DE102012102521A1 - Method for ultrafast reading of photosensors - Google Patents
Method for ultrafast reading of photosensors Download PDFInfo
- Publication number
- DE102012102521A1 DE102012102521A1 DE201210102521 DE102012102521A DE102012102521A1 DE 102012102521 A1 DE102012102521 A1 DE 102012102521A1 DE 201210102521 DE201210102521 DE 201210102521 DE 102012102521 A DE102012102521 A DE 102012102521A DE 102012102521 A1 DE102012102521 A1 DE 102012102521A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- photodetectors
- pulse train
- pulse
- delay
- train signal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 80
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims abstract description 46
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 13
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 22
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 11
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 claims description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 11
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012731 temporal analysis Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/44—Electric circuits
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Gezeigt werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ultraschnellen Auslesen einer Mehrzahl N von Fotodetektoren, die voneinander beabstandet sind und gleichzeitig von einem optischen Puls beleuchtet werden, so dass jeder der N Fotodetektoren als Antwort auf den optischen Puls zumindest annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls erzeugt. Die N genannten Ausgangspulse werden mithilfe eines Verzögerungsmittels um eine jeweilige Verzögerungszeit verzögert. Die N verzögerten Ausgangspulse werden zusammengeführt, um ein Pulszugsignal zu erzeugen, und das Pulszugsignal wird mithilfe einer Ausleseschaltung ausgelesen.Shown are a method and apparatus for ultrafast reading of a plurality N of photodetectors spaced apart and illuminated simultaneously by an optical pulse such that each of the N photodetectors generates an electrical output pulse in response to the optical pulse at least approximately simultaneously. The N output pulses are delayed by a respective delay time by means of a delay means. The N delayed output pulses are merged to produce a pulse train signal, and the pulse train signal is read by a readout circuit.
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fotosensorik. Genauer betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ultraschnellen Auslesen von mindestens zwei Fotodetektoren, die voneinander beabstandet sind, sowie ein Spektrometer, welches sich einer derartigen Vorrichtung und eines derartigen Verfahrens bedient.The present invention is in the field of photosensitivity. More particularly, it relates to a method and apparatus for ultrafast reading of at least two spaced-apart photodetectors and a spectrometer utilizing such an apparatus and method.
VERWANDTER STAND DER TECHNIKRELATED ART
In einer Vielzahl von Anwendungen sowohl in der Industrie als auch in der Grundlagenforschung werden zeitliche Veränderungen oder die Bewegungen von Objekten mithilfe von optischen Detektoren detektiert. Die Anwendungsgebiete umfassen die Produktionsüberwachung, die Qualitätskontrolle, die chemische Analytik, die Sicherheitstechnik, die Biosensorik und die medizinische Diagnostik.In a variety of applications both in industry and in basic research, temporal changes or the movements of objects are detected by means of optical detectors. Applications include production monitoring, quality control, chemical analysis, safety engineering, biosensing and medical diagnostics.
Zur Überwachung der auf Förderbändern bewegten Erzeugnisse in der Produktion werden diese beispielsweise an einer fest installierten Detektorzeile einer Zeilenkamera vorbeigeführt. Dabei wird die Detektorzeile, die aus einer Vielzahl von Fotodetektoren besteht, in kurzen Zeitabständen mit einer bestimmten Abtastrate ausgelesen. Bei der Aufnahme von sehr schnell bewegten Objekten werden auch sogenannte TDI-CCD-Kameras (TDI = Time delay integration) eingesetzt, die aus einer Vielzahl von Detektorzeilen bestehen und eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen. Hierbei werden die Signale verschiedener Zeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufsummiert. Somit wird die Empfindlichkeit der Aufnahme erhöht.To monitor the products moving on conveyor belts in production, for example, they are guided past a permanently installed detector line of a line scan camera. The detector line, which consists of a large number of photodetectors, is read out at short intervals at a specific sampling rate. When recording very fast moving objects so-called TDI-CCD cameras (TDI = Time Delay Integration) are used, which consist of a plurality of detector lines and have an increased sensitivity. Here, the signals of different lines are summed up at different times. Thus, the sensitivity of the recording is increased.
Eine andere Anwendung, bei der eine Mehrzahl von Fotodetektoren ausgelesen wird, bildet die spektroskopische Untersuchung von Substanzen. In einem Spektrometer wird die zu analysierende Strahlung räumlich so getrennt, dass unterschiedliche spektrale Strahlungskomponenten nach der Trennung auf unterschiedlichen optischen Pfaden verlaufen. Dazu kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element verwendet werden. Die so bereitgestellte räumliche Intensitätsverteilung kann dann durch optische Detektoren, die voneinander beabstandet sind, detektiert werden. Zur Signalanalyse wird das von den Detektoren erzeugte Signal weiterverarbeitet, wozu die Detektoren ausgelesen werden.Another application, in which a plurality of photodetectors is read out, forms the spectroscopic examination of substances. In a spectrometer, the radiation to be analyzed is spatially separated so that different spectral radiation components run on different optical paths after separation. For this purpose, for example, a diffractive optical element can be used. The spatial intensity distribution thus provided can then be detected by optical detectors which are spaced from each other. For signal analysis, the signal generated by the detectors is further processed, for which purpose the detectors are read out.
In vielen Fällen werden die genannten spektrometrischen Anwendungen zur Beobachtung zeitlich veränderlicher Prozesse verwendet. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die Möglichkeit einer zeitaufgelösten Durchführung der optischen Detektionsmessungen an den voneinander räumlich beabstandeten Detektoren. Laufen die zu untersuchenden Vorgänge auf sehr kurzen Zeitskalen ab, ist es zudem von wesentlicher Bedeutung, dass die Signale einerseits schnell und sensitiv erzeugt, andererseits nach der Erzeugung auch entsprechend schnell weiterverarbeitet werden.In many cases, said spectrometric applications are used to observe time-varying processes. A prerequisite for this is the possibility of a time-resolved performance of the optical detection measurements on the spaced-apart detectors. If the processes to be investigated run on very short time scales, it is also essential that the signals are generated quickly and sensitively on the one hand, and that they are further processed correspondingly quickly after generation, on the other hand.
Eine Möglichkeit zur zeitaufgelösten Analyse bietet der Einsatz von gepulster Strahlung, deren spektrale Information – nach Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe – ermittelt wird. Zeitlich aufeinanderfolgende optische Pulse charakterisieren die Probe zu unterschiedlichen Zeitpunkten und können von einem Fotodetektor als „Schnappschüsse” aufgenommen werden. Ferner können in einem Spektrometer nach einer räumlichen Trennung der spektralen Komponenten des optischen Pulses an bestimmten Fotodetektorpositionen einzelne spektrale Ausschnitte zeitaufgelöst empfangen werden.One possibility for time-resolved analysis is the use of pulsed radiation whose spectral information - after interaction with the sample to be examined - is determined. Time-sequential optical pulses characterize the sample at different times and can be captured by a photodetector as "snapshots". Furthermore, in a spectrometer, after a spatial separation of the spectral components of the optical pulse at specific photodetector positions, individual spectral sections can be received in a time-resolved manner.
