Photosensor-Chip, Laser-Mikroskop mit Photosensor-Chip und Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips

Die Erfindung betrifft einen Photosensor-Chip. Im besonderen betrifft die Erfindung einen Photosensor-Chip der einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat.

Ferner betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit Photosensor-Chip. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit mindestens einer Lichtquelle, die einen Beleuchtungslichtstrahl emittiert, der durch die Optik hindurch über eine Scaneinrichtung eine Probe punktweise, punktrasterartig oder zeilenweise beleuchtet, und einem dispersiven Element, das einen von der Probe ausgehenden Detektionslichtstrahl räumlich spektral aufspaltet und zumindest teilweise auf einen lichtempfindlichen Bereich eines Photosensor-Chips richtet.

Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips. Der Photosensor-Chip hat einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet.

Das U.S. Patent 6,038,023 offenbart ein System zur Fluoreszenzdetektion oder Fluoreszenzspektroskopie. Das von eine Probe kommende Licht wird dabei mittels eines Prismas spektral aufgespaltet und auf ein Detektorarray gerichtet. Ebenso beschreibt das U.S. Patent 4,674,880 ein Spektrophotometer, bei dem das zu analysierende Licht auf einen Detektor trifft, der eine Vielzahl von Detektorelementen besitzt.

Die deutsche Patentschrift DE 41 1 1 903 offenbart eine Erfindung zur spektro- skopiekorrelierten Licht-Rastermikroskopie. Der Spektrograph enthält ein ge- kühltes, zweidimensionales CCD-Array, an Hand dessen das Messlicht detek-

tiert wird.

Es gibt drei wesentliche Architekturen von CCD-Chips, nämlich die Fullframe-, Frametransfer- und Interlinetransfer-Chips.

Das spektral aufgespaltete Detektionslicht in einem Laserscan-Mikroskop soll mit einem CCD- oder vorzugsweise EMCCD-Zeilendetektor nachgewiesen werden. Allerdings sind derartige CCD- oder EMCCD-Detektoren nach dem Stand der Technik in Hinblick auf die für viele Anwendungen erforderliche Bildaufnahmerate zu langsam.

Bei den Fullframe-Chips wird die komplette Fläche zur Bilderzeugung genutzt. Wird ein fertig belichtetes Bild ausgelesen, sind die noch nicht ausgelesenen Pixel weiterhin der Belichtung ausgesetzt. Ohne mechanischen Verschluss ergeben sich somit Schmiereffekte.

Beim Frametransfer-Chip ist eine Hälfte der Chipfläche durch eine lichtundurchlässige Maske abgeschirmt. Die Bildinformation wird nach der Belichtung komplett in diesen lichtunempfindlichen Teil des Chips verschoben. Da für diesen Verschiebevorgang wesentlich weniger Zeit benötigt wird als für das anschließende Auslesen des Chips, werden dadurch die Schmiereffekte erheblich reduziert.

Eine weitere Verringerung des Schmiereffektes ist bei den Interlinetransfer- Chips realisiert. Bei diesen ist jede zweite Spalte des Chips lichtundurchlässig maskiert. Das Bild muss nach der Belichtung nur um eine Spaltenbreite verschoben werden.

Bei den Fullframe-Chips ist die minimale Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungsvorgängen, der sogenannte Bildabstand, generell gleich der Auslesezeit der Bildinformation aus dem Chip. Sowohl bei Frametransfer-, als auch bei Interlinetransfer-Chips kann die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Belichtungen höchstens einmalig kürzer sein als die Zeit, die zum Auslesen der Bildinformation benötigt wird. Bei einer Zeitserie mit mehr als zwei Bildern ist auch bei diesen Chips der minimale Abstand zwischen zwei

aufeinanderfolgenden Belichtungen gleich der Auslesezeit der jeweiligen Daten aus den maskierten Bereichen.

Die Bauart von Frametransfer- und Interlinetransfer-Chips ist darauf optimiert, Schmiereffekte, die während des Auslesevorgangs der Bildinformationen ent- stehen können, zu vermeiden. Der minimale Abstand von aufeinanderfolgenden Belichtungen, d. h. der Bildabstand und damit auch letztendlich die Bildwiederholrate wird durch die Bauart dieser Chips nicht beeinflusst.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gegebener Taktrate des CCD- Chips und gegebener Anzahl von Ausleseregistern den minimalen Abstand aufeinanderfolgender Belichtungszeiten zu reduzieren bzw. die Bildaufnahmerate eines Photosensor-Chips zu erhöhen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Photosensor-Chip, der die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop zu schaffen, mit dem bei gegebener Taktrate und Anzahl von Ausleseregistern der Bildabstand reduziert bzw. Bildaufnahmerate eines Photosensor-Chips erhöht wird.

