7. Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD
7.1. Pomiary związane ze sprawdzaniem jednorodności i natężenia promieniowania
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 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=316mm dla diody LED5W i r=100mm dla diody LED3W przy zadanych wartościach prądu IF dla wybranych konfiguracji świecących i nieświecących diod LED.
W celu określenia, które z diod rzeczywiście emitują promieniowanie (w przeciwieństwie do diod, które jedynie odbijają światło emitowane przez sąsiadujące z nimi diody), obliczono natężenie ILED dla każdej z diod w matrycy LED (rys. 7.1b,d i 7.2b).
Znając określoną wartość lub przedział wartości natężenia promieniowania jakie powinno być emitowane przez pojedynczą diodę, można zidentyfikować i rozróżnić diody świecące od nieemitujących światła (w tym diody tylko odbijające promieniowanie). Na wykresie na rys.7.1b,d oraz 7.2b czerwoną linią oddzielono wartości ILED odpowiadające diodom świecącym od wartości ILED związanymi z diodami nieświecącymi lub emitującymi promieniowanie o mniejszym natężeniu.
W przypadku matrycy diod LED5W dla obu pokazanych konfiguracji otrzymane wartości ILED są wielokrotnie mniejsze dla diod nieświecących LED14, LED21, LED32 i LED44 w I konfiguracji oraz LED12, LED24, LED32, LED34 i LED44 w II konfiguracji.
Dodatkowo w II konfiguracji dioda LED33 mimo iż emituje promieniowanie, to jej wartość ILED jest zbliżona do wartości otrzymanych dla diod nieświecących. Wynika to stąd, że prąd IF
Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 120
tej diody miał wartość 5mA, a dla pozostałych diod w matrycy 20mA. Również dla matrycy diod LED3W otrzymane wartości ILED są wyraźnie mniejsze dla diod nieemitujących promieniowania (niezałączone diody: LED22, LED42 i LED44) lub w mniejszej ilości (dioda LED41 zasilona prądem IF=5mA).
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
051015
I LED [cd]
Numer diody
II konfiguracja diod w matrycy LED5W
c) d)
LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44
0 5 10 15
ILED [cd]
Numer diody
Rys. 7.1. Obrazy matrycy LED5W otrzymane przy użyciu kamery CCD (a,c) i wykresy wartości natężenia promieniowania ILED dla poszczególnych diod w matrycy LED (b,d)
dla dwóch przykładowych konfiguracji diod świecących i nieświecących
Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 121
a) b)
LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0
ILED [cd]
Numer diody
Rys. 7.2. Obraz matrycy LED3W otrzymany przy użyciu kamery CCD (a) i wykres wartości natężenia promieniowania ILED dla poszczególnych diod w matrycy LED (b)
dla przykładowej konfiguracji diod świecących i nieświecących
Tab. 7.1. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy o konfiguracjach diod pokazanych na rys. 7.1
Matryca diod LED5W – I konfiguracja
Matryca diod LED5W – II konfiguracja Numer
diody Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%] Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%]
LED 11 250,79 15,42 7,26 252,66 15,89 7,10
LED 12 241,39 13,27 8,12 191,27 5,95 14,34
LED 13 245,49 14,17 7,73 251,97 15,72 7,15
LED 14 133,20 2,35 25,30 237,35 12,44 8,52
LED 21 151,03 3,13 21,56 254,00 16,24 6,98
LED 22 250,77 15,42 7,26 251,60 15,63 7,19
LED 23 232,46 11,50 9,02 233,81 11,76 8,88
LED 24 224,18 10,08 9,93 133,80 2,37 25,17
LED 31 211,71 8,25 11,45 237,06 12,38 8,55
LED 32 134,07 2,38 25,11 143,04 2,75 23,21
LED 33 202,16 7,08 12,74 193,30 6,15 14,03
LED 34 230,22 11,10 9,26 128,00 2,16 26,42
LED 41 226,41 10,44 9,68 229,44 10,96 9,34
LED 42 221,46 9,65 10,25 228,57 10,81 9,44
LED 43 207,24 7,68 12,04 228,96 10,88 9,40
LED 44 128,29 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 122 Tab. 7.2. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów matrycy
o konfiguracji diod pokazanej na rys. 7.2
Matryca diod LED5W – I konfiguracja Numer
diody Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%]
LED 11 235,22 8,97 4,26 LED 12 223,86 7,15 5,09 LED 13 243,96 10,69 3,71 LED 14 223,85 7,15 5,09 LED 21 237,05 9,31 4,14 LED 22 151,46 1,68 14,65 LED 23 238,25 9,53 4,06 LED 24 228,62 7,86 4,72 LED 31 207,33 5,14 6,56
LED 32 226,04 7,47 4,92 LED 33 231,16 8,27 4,54 LED 34 221,4 6,80 5,29 LED 41 184,1 3,23 9,27 LED 42 134,53 1,20 18,25
LED 43 234,13 8,78 4,33 LED 44 129,62 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 IF=1,25mA, o mocy Pmax=30W, zastosowaną numerację poszczególnych chipów diodowych w matrycy, obrazy poszczególnych chipów diodowych oraz odpowiadające im wartości natężenia promieniowania ILED. W celu sprawdzenia jednorodności promieniowania całej powierzchni świecącej diody LED dużej mocy, podzielono otrzymany obraz na fragmenty o identycznych wymiarach, z których każdy zawiera jeden z 16 chipów składających się na matrycę badanej diody LED dużej mocy. Następnie wszystkie uzyskane w ten sposób obrazy cząstkowe poddano takiej samej procedurze (p. rozdział 5.3), a otrzymane wartości Nśr przeliczono na wartości ILED zgodnie z równaniem przetwarzania (wzór 6.14).
