專利名稱：用于探測(cè)光束的光子的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尤其是應(yīng)用在熒光顯微鏡中的用于探測(cè)光束的光子的設(shè)備，其中所述光束從空間上受限的源中發(fā)出，所述設(shè)備包括檢測(cè)裝置。
特別是在熒光顯微鏡中，由于熒光信號(hào)的一般相對(duì)較小的強(qiáng)度，信噪比是關(guān)鍵的參數(shù)。這個(gè)比率通過擊中檢測(cè)器的光子的數(shù)量以及通過檢測(cè)效率和檢測(cè)器的噪聲來確定。所述檢測(cè)效率通過檢測(cè)器的量子效率來給出，亦即通過擊中檢測(cè)器的光子實(shí)際產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)的概率來給出。如果所述檢測(cè)器運(yùn)行在“光子計(jì)數(shù)”模式下、亦即每個(gè)光子產(chǎn)生自身的檢測(cè)信號(hào)，那么所述信噪比基本上由泊松統(tǒng)計(jì)作為√n得出，其中n表示所探測(cè)到的光子的數(shù)量。
當(dāng)檢測(cè)器運(yùn)行在光子計(jì)數(shù)模式下時(shí)，原則上檢測(cè)器的時(shí)滯是有問題的。時(shí)滯表示直到檢測(cè)器在檢測(cè)到一個(gè)光子之后又可用于探測(cè)下一個(gè)光子所經(jīng)過的那個(gè)時(shí)間、亦即在一定程度上檢測(cè)器為了處理事件所需要的時(shí)間。
近來越來越多地使用的用于光子探測(cè)的檢測(cè)器是雪崩光電二極管(APD)(也稱為雪崩二極管)。對(duì)于波長在大約200nm與1050nm之間的光來說，APD具有最高的探測(cè)概率，它尤其也適合用在熒光測(cè)量領(lǐng)域中。此外，APD具有高的量子效率。
對(duì)于APD來說，時(shí)滯約為50ns，而時(shí)滯在光倍增器的情況下更小一些。為了在光子計(jì)數(shù)模式下光子不丟失(并且此外不會(huì)由于過高地進(jìn)行撞擊的輻射通量而損害APD)，必須確保檢測(cè)器的足夠小的輻射。對(duì)于熒光顯微鏡的運(yùn)行來說，這例如意味著，要進(jìn)行檢查的試驗(yàn)只能以非常小的輻射光強(qiáng)來激發(fā)，這結(jié)果導(dǎo)致，對(duì)于高質(zhì)量的、亦即具有足夠的光子統(tǒng)計(jì)量的攝像來說需要相對(duì)長的時(shí)間。因此，所述試驗(yàn)中的快速的生化過程對(duì)于常規(guī)的熒光顯微鏡來說是不可達(dá)的，其中所述快速的生化過程在比攝像的時(shí)間量程更短的時(shí)間量程上進(jìn)行。
現(xiàn)在，本發(fā)明所基于的任務(wù)是，這樣擴(kuò)展和改進(jìn)構(gòu)成類的、具有簡單裝置的、用于探測(cè)光束的光子的設(shè)備，以致能夠通過檢測(cè)裝置探測(cè)較高的光子通量，亦即提高能由所述檢測(cè)裝置處理的最大計(jì)數(shù)速率。
上述任務(wù)通過權(quán)利要求1的特征來解決。因此，所述構(gòu)成類的、用于探測(cè)光束的光子的設(shè)備的特征在于，所述檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)檢測(cè)器，以及在光束的光路中設(shè)置有元件，利用所述元件能夠這樣分解所述光束，以致光子出于探測(cè)目的而被分配到所述檢測(cè)器上。
根據(jù)本發(fā)明，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，當(dāng)檢測(cè)器運(yùn)行在光子計(jì)數(shù)模式下時(shí)，檢測(cè)器的時(shí)滯是考慮到最大照射強(qiáng)度的限制判據(jù)。此外，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，在光子計(jì)數(shù)模式下可探測(cè)的光束中的最大光子通量能夠通過以下方式并通過并行化來加以提高，即將要探測(cè)的光子分配到多個(gè)檢測(cè)器上。為此，根據(jù)本發(fā)明，在光束的光路中設(shè)置用于分解光束的元件。
通過根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，例如能夠在熒光顯微鏡中提高照射強(qiáng)度和與之相關(guān)聯(lián)的拍攝速度，以致能夠更快地制作圖像并因此也能夠使在試驗(yàn)中快速進(jìn)行的生物反應(yīng)或生化反應(yīng)可見。同樣地，可以在相同的拍攝時(shí)間內(nèi)基于提高的光子統(tǒng)計(jì)量而獲得更高的圖像質(zhì)量。在使用n個(gè)檢測(cè)器時(shí)，將最大可能的計(jì)數(shù)速率提高n倍，并且相應(yīng)地將信噪比改善√n倍。
除了光子計(jì)數(shù)模式以外，一般地通過本發(fā)明設(shè)備來提高所述檢測(cè)裝置的動(dòng)態(tài)范圍。同樣地將飽和閾值提高n倍、即單個(gè)檢測(cè)器的數(shù)量，其中在所述飽和閾值情況下撞擊所述檢測(cè)裝置的光子通量是如此高，以致通量的進(jìn)一步提高不導(dǎo)致所述檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)的進(jìn)一步放大。
有利地，可以使用適用于單個(gè)光子探測(cè)、即換句話說可以在光子計(jì)數(shù)模式下運(yùn)行的檢測(cè)器。為此，在蓋革模式(Geigermodus)下借助于所施加的高電壓來驅(qū)動(dòng)檢測(cè)器。當(dāng)光子擊中檢測(cè)器時(shí)，在APD的情況下產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，并且檢測(cè)器輸出處于飽和。按這種方式所產(chǎn)生的電壓信號(hào)在檢測(cè)器輸出端上被量取，并且作為事件被寫入到內(nèi)部存儲(chǔ)器中，該內(nèi)部存儲(chǔ)器在結(jié)束數(shù)據(jù)記錄之后被讀出。
除了雪崩光電二極管之外，同樣也可以將其它的檢測(cè)器類型、例如光電倍增器或EMCCD(電子倍增CCD)用于探測(cè)光子。
考慮到緊湊的實(shí)施，所述檢測(cè)器可以形成陣列。在最簡單的實(shí)施形式中，該陣列例如可以是在行排列意義上的一維陣列?？紤]到光子的繼續(xù)分配，可以是平面陣列，在該平面陣列中以行和列形式排列所述檢測(cè)器。
在使用EMCCD的情況下，通過以下方式甚至可以實(shí)現(xiàn)三維陣列，即在多個(gè)層面中連續(xù)地排列單個(gè)部分透光的EMCCD。于是，進(jìn)行撞擊的光子以一定的概率穿過最初的一個(gè)(或多個(gè))層面，并在更深的層面中才由EMCCD進(jìn)行探測(cè)。
光束的分解可以按不同方式來實(shí)現(xiàn)。例如可設(shè)想這樣的分解，在所述分解的情況下產(chǎn)生光子的統(tǒng)計(jì)分布。特別簡單地，可以通過光束的簡單的散焦、例如通過借助于圓柱體形狀的透鏡使光束折射來實(shí)現(xiàn)這種光子分布。
此外，可以設(shè)想這樣的光束分解，在所述光束分解的情況下產(chǎn)生光子的光譜分布。具體地，例如可以通過棱鏡來實(shí)現(xiàn)這種分解。在光譜分解的情況下特別有利地得到以下可能性，即使陣列中的檢測(cè)器單獨(dú)地匹配于確定的光譜范圍。依賴于所述光譜范圍，例如可以使用不同靈敏度的光電陰極(Photokatoden)。
除了已經(jīng)提到的用于光束分解的元件之外，原則上也可以使用光電元件或電機(jī)掃描儀。特別地，也可以在光束中連續(xù)排列多個(gè)(不同的)元件。按這種方式可以產(chǎn)生完全有針對(duì)性的光子分布模式，例如首先在一個(gè)方向上進(jìn)行散焦，然后在與之垂直的方向上進(jìn)行光譜分解。
有利地，對(duì)于光子計(jì)數(shù)來說必要的閾值確定裝置以及用于對(duì)所探測(cè)到的光子事件進(jìn)行計(jì)數(shù)的電子計(jì)數(shù)器可以被布置在所述檢測(cè)器附近。特別是在使用EMCCD的情況下，甚至可以將計(jì)數(shù)器直接布置在芯片上。
有利地，用于對(duì)所探測(cè)到的光子事件進(jìn)行計(jì)數(shù)的相應(yīng)的計(jì)數(shù)邏輯可以在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)上進(jìn)行編程。加法器既可以被設(shè)置在計(jì)數(shù)器之前，也可以被設(shè)置在計(jì)數(shù)器之后。此外，可以以單片電路的形式構(gòu)建整個(gè)電子線路。
現(xiàn)在存在不同的有利地?cái)U(kuò)展和改進(jìn)本發(fā)明的原理的可能性。為此，一方面可參閱列在權(quán)利要求1之后的權(quán)利要求，另一方面可參閱后續(xù)的根據(jù)附圖的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說明。結(jié)合本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說明，也說明該原理的一般優(yōu)選的擴(kuò)展方案和改進(jìn)方案。在附圖中

圖1以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施例，所述設(shè)備裝置在一個(gè)方向上和并且在一維檢測(cè)器陣列中利用光子統(tǒng)計(jì)分布來分解光束，圖2以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例，所述設(shè)備在一個(gè)方向上并且在一維檢測(cè)器陣列中利用光子光譜分布來分解光束，圖3以示意圖的形式示出根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第三實(shí)施例，所述設(shè)備在兩個(gè)方向上并且在二維檢測(cè)器陣列中分解光束，圖4以示意圖的形式示出圖1中的實(shí)施例，其中附加地示出所屬的處理電子線路。
圖1示出從空間上受限的光源2發(fā)出的光束1，其中所述光源2具體可以是被激發(fā)進(jìn)行熒光發(fā)射的生物試驗(yàn)材料。所述光束1擊中光學(xué)元件3，該光學(xué)元件3由透明材料實(shí)施為半圓柱體形狀的透鏡4。所述光束1穿過圓柱體形狀的透鏡4，并且在從透鏡4射出時(shí)由于折射被散焦，因此得到在照射面內(nèi)發(fā)散的光束5，所述照射面的表面法線是圓柱體軸。在照射面內(nèi)，光子是統(tǒng)計(jì)分布的。
然后，展寬的光束5擊中檢測(cè)裝置，所述檢測(cè)裝置包括多個(gè)形成陣列6的檢測(cè)器7。在圖1中，示例性地僅僅示出五個(gè)檢測(cè)器7，其被組合成一維陣列6。由于不是在一個(gè)檢測(cè)器中探測(cè)光束1的光子，而是將光束1的光子均勻地分配到總共五個(gè)檢測(cè)器7上，因此將最大可能的計(jì)數(shù)速率(和由此最大照射強(qiáng)度)提高5倍，該倍數(shù)對(duì)應(yīng)于陣列6的檢測(cè)器7的數(shù)量。相應(yīng)地，將信噪比改善√5倍。因此，在每個(gè)像素積分時(shí)間恒定的情況下顯著改善信噪比。
圖2示出一種實(shí)施形式，在該實(shí)施形式中代替光子統(tǒng)計(jì)分布而產(chǎn)生光子光譜分布。通過布置在光束1的光路中的棱鏡8來實(shí)現(xiàn)一維地分解為光譜不同的通道。通過旋轉(zhuǎn)棱鏡8能夠使光譜分解最佳地匹配于檢測(cè)器陣列6的相應(yīng)配置。
圖3示出一種實(shí)施形式，在該實(shí)施形式中由光源2發(fā)出的光束1首先在一個(gè)方向(X方向)上根據(jù)上面的圖1的實(shí)施方案借助于圓柱體形狀的透鏡4被分解。然后，展寬的光束5擊中棱鏡8，通過該棱鏡8在垂直于X方向的方向(Y方向)上對(duì)所述光束5進(jìn)行光譜分解。檢測(cè)裝置位于棱鏡8之后，該檢測(cè)裝置由二維檢測(cè)器陣列9構(gòu)成。撞擊檢測(cè)器陣列9的光子在X方向上均勻分布，而在Y方向上產(chǎn)生光譜分布，其中低能量的光子擊中在圖3中位于上方的像素10，而較高能量的光子擊中位于更下方的像素10。
最后，圖4以示意圖的形式示出依照?qǐng)D1的本發(fā)明設(shè)備的實(shí)施形式，所述設(shè)備在一個(gè)方向上并且在一維檢測(cè)器陣列6中統(tǒng)計(jì)分解光束1。附加地示出信號(hào)處理電子線路。經(jīng)由電氣連接11將光子計(jì)數(shù)器12分配給檢測(cè)器陣列6的每個(gè)檢測(cè)器7，因此能夠逐像素地讀出光子事件并且對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)。所述光子計(jì)數(shù)器12的輸出經(jīng)由電氣連接13被輸送給加法器14，在該加法器14中將整個(gè)檢測(cè)器陣列6所探測(cè)到的光子事件相加。將以這種方式產(chǎn)生的計(jì)數(shù)速率提供作為輸出信號(hào)15。
最后，應(yīng)十分特別強(qiáng)調(diào)的是，先前純粹任意選擇的實(shí)施例僅僅用于討論本發(fā)明原理，然而本發(fā)明原理并不限于這些實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.用于探測(cè)從空間上受限的源(2)發(fā)出的光束(1)的光子的設(shè)備，所述設(shè)備尤其是用于應(yīng)用在熒光顯微鏡中，所述設(shè)備包括檢測(cè)裝置，其特征在于，所述檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)檢測(cè)器(7)，以及在所述光束(1)的光路中設(shè)置有元件(3)，利用所述元件(3)能夠這樣分解所述光束(1)，以致所述光子出于探測(cè)目的而被分配到所述檢測(cè)器(7)上。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測(cè)器(7)適合用于單個(gè)光子探測(cè)(單個(gè)光子計(jì)數(shù))。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測(cè)器(7)是雪崩光電二極管(APD)、光電倍增器和/或EMCCD(電子倍增CCD)。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述檢測(cè)器(7)形成一維、二維或三維陣列(6、9)。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，由連續(xù)排列的部分透光的EMCCD形成所述三維陣列。
6.如權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述元件(3)利用光子統(tǒng)計(jì)分布、優(yōu)選地通過散焦產(chǎn)生所述光束(1)的分解。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其特征在于，所述元件(3)是圓柱體形狀的透鏡(4)。
8.如權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述元件(3)利用光子光譜分布產(chǎn)生所述光束(1)的分解。
9.如權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述元件(3)是棱鏡(8)。
10.如權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述元件(3)是光電元件或電機(jī)掃描儀。
11.如權(quán)利要求1至10之一所述的設(shè)備，其特征在于，在所述光束(1)的光路中連續(xù)布置有多個(gè)元件(3)。
12.如權(quán)利要求1至11之一所述的設(shè)備，其特征在于，將用于光子計(jì)數(shù)的電子計(jì)數(shù)器(12)布置在所述檢測(cè)器(7)附近，特別是布置在EMCCD的芯片上。
13.如權(quán)利要求1至12之一所述的設(shè)備，其特征在于，在FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)中對(duì)用于光子計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)邏輯進(jìn)行編程。
14.如權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備，其特征在于，在所述計(jì)數(shù)器(12)之前和/或之后設(shè)置有加法器(14)。
15.如權(quán)利要求1至14之一所述的設(shè)備，其特征在于，以單片電路的形式構(gòu)建所屬的電子線路。
全文摘要
一種用于探測(cè)從空間上受限的源(2)發(fā)出的光束(1)的光子的設(shè)備，該設(shè)備尤其是用于應(yīng)用在熒光顯微鏡中，該設(shè)備包括檢測(cè)裝置，為了提高能夠由該檢測(cè)裝置處理的最大計(jì)數(shù)速率，其特征在于，所述檢測(cè)裝置包括至少兩個(gè)檢測(cè)器(7)，并且在所述光束(1)的光路中設(shè)置有元件(3)，借助于該元件(3)能夠這樣分解所述光束(1)，以致所述光子出于探測(cè)目的而被分配到所述檢測(cè)器(7)上。
文檔編號(hào)G01T1/29GK1836186SQ200480023219
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者H·比爾克, R·施托爾茨, V·塞弗里德 申請(qǐng)人:萊卡微系統(tǒng)Cms有限責(zé)任公司