CCD detektorok Spektrofotométerek Optikai méréstechnika. Németh Zoltán

Átírás

1 CCD detektorok Spektrofotométerek Optikai méréstechnika Németh Zoltán

2 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

3 Működésük, fontosabb jellemző adataik Detektorok 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! Legegyszerűbb színszűrő elrendezés Pixel méret: változó, átl. 7,2, 15, 24 mm Érzékenységi tartomány: kb 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

4 Zajok, hibák, korrekciójuk, és kiolvasás Detektorok Foton zaj + elektronikus zaj + termikus zaj Elektronok megjelenése hőhatásra (alapfátyol - hőm, függő, mértéke integrációs időtől) Pixel átfolyás: blooming - antiblooming gate (köztes szigetelő kapuk) Kiolvasási zaj (smearing) Smearing hatás Különböző érzékenységű pixelek - képfeldolgozó korrigáló algoritmusok Halott (Bad) pixelek - képfeldolgozó korrigáló algoritmusok, profi kamerák : < 10 db Full Frame Transfer

5 Detektorok Kiolvasás - 2 Frame transfer CCD Kettős CCD chip fotodetektor mátrix + tároló terület Gyors átléptetés a tárolóba Előnyök: kisebb smearing hatás mint FFT, nagy felbontás, nagy apertúra Hátrányok: nagy chip méret, fényzárás szükséges Interline transfer CCD Több párhuzamos vonaldetektor közöttük és legalul shift-regiszterek Előnyök: kis chip méret, alacsony smearing Hátrányok: drágább, kis apertúra

6 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

7 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 Kondenzor Monokromátor Mintatartó Detektor - Halogén lámpa - Deuterium lámpa - Egyéb - Tükrös - Lencsés - Száloptikás - Interferencia szûrõs - Prizmás - Optikai rácsos - Befogó - Küvetta - UV - Látható - Infra Kétfényutas spektrofotométer vázlata Mintatartó Fényforrás Kondenzor Monokromátor Detektor Egyenletessé teszi a fényt! Integráló gömb Referencia minta

8 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

9 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 spektrumtartomány szerint UV spektrofotométer VIS spektrofotométer IR spektrofotométer A mérendő mennyiség szerint Transzmissziós spektrofotométer Reflexiós spektrofotométer Spektroradiométer

10 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

11 Diszperziós prizma (Diszperzió színszórás) Méréstechnika 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).

12 Optikai rácsok Méréstechnika Diffrakciós (és Holografikus) Nagyszámú, ( 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.

13 Rácsos monokromátor Méréstechnika 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.

14 Rácsos monokromátor Méréstechnika

15 Rácsos profilok Méréstechnika

16

17 Méréstechnika A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái

18 Lambert-felület Cosinus-törvény

19 Méréstechnika I 90 I0 Ɵ 90 I1 A - felület

20 Méréstechnika Fontosabb specifikációk Megvilágító/mérő rendszer elrendezés: Integráló gömb mérete átmérője: Detektor: Monokromátor: Hullámhossz tartomány: Lépték: Fényforrások: D/8: Diffúz megvilágítás, 8 -os látószög 52 mm Szilícium fotodióda tömb (40 elemű, duális) Diffrakciós rács 360 nm-től 740 nm-ig 10 nm 3 pulzáló xenon fényforrás

21 1 Fényforrás 2 Tükrök 3 Küvetta az oldószerrel 4 Küvetta az oldattal 5 Prizmarendszer 6 Forgó takaró lemez 7 Érzékelő

22 Két fényutas Prizmás Spektrum tartomány: UV /cm VIS /cm Átszámítás: l = 1 / n UV nm VIS nm Sávszélesség: < 1 nm Pontosság: +/- 0.5 % Ismétlőképesség: +/- 0.2 % Szórt fény: < 1 % Méret: 1100mm x 615 mm x 320 mm Súly: 160 kg

23 Méréstechnika Avantes száloptikás univerzális spektroradiométer Fontosabb specifikációk Mérhető jellemzők: Mérési tartomány: FWHM felbontás: Monokromátor: Detektor: Transzmisszió, reflexió, emisszió, abszorpció, szín nm 1,4 nm 10 féle optikai rács választható 75mm Avabench, 2048 pixel TE hűtött CCD detector CCD hűtés: DT = C Stabilizálási idő: 2. perc

24 Méréstechnika Az additív színegyeztetés alapkísérlete ódn la ágs rár nosahezssö fo yn fé izv ótíl kos t sáti znet ózo ly ábazs zseker yn fé in sárr fo yn fé Vizuális színmérés 1,3: Szabványos színminták (pl Munsell) Szabványos megvilágítást biztosító szekrény (pl. Machbet) Vizsgált minta

25 Világítás tervezés Világítástervezés szempontjai Megvilágítás típusa, értéke Egyenletesség Fénysűrűség értékek Káprázás Szín és színhőmérséklet Egészségi hatások Környezetvédelem