Analiza problemów metrologicznych związanych z wykorzystaniem przetwornika CCD do detekcji promieniowania emitowanego przez matrycę LED

Transkrypt

1 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

2 Spis treści Streszczenie. 4 Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia Wstęp Określenie problematyki Teza, cele i zakres pracy Charakter fizyczny zjawiska luminescencji Zjawisko luminescencji Zjawisko elektroluminescencji Diody elektroluminescencyjne Podstawy fizyczne działania diod elektroluminescencyjnych Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła Przegląd rodzajów diod elektroluminescencyjnych dużej mocy Zastosowania diod elektroluminescencyjnych Metody pomiaru optycznych parametrów diod LED oraz zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiaru Przetworniki CCD Budowa i zasada działania przetworników CCD Obszary zastosowań przetworników CCD Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD Ograniczenia związane z charakterem zjawiska luminescencji oraz z budową przetwornika CCD Problemy metrologiczne występujące w wybranych badaniach z zastosowaniem układu: matryca LED przetwornik CCD Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania diod LED z obrazów zarejestrowanych za pomocą kamery CCD Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD Struktura modelu pomiarowego Założenia do modelowania Schemat funkcjonalny Równanie przetwarzania.. 69 Spis treści 2

3 6.2. Eksperymentalna weryfikacja modelu pomiarowego Stanowisko pomiarowe Oprogramowanie Przebieg pomiarów, uzyskane wyniki i ocena ich niepewności Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD Pomiary związane ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez matryce diod LED Badanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą Podsumowanie Literatura Spis treści 3

4 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

5 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

6 Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia Wielkości związane z emisją i detekcją promieniowania E e E p E I e I p I K m L e L p L M e M p M P e p V() Wielkości fotometryczne i radiometryczne natężenie napromienienia fotonowe natężenie napromienienia natężenie oświetlenia natężenie promieniowania gęstość fotonów światłość fotometryczny równoważnik promieniowania luminancja energetyczna luminancja fotonowa luminancja świetlna egzytancja energetyczna egzytancja fotonowa egzytancja świetlna moc promieniowania strumień energetyczny strumień fotonowy strumień świetlny krzywa względnej czułości spektralnej (fotopowej) ludzkiego oka I F T B U, U CC napięcie zasilania U R E I Wielkości związane z parametrami LED prąd przewodzenia diody LED temperatura barwowa wsteczne napięcie przebicia natężenie oświetlenia światłość D D * f k Wielkości związane z parametrami przetwornika CCD zdolność detekcji znormalizowana zdolność detekcji funkcja określająca zależność między średnią jaskrawością a natężeniem promieniowania Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 6

7 I d I LED k 1, k 2 n n max N N śr N E NEP P QE r R S L SNR t d t e t i t s t w T T w U A U D X Z natężenie prądu ciemnego natężenie promieniowania uzyskane z pomiarów kamerą CCD stałe funkcji f k liczba pikseli o danym poziomie jasności maksymalna liczba pikseli o danym poziomie jasności jaskrawość (poziom jasności piksela) średnia jaskrawość (średni poziomów jasności pikseli) liczba zgromadzonych ładunków elektrycznych moc równoważna z szumami moc promieniowania wydajność kwantowa odległość diody LED od detektora czułość bezwzględna czułość świetlna stosunek sygnału do szumu czas opóźnienia sygnału emitowanego przez diodę LED względem impulsu wyzwalającego czas ekspozycji czas integracji czas trwania sygnału emitowanego przez diodę LED czas trwania impulsu wyzwalającego okres przebiegu sygnału emitowanego przez diodę LED okres przebiegu wyzwalającego wartość analogowa napięcia wartość cyfrowa napięcia ekspozycja końcowa wartość cyfrowa sprawność przesuwu ładunku czas odpowiedzi Wielkości fizyczne A DF F IC ISC P absorpcja fluorescencja opóźniona fluorescencja konwersja wewnętrzna konwersja międzysystemowa fosforescencja Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 7

8 Miary niedokładności wyniku pomiaru k α u A u B, u C u r α δe v δi δi LED δi v δn δn śr δr δu ΔE v ΔI ΔI LED ΔI v ΔN ΔN śr Δr Δt e Δt s ΔT ΔU Δ gr I Δ gr I LED Δ gr U współczynnik rozszerzenia niepewność standardowa typu A niepewność standardowa typu B złożona niepewność standardowa; niepewność standardowa łączna niepewność rozszerzona poziom ufności względny błąd pomiaru natężenia oświetlenia względny błąd pomiaru prądu zasilania względny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD względny błąd pomiaru natężenia promieniowania (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza względny błąd pomiaru poziomu jasności piksela względny błąd pomiaru średniej jaskrawości względny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora względny błąd pomiaru napięcie zasilania bezwzględny błąd pomiaru natężenia oświetlenia bezwzględny błąd pomiaru prądu zasilania bezwzględny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD (przed korekcją) bezwzględny błąd pomiaru natężenia światła (światłości) uzyskanego z pomiarów pośrednich przy użyciu luksomierza bezwzględny błąd pomiaru poziomu jasności piksela bezwzględny błąd pomiaru średniej jaskrawości bezwzględny błąd pomiaru odległości diody LED od detektora bezwzględny błąd nastawy czasu ekspozycji bezwzględny błąd nastawy czasu trwania sygnału emitowanego przez LED bezwzględny błąd nastawy temperatury bezwzględny błąd pomiaru napięcia zasilania bezwzględny graniczny błąd pomiaru prądu zasilania bezwzględny graniczny błąd pomiaru natężenia promieniowania uzyskanego z pomiarów kamerą CCD bezwzględny graniczny błąd pomiaru napięcia zasilania Wybrane ważniejsze oznaczenia, symbole i pojęcia 8

9 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 ( ) 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

10 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

11 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 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

12 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

13 ich konstrukcji, rodzajów i sposobu zasilania. Wyróżniono obszary, w których diody elektroluminescencyjne znajdują zastosowanie oraz omówiono jakie obecnie stosowane metody pomiaru parametrów optycznych diod LED, a także zalecenia dotyczące sposobu przeprowadzania pomiarów ich charakterystycznych parametrów. W rozdziale 4 omówiono budowę i zasadę działania przetworników CCD (z uwzględnieniem procesów fizycznych zachodzących w nich podczas pracy), ich podział oraz parametry elektryczne i optyczne. Wspomniano również o szumach występujących w przetwornikach CCD, ich rodzajach i wpływie, jaki wywierają na końcowy wynik rejestracji za pomocą kamery CCD. Przedstawiono obszary aplikacyjne przetworników CCD oraz porównano je z przetwornikami CMOS, które mają podobne zastosowania. Wyniki własnych prac analitycznych, doświadczalnych i konstrukcyjnych zawarto głównie w rozdziałach 5, 6 i 7. Część wyników tych prac opublikowano [8087]. Rozdział 5 poświęcono analizie zagadnień związanych z procesem rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD. Uwzględniono zarówno ograniczenia powodowane charakterem zjawiska luminescencji, jak i zakłócenia oraz błędy wynikające z budowy i zasady działania przetwornika. Omówiono również problemy metrologiczne występujące w wybranych zastosowaniach zawierających układ: matryca LED przetwornik CCD. Zwrócono uwagę na: zakłócenia i błędy powstające w torze pomiarowym, wpływ konkretnego zastosowania diod LED na wybór rodzaju ich badań oraz sposób pomiaru. W rozdziale 6 zaprezentowano opracowany pomiarowy model detekcji. Przedstawiono założenia do budowy modelu i jego schemat funkcjonalny. Opisano wykonane stanowisko pomiarowe i opracowane oprogramowanie oraz zamieszczono wyniki przeprowadzonej eksperymentalnej weryfikacji modelu, a także wyniki badania wpływu wybranych czynników na rejestracje promieniowania optycznego. Zaprezentowano wyniki przeprowadzonej analizy niepewności wyników przetwarzania. W rozdziale 7 skoncentrowano się na analizie wyników przeprowadzonych badań związanych odpowiednio ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia emitowanego promieniowania oraz z wpływem temperatury na wyniki przetwarzania. W rozdziale 8 podsumowano zawarte w pracy badania oraz sformułowano wynikające z nich wnioski końcowe i zalecenia aplikacyjne. Wstęp 13

14 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

15 Emisja Joanna Parzych 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 Energia S1 A F IC DF ISC P ISC T S0 b) Absorbancja A F P Długość fali [nm] Rys 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, S 0 podstawowy poziom energetyczny, S 1, S 1, T wzbudzone poziomy energetyczne [27,37,115] Charakter fizyczny zjawiska luminescencji 15

16 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 Eg 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 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

17 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

18 dodatni (typ p) domieszka wprowadzająca poziom donorowy (pułapka). Energia [ev] Pasmo przewodnictwa E Pułapka hu Centrum luminescencyjne Szerokość pasma zabronionego Pasmo walencyjne Długość fali [nm] Rys 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

19 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 półprzewodnikowych: typu n i typu p (rys. 3.2). Anoda Materiał typu p. Obszar aktywny Materiał typu n Katoda Rys Schemat ogólny budowy diody elektroluminescencyjnej [38,95,132] Rekombinacja promienista Wzbudzone elektrony Pasmo przewodnictwa Pasmo zabronione Kierunek przepływu dziur Poziom akceptorowy Poziom donorowy Kierunek przepływu elektronów Pasmo walencyjne Typ p Dziury Obszar aktywny Typ n Rys Schemat energetyczny półprzewodnikowego złącza p-n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia [66,122,132] Diody elektroluminescencyjne 19

20 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 zielona 560 żółtozielona biała czerwona fioletowa x Rys Trójkąt barw diod LED CIE (The Commission Internationale de L'Éclairage) [3,19,32,96,100,122,132] Diody elektroluminescencyjne 20

21 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. Chip LED Reflektor/Odbłyśnik Soczewka Złote łącze Katoda Anoda Rys 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

22 a) b) Powietrze E0 Półprzewodnik Płaszczyzna złącza Rys Schemat diody o konstrukcji płasko-równoległej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95] a) b) Powietrze j d D b Półprzewodnik Złącze j Rys Schemat diody o konstrukcji półsferycznej: a) drogi promieni, b) przestrzenny rozkład natężenia promieniowania [95] a) b) Powietrze R O Półprzewodnik Droga promieni j O1 Złącze E( j) O2 Rys 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 do 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

23 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

24 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] 60 Niebieska Czerwona 50 Żółta Zielona ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Napięcie [V] b) Natężenie [j.w.] 1 GaN GaP GaP:N GaAs14 P85 GaAs35 P55 GaAs GaAsP GaAs6P4 GaAsP GaP:ZnO 0,5 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Długość fali [nm] Rys 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

25 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 T B : barwa intensywnie ciepłobiała (T B od 2500 K do 2800 K), barwa ciepłobiała (T B od 2800 K do 3500 K), barwa biała (T B od 3500 K do 5000 K), barwa dzienna (T B 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

26 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

27 Fiolet nm Niebieski nm Cyjan nm Zielony nm Żółty nm Pomarańczowy nm Czerwony nm 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 1,0 λ [μm] Pasmo widzialne Ultrafiolet mn Promieniowanie podczerwone od 720mn Barwa λ [ nm] Energia 3,0 2,5 2,0 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 Eg [ ev] Materiał GaAs (arsen ek galu) Eg [ ev] GaP (fosforek galu) Eg [ ev] GaAsP (fosfoarsen ek galu) Eg [ ev] GaAlAs (arsen ek glinowo-galowy ) Eg [ ev] SiC (węglik krzemu) Eg [ ev] Rys Poglądowe przedstawienie właściwości materiałów, z których wykonuje się diody elektroluminescencyjne [95] Tab 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 Długość fali [nm] Energia fotonu h [ev] promieniowanie UV < 390 > 3,18 światło fioletowe ,72 3,18 światło niebieskie ,53 2,72 światło cyjanowe ,41 2,53 światło zielone ,18 2,41 światło żółte ,06 2,18 światło pomarańczowe ,98 2,06 światło czerwone ,72 1,98 promieniowanie IR > 720 < 1,72 Diody elektroluminescencyjne 27

28 3.2. Zalety diod elektroluminescencyjnych w porównaniu do innych źródeł światła Każdy obiekt może odbijać lub rozpraszać padające na niego światło, może też je wysyłać. Obiekty, które emitują promieniowanie widzialne nazywa się źródłami światła. Dzielą się one na naturalne i sztuczne źródła światła. Do pierwszego rodzaju zalicza się: źródła atmosferyczne i kosmiczne (Słońce i inne ciała niebieskie, pioruny i błyskawice, zorzę polarną), źródła bioluminescencyjne (świetliki, pleśnie bioluminescencyjne, ryby głębinowe) oraz źródła ziemskie (czynne wulkany i ich lawę). Drugi typ obejmuje termiczne źródła światła (lampy halogenowe, lampy łukowe, żarówki), źródła, w których światło uzyskiwane jest w procesie spalania (pochodnie, świece, lampy olejowe, lampy naftowe, lampy karbidowe, lampy gazowe), źródła chemiczne, w których światło jest wynikiem zachodzenia zjawisk luminescencyjnych: chemiluminescencji, fluorescencji, fosforescencji (lampy fluorescencyjne) oraz źródła, w których promieniowanie jest pochodną emisji z elektronów w atomie lub ciele stałym (diody elektroluminescencyjne, lampy kwarcowe, lampy rtęciowe, lasery, masery). Kryteriów podziału źródeł światła jest więcej, np. ze względu na źródło zasilania (energia elektryczna, gaz, spalanie, procesy chemiczne), ze względu na szerokość spektralną (szerokopasmowe, o wielu liniach widma, o pojedynczej linii widmowej), czy też ze względu na zakres spektralny emitowanego promieniowania [7,132]. Każde z wymienionych źródeł światła ma swoje zalety i wady. Diody LED cechują się szeregiem istotnych parametrów, dzięki którym mogą być konkurencyjne w porównaniu z innymi źródłami, z punktu widzenia wymagań stawianych przez technikę oświetleniową i liczne inne zastosowania. Do tych parametrów należy zaliczyć [39,6163,76,78,135]: skuteczność świetlną dochodzącą do 200 lm/w (w oprawie do 150 lm/w), sprawność energetyczną większą niż mają żarówki (8%) i porównywalną ze sprawnością źródeł fluorescencyjnych (25%) [39], wysoką trwałość i długi czas życia mogą pracować kilkadziesiąt razy dłużej niż żarówki [91,124], możliwość prostej zmiany wartości natężenia światła, ze względu na liniową charakterystykę świetlną), możliwość doboru wartości współczynnika oddawania barw CRI (do 95 CRI), a w związku z tym [61,91,124]: szeroki zakres temperatury barwy bieli, Diody elektroluminescencyjne 28

