DE68903831T2 - Verfahren zum betrieb eines spektrometers mit einer fotodiodenanordnung und spektrometer mit einer anordnung von fotodioden. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers mit einer Photodiodenanordnung gemäß der Präambel von Patentanspruch 1. Ein derartiges Spektrometer kann beispielsweise dazu benutzt werden, das Absorptionsspektrum einer Probensubstanz zu messen, um Informationen über die chemische Zusammensetzung der Probe und die Mengen der einzelnen Bestandteile in der Probe abzuleiten.
• Ein Spektrometer mit einer Photodiodenanordnung wie in der Präambel von Anspruch 1 erwähnt ist bekannt aus "A High-Speed Spectrophotometric LC Detector", Hewlett-Packard Journal, April 1984. Dieses bekannte Spektrometer wird in einem Flüssigkeitschromatographen verwendet, um die von der chromatographischen Säule eluierenden Substanzen zu analysieren. Das bekannte Spektrometer enthält eine Lichtquelle, welche ein breites Spektrum ultravioletter und sichtbarer Strahlung emittiert, und ein optisches System zum Fokussieren des Strahles auf eine Probenzelle, durch welche die zu analysierenden Probensubstanzen fließen. Abhängig von den jeweiligen durch die Zelle fließenden Substanzen, absorbiert die Probe bestimmte charakteristische Spektralteile der in die Probenzelle eintretenden Strahlung, so daß die spektrale Zusammensetzung der die Zelle verlassenden Strahlung charakteristisch für die Probensubstanzen ist.
• Bei dem bekannten Spektrometer wird das Spektrum der die Probenzelle verlassenden Strahlung mittels eines Beugungsgitters abgeleitet, welches in dem optischen Pfad hinter der Zelle angeordnet ist. Das Beugungsgitter schickt Lichtstrahlen verschiedener Wellenlänge in verschiedene Richtungen. Eine lineare Anordnung von Photodioden ist zum Empfangen des von dem Gitter gebeugten Licht angeordnet. Jede Diode empfängt Licht, welches einem unterschiedlichen Wellenlängenbereich entspricht. Die elektrischen Signale, die durch das auf jede Photodiode auftreffende Licht erzeugt werden, werden durch eine Ausleseschaltung ausgelesen und in digitale Daten umgewandelt, die repräsentativ sind für die Intensität des auf die jeweilige Diode auftreffenden Lichtes. Diese Datenwerte werden dann als Funktion der Wellenlänge in einer geeigneten Form dargestellt, z.B. auf einem Kathodenstrahlschirm.
• Die Photodiodenanordnung ist auf einem Halbleitermaterial aufgebaut und umfaßt eine Vielzahl photoempfindlicher Elemente, welche über elektronische Schalter mit einer gemeinsamen Ausgangsleitung (video line) verbunden sind, welche wiederum mit einem sogenannten Ladungsverstärker, genauer gesagt einem Ladungsakkumulator oder einem Ladungs-Spannungs-Konverter verbunden ist. Jedes photoempfindliche Element hat einen zugehörigen Kondensator, welcher die Sperrschichtkapazität der Photodiode darstellt. Die Kombination von photoempfindlichem Element und zugehörigem Kondensator wird im folgenden als "Photozelle" bezeichnet. Licht, welches auf das photoempfindliche Material auftrifft, erzeugt Ladungsträger, welche diese Kondensatoren entladen. Während des Betriebes werden die Kondensatoren der Photozellen zunächst auf einen festen Wert aufgeladen, und dann wird die ganze Anordnung in vorbestimmten Intervallen abgetastet, indem die Schalter nacheinander geschlossen werden, so daß die Photozellen durch den Ladungsverstärker auf ihren ursprünglichen Ladungswert wieder aufgeladen werden. Die hierbei übertragene Ladungsmenge verursacht eine Spannungsänderung am Ausgang des Ladungsverstärkers, welche proportional zur Menge des Lichtes ist, welches die Entladung der Photozelle verursacht hat.
• Drei wichtige Größen für die Charakterisierung der Leistungsfähigkeit eines Spektrometers sind spektrale Auflösung, spektraler Bereich und Empfindlichkeit. Die spektrale Auflösung gibt an, wie gut Strahlungskomponenten mit nahe benachbarten Wellenlängen getrennt werden, so daß sie als getrennte Komponenten identifiziert werden können. Der spektrale Bereich gibt das Wellenlängenintervall an, welches mit dem Spektrometer untersucht werden kann. Die Empfindlichkeit gibt an, wie gut schwache Signale vom Untergrundrauschen unterschieden werden können und entspricht dem Signal/Rauschverhältnis. Bei Spektrometern mit Photodiodenanordnungen als lichtdetektierenden Elementen führt das Erfordernis eines breiten Spektralbereichs bei einer vorgegebenen Auflösung zu Anordnungen mit einer großen Anzahl einzelner Photodioden, z.B. 1024 Dioden wie in dem bekannten Spektrometer. Bei jedem Auslesen eines photoempfindlichen Elementes während einer Abtastung wird ein neuer Datenwert erhalten, der