Subtrahieren von Dunkelspektren

In vielen Fällen ist es ratsam, ein Dunkelstromspektrum von einem gemessenen Spektrum zu subtrahieren, um ein genaues Maß für Ihr Signal zu erhalten. In dieser kurzen technischen Notiz erklären wir, warum es wichtig ist, Dunkelstromspektren zu subtrahieren und wann es besser ist, dies nicht zu tun.

Oft ist es ratsam, ein Dunkelspektrum von einem gemessenen Spektrum zu subtrahieren. In der Praxis bedeutet dies, dass jede Messung paarweise erfolgt. Bei jedem Paar wird eine Messung mit eingeschalteter Lichtquelle und eine Messung mit ausgeschalteter Lichtquelle durchgeführt. Das Signal von Interesse ist die Differenz zwischen diesen beiden Messungen (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1, schematische Darstellung der Dunkelstrom-Subtraktion

Es gibt drei Hauptgründe, eine Dunkelmessung zu subtrahieren:

• Es entfernt die Basislinie aus der Messung.
• Es entfernt den Dunkelstrom-Beitrag aus der Messung.
• Es kann auch verwendet werden, um Hintergrundlicht zu entfernen.

Durch die Subtraktion der Dunkelmessung kommen Sie der Beobachtung des realen Signals, an dem Sie interessiert sind, näher.

Die Baseline stammt von einer Spannung, die dem Signal hinzugefügt wird, um eine korrekte Umwandlung des analogen Signals in ein digitales Signal durch die Elektronik zu ermöglichen. Diese Baseline ist also kein reales Signal und kann oft vom Benutzer eingestellt werden. Die Baseline ist nicht immer zeitstabil; sie kann Schwankungen und Driften aufweisen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen.

Im Gegensatz zum realen Signal, das von Elektronen stammt, die ein Photon absorbieren, stammt der Dunkelstrom des Detektors von Elektronen, die in einem thermischen Prozess Energie aufnehmen. Der Dunkelstrom steigt daher mit steigender Temperatur (siehe auch unser Technical Note zu gekühlten Detektoren). Der Dunkelstrom-Beitrag ist kumulativ; er steigt linear mit der Integrationszeit. Um den Dunkelstrom-Beitrag zu entfernen, ist es daher wichtig, die gleiche Integrationszeit für Dunkel- und Lichtmessungen zu verwenden, und es ist auch wichtig, dass die Temperatur des Detektors bei beiden Messungen gleich ist.

Hintergrundlicht wird auch bei Verwendung der Dunkelstrom-Subtraktion entfernt. Damit dies ordnungsgemäß funktioniert, muss der Hintergrund bei Dunkel- und Lichtmessung gleich sein. Für das beste Signal-Rausch-Verhältnis ist es natürlich immer besser, kein Hintergrundlicht zu haben.

Eine geeignete Dunkelstrom-Messung wird immer unter den gleichen Bedingungen wie die reale Messung durchgeführt. Sie sollte daher z.B. die gleiche Integrationszeit und Detektortemperatur haben. Oft ist es umso besser, je näher die beiden Spektren zeitlich beieinander liegen, desto besser ist die Dunkelstrom-Messung als Referenz geeignet. Wenn beispielsweise mehrere Minuten zwischen zwei Spektren liegen, kann sich die Detektortemperatur bereits geändert haben, wodurch sich der Dunkelstrom ändert. Auch bei manchen Elektroniken kann die Baseline im Laufe der Zeit erheblich driften, siehe z.B. Abbildung 2, die die Drift des durchschnittlichen Dunkelsignals kurz nach dem Start des Detektors veranschaulicht.

Abbildung 2, ein Beispiel für die Baseline-Drift im Laufe der Zeit für einen linearen Array-Detektor [1]

Das Subtrahieren eines Dunkelspektrums erhöht das Rauschen, da sowohl die Messung als auch das Dunkelspektrum einen unabhängigen Rauschbeitrag aufweisen. Wenn die Änderung des Dunkelstroms und der Baseline im Laufe der Zeit sehr gering ist, kann es daher vorteilhaft sein, keine Dunkelmessung zu subtrahieren. Als allgemeine Regel gilt, dass das Subtrahieren von Dunkelspektren eine Verbesserung bringt, wenn die Baseline b_drift größer ist als das zusätzliche Rauschen aufgrund der Subtraktion:

Wobei die Baseline-Drift durch Subtrahieren des Durchschnitts aufeinanderfolgender Dunkelspektren gemessen werden kann, und n_Dunkelstrom, n_read und n_baseline die Rauschbeiträge zu Dunkelmessungen sind und durch Messung des Rauschens in mehreren aufeinanderfolgenden schnellen Messungen erhalten sein können (schnell genug, um Drifteffekte auszuschließen). Es gibt natürlich auch praktische Umstände, unter denen es unmöglich sein könnte, die Lichtquelle zu blockieren und eine Dunkelmessung durchzuführen.

[1] Diese spezielle Messung wurde mit einem Hamamatsu S10420 Detektor mit VERSAPIC USB Controller Elektronik durchgeführt.