EP2250473A1 - Verfahren und anordnung zur zeitaufgelösten spektroskopie mit einem photonenmischdetektor - Google Patents

Verfahren und anordnung zur zeitaufgelösten spektroskopie mit einem photonenmischdetektor

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Publication number
EP2250473A1
EP2250473A1 EP09716330A EP09716330A EP2250473A1 EP 2250473 A1 EP2250473 A1 EP 2250473A1 EP 09716330 A EP09716330 A EP 09716330A EP 09716330 A EP09716330 A EP 09716330A EP 2250473 A1 EP2250473 A1 EP 2250473A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
pmd
sensor
selective element
time
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09716330A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nico Correns
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss Microscopy GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss MicroImaging GmbH filed Critical Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Publication of EP2250473A1 publication Critical patent/EP2250473A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2889—Rapid scan spectrometers; Time resolved spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • G01J2003/282—Modified CCD or like
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for time-resolved spectroscopy, wherein the sample to be examined is illuminated by a modulated light source and the spectrum reflected thereby is recorded and evaluated in a time-resolved manner.
  • Spectroscopy is the study of the generation, observation and registration of spectra emitted or absorbed by a sample as radiation, including their analysis and interpretation.
  • the spectroscopic investigations carried out provide information about the elements or compounds present in the investigated sample and allow statements about the interaction between matter and radiation. It can be distinguished by the resolution in spectral and time-resolved spectroscopy.
  • Time-resolved spectroscopy refers to a measuring method in the field of spectroscopy, in which the temporal changes of spectral properties of a system are investigated. For this purpose, short light pulses are sent to the sample to be examined and their optical properties are determined by means of transmission, emission or frequency conversion of the electromagnetic radiation.
  • An intense, short light pulse puts the sample in a defined state of excitation.
  • temporally delayed light pulses then the state changes of the sample due to the first light pulse are examined (query).
  • Measuring tasks that can not be performed with non-time-resolved spectroscopy can be realized with such an excitation-query principle.
  • PMT sensors are used as sensors as sensors. These sensors are also referred to as PMT sensors and generate an electronic current in response to the incoming photon fluorescence motion.
  • PMT sensors have a high data readout rate, which allows the sample to be scanned quickly, PMT sensors have extremely low quantum efficiency, especially in the near infrared range of the electromagnetic spectrum.
  • the depth effect of the field of a PMT-based spot scanner remains so that the very high quantum efficiency of the CCD detectors becomes fully effective as additional advantages.
  • US Pat. No. 4,855,930 A describes methods and devices for time-resolved fluorescence spectroscopy in which laser light from a single pulse is used to excite fluorescent photons in a sample.
  • the measuring arrangements consist of a pulsed light source for the excitation of the sample, optical filters for isolating the fluorescent light emitted by the sample and a photocell for the detection of this fluorescent light and the generation of an electrical signal and a control unit for processing the information and the analysis of Dates.
  • a photocell here is a highly sensitive sensor for very weak light signals, a so-called photomultiplier used. Individual quanta of light trigger photoelectrons when they strike the photosensitive layer, which are then multiplied in cascade to yield a measurable signal at the end.
  • the ECU From the system's impulse response E (t), the ECU must mathematically filter out the actual fluorescence impulse response f (t).
  • the solution described does not require repeated excitations, so that digital data can be recorded in an extremely short time, the solution is quite expensive and does not achieve the desired accuracy.
  • a time-resolved mass spectrometer based on an ion source is described in US 5,969,350A.
  • the sample image is displayed on a computer monitor via a digital camera. Since the excitation of the sample is done with ions, a vacuum is required for the analysis. This has the disadvantage that either a complex sample exchange unit is required, or that a large number of samples must be introduced simultaneously into the vacuum chamber.
  • the proposed solution is more of a solution for use in the laboratory and is less practical due to the required vacuum chamber. Fast measured value acquisition is hardly possible, especially with a large number of samples.
  • No. 6,564,076 B1 describes a method and a device for time-resolved spectroscopy, which is based on the use of a fast photosensor.
  • concentration of an absorbable pigment such as hemoglobin.
  • the concentration of a pigment can be accurately determined in real time.
  • the sensor is combined with a photomultiplier.
  • the solution described in US Pat. No. 6,740,890 B1 also relates to the measurement of the time course of the radiation initiated by a light pulse in a sample.
  • a CCD camera with a slit mask is used to detect the light emitted by the sample.
  • the proposed solution is particularly suitable for the DNA and protein study.
  • the invention described in US Pat. No. 6,806,455 B2 relates to an arrangement and method for imaging, time-resolved fluorescence, in particular of biochemical and medical samples.
  • the device has a large aperture lens, a flash lamp for illumination, a digital camera with a fast high-quantum efficiency detector, and a computer. With this solution, simultaneous, time-resolved imaging of a large number of samples with high sensitivity and high throughput is possible.
  • a method and an arrangement for carrying out a time-resolved spectroscopy with a confocal laser spot array is described in US Pat. No. 6,979,830 B2.
  • the solution is suitable for any spectroscopic application and is not limited to microscopy and laser scanning cytometry (LSC).
  • LSC laser scanning cytometry
  • the sample is scanned here by laser spots using a CCD detector.
  • the disadvantage of this solution is that the power of the laser is divided into several spots. An identical power density in each spot is difficult to achieve.
  • a disadvantage of the known technical solutions that the device complexity for time-resolved spectroscopy is quite high and usually only for a wavelength (channel) or for a small number of wavelengths (channels) is suitable.
  • the present invention has for its object to develop an arrangement for time-resolved spectroscopy, which allows the widest possible and rapid examination of samples.
  • the arrangement should have the simplest possible, cost-effective and reliable, device-technical design.
  • PMD Photonic Mixer Device
  • the measuring process ie the measuring process, is performed at the PMD.
  • a matrix of PMD pixels not only captures the amplitude but also the phase (including the time course) of the received light.
  • PMD sensors were originally intended for object recognition, especially in road traffic, their application in many other technical fields is conceivable and appropriate.
  • the solution proposed here describes the use of PMD sensors in spectroscopy, in particular for the time-resolved examination of samples.
