CN110967323A - 用于评估单光子-探测器信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于评估单光子‑探测器信号的方法，其中，将单光子‑探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理所述第一信号，所述第二信号要么不被处理，要么与所述第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估所述差信号，以便确定出脉冲事件。

Description

用于评估单光子-探测器信号的方法

技术领域

本发明涉及一种用于评估单光子-探测器信号的方法以及用于实施该方法的装置、计算单元和计算机程序。

背景技术

例如在共焦显微术中，使用尽量灵敏的光探测器，以便以尽量好的信号/噪声比和尽可能精准定量地检测来自于样本的荧光。适合于此的有各种不同类型的光电倍增器。尤其希望也采用半导体-光电倍增器(HIPM)，比如硅-光电倍增器(SiPM)，因为其在成本比较小的情况下在灵敏度、时间分辨率和耐用性方面提供了优点。

对于HIPM，由每个探测的光子产生模拟的脉冲，其中，在图1中示出了典型的信号曲线(关于时间的强度)。脉冲形状分为在纳秒～子纳秒范围内的快速上升以及在通常20-100纳秒范围内的下降。信号高度主要由高于雪崩击穿的偏置电压以及单个电池的容量给定，以及当然由随后的电子机构的放大倍数给定。快速上升是击穿的结果，在击穿时，偏置二极管的容量放电至击穿电压以下，缓慢的下降由RC-时间常数结合以所谓的“淬火”-电阻产生。信号曲线以下的面积在一定程度上相当于在击穿时释放的电荷。具有对共焦显微术有意义的尺寸(例如1.3mm x 1.3mm；200-1500个并联的各个电池)的SiPM以较大的均匀度为每个被光子击中的电池提供了相同大小的信号或相同多的电荷。

原则上，对于光电倍增器，可以采用数字模式或者积分模式(也叫数字模式或模拟模式)进行数据采集。

一种用来得到与入射光子数量成比例的信号的可行方案在于，对事件计数，其方式为，把模拟信号与阈值相比较，并且在每次超过时都使得计数器增值。然而，一旦脉冲重叠，测得的计数率就小于事件的实际数量。在了解当前的光子统计情况以及知道探测信号的脉冲形式时，可以推断出错误，并且必要时予以纠正。在脉冲式激励的情况下，为了成功地矫正，也需要了解荧光寿命。也就是说，矫正要根据样本进行，这牵涉到额外耗费。

保持脉冲计数误差尽可能小的另一种方法是使脉冲尽可能短。这可以通过对输出信号进行高通滤波来实现，或者通过如在US 2013/0099100 A1中所公开的在二极管与淬火电阻之间的电容截取来实现。但是，这降低了信号高度。

为了识别出光子击中，并以高的时间分辨率检测出单光子-探测器的信号，特别是当检测到的各光子在时间上密集排列时，可以对高通滤波后的信号进行放大，然后与阈值进行比较。一旦超过阈值，就会生成数字信号，可以以高时间分辨率对该信号进一步处理。为了输出高通滤波后的信号，可以例如使用无源的RC-元件，即电阻器和电容器以及随后的放大器。

高通滤波后的该信号通常始终具有在静止位置上方和下方的电压分量，使得在静止位置上方和下方的面积几乎相同大小。这导致，在多个脉冲紧密地彼此相继的情况下，脉冲的高度取决于它们与先前的脉冲如何重叠。结果，要么会丢失脉冲，要么在错误的时间点或者在减幅振荡的情况下也计数过多。图2a在相比于图1更长的时间轴上示出了高通滤波信号的一种可能的曲线，该信号具有多个彼此相继的脉冲。阈值由100表示。在例如三个脉冲紧密地彼此相继的情况下，脉冲高度有可能下降到阈值100以下，从而在该例子中不计数第三脉冲。

造成这种现象的原因之一尤其是，实际上的滤波器的特性不理想。对于若干MHz频率范围内的实际滤波器，例如寄生电感和电容也起着作用，因此大多情况下并非仅仅产生一个简单的一阶高通滤波器。如图2b所示，实际上的高通滤波信号201例如相应于二阶滤波器。与理想的曲线200不同，在短脉冲之后，向上跟随着明显的下冲。如果叠加第二脉冲，使得第二脉冲的最大值达到第一脉冲的最小值，则第二脉冲的高度相应地失真。

更糟糕的是，此处优选的H1PM的信号大小通常仅1-2mV，因此在实践中被放大例如100倍。但是在这种情况下，也相应地放大了任何偏差。虽然现在可以用多个放大级来放大信号，其中每个级分别仅放大前一级的高通滤波信号，以保持较小的偏差。但这有利于带下冲的实际特性。

因此，希望减少或克服现有技术的缺点，并以更好的时间分辨率和更高的精度来检测单光子-探测器的信号。

发明内容

根据本发明，提出了具有独立权利要求的特征的一种用于评估单光子-探测器信号的方法，用于实施该方法的装置、计算单元、计算机程序和一种存储介质。有利的设计是从属权利要求和以下描述的主题。

根据本发明的用于评估单光子-探测器信号的方法，其特征在于，—在要求的情况下在预处理特别是放大之后，但没有高通滤波—，将单光子-探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理第一信号，第二信号要么不被处理，要么与第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估该差信号，以确定出脉冲事件。例如，可以对脉冲计数，和/或确定出脉冲的时间点。

因此，本发明基于如下构思：通过求取不同地处理的各信号的差，来代替常规的高通滤波。

特别地，本发明提供的优点是，与采用实际滤波器的高通滤波的变型方案相反，脉冲高度没有或几乎没有随着脉冲序列而变化。另一个优点是，存在的偏差通过复制到两条线路中并随后求差，在放大器链条末端才相互抵消。

对差信号的评估原则上可以包括已知的方法，例如阈值比较，其中，将差信号与阈值进行比较，其中，针对每次超过阈值，都确定出脉冲事件。代替通过与阈值进行比较来计数单光子事件，还可以在时间区间上对差信号进行积分，以获得与光子数量成比例的积分值。这尤其当各个事件非常密集地发生或者也同时发生时将特别有用。在这种情况下，计数时会丢失事件，而在针对每个事件进行积分时，会在差信号的曲线下产生几乎相等的面积。因此，在光强度高的情况下，积分更是提供了与光强度成比例的值。而阈值比较提供了更好的时间分辨率。

在一种有利的实施例中，对第一信号的处理包括低通滤波，优选地采用20和100MHz之间、特别优选地50和80MHz之间的截止频率。通过在低通滤波后的第一信号和未处理的第二信号之间形成差值，产生一个高频分量，但与采用实际滤波器的高通滤波的变型方案相反，该高频分量的脉冲高度不会随脉冲序列而变化。如已述，尽管单光子-探测器信号可以在复制之前被放大，但并未经过高通滤波，因此直流电压分量(偏差)随之被放大。如果然后将通过求差产生的信号与阈值进行比较，则可以正确地确定出全部的脉冲事件。前提条件仅仅是，在两个脉冲之间低于阈值。

在该变型方案的优选的改进中，对第二信号的处理优选地包括采用与第一信号不同的截止频率的低通滤波。由于一个信号的低通滤波的截止频率高于另一信号的低通滤波的截止频率，因此放大信号的一部分高频分量仍会传输，并在求差之后保留下来。从这个意义上说，不同的低通滤波和求差就像带通一样作用。

也可考虑的是，在不同处理的过程中，对第一信号和/或第二信号进行高通滤波和/或带通滤波。

有益地，对第一信号和/或第二信号的处理包括延迟，以便优选地补偿传输时间差和/或以便添加差分分量。特别是在第二信号未被处理的情况下，由于对第一信号的处理，出现传输时间差，通过在求差之前有针对性地将较快的信号延迟来补偿所述传输时间差。以这种方式，处理后的第一信号和处理后的或未处理的第二信号的相同的时间点可以彼此相关。

在另一个有利的实施方式中，对第一信号和/或第二信号的处理包括与符号相关和/或与斜率相关的处理。在与符号相关的处理的过程中，尤其是可以根据符号来处理每个信号值和/或每个差值。一种可能的与符号相关的处理是，将负的信号值过滤掉或设置为零。对于与斜率相关的处理，尤其可以针对每个信号值和/或每个差值确定局部斜率，并且根据该斜率来选择处理。一种与斜率相关的处理可以是，仅允许具有最小斜率或最高斜率的信号部分通过。以这种方式，尤其可以滤除单光子信号的高频分量。

也可以考虑的是，对第一信号和/或第二信号的处理包括各自的放大。在此可以考虑不同的缩放比例。

在另一有利的实施方式中，链中的一个或多个信号，即探测器信号、第一信号、第二信号(分别在处理之前或之后)、差信号，以足够大的采样率进行数字化(即以便仍然能够检测到具有大约1-2ns的快速分量的脉冲)，而其它的方法步骤则通过计算机执行。在采样率至少为2GHz时就是这种情况。这是有利的，因为按这种方式能够进行精确的数字计算。

由说明书和附图可得到本发明的其它优点和设计。

应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面仍要说明的特征不仅可按分别给出的组合使用，而且可按其它组合使用或单独使用。

附图说明

本发明借助实施例在附图中被示意性地示出，并将在下面参照附图予以介绍。

图1示出单光子-探测器信号的波形；

图2a示出经过高通滤波的探测器信号的可能的波形；

图2b示出理想的和实际的高通滤波信号之间的比较；

图3为本发明的方法的一个实施方式的功能取向的视图；

图4a示出根据本发明的一个实施方式的被处理的第一信号和未被处理的第二信号的曲线；

图4b示出图4a的两个信号的差的曲线；

图5示出在根据本发明的方法的一个实施方式直接测量单光子-探测器信号并且在处理之后记录情况下的示波器-照片；

图6为本发明的方法的另一实施方式的功能取向的视图；

图7以示意图总览地示出共焦显微镜的常见部件。

具体实施方式

图1示出了单光子-探测器信号的波形。对于每个探测到的光子都产生一个脉冲，该脉冲具有快速分量(约1-2ns)，随后是稍慢的分量(约30-60ns)。脉冲形状分为纳秒到子纳秒范围内的快速上升以及通常30-60ns范围内的下降。信号高度主要由高于雪崩击穿的偏置电压以及单个电池的容量给定，以及当然由随后的电子机构的放大倍数给定。快速上升是击穿的结果，在击穿时，偏置二极管的容量放电至击穿电压以下，缓慢的下降由RC-时间常数结合以所谓的“淬火”-电阻产生。

图2a示出了经过高通滤波的单光子-探测器信号的可能的波形。为了识别出光子的击中，在现有技术中将高通滤波后的单光子-探测器信号放大，然后与阈值进行比较。一旦超过阈值，就会生成数字信号，可以以高时间分辨率对该信号进行进一步处理。为了输出高频分量，通常如上所述使用电容器。在此，高通滤波后的信号始终具有在静止位置上方和下方的电压分量，使得在静止位置上方和下方的面积几乎相同大小。这导致，在多个脉冲紧密地彼此相继的情况下，脉冲的高度取决于它们与先前的脉冲如何重叠。结果，要么会丢失脉冲，要么在错误的时间点或者在减幅振荡的情况下也计数过多。

图3示出了用于执行根据本发明的方法的实施方式的装置。在此，在探测器1中产生单光子-探测器信号。在当前例子中，该信号首先传输至放大器2。在那里，信号被放大并复制为两个信号。第一信号被传输至第一处理单元3，第二信号被传输至第二处理单元4。

在第一处理单元3中，第一信号被处理，优选地被低通滤波。在第二处理单元4中，第二信号要么未经处理地被传输，要么与第一处理单元3中的第一信号不同地被处理。优选地，第二信号在第二处理单元4中被延迟，以补偿第一信号和第二信号之间的传输时间差。

然后，把处理后的第一信号和处理后的第二信号传输至求差器5，在该求差器中，形成处理后的第一信号与未处理或处理后的第二信号之间的差信号，并将该差信号传输至处置单元6。

在处置单元6中，可以将差信号例如数字化，然后予以评估。特别地，将差信号与阈值进行比较，由此针对每次超过阈值，确定出脉冲事件，例如确定出脉冲的时间点。

图4a示出了根据本发明的一个实施方式的第一已处理信号和第二未处理信号的曲线。未处理的信号对应于放大的单光子-探测器信号。作为处理步骤，将经过处理的信号进行低通滤波，截止频率为50MHz。针对低通滤波后的信号可以看出，快速脉冲上升的高频分量已被滤除，不再出现在低通滤波后的信号中。

图4b示出了图4a的两个信号的求差结果。结果是强脉冲，其对应于在脉冲的快速上升中的高频分量。另外，可以看到较小的振动，但这种振动并不重要。

图5示出了示波器-照片，其中，上面的曲线示出了在各个脉冲紧密地彼此相继的光量情况下的直接测量。为了得到下面的曲线，首先在示波器中通过计算执行截止频率为80MHz的低通滤波，然后从中减去上面的曲线。不管历史如何，剩下的脉冲于是几乎相等高度。

图6示出了用于执行根据本发明的方法的一个实施方式的替代性的装置。在此，在探测器1中产生单光子-探测器信号。该信号被传输至放大器2。在那里，信号被放大并传输至数字化单元7。在那里，放大后的信号以至少2GHz的采样率被数字化。现在，可以通过计算完成其它步骤。因此，应当理解，下面描述的单元可以特别地以软件的形式存在。

特别地，数字化的信号被复制成两个信号，其中，第一信号被传输至第一处理单元3，第二信号被传输至第二处理单元4。在第一处理单元3中，对第一信号进行处理，优选进行低通滤波；在第二处理单元4中，第二信号要么未经处理地被传输，要么与第一处理单元3中的第一信号不同地进行处理。优选地，第二信号在第二处理单元4中被延迟，以便补偿第一和第二信号之间的传输时间差。

然后，把处理后的第一信号和处理后或未经处理的第二信号传输至求差器5，在该求差器中，形成处理后的第一信号与未处理或处理后的第二信号之间的差信号，并将该差信号传输至处置单元。在处置单元中对差信号予以评估，其中，特别是将差的曲线与阈值进行比较，其中，针对每次超过阈值，确定出脉冲的时间点。

图7示意性地示出了具有通常组件的共焦显微镜。500表示整个系统。共焦的扫描和探测单元标记为505。相关的照明机构用506表示。508是激光光源，其经由照明光纤507与照明机构506连接。504表示用于在显微镜座架501上的共焦的扫描和探测单元505的光学适配器。座架501的一部分是带有待检查的样本503的样本台502。根据本发明的装置的设计为控制单元509的计算单元通过相应的连接线与各个组件508、506、505和501连接。带有控制和演示程序的计算机标记为510；该计算机还与控制单元509通信。

待检查的样本503通过显微镜光学器件予以照明，以及通过同一显微镜光学器件特别是成像到根据本发明的装置的传感器装置511上，根据共焦的扫描和探测单元505的实施方式而定，该传感器装置由光电倍增器或光电倍增器阵列组成。

在共焦的扫描和探测单元505的内部，在第一变型中，布置了典型的共焦的光路，该光路以已知的方式构造有单个针孔和光线扫描器，例如反射镜扫描器。

在第二变型中，在共焦的扫描和探测单元505的内部存在光路，在该光路中，样本被一个或多个沿一个方向延展的照明点同时照明。相应地，例如通过对孔眼光圈(针孔)的几何布置来选择要探测的光子。传感器装置511于是由光电倍增器阵列组成。

在整个系统的第二变型中—其包括具有传感器阵列的显微镜，各个光电倍增器特别是SiPM要么线性地布置，要么布置为根据本发明的优选实施方式予以评估的二维的光电倍增器-阵列。

整个系统的第一变型在共焦的扫描和探测单元505的内部具有典型的共焦的光路(如上所述)。在这种情况下，成像的光线被成像到单个光电倍增器特别是SiPM上，该光电倍增器根据本发明的优选实施方式进行评估。

图7中所示的系统500的工作方式本已公知许久，因此当前不予介绍。

附图标记清单

1 探测器

2 放大器

3 第一处理单元

4 第二处理单元

5 求差器

6 处置单元

7 数字化单元

100 阈值

500 共焦显微镜

501 座架

502 样本台

503 样本

504 光学适配器

505 扫描和探测单元

506 照明机构

507 照明光纤

508 激光光源

509 控制单元

510 计算机

511 传感器装置

Claims (16)

1.一种用于评估单光子-探测器信号的方法，其中，将单光子-探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理所述第一信号，所述第二信号要么不被处理，要么与所述第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估所述差信号，以便确定出脉冲事件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，对所述第一信号的处理包括低通滤波，优选地采用20MHz和100MHz之间、特别优选地50MHz和80MHz之间的截止频率。

3.如权利要求2所述的方法，其中，对所述第二信号的处理包括采用与所述第一信号不同的截止频率的低通滤波。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括延迟，以便优选地补偿传输时间差和/或以便添加差分分量。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括与符号相关和/或与斜率相关的处理。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括各自的放大。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形成所述第一信号和所述第二信号之前将所述单光子-探测器信号放大。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形成所述第一信号和所述第二信号之前不对所述单光子-探测器信号予以高通滤波。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述评估包括，将所述差信号与阈值进行比较，其中，针对每次超过阈值，都确定出脉冲事件。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述评估包括，对所述差信号进行积分，其中，由积分值确定出脉冲事件的数量。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述单光子-探测器信号、所述第一信号和所述第二信号或所述差信号，以至少2GHz的采样率进行数字化，并且其它的方法步骤通过计算机执行。

12.一种计算单元(509、510)，被设计用于实施根据权利要求11的方法。

13.一种用于评估单光子-探测器信号的装置，具有探测器(1)、放大器(2)、第一处理单元(3)、第二处理单元(4)、求差器(5)和处置单元(6)，其中，所述装置被设计用于实施根据权利要求1～11中任一项的方法。

14.一种计算机程序，当其在计算单元上执行时，该计算机程序引起计算单元(509、510)执行根据权利要求11的方法的其它的方法步骤。

15.一种机器可读的存储介质，具有存储于其上的根据权利要求14的计算机程序。

16.一种显微镜系统、共焦显微镜系统(500)或扫描-共焦显微镜系统，具有至少一个光电倍增器(511)和根据权利要求12的计算单元(509、510)和/或根据权利要求13的装置。

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