Vergleich von SONY ILX511B CCD und Hamamatsu S10420 BT-CCD für die VIS-Spektroskopie
Einführung
Eines der Schlüsselelemente in einem diffraktiven Spektrometer ist der Zeilen-Detektor, der zur Messung der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge verwendet wird. Zwei der beliebtesten Detektor-Arrays sind der kostengünstige, frontseitig beleuchtete SONY ILX511B CCD und der teurere, rückseitig ausgedünnte Hamamatsu S10420 CCD (BT-CCD). Es ist im Allgemeinen schwierig, einen direkten Vergleich von Detektor-Arrays rein auf der Grundlage der Datenblattinformationen anzustellen. Daher hat Ibsen Photonics vergleichende Messungen an diesen beiden Detektor-Arrays durchgeführt, wenn sie in einer tatsächlichen Spektrometereinheit verwendet werden, und in dieser technischen Notiz zeigen wir Ergebnisse für die Empfindlichkeit und das Signal-to-Noise-Verhältnis (SNR) für die beiden Detektoren. Siehe Abbildung 1 für ein schematisches Diagramm des für die Tests verwendeten Diodenarray-Spektrometers. Es ist wichtig zu beachten, dass Ibsen Photonics keine Präferenz für einen der beiden Detektoren hat und wir Spektrometer mit beiden verkaufen. Der Zweck dieser technischen Notiz ist lediglich, einige objektive Informationen bereitzustellen, von denen wir glauben, dass sie für unsere Kunden bei der Entscheidung, welchen Detektor-Typ sie wählen sollen, nützlich sind. Obwohl wir uns in dieser technischen Notiz auf die Empfindlichkeit und das SNR konzentrieren, ist es wichtig zu beachten, dass es noch andere Parameter gibt (wie Linearität, eingebaute Dark-Pixel, Kosten usw.), die die Wahl des Detektors für eine bestimmte Anwendung ebenfalls beeinflussen können.
Abbildung 1: Beispiel für ein Diodenarray-Beugungsspektrometer
Empfindlichkeit
Die Empfindlichkeit eines Spektrometers wird durch viele Parameter bestimmt (Beugungseffizienz des Transmissionsgitters, Reflexionsgrad der Spiegelbeschichtungen, Größe der Spalte und Aperturen, Detektor-Empfindlichkeit usw.). Um die Empfindlichkeit der beiden Detektoren allein zu vergleichen, haben wir die spektrale Empfindlichkeit desselben Spektrometers gemessen, das entweder mit dem SONY ILX511B oder dem Hamamatsu S10420-1004-01 Detektor ausgestattet war. Der ILX511B hatte kein Fenster und war mit einer Lumigen-Beschichtung versehen, während der S10420-1004-01 Detektor ein Standard-Quarzfenster hatte. Die gleiche Steuerelektronik wurde für beide Spektrometer verwendet. Die Integrationszeit betrug 2 msec und die Eingangslichtquelle war eine kalibrierte Wolfram-Halogen-Lampe. Die Verstärkung in der Elektronik wurde so eingestellt, dass der Dynamikbereich des Detektors mit dem Dynamikbereich des 16-Bit-A/D-Wandlers übereinstimmte. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt und zeigen deutlich, dass der ILX511B Detektor eine höhere Empfindlichkeit als der S10420 im Bereich von 480 – 730 nm bietet. Unterhalb von 480 nm und oberhalb von 730 nm hat der S10420 eine höhere Empfindlichkeit als der ILX511B. Abbildung 3 zeigt das Empfindlichkeitsverhältnis als Funktion der Wellenlänge für die beiden Detektoren. Wenn Sie beispielsweise Ihre Integrationszeit anpassen möchten, um einen bestimmten Signalpegel (in Counts) zu erhalten, muss die Integrationszeit für den S10420 bis zu 2x länger sein als für den ILX511B. Alternativ müssen Sie für Ihre Spektroskopie mit dem S10420 eine Lampe mit einer doppelt so hohen Intensität verwenden wie mit dem ILX511B. Die Empfindlichkeit sagt uns jedoch nur, wie viel Signalpegel wir erhalten können. Wir müssen auch den Rauschpegel der beiden Detektoren berücksichtigen.