  • the use of PMD sensors is also possible in Raman spectrometry or for luminescence. neszenzflop, for example, to distinguish between phosphorescence and fluorescent light possible.
  • the intensity of the illumination can be reduced in various measuring methods, for example, or the measurement setups can be considerably simplified. Some measuring methods, which require extremely high illumination intensities, become possible in the first place. For example, materials with very similar optical properties can be reliably distinguished by the additional evaluation of the transit time of the light emitted by the sample.
  • PMD sensors can be used for imaging and / or for the selection of individual substances.
  • a PMD sensor system is based on the principles of intensity measurement and time-of-flight measurement and thus forms an active system in which a lighting unit illuminates the sample to be measured with modulated light. The emitted light is reflected by single or multiple points of the sample and reaches the PMD sensor with a delay dependent phase shift.
  • the PMD sensors are also modulated with the frequency of the illumination unit and mix the modulation signal with the phase-shifted light signal from the sample. From the phase shift which occurs as a result of the transit time, the distance to the points of the sample is obtained pixel by pixel.
  • a PMD sensor simultaneously supplies the raw data for all pixels to determine the distance values and their gray value in the spectral range.
  • the PMD sensor system thus provides two images of the sample under consideration, the information content of which can be used with high synergy.
  • Figure 1 Arrangement for time-resolved spectroscopy using an entrance slit with a diffraction grating
  • Figure 2 Arrangement for time-resolved spectroscopy using a gradient filter.
  • a sample to be examined is irradiated by a modulatable light source with short light pulses and the radiation emitted by the sample is imaged via imaging optical elements and a spectrally selective element onto a sensor arranged in the image plane and the signals from a control and control unit evaluated and / or stored.
  • the sensor arranged in the image plane is a PMD sensor which, in addition to the intensity values, additionally determines the transit times of the radiation emitted by the sample and forwards them to the control and regulation unit for evaluation.
  • single-light sources in the form of spectrally different-emitting semiconductor light sources can be used as a modulatable light source.
  • These may be, for example, LEDs, OLEDs or laser diodes.
  • the variants for the spectrally selective element can be seen in the use of an entrance slit with a diffraction grating and / or a prism or a graduated filter. While the use of an entrance slit takes place with an imaging grating in a known manner and arrangement, a used gradient filter immediately before or directly on the PMD sensor.
  • a prism can replace the diffraction grating by serving for the spectral splitting of wavelength ranges in order to image them on the detector. But it is also possible to use a prism as an additional optical element to a diffraction grating. This allows the light of a point light source or their individual orders are spectrally split and displayed side by side on the detector.
  • the PMD sensor can be of line-shaped, but preferably matrix-shaped. From the, with the modulatable light source coupled PMD sensor, the photons converted into electrons in the light-sensitive semiconductor region in the light-sensitive semiconductor region are separated pixel-wise, time-selectively depending on the reference signal. By means of this simple comparison process between the optical measuring and the electronic reference signal, the resulting output signal of the PMD sensor already directly relates to the temporal change of the spectral properties. The PMD sensor simultaneously enables the intensity distribution for each pixel of the spectrum to be reproduced.
  • the individual light sources are switched by the control and regulation unit such that the radiation emitted by the sample via the imaging optical elements and the spectrally selective element in the form of individual spectra on the line or matrix PMD sensor be displayed one after the other in chronological order.
  • the existing of the imaging optical elements, the spectrally selective element and the PMD sensor optical measuring device is preferably designed so that the individual spectra are imaged as fully as possible on the PMD sensor.
  • the PMD sensor is designed in the form of a line and has, for example, 160 pixels.
  • the sample to be examined is irradiated by a modulatable light source with short light pulses of a specific wavelength.
  • the radiation emitted by a measuring point of the sample is then imaged onto the PMD sensor via imaging optical elements and the spectrally selective element (full-surface area).
  • the PMD sensor is formed in a matrix shape and has, for example, an area of 120x160 pixels.
  • the radiation emitted by a measuring point of the sample can also be imaged in full on the PMD sensor.
  • the spectrally selective element must be designed such that the different orders of the light emanating from a measuring point are imaged next to each other, over the entire surface, on the PMD sensor. This has the advantage of a high, spectral resolution.
  • the staggered activation of the modulated light source supports the effect of the spectrally selective element and offers the advantage of an improved separation of the individual wavelength ranges.
  • the individual light sources are switched by the control and regulation unit in such a way that the radiation emitted by the sample is emitted simultaneously via the imaging optical elements and the spectrally selective element in the form of individual spectra on the matrix-shaped PMD sensor , to be displayed side by side.
  • the PMD sensor is formed in a matrix shape and has, for example, an area of 120 ⁇ 160 pixels.
  • the sample to be examined is irradiated by a modulatable light source with short light pulses of specific wavelengths.
  • the radiations emitted by a number of measurement points of a line on the sample are then simultaneously imaged next to one another on the PMD sensor via the imaging optical elements and the spectrally selective element.
  • every spectrum will be reduced to one Line shown so that 120 spectra could be mapped simultaneously with an area of 120x160 pixels.
  • the simultaneous imaging of the spectra has the advantage of a very fast measurement.
  • the spectrally selective element is to be formed accordingly. Measurements in the nanosecond range can be achieved with a PMD sensor with a detector area of 120 x 160 pixels.
  • the inventive arrangement for time-resolved spectroscopy consists of a modulatable light source for illuminating the sample to be examined with short light pulses, a spectrally selective element, imaging optical elements, arranged in the image plane sensor and a control and regulation unit.
  • the sensor arranged in the image plane is a PMD sensor which, in addition to the intensity values, additionally determines the transit times of the radiation emitted by the sample and forwards them to the control and regulation unit for evaluation.
  • single-light sources in the form of spectrally differently radiating semiconductor light sources can be used as a modulatable light source.
  • These may be, for example, LEDs, OLEDs or laser diodes.
  • the spectrally selective element used in a first embodiment is an entrance slit with a diffraction grating and / or a prism and in a second embodiment a graduated filter. While the use of an entrance slit with an imaging grating takes place in a known manner and arrangement, a graduated filter used is placed immediately before or directly on the PMD sensor. In the simplest case, a prism can replace the diffraction grating or, with additional use between the diffraction grating and the sensor, serves to split up the individual orders and image them side by side on the detector.
  • the PMD sensor may be in the form of a cell, but preferably in the form of a matrix.
  • the photons converted into electrons in the light-sensitive semiconductor region in the light-sensitive semiconductor region are separated pixel-wise, time-selectively depending on the reference signal.
  • the resulting output signal of the PMD sensor already directly relates to the temporal change of the spectral properties.
  • the PMD sensor simultaneously enables the intensity distribution for each pixel of the spectrum to be reproduced.
  • FIG. 1 shows an arrangement for time-resolved spectroscopy using an entrance slit with a diffraction grating.
  • the arrangement here consists of a modulatable light source 1 for illuminating the sample 2 to be examined with short light pulses, an entrance slit 3 serving as a spectrally selective element with a diffraction grating 4, an optical fiber 5 serving as imaging optical elements, a PMD sensor 6 arranged in the image plane and a (not shown) control unit, which can be connected to the electronic interface 7.
  • the entrance slit 3 is in this case designed as a coupling-out optical fiber 5, from which the radiation coming from the sample 2 is imaged on the PMD sensor 6 via the diffraction grating 4.
  • the PMD sensor 6 additionally determines the values for the propagation times of the radiation emitted by the sample 2 and forwards them to the control and regulation unit for evaluation.
  • FIG. 2 shows a second arrangement for time-resolved spectroscopy using a gradient filter.
  • a drain filter is placed immediately before or directly on the PMD sensor.
  • the arrangement here consists of a modulatable light source 1 for illuminating the sample 2 to be examined with short light pulses, a Verlausfilters serving as a spectrally selective element 8, an imaging optical element 5 ', a arranged in the image plane PMD sensor 6 and a (not shown) control and regulating unit, which can be connected to the electronic interface 7.
  • the radiation coming from the sample 2 is imaged on the PMD sensor 6 via the Verlausfilters 8, which in addition to the intensity values additionally determines the values for the propagation times of the radiation emitted by the sample 2 and forwards them to the control and regulation unit for evaluation.
  • the individual light sources are switched on and off by the control and regulation unit in such a way that the radiation emitted by the sample is timed via the imaging optical elements and the spectrally selective element in the form of individual spectra on the PMD sensor be displayed one after the other.
  • the optical measuring arrangement consisting of the imaging optical elements, the spectrally selective element and the PMD sensor is preferably designed such that the individual spectra are imaged as completely as possible on the PMD sensor.
  • the PMD sensor is designed in the form of a line and has, for example, 160 pixels.
  • the sample to be examined is irradiated by a modulatable light source with short light pulses of a specific wavelength.
  • the radiation emitted by a measuring point of the sample is then imaged onto the PMD sensor via imaging optical elements and the spectrally selective element (full-surface area).
  • the PMD sensor is formed in a matrix shape and has, for example, an area of 120x160 pixels.
  • the radiation emitted by a measuring point of the sample can also be imaged in full on the PMD sensor.
  • the spectrally selective element must be designed in such a way that the different orders of the light emanating from a measuring point are arranged side by side, all over the PMD. Sensor can be imaged. This has the advantage of a high, spectral resolution.
  • the staggered activation of the modulated light source supports the effect of the spectrally selective element and offers the advantage of an improved separation of the individual wavelength ranges.
  • the individual light sources are switched by the control and regulation unit such that the radiation emitted by the sample is imaged simultaneously next to one another via the imaging optical elements and the spectrally selective element in the form of individual spectra on the PMD sensor.
  • the PMD sensor is formed in a matrix shape and has, for example, an area of 120 ⁇ 160 pixels.
  • the sample to be examined is irradiated by a modulatable light source with short light pulses of specific wavelengths.
  • the radiations emitted by a number of measurement points of a line on the sample are then simultaneously imaged next to one another on the PMD sensor via the imaging optical elements and the spectrally selective element.
  • each spectrum is also mapped to one line, so that with an area of 120x160 pixels, 120 spectra could be mapped simultaneously.
  • the simultaneous imaging of the spectra has the advantage of a very fast measurement.
  • the spectrally selective element is to be formed accordingly. Measurements in the nanosecond range can be achieved with a PMD sensor with a detector area of 120 x 160 pixels.
  • the special, internal structure of the PMD sensors allows elimination of the portion of the unmodulated light even before the runtime evaluation, so that disturbing extraneous light can be suppressed.
  • conclusions about the dynamics of the processes can be drawn by varying the delay time between the excitation pulse and the interrogation pulse. If, in this variation of the delay time, the measured variable thus obtained is plotted against the delay time, a so-called transient is obtained.
  • varying the excitation wavelength generally initiates different processes in the system being studied, which can lead to other spectral and temporal signatures. Plotting the system response against the query wavelength at a fixed delay time provides a so-called transient spectrum.
  • the response of the system can be generated either by varying the wavelength of a relatively narrow-band interrogation pulse or by spectrally resolved detection of a broadband interrogation pulse.
  • an arrangement and a method for time-resolved spectroscopy is provided, which allows the widest possible and rapid examination of samples, the arrangement for this as simple as possible, inexpensive and reliable, device-technical structure has.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lösung zur zeitaufgelösten Spektroskopie, wobei die zu untersuchende Probe von einer modulierten Lichtquelle beleuchtet und das von dieser reflektierte Spektrum zeitaufgelöst aufgenommen und ausgewertet wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur zeitaufgelösten Spektroskopie wird eine zu untersuchende Probe von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen bestrahlt und die von der Probe abgegebene Strahlung über abbildende optische Elemente und ein spektralselektives Element auf einen in der Bildebene angeordneten Sensor abgebildet und dessen Signale von einer Steuer- und Regeleinheit ausgewertet und/oder gespeichert. Der in der Bildebene angeordnete Sensor ist dabei ein PMD-Sensor, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Laufzeiten der von der Probe abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiter leitet. Obwohl PMD-Sensoren ursprünglich für die Objekterkennung, insbesondere im Straßenverkehr vorgesehen waren, ist deren Anwendung auf vielen anderen technischen Gebieten denkbar und zweckmäßig. Mit der hier vorgeschlagenen Lösung wird der Einsatz von PMD-Sensoren in der Spektroskopie, insbesondere zur zeitaufgelösten Untersuchung von Proben beschrieben. Der Einsatz von PMD-Sensoren ist allerdings auch in der Raman-Spektrometrie oder zur Lumineszenzmessung, beispielsweise zur Unterscheidung von Phosphoreszenz- und Fluoreszenzlicht möglich.