Die objektive Aufgabe wird durch ein Mikroskop gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 12 aufweist.

Zusätzlich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaf- fen, mit dem bei gegebener Taktrate und Anzahl von Ausleseregistern der minimale Bildabstand reduziert bzw. die Bildaufnahmerate eines Photosensor- Chips erhöht wird.

Die objektive Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruchs 25 aufweist. Selbstverständlich laßt sich die Bildaufnahmerate weiter erhöhen, indem man sofern möglich die Auslesezeit reduziert (z.B. durch eine höhere Taktrate oder mehrere parallel angeordnete Ausleseregister).

Es ist von Vorteil, einen Photosensor-Chip derart auszugestalten, dass der lichtunempfindliche Bereich eine Fläche einnimmt, die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht.

Weiterhin ist es vorteilhaft, diesen Photosensor-Chip in einem Mikroskop zu verwenden. Das Mikroskop ist mit mindestens einer Lichtquelle versehen, die einen Beleuchtungslichtstrahl emittiert, der durch die Optik hindurch über eine Scaneinrichtung eine Probe punktweise, punktrasterweise oder zeilenweise beleuchtet. Ein dispersives Element ist im Strahlengang angeordnet, das einen von der Probe ausgehenden Detektionslichtstrahl räumlich spektral auf- spaltet und auf einen lichtempfindlichen Bereich des Photosensor-Chips richtet. Der Photosensor-Chip ist derart ausgestaltet, dass zusätzlich zum lichtempfindlichen Bereich ein lichtunempfindlicher Bereich ausgebildet ist, wobei der lichtunempfindliche Bereich eine Fläche einnimmt, die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht. Hinzu kommt, dass das Verfahren zum Auslesen eines Photosensor-Chips vorteilhaft ist, bei dem der Photosensor-Chip einen lichtempfindlichen Bereich und einen lichtunempfindlichen Bereich ausgebildet hat und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst. Der lichtunempfindliche Bereich wird mit einer Fläche ausgebildet, die mindestens dem zweifachen der Fläche des lichtempfindlichen Bereichs entspricht. Nacheinander wird die zu unterschiedlichen Zeitpunkten entstandene Ladung in den Detektorelementen des Photosensor-Chips des lichtempfindlichen Bereichs in mindestens einen Zwischenspeicherbereich im lichtunempfindlichen Bereich auf dem Photosensor-Chip überführt. Anschließend wird die Information von dort ausgelesen. Der lichtempfindliche Bereich kann als Zeilendetektor ausgebildet sein, und es können mindestens zwei lichtunempfindliche Zeilen als Zwischenspeicher vorgesehen sein.

Eine weitere Ausführungsform des Photosensor-Chips ist, dass die Zeilenzahl des Zwischenspeichers einer Anzahl der einzelnen Detektorelemente des Photosensor-Chips in der lichtempfindlichen Zeile entspricht.

Der lichtempfindlichen Zeile kann auf beiden Seiten ein erster und ein zweiter Zwischenspeicher zugeordnet sein.

In einer weiteren Ausführungsform, kann der lichtempfindliche Bereich des Photosensor-Chips aus einem Block bestehen, der mindestens zwei Zeilen umfasst, und wobei der lichtunempfindliche Zwischenspeicher aus mehreren Blöcken besteht, die jeweils die gleiche Anzahl an lichtunempfindlichen Zeilen umfassen wie der Block der lichtempfindlichen Zeilen. Natürlich können diese mehreren Blöcke körperlich als ein einziger, entsprechend großer Block realisiert sein, aber in der Funktion entsprechend mehreren Blöcken betrieben werden.

Der lichtunempfindliche Bereich des Detektors besitzt vorzugsweise eine Fläche, die mehr als ³ A der Fläche des Detektors abdeckt. Der Photosensor- Chip ist ein CCD-Chip, CMOS-Chip oder besonders vorteilhaft ein EMCCD- Chip. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unter- ansprüchen entnommen werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Scanmikroskops mit einem Photosensor-Chip zum Aufnehmen der Signale aus dem Detektionslicht;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile und mit einem Zwischenspeicher;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile mit zwei Zwischenspeichern; Fig. 4 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einer Detektorzeile und einem Zwischenspeicher mit nicht quadratischen Pixeln;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einem Detektorbereich aus mehreren Detektorzeilen

und mit ebenso angeordneten blockweisen Zwischenspeichern; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips mit einem Detektorbereich aus mehreren Detektorzeilen und mit Binning im Zwischenspeicher.

In Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau eines konfokalen Scanmikroskops 1 , in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung des Photosensor-Chips 19 Verwendung findet. Der von mindestens einem Beleuchtungssystem 2 kommende Beleuchtungslichtstrahl 3 wird von einem Strahlteiler oder einem geeigne- ten Umlenkmittel 5 zu einer Scaneinrichtung 7 geleitet. Bevor der Beleuchtungslichtstrahl 3 auf das Umlenkmittel 5 trifft, passiert dieser ein Beleuch- tungspinhole 6. Die Scaneinrichtung 7 umfasst einen kardanisch aufgehängten Scanspiegel 9, der den Beleuchtungslichtstrahl 3 durch eine Scanoptik 12 und eine Mikroskopoptik 13 hindurch über bzw. durch ein Objekt 15 führt. Der Beleuchtungslichtstrahl 3 wird bei nicht transparenten Objekten 15 über die Objektoberfläche geführt. Bei biologischen Objekten 15 (Präparaten) oder transparenten Objekten kann der Beleuchtungslichtstrahl 3 auch durch das Objekt 15 geführt werden. Zu diesen Zwecken werden nichtleuchtende Präparate ggf. mit einem geeigneten Farbstoff präpariert (nicht dargestellt, da etab- lierter Stand der Technik). Die in dem Objekt 15 vorhandenen Farbstoffe werden durch den Beleuchtungslichtstrahl 3 angeregt und senden Licht in einem ihnen eigenen charakteristischen Bereich des Spektrums aus. Dieses vom Objekt 15 ausgehende Licht definiert einen Detektionslichtstrahl 17. Dieser gelangt durch die Mikroskopoptik 13, die Scanoptik 12 und über das Scanmodul 7 zum Umlenkmittel 5, passiert dieses und gelangt über ein Detek- tionspinhole 18 auf mindestens einen Photosensor-Chips 19, der als CCD- Chip oder EMCCD-Chip ausgeführt ist. Der vom Objekt 15 ausgehende bzw. definierte Detektionslichtstrahl 17 ist in Fig. 1 als gestrichelte Linie dargestellt. Im Photosensor-Chip 19 werden elektrische, zur Leistung des vom Objekt 15 ausgehenden Lichtes weitgehend proportionale Detektionssignale erzeugt. Da, wie bereits oben erwähnt, vom Objekt 15 Licht nicht nur einer Wellenlänge

ausgesandt wird, ist es sinnvoll vor dem Photosensor-Chip 19 ein dispersives Element 20 anzuordnen. Das dispersive Element 20 spaltet der Detektions- lichtstrahl spektral auf, so dass die einzelnen Wellenlängen des Detektions- lichts räumlich spektral getrennt sind. Dem dispersiven Element 20 ist ein Linse 21 vorgeschaltet, die den Detektionslichtstrahl 17 aufweitet und paralle- lisiert. Dem dispersiven Element 20 ist eine weitere Linse 22 nachgeschaltet, die die spektral getrennten Strahlen 24, 25 des Detektionslichtstrahls 17 auf den Photosensor-Chip 19 fokussiert. Die spektral getrennten Strahlen 24, 25 unterscheiden sich hinsichtlich der Wellenlänge und treffen somit auf unter- schiedliche Bereiche auf dem Photosensor-Chip 19.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips 19 mit einer Detektorzeile 30 und mit einem Zwischenspeicher 31 . Der Photosensor- Chip 19 hat einen lichtempfindlichen Bereich 19i und einen lichtunempfindlichen Bereich 19 ₂ ausgebildet. Der lichtunempfindliche Bereich 19 ₂ nimmt eine Fläche ein, die mindestens das zweifache einer Fläche des lichtempfindlichen Bereichs 19τ entspricht. Die Detektorzeile 30 ist im lichtempfindlichen Bereich 19τ ausgebildet, und der Zwischenspeicher 31 ist im lichtunempfindlichen Bereich 19 ₂ ausgebildet. Bei der erfindungsgemäßen Bauart eines Detektors ist der Photosensor-Chip 19 als CCD-Chip oder EMCCD-Chip ausgebildet. Die Fläche des lichtunempfindlichen bzw. lichtundurchlässigen Bereichs 19 ₂ ist um ein Vielfaches größer als die Fläche des lichtempfindlichen oder lichtempfindlichen Bereichs 19i . Dies bedeutet, dass die Bildinformation aus dem lichtempfindlichen Bereich ^ ₁ mehr als einmal in den lichtunempfindlichen Bereich 19 ₂ verschoben werden kann, bevor die Daten aus dem Photosensor- Chip 19 ausgelesen werden. Der lichtunempfindliche Bereich 19 ₂ fungiert somit als schneller Zwischenspeicher. Die minimale Belichtungszeit reduziert sich bei diesem Verfahren auf die Zeit, die benötigt wird, um die Daten vom lichtempfindlichen Bereich 19τ in den lichtunempfindlichen Bereich 19 ₂ (Zwischenspeicher) zu verschieben. Die minimale Belichtungszeit ist somit unab- hängig von der Auslesezeit. Die Anzahl der Bilder, die zwischengespeichert werden können, ist gegeben durch das Verhältnis zwischen der Größe des

Zwischenspeichers 31 und der Detektorzeile 30 des lichtempfindlichen Bereich 19i des Photosensor-Chips 19. Da ein Photosensor-Chip 19, wie z.B. der CCD-Chip oder der EMCCD-Chip nicht beliebig groß gemacht werden können, ist die Erfindung für Detektoren mit kleiner lichtempfindlicher Fläche oder kleinem lichtempfindlichen Bereich 19τ (z.B. Zeilendetektoren) besonders vorteilhaft. Vorteile ergeben sich bereits, wenn der Zwischenspeicher größer oder gleich dem Doppelten des Bereichs oder der Fläche des lichtempfindlichen Bereich ^ ₁ ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Photosensor-Chips 19 ist der licht- empfindliche Bereich 19τ als Zeilendetekor ausgebildet und findet in einem Laserscan-Mikroskop Anwendung. Die Zeilenzahl des Zwischenspeichers 31 auf dem Photosensor-Chip 19 entspricht dabei der maximalen Anzahl von Pixeln im Konfokalbild. Die Daten werden zwischen der Aufnahme zweier Scanzeilen aus dem Zwischenspeicher 31 ausgelesen. Abhängig von der Pause zwischen den Scanzeilen können die Belichtungszeiten pro Detektorelement 3O ₁ , 30 ₂ ,....,30 _n mit dem erfindungsgemäßen Photosensor-Chip 19 stark verkürzt werden. Bei unidirektionalem Scan mit dem Mikroskop und einem Tastverhältnis von !λ wird dadurch die mögliche Belichtungszeit um den Faktor 7 verkürzt. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 32. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips 19 mit einer Detektorzeile 30 mit einem ersten Zwischenspeicher 41 und eine zweiten Zwischenspeicher 42. Diese Anordnung stellt eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Zwischenspeichers dar. Der erste Zwischenspeicher 41 ist auf der einen Seite 43 der Detektorzeile 30 und der zweite Zwischenspeicher 42 ist auf der anderen Seite 44 der Detektorzeile 30 angeordnet. Die Daten vom lichtempfindlichen Bereich 19i des Photosensor- Chips 19 können somit in mehr als einen Zwischenspeicher 41 , 42 geschrieben werden. Somit ist es möglich, die Daten aus dem ersten Zwischenspeicher 41 auszulesen, während gleichzeitig weitere Daten in den zweiten Zwischenspeicher 42 geschrieben werden. Durch diese Konfiguration werden die gleichen Spezifikationen mit einem insgesamt kleineren Zwischenspeicher

als im Vergleich zur Konfiguration mit nur einem Zwischenspeicher erreicht.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips 19 mit einer Detektorzeile 30 aus lichtempfindlichen Pixeln 5O ₁ , 50 ₂ ,....,50 _n und einem Zwischenspeicher mit nicht quadratischen lichtunempfindlichen Elementen 5O ₁ , 55 ₂ ,...55 _n (Pixeln). Die hier beschriebene Anordnung entspricht der Anordnung aus Fig. 2. Um die Fläche des Photosensor-Chips 19 zu reduzieren und die Transferzeiten zu minimieren, werden die Elemente im Zwischenspeicher nicht quadratisch gestaltet.. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 52. Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips 19 mit einem Detektorbereich 60 aus mehreren Detektorzeilen 30 und mit ebenso angeordneten Zwischenspeicherblöcken 6I ₁ , 61 ₂ , ... ;61 _n . Die hier beschriebene Anordnung entspricht der Anordnung aus Fig. 2 mit dem Unterschied, dass der lichtempfindlichen Bereich ^~ \ 9^ aus mehreren Detektorzeilen 30 besteht. Der lichtunempfindliche Bereich 19 ₂ (Zwischenspeicher) ist aus mehreren Zwischenspeicherblöcken 6I ₁ , 61 ₂ , ... ;61 _n aufgebaut, von denen jeder aus N Zwischenspeicherzeilen 30 aufgebaut ist, wobei die Zahl N der Zahl Detektorzeilen 30 im lichtempfindlichen Bereich ^ 9^ entspricht. Der lichtempfindliche Bereich 19i ist als Flächendetektor mit entsprechenden blockweisen Zwischenspeichern ausgebildet. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 62.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Photosensor-Chips 19 mit einem Detektorbereich 70 aus mehreren Detektorzeilen 30 und mit Binning im Zwischenspeicher 71 . Die Informationen aus dem lichtempfindlichen Bereich 19τ wird im Zwischenspeicher 71 durch Binning vor dem Auslesen kompri- miert. Das Auslesen erfolgt in Ausleseregister 72.

Der Einsatz des Photosensor-Chips 19 mit Zwischenspeicher als spektrale Detektionseinheit in einem Laserscan-Mikroskop, siehe Fig.1 , in Verbindung mit einem dispersiven Element, wie z.B. Prisma, Gitter, Hologramm ermöglichen eine schnelle, spektrale Detektion der Signale vom Mikroskop. Der erfindungsgemäße Photosensor-Chips 19 ist in bzw. nahe der Fokalebene

angeordnet. Die Daten werden insbesondere von dem Photosensor-Chip 19, der eine Detektorzeile 30 umfasst oder ein Flächendetektor ist, ausgelesen, wobei das Auslesen mit Binning erfolgt . Das Auslesen des Speicherregisters erfolgt während der Zeitpunkte, zu denen kein Licht auf den Detektor fällt (z.B. während der Umkehr des Scanmoduls 7 (bzw. des Galvos) im Laserscan- Mikroskop oder während des Laser-Blankings.

Der lichtunempfindliche Bereich 19 ₂ des Photosensor-Chips 19, der den Zwischenspeicher darstellt, wird durch eine lichtundurchlässige Maske auf dem Chip realisiert. Die lichtundurchlässige Maske deckt mehr als ³ A der Fläche des Photosensor-Chips 19 ab. Zur Rauschreduzierung kann eine Kühlung des Zwischenspeichers bzw. des ganzen CCD/EMCCD-Chip mit Peltier-, Flüssig- keits-, Luft- oder mehrstufiger Kühlung oder vergleichbaren Mitteln erfolgen.

Durch die Anordnung von Detektorelementen und Speicherelementen auf dem Photosensor-Chip 19 erfolgt ein gleichzeitiges Auslesen von Bildinforma- tionen aus einem Zwischenspeicher und Verschieben von Bildinformationen in einen zweiten bzw. weiteren Zwischenspeicher. Der Zwischenspeicher des als CCD-Chip ausgebildeten Photosensor-Chips 19 kann durch mehrere Ausleseregister ausgelesen werden. Den Ausleseregistern des als EMCCD- Chip ausgebildeten Photosensor-Chips 19 können mehrere elektronenverviel- fachende Verstärkerregister nachgeordnet sein.

Je nach Ausgestaltung des Photosensor-Chips 19 erfolgt die Art der Speicherung. Bei einem Photosensor-Chip 19 mit einer Detektorzeile 30 wird die Bildinformation einer Scanzeile (des Konfokalbildes) im Zwischenspeicher 31 des CCD Chips oder EMCCD-Chips gespeichert. Ebenso kann die Bildinformation eines Scanbereichs (im Konfokalbild) im Zwischenspeicher des CCD-Chips oder des EMCCD-Chips gespeichert werden. Das Speichern der Bildinformation einer Zeitserie (gemessen in einem Punkt im Konfokalbild) ist ebenfalls im Zwischenspeicher eines CCD-Chips oder EMCCD-Chips möglich.

In der Regel erfolgt das Auslesen des Zwischenspeichers während des Zeilenrücklaufs (im Konfokalbild). Bei einem lichtempfindlichen Bereich 19i von mehr als einer Detektorzeile erfolgt das Auslesen des Zwischenspeichers während des Framerücklaufs (im Konfokalbild).

Der Zwischenspeicher setzt sich aus Speicherelementen (Pixeln) anderer Größe als der lichtempfindliche Bereich 19i des CCD-Chips oder des EMCCD-Chips zusammen. Um die Chipfläche und die Transferzeiten zu minimieren, werden die Pixel im Zwischenspeicher nicht quadratisch gestaltet (siehe hierzu Fig. 4).