DE69205100T2

DE69205100T2 - Vorrichtung zur Schwachlichtmessung.

Info

Publication number: DE69205100T2
Application number: DE69205100T
Authority: DE
Inventors: Musubu Koishi; Motoyuki Watanabe
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: DE69205100D1; EP0526134B1; US5250795A; EP0526134A3; EP0526134A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwachlicht- Meßvorrichtung bzw. Vorrichtung zum Messen von niedrigen Licht-Stärken vom photonenzählenden Typ zur Verwendung in Nachziehkamera-Systemen ("streak camera systems"), Schwachlicht-Abbildungsvorrichtungen usw..
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm des herkömmlichen Nachziehkamera-Systems vom photonenzählenden Typ. Dieses herkömmliche Nachziehkamera-System umfaßt eine Nachziehröhre 101, eine Antriebsschaltung 102 zum Betreiben der Nachziehröhre 101, eine hochempfindliche Fernsehkamera zum Nachweisen eines Nachziehbildes, das auf einem Leuchtstoff- Bildschirm 101a der Nachziehröhre 101 durch eine Verzögerungslinse 104 gebildet ist, und ein Bild- Verarbeitungssystem 106 zum Reproduzieren, Speichern und Verarbeiten von Videosignalen von der hochempfindlichen Videokamera 105. Die Nachziehröhre 101 umfaßt eine Photokathode 101e, ein Beschleunigungselektrode 101b zum Beschleunigen von Photoelektronen, eine Ablenkelektrode 101c zum Abtasten der beschleunigten Photoelektronen und eine Mikrokanalplatten-(MCP)-Einrichtung 101d, die durch ein Paar MCPs zum Vervielfachen der abgetasteten Photoelektronen bereitgestellt ist.
Zu messendes Lichts wird durch die Nachziehröhre 101 in ein Nachziehbild verwandelt. Das Nachziehbild wird durch eine hochempfindliche Kamera 105 in Videosignale verwandelt. Die Videosignale werden durch das Bild-Verarbeitungssystem 106 A/D verwandelt, wobei sie als Bilddaten zur Verbesserung der S/N-Verhältnisse der Signale integriert werden. Die vertikale Achse der Bilddaten, die durch das Bild-Verarbeitungssystem 106 erhalten werden, entspricht der Zeitachse, und die horizontale Achse entspricht der räumlichen Achse auf der Photokathode 101. Ein Intensitätswert der Bilddaten entspricht einer Lichtintensität des zu messenden Lichts. Das Bild-Verarbeitungssystem 106 erzeugt vorübergehende Wellenformen (zeitabhängige Strahlung) des zu messenden Lichts von den Bilddaten, und kann ferner die vorübergehenden Wellenformen anzeigen und analysieren.
Das herkömmliche Nachziehkamera-System ist in "High Speed Photography, Videography and Photonics IV(1986)", SPIE, Band 693, Seite 99 oder der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 58745/1984 beschrieben.
In dem herkömmlichen Nachziehkamera-System wird die MCP- Einrichtung 101d, die auf der Nachziehröhre 101 bereitgestellt ist, in ihrem gesättigten Zustand betrieben, entsprechend dem Einfall eines einzelnen Photoelektrons, und es ist schwierig, sehr schwache Licht-Ereignisse leicht mit hoher Genauigkeit zu messen. Insbesondere wird in diesem Fall durch Überlagerung von zwei Mikrokanal-Platten ein einzelnes Photoelektron mit ungefähr 10&sup6; multipliziert, um die MCP- Einrichtung zu sättigen. Folglich wird aufgrund der Verbreiterung der vervielfachten Elektronen die Nachweisempfindlichkeit einer Position des Einfalls des Photons beeinträchtigt. Solch eine Abnahme der Auflösung kann in gewissem Ausmaß gemildert werden, indem man einen Schwerpunkt eines ausgebreiteten Leuchtflecks angibt. Aber die Probleme mit einer solchen Lösung sind, daß die Bestimmung des Hittelpunkts des Leuchtflecks eine komplizierte Berechnung erfordert und bemerkenswert viel Verarbeitungszeit in Anspruch nimmt. Zusätzlich verringert der Einbau von 2 MCP's in die Nachziehröhre die Produktionsausbeute der Nachziehröhre und erhöht Kosten. Wenn das Defekt-Verhältnis der Nachziehröhre mit einer MCP 30% ist, ist das Defekt-Verhältnis einer Nachziehröhre mit 2 MCPs so hoch wie 50%. Dies ist auch ein Problem, wenn man kostengünstige Nachziehkamera-Systeme bereitstellt. Ein weiteres Problem ist, daß die Verwendung der
hochempfindlichen Fernsehkamera 106 zum Aufnehmen eines Bildes, das durch die Nachziehröhre gebildet wird, das System groß macht.
Fig. 2 zeigt ein herkömmliches Beispiel für die Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung unter Verwendung eines Bildverstärkers und einer CCD-Kamera. Ein zu messendes Bild wird auf einer Photokathode 202a einer Bildwandlerröhre 202 durch ein Objektivlinse 202 abgebildet. Photoelektronen, die proportional zu einer Intensität des Bildes sind, werden von der Photokathode 202a emittiert und fallen auf eine MCP 202b ein. Die auf die MCP 202b einfallenden Photoelektronen werden durch eine MCP 202b mit ungefähr 10&sup4; multipliziert und fallen auf einen Leuchtstoff-Bildschirm 202c ein, wobei sie erneut in ein optisches Bild verwandelt werden. Ein Ausgangsbild der Leuchtstoff-Oberfläche 202c wird zu einer Faserplatte 203 geführt und fällt auf eine CCD 204 ein, wobei es in elektrische Signale verwandelt wird. Ausgangssignale der CCD 204 werden durch einen Bildverstärker 205 verstärkt und A/D-gewandelt, wobei sie einen Addierer eingegeben werden. Der Addierer liest die in einem Bildspeicher gespeicherten Bilddaten bis zu dem unmittelbar vorhergehenden Vorgang, und addiert die eingegebenen Signale hinzu. Das Additionsergebnis wird als neue Daten in dem Bildspeicher gespeichert.
Die Technik, solche Additionsvorgänge zu wiederholen, um dadurch das S/N-Verhältnis eines nachgewiesenen Bildes zu verbessern, ist wohl bekannt, und die Einfachheit der Technik macht sie vorherrschend. In diesem Fall erhöhen Additionen die Signale, aber das Dunkelstromrauschen des CCD-Bildsensors und durch die CCD und den Verstärker erzeugte Video-Auslese- Rauschsignale werden auch durch Additionen erhöht. Ein Problem mit dieser Technik ist, daß das Nachweisen eines Schwachlichtbildes in einem Bereich, wo einzelne Photoelektronen gezählt werden, schwierig ist.
Als ein Verfahren, um ein Bild von einem Schwachlicht- Ereignis in einem Bereich, wo einzelne Photoelektronen gezählt werden, die nicht durch die vorstehend beschriebene Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung nachgewiesen werden können, erhalten werden, ist ein Photonen-Zählverfahren bekannt. Das Photonen-Zählverfahren multipliziert ein einzelnes Photoelektron, das einem Lichtereignis entspricht, mit 10&sup6; oder mehr durch einen Elektronen-Vervielfacher, der Mehrstufen MCPs umfaßt, die Rauschen, das in einem Bildverstärker erzeugt wurde, und Rauschen, das beim Lesen einer CCD erzeugt wurden, genau von Signalen trennen, die ein einzelnes Photoelektron angeben, das einem Schwachlicht- Ereignis entspricht, und die nur die Signalkomponenten mit hoher Empfindlichkeit nachweisen.
Fig. 3 zeigt eine Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung unter Verwendung dieses Photonen-Zählverfahrens. Die Vorrichtung von Fig. 3 verwendet eine NCP-Vorrichtung mit Nehrstufen-MCPs 202d, 202e, die in einer Kaskade zum Vervielfachen eines einzelnen Photoelektrons mit 106 oder mehr verbunden sind. Die MCP sind miteinander mit einer Lücke dazwischen verbunden, und Ausgangselektronen von einem Kanal des MCP erster Stufe 202d werden in eine Vielzahl von Kanälen (gewöhnlich 30 oder mehr) der zweiten Stufe und den darauf folgenden MCPS 202e eingegeben. Folglich ist das Ausgangssignal, das einem einzelnen Photoelektron entspricht, im Endstadium ein zusammengesetztes Ausgangssignal von Gruppen von Elektronen von dem mehrfachen Kanälen, und sein Leuchtfleck auf dem Leuchtfleck auf dem Bildschirm 202c ist verbreitert. Die zweite und ihre folgenden MCPS 202e werden in gesättigten Zuständen verwendet, daher arbeitet die MCP 202e in Bereichen mit einer Sättigungszahl von Ausgangselektronen für jede Anzahl von Eingangselektronen, und entsprechend hat der Leuchtfleck auf dem Leuchtstoffbildschirm eine stumpfe Leuchtverteilung. Folglich ist die Auflösung stark erniedrigt. Fig. 4 ist eine Ansicht, die einen Leuchtfleck veranschaulicht, der auf dem Leuchtstoff-Bildschirm durch die Vervielfachung eines einzelnen Photoelektrons erzeugt ist. Fig. 4A veranschaulicht das Einfallen von Gruppen von vervielfachten Elektronen auf der Photokathode 202a. Fig. 4B veranschaulicht eine Verteilung der Leuchtintensitäten auf dem Leuchtstoff- Bildschirm 202c.
Um solch eine Beeinträchtigung der Auflösung zu verbessern, ist in der Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung von Fig. 3 die Funktion zum Nachweis des Mittelpunkts vor dem Bildspeicher für die Berechnung eines Leuchtflecks bereitgestellt, und das Berechnungsergebnis wird dem Addierer zugeführt und in dem Bildspeicher gespeichert. Beim Bestimmen eines Mittelpunkts wird Lese-Rauschen (Rauschen, das durch die CCD und die Bildverstärkungsschaltung erzeugt wird) vollständig entfernt und steigt während einer langen Zeitdauer der Berechnung nicht an.
Diese Schwachbild-Abbildungsvorrichtung von Fig. 3 ist ein gutes Verfahren zum Nachweisen eines Schwachlichtbildes in dem Bereich des einzelnen Photoelektrons, aber es hat die folgenden Probleme:
1) Die Verwendung einer Mehrstufen-MCP erniedrigt die Nicht-Defekt-Verhältnisse der Bild-Verwandlungsröhre, und die Kosten der Bild-Verwandlungsröhre gehen nach oben. Jede MCP enthält ein Bündel von beispielsweise 3.000.000 oder mehr Glasröhren, bei denen die Tendenz besteht, daß sie beschlagen oder Entladungsdefekte haben. Mehrstufen-MCPs haben Defekt- Verhältnisse, die durch eine Vielzahl der Anzahl an MCPs beeinträchtigt werden, was zu höheren Kosten führt.
2) Die Funktion zur Bestimmung des Mittelpunkts ist notwendig. Die gewöhnliche Leserate der Fernsehkamera ist 30 Bilder pro Minute und die Funktion zum Bestimmen des Mittelpunkts erfordert eine Möglichkeit zur Berechnung mit beträchtlich hoher Geschwindigkeit. Solch eine Funktion ist sehr teuer.
3) Ein Ausgabebild eines einzelnen Photoelektrons ist so groß, daß die Zählrate niedrig ist, und in einigen Fällen eine ausreichende Auflösungsleistung nicht erhalten werden kann. Beispielsweise können, wenn zwei Lichtpunkte auf der Photokathode allmählich näher zueinander kommen, die zwei Punkte nicht bei einer Position voneinander getrennt werden, an denen die Ausgabebilder beginnen, einander zu überlappen, und werden ungünstigerweise als ein Punkt nachgewiesen. Entsprechend ist in Fällen von beträchtlich großen Lichtmengen oder teilweise hellen Ereignissen die Genauigkeit auffällig beeinträchtigt. Fig. 5 zeigt Ansichten zur Erklärung der Beeinträchtigung der Auflösungsleistung. Wie in Fig. 5A gezeigt, überlappen in dem Fall, daß die Punkte P&sub1; und P&sub2; ausreichend voneinander getrennt sind, die Bilder, die durch ein Paar von Photoelektronen, die auf den Punkten P&sub1; und P&sub2; einfallen, gebildet werden, nicht einander auf dem Leuchtstoff-Bildschirm 202c, und die Mittelpunkte P&sub1; und P&sub2;, die den Ereignissen entsprechen, können unabhängig beobachtet werden. Wie jedoch in Fig. 5B gezeigt, überlappen in dem Fall, daß die Punkte P&sub1; und P&sub2; näher aneinander kommen, die an den Punkten P&sub1; und P&sub2; erzeugten Bilder teilweise miteinander, sowohl auf dem Leuchtstoff-Bildschirm als auch auf der Photokathode, so daß das Ergebnis der Berechnung des 20 Mittelpunkts ein Punkt B im Zentrum ist.
FR 2 359 404 beschreibt ein Gerät zum Messen von niedrigen Stärken der Lichtintensität unter Verwendung eines Photoelektronenvervielfachers und eines Verarbeitungs-Stromkreises. Dieses Dokument betrifft jedoch nicht die Probleme der räumlichen Auflösung in einer zweidimensionalen Abbildungsvorrichtung.
GB 2 131 165 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Licht mit niedriger Intensität. Schwaches einfallende Licht wird durch eine photoelektrische Einrichtung in Elektronen verwandelt, die durch eine Mikrokanalplatte, die in einer gesättigten Weise betrieben wird, vervielfacht werden, und werden dann durch einen Leuchtstoff-Bildschirm in sichtbares Licht verwandelt.
Es wäre somit wünschenswert, eine Schwachlicht- Meßvorrichtung vom photonenzählenden Typ zur Verwendung in Nachziehkamera-Systemen, Schwachlicht-Abbildungsvorrichtungen usw. bereit zu stellen, das die vorstehend beschriebenen Probleme lösen kann und Schwachlichtereignisse mit hoher Genauigkeit messen kann.
Somit wird eine Vorrichtung zum Messen von niedrigen Lichtstärken bereitgestellt, umfassend:
Photonen-Zähleinrichtungen, umfassend photoelektrische Umwandlungseinrichtungen zum Umwandeln von einfallendem Licht mit niedriger Stärke in Elektronen, Elektronen- Vervielfachungseinrichtung zum Vervielfachen von Elektronen von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung und Leuchteinrichtungen zum Umwandeln der Elektronen, die von der Elektronenvervielfachungseinrichtung vervielfacht worden sind, in ein Leuchtbild; und
Bild-Nachweiseinrichtungen zum Umwandeln des Leuchtbildes von der Photonen-Zähleinrichtung in elektrische Ausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen- Vervielfachungseinrichtung in einer nicht gesättigten Betriebsart und von Signal-Verarbeitungseinrichtungen zum Entfernen von Rauschen von dem elektrischen Ausgangssignalen betrieben wird.
In der erfindungsgemäßen Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung wird die Elektronen-Vervielfachungseinrichtung, die in der Photonen-Zähleinrichtung enthalten ist, nicht mit dem Einfallen eines einzelnen Elektrons, das einem optischen Ereignis entspricht, gesättigt. Entsprechend ist eine Fläche der Leuchteinrichtung, die von den einfallenden vervielfachten Elektronen besetzt wird, nicht sehr groß und die Nachweisgenauigkeit einer Einfallsposition eines Photons, das einem optischen Ereignis entspricht, kann verbessert werden. Darüber hinaus hat ein Leuchtbild, das von der Leuchteinrichtung bereitgestellt wird, eine ausreichende Leuchtverteilung, und entsprechend kann durch Entziehen der Signalkomponenten von den vorstehend beschriebenen elektrischen Ausgangssignalen, wobei die Rauschkomponenten von der Signal-Verarbeitungseinrichtung entfernt werden, eine Einfallsposition eines Photons leicht identifiziert werden, ohne einen Mittelpunkt des Leuchtbildes zu bestimmen.
Eine Einfallsposition eines Photons wird identifiziert, indem man als Signalkomponenten eine Verteilung von Teilen der vorstehend beschriebenen elektrischen Ausgangssignale oberhalb eines eingestellten Niveaus, die binär verarbeiteten Daten oder Spitzenpositionen oder andere Komponenten von den Teilen entzieht. Wenn das selbe Ereignis wiederholt wird, wird einer von solchen Signalfaktoren in einer eingestellten Zeitdauer integriert, wobei die Signalkomponente entzogen wird.
Eine Einfallsposition von einem Photon kann identifiziert werden, indem man die entzogenen Signalkomponenten in Bereichen, die Bildelementen der Leuchteinrichtung entsprechen, gemäß dem zeitlichen Ablauf der elektrischen Ausgangssignale der Bild-Nachweiseinrichtung speichert.
Indem man die Elektronen-Vervielfachungseinrichtung durch eine einzelne Mikrokanalplatte bereitstellt, kann eine höhere Auflösungsleistung erreicht werden. In diesem Fall sind die Photonen-Zähleinrichtung und die Bild- Nachweiseinrichtung aneinander durch Fasern gekoppelt, wodurch der Nachteil von Verstärkungs-Verknappungen aufgrund des Zählens der Photonen durch die einzelne Mikrokanalplatte effektiv beseitigt werden kann. Folglich wird der optische Kopplungseffizient von 0,02 (unter Verwendung von Linsen- Kopplung) zu 0,3 um mehr als eine Größenordnung erhöht. Entsprechend kann, obwohl nur eine MCP bereitgestellt ist, ein Signalniveau von einem einzelnen Photoelektron ausreichend höher als das Rauschniveau der Bildnachweiseinrichtung sein, und Zählen von Photonen mit hoher Genauigkeit kann ermöglicht werden.
In dem Fall, daß die Photonen-Zähleinrichtung eine Nachziehröhre ist, können die Signal- Verarbeitungseinrichtungen vorübergehende Veränderungen der zu messenden Lichtintensität bereitstellen, auf der Grundlage der entzogenen Signalkomponenten.
In dem Fall, daß die Photonen-Zähleinrichtung ein Bildverstärker ist, kann die Signal-Verarbeitungseinrichtung ein Verteilungsbild der zu messenden Lichtintensität bereitstellen, auf der Grundlage der entzogenen Signalkomponenten.
Eine Faserplatte kann verwendet werden, um ein Leuchtbild von der Leuchteinrichtung, die die Photonen- Zähleinrichtung enthält, zu der Bild-Nachweiseinrichtung zu führen.
In dem Fall, daß eine CCD, eine Photodioden-Anordnung oder eine andere Festkörper-Bildnachweisvorrichtung als Bild- Nachweiseinrichtung verwendet wird, kann die Schwachlicht- Meßeinrichtung selbst von kleiner Größe sein, und kostengünstige Systeme können hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung, die nachstehend gegeben wird, und den begleitenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung gegeben werden, besser zu verstehen sein. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung anzusehen.
Der weitere Rahmen der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung deutlich. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele, die die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur als Veranschaulichung gegeben sind, da zahlreiche Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der Erfindung, wie in den Patentansprüchen dargelegt, den Fachleuten aus dieser detaillierten Beschreibung deutlich werden.
Fig. 1 ist eine Blockdiagramm des herkömmlichen Nachz iehkamera-Systems;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm des herkömmlichen Bildverstärkersystems;
Fig. 3 ist eine Blockdiagramm der herkömmlichen Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung;
Fig. 4A und 4B sind Ansichten, die die Nachteile der Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung von Fig. 3 veranschaulichen;
Fig. 5A und 5B sind Ansichten, die die Nachteile der Schwachlicht-Abbildungsvorrichtung von Fig. 3 veranschaulichen;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Nachziehkamera-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 7 ist eine Ansicht von Videosignalen;
Fig. 8 ist eine Ansicht, die ein erstes Verfahren zum Entfernen von Video-Rauschen von Video-Signalen veranschaulicht;
Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine Verarbeitung des Signal-Verarbeitungssystems veranschaulicht;
Fig. 10 ist eine Ansicht, die ein zweites Verfahren zum Entfernen von Video-Rauschen von Video-Signalen veranschaulicht;
Fig. 11 ist eine Ansicht, die ein drittes Verfahren zum Entfernen von Video-Rauschen von Video-Signalen veranschaulicht; und
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm der Schwachlicht- Abbildungsvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.
Wie in Fig. 6 gezeigt, umfaßt das Nachziehkamera-System eine Nachziehröhre 11 zur Erzeugung eines Nachziehbildes aus einfallendem, zu messendem Licht, eine Antriebsschaltung 13 zum Betreiben der Nachziehröhre 11, einen Festkörper- Bilddetektor 15 zum Nachweisen eines Nachziehbildes durch eine Faserplatte 14, daß auf einem Leuchtstoff-Bildschirm 11a der Nachziehröhre 11 gebildet ist, und eine Signalverarbeitungseinrichtung 16 zum Verarbeiten eines ausgegebenen Videosignals von dem Festkörper-Bilddetektor 15.
Die Nachziehröhre 11 umfaßt eine einzelne MCP 11b zum Durchführen von Elektronenvervielfachung vom nicht gesättigten Typ. Ein Photoelektron wird von einer Photokathode 11c der Nachziehröhre 11 gemäß einem Einfall von zu messendem Licht emittiert. Das emittierte Photoelektron wird durch eine Beschleunigungselektrode 11d beschleunigt und tritt danach in eine Öffnung einer Anodenelektrode 11f durch eine fokusierende Elektrode 11e ein. Das Photoelektron, das durch die Öffnung der Anodenelektrode 11f durchgegangen ist, wird bei einem geeigneten zeitlichen Ablauf abgelenkt, wenn es durch die Ablenkelektrode 119 durchgeht und auf die MCP 11b einfällt. Das auf die MCP 11b einfallende Elektronenelektron wird hier vervielfacht, und die vervielfachten Elektronen treffen auf den Leuchtstoff- Bildschirm 11a ein und erzeugen einen Leuchtfleck auf dem Leuchtstoff-Bildschirm 11a. Die MCP 11b arbeitet in einem ungesättigten Zustand bei Einfallen eines einzelnen Photoelektrons, und die Ausbreitung des Leuchtflecks des einzelnen Photoelektrons ist sehr klein. Anstelle der vorstehend beschriebenen Nachziehröhre kann eine Kombination einer Nachziehröhre ohne MCP, und ein Bildverstärker mit w einer MCP vom ungesättigten Typ verwendet werden.
Die Faserplatte 14 ist aus einem Bündel dünner optischer Fasern, die in einer Platte oder einem Zylinder gebildet sind, hergestellt. Der Leuchtstoff-Bildschirm 12 und die Festkörper-Abbildungsvorrichtung 15 sind jeweils an der Faserplatte 14 mit der Faserplatte 14 dazwischen angebrachte wobei ein auf dem Leuchtstoff-Bildschirm 12 gebildetes Nachziehbild auf der Festkörper-Abbildungsvorrichtung 15 optisch effizient (hell) gebildet wird. Die Faserplatte 14 ist eine Schicht, aber sie kann mehrere gelegte Schichten sein. Die Faserplatte 14 kann Vergrößerungen haben, wodurch eine durch den Festkörper-Detektor 15 abzubildende Fläche des Leuchtstoff-Bildschirms 12 gemäß einer Vergrößerung der Faserplatte 14 variiert werden kann.
Der Festkörper-Detektor 15 kann beispielsweise durch eine CCD, einen zweidimensionalen Festkörper-Bilddetektor oder eine lineare Photodioden-Anordnung oder weitere Vorrichtungen bereitgestellt werden.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 16 enthält einen Speicher und weitere und kann unter Entfernung von Rauschen Signalkomponenten von Videosignalen für jeweilige Bildelemente integrieren, die Flächen des Leuchtstoff- Bildschirms 12 entsprechen, wobei eine zeitabhängige Licht- Wellenform gebildet wird.
Der Betrieb dieser Ausführungsform wird erklärt. Zu messendes einfallendes Licht wird auf den Leuchtstoff- Bildschirm 11a der Nachziehröhre 11 angelegt und wird in ein Nachziehbild verwandelt. Da der Leuchtstoff-Bildschirm 11a und der Festkörper-Bilddetektor 15 durch die Faserplatte 14, die zwischen ihnen bereitgestellt ist, gekoppelt sind, wird das verwandelte Nachziehbild auf dem Festkörper-Bilddetektor durch die Faserplatte 14 projiziert. Der Festkörper- Bilddetektor 15 verwandelt das projizierte Nachziehbild in Videosignale und führt die Videosignale der Signalverarbeitungseinrichtung 16 zu. Die Signalverarbeitungseinrichtung 16 entfernt Video-Rauschen von dem Videosignal und integriert nur die Signale des zu messenden Lichts unter Bildung einer zeitabhängigen Licht- Wellenform.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Entfernen von Video- Rauschen von den Video-Signalen entfernt, das diese Ausführungsform kennzeichnet, unter Bezugnahme der Figuren 7 bis 11 erklärt. Wenn zu messendes Licht schwach ist, wie in Fig. 7 gezeigt, sind die Video-Signale ein Zug von impulsförmigen Signalen. In Fig. 7 entspricht jedes Impulssignal jedem Photon des zu messenden Lichts von jedem Ereignis, das durch die Nachziehröhre 11 nachgewiesen wird.
Die Video-Signale enthalten Video-Rauschen, das durch den Festkörper-Detektor 15 und die Signalverarbeitungseinrichtung 16 erzeugt werden. Aber das Video-Rauschen hat kleine Signale im Vergleich mit den vorstehend beschriebenen pulsförmigen Signalen. Dann wird ein Schwellenwert eingestellt, um nur die Video-Signale zu integrieren, die den Schwellenwert überschreiten, wodurch nur die Signalkomponenten mit entferntem Rauschen entzogen werden.
Beispiele für das Integrationsverfahren werden unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 11 erklärt. Wie in Fig. 8 gezeigt, umfaßt ein erstes Verfahren, daß nur Signalkomponenten der Video-Signale a oberhalb eines Schwellwertniveaus in einer Speichervorrichtung, die in der Signalverarbeitungseinrichtung 16 eingebaut ist, integriert werden. Fig. 9 veranschaulicht ein Konzept der Integration in der Speichervorrichtung der Signalverarbeitungseinrichtung 16. Wie in Fig. 9 gezeigt, ist bei den Video-Signalen, die der Signalverarbeitungseinrichtung 16 zugeführt werden, das Rauschen entfernt, wobei sie in der Speichereinrichtung gespeichert werden. Dann umfaßt, wie in Fig. 10 gezeigt, ein zweites Verfahren die binäre Umwandlung der Videosignale a auf der Grundlage eines Schwellenwertniveaus, wobei man Signalkomponenten b erhält, und die Integration der 25 Signalkomponenten in der Speichervorrichtung der Signalverarbeitungseinrichtung 16. Wie in Fig. 11 gezeigt, umfaßt ein drittes Verfahren den Nachweis von Spitzenwerten b der impulsförmigen Signale, die den Video-Signalen a überhalb eines Schwellwertniveaus entsprechen, und die Addition von 1 zu Werten der Speichervorrichtung, die mit den Positionen der Spitzenwerte verbunden sind, wodurch die Nachweiszeiten der Spitzenwerte gezählt werden.
Diese Verfahren werden auf einer horizontalen Abtastlinie oder in dem Fall, daß der Festkörper-Bilddetektor 15 beispielsweise eine zweidimensionale CCD ist, zweidimensional durchgeführt. In dem Fall, daß der Festkörper-Bilddetektor linear ist, ist es überflüssig zu erwähnen, daß diese Verfahren linear durchgeführt werden.
Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm des Schwachlicht- Bilddetektors gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein zu messendes Bild wird durch eine Objektivlinse 51 auf einer Photokathode 52a einer Bildumwandlungsröhre 52 erzeugt. Photoelektronen, die Photonen, die das Bild erzeugen, entsprechen, werden von der Photokathode 52a emittiert. Die Photoelektronen werden durch eine Beschleunigungselektrode 52b beschleunigt und treten in eine Öffnung einer Anodenelektrode 52d durch eine fokusierende Elektrode 52c ein. Die Photoelektronen, die durch die Öffnung der Anodenelektrode 52d durchgegangen sind, fallen auf eine einzelne MCP 52e für die Elektronenvervielfachung vom ungesättigten Typ ein. Die auf die MCP 52e einfallenden Photoelektronen werden vervielfacht und fallen dann auf einen Leuchtstoff-Bildschirm 52f ein, wobei ein Leuchtfleck erzeugt wird. Die MCP 52f arbeitet in einem ungesättigten Zustand durch ein Eintreffen eines einzelnen Photoelektrons und entsprechend ist das Ausbreiten des Leuchtflecks, der dem Eintreffen des einzelnen Photons entspricht, sehr klein.
Ein ausgegebenes Bild des Leuchtstoff-Bildschirms 52f wird durch die Faserplatte 53 zu einem Festkörper- Bilddetektor 54 geleitet, wobei es dort in elektrische Signale verwandelt wird. Von dem Festkörper-Bilddetektor 54 ausgegebene Videosignale werden von einer Signalverarbeitungseinrichtung 55 verarbeitet und auf einem TV-Monitor 56 angezeigt. Die Signalverarbeitungseinrichtung umfaßt eine Rausch-Entfernungseinheit 55a mit einem Verstärker, einer Schwellwert-Verarbeitungsschaltung, einem A/D-Wandler usw.. Ausgangssignale der Rausch- Entfernungseinheit 55a werden von einem Addierer 55 addiert, wobei sie in einem Bildspeicher 55c gespeichert werden. Folglich kann ein Bild erhalten werden, das durch Integration von Nur-Signalkomponenten des zu messenden Bildes mit entferntem Rauschen gebildet ist. Die Verarbeitung der Video- Rauschentfernung in der Signalverarbeitungseinrichtung 55 ist dieselbe wie in den Figuren 8 bis 11, und wird hier nicht erneut erklärt.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen von niedrigen Licht-Stärken, umfassend:

Photonen-Sensoreinrichtungen (11; 52), umfassend photoelektrische Umwandlungseinrichtungen (11c; 52a) zum Umwandeln von einfallendem Licht mit niedriger Stärke in Elektronen, Elektronen-Vervielfachungseinrichtungen (11b; 52e) zum Vervielfachen von Elektronen von der photoelektrischen Umwandlungseinrichtung (11c; 52a) und Leuchteinrichtungen (11a; 52f) zum Umwandeln der Elektronen, die von der Elektronen-Vervielfachungseinrichtung (11b; 52e) vervielfacht worden sind, in ein Leuchtbild; und

Bild-Nachweiseinrichtungen (15; 54) zum Umwandeln des Leuchtbildes von der Photonen-Zähleinrichtung (11; 52) in elektrische Ausgangssignale;

dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen-Vervielfachungseinrichtung (11b; 52e) in einer nichtgesättigten Betriebsart und von Signal- Verarbeitungseinrichtungen (16; 55) zum Entfernen von Rauschen von den elektrischen Ausgangssignalen betrieben wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung (16; 55) Rauschkomponenten der elektrischen Ausgangssignale unterhalb eines eingestellten Niveaus bei jedem Ereignis, das einem Einfall von zu messendem Licht in die photoelektrische Umwandlungseinrichtung (11c; 52a) entspricht, entfernt, wodurch Signal-Komponenten entzogen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung (16; 55) Spitzenwerte von Teilen der elektrischen Ausgangssignale oberhalb des eingestellten Niveaus bestimmt und die Spitzenwerte für eine eingestellte Zeitdauer integriert, wodurch die Signalkomponenten entzogen werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung (16; 55) Teile der elektrischen Ausgangssignale oberhalb des eingestellten Niveaus für eine eingestellte Zeitdauer integriert, wobei die Signal- Komponenten entzogen werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung (16; 55) die elektrischen Ausgangssignale auf der Grundlage des eingestellten Niveaus in binäre Signale umwandelt und die binär umgewandelten Ausgangssignale für eine eingestellte Zeitdauer integrfert, wodurch die Signalkomponenten entzogen werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der die Signal-Verarbeitungseinrichtung (16; 55) Speichereinrichtungen (55c) zum Speichern der entzogenen Signalkompenten in Bereichen der Speichereinrichtung enthält, die jeweiligen Bildelementen der Leuchteinrichtung (11a; 52f) entsprechen, auf der Grundlage des zeitlichen Ablaufs der elektrischen Ausgangssignale von der Bild-Nachweiseinrichtung (15; 54).

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung (16; 55) eine Position von dem Spitzenwert der Teile der elektrischen Ausgangssignale oberhalb des eingestellten Niveaus nachweist, auf der Grundlage des zeitlichen Ablaufs der elektrischen Ausgangssignale von der Bild-Nachweiseinrichtung (15; 54).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Signal- Verarbeitungseinrichtung Nachweisergebnisse von den Spitzenwert-Positionen in einer eingestellten Zeitdauer für Positionen zählt, die jeweiligen Bildelementen der Leuchteinrichtung (11a; 52f) entsprechen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektronen-Vervielfachungseinrichtung (11b; 52e) eine einzelne Mikrokanalplatte enthält.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Photonen-Sensoreinrichtung (11; 52) eine Nachziehröhre ist, und die Signal-Verarbeitungseinrichtung (16; 55) auf der Grundlage der entzogenen Signal-Komponenten vorübergehende Veränderungen der zu messenden Lichtintensität ergibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Photonen- Sensoreinrichtung (11; 52) eine Kombination aus einer Nachziehröhre ohne eingebaute Elektronen- Vervielfachungseinrichtung und einer Bild-Verstärkungsröhre mit eingebauter Elektronen-Vervielfachungseinrichtung ist, und die Signal-Verarbeitungseirnichtung (16; 55) auf der Grundlage der entzogenen Signal-Komponenten vorübergehende Veränderungen des zu messenden Lichts ergibt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Photonen- Sensoreinrichtung (11; 52) eine Bild-Verstärkungsröhre ist und die Signal-Verarbeitungseinrichtung (16; 55) auf der Grundlage der entzogenen Signal-Komponenten ein Verteilungsbild des zu messenden Lichts ergibt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Faserplatte (14; 53) zum Leiten des Leuchtbilds von der Leuchteinrichtung (11a; 52f), die in der Photonen-Sensoreinrichtung (11; 52) enthalten ist, zu der Bild-Nachweiseinrichtung (15; 54).

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bild-Nachweiseinrichtung (15; 54) eine CCD ist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bild-Nachweiseinrichtung (15; 54) eine Photodioden- Anordnung ist.