Vergleich von SONY ILX511B CCD und Hamamatsu S11639 CMOS für UV-VIS
Spektroskopie

Eines der Schlüsselelemente in einem diffraktiven UV-VIS-Spektrometer ist der Zeilen- Detektor, der zur Messung der Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge verwendet wird. Der frontseitig belichtete CCD SONY ILX511B ist aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit und seines niedrigen Preises eine beliebte Wahl. Im Jahr 2014 hat Hamamatsu den CMOS- Detektor S11639 als Alternative zum SONY ILX511B zu etwa dem gleichen Preis auf den Markt gebracht. Ziel dieser technischen Notiz ist es, die grundlegende Leistung des S11639 CMOS mit der des ILX511B CCD zu vergleichen. Beide Detektoren sind ungekühlt und haben 2048 Pixel mit einer Pixelgröße von 14 μm x 200 μm.

Es ist im Allgemeinen schwierig, einen direkten Vergleich von Detektor Arrays rein auf der Grundlage der Datenblatt Informationen anzustellen. Daher hat Ibsen Photonics vergleichende Messungen an diesen beiden Detektor Arrays durchgeführt, wenn sie in einer tatsächlichen Spektrometer Einheit verwendet werden, und in dieser Technical Note zeigen wir Ergebnisse für die Empfindlichkeit und das Signal-to-Noise (SNR) für die beiden Detektoren. Für den Test haben wir das Ibsen Photonics FREEDOM UV-NIR FSA-300 Spektrometer mit einem Bereich von 190 – 1100 nm verwendet.
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 Technical Note ist es 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 Technical Note auf die Empfindlichkeit und das Signal-to-Noise konzentrieren, ist es wichtig zu beachten, dass es andere Parameter (wie Linearität, eingebaute Dark Pixel usw.) gibt, die die Wahl des Detektors für eine bestimmte Anwendung ebenfalls beeinflussen können.

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 S11639 Detektor ausgestattet war. Der ILX511B wurde mit einer Lumigen-Beschichtung versehen, um die UV-Empfindlichkeit zu gewährleisten, während der S11639 Detektor vom Lieferanten unverändert verwendet wurde, da dieser Detektor bereits UV-Empfindlichkeit aufwies. Für Messungen im UV-Bereich wurde eine Deuteriumlampe verwendet und die Integrationszeit für beide Detektoren auf 1000 msec eingestellt. Für den VIS-Bereich wurde eine Halogenlampe als Lichtquelle verwendet und die Integrationszeit auf 100 msec eingestellt. 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 1 dargestellt und zeigen deutlich, dass die beiden Detektoren eine Empfindlichkeit von der gleichen Größenordnung aufweisen. Es gibt jedoch wichtige Unterschiede. Im UV-Bereich bietet der S11639 die bis zu vierfache Empfindlichkeit des ILX511B, während im VIS-Bereich der ILX511B die bis zu vierfache Empfindlichkeit des S11639 bietet. Im NIR-Bereich ist die Empfindlichkeit der beiden Detektoren ungefähr gleich.

Die Empfindlichkeit sagt uns jedoch nur, wie viel Signalpegel wir erhalten können. Wir müssen auch den Rauschpegel der beiden Detektoren berücksichtigen.

Abbildung 1: Gemessenes Empfindlichkeitsverhältnis eines UV-VIS-Spektrometers unter Verwendung entweder des ILX511B- oder des S11639-Detektors.

Der RMS-Rauschpegel eines Detektors hängt vom optischen Signalpegel auf dem Detektor und der Integrationszeit ab, so dass es im Allgemeinen keine einzelne Zahl gibt, die das SNR für ein Spektrometer charakterisiert. Wenn die Integrationszeit unter ~500 msec gehalten wird, ist das RMS-Rauschen im Wesentlichen unabhängig von der Integrationszeit.

Das gemessene RMS-Rauschen als Funktion des Signalpegels ist in Abbildung 2 für eine Integrationszeit beider Detektoren von ~50 msec dargestellt. Wie man sieht, ist das RMS-Rauschen für den S11639 etwa 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 3 zeigt das SNR als Funktion des Signalpegels.

Abbildung 2: Rauschen als Funktion des Signalpegels (16-Bit-A/D-Wandler).

Abbildung 3: SNR als Funktion des Signalpegels (16-Bit-A/D-Wandler).

Da sowohl die Empfindlichkeit als auch das SNR des S11639 im UV-Bereich besser sind als beim ILX511B, scheint der S11639 in diesem Wellenlängenbereich die naheliegende Wahl zu sein. Im VIS-Bereich ist der Vergleich jedoch etwas komplizierter.

Anhand von Abbildung 1 und Abbildung 3 lässt sich der SNR-Unterschied bei jedem Signalpegel, jeder Wellenlänge und jeder Integrationszeit abschätzen (sofern die Integrationszeit unter ~500 msec liegt).