DE3878687T2

DE3878687T2 - Spektrometer mit fotodiodenanordnung.

Info

Publication number: DE3878687T2
Application number: DE8888113346T
Authority: DE
Inventors: Hubert Kuderer
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Agilent Technologies Deutschland GmbH
Priority date: 1988-08-17
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2008-08-18
Also published as: EP0355174A1; JPH0290026A; DE3878687D1; US4958928A; ES2038255T3; JP3102689B2; EP0355174B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer mit photodiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Spektrometer ist zum Beispiel verwendbar für die Bestimmung des Absorptionsspektrums einer Probensubstanz zum Zwecke der Ableitung von Informationen über die chemische Zusammensetzung der Probe und die Mengen ihrer Einzelbestandteile.
Ein Spektrometer mit Photodiodenanordnung gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1 ist aus der Veröffentlichung "A High-Speed Spectrophotometric LC Detector", Hewlett-Packard Journal, April 1984, bekannt. Dieses bekannte Spektrometer wird in einem Flüssgkeitschromatographen zur Analyse der in der Chromatographiesäule gewonnenen Substanzen eingesetzt. Das bekannte Spektrometer umfaßt eine Lchtquelle, die ein breites Spektrum ultravioletter und sichtbarer Strahlung abgibt, sowie ein optisches System, mit dem das Strahlenbündel auf eine von den zu analysierenden Probensubstanzen durchströmte Probenküvette gerichtet wird. Je nach Art der die Küvette durchströmenden Substanzen absorbiert die Probe bestimmte charakteristische Spektralanteile der in die Probenküvette eintretenden Strahlung, so daß die spektrale Zusammensetzung der die Küvette verlassenden Strahlung für die Probensubstanzen kennzeichnend ist.
Bei dem bekannten Spektrometer wird das Spektrum der die Probenküvette verlassenden Strahlung mittels eines im Strahlengang hinter der Küvette angeordneten Beugungsgitters abgelenkt. Das Beugungsgitter richtet Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedliche Richtungen. Das von dem Gitter gebeugte Licht wird von einer linearen Photodiodenanordnung empfangen. Damit empfangen die Dioden jeweils unterschiedlichen Wellenlängenbereichen entsprechendes Licht. Die durch das auftreffende Licht in den Photodioden erzeugten elektrischen Signale werden durch eine Ausleseschaltung ausgelesen und in digitale, jeweils der Stärke des auf die einzelnen Dioden auftreffenden Lichts entsprechende Datenwerte umgewandelt. Diese Datenwerte werden dann als Funktion der Wellenlänge in geeigneter Form, zum Beispiel auf einem CRT-Bildschirm, angezeigt.
Die Photodiodenanordnung baut auf Halbleitermaterial auf und umfaßt mehrere lichtempfindliche Elemente, die über elektronische Schalter an eine gemeinsame Ausgangsleitung (videoleitung) angeschlossen sind, die ihrerseits mit einem Ladungsverstärker verbunden sind. Jedem der lichtempfindlichen Elemente ist ein Kondensator zugeordnet, der die Sperrschichtkapazität der Photodioden repräsentiert. Die lichtempfindlichen Elemente mit den zugeordneten Kondensatoren werden nachfolgend auch zusammenfassend als "Photozelle" bezeichnet. Licht, das auf das lichtempfindliche Material auftrifft, erzeugt Ladungsträger, die diese Kondensatoren entladen. Im Betrieb werden die Kondensatoren der Photozellen zunächst jeweils auf einen festen Wert aufgeladen, wonach die gesamte Anordnung in vorbestimmten Intervallen durch sequentielles Schließen der Schalter abgetastet wird derart, daß die Photozellen durch die Ladungsverstärker wieder auf ihr ursprüngliches Ladungsniveau aufgeladen werden. Der hierdurch übertragene Ladungswert bewirkt einen Spannungswechsel am Ausgang des Ladungsverstärkers proportional zur Lichtmenge, die die Entladung der Photozelle verursacht hat.
Ein weiteres Spektrometer mit Photodiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus Applied Spectroscopy, Band 36, Hr. 1, Februar 1982, S. 1-18, Y. Talmi: "Spectrophotometry and spectrofluorometry with the selfscanned photodiode array" bekannt. Diese bekannte Anordnung besitzt einen Auslese-Modus, bei dem Photodioden, die einen irrelevanten Teil eines Spektrums, z.B. Abstände zwischen Zeilen in Atomspektren, mit einer höheren als der normalen Auslesegeschwindigkeit (z.B. der zweiunddreißigfachen Geschwindigkeit) abgetastet werden, wodurch bestimmte Teile des Spektrums ausgeschaltet werden. Das bekannte Spektrometer besitzt ferner einen Auslesemodus mit variabler Integrationszeit, bei dem die Gesamtzeit für die Erfassung eines Spektrums in vorbestimmten Stufen durch die Bedienungsperson eingestellt werden kann.
Drei wichtige Werte für die Bemessung der Leistung eines Spektrometers sind die Spektralauflösung, der Spektralbereich und die Empfindlichkeit. Die Spektralauflösung gibt an, wie gut Strahlungskomponenten mit dicht beieinanderliegenden Wellenlängen getrennt werden, so daß sie als einzelne Komponenten erkennbar sind. Der Spektralbereich gibt das Wellenlängenintervall an, das von dem Spektrometer analysiert werden kann. Die Empfindlichkeit entspricht dem Signal-Rausch-Verhältnis und gibt an, wie gut schwache Signale gegenüber dem Hintergrundrauschen unterschieden werden. Bei Spektrometern, bei denen Photodiodenanordnungen als Lichtdetektoren dienen, führt das Erfordernis eines breiten Spektralbereichs bei einer gegebenen Auflösung zu Anordnungen mit vielen Einzel-Photodioden, bei dem bekannten Spektrometer zum Beispiel zu 1024 Dioden. Aufgrund dieser Vielzahl von Photodioden erzeugt das bekannte Spektrometer eine Vielzahl von Datenwerten pro Zeiteinheit, d.h. bei jedem Auslesen eines lichtempfindlichen Elementes während einer Abtastung wird ein neuer Datenwert erhalten. Infolgedessen werden teure Datenverarbeitungs- und Datenspeicherschaltungen, wie Analog-Digital-Wandler, Mikroprozessoren, Massenspeicher, benötigt.
Die Empfindlichkeit eines Spektrometers läßt sich grundsätzlich durch Verstärkung der Lichtquelle des Spektrometers verbessern. Dadurch steigt auch die auf die Photodioden einfallende Lichtstärke, so daß die den lichtempfindlichen Elementen zugeordneten Kondensatoren stärker entladen werden als bei geringerer Lichtstärke. Da um Linearitätsfehler zu vermeiden, die Kondensatoren nicht vollständig entladen werden dürfen, und da die Größe der Kondensatoren durch die wirtschaftliche Ausnutzung der Chipfläche der Photodiodenanordnung beschränkt ist, muß die Abtastgeschwindigkeit, mit der die Kondensatoren wieder aufgeladen werden, bei Erhöhung der Lichtstärke ebenfalls erhöht werden. Infolgedessen erhöht sich die Anzahl der Datenwerte pro Zeiteinheit, d.h. die Datenrate, sofern nicht die Anzahl der Photozellen verringert wird, was jedoch zu einem kleineren Spektralbereich und/oder zu verminderter Auflösung führen würde.
Aus den vorstehenden Erörterungen ist ersichtlich, daß bekannte Spektrometer mit Photodiodenanordnungen nicht in jeder Hinsicht befriedigend sind, weil sie einen Kompromiß zwischen Spektralauflösung, Spektralbereich, Empfindlichkeit und Datenrate erforderlich machen, so daß bei einer gegebenen Anwendung nicht alle diese Parameter gleichzeitig nach Wunsch gewählt werden können.
Deshalb erfordern bekannte Spektrometer mit Photodiodenanordnungen einen vergleichsweise hohen Schaltungsaufwand, wenn hohe Leistung des Spektrometers gewünscht wird.
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer mit Photodiodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, mit dem die Spektralauflösung und Empfindlichkeit verbessert werden, ohne daß dadurch Kosten und Komplexität der Signalverarbeitungsschaltungen wesentlich erhöht werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 erfüllt.
Der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, daß die gesamte Photodiodenanordnung in selektiv adressierbare Segmente unterteilt ist, so daß während einer Abtastung nur ausgewählte Segmente der Anordnung ausgelesen werden, während die übrigen Segmente übersprungen werden. Das Segment oder die Segmente der Anordnung, die jeweils ausgelesen werden, können je nach der speziellen Anwendung ausgewählt werden, z.B. nach dem Wellenlängenbereich, der für die Identifizierung und quantitative Bestimmung der speziellen zu analysierenden Probe von Bedeutung ist. Da in einer Auslese- Abtastung nur die dem relevanten Spektralbereich oder den relevanten Spektralbereichen entsprechenden Photodioden ausgelesen und die Photodioden des übrigen Spektralbereichs übersprungen werden, werden in einem Zeitintervall weniger Daten erzeugt als bei bekannten Photodiodenanordnungen vergleichbarer Leistung, bei denen bei jeder Abtastung alle Photodioden ausgelegen werden. Damit wird die Datenrate des Spektrometers niedrig gehalten. Andererseits kann das erfindungsgemäße Spektrometer zur Verbesserung der Empfindlichkeit mit hoher Lichtstärke und zur Verbesserung der Spektralauflösung mit einer großen Anzahl von Photodioden pro Längeneinheit eingesetzt werden, ohne daß dies zu einer höheren Datenrate führt als bei herkömmlichen Spektrometern mit Photodiodenanordnungen. Da das erfindungsgemäße Spektrometer eine große Anzahl von Photodioden umfassen kann, kann es einen breiten Spektralbereich abdecken, so daß viele verschiedene Substanzen analysiert werden können, deren spektrale Merkmale normalerweise jeweils in unterschiedlichen Spektralbereichen liegen, wobei dennoch die Datenrate niedrig gehalten werden kann, weil bei den Abtastungen jeweils nur die für die spezielle Anwendung relevanten Photodioden ausgelesen werden.
Ferner kann die Dauer der Zeitintervalle, in denen die Kondensatoren der Photozellen eines speziellen Segmentes entladen werden (d.h. die Integrationszeiten) einzeln eingestellt werden. So können z.B. Integrationszeiten in Segmenten mit geringer spektraler Empfindlichkeit, d.h. niedriger einfallender Lichtstärke, größer gewählt werden als in Segmenten mit höherer spektraler Empfindlichkeit, so daß die Gesamt-Spektralempfindlichkeit geglättet wird. Auf diese Weise läßt sich der dynamische Bereich der aus der Photodiodenanordnung ausgelesenen Signale reduzieren, so daß auch die Anforderungen an die Signalverarbeitungsschaltungen, wie Analog-Digital- Wandler, insbesondere die Anforderungen an deren Auflösung, vermindert werden. Ferner kann das Signal-Rausch-Verhältnis durch Verlängerung der Integrationszeit verbessert werden, da die Stärke des Meßsignals proportional zur Integrationszeit zunimmt, während das Rauschen nur im Verhältnis der Quadratwurzel der Integrationszeit zunimmt, wodurch sich eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Verhältnis der Quadratwurzel der Integrationszeit ergibt. Insgesamt ist es möglich, durch Verlängerung der Integrationszeiten von Segmenten mit geringerer spektraler Empfindlichkeit gegenüber anderen Segmenten sowohl den dynamischen Bereich des Gesamtspektrums zu glätten als auch das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.

Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung mit der Ladungsverstärkerschaltung zum Auslesen der Anordnung;
Fig. 3 eine detalliertere Darstellung einer Ausführungsform einer Schalter-Steuerschaltung einer erfindungsgemäßen Photodiodenanordnung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit Photodiodenanordnung, mit dem es möglich ist, die Absorption eines polychromatischen Strahlenbündels ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung durch eine zu analysierende Probe zu bestimmen. Der Spektrometer besitzt eine Lichtquelle 1, z.B. eine Deuteriumlampe, die ein Strahlenbündel 2 polychromatischer Strahlung aussendet. Das Strahlenbündel 2 wird von einer Optik 3 in eine Probenküvette 5 gerichtet. Bei der Optik handelt es sich vorzugsweise um ein achromatiches System, das sicherstellt, daß Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen im wesentlichen denselben Brennpunkt haben. Ein Verschluß 4 ermöglicht die Unterbrechung des Lichtstrahls 2, damit das Dunkel-Signal an den Photodioden der Photodiodenanordnung 11 gemessen werden kann. Beim eigentlichen Meßprozeß, bei dem das Strahlenbündel 2 durch die Probenküvette 5 hindurchgeht, werden das Dunkel-Signal und andere elektronische Korrektursignale zum Ausgleich von Meßfehlern von den Meßwerten subtrahiert.
Die Probenküvette 5 kann einen Einlaß und einen Auslaß besitzen, die kontinuierlich von einer zu analysierenden Probenflüssigkeit durchströmt werden. Ein derartiges Spektrometer kann zum Beispiel in einem Flüssigkeitschromatographen verwendet werden, bei dem der Einlaß mit der chromatographischen Trennsäule verbunden ist, aus der kontinuierlich Probensubstanzen abgezogen werden.
Die in die Probenküvette 5 eintretende polychromatische Strahlung wird teilweise durch die in der Küvette vorhandenen Substanzen absorbiert, wobei je nach Art der Probensubstanzen Strahlen bestimmter Wellenlängen stärker absorbiert werden als Strahlen anderer Wellenlängen. Infolgedessen hat das die Küvette
verlassende Strahlenbündel eine andere spektrale Zusammensetzung als das in die Küvette eintretende Strahlenbündel, und das erhaltene Spektrum enthält demnach Informationen über die Art der in der Küvette enthaltenen Substanzen und über deren Mengen.
Das die Küvette verlassende Strahlenbündel trifft auf ein holographisches Beugungsgitter 10 auf, das das Licht entsprechend den im auftreffenden Strahlenbündel enthaltenen unterschiedlichen Wellenlängen streut. Die von dem Gitter 10 kommenden räumlich getrennten Lichtstrahlen treffen auf eine Photodiodenanordnung 11 auf, die aus einer Vielzahl einzelner, durch lichtunempfindliche Spalte voneinander getrennter lichtempfindlicher Dioden 15, 16, usw., besteht. Die Photodioden fangen jeweils einen bestimmten Spektralbereich der Beugungsstrahlung ab.
Die Photodiodenanordnung 11 ist mit einer Ausleseschaltung 20 verbunden, die die elektrischen Signale periodisch aus den Photodioden ausliest, wobei diese Signale jeweils der Stärke der auf die Photodioden auftreffenden Lichtsignale entsprechen. Die Ausleseschaltung 20 wird nachstehend noch im einzelnen unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben. Die aus der Photodiodenanordnung 11 ausgelesenen elektrischen Signale werden dann in einer Signalverarbeitungsschaltung 21 weiterverarbeitet, die typischerweise einen Analog-Digital-Wandler sowie Schaltungen für die Speicherung und die Weiterverarbeitung dieser Digitalwerte umfaßt. Die Arbeitsweise der Ausleseschaltung 20 für die Photodiodenanordnung und der Signalverarbeitungsschaltung 21 wird durch eine Steuerung 23 gesteuert, die typischerweise einen Mikroprozessor umfaßt und die auch eine Anzeigeeinrichtung 22 für die Anzeige des endgültigen Spektrums der analysierten Probe steuert. Die Signalverarbeitungsschaltung 21 kann ferner Schaltungen für die Korrektur der elektrischen Signale der einzelnen Photodioden um die weiter oben erwähnten Dunkel-Ströme der Photodioden und um andere Effekte enthalten.
Fig. 2 zeigt die Photodiodenanordnung 11 mit einer Vielzahl von n zu einem Halbleiterchip gehörenden Einzel-Photodioden 1, ..., n in schematischer Darstellung. Jeder Photodiode ist ein Kondensator Cd1, ..., Cdn zugeordnet, der der Sperrschichtkapazität bzw. bei Anwendungen, bei denen ein getrennter Kondensator zu den Photodioden parallel geschaltet ist, der Summe dieses Kondensators und der Sperrschichtkapazität entspricht. Die Photodioden und der zugehörige Kondensator werden nachstehend auch als Photozellen Zelle 1, Zelle 2, ..., Zelle n, bezeichnet. Die Zellen 1 ... n sind mit einer gemeinsamen Videoleitung 30 verbunden. Die elektrischen Anschlüsse zwischen den einzelnen Zellen und der Videoleitung können jeweils mittels elektronischer Schalter SW1 ... SWn unterbrochen werden. Die Schalter werden durch eine Schalter- Steuerschaltung 31 gesteuert. Die Schalter-Steuerschaltung wird nachstehend noch im einzelnen anhand der Fig. 3 beschrieben.
Die Videoleitung 30 ist mit einem Ladungsverstärker 32 verbunden, der als Integrator ausgebildet ist und einen Operationsverstärker mit einem Kondensator Cint in der Rückkoppelschleife umfaßt. Dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers wird das Signal Uguard mit einem festen Potential von z.B. - 5 V zugeführt. Damit hat der invertierende Eingang (Videoleitung) praktisch das gleiche Potential. Vor jeder Ladungsübertragung wird der Integrator durch Schließen eines zum Kondensator Cint parallel liegenden Rückstellschalters Rs zurückgestellt.
Im Betrieb werden die Kondensatoren ausgewählter Photozellen zunächst auf einen festen Wert aufgeladen. Wenn Photone in das lichtempfindliche Material eindringen, werden Ladungsträger erzeugt, die die Kondensatoren entsprechend der Menge der innerhalb einer gegebenen Integrationsperiode empfangenen Photone entladen. Die Kondensatoren werden in periodischen Abständen in weiteren Abtastsequenzen wieder aufgeladen. Das Entladungsniveau der einzelnen Kondensatoren ist proportional zur während der Integrationszeit einfallenden Lichtstärke.
Die hierdurch übertragene Ladungsmenge erzeugt eine Spannungsänderung am Ausgang des Ladungsverstärkers 32 proportional zum Ingetral der während der Integrationsperiode einfallenden Lichtmenge. Jetzt kann das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 32, das "PDA-Signal'', durch weitere (nicht dargestellte) Elemente, z.B. eine Verstärkungsschaltung, eine Abtast-Halte-Schaltung, einen Analog-Digital-Wandler und einen Mikroprozessor, weiterverarbeitet werden. Vor jeder Ladungsübertragung von einem Ladungsverstärker zu einer Zelle wird der Ladungsverstärker 32 in Vorbereitung auf die nächste Ladungsübertragung durch Schließen des "Rückstellschalters" zurückgestellt.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Schalter-Steuerschaltung 31 (Fig. 2) unter Bezugnahme auf die Fig. 3 erläutert. In Fig. 3 sind die Zellen und die zugehörigen Schalter in Form eines Photozellenblocks 40 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind insgesamt 768 Zellen in 32 Gruppen oder Segmenten vorgesehen, wobei jedes Segment 24 Zellen enthält. Jede dieser Zellen ist über einen elektronischen Schalter SW mit einer gemeinsamen, mit dem Ladungsverstärker 32 verbundenen Videoleitung 30 verbunden (Fig. 2).
Die Schalter-Steuerschaltung ist in mehrere Einheiten - in Fig. 3 als Block 41, 43, 44, 45, 46 dargestellt - unterteilt. Ein Eingang der Steuerung 41 der Photodiodenanordnung ist über einen Bus 42 mit einem (nicht dargestellten) Mikroprozessor verbunden. Die Ausgabe der Steuerung 41 der Photodiodenanordnung ist mit einer Segment-Steuerung 43 und einer Integrationssteuerung 46 verbunden. Die Segmentsteuerung 43 ist über eine Vielzahl von Leitungen En1 ... En32 mit der Überspring-Steuerung (Skip) 43 verbunden, die ihrerseits mit der Abtast-Steuerung 45 verbunden ist. Mehrere Ausgangsleitungen der Abtast-Steuerung 45 sind mit der Integrationssteuerung 46 verbunden, die ihrerseits so viele Ausgangsleitungen besitzt, wie elektronische Übertragungsschalter SW1 ... SW768 des Photozellenblocks 40 vorhanden sind. Nachstehend werden die einzelnen Einheiten noch genauer beschrieben.
Die Segmentsteuerung 43 besteht im wesentlichen aus einem Segment-Register 47 zur Speicherung eines digitalen Steuerwortes mit einer Länge von z.B. 32 Bit. Dieses Steuerwort bestimmt die Segmentierung der Photodiodenanordnung, d.h. welche Segmente während einer Abtastung aktiviert werden und welche nicht. Im vorliegenden Beispiel mit einem Steuerwort von 32 Bit ist die Anordnung in 32 Segmente unterteilt, wobei die Folge der "1" en und "0"en im Steuerwort bestimmt, welches Segment aktiv und welches inaktiv ist. Das Steuerwort mit seinen 32 Bit wird zunächst über den Mikroprozessor und die Steuerung 41 der Photodiodenanordnung in das Segment-Register 47 eingegeben.
Die Skip-Steuerung 44 besteht aus einer Vielzahl logischer Schaltungen L1, ..., L32, deren Anzahl der Zahl der Ausgangsleitungen En1,..., En32 des Segment- Registers 47 entspricht. Jede logische Schaltung besitzt drei Eingangsleitungen, darunter eine Ausgangsleitung Eni des Segment-Registers (wobei i jede Zahl zwischen 1 und 32 sein kann) und 2 mit "Skip" und "Do" bezeichnete Ausgangsleitungen. Die zwei anderen Eingangsleitungen einer logischen Schaltung Li, neben der Leitung Eni, bestehen aus der Leitung, auf der das von der zuvor beschriebenen Logikschaltung Li-1 kommende "Skip"-Signal anliegt, sowie die das von der weiter unten noch genauer beschriebenen Schaltung "Shift i-1" gelieferte "Ready"-Signal führende Leitung. Bei der ersten logischen Schaltung L1 sind die beiden Eingangsleitungen neben der Leitung Eni mit dem Steuerblock 41 der Photodiodenanordnung verbunden und führen das START- PDA-Signal.
Die Abtaststeuerung 45 besitzt eine Vielzahl von Schaltungen SHlFT 1,..., SHIFT 32, deren Anzahl der Zahl der Segmente der Photodiodenanordnung entspricht, im vorliegenden Beispiel 32. Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht jede Schaltung SHlFT i aus einem Serien-Schieberegister mit 24 Stufen, wobei ein Ausgang jeder Stufe über ein logisches Gatter im Block 46 (s. weiter unten) mit einer Photozelle verbunden ist. Ein Eingang "In" einer Schaltung SHlFT ist mit dem Ausgang der das "Do"-Signal führenden logischen Schaltung Li verbunden. Ein Ausgang "Out" einer Schaltung SHlFT i ist mit einer logischen Schaltung Li+1 verbunden, der sie ein "Ready"-Signal zuführt. Darüber hinaus sind alle Schaltungen SHIFT i jeweils an eine Leitung angeschlossen, an der das vom Steuerblock 41 der Photodiodenanordnung gelieferte Taktsignal anliegt.
Die Integrationssteuerung 46 umfaßt eine Anzahl logischer UND-Gatter G1, ..., G768, deren Anzahl der Zahl der Photozellen entspricht. Jedes UND-Gatter besitzt zwei Eingangsleitungen, von denen eine an eine der 768 Ausgangsleitungen des Abtast-Steuerblocks 45 und die andere an eine als"Gatter"-Leitung bezeichnete gemeinsame Leitung 55 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einem Schieberegister 50, nachstehend als Integrations-Schieberegister bezeichnet, verbunden ist. Das Ausgangssignal aller UND-Gatter G1, ..., G768 wird jeweils einem Übertragungsschalter SW1, ..., SW768 zugeleitet. Die Integrationssteuerung 46 besitzt ferner ein Rollregister mit einer Wortlänge von 32 Bit, entsprechend der Anzahl der Segmente, in die die Photodiodenanordnung unterteilt ist, und einer Tiefe von 24 Wörtern. Zu Beginn jeder neuen Abtastung der Anordnung wird ein neues Wort in das Integrations- Schieberegister 50 geladen, das später seriell über die "Gatter"-Leitung 55 ausgelesen wird. Nachdem das letzte Wort in das Integrations-Schieberegister geladen wurde, wird bei der nächsten Abtastung wieder das erste der 24 Wörter in das Schieberegister geladen.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Schaltungen erläutert. Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung wird durch digitale Signale gesteuert, die zwei als logische "1" und logische "0" bezeichnete Zustände einnehmen können. Eine an einer Ausgangsleitung Eni eines Segment-Registers 47 anliegende logische "1" veranlaßt die entsprechende Schaltung Li, ein "Do"- Signal zu erzeugen, das einer Schaltung SHlFT i zugeführt wird. Infolge der am Eingang der Schaltung SHlFT i anliegenden logischen "1" wird an jeder der 24 Ausgangsleitungen der Schaltung SHIFT i entsprechend der Frequenz des von der Steuerung 41 der Photodiodenanordnung gelieferten "Takt"-Signals nacheinander eine logische "1" erzeugt. Ausgelöst durch die an den Ausgangsleitungen der Schaltung SHIFT i anliegende logische "1" werden die entsprechenden Übertragungsschalter der Photodiodenanordnung, wenn an der "Gatter"-Leitung 55 eine logische "1" anliegt (Aktivierungssignal), sequentiell geschlossen, so daß die zugehörigen Photozellen ausgelesen werden. Nachdem allen 24 Ausgangsleitungen der Schaltung SHlFT i nacheinander eine logische "1" zugeführt wurde, wird der logischen Schaltung Li+1 ein "Ready"-Signal zugeführt, daß als Startsignal für das nächste Segment wirkt. Wird der logischen Schaltung Li+1 auf der Leitung Enitl eine logische "1" zugeführt, werden die der Schaltung SHlFT i + 1 zugeordneten Übertragungsschalter in derselben Weise aktiviert, wie dies soeben für das vorherige Segment beschrieben wurde.
Liegt an einer Leitung Enj des Segment-Registers (wobei j jede Zahl zwischen 1 und 32 sein kann) eine logische "0" an, liefert die zugehörige logische Zelle Lj ein "Skip"-Signal, das direkt dem Eingang der nächsten logischen Zelle Lj+1 zugeführt wird. In diesem Fall wird das Segment SHlFT j übersprungen, und die zugehörigen Übertragungsschalter bleiben geöffnet. Ist das Signal Enj +1 eine logische "1", wird dem Segment SHlFT j+1 ein "Do"-Signal zugeführt, und die zugehörigen Übertragungsschalter werden nacheinander aktiviert. Ist das Signal Enj+1 eine logische "0", wird auch das Segment SHlFT j+1 übersprungen.
Wenn das letzte Segment, im vorliegenden Fall die Schaltung SHlFT 32, abgetastet wurde und ein "Ready"-Signal geliefert hat oder wenn alternativ die Schaltung 32 infolge des Anliegens einer logischen "0" auf der Leitung En32 ein "Skip"-Signal abgegeben hat, wird dem Block 41 der Photodiodenanordnung ein Abtastendsignal zugeführt. Jetzt kann eine neue Abtastung beginnen.
Wie bereits erwähnt, wird die Aktivierung der Übertragungsschalter neben den Signalen auf den Ausgangsleitungen der Schaltungen SHlFT i durch das "Gatter"-Signal auf der Leitung 55 bestimmt. Das auf der "Gatter"-Leitung anliegende Signal, entweder eine logische "0" oder eine logische "1", wird durch das letzte Bit des Integrations-Schieberegisters 50 (äußerste linke Position in Fig. 3) bestimmt. Während einer Abtastung wird jedesmal bei Beginn eines neuen Segmentes, d.h. nach Lieferung eines "Do"-Signals, der Inhalt des Integrations- Schieberegisters um ein Bit verschoben derart, daß der "Gatter"-Leitung ein neues Bit zugeführt wird. Wenn das der "Gatter"-Leitung zugeführte Bit eine "0" ist, wirkt das auf dieser Leitung anliegende Signal als Deaktivierungssignal, so daß keiner der dem dann aktivierten Segment zugeordneten Übertragungsschalter geschlossen wird, auch wenn an einer der Ausgangsleitungen der entsprechenden Schaltung SHIFT i eine logische "1" anliegt. Ist das der ''GaKer'Leitung zugeführte Bit eine ''1'', wirkt das Signal als Aktivierungssignal, so daß die dem dann aktivierten Segment SHIFT i zugeordneten Übertragungsschalter geschlossen werden können, sofern das Signal Eni eine logische "1" ist.
Damit werden während einer Abtastung n der 32 im Integrations-Schieberegister enthaltenen Bits nacheinander der "Gatter"-Leitung zugeführt, wobei n der Anzahl
der ausgewählten Segmente, d.h. der Anzahl der im Segment-Register 47 enthaltenen logische "1"en, entspricht. In der dargestellten Ausführungsform, bei der die Bits des Integrations-Schieberegisters nach links zur "Gatter"-Leitung verschoben werden, aktiviert bzw. deaktiviert das äußerste linke Bit des 32 Bit- Worts im Schieberegister das erste ausgewählte Segment, und das n-te Bit aktiviert das letzte der ausgewählten Segmente, d.h. das äußerste rechte zu aktivierende Segment. Die Bits n +1 bis 32 werden nicht benutzt. Der PDA- Steuerblock 41 sorgt dafür, daß das Integrations-Schieberegister 50 mit dem Inhalt einer Reihe des Rollregisters in der richtigen Reihenfolge entsprechend der Folge der ausgewählten Segmente geladen wird. Nach Beendigung einer Abtastung wird das nächste 32 Bit-Wort in das Integrations-Schieberegister geladen. Nachdem es 24 Worte gibt, wird das Verfahren 42 mal wiederholt und beginnt dann erneut mit dem ersten Wort.
Wichtig ist, daß die für eine Abtastung benötigte Gesamtzeit (Abtastzeit) nur von der Anzahl der ausgewählten Segmente und der Taktrate, nicht jedoch davon abhängt, wie oft das "Gatter"-Signal während einer Abtastung aktiviert oder deaktiviert wird.
Durch entsprechende Auswahl der Wörter im Rollregister kann eingestellt werden, wie oft jedes Segment während 24 Abtastungen ausgelesen wird. Wenn gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel die Zahlen, die die Häufigkeit der möglichen Auslesungen eines Segmentes während 24 Abtastungen anzeigen, 24, 12, 8, 6, 4, 3, 2 und 1 sind, können die Integrationszeiten der Segmente, d.h. die Zeiten, während denen die Photozellen eines Segmentes nicht ausgelesen werden, eingestellt werden, wobei dann die verfügbaren Integrationszeiten die folgenden Vielfachen der Grund-Abtastzeit sind: 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann für die Ermittlung des Inhalts des Rollregisters insbesondere bei spektrometrischen Anwendungen eine Einschaltprozedur implementiert werden. Gemäß dieser Einschaltprozedur werden die auf die verschiedenen Photodioden der Photodiodenanordnung auftreffenden Lichtstärken ohne die zu analysierende Probe in der Probenküvette gemessen. Entsprechend den gemessenen Lichtstärken wird dann die Verteilung der "0"en und "1"en im Rollregister so festgelegt, daß die höhere Lichtstärken empfangenden Segmente öfter ausgelesen werden als niedrigere Lichtstärken empfangende Segmente. Infolgedessen werden bei Segmenten, die niedrigere Lichtstärken empfangen, in den entsprechenden Spalten des Rollregisters mehr Nullen vorkommen als bei Segmenten, die höhere Lichtstärken empfangen.
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Photodiodenanordnung mit den zugehörigen Steuerschaltungen gemäß Fig. 3 in einem Spektrophotometer für einen Spektralbereich von 190 nm bis 950 nm eingesetzt. Mit den 768 Photozellen wird eine spektrale Auflösung von 1 nm erreicht. Geht man davon aus, daß nur jedes Achte der verfügbaren Segmente bei einer gegebenen Anwendung, d.h. bei der spektrometrischen Bestimmung einer bestimmten Probe, adressiert wird, kann damit die Datenrate um einen Faktor 8 gegenüber herkömmlichen selbstabtastenden Photodiodenanordnungen reduziert werden. Außerdem kann bei derselben Datenrate der Lichtdurchgang um denselben Faktor erhöht werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Empfindlichkeit um einen Faktor von etwa 3 verbessert wird. Durch mehrere Abtastungen mit verschiedenen Segmenten kann auf diese Weise ein vollständiges Spektrum über den gesamten Spektralbereich aufgenommen werden.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf einen Absorptionsdetektor gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung beschränkt ist, sondern zum Beispiel auch für Fluoreszenz-Detektoren oder Atomemissions-Detektoren einsetzbar ist.
Außerdem versteht sich, daß die Erfindung mit Vorteil für die Analyse der räumlichen Verteilung von Lichtstrahlen verwendet werden kann, wobei es nicht erforderlich ist, daß die räumlichen Komponenten des auf die Photodiodenanordnung auftreffenden Strahlenbündels unterschiedliche Wellenlängen haben. Die Vorteile der Erfindung, wie die Reduzierung der Datenrate, werden auch in Anwendungen erzielt, bei denen die auf verschiede Photodioden auftreffenden Lichtstrahlen dieselbe Wellenlänge aufweisen.

Claims

1. Spektrometer mit Photodiodenanordnung für die Ermittlung der spektralen Zusammensetzung eines polychromatischen Strahlenbündels mit

- einer Anordnung lichtempfindlicher Elemente (1,2,..., n), wobei jedes der Elemente einen anderen Wellenlängenbereich des polychromatischen Strahlenbündels auffängt,

- einer Vielzahl von Übertragungsschaltern (SWl, ..., SWn), die jeweils an eins der lichtempfindlichen Elemente angeschlossen sind,

- mit den Übertragungsschaltern verbundenen Ausleseschaltungen, die die Übertragungsschalter öffnen oder schließen und während eines Auslesezyklus der Menge der von den lichtempfindlichen Elementen aufgefangenen Strahlung entsprechende Signale erzeugen,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Ausleseschaltungen eine Schalter-Steuerschaltung (41,43,44,45) enthalten, mittels derer die Übertragungsschalter (SW1, ..., SWn) in auswählbaren Schaltergruppen (SW2-SW24; SW25-SW48; ...) gesteuert werden können derart, daß während eines Auslesezyklus nur ausgewählte Gruppen der lichtempfindlichen Elemente (1-24; 25- 48; ...n) ausgelesen werden, wobei derart ausgewählte Gruppen insgesamt weniger lichtempfindliche Elemente enthalten als die gesamte Anordnung, und

b) eine mit der Schalter-Steuerschaltung gekoppelte Integrations- Steuerung (46) vorgesehen ist, mit der die Übertragungsschalter (SW1, ..., SWn) selektierbar aktiviert oder deaktiviert werden können, so daß es möglich wird, die Zeitintervalle zwischen aufeinanderfolgenden Aktivierungen der Übertragungsschalter für verschiedene Schaltergruppen (SW2-SW24; SW25-SW48; ...) unterschiedlich einzustellen.

2. Spektrometer nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Schalter-Steuerschaltung eine Abtaststeuerung (45) mit Segmentschaltungen (SHIFT 1,..., SHIFT n) umfaßt, deren Anzahl der Zahl der Gruppen lichtempfindlicher Elemente entspricht,

- die Segmentschaltungen (SHlFT i) jeweils eine Eingangsleitung (Do) für die Übertragung eines Signals umfassen, das anzeigt, ob die entsprechende Gruppe lichtempfindlicher Elemente ausgelesen werden soll oder nicht, und

- die Segmentschaltungen (SHlFT i) jeweils eine Anzahl von Ausgangsleitungen besitzen, die an die Steuereingänge der zugehörigen Übertragungsschalter der Photodiodenanordnung angeschlossen sind und das Öffnen und Schließen der Schalter in Abhängigkeit von dem an der Eingangsleitung (Do) der Segmentschaltung (Shift i) anliegenden Signal steuern.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein mit der Abtaststeuerung (45) gekoppeltes digitales Segment-Register (47) für die Speicherung eines digitalen Wortes, wobei die Bitzahl dieses Wortes der Anzahl der Übertragungsschalter-Gruppen entspricht und jedes Bit anzeigt, ob die entsprechende Gruppe lichtempfindlicher Elemente ausgelesen werden soll.

4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrations-Steuerung folgende Einrichtungen besitzt:

- Ein eine Vielzahl digitaler Wörter enthaltendes Rollregister, wobei die Bitzahl jedes Wortes der Anzahl der Gruppen lichtempfindlicher Elemente entspricht,

- ein Integrations-Schieberegister (so) mit mit dem Rollregister gekoppelten Eingängen für den Empfang eines digitalen Wortes und einem mit einer Gatterleitung (55) gekoppelten Ausgang sowie

- eine Vielzahl von UND-Gattern (G1, ..., Gn), wobei jeweils ein erster Eingang jedes UND-Gatters (Gj) an einen Ausgang einer Segmentschaltung (SHlFT j) angeschlossen ist, ein zweiter Eingang mit der Gatter-Leitung (55) verbunden ist und ein Ausgang mit einem Übertragungsschalter (SWi) gekoppelt ist.

5. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Ausgangsklemmen der Übertragungsschalter (SW1, ... SWn) mit einer gemeinsamen Video-Leitung (30) verbunden sind, die ihrerseits mit einer Ladungsverstärkerschaltung verbunden ist, durch die bei geschlossenem zugehörigem Übertragungsschalter elektrische Ladungen auf ein lichtempfindliches Element übertragen werden, wodurch eine Spannungsänderung am Ausgang der Ladungsverstärkerschaltung proportional zu der Lichtmenge eintritt, die seit dem vorherigen Öffnen des zugehörigen Übertragungsschalters auf das lichtempfindliche Element aufgetroffen ist.

6. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - eine Strahlungsquelle (1), die ein Strahlenbündel (2) emittiert, - eine Probenküvette (5), die das Strahlenbündel empfängt, wobei das die Probenküvette verlassende Strahlenbündel durch die Probensubstanz in der Probenküvette verändert ist,

- ein wellenlängendispersives Element, z.B. ein Gitter (10), das das die Probenküvette verlassende Strahlenbündel empfängt und ein Ausgangsstrahlenbündel erzeugt, das aus einer Vielzahl räumlich getrennter Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge besteht, welche auf die Photodiodenanordnung (11) gerichtet werden.