УДК 535.651

СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОДИОДОВ

Виноградова Алиса Юрьевна
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
факультет электроники, магистрант

Аннотация
С увеличением областей применения светодиодов возрастает роль контроля их основных параметров. Наиболее распространенными приборами для этих целей являются оптические спектрометры. Реализация измерения параметров светодиодов с помощью разработанного комплекса позволяет добиться высокой точности измерений при достаточной простоте конструкции.

Ключевые слова: оптический спектрометр, светодиод, фильтрация сигнала, цветовые характеристики


SPECTROMETRIC MONITORING OF LED PARAMETERS

Vinogradova Alisa Yurievna
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
faculty of electronics, undergraduate

Abstract
With increasing applications of LED the role of monitoring their main parameters becomes more significant. The most common instruments for these purposes are optical spectrometers. Implementation of measurement LED parameters using the developed complex allows achieving high precision measurements with sufficient simplicity of the design.

Keywords: color characteristics, led, optical spectrometer, signal filtering


Библиографическая ссылка на статью:
Виноградова А.Ю. Спектрометрический контроль параметров светодиодов // Современная техника и технологии. 2015. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/10/7900 (дата обращения: 27.05.2017).

Применение оптической спектрометрии в технологии дает широкие возможности для исследования свойств материалов и управления качеством изделий, а также технологических процессов электроники [1-11].

Одним из наиболее чувствительных приемников излучения является фотоприемник на основе ПЗС [12]. Выбор данного фотоприемника в качестве основы для построения спектрометра обусловлен не только его высокой чувствительностью, ПЗС фотоприемник (ПЗСФП) имеет ряд неоспоримых достоинств по сравнению с другими приемниками оптического излучения [13-18].

Как известно, заряд, возникающий в каждом элементе секции накопления, пропорционален площади элемента, интенсивности падающего излучения и интервалу времени, в пределах которого сток заряда в потенциальную яму перекрыт с помощью затвора переноса. Таким образом, эффект взаимозаменяемости интенсивности и времени накопления создает благоприятные возможности для управления чувствительностью прибора с помощью цифровых устройств, что и было реализовано на практике. Подобный способ позволяет снимать сигнал от источников с интенсивностями излучения, отличающимися в десятки раз [19].

Основываясь на полученных в работах [15,20] данных рекомендуется проводить измерения в диапазоне относительных чувствительностей 20-80% от максимального уровня сигнала. При низких значениях интенсивности значительно возрастает погрешность аналого-цифрового преобразователя спектрометра, а также сигнал становится соизмеримым с уровнем шума, что приводит к неточности измерения. На значениях интенсивности выше 80% начинает проявляться эффект блюминга, приводящий к резкому уширению спектральных линий, что приводит к трудностям в определении их положения.

Необработанный сигнал линейного ПЗСФП имеет некоторый уровень шума [21,22]. Этот шум состоит из нескольких компонентов. Первый компонент это «геометрический» шум, обусловленный топологией фотоприемника. Для упрощения вывода сигнала в данном типе ПЗСФП используются транспортные регистры по обе стороны фотоприемника. Таким образом, четные и нечетные пиксели имеют несколько различные параметры. В рассматриваемом оптическом спектрометре [23,24] на 1 нм спектрального диапазона приходится примерно 5 пикселей и при спектральном разрешении 1.5 нм возможно усреднение между четными и нечетными пикселями без потери разрешения. В режиме удаления геометрического шума будет производиться линейная интерполяция четных и нечетных пикселей.

Следующий компонент это собственный шум ПЗСФП. Для его снижения можно произвести усреднение по нескольким снятым спектрам. Для этого в управляющей программе необходимо включить режим усреднения по спектрам и установить требуемое количество спектров для усреднения. При значениях чувствительности порядка 10 мс можно увеличить число усреднений до 50…100 (общее время измерения 0.5…1 с). При исследовании слабо светящихся источников и времени накопления порядка 100 мс целесообразнее использовать число усреднений 3…5.

Можно провести дополнительную фильтрацию полученного сигнала сплайновым цифровым фильтром [22,25]. Данный фильтр хорошо работает на спектрах без узкополосных линий, например, на спектрах светодиодов. Вес фильтра задает «глубину» фильтрации – чем больше вес, тем меньше уровень шума. При измерении параметров светодиодов можно дополнительно убрать влияние фонового сигнала вблизи уровня нуля, приводящее к разбелению цвета, на колориметрические измерения.

Спектральная чувствительность прибора в целом представляет собой комбинацию спектральных характеристик отдельных элементов оптической схемы [24]. Прежде чем приступить к анализу источников оптического излучения следует нормировать спектральную характеристику прибора, т.е. ввести некую поправочную функцию, учитывающую передаточную функцию прибора [26]. Спектральная чувствительность прибора определяется: во-первых, передаточной функцией вводного оптического волокна, т.е. зависимостью его коэффициента пропускания от длины волны, во-вторых, характеристикой диспергирующего устройства (дифракционной решетки) и, в-третьих, спектральной чувствительностью фотоприемника с зарядовой связью.

