Charakterizace CCD kamery a vybraná

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikáln´ı fakulta

´ RSK ˇ ´ PRACE ´ BAKALA A

Václav Dˇediˇc Charakterizace CCD kamery a vybran´ a mˇ eˇ ren´ı Katedra chemické fyziky a optiky

Vedouc´ı bakaláˇrské práce: Doc. RNDr. Frantiˇsek Trojánek, Ph.D. Studijn´ı program: Obecná fyzika

2007

Dˇekuji vedouc´ımu bakaláˇrské práce Doc. RNDr. Frantiˇsku Trojánkovi, Ph.D. pˇredevˇs´ım za uˇziteˇcné odborné rady a pˇripom´ınky nezbytné k zdárnému dokonˇcen´ı této práce. Dále mu dˇekuji za prop˚ ujˇcen´ı literatury a doporuˇcen´ı softwaru vhodného pro zpracován´ı namˇeˇren´ ych dat.

Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou bakaláˇrskou práci napsal samostatnˇe a v´ yhradnˇe s pouˇzit´ım citovan´ ych pramen˚ u. Souhlas´ım se zap˚ ujˇcován´ım práce a jej´ım zveˇrejˇ nován´ım. V Praze dne 24.5.2007

Václav Dˇediˇc

2

Obsah ´ 1 Uvod, CCD detekce 1.1 Princip detekce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Sumy 2 Charakteristiky CCD detektoru 2.1 Kalibrace . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Závislost signálu na expoziˇcn´ı dobˇe 2.3 Mˇeˇren´ı signálu, kalibrace v´ ykonu . ´ 2.4 Uˇcinnost systému, slab´ y signál . . . 2.5 Grafy pro r˚ uzná nastaven´ı mˇr´ıˇzky . 2.6 R˚ uzná nastaven´ı detektoru . . . . .

5 5 7

. . . . . .

9 9 13 14 18 21 28

3 Pˇ r´ılohy 3.1 Obsah pˇriloˇzeného CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30 30

4 Z´ avˇ er

31

Literatura

33

3

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Název práce: Charakterizace CCD kamery a vybraná mˇeˇren´ı Autor: Václav Dˇediˇc Katedra (´ ustav): Katedra chemické fyziky a optiky Vedouc´ı bakaláˇrské práce: Doc. RNDr. Frantiˇsek Trojánek, Ph.D. e-mail vedouc´ıho: [email protected] Abstrakt: V pˇredloˇzené práci studujeme vlastnosti systému sloˇzeného ze spektroskopu a CCD kamery (detektoru) Andor DV420A vhodné pro mˇeˇren´ı spekter v intervalu vlnové délky od 200 do 1060 nm (celá oblast viditelného svˇetla a ˇcásti oblast´ı infraˇcerveného a ultrafialového záˇren´ı). Je zde struˇcnˇe popsán princip CCD detekce, faktory ovlivˇ nuj´ıc´ı jej´ı pˇresnost, zp˚ usob kalibrace kamery a spoˇctena u ´ˇcinnost celého systému v r˚ uzn´ ych mˇeˇr´ıc´ıch reˇzimech. Práce by mˇela poskytnout základn´ı informace o vlastnostech kamery a informace potˇrebné k volbˇe vhodn´ ych parametr˚ u detekce, pˇredevˇs´ım k mˇeˇren´ı slabého signálu. Kl´ıˇcová slova: CCD kamera, spektroskopie, svˇetlo, slab´ y signál

Title: Characterization of CCD camera and selected measurements Author: Václav Dˇediˇc Department: Department of Chemical Physics and Optics Supervisor: Doc. RNDr. Frantiˇsek Trojánek, Ph.D. Supervisor’s e-mail address: [email protected] Abstract: In the presented thesis we investigate characteristics of the system containing a spectroscope and a CCD camera (detector) Andor DV420A suitable for measuring spectral range from 200 to 1060 nm (whole spectral visible range and parts of infrared and ultraviolet lights). Included is a brief description of the principle of CCD detection, factors affecting its accuracy, means of camera calibration and the denumerable efficiency of the whole system considering various measuring modes. The thesis should provide basic advice about the parameters of the camera and useful advice for choice of suitable parameters of detection, especially for the measurement of weak signal. Keywords: CCD camera, spectroscopy, light, weak signal

