光検出装置および方法
【課題】光検出の装置および方法を提供する。
【解決手段】特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含み、このアレイは面積が入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される。この装置を利用する方法。
【解決手段】特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を含み、このアレイは面積が入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される。この装置を利用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置に関する。本発明はまた、好ましくはこの装置を用いて実行される、そのような方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の焦点は概して、たとえば顕微鏡、分光計またはカメラに利用される光検出に当てられている。特許請求される装置は、特定の用途に限定されない。これは、より広い意味において、光の検出器と理解されるものとする。
【０００３】
光電子増倍管（ＰＭＴ）は当業界では古くから知られており、これは電気信号を発生させ、増幅することによって微弱な光信号を単一光子まで検出することを目的とした特殊な電子管である。光電子増倍管は一般に、光電陰極と下流の二次的な電子増倍管からなり、これらは真空ガラスバルブの中に構成される。光電子増倍管は真空管であるため、サイズが比較的大きく、したがって小型化に向かない。
【０００４】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）もまた当業界で知られている高感度で高速の光ダイオードである。これらは、電荷キャリアを発生させる内部光電効果と、内部増幅のためのアバランシェ降伏（アバランシェ効果）を利用する。ＡＰＤは、光電子増倍管に相当する半導体素子とみなされ、なかんずく、非常に低レベルの光出力の検出に使用され、そのカットオフ周波数はギガヘルツの範囲に及ぶ。
【０００５】
光子計数に関しては、ＡＰＤはガイガーモードで動作し、この意味において一般に単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と呼ばれる。より最近ではシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）が開発されており、これは複数のＳＰＡＤがアナログまたはデジタル式に複合されてより大きな検出領域を形成する。この点で、単に例として、特許文献１を参照する。
【０００６】
検出システムを選択する際に考慮すべき重要な要素は一般に、できるだけ高い光子検出効率（ＰＤＥ）、できるだけ低いダークノイズレベル（個々の受光素子の暗電流と一般に呼ばれるものに起因する）、そして検出器のできるだけ高い、あるいは最大の光子レート、すなわち高い動的応答である。
【０００７】
光電子増倍管の設計は、Ｓｉ技術を用いて作製される検出器よりコスト高である。さらに、光電子増倍管は一般に、たとえばアバランシェフォトダイオードより光子検出効率が低い。いずれのタイプの検出器においても、ダークノイズは、検出総面積、光電陰極材料の品質のほか、検出器の動作温度に大きく依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ ２０１０／０２１４６５４ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、所与の照明／光強度で高い画像品質、あるいはできるだけ高い信号対雑音比を実現しうる光検出装置およびそのような方法を提供することである。この装置は、できるだけ小さく、製造コストが安価なものとすることが意図される。また、相応に装備した顕微鏡、分光計およびカメラを提供することも意図される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による装置に関して、上記の目的は、特許請求の範囲の独立項１と４の特徴によって達成される。本発明による方法に関して、その目的は独立項１６の特徴によって達成される。他の独立項１３、１４および１５は、相応に装備した顕微鏡、分光計およびカメラを請求する。
【００１１】
本発明によれば、特に顕微鏡、分光計またはカメラにおける光検出装置が、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備える。シリコン光電子増倍管は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される。この点に関して本発明にとって基本的に重要な点は、アレイが面積において入射光より大きいことであり、特定の、すなわち高い、最低強度の光が実際に当たるかまたはぶつかるＳＰＡＤだけがアクティブ化され（作動／起動され）、および／または分析される。
【００１２】
本発明によれば、装置は特別に適応させたＳｉＰＭを含み、このＳｉＰＭの設計は、高い光子検出効率（ＰＤＥ）、すなわち単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）の場合と同様の効率を特徴としている。１つの単独のピクセルの応答は、ピクセルごとにまとめられたＳＰＡＤの数からのほか、１つの単独のＳＰＡＤの不感時間から導き出される。不感時間は、「アクティブクエンチ方式」によってごく短く、すなわち１ピクセルあたり＞１００ＳＰＡＤで不感時間＜５０ｎｓの範囲内に保つことができる。
【００１３】
ここで使用されるＳｉＰＭでは、１つのピクセルの中の個々のＳＰＡＤを選択的にアクティブ化させ、あるいは非アクティブ化（無効化）することができる。特に、デジタル評価用電子機器を有するＳｉＰＭがこれに特に適している。それゆえ、直接チップ上で個々のＳＰＡＤを、特に選択的に、アクティブ化させるために、アドレス指定可能なスタティックメモリを使用してもよい。
【００１４】
さらに、ＳｉＰＭが従来のＣＭＯＳ工程により製造可能であることは特に有利である。このことにより、このようなシリコン光電子増倍管は、特に光出力レベルが高い、または過剰に高い条件下において極めて堅牢である。
【００１５】
本発明による装置は、有利な態様として、複数のシリコン光電子増倍管を含み、その各々が複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される。複数のＳｉＰＭは、たとえばカメラ用ではマトリクス状に、または、たとえば分光計用では横並びの直線状に配置されてもよい。本発明の教示によれば、ＳｉＰＭのアレイの面積は全体で入射光より大きく、それぞれＳｉＰＭのうち、特定の、すなわち高い、最低強度の光が当たり、あるいはそれによって照明されるアレイ内にあるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される。
【００１６】
本発明の教示にとっては、装置に、ＳＰＡＤのアレイ、または各々がＳＰＡＤのアレイを持つ複数のＳｉＰＭのアレイを有する単一のシリコン光電子増倍管を含めることができる点が非常に重要である。
【００１７】
光の最低強度は、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、夫々所定のシステム設定で確認してもよい。
【００１８】
本発明の教示によれば、これは基本的に、高い信号対雑音比に寄与するＳＰＡＤだけをアクティブ化させるという点で、装置の、あるいは相応に設計された検出器のダークノイズを最小限に抑える問題である。したがって、検出光が実際に当たると予想されるＳＰＡＤ、あるいはピクセルだけがアクティブ化される。そのため、ダークノイズの一因となるのは、これらの、すなわちアクティブ化された、ＳＰＡＤだけである。
【００１９】
さらに、特に上記の問題の複雑さとは別に、本発明によれば、ダークノイズの大きな原因がＳＰＡＤの受光層の欠陥であることがさらにわかった。それゆえ、たとえば、ダイオードの受光領域に光が入射しなくても、欠陥のあるＳＰＡＤが電子信号を発生するという状況が起こりうる。このような誤検出の確率は、ダークカウントレートと呼ばれ、できるだけ低く抑えるべきである。
【００２０】
前述の、すなわち、より大きな検出器の面積を完全に欠陥のない状態で生産することは不可能であるため、ＳｉＰＭの場合、適正に機能しないＳＰＡＤが少数（通常は５％未満）存在し、これが、特に数は少ないにもかかわらす、ダークカウントレートが低い状況においては、ダークノイズの原因として最も大きな部分を占める。この点において、本発明による教示はまた、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置に関し、これは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を有し、各ＳｉＰＭに関して、不十分な動作または誤動作をし、したがって完全な状態で「機能」しないＳＰＡＤが非アクティブ化される。それゆえ、本発明の他の態様において、アレイ全体の信号対雑音比は、ダークノイズレベルが高い個々のＳＰＡＤを非アクティブ化することによって、さらには、誤動作し、したがって本発明により非アクティブ化されたＳＰＡＤのそれぞれの検出信号を無視することによって、実質的に改善できることがわかった。
