DE102010016347B4

DE102010016347B4 - Method for time measurement in arrangements for the time-correlated counting of detection events

Info

Publication number: DE102010016347B4
Application number: DE201010016347
Authority: DE
Inventors: Dr. Becker Wolfgang
Original assignee: Becker & Hickl GmbH
Current assignee: Becker & Hickl GmbH
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2013-08-22
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: DE102010016347A1

Abstract

Verfahren zur Zeitmessung in Anordnungen zur zeitkorrelierten Zählung von Detektionsereignissen, bei dem die Ankunftszeiten der Ereignisse durch einen oder mehrere zur Messung und Digitalisierung von Zeiten dienende Funktionsblöcke relativ zu einem internen oder externen Referenzsignal bestimmt werden, die Ereignisse im Detektionskanal vor den Eingängen besagter Funktionsblöcke durch ein Hilfssignal periodisch oder aperiodisch verzögert, sowie die digitalen Ausgangsdaten besagter Funktionsblöcke miteinander und/oder mit dem Hilfssignal so verknüpft werden, dass die Modulation der Verzögerung aus dem Ergebnis entfernt wird.Method for time measurement in arrangements for time-correlated counting of detection events, in which the arrival times of the events are determined by one or more function blocks for measuring and digitizing time relative to an internal or external reference signal, the events in the detection channel before the inputs of said function blocks by a Auxiliary signal periodically or aperiodically delayed, and the digital output data of said function blocks with each other and / or be linked to the auxiliary signal so that the modulation of the delay is removed from the result.

Description

Thematheme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von absoluten oder relativen Zeiten von Detektionsereignissen bei der Messung von Zeitfunktionen optischer Signale. Im Vergleich zu bekannten Techniken bietet das Verfahren sowohl eine Verbesserung der zeitlichen Auflösung als auch eine Verringerung des durch die Ungleichförmigkeit der Zeitkanäle induzierten Rauschens der aufgezeichneten Signalform. Das Verfahren ist insbesondere zur Aufzeichnung von optischen Signalen geeignet, ist aber ebenso zur Aufzeichnung von Zeitfunktionen anderer physikalischer Größen verwendbar, die aus den Zeiten von einzeln detektierten Quanten oder sonstigen Teilchen rekonstruiert werden können.The invention relates to a method and an arrangement for determining absolute or relative times of detection events in the measurement of time functions of optical signals. In comparison with known techniques, the method offers both an improvement in the temporal resolution and a reduction in the noise of the recorded waveform induced by the nonuniformity of the time channels. The method is particularly suitable for recording optical signals, but is also useful for recording time functions of other physical quantities that can be reconstructed from the times of individually detected quanta or other particles.

Stand der TechnikState of the art

Die Zeitfunktion eines optisches Signales kann als Verteilung der Photonendichte über der Zeit angesehen werden. Das wird insbesondere dann deutlich, wenn intensitätschwache Signale mit hochverstärkenden Detektoren und hoher Zeitauflösung beobachtet werden. Das Detektor-Signal besteht dann aus einzelnen Impulsen, die aus der Detektion einzelner Photonen resultieren. Unter diesen Bedingungen kann die Zeitfunktion durch Bestimmung der Zeiten der Detektorimpulse und Aufbau der Impulsdichte über der Zeit rekonstruiert werden. Das Verfahren wird als zeitkorrelierte Photonenzählung bezeichnet [1]. Äquivalente Verfahren existieren auch für andere physikalische Größen, die als Dichte von einzelnen Quantenereignissen betrachtet und detektiert werden können.The time function of an optical signal can be considered as a distribution of the photon density over time. This is particularly evident when low-intensity signals are observed with high-gain detectors and high time resolution. The detector signal then consists of individual pulses resulting from the detection of individual photons. Under these conditions, the time function can be reconstructed by determining the timing of the detector pulses and building up the pulse density over time. The method is called time-correlated photon counting [1]. Equivalent methods also exist for other physical quantities that can be considered and detected as the density of single quantum events.

Allen Verfahren ist gemeinsam, dass die Detektionszeiten von Teilchen gemessen und anschließend benutzt werden, um die Detektionsereignisse in aufeinander folgende Zeitkanäle einzusortieren. Die so gewonnene Verteilung gibt die Zeitfunktion des Signals wieder. Die Zeitmessung spielt bei diesen Verfahren eine zentrale Rolle: Erstens kann das Signal nur dann eindeutig rekonstruiert werden, wenn die Breite der Zeitkanäle kleiner ist als die halbe Periode der höchsten im Signal vorhandenen Frequenz. Zweitens muss die Variation der Breite der einzelnen Zeitkanäle kleiner sein als das Poisson-Rauschen der in den Kanälen gezählten Teilchen. Wird die zweite Bedingung nicht erfüllt, induziert die Variation der Zeitkanal-Breite zusätzliches Rauschen in der Signalform, und das theoretisch mögliche Signal-Rausch-Verhältnis für die Messung der Signalform wird nicht erreicht [2].All methods have in common that the detection times of particles are measured and then used to sort the detection events into successive time channels. The distribution thus obtained reflects the time function of the signal. Timing plays a central role in these methods: First, the signal can only be uniquely reconstructed if the width of the time channels is less than half the period of the highest frequency present in the signal. Second, the variation of the width of the individual time channels must be smaller than the Poisson noise of the particles counted in the channels. If the second condition is not met, the variation of the time-channel width induces additional noise in the waveform, and the theoretically possible signal-to-noise ratio for the measurement of the waveform is not achieved [2].

Zur Bestimmung der Detektionszeiten werden im wesentlichen zwei Verfahren benutzt. Das klassische Verfahren benutzt einen Zeit-Amplituden-Konverter (TAC) mit nachgeschaltetem Analog-Digital-Wandler (ADC) [1, 2]. Das Verfahren ermöglicht Kanalbreiten im sub-ps-Bereich. Die Ungleichförmigkeit der Zeitkanäle wird im wesentlichen durch die differentielle Nichtlinearität (DNL) der ADC-Kennlinie bestimmt. Das Problem der differentiellen Nichtlinearität wurde durch ein modifizierters Dithering-Verfahren gelöst: Zum Ausgangssignal des TAC wird ein analoges Hilfssignal addiert, das nach dem ADC wieder digital subtrahiert wird. Dadurch wird jedes Ereignis an einer anderen Stelle der ADC-Kennlinie umgesetzt, so dass die Kennlinie geglättet wird [2, 3]. Im Prinzip besteht darüber hinaus die Möglichkeit, feinere Zeitkanäle zu erzeugen als der ADC selbst auflöst. Der Vorteil des TAC-ADC-Verfahrens ist die hohe Zeitauflösung. Der Nachteil ist, dass es elektronisch relativ aufwändig ist. Der hohe Aufwand an Elektronik ist ein Hindernis für den Aufbau von Systemen mit vielen parallelen Detektionskanälen.To determine the detection times, essentially two methods are used. The classical method uses a time-amplitude converter (TAC) with a downstream analog-to-digital converter (ADC) [1, 2]. The method allows sub-ps channel widths. The nonuniformity of the time channels is essentially determined by the differential nonlinearity (DNL) of the ADC characteristic. The problem of differential non-linearity was solved by a modified dithering method: An analogue auxiliary signal is added to the output signal of the TAC, which is again digitally subtracted after the ADC. As a result, each event is implemented at a different point on the ADC characteristic, so that the characteristic curve is smoothed [2, 3]. In principle, there is also the possibility of producing finer time channels than the ADC itself dissolves. The advantage of the TAC-ADC method is the high time resolution. The disadvantage is that it is relatively expensive electronically. The high cost of electronics is an obstacle to the construction of systems with many parallel detection channels.

