JP2022541036A - Method and apparatus for measuring optical signal parameters and non-volatile storage media - Google Patents

Method and apparatus for measuring optical signal parameters and non-volatile storage media Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を測定するための方法および装置(43)、ならびに不揮発性コンピュータ可読記憶媒体(111)に関する。既知の方法には、単一光子(13)の信号、すなわち蛍光光子イベント(15)が重畳するやいなや、この方法が使用不可能になるという欠点がある。既知の方法を改良するために、本発明による方法は、次のステップを含んでいる:サンプル(49)における、光信号、特に蛍光の励起のために、所定の測定期間(23)にわたってサンプル(49)を照明するステップ;サンプル(49)から送出された光信号を検出し、光信号の、時間にわたった変化を表す電気信号(3)を提供するステップ;測定期間(23)にわたって、電気信号(3)に基づいて単一の光子イベント(15)を計数し、光子イベント(15)の数(15a)を表すカウンタ値(ΣE)を提供するステップ;測定期間(23)にわたって電気信号(3)を積分し、積分された信号(ΣP)を提供するステップ、および少なくとも、カウンタ値(ΣE)と積分された信号(ΣP)とに基づいて、少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を決定するステップ。本発明による装置(43)は、上述の課題を、これが検出器(1)、積分モジュール(71)、計数モジュール(61)ならびに積分された信号(ΣP)およびカウンタ値(ΣE)に基づいて少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を決定する論理ユニット(77)を含んでいることによって解決する。The present invention relates to a method and apparatus (43) for measuring at least one optical signal parameter (30) and a non-volatile computer readable storage medium (111). The known method has the disadvantage that as soon as the single photon (13) signal, ie the fluorescence photon event (15) is superimposed, the method becomes unusable. In order to improve the known method, the method according to the invention comprises the following steps: For excitation of the light signal, in particular fluorescence, in the sample (49), the sample ( 49); detecting the optical signal emitted from the sample (49) and providing an electrical signal (3) representing the change in the optical signal over time; counting single photon events (15) based on the signal (3) to provide a counter value (ΣE) representing the number (15a) of photon events (15); the electrical signal ( 3) to provide an integrated signal (ΣP) and determining at least one optical signal parameter (30) based at least on the counter value (ΣE) and the integrated signal (ΣP) step to do. The device (43) according to the invention solves the above-mentioned problems at least by The solution is to include a logic unit (77) that determines one optical signal parameter (30).

Description

本発明は、少なくとも1つの光信号パラメータを測定するための方法および装置ならびに不揮発性コンピュータ可読記憶媒体に関する。 The present invention relates to methods and apparatus and non-volatile computer-readable storage media for measuring at least one optical signal parameter.

従来技術の方法は、光源を使用して、反射信号、リン光信号、第二高調波または蛍光などの光信号を励起する。純粋に例として、蛍光の場合、光源のスイッチオンもしくは励起パルスと放出された蛍光光子との間の時間が測定される。ここでは、例えば、TDC(時間-デジタル変換器)が使用可能である。この方法は、「時間相関単一光子計数法」(TCSPC)として知られている。この方法の欠点は、この方法が、レーザーパルスごとに、実質的に1つの光子が生成される光子率に制限されてしまうことである。並列の評価電子機器を含んでいるより複雑で高価な装置によって、1秒あたり約40Mcts(megacounts;10イベント)の光子率までの測定を得ることができる。 Prior art methods use light sources to excite optical signals such as reflected, phosphorescent, second harmonic or fluorescent signals. Purely by way of example, in the case of fluorescence, the time between the switch-on of the light source or excitation pulse and the emitted fluorescence photon is measured. Here, for example, a TDC (time-to-digital converter) can be used. This method is known as "Time Correlated Single Photon Counting" (TCSPC). A drawback of this method is that it is limited to a photon rate at which substantially one photon is generated per laser pulse. Measurements up to photon rates of about 40 Mcts (megacounts; 10 6 events) per second can be obtained with more complex and expensive instruments that include parallel evaluation electronics.

従来技術の他の方法は、光源および生成された光子のトリガ信号を極めて迅速に、すなわち10GHz以上の周波数でスキャンするので、光信号パラメータをデータストリームから求めることができる。 Other prior art methods scan the light source and the generated photon trigger signal very rapidly, ie at frequencies above 10 GHz, so that optical signal parameters can be determined from the data stream.

両方の方法は、単一光子の信号、すなわち蛍光光子イベント同士が重畳するやいなや、制限されてしか使用できなくなるという共通点を有している。 Both methods have in common that they can only be used to a limited extent as soon as single-photon signals, ie fluorescence photon events, overlap.

したがって、本発明の課題は、構造的にシンプルであり、安価であり、また光信号パラメータを高い光子率(>40Mcts/s)で測定することを可能にする、光信号パラメータを測定するための方法および装置を実現することである。 The object of the present invention is therefore to provide a method for measuring optical signal parameters that is structurally simple, inexpensive and allows optical signal parameters to be measured at high photon rates (>40 Mcts/s). It is to implement a method and apparatus.

本発明による方法は、次のステップを含んでいることによって、この課題を解決する。
・サンプルにおける、光信号、特に蛍光の励起のために、所定の測定期間にわたってサンプルを照明するステップ
・サンプルから送出された光信号を検出し、この光信号の、時間にわたった変化を表す電気信号を提供するステップ
・測定期間にわたって、電気信号に基づいて単一の光子イベントを計数し、光子イベントの数を表すカウンタ値を提供するステップ
・測定期間にわたって電気信号を積分し、積分された信号を提供するステップ、および
・少なくとも、カウンタ値と積分された信号とに基づいて、少なくとも1つの光信号パラメータを決定するステップ
The method according to the invention solves this problem by comprising the following steps.
Illuminating the sample over a predetermined measurement period for the excitation of a light signal, in particular fluorescence, in the sample Detecting the light signal emitted by the sample and electrical Counting single photon events based on the electrical signal over a step-measurement period that provides a signal; Integrating the electrical signal over a step-measurement period that provides a counter value representing the number of photon events; and determining at least one optical signal parameter based on at least the counter value and the integrated signal

本発明による装置は、特に顕微鏡であってよく、これが検出器と、積分モジュールと、計数モジュールと、論理ユニットと、を含んでいることによって、上述の課題を解決する。検出器は、入射した光子のシーケンスを表す電気信号を生成し、検出器出力側で出力し、積分モジュールは、測定期間にわたって電気信号を積分し、ここでは、積分モジュールは、ここから結果として生じる積分値(積分された値とも称される)を出力するように構成されており、計数モジュールは、測定期間にわたった電気信号に基づいて、測定期間中に検出された光子イベントの数を計数し、この数を表すカウンタ値を出力し、論理ユニットは、積分値およびカウンタ値に関連して、少なくとも1つの光信号パラメータを決定する。 The device according to the invention may in particular be a microscope, which solves the above-mentioned problem by comprising a detector, an integrating module, a counting module and a logic unit. The detector generates an electrical signal representing the sequence of incident photons and outputs at the detector output, and the integration module integrates the electrical signal over the measurement period, where the integration module results therefrom. The counting module is configured to output an integrated value (also referred to as an integrated value), the counting module counting the number of photon events detected during the measurement period based on the electrical signal over the measurement period. and outputs a counter value representative of this number, and the logic unit determines at least one optical signal parameter in relation to the integral value and the counter value.

さらに、本発明による不揮発性コンピュータ可読記憶媒体は、コンピュータによって実行されると、コンピュータに本発明による方法を実施させる命令を備えたプログラムを含んでいる。 Furthermore, a non-volatile computer-readable storage medium according to the invention contains a program comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform the method according to the invention.

したがって、本発明による方法および本発明による装置は、光源のスイッチオン、すなわち、例えば、励起レーザーパルスと検出された光子イベントとの間の複雑な時間測定が必要ないという利点を有している。本発明による方法は、光信号パラメータを測定するために、もはや区別できない2つ以上の光子イベントの時間的重畳を利用する。すなわち、これは、複数の光子イベントの重畳によって、カウンタ値が積分値よりも小さいという事実に基づいている。むしろ、検出された蛍光寿命の精度は、光子率とともに向上する。特に、平均光子率、すなわち平均の、単位時間あたりに発生する光子が観察される。 The method according to the invention and the device according to the invention thus have the advantage that switching on of the light source, ie for example a complex time measurement between the excitation laser pulse and the detected photon event, is not required. The method according to the invention utilizes the temporal superposition of two or more photon events that are no longer distinguishable to measure optical signal parameters. That is, it is based on the fact that the counter value is less than the integral value due to the superposition of multiple photon events. Rather, the accuracy of the detected fluorescence lifetime improves with photon rate. In particular, the average photon rate, ie the average photons generated per unit time, is observed.

本発明による方法および本発明による装置を、それ自体が有利な他の構成によってさらに改良することができる。個々の構成の技術的特徴を任意に互いに組み合わせる、もしくは省略された技術的特徴によって得られる技術的効果が重要でないという条件で、省略することができる。 The method according to the invention and the device according to the invention can be further improved by other configurations which are advantageous in themselves. Technical features of individual configurations may be arbitrarily combined with each other or omitted, provided that the technical effect obtained by the omitted technical features is not significant.

この方法を、特に顕微鏡を用いて実施することができる。したがって、相応の装置は、特に顕微鏡であってよい。 This method can in particular be carried out using a microscope. A corresponding device can therefore be, in particular, a microscope.

単一の光子イベントの計数を、好ましくはデジタイザを使用して、より好ましくはコンパレータを使用して実行することができる。したがって、これは相応の装置に設けられていてよい。 Counting of single photon events can be performed preferably using a digitizer, more preferably using a comparator. It can therefore be provided in a corresponding device.

測定期間にわたるサンプルの照明は、特に周期的な光パルスを使用して、時間の経過とともに変調されて行われてよい。ここでは特に、パルスレーザー、短パルスレーザーまたは超短パルスレーザーが適切な光源である。パルスダイオードレーザーは、(例えば、固体レーザーと比較して)より小さく、容易に駆動制御できるので、特に好ましく使用され得る。パルスファイバレーザーも使用可能である。 The illumination of the sample over the measurement period may be modulated over time, in particular using periodic light pulses. Pulsed lasers, short-pulsed lasers or ultra-short-pulsed lasers are particularly suitable light sources here. Pulsed diode lasers may be particularly preferably used because they are smaller (eg compared to solid-state lasers) and can be easily controlled. Pulsed fiber lasers are also available.

そのようなパルス光源を含んでいる照明ユニットは、装置内に設けられていても、外部に提供されてもよい。任意の持続時間を測定期間として選択することができ、好ましくは、光パルスの複数の周期を含んでいる測定期間を選択することができる。これには、パルス光源から容易にトリガがタップ可能であるという利点を有している。 A lighting unit containing such a pulsed light source may be provided within the device or provided externally. Any duration can be selected as the measurement period, preferably a measurement period comprising multiple periods of the light pulse. This has the advantage that the trigger can be easily tapped from the pulsed light source.