4

Kapitola 1 ´ Uvod, CCD detekce 1.1

Princip detekce

Pokus´ıme se struˇcnˇe nast´ınit princip CCD (Charge coupled device) detekce [1]: Dopadaj´ıc´ı fotony na povrch polovodiˇcové destiˇcky (ˇcipu) se ukládaj´ı jako náboj v potenciálov´ ych jámách. Ty zabraˇ nuj´ı volnému pohybu elektron˚ u a t´ım i náboje po ˇcipu a docház´ı tak k jeho kumulován´ı. Kaˇzdá taková potenciálová jáma pˇredstavuje jeden pixel CCD sn´ımaˇce. Velikost zachyceného náboje závis´ı pˇredevˇs´ım na intenzitˇe dopadaj´ıc´ıho svˇetla a na expoziˇcn´ı dobˇe. Zachycen´ y náboj je nutné po nˇejaké dobˇe odebrat a pˇrevést na elektrick´ y signál. Obrazové CCD sn´ımaˇce obsahuj´ı matici pixel˚ u, u nichˇz postupn´ ym pˇresouván´ım náboje z jedné jámy do vedlejˇs´ı docház´ı k jeho pohybu na okraj ˇcipu, kde je pˇrevádˇen na napˇet’ov´ y signál. Ten je pak zpracován A/D pˇrevodn´ıkem a následnˇe zpracován poˇc´ıtaˇcem podle konkrétn´ı potˇreby. Kˇrem´ıkové CCD detektory jsou schopny registrovat fotony s vlnovou délkou pˇribliˇznˇe mezi 200 a 1100 nm. Jsou tedy vhodné pˇredevˇs´ım pro pozorován´ı viditelného svˇetla. Proto kromˇe pozorován´ı spekter maj´ı mnoho dalˇs´ıch vyuˇzit´ı jako napˇr´ıklad poˇrizován´ı fotografi´ı (d´ıky vysoké citlivosti se vyuˇz´ıvá také v astronomii) ˇci video sn´ımk˚ u. Na rozd´ıl od klasick´ ych fotopap´ır˚ u, film˚ u atp. CCD detektory umoˇzn ˇuj´ı pˇr´ımˇejˇs´ı komunikaci s poˇc´ıtaˇci a jejich rozliˇsen´ı je jiˇz na takové u ´rovni, ˇze klasické zp˚ usoby vytlaˇcuj´ı. Tato práce se zab´ yvá konkrétn´ım CCD detektorem, a to kamerou Andor DV420A-OE (obr.1) vhodnou pro spektroskopické aplikace (OE znaˇc´ı typ de5

tektoru s otevˇrenou elektrodou Open electrode). Dopadaj´ıc´ı svˇetlo rozloˇz´ıme pomoc´ı zobrazovac´ıho spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m (obr.2) na spektrum, které pak zkoumáme pˇripevnˇenou CCD kamerou. Naˇse kamera má rozliˇsen´ı 1024×255 pixel˚ u s plochami pixel˚ u 26µm2 .

