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基于LED的CCD校准用光源的设计

王学仁  
【摘要】:在各种CCD成像系统中,必须对CCD器件进行非均匀性校正,这是由于半导体制造技术中存在的实际问题,在相等照度下CCD各像元的输出并不相等,CCD的这种像元响应不均匀性直接影响其应用性能,因此必须对整个系统的非均匀性进行校正。CCD非线性校正最常用的方法是采用积分球光源作为标准光源对CCD进行非均匀化校准。这类装置通常由标准灯、积分球、滤光片和可变光阑组成,利用积分球的均光特性提供均匀光场,光场照度由光源入射光阑控制。然而这种传统的方法受到标准灯自身的光稳定性以及积分球体积的限制,使标准光源光通量的变化范围和稳定性均受到不同程度的制约。大功率白光LED的出现为CCD器件的校正提供了一种新型光源。特别是针对用积分球作为校准光源而言,LED的高光效、低光衰、短的响应时间、体积小等突出特点,使其成为目前用于CCD校正的很合适、很有前途的照明光源。 用LED作为CCD校准光源时,为了产生高光通量,通常由多颗LED按某种形式排列组合成阵列的形式,通过积分球的匀光技术最终达到CCD校准所要求的光照度条件。但多颗LED光源组合使用中也存在一些问题,福州大学的吴海彬等人在研究多颗LED组合照明设计的关键技术时总结:多个LED组成阵列时不同的连接方式、环境温度、p-n结结温、驱动方式等因素都将影响各个LED电流的均衡性,进而影响电光转换效率的变化并最终导致光源的不稳定,使标准光源无法对CCD器件进行有效校准。因此大功率白光LED光源光通量的稳定性成为CCD器件校准的关键问题。中科院安徽光机所陈风等人设计了一种LED光谱分布可调光源,其面非均匀性达到0.53%,角度特性在±10。以内,最大偏差为0.77%。这种新型光源可做为光辐射测量中的量值传递标准使用。本文从LED的工作原理和实际工程设计出发,结合国内外LED工程应用领域的最新发展,研究LED阵列的光稳定性问题,重点围绕LED阵列的连接方式、供电方式和LED的工作状态等方面来展开研究。 本课题围绕LED在CCD校正用标准光源的工程应用展开,根据CCD校准用光源的要求,对LED进行选型,设计并搭建了LED光通量测量平台,包括积分球测量基准及LED靶板测量装置,分别展开LED在不同连接方式下的光通量稳定性测量。最后采用正交实验法对影响LED阵列光稳定性的正向电流,连接方式等因素进行了优化处理。实验结果表明当LED阵列采用不同的串、并联方式时,光源的光稳定性也不同,其中采用2×2模式,也就是先串后并的LED连接模式为基本单元设计的LED阵列光源的光稳定性较好,八小时稳定性可达99%,能够很好地满足CCD校准用光源的要求。


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