WO2013139434A1 - Method for the ultrarapid reading of photodetectors - Google Patents

Method for the ultrarapid reading of photodetectors Download PDF

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WO2013139434A1
WO2013139434A1 PCT/EP2013/000638 EP2013000638W WO2013139434A1 WO 2013139434 A1 WO2013139434 A1 WO 2013139434A1 EP 2013000638 W EP2013000638 W EP 2013000638W WO 2013139434 A1 WO2013139434 A1 WO 2013139434A1
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photodetectors
pulse train
delay
pulse
train signal
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PCT/EP2013/000638
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Rupert Huber
Olaf Schubert
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Universität Regensburg
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2803Investigating the spectrum using photoelectric array detector
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4228Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44Electric circuits

Definitions

  • the present invention is in the field of photosensitivity. More particularly, it relates to a method and apparatus for ultrafast reading of at least two spaced-apart photodetectors and a spectrometer utilizing such an apparatus and method.
  • TDI-CCD cameras Time Delay Integration
  • Another application in which a plurality of photodetectors is read out, forms the spectroscopic examination of substances.
  • the radiation to be analyzed is spatially separated so that different spectral radiation components run on different optical paths after separation.
  • a diffractive optical element can be used.
  • the spatial intensity distribution thus provided can then be detected by optical detectors which are spaced from each other.
  • the signal generated by the detectors is further processed, for which purpose the detectors are read out.
  • said spectrometric applications are used to observe time-varying processes.
  • a prerequisite for this is the possibility of a time-resolved execution of the optical detection measurements at the spatially spaced apart detectors. If the processes to be investigated run on very short time scales, it is also essential that the signals are generated quickly and sensitively on the one hand, and that they are further processed correspondingly quickly after generation, on the other hand.
  • Time-resolved analysis is the use of pulsed radiation whose spectral information - after interaction with the sample to be examined - is determined.
  • Time-sequential optical pulses characterize the sample at different times and may be captured by a photodetector as "snapshots.”
  • individual spectral slices may be received in time-resolved fashion.
  • CCD sensors These form the optical detector and the readout a common, integrated device.
  • clock signals in the MHz range can be used.
  • the sampling rate essentially results from the product of the inverse of the number of pixels and the clock signal frequency. Dead-time clock cycles in which dark pixels are output are not taken into account.
  • the sampling rates for very fast line detectors are usually in the range of a few 10 kHz, ie they correspond to a time resolution of about 100 ⁇ 8.
  • the use of actively switched components for signal processing thereby results in a relatively high noise level. These components have a complex circuit with its own timing, which limits the sampling rate.
  • CCD imaging systems have a mechanical shutter or are modulatedly illuminated.
  • the modulation can be generated with an electro-optical modulator, with an acousto-optical modulator or with a rotating perforated disc. In this case, it is necessary to synchronize the sampling rate with the modulator.
  • the mechanical shutter or the modulating components limit the technically achievable sampling rate.
  • spatial intensity distributions can also be measured by mechanically adjustable detection mechanisms.
  • a photodiode used for detection can be moved by means of a displacement table, as described in the patent application US 4,124,297.
  • Another possibility describes the patent application US 4,732,476, in which the scanning of a spectral intensity distribution by rotating an optical grating takes place.
  • the recording duration of a spectrum is in the range of milliseconds to minutes. For a temporal analysis of spectra in the microsecond range, these recording methods are therefore unsuitable.
  • Another method uses a spatial arrangement of photodiodes, for example a photodiode array, and uses for reading each photodiode each have their own preamplifier and a separate analog-to-digital converter.
  • the digital signals thus generated contain the optical information of the detected spectrum at the location of the photodiode at the time of detection.
  • Very high sampling rates can be achieved with this method.
  • this method is very costly, especially when additionally using lock-in amplifiers to process the photodiode signals.
  • the previously known methods for time-resolved reading of a detector device for recording a spatial intensity distribution have the disadvantage that the time resolution is either limited to a range of about 100 ⁇ 3 or can only be achieved at considerable expense.
  • the present invention has for its object to provide a method that allows a large number of spatially spaced photodetectors, which are illuminated by optical pulses with repetition rates up to the MHz range, inexpensive and low noise read. Another object is to provide a device that uses this method.
  • Modern ultrashort pulse lasers emit optical pulses with typical pulse durations in the nano-, pico- or femtosecond range with repetition rates in the MHz range.
  • each photodetector When a plurality N of spaced-apart photodetectors are illuminated with optical pulses, each photodetector generates an output electrical pulse approximately simultaneously in response to each of these optical pulses.
  • the repetition rate of the electrical output pulses generated by a photodetector corresponds to the repetition rate of the optical pulses with which the photodetector is illuminated.
  • a plurality N of pulsed electrical signals are generated upon detection of a pulsed spatial intensity distribution. So far, it is not possible to read these signals as quickly as they are provided in a cost effective manner.
  • the present invention solves this problem by a method of reading out a plurality N of photodetectors, where N is an integer> 2 and the photodetectors are spaced apart and illuminated simultaneously by an optical pulse so that each of the N photodetectors respond in response to the photodetectors optical pulse generates at least approximately simultaneously an electrical output pulse.
  • the information contained in the optical pulse can be detected location-dependent by the plurality N of photodetectors.
  • Each photodetector thus detects optical information, for example the intensity of a specific radiation component, at a specific spatial position.
  • the optical pulse may include, for example, visible, Near Infrared (NIR), infrared (IR), ultraviolet (UV), and / or other radiation regions.
  • NIR Near Infrared
  • IR infrared
  • UV ultraviolet
  • the present invention is used in the visible and NIR range and with photon energies of preferably ⁇ 100 eV, preferably ⁇ 10 eV and most preferably ⁇ 3 eV.
  • the information contained in the optical pulse is represented by the temporal and spatial spectral intensity distribution.
  • the spatial spectral information can be detected either without or with prior spectral separation. If the spectral sensitivity ranges of the photodetectors are selected differently from each other and narrow with respect to the spectrum of the optical pulse, only a corresponding spectral section of the spectrum of the optical pulse is detected at the location of each photodetector. In this case, a preliminary spectral separation is not necessary.
  • the spectral components of the optical pulse are spatially separated before detection, they can be identical spaced apart photodetectors that are sensitive in the entire spectrum of the optical pulse can be detected.
  • the spectral separation can be made by means of an optical grating or a refractive optical element.
  • the N photodetectors generate a plurality of N output electrical pulses in response to the incident optical pulse. Each of these electrical output pulses contains the information of the optical pulse at the location of the photodetector. Since the optical pulse impinges on the plurality N of photodetectors approximately simultaneously, the plurality of output electrical pulses are also generated approximately simultaneously in response to this optical pulse. Delays in the propagation of an optical pulse propagating at the speed of light or else different reaction times of the photodetectors can lead to different times of impingement of the optical pulse on the photodetectors or at different production instants of the electrical output pulses.
  • the temporal relationship between the generation times is referred to as "approximately simultaneous.”
  • the N delay times Ty , i are different from each other in pairs, so that the delayed output pulses are offset in pairs in time with respect to each other It is also possible that one of the delay times is zero, ie all output pulses except one are delayed in time.
  • these N delayed output pulses are combined to form a pulse train in a pulse train signal.
  • N individual signals are combined into a single signal, the pulse train signal.
  • Each electrical output pulse is represented in the pulse train signal in the form of a contribution from a particular photodetector. Due to the different delay times ⁇ , ⁇ , successive contributions of a pulse train in the pulse train signal have a time interval from each other which corresponds to the difference between the associated delay times ⁇ , ⁇ . Furthermore, the contributions in the pulse train signal occupy a certain temporal section, which is determined by the corresponding delay time ⁇ , ⁇ and a specific offset value.
  • the pulse train signal is read out using a readout circuit.
  • the read-out takes place in such a way that each photodetector is assigned a specific time segment of the pulse train signal belonging to a specific delay time Ty, i.
  • the abovementioned offset value can be determined by means of a trigger signal, so that each contribution can be assigned to the corresponding detector and the corresponding optical pulse.
  • the trigger signal can be generated, for example, from the output signal of an additional photodetector or from a signal which has been diverted to one of the N instantaneous or delayed electrical output pulses. Alternatively, the trigger signal can also be generated by the control of the pulsed laser.
  • substantially non-overlapping in time in this context means that successive contributions in the pulse train signal are so far apart in time that the read-out circuit can still distinguish them from one another and thus assign the information contained to the respective photodetector
  • the pulse width usually corresponds to the half width, ie the full width of the contribution at half the amount of the contribution
  • the critical time interval ie the distance at which successive contributions of the same pulse train do not substantially overlap in time, can be determined by the further processing of the pulse train signal to be dependent.
  • the method according to the invention thus converts information from a spatial intensity distribution into a single pulse train signal.
  • the spatial position of a photodetector is translated into the position of a temporal section in the pulse train signal.
  • the spectral information contained in a contribution is assigned to the corresponding spatial position.
  • the read speed corresponds to the speed at which the information is provided.
  • Delaying and merging can take place, for example, temporally and spatially separated from one another.
  • the N output pulses are delayed by means of the delay means first individually and in pairs separately from each other to the N delayed output pulses. Subsequently, these N delayed output pulses can then be merged.
  • the first process step of deceleration and the second process step of merging are not necessarily performed one after another but may also be combined or combined with each other.
  • a certain number of delay sections are connected in series and different photodetectors are each connected to different points of this series connection.
  • different electrical output pulses each enter the series circuit at different points and each undergo a different number of delay sections.
  • the Nth electrical output pulse is delayed by one time (TV , N-TV, NI) and then combined with the (Nl) th instantaneous electrical output pulse to form a two-contribution signal.
  • This two-contribution signal is delayed by the time ( ⁇ , ⁇ - ⁇ - ⁇ , ⁇ -2) and with the (N-2) th instantaneous electrical output pulse a signal with three contributions. These steps are repeated until finally a signal with Nl amounts is delayed by the time (T v> 2 - T v, i) and then merged with the first instantaneous electrical output pulse to the pulse train signal.
  • Delaying is preferably done using passive delay means, "passive" meaning that no active switching, such as using a clock signal, is necessary for deceleration, for example a passive delay may be caused by the propagation delay in a cable
  • passive delay means allows a readout in quasi-real time, ie the signal readout is carried out at practically the same speed as the signal supply and is only delayed by transit time differences
  • a limitation of the time resolution by active delay, such as due to a buffering or due to a clock signal frequency, is not available.
  • the N delay times Ty , i have a value which corresponds to a multiple of a predetermined time interval At.
  • the time interval between two consecutive contributions of the same pulse train is constant and corresponds to the value of the predetermined time interval At.
  • a pulsed laser source is used to scan the sample to be examined and the photodetectors are illuminated with this plurality of optical pulses interacting with the sample, a pulse train signal is generated containing a pulse train of N contributions for each optical pulse.
  • the contributions of the same pulse train take in the pulse train signal a time range ⁇ , the magnitude of which depends on the choice of the delay times Ty , i.
  • the delay times are chosen so that the temporal range ⁇ is less than 1 / f rep .
  • the critical distance should be as small as possible and thus the pulse width of the contributions should be as narrow as possible.
  • the pulse width of the contributions is in the range of the reaction time T R of the photodetector and is limited by this.
  • the response time T R of a photodetector is usually defined by the time it takes for a signal to increase from 10% to 90% of the maximum value.
  • the reaction time T R of a photodetector is approximately the limit frequency f c by T R ⁇ 0.35 / fc, wherein the cutoff frequency f c is the frequency at which the signal value has dropped to around 50% of the maximum value.
  • fast photodetectors are preferably used which have reaction times T R which are preferably ⁇ 50 ns, preferably ⁇ 5 ns, particularly preferably ⁇ 0.1 ns.
  • the photodetectors used have cut-off frequencies f c which are preferably> 0.007 GHz, preferably> 0.07 GHz, particularly preferably> 3.5 GHz.
  • the delay times are chosen so that the predetermined time interval ⁇ t can preferably be chosen to be less than 100 ns, preferably less than 10 ns and particularly preferably less than 100 ps.
  • the pulse train signal is amplified by means of a preamplifier, before the assignment of the temporal sections to the respective photodetector takes place.
  • the pulse train signal is digitized by means of an analog-to-digital converter before the assignment of the time segments to the respective photodetector takes place. Note that only a single preamplifier and a single analog-to-digital converter is needed to read the N photodetector signals for further processing. This shows a particular advantage of generating the analogue Pulse train signal from the plurality of delayed individual signals.
  • the method according to the invention is used in a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse.
  • the spectral components of the optical pulse are spatially separated. This separation is made, for example, as previously mentioned, by means of a refractive optical element or by means of an optical grating.
  • the spectrometer comprises a plurality of N photodetectors which are spaced apart and illuminated with different spectral components of the optical pulse. The readout of the photodetectors is carried out as described above.
  • the contributions in the pulse train signal contain the spectral information of the optical pulse at the location of the photodetector.
  • This information can be represented, for example, by the amplitude of the respective contribution, the width of the respective contribution, the integrated amplitude of the respective contribution or by another quantity of the respective contribution of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. By determining this quantity, the detected radiation intensity at the location of the photodetector is determined.
  • the invention also includes a device for reading out the plurality N of photodetectors using this method.
  • the device according to the invention comprises the following elements:
  • the delay means can be realized, for example, by cables of different lengths, so that the electrical output pulses generated by the photodetectors travel different distances through the cables. Due to different lengths of maturity, the electrical output pulses are delayed by different delay times Tv , i and thus offset in time.
  • Another possibility is to use commercially available passive delay elements that have a rise time of no more than 1 ns and delay times in the range of about 100 ps to nanoseconds. If necessary, several of these elements can be connected in series to achieve higher delay times.
  • a further embodiment provides a propagation delay directly in the semiconductor material of the photodetector. Due to a relatively low propagation speed of the electrical output pulses in semiconductors, therefore, only a relatively small distance is required.
  • the means for combining the delayed output pulses may be, for example, commercially available combination elements. These include, for example, N input cables which are connected together at their outputs and terminate in a single output cable.
  • the means for reading comprise an analog-to-digital converter.
  • an analog pulse train signal can be converted into a digital signal and then further processed with a suitable data processing system.
