JP2018512573A - 光を検出するための装置のダイナミックレンジを改善するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも２つの検出領域（８、９）を用いる、とりわけ顕微鏡において使用するための、光を検出するための装置のダイナミックレンジを改善するための方法に関する。本方法においては、検出領域（８、９）が、それぞれ、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）から成る装置（アレイ）（４）から形成され、また検出領域（８、９）が、それぞれ、少なくとも１つの信号出力端（１０、１１）を有しており、また検出領域（８、９）それぞれに対して、特性曲線（１２、１３）が求められ、補正曲線（１５）および／または補正率（１７）を得るために特性曲線（１２、１３）が相互に組み合わされる、および／または、相互にオフセットされる。さらに本発明は、特に顕微鏡において使用するための、光を検出するための装置に関する。また本発明は、相応の装置に関する。

Description

本発明は、光を検出するための装置のダイナミックレンジを改善するための方法に関する。さらに本発明は、相応の装置に関する。また本発明は、相応の装置を備えている顕微鏡に関する。

本発明の主旨における光とは、シリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）ないし単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）によって検出することができる、あらゆる電磁ビーム、特に可視光、赤外線光、紫外線光、Ｘ線ビームおよびガンマ線ビームを表している。したがって、本願明細書の枠内での光強度の概念は、ビーム強度の概念と同義である。一例であって限定を全く意図するものではないが、本発明をレーザ走査型顕微鏡に使用することができる。

光を検出するための装置および方法は、以前より実務から公知であり、また例えばレーザ走査型顕微鏡において使用されている。ここで、顕微鏡検査すべき試料の検出信号を検出する相応の装置は、画像品質にとって決定的に重要なものである。これは特に、（共焦点）蛍光顕微鏡、ＳＨＧ顕微鏡またはラマン顕微鏡では一般的であるように、検出信号が比較的弱い場合に該当する。

光検出にとって、２つの特性量、つまり検出器ノイズと、量子収率、すなわち検出効率と、が特に重要である。ここで量子収率は、利用可能な電気信号を実際に生成する、検出器に入射する光の割合を表している。ノイズは、本来の検出信号に重畳された妨害成分である電子的なベース信号を表している。それら２つの特性量の比率、いわゆる信号対雑音比（ＳＮＲ：Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）は、光検出器の最も重要な特性量である。

実務では、以前より、光電子倍増管（ＰＭＴ）が、レーザ走査型顕微鏡における主要な光検出器である。半導体を基礎とする検出器、例えばフォトダイオードに比べて、ＰＭＴでは量子収率が低い。しかしながらＰＭＴは、ノイズが低いことから、非常に良好なＳＮＲを提供する。さらに近年では、感光媒体としてＧａＡｓＰ（ガリウムヒ素リン）層を用いる、改良されたヴァリエーションが使用されている。

さらにここ数年では、代替的に半導体検出器を蛍光顕微鏡において使用することが公知になっている。この場合、特に、単一光子アバランシェダイオード、いわゆるＳＰＡＤが重要な役割を担う。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作する。

この場合、降伏電圧を僅かに上回る阻止電圧がＳＰＡＤに印加される。降伏電圧は数百ボルトになる。

このモードにおいては、吸収された光子が電子正孔対を形成し、この電子正孔対が高電場で加速され、さらなる衝突電離が実現される。このプロセスは雪崩のように続き、数百倍に増幅された、測定可能な電荷雪崩を引き起こす。したがって、吸収された個々の光子を測定することができ、これによってそれらの検出器は測定のために、例えば蛍光顕微鏡においては一般的であるような、極めて少ない光量を使用することができる。

この際、単一光子によって放電が生じ、この放電が短い電圧パルスの形態で測定される。基本的に２つの測定モードが存在している。ディジタル測定モードにおいては電圧パルスが計数され、この際、電圧上昇縁がトリガ計数信号として使用される。択一的に、いわゆるアナログ測定モードにおいては、測定抵抗を介して電荷を積分して、すべてのパルスの総電荷量を測定信号として利用することができる。典型的には、規定された期間（画素露光時間）のすべてのパルスの積分された電荷量が、さらなるディジタル処理のために、アナログ・ディジタル変換器によってディジタル化される。

