DE19647428A1

DE19647428A1 - Lichtmessvorrichtung zur Quantifizierung von Photonen

Info

Publication number: DE19647428A1
Application number: DE19647428A
Authority: DE
Inventors: Shinji Ohsuka; Hisayoshi Takamoto
Original assignee: Laboratory of Molecular Biophotonics
Current assignee: Laboratory of Molecular Biophotonics
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1997-06-12
Also published as: GB2307296B; US5715049A; GB9624014D0; GB2307296A; JPH09196752A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtmeßvorrichtung zum Zählen der Anzahl von Photonen eines einfallenden Lichts und insbesondere betrifft sie eine Lichtmeßvorrichtung zur Quantifizierung von Photonen, die beispielsweise auf dem Ge biet der Biochemie oder ähnlichem verwendet wird, zum Zählen der Anzahl von Photonen einer Fluoreszenz, die von einer Pro be abgestrahlt wird und durch eine gepulste Lichtquelle ange regt wird, und zum quantitativen Messen der Anzahl der fluo reszierenden Moleküle in der Probe.

Zum quantitativen Messen einer Menge einer fluoreszierenden Substanz (oder fluoreszierender Moleküle) in einer Probe wird die Probe mit Anregungslicht bestrahlt, und die Intensität einer in der fluoreszierenden Substanz auftretenden Fluores zenz wird gemessen. Eine typische Vorrichtung, die bisher für eine derartige Messung verwendet wurde, ist ein Fluorophoto meter, das beispielsweise eine Xenonlampe als Lichtquelle und eine Photovervielfacherröhre als Fluoreszenzdetektor verwen det. Im allgemeinen sendet die Xenonlampe nicht gepulst, son dern kontinuierlich Licht aus, und die Photovervielfacherröh re empfängt die durch die fluoreszierende Substanz erzeugte Fluoreszenz und gibt kontinuierlich eine Ausgabe eines Aus gangsstroms gemäß der Intensität der Fluoreszenz aus. Die Fluoreszenzintensität wird auf diese Weise gemessen und die Menge des fluoreszierenden Materials wird auf der Grundlage des Wertes des Ausgangsstroms aus der Photovervielfacherröhre bestimmt.

In den Fällen jedoch, in denen die Menge der fluoreszierenden Substanz in der Probe sehr klein ist und die Fluoreszenzin tensität in Abhängigkeit von der Intensität des Anregungs lichts von der Xenonlampe unterhalb der Nachweisgrenze liegt, kann das obige Fluorophotometer nicht verwendet werden. In solchen Fällen wird eine Laserlichtquelle als Anregungslicht quelle verwendet. Auch in diesem Fall mißt ähnlich zu dem obigen Fall die Photovervielfacherröhre die Intensität einer Fluoreszenz, die durch die fluoreszierende Substanz in der Probe erzeugt wird und durch das Laserlicht angeregt wird, und die Menge der fluoreszierenden Substanz wird auf der Grundlage des ausgegebenen Werts aus der Photovervielfacher röhre bestimmt.

Beispiele von Verfahren zum Anregen der fluoreszierenden Sub stanz in der Probe durch gepulstes Laserlicht, das von der Laserlichtquelle emittiert wird, und zum quantitativen Be stimmen der Menge der fluoreszierenden Substanz in der Probe aus den Meßergebnissen der Fluoreszenzintensität, das heißt, aus dem ausgegebenen Wert aus der Photovervielfacherröhre, enthalten das sog. Photonenzählverfahren unter Verwendung ei nes Zählwerts ausgegebener Pulse aus der Photovervielfacher röhre und ein Verfahren, das die Peakhöhenwerte der ausgege benen Pulse aus der Photovervielfacherröhre verwendet.

Weiter enthalten Bestimmungsverfahren mittels des Photonen zählverfahrens ein Verfahren zum Durchführen einer Abschät zung, daß die fluoreszierende Substanz in Proportion zu dem Zählwert vorhanden ist, und ein Verfahren zum Abschätzen der Menge der fluoreszierenden Substanz aus der Wahrscheinlich keit p(0), daß die Anzahl der von einer photoelektrischen Um wandlungsoberfläche der Photovervielfacherröhre emittierten Photoelektronen unter Bestrahlung der Probe mit einem Puls des Laserlichts Null ist, bei dem es sich um das sog. Verfah ren der Wahrscheinlichkeit Null (zero probability method) handelt.

Durch das zuletzt genannte Verfahren der Wahrscheinlichkeit Null, das annimmt, daß die Verteilung der Photoelektronen in der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche als eine Poisson verteilung ausgedrückt werden kann, wird der Mittelwert λ der Photoelektronenzahlen durch die folgende Gleichung abge schätzt.

