary sensora CMOS Możliwość wymiany układu elektronicznego Brak możliwości wymiany układu elektronicznego na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez zmiany konieczności zmiany sensora CCD sensora CMOS Wysoki koszt produkcji Niski koszt i łatwość produkcji Przetworniki CCD 52 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Spotykane w dostępnej literaturze zastosowania obejmujące jednoczesne wykorzystanie przetworników CCD jako fotodetektory i diod elektroluminescencyjnych jako fotoemitery obejmują: systemy wizyjne do pomiaru lokalizacji robotów mobilnych – przetwornik zabudowany w kamerze CCD wykorzystany jest do rejestracji położenia robota względem znaczników orientacyjnych, których rolę pełnią diody elektroluminescencyjne [55,64], układy obrazowania fluorescencji takie jak LIFA (Fluorescence Lifetime Attachment), FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy), mikroskopia luminescencyjna, systemy detekcji i obrazowania fluorescencji procesów biologicznych i chemicznych, w których luminescencja wzbudzana jest światłem emitowanym przez diody LED a kamera CCD lub spektrometr z przetwornikiem CCD rejestruje to zjawisko [2,22,101,104], drogowe systemy pozycjonujące, w których kamera CCD pełni rolę detektora wzorów wyświetlanych z dużą częstotliwością przez matryce LED zamontowane w sygnalizatorach świetlnych na skrzyżowaniach dróg [60], monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych – diody LED emitujące promieniowanie czerwone, podczerwone lub ich kombinację użyte są do prześwietlania obiektów biologicznych, a kamera CCD rejestruje uzyskany obraz [40]. W rozdziale 5 dokonano analizy procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD. Przetworniki CCD 53 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 5. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 5.1. Ograniczenia związane z charakterem zjawiska luminescencji oraz z budową przetwornika CCD Z procesem rejestracji zjawisk luminescencyjnych przy użyciu kamery z przetwornikiem CCD wiążą się liczne problemy, które trzeba wziąć pod uwagę przed przystąpieniem do pomiarów. Rozważania uwzględniają przede wszystkim [80]: odbicia promieniowania w obrębie układu optycznego, wpływ warunków zewnętrznych, głównie związanych z oświetleniem i temperaturą, w tym: odbicia promieniowania niepochodzącego z badanego źródła w obrębie układu pomiarowego [30], przesunięcie widma optycznego w stronę dłuższych fal wraz ze wzrostem temperatury [25,32,76,77,100,109,138], liniowa zależność wartości napięcia i prądu przewodzenia diod LED od temperatury złącza (prąd wprost proporcjonalnie, a napięcie odwrotnie proporcjonalnie) – w przypadku rejestracji elektroluminescencji [5,19,25,44, 76,77,100,108], ograniczenia wynikające z charakteru zjawiska luminescencji, ograniczenia związane z budową i zasadą działania przetwornika CCD [6,9,28,42, 51,69,70,110,111,114,122], takie jak: prąd ciemny, szumy: fotonowy, termiczny, odczytu i różowy, samoistne rozładowywanie się kondensatorów MOS, zniekształcenia w torze optycznym (aberracje soczewki obiektywu), zakłócenia występujące w torze analogowym, błędy pojawiające się podczas przetwarzania sygnału z analogowego na cyfrowy, zależność kwadratowa szumu Johnsona oraz liniowo-logarytmiczna prądu ciemnego od temperatury. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 54 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED W celu wyeliminowania lub zmniejszenia do akceptowalnego poziomu odbić promieniowania pomiędzy obiektem a układem optycznym oraz od elementów otoczenia można odseparować cały układ pomiarowy przy użyciu czarnych ekranów lub przeprowadzać rejestrację w zaciemnionym pomieszczeniu. Pomimo że kamera wyposażona w przetwornik CCD charakteryzuje się określonym minimalnym oświetleniem pracy, ze względu na promienisty charakter badanego zjawiska jest możliwe przeprowadzenie rejestracji w warunkach słabszego oświetlenia bez pogorszenia jakości pomiaru. Powyższe rozwiązania pozwalają częściowo rozwiązać również problem wpływu warunków zewnętrznych, z wyjątkiem temperatury otoczenia, gdyż stopień jej wpływu na pomiar zależy m.in. od parametrów technicznych zastosowanych elementów [80]. Zjawiska luminescencyjne charakteryzują się różnym czasem życia, w zależności od ich rodzaju (p. rozdział 2.1). W przypadku zjawisk krótkotrwałych, o małym natężeniu, może wystąpić problem z ich rejestracją ze względu na powiązanie czasu naświetlania z czułością świetlną detektora (dłuższy czas naświetlania, to większa czułość). Pomiary tego typu z jednej strony wymagają dłuższego czasu naświetlania, a zarazem nie pozwala na to krótki czas trwania rejestrowanego zjawiska. Można częściowo rozwiązać ten problem, przeprowadzając serię pomiarów w tych samych warunkach zewnętrznych oraz przy tych samych ustawieniach elementów wchodzących w skład układu, a następnie wyznaczyć wartość średnią badanej wielkości. W ten sposób można zwiększyć wartość współczynnika SNR. W pomiarach, których celem jest jedynie stwierdzenie wystąpienia zjawiska lub jego braku, zagadnienie to nie jest aż tak znaczące [80,82]. W przetwornikach CCD występuje problem prądu ciemnego, szumów i samoistnego rozładowywania się kondensatorów, co może wywierać znaczący wpływ na rejestrację sygnałów o małym natężeniu lub na wyniki pomiarów w warunkach niekorzystnych temperaturowo. „Słaby” sygnał optyczny może „zniknąć” w szumie fotonowym lub w szumie termicznym. Ponadto określenie parametrów wielkości zakłócających rejestrację (np. pomiar prądu ciemnego czy zlokalizowanie gorących pikseli) pozwala na uwzględnienie ich wartości w późniejszej obróbce uzyskanych wyników lub ich eliminację już w procesie rejestracji za pomocą odpowiednich kompensujących układów elektronicznych. Niestety, eliminacja niektórych rodzajów szumów, np. szumu pink noise lub szumu związanego z różnicą czułości poszczególnych pikseli, jest możliwa w ograniczonym zakresie, gdyż mechanizmy tych zakłóceń są spowodowane specyfiką procesu technologicznego [80]. Istotny wpływ na jakość pomiaru ma również czułość spektralna przetwornika CCD pełniącego rolę detektora. Im bardziej pokrywa się ona z zakresem widmowym Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 55 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED rejestrowanego promieniowania, tym bardziej wiarygodnych informacji może dostarczyć pomiar [82]. Rys. 5.1. Przykładowe pierścienie pośrednie [125] Kolejne zagadnienie wiąże się z odległością między rejestrowanym obiektem a światłoczułą matrycą przetwornika CCD. Im lepsze wypełnienie matrycy CCD obrazem badanego obiektu, tym lepsze jest jego odwzorowanie. Tak więc, w przypadku gdy mamy do czynienia z niewielkim rejestrowanym obszarem, którego obraz jest odwzorowywany na całej powierzchni matrycy tylko przy małych odległościach, można [80]: zastosować pierścienie pośrednie, tzw. kręgi (rys. 5.1), umieszczając je pomiędzy matrycą CCD a układem optycznym w celu zmniejszenia minimalnej odległości rejestracji MOD (Minimal Object Distance) przy zachowaniu pełnej rozdzielczości kamery, użyć obiektywu o mniejszej ogniskowej. 5.2. Problemy metrologiczne występujące w wybranych badaniach z zastosowaniem układu: matryca LED – przetwornik CCD Oprócz typowych zakłóceń i błędów występujących w każdym torze pomiarowym przeznaczonym do pozyskiwania i przetwarzania obrazu z wykorzystaniem przetwornika CCD, takich jak: zakłócenia powstające przed obiektywem kamery CCD, zniekształcenia w torze optycznym (aberracje sferyczne i chromatyczne soczewki obiektywu) [9], błędy wprowadzane przez szumy w przetworniku CCD [6,9,28,42], Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 56 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych niejednorodność matrycy przetwornika CCD (gorące piksele) [6,9,28,42], zakłócenia występujące w torze analogowym, błędy pojawiające się podczas przetwarzania sygnału z analogowego na cyfrowy [28,42], oraz zniekształcenia wynikające z niewłaściwej obróbki czy też niepoprawnej interpretacji danych, które można wyeliminować lub zminimalizować poprzez zmianę konfiguracji sprzętu, oprogramowania oraz użytych metod analizy, pojawiają się również problemy związane ze specyfiką zastosowania. W zależności od przeznaczenia aplikacyjnego badanego układu, konieczne jest uwzględnienie odmiennych problemów metrologicznych i czynników je powodujących. Obszar praktycznej aplikacji wpływa na wybór metody i rodzaju badań, a także decyduje o tym, które parametry są istotne, a które nie mają znaczącego wpływu na wynik końcowy. Poniżej przedstawiono wybrane zastosowania matryc LED z wyszczególnieniem celu i rodzaju niezbędnych badań oraz problemów metrologicznych, które można w nich napotkać. Badanie matryc diod LED 1. Zastosowania: a. sygnalizacja świetlna, b. wyświetlacze LED, c. diody LED dużej mocy. 2. Cel badań: a. kontrola jednorodności i poziomu natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody LED, b. wykrywanie diod nieświecących lub emitujących promieniowanie na zbyt niskim poziomie, w celu określenia czy cały moduł nadaje się już do wymiany, czy też nie. 3. Istota pomiarów: a. w sygnalizacji świetlnej: określenie wartości sumarycznego natężenia promieniowania całej matrycy; porównanie tej wartości ze zdefiniowaną wcześniej minimalną wartością natężenia promieniowania jakie powinno emitować urządzenie; b. w wyświetlaczach LED: Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 57 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED określenie rozmieszczenia diod nieświecących, które zgrupowane w jednej części matrycy mogą powodować zniekształcenie wyświetlanej informacji; określenie czy wszystkie diody emitują promieniowanie o tej samej wartości natężenia, tak aby poszczególne piksele odwzorowywały wyświetlaną informację z tym samym poziomem natężenia jasności; c. w diodach LED dużej mocy: określenie wartości sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu; porównanie tej wartości ze zdefiniowaną wcześniej minimalną wartością natężenia promieniowania jakie powinna emitować dioda mocy; identyfikacja diod nieświecących lub świecących słabo i ich umiejscowienia w matrycy; zgrupowanie w jednym miejscu takich diod, również może być powodem odrzucenia takiego modułu, ze względu na zmianę rozkładu przestrzennego strumienia świetlnego diody mocy. 4. Problem pomiarowy i czynniki go powodujące: nie można bezpośrednio (gołym okiem) określić, które diody świecą i jaka jest wartość natężenia emitowanego przez nie promieniowania. Wynika to z nakładania się strumieni promieniowania diod sąsiadujących ze sobą w matrycy - pomimo ukierunkowania strumienia świetlnego, część promieniowania jest emitowana na boki (jest to związane z budową diody i z kształtem wiązki strumienia świetlnego): a. w sygnalizacji świetlnej: zmienne warunki pomiaru (temperatura i oświetlenie otoczenia); b. w wyświetlaczach LED: duża liczba diod LED, gęste upakowanie diod LED; c. w diodach LED dużej mocy: gęste upakowanie diod LED, rozpraszanie światła w tworzywie (np. w luminoforze), w którym zatopione są diody LED. 5. Rodzaj badań: a. wykrywanie tzw. błędów pozytywnych i negatywnych [1012]; b. badanie wpływu parametrów pomiaru na wynik rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD w celu określenia najodpowiedniejszych parametrów pomiaru w badaniach na potrzeby danych aplikacji. 6. Istotne parametry: Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 58 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a. czas ekspozycji równy czasowi akwizycji danych; b. synchronizacja początku emisji promieniowania przez diodę LED z początkiem akwizycji danych. Ograniczenia kamery CCD związane z temperaturą pracy 1. Cel badań: określenie wpływu temperatury otoczenia na niedokładność rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED przy użyciu kamery CCD. 2. Istota pomiaru: określenie jakościowego i ilościowego wpływu temperatury otoczenia na wynik pomiaru kamerą CCD. 3. Problem pomiarowy: wpływ temperatury na wynik pomiaru. 4. Rodzaj badań: badanie wpływu temperatury na niedokładność rejestracji promieniowania przy użyciu kamery CCD w zakresie temperatur od 5 C do +45 C. 5. Istotne parametry: określenie wpływu temperatury na wynik pomiaru w zależności od czasu ekspozycji i czasu trwania rejestrowanego sygnału optycznego. Problemy związane z omówionymi rodzajami badań zestawiono w tabeli 5.1. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 59 Istota pomiaru 3 Matryce diod LED w wyświetlaczach LED 4 Matryce diod LED w diodach LED dużej mocy Wyznaczenie sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu diod LED, w celu sprawdzenia czy nie zmalało poniżej określonej wartości Sprawdzenie rozmieszczenia diod nieświecących w matrycy (czy są zgrupowane w jednej części, czy rozłożone równomiernie na całej matrycy), w celu określenia stopnia zniekształcenia wyświetlanej informacji Ocena wartości natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody, w celu sprawdzenia czy poszczególne piksele odwzorowują obraz z tym samym poziomem natężenia jasności Określenie wpływu temperatury otoczenia na niedokładność rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED przy użyciu kamery CCD 6 Badanie ograniczeń kamery CCD związanych z jej temperaturą pracy Wyznaczenie sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu diod LED, w celu sprawdzenia czy nie zmalało poniżej określonej wartości Sprawdzenie Określenie jakościowego rozmieszczenia diod i ilościowego wpływu nieświecących w matrycy temperatury otoczenia na wynik pomiaru kamerą CCD zgrupowanie diod nieświecących w jednym miejscu może być powodem odrzucenia takiego modułu ze względu na zmianę rozkładu przestrzennego strumienia świetlnego diody Wykrywanie liczby diod nieświecących lub świecących zbyt słabo, w celu określenia czy cały moduł nadaje się już do wymiany, czy też nie Sprawdzanie jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody LED 2 1 Cel badań Matryce diod LED stosowane w sygnalizacji świetlnej Obszar zastosowania Tab. 5.1. Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 60 Istotne parametry Rodzaj badań Ograniczenia i problemy metrologiczne 1 3 4 Gęste upakowanie diod Rozpraszanie światła w tworzywie, w którym „zatopione” są diody Wykrywanie tzw. błędów pozytywnych i błędów negatywnych: błędy pozytywne pojawiają się, gdy pozornie dioda emituje światło, a w rzeczywistości jedynie odbija promieniowanie pochodzące z sąsiednich diod, błędy negatywne pojawiają się, gdy pozornie dioda nie świeci, mimo iż jest włączona i działa poprawnie Gęste upakowanie oraz duża liczba diod LED Czas ekspozycji równy czasowi akwizycji danych Zsynchronizowanie początku emisji promieniowania elektroluminescencyjnego przez diodę LED z momentem rozpoczęcia rejestracji danych Badanie ograniczeń związanych z czasem integracji przetwornika CCD względem czasu trwania rejestrowanego promieniowania i jego intensywności w celu określenia najodpowiedniejszych parametrów pomiaru w badaniach na potrzeby danych aplikacji Zmienne warunki pomiaru (oświetlenie i temperatura otoczenia) Nie można bezpośrednio (gołym okiem) określić, która dioda świeci, a która nie, i jaki jest poziom natężenia emitowanego promieniowania. Jest to spowodowane nakładaniem się strumieni promieniowania diod sąsiadujących ze sobą w matrycy, związane m.in. z kształtem wiązki strumienia świetlnego (pomimo ukierunkowania strumienia świetlnego, część promieniowania jest emitowana na boki, wynika to z budowy diody) 2 Określenie wpływu temperatury na wynik pomiaru w zależności od czasu ekspozycji i czasu trwania rejestrowanego sygnału Badanie wpływu temperatury na niedokładność rejestracji promieniowania przy użyciu kamery CCD w zakresie temperatury od 5 C do +45 C Wpływ temperatury na wynik pomiaru 6 Tab. 5.1. Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach (cd) Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 61 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 5.3. Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania diod LED z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD Proponowany przez autorkę sposób ma na celu umożliwienie szybkiego, stosunkowo prostego i jednocześnie wystarczająco wiarygodnego przekształcenia zarejestrowanych obrazów, na potrzeby otrzymania informacji o natężeniu i stopniu jednorodności promieniowania widzialnego emitowanego przez diody LED. Sposób ten pozwala przeprowadzić pośredni pomiar natężenia promieniowania przy zachowaniu właściwości dynamicznych, których brak w technikach spektroi radiometrycznych oraz równie szybko jak w metodzie fotometrycznej, przy jednoczesnym zmniejszeniu błędu niedopasowania krzywej czułości spektralnej do widma badanej diody (p. rozdział 3.5). W przyrządach fotometrycznych maksimum wartości czułości spektralnej nie przypada na długość fali promieniowania emitowanego przez białe lub niebieskie diody LED, więc potrzebna jest korekcja widmowa głowicy fotometrycznej [19,25]. Natomiast w kamerach CCD czułość widmowa jest na zbliżonym poziomie praktycznie w całym zakresie pomiarowym kamery (rys. 5.2), dzięki czemu można przeprowadzać rejestrację promieniowania widzialnego o różnych długościach fali przy zachowaniu tej samej R [j.w.] dokładności pomiaru. λ [nm] Rys. 5.2. Względna czułość spektralna użytej w pomiarach matrycy CCD 1/3˝ typu PS IT zabudowanej w kamerze CCD Sony DFW-X710 [45] Przyjęte procedury sposobu przetwarzania i analizy są następujące [65,87,103]: 1) promieniowanie emitowane przez diody LED jest rejestrowane przez kamerę CCD, cyfrowego interfejsu Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 62 a następnie przesyłane do komputera za pomocą Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych komunikacyjnego IEEE 1394 FireWire. Sygnał zewnętrznego wyzwolenia kamery (który inicjuje pomiar) i sygnały emitowane przez diody są sterowane przez ten sam układ sterujący, co pozwala na synchronizację tych sygnałów w czasie. Sterowanie pomiarem w celu zmiany jego parametrów oraz obserwację i rejestrację wyników umożliwia oprogramowanie wykonane w graficznym środowisku LabVIEW. Czas trwania pomiaru określa czas ekspozycji kamery CCD; 2) na początku każdej serii pomiarów rejestruje się obraz tła (obraz diody LED i jej najbliższego otoczenia przed załączeniem zasilania diody) w celu wyznaczenia wartości progowej (rys. 5.3a i b); kolejno: wykonuje się histogram obrazu tła, z histogramu obrazu tła wyznacza się poziom jasności piksela, odpowiadający wartości liczby pikseli n = 0,01·nmax (1% wartości nmax) – ten poziom jasności jest wartością progową np wykorzystywaną w procesie progowania obrazu; 3) dla każdego kolorowego obrazu uzyskanego z kamery CCD wykonuje się kolejno następujące czynności (rys. 5.3c, d, e): wykonuje się histogram otrzymanego obrazu, uzyskany obraz poddaje się procesowi przekształcenia (progowania) w celu rozróżnienia fragmentu obrazu odpowiadającego diodzie i emitowanemu przez nią promieniowaniu od części związanej z tłem – jako dolną granicę w procesie progowania przyjmuje się wartość progową np wyznaczoną z histogramu obrazu tła, a jako górną granicę 254 poziom jasności (przed procesem przekształcenia jest 256 zdefiniowanych poziomów jasności od 0 do 255), z histogramu obrazu poddanego progowaniu wyznacza się średnią jaskrawość Nśr czyli średni poziom jasności piksela; Wyznaczona z histogramu wartość średniej jaskrawości Nśr zmienia się zależnie od liczby pikseli n przypadających na poszczególne poziomy jasności w histogramie, a udział poszczególnych poziomów jasności piksela w histogramie zależy od jasności obrazu, która zmienia się wraz z ilością rejestrowanego promieniowania emitowanego przez diodę; 4) przelicza się wartość bezwymiarowej wielkości Nśr na wartość natężenia promieniowania ILED wyrażoną w jednostkach fotometrycznych, czyli kandelach. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 63 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Zweryfikowane eksperymentalnie równanie przetwarzania (p. rozdział 6) wiąże bezwymiarową wielkość Nśr, uzyskaną z obrazów promieniowania zarejestrowanych kamerą CCD, z natężeniem promieniowania ILED emitowanego przez diody LED. a) b) nmax nśr =0,01nmax 0 c) wartość progowa 38 255 d) e) 0 38 255 Nśr = 4,74 Rys. 5.3. Etapy przetwarzania przykładowego obrazu uzyskanego z kamery CCD: a) przykładowy obraz tła, b) histogram przykładowego obrazu tła z wyznaczoną wartością progową, c) przykładowy obraz świecącej diody LED, d) przykładowy obraz świecącej diody LED po procesie progowania, e) histogram przykładowego obrazu świecącej diody LED po procesie progowania z wyznaczoną wartością średniej jaskrawości Nśr Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 64 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Piksele tworzące obraz z kamery CCD mają różne poziomy jasności, nawet w ciemnym obrazie czarnego tła występują nie tylko piksele o najniższym, zerowym poziomie jasności, ale także piksele o innych poziomach. Natomiast w obrazie świecącej diody LED występują piksele o poziomach jasności z całego zakresu, także tych poziomów jasności, które pojawiają się w obrazie tła. Przyjęcie poziomu jasności nmax jako dolnej granicy progowania pozwala wyeliminować z dalszych obliczeń części pikseli związanych z tłem, bez usuwania pikseli o tych poziomach jasności, jakie mogą występować zarówno w obrazie tła, jak i w obrazie świecącej diody, i informacji, które wnoszą do wyniku pomiaru. Jednak przy założeniu np = nmax w histogramie pozostaje część pikseli związanych z tłem, dlatego jako wartość progową przyjęto wartość poziomu jasności, na który przypada 1% wartości nmax. Dzięki temu w histogramie „zostają” wszystkie piksele związane z tą częścią obrazu, która przedstawia świecącą diodę, a liczba pozostałych w histogramie pikseli związanych z tłem jest pomijalna i nie wpływa znacząco na wynik końcowy. Ponadto obecność w histogramie obrazu dużej liczby pikseli o 255-tym poziomie jasności może świadczyć o przesterowaniu tego obrazu. Nawet przy precyzyjnych ustawieniach parametrów rejestracji obrazu, w celu uniknięcia jego przesterowania oraz ze względu na charakter rejestrowanego obiektu (dioda LED emitująca promieniowanie widzialne) mogą pojawić się w histogramie piksele o najwyższym poziomie jasności, dlatego aby mieć pewność, że te piksele nie wpłyną na dalsze obliczenia wprowadzono jako górną granicę progowania 254 poziom jasności. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 65 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 6. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 6.1. Struktura modelu pomiarowego 6.1.1. Założenia do modelowania Przyjęto założenie dotyczące postawionych celów i zakresu modelowania: • Istnieje zależność między liczbą ładunków elektrycznych gromadzonych przez elementy aktywne matrycy CCD a liczbą fotonów padających na te elementy, a więc istnieje również zależność między liczbą tych ładunków elektrycznych a natężeniem promieniowania widzialnego emitowanego przez badane źródło światła (w tym przypadku diody elektroluminescencyjne) [30,42]. Założenie przyjęto na podstawie analizy danych literaturowych oraz serii obserwacji zmian w zarejestrowanych obrazach świecących diod LED, które emitowały promieniowanie o różnym natężeniu. Główne cele modelowania to: • Opracowanie szybkiego i stosunkowo prostego sposobu rejestracji i przekształcania (p. rozdział 5.3) obrazów otrzymanych przy użyciu kamery z przetwornikiem CCD; • Określenie zależności między natężeniem promieniowania ILED emitowanego przez diody elektroluminescencyjne a średnią jaskrawością Nśr uzyskaną z przekształcenia obrazu zarejestrowanego kamerą CCD; • Uzyskanie przydatnych w praktyce informacji o natężeniu i jednorodności promieniowania widzialnego emitowanego przez diody elektroluminescencyjne z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD (wartość natężenia promieniowania zarówno dla poszczególnych diod LED, jak i sumaryczną dla całej matrycy LED). Przyjęte zakresy pracy kamery CCD wykorzystanej w badaniach [45]: • Zakres temperatury: od 5 ˚C do +45 C; • Przedział czasu ekspozycji: od 10 μs do 17,5 s ; • Zakres czułości spektralnej: od 400 nm do 700 nm; Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 66 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 6.1.2. Schemat funkcjonalny Podczas rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED, w detektorze z przetwornikiem CCD zachodzą kolejne procesy: transport i zliczanie ładunku, wzmocnienie sygnału oraz przekształcanie sygnału analogowego na postać cyfrową. Podczas tych procesów przetwarzania sygnału pojawiają się szumy i błędy, zarówno związane z detekcją, jak również takie, które wynikają z przekształcania sygnału wewnątrz kamery CCD. W większości kamer CCD zachodzi nieliniowe przekształcanie (tzw. mapowanie) wyjściowego sygnału cyfrowego zanim zostanie on zapisany w pamięci i przedstawiony w formie obrazu. Nieliniowa odpowiedź detektora może wpłynąć na poprawność wyników, jeśli nie zostanie uwzględniona w obróbce końcowych wartości uzyskanych z otrzymanych obrazów [28]. Na rysunku 6.1 przedstawiono schemat funkcjonalny toru pomiarowego do rejestracji promieniowania emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną przy użyciu kamery CCD z uwzględnieniem błędów i szumów. Na każdym etapie pomiaru, wraz z przekształceniami jakim poddawany jest pierwotny sygnał wysyłany przez diodę LED, zmieniają się również wartości wielkości fizycznych opisujących sygnał oraz pojawiają się błędy i zniekształcenia wynikające z zasady działania kolejnych elementów układu lub z procesów obróbki [9,18,28,42]. Po załączeniu układu zasilania zachodzi kolejno: 1) zamiana części energii elektrycznej na promieniowanie optyczne o określonej mocy P, 2) przejście promieniowania przez tor optyczny, w tym przez układ optyczny kamery, 3) przejście promieniowania o określonym natężeniu napromienienia Ep przez przesłonę, 4) padanie promieniowania o określonej wartości ekspozycji X na elementy aktywne matrycy CCD; wartość ekspozycji X zależy od czasu pomiaru i wielkości przesłony, 5) zamiana części energii promieniowania optycznego na sygnał elektryczny, 6) gromadzenie ładunku elektrycznego, 7) transport zgromadzonego ładunku elektrycznego do rejestrów, 8) zliczanie zgromadzonego ładunku (NE – liczba zgromadzonych ładunków elektrycznych), 9) przejście zgromadzonego ładunku przez układy wzmacniania sygnału, 10) otrzymanie wartości analogowych napięcia UA, Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 67 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Układ zasilania Prąd i napięcie IF, U F Dioda LED Promieniowanie emitowane przez diodę LED Szum fotonowy P. Układ optyczny Natężenie napromienienia EE Tor optyczny Przesłona Ekspozycja X Matryca CCD Liczba zgromadzonych ładunków Szum detektora NE Układ wzmocnienia Kamera CCD Wartość napięcia Szumy występujące w układach elektronicznych UA Układ elektroniczny Cyfrowa reprezentacja wartości napięcia Szumy występujące w układach elektronicznych UD Układ przetwarzania Wartość cyfrowa Błędy związane z obróbką sygnału Z Obraz Błędy związane z obróbką obrazu Poziom natężenia jasności pikseli n Przetwarzanie obrazu Błędy związane z obróbką obrazu Pole powierzchni świecącej OCCD Informacje o promieniowaniu emitowanym przez diody LED Rys. 6.1 Schemat funkcjonalny toru pomiarowego do akwizycji i obserwacji promieniowania emitowanego przez diody LED za pomocą kamery CCD z uwzględnieniem szumów i błędów Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 68 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 11) zamiana wartości analogowych napięcia UA na odpowiadające im wartości cyfrowe UD w układach elektronicznych kamery, 12) transformacja wartości cyfrowych UD na wartości cyfrowe Z w układzie przetwarzania (nieliniowe mapowanie), 13) tworzenie obrazu na podstawie danych zawartych w końcowych wartościach cyfrowych Z, 14) uzyskanie z obrazu (i jego histogramu) informacji o poziomie natężenia jasności poszczególnych pikseli n, 15) otrzymanie w procesie progowania histogramu bezwymiarowej wielkości Nśr, której wartość opisuje średni poziom jasności części obrazu związanej z promieniowaniem emitowanym przez diodę LED i jest proporcjonalna do natężenia tego promieniowania. 6.1.3. Równanie przetwarzania Promieniowanie emitowane przez diodę LED jest widoczne na obrazie z kamery CCD jako grupa pikseli jaśniejszych od otoczenia (tła). Zmiany wielkości obszaru, jaki zajmują te piksele oraz zmiany ich poziomu jasności są proporcjonalne do zmian natężenia rejestrowanego promieniowania [30]. Bezwymiarową wielkość Nśr wprowadzono po to, aby w sposób wymierny określić poziom jasności pikseli reprezentujących emitowane przez diody LED promieniowanie na obrazie z kamery CCD. Uzyskana w ten sposób wartość liczbowa jest proporcjonalna do natężenia promieniowania wysyłanego przez diodę LED. Równanie przetwarzania opisujące tę zależność ma ogólną postać: I LED f k ( N śr ) , (6.1) gdzie ILED jest natężeniem promieniowania wysyłanego przez diodę LED w zakresie widzialnym (czyli światłością diody LED), wielkość Nśr jest miarą odpowiedzi kamery CCD na sygnał wysyłany przez diodę LED. ILED jest wyrażona w jednostkach fotometrycznych, wielkość Nśr jest bezwymiarowa a jej wartość zawiera się w przedziale od 0 do 255. Kolejne etapy przekształcania wielkości charakteryzujących promieniowanie zachodzą wewnątrz kamery lub układu optycznego, dlatego nie są znane ich wartości. Jedynie wartości wielkości wejściowych (prądu i napięcia) oraz wielkości wyjściowej Nśr można zmierzyć. Jednak ze względu na bezwymiarowość wielkości Nśr nie można jej bezpośrednio przeliczyć na wielkości radiometryczne (moc promieniowania E, natężenie napromienienia EE) lub fotometryczne (natężenie oświetlenia E, światłość I). Nieznana jest również zależność Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 69 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED ilościowa między Nśr a pozostałymi wymienionymi wielkościami. Dlatego, aby otrzymać wartości parametrów optycznych diody LED badanej przy użyciu kamery CCD należy przeprowadzić pomiary w jeden z następujących sposobów: Sposób I: Wykonać pomiar kontrolny (wzorcowy) dla źródła światła (np. diody LED) o znanych wartościach parametrów optycznych, a następnie wynik każdego kolejnego pomiaru (dla źródła światła emitującego promieniowanie tego samego rodzaju czyli promieniowanie z tego samego zakresu widma elektromagnetycznego co w pomiarze kontrolnym) unormować do wyniku otrzymanego w pomiarze wzorcowym; Sposób II: Przeprowadzić pomiary porównawcze, czyli wykonać pomiary dwoma rodzajami przyrządów przy zachowaniu tych samych warunków i parametrów pomiaru (jeden z przyrządów to detektor z przetwornikiem CCD, a drugi to miernik wielkości optycznych), następnie na podstawie uzyskanych w ten sposób wyników wyprowadzić zależność wiążącą wielkość Nśr z wielkością fotometryczną używaną do opisu promieniowania emitowanego przez źródła światła takie jak diody LED. Zastosowanie sposobu I wymaga pomiaru kontrolnego, do którego odnosi się poszczególne wyniki pomiarów. W ten sposób uzyskuje się wartość końcową w postaci znormalizowanej. Niestety, wadą takiego rozwiązania jest niemożność bezpośredniego porównania wyników pomiarów przeprowadzonych różnymi kamerami CCD w różnych warunkach. Sposób II polega na wykonaniu serii pomiarów wielkości fotometrycznej (np. natężenia oświetlenia) różnymi przyrządami mierzącymi wielkości fotometryczne lub radiometryczne (luksomierz, miernik luminancji, spektroradiometr) oraz kamerą CCD przy zachowaniu tych samych wartości wielkości wejściowych i warunków pomiaru, określonych w normach dla diod LED. Z porównania otrzymanych wyników pomiarów można wyprowadzić zależność wiążącą wielkość Nśr z np. natężeniem oświetlenia E w przypadku porównania z wynikami uzyskanymi przy użyciu luksomierza. Dzięki temu otrzymuje się wynik pomiaru w jednostkach fotometrycznych, co pozwala na porównanie jego wartości z wynikami uzyskanymi w pomiarach innymi przyrządami i w innych warunkach. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 70 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 6.2. Eksperymentalna weryfikacja modelu pomiarowego 6.2.1. Stanowisko pomiarowe Na rysunku 6.2 przedstawiono ogólny widok stanowiska pomiarowego (a) oraz schemat blokowy toru pomiarowego układu do akwizycji i obserwacji zmian natężenia sygnału emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną (b) [81]. Schemat układu pomiarowego z uwzględnieniem układu sterującego sygnałem emitowanym przez diodę oraz sygnałem zewnętrznego wyzwolenia kamery pokazano na rysunku 6.3. a) b) Karta FireWire Komputer z wykonanym programem Kamera CCD Dioda LED Rys. 6.2. Ogólny widok stanowiska pomiarowego (a) oraz schemat blokowy toru pomiarowego (b) [8385,87] Rys. 6.3. Schemat blokowy układu pomiarowego z uwzględnieniem układu sterującego sygnałem emitowanym przez diodę oraz sygnałem zewnętrznego wyzwolenia kamery; 1 komora klimatyczna ILW 115-T TOP, 2 – układ sterujący [81,86,87] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 71 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Układ pomiarowy zawiera następujące elementy [86,87]: cyfrową kamerę Sony DFW-X710: matryca CCD 1/3˝ typu PS IT, wielkość obszaru aktywnego matrycy CCD: 1034 (V) × 779 (H) pikseli, zakres czułości spektralnej od 400 nm do 700 nm, zakres temperatury pracy od 5 ˚C do +45ºC [45], układ sterujący opóźnieniem i szerokością emitowanego przez diodę prostokątnego impulsu świetlnego oraz sygnałem zewnętrznego wyzwalania kamery (część układu oznaczona na rys. 6.3 jako 2), generator Tektronix AFG3102 synchronizujący sygnał sterujący diodą z impulsem załączającym kamerę, oscyloskop Tektronix TPS2024 pełniący funkcję pomocniczą w procesie synchronizacji sygnału zewnętrznego wyzwalania kamery i sygnału sterującego diodą (potwierdzenie prawidłowej synchronizacji sygnałów), komputer z oprogramowaniem pozwalającym na zmiany parametrów kamery i parametrów pomiaru (do programowania użyto środowiska graficznego LabVIEW z wykorzystaniem wybranych funkcji pakietu IMAQ) [48], komorę klimatyczną ILW 115-T TOP, w której (w przypadku pomiarów temperaturowych) umieszczano zarówno kamerę, jak i badany obiekt (część układu oznaczona na rys. 6.3 jako 1); jednorodność temperatury: ±0,2 ºC, stabilność temperatury: ±0,2 ºC, rozdzielczość nastawy temperatury: ±0,1 ºC [46]. 6.2.2. Oprogramowanie Do sterowania parametrami pomiarowymi w czasie rejestracji sygnałów za pomocą kamery z przetwornikiem CCD wykorzystano program napisany w środowisku LabVIEW. Kamerę CCD połączono z komputerem, który steruje trybem zewnętrznego wyzwalania kamery, trybem pracy migawki oraz trybem i formatem wideo przy użyciu interfejsu komunikacyjnego IEEE 1394 (karta FireWire). W programowaniu wykorzystano wybrane funkcje pakietu IMAQ [45,48,8385,87,105]. Rejestracja sygnałów może być przeprowadzona w dwóch trybach wyzwalania: w trybie 0 i 1. Tryb 0 umożliwia określenie wartości czasu ekspozycji (jest to czas otwarcia elektronicznej migawki) w zakresie od 10 s do 17,5 s, a pomiar inicjuje impuls z zewnętrznego układu wyzwalania. Natomiast w trybie 1 czas ekspozycji jest zdefiniowany przez czas trwania impulsu wyzwalania (rys. 6.4). Określenia wartości czasu ekspozycji w trybie 0 dokonuje się programowo, w jednym z dwóch wariantów: poprzez zadanie Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 72 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED wartości czasu z zakresu od 10 s do 17,5 s lub odpowiadających im wartości numerycznych z przedziału od 3 do 1 150 [45,48,8385]. Na rysunkach 6.5 i 6.6 przedstawiono panel frontowy i diagram blokowy programu sterującego. Na panelu użytkownika znajdują się: okno podglądu aktualnie rejestrowanego obrazu, dane graficzne przetworzone na postać liczbową, rozmiar danych liczbowych przeznaczonych do zapisu w pliku oraz informacja o rozdzielczości i formacie obrazu (RGB). Przyciski Wybór trybu video oraz Wybór trybu pracy migawki umożliwiają wybór odpowiednio: trybu pracy i formatu wideo oraz trybu pracy migawki. Czas otwarcia migawki jest deklarowany przez bezpośrednie wpisanie jego wartości (w sekundach) w oknie Wartość ustawiona. Ponadto, w sąsiednich oknach są wyświetlone graniczne wartości dopuszczalnych nastaw tego parametru (Wartość minimalna, Wartość maksymalna). Program pozwala na wybór szybkości odświeżania obrazu oraz rodzaj pracy samego programu: tryb monitorowania lub rejestracji obrazu, liczbę iteracji, którą ma wykonać program (definiowana w oknie Liczba obrazów) i ścieżkę zapisu pliku z obrazem. Ścieżka ta jest określana przed rejestracją w oknie Ścieżka zapisu pliku lub po zakończeniu pomiaru, gdy pojawi się okno wyboru lokalizacji zapisu [8385,87]. u(t) Impuls wyzwalający pomiar Wyzwalanie tryb 0 Rejestracja obrazu Czas ekspozycji: od 10 s do 17,5 s u(t) Impuls wyzwalający pomiar t Wyzwalanie tryb 1 Rejestracja obrazu Czas ekspozycji: równy czasowi trwania impulsu wyzwalającego t Rys. 6.4. Rejestracja obrazu w trybie 0 i 1 [45] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 73 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED W momencie uruchomienia programu jest automatycznie załączana funkcja wyzwalania sygnału w trybie 0, w którym sygnał wyzwolenia i początek rejestracji (akwizycji) obrazu występują równocześnie. Następnie można dokonać: wyboru trybu pracy i formatu wideo oraz trybu pracy migawki (shutter), określenia czasu ekspozycji i sposobu pracy programu: monitorowanie lub rejestracja. Tryb monitorowania służy do wstępnej obserwacji badanego obiektu lub zjawiska. Tę funkcję programu wykorzystuje się do doboru takich parametrów kamery jak: ostrość i wielkość przesłony (które nie są sterowane programowo, lecz ustawiane ręcznie bezpośrednio na obiektywie kamery) oraz dokładne umiejscowienie rejestrowanego obiektu w kadrze. Po ustawieniu odpowiednich parametrów można przejść do trybu rejestracji, w którym kamera zaczyna rejestrować pojedyncze obrazy w pętli wielokrotnego pozyskiwania i sumowania obrazu. Liczba rejestrowanych obrazów jest wcześniej deklarowana przez użytkownika w zależności od potrzeb (głównie celu pomiaru). Jednocześnie z rejestracją poszczególnych obrazów odbywa się ich przetwarzanie do jednowymiarowej matrycy liczb, a te dane liczbowe zostają przekonwertowane na znaki tekstowe. Po wykonaniu w pętli wszystkich iteracji pojawia się okno wyboru lokalizacji zapisu pliku. Końcowy wynik pomiaru zostaje zapisany w dwóch plikach: o rozszerzeniu txt (w formie jednowymiarowej matrycy danych) i o rozszerzeniu bmp (w formie graficznej). Obu generowanym plikom zostaje automatycznie przypisywana taka sama nazwa. W przypadku wystąpienia jakichkolwiek błędów w torze pomiarowym zostanie wygenerowany komunikat Plik nie został zapisany. Po zakończeniu wszystkich zadanych operacji następuje automatyczne wyczyszczenie rejestrów programu, a układ jest gotowy do kolejnego pomiaru [8385]. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 74 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Rys. 6.5. Panel frontowy programu sterującego parametrami pomiaru [8385,87] Joanna Parzych Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 75 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Rys. 6.6. Diagram blokowy programu sterującego parametrami pomiaru [83 85] Joanna Parzych Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 76 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 6.2.3. Przebieg pomiarów, uzyskane wyniki i ocena ich niepewności Wartość średniej jaskrawości Nśr (p. rozdział 5.3) uzyskana w wyniku obróbki obrazu zależy od wartości sygnału emitowanego przez diodę LED, jednak ilościowa zależność między średnią jaskrawością a natężeniem promieniowania nie jest znana. W celu znalezienia równania opisującego charakteryzującą zależność między promieniowanie wielkością emitowane przez optyczną, diodę tj. światłością I elektroluminescencyjną a wielkością Nśr otrzymaną z obrazu, przeprowadzono dwa rodzaje pomiarów pośrednich natężenia promieniowania: przy użyciu kamery CCD oraz za pomocą luksomierza. W obu przypadkach zachowano warunki B według CIE (odległość między oprawą diody LED a detektorem równa 100 mm, powierzchnia detektora prostopadła do osi geometrycznej diody, osie geometryczne detektora i diody pokrywają się) i zastosowano przesłony w celu odizolowania układu od wpływu innych niż badane źródeł światła będących w otoczeniu. W pomiarach wykorzystano następujące przyrządy pomiarowe [4547,49,50]: luksomierz L-100 z głowicą pomiarową typu GL-100; kamerę CCD Sony DFW-X710; źródło prądowe; multimetr BRYMEN BM859CF; multimetr Metex 4660A. Wymienione przyrządy pomiarowe wybrano ze względu na ich dostępność i powszechne stosowanie w pomiarach elektrycznych i fotometrycznych, mając na celu wykazanie ile wystarczająco wiarygodnych informacji można uzyskać przy użyciu powszechnie dostępnych narzędzi pomiarowych. W tabeli 6.1 podano zestawienie wykorzystanych przyrządów wraz z odpowiadającymi im składowymi błędu pomiaru podanymi przez producentów. Tab. 6.1. Użyte przyrządy pomiarowe i ich graniczne błędy pomiaru [45,47,49,50] Nazwa przyrządu Lp. L-100 z 1. luksomierz pomiarową typu GL-100 głowicą 2. kamerę CCD Sony DFW-X710 3. multimetr BRYMEN BM859CF Zakres pomiarowy Błąd pomiaru warunki B 2,5% of rdg+1 dgt od 400 nm do 700 nm – 50 mA 0,15% of rdg+10 dgt 20 V 0,05% of rdg+3 dgt (do pomiaru prądu) 4. multimetr Metex 4660A (do pomiaru napięcia) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 77 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Na rysunku 6.7 pokazano budowę stanowiska pomiarowego wykorzystanego do rejestracji promieniowania emitowanego przez diodę LED za pomocą: kamery CCD (a) i luksomierza (b) oraz schematycznie zilustrowano przekształcenia, jakim podlega sygnał z diody LED w torze pomiarowym. a) Stanowisko pomiarowe Dioda LED Kamera CCD r=100mm oś geometryczna ława optyczna Źródło prądowe Woltomierz Amperomierz Komputer Proces przekształcania sygnału I,U P=UI ΦP,IP EP =ΦPcosα/r2 EP X=EPΔt X Z Z=f(X) Nśr =f(Z) Nśr b) Stanowisko pomiarowe Głowica pomiarowa Dioda LED r=100mm oś geometryczna ława optyczna Źródło prądowe Woltomierz Amperomierz Luksomierz Proces przekształcania sygnału I,U P=UI ΦE,IE ᶴ ΦE=K m ΦE( λ)V( λ)d λ ΦV EV = dΦE /dA Ev IV =EV r2 /cosα IV Rys. 6.7. Budowa stanowiska pomiarowego oraz proces przekształcania sygnału z diody LED w torze pomiarowym: a) rejestracja kamerą CCD, b) pomiar luksomierzem; z uwzględnieniem wielkości otrzymanych w wyniku przekształceń (Nśr, Eν) wielkości wyjściowej pomiaru (Z, Iν) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 78 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Dla obu rodzajów przeprowadzonych pomiarów sygnał wejściowy, czyli promieniowanie emitowane przez diodę elektroluminescencyjną, jest jednakowy, natomiast z powodu transformacji jakim podlega ten sygnał w trakcie pomiaru otrzymuje się różne wielkości końcowe: fotometryczne (dla luksomierza) oraz bezwymiarowe (w przypadku kamery CCD). Uzyskane z pomiarów luksomierzem średnie wartości natężenia oświetlenia Eν przeliczono na wartości światłości Iν, czyli natężenia części widzialnej promieniowania (światłości) zgodnie ze wzorem [19,25,93]: E I cos , r2 (6.2) I E r 2 , cos (6.3) czyli gdzie r jest odległością badanej diody LED od detektora, a α to kąt między osią diody LED a kierunkiem detekcji. W pomiarach fotometrycznych można traktować diodę LED jako punktowe źródło światła, pod warunkiem, że odległość r między diodą a detektorem jest ściśle określona oraz zachowane są odpowiednie proporcje między wielkością obszaru, w którym emitowane jest promieniowanie a przyjętą odległością r. Jeśli te warunki nie są spełnione, to mamy do czynienia z warunkami pola bliskiego i do obliczeń natężenia promieniowania Iν należy użyć wzoru 6.3 z uwzględnieniem kąta α [19,25,77,90,93,121]. Natomiast w przypadku spełnienia tych warunków oraz ustawienia powierzchni detektora prostopadle do osi geometrycznej diody (zgodnie z zaleceniami CIE), można przyjąć α = 0, stąd cosα = 1, a więc równanie 6.3 przyjmuje postać: I E r 2 . (6.4) Zasady oceny niepewności wyników pomiaru Dokładność pomiaru to stopień zgodności wyniku pomiaru z wartością rzeczywistą wielkości mierzonej, a niepewność pomiaru jest parametrem związanym z wynikiem pomiaru i charakteryzującym rozrzut wartości, które można w sposób uzasadniony przypisać wielkości mierzonej [31]. Niepewność jest miarą niewiedzy o wyniku pomiaru, a ponieważ każdy pomiar jest niedokładny, a jego wynik przybliżony, to miarą tą jest przedział zawierający oszacowywaną wartość. O wyborze sposobu oszacowania niedokładności uzyskanego wyniku za pomocą opisującego ją przedziału wartości decydują rodzaj pomiaru i jego przeznaczenie. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 79 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Oszacowanie niepewności nie jest skomplikowane w pomiarach bezpośrednich, natomiast w pomiarach pośrednich konieczne jest uwzględnienie wrażliwości funkcji pomiarowej (równania przetwarzania) na zmiany mierzonych bezpośrednio wielkości związanych tą funkcją. Należy uwzględnić zarówno oddziaływanie istotnych efektów systematycznych (w tym aparaturowych), jak i przypadkowych. W pomiarach seryjnych przedział określa się na założonym poziomie ufności , np. = 0,95 lub = 0,99. W pomiarach jednokrotnych uzasadnione jest przyjęcie przedziału wyznaczonego przez błędy graniczne zastosowanej aparatury pomiarowej – w tym przypadku wyznaczony przedział nie ma podanego poziomu ufności [11,31]. Teoria niepewności przyjmuje losowy model niedokładności, a zalecenia opracowane pod egidą BIPM i ISO przez międzynarodowe organizacje metrologiczne zostały ujęte w formie Przewodnika ISO/IEC [21]. Technika szacowania niepewności pomiaru poszerza stosowaną powszechnie w metrologii użyteczną technikę szacowania tzw. błędu granicznego. W wielu przypadkach właśnie błędy graniczne wyznaczają przedział niepewności, a najważniejszym parametrem charakteryzującym dokładność przyrządu jest jego błąd graniczny w nominalnych warunkach pracy [11,21]. W tablicy 6.2 zestawiono wybrane pojęcia i określenia wykorzystywane w ocenie niepewności pomiaru [1011,21]. Tab. 6.2. Wybrane pojęcia i określenia wykorzystywane w ocenie niepewności pomiaru [10,11,21] Nazwa Niepewność pomiaru (Uncertainty of Measurement) Niepewność standardowa typu A (Type A Evaluation of Uncertainty) Niepewność standardowa typu B (Type B Evaluation of Uncertainty) Złożona niepewność standardowa (Combined Standard Uncertainty) Niepewność standardowa łączna (Combined Standard Uncertainty) Niepewność rozszerzona (Expanded Uncertainty) Definicja parametr związany z wynikiem pomiaru, charakteryzujący rozrzut wartości, które można w uzasadniony sposób przypisać wielkości mierzonej niepewność wyniku pomiaru bezpośredniego, obliczona na podstawie zaobserwowanego rozrzutu wyników serii pomiarów, równa estymatorowi odchylenia standardowego średniej niepewność wyniku pomiaru bezpośredniego, związana z niedokładnością aparatury pomiarowej, równa odchyleniu standardowemu przyjętego rozkładu błędów aparaturowych niepewność wyniku pomiaru bezpośredniego, uwzględnia niepewność standardową typu A i typu B standardowa niepewność wyniku pomiaru pośredniego, równa dodatniemu pierwiastkowi kwadratowemu z sumy wszystkich wariancji (i kowariancji) wnoszonych przez poszczególne wielkości mierzone bezpośrednio, nieskorelowane i skorelowane, z wagą wyznaczoną przez równanie przetwarzania wielkość określająca przedział wokół wyniku pomiaru, który zgodnie z oczekiwaniami może obejmować dużą część rozkładu wartości, które można w sposób uzasadniony przypisać wielkości mierzonej; otrzymuje się ją przez pomnożenie niepewności standardowej łącznej przez współczynnik rozszerzenia kα Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 80 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Statystyczna analiza wyników pomiarów opiera się na ocenie niepewności klasyfikowanych do kategorii A lub kategorii B, zależnie od sposobu ich obliczania. Kategoria niepewności A obejmuje składowe niepewności wynikające z oddziaływań efektów przypadkowych, które można obliczyć za pomocą metod statystycznych, na podstawie serii pomiarów w warunkach powtarzalności. Sytuacja pomiarowa pozwala przyjąć w analizie tej grupy niepewności jeden z dwóch rozkładów: rozkład normalny Gaussa (seria liczna, duża liczba zmiennych) lub rozkład t-Studenta (seria małoliczna, mała liczba zmiennych m < 4). Kategoria niepewności B obejmuje te składowe, które można obliczyć na podstawie danych znanych a’priori. Niepewność standardową typu B określa się za pomocą odchylenia standardowego przyjętego jednostajnego rozkładu błędów aparaturowych w granicach błędu granicznego. Tak więc, granice przedziału wyznacza odpowiednio błąd graniczny gr wynikający z niedoskonałości aparatury pomiarowej lub niepewność rozszerzona ur uwzględniająca losowość zjawisk zachodzących podczas pomiarów. W ocenie niepewności pomiarowych dla natężenia oświetlenia Eν i światłości I uwzględniono zarówno rozrzut wyników w wykonanej licznej serii obejmującej 31 pomiarów, jak i niedokładność aparatury, zgodnie z definicjami niepewności dla serii pomiarów, które podano w tab. 6.2. W wykonanych obliczeniach zastosowano zależności opisane odpowiednio wzorami (6.5) (6.11) [11]: w przypadku bezpośrednich pomiarów natężenia oświetlenia Eν: niepewność standardowa typu A: u A niepewność standardowa typu B: u B n 1 ( Ei E ) 2 , n(n 1) i 1 gr E 3 , (6.6) złożona niepewność standardowa: uC u A2 u B2 ; (6.5) (6.7) w przypadku pośrednich pomiarów światłości I: I niepewność standardowa łączna: uC E 2 I 2 2 uCE , u Br r 2 (6.8) gdzie uCEν jest składową niepewności związaną z pomiarem natężenia oświetlenia Eν, a uBr jest składową niepewności związaną z pomiarem odległości r; w przypadku pomiarów bezpośrednich i pośrednich w obliczeniach niepewności rozszerzonej: Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 81 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED niepewność rozszerzona: u r k uC , (6.9) gdzie kα jest współczynnikiem rozszerzenia. W przypadku gdy niepewność standardowa typu A jest zdecydowanie mniejsza od niepewności standardowej typu B (zachodzi nierówność u B 10 u A ), wartość złożonej niepewności standardowej może być przybliżona do wartości niepewności związanej z rozkładem błędów aparaturowych i można przyjąć, że uC u B . Współczynnik rozszerzenia ma wtedy postać: k 3 . Przyjmując α = 1 i podstawiając do wzoru na niepewność rozszerzoną u r k uC , otrzymuje się: dla bezpośrednich pomiarów natężenia oświetlenia Eν: u r k u B 3 u B 1 3 gr E 3 gr E ; (6.10) dla pośrednich pomiarów natężenia promieniowania I, gdzie uCE 10u Br , a wartość złożonej niepewności standardowej przybliżono do części związanej z natężeniem oświetlenia Eν równej u r k I u CE : E gr E I u CE 3 r 2 u CE 1 3 (0,1) 2 0,01 gr E . (6.11) E 3 Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów mających na celu wyznaczenie postaci funkcji fk opisującej zależność między wielkością optyczną charakteryzującą promieniowanie emitowane przez diodę elektroluminescencyjną a wielkością otrzymaną z obrazu (równanie 6.1), przeprowadzono również dodatkowe pomiary mające na celu określenie stopnia wpływu na wynik końcowy takich czynników jak: odległość między detektorem a diodą LED, położenie diody LED względem detektora (kąt między osiami geometrycznymi diody LED i detektora), nastawa ostrości kamery CCD, zewnętrzne oświetlenie (tło), temperatura otoczenia diody LED. Pomiary przeprowadzono dla sześciu wybranych rodzajów diod LED, którymi były: dioda LED LL-504WC-W2-3QD, emitująca promieniowanie o barwie białej, o parametrach: Ø = 5 mm, IF max = 25 mA, VF = (2,8 – 3,8) V Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD dla IF = 20 mA, 82 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Iν = (6500 – 10000) mcd, 2θ1/2 = 30˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED5WW; dioda LED OSM5DL5111A-VW, emitująca promieniowanie o barwie ciepłej białej, o parametrach: Ø = 5 mm, IF max = 30 mA, VF = (2,9 – 3,6) V dla IF = 20 mA, Iν = (14 000 – 18 000) mcd, 2θ1/2 = 15˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED5W; dioda LED S300TWW4G-S-2800K, emitująca promieniowanie o barwie ciepłej białej, o parametrach: Ø = 3 mm, IF max = 30 mA, VF = (2,8 – 3,8) V dla IF = 20 mA, Iν = 5000 mcd, 2θ1/2 = 30˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED3W; dioda LED OS5RPM5A31A-QR, emitująca promieniowanie o barwie czerwonej, o parametrach: Ø = 5 mm, IF max = 50 mA, VF = (1,8 – 2,6) V dla IF = 20 mA, Iν = (5800 – 8400) mcd, 2θ1/2 = 30˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED5R; dioda LED OSPG5131A-ST, emitująca promieniowanie o barwie zielonej, o parametrach: Ø = 5 mm, IF max = 30 mA, VF = (2,8 – 4,0) V dla IF = 20 mA, Iν = (8400 – 12000) mcd, 2θ1/2 = 30˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED5G (dla r = 100 mm) i LED5G_316 (dla r = 316 mm); dioda LED OSUB5131A-PQ, emitująca promieniowanie o barwie niebieskiej, o parametrach: Ø = 5 mm, IF max = 30 mA, VF = (2,8 – 4,0) V dla IF = 20 mA, Iν = (4200 – 7000) mcd, 2θ1/2 = 30˚; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako odpowiednio LED5B (dla r = 100 mm) i LED5B_316 (dla r = 316 mm). Dla diod LED zielonej i niebieskiej przeprowadzono dodatkowe pomiary przy odległości r = 316 mm ze względu na duże wartości Nśr bliskie nasyceniu (bliskie maksymalnej wartości Nśr równej 254). Jak już zaznaczono, na każdą serię pomiarową składało się 31 pomiarów. Pomiary przeprowadzano dla odległości r = 100 mm i r = 316 mm, przy prądzie zasilania diody IF równym 5 mA, 10 mA, 15 mA i 20 mA, dla kąta α z zakresu od 0˚ do 30˚, przy oświetleniu równym 0,005 lx, 5 lx, 20 lx i 100 lx oraz dla czterech wybranych nastaw ostrości. Badanie wpływu odległości W tabeli 6.3 przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych przy użyciu luksomierza i kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab. 6.4 wartości średnie Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED. Jedyną Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 83 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED wielkością, której wartość zmieniano podczas pomiarów była odległość r między diodą LED a detektorem. Przed każdym kolejnym pomiarem wartość wielkości r nastawiano na nowo w celu sprawdzenia jaki rozrzut wyników powoduje niedokładność nastawy odległości r. Pomiary przeprowadzono dla czterech wybranych wartości prądu zasilania diody: 5 mA, 10 mA, 15 mA i 20 mA. Tab. 6.3. Wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla diody LED5WW dla wybranych wartości prądu IF LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Wartości średnie uA uA% Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] Natężenie oświetlenia Eν [lx] IF = 5 mA IF = 10 mA IF = 15 mA IF = 20 mA IF = 5 mA IF = 10 mA IF = 15 mA IF = 20 mA 82,31 82,45 82,36 82,74 82,83 82,79 82,73 82,95 82,94 82,95 83,09 82,99 82,85 83,09 83,02 83,43 83,19 83,52 83,50 83,70 84,71 84,49 85,54 85,77 85,55 85,66 85,57 85,63 85,72 85,71 85,42 128,46 128,23 128,54 128,69 128,56 128,56 128,46 128,91 128,74 129,06 128,56 128,78 128,87 128,78 129,06 128,72 128,70 128,78 128,72 128,97 128,47 128,84 128,87 128,57 128,59 128,85 128,62 128,98 128,66 128,81 128,93 159,36 159,31 159,91 160,69 160,59 160,58 160,31 160,63 160,49 160,65 160,43 160,82 160,81 160,91 160,96 161,00 161,00 161,15 160,75 160,90 160,43 160,60 161,06 161,47 161,00 161,20 161,43 161,91 161,67 161,69 161,55 178,58 178,51 178,55 178,90 178,49 178,31 178,46 178,34 178,28 178,70 178,21 178,48 178,28 178,07 178,25 178,09 178,18 178,11 178,68 178,05 178,06 178,81 178,27 178,14 178,18 178,55 178,49 178,54 178,55 178,41 178,16 291,3 291,5 291,5 291,5 291,5 291,7 291,7 291,6 291,7 291,7 291,7 291,8 291,8 291,7 291,7 291,8 291,8 291,8 291,8 291,8 291,7 291,9 291,7 291,8 291,7 291,8 291,8 291,8 291,7 291,8 291,8 560,1 560,9 560,8 560,9 560,9 561,2 561,5 561,3 561,2 561,2 561,4 561,3 561,2 561,2 561,5 561,4 561,3 561,5 561,4 561,5 561,4 561,4 561,1 561,7 561,5 561,5 561,6 561,7 561,7 561,6 561,7 804,0 805,7 805,8 805,7 805,3 805,6 806,0 806,5 806,4 806,6 806,3 806,1 806,4 806,5 806,3 806,4 806,2 806,4 807,3 807,1 807,1 807,0 806,8 807,9 807,3 807,5 807,4 807,1 807,7 807,1 806,8 1029 1029 1031 1029 1030 1032 1033 1033 1033 1032 1033 1034 1032 1034 1032 1033 1032 1034 1033 1033 1033 1032 1033 1032 1033 1033 1033 1031 1033 1034 1032 83,8 j.w. 128,7 j.w. 160,8 j.w. 178,38 j.w. 291,71 lx 561,31 lx 806,5 lx 1032,3 lx 1,3 j.w. 0,2 j.w. 0,2 j.w. 0,23 j.w. 0,13 lx 0,34 lx 0,9 lx 1,5 lx 1,6% 0,16% 0,4% 0,13 % 0,05% 0,06% 0,1% 0,14% Wielkości otrzymane z pomiarów luksomierzem i z rejestracji kamerą CCD są wyrażone w różnych jednostkach oraz przyjmują wartości z różnych przedziałów liczbowych: od 0 do 255 dla Nśr i od 0,001 lx do 3 klx dla Eν. Dlatego w celu porównania Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 84 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych rozrzutu wyników obu wielkości zastosowano procentową względną wartość niepewności standardowej typu A, obliczoną odpowiednio ze wzoru: u A% uA u A% uA 100% . N śr E 100% (6.12) lub (6.13) Tab. 6.4. Średnie wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości prądu IF Dioda LED LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 IF [mA] 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 Wartość średnia Nśr [j.w.] 83,8 128,7 160,8 178,38 79,59 113,16 137,5 156,49 41,4 74,0 92,70 105,56 68,3 105,8 127,2 146,0 181,5 236,23 251,8 253,051 252,24 253,024 253,070 253,098 28,52 50,0 63,52 73,9 70,2 106,44 135,0 157,84 Eν [lx] 291,71 561,31 806,5 1032,3 402,9 733,7 1027,6 1294,8 244,35 458,43 647,8 816,5 170,46 348,4 518,5 682 751,8 1321,9 1813,9 2260 358,68 637,73 874,1 1083,8 112,88 194,80 264,26 325,4 41,48 73,28 100,39 124,35 Niepewność standardowa uA uA dla Nśr [j.w.] 1,3 0,2 0,6 0,24 0,12 0,15 0,2 0,24 0,2 0,2 0,15 0,16 0,3 2,4 1,2 0,4 0,3 0,14 0,08 0,008 0,05 0,006 0,002 0,004 0,08 0,1 0,08 0,1 0,2 0,22 0,3 0,32 uA dla Eν [lx] 0,13 0,34 0,9 1,5 0,2 0,7 1,2 2,1 0,09 0,21 0,6 0,8 0,16 0,6 1,2 3 0,2 0,7 0,6 7 0,06 0,14 0,7 0,7 0,054 0,14 0,24 0,3 0,035 0,041 0,032 0,06 Względna niepewność standardowa uA% [%] uA% dla Nśr uA% dla Eν 1,5 0,04 0,15 0,06 0,4 0,10 0,13 0,14 0,14 0,05 0,13 0,09 0,13 0,11 0,15 0,16 0,2 0,03 0,3 0,05 0,16 0,08 0,15 0,09 0,4 0,09 2 0,2 0,9 0,22 0,3 0,5 0,14 0,02 0,06 0,05 0,03 0,03 0,003 0,31 0,02 0,02 0,002 0,02 0,001 0,08 0,001 0,06 0,3 0,05 0,2 0,07 0,13 0,09 0,12 0,09 0,23 0,08 0,2 0,06 0,2 0,03 0,2 0,04 Jak można zauważyć w tabeli 6.4 i na rysunku 6.8, wartość uA% jest mniejsza dla pomiarów wykonanych luksomierzem. Dla wyników uzyskanych kamerą CCD niepewność uA% przyjmuje wartości z przedziału (0,001 – 0,3) % oprócz dwóch przypadków, gdy przyjmuje wartości wyższe od 1,5%, a dla wyników uzyskanych luksomierzem niepewność uA% przyjmuje wartości z przedziału (0,02 – 0,31) %. Mniejszy zakres zmian wartości w przypadku pomiarów luksomierzem oznacza, że pomiar luksomierzem jest bardziej stabilny, jednak różnica wartości uA% jest nieznaczna. Natomiast odwrotna sytuacja (większe wartości Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 85 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych niepewności uA% dla luksomierza) w przypadku diody LED5B jest spowodowana tym, że przy odległości r = 100 mm na obrazach z kamery CCD uzyskuje się efekt nasycenia. Przy odległości r = 316 mm efektu nasycenia nie ma, więc rozrzut wyników jest większy. a) b) 0,16 1,5 Nsr E 0,12 uA% [%] uA% [%] 1,0 0,5 0,08 Nsr E 0,04 0,0 5 10 15 5 20 10 IF [mA] 15 20 IF [mA] c) d) 0,25 2,0 Nsr Nsr E E 1,5 uA% [%] uA% [%] 0,20 0,15 0,10 1,0 0,5 0,05 0,0 5 10 15 5 20 10 IF [mA] 15 20 15 20 IF [mA] e) f) Nsr 0,3 Nsr 0,075 E E 0,050 uA% [%] uA% [%] 0,2 0,1 0,0 0,025 0,000 5 10 15 5 20 10 IF [mA] IF [mA] g) h) Nsr uA% [%] uA% [%] 0,225 E 0,225 0,150 0,150 Nsr E 0,075 0,075 5 10 15 IF [mA] 20 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.8. Względna niepewność standardowa uA% w funkcji prądu zasilania diody LED przy r = 100 mm dla diod: LED5WW (a), LED5W (b), LED3W (c), LED5R (d), LED5G (e), LED5B (f) i przy r = 316 mm dla diod: LED5G_316 (g), LED5B_316 (h) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 86 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Ponadto w większości przypadków pomiaru luksomierzem procentowa wartość względnej niepewności standardowej uA% rośnie wraz ze wzrostem wartości prądu zasilającego diodę LED, a dla wyników zarejestrowanych