DE102008004549B4

DE102008004549B4 - Apparatus and method for simultaneous time resolved single photon registration from a plurality of detection channels

Info

Publication number: DE102008004549B4
Application number: DE200810004549
Authority: DE
Inventors: Michael Wahl; Hans-Jürgen Rahn; Tino Röhlicke
Original assignee: Picoquant Unternehmen fur Optoelektronische Forschung und Entwicklung GmbH
Current assignee: Picoquant Unternehmen fur Optoelektronische Forschung und Entwicklung GmbH
Priority date: 2008-01-15
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: DE102008004549A1

Abstract

Vorrichtung zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen mit: (a) einer Mehrzahl von Zeitmesseinheiten (4); (b) einer gemeinsamen Zeitbasis (5, 7) für alle Zeitmesseinheiten (4); (c) einer zentralen Verarbeitungseinheit (9); wobei jede Zeitmesseinheit (4) folgendes enthält: (a1) mindestens einen Eingangskanal (1), in den Signale eines Einzelphotonendetektors aus einem der Detektionskanäle eingespeist werden können; (a2) einen Zeit-Digital-Wandler zur Zeitmessung, der mit einer Auflösung zwischen 0.5 ps und 50 ps arbeitet, (a2a) wobei die Zeit-Digital-Wandler aller Zeitmesseinheiten (4) mit der gemeinsamen Zeitbasis (5) arbeiten; (a3) Mittel, die für jedes Signal des Einzelphotonendetektors mit Hilfe des Zeit-Digital-Wandlers einen Ereignisdatensatz erzeugen, der die Ankunftszeit des Signals enthält; (a4) Mittel, die bei jedem Überlauf des Zeit-Digital-Wandlers einen Überlaufdatensatz erzeugen; (a5) Mittel, die jeden Ereignisdatensatz und jeden Überlaufdatensatz um eine Identifikation der Zeitmesseinheit (4) ergänzen, in dem diese erzeugt wurden, und/oder um eine Identifikation...A simultaneous time-resolved single photon registration apparatus of a plurality of detection channels, comprising: (a) a plurality of time measuring units (4); (b) a common time base (5, 7) for all time measurement units (4); (c) a central processing unit (9); each time measuring unit (4) comprising: (a1) at least one input channel (1) into which signals of a single-photon detector can be fed from one of the detection channels; (a2) a time-to-time digital converter operating at a resolution of between 0.5 ps and 50 ps (a2a), wherein the time-to-digital converters of all the time measuring units (4) operate on the common time base (5); (a3) means for generating for each signal of the single-photon detector by means of the time-to-digital converter an event record containing the arrival time of the signal; (a4) means generating an overflow record each time the time-to-digital converter overflows; (a5) means for supplementing each event data record and each overflow data record with an identification of the time measuring unit (4) in which they were generated, and / or for an identification ...

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen, insbesondere für Anwendungen in der zeitaufgelösten Fluoreszenzspektroskopie.The invention relates to an apparatus and method for continuous time-resolved single photon registration from a plurality of detection channels, in particular for applications in time-resolved fluorescence spectroscopy.

Stand der TechnikState of the art

Zeitkorreliertes Einzelphotonenzählen (time correlated single photon counting, TCSPC) ist eine leistungsfähige Methode für empfindliche zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen bis hinab zur Einzelmolekülspektroskopie. Die Methode beruht auf der exakten zeitlichen Erfassung einzelner Photonen, z. B. eines Fluoreszenzsignals. Eine Beschreibung von TCSPC findet sich in DE 197 02 914 C2 , bzw. WO 1998/023941 A2 .Time-correlated single photon counting (TCSPC) is a powerful method for sensitive time-resolved fluorescence measurements down to single-molecule spectroscopy. The method is based on the exact time recording of individual photons, z. B. a fluorescence signal. A description of TCSPC can be found in DE 197 02 914 C2 , respectively. WO 1998/023941 A2 ,

Ursprünglich wurde die Methode hauptsächlich mit dem Ziel der Bestimmung von Fluoreszenz-Lebensdauern eingesetzt. Hierbei reduziert sich die Aufgabe der zeitlichen Erfassung einzelner Photonen auf eine wiederholte Differenzmessung zwischen dem Zeitpunkt der Fluoreszenzanregung (z. B. durch kurze Laserpulse) und dem Zeitpunkt der Detektion eines Fluoreszenzphotons. Während die einzelnen Differenzen zunächst zufällig sind, erhält man mit dem Histogramm vieler solcher Differenzen eine zeitaufgelöste Repräsentation des Fluoreszenzzerfalls. Die Zeitmessung erfolgt auf elektrischen Puls-Signalen, die im Falle der Photonen von geeigneten Einzelphotonendetektoren geliefert werden, und im Falle der Fluoreszenz-Anregungspulse oft direkt z. B. vom Anregungslasersystem bereitgestellt werden. Letztere Signale werden auch als Synchronisationssignale bezeichnet.Originally, the method was mainly used with the goal of determining fluorescence lifetimes. In this case, the task of recording the time of individual photons is reduced to a repeated differential measurement between the time of fluorescence excitation (eg by short laser pulses) and the time of detection of a fluorescence photon. While the individual differences are initially random, the histogram of many such differences yields a time-resolved representation of the fluorescence decay. The time measurement is performed on electrical pulse signals, which are supplied in the case of photons from suitable single-photon detectors, and in the case of fluorescence excitation pulses often directly z. B. be provided by the excitation laser system. The latter signals are also referred to as synchronization signals.

Die praktisch relevanten Fluoreszenzlebensdauern, z. B. in der Bioanalytik, liegen in der Größenordnung von 0,5 bis 100 Nanosekunden. In der Analyse ist allerdings nicht nur die mittlere Fluoreszenzlebensdauer, sondern auch die genaue Form des Fluoreszenzzerfalls von Bedeutung, z. B. bei der Unterscheidung gemischter Spezies oder bei der Untersuchung von Rotationsprozessen.The practically relevant fluorescence lifetimes, z. B. in bioanalysis, are in the order of 0.5 to 100 nanoseconds. In the analysis, however, not only the mean fluorescence lifetime, but also the exact form of fluorescence decay important, z. In the discrimination of mixed species or in the study of rotational processes.

Die Zeitmessung für die einzelnen Photonen erfolgt üblicherweise mit Hilfe schneller elektronischer Schaltungen, die eine Zeitauflösung bis in den einstelligen Pikosekundenbereich erlauben. Die historisch verbreitetste Lösung dafür ist die Kombination so genannter Zeit-Amplituden-Konverter (time to amplitude converter, TAC) mit einer nachfolgenden Analog-Digital-Wandlung. In der jüngeren Zeit dominieren dagegen sogenannte Zeit-Digital-Wandler (time to digital converter, TDC), die bei ähnlichen Auflösungen erheblich längere Zeitspannen messen könen und meist durch eine Quarzreferenz dauerhaft kalibriert sind (Kalisz, 2004).The time measurement for the individual photons is usually carried out with the aid of fast electronic circuits, which allow a time resolution down to the one-digit picosecond range. The most widely used solution for this is the combination of so-called time-to-amplitude converters (TACs) with subsequent analog-to-digital conversion. In contrast, so-called time-to-digital converters (TDCs), which can measure significantly longer time periods at similar resolutions and are usually permanently calibrated by a quartz reference, have dominated in recent times (Kalisz, 2004).

Nachdem für ein Photon ein digitales Zeitdifferenzergebnis ermittelt wurde, muss im Folgenden nur noch die korrespondierende Zelle eines Histogrammspeichers inkrementiert werden. Dies wird üblicherweise ebenfalls durch schnelle Elektronik direkt in Hardware realisiert.After a digital time difference result has been determined for a photon, in the following only the corresponding cell of a histogram memory has to be incremented. This is usually also realized by fast electronics directly in hardware.

