DE60129831T2 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Messung - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Bildsensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren für optische Messungen, insbesondere für die Optimierung optischer Messungen durch einen geschlossenen Steuerkreis in Echtzeit.
• Die derzeitige biotechnische Instrumentierung: Bildverarbeitung und Spektroskopie werden in Anwendungen wie Mikroskopie, Lesegeräten für Mikroplatten, Elektrophorese-Gelplatten, Mikroskop-Objektträger und Chips, Kapillar-Elektrophorese am häufigsten eingesetzt. Üblicherweise wird der biochemische Prozess überwacht oder ein Ergebnis wird durch optische Messung ermittelt, wobei vor allem Fluoreszenz-Spektroskopie oder Chemilumineszenz eingesetzt wird. Gewöhnliche Detektoren sind gekühlte wissenschaftliche CCD- und CID-Kameras oder Fotomultiplikator-Röhren (PMTs).
• Das häufigste Format für die Automation von biochemischen Reaktionen und Prüfungen ist die Mikrotiterplatte, die 96, 384 und seit neuestem über eintausend Plätze (Phiolen oder Schächte) für die Aufnahme von Proben und Reagenzien bereitstellt. Die Abmessungen dieser Platten liegen im Zentimeterbereich (ca. 12 cm × 8 cm) mit Reagenzvolumen im Mikroliterbereich. Für die Detektion werden normalerweise Kameras oder PMTs mit Faseroptik oder Scanner-Laser eingesetzt. Mikroskopiekameras sind für die Befestigung auf Standardmikroskopen vorgesehen, mit Anschluss an einen Rechner. Für spektroskopische Messungen werden normalerweise optische Filter benutzt. Für Kapillare und Gel-Elektrophorese werden normalerweise laserinduzierte Fluoreszenz oder radioaktive Kennzeichnung von Molekülen eingesetzt, wobei erstere entweder CCD-Kameras zusammen mit Spektrographen oder PMTs mit optischen Filtern benutzen. Gegenwärtig können bis zu 96 Proben gleichzeitig gemessen werde, die Zwischenräume bis > 100 Mikrometer aufweisen können. Es gibt Konstruktionen in der Literatur von zweidimensionalen Kapillarmatrizen mit ähnlichen Abständen. Neue Miniaturformate für höheren Durchsatz, wie z.B. Nanoplatten, Biochips und Arrays und Chemie-auf-einem-Chip, kommen jetzt in Gebrauch. Um diese zu analysieren, stehen "Biochip-Leser" zur Verfügung, die den Biochip entweder mit Rasterlaser und PMTs oder gekühlten Wissenschaftliche CCD Kameras abbilden. Im allgemeinen wird mit der derzeitigen Instrumentierung nur einmal im Werk abgeglichen und kalibriert, da mechanische Toleranzen annehmbar sind (Beispiele sind optische Fokussierung, Ortung der Abbildungen im Raum, Spektralkalibrierung). Der Bildsensor oder die Kamera hat vordefinierte Betriebseinstellungen, die zur Erfassung und Übertragung von Rohdaten (meistens in Form von Bildern) zu einem übergeordneten Rechner benutzt werden. Dieser Rechner kann die Daten dann verarbeiten und Prozesssteuerungen vornehmen. Die meisten Instrumente aber benutzen nicht adaptive Steuerungen in Echtzeit, um die Detektion durchzuführen. Wenn dies jedoch geschieht, sind die Ansprechzeiten wegen Kommunikationsschleifen, Datenmengen und sonstigen Aufgaben langsam.
• Ein Nachteil der gegenwärtigen Instrumentierung ist, dass sie nicht in der Lage ist, sich Änderungen, die erkannt wurden, schnell anzupassen (in Echtzeit) und einen geschlossenen Steuerkreis aufgrund dieser Information durchzuführen. Die Leistung ist deswegen nicht optimal, insbesondere ist der Betriebsbereich begrenzt, die Ansprechzeiten sind nicht optimal und die Leistung nimmt im Laufe der Zeit ab. Hohe Durchsatzleistung und Abmessungen im Mikromillimeter-Bereich stellen Ausrichtungsprobleme dar. Während die Dichte und Menge der Proben steigt, werden die Abmessungen kleiner (z.B. Biochips im Mikromillimeter-Bereich) und Kostenreduktion wird verlangt – d.h. die bestehenden Konstruktionen sind nicht besonders geeignet. Systeme, die auf einzelnen Sensoren oder kleinen Matrizen wie z.B. Fotodioden, "avalanche photodiodes" (APD) und PMTs aufgebaut sind, haben den inhärenten Nachteil, dass sie weniger Durchsatzleistung im Vergleich zu großen Sensormatrizen haben, die mehr Arbeit bei gleichem Zeitaufwand ermöglichen.
• Wissenschaftliche CCD-Vorrichtungen und Kameras: werden für abbildende Mikroplatten und Biochips verwendet. Die Hauptvorteile dieser Vorrichtungen sind bei Kühlung geringes Ausleserauschen und niedriger Dunkelstrom, was lange Belichtungszeiten ermöglicht. Wissenschaftliche Vorrichtungen erlauben "on-chip pixel binning" (Bildpunktzusammenfassung auf dem Chip), das virtuell rauschfreie Summie rung ermöglicht. "Back-thinned" oder "hinterbeleuchtete" Vorrichtungen mit hoher Quanteneffizienz sind erhältlich. Die Hauptnachteile sind hohe Kosten, langsame serielle Auslese (keinen wahlfreien Bildpunktzugriff). Die Möglichkeit, Ladungen zusammenzufassen, ist in der Biotechnologie verwendet worden, um höhere Signalpegel bei niedrigem Rauschpegel zu erreichen, um die Sensordaten-Ausgaberate zu reduzieren und um die programmierbare Detektion der verschiedenen Wellenlängenbereiche in spektroskopischen Anwendungen zu ermöglichen. Das Mehrfachlesen des Ladungspakets eines einzelnen Pixel ist eine Technik, die in so genannten "skipper CCDs" im astronomischen Bereich benutzt wird, um Rauschen beim Lesen zu reduzieren.
• Wissenschaftliche CID-Vorrichtungen und Kameras: werden in wissenschaftlichen Bildverarbeitungs- und Spektroskopieanwendungen benutzt. Der Hauptvorteil dieser Sensoren ist ihre Fähigkeit, nicht zerstörende Pixel-Auslesungen sowie wahlfreie Zugriffe auf Pixel vorzunehmen, was einen dynamischen Bereich bis ca. ~10⁹ ermöglichen soll. Die Hauptnachteile sind hohe Kosten und niedrige Geschwindigkeit der wahlfreien Zugriffe. Diese Eigenschaft von CID-Vorrichtungen ist in der Biotechnologie benutzt worden, um einen hohen dynamischen Bereich zu erreichen, der aber in der Geschwindigkeit begrenzt ist.
• CCD-Vorrichtungen und Kameras im Video-Frequenzbereich: Solche Vorrichtungen und Kameras werden üblicherweise für Anwendungen mit maschineller Bildverarbeitung eingesetzt. Die meisten werden für Videonormen konstruiert und sind deswegen für analytische Messungen nicht geeignet. Progressive (non-interlaced) Abtastvorrichtungen sind für Messanwendungen am besten geeignet und werden üblicherweise in Bildverarbeitungsanwendungen benutzt, wie z.B. Mikroskopie, insbesondere wenn sie gekühlt sind. Die allgemeinen Vorteile sind hohe Geschwindigkeit, elektronische Verschlussbetätigung, hohe Auflösung und niedrige Kosten. Nachteile sind hohe Rauschpegel, ein niedriger, dynamischer Bereich, begrenzte oder kein "pixel binning" und höhere Fehlerraten.
• CMOS-Bildsensoren: Aktuelle Sensoren sind auf verbraucher-kommerzielle Bildverarbeitung gerichtet und haben integrierte Logik-Funktionalität und -Architektur, die die Steuerung des Sensors begrenzen. Nachteile sind hohe Rauschpegel, ein niedri ger dynamischer Bereich, eine nicht einstellbare Auslese-Zeitsteuerung und höhere Fehlerraten. Aber ihre positiven Eigenschaften sind niedrige Kosten, hohe Integrationsfähigkeit und zunehmend bessere Leistung entsprechend der technischen Weiterentwicklung. CMOS-Sensoren haben auch ähnliche Vorteile wie die CID-Vorrichtungen, nämlich nicht zerstörende Pixel-Auslese und wahlfreien Zugriff auf Pixel, der einen dynamischen Bereich von bis zu ~10⁹ erlaubt. Chemische Verfahren sind direkt auf der Oberfläche einer CMOS-Sensormatrix durchgeführt worden, was bedeutete, dass die Vorrichtung danach als Wegwerfartikel benutzt wurde.
• Intelligente Kameras: Im Bereich der maschinellen Bildverarbeitung befinden sich Kameras mit integrierten Datenprozessoren. Diese sind üblicherweise Videokameras und eignen sich nicht für die analytischen Anforderungen der Biotechnologie. Normalerweise sind die Datenverarbeitungsfunktionen sowie die Möglichkeiten für die adaptive Steuerung des Sensors in Echtzeit nicht einstellbar oder begrenzt.
• Kameras und Detektionssysteme nach dem aktuellen Stand der Technik sind im Allgemeinen durch die folgenden Nachteile eingeschränkt:
  Die Architekturen der aktuellen Bilderverarbeitungssensoren begrenzen die Leistung, weil die Fähigkeit, sie zu steuern, begrenzt ist. Zum Beispiel ist die Fähigkeit begrenzt, die Auslesereihenfolge zu definieren (die Reihenfolge, in der die Daten aus dem Sensor zu lesen sind) oder um "pixel binning" auf dem Chip durchzuführen. Die heutigen Kameras und Messsysteme sind nicht für die flexible und programmierbare Echtzeitsteuerung des Bilderverarbeitungssensors oder externe Komponenten ausgelegt. Die Fähigkeit, Messparameter während der Messung den laufenden Änderungen entsprechend anzupassen, fehlt. Dies impliziert, dass die Fähigkeit, laufend Sensorfehler und unterschiedliche Empfindlichkeit, Änderungen in den Umgebungs- und Prozessbedingungen zu kompensieren sowie die Qualität und Zuverlässigkeit der Messungen zu optimieren, begrenzt ist.
• Der erreichbare Dynamikbereich wird durch den Sensor begrenzt. Dies bedeutet, dass Daten verloren gehen können, wenn sie außerhalb dieses Bereichs liegen, was zu Unzuverlässigkeit führt. Bei CID-Sensoren, die die Möglichkeit haben, den Dynamikbereich zu vergrößern, ist die niedrige Geschwindigkeit, bei der dies geschieht, nicht für moderne Anwendungen mit hohem Durchsatz geeignet.
• Die heutigen Kameras und Detektionssysteme sind für spezifische Anwendungen ausgelegt und sind deswegen in ihrer Anwendung begrenzt, zum Beispiel Bildsensoren und Kameras für Bildverarbeitung, Video, Fotografie und Sicherheitsüberwachung.
• Die derzeitigen Detektionssysteme werden üblicherweise nur einmal im Werk abgeglichen und kalibriert während der Herstellung. Sie sind deswegen nicht geeignet für Anwendungen im Miniaturbereich mit Abmessungen von 1–100 Mikrometer, weil die Toleranzen zu groß sind. Eine solche Kalibrierung während der Herstellung ist teuer und führt zu ständig abnehmender Leistung mit Schwankungen und im Laufe der Zeit wegen Systemalterung.
• Vorhandene Geräte eignen sich nicht für "verteilte, Fern-, Feld-Netzwerke", da sie zu groß, teuer, schwierig in der Anwendung sind und Rohdatenmengen und -raten liefern, die über verteilte Netzwerke, wie das Internet, praktisch nicht zu übertragen sind. Beispiel: als Internet-basierte "point-of-care"-Diagnose-Instrumente, die vor Ort benutzt werden, sind sie nicht erschwinglich.
• Einzelsensoren sowie diejenigen, die in Matrizen mit begrenzter Sensoranzahl zur Verfügung stehen, haben den (inhärenten) Nachteil eines niedrigeren Durchsatzes (Anzahl und Geschwindigkeit paralleler Messungen). PMT- und APD-basierte Systeme beispielsweise, sind wegen der hohen Kosten, die notwendig sind, um hohen Durchsatz zu erreichen, im praktischen Einsatz beschränkt.
• Bildsensoren wie CCD und CID müssen sehr genau spezifiziert werden, um gleichmäßige Messqualität zu gewährleisten. Bestehende Lösungen haben begrenzte Möglichkeiten bezüglich der Kompensation von Antwortfehlern und Unterschieden zwischen den Sensoren.
• EP-1 037 458 A1 betrifft einen segmentierten Bildsensor mit einer Vielzahl von Ausgangsleitungen, die der Anzahl von Segmenten entsprechen. Unstetigkeiten zwischen Segmenten des elektronischen Bildsensors werden verringert, indem für Pixel in einem Überlappungsbereich zwischen Segmenten duplizierte Pixelwerte bereitgestellt werden und indem die duplizierten Pixel an Prozessoren bereitgestellt werden, welche die Ausgabe von Leitungen verarbeiten, deren Segmente an den Überlappungsbereich grenzen. Jedes Segment des elektronischen Bildsensors ist mit seiner eigenen Ausgangsleitung versehen.
• EP-0 918 434 A2 betrifft eine fotoelektrische Konvertierungsvorrichtung, die eine Pixelelementgruppe aus Pixelelementen aufweist, die in Zeilen- und Spaltenrichtungen angeordnet sind. Die Vielzahl von Signaldrähten ist in der Spaltenrichtung verdrahtet und verbindet Ausgänge der fotoelektrisch konvertierten Pixel, die in der gleichen Spalte angeordnet sind. Eine Vielzahl von Steuerleitungen, die in der Reihenrichtung verdrahtet sind und Steueranschlüsse zum Steuern des Signalausgabebetriebs der fotoelektrischen Konvertierungspixel steuern, sind in der gleichen Zeile angeordnet. Wenn eine Steuerleitung aktiv wird, werden Informationsladungen in den mit dieser Steuerleitung verbundenen fotoelektrischen Konvertierungselementen an die zugehörigen Signaldrähte übermittelt. Gemäß einem Beispiel können die Signaldrähte in drei Gruppen von Signaldrähten eingeteilt werden. Die Signale werden ferner an Sample-and-Hold-Schaltungen übermittelt, welche mit einem Analogmultiplexer verbunden sind, der eine der Ausgaben von den Sample-and-Hold-Schaltungen auswählt, die dann digital konvertiert wird.
• EP-0 675 345 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Empfangen von Licht, die in CCD-Bildsensoren verwendet werden. Die Lichtempfangsvorrichtung umfaßt eine Photodiode, ein Rücksetzelement, einen Komparator und einen Zähler. Der Komparator vergleicht ein Ausgangspotential der Photodiode mit dem Schwellenpotential. Der Zähler zählt eine Zeitdauer von einem Zeitpunkt, zu dem die Photodiode zurückgesetzt wird, bis zu einem Zeitpunkt, zu dem das Ausgangspotential der Photodiode das Schwellenpotential überschreitet. Die Zeitdauer, die dem auf die Photodiode einfallenden Licht entspricht, wird ausgegeben. Die Ablesung ist zerstörungsfrei, so daß es möglich ist, die Ablesung mehrere Male auszuführen.
• Gemäß einer anderen Ausführungsform wird dem Komparator eine Mehrzahl von Schwellpotentialen bereitgestellt.
• US 5 872 596 A betrifft eine Bildaufnahmevorrichtung mit einer Entscheidungsschaltung zum Vergleichen eines in jedem Pixel eines Festkörper-Bildaufnahmeelements gespeicherten Signalbetrags mit einem vorbestimmten Signalbetrag, der im voraus festgelegt wird. Die gespeicherte Ladung wird für jedes Pixel entsprechend dem Entscheidungsergebnis zurückgesetzt. Das gesamte gespeicherte Signal jedes Pixels wird aus der Anzahl von Malen des Zurücksetzens innerhalb einer vorbe stimmten Zeit und dem gespeicherten Signalbetrag, nachdem die vorbestimmte Zeit verstrichen ist, berechnet.
• US-6 069 377 A betrifft einen Bildsensor, der eine Sättigungszeitmessung umfaßt, um den dynamischen Bereich zu vergrößern. Der Bildsensor auf Halbleiterbasis mit einem Zeitschalter, der zu jeder Photostelle in dem Bildsensor gehört, misst die Integrationszeitspanne der Photostelle unter Verwendung des Zeitschalters. Die Komparatorschaltung bestimmt, wenn eine vorbestimmte Schwelle erreicht wurde, wobei folglich ein diskreter Betrag der gespeicherten Ladung abgelesen wird, der direkt in eine digitale Darstellung konvertiert wird. Am Ende der Integrationszeit für einen Einzelbildempfang wird der Zählerwert über einen digitalen Ausgangsbus ausgelesen, und der Wert stellt die Anzahl von Malen dar, die der bis zum Schwellpegel gefüllte Photodetektor zurückgesetzt wurde. Die Ausgangsspannung des Photodetektors wird über den analogen Ausgangsbus ausgelesen und stellt die Ladungsmenge dar, die gesammelt wurde, seit der Fotodetektor zuletzt zurückgesetzt wurde. Der gesamte Ausgangswert der Pixel ist dann die Anzahl von Malen, die er den programmierten Schwellenwert erreicht, plus die Spannung in dem Photodetektor von dem analogen Ausgangsbus.
• US 5 742 659 betrifft ein hochauflösendes biomedizinisches Bildverarbeitungssystem mit direkter Detektion von Röntgenstrahlen über eine ladungsgekoppelte Vorrichtung. Eine Energiequelle emittiert Röntgenstrahlen in Richtung des biologischen Gewebes, und eine ladungsgekoppelte Vorrichtung befindet sich direkt benachbart zu dem biologischen Gewebe und ist quer zu der Richtung angeordnet, entlang der die Röntgenstrahlen fortschreiten. Die CCD ist in eine Matrix aus Zellen unterteilt, von denen jede einzeln eine Zählung von Röntgenstrahlen speichert, die direkt von der Zelle detektiert werden. Das Bildverarbeitungssystem umfasst ferner einen Mustergenerator, der elektrisch mit der CCD verbunden ist, um für jede Zelle einen Zähler abzulesen. Eine Anzeigevorrichtung ist vorgesehen, um ein Bild anzuzeigen, das die von dem Mustergenerator aus den Zellen der CCD abgelesene Zählung darstellt. Eine selektive Steuerung durch den Mustergenerator ermöglicht, daß die in jeder einzelnen Zelle gespeicherte Zählung getrennt ausgegeben wird oder alternativ zusammengefaßt wird. Zusammenfassen bezieht sich auf eine Summierungsoperation, in der die Zählungen von mehreren Zellen in einer einzigen Spalte und/oder Reihe kombiniert werden, bevor sie von der CCD ausgegeben werden. Der Zusammenfassungsarbeitsgang ermöglicht eine Änderung der Abtastgrobheit oder Auflösung durch getrenntes oder gemeinsames Verarbeiten von Zellen. Zusammenfassungsverfahren können in Bereichen der CCD verwendet werden, die Bildbereichen von geringerem Interesse entsprechen, z.B. Grenzen, vorbestimmten Regionen und ähnlichen.
• WO 99/48281 A betrifft einen CMOS-Integrationssensor mit einer vollständig differentiellen Spaltenausleseschaltung für die lichtadaptive Bildverarbeitung. Der Bildwandler ist derart aufgebaut, daß er eine mehrfache Auflösungsfähigkeit bereitstellt, wobei das Signal-Rauschverhältnis für die optimale Kleinsignal-Detektierbarkeit angepasst werden kann. Die Signalverarbeitungsfunktionalität mit mehrfacher Auflösung wird auf dem Chip bereitgestellt, um die Hochgeschwindigkeitsbildverarbeitung zu erzielen. Ein verbesserter Pixelzusammenfassungsansatz wird mit vollständig differentiellen Schaltungen verwendet, die derart gelegen sind, daß sämtliches irrelevantes und aufgenommenes Rauschen beseitigt wird. In einer Ausführungsform ist der Bildwandler eine lichtempfindliche x-Reihen-mal-y-Spalten-Anordnung von Pixeln. Der Bildwandler umfaßt eine Steuereinheit, die programmierbar ist, um einen Kernel jeglicher Größe auszulesen, wobei ein Kernel ein n-Reihen-mal-m-Spalten-Block von Pixeln ist. Jeder Kernel stellt den summierten Wert aller Pixelwerte in seinem Bereich dar. Die Größe und Richtung von Kernels ist vollständig benutzerprogrammierbar. Für einen Kernel mit n Spalten und m Reihen werden Signale aus m Reihen der Sensorpixel von Spaltenintegratoren reihenweise integriert. Die Zurücksetz- und Signalpegel jeder Reihe werden zuerst auf Kondensatoren abgetastet, dann werden sie auf integrierenden Kondensatoren differentiell integriert. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis alle Reihen in einem gegebenen Kernel summiert sind. Nachdem die Reihensummierung abgeschlossen ist, werden nach jedem Zurücksetzen eines globalen Integrators alle n aufeinanderfolgenden Reihen integriert. Die summierten Signale von n × m Kerneln werden seriell aus der Ausgabe des globalen Integrators ausgelesen. Die Summationskernelgröße ist entsprechend den Beleuchtungsbedingungen programmierbar.
• Der Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen Bildsensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren für optische Messungen, insbesondere für die Optimierung optischer Mes sungen mit geschlossenem Steuerkreis in Echtzeit bereitzustellen. Mit dieser Erfindung sollen eines oder mehrere der oben genannten Probleme gelöst werden. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
• Die Vorteile dieser Erfindung gegenüber früheren Ansätzen sind wie folgt:
  Niedrige Kosten: Die Verwendung von preiswerten DSP-Bauelementen (DSP = digitale Signalverarbeitung) zur Datenverarbeitung, und preiswerten, Hochleistungs-RISC-Mikrosteuerungen ist möglich. Dezentrale (verteilte) Verarbeitung direkt an den Sensoren kann die Kosten des Gesamtsystems reduzieren. Anpassungsfähigkeit erlaubt die Verwendung von preiswerten Teilen, wie z.B. CMOS-Bildsensoren oder Einwegprobeträgern aus Kunststoff, indem sie ihre Schwächen kompensiert. Autokalibrierung in Echtzeit reduziert die Herstellungskosten. Die höhere Durchsatzleistung (Zahl der verarbeiteten Proben pro Zeiteinheit) und die Minaturisierung, die sie ermöglicht, reduziert die Kosten pro Prüfung.
• Handhabung von Abmessungen im Mikrometerbereich und Reagenzvolumina im Sub-Nanoliterbereich: automatische Hochgeschwindigkeits-Mikropositionierung in Echtzeit, Ausrichtung und Fokussierung, Probenpositionierung, Prozesssteuerung und Detektionsoptimierung werden erreicht. Darüber hinaus kann die Vorrichtung vom Zielobjekt selbst zur Verfügung stehende Kalibrierdaten verwenden (lesbar in Echtzeit), um die großen Abweichungen in der Herstellung des genannten Zielobjektes auszugleichen. Solche Daten können in Mikrochips, die in das Zielobjekt eingebettet sind, oder in anderer lesbarer Form, wie z.B. Strichcodes, eingespeichert werden. Dies führt zu Kostenersparnissen und erlaubt die Verwendung von preiswerten Einwegteilen aus Kunststoff.
• Ausgelegt für Anwendungen mit hohem Durchsatz: eine erhöhte Anzahl und Dichte von Proben kann mit hohen Verarbeitungsraten verarbeitet werden. Daten, die von Bildsensoren mit hoher Auflösung erzeugt wurden, werden sofort verarbeitet, optimiert und komprimiert einschließlich Datenreduktion durch die Verwendung von Sensorsteuerung in Echtzeit (wie z.B. "pixel binning", schnelles Überspringen ["fast skipping"] auf interessante Bildbereiche).
• Höherer Dynamikbereich: wird erreicht durch adaptive Hochgeschwindigkeits-Sensorsteuerung. Während der von der Anwendung benötigten Erfassungszeit kann der intelligente Detektor einzelne Pixel oder Unterbereiche fortlaufend überwachen, während er Parameter wie Integrationszeit, Beleuchtung usw. optimiert, um den Dynamikbereich und die Empfindlichkeit zu maximieren. Pixel oder Bereiche mit starker Beleuchtung können mehrfach gelesen werden. Dies bedeutet, dass der intelligente Detektor in der Lage sein muss, Mehrfacherfassungen und den entsprechenden Verarbeitungsalgorithmus schnell genug zu verarbeiten, um für die Anwendung effektiv und nützlich zu sein.
• Ein neuer Bildsensoraufbau (im Folgenden "PAF-Bildsensor" genannt), der in dieser Erfindung beschrieben wird, ermöglicht eine weitere Verbesserung: Die am Chip integrierte automatische Pixel-Almost-Full (PAF = Pixel fast voll) Überwachung ist in einer modular segmentierten Architektur untergebracht, die die notwendigen Geschwindigkeiten liefert, um brauchbar zu sein. Innerhalb eines Zeitrahmen von einer Sekunde kann ein Dynamikbereich von bis zu 10⁶ innerhalb einer Matrize (von Probe zu Probe oder von Pixel zu Pixel) erreicht werden.
• Höhere Abweichungstoleranz (Chemie, Umgebungsbedingungen usw.):
• Robustheit und Wiederholbarkeit sind Forderungen für kommerzielle Produkte. Dies wird durch Anpassungsfähigkeit in Echtzeit, Eigenkalibrierung durch intelligente Algorithmen und Datennormung in Echtzeit gelöst, wodurch alle festen Eigenschaften des einzelnen Systems eliminiert werden. Weiter kann ein großer Bereich von Sensorfehlern und unterschiedliche Empfindlichkeit toleriert werden, was wiederum Kosten spart.
• Beibehaltung von hoher Empfindlichkeit trotz höherer Geschwindigkeiten und kleinerer Probevolumen: Anpassungsfähigkeit in Echtzeit ermöglicht Empfindlichkeitsoptimierung, z.B. durch die automatische Einstellung des biochemischen Reaktionsprozesses, optomechanische Ausrichtung, Belichtungszeit und andere Erfassungsparameter. Um gleichzeitig hohe Geschwindigkeiten zu erhalten, wird Parallelisierung eingesetzt – auf der Sensorebene arbeiten segmentierte (modulare) Sensoren mit Mehrfachausgängen so, dass analoge/digitale (A/D) Umwandlungen und Analogschaltkreise mit niedrigeren Geschwindigkeiten arbeiten.
• "Auf Proben basierte Detektion"
• Durch diese Erfindung kann die Vorrichtung vom Benutzer auf der Basis der Proben programmiert, gesteuert und optimiert werden – der Benutzer kann denken und das System für das Anwendungsziel für jede einzelne zu messende Probe optimieren – d.h. die besten und verlässlichsten Probenanalyse-Ergebnisse erreichen. Ferner findet die Optimierung im geschlossenen Kreis mit Rückkopplung und in Echtzeit statt. Dies ist ein systembasierter Ansatz, bei dem die Erfindung über die Erzeugung von Bildern und die Lieferung von Pixelwerten hinausgeht. In Spektroskopie-Anwendungen zum Beispiel kann das System programmiert werden, um die spektrale Summierung gegenüber Empfindlichkeit von individueller Probe zu Probe zu optimieren.
• Ausgelegt als eingebettetes System (benötigt keinen bestimmten übergeordneten Rechner) oder für autonomen Betrieb.
• Ist (schnittstellenmäßig) leicht in irgendeinen übergeordneten Rechner einschließlich anderer eingebetteten Systeme mittels industrieüblicher Datenübertragung einzubetten. Nach Programmierung kann der intelligente Detektor autonom arbeiten.
• Internetfähige Geräte und Instrumentierung:
• Diese Erfindung ermöglicht das Arbeiten von internetfähigen Geräten oder Instrumenten im Fernnetzwerk oder verteilten Netzwerk, weil die Reduktion und Analyse von Daten direkt am Sensor das Konzept ist. Die Analyseergebnisse können über das Internet übertragen werden, weil die Menge klein, der Informationsgehalt (Qualität) maximiert ist. Die Kostenreduktion, die durch die höhere Integrationsebene, die Reduzierung von Schnittstellen und die Eliminierung von nachverarbeitenden Rechnern erreicht wird, ist ein wichtiger kommerzieller Faktor. In der Gesundheitsindustrie der Zukunft wird es bei diagnostischen Instrumenten am Pflegeort nützlich sein oder für die Feldanalyse von biologischen Proben (z.B. die Analyse von Gewebeproben direkt nach Entnahme).
• Diese Erfindung kann in einer Reihe von Zielmärkten eingesetzt werden, einschließlich aber nicht begrenzt auf:
• Biotechnologische Instrumentierung
• Pharmazeutik (Feststellung von Drogen/Rauschgift, Überprüfung mit hoher Durchsatzleistung)
• Automation von klinischen Laboratorien
• Medizinische Diagnostik und Instrumente, Telemedizin
• Landwirtschaft
• Viehzucht
• Umweltüberwachung und -kontrollen
• Polizeiliche Ermittlungen, Personenidentifikation, Forensik
• Diese Erfindung wird jetzt beschrieben mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele und die Zeichnungen in welchen:
• 1 ein Systemschema dieser Erfindung ist, in dem insbesondere gezeigt wird, wie die Vorrichtung in einer typischen Mikroformat-Anwendung positioniert und benutzt wird.
• 2 illustriert das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung für CCD-Bildsensoren,
• 3 illustriert ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung für CMOS-, CID- und PAF-Bildsensoren,
• 4 zeigt ein Diagram von der allgemeinen Architektur des bevorzugten Ausführungsbeispiels des PAF-Bildsensors und 5 zeigt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Kühlpaketes, das für die Kühlung der Vorrichtung wie in jeder der 2 bis 4 dargestellt, eingesetzt werden kann.
• Bei der hier beschriebenen Erfindung geht es um einen intelligenten Detektor:
  Insbesondere geht es bei dieser Erfindung um eine Vorrichtung, die aus Elektro-Optik, Elektronik, Firmware und Software sowie Prozessen besteht, die eine stärkere Optimierung für optische Messungen ermöglichen. Höhere Leistung und Zuverläs sigkeit werden in Anwendungen wie Bildverarbeitung, Spektroskopie, Mikroskopie, chemische und biochemische Prozesssteuerung erreicht. Die genannte Vorrichtung ist insbesondere für Prüfungen, Prozesse und Reaktionen in miniaturisierten Formaten mit Abmessungen im Mikrometerbereich und Probenvolumina im Sub-Nanoliterbereich geeignet. Ferner zeichnet sich die Vorrichtung durch ein hohes Maß an Integrationsfähigkeit, Kompaktheit und Internetfähigkeit aus und kann unabhängig von übergeordneten Rechnern (PCs) arbeiten.
• Genannte Vorrichtung erlaubt schnelle, digitale Steuerung im geschlossenen Kreis von Bildsensoren sowie die Optimierung von chemischen, mechanischen, optomechanischen und optoelektronischen Komponenten und Prozessen, die sich auf die Signale auswirken können. Dies wird ermöglicht durch programmierbare Hochgeschwindigkeits-Verarbeitung (z.B. eingebettete Mikrokontrolle in Echtzeit, Signalverarbeitungslogik in Hardware und/oder DSP-Systeme), die direkt am Bildsensor eingesetzt wird. Sensor-Ausgangsdaten werden sofort verarbeitet und ausgewertet. Ferner kann der Prozessor Bildverarbeitungsparameter (wie z.B. Integrationszeit, "pixel binning", Auslesereihenfolge usw.) über eine direkte Schnittstelle (Bus oder I/O) zur digitalen Logik, die den Sensor ansteuert, sowie über direkte I/O-Steuerung aller externen Parameter (unterbrochene Linien in 1) direkt steuern.
• Sofern die genannte Vorrichtung mit [zur Zeit] zur Verfügung stehenden CCD-, CMOS- und CID-Bildsensoren benutzt wird, kann die Leistung beträchtlich verbessert werden, wodurch Anwendungen, die vorher nicht denkbar waren, ermöglicht werden. Ferner ist Teil dieser Erfindung eine verbesserte Sensor-Architektur (bisher "PAF Image Sensor" genannt), die schnelle Einzelbildraten, geringes Rauschen und einen sehr hohen Dynamikbereich innerhalb der Matrix ermöglicht. Die Programmierbarkeit genannter Vorrichtung stellt die Plattform dar für die Entwicklung von anwendungsspezifischen Steuerungs- und Datenverarbeitungs-Algorithmen (geistiges Eigentum), z.B. für biotechnologische Überprüfungen.
• 1 zeigt ein Systemschema dieser Erfindung, insbesondere wie die Vorrichtung in einer typischen miniaturisierten Anwendung positioniert und verwendet wird.
• In 1 sieht man, dass das System aus einem übergeordneten Rechner (host computer) und/oder Netzwerk, und/oder lokaler Anzeige (1) besteht, welche über einen Bus mit einer Vorrichtung (2) verbunden sind; dies stellt ein intelligentes Detektions- und Steuerungssystem (20) und einen Bildsensor (30) dar. Die gestrichelten Linien und Pfeile kennzeichnen die Fähigkeit adaptiver Hochgeschwindigkeits-Echtzeit-Steuerung von anderen Teilen des Systems, die nachfolgend beschrieben werden. Die Bildsensoren (30) unterliegen auch der Steuerung genannter Vorrichtung (2). Ein Zielobjekt (3), hier dargestellt als Biochip oder Mikromatrix, hat typischerweise Eigenschaften im Mikrometerbereich und kann manuell oder automatisch (per Roboter) in das oder aus dem System transportiert werden (6). Genanntes Zielobjekt kann von optischen Quellen (11) beleuchtet und/oder erregt werden, die programmierbar sein können, mit optionaler Verwendung von programmierbarer Modulierung der räumlichen Beleuchtung (12) durch ein optisches System (5), das aus Optik und/oder Elektro-Optik besteht. Ferner kann das System Mittel zur Mikropositionierung (4) der Vorrichtung bezüglich des Zielobjektes (3) beinhalten. Außerdem kann eine Schnittstelle (7) für flüssige, elektrische und/oder mechanische Interaktion mit einem System (8), das, aus Sensoren und Aktoren für die Prozesssteuerung, wie z.B. Temperatur, pH, Spannungen und/oder Ströme besteht, verbunden werden. Das System kann außerdem Verfahrensmittel (9) beinhalten, welches aus Aktoren zur Steuerung von chemischen Verfahren und einer Möglichkeit zur Lieferung von Reagenzien (10) besteht. Detektion (Bildverarbeitung) erfolgt von genannter Vorrichtung (2) über genanntes optisches System (5). Basierend auf den vorher erfassten Daten kann genannte Vorrichtung (2) die adaptive Steuerung aller anderen Subsysteme, die die Messung beeinflussen, mit dem Ziel, das Resultat innerhalb des benötigten Zeitrahmens zu optimieren, in Echtzeit vornehmen. Die genannte Vorrichtung führt die Datenverarbeitung direkt am Sensor durch. Manche Parameter, die modifiziert werden können, könnten sein (sind aber nicht begrenzt auf): mechanische Ausrichtung; Fokussierung; Belichtungszeit; Beleuchtung; Spannungen und Ströme; Temperatur (8); Flussraten von Reagenzien (9) (Anmerkung des Übersetzers [A.d.Ü.: Diese Zahl sollte (10) sein wie in 1)] Sensorparameter wie "pixel binning", Reihenfolge der Bildsensorauslese, Rauschoptimierung.
• Die Vorrichtung (2) hat die Fähigkeit, die Detektions-/Steuerungsaufgabe autonom unter Verwendung der gewünschten Optimierungsmethode (Algorithmus), durchzu führen, vorausgesetzt, dass Einschränkungen, die die Anwendung erfordert, erfüllt werden. Die genannten Algorithmen sind voll programmierbar und können vom übergeordneten Rechner (1) jederzeit definiert und geändert werden und werden mit hoher Geschwindigkeit ausgeführt. Innerhalb der "Messzeit", die vom übergeordneten Rechner verlangt wird, kann die genannte Vorrichtung das System optimieren, um Daten höchster Qualität zu liefern.
• Das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel genannter Vorrichtung (2) für CCD-Bildsensoren (30) wird in 2 gezeigt. Ein eingebettetes Echtzeit-Mikrosteuerungssystem (21) bietet Flexibilität, Programmierbarkeit und leichte Verbindung mit der Schnittstelle des übergeordneten Rechners. Es führt Übertragungsprotokolle mit dem übergeordneten Rechner unter Verwendung von Industrienormen über eine Übertragungsschnittstelle (22) durch, kann Multitasking, steuert Betriebsabläufe über längere Zeiträume sowie langsame Steuerfunktionen über eine Schnittstelle (23) für die Steuerung bei niedrigen Geschwindigkeiten. Dies beinhaltet Internetprotokolle und die volle Implementierung eines Webservers in der genannten Vorrichtung. Das genannte Mikrosteuerungssystem (21) wirkt als übergeordneter Rechner für optionale DSPs (24) und optionale Signalverarbeitungsgeräte (typischerweise in FPGA- oder ASIC-Technologie implementiert) (25). Die Vorrichtung ermöglicht verteilte Datenverarbeitung in drei optionalen Stufen. Erstens sind die genannten Datenverarbeitungsgeräte die schnellsten und erlauben serielle Datenverarbeitung mit Algorithmenzeiten in der Größenordnung von 1 ... 100 ns. Zweitens führt der genannte DSP Datenverarbeitung durch mit Hochgeschwindigkeits-Rückmeldesteuerung des CCD-Bildsensors (30) sowie anderer externer Aktoren und Sensoren, die die Leistung beeinflussen, über eine Hochgeschwindigkeits-I/O-Steuerschnittstelle (26). Solche Algorithmen werden im Mikrosekunden-Zeitrahmen durchgeführt und können beträchtliche Datenmengen bewältigen. Drittens kann das genannte Mikrosteuerungssystem (21) Datenverarbeitungs-Algorithmen durchführen. Ein oder mehrere CCD-Bildsensoren (30) führen die optische Erfassungsfunktion durch, wodurch die genannte Vorrichtung mehrere Ausgabegeräte versorgen kann. Genannte CCD wird von einer Reihe von Takttreibern (271) gesteuert, deren Anzahl und Organisation vom entsprechenden Bildsensor bestimmt wird. Die Pegel der Taktspannung und die Optimierung für schnelle oder langsame Taktraten sind programmierbar. Die Taktwellenformen und der Auslesemodus von genanntem CCD werden von der Taktlogik (25) (typischerweise in FPGA- oder ASIC-Technologie implementiert) erzeugt. Der Auslesemodus ist programmierbar. Der/die Ausgang/Ausgänge genannter CCD ist/werden von einer Reihe Signalverarbeitungsketten (28) verstärkt, wobei die Verstärkung programmiert werden kann und Module entweder mit hohem Rauschen und hoher Auflösung oder hoher Geschwindigkeit verwendet werden können. Eine Datenlogik (29) nimmt multiple Datenströme von genanntem CCD auf und stellt eine Schnittstelle mit hoher Bandbreite zu genanntem DSP sicher. Genannte DSP (24) und das Signalverarbeitungsgerät (25) führen anwenderspezifische Datenverarbeitung, serielle Daten-Kalibrierung, -Normierung und -Korrektur (auch unter Verwendung von vorgespeicherten Kalibrierungsdaten) durch und übertragen das sich ergebende hochwertige, minimierte Resultat auf einen übergeordneten Rechner.
• Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel von genannter Vorrichtung für CMOS-, CID- und PAF-Bildsensoren wird in 3 gezeigt. Die Teile und ihre Funktionen, die die gleichen sind, wie in 2, werden hier nicht beschrieben. Derzeit zur Verfügung stehende CMOS- und CID-Bildsensoren haben hohe Integrationsfähigkeit mit Pixeladressen-Dekodierer, Ansteuerungsschaltkreisen, Auslese-Takterzeugern, Verstärker(n), A/D-Wandlern – möglicherweise auf Chips montiert. Da die meisten für bestimmte Betriebsmodi (z.B. Videobilderfassung) ausgelegt sind, grenzt ihre Architektur die Flexibilität in der Steuerung des Gerätebetriebs ein, was wiederum die erreichbare Leistung begrenzt. Der PAF-Bildsensor ist ein Teil dieser Erfindung, das diese Grenzen überwindet. Er erlaubt, dass der intelligente Detektor den Sensor besser steuert und integriert zusätzliche Schaltkreise auf dem Chip, um einen höheren Dynamikbereich bei höheren Rahmenraten zu erreichen.
• Wenn nötig, wird der Bildsensor (30) über programmierbare Logik (25) mit genanntem Mikrosteuerungssystem (21) verbunden. Genannter Bildsensor liefert digitale Daten, die durch die DSP-Schnittstelle mit hoher Bandbreite (29) führen.
• Die vorliegende Erfindung liefert außerdem einen verbesserten PAF-Bildsensor.
• Eine verbesserte Architektur für einen Bildsensor, der – wenn er im genannten intelligenten Detektor benutzt wird, ermöglicht, dass ein hoher Dynamikbereich innerhalb der Matrix bei Geschwindigkeiten, die miniaturisierte Biotechnologie-Anwendungen ermöglicht, erreicht wird. Solche Geschwindigkeiten stehen sonst nicht zur Verfügung.
• Genannter PAF-Bildsensor integriert Schaltkreise und Logik "on-chip" für die Überwachung (durch nicht zerstörendes Lesen) aller Pixel, Detektion von Pixel, die fast die volle Kapazität haben, Rücksetzung dieser einzelnen Pixel wenn nötig, und Ausgabe ihrer Position und Werte. Um höhere Einzelbildraten zu erzielen, ist die Pixelmatrix solchermaßen modular segmentiert, dass jedes Segment von seiner eigenen Segmentsteuerlogik und seinem eigenen Schaltkreis überwacht wird. Die Integration dieser Funktion auf dem Chip erübrigt die Notwendigkeit für Logik, die nicht auf dem Chip untergebracht ist, oder DSP-Ressourcen. Durch mehrfaches Lesen von einzelnen Pixeln innerhalb der Belichtungszeit wird die scheinbare Pixelkapazität und dadurch der Dynamikbereich vergrößert.
• Aus folgenden Gründen ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Technologie für die Realisierung des genannten PAF-Bildsensors ein CMOS-Prozess:
  Erlaubt Integration von Schaltkreisen;
  Niedrige Kosten, Industrienorm, integrierte Schaltkreis-Technologie;
  Kann für nicht-destruktives Lesen und wahlfreien Zugriff auf Pixel ausgelegt werden;
  Hochgeschwindigkeits-DSP-Datenschnittstelle und Datenverarbeitung können auf dem Chip integriert werden.
• Das Schema der allgemeinen Architektur des bevorzugten Ausführungsbeispiels des PAF-Bildsensors wird in 4 gezeigt.
• Der PAF-Bildsensor besteht aus einer Pixel-Sensormatrix (31), einem Reihenadressen-Dekodierer (32), einem Spaltenadressen-Dekodierer (33), PAF-Schaltkreisen 351, 352, ... 35n, einer Datenlogik (36) und einer Hauptsteuerlogik (37). Die Blöcke, die als "PAF-Schaltkreis" bezeichnet werden, führen die innovative Pixelüberwachung auf dem Chip durch. Um hohe Überwachungsraten zu erreichen, ist die Pixelmatrix (31) in n Segmente modular segmentiert, jedes mit seinem eigenen PAF-Schaltkreis. Gezeigt wird die eindimensionale (Spalten-)Segmentierung, in der der Spaltenadressen-Dekodierer (33) aus den Segmentspalten-Dekodierern 341, 342, ... 34n besteht. In ähnlicher Weise kann eine zweidimensionale Segmentierung (Reihe und Spalte) durch Segmentierung der Reihen- und Spaltendekodierer (32, 33) imp lementiert werden. Der Grad der Segmentierung kann je nach benötigter Einzelbildrate, die die vorgesehene Anwendung benötigt, optimiert werden. Je nach den Anforderungen eines übergeordneten Rechners, ist genannter PAF-Schaltkreis (35) für die "Überwachung" aller Pixel in genanntem Segment zuständig. Genannter PAF-Schaltkreis besteht aus einem Segment-Steuerlogikblock (35), der vom Hauptsteuerlogikblock (37) gesteuert wird. Ferner enthält genannter PAF-Schaltkreis Mittel, Sample-and-Hold-Einrichtungen (60), einen N:1 Multiplexer (61), einen variablen Verstärker (62), einen A/D Wandler (63) und einen Komparator (64). Genannte Segmentsteuerlogik (35) erzeugt eine Pixeladresse innerhalb des Segments, steuert die Pixel-Rücksetzung, löst A/D-Wandlung aus und überträgt Pixeladressen und -daten zur genannten Datenlogik (36). Während der Segmentüberwachung, wenn festgestellt wird, dass das Pixel auf oder über dem "fast-voll" Pegel ist (entweder durch analogen Vergleich (64) oder digitalen Vergleich), werden die Pixeladresse und -daten vom A/D-Wandler zur Pixel-Datenlogik (36) gesandt. Die Pixeldatenlogik (36) sendet Daten zu einem Signalverarbeiter. Die optional programmierbare Verstärkung (62) des Verstärkers kann vom übergeordneten Rechner eingestellt werden. Die Hauptsteuerlogik (37) kann von der Pixel-Zugriffslogik "off-chip" gesteuert werden und tauscht Daten mit dem übergeordneten Rechner aus.
• Das Gerät erlaubt externer Logik den wahlfreien Zugriff auf Pixel, so dass einzelne Pixel gelesen und/oder zurückgesetzt werden können.
• Dieses Gerät kann in einem normalen Bildverarbeitungsmodus betrieben werden, ähnlich wie bei bereits verfügbaren Bildsensoren, indem die genannte PAF-Schaltkreisfunktion außer Betrieb gesetzt wird.
• Ein Paket für die thermoelektrische Kühlung und hermetische Versiegelung für alle Standard-Bildsensoren:
  Um Kosten zu reduzieren, enthält genannte Vorrichtung kostengünstigere Bildsensoren einschl. des PAF-Bildsensors, wobei sie deren Schwächen kompensiert, in dem sie das gesamte Messsystem an den Sensor anpasst. Als integraler Teil dieser Bemühung erhöht das Kühlen die Geräteleistung und erhöht dadurch auch die Wahrscheinlichkeit, dass kostengünstigere Geräte für Biotech-Anwendungen realisierbar werden. Eine Methode und Vorrichtung für thermoelektrische Kühlung und hermetische Versiegelung jedes Sensors wird beschrieben. Die genannte Kühlvor richtung enthält alle nicht gekühlten Standard-Bildsensoren, die in normalem IC-Gehäuse [A.d.Ü.: "IC" = integrierter Schaltkreis] erhältlich sind, sowie den "neuen PAF-Bildsensor" und bietet eine geschweißte, hermetische Dichtung hoher Zuverlässigkeit sowie gleichzeitig eine Option, die es ermöglicht, dass der Bildsensor leicht entfernt/ersetzt werden kann. Letzteres ist vorteilhaft, wenn das Gerät im Vergleich zu anderen Komponenten viel kostet oder für die schnelle Herstellung von Prototypen.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Kühlpakets wird in 5 gezeigt. Ein Gehäuse aus Metall (41), das groß genug ist, um zur Zeit lieferbare Bildsensoren zusammen mit einem Deckel aufzunehmen, bildet eine abgedichtete Kammer für den Bildsensor. Genanntes Gehäuse leitet auch Wärme weg vom thermoelektrischen Kühler/Bildsensorgerät. Genanntes Gehäuse hat eine Eigenschaft (42) (z.B. Flansche für die Montage mit Schrauben), die unter gleichmäßigem Druck das Klemmen auf ein Wärmeleitblech (nicht gezeigt) erlaubt. Genanntes Gehäuse enthält einen Stecker (43), der eine große Anzahl elektrischer Verbindungen über hermetisch geschlossene Kontakte erlaubt. Genanntes Gehäuse kann optional eine Eigenschaft (44) haben, z.B. einen Port als Schnittstelle zu Schläuchen, die durch Krimpen und/oder Schweißen hermetisch versiegelt werden kann zum Entlüften und Wiederauffüllen der Kammer mit einem Inertgas. Für die hohe Zuverlässigkeit bei der Montage wird ein Metalldeckel (45) mit integriertem optisch transparenten Fenster (46), z.B. aus Glas oder Quartz, hermetisch auf das genannte Gehäuse geschweißt. Genanntes Fenster ist in genanntem Deckel hermetisch versiegelt. Für die Prototypen-Herstellung oder in Fällen, bei denen das Gerät entfernt/ersetzt werden muss, kann alternativ ein O-Ring oder eine Dichtung (47) als Abdichtung zwischen dem Deckel (45) und genanntem Gehäuse (41) eingesetzt werden. Ein optisch transparentes Fenster (48) aus Glas oder Quartz wird dann auf genanntem Gehäuse unter gleichmäßiger Druck-Anwendung eines Klemmrahmens (49) abgedichtet. Module, die speziell für das entsprechende Bildverarbeitungsgeräte vorgesehen sind, werden dann im genannten Gehäuse montiert. Jedes Modul besteht aus dem speziellen Bildverarbeitungsgerät (51), einem Adapter für gedruckte Schaltkreise (52) (z.B. Keramiksubstrat, PC-Karte oder flexibler Schaltkreis, einem thermoelektrischen Kühler (53) sowie einem wärmeleitenden Wärmeblock (54). Genanntes Bildverarbeitungsgerät wird auf dem genannten Schaltkreisadapter installiert, was Anpassung der Steckerbelegung, Montage und Befestigung des genannten Bildverarbeitungsgeräts an den genannten thermoelektrischen Kühler, Wärmeblock und Gehäuse erlaubt und kann auch elektronische Schaltkreise beinhalten. Die optionale Verwendung eines/von Hochzuverlässigkeits-Stecker (Steckern) (55) ermöglicht den Austausch von Modulen. Die Komponenten dieses Stapels werden z.B durch Anwendung von mechanischem Druck, thermisch leitenden Klebstoffen, Epoxidklebstoffen und/oder ähnlichen Materialschichten/-filmen in guten thermischen Kontakt gebracht. Das optische Fenster kann auf beiden Seiten mit Antireflexüberzügen beschichtet werden. Um die Kühleffizienz zu maximieren, kann Isolationsmaterial (nicht gezeigt) in der Kammer benutzt werden und der Kontakt mit den genannten Anschlussstiften des Bildverarbeitungsgerätes kann durch die Verwendung von leitenden Elastomerverbindern (56) erreicht werden, da diese hohen thermischen Widerstand aufweisen. Das Kammerinnere wird mit einem Inertgas (z.B. Argon) gefüllt, entweder durch den genanntem Wiederauffüllungs-Port (44) oder durch Zusammenbau in einer Inertgas-Umgebung.
• Die folgende Definitionen werden ausschließlich zum besseren Verständnis der Erfindung gegeben. Dennoch soll der Umfang und die Bedeutung der nachfolgenden Begriffe nicht auf diese Definitionen begrenzt sein.

  adaptiv	Kann Änderungen laufend durch Modifizieren von Parametern und Bedingungen kompensieren, so dass das gewünschte Ziel erreicht wird.
  Algorithmus	Programmierbares Software-Verfahren, das die Funktionalität der Vorrichtung in bestimmten Anwendungen festlegt.
  Avalanche Photodiode (APD)	Optischer Festkörpersensor für sensitive Messungen, beruht auf dem Prinzip der Vervielfachung des detektierten Signals durch den Lawineneffekt von Halbleitern.
  "back-thinned CCD"	CCD-Bildsensor, der von hinten beleuchtet ist, um eine hohe Quantenausbeute über einen breiten Wellenbereich zu erreichen.
  "binning, on-chip"	Die Summierung der Signalladung nach analoger Art aus einer Vielzahl von Pixeln auf dem Sensor selbst. Diese Art der Summierung erzeugt kein Rauschen und erhöht dadurch den Signal/Rausch-Abstand.
  Biochemische Analyse	Eine Methode oder Verfahren zur Durchführung eines biochemischen Prozesses, Analyse oder dergleichen.
  "biochip"	Format eines miniaturisierten Probenträgers, der bei Laborautomatisierung für gleichzeitige Handhabung, Transport und Verarbeitung einer Vielzahl von Proben, Reagenzien oder Reaktionen benutzt wird. Die Anzahl von Proben auf einer derartigen Matrix kann Hunderttausende betragen.

  Kamera	Eine bilderzeugende Vorrichtung, die auf optischen Bildsensoren aufbaut
  CCD (Charge Coupled Device)	Halbleiter-Bildsensor, der nach dem Ladungsübertragprinzip arbeitet
  CID (Charge Injection Device)	Halbleiter-Bildsensor, der nach dem Prinzip des Auslesens der Ladungen aus seinen "Pixeln" durch Injektion der Ladung in sein Substrat arbeitet.
  "chemistry-on-a-chip" (Chemie auf einem Chip)	Miniaturisiertes Format für die Durchführung von chemischen und biochemischen Verfahren, Analysen, Diagnostik u. dgl. Strukturen mit Abmessungen im Bereich von 1–100 Mikrometer sowie Reagensvolumina im Sub-Nanoliterbereich. Hoher Durchsatz, niedrigere Kosten und höhere Leistung sind möglich.
  Takttreiber, Takttreiber-Spannung	Takttreiber liefern die Spannungen und Wellenformen, die von CCD Bildsensoren benötigt werden, um das Bild zu lesen. Diese Spannungen und Wellenformen übertragen Signalladungen von Pixeln zu einem Ausgang, wo sie gelesen werden.
  CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)	Halbleiter-Bildsensor, der unter Verwendung des komplementären Metalloxid-Halbleiterverfahrens hergestellt wird, das in der Halbleiterindustrie sehr weit verbreitet ist.
  CDS (Correlated Double Sampling)	Elektronisches Schaltkreisverfahren, das zur Rauschreduzierung bei Messungen elektrischer Signale verwendet wird, wobei das Signal abgetastet und zweimal gespeichert wird, um eine Differenzmessung zu machen.
  Defekte, Sensor	Defekte in Bezug auf den Sensor
  DSP (Digital Signal Processor)	Digitaler integrierter Halbleiterschaltkreis, der für Hochgeschwindigkeits-Datenverarbeitung optimiert ist.
  Dynamikbereich	Messbereich vom kleinsten, wahrnehmbaren Signal zum größten messbaren Signal
  Elektrophorese	Ein Analyseverfahren, mit dem Moleküle nach einer Eigenschaft getrennt werden können. Üblicherweise werden Moleküle nach Größe (Länge) und demgemäß Mobilität unter einem elektrischen Feld getrennt.
  schnelles Überspringen	Das Ignorieren von Pixelwerten, die nicht von Interesse sind; dies geschieht bei höheren Geschwindigkeiten und/oder mit "pixel binning", um die Erfassungsrate von Einzelbildern zu erhöhen.

  FPGA (Field Programmable Gate Array)	Programmierbarer integrierter Halbleiter-Logikschaltkreis, der digitale Schaltkreise integrieren kann, einschließlich komplexer Funktionen wie z.B. digitale Signalververarbeitung. Die Funktionalität ist jederzeit umprogrammierbar.
  Format: Mikroformat oder miniaturisiertes Format	Probenträger, der in der Labor-Automatisierung verwendet wird, um gleichzeitig eine Vielzahl von Proben, Reagenzien oder Reaktionen handzuhaben, zu transportieren und zu verarbeiten
  intelligent	Bei einer detektierenden Vorrichtung bedeutet Intelligenz die Fähigkeit, autonom Informationen zu verarbeiten, Entscheidungen zu treffen und Handlungen durchzuführen, welche die erreichten Ergebnisse verbessern.
  "intra-array dynamic range"	Der Messbereich zwischen dem kleinsten wahrnehmbaren Signal in einem Zielfeld (eine Matrix von Zieleinheiten) zum größten, messbaren Signal.
  internetfähiges Gerät oder Instrumentierung	Vorrichtung, die in der Lage ist, Informationen direkt zu übermitteln, und/oder via Internet programmiert und gesteuert werden kann.
  Internet- Kommunikation	Die Übertragung von Informationen über das Internet, einschl. Daten und Steuerungsbefehle
  Internet-Protokolle	Industrienorm-Software-Protokolle, die für Übertragungen über das Internet, z.B. für E-Mail, Datei- und Nachrichtenübertragung benutzt werden
  "lab-on-chip"	Siehe "chemistry-on-chip"
  maschinelle Bildverarbeitung	Industrielle Bildverarbeitungsanwendungen, bei denen Kameras für Automatisierung und Maschinensteuerung benutzt werden.
  Messsystem	Ein System, welches diese Erfindung beinhaltet, das für die Detektion, Messung und Analyse von Ziel-Objekten, -Felder oder -Einheiten benutzt wird. Dieses System beinhaltet alle Komponenten, die die Messungen, die gemacht werden sollen, beeinflussen, einschl. Elektronik, Mechanik, Optik, chemische Materialien und Prozesse und Umgebungsbedingungen.
  Mikro-/Nanoplatten, Mikrotiterplatte	Format eines Probenträgers, der bei Laborautomatisierung für gleichzeitige Handhabung, Transport und Verarbeitung mehrerer Proben, Reagenzien oder Reaktionen benutzt wird. Die Anzahl von Proben auf einem derartigen Träger kann Tausende betragen.
  "micro-array" = miniaturisierter Probenträger	Miniaturisierter Probenträger, der in der Labor-Automatisierung verwendet wird, um gleichzeitig eine Vielzahl von Proben, Reagenzien oder Reaktionen parallel handzuhaben, zu transportieren und zu verarbeiten. Die Anzahl von Proben auf einem derartigen Träger kann Hunderttausende betragen.

  "microchannels, micro-fluidics" = miniaturisierte Kanäle, Mikrofluidik	Technologie, die miniaturisierte Kanäle, die durch Mikrotechnologie und Mikrobearbeitung hergestellt werden, verwendet. Sie werden in "Lab-on-chip" für den Transport von Reagenzien oder Proben, Elektrophorese, Messungen und Analysen eingesetzt.
  Netzwerke, verteilte, Fern-, Feld	Kommunikation, Datenaustausch und Steuerung zwischen Rechnern, Instrumenten, Apparaten und Vorrichtungen, die im Feld verteilt sind (im Gegensatz zur zentralen Anordnung). Das Internet ist ein Beispiel für ein verteiltes Netzwerk.
  nicht zerstörendes Lesen	Die Fähigkeit, Pixelwerte während der Belichtung zu lesen (überwachen) ohne Beeinträchtigung oder Unterbrechung des Lichtsammelns.
  PMT (Photomultiplier tube = Fotomultiplikator-Röhre)	Optischer Sensor; auf Röhrentechnologie basierend; kann aufgrund seiner Fähigkeit, das detektierte Signal in hohen elektrischen Feldern vervielfachen, sehr empfindliche optische Messungen durchführen
  Pixel = Bildpunkt	Eine einzelne optische Einheit eines Bildsensors.
  "point of care" (POC)	Anwendungen der Erfindung im Gesundheitswesen, bei denen Messung, Analyse oder Diagnosen an verteilten Orten im Feld durchgeführt werden im Gegensatz zur zentralen Anwendung im Labor. Dies beinhaltet notwendige Fernnetzwerke und Kommunikation.
  Lesen	In Bezug auf das Lesen von Pixeln ist dies das Verfahren, die Information (Wert) der Signale zu erfassen, die vom Sensor photoelektrisch konvertiert worden sind. Das Leseresultat kann ein Analogsignalwert oder eine digitale Zahl sein.
  Auslesemuster/Auslesemodus	Die Reihenfolge von Ereignissen, von welchem die Signale aus einem Bildsensor gewonnen werden. Innerhalb dieser Reihenfolge, können Pixel einzeln gelesen, ignoriert (übersprungen = skipped) werden; Pixelgruppen können auf Chip summiert und dann als Einzelsignal aus dem Bildsensor gelesen werden.
  geschlossener Steuerkreis in Echtzeit mit Rückkopplung	Echtzeit beschreibt Operationen (Arbeitsschritte), die innerhalb der Prozess-, Mess- oder Analysedauer durchgeführt werden; die in einer vorbestimmten Zeit, bei Geschwindigkeiten, die hoch genug sind, um die gesetzten Ziele während genannter Dauer zu erreichen, stattfinden. Die Rückkopplung im geschlossenen Kreis ist ein Mechanismus, bei dem ein solcher Arbeitsschritt sofort und ohne Unterbrechung Parameter und Bedingungen, die die Messungen so beeinflussen, dass das gesetzte Ziel errreicht wird, einstellt und optimiert.

  RISC	Reduced Instruction Set Computer (Rechner mit reduziertem Befehlssatz): Eine Art Prozessor, der Befehle mit hoher Geschwindigkeit durchführt, weil der Befehlssatz kleiner und einfacher ist.
  sample and hold = Signal erfassen und halten	Elektronischer Schaltkreis, der bei der Messung von einem elektrischen Signal verwendet wird, wobei das Signal erfasst und während der Messung stabil und konstant gehalten wird.
  Sensor, Bildsensor	Ein Bildsensor ist ein Gerät, welches ein Signal erzeugen kann, das auf Eigenschaften der zu messenden Zieleinheit basiert. Das Gerät kann Einzel- sowie Matrixsensoren enthalten. Ein Bildsensor ist eine Matrix aus optischen Sensoren, die photoelektrische Wandlungen durchführen können.
  SLM (Spatial Light Modulator) = Lichtmodulator im Raum	Ein Gerät, das durch Programmierung die Beleuchtung eines Feldes ändern kann. Typische SLMs sind Flüssigkeitskristalle oder Mikrospiegelmatrizen.
  Unterbereich	Ein Unterbereich eines Bildsensors ist eine Gruppe von Pixeln.
  Zielbereich	Die größten Raumgrenzen, in denen die Vorrichtung Detektion und Messungen durchführen kann. Kann zwei- oder dreidimensional sein.
  Hauptobjekt	Ein einzelnes Hauptobjekt im Messfeld der Vorrichtung. Dies kann z.B. ein Träger von zu messenden Proben sein.
  Zieleinheit	Eine einzelne Einheit, die detektiert, gemessen und analysiert werden soll, z.B. eine Probe.
  Thermoelektr. Kühler (Peltier)	Ein Festkörper-Gerät, das für Kühlung oder Erwärmung benutzt wird. Elektrischer Strom wird in einen Temperaturunterschied umgewandelt.
  Geschwindigkeit	Die Geschwindigkeit der Detektion, Messung und/oder Verarbeitung von Zieleinheiten/Objekten
  Webserver	Internet-Software, die in einer Vorrichtung resident ist; diese Software stellt eine Schnittstelle zu anderen Rechnern im Internet dar.

Claims (41)

1. Eine Vorrichtung für optische Messungen, vorzugsweise Echtzeit-Bildverarbeitung, Signalerfassung, Detektion, und/oder Steuerung in chemischen oder biochemischen Prozessen und/oder Reaktionen einer Vielzahl von Zieleinheiten (3), wobei die Vorrichtung aufweist: einen oder mehrere Bildsensoren (30) zum Bereitstellen von Ausgangsdaten, die ein zu messendes Signal darstellen, und eine Prozessoreinrichtung (20) zur Durchführung der Echtzeit-Hochgeschwindigkeits-Digitalsteuerung im geschlossenen Kreis von dem/den genannten Bildsensor/en und zumindest einem System, wobei das zumindest eine System aus einer/einem chemischen, mechanischen, optomechanischen und/oder optoelektronischen Komponente/n und/oder Prozess besteht, welche/r Signale, die gemessen werden sollen, beeinflussen wobei die genannte Prozessoreinrichtung direkt an dem/den genannten ein oder mehreren Bildsensoren (30) angeordnet wird, so dass die Ausgangsdaten von dem/den genannten einen oder mehreren Bildsensor/en sofort verarbeitet und ausgewertet werden, wobei die genannte Prozessoreinrichtung die genannte Echtzeit-Hochgeschwindigkeits-Digitalsteuerung im geschlossenen Kreis von Parametern des Bildsensors für jede der genannten Vielzahl von Zieleinheiten unabhängig durchführt, wobei ein Bild von jeder der Vielzahl von Zieleinheiten durch einen entsprechenden Bereich des einen oder der mehreren Bildsensoren über eine direkte Schnittstelle zu einer digitalen Logik erfasst wird, welche den einen oder die mehreren Bildsensoren antreibt, sowie durch direkte I/O-Steuerung von mindestens einer/einem der genannten chemischen, mechanischen, optomechanischen und opto-elektronischen Komponenten und Prozesse.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bildsensorparameter die Integrations- bzw. Belichtungszeit und/oder die Bildpunktsummierung und/oder die Sensorauslese-Reihenfolge und/oder das Timing aufweisen.
3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Prozessoreinrichtung Firmware, Software und/oder Software Algorithmen, die vorzugsweise umprogrammierbar und jederzeit durch einen externen, übergeordneten Rechner (host computer) veränderbar sind, umfasst.
4. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Prozessoreinrichtung ein eingebettetes Mikrosteuerungssystem (21) und Software aufweist.
5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Prozessoreinrichtung ein System aus Elektronik und Software aufweist, das auf einer einzelnen oder einer Vielzahl von digitalen Signal-Prozessoren (DSPs) (24) basiert.
6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Prozessoreinrichtung aufweist: einen digitalen Signalprozessor (DSP) (24) für die Durchführung von Datenverarbeitung und digitale Hochgeschwindigkeits-Steuerungsfunktionen und ein eingebettetes Mikrosteuerungssystem (21) für die Durchführung von Kommunikations- und Multitasking-Funktionen, das den übergeordneten Rechner für den DSP darstellt.
7. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der/die genannte/n Bildsensoren ein oder eine Vielzahl von Bildsensorgeräten für die fotoelektrische Wandlung aufweisen, bestehend aus: a. einer Pixel-Matrix (31), die unterteilt ist in eine Vielzahl von modularen Segmenten, wobei jedes der genannten Segmente aus einem oder einer Vielzahl von Pixeln besteht, b. Schaltkreisen und Logik, die direkt auf dem Chip auf dem genanntem Bildsensorgerät für die Durchführung einer unabhängigen Steuerung integriert sind und um die unabhängige Funktionalität der genannten Segmente so zu ermöglichen, dass diese Segmente parallel funktionieren, c. den genannten Schaltkreisen und Logik, die Einrichtungen (35₁ ... 35_n ) aufweisen, um die unabhängige und fortwährende Überwachung in Echtzeit, vorzugsweise durch serielles oder wahlfreies Adressieren oder Zugreifen, mit nicht zerstörendem Lesen und Prüfen der Pixel in genannten Segmenten durchzuführen, d. Detektoreinrichtung (35) für automatische Echtzeitdetektion von Pixeln oder summierten Unterbereichen von Pixeln, die ein Ladungsniveau erreicht haben, das zum Lesen geeignet ist, e. Mittel (27) zum Lesen und Zurücksetzen für automatisches Lesen und Zurücksetzen genannter Pixel oder Unterbereiche, und f. Ausgabemittel (27) zur Ausgabe der resultierenden Informationen in Bezug auf die genannten Pixel oder Unterbereiche, vorzugsweise bestehend aus Pixelwerten und/oder -adressen.
8. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, die Einrichtungen (36) für die Verarbeitung und/oder Speicherung der genannten resultierenden Informationen aufweist, die durch das genannte automatische Lesen von Pixeln erzeugt werden, wobei die Einrichtungen vorzugsweise direkt auf dem Bildsensorgerät angeordnet sind.
9. Die Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, die Einrichtungen (36) zum Übertragen der genannten resultierenden Informationen, die durch das genannte automatische Lesen von Pixeln von dem Chip erzeugt werden, in eine externe Vorrichtung aufweist.
10. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, wobei genannte Schaltkreise und Logik eine digitale Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle zu einem externen Datenprozessor aufweisen.
11. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 9, wobei genannte Schaltkreise und Logik eine digitale Kommunikations-Schnittstelle (37) zu einem externen Prozessor aufweisen zwecks Programmierung der Funktionalität und/oder Betriebsmodi des genannten Bildsensorgeräts.
12. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 11, die Einrichtungen (35, 37) zum Ausführen der Bildpunktsummierung, vorzugsweise für die Durchführung von "on-chip combination" von Ladungen aus einer Vielzahl von Pixeln, angeordnet zwischen dem Mittel zum automatischem Lesen von Pixeln und dem Mittel (63) für analoge/digitale Wandlung, wobei genanntes Mittel für die Ausführung der Bildpunktsummierung auch zur Definition einer Auslesereihenfolge des genannten Bildsensors dient und wahlweise von einem externen Prozessor programmierbar ist.
13. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 12, wobei genannte Schaltkreise und Logik Einrichtungen für Sample-and-Hold (60) und/oder entsprechende doppeltes Abtasten von zu messenden Signalen beinhaltet.
14. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 13, wobei genannte Schaltkreise und Logik eine Vielzahl von A/D-Wandlern (63) aufweisen.
15. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 14, wobei genannte Schaltkreise und Logik eine Vielzahl von Signalverstärkern (62) aufweisen, deren Verstärkung vorzugsweise von einem externen Prozessor programmierbar ist.
16. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 15, wobei die genannte Detektoreinrichtung (35) für die automatische Echtzeit-Detektion von Pixeln oder summierten Unterbereichen von Pixeln, die ein bestimmtes Ladungsniveau erreicht haben, eine Vielzahl von analogen Komparatoren (64) aufweist, die vorzugsweise Teil der genannten Schaltkreise und Logik auf dem Chip sind, wobei das genannte Ladungsniveau vorzugsweise von einem externen Prozessor programmierbar ist.
17. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 bis 15, wobei die genannte Detektoreinrichtung (35) für die automatische Echtzeit-Detektion von Pixeln oder summierten Unterbereichen von Pixeln, die ein Ladungsniveau erreicht haben, eine Vielzahl von digitalen Komparatoren aufweist, die vorzugsweise Teil der genannten Schaltkreise und Logik auf dem Chip sind, wobei das genannte Ladungsniveau vorzugsweise von einem externen Prozessor programmierbar ist.
18. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der genannte Bildsensor (30) eine oder eine Vielzahl von ladungsgekoppelten Vorrichtungen (CCDs) aufweist.
19. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der genannte Bildsensor (30) aus einem komplementären Metalloxid-Halbleiter-Bildsensor (CMOS-Bildsensor) besteht.
20. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der genannte Bildsensor (30) aus einem Ladungsinjektions-Bauelement-Bildsensor (CID-Bildsensor) besteht.
21. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die genannte Prozessoreinrichtung zusätzlich Hardwarelogik für Hochgeschwindigkeits-Signalverarbeitung aufweist, wobei die genannte Hardwarelogik „in-line" Datenkorrektur in Echtzeit durchführen kann, vorzugsweise Verarbeitung von Bildpunktwerten ohne eine Verringerung der Bildpunktrate während der Datenerfassung, wobei die Funktionalität und die Algorithmen, die in genannter Hardwarelogik implementiert sind, durch einen externen, übergeordneten Rechner programmierbar und veränderbar sind.
22. Die Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die genannte Hardware-Signalverarbeitungslogik die Korrektur von Unterschieden in der optischen Antwort von einzelnen Pixeln und/oder summierten Unterbereichen von Pixeln des/der genannten Bildsensorgeräts(e) in Echtzeit durchführt, wobei genannte Hardware-Signalverarbeitungslogik vorzugsweise die Kalibrierdaten verwendet, die in der genannten Vorrichtung vorgespeichert sind, um die Datenverarbeitungsalgorithmen, wie z.B. Linearisierung von Antworten sowie Verstärkung und Offset-Korrektur, durchzuführen.
23. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 17 bis 22, wobei die genannte Vorrichtung die gesamte Hardware und Software, die für Ethernet- und/oder Internet-Kommunikationen nötig ist, aufweist, insbesondere die Verwendung von Modem und/oder drahtloser Technologie, wie etwa zellularer oder mobiler Kommunikationstechnologie, wobei genannte Vorrichtung unter Verwendung der genannten Kommunikation gesteuert und programmiert werden kann und Daten übertragen werden können.
24. Die Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüchen 17 bis 23, die ferner Kühlmittel zum Kühlen des/der genannte(n) Bildsensorgerät(e) aufweist, wobei genannte Kühlmittel vorzugsweise aus mindestens einem Gehäuse bestehen, in dem ein oder mehrere der genannten Bildsensorgeräte thermoelektrisch gekühlt und hermetisch abgedichtet sind, wobei genanntes Gehäuse nicht gekühlte Bildsensoren, die in normalen IC-Gehäusen eingebaut sind, enthält und wahlweise derart angeordnet ist, dass die Entfernung oder das Ersetzen des Bildsensorgeräts ermöglicht wird.
25. Die Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das genannte Gehäuse Folgendes beinhaltet: a. ein Metallgehäuse (41) (Basis) mit hermetisch abgedichteten, z.B. Glas/Metall, Anschlussstiften, wobei eine Seite des genannten Gehäuses offen ist, wobei das genannte Gehäuse einen Metalldeckel für die offene Seite zum Anschweißen aufnimmt und/oder für die Implementierung einer O-Ringdichtung oder einer Abdichtung an einem abnehmbaren Deckel für die offene Seite sorgt; b. einen Deckel (45), der ein optisch transparentes Fenster (46) aufweist, das in einem Montagerahmen aus Metall hermetisch abgedichtet eingepasst ist, wobei genannter Deckel zum Schweißen an dem genannten Gehäuse angeordnet ist, um eine hermetisch abgedichtete Kammer zu bilden; c. einen gedruckten Schaltkreis (52), einen flexiblen Schaltkreis und/oder keramischen Adapter für die Montage eines einzelnen oder einer Vielzahl von Bildsensorgeräten (51) zur Anpassung an den Stiftaufbau des genannten Bildsensors und Realisierung elektronischer Schaltkreise direkt an genannten Bildsensoren; d. eine einzelne Stufe oder eine Vielzahl von Stufen thermoelektrischer Kühlelemente (53), wie etwa Peltier-Kühler, und e. ein Wärmetauscherblock (54) aus Metall für die Übertragung der Wärme zwischen den genannten thermoelektrischen Kühlelementen und genannten Bildsensoren.
26. Die Vorrichtung nach Anspruch 25, die außerdem ein optisch transparentes Fenster (48) aufweist, das gegen genanntes Gehäuse über einen O-Ring oder eine Dichtung (47) abgedichtet ist und über Druckmittel (49) eingespannt wird, wobei genanntes Fenster entfernt werden kann, damit ein oder mehrere Bildsensorgeräte entfernt und/oder ersetzt werden können.
27. Die Verwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 26 für die Steuerung und Detektion von biochemischen Analysen, Prozessen und Reaktionen.
28. Die Verwendung der Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 26 für die Steuerung und Detektion von biochemischen Analysen, Prozessen und Reaktionen in Mikroformaten, wie z.B. "biochip", "micro-array", "chemistry-on-a-chip", "lab-on-a-chip", Mikroanalyse, "microfluidics", Matrix bestehend aus Mikropunkten und "microchannel".
29. Ein Verfahren für optische Messungen, vorzugsweise Echtzeit-Bildverarbeitung, Signalerfassung, Detektion, und/oder Steuerung in chemischen oder biochemischen Prozessen und/oder Reaktionen einer Vielzahl von Zieleinheiten (3), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen von Ausgangsdaten, die ein zu messendes Signal darstellen, mit Hilfe eines oder mehrerer Bildsensoren (30), Durchführen der Echtzeit-Hochgeschwindigkeits-Digitalsteuerung im geschlossenen Kreis von dem/den genannten Bildsensor/en und zumindest einem System, wobei das zumindest eine System aus einer/einem chemischen, mechanischen, optomechanischen und/oder optoelektronischen Komponente/n und/oder Prozess besteht, welche/r Signale, die mit Hilfe einer Prozessoreinrichtung (20) gemessen werden sollen, beeinflusst, wobei die genannte Prozessoreinrichtung (20) direkt an dem/den genannten ein oder mehreren Bildsensoren (30) angeordnet wird, so dass Ausgangsdaten von dem/den genannten einen oder mehreren Bildsensor/en sofort verarbeitet und ausgewertet werden, wobei die genannte Echtzeit-Hochgeschwindigkeits-Digitalsteuerung im geschlossenen Kreis von Parametern des Bildsensors für jede der genannten Vielzahl von Zieleinheiten unabhängig durchgeführt wird, wobei ein Bild von jeder der Vielzahl von Zieleinheiten durch einen entsprechenden Bereich des einen oder der mehreren Bildsensoren über eine direkte Schnittstelle zu einer digitalen Logik erfasst wird, welche den einen oder die mehreren Bildsensoren antreibt, sowie durch direkte I/O-Steuerung von mindestens einer/einem der genannten chemischen, mechanischen, optomechanischen und optoelektronischen Komponenten und Prozesse.
30. Ein Verfahren nach Anspruch 29 zur Verringerung der Daten während der Datenerfassung, bestehend aus einem oder irgendeinem Teilsatz der folgenden Schritte: a. Bildpunktsummierung, d.h. Summierung von Ladungen aus einer Vielzahl von Pixeln auf dem genannten einen oder den mehreren Bildsensoren, b. Summierung von Werten aus Pixeln oder Unterbereichen durch genannte Prozessoreinrichtung, c. Ausführen eines adaptiven Algorithmus in Echtzeit, der gültige Signale, die definierten Kriterien entsprechen, automatisch erkennt und nur diese erfasst, wobei Daten mit zu vernachlässigendem Informationsgehalt verworfen werden, d. Ausführen eines adaptiven Algorithmus in Echtzeit, der Prozessoptimierung durch digitale Steuerung in Echtzeit durchführt, e. Ausführen eines adaptiven Algorithmus in Echtzeit, der nicht erfüllte oder fehlerhafte Bedingungen erkennt und/oder die Implementierung früher Fehlerbehebung erlaubt, f. Durchführung der Datenverarbeitung, wie z.B. digitaler Filterung, Datenkomprimierung, Datenkodierung, Transformationen.
31. Ein Verfahren nach Anspruch 29 für die Optimierung von Messergebnissen, indem die Einstellung, das Ausrichten und/oder die Kalibrierung in Echtzeit während der benötigten Messzeit durchgeführt werden, bestehend aus einem oder irgendeinem Teilsatz der folgenden Schritte: a. Verwenden eines Algorithmus, um Echtzeit-Fokussierung durchzuführen mit optionaler Kippanpassung, z.B. auf der Basis von Bezugspunkten oder Merkmalen in der Zieleinheit, optional unter Verwendung des Auslesens des/der Unterbereichs(e) und/oder von "pixel binning", wenn notwendig, um die Geschwindigkeit zu erhöhen, b. Verwenden eines Echtzeit-Algorithmus, um X-Y-Positionierung und Ausrichtung des Zielobjekts oder der Zieleinheiten innerhalb des genannten Zielobjekts mit den Reihen und Spalten von Pixeln des/der genannten ein oder mehreren Bildsensoren oder mit anderen mechanischen Merkmalen durchzuführen, wobei Kalibrierinformationen, die aus dem Zielobjekt selber zur Verfügung stehen, gelesen und sofort benutzt werden können, um weniger strenge mechanische Toleranzen des Zielobjektes auszugleichen, c. Beleuchtung oder Erregung des genannten Zielobjektes, die durch einen Echtzeit-Algorithmus optimiert wird, wie z.B. durch Steuerung der Intensität, Ausrichtung und/oder Fokussierung, wobei genannte Beleuchtung einzeln für jede von einer Vielzahl von Zieleinheiten innerhalb des genannten Zielobjektes optimiert werden kann, d. spektrale Kalibrierung, die in Echtzeit durchgeführt wird, wobei dies durch Messung von einem bekannten Bezugspunkt am/im Zielobjekt durchgeführt werden oder aus den Signalen des Zielobjektes selber abgeleitet werden kann, und e. Verwenden einer oder mehrerer optimierter Auslesereihenfolge(n) für den einen oder die mehreren Bildsensoren, welche entweder von einem übergeordneten Rechner a priori definiert wird/werden oder aus den Signalen, die von einem Zielobjekt selber empfangen werden, in Echtzeit abgeleitet werden.
32. Ein Verfahren nach Anspruch 29 zum Erreichen eines größeren Dynamikbereichs innerhalb der Matrix, wobei genannte Vorrichtung Echtzeit-Algorithmen während der benötigen Messzeit wie folgt verwendet: a. zuerst wird das System charakterisiert und optimiert, indem ein oder mehrere Optimierungs-Einzelbilder erfasst werden, die verwendet werden, um optimale Erfassungsparameter einzustellen, b. Erfassungsparameter werden so eingestellt, dass die hellsten Pixel einen Pegel erreichen, der für die Detektion geeignet oder optimal ist, auf jeden Fall, bevor sie ihre volle Kapazität erreichen, c. eine Vielzahl von Einzelbilderfassungen wird durchgeführt, und die Daten werden vorläufig gespeichert, d. die Erfassungsparameter werden dann für optimierte Messung von schwachen Pixeln eingestellt, e. eine einzelne lange Belichtung wird verwendet, um ein Einzelbild zu erfassen, und f. die Daten werden kombiniert, korrigiert und von dem genannten Prozessormechanismus verarbeitet.
33. Ein Verfahren nach Anspruch 29 zum Erreichen eines größeren Dynamikbereichs innerhalb der Matrix, wobei Echtzeit-Algorithmen während der benötigen Messzeit wie folgt verwendet werden: eine einzelne Belichtungszeit wird verwendet, innerhalb welcher einzelne Pixel mehrfach gelesen werden können, adaptive Echtzeitoptimierung von anderen Parametern, wie z.B. der Beleuchtung oder Erregung, die die zu messenden Signale beeinflussen, kann gegebenenfalls jederzeit während dieser Belichtung durchgeführt werden, a. Nicht zerstörendes Überwachen, d.h. Abtasten und Lesen von allen Pixeln im Gerät, wodurch die hellen Pixel geortet und beschrieben werden, b. genannte helle Pixel werden von da an bei einer optimierten Geschwindigkeit kontinuierlich während der Belichtungszeit überwacht, c. das Lesen von Pixeln wird beschränkt auf jene, die bald darauf gelesen/zurückgesetzt werden müssen, d. wenn ein heller Bildpunkt einen Pegel erreicht, der zum Lesen geeignet ist, wird er gelesen und zurückgesetzt und die daraus resultierenden Informationen, z.B. Bildpunktadresse und -wert, werden vorübergehend gespeichert, e. am Ende genannter Belichtungszeit wird das ganze Einzelbild, d.h. alle Pixel, gelesen und f. die Daten werden von genannter Prozessoreinrichtung zusammengefasst, korrigiert und verarbeitet.
34. Das Verfahren nach Anspruch 33, bei dem am Anfang der Erfassung eine Vielzahl von Optimierungs-Einzelbildern mit adaptiver Rückkopplungssteuerung in Echtzeit von allen Parametern, die die Signale, die gemessen werden, beeinflussen, verwendet wird, wobei genannte Optimierungs-Einzelbilder zur Optimierung und Definierung der genannten Einzelbelichtungszeit benutzt werden.
35. Ein Verfahren nach Anspruch 29 zur Erreichung eines größeren Dynamikbereichs bei schnelleren Einzelbildraten innerhalb der Matrix, wobei während der benötigten Messzeit Echtzeit-Algorithmen wie folgt eingesetzt werden: innerhalb der Erfassungszeit, die vom übergeordneten Rechner verlangt wird: eine einzelne Belichtungszeit wird verwendet, adaptive Echtzeit-Optimierung von anderen Parametern, wie z.B. Beleuchtung oder Erregung, die die gemessenen Signale beeinflussen, kann je nach Bedarf jederzeit während dieser Belichtung durchgeführt werden, a. "on-chip"-Schaltkreise und -Logik überwachen, d.h. tasten ab und lesen fortlaufend nicht zerstörend alle Pixel in jedem Segment eines genannten Bildsensors während der Belichtungszeit; dies findet einzeln und autonom für alle Segmente parallel statt, b. wenn ein heller Bildpunkt einen geeigneten Pegel erreicht, um gelesen zu werden, wird er gelesen und zurückgesetzt und die sich ergebenden Informationen (z.B. Bildpunktadresse und -wert) werden erhalten, c. am Ende der genannten Belichtungszeit wird das ganze Einzelbild, d.h. alle Pixel, gelesen und d. die Daten werden mit der genannten Prozessoreinrichtung zusammengefasst, korrigiert und verarbeitet.
36. Das Verfahren nach Anspruch 35, bei dem eine Vielzahl von Optimierungs-Einzelbildern gemeinsam mit adaptiver Rückkopplungssteuerung in Echtzeit von allen Parametern, die die Signale beeinflussen, die gemessen werden, am Anfang der Erfassung gemessen werden, wobei genannte Optimierungs-Einzelbilder zur Optimierung und Definierung der genannten Einzelbelichtungszeit benutzt werden.
37. Ein Verfahren nach Anspruch 29 für die Echtzeitoptimierung der Messergebnisse während der benötigten Messzeit auf Basis einer Zieleinheit, wie etwa eine probenbasierte Detektion, wobei eine Zieleinheit z.B. eine einzelne aus der Vielzahl der zu messenden Proben sein kann, unter Verwendung eines entsprechenden programmierbaren Bereichs von Pixeln an dem einen oder den mehreren Bildsensoren, Durchführen der Echtzeitoptimierung von genannten Bildsensor-Detektionsparametern, wie z.B., Integrationszeit, "pixel binning" und Auslesereihenfolge unabhängig für jede einer Vielzahl der genannten Zieleinheiten; wobei a priori zur Verfügung stehende Informationen, bezogen auf den Ort der genannten programmierbaren Bereiche, zusätzlich für genannte Optimierung benutzt werden können, Durchführen der Echtzeitoptimierung von anderen Parametern, wie z.B., "microfluidic" Flussraten, Lieferung von Reagenzien und "microchannel" Ventile, programmierbare Elektro-Optik, wie z.B. Spatial Light Modulators (SLM), Laserarrays, Scanner, die das Messsignal aus jeder der genannten Vielzahl der programmierbaren Bereiche beeinflussen, wobei eine derartige Optimierung für jeden der genannten programmierbaren Bereiche unabhängig ausgeführt werden kann.
38. Ein Verfahren nach Anspruch 29 zur Verringerung der Bildsensor-Kosten durch: werkseitige Beschreibung von sensorbezogener Leistungsinformation mit nichtflüchtiger Speicherung dieser Information in der genannten Vorrichtung, zusammen mit der Verwendung dieser Information während des Betriebs für Echtzeitanpassung und „in-line" Datenkorrektur durch genannten Prozessormechanismus und adaptive Steuerung in Echtzeit von irgendwelchen oder allen anderen Parametern, so dass die Beleuchtung des genannten Bildsensors in Bezug auf die Betriebsbereiche dieses Bildsensors optimiert wird.
39. Ein Verfahren nach Anspruch 29 für die Erreichung einer konsistenten Leistung zwischen den Einheiten innerhalb spezifizierter Grenzen durch Kalibrierung im Werk und/oder Beschreibung der Leistung der Vorrichtung, wobei Einheiten einer Vorrichtung zur Zeit der Herstellung unter Verwendung von kalibrierten und genormten Prüfvorrichtungen so charakterisiert werden, dass alle festen Merkmale, wie etwa Bildpunkt/Bildpunkt- oder sensorbereichsabhängige Empfindlichkeit und Unterschiede in spektralen Antworten, Sensorfehler und Abweichungen, Verstärkung und Verstärkungsversatz, festes Rauschmuster, die die Leistung beeinflussen, gemessen und in einem nicht-flüchtigem Speicher in genannter Vorrichtung gespeichert werden, wobei im Betrieb die Ausgangsdaten in Echtzeit während der Datenerfassung unter Verwendung von genannten, gespeicherten Merkmalen, durch genannten Prozessormechanismus kompensiert werden.
40. Ein Verfahren nach Anspruch 29 für die Erreichung einer spezifizierten konsistenten Leistung zwischen den Einheiten durch Kalibrierung im Werk und/oder Beschreibung der Leistung einer Vorrichtung, wobei Einheiten genannter Vorrichtung zur Zeit der Herstellung unter Verwendung von kalibrierter und genormter Prüfvorrichtungen so charakterisiert werden, dass alle festen Merkmale, wie etwa die optische Raum- und Spektralkalibrierung oder Normierung, z.B. Antworten von Lichtmodulatoren im Raum, Laserarrays, Optiken, die die Sys temleistung beeinflussen, gemessen und in einem nicht-flüchtigen Speicher in genannter Vorrichtung gespeichert werden, wobei im Betrieb die Ausgangsdaten in Echtzeit unter Verwendung von genannten gespeicherten Merkmalen durch die genannte Prozessoreinrichtung kompensiert werden.
41. Ein Verfahren nach Anspruch 29 für die Verringerung der Bildsensor-Kosten durch die Tolerierung von Defekten und Antwort-Abweichungen für eine Vorrichtung, wobei die Problemstellen des Sensors und/oder eines anderen Messsystems beschrieben werden, und die resultierenden Kalibrierungsdaten in der genannten Vorrichtung gespeichert werden, wobei die genannte Kalibrierung entweder als eine einmalige Herstellungskalibrierung ausgeführt werden kann oder automatisch durch die Vorrichtung in Echtzeit unter Verwendung von einem programmierbaren Algorithmus durchgeführt werden kann, und wobei die genannte Vorrichtung Echtzeit-Algorithmen während der Datenerfassung verwendet, um die Auslesereihenfolge des genannten einen oder der mehreren Bildsensoren anzupassen oder umzuprogrammieren und/oder Überprüfungen der Parameter, die die Messungen beeinflussen, im geschlossenen Kreis so durchzuführen, dass die Messung für jede Zieleinheit durch solche Problembereiche nur minimal beeinflusst wird.