weiterverarbeitet wird, z.B. von einem A/D-Konverter. Die Empfindlichkeit eines Spektrometers kann im allgemeinen durch Erhöhen der Leistung der Lichtquelle des Spektrometers erhöht werden. Als Folge davon wird auch die auf die Photodioden auftreffende Lichtleistung erhöht, so daß die mit den photoempfindlichen Elementen verbundenen Kondensatoren in größerem Maße entladen werden als im Falle geringerer Lichtleistung. Da die Kondensatoren nicht vollständig entladen werden dürfen, um Nichtlinearitäten zu vermeiden, und da die Größe der Kondensatoren bei sparsamer Ausnützung der Chipfläche der Photodiodenanordnung begrenzt ist, muß die Abtastrate, mit der die Kondensatoren wieder aufgeladen werden, erhöht werden, wenn die Lichtleistung vergrößert wird. Daher wird auch die Zahl der Datenwerte pro Zeiteinheit, d.h. die Datenrate, erhöht, wenn nicht die Anzahl der Photozellen vermindert wird, was jedoch zu einem kleineren Spektralbereich und/oder Auflösung führen würde. Entsprechend den vorstehenden Betrachtungen sind bekannte Spektrometer mit Photodiodenanordnungen nicht in jeder Hinsicht zufriedenstellend, da sie einen Kompromiß zwischen spektraler Auflösung, Spektralbereich, Empfindlichkeit und Datenrate erfordern, so daß bei einer bestimmten Anwendung nicht all diese Parameter gleichzeitig gemäß einem gewünschten Wert gewählt werden können. Bekannte Spektrometer mit Photodiodenanordnungen erfordern daher einen vergleichsweise hohen Schaltungsaufwand, wenn eine hohe Leistungsfähigkeit des Spektrometers erwünscht ist.
• Gegenüber dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Spektrometer mit einer Photodiodenanordnung gemäß den Präambeln der Ansprüche 1 bzw. 2 zu schaffen, welche eine Erhöhung der Empfindlichkeit erlauben, ohne daß Kosten und Komplexität der Signalverarbeitungsschaltungen wesentlich erhöht werden.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.
• Gemäß einem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip werden die photoempfindlichen Elemente der Photodiodenanordnung mit einer höheren Frequenz ausgelesen als der Ladungsverstärker Ausgangssignale erzeugt. Daher werden innerhalb eines bestimmten Zeitintervalles weniger Daten erzeugt als in bekannten Photodiodenanordnungen vergleichbarer Leistungsfähigkeit, bei denen während jeder Abtastung jedes Auslesen einer Photodiode ein Ausgangssignal des Ladungsverstärkers erzeugt. Auf diese Weise wird die Datenrate des Spektrometers klein gehalten. Die Rate, mit der Ausgangssignale des Ladungsverstärkers erzeugt werden, ist kleiner als die Abtastrate der photoempfindlichen Elemente. Diese Tatsache ermöglicht einen, verglichen mit herkömmlichen Spektrometern, größeren Lichtdurchsatz des Spektrometers, ohne daß die Datenrate erhöht wird, d.h. die Rate der Ausgangssignale, die weiterverarbeitet werden müssen, z. B. mittels eines A/D-Konverters. Nichtsdestotrotz, da die Abtastrate der photoempfindlichen Elemente größer gemacht werden kann als bei herkömmlichen Spektrometern ohne die Datenrate des Ausgangssignals zu erhöhen, werden Sättigungseffekte und resultierende Nichtlinearitäten der photoempfindlichen Elemente vermieden. Die "vorbestimmte Anzahl" von Schaltern, die geschlossen worden sind, bevor ein Ausgangssignal ausgegeben wird, welches die durch den Ladungsverstärker akkumulierte Ladung darstellt, ist geringer als die Gesamtzahl der photoempfindlichen Elemente, vorzugsweise wesentlich geringer, z.B. 2 oder 3 oder z.B. bis zu 8, verglichen mit der Gesamtzahl von 1024 photoempfindlichen Elementen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• Auf diese Weise sind kostspielige Datenverarbeitungs- und Datenspeicherschaltungen, z.B. A/D-Konverter hoher Geschwindigkeit, Mikroprozessoren, Massenspeichereinrichtungen, nicht erforderlich, die jedoch notwendig wären, wenn eine höhere Datenrate verwendet werden müßte.
• Der Lichtdurchsatz kann größer gemacht werden als bei herkömmlichen Spektrometern, indem eine Lichtquelle höherer Intensität benutzt wird. In den meisten Fällen jedoch ist es, da der Lichtfleck kreisförmig ist, zur Erhöhung des Lichtdurchsatzes möglich, einfach die Spaltweite des Spektrometers zu vergrößern, mit der Konsequenz, daß die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge eine Vielzahl photoempfindlicher Elemente abdeckt. Ein Verbreitern der auf die photoempfindlichen Elemente auftreffenden Strahlen hat gleichzeitig einen Licht-integrierenden Effekt zur Folge. Eine derartige Verbreiterung kann auch durch andere Mittel erreicht werden, z.B. durch optische Mittel, beispielsweise eine Linse. Das Spektrometer kann einen Eingangsspalt mit variabler Breite haben. Wenn die Intensität der auf die photoempfindlichen Elemente auftreffenden Strahlung vergleichsweise hoch ist, kann dann ein schmaler Spalt verwendet werden, um eine hohe Auflösung zu erhalten. Wenn die Intensität der Strahlung vergleichsweise gering ist, kann ein breiterer Spalt verwendet werden, um den Lichtdurchsatz zu vergrößern und die Wirkungen des Rauschens zu verringern. Wenn die Intensität der Strahlung hoch ist, kann es notwendig sein, die Intensität zu verringern, beispielsweise durch Verwendung einer schmalen Spaltbreite, um die Empfindlichkeit der photoempfindlichen Elemente zu berücksichtigen.
• Durch Vergrößerung des Lichtdurchsatzes um einen Faktor n und Akkumulieren der Signale von n Photozellen ist die Verbesserung im Signal/Rauschverhältnis ungefähr ein Faktor n, verglichen mit einem herkömmlichen Spektrometer. Ohne Vergrößerung des Lichtdurchsatzes wäre der Faktor SQR (n), wobei SQR eine Abkürzung für Quadratwurzel darstellt.
• Die Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten auch für die im Anspruch 2 beanspruchte Vorrichtung.
• Es ist ausreichend, wenn die Kondensatoreinrichtung des Ladungsverstärkers groß genug ist, um die Ladungen der vorbestimmten Anzahl photoelektrischer Elemente zu akkumulieren. Es kann vorteilhaft sein, die Kondensatoreinrichtung mit variable Kapazität zu gestalten, um Anpassung an unterschiedliche Bedingungen zu erreichen. Die Variabilität der Kapazität kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, daß eine Vielzahl von Kondensatoren vorgesehen ist, welche parallel geschaltet werden können, um die erforderliche Kapazität aufzubauen. Wenn die Kapazität der Kondensatoreinrichtung variabel ist, ist es möglich, die Spannungsverstärkung des Ladungsverstärkers zu variieren und damit eine weitere Verringerung des Rauschens durch Auswahl einer geeigneten Kapazität zu erreichen.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert.
• Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit einer Photodioden-anordnung, welches einer Photodiodenanordnung gemäß der Erfindung umfaßt.
• Figur 2 zeigt schematisch die Photodiodenanordnung gemäß der Erfindung mit einem Ladungsverstärker zum Auslesen der Anordnung.
• Figur 3 zeigt eine Ausführung der Schaltersteuerungsschaltung einer Photodiodenanordnung gemäß der Erfindung im Detail.
• Figur 4 zeigt Zeitablaufdiagramme.
• Figur 1 zeigt schematisch ein Spektrometer mit einer Photodiodenanordnung, welches die Absorption eines polychromatischen Strahls ultravioletter und/oder sichtbarer Strahlung durch eine zu analysierende Probe zeigt. Das Spektrometer umfaßt eine Lichtquelle 1, z.B. eine Deuteriumlampe, welche einen Strahl 2 polychromatischer Strahlung aussendet. Der Strahl 2 wird durch ein Linsensystem 3 in eine Probenzelle 5 fokussiert. Das Linsensystem 3 ist vorzugsweise ein achromatisches System, welches sicherstellt, daß Strahlen verschiedener Wellenlängen im wesentlichen den gleichen Fokussierungspunkt haben. Eine Blende ist vorgesehen, welche eine Unterbrechung des Lichtstrahles 2 zum Messen des Dunkelsignals an den Photodioden der Photodiodenanordnung 11 ermöglicht. In dem tatsächlichen Meßprozeß und der Vorrichtung, in welcher der Strahl 2 durch die Probenzelle 5 hindurchtritt, werden das Dunkelsignal und andere elektronische Offset-Signale von den Meßwerten subtrahiert, um jedwede Meßfehler zu kompensieren.
• Die Probenzelle 5 kann einen Einlaß und einen Auslaß umfassen, durch welche eine zu analysierende Probenflüssigkeit kontinuierlich hindurchfließt. Ein derartiges Spektrometer kann beispielsweise in einem Flüssigkeitschromatographen verwendet werden, in welchem der Einlaß mit der chromatographischen Trennsäule verbunden ist, von welcher die Probensubstanzen kontinuierlich eluieren.
• Die in die Probenzelle 5 eintretende polychromatische Strahlung wird durch die Substanzen in der Zelle teilweise absorbiert, wobei, abhängig von den Probensubstanzen, Strahlen bestimmter Wellenlängen mehr absorbiert werden als Strahlen anderer Wellenlängen. Als Folge davon hat der die Zelle verlassende und in den Spektrographen 6 durch einen Eingangsspalt 7 variabler Spaltbreite eintretende Strahl eine andere spektrale Zusammensetzung als der in die Zelle eintretende Strahl und das resultierende Spektrum enthält daher Informationen über die Art der Substanzen in der Zelle und über ihre Mengen.
• Der den Eingangsspalt 7 passierende Strahl trifft auf ein holographisches Beugungsgitter 10 auf, welches das Licht entsprechend den unterschiedlichen Wellenlängen in dem auf es auftreffenden Strahl beugt. Die räumlich getrennten Lichtstrahlen treffen von dem Gitter 10 auf die Photodiodenanordnung 11 auf, welche aus einer Vielzahl einzelner lichtempfindlicher Dioden besteht, die durch lichtunempfindliche Lücken getrennt sind.
• Die Photodiodenanordnung 11 ist mit einer Ausleseschaltung 20 zum periodischen Auslesen elektrischer Signale von den Photodioden verbunden, wobei diese Signale bezeichnend sind für die Intensität der auf die Photodioden jeweils auftreffenden Lichtstrahlen. Einzelheiten der Ausleseschaltung 20 werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 erläutert. Die aus der Photodiodenanordnung 11 ausgelesenen Signale werden dann in einer Signalverarbeitungsschaltung 21 weiterverarbeitet, welche typischerweise einen Analog-Digital-Konverter 22 und Schaltungen zum Speichern und Weiterverarbeiten dieser digitalen Werte enthält. Die Betriebsweise der Ausleseschaltung 20 und die Signalverarbeitungsschaltung 21 wird durch eine Steuereinrichtung 23 gesteuert, welche typischerweise einen Mikroprozessor umfaßt und ebenfalls den Betrieb einer Anzeigevorrichtung zum Anzeigen des resultierenden Spektrums der analysierten Probe steuert. Die Signalverarbeitungsschaltung 21 kann ebenfalls eine Schaltung zur Korrektur der elektrischen Signale von den einzelnen Photodioden hinsichtlich der oben erwähnten Dunkelströme der Photodioden und anderer Effekte enthalten.
• Figur 2 zeigt schematisch die Photodiodenanordnung 11, welche eine Vielzahl n einzelner Photodioden 15-1, ..., 15-n umfaßt, welche einen Teil eines Halbleiterchips bilden. Jede Photodiode empfängt einen bestimmten spektralen Teil der gebeugten Strahlung (falls der Eingangsspalt 7 eine geringe Breite hat entsprechend der höchsten Auflösung des Spektrometers). Jede Photodiode hat einen zugehörigen Kondensator Cd1, ..., Cdn, welcher die Sperrschichtkapazität der Photodioden darstellt oder, in Anwendungen, bei denen ein gesonderter Kondensator parallel zu den Photodioden geschaltet ist, die Summe dieser Kapazität und der Sperrschichtkapazität. Die Photodioden und der jeweils zugehörige Kondensator werden nachfolgend auch als Photozellen Cell 1, Cell 2 , ..., Cell n bezeichnet. Die Zellen 1 ... n sind mit einer gemeinsamen Videoleitung 30 verbunden. Die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen und der Videoleitung 30 können jeweils unterbrochen werden mittels elektronischer Schalter SW1, ..., SWn. Die Schalter werden durch eine Schaltersteuerungs-schaltung 31 gesteuert. Die Schaltersteuerungsschaltung wird im folgenden näher erklärt unter Bezugnahme auf Figur 3.
• Die Videoleitung 30 ist mit einem Ladungsverstärker 32 verbunden, welcher als Integrator ausgeführt ist, der einen Operationsverstärker 33 mit einer Kondensatoreinrichtung 37 im Rückkopplungszweig umfaßt. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 23 ist mit dem Signal U guard verbunden, welches ein festes Potential von beispielsweise -5 V hat. Daher hat der invertierende Eingang (video line 30) virtuell dasselbe Potential. Ein steuerbarer Rücksetzschalter 38 über der Kondensatoreinrichtung wird vor jeder Ladungsübertragung geschlossen, um den Integrator zurückzusetzen.
• Beim Betrieb werden die Kondensatoren ausgewählter Photozellen zunächst auf einen festen Wert aufgeladen. Wenn Photonen das photoempfindliche Material durchdringen, werden Ladungsträger erzeugt, die die Kondensatoren entsprechend der Menge von Photonen, die innerhalb einer gegebenen Integrationsperiode empfangen wurden, entladen. Das Entladungsniveau jedes einzelnen Kondensators ist proportional zur einfallenden Lichtintensität während der Integrationsperiode.
• Diese Kondensatoren werden in weiteren Abtastfolgen periodisch wieder aufgeladen. Die hierbei übertragene Ladungsmenge verursacht eine Spannungsänderung am Ausgang des Ladungsverstärkers 32, welche proportional ist zu dem Integral des einfallenden Lichtpegels während der Integrationsperiode. Das Ausgangssignal des Ladungsverstärkers 32, das "PDA Signal", wird nun mittels zusätzlicher Schaltungen weiterverarbeitet, in dem Beispiel mittels einer Abtast-Halte-Schaltung 35 und einem A/D-Konverter. Vor jeder Ladungsübertragung von dem Ladungsverstärker zu einer Zelle wird der Rücksetzschalter 38 geschlossen, um den Ladungsverstärker 32 in Vorbereitung für die nächste Ladungsübertragung zurückzusetzen.