Wenn ein Fotodetektor optische Strahlung empfängt, so werden in diesem elektrische Ladungen erzeugt. Zum Auslesen des Fotodetektors in einer Abtast-Halte-Schaltung werden die Ladungen als Antwort auf ein Abtastsignal für die Periodendauer des Abtastsignals zwischengespeichert. Die Signalstärke des analogen Ausgangssignals entspricht dabei der zum jeweiligen Zeitpunkt zwischengespeicherten Ladung. Somit wird die Signalstärke der optischen Strahlung durch ein gestuftes, analoges Ausgangssignal approximiert, wobei die Stufenbreite der Periode des Abtastsignals entspricht. Dieses Ausgangssignal kann anschließend von einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und zur Analyse weiterverarbeitet werden. Ein derartiges Auslesen wird in der Patentschrift
Eine weitere Möglichkeit zum Aufnehmen und Auslesen von räumlichen Intensitätsverteilungen bieten räumlich ausgedehnte CCD-Sensoren. Bei diesen bilden der optische Detektor und die Ausleseschaltung ein gemeinsames, integriertes Bauelement. Zum Auslesen solcher Detektoren können Taktsignale im MHz-Bereich verwendet werden. Die Abtastrate ergibt sich im Wesentlichen aus dem Produkt aus dem Inversen der Pixelzahl und der Taktsignalfrequenz. Totzeit-Taktzyklen, in denen dunkle Pixel ausgegeben werden, sind dabei nicht berücksichtigt. Die Abtastraten liegen für sehr schnelle Zeilendetektoren üblicherweise im Bereich von einigen 10 kHz, d. h. sie entsprechen einer Zeitauflösung von etwa 100 μs. Die Verwendung von aktiv geschalteten Bauelementen zur Signalverarbeitung hat dabei einen relativ hohen Rauschpegel zur Folge. Diese Bauelemente besitzen eine komplexe Schaltung mit einer eigenen Taktung, welche die Abtastrate limitiert. Um ein Verschmieren der Daten durch die Auslesetechnik zu verhindern, besitzen CCD Aufnahmesysteme einen mechanischen Verschluss oder werden moduliert beleuchtet. Die Modulation kann dabei mit einem elektro-optischen Modulator, mit einem akusto-optischen Modulator oder auch mit einer rotierenden Lochscheibe erzeugt werden. In diesem Fall ist es notwendig, die Abtastrate mit dem Modulator zu synchronisieren. In der Praxis begrenzen der mechanische Verschluss oder die modulierenden Bauteile die technisch erreichbare Abtastrate.Another possibility for recording and reading of spatial intensity distributions offer spatially extended CCD sensors. In these, the optical detector and the readout circuit form a common, integrated component. To read such detectors, clock signals in the MHz range can be used. The sampling rate essentially results from the product of the inverse of the number of pixels and the clock signal frequency. Dead-time clock cycles in which dark pixels are output are not taken into account. The sampling rates are for very fast line detectors usually in the range of some 10 kHz, ie they correspond to a time resolution of about 100 microseconds. The use of actively switched components for signal processing has a relatively high noise level result. These components have a complex circuit with its own timing, which limits the sampling rate. In order to prevent smearing of the data by the readout technique, have CCD Recording systems a mechanical shutter or are modulated illuminated. The modulation can be generated with an electro-optical modulator, with an acousto-optical modulator or with a rotating perforated disc. In this case, it is necessary to synchronize the sampling rate with the modulator. In practice, the mechanical shutter or the modulating components limit the technically achievable sampling rate.
Alternativ können räumliche Intensitätsverteilungen auch durch mechanisch verstellbare Detektionsmechanismen gemessen werden. Hierzu kann beispielsweise eine zur Detektion verwendete Fotodiode mittels eines Verschiebetischs bewegt werden, wie in der Patentanmeldung US 4,124,297 beschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit beschreibt die Patentanmeldung US 4,732,476, in der das Abtasten einer spektralen Intensitätsverteilung durch Drehen eines optischen Gitters erfolgt. Hier liegt die Aufnahmedauer eines Spektrums im Bereich von Millisekunden bis Minuten. Für eine zeitliche Analyse von Spektren im Mikrosekundenbereich sind diese Aufnahmeverfahren daher ungeeignet.Alternatively, spatial intensity distributions can also be measured by mechanically adjustable detection mechanisms. For this purpose, for example, a photodiode used for detection can be moved by means of a displacement table, as described in the patent application US 4,124,297. Another possibility describes the patent application US 4,732,476, in which the scanning of a spectral intensity distribution by rotating an optical grating takes place. Here, the recording duration of a spectrum is in the range of milliseconds to minutes. For a temporal analysis of spectra in the microsecond range, these recording methods are therefore unsuitable.
Ein weiteres Verfahren verwendet eine räumliche Anordnung von Fotodioden, zum Beispiel eine Fotodiodenzeile, und setzt zum Auslesen für jede Fotodiode jeweils einen eigenen Vorverstärker und einen eigenen Analog-Digital-Wandler ein. Die so erzeugten digitalen Signale enthalten die optische Information des detektierten Spektrums am Ort der Fotodiode zum Zeitpunkt der Detektion. Mit diesem Verfahren können sehr hohe Abtastraten erreicht werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenaufwendig, besonders dann, wenn zur Verarbeitung der Fotodiodensignale zusätzlich Lock-In-Verstärker verwendet werden.Another method uses a spatial arrangement of photodiodes, for example a photodiode array, and uses for reading each photodiode each have their own preamplifier and a separate analog-to-digital converter. The digital signals thus generated contain the optical information of the detected spectrum at the location of the photodiode at the time of detection. Very high sampling rates can be achieved with this method. However, this method is very expensive, especially if additionally lock-in amplifiers are used to process the photodiode signals.
