DE10153104B4 - Light measuring device for the spatially resolved detection of weak light sources - Google Patents
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Abstract
Lichtmessvorrichtung (1) zur ortsaufgelösten Detektion von schwachen Lichtquellen mittels einer abbildenden Glasfaseroptik (2) mit mehreren Glasfaserbündeln (3), deren Lichteingänge (4) an den einzelnen Messorten und deren Lichtausgänge (5) in einem zentralen Photodetektor (6) enden, der als photonenzählende, mehrstufige Multikanalplatte (26) mit einer Photokathode (27) ausgebildet ist, und einer Auswertungseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichteingänge (4) der Glasfaserbündel (3) in einer räumlichen Anordnung gleichmäßig einer geschlossenen Kugeloberfläche (10) mit in Abhängigkeit von den räumlichen Erfassungswinkeln (α) der Glasfaserbündel (3) gewählten Abständen zugeordnet sind, wobei die Gesamtheit aller räumlichen Erfassungswinkel α die Kugeloberfläche (10) vollständig überdeckt, und dass 32 Glasfaserbündel (3) vorgesehen sind, die einen Erfassungswinkel (α) in einem Bereich von 20° aufweisen und die mit ihren Lichteingängen (4) zentral in den ebenen Flächen (7, 8) eines in die Kugeloberfläche (10) eingeschriebenen regelmäßigen Polyeders (9) in der Form eines abgestumpften Ikosaeders aus 12 Fünfecken (7) und 20 Sechsecken (8) als Hilfskonstruktion zur...Light measuring device (1) for spatially resolved Detection of weak light sources by means of an imaging glass fiber optic (2) with multiple fiber bundles (3), whose light inputs (4) at the individual measuring locations and their light outputs (5) in a central photodetector (6) ending up as a photon counting, Multi-stage multi-channel plate (26) formed with a photocathode (27) is, and an evaluation unit, characterized in that the light inputs (4) the glass fiber bundle (3) in a spatial Arrangement evenly one closed sphere surface (10) with depending from the spatial Detection angles (α) the glass fiber bundle (3) elected intervals are assigned, wherein the totality of all spatial coverage angle α the spherical surface (10) completely covered, and that 32 glass fiber bundles (3) are provided which a detection angle (α) in a Range of 20 ° and those with their light inputs (4) centrally in the flat areas (7, 8) one in the spherical surface (10) inscribed regular polyhedron (9) in the form of a truncated icosahedron of 12 pentagons (7) and 20 hexagons (8) as an auxiliary construction ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtmessvorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von schwachen Lichtquellen mittels einer abbildenden Glasfaseroptik mit mehreren Glasfaserbündeln, deren Lichteingänge an den einzelnen Messorten und deren Lichtausgänge in einem zentralen Photodetektor enden, und einer Auswertungseinheit.The The invention relates to a light measuring device for spatially resolved detection from weak light sources by means of an imaging glass fiber optic with several fiber bundles, their light inputs at the individual measuring locations and their light outputs in a central photodetector end, and an evaluation unit.
Zu den schwachen Lichtquellen zählen sowohl periodische und stochastische lichtveränderliche Phänomene im Weltraum als auch eine Reihe von Lichtquellen in den Tiefen der Ozeane. Hierbei kann es sich insbesondere um Biolumineszenz oder um Cerenkovstrahlung handeln. Letztere wird hauptsächlich durch radioaktive Teilchen und atmosphärische Myonen im Wasser erzeugt. In der Forschung ist die Intensität und die räumliche Verteilung von auftretenden schwachen Lichtquellen von besonderem Interesse.To counting the weak light sources both periodic and stochastic light - changing phenomena in the Space as well as a series of light sources in the depths of the Oceans. This may be in particular bioluminescence or to Cerenkov radiation act. The latter is mainly due to radioactive particles and atmospheric Myons generated in the water. In research is the intensity and the spatial Distribution of occurring weak light sources of particular interest.
Auf dem Gebiet der Weltraumforschung ist aus dem Aufsatz „Entwicklung eines Unterwasser-Neutrinodetektors" (vgl. „Forschungsthemen DESY-Zeuthen" aus DESY, Wissenschaftlicher Jahresbericht 1995, Seiten 165–167) ein Unterwasser-Neutrinodetektor bekannt, mit dem die von Sekundärteilchen, die bei einer seltenen Reaktion von hochenergetischen Weltraum-Neutrinos entstehen, erzeugte Cerenkovstrahlung nachweisbar ist. Das Licht wird dazu in einer Vielzahl (in Planung 4.800, vgl. wysiwig://29/http://www.wissenschaft.de/ sixcms/detail.php?id=7730, Seite 1, Stand 28.03.01) von räumlich verteilten Photomultipliern registriert, die in druckfesten Glaskugeln untergebracht und in großer Wasser- oder Eistiefe angeordnet werden. Aus den Ankunftszeiten und den Amplituden wird die Bahn der Sekundärteilchen (i.a. Myonen) rekonstruiert. Die Signatur von Sekundärteilchen aus Neutrino-Reaktionen besteht aus ihrer Richtung: sie durchqueren den Photodetektor von unten kommend, da die gesuchten Weltraum-Neutrinos zuvor die Erde als Filter durchtunneln müssen. Wichtig für die Neutrino-Identifizierung ist daher eine möglichst fehlerfreie Rekonstruktion des Zenithwinkels der sekundären Myonen, um diese von den von oben aus der Atmosphäre kommenden, sehr viel häufiger auftretenden Myonen unterscheiden zu können. Aus einem Vortrag von G. van Aller auf der Frühjahrstagung der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft (vgl. G. van Aller et al., Tagungsband der Frühjahrstagung der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft, veröffentlicht in Helv. Phys. Acta 59 (1986), Seiten 1119–1133, Auszug Kapitel 1 und 2) ist der Aufbau der einzelnen optischen Module näher bekannt, bei denen die obere Hälfte der druckfesten Auftriebskugel innen mit einer großflächigen Photokathode ausgelegt ist. Dadurch wird zwar eine besonders hohe Empfindlichkeit erreicht, es wird jedoch auch ein hoher Dunkelstrom bzw. ein hohes elektronisches Rauschen registriert.On The field of space research is from the essay "Development an underwater neutrino detector "(see" Research topics DESY-Zeuthen "from DESY, Wissenschaftlicher Annual Report 1995, pages 165-167) an underwater neutrino detector is known with which of secondary particles, in a rare reaction of high-energy space neutrinos arise, generated Cerenkov radiation is detectable. The light is doing so in a variety (in planning 4,800, see Wysiwig: // 29 / http: //www.wissenschaft.de/ sixcms / detail.php? id = 7730, page 1, stand 28.03.01) of spatially distributed Photomultipliern registered, which housed in pressure-resistant glass balls and in big Water or ice depth can be arranged. From the arrival times and the amplitudes, the path of the secondary particles (i.a. Myonen) is reconstructed. The signature of secondary particles Neutrino reactions consist of their direction: they traverse The photodetector coming from below, because the sought-after space neutrinos previously have to tunnel through the earth as a filter. Important for neutrino identification is therefore one possible error-free reconstruction of the zenith angle of the secondary muons these are from the much more common muons coming from the atmosphere to be able to distinguish. From a lecture by G. van Aller at the Spring Meeting of the Swiss Physical Society (see G. van Aller et al., Proceedings the Spring Conference Swiss Physical Society, published in Helv. Phys. Acta 59 (1986), pages 1119-1133, Excerpt Chapter 1 and 2) is the structure of the individual optical modules closer known, where the top half the pressure-resistant buoyancy sphere inside with a large-area photocathode is designed. Although this is a particularly high sensitivity reached, but it is also a high dark current or a high registered electronic noise.
Auf
dem Gebiet der Biolumineszenzforschung ist ein Tiefseephotometer
(HIDEX-BP – „high intake
defined excitation bathyphotometer") aus dem Aufsatz „Scales of measurements and
methods of calibration" bekannt
(vgl. Workshop-Abstracts, E.A.Widder, http://lifesci.uscb.edu/~biolum/sdworkshop/
widderabs.html, Stand 12.10.2001). Bei diesem computerunterstützten Tiefseephotometer
handelt es sich um eine röhrenförmige Messapparatur (vgl.
Auf
dem Gebiet der Bildprojektion ist aus der
Eine ähnliche
aufgebaute Vorrichtung zur permanenten Erfassung der Strahlungsdichte
von diffusem Tageslicht (Pyranometer) ist aus der
Wiederum auf dem Gebiet der Weltraumforschung ist aus dem Aufsatz „Das Mehr-Kanal-Spektralphotometer MEKASPEK" von K.-H. Mantel, Universitäts sternwarte München, Deutschland (vgl. http://bigbang.usm.unimuenchen.de:8002/USM/WDST/inst/meka/index german.html, Seiten 1–21, Stand 09.07.2001) zur Untersuchung veränderlicher Sterne ein in seinen Abmaßen bereits relativ kompaktes Mehr-Kanal-Spektralphotometer bekannt, mit dem örtlich und spektral aufgelöste Messungen von Helligkeitsveränderungen auf sehr kurzen Zeitskalen mit hoher Genauigkeit durchführbar sind. Dazu leiten vier, eine Vielzahl von einzelnen Glasfasern umfassende Glasfaserbündel, die in der Fokalebene eines Teleskops rechnergesteuert auf das Messobjekt, zwei Vergleichsobjekte und den Himmelshintergrund justiert sind, die jeweils empfangenen Lichtsignale in einen Doppel-Prismenspektrographen. Dort wird das Licht spektral zerlegt und auf die Photokathode eines zweidimensionalen, photonenzählenden Detektors abgebildet. Die über den Photoeffekt entstehenden Elektronen werden mit Hilfe einer Kaskade von 5 Mikrokanalplatten verstärkt und auf eine Widerstandsanode geleitet. Ein VME-Bus-Rechnersystem wird zur Registrierung und Auswertung der Messdaten verwendet. Zur Auswahl der Objekte und zur Nachführung des Teleskops während der Beobachtung wird eine CCD-Kamera mit Bildverstärker eingesetzt. Die Glasfaserbündel weisen kreisförmige Lichteingänge und rechteckige, an den Eingangsgalt des Spektrographen angepasste Lichtausgänge auf.In turn in the field of space research is from the article "The multi-channel spectrophotometer MEKASPEK "by K.-H. Mantel, University Observatory Munich, Germany (see http://bigbang.usm.unimuenchen.de:8002/USM/WDST/inst/meka/index german.html, pages 1-21, Stand 09.07.2001) to investigate variable stars in his dimensions already relatively compact multi-channel spectrophotometer known with the local and spectrally resolved Measurements of brightness changes very short time scales with high accuracy are feasible. To this end, four, a variety of individual glass fibers comprehensive Glass fiber bundles, the in the focal plane of a telescope computer-controlled on the measurement object, two comparison objects and the sky background are adjusted, the respective received light signals in a double-prism spectrograph. There, the light is spectrally decomposed and onto the photocathode of a two-dimensional, photon counting Detector shown. The over the Photoelectric resulting electrons are using a cascade reinforced by 5 microchannel plates and directed to a resistance anode. A VME bus computer system is registering and evaluation of the measured data used. To select the objects and for tracking of the telescope during The observation uses a CCD camera with image intensifier. The glass fiber bundles point circular light inputs and rectangular, adapted to the input law of the spectrograph light output on.
Bei dieser bekannten Lichtmessvorrichtung, von der für die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgegangen wird, ist entsprechend der Fokalebene nur ein kleiner Raumwinkel erfassbar. Es können nur solche Objekte detektiert werden, die zuvor durch Beobachtung genau lokalisiert wurden, sodass die vier lichteinfangenden Glasfaserbündel entsprechend justiert werden müssen. Während der Messung sind ständig Nachjustagen erforderlich, wenn die zu messenden Objekte den jeweiligen Erfassungsbereich der einzelnen Glasfaserbündel verlassen. Eine allgemeine Ortsauflösung zur freien Lichtdetektion im gesamten Raum ist mit der bekannten Messvorrichtung nicht möglich. Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist daher darin zu sehen, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine Ortsauflösung im kompletten 4π-Raum erreicht wird. Dabei sollen auch sich bewegende Objekte kontinuierlich detektierbar sein. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung soll kompakt und unempfindlich in ihrem Aufbau sein. Eine einfache Herstellung und Handhabung sollen gewährleistet sein.at this known light measuring device, of which for the present invention as nearest State of the art is assumed, according to the focal plane only a small solid angle detectable. Only such objects can be detected that were previously accurately located by observation so the four light-trapping glass fiber bundles adjusted accordingly Need to become. While the measurement are constant Adjustments required if the objects to be measured are the respective ones Exit the detection range of the individual fiber optic bundles. A general spatial resolution For free light detection throughout the room is familiar with the Measuring device not possible. The The object underlying the present invention is therefore therein to see, a measuring device of the type mentioned in such a way that a spatial resolution in the complete 4π space is reached. It should also be moving objects continuously be detectable. The measuring device according to the invention should be compact and be insensitive in their construction. A simple production and handling should be guaranteed be.
Als Lösung ist bei einer Lichtmessvorrichtung der eingangs beschriebenen, gattungsgemäßen Art deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Lichteingänge der Glasfaserbündel in einer räumlichen Anordnung gleichmäßig einer geschlossenen Kugeloberfläche mit in Abhängigkeit von den räumlichen Erfassungswinkeln α der Glasfaserbündel gewählten Abständen zugeordnet sind, wobei die Gesamtheit aller räumlichen Erfassungswinkel α die Kugeloberfläche vollständig überdeckt.When solution is in a light measuring device of the type described above, generic type Therefore provided according to the invention, that the light inputs the glass fiber bundle in a spatial Arrangement evenly one closed sphere surface with in dependence from the spatial Detection angles α the glass fiber bundle selected intervals are assigned, wherein the totality of all spatial coverage angle α completely covers the spherical surface.
Bei der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung wird der Messraum auf eine Kugeloberfläche mit der Einheitsoberfläche 4π übertragen. Um den gesamten Messraum vollständig erfassen zu können, wird dieser nunmehr in eine Anzahl möglichst gleichgroßer Einzelflächen gleichmäßig aufgeteilt. Die Größe der Einzelflächen hängt dabei vom räumlichen Erfassungswinkel α ab, den jedes zentral in den Einzelflächen mit seinem Lichteingang geführte Glasfaserbündel aufweist. In einer bereits geringen Entfernung zur Kugeloberfläche ergibt sich ein lückenlose Aneinanderreihung aller Erfassungsbereiche. Die Unter- bzw. Überdeckung der einzelnen Erfassungsbereiche vor bzw. hinter der optimalen Entfernung kann bei der Messauswertung kompensiert werden. Eine Überdeckung der Erfassungsbereiche führt zu einer gleichzeitigen Detektion eines Lichtpulses durch zwei oder mehr Glasfaserbündel. Dies kann zur Bestimmung der Entfernung des Lichtereignisses verwendet werden. Insgesamt ist eine in Abhängigkeit vom gewählten Erfassungswinkel α genau bestimmte Anzahl von Einzelflächen definiert, mit denen der 4π-Raum vollständig erfassbar ist. Jedes im Raum auftretende Lichtereignis wird sicher von einem Glasfaserbündel eingefangen und zur Photonenmessung weitergeleitet. Durch die Kenntnis des Lagewinkels des jeweils lichtsendenden Glasfaserbündels ist neben einer Aussage über die Lichtintensität auch sofort eine Aussage über den Winkelauftrittsort des aufgetretenen Lichtereignisses möglich. Somit können mit der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung mit hoher Empfindlichkeit und Ortsauflösung Lichtereignisse von schwachen Lichtquellen im gesamten 4π-Raum um die Glasfaseroptik einfach und zuverlässig detektiert werden.In the light measuring device according to the invention, the measuring space is transferred to a spherical surface with the unit surface 4π. In order to fully capture the entire measuring space, it is now evenly divided into a number of individual areas of the same size. The size of the individual surfaces depends on the spatial coverage angle α, which has each guided centrally in the individual areas with its light entrance glass fiber bundle. At an already short distance from the surface of the sphere, there is a complete juxtaposition of all detection ranges. The under- or overlapping of the individual detection ranges before and after the optimal distance can be compensated during the measurement evaluation. An overlap of the detection areas leads to a simultaneous detection of a light pulse through two or more fiber optic bundles. This can be used to determine the removal of the light event. Altogether, a number of individual surfaces which are precisely determined as a function of the selected detection angle α is defined, with which the 4π space can be completely detected. Everybody in the Space incident light event is safely captured by a fiber optic bundle and forwarded to the photon measurement. By knowing the positional angle of the respective light-emitting fiber-optic bundle, in addition to a statement about the light intensity, it is also possible to make an immediate statement about the angular occurrence location of the light event that has occurred. Thus, with the light measuring device according to the invention with high sensitivity and spatial resolution light events of weak light sources in the entire 4π space can be detected easily and reliably around the optical fiber optics.