Ein zweites Verfahren steht in Form des Time-to-Digital-Converters (TDC) zur Verfügung. Ein TDC besteht aus einer geschlossenen Kette von Logik-Gates, in der man eine Impulsflanke zirkulieren lässt. Zur Messung der Zeit eines Ereignisses wird die Position der Impulsflanke in der Gate-Kette bestimmt [4]. Die Zeitauflösung wird durch die Signal-Laufzeit in den Gates in der TDC-Kette bestimmt. Differentielle Nichtlinearität entsteht durch die Unterschiede der Laufzeiten. Zur Verbesserung der Zeitauflösung werden mehrere TDCs parallelgeschaltet und mit leicht verzögerten Eingangsgimpulsen beaufschlagt. Aus den Ergebnissen der TDCs können feinere Kanäle berechnet werden, wobei sich allerdings die differentielle Nichtlinearität vergrößert. Andere Lösungen beruhen auf der Zirkulation mehrerer Impulsflanken in der TDC-Kette. Durch Mittelung der verschiedenen Zeiten ergeben sich feinere Kanäle und Inhomogenitäten werden geglättet. Gegenüber dem TAC-ADC-Verfahren hat das TDC-Verfahren den Nachteil einer geringeren Zeitauflösung. Der Vorteil ist, dass sich TDCs leicht integrieren lassen. Damit sind vielkanalige Messsysteme möglich.A second method is available in the form of the time-to-digital converter (TDC). A TDC consists of a closed chain of logic gates in which one can circulate a pulse edge. To measure the time of an event, the position of the pulse edge in the gate chain is determined [4]. The time resolution is determined by the signal transit time in the gates in the TDC chain. Differential nonlinearity arises from differences in transit times. To improve the time resolution, several TDCs are connected in parallel and subjected to slightly delayed input gpulses. From the results of the TDCs, finer channels can be calculated, but the differential nonlinearity increases. Other solutions are based on the circulation of multiple pulse edges in the TDC chain. Averaging the different times results in finer channels and inhomogeneities are smoothed out. Compared to the TAC-ADC method, the TDC method has the disadvantage of a lower time resolution. The advantage is that TDCs are easy to integrate. This makes multi-channel measuring systems possible.

Eine Anordnung und eine Methode zur zeitaufgelösten Spektroskopie wird in US-Patent US 5,565,982 A beschrieben. Eine Probe wird mit mehreren Laserstrahlen angeregt. Das von der Probe emittierte Licht wird detektiert, das erhaltene Signal verstärkt, und das verstärkte Signal von einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Im Anregungskanal der Anordnung sind ein Modulator und ein Verzögerungsgenerator angeordnet. Der Modulator wird dazu verwendet, die Intensität der Laser mit einer in der Anordnung generierten beliebigen Impulsfolge zu modulieren. Der Verzögerungsgenerator dient dazu, diese Impulsfolge zeitlich zu verschieben mit dem Ziel, über punktweise zeitliche Verschiebung und Multiplikation des Messsignals mit der Impulsfolge die Korrelationsfunktion von Messsignal und Impulsfolge zu errechnen. Da des Verfahren nicht auf der Detektion einzelner Photonen und der Messung deren Zeiten beruht, umgeht es prinzipiell das Problem der differentiellen Nichtlinearität der Zeitmessung. Der Nachteil ist, dass die Zeitauflösung durch die Breite der Impulsantwort der Detektoren und durch die Umsetzrate des Analog-Digital-Wandlers begrenzt ist.An arrangement and method for time resolved spectroscopy is disclosed in US Pat. No. 5,565,982 A described. A sample is excited with several laser beams. The light emitted by the sample is detected, the received signal is amplified, and the amplified signal is digitized by an analog-to-digital converter. In the excitation channel of the arrangement, a modulator and a delay generator are arranged. The modulator is used to modulate the intensity of the lasers with an arbitrary pulse train generated in the array. The delay generator is used to shift this pulse sequence in time with the aim of pointwise time shift and multiplication of the measurement signal with the pulse train the Calculate correlation function of measurement signal and pulse train. Since the method is not based on the detection of individual photons and the measurement of their times, it bypasses in principle the problem of the differential nonlinearity of the time measurement. The disadvantage is that the time resolution is limited by the width of the impulse response of the detectors and by the conversion rate of the analog-to-digital converter.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, ein allgemein einsetzbares Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die auf einfache Weise die Zeitauflösung der Zeitmessung erhöht und gleichzeitig die differentielle Nichtlinearität verringert.The object of the invention is to provide a generally applicable method and an arrangement which in a simple manner increases the time resolution of the time measurement and at the same time reduces the differential nonlinearity.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Eingangsimpulse einer oder mehrerer Zeit-Messschaltungen in steuerbarer Weise verzögert werden. Die Verzögerung wird durch ein periodisches oder zufälliges Signal gesteuert. Die Amplitude der Modulation ist größer als die Zeitkanal-Breite der Zeit-Messschaltungen; die Abstufung der Modulation wesentlich kleiner als die Zeitkanal-Breite. Hinter dem Ausgang der Zeit-Messschaltungen wird die Modulation digital subtrahiert.According to the invention the object is achieved in that the input pulses of one or more time measuring circuits are delayed in a controllable manner. The delay is controlled by a periodic or random signal. The amplitude of the modulation is greater than the time-slot width of the time-measuring circuits; the gradation of the modulation is much smaller than the time-slot width. After the output of the time measuring circuits, the modulation is subtracted digitally.

