[发明专利]用于探测光的装置和方法

说明书

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。

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。