Für die Zuordnung der Glasfaserbündel zu einer geschlossenen Kugeloberfläche als Projektion des vollständigen 4π-Raumes können diese beispielsweise direkt in die Oberfläche einer Kugel integriert sein. Dabei wird ihr gegenseitiger Abstand vom Erfassungswinkel α festgelegt. Je kleiner dieser ist, desto enger sind die Glasfaserbündel zu positionieren und desto mehr Glasfaserbündel sind erforderlich. Außerdem ist die Realisierung einer symmetrischen Anordnung auf einer Kugeloberfläche äußerst schwierig. Gäbe es Glasfaserbündel mit einem Erfassungswinkel α von 2π, wären hingegen nur 6 Glasfaserbündel erforderlich, die in die Flächen eines Würfels integriert sind. Derartige Erfassungswinkel α sind aber derzeit nicht realisierbar. Eine annähernd symmetrische Verteilung einer immer noch relativ geringen Anzahl von Glasfaserbündeln kann aber erreicht werden, wenn nach einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung 32 Glasfaserbündel vorgesehen sind, die einen Erfassungswinkel α in einem Bereich von ±20° aufweisen und die mit ihren Lichteingängen zentral in den ebenen Flächen eines in die projizierte Kugeloberfläche eingeschriebenen regelmäßigen Polyeders in der Form eines Bucky Balls aus 12 Fünfecken und 20 Sechsecken geführt sind. Der aus der Fullerenchemie bekannte Bucky Ball als dritte Erscheinungsform des Kohlenstoffs beschreibt eine Struktur, wie sie beispielsweise auch von einem Fußball bekannt ist. Im Unterschied hierzu sind die Einzelflächen jedoch eben und nicht gerundet. Trotzdem wird mit dem Bucky Ball bei der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung eine gute Annäherung an eine Kugeloberfläche erreicht, da die Glasfaserbündel in flächenzentralen Bohrungen so geführt werden, dass sie die projizierte (oder reale) Kugeloberfläche (bzw. deren Innenfläche) erreichen. Der Abstand zwischen den ebene Flächen des Bucky Balls und der ihn umschreibenden Kugel wird somit ausgeglichen. Ein Erfassungswinkel α in einem Bereich von ±20°, insbesondere ±20,7°, ist ein für gebräuchliche Glasfaserbündel üblicher Wert. Eine Verteilung von 32 derartigen Glasfaserbündeln in Ausrichtung auf die Zentren der sich abwechselnden Fünf- und Sechsecke des Bucky Balls gewährleistet damit in einfacher Weise in einem nur relativ geringen Abstand zur Kugeloberfläche bereits eine vollständige, optimale Erfassung des 4π-Raumes mit einer relativ geringen Anzahl von Glasfaserbündeln, sodass auch der Aufwand bei der Auswertung der Messergebnisse moderat ist. Durch die Positionierung der Lichteingänge der Glasfaserbündel zentral in den einzelnen Flächen des Bucky Balls, der damit als Hilfskonstruktion zur Fixierung der Lichteingänge anzusehen ist, wird eine weitgehend symmetrische Anordnung der einzelnen Glasfaserbündel mit nahezu konstanten Abständen zueinander erreicht. Dabei wird die Montage und Wartung noch vereinfacht, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung der Polyeder in Form eines Bucky Balls in zwei symmetrische Hälften mit je 16 Teilflächen aufgeteilt ist. Diese lassen sich in einfacher Weise von innen her mit den Glasfaserbündeln bestücken und dann zusammenfügen, wobei nur eine einzige Datenleitung aus dem Innern herausgeführt werden muss. Die Einzelflächen des Bucky Balls können transparent sein, um einen einfachen Einblick in das Innere zu ermöglichen. Sie können aber auch lichtundurchlässig sein, wodurch Fehlmessungen durch Störlicht vermieden werden.For the assignment the glass fiber bundle to a closed spherical surface as a projection of the complete 4π-space they can for example, integrated directly into the surface of a sphere be. Their mutual distance from the detection angle α is determined. The smaller this is, the closer the fiber optic bundles are to position and the more fiber optic bundles are required. Besides that is the realization of a symmetrical arrangement on a spherical surface extremely difficult. There would be glass fiber bundle with a detection angle α of 2π, however, would be only 6 fiber optic bundles required in the areas a cube are integrated. Such coverage angle α are currently not feasible. An approximate symmetrical distribution of a still relatively small number of glass fiber bundles but can be achieved if according to an embodiment of the light measuring device according to the invention 32 glass fiber bundles are provided, which have a detection angle α in a range of ± 20 ° and those with their light inputs centrally in the flat areas a regular polyhedron inscribed in the projected spherical surface in the form of a Bucky ball made up of 12 pentagons and 20 hexagons. The fullerene chemistry known Bucky Ball as a third manifestation of carbon describes a structure such as, for example also from a football is known. In contrast to this, however, the individual surfaces are flat and not rounded. Nevertheless, with the Bucky Ball at the Light measuring device according to the invention a good approach to a spherical surface achieved because the fiber optic bundles in area centers Drilled so be that they the projected (or real) spherical surface (or. their inner surface) to reach. The distance between the flat surfaces of the Bucky Ball and the thus circumscribing sphere is thus compensated. A detection angle α in one Range of ± 20 °, in particular ± 20,7 °, is a for common Glass fiber bundles more usual Value. A distribution of 32 such fiber bundles in Orientation to the centers of the alternating five- and Hexagons of the Bucky Ball ensures with it in a simple manner in a relatively small distance to the spherical surface already a complete, optimal detection of the 4π-space with a