Charakterizace CCD kamery a vybraná

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Václav Dědič Charakterizace CCD kamery a vybraná měření Katedra chemické fyziky a optiky Vedoucí bakalářské práce: Doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. Studijní program: Obecná fyzika 2007

Děkuji vedoucímu bakalářské práce Doc. RNDr. Františku Trojánkovi, Ph.D. především za užitečné odborné rady a připomínky nezbytné k zdárnému dokončení této práce. Dále mu děkuji za propůjčení literatury a doporučení softwaru vhodného pro zpracování naměřených dat. Prohlašuji, že jsem svou bakalářskou práci napsal samostatně a výhradně s použitím citovaných pramenů. Souhlasím se zapůjčováním práce a jejím zveřejňováním. V Praze dne 24.5.2007 Václav Dědič 2

Obsah 1 Úvod, CCD detekce 5 1.1 Princip detekce......................... 5 1.2 Šumy............................... 7 2 Charakteristiky CCD detektoru 9 2.1 Kalibrace............................ 9 2.2 Závislost signálu na expoziční době.............. 13 2.3 Měření signálu, kalibrace výkonu............... 14 2.4 Účinnost systému, slabý signál................. 18 2.5 Grafy pro různá nastavení mřížky............... 21 2.6 Různá nastavení detektoru................... 28 3 Přílohy 30 3.1 Obsah přiloženého CD..................... 30 4 Závěr 31 Literatura 33 3

Název práce: Charakterizace CCD kamery a vybraná měření Autor: Václav Dědič Katedra (ústav): Katedra chemické fyziky a optiky Vedoucí bakalářské práce: Doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. e-mail vedoucího: trojanek@karlov.mff.cuni.cz Abstrakt: V předložené práci studujeme vlastnosti systému složeného ze spektroskopu a CCD kamery (detektoru) Andor DV420A vhodné pro měření spekter v intervalu vlnové délky od 200 do 1060 nm (celá oblast viditelného světla a části oblastí infračerveného a ultrafialového záření). Je zde stručně popsán princip CCD detekce, faktory ovlivňující její přesnost, způsob kalibrace kamery a spočtena účinnost celého systému v různých měřících režimech. Práce by měla poskytnout základní informace o vlastnostech kamery a informace potřebné k volbě vhodných parametrů detekce, především k měření slabého signálu. Klíčová slova: CCD kamera, spektroskopie, světlo, slabý signál Title: Characterization of CCD camera and selected measurements Author: Václav Dědič Department: Department of Chemical Physics and Optics Supervisor: Doc. RNDr. František Trojánek, Ph.D. Supervisor s e-mail address: trojanek@karlov.mff.cuni.cz Abstract: In the presented thesis we investigate characteristics of the system containing a spectroscope and a CCD camera (detector) Andor DV420A suitable for measuring spectral range from 200 to 1060 nm (whole spectral visible range and parts of infrared and ultraviolet lights). Included is a brief description of the principle of CCD detection, factors affecting its accuracy, means of camera calibration and the denumerable efficiency of the whole system considering various measuring modes. The thesis should provide basic advice about the parameters of the camera and useful advice for choice of suitable parameters of detection, especially for the measurement of weak signal. Keywords: CCD camera, spectroscopy, light, weak signal 4