Излучение поступает в оптический модуль спектрометра по кварцевому оптическому волокну. Такие волокна имеют уровень потерь в сотни-тысячи децибел на километр длины оптоволокна. Учитывая, что длина оптического жгута спектрометра составляет несколько метров, потери в оптоволокне достаточно малы. Однако существует сильная зависимость уровня потерь от длины волны передаваемого излучения [27].

Вторым важным элементом, оказывающим влияние на передаточную функцию оптического тракта, является дифракционная решетка. В данном случае имеет место зависимость коэффициента передачи излучения не только от длины волны как таковой, но и от того места решетки на которую падает излучение. Данная зависимость имеет сложный вид и, учитывая, что в приборе используется многосекционная решетка, достаточно трудна для учета при расчете спектральной характеристики прибора в целом [17,24].

Третьим и самым важным элементом оптический схемы является фотоприемник. Его спектральная характеристика имеет нелинейный вид, к тому же, имеется достаточно сильная зависимость чувствительности ПЗСФП от температуры окружающей среды [12,16].

Для того чтобы учесть все описанные выше факторы необходимо провести спектральную коррекцию характеристики прибора с помощью управляющей спектрометром программы Aspect [23,25]. Для осуществления спектральной коррекции необходимо с помощью корректируемого прибора снять эталонный спектр с вычитанием темнового сигнала. Далее следует добавить в программу подготовленный идеальный спектр эталона. В дальнейшем использую эти два спектра (реальный и идеальный), рассчитывается поправочная функция, на которую автоматически домножаются все получаемые спектры.

В случае использования спектрометра для качественного анализа линейчатых спектров [22,28] нормировка спектральной характеристики прибора не является необходимым требованием. Однако при использовании прибора в качестве спектрофотометра нормировка является обязательным условием для получения правдивых результатов. В случае проведения колориметрических измерений источников излучения описанная выше нормировка также способна повысить достоверность получаемых результатов [29-31].

По мере расширения областей применения светоизлучающих диодов (СД) увеличивается и необходимость в контроле их параметров. Существуют значительные различия в результатах измерения световых характеристик СД различных производителей, в то время как аналогичные измерения для традиционных источников излучения дают достаточно близкие результаты.

Для определения пространственного распределения мощности излучения и цветовых характеристик СД был разработан измерительный стенд. Управление стендом осуществляется посредством электронного блока с микроконтроллером. Для получения пространственной картины используются два шаговых двигателя: первый позволяет вращать платформу с установленным на ней СД, второй – обеспечивает перемещение оптоволокна спектрометра с защитной пластиной вверх/вниз по поверхности сферы. Программа обеспечивает получение спектров излучения СД в нужных точках и возможность вычисления по ним относительной мощности и доминирующей длины волны.

Наиболее распространенной является конструкция СД с применением овальных линз, формирующих пространственное распределение излучения с существенной разницей в углах излучения в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Экспериментальные результаты показывают, что распределение относительной мощности имеет неравномерную структуру со значительным отклонением основного потока света от оси симметрии СД. Цвет СД при рассмотрении под разными углами также различен. Несмотря на более однородную картину изменения доминирующей длины волны излучения при повороте СД можно говорить о достаточно существенном искажении цвета – различия при наблюдении с разных точек могут достигать 15 нм, что неприемлемо в большинстве применений.

Вторым вариантом конструктивного исполнения СД является планарный корпус практически без оптической системы. Эксперименты показывают, что форма светового потока такого СД практически однородна. Цвет излучения СД при рассмотрении с разных углов также примерно одинаков, за исключением больших углов по отношению к оси симметрии СД. Различия в доминирующей длине волны при углах 10…50° составляют не более 2.5 нм, что не превышает порога определения различия в цвете человеческим глазом.

По результатам работы можно сделать вывод об эффективности применения методики получения пространственного распределения световых и цветовых характеристик излучения СД по их спектрам излучения с применением оптического спектрометра. Проведенные эксперименты позволяют рекомендовать для использования в светильниках планарные белые СД, имеющие намного более равномерные пространственные характеристики излучения.