Die entsprechende Anordnung enthält eine oder mehrere Zeit-Messschaltungen, vor deren Eingänge Verzögerungsschaltungen angeordnet sind. Ein Generator erzeugt ein periodisches oder zufälliges Hilfssignal, das die Verzögerung in den Verzögerungsschaltungen moduliert. Hinter den Ausgängen der Zeit-Messschaltungen befindet sich eine digitale Logik, die die Modulation der Verzögerung aus dem Ergebnis der Zeitmessung subtrahiert.The corresponding arrangement includes one or more time-measuring circuits, in front of the inputs delay circuits are arranged. A generator generates a periodic or random auxiliary signal that modulates the delay in the delay circuits. Behind the outputs of the time measuring circuits is a digital logic which subtracts the modulation of the delay from the result of the time measurement.

Diese Subtraktion kann auf verschiedene Weise erfolgen. Im einfachsten Falle wird das Modulationssignal mit Hilfe eines digitalen Signalgenerators erzeugt. Das digitale Äquivalent der momentanen Verzögerung ist damit bekannt. Es wird hinter dem Ausgang der Zeitmessschaltungen subtrahiert. Damit ist die gemessene Zeit wieder korrekt. Da die Zeiten für verschiedene Ereignisse an unterschiedlichen Punkten der Zeitmessschaltung umgesetzt wurden, werden Inhomogenitäten der Kennlinie der Zeitmessschaltung geglättet. Wird der Subtrahierer für eine höhere Auflösung als die der Zeitmessschaltung ausgelegt und das digitale Hilfssignal mit derselben Auflösung subtrahiert, hat das Ergebnis der Subtraktion eine höhere Auflösung als die der Zeitmessschaltung. Das Verfahren kann leicht auf eine Struktur ausgedehnt werden, die mehrere parallele Zeitmessschaltungen benutzt. Es ist dabei nur erforderlich, dass die Zeit-Ergebnisse addiert, die Modulation der Verzögerungen dagegen subtrahiert wird.This subtraction can be done in different ways. In the simplest case, the modulation signal is generated by means of a digital signal generator. The digital equivalent of the instantaneous delay is thus known. It is subtracted after the output of the timing circuits. Thus, the measured time is correct again. Since the times have been implemented for different events at different points of the time measuring circuit, inhomogeneities of the characteristic of the time measuring circuit are smoothed. If the subtractor is designed for a higher resolution than that of the time measurement circuit and the digital auxiliary signal is subtracted at the same resolution, the result of the subtraction has a higher resolution than that of the time measurement circuit. The method can be easily extended to a structure using multiple parallel timing circuits. It is only necessary that the time results are added, but the modulation of the delays is subtracted.

