Proponowany nowy sposób uzyskiwania informacji o natężeniu promieniowania

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]

R [j.w.]

Rys. 5.2. Względna czułość spektralna użytej w pomiarach matrycy CCD 1/3˝ typu PS IT zabudowanej w kamerze CCD Sony DFW-X710 [45]

Przyjęte procedury sposobu przetwarzania i analizy są następujące [65,87,103]:

1) promieniowanie emitowane przez diody LED jest rejestrowane przez kamerę CCD, a następnie przesyłane do komputera za pomocą cyfrowego interfejsu

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 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·nmax (1% wartości nmax) – ten poziom jasności jest wartością progową np wykorzystywaną w procesie progowania obrazu;

3) dla każdego kolorowego obrazu uzyskanego z kamery CCD wykonuje się kolejno następujące czynności (rys. 5.3c, d, e):

 wykonuje się histogram otrzymanego obrazu,

 uzyskany obraz poddaje się procesowi przekształcenia (progowania) w celu rozróżnienia fragmentu obrazu odpowiadającego diodzie i emitowanemu przez nią promieniowaniu od części związanej z tłem – jako dolną granicę w procesie progowania przyjmuje się wartość progową np

wyznaczoną z histogramu obrazu tła, a jako górną granicę 254 poziom jasności (przed procesem przekształcenia jest 256 zdefiniowanych poziomów jasności od 0 do 255),

 z histogramu obrazu poddanego progowaniu wyznacza się średnią jaskrawość Nśr czyli średni poziom jasności piksela;

Wyznaczona z histogramu wartość średniej jaskrawości Nśr zmienia się zależnie od liczby pikseli n przypadających na poszczególne poziomy jasności w histogramie, a udział poszczególnych poziomów jasności piksela w histogramie zależy od jasności obrazu, która zmienia się wraz z ilością rejestrowanego promieniowania emitowanego przez diodę;

4) przelicza się wartość bezwymiarowej wielkości Nśr na wartość natężenia promieniowania I_LED wyrażoną w jednostkach fotometrycznych, czyli kandelach.

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 64

Zweryfikowane eksperymentalnie równanie przetwarzania (p. rozdział 6) wiąże bezwymiarową wielkość Nśr, uzyskaną z obrazów promieniowania zarejestrowanych kamerą CCD, z natężeniem promieniowania ILED emitowanego przez diody LED.

a) b)

nmax

0 38 255 wartość progowa

n =0,01nśr max

c) d)

e)

0 38 255

Nśr=4,74

Rys. 5.3. Etapy przetwarzania przykładowego obrazu uzyskanego z kamery CCD: a) przykładowy obraz tła, b) histogram przykładowego obrazu tła z wyznaczoną wartością progową, c) przykładowy obraz świecącej diody LED,

d) przykładowy obraz świecącej diody LED po procesie progowania, e) histogram przykładowego obrazu świecącej diody LED po procesie progowania z wyznaczoną wartością średniej jaskrawości Nśr

Analiza ograniczeń procesu rejestracji zjawisk luminescencyjnych za pomocą przetwornika CCD 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 nmax jako dolnej granicy progowania pozwala wyeliminować z dalszych obliczeń części pikseli związanych z tłem, bez usuwania pikseli o tych poziomach jasności, jakie mogą występować zarówno w obrazie tła, jak i w obrazie świecącej diody, i informacji, które wnoszą do wyniku pomiaru. Jednak przy założeniu np=nmax w histogramie pozostaje część pikseli związanych z tłem, dlatego jako wartość progową przyjęto wartość poziomu jasności, na który przypada 1% wartości nmax. Dzięki temu w histogramie „zostają” wszystkie piksele związane z tą częścią obrazu, która przedstawia świecącą diodę, a liczba pozostałych w histogramie pikseli związanych z tłem jest pomijalna i nie wpływa znacząco na wynik końcowy.

Ponadto obecność w histogramie obrazu dużej liczby pikseli o 255-tym poziomie jasności może świadczyć o przesterowaniu tego obrazu. Nawet przy precyzyjnych ustawieniach parametrów rejestracji obrazu, w celu uniknięcia jego przesterowania oraz ze względu na charakter rejestrowanego obiektu (dioda LED emitująca promieniowanie widzialne) mogą pojawić się w histogramie piksele o najwyższym poziomie jasności, dlatego aby mieć pewność, że te piksele nie wpłyną na dalsze obliczenia wprowadzono jako górną granicę progowania 254 poziom jasności.

Pomiarowy model detekcji promieniowania w układzie: matryca LED – przetwornik CCD 66