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 [8087].
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 [39,6163,76,78,135]:
 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
[38,44,76,123,136138].
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
[38,6163,138]
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 [6163],

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) [38,39,6163,76,78,91,112,123],
 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 [6163,78,91,112,124],
 lampy operacyjne [61],
 oświetlenie sceniczne [61],
 sygnalizacja świetlna [20,38,44,6163,78,123],
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 [6163],
 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) [38,6163,67,77],
 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 +25C każdy wzrost temperatury o 10C 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 [10,1214],
 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
[120,128131,140142].
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) [128131,140142].
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 [8,128131,140142]. 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 [120,128131,140142]
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 [1012];
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) [8385,87]
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 [45,48,8385,87,105].
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 [45,48,8385].
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 [8385,87].
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 [8385].
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 [8385,87]
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 [4547,49,50]:

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 [1011,21].
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
  ( Ei  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. 6.96.16) 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. 6.236.30).
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. 6.236.26) oraz trzeciego stopnia dla diod LED5G i LED5B (rys. 6.276.28). 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. 6.296.30).
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 = 2·105 ms),
 bezwzględny błąd nastawy te (Δte = 2·105 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 6.326.37 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 [1214]. 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 do100 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 7.57.7 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. 7.57.7).
Wpływ temperatury na wartość ILED jeszcze wyraźniej widać na wykresach zależności
natężenia promieniowania ILED od temperatury (rys. 7.87.11). 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. 7.87.11) 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
[8183,86,87]
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. 37433747.
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. 17761783.
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. 25.
4.
Behnke B., Johansson J., Bayer E., Nilsson S., Fluorescence imaging of frit effects
in capillary separations, Electrophoresis, vol. 21, 2000, s. 31023108.
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. 180184.
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. 24962505.
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. 391395.
13. Cysewska-Sobusiak A., Bołtrukiewicz M., Parzych J., Evaluation of fluorescence
images aquired from oligonucleotide libraries, Optica Applicata, vol. XXXVIII, no. 2,
2008, s. 376386.
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. 309310.
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. 232242.
17. Cysewska-Sobusiak A., Wiczyński G., Krawiecki Z., Odon A., Wykorzystanie
w biopomiarach transmisyjnego wariantu światło-tkanki, Pomiary Automatyka
Kontrola, 2007, nr 9bis, s. 390393.
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. 369378.
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. 26762685.
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. 31253128.
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. 171177.
31. Fotowicz P., Podejścia związane z wyrażaniem niepewności pomiaru, Metrologia.
Biuletyn Głównego Urzędu Miar, 2009, nr 4(15), s. 3133.
32. Fryc I., Jakość promieniowania optycznego diody LED, Przegląd Elektrotechniczny,
2003, nr 4, s. 234236.
33. Fryc I., Wpływ modulacji impulsu zasilającego LED na parametry świetlne
emitowanego promieniowania, Przegląd Elektrotechniczny, 2012, nr 6, s. 131133.
34. Fuller R.R., Sweedler J.V., Characterizing submicron vesicles with wavelength-resolved
fluorescence in flow cytometry, Cytometry, 1996, vol. 25, s. 144155.
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. 507512.
36. Gilewski M., Wielokanałowy, stałoprądowy układ zasilania zespołów LED dużej mocy,
Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 193196.
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. 214218.
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. 743746.
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. 19671975.
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. 265277.
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. 193198.
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. 641645.
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. 406419.
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. 272282.
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. 1921.
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. 215219.
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. 801813.
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. 747752.
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. 96101.
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. 589594.
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. 18.
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. 2225.
78. Pabjańczyk W., Zastosowanie diod LED w technice oświetlania i sygnalizacji w ruchu
drogowym, Przegląd Elektrotechniczny, 2010, nr 10, s. 229233.
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-169371M-9.
81. Parzych J., Badanie odpowiedzi kamery CCD na sygnał elektroluminescencyjny
w zależności od temperatury, Elektronika, 2010, nr 9, s. 120123.
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. 8687.
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. 165173.
88. Parzych J., Prokop D., Kamera CCD jako narzędzie w pomiarach optoelektronicznych,
Polska Konferencja Optyczna PKO’2009 Streszczenia, Szczecin 2009, s. 8485.
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. 11231144.
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. 813.
92. Rogalski A., Photon detectors, in: Encyclopedia of Optical Engineering, vol. 2,
ed. Ronald G. Driggers, New York, CRC Press 2003, s. 19852035.
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. 327331.
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. 390394.
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. 1727.
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. 239247.
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. 918.
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. 814828.
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. 248255.
107. Wiczyński G., Transillumination of peripheral parts of the body with the use of optical
radiation, Proc. of SPIE, 2006, vol. 6348, s. 6348K016348K10.
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. 581587.
112. Wiśniewski A., Moduły LED, Przegląd Elektrotechniczny, 2008, nr 1, s. 811.
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. 15.
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. 62046210.
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. 288303.
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.17.
124. Żagan W., Wykorzystanie LED-ów w iluminacji zabytków, Oświetlenie LED, 2013,
nr 4, s. 67.
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
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

2+2=?

2 Cards jogaf85537

Create flashcards