CN107257935B - 用于探测光的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于探测光(16、16b、16c)的特别是应用在显微镜中的装置，该装置包括至少一个硅‑光电倍增器(SiPM)和光学系统(23)，其中，SiPM包括由多个单光子‑雪崩二极管(SPAD)(3)的布局(阵列)(4)形成的探测面(22)，其中，所述光学系统(23)使所述光(16、16b、16c)适当地成形，从而利用几乎恒定光强的光束区域尽可能完全地覆盖所述探测面(22)。本发明还涉及一种显微镜，该显微镜包括根据本发明的用于探测光(16、16b、16c)的装置。此外，本发明涉及一种用于探测光(16、16b、16c)的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于探测光的、特别是应用在显微镜中的装置。本发明还涉及一种相应的显微镜，特别是扫描显微镜，优选激光扫描显微镜。此外，本发明涉及一种相应的优选利用所述装置的方法。
本发明意义下的光是指能够被硅-光电倍增器(SiPM)或单光子雪崩二极管(SPAD)探测到的电磁辐射，特别是可见光、红外光、UV光、伦琴射线和伽玛射线。因此，本申请范畴内的术语“光强”是术语“辐射强度”的同义词。例如，本发明可以应用在激光扫描显微镜中，但不限于此。
背景技术
用于探测光的装置自从很多年以来就由实践已知，其例如应用在激光扫描显微镜中。在此，相应的装置捕获待显微的样本的探测信号，这些装置对于图像质量来说至关重要。这尤其适用于比较微弱的探测信号，这种探测信号比如在(共焦的)荧光显微术、SHG显微术或拉曼显微术中是典型的。
对于光探测器来说，两个特征参数，探测器噪声和量子产率即探测效率，尤为重要。量子产率在此表示照射到探测器上的光的实际上产生可利用的电信号的比例。噪声表示干扰性地叠加于真正的探测信号上的电子的背景信号。这两个参数的比值，即所谓的信号-噪声-比值(SRN，“信噪比”)是光探测器的主要特征参数之一。
在实践中，光电倍增器(PMT)多年来就是激光扫描显微镜中的主要的光探测器。相比于基于半导体的探测器，例如光电二极管，PMT具有较小的量子产率。但它们由于低噪声而提供了很好的SNR。此外，包括作为光敏介质的GaAsP(磷砷化镓)层的改进方案近年来可供使用。
此外，多年来已知的是，在荧光显微镜中替代地采用半导体探测器。在此，特别是单光子雪崩二极管，所谓的“Single-Photon-Avalanche-Dioden”(SPAD)起到了巨大作用。SPAD在盖革模式(Geigermodus)下工作。
在这里，对SPAD施加略高于击穿电压的截止电压。击穿电压在此为数百伏特。
在这种模式下，吸收的光子在半导体内产生电子空穴对，电子空穴对被强电场加速，并且进行进一步的碰撞电离。该过程雪崩式地继续，并且引发可测量的增强了数百万倍的电荷雪崩。因而可以测量各个被吸收的光子，这些探测器由此可以用来测量外部的微小光量，这种光量比如在荧光显微镜中是常见的。
在此，单个光子引起放电，该放电以短小的电压脉冲的形式被测得。这里主要有两种测量模式。在数字测量模式下，计数电压脉冲，其中，上升的电压边沿用作被触发的计数信号。替代地，电荷可以在所谓的模拟测量模式下通过测量电阻积聚，所有脉冲的汇集的电荷量用作测量信号。通常，固定时间间隔的所有脉冲的积聚的电荷量(像素-曝光时间)于是通过模拟-数字-转换器被数字化，用于进一步的数字处理。
与所选的测量模式无关，SPAD的问题是会出现信号饱和。具体地来说，在照射到探测器上的光量增加时，测量信号不再以相同的程度增加。输入信号和输出信号之间的所希望的线性关系因而不再存在。因为在SPAD的雪崩式放电期间，另一个被吸收的光子不能同时引发第二次雪崩，所以出现了饱和。因此，在脉冲触发之后存在SPAD的迟滞时间，在这段迟滞时间内不能进行探测。该迟滞时间对应于在半导体内补充在雪崩式放电期间耗尽的载流子所需的时间。在大的光量情况下，多个光子在迟滞时间内出现，因此大光量无法再被完全捕获，探测器表现出一种非线性的饱和特性曲线。
由于由此导致的探测器的低动态范围(这些探测器的最大计数速率为每秒钟大约106～107个光子)代表了这些高度敏感的探测器的问题，所以近年来研发出了所谓的SPAD阵列。这些阵列例如可从制造商Hamamatsu Photonics K.K.获得，名称为MPPC(多像素光子计数)探测器。在该文献中，这些探测器还被称为硅-光电倍增器(SiPM)。相应探测器的该功能例如在https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/mppc_techinfo_e.pdf中有所记载。