どちらの測定モードが選択されたかにかかわらず、ＳＰＡＤにおいては、信号の飽和が生じることが問題になる。具体的には、測定信号は、検出器に入射する光量が増大した際に、もはや同じ割合で上昇しない。したがって、入力信号と出力信号との間の所望の線形の関係性はもはや与えられていない。飽和は、ＳＰＡＤのアバランシェ放電の間に、さらに吸収された光子が同時に第２のアバランシェ放電を惹起できないことから生じる。したがってパルストリガ後には、検出を行うことができない、ＳＰＡＤの不感時間が発生する。この不感時間は、アバランシェ放電の間に減少した電荷担体が半導体に再び補充されるために必要とされる時間に相当する。したがって、不感時間内に多数の光子が到来する大量の光をもはや完全に検出することはできず、また検出器は非線形の飽和特性曲線を示す。

この結果として生じる、毎秒数１０⁶〜数１０⁷光子の最大計数率を有している検出器の低ダイナミックレンジは、この高感度の検出器の問題を表していることから、近年、いわゆるＳＰＡＤアレイが開発された。それらのＳＰＡＤアレイは、例えば、ＭＰＰＣ検出器（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の名称で浜松ホトニクス株式会社より販売されている。文献においては、それらの検出器は、特にシリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）とも記載されている。相応の検出器の機能は、例えばhttps://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/mppc_techinfo_e.pdfに記載されている。

ＳＰＡＤアレイの基本原理は、複数の個々のＳＰＡＤを相互に並列接続して１つのフィールドを形成することである。１つの光子が１つのＳＰＡＤに入射すると、そのＳＰＡＤは不感時間に起因して、典型的には数ナノ秒の時間にわたり感応性ではなくなる。しかしながら、その時間内に、または同時に別の光子が入射する別のＳＰＡＤは、その別の光子を検出し、測定可能な電荷パルスを形成することができる。したがって、検出器の出力端において、単一のＳＰＡＤにおける計数率よりも高い計数率を有しているパルス列を生じさせることができる。

したがって、従来技術からは、総検出光を並列接続されている複数のＳＰＡＤに分配することが公知である。このことは、個々のＳＰＡＤには検出光の一部しか供給されず、したがってそれらのＳＰＡＤの飽和の発生が遅延されるという利点を有している。さらに、個々のＳＰＡＤの不感時間の間に、受光の準備ができた別のＳＰＡＤを使用できる。したがって、それらの検出器のダイナミックレンジは、並列接続されているＳＰＡＤの数に応じて著しく高められている。市販のＳＰＡＤアレイは、例えば２０×２０個またはそれ以上の数のＳＰＡＤを有している。

しかしながら、公知のＳＰＡＤアレイにおいても、それらのＳＰＡＤアレイが飽和特性を示すという問題が生じる。飽和は、不感時間内に過度に多くの光子が同一のＳＰＡＤに入射した場合に発生する可能性がある。この場合の飽和は、単一のＳＰＡＤの飽和に類似する。さらにディジタル検出モードにおいては、１つのパルスの（上昇）トリガ縁が先行のパルスの間に、その先行のパルスの電圧レベルは、カウンタトリガのための電圧閾値を、いわゆるトリガレベルを上回っており、したがってカウンタユニットによってパルス縁として検出されないことから、ディジタルカウンタの新たなトリガをもたらさない場合にも飽和が発生する可能性がある。

前述の２つの効果は、ＳＰＡＤアレイの飽和ももたらす。実務から、例えば入射する光子が毎秒約１０⁸を超えると、出力信号（放電の回数）はほぼ一定の値を取り、その結果、光量の測定をもはや正確に実現できないことが公知である。所定の設計の検出器に対して固有である特性曲線が既知である場合、その特性曲線を、計算による補正でもって線形化することができる。しかしながら、ほぼ完全な飽和の領域（例えば毎秒約１０¹¹光子を上回る領域）においては、計算による補正をもはや十分正確に実現することはできない。アナログ測定モードにおける特性曲線は、ディジタル測定モードにおける特性曲線とほぼ同じ経過を示すので、以下では、飽和の異なる原因についての区別は行わない。

