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2018-08-23

OL0050–HSBS, hochsensitive Spektroskopie in unzähligen Anwendungen

Die OPTO4L GmbH bleibt ihrer Linie treu!

Optische Spektroskopie liefert theoretisch sehr detaillierte Informationen zur Energieverteilung in einem definierten Wellenlängenbereich. Das erlaubt es, z. B. im sichtbaren Bereich des Lichtes Farb- und Helligkeitswerte von Flachbildschirmen, weißen und monochromen LEDs, vor allem aber auch von RGB- oder sogar Multicolor-LEDs mit sehr hoher Präzision normgerecht zu vermessen (CIE 1931, CIE 1976, CIE 2015 usw).

In anderen Anwendungen, bei denen nicht direkt die Lichtquellen, sondern deren von Objekten remittiertes Licht gemessen wird, ermöglicht die Spektroskopie eine präzise Aussage über den normgerechten Farbwert eines Objektes (z. B. CIELAB Farbraum) oder den Farbfehler, den ein solches Objekt in Bezug zu einem definierten Farbwert hat (ΔE, ΔE 94, ΔE 2000 usw).

Gerade in diesem, allgemein als „Farbmessung“ oder „Farbsensorik“ bezeichneten Anwendungsbereich, spielt die Spektroskopie insbesondere im Vergleich zu filterbasierten Lösungen eine weitere Stärke aus – Norm-Farbwerte sind nur gültig unter gleichzeitiger Angabe des Illuminanten (einer standardisierten Lichtquelle) wie z. B. D50, D65 oder die F-Serie für fluoreszente Lichtquellen wie sie bei Büro- und Arbeitsleuchten häufig spezifiziert sind.

Mit den Ergebnissen eines Spektrometers kann der Farbwert mit beliebigen Illuminanten einfach mathematisch ermittelt werden, während filterbasierte Messgeräte, selbst wenn es sich um die vergleichsweise aufwändigen XYZ-Sensoren handelt, lediglich Ergebnisse zu einem einzigen Illuminanten liefern können (und selbst dazu ist bereits eine aufwändige Kalibrierung dieser XYZ-Sensoren notwendig).

Das ist nichts Neues und es gibt bereits viele Anbieter von optischen Spektrometern!

Das ist richtig! Und der zunehmende Bedarf an Instrumenten zur hochauflösenden Analytik mit immer präziseren Messergebnissen bringt auch immer neue und „bessere“ Geräte auf den Markt. Abgesehen von sehr hohen Anschaffungskosten für solche Messgeräte, sind diese auch vom Formfaktor her nur schwer oder gar nicht in Anlagen und Prozesse außerhalb des Laborbetriebes zu integrieren.

Aber moderne Produktionsprozesse in den Bereichen Bio- und Umwelttechnologie sowie Pharmazie, Industrie, Chemie, Nahrungsmittel- und Agrartechnik basieren gerade darauf, dass kritische Prozessparameter kontinuierlich verfügbar sind, um z. B. Closed-Loop Prozesse zu realisieren oder auf Sicherheitsmerkmale frühzeitig zu reagieren.

Die großen Fortschritte, die die MEMS Technologie in den letzten Jahren hervorgebracht hat, spiegeln sich auch im Bereich der optischen Spektroskopie mit einer wachsenden Anzahl an stark miniaturisierten Komponenten wider. Dieser Trend befeuert einerseits die Wünsche der potentiellen Anwender in den zuvor genannten Bereichen, macht er doch prinzipiell sowohl im Formfaktor als auch im Preis vieles möglich, an das vorher niemand zu denken wagte! Andererseits beobachten wir, dass es noch viel zu selten komplette Systeme auf Basis dieser Komponenten gibt und sich deshalb der Einsatz solcher Miniaturspektrometer noch immer viel zu oft auf Optik- und Elektronikspezialisten beschränkt.

Sowohl die Emissions- als auch Remissionsmessung im sichtbaren Bereich des Lichtes ist eine Variante des allgemeinen Anwendungsbereiches der Radiometrie. Dabei geht es vereinfacht ausgedrückt um die quantitative Messung des Lichtes in einem sehr weiten Wellenlängenbereich.

So unspektakulär das auch klingt, so vielfältig sind die möglichen Anwendungen, die sich mithilfe angepasster Aufbauten ergeben! Dazu gehören der Bereich der allgemeinen Labor- und Prozessanalytik, Umwelt- und Agrartechnik sowie der Prozessautomation in Chemie, Pharmazie, Biotechnologie, Industrie und vielem mehr. Durch RAMAN-, Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie lassen sich Materialien wie Kunststoffe auf ihre gewünschte Zusammensetzung prüfen, Giftstoffe erkennen, die Belastung der Umwelt erfassen, Schmiermittel auf ihre Qualität testen, hochwertige Speiseöle, Weine und Kaffee auf ihre Echtheit prüfen und vieles mehr.

In all diesen Bereichen sind Spezialisten tätig, die ihr Produkt und ihren Prozess genau kennen. Und das sind in den seltensten Fällen auch Spezialisten für optische Messtechnik! Hier setzt die OPTO4L GmbH mit ihrer wachsenden Produktfamilie an. Wir realisieren Systeme auf Basis neuester miniaturisierter Komponenten und bringen optische Analytik aus dem Labor an die Produktionslinie, ja sogar in die Umwelt.

OK, aber was ist jetzt das Besondere an dem Spektrometer OL0050-HSBS?

In Anwendungen mit geringer Intensität der Lichtquellen entstehen schnell Messzeiten in der Größenordnung mehrerer 10 Sekunden. Das gilt bereits für hochpreisiges Desktop- und Laborequipment, wo man z. B. durch aufwendige Back-thinned CCD Sensoren, die auch noch speziell gekühlt werden, versucht, das Signal/Rauschverhältnis und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Umso mehr gilt das aber bei den Miniaturspektrometern!

Das führt z. B. im Anwendungsbereich der Display-Kalibrierung zu ganz offensichtlichen Problemen. Hier müssen durchaus je nach Anforderung bis zu hundert und mehr Farben gemessen werden. Dabei sind insbesondere die Messungen zur Optimierung der Grauwertskala sehr zeitintensiv, da es sich dabei durchweg um dunkle und sehr dunkle Farben (bis hin zu „Schwarz“) handelt. Es ist schnell einzusehen, dass aus diesem Grund eine Kalibrierung im Rahmen der Massenproduktion von Displays bis heute ein großes Problem darstellt und in der Regel auch nicht erfolgt, auch wenn die Nachfrage danach durchaus vorhanden ist.

Ein weiteres Problem bei Miniaturspektrometern ist in der Regel das Fehlen einer standardisierten optischen Einkoppelmöglichkeit. Der Endanwender muss sich selbst darum kümmern und kann gerade hier durch Fehlanpassungen viel falsch machen.

Eine weitere Einschränkung gängiger Miniaturspektrometer wird in vielen Anwendungen schnell übersehen – in der Regel ist (auch bedingt durch die Miniaturisierung) die optische Auflösung deutlich größer als 10nm. Das macht die Messung von Spektren, die nicht breitbandig sind, unzuverlässiger. Das gilt bereits bei der Vermessung von monochromen LEDs, insbesondere aber auch bei der Vermessung von RGB und RGBW-LEDs. Hier herrscht insbesondere im Anwendungsbereich des Automotive Lighting aber auch in der Luftfahrtindustrie ein stark zunehmender Bedarf an Mess- und Regelvorrichtungen, um Leuchten die auf einer Farbmischung basieren, zu justieren. Und verständlicherweise ist gerade hier die Messzeit bei einer Massenproduktion ein absolutes KO-Kriterium, zumal dort, zumindest im High-End Segment, jede Leuchte technologiebedingt individuell eingemessen werden muss!

Viele Hersteller von Miniaturspektrometern (aber auch von Laborgeräten) ermöglichen es, über die Auswahl der Breite des Spektrometer-Eingangsspaltes die optische Auflösung deutlich zu verbessern. Das geht allerdings auch überproportional zu Lasten der Sensitivität, womit man wieder beim ersten Problem ist, der mangelnden Sensitivität einhergehend mit langen Messzeiten.

Und schließlich gibt es bei vielen Miniaturspektrometern noch ein weiteres Problem, das in einigen Anwendungen zu „kuriosen Fehlern“ führen kann. Das gilt insbesondere bei den zuvor genannten RGB-LED Applikationen (oder allgemeiner, Lichtquellen basierend auf additiver Farbmischung). In der Regel werden dort die Einzelfarben über eine PWM-Modulation mit Frequenzen von wenigen hundert Hertz angesteuert. Diese ist für das menschliche Auge nicht sichtbar, technisch aber sehr wohl. Wenn nun der im Spektrometer verwendete Detektor nicht über einen „elektronischen Shutter“ verfügt (dieser stellt sicher, dass alle Pixel gleichzeitig belichtet und dann auch ausgewertet werden), dann führt die PWM-Modulation nicht nur zu einem größeren „Rauschen“ in der gemessenen Intensität, sondern gleichzeitig zu einem „spektralen Rauschen“, ähnlich einer ständig wechselnden Farbe. Das ist aber gerade dann, wenn eine bestimmte Farbe eingeregelt werden soll, äußerst kontraproduktiv! Hier lassen sich zwar die negativen Effekte der PWM über eine Mittelwertbildung nach Bedarf verringern, das führt dann aber zwangsläufig wieder zu insgesamt längeren Messzeiten.

Mit der OL0050-HSBS folgen wir der OPTO4L Unternehmensphilosophie, die stets bei allen unseren Produktentwicklungen die Basis bildet: ein Gerät für möglichst viele unterschiedliche Anwendungen.

  • Eine um Größenordnungen höhere Sensitivität als andere Miniaturspektrometer (Faktor 100 und mehr), vergleichbar mit Desktopequipment
  • Neueste CMOS-Detektor Technologie mit elektronischem Shutter und aktiven Pixeln
  • Optische Auflösung deutlich kleiner als 10nm (~7nm bei 550nm)
  • Durchgehender Wellenlängenbereich von 360nm – 1000nm (~340nm bis ~1090nm nutzbar)
  • Monolithisches optisches Design für hohe Wellenlängenstabilität
  • Bis zu 16-fache Mittelwertbildung „in Hardware“ (zeitlich präzise definierte Aufzeichnung und Speicherung der Einzelmessungen im Gerät)
  • Ansteuerung einer externen Lichtquelle zur synchronen Messung z. B. bei allgemeiner Farbmessung oder Fluoreszenz und RAMAN Anwendungen
  • Triggereingang, zusätzliche optionale Ausgänge
  • Interner Temperatursensor
  • Integrationszeiten von 100us bis zu 60 Sekunden
  • Vermessung von asynchronen Lichtblitzen (z. B. Handy- und Kamerablitze) mit automatischer Erfassung des Startimpulses. Auslesen von bis zu 16 sequentiellen und zeitlich präzise definierten Einzelspektren
  • Aufwändige, achromatische Einkoppeloptik für parallelen Strahlengang und hohe Reproduzierbarkeit (erlaubt präzise Intensitätskalibrierungen)
  • Offene, flexibel nutzbare, Softwareschnittstelle mit ASCII basierendem Protokoll (auch per Terminal nutzbar)
  • Schnelle RS422-Schnittstelle, ein volles Spektrum in weniger als 250ms auslesbar
  • Sehr weiter Versorgungsspannungsbereich von 5V bis 28V incl. alleiniger Versorgung über USB-Schnittstelle (mit Interface OL0072). Somit auch einfach nutzbar als Komponente eines Embedded Systems (z. B. Laborautomation im Bereich der miniaturisierten Bioverfahrenstechnik)
  • Mit Hilfe der OL0072 auch ohne weitere Versorgung über ein Tablet oder Handy nutzbar!
  • Werkskalibrierung für Wellenlänge und bei Bedarf auch NIST rückführbare spektrale Bestrahlungsstärke

Der sehr kleine Öffnungswinkel der Eingangsoptik, gepaart mit der sehr hohen Sensitivität, prädestiniert die OL0050-HSBS ohne weiteres Zubehör für Anwendungen rund um die Displaykalibrierung. Gleichzeitig erweitern wir kontinuierlich das Zubehör, um eine stetig wachsenden Zahl von Anwendungen bedienen zu können.

Die OL0050-HSBS und dazu gehörende Software sowie Zubehör ist ein „100% OPTO4L, Made in Germany“ Produkt. Wir haben das Know-how und die Ressourcen, um Ihre Anwendung im Bereich optischer Messtechnik zu realisieren.

Fordern Sie uns! Wir erwecken Ihre innovativen Ideen zum Leben.