CCD detektorok Spektrofotométerek Optikai méréstechnika
Németh Zoltán 2013.11.15.
Detektorok
Működésük, fontosabb jellemző adataik Charge Coupled Device - töltéscsatolt eszköz Az alapelvet 1970 körül fejlesztették ki a Bell Laboratóriumokban (analóg léptetőregiszter, órajel hatására léptet) MOS (Metal Oxide Semi-conductor, Fém-Oxid Félvezető) alapú kondenzátorokat használtak Analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolása A kis tárolókból több ezer darabot elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán Kiolvasó áramkörrel összekötve memóriaegységeket
Sorolvasókban, lapolvasókban, álló és mozgóképfelvevőkben használatosak
Detektorok
Működésük, fontosabb jellemző adataik A többszínű felvételt:
profi kameráknál három külön érzékelővel, amatőrkameráknál egy színszűrőkkel ellátott, kombinált érzékelővel szokás előállítani Vonal vagy mátrix elrendezés Méretei: 32x32-től akár 10 megapixelig – széles választék! Pixel méret: változó, átl. 7,2, 15, 24 mm Érzékenységi tartomány: kb. 400 - 1000 nm-ig, Integrálható! – V(λ) illesztés kérdése Felbontás 66 vonal/mm (15 mm-es, átlagos pixelmérettel) Viszonylag lineáris érzékenység Integrálási idő (ms-s) - szaturálás
Kiolvasási mód A töltések soronkénti átvitele a kiolvasó sorba, majd egyenként Fényzárás a kiolvasás alatt Full frame transfer CCD (mechanikai fényzárás) Frame transfer CCD, kettős CCD chip
Interline transfer
Legegyszerűbb színszűrő elrendezés
Detektorok
Zajok, hibák, korrekciójuk, és kiolvasás Foton zaj + elektronikus zaj + termikus zaj Elektronok megjelenése hőhatásra (alapfátyol - hőm, függő, mértéke integrációs időtől) Pixel átfolyás: blooming - antiblooming gate (köztes szigetelő kapuk)
Smearing hatás
Kiolvasási zaj (smearing) Különböző érzékenységű pixelek - képfeldolgozó korrigáló algoritmusok Halott (Bad) pixelek - képfeldolgozó korrigáló algoritmusok, profi kamerák : < 10 db
Full Frame Transfer
Detektorok
Kiolvasás - 2 Frame transfer CCD Kettős CCD chip → fotodetektor mátrix + tároló terület
Interline transfer CCD
Gyors átléptetés a tárolóba
Több párhuzamos vonaldetektor → közöttük és legalul
Előnyök: kisebb smearing hatás mint FFT,
Előnyök: kis chip méret, alacsony smearing
nagy felbontás, nagy apertúra Hátrányok: nagy chip méret, fényzárás szükséges
1
3
shift-regiszterek
2
4
Hátrányok: drágább, kis apertúra
1
3
2
4
Detektorok
CMOS detektorok Integrált struktúra Egyszerűbb meghajtó áramkörök a kamerában Egyedileg címezhető pixelek Elektron-feszültség átalakítás a pixeleknél
Előnyök Egyszerűbb kamera felépítés
Hibatűrőbb szerkezet Címezhető pixelek
Hátrányok Nagyobb zaj
Kisebb dinamika tartomány Rosszabb kitöltési tényező
Méréstechnika
Spektrofotométerek elvi felépítése Spektrális visszaverés vagy spektrális áteresztés illetve ezekből származtatható mennyiségek mérésére szolgáló eszköz, egy illetve két utas rendszerben méri a beeső sugárzás és az áteresztett, illetve visszavert sugárzás arányát.
Egyfényutas spektrofotométer vázlata Fényforrás
- Halogén lámpa - Deuterium lámpa - Egyéb
Kondenzor
- Tükrös - Lencsés - Száloptikás
Monokromátor
- Interferencia szûrõs - Prizmás - Optikai rácsos
Mintatartó
- Befogó - Küvetta
Detektor
- UV - Látható - Infra
Kétfényutas spektrofotométer vázlata Mintatartó
Fényforrás
Kondenzor
Egyenletessé teszi a fényt! Integráló gömb
Monokromátor
Detektor
Referencia minta
1 Fényforrás 2 Kondenzor 3 Belépő rés 4 Kollimátor 5 Optikai rács 6 Leképező lencse 7 Kilépő rés 8 Leképező lencse 9 Detektor 10 Leképező lencse 11 Detektor
Méréstechnika
Csoportosításuk A működési mód szerint Vizuális spektrofotométer Műszeres leolvasású spektrofotométer Automatikus regisztráló spektrofotométer Számítógép vezérlésű spektrofotométer A monokromátor szerint Interferencia szűrős spektrofotométer Prizmás spektrofotométer Optikai rácsos spektrofotométer A mérendő mennyiség szerint Transzmissziós spektrofotométer Reflexiós spektrofotométer Spektroradiométer
A spektrumtartomány szerint UV spektrofotométer VIS spektrofotométer IR spektrofotométer
Méréstechnika
Monokromátorok A monokromátor fehér fényből monokromatikus fényeket állít elő Részei: Belépő rés Kollimátor Diszperziós elem Leképező rendszer Kilépő rés
Interferencia szűrős monokromátor
Diszperziós elemek: Interferencia szűrők Diszperziós prizma Optikai rács
Diszkrét hullámhosszak 20 nm-enként
Méréstechnika
Diszperziós prizma (Diszperzió – színszórás) Nagy diszperziójú prizmával (pl. 60° törőszögű flintüveg prizma) Képezzük le a lámpával a kondenzorral megvilágított, (kb. 1,5 mm méretű) rést egy ernyőre (vagy CCD-re (E’))!
Helyezzünk a lencse után a réssel párhuzamos törő éllel üvegprizmát, és keressük meg az oldalra állított ernyőn a létrejött színképet! Forgassuk a prizmát a minimális elhajlásnak megfelelő helyzetbe, és a vetítőlencse-rés-távolság kisméretű változtatásával állítsuk élesre a spektrumot (azaz a rés különféle színű képeinek folytonos sorozatát).
Méréstechnika
Optikai rácsok Diffrakciós (és Holografikus) Nagyszámú, (2-3000 db / mm) egymástól azonos távolságra elhelyezkedő azonos vastagságú rovátkából áll, melyeken áthaladva a bizonyos szög alatt érkező síkhullám elhajlik ( szög).
Ha a rácsot merőlegesen beeső monokromatikus fénnyel világítjuk meg, a nagyszámú karcolás miatt fényerős és igen éles maximumokkal rendelkező elhajlási interferenciaképet kapunk. Az el nem térített sugarak, vagyis amelyek az α0 = 0 irányban folytatják útjukat, az interferencia nulladrendű maximumát adják. A k = 1, 2, 3, ...-hoz tartozó irányokban az ún. első-, másod-, harmadrendű maximumok alakulnak ki. Az α irányban eltérített fénysugarak között úthossz-különbség van. Az ernyőn ebben az irányban elhelyezkedő pontban erősítés lesz, ha a két szomszédos résen áthaladó fénysugár közti d úthossz-különbség (λ/2) páros, és kioltás, ha annak páratlan számú többszöröse.
A rácsokat megfelelő anyagba karcolt vonalak formájában készítik.
Méréstechnika
Rácsos monokromátor A rács forgatható asztalon áll, s ennek elforgatásával hozzák a különböző hullámhosszúságú sugárzást a kilépőrés irányába.
Fehér (vagy kevert) fénnyel megvilágított rács a különböző hullámhosszú sugarakat különbözőképpen téríti el. Az egyes hullámhosszaknak, vagyis a színeknek más és más a irányba eső éles vonalak felelnek meg, azaz a rács - akár a prizma - homogén színekre bontja a fehér fényt. Így tehát fehér fény esetén a középső képtől balra és jobbra az első-, másod-, ..n-edrendű elhajlási színképet kapunk. Ezek mindegyike középtől kifelé az ibolyától a vörösig minden tiszta spektrumszínt tartalmaz.
Méréstechnika
Rácsos monokromátor
Méréstechnika
Rácsos profilok
Méréstechnika
A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái
Lambert-felület – Cosinus-törvény
Méréstechnika
I0 I
90°
90°
Ɵ A - felület
I1
Méréstechnika
Fontosabb specifikációk Megvilágító/mérő rendszer elrendezés:
D/8: Diffúz megvilágítás, 8°-os látószög
Integráló gömb mérete átmérője:
52 mm
Detektor:
Szilícium fotodióda tömb (40 elemű, duális)
Monokromátor:
Diffrakciós rács
Hullámhossz tartomány:
360 nm-től 740 nm-ig
Lépték:
10 nm
Fényforrások:
3 pulzáló xenon fényforrás
1 Fényforrás 2 Tükrök 3 Küvetta az oldószerrel 4 Küvetta az oldattal 5 Prizmarendszer 6 Forgó takaró lemez 7 Érzékelő
Két fényutas Prizmás Spektrum tartomány: UV 50 000…28 000 /cm VIS 30 800…12 500 /cm Átszámítás: l = 1 / n UV 200…360 nm VIS 325…800 nm Sávszélesség: < 1 nm Pontosság: +/- 0.5 % Ismétlőképesség: +/- 0.2 % Szórt fény: < 1 % Méret: 1100mm x 615 mm x 320 mm Súly: 160 kg
Méréstechnika
Avantes száloptikás univerzális spektroradiométer Fontosabb specifikációk Mérhető jellemzők:
Transzmisszió, reflexió, emisszió, abszorpció, szín
Mérési tartomány:
200…1100 nm
FWHM felbontás:
1,4 nm
Monokromátor:
10 féle optikai rács választható
Detektor:
75mm Avabench, 2048 pixel TE hűtött CCD detector
CCD hűtés:
DT = -25 --- -30 °C
Stabilizálási idő:
2.
perc
Méréstechnika
Az additív színegyeztetés alapkísérlete összehason lító éf ny of rrások
ni tenz itás t szabá yl ozó éf ny rekesz
Vizuális színmérés 1,3: Szabványos színminták (pl Munsell) Szabványos megvilágítást biztosító szekrény (pl. Machbet)
v zi sgá al ndó éf ny of rrás
Vizsgált minta
Világítás tervezés
Világítástervezés szempontjai
Megvilágítás típusa, értéke Egyenletesség Fénysűrűség értékek
Káprázás Szín és színhőmérséklet Egészségi hatások
Környezetvédelem
