传感器类型
真正的共聚焦扫描显微镜将光聚焦到一个单一的点进行照明。为了生成二维图像，必须在样本上沿着x和y方向扫描该点。尽管扫描机械需要一些设计和制造上的努力，但传感器可以是单一装置，而不像宽场相机芯片那样需要提供与所需像素数量相同的传感器元素。由于不需要xy读出电子学，单点传感器相比阵列探测器具有更好的信噪比。
光电倍增管（PMT）
目前知名的共聚焦成像传感器可能是经典的光电倍增管（PMT），其发展历史可以追溯到80多年前的1930年代早期[1]。它基于赫兹描述并由爱因斯坦[2] 解释的光电效应[3]。光阴极通常是一层碱金属原子，当吸收光子时可以轻易地释放电子。可见光范围内最佳的量子效率是通过砷化镓磷光阴极（GaAsP）实现的。一个电压将光电子加速到第一个倍增极，从而释放出次级电子。由于倍增极材料的性质，倍增极的增益通常限制在不到五倍。由单个倍增极产生的电脉冲无法与电噪声区分开。为了获得足够的增益，次级电子被加速到下一个倍增极，依此类推[4]。这种过程允许获得高达约108甚至更高的增益，足以捕获可测量的电流。
光电倍增管具有非常宽的动态范围，即它们可以用于非常低的光子密度和相对较高的强度。
雪崩光电二极管（APD）
作为真空PMT的半导体替代品，雪崩光电二极管（APD）进入了市场，它是PIN二极管的衍生物。PIN二极管在p型和n型层之间具有一个额外的稀疏掺杂层。APD是经过改进的PIN二极管，增加了一个倍增层。如果光子被本征层吸收，将产生一个电荷对（内光电效应），然后电荷被加速。在倍增区域的强电场作用下，通过释放许多额外电荷进行放大。输出信号与吸收的光子数量成正比，因此该装置可以在一定范围内作为光传感器使用。在较高的电压下，光子的吸收会导致击穿，伴随着非常高的增益（高达108，“盖革模式”），通常用于单光子检测。由于连续的击穿会破坏装置，因此该模式只适用于足够低的光强度。
APD已成功应用于单光子测量，特别是在FLIM（荧光寿命成像）和FCS（荧光相关光谱）实验中。然而，它们很少用于共聚焦图像记录。
混合探测器（HyD，HPD）
PMT的主要限制是每个倍增步骤的低增益。APD的主要限制是其操作范围：仅非常低的强度（在盖革模式下）。这两种技术的混合组合提供了一个解决方案，幸运的是，它展示了两者都有益的特性。这种真空和半导体技术的组合最初是为粒子物理实验开发的 [5]。
混合探测器使用光阴极，就像PMT一样，还使用GaAsP来达到最佳性能。光电子在单个步骤中被高压加速约8000伏特。高能光电子撞击半导体靶，动能被散失，并转化为分离的电荷（电子-空穴对）。该步骤的增益已经达到约1500。随后的倍增层（参见雪崩二极管）再次将信号增幅约100倍。现在，已足以在阳极处捕获可测量的信号。信号是一系列电脉冲，其中每个脉冲与到达光阴极的一个光子相关。
参数
尽管这三种传感器都可以将光子转换为电信号，但它们的性能有很大的不同。为了找出哪种传感器最适合共聚焦成像，我们将简要介绍三个重要的参数：
- 噪音，
- 脉冲均匀性，和
- 脉冲宽度。
如果我们想要使用光子计数而不是模拟积分，后两者就显得非常重要。光子计数更精确，可以直接将像素信息与样品亮度进行比较。
噪音
在各种噪音源中，暗噪音对低强度图像的质量有严重影响。暗噪音指的是阳极的信号（电脉冲），没有光子被光阴极吸收。它主要受敏感元件的温度和大小的影响。例如，如果温度足够高，光阴极本身就会在完全黑暗中发射电子，导致偶尔从光阴极材料中释放一个电子。这个电子被加速并造成阳极上的一个脉冲，看起来像一个光子脉冲。此外，隔离板可能会发出热电子，第一个隔离板产生的脉冲比靠近阳极的隔离板产生的脉冲要大。可以推断出，来自隔离板的热电子只是与PMT有关的问题：HyD和APD没有隔离板。对于光阴极和隔离板的热电子出现的对应物是半导体材料的热电荷分离。总的来说，暗噪音是由所有可能的贡献者的电子组成的。如果需要非常低的暗噪音，传感器将从冷却中受益：将温度降低约5K，暗噪音就会减半（取决于材料）。对于极低强度的应用，甚至会使用液氮冷却来基本消除暗噪音。
尺寸为约50平方毫米的传统PMT，加上额外的隔离板面积，暗噪音较高（见表01），这阻止了它们在光子密度极低的应用中的使用。对于活体样品实验，目标是使用尽可能暗淡的照明光，以避免光毒性反应破坏样品。不幸的是，这个要求会使噪音问题更加严重。APD和HyD没有隔离板。对于这些设备来说，暗噪音主要由传感器的活动区域控制。APD的活动区域通常为0.05平方毫米，非常小，需要额外的手段和努力来稳定地将光聚焦到目标上。请记住：共聚焦显微镜使用的不是固定的，而是扫描的光束。再加上多种光学部件的选择，对精确对准的要求更加增加。HyD的活动区域约为7平方毫米，足够小以抑制暗噪音[7] ，并且足够大以确保在受压条件下完全捕获光学信号。
脉冲高度分布
理想情况下，阴极释放的任何光电子的输出脉冲都是完全相同的。但实际上，这一假设与实际情况相去甚远，尤其是对于PMT而言，不仅脉冲宽度和光子吸收与输出脉冲峰值之间的时间（称为"传输时间"）在变化，脉冲高度也在变化。脉冲高度的变化直接导致阳极电流积分记录的信号发生变化。在光子计数的情况下，如果脉冲无法与放大电路的电子噪声区分开来，脉冲高度的变化可能会导致计数损失（见表 01 和图 4，PMT 情况下的事件 #2 相当于 HyD 情况下的事件 #3 和 #4）。
输出脉冲的高度主要由第一级放大步骤的增益所决定[8]。对于PMT，这是第一个隔离板的增益。该增益受隔离板材料的限制，通常在2到8之间。变化由泊松统计法则控制，如果假设平均增益为4，变化范围为+/- 2，这意味着下一个事件中有很大的可能性获得2到6个电子。因此，脉冲高度大约变化了三倍。后面隔离板的增益具有相同的统计行为，但由于电子数从隔离板到隔离板递增，变化被平均，对噪音的贡献变得不那么显著。
在HyD中，情况完全不同。第一步的增益为1500。增益的变化与其平方根成比例（泊松统计），因此，峰值变化小于3%，比PMT情况下好100倍。特别是在使用HyD进行光子计数时，由于脉冲高度的一致性，测量更加精确。如前所述，光子计数是强度测量的黄金标准。
脉冲宽度
光子计数是通过计算传感器输出的脉冲来完成的。光强度越强，每单位时间的脉冲数就越多。如果强度超过一定水平，脉冲就会“融合”在一起，无法分开（见图04和表01）。这种光强度水平显然与电脉冲的宽度密切相关：脉冲越精细，可以用于成像的光强度就越高。通常用于共聚焦成像的PMT产生的脉冲相当长，大约为20纳秒。光强度是每单位时间内在给定图像单元中检测到的光子数量。在光子计数模式下，强度被描述为“每秒计数”。如果光子以仅为20纳秒的相同间隔到达，一秒钟将包含5000万个计数（每秒50兆计数-50 Mcps）。但是光子以随机方式从样品发出，因此最大允许的脉冲只有大约15 Mcps。标准荧光样品在共聚焦体积中会产生大约100 Mcps的光子，因此其信号无法用PMT在光子计数模式下测量。由于APD在每次脉冲后需要较长的复原时间，其动态范围受到限制。在脉冲持续时间和死时间内到达的光子将丢失。只有非常低的强度才能用APD准确量化。
HyD显示约1纳秒的脉冲。SP8平台配备HyD可达到300 Mcps的运行速度，因此非常适合标准荧光共聚焦成像。其动态范围涵盖非常低的光强度和用于共聚焦成像的标准荧光染色样品。