Relatively small number of fiber optic bundles, so that the effort is moderate in the evaluation of the measurement results. By the positioning the light inputs the glass fiber bundle centrally in the individual areas of the Bucky Ball, which serves as an auxiliary construction for fixing the To look at light inputs is, is a largely symmetrical arrangement of the individual fiber optic bundles almost constant distances reached each other. The assembly and maintenance is simplified if according to a next Inventive design of the polyhedra in the shape of a Bucky Ball in two symmetrical halves each with 16 partial surfaces is divided. These can be easily from the inside with the glass fiber bundles equip and then put it together, with only a single data line leading out of the interior got to. The individual surfaces of the Bucky Ball be transparent to allow easy insight into the interior. You can but also opaque be, whereby erroneous measurements are avoided by stray light.
Zur möglichen Erfüllung von speziellen Anforderungen an die erfindungsgemäße Lichtmessvorrichtung im Messbetrieb und bei der Messauswertung ist es vorteilhaft, wenn bei dieser gemäß einer Erfindungsfortführung vorgesehen ist, dass in der Glasfaseroptik zwischen den Lichtausgängen der Glasfaserbündel und dem zentralen Photodetektor eine optische Zusatzkomponente vorgesehen ist. Diese kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung insbesondere eine einzelne Konvexlinse oder zwei Konvexlinsen mit einem dazwischen angeord neten Filterrad aufweisen. Im Falle einer einzelnen Konvexlinse; die der Lichtstrahlfokussierung dient, muss diese jeweils einen Abstand in Höhe ihrer doppelten Brennweite zum Lichtausgang des Glasfaserbündels und zur Photokathode des Detektors haben. Werden, wie im zweiten Fall, zwei Konvexlinsen mit einem dazwischen liegenden Filterrad verwendet, ist jeweils nur der einfache Brennweitenabstand erforderlich. Das Filterrad kann Interferenzmessungen dienen. Insbesondere ist es gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung vorteilhaft, wenn das Filterrad einen Durchlassfilter mit einer Transmission τ = 1, einen Sperrfilter mit einer Transmission τ = 0, einen neutralen Abschwächfilter, beispielsweise mit einer Transmission τ = 0,001, einen Rotfilter und einen Blaufilter aufweist. Somit können verschiedenen Messbedingungen durch einfache Rotation des Filterrades hergestellt werden. Dabei kann das Filterrad über dieselbe Zuleitung wie die Messanordnung gesteuert werden. Der Durchlassfilter bzw. eine Position im Filterrad ohne Filter realisiert einen einfachen Messaufbau mit zwei Konvexlinsen. Der Abschwächungsfilter, der beispielsweise nur 1/1000 der auftreffenden Lichtstrahlung durchlässt, wird eingesetzt, um den empfindlichen Photodetektor zu schützen, wenn relativ lichtstarke Ereignisse – als Stör- oder auch als Messereignisse – erwartet werden. Blau- und Rotlichtfilter werden verwendet, wenn Lichtereignisse mit einem Schwerpunkt im jeweiligen Spektralbereich erwartet oder detektiert werden sollen. Bei der Lagerung und beim Transport der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung bis zu seinem Einsatzort in der Umgebung schwacher Lichtquellen ist es darüber hinaus sinnvoll, den empfindlichen Photodetektor durch den Sperrfilter vollständig abzuschatten, das heißt, zu verschließen, um Zerstörungen zu vermeiden.For the possible fulfillment of special requirements for the light measuring device according to the invention in the measuring operation and in the measurement evaluation, it is advantageous if it is provided according to a Invention continuation, that in the optical fiber optics between the light outputs of the fiber optic bundle and the central photodetector an additional optical component is provided. This can according to a further embodiment, in particular a single convex lens or two convex lenses having an interposed angeord Neten filter wheel. In the case of a single convex lens; which serves the light beam focusing, this must each have a distance equal to their double focal length to the light output of the glass fiber bundle and the photocathode of the detector. If, as in the second case, two convex lenses are used with an intermediate filter wheel, only the simple focal distance is required in each case. The filter wheel can serve interference measurements. In particular, according to a next embodiment of the invention it is advantageous if the filter wheel has a transmission filter with a transmission τ = 1, a blocking filter with a transmission τ = 0, a neutral attenuation filter, for example with a transmission τ = 0.001, a red filter and a blue filter. Thus, different measurement conditions can be established by simple rotation of the filter wheel. In this case, the filter wheel can be controlled via the same feed line as the measuring arrangement. The pass filter or a position in the filter wheel without filter realizes a simple measuring setup with two convex lenses. The attenuation filter, which transmits, for example, only 1/1000 of the incident light radiation, is used to protect the sensitive photodetector when relatively bright events - as interference or as Mes events - to be expected. Blue and red light filters are used when light events with a center of gravity in the respective spectral range are to be expected or detected. When storing and transporting the light measuring device according to the invention to its place of use in the environment of weak light sources, it is also useful to completely shade the sensitive photodetector through the notch filter, that is, to close to avoid destruction.
