DE4339787A1

DE4339787A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Lichtsignalen durch Einzelphotonenzählung mit zeitlicher und räumlicher Auflösung

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Publication number: DE4339787A1
Application number: DE19934339787
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Becker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2013-11-19
Also published as: DE4339787C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung, die die Messung von Lichtsignalen mit zeitlicher und räumlicher Auflösung ermöglicht, so daß gleichzeitig mehrere Zeitfunktionen von unterschiedlichen Teilen des Meßobjektes gemessen und dargestellt werden.

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:

- Optische Methoden sind "sauber", d. h. die untersuchten Systeme werden nicht irreversibel verändert.
- Optische Methoden ermöglichen große Abstände zwischen Meßanordnung und Meßobjekt und sind deshalb an unzugänglichen Objekten und unter extremen Bedingungen einsetzbar.
- Optische Methoden ermöglichen hohe Empfindlichkeiten und Zeitauflösungen.

Den meisten optischen Untersuchungsmethoden liegt ein ähnliches Meßprinzip zugrunde. Das untersuchte System wird durch Licht bzw. Lichtimpulse angeregt. Es strahlt daraufhin selbst Licht aus, dessen räumlicher, zeitlicher und spektraler Verlauf gemessen 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 mehreren GW bei Folgefrequenzen von 0.01 Hz bis zu 200 MHz. Für die Meßtechnik sind vor allem Systeme mit kleiner Impulsleistung und hoher Folgefrequenz interessant. Typisch für diese Anwendungen sind modensynchronisierte Argonlaser und damit gepumpte Farbstofflaser. 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 Verbindung mit solchen Lichtquellen ist als Nachweismethode besonders die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung interessant. Diese Methode ermöglicht Empfindlichkeiten bis zum Einzelphotonenniveau, Zeitauflösungen im ps-Bereich und nur durch die Statistik der Photonenregistrierung begrenzte Genauigkeiten und Dynamikbereiche.

Die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung beruht auf der Registrierung einzelner Photonen eines periodischen Lichtsignales mit einem Photomultiplier oder einer Avalanche-Photodiode. Die Intensität des Lichtes ist so gering, daß die Wahrscheinlichkeit, in einer Signalperiode mehrere Photonen zu registrieren, vernachlässigt werden kann. Die registrierten Photonen werden in einen Digitalspeicher eingetragen. Der Speicherplatz, auf dem ein Photon addiert wird, ist proportional zum Zeitpunkt der Registrierung des Photons.

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. Die Forderung, pro Anregungsperiode weniger als ein Photon zu registrieren, kann bei gegebener durchschnittlicher Lichtintensität am besten durch eine hohe Folgefrequenz der Lichtimpulse erfüllt werden, die die angeführten hochfrequent gepulsten Lasersysteme liefern.

Eine Anordnung zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 8 dargestellt.

Am Eingang SPP (Single Photon Pulse) werden die Einzelphotonenimpulse 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 Zeitpunkt der Photonenregistrierung korreliert ist.

Zur Synchronisation des Meßvorganges mit der Laserimpulsfolge dient das Synchronisationssignal SYNC. Das Signal wird bei hohen Folgefrequenzen in einem Frequenzteiler FDV in seiner Frequenz um einen Faktor 2 . . . 16 geteilt. Damit wird einerseits erreicht, daß im Meßergebnis mehrere Signalperioden darstellbar sind, andererseits wird die Synchronisationsfrequenz intern auf gut handhabbare Werte reduziert.

Zur Bestimmung der zeitlichen Lage eines registrierten Photons dient der Zeit-Amplituden- 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 Laserimpulsfolge 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 Impulsfolgefrequenz wird der TAC durch die Laserimpulse gestartet und durch die Photonenimpulse gestoppt.

Der anschließende Analog-Digital-Konverter ADC setzt das verstärkte TAC- Ausgangssignal in die Adresse des Meßwertspeichers MEM um. Die Adresse ist proportional zur TAC-Ausgangsspannung und damit zur zeitlichen Lage des jeweiligen Photons.

Bei der Registrierung eines Photons muß der Inhalt des adressierten Speicherplatzes um den Wert eins erhöht werden. Das besorgt die Additions/Subtraktions-Schaltung A/S. Durch Umschaltung zwischen Addition und Subtraktion mit Hilfe eines geeigneten Steuersignales läßt sich die Einzelphotonenzählung mit einer digitalen Lock-in- Technik verbinden [6].

Eine mehrkanalige Multiplex-Messung kann durch Steuerung von höherwertigen Adreßbits erreicht werden [2, 6, 8]. Die Einordnung von Meßergebnissen von stochastisch veränderlichen Objekten durch Steuerung der höheren Adreßbits ist in [8] beschrieben. Die Empfindlichkeit 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 Dunkelsignales ist, so ergibt sich

Ig = (Rd_*N/T)^0,5/Q

(Rd = Dunkelzählrate, N = Anzahl der Zählkanäle,
Q = Quantenausbeute des Empfängers, T = Meßzeit).

Für die typischen Werte Rd = 500 s^-1 (Photomultiplier mit Multialkali-Kathode), N = 256, Q=0.1 und T=100 s ergibt sich eine Grenzempfindlichkeit von Ig=350 Photonen/s.

Demgegenüber liefert ein Argon-Laser bis zu 10¹⁸ Photonen pro Sekunde, so daß für die Umsetzung des Laserlichtes im Meßobjekt eine Empfindlichkeitsreserve von mehr als 15 Größenordnungen besteht.

Neben der hohen Empfindlichkeit liefert die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung eine sehr hohe Zeitauflösung.

Im Gegensatz zu Meßverfahren mit Analog-Signalverarbeitung ist nämlich die Zeitauflösung der Einzelphotonenzählung nicht durch die Breite der Impulsantwort des Lichtempfängers begrenzt. Für die Zeitauflösung ist entscheidend, wie genau der Zeitpunkt der Registrierung eines Photons bestimmt werden kann. Diese Genauigkeit wird von den Laufzeitstreuungen der Einzelphotonenimpulse im Lichtempfänger und von der Genauigkeit der Zeitnahme am Ausgangsimpuls des Empfängers bestimmt. Die Fehler bei der Zeitbestimmung können bis zu 10mal kleiner sein als die Halbwertsbreite der Impulsantwort des Empfängers.

Die erreichbaren Werte der Zeitauflösung sind vom Lichtempfänger abhängig. Folgende Werte können erreicht werden:
konventioneller Photomultiplier: 94 ps [2]
Microchannal-Photomultiplier: 60 ps [3]
Avalanche-Photodioden: 20 ps [4]
Crossed-Field-Photomultiplier: 47 ps [5].

Neben der Empfindlichkeit und der Zeitauflösung ist die erreichbare Meßgenauigkeit und der mögliche Dynamikbereich von Bedeutung.

Die Genauigkeit der Messung schwacher Lichtsignale ist durch die Streuung des für jeden Speicherplatz erhaltenen Zählergebnisses gegeben. Bei N registrierten Photonen pro Speicherplatz ist das Signal-Rausch-Verhältnis gleich der Wurzel aus N. Hier besteht ein entscheidender Vorteil gegenüber Meßverfahren, die das Detektorsignal durch Analogtechniken auswerten. Bei Empfindlichkeiten in der Nähe des Einzelphotonenniveaus macht sich die Stochastik des Verstärkungsprozesses im Detektor bemerkbar, was dazu führt, daß die einzelnen Photonen zu stark unterschiedlichen Ausgangsimpulsen des Empfängers führen. Diese Impulshöhenschwankungen wirken sich bei einer Analogverarbeitung des Empfängersignales als zusätzlicher Rauschanteil aus. Auch im Dynamikbereich ist die Einzelphotonenzählung den Analogverfahren überlegen. Der Dynamikbereich ist das Verhältnis zwischen maximalem Signal und Grundrauschen. Dieses ist bei der Einzelphotonenzählung nur durch die Statistik bestimmt, ohne daß zusätzliche Rauschquellen und Grundliniendriften die Dynamik begrenzen.

Der größte Nachteil der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung ist die fehlende räumliche Auflösung. Die Meßanordnung ist prinzipiell einkanalig und benutzt nur einen Empfänger. Eine Parallelanordnung von vielen identischen Meßanordnungen ist vom Aufwand her nicht realisierbar und würde darüber hinaus zu Problemen durch Unterschiede der Zeitachsen der Meßkanäle führen. Die gleichzeitige Messung der Zeitfunktionen des von unterschiedlichen Stellen eines Meßobjektes ausgehenden Lichtes bzw. die zeitaufgelöste Messung eines spektral zerlegten Lichtsignales ist somit nicht möglich.

Für Probleme, die eine gleichzeitige zeitliche und räumliche Auflösung erfordern, werden aus diesem Grunde Streak-Kamera-Techniken eingesetzt. Diese Geräte benutzen eine elektronenoptische Anordnung, bei der die von einer linienförmigen Photokathode ausgehenden Photoelektronen beschleunigt, durch ein veränderliches elektrisches Feld abgelenkt, und schließlich auf einen flächenhaften Empfänger (Diodenarray oder Fernsehkamera) fokussiert werden. Diese Anordnungen erreichen hohe Zeitauflösungen, sind aber hinsichtlich der Linearität und des Dynamikbereiches der Einzelphotonenzählung unterlegen.
[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 time-correlated Single- Photon Counting. Revue of Scientific Instruments, New York 62 (1991) 12 S. 2991- 2996
[3] Yamazaki, I., Tamai, N.: Microchannel-plate photomultiplier applicability to the time- correlated 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 avalanche diodes. Revue of scientific instruments, New York 60 (1989) 6 S. 1104-1110
[5] Bebelaar, D.: Time response of various types of photomultipliers and its wavelength dependence in time- correlated single-photon counting with an ultimate resolution of 47 ps FWHM. Revue of Scientific Instruments, New York 57 (1986) 6 S. 1116-1125
[6] DD-WP 205 522
[7] DD-WP 213 757
[8] DD-AP 282 518.

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Prinzip der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung, die in der Lage sind, Signale von unterschiedlichen Orten einer Lichtquelle oder aus verschiedenen Teilen eines Spektrums einer Lichtquelle gleichzeitig zeit- und ortsaufgelöst aufzuzeichnen. Dieses Ziel wird auf die folgende Weise erreicht:
Als Empfänger wird ein Array-Photomultiplier, d. h. ein Photomultiplier mit einer letzten Dynode in Form eines Arrays bzw. mit einem Array von Anoden verwendet. Aus den Ausgangssignalen des Empfängers wird für jedes registrierte Photon ein gemeinsamer Impuls zur Zeitbestimmung und ein Signal zur Bestimmung des Ortes gebildet. Der Speicher der Meßanordnung ist so dimensioniert, daß er so viele Zeitfunktionen aufnehmen kann, wie Ausgangselemente des Empfängers vorhanden sind. Die Sortierung eines registrierten Photons innerhalb einer Zeitfunktion erfolgt auf normale Weise über die Bestimmung des Zeitpunktes mit Hilfe eines Zeit-Amplituden-Konverters und eines Analog-Digital-Wandlers. Die Einordnung in eine der möglichen Zeitfunktionen erfolgt durch Auswertung des Ortssignales.

Das Prinzip ist in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Photomultiplier, bei dem die letzte Dynode Dn in ein Array von Einzelelementen aufgeteilt ist. Ein Photon, das auf eine bestimmte Stelle der Kathode K trifft, löst dort ein Elektron aus, das im Dynodensystem D1-Dn vervielfacht wird und je nach dem Ort auf der Kathode an einem der Elemente der letzten Dynode einen (positiven) Stromimpuls erzeugt. Ein entsprechender negativer Impuls entsteht an der gemeinsamen Anode.

Der von der Anode kommende Einzelphotonenimpuls SPP wird dem normalen Eingang der Einzelphotonenzählung (dem CFT in Fig. 8) zugeführt und dient zur Bestimmung der Zeitbestimmung.

Die Ausgänge der einzelnen Dynodenelemente werden auf Ladungsverstärker (Charge Sensitive Amplifier, CSA) geführt. Deren Ausgänge werden über die Komparatoren COMP einer Codierlogik zugeführt. An deren Ausgang ist ein Digitalsignal POS verfügbar, das die Information über den Ort der Photonenregistrierung enthält.

Eine entsprechende Schaltung für einen Photomultiplier mit Anoden-Array ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird das Signal zur Zeitnahme an der letzten Dynode, die Ortsinformation an den Anodenelementen abgegriffen.

Sollte eine gleichzeitig Signalannahme an Anode und letzter Dynode nicht möglich sein (etwa bei zu hoher Kapazität oder zu hoher Induktivität des entsprechenden Anschlusses), ist die in Fig. 3 dargestellte Schaltung anwendbar. Hier werden die Signale gleichzeitig den Ladungsverstärkern und einem Summierverstärker zugeführt. Der Summierverstärker wird durch den Verstärker V1 (vorzugsweise ein schneller Current-Feedback-Verstärker) und die Widerstände R1 bis R5 gebildet. Die Widerstände R6 bis R9 führen die einzelnen Ausgangssignale den Ladungsverstärkern CSA zu. Da die Eingänge der Ladungsverstärker virtuelle Kurzschlüsse darstellen, dienen die Widerstände R6 . . . R9 gleichzeitig als Abschlußwiderstände für die Anodenelemente. Die Kapazitäten C1 bis C4 sind notwendig, um die Offsetspannung des Verstärkers V1 von den sehr empfindlichen Ladungsverstärkern fernzuhalten.

Hat der Empfänger sehr viele Ausgangselemente, ist es nicht zweckmäßig, für jedes Ausgangselement einen eigenen Ladungsverstärker CSA vorzusehen. In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der für jede Zeile (D1, D2 sowie D3, D4) und jede Spalte (D1, D3 sowie D2, D4) von Ausgangselementen ein gemeinsamer Ladungsverstärker CSA verwendet wird. Die Widerstände R1 . . . R4 sind notwendig, um die gelieferte Ladung jeweils auf die beiden an ein Ausgangselement angeschlossenen Ladungsverstärker CSA aufzuteilen.

Zeilen- und Spalteninformation werden von getrennten Codiernetzwerken COD-codiert, an deren Ausgängen die digitale Information über den Ort des registrierten Photons verfügbar ist. Zur Gewinnung der Zeitinformation wird eine der in Fig. 1 bis 3 beschriebenen Methoden verwendet.

Anstelle des in Fig. 1 bis 4 dargestellten Photomultipliers können auch andere Empfängertypen eingesetzt werden, sofern diese als Arrays realisierbar und in der Lage sind, einzelne Photonen nachzuweisen. Besonders interessant wäre ein Array von Avalanche-Photodioden, falls es gelingt, diese mit ausreichend konstanter Empfindlichkeit und Verstärkung zu realisieren.

Die weitere Verarbeitung der Signale SPP und POS geschieht auf folgende Weise:
Aus dem Impuls SPP wird über den CFT wird mit Hilfe des TAC in normaler Weise die zeitliche Lage des registrierten Photons bestimmt.

Gleichzeitig mit dem Eintreffen des Impulses SPP wird das das Signal POS abgeflaggt und gespeichert. Der Speicher der Meßanordnung ist in mehrere Bereiche aufgeteilt, die den einzelnen Array-Elementen im Photomultiplier entsprechen und jeweils eine gesamte Zeitfunktion erfassen. Durch das codierte Ortssignal POS wird für jedes registrierte Photon der entsprechende Speicherbereich ausgewählt. Das geschieht dadurch, daß die höherwertigen Bits der Speicheradresse vom Positionssignal POS gesteuert werden.

Eine ähnliche Steuerung der höheren Bits der Speicheradresse ist in [8] vorgeschlagen, ohne daß diese Möglichkeit für ein örtlich und zeitlich auflösendes Meßverfahren benutzt wird.

Gegenüber einer konventionellen Anordnung vervielfacht sich bei räumlicher Auflösung die Anzahl der Speicherplätze mit der Anzahl der räumlichen Kanäle. Entsprechend mehr Photonen werden auch für die Vollendung einer Messung mit einer vorgegebenen Genauigkeit benötigt. Für die räumlich aufgelöste zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung ist deshalb eine hohe Registrierrate von entscheidender Bedeutung. Die Signalverarbeitungszeit von TAC, ADC und Speicher muß deshalb so gering wie möglich gehalten werden.

Während eine Beschleunigung des Speicherzugriffs mit Hilfe von schnellen Speichern zur Zeit nur noch eine Kostenfrage ist, gibt es beim AD-Wandler prinzipielle Probleme. An den AD-Wandler werden nämlich extrem hohe Genauigkeitsforderungen gestellt, die einer Geschwindigkeitserhöhung Grenzen setzen.

Will man z. B. eine Zeitfunktion mit 1024 Meßpunkten darstellen, so braucht man einen Wandler mit 10 Bit Auflösung. Mit einem gewöhnlichen (gerade noch monotonen) 10-Bit- Wandler erhält man zwar tatsächlich 1024 Kanäle, die zeitliche Breite der Kanäle schwankt aber von von Null bis 200% der durchschnittlichen Kanalbreite. Ursache ist die Ungleichförmigkeit der Wandlungsstufen 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.

Der Wandler muß also eine Genauigkeit (Effective Number of Bits, ENOB) haben, die über der Kanalzahl N liegt und für die gilt

ENOB=ld(N)+ld(SNR)

wobei SNR das angestrebte Signal-Rausch-Verhältnis des Meßergebnisses ist.

Für ein SNR von 1% und 1024 Kanäle braucht man also einen ENOB-Wert von etwa 17 Bit. Ein solcher Wandler ist nur mit Umsetzzeiten von <10 µs zu realisieren. Die Zählrate bekannter Anordnungen ist deshalb auf etwa 100_*10³ s^-1 begrenzt, wodurch für räumlich aufgelöste Messungen zu lange Meßzeiten entstehen.

In der vorgeschlagenen Anordnung wird das Problem dadurch gelöst, daß ein zwar schneller, aber an sich zu ungenauer AD-Wandler eingesetzt wird. Zur Verbesserung der Genauigkeit wird ein Fehlerkorrekturverfahren eingesetzt, das den stochastischen Charakter der Photonenregistrierung ausnutzt.

Eine entsprechende Anordnung für den Wandler ist in Fig. 5 dargestellt. Zum Ausgangssignal des TAC wird ein Hilfssignal addiert, das vom D/A-Wandler DAC erzeugt wird.

Dieser wird durch die Ausgangsbits eines Zählers CNT gesteuert, so daß sich als DAC- Ausgangsspannung eine Sägezahnspannung ergibt, die bei jedem Zählertakt um eine DAC-Stufe ansteigt und beim Zählerüberlauf zurückspringt.

Die Summe von TAC-Signal und Hilfssignal wird dem AD-Wandler ADC zugeführt. Dieser erzeugt bei jeder Wandlung ein Ausgangswort, das zunächst nicht der TAC- Ausgangsspannung (und damit der zeitlichen Lage des Photons) entspricht, sondern der Summe der TAC- und DAC- Ausgangssignale.

Um daraus das korrekte Adreßbyte für die Speicheradressierung zu erhalten, werden die Ausgangsbytes von ADC und Zähler einer Subtraktionsschaltung zugeführt. Durch Subtraktion von ADC-Byte und Zählerbyte erhält man wieder ein Adreßbyte, das der TAC- Ausgangsspannung (und damit der zeitlichen Lage des Photons) entspricht.

In dem erzeugten Adreßbyte ist natürlich nach wie vor als Fehler die unvermeidliche Abweichung der jeweiligen ADC-Stufe vom Idealwert enthalten. Im Unterschied zur üblichen Anordnung nach Fig. 8 ist dieser Fehler jedoch bei verschiedenen Photonen unterschiedlich, denn für jedes Photon wurde eine andere DAC- Spannung und damit eine andere Stelle der ADC-Kennlinie benutzt. Das gilt auch dann, wenn die Photonen zu gleichen Signalzeitpunkten gehören, d. h. gleiche Adreßbytes liefern.

Durch die Summierung der Photonen auf dem jeweiligen Speicherplatz ergibt sich die Kanalbreite als Mittelwert der Breite vieler verschiedenen 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 Hilfe der DAC- Spannung verschoben wird und von der Verteilung der Fehler auf der ADC-Kennlinie.

Für den Fall, daß der Fehler in der Breite jeder ADC-Stufe unabhängig vom Fehler der Breite der Nachbarstufe ist, erhält man eine Genauigkeitssteigerung um den Faktor N_dac ^1/2.

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.

In Abhängigkeit von der Taktquelle für den Zähler zur Erzeugung des Hilfssignales sind verschiedene Varianten der Anordnung denkbar.

Wird als Takt ein unabhängiger Oszillatortakt (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 diesem Falle jedoch nicht einfach, da gesichert sein muß, daß des Zähler-Ausgangsbyte stabil ist, wenn eine Umsetzung erfolgt.

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 Synchronisationsprobleme, sofern durch Wahl der entsprechenden Taktflanke oder durch Verzögerung erreicht wird, daß das Ausgangsbyte des Zählers unmittelbar nach der AD-Wandlung eine ausreichende Zeit stabil ist.

Die Hilfsspannung steigt bei dieser Variante für aufeinanderfolgende Photonen kontinuierlich an. Da die TAC-Ausgangsspannungen für aufeinanderfolgende Photonen unkorreliert sind, erhält man auch hier die gewünschte Genauigkeitssteigerung.

Die Schaltung läßt sich auch in der Weise modifizieren, 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 Aufwandes sind beide Lösungen gleichwertig.

Die vorgeschlagenen Lösung bringt folgende Vorteile:

- Durch die räumliche Auflösung können ausgedehnte Meßobjekte mit Ortsauflösung, hoher Zeitauflösung, hoher Empfindlichkeit und hoher Genauigkeit untersucht werden.
- Es ist möglich, das von einem Meßobjekt ausgehende Licht spektral zu zerlegen und das erzeugte Spektrum zeitlich aufgelöst zu registrieren.
- Im Vergleich zu einer Streak-Kamera wird eine räumlich zweidimensionale Erfassung ermöglicht sowie eine weitaus bessere Linearität der Zeit- und Intensitätsskala und ein größerer Dynamikbereich erzielt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 die Erzeugung der Ortsinformation aus den Dynodensignalen,

Fig. 2 die Erzeugung der Ortsinformation aus den Anodensignalen,

Fig. 3 die Entnahme von Zeit- und Ortssignal an den Anoden,

Fig. 4 gemeinsame Ladungsverstärker für jede Zeile und jede Spalte von Ausgangselementen,

Fig. 5 das Umsetzverfahren für hohe Genauigkeit und hohe Registrierrate,

Fig. 6 die Photonenzählung mit örtlicher Auflösung,

Fig. 7 den Detektorteil,

Fig. 8 eine Anordnung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung nach dem Stand der Technik.

Die Verarbeitungselektronik ist in Fig. 6 dargestellt.

Die vom Detektor kommenden Einzelphotonenimpulse SPP werden dem Constant Fraction Trigger CFT zugeführt. Diese Impulse 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 Impuls in einem Amplitudenbereich von mindestens 1 : 10.

Mit dem Constant Fraction Trigger CFT wird aus diesen Impulsen ein Triggerimpuls konstanter Amplitude 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 Übertra gungsgliedern so verformt wird, daß ein Nulldurchgang entsteht. Aus dem Nulldurchgang wird der Triggerimpuls 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 Systems.

Zur Synchronisation des Meßvorganges mit der Laserimpulsfolge 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-Signales 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 Meßergebnis mehrere Signalperioden darstellbar sind, andererseits wird die Synchronisationsfrequenz bei sehr hohen Folgefrequenzen der Lichtimpulse intern auf gut handhabbare Werte reduziert. Zur Bestimmung der zeitlichen Lage eines registrierten Photons dient der Zeit-Amplituden- 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 Laserimpulsfolge verknüpft ist. 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 Laserimpulsfrequenz, sondern nur mit der weitaus geringeren Registrierrate der Photonen arbeiten muß.

Realisiert wird der TAC durch eine schaltbare Stromquelle, die eine Kapazität auflädt. Die Stromquelle wir durch ein Flip-Flop in ECL-Technik geschaltet, das durch die Start- und Stop-Impulse gesetzt und rückgesetzt wird. Eine Umschaltung des Zeitbereiches ist durch Umschaltung der Kapazität möglich. Diese wird durch das digitale Steuersignal "range" gesteuert.

Die Ausgangsspannung des TAC wird einem Verstärker AMP zugeführt, der durch Variieren der Verstärkung mit Hilfe des digitalen Steuersignales "gain" eine Feineinstellung des Zeitmaßstabes ermöglicht. Außerdem kann der von der Messung erfaßte Zeitbereich durch ein Offsetsignal (offset) verschoben werden.

Es ist zweckmäßig, das Ausgangssignal des Verstärkers AMP durch einen Fensterdiskriminator FD zu überwachen. Dieser unterdrückt bei Spannungen außerhalb des ADC-Umsetzbereiches die weitere Verarbeitung. In Fällen, wo viele Photonen außerhalb dieses Bereichs liegen (z. B. bei hoher Verstärkung des Verstärkers AMP) wird damit die maximale Registrierrate erhöht.

Um eine hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit und damit eine hohe maximale Registrierrate zu erreichen, wird als ADC ein Half-Flash- oder Flash-Wandler mit 10 oder 12 Bit Auflösung eingesetzt. Da diese Genauigkeit nicht ausreicht, um eine ausreichend konstante Kanalbreite zu erzielen, wird zum ADC- Eingangssignal ein Hilfssignal 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 Dimensionierung 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-Kennlinie im Laufe des Meßvorganges aus.

Für die Schaltung SUB wird ein programmierbarer Logikbaustein (PAL oder FPGA) eingesetzt.

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 Verbindung der Photonenzählung mit einer digitalen Lock-in-Technik möglich [2, 6].

Im Interesse der maximalen Registrierrate ist es zweckmäßig, die Baugruppen ADC und MEM so auszulegen, daß während der Addition/Subtraktion im Speicher 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 gehalten wird, während bereits die nächste AD-Wandlung läuft.

Um eine örtliche Auflösung der Messung zu ermöglichen, wird der Speicher MEM so groß gewählt, daß er für jeden Raumpunkt eine vollständige Zeitfunktion aufnehmen kann. Die Umschaltung zwischen diesen Kurven wird durch die höherwertigen Adressbits A_hi ermöglicht. Das codierte Positionssignal POS vom Empfängerteil wird durch ein Latch LA bei jeder Photonenregistrierung abgefragt und gespeichert. Es steuert die Adressbits A_hi und sorgt so dafür, daß jedes registrierte Photon in einen seiner räumlichen Position entsprechenden Speicherbereich eingetragen wird.

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 Geschwindigkeitserhöhung beim Lesen der Meßdaten ist es zweckmäßig, den Meßwertspeicher in den Adreßraum des Rechners einzuordnen. Die Einzelheiten dazu sind rechnerspezifisch und werden hier nicht näher ausgeführt.

In Fig. 7 ist das Prinzip des verwendeten Detektorteils erläutert.

Die Widerstände R1 bis Rn bilden in bekannter Weise den Spannungsteiler für den Photomultiplier. An der letzten Dynode Dn werden über den Trennkondensator C1 die Einzelphotonenimpulse zur SPP zur Zeitbestimmung abgegriffen.

Die Anodenelemente sind mit dem Eingang von Ladungsverstärkern verbunden. Diese werden aus den Verstärkern V1 . . . Vn zusammen mit den Rückführungskapazitäten Cf gebildet. Ein ankommender Impuls wird in Cf integriert und liefert eine Ausgangsspannung, die mit der Zeitkonstante Cf_*Rf abklingt. Man erreicht so eine zeitliche Dehnung der sehr kurzen Einzelphotonenimpulse. Die Zeitkonstante muß so gewählt werden, daß einerseits eine unproblematische Weiterverarbeitung des Positionssignales möglich ist, andererseits aber die Ausgangsimpulse der Ladungsverstärker bis zum nächsten Photon mit ausreichender Wahrscheinlichkeit abgeklungen sind.

Die gedehnten Impulse werden in den Komparatoren KOMP1 . . . KOMPn mit einer Referenzspannung Vref verglichen und dem digitalen Codiernetzwerk COD zugeführt. Am Ausgang bekommt man eine Binärzahl, die dem Ortskanal entspricht, in dem der Impuls aufgetreten ist.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Lichtsignalen durch Einzelphotonenzählung mit zeitlicher und räumlicher Auflösung unter Verwendung eines Array-Lichtdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Detektorteil durch den Lichtdetektor mit einem Array von Ausgangselementen für jedes registrierte Photon ein Impuls zur Zeitbestimmung und ein Signal zur Ortsbestimmung gebildet wird, indem die Ausgangsströme aller Ausgangselemente in einer Summiereinrichtung zu einem gemeinsamen Impuls zur Zeitbestimmung zusammengefaßt werden und die Ausgangselemente des Lichtdetektors mit Ladungsverstärkern verbunden sind, deren Ausgangssignale über Komparatoren einer digitalen Codierschaltung zugeführt werden, an deren Ausgang ein codiertes Ortssignal gebildet wird, wobei aus der zeitlichen Lage des Zeitimpulses der untere Teil der Adresse des Meßwertspeichers gebildet wird, und als oberer Teil der Adresse das codierte Ortssignal verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die zeitliche Lage der Lichtimpulse bestimmende Signal dadurch gewonnen wird, daß aus dem Impuls, der das Auftreffen eines Photons auf einem der Ausgangselemente des Lichtdetektors repräsentiert und aus einem Synchronisationsimpuls aus der Laserimpulsfolge des anregenden Lasers mittels eines Zeit-Amplituden-Konverters TAC ein zu deren Zeitdifferenz proportionales Ausgangssignal erzeugt wird, zu diesem Signal ein veränderliches Hilfssignal addiert wird, daraus mittels eines Analog-Digital-Konverters ADC ein Ausgangswort erzeugt wird, das der zeitlichen Lage des Eingangsimpulses plus der Summe des zur Zeitdifferenz der Impulse proportionalen Signals und des Hilfssignales entspricht, anschließend in einer Subtraktionsschaltung SUB von dem Ausgangswort das Hilfssignal wieder subtrahiert wird und daraus die Adresse erzeugt wird, die der zeitlichen Lage des Eingangsimpulses entspricht.

3. Vorrichtung zur Messung von Lichtsignalen durch Einzelphotonenzählung mit zeitlicher und räumlicher Auflösung unter Verwendung eines Array-Lichtdetektors, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Ausgangselemente des Lichtdetektors mit jeweils einem Ladungsverstärker CSA verbunden sind, an den über jeweils einen Komparator COMP eine Codierlogik COD angeschlossen ist, die die Adresse des Ortssignals bildet und daß eine Summiereinrichtung des Photomultipliers an eine Vorrichtung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung angeschlossen ist, die das jeweils zugehörige Zeitsignal bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Photomultiplier ist, daß die Ausgangselemente des Photomultipliers aus einzelnen Anodensegmenten bestehen, und als Summiereinrichtung die für alle Elemente gemeinsame letzte Dynode des Photomultipliers verwendet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselemente des Photomultipliers aus einzelnen Elemente der letzten Dynode bestehen und als Summiereinrichtung die für alle Elemente gemeinsame Anode des Photomultipliers verwendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Summiereinrichtung ein Summierverstärker eingesetzt wird, dessen Eingang über Widerstände mit allen Ausgangselementen verbunden ist und die Ausgangselemente gleichzeitig über Widerstände mit den Eingängen von Ladungsverstärkern verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung derart ausgebildet ist, daß die Impulse aus der Summiereinrichtung des Lichtdetektors und die Synchronisationsimpulse aus der Laserimpulsfolge des anregenden Lasers an einen Zeit-Amplituden-Konverter TAC angelegt werden, der mit einem Eingang eines Summierverstärkers verbunden ist, daß an den zweiten Eingang des Summierverstärkers der Ausgang eines Digital-Analog-Konverters DAC angeschlossen ist, der von einem getakteten Zähler angesteuert wird, daß der Ausgang des Summierverstärkers mit dem Eingang eines Analog-Digital-Konverters ADC verbunden ist und daß die Ausgänge des Zählers und des Analog-Digital-Konverters ADC mit dem Eingang einer Subtraktionsschaltung zur Erzeugung einer der Zeitdifferenz der Eingangssignale entsprechenden Adresse verbunden sind.