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Dokumentenidentifikation DE69221143T2 05.03.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0583402
Titel VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM KORRIGIEREN DES SIGNALS EINES PHOTODETEKTORS
Anmelder On-Line Technologies, Inc., East Hartford, Conn., US
Erfinder CARANGELO, Robert, M., Glastonbury, CT 06033, US;
HAMBLEN, David, G., East Hampton, CT 06424, US;
BROUILLETTE, Carl, R., West Hartford, CT 06107, US
Vertreter Patentanwälte Dipl.-Ing. S. Staeger & Dipl.-Ing. R. Sperling, 80469 München
DE-Aktenzeichen 69221143
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 07.05.1992
EP-Aktenzeichen 929128973
WO-Anmeldetag 07.05.1992
PCT-Aktenzeichen US9203818
WO-Veröffentlichungsnummer 9221137
WO-Veröffentlichungsdatum 26.11.1992
EP-Offenlegungsdatum 23.02.1994
EP date of grant 23.07.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.03.1998
IPC-Hauptklasse G01J 1/44
IPC-Nebenklasse G01J 3/453   H03F 1/32   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Empfang elektromagnetischer Strahlung und zur Erzeugung eines linearisierten elektrischen Ausgangssignals, das in einem im wesentlichen linearen Verhältnis zur zeitlich veränderlichen Intensität der auftreffenden Strahlung steht.

Es ist allgemein bekannt, daß durch die verwendeten Photodetektoren oftmals Ungenauigkeiten in eine Spektralanalyse eingebracht werden, welche darauf zurückzuführen sind, daß zwischen dem erzeugten elektrischen Signal und der Energie der auftreffenden Strahlung keine Linearität besteht.

In der am 22. Mai 1990 veröffentlichten USA-Schrift USA-A-4 927 269 von Keens et al, sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Korrektur einer solchen Nichtlinearität beschrieben. Es davon auszugehen, daß die von Keens et al beschriebene Technik nur von begrenztem Wert und Nutzen ist, da sie die Bestimmung zweier Korrekturfaktoren erfordert, wozu wiederum eine Bestimmung des Modulationskoeffizienten η des Spektrometers nötig ist.

In einem von Schindler im New Technology Report des NASA Jet Propulsion Laboratory im Juni 1988 unter dem Titel "Correcting for Nonlinearity in a Photodetector" veröffentlichten Artikel wird die Verwendung einer positiven Rückkopplung vorgeschlagen, um den inneren Vorwiderstand eines Photodetektors auszugleichen und so die Vorspannung des Detektors in dem Maße zu erhöhen, in dem die Intensität der auftreffenden Strahlung zunimmt.

Die übergeordnete Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein hochwirksames und dennoch einfaches Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung zur Korrektur der von Photodetektoren erzeugten elektrischen Signale zu schaffen, mit denen ein bezüglich der Energie der auftreffenden Strahlung lineares Ausgangssignal erhalten werden kann.

Eine spezifischere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art anzugeben, die sich die physikalischen Prinzipien zunutze machen, die den Reaktionsphänomenen von Photodetektoren zugrunde liegen.

Eine weitere spezifische Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung der genannten Art anzugeben, in der eine neuartige Analogschaltung zur Linearisierung des Photodetektorsignals eingesetzt wird.

Eine rückbezogene Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, das einfach anzuwenden ist und eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die relativ kostengunstig hergestellt werden kann.

Gemäß eines der Aspekte der Erfindung wird im folgenden ein Verfahren zur Erzeugung eines linearisierten elektrischen Signals beschrieben welches in einem im wesentlichen linearem Bezug zu der zeitlich veränderlichen Intensität der auf einen Photodetektor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung steht, mit den folgenden Verfahrensschritten:

Bereitstellung eines Photodetektors zur Umwandlung auftreffender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals als Maß für die Strahlungsenergie;

Anlegen einer konstanten Vorspannung an diesen Photodetektor;

Beaufschlagung des genannten Detektors mit einer elektromagnetischen Strahlung über einen bestimmten Zeitraum hinweg, um so ein elektrisches Signal mit einem zeitlich veränderlichen Wert Xs zu erzeugen, mit welchem die Energie der auftreffenden Strahlung angezeigt wird, wobei das erzeugte Signal elektrische Verzerrungen enthält, durch die es in ein zur genannten auftreffenden Strahlungsenergie nichtlineares Verhältnis gebracht wird;

Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert

(Xs-C)², wobei C gleich Null oder einer Zahlenkonstante aus Xs-gleichen Einheiten ist; und

Addition von mindestens einem Bruchteil des genannten Korrektursignalwertes zu einem Signal welches mindestens den Wert Xs besitzt, so daß die genannten elektrischen Verzerrungen im wesentlichen aus demselben beseitigt werden und somit ein im wesentlichen linearisiertes Ausgangssignal erzeugt wird, und dadurch gekennzeichnet, daß

die genannten erzeugten Signale und die Korrektursignale miteinander kombiniert werden wie folgt:

1-a x [X&sub1; + f(Xs - C)²],

wobei "f" eine Bruchkonstante ist, und "a" einen aus der Gruppe Null und "f" gewählten Wert besitzt, und wobei ein in dem genannten Kombinationssignal enthaltener anomaler Energiewert erfaßt wird, und wobei ein spezifischer Wert "f&sub0;" für die Konstante "f" ermittelt wird, indem der Wert von "f" solange variiert wird, bis der genannte anomale Energiewert beseitigt ist.

Wenn das genannte erzeugte elektrische Signal der Wechselspannungsbestandteil eines modulierten Signais ist, kann C gleich Null sein und der Wert von "a" kann gleich "f" sein. Das genannte erzeugte Signal kann digitalisiert werden und die bezeichneten Schritte zur Erzeugung des genannten Korrektursignals und zur Kombinierung der genannten Signale können mittels eines elektronischen Datenverarbeitungsverfahrens durchgeführt werden. Der genannte spezifische Wert "f&sub0;" kann mit einem elektronischen Datenverarbeitungsverfahren bestimmt werden. Bei dem oben genannten Wechselspannungsbestandteil des Signals kann es sich um ein Interferogramm handeln.

Wenn das genannte erzeugte elektrische Signal eine vom Detektor erzeugte Spannung ist, kann C eine Referenzspannung sein, und der Wert von "a" kann gleich Null sein. Die genannten Schritte zur Erzeugung des genannten Korrektursignals und zur Kombination der genannten Signale können mittels einer elektronischen Analogschaltung ausgeführt werden. Der genannte spezifische Wert "f&sub0;" und die genannte Referenzspannung können mit Hilfe einer solchen Schaltung ermittelt werden.

Bei der genannten auftreffenden Strahlung kann es sich um einen Interferometerstrahl handeln, wobei das genannte kombinierte Signal Fouriertransformiert wird, um ein Transformationssignal zu erzeugen, und wobei das genannte Transformationssignal beobachtet wird während der Wert von "1", variiert wird, um so den spezifischen Wert von "f&sub0; zu ermitteln. Wenn der genannte Detektor bei Frequenzen unterhalb eines bestimmten Grenzfrequenzwertes nicht auf eine Strahlung reagiert, kann diese Beobachtung mittels eines aus der folgenden Gruppe ausgewählten Verfahrensschrittes durchgeführt werden:

(a) Nachweis, daß das genannte Transformationssignal bei den genannten niedrigeren Frequenzen im wesentlichen keine Energie anzeigt,

b) Nachweis, daß das genannte Transformationssignal in einer Ebene unterhalb Null im wesentlichen keine Absorbenz der genannten auftreffenden Strahlung anzeigt; und

(c) Variieren der genannten auftreffenden Strahlung um mindestens zwei verschiedene Ebenen stationärer Strahlungsenergie zu erzeugen, und Nachweis, daß die Amplitude des genannten Transformation ssignals in den genannten verschiedenen Ebenen erzeugter Energie keine wesentlichen Schwankungen aufweist.

Das genannte Kombinationssignal kann als Wert von "f" beobachtet werden und die stationären Energieebenen der genannten auftreffenden Strahlung werden variiert, wobei "f&sub0;" als derjenige spezifische Wert von "f" ermittelt wird, bei dem die Amplitude des genannten Kombinationssignals auf den verschiedenen Ebenen erzeugter Energie keine wesentlichen Schwankungen mehr aufweist.

Bei der genannten auftreffenden elektromagnetischen Strahlung kann es sich um eine Spektralstrahlung im Infrarotbereich handeln.

Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Empfang elektromagnetischer Strahlung und zur Erzeugung eines linearisierten elektrischen Ausgangssignals geschaffen, das in einem im wesentlichen linearen Verhältnis zu der zeitlich veränderlichen Intensität der auftreffenden Strahlung steht, wobei das genannte Verfahren folgendes umfaßt:

einen Photodetektor zur Umwandlung auftreffender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals mit einem zeitlich veränderlichen Wert Xs als Maß für die Energie besagter Strahlung, wobei der genannte Detektor einen diesem zugeordneten Vorspannungs-schaltkreis zum Anlegen einer konstanten Vorspannung an genannten Detektor besitzt, sowie Eigenschaften, durch welche dieser dazu neigt, elektrische Verzerrungen zu verursachen, die dazu führen, daß das vom Detektor erzeugte Signal in ein nichtlineares Verhältnis zur Energie der auftreffenden Strahlung gerät;

Mittel zur Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert (Xs - C)², wobei C gleich Null oder einer numerischen Konstante aus Xs-gleichen Einheiten ist; und

Mittel, um mindestens einen Bruchteil eines solchen Korrektursignals zu einem Signal hinzuzuaddieren das mindestens den Wert Xs besitzt, um ein Ausgangssignal der genannten Art zu erhalten, und dadurch gekennzeichnet ist, daß das genannte Mittel zur Addition das erzeugte Signal und das Korrektursignal in folgendem Verhältnis miteinander verknüpft:

Xs + f(Xs - C)²,

wobei "f" eine Bruchkonstante ist; und wobei die genannte Vorrichtung Mittel zum Erkennen eines anomalen Energiewertes in besagtem Kombinationssignal beinhaltet, und Mittel zur Bestimmung eines spezifischen Wertes "f&sub0;" der genannten Konstante "f", indem der Wert von "f" solange variiert wird, bis der genannte anomale Energiewert beseitigt ist.

Das genannte Mittel zur Erzeugung, das genannte Mittel zur Addition, und das genannte Mittel zur Bestimmung können einen elektronischen Analogschaltkreis beinhalten, an welchen der genannte Detektor zum Betrieb gemäß der Spannungswerte des vom genannten Detektor erzeugten elektrischen Signals angeschlossen ist, wobei X, in oben bezeichnetem Verhältnis solche Spannungswerte darstellt, und wobei Mittel für die Erzeugung einer Referenzspannung und deren Anlegen an den genannten Schaltkreis gegeben sind, wobei das Glied C des genannten Verhältnisses eine Konstante mit dem Wert einer solchen Referenzspannung ist. Das genannte Mittel zur Bestimmung kann einen variablen Spannungsteiler umfassen. Das genannte Mittel zur Erzeugung und das genannte Mittel zur Addition können einen integrierten Schaltkreis umfassen, an welchem besagter Spannungsteiler funktionsfähig angeordnet ist. Der genannte integrierte Schaltkreis kann gemäß folgender Transfergleichung funktionieren:

V&sub0; = A[(x&sub1; - x&sub2;)(y&sub1; - y&sub2;)/B + (z&sub1; - z&sub2;)],

wobei V&sub0; die Ausgangsspannung des genannten integrierten Schaltkreises ist, A deren Verstärkungszunahme ist, B ein Spannungsglied mit konstantem Wert ist und x&sub1;, x&sub2;, y&sub1;, y&sub2;, z&sub1; und z&sub2; variable Spannungswerte sind.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, zum Empfang elektromagnetischer Strahlung und zur Erzeugung eines liniearisierten elektrischen Ausgangssignals, das in einem im wesentlichen linearen Bezug zu der zeiflich veränderlichen Intensität der auftreffenden Strahlung besteht, wobei die genannte Vorrichtung folgendes umfaßt:

einen Photodetektor zur Umwandlung auftreffender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals mit einem zeitlich veränderlichen Wert Xs als Maß für die Energie der besagten Strahlung, wobei der genannte Detektor einen diesem zugeordneten Vorspannungsclialtkreis zum Anlegen einer konstanten Vorspannung an den Detektor besitzt und Eigenschaften, durch welche elektrische Verzerrungen begünstigt werden, aufgrund derer das vom Detektor erzeugte Signal in ein nichtlineares Verhältnis zu der Energie der auftreffenden Strahlung gesetzt wird;

Mittel zur Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert (Xs - C)², wobei C gleich Null oder einer numerischen Konstante aus Xs-gleichen Einheiten ist; und

Mittel, um mindestens einen Bruchteil eines solchen Korrektursignals zu einem Signal hinzuzuaddieren, das mindestens den Wert Xs besitzt, um ein Ausgangssignal der genanten Art zu erhalten, und dadurch gekennzeichnet ist, daß

das erzeugte elektrische Signal der Wechselspannungsbestandteil eines modulierten Signals ist, wobei das genannte Mittel zur Addition das erzeugte Signal und das Korrektursignal in folgendem Verhältnis miteinander verknüpft:

Xs/f + (Xs)²,

wobei Xs der Wechselspannungsbestandteil des Signals ist und "f" eine Bruchkonstante; wobei die genannte Vorrichtung Mittel zur Erkennung eines anomalen Energiewertes in dem genannten Kombinationssignal beinhaltet und Mittel zur Bestimmung eines spezifischen Wertes "f&sub0;" der besagten Konstante "f", in der Form, daß der Wert von "f" solange variiert wird, bis der genannte anomale Energiewert beseitigt ist; und wobei das genannte Mittel zur Erzeugung, das genannte Mittel zur Addition und das genannte Mittel zur Bestimmung Mittel zur elektronischen Datenverarbeitung beinhalten.

Bei dem genannte Wechselspannungsbestandteil des Signals kann es sich um ein Interferogramm handeln. Bei dem genannten Detektor kann es sich um ein Quecksilber-Cadmiumtellurid-Gerät handeln. Die genannte Vorrichtung kann außerdem eine elektromagnetische Strahlungsquelle beinhalten, die so angeordnet ist, daß sie den genannten Detektor wirksam mit einem Strahl beaufschlagt.

Die genannte Vorrichtung kann außerdem eine in dem Strahlungspfad zwischen der genannten Quelle und dem genannten Detektor angebrachte Zerhackervorrichtung beinhalten, mit der die Amplitude eines entlang des genannten Pfades projizierten Strahls moduliert wird.

Die genannte Vorrichtung kann außerdem eine im Strahlungspfad zwischen der genannten Quelle und dem genannten Detektor angeordnete Interferometervorrichtung beinhalten.

Bei der genannten elektromagnetischen Strahlung kann es sich um eine spezielle Strahlung handeln, z.B. im Infrarotbereich des Spektrums. Die genannte Vorrichtung kann ein Fourier-Transformation sspektrometer (FT-IR) beinhalten.

Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindungen unter Bezug auf die beiligenden Zeichnungen genauer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A und 1B

Spektrometeraufzeichnungen, die jeweils das Fourier-Transformationsspektrum eines unkorrigierten von einem Photodetektor erzeugten Signais zeigen, bzw. ein vergleichbares Spektrum des selben Signals nach der Linearisierung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2

ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3

ein schematisches Diagramm eines für die Anwendung in der Vorrichtung gemaß der Erfindung geeigneten elektronischen Analogschaltkreises; und

Fig. 4

ein schematisches Diagram der Funktionsmerkmale des im Schaltkreis von Fig. 3 eingesetzten Halbleiterchips.

In Fig. 1A und 1B der anhängenden Zeichnungen sind nun zunächst Wellenzüge von Signalen abgebildet, die Fourier-transformiert wurden, um ein Einstrahlenspektrum zu erhalten (in den Wellenzügen ist die Abszisseneinteilung, wie angegeben, in Wellenzahlen; die Ordinateneinteilung ist willkürlich gewählt). Bei dem für die Transformation verwendeten Signal handelt es sich um ein mit einem Bornern- Michelson-(FT-IR)-Spektrometer, Modell 110, aufgenommenes Interferogramm, wobei in dem genannten Spektrometer ein Quecksilber-Cadmiumtellurid-Detektor mit einer Grenzfrequenz von 430 cm&supmin;¹ (was bedeutet, daß er auf Strahlungen in niedrigeren Frequenzen nicht anspricht) verwendet wurde. Eine handelsübliche Plastikeinwickelfolie wurde in zehn Falten gefaltet und die resultierende Form wurde in den Strahlungspfad des Interferometers gehalten.

Fig. 1A zeigt das unkorrigierte Signal. In Fig. 1B ist dasselbe Signal in gemäß der vorliegenden Erfindung linearisierter Form dargestellt. Wie in dem Wellenzug des unkorrigierten Signals zu sehen ist, führen die Absorptionseigenschaften der Plastikeinwickelfolie in dem Wellenzug des unkorrigierten Signals vielfach zu einem Abfall unter die Null-Schwelle; hierbei handelt es sich natürlich um eine Fehldarstellung. Außerdem weist der Wellenzug unterhalb von 430 cm&supmin;¹, d.h. bei Frequenzen unterhalb der Detektorgrenzfrequenz, einen positiven Wert auf, was natürlich ebenfalls falsch ist. Der gemäß des vorliegenden Linearisierungsverfahrens korrigierte Wellenzug in Fig. 1B zeigt, daß die oben genannten Anomalitäten beseitigt wurden.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung gemäß der Erfindung beinhaltet eine Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Strahls der (mittels einer geeigneten Transferoptik) durch Modulationsmittel zu einem Photodetektor gesandt wird. Das vom Detektor erzeugte elektrische Signal Xs wird mittels Linearisierungsmitteln verarbeitet, um ein Ausgangssignal X&sub0; zu erhalten, das in einem im wesentlichen linearen, verzerrungsfreien Verhältnis zu dem zeitlich veränderlichen Wert der von der Quelle ausgesandten Strahlungsenergie steht. Natürlich kann es sich bei dem Modulationsmittel um das Interferometer eines FT-IR-Spektrometers handeln, und bei der Strahlungsquelle und dem Linearisierungsmittel um die IR-Quelle (z.B. Globar) und den dazugehörigen Computer. Auch kann die Quelle eine elektromagnetische Strahlung in anderen Bereichen des Spektrums erzeugen, und/oder diese kann monochromatisch sein, das Modulationsmittel kann einen Strahlzerhacker umfassen, und das Linearisierungsmittel einen Analogschaltkreis entsprechend der schematischen Darstellung in den Figuren 3 und 4.

Im einzelnen zeigen diese Figuren einen für die Linearisierung eines von einem Photodetektor stammenden Signals geeigneten Analogschaltkreis, der allgemein mit der Bezugsnummer 10 gekennzeichnet wurde. Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde eine Vorrichtung der beschriebenen Art dazu verwendet, das oben beschriebene linearisierte Signal zu erzeugen, dessen Wellenzug in Figur iB dargestellt ist. Ein Vorspannungsschaltkreis 15 dient zum Anlegen einer konstanten Vorspannung an den Detektor 10 und die Vorrichtung enthält außerdem einen integrierten Schaltkreis, einen Spannungsfolger (Referenzversorgung), sowie eine Gleich stromquelle, die jeweils allgemein mit den Bezugsnummern 12, 14 und 16 bezeichnet sind. Bei dem integrierten Schaltkreis 12 handelt es sich geeigneterweise um einen im Handel erhältlichen MPY 600 Chip von Burr-Brown Research Corporation in Tuscon/Arizona, und die Stromversorgung 16 wird geeigneterweise mit einem 12V-Ausgang gewählt.

Der Spannungsfolger 14 dient dazu, eine Referenzspannung (Vr) zu erzeugen, die zur Anpassung der inneren Spannungsbegrenzungen der Vorrichtung über die Leitung 34 an die Anschlußpunkte 30 und 32 des Chips 12 angelegt wird, und des weiteren an die Erdungsklemmen 31 und 33 desselben. Der Referenzspannungswert wird durch eine sachgemäße Einstellung des zweiten regelbaren Widerstands 36 bestimmt, der an der stationären Stromquelle 16 angeordnet ist; ein Erdpotential kann natürlich gegebenenfalls ebenfalls angelegt werden, in welchem Fall der Wert von Vr gleich Null ist. Die Anschlußpunkte 38 und 40 des Chips 12 sind mit der Ausgangsleitung 42 verbunden und die Stromversorgung 16 ist über dessen Anschlußpunkte 44 und 46 angeschlossen.

Der Detektor 10 ist über die Anschlußpunkte 18 und 22 unmittelbar an den Chip 12 angeschlossen, damit diesem über die Leitung 20 dessen Ausgangssignalspannung (Vs) eingeprägt wird. Die Referenzspannung (Vr) plus ein Bruchteil der Detektorspannung im Verhältnis (f[Vs - Vr]) zur Referenzspannung wird über die Leitung 26, die über einen regelbaren Widerstand 28 mit der Leitung 20 verbunden ist, an den Anschlußpunkt 24 des Chips angelegt, wobei der Wert der Bruchkonstante "f" durch die Einstellung des Widerstands 28 bestimmt wird.

Die Funktionseigenschaften des Chips 12 sind in Fig. 4 schematisch dargestellt, die Transfergleichung lautet:

V&sub0; = A[(x&sub1; - x&sub2;)(y&sub1; - y&sub2;)/2V+ [z&sub2; - z&sub1;],

wobei "V&sub0;" die Ausgangsspannung des Chips ist, "A" für deren Verstärkungszunahme steht, und x&sub1;, x&sub2;, y&sub1;, y&sub2;, z&sub1; und z&sub2; die jeweils an den Anschlußpunkten 24, 32, 22, 30, 40 und 18 angelegten Spannungen sind; die Teilung des Produktes (x&sub1; - x&sub2;)(y&sub1; - y&sub2;) durch 2 Volt entspricht einer Eigencharakteristik des Multiplikatorkerns 48. Die Ausgangsspannungen der Differentialverstärker 52 und 54 mit den Werten f(Vs - Vr), bzw. (Vs - Vr) werden im Kern 48 des Chips multipliziert um ein Signal mit dem Wert f(Vs - Vr) 2 zu erzeugen; von welchem Signal im Verstärker 50 das vom Verstärker 56 erzeugte Signal (-Vs) abgezogen wird, wobei als Ausgangssignal V&sub0; des Chips 12 eine Spannung mit dem Wert Vs + f(Vs - Vr)² erhalten wird.

Damit ist dann die angegebene, allgemein ausgedrückte Linearisierungsgleichung: Xs + f(Xs - C)² erfüllt, wobei Vs gleich Xs , Vr gleich C und f gleich f&sub0; ist und der Teilungswert der Transfergleichung des integrierten Schaltkreises beinhaltet ist.

Der gesuchte Wert f&sub0; der Bruchkonstante "f" kann auf verschiedene Weisen ermittelt werden. Zum Beispiel kann eine schnelle Fourier-Transformation eines vom Detektor 10 erzeugten Interferogrammsignals auf einem Oszilloskop oder Videoterminal dargestellt werden, welches, bzw. welcher graphisch dahingehend kalibriert wurde, die Energieebene der auftreffenden Strahlung als Frequenzfunktion darzustellen. Falls die Signalaufzeichnung bei Frequenzen unterhalb der bekannten Grenzfrequenz des Photodetektors positive Energiewerte anzeigt (was bei einem unkorrigierten Signal häufig der Fall ist), wird einfach der Widerstandswert des regelbaren Widerstands 28 im Schaltkreis der Figur 3 solange angepaßt bis der Teil der Transformationskurve mit Wellenzahlen unterhalb der Grenzfrequenz (aber oberhalb des Schwellenpunktes eines im Schaltkreis vorhandenen Hochpaßfilters) im wesentlichen eine Energieebene von Null anzeigt. Unter der Voraussetzung, natürlich, daß die Referenzspannung (Vr) zuvor (durch Anpassung des regelbaren Widerstands 36) den Begrenzungen des Schaltkreises im Hinblick auf eine geeignete Bandbreite auftreffender Strahlungsintensität angepaßt wurde, führt eine solche Ermittlung des Wertes von f&sub0; auf der Basis von Erfahrungswerten zu einer wirksamen Linearisierung des Ausgangssignals und setzt dasselbe in einen genauen Bezug zur zeitlich veränderlichen Intensität der auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen Strahlung.

Wahlweise, oder zusätzlich zu dein beschriebenen Verfahren, kann ein hochabsorbierendes Material in den Pfad des Instrumentenstrahis gelegt werden, um starke Absorptionsbande in der Fourier-Transformation des Interferogramms zu erzeugen. Falls diese Bande unter die Energieebene Null abfallen (was bei einem rohen Detektorsignal üblich ist), kann der Wert des Widerstands 28 wiederum angepaßt werden, um die abweichenden Teile des Wellenzugs gerade eben auf die Energieebene Null zu bringen. Das Ausgangsspannungssignal des Schaltkreises wird dann ein hochlineares Verhältnis zur Intensität der auf den Photodetektor auftreffenden Strahlung aufweisen.

Eine andere mögliche Technik besteht darin, die schnelle Fourier- Interferogrammtransformation zu beobachten, während die Ebene der externen (nicht modulierten, Gleichspannungs-)Strahlung, die auf den Photodetektor auftrifft verändert wird. Würde zwischen der internen (modulierten, Wechselspannungs-) Strahlung und dem Ausgangssignal des Photodetektors eine wirklich lineare Beziehung bestehen, gäbe es, ungeachtet irgendwelcher Veränderungen der Höhe der angelegten externen Energie, keine Veränderungen in der Amplitude der beobachteten Aufzeichnung. Der Spannungsteiler kann also dementsprechend so verstellt werden, daß alle auftretenden derartigen Amplitudenveränderungen beseitigt werden, um so f&sub0; festzulegen.

Für den Fachmann versteht es sich natürlich, daß neben den beschriebenen visuellen Verfahren auch analytische Verfahren angewendet werden können, um den Wert der Bruchkonstante zu bestimmen. Da es für eine solche Bestimmung erforderlich ist, anomale Energiewerte oder eine Konstante mit veränderlichen Verhältnismäßigkeiten (Verstärkung) zu beseitigen oder zu stabilisieren, die sich in der Transformationskurve widerspiegelt, kann dieselbe analysiert werden, um die Indikationsdaten zu bestimmen. Wenn dies einmal geschehen ist, kann eine automatische oder manuelle Feinabstimmung des Analogschaltkreises in dein Rahmen erfolgen, wie nötig um die anomalen Konditionen zu korrigieren.

Es versteht sich von selbst, daß sich derartige Analysen und automatischen Einstellungen am besten mit Hilfe eines elektronischen Datenverarbeitungsgeräts ausführen lassen. Der Computer aus dein ein FT-IR besteht, bietet sich natürlich als äußerst naheliegendes Werkzeug für diesen Zweck an. Für den Fachmann ergibt sich dann auch, daß das gesamte Linearisierungsverfahren mit einem Programm zur Verarbeitung (z.B.) eines Interferogram msignal 5 (ls) in einem computergesteuerten Verfahren zur Beseitigung der oben beschriebenen anomalen Charakteristiken durchgeführt werden kann. Der entsprechende Algorithmus ist, wie oben bereits erläutert, derjenige, in dem das Rohsignal (ls) durch eine ermittelte Bruchkonstante "f&sub0;"geteilt wird (wobei ein Quotient mit einem Wert größer als ls erhalten wird) und mit dem Quadratwert (ls)² des Signals summiert wird (wobei das Glied "C" der allgemeinen Formel gleich Null ist). Der gesuchte Wert für die Konstante "f&sub0;" kann durch die Anwendung der oben bezüglich des Analoglinearisierungsschaltkreises beschriebenen Kriterien bestimmt werden.

Es sollte vielleicht betont werden, daß das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung auf Streu- und Monochromator-Spektrometer, wie auch auf FT-IR-Geräte u. dgl. anwendbar sind. In diesen Fällen kann "f&sub0;" mit den oben beschriebenen Verfahren bestimmt werden, in denen eine externe Quelle genutzt wird, um mindestens zwei Ebenen von auf den Detektor auftreffender Gleichstromenergie- Strahlung zu erzeugen, wobei es jedoch nötig sein kann, den internen Strahl zum Zweck einer Amplitudenmodulation zu zerhacken, um die gesuchte zeitlich veränderliche Energiekurve zu erhalten.

Für den Fachmann ist es dabei offensichtlich, daß der für die Bestimmung der Bruchkonstante und/oder zur Durchführung des Korrekturalgorithmus eingesetzte Analogschaltkreis sich wesentlich von der dargestellten und hierin beschriebenen Form unterscheiden kann, ohne daß dies mit einer Abweichung von den Konzepten der vorliegenden Erfindung gleichzusetzen wäre. Der Schaltkreis kann natürlich vom Hersteller in ein Spektrometer oder in den Vorverstärker für einen Photodetektor eingebaut sein, oder als Erweiterungseinheit konstruiert und gebaut sein. Dem Fachmann ist auch die Art und Weise bekannt, in welcher die elektronische Datenverarbeitung des Photodetektorsignals erfolgt, mit der der Linearisierungsalgorithmus durchgeführt und/oder der Korrekturwert bestimmt wird, so daß diese hier nicht gesondert beschrieben werden müssen; es reicht daher die Feststellung, daß der anzuwendende Korrekturfaktor durch ein Newton-Raphson- Verfahren für eine wiederholte Näherung an einen gesuchten Wert ermittelt werden kann. Somit ist also deutlich, daß die vorliegende Erfindung ein hochwirksames und dennoch einfaches Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung für die Korrektur von durch Photodetektoren erzeugte elektrische Signale bietet, mit denen die Detektorreaktion in ein in Bezug auf die Energie einer auftreffenden Strahlung im wesentlichen lineares Verhältnis gesetzt wird. Es wird davon ausgegangen, daß die mit der vorliegenden Erfindung gebotene ausgezeichnete photometrische Genauigkeit auf die Kenntnis und innovative Nutzung und Anwendung physikalischer Prinzipien zurückzuführen ist, die den Reaktionsphänomenen von Photodetektoren zugrundeliegen, und nicht auf Annahmen und Annäherungen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist einfach zu nutzen und das Gerät kann relativ kostengünstig hergestellt werden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Erzeugung eines linearisierten elektrischen Signals, das in einem im wesentlichen linearem Verhältnis zu der zeitlich veränderlichen Intensität einer auf einen Photodetektor (10) auftreffenden elektromagnetischen Strahlung steht, welches die folgenden Verfahrensschritte umfaßt:

Bereitstellung eines Photodetektors (10) zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals als Maß für die Energie dieser Strahlung;

Anlegen einer konstanten Vorspannung an den oben genannten Detektor (10);

Beaufschlagung des besagten Detektors (10) mit einer elektromagnetischen Strahlung über einen bestimmten Zeitraum hinweg, um ein elektrisches Signal mit einem zeitlich veränderlichen Wert XS zu erzeugen, das der Stärke der auftreffenden Strahlung entspricht, wobei dieses erzeugte Signal elektrische Verzerrungen enthält, durch welche dieses in ein nicht-lineares Verhältnis zu der genannten auftreffenden Strahlungsenergie gebracht wird;

Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert

(X&sub1; - C)², wobei C entweder gleich Null, oder eine Zahlenkonstante mit Xs-gleichen Werten ist, und

Addition, zumindest eines Bruchteils des genannten Korrektursignalwertes zu einem Signal das mindestens den Wert X, besitzt, um die genannten elektrischen Verzerrungen des Signals im wesentlichen zu beseitigen und somit ein im wesentlichen linearisiertes Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet,

daß

das genannte erzeugte Signal und das genannte Korrektursignal in folgendem Verhältnis kombiniert werden:

1 / a x [Xs + f(X&sub8; - C)²],

wobei "f" eine Bruchkonstante ist, und "a" einen aus der aus Eins und "f" gebildeten Gruppe gewählten Wert besitzt, und wobei ein in dem genannten kombinierten Signal enthaltener anomaler Energiewert erkannt wird, und ein spezifischer Wert "f," für die Konstante "f" bestimmt wird, indem der Wert von "f" solange variiert wird, bis der oben genannte anomale Energiewert beseitigt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte elektrische Signal den Wechselspannungsbestandteil eines modulierten Signals darstellt, in welchem C gleich Null ist, und der oben genannte Wert von "a" gleich "f" ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Signal in eine digitale Form umgewandelt wird, wobei die oben genannten Schritte zur Erzeugung des oben genannten Korrektursignals und die Kombination besagter Signale mittels eines elektronischen Datenverarbeitungs-verfahrens durchgeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte spezifische Wert "f," mittels eines elektronischen Datenverarbeitungsverfahrens bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte Wechselspannungsbestandteil des Signals aus einem Interferogramm besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das oben genannte erzeugte elektrische Signal durch den Detektor erzeugte Stromspannungen darstellt, wobei C eine Referenzspannung ist, und der oben genannte Wert von "a" Eins ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannten Schritte zur Erzeugung des oben genannten Korrektursignals und die Kombination der genannten Signale mittels eines elektronischen Analogschaltkreises durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte spezifische Wert "f&sub0;" und die genannte Referenzspannung durch einen solchen Schaltkreis bestimmt werden.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die oben genannte auftreffende Strahlung einen Interferometerstrahl darstellt, wobei das oben genannte Kombinationssignal Fourier-transformiert wird, um ein Transformationssignal zu erhalten; und wobei das genannte Transformationssignal beobachtet wird, während der Wert von "f" variiert wird, um den oben genannten spezifischen Wert von "f&sub0;" zu bestimnien.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte Detektor (10) bei Frequenzen unterhalb eines bestmmten Grenzfrequenzwertes nicht auf Strahlung reagiert, und die genannte Beobachtung mittels eines aus der folgenden Gruppe ausgewählten Schrittes durchgeführt wird:

(a) der Vergewisserung, daß das oben genannte Transformationssignal bei den genannten niedrigeren Frequenzen keine nennenswerte Energie anzeigt;

(b) der Vergewisserung, daß das genannte Transformationssignal in einem Bereich unterhalb von Null keine nennenswerte Aufnahme der genannten auftreffenden Strahlung anzeigt; und

(c) der Varuerung der oben genannten auftreffenden Strahlung, um mindestens zwei verschiedene Ebenen stationärer Strahlungsenergie zu erzeugen, und Vergewisserung, daß die Amplitude des genannten Transformationssignals in den genannten erzeugten verschiedenen Energieebenen keine wesentlichen Schwankungen aufweist.

11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Kombinationssignal beobachtet wird, während der Wert von "f" und die stationären Energieebenen der genannten auftreffenden Strahlung variiert werden, wobei "f&sub0;" als derjenige spezifische Wert von "f" ermittelt wird, bei dem die Amplitude des oben genannten kombinierten Signals bei den erzeugten unterschiedlichen Energiewerten keine nennenswerten Schwankungen aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei es sich bei der genannten auftreffenden elektromagnetischen Strahlung um eine Spektralstrahlung im infraroten Bereich handelt.

13. Vorrichtung zum Empfang elektromagnetischerffenden Strahlung steht, bestehend aus:

einem Photodetektor (10) zur Umwandlung einfallender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals mit einem zeitlich veränderlichen Wert Xs, das der Energie der genannten Strahlung entspricht, wobei der genannte Detektor einen dazugehörigen Vorspannungsstromkreis (15) zum Anlegen einer konstanten Vorspannung an den Detektor besitzt, und Eigenschaften, die die Entstehung elektrischer Verzerrungen begünstigen, durch welche das vom Detektor erzeugte Signal in ein nicht-lineares Verhältnis zur Energie der auftreffenden Strahlung gesetzt wird;

einem Mittel zur Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert (X&sub8; - C)², wobei C gleich Null oder eine Zahlenkonstante mit X&sub8;-gleichen Werten ist; und

einem Mittel zur Addition, zumindest eines Bruchteils eines solchen Korrektursignals zu einem Signal, das mindestens den Wert XS hat, um das genannte Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

das besagte Mittel zur Addition das erzeugte und das ausgleichende Signal in folgendem Verhältnis kombiniert:

Xs + f (X&sub1; - C)²

wobei "f" eine Bruchkonstante ist, und wobei die genannte Vorrichtung Mittel zur Erkennung eines anomalen Energiewertes in dem genannten kombinierten Signal beinhaltet, sowie Mittel zur Ermittlung eines spezifischen Wertes "f&sub0;" besagter Konstante "f" durch Variieren des Wertes von "f", solange bis dieser anomale Energiewert beseitigt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Mittel zur Erzeugung, das genannte Mittel zur Addition, und das genannte Mittel zur Ermittlung einen elektronischen Analogschaltkreis umfassen, an welchen der oben genannte Detektor (10) angeschlossen ist, um gemäß der Spannungswerte der von besagtem Detektor erzeugten elektrischen Signale zu operieren, wobei der Wert Xs dieses Verhältnisses die genannten Spannungswerte darstellt, und wobei das Mittel (14) dazu dient, eine Referenzspannung zu erzeugen und an den oben genannten Schaltkreis anzulegen, wobei der oben genannte Faktor C in besagtem Verhältnis eine Konstante mit dem Wert dieser Referenzspannung ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Mittel zur Ermittlung einen variablen Spannungsteiler umfaßt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Mittel zur Erzeugung und das genannte Mittel zur Addition einen integrierten Schaltkreis (12) umfassen, an den der genannte Spannungsteiler wirksam angeschlossen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte integrierte Schaltkreis (12) nach folgender Übertragungsgleichung arbeitet:

Vo= A [(x&sub1; - x&sub2;) (y&sub1; - y&sub2;) / B + (z&sub1;- z&sub2;)],

wobei Vo die Ausgangsspannung des genannten integrierten Schaltkreises ist, A sein Verstärkungsfaktor, B ein Spannungsfaktor mit konstantem Wert, und wobei x&sub1;, x&sub2;, y&sub1;, y &sub2;, z&sub1; und z&sub2; variable Spannungswerte sind.

18. Vorrichtung zum Empfang elektromagnetischer Strahlung und zur Erzeugung eines linearisierten elektrischen Ausgangssignals, das in einem im wesentlichen linearen Verhältnis zur zeitlich veränderlichen Intensität der auftreffenden Strahlung steht, wobei die genannte Vorrichtung folgendes umfaßt:

einen Photodetektor (10) zur Umwandlung auftreffender elektromagnetischer Strahlung zwecks Erzeugung eines elektrischen Signals mit einem zeitlich veränderlichen Wert Xs, der der Intensität einer solchen Strahlung entspricht, wobei der genannte Detektor mit einem Vorspannungsstromkreis (15) verbunden ist, mit dem an diesem Detektor eine konstante Vorspannung angelegt wird, und Eigenschaften besitzt, die die Entstehung elektrischer Verzerrungen begünstigen, durch welche das vom Detektor erzeugte Signal in ein nicht-lineares Verhältnis zur Energie der auftreffenden Strahlung gesetzt wird;

Mittel zur Erzeugung eines Korrektursignals mit dem Wert (X&sub1; - C)², wobei C gleich Null oder eine Zahlenkonstante mit Xs-gleichen Werten ist; und

Mittel zur Addition, zumindest eines Teils eines solchen Korrektursignals zu einem Signal, das mindestens den Wert Xs hat, um das genannte Ausgangssignal zu erzeugen, und dadurch gekennzeichnet ist, daß

das erzeugte elektrische Signal der Wechselspannungsbestandteil eines modulierten Signals ist, wobei durch das genannte Mittel zur Addition das erzeugte Signal und das Korrektursignal in folgendem Verhältnis miteinander kombiniert werden:

Xs/ f + (Xs)² ,

wobei Xs den Wechselspannungssignalbestandteil darstellt, und "f" eine Bruchkonstante, wobei die genannte Vorrichtung Mittel zur Erkennung eines anomalen Energiewertes in dem genannten kombinierten Signal beinhaltet, sowie Mittel zur Ermittlung eines spezifischen Wertes "fo" besagter Konstante "f" durch Variieren des Wertes von "f", solange bis der anomale Energiewert beseitigt ist, und wobei das genannte Mittel zur Erzeugung, das genannte Mittel zur Addition, und das genannte Mittel zur Ermittlung elektronische Datenverarbeitungsmittel umfassen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Wechselspannungsbestandteil des Signals aus einem Interferogramm besteht.

20. Vorrichtung nach einem der Anspriiche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der oben genannte Detektor (10) ein Quecksilber-Cadmiumtellurid-Gerät ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Vorrichtung zusätzlich eine elektromagnetische Strahlungsquelle beinhaltet, die dazu dient, den genannten Detektor (10) mit einem Strahl zu beaufschlagen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich einen Zerhacker aufweist, der so angebracht ist, daß er im Strahlungspfad zwischen der genannten Quelle und dem genannten Detektor (10) operiert, um die Amplitude eines entlang dieses Pfades projizierten Strahls zu modulieren.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung zusätzlich Interferometer-Mittel aufweist, die im Strahlungspfad zwischen der genannten Quelle und dem genannten Detektor (10) operieren.

24. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der genannten elektromagnetischen Strahlung um eine Spektralstrahlung im infraroten Bereich des Spektrums handelt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, die besagte Vorrichtung ein Fouriertransformations-Spektrometer umfaßt.







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