DE19813558A1

DE19813558A1 - Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung von Strahlungsdetektoren

Info

Publication number: DE19813558A1
Application number: DE1998113558
Authority: DE
Inventors: Klaus Pawlik; Rainer Riesenberg; Thomas Seifert
Original assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV; Analytik Jena GmbH Analysenmessgeraete und Laboreinrichtungen
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV; Analytik Jena AG
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 1999-10-07
Anticipated expiration: 2018-03-28
Also published as: EP1064526A1; DE19813558C2; WO1999050627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung von Strahlungsdetektoren. Die Aufgabe eine derartige Anordnung anzugeben, die eine variabel vorgebbare Ortsauflösungserhöhung ermöglicht und mit wenigen Baugruppen auskommt, wird dadurch gelöst, daß vor jedem Strahlungsempfängerelement (1) ein für die zu detektierende Strahlung nicht transparenter Steg (2) angeordnet ist, dessen Stegbreite (ba) zu einem Bruchteil der Strahlungsempfängerbreite festgelegt ist und der Steg (2) vermitts eines Verstellelements (3) über die gesamte Empfängerbreite verschiebbar ist, wobei über eine Steuer- und Datenleitung (4) diskrete Verstellpositionen des Verschiebeelements (3) einstellbar sind und diese diskreten Positionen in einer Steuer- und Auswerteeinheit (5) den jeweils zugehörigen, über eine Leitung (6) übertragenden Intensitätssignalen des Strahlungsempfängerelements (1) zuordenbar sind und nach einer rechnerischen Transformation den Intensitätsverlauf der zu detektierenden Strahlung mit erhöhter Auflösung in Abhängigkeit vom Verhältnis Empfängerbreite zur Stegbreite darstellen lassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung von Strahlungsdetektoren, die bei allen Detektoren zum Einsatz gelangen kann, die über eine einzelne Strahlungsempfängerfläche oder mehrere Strahlungsempfängerflächen, die in einer Ebene in einem periodischen Abstand angeordnet sind, verfügen. Für solche Strahlungsdetektoren kommen alle flächigen fotoelektrische Empfänger, wie z. B. CCD's, Bolometer, Thermosäulen u. a. in Betracht.

Zur Erhöhung der Ortsauflösung von Strahlungsdetektoren werden üblicherweise die eingangsseitigen Elemente eines abbildenden Systems derart modifiziert, daß die Pixelflächen der Empfängerelemente verringert. Die Erhöhung der Auflösung ist begrenzt durch die verfügbaren Pixelgrößen in Zusammenhang mit ihrer Anzahl und den Kosten.

Nur indirekt mit vorliegender Erfindung in Zusammenhang steht eine Lösung nach EP 03 36 152 A1, bei der in einem relativ großen Abstand ein Einfachspaltsystem vor einem Empfänger positioniert wird, der mehrere Empfängerflächen in unterschiedlichen Abständen zueinander beinhaltet. Diese Lösung dient ausschließlich zur Detektion der Einfallsrichtung einer Strahlung mit der der Einfachspalt beleuchtet wird.

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung üblicher Strahlungsdetektoren anzugeben, die eine variabel vorgebbare Ortsauflösungserhöhung ermöglicht und mit wenigen Baugruppen auskommt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs beispiele näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung mit allen wesentlichen Baugruppen,

Fig. 1a schematisch ein Empfängerelement mit einem zugeordneten Steg in einer Ausgangs- und Endlage,

Fig. 2 beispielhaft den Intensitätsverlauf einer Quecksilberlinie,

Fig. 3 eine mit der erfindungsgemäßen Anordnung detektierte Intensitätsverteilung der Linie nach Fig. 2,

Fig. 4 den aus der Intensitätsverteilung nach Fig. 3 in einer Auswerteeinheit rechnerisch ermittelten Intensitätsverlauf der nach Fig. 3 gewonnenen Intensitätsverteilung,

Fig. 5 eine Ausbildung einer Mehrfachsteganordnung für einen zweidimensionalen Strahlungsdetektor und

Fig. 6 eine Ausbildung einer Mehrfachsteganordnung für einen eindimensionalen Strahlungsdetektor mit einer Variationsmöglichkeit der Ortsauflösungserhöhung.

Fig. 1 zeigt einen Strahlungsdetektor, der beispielhaft fünf Empfängerflächen 1, für die im Beispiel fotoelektrische Empfänger gewählt sind, in einem äquidistanten Abstand beinhaltet. Diese Empfängerflächen werden entsprechend der dargestellten Pfeile S mit einer von den Empfängern detektierbaren Strahlung beleuchtet. Besitzt die Strahlung eine Intensitätsverteilung, wie beispielhaft in Fig. 2 angedeutet, liefert jede einzelne Empfängerfläche 1 nur ein integrales, der Intensität entsprechendes Signal. Die Verteilung im Bereich der Empfängerfläche wird nicht aufgelöst. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem jeder einzelnen Empfängerfläche ein für die zum Einsatz gelangende Strahlung nicht transparenter Steg 2 in einem Abstand in der Größenordnung der Stegbreite zugeordnet ist. Bei einem derartigen Abstand hat die Apertur der Beleuchtung keinen merklichen Einfluß auf die Abschattungswirkung des Stegs, so daß ein hoher Kontrast zwischen beleuchteten und abgeschatteten Empfängerflächenbereichen vorliegt. Die Stegbreite ba ist dabei vorzugsweise zu einem ganzzahligen Bruchteil der Empfängerbreite be festzulegen. Im Beispiel beträgt die Empfängerbreite be = 25 µm und die Stegbreite ba = 5 µm. Vermittels eines hochpräzisen Verstellelements 3, wofür ein piezoelektrischer Stellantrieb verwendet werden kann, wird der Steg 2, bzw. die Stege 2, in mehreren diskreten Positionen von einer in Fig. 1a mit 2a bezeichneten Ausgangsposition in eine Endposition 2e verschoben, so daß die gesamte Empfängerfläche 1 zumindest einmal erfaßt ist. Dabei werden bei jeder Position Teile der einfallenden Strahlung durch den Steg 2 ausgeblendet, die entsprechenden Empfängersignale über eine Leitung 6 einer Auswerteeinheit 5 zugeleitet, innerhalb derer eine Zuordnung des empfangenen Intensitätssignals zur aktuellen Stegposition erfolgt und von welcher aus, über eine Steuer- und Datenleitung 4, das Verstellelement 3 angesteuert wird, welches eine Stegverschiebung in die nächste diskrete Position bewirkt. Ist die gesamte Breite der Empfängerfläche einmal vom Steg überstrichen worden, liegen in der Auswerteeinheit pro diskreter Stegposition ermittelte Intensitäten vor, die in Summe eine invers interpretierbare Intensitätsverteilung der Linie nach Fig. 2 ergeben, wie in Fig. 3 angedeutet. Nach einer entsprechenden rechnerischen Transformation wird die örtliche Auflösung des Detektors auf Bruchteile der Empfängerbreite erhöht und man erhält den der Linie nach Fig. 2 entsprechenden Intensitätsverlaut, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Je feiner die Stegbreite ba in Bezug auf die Breite der Empfängerfläche be festgelegt ist, um so größer ist die Auflösung. Mit der dargestellten Ausführungsform wird eine Ortsauflösungserhöhung um den Faktor 5 gegenüber dem Empfänger ohne die vorgeschlagene Anordnung erreicht. Außerdem wird das Signal/Rausch-Verhältnis gegenüber herkömmlichen Anordnungen wesentlich verbessert. Weiterhin kann bspw. auf Multiplexerelemente, wie sie nach dem Stand der Technik für IR-Detektorzeilen erforderlich sind, verzichtet werden.

