DD282518B5 - Verfahren zur mehrdimensionalen zeitaufgeloesten Messung von Lichtsignalen durch Photonenzaehlung - Google Patents

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

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.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Messung des Zeitverlaufes von Lichtsignalen wird bei hohen Anforderungen an die Empfindlichkeit die Photonenzäh'ung angewendet. Dieses Prinzip beruht auf der Registrierung einzelner Photonen mit einem hochverstärkendpn und zeitlich hochauflösenden Lichtempfänger.

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.

Nanosecond flourescence spectroscopy- IEEE Transactions on nuclear science NS-32 [1985] 3, S. 1232-1241; Cova. S., Bertolaccini, M., Bussolati, C.

The 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 multiphoton counting- Journal Physics E: Scientific Instruments, 19[1986]S.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 Meßsignal cynchronen Triggerimpuls.

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.

Technisch realisiert wird die Einzelphotonenzählung folgendermaßen (vgl. DD-PS 205522, G 01 J, 3/42):

Ein Triggerimpuls, der den Beginn jeder Signalperiode markiert, startet einen Zeit-Amplituden-Konverter (TAC). Dieser liefert eine zeitproportional ansteigende Spannung, bis vom Lichtempfänger durch ein registriertes Photon ein stop-lmpuls eintrifft.

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.

Da die erzeugte Speicheradresse linear vom Zeitpunkt der Photonenregistrierung abhängt, erhält man nach vielen Signalperioden im Speicher die gesuchte zeitliche Verteilung der Photonen.

Zur Messung von Lichtsignaion 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.

Die Einzelphotonenzählung ist an periodische Lichtsignale hoher Folgefrequcnz gebunden. Unter dieser Bedingung ergeben sich im Vergleich zu Verfahren mit analog arbeitender Signalverarbeitung sehr hohe Empfindlichkeiten und Genauigkeiten sowie eine verbesserte Zeitauflösung.

Die Mehrphotonenzählung beruht ebenfalls auf der Registrierung einzelner Photonen des Meßsignals. Im Unterschied zur Einzelphotonenzählung können jedoch in jeder Signalperiode mehrere Photoien registriert werden.

Bei der Mehrphotonenzählung wird die Adresse des Meßwertspeichers vom Beginn jeder Signalperiode an kontinuierlich aufwärts gezählt. Für jedes eintreffende Photon wird auf der gerade aktuellen Speicheradresse der Wert 1 addiert. Nach vielen Signalperioden erhält man dabei ebenfalls den gesuchten Zeitverlauf des Lichtsignales. Ir Gegensatz zur Einzelphotonenzählung ist jedoch die Zeitauflösung durch die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung begrenzt.

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 einsetzbai, wenn es gelingt, diesen Parameter zu steuern oder wenigstens für die Dauer einer Einzelmessung konstant zu halten.

Aus DD 205 522 („Anordnung zur Messung von Lumineszenzabklingfunktionen durch zeitkorrelierte Einzeiphotonenzählung") ist eine Anordnung bekannt, bei der die Speicheradresse aus der vom AD-Wandler erzeugten Binärzahl und einem oder mehreren zusätzlichen Bits gebildet wird. Damit können entweder nacheinander oder im Zeitmultiplex mehrerer Signale (Meßsignal, Anregungsimpuls, Vergleichssignal) gemessen und abgespeichert werden. Die Anordnung bringt bei der Untersuchung veränderlicher Objekte erhebliche Vorteile, indem mehr«· "> Signale quasi-gleichzeitig gemessen werden können. Eine wirkliche Erfassung der Veränderung, d.h. die Auflösung hinsichi ..i eines weiteren, die Veränderung charakterisierenden Parameters ist jedoch nicht vorgesehen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Messung von Lichtsignalen mit veränderlichem Zeitverlauf zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß folgendermaßen gelöst. Dem Meßwertspeicher wird neben der vom TAC (bei SPC) oder voin Adressenzähler (bei MPC) gelieferten Adresse ein zweiter Adressenteil zugeführt.

Zur Erzeugung dieses Adressenteiles gibt es mehiere Möglichkeiten:

1. Der zusätzliche Adressenteil wird durch Wandlung von einem oder mehreren (n)-Analog-Eingangssignalen mit Analog-Digital-Wandlern erzeugt. Diese liefern direkt je einen Adressenteil für den Speicher.

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.

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.

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.

3. Der zusätzliche Adressenteil wird aus der über bestimmte Zeitintervalle (jeweils viele Signalperioden) integrierten Phitonenzahl erzeugt. In diesem Falle erhält man eine dreidimensionale Darstellung, in der eine Achse die Zeit, die zweite die Phot^nenzahl und die dritte die Lichtintensität darstellt. Dieses Verfahren ist anwendbar, wenn sich im gemessenen Signal Form und Intensität des Lichtsignales parallel verändern.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

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.

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.

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.

Im Unterschied zu bekannten Lösungen werden der Anordnung gleichzeitig die Analogsignale A). ..A_n zugeführt. Diese werden von den Analog-Digital-Wandlern ADC, ...ADC_n gewandelt. In einer anschließenden digitalen Datenverarbeitungsstruktur DV wird daraus ein zweites Adressenwort gebildet. Die Adresse des Meßwertspeichers bosteht somit aus einem vom TAC-Signal abhängigen Low-Teil und einem von den Analogsignalen abhängigen High-Teil.

Im Ergebnis der Messung entstehen im Speicher nicht nur eine, sondern 2^k Meßkurven, wobei k din Anzahl der von DV gelieferten Bits ist. Jede Meßkurve ist einer bestimmic.i, von der in DV durchgeführten Operation abhängigen Kombination der Analogwert«!

A₁ ...A_n zugeordnet. Die Zeitfunktionen werden also durch die Analogsignale sortiert, so daß die Abhängigkeit der Zeitfunktionen von diesen Signalen untersucht werden kann.

Es sind verschiedene Abwandlungen der Anordnung denkbar.

Tails sich A, ...A_n schnell verändern können, ist es zweckmäßig, den Wandlern ADC) ...ADC_n 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 ...ADC_n zusammenzusetzen. Damit wird eine mehrdimensionale Abhängigkeit gemessen. Der Speicherplatzbedarf steigt dabei allerdings mit der Anzahl η der Signale stark

Eine weitere Möglichkeit der Erzeugung des zusätzlichen Adressenteiles Ad₂ für den Speicher ist in Fig. 2 gezeigt.

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.

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 dar ^;t die Lichtintensität zur Verfügung. Die Messung

liefert somit Zeitfunktionen des Lichtsign'ales in Abhängigkeit von seiner eic, .nen Intensität.

Die Anwendung des Verfahrens in Verbindung mit der Mehrphotonenzählung ist in Fig. 3 dargestellt. Ein Zähler erhält als Takt die Impulse eines O .,zillators OSZ. Der Triggerimpuls dient über den Eingang E als Freigabeimpuls für den Zähler.

Dieser zählt dai aufhin 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.

Der erfindungsgemäß zugeführte zusätzliche Adressenteil Ad₂ wird in der gleichen Weise erzeugt, wie bei der Einzelphotonenzählung beschrieben.

Claims (5)

1. Verfahren zur mehrdimensionalen zeitaufgelösten Messung von Lichtsignalen durch Photonenzählung, dadurch gekennzeichnet, daß die registrierten Photonen in einem Meßwertspeicher sowohl nach ihrer zeitlichen Lage als auch in Abhängigkeit von zusätzlich gemessenen analogen oder digitalen Signalen sortiert werden, wobei die Meßwertspeicher-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, dir: aus den zusätzlich gemessenen Signalen abgeleitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Meßwertspeicher-Adresse bei Anwendung der Einzelphotonenzählung über einen Zeit-Amplituden-Konverter und einen A-D-Wandler, die anderen über die A-D-Wandlung zusätzlicher Analog-Eingangssignale, gegebenenfalls mit anschließender digitaler Datenverarbeitung erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Meßwertspeicher-Adresse bei Anwendung der Einzelphotonenzählung über einen Zeit-Amplituden-Konverter und einen A-D-Wandler, der zweite durch Zählen der Photonen innerhalb wählbarer Zeitintervalle erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Meßwertspeicher-Adresse bei Anwendung der Mehrphotonenzählung durch einen Adressenzähler, die weiteren über die A-D-Wandlung zusätzlicher Analog-Eingangssignale gegebenenfalls mit anschließender Datenverarbeitung erzeugt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der Meßwertspeicher-Adresse bei Anwendung der Mehrphotonenzählung durch einen Adressenzähler, der zweite durch Zählen der registrierten Photonen innerhalb wählbarer Zeitintervalle erzeugt wird.