Die bisher bekannten Verfahren zum zeitaufgelösten Auslesen einer Detektoreinrichtung zur Aufnahme einer räumlichen Intensitätsverteilung haben den Nachteil, dass die Zeitauflösung entweder auf einen Bereich von etwa 100 μs begrenzt ist oder aber nur unter erheblichem Kostenaufwand erreichbar ist.The previously known methods for time-resolved reading of a detector device for recording a spatial intensity distribution have the disadvantage that the time resolution is either limited to a range of about 100 microseconds or can only be achieved at considerable expense.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, eine Vielzahl von räumlich beabstandeten Fotodetektoren, die von optischen Pulsen mit Wiederholungsraten bis in den MHz-Bereich beleuchtet werden, kostengünstig und rauscharm auszulesen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die sich dieses Verfahrens bedient.The present invention has for its object to provide a method that allows a large number of spatially spaced photodetectors, which are illuminated by optical pulses with repetition rates up to the MHz range, inexpensive and low noise read. Another object is to provide a device that uses this method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to
Moderne Ultrakurzpulslaser emittieren optische Pulse mit typischen Pulsdauern im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich mit Wiederholungsraten im MHz-Bereich. Wird eine Mehrzahl N von beabstandeten Fotodetektoren mit optischen Pulsen beleucht, so erzeugt ein jeder Fotodetektor als Antwort auf jeden dieser optischen Pulse annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls. Die Wiederholungsrate der elektrischen Ausgangspulse, die von einem Fotodetektor erzeugt werden, entspricht dabei der Wiederholungsrate der optischen Pulse, mit denen der Fotodetektor beleuchtet wird. Somit werden bei der Detektion einer gepulsten räumlichen Intensitätsverteilung eine Mehrzahl N von gepulsten elektrischen Signalen erzeugt. Bislang ist es nicht möglich, diese Signale auf eine kostengünstige Art und Weise ebenso schnell auszulesen, wie diese bereitgestellt werden.Modern ultrashort pulse lasers emit optical pulses with typical pulse durations in the nano-, pico- or femtosecond range with repetition rates in the MHz range. When a plurality N of spaced-apart photodetectors are illuminated with optical pulses, each photodetector generates an output electrical pulse approximately simultaneously in response to each of these optical pulses. The repetition rate of the electrical output pulses generated by a photodetector corresponds to the repetition rate of the optical pulses with which the photodetector is illuminated. Thus, upon detection of a pulsed spatial intensity distribution, a plurality N of pulsed electrical signals are generated. So far, it is not possible to read these signals as quickly as they are provided in a cost effective manner.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren zum Auslesen einer Mehrzahl N von Fotodetektoren, wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist und die Fotodetektoren voneinander beabstandet sind und gleichzeitig von einem optischen Puls beleuchtet werden, so dass jeder der N Fotodetektoren als Antwort auf den optischen Puls zumindest annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls erzeugt. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
- – Verzögern der N elektrischen Ausgangspulse mithilfe eines Verzögerungsmittels um eine jeweilige Verzögerungszeit TV,i, i = 1...N, wobei mindestens N – 1 der Verzögerungszeiten TV,i von Null verschieden sind,
- – Zusammenführen der N verzögerten Ausgangspulse, um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen überlagertes Pulszugsignal zu erzeugen, wobei die Verzögerungszeiten TV,i so gewählt sind, dass die Beiträge der einzelnen Ausgangspulse im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und
- – Auslesen des Pulszugsignals mithilfe einer Ausleseschaltung, die geeignet ist, einem jeden Fotodetektor einen zeitlichen Abschnitt des Signals zuzuordnen, der der Verzögerungszeit TV,i des zugehörigen Verzögerungsmittels entspricht.
- Delaying the N electrical output pulses by means of a delay means by a respective delay time T V, i , i = 1... N, wherein at least N-1 of the delay times T V, i are different from zero,
- Combining the N delayed output pulses to generate a pulse train signal superimposed on the N delayed output pulses, wherein the delay times T V, i are chosen so that the contributions of the individual output pulses in the pulse train signal do not substantially overlap in time;
- - Reading the Pulse train signal by means of a read-out circuit, which is adapted to assign each photodetector a temporal portion of the signal corresponding to the delay time T V, i of the associated delay means.
Dadurch, dass die Fotodetektoren voneinander beabstandet sind und sich somit an unterschiedlichen räumlichen Positionen befinden, kann die in dem optischen Puls enthaltene Information ortsabhängig durch die Mehrzahl N von Fotodetektoren detektiert werden. Jeder Fotodetektor detektiert somit eine optische Information, beispielsweise die Intensität einer bestimmten Strahlungskomponente, an einer bestimmten räumlichen Position. Der optische Puls kann beispielsweise Strahlung aus dem sichtbaren Bereich, dem nahen infraroten (NIR) Bereich, dem infraroten (IR) Bereich, dem ultravioletten (UV) Bereich und/oder aus anderen Strahlungsbereichen umfassen. Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung im sichtbaren und NIR Bereich und mit Photonenergien von vorzugsweise ≤ 100 eV, vorzugsweise ≤ 10 eV und besonders vorzugsweise ≤ 3 eV verwendet.The fact that the photodetectors are spaced from each other and thus located at different spatial positions, the information contained in the optical pulse can be detected location-dependent by the plurality N of photodetectors. Each photodetector thus detects optical information, for example the intensity of a specific radiation component, at a specific spatial position. The optical pulse can, for example, radiation from the visible region, the near infrared (NIR) region, the infrared (IR) region, the ultraviolet (UV) region and / or other radiation regions. Preferably, the present invention is used in the visible and NIR range and with photon energies of preferably ≦ 100 eV, preferably ≦ 10 eV, and more preferably ≦ 3 eV.
Die in dem optischen Puls enthaltene Information wird durch die zeitliche und räumliche spektrale Intensitätsverteilung wiedergegeben. Mit beabstandeten Fotodetektoren kann die räumliche spektrale Information entweder ohne oder mit vorausgehender Spektraltrennung detektiert werden. Werden die spektralen Empfindlichkeitsbereiche der Fotodetektoren unterschiedlich voneinander und schmal in Bezug auf das Spektrum des optischen Pulses gewählt, so wird am Ort eines jeden Fotodetektors nur ein entsprechender spektraler Ausschnitt des Spektrums des optischen Pulses detektiert. In diesem Fall ist eine vorausgehende Spektraltrennung nicht notwendig. Werden die spektralen Komponenten des optischen Pulses hingegen vor der Detektion räumlich getrennt, können diese mit identischen voneinander beabstandeten Fotodetektoren, die im gesamten Spektrum des optischen Pulses empfindlich sind, detektiert werden. Die spektrale Trennung kann mithilfe eines optischen Gitters oder eines refraktiven optischen Elements vorgenommen werden.The information contained in the optical pulse is represented by the temporal and spatial spectral intensity distribution. With spaced-apart photodetectors, the spatial spectral information can be detected either without or with prior spectral separation. If the spectral sensitivity ranges of the photodetectors are selected differently from each other and narrow with respect to the spectrum of the optical pulse, only a corresponding spectral section of the spectrum of the optical pulse is detected at the location of each photodetector. In this case, a preliminary spectral separation is not necessary. On the other hand, if the spectral components of the optical pulse are spatially separated before detection, they can be detected with identical spaced-apart photodetectors which are sensitive in the entire spectrum of the optical pulse. The spectral separation can be made by means of an optical grating or a refractive optical element.
Die N Fotodetektoren erzeugen als Antwort auf den auftreffenden optischen Puls eine Mehrzahl N elektrischer Ausgangspulse. Ein jeder dieser elektrischen Ausgangspulse enthält die Information des optischen Pulses am Ort des Fotodetektors. Da der optische Puls annähernd gleichzeitig auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren auftrifft, wird die Mehrzahl von elektrischen Ausgangspulsen als Antwort auf diesen optischen Puls auch annähernd gleichzeitig erzeugt. Laufzeitunterschiede eines sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegenden optischen Pulses oder auch unterschiedliche Reaktionszeiten der Fotodetektoren können zu unterschiedlichen Auftreffzeitpunkten des optischen Pulses auf die Fotodetektoren bzw. zu unterschiedlichen Erzeugungszeitpunkten der elektrischen Ausgangspulse führen. Für die vorliegende Erfindung können diese Unterschiede jedoch vernachlässigt werden, andernfalls kann dieser Einfluss auch durch eine geeignete Wahl der Verzögerungsmittel kompensiert werden. In der vorliegenden Beschreibung wird der zeitliche Zusammenhang zwischen den Erzeugungszeitpunkten als „annähernd gleichzeitig” bezeichnet.The N photodetectors generate a plurality of N output electrical pulses in response to the incident optical pulse. Each of these electrical output pulses contains the information of the optical pulse at the location of the photodetector. Since the optical pulse impinges on the plurality N of photodetectors approximately simultaneously, the plurality of output electrical pulses are also generated approximately simultaneously in response to this optical pulse. Delays in the propagation of an optical pulse propagating at the speed of light or else different response times of the photodetectors can lead to different times of impingement of the optical pulse on the photodetectors or at different production instants of the electrical output pulses. For the present invention, however, these differences can be neglected, otherwise this influence can also be compensated by a suitable choice of the delay means. In the present specification, the timing relationship between generation timings is referred to as "approximately simultaneous".
Die N zumindest annähernd gleichzeitig erzeugten elektrischen Ausgangspulse werden in einem ersten Verfahrensschritt um jeweilige Verzögerungszeiten TV,i, i = 1...N verzögert, so dass N verzögerte Ausgangspulse erzeugt werden. Die N Verzögerungszeiten TV,i sind dabei paarweise voneinander verschieden, so dass die verzögerten Ausgangspulse jeweils paarweise zeitlich gegeneinander versetzt sind. Es ist auch möglich, dass eine der Verzögerungszeiten Null ist, d. h. alle Ausgangspulse außer einem zeitlich verzögert werden.The N output pulses which are generated at least approximately simultaneously are delayed in a first method step by respective delay times T V, i , i = 1... N, so that N delayed output pulses are generated. The N delay times T V, i are different from each other in pairs, so that the delayed output pulses are offset from each other in pairs in time. It is also possible that one of the delay times is zero, ie all output pulses except one are delayed in time.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden diese N verzögerten Ausgangspulse zu einem Pulszug in einem Pulszugsignal zusammengeführt. Somit werden N Einzelsignale zu einem einzigen Signal, dem Pulszugsignal, zusammengeführt. Jeder elektrische Ausgangspuls ist in dem Pulszugsignal in Form eines Beitrags, der einem bestimmten Fotodetektor entstammt, repräsentiert. Aufgrund der unterschiedlichen Verzögerungszeiten TV,i besitzen aufeinanderfolgende Beiträge eines Pulszugs im Pulszugsignal einen zeitlichen Abstand voneinander, der der Differenz zwischen den zugehörigen Verzögerungszeiten TV,i entspricht. Weiterhin nehmen die Beiträge im Pulszugsignal einen bestimmten zeitlichen Abschnitt ein, der durch die entsprechende Verzögerungszeit TV,i und einen bestimmten Offset-Wert bestimmt wird.In a second method step, these N delayed output pulses are combined to form a pulse train in a pulse train signal. Thus, N individual signals are combined into a single signal, the pulse train signal. Each electrical output pulse is represented in the pulse train signal in the form of a contribution from a particular photodetector. Because of the different delay times T V, i , successive contributions of a pulse train in the pulse train signal have a time interval from each other which corresponds to the difference between the associated delay times T V, i . Furthermore, the contributions in the pulse train signal occupy a specific time interval, which is determined by the corresponding delay time T V, i and a specific offset value.
Nachdem die verzögerten elektrischen Ausgangspulse zu dem Pulszugsignal zusammengeführt wurden, wird das Pulszugsignal mithilfe einer Ausleseschaltung ausgelesen. Das Auslesen erfolgt derart, dass einem jeden Fotodetektor ein bestimmter zeitlicher Abschnitt des Pulszugsignals, der zu einer bestimmten Verzögerungszeit TV,i gehört, zugeordnet wird. Werden mehrere optische Pulse ausgelesen, so kann der obengenannte Offset-Wert mithilfe eines Triggersignals bestimmt werden, sodass jeder Beitrag dem entsprechenden Detektor und dem entsprechenden optischen Puls zugeordnet werden kann. Das Triggersignal kann beispielsweise aus dem Ausgangssignal eines zusätzlichen Fotodetektors oder aus einem Signal, welches einem der N unverzögerten oder verzögerten elektrischen Ausgangspulse abgezweigt wurde, erzeugt werden. Alternativ kann das Triggersignal auch von der Steuerung des gepulsten Lasers erzeugt werden.After the delayed output electrical pulses have been merged into the pulse train signal, the pulse train signal is read out using a readout circuit. The reading takes place in such a way that a specific time segment of the pulse train signal, which belongs to a specific delay time T V, i , is assigned to each photodetector. If several optical pulses are read out, the abovementioned offset value can be determined by means of a trigger signal so that each contribution can be assigned to the corresponding detector and the corresponding optical pulse. The trigger signal can be generated, for example, from the output signal of an additional photodetector or from a signal which has been diverted to one of the N instantaneous or delayed electrical output pulses. Alternatively, the trigger signal can also be generated by the control of the pulsed laser.
Damit die einzelnen Beiträge im Pulszugsignal von der Ausleseschaltung identifiziert und somit dem jeweiligen Fotodetektor zugeordnet werden können, ist es notwendig, dass die Beiträge im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Verzögerungszeiten TV,i erreicht. Der Begriff „zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass aufeinanderfolgende Beiträge im Pulszugsignal zeitlich so weit voneinander entfernt sind, dass die Ausleseschaltung sie noch voneinander unterscheiden und somit die enthaltene Information dem jeweiligen Fotodetektor zuordnen kann. Der zeitliche Abstand, der notwendig ist, damit aufeinanderfolgende Beträge desselben Pulszugs zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, kann dabei in Abhängigkeit von der Pulsbreite der Beiträge variieren. Die Pulsbreite entspricht üblicherweise der Halbwertsbreite, d. h. der vollen Breite des Beitrages auf halber Höhe des Beitrags. Beispielsweise kann der zeitliche Abstand bei Beiträgen mit einer geringen Pulsbreite kleiner sein als bei Beiträgen mit einer vergleichsweise großen Pulsbreite. Der kritische zeitliche Abstand, d. h. der Abstand, bei dem aufeinanderfolgende Beiträge desselben Pulszugs gerade zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, kann von der Weiterverarbeitung des Pulszugsignals abhängig sein. Unabhängig von der Pulsbreite kann durch geeignete Wahl der Verzögerungszeiten TV,i sichergestellt werden, dass der zeitliche Abstand gleich groß wie oder größer als der kritische zeitliche Abstand ist.So that the individual contributions in the pulse train signal can be identified by the read-out circuit and thus assigned to the respective photodetector, it is necessary that the contributions in the pulse train signal do not substantially overlap in time. This is achieved by a suitable choice of the delay times T V, i . The term "substantially not overlapping in time" in this context means that successive contributions in the pulse train signal are so far apart in terms of time that the read-out circuit still distinguishes them from each other and thus can associate the information contained with the respective photodetector. The time interval, which is necessary so that successive amounts of the same pulse train does not substantially overlap in time, can thereby vary depending on the pulse width of the posts. The pulse width usually corresponds to the half width, ie the full width of the contribution at half the amount of the contribution. For example, the time interval for contributions with a small pulse width may be smaller than for contributions with a comparatively large pulse width. The critical time interval, ie the distance at which successive contributions of the same pulse train do not substantially overlap in time, may depend on the further processing of the pulse train signal. Regardless of the pulse width can be ensured by suitable choice of the delay times T V, i , that the time interval is equal to or greater than the critical time interval.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit Information aus einer räumlichen Intensitätsverteilung in ein einziges Pulszugsignal überführt. Die räumliche Position eines Fotodetektors wird dabei in die Position eines zeitlichen Abschnitts im Pulszugsignal übersetzt. Dadurch, dass jedem Fotodetektor beim Auslesen ein bestimmter zeitlicher Abschnitt zugeordnet wird, wird die in einem Beitrag enthaltene spektrale Information der entsprechenden räumlichen Position zugeordnet. Auf diese Weise wird mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Information des optischen Pulses ohne aufwendige und kostenintensive elektronische Komponenten und ohne Mittelung über mehrere Abtastzyklen ausgelesen. Die Auslesegeschwindigkeit entspricht der Geschwindigkeit, mit der die Information bereitgestellt wird. Bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers mit Wiederholungsraten im MHz-Bereich liegt die Frequenz, mit der die Pulszüge im Pulszugsignal erzeugt werden, ebenfalls im MHz-Bereich. Die Frequenz der Beiträge im Pulszugsignal ist dabei um den Faktor N größer.The method according to the invention thus converts information from a spatial intensity distribution into a single pulse train signal. The spatial position of a photodetector is translated into the position of a temporal section in the pulse train signal. By assigning a specific time segment to each photodetector during readout, the spectral information contained in a contribution is assigned to the corresponding spatial position. In this way, with the method of the present invention, the information of the optical pulse is read out without complicated and cost-intensive electronic components and without averaging over several sampling cycles. The read speed corresponds to the speed at which the information is provided. When using an ultrashort pulse laser with repetition rates in the MHz range, the frequency at which the pulse trains are generated in the pulse train signal is also in the MHz range. The frequency of the contributions in the pulse train signal is greater by the factor N.
Das Verzögern und das Zusammenführen kann beispielsweise zeitlich und räumlich getrennt voneinander erfolgen. Dazu werden die N genannten Ausgangspulse mithilfe des Verzögerungsmittels zuerst einzeln und paarweise getrennt voneinander zu den N verzögerten Ausgangspulsen verzögert. Anschließend können diese N verzögerten Ausgangspulse dann zusammengeführt werden.Delaying and merging can take place, for example, temporally and spatially separated from one another. For this purpose, the N output pulses are delayed by means of the delay means first individually and in pairs separately from each other to the N delayed output pulses. Subsequently, these N delayed output pulses can then be merged.
Der erste Verfahrensschritt des Verzögerns und der zweite Verfahrensschritt des Zusammenführens erfolgen jedoch nicht notwendig nacheinander sondern können auch zusammengefasst oder miteinander kombiniert werden. Dazu wird beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Verzögerungsabschnitten in Reihe geschaltet und verschiedene Fotodetektoren werden jeweils mit verschiedenen Punkten dieser Reihenschaltung verbunden. Somit treten verschiedene elektrische Ausgangspulse jeweils an unterschiedlichen Punkten in die Reihenschaltung ein und durchlaufen jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Verzögerungsabschnitten.However, the first process step of the deceleration and the second process step of the merging do not necessarily take place successively but can also be combined or combined with one another. For this purpose, for example, a certain number of delay sections are connected in series and different photodetectors are each connected to different points of this series connection. Thus, different electrical output pulses each enter the series circuit at different points and each undergo a different number of delay sections.
Zur Erzeugung eines Pulszugsignals durch kombiniertes Verzögern und Zusammenfügen wird beispielsweise der N-te elektrische Ausgangspuls um eine Zeit (TV,N – TV,N-1) verzögert und anschließend mit dem (N – 1)-ten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu einem Signal mit zwei Beiträgen zusammengeführt. Dieses Signal mit zwei Beiträgen wird um die Zeit (TV,N-1 – TV,N-2) verzögert und mit dem (N – 2)-ten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu einem Signal mit drei Beiträgen zusammengeführt. Diese Schritte werden wiederholt bis schließlich ein Signal mit N – 1 Beträgen um die Zeit (TV,2 – TV,1) verzögert wird und anschließend mit dem ersten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu dem Pulszugsignal zusammengeführt wird.For generating a pulse train signal by combined delaying and combining, for example, the N-th electric output pulse is delayed by one time (T V, N -T V, N-1 ) and then with the (N-1) th instantaneous electric output pulse to one Signal merged with two contributions. This two-contribution signal is delayed by time (T V, N-1 - T V, N-2 ) and merged with the (N-2) th instantaneous electrical output pulse to form a three-contribution signal. These steps are repeated until finally a signal with N-1 amounts is delayed by the time (T V, 2 -T V, 1 ) and then merged with the first instantaneous electrical output pulse to the pulse train signal.
Das Verzögern erfolgt vorzugsweise mithilfe passiver Verzögerungsmittel. „Passiv” bedeutet dabei, dass für das Verzögern kein aktives Schalten, wie es beispielsweise unter Verwendung eines Taktsignals erfolgt, notwendig ist. Eine passive Verzögerung kann beispielsweise durch die Laufzeitverzögerung in einem Kabel bewirkt werden. Zur Verzögerung sind hierzu keine aktiv geschalteten Komponenten notwendig, die eine eigene Taktfrequenz erfordern und dadurch die Zeitauflösung limitieren können. Die Verwendung von passiven Verzögerungsmitteln erlaubt eine Auslesung in Quasi-Echtzeit, d. h. die Signalauslesung erfolgt praktisch mit derselben Geschwindigkeit wie die Signalbereitstellung und ist lediglich um Laufzeitunterschiede verzögert. Eine Limitierung der Zeitauflösung durch aktive Verzögerung, wie etwa aufgrund einer Zwischenspeicherung oder aufgrund einer Taktsignalfrequenz, liegt dagegen nicht vor.Delaying is preferably done using passive delaying means. "Passive" means that for the deceleration no active switching, such as is done using a clock signal, is necessary. A passive delay can be effected, for example, by the propagation delay in a cable. To delay this, no actively switched components are necessary, which require its own clock frequency and thereby limit the time resolution. The use of passive delay means allows a readout in quasi-real time, i. H. the signal reading is done at virtually the same speed as the signal providing and is only delayed by skews. On the other hand, a limitation of the time resolution due to active delay, such as due to buffering or due to a clock signal frequency, does not exist.
In einer bevorzugten Ausführungsform haben die N Verzögerungszeiten TV,i einen Wert, der einem Vielfachen eines vorbestimmten Zeitintervalls Δt entspricht. Vorzugsweise ergeben sich diese aus TV,i = (i – 1)·Δt für i = 1 bis N. Dadurch ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beiträgen desselben Pulszugs konstant und entspricht dem Wert des vorbestimmten Zeitintervalls Δt.In a preferred embodiment, the N delay times T V, i have a value which corresponds to a multiple of a predetermined time interval Δt. Preferably, these result from T V, i = (i-1) .DELTA.t for i = 1 to N. Thereby, the time interval between two consecutive contributions of the same pulse train is constant and corresponds to the value of the predetermined time interval .DELTA.t.
