混合能量转换与处理检测器的制作方法

本非临时发明申请要求2014年4月17日提交的名为“高能转换与处理检测器”的临时申请S/N 61/981,138的优先权。所述临时申请的全部内容均以引用方式并入本文。

技术领域

本发明总的来说涉及电子显微镜图像检测领域。

背景技术：

一直到上世纪九十年代，在电子显微镜有史以来的大部分时间里，胶片一直是主要图像记录媒介。1990年，耦合了更科学的熔融光纤或透镜光学半导体图像传感器的闪烁体的电子检测器被引入，此后电子检测器开始代替胶片在大多数图像记录应用中使用。由于闪烁体光学半导体传感器的动态范围剧增，传感器的主要优点之一在于可应用于电子能量损失谱(EELS)和电子衍射(ED)。这两种应用均涉及使用聚焦光束，其中标本信息来自因能量损失(随后通过弯转磁铁体现)或电子衍射从主要路径转移的电子。偏转光束可能比如图1A、1B、2A和2B所示的未偏转光束弱几个或多个数量级。图1B中的图形显示了图1A中的衍射点具有几个数量级的动态范围。图2A和2B显示了电子能量损失谱所需的动态范围。半导体传感器通常为成像和光电二极管阵列CCD及光谱CCD，其动态范围明显比胶片更高，尤其是具有更大像素的更科学的传感器。据证实，单次照射中的动态范围高达20,000，该限值通过合并多次照射的动态范围被进一步扩大。另外，光耦合到传感器的闪烁体使传感器免受传感器直接受光束照射或受闪烁体的x射线(x射线会传播到传感器)照射所产生的辐射损伤。如果采用透镜耦合，透镜玻璃和透镜使闪烁体与传感器之间的距离产生保护作用。如果采用熔融光纤板，高密度板提供x射线防护。在这两种情况下，光束早在可以照射传感器，从而直接造成损坏之前就被阻挡下来。因为这两个原因，闪烁体/光学/半导体传感器在衍射应用中已完全取代胶片，并使光谱并行采集成为可能，而这在传感器使其成为可能之前根本不会加以考虑。

图3A显示了一种现有技术的透镜耦合闪烁体间接检测器，所述检测器具有闪烁体301、棱镜302、光学透镜303、304和CCD检测器305。图3B显示了一种现有技术的熔融光纤板耦合间接检测器，所述检测器具有闪烁体311、光纤束312和CCD检测器313。

在某些成像应用中，最为显著的是蛋白冷冻电子显微镜和细胞冷冻断层摄影迫切需要取代胶片，因为胶片虽然没有动态范围要求，但对灵敏度和分辨率有要求。在过去的几年中，已经通过辐射加固硅有源像素检测器开发出一系列检测器，这一系列检测器现已成功取代胶片并扩展了结构生物学可达到的分辨率限值。该技术通常被称为直接检测技术，采用该技术的摄像机通常被称为直接检测器。与所述检测器相比，上述闪烁体/光学/传感器检测器现在通常被称为间接检测器。

直接检测器通过多种方式提高结构生物学分辨率。首先，比典型闪烁体和光学材料更轻的硅散射的电子束更少，因此得到的点扩散函数更令人满意。其次，直接检测到的入射电子使信号更强。第三，有可能实现装置薄化，使光束通过时没有额外嘈杂的后向散射。尽管有可能通过透镜耦合闪烁体(例如美国专利第5,517,033号，本文引用的所有参考内容均以引用的方式并入本文)实现装置薄化，但同时也伴随着信号强度的严重衰减。图3C显示了一种现有技术的非薄型(块状)直接检测器320，图3D显示了一种现有技术的薄型背照直接检测器330。直接检测器薄化不会使灵敏度降低。

最后，由于所述前三种效益(装置薄化使点扩散函数得到改进，信号强度更高以及后向散射减少)，可对直接检测器产生的信号进行处理，并形成类似于通常使用光电倍增管产生相同效益的计数模式。如果入射电子计数为1，并添加到一个帧缓冲区，那么入射电子沉积的能量无变化，不能概括成像线性直接或间接积分检测器一样。因为获取的图像不再包含能量变化，所以有可能实现几乎无噪声获取。

第二种计数变型有可能实现，其中通过沉积能量质心估计电子入射的可能性，并精确到亚像素级。该方法通常称为超分辨率。图4显示了通过超分辨率检测器检测单入射电子。图4A显示了位于多像素检测装置的一个像素的任意位置电子。图4B显示了电子入射点附近的局部位置的入射电子散射。图4c显示了附近像素中有多少散射检测信号与电子入射点的位置有关。图4d显示了选取具有最高散射信号的像素对最接近像素的入射点的定位。图4e显示了找到分散电荷的分布质心即可确定亚像素级精度入射点的位置。

