Category: ComputerVision IR-LED

LEDの電流制御

LEDに流す電流の量が多いほど発光量が大きくなる
明るさを制御する為には流れる電流を制御する回路が必要になる

### 抵抗による電流制御…電圧が一定の時
余分な電圧を抵抗に負担させる抵抗制御を保護抵抗という
R(抵抗) = (E(電源電圧) – Vled(LEDにかかる電圧)) / I(電流)
※電源Eに対しELD点灯に必要な抵抗を計算する

### 定電流ダイオード(CRD)…バッテーリのように電圧が変動するとき
変動の激しい電流を使う場合は定電流ダイオードを利用して電源のゆらぎの影響を防ぐ
抵抗と同じようにLEDに対して直接に接続する
抵抗に比べて高価

### 三端子レギュレータ
定格出力電圧より大きければ一定の電圧を出力する
加熱保護、過電流保護回路を内蔵しているが、変換効率があまり良くなく発熱しやすい

### オペアンプ
一般的にオペアンプは電圧増幅の目的で用いられる
反転増幅、非反転増幅の回路を簡単に設計できる
入力端子の電圧差(電位差)を増幅して出力する
一般的には抵抗を接続する、周辺素子にコンデンサ(直流を防ぎ交流を通過)を利用することで微分積分回路、フィルタ回路、発振回路などに応用できる

LEDの構造

LEDの形状はランプ型とチップ型がある
順方向の電圧が必要：p型半導体側をアノード(+)、n型半導体側をカソード(-)
pn接合となるLEDチップがあり、下側は導電性ペースなどにより接合され、上側は金線とリードフレームとで接続されている
チップはエポキシ樹脂で覆われている

1W以上のものをパワーLEDという　放熱性をよくするように工夫して大電流を流す
ITO電流など電極を工夫して光量を増加させている
金属の反射膜をつけて反射させて光量増加させる方法もある
チップ表面で全反射による光量低減を抑制するよう、工夫が施されている

### カラーLED
RGBのチップを内蔵し、それぞれの強度を調整することでフルカラーを実現する
-> RGBのアノードと共通のカソード構成になる
白色LEDも自然光で照らしたように表示できるよう様々な方法が研究されている

LEDの用途、色、使い方、大きさなどによって、LED構造も変わってくるんですね。
こりゃ、素直に尊敬するなー。

半導体のpn接合による発光原理

半導体結晶に対して一定以上のエネルギーを与えると(バンドギャップ以上)、結合に使われている電子が束縛から離れ、正孔ができる。基底状態->励起状態

バンドギャップエネルギーに相当する波長の光を出して基底状態に戻る
n型半導体、p型半導体では再結合して発光する電子および自由電子が少ないため、有効な発光素子にならない。そのための構造として、pn接合がある。
LEDはpn接合を利用した半導体発光素子

### 直接遷移型と間接遷移型
– 直接遷移型
ガリウムヒ素(GaAs)、GaN、インジウムリン(InP)などは再結合するときに電子が受け取ったエネルギーの多くを光として放出する
– 間接遷移型
Si(シリコン)やGe(ゲルマニウム)は再結合するときに受け取ったエネルギーの多くを熱として放出する

LEDを作るには直接遷移型が望ましく、LSIのSi(シリコン)は向いていない
※Siのバンドギャップエネルギーは1.11[eV]
可視光線の範囲は380~770[nm]程度なんおで、1.61〜3.26[eV]のバンドギャップエネルギーが必要
-> 半導体の素材はLEDの発光したい電磁波の波長によって変わってくる
-> 赤外線LEDはアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)

### 化合物半導体
2種類以上の元素を組み合わせたものが化合物半導体(ほとんどのLED)
バンドギャップエネルギーは混合比による

### pn接合
p型半導体とn型半導体を接合させたものをpn接合という
接合面近くのn型中電子とp型中正孔が再結合する。その結果n型には+イオン、p型には-イオンが残る　
接合部には空乏層と呼ばれる領域が形成される

p型に+、n型に-の順方向電圧を拡散電位以上の大きさで印加するとn型電子はp型の方に、p型正孔はn型の方に移動する　このとき接合面において再結合してバンドギャップに対応するエネルギーの光を出す
電圧を強くすると多くの再結合が起こるので強い発光となる
p型かn型の半導体を2つ用意し、ダブルヘテロ結合にすると、より強い発光が可能になる

蛍光灯は水銀原子と熱電子の衝突から紫外線を蛍光体に当てて可視光線を出しているけど、LEDは半導体pn接合の再結合によって発光している、ということは原理が全然違いますな。赤外線LEDの意味もわかってきた。

ジェスチャ認識

### 1.赤外線LED
概要
– 赤外線LEDの点滅を利用して人の手の重心や指の本数を抽出し、その動きによって機器の操作ができる
※赤外線LEDとは700〜1500nm程度まで近赤外線を発光する
※赤外線は赤色光よりも波長が長い電磁波。LEDはLight Emitting Diodeで光る半導体
※テレビのリモコン操作(トランジスタ駆動)、スマホのデータ通信、不法侵入監視用光源などは赤外線LED
※最近は赤外線カメラと組み合わせて使用される。IR-LEDと書く
※赤外線カメラは物体から放射される赤外線を可視化するカメラ。画像はサーモグラフティ

仕組み
– 赤外線LEDを点滅させ、画像の明暗の差分から物体を抽出
– ノイズキャンセル + 二値化(画像を２階調に変換)
– 抽出した最も大きな領域の重心を算出し、二値画像の突起物を検出(ヒストグラム作成)
– 作成したヒストグラムで指先を認識
– データ出力

### 2.任意の色領域抽出
概要
– RGB画像をHSV(Hue, Saturation, Value)空間に分割し、HSチャンネル画像を用いて肌色領域を抽出
– モフォロジー処理により、手の領域だけ抽出
– オープニング処理により、指の領域のみ抽出
– 取得した指領域の数をカウントする

なるほど、ジェスチャ認識のアプリケーション作るには、赤外線LEDと、それを検出する赤外線カメラが必要ってことか。
とりあえず赤外線LEDと赤外線カメラを買ってみた。

波長：940 nm。 放射距離：7 M
電圧：DC 1.2 - 1.3 V。 極性：アノード（長い部分） カソード（短い部分）
ヘッドサイズ：5.6 x 8.5 mm（最大D * H）
パッケージ内容：10個xエミッタダイオード+ 10個xレシーバダイオード

CVは求められる知識領域が広いなー。。