Kapitola 1 Úvod, CCD detekce 1.1 Princip detekce Pokusíme se stručně nastínit princip CCD (Charge coupled device) detekce [1]: Dopadající fotony na povrch polovodičové destičky (čipu) se ukládají jako náboj v potenciálových jámách. Ty zabraňují volnému pohybu elektronů a tím i náboje po čipu a dochází tak k jeho kumulování. Každá taková potenciálová jáma představuje jeden pixel CCD snímače. Velikost zachyceného náboje závisí především na intenzitě dopadajícího světla a na expoziční době. Zachycený náboj je nutné po nějaké době odebrat a převést na elektrický signál. Obrazové CCD snímače obsahují matici pixelů, u nichž postupným přesouváním náboje z jedné jámy do vedlejší dochází k jeho pohybu na okraj čipu, kde je převáděn na napět ový signál. Ten je pak zpracován A/D převodníkem a následně zpracován počítačem podle konkrétní potřeby. Křemíkové CCD detektory jsou schopny registrovat fotony s vlnovou délkou přibližně mezi 200 a 1100 nm. Jsou tedy vhodné především pro pozorování viditelného světla. Proto kromě pozorování spekter mají mnoho dalších využití jako například pořizování fotografií (díky vysoké citlivosti se využívá také v astronomii) či video snímků. Na rozdíl od klasických fotopapírů, filmů atp. CCD detektory umožňují přímější komunikaci s počítači a jejich rozlišení je již na takové úrovni, že klasické způsoby vytlačují. Tato práce se zabývá konkrétním CCD detektorem, a to kamerou Andor DV420A-OE (obr.1) vhodnou pro spektroskopické aplikace (OE značí typ de- 5

tektoru s otevřenou elektrodou Open electrode). Dopadající světlo rozložíme pomocí zobrazovacího spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m (obr.2) na spektrum, které pak zkoumáme připevněnou CCD kamerou. Naše kamera má rozlišení 1024 255 pixelů s plochami pixelů 26µm 2. Obr.1: CCD kamera Andor DV420A-OE Obr.2a: Schéma spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m 6

Obr.2b: Spektroskop Oriel MS127i 1/8 m s různými vstupními štěrbinami 1.2 Šumy V této části se zaměříme na aspekty ovlivňující přesnost detekce CCD detektorem. Temný proud (Dark current) V každém pixelu se uvolní několik elektronů, jejichž původ je v tepelném efektu na polovodičovém materiálu, tzv. termický šum (Thermal noise)[1]. Takto vzniklé elektrony označujeme jako temný proud. Toto představuje problém v praxi, nebot by se mohl pixel tepelně nasytit a nezbylo by místo pro žádný další elektron uvolněný světelným zářením. Z tohoto plyne, že temný proud snižuje použitelnou expoziční dobu detektoru. Pokud pořídíme snímek s uzavřenou clonou po dobu, po kterou má trvat expozice, jsou generovány pouze elektrony zapříčiněné teplem, tedy temný proud, který následně odečteme. Tento postup odstraní vliv temného proudu na uložené elektrony, nemá ale vliv na skutečné nasycení pixelů. Ovšem problém z velké části odstraníme chlazením detektoru. V našem případě se jedná o termoelektrické chlazení založené na tzv. Peltierově jevu. Jeho výhodou je snadná regulace teploty pomocí změny elektrického proudu. Pro naši potřebu zchladit CCD na teplotu 60 C postačuje. 7

Výstupní šum (Readout noise) Dalším ze zdrojů nežádoucích elektronů je výstupní šum způsobený čtením elektronů z pixelu a přenosem dat do počítače. Tento šum se projeví při čtení na konci expozice a je konstantní a nezávislý na expoziční době. V tabulce 1 je uveden výstupní šum systému udaný výrobcem [2]. Readout rate výst. šum 33 khz 4.6 50 khz 4.6 100 khz 12.6 Tabulka 1: Výstupní šum systému (CCD detektoru a A/D převodníku) udaný výrobcem v elektronech na pixel při -50 C V tabulce 2 je uvedena citlivost systému v elektronech na impuls. Readout rate citlivost 33 khz 2.1 50 khz 3.6 100 khz 14 Tabulka 2: Citlivost systému v elektronech na impuls udaná výrobcem Nesmíme opomenout výslednou hodnotu šumu vynásobit faktorem 255, což je počet vertikálních pixelů CCD, na které dopadá světlo o stejné vlnové délce. Jak tedy vidíme, vzhledem k tomu, že námi měřený signál se pohyboval řádově mezi 10 4 a 10 6 impulsů za sekundu (dále jen CPS) na pixel, můžeme tento šum zanedbat. Nemůžeme jej ale opomíjet, budeme-li měřit slabý signál. Fotonový šum (Photon noise) Posledním zmíněným šumem je fotonový šum [1]. Je to šum vlastní dopadajícím fotonům a závisí na druhé odmocnině jejich počtu. 8

