DE4130628C2 - Verfahren zur optimalen Ausnützung des Dynamikbereichs von mit Lichtquellen beleuchteten Photodiodenarrays - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Ausnützung des Dynamikbereichs von Photodiodenarrays in einem Spektro­ meter während der Beleuchtung durch eine Lichtquelle.

Zweck eines derartigen Verfahrens ist es, die spektrale Inten­ sitätsverteilung des auf das Array einfallenden Lichtes zu messen.

Das über einen bestimmten Wellenlängenbereich emittierte Spek­ trum von Lampen weist oft eine große Dynamik zwischen klein­ ster und größter Intensität auf. Wird dieses Licht auf ein Spektrometer mit einem lichtempfindlichen Array gegeben und es so ausgesteuert, daß die stärkste Linie noch keine Übersteue­ rung des Arrays bewirkt, dann gehen die schwachen Linien im Rauschen unter.

Bei einer Absorptionsmessung als ein weiteres Beispiel wird das Emissionsspektrum einer Lampe durch ein Referenzspektrum dividiert, um so eine Grundlinie für die Absorptionsmessung zu bekommen. Wegen der sehr unterschiedlichen Aussteuerung des Arrays hat dies ein spektralabhängiges Rauschen zur Folge.

Der Dynamikbereich solcher Arrays läßt sich bekannterweise z. B. durch eine variable Integrationszeit besser ausnützen. Theoretisch behandelt wird ein solches Verfahren in "Applied Optics", Vol. 19, Number 9, 1. May 1980 auf den Seiten 1401 ff. unter dem Titel "Self-Scanned photodiode array:a multichannel spectrometric detector" von Yair Talmi et al. Auf der Seite 1410 unter C. Variable Integration Time (VIT) und Fig. 9 wird insbesondere die Anwendung dieser Methode auf ein simuliertes Spektrum großer Dynamik vorgestellt. Daraus wird ersichtlich, daß selbst schwache Linien noch detektiert werden können.

Untermauert wird die Theorie durch die Anwendung des Verfah­ rens, wie in "Applied Spectroscopy, Volume 36, Number 1, 1982 auf den Seiten 1 ff. unter dem Titel "Spectrophotometry and Spektrofluorometry with the Self-Sacanned Photodiode Array" von Yair Talmi beschrieben. Wesentlich für das Verfahren sind insbesondere die Seiten 6 bis 9. Das Emissionsspektrum einer Quecksilberniederdrucklampe wird durch unterschiedlich lange Bestrahlung eines Photodioden-Arrays gemessen. Während bei der kürzesten Bestrahlungsdauer praktisch nur die stärkste Linie sichtbar ist, sieht man bei einer längeren Bestrahlungsdauer auch noch zahlreiche schwächere Linien. Die stärksten Linien übersteuern in diesem Fall allerdings das Array. Das wahre Spektrum wird bei diesem Verfahren durch Zusammenfügen der nicht übersteuerten Spektralbereiche aller Aufnahmen unter­ schiedlicher Bestrahlungsdauer erreicht.

In der US 4,158,505 ist ein Verfahren beschrieben, das eine Verbesserung des Dynamikbereichs von Photodiodenarrays be­ wirkt. Hierzu müssen die Lampenspannung und die Filtertrans­ mission variiert werden. Damit wird aber der Bereich zwischen zwei Wellenlängen nur einmal während dreier Messungen ausge­ nutzt, wenn die beiden Parameter darauf eingestellt sind. Wei­ terhin setzt das Verfahren ein Zweistrahlverfahren voraus, um die Verschiebung des Emissionsspektrums der Lampe bei unter­ schiedlicher Betriebsspannung zu kompensieren.

Diese Verfahren können allerdings nur auf Lampen angewendet werden, die kontinuierlich brennen, wie z. B. Halogen-, Deu­ terium-, Quecksilber- oder Xenon-Kurzbogen-Lampen. Leider weisen gerade diese Lampen nur eine geringe Lebensdauer oder nur ein Linienspektrum auf. Gerade für die Prozeßmeßtechnik wären jedoch gepulste Lampen, z. B. Xenon-Blitzlampen wegen ihrer relativ langen Lebensdauer und ihres kontinuierlichen Emissionsspektrums gut geeignet.

Die soeben beschriebenen Verfahren sind jedoch nicht auf Blitzlampen anwendbar, da die Integrationszeit während der sehr kurzen Blitzdauer von wenigen Mikrosekunden variiert wer­ den müßte. Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) müßte bei einem Array mit 1024 Elementen jedes Element in wenigen Nanosekunden erfassen. Das ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Dynamikbereich eines Photodiodenarray in einem Spektrometer mit gepulsten Lampen optimal auszunutzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Be­ leuchtung des Arrays mit einer Blitzlampe erfolgt, deren En­ ergie von Blitz zu Blitz variiert. Während des energieärmeren Lichtblitzes werden nur die intensivsten Spektralbereiche aus­ gewertet, die oberhalb einer vorgegebenen Schwelle liegen. Das Photodiodenarray soll dabei über den gesamten Spektralbereich hinweg nicht in Sättigung gehen. Je energiereicher die Licht­ blitze sind, um so schwächere spektrale Bereiche können ausge­ wertet werden.

Das Aneinanderfügen der Spektren mit unterschiedlichen Blitz­ energien kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Das einfachste Verfahren besteht darin, sie unter Verwendung von Korrekturfaktoren additiv zusammenzufügen. Dabei wird jedes Array-Element, dessen Ausgangssignal eine vorwählbare Schwelle überschreitet und noch nicht übersteuert ist, zu dem Signal desselben Elementes aber nach Bestrahlung mit einer anderen Blitzenergie addiert, wobei dann zwei Korrekturfaktoren berücksichtigt werden.

Der erste Faktor beinhaltet die unterschiedliche Blitzenergie und wirkt auf die Spektren mit der höheren Energie. Dieser Faktor, der für alle Array-Elemente gleich ist, kann z. B. als Verhältnis der Blitzlampenenergien bestimmt oder aber besser aus zwei aufeinander folgenden Spektren in einem an die Blitz­ lampensteuereinrichtung angeschlossenen Rechner berechnet wer­ den. Das kann z. B. anhand von zwei Intensitätswerten dessel­ ben Array-Elementes, aber unterschiedlicher Blitzenergie, berechnet werden, die beide oberhalb der gewählten Schwelle liegen und noch nicht übersteuert sind.

Der zweite Korrekturfaktor bewirkt eine Wichtung entsprechend der mitgezählten Meßwerte, was einer arithmetischen Mittelung entspricht.

Das Verfahren sei an einem einfachen Beispiel erläutert. Ein Emissionsspektrum bestehe aus drei Linien mit den Intensitäten In1, In2 und In3 bei niedriger Blitzenergie, die z. B. die Werte 5, 50 und 25 annehmen und Ih1, Ih2 und Ih3 mit 15, 150 und 75 bei höherer Energie. Die Schwelle sei auf einen Wert von 10 eingestellt, Sättigung tritt bei 100 auf. Werden in diesem Beispiel nur diese zwei Spektren zur Demonstration herangezogen, so ergibt sich folgendes korrigiertes Spektrum:

I1′ = (S·In1 + S·Ih1/K)/N1 = (0·5 + 1·15/3)/1 = 5
I2′ = (S·In2 + S·Ih2/K)/N2 = (1·50 + 0·150/3)/1 = 50
I3′ = (S·In3 + S·Ih3/K)/N3 = (1·25 + 1·75/3)/2 = 25
In diesen Gleichungen repräsentiert S alle Meßwerte, die die Schwelle überschreiten und noch nicht übersteuert sind; für diese Werte ist S = 1, sonst 0. S kann daher in den drei Glei­ chungen unterschiedliche Werte annehmen; auf eine korrektere Indizierung wurde hier verzichtet. Der Faktor K hat in allen drei Gleichungen denselben Wert (hier 3) und berücksichtigt die höhere Energie des zweiten Blitzes (hier 3). Die Faktoren N1, N2 und N3 geben an, wie oft die Variable S gleich 1 inner­ halb einer Zeile (von Array-Elementen) ist; damit wird die arithmetische Mittelung gemacht.

Nachdem in einer Eichphase die Korrekturwerte I1′, I2′und I3′ bestimmt wurden, wird jedes Spektrum höherer Energie durch diese Werte dividiert, während das niedrigster Energie durch In1, In2 und In3 dividiert wird. Diese Werte stellen dann die Grundlinie für Absorptionsmessungen dar.

Eine Besonderheit tritt auf, wenn sich das Emissionsspektrum der Blitzlampe bei den verschiedenen Energien spektral un­ gleichmäßig verändert. In diesem Fall müssen weitere Korrek­ turfaktoren für jedes Array-Element aus Messungen gewonnen werden, die die Abweichung von der Parallelverschiebung be­ schreiben. Das sei an folgendem Beispiel erläutert, das an das obige anschließt.

Das Emissionsspektrum bestehe aus drei Linien mit den Intensi­ täten In1, In2 und In3 bei niedriger Blitzenergie, die z. B. die Werte 5, 50 und 25 annehmen und Ih1, Ih2 und Ih3 mit 30, 150 und 75 bei höherer Energie. Auch hier ist das zweite Spek­ trum um den Faktor 3 stärker, die erste Linie steigt aber noch einmal zusätzlich um den Faktor 2. Das korrigierte Spektrum berechnet sich in diesem Fall:

I1′ = (S·In1 + S·Ih1/K1)/N1 = (0·5 + 1/6)/1 = 5
I2′ = (S·In2 + S·Ih2/K2)/N2 = (1·50 + 0·150/3)/1 = 50
I3′ = (S·In3 + S·Ih3/K3)/N3 = (1·25 + 1·75/3)/2 = 25
Aus dem Faktor K ist hier also ein Faktor geworden, der für jedes Array-Element anders ist und aus einer Eichmessung be­ stimmt werden muß. Das geschieht dadurch, indem man die Spek­ tren zweier Blitze unterschiedlicher Energie durcheinander di­ vidiert und aus der Abweichung von 1 den Faktor K1, K2 und K3 bestimmt.

Die Wahl der Schwelle bestimmt die Größe der restlichen spek­ tralen Schwankung des Rauschens. Wird sie beispielsweise auf 25% des Sättigungswertes gelegt, dann sollte bei einem Spek­ trometer, dessen Rauschen durch Schrotrauschen bestimmt ist, noch eine Variation um den Faktor 2 im Rauschen resultieren.

Je höher diese Schwelle gelegt wird, desto geringer werden die verbleibenden Schwankungen, aber desto mehr Spektren mit un­ terschiedlicher Blitzlampenenergie sind erforderlich.

Das Verfahren läßt sich vorteilhaft mit Hilfe einer Referenz­ spannung, die am Netzteil der Blitzlampe ansteht und die als Sollwert für die Ausgangsspannung des Netzteils wirkt, durch­ führen. Statt einer konstanten Referenzspannung werden minde­ stens zwei Spannungen mittels eines elektronischen Schalters auf den Referenzeingang gegeben, wodurch dann die entspre­ chende Ladespannung am Netzteilausgang verändert werden kann. Im Unteranspruch 3 ist dies gekennzeichnet.

Ein ebenfalls vorteilhafter Verfahrensschritt ist im Unteran­ spruch 4 gekennzeichnet. Dort wird beispielsweise die notwen­ dige Ladespannung über die Umschaltung von entsprechenden Kon­ densatoren bewirkt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Blitzlampen eine wesentlich höhere Lebensdauer als konventionelle UV-Entladungslampen bei gleichzeitig kontinu­ ierlichem Emissionsspektrum haben und durch die Einstellung unterschiedlicher Blitzenergien der Dynamikbereich optimal ausgenutzt werden kann.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der darin vorgeschlage­ nen Schaltungsprinzipien näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Emissionsspektrum einer Xenon-Blitzlampe,

Fig. 2 Normiertes Spektrum (Transmission),

Fig. 3 Lichtblitzsteuerung nach Referenzspannungsvorgabe,

Fig. 4 Lichtblitzsteuerung durch Kondensator zu- oder -abschaltung.

Zur Erläuterung des Standes der Technik sind in den Fig. 1 und 2 die Emissionsspektren von Xenon-Blitzlampen ohne und mit Normierung dargestellt. Der untere Teil von Fig. 1 zeigt ein Spektrum, das das Array noch nicht übersteuert und das aus ei­ nem kontinuierlichen Untergrund mit überlagerten Linien be­ steht.

Wird nun dieses Spektrum durch ein in einem Rechner abgespei­ chertes Referenzspektrum dividiert, das wegen längerer Mitte­ lungszeit besonders rauscharm ist, so ergibt sich ein Kurven­ verlauf, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Kurve stellt die Transmissionsgrundlinie eines Spektrometers dar. Es wird offensichtlich, daß das Rauschen in den Spektralbereichen deutlich größer wird, wo die Intensität der Blitzlampe gering ist. Bei anderen Spektrometern, die mit Halogen- oder Deu­ teriumlampen arbeiten, verhält es sich ähnlich.

Die Ursachen dieses Verhaltens sind bekannt: Zum einen wirkt sich das über die Wellenlänge konstante Dunkelstromrauschen bei kleinen Lichtintensitäten stärker aus als bei größeren. Zum anderen ist das Signal-Rauschverhältnis wegen der Photo­ nenstatistik durch Schrotrauschen bestimmt und wird mit der Wurzel aus der Lichtintensität besser.

Um nun sowohl schwache Linien innerhalb des Emissionsspektrums erfassen zu können oder aber im Fall einer Transmissionsmes­ sung ein spektral unabhängiges Rauschen zu erhalten, kann die Blitzlampe mit verschiedenen Energien betrieben werden. Im oberen Teil der Fig. 1 wurde das Array mit solch einem inten­ siveren Blitz ausgesteuert, so daß z. B. die Linienstrukturen zwischen 260 nm und 300 nm besser herauskommen. Die starken Linien übersteuern natürlich das Array, was berücksichtigt werden muß.

Wesentlich für das Verfahren ist, daß das Photodiodenarray mit Lichtblitzen unterschiedlicher, jedoch vorbestimmter Energie beleuchtet wird, um die spektrale Empfindlichkeit voll aus­ schöpfen zu können. Wichtig ist ferner, daß auszuwertende spektrale Bereiche sich nicht in Sättigung befinden und den­ noch soviel wie möglich Intensität in diesen auftritt. Dies erklärt, daß nur energieärmere Lichtblitze zur Erfassung der Spektralbereiche mit hoher Intensität aus dem Blitzlampenspek­ trum herangezogen werden. Für die intensitätsarmen Spektral­ bereiche des Blitzlampenspektrums werden energiestärkere Lichtblitze herangezogen. Unterschiedliche Ladespannung be­ wirkt beispielsweise unterschiedliche Energie eines Licht­ blitzes.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild für die Einstellung der ge­ wünschten Ladespannung. An der Ausgangsklemme 1 steht eine ge­ regelte Spannung an, die aus einem unstabilisierten Hochspan­ nungsnetzgerät 2 über einen dazwischengeschalteten Längsregler 3, z. B. einen Längstransistor oder einer Serienschaltung von Längstransistoren gewonnen wird. Ein Komparator 4 erhält sei­ nen Istwert 5 vom Spannungsteile 6, der an der Ausgangsklemme 1 abgreift. Der Sollwert 7 wird dem Komparator 4 über einen Puffer 8 zugeführt. Die Aussteuerung des Längsreglers 3 er­ folgt dann entsprechend dem Unterschied zwischen Soll- 7 und Istwert 5.

Der Puffer 8 selbst wird mit seinem Sollwert 7 durch eine je­ weils ihm zugeführte Referenzspannung 9 eingestellt. Eine Ab­ laufsteuerung 10 legt über einen Schalter 11, z. B. ein FET- Schalter 11 oder ein Multiplexer 11 die vorgesehene Referenz­ spannung 9 von der entsprechenden Referenzspannungsquelle 17 an den Puffer 8.

Das Puls-Pausenverhältnis der Lichtblitze wird im wesentlichen über die Ablaufsteuerung 10 eingestellt. Die Einstellung der Ladespannung stellt dabei eine Begrenzung dar. Die Einstellung der Energie des Lichtblitzes wird vor allem durch die ange­ legte Referenzspannung 9 festgelegt.

Die Zündung der Blitzlampe ist hier nicht eingezeichnet, da sie über ein gesondertes Zündgerät erfolgt, das von der Ablauf­ steuerung 10 angesteuert wird.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Schaltungsprinzip, mit dem eben­ falls Lichtblitze mit definierter, aber umschaltbarer Energie aus einer Blitzlampe emittiert werden können. Das Netzgerät 12 liefert in diesem Fall eine konstante und bereits stabili­ sierte Spannung, mit der über einen Widerstand 13 der Konden­ sator 14 aufgeladen wird. Bei Zündung der Blitzlampe steht dann die im Kondensator 14 gespeicherte Energie zur Verfügung. Soll für den nächsten Blitz eine höhere Energie eingesetzt werden, dann wird ein zusätzlicher Kondensator 15 über den Schalter 16 aufgeladen. Als Schalter kommen hochspannungs- und stromfeste Leistungshalbleiter in Betracht wie z. B. IGBT′s oder auch Triacs. Dieser Schalter wird wieder von einer Ab­ laufsteuerung 10 angesteuert.

Bezugszeichenliste

1 Ausgangsklemme, Ladespannung
2 Hochspannungsnetzgerät, unstabilisiert
3 Längsregler, Längstransister
4 Komparator
5. Istwert
6 Spannungsteiler
7 Sollwert
8 Puffer
9 Referenzspannung
10 Ablaufsteuerung
11 Schalter, FET-Schalter, Multiplexer
12 Hochspannungsnetzgerät, stabilisiert
13 Widerstand
14 Kondensator
15 Kondensator
16 Schalter, IGBT, Triac
17 Referenzspannungsquelle

Claims (4)

1. Verfahren zur optimalen Ausnützung des Dynamikbereichs von mit Lichtquellen beleuchteten Photodiodenarrays in einem Spektrometer und -Auswertung der Arraysignale, wobei

• - als Lichtquelle eine Blitzlampe verwendet wird,
• - für mindestens zwei aufeinanderfolgende Lichtblitze aus der Blitzlampe jeweils verschiedene Blitzenergien einge­ stellt werden, wobei die geringste Blitzenergie so ge­ wählt wird, daß kein einziges Arrayelement gesättigt wird,
• - das Signal jedes Array-Elements des Photodiodenarrays, dessen Ausgangssignal eine vorwählbare Schwelle über­ schreitet, jedoch dabei nicht übersteuert wird, zu dem über die Schwelle tretenden, jedoch nicht übersteuerten Signal desselben Elements aus der Bestrahlung mit ande­ rer Blitzenergie unter Berücksichtigung:
• a) eines ersten Korrekturfaktors K pro Arrayelement, der die unterschiedlichen Blitzenergien und die davon ab­ hängigen spektralen Verschiebungen des Blitzlampen­ spektrums berücksichtigt, und
• b) eines zweiten Korrekturfaktors N pro Arrayelement, der die Anzahl der Signale berücksichtigt, die ober­ halb der vorwählbaren Schwelle liegen und noch nicht übersteuert sind, addiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Korrekturfaktor aus zwei aufeinander folgenden Spek­ tren berechnet wird und bei der Addition der Spektren auf die Spektren höherer Energie wirkt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Ladespannung eine im Netzteil vorhan­ dene Referenzspannung zur entsprechenden Umschaltung eines elektronischen Schalters verwendet und der Schalter über eine Ablaufsteuerung umgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anlegen der jeweils notwendigen Ladespannung zwischen min­ destens zwei Ladekondensatoren umgeschaltet und der Um­ schalter über eine Ablaufsteuerung betätigt wird.