【００２１】
個々のＳＰＡＤの不十分な動作または誤動作は、有効な信号対ダークノイズの比率の下側閾値によって定義されてもよく、それはこの場合、決まった閾値のことではない。
【００２２】
試験／校正測定を使って、照明が不十分、または不十分に動作または誤動作をするＳＰＡＤを確認してもよく、それによって、欠陥のあるＳＰＡＤをＳｉＰＭの寿命終了まで非アクティブ化しておくことが可能である。この点に関して、チップのある種の照明強度カード、あるいはダークノイズカードを作ることもできる。これはたとえば、一度に１ピクセルにつきＳＰＡＤの一部分のみ、そして好ましくは１ピクセルにつき１つのＳＰＡＤのみを逐次的にアクティブ化させることによって行われ、それによって、ダークカウントレートを、そのピクセルのカウントレートに基づいて個々のＳＰＡＤに割り当ててもよい。非アクティブ化されるピクセルの面積の割合をできるだけ小さく保つために、１ピクセルにつき、大きなＳＰＡＤをより少なく使用する代わりに、小さなＳＰＡＤをできるだけ多く使用することが有利でありうる。
【００２３】
非アクティブ化するべきＳＰＡＤを単純に「切断」して、これらがＳｉＰＭのアレイ全体の中でいかなる機能も持たないようにすることも十分に考えられる。
【００２４】
また、非アクティブ化するべきＳＰＡＤを、制御手段を通じて、好ましくはソフトウェアによって非アクティブ化し、アレイへの機械的な介入を一切不要にすることも考えられる。
【００２５】
最後に、考慮しないようにするＳＰＡＤの電気出力信号を、信号分析において無視することも考えられる。ここで、上記のような非アクティブ化する、あるいは考慮に入れない方式は、確認された最低強度の光と欠陥のあるＳＰＡＤの両方に関して実装してもよいことに留意する。
【００２６】
ＳｉＰＭの形成に使用される個々のＳＰＡＤのアレイに関して、生産に関する技術上の制約によって、必然的に個々のＳＰＡＤ間および、最も特記すべき点として、個々のピクセル間に光を感知しない領域、すなわちＳＰＡＤの縁辺領域とＳＰＡＤ間の中間空間ができることが問題である。したがって、照明領域全体の中の受光部分を示す有効受光面積率と呼ばれるものは、１００％よりかなり小さく、一般には５０％から７０％の間である。その結果、すなわち光を感知しない領域によって、光子検出効率が低くなる。それらに伴う、個々の単一光子アバランシェダイオードと比較して低い光子検出効率を補うために、ＳｉＰＭのＳＰＡＤには、非常に有利な態様として、マイクロレンズ、あるいはＳＰＡＤのアレイに適応されたマイクロレンズアレイを割り当ててもよい。マイクロレンズは、アレイ全体に入射する光を、ＳＰＡＤのそれぞれの受光領域に集束させるもので、この方法よって有効受光面積率を増大させることができる。入射光の形状に応じて、所与のＳｉＰＭの形状で、実際に、マイクロレンズを設置したにもかかわらず、集束された光がもはやぶつからない個々のＳＰＡＤを非アクティブ化することも好都合でありうる。
【００２７】
特に、ＳｉＰＭを製造しやすくし、小型化するために、ＳＰＡＤを、好ましくはシリコン基板のチップ上に配置してもよい。ダークカウントレートを低減させるために、ＳｉＰＭチップは、たとえばサーモセレクティブ冷却法を用いて冷却してもよい。−４０℃未満への冷却が可能であり、有利である。
【００２８】
本発明による装置を共焦点顕微鏡に使用すれば特に有利であり、その中では、これはたとえば試料から発せられる蛍光をスペクトル的に選択して検出するものである。その場合、本発明による装置を検出アレイの線に沿うように設計することが有益である。
【００２９】
本発明による装置はまた、分光計にも使用でき、このような用途に関しては、どのダイオードがそれぞれの所望のスペクトル領域に属するかがわかる。したがって、検出光が特定のスペクトル領域内にあると実際に予想されるピクセルだけをアクティブ化させてもよい。
【００３０】
本発明による装置をカメラに使用することまた可能であり、これは、すなわち、それぞれが個々のＳＰＡＤのアレイで構成されるＳｉＰＭのアレイを有する上記のような特性による。
【００３１】
本発明による方法の特徴に関して、繰り返しを避けるために、本発明による装置に関する説明を参照するものとし、そこからこの方法に関する特徴がわかる。また、ここで重要なのは、特定の最低強度の光が実際に当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析されることである。各ＳｉＰＭに関して、特に上記の代わりに、または上記に加えて、不十分な動作または誤動作をする、すなわち、いずれの場合においても適正な性能を提供しないＳＰＡＤだけが非アクティブ化されるかまたは分析されない。
【００３２】
有利な方法で本発明の教示を実施し、さらに改良するためのさまざまな方法がある。この点については、一方で、主請求項に従属する請求項を参照し、他方で、図面に言及する本発明の好ましい例示的実施形態に関する以下の説明を参照されたい。図面に言及する本発明の好ましい例示的実施形態の説明により、教示の一般に好ましい実施形態と改良もまた明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】基本的な構成要素を含む共焦点顕微鏡の基本的構成の概略図を示し、本発明による装置が検出器アレイとして設計されている。
【図２】ＳＰＡＤを含む本発明によるアレイの基本的構成と、それに関して選択可能なアナログまたはデジタル回路／評価の概略図を示す。
【図３】本発明による装置を検出器アレイとして含む分光計の基本的構成の概略図を示す。
【図４】マルチピクセルＳｉＰＭとしての複数のＳｉＰＭのアレイの、たとえばカメラ用（図４ａ）または分光計用（図４ｂ）の概略図を示す。
【図５】従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合の概略図を示す。
【図６】光分布（図６ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図６ｂ）の概略図を示す。
【図７】図６の図と比較して、より小さな光スポットを含む、光分布（図７ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図７ｂ）の概略図を示す。
【図８】可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものとともに動作する、従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合の概略図を示す。
【図９】可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものとともに動作する、従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合と、関連技術による光電子増倍管をＳＰＡＤのアレイに置き換えた場合の概略図を示す。
【図１０】光分布（図１０ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１０ｂ）の概略図を示す。
【図１１】図１０の図と比較して、異なる検出波長に関する光分布（図１１ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１１ｂ）の概略図を示す。
【図１２】ＳｉＰＭのアレイの基本的構成の概略図を示し、図１２ａは光分布を示し、図１２ｂは個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化を示す。
【図１３】ＳｉＰＭのアレイの基本的構成の概略図を示し、図１３ａは光分布を示し、図１３ｂは個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化を示すが、異なる波長に関する。
【図１４】光分布（図１４ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１４ｂ）の概略図を示し、ＳｉＰＭが直線状に配列されている。
【図１５】集積されたＳＰＡＤを有する複数のＳｉＰＭのマトリクス型アレイの概略図を示し、その中のダークノイズレベルが高いＳＰＡＤが非アクティブ化されている（図１５ｂ）。
【図１６】光分布を支援するためにマイクロレンズが設置されている、マトリクス状に配置されたＳｉＰＭの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
共焦点走査顕微鏡の例に基づき、図１は本発明による装置を試料から戻る光の検出に使用した場合を示している。具体的には、図１は、共焦点走査顕微鏡１の概略的構成を示しており、ＳＰＡＤ２６のアレイ１９が走査顕微鏡１からの信号を検出するために使用される。光源２からの照明光ビーム３は、ビームスプリッタまたは適当な光路折り曲げ手段５によって走査装置７へと方向付けられる。照明光ビーム３は、光路折り曲げ手段５にぶつかる前に、照明ピンホール６を通過する。
【００３５】
この例において、走査装置７は、ジンバルに取り付けられた走査ミラー９を含み、これは照明光ビーム３を、走査光学系１２と顕微鏡光学系１３を通って物体１５の上またはその中へと向かうように方向付ける。不透明な物体１５の場合、照明光ビーム３は物体の表面上へと案内される。生体または透明な物体１５の場合、照明光ビーム３は物体の内部へと方向付けられてもよい。指示があれば、その目的のために、適当な染料を用いて無発光の調合物が調製される。
【００３６】
物体１５の中に任意選択的に存在する染料は、照明光ビーム３によって励起され、それ自体の特徴的なスペクトル領域内で発光する。物体１５から発せられる光により、検出光ビーム１７が画定される。これは顕微鏡光学系１５、走査光学系１２を通過し、走査モジュール７を経由して光路折り曲げ手段５に入り、そこを通過し、検出ピンホール１８を経由して、アレイ１９に到達する。物体１５から発せられる、または物体１５［からの光］によって画定される検出光ビーム１７は、図１において、破線で示されている。
【００３７】
物体１５から発せられる光の強度に依存する電気検出信号は、アレイ１９の中で生成される。物体１５から発せられる光の波長は１つだけではないため、アレイ１９の上流に分散素子２０を構成することが好都合でありうる。分散素子２０は、検出光ビーム１７をスペクトル的に分割し、それによって検出光の個々の波長を空間的およびスペクトル的に分離する。検出光ビーム１７を拡張させ、平行化するレンズ２１を分散素子２０の上流に配置してもよい。さらに、検出光線１７のスペクトル的に分離されたビーム２４、２５をアレイ１９上に集束させる検出器光学系２２を、分散素子２０の下流に配置してもよい。スペクトル的に分離されたビーム２４、２５は波長が異なり、したがって、アレイ１９上の異なる領域にぶつかる。ここに示されている具体的な実施形態において、拡張光学系２３は分散素子２０の上流に配置されている。拡張光学系２３は、検出器光学系２２の開口数が検出ピンホール１８に入射する検出光ビーム１７の開口数とは無関係となるように設計してもよい。
【００３８】
概略図として、図２は、本発明による装置のアレイ１９の基本的構成を示しており、アレイ１９は複数のＳＰＡＤ２６を含む。ＳＰＡＤ２６がまとまって、この実施形態においては、１つのピクセルのためのＳｉＰＭ１９を形成する。
【００３９】
さらに、図２は、ＳｉＰＭ１９の、あるいはＳＰＡＤ２６の、アナログ評価２７の場合とデジタル評価２８の場合の基本回路を示しており、アナログ評価２７では、信号はＡＤ変換器２９およびこれに対応する評価手段に供給される。デジタル評価２８では、信号はデジタル評価論理回路３０に供給される（オンチップ読み出し）。これに関して、ＳＰＡＤ２６は個別にアドレス指定することが可能である。
【００４０】
図３は、基本的な分光計の構成を示しており、検出されるべき光は、開口／ピンホール３２の下流で光学系３３によって平行化され、分散素子、たとえばプリズム、回折格子３４またはホログラムによって分光的に分割される。別の光学系３５を経由して、スペクトル的に分割された光は、ＳＰＡＤで構成される複数のＳｉＰＭを有するマルチピクセルアレイとして設計された検出器アレイ３１に到達する。
【００４１】
図４は、各々がＳＰＡＤ２６のアレイで構成されるＳｉＰＭ１９の考えられる配置を示す。ＳｉＰＭ１９は、たとえばカメラ用としてマトリクス型アレイに構成されてもよい（図４ａ）。ＳｉＰＭ１９は、分光計用として直線状に配置されてもよい（図４ｂ）。これら２つの場合の各々において、１６のピクセルが示され、あるいは描かれている。本発明によれば、それ以外のピクセルの数やピクセルのアレイも可能である。
【００４２】
図５ａは、たとえば共焦点顕微鏡に従来の光電子増倍管３６を使用した例を示しており、その中で検出光３７は、各種のダイクロイックビームスプリッタ３８を経由して、特定の所期の光電子増倍管３６に到達し、特定のスペクトル領域の検出を可能にしている。
【００４３】
図５ｂは、従来の光電増倍管の代わりにＳＰＡＤ２６のアレイを使用した例を示しており、マイクロレンズをＳＰＡＤ２６に割り当てることが可能である。ここでも、検出光はダイクロイックビームスプリッタ３８を経由して検出器、この場合はＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわち、ＳＰＡＤアレイを含む各種のＳｉＰＭ１９に到達する。
【００４４】
概略図として、図６はＳＰＡＤ２６のアレイを示しており、これがまとまって１つのＳｉＰＭ１９を形成する。具体的には、光分布が図６ａに示されている。ＳＰＡＤ２６は５０μｍ×５０μｍの距離（サブピクセル距離）を特徴としていてもよく、ピクセルの大きさはこれより幾分小さく、すなわちピクセル間の距離による。受光領域には、４０×４０のサブピクセルが含まれていてもよく、たとえばこれは２ｍｍ×２ｍｍの範囲の受光領域の大きさに対応する。
【００４５】
図６ｂは、本発明の教示により、どのＳＰＡＤ２６がアクティブ化され、あるいは非アクティブ化されるかを示している。図示されている円の内側にあるＳＰＡＤ２６と円の円周と交差するＳＰＡＤ２６がアクティブ化される。円の外側にある、あるいは円の内側のそれらとは接触しないＳＰＡＤ２６は非アクティブ化され、これは発明性のある教示により特許請求されているとおりである。
【００４６】
図７は、図６と同じアレイを示すが、ピンホールの大きさをより小さくすることによって、より小さい光スポットが用いられている。図７ａは基本的な光分布を示し、図７ｂは、ＳＰＡＤ２６のうちアクティブ化されたものと非アクティブ化されたものの比を示す。
【００４７】
図５の図にしたがい、図８は一方で、可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものの場合の基本的アレイを示しており、図８ａは従来のような光電子増倍管３６を使用した場合を示し、図８ｂはＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわちＳｉＰＭ１９を使用した場合を示しており、ＳｉＰＭ１９にはマイクロレンズを設けても、設けなくてもよい。
【００４８】
検出光３７は、光学系３３とプリズム３９を通過し、相応に、可変スリットまたはピンホール開口およびビームスプリッタ４０によって分割され、光電子増倍管３６に到達する。図８ｂによれば、光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわちＳｉＰＭ１９のアレイが使用される。
【００４９】
図９ａは、その中で光電子増倍管３６が可変スプリットまたはピンホール開口４０とともに使用されている点にかぎり、関連する技術を示している。図９ｂによれば、これらの代わりにＳＰＡＤ２６のアレイ１９が使用されている。検出光３７はしたがって、光学系３３とプリズム３９を通過し、個々のＳＰＡＤ２６で構成されるアレイ（ＳｉＰＭ）に到達する。
【００５０】
図８ｂの図に対応するＳＰＡＤのアレイが図１０に詳細に示されており、その中のＳＰＡＤ２６がまとまって単一ピクセルＳｉＰＭ１９を形成する。
【００５１】
図１０ａもまた、光分布を示す。図１０ｂは、図示された円によって個々のＳＰＡＤ２６のアクティブ化と非アクティブ化を概略的に示している。
【００５２】
ここで、図１０に示されるＳＰＡＤ２６のアレイは、個々の光電子増倍管３６の代わりとして、すなわちさまざまな帯域幅の光を検出するためのＳＰ検出器として知られるものとして機能する。図１０は、図８による使用における第一の検出波長を検出するためのＳＰＡＤのアレイを示す。
【００５３】
図１１は、対応するＳＰＡＤ２６のアレイを示し、すなわち、一方で今度は光分布と、他方で個々のＳＰＡＤ２６のアクティブ化と非アクティブ化を示すが、ここでは図８の図によるＳＰ検出器を使用した場合の第二の検出波長に関している。
【００５４】
図１２は、ＳｉＰＭ１９のアレイの基本的構成を示しており、各ＳｉＰＭ自体は複数のＳＰＡＤ２６を含む。具体的には、図１２ａは、図９ｂに示されるような分光器の場合の、対応するスポットの光分布を示す。図１２ｂは、その光分布に応じたＳＰＡＤの非アクティブ化とアクティブ化を示す。
【００５５】
図１３は、図１２によるＳｉＰＭ１９のアレイの基本的構成を示しているが、異なる波長による異なる光分布を有する、たとえば蛍光のそれを示す。
【００５６】
図１４に示される基本的構成は、図１２と図１３と似ており、蛍光の光分布はやはり異なる。図１４ａの図においては、評価対象の照明光４１と迷光がＳｉＰＭ１９のアレイに当たる。個々のＳＰＡＤ２６は、一方で迷光により、他方で照明されていないことにより、非アクティブ化される。アクティブ化されたＳＰＡＤ２６が評価に使用される。
【００５７】