  • the means for reading comprises a preamplifier. With this, the contributions of the pulse train signal can be amplified, whereby the further processing is simplified.
  • the device comprises a plurality N of photodetectors for detecting the optical pulse and for generating the electrical output pulses.
  • the device For use with visible light, for example, silicon photodiodes or photodiode cells can be used.
  • An advantageous development of the invention relates to a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse using a plurality N of photodetectors, where N is an integer> 2 and the photodetectors are spaced from each other and arranged so that they each light of an associated spectral range of the optical pulse receive.
  • the spectrometer includes the aforementioned delay means, means for merging and means for reading.
  • the spectrometer comprises means for determining a size of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. The determined variable can be assigned to the spatial position of the corresponding photodetector and thus the spectrum of the optical pulse can be determined.
  • Figure 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a pulse train signal
  • Figure 3 is a schematic representation of an alternative embodiment of the
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the structure for measuring a pulse train signal
  • FIG. 5 shows a measured pulse train signal using two photodetectors.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the readout device 8 according to the invention, with which a pulse train signal 10, as shown in Figure 2, can be generated. More specifically, FIG. 1 shows on the left side an optical pulse 12 and, to the right, a plurality N of photodetectors 14. The photodetectors 14 are connected to delay means 18. These are followed by means 22 for combining delayed output pulses 20, to which an analog-to-digital converter 24 is connected, followed by a data processing system 26. In each photodetector 14, an electrical output pulse 16 is generated in response to the optical pulse 12, which is shown schematically in Figure 1. In the direction of passage behind the delay means 18 also delayed output pulses 20 and behind the means 22 for merging a pulse train signal 10 are shown schematically.
  • the function of the read-out device 8 will be described below.
  • the optical pulse 12 is represented by a plurality of arrows. In this case, an arrow corresponds to a spatial section of the optical pulse 12, which impinges on a specific photodetector of the plurality N of photodetectors 14.
  • each of the plurality N of photodetectors 14 generates an electrical output pulse 16 approximately simultaneously.
  • Output pulse 20 is generated.
  • the output pulse 16 of the first photodetector 14 would be a "delayed" output pulse delayed by a delay time of zero to standardize the description Output pulses 20 of the (i + l) -th and (i-l) -th photodetector 14 temporally offset by the predetermined time interval At.
  • the analog pulse train signal 10 is digitized by means of an analog-to-digital converter 24 and the thus digitized signal is forwarded to a data processing system 26.
  • FIG. 2 shows the time profile of the signal strength of a pulse train signal 10, as generated by the read-out device 8 shown in FIG.
  • the illustrated pulse train signal 10 includes three pulse trains 48, each containing a number N of contributions 28. The totality of the contributions 28 of the same pulse train 48 increases in the pulse train signal
  • the contributions 28 each have a pulse width 44 which corresponds to the full width of a contribution 28 at half the contribution level.
  • the time interval ⁇ t is sufficiently greater than the pulse width 44, so that the pulses of the same pulse train 48 do not overlap in time, or at least substantially do not overlap.
  • substantially not overlapping in time means that successive contributions 28 in the pulse train signal 10 are so far apart in time that they can still be separated from one another during further processing of the pulse train signal 10, so that the information contained in each contribution 28 corresponds to the corresponding one
  • the pulse spacing 32 is between the contributions 28 of the same photodetector
  • the pulse train spacing 32 corresponds to the spacing of successive optical pulses 12.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an alternative embodiment.
  • an optical pulse 12 impinges on a plurality N of photodetectors 14.
  • the proportions of the optical pulse 12 in FIG. 3 are occupied from bottom to top with the numbers "1" to "N".
  • the N photodetectors 14 are connected via N connections - represented by lines - to means 34 for merging and delaying.
  • the means 34 for merging and delaying include Nl individual delay sections 35, of which only four are drawn.
  • the Nl delay sections 35 are connected in series, so that the output (bottom) of a delay section 35 is connected to the input (top) of the subsequent delay section 35, and from bottom to top - in the opposite direction of the signals through the series connection - numbered from "2" to "N".
  • the i-th of the N photodetectors 14 is connected to the input of the i-th delay section 35.
  • the first of the N photodetectors 14 is connected to the output of the second delay section 35 and to an analog-to-digital converter 24.
  • a data processing system 26 is shown, which is connected downstream of the analog-to-digital converter 24.
  • FIG. 4 is a schematic representation of an experimental setup intended to demonstrate the operability of the present invention.
  • a laser system 36 which provides pulsed radiation with a wavelength of 1.55 ⁇ , with a repetition rate of 4 MHz and with a pulse duration of 100 femtoseconds.
  • Element 38 is shown for doubling the frequency of the emitted laser radiation.
  • a plurality of photodetectors 14 for detecting an optical pulse and for generating electrical output signals.
  • a readout circuit 40 is connected, which in turn is connected to an oscilloscope 42.
  • a sample to be examined with which the optical pulse 12 can interact is not shown in FIG. 4. Since only the functionality of the present invention is to be shown by the illustrated construction of Fig. 4, the pulsed spatial laser radiation is direct, i. without prior reflection from a sample to be examined or prior transmission through a sample to be examined, directed to the photodetectors 14.
  • the radiation emitted by the laser system 36 is first passed through the frequency doubling element 38, which consists, for example, of a beta barium borate crystal, to halve the central wavelength of the optical pulses 12 to a wavelength of approximately 775 nm. This is necessary in the frequency doubling element 38, which consists, for example, of a beta barium borate crystal, to halve the central wavelength of the optical pulses 12 to a wavelength of approximately 775 nm. This is necessary in the
  • the individual silicon photodetectors 14 are now illuminated with optical pulses 12 having a wavelength of about 775 nm at a repetition rate of 4 MHz and in response generate output electrical pulses 16, which are passed to the readout circuit 40.
  • the readout circuit 40 includes the
  • FIG. 5 shows a pulse train signal 10 represented by the oscilloscope 42 of FIG. 4.
  • the time segment shown here shows seven pulse trains 48 each having two contributions 28.
  • the pulse train spacing 32 between the contributions 28 of the same photodetector 14 from successive optical pulses 12 is about 250 ns.
  • the pulse width 44 of the contributions 28 is about 15 ns.
  • FIG. 5 shows reflections 46 whose signal strength amounts to approximately 20% of the signal strength of the posts 28. These reflections can arise, for example, at connection points of the cables.
  • the experimental setup of Figure 4 and the pulse train signal 10 of Figure 5 demonstrate the operability of the present invention.
  • the number of illuminated photodetectors 14, which in the experimental setup of FIG. 4 is only 2 can already be significantly increased without any other modifications. without the contributions 28 in the pulse train signal 10 substantially overlapping in time.
  • the number of photodetectors 14 could already be increased to 10 or more in the described construction.
  • the number of detectors can even be increased considerably.
  • the pulse train signal 10 can optionally be optimized with respect to the required temporal and spatial resolution.
  • the lower the requirement for the temporal resolution the lower the laser frequency can be selected. This has resulted in a larger pulse spacing 32 so that a pulse train 48 may comprise more temporally substantially non-overlapping contributions 28.
  • the number of photodetectors 14 and thus the spatial resolution can be increased.
  • the temporal resolution can also be increased by reducing the spatial resolution.

Abstract

A method and a device are disclosed for the ultrarapid reading of a plurality N of photodetectors, which are spaced at a distance from one another and are lit simultaneously by an optical pulse in such a way that each of the N photodetectors generates an electrical output pulse at least approximately simultaneously as a response to the optical pulse. Said N output pulses are delayed by a delay time by means of a delay device. The N delayed output pulses are combined to generate one pulse train signal, and said pulse train signal is read by means of a read circuit.

Description

Verfahren zum ultraschnellen Auslesen von Fotosensoren  Method for ultrafast reading of photosensors
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fotosensorik. Genauer betrifft sie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum ultraschnellen Auslesen von mindestens zwei Fotodetektoren, die voneinander beabstandet sind, sowie ein Spektrometer, welches sich einer derartigen Vorrichtung und eines derartigen Verfahrens bedient. The present invention is in the field of photosensitivity. More particularly, it relates to a method and apparatus for ultrafast reading of at least two spaced-apart photodetectors and a spectrometer utilizing such an apparatus and method.
VERWANDTER STAND DER TECHNIK In einer Vielzahl von Anwendungen sowohl in der Industrie als auch in der Grundlagenforschung werden zeitliche Veränderungen oder die Bewegungen von Objekten mithilfe von optischen Detektoren delektiert. Die Anwendungsgebiete umfassen die Produktionsüberwachung, die Qualitätskontrolle, die chemische Analytik, die Sicherheitstechnik, die Biosensorik und die medizinische Diagnostik. RELATED ART In a variety of applications, both in industry and in basic research, temporal changes or the movements of objects are detected using optical detectors. Applications include production monitoring, quality control, chemical analysis, safety engineering, biosensing and medical diagnostics.
Zur Überwachung der auf Förderbändern bewegten Erzeugnisse in der Produktion werden diese beispielsweise an einer fest installierten Detektorzeile einer Zeilenkamera vorbeigeführt. Dabei wird die Detektorzeile, die aus einer Vielzahl von Fotodetektoren besteht, in kurzen Zeitabständen mit einer bestimmten Abtastrate ausgelesen. Bei der Aufnahme von sehr schnell bewegten Objekten werden auch sogenannte TDI-CCD-Kameras (TDI=Time delay Integration) eingesetzt, die aus einer Vielzahl von Detektorzeilen bestehen und eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen. Hierbei werden die Signale verschiedener Zeilen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufsummiert. Somit wird die Empfindlichkeit der Aufnahme erhöht. To monitor the products moving on conveyor belts in production, for example, they are guided past a permanently installed detector line of a line scan camera. The detector line, which consists of a large number of photodetectors, is read out at short intervals at a specific sampling rate. When recording very fast moving objects so-called TDI-CCD cameras (TDI = Time Delay Integration) are used, which consist of a plurality of detector lines and have an increased sensitivity. Here, the signals of different lines are summed up at different times. Thus, the sensitivity of the recording is increased.
Eine andere Anwendung, bei der eine Mehrzahl von Fotodetektoren ausgelesen wird, bildet die spektroskopische Untersuchung von Substanzen. In einem Spektrometer wird die zu analysierende Strahlung räumlich so getrennt, dass unterschiedliche spektrale Strahlungskomponenten nach der Trennung auf unterschiedlichen optischen Pfaden verlaufen. Dazu kann beispielsweise ein diffraktives optisches Element verwendet werden. Die so bereitgestellte räumliche Intensitätsverteilung kann dann durch optische Detektoren, die voneinander beabstandet sind, detektiert werden. Zur Signalanalyse wird das von den Detektoren erzeugte Signal weiterverarbeitet, wozu die Detektoren ausgelesen werden. Another application, in which a plurality of photodetectors is read out, forms the spectroscopic examination of substances. In a spectrometer, the radiation to be analyzed is spatially separated so that different spectral radiation components run on different optical paths after separation. For this purpose, for example, a diffractive optical element can be used. The spatial intensity distribution thus provided can then be detected by optical detectors which are spaced from each other. For signal analysis, the signal generated by the detectors is further processed, for which purpose the detectors are read out.
In vielen Fällen werden die genannten spektrometrischen Anwendungen zur Beobachtung zeitlich veränderlicher Prozesse verwendet. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die Möglichkeit einer zeitaufgelösten Durchfuhrung der optischen Detektionsmessungen an den voneinander räumlich beabstandeten Detektoren. Laufen die zu untersuchenden Vorgänge auf sehr kurzen Zeitskalen ab, ist es zudem von wesentlicher Bedeutung, dass die Signale einerseits schnell und sensitiv erzeugt, andererseits nach der Erzeugung auch entsprechend schnell weiterverarbeitet werden. In many cases, said spectrometric applications are used to observe time-varying processes. A prerequisite for this is the possibility of a time-resolved execution of the optical detection measurements at the spatially spaced apart detectors. If the processes to be investigated run on very short time scales, it is also essential that the signals are generated quickly and sensitively on the one hand, and that they are further processed correspondingly quickly after generation, on the other hand.
Eine Möglichkeit zur zeitaufgelösten Analyse bietet der Einsatz von gepulster Strahlung, deren spektrale Information - nach Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe - ermittelt wird. Zeitlich aufeinanderfolgende optische Pulse charakterisieren die Probe zu unterschiedlichen Zeitpunkten und können von einem Fotodetektor als„Schnappschüsse" aufgenommen werden. Ferner können in einem Spektrometer nach einer räumlichen Trennung der spektralen Komponenten des optischen Pulses an bestimmten Fotodetektorpositionen einzelne spektrale Ausschnitte zeitaufgelöst empfangen werden. One possibility for time-resolved analysis is the use of pulsed radiation whose spectral information - after interaction with the sample to be examined - is determined. Time-sequential optical pulses characterize the sample at different times and may be captured by a photodetector as "snapshots." Further, in a spectrometer, after spatial separation of the spectral components of the optical pulse at particular photodetector positions, individual spectral slices may be received in time-resolved fashion.
Wenn ein Fotodetektor optische Strahlung empfängt, so werden in diesem elektrische Ladungen erzeugt. Zum Auslesen des Fotodetektors in einer Abtast-Halte-Schaltung werden die Ladungen als Antwort auf ein Abtastsignal für die Periodendauer des Abtastsignals zwischengespeichert. Die Signalstärke des analogen Ausgangssignals entspricht dabei der zum jeweiligen Zeitpunkt zwischengespeicherten Ladung. Somit wird die Signalstärke der optischen Strahlung durch ein gestuftes, analoges Ausgangssignal approximiert, wobei die Stufenbreite der Periode des Abtastsignals entspricht. Dieses Ausgangssignal kann anschließend von einem Analog-Digital- Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und zur Analyse weiterverarbeitet werden. Ein derartiges Auslesen wird in der Patentschrift US 3,486,822 für ein Spektrometer beschrieben. When a photodetector receives optical radiation, electric charges are generated therein. For reading the photodetector in a sample and hold circuit, the charges are latched in response to a sample signal for the period of the sample signal. The signal strength of the analogue output signal corresponds to the charge temporarily stored at the respective time. Thus, the signal strength of the optical radiation is approximated by a stepped, analogue output signal, the step width corresponding to the period of the scanning signal. This output signal can then be converted by an analog-to-digital converter into a digital signal and further processed for analysis. Such reading is described in US Pat. No. 3,486,822 for a spectrometer.