kamerą CCD obserwuje się tendencję przeciwną (rys. 6.8). Badanie wpływu kąta W tabeli 6.5 przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych przy użyciu luksomierza i kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab. 6.6 wartości średnie Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania IF = 20 mA. Pomiary przeprowadzono dla różnych wartości kąta α między osiami geometrycznymi diody LED i detektora w celu sprawdzenia, w jakim stopniu zmiana kąta wpływa na wynik pomiaru luksomierzem oraz na wynik rejestracji kamerą CCD. Tab. 6.5. Wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania o diod LED za pomocą kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych wartości kąta α LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N śr [j.w.] uA [j.w.] uA% [%] Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] α = 4˚ α = 5˚ α = 10˚ 176,31 176,36 168,08 176,03 176,66 168,05 176,13 176,59 168,03 176,26 176,52 168,01 176,44 176,35 167,93 176,04 176,14 167,90 175,92 176,44 168,11 175,98 176,50 167,80 176,27 176,39 168,13 176,11 176,26 167,92 176,28 176,47 167,91 175,90 176,32 167,91 176,09 176,53 167,86 176,03 176,46 168,02 176,07 176,29 167,95 176,04 176,41 167,98 176,18 176,39 167,95 176,10 176,55 167,83 175,92 176,35 167,96 176,07 176,32 167,84 175,95 176,39 167,81 176,27 176,32 167,84 175,83 176,25 168,17 176,08 176,30 167,79 175,95 176,34 167,78 175,91 176,17 167,73 175,19 176,07 167,88 175,99 176,28 167,81 175,73 176,43 167,96 175,97 176,41 167,76 176,03 176,37 167,93 α = 0˚ 177,47 177,52 177,34 177,30 177,35 177,19 177,52 177,33 177,40 177,36 177,42 177,19 177,22 177,35 177,45 177,42 177,49 177,20 177,44 177,11 177,33 177,37 177,16 177,50 177,18 177,39 177,54 177,40 177,41 177,20 177,34 α = 1˚ 177,09 176,97 177,05 177,15 176,99 177,00 177,12 176,96 177,04 176,66 176,82 176,79 176,73 176,84 176,99 176,85 176,69 176,73 177,01 176,82 176,74 176,78 176,69 176,84 176,47 176,36 176,50 176,83 176,58 176,80 176,84 α = 2˚ 175,94 176,04 175,77 175,71 176,04 176,12 176,13 175,86 175,88 175,81 175,85 175,82 175,68 175,96 175,74 175,63 175,74 175,61 175,60 175,49 175,71 175,70 176,10 175,65 175,58 175,73 175,69 175,60 175,96 175,57 175,79 α = 3˚ 175,94 175,83 175,60 175,92 175,49 175,73 175,86 175,73 175,59 175,77 175,77 175,45 175,61 175,70 175,72 175,97 175,90 175,58 175,52 175,77 175,71 175,85 176,02 175,85 175,94 175,83 175,63 175,85 175,99 175,63 175,76 α = 15˚ 140,20 139,99 139,97 139,88 140,20 140,13 140,19 140,11 140,03 140,14 139,77 140,08 140,26 140,12 140,04 139,76 140,14 139,97 139,95 139,70 140,03 139,83 139,74 139,86 139,89 139,91 139,94 139,83 140,10 139,96 139,98 α = 20˚ 110,02 109,73 109,60 109,64 109,78 109,47 109,84 109,81 109,99 109,60 109,88 109,47 109,56 109,84 109,69 109,84 109,72 109,54 109,80 109,89 109,79 109,54 109,52 109,71 109,51 109,62 109,41 109,70 109,71 109,66 109,71 177,15 177,0 175,7 175,78 176,04 176,36 168,16 139,72 110,0 0,13 0,2 0,2 0,16 0,22 0,07 0,11 0,1 0,09 0,12 0,13 0,13 0,16 0,07 0,07 0,11 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD α = 25˚ α = 30˚ 83,30 60,00 83,43 59,96 83,43 59,95 82,91 59,81 83,25 59,83 83,18 59,84 83,18 59,68 83,35 59,67 83,01 59,54 83,06 59,71 83,15 59,47 83,15 59,57 82,93 59,72 82,99 59,52 82,82 59,68 83,33 59,59 82,95 59,79 83,19 59,73 83,15 59,64 83,15 59,85 83,05 59,57 83,15 59,76 83,09 59,84 82,96 59,58 83,11 59,76 82,79 59,52 82,93 59,62 83,07 59,80 82,87 59,62 82,76 59,83 83,10 59,72 83,5 59,91 0,2 0,2 0,15 0,15 0,23 0,24 87 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Jak widać w tabeli 6.7 i na rysunku 6.9, wartości wyrażonej w procentach niepewności standardowej typu A uA% dla obu detektorów są zbliżone i nie przekraczają 0,6% (dla luksomierza uA% = (0,01 – 0,5) %, a dla kamery CCD uA% = (0,005 – 0,6) %). Natomiast na wykresach przedstawiających zależność Nśr i Eν od kąta α (rys. 6.96.16) widać, że charakterystyki Eν = f(α) mają bardziej stromy przebieg niż charakterystyki Nśr = f(α), czyli wyniki uzyskane przy wykorzystaniu kamery CCD są mniej podatne na zmiany kąta α w zakresie od 0˚ do 10˚, a dla diody LED5W, która ma o połowę mniejszy kąt połówkowy od pozostałych badanych diod, w zakresie od 0˚ do 3˚. Tab. 6.6. Wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą luksomierza dla diody LED5WW dla wybranych wartości kąta α LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 E [lx] α = 0˚ 1031 1034 1035 1035 1034 1033 1032 1033 1032 1033 1032 1032 1032 1032 1032 1033 1033 1032 1032 1032 1032 1032 1031 1032 1030 1031 1031 1031 1031 1031 1031 Natężenie oświetlenia Eν [lx] α = 4˚ α = 5˚ α = 10˚ α = 15˚ 1035 1023 876,3 566,6 1034 1024 877,1 566,3 1031 1022 876,3 567,2 1033 1022 876,6 565,6 1031 1021 875,8 566,7 1032 1022 875,8 566,8 1032 1021 876,0 567,3 1033 1022 876,1 566,9 1030 1021 876,3 567,3 1032 1021 875,8 566,1 1031 1021 877,3 566,7 1031 1021 877,0 567,2 1031 1022 875,6 567,1 1031 1020 876,9 566,7 1031 1022 874,5 567,1 1031 1021 875,8 566,7 1031 1021 877,0 566,8 1031 1021 876,9 566,0 1031 1022 875,5 567,1 1031 1022 876,5 566,5 1030 1021 876,6 567,2 1032 1021 874,7 566,5 1030 1023 875,7 566,7 1031 1022 876,1 566,6 1031 1022 876,0 566,6 1030 1023 876,5 565,7 1029 1023 876,2 565,9 1029 1023 876,0 566,6 1030 1022 875,9 566,3 1030 1022 876,2 566,4 1029 1020 876,1 566,3 α = 1˚ 1035 1033 1033 1032 1033 1032 1032 1031 1031 1030 1029 1031 1030 1029 1031 1028 1030 1030 1030 1030 1029 1028 1029 1029 1029 1029 1029 1029 1028 1029 1029 α = 2˚ 1032 1031 1031 1032 1030 1029 1031 1030 1029 1030 1028 1029 1029 1029 1028 1029 1029 1028 1028 1029 1028 1028 1028 1029 1028 1028 1028 1027 1028 1028 1028 α = 3˚ 1034 1033 1033 1032 1030 1031 1032 1032 1030 1031 1030 1030 1030 1030 1029 1029 1029 1030 1029 1029 1029 1029 1029 1029 1028 1028 1028 1028 1028 1028 1027 α = 20˚ 332,4 331,8 332,4 332,5 332,3 332,2 332,4 332,4 332,3 332,4 332,5 332,1 331,8 332,2 332,3 332,4 332,3 332,3 332,5 332,4 332,3 332,4 332,4 332,4 332,6 332,5 332,2 332,1 331,9 332,3 332,3 1032,2 1030 1029,0 1030 1031,1 1022 876,2 566,6 332,3 154,27 92,27 uA [lx] 1,2 1,726 1,3 2 1,4 1 0,7 0,5 0,2 0,11 0,12 uA% [%] 0,11 0,2 0,13 0,2 0,13 0,09 0,07 0,08 0,06 0,07 0,13 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD α = 25˚ α = 30˚ 154,5 92,6 154,1 92,5 154,0 92,3 154,3 92,3 154,2 92,2 154,3 92,4 154,4 92,3 154,3 92,3 154,4 92,2 154,3 92,3 154,3 92,3 154,3 92,3 154,4 92,4 154,2 92,3 154,3 92,1 154,3 92,2 154,3 92,3 154,3 92,4 154,2 92,3 154,1 92,3 154,3 92,1 154,3 92,2 154,3 92,3 154,3 92,2 154,4 92,2 154,2 92,2 154,1 92,3 154,3 92,1 154,2 92,2 154,3 92,0 154,3 92,3 88 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Tab. 6.7. Średnie wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości kąta α Dioda LED α [˚] 1 2 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 10 15 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B Wartość średnia Nśr [j.w.] 3 177,34 176,8 175,8 175,76 176,03 176,37 167,93 139,98 109,7 83,1 59,72 161,51 159,2 142,95 129,26 111,48 94,3 42,80 21,25 107,13 107,0 106,81 106,68 106,55 105,6 102,2 86,10 64,17 40,78 26,62 158,8 157,67 154,6 154,66 147,05 150,0 172,7 40,54 24,67 21,11 19,49 251,25 251,72 251,81 251,52 250,76 246,91 193,6 76,4 65,68 60,81 62,13 252,745 252,584 251,56 Eν [lx] 4 1032,2 1030 1029,0 1030 1031,1 1022 876,2 566,6 332,3 154,27 92,27 1318 1259,7 1105,2 985,7 662,68 614,7 182,88 43,79 858 858,1 855,2 849,4 841,1 829 736,9 576,8 395,2 249,1 155,86 697 705 689,8 688,8 688 699 838,6 124,4 47,33 36,8 35,36 2594,6 2626,1 2624,5 2624,6 2558,2 2371,2 1284 300,4 68,1 53,52 47,34 1090,6 1126,6 1108,6 Niepewność standardowa uA uA dla Nśr [j.w.] 5 0,13 0,2 0,2 0,16 0,22 0,13 0,13 0,16 0,2 0,2 0,15 0,23 0,4 0,21 0,11 0,11 0,2 0,08 0,07 0,16 0,1 0,12 0,15 0,15 0,2 0,1 0,13 0,09 0,06 0,06 0,3 0,32 0,4 0,31 0,32 0,5 0,4 0,22 0,13 0,09 0,12 0,05 0,04 0,04 0,05 0,06 0,12 0,2 0,1 0,11 0,21 0,12 0,013 0,023 0,05 uA dla Eν [lx] 6 1,2 2 1,3 2 1,4 1 0,7 0,5 0,2 0,11 0,12 2 2,2 1,3 1,2 2 0,9 0,24 0,06 2 1,6 0,9 0,9 0,7 1 0,8 0,6 0,3 0,5 0,24 2 2 2,2 2,2 2 2 2,1 0,3 0,11 0,1 0,15 2,1 1,4 1,5 1,4 1,4 1,4 2 0,4 0,1 0,08 0,07 0,5 0,6 0,7 Względna niepewność standardowa uA% [%] uA% dla Nśr uA% dla Eν 7 8 0,07 0,11 0,11 0,2 0,10 0,13 0,09 0,2 0,12 0,13 0,07 0,09 0,07 0,07 0,11 0,08 0,15 0,06 0,23 0,07 0,24 0,13 0,14 0,14 0,23 0,2 0,14 0,11 0,08 0,12 0,09 0,3 0,2 0,13 0,2 0,13 0,3 0,13 0,14 0,2 0,09 0,2 0,11 0,1 0,13 0,09 0,13 0,08 0,15 0,11 0,09 0,1 0,14 0,1 0,14 0,07 0,14 0,2 0,2 0,15 0,2 0,3 0,2 0,3 0,22 0,31 0,2 0,32 0,21 0,3 0,3 0,3 0,22 0,24 0,6 0,21 0,5 0,21 0,4 0,3 0,6 0,5 0,02 0,08 0,01 0,05 0,01 0,05 0,02 0,05 0,02 0,05 0,05 0,06 0,09 0,14 0,12 0,12 0,15 0,14 0,4 0,15 0,2 0,13 0,005 0,04 0,01 0,04 0,02 0,05 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 89 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 6.7. Średnie wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości kąta α (cd) 1 LED5B LED5G_316 LED5B_316 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 0 1 2 3 4 5 10 15 20 25 30 3 250,18 245,65 241,1 154,98 35,34 21,42 18,77 18,68 70,5 76,5 75,32 76,60 76,61 76,37 77,80 59,46 27,8 10,754 9,689 156,3 144,63 155,1 157,0 151,98 143,7 100,7 34,22 11,38 10,21 9,23 4 1068,8 1000,0 920,1 464,8 104,8 15,82 10,568 9,3631 288,2 288,32 289,19 293,23 298,97 297,05 199,5 74,21 9,91 7,252 5,851 124,46 141,03 143,99 140,5 133,12 121,79 71,06 16,987 2,2019 1,4013 1,1689 5 0,08 0,15 0,2 0,33 0,15 0,08 0,05 0,06 0,1 0,1 0,12 0,11 0,11 0,09 0,13 0,13 0,2 0,032 0,032 0,3 0,31 0,3 0,4 0,33 0,3 0,3 0,12 0,06 0,06 0,04 6 0,6 0,2 0,5 0,5 0,2 0,01 0,006 0,0011 0,2 0,13 0,16 0,11 0,14 0,14 0,2 0,09 0,01 0,009 0,009 0,07 0,07 0,21 0,1 0,22 0,05 0,08 0,033 0,0013 0,0009 0,0009 180 7 0,03 0,06 0,08 0,21 0,5 0,4 0,23 0,31 0,13 0,12 0,15 0,13 0,14 0,11 0,15 0,21 0,6 0,3 0,32 0,2 0,21 0,2 0,21 0,21 0,2 0,3 0,34 0,5 0,6 0,5 E 8 0,05 0,02 0,05 0,09 0,2 0,06 0,05 0,01 0,06 0,04 0,05 0,04 0,04 0,05 0,08 0,11 0,09 0,11 0,14 0,05 0,05 0,14 0,07 0,16 0,04 0,11 0,2 0,06 0,06 0,08 1000 Nsr 160 800 600 120 100 E [lx] Nsr [j.w.] 140 400 80 200 60 0 0 10 20 30 o [o] Rys. 6.9. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED5WW Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 90 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych E Nsr 150 1250 100 750 500 50 E [lx] Nsr [j.w.] 1000 250 0 0 0 5 10 15 oo [] Rys. 6.10. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED5W Nsr [j.w.] E Nsr 100 800 80 600 60 400 E [lx] 120 40 200 o 20 0 0 10 20 30 o [o] Rys. 6.11. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED3W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 91 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 200 E Nsr 800 150 100 400 E [lx] Nsr [j.w.] 600 200 50 0 0 0 10 20 30 oo [] Rys. 6.12. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED5R 3000 E Nsr 250 Nsr [j.w.] 150 1000 E [lx] 2000 200 100 0 50 0 10 20 30 o oo [] Rys. 6.13. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED5G Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 92 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych E 250 Nsr 1000 200 150 500 100 E [lx] Nsr [j.w.] 750 250 50 0 0 0 5 10 15 20 25 30 oo [] Rys. 6.14. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i IF = 20 mA dla diody LED5B E Nsr 80 300 60 E [lx] Nsr [j.w.] 200 40 100 20 0 0 0 10 20 30 oo [] Rys. 6.15. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 316 mm i IF = 20 mA dla diody LED5G_316 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 93 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 200 E Nsr 200 150 100 100 E [lx] Nsr [j.w.] 150 50 50 0 0 0 10 20 30 oo [] Rys. 6.16. Natężenie oświetlenia Eν i średnia jaskrawość Nśr w funkcji kąta α przy r = 316 mm i IF = 20 mA dla diody LED5B_316 Badanie wpływu ostrości W tabeli 6.8 przedstawiono wyniki rejestracji przeprowadzonych przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab. 6.9 wartości średnie Nśr i ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania IF = 20 mA. Pomiary przeprowadzono dla trzech kolejnych nastaw ostrości (I, II, III) oraz dla czwartej nastawy (IV) zdecydowanie odbiegającej od pozostałych w celu sprawdzenia w jakim stopniu zmiana niedokładności nastawy ostrości wpływa na wynik rejestracji kamerą CCD. Jak widać w tabeli 6.9 i na rysunku 6.17 istotną zmianę wartości Nśr obserwuje się dopiero przy znacznej zmianie nastawy ostrości (nastawa IV). Jedynie w przypadku niebieskiej diody LED (rys. 6.17h) zaobserwowano istotne różnice w wartości Nśr przy zmianie ostrości. Być może jest to spowodowane odległością pomiarową lub związane z barwą promieniowania emitowanego przez diodę. Jednak krok zmiany nastawy jaki tutaj dobrano jest dużo większy od rzeczywistej niedokładności nastawy ostrości podczas rejestracji kamerą CCD, dlatego tym bardziej można stwierdzić, że różnice w nastawie ostrości nie mają znaczącego wpływu na wynik końcowy. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 94 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 6.8. Wartości wielkości Nśr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych nastaw ostrości LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N śr [j.w.] Ostrość I 174,85 174,21 174,85 174,61 174,75 174,65 174,73 174,72 174,35 174,47 174,45 174,53 174,86 174,63 174,64 174,88 174,40 174,33 174,67 174,23 174,67 174,49 174,68 174,35 174,47 174,30 174,25 174,57 174,35 174,40 174,52 174,5 uA [j.w.] uA% [%] Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] Ostrość II Ostrość III 176,59 178,69 176,54 178,65 176,19 178,36 176,47 178,76 176,33 178,24 176,34 178,49 176,51 178,67 176,23 178,61 176,74 178,59 176,76 178,49 176,42 178,58 176,23 178,65 176,48 178,51 176,59 178,47 176,48 178,59 176,24 178,40 176,44 178,59 176,56 178,45 176,54 178,48 176,78 178,59 176,50 178,51 176,54 178,77 176,45 178,51 176,31 178,46 176,34 178,17 176,66 178,45 176,29 178,72 176,39 178,71 176,56 178,47 176,43 178,38 176,17 178,56 Ostrość IV 182,04 181,89 182,10 182,09 182,38 182,26 182,11 182,12 182,29 182,07 181,94 182,33 182,06 182,01 182,08 182,30 182,09 182,49 182,14 182,34 182,05 182,19 182,01 182,28 181,99 182,23 182,21 182,22 182,21 182,39 182,11 176,4 178,53 182,16 0,2 0,2 0,15 0,15 0,11 0,09 0,08 0,08 Tab. 6.9. Średnie wartości wielkości Nśr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych nastaw ostrości Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr I Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr II Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr III LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 174,5 171,2 110,8 167 251,4 251,17 70,7 28,52 0,2 0,3 0,3 1 0,1 0,11 0,1 0,08 176,4 172,2 112,10 167,5 251,40 251,17 71,44 50,0 0,2 0,6 0,14 0,8 0,06 0,07 0,09 0,1 178,53 173,3 113,0 168,2 251,52 251,3 72,2 63,51 Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] 0,15 0,3 0,2 0,4 0,05 0,1 0,1 0,08 182,16 177,0 115,37 170,0 251,58 251,48 73,73 73,9 Niepewność standardowa uA [j.w.] 0,15 0,9 0,15 0,5 0,05 0,14 0,09 0,1 śr IV LED5WW Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 95 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych b) 183 179 182 178 181 177 180 176 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] a) 179 178 177 175 174 173 176 172 175 171 174 0 5 10 15 20 25 0 30 5 Numer pomiaru 10 15 20 25 30 25 30 25 30 25 30 Numer pomiaru c) d) 116 171 115 170 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 114 113 112 169 168 167 111 166 110 0 5 10 15 20 25 0 30 5 Numer pomiaru 10 15 20 Numer pomiaru e) f) 251,7 251,7 251,6 251,6 251,5 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 251,5 251,4 251,3 251,4 251,3 251,2 251,1 251,0 251,2 0 5 10 15 20 25 30 0 5 Numer pomiaru 10 15 20 Numer pomiaru g) h) 75 70 73,5 65 73,0 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 60 72,5 72,0 71,5 55 50 45 40 71,0 35 30 70,5 0 5 10 15 20 Numer pomiaru 25 30 0 5 10 15 20 Numer pomiaru i) Rys. 6.17. Średnia jaskrawość Nśr dla wybranych nastaw ostrości dla IF = 20 mA przy r = 100 mm dla diod: LED5WW (a), LED5W (b), LED3W (c), LED5R (d), LED5G (e), LED5B (f) i przy r = 316 mm dla diod: LED5G_316 (g), LED5B_316 (h) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 96 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Badanie wpływu tła W tabeli 6.10 przedstawiono wyniki rejestracji przeprowadzonych przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab. 6.11 wartości średnie Nśr i niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania IF = 20 mA. Pomiary przeprowadzono dla czterech wybranych wartości natężenia oświetlenia: 0,005 lx, 5 lx, 20 lx, 100 lx w celu sprawdzenia wpływu zewnętrznego oświetlenia na wynik rejestracji kamerą CCD. Jak widać z tabeli 6.11 i z rysunku 6.18 dla małych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia 0,005 lx i 5 lx występują nieznaczne różnice w wartościach Nśr. Przy większych wartościach 20 lx i 100 lx zmiany wartości Nśr są większe, jednak tylko w przypadku dwóch diod: LED5R i LED5G_316 odbiegają znacząco od pozostałych wyników. Tab. 6.10. Wartości wielkości Nśr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 N śr [j.w.] uA [j.w.] uA% [%] 0,005 lx 176,66 176,50 176,90 176,59 176,72 176,90 176,46 176,66 176,70 176,49 176,49 176,45 176,34 176,29 176,47 176,30 176,34 176,21 176,31 176,45 176,52 176,27 176,17 176,18 176,24 176,32 176,27 176,23 175,96 176,21 176,31 Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] 5 lx 20 lx 177,58 178,38 177,68 177,95 177,66 178,22 177,30 178,10 177,43 177,78 177,11 177,77 177,27 177,64 177,40 177,70 177,46 178,11 177,54 178,30 177,70 178,08 177,47 177,75 177,15 177,85 177,06 178,02 177,18 177,91 177,13 177,95 177,18 177,62 177,32 177,84 177,21 177,88 177,27 177,47 177,35 177,77 177,30 177,92 177,33 178,12 177,20 177,99 177,00 177,84 177,02 177,74 177,31 177,94 177,06 177,94 176,86 177,63 176,95 177,69 176,89 177,82 100 lx 179,32 179,42 179,56 179,51 179,43 179,04 179,47 179,18 179,27 179,67 179,32 179,05 179,38 179,47 179,37 179,52 179,30 179,39 179,28 179,53 179,36 179,24 179,26 179,26 179,07 179,10 179,61 179,41 179,44 179,33 179,13 176,42 177,27 177,89 179,3 0,22 0,23 0,21 0,2 0,12 0,13 0,12 0,09 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 97 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych a) b) 161,5 179,5 161,0 179,0 160,5 160,0 178,0 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 178,5 177,5 177,0 159,5 159,0 158,5 158,0 176,5 157,5 176,0 157,0 0 5 10 15 20 25 0 30 5 Numer pomiaru 10 15 20 25 30 25 30 25 30 25 30 Numer pomiaru c) d) 170 110,5 169 168 109,5 167 109,0 166 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 110,0 108,5 108,0 107,5 165 164 163 162 107,0 161 106,5 160 0 5 10 15 20 25 0 30 5 Numer pomiaru 10 15 20 Numer pomiaru e) f) 250,6 252,4 250,5 252,3 250,4 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] 252,2 252,1 252,0 251,9 250,3 250,2 250,1 250,0 251,8 249,9 0 5 10 15 20 25 30 0 5 Numer pomiaru 10 15 20 Numer pomiaru h) 76 145 75 144 74 Nsr [j.w.] Nsr [j.w.] g) 73 143 142 72 141 71 140 0 5 10 15 20 Numer pomiaru 25 30 0 5 10 15 20 Numer pomiaru i) Rys. 6.18. Średnia jaskrawość Nśr dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia dla IF = 20 mA przy r = 100 mm dla diod: LED5WW (a), LED5W (b), LED3W (c), LED5R (d), LED5G (e), LED5B (f) i przy r = 316 mm dla diod: LED5G_316 (g), LED5B_316 (h) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 98 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 6.11. Średnie wartości wielkości Nśr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr 0,005 lx Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr 5 lx Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] śr 20 lx LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 176,42 157,59 106,7 161,6 251,89 250,14 70,55 140,8 0,22 0,32 0,2 0,5 0,04 0,12 0,11 0,5 177,27 158,3 107,20 162,4 252,0 250,22 71,21 142,5 0,23 0,3 0,13 0,4 0,3 0,11 0,09 0,7 177,89 159,4 109,9 165,9 252,20 250,4 73,35 143,29 Niepewność standardowa uA [j.w.] Wartość średnia N [j.w.] 0,21 0,4 0,2 0,9 0,03 0,1 0,11 0,24 179,3 160,72 109,9 168, 252,35 250,39 76,1 144,4 Niepewność standardowa uA [j.w.] 0,2 0,24 0,3 0,8 0,04 0,12 0,2 0,5 śr 100 lx Badanie wpływu temperatury W tabeli 6.12 przedstawiono wartości średnie Nśr i niepewności standardowe typu A dla diody LED5WW uzyskane podczas rejestracji przeprowadzonych przy użyciu kamery CCD przy prądzie zasilania IF = 20 mA. Pomiary przeprowadzono dla wybranych temperatur z zakresu od –10 ˚C do +45 ˚C w celu sprawdzenia wpływu temperatury otoczenia na diodę LED. Tab. 6.12. Średnie wartości wielkości Nśr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych temperatur Temperatura T [˚C] –10 –5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] 137,2 138,32 134,43 134,59 134,4 136,7 135,6 133,09 129,7 127,4 126,4 126,78 LED5WW Niepewność standardowa uA [j.w.] 0,2 0,21 0,13 0,13 0,2 0,3 0,3 0,21 0,2 0,2 0,2 0,15 Względna niepewność standardowa uA% [%] 0,14 0,15 0,09 0,10 0,13 0,2 0,2 0,15 0,15 0,12 0,14 0,11 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 99 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Nsr [j.w.] 140 135 130 125 0 20 40 o T [ C] Rys. 6.19. Średnia jaskrawość Nśr w funkcji temperatury dla diody LED5WW przy IF = 20 mA Jak widać na rysunku 6.19, zarejestrowana kamerą CCD wartość średniej jaskrawości Nśr zmienia się wraz z temperaturą. W zakresie temperatury od 0 ˚C do +15 ˚C wartość średniej jaskrawości Nśr rośnie, a w zakresach od –10 ˚C do –5 ˚C i od +15 ˚C do +45 ˚C maleje wraz ze wzrostem temperatury. Natomiast w przedziale temperatury od 0 do +25 ˚C zmiany wartości Nśr są nieznaczące. Wpływ temperatury na cały układ pomiarowy: dioda LED – przetwornik CCD omówiono w rozdziale 7.2. Badanie całkowitego rozrzutu wyników w wykonanych pomiarach Pomiary natężenia oświetlenia Eν wykonane przy użyciu luksomierza i rejestrację średniej jaskrawości Nśr za pomocą kamery CCD przeprowadzono dla czterech wybranych wartości prądu zasilania diody: 5 mA, 10 mA, 15 mA i 20 mA. Przed każdym kolejnym pomiarem wartość odległości r = 100 mm (dla LED5G_316 i LED5B_316 r = 316 mm) oraz wartość kąta α = 0˚ nastawiano na nowo w celu sprawdzenia całkowitego rozrzutu wyników. Wartość natężenia zewnętrznego oświetlenia i nastawa ostrości (w przypadku kamery CCD) pozostawały takie same ze względu na ich mały wpływ na rozrzut wyników oraz utrzymanie stałych warunków pomiarów. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 100 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED W tabeli 6.13 przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych przy użyciu luksomierza i kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab. 6.14 wartości średnie Nśr i Eν i ich niepewności standardowe dla wszystkich badanych diod LED. Jak widać w tabeli 6.14 i na rysunku 6.20 wartość niepewności standardowej typu A wyrażona w procentach uA% dla pomiarów luksomierzem wzrasta wraz ze wzrostem wartości prądu IF, a dla wyników rejestracji kamerą CCD tendencja ta jest odwrotna. Poza czterema wartościami, wszystkie wartości uA% nie przekraczają 4% dla luksomierza oraz 5% dla kamery CCD, ale przedział wartości przyjmowanych przez uA% dla kamery CCD jest większy niż dla luksomierza: odpowiednio (0,01 – 5) % i (0,13 – 4) %. Świadczy to o większej stabilności wyników uzyskanych z pomiarów luksomierzem niż kamerą CCD. Tab. 6.13. Wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla diody LED5WW dla wybranych wartości prądu IF LED5WW Nr pomiaru 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Wartości średnie uA uA% uB uC Średnia jaskrawość Nśr [j.w.] Natężenie oświetlenia Eν [lx] IF = 5 mA IF = 10 mA IF = 15 mA IF = 20 mA IF = 5 mA IF = 10 mA IF = 15 mA IF = 20 mA 168,70 166,24 181,11 173,54 173,47 173,18 168,62 168,43 168,38 170,00 171,04 169,85 169,55 172,19 169,26 168,75 168,42 170,77 168,79 171,99 169,21 169,15 170,86 170,06 170,09 169,20 172,17 170,05 169,22 168,48 172,82 232,74 229,99 227,13 228,24 226,80 229,35 227,98 228,19 230,45 228,97 228,23 225,84 229,89 231,94 226,24 225,64 227,18 226,00 225,38 227,50 230,18 226,80 227,18 226,43 228,36 227,54 227,07 226,86 226,96 228,94 228,41 250,07 250,44 252,35 249,78 250,08 250,68 250,86 250,97 250,29 250,35 251,03 250,34 250,43 251,40 250,95 250,31 250,86 250,73 249,79 250,86 249,96 249,57 250,31 250,28 250,84 250,74 251,34 250,26 250,29 250,17 250,67 252,93 253,05 252,79 252,67 252,65 252,82 252,85 252,57 252,92 252,80 253,00 252,88 252,86 252,95 252,87 252,85 252,79 252,60 252,85 252,87 252,94 252,95 252,94 252,85 252,78 252,82 252,82 252,68 252,89 252,86 252,62 760,8 761,4 766,6 763,3 764,5 758,8 765,3 764,8 759,8 763,4 761,8 766,3 766,1 764,2 753,0 752,0 767,2 765,8 752,5 764,9 767,5 757,5 766,8 764,1 763,1 765,8 766,4 763,4 766,3 765,9 768,9 1344 1335 1346 1349 1344 1347 1348 1340 1346 1343 1341 1339 1340 1343 1339 1342 1337 1338 1341 1335 1339 1321 1344 1346 1344 1346 1337 1351 1318 1349 1330 1825 1818 1839 1838 1820 1732 1849 1846 1832 1787 1828 1840 1835 1845 1850 1843 1832 1845 1832 1842 1754 1848 1749 1843 1842 1830 1851 1850 1825 1835 1838 2331 2314 2083 2296 2027 2311 2311 2228 2282 2304 2339 2319 2291 2292 2141 2274 2266 2179 2183 2305 2279 2172 2256 2278 2289 2201 2291 2188 2230 2295 2265 170 j.w. 228 j.w. 250,6 j.w. 252,83 j.w. 763,2 lx 1340,7 lx 1827 lx 2252 lx 3 j.w. 1,6% 2 j.w. 0,8% 0,6 j.w. 0,22% 0,12 j.w. 0,05% 4,5 lx 0,6% 44 lx 44 lx 7,4 lx 0,6% 44 lx 44 lx 31 lx 2% 44 lx 50 lx 80 lx 4% 44 lx 44 lx – – – – 3 j.w. 2 j.w. 0,6 j.w. 0,12 j.w. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 101 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Tab. 6.14. Średnie wartości wielkości Nśr i Eν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości prądu IF Wartość średnia Dioda LED LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 IF [mA] 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 5 10 15 20 Nśr [j.w.] 82,7 130 159,96 178,67 81,5 112 138 153 41,1 71,0 89 100 67,2 107,9 134 148 170 228 250,5 252,83 251 252,94 253,068 253,099 28,4 50,9 64,9 77,6 70 104 131 158 Eν [lx] 293,6 564,9 811 1031 408 739 1033 1306 236,0 439 621 782 166 338 503,3 659 763 1341 1827 2252 365 654 875 1067 109 189 252 298 42 74,7 101,5 126 Niepewność standardowa uA uA dla Nśr [j.w.] 0,2 1 0,23 0,21 3,2 1 2 10 1,3 2,1 2 3 1,3 1,2 2 4 3 2 0,6 0,12 1 0,16 0,022 0,016 0,9 1,6 1,2 1,1 3 10 13 7 uA dla Eν [lx] 0,5 0,8 20 4 5 7 6 30 1,2 7 8 21 2 5 3,1 11 5 8 31 80 15 13 32 50 4 7 10 15 1 2,1 2,3 5 Względna niepewność standardowa uA% [%] uA% dla Nśr uA% dla Eν 0,22 0,14 0,7 0,13 0,14 2,3 0,11 0,33 4 1,3 0,9 0,9 1,2 0,6 6 2 3 0,5 3 1,6 2,3 1,2 3 3 2 1,1 1,2 1,5 1,5 0,7 3 1,6 1,6 0,6 0,8 0,6 0,22 2 0,05 3,3 0,4 4 0,06 2 0,01 4 0,01 5 3,2 4 3,1 4 2 4 1,4 5 4 2,4 9 3 10 2,3 5 4 Na rysunkach 6.21 i 6.22 pokazano zestawienie wartości niepewności standardowej uA% wyników uzyskanych z rejestracji kamerą CCD i z pomiarów luksomierzem w celu porównania ich wartości i zobrazowania różnic w rozrzucie wyników spowodowanym przez poszczególne czynniki w odniesieniu do wartości całkowitego rozrzutu. Dla rejestracji kamerą CCD rozrzut wyników związany z odległością, tłem i ostrością jest mało znaczący w porównaniu do całkowitego rozrzutu wyników dla wszystkich badanych diod za wyjątkiem LED5G i LED5B oraz LED5W (rys. 6.21). W przypadku diod LED5G i LED5B różnice spowodowane są efektem nasycenia obrazu, jaki pojawił się przy rejestracji z odległości r = 100 mm. Po zmianie odległości na r = 316 mm efekt nasycenia nie ma wpływu na wyniki. Dla pomiarów luksomierzem całkowity rozrzut wyników jest zdecydowanie większy niż rozrzut spowodowany przez niedokładność nastawy samej odległości dla wszystkich diod LED (rys. 6.22). Wynika to stąd, że wskazanie luksomierza jest bardziej podatne na zmiany Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 102 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych kąta α niż obraz uzyskiwany z kamery CCD i nawet mała niedokładność w ustawieniu badanej diody i detektora względem siebie powoduje różnice w wyniku pomiaru. a) b) Nsr 2,25 6 Nsr E E 4 uA% [%] uA% [%] 1,50 0,75 0,00 2 0 5 10 15 5 20 10 IF [mA] 15 20 15 20 IF [mA] c) d) Nsr 3 E 2 uA% [%] uA% [%] 2,25 1,50 1 Nsr 0,75 E 5 10 15 5 20 10 IF [mA] IF [mA] e) f) Nsr 3 4 E uA% [%] uA% [%] 3 2 1 2 Nsr E 1 0 0 5 10 15 5 20 10 IF [mA] 15 20 IF [mA] g) h) 5 10 Nsr Nsr E E 8 uA% [%] uA% [%] 4 3 6 4 2 2 5 10 15 IF [mA] 20 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.20. Względna niepewność standardowa uA% w funkcji prądu zasilania diody LED przy r = 100 mm dla diod: LED5WW (a), LED5W (b), LED3W (c), LED5R (d), LED5G (e), LED5B (f) i przy r = 316 mm dla diod: LED5G_316 (g), LED5B_316 (h) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 103 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 0,6 Rozrzut Odleglosc r Kat Ostrosc Tlo uA% [%] 0,4 0,2 Dioda LED LED5B_316 LED5G_316 LED5B LED5G LED5R LED3W LED5W LED5WW 0,0 Rys. 6.21. Porównanie wartości względnej niepewności standardowej uA% wyników uzyskanych z rejestracji kamerą CCD dla wybranych czynników Rozrzut Odleglosc r Kat uA% [%] 4 2 LED5B_316 LED5G_316 Dioda LED LED5B LED5G LED5R LED3W LED5W LED5WW 0 Rys. 6.22. Porównanie wartości względnej niepewności standardowej uA% wyników uzyskanych z pomiarów luksomierzem dla wybranych czynników Zgodnie z przyjętym założeniem (p. rozdział 6.1.1), istnieje zależność między promieniowaniem emitowanym przez diodę LED a odpowiedzią kamery CCD, której miarą jest średnia jaskrawość zarejestrowanego obrazu (wzór 6.1). Aby znaleźć ilościową zależność Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 104 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych między tymi wielkościami, porównano charakterystyki Eν = f(IF) i Nśr = f(IF) wykreślone na podstawie pomiarów luksomierzem i rejestracji kamerą CCD dla wybranych rodzajów diod LED przy zachowaniu tych samych warunków i parametrów (rys. 6.236.30). Dla wszystkich badanych diod LED wartość natężenia oświetlenia Eν jest zależna liniowo od prądu zasilania IF, natomiast wartość średniej jaskrawości Nśr zmienia się zgodnie z funkcją wielomianową: drugiego stopnia dla diod LED5WW, LED5W, LED3W i LED5R (rys. 6.236.26) oraz trzeciego stopnia dla diod LED5G i LED5B (rys. 6.276.28). Zależność wielomianowa wynika ze specyfiki kamery CCD i obrazu, który dzięki niej otrzymujemy – przy dużych wartościach prądu IF, czyli przy dużej ilości promieniowania emitowanego przez diodę LED, w obrazie pojawia się efekt nasycenia, który wpływa na wartość średniej jaskrawości. Widoczne jest to zwłaszcza w charakterystykach Nśr = f(IF) diod LED5G i LED5B. Dlatego dla diody zielonej i niebieskiej przeprowadzono również rejestrację i pomiary przy większej odległości r = 316 mm, w wyniku których uzyskano zależność wielomianową drugiego stopnia tak, jak dla pozostałych diod LED (rys. 6.296.30). 200 2 Nsr=-0,28IF +13,32IF+23,19 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Equation Weight Residual Sum of Squares 1000 Instrumental 0,72157 0,99941 Adj. R-Square Value Standard Error Nsr Intercept 23,18786 2,92918 Nsr B1 13,32359 0,56815 Nsr B2 -0,2779 0,02278 150 800 600 E Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum of Squares 100 15,23953 400 -- Pearson's r 0,99724 Adj. R-Square E=50,63IF+43,60 E [lx] Nsr [j.w.] Nsr Value Standard Error Ev Intercept 43,59887 13,54334 Ev Slope 50,62546 1,53803 200 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.23. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED5WW Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 105 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 180 160 Weight Residual Sum of Squares Nsr=-0,14IF +8,34IF+42,96 Instrumental 0,06746 1200 0,99867 Adj. R-Square Value Nsr [j.w.] Standard Error Nsr Intercept 42,96454 3,09067 Nsr B1 8,34082 0,55921 Nsr B2 -0,13727 0,02433 140 1400 2 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Equation 1000 Nsr 120 800 E 100 Equation y = a + b*x Weight Instrumental 600 13,18762 Residual Sum of Squares -- Pearson's r 0,99726 Adj. R-Square Value E=61,40IF+105,50 80 5 Ev Intercept Ev Slope 10 E [lx] Joanna Parzych Standard Error 105,49698 16,98889 61,39862 1,85862 15 400 20 IF [mA] Rys. 6.24. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED5W 120 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Residual Sum of Squares Nsr [j.w.] 100 2 Nsr=-0,19IF +8,67IF+2,56 Instrumental 800 0,09618 0,99897 Adj. R-Square Value Standard Error Nsr Intercept 2,56492 2,21466 Nsr B1 8,6682 0,44804 Nsr B2 -0,18923 0,01869 600 Nsr 80 E 60 Equation y = a + b*x Weight Instrumental -- Pearson's r 0,99662 Adj. R-Square Value E=37,53IF+51,18 5 Standard Error Ev Intercept 51,17918 11,39376 Ev Slope 37,52843 1,26083 10 400 17,09546 Residual Sum of Squares 40 E [lx] Equation 15 200 20 IF [mA] Rys. 6.25. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED3W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 106 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 2 Instrumental Weight Residual Sum of Squares 0,03817 Nsr [j.w.] 140 600 0,99976 Adj. R-Square Value Standard Error Nsr Intercept 13,11269 1,35518 Nsr B1 12,19447 0,26689 Nsr B2 -0,27399 0,01147 Nsr 120 400 E 100 Equation y = a + b*x Weight Instrumental 4,00258 Residual Sum of Squares 80 -- Pearson's r E=33,39IF-0,06 5 200 0,99936 Adj. R-Square 60 E [lx] 160 Nsr=-0,27IF +12,19IF+13,11 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Equation Value Standard Error Ev Intercept -0,06245 4,12928 Ev Slope 33,38814 0,48696 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.26. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED5R 3 300 Equation Weight Residual Sum of Squares y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 + B3*x^3 Instrumental 0 -- Adj. R-Square Value 250 2 Nsr=0,02IF -1,29IF +27,45IF+63,042500 Standard Error Nsr Intercept 63,03806 -- Nsr B1 27,44833 -- Nsr B2 -1,29223 -- Nsr B3 0,01971 -- 2000 1500 E 200 Equation y = a + b*x Weight Instrumental -- Pearson's r 0,99369 Adj. R-Square E=103,06IF+259,95 1000 27,22481 Residual Sum of Squares E [lx] Nsr [j.w.] Nsr Value Standard Error Ev Intercept 259,95365 44,52702 Ev Slope 103,05713 4,73644 150 500 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.27. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED5G Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 107 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 3 Equation Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0 -- Adj. R-Square Value 255,0 2 Nsr=0,003IF -0,12IF +1,7IF+244,7 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 + B3*x^3 Nsr Intercept Nsr Nsr Nsr Standard Error 244,70194 -- B1 1,73897 -- B2 -0,11713 -- B3 0,00256 -- 1000 750 252,5 E Equation y = a + b*x Weight Instrumental 250,0 500 52,77012 Residual Sum of Squares -- Pearson's r 0,98781 Adj. R-Square Value E=49,09IF+127,58 E [lx] Nsr [j.w.] Nsr Ev Intercept Ev Slope Standard Error 127,57808 29,5917 49,09237 3,1424 250 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.28. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 100 mm dla diody LED5B 0,46495 0,99591 Adj. R-Square Value Nsr [j.w.] 300 Instrumental Weight Residual Sum of Squares Standard Error Nsr Intercept 2,94687 3,81243 Nsr B1 5,61675 0,73687 Nsr B2 -0,09489 0,02952 250 Nsr 60 200 E 40 Equation y = a + b*x Weight Instrumental 150 66,44605 Residual Sum of Squares -- Pearson's r 0,98197 Adj. R-Square E=13,37IF+45,06 E [lx] 80 2 Nsr=-0,09IF +5,62IF+2,95 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Equation Value Ev Intercept Ev Slope Standard Error 45,0616 10,32829 13,37118 1,04291 100 20 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.29. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 316 mm dla diody LED5G_316 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 108 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 175 140 y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Equation 150 Weight Residual Sum of Squares 2 Nsr=-0,08IF +7,91IF+32,31 Instrumental 0,01846 120 0,99954 Adj. R-Square Value Nsr Intercept 32,31016 2,63189 Nsr B1 7,90171 0,61007 Nsr B2 -0,08016 0,02494 100 Nsr 125 Nsr [j.w.] Standard Error 80 E 100 Equation y = a + b*x Weight Instrumental 0,99807 Pearson's r 75 60 18,16622 Residual Sum of Squares 0,99421 Adj. R-Square Value E=5,75IF+14,46 5 Ev Intercept Ev Slope 10 E [lx] Joanna Parzych 15 Standard Error 14,46513 2,67959 5,753 0,25316 40 20 IF [mA] Rys. 6.30. Średnia jaskrawość Nśr i natężenie oświetlenia Eν w funkcji prądu zasilania IF przy r = 316 mm dla diody LED5B_316 Ze względu na odmienne funkcje opisujące zależności Eν = f(IF) i Nśr = f(IF), odległość na wykresie między wartościami Eν i Nśr zwiększa się wraz ze wzrostem wartości prądu IF, a więc również ze wzrostem wartości natężenia promieniowania emitowanego przez diodę LED. Znalezienie funkcji opisującej zmianę wartości różnicy między Eν i Nśr umożliwi obliczenie wartości natężenia promieniowania na podstawie wartości średniej jaskrawości. Na rysunku 6.31 pokazano wzajemną zależność wartości natężenia oświetlenia Eν i wartości średniej jaskrawości Nśr dla diody LED5WW. Jak widać, dopasowanie krzywej do wartości Eν i Nśr jest lepsze dla funkcji eksponencjalnej niż dla funkcji potęgowej o podstawie Nśr. Tego typu dopasowania wykonano dla wszystkich badanych diod LED i w każdym przypadku największą dokładność otrzymano dla funkcji eksponencjalnej, stąd równanie przetwarzania dla wszystkich badanych diod przyjmuje postać: I LED k1 e k2 N śr , (6.14) gdzie k1 i k2 to stałe funkcji fk(x) = k1·exp(k2·x). Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 109 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 1100 Model Exp2PMod1 Equation y = a*exp(b*x) 4,35578 Reduced Chi-Sqr 1000 900 800 0,99842 Adj. R-Square Value a 100,96961 4,13794 Ev b 0,01305 2,86898E-4 Model Allometric1 Equation y = a*x^b 25,00441 Reduced Chi-Sqr 0,99093 E [lx] Adj. R-Square 700 Standard Error Ev Value E=0,16 Nsr Standard Error Ev a 0,24414 0,10472 Ev b 1,60098 0,08761 1,69 E=102,8 exp(0,013 Nsr) 600 500 400 E=a exp(b Nsr) 300 E=a Nsr b 200 100 150 200 Nsr [j.w.] Rys. 6.31. Natężenie oświetlenia Eν w funkcji średniej jaskrawość Nśr przy r = 100 mm dla diody LED5WW W tabeli 6.15 zestawiono wielkości uzyskane z pomiarów promieniowania za pomocą luksomierza i kamery CCD oraz otrzymane w wyniku dalszych obliczeń i przekształceń wraz z ich błędami. Oprócz wielkości zamieszczonych w tab. 6.15 w obliczeniach wykorzystano następujące wielkości i stałe: liczba wyróżnionych wartości poziomu natężenia jasności pikseli N (N = 256, ΔN = 1), odległość diody LED od detektora r (r = 0,1 m oraz r = 0,316 m, Δr = 0,001 m), stałe k1 i k2 (p. tabela 6.16), bezwzględny błąd nastawy temperatury T (ΔT = 0,03 ˚C), bezwzględny błąd nastawy ts (Δts = 2·105 ms), bezwzględny błąd nastawy te (Δte = 2·105 ms). Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 110 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Tab. 6.15. Zestawienie wielkości wykorzystywanych w pomiarach oraz ich niepewności [11,47,49,50] Joanna Parzych Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 111 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Na rysunkach 6.326.37 porównano charakterystyki Iν = f(IF) i ILED = f(IF), w tabeli 6.16 zestawiono wartości stałych k1 i k2 funkcji fk(x) = k1·exp(k2·x) dobranych dla poszczególnych diod LED, a w tab. 6.17 i 6.18 zestawiono wartości Iν, ILED i ich niepewności pomiarowe dla wszystkich badanych diod LED. Wartości Iν otrzymano z przeliczenia wartości Eν zgodnie ze wzorem 6.4, a wartości ILED z przeliczenia wartości Nśr zgodnie ze wzorem 6.14. Po zastosowaniu wyrażenia 6.14 uzyskano liniowe zależności ILED w funkcji prądu IF dla wszystkich badanych diod LED (przy r = 100 mm dla diod białych i diody czerwonej, a przy r = 316 mm dla diody zielonej i niebieskiej). Z porównania charakterystyk natężenia promieniowania dla luksomierza i kamery CCD widać, że obie funkcje opisujące zależności: Iν = f(IF) i ILED = f(IF) mają bardzo zbliżony przebieg, a różnica w nachyleniu obu funkcji nie przekracza 4% ich wartości. Natomiast z oszacowania bezwzględnych i względnych błędów wartości ILED (tab. 6.18) oraz niepewności rozszerzonych wartości Iν (tab. 6.17) wynika, że wartości natężenia promieniowania obliczone na podstawie rejestracji kamerą CCD są wartościami szacunkowymi, gdyż względny błąd, jakim obarczone są wartości ILED sięga nawet 40%. Tab. 6.16. Zestawienie wartości stałych k1 i k2 funkcji fk(x) = k1·exp(k2·x) opisującej zależność między średnią jaskrawością a natężeniem promieniowania dla wybranych diod LED Odległość r [mm] Stała k1 Stała k2 LED5WW 100 1,01 0,013 1,01·exp(0,013·x). LED5W 100 1,13 0,016 1,13·exp(0,0136·x). LED3W 100 1,04 0,020 1,04·exp(0,02·x). LED5R 100 0,54 0,017 0,54·exp(0,017·x). LED5G 316 6,00 0,021 6·exp(0,21·x). LED5B 316 1,90 0,012 1,9·exp(0,012·x). Dioda LED Funkcja fk Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 112 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 14 12 14 Equation y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0,00737 0,11889 -- 0,99889 Pearson's r 0,999 Adj. R-Square ILED [cd] 10 12 0,99668 Value Standard Error Iled Intercept 0,49018 0,09591 Iled Slope 0,49687 0,00906 Iv Intercept 0,60716 0,22426 Iv Slope 0,4915 0,01638 10 ILED I 8 8 6 6 4 ILED=0,5IF+0,49 I=0,5IF+0,61 2 5 10 15 I [cd] Joanna Parzych 4 2 20 IF [mA] Rys. 6.32. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 100 m dla diody LED5WW Equation y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental -- Pearson's r 14 16 0,02654 0,99694 Adj. R-Square 0,15334 0,99903 ILED [cd] 12 14 0,9971 Value Standard Error Iled Intercept 1,11089 0,21325 Iled Slope 0,59686 0,01907 Iv Intercept 1,24793 0,25469 Iv Slope 0,59743 0,0186 12 ILED 10 10 I 8 8 6 6 4 ILED=0,6IF+1,11 4 2 I=0,6IF+1,23 2 5 10 15 I [cd] 16 20 IF [mA] Rys. 6.33. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 100 mm dla diody LED5W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 113 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 10 Equation y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0,01502 0,07868 Pearson's r 0,99916 0,99866 Adj. R-Square 0,99747 0,99599 Value ILED [cd] 8 10 Standard Error Iled Intercept 0,54243 0,10783 Iled Slope 0,36922 0,01074 Iv Intercept 0,64686 0,18243 Iv Slope 0,36372 0,01332 8 ILED 6 6 I 4 I [cd] Joanna Parzych 4 ILED=0,37IF+0,54 2 2 I=0,36IF+0,65 0 0 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.34. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 100 mm dla diody LED3W 10 10 y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0,00794 -- Pearson's r 0,99718 Adj. R-Square 0,01218 0,99975 0,99924 Value 8 Standard Error Iled Intercept 0,04661 0,10625 Iled Slope 0,33017 0,01013 Iv Intercept 0,05657 0,07178 Iv Slope 0,32883 0,00524 6 ILED [cd] ILED I 4 ILED=0,33IF+0,05 I [cd] Equation 2 I=0,33IF+0,06 0 0 5 10 15 20 IF [mA] Rys. 6.35. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 100 mm dla diody LED5R Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 114 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Equation y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0,12164 0,99967 Pearson's r 30 0,999 Adj. R-Square 5,35949 0,99245 ILED [cd] 30 0,97743 Value Standard Error Iled Intercept 4,41888 0,22854 Iled Slope 1,29524 0,02365 Iv Intercept 5,45272 1,50568 Iv Slope 1,25814 0,10996 ILED I 20 20 I [cd] Joanna Parzych ILED=1,30IF+4,4 I=1,26IF+5,4 10 5 10 15 10 20 IF [mA] Rys. 6.36. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 316 mm dla diody LED5G 12 Equation y = a + b*x Weight Residual Sum of Squares Instrumental 0,20201 Pearson's r 0,99493 Adj. R-Square 0,98482 0,26093 0,99812 Standard Error Iled Intercept 1,64356 0,39382 Iled Slope 0,52605 0,03762 Iv Intercept 1,63214 0,33223 Iv Slope 0,55864 0,02426 ILED I 8 8 I [cd] ILED [cd] 12 0,99436 Value ILED=0,53IF+1,64 I=0,56IF+1,63 4 5 10 15 4 20 IF [mA] Rys. 6.37. Porównanie zależności I i ILED w funkcji prądu zasilania IF diody LED przy r = 316 mm dla diody LED5B Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 115 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 6.17. Wartości wielkości Iν otrzymane z przeliczenia wartości Eν uzyskanych w pomiarach promieniowania diod LED za pomocą luksomierza i ich niepewności standardowe IF [mA] Iν [cd] 5 10 15 20 2,94 5,65 8,11 10,31 5 10 15 20 4,08 7,39 10,33 13,06 5 10 15 20 2,36 4,39 6,21 7,82 5 10 15 20 1,66 3,38 5,03 6,59 5 10 15 20 10,9 18,9 25,2 29,7 5 10 15 20 4,2 7,5 10,1 12,6 Niepewność Niepewność standardowa łączna rozszerzona uC [cd] ur = 0,01 Δgr Eν [cd] LED5WW 0,44 0,76 0,44 0,76 0,44 0,76 0,76 0,50 LED5W 0,44 0,76 0,44 0,76 0,44 0,76 0,76 0,49 LED3W 0,44 0,76 0,44 0,76 0,44 0,76 0,76 0,45 LED5R 0,44 0,76 0,44 0,76 0,76 0,48 0,76 0,44 LED5G_316 4,4 0,76 4,4 0,76 0,76 4,4 0,76 4,6 LED5B_316 4,4 0,76 4,4 0,76 4,4 0,76 4,4 0,76 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD Wynik pomiaru Iν = Iν ± ur [cd] 2,9 5,6 8,1 10,3 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 4,1 7,4 10,3 13,0 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 2,4 4,4 6,2 7,8 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 1,7 3,4 5,0 6,6 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 10,9 18,9 25,2 29,7 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 4,2 7,5 10,1 12,6 ± ± ± ± 0,8 0,8 0,8 0,8 116 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Tab. 6.18. Wartości wielkości ILED otrzymane z przeliczenia wartości Nśr uzyskanych z rejestracji promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i ich niepewności standardowe Wynik pomiaru ILED = ILED ± ΔILED [cd] LED5WW 3,0 ± 1,1 5 ± 2 8,1 ± 2,1 10,3 ± 2,4 LED5W 4,2 ± 1,3 7 ± 2 10,2 ± 2,2 13 ± 3 LED3W 2,4 ± 0,9 4,3 ± 1,4 6 ± 2 7,8 ± 2,1 LED5R 1,7 ± 1,2 3 ± 2 5,2 ± 2,3 6 ± 3 LED5G_316 10,9 ± 0,6 17,5 ± 1,1 23,4 ± 1,4 31 ± 2 LED5B_316 4,4 ± 0,9 6,6 ± 1,3 9,2 ± 1,6 13 ± 2 IF [mA] ILED [cd] ΔILED [cd] δILED [%] 5 10 15 20 2,96 5,47 8,08 10,30 1,08 1,69 2,08 2,33 36,69 31,19 25,99 22,76 5 10 15 20 4,16 6,83 10,21 13,08 1,31 1,80 2,21 2,47 35,39 29,76 24,36 20,90 5 10 15 20 2,36 4,30 6,22 7,77 0,83 1,42 1,79 2,02 36,13 34,33 29,91 26,92 5 10 15 20 1,69 3,32 5,17 6,53 1,15 1,84 2,28 2,52 36,45 29,30 23,36 20,38 5 10 15 20 10,90 17,47 23,46 30,62 0,60 1,07 1,37 1,63 32,86 36,70 34,87 31,94 5 10 15 20 4,39 6,63 9,18 12,72 0,84 1,25 1,58 1,91 36,25 35,82 32,60 28,40 Wynik pomiaru ILED = ILED (1 ± δILED) [cd] 1,69 3,32 5,17 6,53 (1 ± 0,4) (1 ± 0,31) (1 ± 0,3) (1 ± 0,22) 2,96 5,47 8,08 10,30 (1 ± 0,4) (1 ± 0,3) (1 ± 0,3) (1 ± 0,21) 4,16 6,83 10,21 13,08 (1 ± 0,4) (1 ± 0,4) (1 ± 0,3) (1 ± 0,3) 2,36 4,30 6,22 7,77 (1 ± 0,4) (1 ± 0,3) (1 ± 0,23) (1 ± 0,21) 10,90 17,47 23,46 30,62 (1 ± 0,32) (1 ± 0,4) (1 ± 0,4) (1 ± 0,31) 4,39 6,63 9,18 12,72 (1 ± 0,4) (1 ± 0,4) (1 ± 0,32) (1 ± 0,3) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 117 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 7. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 7.1. Pomiary związane ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez matryce diod LED Właściwości współczesnych diod elektroluminescencyjnych, w tym emitujących światło białe, powodują ich coraz szersze zastosowanie, zarówno w celach oświetleniowych, jak i jako elementy składowe różnych przetworników i układów. Parametry optyczne diod LED wynikają ze specyfiki ich procesu produkcyjnego. Dlatego, nawet w ramach tej samej partii wytworzonych diod, parametry te – w szczególności światłość i barwa emitowanego promieniowania – mogą się różnić. Istnieje więc konieczność testowania diod zarówno podczas ich produkcji, jak i po wyborze do określonego celu. Szczegółowe określenie charakterystyk jest istotne zwłaszcza przy zastosowaniu ich jako pomiarowych źródeł promieniowania optycznego oraz do konstrukcji czujników i urządzeń, w których są one wykorzystywane, m.in. takich jak: sygnalizacja świetlna, wyświetlacze LED, diody LED dużej mocy. Na potrzeby wymienionych urządzeń stosuje się różnego typu matryce diod LED, o różnych wymaganiach dotyczących ich parametrów optycznych (charakterystyka widmowa), elektrycznych (prąd zasilania, moc) oraz mechanicznych (odporność na warunki otoczenia, czas życia). Jednak cechą wspólną są określone oczekiwania co do jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez diody LED tworzące matrycę, przez cały okres użytkowania urządzenia. Szybka i prosta metoda wykrywania liczby diod nieświecących lub świecących zbyt słabo może ułatwić ocenę stanu matrycy LED. Pozwoli określić, czy moduł spełnia te wymagania (w procesie produkcji) lub czy cały moduł nadaje się już do wymiany czy też nie (w okresie użytkowania). W zależności od przeznaczenia danego modułu diodowego zwraca się uwagę na inne aspekty, na inne parametry pomiaru. W przypadku sygnalizacji świetlnej nie ma dużego znaczenia czy jedna dioda świeci jaśniej niż druga, gdyż liczy się przede wszystkim wartość sumarycznego natężenia całej matrycy LED. Natomiast w przypadku wyświetlaczy LED istotne jest, aby wszystkie diody emitowały promieniowanie o tym samym natężeniu oraz, jeśli część z nich przestanie świecić lub będzie świecić słabiej, ważna jest możliwość Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 118 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED identyfikacji tych diod i ich umiejscowienia w module. W przypadku diod LED dużej mocy z jednej strony zwraca się uwagę na całkowitą wymaganą wartość mocy promieniowania, a z drugiej na rozmieszczenie słabiej emitujących diod w celu sprawdzenia czy rozkład przestrzenny strumienia świetlnego nie uległ zbyt dużej zmianie. Podczas rejestracji obrazów mogą się pojawić dwa typy specyficznych błędów: tzw. błędy pozytywne (pozornie dioda emituje światło, a w rzeczywistości jedynie odbija promieniowanie pochodzące z sąsiednich diod) lub tzw. błędy negatywne (pozornie dioda nie świeci, mimo iż jest włączona i działa poprawnie). W przypadku pomiarów mających na celu określenie poziomu natężenia promieniowania poszczególnych diod LED mamy do czynienia z błędami pierwszego typu, czyli pozytywnymi [1214]. Diody, które tylko odbijają promieniowanie, same go nie emitując, są z reguły „ciemniejsze” na zarejestrowanym obrazie. W przypadku, gdy dioda nieświecąca jest otoczona ze wszystkich stron przez diody świecące z dużą intensywnością, ilość promieniowania odbijanego przez tę diodę może być na tyle duża, że łatwo ją można uznać za świecącą. Na rysunku 7.1 i 7.2 pokazano obrazy dwóch matryc wielodiodowych uzyskane podczas rejestracji kamerą CCD. Matryce składają się z 16 diod LED odpowiednio: LED5W i LED3W (pełne nazwy i parametry diod podano w rozdziale 6.2.3). Rejestrację przeprowadzono przy odległości r = 316 mm dla diody LED5W i r = 100 mm dla diody LED3W przy zadanych wartościach prądu IF dla wybranych konfiguracji świecących i nieświecących diod LED. W celu określenia, które z diod rzeczywiście emitują promieniowanie (w przeciwieństwie do diod, które jedynie odbijają światło emitowane przez sąsiadujące z nimi diody), obliczono natężenie ILED dla każdej z diod w matrycy LED (rys. 7.1b,d i 7.2b). Znając określoną wartość lub przedział wartości natężenia promieniowania jakie powinno być emitowane przez pojedynczą diodę, można zidentyfikować i rozróżnić diody świecące od nieemitujących światła (w tym diody tylko odbijające promieniowanie). Na wykresie na rys. 7.1b,d oraz 7.2b czerwoną linią oddzielono wartości ILED odpowiadające diodom świecącym od wartości ILED związanymi z diodami nieświecącymi lub emitującymi promieniowanie o mniejszym natężeniu. W przypadku matrycy diod LED5W dla obu pokazanych konfiguracji otrzymane wartości ILED są wielokrotnie mniejsze dla diod nieświecących LED14, LED21, LED32 i LED44 w I konfiguracji oraz LED12, LED24, LED32, LED34 i LED44 w II konfiguracji. Dodatkowo w II konfiguracji dioda LED33 mimo iż emituje promieniowanie, to jej wartość ILED jest zbliżona do wartości otrzymanych dla diod nieświecących. Wynika to stąd, że prąd IF Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 119 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED tej diody miał wartość 5 mA, a dla pozostałych diod w matrycy 20 mA. Również dla matrycy diod LED3W otrzymane wartości ILED są wyraźnie mniejsze dla diod nieemitujących promieniowania (niezałączone diody: LED22, LED42 i LED44) lub w mniejszej ilości (dioda LED41 zasilona prądem IF = 5 mA). W tabelach 7.1 i 7.2 zestawiono wybrane dane pomiarowe i obliczeniowe dla przykładowych obrazów matryc o konfiguracjach diod pokazanych na rys.7.1 i 7.2. I konfiguracja diod w matrycy LED5W b) LED41 LED42 LED43 LED44 LED41 LED42 LED43 LED44 LED33 LED34 LED34 LED31 LED32 LED23 LED24 LED21 LED22 LED13 LED14 LED11 LED12 0 5 ILED [cd] 10 15 a) Numer diody II konfiguracja diod w matrycy LED5W c) d) ILED [cd] 15 10 5 LED33 LED32 LED31 LED24 LED23 LED22 LED21 LED14 LED13 LED12 LED11 0 Numer diody Rys. 7.1. Obrazy matrycy LED5W otrzymane przy użyciu kamery CCD (a,c) i wykresy wartości natężenia promieniowania ILED dla poszczególnych diod w matrycy LED (b,d) dla dwóch przykładowych konfiguracji diod świecących i nieświecących Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 120 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych a) b) 10,0 ILED [cd] 7,5 5,0 2,5 LED44 LED43 LED42 LED41 LED34 LED33 LED32 LED31 LED24 LED23 LED22 LED21 LED14 LED13 LED12 LED11 0,0 Numer diody Rys. 7.2. Obraz matrycy LED3W otrzymany przy użyciu kamery CCD (a) i wykres wartości natężenia promieniowania ILED dla poszczególnych diod w matrycy LED (b) dla przykładowej konfiguracji diod świecących i nieświecących Tab. 7.1. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy o konfiguracjach diod pokazanych na rys. 7.1 Matryca diod LED5W – I konfiguracja Numer diody LED 11 Matryca diod LED5W – II konfiguracja Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%] Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%] 250,79 15,42 7,26 252,66 15,89 7,10 LED 12 241,39 13,27 8,12 191,27 5,95 14,34 LED 13 245,49 14,17 7,73 251,97 15,72 7,15 LED 14 133,20 2,35 25,30 237,35 12,44 8,52 LED 21 151,03 3,13 21,56 254,00 16,24 6,98 LED 22 250,77 15,42 7,26 251,60 15,63 7,19 LED 23 232,46 11,50 9,02 233,81 11,76 8,88 LED 24 224,18 10,08 9,93 133,80 2,37 25,17 LED 31 211,71 8,25 11,45 237,06 12,38 8,55 LED 32 134,07 2,38 25,11 143,04 2,75 23,21 LED 33 202,16 7,08 12,74 193,30 6,15 14,03 LED 34 230,22 11,10 9,26 128,00 2,16 26,42 LED 41 226,41 10,44 9,68 229,44 10,96 9,34 LED 42 221,46 9,65 10,25 228,57 10,81 9,44 LED 43 207,24 7,68 12,04 228,96 10,88 9,40 LED 44 Cała matryca: 128,29 2,17 26,35 128,06 2,16 26,40 144,11 12,25 154,25 11,98 Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 121 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Tab. 7.2. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy o konfiguracji diod pokazanej na rys. 7.2 Matryca diod LED5W – I konfiguracja Numer diody LED 11 Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%] 235,22 8,97 4,26 LED 12 223,86 7,15 5,09 LED 13 243,96 10,69 3,71 LED 14 223,85 7,15 5,09 LED 21 237,05 9,31 4,14 LED 22 151,46 1,68 14,65 LED 23 238,25 9,53 4,06 LED 24 228,62 7,86 4,72 LED 31 207,33 5,14 6,56 LED 32 226,04 7,47 4,92 LED 33 231,16 8,27 4,54 LED 34 221,4 6,80 5,29 LED 41 184,1 3,23 9,27 LED 42 134,53 1,20 18,25 LED 43 234,13 8,78 4,33 LED 44 Cała matryca: 129,62 1,08 19,40 104,31 4,94 Na rysunku 7.3 zaprezentowano obraz diody LED dużej mocy emitującej promieniowanie o barwie białej, zasilanej prądem o wartości IF = 1,25 mA, o mocy Pmax = 30 W, zastosowaną numerację poszczególnych chipów diodowych w matrycy, obrazy poszczególnych chipów diodowych oraz odpowiadające im wartości natężenia promieniowania ILED. W celu sprawdzenia jednorodności promieniowania całej powierzchni świecącej diody LED dużej mocy, podzielono otrzymany obraz na fragmenty o identycznych wymiarach, z których każdy zawiera jeden z 16 chipów składających się na matrycę badanej diody LED dużej mocy. Następnie wszystkie uzyskane w ten sposób obrazy cząstkowe poddano takiej samej procedurze (p. rozdział 5.3), a otrzymane wartości Nśr przeliczono na wartości ILED zgodnie z równaniem przetwarzania (wzór 6.14). Wybrane dane pomiarowe i obliczeniowe otrzymane z histogramów tak przekształconych obrazów zestawiono w tabeli 7.3. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 122 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a) 11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 41 42 43 44 b) c) 6 ILED [cd] 5 4 3 LED44 LED43 LED42 LED41 LED34 LED33 LED32 LED31 LED24 LED23 LED22 LED21 LED14 LED13 LED12 LED11 2 Numer diody Rys. 7.3. Dioda LED mocy: a) obraz całej matrycy i numeracja chipów; b) obrazy poszczególnych chipów; c) wartości natężenia promieniowania poszczególnych chipów Na wykresie z rysunku 7.3 widać, że nie wszystkie chipy diodowe w matrycy emitują promieniowanie z tą samą intensywnością. Skrajne chipy o numerach 11 i 44 świecą najsłabiej, a umiejscowione w środku o numerach 23, 32 i 33 najmocniej. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 123 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Ponadto na obrazie chipu LED 44 widać ciemniejszy obszar w formie linii biegnącej w poprzek chipu, będący najprawdopodobniej wynikiem mechanicznego uszkodzenia lub skazy powstałej w procesie produkcji luminoforu, w którym zatopiona jest cała matryca. Ta skaza również wpływa na intensywność emitowanego promieniowania. Jeżeli znany jest przedział wartości natężenia promieniowania jakie powinien emitować pojedynczy chip diodowy, to można określić, które chipy w matrycy świecą za słabo (czy to z powodu wadliwej pracy w wyniku defektu samego chipu, czy z powodu zużycia się). Przykład: jeśli pojedynczy chip powinien emitować promieniowanie o minimalnej wartości natężenia wynoszącej 3 cd, to widać, że część z chipów tworzących matrycę nie spełnia tego warunku. Wartości natężenia promieniowania ILED chipów LED11, LED21, LED34 i LED44 są mniejsze od wartości 2,5 cd, dla chipów LED12 i LED34 mieszczą się w przedziale od 2,5 cd do 2,8 cd, a dla chipu LED31 wartość ILED jest zbliżona do przyjętej minimalnej wartości natężenia promieniowania. Z wartości zestawionych w tab. 7.3 i z rys. 7.3c wynika, że matryca badanej diody LED dużej mocy nie jest całkiem jednorodna, gdyż względne różnice między wartościami natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne chipy diodowe sięgają nawet 50%. Tab. 7.3. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów diody LED mocy pokazanej na rys. 7.3 Numer diody Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%] LED 11 LED 12 LED 13 LED 14 LED 21 LED 22 LED 23 LED 24 LED 31 LED 32 LED 33 LED 34 LED 41 LED 42 LED 43 LED 44 Cała matryca: 190,00 194,62 214,82 219,93 190,25 219,04 236,35 217,09 199,79 231,78 228,32 192,68 210,89 218,21 195,16 190,58 60,50 2,45 2,68 4,02 4,45 2,46 4,37 6,18 4,21 2,98 5,64 5,26 2,58 3,72 4,30 2,71 2,48 6,36 8,50 7,94 5,85 5,41 8,47 5,48 4,18 5,65 7,35 4,50 4,75 8,17 6,21 5,55 7,88 8,43 Natomiast w przypadku, gdy istotna jest całkowita wartość natężenia promieniowania emitowana przez diodę LED dużej mocy, można obliczyć sumaryczną wartość ILED Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 124 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED dla wszystkich chipów diodowych. Jeżeli kształt strumienia promieniowania emitowanego przez diody LED tworzące matrycę również ma znaczący wpływ na poprawne działanie (w danym zastosowaniu diody LED dużej mocy), można zidentyfikować i umiejscowić te chipy diodowe, które cechuje słabsza emisja światła i w dalszych badaniach określić czy wpłynęło to znacząco na zmianę strumienia promieniowania całej diody LED dużej mocy, czy też nie. 7.2. Badanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą Zarówno przetworniki obrazu wykorzystujące matryce CCD, jak i diody LED są obecnie i będą coraz częściej wykorzystywane w układach do obserwacji, rejestracji i gromadzenia danych pomiarowych. W systemach tych zmiana warunków zewnętrznych może wpłynąć na ograniczenie ich możliwości aplikacyjnych. Jednym z istotnych czynników zewnętrznych wpływających na zmianę parametrów optycznych i elektrycznych jest temperatura. W przypadku diod LED wartości napięcia i prądu przewodzenia zależą liniowo od temperatury złącza (prąd wprost proporcjonalnie, a napięcie odwrotnie proporcjonalnie), zwłaszcza na początkowym etapie emisji światła, zanim temperatura złącza nie ustabilizuje się względem temperatury otoczenia. Jednak nawet po osiągnięciu równowagi termicznej, na jakość promieniowania ma wpływ temperatura otaczająca chip LED [5,19,25,32,33,44, 76,77,108,138]. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia widmo optyczne diody LED „przesuwa się”. Wartość tej zmiany wynosi od 0,1 nm/K do 0,3 nm/K w zależności od rodzaju diody (zielone diody LED mają przesunięcie mniejsze niż czerwone lub niebieskie) [19,25,32,33,76,77,109,138]. Również kierunek tego przesunięcia zależy od typu diody: dla większości diod emitujących światło o barwie niebieskiej maksimum przechodzi w stronę fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury, dla czerwonych i zielonych – w stronę fal długich, a w przypadku diod białych, pierwsze maksimum przypadające na niebieską część widma przesuwa się w stronę fal długich a drugie w stronę fal krótkich. Oprócz położenia maksimum na krzywej spektralnej zmianie ulega również szerokość połówkowa widma, jej wartość wzrasta z temperaturą [25,77,109]. Natomiast w przypadku detektorów z przetwornikiem CCD temperatura wpływa na wartości szumów występujących w tego typu przyrządach. Szumy pojawiające się w urządzeniach ze sprzężeniem zwrotnym ładunku (p. rozdział 4) można podzielić na trzy rodzaje [6,7,9,51,110,111,122]: związane z obiektem badanym, jego tłem i optyką detektora, Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 125 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych szum samego detektora, szum układów elektronicznych powstający przy obróbce sygnału. Pierwszy z nich nie zależy od temperatury, gdyż poniżej 500 K (226,85˚C) dla większości zastosowań optycznych w zakresie od 300 nm do 3000 nm energia termiczna jest zaniedbywana w porównaniu do energii przypadającej na foton. Jednak wartości pozostałych szumów są podatne na zmiany temperatury. Przede wszystkim dwa rodzaje zakłóceń, z tych składających się na szum detektora i układów elektronicznych, zależą od temperatury: szum związany z prądem ciemnym i szum Johnsona (cieplny), który jest związany z fluktuacjami prędkości swobodnych nośników. Wartości obu wymienionych szumów rosną w miarę wzrostu temperatury. Szum cieplny jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z temperatury, natomiast przy określeniu zależności między prądem ciemnym a temperaturą należy wziąć pod uwagę także czas ekspozycji [6,51,110,111,122]. Wszystkie omówione problemy wzięto pod uwagę przy przeprowadzaniu pomiarów promieniowania emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną za pomocą kamery z przetwornikiem CCD w różnych temperaturach. Badania te miały na celu określenie zalet i wad pomiarowych urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym ładunku jako narzędzi w pomiarach diod LED w danym zakresie temperaturowym (zdefiniowanie ograniczeń oraz stopnia wpływu temperatury otoczenia na wynik końcowy). W pomiarach wykorzystano komorę klimatyczną ILW 115-T TOP [46], w której umieszczono detektor z przetwornikiem CCD oraz badane źródło światła. Rejestrację promieniowania białej diody elektroluminescencyjnej LL-504WC-W2-3QD (parametry diody p. rozdział 6.2.3) przeprowadzono w zakresie temperatur od 5 ºC do +45 ºC, dla różnych wartości czasu ekspozycji kamery (0,1 s, 0,5 s i 1 s) oraz czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę w formie impulsu prostokątnego o zadanej szerokości od 0,001 ms do100 ms. Na podstawie wykonanych pomiarów określono zależności między: czasem ekspozycji a kształtem przebiegu odpowiedzi kamery, temperaturą a odpowiedzią kamery w odniesieniu do danej wartości czasu trwania rejestrowanego sygnału, wartością wymaganego czasu ekspozycji a stopniem wpływu temperatury na końcowy wynik pomiaru. Na rysunku 7.4 pokazano przykładowe obrazy zarejestrowane kamerą CCD w temperaturze 30 C, przy czasie ekspozycji te = 0,5 s dla wybranych czasów trwania sygnału emitowanego przez diodę LED. Kolejne rysunki 7.57.7 przedstawiają zależność Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 126 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych wyznaczonego na podstawie obrazów uzyskanych z kamery natężenia promieniowania ILED od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę w całym zakresie badanych temperatur, odpowiednio dla czasu ekspozycji te równego 0,1 s, 0,5 s i 1 s. Rys. 7.4. Przykładowe obrazy uzyskane z kamery CCD przy czasie ekspozycji te = 0,5 s, w temperaturze 30 ºC, odpowiednio dla czasu trwania impulsu LED ts: 100 ms, 50 ms, 10 ms, 5 ms, 1 ms i 0,1 ms o T=-5 C o T=0 C o T=5 C o T=15 C o T=20 C o T=25 C o T=30 C o T=35 C o T=40 C o T=45 C ILED [cd] 3 2 1 0 0 20 40 60 80 100 ts [ms] Rys. 7.5. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001 ms do 100 ms, dla temperatur z zakresu od 5 ºC do +45 ºC; czas ekspozycji kamery te = 0,1 s Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 127 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 15 o T=-5 C o T=0 C o T=5 C o T=10 C o T=15 C o T=20 C o T=25 C o T=30 C o T=35 C o T=40 C o T=45 C ILED [cd] 10 5 0 0 50 100 ts [ms] Rys. 7.6. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001 ms do 100 ms, dla temperatur z zakresu od 5 ºC do +45 ºC; czas ekspozycji kamery te = 0,5 s 25 o T=-5 C o T=0 C o T=5 C o T=10 C o T=15 C o T=20 C o T=25 C o T=30 C o T=35 C o T=40 C o T=45 C ILED [cd] 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 ts [ms] Rys. 7.7. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001 ms do 100 ms, dla temperatur z zakresu od 5 ºC do +45 ºC; czas ekspozycji kamery te = 1 s Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 128 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych a) 3,5 3,0 ILED [cd] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 10 20 30 40 o T [ C] b) Rys. 7.8. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5 ºC do +45 ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001 ms do 100 ms przy czasie ekspozycji kamery te równym 0,1 s (a); legenda z oznaczeniami kolejnych wartości ts na wykresach z rys. 7.8-7.11 Wraz ze wzrostem czasu trwania sygnału emitowanego przez badaną diodę zwiększa się wartość natężenia promieniowania ILED, a im wyższa temperatura, tym większe różnice między wartościami ILED w danej temperaturze przy zmianie czasu ts (rys. 7.57.7). Wpływ temperatury na wartość ILED jeszcze wyraźniej widać na wykresach zależności natężenia promieniowania ILED od temperatury (rys. 7.87.11). Na wykresach wszystkich zależności ILED = f(T) widoczne jest wyraźne lokalne maksimum dla temperatury 0 ºC. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 129 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych Powyżej tej temperatury wartość ILED nieznacznie maleje, by następnie względnie ustabilizować się. Można zaobserwować nieznaczne fluktuacje wartości ILED, jednak różnice wartości mieszczą się w granicach błędu ΔILED. Tę względnie stałą wartość natężenie promieniowania przyjmuje od temperatury T = 20 ºC dla te = 0,1 s, T = 10 ºC dla te = 0,5 s i T = 5 ºC dla te = 1 s, więc wpływ temperatury na wartość rejestrowanego natężenia promieniowania ILED jest mniejszy dla dłuższych czasów ekspozycji. Podobny wpływ obserwuje się przy zwiększaniu czasu trwania ts – im dłuższy czas trwania sygnału badanej diody, tym mniejsze fluktuacje wartości ILED (rys. 7.11). Czyli im dłużej trwa rejestracja i im większy jest badany sygnał, tym bardziej stabilny temperaturowo jest pomiar. 15 ILED [cd] 10 5 0 0 20 40 o T [ C] Rys. 7.9. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5 ºC do +45 ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001 ms do 100 ms przy czasie ekspozycji kamery te równym 0,5 s Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 130 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych a) 25 ILED [cd] 20 15 10 5 0 0 20 40 o T [ C] b) ILED [cd] 2 1 0 0 20 40 o T [ C] Rys. 7.10. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5 ºC do +45 ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001 ms do 100 ms (a) oraz od 0,001 ms do 6,5 ms przy czasie ekspozycji kamery te =1 s Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 131 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED a) b) 1,4 0,08 1,2 1,0 ILED [cd] ILED [cd] 0,06 0,04 0,8 0,6 0,4 0,02 0,2 0,00 0,0 0 20 0 40 20 o 40 o T [ C] T [ C] c) 12,5 ILED [cd] 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 0 20 40 o T [ C] Rys. 7.11. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5 ºC do +45 ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresów od 0,001 ms do 0,09 ms (a), od 0,1 ms do 10 ms (b) oraz od 10 ms do 100 ms (c) przy czasie ekspozycji kamery te = 0,5 s Z porównania zależności ILED = f(T) otrzymanych w wyniku rejestracji przeprowadzonych dla całego układu: dioda LED – kamera CCD umieszczonego w komorze klimatycznej (rys. 7.87.11) z zależnością ILED = f(T) uzyskaną z rejestracji, podczas której tylko badaną diodę LED umieszczono w komorze klimatycznej (rys. 7.12) widać, że wpływ temperatury na diodę LED i kamerą CCD jest różny. W zakresie temperatur od +15 ºC do +45 ºC względny spadek wartości ILED dla samej diody LED wynosi 14,5%, a dla całego układu wynosi średnio 3,3%. Stąd wniosek, że w tym zakresie temperatur wartość odpowiedzi kamery CCD zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury, czyli odwrotnie niż w przypadku diody LED. Natomiast w zakresie temperatur od –5 ºC do +15 ºC tendencja nie jest tak oczywista. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 132 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 8 ILED [cd] 6 4 2 0 -10 0 10 20 30 40 o T [ C] Rys. 7.12. Zależność natężenia promieniowania diody LED od temperatury w zakresie od ºC do +45 ºC Kolejne wykresy przedstawiają porównanie krzywych ILED = f(ts) dla trzech wartości czasu ekspozycji te: 0,1 s, 0,5 s i 1 s (rys. 7.13 – 7.15). Wartość ILED rośnie wraz z wydłużaniem czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę. Relacja ta jest liniowa, jednak im dłuższy czas ekspozycji, tym większe nachylenie prostej opisującej zależność między natężeniem promieniowania a czasem trwania badanego sygnału. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 133 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 30 te=0,1s te=0,5s 25 te=1s ILED [cd] 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 ts [ms] Rys. 7.13. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 5 ºC, dla czasów ekspozycji kamery te = 0,1 s, 0,5 s i 1 s 30 te=0,1s te=0,5s 25 te=1s ILED [cd] 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 ts [ms] Rys. 7.14. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 20 ºC, dla czasów ekspozycji kamery te = 0,1 s, 0,5 s i 1 s Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 134 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 30 te=0,1s te=0,5s 25 te=1s ILED [cd] 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 ts [ms] Rys. 7.15. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 45 ºC, dla czasów ekspozycji kamery te = 0,1 s, 0,5 s i 1 s Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że w badanym zakresie temperatury występują zmiany w natężenia promieniowania rejestrowanego przy użyciu kamery CCD. Zmiany te zależą nie tylko od wartości temperatury, w jakiej przeprowadzany jest pomiar, ale również od wartości sygnału badanego i czasu trwania pomiaru. Wartość natężenia promieniowania ILED rośnie liniowo wraz ze zwiększaniem szerokości rejestrowanego impulsu diody, a na kąt nachylenia prostej opisującej zależność ILED = f(ts) ma wpływ czas ekspozycji – im większy czas te, tym większy kąt nachylenia prostej ILED = f(ts). Wpływ temperatury jest bardziej znaczący dla mniejszych wartości czasów ts i te oraz przy niższej temperaturze. Temperatura wywołuje zmiany zarówno ilości promieniowania emitowanego przez diodę LED, jak i wartości odpowiedzi kamery CCD. Jednak powyżej +15 ºC wzrost temperatury powoduje zmniejszenie ilości emitowanego promieniowania oraz zwiększenie wartości odpowiedzi kamery, w efekcie tego dla zakresu od +15 ºC do +45 ºC wpływ temperatury na rejestrację promieniowania diody LED za pomocą kamery CCD jest mało znaczący. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 135 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych 8. Podsumowanie Tematyka pracy dotyczy interdyscyplinarnego obszaru badań związanego z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji i obserwacji promieniowania emitowanego przez matrycę LED. Tematyka ta jest aktualna i perspektywiczna, a uzyskane wyniki mogą mieć znaczenie poznawcze i aplikacyjne. Dzięki znaczącemu postępowi w technologii wykorzystywanej w badaniach i produkcji struktur półprzewodnikowych, współczesne diody elektroluminescencyjne mają liczne zalety, w tym pomiarowe. Powoduje to coraz szersze ich zastosowanie nie tylko jako źródeł światła, ale również jako elementy różnego rodzaju przetworników i układów, m.in. w badaniach spektrofotometrycznych, monitorowaniu optycznych właściwości obiektów biologicznych, komunikacji optycznej czy też w badaniach zjawisk luminescencyjnych. Podobnie jest w przypadku przetworników CCD. Coraz lepsze parametry optyczne pozwalają na wykorzystanie ich w przyrządach do obserwacji, rejestracji i gromadzenia danych pomiarowych w astronomii, medycynie, spektrometrii, optoelektronice. Na parametry optyczne i elektryczne – zarówno LED, jak i CCD – wpływa charakter ich procesów produkcyjnych. Nawet w ramach tej samej serii parametry poszczególnych elementów mogą się różnić, zwłaszcza światłość i barwa promieniowania emitowanego przez diody oraz czułość matryc CCD. Dlatego uzasadnione jest testowanie ich, zarówno podczas produkcji, jak i po wyborze do danej aplikacji. Określenie charakterystyk optycznych jest szczególnie ważne przy zastosowaniach LED jako pomiarowych źródeł promieniowania optycznego oraz na potrzeby konstrukcji czujników optoelektronicznych. Równie istotna jest ocena możliwości i ograniczeń pomiarowych przetworników CCD oraz określenie stopnia wpływu warunków zewnętrznych na wyniki pomiarów. W ramach zrealizowanych w rozprawie celów szczegółowych można wyróżnić: 1) Zaproponowanie nowego sposobu uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania diod elektroluminescencyjnych z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD. Sposób ten polega na wyznaczeniu wartości średniej jaskrawości Nśr z otrzymanego obrazu i możliwości przeliczenia jej na wartość natężenia promieniowania ILED. Do jego aplikacyjnych zalet można zaliczyć: • prostotę układu, a jednocześnie wystarczającą wiarygodność przetwarzania sygnałów optycznych, Podsumowanie 136 Joanna Parzych • możliwość Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED pomiaru wartości natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody (chipy) w wielodiodowych matrycach LED i diodach LED dużej mocy, • możliwość przeprowadzania pomiarów zarówno przez użytkownika, jak i producenta (alternatywne dołączenie stanowiska do linii produkcyjnej lub punktu kontroli), • krótki czas pomiaru i względnie niski koszt badań. 2) Przeprowadzenie analizy ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD oraz przedstawienie problemów metrologicznych i powodujących je czynników występujących w wybranych badaniach z zastosowaniem układu: matryca LED – przetwornik CCD. 3) Opracowanie pomiarowego modelu detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD i dokonanie eksperymentalnej weryfikacji modelu, na potrzeby której: • zbudowano laboratoryjne stanowisko pomiarowe, • opracowano oprogramowanie służące do sterowania parametrami pomiarów i rejestracji pochodzących z nich danych, • zbadano wpływ wybranych istotnych czynników na wynik rejestracji promieniowania kamerą CCD, • dokonano oceny niepewności wyników uzyskanych w przeprowadzonych licznych seriach pomiarowych, przy zastosowaniu najnowszych zasad tej oceny rekomendowanych przez międzynarodowe organizacje metrologiczne, • określono analitycznie postać równania przetwarzania. Wyznaczone równanie przetwarzania umożliwia przeliczenie przyjętej bezwymiarowej wielkości Nśr, określanej dla obrazów promieniowania emitowanego przez diody LED a zarejestrowanych kamerą CCD, na natężenie promieniowania ILED emitowanego przez badane diody. 4) Dokonanie analizy wyników pomiarów związanych ze sprawdzaniem wartości i jednorodności natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody w matrycach wielodiodowych: • na przykładzie matrycy diod LED wykazano, w jaki sposób można zidentyfikować w matrycy diody świecące, nie świecące oraz "świecące" światłem odbitym, Podsumowanie 137 Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED Joanna Parzych • na przykładzie diod LED dużej mocy wykazano, w jaki sposób można zidentyfikować w matrycy diody (chipy) o wartości natężenia mniejszej niż zakładana wartość graniczna. 5) Zbadanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą, które pozwoliło na stwierdzen ie, że w badanym zakresie zmian temperatury (od 5 ºC do +45 ºC) występują zmiany wartości zarejestrowanego natężenia promieniowania, na które znaczący wpływ wywiera także czas trwania pomiaru (czas ekspozycji). Głównym celem rozprawy była analiza problemów metrologicznych związanych z rejestracją promieniowania przy użyciu przetwornika CCD oraz opracowanie i eksperymentalna weryfikacja pomiarowego modelu detekcji promieniowania świetlnego w układzie: matryca LED – przetwornik CCD, przy zaproponowaniu nowego podejścia do uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD. Cel ten został osiągnięty, a postawiona teza udowodniona przez wykazanie, że wykorzystanie pomiarowego modelu detekcji w układzie: matryca LED – przetwornik CCD umożliwia, po odpowiednich procesach przekształcania, wystarczająco wiarygodne uzyskanie z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD przydatnych w praktyce informacji o parametrach promieniowania emitowanego przez matryce diod LED. Część z uzyskanych dotąd wyników została opublikowana w czasopismach naukowych [8183,86,87] i była referowana na specjalistycznych naukowych konferencjach poświęconych tematyce metrologii oraz optoelektroniki i fotoniki [80,84,85]. W dalszych pracach celowe byłoby zmodyfikowanie zbudowanego stanowiska pomiarowego i opracowanego oprogramowania na potrzeby badań możliwych do przeprowadzenia w różnych warunkach. Podsumowanie 138 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 9. Literatura 1. Autiero M., Celentano L., Cozzolino R., Laccetti P., Marotta M., Mettivier G., Montesi M.C., Riccio P., Roberti G., Russo P., Hematoporphyrin mediated laser induced fluorescence in vivo imaging of tumor and organs structure in small animals, Proc. of Nuclear Science Symposium Conference Record IEEE 2004, 16-22 October 2004, vol. 6, s. 37433747. 2. Arraez-Roman D., Fernandez-Sanchez J.F., Cortacero-Ramirez S., Segura-Carretero A., Fernandez-Gutierrez A., A simple light-emitted diode-induced fluorescence detector using optical fibers and a charge coupled device for direct and indirect capillary electrophoresis methods, Electrophoresis, vol. 27, 2006, s. 17761783. 3. Bando K., Sakano K., Noguchi Y., Shimizu Y., Development of high-bright and pure-white LED lamps, Journal of Light & Visual Environment, 1999, vol. 22, pp. 25. 4. Behnke B., Johansson J., Bayer E., Nilsson S., Fluorescence imaging of frit effects in capillary separations, Electrophoresis, vol. 21, 2000, s. 31023108. 5. Biber C., LED light emission as a function of thermal conditions, Proc. of the 24th SEMITHERM Symposium IEEE 2008, March 16-20, 2008, San Jose, no. CFP08SEM-PRT, s. 180184. 6. Bielecki Z., Rogalski A., Detekcja sygnałów optycznych, Warszawa, WNT 2001. 7. Booth K., Hill S., Optoelektronika, Warszawa, WKiŁ 1998. 8. Cabello J., Bailey A., Kitchen I., Prydderch M., Clark A., Turchetta R., Wells K., Digital autoradiography using room temperature CCD and CMOS imaging technology, Phys. Med. Biol., 2007, vol. 52, s. 4993–5011. 9. Chen J., Venkataraman K., Bakin D., Rodricks B., Gravelle R., Rao P., Ni Y., Digital camera imaging system simulation, IEEE Transactions on Electron Devices, November 2009, vol. 56, no. 11, s. 24962505. 10. Cysewska-Sobusiak A., Modelowanie i pomiary sygnałów biooptycznych, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 2001. 11. Cysewska-Sobusiak A., Podstawy metrologii i inżynierii pomiarowej, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 2010. Literatura 139 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 12. Cysewska-Sobusiak A., Bołtrukiewicz M., Metrological analysis of the optical response to be acquired from an oligonucleotide library, Proc. of 19th Instrumentation Measurement Technol. Conf. IEEE 2002, Anchorage, 21-23 May 2002, s. 391395. 