29 różnorodność barw emitowanego światła, charakterystykę widmową na tyle wąską, by oko ludzkie odbierało światło jako jednobarwne (rys. 3.10) [7,19,78] Rys 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

30 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 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

31 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

32 W przypadku układów ekonomicznego i bezpiecznego awarie są trudne do wykrycia [36,39]. Niezależnie od sposobu zasilania i typu zasilacza układ musi charakteryzować się: użyteczną trwałością porównywalną z trwałością diod LED, konstrukcją stworzoną do ciągłej pracy przy pełnym obciążeniu, odpornością na temperaturę wyższą niż temperatura otoczenia (praca w szerokim zakresie temperatury: od 40 C do +60 C), możliwością korekcji współczynnika mocy i nastawy wartości strumienia świetlnego (w przypadku zastosowań w technice oświetleniowej). Ponadto diody LED dużej mocy wymagają dobrego odprowadzania ciepła, które wydziela się w chipie diody w 50% następuje jego rozpraszanie przez promieniowanie cieplne i w 50% przez konwekcję. Tak duża ilość ciepła w rozpraszaniu konwekcyjnym wymaga chłodzenia, gdyż wydajność oraz trwałość diody zależą od temperatury złącza. Wzrost temperatury pracy powoduje zmniejszenie napięcia przewodzenia diody, przez co powstaje różnica między napięciem zasilania a napięciem przewodzenia. Aby zabezpieczyć układ przed tego typu zmianą napięcia przewodzenia, do układu włącza się rezystor połączony szeregowo z diodą LED (rys. 3.11). Jego stabilizujący wpływ jest tym wyraźniejszy, im większy jest spadek napięcia przewodzenia diody, gdyż na rezystorze odkłada się powstała różnica napięć [38,44,76,123,136138]. U CC R Dioda LED Rys 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 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

33 a) b) SZKLANA SOCZEWKA Soczewka z tworzywa REFLEKTOR Kontakt katodowy Chip LED CHIP NA PODSTAWCE Spoiwo Złoty drut PODŁOŻE Element z miedzi odprowadzający ciepło z chipa Silikon chroniący przed wyładowaniami elektrostatycznymi Rys Schemat budowy diody LED mocy: a) przekrój przez diodę XLamp b) przekrój przez diodę Luxeon [38,6163,138] a) b) c) d) e) Rys 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

34 Obecne obszary ich zastosowań obejmują m.in.: badania spektrofotometryczne: układy detekcji fluorescencji (źródło wzbudzenia) [2,10,22,56,89,102], mikroskopia fluorescencyjna (źródło światła modulowanego) [101,104]; fotometrię: pomiary dwukierunkowej funkcji rozkładu odbicia BRDF (Bidirectional Reflectance Distribution Function) [75]; diagnostykę i terapię medyczną: monitorowanie optycznych właściwości obiektów biologicznych [10,17,20,107], stomatologia [6163], biometria okulistyczna [52], fotodynamiczna terapia PDT (Photodynamic Therapy) i diagnostyka PDD (Photodynamic Diagnostics) [10,17,61,63], tomografia laserowa; optoelektronikę i telekomunikację: systemy komunikacji optycznej (emisja nośnika informacji pomiarowej) [76,100], źródła zdeterminowanych wymuszeń w światłowodowych czujnikach wielkości nieelektrycznych [7], podświetlanie wyświetlaczy LCD [20,39,44,62,76,78], wyświetlacze segmentowe [7,78], ekrany informacyjne [3,63,76], lekkie źródła kompaktowe [39], elementy sygnalizacyjne małej mocy (kontrolki, wskaźniki) [76], żyroskopy i czujniki optyczne [61,64,118]; technikę oświetleniową: oświetlenie wewnętrzne (górne, ścienne i podłogowe) [38,39,6163,76,78,91,112,123], oświetlenie terenów zewnętrznych (dekoracyjne, architektoniczne), [38,39,44,61,63, 76, 78,91,112, 123,124], oświetlenie punktowe i rozproszone [38,39,61,63,78,91,112], oświetlenie barwne [6163,78,91,112,124], lampy operacyjne [61], oświetlenie sceniczne [61], sygnalizacja świetlna [20,38,44,6163,78,123], Diody elektroluminescencyjne 34

35 a) b) c) d) e) f) Rys Przykłady zastosowań diod LED: a) znaki sygnalizacyjne, b) lampa naświetlająca w terapii fotodynamicznej, c) oświetlenie drogowe, d) sygnalizacja świetlna, e) sztuczny ogień w kominku, f) lampka do czytania [61,144] źródła światła w latarniach morskich [62,63], oświetlenie lotniskowe [62,68], latarki [6163], źródła światła w górnictwie [62], Diody elektroluminescencyjne 35

36 oświetlenie zewnętrzne i wewnętrzne w motoryzacji (reflektory, światła stopu i skrętu, lampka górna, podświetlenie tarczy i wskaźników) [38,6163,67,77], oświetlenie rowerowe [62], oświetlenie krawędziowe znaków informacyjnych oraz wejść i wyjść [61,112], sztuczny ogień [61], reklamy świetlne [3,44,112], reflektory [61,63], światła sygnalizacyjne przeszkodowe (przy podejściach do lotniska, na wysokich obiektach) [38,68,76]. Diody LED mocy są głównie stosowane w celach oświetleniowych wymagających dużej jasności, takich jak: oświetlenie drogi (reflektory samochodowe) czy sali operacyjnej (lampy operacyjne), w przenośnych źródłach światła (np. latarkach) oraz związanych z badaniami optoelektronicznymi (lasery diodowe, żyroskopy i czujniki optyczne, komunikacja optyczna) 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

37 (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 K m = 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-EN i PN-EN (pomiar i prezentacja danych, dokładność przyrządów do pomiarów fotometrycznych) oraz PN-EN62031 (moduły LED) i IEC/TS (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 mm 2 (tab. 3.3) [19,23,24,90,93,121]. Diody elektroluminescencyjne 37

38 Tab Zestawienie wielkości promienistych wraz z odpowiadającymi im jednostkami [6,7,10,19,25,42,93,100,122] Symbol Wielkość Jednostka Definicja Energetyczne wielkości radiometryczne Q e Energia promieniowania J Ilość energii emitowanej, przenoszonej lub padającej na powierzchnię e Strumień energetyczny (Moc promienista) W Moc emitowana, przenoszona lub padająca na powierzchnię I e Natężenie promieniowania W/sr Ilość energii emitowanej w jednostkowym kącie bryłowym E e Natężenie napromienienia W/m 2 Ilość energii padającej na jednostkową powierzchnię M e Egzytancja energetyczna W/m 2 Ilość energii emitowanej przez jednostkową powierzchnię źródła L e Luminancja energetyczna W/(m 2 sr) Ilość energii emitowanej przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Fotonowe wielkości radiometryczne Q p Liczba fotonów fotony Liczba fotonów p Strumień fotonowy fotony/s Liczba fotonów przechodząca przez określona powierzchnię w jednostkowym czasie I p Gęstość fotonów fotony/(s sr) Liczba fotonów emitowanych w jednostkowym kącie bryłowym E p Fotonowe natężenie napromienienia fotony/(s m 2 ) Liczba fotonów padających na jednostkową powierzchnię M p Egzytancja fotonowa fotony/(s m 2 ) Liczba fotonów emitowanych przez jednostkową powierzchnię źródła L p Luminancja fotonowa fotony/(s m 2 sr) Liczba fotonów emitowanych przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Wielkości fotometryczne Q Ilość światła lm s Ilość światła Strumień świetlny lm Ilość światła przechodzącego przez określona powierzchnię w jednostkowym czasie I Światłość lm/sr = cd Ilość światła emitowanego w jednostkowym kącie bryłowym E Natężenie oświetlenia lm/m 2 = lx Ilość światła padającego na jednostkową powierzchnię M Egzytancja świetlna lm/m 2 Ilość światła emitowanego przez jednostkową powierzchnię źródła L Luminancja świetlna lm/(m 2 sr) Ilość światła emitowanego przez jednostkową powierzchnię w jednostkowym kącie bryłowym Tab Rekomendacja CIE dotycząca pomiaru średniej intensywności promieniowania optycznego [19,23,25] Rekomendacja CIE Odległość między Kąt bryłowy Kąt planarny LED a detektorem Warunek A 316 mm 0,001 sr 2 Warunek B 100 mm 0,01 sr 6,5 Diody elektroluminescencyjne 38

39 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 Elektroda (bramka) SiO2 SiO2 Ładunek p-si Studnia potencjału VS Rys 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 SiO 2 ) i półprzewodnika (silnie domieszkowany monokryształ krzemu). Strukturę MOS uzyskuje się poprzez pasywację podłoża krzemowego czyli wytworzenie warstwy izolatora SiO 2 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

40 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

41 w których przenoszenie ładunku zachodzi w cyklu pseudofazowym lub jednofazowym [6,42,51,122]. Cykl czterofazowy Cykl trójfazowy Cykl dwufazowy f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 f 1 f 2 f 3 f 1 f 2 f 3 f 1 f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 f 2 f 1 1 Cykle zegarowe Czas t0 t1 t2 Rys 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

42 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 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

43 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

44 a) Scalony analizator linii typu SR Ogniwo rejestru pionowego Izolacja między rejestrami (bateria potencjałowa - kanał nadmiarowy) Obszar naświetlony Obszar zaciemniony (maska AL) Sterowanie ogólne Sterowanie sekcji obrazowej Sterowanie sekcji pamięci T T T T T T T T T T T T Sekcja obrazowa Sekcja pamięci ZBT1 V s(t) T T T T T T T T T T T T ZBT2 Rejestr wyjściowy Vo Ogniwo rejestru wyjściowego b) c) Bramka transferowa Bramka transferowa Dren Rejestr CCD Detektor Detektor Rejestr CCD Sekcja obrazowa Sekcja pamięci Rejestr CCD FPA Rejestr CCD FPA Rys Architektura odczytu ładunku: w przetworniku FT (a), w przetworniku IL (b) i w przetworniku FIT (c) [6] Przetworniki CCD 44

45 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 P S promieniowania przypadającego na 1 cm 2 i powierzchni A, na którą pada: R U P S A V W lub R I P S A 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 P S promieniowania przypadającego na 1cm 2 i powierzchni A, na którą pada oraz stosunku sygnału do szumu S/N i pierwiastka kwadratowego z szerokości widmowej szumu przypadającej na 1 cm 2 powierzchni: NEP P S N S A W Hz 1 2. (4.2) Moc równoważna określa minimalną wartość P S, 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: Hz D. (4.3) NEP W Przetworniki CCD 45

46 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 D 2. (4.4) NEP W 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 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. (4.5) Przetworniki CCD 46

47 Stosunek sygnału do szumu SNR (Signal to Noise Ratio), który zależy od: liczby fotonów N s padających na detektor; szumu ciemnego I d 1/2 ; szumu odczytu N r, pochodzącego z elektronicznych układów odczytu przetwornika CCD; SNR 2 1 N s I N d s N SNR wzrasta wykładniczo wraz ze zwiększaniem pojemności studni potencjału. 2 r. (4.6) Czułość świetlna S L to iloraz współczynnika SNR oraz wydajności kwantowej, określa czułość detektora na światło o danej długości fali: SNR S L QE. (4.7) Prąd ciemny I d 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: d d d A I R t, (4.8) gdzie t d jest czasem ekspozycji a R d jest współczynnikiem proporcjonalności w danej temperaturze. Tak więc, prąd ciemny zależy od czasu ekspozycji, współczynnika R d 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

48 Na dokładność pomiaru sygnału za pomocą przetwornika CCD mają również wpływ szumy pochodzące z różnych źródeł, w tym [6,9,28,42,51,57,69,70,120,122]: szum fotonowy (Shot Noise) wynika z losowej fluktuacji fotonów w wiązce padającego światła i jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z natężenia absorbowanego promieniowania; szum termiczny (Thermal Noise) jest związany ze statystycznymi fluktuacjami podczas tworzenia termicznego sygnału wywołanego obecnością elektronów termicznych; powyżej +25C każdy wzrost temperatury o 10C powoduje podwojenie wartości szumu termicznego; szum odczytu (Read-out Noise) powstaje przy odczycie zawartości poszczególnych pikseli i zależy od jakości zczytującego układu elektronicznego; szum różowy (Pink Noise) proporcjonalny do odwrotności częstotliwości padającego promieniowania; występuje przy małych wartościach częstotliwości; szum generacyjno-rekombinacyjny (White Noise) wynika ze statystycznego charakteru dyfuzji ładunków, a tym samym statystycznych fluktuacji liczby generacji i rekombinacji par elektron-dziura; pojawia się przy wyższej częstotliwości; kwantyzacja szumu (Quantum Noise) błędy wprowadzane w trakcie konwersji w przetworniku analogowo-cyfrowym. a) A Idealny sygnał 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 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

