CN100437196C - 用于探测光束的光子的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于探测从空间上受限的源(2)发出的光束(1)的光子的设备，该设备尤其是用于应用在荧光显微镜中，该设备包括检测装置，为了提高能够由该检测装置处理的最大计数速率，其特征在于，所述检测装置包括至少两个检测器(7)，并且在所述光束(1)的光路中设置有元件(3)，借助于该元件(3)能够这样分解所述光束(1)，以致所述光子出于探测目的而被分配到所述检测器(7)上。

Description

用于探测光束的光子的设备

本发明涉及一种尤其是应用在荧光显微镜中的用于探测光束的光子的设备，其中所述光束从空间上受限的源中发出，所述设备包括检测装置。

特别是在荧光显微镜中，由于荧光信号的一般相对较小的强度，信噪比是关键的参数。这个比率通过击中检测器的光子的数量以及通过检测效率和检测器的噪声来确定。所述检测效率通过检测器的量子效率来给出，亦即通过击中检测器的光子实际产生检测信号的概率来给出。如果所述检测器运行在“光子计数”模式下、亦即每个光子产生自身的检测信号，那么所述信噪比基本上由泊松统计作为√n得出，其中n表示所探测到的光子的数量。

当检测器运行在光子计数模式下时，原则上检测器的时滞是有问题的。时滞表示直到检测器在检测到一个光子之后又可用于探测下一个光子所经过的那个时间、亦即在一定程度上检测器为了处理事件所需要的时间。

近来越来越多地使用的用于光子探测的检测器是雪崩光电二极管(APD)(也称为雪崩二极管)。对于波长在大约200nm与1050nm之间的光来说，APD具有最高的探测概率，它尤其也适合用在荧光测量领域中。此外，APD具有高的量子效率。

对于APD来说，时滞约为50ns，而时滞在光倍增器的情况下更小一些。为了在光子计数模式下光子不丢失(并且此外不会由于过高地进行撞击的辐射通量而损害APD)，必须确保检测器的足够小的辐射。对于荧光显微镜的运行来说，这例如意味着，要进行检查的试验只能以非常小的辐射光强来激发，这结果导致，对于高质量的、亦即具有足够的光子统计量的摄像来说需要相对长的时间。因此，所述试验中的快速的生化过程对于常规的荧光显微镜来说是不可达的，其中所述快速的生化过程在比摄像的时间量程更短的时间量程上进行。

现在，本发明所基于的任务是，这样扩展和改进构成类的、具有简单装置的、用于探测光束的光子的设备，以致能够通过检测装置探测较高的光子通量，亦即提高能由所述检测装置处理的最大计数速率。

上述任务通过权利要求1的特征来解决。因此，所述构成类的、用于探测光束的光子的设备的特征在于，所述检测装置包括至少两个检测器，以及在光束的光路中设置有元件，利用所述元件能够这样分解所述光束，以致光子出于探测目的而被分配到所述检测器上。

根据本发明，已经认识到，当检测器运行在光子计数模式下时，检测器的时滞是考虑到最大照射强度的限制判据。此外，已经认识到，在光子计数模式下可探测的光束中的最大光子通量能够通过以下方式并通过并行化来加以提高，即将要探测的光子分配到多个检测器上。为此，根据本发明，在光束的光路中设置用于分解光束的元件。

通过根据本发明的设备，例如能够在荧光显微镜中提高照射强度和与之相关联的拍摄速度，以致能够更快地制作图像并因此也能够使在试验中快速进行的生物反应或生化反应可见。同样地，可以在相同的拍摄时间内基于提高的光子统计量而获得更高的图像质量。在使用n个检测器时，将最大可能的计数速率提高n倍，并且相应地将信噪比改善√n倍。

除了光子计数模式以外，一般地通过本发明设备来提高所述检测装置的动态范围。同样地将饱和阈值提高n倍、即单个检测器的数量，其中在所述饱和阈值情况下撞击所述检测装置的光子通量是如此高，以致通量的进一步提高不导致所述检测装置的输出信号的进一步放大。

有利地，可以使用适用于单个光子探测、即换句话说可以在光子计数模式下运行的检测器。为此，在盖革模式(Geigermodus)下借助于所施加的高电压来驱动检测器。当光子击中检测器时，在APD的情况下产生电子-空穴对，并且检测器输出处于饱和。按这种方式所产生的电压信号在检测器输出端上被量取，并且作为事件被写入到内部存储器中，该内部存储器在结束数据记录之后被读出。

除了雪崩光电二极管之外，同样也可以将其它的检测器类型、例如光电倍增器或EMCCD(电子倍增CCD)用于探测光子。

考虑到紧凑的实施，所述检测器可以形成阵列。在最简单的实施形式中，该阵列例如可以是在行排列意义上的一维阵列。考虑到光子的继续分配，可以是平面阵列，在该平面阵列中以行和列形式排列所述检测器。

在使用EMCCD的情况下，通过以下方式甚至可以实现三维阵列，即在多个层面中连续地排列单个部分透光的EMCCD。于是，进行撞击的光子以一定的概率穿过最初的一个(或多个)层面，并在更深的层面中才由EMCCD进行探测。

光束的分解可以按不同方式来实现。例如可设想这样的分解，在所述分解的情况下产生光子的统计分布。特别简单地，可以通过光束的简单的散焦、例如通过借助于圆柱体形状的透镜使光束折射来实现这种光子分布。

此外，可以设想这样的光束分解，在所述光束分解的情况下产生光子的光谱分布。具体地，例如可以通过棱镜来实现这种分解。在光谱分解的情况下特别有利地得到以下可能性，即使阵列中的检测器单独地匹配于确定的光谱范围。依赖于所述光谱范围，例如可以使用不同灵敏度的光电阴极(Photokatoden)。

除了已经提到的用于光束分解的元件之外，原则上也可以使用光电元件或电机扫描仪。特别地，也可以在光束中连续排列多个(不同的)元件。按这种方式可以产生完全有针对性的光子分布模式，例如首先在一个方向上进行散焦，然后在与之垂直的方向上进行光谱分解。

有利地，对于光子计数来说必要的阈值确定装置以及用于对所探测到的光子事件进行计数的电子计数器可以被布置在所述检测器附近。特别是在使用EMCCD的情况下，甚至可以将计数器直接布置在芯片上。

有利地，用于对所探测到的光子事件进行计数的相应的计数逻辑可以在FPGA(现场可编程门阵列)上进行编程。加法器既可以被设置在计数器之前，也可以被设置在计数器之后。此外，可以以单片电路的形式构建整个电子线路。

现在存在不同的有利地扩展和改进本发明的原理的可能性。为此，一方面可参阅列在权利要求1之后的权利要求，另一方面可参阅后续的根据附图的本发明优选实施例的说明。结合本发明优选实施例的说明，也说明该原理的一般优选的扩展方案和改进方案。在附图中：

图1以示意图的形式示出根据本发明的设备的第一实施例，所述设备装置在一个方向上和并且在一维检测器阵列中利用光子统计分布来分解光束，

图2以示意图的形式示出根据本发明的设备的第二实施例，所述设备在一个方向上并且在一维检测器阵列中利用光子光谱分布来分解光束，

图3以示意图的形式示出根据本发明的设备的第三实施例，所述设备在两个方向上并且在二维检测器阵列中分解光束，

图4以示意图的形式示出图1中的实施例，其中附加地示出所属的处理电子线路。

图1示出从空间上受限的光源2发出的光束1，其中所述光源2具体可以是被激发进行荧光发射的生物试验材料。所述光束1击中光学元件3，该光学元件3由透明材料实施为半圆柱体形状的透镜4。所述光束1穿过圆柱体形状的透镜4，并且在从透镜4射出时由于折射被散焦，因此得到在照射面内发散的光束5，所述照射面的表面法线是圆柱体轴。在照射面内，光子是统计分布的。

然后，展宽的光束5击中检测装置，所述检测装置包括多个形成阵列6的检测器7。在图1中，示例性地仅仅示出五个检测器7，其被组合成一维阵列6。由于不是在一个检测器中探测光束1的光子，而是将光束1的光子均匀地分配到总共五个检测器7上，因此将最大可能的计数速率(和由此最大照射强度)提高5倍，该倍数对应于阵列6的检测器7的数量。相应地，将信噪比改善√5倍。因此，在每个像素积分时间恒定的情况下显著改善信噪比。

图2示出一种实施形式，在该实施形式中代替光子统计分布而产生光子光谱分布。通过布置在光束1的光路中的棱镜8来实现一维地分解为光谱不同的通道。通过旋转棱镜8能够使光谱分解最佳地匹配于检测器阵列6的相应配置。

图3示出一种实施形式，在该实施形式中由光源2发出的光束1首先在一个方向(X方向)上根据上面的图1的实施方案借助于圆柱体形状的透镜4被分解。然后，展宽的光束5击中棱镜8，通过该棱镜8在垂直于X方向的方向(Y方向)上对所述光束5进行光谱分解。检测装置位于棱镜8之后，该检测装置由二维检测器阵列9构成。撞击检测器阵列9的光子在X方向上均匀分布，而在Y方向上产生光谱分布，其中低能量的光子击中在图3中位于上方的像素10，而较高能量的光子击中位于更下方的像素10。

最后，图4以示意图的形式示出依照图1的本发明设备的实施形式，所述设备在一个方向上并且在一维检测器阵列6中统计分解光束1。附加地示出信号处理电子线路。经由电气连接11将光子计数器12分配给检测器阵列6的每个检测器7，因此能够逐像素地读出光子事件并且对其进行计数。所述光子计数器12的输出经由电气连接13被输送给加法器14，在该加法器14中将整个检测器阵列6所探测到的光子事件相加。将以这种方式产生的计数速率提供作为输出信号15。

最后，应十分特别强调的是，先前纯粹任意选择的实施例仅仅用于讨论本发明原理，然而本发明原理并不限于这些实施例。

Claims (2)

1.用于探测从空间上受限的源(2)发出的光束(1)的光子的设备，所述设备包括检测装置，其中所述检测装置包括至少两个检测器(7)，并且其中在所述光束(1)的光路中设置有元件(3)，利用所述元件(3)能够分解所述光束(1)，以致所述光子出于探测目的而被分配到所述检测器(7)上，

其特征在于，所述检测器(7)形成三维阵列(6、9)，并且由连续排列的部分透光的EMCCD形成所述三维阵列(6、9)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备用于荧光显微镜中。

Images