Obr.1: CCD kamera Andor DV420A-OE

Obr.2a: Schéma spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m

6

Obr.2b: Spektroskop Oriel MS127i 1/8 m s r˚ uzn´ ymi vstupn´ımi ˇstˇerbinami

1.2

ˇ Sumy

V této ˇcásti se zamˇeˇr´ıme na aspekty ovlivˇ nuj´ıc´ı pˇresnost detekce CCD detektorem. Temn´ y proud (Dark current) V kaˇzdém pixelu se uvoln´ı nˇekolik elektron˚ u, jejichˇz p˚ uvod je v tepelném efektu na polovodiˇcovém materiálu, tzv. termick´ y ˇsum (Thermal noise)[1]. Takto vzniklé elektrony oznaˇcujeme jako temn´ y proud. Toto pˇredstavuje problém v praxi, nebot’ by se mohl pixel tepelnˇe nasytit a nezbylo by m´ısto pro ˇzádn´ y dalˇs´ı elektron uvolnˇen´ y svˇeteln´ ym záˇren´ım. Z tohoto plyne, ˇze temn´ y proud sniˇzuje pouˇzitelnou expoziˇcn´ı dobu detektoru. Pokud poˇr´ıd´ıme sn´ımek s uzavˇrenou clonou po dobu, po kterou má trvat expozice, jsou generovány pouze elektrony zapˇr´ıˇcinˇené teplem, tedy temn´ y proud, kter´ y následnˇe odeˇcteme. Tento postup odstran´ı vliv temného proudu na uloˇzené elektrony, nemá ale vliv na skuteˇcné nasycen´ı pixel˚ u. Ovˇsem problém z velké ˇcásti odstran´ıme chlazen´ım detektoru. V naˇsem pˇr´ıpadˇe se jedná o termoelektrické chlazen´ı zaloˇzené na tzv. Peltierovˇe jevu. Jeho v´ yhodou je snadná regulace teploty pomoc´ı zmˇeny elektrického proudu. Pro naˇsi potˇrebu zchladit CCD na teplotu −60 ◦ C postaˇcuje.

7

V´ ystupn´ı ˇ sum (Readout noise) Dalˇs´ım ze zdroj˚ u neˇzádouc´ıch elektron˚ u je v´ ystupn´ı ˇsum zp˚ usoben´ y ˇcten´ım elektron˚ u z pixelu a pˇrenosem dat do poˇc´ıtaˇce. Tento ˇsum se projev´ı pˇri ˇcten´ı na konci expozice a je konstantn´ı a nezávisl´ y na expoziˇcn´ı dobˇe. V tabulce 1 je uveden v´ ystupn´ı ˇsum systému udan´ y v´ yrobcem [2]. Readout rate v´ yst. ˇ sum 33 kHz 4.6 50 kHz 4.6 100 kHz 12.6 Tabulka 1: V´ ystupn´ı ˇsum systému (CCD detektoru a A/D pˇrevodn´ıku) udan´ y v´ yrobcem v elektronech na pixel pˇri -50 ◦ C V tabulce 2 je uvedena citlivost systému v elektronech na impuls. Readout rate citlivost 33 kHz 2.1 50 kHz 3.6 100 kHz 14 Tabulka 2: Citlivost systému v elektronech na impuls udaná v´ yrobcem Nesm´ıme opomenout v´ yslednou hodnotu ˇsumu vynásobit faktorem 255, coˇz je poˇcet vertikáln´ıch pixel˚ u CCD, na které dopadá svˇetlo o stejné vlnové délce. Jak tedy vid´ıme, vzhledem k tomu, ˇze námi mˇeˇren´ y signál se pohyboval ˇrádovˇe mezi 104 a 106 impuls˚ u za sekundu (dále jen CPS) na pixel, m˚ uˇzeme tento ˇsum zanedbat. Nem˚ uˇzeme jej ale opom´ıjet, budeme-li mˇeˇrit slab´ y signál. Fotonov´ yˇ sum (Photon noise) Posledn´ım zm´ınˇen´ ym ˇsumem je fotonov´ y ˇsum [1]. Je to ˇsum vlastn´ı dopadaj´ıc´ım foton˚ um a závis´ı na druhé odmocninˇe jejich poˇctu.

