Zahlenspiele ... wie dynamisch ist Ihr Messequipment?

Der Dynamikbereich von Strahlprofil-Messgeräten sorgt immer wieder für Verwirrung. Können Sie die Unterschiede in der verwendeten Terminologie - nicht nur bei Ophir, sondern generell bei den entsprechenden Herstellern am Markt - einwandfrei erklären? Lassen Sie uns einen Blick ins Detail werfen:

 

Definition
Der Dynamikbereich ist das Verhältnis des größten zum kleinsten messbaren Signal. Als kleinstes messbares Signal wird typischerweise der Rauschpegel definiert oder alternativ auch der „Noise Equivalent Exposure“ oder der Punkt, an dem das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) gleich 1 ist.
Bei der Messung des Strahlprofils sollten wir mindestens ein SRV von 10 haben, um ein brauchbares Ergebnis zu erhalten. Eine Messgenauigkeit von ungefähr 2% zu erlangen, erfordert einen SRV von 100:1. Die Spezifikationen sowohl von Ophir Spiricon Messgeräten als auch von Marktbegleitern geben dazu die digitale Inkrementierung des Dynamikbereichs an. Die nachfolgende Diskussion folgt diesem Ansatz.

 

Einheiten
Der Dynamikbereich kann als ein Verhältnis z.B. 1000:1, als Leistungspegel oder Spannungspegel angegeben werden. Leistungspegel:

 

 

Spannungspegel:

 

 

Daraus ergibt sich bei einem Verhältnis von 1000:1 der Dynamikbereich in dB der beiden Laserleistungen von:

 

 

Geht es beispielsweise bei einer Verstärkungsschaltung um den Spannungspegel, liegt der Dynamikbereich bei:

 

 

Beispiel
Nehmen wir eine typische 12-Bit-CCD-Kamera wie die BeamGage SP-620 oder die 12-Bit NanoScan. Der Digitalisierungsbereich einer Computerschnittstelle liegt zwischen 0 und 212-1 oder zwischen 0 und 4095 Zählern. Umgerechnet in den Leistungspegel erhält man dBPower=36dB. Als Spannungspegel ergibt sich daraus eine eindrucksvollere Zahl von 72dB. Hier wird deutlich, dass es bei der Beurteilung eines Dynamikbereichs in dB wesentlich darauf ankommt, dass man die Einheiten kennt und versteht.

 

Digitale Inkrementierung des Dynamikbereichs im Vergleich zum Dynamikbereich des Messsignals
Nehmen wir erneut die 12-Bit SP-620: Die Kamera selbst ist ein CCD-Array mit einem spezifizierten Dynamikbereich von 880:1. Dieser liegt damit niedriger als der Bereich des Digitalumsetzers. Geben wir also einen Dynamikbereich von 64dB an, sprechen wir tatsächlich vom Digitalumsetzer. Der Bereich von 880:1 bezieht sich auf die „Noise Equivalent Exposure“ und resultiert in einem Leistungspegel von 29,44 dB.

 

Momentanwert gegenüber maximal erreichbarem Dynamikbereich
Jetzt können wir bezüglich des Dynamikbereichs der Messgeräte eine weitere Unterteilung vornehmen: Den Momentanwert einer Einzelmessung sowie die maximal erreichbare Bandbreite. Die Dynamik einer Einzelmessung bezeichnet den digitalisierten Dynamikbereich reduziert um jegliche Rauschlevel. Der maximal erreichbare Dynamikbereich beinhaltet den digitalisierten Bereich sowie sämtliche Erweiterungen durch Verstärkungs- und Belichtungseinstellungen und externe Abschwächungen wie z.B. ND-Filter. Bei der zuvor erwähnten SP-620 mit dem BeamGage Software Paket, erreicht man durch die Belichtungs- und Verstärkerprüfung zusätzliche 72dBVolt und 36dBPower. Das ergibt einen gesamt erreichbaren Dynamikbereich pro Frame von ungefähr 65dBPower. Durch zusätzliche Abschwächung können wir den Dynamikbereich nahezu beliebig erweitern.

 

NanoScan Beispiel
Der digitalisierte Dynamikbereich des NanoScan beträgt 36dBPower (12-bit). Die Verstärkerschaltungen liefern einen automatischen Verstärkungsbereich von ungefähr 85dBVolt, so dass der maximal erreichbare Bereich demzufolge bei 78,5dBPower (36+(85/2)) liegt. Das sieht man an den Tabellen des zulässigen Betriebsbereichs der verschiedenen NanoScan-Modelle, die ungefähr sieben (7) Größenordnungen zeigen.

 

Schlussfolgerung
Wenn man den Dynamikbereich verschiedener Messinstrumente vergleichen möchte, muss man die verwendeten Einheiten genau kennen. Die meisten CCD-Systeme liefern den Dynamikbereich in dBVolt. NanoScan und Goniometrische Radiometer liefern den Dynamikbereich in dBPower. Beide Angaben sind korrekt, wir empfehlen allerdings den Leistungspegel dBPower. Er ermöglicht eine realistischere Einschätzung der Reaktion des Sensors bei unterschiedlichen Laserleistungen.