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Thema
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (TCSPC), die zum Ziel hat, Zählverluste und Signalverzerrungen bei Photonen-Zählraten im Bereich oberhalb von 10% der reziproken Totzeit der Signalverarbeitungselektronik bzw. oberhalb von 10% der Signal-Folgefrequenz des Lichtsignals zu vermeiden bzw. auf ein vernachlässigbares Maß zu reduzieren. Bei einer Vier-Modul-Anordnung und einer Signal-Folgefrequenz von 50-80 MHz ist eine Zählrate von 100 bis 160 Millionen Photonen pro Sekunde erreichbar. Die dargestellte Lösung ist nicht auf TCSPC-Systeme der klassischen (eindimensionalen) Art beschränkt. Sie kann in gleicher Weise für TCSPC-Systeme eingesetzt werden, die mit mehrdimensionalen Verfahren arbeiten. Sie ist auch unabhängig davon, ob die Photonenverteilungen direkt in den TCSPC-Modulen aufgebaut werden, oder ob die Daten jedes einzelnen Photons in einen Computer übertragen werden, und Verteilungen über dort installierte Software erzeugt werden.
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Stand der Technik
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Die Methode der zeitkorrelierten Einzelphotonenzählung (Time-Correlated Single-Photon Counting, TCSPC) beruht auf der Detektion einzelner Photonen eines periodischen Lichtsignals, der Bestimmung der Zeiten der Photonen in Bezug auf einen zum Lichtsignal synchronen Referenzimpuls, und dem Aufbau der Verteilung der Photonen über der Zeit zwischen Referenzimpuls und Photon [1]. Nach Registrierung einer ausreichenden Anzahl von Photonen gibt die gemessene Verteilung die Zeitfunktion des optischen Signals wieder. Zusätzlich zurzeit zwischen Referenzimpuls und Photon können weitere Parameter der Photonen bestimmt werden, wie zum Beispiel die Wellenlänge, die räumlichen Koordinaten der Emission des Photons, oder die Zeit zwischen einer zusätzlichen Stimulation des Messobjektes und der Photonendetektion. Die Photonenverteilung wird dann mehrdimensional, siehe z.B. [2, 5, 6] oder [3]. Mehrdimensionale Realisierungen werden besonders zur Registrierung von ‚Fluoreszenz-Lifetime-Imaging‘-Daten (FLIM) eingesetzt, siehe [3] oder [6].
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Die Methode hat eine extrem hohe Zeitauflösung (die Photonenzeiten können mit einer Genauigkeit von wenigen Pikosekunden (ps) bestimmt werden), eine nahezu ideale Empfindlichkeit (alle detektierten Photonen tragen zum Aufbau des Resultats bei) und ist in der Lage die Zeitfunktionen mit einer hohen Anzahl (>1000) von Datenpunkten aufzulösen.
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Dem steht als Nachteil gegenüber, dass die Signalverarbeitung relativ kompliziert ist. Die Verarbeitungszeit liegt dadurch im Bereich von einigen 10 Nanosekunden (ns) pro Photon. Entsprechend liegt die maximale Zählrate im Bereich von einigen Millionen Photonen pro Sekunde. Weiterhin ist die Verarbeitung mehrerer Photonen pro Signalperiode nicht ohne weiteres möglich. Die Methode funktioniert deshalb nur dann fehlerfrei, wenn die Wahrscheinlichkeit für ein zweites Photon innerhalb der gleichen Signalperiode mit einem bereits detektierten vernachlässigbar ist. Ist das nicht der Fall, treten Verzerrungen der gemessenen Zeitfunktion, die üblicherweise als ‚Pile-Up‘-Fehler bezeichnet werden [1, 3].
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Es sind eine Reihe von Lösungen bekannt, um die beschriebenen Nachteile zu mildern oder zu beseitigen. Aus der Frühzeit der TCSPC-Technik sind ‚Pile-Up‘-Unterdrückungs-Schaltungen bekannt, die die Detektion eines zweiten Photons feststellen und gegebenenfalls auch das erste Photon der betreffenden Signalperiode unterdrücken [7]. Die aufgebaute Zeitfunktion ist dann fehlerfrei, allerdings gehen beide Photonen dabei verloren. In den vergangenen 20 Jahren ist das ‚Pile-Up‘-Problem weitgehend durch Erhöhung der Signal-Folgefrequenz gelöst worden. Bei gegebener mittlerer Photonenrate ist die Wahrscheinlichkeit für ein zweites Photon pro Signalperiode umgekehrt proportional zur Signal-Folgefrequenz. Bei Folgefrequenzen im Bereich von 50 bis 100 MHz sind Detektionsraten von bis zu 10 MHz möglich ohne dass der Fehler in Fluoreszenz-Abklingzeit-Daten 2-5% übersteigt [3].
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Mit digitalen Zeit-Messmethoden (Time-to-Digital Conversion, TDC) sind im Prinzip höhere Zählraten als mit der klassischen Methode der Zeitmessung erreichbar. Insbesondere können die Zeiten von mehreren Photonen innerhalb einer Signalperiode (von typischerweise 10 ns) messbar gemacht werden. Dabei ist es aber unvermeidlich, dass sich die Zeitmessungen aufeinanderfolgender Photonen gegenseitig beeinflussen. Die Folge sind systematische Fehler der gemessenen Photonenzeiten, Verlust von Zeitauflösung und Zählraten-abhängige Verzerrungen der aufgebauten Photonenverteilungen bzw. Zeitfunktionen.
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Bei genauer Betrachtung zeigt sich, dass die extreme Zeitauflösung und Genauigkeit der TCSPC-Methode weitgehend dadurch zustande kommt, dass die Zeitmessungen für aufeinanderfolgende Photonen unabhängig sind und sich nicht beeinflussen. Das ist aber nur möglich, wenn zwischen aufeinanderfolgenden Photonen ein gewisser Zeitabstand eingehalten wird. Das bedeutet wiederum, dass die Photonenrate nicht zu hoch sein darf. Es wurde deshalb versucht, die verarbeitbare Photonenrate durch Parallelschaltung von TCSPC-Anordnungen, zu erhöhen. Das Lichtsignal wird dazu auf mehrere Detektoren verteilt, deren Photonenimpulse dann von unabhängigen TCSPC-Modulen verarbeitet werden. Die Photonenverteilungen werden zum Schluss addiert [4]. Diese Lösung führt tatsächlich zu einer erheblichen Erhöhung der möglichen Zählrate. Da aber die Verteilung der Photonen auf die TCSPC-Module zufällig ist, wird die Möglichkeit von ‚Pile-Up‘ Ereignissen zwar reduziert, aber nicht ausgeschlossen.
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Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine TCSPC-Anordnung breitzustellen, die bei Detektion mit einem einzigen Detektor eine erhöhte Zählrate ermöglicht, und dabei die TCSPC-typische Zeitauflösung (die derzeit erreichbare technische Grenzen für die Kanalbreite betragen etwa eine Pikosekunde für die Kanalbreite und etwa 5 ps für die Breite der Impulsantwort) sowie die TCSPC-typische Anzahl der zeitlichen Datenpunkte (einige 100 bis zu über 1000) beibehält.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
- Im Zentrum der Anordnung steht eine Weiche, die die von einem Detektor kommenden und durch einen Diskriminator oder einen Impulsformer aufbereiteten Einzelphotonenimpulse auf mehrere TCSPC-Module verteilt. Jedes TCSPC-Modul baut eine Photonenverteilung aus den ihm von der Weiche zugeführten Photonenimpulsen auf. Jedes Modul arbeitet dadurch nur mit einem Teil der vom Detektor gelieferten Zählrate. Die von den TCSPC-Modulen aufgebauten Photonenverteilungen werden addiert, so dass eine einzige Verteilung entsteht, die alle vom Detektor in elektrische Impulse umgesetzten Photonen enthält.
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Die Steuerung der Weiche kann auf verschiedene Weise realisiert werden.
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Naheliegend wäre ein Weiterschalten der Weichenposition mit einer konstanten, aber von der Signalfolgefrequenz des Experiments unabhängigen Frequenz. Die Eigenschaften einer solchen Anordnung entsprechen etwa denen der oben erwähnten und bekannten ParallelAnordnung, mit dem Unterschied, dass nur ein Detektor benötigt wird. Die Schwierigkeit bei dieser Lösung besteht darin, dass das Weiterschalten der Weiche unvollständige Photonenimpulse generieren oder zumindest die Impulsflanken der Impulse unvorhersehbar verschieben kann. Die Folge wäre eine Verringerung der Zeitauflösung in den TCSPC-Modulen.
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Möglich ist auch ein Weiterschalten der Weiche mit jeder neuen Signalperiode des Lichtsignals. Es ist dann aber unvermeidbar, dass periodische und mit der Lichtquelle synchrone Störungen in die Ausgangssignale der Weiche induziert werden. Als Folge können periodische Fehler der Zeitmessung in den TCSPC-Modulen induziert werden, die zu Verzerrungen der aufgebauten zeitlichen Photonenverteilungen führen können. Unbefriedigend bei dieser Anordnung ist, dass zwar Zählverluste durch die Totzeit der TCSPC-Module reduziert werden, nicht aber Kurvenverzerrungen durch den ‚Pile-Up‘-Effekt.
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Eine weitere Möglichkeit ist, die Weiche nach der Registrierung jedes Photons um eine Position weiterzuschalten, so dass das jeweils nächste Photon auf das nächste TCSPC-Modul geleitet wird. Diese Lösung erscheint zunächst einfach, hat aber das Problem, dass der Zeitabstand zwischen dem ersten Photon (das die Weiche stellt) und dem nächsten Photon (das die vom vorherigen gestellte Weiche passiert) zufällig ist. Jede durch die Weichenstellung erzeugte Störung wirkt sich dadurch unterschiedlich auf das nächste Photon aus. Als Folge kann eine Zählraten-Abhängige Degradation der Zeitauflösung der Anordnung eintreten.
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Die beschriebenen Probleme bei der Steuerung der Signalweiche können dadurch umgangen werden, dass die Weiche von dem gleichen Photon weitergeschaltet wird, das sie kurze Zeit später passiert. Das Prinzip ist in 1 dargestellt. Jeder Photonen-Impuls schaltet die Weiche um eine Stellung weiter. In der Zwischenzeit durchläuft der gleiche Impuls eine Verzögerungsleitung. Diese ist so bemessen, dass der Impuls an der Weiche ankommt, wenn die Weichenstellung abgeschlossen ist. Dadurch wird erreicht, dass jeder neue Impuls auf das jeweils nächste TCSPC-Modul geschaltet wird. Elektrische Störungen durch die Weichenschaltung sind natürlich auch bei dieser Schaltungsstruktur vorhanden. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Lösungen ist der Signalverlauf der Störung aber in Bezug auf den Photonenimpuls immer der gleiche. Die Störung bewirkt deshalb allenfalls eine konstante Verschiebung der in den TCSPC-Modulen gemessenen Zeiten. Insbesondere bewirkt sie keine Modulation der im TCSPC-Modul gemessenen Zeit in Abhängigkeit von der Lage des Impulses in der Signalperiode des optischen Signals. Somit entstehen keine Verzerrungen der zeitlichen Photonenverteilung.
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Die in 1 dargestellte Anordnung hat vier Weichenpositionen und vier TCSPC-Module. Die Anordnung kann natürlich auf eine beliebige Anzahl von Weichenpositionen oder TCSPC-Modulen erweitert werden.
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Die in 1 dargestellte Verzögerungsleitung muss je nach der Geschwindigkeit der Steuerschaltung der Weiche und der Weiche selbst eine Verzögerung von einigen 100 ps bis zu etwa 1 ns haben. Die Leitung kann somit sehr einfach als Leiterzug auf einer Leiterplatte ausgeführt werden. Als Alternative besteht die Möglichkeit, die Verzögerung durch ein oder mehrere Logik-Bausteine zu realisieren, die der Impuls durchläuft. In dieser Form ist die Schaltung integrierbar. Sie kann im Prinzip zusammen mit einer Anzahl von TDCs auf einem gemeinsamen Chip untergebracht werden.
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Die in 1 dargestellte Lösung hat weitere, für die Anwendung vorteilhafte Eigenschaften. Die erste ist, dass sie die an den TCSPC-Modulen ankommenden Photonenimpulse regularisiert. Das heißt, die Häufigkeit der Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Photonen hat ein Maximum, und nimmt zu kurzen Zeiten hin wieder ab. Photonenverluste durch zu schnell aufeinanderfolgende Photonen sind dadurch geringer als bei stochastischer Verteilung auf die TCSPC-Module, etwa durch die bekannte Lösung mit mehreren Modulen mit jeweils eigenen Detektoren.