49 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 Obszary zastosowań przetworników CCD Początkowo przetworniki CCD były wykorzystywane głównie w astronomii jako sensory w teleskopach obserwacyjnych i śledzących ruch obiektów na niebie. W miarę rozwoju badań i postępu technologicznego obszar zastosowań CCD rozszerzył się, obejmując komercyjne i specjalistyczne wykorzystanie matryc CCD w aparatach fotograficznych, w kamerach cyfrowych, filmowych i telewizyjnych oraz różnego rodzaju systemach wizyjnych służących do rejestracji obrazu w czasie rzeczywistym. Obecne aplikacje przetworników CCD można podzielić na powszechnie spotykane: w dziedzinie fotografii (amatorskiej i profesjonalnej) [18,42], w przemyśle filmowym i telewizyjnym [42,114], w systemach monitoringu i bezpieczeństwa [114] oraz bardziej wyspecjalizowane w badaniach naukowych: w astronomii: obserwacja i śledzenie ruchu obiektów [43,51,57,58]; w biologii: badania genetyczne (śledzenie przemian RNA, rozpoznawanie sekwencji DNA) [10,12,13], detekcja optycznych właściwości obiektów biologicznych [120], symulacja procesów związanych z sekwencjonowaniem DNA [10,1214], fotodetekcja w systemach biologicznych (procedura FISH (Fluorescent In Situ Hybridization), detekcja fluorescencji protein, wykrywanie guzów w strukturze organów małych zwierząt) [1,73,102]; w medycynie: autoradiografia (radiografia izotopowa) [8], cyfrowa angiografia subtrakcyjna [72], wideoendoskopia [15,16], systemy monitorowania śródoperacyjnego [40]; w automatyce i robotyce: pomiary położenia i orientacji robotów mobilnych [55,64]; Przetworniki CCD 49

50 w spektrometrii: spektroskopia fluorescencyjna [2,34], spektrometria ramanowska [35]; w radiometrii: radiometria detektory w radiospektrometrach [19]; w optoelektronice: systemy do rozpoznawania geometrycznych parametrów i struktury wewnętrznej matryc LED [117], systemy wizyjne [88]; w obrazowaniu 2D i 3D: mikroskopia stereoskopowa [94], mikroskopia fluorescencyjna [22,73,99,100,104], systemy obrazowania fluorescencji [1,4,71,89,101,103,106,120]; w pomiarach temperaturowych: detekcja zmian temperatury w systemach zasilania [74], termografia trójwymiarowa [119], bezkontaktowe pomiary temperatury [79]; oraz: do wykrywania zmian promieniowania azotu i szybkości przepływu na granicach cieplnego strumienia plazmy [29,41,113], do określania zawartości azotu w uprawach [29], do rozpoznawania wzorów i kształtów [42,117], w systemach monitorowania/detekcji pożarów lasów [59,116], w systemach biometrycznych [119], w militarnych systemach namierzania powietrze-ziemia (detekcja, rozpoznanie i identyfikacja na długie dystanse) [42,98]. Jednak przyrządy z przetwornikami CCD nie są jedynymi urządzeniami stosowanymi do pozyskiwania cyfrowego obrazu, podobne obszary zastosowań znajdują przetworniki CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Oba typy sensorów bazują na technologii MOS i działają na tej samej zasadzie, gdyż piksele tworzące matrycę CCD lub CMOS generują ładunki elektryczne pod wpływem padającego na nie światła. Różnica między tymi przetwornikami dotyczy miejsca konwersji zebranego ładunku na napięcie [120,128131,140142]. Przetworniki CCD 50

51 W przypadku sensorów CCD, ładunek zakumulowany w poszczególnych pikselach jest transportowany po zakończeniu ekspozycji do odpowiednich rejestrów, gdzie zachodzi jego konwersja na napięcie, a następnie jest przekazywany na wyjście. Natomiast w matrycach CMOS, każdy piksel ma swój własny zintegrowany z nim układ elektroniczny, w którym dochodzi do szeregu konwersji, w tym zamiany ładunku na napięcie (rys. 4.7). Tak więc, oba przetworniki różnią się od siebie nie tylko liczbą funkcji realizowanych bezpośrednio w matrycy czy liczbą procesów w niej zachodzących (rys. 4.8), ale również wartościami szeregu charakterystycznych parametrów (tab. 4.1) [128131,140142]. Rys Porównanie struktury przetworników CCD i CMOS [128] Rys Porównanie funkcji wbudowanych w przetworniki CCD i CMOS [128] Jedna i druga technologia ma swoje mocne i słabe strony. Trudno kategorycznie stwierdzić, która z nich jest lepsza: podczas gdy CCD oferuje większą czułość świetlną i lepszy współczynnik wypełnienia, użycie CMOS umożliwia odczyt danych z większą prędkością [8,128131,140142]. Dlatego wybór rodzaju przetwornika zależy przede wszystkim od jego planowanego zastosowania i wymaganych parametrów. W pomiarach promieniowania emitowanego przez diody elektroluminescencyjne takimi parametrami będą między innymi: czułość świetlna, odpowiedź spektralna detektora, małe szumy związane Przetworniki CCD 51

52 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 Porównanie parametrów przetworników CCD i CMOS [120,128131,140142] Przetworniki CCD Pojedyncze piksele nie są bezpośrednio zintegrowane z układem elektronicznym Odczyt sygnału z poszczególnych wierszy matrycy detektora Długi czas odczytu ładunki z pikseli doprowadzane są kolejno do jednego układu przetwarzającego Występują szumy związane z transportem ładunku Dostęp do pamięci pojedynczego piksela dopiero po odczycie zawartości całej matrycy Przetworniki CMOS Każdy piksel jest zintegrowany z własnym oddzielnym układem elektronicznym Odczyt sygnału jednocześnie z całej matrycy detektora Krótki czas odczytu przetwarzanie ładunku na napięcie zachodzi równocześnie dla wszystkich pikseli Brak szumów związanych z transportem ładunku Bezpośredni dostęp do dowolnego piksela możliwość selektywnego odczytu i przetwarzania wybranego fragmentu obrazu (funkcja okienkowania) Współczynnik wypełnienia czyli stosunek powierzchni zajmowanej przez wszystkie piksele do powierzchni całej matrycy większy w przetwornikach CCD niż w przetwornikach CMOS Duża czułość Mała czułość Większa szybkość odczytu (nawet do 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 współczynnika wypełnienia Możliwość przepełnienia piksela mogą pojawiać się tzw. przesłuchy Wymagane zasilanie określonych układów napięciem o różnych wartościach (od 10 V do 15 V) Duży pobór mocy Mała wartość prądu ciemnego oraz szumu z nim związanego Małe wymiary sensora CCD Możliwość wymiany układu elektronicznego na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez konieczności zmiany sensora CCD Wysoki koszt produkcji Migawkowanie wymaga zastosowania dodatkowych tranzystorów, które pogarszają współczynnik wypełnienia Niewrażliwość piksela na przepełnienie zdolność do odprowadzenia nadmiaru sygnału z prześwietlonych pikseli bez zakłócania pracy sąsiednich komórek Wymagane zasilanie napięciem o jednej wartości (5V lub mniej) Mały pobór mocy Duża wartość prądu ciemnego oraz szumu z nim związanego Duże wymiary sensora CMOS Brak możliwości wymiany układu elektronicznego na inny zgodnie z danym zastosowaniem bez zmiany sensora CMOS Niski koszt i łatwość produkcji Przetworniki CCD 52

53 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

54 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

55 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

56 rejestrowanego promieniowania, tym bardziej wiarygodnych informacji może dostarczyć pomiar [82]. Rys 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 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

57 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

58 określenie rozmieszczenia diod nieświecących, które zgrupowane w jednej części matrycy mogą powodować zniekształcenie wyświetlanej informacji; określenie czy wszystkie diody emitują promieniowanie o tej samej wartości natężenia, tak aby poszczególne piksele odwzorowywały wyświetlaną informację z tym samym poziomem natężenia jasności; c. w diodach LED dużej mocy: określenie wartości sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu; porównanie tej wartości ze zdefiniowaną wcześniej minimalną wartością natężenia promieniowania jakie powinna emitować dioda mocy; identyfikacja diod nieświecących lub świecących słabo i ich umiejscowienia w matrycy; zgrupowanie w jednym miejscu takich diod, również może być powodem odrzucenia takiego modułu, ze względu na zmianę rozkładu przestrzennego strumienia świetlnego diody mocy. 4. Problem pomiarowy i czynniki go powodujące: nie można bezpośrednio (gołym okiem) określić, które diody świecą i jaka jest wartość natężenia emitowanego przez nie promieniowania. Wynika to z nakładania się strumieni promieniowania diod sąsiadujących ze sobą w matrycy - pomimo ukierunkowania strumienia świetlnego, część promieniowania jest emitowana na boki (jest to związane z budową diody i z kształtem wiązki strumienia świetlnego): a. w sygnalizacji świetlnej: zmienne warunki pomiaru (temperatura i oświetlenie otoczenia); b. w wyświetlaczach LED: duża liczba diod LED, gęste upakowanie diod LED; c. w diodach LED dużej mocy: gęste upakowanie diod LED, rozpraszanie światła w tworzywie (np. w luminoforze), w którym zatopione są diody LED. 5. Rodzaj badań: a. wykrywanie tzw. błędów pozytywnych i negatywnych [1012]; b. badanie wpływu parametrów pomiaru na wynik rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD w celu określenia najodpowiedniejszych parametrów pomiaru w badaniach na potrzeby danych aplikacji. 6. Istotne parametry: Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 58

59 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

60 Tab Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach Obszar zastosowania 1 Matryce diod LED stosowane w sygnalizacji świetlnej 2 Matryce diod LED w wyświetlaczach LED 3 Matryce diod LED w diodach LED dużej mocy 4 Badanie ograniczeń kamery CCD związanych z jej temperaturą pracy 6 Cel badań Sprawdzanie jednorodności i natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne diody LED Wykrywanie liczby diod nieświecących lub świecących zbyt słabo, w celu określenia czy cały moduł nadaje się już do wymiany, czy też nie Określenie wpływu temperatury otoczenia na niedokładność rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED przy użyciu kamery CCD Istota pomiaru 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 Wyznaczenie sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu diod LED, w celu sprawdzenia czy nie zmalało poniżej określonej wartości Sprawdzenie rozmieszczenia diod nieświecących w matrycy zgrupowanie diod nieświecących w jednym miejscu może być powodem odrzucenia takiego modułu ze względu na zmianę rozkładu przestrzennego strumienia świetlnego diody Określenie jakościowego i ilościowego wpływu temperatury otoczenia na wynik pomiaru kamerą CCD Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 60

61 Tab Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach (cd) Ograniczenia i problemy metrologiczne 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) Wpływ temperatury na wynik pomiaru Zmienne warunki pomiaru (oświetlenie i temperatura otoczenia) Gęste upakowanie oraz duża liczba diod LED Gęste upakowanie diod Rozpraszanie światła w tworzywie, w którym zatopione są diody Rodzaj badań 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 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 Badanie wpływu temperatury na niedokładność rejestracji promieniowania przy użyciu kamery CCD w zakresie temperatury od 5 C do +45 C Istotne parametry Czas ekspozycji równy czasowi akwizycji danych Zsynchronizowanie początku emisji promieniowania elektroluminescencyjnego przez diodę LED z momentem rozpoczęcia rejestracji danych Określenie wpływu temperatury na wynik pomiaru w zależności od czasu ekspozycji i czasu trwania rejestrowanego sygnału Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 61

62 R [j.w.] 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 spektro- i 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 dokładności pomiaru. λ [nm] Rys 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, a następnie przesyłane do komputera za pomocą cyfrowego interfejsu Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 62

63 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 n max (1% wartości n max ) ten poziom jasności jest wartością progową n p 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 n p 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 N śr czyli średni poziom jasności piksela; Wyznaczona z histogramu wartość średniej jaskrawości N śr 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 N śr na wartość natężenia promieniowania I LED wyrażoną w jednostkach fotometrycznych, czyli kandelach. Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 63

64 Zweryfikowane eksperymentalnie równanie przetwarzania (p. rozdział 6) wiąże bezwymiarową wielkość N śr, uzyskaną z obrazów promieniowania zarejestrowanych kamerą CCD, z natężeniem promieniowania I LED emitowanego przez diody LED. a) b) nmax n śr =0,01n max wartość progowa c) d) e) N śr = 4,74 Rys 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 N śr Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 64

65 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 n max 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 n p = n max w histogramie pozostaje część pikseli związanych z tłem, dlatego jako wartość progową przyjęto wartość poziomu jasności, na który przypada 1% wartości n max. 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

66 6. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 6.1. Struktura modelu pomiarowego 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 I LED emitowanego przez diody elektroluminescencyjne a średnią jaskrawością N śr 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

67 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 E p 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 (N E liczba zgromadzonych ładunków elektrycznych), 9) przejście zgromadzonego ładunku przez układy wzmacniania sygnału, 10) otrzymanie wartości analogowych napięcia U A, Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 67

68 Układ zasilania Dioda LED Prąd i napięcie I F, U F Szum fotonowy Promieniowanie emitowane przez diodę LED P. Układ optyczny Tor optyczny Przesłona Natężenie napromienienia E E Ekspozycja X Matryca CCD Szum detektora Liczba zgromadzonych ładunków N E Układ wzmocnienia Kamera CCD Szumy występujące w układach elektronicznych Wartość napięcia U A Układ elektroniczny Szumy występujące w układach elektronicznych Cyfrowa reprezentacja wartości napięcia U D Układ przetwarzania Błędy związane z obróbką sygnału Wartość cyfrowa Z Obraz Błędy związane z obróbką obrazu Poziom natężenia jasności pikseli n Przetwarzanie obrazu Błędy związane z obróbką obrazu Pole powierzchni świecącej O CCD 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