λ = -log(p(0)) (1)

Dann wird die Menge der fluoreszierenden Substanz als eine Menge proportional zu dem Mittelwert λ bestimmt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Licht meßvorrichtung zu schaffen, die Lichtmengen mit Genauigkeit als Abschätzung des Mittelwerts λ mit hoher Genauigkeit mes sen kann, sogar wenn die Wahrscheinlichkeit der Emission von zwei oder mehr Photoelektronen in der photoelektrischen Um wandlungsoberfläche des Photodetektors hoch ist, oder sogar wenn der Mittelwert λ der Zahl von aus der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche des Photodetektors emittierten Photo elektronen groß ist.

Eine Lichtmeßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung um faßt: (a) einen Photodetektor zum Emittieren von Photoelek tronen in einer Anzahl gemäß einer Photoelektronenzahlvertei lung in Abhängigkeit von einer Zahl von Photonen eines ein fallenden Lichts, zum Vervielfachen der Photoelektronen und zum Ausgeben eines Stromsignals; (b) ein integrierendes Mit tel zum Integrieren des Stromsignals zur Umwandlung des Stromsignals in ein Spannungssignal und zum Ausgeben des Spannungssignals als Peakhöhenwert eines Ereignisses; (c) ein erstes Erzeugungsmittel zum Sammeln eines Peakhöhenwerts für jedes Ereignis und zum Erzeugen einer Peakhöhenverteilung N(h) einer Anzahl von Ereignissen gegenüber dem Peakhöhen wert, wobei h der Peakhöhenwert ist; (d) ein zweites Erzeu gungsmittel zum Erzeugen einer Peakhöhenverteilung p1(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektronen auf der Grund lage einer Peakhöhenverteilung N₁(h), die durch das erste Er zeugungsmittel in einem Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, bei jedem von denen eine Zahl von durch den Photodetektor emittierten Photoelektronen im we sentlichen maximal eins ist, erzeugt wird; (e) ein drittes Erzeugungsmittel zum rekursiven Berechnen von wie nachfolgend definierten Werten auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron

und dadurch zum Erzeugen von Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Ereignissen mit k-Photoelektronen, bei jedem von denen eine Anzahl von von dem Photodetektor emittierten Photoelektronen k ist mit 2 k k_max; und (f) ein Abschätzmittel zum Ab schätzen der Photoelektronenzahlverteilung für einen Fall, bei dem Meßobjektlicht auf den Photodetektor einfällt, auf der Grundlage einer Peakhöhenverteilung N(h), die durch das ersten Erzeugungsmittel erzeugt wird, wenn das Meßobjektlicht auf den Photodetektor in einem normalen Meßmodus einfällt, weiter auf der Grundlage der bereits erhaltenen Peakhöhenver teilung für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron p₁(h) und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) der Ereignisse mit k-Photoelektronen, wodurch eine Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Vor der normalen Lichtmessung sammelt diese Lichtmeßvorrich tung Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, bei jedem von denen die Anzahl der Photoelektronen, die durch den Pho todetektor emittiert werden, maximal eins ist. Es ist theore tisch unmöglich, nur Ereignisse mit einem einzigen Photoelek tron zu erzeugen, es ist jedoch möglich, eine Wahrscheinlich keit des Auftretens von Ereignissen mit einem einzigen Photo elektron über alle Maßen dominant zu machen durch Setzen der Lichtmenge des auf den Photodetektor entfallenden Lichts auf einen sehr kleinen Wert.

Wenn das Licht auf den Photodetektor in dem Zustand einfällt, in dem das sehr schwache Licht auf den Photodetektor ein fällt, wird zuerst maximal ein Photoelektronen in den meisten Fällen emittiert. Dann wird das Photoelektron in dem Photode tektor vervielfacht und ein elektrisches Stromsignal wird aus diesem ausgegeben. Dieses Stromsignal wird über eine vorbe stimmte Zeitdauer durch das integrierende Mittel integriert, um dadurch zu einem Spannungssignal für ein Ereignis zu wer den. Da die Anzahl der in dem Photodetektor bei einem Ereig nis (das heißt, während der vorbestimmten Zeitdauer) emit tierten Photoelektronen in den meisten Fällen maximal eins ist, wie beschrieben wurde, nimmt das Spannungssignal in den meisten Fällen einen Wert gemäß einem Ereignis mit einem ein zigen Photoelektron an. Der Spannungswert des Spannungs signals eines jeden Ereignisses wird als ein Peakhöhenwert eines jeden Ereignisses durch das erste Erzeugungsmittel ge sammelt. Das erste Erzeugungsmittel erzeugt die Peakhöhenver teilung N₁(h) auf der Grundlage der gesammelten Peakhöhenwer te.

Als nächstes nimmt das zweite Erzeugungsmittel die Peakhöhen verteilung N₁(h), die durch das erste Erzeugungsmittel er zeugt wurde, auf und eliminiert das Rauschen in dem Bereich niedriger Peakhöhen und Ereignisse mit null Photoelektronen auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung N₁(h), wodurch die Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron erzeugt wird.