• Die Kondensatoreinrichtung 37 wird in Figur 3 genauer gezeigt und enthält eine Reihe von (in dem Beispiel) sieben Kondensatoren 40-1 ... 40-7, mit Kapazitäten von 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, und 8 mal der Kapazität der Diode, welche das photoempfindliche Element bildet. Die Kondensatoren 40 sind jeweils in Reihe verbunden mit einem entsprechenden steuerbaren Schalter 41, welcher von einem FET gebildet wird, dessen Steuerelektrode mit einem entsprechenden Ausgang des Dekoders 44 verbunden ist. Die Vielzahl wählbarer Kondensatoren sind deshalb vorhanden, um zum einen entsprechend der Anzahl akkumulierter Photozellen die richtige Menge Maximalkapazität bereitzustellen, und zum anderen um eine geeignete Verstärkungseinstellung für jede einzelne Gruppe (bunch) von Photozellen zu ermöglichen.
• Die Ausgangssignale des Dekoders steuern die FETs, um die gewünschten Kondensatoren in die Rückkopplungsschleife des Integrators zu schalten. Welche Kombination von Kondensatoren geschaltet wird, hängt von dem Muster auf den Signalleitungen Bunch 1, ... Bunch 3 und dem Muster auf den Signalleitungen Gain 1 und Gain 2 ab. Das Muster auf den Leitungen Gain 1 und Gain 2 stellt den tatsächlichen Verstärkungsfaktor (1, 2, 4 oder 8) für eine einzelne Gruppe von Photozellen dar. Das Muster auf den Leitungen Bunch 1 ... Bunch 3 stellt die binärcodierte Zahl der zu akkumulierenden Photozellen dar. Jede Zahl in einem Bereich zwischen 1 und 8 ist in dem Beispiel möglich. Eine Gruppe besteht aus aufeinanderfolgenden Photozellen der Photodiodenanordnung.
• Die Wahrheitstafel für den Dekoder ist in Tabelle 1 dargestellt. Während das Muster auf den Signalleitungen Bunch 1 ... Bunch 3 während einer vollständigen Analyse konstant gehalten wird (entsprechend der Breite des Eingangsspaltes), werden die Muster auf den Signalleitungen Gain 1, Gain 2 für jede einzelne Gruppe von Photozellen gesteuert. Die Verstärkungsmuster für alle einzelnen Gruppen von Photozellen werden in einem Speicher der Steuereinrichtung zu Beginn einer Analyse gespeichert, indem eine Leerabtastung mit einem festgelegten Verstärkungsfaktor durchgeführt wird und ein Verstärkungsmusters entsprechend der Photonendichte für die einzelnen Wellenlängeninkremente zugeordnet wird. Während einer Analyse setzt die Steuereinrichtung vor jedem Auslesen einer Gruppe von Photozellen das tatsächliche Verstärkungsmuster auf den Signalleitungen Gain 1 und Gain 2 und setzt den Ladungsakkumulator zurück, indem sie den Rücksetzschalter über die Rücksetzleitung aktiviert. Während des "Rücksetz"impulses werden alle Kondensatoren in die Rückkopplungsschleife geschaltet. Dieses hat zur Folge, daß alle Kondensatoren während der Zurücksetzung des Ladungsakkumulators genullt werden.
• Bei einer Verstärkung von 1 ist die Gesamtkapazität der Kondensatoreinrichtung 37 gleich der Kapazität Cd multipliziert mit der Anzahl der Photodioden in einer Gruppe. Bei Verstärkungen größer als 1 ist die Gesamtkapazität geringer.
• Das Zeitablaufdiagramm gemäß Figur 4 zeigt die Taktimpulse, die zu der Photodiodenanordnung geschickt werden und das zugehörige Rücksetz- und Ausgangssignal (V-out) für unterschiedliche Anzahlen von akkumulierten Photozellen. Man beachte, daß dieses Zeitdiagramm nicht maßstäblich ist. Die Taktfrequenz für die Taktimpulse (START-PDA, CLOCK 1, CLOCK 2) ist veränderlich und muß der Photonendichte in Abhängigkeit von der Breite des Eingangsspaltes angepaßt werden. Wenn die Spaltbreite vergrößert wird, wird die spektrale Auflösung durch den Eingangsspalt dominiert und eine Gruppierung von Photozellen ist möglich, ohne daß die gesamte spektrale Auflösung des Spektrographen wesentlich beeinflußt wird. Eine Gruppierung von Photozellen kompensiert höhere Abtastraten, und die Umwandlungsrate des A/D Converters kann konstant gehalten werden. Figur 4 zeigt Signale für "keine Akkumulation" (a), das ist die bekannte Betriebsart des Spektrometers, und für eine Akkumulation von zwei (b) und drei (c) Photozellen.
• Obwohl die Schaltereinrichtungen (SW 1 bis SW n, 38, 41) sämtlich elektronische Schaltelemente sind, sind sie als einfache Schalter dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen. Tabelle 1: Wahrheitstabelle für Dekoder des Ladungsakkumulators Gruppe Nr. Diode Gain Verstärkung Cap Gesamtkapazität Wobei Cap 1 bis 7 die Kondensatoren 40-1 bis 40-7 darstellen.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben eines Spektrometers mit einer Photodiodenanordnung zum Bestimmen der spektralen Zusammensetzung eines polychromatischen Strahls, welches Spektrometer umfaßt eine Anordnung (11) photoempfindlicher Elemente (15-1, 15-2, ..., 15-n), welche unterschiedliche Wellenlängen des polychromatischen Strahles auffangen, eine Vielzahl von Übertragungsschalterelementen (SW1 bis SWn), wobei jeweils ein Übertragungsschalterelement mit einem photoempfindlichen Element verbunden ist,

