DE69020775T2

DE69020775T2 - Detektor für ein optisches Signal.

Info

Publication number: DE69020775T2
Application number: DE69020775T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Takuya Nakamura; Hironori Takahashi; Yutaka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-10
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2010-04-11
Also published as: ATE125091T1; DK0392794T3; JP2709135B2; EP0392794A1; US5043568A; EP0392794B1; JPH02269920A; DE69020775D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Signaldetektor zum Detektieren von Signallicht, das auf einem Teil des Eingangslichts überlagert ist, das Hintergrundlicht umfaßt. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen optischen Signaldetektor, mit dem ein optisches Signal, das auf intensivem Hintergrundlicht überlagert ist, unter einer hohen Zeitauflösung beobachtet werden kann.
Die Übergangsverhalten ultraschneller optischer Phänomene können durch eine Vielfalt von Einrichtungen gemessen werden. Ein Verfahren ist die Verwendung einer Spurenkamera bzw. Schlierenkamera, die durch das nachfolgende Prinzip arbeitet: einfallendes Licht wird auf eine Photokathode fokussiert, wo die Photonen in Elektronen konvertiert werden; der Photoelektronenstrahl, der von der Photokathode abgegeben wird, wird dann unter einer hohen Geschwindigkeit durch Beaufschlagen einer Ablenkspannung abgelenkt; dadurch wird eine temporäre Änderung der Intensität des einfallenden Lichts als die Änderung in der Helligkeit gemessen, die der Position eines Phosphorbildschirms zugeordnet ist.
Das Herz der Schlierenkamera ist eine Schlierenröhre, die allgemein mit 13 in Fig. 19 bezeichnet ist und die die nachfolgenden Hauptkomponenten umfaßt: eine Photokathode 14, wo eine optische Abbildung (Schlitzabbildung), die an einem Eingangsfenster durch eine Schlitzplatte 10 und einer Linse 12 in ein optisches Eingangssystem fokussiert wird, in eine Elektronenabbildung konvertiert wird; eine Beschleunigungselektrode 16, typischerweise in Gitterform, die die Elektronenabbildung, die an der Photokathode 14 erzeugt wird, beschleunigt; (Haupt-) Ablenkelektroden 22, durch die die beschleunigten Photoelektronen unter einer Hochgeschwindigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Schlitzlängsrichtung abgelenkt werden (entweder nach oben oder nach unten aus Sicht der Zeichnung) und einen Phosphorbildschirm 26, auf dem die abgelenkte Photoelektronenabbildung in eine optische Abbildung konvertiert wird (bezeichnet als "Schlierenabbildung" bzw. "Streifenabbildung", die Helligkeitsinformationen über der Zeit trägt, die durch eine Position auf der vertikalen Achse ausgedrückt wird), die aus einem Ausgangsfenster austritt.
Die anderen Komponenten, die in Fig. 19 dargestellt sind, sind wie folgt eine fokussierungselektrode 18, durch die die Photoelektronen, die durch die Elektrode 16 beschleunigt sind, so zusammengeführt bzw. konvergiert werden, daß sie einen spezifizierten Querschnittsflächenbereich besitzen; eine Anode 20, die einen Öffnungsflächenbereich in der Mitte besitzt; einen (Haupt-) Ablenkspannungs-Generatorschaltkreis 23, der eine vorbestimmte (Haupt-) Ablenkspannung auf die Ablenkelektroden 22 synchron zu dem Durchgang von Elektroden beaufschlagt eine Mikrokanalplatte (MCP) 24, durch die die Elektronen, die durch die Ablenkelektroden 22 hindurchführen, vervielfacht werden, bevor sie an dem Phosphorbildschirm 26 ankommen; eine kegelförmige Abschirmelektrode 25, die an der Eingangsseite der MCP 24 vorgesehen ist und die die Genauigkeit von Messungen durch Blockieren der Elektronen, die abgelenkt werden, wodurch sie außerhalb des effektiven Ablenkbereichs des Phosphorbildschirms 26 gehen, verbessert; und eine Abbildungsaufnahmeeinrichtung 28, wie beispielsweise eine hochempfindliche TV-Kamera, z.B. eine siliziumintensivierte Target- (SIT) Kamera oder eine CCD-Kamera, die die Schlierenabbildung über eine Linse 27 in einem optischen Ausgabesystem aufnimmt.
Auf den Prinzipien arbeitend, die vorstehend beschrieben sind, werden Schlierenkameras grob in zwei Typen entsprechend des Ablenkverfahrens unterteilt; nämlich eine vom Einzelabtasttyp und eine vom Synchronabtasttyp. Eine Einzelabtastschlierenkamera führt eine lineare Ablenkung mit einer ultraschnellen Sägezahnwelle durch, die sich unter einer Rate wiederholt, die nicht höher als einige Kiloherz synchron zu dem Impulslaserlicht ist. Eine Synchronabtastschlierenkamera führt eine Hochgeschwindigkeitswiederholungsablenkung mit einer sinusförmigen Welle synchronisiert mit Laserlichtimpulsen durch, die sich unter 80 - 160 MHz wiederholen. Eine verbesserte Version, die als Synchronaustastschlierenkamera bezeichnet wird, ist auch entwickelt worden. Wie in Fig. 20 dargestellt ist, besitzt diese Kamera Unterablenkelektroden 29, die mit der Hauptablenkelektrode 22 gekreuzt sind und eine elliptische Ablenkung derart durchführen, daß eine Rücksprungablenkung seitlich verschoben wird, um eine Abtastung auf dem Phosphorbildschirm 26 zu vermeiden, wodurch sichergestellt wird, daß ein Signal, das der Hauptablenkung zugeordnet ist, selektiv in einer korrekten Art und Weise gemessen wird.
