专利名称：用于探测光的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于探测光的装置，特别地，使用在显微镜、光谱仪或照相机中。本发明也涉及使用该装置优选实施的相应方法。
背景技术：
概括来说，本发明的焦点是光的探测，例如，用在显微镜、光谱仪或照相机中。要求权利的装置并不限于特别的应用。从广义上讲，其应被理解为光探测器。在本领域中，光电倍增管(PMT)已被熟知了很多年，其为一种特别的电子管，通过产生并放大光信号以探测弱光信号甚至单光子。光电倍增管典型地由配置在真空玻璃管中的光电阴极和下游的次级电子倍增管组成。由于光电倍增管是真空管，其尺寸相对较大，因而并不适于小型化。雪崩光电二极管(APD)在本领域也是已被熟知的，其为高敏快速光电二极管。它们利用内光电效应以产生载荷子，还利用雪崩击穿(雪崩效应)用于内部放大。APDs被作为光电倍增管的半导体等效物，除其他用途之外，还被用于非常低的光能级的探测，并具有高达千兆赫的截止频率。用于光子计数时，APDs以盖革模式工作，在此类文章中通常提及单光子雪崩二极管(SPADs)。最新的发展包括硅光电倍增管(SiPM)，其中以模拟或数字的方式结合多个SPADs以形成较大的探测范围。在这点上，仅是示例地，可参考公开号为2010/0214654A1的美国专利申请。在选择探测系统时，通常，重要的考虑因素是尽可能高的光子探测效率(PDE)、尽可能低的暗电流噪音(这是由通常被称为单个光敏元件的暗电流所造成的)、以及相对尽可能闻的最大光子速率，例如，探测器的闻动态响应。与使用Si技术制造的探测器相比，光电倍增管具有更昂贵的设计。此外，例如，光电倍增管通常具有低于雪崩光二极管的光子探测效率。在所有类型的探测器中，暗电流噪音相当程度上依赖于总探测面积、光电阴极材料的质量、以及探测器的工作温度。

发明内容
本发明的目的之一是提供一种用于探测光的装置及相应的方法，对于给定的照明/光强度，采用该装置和方法，可获得高的成像质量和相对尽可能高的信噪比。本发明旨在该装置应具有尽可能小的尺寸且制造低廉。本发明还旨在提供被相应装备的显微镜、光谱仪和照相机。关于根据本发明的装置，借由独立权利要求I和4的特征可实现上述目的。关于根据本发明的方法，借由独立权利要求16的特征可实现上述目的。另外的独立权利要求13、14和15要求被相应装备的显微镜、光谱仪和照相机。根据本发明，用于探测光的装置，特别地在显微镜、光谱仪或照相机中的该装置，装备有至少一个硅光电倍增管(SiPM)。该硅光电倍增管由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成。这种情况下本发明的根本重要性在于该阵列的面积应大于入射光的面积，其中仅激活和/或分析那些以特定高的最小强度的光实际入射或到达其上的SPADs。根据本发明，该装置包括专门适配的SiPM，该SiPM设计具有较高的光子探测效率(PDE)，即，与单光子雪崩二极管(SPADs)的相同。单个像素的响应可由组成每一像素的SPADs的数目、以及单个SPAD的停滞时间得到。通过“主动粹灭”(active quenching)可使停滞时间非常短，即，在每像素SPAD > 100、停滞时间< 50ns的范围内。这里使用的SiPMs允许选择性地激活或去活化一个像素中的个别SPADs。特别地，具有数字赋值电子装置的SiPM适用于此。因此，使用可寻址静态存储器以选择性地直接激活芯片上的单个SPADs。此外，能够使用传统的CMOS工艺制造这些SiPMs是特别有利的。从而，这种硅光电倍增管非常地耐用，特别在光能级高或非常高的情况下。根据本发明的装置，有利地包括多个硅光电倍增管，每个硅光电倍增管由多个单
光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成。该多个单光子雪崩二极管(SPADs)可被布置成矩阵，例如用在照相机中，或者线性地并排，例如用在光谱仪中。根据本发明的教导，SiPMs阵列的总面积大于入射光的面积，其中仅激活和/或分析各个SiPMs上那些以特定-高-最小强度的光入射、或者照射其上的SPADs。本发明教导的根本在于装置能够包括具有SPADs阵列的单个硅光电倍增管，或包括多个SiPMs的阵列，其每一个具有SPADs阵列。通过一个或多个测试测量，或者通过总是在给定系统设定下的校准，可确定最小光强度。根据本发明的教导，使装置或者说是相应设置的探测器的暗电流噪音最小化是一个根本问题，因为仅仅那些被激发的SPADs贡献高的信噪比。因此，仅对探测光实际期望照射于其上的各个像素的SPADs进行激发。从而，仅这些被激发的SPADs贡献暗电流噪音。此外独立于上述复杂的问题，根据本发明的教导，已经进一步地认识到，因SPADs光敏层中的缺陷在相当程度上造成了暗电流噪音。因此，例如即使没有光入射在二极管的光敏区域上，有缺陷的SPAD仍发出电信号的情形仍可能出现。这种错误事件的可能性被称作暗计数率，且其应当被保持为尽可能的低。对于SiPMs，并不可能完全无缺陷地生产前述更大的探测器区域，因而存在着一些功能不正常的SPADs (通常少于5%)，尽管这个数目较低，但由于暗计数率并非无关紧要，故其仍对最大部分的暗电流噪音负有责任。在这个方面，根据本发明的教导还涉及用于探测光的装置，特别地使用在显微镜、光谱仪或照相机中，具有至少一个由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成的硅光电倍增管(SiPM);对于每个SiPM，对那些运行逊于满意或运行错误并因此不能完美“表现”的SPADs进行去活化或不进行分析。因此在本发明的另一方面，已经认识到，根据本发明通过去活化具有较高暗电流噪音水平的单个SPADs，甚至忽略这些错误的并因而被去活化的SPAD的相应的探测信号，能够大幅度地提高整个阵列的信噪比。借由一个有用信号与暗电流噪音比值的较低阈值，可定义个别SPADs逊于满意或错误的运行；这种情况下，并不是一个固定的阈值。可使用测试/校准测量来确定未被充足照射、或运行逊于满意或错误的SPADs，从而可以在SiPM的整个寿命期间去活化错误的SPADs。这种情况下，还能够创造一种照明强度卡，或者说是芯片的各个暗电流噪音卡。可以这样来实现，例如，通过顺序地激发每个像素的一部分SPADs，优选地一次激发每个像素的一个SPAD，从而基于像素计数率将暗计数率分配至各个SPADs。为了使得被去活化的像素的面积比例尽可能地小，有利的是对于每个像素，使用尽可能多的小型SPADs，而不是更少的大型SPADs。被去活化的SPADs被简单地“掐断”是完全可能的，因而它们在整个SiPM阵列内不具有任何功能。通过控制，优选地通过软件，对那些待去活化的SPADs进行去活化是完全可能的，这消除了对阵列进行任何机械介入的需要。 最后，那些不被考虑的SPADs的电输出信号在信号分析中被忽略也是可能的。需要注意的是，前述去活化、各自的忽略方法都可以针对确定的最小光强度和针对错误SPADs来实施。关于用于形成SiPM的SPADs阵列，一个问题是制造工程限制了在各个SPADs之间、最显著地在各个像素之间，即SPADs的边缘区域和它们之间的中间空间必需存在光非敏区域。因而，整个照射区域的光敏部分，被称作填充因子，明显地低于100%，典型地在50%至70%的范围内。这导致了较低的光探测效率，即，因光非敏区域造成的。为了补偿与单个单光子雪崩二极管相比相关联的较低的光探测效率，非常有利的是对SiPM的SPADs分配微透镜、适配于SPADs阵列的各个微透镜阵列。微透镜将光聚焦并入射在整个阵列上、SPADs的各个光敏区域上；通过这种方式能够增加填充因子。基于入射光的几何结构，对于给定的SiPM的几何结构，有利的是去活化不再会被聚焦的光照射的个别SPADs，而不考虑微透镜的存在。特别地，为了获得SiPM的简单结构和紧凑设计，SPADs可被布置在芯片上，优选地在硅基底的芯片上。为了降低暗计数率，SiPM芯片可被冷却，例如采用热选择冷却。降至_40°C的冷却是可能且有利的。在共焦显微镜中使用根据本发明的装置特别地有益；例如在其中用于光谱选择性地探测来自样本的荧光。这种情况下，沿着探测器阵列的线条设计根据本发明的装置是有益的。根据本发明的装置还可用在光谱仪中；这种使用的情况下，哪一个二极管属于相应的需要的光谱区域是已知的。从而，可以仅激发在特定光谱区域上探测光实际入射其上的那些像素。根据本发明的装置也能够用在照相机中，鉴于由各种SPADs阵列组成的SiPMs的阵列具有前述的特性。关于根据本发明的方法的特征，为避免重复，可参考关于本发明的装置的解释，从中可推出涉及该方法的特征。这里同样重要的就是，仅激发和/或分析那些以特定最小强度的光实际入射其上的SPADs。对于每一 SiPM，可选地或附加地，去活化或不分析那些运行逊于满意或错误的SPADs，例如在任何情况下都不能提供完全性能的SPADs。


可借由各种方式有利地具体化并进一步改善本发明的教导。一方面，就这一点而言可参考独立权利要求的从属权利要求，另一方面，可参考参照附图的本发明优选实施例的下述描述。结合参照附图的本发明的优选实施例的解释，还阐述了所教导的一般优选实施例和改进。附图中，图I示出了共焦显微镜基本配置的示意图，其包括主要部件，根据本发明的装置被设计为探测器阵列。图2示出了根据本发明的阵列的基本配置的示意图，其包括SPADs和用于模拟或数字电路/赋值的有关SPADs的选项。图3示出了光谱仪基本配置的示意图，其包括设计为探测器阵列的根据本发明的
>J-U ρ α装直。图4示出了作为多像素SiPMs的多个SiPMs的阵列的示意图，例如，使用在照相机(图4a)或光谱仪(图4b)中。图5示出作为传统光电倍增管的替代使用的SPAD阵列的示意图。图6示出光分布(图6a)和个别SPADs的激发/去活化(图6b)的示意图。图7示出光分布(图7a)和个别SPADs的激发/去活化(图7b)的示意图，与图6中示出的相比，其包括更小的光斑。图8示出作为传统光电倍增管的替代使用的SPAD阵列的示意图，其与具有可变孔径的被称为SP探测器的探测器一起工作。图9示出作为传统光电倍增管的替代使用的SPAD阵列的示意图，其与具有可变孔径的被称为SP探测器的探测器一起工作；相关领域的光电倍增管被SPADs阵列代替。图10示出光分布(图IOa)和个别SPADs的激发/去活化(图IOb)的示意图。图11示出光分布(图Ila)和个别SPADs的激发/去活化(图Ilb)的示意图，与图10中示出的相比，其用于不同的探测波长。图12示出了 SiPMs阵列基本配置的示意图，图12a示出光分布，图12b示出个别SPADs的激发/去活化。图13示出了 SiPMs阵列基本配置的示意图，图13a示出光分布，图13b示出个别SPADs的激发/去活化，然而其用于不同的波长。图14示出光分布(图14a)和个别SPADs的激发/去活化(图14b)的示意图，其中SiPMs线性布置。图15示出具有集成SPADs的多个SiPMs的矩阵型阵列的示意图，其中被去活化的SPADs具有较高的暗电流噪音(图15b)。图16示出矩阵排列的SiPMs的示意图，向SiPMs提供有微透镜以助于光分布。
具体实施例方式基于共焦扫描显微镜的实施例，图I示出了使用根据本发明的装置以探测自样本返回的探测光。特别地，图I示出了共焦扫描显微镜I的图解配置，其中使用SPADS26的阵列19探测来自扫描显微镜I的信号。自光源2的照明光束3借由分束器或合适的光路偏转装置5射向扫描装置7。在到达光路偏转装置5之前，照明光束3穿过照明小孔6。在该实施例中，扫描装置7包括用万向架固定的扫描镜9，其将照明光束3射出，穿过扫描光学系统12和显微镜光学系统13，射在物件15上或穿透物件15。在非透明物件15的情况下，照射光束3被引导至物件表面上。在生物或透明物件15的情况下，照明光束可透过物件。必要时，用于这些目的，采用合适的染料来制备不发光的制剂。可选地存在于物件15中的这些染料被照明光束3激发，并发射出其自身光谱特性区域的光。自物件15发出的光定义了探测光束17。其穿过显微镜光学系统15、扫描光学系统12并通过扫描模块7抵达光路偏转装置5，穿过探测小孔18抵达阵列19。自物件15发出或由其发出的光所定义的探测光束17在图I中以虚线示出。在阵列19中，产生基于自物件15发出的光的强度的电探测信号。由于自物件15发出的光并不只是一个波长，因此有利的是在阵列19的上游配置色散元件20。色散元件20光谱地分离探测光束17，从而空间地和光谱地分离探测光的各个波长。透镜21扩束并平行化探测光束17，其可被设置在色散元件20的上游。此外，探测器光学系统22将探测光束17光谱分离的光束24、25聚焦在阵列19上，其可被设置在色散元件20的下游。光谱分离的光束24、25波长彼此不同，因此到达阵列19的不同区域。在本文所解释的特定示例中，扩散光学系统23被设置在色散元件20的上游。扩散光学系统23可被如此设计，从而
探测器光学系统22的数值孔径独立于入射在探测小孔18上的探测光束17的数值孔径。在示意图中，图2示出根据本发明的装置的阵列19的基本配置，阵列19包括多个SPADs26。SPADs26—起形成阵列19 ;在该实施例中，用于一个像素。此外，图2示出分别在模拟赋值27和数字赋值28的情况下，SPAD26的SiPM19的基本电路；在模拟赋值27期间，向AD转换器29输送信号并相应地赋值。在数字赋值28期间，向数字赋值逻辑30输送信号(芯片上读出)。就此而言，SPAD26是独立寻址的。图3示出了基本的光谱仪配置，在孔径/小孔32的下游由光学系统33将待探测的光平行化，色散元件，例如棱镜、光栅34或全息图将其光谱地分离。借由另一光学系统35，光谱分离的光抵达探测器阵列31，探测器阵列设计为具有多个由SPADs26组成的SiPMs的多像素阵列。图4示出SiPMsl9可能的布置，其中每一 SiPM由SPADs26的阵列组成。举例来说使用在照相机(图4a)中，SiPMsl9可配置成矩阵型阵列。使用在光谱仪中，SiPMsl9可线性地布置。在这两种情况下，都分别描绘出了 16个像素。在本发明的光中，其它的像素数目和像素阵列都是可能的。图5a示出传统光电倍增管36的使用，例如在共焦显微镜中，通过不同的二色性分束器38，探测光37抵达特别预定的光电倍增管36，以允许特定光谱区域的探测。图5b示出使用SPADs26的阵列替换传统的光电倍增管，能够对SPADs26分配微透镜。同样地，通过二色性分束器38，探测光抵达探测器，这种情况下是SPADs26的阵列，即包括SPADs26阵列的各种SiPMs 19。在示意图中，图6示出共同形成SiPM19的SPADs26阵列。特别地，图6a中示出光分布。SPADs26可具有50 μ mX 50 μ m的距离(子像素距离)，由于像素间的距离，像素尺寸略微地更小。光敏区域包括40X40的子像素，举例来说这相应于光敏区域的尺寸范围为2mmX 2mm0图6b示出根据本发明的教导，那些被激发、被去活化的SPADs26。落入显示的圆内的SPADs26和与圆的圆周相交的SPADs26被激发。在圆外的SPADs26，即与圆内的那些SPADs不接触的SPADs26被去活化，正如本发明的教导所要求的。
图7示出与图6中相同的阵列，其中光斑更小，这由更小的小孔尺寸造成。图7a示出光分布，图7b示出被激发的与被去活化的SPADs26的比率。依照图5中所示出的，另一方面，图8示出在具有可变孔径被称为SP探测器的情况下的基本阵列；图8a示出传统地使用光电倍增管36，图8b示出使用SPADs26阵列，即SiPMs 19，其能够装备有微透镜、或无微透镜。探测光37穿过光学系统33和棱镜39，并因而分束，通过可变狭缝或小孔孔径40和分束器，探测光37抵达光电倍增管36。根据图8b，光电倍增管被SPADs26阵列替代，即被SiPMsl9阵列替代。图9a示出光电倍增管的相关领域中，光电倍增管36 与可变狭缝或小孔孔径40 —起使用。根据附图％，它们被SPADs26的阵列19替代。因而，探测光37穿过光学系统33和棱镜39抵达由各个SPADs26组成的阵列(SiPM)。图10中更详细地示出了相应于图8b中示出的SPADs阵列；其中的SPADs26共同地形成一个像素SiPM19。图IOa再次示出光分布。借由显示的圆，图IOb图解地示出个别SPADs26的激发和去活化。这里需要注意的是，图10中示出的SPADs26阵列作为各个光电倍增管36的替代，即在被称作SP探测器的探测器用于探测不同带宽的光的情况中。图10示出在依据图8使用的情况下，用于探测第一探测波长的SPADs阵列。图11不出相应的SPADs26阵列，即一方面，光分布，而相反另一方面，个别SPADs26的激发和去活化，然而，关于这种情况下的第二探测波长，采用根据图8所示出的SP探测器。图12示出SiPMsl9的阵列的基本配置，每个SiPM包括多个SPADs26。特别地，图12a示出了在图9b示出的光谱仪的情况下的相应光斑的光分布。图12b示出了根据该光分布的SPAD的去活化和激发。图13示出根据图12的SiPMsl9的阵列的基本配置，然而其具有不同的光分布，这是由不同的波长造成的，例如荧光的波长。图14示出的基本配置与图12和13中的类似，荧光的光分布仍然不同。在图14a中不出的，用于赋值所关注的照明光41和杂散光入射在SiPMs阵列19上。一方面由于杂散光去活化个别SPADs26，另一方面由于照明不足也去活化个别SPADs26。激发的SPADs26用于赋值。当使用在光谱仪中时，光谱仪中特定的波长范围被去活化，其中不需要的杂散光，例如激发激光波长的反射光或杂散光到达光谱仪。必要时，由于所谓的串扰，还需去活化相邻的范围。由于通常杂散光的光强要远高于有用光(荧光)，因此，这些范围的去活化特别地重要。由于有用光的光分布基于用户使用的荧光团，因此激发那些激发光并未入射其上的各个像素的所有SPADs (假设它们是没有缺陷的或非暗电流噪音像素，如前文所述的)，从而探测能够独立于所使用的荧光团。任何激发光的干扰被排除。以相同的方式，可采用多个激光线实施激发；此时相应地阻挡多个范围。在图14示出的情形中，存在三个理由以去活化个别SPADs或者说子像素，即当入射在SPADs即子像素中的照明光不充足时，当个别SPADs即子像素的性能逊于满意或较差(暗电流噪音或类似的)时，或者，当杂散光击中个别SPADs即子像素时。图15示出矩阵型阵列19的多个SiPMs的配置，每一 SiPM19由多个SPADs26组成。有缺陷的或者说不能良好运行的SPADs26被去活化，其会导致较高的暗电流噪音。最后，图16示出了多个SiPMsl9的配置，每一个都由一个芯片上的多个SPADs26组成。鉴于不能使用的中间区域43，图16的侧视图中示出的微透镜44被分配至SiPMsl9的阵列。采用微透镜44，可得到更有利的光分布，在每个实例中，聚焦在SiPMsl9的可用区域上。此外，图16示出了没有探测光入射其上的去活化的SPADs。至于难以从附图中推知的其它特征，为避免重复，参考说明书的综述部分和所附的权利要求书。最后应注意的是，特别地，根据本发明的装置的上述实施例仅用于阐释所要求的教导，而非将其限制于此。附图标记列表I共焦扫描显微镜2 光源3照明光束5光路偏转装置6照明小孔7扫描装置9扫描镜12扫描光学系统13显微镜光学系统15 物件17探测光束18探测小孔19 阵列，SiPM20色散元件21 透镜22探测器光学系统23扩散光学系统24 光束25 光束26 SPAD27模拟赋值28数字赋值29 Α/D 转换器30数字赋值逻辑31探测器阵列32孔径/小孔
33光学系统34棱镜/光栅35光学系统36光电倍增管37探测光38二色性分束器39棱镜40可变小孔孔径41照明光42杂散光43中间区域44微透镜
权利要求
1.一种用于探测光的装置，特别地用在显微镜、光谱仪或照相机中，包括至少一个硅光电倍增管(SiPM)，其由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成，该阵列的面积大于入射光的面积，其中仅仅激活和/或分析那些以特定最小强度的光入射其上的SPADs。
2.如权利要求I所述的装置，其中，提供多个硅光电倍增管(SiPM)的阵列，每个SiPM由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成，阵列的面积大于入射光的面积，其中仅仅激活和/或分析SiPMs阵列中那些以特定最小强度的光入射其上的SPADs。
3.如权利要求I或2所述的装置，其中，由一个或多个测试测量，或者由总是在给定系统设定下的校准，来得到光的最小强度。
4.一种用于探测光的装置，特别地用在显微镜、光谱仪或照相机中，包括至少一个硅光电倍增管(SiPM)，其由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成，特别地具有权利要求I至3的特征；对每个SiPM，去活化或不分析那些运行逊于满意或错误的SPADs。
5.如权利要求4所述的装置，其中，借由有用信号与暗电流噪音的比率的下限阈值，能够确定个别逊于满意或错误的SPADs。
6.如权利要求4或5所述的装置，其中，借由测试/校准测量确定那些运行逊于满意或错误的SPADs，并在SiPM的寿命期间去活化这些SPADs。
7.如权利要求I至6所述的装置，其中待去活化的SPADs被切断。
8.如权利要求I至6所述的装置，其中通过控制，优选地通过软件，对那些待去活化的SPADs进行去活化。
9.如权利要求I至6所述的装置，其中不被考虑的SPADs的电输出信号在信号的赋值中被忽略。
10.如权利要求I至9所述的装置，其中为SiPM的各个SPADs配置微透镜，或者说是配置适用于SPADs阵列的微透镜阵列，其将光聚焦在SPADs的光敏区域上。
11.如权利要求I至10所述的装置，其中SiPM的SPADs布置在一个芯片上，优选地在硅基底的芯片上。
12.如权利要求11所述的装置，其中芯片优选地被热电地冷却。
13.—种显微镜，特别地为共焦显微镜，其特征在于通过根据权利要求I至12之一的装置，以探测自样本返回的探测光。
14.一种光谱仪，其特征在于通过根据权利要求I至12之一的装置，以探测光谱区域的光。
15.一种照相机，其特征在于通过根据权利要求I至12之一的装置，以捕获光从而生成图象。
16.一种用于探测光的方法，特别地用在显微镜、光谱仪或照相机中，优选地采用根据权利要求I至12之一的装置，包括至少一个硅光电倍增管(SiPM)，其由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成，该阵列的面积大于入射光的面积，其中仅仅激活和/或分析那些以特定最小强度的光入射其上的SPADs ;和/或，对每个SiPM，去活化或不分析那些运行逊于满意或错误的SPADs。
17.如权利要求16所述的方法，其中，由一个或多个测试测量，或者由在给定系统设定下的校准，来得到光的最小强度。
18.如权利要求17所述的方法，其中，借由测试/校准测量确定那些运行逊于满意或错误的SPADs，并在SiPM的寿命期间去活化这些SPADs。
19.如权利要求18所述的方法，其中，为确定运行逊于满意或错误的SPADs，激发每个SiPM上的各个SPAD，并基于像素计数率将暗计数率分配至各个SPADs。
全文摘要
用于探测光的装置，用在显微镜、光谱仪或照相机中，包括至少一个硅光电倍增管(SiPM)，其由多个单光子雪崩二极管(SPADs)的阵列组成，该阵列的面积大于入射光的面积，其中仅仅激活和/或分析那些以特定最小强度的光入射其上的SPADs。采用该装置的方法。
文档编号G01J1/42GK102879088SQ20121024080
公开日2013年1月16日 申请日期2012年7月11日 优先权日2011年7月12日
发明者H·比尔克, V·塞弗里德 申请人:徕卡显微系统复合显微镜有限公司