Description

VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR ZEITAUFGELOSTEN SPEKTROSKOPIE MIT EINEM PHOTONENMISCHDETEKTOR
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie, wobei die zu untersuchende Probe von einer modulierten Lichtquelle beleuchtet und das von dieser reflektierte Spektrum zeitaufgelöst aufgenommen und ausgewertet wird.
Als Spektroskopie ist die Lehre von der Erzeugung, Beobachtung und Registrierung der von einer Probe als Strahlung emittierten beziehungsweise absorbierten Spektren, einschließlich ihrer Analyse und Interpretation. Dabei liefern die durchgeführten spektroskopischen Untersuchungen Informationen über die in der untersuchten Probe vorhandenen Elemente oder Verbindungen und ermöglichen Aussagen über die Wechselwirkung zwischen Materie und Strahlung. Dabei kann nach dem Auflösungsvermögen in spektral- und zeitaufgelöste Spektroskopie unterschieden werden.
Die zeitaufgelöste Spektroskopie bezeichnet ein Messverfahren aus dem Bereich der Spektroskopie, bei dem die zeitlichen Veränderungen spektraler Eigenschaften eines Systems untersucht werden. Dazu werden kurze Lichtimpulse auf die zu untersuchende Probe gesendet und deren optische Eigenschaften anhand von Transmission, Emission oder Frequenzkonversion der elektromagnetischen Strahlung ermittelt.
Durch einen intensiven, kurzen Lichtimpuls wird die Probe in einen definierten Zustand der Anregung versetzt. Durch weitere, zeitlich verzögerte Lichtimpulse werden dann die Zustandsänderungen der Probe aufgrund des ersten Lichtimpulses untersucht (Abfrage).
Während durch die Variation der Verzögerungszeit zwischen Anregungs- und Abfrageimpuls Rückschlüsse auf die Dynamik der Prozesse erlaubt, werden durch die Variation der Anregungswellenlange unterschiedliche Prozesse in der untersuchten Probe in Gang gesetzt, die zu anderen spektralen und zeitlichen Signaturen führen können.
Mit einem derartigen Anregungs-Abfrage-Prinzip können Messaufgaben realisiert werden, die mit der nicht zeitaufgelösten Spektroskopie nicht durchgeführt werden können.
Nach dem Stand der Technik sind zur zeitaufgelösten Spektroskopie zahlreiche Lösungen bekannt.
In erster Linie kommen dabei als Detektoren sogenannte Photomultiplier als Sensoren zum Einsatz. Diese Sensoren werden auch als PMT-Sensoren (aus dem Englischen von: Photomultiplier Light Detector) bezeichnet und generieren einen elektronischen Strom in Reaktion auf die ankommenden Photonen- Fluoreszenz-Bewegung. PMT-Sensoren haben zwar eine hohe Datenauslese- Quote, die es ertauben die Probe schnell zu scannen, jedoch weisen PMT- Sensoren eine äußerst geringe Quanteneffizienz, insbesondere im nahen Infrarot-Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf.
Aus diesen Gründen sind im Stand der Technik weiterhin Lösungen bekannt, bei denen anstelle der PMT-Sensoren CCD-Detektoren zum Einsatz kommen.
Da die, in der Regel zweidimensionalen CCD-Detektoren hierbei nicht zur Bildaufnahme sondern zur reinen Lichterkennung verwendet werden und das Licht der einzelnen Spots über mehrere konfokal wirksame Blenden auf die einzelnen Pixel abgebildet werden, bleibt die Tiefenwirkung des Feldes eines PMT- basierten Spot-Scanners erhalten, so dass die sehr hohe Quanten-Effizienz der CCD-Detektoren als zusätzlicher Vorteile voll wirksam wird.
In der US 4,855,930 A werden Methoden und Geräte für die zeitaufgelöste Fluoreszenz-Spektroskopie beschrieben, bei denen Laserlicht aus einem einzigen Puls verwendet wird um fluoreszierende Photonen in einer Probe anzuregen. Dabei bestehen die Messanordnungen aus einer gepulsten Lichtquelle für die Anregung der Probe, optischen Filtern zum Isolieren des von der Probe emittierten Fluoreszenzlichtes sowie einer Fotozelle für die Detektion dieses Fluoreszenzlichtes und die Erzeugung eines elektrischen Signals sowie einer Steuereinheit für die Verarbeitung der Informationen und die Analyse der Daten. Als Fotozelle kommt hierbei ein hochempfindlicher Sensor für sehr schwache Lichtsignale, ein so genannter Photomultiplier zum Einsatz. Schon einzelne Lichtquanten lösen beim Auftreffen auf die photosensitive Schicht Photoelektronen aus, die kaskadenförmig vervielfältigt werden um am Ende ein messbares Signal zu liefern. Aus der Impulsantwort E (t) des Systems muss von der Steuereinheit die tatsächliche Fluoreszenz-Impulsantwort f (t) mathematisch heraus gefiltert werden. Obwohl bei der beschriebenen Lösung keine wiederholten Anregungen erforderlich sind, so dass digitale Daten in einer extrem kurzen Zeit aufgenommen werden können, ist die Lösung doch recht aufwendig und erreicht nicht die gewünschte Genauigkeit.
Ein zeitaufgelöstes Massenspektrometer, welches auf einer lonenquelle basiert, wird in der US 5,969,350 A beschreiben. Das Probenbild wird über eine digitale Kamera auf einen Computer-Monitor abgebildet. Da die Anregung der Probe mit Ionen erfolgt ist für die Analyse ein Vakuum erforderlich. Dies hat den Nachteil, dass entweder eine aufwendige Probenwechseleinheit erforderlich ist, oder dass eine Vielzahl von Proben gleichzeitig in die Vakuumkammer eingebracht werden müssen. Die vorgeschlagene Lösung stellt eher eine Lösung für den Einsatz im Labor dar und ist aufgrund der erforderlichen Vakuumkammer wenig praxistauglich. Eine schnelle Messwerterfassung ist insbesondere bei einer Vielzahl von Proben kaum möglich.
In der US 6,564,076 B1 werden eine Methode und eine Vorrichtung zur zeitaufgelösten Spektroskopie beschrieben, die auf dem Einsatz eines schnellen Photosensors basiert. Durch Messen des Aufstiegs und des Zerfalls von kurzen Lichtimpulsen wird die Bestimmung der Konzentration eines absorptionsfähigen Pigments, wie beispielsweise Hämoglobin ermöglicht. Durch zusätzliche Be- Stimmung der Dauer der Lichtimpulse können Änderungen in der Konzentration eines Pigments in Echtzeit genau bestimmt werden. Dazu wird auch hier der Sensor mit einem Photomultiplier kombiniert. Obwohl auch mit dieser Lösung digitale Daten in einer extrem kurzen Zeit aufgenommen werden können, ist die Lösung doch recht aufwendig und erreicht nicht die gewünschte Genauigkeit.
Die in der US 6,740,890 B1 beschriebene Lösung bezieht sich ebenfalls auf die Messung des Zeitverlaufes der von einem Lichtimpuls in einer Probe initiierten Strahlung. Zur Detektion des von der Probe ausgesendeten Lichtes wird hierbei eine CCD-Kamera mit einer Schlitzmaske verwendet. Auch hier ist es möglich mit einem einzigen Lichtpuls die gesamte Abklingkurve der Fluoreszenz der Probe aufzunehmen. Die vorgeschlagene Lösung ist insbesondere für die DNA- und Protein-Studie geeignet.
Die in der US 6,806,455 B2 beschriebene Erfindung betrifft eine Anordnung und Methode für die bildgebende, zeitaufgelöste Fluoreszenz, insbesondere von biochemischen und medizinischen Proben. Das Gerät verfügt hierbei über ein Objektiv der großen Öffnung, eine Flash-Lampe für die Beleuchtung, eine digitale Kamera mit einem schnellen Detektor mit hoher Quanteneffizienz sowie einen Computer. Mit dieser Lösung ist eine gleichzeitige, zeitaufgelöste Bildge- bung einer Vielzahl von Proben, mit hoher Empfindlichkeit und hohen Durchsatz möglich.
Eine Methoden und eine Anordnung für die Durchführung einer zeitaufgelösten Spektroskopie mit einem konfokalen Laser-Spot-Array wird in US 6,979,830 B2 beschrieben. Dabei ist die Lösung für jede spektroskopische Anwendung geeignet und ist nicht auf die Mikroskopie und Laser Scanning Zytometrie (LSC) beschränkt. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Lösungen wird die Probe hier von Laser-Spots gescannt, wobei ein CCD-Detektor verwendet wird. Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass die Leistung des Lasers in mehrere Spots aufgeteilt wird. Eine identische Leistungsdichte in den einzelnen Spots ist dabei nur schwer erreichbar. Nachteilig wirkt sich bei den bekannten technischen Lösungen aus, dass der gerätetechnische Aufwand für die zeitaufgelöste Spektroskopie recht hoch und meistens nur für eine Wellenlange (Kanal) bzw. für eine kleine Anzahl von Wellenlangen (Kanälen) geeignet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie zu entwickeln, die eine möglichst breitbandige und schnelle Untersuchung von Proben erlaubt. Die Anordnung soll dabei einen möglichst einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen, gerätetechnischen Aufbau aufweisen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Vom Institut für Nachrichtenverarbeitung (INV) und dem Zentrum für Sensorsysteme (ZESS) wurde in einer gemeinsamen Forschungsarbeit ein neuartiger opto-elektronischer Detektor, der sogenannte Photomischdetektor (Photonic Mixer Device, kurz PMD) entwickelt.
Gegenüber den bekannten opto-elektronischen Detektoren wird beim PMD der Messprozess, d. h. der Misch- und Korrelationsprozess, in den Detektor integriert. Eine Matrix von PMD-Pixeln erfasst neben der Amplitude auch die Phase (also auch den zeitlichen Verlauf) des empfangenen Lichtes.
Obwohl PMD-Sensoren ursprünglich für die Objekterkennung, insbesondere im Straßenverkehr vorgesehen waren, ist deren Anwendung auf vielen anderen technischen Gebieten denkbar und zweckmäßig. Mit der hier vorgeschlagenen Lösung wird der Einsatz von PMD-Sensoren in der Spektroskopie, insbesondere zur zeitaufgelösten Untersuchung von Proben beschrieben. Der Einsatz von PMD-Sensoren ist allerdings auch in der Raman-Spektrometrie oder zur Lumi- neszenzmessung, beispielsweise zur Unterscheidung von Phosphoreszenz- und Fluoreszenzlicht möglich.
Durch die zusätzliche Auswertung der Laufzeit des von der Probe emittierten Lichtes können bei verschiedenen Messverfahren beispielsweise die Intensität der Beleuchtung verringert werden oder die Messaufbauten können wesentlich vereinfacht werden. Manche Messverfahren, bei denen extrem hohe Beleuchtungsintensitäten erforderlich sind, werden dadurch überhaupt erst möglich. So lassen sich beispielsweise Materialien mit sehr ähnlichen optischen Eigenschaften durch die zusätzliche Auswertung der Laufzeit des von der Probe e- mittierten Lichtes sicher unterscheiden.
Prinzipiell ist der Einsatz von PMD-Sensoren in der Spektroskopie für alle Messverfahren möglich, bei denen durch modulierte Beleuchtung zeitlich unterscheidbare Wechselwirkungen der beleuchteten Probe hervorgerufen werden.
Als ein weiteres Einsatzgebiet sind Laser-Scanning-Mikroskope bzw. konvokale Mikroskope denkbar, bei denen PMD-Sensoren zur Bildgebung und/oder zur Selektion einzelner Stoffe genutzt werden können.
Ein PMD-Sensorsystem beruht auf den Prinzipien der Intensitätsmessung sowie der Lichtlaufzeitmessung (Time-of-Flight) und bildet somit ein aktives System, in dem eine Beleuchtungseinheit die zu vermessende Probe mit moduliertem Licht ausleuchtet. Das ausgesandte Licht wird von einzelnen oder mehreren Punkten der Probe reflektiert und gelangt mit einer laufzeitabhängigen Phasenverschiebung zurück zum PMD-Sensor. Die PMD-Sensoren werden ebenfalls mit der Frequenz der Beleuchtungseinheit moduliert und mischen das Modulationssignal mit dem phasenverschobenen Lichtsignal von der Probe. Aus der infolge der Laufzeit aufgetretenen Phasenverschiebung erhält man pixelweise die Entfernung zu den Punkten der Probe. Ein PMD-Sensor liefert zeitgleich für sämtliche Bildpunkte die Rohdaten zur Bestimmung der Entfernungswerte sowie deren Grauwert im Spektralbereich. Die PMD-Sensorik stellt damit zwei Bilder der jeweils betrachteten Probe bereit, deren Informationsgehalt mit hoher Synergie genutzt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen:
Figur 1 : Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie unter Verwendung eines Eintrittsspalts mit einem Beugungsgitter und
Figur 2: Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie unter Verwendung eines Verlaufsfilters.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur zeitaufgelösten Spektroskopie wird eine zu untersuchende Probe von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen bestrahlt und die von der Probe abgegebene Strahlung über abbildende optische Elemente und ein spektralselektives Element auf einen in der Bildebene angeordneten Sensor abgebildet und dessen Signale von einer Steuer- und Regeleinheit ausgewertet und/oder gespeichert. Der in der Bildebene angeordnete Sensor ist dabei ein PMD-Sensor, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Laufzeiten der von der Probe abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiter leitet.
Als modulierbare Lichtquelle finden hierbei Einzellichtquellen in Form spektral unterschiedlich strahlende Halbleiterlichtquellen Verwendung finden. Dies können beispielsweise LED's, OLED's oder auch Laserdioden sein.
Die Varianten für das spektralselektive Element sind in der Verwendung eines Eintrittsspalts mit einem Beugungsgitter und/oder einem Prisma bzw. eines Verlaufsfilters zu sehen. Während die Verwendung eines Eintrittsspaltes mit einem abbildenden Gitter in bekannter Weise und Anordnung erfolgt, wird ein verwendetes Verlaufsfilter unmittelbar vor oder direkt auf dem PMD-Sensor angeordnet. Ein Prisma kann im einfachsten Fall das Beugungsgitter ersetzten, indem es zur spektralen Aufspaltung von Wellenlängenbereichen dient um diese auf dem Detektor abzubilden. Es ist aber auch möglich ein Prisma als zusätzliches optisches Element zu einem Beugungsgitter zu verwenden. Hierdurch können das Licht einer Punktlichtquelle oder auch deren einzelne Ordnungen spektral aufgespalten und nebeneinander auf dem Detektor abgebildet werden.
Der PMD-Sensor kann hierbei zeilenförmig, vorzugsweise jedoch matrixförmig ausgebildet sein. Von dem, mit der modulierbaren Lichtquelle gekoppelte PMD- Sensor werden die in Elektronen gewandelten Photonen in Abhängigkeit vom Referenzsignal noch im lichtempfindlichen Halbleiterbereich pixelweise, zeitselektiv getrennt. Durch diesen einfachen Vergleichsprozess zwischen dem optischen Mess- und dem elektronischen Referenzsignal stellt das resultierende Ausgangssignal des PMD-Sensors bereits einen direkten Bezug zur zeitlichen Änderung der Spektraleneigenschaften dar. Der PMD-Sensor ermöglicht gleichzeitig die Intensitätsverteilung für jeden Bildpunkt des Spektrums wieder zu geben.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem Zeilen- oder matrixförmigen PMD-Sensor zeitlich nacheinander abgebildet werden.
Die aus den abbildenden optischen Elementen, dem spektralselektiven Element und dem PMD-Sensor bestehende optische Messanordnung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die einzelnen Spektren möglichst vollflächig auf dem PMD-Sensor abgebildet werden. In einer einfachen Ausführung ist der PMD-Sensor zeilenförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über 160 Pixel. Die zu untersuchende Probe wird von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Die von einem Messpunkt der Probe abgegebene Strahlung wird dann über abbildende optische Elemente und das spektralselektive Element (vollflächig) auf den PMD-Sensor abgebildet.
In einer verbesserten Ausführung ist der PMD-Sensor matrixförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über eine Fläche von 120x160 Pixel. Hier kann e- benfalls die von einem Messpunkt der Probe abgegebene Strahlung vollflächig auf den PMD-Sensor abgebildet werden. Dazu muss das spektralselektive E- lement so ausgebildet sein, dass die verschiedenen Ordnungen des von einem Messpunkt ausgehenden Lichtes nebeneinander, vollflächig auf den PMD- Sensor abgebildet werden. Dies hat den Vorteil einer hohen, spektralen Auflösung. Die zeitlich gestaffelte Einschaltung der modulierten Lichtquelle unterstützt die Wirkung des spektralselektiven Elementes und bietet den Vorteil einer verbesserten Trennung der einzelnen Wellenlangenbereiche.
In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung werden bei dem Verfahren zur zeitaufgelösten Spektroskopie die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem matrixförmigen PMD-Sensor gleichzeitig, nebeneinander abgebildet werden.
Dazu ist der PMD-Sensor matrixförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über eine Fläche von 120x160 Pixel. Die zu untersuchende Probe wird von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen bestimmter Wellenlängen bestrahlt. Die von einer Reihe von Messpunkten einer Linie auf der Probe abgegebene Strahlungen werden dann über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element gleichzeitig, nebeneinander auf den PMD-Sensor abgebildet. Im Idealfall wird auch hier jedes Spektrum auf eine Zeile abgebildet, so dass bei einer Fläche von 120x160 Pixel 120 Spektren gleichzeitig abgebildet werden könnten. Um die Auflösung der Messung zu erhöhen ist es aber auch möglich, jedes Spektrum auf mehrere Zeilen abzubilden. Die gleichzeitige Abbildung der Spektren hat den Vorteil einer sehr schnellen Messung. Das spektralselektive Element ist dabei entsprechend auszubilden. Mit einem PMD-Sensor mit einer Detektorfläche von 120 x 160 Pixel können Messungen im Nanosekundenbereich erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie besteht aus einer modulierbaren Lichtquelle zur Beleuchtung der zu untersuchenden Probe mit kurzen Lichtimpulsen, einem spektralselektiven Element, abbildenden optischen Elementen, einem in der Bildebene angeordneten Sensor und einer Steuer- und Regeleinheit. Der in der Bildebene angeordnete Sensor ist dabei ein PMD-Sensor, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Laufzeiten der von der Probe abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiter leitet.
Als modulierbare Lichtquelle finden hierbei Einzellichtquellen in Form spektral unterschiedlich strahlende Halbleiteriichtquellen Verwendung finden. Dies können beispielsweise LED's, OLED's oder auch Laserdioden sein.
Als spektralselektives Element wird in einer ersten Ausführungsform ein Eintrittsspalt mit einem Beugungsgitter und/oder einem Prisma und in einer zweiten Ausführungsform ein Verlaufsfilter verwendet. Während die Verwendung eines Eintrittsspaltes mit einem abbildenden Gitter in bekannter Weise und Anordnung erfolgt, wird ein verwendetes Verlaufsfilter unmittelbar vor oder direkt auf dem PMD-Sensor angeordnet. Ein Prisma kann im einfachsten Fall das Beugungsgitter ersetzten, oder es dient bei zusätzlicher Verwendung zwischen Beugungsgitter und Sensor dazu, die einzelnen Ordnungen aufzuspalten und nebeneinander auf dem Detektor abzubilden. Der PMD-Sensor kann hierbei zellenförmig, vorzugsweise jedoch matrixförmig ausgebildet sein. Von dem, mit der modulierbaren Lichtquelle gekoppelte PMD- Sensor werden die in Elektronen gewandelten Photonen in Abhängigkeit vom Referenzsignal noch im lichtempfindlichen Halbleiterbereich pixelweise, zeitselektiv getrennt. Durch diesen einfachen Vergleichsprozess zwischen dem optischen Mess- und dem elektronischen Referenzsignal stellt das resultierende Ausgangssignal des PMD-Sensors bereits einen direkten Bezug zur zeitlichen Änderung der Spektraleneigenschaften dar. Der PMD-Sensor ermöglicht gleichzeitig die Intensitätsverteilung für jeden Bildpunkt des Spektrums wieder zu geben.
Figur 1 zeigt dazu eine Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie unter Verwendung eines Eintrittsspalts mit einem Beugungsgitter. Die Anordnung besteht hierbei aus einer modulierbaren Lichtquelle 1 zur Beleuchtung der zu untersuchenden Probe 2 mit kurzen Lichtimpulsen, einem als spektralselektives Element dienenden Eintrittsspalts 3 mit einem Beugungsgitter 4, einer als abbildendes optisches Elementen dienenden Lichtleitfaser 5, einem in der Bildebene angeordneten PMD-Sensor 6 und einer (nicht dargestellten) Steuer- und Regeleinheit, die an die elektronische Schnittstelle 7 angeschlossen werden kann. Der Eintrittsspalts 3 ist hierbei als Auskoppeloptik einer Lichtleitfaser 5 ausgebildet, von der die von der Probe 2 kommende Strahlung über das Beugungsgitter 4 auf den PMD-Sensor 6 abgebildet wird. Der PMD-Sensor 6 ermittelt neben den Intensitätswerten zusätzlich die Werte für die Laufzeiten der von der Probe 2 abgegebenen Strahlung und leitet diese an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiter.
Figur 2 zeigt eine zweite Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie unter Verwendung eines Verlaufsfilters. Wie bereits erwähnt, wird ein Verla ufsfilter unmittelbar vor oder direkt auf dem PMD-Sensor angeordnet. Die Anordnung besteht hierbei aus einer modulierbaren Lichtquelle 1 zur Beleuchtung der zu untersuchenden Probe 2 mit kurzen Lichtimpulsen, eines als spektralselektives Element dienenden Verlausfilters 8, einem abbildenden optischen Element 5', einem in der Bildebene angeordneten PMD-Sensor 6 und einer (nicht dargestellten) Steuer- und Regeleinheit, die an die elektronische Schnittstelle 7 angeschlossen werden kann. Die von der Probe 2 kommende Strahlung wird über das Verlausfilters 8 auf den PMD-Sensor 6 abgebildet, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Werte für die Laufzeiten der von der Probe 2 abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiterleitet.
Wie bereits ausgeführt, werden in einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so ein- und ausgeschaltet, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor zeitlich nacheinander abgebildet werden.
Die aus den abbildenden optischen Elementen, dem spektralselektiven Element und dem PMD-Sensor bestehende optische Messanordnung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass die einzelnen Spektren möglichst vollflächig auf dem PMD-Sensor abgebildet werden.
In einer einfachen Ausführung ist der PMD-Sensor zeilenförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über 160 Pixel. Die zu untersuchende Probe wird von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Die von einem Messpunkt der Probe abgegebene Strahlung wird dann über abbildende optische Elemente und das spektralselektive Element (vollflächig) auf den PMD-Sensor abgebildet.
In einer verbesserten Ausführung ist der PMD-Sensor matrixförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über eine Fläche von 120x160 Pixel. Hier kann e- benfalls die von einem Messpunkt der Probe abgegebene Strahlung vollflächig auf den PMD-Sensor abgebildet werden. Dazu muss das spektralselektive E- lement so ausgebildet sein, dass die verschiedenen Ordnungen des von einem Messpunkt ausgehenden Lichtes nebeneinander, vollflächig auf den PMD- Sensor abgebildet werden. Dies hat den Vorteil einer hohen, spektralen Auflösung. Die zeitlich gestaffelte Einschaltung der modulierten Lichtquelle unterstützt die Wirkung des spektralselektiven Elementes und bietet den Vorteil einer verbesserten Trennung der einzelnen Wellenlangenbereiche.
In einer zweiten vorteilhaften Ausgestaltung werden die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor gleichzeitig, nebeneinander abgebildet werden.