Diese Schlierenkameras nach dem Stand der Technik werden in vielen Patentdokumenten beschrieben, wie beispielsweise in den Japanischen Patenten JP-A-1,149,098, JP-A-1,149,120 und JP-A-1,099,753, JP-A-59-58745, JP-A-61-183857, den US-Patenten US-A-4,232,333, US-A-4,352,127, US-A-4,611,920 und US-A-4,661,694, den britischen Patenten GB-A-2,042,163, GB-A-2,044,588 und GB-A-2,131,165.
Die Verwendung von Schlierenkameras beim Messen der Übergangsverhalten ultraschneller, optischer Phänomene besitzt die folgenden Vorteile: erstens liefert sie ein rein elektronisches, direktes Verfahren, das eine hohe Zeitauflösung und eine hohe Detektionsempfindlichkeit besitzt; zweitens ist sie zum Messen einzelner (sich nicht wiederholender) Phänomene geeignet; drittens hilft die Schlierenabbildung, die eine ihr eigene, zweidimensionale Abbildung ist, dabei, zweidimensionale Messungen zu liefern, wie beispielsweise zeitaufgelöste, spektrale Messungen und raum- und zeitaufgelöste Messungen, ebenso wie Vielfachkanalmessungen; und viertens durch geeignete Auswahl der Materialien, aus der die Photokathode und das Eintrittsfenster hergestellt sind, können Messungen über einen breiten Spektralbereich, der sich von dem nahen Infrarotbereich über den vakuumultravioletten Bereich bis zu dem Röntgenbereich erstreckt, realisiert werden.
Ein abtastendes, optisches 0szilloskop ist auch kommerziell umgesetzt worden. Wie in Fig. 21 dargestellt ist, wird die Schlierenabbildung elektronisch mit einer Abtastschlierenkamera 30 abgetastet, in der eine Schlitzplatte 32, die einen elektronischen Abtastschlitz 32A besitzt, der die Schlierenabbildung räumlich begrenzt, typischerweise in einer Schlierenröhre vorgesehen. Fig. 21 stellt auch einen Photodetektor 34 dar, der die Lichtemissionsintensität detektiert, die durch Elektronen verursacht wird, die auf den Phosphorbildschirm 26 auftreffen und aus einer Photovervielfacherröhre, eine hochempfindliche Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, eine PIN-Photodiode, usw. zusammengesetzt sein kann. Dieses abtastende, optische 0szilloskop ist in solchen Patentdokumenten beschrieben, wie beispielsweise die JP-A-59-104519, JP-A-59-134538; JP-A-59-135330, die US-Patente US-A-4,645,918 und US-A-4,694,154 und das Britische Patent GB-A-2,133,875.
Allerdings führen alle Schlierenkameras nach dem Stand der Technik, die vorstehend beschrieben sind, eine unmittelbare, photoelektrische Konvertierung des Eingangslichts durch und es schwierig geworden, mit diesen Kameras die Wellenform des Signallichts zu beobachten, das auf dem intensiven Hintergrundlicht überlagert ist (dc-Licht).
Die prinzipielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, das vorstehende Problem des Standes der Technik durch Schaffen eines optischen Signaldetektors zu lösen, mit dem Signallicht, das auf einem Teil des Eingangslichts überlagert ist, das Hintergrundlicht enthält, zu Beobachtungszwecken ermittelt werden kann.
Die US-A-4,672,439 offenbart ein System, durch das eine Abbildung, die eine hohe, räumliche Frequenz besitzt, auf einer relativ niedrigen räumlichen frequenz-Auflösungseinrichtung angezeigt werden kann. Dies wird durch Überwachen der Abbildung mit zwei ladungsgekoppelten Einrichtungen durchgeführt, wobei sich eine davon in dem Fokus und die andere davon außerhalb des Fokus befindet Das Ausgangssignal von der Einrichtung außerhalb des Fokus wird von dem Signal abgezogen, das durch die Einrichtung im Fokus erzeugt wird, wodurch ein Signal abgegeben wird, das einen hohen, räumlichen Frequenzinhalt der Abbildung darstellt.
Die US-A-3,366,735 offenbart ein Kantenermittlungssystem, das dazu geeignet ist, Kanten senkrecht zu und parallel zu der Abtastzeile zu ermitteln. Die Einrichtung, die in diesem Dokument offenbart ist, umfaßt eine Abbildungs-Dissektorröhre, die eine Anzahl von Elektronenvervielfachern besitzt, der unterschiedliche Flächenbereiche der Abbildung überwachen. Durch Berechnung der Differenz zwischen den Ausgängen benachbarter Elektronenvervielfacher werden Kanten ermittelt, wo die Differenz einen vorbestimmten Pegel überschreitet.
