DE69525005T2

DE69525005T2 - Vorrichtung zur Messung einer Abkling-Charakteristik

Info

Publication number: DE69525005T2
Application number: DE69525005T
Authority: DE
Inventors: Musubu Koishi; Akira Takeshima
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2015-09-20
Also published as: EP0702226A3; US5548124A; DE69525005D1; JP3364333B2; JPH0886753A; EP0702226A2; EP0702226B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik zum Messen der Abklingzeit und dergleichen eines Strahles, beispielsweise Fluoreszenz, die aufgrund von Bestrahlung mit Licht auf einen Gegenstand mit Abklingeigenschaften strahlt.

Zum Stand der Technik

Verschiedene Systeme sind vorgeschlagen worden zum Messen der Abklingeigenschaften von Fluoreszenz oder dergleichen. Diese Systeme lassen sich grob klassifizieren in (1) ein System zum Messen der Wellenform einer Änderung der Lichtintensität, um eine Abklingwellenform aus der gemessenen Wellenform zu gewinnen (wird nachstehend als direktes Verfahren bezeichnet) und (2) ein System unter Verwendung von intensitätsmoduliertem Erregungslicht, um Abklingeigenschaften aus der Phasendifferenz in Bezug auf Abklingsignallicht zu gewinnen (wird nachstehend als Phasendifferenzverfahren bezeichnet).
Die folgenden Anordnungen sind verfügbar als typische spezifische Anordnungen von Geräten unter Verwendung des herkömmlichen direkten Verfahrens:

1 Lichtwelle + Photovervielfacher (PMT) + Oszilloskop

Dieses Gerät wird in einem relativ langsamen Gebiet eingesetzt und selten bei Hochgeschwindigkeitsgebieten von 10 ns oder weniger verwendet, wo eine Verzerrung eines elektrischen Signals (das heißt, gedämpfte Schwingung und Überschwingen) oder eine Verzerrung des Detektors selbst (das heißt, Streuung der Laufzeit) ein Problem darstellt.

2 Kurzimpulslaser + Hochgeschwindigkeit PMT + Konstantbrechungsdiskriminator + TAC (Zeit zum Amplitudenumsetzer) + PHA (Impulshöhenanalysator)

Eine Zeitauflösungsleistung von mehreren Zehn ps kann durch

3 Streifenkamera (Echtzeitmessung)

Eine Zeitauflösungsleistung in Einheiten von Subpiko- Sekunden läßt sich erzielen. Ein einzelnes Phänomen kann ebenfalls beobachtet werden. In einem System zum mehrfachen Überlappen (Vervielfachen) eines Phänomens in einer einzelnen Photoelektronenzone zur Erzielung einer Wellenform kann ein hinreichender Dynamikbereich erzielt werden, der eine hochgenaue Messung von Abklingeigenschaften ermöglicht. Die Wellenlängeninformation kann gleichzeitig unter Verwendung eines Spektroskops gewonnen werden. Dieses Gerät kann hervorragend als zeitauflösendes Spektroskop verwendet werden.

4 Optisches Oszilloskop (Abtastmessung)

Dies ist ein Gerät optischer Wellenformbetrachtung des Abtasttyps unter Verwendung einer Streifenröhre. Es ist ungeeignet zur Messung von Licht extrem geringer Intensität aufgrund einer schlechten Sammeleffizienz des Zielmessungslichts bei diesem Verfahren, obwohl der Dynamikbereich im Meßlichtmengenbereich hervorragend ist.

5 Boxcar [Messen langwelliger, von sehr kurzen Zeitintervallen getrennter Signalimpulse] (Abtastmessung)

Ein elektrisches Gattersystem wird angewandt, und ein kostengünstiges System ist verfügbar. Die Zeitauflösungsleistung (≥ 100 ps) bestimmt sich durch das Frequenzansprechvermögen und die elektrische Gatterbreite eines Detektors.

6 Kerr-Zelle (optische Abtastmessung)

Ein optisches Gattersystem kommt zur Anwendung. Das Zeitauflösungsvermögen hängt ab von der Laserimpulsbreite zum Abtasten, die verkürzt werden kann.
Das Phasendifferenzverfahren ist geeignet zum Erzielen einer Abklingzeitkonstanten mit einer irgendwie spezifizierten Wellenform bei hoher Geschwindigkeit wegen der hohen Lichtausbeuteeffizienz. Ein System oder ein Gerät wie ein Lichtleitfaserthermometer, das anwendbar ist in einer Umgebung mit großen Störungen, wie hohen elektromagnetischen Feldern, ist vorgeschlagen worden, bei dem ein Rubin oder ein alexandritischer Kristall, dessen Fluoreszenzabklingzeit sich weitestgehend gemäß einer Temperatur ändert, als Sonde benutzt wird, und eine Phasendifferenz zwischen einem Erregerlichtstrahl und Fluoreszenz umgesetzt wird in eine Frequenz durch eine PLL (phasenverriegelte Schleife), wodurch die Messung einer Lebensdauer erfolgt (beispielsweise "Zhiyi Zhang et al., Rev. Sci. Instrum. 64 (9), Seiten 2531-2540 (1993)", japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 63-308596, "T. Bosselmen et al., Proc. 2nd Optical Fiber Sensor Conf., 1984, Stuttgart, Seiten 141-154", "Zhiyi Zhang et al., Rev. Sci. Instrum. 62, Seite 1735 (1991)"). Das Dokument US 4 716 363 ist äquivalent der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 63-308596, während das Dokument US 5 196 709 eine andere Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik offenbart. Wenn die Wellenform nicht spezifiziert ist oder Mehrkomponenten- Abklingcharakteristiken zu messen sind, wird die Modulationsfrequenz geändert (wenn das Erregungslicht moduliert ist durch Sinuswellenmodulation), oder die Zielfrequenz (ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholperiode, wenn das Erregerlicht ein Impuls ist) wird geändert. Daten der Phasendifferenz und Intensität werden jedesmal aufgenommen, wenn die Frequenz sich ändert, und die Verarbeitung, wie das Anpassen, wird ausgeführt, wodurch Abklingcharakteristiken gewonnen werden (J.R. Lakowicz et al., SPIE Band 1204, Time- Resolved Laser Spectroscopy in Biochemistry II, Seiten 13-20, (1990)).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik mit einem einfachen Aufbau zu schaffen, die genau die Abklingzeit einer Fluoreszenzprobe oder dergleichen messen kann und verwendbar ist in einem breiten Frequenzbereich und insbesondere in einem Hochfrequenzbereich bis zu mehreren GHz.
Eine Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung ist ausgestattet mit: (a) einer ersten Lichtsendeeinheit zum Ausstrahlen eines ersten Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge auf einem Zielmeßgegenstand, wobei der erste Lichtstrahl mit einem elektrischen Signal gemäß einer ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist, wobei sich die Intensität gemäß der ersten Frequenz periodisch ändert, (b) einem ersten Wellenlängenauswähler zur Auswahl und Ausgabe eines zweiten Lichtstrahls als gestreuter Lichtstrahl des ersten Lichtstrahls auf dem Zielmeßgegenstand, (c) einer ersten Lichtempfangseinheit mit einem ersten Photodetektor zum Empfangen eines zweiten elektrischen Signals, das eine photoelektrische Wandlerverstärkung steuert, und mit einer zweiten Frequenz, die den zweiten Lichtstrahl empfängt und ein drittes elektrisches Signal erzeugt, das eine Komponente mit einer dritten Frequenz enthält, die einem Absolutwert einer Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz entspricht, wobei das dritte elektrische Signal ein elektrisches Signal gemäß einer empfangenen Lichtintensität und der eingestellten photoelektrischen Wandlerverstärkung ist, zur Ausgabe eines vierten Signals, das einen Amplitudenwert der Komponente der dritten Frequenz aus dem dritten elektrischen Signal wiedergibt, (d) einer zweiten Lichtsendeeinheit zum Ausstrahlen eines dritten Lichtstrahls mit der ersten Wellenlänge auf den Zielmeßgegenstand, wobei der dritte Lichtstrahl intensitätsmoduliert ist mit einem fünften elektrischen Signal, das gemäß einer vierten Frequenz geändert wird und eine periodisch geänderte Intensität gemäß der vierten Frequenz aufweist, (e) einem zweiten Wellenlängenwähler zur Auswahl und Eingabe eines vierten Lichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, wobei der vierte Lichtstrahl auf einem Zielmeßgegenstand nach Bestrahlung des dritten Lichtstrahls erzeugt wird, ausgegeben von der zweiten Lichtsendeeinheit auf den Zielmeßgegenstand, (f) einer zweiten Lichtempfangseinheit mit einem zweiten Photodetektor zum Empfangen eines sechsten elektrischen Signals, das die photoelektrische Wandlerverstärkung steuert und eine fünfte Frequenz hat zum Empfangen des Lichtstrahls, der durch den zweiten Wellenlängenwähler übertragen wird, und Erzeugen eines siebenten elektrischen Signals, das eine Komponente enthält mit einer sechsten Frequenz gemäß einem Absolutwert einer Differenz zwischen der vierten Frequenz und der fünften Frequenz, wobei das siebente elektrische Signal ein elektrisches Signal gemäß der empfangenen Lichtintensität und der eingestellten photoelektrischen Wandlerverstärkung ist, zur Ausgabe eines achten Signals, das einen Amplitudenwert der Komponente von der sechsten Frequenz aus dem siebenten elektrischen Signal wiedergibt, und (g) einer Meßverarbeitungseinheit zur Ausgabe dese ersten elektrischen Signals zur ersten Lichtsendeeinheit, zur Ausgabe des zweiten elektrischen Signals an die erste Lichtempfangseinheit, zum Ausgeben des fünften elektrischen Signals an die zweite Lichtsendeeinheit, zur Ausgabe des sechsten elektrischen Signals an die zweite Lichtempfangseinheit und zum Erzielen von Abklingcharakteristiken des vierten Lichtstrahls aus einem ersten Meßergebnis vom vierten Signal, das von der ersten Lichtempfangseinheit ausgegeben ist, und einem zweiten Meßergebnis aus dem achten. Signal, das von der zweiten Lichtempfangseinheit ausgegeben wird, auf der Grundlage einer Phasendifferenz zwischen einer Phase einer Intensitätsänderung des zweiten Lichtstrahls, der zur ersten Lichtempfangseinheit geliefert wird, und einer Phase einer Änderung in der Stärke des vierten Lichtstrahls, der zur zweiten Lichtempfangseinheit geliefert wird.
Die Lichtempfangseinheit kann ausgestattet sein mit:
1 einer Signalliefereinheit zum Empfangen eines elektrischen Signals, zum Umsetzen des elektrischen Signals in eine vorbestimmte Ausgangsform und zum Ausgehen des elektrischen Signals, 2 dem photoleitenden Detektor mit einem elektrischen Signalanlegeanschluß zum Empfangen des elektrischen Signals, das die Signalliefereinheit abgegeben hat, um einen Lichtstrahl zu empfangen, 3 einer Umsetzverstärkungseinheit zur Ausgabe eines Spannungssignals gemäß dem elektrischen Signal, das durch den photoleitfähigen Photodetektor fließt, und mit 4 einem Frequenzwähler zum Empfangen des Spannungssignals, das die Umsetzverstärkungseinheit abgegeben hat, und Auswählen und Durchlassen eines Spannungssignals mit im wesentlichen derselben Frequenz wie diejenige gemäß dem Absolutwert einer Differenz zwischen einer Frequenz einer Änderung der Intensität des Lichtstrahls, der auf den photoleitfähigen Photodetektor fällt, und einer Frequenz vom elektrischen Signal, geliefert an die Signalliefereinheit.
Die vorbestimmte Ausgangsform ist vorzugsweise 1 ein Spannungssignal, das in einem niedrigen Ausgangsimpedanzzustand abgegeben wird, oder 2 ein Stromsignal, das in einem hohen Ausgangsimpedanzzustand abgegeben wird. Es ist weiter vorzuziehen, ein Vorspannungsregelmittel bereitzustellen, um einen Arbeitspunkt des photoleitfähigen Photodetektors einzustellen.
Der photoleitfähige Photodetektor kann dadurch gekennzeichnet sein, daß er eingerichtet ist zur Feststellung 1 eines Stromes, der eingerichtet ist, durch den photoleitfähigen Photodetektor zu fließen, wenn eine Zielmeßlichtstärke konstant ist und ein angelegter Spannungswert eine unabhängige Variable ist, repräsentativ ist für eine im wesentlichen ungradzahlige Funktion der angelegten Spannung innerhalb einer vorbestimmten Domäne, die einen angelegten Spannungswert von 0 V einschließt, 2 wenn die angelegte Spannung konstant ist und die Zielmeßlichtstärke eine unabhängige Variable ist, des Stromes, der eingerichtet ist, den photoleitfähigen Photodetektor zu durchfließen, der repräsentativ ist für eine im wesentlichen lineare Funktion einer Bestrahlungssignalstärke innerhalb einer vorbestimmten Domäne der Zielmeßlichtstärke, und 3 der photoleitfähige Photodetektor eingerichtet ist, daß ihm das Spannungssignal angelegt wird, welches periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, wobei eine Amplitude eine im wesentlichen gradzahlige Funktion der Zeit zeigt, wenn ein Mittelpunkt zwischen benachbarten Vorgängen, bei denen die Amplitude Null wird, als ein Ursprung festgelegt ist. Alternativ kann der photoleitfähige Photodetektor eingerichtet sein zur Feststellung, 1 wenn eine Zielmeßlichtstärke konstant ist und ein anliegender Stromwert eine unabhängige Variable ist, wenn ein über den photoleitfähigen Photodetektor erzeugter Spannungswert dargestellt werden kann durch eine im wesentlichen ungradzahlige Funktion des anliegenden Stromes innerhalb einer vorbestimmten Domäne, die einen anliegenden Stromwert von 0 A einschließt, 2 wenn der anliegende Strom konstant ist und die Zielmeßlichtstärke eine unabhängige Variable ist, wird der Spannungswert, der über den photoleittähigen Photodetektor dargestellt wird, repräsentiert durch eine im wesentlichen lineare Funktion einer Bestrahlungssignalstärke innerhalb einer vorbestimmten Domäne der Zielmeßlichtstärke, und 3 der photoleitfähige Photodetektor ist eingerichtet, eine Nicht- Gleichstromkomponente des Stromsignals aufzuweisen, das an ihm liegt, welches periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, wobei eine Amplitude dargestellt wird durch eine im wesentlichen gradzahlige Funktion der Zeit, wenn ein Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, wo die Amplitude der Nicht- Gleichstromkomponente Null wird, als Ursprung festgelegt ist.
Als ein derartiger photoleitfähiger Photodetektor können 1 ein Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor mit einer Struktur, bei der Gleichrichterstrecken in entgegengesetzten Richtungen verbunden sind, oder 2 ein Photodetektor mit einer Struktur, bei der Ohmsche Kontaktelektroden miteinander verbunden sind, um einander gegenüberstehen zu stehen, verwendet werden.
Das Gerät nach der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die erste Frequenz gleich der zweiten Frequenz ist und die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal bekannt ist, und die Meßvexarbeitungseinheit 1 eine Frequenzeinstelleinheit enthält zum Einstellen der ersten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands des Fixierens vom Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit auf einem Bezugswert, 2 eine Frequenzmeßeinrichtung zum Messen der ersten Frequenz, eingestellt und fixiert von der Frequenzeinstelleinheit, und 3 eine Rechenverarbeitungseinheit zum Errechnen einer ersten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Stärke des zweiten Lichtstrahls an einem Abschnitt des Photodetektors und eine Phase der Änderung in der Amplitude des ersten elektrischen Signals aus der ersten Meßfrequenz, gemessen durch die Frequenzmeßeinrichtung, nachdem der zweite Lichtstrahl vom Wellenlängenauswähler auswählbar ist, Errechnen einer zweiten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Stärke des dritten Lichtstrahls an einer Stelle des Photodetektors und einer Phase der Änderung in der Amplitude des ersten elektrischen Signals aus der zweiten Meßfrequenz, gemessen von der Frequenzmeßeinrichtung, nachdem der dritte Lichtstrahl vom. Wellenlängenauswähler auswählbar ist, und Erzielen der Abklingcharakteristiken des dritten Lichtstrahls auf der Grundlage der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz.
Das vierte Signal ist ein Spannungssignal, der Bezugswert ist 0 V, und die Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Intensität des zweiten Lichtstrahls an der Stelle des Photodetektors und der Phase der Änderung in der Amplitude vom zweiten elektrischen Signal, nachdem die erste Frequenz fixierbar ist von der Frequenzeinstelleinheit, ist die erste Meßfrequenz, und die Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Stärke des dritten Lichtstrahls an der Stelle des Photodetektors und der Phase der Änderung in der Amplitude des zweiten elektrischen Signals, wenn die erste Frequenz, fixiert von der Frequenzeinstelleinheit, die zweite Meßfrequenz ist, kann eine von π/2 und 3π/2 sein.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung kann dadurch gekennzeichnet sein, daß die erste Frequenz gleich der zweiten Frequenz ist, die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal bekannt ist, die vierte Frequenz gleich der fünften Frequenz ist, die Phasendifferenz zwischen dem fünften elektrischen Signal und dem sechsten elektrischen Signal bekannt ist, und die Meßverarbeitungseinheit ausgestattet ist mit 1 einer ersten Frequenzeinstelleinheit zum Einstellen der ersten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands zum Fixieren des Ausgangssignals aus der ersten Lichtempfangseinheit auf einen Bezugswert, 2 einer ersten Frequenzmeßeinrichtung zum Messen der ersten Frequenz, eingestellt und fixiert von der ersten Frequenzeinstelleinheit, 3 einer zweiten Frequenzeinstelleinheit zum Einstellen der vierten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands zum Fixieren des Ausgangssignals aus der zweiten Lichtempfangseinheit auf einem Bezugswert, 3 einer zweiten Frequenzmeßeinrichtung zum Messen der vierten Frequenz, eingestellt und fixiert von der zweiten Frequenzeinstelleinheit, und 5 einer Rechenverarbeitungseinheit zum Errechnen einer ersten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase einer Änderung der Stärke des zweiten Lichtstrahls an einer Stelle des ersten Photodetektors und einer Phase einer Änderung in der Amplitude des ersten elektrischen Signals aus der ersten Meßfrequenz, gemessen von der ersten Frequenzmeßeinrichtung, Errechnen einer zweiten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Stärke des vierten Lichtstrahls an einer Stelle des zweiten Photodetektors und eine Phase der Änderung in der Amplitude des fünften elektrischen Signals aus einer zweiten Meßfrequenz, gemessen von der zweiten Frequenzmeßeinrichtung, und Erzielen der Abklingcharakteristiken vom vierten Lichtstrahl auf der Grundlage der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz.
Vorzugsweise sind das vierte elektrische Signal und das achte elektrische Signal Spannungssignale, der Bezugswert ist 0 V, und die Differenz zwischen der Phase der Änderung der Stärke des Lichtstrahls an der Stelle des ersten Photoleiters und der Phase der Änderung der Amplitude des zweiten elektrischen Signals, nachdem die erste Frequenz fixierbar ist von der ersten Frequenzeinstelleinheit, die erste Meßfrequenz ist, und die Differenz zwischen der Phase der Änderung der Stärke vom vierten Lichtstrahl an der Stelle des zweiten Photodetektors und der Phase der Änderung in der Amplitude vom sechsten elektrischen Signal, nachdem die vierte Frequenz fixierbar ist von der zweiten Frequenzeinstelleinheit, die zweite Meßfrequenz ist, kann entweder π/2 oder 3π/2 sein.
Die erste Frequenz kann unterschiedlich sein von der zweiten Frequenz, und die Meßverarbeitungseinheit kann die Abklingcharakteristiken des dritten Lichtstrahls auf der Grundlage der Meßwerte von einer Amplitude und der Phase vom vierten Signal errechnen.
In der Vorrichtung zur Messung der Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung bestimmt die Meßverarbeitungseinheit den Wellenlängenwähler zur Auswahl und Ausgabe eines Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge (Wellenlänge erregten Lichts) oder der zweiten Wellenlänge (Wellenlänge als Reaktionslicht, wie Fluoreszenz). Für die Beschreibung wird angenommen, daß der Lichtstrahl mit der ersten Wellenlänge ausgewählt wird. Die Meßverarbeitungseinheit ist dann eingerichtet das erste elektrische Signal zur Lichtsendeeinheit zu senden und das zweite elektrische Signal an die Lichtempfangseinheit vor oder nach dieser Auswahl zu senden.
Nach Empfang des ersten elektrischen Signals kann die Lichtsendeeinheit einen Lichtstrahl abgeben mit der ersten Wellenlänge und einer Stärke gemäß einer Änderung in der Amplitude des ersten elektrischen Signals, das heißt, der erste Lichtstrahl mit der ersten Wellenlänge und intensitätsmoduliert mit dem ersten elektrischen Signal auf den Zielmeßgegenstand als einen Erregungslichtstrahl. Der Erregungslichtstrahl, den die Lichtsendeeinheit abgibt, strahlt auf den Zielmeßgegenstand. Der dritte Lichtstrahl als Reaktionslichtstrahl, wie Fluoreszenz, mit der zweiten Wellenlänge ist eingerichtet, erzeugt zu werden durch eine Interaktion zwischen dem bestrahlten Erregerlichtstrahl, und das Material des Zielmeßgegenstands wird erzeugt und ausgegeben vom Zielmeßgegenstand. Ein Teil des Erregerlichtstrahls wird gestreut auf den Zielmeßgegenstand. Der zweite Lichtstrahl als gestreuter Lichtstrahl auf den Zielmeßgegenstand und der dritte Lichtstrahl werden an den Wellenlängenwähler geliefert.
Nach Empfang des zweiten elektrischen Signals legt die Lichtempfangseinheit andererseits ein elektrisches Signal an, das eine Änderung im zweiten elektrischen Signal wiedergibt, an den Photodetektor. Als Photodetektor wird ein Element verwendet, dessen photoleitfähige Wandlereffizienz sich gemäß dem Wert des angelegten Signals ändert. In diesem Zustand empfängt der Photodetektor den Lichtstrahl mit der ersten Wellenlänge, ausgewählt vom Wellenlängenwähler. Da das elektrische Signal, das die Änderung im zweiten elektrischen Signal wiedergibt, am Photodetektor anliegt, errechnet der Photodetektor aktuell das Produkt aus der Stärke des Lichtstrahls mit der ersten Wellenlänge und der Amplitude des zweiten elektrischen Signals. Folglich enthält eine Änderung im elektrischen Signal, erzeugt im Photodetektor, Komponenten der Summe und der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz. Die Lichtempfangseinheit setzt das dritte elektrische Signal um (das heißt, ein Stromsignal), das im Photodetektor erzeugt ist, in ein elektrisches Signal, das eine Änderung mit der Zeit im dritten elektrischen Signal wiedergibt (das heißt, ein Spannungssignal), und wählt danach das vierte elektrische Signal aus und gibt es ab, das nur die Komponente der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz enthält. Genauer gesagt, in der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung wird die Verarbeitung eines Signals mit einer hohen Frequenz vom Photodetektor ausgeführt. Das Signal wird umgesetzt in ein Signal in eine Frequenzzone, die elektrisch leicht gehandhabt werden kann, und wird danach verstärkt, wodurch die Messung ausgeführt ist.
Das vierte Signal, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit, wird gesammelt/gemessen von der Meßverarbeitungseinheit. Wie zuvor beschrieben, enthält das vierte Signal nur die Komponente der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz und trägt auch die Stärkenänderungsinformation des empfangenen zweiten Lichtstrahls. Wenn folglich ein Signal mit einer niedrigen Frequenz als die Frequenz der Änderung in der Stärke des zweiten Lichtstrahls und elektrisch leicht handzuhabend elektrisch verarbeitet wird, das heißt verstärkt wird, wird die Stärkenänderungsinformation vom zweiten Lichtstrahl gewonnen. Die Meßverarbeitungseinheit empfängt das vierte Signal und zeichnet von diesem den charakteristischen Wert auf.
Wenn die erste Frequenz gleich der zweiten Frequenz ist, enthält das vierte Signal nur die Gleichstromkomponente, und der Wert der Gleichstromkomponente gibt die Phasendifferenz zwischen dem ersten Lichtstrahl und dem zweiten elektrischen Signal wieder. In diesem Falle gewinnt die Meßverarbeitungseinheit die Phasendifferenz zwischen dem zweiten Lichtstrahl und dem zweiten elektrischen Signal aus dem Wert des vierten Signals oder des ersten Frequenzwerts, und zeichnet die Phasendifferenz auf.
Die Meßverarbeitungseinheit veranlaßt den Wellenlängenwähler zur Auswahl und Ausgabe eines Lichtstrahls mit der zweiten Wellenlänge. Die Meßverarbeitungseinheit sendet das erste elektrische Signal an die Lichtsendeeinheit und das zweite elektrische Signal an die Lichtempfangseinheit vor und nach dieser Auswahl. Wie zuvor beschrieben, ist der charakteristische Wert des vierten Signals mit dem dritten Lichtstrahl assoziiert (das heißt Reaktionslichtstrahl) und wird von der Meßverarbeitungseinheit aufgezeichnet.
Gemäß der gewonnenen Differenz zwischen dem charakteristischen Wert, der zum Streulichtstrahl gehört, und demjenigen, der zum Reaktionslichtstrahls gehört, errechnet die Meßverarbeitungseinheit die Abklingcharakteristiken, wie die Fluoreszenzlebensdauer des Reaktionslichtstrahls.
In der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein photoleitfähiger Photodetektor als Photodetektor verwendet, und das zweite elektrische Signal wird an den Signallieferanschluß des photoleitfähigen Photodetektors als elektrisches Modulationssignal geliefert. Als eine Form eines derartigen elektrischen Modulationssignals kann ein in einem niedrigen Ausgangsimpedanzzustand abgegebenes Spannungssignal oder ein in einem Hochimpedanzzustand abgegebenes Stromsignal verwendet werden. Wenn der photoleitfähige Photodetektor angewandt wird, erfolgt die Auswahl eines elektrischen Signals, in dem die Nicht-Gleichstromkomponente des elektrischen Signals, geliefert an den photoleitfähigen Photodetektor, periodisch ist, der zeitliche Durchschnittswert im wesentlichen Null ist, und die Amplitude im wesentlichen eine gradzahlige Funktion der Zeit, wenn der Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, bei denen die Amplitude Null wird, als ein Ursprung festgelegt ist. Zur selben Zeit wird der Vorspannwert des angelegten elektrischen Signals eingestellt. In diesem Falle wird die Gleichstromkomponente vom Hintergrundlicht beseitigt, und die Wechselstromkomponente des Hintergrundlichts, die sich in der Frequenz vom Modulationsspannungssignal unterscheidet, wird ebenfalls herabgesetzt, wodurch die Messung ausgeführt wird.
Im Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Messung des charakteristischen Wertes, der zum Streulichtstrahl gehört, und die Messung des charakteristischen Wertes, der zum Reaktionslichtstrahl gehört, gleichzeitig ausgeführt. Selbst wenn im Ergebnis der Abstand von der Lichtsendeeinheit oder der Lichtempfangseinheit zum Zielmeßgegenstand zur Änderung neigt, können die Abklingcharakteristiken genau gemessen werden.
Die Auflösungsleistung der Abklingzeit gemäß dem herkömmlichen Phasendifferenzverfahren ist beschränkt auf 1/1000 der Modulationsperiode wegen der Fluktuation der Stärke vom empfangenen Lichtstrahl beim Lesen der Phasendifferenz zwischen dem Erregerlichtstrahl und der Fluoreszenz. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird andererseits die Phasendifferenzinformation umgesetzt in eine Frequenz und gelesen, die Phasendifferenzfeststellung wird direkt ausgeführt durch den photoleitfähigen Photodetektor, und die Phasendifferenz zwischen der Spannung, die am Photodetektor anliegt, und dem intensitätsmodulierten Lichtstrahl, der auf den Photodetektor auftritt, ist feststehend, beispielsweise mit π/2 bis 3π/2 durch ein phasenverriegeltes System (PLL-System). Ein System, das nicht durch abrupte Änderungen der Stärke des einfallenden Lichts beeinflußt wird, kann folglich gebildet werden, und die Phasenauflösungsleistung ist nicht auf 1/1000 der Periode beschränkt.
In einem normalen System zum Ausführen eines Phasenvergleichs zwischen elektrischen Signalen ist ein Verstärker mit einer Bandbreite bis hoch zur Modulationsfrequenz erforderlich. Ein System zum direkten Ausführen des Phasenvergleichs zwischen einfallendem Licht und einem elektrischen Signal, wie bei der vorliegenden Erfindung, erfordert nur einen Verstärker mit einem Niederfrequenzband, der als ein Schleifenfilter in einer PLL Verwendung findet. Folglich kann ein einfacher Schaltungsaufbau erzielt werden. Gemäß dem System zum Umsetzen der Phasendifferenzinformation in eine Frequenz und Auslesen der Information ist darüber hinaus die Auflösungsleistung beschränkt durch die Genauigkeit des Frequenzzählers. Aus diesem Grund kann die Messung mit einer hohen Auflösungsleistung ausgeführt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die vorliegende Erfindung ist nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung lediglich zur Veranschaulichung beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Lichtempfangseinheit vom ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 3 bis 6 sind Graphen, die die Charakteristiken vom photoleitfähigen Photodetektor zeigen, die im ersten Ausführungsbeispiel verwendbar sind;
Fig. 7 bis 9 sind Graphen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Lichtempfangseinheit vom ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 10 bis 13 sind Diagramme zur Erläuterung von Modulationssignalen, die an den photoleitfähigen Photodetektor im ersten Ausführungsbeispiel geliefert werden;
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer weiteren Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer noch anderen Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer noch anderen Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 18 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer noch anderen Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 19 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer noch anderen Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer noch anderen Abwandlung der Lichtempfangseinheit zeigt;
Fig. 21 ist ein Schaltbild, das die Anordnung eines Schleifenfilters zeigt;
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des ersten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 23 und 24 sind Ansichten zur Erläuterung der Verriegelungsbedingung von der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 25 und 26 sind Ansichten zur Erläuterung der Verriegelungsbedingung von der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des ersten Ausführungsbeispiels;
Fig. 27 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen einer Verriegelungsfrequenz und einer Lebensdauer zeigt;
Fig. 28 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des zweiten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 29 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Lichtempfangseinheit vom zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 30 ist ein Blockdiagramm, das eine andere Anordnung der Lichtempfangseinheit vom zweiten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 31 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des dritten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 32 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Lichtempfangseinheit vom dritten Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 33 ist ein Graph zur Erläuterung der Arbeitsweise vom dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 34 ist ein Graph zur Erläuterung einer anderen Arbeitsweise vom dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 35 ist ein Graph zur Erläuterung einer noch anderen Arbeitsweise vom dritten Ausführungsbeispiel;
Fig. 36 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des vierten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 37 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messen einer Abklingcharakteristik des fünften Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 38 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des sechsten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 39 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik des siebten Ausführungsbeispiels zeigt;
Fig. 40 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Lichtempfangseinheit vom siebten Ausführungsbeispiel zeigt; und
Fig. 41 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik vom achten Ausführungsbeispiel zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGBEISPIELE

Eine Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. Dieselben Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren dieselben Elemente, und eine wiederholte Beschreibung derselben ist fortgelassen.

(Erstes Ausführungsbeispiel)

In diesem Ausführungsbeispiel ist die Intensitätsmodulationsfrequenz des Erregerlichtstrahls gleich der Frequenz eines Steuersignals für die photoelektrische Wandlereffizienz eines Photodetektors. Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels ist vor einer detaillierten Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels erläutert.
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik von diesem Ausführungsbeispiel zeigt. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt dieses Gerät (a) eine Lichtsendeeinheit 100, (b) einen Wellenlängenwähler 200, (c) eine Lichtempfangseinheit 300, (d) eine Frequenzeinstelleinheit 400, (e) einen Frequenzzähler 500 und (f) eine Verarbeitungseinheit 600. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt ein Modulationssignal VM(t) von außen und gibt einen Erregerlichtstrahl IEX(t) mit einer Wellenlänge gleich λ&sub1;, die intensitätsmoduliert ist mit dem Modulationssignal VM(t), auf einen Zielmeßgegenstand 900 ab. Der Wellenlängenwähler 200 empfängt einen Reaktionslichtstrahl IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) mit einer Wellenlänge = λ&sub2;, die auf dem Zielmeßgegenstand 900 erzeugt wird, wenn der Erregerlichtstrahl IEX(t), abgegeben von der Lichtsendeeinheit 100, auf den Zielmeßgegenstand 900 strahlt, wenn ein Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;), gewonnen nach Streuen des Erregerlichtstrahls IEX(t) auf den Zielmeßgegenstand 900, und wählt eines der Lichtstrahlen gemäß einer Bestimmung aus der Verarbeitungseinheit 600 aus und gibt dies ab. Die Lichtempfangseinheit 300 empfängt das Modulationssignal VM(t) und den Lichtstrahl aus dem Wellenlängenwähler 200, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichtstrahls (IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) oder IRF (t + Φ&sub1;)) und dem Modulationssignal VM(t) und gibt danach ein Spannungssignal ab, das fast nur eine Gleichstromkomponente enthält. Die Frequenzeinstelleinheit 400 gibt ein Modulationssignal mit einer Frequenz ab, die der Spannungsdifferenz vom Fastgleichstrom- Spannungssignal aus der Lichtempfangseinheit 300 entspricht. Der Frequenzzähler 500 mißt die Frequenz des Modulationssignals aus der Frequenzeinstelleinheit 400. Die Verarbeitungseinheit 600 gibt ein Wellenlängenauswahl-Bestimmungssignal zum Bestimmen der ausgewählten Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) an den Wellenlängenwähler 200 ab. Zur selben Zeit Liest die Verarbeitungseinheit 600 einen Frequenzwert f1 aus dem Frequenzzähler 500, wenn der Spannungswert des Gleichspannungssignals, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, fast "0 V" wird, nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub1;. Eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen dem Modulationssignal VM(t) und dem Streulichtsignal IRF(t + Φ&sub1;) wird aus dem gelesenen Frequenzwert f1 gewonnen. Die Verarbeitungseinheit 600 liest einen Frequenzwert f2 aus dem Frequenzzähler 500, wenn der Spannungswert des Gleichspannungssignals, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, fast "0 V" wird, nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub2;. Eine Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;) zwischen dem Modulationssignal VM(t) und dem Reaktionslichtstrahl IRc(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) wird aus dem gelesenen Frequenzwert f2 gewonnen. Die Verarbeitungseinheit 600 erzielt die Abklingcharakteristik des Reaktionslichtstrahls gemäß den beiden Phasendifferenzen, das heißt Φ&sub2;.
Die Frequenzeinstelleinheit 400 enthält 1 einen Fehlerverstärker 402, 2 ein Schleifenfilter 401 und 3 einen spannungsgesteuerten Oszillator 403. Der Fehlerverstärker 402 empfängt das Gleichspannungssignal aus der Lichtempfangseinheit 300, verstärkt die Differenz in Hinsicht auf eine Bezugsspannung Vr und gibt ein Signal ab. Das Schleifenfilter 401 empfängt das Ausgangssignal aus dem Fehlerverstärker 402 und läßt nur die Fastgleichstromkomponente durch. Der spannungsgesteuerte Oszillator 403 gibt ein Modulationssignal ab mit einer Frequenz gemäß dem Spannungswert des Gleichspannungssignals, das vom Schleifenfilter 401 kommt.
Die Lichtsendeeinheit 100, der Wellenlängenwähler 200, die Lichtempfangseinheit 300 und die Frequenzeinstelleinheit 400 bilden ein Verriegelungssystem 800, das eine verriegelte Schleife bildet.
Nachstehend beschrieben ist das Prinzip der Abklingcharakteristikmessung von dieser Vorrichtung.
Der Fehlerverstärker 402 empfängt das Gleichspannungssignal durch den Eingangsanschluß, gibt eine Spannung (V&sub1; = G·(Vd - Vr)) ab mit einem Wert gemäß der verstärkten Differenz zwischen einem Gleichspannungswert (Vd) und dem Bezugsspannungswert (Vr) und liefert die Steuerspannung an den spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 403 durch das Schleifenfilter 401. Der spannungsgesteuerte Oszillator 403 schwingt auf einer Frequenz gemäß dem angelieferten Steuerspannungswert. Ein Spannungssignal VM1(t), ausgegeben vom spannungsgesteuerten Oszillator 403, wird zur Lichtsendeeinheit 100 geliefert. Die Lichtsendeeinheit 100 hat eine Lichtquelle, wie beispielsweise eine Laserdiode (LD). Die Lichtsendeeinheit 100 moduliert die Stärke eines Ausgangslichtstrahls aus der Lichtquelle gemäß dem Spannungssignal aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 403 und gibt den Lichtstrahl an den Zielmeßgegenstand 900 als Erregerlichtstrahl IEX(t) ab. Der gestreute und Reaktionslichtstrahl auf dem Zielmeßgegenstand 900 werden empfangen von der Lichtempfangseinheit 300 durch den Wellenlängenwähler 200. Der Wellenlängenwähler 200 ist gebildet aus einem Wellenlängenauswahlelement, wie einem Spektroskop, einem Interferenzfilter und einem dichroitischen Spiegel. Der Wellenlängenwähler 200 trennt die Streukomponente und die Fluoreszenz vom Erregerlichtstrahl voneinander, wählt eine dieser Komponenten aus und läßt sie durch. Das Modulationssignal, ausgegeben vom spannungsgesteuerten Oszillator 403, wird gleichzeitig von der Lichtempfangseinheit 300 empfangen. Die Lichtempfangseinheit 300 errechnet die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Lichtstrahl und dem Modulationssignal, setzt das Phasendifferenzsignal um in den zeitgemittelten Spannungswert und gibt den Spannungswert ab. Dieser zeitgemittelte Spannungswert wird geliefert an den Eingangsanschluß vom Fehlerverstärker 402. Der Frequenzzähler 500 stellt die Frequenz des Modulationssignals fest, das vom spannungsgesteuerten Oszillator 403 kommt. Angemerkt sei, daß der Frequenzzähler 500 ersetzt werden kann durch eine beliebige andere Einrichtung zum Messen einer Frequenz. Beispielsweise können ebenfalls verwendet werden eine Kombination eines Frequenz-/Spannungswandlers (F/V-Wandler) und eines Voltmeters, eine Kombination aus einem Ratemeter zur Ausgabe einer Spannung, die der Wiederholperiode eines Impulses proportional ist, und einem Voltmeter oder ein Frequenzdiskriminator, verwendbar für einen FM-Detektor.
Die Lichtempfangseinheit 300 multipliziert die empfangene optische Wellenform direkt mit der Wellenform des empfangenen elektrischen Signals und gibt die Niederfrequenzkomponente des Multiplikationsergebnisses als einen Spannungswert ab. Fig. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung 1 von der Lichtempfangseinheit zum Realisieren dieser Funktion zeigt. Die Lichtempfangseinheit 300 ist aufgebaut aus 1 einem photoleitfähigen Photodetektor 310, 2 einer Spannungsanlegeeinheit 361, 3 Drosselspulen L11 und L21, 4 einem Strom-zu-Spannungs-Wandler 320, 5 einem Tiefpaßfilter 330 und 6 einem Vorspannungsregler 340. Der photoleitfähige Photodetektor 310 empfängt ein optisches Signal (II) und ein Spannungssignal (VI) und errechnet das Produkt des optischen Signals mit dem Spannungssignal, wodurch ein Stromsignal ausgegeben wird, das die Phasendifferenz zwischen dem Empfangslichtstrahl und dem Modulationssignal wiedergibt. Die Spannungsanlegeeinheit 361 ist aufgebaut durch Verbinden von Kondensatoren C1 und C2 zum Anlegen eines Spannungssignals gemäß der Wechselstromkomponente des Spannungssignals an den photoleitfähigen Photodetektor 310. Die Drosselspulen L11 und L21 lassen die Gleichstromkomponente des Stromes durch, erzeugt im photoleitfähigen Photodetektor 310. Der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 setzt die Wechselstromkomponente des Stromsignals um, der durch die Drosselspule L11 fließt, den photoleittähigen Photodetektor 310 und die Drosselspule L21 in eine Spannung. Das Tiefpaßfilter 330 errechnet die Durchschnittszeit des Spannungssignals, das vom Strom-zu-Spannung-Wandler 320 kommt und gibt das Rechenergebnis ab. Der Vorspannungsregler 340 stellt den Vorspannungswert der Spannung ein, die an den photoleitfähigen Photodetektor 310 anzulegen ist.
Der photoleitfähige Photodetektor 310 ist aufgebaut aus einem Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor (MSM-Photodetektor) unter Verwendung von GaAs als Halbleitermaterial. Dieser photoleitfähige Photodetektor 310 hat Charakteristiken, die darstellen, daß wenn die Lichtbestrahlungsmenge konstant ist und der angelegte Spannungswert eine unabhängige Variable ist, die zeigt die Strommenge, die durch den photoleitfähigen Photodetektor fließt, eine ungeradzahlige Funktion der angelegten Spannung in einer vorbestimmten Domäne, die einen angelegten Spannungswert von 0 V einschließt, und Charakteristiken, die darstellen, daß wenn die angelegte Spannung konstant ist und die einfallende Lichtmenge eine unabhängige Variable ist, der durch den photoleitfähigen Photodetektor fließende Strom eine fast lineare Funktion der einfallenden Lichtmenge zeigt. Fig. 3 bis 6 sind Graphen, die die Charakteristiken des photoleitfähigen Photodetektors 310 zeigen, der im Phasendifferenzdetektor dieses Ausführungsbeispiels verwendbar ist. Im allgemeinen zeigt ein photoleitfähiger Detektor lineare Ausgangsstromkennlinien in Hinsicht auf eine angelegte Spannung, wenn die einfallende Lichtmenge konstant ist, wie in Fig. 3 gezeigt. In Hinsicht auf eine positive/negative angelegte Spannung hat der Strom einen Wert, der einem Absolutwert gemäß der Spannung gleicht und kann angesehen werden als linearer reiner Widerstand. Wenn die angelegte Spannung konstant ist, können die Ausgangsstromkennlinien in Hinsicht auf das einfallende Licht dargestellt werden durch eine gerade Linie, wie in Fig. 6 gezeigt. Ein MSM als ein photoleitfähiger Hochgeschwindigkeitsdetektor zeigt manchmal nicht lineare Stromkennlinien in Hinsicht auf eine angelegte Spannung, wie in Fig. 4 oder in Fig. 5 gezeigt. Auch in diesem Falle kann der Detektor verwendet werden als photoleitfähiger Photodetektor dieses Ausführungsbeispiels, sofern die Stromkennlinien einen Wert darstellen, der dem Absolutwert gleich ist in Hinsicht auf eine angelegte positive/negative Spannung. Es wird angenommen, daß die Kennlinien unterschiedliche Absolutwerte darstellen in Hinsicht auf eine angelegte positive/negative Spannung, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 3 aufgezeigt. Sofern das Absolutwertverhältnis eines positiven Stromes in diesem Falle zu einem negativen Strom innerhalb eines Bereichs einer angelegten Spannung an den MSM konstant gehalten wird, kann dieser Detektor auch angewandt werden in diesem Ausführungsbeispiel, in dem eine Gleichstrom-Offsetspannung, der an den MSM angelegten Wechselspannung hinzugefügt wird.
Der photoleitfähige Photodetektor 310 kann auch hergestellt werden unter Verwendung eines einkristallinen Siliziums, InP, amorphen Siliziums oder dergleichen. Eine CdS-Zelle oder ein MCT-Detektor (HgCdTe-Detektor) mit einer Empfindlichkeit in einem Infrarotbereich mit einer Wellenlänge von 2 bis 17 um kann auch verwendet werden, obwohl sie nicht zum Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet sind. Der MSM-Detektor hat einen sehr einfachen Aufbau, wobei kammförmige Elektroden auf einem Wafer gebildet sind. Wegen dessen kleiner Streukapazität sind die Frequenzansprecheigenschaften in Hinsicht auf die Größe einer Lichtempfangsoberfläche hervorragender als jene einer PIN- Photodiode, wie sie im allgemeinen bei typischen Hochgeschwindigkeitsdetektoren Anwendung findet. Aus diesem Grund kann ein Photodetektor mit hoher Empfindlichkeit und hervorragenden Frequenzeigenschaften leicht hergestellt werden. Da darüber hinaus der Dunkelstrom minimiert werden kann aufgrund der Anordnung, läßt sich ein hoher Störabstand realisieren.
Eine Lawinenphotodiode (APD) ist auch verfügbar als ein Photodetektor. In diesem Falle kann die Abhängigkeit der APD- Verstärkerkennlinien bezüglich der Spannung verwendet werden, um eine Verstärkungsmodulation auszuführen, wodurch eine Lichtempfangseinheit mit Phasendifferenz-Nachweiseigenschaften erreicht wird. Da jedoch dieser Photodetektor nicht verwendet werden kann während er mit symmetrischen positiven/negativen Spannungen betrieben wird, enthält das Phasendifferenzausgangssignal eine Gleichstrom-Offsetspannung, die abhängig ist von der einfallenden Lichtmenge, was zu einer komplexen Handhabung führt. Darüber hinaus kann das Ausgangssignal in Hinsicht auf Hintergrundlicht nicht beseitigt werden. Aus diesem Grund muß in einer Meßumgebung mit starkem Hintergrundlicht ein Einfallslichtmengen-Einstellmechanismus unter Verwendung eines variablen ND-Filters in Hinsicht auf die Sättigung des Detektors ausgelegt werden, und im Detektor und in der ersten Verstärkerstufe, was zu einem komplexen System führt.
Mit dem zuvor beschriebenen photoleitfähigen Photodetektor, wie einem MSM, dem symmetrische positive/negative Spannungen zugeführt werden können, muß andererseits die Sättigung des Verstärkers der ersten Stufe nicht berücksichtigt werden, selbst wenn starkes Hintergrundlicht eintrifft, so daß ein System leicht hergestellt werden kann.
Der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 ist aufgebaut aus einem Operationsverstärker A2 und einem Widerstand R2. Ein empfangenes Wechselstromsignal wird umgesetzt in eine Spannung vom Widerstand R2, und ein Spannungssignal wird abgegeben.
Das Tiefpaßfilter 330 ist aufgebaut aus einem Operationsverstärker A1, einem Kondensator C4 und einem Widerstand R1. Das Tiefpaßfilter 330 integriert ein empfangenes Spannungssignal mit einer Zeitkonstanten, die sich bestimmt aus dem Produkt des Kapazitätswertes vom Kondensator C4 und dem Widerstandswert des Widerstands A1, um einen zeitlichen Durchschnittswert zu errechnen, wodurch eine fast Gleichspannung gemäß der Phasendifferenz abgegebenen wird.
Der Vorspannungsregler 340 ist aufgebaut aus einem variablen Widerstand VR1 zum Einstellen des Vorspannungswertes und Gleichspannung liefert E1 und E2, verbunden mit den Anschlüssen des variablen Widerstands VR1 und miteinander in Serie geschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen den Gleichstromlieferungen E1 und E2 wird auf Massepotential gesetzt.
Die Vorspannung der Lichtempfangseinheit 300 wird geregelt durch den variablen Widerstand VR1, so daß das Ausgangssignal "0 V" wird, wenn unmoduliertes Licht empfangen wird. Wenn in diesem Falle die Fluktuation von Luft vernachlässigt wird, werden eine Wechselstromkomponente IRV(t) eines empfangenen Lichtstrahls (Gleichstromkomponente = I&sub0;) als ein Eingangssignal zur Lichtempfangseinheit und ein Modulationssignal VM2(t) durch folgende Gleichungen dargestellt:
IRV(t) = IRV0 sin(ωt - Φ) (1)
wobei
IRV0: Intensitätsamplitude (Modulationskomponente vom gestreuten modulierten Licht
ω: Modulationsfrequenz
Φ: Phasendifferenz zwischen empfangenem Licht und Modulationssignal ist, und es gilt
VM(t) = VM0sin(Φt) (2)
wobei VM0: die Spannungsamplitude vom Modulationssignal ist.
Ein Strom iDT(t), der durch den photoleitfähigen Photodetektor 310 fließt, wird folgendermaßen dargestellt:
iDT(t) = IRV(t)·VM(t) = K&sub1;·sin(ωt - Φ)·sin(ωt) = K&sub2;·(cos(2ωt - Φ) + cosΦ) (3)
wobei Ki: eine Konstante (i = 1, 2) ist.
Der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 setzt das Stromsignal iDT(t) in ein Spannungssignal VAC(t) um, dargestellt durch die folgende Gleichung und gibt das Spannungssignal VAC(t) ab:
VAC(t) = K&sub3;·iDT(t) = K&sub4;·(cos(2ωt - Φ) + cosΦ) (4)
Der zeitliche Durchschnittswert des Spannungssignals VAC(t) wird gewonnen durch das Tiefpaßfilter 330, und ein Spannungswert, dargestellt durch die folgende Gleichung, wird aus dem Tiefpaßfilter 330 abgegeben:
VDC(t) = VDC = K&sub5;·cosΦ (5)
Fig. 7 bis 9 sind Graphen, die jeweils die Beziehung zwischen der Phasendifferenz (43) in Gleichung (1) und der Ausgangsspannung (VDE) zeigen, um so die Arbeitsweise der Lichtempfangseinheit zu erläutern. Fig. 7 zeigt einen Fall, bei dem die Phasendifferenz null ist (+2nπ; n = ganze Zahl), Fig. 8 zeigt einen Fall, bei dem die Phasendifferenz gleich π/2 ist (+ nπ; n = ganze Zahl), und Fig. 9 zeigt einen Fall, bei dem die Phasendifferenz gleich n ist (+2nπ; n = ganze Zahl).
Wenn der Eingangswert am Bezugsspannungsanschluß des Fehlerverstärkers 402 gleich "0 V" ist, wird folglich ein Ausgangsspannungswert VI aus dem Fehlerverstärker 402 folgendermaßen dargestellt:
VI = G·VDC = G·K&sub5;·cosΦ (6)
wobei G die Verstärkung vom Fehlerverstärker ist.
Das heißt,
cosΦ = VI/(G·K&sub5;) (7)
Wenn der Fehlerverstärker 402 eine hinreichende Verstärkung aufweist (das heißt, der Wert G ist hinreichend groß), wird eine phasenverriegelte Schleife (PLL) für stetiges Aufrechterhalten der Phasendifferenz zwischen dem gestreuten modulierten Licht und dem Modulationssignal auf fast π/2 gebildet (+nπ; n = ganze Zahl).
Selbst wenn der Verriegelungsbedingung der Phasenverriegelungsschleife genügt ist, wird der Modulationsfrequenzwert nicht einheitlich bestimmt. Wenn der Schwingungsfrequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators 403 eingestellt wird, eine Periode 4/3 einer Verzögerungszeit (L/c) der Zweiwegentfernung im voraus zu enthalten, und die Anfangsmodulationsfrequenz ist hinreichend niedrig, wird die Phasendifferenz exakt eingestellt auf π/2 bei einem vorbestimmten Frequenzwert des spannungsgesteuerten Oszillators 403.
Wenn die Sendewellenlänge eingestellt wird auf die Wellenlänge λ&sub1; des Streuerregungs-Lichtstrahls durch den Wellenlängenwähler, läßt sich die Schwangungsfrequenz f&sub1;, die der obigen Verriegelungsbedingung genügt, angeben durch die folgende Gleichung:
1/f&sub1; = (4/3)(Td + L/C) (8)
wobei Td die Summe der Gruppenverzögerungszeit in der Lichtsendeeinheit ist und die Gruppenverzögerungszeit in der Lichtempfangseinheit.
Wenn die Sendewellenlänge eingestellt wird auf die Wellenlänge λ&sub2; des Reaktionslichtstrahls durch den Wellenlängenwähler, kann die Schwingungsfrequenz f&sub2;, die der obigen Verriegelungsbedingung genügt, durch folgende Gleichung angegeben werden:
1/f&sub2; = (4/3)(Td + (L/c) + (1/f&sub2;)(Φ&sub2;/2π)) (9)
wobei Φ&sub2; eine Phasenverzögerung in Hinsicht auf den Streuerregungslichtstrahl ist. Gemäß Gleichungen (8) und (9) wird Φ&sub2; folgendermaßen gewonnen:
Φ&sub2; = 2π(3/4) (1 - f&sub2;/f&sub1;)) (17)
Wenn die Abklingcharakteristiken angenähert werden können durch eine einfache logarithmische Funktion, ist es bekannt, daß eine Phasenverzögerung ΦD eines Abklingsignal-Lichtstrahls in Hinsicht auf den Erregerlichtstrahl durch folgende Gleichung angegeben werden kann:
ΦD = tan&supmin;¹ωτ (10)
wobei ω: die Winkelfrequenz und
τ: die Abklingkonstante (Lebensdauer) ist.
(F.W.J. Teale: Time-Resolved Spectroscopy in Biochemistry and Biology, NATO ASI Series, Life Sciences, Band 69, Seiten 59-80). Folglich kann die Lebensdauer τ, die die Abklingcharakteristiken des Abklinglichtstrahls darstellen, folgendermaßen angegeben werden:
τ = tanΦ&sub2;/(2πf&sub2;) (11)
Fig. 10 bis Φ13 sind Graphen zur Erläuterung von Modulationssignalen. In der obigen Beschreibung wird eine Sinuswelle verwendet, die in Fig. 10 gezeigt ist, als ein Modulationssignal. Im Zeitamplituden-Koordinatensystem zeigt die Wellenform des Modulationssignals 1 eine periodische Funktion mit einer vorbestimmten Periode, 2 einen zeitgemittelten Amplitudenwert von "0" und 3 einen Ausgangswert von "0 V" aus der Lichtempfangseinheit 300, wenn die Phasendifferenz 1/4 der Periode wird, wie im obigen Beispiel, unter der Annahme, daß eine Zeit an einem Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, bei denen die Amplitude null wird, als der Ursprung festgelegt ist, und die Amplitude stellt eine geradzahlige Funktion der Zeit dar. Genauer gesagt, eine Dreieckswelle in Fig. 11, eine Trapezwelle in Fig. 12 oder eine Rechteckwelle in Fig. 13 sind verwendbar.
Für die Lichtempfangseinheit 300 mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung kann die phasenverriegelte Schleife ebenfalls vereinfacht gebildet werden, selbst wenn das Modulationssignal- Anlegeverfahren geändert wird, das heißt, eine Spannungsanlegeeinheit 362, wie sie in Fig. 14 gezeigt ist, oder eine Spannungsanlegeeinheit 363, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, kommt zum Einsatz. Wenn nur eine Gleichspannung erforderlich ist als Ausgangssignal, kann ein Strom-zu-Spannung-Wandler 350, gebildet durch Integrieren des Strom-zu-Spannung-Wandlers 320 mit dem Tiefpaßfilter 330 verwendet werden, wie in Fig. 16 gezeigt. Gemäß einer Abwandlung der Lichtempfangseinheit 300 von der in Fig. 2 gezeigten Anordnung zu der in Fig. 14 oder 15 gezeigten kann die Anordnung der Lichtempfangseinheit in Fig. 16 modifiziert werden in diejenige in Fig. 17 oder in Fig. 18.
Die obige Schaltungsanordnung ist vorzugsweise für den photoleitfähigen Photodetektor 310, der beispielsweise besteht aus einem MSM unter Verwendung von GaAs mit befriedigenden Übergangsansprechvermögen. Wenn ein photoleitfähiger Photodetektor 315 unter Verwendung von CdS oder PbS als Lichtempfangsmaterial mit dem unzureichenden Übergangsansprechvermögen verwendet wird, ist jedoch eine Schaltungsanordnung vorzuziehen, wie sie in Fig. 19 gezeigt ist. In diesem Falle kann die Anordnung realisiert werden ohne irgendeine Spannungsanlegeeinheit.
Einige photoleitfähige Photodetektoren zeigen einen geringen Dunkelwiderstand, so daß sie nicht geeignet sind für die Verwendung bei Spannungsanlegung, ausgeführt im ersten Ausführungsbeispiel (beispielsweise ein MCT-Photodetektor (HgCdTe-Photodetektor) mit einer Empfindlichkeit in einem Infrarotgebiet mit einer Wellenlänge von 2 bis 17 um zeigt einen Dunkelwiderstand von 40 Ω). Wenn ein derartiger photoleitfähiger Photodetektor verwendet wird, ist das nachstehende System vom Gesichtspunkt der Stabilität oder dem Störabstand vorzuziehen. Das heißt, anstelle Modulierens der Verstärkung vom Photodetektor durch Spannungsanlegung wird ein Strom aus einer Stromlieferung geliefert, der in äquivalenter Weise eine sehr hohe Ausgangsimpedanz hat, und dieser gelieferte Strom wird moduliert, um eine Spannung nachzuweisen, die am Photodetektor aufkommt.
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer bevorzugten Lichtempfangseinheit zeigt, bei der der obige photoleitfähige Photodetektor Anwendung findet. Wie in Fig. 20 gezeigt, enthält diese Lichtempfangseinheit 1 eine Konstantstrom-Ansteuerschaltung 370, 2 einen photoleitfähigen Photodetektor 316, 3 die Vorspannregeleinheit 340, 4 einen Differentialverstärker 350 und 5 einen Tiefpaßfilter 390. Die Konstantstrom-Ansteuerschaltung 370 empfängt das Modulationssignal und liefert ein Stromsignal in einem Hochimpedanzzustand gemäß dem Wechselstromkomponentenwert des Modulationssignals. Der photoleitfähige Photodetektor 316 hat Stromlieferanschlüsse zur Eingabe/Ausgabe des Stromes, geliefert von der Konstantstrom-Ansteuerschaltung 370, und empfängt den Zielmeßlichtstrahl. Diese Vorspannungsregeleinheit 340 stellt durchschnittliche Ansteuerstromwerte der Konstantstrom- Ansteuerschaltung 370 ein. Der Differentialverstärker 380 verstärkt ein Spannungssignal, erzeugt von einem Strom, erzeugt in photoleitfähigen Photodetektor 316 nach Empfang des Lichtstrahls. Das Tiefpaßfilter 390 läßt die im Spannungssignal aus dem Differentialverstärker 380 enthaltene Fastgleichstromkomponente durch. Die Konstantstrom- Ansteuerschaltung 370 ist aufgebaut aus 1 einem Kondensator C11, 2 einem Operationsverstärker 371, 3 einem Transistor Tr1 und einem Transistor Tr2, 4 einem Widerstand R11 und 5 einem Differentialverstärker 372. Der Kondensator C11 empfängt das Modulationssignal durch einen Anschluß, während eine Vorspannung (VB) empfangen wird, die von der Vorspannungsregeleinheit 340 durch den anderen Anschluß hereinkommt, und gibt ein Wechselspannungssignal (V&sub4;(t) = VB + V&sub3;(t)) ab, das eine Gleichvorspannung aus dem Vorspannungswert aus dem anderen Anschluß hat. Der Operationsverstärker 371 empfängt das Spannungssignal V&sub4;(t) durch den positiven Eingangsanschluß, verstärkt die Differenz in Hinsicht auf die durch den negativen Eingangsanschluß empfangene Spannung (Verstärkung = G1) und gibt das Spannungssignal ab (zwei Ausgänge). Der Transistor Tr1 empfängt das positive Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 371 durch den Basisanschluß und hat einen Kollektoranschluß, der mit einer positiven Stromversorgung (+V) verbunden ist. Der Transistor Tr2 empfängt das negative Ausgangssignal aus dem Operationsverstärker 371 durch den Basisanschluß und hat einen Kollektoranschluß, der mit der negativen Stromversorgung (-V) verbunden ist, und einen Emitteranschluß, der mit dem Emitteranschluß des Transistors Tr1 verbunden ist. Der Widerstand R11 hat einen Anschluß, der mit dem Emitteranschluß des Transistors Tr1 verbunden ist (und der Emitteranschluß des Transistors Tr2) und der andere Anschluß, der mit einem der Stromeingangs/Ausgangsanschlüsse des photoleitfähigen Photodetektors 316 verbunden ist. Der Differentialverstärker 371 hat einen positiven Eingangsanschluß, der mit dem einen der Anschlüsse des Widerstands R11, einem negativen Eingangsanschluß verbunden ist, der wiederum mit dem anderen Anschluß des Widerstands R11 verbunden ist, und einen Ausgangsanschluß, der mit dem negativen. Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 371 verbunden ist.
Die in Fig. 20 gezeigte Lichtempfangseinheit arbeitet folgendermaßen.
Eine Spannung (=r11·Id), die am Widerstand R11 erzeugt wird durch einen Strom Id, der durch den Widerstand R11 fließt, wird verstärkt vom Differentialverstärker 372 und geliefert an den negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 371. Der Operationsverstärker 371 steuert die Transistoren Tr1 und Tr2 in der Weise, daß der Spannungswert am negativen Eingangsanschluß vom Operationsverstärker 371 zum Spannungswert V&sub4;(t) paßt, der an den positiven Eingangsanschluß geliefert wird. Als Ergebnis wird der Stromwert Id, der durch den photoleitfähigen Photodetektor 316 fließt, durch folgende Gleichung angegeben:
Id = V&sub4;(t)/(G1·r11) = (V&sub3;/(G1·r11)) + (V&sub3;((t)/(G1·r11)) (12)
Genauer gesagt, der Stromwert Id wird nicht vom Widerstandswert des photoleitfähigen Photodetektors 316 beeinflußt, und dessen Änderungsbetrag ist proportional zur Wechselspannungskomponente V&sub3;(t) vom Spannungssignal, das das Modulationsspannungssignal erzeugt.
Wenn in diesem Zustand ein optisches Signal an den photoleitfähigen Photodetektor 316 geliefert wird, dann wird ein Spannungssignal gemäß dem Produktwert der Modulationsspannung V&sub3;(t) und der Wechselstromkomponente des einfallenden Lichtstrahls zwischen den Stromeingangs/Ausganganschlüssen des photoleitfähigen Photodetektors 316 erzeugt. Dieses Spannungssignal enthält eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente. Das Spannungssignal, das die beiden Komponenten enthält, wird vom Differentialverstärker 380 verstärkt. Danach wird die Gleichstromkomponente vom Tiefpaßfilter 319 ausgewählt und ausgegeben.
Fig. 21 ist ein Schaltbild, das die Anordnung des Schleifenfilters 401 zeigt. Wie in Fig. 21 gezeigt, wird zum Beseitigen des Phaseneinschwingfehlers eine Anordnung des Integrationstyps angewandt, um eine fast unendliche Verstärkung im Niederfrequenzband sicherzustellen und das Rauschband zu verringern, um die Schwingfrequenz zu stabilisieren.
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik dieses Ausführungsbeispiels detailliert zeigt. Angemerkt sei, daß ein Fluoreszenzbeispiel verwendet wird als Zielmeßobjekt 900 in diesem Ausführungsbeispiel. Wie in Fig. 22 gezeigt, ist dieses Gerät ausgestattet mit: (a) einer Lichtsendeeinheit 100, (b) einem optischen System 710, (c) einem optischen System 720, (d) dem Wellenlängenwähler 200, (e) der Lichtempfangseinheit 300, (f) einer Frequenzeinstelleinheit 410, (g) dem Frequenzzähler 500 und (h) einer Verarbeitungseinheit 610. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt das Modulationssignal VM(t) aus der Frequenzeinstelleinheit 410 und gibt den Erregerlichtstrahl LEX(t) ab mit der Wellenlänge = λ&sub1;, die intensitätsmoduliert ist mit dem Modulationssignal VM(t) zum Zielmeßgegenstand 900. Das optische System 710 leitet den Lichtstrahl aus der Lichtsendeeinheit 100 zum Zielmeßgegenstand 900. Das optische System 720 leitet den Reaktionslichtstrahl IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) mit der Wellenlänge = λ&sub2;, die erzeugt wird auf dem Zielmeßgegenstand 900 nach Bestrahlung mit dem Erregerlichtstrahl IEx(t), der aus der Lichtsendeeinheit 100 auf den Zielmeßgegenstand 900 kommt und den Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;), gewonnen nach Streuung des Erregerlichtstrahl ITX(t) auf den Zielmeßgegenstand 900. Der Wellenlängenwähler 200 empfängt die Reaktions- und Streulichtstrahlen und wählt eines der Lichtstrahlen gemäß einer Bestimmung aus der Verarbeitungseinheit 610 aus und gibt diese ab. Die Lichtempfangseinheit 300 empfängt das Modulationssignal VM(t) und den Lichtstrahl aus dem Wellenlängenwähler 200, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichtstrahls (IRC (t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) oder IRF (t + Φ&sub1;)) und das Modulationssignal VM(t) und gibt danach ein Spannungssignal ab, das nur die Fastgleichstromkomponente enthält. Die Frequenzeinstelleinheit 410 gibt ein Modulationssignal mit einer Frequenz ab, die dem Spannungswert des Fastgleichspannungssignals entspricht, das von der Lichtempfangseinheit 300 kommt. Der Frequenzzähler 500 mißt die Frequenz des Modulationssignals, das die Frequenzeinstelleinheit 400 abgegeben hat. Die Verarbeitungseinheit 610 gibt ein Wellenlängenauswahl-Bestimmungssignal ab zum Bestimmen der ausgewählten Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) an den Wellenlängenwähler 200. Zur selben Zeit liest die Verarbeitungseinheit 610 den Frequenzwert f1 aus dem Frequenzzähler 500, wenn der Spannungswert des Gleichspannungssignals aus der Lichtempfangseinheit 300 fast "0 V" nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub1; wird. Die Die Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen dem Modulationssignal VM (t) und dem Streulichtstrahl (IRF (t + Φ&sub1;) wird gewonnen aus dem gelesenen Frequenzwert f1. Die Verarbeitungseinheit 610 liest auch den Frequenzwert f2 aus dem Frequenzzähler 500, wenn der Spannungswert des Gleichspannungssignals, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, fast "0 V" nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub2; wird. Die Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub1;) zwischen dem Modulationssignal VM(t) und dem Reaktionslichtstrahl IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) wird gewonnen aus dem gelesenen Frequenzwert f2. Die Verarbeitungseinheit 610 erzielt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß zweier Phasendifferenzen, das heißt, Φ&sub2;
Die Lichtsendeeinheit 100 setzt sich zusammen aus 1 einer Laserdiode (LD) 120 und 2 einem LD-Treiber 110. Die LD 120 emittiert einen Erregerlichtstrahl (Wellenlänge = λ&sub1;) mit einer Stärke gemäß dem fließenden Strom. Der LD-Treiber 110 empfängt ein Modulationssignal VM1(t) aus der Frequenzeinstelleinheit 410 und liefert einen Strom gemäß dem Wert des Modulationssignal VM1(t) an die LD 120.
Die Verarbeitungseinheit 610 hat 1 eine Rechenverarbeitungseinheit 611 und 2 eine Anzeigeeinheit 612. Die Rechenverarbeitungseinheit 611 gibt ein Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal an den Wellenlängenwähler 200 ab, liest den Frequenzwert, gemessen vom Frequenzzähler 500 und errechnet die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls. Die Anzeigeeinheit 612 zeigt das Rechenergebnis aus der Rechenverarbeitungseinheit 611 gemäß einer Bestimmung aus der Rechenverarbeitungseinheit 611 an.
Die Frequenzeinstelleinheit 410 wendet einen spannungsgesteuerten Oszillator 413 an, der in der Lage ist, das Schwingungsfrequenzband gemäß einer Bestimmung von der Rechenverarbeitungseinheit 611 zu bestimmen, anstelle des spannungsgesteuerten Oszillators 403 der Frequenzeinstelleinheit 400.
Das optische System 710 ist aufgebaut aus 1 einer Linse 711 zum Fokussieren des Erregungslichtstrahls, der aus der LD 120 kommt, 2 einer Lichtleitfaser 712, die den Erregerlichtstrahl empfängt und leitet, fokussiert von der Linse 711, und 3 eine Linse 713 zum Fokussieren des Lichtstrahls, der aus der Lichtleitfaser 712 kommt, auf den Zielmeßgegenstand 900.
Das optische System 720 setzt sich zusammen aus 1 einer Linse 723, die den gestreuten Lichtstrahl fokussiert und auch den Reaktionslichtstrahl aus dem Zielmeßgegenstand 900, 2 eine Lichtleitfaser 722, die den von der Linse 723 fokussierten Erregerlichtstrahl empfängt und leitet, und 3 eine Linse 721, die den Lichtstrahl aus der Lichtleitfaser 722 auf den Wellenlängenwähler 200 fokussiert.
Die in Fig. 22 gezeigte Vorrichtung mißt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls auf folgende Weise.
Die Rechenverarbeitungseinheit 611 weist den Wellenlängenwähler 200 an, den Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ&sub1; auszuwählen und als Wellenlänge eines Erregerlichtstrahls abzugeben. In diesem Zustand ist die Lichtempfangseinheit 300 in Betrieb, und der Vorspannungswert, der vom Vorspannungsregler 340 kommt, wird so eingestellt, daß der Gleichspannungsausgangswert aus der Lichtempfangseinheit 300 zu "0 V" wird.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 413 ist ausgelegt, das Schwingungsfrequenzband auszuwählen. Nach Empfang einer Bandauswahlbestimmung schwingt der spannungsgesteuerte Oszillator 413 mit einer Winkelfrequenz (ω) innerhalb des festgelegten Bandes und gibt ein Schwingungssignal an die Lichtsendeeinheit 100 ab und an die Lichtempfangseinheit 300. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt das Schwingung signal über den LD-Treiber 110. Der LD-Treiber 110 legt eine geeignete Gleichstromvorspannung an das Schwingungssignal und steuert die LD 120 an. Die angesteuerte LD 120 emittiert einen Erregungslichtstrahl, der intensitätsmoduliert ist mit der Modulationswinkelfrequenz ω.
Der von der LD 120 emittierte Lichtstrahl wird auf den Zielmeßgegenstand 900 durch das optische System 710 als Erregerlichtstrahl gestrahlt. Auf dem Zielmeßgegenstand 900, der mit dem Erregerlichtstrahl bestrahlt ist, wird ein Teil des Erregerlichtstrahls gestreut, während Fluoreszenz erzeugt wird. Die Streukomponente des Erregerlichtstrahls und Teil der Fluoreszenz werden zum Wellenlängenwähler 200 über das optische System 720 geleitet. Der Wellenlängenwähler 200 trennt die Streukomponente (wird nachstehend als Streulichtstrahl bezeichnet) vom Erregerlichtstrahl aus der Fluoreszenz gemäß der Wellenlängenauswahlbestimmung aus der Verarbeitungseinheit 610, und gibt den Streulichtstrahl an die Lichtempfangseinheit 300 ab.
Der an die Lichtempfangseinheit 300 gelieferte Streulichtstrahl wird vom photoleitfähigen Photodetektor 310 empfangen. Ein Ausgangssignal aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 413 wird an die Spannungsanlegeanschlüsse des photoleitfähigen Photodetektors 310 angelegt. Das durch Gleichung (3) dargestellte Stromsignal wird erzeugt im photoleitfähigen Photodetektor 310. Das im photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugte Stromsignal durchläuft sequentiell den Strom-zu-Spannung-Wandler 320 und das Tiefpaßfilter 330, und das Gleichspannungssignal VDC, das durch Gleichung (5) dargestellt wird, kommt zur Abgabe. Das Fehlerspannungssignal VDC, das die Lichtempfangseinheit 300 abgibt, wird zum Schleifenfilter 401 geleitet und auf das erforderliche Band begrenzt. Danach wird das Spannungssignal vom Gleichspannungsverstärker 402 verstärkt und an den spannungsgesteuerten Oszillator 413 als Steuerspannung geliefert. Der spannungsgesteuerte Oszillator 413 bestimmt die Schwingfrequenz gemäß dem Steuerspannungswert. Genauer gesagt, wenn eine Frequenz, die niedriger als die Verriegelungsfrequenz (f1) in Schwingung ist, wird die Schwingungsfrequenz so gesteuert, daß sie höher wird. Wenn im Gegensatz dazu eine höhere Frequenz als die verriegelte Frequenz (f1) schwingt, wird die Schwingfrequenz so gesteuert, daß sie niedriger wird. Da die Verstärkung G des Fehlerverstärkers 402 hinreichend hoch eingestellt ist, läßt sich die Phasendifferenz (Φ&sub1;) zwischen der Phase des Streulichtstrahls (ISC(ωt + Φ&sub1;), der auf den photoleitfähigen Photodetektor 310 fällt, und diejenige einer Modulationsspannung (VM2(t)), angelegt an den photoleitfähigen Photodetektor 310 wird als beinahe π/2 (+nπ; n = Ganzzahl) gewonnen gemäß Gleichung (7).
Die Verriegelungsfrequenz f1, die der Verriegelungsbedingung genügt, wird allgemein folgendermaßen dargestellt:
1/f1 = (4/(4n - 1)·(Td + L/c) (13)
Fig. 23 und Fig. 24 sind Ansichten, die jeweils die Zeitvorgaben des Sendens vom modulierten Erregerlichtstrahl und vom Empfang des Streulichtstrahls detailliert zeigen, die der Verriegelungsbedingung genügen, wenn n = 1, 2 in Gleichung (13) ist.
Wenn die Polarität vom Fehlerverstärker 402 invertiert ist, gegenüber dem obigen Falle, wird die Verriegelungsfrequenz f1, die der Verriegelungsbedingung genügt, allgemein folgendermaßen dargestellt:
1/f1 = (4/(4n - 3))·(Td + L/c) (14)
Die Fig. 25 und 26 sind Ansichten, die jeweils die Zeitvorgabe des Sendens vom modulierten Erregerlichtstrahl und vom Empfang des Streulichtstrahls detailliert darstellen, wobei der Verriegelungsbedingung genügt wird, wenn n = 1, 2 in Gleichung (14) ist.
Aus den Gleichungen (13) und (14) ist offensichtlich, daß die Phasendifferenz (Φ&sub1;) nicht einheitlich bestimmt werden kann durch ledigliche Entsprechung der Verriegelungsbedingung. Aus diesem Grund spezifiziert die Rechenverarbeitungseinheit 611 den Schwingungsfrequenzbereich des spannungsgesteuerten Oszillators 413 im voraus. Der Wert Td in den Gleichungen (13) und (14) ist allgemein bekannt. Wenn der Wert L ungefähr bekannt ist, kann die Rechenverarbeitungseinheit 611 die Messung gemäß einem willkürlichen Wert n festlegen.
Wenn der Verriegelungsbedingung genügt ist, liest die Rechenverarbeitungseinheit 611 den Wert der Schwingfrequenz f1 aus dem Frequenzzähler 500, der die Schwingfrequenz f1 überwacht und mißt vom Ausgangssignal aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 413 und den Frequenzwert speichert.
Die Rechenverarbeitungseinheit 611 weist nachfolgend den Wellenlängenwähler 200 an, einen Lichtstrahl auszuwählen und abzugeben, der die Wellenlänge = λ&sub2; als Wellenlänge eines Reaktionslichtstrahls hat (Fluoreszenz). In diesem Zustand wird die Lichtempfangseinheit 300 in Betrieb genommen, und der Vorspannungswert, ausgegeben vom Vorspannungsregler 340, wird so eingestellt, daß der Gleichspannungswert aus der Lichtempfangseinheit 300 "0 V" wird, wie im obigen Falle des Streulichtstrahls.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 413 ist so ausgelegt, daß der das Schwingfrequenzband auswählt. Wie im obigen Falle des Streulichtes wird die Schwingfrequenz f2 zum Einstellen der Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;) zwischen der Phase des Reaktionslichtstrahls (IRC(ωt + Φ&sub1; + Φ&sub2;), der auf den photoleitfähigen Photodetektor 310 fällt, und die Phase der Modulationsspannung (VM2(t), angelegt an den photoleittähigen Photodetektor 310 auf fast π/2 gemessen und gespeichert wird in der Rechenverarbeitungseinheit 611. Auf der Grundlage der gemessenen Phasendifferenzen (Φ&sub1;) und (Φ&sub1; + Φ&sub2;) wird die Lebensdauer τ als die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß Gleichung (11) errechnet. Die gemessene Lebensdauer wird auf der Anzeigeeinheit 612 angezeigt.
Die Vorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat die nachstehende Meßgenauigkeit, das heißt, wenn 1 ein Erregerlichtstrahl ist, der mit einer Frequenz von 100 MHz moduliert ist, und 2 der Reaktionslichtstrahl eine Lebensdauer von etwa 2ns hat. Unter diesen Bedingungen wird die Phasendifferenz (Φ&sub2;) mit 51,4881º geschätzt.
Beim herkömmlichen Phasendifferenzverfahren hängt die Meßgenauigkeit von der Auflösungsleistung beim Phasenlesen ab. Da die Auflösungsleistung etwa 1/1000 (0, 36º) der Periode ist, kann der Einfluß auf die Messung der Lebensdauer τ folgendermaßen geschätzt werden:
Δτ = (tanΦ&sub2; - tan(Φ&sub2; - 0,36))/(2π · 100 · 10&sup6;) = 25,6 ps (15)
Gemäß der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels und unter der Annahme, daß f1 = 100 MHz in Gleichung (6) ist und eine Fluoreszenzprobe mit einer Lebensdauer von 2 ns verwendet wird, kann die nachstehende Beziehung aus den Gleichungen (10) und (11) abgeleitet werden:
tan[(3/4) · 2π · (1 - f2/(100 · 100&sup6;))]= 2π · f2 · τ (16)
Wenn f2 = 82,9 MHz beobachtet wird, kann die Lebensdauer spezifiziert werden mit 2,00012 ns (Fig. 27). Es ist nicht schwierig für den Frequenzzähler, der als Mittel zum Nachweis einer Frequenz verwendet wird, eine Auflösungsleistung von sechs Ziffern zu erhalten. Unter der Annahme, daß die Frequenzauflösungsleistung 100 Hz beträgt und 82,8999 ( = 82,9 - 0,0001) MHz werden beobachtet. In diesem Falle wird die Lebensdauer spezifiziert mit 2,00014 ns. Folglich wird 0,02 ps als Lebensdauerauflösungsleistung erzielt.
In der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels wird ein Zeitbereich in der Größenordnung von Subpiko-Sekunden ebenfalls der Messung unterzogen. Aus diesem Grund hat die Zeitvorgabe Drift (Variationen in der Gruppenverzögerung) im elektrischen Schaltungssystem oder bei Lichtsende- und Lichtempfangseinheiten einen Wert, der in Hinsicht auf den Meßwert vernachlässigt werden kann. Die Gleichungen (8) und (9) enthalten den Driftwert. Wenn der Erregerlichtstrahl und Fluoreszenz ohne irgendeine Verzögerung gemessen werden und die Phasendifferenz Φ&sub2; gewonnen wird, kann der Einfluß der Drift minimiert werden. Es wird angenommen, daß die Gruppenverzögerungszeit in den Lichtsende- und Lichtempfangseinheiten nicht flach in Hinsicht auf die Frequenz verläuft, und deren Werte können nicht vernachlässigt werden in Verbindung mit der Genauigkeit des Meßsystems beim Messen der Frequenzen f1 und f2. In diesem Falle werden die Werte der Gruppenverzögerungszeit in der Lichtsende- und Lichtempfangseinheit in Hinsicht auf die Frequenz in einer Rechenverarbeitungseinheit 611 im voraus gespeichert. Die Meßgenauigkeit kann verbessert werden durch Korrigieren der Verzögerungszeit durch beispielsweise Interpolation nach Messen der Frequenzen f1 und f2.

(Zweites Ausführungsbeispiel)

Fig. 28 ist ein Blockschaltbild, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung kann eine Fluoreszenz-Abklingcharakteristiken durch eine polynominale Exponentialfunktion annähern. Wie in Fig. 28 gezeigt, ist die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels zusätzlich zu der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels ausgestattet mit: 1 einer Steuerspannungs-Erzeugungseinheit 420, die ein Ausgangssignal aus dem Gleichstromverstärker 402 empfängt und eine Steuerspannung erzeugt, die an den spannungsgesteuerten Oszillator 403 zu senden ist, 2 anstelle der Lichtempfangseinheit 300 einer Lichtempfangseinheit 370 zur Ausgabe einer Amplitude eines Amplitudenausgangssignals zusätzlich zu einem Phasendifferenz-Ausgangssignal und 3 anstelle der Verarbeitungseinheit 610 von der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels einer Verarbeitungseinheit 620 zur Ausgabe einer Erzeugungsspannungsbestimmung für die Steuerspannungs-Erzeugungseinheit 420 und Lesen des Meßwertes von einem Frequenzzähler 500 und den Meßwert eines Spitzendetektors 520, wodurch die Abklingcharakteristiken eines Reaktionslichtstrahls gemessen werden.
Die Steuerspannung-Erzeugungseinheit 420 ist ausgestattet mit: 1 einem D/A-Wandler 421 des Multiplikationstyps, 2 einem D/A-Wandler 422, 3 einem Summenwandler 423. Der D/A-Wandler 421 des Multiplikationstyps gibt einen Stromwert gemäß dem Spannungswert ab, ausgegeben vom Gleichstromverstärker 402 innerhalb eines Bereichs eines Ausgangsstromwertes, der von der Verarbeitungseinheit 620 bestimmt ist. Der D/A-Wandler 422 gibt einen Stromwert ab, den die Verarbeitungseinheit 620 bestimmt. Der Summierwandler 423 addiert den Ausgangsstrom aus dem D/A- Wandler 421 des Multiplikationstyps mit dem Ausgangsstrom aus dem D/A-Wandler 422, setzt ihn um in einen Spannungswert gemäß dem Summenstromwert und gibt den Spannungswert an den spannungsgesteuerten Oszillator 403 ab.
Der D/A-Wandler 421 des Multiplikationstyps hat die Funktion des Teilens einer Eingangsspannung aus dem Gleichstromverstärker 402 durch eine digitale Bereichseinstellung, eingegeben von der Verarbeitungseinheit 620, und gibt das Ergebnis ab. Wenn der Maximalwert der Bereichseinstellung 255 (8 Bit) beträgt, wird ein Einstellwert "51" gegeben. Wenn die Ausgangsspannung aus dem Gleichstromverstärker 402 5 V beträgt, wird ein Stromwert gemäß 1 V (5 V · 51/255) aus dem D/A-Wandler 421 des Multiplikationstyps abgegeben. Wenn eine Schwingfrequenz von 100 bis 600 MHz linear einem Ausgangsbereich von 0 bis 5 V vom Gleichstromverstärker 402 entspricht und der Steuerspannungsbereich von 0 bis 5 V des spannungsgesteuerten Oszillators 403, erfolgt die Bereichseinstellung mit dem Wert "51" mittels demjenigen des Frequenzbereichs, der beschränkt ist auf 1/5 der maximalen Frequenzteilung von 500 MHz (das heißt, 100 MHz in einem Bereich von 100 bis 200 MHz). Die Verschiebeeinstellung zum D/A-Wandler 422 wird verwendet zur Einstellung des Verschiebebetrages in Hinsicht auf den Operationsverstärker A3 des Summierwandlers 423 und bestimmt den nutzbaren Frequenzbereich. Wenn der variable Frequenzbereich eingestellt wird auf 100 MHz durch Bereichseinstellung, wie zuvor beschrieben, wird ein Arbeitspunkt im Bereich von 100 bis 600 MHz bestimmt.
Fig. 29 ist ein Blockschaltbild, das die Anordnung der Lichtempfangseinheit 370 zeigt. Wie in Fig. 29 gezeigt, ist die Lichtempfangseinheit 37o ausgestattet zusätzlich zur Lichtempfangseinheit 300, die in Fig. 2 gezeigt ist, mit 1 einem Bandpaßfilter 371 und 2 einen Spitzendetektor 372. Das Bandpaßfilter 371 empfängt ein Wechselspannungsausgangssignal und wählt ein Signal mit einer Frequenz aus und gibt es ab über das Doppelte des desjenigen vom Modulationssignal. Der Spitzendetektor 372 mißt den Amplitudenwert des Signals, das vom Bandpaßfilter 371 kommt, und gibt ein Amplitudensignal ab.
Fig. 30 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Lichtempfangseinheit zeigt, die in diesem Ausführungsbeispiel verwendbar ist, und sich von derjenigen in Fig. 29 unterscheidet. Die in Fig. 30 gezeigte Lichtempfangseinheit verfügt zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Lichtempfangseinheit über 1 einen Oszillator 373, 2 einen Phasenmodulator 374, 3 ein Bandpaßfilter 375 und 4 einen Amplitudendetektor 376. Der Oszillator 373 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz (fPM; fPM < Frequenz fM vom Spannungseingangssignal VI), die höher als die Schleifenbandbreite ist, die die Eigenschaften einer PLL bei der Bildung einer phasenverriegelten Schleife nicht nachteilig beeinflußt. Der Phasenmodulator 374 empfängt das Modulationssignal (Spannungseingangssignal VI; Frequenz = fM) und ein Ausgangssignal aus dem Oszillator 373 führt eine Phasenmodulation des Modulationssignals aus. Das Bandpaßfilter 375 empfängt das Wechselspannungsausgangssignal und wählt ein Signal mit einer Frequenz aus, die fast der Frequenz fPM gleicht, und gibt es ab. Der Amplitudendetektor 376 richtet gleich/glättet das Signal aus dem Bandpaßfilter 375.
Das in einem photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugte Stromsignal wird umgesetzt in ein Spannungssignal von einem Strom-zu-Spannung-Wandler 320. Während der Arbeitsweise der PLL, wenn eine Bezugsspannung (Vr) vom Fehlerverstärker 402 auf "0 V" gesetzt ist, wird ein durchschnittliches Ausgangssignal (Gleichstromkomponente) aus dem Strom-zu-Spannung-Wandler 320 auf null gehalten wegen der Verstärkung in Hinsicht auf die Gleichspannungskomponente des Fehlerverstärkers 402, und ein Schleifenfilter 402 ist fast unendlich. Eine Wechselspannung mit einer Amplitude, die der Modulationskomponente der einfallenden Lichtmenge proportional ist, tritt folglich auf, wobei die Wechselspannung erzeugt wird nach Phasenmodulation mit der Frequenz fPM, die höher als die Schleifenbandbreite ist. Das Wechselspannungssignal durchläuft das Bandpaßfilter 375 zur Auswahl lediglich einer Frequenzkomponente, die fast der Phasenmodulationsfrequenz fFM gleicht, und wird umgesetzt in eine Gleichspannung, die der Amplitudenmodulationskomponente vom einfallenden Licht durch den Amplitudendetektor 376 proportional ist und ausgegeben wird. Das vom Strom-zu-Spannung-Wandler 320 ausgegebene Wechselspannungssignal wird an ein Tiefpaßfilter 330 geliefert. Eine Phasenmodulationskomponente wird durch einen lichtinvertierenden Verstärker beseitigt, der aus einem Operationsverstärker A1 aufgebaut ist für eine Grenzfrequenz, die bestimmt ist durch eine Zeitkonstante R1·C4, um das Wechselspannungssignal in ein Gleichspannungssignal umzusetzen. Das Spannungssignal wird an den Fehlerverstärker 402 als Phasendifferenzausgangssignal geliefert.
Die Rechenverarbeitungseinheit 620 stellt einen Frequenzbereich für den spannungsgesteuerten Oszillator 403 so ein, daß die Frequenz, die zu verriegeln ist, beschränkt wird auf einen Punkt durch Bereichseinstellung. Der verwendbare Frequenzbereich wird allmählich verschoben durch Schiebeeinstellung zur allmählichen Änderung der Verriegelungsfrequenz. Jedesmal, wenn die verriegelte Frequenz geändert wird, werden die Stärken des Erregerlichtstrahls und die Fluoreszenz und die Schwingungsfrequenz vom spannungsgesteuerten Oszillator 403 aufgezeichnet, die abhängig sind von der Phasendifferenz zwischen dem Erregerlichtstrahl und der Fluoreszenz. Die verriegelte Frequenz zu dieser Zeit basiert auf Gleichung (13) oder (14). Wenn die Fluoreszenzstärke und die Phasendifferenz für jede Frequenz gewonnen sind, wird die Fluoreszenzabklingkomponente durch Kurvenanpassung bestimmt.

(Drittes Ausführungsbeispiel)

Fig. 31 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik für das dritte Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung mißt die Abklingcharakteristiken direkt aus der Phasendifferenz unter Verwendung eines Phasenvergleichers, der anstelle des Bildens einer PLL- Rückkoppelschleife einen photoleitfähigen Photodetektor verwendet. Wie in Fig. 31 gezeigt, ist diese Vorrichtung ausgestattet mit: (a) einem Oszillator 430 mit variabler Frequenz, (b) einer Lichtsendeeinheit 100, (c) einem Wellenlängenwähler 200, (d) einer Lichtempfangseinheit 380 und (e) einer Verarbeitungseinheit 630. Der variable Frequenzoszillator 430 erzeugt ein Modulationssignal mit einer Frequenz gemäß einer Außenbestimmung. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt das Modulationssignal aus dem variablen Frequenzoszillator 430 und gibt einen Erregerlichtstrahl IEX(t) mit einer Wellenlänge = λ&sub1; ab, der intensitätsmoduliert ist mit dem Modulationssignal auf einen Zielmeßgegenstand 900. Der Wellenlängenwähler 20o empfängt einen Reaktionslichtstrahl und einen Streulichtstrahl und wählt einen der Lichtstrahlen aus gemäß der Bestimmung von außen und gibt ihn ab. Die Lichtempfangseinheit 380 empfängt das Modulationssignal vom Lichtstrahl, ausgegeben vom Wellenlängenwähler 200, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichts und dem Modulationssignal und gibt danach ein Phasendifferenzsignal ab, das die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Licht und dem Modulationssignal wiedergibt, und ein Amplitudensignal, das die Amplitude der Wechselstromkomponente des Stromsignals wiedergibt. Die Verarbeitungseinheit 630 gibt ein Schwingfrequenz-Bestimmungssignal an den variablen Frequenzoszillator 430 ab und ein Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal, um die ausgewählte Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) zu bestimmen, an den Wellenlängenwähler 200. Wenn die Wellenlänge = l&sub1; ausgewählt ist, gewinnt die Verarbeitungseinheit 630 eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen einem Modulationssignal VM2(t) und einem Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;) aus dem Signal, das von der Lichtempfangseinheit 380 kommt. Wenn die: Wellenlänge = λ&sub2; ausgewählt ist, gewinnt die Verarbeitungseinheit 630 eine Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;) zwischen dem Modulationssignal VM2(t) und einem Reaktionslichtstrahl IRC (t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) aus dem Signal, das von der Lichtempfangseinheit 380 kommt. Die Verarbeitungseinheit 630 gewinnt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß den beiden Phasendifferenzen, das heißt Φ&sub2;
Fig. 32 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Lichtempfangseinheit 380 von der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels zeigt. Wie in Fig. 32 gezeigt, ist die Lichtempfangseinheit 380 zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Lichtempfangseinheit 300 ausgestattet mit: (a) einer Signalauswahleinheit 380, (b) einem Hochpaßfilter (HPF) 382, (c) einem Spitzenwertdetektor 383, (d) einer Steuereinheit 384, (e) einer Recheneinheit 385 und (f) einer Umsetzeinheit 386. Die Signalauswahleinheit 381 wählt ein Signal aus, das an eine Spannungsanlegeeinheit 361 zu liefern ist. Das Hochpaßfilter 382 empfängt ein Signal, das von einem Wechselstromausgang (ACO) eines Strom-zu-Spannung-Wandlers 320 kommt, beseitigt die Gleichstromkomponente und gibt das Signal ab. Der Spitzenwertdetektor 383 empfängt das Signal aus dem Hochpaßfilter 382 und mißt den Spitzenwert. Die Steuereinheit 384 gibt eine Auswahlbestimmung an die Signalauswahleinheit 381 ab. Die Recheneinheit 385 empfängt ein Ausgangssignal aus einem Tiefpaßfilter 330 und ein Ausgangssignal aus dem Spitzenwertdetektor 383 und gibt ein Intervallsignal ab, das ein Intervall zwischen dem normierten Phasendifferenzsignal und der Phasendifferenz gemäß der Auswahlbestimmung aus der Steuereinheit 384 entspricht. Die Umsetzeinheit 386 empfängt das normierte Phasendifferenzsignal und das Intervallsignal, setzt die Signale in eine Phasendifferenz um und gibt eine Phasendifferenz einheitlich in Hinsicht auf die Phasendifferenz ab.
Die Signalauswahleinheit 381 ist aufgebaut durch 1 einen Phasenschieber 387, 2 einem Spitzendetektor 380 und 3 einem Schalter 389. Der Phasenschieber 387 verschiebt die Phase vom empfangenen elektrischen Signal um π/2. Der Spitzendetektor 388 mißt den Spitzenwert des empfangenen elektrischen Signals. Der Schalter 389 wählt eines der empfangenen elektrischen Signale (Auswahl 1) aus, ein Ausgangssignal aus dem Phasenschieber 387 (Auswahl 2) und ein Ausgangssignal aus dem Spitzendetektor 388 (Auswahl 3) gemäß der Auswahlbestimmung aus der Steuereinheit 384 und liefert das ausgewählte Signal an die Spannungsanlegeeinheit 361.
Die Steuereinheit 384 meldet dem Schalter 389 und der Recheneinheit 385 eine Auswahlbestimmung zur Auswahl 3. Nach dieser Einstellung wird der Ausgangswert aus dem Hochpaßfilter 382 maximiert. Die Recheneinheit 385 empfängt und akkumuliert einen Wert V.
Die Steuereinheit meldet dem Schalter 389 und der Recheneinheit 385 die Auswahlbestimmung für die Auswahl 1. Die Recheneinheit 385 empfängt einen Wert W, teilt den Wert W durch den Wert V und gibt ein normiertes Phasendifferenzsignal U aus. Fig. 33 ist ein Graph, der eine Änderung im Phasendifferenzsignal U in Hinsicht auf eine Phasendifferenz Φ zeigt, die man beobachten kann, wenn eine Rechteckwelle mit einem Einschaltverhältnis von 50% empfangen wird. Das Phasendifferenzsignal U hängt nicht vom Amplitudenwert des Spannungssignals ab und vom Intensitätswert des optischen Signals, die an den photoleitfähigen Photodetektor 310 geliefert werden. Wenn aus diesem Grund dieses Phasendifferenzsignal U verwendet wird, kann die Phasendifferenzfeststellung unabhängig vom Amplitudenwert des Spannungssignals und vom Intensitätswert des optischen Signals ausgeführt werden die an den photoleitfähigen Photodetektor 310 geliefert werden.
Wenn Unendlichkeit der Phasendifferenz in einem Bereich von 0 bis π oder von π bis 2π auftritt, wie zuvor beschrieben, kann eine Phasendifferenz einheitlich gewonnen werden aus dem Wert des Phasendifferenzsignals U.
Wenn jedoch die Unendlichkeit der Phasendifferenz in einem Bereich von 0 bis 2π liegt, werden zwei Phasendifferenzwerte als Kandidaten in Hinsicht auf das einzelne Phasendifferenzsignal U gewonnen, wie aus Fig. 33 offensichtlich hervorgeht, so daß der Phasendifferenzwert nicht einheitlich bestimmt werden kann lediglich durch die obige Messung. In diesem Falle meldet nach der obigen Messung die Steuereinheit 384 den Schalter 389 und der Recheneinheit 385 eine Auswahlbestimmung zur Auswahl 2. Nach dieser Einstellung wird der Ausgangswert vom Tiefpaßfilter 330 ein Wert, gewonnen durch Ersetzen von Φ mit (Φ + π/2), und ein Graph wird gewonnen, der in Fig. 34 gezeigt ist. Wie aus diesem Graphen hervorgeht, ist der Wert W positiv, wenn die Phasendifferenz im Bereich von 0 bis π liegt. Wenn die Phasendifferenz im Bereich von π bis 2π liegt, wird der Wert W negativ. Die Recheneinheit 385 empfängt den Wert W und gibt die positive/negative Information des Wertes W als ein Intervallsignal aus. Die Wandlereinheit 386 empfängt diese Positiv/Negativinformation und das Phasendifferenzsignal U, setzt diese Daten um in einen einheitlichen Phasendifferenzwert und gibt ein Phasendifferenzausgangssignal ab, wie in Fig. 35 gezeigt. Das Erzeugen des Intervallsignals und die Arbeitsweise der Wandlereinheit 386 können ebenfalls eingesetzt werden, wenn die Unendlichkeit der Phasendifferenz in einem Bereich von 0 bis π oder von π bis 2π liegt.
Der Vorspannungsregler 340 gemäß der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels wird wie im ersten Ausführungsbeispiel eingestellt, und danach fixiert die Verarbeitungseinheit 630 die Schwingfrequenz des variablen Frequenzoszillators 430 auf einen gewissen Wert und wählt abwechselnd den Erregerlichtstrahl und die Fluoreszenz des empfangenen Lichts aus, wodurch die Phasendifferenz zwischen dem Erregerlichtstrahl und der Fluoreszenz gewonnen wird und die Modulationsamplitudendaten. Die Frequenz des variablen Freguenzoszillators 430 wird geändert, und dieselbe Verarbeitung wie zuvor beschrieben wird ausgeführt, wodurch die Fluoreszenzamplitude und die Phasendifferenzdaten in Hinsicht auf die Frequenz akkumuliert werden und die Lebensdauer errechnet wird.

(Viertes Ausführungsbeispiel)

Fig. 36 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik zum vierten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels darin, daß ein variabler Phasenschieber zum Ändern der Phase anstelle des spannungsgesteuerten Oszillators zum Ändern der Modulationsfrequenz als ein Steuerziel zur Phasenverriegelung verwendet wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein variabler Phasenschieber zum Ändern der Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen gemäß einer angelegten Spannung verwendet als variabler Phasenschieber. Genauer gesagt, die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist ausgestattet mit: (a) einem variablen Frequenzoszillator 430, (b) einer Lichtsendeeinheit 100, (c) einem Wellenlängenwähler 200, (d) einer Lichtempfangseinheit 300, (e) einer Phaseneinstelleinheit 440 und (f) einer Verarbeitungseinheit 640. Der variable Frequenzoszillator 430 erzeugt ein Modulationssignal mit einer Frequenz gemäß einer Bestimmung von außen. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt das Modulationssignal aus dem variablen Frequenzoszillator 430 und gibt einen Erregerlichtstrahl IEX(t) mit einer Wellenlänge = λ&sub1; ab, die mit dem Modulationssignal intensitätsmoduliert ist, an einen Zielmeßgegenstand 900. Der Wellenlängenwähler 200 empfängt einen Reaktionslichtstrahl und einen Streulichtstrahl und wählt Ausgangssignale eines der Lichtstrahlen gemäß einer Bestimmung von außen aus. Die Lichtempfangseinheit 300 empfängt das Modulationssignal und den Lichtstrahl, den der Wellenlängenwähler 200 abgibt, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichtstrahls und dem Modulationssignal und gibt danach ein Phasendifferenzsignal ab, das die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Lichtstrahl und dem Modulationssignal wiedergibt, und ein Amplitudensignal, das die Amplitude der Wechselstromkomponente des Stromsignals wiedergibt. Die Phaseneinstelleinheit 440 gibt ein Modulationssignal mit einer Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen gemäß dem Spannungswert vom Fastgleichspannungssignal ab, das von der Lichtempfangseinheit 300 kommt. Die Verarbeitungseinheit 540 gibt ein Schwingungsfrequenz-Bestimmungssignal an den variablen Frequenzoszillator 430 ab und ein Wellenlängenauswahlbestimmungssignal zum Bestimmen der ausgewählten Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) an den Wellenlängenwähler 200. Wenn die Wellenlänge = λ&sub1; ausgewählt ist, gewinnt die Verarbeitungseinheit 640 eine Phasendifferenz Φ&sub2; zwischen einem Modulationssignal VM(t) und einem Streulichtsignal IRF(t + Φ&sub1;) aus dem Phasendifferenz-Steuersignal, das von der Phaseneinstelleinheit 440 kommt. Wenn die Wellenlänge = λ&sub2; ausgewählt ist, gewinnt die Verarbeitungseinheit 640 eine Phasendifferenz -(Φ&sub1; + -Φ&sub2;) zwischen dem Modulationssignal VM(t) und einem Reaktionslichtstrahl (IRC(t + -Φ&sub1; + -Φ&sub2;) aus dem Phasendifferenz-Steuersignal, das von der Phaseneinstelleinheit 440 kommt. Die Verarbeitungseinheit 640 gewinnt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß den beiden Phasendifferenzen, das heißt, Φ&sub2;
Die Phaseneinstelleinheit 440 verfügt über 1 einen Fehlerverstärker 402, 2 ein Schleifenfilter 401 und 3 einen variablen Phasenschieber 443. Der Fehlerverstärker 402 empfängt das Gleichspannungs-Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit 300, verstärkt die Differenz in Hinsicht auf eine Bezugsspannung (Vr) und gibt das Signal ab. Das Schleifenfilter 401 empfängt das Signal, das der Fehlerverstärker 402 abgibt, und läßt nur die Fastgleichstromkomponente durch. Der variable Phasenschieber 443 gibt einen Phasenschiebebetrag gemäß dem Spannungswert des Gleichspannungssignals ab, das vom Schleifenfilter 401 kommt, das heißt, das Modulationssignal mit der Phasendifferenz zwischen dem Eingangs- und Ausgangssignal.
Die Verarbeitungseinheit 640 verfügt über 1 eine Rechenverarbeitungseinheit 641 und 2 eine Anzeigeeinheit 612. Die Rechenverarbeitungseinheit 641 gibt ein Schwingungsfrequenz- Bestimmungssignal an den variablen Frequenzoszillator 430 ab und gibt ein Wellenlängenbestimmungssignal an den Wellenlängenwähler 200 aus. Zur selben Zeit liest die Rechenverarbeitungseinheit 641 den Spannungswert vom Eingangsspannungssignal zum variablen Phasenschieber 443 und erzielt Phasendifferenzen zwischen den intensitätsmodulierten Streu- und Reaktionslichtstrahlen und dem Modulationssignal und errechnet danach die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls. Die Anzeigeeinheit 612 zeigt das Rechenergebnis von der Rechenverarbeitungseinheit 641 gemäß einer Bestimmung aus der Rechenverarbeitungseinheit 641 an.
Wie im ersten Ausführungsbeispiel bestimmt die Rechenverarbeitungseinheit 641 der Verarbeitungseinheit 640 dem Wellenlängenwähler 200 die Auswahl und Ausgabe eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = λ&sub1; als Wellenlänge eines Erregerlichtstrahls. In diesem Zustand wird die Lichtempfangseinheit 300 in Betrieb genommen, und der Vorspannungswert aus dem Vorspannungsregler 340 wird so eingestellt, daß der Gleichspannungsausgangswert aus der Lichtempfangseinheit 300 "0 V" wird.
Die Rechenverarbeitungseinheit 641 bestimmt die Schwingfrequenz des Oszillators 430 mit variabler Frequenz. Nach Empfang der Schwingfrequenzbestimmung schwingt ein Oszillator 430 mit variabler Frequenz auf der bestimmten Frequenz und gibt das Schwingungssignal an die Lichtsendeeinheit 100 und an die Lichtempfangseinheit 300 als ein Modulationssignal ab. Die Lichtsendeeinheit 100 erzeugt einen Erregerlichtstrahl, der intensitätsmoduliert ist gemäß dem Modulationssignal.
Der von der Lichtsendeeinheit 100 abgegebene Laserstrahl strahlt auf den Zielmeßgegenstand 900 als Erregerlichtstrahl. Der Erregerlichtstrahl, der auf den Zielmeßgegenstand 900 strahlt, wird zum Teil gestreut und es wird eine Fluoreszenz erzeugt. Die Streukomponente des Erregerlichtstrahls und der Teil der Fluoreszenz werden zum Wellenlängenwähler 200 geführt. Der Wellenlängenwähler 200 trennt die Streukomponente (nachstehend als Streulichtstrahl bezeichnet) des Erregerlichtstrahls aus der Fluoreszenz gemäß der Wellenlängenauswahlbestimmung aus der Verarbeitungseinheit 641 und gibt den Streulichtstrahl an die Lichtempfangseinheit 300 ab.
Der zur Lichtempfangseinheit 300 gelieferte Streulichtstrahl wird von einem photoleitfähigen Photodetektor 310 empfangen. Eine Wechselspannung wird an den photoleitfähigen Photodetektor 310 der Lichtempfangseinheit 300 durch einen Kondensator angelegt. Ein Strom, der von der Phasendifferenz abhängig ist, wird an den Strom-zu-Spannung-Wandler 320 durch induktive Kopplung geliefert, so daß die angelegte Spannungskomponente nicht direkt ausgegeben wird. Da die Wandlerverstärkung des photoleitfähigen Photodetektors 310 gemäß der angelegten Spannung moduliert wird, gewinnt man einen Ausgangsstrom, der von einer Phasendifferenz in Hinsicht auf das einfallende Licht abhängt, welches intensitätsmoduliert ist mit derselben Frequenz. Der Ausgangsstrom wird integriert über die Zeitkonstante eines Tiefpaßfilters 330, umgesetzt in eine Gleichspannung, die von der Phasendifferenz abhängt, und abgegeben. Wenn die Phasendifferenz zwischen der angelegten Spannung und dem einfallenden Licht π/2 (+nπ) beträgt, wie im ersten Ausführungsbeispiel, wird die Gleichspannung, die von der Lichtempfangseinheit 300 kommt, zu "0 V". Gemäß der Verzögerung oder dem Vorauslaufen der Phase wird ein. Gleichspannungsausgangssignal mit umgekehrter Polarität gewonnen. Ein Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit 300, die als Phasenvergleicher dient, wird verstärkt durch den Fehlerverstärker 402 und das Schleifenfilter 401, die beide eingestellt sind, die optimale Antwort des Systems zu erzielen, und wird geliefert an den Steuerspannungs-Eingangsanschluß des variablen Phasenschiebers 443. Das Stromsignal, das durch die Gleichung (3) dargestellt wird, wird folglich im photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugt. Das im photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugte Stromsignal durchläuft sequentiell den Strom-zu-Spannung-Wandler 320 und das Tiefpaßfilter 330, und ein Gleichspannungssignal VDC, dargestellt durch Gleichung (5) wird abgegeben. Das Gleichspannungssignal VDC, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, wird vom Fehlerverstärker 402 verstärkt, zum Schleifenfilter 401 geleitet, auf das erforderliche Band dort begrenzt und an variablen Phasenschieber 443 als Steuerspannung geliefert. Der variable Phasenschieber 443 bestimmt den Phasenverschiebebetrag gemäß dem Steuerspannungswert. Genauer gesagt, wenn der Phasenschieberbetrag kleiner als die verriegelte Phasendifferenz ist, wird der Phasenverschiebungsbetrag so gesteuert, daß er größer wird. Wenn im Gegensatz dazu der Phasenverschiebungsbetrag größer als die verriegelte Phasendifferenz ist, wird der Phasenschiebebetrag so gesteuert, daß er kleiner wird. Wenn eine Verstärkung G des Fehlerverstärkers 402 zu hoch eingestellt ist und der Bezugsspannungswert (Vr) "0 V" ist, wird die Phasendifferenz (Φ&sub1;) zwischen zwischen Phase Streulichtstrahls (ISC(ωt + Φ&sub1;)), der auf den photoleitfähigen Photodetektor 310 fällt, und die Phase der Modulationsspannung (VM2(t)), die an dem photoleitfähigen Photodetektor 310 anliegt, mit π/2 (+ nπ; n = Ganzzahl) gemäß Gleichung (7) gewonnen.
Wenn der Verriegelungsbedingung genügt ist, liest die Rechenverarbeitungseinheit 641 den Spannungswert vom Eingangssignal zum variablen Phasenschieber 443 und speichert den Spannungswert.
Die Rechenverarbeitungseinheit 641 der Verarbeitungseinheit 640 bestimmt der Wellenlängenwähler 200 zur Auswahl und Ausgabe eines Lichtstrahls mit der Wellenlänge = λ&sub2; als die Wellenlänge eines Reaktionslichtstrahls (Fluoreszenz). In diesem Zustand wird die Lichtempfangseinheit 300 betrieben, und der Vorspannungswert, ausgegeben vom Vorspannungsregler 340, wird so eingestellt, daß der Ausgangsgleichspannungswert aus der Lichtempfangseinheit 300 "0 V" wird, wie im obigen Falle des Streulichtstrahles.
Wie im vorigen Falle des Streulichtstrahles wird der Phasenverschiebungsbetrag zum Einstellen der Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;) zwischen der Phase und dem Reaktionslichtstrahl (IRC(ωt + Φ&sub1; + Φ&sub2;)), der auf den photoleitfähigen Photodetektor 310 auftrifft, und die Phase der Modulationsspannung (VM2(t), angelegt an den photoleitfähigen Photodetektor 310, zu fast π/2 gemessen und in der Rechenverarbeitungseinheit 641 gespeichert. Auf der Grundlage der gemessenen Phasendifferenzen (Φ&sub1;) und (Φ&sub1; + Φ&sub2;) wird eine Lebensdauer τ als die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß Gleichung (11) errechnet. Die gemessene Lebensdauer wird auf der Anzeigeeinheit 612 angezeigt.
Der Phasenverschiebebetrag in Hinsicht auf die Steuerspannung des variablen Phasenschiebers 443 muß im voraus bekannt sein. Die Verarbeitungseinheit 641 kann die Frequenz in Abhängigkeit zu den Phasencharakteristiken der Probe durch Wiederholen der Messung gewinnen während der Änderung der Schwingfrequenz des Oszillators 430 mit variabler Frequenz. Wenn darüber hinaus die Lichtempfangseinheit, wie in Fig. 29 oder 30 gezeigt, verwendet wird, kann die Frequenz in Abhängigkeit zu den Amplitudenkennlinien ebenfalls gleichzeitig gewonnen werden.

(Fünftes Ausführungsbeispiel)

Fig. 37 ist ein Blockdiagramm, das eine Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Wenn in jedem der obigen Ausführungsbeispiele die Abstände L1 und L2 zum Zielmeßgegenstand in einer Serie von Prozeduren zum Ausführen der Messung variieren, während umgeschaltet wird zwischen dem Streulichtstrahl und dem Reaktionslichtstrahl durch die Wellenlängenauswahleinheit, können genaue Abklingcharakteristiken nicht erzielt werden. Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels dient vorzugsweise der Lösung dieses Problems. Genauer gesagt, in dieser Vorrichtung sind eine Phasenverriegelungsschleife, die zu einem Streulichtstrahl gehört, und eine Phasenverriegelungsschleife, die zum Reaktionslichtstrahl gehört, gleichzeitig gebildet, und Phasendifferenzen in Hinsicht auf ein Modulationssignal werden gleichzeitig gemessen, wodurch die Abstände L1 und L2 zum Zielmeßgegenstand vernachlässigt werden können. Wie in Fig. 37 gezeigt, umfaßt diese Vorrichtung (a) ein Verriegelungssystem 851, (b) ein Verriegelungssystem 852, (c) einen Frequenzzähler 551, (d) einen Frequenzzähler 552, (e) eine Verarbeitungseinheit 650, (f) einen Multiplexspiegel 751 und (g) einen Verzweigungsspiegel 752. Das Verriegelungssystem 851 bildet eine phasenverriegelte Schleife, die dem Streulichtstrahl zugeordnet ist. Das Verriegelungssystem 852 bildet eine phasenverriegelte Schleife, die einem Reaktionslichtstrahl zugeordnet ist. Der Frequenzzähler 551 überwacht und mißt die Frequenz eines Modulationssignals im Verriegelungssystem 851. Der Frequenzzähler 552 überwacht und mißt die Frequenz eines Modulationssignals im Verriegelungssystem 852. Die Verarbeitungseinheit 650 liest den Meßwert vom Frequenzzähler 551, wenn das Verriegelungssystem 851 die Phasenverriegelungsschleife bildet, liest den Meßwert des Frequenzzählers 552, wenn das Verriegelungssystem 852 die phasenverriegelte Schleife bildet, und gewinnt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichts auf der Grundlage der gelesenen Meßwerte. Der Multiplexspiegel 751 unterzieht einen Teil eines Erregungslichtstrahls, ausgegeben vom Verriegelungssystem 851, und einen Teil eines Erregungslichtstrahls, ausgegeben vom Verriegelungssystem 852, einem Multiplexverfahren und gibt den Lichtstrahl an einen Zielmeßgegenstand 9009 ab. Der Verzweigungsspiegel 752 empfängt den Streulichtstrahl und den Reaktionslichtstrahl aus dem Zielmeßgegenstand 900 und verzweigt einen jeden Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen, die eine Streulichtkomponente und eine Reaktionslichtkomponente enthalten.
Das Verriegelungssystem 851 unterscheidet sich vom Verriegelungssystem 800 vom ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch, daß ein Wellenlängenwähler 251 zum selektiven Übertragen eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = λ&sub1; anstelle des Wellenlängenwählers 200 verwendet wird. Das Verriegelungssystem 852 unterscheidet sich vom Verriegelungssystem 800 des ersten Ausführungsbeispiels lediglich dadurch, daß ein Wellenlängenwähler 252 zum selektiven Übertragen eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = λ&sub2; anstelle des Wellenlängenwählers 200 verwendet wird.
Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels mißt die Abklingcharakteristiken von einem Reaktionslichtstrahl auf folgende Weise.
Die Vorspannungsregler von Lichtempfangseinheiten 300&sub1; und 300&sub2; vom Verriegelungssystem 851 und 852 werden justiert, um den Ausgangsspannungswert eines Gleichspannungsausgangssignals aus der Lichtempfangseinheit 300&sub1; und den Ausgangsspannungswert eines Gleichspannungsausgangssignals aus der Lichtempfangseinheit 300&sub2; auf fast "0 V" zu setzen. Danach wird ein Erregerlichtstrahl von jedem Verriegelungssystem abgegeben.
Lichtsendeeinheiten 100&sub1; und 100&sub2; zum Erzeugen von Erregerlichtstrahlen werden jeweils angesteuert durch spannungsgesteuerte Oszillatoren 403&sub1; beziehungsweise 403&sub2;, um Erregerlichtstrahlen zu erzeugen, die intensitätsmoduliert sind mit den jeweiligen Frequenzen. Ein Lichtstrahl aus der Lichtsendeeinheit 100&sub1; und ein Lichtstrahl aus der Lichtsendeeinheit 100&sub2; sind auf denselben optischen Weg ausgerichtet durch den Multiplexspiegel 751 und strahlen auf den Zielmeßgegenstand 900. Von der Streulichtkomponente des Erregerlichtstrahls, erzeugt auf dem Zielmeßgegenstand 900, und von der Reaktionslichtkomponente, die zu den Abklingcharakteristiken gehört, wird eine Komponente, die ausgerichtet ist auf einen spezifischen optischen Weg, verzweigt und geleitet zum Wellenlängenwähler 251 zur Auswahl nur der Erregerwellenlänge λ&sub1; und zum Wellenlängenwähler 252 zur Auswahl nur der Reaktionswellenlänge λ&sub2;. Der Lichtstrahl, der den Wellenlängenwähler 251 durchläuft, wird zur Lichtempfangseinheit 300&sub1; geleitet, während der Lichtstrahl, der den Wellenlängenwähler 252 durchläuft, an die Lichtempfangseinheit 300&sub2; geliefert wird. Jedes Verriegelungssystem bildet eine phasenverriegelte Schleife, wie im ersten Ausführungsbeispiel. Genauer gesagt, die Phasenverriegelungsoperation, die zum Streulichtstrahl gehört, und die Phasenverriegelungsoperation, die zum Reaktionslichtstrahl gehört, sind unabhängig voneinander und werden gleichzeitig ausgeführt von den jeweiligen Verriegelungssystemen.
Nachdem die phasenverriegelten Schleifen durch zwei Verriegelungssysteme gebildet sind, liest die Verarbeitungseinheit 650 den Frequenzmeßwert vom Frequenzzähler 551 und den Frequenzmeßwert vom Frequenzzähler 552. Danach werden die Abklingcharakteristiken des jeweiligen Lichtstrahls errechnet und angezeigt, wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Gemäß der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels, verglichen mit der Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels, kann viel Zeit, erforderlich zum Umschalten der Wellenlänge, eingespart werden, und eine Hochgeschwindigkeitsmessung, die lediglich beschränkt ist durch die PLL-Ansprechfrequenz und die Datenverarbeitungszeit, läßt sich ausführen.

(Sechstes Ausführungsbeispiel)

Um eine maximale Auflösungsleistung in der Messung zu erreichen, ist es vorzuziehen, die gesamte Vorrichtung auf Bedingungen zum Erreichen der maximalen Empfindlichkeit einzustellen. Zum Maximieren der Empfindlichkeit zur Phasendifferenzfeststellung fällt die Phasenverzögerung eines Streulichtstrahls oder eines Reaktionslichtstrahls, gewonnen in Hinsicht auf den Erregerlichtstrahl, vorzugsweise in den Bereich von 30º bis 60º. Zu diesem Zwecke ist es geeignet, eine Offset- Phasenverriegelungsschleife zu verwenden (Technik offenbart beispielsweise in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 63-308596), so daß die Schwingfrequenz des Systems automatisch fixiert wird, um eine derartige Phasendifferenz einzustellen.
Fig. 38 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik zum sechsten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Offset- Phasenverriegelungsschleife gebildet wird. Wie in Fig. 38 gezeigt, ist diese Vorrichtung ausgestattet mit: (a) einer Lichtsendeeinheit 100, (b) einem Wellenlängenwähler 200, (c) einer Lichtempfangseinheit 300, (d) einer Frequenzeinstelleinheit 460, (e) einem Frequenzzähler 500 und (f) einer Verarbeitungseinheit 660. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt ein Modulationssignal VM(t) von Außen und gibt einen Erregerlichtstrahl IEX(t) mit einer Wellenlänge = λ&sub1;, die intensitätsmoduliert ist mit dem Modulationssignal VM(t), auf einen Zielmeßgegenstand 900 ab. Der Wellenlängenwähler 200 empfängt einen Reaktionslichtstrahl IRC (t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) mit einer Wellenlänge = λ&sub2;, die auf dem Zielmeßgegenstand 900 erzeugt wird, wenn der Erregerlichtstrahl IEX(t), ausgegeben von der Lichtsendeeinheit 100, auf den Zielmeßgegenstand 900 strahlt, und einen Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;), gewonnen nach Streuung des Erregerlichtstrahls IEX(t) auf den Zielmeßgegenstand 900, und wählt einen der Lichtstrahlen gemäß der Bestimmung aus der Verarbeitungseinheit 660 aus und gibt diesen ab. Die Lichtempfangseinheit 300 empfängt das Modulationssignal VM(t) und den Lichtstrahl aus dem Wellenlängenwähler 200, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichtstrahls (IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub1;) oder IRC (t + Φ&sub1;) und das Modulationssignal VM(t) und gibt danach ein Spannungssignal ab, das nur eine Fastgleichspannungskomponente enthält. Die Frequenzeinstelleinheit 460 gibt zwei Modulationssignale ab, die jeweils eine Frequenz haben, die dem Spannungswert des Fastgleichspannungssignals entspricht, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, und eine Phasendifferenz haben, die von der Verarbeitungseinheit 660 bestimmt ist. Der Frequenzzähler 500 mißt die Frequenz des Modulationssignals, ausgegeben von der Frequenzeinstelleinheit 460. Die Verarbeitungseinheit 660 gibt ein Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal zum Bestimmen der ausgewählten Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) an den Wellenlängenwähler 200 ab. Zur selben Zeit liest die Verarbeitungseinheit 600 den Meßwert vom Frequenzzähler 500, wenn ein Bezugsspannungswert (Vr), eingegeben in einen Fehlerverstärker 402, auf "0 V" gesetzt ist, und der Spannungswert vom Gleichspannungssignal, das die Lichtempfangseinheit 300 abgibt, wird fast "0 V" nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub1;. Eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen dem Modulationssignal VM(t) und dem Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;) wird aus dem gelesenen Wert gewonnen. Die Verarbeitungseinheit 660 liest den Meßwert des Frequenzzählers 500, wenn der Spannungswert des Gleichspannungssignals, ausgegeben von der Lichtempfangseinheit 300, fast "0 V" wird, nach Auswahl der Wellenlänge = λ&sub2;. Eine Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;) zwischen dem Modulationssignal VM(t) und dem Reaktionslichtstrahl IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) wird aus dem gelesenen Wert gewonnen. Die Verarbeitungseinheit 600 erzielt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls aus den beiden Phasendifferenzen, das heißt, Φ&sub2;.
Die Frequenzeinstelleinheit 460 verfügt über 1 den Fehlerverstärker 402, 2 ein Schleifenfilter 401 und 3 einen mehrphasigen spannungsgesteuerten Oszillator 463. Der Fehlerverstärker 402 empfängt ein Gleichspannungsausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit 300, verstärkt die Differenz auf die Bezugsspannung (Vr) und gibt das Signal ab. Das Schleifenfilter 401 empfängt das Ausgangssignal aus dem Fehlerverstärker 402 und läßt nur die Fastgleichstromkomponente durch. Der mehrphasige spannungsgesteuerte Oszillator 463 gibt zwei Modulationssignale ab, von denen jedes eine Frequenz gemäß dem Spannungswert des Gleichspannungssignals hat, das aus dem Schleifenfilter 401 kommt, und eine Phasendifferenz hat, die von der Verarbeitungseinheit 660 bestimmt ist. Die Summe von Gruppenverzögerungszeiten, die in den optischen Wegen L1 und L2 und einem elektrischen Signalweg L3 erzeugt werden, werden der Gruppenverzögerungszeit gleichgesetzt, die in einem elektrischen Signalweg L4 auftritt.
Die Verarbeitungseinheit 660 verfügt über 1 eine Rechenverarbeitungseinheit 661 und 2 eine Anzeigeeinheit 612. Die Rechenverarbeitungseinheit 661 gibt ein Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal an den Wellenlängenwähler 200 ab. Zur selben Zeit liest die Rechenverarbeitungseinheit 661 den Meßwert des Frequenzzählers 500, gewinnt die Phasendifferenzen zwischen den intensitätsmodulierten Streu- und Reaktionslichtstrahlen und dem Modulationssignal und errechnet danach die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls. Die Anzeigeeinheit 612 zeigt das Rechenergebnis aus der Rechenverarbeitungseinheit 661 gemäß einer Bestimmung aus der Rechenverarbeitungseinheit 661 an. Der mehrphasige spannungsgesteuerte Oszillator 463 kann die Frequenz durch Spannungssteuerung ändern, wie im spannungsgesteuerten Oszillator 403. Der mehrphasige spannungsgesteuerte Oszillator 463 hat jedoch zwei Ausgangssignale mit derselben Frequenz und einer vorbestimmten Phasendifferenz (Φ&sub2; - Φ&sub1;).
Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels gibt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls in der folgenden Weise ab. Zur Vereinfachung der Beschreibung werden Gruppenverzögerungszeiten in den elektrischen Signalwegen und den optischen Wegen unter der Lichtsendeeinheit 100, der Wellenlängenwähler 200 und die Lichtempfangseinheit 300 vernachlässigt.
Vor der aktuellen Messung wird ein Vorspannungsregler 340 eingestellt, um den Durchschnittswert eines Spannungssignals zu bestimmen, das von einem Strom-zu-Spannung-Wandler 320 kommt, dessen Spannungssignal ein Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit 300 ist, das auf fast "0 V" gesetzt ist. Zur selben Zeit stellt die Verarbeitungseinheit 660 die Phasendifferenz (Φ&sub2; - Φ&sub1;) zwischen den beiden Signalen, die vom mehrphasigen spannungsgesteuerten Oszillator 463 kommen, auf einen vorbestimmten Wert ein innerhalb eines Bereichs von 120º bis 150º. Danach wird ein Erregerlichtstrahl von der Lichtsendeeinheit 100 abgegeben, und eine aktuelle Messung beginnt. Danach wird die Messung der Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls ausgeführt, wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In dieser Vorrichtung kann die Verzögerungszeit im Meßsystem nicht kalibriert werden durch die Streukomponente des Erregerlichtstrahls. Aus diesem Grund muß ein Zielmeßgegenstand, dessen Charakteristiken bekannt sind, zur Zeit der Kalibrierung verwendet werden.
Die Phasendifferenz (Φ&sub2; - Φ&sub1;) zwischen den beiden Signalen, die vom mehrphasigen spannungsgesteuerten Oszillator 463 kommen, werden innerhalb eines Bereichs von 120º bis 150º eingestellt. Die Phasendifferenz (Φ&sub2; - Φ&sub1;) zwischen den beiden Signalen, die vom mehrphasigen spannungsgesteuerten Oszillator 463 kommen, können jedoch innerhalb eines Bereichs von 30º bis 60º eingestellt werden, und ein Ausgangssignal auf Φ&sub2;-Seite kann an die Lichtempfangseinheit 300 durch einer. 90º-Phasenschieber geliefert werden.

(Siebentes Ausführungsbeispiel)

Fig. 39 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach dem siebenten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. In jedem der obigen Ausführungsbeispiele ist die Modulationsfreguenz eines Erregerlichtstrahls gleich derjenigen des photoleitfähigen Photodetektors. In diesem Ausführungsbeispiel jedoch ist die angelegte Spannungsfrequenz des photoleitfähigen Photodetektors eine andere als die Intensitätsmodulationsfrequenz des Erregerlichtstrahls (das heißt, Intensitätsmodulationsfrequenz eines Streulichtstrahls oder eines Reaktionslichtstrahls, der auf den photoleitfähigen Photodetektor fällt). Die Lichtempfangseinheit wird als ein Frequenzumsetzer betrieben, und die Phasendifferenz und Amplitude werden gemessen durch eine nach unten überlagerte Frequenz. In dieser Vorrichtung wird die Frequenz zur leichteren Verarbeitung zeitweilig umgesetzt in eine niedrige Frequenz von 100 kHz oder weniger, und danach wird die Phasendifferenz zwischen den elektrischen Signalen festgestellt, anders als ein Verfahren direkten Vergleichens der Phasendifferenz zwischen einfallendem Licht und einer angelegten Spannung vom Photodetektor.
Wie in Fig. 39 gezeigt, enthält die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels (a) einen Oszillator 471 mit variabler Frequenz, (b) einen Oszillator 472, (c) einen Einseitenbandmischer 473, (d) eine Lichtsendeeinheit 100, (e) einen Wellenlängenwähler 200, (f) eine Lichtempfangseinheit 390, (g) einen Phasendifferenzdetektor 471, (h) einen Amplitudendetektor 572 und (i) eine Verarbeitungseinheit 670. Der Oszillator 471 mit variabler Frequenz gibt ein Schwingungssignal ab, das eine Frequenz (f0) gemäß einer Bestimmung aus der Verarbeitungseinheit 670 hat. Der Oszillator 472 gibt ein Schwingungssignal mit einer Frequenz Δf (100 kHz oder weniger) ab. Der Einseitenbandmischer 473 empfängt das Schwingungssignal, das der Oszillator 471 mit variabler Frequenz abgegeben hat, und das Schwingungssignal, das vom Oszillator 472 kommt, und gibt ein Modulationssignal ab, das eine Frequenz = f0 + Δf hat. Die Lichtsendeeinheit 100 empfängt das Modulationssignal aus dem Oszillator 471 mit variabler Frequenz und gibt einen Erregungslichtstrahl IEX(t) mit einer Wellenlänge = λ&sub1;, die intensitätsmoduliert ist mit dem Modulationssignal, an einen Zielmeßgegenstand 900 ab. Der Wellenlängenwähler 200 empfängt einen Reaktionslichtstrahl und einen Streulichtstrahl und wählt einen der Lichtstrahlen gemäß einer Bestimmung von außen aus und gibt diesen ab. Die Lichtempfangseinheit 390 empfängt das Modulationssignal, das der Einseitenbandmischer 473 abgibt, und den Lichtstrahl, der von dem Wellenlängenwähler 200 kommt, erzeugt ein Stromsignal gemäß dem Produkt der Stärke des empfangenen Lichts und dem Modulationssignal und wählt danach ein Signal aus mit der Frequenz Δf gemäß der Differenz zwischen der Frequenz des empfangenen Lichtstrahls und der Frequenz des Modulationssignals aus, das vom Einseitenbandmischer 473 kommt, und gibt dieses ab. Der Phasendifferenzdetektor 571 stellt die Phasendifferenz zwischen der Phase des Signals, das von der Lichtempfangseinheit 390 abgegeben wird, und der Phase des Ausgangssignals vom Oszillator 472 fest. Der Amplitudendetektor 572 stellt den Amplitudenwert des Signals fest, das die Lichtempfangseinheit 390 abgibt. Die Verarbeitungseinheit 670 gibt ein Schwingungsfrequenz-Bestimmungssignal an den Oszillator 471 mit variabler Frequenz ab und ein Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal zum Bestimmen der ausgewählten Wellenlänge (λ&sub1; oder λ&sub2;) an den Wellenlängenwähler 200. Zur selben Zeit liest die Verarbeitungseinheit 670 die Phasendifferenz, die der Phasendifferenzdetektor 571 festgestellt hat, und den Amplitudenwert, den der Amplitudendetektor 572 festgestellt hat. Wenn die Wellenlänge = λ&sub1; ausgewählt ist, wird eine Phasendifferenz Φ&sub1; zwischen einem Modulationssignal VM(t) und einem Streulichtstrahl IRF(t + Φ&sub1;) gewonnen. Wenn die Wellenlänge = λ&sub2; gewählt ist, wird eine Phasendifferenz (Φ&sub2; + Φ&sub2;) zwischen dem Modulationssignal VM(t) und einem Reaktionslichtstrahl IRC(t + Φ&sub1; + Φ&sub2;) gewonnen. Die Verarbeitungseinheit 600 gewinnt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls gemäß den beiden Phasendifferenzen, das heißt, Φ&sub2;.
Fig. 40 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung der Lichtempfangseinheit 390 zeigt. Wie in Fig. 40 gezeigt, ist die Lichtempfangseinheit 390 aufgebaut aus 1 einem photoleitfähigen Photodetektor 310, 2 einer Spannungsanlegeeinheit 361, 3 Drosselspulen L11 und L21, 4 einem Strom-zu-Spannung-Wandler 320, 5 einem Bandpaßfilter 371 und 6 einem Vorspannungsregler 340. Der photoleitfähige Photodetektor 310 empfängt ein optisches Signal (II) und ein Spannungssignal (VI) und errechnet das Produkt des optischen Signals mit dem Spannungssignal, wodurch ein Stromsignal abgegeben wird, das die Phasendifferenz zwischen dem empfangenen Lichtstrahl und dem Modulationssignal wiedergibt. Die Spannungsanlegeeinheit 361 ist aufgebaut durch Verbinden von Kondensatoren C1 und C2 zum Anlegen eines Spannungssignals gemäß der Wechselspannungskomponente des Spannungssignals an den photoleitfähigen Photodetektor 310. Die Drosselspulen L11 und L21 lassen die niedrige Frequenzkomponente eines Stromes durch, der im photoleitfähigen Photodetektor 310 erzeugt wird. Der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 setzt die Wechselstromkomponente des Stromsignals, das durch die Drosselspule L11, den photoleitfähigen Detektor 310 und die Drosselspule L12 fließt, in eine Spannung um. Das Bandpaßfilter 371 wählt eine Komponente des Spannungssignals aus, das der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 abgibt, welches fast eine Frequenz Δf hat, und gibt dieses ab. Der Vorspannungsregler 340 regelt den Vorspannungswert der an den photoleitfähigen Photodetektor 310 angelegten Spannung. Das heißt, die Lichtempfangseinheit 390 ist äquivalent der Lichtempfangseinheit 300, die in Fig. 2 gezeigt ist, in der das Tiefpaßfilter 330 ersetzt ist durch das Bandpaßfilter 371.
Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels mißt die Abklingcharakteristiken eines Reaktionslichtstrahls auf folgende Weise.
Vor der aktuellen Messung wird der Vorspannungsregler 340 eingestellt, um den Durchschnittswert eines Spannungssignals, das der Strom-zu-Spannung-Wandler 320 abgibt, dessen Spannungssignal ein Ausgangssignal aus der Lichtempfangseinheit 300 ist, auf fast "0 V" zu setzen. Danach wird ein Erregerlicht von jedem Verriegelungssystem abgegeben.
Der Einseitenbandmischer 473 empfängt ein Signal, das der Oszillator 472 erzeugt, um eine feste tiefe Frequenz (Δf) von 100 kHz oder weniger zu erzeugen, und ein Signal, erzeugt vom Oszillator 471 mit variabler Frequenz, dessen Schwingfrequenz bestimmt ist von der Verarbeitungseinheit 670, und liefert ein Ausgangssignal mit einer Frequenz = f0 + Δf an den photoleitfähigen Photodetektor 310 der Lichtempfangseinheit 390. Das aus dem Oszillator 471 erzeugte Signal mit variabler Frequenz wird an den Einseitenbandmischer 473 geliefert und zur selben Zeit an die Lichtsendeeinheit 100. Die Lichtsendeeinheit 100 strahlt einen Erregerlichtstrahl, der intensitätsmoduliert ist gemäß dem Signal, das vom Oszillator 471 mit variabler Frequenz geliefert wird, auf den Zielmeßgegenstand 900. Die Erregungslicht-Streukomponente und die Reaktionslichtkomponente (Fluoreszenzkomponente) aus dem Zielmeßgegenstand 900 werden geliefert an den Wellenlängenwähler 200, dessen Sendefrequenz bestimmt ist von der Verarbeitungseinheit 670. Eine der Komponenten wird zur Lichtempfangseinheit 390 gemäß einer Bestimmung geleitet.
Die Wandlerverstärkung des photoleitfähigen Photodetektors 310 hängt ab von der angelegten Spannung und ist moduliert mit der Frequenz = f0 + Δf. Im photoleitfähigen Photodetektor wird folglich die Frequenz (f0 + Δf) der angelegten Spannung gemischt mit der Intensitätsmodulationsfrequenz (f0) vom einfallenden Licht. Die Signalkomponente mit einer Frequenz = 2f0 + Δf und die Signalkomponente mit einer Frequenz = Δf werden erzeugt als Stromsignal, das durch den photoleitfähigen Photodetektor 310 fließt, und vom Strom-zu-Spannung-Wandler 320, der mit dem photoleitfähigen Photodetektor 310 verbunden ist, als ein Spannungssignal ausgegeben wird. Vom Signal, das der Strom-zu- Spannung-Wandler 320 abgegeben hat, wird eine heruntergemischte Signalkomponente (Frequenz = Δf) vom Bandpaßfilter 371 ausgewählt und abgegeben. Das heruntergemischte Signal bewahrt die Phasendifferenzinformation zwischen dem Modulationssignal aus der Lichtsendeeinheit 100 und dem Streulichtstrahl oder dem Reaktionslichtstrahl und einer Amplitude, die der Intensitätsmodulationsamplitude vom Streulichtstrahl oder vom Reaktionslichtstrahl proportional ist.
Das heruntergemischte Signal wird an den Phasendifferenzdetektor 571 und an den Amplitudendetektor 572 geliefert. Der Phasendifferenzdetektor 571 empfängt gleichzeitig ein Ausgangssignal vom Oszillator 472, stellt die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal aus dem Oszillator 472 und dem heruntergemischten Signal fest und meldet diese der Verarbeitungseinheit 670. Diese Phasendifferenz gibt die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal aus der Lichtsendeeinheit 100 und dem Streulichtstrahl oder dem Reaktionslichtstrahl wieder. Der Amplitudendetektor 572 stellt den Amplitudenwert des heruntergemischten Signals fest und meldet dieses der Verarbeitungseinheit 670.
In der aktuellen Messung bestimmt die Verarbeitungseinheit 670 die Schwingfrequenz f0 für den Oszillator 471 mit variabler Frequenz und bestimmt auch den Wellenlängenwähler 200 zur Auswahl der Wellenlänge = λ&sub1;. In diesem Zustand wird die Phasendifferenz Φ&sub1;, erzeugt von der Summe von Gruppenverzögerungszeiten in den optischen Wegen L1 und L2, der Lichtsendeeinheit 100 und der Lichtempfangseinheit 390, gemessen. Zur selben Zeit wird eine empfangene Intensitätsmodulations-Amplitudenkomponente A1 gemessen. Die Meßergebnisse werden in der Verarbeitungseinheit 670 aufgezeichnet.
Die Verarbeitungseinheit 670 weist den Wellenlängenwähler 200 an, die Wellenlänge = λ&sub2; auszuwählen, ohne Ändern der Einstellung vom Oszillator 471 mit variabler Frequenz. In diesem Zustand wird die Phasendifferenz (Φ&sub1; + Φ&sub2;), erzeugt durch die Summe der Gruppenverzögerungszeiten in den optischen Wegen L1 und L2, der Lichtsendeeinheit 100 und der Lichtempfangseinheit 390, gemessen. Zur selben Zeit wird eine empfangene Intensitätsmodulations-Amplitudenkomponente A2 gemessen. Diese Meßergebnisse werden in der Verarbeitungseinheit 670 aufgezeichnet. Danach erzielt die Verarbeitungseinheit 670 eine Phasendifferenz (Φ&sub2; - Φ&sub1;) und eine relative Stärke (A2/A1) aus den obigen aufgezeichneten Ergebnissen.
Die Verarbeitungseinheit 670 ändert sequentiell die Schwingungsfrequenzvorgabe für den Oszillator 471 mit variabler Frequenz, wodurch wiederholt dieselbe zuvor beschriebene Messung ausgeführt wird. Auf diese Weise können die Phasendifferenz und die relative Stärke bei jeder Frequenz gewonnen werden, und die Abklingcharakteristiken des Zielmeßgegenstands 900 können gemessen werden.

(Achtes Ausführungsbeispiel)

Fig. 41 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik gemäß dem achten Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung zeigt. In dieser Vorrichtung wird die vorliegende Erfindung bei einem System zum Selektieren einer Zelle angewandt (das heißt, ein System, das offenbart ist in "R.R. Alfano et al., SPIE vol. 1599 Recent Advances in the Uses of Licht in Physics, Chemistry, Engineering, and Medicine", Seiten 284-289 (1991)
Wie in Fig. 41 gezeigt, ist diese Vorrichtung aufgebaut aus (a) einem Verriegelungssystem 881, (b) einem Verriegelungssystem 882, (c) einem Frequenzzähler 551, (d) einem Frequenzzähler 552, (e) einer Verarbeitungseinheit 680, (f) einem Multiplexspiegel 751, (g) einer Lichtleitung 780 und (h) einem Verzweigungsspiegel 752. Das Verriegelungssystem 881 bildet eine phasenverriegelte Schleife, die einem Streulichtstrahl zugeordnet ist. Das Verriegelungssystem 882 bildet eine phasenverriegelte Schleife, die einem Reaktionslichtstrahl zugeordnet ist. Der Frequenzzähler 551 überwacht und mißt die Frequenz eines Modulationssignals im Verriegelungssystem 881. Der Frequenzzähler 552 überwacht und mißt die Frequenz eines Modulationssignals im Verriegelungssystem 882. Die Verarbeitungseinheit 680 liest den Meßwert vom Frequenzzähler 551, wenn das Verriegelungssystem 881 die verriegelte Phase bildet, liest den Meßwert des Frequenzzählers 552, wenn das Verriegelungssystem 882 die Phasenverriegelungsschleife bildet, und gewinnt die Abklingcharakteristiken des Reaktionslichtstrahls auf der Grundlage der gelesenen Meßwerte. Der Multiplexspiegel 751 unterzieht einen Teil eines Erregerlichtstrahls, der aus dem Verriegelungssystem 881 kommt, und einen Teil eines Erregerlichtstrahls, der vom Verriegelungssystem 882 kommt, dem Multiplexverfahren und gibt den Lichtstrahl an einen Zielmeßgegenstand 900 ab. Der Lichtleiter 780 führt den Erregungslichtstrahl, der vom Multiplexspiegel 751 zum Zielmeßgegenstand 900 ausgerichtet ist, und führt zur selben Zeit den Streulichtstrahl und den Reaktionslichtstrahls aus dem Zielmeßgegenstand 900. Der Verzweigungsspiegel 752 empfängt den Lichtstrahl, den der Lichtleiter 780 abgibt, und verzweigt den Lichtstrahl in zwei Lichtstrahlen, die eine Streulichtkomponente und eine Reaktionslichtkomponente enthalten.
Das Verriegelungssystem 881 unterscheidet sich vom Verriegelungssystem 800 des ersten Ausführungsbeispiel darin, daß 1 die Lichtsendeeinheit 100 vom ersten Ausführungsbeispiel ersetzt ist durch ein SHG-Element 186 zum Erzeugen der zweiten Harmonischen eines Lichtstrahls, der von der Lichtsendeeinheit 100 abgegeben wird, wodurch eine Lichtsendeeinheit 181 aufgebaut wird, und daß 2 der Wellenlängenwähler 200 ersetzt ist durch einen Wellenlängenwähler 251 zum selektiven Senden eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = λ&sub1;. Das Verriegelungssystem 882 unterscheidet sich vom Verriegelungssystem 800 vom ersten Ausführungsbeispiel darin, daß 1 die Lichtsendeeinheit 100 vom ersten Ausführungsbeispiel ersetzt ist durch ein SHG-Element 187 zum Erzeugen der zweiten Harmonischen eines Lichtstrahls, der von der Lichtsendeinheit 100 abgegeben wird, wodurch eine Lichtsendeeinheit 182 gebildet wird, und dadurch, daß 2 der Wellenlängenwähler 200 ersetzt ist durch einen Wellenlängenwähler 252 zum selektiven Senden eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = λ&sub2;.
Die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels arbeitet auf folgende Weise. Genauer gesagt, die Schwingungsfrequenzen der spannungsgesteuerten Oszillatoren 403&sub1; und 403&sub2; werden so gesteuert, daß die Phasendifferenzen zwischen den Lichtsendeeinheiten 181 und 182 und den Lichtempfangseinheiten 300&sub1; und 300&sub2; auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden (π/2). Die Fluoreszenzabklingzeit des Zielmeßgegenstands 900 wird aus der Frequenz spezifiziert, wodurch eine Krebszelle von einer normalen Zelle unterscheidbar ist.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels ist nachstehend detailliert beschrieben.
Ein Erregerlichtstrahl (Wellenlänge = 315 nm) wird auf einen Zielmeßgegenstand 900 vom entfernten Ende des Lichtleiters 780 gestrahlt, der beispielsweise in einem Faserscope hin zu Zellen eingebaut ist. Vom Erregerlichtstrahl laufen eine Streukomponente und eine Fluoreszenzkomponente (Wellenlänge = 330 bis 440 nm) von der Oberfläche des Zielmeßgegenstands 900 durch den Lichtleiter 780 und werden geführt zu den Lichtempfangseinheiten 3001 und 3002 durch die Wellenlängenwähler 251 und 252. Es kann angenommen werden, daß sich ein Abstand L3 zwischen dem fernen Ende des Lichtleiters 780 und dem Zielmeßgegenstand 900 häufig ändert. Aus diesem Grund sind die beiden Verriegelungssysteme 881 und 882 vorbereitet zum Erhöhen der Meßdauer. Der Erregerlichtstrahl, der zur Messung verwendet wird, wird gewonnen durch Passieren eines Ausgangslichtstrahls von einer Laserdiode zum Emittieren eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge = 630 nm durch die SHG-Kristalle 186 und 187 zum Erzeugen zweiter Harmonischer. Abstände L1 und L2 im Lichtleiter 780 werden auf 1 m eingestellt, der Brechungsindex auf 1,5, der Abstand L3 zwischen dem fernen Ende des Lichtleiters 780 und dem Zielmeßgegenstand 900 auf 10 cm und der Brechungsindex des optischen Weges wird auf 1,0 gebracht. Wenn die Gruppenverzögerungszeiten der Lichtsendeeinheiten 181 und 182, der Lichtempfangseinheiten 3001 und 3002, der Wellenlängenwähler 251 und 252 und des optischen Lichtleit-Koppelsystems in den Lichtsende- und Lichtempfangseinheiten vernachlässigt werden, wird ein Wert f1, gewonnen vom Frequenzzähler 551, dargestellt gemäß Gleichung (4):
f1 = ((4/3 · (2 · 1,5 - 0,2)/3 · 10&sup8;) = 70,3125 MHz
Gemäß R.R. Alfano et al. werden die Fluoreszenzabklingcharakteristiken einer Zelle angenähert durch zwei Abklingzeitkonstanten. Von der Fluoreszenz aus einer Krebszelle ist der Durchschnittswert kleinerer Fluoreszenzabklingzeitkonstanten 1,913 ns und von der Fluoreszenz einer normalen Zelle ist der Durchschnittswert der kleineren Fluoreszenzabklingzeitkonstanten 1,12 ns. Obwohl nicht beschrieben, werden eine Krebszelle und eine normale Zelle angesehen als hätten sie fast dieselbe große Abklingzeitkonstante. In der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels kann die Messung nicht ausgeführt werden, wenn die beiden Zeitkonstanten getrennt sind. Gemäß einer Änderung der Phasendifferenz zwischen einem Erregerlichtstrahl und Fluoreszenz, die verursacht wird durch die unterschiedlichen Zeitkonstanten für eine normale Zelle und eine Krebszelle, kann jedoch ein Wert gewonnen werden durch den Frequenzzähler 552, der sich ändert, wodurch die Unterscheidung zwischen der normalen Zelle und der Krebszelle möglich wird.
Wenn der Abstand L3 gemäß der Bewegung der Probe oder des Faserscopes variiert, variiert auch der Anzeigewert des Frequenzzählers 552 selbst für denselben Zielmeßgegenstand. Unter Verwendung des gleichzeitig gewonnenen Wertes f1 kann jedoch nur die Phasendifferenz der Probe gemäß Gleichung (17) ausgelesen werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird die große Zeitkonstante vernachlässigt. In diesem Fall wird ein Wert f2 spezifiziert gemäß nachstehender Gleichung, die aus den Gleichungen (17), (10) und (11) gewonnen wird:
tan [(3/4) · 2π · (1 - (f2/(70,3125 · 10&sup6;))] = 2π · f2 · τ
Wenn die Zeitkonstante der Zelle substituiert wird durch τ, ist die Frequenz f2, gewonnen für eine normale Zelle, 64 MHz, und die Frequenz f2, gewonnen für eine Krebszelle, wird 60,9 MHz. Unter Berücksichtigung der Auflösungsleistung des Gerätes dieses Ausführungsbeispiels können die normale Zelle und die Krebszelle hinreichend genau voneinander unterschieden werden.
Wie zuvor detailliert beschrieben, wird gemäß der Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik nach der vorliegenden Erfindung ein photoleitfähiger Photodetektor verwendet, der in der Lage ist, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb auszuführen, und der Eigenschaften besitzt, die eine geringe Abhängigkeit bezüglich einer einfallenden Lichtmenge darstellt, um eine Hochgeschwindigkeitsrechnung auszuführen, und eine elektrische Schaltung bei einer nachfolgenden Stufe verarbeitet ein relativ langsames Signal. Aus diesem Grund kann die Auflösungsleistung der Abklingcharakteristikmessung weitestgehend erhöht werden.
Genauer gesagt, nach der vorliegenden Erfindung können Variationen in der Phase eines Ausgangssignals, die beobachtet werden bei der Verwendung eines elektronischen Mischers und verursacht werden durch Variationen in der Eingangsamplitude, vermieden werden. Wenn ein photoleitfähiger Photodetektor mit Hochgeschwindigkeitsansprechvermögen als ein Photodetektor verwendet wird, kann der nutzbare Frequenzbereich weitestgehend erhöht werden, wodurch die Freiheitsgrade zur Auswahl eines Meßziels vergrößert werden.
Selbst wenn eine hohe Empfindlichkeit und Sättigung für ein starkes Störsignal in Betracht gezogen werden, ist kein rauschfreier Verstärker mit großem Dynamikbereich erforderlich. Darüber hinaus wird kein optisches Störsignal an die erste Stufe des Verstärkers geliefert. Aus diesem Grund muß die Sättigung der ersten Stufe des Verstärkers nicht speziell berücksichtigt werden. Die Verstärkung der ersten Stufe des Verstärkers kann folglich maximiert werden innerhalb der Zulässigkeit des Störabstands und des Dynamikbereichs für die Signalkomponente. Der Freiheitsgrad zum Auslegen kann groß sein, und ein Meßsystem mit hoher Empfindlichkeit läßt sich leicht realisieren.
Anders als das herkömmliche System, selbst wenn viele Modulationskomponenten, die andere als eine Signalkomponente sind, im Hintergrundlicht enthalten sind, das stärker als das Signallicht ist, werden die Modulationskomponente, die andere sind als die Signalkomponente, nicht an die erste Stufe des Verstärkers geliefert. Eine Gegenmaßnahme für diese Situation muß folglich nicht speziell herangezogen werden.
In einem normalen System zur Ausführung eines Phasenvergleichs zwischen elektrischen Signalen ist ein Verstärker mit einem Band zur Modulationsfrequenz erforderlich. Ein System zum direkten Ausführen eines Phasenvergleichs zwischen einfallendem Licht und einem elektrischen Signal, wie bei der vorliegenden Erfindung, erfordert jedoch nur einen Verstärker mit einem niedrigen Frequenzband, der verwendet wird als ein Schleifenfilter in einer PLL. Eine einfache Schaltungsanordnung läßt sich folglich erzielen.
In einem System, bei dem eine Phasendifferenzinformation umgesetzt wird in eine Frequenz und ausgelesen wird, ist die Auflösungsleistung beschränkt auf die Genauigkeit eines Frequenzzählers. Folglich kann die Messung mit einer hohen Auflösungsleistung ausgeführt werden.
Aus der zuvor beschriebenen Erfindung geht offensichtlich hervor, daß die Erfindung auf verschiedenen Wegen variiert werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie sie in den Patentansprüchen festgelegt ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung einer Abklingcharakteristik, mit:

einem Lichtsendemittel (100) zum Ausstrahlen eines ersten Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge auf einen Zielmeßgegenstand, wobei der erste Lichtstrahl mit einem elektrischen Signal gemäß einer ersten Frequenz intensitätsmoduliert ist, wobei sich die Intensität gemäß der ersten Frequenz periodisch ändert;

einem Wellenlängen-Auswahlmittel (200) zum Empfangen eines zweiten Lichtstrahls als einen gestreuten Lichtstrahl vom ersten Lichtstrahl auf den Zielmeßgegenstand, und eines dritten Lichtstrahls mit einer zweiten Wellenlänge, wobei der dritte Lichtstrahl vom Zielmeßgegenstand nach Bestrahlung des ersten Lichtstrahls aus dem Lichtsendemittel auf den Zielmeßgegenstand entsteht, und zum Auswählen und Ausgeben entweder des zweiten oder des dritten Lichtstrahls gemäß einem Wellenlängenauswahl- Bestimmungssignal;

einem Lichtempfangsmittel (300) mit einem Photodetektor (310) zum Empfangen eines zweiten elektrischen Signals, das eine photoelektrische Wandlerverstärkung steuert und eine zweite Frequenz hat, um den Lichtstrahl aus dem Wellenlängenauswahlmittel (200) zu empfangen, und zum Erzeugen eines dritten elektrischen Signals, das eine Komponente mit einer dritten Frequenz enthält, die einem Absolutwert einer Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz entspricht, wobei das dritte elektrische Signal ein elektrisches Signal gemäß einer empfangenen Lichtintensität und der eingestellten photoelektrischen Wandlerverstärkung ist, um ein viertes Signal auszugeben, das die Komponente der dritten Frequenz aus dem dritten elektrischen Signal wiedergibt; und mit

einer Meßverarbeitungseinheit (600) zum Ausgeben des ersten elektrischen Signals an das Lichtsendemittel (100), zum Ausgeben des zweiten elektrischen Signals an das Lichtempfangsmittel (300), zum Ausgeben eines Wellenlängenbestimmungssignals zum Bestimmen einer ausgewählten Wellenlänge an das variable Wellenlängenauswahlmittel (200) und zum Erzielen von Abklingcharakteristiken des dritten Lichtstrahls aus einem ersten Meßergebnis vom vierten Signal aus dem Lichtempfangsmittel nach Auswahl der ersten Wellenlänge und einem zweiten Meßergebnis aus dem vierten Signal aus der Lichtempfangseinheit nach Auswahl der zweiten Wellenlänge auf der Grundlage einer Phasendifferenz zwischen einer Phase einer Intensitätsänderung des an die Lichtempfangseinheit gelieferten zweiten Lichtstrahls und einer Phase der Intensitätsänderung vom zur Lichtempfangseinheit gelieferten dritten Lichtstrahl.

2, Vorrichtung nach Anspruch 1, deren Lichtempfangsmittel ausgestattet ist mit:

einer Signalliefereinheit (361), die ein elektrisches Signal empfängt, um das elektrische Signal in eine vorbestimmte Ausgangsform umzusetzen, und um das elektrische Signal abzugeben; wobei

der photoleitfähige Photodetektor (310) mit einem elektrischen Signalanlegeanschluß zum Empfangen des elektrischen Signals aus der Signalanlegeeinheit versehen ist, um einen Lichtstrahl zu empfangen;

einer Wandlerverstärkungseinheit (320) zum Ausgeben eines Spannungssignals gemäß dem elektrischen Signal, das durch den photoleitfähigen Photodetektor fließt; und

einem Frequenzwähler (330), der das Spannungssignal aus der Wandlerverstärkungseinheit empfängt, um ein Spannungssignal auszuwählen und durchzulassen, das im wesentlichen dieselbe Frequenz hat wie das zugehörige zu einem Absolutwert einer Differenz zwischen einer Frequenz einer Intensitätsänderung des Lichtstrahls, der auf den photoleitfähigen Photodetektor fällt, und eine Frequenz des an die Signalliefereinheit gelieferten elektrischen Signals.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die vorbestimmte Ausgabeform ein Spannungssignal in einem Ausgabezustand niedriger Impedanz ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der photoleitfähige Photodetektor (310) eingerichtet ist zum Feststellen, wenn eine Zielmeßlichtintensität konstant und ein angelegter Spannungswert unabhängig variabel ist, eines zum Durchfließen des photoleitfähigen Photodetektors (310) eingerichteten Stromes, der einer substantiell ungeradzahligen Funktion der angelegten Spannung innerhalb einer vorbestimmten Domäne repräsentativ ist, die über einen angelegten Spannungswert von 0 V verfügt, und wenn die angelegte Spannung konstant und die Zielmeßlichtintensität unabhängig variabel ist, ist der zum Durchfließen des photoleitfähigen Photodetektors eingerichtete Strom repräsentativ für eine im wesentlichen linearen Funktion einer Bestrahlungssignalintensität innerhalb einer vorbestimmten Domäne der Zielmeßlichtintensität, und wobei

der photoleitfähige Photodetektor (310) eingerichtet ist, an das Spannungssignal angelegt zu werden, welches periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, wobei eine Amplitude darstellbar ist durch eine im wesentlichen geradzahlige Funktion einer Zeit, wenn ein Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, bei denen die Amplitude Null wird, als Ursprung festgelegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei der die vorbestimmte Ausgangssignalform ein in einem Hochimpedanzzustand abgegebenes Stromsignal ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der photoleitfähige Photodetektor (310) eingerichtet ist zum Feststellen, wenn eine Zielmeßlichtintensität konstant ist und ein angelegter Stromwert unabhängig variabel ist, wenn ein Spannungswert, der am photoleitfähigen Photodetektor aufkommt, darstellbar ist durch eine substantiell ungradzahlige Funktion des angelegten Stromes innerhalb einer vorbestimmten Domäne, die einen angelegten Stromwert von 0 A enthält, und wenn der angelegte Strom konstant ist und die Zielmeßlichtintensität eine unabhängige Variable ist, läßt sich der am photoleitfähigen Photodetektor erzeugte Spannungswert darstellen durch eine im wesentlichen lineare Funktion einer Bestrahlungssignalstärke innerhalb einer vorbestimmten Domäne der Zielmeßlichtintensität, und wobei

der lichtempfindliche Photodetektor eingerichtet ist, eine Nicht-Gleichstromkomponente eines dort anliegenden Stromsignals zu haben, das periodisch ist und einen zeitlichen Durchschnittswert von im wesentlichen Null hat, und wobei eine Amplitude durch eine substantiell geradzahlige Funktion einer Zeit darstellbar ist, wenn ein Mittelpunkt zwischen benachbarten Zeiten, bei denen die Amplitude des Nicht-Gleichstromkomponente zu Null wird, als ein Ursprung festgelegt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, die des weiteren über ein Reglermittel (340) verfügt, um den Arbeitspunkt des photoleitfähigen Photodetektors (310) einzustellen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der photoleitfähige Photodetektor (310) ein Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektor mit einer Struktur ist, bei der Gleichrichterübergänge in entgegengesetzter Richtung verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der der photoleitfähige Photodetektor (310) ein solcher mit einer Struktur ist, bei der Ohmsche Kontaktelektroden einander gegenüberliegend verbunden sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Frequenz der zweiten Frequenz gleich und die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal bekannt ist, und wobei

die Meßverarbeitungseinheit (600) ausgestattet ist mit:

einer Frequenzeinstelleinheit (400) zum Einstellen der ersten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands des Fixierens vom Ausgangssignal aus dem Lichtempfangsmittel als Bezugswert;

einer Frequenzmeßeinrichtung (500), die die von der Frequenzeinstelleinheit eingestellte und fixierte erste Frequenz mißt; und

einer Rechenverarbeitungseinheit (611), die eine erste Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung der Intensität vom zweiten Lichtstrahl an einer Stelle des Photodetektors und einer Phase einer Änderung in der Amplitude vom ersten Signal aus einer ersten Meßfrequenz errechnet, gemessen von der Frequenzmeßeinrichtung nach dem zweiten vom Wellenlängenauswahlmittel auswählbaren Lichtstrahl, die eine zweite Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung der Intensität vom dritten Lichtstrahl an der Stelle des Photodetektors und einer Phase der Änderung in der Amplitude im ersten elektrischen Signal aus einer zweiten Meßfrequenz errechnet, gemessen von der Frequenzmeßeinrichtung (500), nach dem dritten vom Wellenlängenauswahlmittel auswählbaren Lichtstrahl, und die eine Abklingcharakteristik des dritten Lichtstrahls auf der Grundlage der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz erzielt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der: das vierte Signal ein Spannungssignal, der Bezugswert 0 V und die Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Intensität vom zweiten Lichtstrahl und der Position des Photodetektors (310) und der Phase der Änderung in der Amplitude des zweiten elektrischen Signals nach der vom Frequenzeinstellmittel (400) fixierbaren ersten Frequenz die erste Meßfrequenz ist, und bei der die Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Intensität vom dritten Lichtstrahl an der Position des Photodetektors und der Phase der Änderung in der Amplitude vom zweiten elektrischen Signal entweder π/2 oder 3π/2 ist, wenn die von der Frequenzeinstelleinheit fixierte erste Frequenz als die zweite Meßfrequenz eingerichtet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Frequenz sich von der zweiten Frequenz unterscheidet und die Meßverarbeitungseinheit 600 eingerichtet ist, die Abklingcharakteristiken des dritten Lichtstrahls auf der Grundlage der Meßwerte einer Amplitude und Phase vom vierten Signal zu errechnen.

13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Lichtsendemittel über eine erste Lichtsendeeinheit (181) und über eine zweite Lichtsendeeinheit (182) verfügt, wobei das Wellenlängenwählermittel über einen ersten Wellenlängenwähler (251) und über einen zweiten Wellenlängenwähler (252) verfügt, und wobei das Lichtempfangsmittel über eine erste Lichtempfangseinheit (3001) und über eine zweite Lichtempfangseinheit (3002) verfügt, wobei die erste Lichtsendeeinheit (181) eingerichtet ist, mit einem ersten Lichtstrahl mit einer ersten Wellenlänge zu strahlen, der intensitätsmoduliert ist mit einem gemäß einer ersten Frequenz geänderten ersten elektrischen Signal und mit einer periodisch geänderten Intensität gemäß der ersten Frequenz;

wobei der Wellenlängenwähler (251) eingerichtet ist zur Auswahl und zur Ausgabe eines zweiten Lichtstrahls als einen Streulichtstrahl auf den Zielmeßgegenstand;

wobei die erste Lichtempfangseinheit (300&sub1;) mit einem ersten Photodetektor zum Empfang eines zweiten elektrischen Signals ausgestattet ist, der eine photoelektrische Wandlerverstärkung steuert und eine zweite Frequenz hat, der den vom Wellenlängenwähler übertragenen und aus dem ersten Wellenlängenwähler ausgegebenen Lichtstrahl empfängt, und der ein drittes elektrisches Signal erzeugt, das eine Komponente mit einer dritten Frequenz enthält gemäß einem Absolutwert einer Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz, wobei das dritte elektrische Signal ein elektrisches Signal gemäß einer empfangenen Lichtstärke und der eingestellten photoelektrischen Wandlerverstärkung ist, zur Ausgabe eines vierten Signals, das einen Amplitudenwert der Komponente von der dritten Frequenz aus dem dritten elektrischen Signal wiedergibt;

wobei die zweite Lichtsendeeinheit (182) zum Bestrahlen mit einem dritten Lichtstrahl mit der ersten Wellenlänge auf den Zielmeßgegenstand (900) eingerichtet ist, wobei der dritte Lichtstrahl mit einem fünften elektrischen Signal intensitätsmoduliert ist, geändert gemäß einer vierten Frequenz, und mit einer periodisch geänderten Intensität gemäß der vierten Frequenz;

wobei der zweite Wellenlängenwähler (252) eingerichtet ist zur Auswahl und Ausgabe eines vierten Lichtstrahl mit einer zweiten Wellenlänge, wobei der vierte Lichtstrahl auf dem Zielmeßgegenstand nach Bestrahlen mit dem dritten Lichtstrahl aus der zweiten Lichtsendeeinheit auf den Zielmeßgegenstand entsteht;

wobei die zweite Lichtempfangseinheit (300&sub2;) mit einem zweiten Photodetektor zum Empfangen eines sechsten elektrischen Signals ausgestattet, das die photoelektrische Wandlerverstärkung steuert, und mit einer fünften Frequenz, die den Lichtstrahl empfängt, gesendet durch den zweiten Wellenlängenwähler (252), und Erzeugen eines siebenten elektrischen Signals mit einer Komponente mit einer sechsten Frequenz gemäß einem Absolutwert einer Differenz zwischen der vierten Frequenz und der fünften Frequenz, wobei das siebente elektrische Signal ein elektrisches Signal gemäß der empfangenen Lichtintensität und der eingestellten photoelektrischen Wandlerverstärkung zur Ausgabe eines achten Signals ist, das einen Amplitudenwert der Komponente von der sechsten Frequenz aus dem siebenten elektrischen Signal wiedergibt; und

wobei die Meßverarbeitungseinheit (680) eingerichtet ist zur Ausgabe des ersten elektrischen Signals an die Lichtsendeeinheit (181), Ausgeben des zweiten elektrischen Signals an die Lichtempfangseinheit (300&sub1;), Ausgeben des fünften elektrischen Signals an die zweite Lichtsendeeinheit (182), Ausgeben des sechsten elektrischen Signals an die zweite Lichtempfangseinheit (300&sub2;) und Erzielen von Abklingcharakteristiken des vierten Lichtstrahls aus dem ersten Meßergebnis vom vierten Signal, Ausgegeben von der ersten Lichtempfangseinheit und eines zweiten Meßergebnisses vom achten Signal aus der zweiten Lichtempfangseinheit auf der Grundlage einer Phasendifferenz zwischen einer Phase einer Änderung in der Intensität des zweiten Lichtstrahls, geliefert an die erste Lichtempfangseinheit, und einer Phase einer Änderung in der Intensität des an die zweite Lichtempfangseinheit gelieferten vierten Lichtstrahls.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die erste Frequenz der zweiten Frequenz gleicht, wobei die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal bekannt ist, wobei die vierte Frequenz gleich der fünften Frequenz ist und die Phasendifferenz zwischen dem fünften elektrischen Signal und dem sechsten elektrischen Signal bekannt ist, und

die Meßverarbeitungseinheit (680) ausgestattet ist mit:

einer ersten Frequenzeinstelleinheit (410&sub1;) zum Einstellen der ersten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands zum Fixieren des Ausgangssignal aus der ersten Lichtempfangseinheit auf einen Bezugswert;

einer ersten Frequenzmeßeinrichtung (551) zum Messen der ersten Frequenz, eingestellt und fixiert von der ersten Frequenzeinstelleinheit;

einem zweiten Frequenzeinstellmittel (410&sub2;) zum Einstellen der vierten Frequenz zur Beibehaltung eines Zustands zum Fixieren des Ausgangssignals aus der zweiten Lichtempfangseinheit auf einen Bezugswert;

einer zweiten Frequenzmeßeinrichtung (552) zum Messen der von der zweiten Frequenzeinstelleinheit eingestellten und fixierten vierten Frequenz, und

einer Rechenverarbeitungseinheit (681) zum Errechnen einer ersten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Intensität vom zweiten Lichtstrahl bei einer Stelle des ersten Photodetektors und einer Phase einer Änderung in der Amplitude des ersten elektrischen Signals aus einer ersten Meßfrequenz, gemessen von der ersten Frequenzmeßeinrichtung, Errechnen einer zweiten Phasendifferenz gemäß einer Differenz zwischen der Phase der Änderung In der Intensität vom vierten Lichtstrahl an einer Stelle des zweiten Photodetektors (1002) und einer Phase einer Änderung in der Amplitude des fünften elektrischen Signals aus einer zweiten Meßfrequenz, gemessen von der zweiten Frequenzmeßeinrichtung, und Erzielen der Abklingcharakteristiken vom vierten Lichtstrahl auf der Grundlage der ersten Phasendifferenz und der zweiten Phasendifferenz.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der das vierte elektrische Signal und das achte elektrische Signal Spannungssignale sind, der Bezugswert 0 V ist, und die Differenz zwischen der Phase und der Änderung in der Intensität vom zweiten Lichtstrahl an der Stelle des ersten Photoleiters und der Phase der Änderung in der Amplitude vom zweiten elektrischen Signal nach der ersten Frequenz fixierbar ist durch die erste Frequenzeinstelleinheit die erste Meßfrequenz ist, und die Differenz zwischen der Phase der Änderung in der Intensität vom vierten Lichtstrahl an der Stelle des zweiten Photodetektors (300&sub2;) und der Phase der Änderung in der Amplitude vom sechsten elektrischen Signal nach der vierten Frequenz fixierbar ist durch die zweite Frequenzeinstelleinheit ist, wobei die Meßfrequenz entweder π/2 oder 3π/2 ist.