Problemy metrologiczne występujące w wybranych badaniach z zastosowaniem

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 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 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 [1012];

b. badanie wpływu parametrów pomiaru na wynik rejestracji promieniowania przy użyciu przetwornika CCD w celu określenia najodpowiedniejszych parametrów pomiaru w badaniach na potrzeby danych aplikacji.

6. Istotne parametry:

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 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 60 Tab. 5.1. Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach Badanie ograniczeń kamery CCD związanych z jej temperaturą pracy 6 Określenie wpływu temperatury otoczenia na niedokładność rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED przy użyciu kamery CCD Określenie jakościowego i ilościowego wpływu temperatury otoczenia na wynik pomiaru kamerą CCD

Matryce diod LED w diodach LED dużej mocy 4 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 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

Matryce diod LED w wyświetlaczach LED 3 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

Matryce diod LED stosowane w sygnalizacji świetlnej 2 Wyznaczenie sumarycznego natężenia promieniowania całego modułu diod LED, w celu sprawdzenia czy nie zmalało poniżej określonej wartości

Obszar zastosowania 1 Cel badań Istota pomiaru

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 61 Tab. 5.1. Wykorzystanie kamery CCD do rejestracji promieniowania emitowanego przez diody LED w wybranych zastosowaniach (cd) 6 Wpływ temperatury na wynik pomiaru Badanie wpływu temperatury na niedokładność rejestracji promieniowania przy użyciu kamery CCD w zakresie temperatury od 5C do +45C Określenie wpływu temperatury na wynik pomiaru w zależności od czasu ekspozycji i czasu trwania rejestrowanego sygnału

4 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) Gęste upakowanie diod Rozpraszanie światła w tworzywie, w którym „zatopione” są diody Wykrywanie tzw. błędów pozytywnych i błędów negatywnych: błędy pozytywne pojawiają się, gdy pozornie dioda emituje światło, a w rzeczywistości jedynie odbija promieniowanie pochodzące z sąsiednich diod, błędy negatywne pojawiają się, gdy pozornie dioda nie świeci, mimo iż jest włączona i działa poprawnie 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 Czas ekspozycji równy czasowi akwizycji danych Zsynchronizowanie początku emisji promieniowania elektroluminescencyjnego przez diodę LED z momentem rozpoczęcia rejestracji danych

3 Gęste upakowanie oraz duża liczba diod LED

2 Zmienne warunki pomiaru (oświetlenie i temperatura otoczenia)

1 Ograniczenia i problemy metrologiczne Rodzaj badań Istotne parametry

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 62

5.3. Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu