DD282518A5 - Method for multi-dimensional time-resolved measurement of light signals by photon counting - Google Patents
Method for multi-dimensional time-resolved measurement of light signals by photon countingInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrdimensionalen zeitaufgeloesten Messung von Lichtsignalen durch Photonenzaehlung und ist vor allem dort vorteilhaft einsetzbar, wo Zusammenhaenge zwischen dem gemessenen Lichtsignal und anderen Signalen untersucht werden sollen und eines oder mehrere dieser Signale stochastisch oder in einer anderen, nicht steuerbaren Weise veraenderlich sind. Das erfindungsgemaesze Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dasz die registrierten Photonen in einem Meszwertspeicher sowohl nach ihrer zeitlichen Lage als auch in Abhaengigkeit von zusaetzlich gemessenen analogen oder digitalen Signalen sortiert werden, wobei die Meszwertspeicher-Adresse aus mehreren Teilen besteht, dabei der erste Teil die zeitliche Lage der registrierten Photonen angibt und die anderen Teile ein oder mehrere Klassifizierungsmerkmale beinhalten, die aus den zusaetzlich gemessenen Signalen abgeleitet werden.{mehrdimensionale zeitaufgeloeste Lichtsignalmessung; Photonenzaehlung; Meszwertspeicher; Speicheradresse, mehrere Teile}The invention relates to a method for multidimensional time-resolved measurement of light signals by photon detection and is particularly advantageous where joints between the measured light signal and other signals to be examined and one or more of these signals are stochastic or in another, not controllable way veraenderlich , The inventive method is characterized in that the registered photons are sorted in a Meszwertspeicher both on the temporal location and in dependence on additionally measured analog or digital signals, the Meszwertspeicher address consists of several parts, the first part of the temporal location indicates the registered photons and the other parts contain one or more classification features derived from the additionally measured signals. {multidimensional time-resolved light-signal measurement; Photonenzaehlung; Meszwertspeicher; Memory address, multiple parts}
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mehrdimensionalen zeitaufgelösten Messung von Lichtsignalen durch Photonenzählung. Es ist vor allem dort vorteilhaft einsetzbar, wo Zusammenhänge zwischen dem gemessenen Lichtsignal und anderen Signalen untersucht werden sollen und eines oder mehrere dieser Signale stochastisch oder in einer anderen, nicht steuerbaren Weise veränderlich sind.The invention relates to a method for multidimensional time-resolved measurement of light signals by photon counting. Above all, it can be used advantageously where relationships between the measured light signal and other signals are to be investigated and one or more of these signals is variable stochastically or in another, uncontrollable manner.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Zur Messung des Zeitverlaufes von Lichtsignalen wird bei hohen Anforderungen an die Empfindlichkeit die Photonenzählung angewendet. Dieses Prinzip beruht auf der Registrierung einzelner Photonen mit einem hochverstärkenden und zeitlich hochauflösenden Lichtempfänger.To measure the time course of light signals, photon counting is used when the sensitivity requirements are high. This principle is based on the registration of individual photons with a high-gain and temporally high-resolution light receiver.
Je nach den Einsatzbedingungen werden zwei Varianten der Photonenzählung unterschieden. Für Anwendungen mit höchsten Anforderungen an die Zeitauflösung wird die Einzelphotonenzählung („Single Photon Counting", SPC) (Leskovar, B.Depending on the conditions of use, a distinction is made between two variants of photon counting. For applications with the highest time resolution requirements, single photon counting (SPC) (Leskovar, B.
Nanosecond flourescence spectroscopy- IEEE Transactions on nuclear science NS-32 [1985] 3, S. 1232-1241; Cova. S., Bertolaccini, M., Buscolati, C.Nanosecond flourescence spectroscopy IEEE Transactions on Nuclear Science NS-32 [1985] 3, p. 1232-1241; Cova. S., Bertolaccini, M., Buscolati, C.
The measurement of luminescence waveforms by single photon counting techniques - Physica status solidi (a), 18 [1973] 11The measurement of luminescence waveforms by single photon counting techniques - Physica status solidi (a), 18 [1973] 11
S. 11-61) für Anwendungen mit geringer Zeitauflösung die Mehrphotonenzählung („Multi Photon Counting", MPC) eingesetzt (Pauker, F., Schneckenberger, H., Unsoeld, E.: Time resolved mulliphoton counting -Journal Physics E: Scientific Instruments, 19 [1986] S. 240-241).Pp. 11-61) uses multi-photon counting (MPC) for low-temporal resolution applications (Pauker, F., Schneckenberger, H., Unsoeld, E .: Time resolved mulliphoton counting -Journal Physics E: Scientific Instruments , 19 [1986] p. 240-241).
Die Einzelphotonenzählung (SPC) beruht auf der Registrierung einzelner Photonen eines periodischen Lichtsignales. Die Intensität des Lichtes ist so gering, daß die Wahrscheinlichkeit, in einer Signalperiode ein Photon zu registrieren, viel kleiner als 1 ist. Die registrierten Photonen werden in einen Digitalspeicher eingetragen. Der Speicherplatz, auf dem ein Photon addiert wird, ist proportional zum Zeitpunkt der Registrierung des Photons in bezug auf einen zum MefJsignal synchronen Triggerimpuls.The single photon counting (SPC) is based on the registration of individual photons of a periodic light signal. The intensity of the light is so low that the probability of registering a photon in one signal period is much less than one. The registered photons are registered in a digital memory. The storage location on which a photon is added is proportional to the time the photon was registered with respect to a trigger pulse synchronous with the MefJ signal.
Wenn nach sehr vielen Signalperioden eine große Zahl von Photonen registriert worden ist, entspricht die Verteilung der Photonen im Speicher der zeitlichen Verteilung der Photonen des Meßlichtes und gibt somit den gesuchten Zeitverlauf wieder.If a large number of photons have been registered after a very large number of signal periods, the distribution of the photons in the memory corresponds to the time distribution of the photons of the measurement light and thus reflects the desired time course.
Technisch realisiert wird die Einzelphotonenzählung folgendermaßen (vgl. DD-PS 205522, G 01 J, 3/42):Technically, the single photon counting is realized as follows (see DD-PS 205522, G 01 J, 3/42):
Ein Triggo.'impuls, der den Beginn jeder Signalperiode markiert, startet einen Zeit-Amplituden-Konverter (TAC). Dieser liefert eine zeitproportional ansteigende Spannung, bi.·; vom Lichtempfänger durch ein registriertes Photon ein stop-lmpuls eintrifft.A triggo. Pulse marking the beginning of each signal period starts a time-amplitude converter (TAC). This provides a time proportionately increasing voltage, bi. from the light receiver through a registered photon a stop pulse arrives.
Die Ausgangsspannung des TAC bleibt dann konstant und wird durch einen anschließenden Analog-Digital-Wandler in ein Adressenwort für den Meßwertspeicher umgesetzt. Auf dem adressierten Speicherplatz wird der Wert 1 addiert.The output voltage of the TAC then remains constant and is converted by a subsequent analog-to-digital converter into an address word for the measured value memory. The value 1 is added to the addressed memory location.
Da die erzeugte Speicheradresse linear vom Zeitpunkt der Photonenregistrierung abhängt, erhält man nach vielen Signalperioden im Speicher die gesuchte zeitliche Verteilung der Photonen.Since the generated memory address depends linearly on the time of photon registration, the desired time distribution of the photons is obtained after many signal periods in the memory.
Zur Messung von Lichtsignalen sehr hoher Folgefrequenz (10...200MHz) ist es zweckmäßig, am TAC start und stop zu vertauschen. Der TAC liefert dann den zeitlichen Abstand des Photons zum Beginn der jeweils nächsten Signalperiode und muß nicht mit der hohen Triggerfrequenz, sondern nur mit der weit geringeren Photonenzählrate arbeiten. Für die weiteren Betrachtungen sind beide Betriebsarten des TAC gleichwertig.To measure light signals of very high repetition rate (10 ... 200MHz), it is advisable to swap start and stop at the TAC. The TAC then provides the time interval of the photon at the beginning of the next signal period and does not have to work with the high trigger frequency, but only with the much lower photon counting rate. For further consideration, both operating modes of the TAC are equivalent.
Die Einzelphotonenzählung ist an periodische Lichtsignale hoher Folgefrequenz gebunden. Unter dieser Bedingung ergeben sich im Vergleich zu Verfahren mit analog arbeitender Signalverarbeitung S9hr hohe Empfindlichkeiten und Genauigkeiten sowie eine verbesserte Zeitauflösung.The single photon counting is linked to periodic light signals of high repetition frequency. Under this condition, high sensitivities and accuracies as well as an improved time resolution result compared to methods with analog signal processing.
Die Mehrphotonenzählung beruht ebenfalls auf der Registrierung einzelner Photonen des Meßsignals. Irn Unterschied zur Einzelphotonenzählung können jedoch in jeder Signalperiode mehrere Photonen registriert werden.The multi-photon counting is also based on the registration of individual photons of the measurement signal. Unlike single photon counting, however, several photons can be registered in each signal period.
Bei der Mehrphotonenzählung wird die Adresse des Meßwertspeichers vom Beginn jeder Signalperiode an kontinuierlich aufwärts gezählt. Für jedes eintieffende Photon wird auf der gerade aktuellen Speicheradresse der Wert 1 addiert. Nach vielen Signalperioden erhält man dabei ebenfalls den gesuchten Zeitverlauf des Lichtsignales. Im Gegensatz zur Einzelphotonenzählung ist jedoch die Zeitauflösung durch die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung begrenzt.In multiphoton counting, the address of the sample memory is continuously counted up from the beginning of each signal period. For every opening photon, the value 1 is added to the current memory address. After many signal periods you will also get the desired time course of the light signal. Unlike single-photon counting, however, the time resolution is limited by the speed of signal processing.
Da der Photonenzählung eine Mittelung über viele Signalperioden zugrunde liegt, ist sie nur dort anwendbar, wo sich das gemessene Lichtsignal während der Messung in seinem Zeitverlauf nicht verändert. Besteht die Aufgabe darin, Abhängigkeiten des Lichtsignales von einem weiteren Parameter zu untersuchen, so sind diese bekannten Verfahren nur dann einsetzbar, wenn es gelingt, diesen Parameter zu steuern oder wenigstens für die Dauer einer Einzelmessung konstant zu halten.Since the photon counting is based on an averaging over many signal periods, it is only applicable where the measured light signal does not change over its course of time during the measurement. If the task consists of investigating dependencies of the light signal on a further parameter, then these known methods can only be used if it is possible to control this parameter or to keep it constant at least for the duration of a single measurement.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, die Messung von Lichtsignalen mit veränderlichem Zeitverlauf zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable the measurement of light signals with a variable time course.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf dem Prinzip der Photonenzählung beruhendes Verfahren anzugeben, das die Messung der Zeitfunktion eines Lichtsignales in Abhängigkeit von einem zweiten Signal erlaubt. Dieses soll einen vorzugsweise stochastisch oder in einer anderen nicht steuerbaren Weise veränderlichen Parameter repräsentieren, von dem die Zeitfunktion abhängig ist.The invention has for its object to provide a based on the principle of the photon counting method that allows the measurement of the time function of a light signal in response to a second signal. This is to represent a preferably stochastic or in another non-controllable manner variable parameters on which the time function depends.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst. Dem Meßwertspeicher wird neben der vom TAC (bei SPC) oder vom Adressenzähler (bei MPC) gelieferten Adresse ein zweiter Adressenteil zugeführt.This object is achieved according to the invention as follows. In addition to the address supplied by the TAC (in the case of SPC) or by the address counter (in the case of MPC), a second address part is supplied to the measured value memory.
Zur Erzeugung dieses Adressenteiles gibt es mehrere Möglichkeiten:There are several possibilities for generating this address part:
1. Der zusätzliche Adressenteil wird durch Wandlung von einem oder me .reren (n)-Analog-Eingangssignalen mit Analog-Digital-Wandlern erzeugt. Diese liefern direkt je einen Adressenteil für den Speicher.1. The additional address portion is generated by conversion of one or more external analog input signals with analog-to-digital converters. These deliver directly each an address part for the memory.
Man erhält so eine η + 2 dimensionale Darstellung des Signales, wobei eine Dimension die Zeit, eine die Photonenzahl und die anderen Dimensionen die Analog-Eingangssignale repräsentieren.This gives an η + 2 dimensional representation of the signal, one dimension representing time, one the number of photons, and the other dimensions the analog input signals.
2. Der zusätzliche Adressenteil wird durch Wandlung von einem oder mehreren (n)-Analog-Eingangssignalen mit Analog-Digital-Wandlern erzeugt, deren Ausgangswerte vorher zu einem gemeinsamen Adressenteil verknüpft werden.2. The additional address portion is generated by conversion of one or more analog input signals with analog-to-digital converters whose output values are previously linked to a common address portion.
