[发明专利]用于探测光的装置和方法

说明书

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）、以及相对尽可能高的最大光子速率，例如，探测器的高动态响应。

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1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“主动猝灭”（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。