Kapitola 2 Charakteristiky CCD detektoru 2.1 Kalibrace Na začátku každého měření pomocí CCD detektoru je potřeba nastavit na x-ové ose na počítači správné škálování pro vlnovou délku. Nejlépe takto učiníme na základě známé spektrální čáry některého prvku. Tento postup je nutné opakovat pro každé nastavení mřížky 1. Nejméně technicky náročný způsob je takto okalibrovat x-ovou osu pomocí pomocí čar klasické zářivky, která obsahuje čáry rtuti a kryptonu nebo pomocí čar kryptonové kalibrační výbojky (grafy 1 resp. 2 ). Správnost kalibrace jsme ověřili pomocí tabelovaných spektrálních čar [3]. V grafech jsou některé čáry označeny příslušnou vlnovou délkou. V tabulce 3 resp. 4 a grafu 3 resp. 4 jsou uvedeny odchylky vlnové délky σ λ naměřených čar zářivky resp. kryptonové výbojky od tabelovaných hodnot v závislosti na vlnové délce. Na základě naměřených hodnot můžeme konstatovat, že kalibrace je v oblasti kratších vlnových délek přibližně lineární a v oblasti vlnových délek nad cca 800 nm se rozdíly mezi naměřenými a tabelovanými hodnotami zvyšují. Proto je pro přesná měření nutno použít v programu k CCD kalibraci pomocí více čar. 1 Nastavením mřížky rozumíme její natočení vzhledem k detektoru, které je nutné měnit, abychom mohli detekovat celé možné spektrum, nebot na CCD detektor dopadá pouze určitá část světelného spektra o šířce 475 nm. Střední vlnová délka této spektrální části je pro použitou mřížku trojnásobkem hodnoty jejího nastavení. 9

Graf 1: Spektrum zářivky Graf 2: Spektrum kryptonové kalibrační výbojky 10

λ (nm) λ (nm) tabelovaná naměřená σ λ (nm) 404.66 402.75 1.91 435.83 433.79 1.96 544.78 546.08 1.30 578.00 576.57 1.43 811.29 818.00 6.71 877.68 886.94 9.26 1013.98 1029.00 15.02 Tabulka 3: Vybrané spektrální čáry zářivky Graf 3: Závislost σ λ na vlnové délce pro zářivku 11

λ (nm) λ (nm) tabelovaná naměřená σ λ (nm) 431.96 430.08 1.88 557.03 555.38 1.64 587.09 585.77 1.32 760.12 761.14 1.02 811.29 814.40 3.11 877.68 883.34 5.66 975.18 985.06 9.89 Tabulka 4: Vybrané spektrální čáry pro kryptonovou výbojku Graf 4: Závislost σ λ na vlnové délce pro kryptonovou výbojku 12

2.2 Závislost signálu na expoziční době V tabulce 5 a grafu 5 je vynesena závislost počtu impulsů za sekundu (CPS) a skutečného počtu impulsů (C) na expoziční době (t exp ) pro vlnovou délku λ = 660 nm při nastavení Shift speed 32.25 a Readout rate 100 khz. Byla použita kalibrační žárovka Oriel 63358 a vstupní štěrbina 77730 o šířce 200 µm. Podle kapitoly 1.2 snadno zjistíme úroveň výstupního šumu, která je v tomto případě 230 impulsů. Vzhledem k celkovému počtu impulsů z tabulky 5 je však tento šum zanedbatelný. Vysoké hodnoty signálu pro kratší expoziční doby jsou způsobeny sníženou přesností závěrky. Všechna ostatní měření probíhala při expoziční době 0.11 s. t exp (s) CPS C 0.01 6.40 10 5 6.40 10 7 0.02 4.24 10 5 2.10 10 7 0.03 3.55 10 5 1.18 10 7 0.04 3.22 10 5 8.05 10 6 0.05 2.95 10 5 5.90 10 6 0.1 2.56 10 5 2.56 10 6 0.2 2.32 10 5 1.16 10 6 Tabulka 5: Závislost CPS a skutečného počtu impulsů na expoziční době pro λ = 660 nm, 13

Graf 5: Závislost CPS na expoziční době pro λ = 660nm 2.3 Měření signálu, kalibrace výkonu Měření účinnosti detektoru probíhalo pomocí absolutně okalibrované žárovky Oriel 63358, jejíž udávaný výkon v závislosti na vlnové délce (Z λ ) je znázorněn v grafu 6. Hodnoty Z λ jsou udány v nw vztažených na plochu S v milimetrech čtverečných, na interval vlnové délky λ v nanometrech připadající na jeden pixel. Dále musí být vzdálenost žárovky od detektoru (vstupní štěrbiny) 50 cm. Byla použita vstupní štěrbina 77730 o ploše S = 0.6 mm 2. Rozlišení pixelu je λ = 0.461 nm. Vzhledem k velké zářivosti žárovky a vysoké citlivosti CCD detektoru byla žárovka umístěna do vzdálenosti 2.5 m od vstupní štěrbiny a kde to bylo nutné, byl použit optický filtr s propustností blízkou 11% (signál v CPS byl tak vysoký, že 16 bitový A/D převodník přetekl). Propustnost filtru a úprava hodnot signálu v závislosti na vzdálenosti jsou ve všech výpočtech a grafech započítány. 14

Graf 6: Výkon žárovky Expoziční doba všech měření byla t exp = 0.11 s při nastavení Readout rate 100 khz a Shift speed 32.25. Byla také zvolena metoda akumulací, což znamená, že najednou proběhlo více stejných měření, jejichž výsledky se sečetly. Tím je zajištěna vyšší přesnost měření. Počty akumulací jsou také zohledněny ve výsledné úrovni signálu. Stejným způsobem bylo také ke každému měření určeno záření pozadí, které se od celkového signálu odečetlo. Tím odpadl problém se započítáváním výše zmíněného temného proudu. Vzhledem k tomu, že CCD kamera v našem uspořádání se spektroskopem dokáže najednou detekovat pouze část spektra o délce 475 nm, je třeba natáčet mřížku, aby se využilo celé možné šířky spektra, které dokáže CCD detekovat (cca od 200 do 1060 nm). V grafu 7 jsou vyneseny průběhy signálu žárovky detekovaného kamerou upraveného o výše zmíněné hodnoty pro různá natočení mřížky. Z grafu je vidět, že v oblasti vlnových délek mezi 750 a 850 nm se jednotlivé signály přesně neshodují. To je dáno odlišným nastavením optické mřížky. Je tedy 15

nutné zpracovávat registrovaný signál pro každý případ zvlášt. Jak již bylo řečeno, tak pro jednotky výkonu žárovky Z λ platí [Z λ ] = nw mm 2 nm. Dále chceme zjistit, kolik CPS (impulsů za sekundu) je vztaženo na 1 nw vyzářený žárovkou na interval vlnové délky λ. Hledáme tedy závislost CP S/nW na vlnové délce λ. Vezmeme-li v úvahu, že pro jednotky platí CP S nw = C s 1 nj s 1 = C nj, kde C značí počet impulsů, známe současně závislost počtu impulsů na světelné energii C/E. Z výše uvedeného je zjevné, že v příslušných jednotkách platí [ ] CP S 1 = CP S Z λ S λ nw = C nj. (1) Dosazením známých hodnot do vztahu (1) získáme potřebnou závislost, která je opět pro všechna použitá nastavení mřížky vynesena v grafu 8. 16