8

Kapitola 2 Charakteristiky CCD detektoru 2.1

Kalibrace

Na zaˇcátku kaˇzdého mˇeˇren´ı pomoc´ı CCD detektoru je potˇreba nastavit na x-ové ose na poˇc´ıtaˇci správné ˇskálován´ı pro vlnovou délku. Nejlépe takto uˇcin´ıme na základˇe známé spektráln´ı ˇcáry nˇekterého prvku. Tento postup je nutné opakovat pro kaˇzdé nastaven´ı mˇr´ıˇzky1 . Nejménˇe technicky nároˇcn´ y zp˚ usob je takto okalibrovat x-ovou osu pomoc´ı pomoc´ı ˇcar klasické záˇrivky, která obsahuje ˇcáry rtuti a kryptonu nebo pomoc´ı ˇcar kryptonové kalibraˇcn´ı v´ ybojky (grafy 1 resp. 2 ). Správnost kalibrace jsme ovˇeˇrili pomoc´ı tabelovan´ ych spektráln´ıch ˇcar [3]. V grafech jsou nˇekteré ˇcáry oznaˇceny pˇr´ısluˇsnou vlnovou délkou. V tabulce 3 resp. 4 a grafu 3 resp. 4 jsou uvedeny odchylky vlnové délky σλ namˇeˇren´ ych ˇcar záˇrivky resp. kryptonové v´ ybojky od tabelovan´ ych hodnot v závislosti na vlnové délce. Na základˇe namˇeˇren´ ych hodnot m˚ uˇzeme konstatovat, ˇze kalibrace je v oblasti kratˇs´ıch vlnov´ ych délek pˇribliˇznˇe lineárn´ı a v oblasti vlnov´ ych délek nad cca 800 nm se rozd´ıly mezi namˇeˇren´ ymi a tabelovan´ ymi hodnotami zvyˇsuj´ı. Proto je pro pˇresná mˇeˇren´ı nutno pouˇz´ıt v programu k CCD kalibraci pomoc´ı v´ıce ˇcar. 1

Nastaven´ım mˇr´ıˇzky rozum´ıme jej´ı natoˇcen´ı vzhledem k detektoru, které je nutné mˇenit, abychom mohli detekovat celé moˇzné spektrum, nebot’ na CCD detektor dopadá pouze urˇcit´ a ˇc´ ast svˇetelného spektra o ˇs´ıˇrce 475 nm. Stˇredn´ı vlnová délka této spektráln´ı ˇcásti je pro pouˇzitou mˇr´ıˇzku trojnásobkem hodnoty jej´ıho nastaven´ı.

9

Graf 1: Spektrum záˇrivky

Graf 2: Spektrum kryptonové kalibraˇcn´ı v´ ybojky 10

λ (nm) λ (nm) tabelovan´ a namˇ eˇ ren´ a σλ (nm) 404.66 402.75 1.91 435.83 433.79 1.96 544.78 546.08 1.30 578.00 576.57 1.43 811.29 818.00 6.71 877.68 886.94 9.26 1013.98 1029.00 15.02 Tabulka 3: Vybrané spektráln´ı ˇcáry záˇrivky

Graf 3: Závislost σλ na vlnové délce pro záˇrivku

11

λ (nm) λ (nm) tabelovan´ a namˇ eˇ ren´ a σλ (nm) 431.96 430.08 1.88 557.03 555.38 1.64 587.09 585.77 1.32 760.12 761.14 1.02 811.29 814.40 3.11 877.68 883.34 5.66 975.18 985.06 9.89 Tabulka 4: Vybrané spektráln´ı ˇcáry pro kryptonovou v´ ybojku

Graf 4: Závislost σλ na vlnové délce pro kryptonovou v´ ybojku

12

2.2

Z´ avislost sign´ alu na expoziˇ cn´ı dobˇ e

V tabulce 5 a grafu 5 je vynesena závislost poˇctu impuls˚ u za sekundu (CPS) a skuteˇcného poˇctu impuls˚ u (C) na expoziˇcn´ı dobˇe (texp ) pro vlnovou délku λ = 660 nm pˇri nastaven´ı Shift speed 32.25 a Readout rate 100 kHz. Byla pouˇzita kalibraˇcn´ı ˇzárovka Oriel 63358 a vstupn´ı ˇstˇerbina 77730 o ˇs´ıˇrce 200 µm. Podle kapitoly 1.2 snadno zjist´ıme u ´roveˇ n v´ ystupn´ıho ˇsumu, která je v tomto pˇr´ıpadˇe 230 impuls˚ u. Vzhledem k celkovému poˇctu impuls˚ u z tabulky 5 je vˇsak tento ˇsum zanedbateln´ y. Vysoké hodnoty signálu pro kratˇs´ı expoziˇcn´ı doby jsou zp˚ usobeny sn´ıˇzenou pˇresnost´ı závˇerky. Vˇsechna ostatn´ı mˇeˇren´ı prob´ıhala pˇri expoziˇcn´ı dobˇe 0.11 s.