Weiterhin ist es vorteilhaft, nicht nur einen sondern eine Vielzahl von optischen Pulsen, die nacheinander mit einer Wiederholungsrate frep auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren auftreffen, zu detektieren. Wird eine gepulste Laserquelle zur Durchleuchtung der zu untersuchenden Probe verwendet und werden die Fotodetektoren mit dieser Vielzahl von optischen Pulsen nach Wechselwirkung mit der Probe beleuchtet, so wird ein Pulszugsignal erzeugt, das für jeden optischen Puls einen Pulszug mit N Beiträgen enthält. Die Beiträge desselben Pulszugs nehmen im Pulszugsignal einen zeitlichen Bereich TPT ein, dessen Größe von der Wahl der Verzögerungszeiten TV,i abhängt. Um sicherzustellen, dass die Beiträge aufeinanderfolgender Pulszüge zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, werden die Verzögerungszeiten so gewählt, dass der zeitliche Bereich TPT geringer als 1/frep ist. Mit den oben genannten Verzögerungszeiten von TV,i = (i – 1)·Δt ist damit der Zusammenhang N·Δt < 1/frep gefordert.Furthermore, it is advantageous to detect not only one but a plurality of optical pulses which successively strike the plurality N of photodetectors at a repetition rate f rep . If a pulsed laser source is used to scan the sample to be examined and the photodetectors are illuminated with this plurality of optical pulses interacting with the sample, a pulse train signal is generated containing a pulse train of N contributions for each optical pulse. The contributions of the same pulse train take a temporal range in the pulse train signal T PT , the size of which depends on the choice of the delay times T V, i . To ensure that the contributions of successive pulse trains do not substantially overlap in time, the delay times are chosen such that the temporal range T PT is less than 1 / f rep . With the abovementioned delay times of T V, i = (i-1) .DELTA.t, the relationship N .DELTA.t <1 / f rep is thus required.
Eine typische Wiederholungsrate, mit der das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, liegt im Bereich von frep = 10 MHz. Dies entspricht einem Pulsabstand 1/frep von 100 ns. Die Ausleserate, mit der die Mehrzahl N von Fotodetektoren in der vorliegenden Erfindung ausgelesen werden, ist ≥ 1 kHz, vorzugsweise ≥ 10 kHz und besonders vorzugsweise ≥ 100 kHz. Damit weder die Beiträge desselben Pulszugs noch die Beiträge aufeinanderfolgender Pulszüge zeitlich im Wesentlichen überlappen, muss einerseits TPT geringer als 1/frep sein, andererseits darf die Differenz (TV,i+1 – TV,i) für i = 1...N – 1 nicht kleiner als der kritische Abstand sein, der von der Pulsbreite der Beiträge anhängt. Um möglichst viele Fotodetektoren auslesen zu können, sollte der kritische Abstand möglichst klein und damit die Pulsbreite der Beiträge möglichst schmal sein. Die Pulsbreite der Beiträge liegt im Bereich der Reaktionszeit TR des Fotodetektors und wird durch diesen limitiert. Die Reaktionszeit TR eines Fotodetektors ist üblicherweise durch die Zeit definiert, die ein Signal benötigt, um von 10% auf 90% des Maximalwertes anzusteigen. Die Reaktionszeit TR eines Fotodetektors ergibt sich näherungsweise durch die Grenzfrequenz fc durch TR ≈ 0,35/fc, wobei die Grenzfrequenz fc diejenige Frequenz ist, bei der der Signalwert auf rund 50% des Maximalwertes abgesunken ist. Im Rahmen der Erfindung werden daher vorzugsweise schnelle Fotodetektoren verwendet, die Reaktionszeiten TR aufweisen, die vorzugsweise ≤ 50 ns, vorzugsweise ≤ 5 ns, besonders vorzugsweise ≤ 0,1 ns sind. Entsprechend weisen die verwendeten Fotodetektoren Grenzfrequenzen fc auf, die vorzugsweise ≥ 0,007 GHz, vorzugsweise ≥ 0,07 GHz, besonders vorzugsweise ≥ 3,5 GHz sind. Die Verzögerungszeiten werden so gewählt, dass das vorbestimmte Zeitintervall Δt vorzugsweise kleiner als 100 ns, vorzugsweise kleiner als 10 ns und besonders vorzugsweise kleiner als 100 ps gewählt werden kann.A typical repetition rate with which the method of the present invention can be used is in the range of f rep = 10 MHz. This corresponds to a
Vorzugsweise wird das Pulszugsignal mithilfe eines Vorverstärkers verstärkt, bevor die Zuordnung der zeitlichen Abschnitte zu dem jeweiligen Fotodetektor erfolgt. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Pulszugsignal mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers digitalisiert, bevor die Zuordnung der zeitlichen Abschnitte zu dem jeweiligen Fotodetektor erfolgt. Man beachte, dass nur ein einziger Vorverstärker und ein einziger Analog-Digital-Wandler benötigt wird, um die Signale der N Fotodetektoren zur weiteren Verarbeitung auszulesen. Hier zeigt sich ein besonderer Vorteil der Erzeugung des analogen Pulszugsignals aus der Vielzahl verzögerter Einzelsignale. Würde man hingegen das Ausgangssignal eines jeden Fotodetektors unmittelbar digitalisieren, benötigte man N Vorverstärker und N Analog-Digital-Wandler, durch die der konstruktive Aufwand und die Herstellungskosten erheblich erhöht würden. Weiterhin weisen auch baugleiche Vorverstärker unterschiedliches Rauschen und auch nicht exakt dieselbe Verstärkung auf. Dies würde bei der Verwendung von N Vorverstärkern zu einer Erhöhung des Rauschens führen. Zudem müssen bei der Verwendung von N Analog-Digital-Wandlern auch N einzelne Signale aufeinander synchronisiert werden. Dazu ist eine genaue Betrachtung der Laufzeiten notwendig, die den Aufwand weiter vergrößert. Daher sind mit der Verwendung nur eines Analog-Digital-Wandlers und nur eines Vorverstärkers, wie oben erläutert, erhebliche Vorteile verbunden.Preferably, the pulse train signal is amplified by means of a preamplifier, before the assignment of the temporal sections to the respective photodetector takes place. In a further advantageous development, the pulse train signal is digitized with the aid of an analog-to-digital converter before the assignment of the time segments to the respective photodetector takes place. Note that only a single preamplifier and a single analog-to-digital converter is needed to read the N photodetector signals for further processing. This shows a particular advantage of generating the analog pulse train signal from the plurality of delayed individual signals. If, on the other hand, one digitized the output signal of each photodetector directly, it would be necessary to use N preamplifiers and N analog-to-digital converters, which would considerably increase the design effort and the production costs. Furthermore, identical preamplifiers have different noise and not exactly the same gain. This would increase the noise when using N preamplifiers. In addition, when N analog-to-digital converters are used, N individual signals must also be synchronized with each other. For this purpose, a precise consideration of the maturity is necessary, which further increases the effort. Therefore, there are significant advantages associated with the use of only one analog-to-digital converter and only one preamplifier as discussed above.