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Multiphoton coincidence camera with high temporal resolution

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Extrem schnelle Einzelphotonensensoren könnten die Bildgebung der nächsten Generation einläuten

Neue Wissenschaftsbereiche benötigen schnellere Kameras zur Bilderfassung mit höheren räumlichen und zeitlichen Auflösungen. Das Projekt gammaCam entwickelte einen Kameraprototyp, der Daten mit Einzelphotonenauflösung aufzeichnen kann.

Industrielle Technologien

Einzelphotonen sind das kleinste Lichtteilchen. Licht in diesem Bereich zu detektieren ermöglicht eine extrem empfindliche Bildgebung. Noch bedeutender ist jedoch, dass durch die Messung des Zeitpunkts, zu dem ein Photon detektiert wird, nachdem es von einem Objekt reflektiert oder emittiert wurde, wichtige Informationen über dieses Objekt gewonnen werden können. Diese Informationen sind zum Beispiel für die Bestimmung der chemischen Spezifität bei der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie von entscheidender Bedeutung. Außerdem ebnet die Detektion der räumlich-zeitlichen Korrelationen zwischen einzelnen Photonen den Weg für neue Bildgebungsgeräte mit einer im Vergleich zur herkömmlichen Bildgebung verbesserten Auflösung. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts gammaCam wurde die Leistungsfähigkeit zweier CMOS-Bildgebungssensoren zunächst im Labor demonstriert. Anschließend wurde einer der Sensoren in einen Kameraprototyp integriert. Die Kamera kann Photonen innerhalb von 200 Pikosekunden nach Erreichen des Detektors aufzeichnen und erzeugt damit eine beeindruckende Auflösung. „Neben der Konsolidierung technischer Errungenschaften eines früheren Projekts bestand unsere Arbeit in der Quantifizierung der für die Produktion in kleinem Maßstab notwendigen Ressourcen sowie der Marktforschung für die vielversprechendsten Anwendungen“, sagt Projektkoordinator André Stefanov von der Universität Bern, der Gasteinrichtung des Projekts.

Entwicklung des idealen Detektors

Auch wenn in der Bildgebungstechnologie in jüngster Zeit Fortschritte erzielt wurden, beruht sie noch immer auf der Detektion durchschnittlicher Lichtintensitäten an jedem Pixel innerhalb der Belichtungszeit der Kamera. Daher sind herkömmliche Kameras nur in der Lage, Lichtschwankungen aufzuzeichnen, die langsamer sind als die zur Erfassung des Bildes benötigte Zeit – meist im Millisekundenbereich. Das ist deshalb wichtig, da die Messung von Lichtintensitätsschwankungen wertvolle zusätzliche Informationen über das untersuchte Objekt liefert. „Ein ideales Bildgebungsgerät zeichnet sowohl die Detektionszeit als auch die Position jedes einzelnen Photons in einem ein Objekt beleuchtenden Lichtstrahl auf“, erklärt Stefanov. „Die zeitlich-räumliche Information ist bei zahlreichen Bildgebungstechnologien wie der Time-of-Flight-Bildgebung oder der Korrelationsbildgebung wesentlich.“ Kameras mit spezifischen Reichweiten sind mit Belichtungszeiten im Nanosekundenbereich verfügbar. Doch diese Kameras sind teuer und können zu verschiedenen Zeitpunkten eintreffende Photonen nicht detektieren und so nicht die vollständigen zeitlich-räumlichen Informationen erfassen. Das Team von gammaCam setzte die Entwicklung der im Rahmen des Projekts SUPERTWIN für die Quantenbildgebung konzipierten Sensoren fort. Diese Sensoren nutzten Arrays eines Photodetektors, der sogenannten „Einzelphoton-Avalanche-Diode“, die die Detektionszeit jedes Photons mit einer Genauigkeit, die unterhalb des Nanosekundenbereichs liegt, aufzeichnet. SuperEllen hat 32 x 32 Pixel, SuperAlice 224 x 272 Pixel. Auch SuperAlice ist ein vielseitiger Sensor, der entweder die Detektionszeiten der Photonen aufzeichnen oder einfach die Photonen zählen kann. Zur Fortsetzung der im Rahmen von SUPERTWIN begonnenen Beurteilung der räumlichen Korrelation aus Quantenlicht wurden beide Sensoren mit verschränkten Photonenpaaren getestet. „Die ersten Quantenlichtmessungen zu beobachten war sehr spannend, vor allem die Tatsache, dass SuperAlice dank der hohen Anzahl der Pixel im Gegensatz zu SuperEllen auch eine genauere Charakterisierung des Quantenlichts durch Beobachtung von langreichweitigen Korrelationen zwischen Photonen zuließ“, fügt Stefanov an.

Eine Reihe von Anwendungen

Am wahrscheinlichsten ist es, dass diese Einzelphoton-Avalanche-Dioden-Arrays für fortschrittliche Mikroskope zur Untersuchung für die Medizin wichtiger molekularer Prozesse zum Einsatz kommen. „Unsere Sensoren könnten entweder bereits bewährte Verfahren – wie die Lichtscheibenmikroskopie – verbessern oder die Entwicklung neuer Verfahren und Märkte unterstützen. Dazu müssen wir den gesamten Umfang an Messungen, die sie in einzigartiger Weise ermöglichen, weiter ermitteln“, so Stefanov abschließend. Der Kameraprototyp ist gut transportierbar und kann, da sich die Einrichtung innerhalb aktueller optischer Systeme relativ leicht gestaltet, bereits für Versuche eingesetzt werden. Die Massenfertigung von SuperAlice kann vom selben Hersteller durchgeführt werden, der auch den Prototyp fertigte – vom Unternehmen LFoundry. Der Sensor muss jedoch noch in eine benutzungsfreundliche Kamera integriert werden, damit ein kommerziell verfügbares fertiges Produkt entsteht.

Schlüsselbegriffe

gammaCam, Photon, Sensor, Bildgebung, Auflösung, CMOS, Kamera, Mikroskop, Licht, Pikosekunden

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