texp (s) 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.1 0.2

CPS 6.40×105 4.24×105 3.55×105 3.22×105 2.95×105 2.56×105 2.32×105

C 6.40×107 2.10×107 1.18×107 8.05×106 5.90×106 2.56×106 1.16×106

Tabulka 5: Závislost CPS a skuteˇcného poˇctu impuls˚ u na expoziˇcn´ı dobˇe pro λ = 660 nm,

13

Graf 5: Závislost CPS na expoziˇcn´ı dobˇe pro λ = 660nm

2.3

Mˇ eˇ ren´ı sign´ alu, kalibrace v´ ykonu

Mˇeˇren´ı u ´ˇcinnosti detektoru prob´ıhalo pomoc´ı absolutnˇe okalibrované ˇzárovky Oriel 63358, jej´ıˇz udávan´ y v´ ykon v závislosti na vlnové délce (Zλ ) je znázornˇen v grafu 6. Hodnoty Zλ jsou udány v nW vztaˇzen´ ych na plochu ∆S v milimetrech ˇctvereˇcn´ ych, na interval vlnové délky ∆λ v nanometrech pˇripadaj´ıc´ı na jeden pixel. Dále mus´ı b´ yt vzdálenost ˇzárovky od detektoru (vstupn´ı ˇstˇerbiny) 50 cm. Byla pouˇzita vstupn´ı ˇstˇerbina 77730 o ploˇse ∆S = 0.6 mm2 . Rozliˇsen´ı pixelu je ∆λ = 0.461 nm. Vzhledem k velké záˇrivosti ˇzárovky a vysoké citlivosti CCD detektoru byla ˇzárovka um´ıstˇena do vzdálenosti 2.5 m od vstupn´ı ˇstˇerbiny a kde to bylo nutné, byl pouˇzit optick´ y filtr s propustnost´ı bl´ızkou 11% (signál v CPS byl tak vysok´ y, ˇze 16 bitov´ y A/D pˇrevodn´ık pˇretekl). Propustnost filtru a u ´prava hodnot signálu v závislosti na vzdálenosti jsou ve vˇsech v´ ypoˇctech a grafech zapoˇc´ıtány. 14

Graf 6: V´ ykon ˇzárovky Expoziˇcn´ı doba vˇsech mˇeˇren´ı byla texp = 0.11 s pˇri nastaven´ı Readout rate 100 kHz a Shift speed 32.25. Byla také zvolena metoda akumulac´ı, coˇz znamená, ˇze najednou probˇehlo v´ıce stejn´ ych mˇeˇren´ı, jejichˇz v´ ysledky se seˇcetly. T´ım je zajiˇstˇena vyˇsˇs´ı pˇresnost mˇeˇren´ı. Poˇcty akumulac´ı jsou také zohlednˇeny ve v´ ysledné u ´rovni signálu. Stejn´ ym zp˚ usobem bylo také ke kaˇzdému mˇeˇren´ı urˇceno záˇren´ı pozad´ı, které se od celkového signálu odeˇcetlo. T´ım odpadl problém se zapoˇc´ıtáván´ım v´ yˇse zm´ınˇeného temného proudu. Vzhledem k tomu, ˇze CCD kamera v naˇsem uspoˇrádán´ı se spektroskopem dokáˇze najednou detekovat pouze ˇcást spektra o délce 475 nm, je tˇreba natáˇcet mˇr´ıˇzku, aby se vyuˇzilo celé moˇzné ˇs´ıˇrky spektra, které dokáˇze CCD detekovat (cca od 200 do 1060 nm). V grafu 7 jsou vyneseny pr˚ ubˇehy signálu ˇzárovky detekovaného kamerou upraveného o v´ yˇse zm´ınˇené hodnoty pro r˚ uzná natoˇcen´ı mˇr´ıˇzky. Z grafu je vidˇet, ˇze v oblasti vlnov´ ych délek mezi 750 a 850 nm se jednotlivé signály pˇresnˇe neshoduj´ı. To je dáno odliˇsn´ ym nastaven´ım optické mˇr´ıˇzky. Je tedy 15

nutné zpracovávat registrovan´ y signál pro kaˇzd´ y pˇr´ıpad zvláˇst’. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, tak pro jednotky v´ ykonu ˇzárovky Zλ plat´ı [Zλ ] =