Dazu ist der PMD-Sensor matrixförmig ausgebildet und verfügt beispielsweise über eine Fläche von 120x160 Pixel. Die zu untersuchende Probe wird von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen bestimmter Wellenlängen bestrahlt. Die von einer Reihe von Messpunkten einer Linie auf der Probe abgegebene Strahlungen werden dann über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element gleichzeitig, nebeneinander auf den PMD-Sensor abgebildet. Im Idealfall wird auch hier jedes Spektrum auf eine Zeile abgebildet, so dass bei einer Fläche von 120x160 Pixel 120 Spektren gleichzeitig abgebildet werden könnten. Um die Auflösung der Messung zu erhöhen ist es aber auch möglich, jedes Spektrum auf mehrere Zeilen abzubilden. Die gleichzeitige Abbildung der Spektren hat den Vorteil einer sehr schnellen Messung. Das spektralselektive Element ist dabei entsprechend auszubilden. Mit einem PMD-Sensor mit einer Detektorfläche von 120 x 160 Pixel können Messungen im Nanosekundenbereich erreicht werden.
Der spezielle, interne Aufbau der PMD-Sensoren ermöglicht eine Eliminierung des Anteils des nicht modulierten Lichtes bereits vor der Laufzeitauswertung, so dass störendes Fremdlicht unterdrückt werden kann.
In Abhängigkeit von der Art des bei der zeitaufgelösten Spektroskopie durchgeführten Anregungs-Abfrage-Prinzip können durch Auswertung der entspre- chenden Messergebnisse unterschiedliche Rückschlüsse auf die untersuchte Probe gezogen werden.
So können beispielsweise durch die Variation der Verzögerungszeit zwischen Anregungs- und Abfrageimpuls Rückschlüsse auf die Dynamik der Prozesse gezogen werden. Wird bei dieser Variation der Verzögerungszeit die so gewonnene Messgröße gegen die Verzögerungszeit aufgetragen, erhält man eine so genannte Transiente.
Im Unterschied dazu werden bei Variation der Anregungswellenlänge im Allgemeinen unterschiedliche Prozesse im untersuchten System in Gang gesetzt, die zu anderen spektralen und zeitlichen Signaturen führen können. Die Auftragung der Systemantwort gegen die Abfragewellenlange bei fester Verzögerungszeit liefert ein so genanntes transientes Spektrum. Die Antwort des Systems können dabei entweder durch Variation der Wellenlange eines relativ schmalbandigen Abfrageimpulses oder durch spektral aufgelöste Detektion eines breitbandigen Abfrageimpulses erzeugt werden.
Mit der erfindungsgemäßen, technischen Lösung wird eine Anordnung und ein Verfahren zur zeitaufgelösten Spektroskopie zur Verfügung gestellt, die eine möglichst breitbandige und schnelle Untersuchung von Proben erlaubt, wobei die Anordnung dazu einen möglichst einfachen, kostengünstigen und zuverlässigen, gerätetechnischen Aufbau aufweist.
Gegenüber einem herkömmlichen, derzeit verfügbaren Messsystem zur zeitaufgelösten Spektroskopie reduzieren sich die Beschaffungskosten, bei ähnlicher Funktionalität auf etwa 1/50.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zeitaufgelösten Spektroskopie bei dem eine zu untersuchende Probe von einer modulierbaren Lichtquelle mit kurzen Lichtimpulsen bestrahlt wird und die von der Probe in Transmission und/oder Reflexion abgegebene Strahlung über abbildende optische Elemente und ein spektralselektives Element auf einen in der Bildebene angeordneten Sensor abgebildet und dessen Signale von einer Steuer- und Regeleinheit ausgewertet und/oder gespeichert werden, wobei der in der Bildebene angeordnete Sensor ein PMD-Sensor ist, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Laufzeiten der von der Probe abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiterleitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als modulierbare Lichtquelle Einzellichtquellen in Form spektral unterschiedlich strahlende Halbleiterlichtquellen Verwendung finden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als spektralselektives Element ein Eintrittsspalt mit einem Beugungsgitter oder einem Prisma bzw. ein Verlaufsfilter verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als spektralselektives Element ein Eintrittsspalt mit einem Beugungsgitter und einem Prisma verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der PMD-Sensor Zeilen- oder matrix- förmig ausgebildet ist.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet werden, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor zeitlich nacheinander abgebildet werden.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet werden, dass die von der Probe abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor gleichzeitig, nebeneinander abgebildet werden.
8. Anordnung zur zeitaufgelösten Spektroskopie, bestehend aus einer modulierbaren Lichtquelle (1 ) zur Beleuchtung der zu untersuchenden Probe (2) mit kurzen Lichtimpulsen, einem spektralselektiven Element, abbildenden optischen Elementen, einem in der Bildebene angeordneten Sensor, zur Detektion des in Transmission und/oder Reflexion von der Probe (2) kommende Lichtes, und einer Steuer- und Regeleinheit, bei dem der in der Bildebene angeordneten Sensor ein PMD-Sensor (6) ist, der neben den Intensitätswerten zusätzlich die Laufzeiten der von der Probe (2) abgegebenen Strahlung ermittelt und an die Steuer- und Regeleinheit zur Auswertung weiter leitet.
9. Anordnung nach Anspruch 8, bei dem als Einzellichtquellen spektral unterschiedlich strahlende Halbleiterlichtquellen Verwendung finden.
10. Anordnung nach Anspruch 8, bei dem das spektralselektive Element ein Eintrittsspalt (3) mit einem Beugungsgitter (4) oder einem Prisma bzw. ein Verlaufsfilter (8) ist.
11. Anordnung nach Anspruch 8, bei dem das spektralselektive Element ein Eintrittsspalt (3) mit einem Beugungsgitter (4) und einem Prisma ist.
12. Anordnung nach Anspruch 8, bei dem der PMD-Sensor (6) Zeilen- oder matrixförmig ausgebildet ist.
3. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so ein- und ausgeschaltet werden, dass die von der Probe (2) abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor (6) zeitlich nacheinander abgebildet werden.
14. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Einzellichtquellen von der Steuer- und Regeleinheit so geschaltet werden, dass die von der Probe (2) abgegebene Strahlung über die abbildenden optischen Elemente und das spektralselektive Element in Form einzelner Spektren auf dem PMD-Sensor (6) gleichzeitig, nebeneinander abgebildet werden.
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