13. Cysewska-Sobusiak A., Bołtrukiewicz M., Parzych J., Evaluation of fluorescence images aquired from oligonucleotide libraries, Optica Applicata, vol. XXXVIII, no. 2, 2008, s. 376386. 14. Cysewska-Sobusiak A., Boltrukiewicz M., Parzych J., Novel approach to modeling of images emitted by a virtual oligonucleotide library, Optics and Optoelectronics, Proc. of SPIE, 2005, vol. 5959, s. 59590Y-1–59590Y-8. 15. Cysewska-Sobusiak A., Parzych J., Prokop D., Sowier A., Zastosowanie miniaturowych głowic ultrasonograficznych w wideoendoskopii, Proc. of the XII Conference Computer Applications in Electrical Engineering ZKwE’07, Poznań, 16-18 kwiecień 2007, s. 309310. 16. Cysewska-Sobusiak A., Parzych J., Prokop D., Sowier A., Application of ultrasonographic mini-heads in videoendoscopy, Computer Applications in Electrical Engineering, POLI-GRAF-JAK, Poznań 2007, s. 232242. 17. Cysewska-Sobusiak A., Wiczyński G., Krawiecki Z., Odon A., Wykorzystanie w biopomiarach transmisyjnego wariantu światło-tkanki, Pomiary Automatyka Kontrola, 2007, nr 9bis, s. 390393. 18. Debevec P. E., Malik J., Recovering high dynamic range radiance maps from photograph, Proc. of the 24th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques SIGGRAPH '97, August 1997, ACM Press/Addison-Wesley Publishing Co. New York, NY, USA 1997, s. 369378. 19. Dokument: Handbook of LED Metrology, Instrument Systems GmbH, 2010. 20. Dokument: Harnessing Light, Optical Science and Engineering for the 21st Century, National Academy Press, Washington D.C. Third Printing, September 2000. 21. Dokument: JCGM 104:2009 Evaluation of measurement data - An introduction to the "Guide to the expression of uncertainty in measurement" and related documents, Joint Committee for Guides in Metrology, 2009. 22. Dokument: LIFA – Fluorescence Lifetime Attachment, Lambert Instruments, 2001. 23. Dokument: Measurement of LEDs, Publikacja CIE No 127, 1997. 24. Dokument: Przewodnik CELMA/ELC po normach dla LED, Dokument CELMA LED(AH)003C, Wersja II, PolLighting, kwiecień 2010. Literatura 140 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 25. Dokument: The Radiometry of Light Emitting Diodes, Technical Guide, Labsphere Inc., 1994. 26. Dokument United States Patent Application Publication, Pub. No.: US 2003/0021113 A1, Begemann S. H. A., LED Lamp, Pub. Date: Jan. 30, 2003. 27. Drozdowski M. (red.), Spektroskopia ciała stałego, wyd. 2, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 2001. 28. Faraji H., MacLean W. J., CCD noise removal in digital images, IEEE Trans. on Image Processing, 2006, vol. 15, s. 26762685. 29. Feng L., Hu X., He Y., Huang M., Zhu Z., Ground based nitrogen status of canola leaves using charged coupled device imaging sensor, Proc. of 27thAnnual International Conference of the Engineering in Medicine and Biology Society IEEE-EMBS 2005, 01-04 September 2005 ,vol. 3, s. 31253128. 30. Fiorentin P., Iacomussi P., Rossi G., Characterization and calibration of a CCD detector for light engineering, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2005, vol. 54, no. 1, s. 171177. 31. Fotowicz P., Podejścia związane z wyrażaniem niepewności pomiaru, Metrologia. Biuletyn Głównego Urzędu Miar, 2009, nr 4(15), s. 3133. 32. Fryc I., Jakość promieniowania optycznego diody LED, Przegląd Elektrotechniczny, 2003, nr 4, s. 234236. 33. Fryc I., Wpływ modulacji impulsu zasilającego LED na parametry świetlne emitowanego promieniowania, Przegląd Elektrotechniczny, 2012, nr 6, s. 131133. 34. Fuller R.R., Sweedler J.V., Characterizing submicron vesicles with wavelength-resolved fluorescence in flow cytometry, Cytometry, 1996, vol. 25, s. 144155. 35. Gallego A.L., Guesalaga A.R., Bordeu E., Gonzalez A.S., Rapid measurement of phenolics compounds in red wine using Raman spectroscopy, IEEE Transations on Instrumentation and Measurement, 2011, vol. 60, s. 507512. 36. Gilewski M., Wielokanałowy, stałoprądowy układ zasilania zespołów LED dużej mocy, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 193196. 37. Godlewski J., Generacja i detekcja promieniowania optycznego, Warszawa, PWN 1997. 38. Gondek J., Kocoł J., Energooszczędne źródło światła na diodach LED-mocy w najnowszych systemach oświetleniowych, Czysta energia Czyste środowisko 2008, MałopolskoPodkarpacki Klaster Czystej Energii (www.klaster.agh.edu.pl/pliki/gondek.pdf, 13.11.2013). Literatura 141 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 39. Grzesiak W., Ciez M., Nowak S., Początek J., Zaraska W., Wietrzny K., Zastosowanie diod elektroluminescencyjnych o wysokiej luminancji w systemach oświetleniowych, zwłaszcza fotowoltaicznych, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003. 40. Hatliński G., Kowalski J.K., Kukwa A., Monitorowanie śródoperacyjne – nowe rozwiązania optoelektroniczne, Materiały XIX Krajowej Szkoły Optoelektroniki „Współczesna optoelektronika w medycynie”, Sopot 07-10 kwiecień 2005 s. 214218. 41. Hlina J., Sonsky J., Slechta J., Application of CCD cameras to investigations of mixing on boundaries of a thermal plasma jet, Plasma Sci. Technol., 2007, vol. 9, s. 743746. 42. Holst G. C., Arrays, Cameras and Displays, SPIE-International Society for Optical Engineering, ISBN 0819428531, 1998. 43. Howell S. B., Handbook of CCD Astronomy, Cambridge University Press 2006. 44. Hui S.Y.R., A general photo-electro-thermal theory for light emitting diode (LED) systems, IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, vol. 24, s. 19671975. 45. Instrukcja obsługi: Color Digital Camera, Technical Manual, Sony Corporation 2004. 46. Instrukcja obsługi: Inkubator laboratoryjny ILW TOP, POL-EKO-APARATURA 2007. 47. Instrukcja obsługi: Luksomierz L-100, Białystok, Sonopan 2008. 48. Instrukcja obsługi: NI-IMAQ for IEEE 1394 Cameras User Manual, Austin, USA, National Instruments 2005. 49. Instrukcja obsługi multimetru cyfrowego Brymen BM589CF. 50. Instrukcja obsługi multimetru cyfrowego Metex 4660A. 51. Janesick J.R., Scientific Charge-Coupled Devices, Bellingham, USA, SPIE Press 2000. 52. Kasprzak J., Diagnostyka optyczna w medycynie – potrzeby i możliwości, Materiały XIX Krajowej Szkoły Optoelektroniki „Współczesna optoelektronika w medycynie”, Sopot 07-10 kwiecień 2005, s. 265277. 53. Kawski A., Fotoluminescencja roztworów, Warszawa, PWN 1992. 54. Kęcki Z., Podstawy spektroskopii molekularnej, wyd. 4, Warszawa, PWN 1998. 55. Kiełczewski M., Pazderski D., Wizyjny system lokalizacji robota mobilnego wykorzystujący znaczniki LED, Elektronika, 2008, nr 6, s. 259–262. 56. Kuriličik N., Vitta P., Žukakauskas A., Gaska R., Ramanavičius A., Kaušaitė A., Juršėnas S., Fluorescence detection of biological objects with ultraviolet and visible light-emitting diodes, Optica Applicata, vol. XXXVI, 2006, no. 2-3, s. 193198. Literatura 142 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 57. LaBelle R. D., Garvey S. D., Introduction to high performance CCD cameras, Proc. of International Congress on Instrumentation in Aerospace Simulation Facilities, Wright-Patterson AFB, Ohio, USA, July 18-21, 1995, s. 30.1–30.5. 58. Lampens P., Strigachev A., Duval D., Multicolour CCD measurements of visual double and multiple stars III, Astronomy & Astrophysics, 2007, vol. 464, s. 641645. 59. Li J., Xiao J., Forest fire detection based on video multi-feature fusion, Proc.of Computer Science and Information Technology, Conf. IEEE 2009, Beijing, 08-11 August 2009, 978-1-4244-4519-6, s. 19-22. 60. Liu H.S., Pang G., Positioning beacon system using digital camera and LEDs, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2003, vol. 52, s. 406419. 61. Lumileds Lighting LL LLC Company Confidential, What happens with our LEDs in Europe, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003. 62. Lumileds Lighting LL LLC Company Confidential, Lumileds Technical Training Seminar, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003. 63. Lumileds Future Electronics, Luxeon Overview, Konferencja LED+PV, Warszawa, 19 kwietnia 2005. 64. Majchrzak W., Płociński M., Wykorzystanie czujników optoelektronicznych do pomiaru położenia i orientacji robota mobilnego, Elektronika, 2008, nr 6, s. 65–68. 65. Malina W., Smiatacz M., Metody cyfrowego przetwarzania obrazu, Warszawa, Wyd. EXIT 2008. 66. Massalski J., Fizyka dla inżynierów, cz. 2, wyd. 2, Warszawa, WNT 1997. 67. Mazur J.W., Modelowanie samochodowych projektorów oświetleniowych z zastosowaniem źródeł światła typu LED, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 272282. 68. Mączyński P., Diody LED w oświetleniu lotniskowym nowej generacji, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003. 69. Michalak S., System pomiarowy do obserwacji efektów prądu ciemnego przetworników obrazu, Pomiary Automatyka Kontrola, 2006, nr 6, s. 1921. 70. Michalak S., Zastosowanie funkcji pakietu IMAQ w programie do obserwacji szumów i prądu ciemnego przetworników obrazu, Mat. Poznańskich Warsztatów Telekomunikacyjnych, Poznań, 8-9 grudnia 2005, s. 215219. Literatura 143 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 71. Miura K., Imaging and detection technologies for image analysis in electrophoresis, Electrophoresis, 2001, vol. 22, s. 801813. 72. Molloi S., Ersahin A., Qian Y.J., CCD camera for dual-energy digital subtraction angiography, IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 14, 1995, s. 747752. 73. Mongelard F., Vourc’h C., Robert-Nicoud M., Usson Y., Quantitative assessment of the alteration of chromatin during the course of FISH procedures, Cytometry, 1999, vol. 36, s. 96101. 74. Moore P.J., Harscoet F., Low cost thermal imaging for power systems applications using a conventional CCD camera, Proc. of International Conference on Energy Management and Power Delivery EMPD '98, Singapore, 3-5 March, 1998, vol. 2, s. 589594. 75. Moshe B.E., Jiaping W., Bennett W., Xiaoyang L, Le M., An LED-only BRDF Measurement Device, Proc. of Computer Vision and Pattern Recognition Conf., Anchorage, Alaska, USA, 24-26 June 2008, 978-1-4244-2243-2/08, s. 18. 76. Mroziewicz B., Biało-świecące diody LED rewolucjonizują technikę oświetleniową, Elektronika, 2010, nr 9, s. 145–154. 77. Nägele T., White LEDs – importance of accepted measurement standards, LED professional Review, 2008, No. 10, s. 2225. 78. Pabjańczyk W., Zastosowanie diod LED w technice oświetlania i sygnalizacji w ruchu drogowym, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 229233. 79. Panditrao A.M., Rege P.P., Temperature estimation of visible heat sources by digital photography and image processing, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2010, vol. 59, s. 1167–1174. 80. Parzych J., Using the CCD camera to the recording of the radiation emitted by a LED matrix, Proc. of the XXth IEEE-SPIE Symposium on Photonics and Web Engineering, Wilga, 21-27 maj 2007, vol. 6937, s. 69371M-169371M-9. 81. Parzych J., Badanie odpowiedzi kamery CCD na sygnał elektroluminescencyjny w zależności od temperatury, Elektronika, 2010, nr 9, s. 120123. 82. Parzych J., Bołtrukiewicz M., Spławska A., Krawiecki Z., Metrologiczne problemy związane z detekcją za pomocą kamery CCD sygnałów emitowanych z matrycy LED, Elektronika, 2008, nr 6, s. 56–58. 83. Parzych J., Krawiecki Z., Sterowane programowo stanowisko pomiarowe z kamerą CCD do badań optoelektronicznych, Elektronika, 2008, nr 6, s. 244–246. Literatura 144 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 84. Parzych J., Krawiecki Z., Zastosowanie programu LabVIEW do sterowania pomiarowymi parametrami kamery CCD, Proc. of XII Conference ZKwE’07 Computer Applications in Electrical Engineering, Poznań, 16-18 kwiecień 2007, s. 247–248. 85. Parzych J., Krawiecki Z., Applications of LabVIEW in measurements with the use of a CCD camera, Poznan University of Technology Academic Journals, Electrical Engeering, Issue 59 Computer Applications in Electrical Engineering 2008, Poznań 2009, s. 181–185. 86. Parzych J., Krawiecki Z., Wpływ temperatury na odpowiedź kamery CCD, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 8687. 87. Parzych J., Odon A., Krawiecki Z., Wyznaczanie krzywej zaniku promieniowania elektroluminescencyjnego przy użyciu przetwornika CCD, Metrologia dziś i jutro, pod red. Kiciński W., Swędrowski L., Gdańsk 2009, Wyd. Katedra Metrologii i Systemów Informacyjnych, Politechnika Gdańska, s. 165173. 88. Parzych J., Prokop D., Kamera CCD jako narzędzie w pomiarach optoelektronicznych, Polska Konferencja Optyczna PKO’2009 Streszczenia, Szczecin 2009, s. 8485. 89. Patton W. F., A thousand points of light: The application of fluorescence detection technologies to two-dimensional gel electrophoresis and proteomics, Electrophoresis, 2000, vol. 21, s. 11231144. 90. Pietrzykowski J., Charakterystyki optyczne i fotometryczne diod emitujących światło, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003. 91. Reszka E., Technologia LED w iluminacji architektury zabytkowej, Oświetlenie LED, 2013, nr 4, s. 813. 92. Rogalski A., Photon detectors, in: Encyclopedia of Optical Engineering, vol. 2, ed. Ronald G. Driggers, New York, CRC Press 2003, s. 19852035. 93. Ryer A., Light measurement handbook, Newburyport, International Light Inc. 1998. 94. Sano T., Nagahata H., Yamamoto H., Automatic Micromanipulation system using stereoscopic microscope, Proc. of the 16th Instrumentation and Measurement Technology Conference IEEE 1999, Venice, 24-26 May, 1999, vol. 1, s. 327331. 95. Sanecki J. (red.), Teledetekcja – pozyskiwanie danych, Warszawa, WNT 2006. 96. Schlotter P., Baur J., Hielschern Ch., Kunzer M., Obloh H., Schmidt R., Schneider J., Fabrication and characterization of GaN/InGaN/AlGaN double heterostructure LEDs Literatura 145 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED and their application in luminescence conversion LEDs, Materials Science and Engineering, 1999, vol. B59, s. 390394. 97. Schlotter P., Schmidt R., Schneider J., Luminescence conversion of blue light emitting diodes, Appl. Phys. A, 1997, vol. 64, s. 417–418. 98. Schreck P.C., Demonstration of a gimbal mounted, high resolution charge coupled device (CCD) television camera in lieu of direct view optics for air to ground targeting, Proc. of Aerospace Conference IEEE 1998, Snowmass at Aspen, CO, 21-28 March 1998, vol. 3, s. 1727. 99. Schultz R.A., Nielsen T., Zavaleta J.R., Ruch R., Watt R., Garner H.R., Hyperspectral imaging: a novel approach for microscopic analysis, Cytometry, 2001, vol. 43, s. 239247. 100. Schubert E. F., Light Emitting Diodes, Cambridge University Press 2003. 101. Scully A.D., Ostler R.B., Philips D., O’Neill P., Towsend K.M.S., Parker A.W., MacRobert A.J., Application of fluorescence lifetime imaging microscopy to the investigation of intracellular PDT mechanism, Bioimaging, 1995, vol. 5, s. 918. 102. Seville M., A whole new way of looking at things: the use of Dark Reader technology to detect fluorophors, Electrophoresis, 2001, vol. 22, s. 814828. 103. Smith S. W., DSP. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów, Legionowo, BTC 2007. 104. Stoop K. W. J., van Geest L. K., van der Oord C. J. R, LIFA – system for fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM), presented at EMBO Practical Course Light Microscopy of Live Specimens, May (1 month), EMBL Heidelberg 2002. 105. Świsulski D., Komputerowa technika pomiarowa. Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabVIEW, Warszawa, Agenda Wydawnicza PAK-u 2005. 106. Tibbe A.G.J., Grooth de B.G., Greve J., Dolan G.J., Terstappen L.W.M.M., Imaging technique implemented in CellTracks system, Cytometry, 2002, vol. 47, s. 248255. 107. Wiczyński G., Transillumination of peripheral parts of the body with the use of optical radiation, Proc. of SPIE, 2006, vol. 6348, s. 6348K016348K10. 108. Wiczyński G., Wpływ temperatury na wartości elementów schematu zastępczego diody LED, Elektronika, 2008, nr 6, s. 203–205. 109. Wiczyński G., Wpływ temperatury na widmo optyczne diody LED, Elektronika, 2008, nr 6, s. 211–213. 110. Widenhorn R., Blouke M. M., Weber A., Rest A., Bodegom E., Temperature dependence of dark current in a CCD, Proc. SPIE, 2002, vol. 4669, s. 193–201. Literatura 146 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 111. Widehorn R., Dunlap J.C., Bodegom E., Exposure time dependence of dark current in CCD imagers, IEEE Transations on Instrumentation and Measurement, 2010, vol. 57, s. 581587. 112. Wiśniewski A., Moduły LED, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, nr 1, s. 811. 113. Wiśniewski A., Panele diodowe firmy OSRAM, Konferencja LED: diody emitujące światło - technologie, zastosowania, Warszawa, 21 marca 2003 . 114. Woźnicki J., Podstawowe techniki przetwarzania obrazu, Warszawa, WKiŁ 1996. 115. Wróbel D., Podstawy fotonowych procesów molekularnych, Poznań, Wyd. Politechniki Poznańskiej 1998. 116. Xiao J., Li J., Zhang J., The identification of forest fire based on digital image processing, Proc. of the 2nd International Congress on Image and Signal Processing CISP '09, Tianjin, 17-19 October, 2009, s. 15. 117. Xue L., Fang J., Huang W., Li M., Research on LED die geometric parameter measurement based on shape recognition and sub-pixel detection, Proc. of 2010 8th World Congress on Intelligent Control and Automation (WCICA), Jinan, 7-9 July, 2010, s. 62046210. 118. Yam F. K., Hassan Z., Innovative advances in LED technology, Microelectronics Journal, 2005, vol. 36, s. 129–137. 119. Yang R., Chen Y., Design of a 3-D infrared imaging system using structured light, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2011, vol. 60, s. 608–617. 120. Yotter R.A., Wilson D.M., A review of photodetectors for sensing light-emitting reporters in biological systems, IEEE Sensors Journal, 2003, vol. 3, s. 288303. 121. Young R., Measuring light emission from LEDs, Reprint (R35), Optronic Laboratories, March 2006. 122. Ziętek B., Optoelektronika, wyd. 3, Toruń, Wyd. Uniwersytetu Mikołaja Kopernika, 2011. 123. Żagan W., Rzetelnie i rozważnie o LED-ach – ocena obecnych i prognoza przyszłych aplikacji oświetleniowych diod elektroluminescencyjnych, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, nr 1, s.17. 124. Żagan W., Wykorzystanie LED-ów w iluminacji zabytków, Oświetlenie LED, 2013, nr 4, s. 67. Zasoby internetowe: 125. http://fotoklik.pl/foto/makrofotografia/kenko-pierscienie-posrednie-macro-1.html (26.11.2013) 126. http://uk.farnell.com/lumileds/lxhl-nwe6/led-luxeon-ring-12-white/dp/1109142 (21.11.2013) Literatura 147 Joanna Parzych Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED 127. http://uk.farnell.com/lumileds/lxhl-nwe9/led-luxeon-line-12-white/dp/1109136 (21.11.2013) 128. http://www.digital-photography.pl/pl/artykuly/T4CMOS_CCD.html (26.08.2012) 129. http://www.fmd.com.pl/tfp/ccd-vs-cmos-ktora-matryca-lepsza (26.08.2012) 130. http://www.fotopolis.pl/index.php?n=5345&abc-fotografii-cyfrowej-cz-7-matryceswiatloczule-cmos (26.08.2012) 131. http://www.fotoporadnik.pl/ccd-cmos-1.html (26.08.2012) 132. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/1_elektroluminescencja.htm (25.02.2011) 133. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/2_rys_historyczny.htm (25.02.2011) 134. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/3_sposoby_otrzymywania_bialych_emiterow _led.htm (25.02.2009) 135. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/4_parametry_LED.htm (25.02.2011) 136. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/5_zasilanie_LED.htm (25.02.2011) 137. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/6_uklad_optyczny.htm (25.02.2011) 138. http://www.lighting.pl/html/LED_Lediko/7_zarzadzanie_cieplem.htm (20.11.2013) 139. http://www.lighting.pl/index.php?s_id=1&akcja=news&n_id=1059&typ= (27.11.2013) 140. http://www.optyczne.pl/14.1-artykuł-CCD_vs_CMOS.html (26.08.2013) 141. http://www.optyczne.pl/14.2-artykułCCD_vs_CMOS_Matryce_CCD_i_ich_działanie.html (26.08.2013) 142. http://www.optyczne.pl/14.3-artykuł-CCD_vs_CMOS_Krótko_o_CMOS.html (26.08.2012) 143. www.everlight.com (20.11.2013) 144. www.gelcore.com (23.11.2013) 145. www.osram-os.com (30.03.2009) Literatura 148