nW . mm2 · nm

Dále chceme zjistit, kolik CPS (impuls˚ u za sekundu) je vztaˇzeno na 1 nW vyzáˇren´ y ˇzárovkou na interval vlnové délky ∆λ. Hledáme tedy závislost CP S/nW na vlnové délce λ. Vezmeme-li v u ´vahu, ˇze pro jednotky plat´ı CP S C · s−1 C = , = −1 nW nJ · s nJ kde C znaˇc´ı poˇcet impuls˚ u, známe souˇcasnˇe závislost poˇctu impuls˚ u na svˇetelné energii C/E. Z v´ yˇse uvedeného je zjevné, ˇze v pˇr´ısluˇsn´ ych jednotkách plat´ı

CP S C 1 CP S = = . · Zλ ∆S · ∆λ nW nJ

(1)

Dosazen´ım znám´ ych hodnot do vztahu (1) z´ıskáme potˇrebnou závislost, která je opˇet pro vˇsechna pouˇzitá nastaven´ı mˇr´ıˇzky vynesena v grafu 8.

16

Graf 7: Signál pˇri vˇsech uˇzit´ ych nastaven´ıch mˇr´ıˇzky

Graf 8: Závislost CPS/nW na vlnové délce 17

2.4

´ cinnost syst´ Uˇ emu, slab´ y sign´ al

´ cinnost syst´ Uˇ emu (tedy soustavy spektroskopu a samotné CCD kamery) η urˇc´ıme jako C , n kde C je poˇcet impuls˚ u a n je poˇcet dopadaj´ıc´ıch foton˚ u. Nyn´ı vyuˇzijeme vztahu η=

E = nhν = n ·

hc , λ

(2)

(3)

kde ν je frekvence fotonu, h Planckova konstanta a c rychlost svˇetla. Dosazen´ım (3) do (2) máme: η=

C hc · . E λ

(4)

Pomˇer C/E známe z pˇredchoz´ı podkapitoly 2.3. Pokud u ´ˇcinnost (4) nav´ıc vynásob´ıme citlivost´ı z tabulky 2 (str.8), vyjadˇruje pak poˇcet fotoelektron˚ u na jeden dopadaj´ıc´ı foton. Závislost této u ´ˇcinnosti na vlnové délce je zobrazena v grafu 9. Dále je v grafu pro srovnán´ı vynesena (ˇcárkovanˇe) závislost QE · OM , coˇz je souˇcin kvantové u ´ˇcinnosti QE (Quantum efficiency, graf 11) samotného CCD detektoru a odrazivosti mˇr´ıˇzky OM (graf 12) udan´ ych v´ yrobcem. Rozd´ıl namˇeˇrené a v´ yrobcem udané u ´ˇcinnosti je dán spektráln´ı propustnost´ı zobrazovac´ıho spektroskopu. Vid´ıme, ˇze systém je nejcitlivˇejˇs´ı pro oblast vlnové délky kolem 520 nm. Zde je u ´ˇcinnost detektoru η520nm = 23% (QE · OM520nm = 29%). Slab´ y sign´ al Pˇrevrácen´ım hodnot uˇcinnosti z´ıskáme poˇcet foton˚ u dopadaj´ıc´ıch do vstupn´ı apertury systému potˇrebn´ ych k tomu, aby poˇc´ıtaˇc zaznamenal jeden impuls. Z grafu 10 je vidˇet, ˇze v oblasti viditelného svˇetla je systém velmi citliv´ y a pro zaznamenán´ı jednoho impulsu staˇc´ı 4 aˇz 9 foton˚ u. V oblasti infraˇcerveného záˇren´ı tento poˇcet s vlnovou délkou prudce stoupá (napˇr´ıklad pro λ = 1050nm je to cca 190 foton˚ u na impuls). Pro porovnán´ı je v grafu vynesena kˇrivka 1/(QE · OM ). 18

´ cinnost systému (poˇcet fotoelektron˚ Graf 9: Uˇ u na jeden foton)

Graf 10: 1/η (poˇcet foton˚ u na jeden fotoelektron) 19

Graf 11: Kvantová u ´ˇcinnost samotného CCD detektoru QE udaná v´ yrobcem

Graf 12: Odrazivost mˇr´ıˇzky OM udaná v´ yrobcem 20

2.5

Grafy pro r˚ uzn´ a nastaven´ı mˇ r´ıˇ zky

Na následuj´ıc´ıch stranách jsou vykresleny grafy 13 aˇz 24 pro jednotlivá nastaven´ı optické mˇr´ıˇzky 150, 175, ..., 275 se závislostmi signálu a CP S/nW na vlnové délce λ pro nastaven´ı kamery Readout rate 100 kHz a Shift speed 32.25.

