Kalibration von Diodenarray-Spektrometern

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1 Workshop 4. Mai 2006 in Dresden Thomas Keune Carl Zeiss MicroImaging GmbH Carl-Zeiss-Promenade Jena Tel

2 Inhalt Vorstellung Zeiss und Geschäftsfeld Spektralsensorik Spektrometer: Aufbau, Funktion und Ausführungsformen Untersuchung des Dunkelsignals Kalibration und der Einfluss von Störgrößen 2

3 Carl Zeiss Gruppe Ausgewogenes Portfolio sichert Unternehmenserfolg Biowissenschaften und Gesundheitswesen 49% des Gesamtumsatzes Carl Zeiss Umsatz 2003/04: Mio. Euro Märkte Konsumgüter 6% des Gesamtumsatzes Systemlösungen für industrielle Märkte 45% des Gesamtumsatzes Mikroskopie Medizintechnik Markenoptik Optisch-elektronische Systeme Halbleitertechnik Industrielle Messtechnik Horizontalarmmessmaschinen Lichtmikroskopie Advanced Imaging Microscopy Spektral sensorik Chirurgische Geräte Ophthalmologische Systeme Augenoptik Sports Optics 1.6 Carl Zeiss im Fokus 2005 Photo Display- Technologie Planetarien Optronik Lithographie- Systeme Prozesskontrollsysteme Portalmessmaschinen 273 Mio. Euro 466 Mio. Euro 332 Mio. Euro 229 Mio. Euro 560 Mio. Euro 244 Mio. Euro 3

4 Vorstellung Geschäftsfeld Spektralsensorik Gitter Spektralsensoren Prozeßspektrometer Zielgruppe Gerätehersteller (OEM) Hersteller von Meßsystemen (OEM) Anlagenbauer Endkunden Branche Laborspektrometrie Prozeß-, Umweltanalytik, Halbleiter-, Medizintechnik Glas Pharma/Chemie Agri/Food 40 Mitarbeiter Im Mittel 15 % Umsatzwachstum pro Jahr über die letzten 8 Jahre Fertigung von ca Spektralsensoren und 150 in-line Prozeßspektrometersystemen p.a. 50 Firmen setzten Spektralsensoren von CZJ als OEM-Baugruppe in ihren Systemen ein Ca Spektralsensoren und 1000 in-line Spektrometersysteme im Markt 4

5 Inhalt Vorstellung Zeiss und Geschäftsfeld Spektralsensorik Spektrometer: Aufbau, Funktion und Ausführungsformen Untersuchung des Dunkelsignals Kalibration und der Einfluss von Störgrößen 5

6 Was ist ein Spektrometer? Abbildendes Gitter Eintrittsspalt Ein kompaktes, widerstandsfähiges Gerät, das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt und vermisst. Sensorelement Eingang: Glasfaserbündel mit SMA-Anschluss Dispergierendes Element: Abbildendes Gitter Solar Spectrum Ausgang: Gemessenes Spektrum mit 128 bis 1024 Stützstellen an digitaler Schnittstelle Messzeit: ms / Spektrum Wellenlängenbereich: UV - VIS - NIR / 190 nm nm cps nm 6

7 Überblick Spektralsensoren von Carl Zeiss Typ Auflösung Spektraler Pixel l-range [nm] Pixelabstand No. MMS 1 10 nm 3,2 nm MMS UV-Vis 7 nm 2,2 nm MMS UV 3 nm 0,8 nm PGS 1,7 5 nm 1,5 nm PGS 2,2 16 nm 5 nm MCS UV NIR 2,5 nm 0,8 nm MCS CCD 2,5 nm 0,8 nm PGS Sensor MCS-Sensor MMS 1, MMS UV-Vis, MMS UV 7

8 Eingesetzte Sensorelemente Signal-Rausch Verhältnis CCD Si (-10 C) Hamamatsu S7031 PDA Si (25 C) Hamamatsu S3904 Preis PDA InGaAs (-10 C) Hamamatsu G9203 Sensors Unlimited SU 512 LD PDA InGaAs (25 C) Hamamatsu G9201 PDA InGaAs (-25 C) Hamamatsu G Wellenlänge [nm] 8

9 Inhalt Vorstellung Zeiss und Geschäftsfeld Spektralsensorik Spektrometer: Aufbau, Funktion und Ausführungsformen Untersuchung des Dunkelsignals Kalibration und der Einfluss von Störgrößen 9

10 Kalibration: Zuordnung eines Wellenlängenwertes zu einer Pixelposition. Der Intensität wird kein physikalischer Wert zugeordnet. Optoelektronik und Elektronik Störgrößen bei der Kalibration: Rauschen der Elektronik Defektpixel Optik und Mechanik Störgrößen nach der Kalibration: Veränderung des Strahlengangs durch Temperatur und Feuchte 10

11 P1: Dunkelsignal Ursache: Dunkelstrom der einzelnen Photodioden ohne Beleuchtung Messung des Dunkelsignals bei Integrationszeiten von 10, 100 und 1000 ms. Dunkelsignalkorrektur: Lichtintens. ~ Hellsignal Dunkelsignal => Einstellung der optimalen Werte für den Offset und die Verstärkung des Vorverstärkers: Das Dunkelsignal muss im Eingangsbereich des ADU liegen, darf diesen aber nicht zu stark einschränken. Erkennung und Behandlung von Totpixeln: Liegt ein Pixel außer Toleranz, wird es im EEPROM der Auswertelektronik gespeichert. Maximale Anzahl: 4-5 Position nicht am Anfang oder Ende der Zeile Min. zwei funktionierende Pixel zwischen Totpixel => Totpixelkorrektur: Interpolation der beiden Nachbarpixel 11