eine Ausleseschaltung (20), welche mit den Übertragungsschalterelementen verbunden ist zum Öffnen bzw. Schließen (leitend machen) der Übertragungsschalterelemente und zum Erzeugen von Signalen während eines Auslesezyklus, welche bezeichnend sind für die Menge von Strahlung, welche von den photoempfindlichen Elementen aufgefangen wurde, und

eine Ladungsverstärkungsschaltung (32) zum Übertragen einer elektrischen Ladung zu einem photoempfindlichen Element wenn das zugehörige Übertragungsschalterelement geschlossen ist, wobei eine Spannungsänderung am Ausgang der Ladungsverstärkungsschaltung verursacht wird, welche bezeichnend ist für die übertragene Ladungsmenge, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangssignal, welches für die durch die Ladungsverstärkungsschaltung akkumulierte Ladung bezeichnend ist, jedesmal ausgegeben wird, wenn eine vorbestimmte Anzahl größer als 1 von Übertragungsschalterelementen geschlossen wurde, so daß das Ausgangssignal bezeichnend ist für das Integral einer Vielzahl der Strahlungsmengen, welche von einer entsprechenden Vielzahl der photoempfindlichen Elemente aufgefangen wurde.

2. Spektrometer mit einer Photodiodenanordnung zum Bestimmen der spektralen Zusammensetzung eines polychromatischen Strahles, mit

- einer Anordnung photoempfindlicher Elemente (15-1, 15-2, ..., 15-n), welche unterschiedliche Wellenlängen des polychromatischen Strahls auffangen,

- eine Vielzahl von Übertragungsschalterelementen (SW1 bis SWn), wobei jeweils ein Schalterelement mit einem photoempfindlichen Element verbunden ist,

- eine Ausleseschaltung (20), welche mit den Übertragungsschalterelementen verbunden ist zum Öffnen und Schließen derselben und zum Erzeugen von Signalen während eines Auslesezyklus, welche bezeichnend sind für die Menge von Strahlung, welche von den photoempfindlichen Elementen aufgefangen wurde,

- die Ausgangsangsanschlüsse der Übertragungsschalterelemente (SW1 bis SWn) sind mit einer gemeinsamen Videoleitung (30) verbunden, welche mit einer Ladungsverstärkungsschaltung (32) verbunden ist zum Übertragen elektrischer Ladungen zu einem photoempfindlichen Element wenn das zugehörige Übertragungsschalterelement geschlossen ist, wodurch eine Spannungsänderung am Ausgang der Ladungsverstärkungs-schaltung verursacht wird, wobei die Spannungsänderung proportional ist zur ist zur Menge des Lichtes, welches seit dem vorhergehenden Öffnen des zugehörigen Übertragungsschalterelementes auf das photoempfindliche Element aufgetroffen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsverstärkungsschaltung aus einem Integrator mit einer Kondensatoreinrichtung (37) in einer Rückkopplungsschleife besteht, wobei die Kapazität der Kondensatoreinrichtung ausreicht, um die Signale einer Vielzahl der photoempfindlichen Elemente zu integrieren.

3. Spektrometer gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoreinrichtung (37) einstellbar ist.

4. Spektrometer gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoreinrichtung (37) in binärgewichteten Schritten einstellbar ist.

5. Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoreinrichtung (37) eine Vielzahl von Kondensatoren (40-1 bis 40-7) umfaßt welche parallel geschaltet werden können mittels eines steuerbaren Schalterelementes (41), derart, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Kapazitäten gebildet werden kann.

6. Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Verbreitern des Strahles vorgesehen sind, derart daß eine bestimmte Wellenlänge des Strahles auf eine Vielzahl benachbarter photoempfindlicher Elemente (15-1 bis 15-n) auftrifft.

7. Spektrometer gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verbreitern dadurch realisiert werden, daß eine geeignete Breite des Eingangsspaltes (7) eingestellt wird.

8. Spektrometer gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite eines Eingangsspaltes (7) des Spektrometers variabel ist.