DE19924259C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung des Füllstandes eines Flüssigkeitsbehälters - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vor­ richtung und ein Verfahren zur Erfassung von Füll­ ständen in Flüssigkeitsbehältern. Derartige Vorrich­ tungen und Verfahren werden insbesondere zur Detek­ tion des Flüssigkeitspegels oder des Füllstandes in Mehrkammer-Flüssigkeitsbehältern, beispielsweise Titerplatten, insbesondere Mikrotiterplatten, wie sie für biologisch-chemische Untersuchungen eingesetzt werden, verwendet. Dabei sollen insbesondere mög­ lichst gleichzeitig die Füllstände mehrerer oder aller einzelnen Kammern der Titerplatte erfaßt werden.

Derartige Titerplatten als Täger für eine goße Anzahl verschiedener Substanzen, die einer gleichen Behand­ lung (z. B. Erwärmung, Reaktion . . .) unterzogen werden sollen, werden bei verschiedenen Standarduntersuchungsverfahren in der Biologie, Chemie und insbe­ sondere in der Molekularbiologie eingesetzt. Ein typisches Beispiel hierfür sind Gen- oder DNS-Unter­ suchungen (sog. Sequenzierungen). Dabei wird mittels Pipetten oder Dispensern eine Befüllung der Vertie­ fungen oder Kammern der Titerplatten, der sog. Wells, oftmals in großer Zahl gleichzeitig vorgenommen. Typische Werte für die Anzahl der Kammern in derarti­ gen Titerplatten sind 96,384 oder 1348 Kammern pro Titerplatte. Die Kantenlänge der einzelnen Kammern beträgt beispielsweise bei sog. Mikrotiterplatten ca. 2 × 2 mm.

Die Befüllung erfolgt daher zumeist durch sog. Pipettierroboter, die im allgemeinen einige 10 bis 50 Kammern gleichzeitig befüllen, dann relativ zu der Titerplatte verschoben werden und weitere Kammern befüllen usw. Die Flüssigkeitsmengen sind dabei im allgemeinen sehr gering, oftmals nur im Mikroliter- oder Submikroliterbereich.

Bedingt durch Prozeßstörungen wie sie z. B. als "Flüssigkeit alle", "Pipette verstopft oder beschädigt", "Falsche Positionierung" und dergleichen mehr auftreten, kommt es vor, daß keine oder keine ausreichende Befüllung einzelner Kammern erfolgt. Die mit dieser Titerplatte nachfolgend durchgeführten Reaktionen und Analysen sind dann zumindest zum Teil unbrauchbar. Aufgrund der Unkenntnis über möglicher­ weise falsche oder fehlende Befüllung einzelner Kammern, besteht eine Unsicherheit bezüglich der Meßergebnisse. Zwar wird in der späteren Auswertung erkannt, daß keine ausreichende Befüllung vorlag. Aber alle bis dahin vorgenommenen Prozeßschritte waren damit umsonst und die Analyse muß wiederholt werden.

Daher stellt sich bereits frühzeitig die Frage, wie festgestellt werden kann, ob überhaupt Flüssigkeit in der Kammer ist, bzw. wieviel Flüssigkeit letztlich in der Kammer vorhanden ist. Um eine 100%ige Kontrolle der Produktion bei der großen Anzahl von Kammern pro Titerplatte zu ermöglichen, sollte aus Zeitgründen die Prüfung zumindest teilweise parallel für mehrere Kammern gleichzeitig möglich sein. In gleicher Weise ist es erforderlich, diese Überprüfung des Flüssig­ keitsstandes in den Kammern automatisiert durchzu­ führen.

Für die Füllstandskontrolle gibt es nun eine ganze Reihe von Verfahren im Stand der Technik, die grund­ sätzlich in berührende und berührungslose Verfahren unterteilt werden können. Für die vorliegende Auf­ gabenstellung kommen jedoch nur berührungslose Ver­ fahren in Betracht, da bei berührenden Verfahren jeder Kontakt eines Sensors mit der Flüssigkeit zu einer Kontamination der nächsten, im allgemeinen unterschiedlichen, Flüssigkeit in der nächsten Kammer führen würde.

