一些實施例涉及并且特別地不僅限于用于發(fā)冷光應用例如熒光成像應用的裝置。

背景技術：

例如熒光各向異性顯微成像FAIM和熒光壽命顯微成像FLIM的各種熒光應用都是已知的。

熒光各向異性顯微成像FAIM涉及使用線性偏振光研究分子定向和移動性。線性偏振光優(yōu)先激發(fā)具有類似于線性偏振光的電場平面的偶極定向(吸收躍遷矩ATM)的熒光團，而不會激發(fā)具有垂直于電場平面的偶極定向的熒光團，這就是所謂的照片選擇(photo selection)。由于熒光團會由于環(huán)境而發(fā)生旋轉并經歷其他過程，因此自發(fā)發(fā)射光會進一步去偏振。通過將發(fā)射光分離為正交線性分量，可以測量已經發(fā)生的去偏振度。去偏振的兩個主要影響因素是旋轉擴散和熒光共振能量轉移FRET。這是特別有用的技術，由此FAIM可以提供關于旋轉導納、分子鍵合或熒光標記分子群集的空間分辨信息，而無需依賴信號強度。

通過使用穩(wěn)態(tài)FAIM和/或時間解析FAIM，可以測量各向異性。

對于穩(wěn)態(tài)FAIM，通過獲取激發(fā)時間(即曝光時間)期間的偏振熒光平均數(shù)，測量各向異性度。穩(wěn)態(tài)FAIM不允許測量各向異性度如何隨激發(fā)時間(即曝光時間)變化。穩(wěn)態(tài)FAIM有利于比較蜂窩系統(tǒng)，因為距離較近的單元呈現(xiàn)的各向異性平均度會低于距離較遠的單元。

時間解析FAIM允許測量各向異性度隨時間的變化。在激發(fā)的熒光團被標記為與入射偏振光方向相同的單元時，熒光團將發(fā)熒光，其中熒光具有高偏振度(即表示高各向異性)。如果相同熒光團對標記 為隨機導向的單元的相鄰熒光團啟動耦合能，則后面的熒光團將開始發(fā)熒光并發(fā)出具有低偏振度(即表示低各向異性)的光。因此，隨著時間的推移，各向異性度將衰減。

熒光壽命顯微成像FLIM是一種基于熒光樣本的激發(fā)態(tài)的平均衰減率差異的成像技術。因而，F(xiàn)LIM圖像的對比度是基于各個熒光團的壽命，而不是基于熒光團的發(fā)射光譜。與強度測量不同，熒光壽命測量不取決于：濃度、樣本吸收、樣本厚度、光漂白和/或激發(fā)強度。

熒光團的熒光壽命是熒光樣本的激發(fā)態(tài)平均衰減率，并且是每個熒光分子的特性。因此，熒光壽命可用于表示樣本特性。然而，熒光壽命取決于熒光團的本地環(huán)境，包括：FRET、熄滅、分子旋轉pH、離子或氧氣濃度、分子鍵合或受體能量的近距離，由此可以通過測量其壽命來確定熒光團的大量信息。當不同的熒光團極為接近時，F(xiàn)LIM經常用于觀察變化，特別是供體的熒光壽命減少。

FRET描述在物理上靠近的兩個近似能量系統(tǒng)之間的非輻射能量轉移為過程。例如，最初處于激發(fā)狀態(tài)的供體熒光團可以通過非輻射偶極-偶極耦合將能量轉移到受體熒光團，這樣受體會進入激發(fā)狀態(tài)，而供體變?yōu)橄鐮顟B(tài)。該能量轉移的效率對供體和受體之間距離的小變動極其敏感，并且與該距離的六次冪成反比。這會導致熒光強度和兩個熒光團的熒光壽命的變化。

非常重要的兩種形式FRET分別為同性-FRET和異性-FRET。在同性-FRET中，只存在一種類型熒光團，因此能量轉移是可逆的。這會導致熒光發(fā)射形成具有與入射激發(fā)光束的偏振大致相同的偏振的熒光團。在異性-FRET中，存在兩種類型熒光團(例如A、B)，由此熒光團混合為組合對，例如AA、AB、BA和BB。如果將激發(fā)調整為A的吸收峰值，則熒光包括來自A(同性-FRET)和B(異性-FRET)的貢獻。由于可以光譜分離同性-FRET和異性-FRET發(fā)射，因而異性-FRET信號比同性-FRET信號去偏振程度更高。在異性-FRET中，供體的熒光壽命會隨供體和受體之間的距離函數(shù)而變化，通常受體距離供體越近，供體的熒光壽命越短。

通常，F(xiàn)AIM(穩(wěn)態(tài)和時間解析)用于測量同性-FRET，而FLIM通常用于測量異性-FRET。

技術實現(xiàn)要素：

目前，在該領域中使用的系統(tǒng)既體積龐大又非常昂貴。一些實施例的目的在于解決或至少緩解此問題。

根據(jù)第一方面，提供了一種用于檢測樣本的光致發(fā)光的檢測器，所述檢測器包括：光敏檢測器陣列，被配置為接收光致發(fā)光，至少一個光敏檢測器被提供有第一類型的線性偏振濾光器，并且至少一個光敏檢測器被提供有第二類型的線性偏振濾光器，其中所述第一類型的線性偏振濾光器具有與所述第二類型的線性偏振濾光器的偏振平面成一定角度的偏振平面。

所述第一類型的線性偏振濾光器可以具有與所述第二類型的線性偏振濾光器的偏振平面成直角或大致成直角的偏振平面。

檢測器可以用于檢測熒光。

每個光敏檢測器可以是SPAD。

具有所述第一類型的和第二類型的線性偏振濾光器中的一種類型的濾光器的每個光敏檢測器被分別地提供有所述線性偏振濾光器。

每個線性偏振濾光器通過平行線的柵格來提供，所述線的縱向范圍限定偏振平面。

相鄰線之間的間距可以小于光的波長。

至少一個光敏檢測器被提供有波長濾光器。

第一多個光敏檢測器可以被提供有紅色濾光器，第二多個光敏檢測器可以被提供有綠色濾光器，而第三多個光敏檢測器可以被提供有藍色濾光器。

所述第一、第二和第三多個光敏檢測器中的每組光敏檢測器包括至少一個具有第一類型的線性偏振濾光器的光敏檢測器和至少一個具有第二類型的線性偏振濾光器的光敏檢測器。

至少一個光敏檢測器可以未被提供有波長濾光器。

至少一個光敏檢測器可以未被提供有線性偏振濾光器。

所述第一、第二和第三多個光敏檢測器中的每組光敏檢測器包括至少一個不具有線性偏振濾光器的光敏檢測器。

每個濾光器可以覆蓋多于一個光敏檢測器。

檢測器可以包括信號處理器，被配置為處理來自所述陣列的輸出以通過使用相同檢測器提供熒光各向異性顯微成像FAIM信息和熒光壽命顯微成像FLIM信息。

所述處理器可以配置為使來自具有在采用FAIM技術中的線性偏振器的光敏檢測器的輸出與來自不具有線性偏振器的光敏檢測器的輸出相關聯(lián)。

所述處理器可以配置為使來自不具有在FLIM技術中的線性偏振器的光敏檢測器的輸出與來自具有線性偏振器的光敏檢測器的輸出相關聯(lián)。

根據(jù)另一種方案，提供了一種包括前述檢測器的集成電路。

附圖說明

現(xiàn)在將參照附圖舉例說明一些實施例，其中：

圖1a示意性地示出了一些實施例中使用的原理；

圖1b示意性地示出了水平和垂直偏振分量；

圖2示意性地示出了一種系統(tǒng)；

圖3示意性地示出了第二系統(tǒng)；

圖4示意性地示出了使用單個檢測器的第三系統(tǒng)；

圖5a示出了一些實施例中使用的SPAD器件的截面圖；

圖5b示出了一些實施例中使用的第二SPAD器件的截面圖；

圖6示出了圖5的SPAD器件的透視圖；

圖7示意性地示出了具有線性偏振濾光功能的成像儀實例；

圖8示出了具有的增加彩色濾光器的圖7的成像儀，并示意性地示出了相關聯(lián)的處理功能；

圖9示出了當在圖4的布置中使用圖7的成像儀時的ISP處理的 方法。

具體實施方式

參照圖1a，其中示出了一些實施例中使用的原理。光源100發(fā)射的光穿過線性偏振器101。線性偏振器101將使光源100發(fā)射的非偏振光變?yōu)榫€性偏振光(在所示例子中為垂直偏振)，即V偏振光。然后，垂直偏振光102被定向到樣本104，例如樣品池中的樣本或顯微鏡載片上的樣本。例如，如果通過具有合適波長(即，光子能量高于最低未占用分子軌道，或者其他類似機制)的垂直偏振光102光學激發(fā)樣本104，則樣本104將隨后發(fā)射非偏振光110。例如，樣本發(fā)射的光110可以是熒光。

參照圖1b，來自樣本104的光發(fā)射(非偏振光)110將具有垂直和水平平面分量。由樣本104發(fā)射的光110的平面分量(例如垂直或水平)的強度可以提供樣本104的細胞內信息。

現(xiàn)在參照圖2，其中示意性地示出了一種系統(tǒng)。來自光源100的光被射出并且穿過第一線性偏振器101。線性偏振器101將使光源100發(fā)射的非偏振光變?yōu)榫€性偏振光，例如垂直偏振光。然后，經由第一分束器111將垂直偏振光102定向到樣本104上，例如穿過顯微鏡物鏡103。然后，來自樣本104的非偏振的光發(fā)射110可以由顯微鏡物鏡103收集。之后，非偏振的光發(fā)射110可以穿過第一分束器111。例如，第一分束器111具有二向色性，其可以在所需波長范圍內過濾光110的波長。在一些實施例中，例如可以使用單色光鏡或其他波長過濾儀器。然后，非偏振的光發(fā)射110可以穿過第二分束器112，例如其可以具有50:50透射-反射比。

隨后反射的非偏振的光發(fā)射110可以穿過線性偏振器113。例如，線性偏振器113可以僅透射來自樣本104的光發(fā)射110的垂直偏振分量114。相應地，只有來自樣本104的光發(fā)射110的垂直偏振分量114到達檢測器115，因而可以對其進行測量。

隨后透射的非偏振的光發(fā)射110可以穿過線性偏振器116。例如， 線性偏振器116可以僅透射來自樣本104的光發(fā)射110的水平偏振分量117。相應地，只有來自樣本104的光發(fā)射110的水平偏振分量117到達檢測器118，因而可以對其進行測量。

現(xiàn)在參照圖3，其中示出了第二系統(tǒng)。在該示例中，光源100發(fā)射的光102可以是脈沖的。例如，如果使用脈沖光源100激發(fā)樣本104，來自樣本104的光發(fā)射110也將是脈沖的。如果脈沖光源100的衰減時間足夠短(例如小于納秒)，以及檢測器115和118的響應時間足夠快，就可以測量光發(fā)射110的壽命。例如，可以使用時間相關單光子計數(shù)(TCSPC)技術和TCSPC單元123實現(xiàn)此目的。激光驅動器125可以使用觸發(fā)信號126觸發(fā)光源100以發(fā)射光脈沖。依次地，可以使用控制信號124由TCSPC單元123依次地控制激光驅動器。在一些實施例中，也可以使用其他技術脈沖調制光源發(fā)射的光，例如位于光路中的聲光調制器(AOM)、或者例如Q開關激光系統(tǒng)或類似裝置。然后將光脈沖定向到樣本104上，在上文描述的檢測器115和118處分別檢測來自樣本104的光發(fā)射110的垂直分量114和水平分量117，并將它們各自的檢測數(shù)據(jù)121和122報告至TCSPC單元123。通過使激光驅動器125觸發(fā)光源100的時間與分別在檢測器11允許5和118處檢測的光發(fā)射110相關聯(lián)，可以測量光發(fā)射110的壽命。此外，例如也可以分別測量光發(fā)射110的垂直分量114和水平分量117的壽命。

例如，通過使用上述技術，可以測量光譜不同的熒光團之間同性和異性熒光共振能量轉移(FRET)的壽命。不過，這些技術過于繁瑣，通過使用FLIM測量熒光團的激發(fā)狀態(tài)的壽命需要沒有偏振器的第三檢測器。而且，需要更多儀器(如單色光鏡或彩色濾光器)以進一步按照光譜分離這些信號。

現(xiàn)在參照圖4，其中示出了與上文所討論的布置類似的布置，但該布置僅使用例如可以用于FAIM和FLIM的單個檢測器28。來自檢測器的信號可以傳輸?shù)綀D像信號處理器74，其可以將信息處理為所需輸出。如果僅使用單個檢測器28，則分離信號所需的圖像信號處理器 74的復雜性會增加。

在一些實施例中，檢測器28可以使用單個光子雪崩二極管(SPAD)感測反射光。通常，提供SPAD陣列作為傳感器，以檢測反射光脈沖或反射光。光子可以觸發(fā)SPAD陣列中一個或多個SPAD中的雪崩電流。雪崩電流可以發(fā)送事件信號，也就是已經檢測到光子。

SPAD的工作方式如下所述。初始時，二極管反向偏置到高于其擊穿電壓的電壓。在二極管結面積中的光子接收啟動在二極管中的雪崩電流，其會產生電脈沖。然后，二極管偏壓返回到小于擊穿電壓以熄滅雪崩電流，因此，SPAD可以再次對光子的接收作出反應。不過，二極管必須再次反向偏置到高于其擊穿電壓的電壓，以便對另一光子作出反應。一般地，在重新激活時間少于10ns的周期中可以使用SPAD。

檢測器28可以包括一個或多個SPAD。在一些實施例中，將提供SPAD陣列。下文會進行更加詳細的描述，一些或全部SPAD具有線性偏振濾光器40。

參照圖5a，其中示意性地示出了一些實施例中使用的SPAD的截面。SPAD 54可以設置在p襯底52中。各個p阱(p-well)30和42可以設置在襯底中。兩個p阱30和42之間有一個n阱(n-well)區(qū)。n阱區(qū)包括深n阱34、n阱32和n+區(qū)(n+region)36。n+區(qū)36鄰近SPAD的表面區(qū)域，并具有與其接觸的陰極38。p阱30和42中的每個都分別包括p+區(qū)(p+region)46和44。各個陽極48和50與各個p+區(qū)46和44接觸。應當理解的是，深阱34和p襯底52之間設置有倍增結。

現(xiàn)在參照圖5b，其中示意性地示出了一些實施例中使用的SPAD的截面。SPAD 254可以設置在P襯底252中。各個P阱230、231和232可以設置在襯底中。P阱230、231和232中的每個都分別包括p+區(qū)234、235和236。p+區(qū)235配有陽極238。p+區(qū)234和236中的每個都分別有電接地237和239。N阱區(qū)240和241分別位于P阱區(qū)230和231之間及P阱區(qū)231和232之間(即P-N-P-N-P布置)。N阱240 和241中的每個都分別包括n+區(qū)242和243。N阱240和241分別具有陰極244和245。N-P-N阱240、231和241分別具有深N阱246。深N阱246和P阱231之間設置有倍增結247。在一些實施例中，線性偏振器柵格邊緣248應該從上部金屬到下部聚合物彼此接觸，以避免側面照明。

小間距金屬線柵格14設置在SPAD表面之上，并因而位于SPAD檢測器和反射源之間。線柵格具有多條平行線。小間距線柵格用作光偏振濾光器。各線之間的間距d可以小于光的波長，例如可以是：□＝λ/2(其中λ為波長)。線寬度w可以是處理能力允許的值：□＝最小值(其中□為線寬度，其中線可以由例如金屬制成)，例如□的值可以是0.14□□。

在一些實施例中，可以在每個SPAD上提供線柵格濾光器。

應當理解的是，線的方位控制柵格提供的線性偏振的方向。

為此，參照圖6，其中示意性地示出了設置在SPAD 54上的柵格40。在一些實施例中，應確保柵格末端邊緣在與線平行的縱向上從上部金屬到下部聚合物層彼此接觸，以避免撞擊到SPAD上的側面照明，從而繞過柵格提供的偏振功能。與線的縱向垂直的邊緣仍然提供偏振功能。但是，在一些實施例中，與線平行方向的柵格末端邊緣具有連續(xù)側邊以阻止任何側面照明。

現(xiàn)在參照圖7，其中示意性地示出了SPAD陣列上的濾光器布置。在該示例中，SPAD 60中的一些沒有任何線柵格，因而能夠檢測包括偏振光在內的所有光。換言之，這些SPAD上面沒有任何濾光器。SPAD62中的一些都具有面向一個方向的線柵格，并且SPAD 64中的一些具有面向垂直于SPAD 62的線柵格方向的線柵格。在圖7所示的示例中，例如那些標記為62的SPAD可以僅檢測垂直偏振光，而那些標記為64的SPAD能夠僅檢測水平偏振光。

參照圖8，其中示出了圖7所示布置的變型。在該示例中，提供了彩色濾光器以允許光譜識別。例如，那些標記為66的像素可以沒有彩色濾光器。沒有彩色濾光器的像素66可以用于檢測光譜寬帶發(fā) 射(即檢測未經光譜過濾的所有發(fā)射光)。在一些實施例中，這些像素66可以與RGB過濾SPAD位于一個陣列中。在其他實施例中，可以唯一地使用這些像素66。

標記為68的那些像素可以具有綠色濾光器，標記為70的那些像素可以具有紅色濾光器，標記為72的那些像素可以具有藍色濾光器。應當理解的是，在不同實施例中可以提供多于或少于三個彩色濾光器。應當理解的是，可以有選擇地或附加地使用不同的彩色濾光器。在一些實施例中，可以基于單個像素提供彩色濾光器。因而，在不同的實施例中，可以提供不同圖案和位置的濾光器。

在一些實施例中，前面具有線性偏振器的SPAD用于在穩(wěn)態(tài)和時間解析FAIM技術中測量同性-FRET。在其他實施例中，前面沒有線性偏振器的SPAD可以在FAIM技術中與檢測到的偏振光組合使用或以其他方式使用，例如用作光子計數(shù)器。

在一些實施例中，前面沒有線性偏振器的SPAD用于在FLIM技術中測量熒光壽命(異性-FRET)。在其他實施例中，前面具有線性偏振器的SPAD可以在FLIM技術中與檢測到的非偏振光組合使用或以其他方式使用，例如用作光子計數(shù)器。

在一些實施例中，通過分別使用FAIM和FLIM技術，前面具有彩色濾光器的SPAD用于獲取同性-FRET和異性-FRET的光譜特性不同的熒光。在一些實施例中，這些濾光器可以是紅色、綠色和藍色。在其他實施例中，可以使用其他類型波長濾光器，例如二向色性濾光器、帶通濾光器、邊緣濾光器、凹口濾光器等。在其他實施例中，前面沒有彩色濾光器的SPAD用于在FAIM和FLIM技術中獲取光譜寬帶發(fā)射。

下面表1顯示了一些實施例的示例，其中“X”表示可以如何使用來自檢測器的信息?！癙ol”表示已經測量偏振信息，而“無”表示尚未測量偏振信息。

表1，在一些實施例中，來自測量偏振發(fā)射的SPAD的信息用于測量FAIM，而來自不測量偏振發(fā)射的SPAD的信息用于測量FLIM。

應當理解的是，通過使用數(shù)據(jù)關聯(lián)技術，來自至少一個檢測器的信息(無論是否具有濾光器布置)可以用于向FAIM和FLIM技術提供信息。

來自SPAD陣列的輸出被提供給圖像信號處理器(ISP)74。因而，圖像信號處理器能夠提供關于垂直偏振光、正交偏振光和熒光壽命的輸出。在ISP 74中，通過使用FLIM技術將時間解析熒光衰減擬合為指數(shù)函數(shù)，以計算熒光壽命，其中熒光壽命等于指數(shù)擬合的指數(shù)衰減常數(shù)。提供關于三種顏色中每種顏色及寬帶像素的該信息?？梢钥闯觯煌伾忻糠N顏色的信息可以圖形化表示每個偏振。例如，可以提供顯示強度隨波長(λ)變化的圖表。標記為80的峰值表示藍色光過濾結果，標記為82的峰值表示綠色光過濾結果，而標記為84的峰值表示紅色光過濾結果。第一圖表顯示了垂直偏振的結果，第二圖表顯示了水平偏振的結果，而第三圖表顯示了沒有偏振濾光器的結果。

現(xiàn)在參照圖9，其中示出了圖像信號處理器(ISP)74的處理過程。首先圖8中所示的檢測器66、68、70和72生成信號，然后這些信號被傳輸?shù)絀SP 74作為檢測器陣列91的輸入。隨后來自激光驅動器的時標信號被傳輸?shù)絀SP 74作為來自激光驅動器92的輸入。隨后ISP 74可以分離來自檢測器的信號91的光譜、偏振和非偏振分量。隨后該信息可以與來自激光驅動器92的輸入臨時關聯(lián)。然后，ISP 74可以輸出偏振信息和壽命分量76、77和78。之后，例如通過使用前面所述的紅色、綠色和藍色濾光器，可以將偏振信息和壽命分量進一步分 離為它們的光譜分量。例如，平行偏振壽命輸出76可以分離為紅色76a、綠色76b和藍色76c。正交偏振壽命輸出可以分離為紅色77a、綠色77b和藍色77c。此外，非偏振壽命可以分離為紅色78a、綠色78b和藍色78c。

應當理解的是，陣列捕獲的信息能夠以任何適合的方式進行處理。

應當理解的是，本發(fā)明的一些實施例允許實現(xiàn)緊湊型器件。

在一些實施例中，偏振濾光器和/或彩色濾光器可以印刷到一個或多個透射表面，例如二氧化硅或石英，以形成陣列布置的濾光器。這種濾光器可以放置到SPAD陣列的前面，以實現(xiàn)類似效果。

在一些實施例中，濾光器和光敏檢測器之間不是一對一的關系。單個濾光器(例如線性偏振器)可以覆蓋多個SPAD，例如四個SPAD。同樣，單個彩色濾光器可以覆蓋多個SPAD。應當理解的是，無論是否被至少一個濾光器覆蓋，SPAD的數(shù)量都可以改變。

一些實施例可以使用除SPAD之外的其他光敏檢測器，例如APD、光電二極管等。這些傳感器可以是接收光信息時生成事件的集成元件。

應當理解的是，上述布置也可用于其他光致發(fā)光應用，例如磷光應用或拉曼光譜學。拉曼光譜學通常作為描繪物質特性的方法，其從表面反射已知波長的光，然后測量反射光波長的微小變化。

應當理解的是，上述布置可以通過集成電路、芯片組、封裝在一起或位于不同封裝中的一個或多個模件、分立電路或這些選件的任何組合至少部分實現(xiàn)。

上面已經描述了采用不同變型設計的各種實施例。應當理解的是，本領域的技術人員可以組合這些不同的實施例和變型設計的各種要素。

這種變化、修改和改進都是本公開的一部分，并且都落入本發(fā)明的保護范圍內。相應地，前面描述僅是示例性描述并不旨在限制技術方案。本發(fā)明僅受下面權利要求限定的內容及其等同特征限制。