基于LED的CCD光强响应特性测定

甘振华，杜 民，高跃明，熊保平，杨丕胤

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2.福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350116；3.福建省医疗器械和医药技术重点实验室，福建 福州 350116）

基于LED的CCD光强响应特性测定

甘振华1，3，杜 民1，3，高跃明2，3，熊保平2，3，杨丕胤2，3

（1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2.福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350116；3.福建省医疗器械和医药技术重点实验室，福建 福州 350116）

针对电荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）的光强响应曲线的测量，提出采用大功率LED作为线性光源，设计基于成像方式的光强响应信号的测量装置。通过控制恒流激励电流大小来调节LED的辐射输出并测量CCD的响应数据。根据CCD响应信号拟合出对应的光强响应曲线，并建立光电响应模型分析CCD饱和与非饱和的响应特性。实验结果表明：CCD的光强响应受到LED发光角和辐射模式的影响，当采用LED作为CCD光强响应测量的线性可调光源时，不能忽视LED光强分布的近朗伯特性；同时，H694C-II相机输出灰度值大于61713时CCD ICX694AL的光强响应曲线出现较明显的饱和非线性，但在非饱和区域CCD具有优良的线性响应特性。

光强响应；电荷耦合器件；成像方式；大功率LED；非线性

0 引 言

面阵CCD传感器多像素并行检测的优势明显，广泛应用于生化荧光检测系统。CCD像素的光敏特性，能将投射到像素表面的光信号转化为电荷并存储于势阱内，可在时序脉冲的驱动下读出。由于CCD集成度高，像素小，电荷势阱有限，很容易进入饱和状态，从而影响了CCD响应的线性度，其光电响应特性是近似线性的[1]。因为准确的光电测量是建立在CCD的光子-电荷响应的基础之上，所以对CCD光电响应的测量，以及标准工作曲线的拟合尤为重要。由于大功率LED在散热良好且驱动电流较小的时候，其光电响应是线性关系，可以作为线性可调光源使用。通过光学成像方法，将LED光线以成像方式投射至CCD的光敏像素，可以形成CCD输出灰度值与LED正向驱动电流之间的响应特性曲线，为研究CCD在进行光电检测时的工作曲线特性提供参考。

1 光强响应特性的测定

目前测量CCD光电响应的方法有间劈法、双缝衍射法和小孔衍射法等，但间劈法采集的点数少，双缝衍射法的衍射条纹与像素难以对齐，小孔衍射法的光斑中心位置不容易确定[2]。因LED具有一定线性区间的电流-光强特性关系，并且光照调节方便，也有采用光阑限光后应用于CCD响应特性的测定[2]。

LED的光照强度分布具有类朗伯特性[3-5]，近似为发光角θ的余弦函数多次方：

式中：E0——LED光轴方向的光照度；

r——发光点到测量点的直线距离；

i——LED的正向激励电流；

m——LED的辐射模式；

θ——LED光线与光轴的夹角。

采用LED并通过光阑小孔限光，由于光阑小孔微小，其对准LED发光光轴（θ=0°）的难度较大。为更加方便和精确地测绘出LED驱动电流和CCD光敏像素响应信号之间的特性关系，可以采用光学成像法。通过成像方式，将CCD中心像素、镜头成像主轴和LED发光中心准确地对齐并确保光轴夹角θ=0°，从而避免了LED的m值和光轴夹角θ对CCD响应曲线的测量造成的不利影响。

设H=Ect表示CCD像素的曝光量，其中Ec为像素的受激照度，t为积分时间（快门或曝光时间）。CCD响应信号经过ADC和DSP处理后，形成像素的灰度值（数码值DN）输出，则DN和输入曝光量H之间的关系可以使用n阶多项式[1，6]来表示：

式中DN（0，t）为CCD像素的暗电流。

考虑到CCD像素不可避免地存在暗电流，调整积分时间t将造成该暗电流的对应累积，所以固定相机快门时间为T，通过调整LED的发光强度进行CCD响应信号的测量更为方便，则式（2）可以改写为

式中Cn=cnTn，DN（0，T）是积分时间T时的暗电流。

设k为镜头的通光系数，则Ec=kE（i，r，θ），由式（1）和式（3）可得CCD像素在快门时间为T时的响应特性的测量方程：

当LED光轴与CCD成像主轴的夹角θ为0°，且光学成像距离r确定时，式（4）可以简化为

式中Kn=Cnkn=cnTnkn。

1.1 大功率LED线性区域的标定

LED通常采用双异质结和量子阱结构，其p-n结工作在正偏状态，电流从阳极流向阴极。由于电子的迁移率远大于空穴，造成大量的电子向p区扩散形成对p区的少数载流子的注入，这些注入的少数载流子和价带上的空穴发生复合，并将多余的能量辐射出来形成发光。

通常情况下，LED的正向电流与发光强度成正比。由于发光的量子阱厚度仅nm级，热量难以快速扩散，当LED大电流供电时，热阻造成了结温的快速上升。大功率LED的辐射输出与驱动电流呈亚线性关系，其原因主要是热阻导致的结温上升，以及大电流导致无辐射的空穴-电子复合的比例增大[7-8]。在散热条件满足的情况下，可以认为LED在较小电流驱动下的光电响应是线性的。

大功率LED选用美国Luminus单芯LED芯片PT54R，辐射主波长623nm，最大电流13.5A。LED晶片直接部署于26.5mm×16.0mm×1.6mm的紫铜板上，结区-紫铜板热阻Rθ=1.0℃/W，散热性能优异。PT54R的主要参数如表1所示。

表1 PT54-R主要参数

照度-电流测试装置的微距镜头为LAOWA V-DX，设置的光圈数F=2.8，放大倍数为2∶1，镜头接口转换为标准C接口。大功率LED照度-电流测试装置，如图1所示。

图1 大功率LED的照度-电流测试系统

LED由RIGOL可编程DC电源DP832恒流供电，其发光通过微距镜头成像至CEM数字光度计DT-8809A。在正向激励电流＜100mA时所形成的电流-照度值的线性拟合曲线，如图2所示。

图2 大功率LED的电流-照度特性曲线

当θ=0°和0≤i≤100mA时，LED光电响应的线性拟合为

线性拟合的相关系数r2=0.999，即在较小电流驱动下的大功率LED芯片PT54R的电流-照度特性具有很好的线性特性。

1.2 CCD光电响应曲线的测量

实验选用基于Sony ICX694AL的H694C-II冷却型CCD黑白相机。CCD光强响应曲线测量装置，如图3所示。

图3 CCD光强响应曲线的测量装置

整个测量系统放置于暗室中，CCD像素数量609万，像素大小4.54μm×4.54μm。设置冷却型CCD相机积分时间T=100μs，工作温度0℃，相机数码增益10dB，镜头光圈数F=16，放大倍数2∶1。调整LED发光面与相机镜头的安装平面相平行，并将LED发光面中心点成像于CCD中心，此时LED发光光轴与CCD相机的成像主轴的夹角θ=0°。测量时取LED发光电极中心的对应像素位置为坐标原点，将中心对称的20×20个像素的灰度输出的平均值作为CCD的响应数据。

由于LED为面光源，其发光接近180°。当θ≠0°时，LED发光平面所发出的光线经透镜投射于CCD的光敏面上，其成像示意图如图4所示。

图4 LED光线成像于CCD像素的示意图

设CCD的像素大小Sab=p×p，对应的物方大小为Sa′b′，镜头放大倍数kM，由物像成像关系有：

由于LED发光光轴和CCD的成像主轴夹角为θ，则一个CCD像素对应的物方LED平面上的实际发光面积SLED=Sa′b′/cosθ。结合式（1），LED发出的光线到达CCD内一个像素的光能量为

式中：E0——LED光轴方向的光照度；

t——CCD的曝光时间；

kF——微距镜头的通光系数。

2 实验结果和分析

对图3所示的测量系统，首先测量CCD暗电流的数码输出DN（0，T）=9，保持LED发光面中心点位置不变，通过调整LED发光面的偏转角度，分别测量LED发光光轴和CCD相机成像主轴之间的夹角为0°、30°、60°和80°时的CCD响应数据。以LED的驱动电流ILED为X坐标，CCD像素响应的输出数码值DNT（i，θ）为Y坐标，由最小二乘法拟合（n=3）的响应特性曲线，如图5所示。

图5 CCD的光强响应曲线的最小二乘拟合

由式（8）可知，在曝光时间为T（t=100μs）时，由于光轴夹角θ的偏转，导致CCD像素所接收的光能量按cosm-1θ减小，这使得输出数码值DN减小并使CCD逐渐退出饱和区域，形成了图5所示的CCD输出DN曲线随着θ角度的增大而下降的分布趋势。当CCD成像主轴与LED光轴对齐，即θ=0°时，CCD光强响应的拟合曲线为

由式（9）可知CCD像素的光强响应具有明显的非线性特征，同时图5显示，当CCD输出数码值（灰度值）＞61713时出现饱和非线性。

CCD饱和的主要原因是电荷势阱的深度有限，不能无限制地容纳内光电效应所产生的电荷[9]。CCD的内光电效应导致其像素随曝光量的增加而逐渐饱和，为防止饱和后过多的电荷溢出到相邻像素的势阱而造成像素间的干扰，现代CCD普遍采用垂直溢漏技术，将过多的电荷直接泄漏到基底[2，10-13]。CCD的内光电效应可以等效于一个耗尽型NPN模型，其击穿电流IPT是NPN管的N区电势VN的函数[2]：