Die US-A-4,797,747 offenbart ein System, in dem eine Mehrzahl herkömmlicher Schlierenröhren dazu verwendet wird, unterschiedliche Charakteristika einer Abbildung zu messen.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann durch einen optischen Signaldetektor zum Detektieren eines Lichtsignals von einem Eingangslicht erhalten werden, wobei das Eingangslicht das Lichtsignal und das Hintergrundlicht umfaßt, wobei der Detektor eine Abtastschlierenröhre, die eine Photokathode umfaßt, auf der das Eingangslicht einfällt, und die Photoelektronen emittiert, und zwar in Abhängigkeit der Intensität des Eingangslichts, und einen Abtastschlitz zum Ermöglichen, daß der Strahl der Photoelektronen zu einem Schirm unter einer ersten Abtastzeitabstimmung führt, und eine photoelektrische Konvertierungseinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Photoelektronenstrahl, der durch den Abtastschlitz hindurchführt, aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß ein erstes Signal zu der ersten Abtastzeitabstimmung erzeugt wird, wobei das erste Signal dem Eingangslicht entspricht, und ein zweites Signal zu einer zweiten Abtastzeitabstimmung erzeugt wird, die zu der ersten Abtastzeitabstimmung versetzt ist, wobei das zweite Signal nur dem Hintergrundlicht entspricht, und daß das Signallicht aus der Differenz zwischen dem Eingangslicht und dem Hintergrundlicht berechnet wird.
In einer ersten Ausführungsform erzeugt die zweite photoelektrische Konvertierungseinrichtung das elektrische Signal für den Teil eines Eingangslichts, das nur aus Hintergrundlicht besteht, durch Versetzen der Zeitabstimmung der Abtastung mit der Abtastschlierenröhre.
In einer anderen Ausführungsform wird die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Beaufschlagung einer Zerhacker- bzw. Unterbrecherspannung zu Unterbrecher- bzw. Chopping-Ablenkelektroden versetzt.
In einer noch weiteren Ausführungsform wird die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Beaufschlagen einer Abtastspannung in Uberlagerung auf einer Unterablenkspannung versetzt, die auf die Unterablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt wird.
In einer noch weiteren Ausführungsform wird die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Änderung der Phase einer Unterablenkspannung versetzt, die auf Unterablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt wird.
In einer anderen Ausführungsform wird die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Änderungen des Betrags einer Verzögerung einer Hauptablenkspannung versetzt, die auf Hauptablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt wird.
In einer noch anderen Ausführungsform ist die erste und zweite photoelektrische Konvertierungseinrichtung eine Mehrzahl elektronischer Abtastschlitze, die in einer Abtastschlierenröhre vorgesehen sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Teil des Eingangslichts, der sowohl Hintergrundlicht als auch Signallicht enthält, unter einer hohen Zeitauflösung extrahiert und in ein elektrisches Signal konvertiert. Zur gleichen Zeit wird der Teil des Eingangslichts, der nur aus Hintergrundlicht besteht und kein Signallicht enthält, auch mit einer hohen Zeitauflösung extrahiert und in ein elektrisches Signal konvertiert. Demzufolge kann die Komponente des Eingangslichts, die nur aus Signallicht zusammengesetzt ist, auf der Basis der Differenz zwischen dem elektrischen Signal für den Teil, der Signallicht enthält, und dem elektrischen Signal für den Teil, der nur Hintergrundlicht enthält, extrahiert werden, und dies stellt sicher, daß gerade Signallicht, das auf intensivem Hintergrundlicht (dc-Licht) überlagert ist, unter einer hohen Zeitauflösung beobachtet werden kann. Als Ergebnis ermöglicht der optische Signaldetektor der vorliegenden Erfindung Messungen einer Lichtabsorption und vieler anderer optischer Messungen, die zuvor als schwierig angesehen wurden, um sie durchzuführen.
Wenn eine Abtastschlierenröhre als die erste photoelektrische Konvertierungseinrichtung verwendet wird, kann das elektrische Signal für den Teil des Eingangslichts, der nur aus Hintergrundlicht besteht, einfach durch Versetzen der Zeitabstimmung der Abtastung mit der Abtastschlierenröhre erhalten werden.
Die Zeitabstimmung der Abtastung mit der Abtastschlierenröhre kann durch Beaufschlagung einer Unterbrecherspannung zu den Unterbrecher-Ablenkelektroden versetzt werden und dies bietet den Vorteil einer Vermeidung des Erfordernisses, eine Unterablenkspannung zu alternieren.
Falls die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Beaufschlagen einer Unterbrecherspannung in Uberlagerung auf einer Unterablenkspannung versetzt wird, die auf die Unterablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt wird, vermeidet dies das Erfordernis, Unterbrecher-Ablenkelektroden vorzusehen.
Die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre kann auch durch Änderung der Phase einer Unterablenkspannung versetzt werden, die auf Unterablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt wird, und dies vermeidet das Erfordernis, eine Unterbrecherspannung zu erzeugen.
Falls die Zeitabstimmung der Abtastung mit der Abtastschlierenröhre durch Änderung des Betrags der Verzögerung einer Hauptablenkspannung versetzt wird, die auf die Hauptablenk-Ablenkelektroden beaufschlagt werden soll, kann der optische Signaldetektor der vorliegenden Erfindung einfach unter Verwendung kommerziell erhältlicher optischer Abtastoszilloskopen aufgebaut werden.
In einer anderen Ausführungsform können die erste und die zweite photoelektrische Konvertierungseinrichtung eine Mehrzahl elektronischer Abtastschlitze sein, die unabhängig voneinander in einer Abtastschlierenröhre vorgesehen sind. In diesem Fall kann das elektrische Signal für den Teil des Eingangslichts, das Signallicht enthält, und das elektrische Signal für den Teil, der nur aus Hintergrundlicht besteht, unabhängig voneinander ohne Durchführung eines Unterbrechens bzw. Zerhackens erhalten werden.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die allgemeine Konstruktion eines optischen Signaldetektors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei ein Teil durch ein Blockschaltbild dargestellt ist;
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild, das den Aufbau des Signalverarbeitungsschaltkreises darstelllt, der in der ersten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel der Wellenformen von Signalen darstellt, die durch verschiedene Teile des Systems gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt werden;
Fig. 4A und 4B zeigen Frontansichten, die darstellen, wie Signallicht und Hintergrundlicht jeweils mit einem elektronischen Abtastschlitz abgetastet wird;
Fig. 5 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das ein spezifisches Beispiel des Aufbaus des Signalverarbeitungsschaltkreises darstellt, der in der ersten Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 6 zeigt ein Schaltkreisdiagramm, das ein spezifisches Beispiel des Umschaltschaltkreises in dem Signalverarbeitungsschaltkreis darstellt;
Fig. 7 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel der Wellenformen der Signale darstellt, die an verschiedenen Teilen des Signalverarbeitungsschaltkreises, der in Fig. 5 dargestellt ist, erzeugt werden;
Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion des wesentlichen Teils eines optischen Signaldetektors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 9 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel des Verhältnisses zwischen einer Hauptablenkspannung und einer Unterablenkspannung darstellt, wie sie in der zweiten Ausführungsform beaufschlagt werden;
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion des wesentlichen Teils eines optischen Signaldetektors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 11 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel des Verhältnisses zwischen einer Hauptablenkspannung und einer Unterablenkspannung darstellt, wie sie in der dritten Ausführungsform beaufschlagt werden;
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion des wesentlichen Teils eines optischen Signaldetektors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 13 zeigt ein Diagramm, das darstellt, wie die Verzögerungsgröße in der vierten Ausführungsform geändert wird;
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht, die die Konstruktion des wesentlichen Teils eines optischen Signaldetektors gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 15 zeigt ein Diagramm, das ein Beispiel des Signalverarbeitungsschaltkreises darstellt, der in der fünften Ausführungsform verwendet wird;
Fig. 16 zeigt ein Blockschaltbild, das die Konstruktion des wesentlichen Teils einer Modifikation der fünften Ausführungsform darstellt;
Fig. 17 zeigt ein Blockschaltbild, das die Konstruktion des wesentlichen Teils einer anderen Modifikation der fünften Ausführungsform darstellt;
Fig. 18 zeigt ein Blockschaltbild, das ein Beispiel der Konstruktion eines Spannungsdetektors darstellt, bei dem verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung angewandt werden können;
Fig. 19 zeigt einen Längsschnitt, der ein Beispiel der Basiskonstruktion einer Schlierenröhre nach dem Stand der Technik darstellt;
Fig. 20 zeigt einen Querschnitt, der das Betriebsprinzip einer synchronen Austastungsschlierenröhre darstellt; und
Fig. 21 zeigt einen Längsschnitt, der ein Beispiel der Basiskonstruktion der Abtastschlierenröhre nach dem Stand der Technik darstellt.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Abtastschlierenkamera, die allgemein mit 30 in Fig. 1 bezeichnet ist und die eine Photokathode 14, eine Anode 18, Hauptablenkelektroden 22, Unterablenkelektroden 29, eine Schlitzplatte 32 und einen Phosphorbild schirm 26 als Hauptkomponenten enthält. Gemäß der ersten Ausführungsform sind Unterbrecher-Ablenkelektroden 40 in der Röhre vorgesehen und eine Unterbrecherspannung V&sub3; wird von einem Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis 42 zu den Elektroden 40 so zugeführt, um die Zeitabstimmung einer Abtastung mit einem elektronischen Abtastschlitz 32A in der Schlitzplatte 32 zu versetzen. Hierdurch kann ein elektrisches Signal für den Teil des Eingangslichts, das sowohl ein Lichtsignal S als auch ein elektrisches Signal enthält, das nur aus Hintergrundlicht N besteht, durch einen einzelnen Photodetektor (z.B. Photomultiplier- bzw. Photovervielfacher-Röhre) 34 erhalten werden.
Das System, das in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt auch einen Hauptablenkspannungs-Generatorschaltkreis 23 zur Erzeugung einer Hauptablenkspannung V&sub1; in Abhängigkeit eines Triggersignals, die zu den Hauptablenkelektroden 22 synchron zu dem Eingangslicht, das gemessen werden soll, beaufschlagt wird, und einen Unterablenkspannungs-Generatorschaltkreis 33 zur Erzeugung einer Unterablenkspannung V&sub2;, deren Phase von der Hauptablenkspannung um eine vorbestimmte Differenz Δφ unterschiedlich ist.
Der Ausgang des Photodetektors 34 wird durch einen Signalverarbeitungsschaltkreis verarbeitet, der, wie in Fig. 2 dargestellt ist, die folgenden Komponenten aufweisen kann: einen Umschaltschaltkreis 44 zum Umschalten des Ausgangs des Photodetektors 34 synchron zu der Zeitabstimmung der Änderung in der Unterbrecherspannung, die durch den Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis 42 erzeugt wird; Integratorschaltkreise 46 und 48, durch die ein elektrisches Signal für den Teil des Eingangslichts, das Signallicht S enthält, und ein elektrisches Signal für den Teil, der nur aus Hintergrundlicht N besteht und nicht Signallicht enthält, jeweils entsprechend dem Umschaltzustand des Umschaltschaltkreises 44 integriert werden; einen Differential-Verstärker 50 zum Verstärken der Differenz zwischen Ausgängen A und B von den jeweiligen Integratoren 46 und 48; und einen synchronisierten Verstärker 52, der einen Ausgang (A - B) von dem Differential-Verstärker 50 bei der Frequenz (Unterbrecherfrequenz) der Zeitabstimmungsänderung in der Unterbrecherspannung verstärkt, die von dem Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis 42 mit einer engen Bandbreite und Ausgängen des verstärkten Signals zugeführt wird.
Der optische Signaldetektor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in der nachfolgenden Art und Weise arbeiten.
Als ein Beispiel der Beziehung, wie sie in der ersten Ausführungsform anwendbar ist, ist, und zwar unter der Hauptablenkspannung V&sub1;, der Unterablenkspannung V&sub2;, der Unterbrecherspannung V&sub3;, das Licht, das gemessen werden soll (Eingangslicht), und die Zeitabstimmung einer Abtastung in Fig. 3 dargestellt. In einer Zone A, wo die Unterbrecherspannung V&sub3; nicht beaufschlagt wird (V&sub3; = 0), empfängt der Photodetektor 34 ein optisches Signal von dem Teil, der sowohl Hintergrundlicht N als auch Signallicht S enthält, das mit dem elektronischen Abtastschlitz 32A wie nach dem Stand der Technik (siehe Fig. 4A) abgetastet worden ist. In einer Zone B, wo die Unterbrecherspannung V&sub3; beaufschlagt wird, empfängt der Photodetektor 34 ein optisches Signal für den Teil, der nur aus Hintergrundlicht N besteht und nicht das Signallicht enthält (siehe Fig. 4B).
Die Ausgänge, die durch den Photodetektor 34 in Zonen A und B erzeugt werden, werden durch die Integratorschaltkreise 46 und 48 jeweils integriert und werden dann durch den Differentialverstärker 50, in dem Signalverarbeitungsschaltkreis, verstärkt. Demzufolge wird ein unerwünschtes Signal des Hintergrundlichts (Gleichspannungskomponente) N von dem Signal des Lichts, das gemessen werden soll, zurückgewiesen. Der Ausgang des Differentialverstärkers 50 wird zu dem synchronisierten Verstärker 52 zugeführt, wo die Unterbrecherfrequenzkomponente des Signals mit einer engen Bandbreite verstärkt wird. Demzufolge wird die Rauschkomponente von dem Ausgang des Photodetektors 34 zurückgewiesen, wodurch ein verbessertes S/N-Verhältnis geliefert wird. Diese Betriebsweisen, begleitet durch graduelle Änderungen in der Zeitabstimmung der Abtastung, werden sicherstellen, daß die gesamte Hellenform des Eingangslichts unter einer hohen Zeitauflösung erhalten werden kann.
In der ersten Ausführungsform, wo die Unterbrecher-Ablenkelektroden 40 verwendet werden, müssen nur Unterbrecherspannungen zu den Hauptablenkelektroden 22 und den Unterablenkelektroden 29 hin in üblicher Art und Heise verwendet werden. Die Verwendung eines synchronisierten Verstärkers 52 führt zu einem höheren S/N-Verhältnis, allerdings kann dies weggelassen werden, falls dies erwünscht ist.
Eine spezifische Konfiguration des Signalverarbeitungsschaltkreises zur Verarbeitung des Ausgangs des Photodetektors 34 ist in fig. 5 dargestellt und kann die folgenden Komponenten aufweisen: einen Umschaltschaltkreis 44; zwei Integratorschaltkreise 46 und 48; zwei Abtast- und Halteschaltkreise 54 und 56; einen Substraktor 55 und vier UND-Gatter 58, 60, 62 und 64 zur Versorgung geeigneter Schaltkreise mit einem Taktsignal φ&sub1;, das dieselbe Wellenform wie die Unterbrecherspannung V&sub3;, und ein Taktsignal φ&sub2; besitzt, das in der Phase um 90º hinsichtlich des Taktsignals φ&sub1; verzögert ist.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, kann der Umschaltschaltkreis 44 aus einem Inverter 44A und zwei Vervielfachern bzw. Multipliern 44B und 44C zusammengesetzt sein.
Ein Beispiel der Wellenformen der Signale, die an verschiedenen Teilen des Signalverarbeitungsschaltkreises erzeugt werden, wenn die Unterbrecherspannung ein Tastverhältnis von 50% besitzt, ist in Fig. 7 dargestellt.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Wie in fig. 8 dargestellt ist, ist diese Ausführungsform dieselbe wie die erste Ausführungsform mit der Ausnahme, daß keine Unterbrecher-Ablenkelektrode in der Abtastschlierenröhre 30 vorgesehen ist, und anstelle einer Unterbrecherspannung, die von dem Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis 42 zugeführt wird, wird sie in überlagerung auf der Unterablenkspannung, die zu den Unterablenkelektroden 29 zugeführt wird, beaufschlagt. Falls es erwünscht ist, kann der Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis 42 durch einen Rechteckwellen-Generatorschaltkreis 43 ersetzt werden, wie dies durch eine unterbrochene Linie in Fig. 8 angezeigt ist.
Ein Beispiel des Verhältnisses zwischen der Hauptablenkspannung V&sub1; und der Unterablenkspannung V&sub2;, wie es in der zweiten Ausführungsform beaufschlagt wird, ist in Fig. 9 dargestellt.
Die anderen Merkmale der zweiten Ausführungsform sind dieselben wie diejenigen der ersten Ausführungsform und demzufolge werden sie hier nicht beschrieben werden. Gemäß dieser zweiten Ausführungsform kann die Zeitabstimmung einer Abtastung mit der Abtastschlierenröhre ohne Vorsehung gesonderter Unterbrecher-Ablenkelektroden versetzt werden.
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
Wie in Fig. 10 dargestellt ist, ist diese Ausführungsform dieselbe wie die zweite Ausführungsform mit der Ausnahme, daß der Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis durch einen Phasenumkehrschaltkreis 70 und einen Umschaltschaltkreis 72 ersetzt wird, die separat mit dem Unterablenkspannungs-Generatorschaltkreis 33 verbunden sind. Die Unterablenkelektroden 29 werden mit dem Ausgang des Unterablenkspannungs-Generatorschaltkreises 33 durch den Phasenumkehrschaltkreis 70 zugeführt, wobei die Phase unter der Zeitabstimmung umgekehrt wird (Änderung um 180º), die durch den Umschaltschaltkreis 72 bestimmt ist. Diese Technik ist auch bei der Erzeugung zweier elektrischer Signale effektiv, eines für den Teil des Eingangslichts, der Signallicht S enthält, und das andere für den Teil, der nur aus Hintergrundlicht N besteht.
Ein Beispiel des Verhältnisses zwischen der Hauptablenkspannung V&sub1; und der Unterablenkspannung V&sub2;, wie sie in der dritten Ausführungsform beaufschlagt werden, ist in Fig. 11 dargestellt.
Die anderen Merkmale, einschließlich betriebsmäßiger Aspekte, der dritten Ausführungsform sind im wesentlichen dieselben wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsform und demzufolge werden sie hier nicht beschrieben. Der Hauptvorteil der dritten Ausführungsform ist derjenige, daß ein gesonderter Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis nicht vorgesehen werden muß.
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Wie in Fig. 12 dargestellt ist, ist diese Ausführungsform dieselbe wie die zweite Ausführungsform mit der Ausnahme, daß der Unterbrecherspannungs-Generator durch einen variablen Verzögerungsschaltkreis 74 ersetzt wird, der vor dem Hauptablenkspannungs-Generatorschaltkreis 23 vorgesehen ist. Der Verzögerungsbetrag, der durch den variablen Verzögerungsschaltkreis 74 geliefert wird, wird durch einen Umschaltschaltkreis 72 geändert, um sowohl ein elektrisches Signal für den Teil eines Eingangslichts, das Signallicht S enthält, als auch ein elektrisches Signal für den Teil, der nur aus Hintergrundlicht N besteht, zu erzeugen.
Ein Beispiel des Verhältnisses zwischen DA oder dem Verzögerungsbetrag der Zeit, mit der Licht das Signallicht S enthält, erhalten wird, und DB oder dem Betrag einer Zeitverzögerung, mit der Hintergrundlicht N erhalten wird, wie dies in der vierten Ausfdührungsform anwendbar ist, ist in Fig. 13 dargestellt. Falls sich das Eingangslicht unter 100 MHz wiederholt, kann eine Änderung des Verzögerungsbetrags, ΔD, auf 5 Nanosekunden eingestellt werden, und dies ermöglicht dem System, daß es in derselben Art und Weise wie die vorherigen Ausführungsformen betrieben wird.
Die vierte Ausführungsform bietet den Vorteil einer Realisierung der Erfindung in einer einfachen Weise, da die Komponenten der Abtastschlierenröhre 30 ausgangsseitig des Hauptablenkspannungs-Generatorschaltkreises 23 zu demjenigen eines herkömmlichen, optischen Abtastoszilloskops identisch sind. Falls es erwünscht ist, kann der variable Verzögerungsschaltkreis 74 in dem Hauptablenkspannungs-Generatorschaltkreis 23 eingesetzt werden, um eine integrale Einheit zu bilden.
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im Detail beschrieben.
Wie in Fig. 14 dargestellt ist, ist diese Ausführungsform dieselbe wie die erste Ausführungsform mit der Ausnahme, daß die Schlitzplatte 32 in der Abtastschlierenröhre 30 mit zwei elektronischen Abtastschlitzen 32A und 32B versehen ist, durch die der Teil des Eingangslichts, der Signallicht S enthält, und der Teil, der nur aus Hintergrundlicht N besteht, unabhängig voneinander extrahiert werden können. Diese Abtastschlitze sind jeweils zwei Photodetektoren 34A und 34B zugeordnet.
Wie in Fig. 15 dargestellt ist, kann ein Signalverarbeitungsschaltkreis, der in der fünften Ausführungsform in Verwendung ist, aus einem Substraktor 76 und einem Verstärker 78 zusammengesetzt werden, die als integrale Einheit in der Form eines Differential-Verstärkers kombiniert sein können.
Diese Ausführungsform, wo die Licht enthaltende Signalkomponente S abgetastet und unabhängig des Lichts, das nur aus der Hintergrundkomponenten N besteht, ermittelt werden kann, vermeidet das Erfordernis, ein Unterbrechen durchzuführen, und demzufolge kann eine Signalverarbeitung mit einem sehr einfachen Schaltkreis derjenigen Konfiguration durchgeführt werden, die in Fig. 15 dargestellt ist.
Falls es erwünscht ist, kann das Signal, das in dem Schaltkreis enthalten ist, der in Fig. 15 dargestellt ist, für eine synchronisierte Detektion zerhackt werden.
Fig. 16 stellt eine Modifikation der fünften Ausführungsform dar, in der ein variabler Verstärkungsschaltkreis 79A auf den ersten Photodetektor 34A folgend vorgesehen ist. In dieser Modifikation wird dc-Licht, wie dasjenige von einem Blitzlicht, zu dem optischen Signaldetektor zugeführt, während er betrieben wird, und der variable Verstärkungsschaltkreis 79A wird derart eingestellt, daß sein Ausgangssignal A gleich dem Ausgangssignal B des zweiten Photodetektors 34B wird.
Fig. 17 stellt eine andere Modifikation der fünften Ausführungsform dar, in der der variable Verstärkungsschaltkreis 79A automatisch mit einem automatischen Verstärkungssteuerschaltkreis 79B eingestellt wird.
In den zwei Modifikationen ist der variable Verstärkungsschaltkreis 79A auf den ersten Photodetektor 34A folgend vorgesehen, allerdings kann er auf den zweiten Photodetektor 34B folgend vorgesehen werden. Falls es erwünscht ist, kann der variable Verstärkungsschaltkreis 79A auf jeden des ersten und des zweiten Photodetektors folgend vorgesehen werden.
Weiterhin kann jede der ersten bis vierten Ausführungsform, die vorstehend beschrieben sind, so modifiziert werden, daß ein variabler Verstärkungsschaltkreis automatisch vorgesehen wird, zum Beispiel auf irgendeinen oder beiden der Integratorschaltkreise 46 und 48, die in Fig. 2 dargestellt sind, folgend. Ein variabler Verstärkungsschaltkreis kann auch auf den Photodetektor 34 folgend vorgesehen werden, so daß eine Verstärkungssteuerung synchron zu der Unterbrecherspannung durchgeführt werden kann.
Der optische Signaldetektor gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann als Hochgeschwindigkeits-Abtastphotodetektor in einem eine Spannung ermittelnden Gerät eines Typs verwendet werden, der einen elektrooptischen Effekt verwendet, bei dem der Brechungsindex mit der Spannung an einer ausgewählten Stelle eines Objekts, die gemessen werden soll, variiert. Ein Beispiel der Verwendung des optischen Signaldetektors in dieser Anmeldung ist in Fig. 18 dargestellt, wo der optische Signaldetektor mit 80 bezeichnet ist. Die anderen Komponenten des Systems, die in Fig. 18 dargestellt sind, sind wie folgt eine CW-Lichtquelle 82; ein optischer Modulator 84, der einen Polarisator 84A aufweist, ein elektrooptisches Kristall 84B, das entweder in der Nachbarschaft eines Objekts, das gemessen werden soll, plaziert ist, um so eine Änderung seines Brechungsindexes in Abhängigkeit der Spannung an einer ausgewählten Stelle des Objekts zu bewirken, oder das direkt mit der Spannung, die gemessen werden soll, versorgt wird, einen Kompensator 84C und einen Analysator 84D; eine Verzweigungseinrichtung 86, die das elektrische Signal, das gemessen werden soll, in zwei Teile unterteilt, von denen eines zu dem elektrooptischen Kristall 84B in dem optischen Modulator 84 zugeführt wird, während der andere Teil in einen Triggersignalge nerator 88 zugeführt wird; und einen Verzögerungsschaltkreis 90, der den Unterbrecherspannungs-Generatorschaltkreis in dem abtastenden Hochgeschwindigkeitsphotodetektor 80 gemäß der vorliegenden Erfindung treibt, nachdem das Triggersignal von dem Triggersignalgenerator 88 um einen vorgegebenen Betrag verzögert ist.
Die vorstehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung geht davon aus, daß sie bei einem Synchronabtastungs-Photometer oder einem optischen Abtastoszilloskop eingesetzt wird, die mit einer Abtastschlierenröhre ausgestattet sind, allerdings wird es schließlich für einen Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden, daß sie nicht die einzigen Beispiele der Verwendung der vorliegenden Erfindung sind, sondern sie gleichfalls bei gewöhnlichen Schlierenröhren eingesetzt werden kann, die keine Schlitzplatte besitzen, ebenso wie bei einem Gerät, das andere photoelektrische Konvertierungseinrichtungen besitzt.

Claims

1. Optischer Signaldetektor zur Ermittlung eines Lichtsignals aus einem Eingangslicht, wobei das Eingangslicht das Signallicht und das Hintergrundlicht umfaßt, wobei der Detektor eine Abtastschlierenröhre (30), die eine Photokathode (14) umfaßt, auf der das Eingangslicht einfällt, und die Photoelektronen emittiert, und zwar in Abhängigkeit der Intensität des Eingangslichts, und einen Abtastschlitz (32A) zum Ermöglichen, daß der Strahl der Photoelektronen zu einem Schirm (26) unter einer ersten Abtastzeitabstimmung führt, und eine photoelektrische Konvertierungseinrichtung (34) zum Erzeugen eines Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem Photoelektronenstrahl, der durch den Abtastschlitz (32A) hindurchführt, aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß ein erstes Signal zu der ersten Abtastzeitabstimmung erzeugt wird, wobei das erste Signal dem Eingangslicht entspricht, und ein zweites Signal zu einer zweiten Abtastzeitabstimmung erzeugt wird, die von der ersten Abtastzeitabstimmung versetzt ist, wobei das zweite Signal nur dem Hintergrundlicht entspricht, und daß das Signallicht aus der Differenz zwischen dem Eingangslicht und dem Hintergrundlicht berechnet wird.

2. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, bei dem die Abtastschlierenröhre Unterbrecher-Ablenkelektroden (40) aufweist, und wobei die zweite Abtastzeitabstimmung von der ersten Abtastzeitabstimmung durch Beaufschlagen einer Unterbrecherspannung (42) auf die Unterbrecher-Ablenkelektroden versetzt ist.

3. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, wobei die zweite Abtastzeitabstimmung zu der ersten Abtastzeitabstimmung durch Beaufschlagen einer Unterbrecherspannung (42) in Uberlagerung auf einer Unterablenkspannung versetzt ist, die auf die Unterablenk-Ablenkelektroden (29) beaufschlagt wird.

4. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, wobei die zweite Abtastzeitabstimmung von der ersten Abtastzeitabstimmung durch Änderung einer Phase (70) einer Unterablenkspannung versetzt ist, die auf Unterablenk-Ablenkelektroden (29) beaufschlagt wird.

5. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, wobei die zweite Abtastzeitabstimmung von der ersten Abtastzeitabstimmung durch Änderung eines Verzögerungsbetrags (74) für eine Hauptablenkspannung versetzt ist, die auf Hauptablenk-Ablenkelektroden (22) beaufschlagt wird.

6. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 2 oder 3, der weiterhin einen Verstärker (52) aufweist, der in der Unterbrecherfrequenz zur Verstärkung der Differenz zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal verriegelt ist.

7. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, wobei zwei Abtastschlitze (32A, 32B) in der Abtastschlierenröhre vorgesehen sind, wobei der Strahl aus Photoelektronen durch einen Schlitz (32A) hindurchführt, um das erste Signal bei der ersten Abtastzeitabstimmung zu erzeugen, und wobei der Strahl aus Photoelektronen durch den zweiten Schlitz (32B) hindurchführt, um das zweite Signal bei der zweiten Abtastzeitabstimmung zu erzeugen.

8. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 1, wobei eine erste photoelektrische Konvertierungseinrichtung (34A), um die Photoelektronen zu detektieren, die durch den ersten Schlitz führen, und eine zweite photoelektrische Konvertierungseinrichtung (34B) zum Detektieren der Photoelektronen, die durch den zweiten Schlitz übertragen werden, vorgesehen sind.

9. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 8, der weiterhin einen variablen Verstärkerschaltkreis (79A) in mindestens einer der ersten und zweiten photoelektrischen Konvertierungseinrichtung aufweist, um den Ausgang einer Konvertierungseinrichtung relativ zu der anderen zu verstärken.

10. Optischer Signaldetektor nach Anspruch 9, der weiterhin einen automatischen Verstärkungssteuerschaltkreis (79B) zur automatischen Einstellung einer Verstärkung des variablen Verstärkungsschaltkreises (79A) aufweist.