69 11) zamiana wartości analogowych napięcia U A na odpowiadające im wartości cyfrowe U D w układach elektronicznych kamery, 12) transformacja wartości cyfrowych U D 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 N śr, której wartość opisuje średni poziom jasności części obrazu związanej z promieniowaniem emitowanym przez diodę LED i jest proporcjonalna do natężenia tego promieniowania 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 N śr 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 ( Nśr ), (6.1) gdzie I LED jest natężeniem promieniowania wysyłanego przez diodę LED w zakresie widzialnym (czyli światłością diody LED), wielkość N śr jest miarą odpowiedzi kamery CCD na sygnał wysyłany przez diodę LED. I LED jest wyrażona w jednostkach fotometrycznych, wielkość N śr 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 N śr można zmierzyć. Jednak ze względu na bezwymiarowość wielkości N śr nie można jej bezpośrednio przeliczyć na wielkości radiometryczne (moc promieniowania E, natężenie napromienienia E E ) lub fotometryczne (natężenie oświetlenia E, światłość I ). Nieznana jest również zależność Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 69

70 ilościowa między N śr 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 N śr 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 N śr 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

71 6.2. Eksperymentalna weryfikacja modelu pomiarowego 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 Ogólny widok stanowiska pomiarowego (a) oraz schemat blokowy toru pomiarowego (b) [8385,87] Rys 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

72 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] Oprogramowanie Do sterowania parametrami pomiarowymi w czasie rejestracji sygnałów za pomocą kamery z przetwornikiem CCD wykorzystano program napisany w środowisku LabVIEW. Kamerę CCD połączono z komputerem, który steruje trybem zewnętrznego wyzwalania kamery, trybem pracy migawki oraz trybem i formatem wideo przy użyciu interfejsu komunikacyjnego IEEE 1394 (karta FireWire). W programowaniu wykorzystano wybrane funkcje pakietu IMAQ [45,48,8385,87,105]. Rejestracja sygnałów może być przeprowadzona w dwóch trybach wyzwalania: w trybie 0 i 1. Tryb 0 umożliwia określenie wartości czasu ekspozycji (jest to czas otwarcia elektronicznej migawki) w zakresie od 10 s do 17,5 s, a pomiar inicjuje impuls z zewnętrznego układu wyzwalania. Natomiast w trybie 1 czas ekspozycji jest zdefiniowany przez czas trwania impulsu wyzwalania (rys. 6.4). Określenia wartości czasu ekspozycji w trybie 0 dokonuje się programowo, w jednym z dwóch wariantów: poprzez zadanie Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 72

73 wartości czasu z zakresu od 10 s do 17,5 s lub odpowiadających im wartości numerycznych z przedziału od 3 do [45,48,8385]. Na rysunkach 6.5 i 6.6 przedstawiono panel frontowy i diagram blokowy programu sterującego. Na panelu użytkownika znajdują się: okno podglądu aktualnie rejestrowanego obrazu, dane graficzne przetworzone na postać liczbową, rozmiar danych liczbowych przeznaczonych do zapisu w pliku oraz informacja o rozdzielczości i formacie obrazu (RGB). Przyciski Wybór trybu video oraz Wybór trybu pracy migawki umożliwiają wybór odpowiednio: trybu pracy i formatu wideo oraz trybu pracy migawki. Czas otwarcia migawki jest deklarowany przez bezpośrednie wpisanie jego wartości (w sekundach) w oknie Wartość ustawiona. Ponadto, w sąsiednich oknach są wyświetlone graniczne wartości dopuszczalnych nastaw tego parametru (Wartość minimalna, Wartość maksymalna). Program pozwala na wybór szybkości odświeżania obrazu oraz rodzaj pracy samego programu: tryb monitorowania lub rejestracji obrazu, liczbę iteracji, którą ma wykonać program (definiowana w oknie Liczba obrazów) i ścieżkę zapisu pliku z obrazem. Ścieżka ta jest określana przed rejestracją w oknie Ścieżka zapisu pliku lub po zakończeniu pomiaru, gdy pojawi się okno wyboru lokalizacji zapisu [8385,87]. u(t) Impuls wyzwalający pomiar Wyzwalanie tryb 0 Rejestracja obrazu Impuls wyzwalający pomiar Rejestracja obrazu u(t) Czas ekspozycji: od 10 s do 17,5 s Wyzwalanie tryb 1 t Czas ekspozycji: równy czasowi trwania impulsu wyzwalającego t Rys Rejestracja obrazu w trybie 0 i 1 [45] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 73

74 W momencie uruchomienia programu jest automatycznie załączana funkcja wyzwalania sygnału w trybie 0, w którym sygnał wyzwolenia i początek rejestracji (akwizycji) obrazu występują równocześnie. Następnie można dokonać: wyboru trybu pracy i formatu wideo oraz trybu pracy migawki (shutter), określenia czasu ekspozycji i sposobu pracy programu: monitorowanie lub rejestracja. Tryb monitorowania służy do wstępnej obserwacji badanego obiektu lub zjawiska. Tę funkcję programu wykorzystuje się do doboru takich parametrów kamery jak: ostrość i wielkość przesłony (które nie są sterowane programowo, lecz ustawiane ręcznie bezpośrednio na obiektywie kamery) oraz dokładne umiejscowienie rejestrowanego obiektu w kadrze. Po ustawieniu odpowiednich parametrów można przejść do trybu rejestracji, w którym kamera zaczyna rejestrować pojedyncze obrazy w pętli wielokrotnego pozyskiwania i sumowania obrazu. Liczba rejestrowanych obrazów jest wcześniej deklarowana przez użytkownika w zależności od potrzeb (głównie celu pomiaru). Jednocześnie z rejestracją poszczególnych obrazów odbywa się ich przetwarzanie do jednowymiarowej matrycy liczb, a te dane liczbowe zostają przekonwertowane na znaki tekstowe. Po wykonaniu w pętli wszystkich iteracji pojawia się okno wyboru lokalizacji zapisu pliku. Końcowy wynik pomiaru zostaje zapisany w dwóch plikach: o rozszerzeniu txt (w formie jednowymiarowej matrycy danych) i o rozszerzeniu bmp (w formie graficznej). Obu generowanym plikom zostaje automatycznie przypisywana taka sama nazwa. W przypadku wystąpienia jakichkolwiek błędów w torze pomiarowym zostanie wygenerowany komunikat Plik nie został zapisany. Po zakończeniu wszystkich zadanych operacji następuje automatyczne wyczyszczenie rejestrów programu, a układ jest gotowy do kolejnego pomiaru [8385]. Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 74

75 Rys Panel frontowy programu sterującego parametrami pomiaru [8385,87] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 75

76 Rys Diagram blokowy programu sterującego parametrami pomiaru [8385] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 76

77 Przebieg pomiarów, uzyskane wyniki i ocena ich niepewności Wartość średniej jaskrawości N śr (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 zależność między wielkością optyczną, tj. światłością I charakteryzującą promieniowanie emitowane przez diodę elektroluminescencyjną a wielkością N śr otrzymaną z obrazu, przeprowadzono dwa rodzaje pomiarów pośrednich natężenia promieniowania: przy użyciu kamery CCD oraz za pomocą luksomierza. W obu przypadkach zachowano warunki B według CIE (odległość między oprawą diody LED a detektorem równa 100 mm, powierzchnia detektora prostopadła do osi geometrycznej diody, osie geometryczne detektora i diody pokrywają się) i zastosowano przesłony w celu odizolowania układu od wpływu innych niż badane źródeł światła będących w otoczeniu. W pomiarach wykorzystano następujące przyrządy pomiarowe [4547,49,50]: luksomierz L-100 z głowicą pomiarową typu GL-100; kamerę CCD Sony DFW-X710; źródło prądowe; multimetr BRYMEN BM859CF; multimetr Metex 4660A. Wymienione przyrządy pomiarowe wybrano ze względu na ich dostępność i powszechne stosowanie w pomiarach elektrycznych i fotometrycznych, mając na celu wykazanie ile wystarczająco wiarygodnych informacji można uzyskać przy użyciu powszechnie dostępnych narzędzi pomiarowych. W tabeli 6.1 podano zestawienie wykorzystanych przyrządów wraz z odpowiadającymi im składowymi błędu pomiaru podanymi przez producentów. Tab Użyte przyrządy pomiarowe i ich graniczne błędy pomiaru [45,47,49,50] Lp. Nazwa przyrządu Zakres pomiarowy Błąd pomiaru 1. luksomierz L-100 z głowicą pomiarową typu GL-100 warunki B 2,5% of rdg+1 dgt 2. kamerę CCD Sony DFW-X710 od 400 nm do 700 nm 3. multimetr BRYMEN BM859CF (do pomiaru prądu) 4. multimetr Metex 4660A (do pomiaru napięcia) 50 ma 0,15% of rdg+10 dgt 20 V 0,05% of rdg+3 dgt Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 77

78 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 r=100mm Kamera CCD oś geometryczna ława optyczna Źródło prądowe Proces przekształcania sygnału Woltomierz Amperomierz Komputer I,U P=UI Φ P,I P E P= Φ cos α/r2 P E P X=EPΔt X Z=f(X) Z N śr=f(z) N śr b) Stanowisko pomiarowe Dioda LED r=100mm Głowica pomiarowa oś geometryczna ława optyczna Źródło prądowe Woltomierz Proces przekształcania sygnału Amperomierz Luksomierz I,U P=UI Φ Φ E=K m ᶴ ΦE ( λ )V( λ )d λ E v I V=EV r 2 E,I E Φ EV= dφe/da V /cosα I V Rys 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 (N śr, E ν ) wielkości wyjściowej pomiaru (Z, I ν ) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 78

79 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 E ν przeliczono na wartości światłości I ν, czyli natężenia części widzialnej promieniowania (światłości) zgodnie ze wzorem [19,25,93]: czyli E I cos 2 r 2 E r I cos, (6.2), (6.3) 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 I ν 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

80 Oszacowanie niepewności nie jest skomplikowane w pomiarach bezpośrednich, natomiast w pomiarach pośrednich konieczne jest uwzględnienie wrażliwości funkcji pomiarowej (równania przetwarzania) na zmiany mierzonych bezpośrednio wielkości związanych tą funkcją. Należy uwzględnić zarówno oddziaływanie istotnych efektów systematycznych (w tym aparaturowych), jak i przypadkowych. W pomiarach seryjnych przedział określa się na założonym poziomie ufności, np. = 0,95 lub = 0,99. W pomiarach jednokrotnych uzasadnione jest przyjęcie przedziału wyznaczonego przez błędy graniczne zastosowanej aparatury pomiarowej w tym przypadku wyznaczony przedział nie ma podanego poziomu ufności [11,31]. Teoria niepewności przyjmuje losowy model niedokładności, a zalecenia opracowane pod egidą BIPM i ISO przez międzynarodowe organizacje metrologiczne zostały ujęte w formie Przewodnika ISO/IEC [21]. Technika szacowania niepewności pomiaru poszerza stosowaną powszechnie w metrologii użyteczną technikę szacowania tzw. błędu granicznego. W wielu przypadkach właśnie błędy graniczne wyznaczają przedział niepewności, a najważniejszym parametrem charakteryzującym dokładność przyrządu jest jego błąd graniczny w nominalnych warunkach pracy [11,21]. W tablicy 6.2 zestawiono wybrane pojęcia i określenia wykorzystywane w ocenie niepewności pomiaru [1011,21]. Tab 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 k α Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 80

81 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 u r uwzględniająca losowość zjawisk zachodzących podczas pomiarów. W ocenie niepewności pomiarowych dla natężenia oświetlenia E ν 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 W wykonanych obliczeniach zastosowano zależności opisane odpowiednio wzorami (6.5) (6.11) [11]: w przypadku bezpośrednich pomiarów natężenia oświetlenia E ν : niepewność standardowa typu A: u A 1 n( n 1) n i1 ( E i E ) 2, (6.5) niepewność standardowa typu B: u B gre 3, (6.6) złożona niepewność standardowa: u C u 2 A u 2 B ; (6.7) w przypadku pośrednich pomiarów światłości I : niepewność standardowa łączna: u C I E 2 u 2 CE I r 2 u 2 Br, (6.8) gdzie u CEν jest składową niepewności związaną z pomiarem natężenia oświetlenia E ν, a u Br 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

82 niepewność rozszerzona: u r k u C, (6.9) gdzie k α jest współczynnikiem rozszerzenia. W przypadku gdy niepewność standardowa typu A jest zdecydowanie mniejsza od niepewności standardowej typu B (zachodzi nierówność u 10 B u A ), wartość złożonej niepewności standardowej może być przybliżona do wartości niepewności związanej z rozkładem błędów aparaturowych i można przyjąć, że u u. Współczynnik rozszerzenia C B ma wtedy postać: k 3. Przyjmując α = 1 i podstawiając do wzoru na niepewność rozszerzoną u r k u C, otrzymuje się: dla bezpośrednich pomiarów natężenia oświetlenia E ν : u r gre k ub 3 u B 1 3 gre ; (6.10) 3 dla pośrednich pomiarów natężenia promieniowania I, gdzie uce 10u Br, a wartość złożonej niepewności standardowej przybliżono do części związanej z natężeniem oświetlenia E ν równej u I I E u CE : 2 2 gr r k uce 3r uce 1 3(0,1) 0, 01 E 3 E gr E. (6.11) Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów mających na celu wyznaczenie postaci funkcji f k 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, I F max = 25 ma, V F = (2,8 3,8) V dla I F = 20 ma, Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 82

83 I ν = ( ) mcd, 2θ 1/2 = 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, I F max = 30 ma, V F = (2,9 3,6) V dla I F = 20 ma, I ν = ( ) mcd, 2θ 1/2 = 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, I F max = 30 ma, V F = (2,8 3,8) V dla I F = 20 ma, I ν = 5000 mcd, 2θ 1/2 = 30 ; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED3W; dioda LED OS5RPM5A31A-QR, emitująca promieniowanie o barwie czerwonej, o parametrach: Ø = 5 mm, I F max = 50 ma, V F = (1,8 2,6) V dla I F = 20 ma, I ν = ( ) mcd, 2θ 1/2 = 30 ; diodę oznaczono w tabelach i na rysunkach jako LED5R; dioda LED OSPG5131A-ST, emitująca promieniowanie o barwie zielonej, o parametrach: Ø = 5 mm, I F max = 30 ma, V F = (2,8 4,0) V dla I F = 20 ma, I ν = ( ) mcd, 2θ 1/2 = 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, I F max = 30 ma, V F = (2,8 4,0) V dla I F = 20 ma, I ν = ( ) mcd, 2θ 1/2 = 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 N śr bliskie nasyceniu (bliskie maksymalnej wartości N śr 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 I F 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 N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED. Jedyną Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 83

84 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 Wartości wielkości N śr i E ν 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 I F LED5WW Średnia jaskrawość N śr [j.w.] Natężenie oświetlenia E ν [lx] Nr pomiaru I F = 5 ma I F = 10 ma I F = 15 ma I F = 20 ma I F = 5 ma I F = 10 ma I F = 15 ma I F = 20 ma 1 82,31 128,46 159,36 178,58 291,3 560,1 804, ,45 128,23 159,31 178,51 291,5 560,9 805, ,36 128,54 159,91 178,55 291,5 560,8 805, ,74 128,69 160,69 178,90 291,5 560,9 805, ,83 128,56 160,59 178,49 291,5 560,9 805, ,79 128,56 160,58 178,31 291,7 561,2 805, ,73 128,46 160,31 178,46 291,7 561,5 806, ,95 128,91 160,63 178,34 291,6 561,3 806, ,94 128,74 160,49 178,28 291,7 561,2 806, ,95 129,06 160,65 178,70 291,7 561,2 806, ,09 128,56 160,43 178,21 291,7 561,4 806, ,99 128,78 160,82 178,48 291,8 561,3 806, ,85 128,87 160,81 178,28 291,8 561,2 806, ,09 128,78 160,91 178,07 291,7 561,2 806, ,02 129,06 160,96 178,25 291,7 561,5 806, ,43 128,72 161,00 178,09 291,8 561,4 806, ,19 128,70 161,00 178,18 291,8 561,3 806, ,52 128,78 161,15 178,11 291,8 561,5 806, ,50 128,72 160,75 178,68 291,8 561,4 807, ,70 128,97 160,90 178,05 291,8 561,5 807, ,71 128,47 160,43 178,06 291,7 561,4 807, ,49 128,84 160,60 178,81 291,9 561,4 807, ,54 128,87 161,06 178,27 291,7 561,1 806, ,77 128,57 161,47 178,14 291,8 561,7 807, ,55 128,59 161,00 178,18 291,7 561,5 807, ,66 128,85 161,20 178,55 291,8 561,5 807, ,57 128,62 161,43 178,49 291,8 561,6 807, ,63 128,98 161,91 178,54 291,8 561,7 807, ,72 128,66 161,67 178,55 291,7 561,7 807, ,71 128,81 161,69 178,41 291,8 561,6 807, ,42 128,93 161,55 178,16 291,8 561,7 806, Wartości średnie 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 u A 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 u A% 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 N śr i od 0,001 lx do 3 klx dla E ν. Dlatego w celu porównania Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 84

85 rozrzutu wyników obu wielkości zastosowano procentową względną wartość niepewności standardowej typu A, obliczoną odpowiednio ze wzoru: lub u A u A % 100% (6.12) E u A u A% 100%. (6.13) N śr Tab Średnie wartości wielkości N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości prądu I F Dioda LED LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 I F [ma] Wartość średnia Niepewność standardowa u A Względna niepewność standardowa u A% [%] N śr [j.w.] E ν [lx] u A dla N śr [j.w.] u A dla E ν [lx] u A% dla N śr u A% dla E ν 5 83,8 291,71 1,3 0,13 1,5 0, ,7 561,31 0,2 0,34 0,15 0, ,8 806,5 0,6 0,9 0,4 0, , ,3 0,24 1,5 0,13 0, ,59 402,9 0,12 0,2 0,14 0, ,16 733,7 0,15 0,7 0,13 0, ,5 1027,6 0,2 1,2 0,13 0, , ,8 0,24 2,1 0,15 0, ,4 244,35 0,2 0,09 0,2 0, ,0 458,43 0,2 0,21 0,3 0, ,70 647,8 0,15 0,6 0,16 0, ,56 816,5 0,16 0,8 0,15 0, ,3 170,46 0,3 0,16 0,4 0, ,8 348,4 2,4 0,6 2 0, ,2 518,5 1,2 1,2 0,9 0, , ,4 3 0,3 0, ,5 751,8 0,3 0,2 0,14 0, , ,9 0,14 0,7 0,06 0, ,8 1813,9 0,08 0,6 0,03 0, , , ,003 0, ,24 358,68 0,05 0,06 0,02 0, , ,73 0,006 0,14 0,002 0, , ,1 0,002 0,7 0,001 0, , ,8 0,004 0,7 0,001 0, ,52 112,88 0,08 0,054 0,3 0, ,0 194,80 0,1 0,14 0,2 0, ,52 264,26 0,08 0,24 0,13 0, ,9 325,4 0,1 0,3 0,12 0, ,2 41,48 0,2 0,035 0,23 0, ,44 73,28 0,22 0,041 0,2 0, ,0 100,39 0,3 0,032 0,2 0, ,84 124,35 0,32 0,06 0,2 0,04 Jak można zauważyć w tabeli 6.4 i na rysunku 6.8, wartość u A% jest mniejsza dla pomiarów wykonanych luksomierzem. Dla wyników uzyskanych kamerą CCD niepewność u A% przyjmuje wartości z przedziału (0,001 0,3) % oprócz dwóch przypadków, gdy przyjmuje wartości wyższe od 1,5%, a dla wyników uzyskanych luksomierzem niepewność u A% 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 u A% jest nieznaczna. Natomiast odwrotna sytuacja (większe wartości Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 85

86 niepewności u A% 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) 1,5 N sr b) 0,16 E 1,0 0,12 u A% [%] 0,5 u A% [%] 0,08 N sr 0, I F [ma] 0, I F [ma] E c) d) 0,25 N sr 2,0 N sr 0,20 E 1,5 E u A% [%] 0,15 0,10 u A% [%] 1,0 0,5 0, I F [ma] 0, I F [ma] e) f) 0,3 N sr 0,075 N sr E E u A% [%] 0,2 0,1 u A% [%] 0,050 0,025 0, I F [ma] 0, I F [ma] g) h) 0,225 N sr E 0,225 u A% [%] 0,150 u A% [%] 0,150 N sr E 0,075 0, I F [ma] I F [ma] Rys Względna niepewność standardowa u A% 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

87 Ponadto w większości przypadków pomiaru luksomierzem procentowa wartość względnej niepewności standardowej u A% 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 N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania I F = 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 Wartości wielkości N śr i E ν 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 Średnia jaskrawość N śr [j.w.] Nr pomiaru α = 0 α = 1 α = 2 α = 3 α = 4 α = 5 α = 10 α = 15 α = 20 α = 25 α = ,47 177,09 175,94 175,94 176,31 176,36 168,08 140,20 110,02 83,30 60, ,52 176,97 176,04 175,83 176,03 176,66 168,05 139,99 109,73 83,43 59, ,34 177,05 175,77 175,60 176,13 176,59 168,03 139,97 109,60 83,43 59, ,30 177,15 175,71 175,92 176,26 176,52 168,01 139,88 109,64 82,91 59, ,35 176,99 176,04 175,49 176,44 176,35 167,93 140,20 109,78 83,25 59, ,19 177,00 176,12 175,73 176,04 176,14 167,90 140,13 109,47 83,18 59, ,52 177,12 176,13 175,86 175,92 176,44 168,11 140,19 109,84 83,18 59, ,33 176,96 175,86 175,73 175,98 176,50 167,80 140,11 109,81 83,35 59, ,40 177,04 175,88 175,59 176,27 176,39 168,13 140,03 109,99 83,01 59, ,36 176,66 175,81 175,77 176,11 176,26 167,92 140,14 109,60 83,06 59, ,42 176,82 175,85 175,77 176,28 176,47 167,91 139,77 109,88 83,15 59, ,19 176,79 175,82 175,45 175,90 176,32 167,91 140,08 109,47 83,15 59, ,22 176,73 175,68 175,61 176,09 176,53 167,86 140,26 109,56 82,93 59, ,35 176,84 175,96 175,70 176,03 176,46 168,02 140,12 109,84 82,99 59, ,45 176,99 175,74 175,72 176,07 176,29 167,95 140,04 109,69 82,82 59, ,42 176,85 175,63 175,97 176,04 176,41 167,98 139,76 109,84 83,33 59, ,49 176,69 175,74 175,90 176,18 176,39 167,95 140,14 109,72 82,95 59, ,20 176,73 175,61 175,58 176,10 176,55 167,83 139,97 109,54 83,19 59, ,44 177,01 175,60 175,52 175,92 176,35 167,96 139,95 109,80 83,15 59, ,11 176,82 175,49 175,77 176,07 176,32 167,84 139,70 109,89 83,15 59, ,33 176,74 175,71 175,71 175,95 176,39 167,81 140,03 109,79 83,05 59, ,37 176,78 175,70 175,85 176,27 176,32 167,84 139,83 109,54 83,15 59, ,16 176,69 176,10 176,02 175,83 176,25 168,17 139,74 109,52 83,09 59, ,50 176,84 175,65 175,85 176,08 176,30 167,79 139,86 109,71 82,96 59, ,18 176,47 175,58 175,94 175,95 176,34 167,78 139,89 109,51 83,11 59, ,39 176,36 175,73 175,83 175,91 176,17 167,73 139,91 109,62 82,79 59, ,54 176,50 175,69 175,63 175,19 176,07 167,88 139,94 109,41 82,93 59, ,40 176,83 175,60 175,85 175,99 176,28 167,81 139,83 109,70 83,07 59, ,41 176,58 175,96 175,99 175,73 176,43 167,96 140,10 109,71 82,87 59, ,20 176,80 175,57 175,63 175,97 176,41 167,76 139,96 109,66 82,76 59, ,34 176,84 175,79 175,76 176,03 176,37 167,93 139,98 109,71 83,10 59,72 N [j.w.] śr 177,15 177,0 175,7 175,78 176,04 176,36 168,16 139,72 110,0 83,5 59,91 u A [j.w.] 0,13 0,2 0,2 0,16 0,22 0,13 0,13 0,16 0,2 0,2 0,15 u A% [%] 0,07 0,11 0,1 0,09 0,12 0,07 0,07 0,11 0,15 0,23 0,24 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 87

88 Jak widać w tabeli 6.7 i na rysunku 6.9, wartości wyrażonej w procentach niepewności standardowej typu A u A% dla obu detektorów są zbliżone i nie przekraczają 0,6% (dla luksomierza u A% = (0,01 0,5) %, a dla kamery CCD u A% = (0,005 0,6) %). Natomiast na wykresach przedstawiających zależność N śr i E ν od kąta α (rys ) widać, że charakterystyki E ν = f(α) mają bardziej stromy przebieg niż charakterystyki N śr = 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 Wartości wielkości N śr i E ν 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 Natężenie oświetlenia E ν [lx] Nr pomiaru α = 0 α = 1 α = 2 α = 3 α = 4 α = 5 α = 10 α = 15 α = 20 α = 25 α = ,3 566,6 332,4 154,5 92, ,1 566,3 331,8 154,1 92, ,3 567,2 332,4 154,0 92, ,6 565,6 332,5 154,3 92, ,8 566,7 332,3 154,2 92, ,8 566,8 332,2 154,3 92, ,0 567,3 332,4 154,4 92, ,1 566,9 332,4 154,3 92, ,3 567,3 332,3 154,4 92, ,8 566,1 332,4 154,3 92, ,3 566,7 332,5 154,3 92, ,0 567,2 332,1 154,3 92, ,6 567,1 331,8 154,4 92, ,9 566,7 332,2 154,2 92, ,5 567,1 332,3 154,3 92, ,8 566,7 332,4 154,3 92, ,0 566,8 332,3 154,3 92, ,9 566,0 332,3 154,3 92, ,5 567,1 332,5 154,2 92, ,5 566,5 332,4 154,1 92, ,6 567,2 332,3 154,3 92, ,7 566,5 332,4 154,3 92, ,7 566,7 332,4 154,3 92, ,1 566,6 332,4 154,3 92, ,0 566,6 332,6 154,4 92, ,5 565,7 332,5 154,2 92, ,2 565,9 332,2 154,1 92, ,0 566,6 332,1 154,3 92, ,9 566,3 331,9 154,2 92, ,2 566,4 332,3 154,3 92, ,1 566,3 332,3 154,3 92,3 E [lx] 1032, , , ,2 566,6 332,3 154,27 92,27 u A [lx] 1,2 1,726 1,3 2 1,4 1 0,7 0,5 0,2 0,11 0,12 u A% [%] 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 88