Библиографический список
  1. Модернизация приборов и методики спектральной идентификации пород древесины / А.А. Воронин, В.А. Герасимов, Д.К. Кострин и др. // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 16-20.
  2. Спектрометрическое устройство для идентификации пород древесины / Е.А. Колгин, А.А. Ухов, А.А. Воронин и др. // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 116-119.
  3. Ухов А.А., Герасимов В.А., Кострин Д.К. Методика и аппаратура для определения спектральных характеристик стекол и зеркал // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 8. С. 10-14.
  4. Оптико-электронная информационно-измерительная система контроля дезинфицирующих средств на основе полигексаметиленгуанидина / А.М. Василевский, Г.А. Коноплев, Д.А. Светлов // Медицинская техника. 2014. № 1. С. 10-13.
  5. Методика и аппаратура для спектральной идентификации пород древесины / А.А. Воронин, П.Е. Смирнов, А.В. Турубаров и др. // Контроль. Диагностика. 2014. № 5. С. 35-38.
  6. Повышение точности спектрального метода измерения параметров оптически прозрачных тонких пленок / В.А. Герасимов, Д.К. Кострин, Л.М. Селиванов, А.А. Ухов // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 24. № 1. С. 39-42.
  7. Кострин Д.К. Исследование спектрального метода контроля толщины полупроводниковых и диэлектрических пленок // Контроль. Диагностика. 2015. № 6. С. 30-34.
  8. Быстров Ю.А., Кострин Д.К., Лисенков А.А. Спектрометрический анализ состава плазменного потока вакуумно-дугового разряда // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 23. № 1. С. 164-166.
  9. Особенности анализа состава плазмы с помощью малогабаритного оптического спектрометра / А.А. Ухов, Д.К. Кострин, В.А. Герасимов, Л.М. Селиванов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 3. С. 7-10.
  10. Кострин Д.К. Оптический контроль состава газовой смеси в процессе реактивного магнетронного распыления // Контроль. Диагностика. 2015. № 5. С. 47-50.
  11. Рамазанов А.Н., Кострин Д.К. Разработка и исследование спектрометрической системы для анализа состава воды // Современная техника и технологии. 2015. № 6. С. 89-92.
  12. Кострин Д.К., Ухов А.А. Датчики в электронных устройствах. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 240 с.
  13. Колгин Е.А., Ухов А.А., Савушкин А.В. Спектрометры на основе полихроматора и одномерной ПЗС матрицы: опыт разработки и применения // Петербургский журнал электроники. 2008. № 2-3. С. 120-126.
  14. Ухов А.А. Применение цифровой двойной коррелированной выборки для обработки сигнала линейного ПЗС-фотоприемника // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 7. С. 11-14.
  15. Кострин Д.К., Ухов А.А. Светосигнальная характеристика ПЗС-фотоприемника в области больших световых потоков // Контроль. Диагностика. 2013. № 5. С. 40-42.
  16. Кострин Д.К., Ухов А.А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы. 2013. № 5. С. 13-15.
  17. Кострин Д.К., Ухов А.А. Обнаружение и компенсация ложных спектральных линий в спектрометре с вогнутой дифракционной решеткой // Контроль. Диагностика. 2013. № 6. С. 26-28.
  18. Кострин Д.К., Ухов А.А. Повышение метрологических характеристик спектрометрического оборудования при диагностике ионно-плазменных процессов // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 24. № 1. С. 34-38.
  19. Кострин Д.К. Анализ спектральных линий с различной интенсивностью при диагностике технологических процессов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 1. С. 3-7.
  20. Кострин Д.К. Исследование линейности светосигнальной характеристики ПЗС фотоприемника // Петербургский журнал электроники. 2008.  № 2-3. С. 86-91.
  21. Ухов А.А. Влияние тактовых импульсов на уровень шумов ПЗС-фотоприемников // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 6. С. 15-19.
  22. Ухов А.А. Адаптивная фильтрация шумов оптических линейчатых спектров // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 10. С. 10-14.
  23. Кострин Д.К., Ухов А.А. Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 21-25.
  24. Ухов А.А., Кострин Д.К. Оптимизация системы регистрации многоканального оптического спектрометра // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 4. С. 8-12.
  25. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов / Р.В. Юдин, Д.К. Кострин, Д.И. Шишов, А.А. Ухов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 3. С. 8-13.
  26. Коррекция спектральной характеристики оптического спектрометра при исследовании источников инфракрасного излучения / Д.К. Кострин, А.А. Ухов,  В.А. Герасимов, Л.М. Селиванов  // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 2. С. 3-5.
  27. Кострин Д.К., Ухов А.А. Влияние изгибов оптоволокна спектрометра на результаты колориметрических измерений // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 1. С. 9-12.
  28. Кострин Д.К. Автоматический поиск положения спектральных линий при анализе спектров излучения плазмы // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 6. С. 11-15.
  29. Кострин Д.К., Ухов А.А. Метод подбора близких по цветовым характеристикам белых светодиодов для систем освещения // Контроль. Диагностика. 2013. № 7. С. 47-50.
  30. Кострин Д.К., Ухов А.А. Метод контроля пространственного распределения световых и цветовых характеристик излучения светодиодов // Контроль. Диагностика. 2014. № 2. С. 65-68.
  31. Спектрометрический метод контроля характеристик светоизлучающих диодов / Д.К. Кострин, А.А. Ухов, В.А. Герасимов и др. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2014. № 8. С. 11-14.


Все статьи автора «Виноградова Алиса Юрьевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: