DE102005042672B4

DE102005042672B4 - Photosensor-Chip, Laser-Mikroskop mit Photosensor-Chip und Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips

Info

Publication number: DE102005042672B4
Application number: DE102005042672A
Authority: DE
Inventors: Frank Schreiber; Volker Dr. Seyfried
Original assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Current assignee: Leica Microsystems CMS GmbH
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2025-09-09
Also published as: US7586107B2; DE102005042672A1; US20080180791A1; WO2007028710A1; JP5239024B2; EP1929256A1; JP2009508094A

Abstract

Photosensor-Chip, der einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat, dass der lichtunempfindliche Bereich eine Fläche einnimmt die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen ist, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Photosensor-Chip. Im Besonderen betrifft die Erfindung einen Photosensor-Chip der einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat.
Ferner betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit Photosensor-Chip. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit mindestens einer Lichtquelle, die einen Beleuchtungslichtstrahl emittiert, der durch die Optik hindurch über eine Scaneinrichtung eine Probe punktweise, punktrasterartig oder zeilenweise beleuchtet, und einem dispersiven Element, das einen von der Probe ausgehenden Detektionslichtstrahl räumlich spektral aufspaltet und zumindest teilweise auf einen lichtempfindlichen Bereich eines Photosensor-Chips richtet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips. Der Photosensor-Chip hat einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet.
Das U.S. Patent 6,157,408 A offenbart eine lichtempfindliche Fläche eines Photosensor-Chips, die aus einer Vielzahl von Pixeln gebildet ist. Jedes der Pixel besitzt dabei einen Sensor zur Erzeugung eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Helligkeit des auf den Sensor einfallenden Lichts. Mit den Sensoren sind Speicher- und Auslese-CCDs (CCD = charge coupled device) verbunden, wobei jeder Sensor eine Vielzahl von Ladungsspeichern umfasst. Eine Vielzahl von linear ausgebildeten Speicher- und Auslese-CCD's sind parallel zur Breite eines jeden Pixels angeordnet. Diese Druckschrift erwähnt jedoch nichts von der zeilenförmigen, bzw. zeilenartigen Ausgestaltung des lichtsensitiven Bereichs eines CCD-Sensors.
Das U.S. Patent 5,355,165 A offenbart einen flächenartigen CCD-Bildsensor, der die einzelnen Pixeln in Reihen und Spalten angeordnet hat. Jedem photoempfindlichen Element ist ein Speicherregister zugeordnet, das als lokaler Speicher fungiert. Dabei umfasst jedes Speicherregister N-Speicherelemente und N kann dabei einige 100 Speicherelemente umfassen. Dies ermöglicht eine schnelle Übertragung der durch die Detektorelemente des CCD-Chips aufgenommenen elektrischen Signale zu den jeweiligen Speicherelementen. Somit ist eine schnelle Bildrate möglich. Dieses Dokument erwähnt ebenfalls nichts von einer zeilenförmigen, bzw. zeilenartigen Anordnung der lichtempfindlichen Elemente eines bildgebenden Sensors.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 103 12 682 A1 offenbart eine Mikroskopanordnung zur Abbildung eines Objekts. Die Mikroskopanordnung kann einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor, eine Abbildungsoptik zur Abbildung des auf dem Objekt erzeugten wenigstens einen Lichtflecks auf dem ortsauflösenden Strahlungsdetektor und eine Schaltung zur Auswertung des detektierten Lichtflecks und Ausgabe eines Fokussiersignals auf der Grundlage einer Gestalt des Lichtflecks umfassen. Dabei ist erwähnt, dass aus Kostengründen der ortsauflösende Strahlungsdetektor auch ein zeilenförmiger Detektor sein kann. Bei dem hier verwendeten zeilenförmigen Detektor ist jedoch nichts erwähnt von evtl. Speichereinheiten, bzw. nicht lichtempfindlichen Elementen eines CCD-Chips, die den lichtempfindlichen Elementen des zeilenförmigen Detektors zur Speicherung in den lichtempfindlichen Elementen generierten Signale zugeordnet sind.
Das U.S. Patent 6,038,023 A offenbart ein System zur Fluoreszenzdetektion oder Fluoreszenzspektroskopie. Das von einer Probe kommende Licht wird dabei mittels eines Prismas spektral aufgespaltet und auf ein Detektorarray gerichtet.
Ebenso beschreibt das U.S. Patent 4,674,880 ein Spektrophotometer, bei dem das zu analysierende Licht auf einen Detektor trifft, der eine Vielzahl von Detektorelementen besitzt.
Die deutsche Patentschrift DE 41 11 903 A1 offenbart eine Erfindung zur spektroskopiekorrelierten Licht-Rastermikroskopie. Der Spektrograph enthält ein gekühltes, zweidimensionales CCD-Array, an Hand dessen das Messlicht detek tiert wird.
Es gibt drei wesentliche Architekturen von CCD-Chips, nämlich die Fullframe-, Frametransfer- und Interlinetransfer-Chips.
Das spektral aufgespaltete Detektionslicht in einem Laserscan-Mikroskop soll mit einem CCD- oder vorzugsweise EMCCD-Zeilendetektor (EMCCD = electron multiplying charge coupled device) nachgewiesen werden. Allerdings sind derartige CCD- oder EMCCD-Detektoren nach dem Stand der Technik in Hinblick auf die für viele Anwendungen erforderliche Bildaufnahmerate zu langsam.
Bei den Fullframe-Chips wird die komplette Fläche zur Bilderzeugung genutzt. Wird ein fertig belichtetes Bild ausgelesen, sind die noch nicht ausgelesenen Pixel weiterhin der Belichtung ausgesetzt. Ohne mechanischen Verschluss ergeben sich somit Schmiereffekte.
Beim Frametransfer-Chip ist eine Hälfte der Chipfläche durch eine lichtundurchlässige Maske abgeschirmt. Die Bildinformation wird nach der Belichtung komplett in diesen lichtunempfindlichen Teil des Chips verschoben. Da für diesen Verschiebevorgang wesentlich weniger Zeit benötigt wird als für das anschließende Auslesen des Chips, werden dadurch die Schmiereffekte erheblich reduziert.
Eine weitere Verringerung des Schmiereffektes ist bei den Interlinetransfer-Chips realisiert. Bei diesen ist jede zweite Spalte des Chips lichtundurchlässig maskiert. Das Bild muss nach der Belichtung nur um eine Spaltenbreite verschoben werden.
Bei den Fullframe-Chips ist die minimale Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Belichtungsvorgängen, der so genannte Bildabstand, generell gleich der Auslesezeit der Bildinformation aus dem Chip. Sowohl bei Frametransfer-, als auch bei Interlinetransfer-Chips kann die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen höchstens einmalig kürzer sein als die Zeit, die zum Auslesen der Bildinformation benötigt wird. Bei einer Zeitserie mit mehr als zwei Bildern ist auch bei diesen Chips der minimale Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Belichtungen gleich der Auslesezeit der jeweiligen Daten aus den maskierten Bereichen.
Die Bauart von Frametransfer- und Interlinetransfer-Chips ist darauf optimiert, Schmiereffekte, die während des Auslesevorgangs der Bildinformationen entstehen können, zu vermeiden. Der minimale Abstand von aufeinanderfolgenden Belichtungen, d. h. der Bildabstand und damit auch letztendlich die Bildwiederholrate wird durch die Bauart dieser Chips nicht beeinflusst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gegebener Taktrate des CCD-Chips und gegebener Anzahl von Ausleseregistern den minimalen Abstand aufeinanderfolgender Belichtungszeiten zu reduzieren bzw. die Bildaufnahmerate eines Photosensor-Chips zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Photosensor-Chip, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop zu schaffen, mit dem bei gegebener Taktrate und Anzahl von Ausleseregistern der Bildabstand reduziert bzw. Bildaufnahmerate eines Photosensor-Chips erhöht wird.
Die objektive Aufgabe wird durch ein Mikroskop gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 9 aufweist.
Zusätzlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem bei gegebener Taktrate und Anzahl von Ausleseregistern der minimale Bildabstand reduziert bzw. die Bildaufnahmerate eines Photosensor-Chips erhöht wird.
Die objektive Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale der Patentansprüche 18 oder 19 aufweist.
Selbstverständlich lässt sich die Bildaufnahmerate weiter erhöhen, indem man sofern möglich die Auslesezeit reduziert (z. B. durch eine höhere Taktrate oder mehrere parallel angeordnete Ausleseregister).
Der Photosensor-Chip wird derart ausgestaltet, dass der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen sind, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst und der lichtunempfindliche Bereich eine Fläche einnimmt, die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindliche Bereichs entspricht.
Es ist vorteilhaft, diesen Photosensor-Chip in einem Mikroskop zu verwenden. Das Mikroskop ist mit mindestens einer Lichtquelle versehen, die einen Beleuchtungslichtstrahl emittiert, der durch die Optik hindurch über eine Scaneinrichtung eine Probe punktweise, punktrasterweise oder zeilenweise beleuchtet. Ein dispersives Element ist im Strahlengang angeordnet, das einen von der Probe ausgehenden Detektionslichtstrahl räumlich spektral aufspaltet und auf einen lichtempfindlichen Bereich des Photosensor-Chips richtet. Der Photosensor-Chip ist derart ausgestaltet, dass zusätzlich zum lichtempfindlichen Bereich ein lichtunempfindlicher Bereich ausgebildet ist, wobei der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen ist, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst.
Weiterhin ist ein Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips vorteilhaft, bei dem der Photosensor-Chip,
so ausgebildet ist, dass der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen ist, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst, wobei der lichtunempfindliche Bereich mit einer Fläche ausgebildet ist, die mindestens dem zweifachen einer Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht und dass das Auslesen so durchgeführt wird, dass nacheinander die zu unterschiedlichen Zeitpunkten entstandene Ladung in Detektorelementen des Photosensor-Chips des zeilenförmige Bereichs des lichtempfindlichen Bereichs in mindestens einen Zwischenspeicherbereich des lichtunempfindlichen Bereichs auf dem Photosensor-Chip überführt wird, und anschließend von dort ausgelesen wird.
Eine weitere Ausführungsform des Photosensor-Chips ist, dass der lichtempfindliche Bereich aus einer Einzelzeile besteht und dass die Zeilenzahl des Zwischenspeichers einer Anzahl der einzelnen Detektorelemente des Photosensor-Chips in der lichtempfindlichen Zeile entspricht.
Der lichtempfindlichen Zeile kann auf beiden Seiten ein erster und ein zweiter Zwischenspeicher zugeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform, kann der lichtempfindliche Bereich des Photosensor-Chips aus einem Block bestehen, der weniger als drei Zeilen umfasst, und wobei der lichtunempfindliche Zwischenspeicher aus mehreren Blöcken besteht, die jeweils die gleiche Anzahl an lichtunempfindlichen Zeilen umfassen wie der Block der lichtempfindlichen Zeilen. Natürlich können diese mehreren Blöcke körperlich als ein einziger, entsprechend großer Block realisiert sein, aber in der Funktion entsprechend mehreren Blöcken betrieben werden.
Der lichtunempfindliche Bereich des Detektors besitzt vorzugsweise eine Fläche, die mehr als ¾ der Fläche des Detektors abdeckt. Der Photosensor-Chip ist ein CCD-Chip, CMOS-Chip oder besonders vorteilhaft ein EMCCD-Chip. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Figuren beschreiben nachfolgend den Stand der Technik und die Erfindung. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Scanmikroskops mit einem Photosensor-Chip zum Aufnehmen der Signale aus dem Detektionslicht;
2 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile und mit einem Zwischenspeicher;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile mit zwei Zwischenspeichern;
4 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile und einem Zwischenspeicher mit nicht quadratischen Pixeln;
5 eine schematische Darstellung eines Photosensor-Chips mit einem Detektorbereich aus mehreren Detektorzeilen und mit ebenso angeordneten blockweisen Zwischenspeichern; und
6 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einem Detektorbereich aus mehreren Detektorzeilen und mit Binning im Zwischenspeicher.
In 1 zeigt den schematischen Aufbau eines konfokalen Scanmikroskops 1, in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung des Photosensor-Chips 19 Verwendung findet. Der von mindestens einem Beleuchtungssystem 2 kommende Beleuchtungslichtstrahl 3 wird von einem Strahlteiler oder einem geeigneten Umlenkmittel 5 zu einer Scaneinrichtung 7 geleitet. Bevor der Beleuchtungslichtstrahl 3 auf das Umlenkmittel 5 trifft, passiert dieser ein Beleuchtungspinhole 6. Die Scaneinrichtung 7 umfasst einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 9, der den Beleuchtungslichtstrahl 3 durch eine Scanoptik 12 und eine Mikroskopoptik 13 hindurch über bzw. durch ein Objekt 15 führt. Der Beleuchtungslichtstrahl 3 wird bei nicht transparenten Objekten 15 über die Objektoberfläche geführt. Bei biologischen Objekten 15 (Präparaten) oder transparenten Objekten kann der Beleuchtungslichtstrahl 3 auch durch das Objekt 15 geführt werden. Zu diesen Zwecken werden nicht leuchtende Präparate ggf. mit einem geeigneten Farbstoff präpariert (nicht dargestellt, da etablierter Stand der Technik). Die in dem Objekt 15 vorhandenen Farbstoffe werden durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 angeregt und senden Licht in einem ihnen eigenen charakteristischen Bereich des Spektrums aus. Dieses vom Objekt 15 ausgehende Licht definiert einen Detektionslichtstrahl 17. Dieser gelangt durch die Mikroskopoptik 13, die Scanoptik 12 und über das Scanmodul 7 zum Umlenkmittel 5, passiert dieses und gelangt über ein Detektionspinhole 18 auf mindestens einen Photosensor-Chips 19, der als CCD-Chip oder EMCCD-Chip ausgeführt ist. Der vom Objekt 15 ausgehende bzw. definierte Detektionslichtstrahl 17 ist in 1 als gestrichelte Linie dargestellt. Im Photosensor-Chip 19 werden elektrische, zur Leistung des vom Objekt 15 ausgehenden Lichtes weitgehend proportionale Detektionssignale erzeugt. Da, wie bereits oben erwähnt, vom Objekt 15 Licht nicht nur einer Wellenlänge ausgesandt wird, ist es sinnvoll vor dem Photosensor-Chip 19 ein dispersives Element 20 anzuordnen. Das dispersive Element 20 spaltet der Detektionslichtstrahl spektral auf, so dass die einzelnen Wellenlängen des Detektionslichts räumlich spektral getrennt sind. Dem dispersiven Element 20 ist eine Linse 21 vorgeschaltet, die den Detektionslichtstrahl 17 aufweitet und parallelisiert. Dem dispersiven Element 20 ist eine weitere Linse 22 nachgeschaltet, die die spektral getrennten Strahlen 24, 25 des Detektionslichtstrahls 17 auf den Photosensor-Chip 19 fokussiert. Die spektral getrennten Strahlen 24, 25 unterscheiden sich hinsichtlich der Wellenlänge und treffen somit auf unterschiedliche Bereiche auf dem Photosensor-Chip 19.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines bereits bekannten Photosensor-Chips 19 mit einer Detektorzeile 30 und mit einem Zwischenspeicher 31, der auch in der Verwendung für ein Mikroskop bereits bekannt ist. Der Photosensor-Chip 19 hat einen lichtempfindlichen Bereich 19₁ und einen lichtunempfindlichen Bereich 19₂ ausgebildet. Der lichtunempfindliche Bereich 19₂ nimmt eine Fläche ein, die mindestens das Zweifache einer Fläche des lichtempfindlichen Bereichs 19₁ entspricht. Die Detektorzeile 30 ist im lichtempfindlichen Bereich 19₁ ausgebildet, und der Zwischenspeicher 31 ist im lichtunempfindlichen Bereich 19₂ ausgebildet. Die Fläche des lichtunempfindlichen bzw. lichtundurchlässigen Bereichs 19₂ ist um ein Vielfaches größer als die Fläche des lichtempfindlichen oder lichtempfindlichen Bereichs 19₁ . Dies bedeutet, dass die Bildinformation aus dem lichtempfindlichen Bereich 19₁ mehr als einmal in den lichtunempfindlichen Bereich 19₂ verschoben werden kann, bevor die Daten aus dem Photosensor-Chip 19 ausgelesen werden. Der lichtunempfindliche Bereich 19₂ fungiert somit als schneller Zwischenspeicher. Die minimale Belichtungszeit reduziert sich bei diesem Verfahren auf die Zeit, die benötigt wird, um die Daten vom lichtempfindlichen Bereich 19₁ in den lichtunempfindlichen Bereich 19₂ (Zwischenspeicher) zu verschieben. Die minimale Belichtungszeit ist somit unabhängig von der Auslesezeit. Die Anzahl der Bilder, die zwischengespeichert werden können, ist gegeben durch das Verhältnis zwischen der Größe des Zwischenspeichers 31 und der Detektorzeile 30 des lichtempfindlichen Bereichs 19₁ des Photosensor-Chips 19.
Im Stand der Technik ist der lichtempfindliche Bereich 19₁ des Photosensor-Chips 19 als Zeilendetektor ausgebildet, der Photosensor-Chip 19 weist einen Zwischenspeicher auf und findet in einem Laserscan-Mikroskop Anwendung. Die Zeilenzahl des Zwischenspeichers 31 auf dem Photosensor-Chip 19 entspricht dabei der maximalen Anzahl von Pixeln im Konfokalbild. Die Daten werden zwischen der Aufnahme zweier Scanzeilen aus dem Zwischenspeicher 31 ausgelesen. Abhängig von der Pause zwischen den Scanzeilen können die Belichtungszeiten pro Detektorelement 30₁ , 30₂ , ..., 30_n mit dem erfindungsgemäßen Photosensor-Chip 19 stark verkürzt werden. Bei unidirektionalem Scan mit dem Mikroskop und einem Tastverhältnis von ¼ wird dadurch die mögliche Belichtungszeit um den Faktor 7 verkürzt. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 32.
3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Photosensor-Chips 19 mit einer Detektorzeile 30 mit einem ersten Zwischenspeicher 41 und eine zweiten Zwischenspeicher 42. Diese Anordnung stellt eine besonders vorteilhafte Anordnung der zwei erfindungsgemäßen Zwischenspeicher dar. Der erste Zwischenspeicher 41 ist auf der einen Seite 43 der Detektorzeile 30 und der zweite Zwischenspeicher 42 ist auf der anderen Seite 44 der Detektorzeile 30 angeordnet. Die Daten vom lichtempfindlichen Bereich 19₁ des Photosensor-Chips 19 können somit in mehr als einen Zwischenspeicher 41, 42 geschrieben werden. Somit ist es möglich, die Daten aus dem ersten Zwischenspeicher 41 auszulesen, während gleichzeitig weitere Daten in den zweiten Zwischenspeicher 42 geschrieben werden. Durch diese Konfiguration mit zwei Zwischenspeichern werden die gleichen Spezifikationen mit einem insgesamt kleineren Zwischenspeicher als im Vergleich zur Konfiguration mit nur einem Zwischenspeicher erreicht.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Photosensor-Chips 19 gemäß dem Stand der Technik mit einer Detektorzeile 30 aus lichtempfindlichen Pixeln 50₁ , 50₂ , ..., 50_n und einem Zwischenspeicher mit nicht quadratischen lichtunempfindlichen Elementen 55₁ , 55₂ , ... 55_n (Pixeln). Die hier beschriebene Anordnung entspricht der Anordnung aus 2. Um die Fläche des Photosensor-Chips 19 zu reduzieren und die Transferzeiten zu minimieren, werden die Elemente im Zwischenspeicher nicht quadratisch gestaltet. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 52.
5 ist eine schematische Darstellung eines Photosensor-Chips 19 mit einem Detektorbereich 60 aus mehreren Detektorzeilen 30 und mit ebenso angeordneten Zwischenspeicherblöcken 61₁ , 61₂ , ...; 61_n . Die hier beschriebene Anordnung entspricht der Anordnung aus 2 mit dem Unterschied, dass der lichtempfindliche Bereich 19₁ aus mehreren Detektorzeilen 30 besteht. Der lichtunempfindliche Bereich 19₂ (Zwischenspeicher) ist aus mehreren Zwischenspeicherblöcken 61₁ , 61₂ , ...; 61_n aufgebaut, von denen jeder aus N Zwischenspeicherzeilen 30 aufgebaut ist, wobei die Zahl N der Zahl Detektorzeilen 30 im lichtempfindlichen Bereich 19₁ entspricht. Der lichtempfindliche Bereich 19₁ ist als Flächendetektor mit entsprechenden blockweisen Zwischenspeichern ausgebildet. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 62.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Photosensor-Chips 19 mit einem Detektorbereich 70 aus mehreren Detektorzeilen 30 und mit Binning im Zwischenspeicher 71. Die Informationen aus dem lichtempfindlichen Bereich 19₁ werden im Zwischenspeicher 71 durch Binning vor dem Auslesen komprimiert. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 72.
Der Einsatz eines erfindungsgemäßen Photosensor-Chips 19 mit zwei Zwischenspeicher als spektrale Detektionseinheit in einem Laserscan-Mikroskop, siehe 1, in Verbindung mit einem dispersiven Element, wie z. B. Prisma, Gitter, Hologramm ermöglichen eine schnelle, spektrale Detektion der Signale vom Mikroskop. Der erfindungsgemäße Photosensor-Chips 19 ist in bzw. nahe der Fokalebene angeordnet. Die Daten werden von dem Photosensor-Chip 19 ausgelesen. Das Auslesen des Speicherregisters erfolgt während der Zeitpunkte, zu denen kein Licht auf den Detektor fällt (z. B. während der Umkehr des Scanmoduls 7 (bzw. des Galvos) im Laserscan-Mikroskop oder während des Laser-Blankings.
Die lichtunempfindlichen Bereiche des Photosensor-Chips 19, der die beiden Zwischenspeicher darstellt, werden durch eine lichtundurchlässige Maske auf dem Chip realisiert. Die lichtundurchlässige Maske deckt mehr als ¾ der Fläche des Photosensor-Chips 19 ab. Zur Rauschreduzierung kann eine Kühlung des Zwischenspeichers bzw. des ganzen CCD/EMCCD-Chip mit Peltier-, Flüssigkeits-, Luft- oder mehrstufiger Kühlung oder vergleichbaren Mitteln erfolgen.
Durch die Anordnung von Detektorelementen und den Speicherelementen zweier Zwischenspeicher auf dem Photosensor-Chip 19 erfolgt ein gleichzeitiges Auslesen von Bildinformationen aus einem Zwischenspeicher und Verschieben von Bildinformationen in einen zweiten Zwischenspeicher. Die Zwischenspeicher des als CCD-Chip ausgebildeten Photosensor-Chips 19 kann durch mehrere Ausleseregister ausgelesen werden. Den Ausleseregistern des als EMCCD-Chip ausgebildeten Photosensor-Chips 19 können mehrere elektronenvervielfachende Verstärkerregister nachgeordnet sein.
Je nach Ausgestaltung des Photosensor-Chips 19 erfolgt die Art der Speicherung. Bei einem Photosensor-Chip 19 mit einer Detektorzeile 30 wird die Bildinformation einer Scanzeile (des Konfokalbildes) in einem der Zwischenspeicher des CCD Chips oder EMCCD-Chips gespeichert. Ebenso kann die Bildinformation eines Scanbereichs (im Konfokalbild) in einem der Zwischenspeicher des CCD-Chips oder des EMCCD-Chips gespeichert werden. Das Speichern der Bildinformation einer Zeitserie (gemessen in einem Punkt im Konfokalbild) ist ebenfalls im Zwischenspeicher eines CCD-Chips oder EMCCD-Chips möglich.
In der Regel erfolgt das Auslesen des Zwischenspeichers während des Zeilenrücklaufs (im Konfokalbild). Bei einem lichtempfindlichen Bereich 19₁ von mehr als einer Detektorzeile erfolgt das Auslesen des Zwischenspeichers während des Framerücklaufs (im Konfokalbild).
Die Zwischenspeicher setzen sich aus Speicherelementen (Pixeln) anderer Größe als der lichtempfindliche Bereich 19₁ des CCD-Chips oder des EMCCD-Chips zusammen. Um die Chipfläche und die Transferzeiten zu minimieren, werden die Pixel in dem Zwischenspeicher nicht quadratisch gestaltet.

Claims

Photosensor-Chip, der einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat, dass der lichtunempfindliche Bereich eine Fläche einnimmt die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen ist, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst.
Photosensor-Chip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich aus einer Einzelzeile besteht, die mehrere, einzelne Detektorelemente umfasst, und dass die Zeilenzahl des Zwischenspeichers der maximalen Anzahl der einzelnen Detektorelemente in der lichtempfindlichen Einzelzeile entspricht.
Photosensor-Chip nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Zwischenspeicher auf beiden Seiten des lichtempfindlichen Bereichs angeordnet sind.
Photosensor-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtunempfindliche Bereich des Photosensor-Chips eine Fläche besitzt, die mehr als ¾ der Fläche des Photosensor-Chips abdeckt.
Photosensor-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Photosensor-Chip ein CCD-Chip oder ein EMCCD-Chip ist.
Photosensor-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung des CCD- Chips oder des EMCCD-Chips zur Rauschreduzierung vorgesehen ist, und dass die Kühlung eine Peltierkühlung, eine Flüssigkeitskühlung, eine Luftkühlung oder eine mehrstufige Kühlung ist.
Photosensor-Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher des CCD-Chips mit mehr als einem Ausleseregister versehen ist.
Photosensor-Chip nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausleseregister des EMCCD mit mehr als einem Verstärkerregister versehen ist.
Ein Mikroskop (1) mit mindestens Lichtquelle (3), die einen Beleuchtungslichtstrahl (5) emittiert, der durch die Optik (9) hindurch über eine Scaneinrichtung eine Probe (10) punktweise, punktrasteartig oder zeilenweise beleuchtet, einem dispersiven Element (20), das einen von der Probe (10) ausgehenden Detektionslichtstrahl (12) räumlich spektral aufspaltet und auf einen lichtempfindlichen Bereich eines Photosensor-Chips (19) richtet, dadurch gekennzeichnet, dass der Photosensor-Chip zusätzlich zum lichtempfindlichen Bereich einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat, wobei der lichtempfindliche Bereich als zeilenförmiger Detektor mit nicht mehr als drei Einzelzeilen ausgebildet ist, und dass mindestens ein erster und ein zweiter lichtunempfindlicher zeilenförmiger Bereich als Zwischenspeicher vorgesehen ist, von denen jeder mindestens die gleiche Zahl an Einzelzeilen wie der lichtempfindliche Bereich umfasst.
Mikroskop (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtempfindliche Bereich aus einer Einzelzeile besteht, die mehrere, einzelne Detektorelemente umfasst, und dass die Zeilenzahl des Zwischenspeichers der maximalen Anzahl der einzelnen Detektorelemente in der lichtempfindlichen Einzelzeile entspricht.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, dass der lichtunempfindliche Bereich des Photosensor-Chips eine Fläche besitzt, die mehr als ¾ der Fläche des Photosensor-Chips abdeckt.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Photosensor-Chip ein CCD-Detektor oder ein EMCCD ist.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung des CCD-Detektors oder des EMCCD-Chips zur Rauschreduzierung vorgesehen ist, und dass die Kühlung eine Peltierkühlung, oder eine Flüssigkeitskühlung oder eine Luftkühlung oder eine mehrstufige Kühlung ist.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslesen des Zwischenspeicher während der Zeitpunkte erfolgt, zu denen kein Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Photosensor-Chips fällt.
Mikroskop (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeiten zu denen kein Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Photosensor-Chips fällt die Umkehr der Scaneinrichtung des Mikroskops oder das Laser-Blanking beinhalten.
Mikroskop (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher des CCD-Detektors mit mehr als einem Ausleseregister versehen ist.
Mikroskop (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Ausleseregister des EMCCD mit mehr als einem Verstärkerregister versehen sind.
Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips, gemäß einem der vorherigen Patentansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass nacheinander die zu unterschiedlichen Zeitpunkten entstandene Ladung in Detektorelementen des Photosensor-Chips des zeilenförmigen Bereichs des lichtemp findlichen Bereichs in mindestens einen Zwischenspeicherbereich des lichtunempfindlichen Bereichs auf dem Photosensor-Chip überführt wird und anschließend von dort ausgelesen wird.
Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips gemäß einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 8 gekennzeichnet dadurch, dass ein wechselseitiges Zwischenspeichern und Auslesen der Zwischenspeicher auf beiden Seiten des lichtempfindlichen Bereichs durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesen des Zwischenspeichers während Zeiten durchgeführt wird, zu denen kein Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Photosensor-Chips fällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesen des Zwischenspeichers während des Zeilenrücklaufs einer Scaneinrichtung eines Scanmikroskops durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslesen des Zwischenspeichers während des Framerücklaufs einer Scaneinrichtung eines Scanmikroskops durchgeführt wird.