Graf 7: Signál při všech užitých nastaveních mřížky Graf 8: Závislost CPS/nW na vlnové délce 17

2.4 Účinnost systému, slabý signál Účinnost systému (tedy soustavy spektroskopu a samotné CCD kamery) η určíme jako η = C n, (2) kde C je počet impulsů a n je počet dopadajících fotonů. Nyní využijeme vztahu E = nhν = n hc λ, (3) kde ν je frekvence fotonu, h Planckova konstanta a c rychlost světla. Dosazením (3) do (2) máme: η = C E hc λ. (4) Poměr C/E známe z předchozí podkapitoly 2.3. Pokud účinnost (4) navíc vynásobíme citlivostí z tabulky 2 (str.8), vyjadřuje pak počet fotoelektronů na jeden dopadající foton. Závislost této účinnosti na vlnové délce je zobrazena v grafu 9. Dále je v grafu pro srovnání vynesena (čárkovaně) závislost QE OM, což je součin kvantové účinnosti QE (Quantum efficiency, graf 11) samotného CCD detektoru a odrazivosti mřížky OM (graf 12) udaných výrobcem. Rozdíl naměřené a výrobcem udané účinnosti je dán spektrální propustností zobrazovacího spektroskopu. Vidíme, že systém je nejcitlivější pro oblast vlnové délky kolem 520 nm. Zde je účinnost detektoru η 520nm = 23% (QE OM 520nm = 29%). Slabý signál Převrácením hodnot učinnosti získáme počet fotonů dopadajících do vstupní apertury systému potřebných k tomu, aby počítač zaznamenal jeden impuls. Z grafu 10 je vidět, že v oblasti viditelného světla je systém velmi citlivý a pro zaznamenání jednoho impulsu stačí 4 až 9 fotonů. V oblasti infračerveného záření tento počet s vlnovou délkou prudce stoupá (například pro λ = 1050nm je to cca 190 fotonů na impuls). Pro porovnání je v grafu vynesena křivka 1/(QE OM). 18

Graf 9: Účinnost systému (počet fotoelektronů na jeden foton) Graf 10: 1/η (počet fotonů na jeden fotoelektron) 19

Graf 11: Kvantová účinnost samotného CCD detektoru QE udaná výrobcem Graf 12: Odrazivost mřížky OM udaná výrobcem 20

2.5 Grafy pro různá nastavení mřížky Na následujících stranách jsou vykresleny grafy 13 až 24 pro jednotlivá nastavení optické mřížky 150, 175,..., 275 se závislostmi signálu a CP S/nW na vlnové délce λ pro nastavení kamery Readout rate 100 khz a Shift speed 32.25. 21

Graf 13: Signál při nastavení mřížky 150 Graf 14: CPS/nW při nastavení mřížky 150 22

2.6 Různá nastavení detektoru Pro porovnání úrovní signálu, CPS/nW a účinnosti systému pro různá nastavení detektoru byla naměřena a následně spočtena data při natočení mřížky 200 pro tato nastavení: 1. Shift speed = 32.25 Readout rate = 100 khz 2. Shift speed = 32.25 Readout rate = 33 khz 3. Shift speed = 64.25 Readout rate = 100 khz 4. Shift speed = 64.25 Readout rate = 33kHz Výsledky jsou shrnuty v grafech 25, 26, 27. V legendách k těmto grafům značí SS Shift speed a RR Readout rate. Graf 25: Signál pro různá nastavení detekce 28

Graf 26: CPS/nW pro různá nastavení detekce Graf 27: Účinnost pro různá nastavení detekce 29

Kapitola 3 Přílohy 3.1 Obsah přiloženého CD Přiložený disk obsahuje elektronickou verzi této Bakalářské práce, samostatný abstrakt a soubory s daty potřebnými k sestrojení všech grafů 6 až 27, jež se mohou hodit k snadnějšímu zpracování některých měření. (Soubory jsou uloženy ve formátu.dat a jsou podporovány programy Microcal Origin, MS Excel, GraphViewer a dalšími.) Seznam a popis přiložených souborů (členění podle složek) data ruzna detekce - složka obsahuje podsložky s daty pro různá nastavení detektoru CPS na nw signal ucinnost ruzna mrizka - složka obsahuje podsložky s daty pro různá nastavení mřížky CPS na nw signal ucinnost OM.DAT - odrazivost mřížky Oriel 63358.DAT - kalibrační žárovka QE.DAT -kvantová účinnost CCD Abstrakt.PDF - samostatný abstrakt v českém a anglickém jazyce Charakterizace CCD.PDF - elektronická verze této práce 30

Kapitola 4 Závěr Cílem této práce bylo proměřit základní charakteristiky systému chlazené CCD kamery Andor DV420A a zobrazovacího spektroskopu Oriel MS127i 1/8 m, podat základní informace o principu CCD detekce v optické spektroskopii a doporučení k nastavení vhodných parametrů detektoru pro konkrétní měření. V kapitole 1 je stručně vysvětlen princip CCD detekce, původ a možná eliminace šumů zkreslující výsledky měření. Kapitola 2 se zabývá přípravnými kroky k měření, proměřením účinnosti systému a nastavením parametrů detekce pro měření slabého a silnějšího signálu. Kalibrace Kap.2.1 obsahuje návod na snadnou kalibraci x-ové souřadné osy pro vlnovou délku pomocí spektrálních čar prvků. Bylo zjištěno, že v oblasti od nejkratších detekovaných vlnových délek cca od 250 do 750 nm je kalibrace pomocí jedné spektrální čáry lineární s přesností ±1.5 nm, kdežto pro oblast vlnových délek v rozmezí 900 až 1000 nm tato nepřesnost stoupá až na 10 až 15 nm. Zde je vhodné pro přesná měření použít v programu k CCD kalibraci pomocí více čar. Doba expozice Kap.2.2 se zabývá různým nastavením expozičních časů. Byla proměřena úroveň signálu v závislosti na expoziční době. Bylo zjištěno, že pro expoziční časy t exp 0.1 s se úroveň signálu mění relativně málo a 31

měření při různých expozičních časech se dají porovnávat. Pro měření slabého signálu (několik desítek až stovek fotonů za sekundu na 1 pixel) je vhodná delší doba expozice kvůli existenci výstupního šumu. Měření signálu, kalibrace výkonu Kap.2.3 popisuje způsob měření signálu (v našem případě silného) absolutně okalibrované žárovky a výpočet zářivého výkonu potřebného k produkci jednoho impulsu za sekundu v počítači v závislosti na vlnové délce světla pro celou použitelnou šíři spektra detekovatelného CCD kamerou při konkrétním nastavení detekce. Účinnost systému, slabý signál V kap.2.4 je uveden výpočet účinnosti systému a nalezení minimálních hodnot úrovně slabého signálu, který je možné detekovat. Nastavení detekce pro různé úrovně signálu Kap.2.6 dává odpověd na otázku jaké zvolit nastavení detektoru pro měření silného, resp. slabého signálu. Jak je patrné z grafů v této části, pro silné zdroje světla srovnatelné například s běžným osvětlením místnosti i mnohem výkonnější (pro velmi silné zdroje lze použít optických filtrů pro případ, kdy A/D převodník přeteče) je vhodné zvolit parametr Readout rate = 100 khz. Pro slabý signál je spolu s výše zmíněnou delší expoziční dobou výhodné nastavit Readout rate = 33 khz. 32

Literatura [1] Andor TM Technology: Digital Camera Fundamentals, http://www.andor.com/pdfs/digital%20camera%20fundamentals.pdf. [2] Andor TM Technology: DV420A, http://www.lotoriel.de/site/site down/cc dv420a deen01.pdf. [3] J. Brož a kol.: Fyzikální a matematické tabulky (str. 137, 139), SNTL, Praha, 1980. 33