Dann nimmt das dritte Erzeugungsmittel die Peakhöhenvertei lung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, wie durch das zweite Erzeugungsmittel erzeugt wurde, auf und berechnet rekursiv die folgenden Werte auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung p₁(h),

und erzeugt dadurch die Peakhöhenverteilungen der Ereignisse mit k-Photoelektronen p_k(h), bei jedem von denen die Anzahl der durch den Photodetektor emittierten Photoelektronen gleich k ist, wobei gilt 2 k k_max.

Nach dem derartigen Erhalt der Peakhöhenverteilung p_i(h) von Ereignissen, bei jedem von denen die Anzahl der von dem Pho todetektor emittierten Photoelektronen gleich i (1 i k_max) ist, wird eine Messung des normalen Meßobjektlichts ausge führt. Zum Messen des normalen Meßobjektlichts trifft zuerst das Meßobjektlicht auf den Photodetektor zum Emittieren von Photoelektronen. Die derart erzeugen Photoelektronen werden in dem Photodetektor vervielfacht zur Ausgabe eines elektri schen Stromsignals. Dieses Stromsignal wird über die vorbe stimmte Zeitdauer durch das integrierende Mittel integriert, um dadurch zu einem Spannungssignal für ein Ereignis zu wer den. Das erste Erzeugungsmittel sammelt die Spannungswerte des Spannungssignals eines jeden Ereignisses als einen Peak höhenwert für jedes Ereignis. Das erste Erzeugungsmittel er zeugt die Peakhöhenverteilung N(h) auf der Grundlage der ge sammelten Peakhöhenwerte.

Als nächstes sammelt das Abschätzmittel die Peakhöhenvertei lung N(h), die durch das erste Erzeugungsmittel erzeugt wur de, und erhält die Peakhöhenverteilungen p_i(h) von dem drit ten Erzeugungsmittel. Dann schätzt auf der Grundlage der Pe akhöhenverteilung N(h) und der Peakhöhenverteilungen p_i(h) das Abschätzmittel die Photoelektronenzahlverteilung in einem Ereignis ab, wenn das Meßobjektlicht auf den Photodetektor fällt.

Dann wird die Intensität des Meßobjektlichts aus der Photo elektronenzahlverteilung in einem Ereignis, die bei Einfall des Meßobjektlichts abgeschätzt wird, erhalten.

Gemäß der Kenntnis des Erfinders, die als Ergebnis von For schung erhalten wurde, hängt beispielsweise die Anzahl der von der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche einer Photo vervielfacherröhre emittierten Photoelektronen pro Beleuch tung der Probe mit einem Laserlichtpuls von der Photoelektro nenzahlverteilung gemäß der Intensität des einfallenden Lichts ab. Man nehme an, daß p(1) eine Wahrscheinlichkeit sei, daß die Anzahl von gemäß dieser Photoelektronenzahlver teilung emittierten Photoelektronen gleich eins ist, und daß p(x 2) eine Wahrscheinlichkeit ist, daß die Anzahl zwei oder größer ist. Die Photoelektronenzahlverteilung in der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche wird als eine Pois sonverteilung angenommen. Wenn beispielsweise der Mittelwert X der von der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche emit tierten Zahl von Photoelektronen über 0,1 ist, wenn die Pho tovervielfacherröhre die von der fluoreszierenden Substanz, die durch einen Puls eines gepulsten Laserlichts angeregt wird, erzeugte Fluoreszenz empfängt, wird p(x 2)/p(1) zu 5 oder mehr %. Da ein größeres p(x 2)/p(1) eine Abweichung von der proportionalen Beziehung der Fluoreszenzstärke, die auf den Photovervielfacher einfällt, in bezug auf den Zähl wert der Ausgabepulse aus der Photovervielfacherröhre größer macht, wird eine Bestimmung der Menge der fluoreszierenden Substanz aus dem Zählwert der Ausgangspulse aus der Photover vielfacherröhre einen großen Fehler verursachen.

Das Bestimmungsverfahren, das die Wahrscheinlichkeit Null verwendet, weist das folgende Problem auf. Bei diesem Bestim mungsverfahren wird unter der Annahme, daß die Photoelektro nenzahlverteilung in der photoelektrischen Umwandlungsober fläche eine Poissionverteilung ist, der Mittelwert λ der Pho toelektronenzahlen abgeschätzt durch die nachfolgend defi nierte Gleichung, und die Menge der fluoreszierenden Substanz wird bestimmt unter der Annahme, daß sie proportional zu die sem Mittelwert ist.

λ = -log(p(0)) (1)

Wenn hier N die Anzahl der Anregungen durch das gepulste La serlicht ist und n ein Zählwert von Ausgangspulsen aus der Photovervielfacherröhre ist, gilt die folgende Beziehung.

p(0) = 1 - p(x 1) = 1 - n/N (2)

Somit wird die Gleichung 1 wie folgt umgewandelt.

λ = -log(1 - n/N) (3)

Auch im Falle einer Abschätzung des λ-Wertes durch die obige Gleichung wird der Abschätzungsfehler für den λ-Wert größer, wenn der λ-Wert größer wird (z. B. λ < 1,5), das heißt, wenn n sich N annähert.

In der Lichtmeßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung werden vor der Messung des normalen Meßobjektlichts die Er eignisse mit einem einzigen Photoelektron gesammelt, um die Peakhöhenverteilung p₁(h) der Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron zu erhalten. Dann werden beginnend von der Pe akhöhenverteilung p₁(h) die Peakhöhenverteilungen p_k(h) für Ereignisse mit k-Photoelektronen (2 k k_max) auf rekursive Weise berechnet. Auf diese Weise werden die Peakhöhenvertei lungen p_i(h) (1 i k_max) erhalten, die eine Art von Kali brierungsdaten darstellen.

In der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung wird nach dem wie oben beschriebenen Erhalt der Peakhöhenverteilung p_i(h) (1 i k_max) das Meßobjektlicht eingestrahlt, um die Peakhö henverteilung N(h) durch Sammeln von das Meßobjektlicht be treffenden Ereignissen zu erhalten. Dann wird von der Peakhö henverteilung N(h) in bezug auf die Peakhöhenverteilung p_i(h) (1 i k_max) eine Verteilung der Zahl von Photoelektronen, die in der photoelektrischen Oberfläche des Photodetektors bei Einfall des Meßobjektlichts auftreten, abgeschätzt, wo durch die Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Mit anderen Worten, durch Bestimmen des Auftretens von Ereig nissen mit Photoelektronen, bei jedem von denen eine Vielzahl von Photoelektronen in der photoelektrischen Oberfläche auf tritt, werden die Peakhöhenverteilungen der Ereignisse mit k-Photoelektronen statistisch zuverlässig vorläufig abgeschätzt auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron, die durch Messung erhalten wird. Sogar wenn die Anzahl der Photoelektronen, bei jedem Ereignis auftreten, unbekannt ist, und sogar wenn die Wahr scheinlichkeit des Auftretens von mehreren Photoelektronen bei jedem Ereignis hoch ist, kann daher die Verteilung der Zahlen von Photoelektronen, die in der photoelektrischen Oberfläche des Photodetektors bei Einfall des Meßobjektlichts auftreten, mit Genauigkeit abgeschätzt werden, und folglich kann die Intensität des Meßobjektlichts mit Genauigkeit er halten werden durch Abschätzen der Verteilung der Zahl der Photoelektronen, die in der photoelektrischen Fläche des Pho todetektors bei Einfall des Meßobjektlichts auftreten, aus der Peakhöhenverteilung N(h) in bezug auf die Peakhöhenver teilungen p_i(h) (1 i k_max).

In der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung ist ein geeignet verwendbarer Photodetektor ein Photodetektor mit (i) einer photoelektrischen Umwandlungsoberfläche zum Emittieren von Photoelektronen in einer Anzahl gemäß einer Verteilung der Photoelektronenzahl in Abhängigkeit von einer Lichtmenge ei nes darauf einfallenden Strahls; (ii) einer Lawinenphotodi ode, bei der zwischen einer Anode und einer Kathode eine Sperrspannung angelegt ist und bei der ein der photoelektri schen Umwandlungsoberfläche gegenüberliegender Teil auf ein höheres Potential als ein Potential der photoelektrischen Um wandlungsoberfläche eingestellt ist, zur Lawinenvervielfa chung von beim Einfall der Photoelektronen erzeugten Elektro nenlochpaaren und zum Ausgeben des Stromsignals gemäß einer Anzahl von auf diese Weise lawinenvervielfachten Elektronen lochpaaren; und (iii) einem Vakuumbehälter mit einem Ein trittsfenster zum Transmittieren des Strahls und zum Ein schließen der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche und der Lawinenphotodiode.

Der oben beschriebene Photodetektor weist eine hohe Auflösung des Peakhöhenwerts gegen die Photoelektronenzahl auf, und er kann klar Peaks, die jeweils Ereignissen mit k Photoelektro nen, bei jedem von denen die Anzahl der mit Lichteinfall emittierten Photoelektronen k ist, entsprechen, in der Peak höhenverteilung der Stromsignalausgabe aus dem Photodetektor unterscheiden, wobei die Verteilung der Photoelektronenzahl gemäß der Intensität des Einfallslichts und die Intensität des Einfallslichts mit Genauigkeit meßbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung kann das erste Erzeugungsmittel (i) einen Analog/Digital-Wandler zum Empfan gen des Spannungssignals, Umwandeln des Spannungssignals in einen digitalen wert und zum Ausgeben des digitalen Signals als Peakhöhenwert; und (ii) Ereigniszählmittel umfassen zum Zählen und Speichern der Anzahl der auftretenden Ereignisse für jeden digitalen Ausgabewert aus dem Analog/Digital- Wandler, wobei die Peakhöhen h als diskrete Digitalwerte handhabbar sind, ohne eine Notwendigkeit sie als kontinuier licher Wert zu verwenden.