したがって、多数のＳＰＡＤを並列接続して１つのＳＰＡＤアレイを形成することは、確かに飽和の問題の改善策ではあるが、しかしながら飽和の問題は依然として存在している。結果として、公知のＳＰＡＤアレイのダイナミックレンジは依然として光電子倍増管のダイナミックレンジよりも遙かに低いので、したがって、ＳＰＡＤ検出器よりも検出効率が悪いにもかかわらず、光電子倍増管が少量の光量の検出に依然として使用されている。

したがって本発明が基礎とする課題は、有効ダイナミックレンジの拡大、検出効率の向上ならびに特性曲線の線形化を、高感度、最適化された信号対雑音比および低製造コストで実現することができる、光を検出するための方法および装置を提供することである。この際、本方法は、装置の基礎となる特性を変更すべきではない。相応に構成された顕微鏡が提供されるべきである。

前述の課題は、本発明による方法に関しては、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。本発明による装置に関しては、上記の課題は独立請求項８の特徴部分に記載の構成によって解決される。さらに独立請求項１９でもって、相応の顕微鏡が提供される。

本発明によれば、本方法は、少なくとも２つの検出領域を用いて光を検出するための装置の使用を含んでおり、この場合、各検出領域は、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）から成る装置（アレイ）から形成され、また各検出領域は、少なくとも１つの信号出力端を有している。ここで、各検出領域に対して特性曲線が求められ、それらの特性曲線が補正曲線および／または補正率を得るために相互に組み合わされる、および／または、相互にオフセットされる。

ここで本発明によれば、本来は欠点を含む、複数のＳＰＡＤから成るアレイの不均一な照明を有利に利用して、光を検出するための装置を、通常の場合のように均一な照明が行われた場合のダイナミックレンジよりも遙かに広範なダイナミックレンジにわたり、つまり入射する全光量の範囲にわたり、線形の特性曲線でもって動作させることができるか、または線形の特性曲線を用いて補正することができる。

従来技術から公知であるＳＰＡＤアレイは、検出光が共焦点ピンホールの後方において、古典的な光学素子によって検出面に焦点合わせされるように、（共焦点）レーザ走査型顕微鏡において使用されてきた。ピンホールの後方において発散されて現れる光は、レンズを用いて検出器に結像され、その結果、ガウス状の光分布（より正確にはエアリー分布）が検出器表面において生じる。ここで重要であることは、ほぼすべての光が検出面に入射し、無視できる程度の極僅かな光だけが検出面外に入射することである。このことは、高い検出効率を達成するために必要である。検出光の分布がガウス状である場合、結果として、外側に位置するＳＰＡＤには、検出面の中心領域に位置するＳＰＡＤに入射する光よりも遙かに低い強度の光が入射する。例えば、外側のＳＰＡＤは、中心強度（幾何学的にＳＰＡＤアレイの中心における光強度）の１０％未満の強度で照明される。さらに内側に位置する次のＳＰＡＤは、例えば、中心強度の約３１％でしか照明されない。本発明によれば、内側のＳＰＡＤは、外側に位置するＳＰＡＤよりも遙かに早期に飽和作用を示すことが分かった。したがって、相応に照明された検出器は、総光量が少ない場合であっても、既に非線形の特性曲線を示す。

しかしながら画像形成に関して、線形の特性曲線は、顕微鏡検査すべき試料の量的に正確な撮像にとって非常に重要である。簡単で公知のアプローチは、補正率による既知の非線形の特性曲線の線形化である。このことは、飽和の開始後の移行領域においても良好に実現される。しかしながら、特性曲線が過度に大きく平坦になると、すなわち上昇する光量にもはや敏感に反応しなくなると、この単純な補正は即座にその限界に達する。

本発明による別のやり方では、検出領域の特性曲線が補正曲線および／または補正率を求めるために相互に組み合わされる、および／または、相互にオフセットされることによって、線形補正を驚くべき程簡単に実施できることが分かった。この際、比較的少ない割合の光が供給される検出領域が、「線形センサ」の意味において利用される。何故ならば、その特性曲線は、より高い強度の光が供給される検出領域が既に飽和しているときに、依然として線形の出力信号ないし飽和の少ない出力信号を示すからである。

有利には、複数の信号出力端の出力信号から形成される総特性曲線を、補正曲線および／または補正率に基づいて補正することができ、特に線形化することができる。これによって、僅かな手間でもって、また光を検出するための装置の基本的な特性を維持したまま、ダイナミックレンジが少なくとも１オーダ改善されている。

この場合、補正曲線および／または補正率を、個々の検出領域の特性曲線の除算によって求めることができる。したがって、より低い強度の光が供給される検出領域の線形の経過が、驚くべき程簡単なやり方で、ダイナミックレンジの改善に使用される。

さらに、出力信号の補正が、光の本来の検出後に、例えばディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはコンピュータによる、ディジタル信号処理によって行われることも考えられる。

有利には、検出領域の特性曲線が、較正測定によって一度決定される。特に、本発明による方法を顕微鏡に使用する場合には、光を検出するための装置および顕微鏡の光学系の所定の設計で、特性曲線が規定される。したがって、所定の設計の機器に関しては、較正測定は、ただ一度だけ実施されればよい。

ダイナミックレンジを非常に良好に改善するために、種々の検出領域に、検出すべき光を異なる強度で供給することができる、および／または、異なるスペクトル領域の、検出すべき光を供給することができる。理想的には、高い強度の光が供給される検出領域が問題となる飽和領域に入ると即座に、より弱い強度の光が供給される検出領域が既に十分に良好なＳＮＲを供給する。

さらにフレキシブルにするために、出力信号の補正が必要に応じて実行される場合には有利である。

本発明による装置は、冒頭で述べた課題を、独立請求項８の特徴部分に記載の構成によって解決する。これによれば、光を検出するための装置は、少なくとも２つの検出領域を有しており、この場合、各検出領域が、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）から成る装置（アレイ）から形成されており、かつ各検出領域が少なくとも１つの信号出力端を有している。

ここでは、本発明による方法について説明したことと同じことが当てはまり、その際に重要であることは、別個に読み出されるべき少なくとも２つの検出領域が設けられていることによって、より低い強度の光が供給される検出領域を「線形センサ」として利用できるということである。

特に、ガウス状の光分布の場合、内側の第１の検出領域と、その第１の検出領域を包囲する、外側の第２の検出領域と、が配置されていれば特に有利である。これによって、内側の検出領域にはより高い強度の光が供給されるので、その結果、外側の第２の検出範囲が「線形センサ」として利用される。

さらに、少なくとも２つの検出領域を、それぞれ、シリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）の部分アレイとして形成することができる。したがって、少なくとも２つの検出領域を実現するただ１つのＳｉＰＭが必要とされる。

さらに、少なくとも２つの検出領域が、それぞれ１つのＳｉＰＭのアレイとして形成されていることが考えられる。したがって、現行のＳｉＰＭを、検出領域の実現のために使用することができるので、装置が非常に有利に製造される。ここで、ビームスプリッタが配置されて、検出すべき光を少なくとも２つのＳｉＰＭに分配できる場合には特に有利である。

さらに、各検出領域に検出すべき光の異なるスペクトル成分を供給できるように、分散素子、特にプリズムまたは格子が配置されていることも考えられる。この場合、各スペクトル領域を例えば別個に線形化することができるので、例えば色素混合物において顕微鏡検査によりスペクトル分布をより良好に推定することができる。

有利には、検出領域を相互に対称的または非対称的に配置することができ、その結果、可能な限りフレキシブルに別の成分に適合させることができる。この場合、検出領域が円形またはほぼ円形の検出面を形成することも考えられる。

有利には、信号出力端の出力信号をディジタル信号処理するための処理モジュールを配置することができる。処理モジュールをディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）として、またはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として形成することができる。

装置のさらなるフレキシビリティを実現するために、複数の検出領域の信号出力端の出力信号を、例えば電子式に、または後段に接続されているコンピュータにおいて結合または統合して、単一の総信号を形成することができる。

顕微鏡における、特に走査型顕微鏡における、とりわけレーザ走査型顕微鏡における本発明による装置の使用は特に有利である。この場合、顕微鏡は、蛍光顕微鏡検査および／またはラマン顕微鏡検査のための顕微鏡である。択一的または付加的に、顕微鏡が二次高調波発生（ＳＨＧ）顕微鏡検査のための顕微鏡であることも考えられる。

本発明の教示を有利に構成かつ発展させることができる種々の可能性が存在する。これに関しては、一方では、請求項１および請求項８に従属する請求項を、また他方では、図面に基づく本発明の好適な実施例の以下の説明を参照されたい。図面に基づく、本発明の好適な実施例の説明と関連させて、一般的に、上記の教示の好適な構成および発展形態を説明する。

ＳＰＡＤによって測定された電圧信号を時間の関数として示す。 複数のＳＰＡＤから形成されているアレイの基本的な構造を概略的に示す。 ディジタル測定モードで動作する、従来技術から公知のアレイの特性曲線を示す。 レーザ走査型顕微鏡に配置されているアレイに入射する光を概略的に示す。 本発明による装置の第１の実施例のアレイを概略的に示す。 図５に示した本発明による装置によって形成されたパルス列を概略的に示す。 図５に示した本発明による装置の特性曲線を示す。 図５に示した本発明による装置のための、本発明による方法によって形成された補正曲線の一例を示す。 本発明による方法によって線形化された、図７に示した補正曲線を示す。

図１には、ＳＰＡＤによって測定された電圧信号が、時間の関数として示されている。図１に基づいて、従来技術から公知のＳＰＡＤの測定信号の飽和が見て取れる。単一光子によって放電が生じ、この放電が短い電圧パルス１の形態で測定される。ＳＰＡＤのアバランシェ放電の間、それと同時に、さらに吸収された光子は第２のアバランシェ放電を惹起できない。このことは、点線で表されている電圧パルス２によって示唆されている。したがってパルストリガ後には、ＳＰＡＤがさらなる光を検出できない不感時間が存在する。

図２には、複数のＳＰＡＤ３から形成されている公知のアレイ４の基本的な構造が概略的に示されている。図面をより見易くするために、図２においては、また後続の図面においては、１つのＳＰＡＤ３にのみ参照番号を付している。ここでは、複数の個々のＳＰＡＤ３が相互に並列接続されることによって、１つのアレイ４が形成されている。１つの光子５ａが１つのＳＰＡＤ３に入射すると、そのＳＰＡＤ３は不感時間に起因して、数ナノ秒にわたり感応性ではなくなる。しかしながら、その時間内に、または同時に別の光子５ｂが入射する別のＳＰＡＤ３は、その別の光子５ｂを検出し、測定可能な電荷パルスを形成することができる。それによって、検出器の出力端において、単一のＳＰＡＤ３における計数率よりも高い計数率を有しているパルス列６を生じさせることができる。

図３には、ディジタル測定モードで動作する、従来技術から公知のアレイ４の特性曲線７が示されている。この図においては具体的に、全体のＳＰＡＤフィールド（アレイ）に入射する光子の毎秒当りの数に対する、全体のＳＰＡＤフィールドにおける放電の回数が、両対数スケールでプロットされている。入射する光子が毎秒約１０⁸を超えると、曲線は飽和特性に起因して非線形になる。それどころか、毎秒約１０¹¹光子を超えると、出力信号（放電の回数）はほぼ一定になり、その結果、光量の測定をもはや正確に実現できなくなる。所定の設計の検出器に対して固有である特性曲線７が既知である場合、その特性曲線を、計算による補正でもって線形化することができる。しかしながら、ほぼ完全な飽和の領域においては、つまり毎秒約１０¹¹光子を上回る領域においては、計算による補正をもはや十分正確に実現することはできない。図３には、ディジタル測定モードに関する特性曲線７が示されているが、同一のことがアナログ測定モードに対しても当てはまる。

図４には、（共焦点）レーザ走査型顕微鏡に配置されている公知のアレイ４に入射する光が概略的に示されている。ここでは、例えばアレイ４の縁部領域に配置されているＳＰＡＤ３は、中心強度の１０％未満で照明されることがはっきりと見て取れる。さらに内側に位置する次のＳＰＡＤ３は、同様に中心強度の約３３％でしか照明されない。したがって、内側のＳＰＡＤ３は、図３に示した特性曲線７の性質に従い、外側に位置するＳＰＡＤ３よりも遙かに早期に飽和作用を示すことになる。

図５には、本発明による装置のアレイ４の第１の実施例が概略的に示されている。全体のアレイ４は、内側に位置する第１の検出領域８および外側に位置する第２の検出領域９が配置されているように形成されている。第１の検出領域８および第２の検出領域９は、それぞれ全体のアレイ４の部分アレイとして実現されている。第１の検出領域８は、第１の信号出力端１０を有しており、第２の検出領域９は、第２の信号出力端１１を有している。したがって、個々の検出領域８、９を相互に依存せずに読み出すことができる。第１の信号出力端１０の出力信号および第２の信号出力端１１の出力信号の各出力信号が、さらに処理される前に電子的に統合されるならば、本装置は、図２に示した従来技術による装置と同じ挙動を示すことになる。

図５に示した装置が、レーザ走査型顕微鏡の古典的な光路に使用される場合、図４に示したビームプロフィールを前提とするならば、外側の第２の検出領域９には、内側の第１の検出領域８よりも弱い強度の光が供給される。

図６には、図５に示した本発明による装置によって形成されたパルス列６ｂ、６ｃが概略的に示されている。内側の第１の検出領域８においては、入射する光子の密度がより高く、また同時に、すなわち不感時間内に光子がＳＰＡＤ３に入射する確率もより高い。それら多数の光子は、ＳＰＡＤ３において電気的なアバランシェ放電を１回だけ生じさせる。したがって第１の検出領域８は、少なくとも既に部分的に飽和している。外側の第２の検出領域９においては、光子密度がより低く、すべての光子またはほぼすべての光子が依然として個別に検出される。したがって、第２の検出領域９は、特性曲線７の線形の領域、またはほぼ線形の領域にある。２つの検出領域８、９は、信号列６ｂ、６ｃを形成する。ここで、大量にパルスが重畳されている、第１の検出領域８の信号列６ｂは、単に説明を目的として、そのように重畳して図示されている。実際には、重畳したパルスは形成されない。何故ならば、この場合、同時に単一のＳＰＡＤ３に入射する光子を基礎としなければならないからである。２つの光子が異なるＳＰＡＤ３に入射する場合に、パルスの重畳が実現される。

第１の検出領域８および第２の検出領域９に関しては、図３に示した特性曲線が該当する。装置全体に入射する総光量に対する第１の検出領域８の第１の特性曲線１２および第２の検出領域９の第２の特性曲線１３が図７に示されている。特性曲線１２、１３は、異なる光量分配およびフィールドサイズに起因して相互にずれている。さらに、図７においては、２つの特性曲線１２、１３の和としての総特性曲線１４が示されている。

本発明の核心部は、第１の検出領域８の出力信号および第２の検出領域９の出力信号が適切に評価され、また比較されて相互に関連付けられて、それによって総特性曲線１４の非線形の形状が補正されることである。図７をより詳細に考察すると、第２の検出領域９には、より大きいフィールド面積を有しているにもかかわらず、全体としてより弱い光が供給されるので、毎秒７×１０⁷光子よりも低い計数率では、第２の検出領域９の第２の特性曲線１３は、第１の検出領域８の第１の特性曲線１２よりも下に位置していることが分かる。水平方向において平坦になった第１の特性曲線１２から見て取れるように、比較的多い光量によって第１の検出領域８が既に飽和させられるので、７×１０⁷よりも高い計数率では、第２の検出領域９の第２の特性曲線１３は、第１の検出領域８の第１の特性曲線１２よりも上に位置している。しかしながら、第２の検出領域９は、依然として飽和していないか、またはそれ程強く飽和していない。第２の検出領域９の第２の特性曲線１３は、まだ完全には平坦になっておらず、また第２の検出領域９における出力信号は、光量が増大すればさらに上昇する。

図８には、図５に示した本発明による装置のための、本発明による方法によって形成された補正曲線１５の一例が示されている。ここでは、検出領域８、９全体に入射する光の総量に対して、第１の特性曲線１２と第２の特性曲線１３の比率がプロットされている。これにより得られる補正曲線１５に基づいて、装置の飽和の度合いを推定することができる。低い計数率では、比率は１よりも大きい。高い計数率では、比率は１よりも小さい。第１の検出領域８および第２の検出領域９の完全に飽和した領域では、すなわち限りなく多い光量に関する限界値の領域では、計数率の比率は、２つの検出領域８、９におけるＳＰＡＤ３の個数によって表される。装置の飽和を明確に識別できる関連領域１６においては、補正曲線１５が大きい勾配で、少ない光量に関する限界値（＞１）から、多い光量に関する限界値（＜１）へと降下する。つまり補正曲線１５は、まさに、生じた飽和の関連領域１６において、全体の検出領域に実際に入射した総光量を推定するための、非常に敏感な測定量を表している。すなわち、この測定量の値から、入射した総光量を直接的に読み出すことができる。計数率が低い領域においては、測定量が殆ど変化しないことから、この測定量は余り敏感ではない。しかしながらこのことは重要ではない。何故ならば、計数率が低い領域は飽和していない領域であって、すべての検出領域８、９の直接的な信号を補正せずに利用することができるからである。

図９に示されているような補正率１７が補正曲線の関連領域１６を用いて求められることによって、第１の検出領域８の飽和が開始する領域において、出力信号を線形化することができる。補正率１７に基づいて、総特性曲線１４の非線形性を補正し、それによって装置の線形の特性を達成することができる。

この補正は、好適には、本来の装置の後段に接続されているディジタル信号処理部を用いて行われる。この場合、処理モジュールを装置に統合することができ、例えばディジタルシグナルプロセッサまたはフィールドプログラマブルゲートアレイによって実現することができる。特性曲線８、９およびそこから得られる補正曲線１５を、較正測定によって決定することができる。装置の所定の設計および顕微鏡の光学系の所定の設計に対して特性曲線８、９が規定されているので、特性曲線８、９およびそこから得られる補正曲線１５は、所定の装置タイプに関して一度決定されればよい。補正を、例えば後段においてコンピュータにおいて行うことができ、またそれどころか、選択的にオン・オフすることができる。

補正の結果、ＳＮＲが変化する。信号は、補正率１７を用いて補正され、それと共に、この信号のノイズも増幅される。これによって、装置の出力信号のＳＮＲが変化する。しかしながらこのことは、光学顕微鏡における画像形成にとっては重大なことではない。何故ならば、操作は出力信号が比較的大きくなったときに初めて行われ、そのような大きい出力信号ではＳＮＲも既に大きく、画像品質に対するノイズの影響は極めて小さいからである。

本発明による装置の別の有利な構成に関しては、繰り返しの説明を回避するために、明細書の冒頭部の記載ならびに添付の特許請求の範囲を参照されたい。

最後に、本発明による方法および本発明による装置の上記において説明した実施例は、権利主張する教示を詳論するためにのみ役立つものであって、本発明による装置をそれらの実施例に限定されることは意図していない。

Claims (20)

1. 少なくとも２つの検出領域（８、９）を用いる、とりわけ顕微鏡において使用するための、光を検出するための装置のダイナミックレンジを改善するための方法において、
   前記検出領域（８、９）は、それぞれ、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）（３）から成る装置（アレイ）（４）から形成され、
   前記検出領域（８、９）は、それぞれ、少なくとも１つの信号出力端（１０、１１）を有し、
   前記検出領域（８、９）それぞれに対して、特性曲線（１２、１３）を求め、
   前記特性曲線（１２、１３）を、補正曲線（１５）および／または補正率（１７）を得るために相互に組み合わせる、および／または、相互にオフセットさせる、
   方法。
2. 複数の前記信号出力端（１０、１１）の出力信号から形成された総特性曲線（１４）を、前記補正曲線（１５）および／または前記補正率（１７）に基づいて補正する、特に線形化する、
   請求項１記載の方法。
3. 前記補正曲線（１５）および／または前記補正率（１７）を、前記特性曲線（１２、１３）の除算によって求める、
   請求項１または２記載の方法。
4. 出力信号の補正を、前記光の本来の検出後に、例えばＤＳＰ、ＦＰＧＡまたはコンピュータによる、ディジタル信号処理によって行う、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記検出領域（８、９）の前記特性曲線（１２、１３）を、較正測定によって一度決定する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 複数の前記検出領域（８、９）に、検出すべき前記光を異なる強度で供給する、および／または、異なるスペクトル領域の、検出すべき前記光を供給する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記出力信号の補正を、必要に応じて実行する、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 少なくとも２つの検出領域（８、９）を用いる、とりわけ請求項１から７までのいずれか１項記載の方法を実施するための、特に顕微鏡において使用するための、光を検出するための装置において、
   前記検出領域（８、９）は、それぞれ、複数の単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）（３）から成る装置（アレイ）（４）から形成されており、
   前記検出領域（８、９）は、それぞれ、少なくとも１つの信号出力端（１０、１１）を有している、
   装置。
9. 内側の第１の検出領域（８）と、前記第１の検出領域（８）を包囲する、外側の第２の検出領域（９）と、が配置されている、
   請求項８記載の装置。
10. 前記少なくとも２つの検出領域（８、９）が、それぞれ、シリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）の部分アレイとして形成されている、
    請求項８または９記載の装置。
11. 前記少なくとも２つの検出領域（８、９）が、それぞれ１つのシリコン光電子倍増管（ＳｉＰＭ）のアレイ（８、９）として形成されている、
    請求項８または９記載の装置。
12. ビームスプリッタが配置されており、それにより、検出すべき前記光が少なくとも２つのＳｉＰＭに分配される、
    請求項１１記載の装置。
13. 複数の前記検出領域（８、９）に検出すべき前記光の異なるスペクトル成分が供給されるように、分散素子、特にプリズムまたは格子が配置されている、
    請求項８から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 前記検出領域（８、９）は、相互に対称的または非対称的に配置されている、
    請求項８から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 前記検出領域（８、９）は、円形またはほぼ円形の検出面を形成する、
    請求項８から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 前記信号出力端（１０、１１）の出力信号をディジタル信号処理するための処理モジュールが配置されている、
    請求項８から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. 前記処理モジュールは、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）として、または、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として形成されている、
    請求項１６記載の装置。
18. 前記検出領域（８、９）の前記信号出力端（１０、１１）の出力信号が、電子式に、または後段に接続されているコンピュータにおいて結合または統合されて、単一の総信号が形成される、
    請求項８から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. 請求項８から１８までのいずれか１項記載の光を検出するための装置が設けられていることを特徴とする、顕微鏡、特に走査型顕微鏡、とりわけレーザ走査型顕微鏡。
20. 蛍光顕微鏡検査および／またはＳＨＧ顕微鏡検査および／またはラマン顕微鏡検査のための顕微鏡である、
    請求項１９記載の顕微鏡。

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