用于探测光束的光子的设备
专利汇可以提供用于探测光束的光子的设备专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于探测从空间上受限的源(2)发出的光束(1)的 光子 的设备，该设备尤其是用于应用在 荧光 显微镜 中，该设备包括检测装置，为了提高能够由该检测装置处理的最大计数速率，其特征在于，所述检测装置包括至少两个检测器(7)，并且在所述光束(1)的光路中设置有元件(3)，借助于该元件(3)能够这样分解所述光束(1)，以致所述光子出于探测目的而被分配到所述检测器(7)上。，下面是用于探测光束的光子的设备专利的具体信息内容。
1.用于探测从空间上受限的源(2)发出的光束(1)的光子的设 备，所述设备尤其是用于应用在荧光显微镜中，所述设备包括检测装 置，
其特征在于，所述检测装置包括至少两个检测器(7)，以及在所 述光束(1)的光路中设置有元件(3)，利用所述元件(3)能够这样 分解所述光束(1)，以致所述光子出于探测目的而被分配到所述检测 器(7)上。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述检测器(7)适 合用于单个光子探测(单个光子计数)。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述检测器(7) 是雪崩光电二极管(APD)、光电倍增器和/或EMCCD(电子倍增CCD)。
4.如权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述检测器 (7)形成一维、二维或三维阵列(6、9)。
5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，由连续排列的部分透 光的EMCCD形成所述三维阵列。
6.如权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述元件(3) 利用光子统计分布、优选地通过散焦产生所述光束(1)的分解。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述元件(3)是圆 柱体形状的透镜(4)。
8.如权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述元件(3) 利用光子光谱分布产生所述光束(1)的分解。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述元件(3)是棱 镜(8)。
10.如权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述元件 (3)是光电元件或电机扫描仪。
11.如权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于，在所述光 束(1)的光路中连续布置有多个元件(3)。
12.如权利要求1至11之一所述的设备，其特征在于，将用于光 子计数的电子计数器(12)布置在所述检测器(7)附近，特别是布置 在EMCCD的芯片上。
13.如权利要求1至12之一所述的设备，其特征在于，在FPGA (现场可编程门阵列)中对用于光子计数的计数逻辑进行编程。
14.如权利要求12或13所述的设备，其特征在于，在所述计数 器(12)之前和/或之后设置有加法器(14)。
15.如权利要求1至14之一所述的设备，其特征在于，以单片电 路的形式构建所属的电子线路。
本发明涉及一种尤其是应用在荧光显微镜中的用于探测光束的光 子的设备，其中所述光束从空间上受限的源中发出，所述设备包括检 测装置。
特别是在荧光显微镜中，由于荧光信号的一般相对较小的强度，信 噪比是关键的参数。这个比率通过击中检测器的光子的数量以及通过 检测效率和检测器的噪声来确定。所述检测效率通过检测器的量子效 率来给出，亦即通过击中检测器的光子实际产生检测信号的概率来给 出。如果所述检测器运行在“光子计数”模式下、亦即每个光子产生 自身的检测信号，那么所述信噪比基本上由泊松统计作为√n得出，其中 n表示所探测到的光子的数量。
当检测器运行在光子计数模式下时，原则上检测器的时滞是有问题 的。时滞表示直到检测器在检测到一个光子之后又可用于探测下一个 光子所经过的那个时间、亦即在一定程度上检测器为了处理事件所需 要的时间。
近来越来越多地使用的用于光子探测的检测器是雪崩光电二极管 (APD)(也称为雪崩二极管)。对于波长在大约200nm与1050nm之 间的光来说，APD具有最高的探测概率，它尤其也适合用在荧光测量领 域中。此外，APD具有高的量子效率。
对于APD来说，时滞约为50ns，而时滞在光倍增器的情况下更小 一些。为了在光子计数模式下光子不丢失(并且此外不会由于过高地 进行撞击的辐射通量而损害APD)，必须确保检测器的足够小的辐射。 对于荧光显微镜的运行来说，这例如意味着，要进行检查的试验只能 以非常小的辐射光强来激发，这结果导致，对于高质量的、亦即具有 足够的光子统计量的摄像来说需要相对长的时间。因此，所述试验中 的快速的生化过程对于常规的荧光显微镜来说是不可达的，其中所述 快速的生化过程在比摄像的时间量程更短的时间量程上进行。
现在，本发明所基于的任务是，这样扩展和改进构成类的、具有简 单装置的、用于探测光束的光子的设备，以致能够通过检测装置探测 较高的光子通量，亦即提高能由所述检测装置处理的最大计数速率。
上述任务通过权利要求1的特征来解决。因此，所述构成类的、用 于探测光束的光子的设备的特征在于，所述检测装置包括至少两个检 测器，以及在光束的光路中设置有元件，利用所述元件能够这样分解 所述光束，以致光子出于探测目的而被分配到所述检测器上。
根据本发明，已经认识到，当检测器运行在光子计数模式下时，检 测器的时滞是考虑到最大照射强度的限制判据。此外，已经认识到， 在光子计数模式下可探测的光束中的最大光子通量能够通过以下方式 并通过并行化来加以提高，即将要探测的光子分配到多个检测器上。 为此，根据本发明，在光束的光路中设置用于分解光束的元件。
通过根据本发明的设备，例如能够在荧光显微镜中提高照射强度和 与之相关联的拍摄速度，以致能够更快地制作图像并因此也能够使在 试验中快速进行的生物反应或生化反应可见。同样地，可以在相同的 拍摄时间内基于提高的光子统计量而获得更高的图像质量。在使用n 个检测器时，将最大可能的计数速率提高n倍，并且相应地将信噪比 改善√n倍。
除了光子计数模式以外，一般地通过本发明设备来提高所述检测装 置的动态范围。同样地将饱和阈值提高n倍、即单个检测器的数量， 其中在所述饱和阈值情况下撞击所述检测装置的光子通量是如此高， 以致通量的进一步提高不导致所述检测装置的输出信号的进一步放 大。
有利地，可以使用适用于单个光子探测、即换句话说可以在光子计 数模式下运行的检测器。为此，在盖革模式(Geigermodus)下借助于所 施加的高电压来驱动检测器。当光子击中检测器时，在APD的情况下 产生电子-空穴对，并且检测器输出处于饱和。按这种方式所产生的 电压信号在检测器输出端上被量取，并且作为事件被写入到内部存储 器中，该内部存储器在结束数据记录之后被读出。
除了雪崩光电二极管之外，同样也可以将其它的检测器类型、例如 光电倍增器或EMCCD(电子倍增CCD)用于探测光子。
考虑到紧凑的实施，所述检测器可以形成阵列。在最简单的实施形 式中，该阵列例如可以是在行排列意义上的一维阵列。考虑到光子的 继续分配，可以是平面阵列，在该平面阵列中以行和列形式排列所述 检测器。
在使用EMCCD的情况下，通过以下方式甚至可以实现三维阵列， 即在多个层面中连续地排列单个部分透光的EMCCD。于是，进行撞击的 光子以一定的概率穿过最初的一个(或多个)层面，并在更深的层面 中才由EMCCD进行探测。
光束的分解可以按不同方式来实现。例如可设想这样的分解，在所 述分解的情况下产生光子的统计分布。特别简单地，可以通过光束的 简单的散焦、例如通过借助于圆柱体形状的透镜使光束折射来实现这 种光子分布。
此外，可以设想这样的光束分解，在所述光束分解的情况下产生光 子的光谱分布。具体地，例如可以通过棱镜来实现这种分解。在光谱 分解的情况下特别有利地得到以下可能性，即使阵列中的检测器单独 地匹配于确定的光谱范围。依赖于所述光谱范围，例如可以使用不同 灵敏度的光电阴极(Photokatoden)。
除了已经提到的用于光束分解的元件之外，原则上也可以使用光电 元件或电机扫描仪。特别地，也可以在光束中连续排列多个(不同的) 元件。按这种方式可以产生完全有针对性的光子分布模式，例如首先 在一个方向上进行散焦，然后在与之垂直的方向上进行光谱分解。
有利地，对于光子计数来说必要的阈值确定装置以及用于对所探测 到的光子事件进行计数的电子计数器可以被布置在所述检测器附近。 特别是在使用EMCCD的情况下，甚至可以将计数器直接布置在芯片上。
有利地，用于对所探测到的光子事件进行计数的相应的计数逻辑可 以在FPGA(现场可编程门阵列)上进行编程。加法器既可以被设置在 计数器之前，也可以被设置在计数器之后。此外，可以以单片电路的 形式构建整个电子线路。
现在存在不同的有利地扩展和改进本发明的原理的可能性。为此， 一方面可参阅列在权利要求1之后的权利要求，另一方面可参阅后续 的根据附图的本发明优选实施例的说明。结合本发明优选实施例的说 明，也说明该原理的一般优选的扩展方案和改进方案。在附图中：
图1以示意图的形式示出根据本发明的设备的第一实施例，所述设 备装置在一个方向上和并且在一维检测器阵列中利用光子统计分布来 分解光束，
图2以示意图的形式示出根据本发明的设备的第二实施例，所述设 备在一个方向上并且在一维检测器阵列中利用光子光谱分布来分解光 束，
图3以示意图的形式示出根据本发明的设备的第三实施例，所述设 备在两个方向上并且在二维检测器阵列中分解光束，
图4以示意图的形式示出图1中的实施例，其中附加地示出所属的 处理电子线路。
图1示出从空间上受限的光源2发出的光束1，其中所述光源2具 体可以是被激发进行荧光发射的生物试验材料。所述光束1击中光学 元件3，该光学元件3由透明材料实施为半圆柱体形状的透镜4。所述 光束1穿过圆柱体形状的透镜4，并且在从透镜4射出时由于折射被散 焦，因此得到在照射面内发散的光束5，所述照射面的表面法线是圆柱 体轴。在照射面内，光子是统计分布的。
然后，展宽的光束5击中检测装置，所述检测装置包括多个形成阵 列6的检测器7。在图1中，示例性地仅仅示出五个检测器7，其被组 合成一维阵列6。由于不是在一个检测器中探测光束1的光子，而是将 光束1的光子均匀地分配到总共五个检测器7上，因此将最大可能的 计数速率(和由此最大照射强度)提高5倍，该倍数对应于阵列6的 检测器7的数量。相应地，将信噪比改善√5倍。因此，在每个像素积 分时间恒定的情况下显著改善信噪比。
图2示出一种实施形式，在该实施形式中代替光子统计分布而产生 光子光谱分布。通过布置在光束1的光路中的棱镜8来实现一维地分 解为光谱不同的通道。通过旋转棱镜8能够使光谱分解最佳地匹配于 检测器阵列6的相应配置。
图3示出一种实施形式，在该实施形式中由光源2发出的光束1 首先在一个方向(X方向)上根据上面的图1的实施方案借助于圆柱体 形状的透镜4被分解。然后，展宽的光束5击中棱镜8，通过该棱镜8 在垂直于X方向的方向(Y方向)上对所述光束5进行光谱分解。检测 装置位于棱镜8之后，该检测装置由二维检测器阵列9构成。撞击检 测器阵列9的光子在X方向上均匀分布，而在Y方向上产生光谱分布， 其中低能量的光子击中在图3中位于上方的像素10，而较高能量的光 子击中位于更下方的像素10。
最后，图4以示意图的形式示出依照图1的本发明设备的实施形 式，所述设备在一个方向上并且在一维检测器阵列6中统计分解光束 1。附加地示出信号处理电子线路。经由电气连接11将光子计数器12 分配给检测器阵列6的每个检测器7，因此能够逐像素地读出光子事件 并且对其进行计数。所述光子计数器12的输出经由电气连接13被输 送给加法器14，在该加法器14中将整个检测器阵列6所探测到的光子 事件相加。将以这种方式产生的计数速率提供作为输出信号15。
最后，应十分特别强调的是，先前纯粹任意选择的实施例仅仅用于 讨论本发明原理，然而本发明原理并不限于这些实施例。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种基于单光纤关联成像的内窥镜系统及成像方法 | 2020-05-13 | 847 |
| 一种提高SPAD阵列相机探测效率的方法 | 2020-05-16 | 456 |
| 单光子雪崩光电二极管时间延迟积分CMOS图像传感器 | 2020-05-18 | 790 |
| 一种荧光分子定向定位方法和装置 | 2020-05-08 | 890 |
| 基于雪崩二极管的物体检测装置 | 2020-05-12 | 612 |
| 一种高探测效率的单光子雪崩二极管及其制作方法 | 2020-05-17 | 837 |
| 光子计数型检测器 | 2020-05-19 | 934 |
| 基于集束光纤的单像元多光谱计算成像系统及成像方法 | 2020-05-16 | 534 |
| 基于SPAD的时间相关拉曼-荧光寿命光谱仪 | 2020-05-14 | 598 |
| 测距装置以及测距模块 | 2020-05-15 | 898 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