In diesem Fall berechnet das dritte Erzeugungsmittel nachfol gende definierte Werte zum Erhalt einer Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron

Durch Verwenden der digitalen Werte als Startwerte für die Berechnungsarithmetik nach dieser Art kann ein digitaler Com puter mit Berechnungsprogrammen als Mittel zum Ausführen ei ner Berechnung verwendet werden.

In der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung kann das Ab schätzmittel für die Verteilung der Photoelektronenzahl die Verteilung der Photoelektronenzahl durch das Verfahren der maximalen Wahrscheinlichkeit abschätzen. Die Verteilung der Photoelektronenzahl kann auch abgeschätzt werden unter der Annahme, daß die Verteilung der Photoelektronenzahl eine Poissonverteilung ist. In beiden Fällen kann die Verteilung der Photoelektronenzahl gemäß der Lichtmenge des darauf ein fallenden Strahls und die Lichtmenge des Strahls mit Genauig keit gemessen werden.

Falls die Peakhöhenwerte h und die Verteilungen der Peakhöhen p_i(h), N(h) digitale Werte sind, kann ein digitaler Computer zur Abschätzung der Verteilung der Photoelektronenzahl geeig net verwendbar sein.

Eine Erzeugung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelek tron kann durch Verwendung einer Kalibrierungsprobe, die sehr schwaches Licht emittiert, anstelle des Meßobjekts realisiert werden.

Es ist auch möglich, einen solchen Zustand, daß die meisten in dem Photodetektor auftretenden Ereignisse Ereignisse in einem einzigen Photoelektron sind, durch Verwendung des Meß objekts so wie es ist und Verringern des Lichts vor Auftref fen auf den Photodetektor zu realisieren. Entsprechend diesem verfahren kann die Lichtmeßvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weiter Lichtreduzierungsmittel, wie einen lichtver ringernden Filter, umfassen zum Verringern der auf den Photo detektor einfallenden Lichtmenge, wenn dieser in den Sammel modus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron einge stellt ist.

Die erfindungsgemäße Lichtmeßvorrichtung kann auf eine Fluo reszenzmessung angewendet werden, die in dem Meßobjekt bei Bestrahlung des Meßobjekts mit Anregungslicht auftritt. Für eine derartige Fluoreszenzmessung umfaßt die Vorrichtung vor zugsweise (i) eine gepulste Lichtquelle zum Ausgeben gepul sten Lichts zum Bestrahlen eines Meßobjekts und zum Ausgeben eines Timingerzeugungssignals des gepulsten Lichts; und (ii) Betriebstimingsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Inte grationsanweisungssignals und eines Sammelanweisungssignals aus dem Timingerzeugungssignal des gepulsten Lichts und zum Senden des Integrationsanweisungssignals an das integrierende Mittel und des Sammelanweisungssignals an das erste Erzeu gungsmittel.

Eine Erzeugung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelek tron bei Fluoreszenzmessung kann durch Einstrahlung von Anre gungslicht auf die Kalibrierungsprobe, die eine sehr feine und bekannte Menge einer fluoreszierenden Substanz enthält, anstelle des Meßobjekts realisiert werden.

Es ist auch möglich, einen solchen Zustand, daß die meisten der in dem Photodetektor auftretenden Ereignisse Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron sind, durch Verwendung des Meßobjekts so wie es ist und durch Verringerung der Fluores zenz vor Auftreffen auf den Photodetektor zu realisieren. Ge mäß diesem Verfahren kann die erfindungsgemäße Lichtmeßvor richtung weiter die Lichtverringerungsmittel wie einen licht verringernden Filter zum Verringern der auf den Photodetektor einfallenden Lichtmenge enthalten, wenn dieser in den Sammel modus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron einge stellt ist.

Es ist zudem möglich, einen solchen Zustand zu realisieren, daß die meisten der in dem Photodetektor auftretenden Ereig nisse Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron sind, durch Verwendung des Meßobjekts so wie es ist und durch Verringe rung des Anregungslichts vor Bestrahlung des Meßobjekts. Ge mäß diesem Verfahren kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung weiter die Lichtverringerungsmittel wie einen lichtverrin gernden Filter zum Verringern der Intensität des Anregungs lichts, bevor das Anregungslicht das Meßobjekt bestrahlt, um fassen, wenn sie in den Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron eingestellt ist.

Die erfindungsgemäße Lichtmeßvorrichtung kann derart aufge baut sein, daß die Vorrichtung weiter umfaßt: (i) eine vorbe stimmte Anzahl von Vergleichsmitteln zum Vergleichen des Spannungssignals für jedes Ereignis mit einer vorbestimmten Anzahl von zueinander unterschiedlichen Referenzspannungen und zum Ausgeben eines logischen Pulssignals, wenn das Span nungssignal größer ist als eine jeweilige vorbestimmte Refe renzspannung; und (ii) Vergleichsergebniszählmittel zum Zäh len der logischen Pulssignalausgabe aus jeder der vorbestimm ten Anzahl von Vergleichsmitteln, wobei das Abschätzmittel die Verteilung der Photoelektronenzahl für den Fall, daß das Meßobjektlicht auf den Photodetektor einfällt, auf der Grund lage der Zählergebnisse des Vergleichsergebniszählmittels bei Einfall des Meßobjektlichts auf den Photodetektor, und weiter auf der Grundlage der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Ereignis sen mit k-Photoelektronen abschätzt.

In diesem Fall werden ein Komparator und ein zum Zählen bei hoher Geschwindigkeit geeigneter Zähler zur Messung der In tensität des Meßobjektlichts verwendet, und somit kann die Messung der Lichtintensität sehr schnell ausgeführt werden. Wenn beispielsweise diese Lichtmeßvorrichtung in einem Laser abtastfluoreszenzmikroskop zum Erhalt einer zweidimensionalen Verteilung einer fluoreszierenden Substanz einer Probe ver wendet wird, kann eine Wiederholrate der Anregung der Probe erhöht werden, so daß die zum Abtasten des gesamten Abtastbe reichs notwendige Zeit verringert werden kann.

Demgemäß kann die erfindungsgemäße Lichtmeßvorrichtung geeig net als eine Lichtmeßvorrichtung zum quantitativen Messen der Anzahl von fluoreszierenden Molekülen in einer Probe durch Zählen von in der Probe auftretenden und durch eine gepulste Laserlichtquelle angeregten Fluorszenzphotonen, beispielswei se auf dem Gebiet der Biochemie oder ähnlichem, verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Lichtmeßvorrichtung umfaßt vorzugsweise Meßsteuermittel zum Herausgeben einer Anweisung einer Akti vierung des zweiten Erzeugungsmittels im Falle der Einstel lung in den Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron und zum Herausgeben einer Anweisung einer Akti vierung des Abschätzmittels im Falle der Einstellung in den normalen Meßmodus.

In diesem Fall ist eine Bedienungsperson für die Lichtmeßvor richtung nur dazu erforderlich, der Meßsteuervorrichtung zu melden, ob eine Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron oder eine Sammlung von Ereignissen mit dem nor malen Meßobjektlicht ohne Durchführung einer Sammlung von Er eignissen mit einem einzigen Photoelektron oder eine Sammlung von Ereignissen mit dem normalen Meßobjektlicht durchzuführen ist, um individuell das zweite Erzeugungsmittel und das drit te Erzeugungsmittel anzupassen, was die Messung vereinfachen kann.

Beispielsweise kann zur Messung von spontan von dem Meßobjekt emittiertes Meßlicht oder für bei Bestrahlung mit kontinuier lichem Anregungslicht auftretende Fluoreszenzen die Meßsteu ervorrichtung so gestaltet werden, daß sie das Integrati onsanweisungssignal an das integrierende Mittel und das Sam melanweisungssignal an das erste Erzeugungsmittel sendet.

Bei Vorsehung der Meßsteuereinheit kann die Vorrichtung der art gestaltet sein, daß im Falle der Erzeugung von Ereignis sen mit einem einzigen Photoelektron durch den lichtverrin gernden Filter die Meßsteuereinheit, die eine Benachrichtung über eine Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photo elektron oder über eine Sammlung von Ereignissen mit einem normalen Meßlicht empfängt, ein Anweisungssignal für Ereig nisse mit einem einzigen Photoelektron ausgibt, wobei die Vorrichtung weiter Trägermittel umfaßt zum Plazieren der lichtverringernden Filter im optischem Weg des Meßobjekt lichts oder des Anregungslichts, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron im bedeuten den Zustand ist, jedoch zum Entfernen des lichtverringernden Filters auf dem optischen Weg des Meßobjektlichts oder des Anregungslichts, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron nicht im bedeutenden Zustand ist.

Die vorliegende Erfindung läßt sich aus der nachfolgend wie dergegebenen ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend angesehen werden sollen, besser verstehen.

Ein weiterer Bereich der Anwendbarkeit der vorliegenden Er findung wird aus der nachfolgend gegebenen ausführlichen Be schreibung offensichtlich werden. Man sollte jedoch sehen, daß die ausführliche Beschreibung und bestimmte Beispiele, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung be ziehen, lediglich zum Zwecke der Veranschaulichung angegeben wurden, da verschiedene Änderungen und Abwandlungen innerhalb des Grundgedankens und Bereichs der Erfindung dem Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung offensichtlich sein werden. In den begleitenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 2 eine Darstellung des Aufbaus eines eine Lawinenpho todiode verwendenden Photodetektors;

Fig. 3 einen Graphen zur Darstellung der Beziehung zwi schen der Sperrspannung und dem Lawinenverstär kungsfaktor in der Lawinenphotodiode;