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Die zweite Eigenschaft ist eine starke Verringerung des ‚Pile-Up‘-Effekts. Ein eventuell detektiertes zweites Photon in einer Signalperiode mit dem vorhergehenden wird auf das nächste TCSPC-Modul geleitet und dort korrekt verarbeitet. Erst wenn (bei vier Detektoren) mehr als vier Photonen in einer Signalperiode detektiert werden, entstehen ‚Pile-Up‘-Fehler. Ein solches ‚Pile-Up‘-Ereignis ist 16 mal weniger wahrscheinlich als bei einem einzelnen TCSPC-Modul. Aus der in [3] dargestellten Abhängigkeit des Pile-Up-Fehlers von der Zählrate kann geschlossen werden, dass die erfindungsgemäße Anordnung die anwendbare Zährate bis auf etwa 2 Photonen pro Signalperiode erhöht. Bei einer Vier-Modul-Anordnung und einer Signal-Folgefrequenz von 50-80 MHz wäre das eine Zählrate von 100 bis 160 Millionen Photonen pro Sekunde. Das ist mehr als die meisten bekannten Detektoren leisten können.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist, dass die Verteilung der Impulse auf die TCSPC-Module vollkommen autonom arbeitet. Es ist kein Signalaustausch von den TCSPC-Modulen zurück in die Verteilerschaltung notwendig. Die Verteilerschaltung kann deshalb als Vorschalt-Baugruppe zu existierenden mehrkanaligen TCSPC-Systeme realisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf TCSPC-Systeme der klassischen (eindimensionalen) Art nach [1] beschränkt. Sie kann in gleicher Weise für TCSPC-Systeme eingesetzt werden, die mit mehrdimensionalen Verfahren arbeiten [3, 2]. Sie ist auch unabhängig davon, ob die Photonenverteilungen direkt in den TCSPC-Modulen aufgebaut wird, oder ob die Daten jedes einzelnen Photons in einen Computer übertragen werden, und Verteilungen über dort installierte Software erzeugt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Das Verfahren soll nachfolgend anhand von zwei konkreten Ausführungen erläutert werden. 2 zeigt eine Realisierung als Vorschalt-Baugruppe für System von mehreren TCSPC-Modulen.
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Die Photonenimpulse des Detektors werden durch einen Diskriminator am Eingang der Schaltung in Impulse mit fester Impulsbreite und definiertem Logigpegel umgewandelt. Für die meisten Detektoren wird der Diskriminator so ausgelegt, dass er Impulse unterhalb einer einstellbaren Amplitude unterdrückt und für größere Impulse zeitlich unabhängig von der Impulsamplitude triggert. Solche Diskriminatorschaltungen sind als ‚Constant Fraction Discriminator‘, oder ‚CFD‘ bekannt. Für Detektoren, die bereits Impulse fester Amplitude liefern, kann stattdessen ein einfacher Impulsformer verwendet werden.
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Die Steuerfunktion für die Signalweiche wird durch einen Zähler, die Weiche selbst durch einen Decoder realisiert. Der Zähler zählt die ankommenden Photonenimpulse, die Zählerausgänge aktivieren aufeinanderfolgende Ausgänge des Decoders. Gleichzeitig werden die Photonenimpulse verzögert dem ‚Enable‘-Eingang des Decoders zugeführt. Jeder Photonenimpuls schaltet erscheint somit an einem der Ausgänge des Decoders. Da der gleiche Impuls vorher den Zähler weitergeschaltet hat, erscheint jeder neue Photonenimpuls am nächsten Decoder-Ausgang.
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Im Prinzip kann die dargestellte Baugruppe in CMOS-Technik realisiert werden. Dabei treten jedoch temperaturabhängige Verzögerungszeiten auf, die in Verbindung mit der TCSPC-Messung unerwünscht sind. Eine Realisierung in CMOS sollte deshalb nur ins Auge gefasst werden, wenn die verwendeten Logik-Komponenten extrem schnell sind. Das ist dann der Fall, wenn die Schaltung in FPGA-Technik oder als voll integrierter Logik-Chip realisiert wird.
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Temperaturabhängige Signallaufzeiten können weitgehend vermieden werden, wenn die Schaltung in ECL-Technik realisiert wird. Eine entsprechende Schaltung für vier Ausgänge, die in ECL-Technik vorteilhaft realisierbar ist, ist in 3 dargestellt. Die Schaltung verwendet einen 2-Bit-Zähler und vier AND-Gates. Zur Vereinfachung wird ausgenutzt, dass der Zähler differentielle Ausgänge hat, wie bei schneller ECL-Technik allgemein üblich. Zählerstand 00 lässt den Photonenimpuls zu TCSPC Modul 1 passieren, Zählerstand 10 zu TCSPC Modul 2, Zählerstand 01 zur TCSPC Modul 3, und Zählerstand 11 zu TCSPC Modul 4.