89 Tab Średnie wartości wielkości N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości kąta α Względna niepewność Wartość średnia Niepewność standardowa u Dioda LED α [ ] A standardowa u A% [%] N śr [j.w.] E ν [lx] u A dla N śr [j.w.] u A dla E ν [lx] u A% dla N śr u A% dla E ν , ,2 0,13 1,2 0,07 0, , ,2 2 0,11 0, ,8 1029,0 0,2 1,3 0,10 0, , ,16 2 0,09 0, , ,1 0,22 1,4 0,12 0,13 LED5WW 5 176, ,13 1 0,07 0, ,93 876,2 0,13 0,7 0,07 0, ,98 566,6 0,16 0,5 0,11 0, ,7 332,3 0,2 0,2 0,15 0, ,1 154,27 0,2 0,11 0,23 0, ,72 92,27 0,15 0,12 0,24 0, , ,23 2 0,14 0, ,2 1259,7 0,4 2,2 0,23 0, , ,2 0,21 1,3 0,14 0,11 LED5W 3 129,26 985,7 0,11 1,2 0,08 0, ,48 662,68 0,11 2 0,09 0,3 5 94,3 614,7 0,2 0,9 0,2 0, ,80 182,88 0,08 0,24 0,2 0, ,25 43,79 0,07 0,06 0,3 0, , ,16 2 0,14 0, ,0 858,1 0,1 1,6 0,09 0, ,81 855,2 0,12 0,9 0,11 0, ,68 849,4 0,15 0,9 0,13 0, ,55 841,1 0,15 0,7 0,13 0,08 LED3W 5 105, ,2 1 0,15 0, ,2 736,9 0,1 0,8 0,09 0, ,10 576,8 0,13 0,6 0,14 0, ,17 395,2 0,09 0,3 0,14 0, ,78 249,1 0,06 0,5 0,14 0, ,62 155,86 0,06 0,24 0,2 0, , ,3 2 0,2 0, , ,32 2 0,2 0, ,6 689,8 0,4 2,2 0,22 0, ,66 688,8 0,31 2,2 0,2 0, , ,32 2 0,21 0,3 LED5R 5 150, ,5 2 0,3 0, ,7 838,6 0,4 2,1 0,22 0, ,54 124,4 0,22 0,3 0,6 0, ,67 47,33 0,13 0,11 0,5 0, ,11 36,8 0,09 0,1 0,4 0, ,49 35,36 0,12 0,15 0,6 0, , ,6 0,05 2,1 0,02 0, , ,1 0,04 1,4 0,01 0, , ,5 0,04 1,5 0,01 0, , ,6 0,05 1,4 0,02 0, , ,2 0,06 1,4 0,02 0,05 LED5G 5 246, ,2 0,12 1,4 0,05 0, , ,2 2 0,09 0, ,4 300,4 0,1 0,4 0,12 0, ,68 68,1 0,11 0,1 0,15 0, ,81 53,52 0,21 0,08 0,4 0, ,13 47,34 0,12 0,07 0,2 0, , ,6 0,013 0,5 0,005 0,04 LED5B 1 252, ,6 0,023 0,6 0,01 0, , ,6 0,05 0,7 0,02 0,05 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 89

90 Tab Średnie wartości wielkości N śr i E ν 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) , ,8 0,08 0,6 0,03 0, , ,0 0,15 0,2 0,06 0, ,1 920,1 0,2 0,5 0,08 0,05 LED5B ,98 464,8 0,33 0,5 0,21 0, ,34 104,8 0,15 0,2 0,5 0, ,42 15,82 0,08 0,01 0,4 0, ,77 10,568 0,05 0,006 0,23 0, ,68 9,3631 0,06 0,0011 0,31 0, ,5 288,2 0,1 0,2 0,13 0, ,5 288,32 0,1 0,13 0,12 0, ,32 289,19 0,12 0,16 0,15 0, ,60 293,23 0,11 0,11 0,13 0, ,61 298,97 0,11 0,14 0,14 0,04 LED5G_ ,37 297,05 0,09 0,14 0,11 0, ,80 199,5 0,13 0,2 0,15 0, ,46 74,21 0,13 0,09 0,21 0, ,8 9,91 0,2 0,01 0,6 0, ,754 7,252 0,032 0,009 0,3 0, ,689 5,851 0,032 0,009 0,32 0, ,3 124,46 0,3 0,07 0,2 0, ,63 141,03 0,31 0,07 0,21 0, ,1 143,99 0,3 0,21 0,2 0, ,0 140,5 0,4 0,1 0,21 0, ,98 133,12 0,33 0,22 0,21 0,16 LED5B_ ,7 121,79 0,3 0,05 0,2 0, ,7 71,06 0,3 0,08 0,3 0, ,22 16,987 0,12 0,033 0,34 0, ,38 2,2019 0,06 0,0013 0,5 0, ,21 1,4013 0,06 0,0009 0,6 0, ,23 1,1689 0,04 0,0009 0,5 0, E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] 0 Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED5WW Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 90

91 150 E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED5W 120 E 100 N sr N sr [j.w.] E [lx] o [ o] 0 Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED3W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 91

92 200 E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] 0 Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED5R E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o oo ] Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED5G Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 92

93 E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 100 mm i I F = 20 ma dla diody LED5B 80 E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 316 mm i I F = 20 ma dla diody LED5G_316 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 93

94 E N sr N sr [j.w.] E [lx] [ o] Rys Natężenie oświetlenia E ν i średnia jaskrawość N śr w funkcji kąta α przy r = 316 mm i I F = 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 N śr i ich niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania I F = 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 N śr obserwuje się dopiero przy znacznej zmianie nastawy ostrości (nastawa IV). Jedynie w przypadku niebieskiej diody LED (rys. 6.17h) zaobserwowano istotne różnice w wartości N śr 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

95 Tab Wartości wielkości N śr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych nastaw ostrości LED5WW Średnia jaskrawość N śr [j.w.] Nr pomiaru Ostrość I Ostrość II Ostrość III Ostrość IV 1 174,85 176,59 178,69 182, ,21 176,54 178,65 181, ,85 176,19 178,36 182, ,61 176,47 178,76 182, ,75 176,33 178,24 182, ,65 176,34 178,49 182, ,73 176,51 178,67 182, ,72 176,23 178,61 182, ,35 176,74 178,59 182, ,47 176,76 178,49 182, ,45 176,42 178,58 181, ,53 176,23 178,65 182, ,86 176,48 178,51 182, ,63 176,59 178,47 182, ,64 176,48 178,59 182, ,88 176,24 178,40 182, ,40 176,44 178,59 182, ,33 176,56 178,45 182, ,67 176,54 178,48 182, ,23 176,78 178,59 182, ,67 176,50 178,51 182, ,49 176,54 178,77 182, ,68 176,45 178,51 182, ,35 176,31 178,46 182, ,47 176,34 178,17 181, ,30 176,66 178,45 182, ,25 176,29 178,72 182, ,57 176,39 178,71 182, ,35 176,56 178,47 182, ,40 176,43 178,38 182, ,52 176,17 178,56 182,11 N [j.w.] śr 174,5 176,4 178,53 182,16 u A [j.w.] 0,2 0,2 0,15 0,15 u A% [%] 0,11 0,09 0,08 0,08 Tab Średnie wartości wielkości N śr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych nastaw ostrości I II III IV Wartość średnia [j.w.] N śr Średnia jaskrawość N śr [j.w.] LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_ ,5 171,2 110, ,4 251,17 70,7 28,52 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,2 0,3 0,3 1 0,1 0,11 0,1 0,08 Wartość średnia [j.w.] 176,4 172,2 112,10 167,5 251,40 251,17 71,44 50,0 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,2 0,6 0,14 0,8 0,06 0,07 0,09 0,1 Wartość średnia [j.w.] 178,53 173,3 113,0 168,2 251,52 251,3 72,2 63,51 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,15 0,3 0,2 0,4 0,05 0,1 0,1 0,08 Wartość średnia N śr N śr N [j.w.] śr 182,16 177,0 115,37 170,0 251,58 251,48 73,73 73,9 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,15 0,9 0,15 0,5 0,05 0,14 0,09 0,1 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 95

96 a) 183 b) N sr [j.w.] Numer pomiaru N sr [j.w.] Numer pomiaru c) d) N sr [j.w.] N sr [j.w.] Numer pomiaru Numer pomiaru e) 251,7 f) 251,7 251,6 251,6 251,5 N sr [j.w.] 251,5 251,4 N sr [j.w.] 251,4 251,3 251,2 251,3 251,1 251, Numer pomiaru 251, Numer pomiaru g) h) 75 73,5 70 N sr [j.w.] 73,0 72,5 72,0 71,5 71,0 N sr [j.w.] , Numer pomiaru Numer pomiaru i) Rys Średnia jaskrawość N śr dla wybranych nastaw ostrości dla I F = 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

97 Badanie wpływu tła W tabeli 6.10 przedstawiono wyniki rejestracji przeprowadzonych przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab wartości średnie N śr i niepewności standardowe typu A dla wszystkich badanych diod LED przy prądzie zasilania I F = 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 N śr. Przy większych wartościach 20 lx i 100 lx zmiany wartości N śr są większe, jednak tylko w przypadku dwóch diod: LED5R i LED5G_316 odbiegają znacząco od pozostałych wyników. Tab Wartości wielkości N śr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia LED5WW Średnia jaskrawość N śr [j.w.] Nr pomiaru 0,005 lx 5 lx 20 lx 100 lx 1 176,66 177,58 178,38 179, ,50 177,68 177,95 179, ,90 177,66 178,22 179, ,59 177,30 178,10 179, ,72 177,43 177,78 179, ,90 177,11 177,77 179, ,46 177,27 177,64 179, ,66 177,40 177,70 179, ,70 177,46 178,11 179, ,49 177,54 178,30 179, ,49 177,70 178,08 179, ,45 177,47 177,75 179, ,34 177,15 177,85 179, ,29 177,06 178,02 179, ,47 177,18 177,91 179, ,30 177,13 177,95 179, ,34 177,18 177,62 179, ,21 177,32 177,84 179, ,31 177,21 177,88 179, ,45 177,27 177,47 179, ,52 177,35 177,77 179, ,27 177,30 177,92 179, ,17 177,33 178,12 179, ,18 177,20 177,99 179, ,24 177,00 177,84 179, ,32 177,02 177,74 179, ,27 177,31 177,94 179, ,23 177,06 177,94 179, ,96 176,86 177,63 179, ,21 176,95 177,69 179, ,31 176,89 177,82 179,13 N śr [j.w.] 176,42 177,27 177,89 179,3 u A [j.w.] 0,22 0,23 0,21 0,2 u A% [%] 0,12 0,13 0,12 0,09 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 97

98 a) 179,5 179,0 178,5 b) 161,5 161,0 160,5 160,0 N sr [j.w.] 178,0 177,5 177,0 176,5 176, Numer pomiaru N sr [j.w.] 159,5 159,0 158,5 158,0 157,5 157, Numer pomiaru c) N sr [j.w.] 110,5 110,0 109,5 109,0 108,5 108,0 107,5 107,0 106, Numer pomiaru d) N sr [j.w.] Numer pomiaru e) f) 252,4 250,6 252,3 250,5 N sr [j.w.] 252,2 252,1 252,0 N sr [j.w.] 250,4 250,3 250,2 250,1 251,9 250,0 251,8 249, Numer pomiaru Numer pomiaru g) h) N sr [j.w.] N sr [j.w.] Numer pomiaru Numer pomiaru i) Rys Średnia jaskrawość N śr dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia dla I F = 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

99 Tab Średnie wartości wielkości N śr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych wartości natężenia zewnętrznego oświetlenia 0,005 lx 5 lx 20 lx 100 lx Wartość średnia [j.w.] N śr Średnia jaskrawość N śr [j.w.] LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_ ,42 157,59 106,7 161,6 251,89 250,14 70,55 140,8 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,22 0,32 0,2 0,5 0,04 0,12 0,11 0,5 Wartość średnia [j.w.] 177,27 158,3 107,20 162,4 252,0 250,22 71,21 142,5 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,23 0,3 0,13 0,4 0,3 0,11 0,09 0,7 Wartość średnia N śr N [j.w.] śr 177,89 159,4 109,9 165,9 252,20 250,4 73,35 143,29 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,21 0,4 0,2 0,9 0,03 0,1 0,11 0,24 Wartość średnia N [j.w.] śr 179,3 160,72 109,9 168, 252,35 250,39 76,1 144,4 Niepewność standardowa u A [j.w.] 0,2 0,24 0,3 0,8 0,04 0,12 0,2 0,5 Badanie wpływu temperatury W tabeli 6.12 przedstawiono wartości średnie N śr i niepewności standardowe typu A dla diody LED5WW uzyskane podczas rejestracji przeprowadzonych przy użyciu kamery CCD przy prądzie zasilania I F = 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 Średnie wartości wielkości N śr oraz niepewności standardowe typu A uzyskane przy użyciu kamery CCD dla diody LED5WW dla wybranych temperatur Temperatura T [ C] Średnia jaskrawość N śr [j.w.] LED5WW Niepewność standardowa u A [j.w.] Względna niepewność standardowa u A% [%] ,2 0,2 0, ,32 0,21 0, ,43 0,13 0, ,59 0,13 0, ,4 0,2 0, ,7 0,3 0, ,6 0,3 0, ,09 0,21 0, ,7 0,2 0, ,4 0,2 0, ,4 0,2 0, ,78 0,15 0,11 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 99

100 140 N sr [j.w.] T [ o C] Rys Średnia jaskrawość N śr w funkcji temperatury dla diody LED5WW przy I F = 20 ma Jak widać na rysunku 6.19, zarejestrowana kamerą CCD wartość średniej jaskrawości N śr zmienia się wraz z temperaturą. W zakresie temperatury od 0 C do +15 C wartość średniej jaskrawości N śr 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 N śr 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 E ν wykonane przy użyciu luksomierza i rejestrację średniej jaskrawości N śr 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

