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奧林巴斯顯微鏡電子光探測器,光電倍增管

2014-08-30  發布者:admin 

  在現代廣角熒光和激光掃描共聚焦顯微鏡,收集和二次發射測量收集的目的可以通過光敏檢測器,幾類,包括光電倍增管,光電二極管,和固態電荷耦合器件( CCD )。 在激光共聚焦顯微鏡,熒光發射是通過一個針孔孔徑定位在圖像平麵排除光從遠離物鏡焦平麵熒光燈結構,從而減少了可用的圖像形成的光的數量。 作為一個結果,在非常低光水平最常見的共聚焦顯微鏡需要高度敏感的光子探測器不需要使用空間的歧視,而是很快作出反應具有高度的敏感性,連續通量變化的光照強度。

光電倍增管,其中包含一感光表麵捕獲入射光子產生電子流產生放大的電荷,在許多商業共聚焦顯微鏡流行的探測器的選擇。 這些探測器包含一個關鍵的因素,稱為 光電陰極 能發射電子,通過光電效應(吸收光子的能量被轉移到一個電子)時,接觸到的光子通量。 光電倍增管的解剖(圖1)由一個經典的真空管玻璃或石英窗口封裝光電陰極和一係列的電子倍增器,稱為 光電倍增管 其次, 陽極 完成電路。 當光電倍增管操作,陽極和地麵之間流動的電流(零電位)是成正比的光電子通量的陰極產生當暴露於入射的光子輻射。

光陰可以用堿金屬或半導體的製造,是為了回應一個波長區域由基體材料的組合物,用於建設。 對入射光的波長的敏感性為 光譜響應 響應 R )光電陰極,並由方程描述:

R = (q • QE • θ)/(hc)

在那裏 Q 是一個電子的電荷, 量化寬鬆政策 是光敏表麵的量子效率, H 是普朗克常數,和 C 是光的速度。 一個探測器的量子效率是衡量入射的光子的分數,結果在檢測的輸出由光傳感器。 光電陰極的構成不僅決定了光電倍增管的光譜響應,而且每種波長的量子效應,光電倍增管靈敏度的均勻性,和暗電流(下麵討論)。 圖2給出了各種典型的光電倍增管光電陰極光譜響應曲線,以及每個陰極的量子效率,從每種材料的響應計算。 即使是最好的光電陰極響應的光在可見光譜區是小於百分之30的量子效率。 這意味著百分之70的光子,在陰極表麵的影響,不產生光電子和,因此,沒有檢測到。

如圖2是顯而易見的,大多數的陰極材料在可見光和紫外線光譜的短波長區域的反應良好,在約200和400納米。 有堿光電陰極的光電倍增管組成的材料的光譜中的綠色區域具有更高的量子效率和較低的噪聲水平(550納米),而那些多堿光電陰極響應更好在紅色和近紅外。 堿光電陰極是由含銻和幾種堿金屬的合金,如鉀,銣,銫。 堿光電陰極的光譜響應中的紫外線和藍色的區域是優秀的,但迅速下降為可見光波長延伸到綠色和紅色區域。 多堿光電陰極(通常稱為 S20 )是由類似的材料,但至少為三的堿金屬的加入,並有一個寬的光譜響應範圍延伸到紅色和近紅外部分。

即使有其優越的光電倍增管的增益特性,相比其他類型的探測器有一些缺點。 來自同一生產運行的增益和單個光電倍增管的暗電流的性能可以有很大的不同,通常由一個因子2至5為一個特定的設計。 此外,該設備可以通過暴露於高照度水平受損,往往需要很長的恢複時間(有些無法恢複從高強度的照明)。 現代光電陰極產生很好的可見光和紫外線的性能,但顯著的在可見光波長更長的紅外線敏感度下降。 光電倍增管需要一個穩定的高電壓電源,增加了使用這些探測器的成本。 最後,即使是在最敏感的波長區域,對入射光的三分之二是不是由光電檢測和不利於光電倍增管增益。

在操作中,入射的光子通過光電倍增管的窗口,在陰極表麵的影響,隨後產生光電子噴射到真空。 吸收的光子產生自由電子和光電陰極的剩餘電能轉換成動能。 具有足夠的動能的電子能逃脫從陰極表麵。 這些發射電子的聚焦電極控製,指揮流以光電倍增管鏈的第一個元素(包括18元),用於多電子通過二次發射過程。 聚焦電極通常存在確保附近發射陰極的光電子的邊緣可能會在第一電極表麵的影響。 此外,約100伏的電位施加光電陰極和第一電極元件之間的鏈。 在第一電極釋放額外的電子,光電子的影響(通常是5和10之間),加速轉向下一個倍增電極,其中也有約100伏特的電壓相對於第一電位差。 每一個電子產生更多的二次電子,繼續流下來的鏈從一個電極到下一個100伏之間的光電倍增管相同的電位差。 因此,倍增電極作為電子倍增器憑借其幾何形狀和個別元素之間的電壓等級。

由於二次電子沿著極鏈,他們被放大,最終被陽極收集成為一個輸出信號。 的極鏈電子倍增能力是相當令人印象深刻的。 如果12到14階段采用光電倍增管10000000電子的收益是可能的。 然而,總的收益與所施加的電壓的極鏈與光電倍增管的數量變化。 由於電子倍增的倍增鏈高水平(增益),光電倍增管探測器的光提供極高的靈敏度和相比其他光敏器件具有非常低的噪聲。 光電倍增管的增益可以使用下麵的公式估計:

Gain = µ = δn

在那裏 µ 是電流放大(增益), δ 對光電倍增管的二次發射率,和 N 是倍增極的階段數。 例如,在一個10級與五的二次發射比光電倍增管的電流放大,將約10000000。 作為一個額外的好處,而不犧牲帶寬達到高增益,和高端光電倍增管設計可以在1的範圍內的帶寬1.5兆赫(盡管100兆赫的更常見的是用激光共聚焦顯微鏡的光電倍增管)。 此外,光電倍增管具有非常快的響應時間和多功能方麵的大小限製在光電陰極。 這些特點使光電倍增管檢測的理想的低光水平經常遇到弱發光熒光激光掃描共聚焦顯微鏡。

極鏈的物理布局根據大小和光電倍增管幾何機械的要求而變化。 光電倍增管有一個由鈹銅或銻銫的表麵,這取決於應用程序。 銅鈹是快速脈衝測量的首選,特別是在一個線性的反應是至關重要的。 另一方麵,銻銫光電倍增管具有比銅鈹合金光電倍增管的增益高,需要較低的電壓下操作,但是他們的時間響應隨施加電壓的極鏈。 在退出極鏈,倍增電子脈衝被收集在陽極上,通常有大約1000伏的光電陰極的電位差。 光電倍增管通常是由一個負的高電壓操作,與陰極在最負電位和每個連續打拿極偏置在略少負電位。 陽極電壓接近地電位。 通過仔細匹配電極形狀和接近大穿插電領域,在陽極輸出脈衝可以減少到幾納秒的持續時間保持初始光信號的時間剖麵。 脈衝電流高達100毫安從單一的光子可以實現高增益的光電倍增管,一個水平,可以很容易地被檢測到沒有進一步放大。

最受歡迎的兩種光電倍增管的設計配置,位置敏感的光電陰極元末( 正麵的 )或對側( 邊上 )的真空管(見圖3)。 入射光檢測通過一個窗口在正麵設計玻璃外殼的頂部,並通過彎曲的側邊上的光電倍增管。 由於其高性能和低成本的評級,邊上的光電倍增管是最廣泛使用的管的總光度的應用程序,如分光光度法,熒光光譜,和激光共聚焦顯微鏡。 側的光電倍增管包含一個不透明的和較厚的反射式陰極包圍的圓形籠式倍增極元鏈。 入射的光電子不通過對光電倍增管側的光陰,而是從前麵噴出,向第一倍增電極單元的角度。

相反,在光電倍增管的陰極端必須精確的厚度以及組成,是半透明的。 光電發射材料沉積在光學窗口表麵,發射電子從陰極側相反的入射輻射。 如果光陰太厚,更多的光子會被吸收而減少光電子將從後表麵發射。 另外,如果光陰太薄,光子可以直接通過而不被吸收。 由於這些不同的設計,具有類似的組成直接管光電陰極通常具有較高的量子效率的光電倍增管側。