Bei dem empfindlichen Photodetektor kann es sich um eine elektronische Kamera, beispielsweise um eine CCD-Kamera (Charge Coupled Device) handeln. Diese weist zwar ein zweidimensionales Abbildungsfeld auf, auf der eine gewisse Spektrumsbreite abbildbar ist. Derartige Kameras registrieren aber keine einzelnen Photonen, sondern integrieren auftreffende Photonen vor ihrem Nachweis auf. Deshalb ist es gemäß einer nächsten Fortführung der erfindungsgemäßen Lichtmessvorrichtung vorteilhaft, wenn der zentrale Photodetektor als photonenzählende, mehrstufige Multikanalplatte mit einer Photokathode ausgebildet ist und die runden Lichteingänge der Glasfaserbündel in rechteckige Lichtausgänge überführt sind, die entweder mit einem Abbildungsverhältnis von 1:1 auf die Photokathode abgebildet werden oder eng benachbart als Reihen oder Spalten direkt an der Photokathode positioniert sind. Bei der 1:1-Abbildung auf die Photokathode entspricht das von den rechteckigen Lichtausgängen gebildete Glasfaserarray dann dem Raster des Kanalplattendetektors. Für die Signalerfassung kann insbesondere ein Photodetektor mit einer zweistufigen Mikrokanalplatte eingesetzt werden. Ein auf die Photokathode auftreffendes Lichtquant setzt über den äußeren Photoeffekt ein Elektron frei, das im angelegten Hochspannungsfeld beschleunigt wird und in dem zugeordneten Kanal der Mikrokanalplatte einen Lawineneffekt auslöst. Abhängig von der Größe des elektrischen Feldes werden pro Photonenereignis 103 bis 106 Elektronen freigesetzt. Diese treffen auf ein Anodenarray zum Nachweis der Elektronenwolke. Mit den Anschlüssen des Anodenarrays ist dann die Messwertelektronik verbunden. Die Photokathode besitzt zwar in Abhängigkeit von der Wellenlänge eine maximale Quantenausbeute von 20%, das heißt, dass nur von jedem fünften auftreffenden Photon eine Ladungswolke erzeugt wird, trotzdem sind mit einem derartig empfindlichen Photonendetektor auch einzelne Photonen, die bei schwachen Lichtquellen des Öfteren auftreten können, durchaus registrierbar. Die Überführung der runden Lichteingänge in rechteckige Lichtausgänge der Glasfaserbündel dient einer besonders einfachen und schnellen Zuordnung der Messwerte zu den Messorten.The sensitive photodetector can be an electronic camera, for example a CCD camera (charge coupled device). Although this has a two-dimensional image field on which a certain spectrum width can be imaged. However, such cameras do not register individual photons, but integrate incident photons before they are detected. Therefore, it is advantageous according to a next continuation of the light measuring device according to the invention, when the central photodetector is designed as a photon counting, multistage multi-channel plate with a photocathode and the round light inputs of the glass fiber bundles are converted into rectangular light outputs, either with a reproduction ratio of 1: 1 on the photocathode imaged or closely adjacent as rows or columns are positioned directly on the photocathode. In the 1: 1 image on the photocathode corresponds to the glass fiber array formed by the rectangular light outputs then the grid of the channel plate detector. For the signal detection, in particular a photodetector with a two-stage microchannel plate can be used. An incident on the photocathode quantum of light releases an electron via the external photoelectric effect, which is accelerated in the applied high voltage field and triggers an avalanche effect in the associated channel of the microchannel plate. Depending on the size of the electric field 10 3 to 10 6 electrons are released per photon event. These meet an anode array for detection of the electron cloud. The measuring electronics are then connected to the terminals of the anode array. Although the photocathode has a maximum quantum efficiency of 20% as a function of the wavelength, that is to say that a charge cloud is only generated by every fifth impinging photon, with such a sensitive photon detector individual photons which often occur in weak light sources are nevertheless present , quite registrable. The conversion of the round light inputs into rectangular light outputs of the fiber optic bundles provides a particularly simple and fast assignment of the measured values to the measuring locations.
