Photodiodenzeile Messgeraet

Optische Messgeräte mit Photodiodenzeilen

Was ist eine Photodiodenzeile?

Die stete Weiterentwicklung von Technologien für die UV-VIS-NIR Spektroskopie hat im Laufe der vergangenen drei Jahrhunderte zahlreiche Messgeräte hervorgebracht, die zunehmend raffinierter wurden und die Messung von Absorptions-, Emissions- und Streuspektren elektromagnetischer Strahlung ermöglichen. Heute werden in einer großen Anzahl von wissenschaftlichen, industriellen und chemischen Anwendungen die spektralen Eigenschaften von Substanzen und Objekten analysiert. Für viele Anwendungen sind schnelle Messzeiten und eine hohe Signaldynamik notwendig.

Grundlage für eine Zeilenkamera sind lichtempfindliche Halbleiter-Dioden, die zeilenförmig [Photodiodenzeile] oder in Fläche [Photodioden-Array] angeordnet sind. Mit einer Photodiodenzeile, welche in einem klassischen Spektrometer an der Stelle des Austrittsspalts als ortsauflösender Sensor eingesetzt wird, können spektrale Signaturen mit einer Integrationszeit kleiner einer Millisekunde aufgenommen werden.
Eine Zeilenkamera misst in der Praxis Helligkeitswerte schnell, zuverlässig und ermöglicht damit Auswertealgorithmen mit reproduzierbaren Ergebnissen. Die Verfolgung ultraschneller Prozesse, wie chemische und biologische Reaktionsdynamik molekularer Systeme, wird mit solchen Sensoren und tec5 Elektronik bereits vielerorts durchgeführt.

Photodiodenzeile Elektronik Photodiodenzeile Prozess



Elektronik für Photodiodenzeile

Photodiodenzeilen bestehen aus linienartig angeordneten Halbleiter-Dioden [Pixel], die z.B. nach dem MOS-Kondensator Prinzip aufgebaut sind. Durch den sogenannten inneren photoelektrischen Effekt erzeugen einfallende Photonen durch Wechselwirkung mit Elektronen der Halbleiter-Dioden einen elektrischen Strom. Die Auslesung der einzelnen Pixel erfolgt entweder einzeln [Active-Pixel-Sensoren, APS, CMOS], oder in einem separaten Ausleseregister [Charged-Coupled-Devices, CCD]. Heutige Photodiodenzeilen besitzen 128 bis 4.000 Einzeldioden.

Das verwendete Halbleitermaterial bestimmt die spektrale Empfindlichkeit im gewünschten Wellenlängenbereich. Das Halbleitermaterial Silizium ist empfindlich in einem Spektralbereich von 180 nm bis 1.100 nm. Photodiodenzeilen auf Basis von Indiumgalliumarsenid [InGaAs] sind mit einer spektralen Empfindlichkeit von 900 nm bis 2.500nm als Sensoren für den NIR-Wellenlängenbereich geeignet. Welche Zeilenkamera sich für welchen Einsatz am besten eignet, hängt von den Anforderungen der Anwendung ab. Für die Auswahl von Sensoren spielen neben der spektralen Empfindlichkeit die optische Auflösung, Ausleserate, Signaldynamik, Signal- und Rauschverhältnis und Kostenaspekte eine Rolle.

Wegen der hohen Homogenität der Pixel bei niedrigem Ortsrauschen [Fixed Pattern Noise] haben CCD Sensoren Vorteile für medizinische und wissenschaftliche Anwendungen, insbesondere für Fluoreszenz-Mikroskopie. CMOS Sensoren erreichen durch das parallele Auslesen der Bildinformation höhere Ausleseraten bei vergleichbarer Auflösung und sind daher bei Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung gut geeignet. Durch technologische Fortschritte der letzten Jahre, wie Reduzierung des Dunkel- und des Ortsrauschens sowie Erhöhung der Quanteneffizienz, liefern CMOS Sensoren ein zunehmend gutes Signal- und Rauschverhältnis auch bei hoher Integrationszeit und niedriger Lichtintensität. 

Photodiodenzeile im Prozess

Die Prozessindustrie ist Innovationsmotor und Impulsgeber für zahlreiche Branchen. Der Aufschwung der digitalen Wirtschaft hat zu einem regen Interesse an Technologien und Sensoren zur Automatisierung und Optimierung der Produktion geführt.
Für alle, die eine Zeilenkamera in Ihrem Prozess einsetzen möchten, stellt sich eine wichtige Frage: Wie kann das Gerät in das System integriert werden? Wichtig ist dessen Funktionalität sowie die Schnittstelle zu anderen Komponenten. Die leistungsstarke tec5 Elektronik ist eine bewährte Plattform für den industriellen Einsatz von Photodiodenzeilen. In Kombination mit erprobter Prozesssoftware und flexiblen Funktionsbibliotheken ist eine einfache Einbindung in verschiedene Anwendungen möglich.

Intelligente und leistungsfähige Chip- und Computertechnologie, die bis vor wenigen Jahren nicht verfügbar war, hat als sogenannte Embedded-Spektroskopie Einzug in industrielle Prozesse gehalten. Besonders im industriellen Prozess müssen Sensoren leistungsfähig, robust und langlebig sein. Alles in einem PC abzubilden, erhöht das Risiko, im Fehlerfall handlungsfähig zu sein. Photodiodenzeilen mit intelligenter und leistungsfähiger tec5 tecSaaS® Embedded-Elektronik sind für die Anforderungen von Morgen bestens gerüstet. Auf Basis einer eingebetteten Datenverarbeitung übergibt das tecSaaS® Embedded-System Messergebnisse durch eine geeignete Schnittstelle an ein Prozessleitsystem. Das tec5-Team kann mit seinen Erfahrungen und individuell ausgearbeiteten Lösungen dazu beitragen, das optimale Embedded-Spektroskopie Systemkonzept zu wählen.

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