Badanie ograniczeń przetwornika CCD związanych z temperaturą

Zarówno przetworniki obrazu wykorzystujące matryce CCD, jak i diody LED są obecnie i będą coraz częściej wykorzystywane w układach do obserwacji, rejestracji i gromadzenia danych pomiarowych. W systemach tych zmiana warunków zewnętrznych może wpłynąć na ograniczenie ich możliwości aplikacyjnych. Jednym z istotnych czynników zewnętrznych wpływających na zmianę parametrów optycznych i elektrycznych jest temperatura.

W przypadku diod LED wartości napięcia i prądu przewodzenia zależą liniowo od temperatury złącza (prąd wprost proporcjonalnie, a napięcie odwrotnie proporcjonalnie), zwłaszcza na początkowym etapie emisji światła, zanim temperatura złącza nie ustabilizuje się względem temperatury otoczenia. Jednak nawet po osiągnięciu równowagi termicznej, na jakość promieniowania ma wpływ temperatura otaczająca chip LED [5,19,25,32,33,44, 76,77,108,138]. Wraz ze wzrostem temperatury otoczenia widmo optyczne diody LED

„przesuwa się”. Wartość tej zmiany wynosi od 0,1nm/K do 0,3nm/K w zależności od rodzaju diody (zielone diody LED mają przesunięcie mniejsze niż czerwone lub niebieskie) [19,25,32,33,76,77,109,138]. Również kierunek tego przesunięcia zależy od typu diody: dla większości diod emitujących światło o barwie niebieskiej maksimum przechodzi w stronę fal krótkich wraz ze wzrostem temperatury, dla czerwonych i zielonych – w stronę fal długich, a w przypadku diod białych, pierwsze maksimum przypadające na niebieską część widma przesuwa się w stronę fal długich a drugie w stronę fal krótkich.

Oprócz położenia maksimum na krzywej spektralnej zmianie ulega również szerokość połówkowa widma, jej wartość wzrasta z temperaturą [25,77,109].

Natomiast w przypadku detektorów z przetwornikiem CCD temperatura wpływa na wartości szumów występujących w tego typu przyrządach. Szumy pojawiające się w urządzeniach ze sprzężeniem zwrotnym ładunku (p. rozdział 4) można podzielić na trzy rodzaje [6,7,9,51,110,111,122]:

 związane z obiektem badanym, jego tłem i optyką detektora,

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 126

 szum samego detektora,

 szum układów elektronicznych powstający przy obróbce sygnału.

Pierwszy z nich nie zależy od temperatury, gdyż poniżej 500K (226,85˚C) dla większości zastosowań optycznych w zakresie od 300nm do 3000nm energia termiczna jest zaniedbywana w porównaniu do energii przypadającej na foton. Jednak wartości pozostałych szumów są podatne na zmiany temperatury. Przede wszystkim dwa rodzaje zakłóceń, z tych składających się na szum detektora i układów elektronicznych, zależą od temperatury:

szum związany z prądem ciemnym i szum Johnsona (cieplny), który jest związany z fluktuacjami prędkości swobodnych nośników. Wartości obu wymienionych szumów rosną w miarę wzrostu temperatury. Szum cieplny jest proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego z temperatury, natomiast przy określeniu zależności między prądem ciemnym a temperaturą należy wziąć pod uwagę także czas ekspozycji [6,51,110,111,122].

Wszystkie omówione problemy wzięto pod uwagę przy przeprowadzaniu pomiarów promieniowania emitowanego przez diodę elektroluminescencyjną za pomocą kamery z przetwornikiem CCD w różnych temperaturach. Badania te miały na celu określenie zalet i wad pomiarowych urządzeń ze sprzężeniem zwrotnym ładunku jako narzędzi w pomiarach diod LED w danym zakresie temperaturowym (zdefiniowanie ograniczeń oraz stopnia wpływu temperatury otoczenia na wynik końcowy).

W pomiarach wykorzystano komorę klimatyczną ILW 115-T TOP [46], w której umieszczono detektor z przetwornikiem CCD oraz badane źródło światła. Rejestrację promieniowania białej diody elektroluminescencyjnej LL-504WC-W2-3QD (parametry diody p. rozdział 6.2.3) przeprowadzono w zakresie temperatur od 5ºC do +45ºC, dla różnych wartości czasu ekspozycji kamery (0,1s, 0,5s i 1s) oraz czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę w formie impulsu prostokątnego o zadanej szerokości od 0,001ms do100ms.

Na podstawie wykonanych pomiarów określono zależności między:

 czasem ekspozycji a kształtem przebiegu odpowiedzi kamery,

 temperaturą a odpowiedzią kamery w odniesieniu do danej wartości czasu trwania rejestrowanego sygnału,

 wartością wymaganego czasu ekspozycji a stopniem wpływu temperatury na końcowy wynik pomiaru.

Na rysunku 7.4 pokazano przykładowe obrazy zarejestrowane kamerą CCD w temperaturze 30C, przy czasie ekspozycji te=0,5s dla wybranych czasów trwania sygnału emitowanego przez diodę LED. Kolejne rysunki 7.57.7 przedstawiają zależność

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 127

wyznaczonego na podstawie obrazów uzyskanych z kamery natężenia promieniowania ILED

od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę w całym zakresie badanych temperatur, odpowiednio dla czasu ekspozycji te równego 0,1s, 0,5s i 1s.

Rys. 7.4. Przykładowe obrazy uzyskane z kamery CCD przy czasie ekspozycji te=0,5s, w temperaturze 30ºC, odpowiednio dla czasu trwania impulsu LED t_s: 100ms, 50ms, 10ms, 5ms, 1ms i 0,1ms

0 20 40 60 80 100

0 1 2

3 T=-5^oC

T=0^oC T=5^oC T=15^oC T=20^oC T=25^oC T=30^oC T=35^oC T=40^oC T=45^oC

I LED [cd]

ts [ms]

Rys. 7.5. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001ms do 100ms, dla temperatur z zakresu od 5ºC do +45ºC; czas ekspozycji kamery te=0,1s

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 128

0 50 100

0 5 10 15

T=-5^oC T=0^oC T=5^oC T=10^oC T=15^oC T=20^oC T=25^oC T=30^oC T=35^oC T=40^oC T=45^oC

I LED [cd]

t_s [ms]

Rys. 7.6. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001ms do 100ms, dla temperatur z zakresu od 5ºC do +45ºC; czas ekspozycji kamery te=0,5s

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25

I LED [cd]

ts [ms]

T=-5^oC T=0^oC T=5^oC T=10^oC T=15^oC T=20^oC T=25^oC T=30^oC T=35^oC T=40^oC T=45^oC

Rys. 7.7. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED, od 0,001ms do 100ms, dla temperatur z zakresu od 5ºC do +45ºC; czas ekspozycji kamery te=1s

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 129

a)

0 10 20 30 40

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5

I LED [cd]

T [^oC]

b)

Rys. 7.8. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5ºC do +45ºC)

dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001ms do 100ms przy czasie ekspozycji kamery t_e równym 0,1s (a);

legenda z oznaczeniami kolejnych wartości ts na wykresach z rys. 7.8-7.11

Wraz ze wzrostem czasu trwania sygnału emitowanego przez badaną diodę zwiększa się wartość natężenia promieniowania ILED, a im wyższa temperatura, tym większe różnice między wartościami ILED w danej temperaturze przy zmianie czasu ts (rys. 7.57.7).

Wpływ temperatury na wartość ILED jeszcze wyraźniej widać na wykresach zależności natężenia promieniowania ILED od temperatury (rys. 7.87.11). Na wykresach wszystkich zależności ILED=f(T) widoczne jest wyraźne lokalne maksimum dla temperatury 0ºC.

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 130

Powyżej tej temperatury wartość ILED nieznacznie maleje, by następnie względnie ustabilizować się. Można zaobserwować nieznaczne fluktuacje wartości ILED, jednak różnice wartości mieszczą się w granicach błędu ΔILED. Tę względnie stałą wartość natężenie promieniowania przyjmuje od temperatury T=20ºC dla te=0,1s, T=10ºC dla te=0,5s i T=5ºC dla te=1s, więc wpływ temperatury na wartość rejestrowanego natężenia promieniowania ILED jest mniejszy dla dłuższych czasów ekspozycji. Podobny wpływ obserwuje się przy zwiększaniu czasu trwania ts – im dłuższy czas trwania sygnału badanej diody, tym mniejsze fluktuacje wartości ILED (rys. 7.11). Czyli im dłużej trwa rejestracja i im większy jest badany sygnał, tym bardziej stabilny temperaturowo jest pomiar.

0 20 40

0 5 10 15

I LED [cd]

T [^oC]

Rys. 7.9. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5ºC do +45ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001ms do 100ms

przy czasie ekspozycji kamery t_e równym 0,5s

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 131

a)

0 20 40

0 5 10 15 20 25

I LED [cd]

T [^oC]

b)

0 20 40

0 1 2

I LED [cd]

T [^oC]

Rys. 7.10. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5ºC do +45ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresu od 0,001ms do 100ms (a) oraz od 0,001ms do 6,5ms

przy czasie ekspozycji kamery t_e =1s

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 132

Rys. 7.11. Zależność natężenia promieniowania od temperatury (od 5ºC do +45ºC) dla kolejnych wartości ts z zakresów od 0,001ms do 0,09ms (a), od 0,1ms do 10ms (b) oraz od 10ms do 100ms (c)

przy czasie ekspozycji kamery t_e=0,5s

Z porównania zależności ILED=f(T) otrzymanych w wyniku rejestracji przeprowadzonych dla całego układu: dioda LED – kamera CCD umieszczonego w komorze klimatycznej (rys. 7.87.11) z zależnością I_LED=f(T) uzyskaną z rejestracji, podczas której tylko badaną diodę LED umieszczono w komorze klimatycznej (rys. 7.12) widać, że wpływ temperatury na diodę LED i kamerą CCD jest różny. W zakresie temperatur od +15ºC do +45ºC względny spadek wartości I_LED dla samej diody LED wynosi 14,5%, a dla całego układu wynosi średnio 3,3%. Stąd wniosek, że w tym zakresie temperatur wartość odpowiedzi kamery CCD zwiększa się wraz ze wzrostem temperatury, czyli odwrotnie niż w przypadku diody LED. Natomiast w zakresie temperatur od –5ºC do +15ºC tendencja nie jest tak oczywista.

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 133

-10 0 10 20 30 40

0 2 4 6 8

I LED[cd]

T [^oC]

Rys. 7.12. Zależność natężenia promieniowania diody LED od temperatury w zakresie od ºC do +45ºC

Kolejne wykresy przedstawiają porównanie krzywych ILED=f(ts) dla trzech wartości czasu ekspozycji te: 0,1s, 0,5s i 1s (rys. 7.13 – 7.15). Wartość ILED rośnie wraz z wydłużaniem czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę. Relacja ta jest liniowa, jednak im dłuższy czas ekspozycji, tym większe nachylenie prostej opisującej zależność między natężeniem promieniowania a czasem trwania badanego sygnału.

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 134

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25 30

I LED [cd]

t_s [ms]

t_e=0,1s t_e=0,5s t_e=1s

Rys. 7.13. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 5ºC, dla czasów ekspozycji kamery te= 0,1s, 0,5s i 1 s

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25

30 t_e=0,1s t_e=0,5s t_e=1s

I LED [cd]

ts [ms]

Rys. 7.14. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 20ºC, dla czasów ekspozycji kamery te= 0,1s, 0,5s i 1 s

Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 135

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25

30 t_e=0,1s t_e=0,5s t_e=1s

I LED [cd]

t_s [ms]

Rys. 7.15. Zależność natężenia promieniowania od czasu trwania sygnału emitowanego przez diodę LED w temperaturze 45ºC, dla czasów ekspozycji kamery te= 0,1s, 0,5s i 1 s

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można stwierdzić, że w badanym zakresie temperatury występują zmiany w natężenia promieniowania rejestrowanego przy użyciu kamery CCD. Zmiany te zależą nie tylko od wartości temperatury, w jakiej przeprowadzany jest pomiar, ale również od wartości sygnału badanego i czasu trwania pomiaru.

Wartość natężenia promieniowania I_LED rośnie liniowo wraz ze zwiększaniem szerokości rejestrowanego impulsu diody, a na kąt nachylenia prostej opisującej zależność ILED=f(ts) ma wpływ czas ekspozycji – im większy czas t_e, tym większy kąt nachylenia prostej I_LED=f(t_s). Wpływ temperatury jest bardziej znaczący dla mniejszych wartości czasów t_s i t_e oraz przy niższej temperaturze. Temperatura wywołuje zmiany zarówno ilości promieniowania emitowanego przez diodę LED, jak i wartości odpowiedzi kamery CCD.

Jednak powyżej +15ºC wzrost temperatury powoduje zmniejszenie ilości emitowanego promieniowania oraz zwiększenie wartości odpowiedzi kamery, w efekcie tego dla zakresu od +15ºC do +45ºC wpływ temperatury na rejestrację promieniowania diody LED za pomocą kamery CCD jest mało znaczący.

Podsumowanie 136