DE4130941C2

DE4130941C2 -

Info

Publication number: DE4130941C2
Application number: DE19914130941
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Wolf
Original assignee: Dr Bruno Lange GmbH
Current assignee: Hach Lange GmbH
Priority date: 1991-09-14
Filing date: 1991-09-14
Publication date: 1993-07-22
Also published as: DE4130941A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aussteuerung des Dynamikbereiches eines aus n Photoelementen bestehenden, selbstscannenden Multiphotodioden- Sensors gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 4.

In dem Artikel von Y. Talmi & R.W. Simpson: "Self-scanned Photodiode array: a multichannel spectrometric detector", in Applied Optics, Vol. 19, S. 1401-1414, 1. Mai 1980, sind auf den Seiten 1401 und 1402 der prinzipielle Aufbau und die Wirkung eines selbstscannenden Multiphotodioden-Sensors beschrieben. Ein derartiger Sensor enthält in integrierter Form eine Reihe von Photoelementen, die mittels einer Scannerschaltung sequentiell ausgelesen werden können. Das Ersatzschaltbild eines Photoelementes wird aus einer Photodiode mit einer dazu parallel geschalteten Kapazität gebildet. Als Scannerschaltung wird üblicherweise ein Schieberegister benutzt, welches Eingänge für die Clocksignale und das Startsignal aufweist. Die Photoelemente des Sensors und ein jeweils serieller MOS-Schalter sind zwischen einer Video-Linie und einer Common-Linie parallel geschaltet. Die MOS-Schalter jedes Photoelementes werden von dem Schieberegister nacheinander angesteuert, so daß die Ladungen der Photoelemente sequentiell über die Video-Linie einer Signalverarbeitung mit nachfolgender Auswertung, beispielsweise einem Optical Multichannel Analyzer (OMA), zugeführt werden. Unter den Begriff Multiphotodiode-Sensoren fallen lineare, flächige oder zirkulare Photodioden-Arrays, CCD-Sensoren und integrierte Bildsensoren.

Derartige Sensoren werden in Spektrographen oder Spektrometern eingesetzt. Beispiele hierfür bilden die US 46 74 880, US 43 30 209, US 42 53 765. Durch die darin enthaltenen wellenlängenselektiven optischen Elemente, beispielsweise Gitter oder Prismen, werden die einzelnen Photoelemente mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beleuchtet. Der Dynamikbereich eines Photoelementes bzw. des Multiphotodioden-Sensors ist durch den Signal-zu-Rausch-Abstand gegeben. Da der Dunkelstrom bei den Sensoren nur eine untergeordnete Rolle spielt und andere Rauschquellen das Verhalten des Sensors bestimmen, kann durch eine entsprechende Wahl der Integrationszeit der Dynamikbereich des Sensors ausgesteuert werden.

In einem Spektrometer mit einer kontinuierlich strahlenden Lampe wird das Licht vom Meßgut gedämpft, spektral zerlegt und von dem Sensor gemessen. Dabei tritt das Problem auf, daß das Licht der Lampe normalerweise zur kurzwelligen Seite hin in der Intensität stark nachläßt. Um den Dynamikbereich des Sensors ausnutzen zu können, muß die Integrationszeit des Sensors entsprechend der Wellenlänge gewählt werden, wobei der Sensor ebenfalls eine spektrale Verteilung der Empfindlichkeit aufweist. Bei dem bekannten Verfahren wird die Integrationszeit entsprechend dem langwelligen, d. h. intensitätsstarken Lichtanteil gewählt. Die Photoelemente, welche den kurzwelligen Anteil registrieren, haben demzufolge ein schlechtes Signal- zu-Rausch-Verhältnis, da deren Dynamikbereich nur unvollständig ausgenutzt wird. Die Integrationszeit des Multiphotodioden- Sensors ist definiert als die Zeit, die zwischen zwei Auslesevorgängen verstreicht. Ein Auslesevorgang wird durch einen Startpuls ausgelöst, während das Weiterschalten des Schieberegisters durch i. a. mehrphasige Clock-Pulse kontrolliert wird. Die Frequenz der Clock-Pulse bestimmt die Videodatenrate, wobei bei den bekannten Verfahren die Clock-Frequenz für jeden Auslesevorgang konstant und fest ist. Die Integrationszeit ist daher das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Startpulsen.

Ein bekanntes Verfahren zur besseren Dynamikausnutzung durch die Verwendung variabler Integrationszeiten ist in der oben genannten Veröffentlichung Applied Optics/Vol. 19, No. 9/1. Mai 1980 auf Seite 1410 beschrieben. Dabei wird die Integrationszeit T_int für die einzelnen Scans variiert. Das heißt, daß zu dem ersten Scan eine Integrationszeit T_int ¹, zu dem zweiten Scan eine Integrationszeit T_int ² usw. gehören, wobei im allgemeinen T_int ¹ kleiner als T_int ² ist. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß zur Bestimmung eines Spektrums mehrere Meßläufe (Scans) notwendig sind, da die Integrationszeit unabhängig von den einzelnen Photoelementen ist. Weiterhin müssen für kurze Integrationszeiten die Photoelemente mit schlechtem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, d. h. schlechter Dynamik, und bei langen Integrationszeiten die Meßergebnisse derjenigen Photoelemente, die sich bereits in Sättigung befinden, durch die nachfolgende Signalverarbeitung ausgesondert und berücksichtigt werden.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aussteuerung des Dynamikbereiches eines Multiphotodioden-Sensors zu entwickeln, bei welchen der Dynamikbereich des Multiphotodioden-Sensors über den ganzen spektralen Bereich ausgenutzt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und des Anspruches 4. Erfindungsgemäß wird das Clock-Signal des Multiphotodioden-Sensors gesteuert und verändert. Dadurch werden die Auslesezeit und somit die Integrationszeit eines einzelnen Photoelementes eine Funktion f(x) ihres Ortes x, d. h. ihrer fortlaufenden Numerierung. Der Ort x kann einen ganzzahligen Wert zwischen 0 und ( n-1 ) annehmen, wobei die Gesamtzahl der Photoelemente eines selbstscannenden Multiphotodioden-Sensors n beträgt.

Bei den zugrunde liegenden Sensoren wird mit jedem Auslesevorgang eines Photoelementes dessen Integrationskondensator gelöscht. Nachdem eine Sensor-Zeile durch den ersten Scan ausgelesen ist, wird eine definierte Zeit T_w gewartet, in der das einfallende Licht von jedem einzelnen Photoelement in Ladung umgewandelt und in dem jeweiligen Integrationskondensator aufintegriert wird. Der zweite Auslesevorgang einer Sensor-Zeile, d. h. der zweite Scan, ergibt Werte, die dem Licht proportional sind.

Im allgemeinsten Falle ist die Integrationszeit T_int für das Photoelement am Orte x des Sensors die Summe der Auslesezeiten t₁(i) der Photoelemente der Orte x_i<x des ersten Scans, der Wartezeit T_w zwischen dem Ende des ersten und dem Beginn des zweiten Scans, und der Auslesezeiten t₂(i) der Photoelemente der Orte x_i<=x für den zweiten Scan. Formelmäßig lautet die Beziehung:

T_int(x) = T_w + t₁(i) + t₂(i) (I)

In diesem allgemeinen Falle ist sowohl die Auslesezeit t₁ des ersten Scans als auch die Auslesezeit t₂ des zweiten Scans eine beliebige Funktion von dem Ort x des Photoelementes. Die Funktionen der Auslesezeiten t₁(x) und t₂(x) können durch eine entsprechende Manipulation der Clock-Eingangssignale des Multiphotodioden-Sensors erzeugt werden. Dadurch werden die Schaltung des MOS-Schalters über das Schieberegister zeitlich verändert. Somit wird die Gesamtintegrationszeit T_int eine Funktion des Ortes x des jeweiligen Photoelementes und kann für jedes Photoelement beliebig gewählt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Manipulation der Clock-Signale wird vereinfacht, wenn die Funktionen t₁(x) und t₂(x) linear sind. Dies bedeutet, daß die Gesamtintegrationszeit ebenfalls eine lineare Funktion des Ortes x der Photoelemente ist.

Ausgehend von der Gleichung I wird eine weitere Vereinfachung des allgemeinen Verfahrens dadurch erreicht, daß die Funktion t₁(x) der Auslesezeit des ersten Scans konstant gesetzt wird, d. h.

t₁(x) = t₁ = const (II)

so daß die Clock-Signale nur im zweiten Scan verändert werden. Dadurch wird der erste Summenterm vom Ort des jeweiligen Photoelementes unabhängig.

Bei der einfachsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen Integrationszeit eine lineare Funktion des Ortes der Photoelemente ist, wird die Auslesezeit t₁(x) des ersten Scans konstant gesetzt und die Auslesezeit t₂(x) des zweiten Scans gleich einem Produkt, gebildet aus einem Faktor m und der konstanten Auslesezeit t₁(x) gesetzt, d. h.

t₁(x) = t₁ = const
t₂(x) = m_*t₁ (III)

Für die Integrationszeit als Funktion des Ortes x ergibt sich aus I und II die folgende Beziehung:

T_int(x) = n _* t₁ + T_w + (m-1) _* x _* t₁ (IV)

Dabei ist m ein fester Faktor und x läuft von 0 bis n-1.

Beispielsweise ergibt sich die Verlängerung der Integrationszeit für die ersten drei Photoelemente eines Sensors zu:

x = 0: T_int = n _* t₁ + T_w
x = 1: T_int = n _* t₁ + T_w + (m-1) _* 1 _* t₁
x = 2: T_int = n _* t₁ + T_w + (m-1) _* 2 _* t₁ (V)
usw.

Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird letztlich nur die Auslesezeit der einzelnen Photoelemente des zweiten Auslesevorganges um einen frei wählbaren Faktor m gegenüber der Auslesezeit des ersten Auslesevorganges verlängert. Dies geschieht durch Verringerung der Taktfrequenz des Clocksignales. Die Integrationszeit nimmt linear mit den Photoelementen zu. Im konkreten Anwendungsfalle wird damit der Intensitätsabfall einer Lampe kompensiert. Die Wahl des Faktors m hängt von der spektralen Verteilung der benutzten Lampe und den Nichtlinearitäten des optischen Elementes des Spektrometers ab und wird einmal für die jeweilige Meßanordnung so gewählt, daß jedes Photoelement bei maximaler Ausleuchtung, d. h. ohne Meßgut, den maximal möglichen Aussteuerwert erreicht.

Als besonders vorteilhaft wird herausgestellt, daß selbst bei einer exponentiellen Intensitätsverteilung einer Lampe mit dem einfachen linearen Verfahren eine Aussteuerung des Dynamikbereiches möglich ist, da nur die Größenordnung des Dynamikbereiches erreicht werden soll und keine genauen Werte wie bei einer Messung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält eine Steuereinheit, welche im allgemeinen aus einem PLD (= Programmable Logic Device) besteht. Diese Steuereinheit übernimmt die Steuerung des Sensors und der nachgeschalteten Signalverarbeitung. Der Steuereinheit wird von dem den Prozeß kontrollierenden Mikroprozessor im wesentlichen ein Taktsignal und ein Startsignal zugeführt. Um das Verfahren gemäß der Gleichung III durchzuführen, ist eine Teilereinheit in den Takt zwischen Mikroprozessor und Steuereinheit geschaltet, wobei die Teilereinheit von dem Mikroprozessor gesteuert wird. Der Teilerfaktor wird von dem Mikroprozessor für den ersten Auslesevorgang auf 1 und für den zweiten Auslesevorgang auf m gestellt, wodurch auf einfachste Weise der lineare Anstieg der Integrationszeit als Funktion des Ortes des Photoelementes erreicht wird. Die Teilereinheit kann auch in den PLD integriert sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine typische spektrale Verteilung einer Spektrometerlampe,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 ein prinzipielles Pulsdiagramm einer Messung und

Fig. 4 ein Impulsdiagramm der Ansteuerung des Sensors.

Die Fig. 1 zeigt den typischen Intensitätsverlauf einer kon tinuierlich strahlenden Lampe, welche in Spektrometern einge setzt werden. Dargestellt ist die Intensität I auf der verti kalen Achse gegenüber der Wellenlänge λ in Nanometern auf der horizontalen Achse. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Intensitätsmeßwerte zur kurzwelligen Seite hin exponentiell abnehmen.

Die Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer bevorzugten Aus führungsform der Erfindung. Ein Mikroprozessor 1 ist mit den Verbindungen 2 und 3 mit einer Teilereinheit 4 verbunden. Über die Verbindung 2 wird u. a. der benötigte Takt übertragen. Die Verbindung 3 bewirkt eine Steuerung der Teilereinheit 4. Der Takt und die nötigen Steuerinformationen werden über eine Verbindung 5 von der Teilereinheit 4 in eine Steuereinheit 6 übertragen, welche beispielsweise durch eine PLD gebildet ist. Die Steuereinheit 6 kontrolliert über die Verbindungen 7, 8 und 9 einen Multiphotodioden-Sensor 10, einen ADC 11 (Analog- Digital-Converter) und eine DMA-Einheit 12 (Direct-Memory- Access). Die von dem Multiphotodioden-Sensor 10 erzeugten Meßsignale gelangen über eine Verbindung 13 in den ADC 11, welcher mit einer Verstärkereinheit ausgerüstet sein kann. Die gewandelten digitalen Meßsignale gelangen über eine Verbindung 14 in die DMA-Einheit, welche über eine Verbindung 15 den Transfer der Daten in den Mikroprozessor 1 vornimmt. Somit wird die Signalverarbeitung bei der bevorzugten Ausführungs form durch die ADC-Einheit 11, die DMA-Einheit 12 und den Mikroprozessor 1 gebildet. Die üblichen Multiphotodioden- Sensoren 10 benötigen zum Auslösen eines Scan-Vorganges ein Startsignal und zum Scannen mindestens ein Clock-Signal. Handelsübliche Sensoren benötigen im allgemeinen zweiphasige Clock-Signale. Diese Eingangssignale werden von der Steuer einheit 6 aus dem vom Mikroprozessor 1 vorgegebenen Takt und dem Meßanforderungssignal erzeugt. Für den ersten Scan bzw. Auslesevorgang bei einer Messung wird der Teilerfaktor der Teilereinheit 4 über die Verbindung 3 mit dem Wert 1 vom Mikroprozessor besetzt. Für den zweiten Scan einer Messung beaufschlagt der Mikroprozessor 1 die Teilereinheit 4 mit dem Faktor m. Dadurch wird der der Steuereinheit 6 zugeführte Takt verändert, d. h. die Taktzeit des zweiten Scans verlängert sich. Es wird nur durch das Einschalten einer Teilereinheit 4 in die Taktleitung das erfindungsgemäße Verfahren verwirk licht. Die Steuereinheit 6 erzeugt aus dem langsameren Takt ein verlängertes Clock-Signal, und dadurch wird die Integra tionszeit gemäß der Formel IV vom Ort des Photoelementes linear abhängig.

Die Fig. 3 zeigt das Zeitverhalten einer Messung in einer ver einfachten Darstellung. Dargestellt sind ein Meßanforderungs signal 16 und die dazugehörigen Ansteuersignale 17 des Multi photodioden-Sensors. Liegt eine Meßanforderung vor, hier dar gestellt durch den Puls 18, der beispielsweise durch eine Meß taste ausgelöst werden kann, werden mit einer gewissen Zeit verzögerung Clockpulse zur Ansteuerung des Sensors erzeugt, welche für den ersten Scan durch die Pulsfolge 20 dargestellt sind. Die Ansteuersignale 20 für den ersten Scan benötigen eine Zeit von n_*t₁. Nach Beendigung des ersten Auslesevor ganges 20 der ersten Messung 18 wartet der Mikroprozessor eine Zeit T_w bis von der Steuereinheit 6 wieder eine neue Clock pulsfolge 21 erzeugt wird, welche die Zeit n_*t₂ dauert. Eine erneute Meßanforderung, dargestellt durch den Puls 19, erzeugt wiederum zwei Clockpulsfolgen 22 und 23. Nach deren Ablauf ist die erneute Messung ebenfalls abgeschlossen. Die beiden in der Fig. 3 dargestellten Messungen sind voneinander unabhängig und liegen zeitlich verschieden.

In Fig. 4 sind die einzelnen Clocksignale zum Ansteuern der Auslesevorgänge der individuellen Photoelemente dargestellt.

Die Clocksignale 24, 25 und 26 dienen zum Initiieren des Aus lesevorganges der Photoelemente 1, 2 und 3 während des ersten Scans. Die Auslesezeit t₁ ist definiert durch die Anstiegs flanken aufeinanderfolgender Pulse. Entsprechend dienen die Signale 27 und 28 der Ansteuerung des Auslesevorganges der Photoelemente (n-1) und n während des ersten Scans. Nach einer Wartezeit T_w werden die Signale zur Ansteuerung des Auslese vorganges des zweiten Scannes kreiert. Entsprechend sind die Signale 29, 30 und 31 für den Auslesevorgang der Photoelemente 1, 2 und 3 und die Signale 32 und 33 für die Photoelemente (n-1) und n bestimmt. Die Auslesedauer t₂ wird ebenso durch die ansteigende Flanke aufeinanderfolgender Signale festge legt. Die Zeitdauern t₁ und t₂ sind voneinander verschieden.

Bezugszeichenliste

1 Mikroprozessor
2 Taktleitung
3 Verbindung
4 Teiler
5 Taktleitung
6 Steuereinheit
7 Verbindung
8 Verbindung
9 Verbindung
10 Multiphotodioden-Sensor
11 ADC
12 DMA
13 Verbindung
14 Verbindung
15 Verbindung
16 Meßanforderungssignal
17 Ansteuerungssignal
18 Anforderung 1
19 Anforderung 2
20 Scan 1
21 Scan 2
22 Scan 1
23 Scan 2
24-33 Puls
34 Signalverarbeitungseinheit

Claims

1. Verfahren zur Aussteuerung des Dynamikbereiches eines aus n Photoelementen bestehenden, selbstscannenden Multiphotodioden- Sensors, der mittels eines Schieberegisters seriell ausgelesen wird, wobei der Multiphotodioden-Sensor einen Eingang für ein Start-Signal und mindestens einen für ein Clock-Signal aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerung des Clock-Signals des Multiphotodioden- Sensors (10) durch eine Steuereinheit (6) die Integrationszeit eines Photoelementes aus der ortsabhängigen Veränderung der Auslesezeit als eine Funktion f(x) ihres Ortes x erzeugt wird, wobei x einen ganzzahligen Wert zwischen 0 und (n-1) annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Clock-Signale eine lineare Funktion f(x) ergibt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktzeit des Clock-Signals des zweiten Scans (21) verlängert ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem Mikroprozessor (1), einer Steuereinheit (6), einem Multiphotodioden-Sensor (10) und einer Signalverarbeitungseinheit (34), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (6) die zur Steuerung des Multiphotodioden-Sensors (10) und der Signalverarbeitungseinheit (34) nötigen Signale aus dem von dem Mikroprozessor (1) gelieferten Takt erzeugt und daß der Steuereinheit (6) eine von dem Mikroprozessor (1) steuerbare Teilereinheit (4) vorgeschaltet ist, welche den zur Erzeugung der Clock-Signale in der Steuereinheit (6) nötigen Takt ändert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerfaktor der Teilereinheit (4) beim ersten Scan (20) einen Wert Eins und beim zweiten Scan einen Wert größer als Eins hat.