21

Graf 13: Signál pˇri nastaven´ı mˇr´ıˇzky 150

Graf 14: CPS/nW pˇri nastaven´ı mˇr´ıˇzky 150 22











2.6

R˚ uzn´ a nastaven´ı detektoru

Pro porovnán´ı u ´rovn´ı signálu, CPS/nW a u ´ˇcinnosti systému pro r˚ uzná nastaven´ı detektoru byla namˇeˇrena a následnˇe spoˇctena data pˇri natoˇcen´ı mˇr´ıˇzky 200 pro tato nastaven´ı: 1. 2. 3. 4.

Shift Shift Shift Shift

speed speed speed speed

= = = =

32.25 Readout rate = 100 kHz 32.25 Readout rate = 33 kHz 64.25 Readout rate = 100 kHz 64.25 Readout rate = 33kHz

V´ ysledky jsou shrnuty v grafech 25, 26, 27. V legendách k tˇemto graf˚ um znaˇc´ı SS Shift speed a RR Readout rate.

Graf 25: Signál pro r˚ uzná nastaven´ı detekce

28

Graf 26: CPS/nW pro r˚ uzná nastaven´ı detekce

´ cinnost pro r˚ Graf 27: Uˇ uzná nastaven´ı detekce 29

Kapitola 3 Pˇ r´ılohy 3.1

Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD

Pˇriloˇzen´ y disk obsahuje elektronickou verzi této Bakaláˇrské práce, samostatn´ y abstrakt a soubory s daty potˇrebn´ ymi k sestrojen´ı vˇsech graf˚ u 6 aˇz 27, jeˇz se mohou hodit k snadnˇejˇs´ımu zpracován´ı nˇekter´ ych mˇeˇren´ı. (Soubory jsou uloˇzeny ve formátu .dat a jsou podporovány programy Microcal Origin, MS Excel, GraphViewer a dalˇs´ımi.) Seznam a popis pˇ riloˇ zen´ ych soubor˚ u (ˇclenˇen´ı podle sloˇzek) data ruzna detekce - sloˇzka obsahuje podsloˇzky s daty pro r˚ uzn´ a nastaven´ı detektoru CPS na nW signal ucinnost ruzna mrizka - sloˇzka obsahuje podsloˇzky s daty pro r˚ uzn´ a nastaven´ı mˇr´ıˇzky CPS na nW signal ucinnost OM.DAT - odrazivost mˇr´ıˇzky Oriel 63358.DAT - kalibraˇcn´ı ˇz´ arovka QE.DAT -kvantov´ au ´ˇcinnost CCD Abstrakt.PDF - samostatný abstrakt v ˇceském a anglickém jazyce Charakterizace CCD.PDF - elektronick´ a verze této pr´ ace