101 W tabeli 6.13 przedstawiono wyniki pomiarów przeprowadzonych przy użyciu luksomierza i kamery CCD dla diody LED5WW, a w tab wartości średnie N śr i E ν 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 u A% dla pomiarów luksomierzem wzrasta wraz ze wzrostem wartości prądu I F, a dla wyników rejestracji kamerą CCD tendencja ta jest odwrotna. Poza czterema wartościami, wszystkie wartości u A% nie przekraczają 4% dla luksomierza oraz 5% dla kamery CCD, ale przedział wartości przyjmowanych przez u A% 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 Wartości wielkości N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe uzyskane w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla diody LED5WW dla wybranych wartości prądu I F LED5WW Średnia jaskrawość N śr [j.w.] Natężenie oświetlenia E ν [lx] Nr pomiaru I F = 5 ma I F = 10 ma I F = 15 ma I F = 20 ma I F = 5 ma I F = 10 ma I F = 15 ma I F = 20 ma 1 168,70 232,74 250,07 252,93 760, ,24 229,99 250,44 253,05 761, ,11 227,13 252,35 252,79 766, ,54 228,24 249,78 252,67 763, ,47 226,80 250,08 252,65 764, ,18 229,35 250,68 252,82 758, ,62 227,98 250,86 252,85 765, ,43 228,19 250,97 252,57 764, ,38 230,45 250,29 252,92 759, ,00 228,97 250,35 252,80 763, ,04 228,23 251,03 253,00 761, ,85 225,84 250,34 252,88 766, ,55 229,89 250,43 252,86 766, ,19 231,94 251,40 252,95 764, ,26 226,24 250,95 252,87 753, ,75 225,64 250,31 252,85 752, ,42 227,18 250,86 252,79 767, ,77 226,00 250,73 252,60 765, ,79 225,38 249,79 252,85 752, ,99 227,50 250,86 252,87 764, ,21 230,18 249,96 252,94 767, ,15 226,80 249,57 252,95 757, ,86 227,18 250,31 252,94 766, ,06 226,43 250,28 252,85 764, ,09 228,36 250,84 252,78 763, ,20 227,54 250,74 252,82 765, ,17 227,07 251,34 252,82 766, ,05 226,86 250,26 252,68 763, ,22 226,96 250,29 252,89 766, ,48 228,94 250,17 252,86 765, ,82 228,41 250,67 252,62 768, Wartości średnie 170 j.w. 228 j.w. 250,6 j.w. 252,83 j.w. 763,2 lx 1340,7 lx 1827 lx 2252 lx u A 3 j.w. 2 j.w. 0,6 j.w. 0,12 j.w. 4,5 lx 7,4 lx 31 lx 80 lx u A% 1,6% 0,8% 0,22% 0,05% 0,6% 0,6% 2% 4% u B 44 lx 44 lx 44 lx 44 lx u C 3 j.w. 2 j.w. 0,6 j.w. 0,12 j.w. 44 lx 44 lx 50 lx 44 lx Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 101

102 Tab Średnie wartości wielkości N śr i E ν oraz ich niepewności standardowe typu A uzyskane w w seriach pomiarów promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i luksomierza dla wybranych wartości prądu I F Dioda LED LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G LED5B LED5G_316 LED5B_316 Wartość średnia Niepewność standardowa u A Względna niepewność standardowa u A% [%] I F [ma] N śr [j.w.] E ν [lx] u A dla N śr [j.w.] u A dla E ν [lx] u A% dla N śr u A% dla E ν 5 82,7 293,6 0,2 0,5 0,22 0, ,9 1 0,8 0,7 0, , , ,14 2, , ,21 4 0,11 0, , , , ,9 0, ,2 0, ,1 236,0 1,3 1,2 3 0, , , , ,3 1, , , , , ,2 5 1,2 1, ,3 2 3,1 1,5 0, , ,6 0, ,8 0, , ,6 31 0, , , ,05 3, , , , , , , , , , , , ,9 4 3, , ,6 7 3, , , , ,1 15 1, , ,7 10 2, ,5 13 2,3 10 2, Na rysunkach 6.21 i 6.22 pokazano zestawienie wartości niepewności standardowej u A% 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

103 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) 2,25 N sr 6 N sr E E 1,50 4 u A% [%] 0,75 u A% [%] 2 0, I F [ma] I F [ma] c) d) 3 2,25 N sr E u A% [%] 2 1 u A% [%] 1,50 N sr E 0, I F [ma] I F [ma] e) f) 3 N sr E 4 3 u A% [%] 2 1 u A% [%] 2 1 N sr E I F [ma] I F [ma] g) 5 N sr h) 10 N sr E E 4 8 u A% [%] 3 u A% [%] I F [ma] I F [ma] Rys Względna niepewność standardowa u A% 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

104 0,6 0,4 Rozrzut Odleglosc r Kat Ostrosc Tlo u A% [%] 0,2 0,0 LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G Dioda LED LED5B LED5G_316 LED5B_316 Rys Porównanie wartości względnej niepewności standardowej u A% wyników uzyskanych z rejestracji kamerą CCD dla wybranych czynników 4 Rozrzut Odleglosc r Kat u A% [%] 2 0 LED5WW LED5W LED3W LED5R LED5G Dioda LED Rys Porównanie wartości względnej niepewności standardowej u A% wyników uzyskanych z pomiarów luksomierzem dla wybranych czynników LED5B LED5G_316 LED5B_316 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

105 między tymi wielkościami, porównano charakterystyki E ν = f(i F ) i N śr = f(i F ) wykreślone na podstawie pomiarów luksomierzem i rejestracji kamerą CCD dla wybranych rodzajów diod LED przy zachowaniu tych samych warunków i parametrów (rys ). Dla wszystkich badanych diod LED wartość natężenia oświetlenia E ν jest zależna liniowo od prądu zasilania I F, natomiast wartość średniej jaskrawości N śr zmienia się zgodnie z funkcją wielomianową: drugiego stopnia dla diod LED5WW, LED5W, LED3W i LED5R (rys ) oraz trzeciego stopnia dla diod LED5G i LED5B (rys ). Zależność wielomianowa wynika ze specyfiki kamery CCD i obrazu, który dzięki niej otrzymujemy przy dużych wartościach prądu I F, 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 N śr = f(i F ) 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 ) Equation N sr y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Instrumental Residual Sum 0,72157 of Squares Adj. R-Square 0,99941 Value Standard Error Nsr Intercept 23, ,92918 Nsr B1 13, ,56815 Nsr B2-0,2779 0,02278 N sr =-0,28I F 2 +13,32I F +23, N sr [j.w.] E 600 E [lx] 100 E =50,63I F +43, I F [ma] Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 15,23953 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,99724 Value Standard Error Ev Intercept 43, ,54334 Ev Slope 50, , Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED5WW Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 105

106 180 Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 N sr =-0,14I F 2 +8,34I F +42, Weight Instrumental Residual Sum 0,06746 of Squares Adj. R-Square 0,99867 Value N sr Standard Error Nsr Intercept 42, ,09067 Nsr B1 8, ,55921 Nsr B2-0, , N sr [j.w.] 120 E 800 E [lx] E =61,40I F +105,50 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 13,18762 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,99726 Value Standard Error Ev Intercept 105, ,98889 Ev Slope 61, , I F [ma] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED5W N sr [j.w.] Equation N sr y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Instrumental Residual Sum 0,09618 of Squares Adj. R-Square 0,99897 Value Standard Error Nsr Intercept 2, ,21466 Nsr B1 8,6682 0,44804 Nsr B2-0, ,01869 E =37,53I F +51,18 N sr =-0,19I F 2 +8,67I F +2,56 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 17,09546 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,99662 Value Standard Error E Ev Intercept 51, ,39376 Ev Slope 37, , E [lx] I F [ma] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED3W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 106

107 Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Instrumental Residual Sum 0,03817 of Squares Adj. R-Square 0,99976 Value Standard Error Nsr Intercept 13, ,35518 Nsr B1 12, ,26689 Nsr B2-0, ,01147 N sr =-0,27I F 2 +12,19I F +13, N sr [j.w.] N sr E 400 E [lx] E =33,39I F -0,06 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 4,00258 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,99936 Value Standard Error Ev Intercept -0, ,12928 Ev Slope 33, , I F [ma] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED5R Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 + B3*x^3 Weight Instrumental Residual Sum 0 of Squares Adj. R-Square -- Value Standard Error Nsr Intercept 63, Nsr B1 27, Nsr B2-1, Nsr B3 0, N sr =0,02I F 3-1,29I F 2 +27,45I F +63, N sr N sr [j.w.] E =103,06I F +259,95 Equation Weight I F [ma] Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 27,22481 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,99369 Value E Standard Error Ev Intercept 259, ,52702 Ev Slope 103, , E [lx] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED5G Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 107

108 255,0 Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 + B3*x^3 Weight Instrumental Residual Sum 0 of Squares Adj. R-Square -- Value Standard Error Nsr Intercept 244, Nsr B1 1, Nsr B2-0, Nsr B3 0, N sr =0,003I F 3-0,12I F 2 +1,7I F +244, N sr N sr [j.w.] 252,5 E 750 E [lx] 250,0 E =49,09I F +127, I F [ma] Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 52,77012 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,98781 Value Standard Error Ev Intercept 127, ,5917 Ev Slope 49, , Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 100 mm dla diody LED5B 80 Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Instrumental Residual Sum 0,46495 of Squares Adj. R-Square 0,99591 Value Standard Error Nsr Intercept 2, ,81243 Nsr B1 5, ,73687 Nsr B2-0, ,02952 N sr =-0,09I F 2 +5,62I F +2, N sr [j.w.] 60 N sr E 200 E [lx] 40 E =13,37I F +45,06 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 66,44605 Pearson's r -- Adj. R-Square 0,98197 Value Standard Error Ev Intercept 45, ,32829 Ev Slope 13, , I F [ma] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 316 mm dla diody LED5G_316 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 108

109 N sr [j.w.] Equation y = Intercept + B 1*x^1 + B2*x^2 Weight Instrumental Residual Sum 0,01846 of Squares Adj. R-Square 0,99954 Value N sr Standard Error Nsr Intercept 32, ,63189 Nsr B1 7, ,61007 Nsr B2-0, ,02494 E =5,75I F +14,46 N sr =-0,08I F 2 +7,91I F +32,31 Equation Weight Residual Sum of Squares y = a + b*x Instrumental 18,16622 Pearson's r 0,99807 Adj. R-Square 0,99421 Value E Standard Error Ev Intercept 14, ,67959 Ev Slope 5,753 0, E [lx] I F [ma] Rys Średnia jaskrawość N śr i natężenie oświetlenia E ν w funkcji prądu zasilania I F przy r = 316 mm dla diody LED5B_316 Ze względu na odmienne funkcje opisujące zależności E ν = f(i F ) i N śr = f(i F ), odległość na wykresie między wartościami E ν i N śr zwiększa się wraz ze wzrostem wartości prądu I F, a więc również ze wzrostem wartości natężenia promieniowania emitowanego przez diodę LED. Znalezienie funkcji opisującej zmianę wartości różnicy między E ν i N śr umożliwi obliczenie wartości natężenia promieniowania na podstawie wartości średniej jaskrawości. Na rysunku 6.31 pokazano wzajemną zależność wartości natężenia oświetlenia E ν i wartości średniej jaskrawości N śr dla diody LED5WW. Jak widać, dopasowanie krzywej do wartości E ν i N śr jest lepsze dla funkcji eksponencjalnej niż dla funkcji potęgowej o podstawie N śr. 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: k2n I k e śr LED gdzie k 1 i k 2 to stałe funkcji f k (x) = k 1 exp(k 2 x)., (6.14) 1 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 109

110 E [lx] Model Equation Reduced Chi-Sqr Model Equation Reduced Chi-Sqr Exp2PMod1 y = a*exp(b*x) Allometric1 y = a*x^b 4,35578 Adj. R-Square 0, ,00441 Adj. R-Square 0,99093 Value Value Standard Error Ev a 100, ,13794 Ev b 0, ,86898E-4 Standard Error Ev a 0, ,10472 Ev b 1, ,08761 E =0,16 N sr 1,69 E =102,8 exp(0,013 N sr ) E =a exp(b N sr ) E =a N sr b N sr [j.w.] Rys Natężenie oświetlenia E ν w funkcji średniej jaskrawość N śr 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 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 k 1 i k 2 (p. tabela 6.16), bezwzględny błąd nastawy temperatury T (ΔT = 0,03 C), bezwzględny błąd nastawy t s (Δt s = ms), bezwzględny błąd nastawy t e (Δt e = ms). Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 110

111 Tab Zestawienie wielkości wykorzystywanych w pomiarach oraz ich niepewności [11,47,49,50] Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 111

112 Na rysunkach porównano charakterystyki I ν = f(i F ) i I LED = f(i F ), w tabeli 6.16 zestawiono wartości stałych k 1 i k 2 funkcji f k (x) = k 1 exp(k 2 x) dobranych dla poszczególnych diod LED, a w tab i 6.18 zestawiono wartości I ν, I LED i ich niepewności pomiarowe dla wszystkich badanych diod LED. Wartości I ν otrzymano z przeliczenia wartości E ν zgodnie ze wzorem 6.4, a wartości I LED z przeliczenia wartości N śr zgodnie ze wzorem Po zastosowaniu wyrażenia 6.14 uzyskano liniowe zależności I LED w funkcji prądu I F 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: I ν = f(i F ) i I LED = f(i F ) mają bardzo zbliżony przebieg, a różnica w nachyleniu obu funkcji nie przekracza 4% ich wartości. Natomiast z oszacowania bezwzględnych i względnych błędów wartości I LED (tab. 6.18) oraz niepewności rozszerzonych wartości I ν (tab. 6.17) wynika, że wartości natężenia promieniowania obliczone na podstawie rejestracji kamerą CCD są wartościami szacunkowymi, gdyż względny błąd, jakim obarczone są wartości I LED sięga nawet 40%. Tab Zestawienie wartości stałych k 1 i k 2 funkcji f k (x) = k 1 exp(k 2 x) opisującej zależność między średnią jaskrawością a natężeniem promieniowania dla wybranych diod LED Dioda LED Odległość r [mm] Stała k 1 Stała k 2 Funkcja f k 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). Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 112