计数和超分辨率大大提高了通过测量量子检测效率(DQE)衡量的灵敏度性能，以及硅直接检测成像仪表现出的检测信噪比与传入信噪比的比率。

图5显示了物理像素的直接检测与间接检测相比灵敏度提高(A)、计数直接检测与单纯的直接检测相比灵敏度提高(B)、超分辨率增加信号的效应与Nyqui st频率相比灵敏度提高(C)。量子检测效率的部分效益来自背景噪声显著降低检测计数的附加效益。很明显，间接检测器在灵敏度方面处于严重劣势，无论是如图5中的图形显示的量子检测效率，还是背景噪声。电子能量损失谱(EELS)和电子衍射(ED)对高灵敏度以及弱信号部分的良好背景抑制具有强烈要求。

直接检测器(DD)的缺点在于，电子在像素中留下信号能量的同时会因电荷注入绝缘子并撞击损坏硅晶体结构而损害像素。因此使直接检测器受到终生剂量限制。虽然通过改进像素设计布局、减少特征尺寸(减少氧化层厚度，从而使捕获的电子更容易散射出去)和装置薄化大大增加了所述剂量限制，消除了通过后向散射沉积的能量，与光纤或透镜光学耦合闪烁体相比，终生总剂量仍然局限于明显较低的水平。这一事实在电子能量损失谱和电子衍射等应用中具有严重局限性，其中未偏转光束通常比低强度信号部分高多个数量级，因此会减少传感器使用寿命。在冷冻电子显微镜中，传感器使用寿命以年计，并精确到小时。

直接检测器进行电子到达事件计数时，电子到达事件必须在检测器上时空分离。对于事件密度达到每个像素.025左右(每个电子事件大约40个像素)时的300kV电子来说，量子检测效率只会受到一定影响。这是通过帧频极端加速产生的。Gatan K2计数直接检测摄像机采用的400fps帧频使该事件密度下每个像素每秒的量率达到10个电子。尽管该量率适用于在冷冻显微镜中进行低剂量成像，但对于如图1和2所述的电子能量损失谱和电子衍射等较高剂量和高动态范围应用仍然过低。可想而知，虽然可以提高帧频，使其足以处理如图2B所示的中等剂量范围，但认为可对电子能量损失谱或电子衍射信号的高强度部分进行计数是不切实际的。对于这一代K2计数直接检测器来说，Gatan公司开发的商用摄像机采用图3D所示的现有技术检测器布置，结合极快速度的读出将入射电子事件分成不同帧，另外，所述摄像机采用快速处理器对电子事件进行计数或质心和求和。计数模式的可用量率比线性模式低400倍。图6显示了计数所需的速度稀疏化。左图显示了稀疏光束产生的实际信号，说明每个事件涵盖不同大小的多个像素。稀疏化需要足以防止因一个事件的散射重叠另一个事件造成数错或质心不良。图6中的右侧图像显示了左帧计数结果，同时还显示了事件强度和事件大小变化通过计数过程减少的程度。

本领域的相关专利包括U.S.7,952,073(Bi lhorn)和US 8,334,512(Luecken)。本文引用的所有参考的全部内容均以引用方式并入本文。

由于处理电子能量损失谱和电子衍射弱信号部分的间接检测器分辨率和灵敏度不足，又由于处理电子能量损失谱和电子衍射强信号部分的直接检测器分辨率和灵敏度不足，再加上现有技术中缺乏同时获取高质量强弱信号的变通解决措施，因此需要新的解决方案。

如果将读取最弱信号的能力添加到现有能力中，电子能量损失谱(EELS)和电子衍射(ED)会明显受益。扫描透射电子显微镜光谱成像(STEM SI)尤其如此，可在扫描标本像素的每个NxM光栅处采集频谱，用于获得元素和电子对比图像。见2014年3月发布的Gatan数据表“GIF量子”。该技术需要高速度来覆盖样本合理区域的合理数量的像素，需要进行元素对比的区域的微弱信号具有较高的灵敏度，还需要能够获取未偏转光束并对其进行数字化，以便进行归一化。具有类似要求的类似应用正开发用于通过扫描透射电子显微镜进行电子衍射。

美国专利8,334,512是该领域的一个专利，所述专利探讨了使用位于薄型成像检测器下方一定距离处的快速检测器，即零损耗光束位置检测器，但由于与其位置相关的分辨率差，所述快速检测器不能用作低损耗光谱信息检测器。

另外，电子能量损失谱和电子衍射信号在其最常见的应用中，特别是在所述扫描透射电子显微镜应用中，能及时迅速地变化，使低灵敏度高稳健性检测器和高灵敏度低稳健性检测器的相继连续光照对高动态范围应用来说成为一种不切实际的解决方案。

因此，本领域需要一种能同时对相同视场的高强度信号和弱信号进行稳健优质成像的技术。

附图说明

图1A为与现有技术相关的图像；

图1B为图中图像的强度图；

图2A为与现有技术相关的图形；

图2B为与现有技术相关的图形；

图3A为现有技术间接检测器耦合设计；

图3B为现有技术间接检测器耦合设计；

图3C为现有技术直接检测器设计；

图3D为现有技术直接检测器设计；

图4A为电子检测示意图；

图4B为电子检测示意图；

图4C为电子检测示意图；

图4D为显示电子检测事件信号处理的示意图；

图4E为显示电子检测事件信号处理的示意图；

图5为通过作为敏感度指标的量子检测效率(DQE)说明本发明的优点的图形；

图6为显示高速读出以将事件分为不同帧的效果(左)及显示所述事件计数效果(右)的两个图像；

图7A通过部分单片检测器阵列上的光纤耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图7B通过部分单片薄型检测器阵列上的光纤耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图7C通过部分单片薄型背照检测器阵列上的光纤耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图7D通过部分单片前照(或背照)薄型检测器阵列上的透镜耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图7E通过能协调同时读出检测器的光耦合和直接检测部分的部分单片薄型检测器阵列上的光纤耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图7F通过能独立同时读出检测器的光耦合和直接检测部分的部分单片薄型检测器阵列上的光纤耦合闪烁体显示混合检测器设计；

图8A显示与闪烁体接触并位于闪烁体与第二检测器光耦合的直接检测器顶部的双检测器；

图8B显示与闪烁体接触并位于闪烁体通过倾斜纤维束与第二检测器耦合的直接背照检测器下方的双检测器；

图8C显示与闪烁体接触并位于闪烁体通过反射镜和光学透镜与第二检测器耦合的直接薄型背照检测器下方的双检测器；

图9A显示与闪烁体不接触并位于直接检测器前面的双检测器，其中透镜与带有使两个检测器同步的装置的单独光学传感器耦合；

图9B显示具有闪烁体耦合的间接检测器紧靠直接背照检测器并通过倾斜纤维束耦合直接背照检测器的双检测器，使两个检测器的电子检测平面能靠近并置，且所述双检测器带有使两个检测器同步的装置；

图10A显示能通过检测器的三个独立区域同时读出三种类型的数据的示例性混合能量转换检测器；

图10B显示能通过检测器的三个独立区域同时读出三种类型的数据的另一个示例性混合能量转换检测器，从而合并计数数据和线性读取的方向检测数据，使两种类型的数据能最佳地集成在一起。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，公开了布置在一个检测器中的多个电子能量转换机构的混合布置方式，从而能以下列方式从两个能量转换器中获取电子图像，即，图像的选定高光照部分能通过间接耦合的闪烁体检测器成像，而检测器的高敏感性/直接电子部分获取的其余图像无需重新调整光束位置或机械定位检测器部分。

进一步地，信号处理器包括的机构使计数和线性读出模式之间能进行动态切换，因此无需严格限制计数量率即可线性获取高光照区域，并通过计数获取低光照区域，从而提供低剂量长时间照射所需的非常高的信号质量。可选地或另外，所述检测器能通过图像的每个像素进行同时线性和计数信号处理，以便随后选择或组合获取的线性和计数离线信号。这两种方法利用切换光照强度，在高于所述切换光照强度时，将从计数模式过渡到线性模式。切换的是光照强度，在所述光照强度下，计数模式和线性模式的信号质量相同。通常通过如图5所示的量子检测效率(DQE)测量信号质量，从而对不同检测器进行比较。光照率达到每40个像素1个电子时，计数检测器的量子检测效率开始降低，并达到量率在每20个像素1个电子与每10个像素1个电子之间的线性检测器的水平。以此方式，图像的每个像素均可读出并以最优化的方式进行处理。