Im Falle von Standard-TDC-Schaltkreisen ergibt sich bei dem genannten Verfahren allerdings ein Problem. Zur Erhöhung der Durchsatzrate bei stochastisch eintreffenden Ereignissen enthalten die Schaltkreise First-In-First-Out (FIFO) Puffer. Das Ergebnis für ein bestimmtes Ereignis am Eingang erscheint also erst eine unbestimmte Anzahl von Ereignissen später am Ausgang. Damit wird es schwierig oder sogar unmöglich, einem bestimmten Ausgangswert ein bestimmtes Eingangs-Ereignis und damit den richtigen Verzögerungswert zuzuordnen.In the case of standard TDC circuits, however, there is a problem with the mentioned method. To increase the throughput rate of stochastic incoming events, the circuits include first-in-first-out (FIFO) buffers. The result for a given event at the entrance thus appears only an indefinite number of events later at the exit. This makes it difficult or even impossible to assign a specific input value to a specific output value and thus the correct deceleration value.

Eine Lösung für dieses Synchronisationsproblem besteht in der Verwendung eines zweiten TDC-Kanals. Der zweite TDC-Kanal erhält eine eigene Verzögerungsschaltung vor seinem Eingang.One solution to this synchronization problem is to use a second TDC channel. The second TDC channel receives its own delay circuit before its input.

Beide Verzögerungen werden gegenläufig gesteuert. Die Resultate des zweiten TDC-Kanals enthalten deshalb den Verzögerungswert mit gegenüber dem ersten Kanal umgekehrten Vorzeichen. Eine Addition der beiden TDC-Ergebnisse beseitigt also die Verzögerung aus dem Resultat. Außerdem ergibt sich eine Halbierung der effektiven Kanalbreite. Die Erhöhung der Auflösung beruht darauf, dass die Summe der beiden TDC-Resultate ein Bit mehr hat als die Einzelresultate. Über eine große Zahl von Ereignissen gibt das LSB der Summe an, bei welcher Zeit (zwischen den Kanälen der beiden einzelnen TDCs) die Ereignisse im Mittel eingetroffen sind.Both delays are controlled in opposite directions. The results of the second TDC channel therefore contain the delay value with opposite sign to the first channel. Addition of the two TDC results thus eliminates the delay from the result. In addition, there is a halving of the effective channel width. The increase in the resolution is based on the fact that the sum of the two TDC results has one bit more than the individual results. Over a large number of events, the LSB indicates the sum at which time (between the channels of the two individual TDCs) the events have arrived on average.

Die Synchronität der beiden TDC-Kanäle wird im einfachsten Falle dadurch gesichert, dass der zweite Kanal auf dem gleichen Chip integriert ist und beide Kanäle einen gemeinsamen FIFO benutzen. Ist die Synchronität nicht durch einen gemeinsamen FIFO gesichert, muss die Synchronität durch Vergleich der Datenpaare an den Ausgängen der TDC-Kanäle hergestellt werden: Zusammengehörende Wertepaare unterscheiden sich um weniger als die doppelte Verzögerungs-Amplitude.The synchronicity of the two TDC channels is in the simplest case ensured by the fact that the second channel is integrated on the same chip and both channels use a common FIFO. If synchronicity is not ensured by a common FIFO, synchronicity must be established by comparing the data pairs at the outputs of the TDC channels: related pairs of values differ by less than twice the delay amplitude.

Ausführungsbeispielembodiment

Verfahren und Anordnung werden nachfolgend an einigen Ausführungsbeispielen beschrieben. Die allgemeine Grundlage des Verfahrens ist in 1 dargestellt.Method and arrangement are described below in some embodiments. The general basis of the procedure is in 1 shown.