好ましくは、単一の入射した光子を検出することができ、各入射した光子に対して光子イベントを、検出器の出力された電気信号において生成する検出器が、検出器もしくは光子検出器として使用される。以降では、検出器、特に検出器の出力された電気信号において蛍光光子イベントを生成する蛍光光子のみに言及する。本記載は、蛍光光子および相応の蛍光パラメータに基づいているが、本発明はこれらに限定されない。これらの記載を、別の様式で、例えば反射、リン光または2光子プロセスによって生成された光子および相応の光信号パラメータに転用することもできる。 Preferably, a detector capable of detecting a single incident photon and generating a photon event for each incident photon in the output electrical signal of the detector is used as the detector or photon detector. be done. In the following, reference will only be made to fluorescence photons that generate fluorescence photon events in the detector, in particular the output electrical signal of the detector. Although the description is based on fluorescence photons and corresponding fluorescence parameters, the invention is not limited thereto. These descriptions can also be transferred in other ways, for example to photons generated by reflection, phosphorescence or two-photon processes and corresponding optical signal parameters.

光電子増倍管または光電子増幅管(英語でphotomultiplier tube、PMT)とも称される特殊な電子管を使用することができる。これらは、純粋な半導体検出器、PMTハイブリッド検出器またはSiPM(シリコン光電子増倍管)であってもよい。 Special electron tubes, also called photomultiplier tubes or photomultiplier tubes (in English photomultiplier tubes, PMTs) can be used. These may be pure semiconductor detectors, PMT hybrid detectors or SiPMs (silicon photomultiplier tubes).

検出器は、サンプルから送出された光、例えば蛍光光を検出し、入射した光子、例えば蛍光光子のシーケンスもしくは変化を表す電気信号を生成する。電気信号は、検出器出力側で出力され、多数の光子イベント、例えば、互いに時間的に分離されていてよい、または互いに重畳されていてよい蛍光光子イベントを含んでいてよい。 The detector detects light, eg, fluorescent light, emitted from the sample and produces an electrical signal representative of the sequence or variation of incident photons, eg, fluorescent photons. The electrical signal is output at the detector output and may include multiple photon events, eg fluorescence photon events, which may be temporally separated from one another or may be superimposed on one another.

次に、積分モジュールを用いて、測定期間中に検出器で検出されたすべての光子、例えば蛍光光子が信号から求められ、この数に比例する信号が提供される。この信号は、相対的な光子値を表すことができる。 An integration module is then used to determine from the signal all photons, for example fluorescence photons, detected at the detector during the measurement period and to provide a signal proportional to this number. This signal can represent relative photon values.

電気信号を、電気信号が積分される光子計数経路と、電気信号の単一の光子イベントが計数されるイベント計数経路と、に分けることができる。積分モジュールにおいて、検出されたすべての光子に比例する信号が求められる、これに対して、計数モジュールにおいて、測定期間中に検出された光子イベントの数が求められ、この数を表すカウンタ値の形態で提供される。 An electrical signal can be divided into a photon-counting path, where the electrical signal is integrated, and an event-counting path, where single photon events of the electrical signal are counted. In the integration module a signal proportional to all detected photons is determined, whereas in the counting module the number of photon events detected during the measurement period is determined and in the form of a counter value representing this number. provided in

さらに、論理ユニットにおいて、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、特に好ましくは蛍光寿命を、積分された信号およびカウンタ値に基づいて決定することができる。論理ユニットは、単一の論理モジュールもしくはチップの形態で、またはいわゆるフィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)として構成されていてよい。FGPAは集積回路(IC)であり、ここに(現場で、顧客のところで)論理回路をロードし、この上で実行することができる。 Furthermore, in the logic unit a light signal parameter, preferably a fluorescence parameter, particularly preferably a fluorescence lifetime, can be determined on the basis of the integrated signal and the counter value. The logic units may be configured in the form of single logic modules or chips or as so-called Field Programmable Gate Arrays (FPGA). The FGPA is an integrated circuit (IC) on which logic circuits can be loaded (in the field, at the customer) and executed on it.

本発明による不揮発性コンピュータ可読記憶媒体は、例えばコンピュータ上で本発明による方法を実行するための命令を備えたプログラムを含み、これは媒体から読み取られ、上述のFPGAまたはコンピュータのメモリにロードされてよい。 A non-volatile computer readable storage medium according to the invention contains, for example, a program comprising instructions for executing the method according to the invention on a computer, which is read from the medium and loaded into the above mentioned FPGA or computer memory. good.

本発明による方法は、単一の光子イベント、例えば、電気信号の単一の蛍光光子イベントを測定期間にわたって計数し、光子イベント、例えば単一の蛍光光子イベントの数を表すカウンタ値を提供することをさらに含んでいてよい。このために、カウンタ値を出力するインクリメンタルエンコーダが装置内に設けられていてよく、カウンタ値はデジタルまたはアナログの形態で存在していてよく、光子イベント、例えば単一の蛍光光子イベントの数を表す。特に、カウンタ値は、測定期間の終了時、すなわち、次の測定期間の開始時にリセットされてよい。 A method according to the invention comprises counting single photon events, e.g. single fluorescence photon events of the electrical signal over a measurement period and providing a counter value representing the number of photon events, e.g. single fluorescence photon events. may further include To this end, an incremental encoder may be provided in the device that outputs a counter value, which may be present in digital or analog form and represents the number of photon events, e.g. single fluorescence photon events. . In particular, the counter value may be reset at the end of the measurement period, ie at the start of the next measurement period.

本発明による方法は、測定期間にわたって電気信号を積分し、測定期間中に累積された、検出されたすべての蛍光光子の光子数を表す積分された信号を提供することを含んでいる。 A method according to the invention includes integrating an electrical signal over a measurement period to provide an integrated signal representative of the photon count of all detected fluorescence photons accumulated during the measurement period.

多くの光子検出器は、検出された光子ごとに電気パルスを生成し、そのレベルは、光子のエネルギに関連していない。異なる波長の光子は信号に基づいて区別することはできないが、同時に入射する光子のパルスが信号において加算されるため、例えば、同時に入射する2つの光子の積分された信号は、単一光子の積分された信号の2倍になる。 Many photon detectors produce an electrical pulse for each photon detected, the level of which is not related to the photon's energy. Photons of different wavelengths cannot be distinguished based on the signal, but because pulses of photons incident at the same time add in the signal, for example, the integrated signal of two photons incident at the same time is the integral of a single photon twice the signal applied.

積分された信号を、積分器または積分モジュールを使用して取得することができる。積分器または積分モジュールは、もはや、電気信号の単一の光子イベント、例えば単一の蛍光光子イベントを十分に大きな時定数で区別せず、これらを測定期間にわたって積分する。 An integrated signal can be obtained using an integrator or integration module. The integrator or integration module no longer distinguishes single photon events of the electrical signal, eg single fluorescence photon events, with a sufficiently large time constant and integrates them over the measurement period.

言い換えると、計数モジュールにおいて電気信号は閾値と比較され、閾値を超え、これに続いて閾値を下回る場合に、カウンタの読み取り値が1つ増加する。したがって、同時に入射する光子、例えば蛍光光子は、時間的に重畳する光子イベント、例えば、一度だけ閾値を超え、下回る、時間的に重畳する蛍光光子イベントを生じさせ、光子イベント、特に蛍光光子イベントのカウンタを1つぶん増加させる。 In other words, in the counting module the electrical signal is compared with a threshold value and the reading of the counter is incremented by one if the threshold value is exceeded and subsequently falls below the threshold value. Thus, simultaneously incident photons, e.g. fluorescence photons, give rise to temporally overlapping photon events, e.g. Increment the counter by one.

これに対して、積分経路では、電荷などの量的変数が評価される。したがって、同時に入射する2つの蛍光光子は、積分経路において、個別に入射する蛍光光子の2倍の高さの信号を生成する。 In contrast, the integration path evaluates quantitative variables such as charge. Thus, two fluorescence photons incident at the same time will produce a signal twice as high in the integration path as fluorescence photons incident individually.

したがって、測定期間内に求められた積分値(すなわち、積分された信号)は、すべての、検出された光子、特に検出された蛍光光子の累積された光子数を表す。 Therefore, the integrated value (ie the integrated signal) determined within the measurement period represents the accumulated photon count of all detected photons, especially detected fluorescence photons.

本発明による方法の有利な構成では、積分と計数とを並行して行うことができる。さらに、積分と計数とは好ましくは付加的に同時に行われる。 In an advantageous configuration of the method according to the invention, integration and counting can take place in parallel. Furthermore, integration and counting are preferably additionally performed simultaneously.

さらに、この方法は、単一の蛍光光子イベントの数から、すなわち、カウンタ値および積分された信号から、比率値を計算することを含んでいてよい。本開示の方法または装置のすべての構成において、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、特に好ましくは蛍光寿命を求めるために、3つの変数、すなわちカウンタ値、積分された信号および比率値を、任意の、例えば2つの対で利用することができる。したがって、(1)カウンタ値および積分された信号、(2)カウンタ値および比率値、または(3)積分された信号および比率値は、光信号パラメータにつながり得る。したがって、組み合わせ(1)、(2)または(3)の1つ、または光信号パラメータを求めるための他の変数の組み合わせに関連する本開示の説明は、本文中で明示的に除外されない限り、これらの3つの変数の別の任意の組み合わせに転用可能であり、挙げられた各組み合わせに限定されない。 Additionally, the method may include calculating a ratio value from the number of single fluorescence photon events, ie from the counter value and the integrated signal. In all configurations of the method or apparatus of the present disclosure, the three variables, namely the counter value, the integrated signal and the ratio value, are combined with any , for example in two pairs. Thus, (1) counter value and integrated signal, (2) counter value and ratio value, or (3) integrated signal and ratio value can lead to optical signal parameters. Accordingly, descriptions of this disclosure relating to one of combinations (1), (2) or (3), or other combinations of variables for determining optical signal parameters, unless expressly excluded in the text: Any other combination of these three variables is transferable and is not limited to each combination listed.

光信号パラメータ、好ましくは、例えば蛍光寿命などの蛍光パラメータを決定するための較正データは、テーブル(LUT:ルックアップテーブル)または式に格納されていてよい。例えば、積分された信号および計数された信号(カウンタ値)の値の対ごとに、属する蛍光寿命が格納されていてよく、したがって、純粋に例として、2つの測定値が存在している場合には、蛍光寿命が直接示されてよい(較正LUT)。2次元LUTが、すべての値の対の可能な組み合わせよりも少ない格子点を含んでいてもよい。この場合には、純粋に例として、蛍光寿命などの光信号パラメータを、存在する格子点から補間することができる。 Calibration data for determining optical signal parameters, preferably fluorescence parameters such as fluorescence lifetimes, may be stored in tables (LUTs: look-up tables) or formulas. For example, for each value pair of integrated signal and counted signal (counter value) the attributed fluorescence lifetime may be stored, thus purely by way of example if there are two measurements may directly represent the fluorescence lifetime (calibration LUT). A two-dimensional LUT may contain fewer grid points than all possible combinations of value pairs. In this case, purely by way of example, optical signal parameters such as fluorescence lifetimes can be interpolated from the existing grid points.

さらに、純粋に例として、蛍光寿命などの光信号パラメータを求めることができない信号の対が存在する可能性がある。これは、例えば、信号が極めて小さい場合に当てはまる。 Furthermore, purely by way of example, there may be signal pairs for which optical signal parameters such as fluorescence lifetime cannot be determined. This is the case, for example, if the signal is very small.

本発明による方法および本発明による装置を用いて、別の構成において、少なくとも1つの別の光信号パラメータが決定されてよい。例えば、蛍光パラメータが決定される場合、蛍光寿命に加えて、さらに他の信号が生成されてよい。例として、2つの信号(積分された信号/計数された信号)の組み合わせから、改良された強度信号が生成され得る。構造およびデータ経路は変更不可能であり、強度信号の計算に合わせることができるのは、計算規則/較正LUTのみである。そのような構成は、電気信号の強度を決定するために冗長性が設けられており、例えば、積分によって求められた、積分された信号が、その正確性に関してチェック可能であり、求めた際の偏差またはエラーが識別可能であるという利点を有している。 At least one further optical signal parameter may be determined in another configuration using the method according to the invention and the device according to the invention. For example, when fluorescence parameters are determined, further signals may be generated in addition to fluorescence lifetime. As an example, an improved intensity signal can be generated from a combination of two signals (integrated signal/counted signal). The structure and data path cannot be changed, only the calculation rule/calibration LUT can be adapted to the calculation of the intensity signal. Such an arrangement provides redundancy for determining the strength of the electrical signal, e.g. the integrated signal determined by integration can be checked for its correctness and the It has the advantage that deviations or errors are identifiable.

したがって、方法のこの構成を実行するための装置は、測定期間中に電気信号を積分し、積分値を出力する積分モジュールと、光子イベントを計数し、カウンタ値を出力する計数モジュールと、任意選択に、除算モジュールと、を含んでいてよい。除算モジュールは、計数モジュールのカウンタ値と積分モジュールの積分された信号とから比率値を計算し、比率値を出力するために設けられており、この場合には論理ユニットは、例えば蛍光寿命などの光信号パラメータを、積分された信号およびカウンタ値、または積分された信号(または択一的にカウンタ値)および比率値にも関連して決定するように構成されていてよい。 Accordingly, the apparatus for carrying out this aspect of the method comprises an integration module that integrates the electrical signal during a measurement period and outputs an integrated value, a counting module that counts photon events and outputs a counter value, and optionally may include a division module; A division module is provided for calculating a ratio value from the counter value of the counting module and the integrated signal of the integration module and for outputting the ratio value, in which case the logic unit is for example the fluorescence lifetime. It may be configured to determine the optical signal parameter in relation to the integrated signal and the counter value, or the integrated signal (or alternatively the counter value) and also the ratio value.

したがって、この方法を、これが、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を、積分された電気信号およびカウンタ値に基づいて決定することを含んでいることによって、さらに改良することができる。任意選択的に、比率値は、カウンタ値または積分された信号と組み合わせて、光信号パラメータを決定するために使用されてよい。換言すれば、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命は、異なる構成において、それぞれ2つの変数から決定されてよい。これらの変数は、例えば、積分された信号およびカウンタ値であってよく、カウンタ値および比率値であってよく、または積分された信号および比率値であってもよい。 Therefore, the method can be further improved in that it includes determining an optical signal parameter, preferably a fluorescence parameter, such as fluorescence lifetime, based on the integrated electrical signal and the counter value. Optionally, ratio values may be used in combination with counter values or integrated signals to determine optical signal parameters. In other words, an optical signal parameter, preferably a fluorescence parameter, eg fluorescence lifetime, may be determined from two variables respectively in different configurations. These variables may be, for example, an integrated signal and a counter value, a counter value and a ratio value, or an integrated signal and a ratio value.

カウンタ値および積分された信号による光信号パラメータの決定は、本発明による方法もしくは本発明による装置の好ましい構成を表しているが、光信号パラメータを決定するための他の変数の組み合わせを排除するものではない。 Determination of the optical signal parameter by the counter value and the integrated signal represents a preferred configuration of the method according to the invention or the device according to the invention, excluding other combinations of variables for determining the optical signal parameter. is not.

本発明による方法の別の構成では、これは、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を、積分された信号およびカウンタ値を用いて計算することを含んでいる。 In another configuration of the method according to the invention, this comprises calculating an optical signal parameter, preferably a fluorescence parameter, eg fluorescence lifetime, using the integrated signal and the counter value.

したがって、方法のこの構成を実行するための本発明による装置は、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を、積分された信号およびカウンタ値を用いて計算する計算ユニットを含んでいてよい。 A device according to the invention for carrying out this aspect of the method may therefore comprise a calculation unit for calculating an optical signal parameter, preferably a fluorescence parameter, eg a fluorescence lifetime, using the integrated signal and the counter value. .

同様に、特別な構成では、計算ユニットは、事前に格納されている分析計算規則(分析曲線)を用いて光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を計算するために、カウンタ値(または択一的に、積分された信号)および比率値(積分された信号とカウンタ値との比)を使用することができる。 Similarly, in a special configuration, the computation unit uses pre-stored analytical computation rules (analytic curves) to compute optical signal parameters, preferably fluorescence parameters, e.g. fluorescence lifetimes, counter values (or Alternatively, an integrated signal) and a ratio value (the ratio of the integrated signal and the counter value) can be used.

計算ユニット自体が除算モジュールを含んでいることが可能であるので、必要なすべての計算ステップを1つのユニットにまとめることができる。 Since the calculation unit itself can contain a division module, all necessary calculation steps can be combined in one unit.

択一的にまたは付加的に、本発明による方法の別の構成において、さらに、事前に格納されているデータを用いて、積分された信号とカウンタ値とに関連して、光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を決定することが設けられていてよい。 Alternatively or additionally, in another configuration of the method according to the invention, further, using pre-stored data, optical signal parameters, in particular Determining a fluorescence parameter, such as fluorescence lifetime, may be provided.

したがって、方法のこの構成を実行するための本発明による装置は、積分された信号、カウンタ値および光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命の相互に割り当てられている基準値のデータセットを格納するための少なくとも1つのメモリモジュールを含んでいてよい。 Therefore, the device according to the invention for carrying out this aspect of the method stores data sets of mutually assigned reference values of integrated signals, counter values and optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, e.g. fluorescence lifetimes. may include at least one memory module for

事前に格納されているデータは、2次元または3次元のデータセットの形で存在していてよい。このデータセットもしくはこのデータマトリックスは、積分された電気信号(すなわち積分値)およびカウンタ値(任意選択的にカウンタ値および比率値、または択一的に積分された信号および比率値)を含んでいてよく、これらの値の特定の組み合わせに、光信号パラメータ、好ましくは蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を割り当てることができる。 The pre-stored data may exist in the form of two-dimensional or three-dimensional data sets. This data set or this data matrix contains integrated electrical signals (i.e. integral values) and counter values (optionally counter values and ratio values, or alternatively integrated signals and ratio values). Well, a particular combination of these values can be assigned an optical signal parameter, preferably a fluorescence parameter, eg a fluorescence lifetime.

換言すれば、本発明による方法では、カウンタ値(または積分された信号の場合には比率値も)に関連して、積分された信号または比率値を示す一群の測定曲線を仮定することができる。この場合、一群のパラメータは光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命である。カウンタ値および積分された信号(または比率値)を知ることもしくは計算することによって、一群の曲線の代表を求めることができ、一群の曲線のこの代表に属する光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を読み取ることができる。 In other words, the method according to the invention makes it possible to assume a set of measurement curves representing the integrated signal or the ratio value in relation to the counter value (or also the ratio value in the case of an integrated signal). . In this case, the group of parameters are optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, eg fluorescence lifetime. By knowing or calculating the counter value and the integrated signal (or ratio value), a family of curve representatives can be determined and the light signal parameters, in particular fluorescence parameters, e.g. Life can be read.

本発明の別の構成では、この方法は、事前に格納されているデータの補間を含んでいてよく、この場合には、この補間されたデータに基づいて、光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命が決定される。これは、事前に格納されているデータ、例えば積分された信号およびカウンタ値が、固定されている段階付けで格納されるという利点を有している。検出された、積分された信号および/または検出されたカウンタ値が、自身のカウンタ値に関して、事前に格納されている2つの積分された信号および/またはカウンタ値の間にある場合でも、光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命の決定を行うことができる。 In another configuration of the invention, the method may comprise interpolation of pre-stored data, in which case, based on this interpolated data, optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, e.g. Fluorescence lifetime is determined. This has the advantage that pre-stored data, such as integrated signals and counter values, are stored in fixed stepping. Even if the detected integrated signal and/or detected counter value lies between two pre-stored integrated signals and/or counter values with respect to its own counter value, the optical signal Determination of parameters, particularly fluorescence parameters, such as fluorescence lifetime, can be performed.

したがって、この方法のこの構成を実行するための装置は、事前に格納されているデータを補間するための補間モジュールを含んでいてよい。 Accordingly, an apparatus for performing this aspect of the method may include an interpolation module for interpolating pre-stored data.

上述したように、光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を、カウンタ値および積分された信号(もしくは比率値)から直接計算するために、提供された一連の測定曲線の基礎となり得る分析曲線を利用することができる。 Analytical curves that can form the basis of a series of provided measurement curves for directly calculating optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, e.g. fluorescence lifetimes, from counter values and integrated signals (or ratio values), as described above. can be used.

ここで、本発明による方法の別の構成では、単一の光子イベント、例えば単一の蛍光光子イベントのパルス形状および/またはパルス持続時間を求めることおよび/または較正することが設けられていてよい。 Here, another configuration of the method according to the invention may provide for determining and/or calibrating the pulse shape and/or pulse duration of a single photon event, for example a single fluorescence photon event. .

光子イベント、例えば蛍光光子イベントの計数の際に、光子、好ましくは、蛍光の場合の蛍光光子の確率的特性のために、必然的にある程度の確率で、単一の光子イベント、例えば単一の蛍光光子イベントが重畳することもあり、ひいては計数されないイベントが生じることがある。計数されないイベントの確率は、次のものに関連している。
1.一般的に知られている励起照明のパルス周波数
2.積分された信号とパルス周波数とを用いて計算可能な平均光子率
3.単一の光子イベント、例えば蛍光光子イベントのパルス形状およびパルス持続時間
4.光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば励起された蛍光体の蛍光寿命、および
5.検出器のゲーティング
Due to the stochastic nature of photons, preferably fluorescence photons in the case of fluorescence, in counting photon events, e.g. Fluorescence photon events may overlap, resulting in uncounted events. The probability of uncounted events is related to:
1. Pulse frequency of commonly known excitation illumination2. average photon rate, which can be calculated using the integrated signal and pulse frequency;3. 4. Pulse shape and pulse duration for single photon events, eg fluorescence photon events. 5. optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, eg fluorescence lifetimes of excited fluorophores; Detector gating

特に、上記のリストの3.を、本発明による方法のこの構成で求めることができる、または(蛍光が観察される場合)既知の蛍光寿命を有している色素の比較測定によって較正することができる。これによって、計数経路と積分経路との比から、すなわち計数値と積分された信号との比から、直接、励起された色素の光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を得ることが可能になる。 In particular, 3. from the list above. can be determined with this configuration of the method according to the invention, or (if fluorescence is observed) can be calibrated by comparative measurements of dyes with known fluorescence lifetimes. This makes it possible to obtain the optical signal parameters, in particular the fluorescence parameters, e.g. Become.

上記の5.は、検出器の感度を、時間の経過において、励起パルスに関して調整できることを意味している。換言すれば、ゲーティングは、例えば、光信号、例えば蛍光パルスに先行する反射された励起光を抑制するために、計数経路(すなわち、積分中)の特定の時間範囲をマスキングすることを可能にする。 5 above. means that the sensitivity of the detector can be adjusted with respect to the excitation pulse over time. In other words, gating allows masking a certain time range of the counting path (i.e. during integration) in order to suppress the reflected excitation light that precedes the optical signal, e.g. the fluorescence pulse. do.

本発明による方法は、単一の光子イベント、特に単一の蛍光光子イベントのパルス形状および/またはパルス持続時間を考慮して、光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を決定することによって改良され得る。 The method according to the invention is improved by determining an optical signal parameter, in particular a fluorescence parameter, e.g. a fluorescence lifetime, taking into account the pulse shape and/or pulse duration of a single photon event, in particular a single fluorescence photon event. can be

特に、本発明による方法は、サンプルの順次の走査またはスキャンおよびサンプルの、互いに空間的に間隔を置いた領域の光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命の画像の生成をさらに含んでいてよい。 In particular, the method according to the invention may further comprise the sequential scanning or scanning of the sample and the generation of images of optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, e.g. fluorescence lifetimes, of mutually spatially spaced regions of the sample. .

したがって、本発明による方法のこの構成の特別なケースは、蛍光寿命顕微法(英語でfluorescence lifetime imaging microscopy、FLIM)を用いてサンプルを検査する、実行が容易な手法を表している。相応の装置は、蛍光寿命顕微鏡(FLIM)であってよい。 A special case of this configuration of the method according to the invention thus represents an easy-to-implement technique for examining samples using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM in English). A corresponding device may be a fluorescence lifetime microscope (FLIM).

この構成では、スキャン移動または走査移動で、励起光をサンプルにわたって移動させる走査装置またはスキャン装置が設けられていてよい。照明および検出に対して相対的にサンプルを移動させることも可能である。したがって、点ごとに、すなわちピクセルごとに、サンプルの各照明領域の光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命を求め、画像情報として表すことができる。 In this arrangement, a scanning device or scanning device may be provided for moving the excitation light across the sample in a scanning motion or scanning motion. It is also possible to move the sample relative to illumination and detection. Thus, point by point, ie pixel by pixel, a light signal parameter, in particular a fluorescence parameter, eg a fluorescence lifetime, of each illuminated area of the sample can be determined and represented as image information.

特に、そのような方法の構成は、走査型顕微鏡、特に共焦点走査型顕微鏡において使用可能である。 In particular, such a method configuration can be used in scanning microscopes, in particular confocal scanning microscopes.

本発明による方法は、特に、(カウンタ値を求める)計数モジュールにおいて発生する飽和特性に基づいていてよい。これは、計数される光子イベント、例えば計数される蛍光光子イベントの重畳によって引き起こされる。平均光子率はパルスの経過において大きく変化するため、重畳のこの作用は、特に光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命に関連し得る。計数される光子イベント、例えば計数される蛍光光子イベントの幅が、観察される色素の光信号パラメータ、特に蛍光パラメータ、例えば蛍光寿命と同じオーダーの大きさである場合、この作用は特に顕著になり得る。 The method according to the invention may in particular be based on the saturation behavior that occurs in the counting module (which determines the counter value). This is caused by the superposition of counted photon events, eg counted fluorescence photon events. This effect of superposition can be related in particular to optical signal parameters, in particular fluorescence parameters, eg fluorescence lifetime, since the average photon rate varies greatly in the course of the pulse. This effect becomes particularly pronounced when the width of the counted photon event, e.g. the counted fluorescence photon event, is of the same order of magnitude as the optical signal parameter, especially the fluorescence parameter, e.g. the fluorescence lifetime, of the observed dye. obtain.

上述の検出器タイプの場合、パルス持続時間(光子イベント、例えば計数される蛍光光子イベントの持続時間もしくは幅)は、典型的に、1ns~2nsの範囲にある。色素の典型的な蛍光寿命は、一般的に、1ns~5nsである。本発明による方法の別の構成において、電子パルス持続時間を、適切なフィルタリングによって、または閾値の整合によって合わせることができる。これによって、特に有利な蛍光寿命コントラストを得ることができる。 For the detector types mentioned above, the pulse duration (the duration or width of a photon event, eg a fluorescence photon event counted) is typically in the range of 1 ns to 2 ns. Typical fluorescence lifetimes of dyes are generally 1 ns to 5 ns. In another configuration of the method according to the invention, the electronic pulse duration can be adapted by suitable filtering or by threshold matching. This makes it possible to obtain a particularly advantageous fluorescence lifetime contrast.

本発明による不揮発性コンピュータ可読記憶媒体は、特に、コンピュータによって実行されると、コンピュータに、上述の構成のうちの1つの構成による方法を実施させる命令を備えたプログラムを含んでいる。あらゆるタイプの光学式メモリ、磁気式メモリまたはフラッシュメモリをベースにしたデータ担体が、記憶媒体として理解されるべきである。 A non-volatile computer-readable storage medium according to the invention in particular contains a program comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to perform a method according to one of the arrangements described above. A data carrier based on any type of optical memory, magnetic memory or flash memory is to be understood as storage medium.

以降では、本発明による方法および本発明による装置を、例示的な、非限定的な図に基づいて詳細に説明する。ここで、個々の技術的特徴を、従属請求項に従って任意に相互に組み合わせることができる、かつ/または省くことができる。わかりやすくするために、同じ技術的特徴および同じ機能を備えた技術的特徴には、同じ参照記号が付けられている。 In the following, the method according to the invention and the device according to the invention are explained in detail on the basis of exemplary, non-limiting figures. Here, individual technical features can be combined with one another and/or left out arbitrarily according to the dependent claims. For the sake of clarity, the same technical features and technical features with the same function are provided with the same reference symbols.

検出器によって生成された電気信号およびカウンタ値の算出の概略図である。Fig. 2 is a schematic diagram of the electrical signal produced by the detector and the calculation of the counter value; 1.5nsの想定される蛍光寿命のもとでの、4つのパルスによるパルス状励起のシミュレーションの図である。FIG. 13A is a simulation of pulsed excitation with four pulses under an assumed fluorescence lifetime of 1.5 ns. 5nsの想定される蛍光寿命による、図1bのシミュレーションの図である。FIG. 1b is a simulation of FIG. 1b with an assumed fluorescence lifetime of 5 ns; 時間にわたった平均光子率の簡略化された図である。FIG. 4 is a simplified diagram of the average photon rate over time; 蛍光寿命を求めるためのルックアップテーブルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a lookup table for obtaining fluorescence lifetime; 光強度を求めるための概略的なルックアップテーブルを示す図である。FIG. 11 shows a schematic lookup table for determining light intensity; 蛍光寿命を決定するための事前に格納されているデータの概略図である。Schematic representation of pre-stored data for determining fluorescence lifetime. 蛍光寿命を測定するための本発明による装置の構成の概略図である。1 is a schematic diagram of the set-up of an apparatus according to the invention for measuring fluorescence lifetime; FIG. 蛍光寿命を測定するための本発明による装置の別の構成の概略図である。Fig. 3 is a schematic diagram of another configuration of an apparatus according to the invention for measuring fluorescence lifetime; 本発明の方法もしくは本発明の装置の適用範囲の概略図である。1 is a schematic illustration of the scope of application of the method of the invention or of the device of the invention; FIG. 本発明による方法の別の構成の概略図である。Fig. 4 is a schematic diagram of another configuration of the method according to the invention; ゲーティングの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of gating;

次に説明する図は、純粋に例として、蛍光寿命の算出を示している。この説明は、純粋に例示的なものであり、蛍光パラメータの算出、またはより一般的には、光信号パラメータの算出に転用することができる。次の説明は例示的なものであるので、保護範囲を制限するものではない。光信号は、例えば、反射、リン光、蛍光または2光子プロセスによって生成されてよい。 The figures described below show the calculation of the fluorescence lifetime purely by way of example. This description is purely exemplary and can be transferred to the calculation of fluorescence parameters, or more generally to the calculation of optical signal parameters. The following description is exemplary and not intended to limit the scope of protection. Optical signals may be generated by, for example, reflection, phosphorescence, fluorescence or two-photon processes.

図1aは、カウンタ値を求めるために使用される(図3を参照)、検出器1(グラフ右上の図を参照)によって生成された電気信号3の概略図を示している。検出器は、例えば、PMTハイブリッド検出器1aまたはシリコン光電子増倍管1b(英語でSilicon photomultiplier、略してSiPM)として構成されていてよい。 FIG. 1a shows a schematic diagram of the electrical signal 3 generated by the detector 1 (see diagram on the top right of the graph) used to determine the counter value (see FIG. 3). The detector can be configured, for example, as a PMT hybrid detector 1a or as a silicon photomultiplier tube 1b (in English Silicon photomultiplier, abbreviated SiPM).

電気信号3は、例えば、時間9に関連した、電圧5もしくは電流7の経過を表すことができ、理想的なケースでは、測定される暗電流11は無視できる程度のものである。 The electrical signal 3 can, for example, represent the course of the voltage 5 or current 7 in relation to time 9, and in the ideal case the measured dark current 11 is negligible.

光子エネルギE=hvを有する蛍光光子13が検出器1に入射すると、検出器1は蛍光光子イベント15を生成する。これは、仮想された量子効率が1の場合のみである。実際には、蛍光光子イベント15の生成は、量子効率に応じてある程度の確率で発生する。わかりやすくするために、図1aには、いくつかの時間的に分離したイベント15cと時間的に重畳するイベント15bだけが示されている。 Detector 1 generates a fluorescence photon event 15 when a fluorescence photon 13 with photon energy E=hv is incident on detector 1 . This is only for the hypothetical quantum efficiency of unity. In practice, the generation of fluorescence photon events 15 occurs with some probability depending on the quantum efficiency. For clarity, only some temporally separated events 15c and temporally overlapping events 15b are shown in FIG. 1a.

時間的に分離したイベント15cは相互に影響を及ぼさないが、図1aに示されている時間的に重畳するイベント15bは、時間的に分離したイベント15cの電圧もしくは電流7の値の、格段に大きい(ほぼ2倍の)電圧5もしくは電流7の値を生じさせる。 While the temporally separated events 15c do not affect each other, the temporally overlapping events 15b shown in FIG. This produces a large (almost doubled) voltage 5 or current 7 value.

各蛍光光子イベント15は、急峻な立ち上がりエッジ17aおよび指数関数的に立ち下がるエッジ17bを含んでいるパルス形状17ならびにパルス幅もしくはパルス持続時間19を有している。パルス形状17およびパルス持続時間19は、検出器1のパルス応答関数21に対応することに留意されたい。異なる検出器1は、異なるパルス応答関数21を有している。換言すれば、蛍光光子イベント15は、蛍光光子13が検出器1に入射した後の電圧5または電流7の変化を表している。 Each fluorescence photon event 15 has a pulse shape 17 including a sharp rising edge 17a and an exponentially falling edge 17b and a pulse width or pulse duration 19. FIG. Note that pulse shape 17 and pulse duration 19 correspond to pulse response function 21 of detector 1 . Different detectors 1 have different pulse response functions 21 . In other words, fluorescence photon event 15 represents the change in voltage 5 or current 7 after fluorescence photon 13 impinges on detector 1 .

実際の適用では、さらに、検出器1の量子効率またはフィルファクタなどの他のパラメータが顧慮されるべきである。簡単にするために、ここでは、入射する各蛍光光子13が、検出器1において常に厳密に1つの蛍光光子イベント15を生成すると仮定する。 In practical applications, furthermore, other parameters such as quantum efficiency or fill factor of the detector 1 should be taken into account. For simplicity, we assume here that each incident fluorescence photon 13 always generates exactly one fluorescence photon event 15 at the detector 1 .

電気信号3の曲線の下部領域では、所定の測定期間23内の時間9に関連して、検出器1に入射する15個の光子13が破線で示されている。これらは、光子13の数を表す、積分された信号Σに合計されていてよい。積分された信号Σは、メモリユニット25に格納されているものとして概略的に示されている。 In the lower region of the curve of the electrical signal 3, 15 photons 13 incident on the detector 1 are indicated by dashed lines in relation to the times 9 within the predetermined measurement period 23. FIG. These may be summed into an integrated signal Σ P representing the number of photons 13 . The integrated signal Σ P is shown schematically as being stored in memory unit 25 .

さらに、図1aは、図示された実施例において測定期間23を規定する2つの連続する光パルス27を概略的に示している。このことは、2つ以上の蛍光光子13が2つの光パルス27の間で検出されるので、蛍光寿命を測定するための、従来技術から知られている方法の大部分がこの場合には適用できないことを明確に示している。さらに、従来技術では、測定期間ごとに1つの光子への制限が行われることが多い(TCSPC)。光パルス27のシーケンス26は、特に周期的であり得る。 Furthermore, FIG. 1a schematically shows two consecutive light pulses 27 which define the measurement period 23 in the illustrated embodiment. This is because more than one fluorescence photon 13 is detected between two light pulses 27, so most of the methods known from the prior art for measuring fluorescence lifetime apply in this case. It clearly shows that it cannot be done. Furthermore, in the prior art, a limitation to one photon per measurement period is often used (TCSPC). The sequence 26 of light pulses 27 can be particularly periodic.

蛍光光子イベント15を計数するために使用される閾値29が図1aに示されている。電圧5もしくは電流7がこの閾値29を1回超え、この閾値29を1回下回るとすぐに、カウンタ値Σが1つ増加する。カウンタ値Σはまた、メモリユニット25に格納されているものとして概略的に示されている。カウンタ値Σは、電子信号で発生する蛍光光子イベントの数15aを表している。 A threshold 29 used for counting fluorescence photon events 15 is shown in FIG. 1a. As soon as the voltage 5 or the current 7 exceeds this threshold 29 once and falls below this threshold 29 once, the counter value ΣE is incremented by one. The counter value Σ E is also shown schematically as being stored in memory unit 25 . The counter value ΣE represents the number 15a of fluorescence photon events occurring in the electronic signal.

しかし、特に、十分に大きい重畳の場合、時間的に重畳するイベント15bは、複数のそのようなイベント15bが、カウンタ値Σを1つだけ増加させることを生じさせる。十分に大きい重畳は、電圧5または電流7が閾値29を超えた後、別の蛍光光子13の入射前に、まだ閾値29を再び下回っていないことを意味する。 However, in particular for sufficiently large overlaps, events 15b that overlap in time cause a plurality of such events 15b to increment the counter value ΣE by one. A sufficiently large superposition means that after the voltage 5 or current 7 has exceeded the threshold 29 and before another fluorescence photon 13 is incident, the threshold 29 has not yet fallen below the threshold 29 again.

示されている、3つの、時間的に重畳するイベント15bのケースでは、電圧5もしくは電流7は、第3の時間的に重畳するイベント15bの後にはじめて閾値29を下回り、入射する蛍光光子13は3つであるが、カウンタ値Σを1つだけ増加させる。示されている測定期間23においては、カウンタ値Σは11になる。 In the shown case of three temporally overlapping events 15b, the voltage 5 or the current 7 falls below the threshold 29 only after the third temporally overlapping event 15b and the incident fluorescence photons 13 are 3, but increments the counter value ΣE by one. During the measurement period 23 shown, the counter value ΣE is 11.

図1bおよび図1cはそれぞれ、検出器1によって生成された電気信号3を示しており、ここでは、励起に使用されるパルス27は、単に、各点線によって示されている。合計4つの光パルス27のシーケンス26が両方の図に示されている。 Figures 1b and 1c each show the electrical signal 3 generated by the detector 1, where the pulses 27 used for excitation are simply indicated by respective dashed lines. A sequence 26 of a total of four light pulses 27 is shown in both figures.

図示されているシミュレーションでは、650MHzの平均光子率41が想定されている。したがって、図1bおよび図1cに示されている測定期間23は、4つの周期115のパルス状励起の期間を含んでいる。図示された測定期間23の時間9は、約50nsである(したがって、励起に使用されるレーザーシステムは、約75MHzのパルス繰り返し周波数113を有している)。 The simulations shown assume an average photon rate 41 of 650 MHz. Thus, the measurement period 23 shown in FIGS. 1b and 1c comprises four periods 115 of pulsed excitation. Time 9 of the illustrated measurement period 23 is approximately 50 ns (thus the laser system used for excitation has a pulse repetition frequency 113 of approximately 75 MHz).

図1bおよび図1cでは、0.5の電圧5もしくは電流7(任意単位で示されている)の値のもとで、閾値29が記入されている。閾値29は一点鎖線で記入されている。 In FIGS. 1b and 1c, the threshold value 29 is plotted under a value of voltage 5 or current 7 (shown in arbitrary units) of 0.5. The threshold value 29 is entered with a dash-dotted line.

図1bと図1cとは、基礎となる蛍光寿命33においてのみ異なっており、蛍光寿命は図1bの場合には1.5nsであり、図1cの場合には5nsである。蛍光寿命は、蛍光パラメータ30aもしくは光信号パラメータ30を表している。 Figures 1b and 1c differ only in the underlying fluorescence lifetime 33, which is 1.5 ns for Figure 1b and 5 ns for Figure 1c. The fluorescence lifetime represents the fluorescence parameter 30a or the optical signal parameter 30. FIG.

その結果、短い蛍光寿命33のケース(図1b)では、蛍光光子イベント15(これらはそれぞれ個別にマークされているのではなく、全体としてこれらを指す矢印でマークされている)は、高い確率で、各光パルス27の直後に発生する。これに対して、およそ、光パルス27のシーケンス26の周期115の範囲において存在している蛍光寿命33のケース(図1c)では、蛍光光子イベント15は、周期115にわたって分布している。 As a result, in the case of short fluorescence lifetime 33 (Fig. 1b), fluorescence photon events 15 (they are not marked individually, but marked with arrows pointing to them as a whole) have a high probability of , occurs immediately after each light pulse 27 . In contrast, in the case of fluorescence lifetimes 33 ( FIG. 1 c ) lying approximately within period 115 of sequence 26 of light pulses 27 , fluorescence photon events 15 are distributed over period 115 .

両方の場合において、時間的に重畳するイベント15bが観察され、図1bの場合には、より大きな重畳が発生している。 In both cases temporally overlapping events 15b are observed, with a larger overlap occurring in the case of FIG. 1b.

図2a~図2cに基づいて、蛍光寿命33の影響をより詳細に説明する。 The effect of fluorescence lifetime 33 is explained in more detail on the basis of FIGS. 2a-2c.

図2cは、蛍光寿命33を決定するための事前に格納されているデータ31の概略図を示している。 FIG. 2 c shows a schematic representation of pre-stored data 31 for determining fluorescence lifetime 33 .

純粋に例として、一群の曲線37の5つの曲線35a~35eが図2cに示されており、示された曲線35は単に方法をわかりやすく説明するために用いられ、実際に実行される評価の際には、一般的に、事前に格納されているデータセットのみが使用される。 Purely by way of example, five curves 35a-35e of a family of curves 37 are shown in FIG. In practice, generally only pre-stored datasets are used.

曲線35a~35eは、2nsのパルス持続時間19(電子パルス持続時間)を有するSiPM1bのシミュレーションの結果である。1ns~5nsまでのさまざまな蛍光寿命33について、積分された信号Σとカウンタ値Σとから比率値39が計算されており、平均光子率41に対してプロットされている。 Curves 35a-35e are simulation results for SiPM1b with a pulse duration 19 (electron pulse duration) of 2 ns. Ratio values 39 have been calculated from the integrated signal Σ P and the counter value Σ E for various fluorescence lifetimes 33 from 1 ns to 5 ns and plotted against the mean photon rate 41 .

平均光子率41は、積分された信号Σを測定期間23で除算した結果であり、比率値39は約650Mcts/sまでシミュレートされている。 The average photon rate 41 is the result of dividing the integrated signal Σ P by the measurement period 23 and the ratio value 39 is simulated up to about 650 Mcts/s.

本発明による方法が、例えば、500Mcts/sの測定された平均光子率41aおよび4の測定された比率値39a(値39aおよび41aの両方が破線で示されている)を供給する場合、本発明による方法もしくは本発明による装置43(図3を参照)によって、2nsの蛍光寿命33が求められる。 If the method according to the invention provides, for example, a measured average photon rate 41a of 500 Mcts/s and a measured ratio value 39a of 4 (both values 39a and 41a are shown in dashed lines), the or a device 43 according to the invention (see FIG. 3) a fluorescence lifetime 33 of 2 ns is determined.

図1dは、光子率41、より正確には平均光子率41が時間9にわたって示されている簡略化された図を示している。光子率41は指数関数的に低下し、複数の蛍光光子13にわたって平均化されている。 FIG. 1d shows a simplified diagram in which the photon rate 41, or more precisely the average photon rate 41, is shown over time 9. FIG. The photon rate 41 falls off exponentially and is averaged over multiple fluorescence photons 13 .

図1dに示された例では、いくつかの蛍光光子13が互いに重畳しているので、カウンタ値(図示されていない)はここでは4つになるが、積分された信号(これも、図示されていない)に基づいて6つの蛍光光子13が求められているだろう。光子率41の指数関数的低下は、蛍光寿命33に反比例している。すなわち、短い蛍光寿命33は、平均光子率41の急峻な指数関数的低下をもたらす。 In the example shown in FIG. 1d, several fluorescence photons 13 are superimposed on each other, so that the counter value (not shown) is now four, but the integrated signal (also shown (not shown) would have required six fluorescence photons 13 . The exponential decay of photon rate 41 is inversely proportional to fluorescence lifetime 33 . That is, a short fluorescence lifetime 33 results in a steep exponential drop in mean photon rate 41 .

図2aおよび図2bはそれぞれ、ルックアップテーブル117、より正確には、蛍光寿命33を決定するために、事前にルックアップテーブル117に格納されているデータ31を示している。 FIGS. 2 a and 2 b each show the lookup table 117 , more precisely the data 31 previously stored in the lookup table 117 for determining the fluorescence lifetime 33 .

図2aは、一群の曲線37の5つの曲線35a~35eを示している。これらの曲線35a~35eは、方法を説明するために用いられているだけであり、本発明による方法においては示されておらず、事前に格納されているデータセットが使用される。 FIG. 2a shows five curves 35a-35e of the family of curves 37. FIG. These curves 35a-35e are only used to explain the method and are not shown in the method according to the invention, where pre-stored data sets are used.

曲線35a~35eは、2nsのパルス持続時間19を有しているSiPM1bのシミュレーションの結果である。図2aでは、カウンタ値Σが、積分された信号Σにわたって示されている。したがって、カウンタ値Σおよび積分された信号Σに対する、本発明による方法において求められたセットもしくは値の対を使用して、蛍光寿命33を求めることができる。図2aの蛍光寿命33を求めるための説明と同様に、図2cに示された図から、蛍光寿命33を求めることができる。 Curves 35a-35e are simulation results for SiPM1b having a pulse duration 19 of 2 ns. In FIG. 2a the counter value ΣE is shown over the integrated signal ΣP . The set or pair of values determined in the method according to the invention for the counter value Σ E and the integrated signal Σ P can therefore be used to determine the fluorescence lifetime 33 . Analogously to the description for determining the fluorescence lifetime 33 in FIG. 2a, the fluorescence lifetime 33 can be determined from the diagram shown in FIG. 2c.

図2bには、ルックアップテーブル117が示されている。以降では、これを略してLUT117と称する。図2bのLUT117は、強度LUT119である。図2bには、平均光子率41にわたって、補正された強度121が示されている。 The lookup table 117 is shown in FIG. 2b. Henceforth, this is called LUT117 for short. LUT 117 in FIG. 2b is intensity LUT 119 . The corrected intensity 121 is shown over the average photon rate 41 in FIG. 2b.

平均光子率41を、積分された信号Σおよび測定期間23から計算することができる。 An average photon rate 41 can be calculated from the integrated signal Σ P and the measurement period 23 .

したがって、強度LUT119を用いて、積分によって得られた強度(すなわち、検出された蛍光光子の数)を検証し、必要に応じて補正することができる。 Therefore, the intensity LUT 119 can be used to verify the intensity (ie, the number of fluorescence photons detected) resulting from the integration and correct if necessary.

図1bおよび図1cに示された、蛍光寿命33と比率値39との間の関係は、図2a~図2cにも示されている。図1bの場合のように、蛍光寿命33が短い場合、単一の蛍光光子イベント15が重畳する可能性が高くなり、図1cの場合のように、蛍光寿命33が比較的長い場合よりも、得られるカウンタ値Σは、より低くなる。したがって、一定の平均光子率41を有している、比較的短い蛍光寿命33の場合、比較的小さな被除数、したがって、比較的大きな比率値39が得られ得る。 The relationship between fluorescence lifetime 33 and ratio value 39, shown in FIGS. 1b and 1c, is also shown in FIGS. 2a-2c. When the fluorescence lifetime 33 is short, as in FIG. 1b, the single fluorescence photon events 15 are more likely to overlap than when the fluorescence lifetime 33 is relatively long, as in FIG. 1c. The resulting counter value ΣE will be lower. Thus, for a relatively short fluorescence lifetime 33 with a constant mean photon rate 41, a relatively small dividend and thus a relatively large ratio value 39 can be obtained.

ここで、示されている曲線35a~35eが、明確化のために純粋に例として示されていること、および本発明による方法では、データ31は、より細かい段階付けで、もしくは蛍光寿命33のより小さいステップ幅で、仮定/シミュレートおよび格納されていることがあることを再度、強調しておく。特に、決定される蛍光寿命33(またはより一般的には少なくとも1つの光信号パラメータ30)を、事前に格納されているデータ31から補間することができる。 It should be noted here that the curves 35a-35e shown are shown purely by way of example for the sake of clarity and that in the method according to the invention the data 31 can be obtained with finer grading or with the fluorescence lifetime 33 It is emphasized again that smaller step sizes may have been assumed/simulated and stored. In particular, the determined fluorescence lifetime 33 (or more generally at least one optical signal parameter 30 ) can be interpolated from pre-stored data 31 .

換言すれば、データ31は、積分された信号Σ、カウンタ値Σおよび蛍光寿命33の基準値32として理解されてよく、これらは、好ましくは、互いに割り当てられている。特に、データ31は、少なくとも2次元のデータセット31aとして存在していてよい。 In other words, the data 31 may be understood as the integrated signal Σ P , the counter value Σ E and the reference value 32 of the fluorescence lifetime 33, which are preferably assigned to each other. In particular, the data 31 may exist as an at least two-dimensional data set 31a.

測定値「積分された信号」と「計数された信号」(カウンタ値)とに加えて、結果信号のさらなる改良を可能にする、さらに他の信号も生成され得る。例えば、(平均の)測定されたパルス幅、すなわち立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとの間の時間差がコンパレータで使用され得る。単一のパルスの場合、これは、パルス幅もしくはパルス持続時間19に相応し、図1bでのように、パルスが重畳している場合には、測定されるパルス持続時間は相応に、より長くなるだろう。このようなケースでは、較正データセットは3次元になるだろう。すなわち、3つの入力変数(「積分された信号」/「計数された信号」/「平均パルス持続時間」)の組み合わせに結果信号(例えば蛍光寿命)が割り当てられるだろう。 In addition to the measured values "integrated signal" and "counted signal" (counter value), further signals can be generated that allow further refinement of the resulting signal. For example, the (average) measured pulse width, ie the time difference between the rising edge and the falling edge, can be used in the comparator. In the case of a single pulse, this corresponds to the pulse width or pulse duration 19, and if the pulses overlap, as in FIG. 1b, the measured pulse duration is correspondingly longer. It will be. In such cases, the calibration data set will be three dimensional. That is, a combination of three input variables (“integrated signal”/“counted signal”/“average pulse duration”) will be assigned a resulting signal (eg fluorescence lifetime).

さらに、図2a~図2cは、本発明による方法もしくは本発明による装置43が、特に、平均光子率41が比較的高い場合に、シミュレートされた曲線35のより高い区別可能性を保証し、したがって、好ましくはこの領域において使用可能であることを示している。 Furthermore, FIGS. 2a to 2c show that the method according to the invention or the device 43 according to the invention ensures a higher distinguishability of the simulated curve 35, especially when the average photon rate 41 is relatively high, Therefore, it indicates that it can preferably be used in this region.

図3aに、蛍光寿命33を測定するための本発明による装置43の概略図が示されている。 In FIG. 3a a schematic diagram of an apparatus 43 according to the invention for measuring fluorescence lifetime 33 is shown.

光源45、特にパルス状レーザー光源45aは、サンプル49に入射する光パルス27のシーケンス26の形態で励起光47を放出する。ここでは、検出器1に入射する蛍光光子13(1つだけが記入されている)が生成される。蛍光光子13を収集するのに適している他の光学要素は示されていないが、一般に、装置43の他の構成においては使用されてよい。 A light source 45 , in particular a pulsed laser light source 45 a , emits excitation light 47 in the form of a sequence 26 of light pulses 27 impinging on a sample 49 . Here, fluorescence photons 13 (only one marked) are generated which are incident on the detector 1 . Other optical elements suitable for collecting fluorescence photons 13 are not shown, but may generally be used in other configurations of device 43 .

検出器出力側51で電気信号3が出力され、前置増幅器53に供給され、増幅される。 An electrical signal 3 is output at the detector output 51 and fed to a preamplifier 53 where it is amplified.

増幅器出力側55に増幅された電気信号3aが印加され、これは分割されて、2つの信号レプリカ3bの形態で、計数経路57および積分経路59に供給される。特にSiPM1bを含んでいる他の構成では、この分割がすでに検出器チップ上で行われていてよい。 An amplified electrical signal 3a is applied to the amplifier output 55, which is split and fed to a counting path 57 and an integrating path 59 in the form of two signal replicas 3b. In other configurations, particularly including SiPM1b, this splitting may already be done on the detector chip.

計数経路57は、カウンタ出力側63でカウンタ値Σを出力する計数モジュール61を含んでいる。カウンタ値Σは、蛍光光子イベント15の数を表す。 The counting path 57 includes a counting module 61 which outputs a counter value ΣE at a counter output 63 . The counter value Σ E represents the number of fluorescence photon events 15 .

積分経路59は、すべての、測定期間23において検出器1に入射する蛍光光子13の数13aを求める積分モジュール71を含んでいる。 The integration path 59 includes an integration module 71 which determines the number 13a of all fluorescence photons 13 incident on the detector 1 during the measurement period 23. FIG.

積分された信号Σは、積分器出力側75で出力され、論理ユニット77に供給される。積分モジュール71での積分に基づいて、積分された信号Σは積分値79を表し、これは累積された光子数ΣNを表す。さらに、カウンタ値Σは、すべての、測定期間23の電気信号3において検出された蛍光光子イベント15の数15a、すなわち、すべての、時間的に分離したイベント15cとすべての時間的に重畳するイベント15bとを表す。 The integrated signal Σ P is output at integrator output 75 and supplied to logic unit 77 . Based on the integration in the integration module 71, the integrated signal ΣP represents the integrated value 79, which represents the accumulated photon number ΣN . Furthermore, the counter value Σ E is superimposed in time with all the number 15a of fluorescence photon events 15 detected in the electrical signal 3 in the measurement period 23, i.e. all temporally separated events 15c. event 15b.

図3aに示される装置43の構成では、積分された信号Σおよびカウンタ値Σは、論理ユニット77に転送される。図3aは、本発明による装置の好ましい構成を示している。 In the configuration of device 43 shown in FIG. 3a, integrated signal Σ P and counter value Σ E are forwarded to logic unit 77 . Figure 3a shows a preferred configuration of the device according to the invention.

図3aに示された構成の論理ユニット77は、概略的に示された、互いに接続されている3つのメモリモジュール85を含んでおり、これらはルックアップテーブルモジュール87を形成する。積分された信号Σ、カウンタ値Σおよび蛍光寿命33の基準値32が、これらのメモリモジュール85に格納されており、これらには、測定値と、これらのシミュレートされた値と、を区別するために、下付き文字「sim」が付けられている。 Logic unit 77 of the configuration shown in FIG. The integrated signal Σ P , the counter value Σ E and the reference values 32 of the fluorescence lifetime 33 are stored in these memory modules 85, which contain the measured values and their simulated values. A subscript “sim” is added for differentiation.

図3aに示された構成の本発明による方法では、論理ユニット77は、今度は、測定された積分された信号Σおよび測定されたカウンタ値Σを、シミュレートされた積分された信号ΣP,simおよびシミュレートされたカウンタ値ΣE,simの、ルックアップテーブルモジュール87に格納されている基準値32と比較し、結果としてシミュレートされた蛍光寿命33simを提供する。 In the method according to the invention of the configuration shown in FIG. 3a, the logic unit 77 in turn converts the measured integrated signal ΣP and the measured counter value ΣE into the simulated integrated signal Σ P,sim and the simulated counter value Σ E,sim are compared with reference values 32 stored in the lookup table module 87 to provide the resulting simulated fluorescence lifetime 33 sim .

論理ユニット77は、限定された数の格納されている基準値32を補間することを可能にする補間モジュール89をさらに含んでいる。 Logic unit 77 further includes an interpolation module 89 that allows interpolating a limited number of stored reference values 32 .

論理ユニット77は、強度出力側91で、強度モジュール93によって提供された強度結果95を出力する。この方法で求められた蛍光寿命33detが、寿命出力側97を介して出力される。 Logic unit 77 outputs at intensity output 91 the intensity result 95 provided by intensity module 93 . The fluorescence lifetime 33 det determined in this way is output via lifetime output 97 .

図3aはまた、論理ユニットの第2の構成77aを示しており、これは、例えば、積分された信号Σおよびカウンタ値Σから蛍光寿命33detを求めることができ、付加的に強度結果95を出力することができる計算ユニット107を含んでいる。 Figure 3a also shows a second configuration 77a of the logic unit, which can, for example, determine the fluorescence lifetime 33 det from the integrated signal ΣP and the counter value ΣE , and additionally the intensity result It includes a calculation unit 107 capable of outputting 95.

図3bに示された本発明による装置の構成は、カウンタ出力側63で出力されたカウンタ値Σが除算モジュール69の除算器入力側67に供給されるという点で、図3aの装置とは異なっている。 The configuration of the device according to the invention shown in FIG . 3b differs from the device of FIG. different.

積分器出力側75において出力される積分された信号は、被除数入力側65を介して除算モジュール69に供給され、また、図3aの構成のように、論理ユニット77に供給される。 The integrated signal output at the integrator output 75 is fed via the dividend input 65 to a division module 69 and to a logic unit 77, as in the arrangement of FIG. 3a.

図3bに示された装置43の構成では、除算モジュール69は、比率値出力側83を介して除算モジュール69から論理ユニット77に転送される比率値39を計算する。 In the configuration of device 43 shown in FIG.

図3bの装置の論理ユニット77は、概略的に示された、互いに接続されている3つのメモリモジュール85を含んでおり、これらはルックアップテーブルモジュール87を形成する。積分された信号Σ、比率値39および蛍光寿命33の基準値32が、これらのメモリモジュール85に格納されており、これらには、測定値と、これらのシミュレートされた値と、を区別するために、下付き文字「sim」が付けられている。 The logic unit 77 of the device of FIG. The integrated signal Σ P , the ratio value 39 and the reference value 32 of the fluorescence lifetime 33 are stored in these memory modules 85, which distinguish between the measured values and their simulated values. The subscript "sim" is attached to this purpose.

図3bの本発明による装置の論理ユニット77は、本発明による方法において、今度は、測定された積分された信号Σと、積分された信号Σおよびカウンタ値Σから計算された比率値39と、をシミュレートされた積分された信号ΣP,simおよびシミュレートされた比率値39simのルックアップテーブルモジュール87に格納されている基準値32と比較し、結果としてシミュレートされた蛍光寿命33simを提供する。 Logic unit 77 of the device according to the invention of FIG . 39 and compared to the reference values 32 stored in the lookup table module 87 of the simulated integrated signal Σ P,sim and the simulated ratio values 39 sim , resulting in the simulated fluorescence Provides a lifetime of 33 sim .

図3bに示された構成は、補間モジュール89、強度モジュール93および計算ユニット107も含んでいてよい。図3aにおけるようなカウンタ値Σの代わりに、図3bでは、比率値39が計算ユニット107に入力される。 The arrangement shown in FIG. 3b may also include an interpolation module 89, an intensity module 93 and a calculation unit 107. FIG. Instead of the counter value .SIGMA.E as in FIG. 3a, the ratio value 39 is input to the calculation unit 107 in FIG. 3b.

図3aおよび図3bの装置43は、概略的に示されているように、顕微鏡99、特に(共焦点)走査型顕微鏡99a、特に好ましくは蛍光寿命顕微鏡99b(FLIM)に配置されていてよい。FLIM99bでは、サンプル49がスキャンもしくは走査され、サンプル49の画像101が生成される。ここでは、互いに空間的に間隔を置いた領域103a、103bの求められた蛍光寿命33detが適切な色分布または輝度分布で示されている。 The device 43 of FIGS. 3a and 3b may be arranged in a microscope 99, in particular a (confocal) scanning microscope 99a, particularly preferably a fluorescence lifetime microscope 99b (FLIM), as shown schematically. At FLIM 99b, sample 49 is scanned or scanned to generate image 101 of sample 49. FIG. Here, the determined fluorescence lifetimes 33 det of the spatially spaced regions 103a, 103b are shown in a suitable color or brightness distribution.

顕微鏡99はさらに、不揮発性コンピュータ可読記憶媒体111を読み込むことができるコンピュータ109と接続されていてよく、ここでは、本発明による方法を実施するためのプログラムが、この記憶媒体111上に格納されていてよい。記憶媒体111は、光学式メモリ、磁気式メモリ、またはフラッシュメモリをベースにした記憶媒体111であってよい。 The microscope 99 may furthermore be connected to a computer 109 capable of reading a non-volatile computer-readable storage medium 111, on which the program for implementing the method according to the invention is stored. you can The storage medium 111 may be optical memory, magnetic memory, or flash memory based storage medium 111 .

図4は、本発明による方法もしくは本発明による装置43の適用領域105と、従来技術の代表的な方法、いわゆる時間相関単一光子計数法(TCSPC)の適用領域105と、の概略図を示している。 FIG. 4 shows a schematic diagram of the application area 105 of the method according to the invention or of the device 43 according to the invention and of a representative method of the prior art, the so-called time-correlated single-photon counting (TCSPC). ing.

TCSPCは、約40Mcts/sの平均光子率41まで使用可能であるが、より高い光子率41の場合にはもはや、蛍光寿命33の信頼できる結果を提供しない。 TCSPC is usable up to an average photon rate 41 of about 40 Mcts/s, but for higher photon rates 41 it no longer provides reliable results of fluorescence lifetime 33 .

これに対して、本発明による方法および本発明による装置43の適用領域105は、格段に高い平均光子率41にあり、好ましくは、100~1000Mcts/sを超えるオーダー以上に及んでいる。 In contrast, the application area 105 of the method according to the invention and of the device 43 according to the invention lies at significantly higher mean photon rates 41, preferably ranging from 100 to over 1000 Mcts/s on the order of magnitude or higher.

図5は、本発明による装置43の別の構成のフローチャート123を示している。これは、蛍光寿命33を決定するために、図3aおよび図3bに示された概略的な構造の代わりに使用され得る。 FIG. 5 shows a flowchart 123 of another configuration of device 43 according to the invention. This can be used instead of the schematic structure shown in FIGS. 3a and 3b to determine the fluorescence lifetime 33. FIG.

図5の概略構造も、検出器1、電気信号3が供給される前置増幅器53を含んでいる。2つの信号レプリカ3bは、積分モジュール71もしくは計数モジュール61に供給される。しかし、図5に示された構成では、カウンタ値Σおよび積分された信号Σが、2つの異なるルックアップテーブルモジュール87に供給される。寿命モジュール125は、概略的に図示された寿命LUT127を含んでおり、そのデータは、純粋に例として図2aに示されている。さらに、強度LUT119が内部に存在している強度モジュール129が設けられている。寿命モジュール125は、本発明による方法によって蛍光寿命33を求め、これに対して、強度モジュール129は、強度結果95を出力する。示されていない他の構成では、少なくとも1つの別の光信号パラメータが求められてよい。 The schematic structure of FIG. 5 also includes a detector 1, a preamplifier 53 to which the electrical signal 3 is supplied. The two signal replicas 3b are fed to the integrating module 71 or the counting module 61. FIG. However, in the configuration shown in FIG. 5, the counter value .SIGMA.E and the integrated signal .SIGMA.P are fed to two different lookup table modules 87. The lifespan module 125 contains a schematically illustrated lifespan LUT 127, the data of which is shown purely by way of example in FIG. 2a. Additionally, an intensity module 129 is provided in which the intensity LUT 119 resides. The lifetime module 125 determines the fluorescence lifetime 33 by the method according to the invention, whereas the intensity module 129 outputs the intensity result 95 . In other configurations not shown, at least one additional optical signal parameter may be determined.

任意選択的に、図3aまたは図3bによる構造においてはさらに、ゲーティングモジュール131が設けられていてよく、これは、電気信号3、信号レプリカ3bも、カウンタ値Σおよび積分された信号Σも、特定の時間間隔においてのみ考慮する。 Optionally, in the structure according to FIG. 3a or 3b, a gating module 131 may also be provided, which may also be provided with the electrical signal 3, the signal replica 3b, the counter value ΣE and the integrated signal ΣP are also considered only at certain time intervals.

図6に、ゲーティングモジュール131の機能様式が概略的に示されている。ここではカウンタ値Σは、時間9にわたって示されている。ゲーティングモジュール131を有している構成による本発明の方法では、ゲーティング開始133とゲーティング終了135との間のゲーティング期間134において発生するイベントのみが観察され、考慮される。したがって、例えば、ゲーティング開始133の前に発生する可能性のある、不所望な反射は無視されたままでよく、測定結果を改ざんすることはない。 In FIG. 6 the mode of functioning of the gating module 131 is shown schematically. Here the counter value Σ E is shown over time 9 . In the method of the present invention configured with gating module 131, only events that occur during gating period 134 between gating start 133 and gating end 135 are observed and considered. Thus, unwanted reflections, which may occur, for example, before the gating start 133, can remain ignored and do not falsify the measurement results.

1 検出器
1a PMTハイブリッド検出器
1b シリコン光電子増倍剤(SiPM)
3 電気信号
3b 信号レプリカ
5 電圧
7 電流
9 時間
11 暗電流
13 蛍光光子
13a 検出器に入射する蛍光光子の数
15 蛍光光子イベント
15a 電気信号において発生する蛍光光子イベントの数
15b 時間的に重畳するイベント
15c 時間的に分離したイベント
17 パルス形状
17a 立ち上がりエッジ
17b 立ち下がりエッジ
19 パルス持続時間
21 パルス応答関数
23 測定期間
25 メモリユニット
26 シーケンス
27 光パルス
29 閾値
30 光信号パラメータ
30a 蛍光パラメータ
31 データ
31a データセット
32 基準値
33 蛍光寿命
33det 求められた蛍光寿命
33sim シミュレートされた蛍光寿命
35 曲線
35a~35e 第1の曲線~第5の曲線
39 比率値
39a 測定された比率値
39sim シミュレートされた比率値
41 平均光子率
41a 測定された平均光子率
43 装置
45 光源
45a パルス状レーザー光源
47 励起光
49 サンプル
51 検出器出力側
53 前置増幅器
55 増幅器出力側
57 計数経路
59 積分経路
61 計数モジュール
63 カウンタ出力側
65 被除数入力側
67 除算器入力側
69 除算モジュール
71 積分モジュール
75 積分器出力側
77 論理ユニット
77a 論理ユニットの第2の構成
79 積分値
83 比率値出力側
85 メモリモジュール
87 ルックアップテーブルモジュール
89 補間モジュール
91 強度出力側
93 強度モジュール
95 強度結果
97 寿命出力側
99 顕微鏡
99a 走査型顕微鏡
99b 蛍光寿命顕微鏡(FLIM)
101 画像
103a,103b 互いに空間的に間隔を置いた領域
105 適用領域
107 計算ユニット
109 コンピュータ
111 記憶媒体
113 パルス繰り返し周波数
115 周期
117 ルックアップテーブル/LUT
119 強度LUT
121 補正された強度
123 フローチャート
125 寿命モジュール
127 寿命LUT
129 強度モジュール
131 ゲーティングモジュール
133 ゲーティング開始
134 ゲーティング期間
135 ゲーティング終了
E 光子エネルギ
ΣN 累積された光子数
Σ カウンタ値
Σ 積分された信号
ΣE,sim シミュレートされたカウンタ値
ΣP,sim シミュレートされた積分された信号
1 detector 1a PMT hybrid detector 1b silicon photomultiplier (SiPM)
3 electrical signal 3b signal replica 5 voltage 7 current 9 time 11 dark current 13 fluorescence photons 13a number of fluorescence photons incident on the detector 15 fluorescence photon events 15a number of fluorescence photon events occurring in the electrical signal 15b temporally overlapping events 15c temporally separated events 17 pulse shape 17a rising edge 17b falling edge 19 pulse duration 21 pulse response function 23 measurement period 25 memory unit 26 sequence 27 light pulse 29 threshold 30 light signal parameter 30a fluorescence parameter 31 data 31a dataset 32 reference value 33 fluorescence lifetime 33 det determined fluorescence lifetime 33 sim simulated fluorescence lifetime 35 curves 35a-35e first curve to fifth curve 39 ratio value 39a measured ratio value 39 sim simulated ratio value 41 average photon rate 41a measured average photon rate 43 device 45 light source 45a pulsed laser light source 47 excitation light 49 sample 51 detector output 53 preamplifier 55 amplifier output 57 counting path 59 integration path 61 counting module 63 counter output 65 dividend input 67 divider input 69 division module 71 integration module 75 integrator output 77 logic unit 77a second configuration of logic unit 79 integral value 83 ratio value output 85 memory module 87 lookup table module 89 interpolation module 91 intensity output 93 intensity module 95 intensity result 97 lifetime output 99 microscope 99a scanning microscope 99b fluorescence lifetime microscope (FLIM)
101 image 103a, 103b spatially spaced regions 105 application region 107 computation unit 109 computer 111 storage medium 113 pulse repetition frequency 115 period 117 lookup table/LUT
119 Intensity LUT
121 Corrected Intensity 123 Flowchart 125 Lifetime Module 127 Lifetime LUT
129 intensity module 131 gating module 133 gating start 134 gating period 135 gating end E photon energy ΣN accumulated photon count Σ E counter value Σ P integrated signal Σ E,sim simulated counter value Σ P , sim Simulated integrated signal

Claims (13)

少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を測定するための方法であって、前記方法は、
・サンプル(49)における、光信号、特に蛍光の励起のために、所定の測定期間(23)にわたって前記サンプル(49)を照明するステップと、
・前記サンプル(49)から送出された前記光信号を検出し、前記光信号の、時間にわたった変化を表す電気信号(3)を提供するステップと、
・前記測定期間(23)にわたって、前記電気信号(3)に基づいて単一の光子イベント(15)を計数し、光子イベント(15)の数(15a)を表すカウンタ値(Σ)を提供するステップと、
・前記測定期間(23)にわたって前記電気信号(3)を積分し、積分された信号(Σ)を提供するステップと、
・少なくとも、前記カウンタ値(Σ)と前記積分された信号(Σ)とに基づいて、少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を決定するステップと、
を含んでいる方法。
A method for measuring at least one optical signal parameter (30), said method comprising:
- illuminating said sample (49) for a predetermined measurement period (23) for excitation of a light signal, in particular fluorescence, in said sample (49);
- detecting the optical signal emitted from the sample (49) and providing an electrical signal (3) representative of the variation of the optical signal over time;
- counting single photon events (15) based on said electrical signal (3) over said measurement period (23) to provide a counter value (Σ E ) representing the number (15a) of photon events (15); and
- integrating said electrical signal (3) over said measurement period (23) to provide an integrated signal (Σ P );
- determining at least one optical signal parameter (30) based at least on said counter value (Σ E ) and said integrated signal (Σ P );
method containing.
前記測定期間(23)にわたって前記サンプル(49)を照明するステップを、特に光パルス(27)のシーケンスを使用して、時間の経過とともに変調して行う、
請求項1記載の方法。
illuminating said sample (49) over said measurement period (23), in particular using a sequence of light pulses (27) modulated over time,
The method of claim 1.
前記光信号パラメータ(30)は、前記光信号の蛍光寿命(33)または強度(34)である、
請求項1または2記載の方法。
said optical signal parameter (30) is the fluorescence lifetime (33) or intensity (34) of said optical signal;
3. A method according to claim 1 or 2.
前記積分と前記計数とを並行して行う、
請求項1から3までのいずれか1項記載の方法。
performing said integration and said counting in parallel;
A method according to any one of claims 1 to 3.
前記方法は、前記カウンタ値(Σ)および前記積分された信号(Σ)を用いて、前記光信号パラメータ(30)を計算するステップをさらに含んでいる、
請求項1から4までのいずれか1項記載の方法。
said method further comprising calculating said optical signal parameter (30) using said counter value (Σ E ) and said integrated signal (Σ P );
A method according to any one of claims 1 to 4.
前記方法は、事前に格納されているデータ(31)を用いて、前記カウンタ値(Σ)および前記積分された信号(Σ)に関連して、前記光信号パラメータ(30)を決定するステップをさらに含んでいる、
請求項1から5までのいずれか1項記載の方法。
The method uses pre-stored data (31) to determine the optical signal parameter (30) in relation to the counter value (Σ E ) and the integrated signal (Σ P ). further comprising the steps of
A method according to any one of claims 1 to 5.
前記方法は、単一の光子イベント(15)のパルス形状(17)および/またはパルス持続時間(19)を求めるステップおよび/または較正するステップをさらに含んでいる、
請求項1から6までのいずれか1項記載の方法。
The method further comprises determining and/or calibrating a pulse shape (17) and/or pulse duration (19) of a single photon event (15).
A method according to any one of claims 1 to 6.
前記単一の光子イベント(15)の前記パルス形状(17)および/または前記パルス持続時間(19)を考慮して、前記光信号パラメータ(30)を決定する、
請求項7記載の方法。
determining said optical signal parameters (30) taking into account said pulse shape (17) and/or said pulse duration (19) of said single photon event (15);
8. The method of claim 7.
前記方法は、前記サンプル(49)の順次の走査またはスキャンおよび前記サンプル(49)の、互いに空間的に間隔を置いた領域(103a,103b)の光信号パラメータ(30)の画像(101)の生成をさらに含んでいる、
請求項1から8までのいずれか1項記載の方法。
The method comprises sequential scanning or scanning of the sample (49) and an image (101) of optical signal parameters (30) of spatially spaced regions (103a, 103b) of the sample (49). further includes generation,
A method according to any one of claims 1 to 8.
光信号パラメータ(30)を測定するための装置(43)であって、
前記装置(43)は、検出器(1)と、積分モジュール(71)と、計数モジュール(61)と、論理ユニット(77)と、を含んでおり、
前記検出器(1)は、入射した光子(13)のシーケンス(26)を表す電気信号(3)を生成し、検出器出力側(51)で出力し、
前記積分モジュール(71)は、測定期間(23)にわたって前記電気信号(3)を積分し、前記積分モジュール(71)は、ここから結果として生じる積分された信号(Σ)を出力するように構成されており、
前記計数モジュール(61)は、前記測定期間(23)にわたった前記電気信号(3)に基づいて、前記測定期間(23)中に検出された光子イベント(15)の数(15a)を計数し、前記数(15a)を表すカウンタ値(Σ)を出力し、
前記論理ユニット(77)は、前記積分された信号(Σ)および前記カウンタ値(Σ)に関連して、少なくとも1つの光信号パラメータ(30)を決定する、
装置(43)。
An apparatus (43) for measuring optical signal parameters (30), comprising:
Said device (43) comprises a detector (1), an integrating module (71), a counting module (61) and a logic unit (77),
said detector (1) produces an electrical signal (3) representing a sequence (26) of incident photons (13) and outputs at a detector output (51),
Said integration module (71) integrates said electrical signal (3) over a measurement period (23) so that said integration module (71) outputs therefrom a resulting integrated signal (Σ P ). is composed of
The counting module (61) counts the number (15a) of photon events (15) detected during the measurement period (23) based on the electrical signal (3) over the measurement period (23). and outputting a counter value (Σ E ) representing said number (15a),
said logic unit (77) determines at least one optical signal parameter (30) in relation to said integrated signal (Σ P ) and said counter value (Σ E );
device (43).
前記装置(43)は、前記積分された信号(Σ)および前記カウンタ値(Σ)を用いて、前記光信号パラメータ(30)を計算する計算ユニット(107)をさらに含んでいる、
請求項10記載の装置(43)。
said apparatus (43) further comprising a calculation unit (107) for calculating said optical signal parameter (30) using said integrated signal (Σ P ) and said counter value (Σ E );
Device (43) according to claim 10.
前記装置(43)は、前記積分された信号(Σ)、前記カウンタ値(Σ)および前記光信号パラメータ(30)の相互に割り当てられている基準値(32)のデータセット(31a)を格納するための少なくとも1つのメモリモジュール(85)をさらに含んでいる、
請求項10または11記載の装置(43)。
Said device (43) comprises a data set (31a) of said integrated signal (Σ P ), said counter value (Σ E ) and mutually assigned reference values (32) of said optical signal parameter (30) further comprising at least one memory module (85) for storing
Device (43) according to claim 10 or 11.
コンピュータによって実行されると、前記コンピュータに請求項1から9までのいずれか1項記載の方法を実施させる命令を備えたプログラムを含んでいる不揮発性コンピュータ可読記憶媒体(111)。 A non-volatile computer readable storage medium (111) containing a program comprising instructions which, when executed by a computer, cause said computer to perform the method of any one of claims 1 to 9.
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