Leistungsvergleich: Ibsen Photonics PEBBLE NIR (PBM-400) vs. ein ähnlich kompaktes Spektrometer

Dieser Vergleich wurde von Robert Zimmerleiter vom RECENDT – Research Center for Non-Destructive Testing GmbH - am 2.^nd März 2022 durchgeführt und der Bericht verfasst.

In diesem Dokument werden die Ergebnisse vergleichender Messungen mit einem PEBBLE NIR-Spektrometer und einem vergleichbaren kompakten Spektrometer als Referenz zusammengefasst.

Die folgende Tabelle zeigt einen Vergleich einiger wichtiger Spezifikationen der einzelnen Geräte:

Für einen experimentellen Vergleich wurde ein einfacher Aufbau gemäß Abbildung 1 verwendet (entnommen aus
Zimmerleiter et al. https://publikationen.bibliothek.kit.edu/1000128686, 2021).

Abbildung 1: Schematische Zeichnung des für den durchgeführten Vergleich verwendeten Versuchsaufbaus
Messungen.

Für den Anschluss beider Spektrometer wurde eine Rund-zu-Linear-Faser verwendet, die sorgfältig ausgerichtet wurde, um so viel wie möglich vom Eintrittsspalt auszuleuchten. Die Belichtungszeit wurde so eingestellt, dass sie nur geringfügig unterhalb der Sättigung des Detektors lag (ohne Vorhandensein einer Probe). Anschließend wurde die Mittelwertbildung so angepasst, dass eine Messdauer
(einschließlich der Speicherung der Daten auf der PC-Festplatte) von ca. 2 Sekunden erreicht wurde. Die Ergebnisse für beide Geräte sind:

Belichtungszeit = 370 µs

Mittelwertbildung = 2000

Belichtungszeit = 800 µs

Mittelwertbildung = 30

Es scheint, dass das PEEBLE NIR-Spektrometer das Referenzspektrometer in Bezug auf die Datenübertragungsgeschwindigkeit übertrifft. Dies ist höchstwahrscheinlich auf die Möglichkeit der Mittelung von Spektren direkt in der Hardware zurückzuführen, was mit dem anderen Kompaktspektrometer nicht möglich war.

Um den Rauschpegel zu testen, wurde das Licht direkt von der Halogenlampe gemessen (keine Küvette). Für jedes Spektrometer wurden 101 Spektren direkt von der Halogenlichtquelle erfasst. Das erste gemessene Spektrum (S0) wurde als Hintergrund verwendet und 100 einzelne 100%-Linien wurden mit der folgenden Formel berechnet:

Die 100%-Linien für die beiden Geräte (insgesamt 200 Linien) sind in Abbildung 2 dargestellt. Die linke Grafik ist eine vergrößerte Version der Grafik auf der rechten Seite.

Um die Rauschleistung der beiden Spektrometer zu vergleichen, wurde der quadratische Mittelwert wie folgt berechnet:

wobei N_λ die Gesamtzahl der erfassten Spektralpunkte ist.

Die RMS-Werte der beiden Spektrometer sind:

RMS_PEEBLE = 1.03 x 10^-4

RMS_COMP = 2.28 x 10^-4

Aus den RMS-Werten ist ersichtlich, dass das PEEBLE das Referenzspektrometer in Bezug auf die Rauschleistung um etwa den Faktor 2 übertrifft. Es bietet jedoch nur etwa die Hälfte der spektralen Auflösung.

Abbildung 2: 100%-Linien des PEEBLE NIR im Vergleich zum kompakten Referenzspektrometer mit ähnlichen Spezifikationen.

Um die Spektren besser vergleichbar zu machen, wurde ein Glättungsfilter (Savitzky-Golay, 3 Punkte) auf die Daten des Kompaktspektrometers angewendet. Dadurch ergaben sich Spektren mit der halben spektralen Auflösung, die mit dem PEBBLE vergleichbar sind. Der resultierende RMS-Wert von ca. 2,20 x 10^-4 war nur geringfügig besser. Eine deutliche Leistungssteigerung wird erzielt, wenn nur die Daten zwischen 1000 nm und 1650 nm verwendet werden, was zu einem RMS-Wert von 2,71 x 10^-5 für das PEBBLE NIR und einem RMS-Wert von 5,39 x 10-5 (4,62 x 10^-5 mit Savitzky-Golay-Filter) für das Referenzspektrometer führt.

Ein realer Vergleich wurde durchgeführt, indem mit jedem Gerät 100 Transmissionsspektren von Ethanol in einer Quarzglasküvette mit einer Weglänge von 1 mm aufgenommen wurden. Die leere Küvette wurde als Hintergrund verwendet. Die resultierenden Spektren (insgesamt 200) sind in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Absorption von Ethanol, gemessen in einer Quarzglasküvette mit 1 mm Schichtdicke.

Die erfassten Spektren stimmen gut überein, mit einem leichten Versatz von etwa 5 nm. Aufgrund der geringeren spektralen Auflösung des PEBBLE NIR sind jedoch einige spektrale Merkmale in den Absorptionsspektren nicht so deutlich sichtbar wie beim kompakten Referenzspektrometer.