分光計に使用される場合、具体的には、分光器の中で、不要な迷光、たとえば励起レーザ波長の反射光または迷光がぶつかる波長範囲が非アクティブ化される。指示されている場合は、隣接する範囲もまた、すなわちクロストークとして知られるものによって非アクティブ化される。これらの範囲の非アクティブ化は特に重要であり、それは、迷光の強度が一般には有益な光（蛍光）よりはるかに高いからである。有益な光の光分布は使用者によって使用される蛍光色素分子に依存するため、励起光が当たらないすべてのＳＰＡＤ、あるいはピクセルはアクティブ化され（ただし、これらが前述のように欠陥のある、またはダークノイズピクセルでない場合）、それによって、使用される蛍光色素分子と関係なく検出を行うことが可能となる。励起光による干渉はすべて排除される。同様に、励起は複数のレーザラインを使用して実行されてもよく、その場合、したがって複数の範囲がブロックされる。
【００５８】
図１４の図に関して、個々のＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルを非アクティブ化する理由は３つあり、すなわち、ＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルに当たる照明光の量が不十分である時、個々のＳＰＡＤ、あいはサブピクセルの動作が不十分であるかまたは弱い（ダークノイズまたはその他）時、または迷光がＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルにぶつかる時のみである。
【００５９】
図１５は、マトリクス型アレイ１９の意味における複数のＳｉＰＭの構成を示しており、各ＳｉＰＭ１９は複数のＳＰＡＤ２６で構成される。欠陥のある、あるいは満足に動作しないＳＰＡＤ２６は、高いダークノイズレベルの原因となり、非アクティブ化される。
【００６０】
最後に、図１６は、それぞれが１つのチップ上で複数のＳＰＡＤ２６で構成される複数のＳｉＰＭ１９の構成を示す。使用不能な中間領域４３によって、図１６の側面図で示されているマイクロレンズ４４は、ＳｉＰＭ１９のアレイに割り当てられる。マイクロレンズ４４を使用すれば、より有利な光分布が得られ、各々の場合でＳｉＰＭ１９の使用可能な領域に集束される。
【００６１】
さらに、図１６は、検出光が当たらない非アクティブ化されたＳＰＡＤを示す。
【００６２】
図から推測されないその他の特徴に関しては、繰り返しを避けるために、本明細書の総論部分と付属の特許請求の範囲を参照されたい。
【００６３】
最後に、特に、本発明による装置の上記のような例示的実施形態は単に、請求されている教示の例を示すものであり、教示をこれらに限定するものではない。
【符号の説明】
【００６４】
１ 共焦点走査顕微鏡
２ 光源
３ 照明光ビーム
５ 光路折り曲げ手段
６ 照明ピンホール
７ 走査装置
９ 走査ミラー
１２ 走査光学系
１３ 顕微鏡光学系
１５ 物体
１７ 検出光ビーム
１８ 検出ピンホール
１９ アレイ、ＳｉＰＭ
２０ 分散素子
２１ レンズ
２２ 検出器光学系
２３ 拡張光学系
２４ ビーム
２５ ビーム
２６ ＳＰＡＤ
２７ アナログ評価
２８ デジタル評価
２９ Ａ／Ｄ変換器
３０ デジタル評価論理回路
３１ 検出器アレイ
３２ 開口／ピンホール
３３ 光学系
３４ プリズム／回折格子
３５ 光学系
３６ 光電子増倍管
３７ 検出光
３８ ダイクロイックビームスプリッタ
３９ プリズム
４０ 可変ピンホール開口
４１ 照明光
４２ 迷光
４３ 中間領域
４４ マイクロレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置に関する。本発明はまた、好ましくはこの装置を用いて実行される、そのような方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の焦点は概して、たとえば顕微鏡、分光計またはカメラに利用される光検出に当てられている。特許請求される装置は、特定の用途に限定されない。これは、より広い意味において、光の検出器と理解されるものとする。
【０００３】
光電子増倍管（ＰＭＴ）は当業界では古くから知られており、これは電気信号を発生させ、増幅することによって微弱な光信号を単一光子まで検出することを目的とした特殊な電子管である。光電子増倍管は一般に、光電陰極と下流の二次的な電子増倍管からなり、これらは真空ガラスバルブの中に構成される。光電子増倍管は真空管であるため、サイズが比較的大きく、したがって小型化に向かない。
【０００４】
アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）もまた当業界で知られている高感度で高速の光ダイオードである。これらは、電荷キャリアを発生させる内部光電効果と、内部増幅のためのアバランシェ降伏（アバランシェ効果）を利用する。ＡＰＤは、光電子増倍管に相当する半導体素子とみなされ、なかんずく、非常に低レベルの光出力の検出に使用され、そのカットオフ周波数はギガヘルツの範囲に及ぶ。
【０００５】
光子計数に関しては、ＡＰＤはガイガーモードで動作し、この意味において一般に単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）と呼ばれる。より最近ではシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）が開発されており、これは複数のＳＰＡＤがアナログまたはデジタル式に複合されてより大きな検出領域を形成する。この点で、単に例として、特許文献１を参照する。
【０００６】
検出システムを選択する際に考慮すべき重要な要素は一般に、できるだけ高い光子検出効率（ＰＤＥ）、できるだけ低いダークノイズレベル（個々の受光素子の暗電流と一般に呼ばれるものに起因する）、そして検出器のできるだけ高い、あるいは最大の光子レート、すなわち高い動的応答である。
【０００７】
光電子増倍管の設計は、Ｓｉ技術を用いて作製される検出器よりコスト高である。さらに、光電子増倍管は一般に、たとえばアバランシェフォトダイオードより光子検出効率が低い。いずれのタイプの検出器においても、ダークノイズは、検出総面積、光電陰極材料の品質のほか、検出器の動作温度に大きく依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＵＳ ２０１０／０２１４６５４ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、所与の照明／光強度で高い画像品質、あるいはできるだけ高い信号対雑音比を実現しうる光検出装置およびそのような方法を提供することである。この装置は、できるだけ小さく、製造コストが安価なものとすることが意図される。また、相応に装備した顕微鏡、分光計およびカメラを提供することも意図される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による装置に関して、上記の目的は、特許請求の範囲の独立項１と４の特徴によって達成される。本発明による方法に関して、その目的は独立項１６の特徴によって達成される。他の独立項１３、１４および１５は、相応に装備した顕微鏡、分光計およびカメラを請求する。
【００１１】
本発明によれば、特に顕微鏡、分光計またはカメラにおける光検出装置が、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備える。シリコン光電子増倍管は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される。この点に関して本発明にとって基本的に重要な点は、アレイが面積において入射光より大きいことであり、特定の、すなわち高い、最低強度の光が実際に当たるかまたはぶつかるＳＰＡＤだけがアクティブ化され（作動／起動され）、および／または分析される。
【００１２】
本発明によれば、装置は特別に適応させたＳｉＰＭを含み、このＳｉＰＭの設計は、高い光子検出効率（ＰＤＥ）、すなわち単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）の場合と同様の効率を特徴としている。１つの単独のピクセルの応答は、ピクセルごとにまとめられたＳＰＡＤの数からのほか、１つの単独のＳＰＡＤの不感時間から導き出される。不感時間は、「アクティブクエンチ方式」によってごく短く、すなわち１ピクセルあたり＞１００ＳＰＡＤで不感時間＜５０ｎｓの範囲内に保つことができる。
【００１３】
ここで使用されるＳｉＰＭでは、１つのピクセルの中の個々のＳＰＡＤを選択的にアクティブ化させ、あるいは非アクティブ化（無効化）することができる。特に、デジタル評価用電子機器を有するＳｉＰＭがこれに特に適している。それゆえ、直接チップ上で個々のＳＰＡＤを、特に選択的に、アクティブ化させるために、アドレス指定可能なスタティックメモリを使用してもよい。
【００１４】
さらに、ＳｉＰＭが従来のＣＭＯＳ工程により製造可能であることは特に有利である。このことにより、このようなシリコン光電子増倍管は、特に光出力レベルが高い、または過剰に高い条件下において極めて堅牢である。
【００１５】
本発明による装置は、有利な態様として、複数のシリコン光電子増倍管を含み、その各々が複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される。複数のＳｉＰＭは、たとえばカメラ用ではマトリクス状に、または、たとえば分光計用では横並びの直線状に配置されてもよい。本発明の教示によれば、ＳｉＰＭのアレイの面積は全体で入射光より大きく、それぞれＳｉＰＭのうち、特定の、すなわち高い、最低強度の光が当たり、あるいはそれによって照明されるアレイ内にあるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される。
【００１６】
本発明の教示にとっては、装置に、ＳＰＡＤのアレイ、または各々がＳＰＡＤのアレイを持つ複数のＳｉＰＭのアレイを有する単一のシリコン光電子増倍管を含めることができる点が非常に重要である。
【００１７】
光の最低強度は、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、夫々所定のシステム設定で確認してもよい。
【００１８】
本発明の教示によれば、これは基本的に、高い信号対雑音比に寄与するＳＰＡＤだけをアクティブ化させるという点で、装置の、あるいは相応に設計された検出器のダークノイズを最小限に抑える問題である。したがって、検出光が実際に当たると予想されるＳＰＡＤ、あるいはピクセルだけがアクティブ化される。そのため、ダークノイズの一因となるのは、これらの、すなわちアクティブ化された、ＳＰＡＤだけである。
【００１９】
さらに、特に上記の問題の複雑さとは別に、本発明によれば、ダークノイズの大きな原因がＳＰＡＤの受光層の欠陥であることがさらにわかった。それゆえ、たとえば、ダイオードの受光領域に光が入射しなくても、欠陥のあるＳＰＡＤが電子信号を発生するという状況が起こりうる。このような誤検出の確率は、ダークカウントレートと呼ばれ、できるだけ低く抑えるべきである。
【００２０】
前述の、すなわち、より大きな検出器の面積を完全に欠陥のない状態で生産することは不可能であるため、ＳｉＰＭの場合、適正に機能しないＳＰＡＤが少数（通常は５％未満）存在し、これが、特に数は少ないにもかかわらす、ダークカウントレートが低い状況においては、ダークノイズの原因として最も大きな部分を占める。この点において、本発明による教示はまた、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置に関し、これは、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を有し、各ＳｉＰＭに関して、不十分な動作または誤動作をし、したがって完全な状態で「機能」しないＳＰＡＤが非アクティブ化される。それゆえ、本発明の他の態様において、アレイ全体の信号対雑音比は、ダークノイズレベルが高い個々のＳＰＡＤを非アクティブ化することによって、さらには、誤動作し、したがって本発明により非アクティブ化されたＳＰＡＤのそれぞれの検出信号を無視することによって、実質的に改善できることがわかった。
【００２１】
個々のＳＰＡＤの不十分な動作または誤動作は、有効な信号対ダークノイズの比率の下側閾値によって定義されてもよく、それはこの場合、決まった閾値のことではない。
【００２２】
試験／校正測定を使って、照明が不十分、または不十分に動作または誤動作をするＳＰＡＤを確認してもよく、それによって、欠陥のあるＳＰＡＤをＳｉＰＭの寿命終了まで非アクティブ化しておくことが可能である。この点に関して、チップのある種の照明強度カード、あるいはダークノイズカードを作ることもできる。これはたとえば、一度に１ピクセルにつきＳＰＡＤの一部分のみ、そして好ましくは１ピクセルにつき１つのＳＰＡＤのみを逐次的にアクティブ化させることによって行われ、それによって、ダークカウントレートを、そのピクセルのカウントレートに基づいて個々のＳＰＡＤに割り当ててもよい。非アクティブ化されるピクセルの面積の割合をできるだけ小さく保つために、１ピクセルにつき、大きなＳＰＡＤをより少なく使用する代わりに、小さなＳＰＡＤをできるだけ多く使用することが有利でありうる。
【００２３】
非アクティブ化するべきＳＰＡＤを単純に「切断」して、これらがＳｉＰＭのアレイ全体の中でいかなる機能も持たないようにすることも十分に考えられる。
【００２４】
また、非アクティブ化するべきＳＰＡＤを、制御手段を通じて、好ましくはソフトウェアによって非アクティブ化し、アレイへの機械的な介入を一切不要にすることも考えられる。
【００２５】
最後に、考慮しないようにするＳＰＡＤの電気出力信号を、信号分析において無視することも考えられる。ここで、上記のような非アクティブ化する、あるいは考慮に入れない方式は、確認された最低強度の光と欠陥のあるＳＰＡＤの両方に関して実装してもよいことに留意する。
【００２６】
ＳｉＰＭの形成に使用される個々のＳＰＡＤのアレイに関して、生産に関する技術上の制約によって、必然的に個々のＳＰＡＤ間および、最も特記すべき点として、個々のピクセル間に光を感知しない領域、すなわちＳＰＡＤの縁辺領域とＳＰＡＤ間の中間空間ができることが問題である。したがって、照明領域全体の中の受光部分を示す有効受光面積率と呼ばれるものは、１００％よりかなり小さく、一般には５０％から７０％の間である。その結果、すなわち光を感知しない領域によって、光子検出効率が低くなる。それらに伴う、個々の単一光子アバランシェダイオードと比較して低い光子検出効率を補うために、ＳｉＰＭのＳＰＡＤには、非常に有利な態様として、マイクロレンズ、あるいはＳＰＡＤのアレイに適応されたマイクロレンズアレイを割り当ててもよい。マイクロレンズは、アレイ全体に入射する光を、ＳＰＡＤのそれぞれの受光領域に集束させるもので、この方法よって有効受光面積率を増大させることができる。入射光の形状に応じて、所与のＳｉＰＭの形状で、実際に、マイクロレンズを設置したにもかかわらず、集束された光がもはやぶつからない個々のＳＰＡＤを非アクティブ化することも好都合でありうる。
【００２７】
特に、ＳｉＰＭを製造しやすくし、小型化するために、ＳＰＡＤを、好ましくはシリコン基板のチップ上に配置してもよい。ダークカウントレートを低減させるために、ＳｉＰＭチップは、たとえばサーモセレクティブ冷却法を用いて冷却してもよい。−４０℃未満への冷却が可能であり、有利である。
【００２８】
本発明による装置を共焦点顕微鏡に使用すれば特に有利であり、その中では、これはたとえば試料から発せられる蛍光をスペクトル的に選択して検出するものである。その場合、本発明による装置を検出アレイの線に沿うように設計することが有益である。
【００２９】
本発明による装置はまた、分光計にも使用でき、このような用途に関しては、どのダイオードがそれぞれの所望のスペクトル領域に属するかがわかる。したがって、検出光が特定のスペクトル領域内にあると実際に予想されるピクセルだけをアクティブ化させてもよい。
【００３０】
本発明による装置をカメラに使用することまた可能であり、これは、すなわち、それぞれが個々のＳＰＡＤのアレイで構成されるＳｉＰＭのアレイを有する上記のような特性による。
【００３１】
本発明による方法の特徴に関して、繰り返しを避けるために、本発明による装置に関する説明を参照するものとし、そこからこの方法に関する特徴がわかる。また、ここで重要なのは、特定の最低強度の光が実際に当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析されることである。各ＳｉＰＭに関して、特に上記の代わりに、または上記に加えて、不十分な動作または誤動作をする、すなわち、いずれの場合においても適正な性能を提供しないＳＰＡＤだけが非アクティブ化されるかまたは分析されない。
【００３２】
有利な方法で本発明の教示を実施し、さらに改良するためのさまざまな方法がある。この点については、一方で、主請求項に従属する請求項を参照し、他方で、図面に言及する本発明の好ましい例示的実施形態に関する以下の説明を参照されたい。図面に言及する本発明の好ましい例示的実施形態の説明により、教示の一般に好ましい実施形態と改良もまた明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】基本的な構成要素を含む共焦点顕微鏡の基本的構成の概略図を示し、本発明による装置が検出器アレイとして設計されている。
【図２】ＳＰＡＤを含む本発明によるアレイの基本的構成と、それに関して選択可能なアナログまたはデジタル回路／評価の概略図を示す。
【図３】本発明による装置を検出器アレイとして含む分光計の基本的構成の概略図を示す。
【図４】マルチピクセルＳｉＰＭとしての複数のＳｉＰＭのアレイの、たとえばカメラ用（図４ａ）または分光計用（図４ｂ）の概略図を示す。
【図５】従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合の概略図を示す。
【図６】光分布（図６ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図６ｂ）の概略図を示す。
【図７】図６の図と比較して、より小さな光スポットを含む、光分布（図７ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図７ｂ）の概略図を示す。
【図８】可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものとともに動作する、従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合の概略図を示す。
【図９】可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものとともに動作する、従来の光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤアレイを使用した場合と、関連技術による光電子増倍管をＳＰＡＤのアレイに置き換えた場合の概略図を示す。
【図１０】光分布（図１０ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１０ｂ）の概略図を示す。
【図１１】図１０の図と比較して、異なる検出波長に関する光分布（図１１ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１１ｂ）の概略図を示す。
【図１２】ＳｉＰＭのアレイの基本的構成の概略図を示し、図１２ａは光分布を示し、図１２ｂは個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化を示す。
【図１３】ＳｉＰＭのアレイの基本的構成の概略図を示し、図１３ａは光分布を示し、図１３ｂは個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化を示すが、異なる波長に関する。
【図１４】光分布（図１４ａ）と個々のＳＰＡＤのアクティブ化／非アクティブ化（図１４ｂ）の概略図を示し、ＳｉＰＭが直線状に配列されている。
【図１５】集積されたＳＰＡＤを有する複数のＳｉＰＭのマトリクス型アレイの概略図を示し、その中のダークノイズレベルが高いＳＰＡＤが非アクティブ化されている（図１５ｂ）。
【図１６】光分布を支援するためにマイクロレンズが設置されている、マトリクス状に配置されたＳｉＰＭの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
共焦点走査顕微鏡の例に基づき、図１は本発明による装置を試料から戻る光の検出に使用した場合を示している。具体的には、図１は、共焦点走査顕微鏡１の概略的構成を示しており、ＳＰＡＤ２６のアレイ１９が走査顕微鏡１からの信号を検出するために使用される。光源２からの照明光ビーム３は、ビームスプリッタまたは適当な光路折り曲げ手段５によって走査装置７へと方向付けられる。照明光ビーム３は、光路折り曲げ手段５にぶつかる前に、照明ピンホール６を通過する。
【００３５】
この例において、走査装置７は、ジンバルに取り付けられた走査ミラー９を含み、これは照明光ビーム３を、走査光学系１２と顕微鏡光学系１３を通って物体１５の上またはその中へと向かうように方向付ける。不透明な物体１５の場合、照明光ビーム３は物体の表面上へと案内される。生体または透明な物体１５の場合、照明光ビーム３は物体の内部へと方向付けられてもよい。指示があれば、その目的のために、適当な染料を用いて無発光の調合物が調製される。
【００３６】
物体１５の中に任意選択的に存在する染料は、照明光ビーム３によって励起され、それ自体の特徴的なスペクトル領域内で発光する。物体１５から発せられる光により、検出光ビーム１７が画定される。これは顕微鏡光学系１５、走査光学系１２を通過し、走査モジュール７を経由して光路折り曲げ手段５に入り、そこを通過し、検出ピンホール１８を経由して、アレイ１９に到達する。物体１５から発せられる、または物体１５［からの光］によって画定される検出光ビーム１７は、図１において、破線で示されている。
【００３７】
物体１５から発せられる光の強度に依存する電気検出信号は、アレイ１９の中で生成される。物体１５から発せられる光の波長は１つだけではないため、アレイ１９の上流に分散素子２０を構成することが好都合でありうる。分散素子２０は、検出光ビーム１７をスペクトル的に分割し、それによって検出光の個々の波長を空間的およびスペクトル的に分離する。検出光ビーム１７を拡張させ、平行化するレンズ２１を分散素子２０の上流に配置してもよい。さらに、検出光線１７のスペクトル的に分離されたビーム２４、２５をアレイ１９上に集束させる検出器光学系２２を、分散素子２０の下流に配置してもよい。スペクトル的に分離されたビーム２４、２５は波長が異なり、したがって、アレイ１９上の異なる領域にぶつかる。ここに示されている具体的な実施形態において、拡張光学系２３は分散素子２０の上流に配置されている。拡張光学系２３は、検出器光学系２２の開口数が検出ピンホール１８に入射する検出光ビーム１７の開口数とは無関係となるように設計してもよい。
【００３８】
概略図として、図２は、本発明による装置のアレイ１９の基本的構成を示しており、アレイ１９は複数のＳＰＡＤ２６を含む。ＳＰＡＤ２６がまとまって、この実施形態においては、１つのピクセルのためのＳｉＰＭ１９を形成する。
【００３９】
さらに、図２は、ＳｉＰＭ１９の、あるいはＳＰＡＤ２６の、アナログ評価２７の場合とデジタル評価２８の場合の基本回路を示しており、アナログ評価２７では、信号はＡＤ変換器２９およびこれに対応する評価手段に供給される。デジタル評価２８では、信号はデジタル評価論理回路３０に供給される（オンチップ読み出し）。これに関して、ＳＰＡＤ２６は個別にアドレス指定することが可能である。
【００４０】
図３は、基本的な分光計の構成を示しており、検出されるべき光は、開口／ピンホール３２の下流で光学系３３によって平行化され、分散素子、たとえばプリズム、回折格子３４またはホログラムによって分光的に分割される。別の光学系３５を経由して、スペクトル的に分割された光は、ＳＰＡＤで構成される複数のＳｉＰＭを有するマルチピクセルアレイとして設計された検出器アレイ３１に到達する。
【００４１】
図４は、各々がＳＰＡＤ２６のアレイで構成されるＳｉＰＭ１９の考えられる配置を示す。ＳｉＰＭ１９は、たとえばカメラ用としてマトリクス型アレイに構成されてもよい（図４ａ）。ＳｉＰＭ１９は、分光計用として直線状に配置されてもよい（図４ｂ）。これら２つの場合の各々において、１６のピクセルが示され、あるいは描かれている。本発明によれば、それ以外のピクセルの数やピクセルのアレイも可能である。
【００４２】
図５ａは、たとえば共焦点顕微鏡に従来の光電子増倍管３６を使用した例を示しており、その中で検出光３７は、各種のダイクロイックビームスプリッタ３８を経由して、特定の所期の光電子増倍管３６に到達し、特定のスペクトル領域の検出を可能にしている。
【００４３】
図５ｂは、従来の光電増倍管の代わりにＳＰＡＤ２６のアレイを使用した例を示しており、マイクロレンズをＳＰＡＤ２６に割り当てることが可能である。ここでも、検出光はダイクロイックビームスプリッタ３８を経由して検出器、この場合はＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわち、ＳＰＡＤアレイを含む各種のＳｉＰＭ１９に到達する。
【００４４】
概略図として、図６はＳＰＡＤ２６のアレイを示しており、これがまとまって１つのＳｉＰＭ１９を形成する。具体的には、光分布が図６ａに示されている。ＳＰＡＤ２６は５０μｍ×５０μｍの距離（サブピクセル距離）を特徴としていてもよく、ピクセルの大きさはこれより幾分小さく、すなわちピクセル間の距離による。受光領域には、４０×４０のサブピクセルが含まれていてもよく、たとえばこれは２ｍｍ×２ｍｍの範囲の受光領域の大きさに対応する。
【００４５】
図６ｂは、本発明の教示により、どのＳＰＡＤ２６がアクティブ化され、あるいは非アクティブ化されるかを示している。図示されている円の内側にあるＳＰＡＤ２６と円の円周と交差するＳＰＡＤ２６がアクティブ化される。円の外側にある、あるいは円の内側のそれらとは接触しないＳＰＡＤ２６は非アクティブ化され、これは発明性のある教示により特許請求されているとおりである。
【００４６】
図７は、図６と同じアレイを示すが、ピンホールの大きさをより小さくすることによって、より小さい光スポットが用いられている。図７ａは基本的な光分布を示し、図７ｂは、ＳＰＡＤ２６のうちアクティブ化されたものと非アクティブ化されたものの比を示す。
【００４７】
図５の図にしたがい、図８は一方で、可変開口を有するＳＰ検出器として知られるものの場合の基本的アレイを示しており、図８ａは従来のような光電子増倍管３６を使用した場合を示し、図８ｂはＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわちＳｉＰＭ１９を使用した場合を示しており、ＳｉＰＭ１９にはマイクロレンズを設けても、設けなくてもよい。
【００４８】
検出光３７は、光学系３３とプリズム３９を通過し、相応に、可変スリットまたはピンホール開口およびビームスプリッタ４０によって分割され、光電子増倍管３６に到達する。図８ｂによれば、光電子増倍管の代わりにＳＰＡＤ２６のアレイ、すなわちＳｉＰＭ１９のアレイが使用される。
【００４９】
図９ａは、その中で光電子増倍管３６が可変スプリットまたはピンホール開口４０とともに使用されている点にかぎり、関連する技術を示している。図９ｂによれば、これらの代わりにＳＰＡＤ２６のアレイ１９が使用されている。検出光３７はしたがって、光学系３３とプリズム３９を通過し、個々のＳＰＡＤ２６で構成されるアレイ（ＳｉＰＭ）に到達する。
【００５０】
図８ｂの図に対応するＳＰＡＤのアレイが図１０に詳細に示されており、その中のＳＰＡＤ２６がまとまって単一ピクセルＳｉＰＭ１９を形成する。
【００５１】
図１０ａもまた、光分布を示す。図１０ｂは、図示された円によって個々のＳＰＡＤ２６のアクティブ化と非アクティブ化を概略的に示している。
【００５２】
ここで、図１０に示されるＳＰＡＤ２６のアレイは、個々の光電子増倍管３６の代わりとして、すなわちさまざまな帯域幅の光を検出するためのＳＰ検出器として知られるものとして機能する。図１０は、図８による使用における第一の検出波長を検出するためのＳＰＡＤのアレイを示す。
【００５３】
図１１は、対応するＳＰＡＤ２６のアレイを示し、すなわち、一方で今度は光分布と、他方で個々のＳＰＡＤ２６のアクティブ化と非アクティブ化を示すが、ここでは図８の図によるＳＰ検出器を使用した場合の第二の検出波長に関している。
【００５４】
図１２は、ＳｉＰＭ１９のアレイの基本的構成を示しており、各ＳｉＰＭ自体は複数のＳＰＡＤ２６を含む。具体的には、図１２ａは、図９ｂに示されるような分光器の場合の、対応するスポットの光分布を示す。図１２ｂは、その光分布に応じたＳＰＡＤの非アクティブ化とアクティブ化を示す。
【００５５】
図１３は、図１２によるＳｉＰＭ１９のアレイの基本的構成を示しているが、異なる波長による異なる光分布を有する、たとえば蛍光のそれを示す。
【００５６】
図１４に示される基本的構成は、図１２と図１３と似ており、蛍光の光分布はやはり異なる。図１４ａの図においては、評価対象の照明光４１と迷光がＳｉＰＭ１９のアレイに当たる。個々のＳＰＡＤ２６は、一方で迷光により、他方で照明されていないことにより、非アクティブ化される。アクティブ化されたＳＰＡＤ２６が評価に使用される。
【００５７】
分光計に使用される場合、具体的には、分光器の中で、不要な迷光、たとえば励起レーザ波長の反射光または迷光がぶつかる波長範囲が非アクティブ化される。指示されている場合は、隣接する範囲もまた、すなわちクロストークとして知られるものによって非アクティブ化される。これらの範囲の非アクティブ化は特に重要であり、それは、迷光の強度が一般には有益な光（蛍光）よりはるかに高いからである。有益な光の光分布は使用者によって使用される蛍光色素分子に依存するため、励起光が当たらないすべてのＳＰＡＤ、あるいはピクセルはアクティブ化され（ただし、これらが前述のように欠陥のある、またはダークノイズピクセルでない場合）、それによって、使用される蛍光色素分子と関係なく検出を行うことが可能となる。励起光による干渉はすべて排除される。同様に、励起は複数のレーザラインを使用して実行されてもよく、その場合、したがって複数の範囲がブロックされる。
【００５８】
図１４の図に関して、個々のＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルを非アクティブ化する理由は３つあり、すなわち、ＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルに当たる照明光の量が不十分である時、個々のＳＰＡＤ、あいはサブピクセルの動作が不十分であるかまたは弱い（ダークノイズまたはその他）時、または迷光がＳＰＡＤ、あるいはサブピクセルにぶつかる時のみである。
【００５９】
図１５は、マトリクス型アレイ１９の意味における複数のＳｉＰＭの構成を示しており、各ＳｉＰＭ１９は複数のＳＰＡＤ２６で構成される。欠陥のある、あるいは満足に動作しないＳＰＡＤ２６は、高いダークノイズレベルの原因となり、非アクティブ化される。
【００６０】
最後に、図１６は、それぞれが１つのチップ上で複数のＳＰＡＤ２６で構成される複数のＳｉＰＭ１９の構成を示す。使用不能な中間領域４３によって、図１６の側面図で示されているマイクロレンズ４４は、ＳｉＰＭ１９のアレイに割り当てられる。マイクロレンズ４４を使用すれば、より有利な光分布が得られ、各々の場合でＳｉＰＭ１９の使用可能な領域に集束される。
【００６１】
さらに、図１６は、検出光が当たらない非アクティブ化されたＳＰＡＤを示す。
【００６２】
図から推測されないその他の特徴に関しては、繰り返しを避けるために、本明細書の総論部分と付属の特許請求の範囲を参照されたい。
【００６３】
最後に、特に、本発明による装置の上記のような例示的実施形態は単に、請求されている教示の例を示すものであり、教示をこれらに限定するものではない。
【符号の説明】
【００６４】
１ 共焦点走査顕微鏡
２ 光源
３ 照明光ビーム
５ 光路折り曲げ手段
６ 照明ピンホール
７ 走査装置
９ 走査ミラー
１２ 走査光学系
１３ 顕微鏡光学系
１５ 物体
１７ 検出光ビーム
１８ 検出ピンホール
１９ アレイ、ＳｉＰＭ
２０ 分散素子
２１ レンズ
２２ 検出器光学系
２３ 拡張光学系
２４ ビーム
２５ ビーム
２６ ＳＰＡＤ
２７ アナログ評価
２８ デジタル評価
２９ Ａ／Ｄ変換器
３０ デジタル評価論理回路
３１ 検出器アレイ
３２ 開口／ピンホール
３３ 光学系
３４ プリズム／回折格子
３５ 光学系
３６ 光電子増倍管
３７ 検出光
３８ ダイクロイックビームスプリッタ
３９ プリズム
４０ 可変ピンホール開口
４１ 照明光
４２ 迷光
４３ 中間領域
４４ マイクロレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置であって、
複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、前記アレイが面積において入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される光検出装置。
【請求項２】
複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）のアレイが設けられ、各ＳｉＰＭが単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成され、前記アレイが面積において入射光より大きく、前記ＳｉＰＭのアレイのうち、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記最低強度の光が、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、各々所定のシステム設定で得られる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置であって、
特に請求項１〜３の特徴を有する、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、各ＳｉＰＭについて、不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤが非アクティブ化されるかまたは分析されない光検出装置。
【請求項５】
個々のＳＰＤＡの不十分な動作または誤動作が、有益な信号対ダークノイズの比の下側閾値によって定義可能である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
不十分な動作または誤動作をする前記ＳＰＡＤを、試験／校正測定により確認し、前記ＳｉＰＭの寿命が終了するまで非アクティブ化できる、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
非アクティブ化するべき前記ＳＰＡＤが切断される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
非アクティブ化するべき前記ＳＰＡＤが、制御手段を通じて、好ましくはソフトウェアによって非アクティブ化される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
考慮しない前記ＳＰＡＤの電気出力信号が、前記信号の評価において無視される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＳＰＡＤの前記アレイに適応させた、前記ＳＰＡＤの受光領域に光を集束させるマイクロレンズ、あるいはマイクロレンズアレイが、１つのＳｉＰＭの個々のＳＰＡＤに割り当てられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
１つのＳｉＰＭの前記ＳＰＡＤが、好ましくはシリコン基板のチップ上に配置される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記チップが好ましくは熱電冷却される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項による、試料から戻る光を検出する装置を特徴とする顕微鏡、特に共焦点顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項による、光のスペクトル領域を検出する装置を特徴とする分光計。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項による、光を捕捉して画像を生成する装置を特徴とするカメラ。
【請求項１６】
好ましくは請求項１〜１２のいずれか一項による装置を用いる、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出方法であって、前記装置は複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、前記アレイが面積において入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析され、および／または１つのＳｉＰＭについて、不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤが非アクティブ化されるかまたは分析されない、光検出方法。
【請求項１７】
入射光の前記最低強度が、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、所定のシステム設定で得られる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
不十分な動作または誤動作をする前記ＳＰＡＤが試験／校正測定によって確認され、前記ＳｉＰＭの寿命が終了するまで非アクティブ化される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤを判断するために、１つのＳｉＰＭについて個々のＳＰＡＤの各々をアクティブ化させ、ピクセルカウントレートに基づいて、前記個々のＳＰＡＤにダークカウントレートを割り当てる、請求項１８に記載の方法。
【請求項１】
特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置であって、
複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、前記アレイが面積において入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される光検出装置。
【請求項２】
複数のシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）のアレイが設けられ、各ＳｉＰＭが単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成され、前記アレイが面積において入射光より大きく、前記ＳｉＰＭのアレイのうち、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記最低強度の光が、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、各々所定のシステム設定で得られる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出装置であって、
特に請求項１〜３の特徴を有する、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、各ＳｉＰＭについて、不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤが非アクティブ化されるかまたは分析されない光検出装置。
【請求項５】
個々のＳＰＤＡの不十分な動作または誤動作が、有益な信号対ダークノイズの比の下側閾値によって定義可能である、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
不十分な動作または誤動作をする前記ＳＰＡＤを、試験／校正測定により確認し、前記ＳｉＰＭの寿命が終了するまで非アクティブ化できる、請求項４または５に記載の装置。
【請求項７】
非アクティブ化するべき前記ＳＰＡＤが切断される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
非アクティブ化するべき前記ＳＰＡＤが、制御手段を通じて、好ましくはソフトウェアによって非アクティブ化される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
考慮しない前記ＳＰＡＤの電気出力信号が、前記信号の評価において無視される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＳＰＡＤの前記アレイに適応させた、前記ＳＰＡＤの受光領域に光を集束させるマイクロレンズ、あるいはマイクロレンズアレイが、１つのＳｉＰＭの個々のＳＰＡＤに割り当てられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
１つのＳｉＰＭの前記ＳＰＡＤが、好ましくはシリコン基板のチップ上に配置される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記チップが好ましくは熱電冷却される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項による、試料から戻る光を検出する装置を特徴とする顕微鏡、特に共焦点顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項による、光のスペクトル領域を検出する装置を特徴とする分光計。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項による、光を捕捉して画像を生成する装置を特徴とするカメラ。
【請求項１６】
好ましくは請求項１〜１２のいずれか一項による装置を用いる、特に顕微鏡、分光計またはカメラ用の光検出方法であって、前記装置は複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）のアレイで構成される少なくとも１つのシリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）を備え、前記アレイが面積において入射光より大きく、特定の最低強度の光が当たるＳＰＡＤだけがアクティブ化され、および／または分析され、および／または１つのＳｉＰＭについて、不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤが非アクティブ化されるかまたは分析されない、光検出方法。
【請求項１７】
入射光の前記最低強度が、１つまたは複数の試験測定から、あるいは校正から、所定のシステム設定で得られる、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
不十分な動作または誤動作をする前記ＳＰＡＤが試験／校正測定によって確認され、前記ＳｉＰＭの寿命が終了するまで非アクティブ化される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
不十分な動作または誤動作をするＳＰＡＤを判断するために、１つのＳｉＰＭについて個々のＳＰＡＤの各々をアクティブ化させ、ピクセルカウントレートに基づいて、前記個々のＳＰＡＤにダークカウントレートを割り当てる、請求項１８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図１５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−２０９７２（Ｐ２０１３−２０９７２Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１５５４３３（Ｐ２０１２−１５５４３３）
【出願日】平成２４年７月１１日（２０１２．７．１１）
【出願人】（５００１７８８７６）ライカ マイクロシステムス ツェーエムエス ゲーエムベーハー (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５５４３３（Ｐ２０１２−１５５４３３）
【出願日】平成２４年７月１１日（２０１２．７．１１）
【出願人】（５００１７８８７６）ライカ マイクロシステムス ツェーエムエス ゲーエムベーハー (80)
【Ｆターム（参考）】
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