具有多个光子计数探测器元件阵列的方法和光学显微镜技术

一种用于操作光学显微镜的方法，包括从一个或多个光源(1)向样本定位位置(6A)发射和引导作为多个照射光束的照射光(2)，在样本定位位置处(6A)形成多个分离的照射光点(2A、2B、2C、2D)；以及将来自样本定位位置(6A)的照射光点(2A、2B、2C、2D)的探测光束(11)引导到包括多个传感器阵列(31

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有多个光子计数探测器元件阵列的方法和光学显微镜


[0001]本公开涉及一种光学显微镜和一种用于操作光学显微镜的方法。

技术介绍

[0002]光学显微镜被广泛应用于生命科学或材料测试等领域。
[0003]特别是对活细胞研究日益增长的兴趣，需要具有特别高灵敏度的光学显微镜。照射样本的激发光的峰值强度应当较低，以避免高光强度对生物组织造成光毒性效应。然而，为了从样本中收集所需的信息，所获得的的数据必须具有足够的信噪比(SNR)。因此，应避免量子噪声以外的噪声源。
[0004]在常见的激光扫描显微镜(LSM)中，荧光由光电倍增管或光电倍增管(PMT)探测，一般来说，光电倍增管将光子通量转换为高度放大的电流。然而，放大过程会给电流信号增加乘法噪声。因此，相对于具有泊松分布的光子通量的量子极限，测量信号的SNR降低。如果减少光子通量以减少光毒性，同时增加PMT的增益以在所获得的图像中实现一定的动态范围，则情况更是如此。
[0005]原则上，通过光子计数可以完全避免乘法噪声。在这种情况下，电信号被放大，使得可以分辨出可分配给单一光子探测事件的单一脉冲。这些脉冲被计数，并且脉冲的数量是在特定时间段内撞击传感器的光子通量强度的量度。放大噪声仅导致脉冲高度的统计变化，但不影响脉冲数量，因此不会对测量产生不利影响。
[0006]然而，在探测到由光子撞击传感器触发的脉冲后，传感器无法记录另一个光子撞击传感器，需要重置为光敏状态。无法探测到其他光子的一段时间称为死区时间，从探测到第一光子的时刻起持续到传感器完全复位以探测第二光子的时刻。死区时间可以达到几十纳秒，并导致光子计数传感器的计数率受到限制。单个探测器元件的计数率限制通常在几兆赫。
[0007]通过在至少十个光子计数探测器元件的阵列上分布探测点扩展函数(PSF)，计数率极限可以增加大约十倍。通常，如果信号根据光强度的空间分布分布在至少N个元素上，则计数率极限可以增加N。这种阵列可以包括单光子雪崩二极管(SPAD)。在这种情况下，探测光(例如荧光)的光子撞击传感器阵列，该传感器阵列相对于阵列上的横向位置呈统计分布。因此，光子撞击刚好要复位的传感器元件从而在其死区时间内的概率显著降低。因此，计数率的限制取决于光子计数阵列的大小，即，可以被照射的光子计数探测器元件的总数，以及光强度的空间分布.
[0008]由于泊松计数过程的SNR与探测到的事件数量的平方根成比例，信号增加十倍会使SNR增加约三倍。然而，应避免增加照射光(激发光)的峰值强度，这也限制了被照射的探测器元件的数量.
[0009]为了进一步提高SNR，同时避免过高的激发强度，来自某个固定采样位置的信号应在延长的有效像素停留时间内平均。这会增加从该位置探测到的光子数量，并且由于SNR取决于光子数量的平方根，因此图像质量也会提高。平均可以通过各种方式实现。例如，可以
降低LSM的扫描镜的频率，从而直接增加像素停留时间。或者，可以多次扫描相同的样本位置，然后将不同的数据值相加。然而，这两种方法都延长了传统LSM的图像采集时间，这在例如检查活体样本的生物过程时可能是不希望的.
[0010]除了增加图像采集时间，还可以同时扫描样本上的多个激光点。因此，一种用于操作光学显微镜的通用方法包括：从一个或多个光源向样本定位位置发射和引导照射光作为多个照射光束，并在样本定位位置处形成多个分离的照射光点；以及将来自样本定位位置处的照射光点的探测光束引导到包括多个传感器阵列的探测器。每个传感器阵列包括光子计数探测器元件，并且探测光在传感器阵列上形成多个(探测)光点，其中来自样本定位位置处的不同照射光点的探测光束被引导到不同的传感器阵列。
[0011]类似地，通用光学显微镜包括至少一个光源和光学元件，例如物镜、聚光镜或其他透镜或反射镜，用于采用多个照射光束照射在样本定位位置处的样本，这些照射光束在样本定位位置形成多个分离的照射光点。显微镜还包括具有多个传感器阵列的探测器。每个传感器阵列包括光子计数探测器元件，用于测量通过探测来自样本的光束而在传感器阵列上形成的光点。来自在样本定位位置处的不同照射光点的探测光束被引导到不同的传感器阵列。显微镜还包括用于控制至少一个或多个光源和探测器的控制器。
[0012]然而，在样本上扫描的同时使用的光点的数量增加也增加了所需光子计数探测器元件的数量。这些像素元件中的每一个都有助于探测器的整体暗噪声，因此像素元件的数量增加也可能对SNR产生负面影响。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的是提供一种光学显微镜和一种方法，该光学显微镜和方法可以实现特别高的图像质量和测量灵敏度，而不需要过长的测量持续时间。
[0014]通过包括权利要求1特征的方法和权利要求13所述的光学显微镜达到上述定义的目的。
[0015]优选实施例在从属权利要求以及以下描述中给出，特别是结合附图给出。
[0016]根据本专利技术，上述方法的特征在于至少包括以下步骤：分析来自传感器阵列的测量信号以确定关于传感器阵列上的光点的位置信息，以及执行调整过程以基于位置信息调整光点撞击传感器阵列的位置。根据本专利技术，上述类型的光学显微镜的特征在于，控制器被配置为分析来自传感器阵列的测量信号，以确定关于传感器阵列上的光点的位置信息，并基于位置信息指示调整装置调整光点撞击传感器阵列的位置。
[0017]通过使用多个光点并确保光点在传感器阵列上的正确对齐，所有传感器元件的大部分可以有效地用于实际测量。大多数情况下可以避免传感器元件不被照射，但是有利于暗噪声。光点可以具有相对较小的间距，这有利于扫描预定义的样本区域，并且传感器阵列仍然被良好地定位以正确区分光点。可以避免出现光点仅部分地撞击传感器阵列的情况。
[0018]调整探测光点和传感器阵列之间的相对位置
[0019]在调整过程中，可以根据来自光子计数探测器元件的测量信号来执行以下调整中的一个或多个。
[0020]该调整过程包括调整步骤，该调整步骤影响所有探测光点和所有传感器阵列之间的位置关系，特别是同等的。该过程还可以包括对单个探测光点与其所撞击的传感器阵列
之间的位置关系的额外的单独调整。单独调整可以实现探测光点之间的距离与传感器阵列之间的距离相匹配。对所有探测光点和所有传感器阵列之间的位置关系的(全局)调整可以实现探测光点阵列作为整体被适当地对齐。
[0021]通常，可以通过光点和传感器阵列之间的任何相对运动来调整光点撞击传感器阵列的位置。例如，探测光的光路可以例如通过可移动光学元件，如反射或折射元件，来调节。特别地，可以调节一个共同的光学元件，其中所有探测光束都通过该共同的光学元件，例如，可倾斜玻璃板。替代地或附加地，传感器阵列可以作为整体或彼此独立地移动，或者在样本观察期间、在初始校准过程中和/或在显微镜或探测器的制造期间。传感器阵列可以横向于撞击传感器阵列的探测光束的光轴联连带移动，特别是在垂直于光轴的平面内。下面将进一步详细地描述这些变体。
[0022]虽然传感器阵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于操作光学显微镜的方法，包括
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从一个或多个光源(1)向样本定位位置(6A)发射和引导照射光(2)作为多个照射光束，并在样本定位位置处(6A)形成多个分离的照射光点(2A、2B、2C、2D)；以及
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将来自所述样本定位位置(6A)处的照射光点(2A、2B、2C、2D)的探测光束(11)引导到包括多个传感器阵列(31
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34)的探测器(10)，其中每个传感器阵列(31
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34)包括光子计数探测器元件(40)，并且所述探测光束(10)在所述传感器阵列(32
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34)上形成多个光点(15)，其中来自所述样本定位位置(6A)处的不同照射光点(2A、2B、2C、2D)的探测光束(11)被引导到不同的传感器阵列(31
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34)；其特征在于：分析来自传感器阵列(31
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34)的测量信号以确定关于传感器阵列(31至34)上的光点(15)的位置信息，以及基于位置信息调整光点(15)撞击传感器阵列(31
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34)的位置的调整过程。2.根据权利要求1所述的方法，其中在调整过程中，传感器阵列(31
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34)横向于探测光束(11)的光轴连带移动。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中在所述调整过程中，调整一个公共光学元件(13，14)，其中所有照射光束或探测光束(11)都经由所述公共光学元件(13，14)被引导，并且其中所述公共光元件(13、14)的调整影响所述光点(15)垂直于所述探测光束(10)的光轴的位置。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在调整过程中，传感器阵列(31
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34)根据探测光束(11)之间的差异相对于探测光束(10)的光轴连带倾斜。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在调整过程中，传感器阵列(31
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34)围绕探测光束(11)的光轴连带旋转。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述调整过程中，调节设置在所述照射或探测光束(11)的光束路径中的至少一个光学变焦元件(8A)，以改变所述传感器阵列(31
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34)上的光点(15)之间的间距，使得所述间距与所述传感器列(31
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34)的间距相匹配。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在公共样本点上扫描至少一些照射光束，对同一样本点采用不同照射光束测量的光子计数值进行组合，以及根据平均因子来设置使用的照射光束的数量，该平均因子取决于被观察的样本而设置。8.用于在探测器(10)的制造期间调整光点(15)撞击传感器阵列(31
‑
34)的位置，
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多个传感器阵列(31
‑
34)可移动地置于一个公共印刷电路板(19)上，
‑
发射照射光以在传感器阵列(31
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34)上形成多个光点(15)，
‑
控制器(70)解释传感器阵列(31
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34)的测量信号以产生定位命令，
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传感器阵列(31
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34)根据定位命令移动。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中用于在探测器(10)的制造期间调节光点(15)撞击传感器阵列(31
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34)的位置，
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光学元件(23)可移动地放置在传感器阵列(31
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34)的前面，其中，光学元件(23)影响各个传感器阵列(31
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34)上各个光点(15)的位置
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发射照射光以在传感器阵列(31
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34)上形成光点(15)，
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控制器(70)解释传感器阵列(31
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34)的测量信号以产生定位命令，以及
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光学元件(23)根据定位命令移动。10.根据权利要求9所述的方法，其中可倾斜的透明板(23)作为光学元件布置在传感器阵列(31

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫，
申请(专利权)人：洛桑联邦理工学院，
类型：发明
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