通道光電倍增管代表了一種新的設計,包括一個具有一個半透明光電陰極上沉積的入射窗的內表麵獨特的探測器。 通過陰極釋放光電子進入一個狹窄的彎曲半導電通道,執行相同的功能作為一個經典的極鏈。 每一次的電子影響的通道的內壁,多元二次電子發射。 這些噴射角度的光電子軌跡在通道壁下彎曲(模擬極鏈),這反過來又產生量大,形成電子在通道的下彎。 影響的反複出現,從而導致雪崩效應,以獲得超過100000000。 這種設計的優點是低暗電流(皮安範圍)和增加動態範圍。

光電陰極很少表現出均勻的靈敏度的整個表麵上,並在顯微鏡通常的做法是分散的入射光在暴露的光電陰極的很大一部分。 最後對光電倍增管通常有較大的和更均勻的感光區域(見圖4),而對器件具有更快的上升時間和達到更高水平的響應由於其不透明的光陰,不受使用端設備上的半透明材料相關的光學損失。 在邊上的光電倍增管的情況下,陰極的上半部分通常是20至百分之30比下半部更敏感,而正麵管表現出更均勻的響應在整個光敏區。 的光電倍增管的響應的空間均勻性的另一個因素是由陰極表麵均勻性的測定。 由極鏈光電子的收集效率的變化與他們的發射位置上的光電陰極的光電倍增管,影響整體的空間均勻性。 這種效果是由於這樣的事實,電子倍增過程的穩定性依賴於定義的軌跡的電子。

用共聚焦顯微鏡的光電倍增管的濱鬆r3896側設計為例。 本機配有高量子效率的光電陰極具有185和900納米之間的一個顯著的光譜響應,並表現出最大的響應在450納米(在藍紫區;看到圖2中的藍色曲線)。 在550納米的量子效率是約百分之22,但下降到633納米的隻有百分之14。 光電陰極發光通過紫外玻璃窗的材料,並有8×24毫米的最小有效麵積,而倍增是一個圓形籠設計的九個階段。 陽極和陰極和陽極之間的最後一個倍增電極1250和250伏之間的最大電壓額定值,分別為。 這些管表現出約10000000的暗電流約10毫微安典型增益。 陽極脈衝上升時間為2.2納秒,而電子運輸時間為22納秒。 該光電倍增管在眾多應用包括流式細胞儀檢測,DNA測序,熒光和拉曼光譜儀,紫外可見分光光度計,和粒子計數器。

倍增噪聲

真正的光信號與背景噪聲水平的檢測是一個不可避免的測光,首要目標定量的視頻,和共聚焦顯微鏡。 高增益和光電倍增管的大信號振幅的能力常常被誤認為是卓越的信號質量的一個指標。 事實上,任何探測器內部增益是唯一能夠放大了的信號的傳感器元件。 如果一個顯著的噪聲量的光子產生的信號,放大後的信號也將包含相同的噪聲比。 高增益檢測器受益的能力來提高信號電平的伴奏信號處理電子噪聲的地板上。 因此,如果處理電子電路限製了信噪比,高增益的探測器可以顯著改善信號質量。

在任何光電係統噪聲的主要來源是光子 鏡頭 噪聲,探測器 黑暗 噪聲,和 放大器 從伴奏信號處理電子噪聲。 散粒噪聲,由於電磁輻射的量子力學性質,在所有的光信號和結果中的隨機波動的光子到達時間在傳感器固有的。 光子的吸收或反射表麵的陰極發射的光電子在隨機的時間間隔產生電流的變化出現的噪音。 在高增益光電倍增管低信號電平的情況下,該噪聲是由於背景光子通量。 在光電倍增管是由暗噪聲的統計變化的噪聲的大部分(簡稱與變量, D ),以及在檢測到的光子通量相關的散粒噪聲( S )。 準確的定量分析需要的光子通量足夠的幅度和采樣時間足夠長,以確保從噪聲的真實信號的區別。

正如上麵所討論的,在噪聲的光子通量結果的統計變化( N(s) ),它等於光子信號的平方根。 暗噪聲波動也隨機分布,產生的噪聲分量( n(D) )相等的暗電流的平方根(下麵討論)。 信噪比( 的S / N )因此等於信號除以噪聲項的總和加在正交:

S/N (Signal-to-Noise) = S/(Ns2 + Nd2)1/2

在光電陰極光電倍增管產生任何入射光沒有信號。 這種效應被稱為 暗電流 (或暗噪聲),而主要是由於從陰極的熱電子發射的電子倍增器的頭幾倍增,伴隨著一個較小的貢獻從漏電流倍增電極和地之間。 暗電流的二次源是從附近的來源的宇宙射線和高能輻射管材料內部或外部的放射性衰變(如電動機,發電機,和室內照明)。 因為一個單電子,不論其來源,可以導致從每個電極多釋放電子,光電倍增管鏈乘法噪聲的影響。 然而,該設備仍在信噪比優於大多數電子放大器。

係統的電子噪聲也有助於暗電流通常是包括在暗電流值規格。 在許多情況下,光電倍增管的冷卻以降低暗電流和水平,防止波動,室溫下從改變器件的增益或暗電流。 冷卻的光電倍增管也改變的敏感性,但這些變化是小於溫度變化引起的暗電流,從而顯著提高信噪比在冷卻設備中觀察到的。 商業共聚焦顯微鏡一般不采用冷卻的光電倍增管,然而,目的是在環境溫度下提供令人滿意的響應。 當操作在脈衝或光子計數模式,由於光子探測電子脈衝振幅的增大是用來區分光子的暗電流。

應用激光共聚焦顯微鏡光電倍增管操作

在現代商業共聚焦顯微鏡,光電倍增管位於掃描頭或外殼,和增益,偏移,和打拿極電壓由計算機軟件界麵探測器電源及配套的電子控製。 電壓設置用於調節光電倍增管的整體的靈敏度,並且可以獨立的增益和偏移值調整。 後兩個控件是用來調整圖像的灰度值,以確保灰度級的最大數量是包含在輸出信號的光電倍增管。 增加了一個正的或負的偏置電壓的輸出信號,並應進行調整,使最低信號檢測閾值附近的光電倍增管。 增益電路將輸出電壓的一個常數因子,使最大信號值可以延伸到一個點的正下方,飽和度。 在實踐中,應先調整補償光電倍增管增益。 後的信號已被處理的模數轉換器,它存儲在幀緩衝器,最終在顯示器上顯示一係列的灰色層次從黑(無信號)白(飽和)。 一個動態的10或12位的範圍內的光電倍增管能夠顯示1024或4096級灰度,分別。 伴隨圖像文件也有相同數量的灰度級。 然而,在大多數的商業共聚焦顯微鏡的光電倍增管有一個動態範圍限製為8位或256級灰度,這在大多數情況下,是足夠的用於處理每個像素的光子掃描典型數。

對光電倍增管的增益和偏移水平的變化不應與圖像後處理調整亮度,對比度水平,或在最終圖像。 數字圖像處理技術可以延伸現有的像素值來填充為白色顯示範圍的黑色,但不能創建新的灰度級。 因此,當一個數字圖像捕獲的一個可能的4096級灰度拉伸以填充隻有200的直方圖(從黑色到白色),處理產生的圖像出現模糊的。 在共聚焦顯微鏡的日常運作,主要目的是為了填補盡可能多的灰度級圖像的采集和加工過程中不會階段。

偏移量控製是用來調整的背景水平接近零伏的位置(黑色)的正或負電壓信號加。 這確保了黑暗的圖像中的特征是非常接近的上位機監控黑電平。 偏移改變整個電壓信號的幅度,但因為它是添加或從總的信號中減去,它並沒有改變高和低的原始信號的電壓幅度之間的電壓差。 例如,一個信號範圍從4到18伏特,是與一個偏移量設置- 4伏特的改性,所得信號跨越0至14伏特,但差異仍然是14伏特。

在圖5中,提出了一係列的示意圖的未處理和調整,從光電倍增管和相應的圖像與激光共聚焦顯微鏡活體赤麂鹿皮膚成纖維細胞的粘附與MitoTracker Red CMXRos線粒體熒光捕獲輸出信號處理研究。 圖5(一)說明了隨著光電倍增管信號原共聚焦圖像。 施加負偏置電壓的光電倍增管後,信號和圖像顯示在圖5(b)。 請注意,當信號被轉移到較低的強度值,圖像變暗(圖5上框架(B))。 當增益調整到充分的強度範圍(圖5(c)),圖像具有大量的細節和良好的對比度和高分辨率。

光電倍增管的增益調整是利用電子拉伸的輸入信號乘以由模數轉換器數字化之前的一個常數因子。 其結果是一個更完整的黑與白之間的灰度值表示,並在明顯增加動態範圍。 如果增益設置是增加超過最佳點,圖像變得“木紋”,但這個動作有時候是必要的捕捉存在於圖像的灰度級的最大數量。 先進的激光共聚焦顯微鏡的軟件包易於獲得和利用偽彩色顯示功能的副像素灰度值在顯示器上偏移調整的負擔。 例如,飽和的像素(255)可以在黃色或紅色顯示,而黑色的水平像素(0)是藍色或綠色的顯示,具有中間灰度級灰度表示真值的顯示效果。 當光電倍增管的輸出進行適當的調整,隻是一些紅(黃)和藍色(或綠色)的像素在圖像中存在,表明光電倍增管的全動態範圍被利用。

在增強夜視領域確立了技術已被應用到設計的共聚焦顯微鏡的光電倍增管戲劇性的勝利。 一些製造商合作,製作一種窗式光電倍增管包含一個專門的棱鏡係統幫助光子的收集。 棱鏡將入射的光子通過一個途徑,促進全內反射在光電倍增管的信封相鄰的光電陰極。 這樣的配置增加光子和光電陰極之間潛在的相互作用的數量,導致超過在綠色光譜區域的一個因素的兩個量子效率的增加,在紅色的區域四,甚至更高的紅外。 增加產生的入射的光子數的比例會提高光電子由光電倍增管的電流,並產生一個高靈敏度的儀器。

光電倍增管的共聚焦顯微鏡由於其速度快,靈敏度光度探測器的理想,高信噪比,和足夠的動態範圍。 高端激光共聚焦顯微鏡係統有幾個光電倍增管,使在不同的熒光基團的同時成像多標記的標本。 通常,一個額外的光電倍增管包括用於傳輸使用微分幹涉相襯技術或光標本成像。 在一般情況下,激光共聚焦顯微鏡包含熒光顏色通道光電倍增管(紅,綠,三,藍;每一個單獨的針孔孔徑)用來區分熒光,隨著透射或反射光成像四分之一。 從每個通道的信號可以同時采集和圖像合並成一個單一的輪廓表示的染色標本的“真實”的顏色。 如果試樣被同時成像的一個增強技術視野的對比(如微分幹涉對比),熒光基團的分布可以疊加確定在結構域的熒光發射的空間位置。

模擬信號的檢測與光子計數

光電倍增管,由於其低噪聲和高帶寬,被證明是優秀的,幾乎無失真的探測器的光信號時,持續時間短,非常弱的(這往往是在共聚焦顯微鏡的情況下)。 他們可以在 模擬 數字 模式,這取決於入射光的水平。 在低於100兆赫的帶寬,信號可以被檢測到在陽極係列脈衝和數字處理。 以上的水平,在光脈衝的間隔變短,他們重疊,產生一個連續的波形,並有必要采用模擬信號處理電子充分采樣輸出。 采樣的陽極脈衝在低光照水平通常與一個集成和保持電路實現的,而當光電倍增管工作在模擬模式,跨阻放大器是用來測量管電流。

在許多激光共聚焦顯微鏡的應用,固定標本和足夠的標記在激光的激發波長具有高量子產率的熒光探針 在一個典型的像素1-2微秒的停留時間,200和1000之間的二次發射光子會順利通過顯微鏡的光學係統和光電倍增管傳感器的影響。 然而,一些標本隻含有少量的熒光發射小數量的光子,有時在下麵的每像素10-20光子染色的功能水平,和零或隻有一對夫婦的光子在未染色的地區(後者往往構成像素的多數掃描)。 在這種情況下,光子計數檢測器操作成為首選機製。

圖6(a)顯示了典型的光電倍增管脈衝輸出在高光的水平,可以很容易地使用傳統的模數轉換器采樣的模擬信號。 相反,更多的離散性的脈衝產生的光電倍增管,當工作在非常低光水平有低染色標本是在圖6(b)。 通過整合或累積的信號是從檢測器接收,與信號相關的低噪音水平降低圖像的對比度和背景強度的增加(圖6(c))。 然而,當一個鑒別器,用於設置的強度水平的信號被變換處理,必要的(圖6(b),紅色線),圖像對比度的急劇增加和背景噪聲大大降低(圖6(d))。 複雜的光子計數技術進行了與增加的信號-噪聲的線性響應適當的儀器的結果相比,模擬檢測。

在極鏈從每個階段的增益是受 乘法 噪聲由於陰極發射電子泊鬆統計。 在一個典型的光電倍增管,電子到達第二電極作為一個結果,一個單一的碰撞在第一倍增極的數量2和20之間的範圍內。 作為一個例子,如果由第一倍增電極發射的電子的平均數是9,然後根據泊鬆統計,到第二電極的數目將6和12之間的範圍內。 光電子發送12個電子的第二電極具有明顯的生成一個比一個隻發送6個電子脈衝的潛力更大。

盡管這種影響發生在乘法器鏈各個倍增,的影響是最重要的第一和第二光電倍增管之間由於在這些階段的量子事件的相對低一些。 作為一個結果,從光電倍增管單陰極脈衝的變化可以超過一個數量級的範圍內,雖然他們傾向於圍繞一個平均值。 在光電倍增管的乘性噪聲趨向於伸展的灰度級的數目(0~255)由模擬-數字轉換器的記錄,從而在直方圖特征點在幾乎每一個灰度級,無論事實上他們可能會出現隻有很少的初始電子在第一電極。 換句話說,乘性噪聲的現象,提出了各種各樣的灰度級別對上位機監控幻覺時用顯微鏡積累的數據,僅限於3或4個明確定義的灰度級。

如上所述,泊鬆統計信噪比是相等的聚焦和其他形式的光學顯微鏡檢測到的光子數的平方根。 因此,一個在約10的光子噪聲電平的每像素100光子信號的結果,或百分之10的總的信號。 在大多數情況下,檢測到的信號直接送入一個8位模數轉換器,其中有一個數字分辨率大約是每0.4-percent灰度級(256級灰度)。 由於該轉換器是能夠在這個分辨率檢測超過65000光子/像素,它是能夠再現一個合適的圖像從一個典型的熒光樣品在脈動信號電平的共聚焦顯微鏡經驗。

故障排除的光電倍增管

因為他們的目的是在相對較低的光照水平操作和精致的真空管包含光學係統,光電倍增管應格外小心處理和護理。 玻璃外表麵應保持無指紋,灰塵,碎片,和油(不要碰光電倍增管無防護手套)。 光電元件對光極度敏感,所以房間的照明應在操縱管減少。 一遇到與光電倍增管最明顯的問題是在較低的電壓的電流脈衝發生,導致在快速變化的增益(高達百分之20的變化在幾秒鍾)。 在大多數情況下,這個問題的根源是大氣中的氣體進入真空管泄漏。 一個漏水的光電倍增管常可在一段時間的電壓下圓滿完成,但他們不能重新密封,最終必須被替換。 高水平的暗電流,表現出過多的信號在入射光的缺失對光電陰極的光電倍增管,是失敗的,通常發生在管暴露於強光的水平後的另一個症狀。 如果情況是複合光電倍增管具有高的電壓施加到極鏈時發生曝光。 在漏管,光電倍增管無法修複,必須更換。

在激光共聚焦顯微鏡的不穩定的信號水平往往與光電倍增管不相關的問題的結果。 試樣的光漂白,逐漸減少,熒光強度在一段時間內,不應與儀器故障混淆。 激光電源(尤其是氦氖版本)可以在輸出的波動,間歇性噪聲的經驗,或完全失效,首先可能出現的是與光電倍增管的問題。 如果信號電平不穩定和激光電源,光電倍增管的高壓電源,而放大器都運作良好,有可能在儀器的光漏。 光電倍增管銷和插座的連接必須由合格的技術人員定期檢查,清洗或擰緊,避免氧化可以產生短路和妨礙性能的增強。

