DE4339784C2

DE4339784C2 - Method and device for time-correlated single photon counting with a high registration rate

Info

Publication number: DE4339784C2
Application number: DE4339784A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Becker Wolfgang Dr 15831 Mahlow De
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 2002-09-05
Anticipated expiration: 2013-11-19
Also published as: DE4339784A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßan ordnung nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzel photonenzählung mit hoher Registrierrate. Durch die hohe Registrierrate soll es möglich sein, veränderliche Objekte zu untersuchen und Zeitfunktionen von Licht impulsen mit Zeitauflösungen im ps-Bereich und Emp findlichkeiten bis zum Einzelphotonenniveau im Oszil loskop-Betrieb, d. h. in schneller Folge grafisch darzu stellen.The invention relates to a method and a Meßan order according to the principle of time-correlated individual photon count with high registration rate. Through the high registration rate it should be possible to change Examine objects and time functions of light impulse with time resolutions in the ps range and emp sensitivities down to the single photon level in Oszil loskop-operation, d. H. graphically in quick succession put.

Mit der Entwicklung der Lasertechnik haben optische Methoden zur Untersuchung der unterschiedlichsten Systeme Bedeutung erlangt. Auf optischen Prinzipien beruhende Meßmethoden haben für viele Zwecke eine Reihe von Vorteilen:
With the development of laser technology, optical methods for examining a wide variety of systems have become important. Measurement methods based on optical principles have a number of advantages for many purposes:

- Optical methods are "clean", i. H. the under searched systems are not irreversibly changed changed.
- Optical methods allow large distances de between measuring arrangement and measuring object and are therefore inaccessible objects and un can be used in extreme conditions.
- Optical methods enable high sensitivity possibilities and time resolutions. Most opti There is a similar research method Measurement principle.

Das untersuchte System wird durch Licht bzw. Licht impulse angeregt. Es strahlt daraufhin selbst Licht aus, dessen räumlicher, zeitlicher und spektraler Verlauf ge messen wird. Zur Messung des Zeitverhaltens eines Meßobjektes wird dieses durch ein impulsförmiges Lichtsignal angeregt. Zur Erzeugung der Impulse stehen sehr leistungsfähige Lasersysteme zur Verfügung. Die Impulsleistungen liegen im Bereich von mW bis zu meh reren GW bei Folgefrequenzen von 0.01 Hz bis zu 200 MHz. Für die Meßtechnik sind vor allem Systeme mit kleiner Impulsleistung und hoher Folgefrequenz in teressant. Typisch für diese Anwendungen sind moden synchronisierte Argonlaser und damit gepumpte Farb stofflaser. Die Folgefrequenz dieser Systeme liegt bei 50 . . . 200 MHz, die Impulshalbwertsbreite bei 1 . . . 100 ps und die mittlere Leistung bei 10 mW . . . 10 W. In Verbin dung mit solchen Lichtquellen ist als Nachweismethode besonders die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung interessant. Diese Methode ermöglicht Empfindlichkei ten bis zum Einzelphotonenniveau, Zeitauflösungen im ps-Bereich und nur durch die Statistik der Photonenre gistrierung begrenzte Genauigkeiten und Dynamikbe reiche.The system under investigation is made up of light or light stimulated. It then emits light itself, whose spatial, temporal and spectral course ge will measure. To measure the time behavior of a This is measured by a pulse-shaped Light signal excited. Stand for generating the pulses very powerful laser systems available. The Pulse powers are in the range from mW to meh rere GW at repetition frequencies from 0.01 Hz up to 200 MHz. Systems are primarily for measurement technology with low pulse power and high repetition frequency in teresting. Fashions are typical of these applications synchronized argon lasers and thus pumped paint fabric laser. The repetition rate of these systems is 50 , , , 200 MHz, the pulse half-width at 1. , , 100 ps and the average power at 10 mW. , , 10 W. In Verbin The use of such light sources is a method of detection especially the time-correlated single photon count Interesting. This method enables sensitivity down to the single photon level, time resolutions in ps range and only by the statistics of the photon re registration limited accuracy and dynamic range rich.

Die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung beruht auf der Registrierung einzelner Photonen eines peri odischen Lichtsignales mit einem Photomultiplier oder einer Avalanche-Photodiode. Die Intensität des Lichtes ist so gering, daß < 100 Signalperioden notwendig sind, um ein Photon zu registrieren. Die Wahrscheinlichkeit, in einer Signalperiode mehrere Photonen zu registrie ren, kann deshalb vernachlässigt werden. Die registrier ten Photonen werden in einen Digitalspeicher eingetra gen. Der Speicherplatz, auf dem ein Photon addiert wird, ist proportional zum Zeitpunkt der Registrierung des Photons.The time-correlated single photon count is based on the registration of individual photons of a peri or light signals with a photomultiplier or an avalanche photodiode. The intensity of the light is so small that <100 signal periods are necessary to register a photon. The probability, to register several photons in one signal period ren, can therefore be neglected. The registered th photons are entered into a digital memory The storage space on which a photon adds is proportional to the time of registration of the photon.

Wenn nach sehr vielen Signalperioden eine große Zahl von Photonen registriert worden ist, entspricht die Verteilung der Photonen im Speicher der zeitlichen Verteilung der Photonen des Meßlichtes und gibt somit den gesuchten Zeitverlauf wieder.If after a large number of signal periods a large one Number of photons has been registered, which corresponds to Distribution of the photons in the memory of the temporal Distribution of the photons of the measuring light and thus gives the searched time course again.

Die Forderung, weniger als ein Photon auf 100 Signal perioden zu registrieren, kann bei gegebener durch schnittlicher Lichtintensität am besten durch eine hohe Folgefrequenz der Lichtimpulse erfüllt werden. Die an geführten hochfrequent gepulsten Lasersysteme sind deshalb als Anregungslichtquellen in Verbindung mit der Einzelphotonenzählung sehr gut geeignet.The requirement of less than one photon per 100 signal Periods can be registered at a given time best light intensity by a high Repetition frequency of the light impulses are met. The on guided high-frequency pulsed laser systems therefore as excitation light sources in connection with single photon count very well suited.

Eine Anordnung zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Am Eingang SPP (Single Photon Pulse) werden die Einzelphotonenimpul se des Detektors zugeführt. Mit dem Constant Fraction Trigger CFT wird aus den Impulsen ein Triggerimpuls konstanter Amplitude gewonnen, der unabhängig von der Eingangsamplitude möglichst genau mit dem Zeit punkt der Photonenregistrierung korreliert ist.An arrangement for implementing the described method is shown in FIG. 2. At the SPP (Single Photon Pulse) input, the single photon pulses are fed to the detector. With the Constant Fraction Trigger CFT, a trigger pulse of constant amplitude is obtained from the pulses, which is correlated as precisely as possible with the time of photon registration, regardless of the input amplitude.

Zur Synchronisation des Meßvorganges mit der La serimpulsfolge dient das Synchronisationssignal SYNC. Das Signal wird bei hohen Folgefrequenzen in einem Frequenzteiler FDV in seiner Frequenz um einen Fak tor 2 . . . 16 geteilt. Damit wird einerseits erreicht, daß im Meßergebnis mehrere Signalperioden darstellbar sind, andererseits wird die Synchronisationsfrequenz intern auf gut handhabbare Werte reduziert.To synchronize the measuring process with the La The synchronization signal serves the synchronization signal SYNC. The signal is in one at high repetition frequencies Frequency divider FDV in its frequency by a factor gate 2. , , 16 shared. On the one hand it is achieved that in Multiple signal periods can be displayed, on the other hand, the synchronization frequency becomes internal reduced to manageable values.

Zur Bestimmung der zeitlichen Lage eines registrier ten Photons dient der Zeit-Amplitden-Konverter TAC. Wird der TAC durch einen Triggerimpuls am Eingang "start" gestartet, dann erzeugt er ein zeitproportional ansteigendes Ausgangssignal, bis am Eingang "stop" ein Stoppimpuls eintrifft. Die Schaltung erzeugt somit bei jedem Photon eine Ausgangsspannung, die linear mit der zeitlichen Lage des Photons in Bezug auf die Laser impulsfolge verknüpft ist. Die beschriebene Art der Zeitmessung vom Photon zum nächsten Laserimpuls ist für hohe Folgefrequenzen zweckmäßig, da hierbei die Geschwindigkeitsanforderungen an die nachfolgende Elektronik geringer sind. Bei niedriger Impulsfolgefre quenz wird der TAC durch die Laserimpulse gestartet und durch die Photonenimpulse gestoppt.To determine the timing of a registered The time-amplitude converter TAC serves ten photons. The TAC is triggered by a trigger at the input "start" started, then it generates a time proportional increasing output signal until "stop" at the input Stop impulse arrives. The circuit thus generates an output voltage that is linear with each photon the temporal position of the photon in relation to the laser pulse train is linked. The type of described Time measurement from the photon to the next laser pulse is appropriate for high repetition frequencies, since the Speed requirements for the following Electronics are lower. At low pulse train fre the TAC is started by the laser pulses and stopped by the photon pulses.

Der anschließende Analog-Digital-Konverter ADC setzt das verstärkte TAC-Ausgangssignal in die Adresse des Meßwertspeichers MEM um. Die Adresse ist pro portional zur TAC-Ausgangsspannung und damit zur zeitlichen Lage des jeweiligen Photons.The subsequent analog-to-digital converter ADC sets the amplified TAC output signal in the address of the measured value memory MEM. The address is pro proportional to the TAC output voltage and thus to temporal position of the respective photon.

Bei der Registrierung eines Photons muß der Inhalt des adressierten Speicherplatzes um den Wert eins er höht werden. Das besorgt die Additions/Subtraktions- Schaltung A/S. Durch Umschaltung zwischen Addition und Subtraktion mit Hilfe eines geeigneten Steuersigna les läßt sich die Einzelphotonenzählung mit einer digita len Lock-in-Technik verbinden [6].When registering a photon, the content must of the addressed memory space by the value one be raised. This takes care of the addition / subtraction Circuit A / S. By switching between addition and subtraction using an appropriate control signal The single photon count can be read with a digita Connect len lock-in technology [6].

In [11] ist ein sequentielles Verfahren zur Messung von Fluoreszenzabklingkurven bei verschiedenen Wellenlängen beschrieben.In [11] there is a sequential method for measuring fluorescence decay curves different wavelengths described.

Eine mehrkanalige Multiplex-Messung kann durch Steuerung von höherwertigen Adreßbits erreicht wer den [2, 6, 8]. Die Einordnung von Meßergebnissen von stochastisch veränderlichen Objekten durch Steuerung der höheren Adreßbits ist in [8] beschrieben. Die Emp findlichkeit der Meßanordnung wird hauptsächlich von der Dunkelzählrate des Lichtempfängers begrenzt. Setzt man als Grenzempfindlichkeit die Lichtintensität an, bei der das Signal gleich dem Rauschen des Dunkel signales ist, so ergibt sich
A multi-channel multiplex measurement can be achieved by controlling higher-value address bits [2, 6, 8]. The classification of measurement results of stochastically variable objects by controlling the higher address bits is described in [8]. The sensitivity of the measuring arrangement is mainly limited by the dark count rate of the light receiver. If the light sensitivity at which the signal is equal to the noise of the dark signal is used as the limit sensitivity, the result is

Ig = (Rd.N/T)^0,5/Q
Ig = (Rd.N / T) ^0.5 / Q

(Rd = Dunkelzählrate, N = Anzahl der Zählkanäle, Q = Quantenausbeute des Empfängers, T = Meßzeit).(Rd = dark count rate, N = number of count channels, Q = Quantum yield of the receiver, T = measurement time).

Für die typischen Werte Rd = 500 s^-1 (Photomulti plier mit Multialkali-Kathode), N = 256, Q = 0.1 und T = 100 s ergibt sich eine Grenzempfindlichkeit von Ig = 350 Photonen/s. Demgegenüber liefert der Laser bis zu 10¹⁸ Photonen pro Sekunde, so daß für die Umset zung des Laserlichtes im Meßobjekt eine Empfindlich keitsreserve von mehr als 15 Größenordnungen besteht.For the typical values Rd = 500 s ^-1 (photomultiplier with multi-alkaline cathode), N = 256, Q = 0.1 and T = 100 s, there is a limit sensitivity of Ig = 350 photons / s. In contrast, the laser delivers up to 10 ¹⁸ photons per second, so that there is a sensitivity reserve of more than 15 orders of magnitude for the implementation of the laser light in the test object.

Neben der hohen Empfindlichkeit liefert die zeitkor relierte Einzelphotonenzählung eine sehr hohe Zeitauf lösung.In addition to the high sensitivity, the zeitkor relate single photon count a very high time solution.

Im Gegensatz zu Meßverfahren mit Analog-Signal verarbeitung ist nämlich die Zeitauflösung der Einzel photonenzählung nicht durch die Breite der Impulsant wort des Lichtempfängers begrenzt. Für die Zeitauflö sung ist entscheidend, wie genau der Zeitpunkt der Re gistrierung eines Photons bestimmt werden kann. Diese Genauigkeit wird von den Laufzeitstreuungen der Ein zelphotonenimpulse im Lichtempfänger und von der Genauigkeit der Zeitnahme am Ausgangsimpuls des Empfängers bestimmt. Die Fehler bei der Zeitbestim mung können bis zu 10mal kleiner sein als die Halb wertsbreite der Impulsantwort des Empfängers.In contrast to measuring methods with an analog signal Processing is namely the time resolution of the individual photon count not by the width of the impulsant word of the light receiver limited. For the time resolution It depends on how exactly the time of the re registration of a photon can be determined. This Accuracy is dependent on the runtime spread of the cell photon pulses in the light receiver and from the Accuracy of the timing at the output pulse of the Determined recipient. The errors in the timing mung can be up to 10 times smaller than half value range of the impulse response of the receiver.

Die erreichbaren Werte der Zeitauflösung sind vom Lichtempfänger abhängig. Folgende Werte können er reicht werden:
konventioneller Photomultiplier: 94 ps [2]
Microchannal-Photomultiplier: 60 ps [3]
Avalanche-Photodioden: 20 ps [4]
Crossed-Field-Photomultiplier: 47 ps [5].The achievable time resolution values depend on the light receiver. The following values can be achieved:
conventional photomultiplier: 94 ps [2]
Microchannal photomultiplier: 60 ps [3]
Avalanche photodiodes: 20 ps [4]
Crossed-field photomultiplier: 47 ps [5].

Neben der Empfindlichkeit und der Zeitauflösung ist die erreichbare Meßgenauigkeit und der mögliche Dy namikbereich von Bedeutung.In addition to sensitivity and time resolution the achievable measurement accuracy and the possible Dy namik area of importance.

Die Genauigkeit der Messung schwacher Lichtsigna le ist durch die Streuung des für jeden Speicherplatz erhaltenen Zählergebnisses gegeben. Bei N registrier ten Photonen pro Speicherplatz ist das Signal-Rausch- Verhältnis gleich der Wurzel aus N. Hier besteht ein entscheidender Vorteil gegenüber Meßverfahren, die das Detektorsignal mit Analogtechnik auswerten. Bei Empfindlichkeiten in der Nähe des Einzelphotonenni veaus macht sich die Stochastik des Verstärkungspro zesses im Detektor bemerkbar, was dazu führt, daß die einzelnen Photonen zu stark unterschiedlichen Aus gangsimpulsen des Empfängers führen. Diese Impulshö henschwankungen wirken sich bei einer Analogverar beitung des Empfängersignales als zusätzlicher Rausch anteil aus. Auch im Dynamikbereich ist die Einzelphoto nenzählung den Analogverfahren überlegen. Der Dyna mikbereich ist das Verhältnis zwischen maximalem Si gnal und Grundrauschen. Dieses ist bei der Einzelphoto nenzählung nur durch die Statistik bestimmt, ohne daß zusätzliche Rauschquellen und Grundliniendriften die Dynamik begrenzen.The accuracy of the measurement of weak light signals le is by scattering the for each storage space received counting result. Register with N is the signal-to-noise Ratio equal to the root of N. Here there is a decisive advantage over measuring methods that evaluate the detector signal using analog technology. at Sensitivities close to the single photon The stochastics of the reinforcement pro noticeable in the detector, which leads to the fact that the individual photons to very different Aus lead the recipient's gait pulses. This impulse height Fluctuations in height affect an analog process Processing the receiver signal as an additional noise share from. The single photo is also in the dynamic range superior to the analog method. The Dyna mic range is the ratio between maximum Si signal and background noise. This is with the single photo count only determined by statistics, without additional noise sources and baseline drifts Limit dynamics.

Ein wesentlicher Nachteil bei bekannten Anordnun gen zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung ist die lange Meßzeit, die durch die begrenzte Photonen-Zähl rate der Meßanordnungen bedingt ist. Eine Anwendung der Methode zur Untersuchung veränderlicher Objekte oder ein Betrieb als optisches Oszilloskop ist dadurch ausgeschlossen.A major disadvantage with known arrangements is the time-correlated single photon count long measuring time due to the limited photon count rate of the measuring arrangements is conditional. An application the method for examining changing objects or operation as an optical oscilloscope locked out.

Die bekannt gewordenen Verfahren zur Multiplex- Messung und zur Untersuchung von von stochastisch veränderlichen Objekten [2, 6, 8] haben aus dem gleichen Grunde nur geringe Verbreitung gefunden.The known methods for multiplex Measurement and study of stochastic changeable objects [2, 6, 8] have the same Rarely found widespread.

Die begrenzte Zählrate wird besonders bei der Un tersuchung stark streuender Objekte zum Problem. Das Signal besteht hier aus starken Streulichtimpulsen (die gleichzeitig mit den Anregungsimpulsen auftreten) und dem eigentlichen Meßsignal mit seinem charakteristi schen Zeitverlauf. Ist das Streulicht um mehrere Grö ßenordnungen stärker als das Nutzsignal, so bestimmt dieses die maximal zulässige Lichtintensität und man erhält für des Nutzsignal selbst nur eine sehr geringe Zählrate. Die erreichbare Zählrate wird durch die Zei ten bestimmt, die für den Speicherzugriff und für die AD-Wandlung zur Gewinnung der Speicheradresse aus dem TAC-Ausgangssignal notwendig sind. Vorschläge zur Verbesserung durch einen quasi-gleichzeitigen Ab lauf von AD-Wandlung und Speicherzugriff und zur Vermeidung überflüssiger Verarbeitungsschritte sind in [2, 6] enthalten.The limited counting rate is particularly important for the Un investigation of strongly scattering objects to the problem. The The signal consists of strong stray light pulses (the occur simultaneously with the excitation pulses) and the actual measurement signal with its characteristics course of time. Is the stray light by several sizes orders of magnitude stronger than the useful signal, so determined this is the maximum allowable light intensity and one receives very little for the useful signal itself Count rate. The achievable count rate is determined by the time determined for the memory access and for the AD conversion to obtain the memory address the TAC output signal are necessary. proposals for improvement through a quasi-simultaneous Ab run of AD conversion and memory access and for Avoidance of unnecessary processing steps are in [2, 6] included.

Während eine Beschleunigung des Speicherzugriffs mit Hilfe von schnellen Speichern zur Zeit nur noch eine Kostentrage ist, gibt es beim AD-Wandler prinzipielle Probleme. An den AD-Wandler werden nämlich extrem hohe Genauigkeitsforderungen gestellt, die einer Ge schwindigkeitserhöhung Grenzen setzen.While accelerating memory access with the help of fast memories only one at a time In principle, the AD converter is cost-effective Problems. The AD converter will be extreme high accuracy requirements that a Ge Set limits on speed increase.

Will man z. B. das registrierte Signal mit 1024 Meß punkten darstellen, so braucht man einen Wandler mit 10 Bit Auflösung. Mit einem gewöhnlichen (gerade noch monotonen) 10-Bit-Wandler erhält man zwar tatsäch lich 1024 Kanäle, die zeitliche Breite der Kanäle schwankt aber von von Null bis 200% der durchschnitt lichen Kanalbreite.Do you want z. B. the registered signal with 1024 meas represent points, so you need a converter 10 bit resolution. With an ordinary (just yet monotonous) 10-bit converter is actually obtained 1024 channels, the temporal width of the channels but fluctuates from zero to 200% of the average channel width.

Ursache ist die Ungleichförmigkeit der Wandlungs stufen entsprechend der differentiellen Nichtlinearität des Wandlers. Da in die Kanäle der Breite Null keine, in die der Breite 200% dagegen doppelt so viele Photonen fallen wie erwartet, wäre eine solche Meßanordnung unbrauchbar.The cause is the non-uniformity of the change levels according to the differential non-linearity of the converter. Since none in the zero latitude channels that of the width 200%, however, twice as many photons such an arrangement would fall as expected unusable.

Der Wandler muß also eine Genauigkeit (Effective Number of Bits, ENOB) haben, die über der Kanalzahl N liegt und für die gilt
The converter must therefore have an accuracy (Effective Number of Bits, ENOB) that lies above the channel number N and applies to it

ENOB = ld(N) + ld(SNR)
ENOB = ld (N) + ld (SNR)

wobei SNR das angestrebte Signal-Rausch-Verhältnis des Meßergebnisses ist Bereits für ein SNR von 1% und 1024 Kanäle braucht man einen ENOB-Wert von etwa 17 Bit. Ein solcher Wandler ist nur mit Umsetzzeiten von < 10 µs zu realisieren. Die Zählrate bekannter An ordnungen ist deshalb auf etwa 100.10³ s^-1 begrenzt, wodurch lange Meßzeiten entstehen.where SNR is the desired signal-to-noise ratio of the measurement result. For an SNR of 1% and 1024 channels, an ENOB value of about 17 bits is required. Such a converter can only be implemented with conversion times of <10 µs. The counting rate of known orders is therefore limited to approximately 100.10 ³ s ^-1 , which results in long measuring times.

Eine gewisse Verbesserung der vom AD-Wandler verursachten Fehler ist durch das in [7] vorgeschlagene Verfahren der Nachverarbeitung möglich, indem das Meßergebnis durch eine unabhängig an einem Gleich lichtsignal gewonnene Meßkurve dividiert wird. Das Verfahren setzt aber voraus, daß die AD-Wandler-Feh ler zeitlich stabil sind und bringt durch das das Rauschen des Referenzsignals eine zusätzliche Rauschquelle ein. Zur Auflösungserhöhung bei der AD-Wandlung von Analogsignalen wird mitunter ein als "Dithering" be kanntes Verfahren angewendet, durch das für einen ge gebenen Analog-Digital-Wandler eine Auflösungser höhung auf Kosten der Geschwindigkeit möglich ist. Bei diesem Verfahren wird dem Meßsignal ein Hilfssignal überlagert, das mit Hilfe eines schnellen DAC aus einem digitalen Zufallssignal gewonnen wird (Fig. 3). Nach der Wandlung wird das Hilfssignal durch eine digitale Sub trahierschaltung SUB wieder aus dem Ergebnis ent fernt. Die resultierenden Werte werden durch ein Digi talfilter geschickt, das aus mehreren aufeinanderfolgen den ADC-Bytes einen Mittelwert bildet. Das Ergebnis dieser Mittelung hat eine verbesserte Auflösung bzw. Genauigkeit auf Kosten der Bandbreite bzw. der Um setzrate. Je nach Ausführung des Digitalfilters ist zur Vermeidung von Aliasing-Fehlern meist noch ein Analogfilter vor dem ADC notwendig. Problematisch und aufwendig sind der benötigte schnelle Zufallsgenerator und der schnelle DAC.A certain improvement in the errors caused by the AD converter is possible by the postprocessing method proposed in [7], in that the measurement result is divided by a measurement curve obtained independently from a rectified signal. The method assumes, however, that the AD converter errors are stable over time and introduces an additional noise source through the noise of the reference signal. To increase the resolution in the AD conversion of analog signals, a method known as "dithering" is sometimes used, by means of which a resolution increase at the expense of speed is possible for a given analog / digital converter. In this method, an auxiliary signal is superimposed on the measurement signal, which is obtained from a digital random signal with the aid of a fast DAC ( FIG. 3). After the conversion, the auxiliary signal is removed from the result by a digital subtracting circuit SUB. The resulting values are sent through a digital filter that forms an average of several consecutive ADC bytes. The result of this averaging has an improved resolution or accuracy at the expense of the bandwidth or the conversion rate. Depending on the design of the digital filter, an analog filter in front of the ADC is usually necessary to avoid aliasing errors. The required fast random generator and the fast DAC are problematic and complex.

Eine vereinfachte Variante des Verfahrens (Fig. 4) verwendet deshalb zur Erzeugung des Hilfssignales ei nen Rauschgenerator, dessen Rauschen durch einen Hochpaß geschickt wird. Der Frequenzbereich des Rau schens liegt über dem des Signales, so daß im Digitalfil ter das Rauschen wieder unterdrückt werden kann.A simplified variant of the method ( FIG. 4) therefore uses a noise generator for generating the auxiliary signal, the noise of which is sent through a high-pass filter. The frequency range of the noise is above that of the signal, so that the noise can be suppressed again in the digital filter.

Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß zur Gewinnung eines einzigen Ausgangsbytes viele AD-Umsetzungen notwendig sind. Für die Photonenzählung würde das bedeuten, daß die TAC-Ausgangsspannung für jedes Photon mehrfach gewandelt werden müßte. Gerade das ist aber unmöglich, da eine hohe Registrierrate ange strebt wird.Both methods have in common that for extraction many AD conversions of a single output byte are necessary. For photon counting, that would be mean that the TAC output voltage for each Photon would have to be converted several times. Especially that is impossible because a high registration rate is indicated is striving.

Eine Verbesserung der Umsetzgeschwindigkeit wäre an sich auch durch die Verwendung mehrerer hochge nauer AD-Wandler möglich, die im Wechsel betrieben werden. Eine solche Lösung führt aber zu enormen Ko ten und ist deshalb praktisch nicht anwendbar.An improvement in the implementation speed would be in itself also by using several hochge more accurate AD converter possible, which operated alternately become. Such a solution leads to enormous knock-out ten and is therefore practically not applicable.

Höhere Zählraten sind im Prinzip dadurch erreichbar, daß man auf den TAC und ADC überhaupt verzichtet und stattdessen einen schnellen, von einem unabhängigen Takt- Oszillator getriebenen Zähler im Start-Stop-Betrieb benutzt [9]. Um eine zum TAC/ADC- Prinzip vergleichbare Zeitauflösung zu erreichen, wären jedoch Taktfrequenzen über 100 GHz erforderlich. Ein solcher Zähler ist gegenwärtig nicht realisierbar.In principle, higher count rates can be achieved by using the TAC and ADC waived at all and instead a fast, independent clock Oscillator-driven counter used in start-stop mode [9]. To get a TAC / ADC The principle of achieving comparable time resolution would be clock frequencies above 100 GHz required. Such a counter is currently not feasible.

Die Kombination einer elektronenoptischen Methode mit einem Zählverfahren ist in [10] beschrieben. Das Verfahren liefert eine hohe Zeitauflösung, ist aber nur für eine geringe Anzahl von Zeitkanälen realisierbar.
[1] O'Connor, D. V., Phillips, D.: Time-correlated Single Photon Counting. Akademic Press, London 1984
[2] Becker, W., Stiel, H., Klose, E.: Flexible Instrument for timecorrelated Single-Photon Counting. Revue of Scientific Instruments, New York 62 (1991) 12 S. 2991-2996
[3] Yamazaki, I., Tamai, N.: Microchannel-plate photo multiplier applicability to the timecorrelated photon counting method. Revue of Scientific Instruments, New York 56 (1985) 6 S. 1187-1194
[4] Cova, S., Lacaiti, A., Ghioni, M., Ripamonti, G., Louis, T. A.: 20-ps timing resolution with single-photon avalan che diodes. Revue of scientific instruments, New York 60 (1989) 6 S. 1104-1110
[5] Bebelaar, D.: Time response of various types of pho tomultipliers and its wavelength dependence in time correlated single-photon counting with an ultimate re solution of 47 ps FWHM. Revue of Scientific Instru ments, New York 57 (1986) 6 S. 1116-1125
[6] DD-WP 205 522
[7] DD-WP 213 757
[8] DD-AP 282 518.
[9] DE 42 13 717 A1
[10] US 5 124 551 A
[11] US 4 632 550The combination of an electron-optical method with a counting method is described in [10]. The method provides high time resolution, but can only be implemented for a small number of time channels.
[1] O'Connor, DV, Phillips, D .: Time-correlated single photon counting. Akademic Press, London 1984
[2] Becker, W., Stiel, H., Klose, E .: Flexible Instrument for timecorrelated Single-Photon Counting. Revue of Scientific Instruments, New York 62 (1991) 12 pp. 2991-2996
[3] Yamazaki, I., Tamai, N .: Microchannel-plate photo multiplier applicability to the timecorrelated photon counting method. Revue of Scientific Instruments, New York 56 (1985) 6 pp. 1187-1194
[4] Cova, S., Lacaiti, A., Ghioni, M., Ripamonti, G., Louis, TA: 20-ps timing resolution with single-photon avalan che diodes. Revue of scientific instruments, New York 60 (1989) 6 pp. 1104-1110
[5] Bebelaar, D .: Time response of various types of pho tomultipliers and its wavelength dependence in time correlated single-photon counting with an ultimate re solution of 47 ps FWHM. Revue of Scientific Instructions, New York 57 (1986) 6 pp. 1116-1125
[6] DD-WP 205 522
[7] DD-WP 213 757
[8] DD-AP 282 518.
[9] DE 42 13 717 A1
[10] US 5 124 551 A
[11] US 4,632,550

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrich tung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung, wel che durch eine hohe maximale Photonenzählrate einen Oszilloskopbetrieb zur direkten Beobachtung des un tersuchten Lichtsignales ermöglichen. Durch drastische Senkung der benötigten Meßzeit sollen weiterhin Un tersuchungen an zeitlich veränderlichen Objekten mög lich sein.The aim of the invention is a method and a device device for time-correlated single photon counting, wel a high maximum photon count rate Oscilloscope operation for direct observation of the un enable light signals. By drastic Lowering the required measuring time should continue Un Investigations on objects that change over time are possible be.

Das gestellte Ziel wird durch ein spezielles, die Sto chastik der Photonenregistrierung ausnutzendes Ver fahren der AD-Wandlung erreicht. Dabei wird die Ge nauigkeit eines schnellen, aber an sich zu ungenauen AD-Wandlers durch Ausnutzung eines Mittelungseffek tes um mehrere Bit erhöht, ohne daß ein Verlust an Geschwindigkeit in Kauf genommen werden muß.The goal is set by a special, the Sto chastics of photon registration utilizing ver driving the AD conversion reached. The Ge accuracy of a fast, but too imprecise in itself AD converter by using an averaging effect tes increased by several bits without loss Speed must be accepted.

Das Prinzip besteht darin, daß dem TAC-Ausgangssi gnal relativ zur ADC-Kennlinie eine stochastisch varia ble Lage gegeben wird. Dadurch mitteln sich die Fehler der Kanalbreiten, wodurch wegen der hohen Zahl der registrierten Photonen eine wesentlich bessere Genau igkeit erzielt wird. Das bedeutet andererseits, daß die Anforderungen an die Genauigkeit des AD-Wandlers sinken, so daß ein schnellerer Wandler eingesetzt wer den kann.The principle is that the TAC output i a stochastic varia relative to the ADC characteristic ble location is given. This averages the errors the channel widths, which due to the high number of registered photons a much better accuracy is achieved. On the other hand, this means that the Requirements for the accuracy of the AD converter decrease, so that a faster converter is used that can.

Eine entsprechende Anordnung für den Wandlerteil ist in Fig. 1 dargestellt.A corresponding arrangement for the converter part is shown in Fig. 1.

Zur Ausgangsspannung des Zeit-Amplituden-Kon verters TAC wird eine Hilfsspannung addiert, die von einem Digital-Analog-Wandler DAC erzeugt wird. Die ser wird durch die Ausgangsbits eines Zählers CNT ge steuert, so daß sich als DAC-Ausgangsspannung eine Sägezahnspannung ergibt, die bei jedem Zählertakt um eine DAC-Stufe ansteigt und beim Zähler-Überlauf zu rückspringt.For the output voltage of the time-amplitude con In the alternative TAC, an auxiliary voltage is added, which by a digital-to-analog converter DAC is generated. the This is ge through the output bits of a counter CNT controls so that there is a DAC output voltage Sawtooth voltage results in every counter cycle a DAC level rises and the counter overflows back jumps.

Die Summe der Ausgangssignale von TAC und DAC wird dem AD-Wandler ADC zugeführt. Dieser erzeugt bei jeder Wandlung ein Ausgangswort, das zunächst nicht der TAC-Ausgangsspannung (und damit der zeitli chen Lage des Photons) entspricht, sondern der Summe der TAC- und DAC-Ausgangssignale.The sum of the output signals from TAC and DAC is fed to the AD converter ADC. This creates with each conversion an initial word that first not the TAC output voltage (and thus the time Chen position of the photon), but the sum the TAC and DAC output signals.

Um daraus das korrekte Adreßbyte für die Speicher adressierung zu erhalten, werden die Ausgangsbytes von ADC und Zähler einer Subtraktionsschaltung SUB zugeführt. Durch Subtraktion von ADC-Byte und Zäh lerbyte erhält man wieder ein Adreßbyte, das der TAC- Ausgangsspannung (und damit der zeitlichen Lage des Photons) entspricht.To get the correct address byte for the memory to get addressing, the output bytes of ADC and counter of a subtraction circuit SUB fed. By subtracting ADC byte and count lerbyte you get an address byte again, which the TAC Output voltage (and thus the temporal position of the Corresponds to photons).

In dem erzeugten Adreßbyte ist natürlich nach wie vor als Fehler die unvermeidliche Abweichung der je weiligen ADC-Stufe vom Idealwert enthalten. Im Un terschied zur üblichen Anordnung nach Fig. 2 ist dieser Fehler jedoch bei verschiedenen Photonen unterschied lich, denn für jedes Photon wurde eine andere DAC- Spannung und damit eine andere Stelle der ADC-Kenn linie benutzt. Das gilt auch dann, wenn die Photonen zu gleichen Signalzeitpunkten gehören, d. h. gleiche Adreßbytes liefern.The address byte generated naturally still contains the inevitable deviation of the respective ADC level from the ideal value as an error. In contrast to the usual arrangement according to FIG. 2, this error is different for different photons, because a different DAC voltage and therefore a different location of the ADC characteristic line was used for each photon. This also applies if the photons belong to the same signal times, ie deliver the same address bytes.

Durch die Summierung der Photonen auf dem jewei ligen Speicherplatz ergibt sich die Kanalbreite als Mit telwert der Breite vieler verschiedener ADC-Stufen. Damit wird eine wesentliche Genauigkeitssteigerung erreicht. Die Verbesserung ist abhängig von der Anzahl N_dac der ADC-Stufen, über die das TAC-Signal mit Hil fe des Hilfssignales verschoben wird und von der Vertei lung der Fehler auf der ADC-Kennlinie.The channel width results from the summation of the photons in the respective memory location as the mean value of the width of many different ADC stages. A significant increase in accuracy is thus achieved. The improvement depends on the number N _{dac of} the ADC stages over which the TAC signal is shifted with the help of the auxiliary signal and on the distribution of the errors on the ADC characteristic.

Für den Fall, daß der Fehler in der Breite jeder ADC- Stufe unabhängig vom Fehler der Breite der Nachbar stufe ist, erhält man eine Genauigkeitssteigerung um den Faktor N_dac ^1/2.In the event that the error in the width of each ADC stage is independent of the error in the width of the neighboring stage, an accuracy increase by a factor of N _dac ^{1/2 is obtained} .

Vor allen bei Flash-ADCs besteht bedingt durch den inneren Aufbau jedoch gewöhnlich ein Zusammenhang in der Weise, daß in der Nähe einer zu kleinen Stufe bevorzugt zu große Stufen vorkommen und umgekehrt. In diesen Fällen ist die Verbesserung größer als N_dac ^1/2.Above all with flash ADCs, however, due to the internal structure, there is usually a connection in such a way that in the vicinity of a step which is too small, steps which are too large preferably occur and vice versa. In these cases the improvement is greater than N _dac ^1/2 .

Als Beispiel sei ein 12-Bit-Wandler mit einer Umsetz zeit von 100 ns angenommen. Mit einem 8-Bit-DAC zur Erzeugung des Hilfssignales und gleicher Stufenhöhe von DAC und ADC ergibt sich jeder Zeitkanal für das Meßergebnis als Mittelwert von 256 ADC-Kanälen. Die Genauigkeitsverbesserung beträgt mindestens 16, also mindestens 4 Bit. Die Anordnung verhält sich also wie eine Photonenzählung mit einem 16-Bit-Wandler mit 100 ns Umsetzzeit.An example is a 12-bit converter with a conversion assumed time of 100 ns. With an 8-bit DAC for Generation of the auxiliary signal and the same step height DAC and ADC result in each time channel for the Measurement result as the average of 256 ADC channels. The Accuracy improvement is at least 16, so at least 4 bits. The arrangement behaves like using a photon count with a 16-bit converter 100 ns conversion time.

Berücksichtigt man für das Einschwingen der TAC- Ausgangsspannung und für den Speicherzugriff weitere 100 ns, so ist die Anordnung in der Lage, bis zu 5.10⁶ Photonen/Sekunde zu registrieren. Eine typische Meß kurve mit insgesamt 10⁵ Photonen erhält man damit in 20 ms. Das ist eine ausreichende Wiederholgeschwin digkeit. Für den angestrebten Betrieb als optisches Oszil loskop.If a further 100 ns is taken into account for the settling of the TAC output voltage and for the memory access, the arrangement is able to register up to 5.10 ⁶ photons / second. A typical measurement curve with a total of 10 ⁵ photons is thus obtained in 20 ms. This is a sufficient repetition rate. For the intended operation as an optical oscilloscope.

In Abhängigkeit von der Taktquelle für den Zähler zur Erzeugung des Hilfssignales sind verschiedene Varianten der Anordnung denkbar.Depending on the clock source for the counter There are various variants for generating the auxiliary signal the arrangement conceivable.

Wird als Takt ein unabhängiger Oszillatortakt ver wendet (z. B. der Takt eines im System vorhandenen Rechners), so ist der Wert der DAC-Spannung für jedes Photon zufällig. Die technische Realisierung ist in die sem Falle jedoch nicht einfach, da gesichert sein muß, daß des Zähler-Ausgangsbyte stabil ist, wenn eine Um setzung erfolgt.If an independent oscillator clock is used as the clock applies (e.g. the clock of an existing one in the system Calculator) is the value of the DAC voltage for each Random photon. The technical implementation is in the However, this case is not easy, since it must be ensured that the counter output byte is stable when a Um setting takes place.

Technisch einfacher ist es, als Takt für den Zähler den Start-Impuls des TAC oder den Start-Impuls des ADC zu verwenden. Dabei gibt es keine Synchronisationspro bleme, sofern durch Wahl der entsprechenden Taktflan ke oder durch Verzögerung erreicht wird, daß das Aus gangsbyte unmittelbar nach der AD-Wandlung eine ausreichende Zeit stabil ist. Die Hilfsspannung steigt bei dieser Variante für aufeinanderfolgende Photonen kon tinuierlich an. Da die TAC-Ausgangsspannungen für aufeinanderfolgende Photonen unkorreliert sind, erhält man auch hier die gewünschte Genauigkeitssteigerung.Technically, it is easier than the clock for the counter Start pulse of the TAC or the start pulse of the ADC to use. There is no synchronization pro bleme, if by choosing the appropriate tact flange ke or delay is achieved that the end gang byte immediately after the AD conversion sufficient time is stable. The auxiliary voltage increases this variant for consecutive photons con continuously. Since the TAC output voltages for successive photons are uncorrelated the desired increase in accuracy.

Die Schaltung läßt sich auch in der Weise modifizie ren, daß die vom DAC erzeugte Hilfsspannung vom TAC-Signal subtrahiert wird und die Ausgangsbytes von Zähler und ADC addiert werden. Bezüglich der erreichbaren Parameter und des technischen Aufwan des sind beide Lösungen gleichwertig.The circuit can also be modified in this way ren that the auxiliary voltage generated by the DAC from TAC signal is subtracted and the output bytes from the counter and ADC. Regarding the achievable parameters and the technical effort both solutions are equivalent.

Bemerkenswert ist weiterhin, daß die Genauigkeit des DAC für die Verbesserung der Gleichförmigkeit der Zeitkanäle nicht von Bedeutung ist. Verstärkungs- und Linearitätsfehler bewirken nur eine Verschleifung des Meßergebnisses, d. h. eine Minderung der Zeitauflö sung.It is also remarkable that the accuracy of the DAC for improving the uniformity of the Time channels is not important. Reinforcement and Linearity errors only cause a smoothing of the Measurement result, d. H. a reduction in time resolution solution.

Dynamische Fehler des DAC wirken sich ebenfalls nur als Verschleifung des Meßergebnisses aus. Die An forderungen an das dynamische Verhalten des DAC können zusätzlich reduziert werden, indem der Zähler so ausgeführt wird, daß er beim Erreichen des Endwer tes nicht überläuft, sondern in der Zählrichtung umge schaltet wird. Der Zähler zählt dann abwechselnd auf- und abwärts. Die so erzeugte DAC-Ausgangsspannung ist ein Dreiecksignal, das wesentlich geringere dynami sche Anforderungen an den DAC stellt als ein Säge zahnsignal.Dynamic errors of the DAC also have an effect only as a smoothing of the measurement result. The An demands on the dynamic behavior of the DAC can be further reduced by the counter is executed so that it reaches the endwer tes does not overflow, but reversed in the counting direction is switched. The counter then counts alternately and down. The DAC output voltage thus generated is a triangular signal that has much lower dynami The DAC demands as a saw tooth signal.

Normalerweise wird man die Auflösung des DAC so wählen, daß ein LSB des Zählers einem LSB des ADC entspricht. Es ist allerdings auch möglich, die Auflösung des DAC höher zu wählen, so daß ein LSB des Zählers 1/2, 1/4 . . . 1/2ⁿ LSB des ADC entspricht. Man erhält dann zusätzliche Adreßbits, d. h. mehr Zeitkanäle als der ADC-Auflösung entspricht. Da die Genauigkeit der er zeugten zusätzlichen Wandlerstufen gering ist, dürfte eine solche Lösung nur für Sonderfälle anwendbar sein.Normally the resolution of the DAC will be chosen so that an LSB of the counter corresponds to an LSB of the ADC. However, it is also possible to choose a higher resolution of the DAC, so that an LSB of the counter 1/2, 1/4. , , Corresponds to 1/2 ⁿ LSB of the ADC. Additional address bits are then obtained, ie more time channels than the ADC resolution corresponds to. Since the accuracy of the generated additional converter stages is low, such a solution should only be applicable for special cases.

Das Verfahren hat gegenüber dem bei der Analogsig nalverarbeitung verwendeten "Dithering" wesentliche Unterschiede:
The process differs significantly from the "dithering" used in analog signal processing:

- The improvement in converter accuracy will without loss of speed or without increase the conversion speed of the ADC.
- No digital filter is required. The averaging is done through the photon registration process self.
- To generate the auxiliary signal is no Zu if generator needed. For the functioning of the The procedure is for photons at one time channel fall, a random value of the auxiliary voltage required, but this arises from the coincidences ge position of the times of successive Pho tone by itself.

Die vorgeschlagene Lösungen bringt für eine Anord nung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung fol gende Vorteile:
The proposed solutions have the following advantages for an arrangement for time-correlated single photon counting:

- With inexpensive standard ADCs at the same time high registration rate and high accuracy achieved.
- Due to the increased registration rate, the meas time greatly reduced.
- There is an oscilloscope operation for direct loading observation of a time function and its changes possible. This opens up completely new operational areas offer.
- Brief changes to the test object or at the examined light source can un be searched.
- Due to the high registration rate, more di dimensional measurement methods, d. H. the measurement of Light intensity not only depending on the Time, but at the same time from other, (e.g. spat parameters) possible and practically applicable bar.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfüh rungsbeispiel erläutert werden.The invention is intended in one embodiment Example are explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 die Prinzipschaltung des Umsetzverfahrens für hohe Genauigkeit und Registrierrate, Fig. 1 shows the basic circuit of the Umsetzverfahrens for high accuracy and registration rate,

Fig. 2 eine Anordnung zur zeitkorrelierten Einzel photonenmessung gemäß Stand der Technik, Fig. 2 shows an arrangement for the time-correlated single photon measurement according to prior art,

Fig. 3 eine Anordnung zur Auflösungserhöhung des AD-Wandlers durch Dithering, Fig. 3 shows an arrangement for increasing the resolution of the AD converter by dithering,

Fig. 4 eine Anordnung zum vereinfachten Dithering mittels Rauschgenerator, Fig. 4 shows a simplified arrangement for dithering noise generator means,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Anordnung. Fig. 5 shows an embodiment of the arrangement according to the invention.

Im Ausführungsbeispiel (Fig. 5) werden die vom De tektor kommenden Einzelphotonenimpulse SPP dem Constant Fraction Trigger CFT zugeführt. Diese Impul se haben je nach dem verwendeten Detektortyp eine Halbwertsbreite von 0,3 . . . 5 ns und eine Amplitude von 1 . . . 100 mV. Während die Impulsform relativ stabil ist, schwankt die Amplitude der Impulse von Impuls zu Im puls in einem Amplitudenbereich von mindestens 1 : 10.In the exemplary embodiment ( FIG. 5), the individual photon pulses SPP coming from the detector are fed to the constant fraction trigger CFT. Depending on the type of detector used, these pulses have a half width of 0.3. , , 5 ns and an amplitude of 1. , , 100 mV. While the pulse shape is relatively stable, the amplitude of the pulses fluctuates from pulse to pulse in an amplitude range of at least 1:10.

Mit dem Constant Fraction Trigger CFT wird aus diesen Impulsen ein Triggerimpuls konstanter Amplitu de gewonnen, der unabhängig von der schwankenden Eingangsamplitude möglichst genau mit dem Zeitpunkt der Photonenregistrierung korreliert ist. Erreicht wird das dadurch, daß der Eingangsimpuls mit linearen Über tragungsgliedern so verformt wird, daß ein Nulldurch gang entsteht. Aus dem Nulldurchgang wird der Trig gerimpuls erzeugt, dessen zeitliche Lage somit nicht mehr von der Amplitude des Eingangsimpulses abhängt. Der Nulldurchgangstrigger bestimmt zusammen mit dem Detektor wesentlich die erreichbare Zeitauflösung und ist damit eine der kritischsten Baugruppen des Sy stems.With the Constant Fraction Trigger CFT turns out these pulses a trigger pulse of constant amplitude de won, regardless of the fluctuating Input amplitude as precisely as possible with the point in time the photon registration is correlated. Is achieved the fact that the input pulse with linear over support members is deformed so that a zero through course arises. The zero crossing becomes the Trig gerimpuls generated, so its timing is not depends more on the amplitude of the input pulse. The zero crossing trigger determines together with the detector achieves the achievable time resolution making it one of the most critical assemblies in the Sy stems.

Zur Synchronisation des Meßvorganges mit der La serimpulsfolge dient das Synchronisationssignal SYNC. Dieses Signal wird gewöhnlich mit einer Photodiode aus der Impulsfolge der Lichtquelle (Laser) gewonnen. Da die Lichtimpulse meist keine besonders stabile Leistung haben, muß man auch bei diesem Signal mit gewissen Amplitudenschwankungen rechnen. Deshalb ist es zweckmäßig, auch bei der Verarbeitung des SYNC-Si gnales einen Constant Fraction Trigger vorzusehen. Das vom Trigger gelieferte Signal wird im Frequenzteiler FDV in seiner Frequenz um einen Faktor 2 . . . 16 geteilt. Damit wird einerseits erreicht, daß im Meßer gebnis mehrere Signalperioden darstellbar sind, ande rerseits wird die Synchronisationsfrequenz bei sehr ho hen Folgefrequenzen der Lichtimpulse intern auf gut handhabbare Werte reduziert. Zur Bestimmung der zeitlichen Lage eines registrierten Photons dient der Zeit-Amplitden-Konverter TAC. Wird der TAC durch einen Triggerimpuls am Eingang "start" gestartet, dann erzeugt er ein zeitproportional ansteigendes Ausgangs signal, bis am Eingang "stop" ein Stoppimpuls eintrifft. Die Schaltung erzeugt somit bei jedem Photon eine Ausgangsspannung, die linear mit der zeitlichen Lage des Photons in Bezug auf die Laserimpulsfolge ver knüpft ist.To synchronize the measuring process with the La The synchronization signal serves the synchronization signal SYNC. This signal is usually emitted with a photodiode the pulse sequence of the light source (laser) is obtained. There the light impulses mostly not a particularly stable performance you have to have certain signals even with this signal Calculate amplitude fluctuations. That's why it is useful, even when processing the SYNC-Si gnales to provide a constant fraction trigger. The signal delivered by the trigger is in the frequency divider FDV in frequency by a factor of 2. , , 16 divided. On the one hand this ensures that in the knife result several signal periods can be represented, ande on the other hand, the synchronization frequency is very high The internal frequencies of the light pulses are good manageable values reduced. To determine the The temporal position of a registered photon is used Time-to-amplitude converter TAC. Will the TAC through a trigger pulse at the "start" input, then it generates an output that increases in proportion to the time signal until a stop pulse arrives at the "stop" input. The circuit thus generates one for each photon Output voltage that is linear with time of the photon in relation to the laser pulse train is knotting.

Die Zeitnahme erfolgt dabei vom Photon zu einem der nächsten Laserimpulse. Diese Art der Zeitnahme ermöglicht die Verarbeitung der hohen Folgefrequenz des Lasers, da der TAC nicht mit der Laserimpulsfre quenz, sondern nur mit der weitaus geringeren Regi strierrate der Photonen arbeiten muß.The timing takes place from the photon to one of the next laser pulse. This way of timing enables the processing of the high repetition frequency of the laser, since the TAC does not match the laser pulse fre quenz, but only with the much smaller regi strierrate of the photons must work.

Realisiert wird der TAC durch eine schaltbare Strom quelle, die eine Kapazität auflädt. Die Stromquelle wird durch ein Flip-Flop in ECL-Technik geschaltet, das durch die start- und stop-Impulse gesetzt und rückge setzt wird. Eine Umschaltung des Zeitbereiches ist durch Umschaltung der Kapazität möglich. Diese wird durch das digitale Steuersignal "range" gesteuert.The TAC is implemented by a switchable current source that charges a capacity. The power source will switched by a flip-flop in ECL technology, the set by the start and stop impulses and is set. A change of time range is possible by switching the capacity. This will controlled by the digital control signal "range".

Die Ausgangsspannung des TAC wird einem Verstär ker AMP zugeführt, der durch Variieren der Verstär kung eine Feineinstellung des Zeitmaßstabes ermög licht (Steuersignal "gain"). Außerdem kann der von der Messung erfaßte Zeitbereich durch ein Offsetsignal (off set) verschoben werden.The output voltage of the TAC is an amplifier ker AMP supplied by varying the amplifier This enables a fine adjustment of the time scale light (control signal "gain"). In addition, the Measurement of the time range detected by an offset signal (off set) can be moved.

Es ist zweckmäßig, das Ausgangssignal des Verstär kers AMP durch einen Fensterdiskriminator FD zu überwachen. Dieser unterdrückt bei Spannungen au ßerhalb des ADC-Umsetzbereiches die weitere Verar beitung. In Fällen, wo viele Photonen außerhalb dieses Bereichs liegen (z. B. bei hoher Verstärkung des Ver stärkers AMP) wird damit die maximale Registrierrate erhöht.It is useful to output the amplifier kers AMP through a window discriminator FD monitor. This suppresses voltages the further processing outside the ADC implementation area processing. In cases where there are many photons outside of this Range (e.g. with high gain of ver strengkers AMP) becomes the maximum registration rate elevated.

Als ADC wird ein Half-Flash- oder Flash-Wandler mit 10 oder 12 Bit Genauigkeit eingesetzt. Da diese Ge nauigkeit nicht ausreicht um eine ausreichend konstan te Kanalbreite zu erzielen, wird zum ADC-Eingangssi gnal das Signal vom D/A-Wandler DAC addiert. Dieses Signal ist eine Dreieckfunktion, die dadurch erzeugt wird, daß der Zähler CNT abwechselnd aufwärts und abwärts zählt. Vom Ausgangs-Datenwort des ADC wird in der nachfolgenden Subtrahierschaltung SUB das aktuelle Zähler-Datenwort subtrahiert. Bei richtiger Di mensionierung von DAC und ADC erhält man dadurch wieder das exakt gewandelte TAC-Ausgangssignal. Da aber die TAC-Kennlinie für jedes Photon relativ zur ADC-Kennlinie für jedes Photon eine andere Lage hat, gleichen sich die Ungleichmäßigkeiten der ADC-Kenn linie im Laufe des Meßvorganges aus.A half-flash or flash converter is used as the ADC used with 10 or 12 bit accuracy. Since this Ge Accuracy is not sufficient to be sufficiently constant To achieve the th channel width becomes the ADC input si The signal from the D / A converter DAC is added. This Signal is a triangular function that it generates will that the counter CNT alternately upwards and counts down. From the output data word of the ADC in the subsequent subtraction circuit SUB current counter data word subtracted. With correct Tue You get dimensioning of DAC and ADC again the exactly converted TAC output signal. There but the TAC characteristic for each photon relative to ADC characteristic has a different position for each photon, the non-uniformities of the ADC characteristics are the same line in the course of the measuring process.

Die Schaltung SUB wird zweckmäßigerweise in Form eines programmierbaren Logikbausteins (PAL oder FPGA) realisiert.The circuit SUB is conveniently in the form a programmable logic module (PAL or FPGA) realized.

Auf dem adressierten Speicherplatz des Speichers MEM wird der gespeicherte Meßwert gelesen, in der Schaltung A/S um eins erhöht und zurückgeschrieben. Es ist zweckmäßig, die Schaltung A/S so auszulegen, daß sie in Abhängigkeit von einem Steuersignal auch den Wert eins subtrahieren kann. Dadurch ist eine Ver bindung der Photonenzählung mit einer digitalen Lock- in-Technik möglich [2, 6].On the addressed memory location of the memory MEM the read measured value is read in the Circuit A / S increased by one and written back. It is advisable to design the circuit A / S in such a way that they are also dependent on a control signal can subtract the value one. This is a ver binding the photon count with a digital lock in technology possible [2, 6].

Der Speicher MEM ist in seiner Kapazität so ausge legt, daß er gleichzeitig mehrere Meßkurven aufnehmen kann. Die Steuerung des aktuellen Speicherbereiches erfolgt über die höherwertigen Adreßbits A_hi. Durch geeignete Steuerung dieser Bits ist eine Multiplex-Mes sung möglich.The memory MEM is laid out in its capacity so that it can record several measurement curves at the same time. The current memory area is controlled via the higher-order address bits A _hi . By appropriately controlling these bits, a multiplex measurement is possible.

Im Interesse der maximalen Registrierrate ist es zweckmäßig, die Baugruppen ADC und MEM so auszu legen, daß während der Addition/Subtraktion im Spei cher bereits die A/D-Wandlung für das nächste Photon im ADC stattfinden kann. Das erfordert ein Register am Ausgang der Schaltung SUB, in dem die Adresse gehal ten wird, während bereits die nächste AD-Wandlung läuft.It is in the interest of the maximum registration rate expedient to so the modules ADC and MEM put that during the addition / subtraction in the Spei already the A / D conversion for the next photon can take place in the ADC. This requires a register on Output of the circuit SUB, in which the address is contained the next AD conversion running.

Eine Verbesserung der Anordnung nach Fig. 5 zur Messung stark streuender Objekte ist dadurch möglich, daß zwischen CFT und TAC eine Torschaltung einge baut wird, die die Registrierung von Photonen verhin dert, die während des Anregungsimpulses eintreffen. Bei hohem Streulichtanteil kann dann mit höheren Intensi täten gearbeitet werden, so daß für das Nutzsignal die Zählrate erhöht wird.An improvement of the arrangement according to FIG. 5 for the measurement of strongly scattering objects is possible in that a gate circuit is built in between the CFT and TAC, which prevents the registration of photons that arrive during the excitation pulse. If there is a high proportion of scattered light, higher intensities can then be used, so that the count rate is increased for the useful signal.

Zur Steuerung des Meßsystems und zur Auswertung und Darstellung der erhaltenen Meßkurven setzt man zweckmäßigerweise einen Rechner ein. Die Kopplung des Rechners mit dem Meßsystems erfolgt in bekannter Weise über Input/Output-Einheiten. Zur Geschwindig keitserhöhung beim Lesen der Meßdaten sollte der Meßwertspeicher in den Adreßraum des Rechners ein geordnet werden. Die Einzelheiten dazu sind rechner spezifisch und werden hier nicht näher ausgeführt.For controlling the measuring system and for evaluation and display of the measurement curves obtained is set expediently a calculator. The coupling of the computer with the measuring system is done in a known manner Way via input / output units. To speed speed increase when reading the measurement data should Measured value memory in the address space of the computer be ordered. The details are calculated specific and will not be discussed here.

Claims

1. A method for time-correlated single photon counting with a high registration rate, in which from the time difference between the arrival of a Single photon pulse and a synchronization pulse from the laser pulse train exciting laser by means of a time-amplitude converter TAC a proportional to the time difference proportional Output signal is generated, a variable auxiliary signal is added to this output signal, an output word is generated therefrom by means of an analog-digital converter ADC, which the sum of the at the time difference of the Impulse proportional signal and the auxiliary signal, then in one Subtraction circuit SUB is subtracted from the output word and the auxiliary signal the address is generated from this, which corresponds to the temporal position of the input pulse.

2. The method according to claim 1, characterized in that the variable auxiliary signal in a digital-to-analog converter DAC is generated, which is controlled by a counter is so that the output voltage of the DAC is a sawtooth voltage, which at each Counter clock increases by one level and jumps back when the counter overflows and that in the Subtraction circuit SUB from the output word of the ADC the output signal of the counter is subtracted.

3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, in which that one by single photon pulses and Synchronization pulses of the controlled time-amplitude converter TAC with the input a summing amplifier is connected to the second input of the summing amplifier the output of a digital-to-analog converter DAC is connected by a clocked counter is driven that the output of the summing amplifier with the Input of an analog-digital converter ADC is connected and that the outputs of the Counter and the analog-to-digital converter ADC with the input of a Subtraction circuit for generating one of the time difference of the input signals corresponding address are connected.

4. The device according to claim 3, characterized in that the counter by a independent oscillator is clocked.

5. The device according to claim 3, characterized in that the clock for the counter the start pulse of the time-amplitude converter TAC is obtained.

6. The device according to claim 3, characterized in that the clock for the counter the start pulse of the analog-digital converter ADC is obtained.

7. Device according to one of claims 3 to 6, characterized in that the counter in each case Reaching the end value is switched in its counting direction.