Die Ereignisse, oder Impulsflanken, deren Zeit in Bezug auf einen Referenztakt gemessen werden soll, werden zunächst um einen geringen Zeitbetrag verzögert. Diese Verzögerung wird durch ein periodisches oder aperiodisches Hilfssignal moduliert. Die Zeiten der verzögerten Impulse werden gemessen. Durch die für jedes Ereignis unterschiedliche Verzögerung werden aufeinanderfolgende Ereignisse an verschiedenen Stellen der Kennlinie der Zeitmessung umgesetzt. Das gilt auch, falls die Ereignisse zu gleichen Zeiten bezüglich des Referenztaktes eintreffen. Ungleichförmigkeiten der Kennline werden deshalb geglättet. Jedes Messergebnis enthält jedoch zunächst sowohl die eigentliche Zeit des Ereignisses als auch den Wert der durch das Hilfssignal gesteuerten Verzögerung. Dieser muss aus den einzelnen Messergebnissen durch Subtraktion wieder entfernt werden.The events, or pulse edges, whose time is to be measured with respect to a reference clock are initially delayed by a small amount of time. This delay is modulated by a periodic or aperiodic auxiliary signal. The times of the delayed pulses are measured. Due to the different delay for each event, successive events are implemented at different points in the time characteristic. This also applies if the events occur at the same time with respect to the Reference clock arrive. Nonuniformities of the characteristic curve are therefore smoothed out. However, each measurement result initially contains both the actual time of the event and the value of the delay controlled by the auxiliary signal. This must be removed from the individual measurement results by subtraction.

Für diese Subtraktion gibt es mehrere Möglichkeiten. 1 zeigt ein Verfahren bzw. eine Anordnung mit einer Zeitmessschaltung, bei der der Wert der Verzögerung auf direkte Weise digital subtrahiert wird.There are several possibilities for this subtraction. 1 shows a method and a device with a timing circuit in which the value of the delay is directly digitally subtracted.

Vor dem Eingang der Zeit-Messschaltung befindet sich die steuerbare Verzögerung. In einem Generator wird das Hilfssignal erzeugt, das die Verzögerung moduliert. Die variabel verzögerten Eingangsimpulse werden der Zeit-Messschaltung zugeführt. Diese bestimmt die Zeit des verzögerten Impulses relativ zu einem Referenztakt. Am Ausgang der Zeitmessung erscheint somit ein Datenwort, das die Zeit des Eingangsimpulses plus den im Augenblick des Impulses anliegenden Wert der Verzögerung angibt. Gleichzeitig liefert der Generator ein Datenwort, das genau diesen Wert der Verzögerung angibt. Dieser wird dann von den Ausgangsdaten der Zeitmessung digital subtrahiert. Das Ergebnis ist die Zeit des Eingangsimpulses relativ zum Referenztakt. Wie oben erwähnt, wird bei der dargestellen Anordnung im Unterschied zu bekannten Verfahren jeder Eingangsimpuls an einer anderen Stelle der Kennlinie der Zeit-Messschaltung verarbeitet. Das gilt auch dann, wenn die Eingangsimpulse konstante zeitliche Lage zum Referenztakt haben. Die Kennlinie der Zeitmessung wird dadurch geglättet, ohne dass die zeitliche Auflösung der Zeitmessung beeinträchtigt wird.The controllable delay is located in front of the input of the time measuring circuit. In a generator, the auxiliary signal is generated which modulates the delay. The variably delayed input pulses are fed to the time measuring circuit. This determines the time of the delayed pulse relative to a reference clock. At the output of the time measurement thus appears a data word indicating the time of the input pulse plus the value of the delay applied at the moment of the pulse. At the same time, the generator supplies a data word which indicates exactly this value of the delay. This is then subtracted digitally from the output data of the time measurement. The result is the time of the input pulse relative to the reference clock. As mentioned above, in the illustrated arrangement, in contrast to known methods, each input pulse is processed at a different location of the characteristic of the time measuring circuit. This also applies if the input pulses have a constant time position relative to the reference clock. The characteristic curve of the time measurement is thereby smoothed without affecting the temporal resolution of the time measurement.