113 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,11889 of Squares Pearson's r -- 0,99889 Adj. R-Square 0,999 0,99668 Value Standard Error Iled Intercept 0, ,09591 Iled Slope 0, ,00906 Iv Intercept 0, ,22426 Iv Slope 0,4915 0, I LED [cd] 8 6 I LED I 8 6 I [cd] 4 2 I LED =0,5I F +0,49 I =0,5I F +0, I F [ma] Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 100 m dla diody LED5WW Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,15334 of Squares Pearson's r -- 0,99903 Adj. R-Square 0, ,9971 Value Standard Error Iled Intercept 1, ,21325 Iled Slope 0, ,01907 Iv Intercept 1, ,25469 Iv Slope 0, , I LED [cd] 10 8 I LED I 10 8 I [cd] I LED =0,6I F +1,11 I =0,6I F +1, I F [ma] Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 100 mm dla diody LED5W Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 113

114 10 8 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,07868 of Squares Pearson's r 0, ,99866 Adj. R-Square 0, ,99599 Value Standard Error Iled Intercept 0, ,10783 Iled Slope 0, ,01074 Iv Intercept 0, ,18243 Iv Slope 0, , I LED [cd] 6 4 I LED I 6 4 I [cd] I F [ma] I LED =0,37I F +0,54 I =0,36I F +0, Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 100 mm dla diody LED3W I LED [cd] 10 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,01218 of Squares Pearson's r -- 0,99975 Adj. R-Square 0, ,99924 Value Standard Error Iled Intercept 0, ,10625 Iled Slope 0, ,01013 Iv Intercept 0, ,07178 Iv Slope 0, ,00524 I LED I I [cd] I LED =0,33I F +0, I F [ma] I =0,33I F +0,06 0 Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 100 mm dla diody LED5R Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 114

115 30 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,35949 of Squares Pearson's r 0, ,99245 Adj. R-Square 0,999 0,97743 Value Standard Error Iled Intercept 4, ,22854 Iled Slope 1, ,02365 Iv Intercept 5, ,50568 Iv Slope 1, , I LED [cd] 20 I LED I 20 I [cd] I F [ma] I LED =1,30I F +4,4 I =1,26I F +5,4 10 Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 316 mm dla diody LED5G 12 Equation y = a + b*x Weight Instrumental Residual Sum 0, ,26093 of Squares Pearson's r 0, ,99812 Adj. R-Square 0, ,99436 Value Standard Error Iled Intercept 1, ,39382 Iled Slope 0, ,03762 Iv Intercept 1, ,33223 Iv Slope 0, , I LED I LED [cd] 8 I 8 I [cd] 4 I LED =0,53I F +1,64 I =0,56I F +1, I F [ma] Rys Porównanie zależności I i I LED w funkcji prądu zasilania I F diody LED przy r = 316 mm dla diody LED5B Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 115

116 I F [ma] Tab Wartości wielkości I ν otrzymane z przeliczenia wartości E ν uzyskanych w pomiarach promieniowania diod LED za pomocą luksomierza i ich niepewności standardowe I ν [cd] Niepewność standardowa łączna u C [cd] Niepewność rozszerzona u r = 0,01 Δ gr E ν [cd] Wynik pomiaru I ν = I ν ± u r [cd] LED5WW 5 2,94 0,44 0,76 2,9 ± 0,8 10 5,65 0,44 0,76 5,6 ± 0,8 15 8,11 0,44 0,76 8,1 ± 0, ,31 0,50 0,76 10,3 ± 0,8 LED5W 5 4,08 0,44 0,76 4,1 ± 0,8 10 7,39 0,44 0,76 7,4 ± 0, ,33 0,44 0,76 10,3 ± 0, ,06 0,49 0,76 13,0 ± 0,8 LED3W 5 2,36 0,44 0,76 2,4 ± 0,8 10 4,39 0,44 0,76 4,4 ± 0,8 15 6,21 0,44 0,76 6,2 ± 0,8 20 7,82 0,45 0,76 7,8 ± 0,8 LED5R 5 1,66 0,44 0,76 1,7 ± 0,8 10 3,38 0,44 0,76 3,4 ± 0,8 15 5,03 0,48 0,76 5,0 ± 0,8 20 6,59 0,44 0,76 6,6 ± 0,8 LED5G_ ,9 4,4 0,76 10,9 ± 0, ,9 4,4 0,76 18,9 ± 0, ,2 4,4 0,76 25,2 ± 0, ,7 4,6 0,76 29,7 ± 0,8 LED5B_ ,2 4,4 0,76 4,2 ± 0,8 10 7,5 4,4 0,76 7,5 ± 0, ,1 4,4 0,76 10,1 ± 0, ,6 4,4 0,76 12,6 ± 0,8 Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 116

117 Tab Wartości wielkości I LED otrzymane z przeliczenia wartości N śr uzyskanych z rejestracji promieniowania diod LED za pomocą kamery CCD i ich niepewności standardowe I F [ma] I LED [cd] ΔI LED [cd] δi LED [%] Wynik pomiaru Wynik pomiaru I LED = I LED ± ΔI LED [cd] I LED = I LED (1 ± δi LED ) [cd] LED5WW 5 2,96 1,08 36,69 3,0 ± 1,1 1,69 (1 ± 0,4) 10 5,47 1,69 31,19 5 ± 2 3,32 (1 ± 0,31) 15 8,08 2,08 25,99 8,1 ± 2,1 5,17 (1 ± 0,3) 20 10,30 2,33 22,76 10,3 ± 2,4 6,53 (1 ± 0,22) LED5W 5 4,16 1,31 35,39 4,2 ± 1,3 2,96 (1 ± 0,4) 10 6,83 1,80 29,76 7 ± 2 5,47 (1 ± 0,3) 15 10,21 2,21 24,36 10,2 ± 2,2 8,08 (1 ± 0,3) 20 13,08 2,47 20,90 13 ± 3 10,30 (1 ± 0,21) LED3W 5 2,36 0,83 36,13 2,4 ± 0,9 4,16 (1 ± 0,4) 10 4,30 1,42 34,33 4,3 ± 1,4 6,83 (1 ± 0,4) 15 6,22 1,79 29,91 6 ± 2 10,21 (1 ± 0,3) 20 7,77 2,02 26,92 7,8 ± 2,1 13,08 (1 ± 0,3) LED5R 5 1,69 1,15 36,45 1,7 ± 1,2 2,36 (1 ± 0,4) 10 3,32 1,84 29,30 3 ± 2 4,30 (1 ± 0,3) 15 5,17 2,28 23,36 5,2 ± 2,3 6,22 (1 ± 0,23) 20 6,53 2,52 20,38 6 ± 3 7,77 (1 ± 0,21) LED5G_ ,90 0,60 32,86 10,9 ± 0,6 10,90 (1 ± 0,32) 10 17,47 1,07 36,70 17,5 ± 1,1 17,47 (1 ± 0,4) 15 23,46 1,37 34,87 23,4 ± 1,4 23,46 (1 ± 0,4) 20 30,62 1,63 31,94 31 ± 2 30,62 (1 ± 0,31) LED5B_ ,39 0,84 36,25 4,4 ± 0,9 4,39 (1 ± 0,4) 10 6,63 1,25 35,82 6,6 ± 1,3 6,63 (1 ± 0,4) 15 9,18 1,58 32,60 9,2 ± 1,6 9,18 (1 ± 0,32) 20 12,72 1,91 28,40 13 ± 2 12,72 (1 ± 0,3) Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED przetwornik CCD 117

118 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

119 identyfikacji tych diod i ich umiejscowienia w module. W przypadku diod LED dużej mocy z jednej strony zwraca się uwagę na całkowitą wymaganą wartość mocy promieniowania, a z drugiej na rozmieszczenie słabiej emitujących diod w celu sprawdzenia czy rozkład przestrzenny strumienia świetlnego nie uległ zbyt dużej zmianie. Podczas rejestracji obrazów mogą się pojawić dwa typy specyficznych błędów: tzw. błędy pozytywne (pozornie dioda emituje światło, a w rzeczywistości jedynie odbija promieniowanie pochodzące z sąsiednich diod) lub tzw. błędy negatywne (pozornie dioda nie świeci, mimo iż jest włączona i działa poprawnie). W przypadku pomiarów mających na celu określenie poziomu natężenia promieniowania poszczególnych diod LED mamy do czynienia z błędami pierwszego typu, czyli pozytywnymi [1214]. Diody, które tylko odbijają promieniowanie, same go nie emitując, są z reguły ciemniejsze na zarejestrowanym obrazie. W przypadku, gdy dioda nieświecąca jest otoczona ze wszystkich stron przez diody świecące z dużą intensywnością, ilość promieniowania odbijanego przez tę diodę może być na tyle duża, że łatwo ją można uznać za świecącą. Na rysunku 7.1 i 7.2 pokazano obrazy dwóch matryc wielodiodowych uzyskane podczas rejestracji kamerą CCD. Matryce składają się z 16 diod LED odpowiednio: LED5W i LED3W (pełne nazwy i parametry diod podano w rozdziale 6.2.3). Rejestrację przeprowadzono przy odległości r = 316 mm dla diody LED5W i r = 100 mm dla diody LED3W przy zadanych wartościach prądu I F 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 I LED 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 I LED odpowiadające diodom świecącym od wartości I LED związanymi z diodami nieświecącymi lub emitującymi promieniowanie o mniejszym natężeniu. W przypadku matrycy diod LED5W dla obu pokazanych konfiguracji otrzymane wartości I LED 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 I LED jest zbliżona do wartości otrzymanych dla diod nieświecących. Wynika to stąd, że prąd I F Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 119

120 tej diody miał wartość 5 ma, a dla pozostałych diod w matrycy 20 ma. Również dla matrycy diod LED3W otrzymane wartości I LED są wyraźnie mniejsze dla diod nieemitujących promieniowania (niezałączone diody: LED22, LED42 i LED44) lub w mniejszej ilości (dioda LED41 zasilona prądem I F = 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 a) b) LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44 I LED [cd] Numer diody c) d) II konfiguracja diod w matrycy LED5W 15 I LED [cd] LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44 Numer diody Rys Obrazy matrycy LED5W otrzymane przy użyciu kamery CCD (a,c) i wykresy wartości natężenia promieniowania I LED 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

121 a) b) 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 I LED [cd] LED44 Numer diody Rys Obraz matrycy LED3W otrzymany przy użyciu kamery CCD (a) i wykres wartości natężenia promieniowania I LED dla poszczególnych diod w matrycy LED (b) dla przykładowej konfiguracji diod świecących i nieświecących Tab Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy o konfiguracjach diod pokazanych na rys. 7.1 Matryca diod LED5W I konfiguracja Matryca diod LED5W II konfiguracja Numer diody N śr [j.w.] I LED [cd] δi LED [%] N śr [j.w.] I LED [cd] δi LED [%] LED ,79 15,42 7,26 252,66 15,89 7,10 LED ,39 13,27 8,12 191,27 5,95 14,34 LED ,49 14,17 7,73 251,97 15,72 7,15 LED ,20 2,35 25,30 237,35 12,44 8,52 LED ,03 3,13 21,56 254,00 16,24 6,98 LED ,77 15,42 7,26 251,60 15,63 7,19 LED ,46 11,50 9,02 233,81 11,76 8,88 LED ,18 10,08 9,93 133,80 2,37 25,17 LED ,71 8,25 11,45 237,06 12,38 8,55 LED ,07 2,38 25,11 143,04 2,75 23,21 LED ,16 7,08 12,74 193,30 6,15 14,03 LED ,22 11,10 9,26 128,00 2,16 26,42 LED ,41 10,44 9,68 229,44 10,96 9,34 LED ,46 9,65 10,25 228,57 10,81 9,44 LED ,24 7,68 12,04 228,96 10,88 9,40 LED ,29 2,17 26,35 128,06 2,16 26,40 Cała matryca: 144,11 12,25 154,25 11,98 Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 121

122 Tab Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy o konfiguracji diod pokazanej na rys. 7.2 Numer diody Matryca diod LED5W I konfiguracja N śr [j.w.] I LED [cd] δi LED [%] LED ,22 8,97 4,26 LED ,86 7,15 5,09 LED ,96 10,69 3,71 LED ,85 7,15 5,09 LED ,05 9,31 4,14 LED ,46 1,68 14,65 LED ,25 9,53 4,06 LED ,62 7,86 4,72 LED ,33 5,14 6,56 LED ,04 7,47 4,92 LED ,16 8,27 4,54 LED ,4 6,80 5,29 LED ,1 3,23 9,27 LED ,53 1,20 18,25 LED ,13 8,78 4,33 LED ,62 1,08 19,40 Cała matryca: 104,31 4,94 Na rysunku 7.3 zaprezentowano obraz diody LED dużej mocy emitującej promieniowanie o barwie białej, zasilanej prądem o wartości I F = 1,25 ma, o mocy P max = 30 W, zastosowaną numerację poszczególnych chipów diodowych w matrycy, obrazy poszczególnych chipów diodowych oraz odpowiadające im wartości natężenia promieniowania I LED. 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 N śr przeliczono na wartości I LED 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

123 a) Joanna Parzych b) c) 6 5 I LED [cd] LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44 Numer diody Rys 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