結論

電子成像傳感器的性能,包括光電倍增管,是由光譜靈敏度,描述量子效率,空間分辨率,均勻性,信噪比,動態範圍,和響應速度(這些變量是在表1中列出)。 光譜靈敏度是一個重要的術語,確定信號的電平作為入射的光的波長的函數。 它往往是在量子效率方麵表示,這是入射光子被檢測到的百分比。 光電倍增管和其他電子探測器的均勻性是由幾個變量的確定,包括增益變化的傳感器,隨著噪聲的區域差異和采樣效率(通常被稱為 陰影 成像探測器 不均勻的靈敏度 與光電倍增管)。 在光收集或傳輸效率的空間變化也影響檢測器響應的均勻性。

限製空間分辨率通常是由兩個高對比度的樣本特征之間的歧視所需的最小間距確定(例如,白色的點或線在黑色背景)。 對比分辨率的一個重要因素,因為高對比度的功能更容易解決比低對比度的特點。 對電子探測器的空間分辨率更翔實的措施的調製傳遞函數( MTF )和對比度傳遞函數( CTF )。 這兩個功能顯示的檢測器響應的大小作為空間頻率的函數。 對比函數從一係列的黑色和白色的酒吧,越來越接近探測器的反應決定的,而調製功能是從百分之60正弦波空間頻率增加圖像同樣的決定。

性能特點
在550納米的流行的探測器
探測器 量子效率
(%)
傳感器的噪聲
(電子/像素)
檢測器增益
R3896 Photomultiplier 20 0 9,500,000
Avalanche Photodiode 75 5-20 50-200
Silicon PIN Photodiode 80-85 100 0
Cooled Interline CCD 40-60 8-12 4
Intensified MCP CCD 30-45 100 10,000
Electron Bombardment CCD 30 40 100-300
Vidicon Video Tube 50-60 1000-2000 8-10

 

表1

電子探測器通常是由他們的信噪比,測量的變化的一個信號,表明信心的信號可估計的幅度。 光有一個固有的噪聲分量的隨機性所產生的光子通量(和由泊鬆統計),即信號的平方根。 噪聲也來自各種來源,但往往可以通過降低操作溫度降低。 在沒有光的電子設備中的熱敏感的噪聲稱為暗噪聲。 光電倍增管的增益水平範圍從1000到10000000,和陽極輸出通常是直接送入電子放大器。 為了避免係統噪聲放大器為主,光電倍增管的操作必須在獲得足夠高的水平,這樣的暗電流和增益的乘積大於放大器的輸入噪聲。

intrascene動態範圍從最小和最大強度,可在同一領域的同時檢測。 插入鏡頭的動態範圍的強度,可容納當檢測器增益,積分時間,鏡頭光圈範圍,和其他變量的調整不同領域的觀點。 動態範圍和信噪比,不應混淆。 動態範圍往往是計算是可以積累的最大的信號,被讀取的信號相關的噪聲。

在激光掃描共聚焦顯微鏡,該樣本是由聚焦光束光柵模式掃描,以及由此產生的熒光發射形成一點的圖像,是由一個光電倍增管依次檢測。 大多數商業共聚焦顯微鏡是有限的動態範圍為8與波長相關的檢測效率為15和百分之30之間的位或256級灰度特征的光電倍增管。 冷卻的CCD相機相比,通常是10到12位的動態範圍和40%至60%的檢測效率在很寬的波長範圍內,光電倍增管性能顯著減少。 然而,在大多數聚焦應用(特別是活細胞成像)少於255光子每像素的收集,以及在光電倍增管的動態範圍。 此外,在光電倍增管的響應和背景噪聲抑製性能優良的線性度呈現此探測器的理想的共焦顯微鏡的應用。

激光共聚焦顯微鏡,分光光度計,許多高端相機自動曝光顯示器利用光電倍增管測量和記錄光的強度。 不幸的是,在激光共聚焦顯微鏡最嚴重的光損失發生的量子效率的光電倍增管有限公司。 在光電倍增管的光譜靈敏度取決於提供最好的設備具有磷砷化镓光電陰極的化學元素組成(大約有百分之40的量子效率在綠色光譜區域),這是敏感的從300到800納米的波長範圍。 光電倍增管光陰極不均勻的敏感和典型的光子分布在整個入射窗而不是在一個區域。 由於光電倍增管不存儲電荷和響應在幾納秒的輸入光通量的變化,它們可以用於快速檢測事件記錄。 最後,信噪比很高,因為科學級光電倍增管的暗電流是非常低的(它可以通過冷卻進一步降低)和增益可以大於一百萬。



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