CN115461609A - 被配置为对n-光子事件进行计数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种被配置为对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N‑光子事件进行计数的装置，其中N为大于1的自然数，其中N优选地为2。N‑光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件的发生。该装置(10)包括信号处理设备(44)和光敏检测器(42)。光敏检测器(42)适于产生包括数字图案(68、70、72、74)的时间相关的数字信号，该数字图案(68、70、72、74)代表利用光敏检测器(42)检测多个光子而产生的事件的时间相关的序列。数字信号中的每个数字图案(68、70、72、74)包括数字图案宽度(d1、d2、d3)，具有连续数字值序列，代表至少一个光子与光敏检测器(42)的交互的至少一个事件。该信号处理设备(44)适于根据相应的数字图案宽度(d1、d2、d3)从数字信号中的数字图案识别N‑光子事件。对N‑光子事件的量进行计数。

Description

被配置为对N-光子事件进行计数的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种该被配置为对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的方法和装置。

背景技术

例如可能已经由显微镜，特别是扫描显微镜或共焦扫描显微镜获取的发光的常规光子计数，在可能由样品的低照明光强度引起的低检测信号强度下准确地工作。在这种情况下，光子会稀疏地击中光敏检测器。然而，在照明光强度略微增加的情况下，两个或更多个光子可能基本上同时击中检测器，不可能区分与光敏检测器交互的一个或多个光子的事件。

文件WO2017/202980A1尤其公开了一种用于在显微镜系统中确定荧光染料的荧光寿命的方法，该显微镜系统丢弃可能已被光敏检测器检测到的多光子事件。

在某些情况下，在这种光子计数测量中考虑多光子事件可能是期望的。因此，目的是提供一种被配置为对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的方法和装置。

发明内容

该目的通过独立权利要求的主题来解决。从属权利要求的主题限定了有利的实施方式和实施例。因此，本发明涉及一种被配置为对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的装置，其中N为大于1的自然数，其中N优选地为2。特别地，这可以在至少一个有限的持续时间内进行，例如在光源的两个相邻光脉冲之间。N-光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件的发生，其中“时间上重叠”可以理解为以下意义：例如在检测系统的停滞时间内，特别是在等于或低于检测系统的停滞时间的图像采集时间内，两个或更多个光子与光敏检测器交互。该装置包括信号处理设备和光敏检测器，其中光敏检测器适于产生包括数字图案的时间相关的数字信号–其中时间相关的模拟信号可能已经通过适当的转换装备/电子电路转换到数字系统–该数字图案代表利用光敏检测器检测多个光子而产生的事件的时间相关的序列。数字信号中的每个数字图案包括数字图案宽度，具有连续数字值序列。该数字值优选地为0和1。该数字值代表至少一个光子与光敏检测器交互的至少一个事件。该信号处理设备适于根据相应的数字图案宽度从数字信号中的数字图案识别N-光子事件。对N-光子事件的量进行计数。优选地，N-光子事件的计数是在上述相应的有限持续时间内执行的。

根据本发明，可以有利地以更高的精度执行光子计数，特别地克服了上文提到的限制，例如在样品的较高照明强度下。可以将重叠光子事件与单光子事件区分开。重叠光子可以被理解为以下意义：到达光敏检测器或与光敏检测器交互的光子的到达时间差小于或等于单光子检测信号的时间宽度和/或单光子事件的时间脉冲响应函数。利用本发明，可以实现对“零值”的更好确定和/或区分，导致测量或计数结果具有更高的动态范围和/或对于单光子事件和对于两光子事件的精度–光子与光敏检测器的实际交互特别地不依赖于噪声，或者可能不存在或降低了对检测系统噪声的依赖性。一般而言，代表光的多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列的数字图案内的N-光子事件的识别可以被认为是数字数据流的图案识别，其中数字数据流是与光的多个光子与光敏检测器的交互事件的实际发生序列相关的时间。

如果数字图案的数字图案宽度大于代表单光子事件的数字图案宽度的N-1倍，信号处理设备可以适于将该数字图案识别为N-光子事件。可以为数字图案宽度限定附加范围，在该附加范围附近可以将数字图案识别为N-光子事件。例如，如果待识别2-光子事件(即，在该示例中N＝2)，代表单光子事件的数字图案宽度可以被认为具有例如5个时间单位的预定值，其中时间单位可以是取决于由光敏检测器响应于与1个光子的交互而产生的模拟信号的数字采样的采样频率的时间段。在该示例中，对于大于5个时间单位的数字图案，可以识别2-光子事件，然而，如果考虑将数字图案识别为2-光子事件的数字图案宽度的附加范围，识别出2-光子事件的数字图案宽度可以是8个时间单位或6个时间单位。

附加地或替代地，如果数字图案的数字图案宽度大于代表单光子事件的数字图案宽度并且小于或等于代表单光子事件的数字图案宽度的N倍，信号处理设备可以适于将该数字图案识别为N-光子事件。然而，在这种情况下，也可以考虑用于数字图案宽度的附加范围，然而，优选地，在本段的主题与前一段的主题相结合的情况下，该附加范围应该被一致地限定。

该装置还可以被配置为使得如果数字图案的数字图案宽度基本上代表单光子事件的脉冲响应的持续时间/脉冲响应函数的X倍，信号处理设备适于将该数字图案识别为单光子事件，其中X为在0.5和1.5之间的范围外的实数，其中X优选为1.0。通常，单光子事件与光敏检测器具有限定的时间交互，并且优选地，与光敏检测器的这种时间交互的持续时间可以被认为是光敏检测器和/或数字化电子器件的脉冲响应的持续时间。X可以附加地或替代地取决于检测器特性。优选地，该装置还被配置为也考虑所识别的单光子事件的计数。

如果数字图案的数字值不代表光子与光敏检测器的交互事件，或者如果数字图案的数字图案宽度小于单光子事件的脉冲响应的持续时间的Y倍，信号处理设备可以适于将数字图案识别为假阳性或故障信号。Y为在0.0和0.49之间的范围外的实数，其中Y优选地为0.24。假阳性信号不代表光子与光敏检测器的交互事件。

用于实数X和/或Y的上述值可以取决于检测到的事件的数字图案宽度的统计分布，和/或可以能取决于检测系统的缺陷。检测系统的缺陷可以是例如由光敏检测器内产生的电子的不一致性或由内部时钟产生单元产生的系统时钟或模拟信号的采样频率的不一致性而产生的抖动。因为单光子事件的脉冲响应的持续时间/脉冲响应函数的X倍的结果和/或单光子事件的脉冲响应的持续时间的Y倍的结果可能是实数，所以选择乘法结果的较高或较低的相邻自然数作为实际用于X和/或Y的值可能是合理的。

光源可以适于产生照明光脉冲序列或产生调制光。

优选地，数字照明数据序列产生单元适于产生代表照明光脉冲序列或调制光的时间分布的数字照明数据序列。数字照明数据序列还可以包括与利用光敏检测器检测多个光子而产生的事件的时间相关的序列和/或与数字信号中的数字图案的限定的时间相关性。

光源可以适于产生具有连续波特性的照明光。触发信号产生单元可以适于产生周期性触发信号，从该周期性触发信号中得到有限持续时间。产生的周期性触发信号可以用作内部时钟，或可以为采样频率，利用该采样频率，光敏检测器的模拟信号被采样/数字化/转换为数字信号。光敏检测器的模拟信号的采样特别是以这样的方式执行的，即信号序列的时间信息被保持，并且与事件的时间相关的序列具有1对1的对应关系。周期性触发信号可以包括与利用光敏检测器检测多个光子而产生的事件的时间相关的序列和/或与数字信号中的数字图案的限定的时间相关性。

根据优选的实施例，该装置包括成像设备或嵌入成像设备中，该成像设备适于用照明光照亮样品区域。附加地或替代地，成像设备可以适于将样品区域成像到光敏检测器上。成像设备可以是光学显微镜、扫描显微镜或共焦扫描显微镜。该装置可以包括多于一个的光敏检测器，例如，用于用光谱选择光学单元检测具有不同波长的光子，并将不同的光子引导到不同的光敏检测器。

光的光子可以由通过发射至少一个光子从激发态到基态或到非激发态的辐射转换产生，或由源自样品区域的发光发射过程产生，特别地由荧光或磷光发射过程产生，和/或其中光子由光源的反射光产生。

光源的整体光强度可以被选择为适合以这样的方式照亮样品区域，即在光子与光敏检测器之间的至少一些单交互在时间上是可分辨的。

数字信号的数字图案是通过确定第一切换瞬间和第二切换瞬间而产生的，该第一切换瞬间是存在从较低标准化信号到较高标准化信号的变化或从较高标准化信号到较低标准化信号的变化的瞬间，该第二切换瞬间是存在从较高标准化信号到较低标准化信号的变化或从较低标准化信号到较高标准化信号的变化的瞬间，并且其中根据所确定的第一切换瞬间和所确定的第二切换瞬间将数字值分配给数字图案。优选地，被分配的数字值是0或1。

优选地，在小于或等于在两个后续光脉冲之间的持续时间或扫描显微镜的像素停留时间的至少一部分的至少一个有限持续时间内，对多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数。附加地或替代地，至少一个有限持续时间取决于采样频率，光敏检测器输出的模拟信号利用该采样频率被采样。采样频率可以包括1MHz至20GHz的范围外的值，其中采样频率优选地具有10GHz的值。

本发明涉及一种用于对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的方法。N为大于1的自然数。N优选地为2。N-光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件的发生。光敏检测器产生包括数字图案的时间相关的数字信号，该数字图案代表利用光敏检测器检测多个光子而产生的事件的时间相关的序列。数字信号中的每个数字图案包括数字图案宽度，具有连续数字值序列，该数字值代表至少一个光子与光敏检测器交互的至少一个事件。该方法包括以下步骤：根据相应的数字图案宽度从数字信号中的数字图案中识别N-光子事件，并对N-光子事件的量进行计数。

有利地，权利要求17的方法适于操作权利要求1至16中的一种的装置。在了解权利要求1至16中的一种的装置的情况下，对于本领域技术人员来说，提供一种用于操作权利要求1至16中的一种的装置的方法是明显的，因此为了避免重复，可以参考上文提供的描述。

通过包括更高动态范围的计数和/或测量和/或成像结果，可以实现对假阳性信号的更好确定和/或区分。附加地或替代地，用于单光子事件和N-光子事件的计数和/或测量和/或成像的更好的精度可以不依赖于噪声。可能不存在对检测系统噪声的依赖性，或可能存在对检测系统噪声的降低的依赖性。这可能是在如显微镜的成像系统中实现的。

一种具有程序代码的计算机程序，或者当计算机程序在权利要求1至16中的一种的信号处理设备上运行时，该程序代码用于执行根据权利要求17或18所述的方法。

附图说明

下文将基于示例性的附图更详细地描述本发明。本发明并不限于示例性的实施例。在本发明的实施例中，本文中描述的和/或图示的所有特征可以单独使用或以不同的组合进行组合。通过参考图示如下的附图阅读以下的详细描述，本发明的各种实施例的特征和优点将变得明显：

图1示意性地示出了包括根据本发明的装置的共焦显微镜系统，

图2至图4示意性地示出了激光光源脉冲、光子的出现和随时间变化的检测信号的示例，

图5示意性地示出了单光子事件和N-光子事件的识别的示例，

图6示意性地示出了随照明光强度变化的每秒信号计数的图，和

图7示意性地示出了包括显微镜和计算机系统的系统，其中该系统被配置为执行本文中描述的方法。

具体实施方式

图1示出了可以被认为是成像设备的共焦扫描显微镜10，共焦扫描显微镜10包括根据本发明的装置。

共焦扫描显微镜10具有光源12，光源12被设计为发射具有周期性激发/照明光脉冲的光。图1中标记为14的激发光落在分束器16上，分束器16将激发光14分成透射分量18和反射分量20。

通过分束器16透射的激发光18穿过激发光阑22，然后被二向色分束器24反射到扫描单元26的方向上。扫描单元26包括万向扫描镜28，并且将激发光14、18反射到扫描透镜30的方向上。在穿过扫描透镜30和镜筒透镜32后，激发光进入显微镜物镜34，该显微镜物镜34将激发光18引导到样品36上。

荧光分子–优选地被特异性地结合在样品36中或样品36上–被激发光14、18激发，以在被激发光14、18照亮的样品36的区域中发射荧光38(由虚线表示，荧光38包括光子)。构成荧光38的荧光光子沿光路以接近样品36的激发光18的相反方向传播回到分束器24。在穿过分束器24和检测光阑40后，荧光38到达光敏检测器42。光敏检测器42将接收到的荧光38转换为模拟检测器信号43，然后将其送至信号处理设备44。信号处理设备44被设计为在预定的采样周期内对模拟检测器信号43进行采样，从而将模拟检测器信号43转换为时间相关的数字信号。该时间相关的数字信号构成了与采样周期对应的各个采样间隔相关联的离散信号数字值的序列。信号处理设备44包括用于对模拟检测器信号43进行采样的目的的比较器46。还可以提供模拟-数字转换器来代替比较器46。

除了将接收到的荧光38转换为模拟检测器信号的光敏检测器42外，扫描显微镜10还具有位于由分束器16转向的光束路径中的另一检测器48。因此，另一检测器48接收由光源12发射的并且由分束器16反射的激发光14的部分20。另一检测器48将分束器16上反射的激发光20的部分转换为模拟激发信号49，并将其供给至信号处理设备44。信号处理设备44以预定的采样率对送至信号处理设备44的模拟激发信号49进行采样，并因此将模拟激发信号49转换为由与各个采样间隔相关联的离散激发信号值的序列组成的数字信号。为了实现这一目标，信号处理设备44再次具有比较器或模拟-数字转换器。由第二检测器48供给的模拟激发信号49和由信号处理设备44从其产生的数字信号在下文中分别被称为模拟激光信号和数字激光信号。

在该示例中，信号处理设备44还被设计为以基本已知的方式控制扫描单元28。

信号处理设备44尤其具有从由检测器42供给的模拟检测器信号43确定光敏检测器42接收由样品36发射的一个或多个荧光光子的检测时间的工作。

光敏检测器、检测器电子器件和信号处理设备中的至少一个的配置(可以例如在FPGA中实施)可以如在出版物WO 2017/202980 A1、EP 2 592 413 A2、US 2013/0119276A1、WO2014/059983A1和尚未公布的DE 10 2018 133 443.5中的至少一个中所公开的那样来实施，所有这些参考文献全部被并入本文。

上述信号处理设备44的作用在以下的讨论中根据图2和图3中作为示例示出的图来说明。图2至图4分别示意性地示出了说明激光光源脉冲、光子的发生以及随时间t变化的模拟和数字检测信号的示例的图。时间尺度可以是任意单位，在该示例中时间尺度表示为ns。

尽管根据本发明可以应用包括连续波特性的激光光源，但图2至图4示出了由适于产生照明光脉冲序列的激光光源12产生的用于照亮样品36的光脉冲及其数字图案68。

图2示出了照明光脉冲和检测信号的示例场景。特别地，在顶部的图中，示出了代表由激光光源12发射的两个相邻光脉冲的序列的模拟信号60。在下面的图中，示出了荧光38的与光敏检测器42交互的光子62的示例。在下面的图中，示出了由光敏检测器42产生的模拟检测器信号43、64。在下面的图中，示出了对光敏检测器42的模拟检测器信号43、64和来自另一检测器48的检测信号49进行采样的采样频率66。在该示例中，采样频率具有10GHz的值。在下面的图中，示出了激光器12的光脉冲与检测器48交互后由检测器48产生的数字化信号49的数字激光光源信号的数字图案68。在下面的图中，示出了数字化模拟检测器信号64的时间相关的数字信号的数字图案70。

图3示出了照明光脉冲和随时间变化的不同光子事件的示例场景。特别地，在顶部的图(“激光”)中，示出了代表由激光光源12发射的两个相邻光脉冲的序列的模拟信号60以及在激光器12的光脉冲与检测器48交互后由检测器48产生的数字化信号49的数字激光光源信号的数字图案68。

在下面的图(“无光子”)中，示出了其中没有光子事件并且因此没有光子与光敏检测器42的交互的示例。因此，模拟和数字信号包括0的恒定值。

在下面的图(“1个光子”)中，示出了荧光38的与光敏检测器42交互的单光子以及模拟检测器信号64的时间相关的数字化信号的数字图案70的示例。因此，这里示出了代表光子与光敏检测器42的一个交互的单光子事件。

在下面的图(“2个光子”)中，示出了荧光38的与光敏检测器42交互的两个单光子以及数字化模拟检测器信号64的时间相关的数字信号的数字图案70的示例。这两个光子具有足够大的时间距离，使得它们可以被区分为两个单光子事件，因为这两个数字图案70彼此间隔开，并且在这两个数字图案70之间甚至存在至少一个时间相关的数字信号的0值。

在下面的图(“2个重叠光子”)中，示出了荧光38的与光敏检测器42交互的两个单光子以及数字化模拟检测器信号的时间相关的数字信号的数字图案72的示例。这两个光子具有不够大的时间距离，因此它们不能被区分为两个单光子事件。

在下面的图(“多于2个重叠光子”)中，示出了荧光38的与光敏检测器42交互的多于2个光子以及数字化模拟检测器信号的时间相关的数字信号的数字图案74、72的示例。在左边，多个光子具有不够大的时间距离，因此它们不能被区分为单光子事件，因为数字图案74是时间上重叠的单光子事件发生的结果。然而，由在右侧的数字图案70所代表的光子事件可以被识别为单光子事件。

图5的顶部部分示出了识别不同光子事件的发生及其模拟检测器信号64的示例。在左侧，示出的是与图2或图3的“1个光子”图中所示的情况相当的情况。在中间，示出的是与图3的“2个光子”图中所示的情况相当的情况。在右边，示出的是与图3的“2个重叠光子”图中所示的情况相当的情况。根据现有技术中已知的识别方案，这种两个重叠光子的情况不能准确地被识别为两光子事件，并且很可能被识别为单光子事件。单光子事件或两光子事件的识别结果由圆圈中的数字示出，即1或2。

图5的底部部分示出了根据本发明的装置的操作的示例，该装置被配置为对在多个光子62与光敏检测器42的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数，其中N为大于1的自然数，其中N优选地为2。N光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件62的发生。该装置包括信号处理设备44和光敏检测器42，参见图1。光敏检测器42适于产生包括数字图案70、72、74的时间相关的数字信号，数字图案70、72、74代表利用光敏检测器42检测多个光子62而产生的事件的时间相关的序列。数字信号中的每个数字图案70、72、74包括数字图案宽度d1、d2、d3，参见例如图3，具有数字值0和1的连续序列–数字值0代表低于预限定的切换瞬间的检测器信号，而值1代表大于预限定的切换瞬间的数字值–代表至少一个光子62与光敏检测器42交互的至少一个事件。信号处理设备44适于根据相应的数字图案宽度d1、d2、d3从数字信号中的数字图案70、72、74中识别N-光子事件，并对N-光子事件的量进行计数。

图5的底部部分：同样，在左侧，示出的是与图2或图3的“1个光子”图中所示的情况相当的情况。在中间，示出的是与图3的“2个光子”图中所示的情况相当的情况。在右边，示出的是与图3的“2个重叠光子”图中所示的情况相当的情况。根据本发明，通过考虑数字图案72的数字图案宽度d2，两个重叠的光子的情况被正确地识别为两光子事件。因此，单光子事件或两光子事件的识别的正确结果由圆圈中的数字示出，即1或2。该结果更接近于单个光子与光敏检测的物理交互的真实情况，如图6所图示的。图6示意性地示出了随照明光强度变化的每秒信号计数的图，在光子由例如一个或多个荧光染料产生的情况下照明光强度为激发强度。在图6中，虚线表示激发强度和每秒检测到的可以被计数的光子与光敏检测器的交互事件的计数之间的理想线性关系，激发强度可以通过选择由光源发射的光的强度来选择或调整。

在示例中，让N为2。因此，如果数字图案72的数字图案宽度d2大于代表单光子事件的数字图案宽度d1的1倍，事件被识别为2-光子事件。此外，如果数字图案72的数字图案宽度d2大于代表单光子事件的数字图案宽度d1并且小于或等于代表单光子事件的数字图案宽度d1的2倍，数字图案72被识别为2-光子事件。这样的示例在图5的底部部分、在右侧图中或在图3中“2个重叠光子”图中示出。

如果数字图案70的数字图案宽度d1代表单光子事件的脉冲响应的持续时间的X倍，事件被识别为单光子事件，其中X为在0.5和1.5之间的范围外的实数，其中X优选地为1.0。这例如在图5的底部部分、左侧和中间图中或在图3中“1个光子”或“2个光子”图中示出。优选地，根据本发明的装置还被配置为也考虑到所识别的单光子事件的计数。

在优选的实施例中，为了减少检测系统中来自所测量的光子的信号的不确定性，和/或为了例如在权利要求5中所提到的那样，“清理”不太可能的光子事件，可以分析在信号处理设备44的上游的光敏检测器的电路的一部分中的检测器信号，特别是模拟检测器信号。

在图2至图5中所示的示例中，数字照明数据序列包括与利用光敏检测器42检测多个光子62而产生的事件的时间相关的序列以及与数字信号中的数字图案70、72、74的限定的时间相关性。

图2中所示的采样频率可以被认为是周期性的触发信号。采样频率包括与利用光敏检测器42检测多个光子62而产生的事件的时间相关的序列以及与数字信号中的数字图案70、72、74的限定的时间相关性。

有利的是，选择光源12的整体光强度，使得样品36或其样品区域以这样的方式被照亮，即在光子62与光敏检测器42之间的至少一些单交互在时间上是可分辨的。

通过参考图2，在示例中解释了从模拟信号产生数字信号的数字图案70、72、74。数字图案70是利用标准化的电信号或数字值，即该示例中的二进制数字0和1，并以这样的方式产生，即如果被采样的模拟信号的幅值低于限定的模拟值阈值，设定较低的数字值，即0，或者如果被采样的模拟信号的幅值高于限定的模拟值阈值，设定较高的数字值，即1。这些阈值可以是相同的，但不一定必须相同。在该示例中，用于模拟信号的幅值的限定的阈值基本上是模拟信号脉冲的模拟信号的幅值最大值的一半。因此，第一切换瞬间80被限定为存在从较低的标准化信号，即0，到较高的标准化信号的变化的瞬间。第二切换瞬间82被限定为存在从较高的标准化信号，即1，到较低的标准化信号的变化的瞬间。

利用根据本发明的装置进行测量的一个结果可能是，在小于或等于在两个后续光脉冲之间的持续时间的至少一个有限持续时间内，对多个光子与光敏检测器42的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件和/或单光子事件进行计数。替代地，可以在扫描显微镜的像素停留时间的至少一部分内，对多个光子与光敏检测器42的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件和/或单光子事件进行计数。至少一个有限持续时间可以取决于对光敏检测器42的模拟信号进行采样的采样频率。在本示例中，采样频率包括10GHz的值。

如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何和所有组合，并且可以缩写为“/”

尽管已经在装置的上下文中描述了一些方面，但显然这些方面也表示对应方法的描述，其中块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中描述的方面也表示对应装置的对应块或项或特征的描述。

一些实施例涉及显微镜，该显微镜包括结合图1至图6中的一个或多个所描述的系统。替代地，显微镜可以是结合图1至图6中的一个或多个所描述的系统的一部分或连接到该系统。图7示出了被配置为执行本文描述的方法的系统700的示意图。系统700包括显微镜710和计算机系统720。显微镜710被配置为拍摄图像并连接到计算机系统720。计算机系统720被配置为执行本文中描述的方法的至少一部分。计算机系统720可以被配置为执行机器学习算法。计算机系统720和显微镜710可以是单独的实体，但也可以一起集成在一个公共外壳中。计算机系统720可以是显微镜710的中央处理系统的一部分和/或计算机系统720可以是显微镜710的子部件的一部分，诸如显微镜710的传感器、执行器、相机或照明单元等。

计算机系统720可以是具有一个或多个处理器和一个或多个存储设备的本地计算机设备(例如，个人计算机、便携式计算机、平板计算机或移动电话)，或者可以是分布式计算机系统(例如，具有分布在例如本地客户端和/或一个或多个远程服务器群和/或数据中心的不同位置处的一个或多个处理器和一个或多个存储设备的云计算系统)。计算机系统720可以包括任何电路或电路的组合。在一个实施例中，计算机系统720可以包括可以是任何类型的一个或多个处理器。如本文所用，处理器可以是指任何类型的计算电路，诸如但不限于微处理器、微控制器、复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、图形处理器、数字信号处理器(DSP)、多核处理器、现场可编程门阵列(FPGA)(例如显微镜或显微镜部件(例如相机)的)或任何其他类型的处理器或处理电路。可以包括在计算机系统720中的其他类型的电路可以是定制电路、专用集成电路(ASIC)等，诸如例如用于如移动电话、平板计算机、便携式计算机、双向无线电设备和类似电子系统的无线设备中的一个或多个电路(诸如通信电路)。计算机系统720可以包括一个或多个存储设备，其可以包括适用于特定应用的一个或多个存储器元件，诸如随机存取存储器(RAM)形式的主存储器、一个或多个硬盘驱动器和/或一个或多个处理诸如光盘(CD)、闪存卡、数字视频磁盘(DVD)等的可移动介质的驱动器。计算机系统720还可以包括显示设备、一个或多个扬声器以及键盘和/或控制器，其可以包括鼠标、轨迹球、触摸屏、语音识别设备或允许系统用户向计算机系统720输入信息和从计算机系统720接收信息的任何其他设备。

可以通过(或使用)硬件装置(如例如，处理器、微处理器、可编程计算机或电子电路)来执行一些或所有方法步骤。在一些实施例中，可以由这样的装置执行某一个或多个最重要的方法步骤。

根据某些实施要求，本发明的实施例可以以硬件或软件来实施。可以使用其上存储有电子可读控制信号的非临时性存储介质(诸如数字存储介质，例如软盘、DVD、蓝光光盘、CD、ROM、PROM和EPROM、EEPROM或FLASH存储器)来执行该实施，该电子可读控制信号与可编程计算机系统协作(或能够与其协作)，从而执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。

根据本发明的一些实施例包括具有电子可读控制信号的数据载体，该电子可读控制信号能够与可编程计算机系统协作，从而执行本文描述的方法中的一种。

通常，本发明的实施例可以被实施为具有程序代码的计算机程序产品，当计算机程序产品在计算机上运行时，该程序代码是可操作的用于执行该方法中的一种。例如，程序代码可以存储在机器可读载体上。

其他实施例包括存储在机器可读载体上的用于执行本文描述的方法中的一种的计算机程序。

换言之，因此，本发明的实施例是具有程序代码的计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，该程序代码用于执行本文描述的方法中的一种。

因此，本发明的进一步实施例是存储介质(或数据载体，或计算机可读介质)，其包括存储在其上的用于在由处理器执行时执行本文描述的方法中的一种的计算机程序。数据载体、数字存储介质或记录介质通常是有形的和/或非过渡的。本发明的进一步实施例是包括处理器和存储介质的如本文描述的装置。

因此，本发明的进一步实施例是代表用于执行本文描述的方法中的一种的计算机程序的数据流或信号序列。数据流或信号序列可以例如被配置为经由数据通信连接，例如经由互联网来传送。

进一步实施例包括处理装备，例如计算机或可编程逻辑设备，其被配置为或适于执行本文描述的方法中的一种。

进一步实施例包括计算机，其具有安装在其上的用于执行本文描述的方法中的一种的计算机程序。

根据本发明的进一步实施例包括被配置为将用于执行本文描述的方法中的一种的计算机程序传送(例如，电子地或光学地)到接收器的装置或系统。接收器可以例如是计算机、移动设备、存储设备等。例如，该装置或系统可以包括用于将计算机程序传送到接收器的文件服务器。

在一些实施例中，可编程逻辑设备(例如，现场可编程门阵列)可以用于执行本文描述的方法的一些或所有功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器协作，以便执行本文描述的方法中的一种。通常，这些方法优选地由任何硬件装置来执行。

Claims (20)

1.一种被配置为对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的装置，其中N为大于1的自然数，其中N优选地为2，其中N-光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件的发生，

其中所述装置包括信号处理设备和所述光敏检测器，

其中所述光敏检测器适于产生包括数字图案的时间相关数字信号，所述数字图案代表利用所述光敏检测器检测所述多个光子而产生的事件的时间相关的序列，

其中所述数字信号中的每个数字图案包括数字图案宽度，具有连续数字值序列，代表至少一个光子与所述光敏检测器的交互的至少一个事件，

其中所述信号处理设备适于根据相应的数字图案宽度从所述数字信号中的所述数字图案识别N-光子事件，和

其中对所述N-光子事件的量进行计数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中如果数字图案的数字图案宽度大于代表单光子事件的数字图案宽度的N-1倍，所述信号处理设备适于将所述数字图案识别为N-光子事件。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中如果数字图案的数字图案宽度大于代表单光子事件的数字图案宽度，并且小于或等于代表单光子事件的所述数字图案宽度的N倍，所述信号处理设备适于将所述数字图案识别为N-光子事件。

4.根据前述权利要求中的一项所述的装置，还被配置为使得如果数字图案的数字图案宽度代表单光子事件的脉冲响应的持续时间的X倍，所述信号处理设备适于将所述数字图案识别为单光子事件，其中X为在0.5和1.5之间的范围外的实数，其中X优选地为1.0，并且其中所述装置优选地还被配置为也考虑所识别的单光子事件的计数。

5.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中如果数字图案的数字值不代表光子与所述光敏检测器的交互事件，或者如果数字图案的数字图案宽度小于单光子事件的脉冲响应的持续时间的Y倍，所述信号处理设备适于将所述数字图案识别为假阳性信号，其中Y为在0.0和0.49之间的范围外的实数，其中Y优选地为0.24。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中X和/或Y取决于检测到的事件的数字图案宽度的统计分布，和/或取决于检测系统的缺陷。

7.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中光源适于产生照明光脉冲序列或产生调制光。

8.根据权利要求7所述的装置，其中数字照明数据序列产生单元适于产生代表所述照明光脉冲序列或所述调制光的时间分布的数字照明数据序列。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述数字照明数据序列包括与利用所述光敏检测器检测所述多个光子而产生的事件的时间相关的序列和/或与所述数字信号中的所述数字图案的限定的时间相关性。

10.根据权利要求1至6中的一项所述的装置，其中光源适于产生具有连续波特性的照明光，并且其中触发信号产生单元适于产生周期性触发信号，从所述周期性触发信号中得到有限持续时间。

11.根据权利要求10所述的装置，其中所述周期性触发信号包括与利用所述光敏检测器检测所述多个光子而产生的事件的时间相关的序列和/或与所述数字信号中的所述数字图案的限定的时间相关性。

12.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中成像设备–优选地以光学显微镜的形式，特别是扫描显微镜或共焦扫描显微镜–适于利用所述照明光照亮样品区域和/或适于将样品区域成像到所述光敏检测器上。

13.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中所述光的光子由通过发射至少一个光子从激发态到基态的辐射转换产生，或由源自样品区域的发光发射过程产生，特别地由荧光或磷光发射过程产生，和/或其中所述光子由所述光源的反射光产生。

14.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中所述光源的整体光强度被选择为适合以这样的方式照亮样品区域，即在光子与所述光敏检测器之间的至少一些单交互在时间上是可分辨的。

15.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中所述数字信号的数字图案是通过确定第一切换瞬间和第二切换瞬间而产生的，所述第一切换瞬间是存在从较低标准化信号到较高标准化信号的变化或者从较高标准化信号到较低标准化信号的变化的瞬间，所述第二切换瞬间是存在从较高标准化信号到较低标准化信号的变化或从较低标准化信号到较高标准化信号的变化的瞬间，并且其中根据所确定的第一切换瞬间和所确定的第二切换瞬间将数字值分配给所述数字图案。

16.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其中在小于或等于在两个后续光脉冲之间的持续时间或扫描显微镜的像素停留时间的至少一部分的至少一个有限持续时间内，对多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数，和/或其中至少一个有限持续时间取决于对所述光敏检测器的模拟信号进行采样的采样频率，其中所述采样频率包括1MHz至20GHz的范围外的值，其中所述采样频率优选地具有10GHz的值。

17.一种用于对在多个光子与光敏检测器的交互事件的时间相关的序列内的N-光子事件进行计数的方法，其中N为大于1的自然数，其中N优选地为2，其中N-光子事件代表至少N个时间上重叠的单光子事件的发生，其中所述光敏检测器产生包括数字图案的时间相关的数字信号，所述数字图案代表利用所述光敏检测器检测所述多个光子而产生的事件的时间相关的序列，其中所述数字信号中的每个数字图案包括数字图案宽度，具有连续数字值序列，代表至少一个光子与所述光敏检测器交互的至少一个事件，

其中所述方法包括以下步骤：

根据相应的数字图案宽度从所述数字信号中的所述数字图案识别N-光子事件，和

对所述N-光子事件的量进行计数。

18.根据权利要求17所述的方法，用于操作权利要求1至16中的一项所述的装置。

19.根据权利要求1至16中的一项所述的装置或权利要求17或18所述的方法，其中通过包括更高动态范围的计数/测量/成像结果实现对假阳性信号的更好确定和/或区分，和/或对所述单光子事件和所述N-光子事件的更高精度的计数/测量/成像不依赖于噪声，和/或其中不存在对检测系统噪声的依赖性，或其中存在对检测系统噪声的降低的依赖性。

20.一种具有程序代码的计算机程序，或者当所述计算机程序在权利要求1至16或19中的一项所述的信号处理设备上运行时所述程序代码用于执行根据权利要求17或18所述的方法。

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