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Spektrometer für die Ermittlung des Spektrums eines optischen Pulses verwendet. In dem Spektrometer werden die spektralen Komponenten des optischen Pulses räumlich getrennt. Diese Trennung wird beispielsweise, wie zuvor erwähnt, mithilfe eines refraktiven optischen Elements oder mithilfe eines optischen Gitters vorgenommen. Das Spektrometer umfasst eine Mehrzahl von N Fotodetektoren, die voneinander beabstandet sind und mit unterschiedlichen spektralen Komponenten des optischen Pulses beleuchtet werden. Das Auslesen der Fotodetektoren erfolgt wie zuvor beschrieben. Die Beiträge im Pulszugsignal enthalten die spektrale Information des optischen Pulses am Ort des Fotodetektors. Diese Information kann beispielsweise durch die Amplitude des jeweiligen Beitrags, die Breite des jeweiligen Beitrags, die integrierte Amplitude des jeweiligen Beitrags oder durch eine andere Größe des jeweiligen Beitrags des Pulszugsignals repräsentiert werden, die kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor empfangenen Lichtes ist. Durch das Ermitteln dieser Größe wird die detektierte Strahlungsintensität am Ort des Fotodetektors bestimmt.Preferably, the method according to the invention is used in a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse. In the spectrometer, the spectral components of the optical pulse are spatially separated. This separation is made, for example, as previously mentioned, by means of a refractive optical element or by means of an optical grating. The spectrometer comprises a plurality of N photodetectors which are spaced apart and illuminated with different spectral components of the optical pulse. The readout of the photodetectors is carried out as described above. The contributions in the pulse train signal contain the spectral information of the optical pulse at the location of the photodetector. This information can be represented, for example, by the amplitude of the respective contribution, the width of the respective contribution, the integrated amplitude of the respective contribution or by another quantity of the respective contribution of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. By determining this quantity, the detected radiation intensity at the location of the photodetector is determined.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Auslesen der Mehrzahl N von Fotodetektoren, die sich dieses Verfahrens bedient.In addition to the method described above, the invention also includes a device for reading out the plurality N of photodetectors using this method.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst die folgenden Elemente:
- – Verzögerungsmittel zum Verzögern von mindestens N – 1 der N elektrischen Ausgangspulse um eine Verzögerungszeit TV,i, i = 1...N,
- – Mittel zum Zusammenführen der N verzögerten Ausgangspulse, um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen überlagertes Pulszugsignal zu erzeugen, wobei die Verzögerungsmittel dazu eingerichtet sind, die elektrischen Ausgangspulse derart zu verzögern, dass die Beiträge der einzelnen Ausgangspulse im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und
- – Mittel zum Auslesen des Pulszugsignals, die dazu eingerichtet sind, einem jeden Fotodetektor einen zeitlichen Abschnitt des Signals zuzuordnen, der der Verzögerungszeit TV,i des zugehörigen Verzögerungsmittels entspricht.
- Delay means for delaying at least N-1 of the N electrical output pulses by a delay time T V, i , i = 1 ... N,
- Means for combining the N delayed output pulses to generate a pulse train signal superimposed on the N delayed output pulses, the delay means thereto are arranged to delay the electrical output pulses such that the contributions of the individual output pulses in the pulse train signal substantially do not overlap in time, and
- - means for reading the pulse train signal, which are adapted to each photodetector to assign a temporal portion of the signal corresponding to the delay time T V, i of the associated delay means.
Die Verzögerungsmittel können beispielsweise durch Kabel mit unterschiedlichen Längen realisiert werden, so dass die von den Fotodetektoren erzeugten elektrischen Ausgangspulse unterschiedlich lange Wege durch die Kabel zurücklegen. Aufgrund unterschiedlich langer Laufzeiten werden die elektrischen Ausgangspulse um unterschiedliche Verzögerungszeiten TV,i verzögert und somit zeitlich gegeneinander versetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von kommerziell erhältlichen passiven Verzögerungselementen, die eine Anstiegszeit von nicht mehr als 1 ns und Verzögerungszeiten im Bereich von etwa 100 ps bis zu Nanosekunden haben. Falls erforderlich, können auch mehrere dieser Elemente hintereinandergeschaltet werden, um höhere Verzögerungszeiten zu erreichen. Eine weitere Ausführungsform sieht eine Laufzeitverzögerung direkt im Halbleitermaterial des Fotodetektors vor. Aufgrund einer relativ geringen Propagationsgeschwindigkeit der elektrischen Ausgangspulse in Halbleitern, wird daher nur eine relativ geringe Wegstrecke benötigt.The delay means can be realized, for example, by cables of different lengths, so that the electrical output pulses generated by the photodetectors travel different distances through the cables. Due to different lengths of maturity, the electrical output pulses are delayed by different delay times T V, i and thus offset in time. Another possibility is to use commercially available passive delay elements that have a rise time of no more than 1 ns and delay times in the range of about 100 ps to nanoseconds. If necessary, several of these elements can be connected in series to achieve higher delay times. Another embodiment provides a propagation delay directly in the semiconductor material of the photodetector. Due to a relatively low propagation speed of the electrical output pulses in semiconductors, therefore, only a relatively small distance is required.
Bei den Mitteln zum Zusammenführen der verzögerten Ausgangspulse kann es sich beispielsweise um kommerziell erhältliche Kombinationselemente handeln. Diese umfassen zum Beispiel N Eingangskabel, die an ihren Ausgängen miteinander verbunden sind und in ein einziges Ausgangskabel münden.The means for combining the delayed output pulses may be, for example, commercially available combination elements. These include, for example, N input cables which are connected together at their outputs and terminate in a single output cable.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Mittel zum Auslesen einen Analog-Digital-Wandler. Mit diesem kann ein analoges Pulszugsignal in ein digitales Signal umgewandelt werden und anschließend mit einem geeigneten Datenverarbeitungssystem weiterverarbeitet werden.In an advantageous development, the means for reading comprise an analog-to-digital converter. With this an analog pulse train signal can be converted into a digital signal and then further processed with a suitable data processing system.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Auslesen einen Vorverstärker. Mit diesem können die Beiträge des Pulszugsignals verstärkt werden, wodurch die weitere Verarbeitung vereinfacht wird.Preferably, the means for reading comprises a preamplifier. With this, the contributions of the pulse train signal can be amplified, whereby the further processing is simplified.