12 P1: Dunkelsignal-Rauschen - Rauschquellen Rauschquellen auf dem Weg von der aktiven Sensorfläche bis zum Analog-Digital-Wandler CMOS Aktive Pixelfläche Pixelrauschen: Dunkelstrom-Shot noise: σ dark ( Idark t t ) int = e int Zeilen Verstärkung PGA PGA k T C e Rauschen der Zeilenverstärkung: amp ktc -Rauschen (thermisch): 2 Rauschen der PGAs: ktc'-rauschen σ = T ADC ADC Digitaler Ausgang ADC: Quantisierungsrauschen Hier sind nur die dominierenden Rauschquellen aufgeführt! Das Rauschen der MOS-Transistoren (thermisch und 1/f) kommt sowohl bei der Sensorzeile als auch bei dem PGA noch hinzu. 12

13 P1: Rauschen des Dunkelsignals Wichtige Größe zur Bestimmung des Signal-Rausch Verhältnisses (Nachweisgrenze, Kalibrationsgenauigkeit) Erkennung von Totpixeln (Instabile Pixel) Intensität [b.e.] Pixel RMS-Wert [b.e.] Pixel 13

14 Inhalt Vorstellung Zeiss und Geschäftsfeld Spektralsensorik Spektrometer: Aufbau, Funktion und Ausführungsformen Untersuchung des Dunkelsignals Kalibration und der Einfluss von Störgrößen 14

15 P2: Wellenlängenkalibration 1. Messung des Linienspektrums einer Hg-Ar Lampe Hg-Ar - Linienlampe Spektrometer 2. Zuweisung der Wellenlänge zu jeder einzelnen Spektrallinie der Hg-Ar Lampe Mit Hilfe eines parabolischen Fits wird die Linienposition im Subpixelbereich ermittelt. 3. Wellenlängenkalibrierung für alle Pixel mittels Polynom 4. Ordnung Jedem Pixel n wird so ein Wellenlängenwert zugeordnet: 15

16 P2: Wellenlängenkalibration - Fehlerbetrachtung Die Wellenlängengenauigkeit (Abweichung der mit dem kalibrierten Spektrometer gemessenen Wellenlänge von der tatsächlichen) wird nicht für jede einzelne Linie angegeben sondern als die Standardabweichung aller einzelnen Abweichungen. Sie liegt zwischen +-0,2 nm im UV und +-0,6 nm im NIR. Fehlerbetrachtung für die Ermittlung der Linienposition Die Linienposition wird mit einem Parabelfit durchgeführt: Gegenüber einer Schwerpunktsbestimmung hat diese Methode zwei Vorteile: Der Einfluss benachbarter Linien ist minimal, da nur drei Pixel in der Nähe des Maximums berücksichtigt werden Eine Untergrundsverschiebung hat keinen Einfluss. Der Fehler bei der Bestimmung der Linienposition hängt von der Stärke der betrachteten Spektrallinie ab und wird durch das Rauschen der Sensorelektronik begrenzt. Wir haben für die maximale Abweichung der Linienposition einen Wert von 0,1 (~0,1-0,15 nm) Pixel festgelegt. Das ist gegenüber der Auflösung eine Größenordnung geringer. Bei diesem Grenzwert können noch Spektrallinien ausgewertet werden, die 300-fach schwächer als die stärkste Linie sind. So gibt es immer genug Stützstellen für die Kalibration. Durch Rauschen bedingter Fehler bei der Kalibration: < 0,15 nm. 16

17 Messablauf Die Prüfdaten (Minimal, Maximalwerte, Kalibrierwellenlängen, ) sind für alle Module und Systeme in einer Excel-Datei gespeichert. Mit einem Programm werden alle Prüfungen sukzessive abgearbeitet. Typischer Prüfplatz Die gespeicherten Ergebnisse werden in Protokollformat ausgedruckt. 17

18 Temperatur Wie verändert sich die Wellenlängenkalibration in Abhängigkeit von Temperatur? Beispiel: MMS1 Die Temperatur wirkt in zweifacher Weise auf den Verlauf der Lichtstrahlen und damit auf die Kalibration: λ( T) = α( T) + n( T) Theorie Messung Datenblatt MMS1 5.8 pm / K 5 9 pm / K 10 pm / K Vergleich der Störgrößen Wellenlängendifferenz [nm] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Rauschen Temperatur Temperatur [ C] 18

19 Zusammenfassung Aufbau und Funktion eines Spektrometers und die Rolle des Photodiodenarrays (PDA) als optoelektronischem Sensor Kalibration eines PDA-Spektrometers Vergleich der Störgrößen bei der Kalibration im Labor und unter Temperatureinfluss: Das Rauschen der Photodiodenzeile spielt als Störgröße für die Kalibration eine geringere Rolle als die Wirkung der Temperatur auf das gesamte Spektrometer. 19

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