JP2007501934A - 光ビームの光子検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な手段によって、検出装置によってより大きい光子流を検出できるように即ち検出装置によって処理可能な最大計数率が増加されるように構成された光ビームの光子を検出するための装置の提供。
【解決手段】とりわけ蛍光顕微鏡に使用するための、空間的に限定された光源（２）から出射する光ビーム（１）の光子（複数）を検出する装置であって、検出装置を含んで構成された装置において、前記検出装置は、少なくとも２つの検出器（７）を有すること、及び前記光ビーム（１）のビーム路に、前記光子（複数）が検出のために前記検出器（複数）（７）に配分されるように前記光ビーム（１）を分解可能に構成された構成要素（３）が配されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、とりわけ蛍光顕微鏡に使用するための、空間的に限定された光源から出射する光ビームの光子を検出する装置であって、検出装置を含んで構成された装置に関する。

とりわけ蛍光顕微鏡では、蛍光信号の強度は一般的に比較的小さいので、信号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）は、クリティカルなパラメータである。この信号／雑音比は、検出器に入射する光子の数並びに検出器の検出効率及び雑音によって決定される。検出効率は、検出器の量子効率によって即ち検出器に入射する光子が実際に検出信号を生成する確率によって与えられる。検出器が「光子計数（Photon-Counting）」モードで作動される場合、即ち個々の光子が各自の検出信号を生成する場合、信号／雑音比は、本質的に、ポアソン統計から√ｎとして与えられる。ここで、ｎは検出された光子の数を表す。

光子計数モードで検出器を作動する場合、原理的に、検出器の不感時間が問題となる。ここに、不感時間とは、検出器が１つの光子を検出した後、次の光子を検出するために再び使用可能になるまでに経過する時間、即ち検出器が１つのイベント（事象）を処理するために必要とする時間をいう。

光子検出のために最近使用されることがますます増えている検出器は、雪崩ダイオードとも称されるアバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）である。ＡＰＤは、凡そ２００ｎｍ〜１０５０ｎｍの範囲の波長の光に対して最大の検出確率を有するため、とりわけ、蛍光光測定の領域における使用に対しても適する。更に、ＡＰＤは、大きな量子確率を有する。

ＡＰＤでは、不感時間は、凡そ５０ｎｓであるが、光電子増倍管の場合、不感時間は、多少、より小さい。光子計数モードにおいて、光子が喪失されないようにするために−更に、ＡＰＤが過度に入射する光線束によって損傷されないようにするために−、検出器の照射が十分に小さくされることが保証されなければならない。これは、例えば、蛍光顕微鏡の作動に関しては、被検試料の励起に使用可能な照明光強度は極めて小さいものに限られ、その結果、高品質の即ち十分な光子統計による画像撮像のためには、比較的長い時間が必要になることを意味する。従って、画像撮像の時間スケールよりも短い時間スケールで進行する試料中の迅速な生化学的プロセスは、従来の蛍光顕微鏡では対処することができない。

それゆえ、本発明の課題は、簡単な手段によって、検出装置によってより大きい光子流を検出できるように即ち検出装置によって処理可能な最大計数率（Zaehlrate）が増加されるように、冒頭に述べた種類の、光ビームの光子を検出するための装置を構成・展開することである。

上記課題は、請求項１の特徴によって解決される。即ち、冒頭に述べた種類の、光ビームの光子（複数）を検出するための装置において、検出装置は、少なくとも２つの検出器を含むこと、及び光ビームのビーム路に、光子（複数）が検出のために検出器（複数）に配分されるように光ビームを分解可能に構成された構成要素が配されることを特徴とする。

本発明者は、（１つの）検出器を光子計数モードで作動する場合、該検出器の不感時間（Totzeit）が、最大照射強度に関し限定をする基準（das begrenzende Kriterium）をなすことを確認した。更に、光子計数モードで検出可能な光ビーム中の最大光子流は、並列化によって、即ち検出されるべき光子（複数）を複数の検出器に配分することによって、増大され得ることを確認した。更に、本発明により、光ビームのビーム路に、光ビームを分割する構成要素が配される。

本発明に係る装置によって、例えば、蛍光顕微鏡において、照射強度及び照射強度に関連した撮像速度を増大することができるため、画像（複数）をより迅速に生成すること、従って例えば試料内で迅速に進行する生物学的又は生化学的反応も可視化することができる。更に、光子統計が大きくされているため、同じ撮像時間でより大きい画像品質を得ることができる。ｎ個の検出器を使用することにより、可能な最大計数速度は、ｎ倍に増大され、それに応じて、信号／雑音比は、√ｎ倍改善される。

光子計数モードはさて置き、本発明に係る装置によって、一般に、検出装置のダイナミックレンジが増大される。検出装置に入射する光子流が、当該光子流を更に増大しても検出装置の出力信号がそれ以上増大しないほどの大きさになっている状態に相当する飽和限界（Saettigungsschwelle）は、同じく、単一（個別）検出器の数に相当するｎ倍に増大される。

有利な一態様では、単一光子検出に適合化された検出器（複数）、即ち、換言すれば、（それぞれが）光子計数モードで作動可能に構成された検出器（複数）を使用できる。このため、（個々の）検出器はガイガーモードで大きな印加電圧によって作動される。１つの光子が１つの検出器に入射すると、−ＡＰＤの場合−、電子−正孔対が生成され、検出器出力部は飽和状態となる。このようにして生成された電圧信号は検出器出力部において測定され、イベントとして内部記憶装置に書き込まれるが、この記憶装置はデータ取得の終了後に読み出しが行われる。

アバランシフォトダイオードの他に、光子の検出のための他のタイプの検出器、例えば、光電子増倍管又はＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ：Electron Multiplying CCD）を使用することも可能である。

コンパクトに構成するという観点から、複数の検出器から１つのアレーを構成することも可能である。極めて単純な一実施形態では、そのようなアレーは、例えば、一列に並んでいるという意味で一次元アレーとすることができる。光子（複数）を更に幅広く配分するという観点から、複数の検出器を行列状（マトリックス状）に配置した面状アレーを構成することも可能である。

ＥＭＣＣＤを使用する場合は、更に、並置された（前後に並んで配置された）複数の面の各々に複数の部分透光性ＥＭＣＣＤが配された三次元アレーを構成することも可能である。この場合、入射する光子は、ある確率で、１つ又は複数の第１の面を通り抜け、より奥に位置する面において始めてＥＭＣＣＤによって検出される。

光ビームの分解は、種々の態様で実行することができる。例えば、光子の統計学的分布（eine statistische Verteilung）が生成されるように分解することも可能である。このような光子分布は、光ビームの単純なデフォーカシングによって、例えば、円柱状レンズによる光ビームの屈折によって、とりわけ簡単に達成することができる。

更に、光子のスペクトル的分布が生成されるように光ビームを分解することも可能である。具体的には、そのような分解は、例えば、プリズムによって実現できる。スペクトル的分解の場合、とりわけ有利な一態様では、アレーに含まれる複数の検出器の各々がそれぞれ１つの特定のスペクトル範囲に適合化されるように構成することも可能である。スペクトル範囲に依存して、例えば、感度の異なる光電陰極を使用することも可能である。

光ビームを分解するための上述の構成要素に加えて、原理的に、光電素子又は電気機械的スキャナを使用することも可能である。とりわけ、光ビーム（路）に、複数の−互いに異なる−構成要素を順に（前後に）並べて配置することも可能である。このようにして、例えば、まず、１つの方向においてデフォーカシングを行い、次いで、当該１つの方向に直交する方向においてスペクトル分解を行うことにより、極めて目的に適った光子の分布パターンを生成することができる。

光子計数に必要な閾値決定（装置）（Schwellwertbestimmung）並びに検出された光子イベントを計数するための電子カウンタは、有利な一態様では、（１つの）検出器の近傍に配置されることが可能である。とりわけ、ＥＭＣＣＤを使用する場合、更に、カウンタは、チップに直接配置されることも可能である。

検出された光子イベントを計数するための相応の計数ロジックは、有利な一態様では、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー：Field Programmable Gate Array）にプログラミングされることも可能である。カウンタには、加算器（複数）を前置することも後置することも可能である。更に、電子装置全体をモノリシックに構成することも可能である。

本発明の教示を有利な態様で構成・展開する可能性は多々存在する。これに関し、一方では、請求項１に従属する各請求項を、他方では、後述する本発明の好ましい実施例を参照されたい。本発明の好ましい実施例の説明に関連して、本発明の教示の好ましい実施形態及び展開形態を一般的に説明する。

図１は、空間的に限定（画定）された光源２から出射する光ビーム１を示す。この場合、光源２は、具体的には、蛍光放射するよう励起された生物学的試料であり得る。光ビーム１は、半円柱状のレンズ４として透明（透光性）材料から構成された光学要素３に入射する。次いで、光ビーム１は、（半）円柱状レンズ４を通過し、該レンズ４から出射する際、屈折によりデフォーカシングされることにより、（レンズ４の）円柱軸がその面法線をなす照射面内に発散（拡開）光ビーム５が生成する。この照射面内では、光子（複数）は、統計学的に分布している。

拡開された光ビームは、次いで、アレー６を構成する複数の検出器７を含む検出装置に入射する。図１には、例として、統合されて１つの一次元アレー６を構成する５つの検出器７のみを示した。光ビーム１の光子（複数）が、１つの検出器において検出されるのではなく、全部で５つの検出器７に一様に（均等に：gleichmaessig）配分（分散）されることによって、可能な最大計数率（Zaehlrate）−従って最大照射強度−が、アレー６の検出器７の数に応じて５倍に増大される。信号／雑音比は、これに応じて、√５倍改善される。即ち、信号／雑音比は、−ピクセル当りの積分（取り込み）時間（Integrationszeit）が一定である場合−明らかに改善される。

図２は、統計学的光子分布の代わりに、スペクトル的光子分布が生成される一実施例を示す。１つの次元におけるスペクトル的に互いに異なる複数のチャンネルへの分解は、光ビーム１のビーム路に配されたプリズム８によって実現される。プリズム８を回転することにより、スペクトル分割（分解）を検出器アレー６の個々の構成要素に最適に適合化することができる。

図３は、光源２から出射する光ビーム１が、まず、図１に示した上記の実施例に応じて円柱状レンズ４によって１つの方向（Ｘ方向）において分解される一実施例を示す。この拡開された光ビーム５は、次いで、プリズム８に入射するが、このプリズム８によって、光ビーム５は、Ｘ方向に垂直な方向（Ｙ方向）にスペクトル的に分解される。プリズム８には、二次元検出器アレー９から構成された検出装置が後置されている。検出器アレー９に入射する光子（複数）は、Ｘ方向においては一様に配分されるのに対し、Ｙ方向においてはスペクトル的な分布が生成する。この場合、低エネルギの光子は図３の紙面上側に位置するピクセル１０に入射し、高エネルギの光子は紙面の更に下方に位置するピクセル１０に入射する。

図４は、１つの方向において光ビーム１を統計学的に分解する手段と、一次元検出器アレー６とを有する図１に示した本発明の装置の一実施例の模式図を示すが、更に、信号を処理する電子装置も合せて示す。検出器アレー６の個々の検出器７には、それぞれ１つの電気的接続（伝送）要素１１を介して、それぞれ１つの光子カウンタ１２が配されているため、光子イベントはピクセル毎に読取・計数することができる。光子カウンタ（複数）１２の出力部（複数）は、それぞれ１つの電気的接続（伝送）要素１３を介して１つの加算器１４に供給され、該加算器１４において、検出器アレー６全体の検出された光子イベントが加算される。このようにして生成される計数率（値）は、出力信号１５として送出される。

最後に、ここに強調すべきことは、偶々選択された上述の個々の実施例は、単に、本発明の教示を説明するためのものに過ぎず、本発明の教示は、上記実施例に限定されるものではないことである。

１つの方向において統計学的光子分布を生成するよう光ビームを分解する手段と、一次元検出器アレーとを有する本発明に係る装置の第１実施例の模式図。 １つの方向においてスペクトル的光子分布を生成するよう光ビームを分解する手段と、一次元検出器アレーとを有する本発明に係る装置の第２実施例の模式図。 ２つの方向において光ビームを分解する手段と、二次元検出器アレーとを有する本発明に係る装置の第３実施例の模式図。 付加的に関連電子処理装置を示した図１の第１実施例の模式図。

符号の説明

１ 光ビーム
２ 光源
３ 光学要素
４ 円柱状レンズ
５ 発散された（分解ないし拡開された）光ビーム
６ 検出器アレー
７ （個別）検出器
８ プリズム
９ 検出器アレー
１０ ピクセル
１１ 電気的接続（伝送）要素
１２ 光子カウンタ
１３ 電気的接続（伝送）要素
１４ 加算器
１５ 出力信号

上記課題は、請求項１の特徴によって解決される。即ち、本発明の一視点において、とりわけ蛍光顕微鏡に使用するための、空間的に限定された光源から出射する光ビームの光子（複数）を検出する装置であって、検出装置を有すると共に、該検出装置が少なくとも２つの検出器を有し、及び前記光ビームのビーム路に配され、前記光子（複数）が検出のために前記検出器（複数）に配分されるように前記光ビームを分解可能に構成された構成要素を有する装置が提供される。この装置において、前記検出器（複数）は、三次元アレーを構成すること、及び該三次元アレーは、順に並んで配される複数の部分透光性ＥＭＣＣＤから構成されることを特徴とする（形態１・基本構成）。

本発明の教示を有利な態様で構成・展開する可能性は多々存在する。これに関し、一方では、請求項１に従属する各請求項を、他方では、後述する本発明の好ましい実施例を参照されたい。本発明の好ましい実施例の説明に関連して、本発明の教示の好ましい実施形態及び展開形態を一般的に説明する。以下に、まとめとして、本発明の好ましい実施の形態を示す：
（形態１） 上掲。
（形態２） 上記形態１の装置において、前記検出器（複数）は、単一光子検出（single photon counting）に適合化されていることが好ましい。
（形態３） 上記形態１又は２の装置において、前記検出器（複数）は、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管及び／又はＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ：Electron Multipliying CCD）であることが好ましい。
（形態４） 上記形態１〜３の装置において、前記構成要素は、好ましくはデフォーカシングによって、前記光ビームを分解して前記光子（複数）の統計学的分布を生成することが好ましい。
（形態５） 上記形態４の装置において、前記構成要素は、円柱状レンズであることが好ましい。
（形態６） 上記形態１〜３の装置において、前記構成要素は、前記光ビームを分解して前記光子（複数）のスペクトル的分布を生成することが好ましい。
（形態７） 上記形態６の装置において、前記構成要素は、プリズムであることが好ましい。
（形態８） 上記形態１〜３の装置において、前記構成要素は、光電素子又は電気機械式スキャナであることが好ましい。
（形態９） 上記形態１〜８の装置において、複数の前記構成要素は、前記光ビームのビーム路に順に並んで配されることが好ましい。
（形態１０） 上記形態１〜９の装置において、光子計数のための電子的カウンタは、前記検出器の近傍に、とりわけＥＭＣＣＤのチップ上に配されることが好ましい。
（形態１１） 上記形態１〜１０の装置において、光子計数のための計数ロジックは、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー：Field Programmable Gate Array）にプログラミングされることが好ましい。
（形態１２） 上記形態１０又は１１の装置において、前記カウンタに前置及び／又は後置される加算器を有することが好ましい。
（形態１３） 上記形態１〜１２の装置において、関連電子装置がモノリシックに構成されることが好ましい。

Claims (15)

1. とりわけ蛍光顕微鏡に使用するための、空間的に限定された光源（２）から出射する光ビーム（１）の光子（複数）を検出する装置であって、検出装置を含んで構成された装置において、
   前記検出装置は、少なくとも２つの検出器（７）を有すること、及び前記光ビーム（１）のビーム路に、前記光子（複数）が検出のために前記検出器（複数）（７）に配分されるように前記光ビーム（１）を分解可能に構成された構成要素（３）が配されること
   を特徴とする装置。
2. 前記検出器（複数）（７）は、単一光子検出（single photon counting）に適合化されていること
   を特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記検出器（複数）（７）は、アバランシフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管及び／又はＥＭＣＣＤ（電子増倍ＣＣＤ：Electron Multipliying CCD）であること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記検出器（複数）（７）は、一次元、二次元又は三次元アレー（６、９）を形成すること
   を特徴とする請求項１〜３の一に記載の装置。
5. 前記三次元アレーは、順に並んで配される複数の部分透光性ＥＭＣＣＤから構成されること
   を特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記構成要素（３）は、好ましくはデフォーカシングによって、前記光ビーム（１）を分解して前記光子（複数）の統計学的分布を生成すること
   を特徴とする請求項１〜５の一に記載の装置。
7. 前記構成要素（３）は、円柱状レンズ（４）であること
   を特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記構成要素（３）は、前記光ビーム（１）を分解して前記光子（複数）のスペクトル的分布を生成すること
   を特徴とする請求項１〜５の一に記載の装置。
9. 前記構成要素（３）は、プリズム（８）であること
   を特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記構成要素（３）は、光電素子又は電気機械式スキャナであること
    を特徴とする請求項１〜５の一に記載の装置。
11. 複数の前記構成要素（３）は、前記光ビーム（１）のビーム路に順に並んで配されること
    を特徴とする請求項１〜１０の一に記載の装置。
12. 光子計数のための電子的カウンタ（１２）は、前記検出器（７）の近傍に、とりわけＥＭＣＣＤのチップ上に配されること
    を特徴とする請求項１〜１１の一に記載の装置。
13. 光子計数のための計数ロジックは、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレー：Field Programmable Gate Array）にプログラミングされること
    を特徴とする請求項１〜１２の一に記載の装置。
14. 前記カウンタ（１２）に前置及び／又は後置される加算器（１４）を有すること
    を特徴とする請求項１２又は１３に記載の装置。
15. 関連電子装置がモノリシックに構成されること
    を特徴とする請求項１〜１４の一に記載の装置。
    
    

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