Abbildung 2: Gemessene Empfindlichkeit eines VIS-Spektrometers unter Verwendung entweder des ILX511B- oder des S10420-Detektors
Abbildung 3: Empfindlichkeitsverhältnis von S10420 zu ILX511B
Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)
Der RMS-Rauschpegel eines Detektors hängt vom optischen Signalpegel auf dem Detektor ab, so dass es im Allgemeinen keine einzelne Zahl gibt, die das SNR für ein Spektrometer charakterisiert. Das gemessene RMS-Rauschen als Funktion des Signalpegels ist in Abbildung 4 dargestellt. Wie zu sehen ist, ist das RMS-Rauschen für den S10420 mehr als 2x geringer als für den ILX511B. Spektrometer werden normalerweise charakterisiert durch
- das SNR bei vollem Signal (65.535 Counts für einen 16-Bit-A/D-Wandler)
- Dynamikbereich (Volles Signal geteilt durch Dunkelrauschen oder Rauschen bei 0 Zählungen).
Tabelle 1 listet diese Parameter für die beiden Detektoren auf und Abbildung 5 zeigt das SNR als Funktion des Signalpegels.
| Detektor | SNR (bei vollem Signal) | Dynamikbereich |
|---|---|---|
| ILX511B | 380 | 1,000 |
| S10420 | 820 | 5,000 |
Abbildung 4: Rauschen als Funktion des Signalpegels (16-Bit-A/D-Wandler)
Abbildung 5: SNR als Funktion des Signalpegels (16-Bit-A/D-Wandler)
Anhand von Abbildung 3 und Abbildung 5 lässt sich der SNR-Unterschied bei jedem Signalpegel, jeder Wellenlänge und jeder Integrationszeit abschätzen (sofern die Integrationszeit unter ~500 msec liegt).
Überlegungen zur Mittelwertbildung
Eine Möglichkeit, das SNR zu verbessern, besteht darin, eine Mittelwertbildung über eine Reihe von aufeinanderfolgenden Messungen durchzuführen. Dadurch wird der Rauschpegel um einen Faktor der Quadratwurzel aus N verbessert, wobei N die Anzahl der Messungen ist. Da der ILX511B das gleiche Signalniveau wie der S10420 in der Hälfte der Zeit erreichen kann, können wir damit doppelt so viele Messungen mit dem ILX511B durchführen wie mit dem S10420.
Kostenbetrachtungen
Wie in der Einleitung geschrieben, ist das ILX511B Detektor-Array kostengünstiger als das S10420. Für viele Anwendungen muss jedoch beim ILX511B das Deckfenster entfernt und AR-beschichtet werden, um Schwingungen in der spektralen Empfindlichkeit aufgrund einer Quarzglas-Passivierungsschicht auf dem Chip zu reduzieren. Diese AR-Beschichtung verursacht natürlich zusätzliche Kosten für das ILX511B, ist aber immer noch mindestens um den Faktor 2 kostengünstiger als das S10420. Außerdem ist die Elektronik-Schnittstelle zum S10420 BT-CCD Detektor komplexer und erfordert mehr elektrische Komponenten als das ILX511B. Dadurch ist die Elektronik für das S10420 teurer als die Elektronik für das ILX511B.
Zusammenfassung
Zusammenfassend haben wir eine vergleichende Messung von zwei hochempfindlichen CCD-Detektorarrays durchgeführt, die häufig in der Spektroskopie verwendet werden – dem SONY ILX511B und dem Hamamatsu S10420. Beide Detektoren haben ihre Stärken und Schwächen, so dass die endgültige Wahl, welcher Detektor am besten zu Ihrer Anwendung passt, von Folgendem abhängt:
- Wenn die technische Leistung – d. h. das beste Signal-to-Noise für den verfügbaren Lichteingang – am wichtigsten ist, sollten Sie sich für den Hamamatsu S10420 entscheiden.
- Wenn niedrige Kosten am wichtigsten sind, sollten Sie sich für den Sony ILX511B entscheiden.
Wir hoffen, dass Sie diese technische Notiz nützlich finden und freuen uns über Feedback und Verbesserungsvorschläge sowie Ideen für zukünftige technische Notizen.
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