Die Messung liefert in diesem Falle eine dreidimensionale Darstellung, wobei eine Achse die Zeit, die zweite die Photonenzahl und die dritte den durch die Verknüpfung der Eingangssignale berechneten Wert darstellt.The measurement in this case provides a three-dimensional representation, with one axis representing the time, the second the number of photons and the third the value calculated by the combination of the input signals.
3. Der zusätzliche Adressenteil wird aus der über bestimmte Zeitintervalle (jeweils viele Signalperioden) integrierten Photonenzahl erzeugt. In diesem Falle erhält man eine dreidimensionale Darstellung, in der eine Achse die Zeit, die zweite die Photonenzahl und die dritte die Lichtintensität darstellt. Dieses Verfahren ist anwendbar, wenn sich im gemessenen Signal Form und Intensität des Lichtsignales parallel verändern.3. The additional address part is generated from the photon number integrated over specific time intervals (in each case many signal periods). In this case, a three-dimensional representation is obtained in which one axis represents the time, the second the number of photons and the third the light intensity. This method is applicable if the shape and intensity of the light signal change in parallel in the measured signal.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. E.» zeigen:The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. E. »show:
Fig. 1: eine Anordnung zur Messung von Zeitfunktionen in Abhängigkeit von mehreren zusätzlich zugeführten Analogsignalen, Fig. 2: eine weitere Anordnung zur Erzeugung des zusätzlichen Adressenteils für den Speicher, Fig. 3: eine Anordnung mit Anwendung der Mehrphotonenzählung.1 shows an arrangement for measuring time functions as a function of a plurality of additionally supplied analog signals, FIG. 2 shows a further arrangement for generating the additional address part for the memory, FIG. 3 shows an arrangement with application of the multiphoton count.
Die Anordnung gemäß Fig. 1 beruht auf dem Prinzip der Einzelphotonenzählung. Der Zeitpunkt für ein registriertes Photon (Impuls PHT) wird in bekannter Weise durch den Zeit-Amplituden-Konverter TAC bestimmt. Dieser liefert eine Ausgangsspannung, die linear mit dem Zeitpunkt des Impulses PHT in bezug auf den Triggerimpuls verknüpft ist. Die TAC-Ausgangsspannung wird dem Analog-Digital-Wandler ADC, zugeführt, der daraus ein digitales Adressenwort für den Meßwertspeicher erzeugt.The arrangement according to FIG. 1 is based on the principle of single photon counting. The time for a registered photon (pulse PHT) is determined in known manner by the time-amplitude converter TAC. This provides an output voltage which is linearly associated with the timing of the pulse PHT with respect to the trigger pulse. The TAC output voltage is supplied to the analog-to-digital converter ADC, which generates a digital address word for the measured value memory.
Die Datenausgänge DO des Meßwertspeichers sind über eine Additionsschaltung mit den Dateneingängen Dl verbunden. Bei der Registrierung eines Photons wird auf dem adressierten Speicherplatz der Wert 1 addiert.The data outputs DO of the measured value memory are connected via an addition circuit to the data inputs Dl. When registering a photon, the value 1 is added to the addressed memory location.
Im Unterschied zu bekannten Lösungen werden der Anordnung gleichzeitig die Analogsignale A, ...An zugeführt. Diese werden von den Analog-Digital-Wandlern ADCi ...ADCn gewandelt. In einer anschließenden digitalen Datenverarbeitungsstruktur DV wird daraus ein zweites Adressenwort gebildet. Die Adresse des Meßwertspeichers besteht somit aus einem vom TAC-Signal abhängigen Low-Teil und einem von den Analogsignalen abhängigen High-Teil.In contrast to known solutions, the arrangement is simultaneously supplied with the analog signals A,... A n . These are converted by the analog-to-digital converters ADCi ... ADC n . In a subsequent digital data processing structure DV from a second address word is formed. The address of the measured value memory thus consists of a dependent of the TAC signal low part and a dependent of the analog signals high-part.
Im Ergebnis der Messung entstehen im Speicher nicht nur eine, sondern 2k Meßkurven, wobei k die Anzahl der von DV gelieferten Bits ist, Jede Meßkurve ist einer bestimmten, von der in DV durchgeführten Operation abhängigen Kombination der Analog werte Ai ...An zugeordnet. Die Zeitfunktionen werden also durch die Analogsignale sortiert, so daß die Abhängigkeit der Zeitfunktionen von diesen Signalen untersucht werden kann.As a result of the measurement, not only one but 2 k measuring curves arise in the memory, where k is the number of bits supplied by DV. Each measurement curve is a specific combination of the analog values Ai... A n dependent on the operation performed in DV assigned. The time functions are thus sorted by the analog signals, so that the dependence of the time functions of these signals can be examined.
Es sind verschiedene Abwandlungen der Anordnung denkbar.There are various modifications of the arrangement conceivable.
Falls sich A1 ...An schnell verändern können, ist es zweckmäßig, den Wandlern ADC1 ...ADCn Sample-and-Hold-Schaltungen vorzusetzen, die mit dem Photonen-Impuls PHT getriggert werden. Außerdem ist es möglich, die Datenverarbeitung DV wegzulassen und die Adresse direkt aus den Ausgangsworten der Wandler ADCi ...ADCn zusammenzusetzen. Damit wird eine mehrdimensionale Abhängigkeit gemessen. Der Speicherplatzbedarf steigt dabei allerdings mit der Anzahl η der Signale starkIf A 1 ... A n can change rapidly, it is expedient to provide the converters ADC 1 ... ADC n sample-and-hold circuits which are triggered by the photon pulse PHT. In addition, it is possible to omit the data processing DV and to assemble the address directly from the output words of the converters ADCi ... ADC n . This measures a multi-dimensional dependence. However, the storage space requirement increases strongly with the number η of the signals
Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung des zusätzlichen Adressenteiles Ad2 für den Speicher ist in Fig. 2 gezeigt.Another possibility of generating the additional address part Ad2 for the memory is shown in FIG.
Hier wird der zusätzliche Adressenteil Ad2 aus der Anzahl der registrierten Photonen selbst gebildet. Die Photonenimpulse PHT werden dazu einem Zähler zugeführt, der die Impulse am Eingang C zählt und durch den Eingang R zurückstellen läßt.Here, the additional address part Ad 2 is formed from the number of registered photons themselves. The photon pulses PHT are supplied to a counter which counts the pulses at the input C and can be reset by the input R.
Der Zähler wird in wählbaren Zeitabständen durch den Taktimpuls T in das Register REG gelesen und anschließend gelöscht. In REG steht also die Anzahl der Photonen innerhalb des Intervalles T und damit die Lichtintensität zur Verfugung. Die Messung liefert somit Zeitfunktionen des Lichtsignales in Abhängigkeit von seiner eigenen Intensität.The counter is read at selectable intervals by the clock pulse T in the register REG and then deleted. In REG, therefore, the number of photons within the interval T and thus the light intensity is available. The measurement thus provides time functions of the light signal as a function of its own intensity.
Die Anwendung des Verfahrens in Verbindung mit der Mehrphotonenzählung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Zähler erhält als Takt die Impulse eines Oszillators OSZ. Der Triggerimpuls dient über den Eingang E als Freigabeimpuls für den Zähler.The application of the method in connection with multi-photon counting is shown in FIG. A counter receives as clock the pulses of an oscillator OSZ. The trigger pulse is via the input E as an enable pulse for the counter.
Dieser zählt daraufhin den Adressenteil Ad1 der Meßwertspeicher-Adresse aufwärts. Die Daten des Meßwertspeichers werden bei der Registrierung eines Photons (Impuls PHT) gelesen und um 1 vergrößert zurückgeschrieben.This then counts up the address part Ad 1 of the measured value memory address. The data of the measured value memory are read when registering a photon (pulse PHT) and written back by 1 magnified.
Der erfindungsgemäß zugeführte zusätzliche Adressenteil Ad2 wird in der gleichen Weise erzeugt, wie bei der Einzelphotonenzählung beschrieben.The additional address part Ad 2 supplied according to the invention is generated in the same way as described in the single-photon counting.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4339787C2 (en) * | 1993-11-18 | 2002-08-01 | Wolfgang Becker | Method and device for measuring light signals by single photon counting with temporal and spatial resolution |
| DE4339784C2 (en) * | 1993-11-18 | 2002-09-05 | Wolfgang Becker | Method and device for time-correlated single photon counting with a high registration rate |
| DE10239028B4 (en) * | 2001-08-21 | 2004-07-29 | Becker & Hickl Gmbh | Process for the identification of naturally occurring or synthetically produced melanin types |
| DE102017007376A1 (en) * | 2017-07-20 | 2019-01-24 | Becker & Hickl Gmbh | Method and device for recording optical quantum events |
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| DE102017007376B4 (en) | 2017-07-20 | 2023-05-25 | Becker & Hickl Gmbh | Method and arrangement for recording optical quantum events |
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