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
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. 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
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
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 1 2 1 2 3 4 3 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 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
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 spektrumtartomány szerint UV spektrofotométer VIS spektrofotométer IR spektrofotométer A mérendő mennyiség szerint Transzmissziós spektrofotométer Reflexiós spektrofotométer Spektroradiométer
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
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).
Optikai rácsok Méréstechnika 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.
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.
Rácsos monokromátor Méréstechnika
Rácsos profilok Méréstechnika
Méréstechnika A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái
Lambert-felület Cosinus-törvény
Méréstechnika I 90 I0 Ɵ 90 I1 A - felület
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
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: Mérési tartomány: FWHM felbontás: Monokromátor: Detektor: Transzmisszió, reflexió, emisszió, abszorpció, szín 200 1100 nm 1,4 nm 10 féle optikai rács választható 75mm Avabench, 2048 pixel TE hűtött CCD detector CCD hűtés: DT = -25 --- -30 C Stabilizálási idő: 2. perc
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
Világítás tervezés Világítástervezés szempontjai Megvilágítás típusa, értéke Egyenletesség Fénysűrűség értékek Káprázás Szín és színhőmérséklet Egészségi hatások Környezetvédelem