Die Anordnung ist weiterhin in der Lage, die Zeiten der Eingangsimpulse feiner aufzulösen als es die Zeitmessung selbst kann. Das ist dann der Fall, wenn die Abstufung der Modulation der Verzögerung und die Auflösung des Datenwortes vom Hilfsgenerator feiner gewählt werden als die Breite der Zeitkanäle der Zeit-Messschaltung. Die Subtraktion liefert dann Zwischenwerte zwischen den Zeitkanälen. Für eine ideale Zeit-Messschaltung ist das Ergebnis weitgehend identisch mit einer Interpolation. Für eine Zeit-Messschaltung mit ungleichförmigen Zeitkanälen ergibt sich jedoch eine echte Erhöhung der Auflösung. In jedem Falle bieten die feineren Zeitkanäle Vorteile für die Rekonstruktion des zeitlichen Signalverlaufes.The arrangement is also able to resolve the times of the input pulses finer than the time measurement itself can. This is the case if the gradation of the modulation of the delay and the resolution of the data word from the auxiliary generator are chosen to be finer than the width of the time channels of the time measuring circuit. The subtraction then provides intermediate values between the time slots. For an ideal time measurement circuit, the result is largely identical to interpolation. For a time measurement circuit with non-uniform time channels, however, there is a real increase in the resolution. In any case, the finer time slots offer advantages for the reconstruction of the temporal signal curve.

2 zeigt eine Anordnung mit zwei Zeit-Messschaltungen und gegenläufiger Steuerung der Verzögerungen. 2 shows an arrangement with two time measuring circuits and opposite control of the delays.

Vor den beiden Zeitmessschaltungen sind steuerbare Verzögerungen angeordnet. Der Generator für das Hilfssignal erzeugt zwei gleiche, aber gegenläufige Steuergrößen. Die Verzögerungen werden also gegenläufig moduliert. Die Ausgangsdaten der beiden Zeit-Messschaltungen werden addiert, wobei die Modulation der Verzögerungen aus dem Ergebnis verschwindet. Auch bei dieser Anordnung werden die Zeiten für jeden Eingangsimpuls an einer anderen Stelle der Kennlinien der Zeitmessungen umgesetzt. Das gilt auch dann, wenn die Eingangsimpulse eine konstante zeitliche Lage zum Referenztakt haben. Die Kennlinie der Gesamtanordung wird dadurch geglättet.Before the two timing circuits controllable delays are arranged. The generator for the auxiliary signal generates two equal, but opposite control variables. The delays are thus modulated in opposite directions. The output data of the two time measuring circuits are added together, whereby the modulation of the delays disappears from the result. Also in this arrangement, the times for each input pulse are implemented at a different location of the characteristics of the time measurements. This also applies if the input pulses have a constant time position relative to the reference clock. The characteristic of the overall arrangement is thereby smoothed.

Die Anordnung liefert darüber hinaus eine Verringerung der Kanalbreite auf der Hälfte der Kanalbreiten der einzelnen Zeit-Messschaltung. Das erklärt sich folgendermaßen: Liegt z. B. die Zeit der Eingangsimpulse (abzüglich der Verzögerung) zwischen den Kanälen N und N + 1 der einzelnen Zeitmessschaltungen, so sind nach der Addition alle Kombinationen N + N, (N + 1) + N, N + (N + 1) und (N + 1) + (N + 1) möglich. Die Wahrscheinlichkeit der Kombinationen hängt von der genauen zeitlichen Lage der Eingangsimpulse zum Referenztakt ab. Somit werden aus zwei möglichen Ergebnissen der einzelnen Zeitmessschaltung vier mögliche Ergebnisse der Gesamtanordnung. Das ist gleichbedeutend mit einer Halbierung der Zeitkanal-Breite.The arrangement also provides a reduction of the channel width on half the channel widths of the single time measuring circuit. This explains itself as follows: For example, the time of the input pulses (minus the delay) between the channels N and N + 1 of the individual timing circuits, after addition, all combinations N + N, (N + 1) + N, N + (N + 1) and (N + 1) + (N + 1) possible. The probability of the combinations depends on the exact timing of the input pulses to the reference clock. Thus, from two possible outcomes of the single timing circuit, four possible outcomes of the overall arrangement become. This is equivalent to halving the time slot width.

Eine dritte Möglichkeit ist in 4 dargestellt. Die Abbildung stellt eine Anordnung dar, die Zeitdifferenzen zwischen zwei Ereignissen bestimmt. Die entsprechenden Eingänge sind als Start und Stop bezeichnet. Sowohl Start als auch Stop werden verzögert, wobei aber die Verzögerung in gleichläufiger Weise moduliert wird. Die verzögerten Ereignisse werden von zwei Zeitmessschaltungen verarbeitet. Um die Zeitdifferenzen zwischen Start und Stop zu erhalten, werden die Ausgangsdaten der Zeitmessungen subtrahiert. Dabei verschwindet die Modulation der Verzögerungen aus dem Ergebnis.A third option is in 4 shown. The figure represents an arrangement that determines time differences between two events. The corresponding inputs are called start and stop. Both start and stop are delayed, but the delay is modulated in a similar way. The delayed events are processed by two timing circuits. In order to obtain the time differences between start and stop, the output data of the time measurements are subtracted. The modulation of the delays disappears from the result.

Literaturliterature

D.V. O'Connor, D. Phillips, Time-correlated single photon counting, Academic Press, London (1984)
2. W. Becker, Advanced time-correlated single photon counting techniques. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2005
3. W. Becker, Method and Apparatus for Time-correlated Single-Photon Counting with High Registration Rate, Patent DE 43 39 784 (1993)
4. Y. Arai, M. Ikeno, A time digitizer CMOS gate-array with 250 ps time resolution, JEFF Journal of Solid State Circuits, 31, 212-220 (1996)

Claims

Method for time measurement in arrangements for time-correlated counting of detection events, in which the arrival times of the events are determined by one or more function blocks for measuring and digitizing time relative to an internal or external reference signal, the events in the detection channel before the inputs of said function blocks by a Auxiliary signal periodically or aperiodically delayed, and the digital output data of said function blocks with each other and / or be linked to the auxiliary signal so that the modulation of the delay is removed from the result.

The method of claim 1, wherein the input events are delayed prior to the input of a timekeeping function block, that delay is controlled by a periodic or aperiodic auxiliary quantity, and the modulation is removed from the result by subtracting the known auxiliary magnitude.

Method according to Claim 1, in which the input events are delayed in front of the inputs of two function blocks serving for timing, this delay being counteracted by a periodic or aperiodic auxiliary variable and the output data of the function blocks being added.

Method according to Claim 1, in which two different input events are delayed in front of the inputs of two function blocks for time measurement, this delay is controlled in the same direction by a periodic or aperiodic auxiliary variable, and the output data of the function blocks are subtracted.

Arrangement for measuring time in measuring systems for time-correlated counting of detection events, comprising one or more function blocks for measuring and digitizing the times of the events, delay circuits arranged in the detection channel in front of the inputs of these function blocks, one or more digital or analog generators for periodic or aperiodic auxiliary signals for modulation the delay in the delay circuits, as well as an arithmetic block connected behind the outputs of the function blocks for measuring and digitizing the times, which combines the output data of the function blocks for measuring and digitizing the times and / or the digital values of the signal for modulating the delays so that the Modulation is removed from the result.

Arrangement according to claim 5, wherein a delay circuit is arranged before the input of a function block for the measurement and digitization of times whose delay is controlled by said auxiliary signal periodically or aperiodically, and the known digital values of the auxiliary signal from the output data words of the function block for measurement and Digitization of times are subtracted.

An arrangement according to claim 5, wherein each one delay circuit is arranged in front of the inputs of two function blocks for measuring and digitizing times, the delays in the delay circuits are counter-controlled by said auxiliary signal, and adds the output data words of the function blocks for measuring and digitizing times become.

Arrangement according to claim 5, wherein each one delay circuit is arranged in front of the inputs of two function blocks for the measurement and digitization of times, the delays in the delay circuits are controlled by the said auxiliary signal, and the output data words of the function blocks are subtracted for the measurement and digitization of times become.