Die auf der Lichteintrittsseite getrennten und durchnummerierten 32 Glasfaserbündel sind durch Messinghülsen mechanisch stabilisiert und im Raum beliebig ausrichtbar. Auf der Lichtaustrittsseite der Faseroptik erfolgt die Anordnung der einzelnen Glasfasern derart, dass jedes Bündel in ein Rechteck überführt ist und die Summe der nebeneinander angeordneten Rechtecke ein Array ergibt, in dem sich die Rechtecke in der gleichen Nummerierung wiederfinden. Die einzelnen Rechtecke sind durch dünne Bleche oder Folien mechanisch getrennt. Stattdessen ist das gesamte Array zur Stabilisierung in eine rechteckige Aussparung eines Messingzylinders eingegossen und zusätzlich durch einen Schrumpfschlauch stabilisiert. Die Form und Größe des Arrays entspricht im Abbildungsmaßstab 1:1 der Anordnung der Anoden hinter der zweistufigen Kanalplatte. Die Kanalplatte sowie die unmittelbar davor befindliche Photokathode sind nicht strukturiert. Die geringen Abstände zwischen Photokathode, Kanalplatte und Anoden vermeiden weitgehend eine Streuung der freigesetzten Elektronen und lassen eine eindeutige Zuordnung zwischen dem Ort auf der Photokathode, an dem das Photoelektron erzeugt wird, und der jeweiligen Anode zu.The separated and numbered 32 on the light entry side glass fiber bundle are through brass sleeves mechanically stabilized and arbitrarily alignable in the room. On the Light exit side of the fiber optics is the arrangement of the individual Glass fibers such that each bundle is converted into a rectangle and the sum of the juxtaposed rectangles an array results, in which the rectangles are found in the same numbering. The individual rectangles are mechanical due to thin sheets or foils separated. Instead, the entire array is in for stabilization a rectangular recess of a brass cylinder and cast additionally stabilized by a shrink tube. The shape and size of the array match in the reproduction scale 1: 1 of the arrangement of anodes behind the two-stage channel plate. The channel plate and the photocathode immediately in front of it are not structured. The small distances between photocathode, Channel plate and anodes largely avoid scattering of the released Electrons and leave a clear association between the place on the photocathode, where the photoelectron is generated, and the respective anode.
Ein erster möglicher Schutz der hochempfindlichen Lichtmessvorrichtung nach der Erfindung wurde in Form des zusätzlichen Filterrades beschrieben. Ein weiterer Schutz vor Zerstörung ist gegeben, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung die Glasfaseroptik mit den Lichtausgängen der Glasfaserbündel von einer lichtundurchlässigen Gummitülle umgeben ist. Mit einer einfachen Gummitülle kann die empfindliche Optik sowohl vor Licht als auch vor Wasser, insbesondere Spritz- und Schwitzwasser geschützt werden. Darüber hinaus kann die gesamte Messvorrichtung bei Unterwassermessungen von schwachen Lichtquellen wirksam gegen Wasser geschützt werden, wenn nach einer anderen Erfindungsfortführung die Kugeloberfläche von einer unterwassertauglichen Glaskugel in Form einer druckfesten, äquatorial geteilten Auftriebskugel gebildet ist, die an ihrem Nordpol einen Unterwasserstecker zum Anschluss eines Versorgungs- und Datenaustauschkabels und ein Be- und Entlüftungsventil aufweist. In der Auftriebskugel sind dann die optischen und elektronischen Komponenten für die Lichtmessung untergebracht. Über ein an den Unterwasserstecker anschließbares Einleiterkabel (die Abschirmung ist der zweite Leiter) als Versorgungs- und Datenübertragungsleitung ist die Auftriebskugel beispielsweise mit einem Forschungsschiff als Überwassereinheit verbunden. Dort befindet sich insbesondere eine Rechnereinheit, mit deren Software die Einstellungsaufgaben, die Auswertung und Darstellung der Messdaten erfolgen. Die Auftriebskugel, die über eine Druckfestigkeit für Wassertiefen bis 6000 m verfügen kann, besteht aus zwei Halbkugeln mit plangeschliffenen Rändern. Als Glas wird Borosilikat mit einem Brechungsindex von n = 1,48 (n von Wasser = 1,33) verwendet. Um die Kugelhälften zu verschließen, werden die Glasschliffe sorgfältig von Fett und Staub gereinigt und die beiden Halbschalen mit geringem Druck durch Evakuieren über das Be- und Entlüftungsventil aufeinandergepresst. Bei den Messungen in der Tiefsee sorgt dann der Wasserdruck für einen verstärkten Zusammenhalt der beiden Hälften. Eine Demontage erfolgt nach vorheriger Belüftung über das Ventil.A first possible protection of the highly sensitive light measuring device according to the invention has been described in the form of the additional filter wheel. Further protection against destruction is given if, according to a next embodiment of the invention, the glass fiber optic with the light outputs of the glass fiber bundles is surrounded by an opaque rubber grommet. With a simple rubber grommet, the sensitive optics can be protected from both light and water, especially spray and condensation water. In addition, the entire measuring device can be effectively protected from underwater measurements of weak light sources against water, if according to another Invention continuation, the ball surface is formed by a untersertauglichen glass ball in the form of a pressure-resistant, equatorial divided buoyancy ball, at its north pole an underwater plug for connecting a supply and data exchange cable and a ventilation valve. The buoyancy sphere then houses the optical and electronic components for the light measurement. By way of a single conductor cable which can be connected to the underwater plug (the shield is the second conductor), the buoyancy sphere is connected, for example, to a research vessel as an overwater unit as a supply and data transmission line. There, in particular, there is a computer unit with whose software the setting tasks, the evaluation and presentation of the measured data take place. The buoyancy ball, which can have a compressive strength for water depths up to 6000 m, consists of two hemispheres with ground edges. Borosilicate with a refractive index of n = 1.48 (n of water = 1.33) is used as the glass. To close the ball halves, the glass cuts are carefully made of grease and Dust cleaned and pressed the two half-shells with low pressure by evacuation via the air valve. In the measurements in the deep sea, the water pressure then ensures a stronger cohesion of the two halves. Dismantling takes place after previous ventilation via the valve.