式中β=q/kT，η为NPN管的非理想因子，I0取决于NPN管的基底电压工艺参数。

N区电势VN的函数关系为

式中：Iλ——总电流；

CPN——等效结电容。

当VN很大时，击穿电流IPT≈Iλ，根据式（10）可得：

即CCD的饱和响应与曝光量是一个自然对数关系。但是由于垂直溢漏技术的存在，实际CCD像素的饱和电荷将不断地被泄放到基底，从而造成CCD的饱和响应值低于理论计算。在θ=0°和DN≥61713时，取横坐标为自然对数ln（i），纵坐标为CCD响应的输出DN值，对CCD饱和区域边界的两个响应数据的进行拟合，饱和区域的光强响应分布情况如图6所示。

图6 CCD饱和区域光强响应的分布

在CCD响应出现饱和时，由于对过饱和电荷的垂直溢漏，其响应信号逐渐偏离理论值。CCD饱和程度越深，被泄放的电荷越多，则响应信号向下偏移越大，非线性越明显，所以在检测时应避免CCD的工作状态进入饱和区域。

当VN较小的时候，击穿电流IPT≈0，根据式（11）可得：

即CCD在未饱和时的响应信号与曝光量是线性关系。

在θ=0°时，剔除DN≥63352的4个饱和点，CCD响应信号的线性拟合，如图7所示。

当θ=0°和DN≤61713时，CCD在非饱和区域的响应信号的线性拟合关系式为

其相关系数r2=0.999，即CCD像素在未饱和时的光强响应具有优良的线性特性。

图7 CCD未饱和区域光强响应的线性拟合

设CCD输出灰度值（数码值）的相对系数kDN（i，θ）= DNT（i，θ）/DNT（i，0°），由式（8）可得：

式中DNT（i，θ）是LED光轴夹角为θ且激励电流为i时CCD对应像素的输出灰度值（数码值）。

分别计算LED光轴夹角θ为30°、60°和80°时CCD响应数据的kDN（i，θ），其分布如图8所示。

图8 CCD灰度值相对系数分布图

剔除激励电流为51，54，57，60 mA的4个饱和响应位置，CCD灰度值相对系数kDN在30°、60°和80°的平均值分别为kDN（30°）=0.97、kDN（60°）=0.82和kDN（80°）=0.50。

由式（15）可得LED的辐射模式m30°=1.24、m60°= 1.28，以及m80°=1.37。

因此，以LED为线性可调激励光源的CCD光强响应特性的测量，因为LED发光的近朗伯特性，其光轴与CCD成像主轴夹角θ，以及辐射模式m值的差异，影响了CCD的光强响应信号的大小。为避免LED光强分布近朗伯特性的影响并简化测量过程中的函数关系，应确保LED光轴与CCD成像主轴的夹角为0°。

3 结束语

针对CCD光强响应曲线的测量，采用大功率LED作为线性可调光源，设计基于成像方式的光强响应测量装置。通过偏转LED光轴与CCD成像主轴之间的夹角，分别测量LED的出光角在0°、30°、60°和80°时对应的CCD光强响应数据，并通过最小二乘法进行曲线拟合。实验结果表明：CCD的光强响应受到LED发光角θ和辐射模式m值的影响，当采用LED作为CCD光强响应测量的线性可调光源时，不能忽视LED光强分布的近朗伯特性；同时CCD的光强响应进入饱和区域时，由于像素的光电响应出现饱和，以及垂直溢漏技术的电荷泄放，使得CCD光强响应曲线出现较为明显的饱和非线性，但在非饱和区域，CCD ICX694AL具有优良的线性响应特性。

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（编辑：李妮）

Measurement of CCD light intensity response characteristics based on LED

GAN Zhenhua1，3，DU Min1，3，GAO Yueming2，3，XIONG Baoping2，3，YANG Piyin2，3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China；2.College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350116，China；3.Key Lab of Medical Instrumentation&Pharmaceutical Technology of Fujian Province，Fuzhou 350116，China）

To measure the light intensity response curve of the charge-coupled device（CCD），an LED with high power was proposed as a linear light source for the design of a light intensity response signal measuring device based on imaging technology.The intensity response data of CCD were obtained by regulating the LED rediation output via controlling the constant excitation current of LED.Corresponding light intensity response curves were fitted according to the response signals of CCD intensity response and also，a photoelectric response model was built to analyze the saturated and unsaturated response characteristics of CCD.Test results show that the light intensity response of CCD is influenced by the radiation angle and radiation pattern of LED.When LED is used as an adjustable linear light source for measurement of light intensity response of CCD，the near Lambert characteristics of the distribution of LED light intensity should not be ignored. Meanwhile，if the output grey level of H694C-II camera is greater than 61713，the light intensity response curve of CCD ICX694AL will have obvious saturation nonlinearity，but CCD has excellent linear response characteristics in the unsaturated region.

light intensity response；CCD；imaging modality；high power LED；nonlinearity

A

：1674-5124（2016）12-0121-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.025

2016-03-29；

：2016-04-27

科技部合作项目（2012DFM30040）；福建省科技重大专项项目（2013YZ0002，2014YZ0001）

甘振华（1977-），男，福建屏南县人，工程师，博士研究生，主要从事生物医学传感技术及医疗器械的研究。