用于评估单光子-探测器信号的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于评估单光子‑探测器信号的方法，其中，将单光子‑探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理所述第一信号，所述第二信号要么不被处理，要么与所述第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估所述差信号，以便确定出脉冲事件。

【技术实现步骤摘要】
用于评估单光子-探测器信号的方法
本专利技术涉及一种用于评估单光子-探测器信号的方法以及用于实施该方法的装置、计算单元和计算机程序。
技术介绍
例如在共焦显微术中，使用尽量灵敏的光探测器，以便以尽量好的信号/噪声比和尽可能精准定量地检测来自于样本的荧光。适合于此的有各种不同类型的光电倍增器。尤其希望也采用半导体-光电倍增器(HIPM)，比如硅-光电倍增器(SiPM)，因为其在成本比较小的情况下在灵敏度、时间分辨率和耐用性方面提供了优点。对于HIPM，由每个探测的光子产生模拟的脉冲，其中，在图1中示出了典型的信号曲线(关于时间的强度)。脉冲形状分为在纳秒～子纳秒范围内的快速上升以及在通常20-100纳秒范围内的下降。信号高度主要由高于雪崩击穿的偏置电压以及单个电池的容量给定，以及当然由随后的电子机构的放大倍数给定。快速上升是击穿的结果，在击穿时，偏置二极管的容量放电至击穿电压以下，缓慢的下降由RC-时间常数结合以所谓的“淬火”-电阻产生。信号曲线以下的面积在一定程度上相当于在击穿时释放的电荷。具有对共焦显微术有意义的尺寸(例如1.3mmx1.3mm；200-1500个并联的各个电池)的SiPM以较大的均匀度为每个被光子击中的电池提供了相同大小的信号或相同多的电荷。原则上，对于光电倍增器，可以采用数字模式或者积分模式(也叫数字模式或模拟模式)进行数据采集。一种用来得到与入射光子数量成比例的信号的可行方案在于，对事件计数，其方式为，把模拟信号与阈值相比较，并且在每次超过时都使得计数器增值。然而，一旦脉冲重叠，测得的计数率就小于事件的实际数量。在了解当前的光子统计情况以及知道探测信号的脉冲形式时，可以推断出错误，并且必要时予以纠正。在脉冲式激励的情况下，为了成功地矫正，也需要了解荧光寿命。也就是说，矫正要根据样本进行，这牵涉到额外耗费。保持脉冲计数误差尽可能小的另一种方法是使脉冲尽可能短。这可以通过对输出信号进行高通滤波来实现，或者通过如在US2013/0099100A1中所公开的在二极管与淬火电阻之间的电容截取来实现。但是，这降低了信号高度。为了识别出光子击中，并以高的时间分辨率检测出单光子-探测器的信号，特别是当检测到的各光子在时间上密集排列时，可以对高通滤波后的信号进行放大，然后与阈值进行比较。一旦超过阈值，就会生成数字信号，可以以高时间分辨率对该信号进一步处理。为了输出高通滤波后的信号，可以例如使用无源的RC-元件，即电阻器和电容器以及随后的放大器。高通滤波后的该信号通常始终具有在静止位置上方和下方的电压分量，使得在静止位置上方和下方的面积几乎相同大小。这导致，在多个脉冲紧密地彼此相继的情况下，脉冲的高度取决于它们与先前的脉冲如何重叠。结果，要么会丢失脉冲，要么在错误的时间点或者在减幅振荡的情况下也计数过多。图2a在相比于图1更长的时间轴上示出了高通滤波信号的一种可能的曲线，该信号具有多个彼此相继的脉冲。阈值由100表示。在例如三个脉冲紧密地彼此相继的情况下，脉冲高度有可能下降到阈值100以下，从而在该例子中不计数第三脉冲。造成这种现象的原因之一尤其是，实际上的滤波器的特性不理想。对于若干MHz频率范围内的实际滤波器，例如寄生电感和电容也起着作用，因此大多情况下并非仅仅产生一个简单的一阶高通滤波器。如图2b所示，实际上的高通滤波信号201例如相应于二阶滤波器。与理想的曲线200不同，在短脉冲之后，向上跟随着明显的下冲。如果叠加第二脉冲，使得第二脉冲的最大值达到第一脉冲的最小值，则第二脉冲的高度相应地失真。更糟糕的是，此处优选的H1PM的信号大小通常仅1-2mV，因此在实践中被放大例如100倍。但是在这种情况下，也相应地放大了任何偏差。虽然现在可以用多个放大级来放大信号，其中每个级分别仅放大前一级的高通滤波信号，以保持较小的偏差。但这有利于带下冲的实际特性。因此，希望减少或克服现有技术的缺点，并以更好的时间分辨率和更高的精度来检测单光子-探测器的信号。
技术实现思路
根据本专利技术，提出了具有独立权利要求的特征的一种用于评估单光子-探测器信号的方法，用于实施该方法的装置、计算单元、计算机程序和一种存储介质。有利的设计是从属权利要求和以下描述的主题。根据本专利技术的用于评估单光子-探测器信号的方法，其特征在于，—在要求的情况下在预处理特别是放大之后，但没有高通滤波—，将单光子-探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理第一信号，第二信号要么不被处理，要么与第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估该差信号，以确定出脉冲事件。例如，可以对脉冲计数，和/或确定出脉冲的时间点。因此，本专利技术基于如下构思：通过求取不同地处理的各信号的差，来代替常规的高通滤波。特别地，本专利技术提供的优点是，与采用实际滤波器的高通滤波的变型方案相反，脉冲高度没有或几乎没有随着脉冲序列而变化。另一个优点是，存在的偏差通过复制到两条线路中并随后求差，在放大器链条末端才相互抵消。对差信号的评估原则上可以包括已知的方法，例如阈值比较，其中，将差信号与阈值进行比较，其中，针对每次超过阈值，都确定出脉冲事件。代替通过与阈值进行比较来计数单光子事件，还可以在时间区间上对差信号进行积分，以获得与光子数量成比例的积分值。这尤其当各个事件非常密集地发生或者也同时发生时将特别有用。在这种情况下，计数时会丢失事件，而在针对每个事件进行积分时，会在差信号的曲线下产生几乎相等的面积。因此，在光强度高的情况下，积分更是提供了与光强度成比例的值。而阈值比较提供了更好的时间分辨率。在一种有利的实施例中，对第一信号的处理包括低通滤波，优选地采用20和100MHz之间、特别优选地50和80MHz之间的截止频率。通过在低通滤波后的第一信号和未处理的第二信号之间形成差值，产生一个高频分量，但与采用实际滤波器的高通滤波的变型方案相反，该高频分量的脉冲高度不会随脉冲序列而变化。如已述，尽管单光子-探测器信号可以在复制之前被放大，但并未经过高通滤波，因此直流电压分量(偏差)随之被放大。如果然后将通过求差产生的信号与阈值进行比较，则可以正确地确定出全部的脉冲事件。前提条件仅仅是，在两个脉冲之间低于阈值。在该变型方案的优选的改进中，对第二信号的处理优选地包括采用与第一信号不同的截止频率的低通滤波。由于一个信号的低通滤波的截止频率高于另一信号的低通滤波的截止频率，因此放大信号的一部分高频分量仍会传输，并在求差之后保留下来。从这个意义上说，不同的低通滤波和求差就像带通一样作用。也可考虑的是，在不同处理的过程中，对第一信号和/或第二信号进行高通滤波和/或带通滤波。有益地，对第一信号和/或第二信号的处理包括延迟，以便优选地补偿传输时间差和/或以便添加差分分量。特别是在第二信号未被处理的情况下，由于对第一信号的处理，出现传输时间差，通过在求差之前有针对性地将较快的信号延迟来补偿所述传输时间差。以这种方式，处理后的第一信号和处理后的或未处理的第二信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评估单光子-探测器信号的方法，其中，将单光子-探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理所述第一信号，所述第二信号要么不被处理，要么与所述第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估所述差信号，以便确定出脉冲事件。/n

【技术特征摘要】
20180928 DE 102018124123.21.一种用于评估单光子-探测器信号的方法，其中，将单光子-探测器信号复制为第一和第二信号，其中，处理所述第一信号，所述第二信号要么不被处理，要么与所述第一信号不同地被处理，然后，在处理后的或未处理的第二信号与处理后的第一信号之间形成差信号，其中，评估所述差信号，以便确定出脉冲事件。


2.如权利要求1所述的方法，其中，对所述第一信号的处理包括低通滤波，优选地采用20MHz和100MHz之间、特别优选地50MHz和80MHz之间的截止频率。


3.如权利要求2所述的方法，其中，对所述第二信号的处理包括采用与所述第一信号不同的截止频率的低通滤波。


4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括延迟，以便优选地补偿传输时间差和/或以便添加差分分量。


5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括与符号相关和/或与斜率相关的处理。


6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，对所述第一信号和/或所述第二信号的处理包括各自的放大。


7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形成所述第一信号和所述第二信号之前将所述单光子-探测器信号放大。


8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在形成所述第一信号和...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍尔格·比尔克，贝恩德·维茨戈夫斯基，
申请(专利权)人：莱卡微系统CMS有限责任公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE