CN116157893A - 电子管、电子管模块和光学装置 - Google Patents

电子管、电子管模块和光学装置 Download PDF

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Abstract

电子管包括：真空容器，其具有透光性基板；光电面，其设置于透光性基板的内表面；阳极，其设置于真空容器内；和棱镜。棱镜具有：底面，其与透光性基板的外表面接合；光入射面；和光反射面，其通过使经由棱镜和透光性基板入射到光电面并在光电面与真空空间的界面反射的光进一步反射，从而使该光再次入射到光电面。光反射面具有向外侧凸出的曲面形状。光入射面位于比沿着光反射面的假想的球面靠内侧的位置。

Description

电子管、电子管模块和光学装置
技术领域
本发明涉及电子管、电子管模块和光学装置。
背景技术
现有技术中，已知有检测从试样产生的荧光等微弱光的光电倍增管等电子管。电子管包括：具有透光性基板的真空容器；和设置于透光性基板的真空侧的内表面的光电面(photocathode)。非专利文献1公开了在上述透光性基板的外表面设置有半球面状的棱镜的结构。在该结构中，入射到棱镜的光入射面的光在光电面与真空空间的界面反射，之后在棱镜的与光入射面相反的一侧的光反射面进一步反射而返回到光电面。由此，实现了光电面的量子效率(QE：Quantum Efficiency)的提高。
现有技术文献
[非专利文献]
[非专利文献1]J.B.Oke and Rudolph E.Schild.A Practical MultipleReflection Technique for Improving the Quantum Efficiency of PhotomultiplierTubes.APPLIED OPTICS Vol.7.No.4 617-622(1968)
发明内容
发明要解决的课题
然而，在非专利文献1所公开的结构中，棱镜的光入射面沿着半球面，棱镜的光入射面与光电面的距离比较大。因此，有时无法使被检测光的光源充分接近光电面。例如，在棱镜为半球状的情况下，从棱镜的光入射面到光电面的距离变大。因此，在被检测光为发散光的情况下，设想被检测光(一次光)未完全进入光电面。另外，在棱镜为半球状的情况下，在光电面的中心(与棱镜形状对应的球的中心)以外的部位反射的光难以经由光反射面再次返回到光电面。因此，在被检测光为会聚光的情况下，从得到良好的量子效率的观点出发，优选使被检测光的焦点对准光电面，但由于无法使光源充分接近光电面，所以有时难以进行上述那样的焦点位置的调整。因此，在非专利文献1所公开的结构中，在提高光电面的量子效率的观点上存在改善的余地。
因此，本发明的目的在于提供一种能够有效地提高光电面的量子效率的电子管、电子管模块和光学装置。
用于解决课题的方法
本发明的一个方面的电子管包括：真空容器，其具有透光性基板，构成真空空间；光电面，其设置于透光性基板的真空空间侧的面即内表面，根据经由透光性基板入射的光而向真空空间中放出光电子；电子检测部，其设置在真空容器内，检测源自光电子的电子；和棱镜，其接合于透光性基板的与内表面相反的一侧的外表面，棱镜具有：底面，其接合于透光性基板的外表面；光入射面，其具有供光入射的光入射部；和光反射面，其通过使入射到光入射部并在光电面与真空空间的界面反射的光进一步反射，从而使该光再次入射到光电面，光反射面具有向外侧凸出的曲面形状，光入射部位于比沿着光反射面的假想的球面靠内侧的位置。
根据上述电子管，能够使从棱镜的光入射部入射并在光电面与真空空间的界面反射的光在棱镜的光反射面进一步反射而再次入射到光电面。其结果是，能够使光电面中的被检测光的吸收量增大。在此，通过光反射面具有向外侧凸出的曲面形状，能够使从光电面朝向光反射面的光适当地返回到光电面。并且，棱镜的光入射部位于比沿着光反射面的假想的球面靠内侧的位置，由此，与例如棱镜构成为半球状的情况(即，由半球面状的棱镜的表面构成光入射部(光入射面)的情况)相比，能够使光源接近光电面。其结果是，在被检测光为发散光的情况下，能够抑制被检测光在从光入射部到光电面的期间过度扩散，能够使被检测光(包括在光反射面反射的光)适当地入射到光电面。另外，在被检测光为会聚光的情况下，容易将被检测光的焦点调整到光电面附近。如上所述，根据上述电子管，能够有效地提高光电面的量子效率。
光电面也可以沿着透光性基板的内表面形成为平板状。在该情况下，通过在透光性基板的内表面成膜，能够容易地形成光电面。
光电面也可以形成于透光性基板的内表面的一部分。在该情况下，与在透光性基板的整个内表面形成光电面的情况相比，能够降低光电面的材料成本。
光入射部也可以形成为平面状。由此，例如通过直线地切断半球状的棱镜部件，能够比较简单地制作棱镜。另外，光入射部也可以具有向外侧凸出的曲面形状。或者，光入射部也可以具有向内侧凸出的曲面形状。
光入射部也可以由光入射面的整体构成。在该情况下，能够将光入射面构成为相同的面，所以能够使光入射面的结构简单化。
光入射部也可以由在光入射面的一部分开口的凹部构成。在该情况下，例如通过使光纤等导光体的前端(光源)进入凹部内，能够使光源更接近光电面。
也可以在光入射面的至少光入射部设置防反射膜。在该情况下，通过防反射膜，能够有效地降低光入射部(光入射面)中的被检测光的反射损失。其结果是，能够增大光电面中的被检测光的吸收量，能够更有效地提高光电面的量子效率。
也可以在光反射面设置反射膜。在该情况下，通过反射膜，能够减少光反射面中的光的透过损失(从光反射面向外部透过的成分)。由此，能够抑制由光反射面反射而再次入射到光电面的光量的减少，所以能够更有效地提高光电面的量子效率。
棱镜也可以还具有一对侧面，该一对侧面设置于光入射面及光反射面与底面之间，从与底面相对的方向观察时隔着光入射面及光反射面而彼此相对。这样的一对侧面作为用于支承(保持)棱镜的面发挥功能。例如作业者能够夹着一对侧面来保持棱镜。由此，例如能够实现将棱镜安装于透光性基板时等的作业性的提高。
上述电子管还可以包括电子倍增部，该电子倍增部设置于真空容器内，使光电子倍增。或者，电子检测部也可以是使光电子倍增的半导体元件。根据上述结构，即使在被检测光为微弱光(例如通过对测量对象试样照射激励光而二次产生的荧光和拉曼散射光等)的情况下，也能够在电子检测部中适当地检测与被检测光对应的电子。
光反射面的曲面形状也可以是由多个平面近似地构成的曲面形状。在该情况下，能够仅通过直线地切断棱镜部件的加工来形成光反射面，所以加工变得容易。
本发明的另一方面的电子管模块包括上述电子管和收纳电子管的壳体，壳体具有形成有开口的壁部，电子管以从开口导入的光向光入射面入射的方式配置在壳体内。
上述电子管模块通过包括上述电子管，起到与上述电子管同样的效果。另外，通过在壳体内收纳电子管，能够适当地保护电子管。
光入射面也可以形成为平面状，以与壁部平行的方式配置。由此，能够容易地进行壳体内的电子管的定位。
根据本发明的又一实施例，提供了一种光学装置，包括：上述电子管；和光源，被配置为输出照射到测量对象上的光，其中电子管被配置为使得通过将光照射到测量对象上而产生的被检测光入射到光入射面上。
上述光学装置通过包括上述电子管作为检测被检测光的检测部，起到与上述电子管同样的效果。
电子管也可以构成为，经由棱镜和透光性基板入射到光电面的被检测光的一部分或全部在光电面与真空空间的界面全反射。根据上述结构，能够通过在全反射后再次返回到光电面的被检测光来增大光电面中的被检测光的吸收量，能够有效地提高光电面的量子效率。
发明效果
根据本发明，能够提供能够有效地提高光电面的量子效率的电子管、电子管模块和光学装置。
附图说明
图1是第1实施方式的电子管的截面图。
图2是图1的电子管的俯视图。
图3是图1的电子管所包括的棱镜的立体图。
图4是表示图1的电子管中的被检测光的光路的示意图。
图5是用于说明被检测光在光电面与真空空间的界面全反射的条件的示意图。
图6是第2实施方式的电子管的截面图。
图7是实施方式的电子管模块的立体图。
图8是电子管模块的局部截面图。
图9是光学装置的第1例的概略结构图。
图10是光学装置的第2例的概略结构图。
图11是光学装置的第3例的概略结构图。
图12是表示棱镜的第1变形例的立体图。
图13是表示棱镜的第2变形例的截面图。
图14是表示棱镜的第3变形例的截面图。
图15是表示棱镜的第4变形例的截面图。
图16是表示棱镜的第5变形例的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记，并省略重复的说明。
[第1实施方式]
如图1和图2所示，第1实施方式的电子管1A是具有电子倍增功能(后述的电子倍增部9)的光电倍增管。在图1和图2中，Z轴方向是电子管1A的延伸方向(即，后述的侧管2的延伸方向)。Y轴方向是后述的棱镜16的一对侧面16d彼此相对的方向。X轴方向是与Y轴方向和Z轴方向正交的方向。在从Z轴方向观察的情况下，X轴方向也是沿着后述的被检测光L的光轴(中心轴)的方向。
电子管1A具有呈大致圆筒形状的金属制的侧管2。在侧管2的上侧端部气密地固定有对入射光(被检测光)具有良好的透光性的透光性基板3。在本实施方式中，透光性基板3形成为圆板状，透光性基板3的周缘部固定于侧管2的上侧端部。在侧管2的下侧的开口端配置有圆板状的管座4。在管座4上气密地插装有在大致圆周上的位置沿周向相互分离地配置的多个导电性的管座销5。各管座销5插通于在管座4的上表面侧和下表面侧的相互对应的位置形成的开口4a。另外，以从侧方包围管座4的方式气密地固定有金属制的环状侧管6。形成于侧管2的下端部的凸缘部2a与形成于环状侧管6的上端部的凸缘部6a相互焊接，侧管2与环状侧管6相互气密地固定。这样，内部保持为真空状态的真空容器7由侧管2、透光性基板3和管座4形成。
在真空容器7内设置有光电面8、电子倍增部9和阳极10(电子检测部)。光电面8设置于透光性基板3的真空空间S侧的内表面3a。光电面8可以直接设置在透光性基板3的内表面3a上，也可以隔着基底层(例如氧化锰、氧化镁、氧化钛等氧化物等)设置在透光性基板3的内表面3a上。光电面8根据经由透光性基板3入射的光向真空空间S放出光电子。光电面8是所谓的透射型的光电面，在透光性基板3侧的上表面接受光，从真空空间S侧的下表面放出光电子。光电面8例如可以由GaAsP、GaAs、InGaAs等材料形成。或者，光电面8也可以是碱性锑化物光电面或碱性碲化物光电面。
在此，从增加光电面8中的被检测光的吸收量的观点出发，优选光电面8的厚度较大。另一方面，从提高电子从光电面8向真空空间S的放出效率的观点出发，优选光电面8的厚度小。电子管1A通过包括后述的棱镜16，能够有效地增大光电面8中的被检测光的吸收量，所以能够相应地减小光电面8的厚度。基于以上，在光电面8由GaAsP、GaAs或InGaAs形成的情况下，光电面8的膜厚也可以为3μm以下。另外，在光电面8为碱性锑化物光电面或碱性碲化物光电面的情况下，光电面8的膜厚可以设为0.5μm以下。
光电面8沿着透光性基板3的内表面3a形成为平板状。在该情况下，通过在透光性基板3的内表面3a成膜，能够容易地形成光电面8。另外，光电面8形成于透光性基板3的内表面3a的一部分。作为一例，在从透光性基板3的厚度方向(Z轴方向)观察的情况下，光电面8形成为以透光性基板3的大致中心位置为中心且具有比透光性基板3小的半径的圆形状。即，在透光性基板3的内表面3a的外缘部未设置光电面8。在该情况下，与在透光性基板3的整个内表面3a形成光电面8的情况相比，能够降低光电面8的材料成本。
电子倍增部9使从光电面8放出的光电子倍增。在本实施方式中，电子倍增部9通过将具有多个电子倍增孔的薄板状的倍增极板11层叠多级而形成为块状，并设置于管座4的上表面。在各倍增极板11的缘部形成有向外侧突出的倍增极板连接片11a。在各倍增极板连接片11a的下表面侧，焊接固定有插装于管座4的规定的管座销5的前端部分。由此，各倍增极板11与各管座销5电连接。
阳极10检测源自从光电面8放出的光电子的电子。在此，源自从光电面8放出的光电子的电子可以是该光电子本身，也可以是基于该光电子而二次产生的电子。在本实施方式中，阳极10检测由电子倍增部9倍增后的二次电子(即，基于从光电面8放出的光电子而二次地产生的电子)。在本实施方式中，阳极10被设置在比最后级倍增极板11b高1级，构成为用于将从最后级倍增极板11b放出的二次电子作为输出信号取出的平板状的阳极部件。
在光电面8与电子倍增部9之间，设置有用于使从光电面8放出的光电子会聚并引导至电子倍增部9的平板状的会聚电极12。在会聚电极12上焊接固定有管座销5(未图示)。由此，会聚电极12与管座销5电连接。另外，在阳极10上焊接固定有作为管座销5之一的阳极销5A。由此，阳极10与阳极销5A电连接。而且，通过与电源电路(例如，图8所示的电路基板41)连接的管座销5，以光电面8和会聚电极12成为相同电位、且各倍增极板11随着从上级朝向下级而成为高电位的方式施加电压。另外，以阳极10成为比最后级倍增极板11b高的电位的方式施加电压。
轴管座4由基体材料13、与基体材料13的上侧(内侧)接合的上侧按压材料14、与基体材料13的下侧(外侧)接合的下侧按压材料15形成为3层结构。在管座4的侧面固定有上述的环状侧管6。在本实施方式中，通过将基材13的侧面与环状侧管6的内壁面接合，而将管座4固定于环状侧管6。
在真空容器7的外侧，电子管1A包括作为透明结构体的棱镜16。棱镜16与透光性基板3的内表面3a的相反侧的外表面3b接合。如图1～图3所示，棱镜16具有底面16a、光入射面16b、光反射面16c和一对侧面16d。棱镜16的材料例如是丙烯酸树脂、玻璃等。
底面16a是与透光性基板3的外表面3b接合的面。底面16a与透光性基板3的外表面3b能够通过光学粘接剂相互粘接。或者，底面16a与透光性基板3的外表面3b能够通过光学接触而相互接合。底面16a形成为平面状(平坦面)。底面16a形成为大致矩形状。在底面16a的长度方向(X轴方向)上的一端连接有光入射面16b。在底面16a的长度方向上的另一端连接有光反射面16c。在底面16a的短边方向(Y轴方向)上的两端分别连接有侧面16d。
底面16a的长度方向的长度与透光性基板3的直径大致一致。如图2所示，从与底面16a垂直的方向(Z轴方向)观察，底面16a的长边方向上的两端部的位置与透光性基板3的缘部的位置一致。底面16a的长度方向上的一端(即，与光入射面16b连接的端部)不位于比透光性基板3的缘部靠内侧的位置，由此，在后述的电子管模块30的壳体31内配置电子管1A时，能够使光入射面16b与壳体31的顶壁32的内侧面32c抵接(参照图8)。但是，在不需要这样将电子管1A配置于壳体31内的情况下，底面16a的与光入射面16b连接的端部也可以位于比透光性基板3的缘部靠内侧的位置。另外，在本实施方式中，作为一例，底面16a的长度方向上的一端具有矩形状的角部。另一方面，底面16a的长度方向上的另一端由于与该另一端连接的光反射面16c具有曲面形状，所以形成为沿着透光性基板3的缘部的圆弧状。
光入射面16b是被检测光L(参照图4)入射的面。光入射面16b形成为平面状(平坦面)。从底面16a的短边方向(Y轴方向)观察，光入射面16b相对于底面16a倾斜。底面16a与光入射面16b所成的角度为锐角。在本实施方式中，由光入射面16b的整体构成被检测光L入射的光入射部。
在光入射面16b设置有防反射膜17。通过以覆盖光入射面16b的方式设置防反射膜17，能够有效地降低光入射面16b上的被检测光的反射损失。防反射膜17可以是单层膜，也可以是多层膜。在将防反射膜17形成为单层膜的情况下，防反射膜17例如可以由MgF2等形成。在将防反射膜17形成为多层膜的情况下，防反射膜17例如可以由TiO2、Ta2O5、SiO2、Al2O3、MgF2等形成。作为防反射膜17的成膜方法，例如可以使用真空蒸镀、溅射等方法。
光反射面16c通过使经由棱镜16和透光性基板3入射到光电面8并在光电面8与真空空间S的界面反射的光进一步反射，而作为使该光再次入射到光电面8的反射部发挥功能。光反射面16c形成为向外侧凸出的曲面形状。例如，光反射面16c形成为圆顶状(球面状或抛物面状等曲面形状)。
在此，图1中的假想线表示沿着光反射面16c的假想的球面P。此外，在光反射面16c是球面状以外的曲面形状的情况下，假想的球面P是与光反射面16c近似的球面，不需要与光反射面16c完全重叠。光入射面16b位于比该假想的球面P靠内侧的位置。换言之，在本实施方式中，光入射面16b不与光反射面16c平滑地连续。即，光入射面16b与假定光入射面构成为与光反射面16c平滑地连续的面的情况相比位于内侧。根据上述结构，光入射面16b与光电面8的距离比单纯地将棱镜形成为半球状的情况短。
在光反射面16c设置有用于提高光的反射率的反射膜18。反射膜18例如可以由铝、铝系合金、银、银系合金、金、电介质多层膜等形成。
一对侧面16d设置于光入射面16b和光反射面16c与底面16a之间。一对侧面16d从与底面16a相对的方向(Z轴方向)观察时隔着光入射面16b和光反射面16c而彼此相对。更具体而言，一个侧面16d设置成连接光入射面16b和光反射面16c的Y轴方向上的一个端部和底面16a的Y轴方向上的一个端部。另一个侧面16d以连接光入射面16b和光反射面16c的Y轴方向上的另一个端部与底面16a的Y轴方向上的另一个端部的方式设置。各侧面16d是与Y轴方向交叉的面。在本实施方式中，各侧面16d与Y轴方向正交，沿着XZ平面。这样的一对侧面16d作为用于支承(保持)棱镜16的面发挥功能。另外，通过一对侧面16d，棱镜16的中心的定位也变得容易。另外，在将电子管1A模块化时，一对侧面16d也能够用作用于将电子管1A(棱镜16)固定于壳体的面。例如，作业者能够夹着一对侧面16d保持棱镜16。由此，例如能够实现将棱镜16安装于透光性基板3时等的作业性的提高。
参照图4，对通过棱镜16提高光电面8的量子效率的原理进行说明。在图4中，概略地表示了上述的电子管1A的构成要素中的侧管2的一部分、透光性基板3、光电面8和棱镜16。如图4所示，被检测光L是朝向棱镜16的光入射面16b的光。被检测光L可以是平行光，也可以是非平行光。在图4的例子中，被检测光L是以在光电面8的大致中心具有焦点的方式被未图示的透镜等聚光的光(非平行光)。
如图4所示，被检测光L经由棱镜16和透光性基板3入射到光电面8。在本实施方式中，电子管1A以被检测光L的一部分或全部相对于被检测光L的光轴在光电面8的真空空间S侧的内表面8a与真空空间S的界面全反射的方式(即，以满足后述的式(3)的方式)配置。在该情况下，被检测光L在光电面8的内表面8a与真空空间S的界面全反射，朝向棱镜16的光反射面16c。该被检测光L在设置有反射膜18的棱镜16的光反射面16c被反射，从而再次朝向光电面8。此外，在将光反射面16c形成为完全的半球面状的情况下，也可能存在在光反射面16c反射的光的大部分不返回到光电面8的情况。因此，光反射面16c的曲率也可以根据设想的入射光(入射到光入射面16b的光)的角度等来设定。即，光反射面16c的曲率也可以以在光反射面16c反射的光向光电面8的入射效率(入射量)成为最大的方式最适化。更具体而言，为了使在光电面8与真空空间S的界面全反射的光的大部分适当地再次入射到光电面8，光反射面16c的曲率、位置、大小等能够根据入射到光入射面16b的光的聚光角或发散角、或者光电面8上的入射光直径等来设计。
参照图5，对用于使被检测光L的一部分或全部在光电面8的内表面8a与真空空间S的界面全反射的条件进行说明。在此，将棱镜16的折射率设为n1(＞1)，将透光性基板3的折射率设为n2(＞1)，将光电面8的折射率设为n3(＞1)。真空空间S的折射率为1。另外，将从棱镜16向透光性基板3入射的被检测光L的入射角设为θ1，将从透光性基板3向光电面8入射的被检测光L的入射角设为θ2，将从光电面8向真空空间S入射的被检测光L的入射角设为θ3。另外，将从光电面8向真空空间S入射的被检测光L的临界角(在光电面8与真空空间S的界面发生全反射的最小的入射角)设为θ0。在该情况下，下述式(1)和(2)成立。而且，用于使被检测光L在光电面8的内表面8a与真空空间S的界面全反射的条件由下述式(3)表示。因此，为了使被检测光L在光电面8的内表面8a与真空空间S的界面全反射，电子管1A只要以基于被检测光L相对于透光性基板3的入射角θ1而确定的θ3满足下述式(3)的方式相对于被检测光L的光轴配置即可。其中，被检测光L的全部成分不一定需要满足下述式(3)。即使在以被检测光L的一部分满足下述式(3)的方式调整电子管1A的配置等的情况下，也能够实现光向光电面8的入射效率的提高。
n1sinθ1＝n2sinθ2＝n3sinθ3…(1)
n3sinθ0＝1…(2)
θ3≧θ0…(3)
根据以上所述的电子管1A，能够使从棱镜16的光入射部(在本实施方式中为光入射面16b)入射并在光电面8与真空空间S的界面反射的光在棱镜16的光反射面16c进一步反射而再次入射到光电面8。其结果是，能够使光电面8中的被检测光L的吸收量增大。在此，通过光反射面16c具有向外侧凸出的曲面形状，能够使从光电面8朝向光反射面16c的光适当地返回到光电面8。并且，棱镜16的光入射部(光入射面16b)位于比沿着光反射面16c的假想的球面P靠内侧的位置，由此，与例如棱镜16构成为半球状的情况(即，由半球面状的棱镜的表面构成光入射部的情况)相比，能够使光源接近光电面8。其结果是，在被检测光L为发散光的情况下，能够抑制被检测光L在从光入射面16b到光电面8的期间过度扩散，能够使被检测光L(包括由光反射面16c反射的光)适当地入射到光电面8。另外，在被检测光L为会聚光的情况下，容易将被检测光L的焦点调整到光电面8附近。如上所述，根据电子管1A，能够有效地提高光电面8的量子效率。
另外，光入射部(光入射面16b)形成为平面状(平坦面)。由此，例如通过直线地切断半球状的棱镜部件，能够比较简单地制作棱镜16。另外，在后述的电子管模块30中，能够容易地进行电子管1A的定位。
另外，由光入射面16b的整体构成光入射部。在该情况下，能够将光入射面16b构成为相同的面(在本实施方式中为平坦面)，所以能够使光入射面16b的结构简单化。即，不需要在光入射面16b的一部分加工用于使光入射的特别的区域，所以能够容易地进行光入射面16b的加工。
另外，在光入射面16b设置有防反射膜17。在该情况下，通过防反射膜17，能够有效地减少光入射面16b上的被检测光L的反射损失。即，能够降低被检测光L中的未透过棱镜16而在光入射面16b反射的光的比例。由此，能够使光电面8中的被检测光L的吸收量增大，能够有效地提高光电面8的量子效率。
另外，在光反射面16c设置有反射膜18。通过反射膜18，能够减少光反射面16c中的光的透过损失(从光反射面16c向外部透过的成分)。由此，能够抑制由光反射面16c反射而再次入射到光电面8的光量的减少，所以能够有效地提高光电面8的量子效率。
另外，电子管1A设置在真空容器7内，具有使从光电面8放出的光电子倍增的电子倍增部9。由此，即使在被检测光L为微弱光(例如通过对测量对象试样照射激励光而二次产生的荧光和拉曼散射光等)的情况下，也能够在阳极10中适当地检测与被检测光L对应的电子。
[第2实施方式]
如图6所示，第2实施方式的电子管1B关于用于使从光电面8放出的光电子倍增的结构(即，真空容器内的结构)，具有与电子管1A不同的结构。在电子管1B所包括的结构中，透光性基板3、光电面8、棱镜16、防反射膜17和反射膜18的结构与电子管1A相同。电子管1B是所谓的电子注入倍增型光传感器(HPD：Hybrid Photo-Detector)，其根据光的入射使从光电面8放出的光电子加速，在半导体元件中得到高增益，由此能够检测微弱光。
如图6所示，电子管1B具有内部被保持为真空的真空容器20。在本实施方式中，作为一例，真空容器20包括：透光性基板3；筒状的阴极电极21；圆筒状的侧板22，其由陶瓷等绝缘性材料构成；环状的中间电极23a，其以夹在通过将侧板22分割成4部分而形成的第1侧板22a与第2侧板22b之间的方式固定；环状的中间电极23b，其以夹在第2侧板22b与第3侧板22c之间的方式固定；环状的中间电极23c，其以夹在第3侧板22c与第4侧板22d之间的方式固定；金属凸缘24；和圆板状的管座25，其与金属凸缘24气密地连接。透光性基板3、阴极电极21、侧板22、中间电极23、金属凸缘24和管座25相互同心状地层叠配置。
侧板22设置在阴极电极21与金属凸缘24之间。侧板22的一端通过焊料等气密地接合于阴极电极21的端面。侧板22的另一端通过焊料等气密地接合于在管座25的外周设置的金属凸缘24。另外，中间电极23a、23b、23c呈具有以真空容器20的中心轴线AX为中心的开口部的环状，沿着侧板22的内壁隔开规定的间隔，与光电面8电独立地配置。在此，阴极电极21、侧板22和金属凸缘24的筒状部的外径大致相同，阴极电极21的内径比侧板22的内径小。因此，沿着中心轴线AX从阴极电极21的一端到另一端，阴极电极21的内壁面位于比侧板22的内壁面靠内侧的位置。与此相对，中间电极23a、23b、23c的开口部的内径在不与电子轨道干涉的范围内、即与光电面8的直径相比不会极端变小的范围内尽量小，中间电极23a、23b、23c从筒状的侧板22的内壁面与阴极电极21相比进一步向内侧突出。由此，能够消除对从光电面8放出的电子的轨道进行控制时的由杂散电子引起的侧板22的带电、和由该带电引起的对电子轨道的影响。中间电极23a、23b、23c在夹在侧板22的状态下通过焊料等固定，由此实现与侧板22的一体化。
另外，在真空容器20的金属凸缘24的中心轴线AX侧固定有环状的立起电极26。该立起电极26与金属凸缘24同心状地配置，具有直径比中间电极23a、23b、23c小的开口。该开口形成朝向透光性基板3沿着侧板22的内壁延伸的大致圆柱形状的前端部26a。
在管座25的真空空间S侧的面上，以与光电面8相对的方式固定有包含APD(雪崩光电二极管)的半导体元件27(电子检测部)。APD是将浓度高的P区域与N区域接合，在此形成雪崩放大所需的足够高的电场的半导体元件。当从光电面8放出的光电子照射到半导体元件27的表面即电子入射面时，半导体元件27使该光电子倍增而转换为电信号，并经由贯通管座25而设置的销28向外部输出。
如上所述，在电子管1B中，具有使光电子倍增的功能的半导体元件27作为电子检测部发挥功能。根据上述结构，即使在被检测光为微弱光的情况下，也能够在半导体元件27中适当地检测与被检测光对应的电子。另外，在电子管1B中，作为电子检测部发挥功能的半导体元件27具有电子倍增功能，所以不需要设置第1实施方式的电子管1A中的电子倍增部9。另外，电子管1B的具体结构不限于上述例子。例如，可以省略中间电极23的一部分，也可以省略立起电极26。
[电子管模块]
参照图7和图8，对包括上述的电子管(在此，作为一个例子，电子管1A)的电子管模块30进行说明。电子管模块30包括电子管1A和收纳电子管1A的壳体31。壳体31形成为大致长方体状。壳体31例如由金属或树脂等形成。壳体31具有顶壁32(壁部)、底壁33和侧壁34。顶壁32和底壁33在沿着壳体31的中心轴线AX1的方向上彼此相对。从沿着中心轴线AX1的方向观察，顶壁32和底壁33形成为相同大小的矩形板状。侧壁34形成为沿着中心轴线AX1延伸的方筒状，将顶壁32的缘部与底壁33的缘部连接。
如图8所示，在本实施方式中，用于经由管座销5向电子管1A供给电压的电路基板41、和与电路基板41连接并生成用于向电子管1A供给的高电压的升压电路42与电子管1A一起收纳于壳体31。电子管1A以电子管1A的中心轴线AX2(与图1中的Z轴平行的轴线)相对于壳体31的中心轴线AX1倾斜的方式配置并固定于壳体31内。
在顶壁32形成有用于将被检测光引导至壳体31内的电子管1A的开口32a。开口32a从顶壁32的外侧面32b贯通至内侧面32c。在本实施方式中，从沿着中心轴线AX1的方向观察，开口32a形成为圆形状。
电子管1A以从开口32a导入的光向光入射面16b入射的方式配置在壳体31内。作为一个例子，电子管1A以棱镜16的光入射面16b与顶壁32平行且棱镜16的光入射面16b的至少一部分经由开口32a向外部露出的方式配置于壳体31内。棱镜16的光入射面16b与顶壁32的内侧面32c抵接。由此，能够容易且高精度地将电子管1A定位在壳体31内，使得光入射面16b与顶壁32(内侧面32c)平行。
此外，假设在从沿着中心轴线AX2的方向观察，底面16a的端部(与光入射面16b连接的一侧的端部)位于比透光性基板3的缘部靠内侧的位置的情况下等，透光性基板3的缘部与顶壁32干涉，所以在光入射面16b与顶壁32的内侧面32c之间产生间隙。在这样的情况下，也可以在顶壁32的内侧面32c与光入射面16b之间配置用于填埋该间隙的间隔部件。或者，也可以通过使与该间隙对应的部分处的顶壁32的厚度比其他部分处的厚度大，来使顶壁32的内侧面32c与光入射面16b抵接。
在本实施方式中，棱镜16的光入射面16b与顶壁32的内侧面32c接合。光入射面16b和内侧面32c例如能够通过粘接剂接合。作为粘接剂，例如可以使用硅酮类粘接剂等玻璃粘接用粘接剂。在此，为了使内侧面32c与玻璃粘接用粘接剂的融合性良好，也可以预先在内侧面32c上涂敷适合于内侧面32c的材质的底涂剂。在该情况下，在涂敷于内侧面32c的底涂剂干燥后，涂敷有底涂剂的内侧面32c与光入射面16b通过玻璃粘接用粘接剂而接合。或者，作为粘接剂，也可以使用与内侧面32c的材质融合良好的粘接剂。在该情况下，为了使光入射面16b与该粘接剂的融合性良好，也可以预先在光入射面16b涂敷玻璃用的底涂剂。但是，并非必须使用上述那样的底涂剂。这样，通过相对于顶壁32固定电子管1A的棱镜16，能够适当地防止电子管1A相对于顶壁32的位置偏移。此外，既可以是光入射面16b中的与内侧面32c抵接的部分的整体与内侧面32c接合，也可以是光入射面16b中的与内侧面32c抵接的部分的一部分与内侧面32c接合。另外，光入射面16b不一定需要与顶壁32的内侧面32c接合，电子管1A也可以在光入射面16b以外的部分相对于壳体31固定。
以上所述的电子管模块30通过包括电子管1A，起到与上述的电子管1A同样的效果。另外，通过在壳体31内收纳电子管1A，能够适当地保护电子管1A。另外，形成为平面状的光入射面16b以与顶壁32平行的方式配置，所以壳体31内的电子管1A的定位变得容易。例如，如上所述，通过使光入射面16b与顶壁32的内侧面32c抵接，能够容易地进行电子管1A的定位。另外，通过以顶壁32与被检测光的光轴正交的方式调整电子管模块30的位置，能够容易且适当地配置电子管模块30。另外，壳体31的中心轴线AX1与被检测光的光轴平行，所以在包含电子管模块30的光学系统(后述的光学装置50A～50C等)中，能够将电子管模块30以自然的朝向良好地收纳配置。
[光学装置]
接下来，参照图9～图11，对包括上述的电子管(在此，作为一个例子，包括电子管1A的电子管模块30)的光学装置50A～50C进行说明。
[光学装置的第1例]
如图9所示，第1例的光学装置50A是向载置于试样台51的试样100照射激励光Le，检测在物镜56的焦点位置P0处从试样100产生的微弱的荧光Lf的双光子激光显微镜(双光子激励显微镜、双光子显微镜)。
光学装置50A包括试样台51、激光照射部52A(光源)、聚光透镜53、准直透镜54、分色镜55、物镜56、聚光透镜57、准直透镜58和用于检测荧光Lf的电子管模块30。但是，也可以省略准直透镜58。
试样台51是载置测量对象的试样100的部分。试样台51例如是可动式的工作台。试样100例如是生物体试样，通过被照射激励光Le而发出荧光Lf。激光照射部52A是输出向测量对象的试样100照射的激励光Le(光)的光源。由激光照射部52A输出的激励光Le是近红外超短脉冲激光。在本实施方式中，作为一例，由激光照射部52A输出的激励光Le是平行光。聚光透镜53配置在从激光照射部52A输出的激励光Le的光路上，通过将激励光Le聚光，将激励光Le变换为点光源。准直透镜54配置于比聚光透镜53靠后级的位置，使激励光Le平行化(准直)。分色镜55是构成为反射激励光Le而透射荧光Lf的镜部件，配置在准直透镜54的后级。通过准直透镜54而成为平行光的激励光Le在分色镜55反射，通过物镜56而到达试样100。由此，仅在物镜56的焦点位置P0产生双光子激发，在该焦点位置P0从试样100产生荧光Lf。
在试样100中产生的荧光Lf沿着与激励光Le相反的路径通过物镜56，透过分色镜55。之后，荧光Lf被聚光透镜57聚光。由聚光透镜57聚光的荧光Lf被配置在比聚光透镜57的聚光点靠后方的准直透镜58平行化。如图9所示，电子管模块30以试样100中产生的荧光Lf的光轴OA与棱镜16的光入射面16b正交的方式配置在准直透镜58的后级。另外，荧光Lf以收纳于顶壁32的开口32a的方式被准直透镜58平行化。这样平行化的荧光Lf经由开口32a入射到棱镜16的光入射面16b，由电子管模块30检测。
以上所述的光学装置50A通过包括电子管模块30作为检测被检测光(在此为荧光Lf)的检测部，起到与上述电子管模块30同样的效果。即，通过利用棱镜16，能够有效地提高电子管1A中的光电面8的量子效率。其结果是，在电子管1A的阳极10中，能够适当地检测与荧光Lf对应的电子。另外，如图9所示，通过将电子管1A收纳于壳体31，在光学装置50A中，能够以壳体31的中心轴线AX1(参照图8)与被检测光(荧光Lf)的光轴OA平行的方式收纳良好地配置电子管模块30。
另外，在光学装置50A中，电子管1A也可以构成为经由棱镜16和透光性基板3入射到光电面8的荧光Lf(被检测光)的一部分或全部在光电面8与真空空间S的界面全反射。具体而言，也可以在光学装置50A中构成和配置电子管1A，使得对于图5中的作为被检测光L的荧光Lf，上述式(3)成立。在该情况下，通过在光电面8与真空空间S的界面全反射后再次返回到光电面8的荧光Lf，能够使光电面8中的荧光Lf的吸收量增大，能够有效地提高光电面8的量子效率。
[光学装置的第2例]
如图10所示，第2例的光学装置50B是向载置于试样台51的试样100(测量对象)照射激励光Le，在物镜56的焦点位置P0检测从试样100产生的微弱的荧光Lf1的共焦激光显微镜。光学装置50B包括激光照射部52B来代替激光照射部52A，还包括针孔59，这一点与光学装置50A不同，其他结构与光学装置50A相同。
具体而言，由激光照射部52B输出的激励光Le是可见紫外光激光。在该情况下，通过对试样100照射激励光Le，从包含物镜56的焦点位置P0以外的区域的照射区域产生荧光。在图10中，荧光Lf1表示在焦点位置P0产生的荧光，荧光LF2表示在焦点位置P0以外的位置(在此作为一例为试样100与试样台51的接触位置附近)产生的荧光。这样，在光学装置50B中，在焦点位置P0以外的区域中也产生荧光LF2，所以在聚光透镜57的后级设置有用于仅使来自焦点位置P0的荧光Lf1通过的针孔59。由此，仅荧光Lf1通过针孔59，经由准直透镜58被引导至电子管模块30的入射面(棱镜16的光入射面16b)。即，针孔59遮蔽在焦点位置P0以外的区域中产生的荧光LF2。在以上所述的光学装置50B中，也起到与上述的光学装置50A同样的效果。
[光学装置的第3例]
如图11所示，根据第3例的光学装置50C是执行流式细胞术的装置(流式细胞仪)。光学装置50C包括激光照射部52C、流动室FC、准直透镜60、多个(在此作为一例为3个)分色镜61A、61B、61C、多个聚光透镜62A、62B、62C、多个准直透镜63A、63B、63C和多个电子管模块30A、30B、30C。但是，也可以省略准直透镜63A、63B、63C。
流动室FC是使包含成为测量对象的多个细胞等试样100的试样溶液流通的装置。流动室FC具有以试样溶液中的试样100依次各流动1个的方式进行排列的功能。激光照射部52C构成为对流动室FC中的规定的照射位置照射激励光Le(在此作为一例为488nm氩激光)。由此，对在流动室FC内流通并通过照射位置的各试样100依次照射激励光Le。通过这样对试样100照射激励光Le，在试样100中产生荧光Lf。
准直透镜60使在试样100中产生的荧光Lf平行化。在准直透镜60的后级依次配置有分色镜61A、61B、61C。在此，作为一个例子，第一级的分色镜61A构成为反射红色光Lr，使波长比红色光Lr短的光透过。配置于分色镜61A的后段的第二级的分色镜61B构成为对透过分色镜61A的光中的黄色光Ly进行反射，并使波长比黄色光Ly短的光透过。配置于分色镜61B的后段的第三级的分色镜61C构成为对透过分色镜61B的光中的绿色光Lg进行反射，并使波长比绿色光Lg短的光透过。
在由分色镜61A反射的红色光Lr的光路上配置有聚光透镜62A、准直透镜63A和电子管模块30A。即，分色镜61A、聚光透镜62A、准直透镜63A和电子管模块30A构成检测荧光Lf所包含的红色光Lr的光学系统。电子管模块30A以被分色镜61A反射的红色光Lr的光轴OA1与棱镜16的光入射面16b正交的方式配置在准直透镜63A的后级。红色光Lr通过聚光透镜62A和准直透镜63A，以收敛于顶壁32的开口32a的方式被平行化。这样平行化的红色光Lr经由开口32a入射到棱镜16的光入射面16b，由电子管模块30A检测。
在被分色镜61B反射的黄色光Ly的光路上配置有聚光透镜62B、准直透镜63B和电子管模块30B。即，分色镜61B、聚光透镜62B、准直透镜63B和电子管模块30B构成检测荧光Lf所包含的黄色光Ly的光学系统。电子管模块30B以被分色镜61B反射的黄色光Ly的光轴OA2与棱镜16的光入射面16b正交的方式配置于准直透镜63B的后级。黄色光Ly通过聚光透镜62B和准直透镜63B以收敛于顶壁32的开口32a的方式平行化。这样平行化的黄色光Ly经由开口32a入射到棱镜16的光入射面16b，由电子管模块30B检测。
在被分色镜61C反射的绿色光Lg的光路上配置有聚光透镜62C、准直透镜63C和电子管模块30C。即，分色镜61C、聚光透镜62C、准直透镜63C和电子管模块30C构成检测荧光Lf所包含的绿色光Lg的光学系统。电子管模块30C以被分色镜61C反射的绿色光Lg的光轴OA3与棱镜16的光入射面16b正交的方式配置在准直透镜63C的后级。绿色光Lg被聚光透镜62C和准直透镜63C平行化，以收敛于顶壁32的开口32a。这样平行化的绿色光Lg经由开口32a入射到棱镜16的光入射面16b，由电子管模块30C检测。
以上，作为包含电子管(在此为电子管模块)的光学装置的例子，对3个光学装置50A、50B、50C进行了说明，但光学装置的结构并不限定于上述结构。例如，在上述的光学装置50A、50B、50C中，作为检测被检测光的部分，也可以不设置电子管模块30，而设置未收纳于壳体31的状态的电子管1A。另外，电子管1A、1B或电子管模块30也可以组装到本发明所例示的光学装置50A、50B、50C以外的光学装置中。即，电子管1A、1B或电子管模块30也可以用于双光子激光显微镜、共焦激光显微镜和流式细胞仪以外的用途。另外，被检测光也可以不使用图9～图11的例子那样的光学系统，而经由例如光纤等导光体向棱镜16的光入射部(光入射面16b)引导。
[变形例]
以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式。例如，各结构的材料和形状不限于上述的材料和形状，能够采用各种材料和形状。例如，棱镜的形状不限于上述实施方式的棱镜16。以下，对棱镜的几个变形例进行说明。
(棱镜的第1变形例)
图12是表示第1变形例的棱镜16A的立体图。在棱镜16A中，光反射面16c的曲面形状是由多个平面部19近似地构成的曲面形状。更具体而言，光反射面16c由多个平面部19形成。即，光反射面16c通过多个平面状的部分(平面部19)相互连结而形成。在该情况下，能够仅通过直线地切断棱镜部件的加工来形成光反射面16c，所以加工变得容易。此外，构成光反射面16c的平面部19的个数、以及各平面部19的形状和大小并不限定于特定的方式。另外，通过减小每一个平面部19的大小，增多构成光反射面16c的平面部19的个数，能够得到近似度高的曲面形状。
(棱镜的第2变形例)
图13是表示第2变形例的棱镜16B的截面图。棱镜16B在形成有在光入射面16b的一部分开口的凹部16e这一点上与棱镜16不同。凹部16e例如是截面圆柱状的非贯通孔。在棱镜16B中，例如在从光纤等导光体的前端部输出被检测光的情况下(即，光纤的前端部成为光源的情况下)，通过使光纤的前端部进入凹部16e内，能够进一步缩短光源与光电面8的距离。在这样的棱镜16B中，光入射部由凹部16e构成。更具体而言，凹部16e的底面16f作为光入射的光入射部发挥功能。其中，在棱镜16B中，在光入射面16b的整体设置有防反射膜17，但如上所述，在仅向凹部16e的底面16f(光入射部)入射光的情况下，也可以仅在该底面16f设置防反射膜17。另外，在棱镜16B中，底面16f形成为平面状(平坦面)，但底面16f可以形成为向内侧凸出的曲面形状，也可以形成为向外侧凸出的曲面形状。根据棱镜16B，通过使光源(在此为光纤的前端部)进入凹部16e内，能够使光源更接近光电面8。
(棱镜的第3变形例)
图14是表示第3变形例的棱镜16C的截面图。棱镜16C在光入射面16b具有与光反射面16c连续的曲面形状这一点上与棱镜16B不同。即，棱镜16C在半球状的棱镜的光入射面16b的一部分形成有凹部16e。通过这样的结构，也能够得到与棱镜16B同样的效果。
(棱镜的第4变形例)
图15是表示第4变形例的棱镜16D的截面图。棱镜16D在光入射面16b不是平坦面而具有向内侧凸出的曲面形状这一点上与棱镜16不同。根据这样的棱镜16D，通过使光源接近至光入射面16b的附近，能够使光源与光电面8的距离比使用棱镜16的情况短。
(棱镜的第5变形例)
图16是表示第5变形例的棱镜16E的截面图。棱镜16E在光入射面16b不是平坦面而具有向外侧凸出的曲面形状这一点上与棱镜16不同。另外，光入射面16b的曲率设定在比假想的球面P靠内侧的范围内。根据这样的棱镜16E，例如在入射到光入射面16b的被检测光为平行光的情况下，能够使该平行光朝向光电面8的大致中心位置聚光。
另外，作为电子管的一例，例示了包括电子倍增功能(第1实施方式中的电子倍增部9或第2实施方式中的半导体元件27)的电子管1A、1B(即，光电倍增管或HPD)，但在电子管中，这样的电子倍增功能不是必须的。即，电子管1A、1B也可以构成为在真空容器内具有光电面8和直接检测从光电面8放出的光电子的阳极的光电管(光电转换管)。
附图标记说明
1A、1B…电子管，3…透光性基板，3a…内表面，3b…外表面，7、20…真空容器，8…光电面，9…电子倍增部，10…阳极(电子检测部)，16…棱镜，16a…底面，16b…光入射面(光入射部)，16c…光反射面，16d…侧面，16e…凹部(光入射部)，17…防反射膜，18…反射膜，27…半导体元件(电子检测部)，30、30A、30B、30C…电子管模块，31…壳体，32…顶壁(壁部)，32a…开口，32b…外侧面，32c…内侧面，50A、50B、50C…光学装置，52A、52B、52C…激光照射部(光源)，57、62A、62B、62C…聚光透镜，100…试样(测量对象)，L…被检测光，Le…激励光(光)，Lf…荧光(被检测光)，Lr…红色光(被检测光)，Ly…黄色光(被检测光)，Lg…绿色光(被检测光)，S…真空空间。

Claims (18)

1.一种电子管，其特征在于，包括：
真空容器，其具有透光性基板，构成真空空间；
光电面，其设置于所述透光性基板的作为所述真空空间侧的面的内表面，根据经由所述透光性基板入射的光而向所述真空空间中放出光电子；
电子检测部，其设置在所述真空容器内，检测源自所述光电子的电子；和
棱镜，其接合于所述透光性基板的与所述内表面相反的一侧的外表面，
所述棱镜具有：
底面，其接合于所述透光性基板的所述外表面；
光入射面，其具有供光入射的光入射部；和
光反射面，其通过使入射到所述光入射部并在所述光电面与所述真空空间的界面反射的光进一步反射，从而使该光再次入射到所述光电面，
所述光反射面具有向外侧凸出的曲面形状，
所述光入射部位于比沿着所述光反射面的假想的球面靠内侧的位置。
2.如权利要求1所述的电子管，其特征在于：
所述光电面沿着所述透光性基板的所述内表面形成为平板状。
3.如权利要求1或2所述的电子管，其特征在于：
所述光电面形成于所述透光性基板的所述内表面的一部分。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光入射部形成为平面状。
5.如权利要求1～3中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光入射部具有向外侧凸出的曲面形状。
6.如权利要求1～3中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光入射部具有向内侧凸出的曲面形状。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光入射部由所述光入射面的整体构成。
8.如权利要求1～6中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光入射部由在所述光入射面的一部分开口的凹部构成。
9.如权利要求1～8中任一项所述的电子管，其特征在于：
在所述光入射面的至少所述光入射部设置有防反射膜。
10.如权利要求1～9中任一项所述的电子管，其特征在于：
在所述光反射面设置有反射膜。
11.如权利要求1～10中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述棱镜还具有一对侧面，该一对侧面设置在所述光入射面及所述光反射面与所述底面之间，从与所述底面相对的方向观察时，隔着所述光入射面及所述光反射面而彼此相对。
12.如权利要求1～11中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述电子管还包括电子倍增部，所述电子倍增部设置在所述真空容器内，使所述光电子倍增。
13.如权利要求1～11中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述电子检测部是使所述光电子倍增的半导体元件。
14.如权利要求1～13中任一项所述的电子管，其特征在于：
所述光反射面的所述曲面形状是由多个平面部近似地构成的曲面形状。
15.一种电子管模块，其特征在于，包括：
权利要求1～14中任一项所述的电子管；和
壳体，其收纳所述电子管，
所述壳体具有形成有开口的壁部，
所述电子管以从所述开口导入的光入射到所述光入射面的方式配置在所述壳体内。
16.如权利要求15所述的电子管模块，其特征在于：
所述光入射面形成为平面状，且以与所述壁部平行的方式配置。
17.一种光学装置，其特征在于，包括：
权利要求1～14中任一项所述的电子管；和
光源，其输出向测量对象照射的光，
所述电子管配置为，通过向所述测量对象照射所述光而产生的被检测光入射到所述光入射面。
18.如权利要求17所述的光学装置，其特征在于：
所述电子管构成为，经由所述棱镜和所述透光性基板入射到所述光电面的所述被检测光的一部分或全部在所述光电面与所述真空空间的界面全反射。
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