SPAD阵列的基本原理在于，把多个独立的SPAD并联地组接成一个场。如果光子照射到单个SPAD上，该SPAD就会由于其迟滞时间而在通常数纳秒的时间内不再灵敏。然而，另一光子在这段时间内或者同时地照射到其它SPAD上，则这些SPAD能够捕获到该光子，并且产生可测量的电荷脉冲。因此可以在探测器输出端上产生脉冲序列，该脉冲序列具有比在单个SPAD情况下高的计数速率。
因而由现有技术已知的是，把整个探测光分布到多个并联连接的SPAD上。这具有如下优点：各个SPAD仅被施加一部分探测光，因而这些SPAD的饱和推迟出现。另外，在单个SPAD的迟滞时间内，其它准备好接收的SPAD可供使用。这些探测器的动态范围因此明显增大，这取决于并联连接的SPAD的数量。在市场上可得到的SPAD阵列具有例如20×20个或更多个SPAD。
但是，已知的SPAD阵列也有如下问题：它们具有饱和行为。当过多的光子在迟滞时间内照射到同一SPAD上时，就会出现饱和。在这种情况下，所述饱和类似于单个SPAD的饱和。此外，如果脉冲的—上升的—触发边沿在前一个脉冲期间未导致数字计数器的重新触发，在数字探测模式下也会出现饱和，因为其电压水平高于用于计数器触发的电压阈值(所谓的触发器电平)并且因此未被计数单元捕获为脉冲边沿。
所述的两种效应也导致SPAD阵列的饱和。由实践已知的是，例如从每秒钟大约108个入射光子起，输出信号—放电的次数—具有几乎恒定的值，从而无法再精确地测量光量。假如特定于给定探测器设计的特性曲线是已知的，则可以通过计算矫正使得所述特性曲线线性化。然而，在几乎完全饱和的范围内—例如略高于每秒钟1011个光子，就无法再充分精确地进行计算矫正。由于在模拟测量模式下特性曲线表现出与在数字测量模式下几乎相同的走向，所以下面在不同的饱和原因之间不再进一步区分。
因此，把多个SPAD并联地组接成一个SPAD阵列虽然是对饱和问题的改善，但这个问题仍像以前一样存在。所以，已知的SPAD阵列的动态范围仍然远低于光电倍增器的动态范围，光电倍增器因而一如既往地用来探测微小的光量，尽管它们的探测效率比SPAD探测器的探测效率差。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于探测光的装置和一种相应的方法，据此，在灵敏度高、信噪比优化且制造成本低廉的情况下，可实现增大有效的动态范围和提高探测效率以及特性曲线的线性化。一种相应设计的显微镜也被提出。
就本发明的装置而言，前述目的通过权利要求1的特征得以实现。就本发明的显微镜而言，所述目的通过并列的独立权利要求12的特征得以实现。利用另一并列的独立权利要求14给出一种相应的方法。
根据本发明，用于探测光的特别是应用在显微镜中的装置配备有至少一个硅-光电倍增器(SiPM)和光学系统。SiPM具有由多个单光子-雪崩二极管(SPAD)的布局(阵列)形成的探测面。在此，对于本发明重要的是，该光学系统对光进行塑形，从而利用几乎恒定光强的光束区域尽可能完全地覆盖探测面。
这里首先要指出，术语“光”、“光束”、“探测光”和“探测光束”同义地使用。
根据本发明已认识到，通过待探测的光束巧妙地塑形，所述目的能以令人惊讶地简单的方式实现。由现有技术已知的SPAD阵列先前已经在(共焦的)激光扫描显微镜中以如下方式使用：探测光在共焦的孔板后面利用传统的光学元件聚焦到探测器面上。在孔板后面发散地射出的光借助透镜成像到探测器上，从而在探测器表面上产生高斯式光分布(确切地说是艾里分布)。在此重要的是，几乎所有光都照射到探测面上，只有可忽略不计的少量光照射到探测面附近。这是必需的，以便实现高的探测效率。在探测光高斯式地分布的情况下，相比于位于探测面中央区域内的SPAD，结果是明显小的光强射到位于外面的SPAD上。例如，利用中央光强(在SPAD阵列的几何中点处的光强)的不到10％照明外部的SPAD。邻近的更靠近内部的SPAD例如仅以中央光强的大约31％被照明。在此按照本发明的方式已认识到，相比于位于外部的SPAD，内部的SPAD明显较早地表现出饱和效应。因此，相应地被照明的探测器在低的总光量情况下就已经表现出了非线性的特性曲线。
根据本发明现在已认识到，可以在较大的动态范围内改善特性曲线的线性化，如果探测光在空间上经过结构化，使得探测器的各个SPAD尽可能均匀地被照明，即以尽可能相同的光强被照明。
采用根据本发明的方式，利用光学系统对探测面进行相应的照明，利用该光学系统能以尽可能均匀的光分布对探测面进行照明。由此，利用构造简单的机构有效地避免由于阵列的各个区域的高于平均的高光强而导致的探测器的过早饱和。这以理想的方式导致在尽可能大的动态范围内的线性的特性曲线行为。
按照有利的方式，光学系统被构造成所谓的平顶光学系统。这是如下的一种光学系统：其—参照光束横截面—将光束轮廓(例如高斯式光束轮廓)变平，即产生光强或能量密度相对均匀的范围或区域。这种光束轮廓的特征是，它径向地从光束中点在大范围内都保持恒定或几乎恒定，然后在边缘区域中快速地以陡峭的边沿下降。由此产生在中央区域中具有基本上恒定的照明强度的光束。这种光束轮廓称为平顶光束轮廓，相应的光束也称为“平顶光束(top-hat beam)”。空间上的激光束成形使得激光束的轮廓改型，用于所述激光束成形的相应的光学元件已应用在材料处理中。例如已知光束成形光学系统(“光束成形器”)，其使得高斯式激光束轮廓变形为这种平顶光束轮廓(也就是将光束变形为“平顶光束”)。
在此，平顶光学系统可以构造成衍射式光学系统例如衍射光栅，或者构造成折射式光学系统，例如包括至少一个非球面透镜和/或至少一个自由曲面透镜，或者构造成反射式光学系统，例如非球面的反射镜。相应的折射式光束成形光学系统把入射的高斯式光束转变为平坦的、几乎折角式地射出的光束，这种光学系统例如在F.Duerr和H.Thienpont的Optics Express中介绍过(美国光学快报，2014年第22卷第7期，第8001-8011页)。此外，在US6,295,168中记载了相应的光学系统。
按照进一步有利的方式，平顶光学系统可以包括第一透镜和第二透镜，其中，第一透镜和第二透镜可以构造成非球面透镜或自由曲面透镜，其中，第一透镜可以使得光的径向轮廓变形，第二透镜可以使得光准直。在此，平顶光学系统的至少一个透镜可以在透镜表面上具有防反射层。按照特别有利的方式，该防反射层可以是光谱宽带防反射层。
此外，光学系统可以包括金字塔形的或多面体形的部件，特别是玻璃块或聚合物块，并且包括聚焦透镜。通过相应的布置，产生了在侧向上彼此错开的多个高斯式光束轮廓—在金字塔形部件的情况下例如有四个高斯式光束轮廓。
按照进一步有利的方式，平顶光学系统可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列使得光束按所希望的方式成形。采用微透镜阵列来使平顶光束轮廓成形，这对于其它技术领域来说由现有技术已知，为此例如参见O.Homburg、D.Hauschild、F.Kubacki和V.Lissotschenko的Laser Technik Journal(激光技术杂志，2007年第4卷第1期，第44-47页)。对于这种微透镜阵列可设想的是，所有的或者一部分的微透镜具有防反射层。按照特别有利的方式，该防反射层可以是光谱宽带防反射层。
按照特别有利的方式，光学系统可以对光进行塑形，从而几乎恒定光强的区域具有至少几乎圆形的、矩形、特别是几乎正方形的形状。视探测器面的几何造型而定，光学系统可以经过适当调整，从而保证对探测器面的尽可能均匀的照明。相应的使得光几乎正方形地成形的平顶光学系统例如由TOPAG激光技术股份有限公司(达姆施塔特)制得，并且在Stefan Rung等人的Proceedings SPIE Photonics West 2014,LASE,LAMON XIX,“LaserThin Film Ablation with Multiple Beams and Tailored Beam Profiles”中(第8967-24页)有所介绍。
按照特别有利的方式，SPAD可以经过适当构造和/或布置，使得探测面具有圆形的或者至少近乎圆形的形状，或者具有矩形的、特别是正方形的形状。
另外，可以把硅-光电倍增器构造成行扫描-探测器。在此，行扫描-探测器可以包括至少两个独立的由多个SPAD构成的阵列，这些SPAD分别带有至少两个信号输出端。在把硅-光电倍增器构造成行扫描-探测器时，可以采用特别有利的方式在光学系统与行扫描-探测器之间设置发散元件，例如棱镜和/或柱面透镜。通过这种布置，待探测的光成形为平坦的谱线轮廓，该谱线轮廓具有相对锐利的边棱，并且在谱线轮廓内部区域中具有均匀的光强分布。
本发明的装置特别有利地应用在显微镜中，尤其是扫描显微镜中，优选激光扫描显微镜中。在此，该显微镜可以是用于荧光显微术和/或用于拉曼显微术的显微镜。替代地或附加地，可设想的是，该显微镜是用于二次谐波产生(SHG)显微术的显微镜。
对于本发明的方法的特征，为避免重复，参见对本发明的装置的实施例所做的介绍，由这些介绍也可得到涉及方法的特征。这里也重要的是，通过光学系统对光进行塑形，从而利用几乎恒定光强的光束区域尽可能完全地覆盖探测面。
附图说明
现在有各种不同的可行方案能够用来以有利的方式设计和改进本发明的教导。对此，一方面参见从属于权利要求1和12的权利要求，另一方面参见参照附图对本发明的优选实施例的如下说明。结合参照附图对本发明的优选实施例的说明，同样概要地介绍所述教导的优选设计和改进。
在附图中：
图1示出了与时间相关的由SPAD测得的电压信号；
图2以示意图示出了由多个SPAD构成的阵列的基本结构；
图3示出了由现有技术已知的、在数字测量模式下工作的阵列的特性曲线；
图4以示意图示出了激光扫描显微镜的基本结构，本发明的装置可集成到所述显微镜中；
图5以示意图示出了照射到图4中所示的激光扫描显微镜的探测面上的光的轮廓；
图6以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第一实施例的本发明的用于探测光的装置；
图7以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第二实施例的本发明的用于探测光的装置；
图8以示意图示出了图6和图7的激光扫描显微镜的照射到探测面上的光的轮廓；
图9以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第三实施例的本发明的用于探测光的装置；
图10以示意图示出了图9的激光扫描显微镜的照射到探测面上的光的轮廓；
图11以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第四实施例的本发明的用于探测光的装置；
图12以示意图示出了图11的激光扫描显微镜的照射到探测面上的光的轮廓；
图13以示意图示出了本发明的用于探测光的装置的第五实施例；
图14以示意图示出了图13的装置的照射到探测面上的光的轮廓；
图15以示意图示出了行扫描-探测器的实施例；
图16以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第六实施例的本发明的用于探测光的装置；
图17以示意图示出了图16的激光扫描显微镜的照射到探测面上的光的轮廓。
具体实施方式
图1示出与时间相关的由SPAD测得的电压信号。借助图1可看到由现有技术已知的SPAD的测量信号的饱和度。单个光子导致放电，该放电以短的电压脉冲1的形式被测得。在SPAD的雪崩式放电期间，另一个被吸收的光子不能同时引发第二次雪崩，这一点由虚线所示的电压脉冲2指示。因而在一次脉冲触发之后存在一段迟滞时间，SPAD在这段迟滞时间内不能探测到其它光。
图2以示意图示出了由多个SPAD 3构成的阵列4的基本结构。为明了起见，在图2及后续附图中仅给一个SPAD标出附图标记3。在此，多个独立的SPAD 3并联地组接成阵列4。如果光子5a照射到单个SPAD 3上，则这个SPAD由于其几纳秒的迟滞时间而不再灵敏。然而，另一光子5b在这段时间内或者同时地照射到其它SPAD 3上，这些SPAD能捕获到光子5b，并且产生可测量的电荷脉冲。可以在探测器输出端上产生脉冲序列6，该脉冲序列具有比在单个SPAD 3情况下高的计数速率
图3示出由现有技术已知的、在数字测量模式下工作的阵列4的特性曲线7。在此，具体地以双对数比例尺，针对每秒钟照射到整个SPAD场上的光子数量，绘制出在整个SPAD场(阵列)中的放电次数。从每秒钟大约108个入射光子起，曲线由于饱和行为而变得非线性。在每秒钟大约1011个光子以上，输出信号(放电次数)甚至变得几乎恒定，从而无法再精确地测量光量。假如特定于给定探测器设计的特性曲线7是已知的，该特性曲线可以通过计算矫正予以线性化。然而，在几乎完全饱和的范围内，即大致在每秒钟1011个光子以上，这就不再足够精确了。而图3示出了用于数字测量模式的特性曲线7，相同的情况也适用于模拟测量模式。
图4以示意图示出了激光扫描显微镜的基本结构，本发明的装置可集成到所述显微镜中。共焦的激光扫描显微镜具有用于发出光的照明光源8，例如激光器。光通过光学系统9成形为平行化的照明光束10，该照明光束通过彩色分光器11馈送至显微镜。照明光束10通过扫描单元12而转向，该扫描单元可以使照明光束10朝向两个空间方向(X、Y)转向，用于成像地扫描(Abtastung)。这通常通过可倾斜的反射镜来实现，所述反射镜通过检流计-扫描器来实现或者微型化地通过MEMS(微机电系统)来实现。通常采用两个或更多个可旋转的反射镜作为扫描单元12，以便能在两个空间方向上扫描(rastern)照明光束10。为简明起见，这里只示出一个反射镜作为扫描单元12。
照明光束10通过场光学系统13成像到物镜14中。作为场光学系统13，往往采用第一扫描透镜和第二镜筒透镜，以及可选地采用其它透镜。在扫描单元12的扫描移动期间，样本15被两维地扫描，并且在一个时间点总是在一个点被照明，照明光束10在该点上以衍射受限的方式成像。在样本15中，可以在当前的照明点激发出荧光，如果已用相应的颜料标出样本15。替代地，可以产生反射光、散射光、拉曼散射、频率倍增光(SHG)或其它种类的探测光束16。
探测光束16至少部分地在与照明光束10恰好相反的方向上回到显微镜的光路。在此，探测光束16在扫描单元12处向后转向，从而在任何时间点在扫描单元12的任何转向方向上在扫描单元12与探测器21之间又产生固定的探测光束16。探测光束16通过光学系统17成像到孔板18上。
孔板18共焦地设置，即在样本中与照明光束10的焦点在光学上一致。通过这种方式，在样本15中来自照明光束10的焦点的光可以经过共焦的孔板18，而来自焦点之外地点的光则受到抑制。这种共焦探测能实现散射光抑制和对样本15的三维扫描以用于三维成像。
经过孔板18的探测光束16b在孔板18处发生光学衍射并发散。透镜19使得探测光束16b平行，并且将其引导至探测器21。探测器21的探测面22是根据图2的由SPAD 3构成的阵列4。探测光束16b可以通过其它透镜20成像到该阵列4上。
如果孔板18是圆形的，则探测光束16b在探测面22上具有与艾里(Airy)分布相应的分布。若孔板18呈角形、狭缝形或其它形状，则相应地有其它衍射图案成像在探测面22上。通常，高斯分布足够准确地描述了在探测面22上的探测光束16b的衍射图案。对于本发明来说，重要的并非衍射图案的确切形状，而是其如下特性：在无其它措施的情况下，不提供对阵列4的探测面22足够均匀的照明。
就图4所示的显微镜而言，探测光束16b例如以高斯状轮廓成像到阵列4上，并且比较早地导致探测器21的饱和，如在说明书的概要部分中已述。
图5以示意图示出了照射到图4中所示的激光扫描显微镜的探测面22上的探测光束。探测面22由阵列4构成。在此，例如，阵列4的设置在边缘区域中的SPAD 3以中央光强的不到10％被照明。邻近的进一步位于内部的SPAD 3同样仅以中央光强的大约33％被照明。因此，相比于位于外部的SPAD 3，内部的SPAD 3明显更早地按照图3所示的特性曲线7的方式表现出饱和效应。
图6以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第一实施例的本发明的用于探测光的装置。图6中所示的激光扫描显微镜在共焦的孔板18和探测器21之间具有本发明的光学系统23。在这里所示的实施例中，该光学系统是一种平顶光学系统24，其比如应用在激光材料处理中。探测光束16b通过平顶光学系统24适当地变形，从而利用几乎恒定光强的光束区域尽可能完全地覆盖探测面22。相应地变形的探测光束16c在图6中被放大地示出。
图7以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第二实施例的本发明的用于探测光的装置。在该实施例中，光学系统23同样被实现为平顶光学系统24，并且附加地经过适当设计，从而它承担起图4所示的透镜19和/或透镜20的功能。其它在细节上有差异的或者扩展了其它功能的光路也是可行的。例如可以存在一些元件，用来在采用多个本发明的由光学系统23和探测器21构成的机构情况下，把探测光束16在光谱上分成多个局部光路。重要的仅仅是在探测器21之前的变形，从而探测器21的探测面22被几乎恒定光强的光束区域尽可能完全覆盖。
图8以示意图示出了图6和图7的激光扫描显微镜的照射到探测面22上的光16c的轮廓。这里可明显地看出，探测面22或阵列4经过适当的尺寸设计，从而具有几乎恒定光强的探测光束16c尽可能完全地覆盖探测面22或阵列4。
图9以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第三实施例的本发明的用于探测光的装置。与根据图6和7的实施例相反，图9中的SPAD 3经过适当布置，从而探测面22具有至少近乎圆形的形状。与图6和7所示的探测面22相反，现在不存在未被照明的或者仅仅被稍微照明的SPAD 3，这种SPAD促使探测器21发出噪声。确切地说，探测面22最佳地适配于光轮廓16c。
图10以示意图示出了图9的激光扫描显微镜的照射到探测面22上的光16c的轮廓。为避免重复，在此参见针对图9的介绍。
图11以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第四实施例的本发明的用于探测光的装置。在此，探测器21的探测面22正方形地构造，因而对应于大多数可在市场上得到的阵列4。为了实现尽可能好地适配探测光束16c的轮廓，被设计成平顶光学系统24的光学系统23经过适当构造，从而它产生几乎正方形的轮廓。相应的平顶光学系统24例如由TOPAG激光技术股份有限公司(达姆施塔特)制得，并且在Stefan Rung等人的Proceedings SPIE Photonics West 2014,LASE,LAMON XIX,“Laser Thin Film Ablationwith Multiple Beams and Tailored Beam Profiles”中(第8967-24页)有所介绍。
图12以放大的视图再次示出图10的激光扫描显微镜的照射到探测面22上的光16c的轮廓。
图13以示意图示出了本发明的用于探测光的装置的第五实施例。由图13明显可知，光学系统23由金字塔形的部件25和聚焦透镜26构成。通过这种布置，在探测器21的探测面22上以四叶苜蓿的方式形成了探测光束16c的四个高斯式轮廓。通过合适地选择金字塔形的部件25、聚焦透镜26和探测面22的尺寸，可以均匀地照明正方形的探测面22，直至各个角落。在探测面22上相应地产生的光分布例如在图14中示出。
在此，金字塔形的部件25和聚焦透镜26的顺序可以交换。此外，可以代替金字塔形的部件25而采用与探测面22的形状适配且与光学光路适配的多面体形的部件。重要的仅仅是，由多个小的高斯轮廓产生一个总轮廓，该总轮廓尽可能均匀地捕获探测面22。
图15以示意图示出了行-扫描探测器27的实施例。就图15所示的行扫描-探测器27而言，多个阵列4组装成一个具有多个信号输出端的探测器-行28，其中多个阵列4本身全部都已由多个并联的SPAD 3构成。由此可以空间分辨地
捕获探测光束16c。相应的行-扫描探测器27例如用来在光谱仪中探测在光谱上分开的光。
图16以示意图示出了图4的激光扫描显微镜，其带有根据第六实施例的本发明的用于探测光的装置。在这里，探测器21被构造成根据图15的行-扫描探测器27。此外，除了光学系统22外，还在探测器21的前面设置了发散元件29(例如棱镜或光栅)和柱面透镜30。柱面透镜30或发散元件29或二者的组合可以与光学系统23相结合地使得探测光束16c变形，从而实现均匀地照明行-扫描探测器27的探测器-行28。在图17中放大地示出了行-扫描探测器27的被相应地照明的探测器-行28。于是，利用探测光束16c的均匀照明形成了一种平坦的谱线轮廓，该谱线轮廓具有相对锐利的边棱，且在谱线轮廓的内部区域中具有均匀的光强分布。
有关本发明的装置的其它有利的设计，为避免重复，参见说明书的概要部分以及所附的权利要求书。
最后还要明确指出，本发明的装置的前述实施例仅仅用于介绍要求权利保护的教导，但所述教导并不局限于这些实施例。
Claims (24)
1.一种用于探测光(16、16b、16c)的装置，包括至少一个硅-光电倍增器(SiPM)且包括光学系统(23)，该装置利用照明光束对样本(15)照明，并产生探测光束(16)，该探测光束成像到共焦的孔板(18)上，其中，所述SiPM包括由多个单光子-雪崩二极管(SPAD)(3)的阵列(4)形成的探测面(22)，其中，所述光学系统(23)使所述光(16、16b、16c)适当地成形，其特征在于，利用恒定光强的光束区域完全地覆盖所述探测面(22)，所述光学系统(23)构造成平顶光学系统(24)，所述平顶光学系统布置在所述共焦的孔板(18)与所述硅-光电倍增器(SiPM)之间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平顶光学系统(24)构造成衍射式光学系统，或者构造成折射式光学系统，或者构造成反射式光学系统。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平顶光学系统(24)包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和/或所述第二透镜构造成非球面透镜或自由曲面透镜，所述第一透镜使得所述光的径向轮廓变形，所述第二透镜使得所述光准直。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平顶光学系统(24)包括微透镜阵列。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平顶光学系统(24)的至少一个透镜或微透镜在透镜表面上包括防反射层。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学系统(23)包括金字塔形的或多面体形的部件(25)，并且包括聚焦透镜(26)。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学系统(23)使所述光(16、16b、16c)适当地成形，从而恒定光强的区域具有圆形的或矩形的形状。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述SPAD(3)经过适当构造和/或布置，从而所述探测面(22)具有圆形的形状。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述SPAD(3)经过适当构造和/或布置，从而所述探测面(22)具有矩形的形状。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述硅-光电倍增器(SiPM)构造成行扫描-探测器(27)，其中，所述行扫描-探测器(27)包括至少两个独立的由多个SPAD(3)构成的阵列(4)，所述SPAD分别具有至少两个信号输出端。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，在所述光学系统(23)与所述行扫描-探测器(27)之间设置有发散元件(29)和/或柱面透镜(30)。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置应用在显微镜中。
13.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述平顶光学系统(24)构造成衍射光栅，或者构造成至少一个非球面透镜和/或至少一个自由曲面透镜，或者构造成非球面的反射镜。
14.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述防反射层是光谱宽带防反射层。
15.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述部件(25)是玻璃块或聚合物块。
16.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述恒定光强的区域具有正方形的形状。
17.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述探测面(22)具有正方形的形状。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述发散元件(29)是棱镜。
19.一种显微镜，其特征在于，它包括根据权利要求1～18中任一项的用于探测光(16、16b、16c)的装置。
20.如权利要求19所述的显微镜，其特征在于，所述显微镜是用于荧光显微术和/或用于SHG显微术和/或用于拉曼显微术的显微镜。
21.如权利要求19所述的显微镜，其特征在于，所述显微镜是扫描显微镜。
22.如权利要求21所述的显微镜，其特征在于，所述扫描显微镜是激光扫描显微镜。
23.一种用于探测光(16、16b、16c)的方法，其利用根据权利要求1～18中任一项的用于探测光(16、16b、16c)的装置，所述装置包括至少一个硅-光电倍增器(SiPM)和光学系统(23)，其中，所述SiPM包括由多个单光子-雪崩二极管(SPAD)(3)的阵列(4)形成的探测面(22)，其中，通过所述光学系统(23)使所述光(16、16b、16c)适当地成形，从而利用恒定光强的光束区域完全地覆盖所述探测面(22)。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法应用在显微镜中。
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