Wybrane dane pomiarowe i obliczeniowe otrzymane z histogramów tak przekształconych obrazów zestawiono w tabeli 7.3.
Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 123
a)
11 12 13 14 21 22 23 24 31 32 33 34 41 42 43 44
b)
c)
LED11 LED12 LED13 LED14 LED21 LED22 LED23 LED24 LED31 LED32 LED33 LED34 LED41 LED42 LED43 LED44
2 3 4 5 6
I LED [cd]
Numer diody
Rys. 7.3. Dioda LED mocy: a) obraz całej matrycy i numeracja chipów; b) obrazy poszczególnych chipów;
c) wartości natężenia promieniowania poszczególnych chipów
Na wykresie z rysunku 7.3 widać, że nie wszystkie chipy diodowe w matrycy emitują promieniowanie z tą samą intensywnością. Skrajne chipy o numerach 11 i 44 świecą najsłabiej, a umiejscowione w środku o numerach 23, 32 i 33 najmocniej.
Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 124
Ponadto na obrazie chipu LED 44 widać ciemniejszy obszar w formie linii biegnącej w poprzek chipu, będący najprawdopodobniej wynikiem mechanicznego uszkodzenia lub skazy powstałej w procesie produkcji luminoforu, w którym zatopiona jest cała matryca.
Ta skaza również wpływa na intensywność emitowanego promieniowania. Jeżeli znany jest przedział wartości natężenia promieniowania jakie powinien emitować pojedynczy chip diodowy, to można określić, które chipy w matrycy świecą za słabo (czy to z powodu wadliwej pracy w wyniku defektu samego chipu, czy z powodu zużycia się).
Przykład: jeśli pojedynczy chip powinien emitować promieniowanie o minimalnej wartości natężenia wynoszącej 3cd, to widać, że część z chipów tworzących matrycę nie spełnia tego warunku. Wartości natężenia promieniowania ILED chipów LED11, LED21, LED34 i LED44 są mniejsze od wartości 2,5cd, dla chipów LED12 i LED34 mieszczą się w przedziale od 2,5cd do 2,8cd, a dla chipu LED31 wartość ILED jest zbliżona do przyjętej minimalnej wartości natężenia promieniowania. Z wartości zestawionych w tab. 7.3 i z rys. 7.3c wynika, że matryca badanej diody LED dużej mocy nie jest całkiem jednorodna, gdyż względne różnice między wartościami natężenia promieniowania emitowanego przez poszczególne chipy diodowe sięgają nawet 50%.
Tab. 7.3. Zestawienie wybranych danych pomiarowych i obliczeniowych otrzymanych z obrazów diody LED mocy pokazanej na rys. 7.3
Numer diody Nśr [j.w.] ILED [cd] δILED [%]
LED 11 190,00 2,45 8,50
LED 12 194,62 2,68 7,94
LED 13 214,82 4,02 5,85
LED 14 219,93 4,45 5,41
LED 21 190,25 2,46 8,47
LED 22 219,04 4,37 5,48
LED 23 236,35 6,18 4,18
LED 24 217,09 4,21 5,65
LED 31 199,79 2,98 7,35
LED 32 231,78 5,64 4,50
LED 33 228,32 5,26 4,75
LED 34 192,68 2,58 8,17
LED 41 210,89 3,72 6,21
LED 42 218,21 4,30 5,55
LED 43 195,16 2,71 7,88
LED 44 190,58 2,48 8,43
Cała matryca: 60,50 6,36
Natomiast w przypadku, gdy istotna jest całkowita wartość natężenia promieniowania emitowana przez diodę LED dużej mocy, można obliczyć sumaryczną wartość ILED
Analiza wyników rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD 125
dla wszystkich chipów diodowych. Jeżeli kształt strumienia promieniowania emitowanego przez diody LED tworzące matrycę również ma znaczący wpływ na poprawne działanie (w danym zastosowaniu diody LED dużej mocy), można zidentyfikować i umiejscowić te chipy diodowe, które cechuje słabsza emisja światła i w dalszych badaniach określić czy wpłynęło to znacząco na zmianę strumienia promieniowania całej diody LED dużej mocy, czy też nie.