Aus dem Stand der Technik sind nun für die berüh­ rungslose Messung des Füllstandes kapazitive, Mikrowellen- und optische Lösungen bekannt. Kapa­ zitive Sensoren benötigen immer eine relativ große Mindestfläche der Flüssigkeitsoberfläche, außerdem muß der Sensor von oben nahe an die Flüssigkeits­ oberfläche positioniert werden.

Die US 5 275 951 beschreibt ein Verfahren zum auto­ matisierten Feststellen des Füllstandes von Titer­ platten mittels eines Mikrowellenarrays. Die erfor­ derlichen Antennenarrays sind jedoch im Aufbau sehr kompliziert, außerdem bedarf es spezieller schal­ tungstechnischer und signalanalytischer Anstrengun­ gen, um Verkopplungen zwischen den verschiedenen gleichzeitig betriebenen Messkanälen zu komprimieren.

Die JP 7333039 beschreibt ein Verfahren, bei dem an der Innenseite der Kammer ein senkrechter Strich an­ gebracht ist, dessen vom Flüssigkeitsstand abhängige Verdeckung mit einer Kamera von oben vermessen wird. Dieses Verfahren erfordert jedoch zur klaren Detekti­ on des Striches ein genügend kleines Höhen- Seitenverhältnis der Kammern und ist daher nicht uni­ versell einsetzbar.

Aus der DE 197 48 211 A1 ist ein optisches System und Reader für Mikrotiterplatten bekannt, das ein Linsen­ array und eine Feldlinse umfasst, die die Mikroti­ terplatte mit Wells auf einem Detektorarray abbildet. Dieses optische System wird für Fluoreszenz-, Lumi­ neszenz- und Absorptionsuntersuchungen verwendet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine berührungslose, leicht handzuhabende und automati­ sierbare Vorrichtung sowie ein entsprechendes Verfah­ ren zur Erfassung des Füllstandes in Flüssigkeitsbe­ hältern zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach An­ spruch 1, sowie das Verfahren nach Anspruch 15 ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfah­ rens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungs­ gemäße Verfahren eignet sich zur Verwendung der Erfassung der Befüllung von Kammern für praktisch alle handelsüblichen Titerplatten einschließlich Mikroti­ terplatten und ermöglicht es gleichzeitig parallel den Füllstand für mehrere oder alle Kammern gleich­ zeitig zu detektieren. Es ist weiterhin möglich zu erfassen, ob sich Flüssigkeit in den einzelnen Kam­ mern befindet sowie den genauen Füllstand der Flüs­ sigkeit in jeder einzelnen Kammer zu bestimmen, so­ fern sich Flüssigkeit in den Kammern befindet. Es ist also möglich eine Aussage zu machen, wie viel Flüs­ sigkeit in jeder Kammer vorhanden ist.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Vorrich­ tung zur Erzeugung eines Strahlenganges auf, wobei diese wiederum eine Erzeugungsvorrichtung zur Erzeu­ gung eines parallelen Lichtstrahles, beispielsweise eine Lampe sowie ein Linsensystem, oder eine Laser­ lichtquelle, aufweist, wobei der Lichtstrahl senk­ recht auf die Oberfläche der zu untersuchenden Kammer gestrahlt wird. Das an der Oberfläche der Kammer re­ flektierte Licht wird gegebenenfalls nach Ablenkung zur Trennung des einfallenden und des reflektierten Strahles durch ein optisches Abbildungssystem auf ei­ ne Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des erzeugten Bildes gebildet.

Der Durchmesser des auf die Kammern auftreffenden Strahles bestimmt wesentlich dabei den zu erfassenden Bereich und damit die Anzahl der gleichzeitig zu ver­ messenden Kammern. Insbesondere kann also prinzipiell bei ausreichendem Strahldurchmesser auch die ganze Titerplatte auf einmal erfasst werden.

Entscheidend für die vorliegende Erfindung ist nun­ mehr die Erkenntnis, dass je nach Ort der Reflexion unterschiedliche Abbildungen erzeugt werden. Denn das einfallende parallele Licht kann an insgesamt drei verschiedenen Stellen reflektiert werden:

• 1. Vom Boden der Kammern, wenn diese leer sind,
• 2. von der Flüssigkeitsoberfläche, wenn in den Kam­ mern Flüssigkeit vorhanden ist,
• 3. von der Oberfläche der Platte zwischen den ein­ zelnen Kammern, wobei im folgenden dieser Anteil nicht weiter betrachtet wird. Der letztere An­ teil kann insbesondere durch eine geeignete Bildauswertung von vornherein bei der weiteren Verarbeitung der Informationen außer Acht gelas­ sen werden.

Im ersten oben beschriebenen Fall, d. h. bei der Re­ flexion vom Boden der Kammern, überwiegt der diffuse Reflexionsanteil, während im zweiten Fall, d. h. bei der Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche, der ge­ richtete Reflexionsanteil überwiegt.

Die vorliegende Erfindung macht sich nun die Erkennt­ nis zunutze, dass für die beiden oben beschriebenen Fälle 1. und 2. zwei grundsätzlich verschiedene Ab­ bildungsmechanismen auftreten. Im ersten Fall, d. h. bei der diffusen Reflexion des einfallenden paralle­ len Lichtstrahls am Boden einer leeren Kammer, ent­ steht eine scharfe optische Abbildung an der Aufnah­ mevorrichtung nur dann, wenn die Brennweite f des op­ tischen Abbildungssystems und die optischen Weglängen vor und hinter dem optischen System (der Objektab­ stand g und der Bildabstand b) in einem bestimmten Verhältnis stehen, das durch die folgende Abbildungs­ gleichung beschrieben wird:

f = 1 : b + 1 : g (1)

Der Objektabstand setzt sich dabei aus den Strecken zwischen dem Boden der Kammer und dem Strahlteiler (c) und der Strecke zwischen dem Strahlteiler und dem optischen Abbildungssystem (a) nach der folgenden Gleichung zusammen:

g = a + c (2)

Für mit Flüssigkeit gefüllte Kammern ergibt sich je­ doch eine völlig andere Abbildung. Dieser liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich aufgrund der Oberflä­ chenspannung der jeweiligen eingefüllten Flüssigkeit, d. h. je nach Adhäsionseigenschaften von Flüssigkeit und Behälter eine Krümmung der Flüssigkeitsoberfläche ergibt. Diese ist konkav bei einem hydrophilen Ver­ halten oder konvex bei einem hydrophoben Verhalten gekrümmt. Das einfallende parallele Licht wird folg­ lich an der Flüssigkeitsoberfläche gebeugt und in ei­ nem Brennpunkt gebündelt. Bei konkaver Oberfläche liegt der Brennpunkt oberhalb des Flüssigkeitsspie­ gels (reelles Bild), bei konvexer Oberfläche unter­ halb des Flüssigkeitsspiegels, d. h. also scheinbar in der Flüssigkeit (virtuelles Bild).

Erfüllt nun die Lage dieser so erzeugten Brennpunkt­ ebene die oben genannten Bedingungen (1) und (2), wo­ bei jedoch c durch den Abstand zwischen Strahlteiler und dem Brennpunkt zu ersetzen ist, so ergibt sich eine scharfe Abbildung des Brennpunktes bei der Auf­ nahmevorrichtung. Gleichzeitig erreicht dann die Bildhelligkeit (Intensität) ihr Maximum.

Eine Auswerteeinrichtung bestimmt den Flüssigkeitspe­ gel aus den optischen Parametern des Strahlenganges.

Vorteilhaft ist nun, dass der Abstand vom Brennpunkt zur Flüssigkeitsoberfläche im betrachteten Größenbe­ reich für gegebene Materialpaarungen aus Flüssigkeit und Behältermaterial immer konstant ist und daher ge­ wöhnlich für eine Titerplatte nur einmalig experimen­ tell ermittelt werden muss. Der Abstand s ist dabei im Falle des reellen Brennpunktes < 0 und im Falle des virtuellen Brennpunktes < 0 anzunehmen. In diesem Falle ergibt sich für den Fall der mit Flüssigkeit gefüllten Kammern die gesuchte Flüssigkeitshöhe d zu

d = a + c - s - g (3)

wobei sich g aus der oben genannten Gleichung (1) er­ gibt.

Erfindungsgemäß wird nun die Bestimmung der gesuchten Füllhöhe d dadurch durchgeführt, dass eine oder meh­ rere der Bestimmungsgrößen der Gleichungen (1) und (2) solange verändert werden, bis eine scharfe opti­ sche Abbildung entweder des Bodens oder des Brenn­ punkts auf der Aufnahmevorrichtung entsteht, wobei diese beiden Fälle durch Auswertung der Helligkeit einfach voneinander unterschieden werden können.

Folglich ist hier bereits durch Auswertung der Hel­ ligkeit zu unterscheiden, ob die jeweilige untersuch­ te Kammer völlig leer oder wenigstens ein gewisses Maß an Flüssigkeit enthält.

Vorzugsweise ändert man über einen Stellantrieb eine der Strecken b oder g (a oder c). Andere Anordnungen, insbesondere die Änderung der Brennweite f, z. B. durch ein Zoomobjektiv, sind ebenfalls möglich. Aus den so bestimmten einzelnen Abschnitten des Strahlenganges und der Brennweite f ist nun bei gefüllten Kammern ohne weiteres die Füllhöhe d nach obiger Gleichung (3) zu bestimmen.

Werden mehrere Kammern gleichzeitig bestimmt, so wird zu Beginn der Messung das System so eingestellt, dass eine Ebene, deren Abstand zum Well-Boden bekannt ist, scharf abgebildet wird. Dies könnte z. B. die Oberkan­ te der Wells sein.

Anschließend wird durch Variation eines der anderen Parameter, beispielsweise durch eine Verschiebung des Abbildungssystems und damit einer Änderung von a, b oder g, über einen gewissen Bereich kontinuierlich oder schrittweise geändert. Dann sind folgende Fälle möglich. Erfüllt der Boden einer leeren Kammer die Bedingungen (1), so entsteht eine scharfe Abbildung des Bodens, wobei aufgrund der diffusen Reflexion die Lichtstärke des erzeugten Bildes relativ gering ist. Dieser Moment läßt sich mit bekannten Methoden relativ einfach bestimmen. Hierfür stehen beispielsweise Autokorrelationsver­ fahren zur Verfügung, wie sie auch herkömmlich in Autofokuseinrichtungen in Kameras verwendet werden.

Für eine mit Flüssigkeit gefüllte Kammer gibt es bei weiterer Variation der Parameter je nach Füllhöhe und Meniskusform der Flüssigkeitsoberfläche genau eine Stellung, bei der der Brennpunkt in der Bildebene liegt. Dabei wird im erzeugten Bild ein Intensiäts­ maximum erreicht. Aus den in dieser Stellung gege­ benen Parametern erfolgt die Bestimmung der Füllhöhe nach Gleichung (3).

Die Bestimmung des Punktes für den die Abbildungs­ gleichung erfüllt ist, gelingt umso besser, je geringer der Tiefenschärfebereich der Abbildung ist. Dafür ist ein möglichst geringer Abbildungsmaßstab, z. B. 1 : 1, erforderlich. Dies hat nachteiligerweise jedoch zur Folge, daß die Größe des Bildfeldes auf der Aufnahmevorrichtung gleich der Größe des betrachteten Ausschnittes auf der Titerplatte ist. Da herkömmliche CCD-Kameras als Aufnahmevorrichtung eine Chipgröße von lediglich ca. 1 × 1,5 cm besitzen, ist hier nur ein sehr kleiner Ausschnitt mit wenigen Kammern auf der Titerplatte auswertbar.

Vorteilhafterweise wird daher die erfindungsgemäße Vorrichtung dahingehend weitergebildet, daß an der Stelle der Aufnahmevorrichtung 6 eine Mattscheibe 7 angeordnet wird, auf die das Bild als reelles Zwi­ schenbild z. B. im Maßstab 1 : 1 projiziert wird. Die Aufnahmevorrichtung wird dann mit einem weiteren Abbildungssystem 12 hinter der Mattscheibe angeord­ net, so daß eine etwa auf Chipgröße verkleinerte Abbildung auf der Aufnahmevorrichtung entsteht. So kann ohne eine unerwünschte Vergrößerung des Tiefen­ schärfebereiches das Zwischenbild in einem geeigneten Abbildungsmaßstab erfaßt werden. Auf diese Weise ist die Größe des zu erfassenden Bereiches nur noch von der Größe der Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahles, der Ablenkvorrichtung bzw. des optischen Abbildungssystemes abhängig.

In einer automatisierten Anordnung wird der Ver­ schiebebereich so gewählt, daß für die Extremfälle, daß alle Kammern leer sind bzw. alle Kammern randvoll sind für jede Kammer immer ein Punkt einer scharfen Abbildung entsteht.

Ist es z. B. aus konstruktiven oder optischen Gründen jedoch nachteilig die gesamte Titerplatte auf einmal zu erfassen, so wird die erfindungsgemäße Vorrichtung um eine Ein- oder Zweiachs-Verschiebeeinheit erwei­ tert, die nacheinander verschiedene Ausschnitte der Platte in den optischen Strahlengang bewegt. Dieser kann durch Verschieben der Titerplatte oder auch durch Verschieben der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ zu der Titerplatte erzielt werden.

Die Aufnahmevorrichtung (CCD-Kamera) nimmt während des Verschiebeprozesses die Bilder auf, diese werden anschließend in einem Rechner als Auswerteeinheit zusammen mit der Weginformation der Verschiebeeinheit ausgewertet und damit der Füllstand in jedem einzel­ nen der dargestellten Kammern bestimmt. Der nicht interessierende Bereich der Plattenoberseite kann entweder aufgrund optischer Merkmale, z. B. daß er immer unscharf abgebildet wird, oder aufgrund der bekannten Geometrie durch eine Begrenzung des Aus­ wertegebietes, z. B. mittels Maskierung, von der Bildverarbeitung ausgeschlossen werden.

Im folgenden werden einige Beispiele einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens bechrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 die Lichtreflexion in verschiedenen Kammern;

Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Verfahren.

In Fig. 1 ist oberhalb einer Titerplatte 4 eine Lichtquelle 1 angeordnet, die nicht paralleles Licht 8 abstrahlt. Dieses Licht 8 wird durch eine Linse 2 in paralleles Licht 9 umgewandelt. Dieses parallele Licht 9 durchläuft weiterhin einen Strahlteiler 3, beispielsweise ein Prisma oder einen halbdurch­ lässigen Spiegel, bevor es auf die Titerplatte 4 auftrifft. In der Titerplatte 4 dringt es in einzelne Kammern 7 ein und wird dort entweder am Boden 11 der einzelnen Kammern oder an einer Flüssigkeitsober­ fläche 12 in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer reflektiert. Das reflektierte Licht wird durch den Strahlteiler 3 zu einer Linse 5 umgelenkt. Dieses reflektierte Licht 10 wird dann durch die Linse 5 auf einen Bildempfänger, beispielsweise eine CCD-Kamera 6 abgebildet. Die Linse 5 besitzt von dem Bildempfänger 6 den Abstand b und eine Brennweite f. Der Abstand zwischen der Linse 5 und dem Strahlteiler für einen mittigen Strahl beträgt a und der Abstand zwischen dem Stahlteiler und dem Boden einer Kammer beträgt für einen mittigen Strahl c. Der Abstand zwischen dem Boden der Kammer und der Oberfläche der Flüssigkeit in dieser Kammer beträgt d.

Durch Verändern der Länge c kann nunmehr in Abhängig­ keit von dem Füllzustand der einzelnen Kammern ent­ weder deren Boden 11 mit geringer Intensität scharf auf der Aufnahmevorrichtung 6 abgebildet werden oder mit maximaler Intensität als scharfen Lichtpunkt die Oberfläche der in den Kammern vorhandenen Flüssig­ keiten scharf abgebildet werden. Eine Veränderung der Strecke c kann beispielsweise durch ein Heben und Senken der Titerplatte 4 oder der gesamten optischen Anordnung erfolgen. In gleicher Weise kann auch der Abstand a durch Verschieben der Linse 5 und der CCD- Kamera 6 verändert werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, die Brennweite f der Linse 5 oder den Abstand b zu variieren.

Fig. 2 stellt die unterschiedlichen Reflexionsmecha­ nismen am Boden 11 einer Kammer 7 oder am Flüssig­ keitsspiegel 12 in der Kammer 7 dar. Fig. 2a zeigt die difuse Reflexion des parallelen einfallenden Lichtes 9 am Boden 11 der Kammer 7 in einen nicht parallelen reflektierten Lichtstrahl 10. Fig. 2b zeigt die Reflexion an einer konkaven Flüssigkeits­ oberfläche 12 des einfallenden parallelen Licht­ strahles 9 in einer Kammer 7. Das Licht wird hier auf einen Brennpunkt 13 reflektiert, der einen Abstand s von dem Flüssigkeitsspiegel 12 besitzt.

Fig. 2c zeigt dasselbe Prinzip bei der Reflexion eines parallelen Lichtstrahles 9 an der konvexen Oberfläche eines Flüssigkeitsspiegels 12 in der Kammer 7. Auch in diesem Falle wird ein Brennpunkt 13 erzeugt, der einen Abstand s von der Oberfläche des Flüssigkeitsspiegels 12 aufweist. Wie vorstehend beschrieben, kann mittels der Kenntnis des Abstandes s, der material- und flüssigkeitsspezifisch ist, sowie mit der Kenntnis der Lage des Bodens 11 der Kammer 7 der Füllstand der Flüssigkeit in den Kammern 7 in den Fig. 2b und 2d bestimmt werden.

Fig. 3 zeigt dasselbe System wie Fig. 1, wobei mit denselben Bezugszeichen dieselben Elemente bezeichnet sind und daher deren Beschreibung ausgelassen wird. Im Gegensatz zur Fig. 1 wird auf einer Mattscheibe 7 ein reelles Zwischenbild erzeugt, das anschließend über die Abbildungsoptik 12 verkleinert auf die CCD- Kamera 6 projiziert wird. Damit ist es möglich, bei geringer Tiefenschärfe mit einem steilen Übergang von scharf zu unscharf und damit einer sehr exakten Bestimmung der Punkte, bei denen die obigen Abbil­ dungsgleichungen erfüllt sind, dennoch große Flächen der Titerplatte 4 gleichzeitig zu erfassen.

Fig. 4 stellt den Ablauf einer automatisierten Aus­ wertung einer gesamten Titerplatte dar. Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Titerplatte in der xy- Ebene relativ zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung verschoben wird. Alternativ wäre jedoch auch eine Verschiebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung relativ zu der Titerplatte möglich.

Zu Beginn wird die Titerplatte in einem Auswertebe­ reich links oben posiitioniert. Anschließend wird zuerst der Boden der einzelnen Kammern scharf gestellt und ein entsprechendes Bild aufgenommen. Anschließend wird die Titerplatte relativ zu der optischen Anordnung in z-Richtung verfahren und mit einem Schrittabstand dz werden weitere Bilder der Titerplatte aufgenommen, bis die maximale Höhenstel­ lung erreicht ist. Aus diesen Bildern werden ledig­ lich die einzelnen Bilder ermittelt, die einen scharfen Bildinhalt, z. B. einen hellen Bildpunkt bei Reflexion an einer Flüssigkeitsoberfläche, besitzen. Aus diesen Bildern können daher die z-Werte für die scharfe Darstellung entweder der Kammerböden oder der Flüssigkeitsoberflächen bestimmt werden. Anschließend wird die Titerplatte einen Schritt nach rechts ver­ fahren und ein neuer Titerplattenbereich vermessen. Dies wird in y-Richtung bis zum Ende der Titerplatte durchgeführt. In gleicher Weise wird anschließend die Titerplatte in x-Richtung verfahren so daß durch das Verfahren der Titerplatte in y- und x-Richtung ins­ gesamt die gesamte Titerplatte vermessen wird und für jede einzelne Kammer die z-Werte mit scharfem Bildin­ halt für diese Kammer bestimmt werden. Aus den so ermittelten z-Werten kann nach den obigen Abbildungs­ gleichungen bestimmt werden, ob die einzelnen Kammern mit Flüssigkeit befüllt sind und wenn ja, kann die Füllhöhe in jeder einzelnen Kammer exakt bestimmt werden.

Claims (21)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Füllstandes in mit mindestens einer Kammer versehenen Flüssigkeits­ behältern,
mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Strah­ lenganges umfassend
eine Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahls senkrecht auf die Ober­ fläche der zu untersuchenden Kammer,
ein optisches Abbildungssystem zur Erzeugung ei­ nes Bildes aus dem von der Oberfläche der zu un­ tersuchenden Kammer reflektierten Lichtstrahl sowie
eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des er­ zeugten Bildes,
wobei die Vorrichtung zur Erzeugung eines Strah­ lenganges so ausgestaltet ist, daß mindestens ein Abschnitt des Strahlenganges in seiner Länge und/oder die Brennweite des Abbildungssystems veränderbar sind und wobei eine Auswerte­ vorrichtung zur Bestimmung des Flüssigkeits­ pegels aus den optischen Parametern des Strah­ lenganges im Falle eines scharfen Bildes vorge­ sehen ist.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine zwischen der Kammer und dem Abbildungssystem angeordnete Ablenk­ vorrichtung zur Ablenkung des von der Oberfläche der zu untersuchenden Kammer reflektierten Lichtstrahls.

3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenk­ vorrichtung ein Strahlteiler ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmevorrichtung eine CCD-Kamera ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem ein Zoom-Objektiv aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen der Kammer und der Ablenk­ vorrichtung, der Ablenkvorrichtung und dem Ab­ bildungssystem und/oder dem Abbildungssystem und der Aufnahmevorrichtung veränderbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des parallelen Lichtstrahls grö­ ßer ist als der Durchmesser der zu unter­ suchenden Kammer.

8. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des parallelen Lichtstrahls ei­ nen derartigen Durchmesser aufweist, daß er meh­ rere Kammern gleichzeitig überdeckt.

9. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des parallelen Lichtstrahls ei­ nen derartigen Durchmesser aufweist, daß er sämtliche Kammern des Flüssigkeitsbehälters überdeckt.

10. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem und die Aufnahmevorrichtung eine bauliche Einheit bilden.

11. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlen­ gangs eine Vorrichtung zur Erzeugung eines reel­ len Zwischenbildes der Kammer aufweist, wobei das reelle Zwischenbild durch die Aufnahmevor­ richtung erfaßbar ist.

12. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines reellen Zwischenbildes eine Mattscheibe ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Verschiebeeinrichtung zur Verschiebung des Flüssigkeitsbehälters, der Ab­ lenkvorrichtung, der Abildungsvorrichtung, der Vorrichtung zur Erzeugung eines Zwischenbildes und/oder der Bildaufnahmevorrichtung in Längs­ richtung des Strahlengangs aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Verschiebeeinrichtung zur Verschiebung des Flüssigkeitsbehälters und/oder eine Verschiebeeinrichtung zur Verschiebung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlengangs quer zur Strahlrichtung des parallelen Licht­ strahls aufweist.

15. Verfahren zur Füllstandskontrolle in Kammern von Flüssigkeitsbehältern, dadurch gekennzeichnet,
daß ein paralleler Lichtstrahl senkrecht auf die Oberfläche der zu untersuchenden Kammer ge­ strahlt wird,
das von der Kammer reflektierte Licht auf eine Aufnahmevorrichtung abgebildet wird,
die geometrischen und/oder optischen Parameter des Strahlengangs derart verändert werden, daß das reflektierte Licht auf der Aufnahmevor­ richtung ein scharfes Bild erzeugt und daß an­ schließend
aus den geometrischen und/oder optischen Parame­ tern des Strahlengangs der Füllstand der Kammer bestimmt wird.

16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, da­ durch gekennzeichnet, daß der von der Oberfläche der Kammer reflektierte Lichtstrahl vor der Ab­ bildung abgelenkt wird.

17. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die In­ tensität des auf die Aufnahmevorrichtung abge­ bildeten Lichtes bestimmt und daraus der Füll­ stand der Kammer bestimmt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der geometrischen und/oder optischen Parameter die Länge der Abschnitte des Strahlengangs des re­ flektierten Lichtes und/oder die Brennweite der optischen Abbildung des reflektierten Lichtes verändert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstand der Kammer aus den Längen der einzelnen Abschnitte des Strahlengangs und/oder der Brennweite der optischen Abbildung des reflektierten Lichtes und/oder dem Abstand zwischen der Oberfläche der in der Kammer befindlichen Flüssigkeit und dem durch deren Oberflächenkrümmung erzeugten Brenn­ punkt des eingestrahlten parallelen Lichtes und/oder der Intensität des auf der Aufnahmevor­ richtung erzeugten Bildes bestimmt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abbildung des reflektierten Lichtes auf die Aufnahmevor­ richtung aus dem reflektierten Licht ein reelles Zwischenbild erzeugt wird, welches seinerseits anschließend auf die Aufnahmevorrichtung abge­ bildet wird.

21. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Füllstandskontrolle in Kammern von Einkammer- Flüssigkeitsbehältern, Mehrkammer-Flüssigkeits­ behältern, Titerplatten oder Mikrotiterplatten.