30

Kapitola 4 Z´ avˇ er C´ılem této práce bylo promˇeˇrit základn´ı charakteristiky systému chlazené CCD kamery Andor DV420A a zobrazovac´ıho spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m, podat základn´ı informace o principu CCD detekce v optické spektroskopii a doporuˇcen´ı k nastaven´ı vhodn´ ych parametr˚ u detektoru pro konkrétn´ı mˇeˇren´ı. V kapitole 1 je struˇcnˇe vysvˇetlen princip CCD detekce, p˚ uvod a moˇzná eliminace ˇsum˚ u zkresluj´ıc´ı v´ ysledky mˇeˇren´ı. Kapitola 2 se zab´ yvá pˇr´ıpravn´ ymi kroky k mˇeˇren´ı, promˇeˇren´ım u ´ˇcinnosti systému a nastaven´ım parametr˚ u detekce pro mˇeˇren´ı slabého a silnˇejˇs´ıho signálu. • Kalibrace Kap.2.1 obsahuje návod na snadnou kalibraci x-ové souˇradné osy pro vlnovou délku pomoc´ı spektráln´ıch ˇcar prvk˚ u. Bylo zjiˇstˇeno, ˇze v oblasti od nejkratˇs´ıch detekovan´ ych vlnov´ ych délek cca od 250 do 750 nm je kalibrace pomoc´ı jedné spektráln´ı ˇcáry lineárn´ı s pˇresnost´ı ±1.5 nm, kdeˇzto pro oblast vlnov´ ych délek v rozmez´ı 900 aˇz 1000 nm tato nepˇresnost stoupá aˇz na 10 aˇz 15 nm. Zde je vhodné pro pˇresná mˇeˇren´ı pouˇz´ıt v programu k CCD kalibraci pomoc´ı v´ıce ˇcar. • Doba expozice Kap.2.2 se zab´ yvá r˚ uzn´ ym nastaven´ım expoziˇcn´ıch ˇcas˚ u. Byla promˇeˇrena u ´roveˇ n signálu v závislosti na expoziˇcn´ı dobˇe. Bylo zjiˇstˇeno, ˇze pro expoziˇcn´ı ˇcasy texp ≥ 0.1 s se u ´roveˇ n signálu mˇen´ı relativnˇe málo a 31

mˇeˇren´ı pˇri r˚ uzn´ ych expoziˇcn´ıch ˇcasech se daj´ı porovnávat. Pro mˇeˇren´ı slabého signálu (nˇekolik des´ıtek aˇz stovek foton˚ u za sekundu na 1 pixel) je vhodná delˇs´ı doba expozice kv˚ uli existenci v´ ystupn´ıho ˇsumu. • Mˇ eˇ ren´ı sign´ alu, kalibrace v´ ykonu Kap.2.3 popisuje zp˚ usob mˇeˇren´ı signálu (v naˇsem pˇr´ıpadˇe silného) absolutnˇe okalibrované ˇzárovky a v´ ypoˇcet záˇrivého v´ ykonu potˇrebného k produkci jednoho impulsu za sekundu v poˇc´ıtaˇci v závislosti na vlnové délce svˇetla pro celou pouˇzitelnou ˇs´ıˇri spektra detekovatelného CCD kamerou pˇri konkrétn´ım nastaven´ı detekce. ´ cinnost syst´ • Uˇ emu, slab´ y sign´ al V kap.2.4 je uveden v´ ypoˇcet u ´ˇcinnosti systému a nalezen´ı minimáln´ıch hodnot u ´rovnˇe slabého signálu, kter´ y je moˇzné detekovat. • Nastaven´ı detekce pro r˚ uzn´ eu ´ rovnˇ e sign´ alu ’ Kap.2.6 dává odpovˇed na otázku jaké zvolit nastaven´ı detektoru pro mˇeˇren´ı silného, resp. slabého signálu. Jak je patrné z graf˚ u v této ˇcásti, pro silné zdroje svˇetla srovnatelné napˇr´ıklad s bˇeˇzn´ ym osvˇetlen´ım m´ıstnosti i mnohem v´ ykonnˇejˇs´ı (pro velmi silné zdroje lze pouˇz´ıt optick´ ych filtr˚ u pro pˇr´ıpad, kdy A/D pˇrevodn´ık pˇreteˇce) je vhodné zvolit parametr Readout rate = 100 kHz. Pro slab´ y signál je spolu s v´ yˇse zm´ınˇenou delˇs´ı expoziˇcn´ı dobou v´ yhodné nastavit Readout rate = 33 kHz.

32

Literatura [1] AndorTM Technology: Digital Camera Fundamentals, http://www.andor.com/pdfs/Digital%20Camera%20Fundamentals.pdf. [2] AndorTM Technology: DV420A, http://www.lotoriel.de/site/site down/cc dv420a deen01.pdf. [3] J. Broˇz a kol.: Fyzikáln´ı a matematické tabulky (str. 137, 139), SNTL, Praha, 1980.

33

Charakterizace CCD kamery a vybraná

Recommend Documents