DE4331929A1

DE4331929A1 - Meßsystem zur Aufnahme hoch zeitaufgelöster Spektren und Bilder mit hoher Dynamik

Info

Publication number: DE4331929A1
Application number: DE4331929A
Authority: DE
Original assignee: VISION 2 D MESTECHNIK GmbH
Current assignee: VISION 2 D MESTECHNIK GmbH
Priority date: 1993-09-14
Filing date: 1993-09-14
Publication date: 1995-03-16

Description

Einleitung

Gegenstand der Erfindung ist ein hoch zeitauflösendes Lichtmeßsystem mit vergrößerter Dynamik des Gesamtsystems.

Ein derartiges Meßsystem ist von großem praktischen Interesse, da es mit vergleichsweise geringem Aufwand zeitaufgelöste Messungen von Lichtemissionen in einem sehr breiten Zeitband ermöglicht. Interessante Einsatzbereiche sind z. B. die Messung schwacher Leuchterscheinungen in Stoßrohren und Windkanälen oder die Untersuchung von Verbrennungsvorgängen in Motoren.

Stand der Technik

CCD-Kameras, die im Frame Transfer Betrieb arbeiten, ermöglichen zeitauflösende (Streak-)Registrierung von Lichtemissionen. Dies wird realisiert durch vertikale Verschiebung der Bildladungen während der Belichtungsphase. Mit derartigen CCD-Kameras können zeitliche Auflösungen bis in den sub-µsec- Bereich abgedeckt werden.

Mit Hilfe eines Bildverstärkers mit Micro Channel Plate (MCP) kann die Empfindlichkeit der Kamera extrem erhöht werden. Durch schnelles mehrmaliges Öffnen und Schließen des Bildverstärkers können außerdem ohne den Einsatz von Stroboskopblitzlampen Bildsequenzen aufgezeichnet werden. Bei diesem Kameratyp werden die Meßsignale, die in zeitlicher Folge anfallen, immer durch dieselben Bereiche des Bildverstärkers geleitet und am Ende entlang der vertikalen Achse der CCD gespeichert.

Beträgt die gesamte Meßdauer einige msec oder weniger, so wird der Elektronenstrom wesentlich aus den kapazitiven Ladungen des MCP gespeist. Hohe Lichtintensität sowie hohe Verstärkung bewirken eine Entladung des MCP. Dementsprechend nimmt die Verstärkung des MCP-Bildverstärkers während der Aufnahme ab, und zwar um so mehr, je höher die Ausgangshelligkeit des Phosphorschirmes am Beginn der Aufnahme ist. Das Gerät arbeitet nicht mehr im linearen Betrieb. Um diesen Effekt zu vermeiden, darf das System nur mit geringen Elektronenströmen im MCP und damit geringer Intensität betrieben werden. Dadurch ist die Dynamik des Meßsignals, gegeben als das Verhältnis der max. Intensität zum Eigenrauschen des Systems, bei bisherigen MCP- bildverstärkten CCD-Kameras begrenzt.

Die mit der Erfindung zu lösende Aufgabe besteht darin, diese Begrenzung entscheidend so zu verbessern, daß aussagefähige Messungen über einen guten Dynamikbereich möglich werden. Dies wird erreicht, indem ein (oder mehrere) Bildverstärker ohne MCP zwischen MCP-Bildverstärker und CCD gesetzt wird. Diese Bildverstärker besitzen zwar eine geringere Verstärkung, können jedoch bei entsprechendem Eingangssignal eine höhere Lichtintensität erzeugen als ein MCP-Bildverstärker. In dieser Anordnung kann der MCP-Bildverstärker mit viel geringerer Verstärkung betrieben werden, so daß das Problem der Entladung der MCP entfällt. Der eingefügte Nachverstärker ohne MCP erlaubt es dabei, eine hohe Gesamt-Bildverstärkung so zu erreichen, daß Eingangs- und Ausgangssignal linear voneinander abhängen. Damit ist im Gegensatz zu bisherigen diesbezüglichen Meßsystemen eine vergrößerte Dynamik zu erzielen. Der nur noch als Vorverstärker eingesetzte MCP-Bildverstärker besitzt wesentliche Vorzüge gegenüber anderen Bildverstärkern als optischer Verschluß. Er ermöglicht extrem kurze Belichtungszeiten der Einzelbilder bei gleichzeitig hoher Wiederholrate.

Die Bildübertragung zwischen den Systemkomponenten wird durch Fiberoptikflächen realisiert, die entweder durch Kontaktöl oder durch einen optischen Kleber verbunden werden, mit dem Resultat einer einwandfreien Bildoptik des Gesamtsystems. Eine schematische Darstellung des Gesamtsystems zeigt Abb. A.

Vorteilhaft für eine einwandfreie Funktion des Meßsystems ist die Benutzung einer Maske, die die scharfe Abgrenzung des jeweils belichteten CCD-Feldes von einem Zeittakt zum anderen ermöglicht. Eine geeignete Ausführung einer derartigen Maske ist z. B. eine teilverspiegelte fiberoptische Platte. Eine solche Platte kann nach Anwendung entweder vorteilhaft auf das Eingangsfenster des MCP-Bildverstärkers gekoppelt werden oder zwischen zwei Flächen des in Abb. A dargestellten Systemkomponenten eingefügt werden. Um die Bildhöhe je nach Meßaufgabe genau einstellen zu können, kann die Maske mittels einer Verschiebevorrichtung so verschoben werden, daß die verspiegelte Fläche den gewünschten Teil der CCD-Bildzone mehr oder weniger verdeckt. Die Verschiebung ohne merkliche Reibung bei gleichzeitig einwandfreier optischer Kopplung geschieht durch Einbringung von Kontaktöl zwischen die betroffenen Systemteile.

Claims

1. Meßsystem zur Aufnahme hoch zeitaufgelöster Spektren und Bilder, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Bildverstärker als Nachverstärker zwischen einen MCP-Bildverstärker und eine CCD-Kamera gesetzt wird, wobei die vorgenannten drei Bauteile fiberoptisch gekoppelt sind.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche Nachverstärker zwischen MCP-Bildverstärker und CCD- Kamera eingesetzt werden.

3. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein sogenannter Nahfokus-Bildwandler zwischen MCP-Bildverstärker und CCD- Kamera gesetzt wird.

4. Meßsystem nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß entweder vor ein fiberoptisches Fenster des Eingangs-Bildverstärkers oder zwischen zwei der Kopplungsflächen der Systemkomponenten eine verschiebbare Maske eingefügt wird, die z. B. als teilverspiegelte Fiberoptik ausgebildet ist.