Da die Histogrammbildung über Zeitdifferenzen für die Aufzeichnung von Fluoreszenzzerfällen ausreichend ist, wird nur eine ”lokale” Zeitinformation zwischen einem Anregungspuls und dem nächsten Photon ausgewertet, die im Bereich von Pikosekunden bis Nanosekunden liegt. Diese ”lokale” Auswertung der Zeitinformation begrenzt dabei auch die Menge an Information, welche aus einem Experiment gewonnen werden kann.Since histogram formation over time differences is sufficient for recording fluorescence decays, only "local" time information between one excitation pulse and the next photon is evaluated, ranging from picoseconds to nanoseconds. This "local" evaluation of the time information also limits the amount of information that can be obtained from an experiment.

Obwohl diese Art der Anwendung heute noch wichtig ist, kann aus einem Experiment mit zeitlicher Erfassung von Photonenereignissen oft viel mehr Information gewonnen werden, wenn man die Zeitinformation nicht nur ”lokal” gewinnt und auswertet, sondern jedes Ereignis auf einer ganzheitlichen Zeitspur über die Dauer des gesamten Experiments erfasst. Dadurch ist nach dem Experiment eine Auswertung unter unterschiedlichen Gesichtspunkten möglich. Z. B. können auf diese Weise die gewonnen Fluoreszenzdaten sowohl mittels TCSPC hinsichtlich der Fluoreszenz-Lebensdauer ausgewertet werden, als auch mittels Fluoreszenz-Korrelationsspektroskopie (FCS) hinsichtlich Diffusion und damit räumlichen Dimensionen.Although this type of application is still important today, much more information can often be gained from an experiment with temporal capture of photon events, by not only gaining and evaluating the time information "locally", but by recording each event on a holistic time trace over the duration of the photon event recorded throughout the experiment. As a result, an evaluation from different points of view is possible after the experiment. For example, in this way the fluorescence data obtained can be evaluated both by means of TCSPC with regard to the fluorescence lifetime and by means of fluorescence correlation spectroscopy (FCS) with regard to diffusion and thus spatial dimensions.

Diese Vorgehensweise hat sich erfolgreich als ”zeitgestempelte” Aufzeichnung von Einzelphotonen etabliert, d. h. jedes registrierte Ereignis wird als Datensatz (Ereignisdatensatz) zusammen mit einem Zeitstempel gespeichert, der den genauen Zeitpunkt der Erfassung enthält. Durch die Aufzeichnung aller dieser Datensätze im Laufe eines Experiments erhält man eine vollständige Erfassung aller gemessenen Ereignisse. Damit sind fortgeschrittene und neue Anwendungen wie Fluoreszenz-Lebensdauer-Bildaufzeichnung mit großen Bildformaten (Koberling et al., 2003) sowie die Fluoreszenz-Lebensdauer-Korrelationsspektroskopie (Gregor et al., 2007) möglich geworden.This approach has been successfully established as "time-stamped" recording of single photons, ie each registered event is stored as a record (event record) along with a timestamp containing the exact time of capture. Recording all these records in the course of an experiment provides a complete record of all measured events. This includes advanced and new applications such as fluorescence lifetime imaging large image formats (Koberling et al., 2003) and fluorescence lifetime correlation spectroscopy (Gregor et al., 2007).

Entsprechende Geräte, die den neuesten Stand der Technik repräsentieren, gestatten die Zeitstempelung mit Pikosekunden-Auflösung.Corresponding state-of-the-art devices allow time-stamping with picosecond resolution.

So beschreiben Wahl et al. (1998) die Verwendung der ”zeitgestempelten” Aufzeichnung von Photonen und deren Weiterverarbeitung in Echtzeit zur Fluoreszenz-Lebenszeit-Berechnung und Einzelmoleküldetektion. Um dabei eine möglichst hohe Genauigkeit über die gesamte Dauer des Experiments zu gewährleisten, wird die pikosekundengenaue Zeit des Ereignisses immer relativ zu einem langsameren Zeittakt angegeben. Der Ereignisdatensatz enthält daher neben der pikosekundengenauen Zeit des TDCs immer noch die zugehörige ”real-time” Zeit, relativ zum Beginn des Experiments. Diese Methode wird als time-tagged time-resolved (TTTR) bezeichnet. Dadurch ist es möglich, den genauen Zeitpunkt jedes Ereignisses über die gesamte Dauer des Experiments aufzuzeichnen.Thus, Wahl et al. (1998) use of "time-stamped" recording of photons and their real-time processing for fluorescence lifetime calculation and single-molecule detection. In order to ensure the highest possible accuracy over the entire duration of the experiment, the picosecond time of the event is always given relative to a slower clock. The event data set therefore still contains the associated "real-time" time, in addition to the exact picosecond time of the TDC, relative to the start of the experiment. This method is called time-tagged-time (TTTR). This makes it possible to record the exact time of each event over the entire duration of the experiment.

Koberling et al. (2003) beschreiben die Anwendung von TCSPC mit TTTR für zwei Wellenlängen. Die Aufzeichnung mittels TTTR eignet sich dabei auch dazu, andere Daten, wie beispielsweise die Positionsdaten des aktuellen Messpunkts in einem konfokalen Fluoreszenzmikroskops, als zeitmarkierte Ereignisse zu erfassen, die als eigene Ereignisdatensätze eingefügt werden können.Koberling et al. (2003) describe the application of TCSPC with TTTR for two wavelengths. Recording by means of TTTR is also suitable for recording other data, such as the position data of the current measuring point in a confocal fluorescence microscope, as time-marked events which can be inserted as separate event data sets.

Dadurch sind alle zur Auswertung der Daten relevanten Daten zusammen verfügbar und werden direkt auf dem angeschlossenen Rechner gespeichert. Nach dem Experiment können sie unter verschiedenen Gesichtspunkten ausgewertet werden.As a result, all data relevant to the evaluation of the data are available together and are stored directly on the connected computer. After the experiment, they can be evaluated under different aspects.

Eine Anordnung von zwei Kanälen, welche TTTR mit zwei unabhängigen Kanälen realisiert, beschreiben Wahl et al. (Wahl et al., 2007). Dabei arbeiten zwei TDCs mit einer gemeinsamen Zeitbasis. Dadurch konnte beispielsweise die Totzeit des Gesamtsystems eliminiert werden. Eine Erweiterung durch einen dritten Kanal war bei dem geschilderten System nicht möglich.An arrangement of two channels implementing TTTR with two independent channels is described by Wahl et al. (Wahl et al., 2007). Two TDCs work with a common time base. As a result, for example, the dead time of the entire system could be eliminated. An extension by a third channel was not possible in the described system.

Existierende Lösungen, die mehrere Detektionskanäle durch Multiplexing mit einer einzigen Zeitmesseinheit verbinden, beschrieben in DE 4339784 A1 , sind auf Anwendungsfälle mit geringer Wahrscheinlichkeit des gleichzeitigen Eintreffens von Photonenereignissen auf mehr als einem Kanal beschränkt, da anderenfalls keine eindeutige Zuordnung zu einem Kanal möglich ist. Die Kanäle sind daher nicht unabhängig, und es entstehen Artefakte bei Korrelationsmessungen. Prinzipbedingt sind der möglichen Kanalzahl enge Grenzen gesetzt. Weiterhin sind Anwendungen mit hohen Zählraten, wie z. B. die optische Tomographie, stark eingeschränkt. Darüber hinaus muss jedem Kanal separat ein Synchronisationssignal von der zugehörigen Anregungslichtquelle zugeführt werden.Existing solutions that connect multiple detection channels by multiplexing with a single time-measuring unit described in DE 4339784 A1 , are limited to low likelihood applications of simultaneous arrival of photon events on more than one channel, otherwise they can not be uniquely assigned to a channel. The channels are therefore not independent, and artifacts arise in correlation measurements. Due to the principle, the possible number of channels has narrow limits. Furthermore, applications with high count rates, such. As the optical tomography, severely limited. In addition, each channel must be separately supplied with a synchronization signal from the associated excitation light source.

Existierende Lösungen, die mehrere unabhängige Kanäle bereitstellen, werden bisher auf zwei Wegen realisiert: Im ersten Falle betreibt man mehrere klassische TCSPC-Elektroniken parallel (Becker et al., 2001). Hierbei stellt jede Einheit einen Kanal dar. Aus jeder Einheit entstehen separate Datenströme, die durch den verarbeitenden Rechner wieder zusammengeführt werden und geordnet werden müssen. Dies schränkt die Echtzeitauswertung der Daten, z. B. in Form von Korrelationsanalysen, erheblich ein.Existing solutions that provide several independent channels have so far been realized in two ways: In the first case, several classical TCSPC electronics are operated in parallel (Becker et al., 2001). In this case, each unit represents a channel. Each unit generates separate data streams which have to be brought together again by the processing computer and have to be sorted. This limits the real-time evaluation of the data, e.g. In the form of correlation analyzes.

Im zweiten Falle realisiert man mehrere Kanäle integriert als eine Einheit mit einer bestimmten Anzahl von Kanälen im einstelligen Bereich. Produkte auf dem Markt sind derzeit z. B. B & H DPC-230, Agilent TC890 oder SENSL HRMTime. Auch dieser Ansatz ist limitiert im Sinne der Skalierbarkeit. Versucht man, mehrere dieser Einheiten parallel zu betreiben, besteht erneut das Problem getrennter Datenströme, die nachträglich sortiert werden müssen.In the second case, multiple channels are realized integrated as one unit with a certain number of single-digit channels. Products on the market are currently z. B & H DPC-230, Agilent TC890 or SENSL HRMTime. This approach is also limited in terms of scalability. If you try to operate several of these units in parallel, there is again the problem of separate data streams that have to be sorted later.

Eine gemeinsame Limitierung bekannter Systeme besteht daher vor allem in der Anzahl möglicher unabhängiger Anregungs- und/oder Detektionskanäle. Um mit Signalen von mehreren Detektoren bis hin zu Matrixdetektoren arbeiten zu können, z. B. zur Realisierung mehrerer Farbkanäle oder für bildgebende Verfahren, sind Kanalzahlen von einigen wenigen bis zu hunderten von Interesse. Die bisher bekannten Lösungen erfordern immer eine Konstruktion einer speziellen Messanordnung für jedes einzelne Problem und sind dementsprechend nur schwierig erweiterbar.A common limitation of known systems therefore exists, above all, in the number of possible independent excitation and / or detection channels. In order to work with signals from multiple detectors to matrix detectors, z. As for the realization of multiple color channels or for imaging methods, channel numbers of a few to hundreds of interest. The previously known solutions always require a construction of a special measuring arrangement for each individual problem and are therefore difficult to expand.

Aufgabe task

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik für zeitaufgelöstes Einzelphotonenzählen zu überwinden. Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere ein Verfahren anzugeben, das bezüglich der Anzahl möglicher Kanäle und der Dauer des Experiments beliebig skalierbar ist und unabhängig von der Anzahl der Kanäle stets einen einheitlichen, sortierten Datenstrom hervorbringt.The present invention has for its object to overcome the disadvantages of the prior art for time-resolved single photon counting. The object of the invention is, in particular, to specify a method which is arbitrarily scalable with regard to the number of possible channels and the duration of the experiment and, regardless of the number of channels, always produces a uniform, sorted data stream.

Lösungsolution

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the invention with the features of the independent claims. Advantageous developments of the inventions are characterized in the subclaims. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of this specification. The invention also includes all reasonable and in particular all mentioned combinations of independent and / or dependent claims.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen mit einer Mehrzahl von Zeitmesseinheiten, einer gemeinsamen Zeitbasis für alle Zeitmesseinheiten und einer zentralen Verarbeitungseinheit. Typischerweise enthält ein Detektionskanal sowohl optische Komponenten zum Sammeln der Photonen als auch einen Einzelphotonendetektor, wie eine single-photon avalanche Diode (SPAD) oder einen Photomultiplier (PMT).The object is achieved by a device for simultaneous time-resolved single photon registration of a plurality of detection channels with a plurality of time measuring units, a common time base for all time measuring units and a central processing unit. Typically, a detection channel includes both optical components for collecting the photons and a single-photon detector, such as a single-photon avalanche diode (SPAD) or a photomultiplier (PMT).

Die Zeitmesseinheiten enthalten dazu mindestens einen Eingangskanal um Signale aus einem der Detektionskanäle einspeisen zu können. Allerdings können auch andere Signale, wie beispielsweise Signale synchron zu den Pulsen eines Anregungslasers zugeführt werden.The time measuring units contain at least one input channel to be able to feed signals from one of the detection channels. However, other signals, such as signals may be supplied synchronously with the pulses of an excitation laser.

Zusätzlich enthalten die Zeitmesseinheiten einen Zeit-Digital-Wandler (time-to-digital converter, TDC) zur Zeitmessung. Ein TDC erfasst den Zeitpunkt eines Signals und gibt ihn in digitaler Form aus. Die für TDCs üblichen Realisierungen bzw. elektrischen Schaltungen sind in Kalisz (2004) beschrieben.In addition, the timing units include a time-to-digital converter (TDC) for timing. A TDC detects the timing of a signal and outputs it in digital form. The usual implementations or electrical circuits for TDCs are described in Kalisz (2004).

Typischerweise enthält ein TDC einen Zähler, der durch den Takt einer Zeitbasis getriggert wird. Auf diese Weise wird eine erste grobe Zeitskala geschaffen. Für höhere Zeitauflösungen wird zwischen den Takten der Zeitbasis interpoliert.Typically, a TDC includes a counter that is triggered by the clock of a timebase. In this way, a first rough time scale is created. For higher time resolutions, interpolation is performed between the clocks of the time base.

Der Zähler zählt üblicherweise von Null bis zu der größten durch seine Bitbreite vorgegebenen Zahl. Während einer solchen Zählung kann er eine Mehrzahl von Ereignissen erfassen und deren Zeitpunkt digital ausgeben.The counter usually counts from zero to the largest number given by its bit width. During such a count, he can capture a plurality of events and output their time digitally.

Die Zeit-Digital-Wandler aller Zeitmesseinheiten arbeiten mit der gemeinsamen Zeitbasis.The time-to-digital converters of all time measurement units work with the common time base.

Des Weiteren enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel, die für jedes Signal des Einzelphotonendetektors mit Hilfe des Zeit-Digital-Wandlers einen Ereignisdatensatz erzeugen, der die Ankunftszeit des Signals angibt. Dadurch wird jedes Signal mit seiner Ankunftszeit gespeichert. Die Auflösung der Zeit-Digital-Wandler kann entsprechend den Anforderungen des Experiments angepasst werden. So sind Auflösungen von unter einer Pikosekunde ebenso möglich, wie mehrere Pikosekunden oder gar Nanosekunden.Furthermore, the time measuring units contain means which generate an event data record for each signal of the single-photon detector with the aid of the time-to-digital converter, which signal indicates the arrival time of the signal. This will save each signal with its arrival time. The resolution of the time-to-digital converters can be adjusted according to the requirements of the experiment. Resolutions of less than one picosecond are possible as well as several picoseconds or even nanoseconds.

Die maximale Dauer der Zeit, die erfasst werden kann und damit auch die späteste Ankunftszeit des Signals, ist durch die zur Zeiterfassung verwendete Menge an Bits im Zeit-Digital-Wandler, beispielsweise zwischen 10 und 32 Bit, begrenzt. Diese Beschränkung wird dadurch überwunden, dass die Zeitmesseinheiten Mittel enthalten, die bei Überlauf des Zeit-Digital-Wandlers einen Überlaufdatensatz erzeugen. Dadurch kann beliebig lange mit voller Auflösung kontinuierlich gemessen werden. Dies ermöglicht Messungen auf längeren Zeitskalen, z. B. über Millisekunden oder Sekunden, im Prinzip unbegrenzt, also auch über Minuten und Stunden.The maximum duration of the time that can be detected, and hence the latest arrival time of the signal, is limited by the amount of bits used in the time-domain converter in the time-to-digital converter, for example between 10 and 32 bits. This limitation is overcome by the timing units including means which generate an overflow record upon overflow of the time-to-digital converter. As a result, it is possible to measure continuously for any length at full resolution. This allows measurements on longer time scales, e.g. B. over milliseconds or seconds, in principle unlimited, including minutes and hours.

Um nun bei einer Mehrzahl an Eingangskanälen und mehreren Zeitmesseinheiten die erzeugten Ereignisdatensätze oder Überlaufdatensätze identifizieren zu können, enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel, die jeden Ereignisdatensatz und jeden Überlaufdatensatz um eine Identifikation der Zeitmesseinheit ergänzen, in dem diese erzeugt wurden, und/oder des Eingangskanals des Signals. Dadurch können später alle Datensätze eindeutig zugeordnet werden.In order to be able to identify the generated event data sets or overflow data records with a plurality of input channels and a plurality of time measuring units, the time measuring units contain means which supplement each event data record and each overflow data record with an identification of the time measuring unit in which they were generated and / or the input channel of the signal , As a result, all data records can be uniquely assigned later.

Des Weiteren enthalten die Zeitmesseinheiten Mittel zum Senden der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze zu der zentralen Verarbeitungseinheit. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Mitteln um eine serielle Verbindung, beispielsweise über die Backplane eines Frames, wenn die einzelnen modularen Zeitmesseinheiten als Einschübe für den Frame ausgeführt sind. Es können auch optische Datenverbindungen verwendet werden. Furthermore, the timekeeping units include means for sending the event records and overflow records to the central processing unit. Preferably, these means are a serial connection, for example via the backplane of a frame, when the individual modular time measuring units are designed as bays for the frame. It is also possible to use optical data connections.

Die angegebenen Mittel der Zeitmesseinheiten können beispielsweise durch einen oder mehrere FPGAs ausgeführt werden. Dadurch ist auch gleichzeitig eine flexible Anpassung der Verarbeitung der Signale möglich.The stated means of the time measuring units can be carried out, for example, by one or more FPGAs. As a result, a flexible adaptation of the processing of the signals is also possible at the same time.

Zusätzlich können die Zeitmesseinheiten Eingangskanäle enthalten, in die Signale eingespeist werden können, für welche die zeitliche Auflösung der gemeinsamen Zeitbasis der Zeitmesseinheiten ausreichend ist, wie beispielsweise der Zeilenumbruch bei bildgebenden Verfahren oder Positionsdaten einer Scaneinrichtung. Für diese ist eine sehr genaue Zeitmessung, wie sie im Zeit-Digital-Wandler durch Interpolation erzielt wird, nicht zwingend nötig. Daher werden für diese Signale Ereignisdatensätze erzeugt, welche nur die Zeitangabe bzw. den Zählerstand des Zählers des TDC enthalten, der durch die gemeinsame Zeitbasis getriggert wird. Dadurch können beliebige Informationen eines Experiments direkt und zeitsynchron in die Messdaten eingebettet werden. Dies erleichtert die Auswertung und erhöht die Datensicherheit, da alle Daten gemeinsam erfasst und/oder verarbeitet werden können.In addition, the time measuring units may contain input channels into which signals for which the temporal resolution of the common time base of the time measuring units is sufficient, such as, for example, the line break in imaging methods or position data of a scanning device, can be fed into the signals. For these, a very accurate time measurement, as achieved in the time-to-digital converter by interpolation, not absolutely necessary. Therefore, for these signals, event records are generated which contain only the time or count of the counter of the TDC triggered by the common time base. As a result, any information of an experiment can be embedded directly and time-synchronously in the measurement data. This facilitates the evaluation and increases data security, since all data can be collected and / or processed together.

Alle Zeitmesseinheiten werden – wie oben bereits angegeben – mit einer gemeinsamen Zeitbasis betrieben. Deren Frequenz kann z. B. durch phase locked loops in einzelnen Zeitmesseinheiten in unterschiedliche Frequenzen umgewandelt werden. Die Laufzeiten der Zeitbasis-Signale durch die unterschiedlichen Verbindungen zwischen den Zeitmesseinheiten können durch eine Kalibrierung der Zeit-Digital-Wandler berücksichtigt werden.All time units are - as stated above - operated with a common time base. Their frequency can z. B. be converted by phase-locked loops in individual time measuring units in different frequencies. The transit times of the time base signals due to the different connections between the time measuring units can be taken into account by calibrating the time-to-digital converters.

Durch die gemeinsame Zeitbasis sind die von den Zeitmesseinheiten erzeugten Überlaufdatensätze miteinander synchronisiert.Due to the common time base, the overflow data sets generated by the time measurement units are synchronized with each other.

Die zentrale Verarbeitungseinheit hat die Aufgabe alle erhaltenen Ereignisdatensätze chronologisch zu ordnen und/oder zu verarbeiten.The central processing unit has the task to arrange all received event records chronologically and / or to process.

Um die Daten aller Zeitmesseinheiten chronologisch ordnen und/oder verarbeiten zu können, enthält die zentrale Verarbeitungseinheit eine Mehrzahl von Daten-Puffern, wobei jeder Daten-Puffer jeweils die von einer Zeitmesseinheit gesendeten Datensätze empfängt und speichert. Bevorzugt sind diese Puffer FiFo-Puffer (first-in-first-out-Puffer). Ihre Größe wird so gewählt, dass mindestens die im Experiment anfallende Datenmenge zwischen zwei Überlaufdatensätzen gespeichert werden kann.In order to be able to chronologically arrange and / or process the data of all time measuring units, the central processing unit contains a plurality of data buffers, wherein each data buffer receives and stores the data records transmitted by a time measuring unit. Preferably, these buffers are FIFO buffers (first-in-first-out buffers). Their size is chosen so that at least the amount of data generated in the experiment between two overflow records can be stored.

Diese Puffer sind notwendig, da u. U. durch Verzögerungen bei der Übertragung oder der Verarbeitung in den Zeitmesseinheiten, beispielsweise bei hohen Ereignisraten, die Ereignisdatensätze eines bestimmten Zeitpunkts nicht gleichzeitig mit den Ereignisdatensätzen des gleichen Zeitpunkts einer anderen Zeitmesseinheit bei der zentralen Verarbeitungseinheit eintreffen. Die Datensätze jeder Zeitmesseinheiten werden zwar in der Reihenfolge ihrer Erzeugung übertragen, die Datensätze verschiedener Zeitmesseinheiten kommen aber u. U. nicht gleichzeitig an der zentralen Verarbeitungseinheit an.These buffers are necessary because u. U. by delays in the transmission or processing in the time measuring units, for example at high event rates, the event records of a given time do not arrive simultaneously with the event records of the same time of another time unit at the central processing unit. Although the data sets of each time measuring units are transmitted in the order of their generation, the data sets of different time measuring units are u. U. not at the same time at the central processing unit.

Um die Daten in den Puffern verarbeiten zu können, enthält die zentrale Verarbeitungseinheit Mittel, die alle Ereignisdatensätze aus allen Daten-Puffern mit Hilfe der Überlaufdatensätze chronologisch sortieren und/oder verarbeiten. Dazu werden alle Ereignisdatensätze sortiert und/oder verarbeitet, welche zwischen Paaren zeitgleicher Überlaufdatensätze der Zeitmesseinheiten erfasst wurden. Dabei werden die Ereignisdatensätze in neue Datensätze umgewandelt, welche beispielsweise eine gemeinsame Zeitzählung aufweisen, welche nicht mit der vorherigen übereinstimmen muss. Dabei können beispielsweise redundante Überlaufdatensätze entfernt und auf einen einzigen reduziert werden. Bevorzugt sind diese Mittel derart ausgeführt, dass der Algorithmus zur Sortierung oder Verarbeitung der Datensätze frei wählbar ist, also z. B. als FPGA oder DSP.To process the data in the buffers, the central processing unit includes means for chronologically sorting and / or processing all event records from all data buffers using the overflow records. For this purpose, all event data records are sorted and / or processed, which were recorded between pairs of simultaneous overflow data records of the time measurement units. The event data records are converted into new data records which, for example, have a common time count which does not have to match the previous one. In this case, for example, redundant overflow records can be removed and reduced to a single one. Preferably, these means are designed such that the algorithm for sorting or processing the data sets is freely selectable, ie z. B. as FPGA or DSP.

Des Weiteren enthält die zentrale Verarbeitungseinheit einen Ausgangskanal, der die neuen Datensätze an mindestens eine weiterverarbeitende Recheneinheit sendet. Der Ausgangskanal ist bevorzugt eine serielle Datenverbindung, besonders bevorzugt eine Standardschnittstelle, wie USB, FireWire oder PCI-express. Bei der Übermittlung der neuen Datensätze kann das gleiche Prinzip der Zeitcodierung mit Überlaufdatensätzen verwendet werden wie bei der Übermittlung zwischen Zeitmesseinheiten und zentraler Verarbeitungseinheit.Furthermore, the central processing unit includes an output channel that sends the new data sets to at least one processing unit. The output channel is preferably a serial data connection, particularly preferably a standard interface, such as USB, FireWire or PCI-express. When transmitting the new data sets, the same principle of time coding with overflow data sets can be used as in the transmission between time measuring units and central processing unit.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die zeitaufgelöste Registrierung von Photonenereignissen aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen ohne die Nachteile des Stands der Technik. Sie ist durch ihren modularen Aufbau beliebig skalierbar. Die Ereignisse auf den einzelnen Kanälen werden über die gesamte Dauer des Experiments in voller Auflösung vermessen. Durch die Synchronisation aller Kanäle auf eine gemeinsame Zeitbasis können die Ereignisse aller Kanäle in ihrer genauen zeitlichen Lage zueinander erfasst werden, und können so chronologisch sortiert und/oder verarbeitet werden. Die Erfindung beseitigt die Einschränkungen bestehender Lösungen dahingehend, dass eine modulare Skalierbarkeit möglich wird, ohne dazu mehrere Einheiten einzeln an den Rechner zu koppeln, die prinzipbedingt getrennte Datenströme liefern, welche nachträglich durch Software geordnet werden müssen und damit Einschränkungen in der Echtzeitanalyse der Daten bewirken. The device according to the invention allows the time-resolved registration of photon events from a plurality of detection channels without the disadvantages of the prior art. It is arbitrarily scalable due to its modular structure. The events on each channel are measured in full resolution throughout the duration of the experiment. By synchronizing all channels on a common time basis, the events of all channels can be recorded in their exact temporal position to each other, and can be sorted and / or processed chronologically. The invention eliminates the limitations of existing solutions in that modular scalability becomes possible without individually coupling several units to the computer, which in principle provide separate data streams which have to be subsequently sorted by software and thus impose restrictions on the real-time analysis of the data.

Die auf oben angegebene Weise sortierten und/oder verarbeiteten Daten können in Echtzeit ausgewertet werden, da sichergestellt ist, dass für ein bestimmtes Zeitfenster alle Daten geordnet bzw. sortiert vorliegen. Erst durch diese Sortierung ist es für manche Anwendungen möglich, die Daten in Echtzeit zu analysieren.The data sorted and / or processed in the manner described above can be evaluated in real time, since it is ensured that all data are sorted or sorted for a specific time window. Only through this sorting is it possible for some applications to analyze the data in real time.

In eine der Zeitmesseinheiten kann ein Signal einer Anregungslichtquelle, z. B. eines Ultrakurzpulslasers, eingespeist werden, evtl. nachdem es durch einen Teller in seiner Frequenz reduziert wurde. Für jedes Signal bzw. für jeden Puls wird ein Ereignisdatensatz erzeugt. Mit Hilfe dieser Ereignisdatensätze können durch spätere Auswertung z. B. TCSPC-Analysen durchgeführt werden. Ein Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass für beliebig viele Detektionskanäle lediglich ein einziger Kanal für die Aufnahme von Signalen der Anregungsquelle (Synchronisationskanal) benötigt wird.In one of the time measuring units, a signal of an excitation light source, for. As an ultrashort pulse laser, be fed, possibly after it has been reduced by a plate in its frequency. For each signal or for each pulse, an event data record is generated. With the help of these event records can be analyzed by later evaluation z. B. TCSPC analyzes are performed. An advantage of the device is that for any number of detection channels only a single channel for the reception of signals of the excitation source (synchronization channel) is needed.

Vorteilhafterweise enthalten die Mittel der Zeitmesseinheiten zum Senden der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze zu der zentralen Verarbeitungseinheit mindestens einen FIFO-Puffer (first-in-first-out-Puffer), zum Abpuffern von Verzögerungen beim Senden, beispielsweise bei hohen Ereignisraten.Advantageously, the means of the timing units for transmitting the event records and overflow records to the central processing unit includes at least one first-in-first-out (FIFO) buffer for buffering delays in transmission, for example at high event rates.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die gemeinsame Zeitbasis extern eingespeist, beispielsweise durch eine Atomuhr.In a further advantageous embodiment of the invention, the common time base is externally fed, for example by an atomic clock.

Es ist auch möglich, dass die zentrale Verarbeitungseinheit Mittel zum Erstellen von Histogrammen oder Korrelationsfunktionen enthält. Dadurch kann für bestimmte Anwendungen die Auswertung auf der angeschlossenen Recheneinheit weiter vereinfacht werden, da nur die wirklich benötigten Daten übertragen werden. z. B. können Photonenereignisse mit den Pulsen eines Anregungslasers korreliert werden, um so TCSPC-Auswertungen durchführen zu können.It is also possible that the central processing unit includes means for creating histograms or correlation functions. As a result, the evaluation on the connected arithmetic unit can be further simplified for certain applications since only the really required data is transmitted. z. For example, photon events can be correlated with the pulses of an excitation laser to perform TCSPC evaluations.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere zentrale Verarbeitungseinheiten als Kaskade geschaltet. Dadurch können die Datensätze sehr vieler Zeitmesseinheiten verarbeitet werden. Alternativ könnte der Ausgangskanal einer zentralen Verarbeitungseinheit wieder an einen Eingangskanal einer anderen zentralen Verarbeitungseinheit angeschlossen werden. Dadurch ist das System im Prinzip beliebig erweiterbar, solange eine gemeinsame Zeitbasis für alle Zeitmesseinheiten gewährleistet ist.In a further advantageous embodiment of the invention, a plurality of central processing units are connected as a cascade. As a result, the data sets of very many time measurement units can be processed. Alternatively, the output channel of a central processing unit could be reconnected to an input channel of another central processing unit. As a result, the system can be expanded in principle as long as a common time base for all time measuring units is guaranteed.

Die Konstruktion der einzelnen Komponenten der Vorrichtung kann ebenfalls frei gewählt werden. Vorteilhafterweise sind die einzelnen Komponenten als Einschübe für einen Frame konstruiert, um eine einfache Erweiterung sicherzustellen.The construction of the individual components of the device can also be freely chosen. Advantageously, the individual components are designed as bays for a frame to ensure easy extension.

Die vollständige Erfassung aller gemessenen Signale ermöglicht eine vielfältige Analyse der Daten für viele verschiedene Anwendungen, beispielsweise Fluoreszenzlebensdauer-Bilder (fluorescence lifetime imaging, FLIM), Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (fluorescence correlation spectroscopy, FCS) neben allen bekannten Standardanwendungen von TCSPC.Complete acquisition of all measured signals allows a diverse analysis of the data for many different applications, such as fluorescence lifetime imaging (FLIM), fluorescence correlation spectroscopy (FCS) in addition to all known standard applications of TCSPC.

Außerdem wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen.In addition, the object is achieved by a method for simultaneous time-resolved single-photon registration from a plurality of detection channels.

Im Folgenden werden einzelne Verfahrensschritte näher beschrieben. Die Schritte müssen nicht notwendigerweise in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, und das zu schildernde Verfahren kann auch weitere, nicht genannte Schritte aufweisen.In the following, individual process steps are described in more detail. The steps do not necessarily have to be performed in the order given, and the method to be described may also have other steps not mentioned.

Wenn ein Einzelphotonendetektor aus einem der Detektionskanäle ein Photon detektiert hat, so wird das dabei entstandene Signal über einen Eingangskanal einer Zeitmesseinheit erfasst. Es gibt eine Mehrzahl von Zeitmesseinheiten. Jede enthält einen Zeit-Digital-Wandler.If a single-photon detector has detected a photon from one of the detection channels, the resulting signal is detected via an input channel of a time-measuring unit. There are a plurality of time measuring units. Each contains a time-to-digital converter.

Für jedes eingehende Signal wird mit Hilfe des Zeit-Digital-Wandlers ein Ereignisdatensatz erzeugt, welcher die genaue Ankunftszeit des Signals enthält. Die Zeit-Digital-Wandler aller Zeitmesseinheiten arbeiten mit einer gemeinsamen Zeitbasis. Dadurch sind die Zeiten der Ereignisdatensätze miteinander vergleichbar. For each incoming signal, an event record is generated using the time-to-digital converter, which contains the exact time of arrival of the signal. The time-to-digital converters of all time measurement units work with a common time base. This makes the times of the event records comparable.

Da der Zeit-Digital-Wandler in seinem Zählumfang begrenzt ist, beispielsweise 10 bis 32 Bit, wird bei jedem Überlauf eines Zeit-Digital-Wandlers ein Überlaufdatensatz erzeugt und der Zeit-Digital-Wandler neu gestartet.Since the time-to-digital converter is limited in its count, for example 10 to 32 bits, an overflow data set is generated at each overflow of a time-to-digital converter and the time-to-digital converter is restarted.

Alle Ereignisdatensätze und alle Überlaufdatensätze werden mit einer Identifikation der Zeitmesseinheit, in dem diese erzeugt wurden, und/oder um eine Identifikation des Eingangskanals des Signals ergänzt. Dadurch ist jeder erzeugte Datensatz einem bestimmten Eingangskanal zuzuordnen.All event records and all overflow records are supplemented with an identification of the time measurement unit in which they were generated and / or an identification of the input channel of the signal. As a result, each generated data record is assigned to a specific input channel.

Alle Datensätze werden danach zur zentralen Verarbeitungseinheit gesendet. Der Datenstrom zwischen einer Zeitmesseinheit und der zentralen Verarbeitungseinheit enthält daher, wenn Ereignisse gemessen wurden, einen oder mehrere Ereignisdatensätze und in regelmäßigen Abständen einen Überlaufdatensatz, wenn der zugehörige Zeit-Digital-Wandler übergelaufen ist.All records are then sent to the central processing unit. The data stream between a time measuring unit and the central processing unit therefore contains one or more event records when events have been measured and an overflow record at regular intervals when the associated time-to-digital converter overflows.

Die Kodierung der unterschiedlichen Datensätze ist dabei frei wählbar. So kann beispielsweise die Anzahl an Bits für die Zeitinformation, bzw. die Identifikation den Erfordernissen des Experiments angepasst werden.The coding of the different data sets is freely selectable. For example, the number of bits for the time information or the identification can be adapted to the requirements of the experiment.

Die zentrale Verarbeitungseinheit hat die Aufgabe die erhaltenen Ereignisdatensätze der Zeitmesseinheiten chronologisch zu sortieren und/oder zu verarbeiten. Dazu ist es notwendig, dass für ein bestimmtes Zeitfenster alle zugehörigen Ereignisdatensätze aller Zeitmesseinheiten vorliegen.The central processing unit has the task of chronologically sorting and / or processing the received event data records of the time-measuring units. For this purpose, it is necessary for all associated event data sets of all time measurement units to be available for a specific time window.

Daher werden die Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze der Zeitmesseinheiten von der zentralen Verarbeitungseinheit in je einem Daten-Puffer zwischengespeichert. Jeder Daten-Puffer empfängt und speichert jeweils die von einer Zeitmesseinheit gesendeten Datensätze.Therefore, the event records and overflow records of the timekeeping units are cached by the central processing unit each in a data buffer. Each data buffer receives and stores each of the data sets sent by a time measuring unit.

Anschließend werden alle Ereignisdatensätze aller Daten-Puffer mit Hilfe der Überlaufdatensätze chronologisch sortiert und/oder auf andere Weise verarbeitet, wodurch neue Datensätze entstehen. Dazu werden vorzugsweise alle Datensätze zwischen zwei zeitgleichen Überlaufdatensätzen aus den Puffern ausgelesen und verarbeitet bzw. sortiert.Then, all event records of all data buffers are sorted and / or otherwise processed using the overflow records, resulting in new records. For this purpose, preferably all data sets between two simultaneous overflow data records are read from the buffers and processed or sorted.

Dadurch ist sichergestellt, dass alle Ereignisdatensätze aller Zeitmesseinheiten zur Sortierung und/oder Verarbeitung vorliegen. Bei der Sortierung und/oder Verarbeitung werden redundante Überlaufdatensätze der verschiedenen Zeitmesseinheiten entfernt. Außerdem kann auch das Format der Ereignisdatensätze verändert und den Erfordernissen des Experiments angepasst werden. So kann beispielsweise unter Verwendung des gleichen Formats zur Zeitkodierung die Überlaufperiode verändert werden. Außerdem können die Ereignisdatensätze direkt vorverarbeitet werden, beispielsweise zur Berechnung von Histogrammen oder Korrelationen zwischen verschiedenen Kanälen.This ensures that all event records of all time measurement units are available for sorting and / or processing. During sorting and / or processing, redundant overflow data sets of the various time measurement units are removed. In addition, the format of the event data records can be changed and adapted to the requirements of the experiment. For example, using the same format for time encoding, the overflow period can be changed. In addition, the event records can be preprocessed directly, for example, to calculate histograms or correlations between different channels.

Die sortierten und/oder verarbeiteten neuen Datensätze werden danach über einen Ausgangskanal an eine weiterverarbeitende Recheneinheit gesendet. Dadurch ist es bei Änderung der Messanordnung, beispielsweise bei Anschluss neuer Zeitmesseinheiten, möglich, keine Änderung an der Recheneinheit vorzunehmen.The sorted and / or processed new data records are then sent via an output channel to a processing unit. As a result, when changing the measuring arrangement, for example when connecting new time measuring units, it is possible to make no change to the arithmetic unit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Erfassung von Ereignissen aus einer Mehrzahl von Detektionskanälen und ist beliebig skalierbar.The inventive method allows the detection of events from a plurality of detection channels and is scalable.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in den Eingangskanal einer Zeitmesseinheit bei einem Anregungspuls durch eine Lichtquelle ein Signal eingespeist, wodurch zu diesem Signal ein Ereignisdatensatz erzeugt wird. Dieser kann in der zentralen Verarbeitungseinheit z. B. für die Berechnung des zeitlichen Abstands zwischen dem Anregungspuls und einem detektierten Photon und damit für TCSPC-Auswertungen verwendet werden.In an advantageous development of the invention, a signal is fed into the input channel of a time measuring unit during an excitation pulse by a light source, as a result of which an event data record is generated for this signal. This can be in the central processing unit z. B. for the calculation of the time interval between the excitation pulse and a detected photon and thus used for TCSPC evaluations.

Zusätzlich kann für bestimmte Signale das Erzeugen eines Ereignisdatensatzes derart durchgeführt werden, dass ein Ereignisdatensatz erzeugt wird, der die Ankunftszeit auf der gemeinsamen Zeitbasis der Zeitmesseinheiten angibt, also lediglich den Zählerstand des Zählers des TDCs, der durch die gemeinsame Zeitbasis getriggert wird. Dies kann für Signale verwendet werden, für die diese Zeitauflösung ausreichend ist, wie beispielsweise für den Zeilenumbruch bei bildgebenden Verfahren oder für Positionsdaten einer Scaneinrichtung. Mit Hilfe dieses Mechanismus können die Ereignisdatensätze des Experiments mit beliebigen physikalischen Größen (z. B. Felder, Pufferkonzentrationen oder Temperaturen) synchronisiert werden. Dadurch können beliebige Informationen eines Experiments direkt und zeitsynchron in die Messdaten eingebettet werden. Dies erleichtert auch die Auswertung und erhöht die Datensicherheit, da alle Daten gemeinsam erfasst und/oder verarbeitet werden können.In addition, for certain signals, the generation of an event record may be performed such that an event record is generated that indicates the time of arrival on the common time base of the time measuring units, that is, only the count of the counter of the TDC triggered by the common time base. This can be used for signals for which this time resolution is sufficient, such as for the line break in imaging or for position data of a scanning device. Using this mechanism, the event records of the experiment can be synchronized with arbitrary physical quantities (eg, fields, buffer concentrations, or temperatures). As a result, any information of an experiment can be embedded directly and time-synchronously in the measurement data. This also facilitates evaluation and increases data security since all data can be collected and / or processed together.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.Further details and features will become apparent from the following description of the preferred embodiment in conjunction with the subclaims. In this case, the respective features can be implemented on their own or in combination with one another. The possibilities to solve the problem are not limited to the embodiments.

Das Ausführungsbeispiel ist in der anliegenden Figur schematisch dargestellt.The embodiment is shown schematically in the accompanying figure.

1 zeigt ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 1 shows a block diagram of the preferred embodiment of the device according to the invention.

1 zeigt ein Blockdiagram der Vorrichtung zur simultanen zeitaufgelösten Einzelphotonenregistrierung mit den einzelnen Bestandteilen und ihren Verbindungen untereinander. Gruppen von drei Punkten bezeichnen die freie Skalierbarkeit des Systems. 1 shows a block diagram of the device for simultaneous time-resolved single-photon registration with the individual components and their interconnections. Groups of three points indicate the free scalability of the system.

1 zeigt die zentrale Taktquelle 7 als eine eigene Baugruppe. In praktischen Realisierungsformen kann diese Einheit auch innerhalb einer anderen Baugruppe angeordnet werden. 1 shows the central clock source 7 as a separate assembly. In practical embodiments, this unit can also be arranged within another module.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Zeitmesseinheiten 3, 4, mit jeweils einem oder mehreren Eingangskanälen 1, über serielle Datenverbindungen 8 mit der zentralen Verarbeitungseinheit 9 verbunden.In a preferred embodiment, there are multiple time measurement units 3 . 4 , each with one or more input channels 1 , via serial data connections 8th with the central processing unit 9 connected.

Die Zeitmesseinheiten enthalten einen TDC zur Zeitmessung, der mit einer Auflösung zwischen 0.1 ps und 5 μs, bevorzugt zwischen 0.5 ps und 50 ps arbeitet.The timing units include a time-of-day TDC operating at a resolution between 0.1 ps and 5 μs, preferably between 0.5 ps and 50 ps.

Die Erzeugung der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze wird in einem FPGA ausgeführt. Die Zeitmesseinheiten 4 enthalten zusätzlich (nicht gezeigte) FiFo-Puffer um Verzögerungen beim Senden der Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze abzupuffern.The generation of event records and overflow records is done in an FPGA. The time measuring units 4 include additional FIFO buffers (not shown) to buffer delays in sending event records and overflow records.

Für die Ereignisdatensätze werden vorzugsweise 32 Bit verwendet. Die Bedeutung der einzelnen Bits ist beispielhaft in Tabelle 1 gezeigt. Bit 1 2–26 27–32 1 = Photon, 0 = Überlauf Ankunftszeit Zeitmesseinheit und/oder Eingangskanal Tabelle 1 For the event records, preferably 32 bits are used. The meaning of the individual bits is shown by way of example in Table 1. bit 1 2-26 27-32 1 = photon, 0 = overflow arrival time Time measuring unit and / or input channel Table 1

Bei einer Auflösung des TDC von z. B. 1 ps wird in diesem Beispiel alle 2^25· 1 ps = 33 μs ein Überlaufdatensatz erzeugt.At a resolution of the TDC of z. For example, 1 ps in this example, an overflow data set is generated every 2 ^ 25 * 1 ps = 33 μs.

In der beispielhaften Darstellung in Tabelle 1 sind 6 Bit für die Kanalcodierung vorgesehen. Wenn das System für sehr große Kanalzahlen, z. B. für Anwendungen mit Array-Detektoren genutzt wird, würde man die Anzahl der Bits für die Kanalcodierung geeignet größer wählen.In the example representation in Table 1, 6 bits are provided for the channel coding. If the system for very large channel numbers, z. B. is used for applications with array detectors, one would choose the number of bits suitable for channel coding appropriately larger.

Alle Zeitmesseinheiten 4 sind über die Verbindung 5 mit der internen Uhr 7 verbunden. Die gemeinsame Zeitbasis beträgt zwischen 10 und 100 MHz, bevorzugt 10 MHz. Als Alternative kann ein externes Zeitsignal über den Anschluss 6 eingespeist werden.All time measuring units 4 are about the connection 5 with the internal clock 7 connected. The common time base is between 10 and 100 MHz, preferably 10 MHz. Alternatively, an external time signal can be sent through the port 6 be fed.

Die Zeitmesseinheit 3 enthält zusätzlich noch einen oder mehreren Eingangskanäle 2, die zur Erfassung von Informationen dienen, die nur mit der dem groben Takt der gemeinsamen Zeitbasis erfasst werden, beispielsweise Positionsdaten eines konfokalen Mikroskops oder das aktuelle Pixel bei bildgebenden Verfahren.The time measuring unit 3 additionally contains one or more input channels 2 which are used to acquire information that is captured only with the coarse clock of the common time base, for example position data of a confocal microscope or the current pixel in imaging processes.

In die Zeitmesseinheit 3 werden über den Eingangskanal 1 Taktsignale synchron zu den Anregungspulsen einer Lichtquelle, bevorzugt eines Lasers, eingespeist. Als Lichtquellen können neben Blitzlampen alle handelsüblichen gepulsten Laser verwendet werden, bevorzugt Diodenlaser mit einer Frequenz zwischen 5 und 80 MHz. Dabei kann die Menge an Taktsignalen durch einen den Eingangskanälen vorgeschalteten Teiler reduziert werden. Die dadurch weggelassenen Signale können entweder in der zentralen Verarbeitungseinheit oder bei der späteren Datenverarbeitung auf rechnerischem Wege wieder erzeugt werden. In the time measuring unit 3 be over the input channel 1 Clock signals synchronously to the excitation pulses of a light source, preferably a laser, fed. In addition to flashlamps, all commercially available pulsed lasers can be used as light sources, preferably diode lasers with a frequency between 5 and 80 MHz. In this case, the amount of clock signals can be reduced by a divider connected upstream of the input channels. The signals omitted thereby can be generated again either mathematically in the central processing unit or in the later data processing.

Die erzeugten Ereignisdatensätze und Überlaufdatensätze werden von jeder Zeitmesseinheit 4 über je eine serielle Verbindung 8 an die zentrale Verarbeitungseinheit übertragen.The generated event records and overflow records are from each time measurement unit 4 via one serial connection each 8th transmitted to the central processing unit.

Die zentrale Verarbeitungseinheit 9 beinhaltet neben der Prozessiereinheit 9b, welche das Sortieren und/oder Verarbeiten der Ereignisdatensätze durchführt, noch Ein- bzw. Ausgangs-Puffer 9a für die verschiedenen Eingangskanäle 8 bzw. den Ausgangskanal 10. Die Verarbeitungseinheit 9 ist vorzugsweise ein FPGA, kann aber auch mittels eines DSP (digitaler Signal-Prozessor) realisiert werden. Dadurch kann der Algorithmus der Sortierung bzw. der Verarbeitung der Ereignisdatensätze frei programmiert werden.The central processing unit 9 includes next to the processing unit 9b , which performs the sorting and / or processing of the event data records, nor input or output buffer 9a for the different input channels 8th or the output channel 10 , The processing unit 9 is preferably an FPGA, but can also be realized by means of a DSP (digital signal processor). This allows the algorithm of sorting or processing the event data sets to be freely programmed.

Der Ausgangskanal der zentralen Verarbeitungseinheit ist bevorzugt eine serielle Datenverbindung, besonders bevorzugt eine Standardschnittstelle, wie USB, FireWire oder PCI-express.The output channel of the central processing unit is preferably a serial data connection, particularly preferably a standard interface, such as USB, FireWire or PCI-express.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Frame mit Einschüben für die Zeitmesseinheiten 4 ausgeführt, welche mit der zentralen Verarbeitungseinheit über die Backplane kommunizieren. In diesem bevorzugten Fall ist die serielle Verbindung 8 zwischen Zeitmesseinheit 4 und zentraler Verarbeitungseinheit 9 durch Leiterbahnen auf der Backplane des Frames realisiert.The device is preferably as a frame with slots for the time measuring units 4 executed, which communicate with the central processing unit via the backplane. In this preferred case, the serial connection is 8th between time measuring unit 4 and central processing unit 9 realized by traces on the backplane of the frame.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Eingangskanäle der ZeitmesseinheitenInput channels of the time measurement units
22: Eingangskanäle für zusätzliche SignaleInput channels for additional signals
33: ZeitmesseinheitTime measuring unit
44: ZeitmesseinheitenTime measurement units
55: Verteilung des Zeitsignals an alle ZeitmesseinheitenDistribution of the time signal to all time measuring units
66: Anschluss für externes ZeitsignalConnection for external time signal
77: Internes ZeitsignalInternal time signal
88th: Datenverbindungen zwischen Zeitmesseinheiten und zentraler VerarbeitungseinheitData connections between time measuring units and central processing unit
99: zentrale Verarbeitungseinheitcentral processing unit
9a9a: Puffer der zentralen VerarbeitungseinheitBuffer of the central processing unit
9b9b: Prozessiereinheit der zentralen VerarbeitungseinheitProcessing unit of the central processing unit
1010: Ausgangskanaloutput channel

Liste der zitierten Literatur:List of quoted literature:

DE 43 39 787 A1
DE 197 02 914 C2
WO 1998/023941 A2
Becker W., Bergmann A., Wabnitz H., Grosenick D., Liebert A. "High-count-rate multichannel TCSPC for optical tomography", Proceedings of SPIE, Vol. 4431, p. 249-254 (2001)
Gregor I., Enderlein J. "Time-resolved methods in biophysics, 3. Fluorescence lifetime correlation spectroscopy", Photochemical & Photobiological Sciences, Vol. 06, p. 0013-0018 (2007)
Kalisz, Jόzef, "Review of methods for time interval measurements with picoseconds resolution", Metrologia, Vol. 41, p. 17-32 (2004)
Koberling F., M., Patting M., Rahn H.-J., Kapusta P., Erdmann R. "Two channel fluorescence lifetime microscope with two color laser excitation, single-molecule sensitivity and submicrometer resolution", Proceedings of SPIE , Vol. 5143, p. 181-192 (2003)
Wahl M., Erdmann R., Lauritsen K., Rahn H. -J. "Hardware solution for continuous-time-resolved burst detection of single molecules in flow", Proceedings of SPIE, Vol. 3259, p. 173-178 (1998)
Wahl M., Rahn H.-J., Gregor I., Erdmann R., Enderlein J. "Deadtime optimized time-correlated photon counting instrument with synchronized independent timing channels", Review of Scientific Instruments, Vol. 78, 033106 ( 2007)

Claims

A simultaneous time-resolved single photon registration apparatus of a plurality of detection channels comprising: (a) a plurality of time measurement units ( 4 ); (b) a common time base ( 5 . 7 ) for all time measuring units ( 4 ); (c) a central processing unit ( 9 ); each time measuring unit ( 4 ) contains: (a1) at least one input channel ( 1 ) into which signals of a single-photon detector can be fed from one of the detection channels; (a2) a time-to-digital converter for time measurement operating at a resolution between 0.5 ps and 50 ps, (a2a) the time-to-digital converters of all time measuring units ( 4 ) with the common time base ( 5 ) work; (a3) means for generating for each signal of the single-photon detector by means of the time-to-digital converter an event record containing the arrival time of the signal; (a4) means generating an overflow record each time the time-to-digital converter overflows; (a5) means for updating each event data record and each overflow data record by an identification of the time measurement unit ( 4 ) in which they were generated, and / or an identification of the input channel of the signal; (a6) means for sending the event records and overflow records to the central processing unit ( 9 ); the central processing unit ( 9 ) contains (c1) a plurality of data buffers ( 9a ), each data buffer ( 9a ) each of a time measuring unit ( 4 ) receives and stores transmitted records; (c2) means ( 9b ), all event records from all data buffers ( 9a ) sort chronologically using the overflow records, creating new records; (c3) an output channel ( 10 ), which sends the new data records to at least one processing unit.

Device according to the preceding claim, characterized in that each time measuring unit ( 4 ) via a serial data connection ( 8th ) with the central processing unit ( 9 ) connected is.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that means of the time measuring units ( 4 ) for sending the event records and overflow records to the central processing unit ( 9 ) contain at least one FIFO buffer (first-in-first-out) buffer.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the common time base ( 5 ) of the time measurement units externally ( 6 ) is fed.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the central processing unit ( 9 ) Contains means for creating histograms or correlation functions.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of central processing units ( 9 ) are connected as a cascade.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the time measuring units and / or the processing unit are designed as inserts.

A method of simultaneous time-resolved single photon registration from a plurality of detection channels, comprising the steps of: (a) detecting a signal of a single-photon detector from one of the detection channels via an input channel ( 1 ) a time measuring unit of a plurality of time measuring units ( 4 ), each containing a time-to-digital converter operating at a resolution between 0.5 ps and 50 ps, (a1) all the time-to-digital converters having a common time base ( 5 ) work; (b) generating an event record containing the time of arrival of the signal determined by the time-to-digital converter; (c) generating an overflow record at each overflow of the time-to-digital converter; (d) supplementing each event record and each overflow record with an identification of the time measuring unit ( 4 ) in which they were generated, and / or an identification of the input channel of the signal; (e) sending the event records and overflow records to a central processing unit ( 9 ) via a data connection ( 8th ); (f) storing the received data records in a data buffer ( 9a ) from a plurality of data buffers ( 9a ) in the central processing unit, each data buffer ( 9a ) each of a time measuring unit ( 4 ) receives and stores transmitted records; (g) chronological sorting of all event records of all data buffers ( 9a ) using the overflow records, creating new records; (h) sending the new data records to at least one processing unit via an output channel ( 10 ).

Method according to one of the preceding method claims, characterized in that in the input channel of a time measuring unit ( 3 ) at an excitation pulse by a light source a signal ( 1 ), whereby an event record is generated for this signal.