In Fig. 5 ist eine weitere Möglichkeit der Stegausbildung dargestellt, bei der eine Matrix aus fotoelektrischen Empfängern, bestehend aus drei Zeilen zu je fünf Empfängerelementen zum Einsatz gelangt. Die Anordnung der Stege 21 entspricht dabei der Anordnung nach Fig. 1. Die Stege 22 sind in analoger Weise, jedoch senkrecht zu den Stegen 21 angeordnet. Die Meßwerterfassung und Verschiebung der Stege 21 erfolgt zunächst, wie zu Fig. 1 beschrieben, wobei die Stege 22 in eine Stellung verbracht sind, in der sie nicht auf die Empfängerflächen einwirken, danach werden die Stege 21 in die in Fig. 5 dargestellte Lage verbracht und es erfolgt im einfachsten Fall lediglich eine Verschiebung der Stege 22; andere Abtastfolgen liegen im Rahmen der Erfindung. Durch eine solche Anordnung lassen sich auf der Matrix abgebildete zweidimensionale Intensitätsverläufe mit erhöhter Ortsauflösung detektieren.

Eine weitere Ausbildungsmöglichkeit der Stege ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Dort soll wiederum von zeilenförmig angeordneten fünf, in Fig. 6 nicht näher dargestellten Empfängerflächen ausgegangen werden, denen fünf Stege 21a zugeordnet sind. Weiterhin ist ein zweiter Satz von Stegen 21b vorgesehen, deren Breite gegenüber den Stegen 21a etwas verbreitert ausgeführt ist, wodurch bei deren Einsatz eine verringerte Auflösung erreicht wird, was für manche Meßaufgaben ausreichend sein kann. Werden mehrere solcher Sätze von unterschiedlichen Stegbreiten zur Verfügung gestellt, kann durch entsprechende Auswahl der Sätze und/oder der Schrittweite die jeweils gewünschte Ortsauflösungserhöhung vorgegeben werden.

Gemäß der Erfindung sind die Stege 2, 21, 22 bevorzugt gebildet durch Einbringen von Ausnehmungen 71, die in eine Siliziummembran mittels mikrosystemtechnischer Methoden. Auf die beschriebene Weise verbleiben die Stege und ein sie umfassender Siliziumrahmen 7, der seinerseits von eine nicht näher dargestellten Aufnahme erfaßt und mit dem Verstellelement 3 in Verbindung gebracht ist.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1

Strahlungsempfängerelement

2

,

21

,

22

21

a,

21

b Stege

2

a Ausgangslage eines Stegs

2

e Endlage eines Stegs

3

Verstellelement

4

Steuer- und Datenleitung

5

Steuer- und Auswerteeinheit

6

Leitung

7

Rahmen

71

Ausnehmungen
ba Stegbreite
be Empfängerbreite
S Pfeile

Claims

1. Anordnung zur Ortsauflösungserhöhung von Strahlungsdetektoren, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Strahlungsempfängerelement (1) ein für die zu detektierende Strahlung nicht transparenter Steg (2) angeordnet ist, dessen Stegbreite (ba) zu einem Bruchteil der Strahlungsempfängerbreite (be) festgelegt ist und der Steg (2) vermittels eines Verstellelements (3) über die gesamte Empfängerelementbreite (be) verschiebbar ist, wobei über eine Steuer- und Datenleitung (4) diskrete Verstellpositionen des Verschiebeelements (3) einstellbar sind und diese diskreten Positionen in einer Steuer- und Auswerteeinheit (5) den jeweils zugehörigen, über eine Leitung (6) übertragenen Intensitätssignalen des Strahlungsempfängerelements (1) zuordenbar sind und nach einer rechnerischen Transformation den Intensitätsverlauf der zu detektierenden Strahlung mit erhöhter Auflösung in Abhängigkeit vom Verhältnis Empfängerbreite (be) zur Stegbreite (ba) darstellen lassen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Stege zur Empfängerfläche in der Größenordnung der Stegbreite (ba) festgelegt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Anzahl linear erfaßbarer Strahlungsempfängerelemente gleichviel Stege (2, 21, 22; 21a; 21b) mit dem gleichen Mittenabstand wie die Strahlungsempfängerelemente in einem Rahmen (7) zusammengefaßt angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (7) mehrere Sätze von Stegen (21a; 21b) unterschiedlicher Breite beinhaltet.

5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege einstückiges Bestandteil eines mit Ausnehmungen (71) versehenen Siliziumchips sind.