In einer weiteren Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl N von Fotodetektoren zur Detektion des optischen Pulses und zur Erzeugung der elektrischen Ausgangspulse. Für den Einsatz mit sichtbarem Licht können beispielsweise Silizium-Fotodioden bzw. Fotodiodenzellen verwendet werden.In a further development, the device comprises a plurality N of photodetectors for detecting the optical pulse and for generating the electrical output pulses. For use with visible light, for example, silicon photodiodes or photodiode cells can be used.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Spektrometer zum Ermitteln des Spektrums eines optischen Pulses mithilfe einer Mehrzahl N von Fotodetektoren, wobei N eine ganze Zahl ≥ 2 ist und die Fotodetektoren voneinander beabstandet und derart angeordnet sind, dass sie jeweils Licht eines zugehörigen Spektralbereichs des optischen Pulses empfangen. Das Spektrometer umfasst die zuvor genannten Verzögerungsmittel, Mittel zum Zusammenführen und Mittel zum Auslesen. Weiterhin umfasst das Spektrometer Mittel zum Ermitteln einer Größe des Pulszugsignals, die kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor empfangenen Lichtes ist. Die ermittelte Größe kann der räumlichen Position des entsprechenden Fotodetektors zugeordnet und somit das Spektrum des optischen Pulses ermittelt werden.An advantageous development of the invention relates to a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse by means of a plurality N of photodetectors, wherein N is an integer ≥ 2 and the photodetectors are spaced from each other and arranged so that they each light of an associated spectral range of the optical pulse receive. The spectrometer comprises the aforementioned delay means, means for merging and means for reading. Furthermore, the spectrometer comprises means for determining a size of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. The determined variable can be assigned to the spatial position of the corresponding photodetector and thus the spectrum of the optical pulse can be determined.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Darin zeigen:Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description in which the invention with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Show:
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Im Folgenden wird die Funktion der Auslesevorrichtung
In
Im Unterschied zu der Auslesevorrichtung aus
Die von dem Lasersystem
Der experimentelle Aufbau aus
Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und Änderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Die gezeigten Merkmale können in beliebigen Kombinationen von Bedeutung sein. Although preferred embodiments have been shown and described in detail in the drawings and foregoing description, this should be considered as illustrative and not restrictive of the invention. It should be understood that only the preferred embodiments are shown and described and changes and modifications that are presently and in the future within the scope of the invention should be protected. The features shown may be of importance in any combination.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 88th
- Auslesevorrichtungreadout device
- 1010
- Pulszugsignalpulse train
- 1212
- Optischer PulsOptical pulse
- 1414
- Mehrzahl N von FotodetektorenPlurality N of photodetectors
- 1616
- Elektrischer AusgangspulsElectric output pulse
- 1818
- Verzögerungsmittelretardants
- 2020
- Verzögerter AusgangspulsDelayed output pulse
- 2222
- Mittel zum ZusammenführenMeans to merge
- 2424
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- 2626
- DatenverarbeitungssystemData processing system
- 2828
- Beitragcontribution
- 3030
- Zeitlicher BereichTime range
- 3232
- PulszugabstandPulse headway
- 3434
- Mittel zum Zusammenführen und VerzögernMeans for merging and delaying
- 3535
- Verzögerungsabschnittdelay section
- 3636
- Lasersystemlaser system
- 3838
- Frequenzverdoppelndes ElementFrequency doubling element
- 4040
- Ausleseschaltungreadout circuit
- 4242
- Oszilloskoposcilloscope
- 4444
- Pulsbreitepulse width
- 4646
- Reflexionenreflections
- 4848
- Pulszugpulse train
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 3486822 [0007] US 3486822 [0007]
Claims (20)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210102521 DE102012102521A1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method for ultrafast reading of photosensors |
PCT/EP2013/000638 WO2013139434A1 (en) | 2012-03-23 | 2013-03-05 | Method for the ultrarapid reading of photodetectors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE201210102521 DE102012102521A1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method for ultrafast reading of photosensors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102012102521A1 true DE102012102521A1 (en) | 2013-09-26 |
Family
ID=47884235
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE201210102521 Withdrawn DE102012102521A1 (en) | 2012-03-23 | 2012-03-23 | Method for ultrafast reading of photosensors |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102012102521A1 (en) |
WO (1) | WO2013139434A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112904312B (en) * | 2021-01-25 | 2024-01-30 | 深圳煜炜光学科技有限公司 | Anti-interference method and device for laser radar |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3486822A (en) | 1965-10-01 | 1969-12-30 | Lee B Harris | Sampling unit for continuous display of spectral analysis |
DE3650491T2 (en) * | 1985-02-19 | 1996-07-18 | Perkin Elmer Corp | Method and device for immediate reading multichannel and multicolor spectrophotometry |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4124297A (en) | 1977-07-25 | 1978-11-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Ultrafast scanning spectrophotometer |
JPS5858423A (en) * | 1981-10-01 | 1983-04-07 | Toshiba Corp | Multiwavelength spectrophotometer |
US4465940A (en) * | 1982-04-15 | 1984-08-14 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Electro-optical target detection |
US4732476A (en) | 1985-07-26 | 1988-03-22 | Barspec Ltd. | Continuously rotating grating rapid-scan spectrophotometer |
JPH04177154A (en) * | 1990-11-13 | 1992-06-24 | Toshiba Corp | Apparatus for inspecting surface |
WO2009025033A1 (en) * | 2007-08-21 | 2009-02-26 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Optical current monitor circuit |
-
2012
- 2012-03-23 DE DE201210102521 patent/DE102012102521A1/en not_active Withdrawn
-
2013
- 2013-03-05 WO PCT/EP2013/000638 patent/WO2013139434A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3486822A (en) | 1965-10-01 | 1969-12-30 | Lee B Harris | Sampling unit for continuous display of spectral analysis |
DE3650491T2 (en) * | 1985-02-19 | 1996-07-18 | Perkin Elmer Corp | Method and device for immediate reading multichannel and multicolor spectrophotometry |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2013139434A1 (en) | 2013-09-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2156154B1 (en) | Spectrometer comprising solid body sensors and secondary electron multipliers | |
DE102010053323B3 (en) | Method for the spatially resolved measurement of parameters in a cross section of a beam of high-energy, high-intensity radiation | |
EP3262453B1 (en) | Method for improving the dynamic range of a device for detecting light | |
DE102008012635A1 (en) | Method and arrangement for time-resolved spectroscopy | |
DE102010005962A1 (en) | Method for determining the static and / or dynamic light scattering | |
DE112016003988T5 (en) | DISTANCE MEASURING DEVICE AND DISTANCE METHOD | |
DE60216393T2 (en) | Heterodyne-based optical spectral analysis with reduced data acquisition requirements | |
DE2705831A1 (en) | OPTICAL LOCATION DEVICE | |
DE69633890T2 (en) | Device for measuring internal information in scattering media | |
WO2015128393A1 (en) | Method, optical unit, measuring device, and measuring system for spatially resolved terahertz time-domain spectroscopy | |
DE102014101302B3 (en) | Method for spectrometry and spectrometer | |
DE102012102521A1 (en) | Method for ultrafast reading of photosensors | |
DE102009013795B4 (en) | Fiber optic measuring device and measuring method | |
DE112018005335T5 (en) | OPTICAL MEASURING DEVICE, OPTICAL MEASURING METHOD, AND GRID MICROSCOPE | |
WO2018172260A1 (en) | Method and apparatus for scanning a solid angle | |
DE102012219136A1 (en) | Microscope and a method for examining a sample with a microscope | |
DE102015116368A1 (en) | Method for detecting an object | |
DE102014213575B3 (en) | Device and method for a spectrally resolved measurement of an object | |
DE102014111309B3 (en) | Time-resolved spectrometer and method for time-resolved acquisition of a spectrum of a sample | |
DE102014105139B4 (en) | Spectrometer with an optical wavelength-time converter | |
EP2982966B1 (en) | Measuring device and method for determining a measurement value | |
EP3887782A2 (en) | Device and method for measuring semiconductor-based light sources | |
DE112018006278T5 (en) | ULTRASONIC OPTICAL WAVE MEASURING DEVICE DEVICE, METHOD, PROGRAM AND STORAGE MEDIUM | |
DE102010062015B4 (en) | Measuring device for measuring absorption or scattering at different wavelengths | |
DE102007027284A1 (en) | Method for digital measurement of pulse-type emission spectra, involves generating emission pulse of sample by unit and units for wavelength dependent local focusing of emitted light on semiconductor detector marked by pixel structure |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |