DE69824858T2

DE69824858T2 - Kalibriersystem für eine photovervielfacherröhre

Info

Publication number: DE69824858T2
Application number: DE69824858T
Authority: DE
Inventors: W. Stephen BROWN; E. Gregory GARDNER; M. Kristine GARNER; M. Carl OLEKSAK; A. James VAUGHT; C. Robert GRAY
Original assignee: Abbott Laboratories
Current assignee: Abbott Laboratories
Priority date: 1997-08-20
Filing date: 1998-08-17
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2018-08-18
Also published as: CA2294188A1; DE69824858D1; JP3255647B2; EP1005630B1; ES2232008T3; WO1999009381A1; JP2000513823A; US5859429A; ATE270426T1; EP1005630A1; CA2294188C

Description

Das Folgende betrifft ein optisches System und sein Betriebsverfahren.
Heutzutage betreiben oder führen eine Reihe von Vorrichtungen wie beispielsweise medizinische Analyser und dergleichen ihre Funktionen durch, indem sie ein Signal beobachten oder lesen. In einigen Fällen kann dieses Signal ein Lichtsignal sein, das durch eine an einem interessierenden Gegenstand angebrachter besonderer Marker oder Markierung erzeugt wird. Um dieses Lichtsignal zu lesen, können diese Vorrichtungen ein optisches System verwenden, das das Lichtsignal sammelt und das gesammelte Lichtsignal an ein Lesegerät wie beispielsweise ein Element leitet, das als Reaktion auf das gesammelte und gelenkte Lichtsignal ein elektrisches Signal erzeugt.
Damit diese Vorrichtungen wie beabsichtigt arbeiten, ist es wünschenswert, das optische System von Zeit zu Zeit zu überprüfen oder zu kalibrieren. Abhängig von der Art der in Frage kommenden Vorrichtung kann diese Prüfung eher schwierig sein. Auch kann das Verfahren oder die Vorrichtung, die zum Überprüfen des optischen Systems verwendet wird, das optische System nicht immer genau prüfen. Entsprechend ist es wünschenswert, ein verbessertes optisches System bereitzusaellen.
Ein optisches System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE-C1-44 22 580 bekannt.
Zusammenfassunng
Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches System, wie im Anspruch 1 definiert, bereit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine weggeschnittene Ansicht eines hierin beschriebenen optischen Systems;
2 ist eine spektrale Verteilung von Acridinium;
3 ist eine Darstellung eines Bildmusters eines Ele ments des optischen Systems aus 1;
4 ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts des optischen Systems aus 1;
5 ist eine graphische Polar-Kurve eines Frequenzgangs um eine Rückkopplungsschleife herum, die das optische System aus 1 umfasst;
die 6 und 7 zeigen jeweils eine Amplituden- und Phasenreaktion einer Übertragungsfunktion mittels Verwendung von Bode-Kurven; und
8 stellt ein Übergangsverhalten des optischen Systems aus 1 in Bezug auf eine Stufen-Eingabe bereit.
Detaillierte Beschreibunng der dargestellten Ausführungsformen
Eine Ausführungsform eines optischen Systems 20 wird in 1 dargestellt. Um der Klarheit eines Verständnisses willen wird das optische System 20 mit Bezug auf eine spezielle Anwendung oder Benutzung erörtert. Zum Beispiel kann das optische System 20 mit den Aufbauten verwendet werden, die in den ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, Seriennummern 08/715.924, 08/715.780 und 08/816.121, am 19. September 1996 angemeldet, offenbart werden. Diese Anmeldungen wurden auf den Inhaber dieses Falls übertragen, und ihre Offenlegungen sind unter Bezugnahme hierin eingeschlossen. Es ist jedoch anzumerken, dass das optische System 20, wenn möglich mit geeigneten Modifikationen, in anderen Anwendungen verwendet werden kann, ohne sich vom Schutzumfang der anliegenden Ansprüche zu lösen.
Für die Zwecke dieser Erörterung wird das optische System 20 verwendet, um Licht, das von einer Markierung wie beispielsweise Lumophor-Molekülen ausgestrahlt wird, die markiert wurden, um Moleküle zu konjugieren, die wiederum ausgebildet wurden, um mit einem spezifischen interessierenden Gegenstand oder mit Analytmolekülen in einer Probe zu reagieren, quantitativ zu erfassen. Die Lumineszenz oder die Erzeugung eines Lichtsignals wird durch das Hinzugeben eines Aktivatorreagensmittels (manchmal als "Auslöser" oder "Trigger" bezeichnet) und die anschließende chemische Reaktion mit irgendwelchen in einem Behälter wie beispielsweise einem Reaktionsgefäß vorliegenden Lumophor-mar kierten Molekülen erreicht. Das während einer solchen Reaktion erzeugte Lumineszenzlicht oder Lichtsignal kann direkt oder indirekt proportional zur Menge des in der Probe vorliegenden Analyten sein, und zwar abhängig von der Art des Assays oder der Bestimmung des interessierenden Elements in der Probe.
Die Erfassung des Lichtsignals kann erfüllt werden, indem ein Photonenzählungsmodul zum Messen der chemischen Lumineszens verwendet wird. Das Photonenzählungsmodul kann in einer Ausführungsform einen Detektor wie beispielsweise eine End-Window-Photoelektronenvervielfacherröhre und dergleichen umfassen, die in einem Photonenzählungsmodus arbeitet, und eine Prüfsignal-Quelle für die optische Leistung wie beispielsweise eine Blaulicht ausstrahlende Diode und dergleichen. Die Photovervielfacherröhre wird mithilfe eines Lichtsignalsammlers und -leiters wie beispielsweise einer Quarzschmelze-Lichtröhre und dergleichen optisch mit dem Reaktionsgefäß in einer Lesekammer verbunden. In einer besonderen Ausführungsform schließt ein Verschluss um das Reaktionsgefäß herum ab, um das Umgebungs- oder Umweltlicht abzublocken, wenn das Reaktionsgefäß einmal in der Lesekammer eingeführt ist. Ein Magnet entfernt die Magnetteilchen aus der Suspension und ein Auslöserreagensmittel wird hinzugegeben, um die Lumineszenzreaktion oder die Erzeugung des Lichtsignals einzuleiten.
Die Leistung des optischen Systems kann mittels Verwendung einer Verdünnungsserien von Markierungen, z. B. Acridiniumamid-Standards, bestimmt werden. Relativlichtstärkeeinheiten werden im dynamischen Bereich des Photonenzählungsmoduls gemessen, der, nach Dunkelzählungs-Subtraktion, im Wesentlichen im Bereich von etwa mehreren Millionen bis weniger als etwa 20 liegen kann. Sowohl die Photonenzählungsmodul-Empfindlichkeit an unteren Ende als auch die Linearität am oberen Ende können für eine gegebene Population an optischen Systemen vervielfacht und mit ähnlichen Parametern für Immunassays verglichen werden, die einen geringen Analytenerfassungsgrad und einen weiten Kalibrierungs-Dynamikbereich benötigen.
Jedes Photonenzählungsmodul kann gegen einen Standard kalibriert werden, um Verstärkungs- und Linearitätsänderungen zu korrigieren. Mehrere Datenpunkte werden mittels Verwendung einer Photonreferenz genommen, die beinahe mit einer Spektralverteilung der Markierung, d. h. einem Acridinium und dergleichen, übereinstimmt. Diese Datenpunkte können verwendet werden, um eine Reaktion gegenüber einem Standard zu normalisieren und um einen erforderlichen Linearitäts-Korrekturparameter zu bestimmen.
1 veranschaulicht einen beispielhaften Aufbau einer Ausführungsform eines optischen Systems 20. In dieser Ausführungsform befinden sich Komponenten des optischen Systems 20 in einem Gehäuse 1, das aus einem gegossenen Polymer und dergleichen hergestellt ist. Das Gehäuse 1 beinhaltet eine Labyrinthdichtung 2 an seinem Außenrand. Die Dichtung 2 hält im Wesentlichen die Lichtdichtebedingungen im Inneren des Gehäuses 1 bei.
Das Gehäuse 1 schließt eine Innenkammer 3 ein, die ebenfalls durch eine Labyrinthdichtung 4 umgeben wird. Die Innenkammer 3 bringt Elemente unter, die Licht, das in 1 mit gestrichelten Linien gezeigt wird, aus einer Kalibrierungssignal-Quelle oder Prüfsignal-Quelle 5, die eine Blaulicht-ausstrahlende Diode und dergleichen sein kann, leitet. Die Prüfsignal-Quelle 5 kann an einer Platine 6 angebracht sein, um das Zusammenbauen des optischen Systems 20 zu erleichtern.
Ein Photonenzählungsmodul 7 umfasst eine Photovervielfacherröhre, eine Photovervielfacherröhrenbuchse, eine Spannungsteiler-Schaltung, eine Hochspannungs-Stromversorgung, einen Wechselstrom-Verstärker mit hohem Verstärkungsgrad, einen Diskriminator, eine Referenzspannung, einen Impulsformer und einen Vorskalierer, in 1 um der Klarheit willen nicht gezeigt. Die Ausgabe vom Vorskalierer wird mit einem Hochgeschwindigkeit-Digitalzähler verbunden, der verwendet wird, um eine Anzahl der Photonimpulse zu zählen. Licht wie beispielsweise ein Licht aus der Prüfquelle 5, Lichtsignalausstrahlungen von einer Probe in einem Reaktionsgefäß, usw., wird gesammelt und mittels eines Lichtsammlers und -leiters oder einer Lichtröhre 8 an die Photovervielfacherröhre geführt. Die Lichtröhre 8 wird durch eine Endkappe 9, die die Dichtungen 10 und 11 enthält, in einer gewünschten Ausrichtung gehalten. Die Dichtungen 10 und 11 sen ken die Wahrscheinlichkeit, dass Flüssigkeiten oder andere Kontaminanten in das Gehäuse 1 dringen könnten.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Photonenzählungsmodul 7 die Teilenummer P30CWAD5-07 sein, von THORN EMI Electron Tubes Ltd., Middlesex, England, erhältlich. Die Lichtröhre 8 ist von Collomated Holes, Inc. of Campbell, Kalifornien, erhältlich. Die Prüfquelle 5 kann die Teilenummer NLPB300A sein, von Nichia Chemical Industries, LTD. of Tokushima, Japan.
Die Intensität der Prüfquelle 5 wird geregelt, indem eine Silizium-Photodiode 12 und eine analoge Elektronik verwendet wird, die auf einer Platine 13 angeordnet ist. In einer besonderen Ausführungsform kann die Photodiode 12 die Teilenummer OPT301M sein, von Burr-Brown Corporation of Tucson, Arizona, erhältlich.
Ein Leiter 14 wird von der analogen elektronischen Platine 13 an eine Betriebsplatiene 6 der Prüfquelle 5 geleitet, um der Prüfquelle 5 Strom zuzuführen und um ein System mit geschlossener Regelschleife für die Prüfquelle 5 zu bilden. Die Lichtausgabe der Prüfquelle 5 wird mittels Verwendung eines Diffusors 15 zerstreut, um eine Lambert-Quelle zu erzeugen. In einer speziellen Ausführungsform kann das Material, das den Diffusor 15 umfasst, ein 500 Grobsand-Mattglas und dergleichen sein. Alternative Materialien wie beispielsweise Opalglas und dergleichen können ebenfalls verwendet werden. In einer spezifischen Ausführungsform kann der Diffusor 15 die Teilenummer 55.3000 sein, von Rolyn Optics Company of Covina, Kalifornien, erhältlich.
Die vom Diffusor 15 bereitgestellte Streuung schwächt die Empfindlichkeit des optischen Systems 20 in Bezug zu der Stelle zwischen dem Bild der Prüfquelle 5 und der Silizium-Photodiode 12. Diese Streuung erzeugt ein System von Zufallsbeleuchtung an der Oberfläche der Lichtröhre 8 an der Signal-Eintrittsstelle 30 der Prüfquelle 5 entlang, und macht das optische System 20 daher in Bezug auf Herstellungsvariationen tolerant. Das Signal der Prüfquellen 5 wird nicht auf die Lichtröhre 8 fokussiert; eher beleuchtet das Signal der Prüfquellen 5 einen Teil des Außenflächenbereichs der Lichtröhre 8 an der Eintrittsstelle 30.
Licht, das den Diffusor 15 verlässt, beleuchtet die Sili zium-Photodiode 12, nachdem es durch eine erste Glasplatte 16 geht. Diese erste Glasplatte 16 wirkt als Strahlteiler und wird in einem Winkel versetzt, der etwa 45° zur Linie beträgt, die die Prüfquelle 5 und die Photodiode 12 schneidet. Licht, das auf die Silizium-Photodiode 12 auftrifft, erzeugt einen Photostrom, der proportional zu einer einstellbaren Referenzspannung auf der analogen elektronischen Platine 13 ist.
Ein Teil des Lichts, das auf die erste Glasplatte 16 auftrifft, wird in Richtung zweite Glasplatte 17 reflektiert, die ebenfalls in einem Winkel versetzt liegt, der etwa 45° beträgt. Die zweite Glasplatte 17 reflektiert einen Teil des Lichts, das auf die zweite Glasplatte 17 auftrifft, in Richtung dritte Platte 18, die in einem Winkel versetzt liegt, der etwa 45° beträgt. Nachdem das Licht auf die dritte Glasplatte 18 auftrifft, wird das von der Oberfläche der dritten Glasplatte 18 reflektierte Licht optisch mit einer Seite der Lichtröhre 8 an der Eintrittsstelle 30 gekoppelt. Die Beleuchtungsfläche, die die Lichtröhre 8 an der Eintrittsstelle 30 abschneidet, ist in einer beispielhaften Ausführungsform etwa 49,03 mm² (0,076 Quadrat Zoll). Die Eintrittsstelle 30 wird so an einem Umfangsabschnitt der Lichtröhre 8 positioniert, dass das Signal der Prüfquelle 5 an der Eintrittsstelle 30 im Wesentlichen an einem Radius oder an der Seite der Lichtröhre 8 in die Lichtröhre 8 tritt. Es ist anzumerken, dass das Signal der Prüfquelle 5 im Wesentlichen nicht an der Achse oder an einem Ende der Lichtröhre 8 in die Lichtröhre eingeht.
Das Licht, das auf die Seite- der Lichtröhre 8 auftrifft, wird optisch in die Photovervielfacherröhre gekoppelt, d. h. gesammelt und gelenkt, um die Leistung des Photonenzählungsmoduls 7 zu prüfen. Ein Verschlussmechanismus 19 kann bereitgestellt werden, um eine Photokathode der Photovervielfacherröhre während der Installation, Entfernung, Reinigung, usw. der Lichtröhre 8 vor der direkten Aussetzung an Umgebungslicht zu schützen.
In einer spezifischen Ausführungsform wurde eine Galliumnitrid Blaulicht-emittierende Diode als Prüfquelle 5 ausgewählt, da ihre Ausgabe nahezu oder im Wesentlichen mit der Spektralverteilung von Acridinium übereinstimmt, wie in 2 gezeigt.
Durch die wesentliche Anpassung der Ausgabe der Prüfquelle 5 mit der Spektralverteilung eines mit dem optischen System 20 zu verwendenden gegebenen Markers, wird die Wahrscheinlichkeit zur Fehlererzeugung in der Normalisierung des optischen Systems 20 infolge sich ändernder spektraler Reaktionen der verschiedenen Photovervielfacherröhren reduziert. Allgemeiner erläutert, kann die Prüfquelle 5 so ausgewählt werden, dass das von der Prüfquelle 5 erzeugte Prüfsignal in wichtigen Aspekten im Wesentlichen mit dem Lichtsignal übereinstimmt, das von dem optischen System 20 umfassenden Detektor (Photovervielfacherröhre) erfasst wird.
Ein Bild der Prüfquelle 5 hat ein Muster, das im Wesentlichen dem in der 3 gezeigten gleicht. Das Muster umfasst Ringe verschiedener Intensität 21 und 22 und eine Mitte 23 eines Bildes der Prüfquelle 5. Dieses Muster kann sich infolge von Änderungen beispielsweise im Aufbau der Prüfquelle 5, der Positionierung der Prüfquelle 5, der Positionierung der Photodiode 12 und der Toleranzen der Glasplatten 16 (Strahlteiler), usw. auf der Oberfläche der Silizium-Photodiode 12 verschieben. Diese Änderungen können die Reaktion der Photodiode 12 beeinträchtigen. Die Reaktionsänderungen der Photodiode 12 können wiederum zu einer bedeutenden Steuer-Reaktion-Differenz von einem optischen System 20 zum anderen beitragen.
Um eine Auswirkung dieser Änderungen zu reduzieren, wird der Diffusor 15 vor der Prüfquelle 5 gesetzt. Licht, das auf den Diffusor 15 trifft, wird in alle Richtungen gestreut, wodurch der Eindruck entsteht, dass es, von welchem Winkel auch immer aus betrachtet, dieselbe Helligkeit hat. Ein perfekter Diffusor oder Lambert-Quelle wird an jedem Winkel eine Helligkeit haben, deren Strahlung je Flächeneinheit durch I_o cos q bestimmt wird, worin I_o die Intensität eines Elements des Bereichs in einer zur Fläche senkrechten Richtung ist und q der Winkel zur Oberflächensenkrechten ist. Die Teil-Zerstreuungseigenschaften des Diffusors 15 reichen aus, um eine wirkungsvolle Lambert-Lichtquelle bereitzustellen.
Licht, das den Diffusor 15 verlässt, trifft auf die erste Glasplatte 16 auf, die in einem Winkel von etwa 45° versetzt liegt und als Strahlteiler wirkt, wodurch das einfallende Licht von einem Strahl in zwei Strahlen geteilt wird. Ein Teil des Lichts wird durch die erste Glasplatte 16 übertragen und ein Teil reflektiert. Der Teil des Lichtes, der von der Oberfläche der ersten Glasplatte 16 reflektiert wird, wird durch die Fresnel-Reflektionsgleichung unten wiedergegeben:
worin I und I' die Einfallswinkel und Brechungswinkel sind.
Für das optische System 20, I = 45° und I' ≅ 27,7°. Die Verwendung der obigen Gleichung liefert einen Reflektionswert von etwa 5,3%. Daher wird die Menge an Energie, die an die Photodiode 12 übertragen wird, mit der Gleichung T = 1 – R oder 94,7 gegeben. Das man es dem größten Teil der Energie erlaubt, an die Photodiode 12 übertragen zu werden, dient drei Hauptzwecken:

1) Erlaubt, dass genug Energie an die Photodiode 12 dringt, so dass das Störspannungsverhältnis der Photodiode 12 nicht signifikant ist.
2) Erlaubt, dass die Verstärkung eines Transimpedanzverstärkers einen vernünftigen Wert annimmt.
3) Stellt ein Verfahren zum Dämpfung des Lichts auf einen Pegel bereit, der für das Photonenzählungsmodul 7 annehmbar ist.

Die mehreren Glasplatten, drei in dieser Ausführungsform, stellen ein Mittel zum Lenken des Lichtstrahls von der Prüfquelle 5 an die Lichtröhre 8 zur Verfügung. Jedoch schwächen die mehreren Glasplatten 16, 17 und 18 das von der Prüfquelle 5 ausgestrahlte Licht auf einen Pegel ab, der für das Photonenzählungsmodul 7 akzeptabel ist. An den interessierenden Wellenlängen kann jede Glasplatte 16, 17 und 18 so behandelt werden, als hätten sie eine im Wesentlichen gleichmäßige spektrale Übertragung (neutrale Dichte), wobei eine optische Dichte (O.D.) mit der folgenden Formel wiedergegeben wird:
worin T die Menge der reflektierten Energie ist.
In einer besonderen Ausführungsform hat dann jede Glasplatte 16, 17 und 18 einen O.D.-Wert von etwa 1,276. Der Diffusor 15 hat eine Gesamtübertragung von annähernd 70%, was einem O.D.-Wert von etwa 0,155 gleichkommt. Eine Annäherung der effektiven Gesamtdichte des optischen Systems 20 kann als Summe der einzelnen Dichtegrößen wiedergegeben werden. Daher ist die O.D. des optischen Systems 20 von der Prüfquelle 5 zur Lichtröhre 8 etwa 3,983. Dies bedeutet, dass nur etwa 0,01 des Lichts von der Prüfquelle 5 auf die Seite der Lichtröhre 8 an der Eintrittsstelle 30 auftrifft.
Das Licht, das auf die Seite der Lichtröhre 8 auftrifft, kann als schräge Strahlen behandelt werden. Diese schräge Strahlen rotieren mit jeder Reflektion, wobei die Größe der Rotation von der Eintrittsstelle und dem Winkel abhängig ist. Ein Teil des Lichts wird schließlich aus dem Ende der Lichtröhre 8 am dichtesten zur Photovervielfacherröhre herauskommen.
Die zur Steuerung der Prüfquelle 5 verwendeten elektronischen Geräte werden in 4 gezeigt. Der Eingabestrom und die Steuersignale an die analoge elektronische Platine 13 kommen durch den mit der Bezugsziffer 24 bezeichneten Stecker J1 auf der Platine 13 herein. Die Schaltung benötigt +12Vdc, –12Vdc und die Masse für die Spammung mit einem 16-Bit Digital/Analogwandler (DAC) 25 mit einer seriellen Daten-Schnittstelle, die die folgenden zusätzlichen Leitungen benötigt: Lösche, serielle Datentakt- und serielle Dateneingabesignale. Die Ausgabe vom DAC 25 wird als Referenzspannung verwendet, um die Intensität der Prüfquelle 5 zu steuern, und wird in einem bipolaren Modus mit einem Ausgabebereich von –5Vdc bis +5Vdc betrieben. Der bipolare Modus wurde ausgewählt, um aufgrund der Offset-Spannungen und -Ströme der verschiedenen Komponenten in der Schaltung ein Verfahren zum vollständigen Ausschalten der Prüfquelle 5 bereitzustellen. Dieses Verfahren reduziert einen Bedarf zur manuellen Einstellung der Schaltung, indem es beispielsweise Potentiometer verwendet.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Silizium-Photodiode 12 eine Opto-elektronische Vorrichtung, die eine Photodiode und einen Transimpedanzverstärker auf einem einzigen Chip 26 enthält. Der Strom der Photodiode 12 ist Wellenlängenabhgängig, wird als Ansprechempfindlichkeit in Ampere/Watt (A/W) bestimmt und ist proportional zur Strahlungsleistung (Watt), die auf die Photodiode 12 einfällt. Daher wird der endgültige Strom der Photodiode 12 eine Faltung zwischen der spektralen Ausgabe der Prüfquelle 5 und der Ansprechempfindlichkeit der Photodiode 12. Der Transimpedanzverstärker hat – als Ausgleich zwischen dem Störspannungsverhältnis, der Signalbandbreite und der Beseitigung irgendeines besonderen Platinendesigns oder irgendwelcher Handhabungerfordernisse – eine Verstärkung ausgewählt von etwa 30 × 10⁶. Der Dynamikbereich der Referenzspannung kann eingestellt werden, indem eine Stromversorgung mit dem Strombegrenzungswiderstand 27 der Prüfquelle 5 verbunden und die Spannung so geändert wird, dass ein Zählwert am oberen Linearitätsbereich für das Photonenzählungsmodul 7 erzielt wird.
Die Auflösung der Referenzspannung, oder des niedrigstwertigen Bits (LSB) infolge des DAC 25 kann wie folgt berechnet werden:
Die endgültige Auflösung der Referenzspannung, die verwendet wird, um die Intensität der Prüfquelle 5 zu steuern, wird mittels Verwendung des Widerstands R_A und R_B (4) eingestellt:
Dies senkt den Dynamikbereich der Referenzspannung im Wesentlichen auf den Bereich zwischen –454 mV bis +454 mV. Die Ausgabe des Transimpedanzverstärkers und die Referenzspannung werden am Differenz-Gleichstromverstärker 28 angelegt. Ideale Bedingungen angenommen, und in Kenntnis, dass R1/R8 = R6/R2 ist, reduziert sich die Ausgabespannung auf
Die Ausgabe des Differenz-Gleichstromverstärkers 28 wird am nicht-invertierenden Verstärker 29 angelegt. Wiederum ideale Bedingungen angenommen, wird die Ausgabespannung
Die Kombination dieser zwei Gleichungen ergibt die Spannung, die die Prüfquelle 5 steuert:
Die Spannung des Transimpedanzverstärkers ist: VT = R3 × Iphotodiode [8]worin, aufgrund der Ausgabeskalierung
daher ist die Transimpedanzausgabe gleich der Spannung, die die Prüfquelle 5 betreibt, VT = V2 [10]
Das Einfügen dieses Verhältnisses in die Gleichung [7] oben und die Lösung für V2 zeigen das Verhältnis zwischen der Referenzspannung und der Steuerspannung der Prüfquelle 5:
Bei niedrigen Frequenzen, worin die Verstärkung der Schleife hoch ist, wird die Verstärkung der geschlossenen Schleife durch das Rückkopplungsnetzwerk bestimmt. Gleichung [11] zeigt, dass die Steuerspannung für die Prüfquelle 5 gleich der Referenzspannung ist, wenn die Verstärkung des Rückkopplungsnetzwerks groß ist. Die Lösung der Gleichung [11] ergibt: V2 = 1.00001 VR [12]
Bei niedrigen Frequenzen nähert der Bruchteil im Nenner den Verstärkungsfehler an. Für dieses System ist der Bruchteil im Wesentlichen etwa gleich 100,100 oder 100dB, was einem Verstärkungsfehler von etwa 0,001 gleichkommt.
Tabelle 1 zeigt die Spice Pol/Null-Analyse des Systems mit geschlossener Schleife. Tabelle 1 Spice Plus Version 3.1.6 NAME DER SCHALTUNG OPA627 – START DER BELADUNG PZ Analyse
Verstärkung = 0,90089
Die Analyse zeigt, dass alle Nullen in der linken Ebene (LHP) für eine Minimalphasen-Übertragungsfunktion sind und es keine Pole in der rechten Ebene (RHP) gibt.
5 ist eine graphische Polar-Kurve des Frequenzgangs um die Rückkopplungsschleife herum. Das Nyquist-Stabilitätskriterium wurde an dieser Kurve verwendet, um die Stabilität des linearen Steuersystems zu bestimmen. Wenn ein System keine Pole in der RHP hat, dann ist das Rückkopplungssystem nur dann stabil, wenn die Kontur den –1,0 Punkt nicht umgibt. Für dieses Kriterium stellt die Kurve ein stabiles System mit unbegrenztem Verstärkungssicherheit dar.
Die 6 und 7 zeigen jeweils die Amplituden- und Phasenreaktion der Übertragungsfunktion mittels Verwendung von Bode-Kurven. Die Kurve der Amplitude zeigt, dass die Grenzfrequenz oder 3dB Frequenz etwa 2,5 KHz ist.
Obwohl ein optisches System 20 stabil sein kann, ist es auch wünschenswert zu bestimmen, ob das Übergangsverhalten akzeptabel ist. 8 stellt das Übergangsverhalten des optischen Systems 20 in Bezug auf eine Stufen-Eingabe dar. Das Übergangsverhalten zeigt, dass das sich optische System 20 mit einem geringsten Überschwingen innerhalb von ungefähr 1% in etwa 44 ms einschwingt.
In einem Fall wird die Prüfquelle 5 während der Kalibrierung des Photonenzählungsmoduls 7 mittels Verwendung des DAC 25 auf verschiedene Intensitätspegel im linearen Bereich der Photovervielfacherröhre eingestellt. Vor dem Einschalten der Prüfquelle 5 wird eine Hintergrundlesung vorgenommen. Die Ausgabepulse der Photovervielfacherröhre werden in etwa 3 Sekunden integriert, indem bei jedem Intensitätspegel Intervalle von etwa 0.1 Sekunden verwendet werden. Eine lineare Regression wird an den Daten durchgeführt, um eine Neigung im Relativlichtstärkeeinheiten/DAC zu bestimmen, nachdem sie auf einen korrigierten Standard und Hintergrund normalisiert wurde. Dieser Neigungswert wird dann im optischen System 20 gespeichert.
Während der Initialisierung eines Geräts mittels Verwendung des optischen Systems 20 oder anderer Diagnoseverfahren wird z. B. der DAC 25 inkrementiert, indem der während der Kalibrierung bestimmte selbe Wert verwendet wird. Eine lineare Regression wird erneut an den Daten durchgeführt, um eine Neigung zu bestimmen, nachdem sie normalisiert und der Hintergrund korrigiert wurde. Die Wartung oder Reparatur ist wünschenswert, wenn sich die Neigung um einen vorbestimmten Prozentanteil von der vorbestimmten Neigung ändert.
Obwohl eine spezifische Ausführungsform des optischen Systems 20 beschrieben wurde, um das Verständnis zu erleichtern, ist anzumerken, dass das optische System 20 modifiziert werden kann, um den Besonderheiten einer gegebenen Anwendung nachzukommen.
Wenn technische Merkmale in den Ansprüchen mit Bezugszeichen versehen sind, so sind diese Bezugszeichen lediglich zum besseren Verständnis der Ansprüche vorhanden und dementsprechend stellen solche Bezugszeichen keine Einschränkungen des Schutzumfangs solcher Elemente dar, die nur exemplarisch durch solche Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

Claims

Ein optisches System (20) zum Kalibrieren eines Detektors, das folgendes umfasst: den zu kalibrierenden Detektor (7) zur Erfassung eines Lichtsignals; einen Lichtsignalsammler und -leiter (8), der optisch mit dem Detektor (7) verbunden ist, um das Lichtsignal zu sammeln und das Lichtsignal an den Detektor (7) zu leiten, wobei der Lichtsignalsammler und -leiter (8) eine Außenfläche und ein Ende hat; eine Prüfsignal-Eintrittsstelle (30), die an der Außenfläche des Lichtsignalsammlers und -leiters (8) angeordnet ist; und eine Prüfsignal-Quelle (5), die optisch mit dem Lichtsignalsammler und -leiter (8) verbunden ist, so dass ein durch die Prüfsignal-Quelle (5) erzeugtes Prüfsignal die Prüfsignal-Eintrittsstelle (30) an der Außenfläche des Lichtsignalsammlers und -leiters (8) beleuchtet, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (20) weiter folgendes umfasst einen Diffusor (15), der optisch zwischen der Prüfsignal-Quelle (5) und dem Lichtsignalsammler und -leiter (8) befindlich ist, so dass das durch die Prüfsignal-Quelle (5) erzeugte Prüfsignal zufällig die Prüfsignal-Eintrittsstelle (30) beleuchtet.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin der Detektor (7) eine Photovervielfacherröhre ist.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin der Lichtsignalsammler und -leiter (8) eine Lichtröhre ist.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin das durch die Prüfsignal-Quelle (5) erzeugte Prüfsignal im Wesentlichen mit dem durch den Detektor (8) erzeugten Licht signal übereinstimmt.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin das Prüfsignal blau ist.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin die Prüfsignal-Quelle (5) eine Leuchtdiode ist.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin die Prüfsignal-Quelle (5) eine blaue Galliumnitrid-Leuchtdiode ist.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, worin die Prüfsignal-Eintrittsstelle (30) annähernd 49,03 mm² (0,076 Quadrat Zoll) misst.
Ein optisches System (20), wie in Anspruch 1 definiert, das weiter folgendes umfasst: eine Photodiode (12), die optisch mit der Prüfsignal-Quelle (5) verbunden wird, um das Prüfsignal zu empfangen; und einen Strahlteiler (16), der optisch zwischen der Prüfsignal-Quelle (5) und der Photodiode (12) befindlich ist, um das Prüfsignal so zu teilen, dass ein erster Teil des Prüfsignals optisch an der Prüfsignal-Eintrittsstelle (30) und ein zweiter Teil des Prüfsignals optisch an der Photodiode (12) angelegt wird.
Ein optisches System, wie in Anspruch 1 definiert, worin der Lichtsignalsammler und -leiter (8) einen Radius und eine Längsachse hat, und worin die Prüfsignal-Eintrittsstelle (30) so am Lichtsignalsammler und -leiter (8) angeordnet ist, dass das Prüfsignal in den Lichtsignalsammler und -leiter (8) im Wesentlichen am Radius eindringt.