Eine weitere Möglichkeit zum Aufnehmen und Auslesen von räumlichen Intensitätsverteilungen bieten räumlich ausgedehnte CCD-Sensoren. Bei diesen bilden der optische Detektor und die Ausleseschaltung ein gemeinsames, integriertes Bauelement. Zum Auslesen solcher Detektoren können Taktsignale im MHz-Bereich verwendet werden. Die Abtastrate ergibt sich im Wesentlichen aus dem Produkt aus dem Inversen der Pixelzahl und der Taktsignalfrequenz. Totzeit-Taktzyklen, in denen dunkle Pixel ausgegeben werden, sind dabei nicht berücksichtigt. Die Abtastraten liegen für sehr schnelle Zeilendetektoren üblicherweise im Bereich von einigen 10 kHz, d.h. sie entsprechen einer Zeitauflösung von etwa 100 μ8. Die Verwendung von aktiv geschalteten Bauelementen zur Signal Verarbeitung hat dabei einen relativ hohen Rauschpegel zur Folge. Diese Bauelemente besitzen eine komplexe Schaltung mit einer eigenen Taktung, welche die Abtastrate limitiert. Um ein Verschmieren der Daten durch die Auslesetechnik zu verhindern, besitzen CCD Aufnahmesysteme einen mechanischen Verschluss oder werden moduliert beleuchtet. Die Modulation kann dabei mit einem elektro-optischen Modulator, mit einem akusto-optischen Modulator oder auch mit einer rotierenden Lochscheibe erzeugt werden. In diesem Fall ist es notwendig, die Abtastrate mit dem Modulator zu synchronisieren. In der Praxis begrenzen der mechanische Verschluss oder die modulierenden Bauteile die technisch erreichbare Abtastrate. Another possibility for recording and reading of spatial intensity distributions offer spatially extended CCD sensors. These form the optical detector and the readout a common, integrated device. To read such detectors, clock signals in the MHz range can be used. The sampling rate essentially results from the product of the inverse of the number of pixels and the clock signal frequency. Dead-time clock cycles in which dark pixels are output are not taken into account. The sampling rates for very fast line detectors are usually in the range of a few 10 kHz, ie they correspond to a time resolution of about 100 μ8. The use of actively switched components for signal processing thereby results in a relatively high noise level. These components have a complex circuit with its own timing, which limits the sampling rate. To prevent smearing of the data by the readout technique, CCD imaging systems have a mechanical shutter or are modulatedly illuminated. The modulation can be generated with an electro-optical modulator, with an acousto-optical modulator or with a rotating perforated disc. In this case, it is necessary to synchronize the sampling rate with the modulator. In practice, the mechanical shutter or the modulating components limit the technically achievable sampling rate.
Alternativ können räumliche Intensitätsverteilungen auch durch mechanisch verstellbare Detektionsmechanismen gemessen werden. Hierzu kann beispielsweise eine zur Detektion verwendete Fotodiode mittels eines Verschiebetischs bewegt werden, wie in der Patentanmeldung US 4,124,297 beschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit beschreibt die Patentanmeldung US 4,732,476, in der das Abtasten einer spektralen Intensitätsverteilung durch Drehen eines optischen Gitters erfolgt. Hier liegt die Aufnahmedauer eines Spektrums im Bereich von Millisekunden bis Minuten. Für eine zeitliche Analyse von Spektren im Mikrosekundenbereich sind diese Aufnahmeverfahren daher ungeeignet. Alternatively, spatial intensity distributions can also be measured by mechanically adjustable detection mechanisms. For this purpose, for example, a photodiode used for detection can be moved by means of a displacement table, as described in the patent application US 4,124,297. Another possibility describes the patent application US 4,732,476, in which the scanning of a spectral intensity distribution by rotating an optical grating takes place. Here, the recording duration of a spectrum is in the range of milliseconds to minutes. For a temporal analysis of spectra in the microsecond range, these recording methods are therefore unsuitable.
Ein weiteres Verfahren verwendet eine räumliche Anordnung von Fotodioden, zum Beispiel eine Fotodiodenzeile, und setzt zum Auslesen für jede Fotodiode jeweils einen eigenen Vorverstärker und einen eigenen Analog-Digital-Wandler ein. Die so erzeugten digitalen Signale enthalten die optische Information des detektierten Spektrums am Ort der Fotodiode zum Zeitpunkt der Detektion. Mit diesem Verfahren können sehr hohe Abtastraten erreicht werden. Dieses Verfahren ist jedoch sehr kostenaufwendig, besonders dann, wenn zur Verarbeitung der Fotodiodensignale zusätzlich Lock-In- Verstärker verwendet werden. Die bisher bekannten Verfahren zum zeitaufgelösten Auslesen einer Detektoreinrichtung zur Aufnahme einer räumlichen Intensitätsverteilung haben den Nachteil, dass die Zeitauflösung entweder auf einen Bereich von etwa 100 μ3 begrenzt ist oder aber nur unter erheblichem Kostenaufwand erreichbar ist. Another method uses a spatial arrangement of photodiodes, for example a photodiode array, and uses for reading each photodiode each have their own preamplifier and a separate analog-to-digital converter. The digital signals thus generated contain the optical information of the detected spectrum at the location of the photodiode at the time of detection. Very high sampling rates can be achieved with this method. However, this method is very costly, especially when additionally using lock-in amplifiers to process the photodiode signals. The previously known methods for time-resolved reading of a detector device for recording a spatial intensity distribution have the disadvantage that the time resolution is either limited to a range of about 100 μ3 or can only be achieved at considerable expense.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt, eine Vielzahl von räumlich beabstandeten Fotodetektoren, die von optischen Pulsen mit Wiederholungsraten bis in den MHz-Bereich beleuchtet werden, kostengünstig und rauscharm auszulesen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, die sich dieses Verfahrens bedient. The present invention has for its object to provide a method that allows a large number of spatially spaced photodetectors, which are illuminated by optical pulses with repetition rates up to the MHz range, inexpensive and low noise read. Another object is to provide a device that uses this method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a method according to claim 1 and by a device according to claim 9. Advantageous developments are specified in the independent claims.
Moderne Ultrakurzpulslaser emittieren optische Pulse mit typischen Pulsdauern im Nano-, Pico- oder Femtosekundenbereich mit Wiederholungsraten im MHz-Bereich. Wird eine Mehrzahl N von beabstandeten Fotodetektoren mit optischen Pulsen beleucht, so erzeugt ein jeder Fotodetektor als Antwort auf jeden dieser optischen Pulse annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls. Die Wiederholungsrate der elektrischen Ausgangspulse, die von einem Fotodetektor erzeugt werden, entspricht dabei der Wiederholungsrate der optischen Pulse, mit denen der Fotodetektor beleuchtet wird. Somit werden bei der Detektion einer gepulsten räumlichen Intensitätsverteilung eine Mehrzahl N von gepulsten elektrischen Signalen erzeugt. Bislang ist es nicht möglich, diese Signale auf eine kostengünstige Art und Weise ebenso schnell auszulesen, wie diese bereitgestellt werden. Modern ultrashort pulse lasers emit optical pulses with typical pulse durations in the nano-, pico- or femtosecond range with repetition rates in the MHz range. When a plurality N of spaced-apart photodetectors are illuminated with optical pulses, each photodetector generates an output electrical pulse approximately simultaneously in response to each of these optical pulses. The repetition rate of the electrical output pulses generated by a photodetector corresponds to the repetition rate of the optical pulses with which the photodetector is illuminated. Thus, upon detection of a pulsed spatial intensity distribution, a plurality N of pulsed electrical signals are generated. So far, it is not possible to read these signals as quickly as they are provided in a cost effective manner.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem durch ein Verfahren zum Auslesen einer Mehrzahl N von Fotodetektoren, wobei N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren voneinander beabstandet sind und gleichzeitig von einem optischen Puls beleuchtet werden, so dass jeder der N Fotodetektoren als Antwort auf den optischen Puls zumindest annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls erzeugt. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: - Verzögern der N elektrischen Ausgangspulse mithilfe eines Verzögerungsmittels um eine jeweilige Verzögerungszeit Τγ, i = 1...N, wobei mindestens N-l der Verzögerungszeiten Τγ von Null verschieden sind, The present invention solves this problem by a method of reading out a plurality N of photodetectors, where N is an integer> 2 and the photodetectors are spaced apart and illuminated simultaneously by an optical pulse so that each of the N photodetectors respond in response to the photodetectors optical pulse generates at least approximately simultaneously an electrical output pulse. The method comprises the following steps: Delaying the N electrical output pulses by means of a delay means by a respective delay time Τγ , ί , i = 1 ... N, wherein at least Nl of the delay times Τγ , ϊ are different from zero,
- Zusammenführen der N verzögerten Ausgangspulse, um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen überlagertes Pulszugsignal zu erzeugen, wobei die Verzögerungszeiten Ty.i so gewählt sind, dass die Beiträge der einzelnen Ausgangspulse im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und Merging the N delayed output pulses to produce a pulse train signal superimposed on the N delayed output pulses, the delay times Ty.i being selected such that the contributions of the individual output pulses in the pulse train signal do not substantially overlap in time, and
- Auslesen des Pulszugsignals mithilfe einer Ausleseschaltung, die geeignet ist, einem jeden Fotodetektor einen zeitlichen Abschnitt des Signals zuzuordnen, der der Verzögerungszeit Tv,i des zugehörigen Verzögerungsmittels entspricht. - Reading the Pulse train signal by means of a read-out circuit, which is adapted to assign each photodetector a temporal portion of the signal corresponding to the delay time Tv , i of the associated delay means.
Dadurch, dass die Fotodetektoren voneinander beabstandet sind und sich somit an unterschiedlichen räumlichen Positionen befinden, kann die in dem optischen Puls enthaltene Information ortsabhängig durch die Mehrzahl N von Fotodetektoren detektiert werden. Jeder Fotodetektor detektiert somit eine optische Information, beispielsweise die Intensität einer bestimmten Strahlungskomponente, an einer bestimmten räumlichen Position. Der optische Puls kann beispielsweise Strahlung aus dem sichtbaren Bereich, dem nahen infraroten (NIR) Bereich, dem infraroten (IR) Bereich, dem ultravioletten (UV) Bereich und/oder aus anderen Strahlungsbereichen umfassen. Vorzugsweise wird die vorliegende Erfindung im sichtbaren und NIR Bereich und mit Photonenergien von vorzugsweise < 100 eV, vorzugsweise < 10 eV und besonders vorzugsweise < 3 eV verwendet. The fact that the photodetectors are spaced from each other and thus located at different spatial positions, the information contained in the optical pulse can be detected location-dependent by the plurality N of photodetectors. Each photodetector thus detects optical information, for example the intensity of a specific radiation component, at a specific spatial position. The optical pulse may include, for example, visible, Near Infrared (NIR), infrared (IR), ultraviolet (UV), and / or other radiation regions. Preferably, the present invention is used in the visible and NIR range and with photon energies of preferably <100 eV, preferably <10 eV and most preferably <3 eV.
Die in dem optischen Puls enthaltene Information wird durch die zeitliche und räumliche spektrale Intensitätsverteilung wiedergegeben. Mit beabstandeten Fotodetektoren kann die räumliche spektrale Information entweder ohne oder mit vorausgehender Spektraltrennung detektiert werden. Werden die spektralen Empfindlichkeitsbereiche der Fotodetektoren unterschiedlich voneinander und schmal in Bezug auf das Spektrum des optischen Pulses gewählt, so wird am Ort eines jeden Fotodetektors nur ein entsprechender spektraler Ausschnitt des Spektrums des optischen Pulses detektiert. In diesem Fall ist eine vorausgehende Spektraltrennung nicht notwendig. Werden die spektralen Komponenten des optischen Pulses hingegen vor der Detektion räumlich getrennt, können diese mit identischen voneinander beabstandeten Fotodetektoren, die im gesamten Spektrum des optischen Pulses empfindlich sind, detektiert werden. Die spektrale Trennung kann mithilfe eines optischen Gitters oder eines refraktiven optischen Elements vorgenommen werden. Die N Fotodetektoren erzeugen als Antwort auf den auftreffenden optischen Puls eine Mehrzahl N elektrischer Ausgangspulse. Ein jeder dieser elektrischen Ausgangspulse enthält die Information des optischen Pulses am Ort des Fotodetektors. Da der optische Puls annähernd gleichzeitig auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren auftrifft, wird die Mehrzahl von elektrischen Ausgangspulsen als Antwort auf diesen optischen Puls auch annähernd gleichzeitig erzeugt. Laufzeitunterschiede eines sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegenden optischen Pulses oder auch unterschiedliche Reaktionszeiten der Fotodetektoren können zu unterschiedlichen Auftreffzeitpunkten des optischen Pulses auf die Fotodetektoren bzw. zu unterschiedlichen Erzeugungszeitpunkten der elektrischen Ausgangspulse führen. Für die vorliegende Erfindung können diese Unterschiede jedoch vernachlässigt werden, andernfalls kann dieser Einfluss auch durch eine geeignete Wahl der Verzögerungsmittel kompensiert werden. In der vorliegenden Beschreibung wird der zeitliche Zusammenhang zwischen den Erzeugungszeitpunkten als „annähernd gleichzeitig" bezeichnet. Die N zumindest annähernd gleichzeitig erzeugten elektrischen Ausgangspulse werden in einem ersten Verfahrensschritt um jeweilige Verzögerungszeiten TV.i, i = 1...N verzögert, so dass N verzögerte Ausgangspulse erzeugt werden. Die N Verzögerungszeiten Ty,i sind dabei paarweise voneinander verschieden, so dass die verzögerten Ausgangspulse jeweils paarweise zeitlich gegeneinander versetzt sind. Es ist auch möglich, dass eine der Verzögerungszeiten Null ist, d.h. alle Ausgangspulse außer einem zeitlich verzögert werden. The information contained in the optical pulse is represented by the temporal and spatial spectral intensity distribution. With spaced-apart photodetectors, the spatial spectral information can be detected either without or with prior spectral separation. If the spectral sensitivity ranges of the photodetectors are selected differently from each other and narrow with respect to the spectrum of the optical pulse, only a corresponding spectral section of the spectrum of the optical pulse is detected at the location of each photodetector. In this case, a preliminary spectral separation is not necessary. On the other hand, if the spectral components of the optical pulse are spatially separated before detection, they can be identical spaced apart photodetectors that are sensitive in the entire spectrum of the optical pulse can be detected. The spectral separation can be made by means of an optical grating or a refractive optical element. The N photodetectors generate a plurality of N output electrical pulses in response to the incident optical pulse. Each of these electrical output pulses contains the information of the optical pulse at the location of the photodetector. Since the optical pulse impinges on the plurality N of photodetectors approximately simultaneously, the plurality of output electrical pulses are also generated approximately simultaneously in response to this optical pulse. Delays in the propagation of an optical pulse propagating at the speed of light or else different reaction times of the photodetectors can lead to different times of impingement of the optical pulse on the photodetectors or at different production instants of the electrical output pulses. For the present invention, however, these differences can be neglected, otherwise this influence can also be compensated by a suitable choice of the delay means. In the present description, the temporal relationship between the generation times is referred to as "approximately simultaneous." The N output pulses which are generated at least approximately simultaneously are delayed in a first method step by respective delay times TV.i, i = 1 The N delay times Ty , i are different from each other in pairs, so that the delayed output pulses are offset in pairs in time with respect to each other It is also possible that one of the delay times is zero, ie all output pulses except one are delayed in time.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden diese N verzögerten Ausgangspulse zu einem Pulszug in einem Pulszugsignal zusammengeführt. Somit werden N Einzelsignale zu einem einzigen Signal, dem Pulszugsignal, zusammengeführt. Jeder elektrische Ausgangspuls ist in dem Pulszugsignal in Form eines Beitrags, der einem bestimmten Fotodetektor entstammt, repräsentiert. Aufgrund der unterschiedlichen Verzögerungszeiten Τγ,ί besitzen aufeinanderfolgende Beiträge eines Pulszugs im Pulszugsignal einen zeitlichen Abstand voneinander, der der Differenz zwischen den zugehörigen Verzögerungszeiten Τγ,ί entspricht. Weiterhin nehmen die Beiträge im Pulszugsignal einen bestimmten zeitlichen Abschnitt ein, der durch die entsprechende Verzögerungszeit Τγ,ί und einen bestimmten Offset- Wert bestimmt wird. In a second method step, these N delayed output pulses are combined to form a pulse train in a pulse train signal. Thus, N individual signals are combined into a single signal, the pulse train signal. Each electrical output pulse is represented in the pulse train signal in the form of a contribution from a particular photodetector. Due to the different delay times Τγ, ί, successive contributions of a pulse train in the pulse train signal have a time interval from each other which corresponds to the difference between the associated delay times Τγ, ί. Furthermore, the contributions in the pulse train signal occupy a certain temporal section, which is determined by the corresponding delay time Τγ , ί and a specific offset value.
Nachdem die verzögerten elektrischen Ausgangspulse zu dem Pulszugsignal zusammengeführt wurden, wird das Pulszugsignal mithilfe einer Ausleseschaltung ausgelesen. Das Auslesen erfolgt derart, dass einem jeden Fotodetektor ein bestimmter zeitlicher Abschnitt des Pulszugsignals, der zu einer bestimmten Verzögerungszeit Ty,i gehört, zugeordnet wird. Werden mehrere optische Pulse ausgelesen, so kann der obengenannte Offset- Wert mithilfe eines Triggersignals bestimmt werden, sodass jeder Beitrag dem entsprechenden Detektor und dem entsprechenden optischen Puls zugeordnet werden kann. Das Triggersignal kann beispielsweise aus dem Ausgangssignal eines zusätzlichen Fotodetektors oder aus einem Signal, welches einem der N unverzögerten oder verzögerten elektrischen Ausgangspulse abgezweigt wurde, erzeugt werden. Alternativ kann das Triggersignal auch von der Steuerung des gepulsten Lasers erzeugt werden. After the delayed output electrical pulses have been merged into the pulse train signal, the pulse train signal is read out using a readout circuit. The read-out takes place in such a way that each photodetector is assigned a specific time segment of the pulse train signal belonging to a specific delay time Ty, i. If several optical pulses are read out, the abovementioned offset value can be determined by means of a trigger signal, so that each contribution can be assigned to the corresponding detector and the corresponding optical pulse. The trigger signal can be generated, for example, from the output signal of an additional photodetector or from a signal which has been diverted to one of the N instantaneous or delayed electrical output pulses. Alternatively, the trigger signal can also be generated by the control of the pulsed laser.
Damit die einzelnen Beiträge im Pulszugsignal von der Ausleseschaltung identifiziert und somit dem jeweiligen Fotodetektor zugeordnet werden können, ist es notwendig, dass die Beiträge im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Verzögerungszeiten Tv,i erreicht. Der Begriff„zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass aufeinanderfolgende Beiträge im Pulszugsignal zeitlich so weit voneinander entfernt sind, dass die Ausleseschaltung sie noch voneinander unterscheiden und somit die enthaltene Information dem jeweiligen Fotodetektor zuordnen kann. Der zeitliche Abstand, der notwendig ist, damit aufeinanderfolgende Beiträge desselben Pulszugs zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, kann dabei in Abhängigkeit von der Pulsbreite der Beiträge variieren. Die Pulsbreite entspricht üblicherweise der Halbwertsbreite, d.h. der vollen Breite des Beitrages auf halber Höhe des Beitrags. Beispielsweise kann der zeitliche Abstand bei Beiträgen mit einer geringen Pulsbreite kleiner sein als bei Beiträgen mit einer vergleichsweise großen Pulsbreite. Der kritische zeitliche Abstand, d.h. der Abstand, bei dem aufeinanderfolgende Beiträge desselben Pulszugs gerade zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, kann von der Weiterverarbeitung des Pulszugsignals abhängig sein. Unabhängig von der Pulsbreite kann durch geeignete Wahl der Verzögerungszeiten Τγ sichergestellt werden, dass der zeitliche Abstand gleich groß wie oder größer als der kritische zeitliche Abstand ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit Information aus einer räumlichen Intensitätsverteilung in ein einziges Pulszugsignal überführt. Die räumliche Position eines Fotodetektors wird dabei in die Position eines zeitlichen Abschnitts im Pulszugsignal übersetzt. Dadurch, dass jedem Fotodetektor beim Auslesen ein bestimmter zeitlicher Abschnitt zugeordnet wird, wird die in einem Beitrag enthaltene spektrale Information der entsprechenden räumlichen Position zugeordnet. Auf diese Weise wird mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Information des optischen Pulses ohne aufwendige und kostenintensive elektronische Komponenten und ohne Mittelung über mehrere Abtastzyklen ausgelesen. Die Auslesegeschwindigkeit entspricht der Geschwindigkeit, mit der die Information bereitgestellt wird. Bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers mit Wiederholungsraten im MHz-Bereich liegt die Frequenz, mit der die Pulszüge im Pulszugsignal erzeugt werden, ebenfalls im MHz-Bereich. Die Frequenz der Beiträge im Pulszugsignal ist dabei um den Faktor N größer. So that the individual contributions in the pulse train signal can be identified by the read-out circuit and thus assigned to the respective photodetector, it is necessary that the contributions in the pulse train signal do not substantially overlap in time. This is achieved by a suitable choice of the delay times Tv , i. The term "substantially non-overlapping in time" in this context means that successive contributions in the pulse train signal are so far apart in time that the read-out circuit can still distinguish them from one another and thus assign the information contained to the respective photodetector In order to ensure that successive contributions of the same pulse train do not essentially overlap in time, it can vary as a function of the pulse width of the contributions The pulse width usually corresponds to the half width, ie the full width of the contribution at half the amount of the contribution The critical time interval, ie the distance at which successive contributions of the same pulse train do not substantially overlap in time, can be determined by the further processing of the pulse train signal to be dependent. Regardless of the pulse width can be ensured by suitable choice of the delay times Τγ , ί that the time interval is equal to or greater than the critical time interval. The method according to the invention thus converts information from a spatial intensity distribution into a single pulse train signal. The spatial position of a photodetector is translated into the position of a temporal section in the pulse train signal. By assigning a specific time segment to each photodetector during readout, the spectral information contained in a contribution is assigned to the corresponding spatial position. In this way, with the method of the present invention, the information of the optical pulse is read out without complicated and cost-intensive electronic components and without averaging over several sampling cycles. The read speed corresponds to the speed at which the information is provided. When using an ultrashort pulse laser with repetition rates in the MHz range, the frequency at which the pulse trains are generated in the pulse train signal is also in the MHz range. The frequency of the contributions in the pulse train signal is greater by the factor N.
Das Verzögern und das Zusammenführen kann beispielsweise zeitlich und räumlich getrennt voneinander erfolgen. Dazu werden die N genannten Ausgangspulse mithilfe des Verzögerungsmittels zuerst einzeln und paarweise getrennt voneinander zu den N verzögerten Ausgangspulsen verzögert. Anschließend können diese N verzögerten Ausgangspulse dann zusammengeführt werden. Delaying and merging can take place, for example, temporally and spatially separated from one another. For this purpose, the N output pulses are delayed by means of the delay means first individually and in pairs separately from each other to the N delayed output pulses. Subsequently, these N delayed output pulses can then be merged.
Der erste Verfahrensschritt des Verzögerns und der zweite Verfahrensschritt des Zusammenfuhrens erfolgen jedoch nicht notwendig nacheinander sondern können auch zusammengefasst oder miteinander kombiniert werden. Dazu wird beispielsweise eine bestimmte Anzahl von Verzögerungsabschnitten in Reihe geschaltet und verschiedene Fotodetektoren werden jeweils mit verschiedenen Punkten dieser Reihenschaltung verbunden. Somit treten verschiedene elektrische Ausgangspulse jeweils an unterschiedlichen Punkten in die Reihenschaltung ein und durchlaufen jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Verzögerungsabschnitten. Zur Erzeugung eines Pulszugsignals durch kombiniertes Verzögern und Zusammenfügen wird beispielsweise der N-te elektrische Ausgangspuls um eine Zeit (TV,N - TV,N-I) verzögert und anschließend mit dem (N-l)-ten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu einem Signal mit zwei Beiträgen zusarnmengeführt. Dieses Signal mit zwei Beiträgen wird um die Zeit (Τν,Ν-ι - Τν,Ν-2) verzögert und mit dem (N-2)-ten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu einem Signal mit drei Beiträgen zusammengeführt. Diese Schritte werden wiederholt bis schließlich ein Signal mit N-l Beträgen um die Zeit (Tv>2 - Tv,i) verzögert wird und anschließend mit dem ersten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls zu dem Pulszugsignal zusammengeführt wird. However, the first process step of deceleration and the second process step of merging are not necessarily performed one after another but may also be combined or combined with each other. For this purpose, for example, a certain number of delay sections are connected in series and different photodetectors are each connected to different points of this series connection. Thus, different electrical output pulses each enter the series circuit at different points and each undergo a different number of delay sections. To generate a pulse train signal by combined delaying and combining, for example, the Nth electrical output pulse is delayed by one time (TV , N-TV, NI) and then combined with the (Nl) th instantaneous electrical output pulse to form a two-contribution signal. This two-contribution signal is delayed by the time (Τν, Ν-ι-Τν , Ν-2) and with the (N-2) th instantaneous electrical output pulse a signal with three contributions. These steps are repeated until finally a signal with Nl amounts is delayed by the time (T v> 2 - T v, i) and then merged with the first instantaneous electrical output pulse to the pulse train signal.
Das Verzögern erfolgt vorzugsweise mithilfe passiver Verzögerungsmittel.„Passiv" bedeutet dabei, dass für das Verzögern kein aktives Schalten, wie es beispielsweise unter Verwendung eines Taktsignals erfolgt, notwendig ist. Eine passive Verzögerung kann beispielsweise durch die Laufzeitverzögerung in einem Kabel bewirkt werden. Zur Verzögerung sind hierzu keine aktiv geschalteten Komponenten notwendig, die eine eigene Taktfrequenz erfordern und dadurch die Zeitauflösung limitieren können. Die Verwendung von passiven Verzögerungsmitteln erlaubt eine Auslesung in Quasi-Echtzeit, d.h. die Signalauslesung erfolgt praktisch mit derselben Geschwindigkeit wie die Signalbereitstellung und ist lediglich um Laufzeitunterschiede verzögert. Eine Limitierung der Zeitauflösung durch aktive Verzögerung, wie etwa aufgrund einer Zwischenspeicherung oder aufgrund einer Taktsignalfrequenz, liegt dagegen nicht vor. Delaying is preferably done using passive delay means, "passive" meaning that no active switching, such as using a clock signal, is necessary for deceleration, for example a passive delay may be caused by the propagation delay in a cable For example, the use of passive delay means allows a readout in quasi-real time, ie the signal readout is carried out at practically the same speed as the signal supply and is only delayed by transit time differences A limitation of the time resolution by active delay, such as due to a buffering or due to a clock signal frequency, is not available.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform haben die N Verzögerungszeiten Ty,i einen Wert, der einem Vielfachen eines vorbestimmten Zeitintervalls At entspricht. Vorzugsweise ergeben sich diese aus Tv,i = (i-l) At für i = 1 bis N. Dadurch ist der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Beiträgen desselben Pulszugs konstant und entspricht dem Wert des vorbestimmten Zeitintervalls At. In a preferred embodiment, the N delay times Ty , i have a value which corresponds to a multiple of a predetermined time interval At. Preferably, these result from Tv , i = (il) At for i = 1 to N. Thus, the time interval between two consecutive contributions of the same pulse train is constant and corresponds to the value of the predetermined time interval At.
Weiterhin ist es vorteilhaft, nicht nur einen sondern eine Vielzahl von optischen Pulsen, die nacheinander mit einer Wiederholungsrate frep auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren auftreffen, zu detektieren. Wird eine gepulste Laserquelle zur Durchleuchtung der zu untersuchenden Probe verwendet und werden die Fotodetektoren mit dieser Vielzahl von optischen Pulsen nach Wechselwirkung mit der Probe beleuchtet, so wird ein Pulszugsignal erzeugt, das für jeden optischen Puls einen Pulszug mit N Beiträgen enthält. Die Beiträge desselben Pulszugs nehmen im Pulszugsignal einen zeitlichen Bereich Τρχ ein, dessen Größe von der Wahl der Verzögerungszeiten Ty,i abhängt. Um sicherzustellen, dass die Beiträge aufeinanderfolgender Pulszüge zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, werden die Verzögerungszeiten so gewählt, dass der zeitliche Bereich Τρχ geringer als 1/ frep ist. Mit den oben genannten Verzögerungszeiten von Tv,i = (i-l)-At ist damit der Zusammenhang N-At < 1/ frep gefordert. Furthermore, it is advantageous to detect not only one but a plurality of optical pulses which successively strike the plurality N of photodetectors at a repetition rate f rep . If a pulsed laser source is used to scan the sample to be examined and the photodetectors are illuminated with this plurality of optical pulses interacting with the sample, a pulse train signal is generated containing a pulse train of N contributions for each optical pulse. The contributions of the same pulse train take in the pulse train signal a time range Τρχ, the magnitude of which depends on the choice of the delay times Ty , i. To ensure that the contributions of successive pulse trains do not substantially overlap in time, the delay times are chosen so that the temporal range Τρχ is less than 1 / f rep . With the above-mentioned delay times of T v, i = (il) -At is thus the relationship N-At <1 / frep required.
Eine typische Wiederholungsrate, mit der das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, liegt im Bereich von frep = 10 MHz. Dies entspricht einem Pulsabstand l/frep von 100 ns. Die Ausleserate, mit der die Mehrzahl N von Fotodetektoren in der vorliegenden Erfindung ausgelesen werden, ist > 1 kHz, vorzugsweise > 10 kHz und besonders vorzugsweise > 100 kHz. Damit weder die Beiträge desselben Pulszugs noch die Beiträge aufeinanderfolgender Pulszüge zeitlich im Wesentlichen überlappen, muss einerseits TPT geringer als 1/ frep sein, andererseits darf die Differenz (Tv.i+i - Tvj) für i = 1 ... N-l nicht kleiner als der kritische Abstand sein, der von der Pulsbreite der Beiträge anhängt. Um möglichst viele Fotodetektoren auslesen zu können, sollte der kritische Abstand möglichst klein und damit die Pulsbreite der Beiträge möglichst schmal sein. Die Pulsbreite der Beiträge liegt im Bereich der Reaktionszeit TR des Fotodetektors und wird durch diesen limitiert. Die Reaktionszeit TR eines Fotodetektors ist üblicherweise durch die Zeit definiert, die ein Signal benötigt, um von 10% auf 90% des Maximalwertes anzusteigen. Die Reaktionszeit TR eines Fotodetektors ergibt sich näherungsweise durch die Grenzfrequenz fc durch TR ~ 0,35/ fc, wobei die Grenzfrequenz fc diejenige Frequenz ist, bei der der Signal wert auf rund 50% des Maximalwertes abgesunken ist. Im Rahmen der Erfindung werden daher vorzugsweise schnelle Fotodetektoren verwendet, die Reaktionszeiten TR aufweisen, die vorzugsweise < 50 ns, vorzugsweise < 5 ns, besonders vorzugsweise < 0,1 ns sind. Entsprechend weisen die verwendeten Fotodetektoren Grenzfrequenzen fc auf, die vorzugsweise > 0,007 GHz, vorzugsweise > 0,07 GHz, besonders vorzugsweise > 3,5 GHz sind. Die Verzögerungszeiten werden so gewählt, dass das vorbestimmte Zeitintervall At vorzugsweise kleiner als 100 ns, vorzugsweise kleiner als 10 ns und besonders vorzugsweise kleiner als 100 ps gewählt werden kann. A typical repetition rate with which the method of the present invention can be used is in the range of f rep = 10 MHz. This corresponds to a pulse interval l / f rep of 100 ns. The readout rate with which the plurality N of photodetectors are read out in the present invention is> 1 kHz, preferably> 10 kHz, and more preferably> 100 kHz. So that neither the contributions of the same pulse train nor the contributions of successive pulse trains essentially overlap in time, on the one hand T PT must be less than 1 / f rep , on the other hand the difference (Tv.i + i - Tvj) must not for i = 1 ... Nl less than the critical distance that depends on the pulse width of the posts. In order to be able to read as many photodetectors as possible, the critical distance should be as small as possible and thus the pulse width of the contributions should be as narrow as possible. The pulse width of the contributions is in the range of the reaction time T R of the photodetector and is limited by this. The response time T R of a photodetector is usually defined by the time it takes for a signal to increase from 10% to 90% of the maximum value. The reaction time T R of a photodetector is approximately the limit frequency f c by T R ~ 0.35 / fc, wherein the cutoff frequency f c is the frequency at which the signal value has dropped to around 50% of the maximum value. In the context of the invention, therefore, fast photodetectors are preferably used which have reaction times T R which are preferably <50 ns, preferably <5 ns, particularly preferably <0.1 ns. Accordingly, the photodetectors used have cut-off frequencies f c which are preferably> 0.007 GHz, preferably> 0.07 GHz, particularly preferably> 3.5 GHz. The delay times are chosen so that the predetermined time interval Δt can preferably be chosen to be less than 100 ns, preferably less than 10 ns and particularly preferably less than 100 ps.
Vorzugsweise wird das Pulszugsignal mithilfe eines Vorverstärkers verstärkt, bevor die Zuordnung der zeitlichen Abschnitte zu dem jeweiligen Fotodetektor erfolgt. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird das Pulszugsignal mithilfe eines Analog-Digital- Wandlers digitalisiert, bevor die Zuordnung der zeitlichen Abschnitte zu dem jeweiligen Fotodetektor erfolgt. Man beachte, dass nur ein einziger Vorverstärker und ein einziger Analog-Digital- Wandler benötigt wird, um die Signale der N Fotodetektoren zur weiteren Verarbeitung auszulesen. Hier zeigt sich ein besonderer Vorteil der Erzeugung des analogen Pulszugsignals aus der Vielzahl verzögerter Einzelsignale. Würde man hingegen das Ausgangssignal eines jeden Fotodetektors unmittelbar digitalisieren, benötigte man N Vorverstärker und N Analog-Digital-Wandler, durch die der konstruktive Aufwand und die Herstellungskosten erheblich erhöht würden. Weiterhin weisen auch baugleiche Vorverstärker unterschiedliches Rauschen und auch nicht exakt dieselbe Verstärkung auf. Dies würde bei der Verwendung von N Vorverstärkern zu einer Erhöhung des Rauschens führen. Zudem müssen bei der Verwendung von N Analog-Digital-Wandlem auch N einzelne Signale aufeinander synchronisiert werden. Dazu ist eine genaue Betrachtung der Laufzeiten notwendig, die den Aufwand weiter vergrößert. Daher sind mit der Verwendung nur eines Analog-Digital-Wandlers und nur eines Vorverstärkers, wie oben erläutert, erhebliche Vorteile verbunden. Preferably, the pulse train signal is amplified by means of a preamplifier, before the assignment of the temporal sections to the respective photodetector takes place. In a further advantageous development, the pulse train signal is digitized by means of an analog-to-digital converter before the assignment of the time segments to the respective photodetector takes place. Note that only a single preamplifier and a single analog-to-digital converter is needed to read the N photodetector signals for further processing. This shows a particular advantage of generating the analogue Pulse train signal from the plurality of delayed individual signals. If, on the other hand, one digitized the output signal of each photodetector directly, it would be necessary to use N preamplifiers and N analog-to-digital converters, which would considerably increase the design effort and the production costs. Furthermore, identical preamplifiers have different noise and not exactly the same gain. This would increase the noise when using N preamplifiers. In addition, when N analog-to-digital converters are used, N individual signals must also be synchronized with each other. For this purpose, a precise consideration of the maturity is necessary, which further increases the effort. Therefore, there are significant advantages associated with the use of only one analog-to-digital converter and only one preamplifier as discussed above.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren in einem Spektrometer für die Ermittlung des Spektrums eines optischen Pulses verwendet. In dem Spektrometer werden die spektralen Komponenten des optischen Pulses räumlich getrennt. Diese Trennung wird beispielsweise, wie zuvor erwähnt, mithilfe eines refraktiven optischen Elements oder mithilfe eines optischen Gitters vorgenommen. Das Spektrometer umfasst eine Mehrzahl von N Fotodetektoren, die voneinander beabstandet sind und mit unterschiedlichen spektralen Komponenten des optischen Pulses beleuchtet werden. Das Auslesen der Fotodetektoren erfolgt wie zuvor beschrieben. Die Beiträge im Pulszugsignal enthalten die spektrale Information des optischen Pulses am Ort des Fotodetektors. Diese Information kann beispielsweise durch die Amplitude des jeweiligen Beitrags, die Breite des jeweiligen Beitrags, die integrierte Amplitude des jeweiligen Beitrags oder durch eine andere Größe des jeweiligen Beitrags des Pulszugsignals repräsentiert werden, die kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor empfangenen Lichtes ist. Durch das Ermitteln dieser Größe wird die delektierte Strahlungsintensität am Ort des Fotodetektors bestimmt. Preferably, the method according to the invention is used in a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse. In the spectrometer, the spectral components of the optical pulse are spatially separated. This separation is made, for example, as previously mentioned, by means of a refractive optical element or by means of an optical grating. The spectrometer comprises a plurality of N photodetectors which are spaced apart and illuminated with different spectral components of the optical pulse. The readout of the photodetectors is carried out as described above. The contributions in the pulse train signal contain the spectral information of the optical pulse at the location of the photodetector. This information can be represented, for example, by the amplitude of the respective contribution, the width of the respective contribution, the integrated amplitude of the respective contribution or by another quantity of the respective contribution of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. By determining this quantity, the detected radiation intensity at the location of the photodetector is determined.
Neben dem oben beschriebenen Verfahren umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Auslesen der Mehrzahl N von Fotodetektoren, die sich dieses Verfahrens bedient. In addition to the method described above, the invention also includes a device for reading out the plurality N of photodetectors using this method.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst die folgenden Elemente: The device according to the invention comprises the following elements:
- Verzögerungsmittel zum Verzögern von mindestens N-l der N elektrischen Ausgangspulse um eine Verzögerungszeit Ty.i, i = 1...N, - Mittel zum Zusammenführen der N verzögerten Ausgangspulse, um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen überlagertes Pulszugsignal zu erzeugen, wobei die Verzögerungsmittel dazu eingerichtet sind, die elektrischen Ausgangspulse derart zu verzögern, dass die Beiträge der einzelnen Ausgangspulse im Pulszugsignal zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und Delay means for delaying at least N1 of the N electrical output pulses by a delay time Ty.i, i = 1... N, Means for merging the N delayed output pulses to produce a pulse train signal superimposed on the N delayed output pulses, the delay means being arranged to delay the electrical output pulses such that the contributions of the individual output pulses in the pulse train signal do not substantially overlap in time;
- Mittel zum Auslesen des Pulszugsignals, die dazu eingerichtet sind, einem jeden Fotodetektor einen zeitlichen Abschnitt des Signals zuzuordnen, der der Verzögerungszeit Tv,i des zugehörigen Verzögerungsmittels entspricht. - means for reading the pulse train signal, which are adapted to each photodetector to assign a temporal portion of the signal corresponding to the delay time Tv , i of the associated delay means.
Die Verzögerungsmittel können beispielsweise durch Kabel mit unterschiedlichen Längen realisiert werden, so dass die von den Fotodetektoren erzeugten elektrischen Ausgangspulse unterschiedlich lange Wege durch die Kabel zurücklegen. Aufgrund unterschiedlich langer Laufzeiten werden die elektrischen Ausgangspulse um unterschiedliche Verzögerungszeiten Tv,i verzögert und somit zeitlich gegeneinander versetzt. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung von kommerziell erhältlichen passiven Verzögerungselementen, die eine Anstiegszeit von nicht mehr als 1 ns und Verzögerungszeiten im Bereich von etwa 100 ps bis zu Nanosekunden haben. Falls erforderlich, können auch mehrere dieser Elemente hintereinandergeschaltet werden, um höhere Verzögerungszeiten zu erreichen. Eine weitere Ausfuhrungsform sieht eine Laufzeitverzögerung direkt im Halbleitermaterial des Fotodetektors vor. Aufgrund einer relativ geringen Propagationsgeschwindigkeit der elektrischen Ausgangspulse in Halbleitern, wird daher nur eine relativ geringe Wegstrecke benötigt. The delay means can be realized, for example, by cables of different lengths, so that the electrical output pulses generated by the photodetectors travel different distances through the cables. Due to different lengths of maturity, the electrical output pulses are delayed by different delay times Tv , i and thus offset in time. Another possibility is to use commercially available passive delay elements that have a rise time of no more than 1 ns and delay times in the range of about 100 ps to nanoseconds. If necessary, several of these elements can be connected in series to achieve higher delay times. A further embodiment provides a propagation delay directly in the semiconductor material of the photodetector. Due to a relatively low propagation speed of the electrical output pulses in semiconductors, therefore, only a relatively small distance is required.
Bei den Mitteln zum Zusammenführen der verzögerten Ausgangspulse kann es sich beispielsweise um kommerziell erhältliche Kombinationselemente handeln. Diese umfassen zum Beispiel N Eingangskabel, die an ihren Ausgängen miteinander verbunden sind und in ein einziges Ausgangskabel münden. The means for combining the delayed output pulses may be, for example, commercially available combination elements. These include, for example, N input cables which are connected together at their outputs and terminate in a single output cable.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Mittel zum Auslesen einen Analog- Digital- Wandler. Mit diesem kann ein analoges Pulszugsignal in ein digitales Signal umgewandelt werden und anschließend mit einem geeigneten Datenverarbeitungssystem weiterverarbeitet werden. Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Auslesen einen Vorverstärker. Mit diesem können die Beiträge des Pulszugsignals verstärkt werden, wodurch die weitere Verarbeitung vereinfacht wird. In an advantageous development, the means for reading comprise an analog-to-digital converter. With this an analog pulse train signal can be converted into a digital signal and then further processed with a suitable data processing system. Preferably, the means for reading comprises a preamplifier. With this, the contributions of the pulse train signal can be amplified, whereby the further processing is simplified.
In einer weiteren Weiterbildung umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl N von Fotodetektoren zur Detektion des optischen Pulses und zur Erzeugung der elektrischen Ausgangspulse. Für den Einsatz mit sichtbarem Licht können beispielsweise Silizium- Fotodioden bzw. Fotodiodenzellen verwendet werden. In a further development, the device comprises a plurality N of photodetectors for detecting the optical pulse and for generating the electrical output pulses. For use with visible light, for example, silicon photodiodes or photodiode cells can be used.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Spektrometer zum Ermitteln des Spektrums eines optischen Pulses mithilfe einer Mehrzahl N von Fotodetektoren, wobei N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren voneinander beabstandet und derart angeordnet sind, dass sie jeweils Licht eines zugehörigen Spektralbereichs des optischen Pulses empfangen. Das Spektrometer umfasst die zuvor genannten Verzögerungsmittel, Mittel zum Zusammenfuhren und Mittel zum Auslesen. Weiterhin umfasst das Spektrometer Mittel zum Ermitteln einer Größe des Pulszugsignals, die kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor empfangenen Lichtes ist. Die ermittelte Größe kann der räumlichen Position des entsprechenden Fotodetektors zugeordnet und somit das Spektrum des optischen Pulses ermittelt werden. An advantageous development of the invention relates to a spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse using a plurality N of photodetectors, where N is an integer> 2 and the photodetectors are spaced from each other and arranged so that they each light of an associated spectral range of the optical pulse receive. The spectrometer includes the aforementioned delay means, means for merging and means for reading. Furthermore, the spectrometer comprises means for determining a size of the pulse train signal which is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector. The determined variable can be assigned to the spatial position of the corresponding photodetector and thus the spectrum of the optical pulse can be determined.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Darin zeigen: Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description in which the invention with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings is explained in more detail. Show:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Figure 1 is a schematic representation of a preferred embodiment of
erfindungsgemäßen Auslesevorrichtung,  readout device according to the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Pulszugsignals, FIG. 2 shows a schematic representation of a pulse train signal,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Figure 3 is a schematic representation of an alternative embodiment of the
erfindungsgemäßen Auslesevorrichtung, Figur 4 eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Messung eines Pulszugsignals, readout device according to the invention, FIG. 4 shows a schematic representation of the structure for measuring a pulse train signal,
Figur 5 ein gemessenes Pulszugsignal unter Verwendung von zwei Fotodetektoren. FIG. 5 shows a measured pulse train signal using two photodetectors.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auslesevorrichtung 8, mit der ein Pulszugsignal 10, wie es in Figur 2 dargestellt ist, erzeugt werden kann. Genauer zeigt Figur 1 auf der linken Seite einen optischen Puls 12 und rechts daneben eine Mehrzahl N von Fotodetektoren 14. Die Fotodetektoren 14 sind mit Verzögerungsmitteln 18 verbunden. Diesen nachgeschaltet sind Mittel 22 zum Zusammenführen von verzögerten Ausgangspulsen 20, an die ein Analog-Digital-Wandler 24 angeschlossen ist, dem ein Datenverarbeitungssystem 26 folgt. In einem jeden Fotodetektor 14 wird als Antwort auf den optischen Puls 12 ein elektrischer Ausgangspuls 16 erzeugt, der in Figur 1 schematisch dargestellt ist. In Durchlaufrichtung hinter den Verzögerungsmitteln 18 sind ferner verzögerte Ausgangspulse 20 und hinter den Mitteln 22 zum Zusammenführen ein Pulszugsignal 10 schematisch dargestellt. Figure 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the readout device 8 according to the invention, with which a pulse train signal 10, as shown in Figure 2, can be generated. More specifically, FIG. 1 shows on the left side an optical pulse 12 and, to the right, a plurality N of photodetectors 14. The photodetectors 14 are connected to delay means 18. These are followed by means 22 for combining delayed output pulses 20, to which an analog-to-digital converter 24 is connected, followed by a data processing system 26. In each photodetector 14, an electrical output pulse 16 is generated in response to the optical pulse 12, which is shown schematically in Figure 1. In the direction of passage behind the delay means 18 also delayed output pulses 20 and behind the means 22 for merging a pulse train signal 10 are shown schematically.
Im Folgenden wird die Funktion der Auslesevorrichtung 8 beschrieben. Auf der linken Seite in Figur 1 ist dargestellt, wie der optische Puls 12 auf eine Mehrzahl N von Fotodetektoren 14 auftrifft. Der optische Puls 12 ist dabei durch eine Mehrzahl von Pfeilen dargestellt. Dabei entspricht ein Pfeil einem räumlichen Abschnitt des optischen Pulses 12, der auf einen bestimmten Fotodetektor der Mehrzahl N von Fotodetektoren 14 auftrifft. Als Antwort auf den optischen Puls 12 erzeugt ein jeder der Mehrzahl N von Fotodetektoren 14 annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls 16. Durch die Verzögerungsmittel 18 werden die elektrischen Ausgangspulse 16 um eine Verzögerungszeit TV;j = (i-l) At, für i = 1 ...N, verzögert, wobei At ein vorbestimmtes Zeitintervall ist, so dass für jeden elektrischen Ausgangspuls 16 ein verzögerterThe function of the read-out device 8 will be described below. On the left side in FIG. 1 it is shown how the optical pulse 12 impinges on a plurality N of photodetectors 14. The optical pulse 12 is represented by a plurality of arrows. In this case, an arrow corresponds to a spatial section of the optical pulse 12, which impinges on a specific photodetector of the plurality N of photodetectors 14. In response to the optical pulse 12, each of the plurality N of photodetectors 14 generates an electrical output pulse 16 approximately simultaneously. The delay means 18 causes the output electrical pulses 16 to be delayed by a delay time T V; j = (il) At, for i = 1 ... N, delayed, where At is a predetermined time interval, such that for each output electrical pulse 16 there is a delay
Ausgangspuls 20 erzeugt wird. Im Sprachgebrauch der vorliegenden Offenbarung wäre dabei der Ausgangspuls 16 des ersten Fotodetektors 14 ein um eine Verzögerungszeit null „verzögerter" Ausgangspuls, um die Beschreibung zu vereinheitlichen. Somit ist der verzögerte Ausgangspuls 20 des i-ten Fotodetektors 14 zu den verzögerten Ausgangspulsen 20 des (i+l)-ten und des (i -l)-ten Fotodetektors 14 zeitlich um das vorbestimmte Zeitintervall At versetzt. Durch die Mittel 22 zum Zusammenführen werden die verzögerten Ausgangspulse 20 zu einem Pulszugsignal 10 zusammengeführt. Das analoge Pulszugsignal 10 wird mittels eines Analog-digital- Wandlers 24 digitalisiert und das so digitalisierte Signal an ein Datenverarbeitungssystem 26 weitergeleitet. Output pulse 20 is generated. In the language of the present disclosure, the output pulse 16 of the first photodetector 14 would be a "delayed" output pulse delayed by a delay time of zero to standardize the description Output pulses 20 of the (i + l) -th and (i-l) -th photodetector 14 temporally offset by the predetermined time interval At. By the means 22 for merging the delayed output pulses 20 are combined to form a pulse train signal 10. The analog pulse train signal 10 is digitized by means of an analog-to-digital converter 24 and the thus digitized signal is forwarded to a data processing system 26.
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Signalstärke eines Pulszugsignals 10, wie es mit der in Figur 1 abgebildeten Auslesevorrichtung 8 erzeugt wird. Das abgebildete Pulszugsignal 10 enthält drei Pulszüge 48, die jeweils eine Anzahl N von Beiträgen 28 enthalten. Die Gesamtheit der Beiträge 28 desselben Pulszugs 48 nimmt im PulszugsignalFIG. 2 shows the time profile of the signal strength of a pulse train signal 10, as generated by the read-out device 8 shown in FIG. The illustrated pulse train signal 10 includes three pulse trains 48, each containing a number N of contributions 28. The totality of the contributions 28 of the same pulse train 48 increases in the pulse train signal
10 einen zeitlichen Bereich 30 der Dauer Τρχ ein. Die Beiträge 28 haben jeweils eine Pulsbreite 44, die der vollen Breite eines Beitrags 28 auf halber Beitragshöhe entspricht. Der zeitliche Abstand aufeinander folgender Beiträge 28 desselben Pulszugs 48 beträgt At und ist für den Abstand zwischen dem ersten Beitrag 28 und dem zweiten Beitrag 28 des rechten Pulszugs 48 in Figur 2 exemplarisch eingezeichnet. Dieser Abstand ergibt sich aus den Verzögerungszeiten von Tv,i = (i-l)-At. 10 a time range 30 of duration Τρχ a. The contributions 28 each have a pulse width 44 which corresponds to the full width of a contribution 28 at half the contribution level. The time interval of successive contributions 28 of the same pulse train 48 is At and is shown by way of example for the distance between the first contribution 28 and the second contribution 28 of the right-hand pulse train 48 in FIG. This distance results from the delay times of T v, i = (il) -At.
In Figur 2 ist zu erkennen, dass der zeitliche Abstand At ausreichend größer als die Pulsbreite 44 ist, so dass die Pulse desselben Pulszugs 48 zeitlich nicht, oder zumindest im Wesentlichen nicht überlappen. Hierbei bedeutet „zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen", dass aufeinanderfolgende Beiträge 28 im Pulszugsignal 10 zeitlich so weit voneinander entfernt sind, dass diese bei der Weiterverarbeitung des Pulszugsignals 10 noch voneinander getrennt werden können, so dass die in einem jeden Beitrag 28 enthaltene Information dem entsprechenden Fotodetektor 14 zugeordnet werden kann. Der Spezialfall, dass die Pulse zeitlich nicht überlappen, ist explizit eingeschlossen. Der zeitliche Bereich 30 hat eine Dauer von Τρτ = (N-l) At. Weiterhin ist in Figur 2 der Pulszugabstand 32 zwischen den Beiträgen 28 desselben Fotodetektors von aufeinanderfolgenden optischen Pulsen 12 eingezeichnet. Der Pulszugabstand 32 entspricht dem Abstand aufeinanderfolgender optischer Pulse 12. Bei dem Pulszugsignal 10 aus Figur 2 ist der Pulszugabstand 32 größer als Τ χ + At = N-At, so dass die BeiträgeIt can be seen in FIG. 2 that the time interval Δt is sufficiently greater than the pulse width 44, so that the pulses of the same pulse train 48 do not overlap in time, or at least substantially do not overlap. In this context, "substantially not overlapping in time" means that successive contributions 28 in the pulse train signal 10 are so far apart in time that they can still be separated from one another during further processing of the pulse train signal 10, so that the information contained in each contribution 28 corresponds to the corresponding one The special case that the pulses do not overlap in time is explicitly included The temporal range 30 has a duration of Τρτ = (Nl) Δt. Furthermore, in FIG. 2 the pulse spacing 32 is between the contributions 28 of the same photodetector The pulse train spacing 32 corresponds to the spacing of successive optical pulses 12. In the pulse train signal 10 from FIG. 2, the pulse train spacing 32 is greater than Τ χ + At = N-At, so that the contributions
28 verschiedener Pulszüge 48 zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen. 28 different pulse trains 48 do not substantially overlap in time.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausfuhrungsform. Ebenso wie in Figur 1 trifft ein optischer Puls 12 auf eine Mehrzahl N von Fotodetektoren 14 auf. Entsprechend der im Folgenden verwendeten Nummerierung der N Fotodetektoren 14 und der zugehörigen Signale sind die Anteile des optischen Pulses 12 in Figur 3 von unten bis oben mit den Nummern„1" bis„N" belegt. Die N Fotodetektoren 14 sind über N Verbindungen - durch Linien dargestellt - mit Mitteln 34 zum Zusammenfuhren und Verzögern verbunden. Die Mittel 34 zum Zusammenfuhren und Verzögern beinhalten N-l einzelne Verzögerungsabschnitte 35, von denen nur vier eingezeichnet sind. Die N-l Verzögerungsabschnitte 35 sind in Reihe miteinander verbunden, so dass der Ausgang (jeweils unten) eines Verzögerungsabschnittes 35 mit dem Eingang (jeweils oben) des nachfolgenden Verzögerungsabschnittes 35 verbunden ist, und von unten nach oben - in entgegengesetzter Laufrichtung der Signale durch die Hintereinanderschaltung - von„2" bis„N" nummeriert. Für i = 2 bis N ist der i-te der N Fotodetektoren 14 mit dem Eingang des i-ten Verzögerungsabschnittes 35 verbunden. Der erste der N Fotodetektoren 14 ist mit dem Ausgang des zweiten Verzögerungsabschnittes 35 und mit einem Analog-Digital- Wandler 24 verbunden. Weiterhin ist ein Datenverarbeitungssystem 26 dargestellt, welches dem Analog-Digital- Wandler 24 nachgeschaltet ist. FIG. 3 shows a schematic representation of an alternative embodiment. As in FIG. 1, an optical pulse 12 impinges on a plurality N of photodetectors 14. In accordance with the numbering of the N photodetectors 14 and the associated signals used hereafter, the proportions of the optical pulse 12 in FIG. 3 are occupied from bottom to top with the numbers "1" to "N". The N photodetectors 14 are connected via N connections - represented by lines - to means 34 for merging and delaying. The means 34 for merging and delaying include Nl individual delay sections 35, of which only four are drawn. The Nl delay sections 35 are connected in series, so that the output (bottom) of a delay section 35 is connected to the input (top) of the subsequent delay section 35, and from bottom to top - in the opposite direction of the signals through the series connection - numbered from "2" to "N". For i = 2 to N, the i-th of the N photodetectors 14 is connected to the input of the i-th delay section 35. The first of the N photodetectors 14 is connected to the output of the second delay section 35 and to an analog-to-digital converter 24. Furthermore, a data processing system 26 is shown, which is connected downstream of the analog-to-digital converter 24.
Im Unterschied zu der Auslesevorrichtung aus Figur 1 , in der die Verzögerungsmittel 18 und die Mittel 22 zum Zusammenfuhren aus getrennten Bauelementen bestehen, wird die Funktion dieser beiden Bauelemente in der alternativen Auslesevorrichtung aus Figur 3 in einem Bauelement, nämlich den Mitteln 34 zum Zusammenfuhren und Verzögern, vereinigt. Der vom N-ten der N Fotodetektoren 14 in die Mittel 34 zum Zusammenfuhren und Verzögern einlaufende N-te elektrische Ausgangspuls 16 (nicht dargestellt) durchläuft den N-ten Verzögerungsabschnitt 35 und wird dabei um die Zeit At verzögert. Anschließend wird der um Ät verzögerte N-te Ausgangspuls mit dem (N-l)-ten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls 16 (nicht dargestellt) zu einem Signal mit zweiIn contrast to the read-out device of Figure 1, in which the delay means 18 and the means 22 for merging consist of separate components, the function of these two components in the alternative read-out device of Figure 3 in a component, namely the means 34 for Zusammenfuhr and Delay united. The Nth electrical output pulse 16 (not shown) entering the means 34 for merging and decelerating from the Nth of the N photodetectors 14 passes through the Nth delay section 35 and is thereby delayed by the time Δt. Subsequently, the N-th output pulse delayed by Δt with the (N-1) -th instantaneous output electric pulse 16 (not shown) becomes a signal of two
Beiträgen zusammengeführt, welches den (N-l)-ten Verzögerungsabschnitt 35 durchläuft und dabei wiederum um die Zeit At verzögert wird. Diese Schritte werden wiederholt bis schließlich ein Signal mit N-l Beträgen den zweiten Verzögerungsabschnitt 35 durchläuft, dabei um die Zeit At verzögert wird, und anschließend mit dem ersten unverzögerten elektrischen Ausgangspuls 16 zu dem Pulszugsignal 10 zusarnmengefuhrt wird. Da jederContributions merged, which passes through the (N-l) -th delay section 35 and thereby in turn is delayed by the time At. These steps are repeated until finally a signal of N-1 amounts passes through the second delay section 35, thereby being delayed by the time Δt, and then brought to the pulse train signal 10 with the first instantaneous electrical output pulse 16. As everyone
Beitrag 28 bei einem Durchlauf durch einen Verzögerungsabschnitt 35 um die Zeit At verzögert wird, ergibt sich im Pulszugsignal 10 für den i-ten Beitrag 28 - wie in Figur 1 - eine Verzögerungszeit von TVji = (i-l) At. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines experimentellen Aufbaus, der zur Demonstration der Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung dienen soll. Zu oberst dargestellt ist ein Lasersystem 36, welches gepulste Strahlung mit einer Wellenlänge von 1,55 μπι, mit einer Wiederholungsrate von 4 MHz und mit einer Pulsdauer von 100 Femtosekunden bereitstellt. Unter dem Lasersystem 36 ist ein frequenzverdoppelndesContribution 28 is delayed by the time At in a pass through a delay section 35, results in the pulse train signal 10 for the i-th contribution 28 - as in Figure 1 - a delay time of T Vj i = (il) At. Figure 4 is a schematic representation of an experimental setup intended to demonstrate the operability of the present invention. At the top is shown a laser system 36, which provides pulsed radiation with a wavelength of 1.55 μπι, with a repetition rate of 4 MHz and with a pulse duration of 100 femtoseconds. Below the laser system 36 is a frequency doubling
Element 38 zur Verdopplung der Frequenz der emittierten Laserstrahlung abgebildet. Darunter ist eine Mehrzahl von Fotodetektoren 14 zum Detektieren eines optischen Pulses und zur Erzeugung von elektrischen Ausgangssignalen dargestellt. An die Mehrzahl von Fotodetektoren 14 ist eine Ausleseschaltung 40 angeschlossen, die wiederum mit einem Oszilloskop 42 verbunden ist. In Figur 4 nicht gezeigt ist eine zu untersuchende Probe mit der der optische Puls 12 wechselwirken kann. Da durch den dargestellten Aufbau aus Fig. 4 nur die Funktionsfahigkeit der vorliegenden Erfindung gezeigt werden soll, ist die gepulste räumliche Laserstrahlung direkt, d.h. ohne vorherige Reflektion von einer zu untersuchenden Probe oder vorherige Transmission durch eine zu untersuchende Probe, auf die Fotodetektoren 14 gerichtet. Element 38 is shown for doubling the frequency of the emitted laser radiation. Below this is shown a plurality of photodetectors 14 for detecting an optical pulse and for generating electrical output signals. To the plurality of photodetectors 14, a readout circuit 40 is connected, which in turn is connected to an oscilloscope 42. Not shown in FIG. 4 is a sample to be examined with which the optical pulse 12 can interact. Since only the functionality of the present invention is to be shown by the illustrated construction of Fig. 4, the pulsed spatial laser radiation is direct, i. without prior reflection from a sample to be examined or prior transmission through a sample to be examined, directed to the photodetectors 14.
Die von dem Lasersystem 36 emittierte Strahlung wird zunächst durch das Frequenzverdoppelnde Element 38, welches beispielsweise aus einem Beta-Bariumborat- Kristall besteht, geleitet, um die Zentral Wellenlänge der optischen Pulse 12 auf eine Wellenlänge von etwa 775 nm zu halbieren. Dies ist notwendig, um in denThe radiation emitted by the laser system 36 is first passed through the frequency doubling element 38, which consists, for example, of a beta barium borate crystal, to halve the central wavelength of the optical pulses 12 to a wavelength of approximately 775 nm. This is necessary in the
Empfindlichkeitsbereich der im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel verwendeten Silizium- Fotodetektoren 14 zu gelangen. Die einzelnen Silizium-Fotodetektoren 14 werden nun mit optischen Pulsen 12 mit einer Wellenlänge von etwa 775 nm mit einer Wiederholungsrate von 4 MHz beleuchtet und erzeugen als Antwort elektrische Ausgangspulse 16, die an die Ausleseschaltung 40 weitergegeben werden. Die Ausleseschaltung 40 umfasst dieSensitivity range of the silicon photodetectors 14 used in the illustrated embodiment to arrive. The individual silicon photodetectors 14 are now illuminated with optical pulses 12 having a wavelength of about 775 nm at a repetition rate of 4 MHz and in response generate output electrical pulses 16, which are passed to the readout circuit 40. The readout circuit 40 includes the
Verzögerungsmittel 18 und die Mittel 22 zum Zusammenführen aus Figur 1 oder die Mittel 34 zum Zusammenführen und Verzögern aus Figur 3 (in Figur 4 nicht gezeigt), um aus den elektrischen Ausgangspulsen 16 ein Pulszugsignal 10 (beide in Figur 4 nicht gezeigt) zu erzeugen, welches an das Oszilloskop 42 weitergegeben und von diesem grafisch dargestellt wird. Man beachte, dass bei diesem Aufbau, in dem vornehmlich dieDelay means 18 and the merge means of Figure 1 or means 34 for merging and decelerating of Figure 3 (not shown in Figure 4) to generate from the output electrical pulses 16 a pulse train signal 10 (both not shown in Figure 4); which is passed to the oscilloscope 42 and graphically represented by this. Note that in this construction, in which mainly the
Funktionsfähigkeit demonstriert werden soll, keine Probe im Strahlengang vorgesehen ist. Functionality is to be demonstrated, no sample is provided in the beam path.
Figur 5 zeigt ein mit dem Oszilloskop 42 von Figur 4 dargestelltes Pulszugsignal 10. Der abgebildete zeitliche Ausschnitt zeigt sieben Pulszüge 48 mit jeweils zwei Beiträgen 28. Der Pulszugabstand 32 zwischen den Beiträgen 28 desselben Fotodetektors 14 von aufeinanderfolgenden optischen Pulsen 12 beträgt etwa 250 ns. Der zeitliche Bereich 30, den die Beiträge 28 desselben Pulszugs 48 einnehmen, hat eine Dauer von etwa Τ χ = 75 ns. Die Pulsbreite 44 der Beiträge 28 beträgt etwa 15 ns. Weiterhin sind in Figur 5 Reflexionen 46 zu erkennen, deren Signalstärke etwa 20 % der Signalstärke der Beiträge 28 beträgt. Diese Reflexionen können beispielsweise an Verbindungsstellen der Kabel entstehen. FIG. 5 shows a pulse train signal 10 represented by the oscilloscope 42 of FIG. 4. The time segment shown here shows seven pulse trains 48 each having two contributions 28. The pulse train spacing 32 between the contributions 28 of the same photodetector 14 from successive optical pulses 12 is about 250 ns. The time range 30 which the contributions 28 of the same pulse train 48 occupy has a duration of approximately Τ χ = 75 ns. The pulse width 44 of the contributions 28 is about 15 ns. Furthermore, FIG. 5 shows reflections 46 whose signal strength amounts to approximately 20% of the signal strength of the posts 28. These reflections can arise, for example, at connection points of the cables.
Der experimentelle Aufbau aus Figur 4 und das Pulszugsignal 10 aus Figur 5 belegen die Funktionsfähigkeit der vorliegenden Erfindung. Bei dem vorliegenden Pulszugabstand 32 von etwa 250 ns und bei der vorliegenden Pulsbreite 44 der Beiträge 28 von etwa 15 ns kann die Anzahl der beleuchteten Fotodetektoren 14, die in dem experimentellen Aufbaus aus Figur 4 lediglich 2 beträgt, bereits ohne sonstige Modifikationen wesentlich erhöht werden, ohne dass die Beiträge 28 im Pulszugsignal 10 zeitlich im Wesentlichen überlappen. Je nach Datenverarbeitungssystem könnte in dem beschriebenen Aufbau die Anzahl der Fotodetektoren 14 bereits auf 10 oder mehr erhöht werden. Durch eine schmalere Pulsbreite 44 und/oder einen größeren Pulszugabstand 32 kann die Anzahl der Detektoren sogar erheblich erhöht werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von Fotodetektoren 14 mit kürzeren Reaktionszeiten und/oder durch Verwendung einer etwas geringeren Laserwiederholrate erreicht werden. Hierbei kann das Pulszugsignal 10 ggfs. in Bezug auf die geforderte zeitliche und räumliche Auflösung optimiert werden. Je geringer die Anforderung an die zeitliche Auflösung ist, desto geringer kann auch die Laserfrequenz gewählt werden. Dies hat einen größeren Pulszugabstand 32 zur Folge hat, so dass ein Pulszug 48 mehr zeitlich im Wesentlichen nicht überlappende Beiträge 28 umfassen kann. Somit kann die Anzahl der Fotodetektoren 14 und damit die räumliche Auflösung erhöht werden. Umgekehrt kann auch durch eine Verringerung der räumlichen Auflösung die zeitliche Auflösung erhöht werden. The experimental setup of Figure 4 and the pulse train signal 10 of Figure 5 demonstrate the operability of the present invention. At the present pulse train interval 32 of about 250 ns and at the present pulse width 44 of the contributions 28 of about 15 ns, the number of illuminated photodetectors 14, which in the experimental setup of FIG. 4 is only 2, can already be significantly increased without any other modifications. without the contributions 28 in the pulse train signal 10 substantially overlapping in time. Depending on the data processing system, the number of photodetectors 14 could already be increased to 10 or more in the described construction. By means of a narrower pulse width 44 and / or a larger pulse train spacing 32, the number of detectors can even be increased considerably. This can be achieved, for example, by using photodetectors 14 with shorter response times and / or by using a slightly lower laser repetition rate. In this case, the pulse train signal 10 can optionally be optimized with respect to the required temporal and spatial resolution. The lower the requirement for the temporal resolution, the lower the laser frequency can be selected. This has resulted in a larger pulse spacing 32 so that a pulse train 48 may comprise more temporally substantially non-overlapping contributions 28. Thus, the number of photodetectors 14 and thus the spatial resolution can be increased. Conversely, the temporal resolution can also be increased by reducing the spatial resolution.
Obgleich in den Zeichnungen und in der vorhergehenden Beschreibung bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele aufgezeigt und detailliert beschrieben sind, sollte dies als rein beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend angesehen werden. Es wird darauf hingewiesen dass nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind und Änderungen und Modifizierungen, die derzeit und künftig im Schutzumfang der Erfindung liegen, geschützt werden sollen. Die gezeigten Merkmale können in beliebigen Kombinationen von Bedeutung sein. Although in the drawings and in the foregoing description preferred embodiments are shown and described in detail, this should be considered as purely exemplary and not restricting the invention. It should be noted that only the preferred embodiments are shown and described and changes and modifications that are currently and in the future within the scope of Invention are to be protected. The features shown may be of importance in any combination.
BEZUGSZEICHENLISTE LIST OF REFERENCE NUMBERS
8 Auslesevorrichtung 8 readout device
10 Pulszugsignal  10 pulse train signal
12 Optischer Puls  12 optical pulse
14 Mehrzahl N von Fotodetektoren  14 plurality N of photodetectors
16 Elektrischer Ausgangspuls  16 Electric output pulse
18 Verzögerungsmittel  18 delay means
20 Verzögerter Ausgangspuls  20 Delayed output pulse
22 Mittel zum Zusammenfuhren  22 Means of merging
24 Analog-Digital- Wandler  24 analog-to-digital converters
26 Datenverarbeitungssystem  26 data processing system
28 Beitrag  28 contribution
30 Zeitlicher Bereich  30 Time range
32 Pulszugabstand  32 pulse train interval
34 Mittel zum Zusammenfuhren und Verzögern 34 Means of merging and delaying
35 Verzögerungsabschnitt 35 delay section
36 Lasersystem  36 laser system
38 Frequenzverdoppelndes Element  38 frequency doubling element
40 Ausleseschaltung  40 readout circuit
42 Oszilloskop  42 oscilloscope
44 Pulsbreite  44 pulse width
46 Reflexionen  46 reflections
48 Pulszug  48 pulse train

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zum Auslesen einer Mehrzahl N von Fotodetektoren (14), wobei N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren (14) voneinander beabstandet sind und gleichzeitig von einem optischen Puls (12) beleuchtet werden, so dass jeder der N Fotodetektoren (14) als Antwort auf den optischen Puls (12) zumindest annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls (16) erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: A method of reading out a plurality N of photodetectors (14), where N is an integer> 2 and the photodetectors (14) are spaced apart and illuminated simultaneously by an optical pulse (12) such that each of the N photodetectors (14) generates an electrical output pulse (16) in response to the optical pulse (12) at least approximately simultaneously, the method comprising the steps of:
Verzögern der N elektrischen Ausgangspulse (16) mithilfe eines Delaying the N output electrical pulses (16) using a
Verzögerungsmittels (18, 34) um eine jeweilige Verzögerungszeit Tv,i, i = 1...N, wobei mindestens N-l der Verzögerungszeiten Ty,i von Null verschieden sind, Delay means (18, 34) for a respective delay time Tv , i, i = 1 ... N, wherein at least Nl of the delay times Ty , i are different from zero,
Zusammenfuhren der N verzögerten Ausgangspulse (20), um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen (20) überlagertes Pulszugsignal (10) zu erzeugen, wobei die Verzögerungszeiten Tv,i so gewählt sind, dass die Beiträge (28) der einzelnen Ausgangspulse (16) im Pulszugsignal (10) zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und Merging the N delayed output pulses (20) to produce a pulse train signal (10) superimposed on the N delayed output pulses (20), wherein the delay times Tv , i are selected so that the contributions (28) of the individual output pulses (16) in Pulse train signal (10) do not substantially overlap in time, and
Auslesen des Pulszugsignals (10) mithilfe einer Ausleseschaltung (40), die geeignet ist, einem jeden Fotodetektor (14) einen zeitlichen Abschnitt des Pulszugsignals (10) zuzuordnen, der der Verzögerungszeit Τγ des zugehörigen Verzögerungsmittels (18) entspricht. Reading out the pulse train signal (10) by means of a readout circuit (40) which is suitable for assigning to each photodetector (14) a time segment of the pulse train signal (10) corresponding to the delay time Τγ , ί of the associated delay means (18).
Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Schritt des Verzögerns der N elektrischen Ausgangspulse (16) mithilfe eines Verzögerungsmittels (18) vor dem Schritt des Zusammenführens der N verzögerten Ausgangspulse (20) erfolgt. The method of claim 1, wherein the step of delaying the N electrical output pulses (16) by means of a delay means (18) occurs prior to the step of merging the N delayed output pulses (20).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Verzögerns der N elektrischen Ausgangspulse (16) mit dem Schritt des Zusarnmenführens der N verzögerten Ausgangspulse (20) mithilfe eines Mittels (34) zum Zusarnmenführen und The method of claim 1, wherein the step of delaying the N electrical output pulses (16) comprises the step of combining the N delayed output pulses (20) by means of a merging means (34) and
Verzögern kombiniert wird, wobei das Mittel (34) zum Zusammenführen und Verzögern eine Mehrzahl von hintereinandergeschalteten Delaying is combined, wherein the means (34) for merging and Delay a plurality of cascaded
Verzögerungsabschnitten (35) umfasst und verschiedene elektrische  Delay sections (35) includes and various electrical
Ausgangspulse (16) jeweils eine unterschiedliche Anzahl von  Output pulses (16) each have a different number of
Verzögerungsabschnitten (35) durchlaufen.  Go through delay sections (35).
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, bei dem der Schritt des Verzögerns mithilfe eines Mittels (34) zum Zusammenführen und Verzögern derart mit dem Schritt des Zusammenfuhrens kombiniert wird, dass für i = 1...N-l ein i-tes Signal um die Zeit (Tv,N+i-i -Tv,N-i) verzögert und anschließend mit dem (N-i)-ten der N genannten Ausgangspulse (16) zu einem (i+l)-tem Signal zusammengeführt wird, wobei das erste Signal durch den N-ten der N elektrischen Ausgangspulse (16) und das Pulszugsignal (10) durch das um die Zeit Τγ,ι verzögerte N-te Signal gebildet wird. 4. The method of claim 1 or 3, wherein the step of delaying by means of combining and delaying means is combined with the step of merging such that for i = 1 ... Nl an ith signal around the Time (Tv, N + ii -Tv, Ni) is delayed and then combined with the (Ni) -th N output pulses (16) to an (i + l) -tem signal, wherein the first signal through the N- of the N electrical output pulses (16) and the pulse train signal (10) by the time Τγ , ι delayed N-th signal is formed.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Verzögern mithilfe eines passiven Verzögerungsmittels (18, 34), insbesondere ohne Verwendung eines Taktsignals, erfolgt.  Delaying by means of a passive delay means (18, 34), in particular without the use of a clock signal, takes place.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Verzögerungszeiten Ty,i durch Tv,i = (i-l)-At gegeben sind, wobei At ein vorbestimmtes Zeitintervall ist. Delay times Ty , i are given by Tv, i = (il) -At, where At is a predetermined time interval.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine Vielzahl von optischen Pulsen (12) nacheinander mit einer Wiederholungsrate frep auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren (14) auftrifft, wobei die Verzögerungszeiten Tv,i so gewählt sind, dass die Beiträge (28) desselben optischen Pulses (12) im genannten Pulszugsignal (10) einen zeitlichen Bereich (30) der Dauer Τρχ einnehmen, die geringer als 1/ frep ist. 7. A method according to any one of the preceding claims, wherein a plurality of optical pulses (12) successively impinge upon the plurality N of photodetectors (14) at a repetition rate f rep , the delay times Tv , i being chosen such that the contributions ( 28) of the same optical pulse (12) in said pulse train signal (10) occupy a time range (30) of duration Τρχ which is less than 1 / f rep .
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem N-At < 1/ frep, wobei At ein 8. The method of claim 6 or 7, wherein N-At <1 / f rep , wherein At
vorbestimmtes Zeitintervall und frep die Wiederholungsrate von auf die Mehrzahl N von Fotodetektoren (14) auftreffenden optischen Pulsen (12) ist. predetermined time interval and f rep the repetition rate of the N plurality of photodetectors (14) incident optical pulses (12).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei welchem Ät < 100 ns, vorzugsweise At < 10 ns, besonders vorzugsweise At < 100 ps. 9. The method according to any one of claims 6 to 8, wherein Ät <100 ns, preferably At <10 ns, particularly preferably At <100 ps.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das 10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Pulszugsignal (10) mithilfe eines Analog-Digital- Wandlers (24) digitalisiert wird.  Pulse train signal (10) using an analog-to-digital converter (24) is digitized.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das 11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the
Pulszugsignal (10) mithilfe eines Vorverstärkers verstärkt wird. 12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Auslesen der Mehrzahl N von Fotodetektoren mit einer Ausleserate erfolgt, die > 1 kHz ist, vorzugsweise > 10 kHz ist, und besonders vorzugsweise > 100 kHz ist.  Pulse train signal (10) is amplified by means of a preamplifier. 12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the readout of the plurality N of photodetectors is carried out at a read rate which is> 1 kHz, preferably> 10 kHz, and more preferably> 100 kHz.
13. Verfahren zum Ermitteln des Spektrums eines optischen Pulses (12) mithilfe einer spektrometrischen Einrichtung, die N voneinander beabstandete Fotodetektoren13. A method for determining the spectrum of an optical pulse (12) by means of a spectrometric device, the N spaced apart photodetectors
(14) umfasst, wobei N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren (14) so angeordnet sind, dass sie jeweils Licht eines zugehörigen Spektralbereichs des optischen Pulses (12) empfangen, mit den folgenden Schritten: Auslesen der Mehrzahl N von Fotodetektoren (14) nach einem der Ansprüche(14), wherein N is an integer> 2, and the photodetectors (14) are arranged to respectively receive light of an associated spectral region of the optical pulse (12), comprising the steps of: reading the plurality N of photodetectors (14) 14) according to one of the claims
1 bis 12, 1 to 12,
Ermitteln einer Größe des Pulszugsignals (10) in den genannten, den Fotodetektoren (14) zugeordneten zeitlichen Abschnitten, um die den Fotodetektoren (14) entsprechenden spektralen Komponenten zu ermitteln, wobei die Größe des Pulszugsignals (10) in den genannten zeitlichen Abschnitten kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor (14) empfangenen Lichtes ist. 14. Vorrichtung (8) zum Auslesen einer Mehrzahl N von Fotodetektoren (14), wobeiDetermining a magnitude of the pulse train signal (10) in said time sections associated with the photodetectors (14) to determine the spectral components corresponding to the photodetectors (14), the magnitude of the pulse train signal (10) in said temporal sections being indicative of Intensity of the light received at the associated photodetector (14). 14. Device (8) for reading a plurality N of photodetectors (14), wherein
N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren (14) voneinander beabstandet sind und gleichzeitig von einem optischen Puls (12) beleuchtet werden, so dass jeder der N Fotodetektoren (14) als Antwort auf den optischen Puls (12) zumindest annähernd gleichzeitig einen elektrischen Ausgangspuls (16) erzeugt, wobei die Vorrichtung die folgenden Elemente umfasst: N is an integer> 2 and the photodetectors (14) are spaced apart and illuminated simultaneously by an optical pulse (12) such that each of the N photodetectors (14) respond at least approximately simultaneously in response to the optical pulse (12) generates electrical output pulse (16), the device comprising the following elements:
Verzögerungsmittel (18, 34) zum Verzögern von mindestens N-l der N elektrischen Ausgangspulse (16) um eine Verzögerungszeit Tv,i, i - 1...N, Delay means (18, 34) for delaying at least Nl of the N electrical output pulses (16) by a delay time Tv , i, i - 1 ... N,
Mittel (22, 34) zum Zusammenführen der N verzögerten Ausgangspulse (20), um ein aus den N verzögerten Ausgangspulsen (20) überlagertes Pulszugsignal (10) zu erzeugen, wobei die Verzögerungsmittel (18, 34) dazu eingerichtet sind, die elektrischen Ausgangspulse (16) derart zu verzögern, dass die Beiträge (28) der einzelnen Ausgangspulse (16) im Pulszugsignal (10) zeitlich im Wesentlichen nicht überlappen, und Means (22, 34) for combining the N delayed output pulses (20) to generate a pulse train signal (10) superimposed on the N delayed output pulses (20), the delay means (18, 34) being adapted to control the output electrical pulses (20); 16) in such a way that the contributions (28) of the individual output pulses (16) in the pulse train signal (10) do not substantially overlap in time, and
Mittel zum Auslesen des Pulszugsignals (10), die dazu eingerichtet sind, einem jeden Fotodetektor (14) einen zeitlichen Abschnitt des Pulszugsignals (10) zuzuordnen, der der Verzögerungszeit Tv,i des zugehörigen Means for reading the pulse train signal (10) arranged to associate with each photodetector (14) a temporal portion of the pulse train signal (10) corresponding to the delay time T v, i of the associated one
Verzögerungsmittels (18, 34) entspricht.  Delay means (18, 34) corresponds.
15. Vorrichtung (8) nach Anspruch 14, bei welcher die Mittel zum Auslesen einen Analog-Digital- Wandler (24) umfassen. 15. Device (8) according to claim 14, wherein the means for reading comprise an analog-to-digital converter (24).
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei welcher die Mittel zum Auslesen einen Vorverstärker umfassen. 16. The apparatus of claim 14 or 15, wherein the means for reading comprise a preamplifier.
17. Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der die Mehrzahl N von Fotodetektoren (14) durch Silizium-Fotodioden gebildet ist. 17. Device (8) according to one of claims 14 to 16, wherein the plurality N of photodetectors (14) is formed by silicon photodiodes.
18. Vorrichtung (8) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei welcher die 18. Device (8) according to any one of claims 14 to 17, wherein the
Verzögerungsmittel (18, 34) Kabel umfassen und unterschiedliche  Delay means (18, 34) include cables and different ones
Verzögerungszeiten durch unterschiedliche Kabellängen erzeugt werden.  Delay times are generated by different cable lengths.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei welcher die Fotodetektoren (14) Reaktionszeiten TR aufweisen, die < 50 ns, vorzugsweise < 5 ns, besonders vorzugsweise < 0,1 ns sind, und/oder Grenzfrequenzen fc aufweisen, die vorzugsweise > 0,007 GHz, vorzugsweise > 0,07 GHz, besonders vorzugsweise > 3,5 GHz sind. 19. Device according to one of claims 14 to 18, in which the photodetectors (14) have reaction times T R which are <50 ns, preferably <5 ns, particularly preferably <0.1 ns, and / or have limit frequencies f c , the preferably> 0.007 GHz, preferably> 0.07 GHz, particularly preferably> 3.5 GHz.
20. Spektrometer zum Ermitteln des Spektrums eines optischen Pulses (12) mithilfe einer Mehrzahl N von Fotodetektoren (14), wobei N eine ganze Zahl > 2 ist und die Fotodetektoren (14) voneinander beabstandet und derart angeordnet sind, dass sie jeweils Licht eines zugehörigen Spektralbereichs des optischen Pulses (12) empfangen, wobei das Spektrometer die folgenden Elemente umfasst: eine Vorrichtung (8) zum Auslesen der Mehrzahl N von Fotodetektoren (14) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, 20. A spectrometer for determining the spectrum of an optical pulse (12) by means of a plurality N of photodetectors (14), where N is an integer> 2 and the photodetectors (14) spaced from each other and arranged so that they each light of an associated Spectral range of the optical pulse (12), the spectrometer comprising the following elements: a device (8) for reading the plurality N of photodetectors (14) according to one of claims 14 to 19,
Mittel zum Ermitteln einer Größe des Pulszugsignals (10) in den genannten, den Fotodetektoren (14) zugeordneten zeitlichen Abschnitten, um die den Means for determining a size of the pulse train signal (10) in the said, the photodetectors (14) associated with temporal sections to the the
Fotodetektoren (14) entsprechenden spektralen Komponenten zu ermitteln, wobei die Größe des Pulszugsignals (10) in den genannten zeitlichen Abschnitten kennzeichnend für die Intensität des am zugehörigen Fotodetektor (14) empfangenen Lichtes ist.  Photodetectors (14) corresponding spectral components to determine, wherein the size of the pulse train signal (10) in said temporal portions is indicative of the intensity of the light received at the associated photodetector (14).
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