3.2 CCD-Kamera

In dem Interferometer-Aufbau waren als Detektoren zwei Photodioden vorhanden, deren Signal gegen ein Schwelle geprüft wurde. Die Messung erfolgte bei bewegtem Wagen, es wurde eine Zählung der Interferenzstreifen durchgeführt. Für die Aufnahme eines Interferenzmusters an einer festen Position, insbesondere wenn mehrere Messungen an der gleichen Position durchgeführt werden sollen, kann ein Zeilensensor eingesetzt werden. Dieser Sensor liefert als Signal die Intensitätsverteilung eines Schnittes durch das Strahlprofil. Eine eindimensionale CCD-Kamera CCD 151 der Firma Fairchild Weston mit Entwicklungsboard war bereits aus einer Diplomarbeit von Stephan Schulz [9] vorhanden. Diese CCD-Kamera ist mit einer internen Taktung versehen und liefert ein Videosignal, das direkt an ein Oszilloskop angeschlossen werden kann. Die Sensorzeile ist aus N = 3456 Einzelpixeln aufgebaut. Die Breite der Pixel beträgt $d_{Pixel} = 7 \mu m$. Über ein Potentiometer läßt sich die Pixelfrequenz in einem Bereich von 280 kHz bis 2,3 MHz einstellen. Laut Datenblatt ist die Kamera mit einer Betriebsspannung von +17 Volt zu betreiben. Durch das Netzteil der interferometrischen Längenmessung steht u.a. eine Spannung von +15 Volt zur Verfügung. Im Betrieb mit dieser Spannung war kein Unterschied im Ausgangssignal zu einem Betrieb mit einem Labornetzteil mit +17 Volt festzustellen. Die Spannungsversorgung erfolgt deswegen durch o.g. Netzteil. Bei der Meßwerteaufnahme mit dem Oszilloskop muß darauf geachtet werden, daß das Oszilloskop im DC-Modus betrieben wird. Bei Messungen im AC-Modus wären verschiedene Messungen, z.B. die Aufnahme eines Interferenzmusters und einer Nullintensität, nicht vergleichbar, da die Nullinie verschoben wird. Die CCD-Kamera liefert ein Videosignal mit einem Offset-Anteil von ca. 5 V und daraufliegendem Signal von maximal 2 V. Da eine Darstellung dieses Signals im DC-Modus eine geringe Auflösung im interressierenden Bereich ab 5 V liefert ist es sinvoll, den Offsetanteil vor der Signaleingabe in das Oszilloskop abzuziehen. Aus diesem Zweck wurde eine Subtrahierenschaltung vor dem Oszilloskop zwischengeschaltet.

Abbildung 3.2: Subtrahierer-Schaltung

Tabelle 3.1: Bauelemente der Subtrahierer-Schaltung

R1	$100 \ k \Omega$
R2	$2,7 \ k \Omega$
RPot	$0 \cdots 5 \ k \Omega$
R3	$100 \ \Omega$
C	$100 \ nF$
OP	CA 3240

Diese Schaltung ist im Gehäuse der Elektronischen Komponenten der interferometrischen Längenmessung integriert und wird mit einer Vorsorgungsspannung von $\pm$15 V betrieben. Die Betriebsspannung des Operationsverstärkers ist über jeweils einen Widerstand R₃ und einen Kondensator C gepuffert. Hierdurch wird ein Einschwingen des Operationsverstärkers unterdrückt. In der Subtrahiererschaltung wurden vier gleiche Widerstände R₁ verwendet, so daß die Verstärkung zu 1 wird. Die vom Meßsignal abzuziehende Spannung U_sub kann über das Potentiometer R_Pot auf Werte zwischen 0 und 9,7 Volt eingestellt werden, der einzustellende Wert liegt bei ca. 5 Volt. Das Ausgangssignal der Schaltung ergibt sich zu

U_out = U_in - U_sub (3.1)

Der Offsetanteil des Videosignals ändert seinen Betrag jedoch mit der Größe des Meßsignals. Liegt eine Bestrahlung des Sensors vor vermindert sich der Offsetanteil in Bezug zu einer Messung mit Nullintensität. Dieses Verschieben der Nullinie kann über die Einstellung der Pixelfrequenz minimiert werden. Bei maximal einstellbarer Pixelfrequenz liegt diese Verschiebung in der Größenordnung des Auflösungsvermögens des Oszilloskops, als unter 0,5 % der Maximalwerte. Um die Linearität der CCD-Kamera zu überprüfen wurde sie mit unterschiedlichen Strahlleistungen $\Phi$ bestrahlt und die Ausgangsspannung U über das Oszilloskop detektiert. Die Strahlleistung wurde mit einem Photometer gemessen.

Tabelle 3.2: Linearität der CCD-Kamera

$\Phi \ [\mu W]$	$U \ [mV]$
6,4	70
8,4	95
9,4	105
9,8	110
11	125
13	150
14	160
17,5	175
19	200
23	250
24	280
28	320
32	380
38	450
43	500
46	580
52	620
56	680

$\Phi \ [\mu W]$	$U \ [mV]$
62	750
70	800
81	850
85	950
98	1100
115	1200
120	1300
135	1400
140	1500
150	1600
160	1700
180	1700
200	1800
220	1800
250	1800
400	1800
600	1800
800	1800

Abbildung 3.3: Linearität der CCD-Kamera

Wie in Abbildung 3.3 erkennbar besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal und der eingestrahlten Leistung (die proportional zur Intensität ist). Anhand der Meßwerte läßt sich auch das maximale Ausgangssignal von ca. 1,7 Volt ablesen. Das Ausgangssignal der Kamera ist bei der Messung eines Interferenzmusters von einem starkem Rauschen überlagert wodurch eine genaue Bestimmung der Maximal- und Minimalwerte nicht möglich ist. Dies ist jedoch erforderlich, da diese Werte für die Berechnung der Modulation benötigt werden. Zu Beginn meiner Arbeit habe ich dieses Rauschen mit einer elektronischen Tiefpasschaltung herausgefiltert. Hierzu habe ich eine Tiefpass 4. Ordnung mit 4 Operationsverstärkern aufgebaut. Dies führte jedoch zu Problemen, da sich die Frequenz des Rauschens sich mit der Frequenz des Messignals ändert. Dieses dynamische Rauschen ist hauptsächlich auf Interferenzen an der Glasabdeckung der CCD-Zeile zurückzuführen, die fest mit der Zeile verbunden ist und nicht ohne Beschädigung dieser entfernt werden kann. Aus diesem Grund habe ich einen dynamischen Filter als Software in das Meßprogramm integriert. Dieser Filter ist in Abschnitt 3.5.3.1 beschreiben. Ein weiteres Problem mit der Teifpasschaltung ergab sich dadurch, daß der Offsetanteil des Videosignals sich stärker ändert wenn in der nachfolgenden Elektronik Kapazitäten verwendet werden. Neben dem Videosignal liefert die CCD-Kamera einen Synchronisations-Impuls zu Beginn jeder Auslesung der Sensorzeile. Dieses Signal wird auf den zweiten Eingang des Oszilloskops gegeben und dient zur Triggerung.