DE69837757T2 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung von niedrigen lichtpegeln - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erfassung von niedrigen lichtpegeln Download PDF

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits

Description

  • Verweis auf dazugehörige Anwendungen
  • Diese Anwendung ist eine Fortsetzung der U.S. Patentanmeldung, Aktenzeichen 60/051,102 , eingereicht am 27. Juni 1997.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Diese Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf die Messung und Abtastung von Signalen niedriger Leistung. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf das Abtasten, die Verstärkung und das Messen eines Licht-basierenden Signals niedriger Leistung.
  • 1 stellt eine Schaltung 100 des Standes der Technik zum Verstärken eines Signals von einer Fotodiode 130 dar. Die Schaltung von 1 umfasst die Fotodiode 130, die über die Eingänge eines operativen Verstärkers 120 verbunden ist. Der positive Eingang des Operationsverstärkers 120 ist geerdet. Eine ohmsche Last R 150 ist zwischen dem negativen Anschluss und dem Ausgangssignal 110 des Operationsverstärkers 120 gekoppelt.
  • Insbesondere weist der Rückkopplungswiderstand R 150 ein inhärentes thermisches Rauschen auf, welches manchmal das tatsächliche Signal von der Fotodiode 130 überschreiten kann. Der Ausgang eines Widerstandsrückkopplungsverstärkers, wie etwa die Schaltung 100, ist nachfolgend in Gleichung (1) gegeben: Vout = -iR 1worin Vout in Volt ist, i das Eingangssignal in Ampere von einer Signalquelle (wie etwa der Fotodiode 130) ist und R der Rückkopplungswiderstand (wie etwa der Widerstand R 150) in Ohm ist.
  • Eine Komponente mit Widerstand erzeugt ein thermisches Rauschen mit den folgenden RMS-Werten:
    Figure 00020001
    worin VRMS noise in Volt ist und IRms noise in Ampere ist und wo k = 1,38 × 10-23 J/°K (Boltzmannsche Konstante) ist, T die absolute Temperatur in °K ist, B die Bandbreite in Hz ist und R der Widerstand in Ohm ist.
  • Daher, wenn eine Anwendung die Verstärkung eines sehr niedrigen Signals von einer Fotodiode benötigt, erweist sich der Widerstands-RÜckkopplungsverstärker 100 des Standes der Technik manchmal beispielsweise in Folge der übermäßigen Störung als unbrauchbar.
  • 2 stellt eine Schaltung 200 des Standes der Technik dar, die ausgestaltet ist, um dieses Problem des thermischen Rauschens zu vermeiden. In 2 verbleibt die Fotodiode 130 über die Eingänge des Operationsverstärkers 120 gekoppelt. Anstelle des Widerstandselementes R 150, dient ein Kondensator 220, der zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang 210 des Operationsverstärkers 120 gekoppelt ist, als das Rückkopplungselement. Die Source eines Feldeffekt-Transistors (FET) 230 ist an den Ausgang 210 des Operationsverstärkers 120 gekoppelt, während die Drain an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 120 gekoppelt ist. Das Gate des FET 230 dient als ein Rücksetzungssignal 240.
  • Die Verwendung des Kondensators 220 als das Rückkopplungselement unterbindet das Störungsproblem der Schaltung 100.
  • Der Ausgang eines Integrators, wie etwa der Schaltung 200, ist nachfolgend in der Gleichung (4) gegeben:
    Figure 00030001
    worin i das Eingangssignal von einer Signalquelle (wie etwa der Fotodiode 130) in Ampere ist, t die Zeit von der Rücksetzung bis zum Auslesen in Sekunden ist und C die Rückkopplungs-Kapazität (des Kondensators 220, beispielsweise) in Farad ist.
  • 3 stellt die Zeitsteuerung der Betriebsweise der Schaltung 200 von 2 dar. Eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) setzt typischerweise der Integrator 200 (mittels dem Rücksetzungssignal 240) bei der zweifachen Rate der Signalbandbreite zurück. Gerade vor jeder solcher Rücksetzungen, liest die Steuerschaltung das Ausgangssignal 210 und extrahiert das wahre Signal.
  • Die Verwendung des Halbleiterschalters 230 erzeugt jedoch seine Probleme in der Schaltung 200. Der Ladungstransfer von dem Rücksetzungssignal 240 während dem Rücksetzen des Integrators 200 induziert selbst ein Rauschen. Um dieses Problem zu vermeiden, liest die Steuerschaltung das Ausgangssignal 210 direkt nach der Freigabe des Rücksetzungsschalters 240 aus. Die Steuerschaltung subtrahiert dann diesen ausgelesenen Wert von dem letzten ausgelesenen Wert.
  • Das Rauschen der Fotodiode 130 und des Operationsverstärkers 120 beeinflusst trotzdem das Zwei-Ausleseschema, das mit der Schaltung 200 verwendet wird, bis zu der Bandbreite des Systems. Die System-Bandbreite muss höher sein als die Signal-Bandbreite, um die Integrationskurven nicht zu verzerren.
  • Demgemäß besteht ein Bedarf für eine Schaltung für einen verbesserten Detektor von niedrigen Lichtpegeln ohne das oben beschriebene thermische Rauschen und andere Probleme. Diese und andere Ziele der Erfindung werden für einen Fachmann vollständig beim Lesen des obigen Hintergrundes und der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung ersichtlich.
  • Das Dokument US-A-5307145 definiert ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen kleiner Lichtmengen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Hierin ist ein Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Signalen sehr niedriger Leistung, wie etwa Lichtsignale niedriger Leistung, offenbart, das bzw. die das Integrieren eines Signals von einer Signalquelle, wie etwa einer Fotodiode, einer Lawinenfotodiode, einer Fotovervielfacher-Röhre oder ähnlichem, das digitale Abfragen des Integratorausgangs mehrmals während jedem Integrator-Zeitintervall, das Anpassen einer Kurve an die mehreren digitalisierten Auslesen, um die Integrationssteigung für jedes Integrator-Zeitintervall zu berechnen, und das Bestimmen des ursprünglichen Signals von der berechneten Integratorsteigung umfasst.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Verwenden beim Messen von Signalen niedriger Leistung vorgesehen, wobei die Vorrichtung alle Merkmale von Anspruch 1 umfasst. Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Verfahren definiert, das all die Schritte umfasst, die in Anspruch 14 genannt sind.
  • Zusätzliche Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
  • Bezug nehmend auf die verbleibenden Abschnitte der Beschreibung, die die Zeichnungen und Ansprüche enthält, werden andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung realisiert. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung, ebenso wie die Struktur und Betriebsweise verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung, werden nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Bezugszeichen identische oder funktionell ähnliche Elemente.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 stellt eine Schaltung des Standes der Technik zum Verstärken eines Signals aus einer Fotodiode dar;
  • 2 stellt eine Schaltung des Standes der Technik dar, die ausgestaltet ist, um das Problem des thermischen Rauschens zu vermeiden;
  • 3 stellt die Zeitsteuerung der Betriebsweise der Schaltung von 2 dar;
  • 4 stellt eine Schaltung 400 gemäß der Erfindung dar;
  • 5 stellt die Zeitsteuerung der Betriebsweise der Schaltung 400 von 4 dar;
  • 6 stellt die Gesamtbetriebsweise der Schaltung von 4 dar; und
  • 7 stellt ein Beispiel einer mikrofluiden Vorrichtung zur Verwendung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung dar.
  • Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele
  • In bevorzugten Aspekten werden das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bei der Erkennung von Licht-Basierenden Signalen von analytischen Systemen verwendet, die die optische Erkennung in Fluid-Kanälen mit Mikron-Abmessungen einsetzen. Beispiele enthalten beispielsweise Kieselglas-Kapillarsysteme, d.h. CE, ebenso wie mikrofluide Vorrichtung und Systeme, welche Kanäle mit Mikron-Abmessungen, wie etwa Mikrofluid-Kanäle, enthalten. Solche Systeme werden im Allgemeinen in der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/845,754 (Anwaltsaktenzeichen 100/01000, eingereicht am 25. April 1997), 08/881,696 (Anwaltsaktenzeichen 17646-000420, eingereicht am 24. Juni 1997), eine teilweise Fortsetzung der U.S. Patentanmeldung Nr. 08/761,575 (eingereicht am 6. Dezember 1996), und 60/049,013 (Anwaltsaktenzeichen 17646-003600), eingereicht am 9. Juni 1997 beschrieben.
  • Ein "mikrofluider" Kanal ist ein Kanal (Nut, Rinne, Rohr, etc.), der geeignet ist, um kleine Volumen von Flüssigkeit zu befördern. In einem typischen Ausführungsbeispiel ist der Kanal ein Rohr, Kanal oder Leitung mit wenigstens einer Unterteilung mit wenigstens einer Querschnittsabmessung von zwischen ungefähr 0,1 μm und 500 μm, und typischerweise weniger als 100 μm; gewöhnlich ist der Kanal über einen signifikanten Abschnitt seiner Länge geschlossen, mit Ober-, Unter- und Seitenoberflächen. Im Betrieb werden Materialien, die zu analysieren sind, beispielsweise einer optischen Analyse für Licht basierende Signale unterworfen werden, in diesen Mikro-Fluid-Systemen entlang den Fluid-Kanälen mit Mikron-Abmessungen transportiert, werden nach einem Erkennungspunkt, wo ein erkennbares Signal das Vorhandensein oder die Abwesenheit irgendeines Materials oder eines Zustandes anzeigt, gemessen. In dem Fall von Licht-Basierenden Erkennungssystemen resultieren die Signale innerhalb dieser Kanäle typischerweise aus dem Vorhandensein von lichtemmitierenden Substanzen, beispielsweise fluoreszierender oder chemisch leuchtender Materialien, die als Indikatoren des Vorliegens oder der Abwesenheit von irgendeinem Material oder Zustand verwendet werden. Da Kanäle mit Mikron-Abmessungen extrem kleine Abmessungen haben, ist die Menge des typischerweise für die Erkennung erhältlichen Kanals innerhalb solcher Kanäle sehr klein. Beispielsweise in den Mikrofluid-Systemen, für die die vorliegende Erfindung insbesondere einsetzbar ist, sind die Leistungspegel der Signale aus einem Erkennungsgebiet in einem Mikro-Fluid-Kanal typischerweise in der Größenordnung von ungefähr 0,1 pW bis ungefähr 10 pW.
  • Wie oben erläutert, wird in den analytischen Mikroskalen-Systemen ein Signalträgermaterial entlang des Kanals mit Mikron-Abmessungen und nach einem Erkennungspunkt transportiert. Typischerweise können die Transportmaterialien innerhalb dieser Systeme durch jedes einer Vielfältigkeit von Verfahren ausgeführt werden. Beispielsweise wird ein solcher Materialtransport optisch durch die Anwendung von Druck auf die Materialien innerhalb des Kanals ausgeführt, durch das Einsetzen von mechanischen Mikroskalen-Pumpen, oder durch die Anwendung von elektrischen Feldern, um Materialien durch die Kanäle zu bewegen.
  • In bevorzugten Aspekten verwenden die obigen mikrofluiden Systeme elektrokinetische Transportsysteme zum Bewegen des Materials innerhalb der Mikro-Fluid-Kanäle. Wie hierin verwendet, umfassen "elektrokinetische Materialtransportsysteme" Systeme, welche Materialien innerhalb einer Kanäle und/oder Kammern enthaltenden Verbundstruktur durch das Anlegen des elektrischen Feldes an die Materialien transportieren und leiten, wobei eine Materialbewegung durch und zwischen dem Kanal und/oder den Kammern (d.h., Kationen werden in Richtung der negativen Elektrode bewegt, während Anionen sich in Richtung der positiven Elektrode bewegen werden) bewirkt wird. Solche elektrokinetischen Materialtransport- und Leotsysteme enthalten jene Systeme, die auf elektrophoretischer Mobilität von geladenen Arten innerhalb des elektrischen Feldes, das auf die Struktur angelegt ist, beruhen. Solche Systeme werden im Besonderen als elektrophoretische Materialtransportsysteme bezeichnet. Andere elektrokinetische Materialrichtungs- und Transportsysteme beruhen auf dem elektroosmotischen Fluss von Flüssigkeit und Material innerhalb eines Kanals oder Kammerstruktur, welche aus dem Anlegen eines elektrischen Feldes über solche Strukturen resultiert. Kurz dargestellt, wenn ein Fluid in einem Kanal platziert ist, welche eine Oberfläche hat, die geladene funktionale Gruppen, beispielsweise Hydroxylgruppen, in geätzten Glaskanälen. oder Glasmikrokapillaren trägt, können jene Gruppen ionisiert werden. In dem Fall von funktionalen Hydroxylgruppen, resultiert diese Ionisation (beispielsweise bei neutralem pH), in der Freigabe von Protonen von der Oberfläche und in das Fluid, wobei eine Konzentration von Protonen nahe der Flüssigkeit-Oberflächenschnittstelle oder eine positiv geladene Hülle erzeugt wird, die den Hauptteil der Flüssigkeit in dem Kanal umgibt. Das Anlegen eines Spannungsgradienten über die Länge des Kanals wird die Protonenhülle veranlassen, sich in Richtung des Spannungsabfalls (d.h. in Richtung der negativen Elektrode) zu bewegen.
  • 7 stellt ein Beispiel einer mikrofluiden Vorrichtung zur Verwendung mit bestimmten Aspekten der vorliegenden Erfindung dar. Wie gezeigt ist, enthält die Vorrichtung 300 eine Körperstruktur 302, in der ein integriertes Kanalnetzwerk 304 angeordnet ist. Die Körperstruktur 302 enthält eine Vielzahl von Reservoirs 306 bis 328, die hierin angeordnet sind, um Reagenzien, Probenmaterialien und ähnliches zu halten. Auch ist ein Pufferreservoir 330 enthalten, ebenso wie Abfallreservoire 332, 334 und 336. Die Reagenzien, Proben, etc. werden von ihren entsprechenden Reservoirs, entweder separat oder zusammen mit anderen Reagenzien von anderen Reservoirs in einem Hauptkanal 338 und entlang des Hauptkanals 338 in Richtung des Abfallreservoirs 336, nach der Erkennungszone oder Fenster 340 transportiert. Das Erkennungsfenster 340 ist typischer Weise durchsichtig und kann von einem durchsichtigen Bereich der Körperstruktur oder ein getrenntes durchsichtiges Fenster umfasst sein, das in der Körperstruktur hergestellt ist. Typischerweise ist die Körperstruktur selbst aus einem durchsichtigen Material hergestellt, beispielsweise aus Glas oder durchsichtigen Polymeren, wobei dadurch der Bedarf für einen getrennten durchsichtigen Bereich vermieden wird, um das Erkennungsfenster zu definieren. Mikrofluid-Vorrichtungen der oben beschriebenen Art sind bei der Durchführung einer Vielzahl von Analysen, wie etwa elektrophoretischer Trennung von Makromolekülen, z.B. Nukleinsäuren, Proteinen, etc. (siehe U.S. Anmeldungs-Nr. 08/845,7534 , angemeldet am 25. April 1997 und zuvor hierin durch Bezugnahme beinhaltet), Abtastuntersuchungen mit hohem Durchsatz, beispielsweise in pharmazeutischen Ermittlungen, und Diagnosen, beispielsweise Immununtersuchungen (siehe beispielsweise veröffentlichte Internationale Anmeldung Nr. WO 98/00231 ) nützlich.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist die Signalquelle nahe dem Erkennungsfenster 340 zum Erkennen von Licht-Basierenden Signalen niedriger Leistung aus dem Erkennungsgebiet angeordnet. Die Signalquelle wird wahlweise von einer Anzahl von unterschiedlichen Arten von Lichtdetektoren, d.h., Fotodioden, Lawinen-Fotodioden, Fotovervielfacherröhren (PMTs = photomultiplier tubes) und ähnlichen ausgewählt. In bevorzugten Aspekten wird eine Fotodiode verwendet. 4 stellt eine Schaltung 400 zum Verstärken eines Signals von einer Fotodiode 130 gemäß der Erfindung dar. In 4 ist die Fotodiode 130 über die Eingänge eines Operationsverstärkers 120 gekoppelt. Ein Kondensator 220, der zwischen dem negativen Eingang und dem Ausgang 210 des Operationsverstärkers 120 gekoppelt ist, dient als das Rückkopplungselement. Die Source eines Feldeffekt-Transistors (FET) 230 ist an den Ausgang 210 des Operationsverstärkers 120 gekoppelt, während die Drain an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 120 gekoppelt ist. Das Gate des FET 230 ist mit dem Rücksetzungssignal 440 verbunden.
  • Der Eingang eines Tiefpassfilters 410 ist an das Ausgangssignal 210 gekoppelt. Der Ausgang des Tiefpassfilters 410 ist an den analogen Eingang eines Analog/Digital-Umsetzers 420 gekoppelt. Letztendlich empfängt ein Mikroprozessor 430 als Eingang des digitalisierten Ausgangssignals 450 des Analog/Digital-Umsetzers 420.
  • 6 stellt die Gesamtbetriebsweise der Schaltung 400 dar. Die Schaltung 400 empfangt und integriert ein Signal von einer Fotodiode und setzt den Integrator zurück, Schritt 610. Die Schaltung 400 filtert dann die höheren Frequenzen in dem integrierten Signal heraus, Schritt 620. Als nächstes konvertiert die Schaltung 400 das analog gefilterte und integrierte Signal zu digitalen Abtastwerten, Schritt 630. Letztendlich berechnet die Schaltung 400 die Integrationssteigung für das Fotodioden-Signal durch das Anpassen einer Kurve an die digitalisierten Abtastwerte, Schritt 640. Mit den berechneten Steigungen ist die Schaltung 400 besser in der Lage, das ursprüngliche rauschfreie Signal von der Fotodiode zu bestimmen.
  • 5 stellt die Zeitsteuerung der Betriebsweise der Schaltung 400 von 4 dar. Im Gegensatz zu der Schaltung 200 des Standes der Technik, welche nur zweimal pro Integrations-Zeitintervall ausliest, führt die Schaltung 400 viele Auslesevorgänge 530 für jedes Integrations-Zeitintervall durch. In bevorzugten Aspekten tastet der Analog/Digital-Umsetzer 420 den Integratorausgang mehr als zweimal, vorzugsweise mehr als zehnmal, noch bevorzugter mehr als. hundertmal, in vielen Fällen mehr als fünfhundertmal und selbst mehr als eintausendmal ab.
  • Auch im Gegensatz zu der Schaltung 200 des Standes der Technik wendet die Schaltung 400 eine verfeinerte Kurvenberechnungs-Routine auf die Abtastungsauslesewerte pro Zeitintervall an, um die berechneten Steigungen pro Zeitintervall 510 und 520 zu erzeugen. Die Kurvenberechnung filtert das überlagerte Rauschen aus. Auf diese Art und Weise vermindert die Schaltung 400 den Beitrag der Fotodiode 130 und des Operationsverstärkers 120 zum Rauschen bis nahe zu dem, was in der Signalbandbreite enthalten ist.
  • Die Frequenz des Rücksetzungssignals 440, fReset, ist schnell genug, um die Erkennung des schnellsten notwendigen Signals, fSignal, zu ermöglichen. In einem Ausführungsbeispiel ist fReset ungefähr zweimal fSignal.
  • Die Frequenz des Tiefpassfilters 410, fLow-Pass, ist schnell genug, so dass die Integrationskurven nicht übermäßig gestört werden. fLow-Pass ist abhängig von den Signalverzerrungs-Bedingungen. In einem Ausführungsbeispiel ist fLow-Pass ungefähr zehnmal fReset.
  • Um das Rauschen am besten zu filtern, ist in einem Ausführungsbeispiel die Abtastfrequenz fsample wenigstens zweimal fLow-Pass.
  • Der Mikroprozessor 430 verwendet jeden der vielen Kurvenanpassungs-Algorithmen, die in der Technik bekannt sind, um die Steigung für jedes Integrations-Zeitintervall zu berechnen. Die Anpassung mit kleinsten Fehlerquadraten ist jedoch ein Beispiel dieser Algorithmen. Jeder Kurvenanpassungs-Algorithmus, der das überlagerte Rauschen wegfiltert, kann verwendet werden. Beispielsweise kann der Kurvenanpassungs-Algorithmus sein: 0,5 × fReset × (erste Abtastung – letzte Abtastung), wobei "erste Abtastung" die erste Hälfte der Abtastwerte ist, die innerhalb eines Integrations-Zeitintervall abgenommen wurden, und "letzte Abtastung" die zweite Hälfte der Abtastwerte, die innerhalb eines Integrations-Zeitintervall abgenommen wurden.
  • Die Schaltung 400 filtert sowohl Spannungsrauschen als auch Stromrauschen von dem Operationsverstärker 120 und der Fotodiode 130 nahe den theoretischen Werten aus, die in dem Signalband beinhaltet sind. Das Rauschen kann nahezu vollständig ignoriert werden.
  • Das Rauschen in der Messung wird durch die Menge des Rauschens an dem negativen Eingang der integrierenden Operationsverstärkers 120 bewirkt. Jede Komponente wird ein Rauschen erzeugen, wie es in der Gleichung (2) und (3) oben beschrieben ist. Daher haben in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel alle Komponenten, die an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 120 verbunden sind, einen sehr hohen Widerstand. Auch hat der Operationsverstärker 120 vorzugsweise niedrige Rausch-Parameter.
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen als Beispiel und nicht als Einschränkung. Veränderungen der Erfindung, wie sie hierin beschrieben sind, werden für einen Durchschnittsfachmann vollständig ersichtlich. Während beispielsweise die Fotodiode 130 oben als eine Signalquelle beschrieben ist, ist es verständlich, dass jeder Sensor, der Spannungs- oder Stromsignale abgibt, oder jede Quelle von Auslesewerten, die in Strom- oder Spannungsauslesewerte konvertierbar sind, die Signalquelle sein kann. (Tatsächlich, wenn die Signalquelle ein Spannungsausgang ist, konvertiert ein Widerstand es zu einem Stromausgang, der an die beschriebene Schaltung anpassbar ist) Ferner, während eine FET-Vorrichtung 230 als Rücksetzungsmechanismus beschrieben ist, können andere Vorrichtungen, die einen hohen Widerstand aufweisen, wenn das Rücksetzungssignal 440 nicht bestätigt wird, verwendet werden. Beispielsweise kann der Rücksetzungsmechanismus ein optisch aktivierter FET oder eine optisch aktivierte Diode oder Relais oder irgendeine andere Art von Transistor sein.
  • Natürlich kann der Programmtext für eine solche Software, wie sie hierin offenbart ist, in seiner statischen Form auf einem magnetischen, optischen oder anderen Diskette, auf magnetischen Bändern oder anderen Medium, das für die Medienbewegung zum Speichern und/oder Wiederherstellen benötigt wird, in ROM, in RAM oder anderen integrierten Schaltungen oder in anderen Datenspeichermedien bestehen. Dieses Datenspeichermedium kann in einem Computersystem beinhaltet oder einsetzbar sein.

Claims (24)

  1. Vorrichtung (400) zur Verwendung bei der Messung von Lichtsignalen niedriger Leistung, umfassend: einen Integrator, wobei der Integrator ein Licht-Eingangssignal niedriger Leistung von einer Signal-Lichtquelle empfängt und das Signal über eine Vielzahl von Integrations-Zeitintervallen integriert; einen Analog/Digital-Umsetzer (420), der einen analogen Eingang, der an einen Ausgang des Integrators angeschlossen ist, aufweist, wobei der Umsetzer die Integrator-Ausgabe (21) mehr als zweimal während jedes Integrations-Zeitintervalls abtastet, um eine Vielzahl von digitalen Abtastwerten (450, 530) zu erhalten; und einen Prozessor (450), der an einem digitalen Ausgang des Analog/Digital-Umsetzers angeschlossen ist, wobei der Prozessor dazu ausgebildet ist, die Integrations-Kurven für jedes Integrations-Zeitintervall anzupassen und das Eingangssignal niedriger Leistung unter Verwendung der Vielzahl der digitalen Abtastwerte und der Integrations-Kurven zu bestimmen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Tiefpassfilter (410), der zwischen dem Integrator und dem Umsetzer angeschlossen ist, wobei der Tiefpassfilter derart wirkt, dass er in der Integrator-Ausgabe Frequenzen über einer ausgewählten Höhe herausfiltert.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Rücksetzungsmechanismus, der an den Integrator angeschlossen ist, wobei der Rücksetzungsmechanismus ein Rücksetzungssignal (440) erzeugt, und wobei der Integrator jedes Integrations-Zeitintervall als Antwort auf das Rücksetzungssignal startet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Rücksetzungssignal eine Rücksetzungsfrequenz aufweist, wobei das Eingangssignal niedriger Leistung eine verwendbare Signal-Bandbreite aufweist, und wobei die Rücksetzungsfrequenz in etwa das zweifache der verwendbaren Signal-Bandbreite beträgt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Tiefpassfilter (410), der zwischen dem Integrator und dem Umsetzer angeschlossen ist, wobei der Tiefpassfilter derart wirkt, dass er in der Integrator-Ausgabe Frequenzen über einer ausgewählten Höhe herausfiltert.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Rücksetzungssignal eine Rücksetzungsfrequenz aufweist, wobei der Tiefpassfilter bei einer festgelegten Frequenz arbeitet, und wobei die festgelegte Tiefpassfilter-Frequenz in etwa das 10-fache der Rücksetzungsfrequenz beträgt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Rücksetzungsmechanismus ein Vorrichtung aufweist, die aus der Gruppe, umfassend einen FET, einen optisch aktivierbaren FET, eine optisch aktivierbare Diode und ein Relais, ausgewählt ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor eine Integrationssteigung für jedes Integrations-Zeitintervall unter Verwendung der Vielzahl der digitalen Abtastwerte berechnet, und wobei der Prozessor das Eingangssignal aus den berechneten Integrationssteigungen bestimmt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Prozessor die Integrationssteigungen unter Verwendung der Anpassung mittels der kleinsten Fehlerquadrate derart berechnet, dass für jedes Integrations-Zeitintervall eine Linie an die digitalen Abtastwerte der Integrator-Ausgabe angepasst wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalquelle eine Photodiode ist, welche Licht basierte Signale niedriger Leistung erfasst.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalquelle ein Detektor ist, der Licht basierte Signale niedriger Leistung erfasst, und wobei der Detektor aus der Gruppe, bestehend aus einer Photodiode, einer Lawinen-Photodiode und einer Photoelektronenvervielfacher-Röhre, ausgewählt ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Detektor in der Nähe eines Erfassungsgebiets in einem ersten von mindestens zwei sich kreuzenden Mikrokanälen angeordnet ist, und wobei der Detektor Licht basierte Signale von dem Erfassungsgebiet erfasst und das Eingangssignal niedriger Leistung ausgibt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Erfassungsgebiet in einem ersten von mindestens zwei sich kreuzenden Mikrokanälen; eine in der Nähe des Erfassungsgebiets angeordnete Photodiode (130), welche ein Licht basiertes Signal niedriger Leistung in dem Erfassungsgebiet erfasst und das Eingangssignal niedriger Leistung ausgibt; einen Tiefpassfilter (410), der einen Eingang aufweist, der zwischen einem Ausgang des Integrators und dem Analog/Digital-Umsetzer angeordnet ist, wobei der Tiefpassfilter derart wirkt, dass er in der Integrator-Ausgabe (210) Frequenzen über einer ausgewählten Höhe herausfiltert; wobei Prozessor die Integrationssteigung für jedes Integrations-Zeitintervall unter Verwendung der Vielzahl der digitalen Abtastwerte berechnet, und wobei der Prozessor das Eingangssignal niedriger Leistung aus den berechneten Integrationssteigungen bestimmt.
  14. Verfahren zur Messung von Lichtsignalen niedriger Leistung, umfassend die Schritte: Empfangen (610) eines Eingangssignals von einer Signal-Lichtquelle; Integrieren des Eingangssignals über eine Vielzahl von Integrations-Zeitintervallen mittels eines Integrators, um ein Integrator-Ausgangssignal (210) zu erzeugen; digitales Abtasten (630) des Integrator-Ausgangssignals mehr als zweimal während jedes Integrations-Zeitintervalls des Integrator-Ausgangssignals mittels eines Analog/Digital-Umsetzers (420), der an den Integrator angeschlossen ist, um eine Vielzahl von digitalen Abtastwerten (450) zu erhalten; und Bestimmen des Eingangssignals aus der Vielzahl der digitalen Abtastwerte durch Anpassen der Integrations-Kurven für jedes Integrations-Zeitintervall.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Herausfilterns (620) von Frequenzen über einer vorbestimmten Höhe in dem Integrator-Ausgangssignal unter Verwendung eines Tiefpassfilters (410), der zwischen dem Integrator und dem Umsetzer angeschlossen ist, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, wobei der Umsetzer das gefilterte Signal digital abtastet.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Erzeugen eines Rücksetzungssignals (440), das eine Rücksetzungsfrequenz aufweist, mittels eines Rücksetzungsmechanismus, der an den Integrator angeschlossen ist, wobei der Integrator jedes Integrations-Zeitintervall als Antwort auf das Rücksetzungssignal startet.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Rücksetzungsmechanismus ein Vorrichtung aufweist, die aus der Gruppe, umfassend einen FET, einen Transistor, einen optisch aktivierbaren FET, eine optisch aktivierbare Diode und ein Relais, ausgewählt ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend den Schritt des Herausfilterns von Frequenzen über einer ausgewählten Höhe in dem Integrator-Ausgangssignal unter Verwendung eines Tiefpassfilters (410), der zwischen dem Integrator und dem Analog/Digital-Umsetzer angeschlossen ist, um ein gefiltertes Signal zu erzeugen, wobei der Filter bei einer festgelegten Frequenz arbeitet, und wobei die festgelegte Frequenz in etwa das 10-fache der Rücksetzungsfrequenz beträgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt des Bestimmens die Schritte umfasst: Berechnen der Integrationssteigung für jedes Integrations-Zeitintervall unter Verwendung der Vielzahl der digitalen Abtastwerte; und Bestimmen des Eingangssignals aus den berechneten Integrationssteigungen.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Berechnen die Schritte (640) des Anpassens einer Linie an die digitalen Abtastwerte unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate und der Verwendung der Steigung der Linie zur Bestimmung des Eingangssignals umfasst.
  21. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Eingangssignal ein Licht basiertes Signal niedriger Leistung ist, wobei der Schritt des Empfangens den Schritt des Erfassens des Eingangssignals mittels einer Photodiode (130) umfasst, die an den Integrator angeschlossen ist und welche ein Photodiodensignal ausgibt, und wobei das Photodiodensignal integriert wird, um das Integrator-Ausgangssignal zu erzeugen.
  22. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Eingangssignal ein Licht basiertes Signal niedriger Leistung ist, wobei der Schritt des Empfangens den Schritt des Erfassens des Eingangssignals mittels eines Detektors umfasst, der an den Integrator angeschlossen ist und welcher ein Erfassungssignal ausgibt, wobei der Detektor aus der Gruppe, bestehend aus einer Photodiode, einer Lawinen-Photodiode und einer Photoelektronenvervielfacher-Röhre, ausgewählt ist, und wobei das Erfassungssignal integriert wird, um das Integrator-Ausgangssignal zu erzeugen.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend den Schritt des Anordnen des Detektors in der Nähe eines Erfassungsgebiets in einem ersten von mindestens zwei sich kreuzenden Mikrokanälen, wobei der Detektor Licht basierte Signale von dem Erfassungsgebiet erfasst.
  24. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Erfassungsgebiets in einem ersten von mindestens zwei sich kreuzenden Mikrokanälen; Anordnen einer Photodiode (130) in der Nähe des Erfassungsgebiets, wobei die Photodiode ein Licht basiertes Eingangssignal niedriger Leistung in dem Erfassungsgebiet erfasst und das Eingangssignal ausgibt; Herausfiltern (620) von Frequenzen über einer ausgewählten Höhe in dem Integrator-Ausgangssignal unter Verwendung eines Tiefpassfilters, der einen Eingang aufweist, der an einen Ausgang des Integrators angeschlossen ist, vor dem Schritt des digitalen Abtastens des Integrator-Ausgangssignals; Berechnen der Integrationssteigung für jedes Integrations-Zeitintervall unter Verwendung der Vielzahl der digitalen Abtastwerte; und wobei der Schritt des Bestimmens des Eingangssignals niedriger Leistung das Bestimmen des Eingangssignals niedriger Leistung aus den berechneten Integrationssteigungen umfasst.
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