Zum einfachen Ein- und Ausbringen der in der beschriebenen Weise mit einer Auftriebskugel geschützten Lichtmessvorrichtung vor Ort unter relativ rauen Einsatzbedingungen ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung die Auftriebskugel über zwei gegeneinander verspannte Halteringe in Höhe der Wendekreise in einem Haltegestell gelagert ist, das über ein Drahtseil absenkbar ist. Die Halteringe verstärken noch den Zusammenhalt der beiden Kugelhälften und stellen einen sicheren Anschluss an ein robustes Haltegestell dar. Dieses gewährleistet einen sicheren Schutz der Lichtmessvorrichtung sowohl unter Wasser als auch bei der Lagerung über Wasser, insbesondere an Bord eine Forschungsschiffes. Weitere konstruktive Details sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.To the easy insertion and removal of in the manner described a buoyancy ball protected Light measuring device on site under relatively harsh operating conditions it is particularly advantageous if, according to a next embodiment of the invention the buoyancy ball over two mutually braced retaining rings in the amount of the tropics in one Holding rack is stored, the over a wire rope is lowered. The retaining rings reinforce the Cohesion of the two hemispheres and provide a secure connection to a sturdy rack This ensures safe protection of the light measuring device both under water as well as during storage Water, especially on board a research vessel. Further constructive Details can be found in the special description section.
Beispielhafte Ausbildungsformen der Lichtmessvorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren und Diagramme zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigtexemplary Embodiments of the light measuring device according to the invention will be below with reference to the schematic figures and diagrams for further understanding closer to the invention explained. It shows
In
der
Die
Die
In
den
In
der
Die
- 11
- LichtmessvorrichtungLight measuring device
- 22
- GlasfaseroptikFiber optic
- 33
- Glasfaserbündelglass fiber bundle
- 44
- Lichteinganglight input
- 55
- Lichtausganglight output
- 66
- Photodetektorphotodetector
- 77
- fünfeckige Flächepentagonal area
- 88th
- sechseckige Flächehexagonal area
- 99
- Polyederpolyhedron
- 1010
- Kugeloberflächespherical surface
- 2020
- optische Zusatzkomponenteoptical additional component
- 2121
- Konvexlinseconvex lens
- 2222
- Konvexlinseconvex lens
- 2323
- Filterradfilter wheel
- 2424
- Gehäusecasing
- 2525
- Befestigungattachment
- 2626
- MultikanalplatteMulti-channel plate
- 2727
- Photokathodephotocathode
- 2828
- Schrumpfschlauchshrinkable tubing
- 2929
- Filtereinsatzfilter cartridge
- 3030
- Sperrfiltercut filter
- 3131
- PhotokathodenfensterPhotocathodes window
- 3232
- Anodenarrayanode array
- 4040
- Hälfte eines PolyedersHalf of one polyhedron
- 5050
- RechteckquerschnittRectangular cross-section
- 5151
- rechteckiger Ausschnittrectangular neckline
- 5252
- Messingzylinderbrass cylinder
- 5353
- Glasfaserarrayfiber optic array
- 5454
- Photokathodephotocathode
- 5555
- Verstärkerschichtpromoting layer
- 5656
- Einzelanodesingle anode
- 5757
- Auswertungseinheitevaluation unit
- 5858
- Datenleitungdata line
- 5959
- Abbildungsoptikimaging optics
- 6060
- Auftriebskugeldrift ball
- 6161
- Klebebandringtape ring
- 6262
- UnterwassersteckerUnderwater plug
- 6363
- Versorgungs- und Datenaustauschkabelsupply and data exchange cable
- 6464
- Be- und Entlüftungsventilloading and bleed valve
- 6565
- Halteringretaining ring
- 6666
- Haltegestellholding frame
- 6767
- DrahtseilWire rope
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Van Aller, G. et al.: Titel nicht bekannt. In: Helv. Phys. Acta 59 (1986), S. 1119-1133, Auszug Kap. 1 u. 2 * |
Widder,E.A.: Scales of measurements and methods of calibration (Abstract). SD Workshop-Abstracts. Im Internet: <http://lifesci.uscb.edu/ APPROX biolum/sdworkshop/widderabs.html>, Stand 12.10.2001 * |
Widder,E.A.: Scales of measurements and methods of calibration (Abstract). SD Workshop-Abstracts. Im Internet: <http://lifesci.uscb.edu/~biolum/sdwo rkshop/widderabs.html>, Stand 12.10.2001 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE10153104A1 (en) | 2003-05-08 |
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