进一步地，由于计数和线性模式具有不同的传递曲线(光照与计数之间的函数关系)、频率响应或调制传递函数(MTF)，应进行信号处理，消除线性与计数信号之间的强度和分辨率差。混合检测器实现方式可通过闪烁体的位置(是否接触检测器、在直接检测器上方或下方)、通过耦合方法(熔融光纤板或透镜耦合)、通过耦合至直接检测装置的哪一面(前面或后面)、通过直接检测装置是否薄型、通过读出方法(单传感器、一起读出、带集成分开读出的单传感器、双传感器结构)和通过处理方法(线性和/或计数)进行分类。可以预见所述因素有多种组合。图7-10显示一些有代表性的组合。图7A-7D显示将闪烁体耦合到闪烁体不与直接检测装置接触的直接检测装置上的各种选项。图7A显示位于通过光纤板702耦合到非薄型块状硅直接检测装置704前面703的装置上方的闪烁体701。图7B显示与图1相同的布置，但耦合到薄型直接检测器706前面705。图7C显示光纤耦合702到薄型背照直接检测装置706后面707的闪烁体701。图7D显示透镜光学耦合708到薄型直接检测器前面的闪烁体702。图7E和7F示出读出适用于任何耦合类型或位置的直接检测装置706的两种可能，但图中显示所述直接检测器与图7B的相同光纤耦合闪烁体布置结合。图7E显示通过统一协调机构710读出的检测器706，其中所述机构读出以相同方式光耦合和直接检测的整个装置。图7F显示在光耦合与直接检测过渡位置将读出分割成两个部分711、712的装置。所述布置使高强度低损失和零损失光束能单独读出，并且可能比检测器的直接检测部分快。更快读出会减弱高强度信号每次读出的信号强度，并允许更大的动态范围。

图8A到8C显示与直接检测装置802接触的闪烁体801的示例配置。在所述配置中，有必要将光与必须避开入射光束通路的第二检测器804耦合。这是因为，虽然闪烁体产生的光可通过直接检测器检测到，但是信号会被闪烁体产生的能被闪烁体下面的直接检测装置检测到的散射电子束淹没。图8A显示一种可能的透镜光学805布置，包括护罩803，以防止散射电子到达光检测器804。同步装置806控制直接照射检测器803和光检测器804的读出。图8B显示闪烁体801设置在检测器802下方的光纤耦合布置。闪烁体80通过倾斜光纤板807耦合到第二检测器804。图8C显示闪烁体804设置在检测器802下方且通过反射镜812将闪烁体图像反射到第二检测器上的透镜光学805耦合布置。提供的同步装置使两个检测器的输出被合并到一个混合图像中。图7A-F和8A-C显示的实施例仅为典型实施例，并不构成采用所述概念的所有可能布置。未显示的扩展实例通过透镜耦合将接触闪烁体移动到装置中心，采用衍射(图1A和1B)，以免挡住电子图像的任何部分或者在位于装置下方时产生后向散射。

图9A和9B显示不与闪烁体901或检测器904接触的两个检测器的布置。图9A显示位于直接检测传感器904前面且通过光学设计903、905减少光耦合传感器902与直接检测传感器904之间的死像素的透镜耦合摄像机902。所述设计也有助于减少从闪烁体到混合检测器的直接检测部分的电子散射。图9B显示检测面在相同平面上的两个检测器902、904的可能布置。图B中的实施例包括设计成减少死角的检测器904和护罩907。闪烁体901通过倾斜光纤束耦合到光传感器902。

图10A和10B涉及图像处理选项及混合概念扩展，以涵盖线性检测和计数数据组合。图10A显示检测器1001通过图像或频谱的高剂量、中剂量和低剂量部分读出的线性间接、线性直接和计数直接检测数据。所示实施例包括通过光纤束1003耦合至检测器的闪烁体1002。可通过光照模式和切换光照强度确定线性直接检测到计数直接检测的过渡位置，因此，可从一个图像变为另一个图像，一个图像可能不止发生一次。图10B显示处理直接检测区域同时作为线性像素且具有计数或质心功能的每个像素的布置。这虽然增加了需要保存的数据量，但却创造了选择或合并高度优化数据合成的离线数据的可能性。很明显，所述组合仅仅是更大组合的典型范例。

就图8而言，单独的检测器可同步或不同步操作。检测器的间接和直接部分的照射时间可相同或不同。如果闪烁体与直接检测器直接接触，直接检测器会受强光束照射，所以会很快老化。然而，由于间接耦合传感器的存在不需要传感器的所述部分，所以允许闪烁体为非功能装置。

就图9而言，单独的检测器可同步或不同步操作。检测器的间接和直接部分的照射时间可相同或不同。