Ein Überblick über die BTS - Technologie (BiTec Sensor)
Inhaltsverzeichnis
2. Theorie der BTS Technologie
4. Vorteile der BTS Technologie auf einen Blick
1. Kurzbeschreibung
Im Folgenden Artikel werden der physikalische Hintergrund sowie die Technische Umsetzung der BTS-Technologie näher beschrieben. Dabei wird zudem auf die Vorteile der BTS-Technologie gegenüber konventionellen Spektralradiometern eingegangen. Denn diese Technologie erlaubt neue Applikationen/Messmöglichkeiten mit Spektralradiometer sowie höhere Präzision.
2. Theorie und Überblick der BTS Technologie
Bei der BTS Technologie kommt ein sogenannter BiTec Sensor zum Einsatz. Dieser besteht grundsätzlich aus einer integral messenden Fotodiode und einem spektral messenden Arrayspektrometer. Beide Sensoren sind für sich eigenständige vollwertige Messdetektoren, d.h. sie können unabhängig voneinander d.h. auch einzeln genutzt werden. Dabei sind die technischen Spezifikationen des jeweiligen Sensors mit denen anderer Hersteller mindestens vergleichbar. Da diese mit den hohen Qualitätsansprüchen und der langjährigen Erfahrung von Gigahertz-Optik in der Lichtmesstechnik in z.B. Wellenlängengenauigkeit, Streulichtunterdrückung, Linearisierung, Filterdesign, etc. entwickelt wurden. Zudem können die beiden Sensoren aber auch voneinander profitieren (gegenseitige Korrektur) wodurch sie in manchen Punkten überlegene technische Spezifikationen erreichen können.
Gigahertz-Optik verwendet das sogenannte „Prinzip der gegenseitigen Korrektur“. D.h. mit den spektralen Daten des Spektralradiometers wird der spektrale Fehlanpassungskoeffizient des integralen Detektors ermittelt (siehe Fachartikel a* Korrektur von Gigahertz-Optik [1]). Hierdurch kann der Messwert des integralen Detektors online korrigiert werden, denn beide Sensoren messen parallel bei exakt gleichem Sichtfeld die gleiche Lichtquelle. Daraufhin kann mit dem gemessenen und korrigierten integralen Wert der Photodiode die Linearität des Spektralradiometers nachkorrigiert werden. Den Photodioden weisen eine bessere Linearität und Stabilität im Vergleich zu den CCD oder CMOS Detektoren der Arrayspektralradiometer auf.
Qualitätshersteller führen eine Linearisierung dieser CCD und CMOS Detektoren durch wodurch auch hier gute Linearitäten erzielt werden können. Dies wird z.B. im Hause Gigahertz-Optik für alle Detektoren zusätzlich zur BTS Technologie individuell für jedes Gerät gemessen und angewendet. Dennoch sind diese Linearitäten über den gesamten Dynamikbereich gesehen nicht auf dem Niveau einer integralen Diode.
Die integralen Dioden erlauben noch weitere Vorteile hinsichtlich Langzeitstabilität und Rauschverhalten. Werden z.B. photometrische oder radiometrische Größen aus dem Spektrum berechnet, so weisen die berechneten Größen ein gewisses Rauschen (je nach Rauschverhalten des Spektralradiometers und Signallevel) auf. Integrale Detektoren weißen eine geringere Rauschamplitude auf, vor allem bei sehr kleinen Messsignalen. Dies ist z.B. für die Stabiltitä in der SSL Messung (QM) von entscheidendem Vorteil, siehe BTS2048 Serie.
Spektralradiometrischen Handmessgeräte werden oftmals auch im Außeneinsatz verwendet. Hierbei sind sie einem großen Temperaturbereich ausgesetzt welcher Auswirkungen auf die Empfindlichkeit des Messgerätes hat. Mit Hilfe des integralen Detektors kann dies mit wenig Aufwand online korrigiert werden, denn Fotodioden weisen eine sehr lineares Temperaturverhalten auf (z.B. BTS256-EF). Konventionelle Spektralradiometer korrigieren diese Effekte nicht oder meist nur unbefriedigend.
Mit der integral messenden Photodiode können Messungen durchgeführt werden welche mit konventionellen Spektralradiometern nicht möglich sind; wie z.B. schnelle CW Messungen. Dadurch ist es möglich mit einem BTS Gerät schnelle Intensitätsverläufe aufzunehmen. Beim BTS256-EF besteht die Möglichkeit der Bestimmung von Flicker Kenngrößen (siehe Fachartikel Flicker [3]). Dies ist mit konventionellen Spektralradiometern nicht möglich.
Werden die beiden Sensoren unabhängig voneinander genutzt, so können sie zumindest als gegenseitige Referenzdetektoren genutzt werden.
3. Technische Umsetzung
Der BTS Sensor besteht aus zwei separaten Detektoren. Einer integralen Diode sowie einem Spektralradiometer. Für eine hohe Qualität des BTS ist es wichtig, dass beide Sensoren das gleiche Sichtfeld, also die identische Eingangsoptik besitzen. Das Signal wird nach der Eingangsoptik mittels eines Strahlteilers den jeweiligen Sensoren zugeführt:
Das Arrayspektrometer selbst kann verschiedene optische Strahlengänge aufweisen. Hier kann auf das Tutorial „Grundlagen der Lichtmesstechnik“ von Gigahertz-Optik verwiesen werden [2]. Die integrale Photodiode wird mit einem Filter versehen um die gewünschte Messfunktion zu erhalten. Dies kann z.B. ein Photometrischer V(λ) Filter sein.
Die präzise gegenseitige Korrektur der Sensoren ist eine Herausforderung. Gigahertz-Optik hat durch seine langjährige Expertise in der optischen Messtechnik eine vollständig automatisierte Korrekturmethode in seine Anwendersoftware sowie SDK (Software Development Kits) eingebaut. Dies ermöglicht eine einfache und intuitive Bedienung.
Schematische Darstellung der Technologie:
4. Vorteile der BTS Technologie auf einen Blick
| ✔ | Vollwertiges Spektralradiometer |
| ✔ | Vollwertiges Photometer bzw. Radiometer (je nach Filterfunktion der Photodiode) |
| CW | Es können die Vorteile beider Sensoren genutzt werden; z.B. können schnelle CW Messungen mit der integral messenden Photodiode (Flickermessung, PWM, etc.). Dies ist mit konventionellen Spektralradiometern nicht möglich |
| 2 in 1 | Beide Sensoren können separat voneinander genutzt werden |
| ✔ | Korrektur der spektralen Fehlanpassung des integralen Detektors (Photodiode) mit den spektralen Daten des Spektralradiometers |
| ✔ | Korrektur der Linearität des Spektralradiometers durch hochgradig lineare Photodiode |
| SNR | Rauschreduzierung der ermittelten Kenngrößen aus den spektralen Daten durch Rauscharme Photodiode (speziell bei sehr kleinen Signalen) |
| ΔT | Korrektur von Temperatureinflüssen durch lineares Temperaturverhalten der Diode (speziell bei Handgeräten im Außeneinsatz vorteilhaft) |
| REF | Einer der Sensoren kann als Referenzsensor und damit Kontrolle des anderen genutzt werden |
5. Zusammenfassung
Die BTS Technologie erlaubt zu den üblichen Messanwendungen eines konventionellen Spektralradiometers noch weiter Messmöglichkeiten. Dies ist in Kapitel 4 dargestellt.
D.h. die BTS-Technologie ist eine Weiterentwicklung der Spektralradiometrie in der Lichtmesstechnik, welche immer mindestens gleichwertig den konventionellen Spektralradiometern jedoch zusätzlich in einigen Punkten überlegen ist.
Geräte sind z.B.BTS256-EF, BTS2048 Serie oder BTS256-LED Plus-Konzept.
6. Literatur
[1] Fachartikel - Der spektrale Fehlanpassungskoeffizient a(Z) bzw. F* (spectral missmatch factor), Gigahertz-Optik, 2014
[2] Tutorial - Basics of Light measurement, Gigahertz-Optik, 2014
[3] Fachartikel - Flickermessung mit dem BTS256-EF, Gigahertz-Optik, 2014