Who we are and what we do.

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2 Optical Sensor Systems - Introduction Text Who we are and what we do. Carl Zeiss MicroImaging GmbH Optical Sensor Systems Jena, Germany Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 2

3 Carl Zeiss Group Carl Zeiss MicroImaging Optical Sensor Systems Carl Zeiss MicroImaging GmbH - Business Unit since March focussing on (Light-)Microscopy, AIM and Spectroscopy - GB Industrial, GF Optical Sensor Systems = Sub-Unit of MicroImaging producing Gratings Spectral Sensors Optical Sensor Systems Spectrometer Systems On-line Solutions Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 3

4 Carl Zeiss MicroImaging Optical Sensor Systems Products Gratings Spectral sensors On-line solutions & Systems Market Instrument manufacturers Instrument manufacturers Glass, Pharma, Food Application Lab spectroscopy Color measurement, enviromental control, thickness Thickness, concentration, color, moisture ca. 50 employees production of spectral sensors and 150 in-line systems p.a. 50 companies are using our spectral sensors as OEM modules in their systems more than spectral sensors and 1000 on-line spectrometer systems installed Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 4

5 Carl Zeiss MicroImaging Optical Sensor Systems Optical scheme of a MCS Module Grating Sample Light source Ceramic Body Diode Array Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Cross section converter / Slit Slide 5

6 Carl Zeiss MicroImaging Optical Sensor Systems Spectrometer Module Design principles: Fiber cross-section converter as optical input SMA connector Holographically recorded and blazed imaging grating Photodiode Read-out Robust housing, no moving parts Benefits Highly reliable Permanently calibrated Wide dynamic range Robust Fiber optic input Diode array equipped Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 6

7 Carl Zeiss MicroImaging Applications of Optical Sensors - Agriculture Black Reference White Reference Conveyor Belt CORONA 45 NIR Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial -7- Slide 7

8 Carl Zeiss MicroImaging Applications of Optical Sensors - Agriculture Fully automated self-predicting at- and online sensor for lab and machine use Optical Sensor Systems - Introduction Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial -8- Slide 8

9 Herausforderungen der Prozessmesstechnik Messung mit mehreren (gleichartigen) Geräten im Feld Erschütterungen Wenig Messzeit Hohe und niedrige Umgebungstemperaturen Niedrige Photonenenergie Wenig Licht (zerstörungsfreie Messung) Spektren unterscheiden sich kaum Mehrfache Lichtnutzung <-> Auflösung Wie weit kann man gehen? Spezifikationen für die Applikation Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 9

10 Aufstellen der Spezifikation für die Feldgeräte anhand Oktanzahl (ROZ) von Benzin Messungen im Labor mit einem High-End-Spektrometer Spektren kaum unterscheidbar 2 Spektralbereiche mit Unterschieden Regressionsanalyse -> Oktanzahl c i = dλ ri ( λ) a( λ) -> 2 mögliche Gerätevarianten (2.2 bis 2.5 µm und 1.7 µm) absorption ROZ of benzin our noise level -> Normal_1 TSuperPlus_ standard deviation σ λ / nm absorption ROZ of benzin our noise level -> Normal_1 TSuperPlus_24 standard deviation σ λ / nm 1800 Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 10

11 Vergleich der Absorptionsbanden var Bande bei 2.2 bis 2.5 µm 2 ( c ) dλ r ( λ) var( a( λ) ) i = i Bande bei 1.7 µm ca. 5 fach geringere Absorption 5 fach größere Regressionskoeffizienten Dunkelstrom ca. 30 mal kleiner Rauschen ca. 5 mal kleiner regression coefficients ROZ of benzin PC4 mov av3 PC4 mov av5 PC4 mov av7 PC4 λ / nm ROZ of benzin orig 22 mov av3 17 mov av5 mov av7 12 mov av9 7 mov av λ / nm 1800 regression coefficients Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 11

12 Zulässige Geräteabweichung ermitteln Bei Wellenlängenverschiebung d ds c c ( s) = dλ r ( λ) a( λ s) i i + i d dλ ( s) dλ r ( λ) a( λ) s=0 = i Abweichung ROZ < 0.1 bei 1 nm Wellenlängenabweichung (beide Banden robust gegen Wellenlängenverschiebung) Rauschen (u.a. des Detektors) var 2 ( c ) dλ r ( λ) var( a( λ) ) i = i -> zusätzliche Abweichung der ermittelten ROZ Mehr Licht < > schlechtere Auflösung Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 12

13 Spezifikation für Feldgerät: Spektralbereich 2.2 bis 2.5 µm mit 20 nm Auflösung Geschätzte Verfahrensstandardabweichung bei Messung im Feld Höheres Rauschen, schlechtere Auflösung berücksichtigt, Messung bei 1.7 µm nur wenig schlechter, aber wesentlich billiger R M S E ROZ of benzin 2µ2-2µ5 PC_04 1µ7 PC_04 2µ2-2µ5 PC_04 with noise 1µ7 PC_04 with noise spectral bandwidth / nm Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 13

14 Jede Applikation erfordert ihre Spezifikation Wege zum Finden der Spezifikation für die Applikation Alle Anforderungen und Randbedingungen (widrige Umstände) erkennen Mehrere Gerätevarianten prüfen und vergleichen Mit welcher Gerätespezifikation wir Kundenanforderung erfüllt Benzinmessung im Beispiel bringt Information von ca. 4 Bit Farbbestimmung erfordert ca Bit Sehr hohe Anforderung an Gerätetechnik trotz glatter Spektren und glatter Regressionsfunktion Auflösung und Wellenlängengenauigkeit unserer Spektrometer gerade ausreichend Felix Kerstan Sensorsysteme 2010 Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 14

15 Farbe sehr empfindlich gegen Wellenlängenverschiebung Colour deviation of long pass filter due to 1 nm wavelength shift L*, a*, b* L-LP (λ) a-lp (λ) b-lp (λ) ΔE-LP (λ) ΔE λ / nm 780 neu Senoren. Felix Kerstan Carl Zeiss MicroImaging GmbH, Industrial Slide 15

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