Fig. 4 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron in der Lichtmeßvorrichtung der ersten Ausführungsform;

Fig. 5 einen Graphen zur Darstellung der Peakhöhenvertei lung N*₁(h);

Fig. 6 einen Graphen zur Darstellung der Peakhöhenvertei lung p₁(h);

Fig. 7 einen Graphen zur Darstellung der Peakhöhenvertei lung p_k(h) von Ereignissen mit k Photoelektronen;

Fig. 8 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Messung von Meßobjektlicht in der Lichtmeßvorrichtung der ersten Ausführungsform;

Fig. 9 eine Zeichnung zur Darstellung einer Peakhöhenver teilung, die durch Messung des Meßobjektlichts (strichlierte Linie) erhalten wurde, und einer Pe akhöhenverteilung, die auf Grundlage des durch das Verfahren der maximalen Wahrscheinlichkeit abge schätzten λ-Werts berechnet wurde (durchgezogene Linie);

Fig. 10 eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse eines theoretischen Vergleichs zwischen der Lichtmeßvor richtung nach der ersten Ausführungsform und der herkömmlichen Technologie (das Abschätzungsverfah ren, das die Wahrscheinlichkeit von Null verwendet) in Form eines Abschätzungsfehlers des Mittelwerts λ der Photoelektronenzahlen;

Fig. 11 eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse eines theoretischen Vergleichs zwischen der Lichtmeßvor richtung nach der ersten Ausführungsform und der herkömmlichen Technologie (dem Abschätzverfahren unter Verwendung des mittleren Peakhöhenwerts) in Form eines Abschätzungsfehlers des Mittelwerts λ der Photoelektronenzahlen;

Fig. 12 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 13 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer dritten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 14 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron in der Lichtmeßvorrichtung nach der dritten Ausführungsform;

Fig. 15 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Messung des Meßobjektlichts in der Lichtmeßvorrichtung nach der dritten Ausführungs form;

Fig. 16 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer vierten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 17 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer fünften erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 18 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron in der Lichtmeßvorrichtung der fünften Ausführungsform;

Fig. 19 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Messung von Meßobjektlicht in der Lichtmeßvorrichtung nach der fünften Ausführungs form;

Fig. 20 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer sechsten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform;

Fig. 21 eine Zeichnung zur Darstellung der Peakhöhenvertei lungen p_k(h) von Ereignissen mit k Photoelektronen und von Referenzspannungen V_r,1-V_r,6;

Fig. 22 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Messung von Meßobjektlicht in der Lichtmeßvorrichtung nach der sechsten Ausführungs form;

Fig. 23 eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse eines theoretischen Vergleichs zwischen der Lichtmeßvor richtung nach der sechsten Ausführungsform und der herkömmlichen Technologie (dem Abschätzungsverfah ren unter Verwendung der Wahrscheinlichkeit von Null) in Form eines Abschätzungsfehlers des Mittel werts λ der Photoelektronenzahlen;

Fig. 24 eine Darstellung des Aufbaus einer Lichtmeßvorrich tung gemäß einer siebten erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform; und

Fig. 25 ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs bei Messung von Meßobjektlicht in der Lichtmeßvorrichtung nach der siebten Ausführungs form.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsformen im einzelnen in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

In der Beschreibung der Zeichnungen werden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre erneute Be schreibung wird unterlassen.

Fig. 1 ist eine Darstellung eines Aufbaus der Lichtmeßvor richtung gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungs form.

Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung (a) einen Photodetektor 10 zum Empfang von spon tan emittiertem Licht von einem Meßobjekt 910 oder von einer Kalibrierungsprobe 920 über einen Wellenlängenfilter 410, wo bei der Photodetektor Photoelektronen in einer Anzahl gemäß einer Verteilung der Zahl der Photoelektronen in Abhängigkeit von der Anzahl der Photonen des Einfallslichts emittiert, die Photoelektronen vervielfacht und sie als ein Stromsignal aus gibt, (b) einen Integrator 20 zum Integrieren der Strom signalausgabe aus dem Photodetektor 10 und zur Umwandlung desselben in ein Spannungssignal und zum Ausgeben des letzte ren als Peakhöhenwert für ein Ereignis, (c) einen Erzeugungs abschnitt 300 zum Sammeln eines Peakhöhenwerts für jedes Er eignis und zum Erzeugen einer Peakhöhenverteilung N(h) der Ereigniszahl gegen den Peakhöhenwert, wobei h die Peakhöhen werte sind, und (d) einen Bearbeitungsabschnitt 710 zum Sam meln der Peakhöhenverteilung N(h), die durch den Erzeugungs abschnitt 300 erzeugt wurde, zur Verarbeitung von dieser und zur Ausgabe von Betriebstimingsignalen an den Integrator 20 und an den Erzeugungsabschnitt 300.

Der das einfallende Licht empfangende Photodetektor 10 emit tiert Photoelektronen in einer Anzahl gemäß der Verteilung der Photoelektronenzahlen in Abhängigkeit von der Intensität des Einfallslichts und vervielfacht die Photoelektronen zur Ausgabe eines Stromsignals. Beispielsweise ist ein zur Ver wendung geeigneter Photodetektor einer, der eine Lawinenpho todiode verwendet (nachfolgend als LPD bezeichnet). (Vgl. zum Beispiel Shawn J. Fagen, "Vacuum avalanche photodiodes can count single photons," Laser Focus World, Nov. (1993) Seiten 125-132). Fig. 2 zeigt den Aufbau dieses Photodetektors unter Verwendung der LPD.

Dieser Photodetektor 10 ist auf solche Weise gestaltet, daß ein Eintrittsfenster 12 in einem Teil eines Vakuumbehälters 11 ausgebildet ist, dessen Inneres unter Vakuum gehalten wird, wobei das einfallende Licht A durch das Eintrittsfenster 12 durchtritt, um auf eine photoelektrische Oberfläche 13 zu treffen. Da eine Hochspannungsversorgung 19 eine Hochspan nung, beispielsweise -10 kV bis -15 kV, auf die photoelektri sche Umwandlungsoberfläche 13 anwendet, emittiert bei Einfall von Einfallslicht A auf die photoelektrische Umwandlungsober fläche 13 die photoelektrische Umwandlungsoberfläche 13 Pho toelektronen B in einer Anzahl gemäß der Verteilung der Pho toelektronenzahl in Abhängigkeit von der Intensität des Ein fallslichts A. Dann werden die Photoelektronen B durch ein elektrisches Feld zwischen der photoelektrischen Oberfläche 13 und der LPD 15 beschleunigt zur Fokussierung durch eine fokussierende Elektrode 14, die auf ein vorbestimmtes Poten tial gesetzt ist und eine Öffnung in ihrem zentralen Teil aufweist, und dann zum Eintritt in die LPD 15.

Diese LPD 15 ist so gestaltet, daß eine Sperrspannung (+145 Volt) zwischen ihrer Anode 16 und ihrer Kathode 17 durch eine Sperrspannungsversorgung 18 angelegt wird, so daß das Poten tial der Anode 16, die der photoelektrischen Umwandlungsober fläche 13 zugewandt ist, höher ist als das der photoelektri schen Umwandlungsoberfläche 13. Wenn die Photoelektronen B mit dieser LPD 15 zusammenstoßen, wird ein Elektronlochpaar für jedes Vielfache einer Energie von 3,6 eV erzeugt, welche die Photoelektronen bei der Ionisierung in der LPD 15 verloren haben. Dann werden die Elektronenlochpaare in der LPD 15 la winenartig vervielfacht gemäß den Lawinenvervielfachungsfak toren mit der in der Fig. 3 gegen die Sperrspannung gezeigten Beziehung und als elektrisches Stromsignal zwischen dem An odenanschluß 16a und dem Kathodenanschluß 17a aufgegeben. Die in der LPD 15 von den Photoelektronen verlorene Energie ist jedoch nicht konstant, sondern entspricht einer bestimmten Verteilung. Weiter sind auch die Vervielfachungsfaktoren LPD 15 nicht konstant, sondern entsprechen einer bestimmten Ver teilung des Vervielfachungsfaktors. Daher sind auch die Grö ßen der Stromsignalausgabe bei Einfall von einzelnen Photo elektronen in einer bestimmten Verteilung verteilt.

Wenn demgemäß der Photodetektor 10 Licht konstanter Intensi tät viele Male detektiert, wird eine Verteilung der Zahl der von der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche 13 emittier ten Photoelektronen (eine Verteilung der Photoelektronenzahl) zu einer Verteilung, die sich zu einem bestimmten Mittelwert gemäß der Intensität ausbreitet, so daß die Stromsignalausga be aus dem Photodetektor 10 eine Verteilung aufweist, die ge mäß einer Verteilung der Zahlen von Elektronenlochpaaren, die aus der LPD 15 bei Einfall von einem einzigen Photoelektronen ausgegeben werden, weiter ausgebreitet ist.

Dieser Photodetektor 10 unter Verwendung der LPD kann auch einzelne Photonen zählen, wie dies eine Photovervielfacher röhre kann. Weiter weist der Photodetektor 10 ein kleineres Vervielfachungsrauschen als die Photovervielfacherröhre auf, und daher besitzt er die ausgezeichnete Eigenschaft, daß er Peaks identifizieren kann, die jeweils Ereignissen entspre chen mit k-Photoelektronen, das heißt Ereignissen, bei denen die Zahl der bei Einfall von Licht auf die photoelektrische Umwandlungsoberfläche 13 emittierten Photoelektronen k (k = 1, 2, 3, . . .) in der Peakhöhenverteilung von Stromsignalen ist, die durch viele Messungen des Lichts mit konstanter Men ge erhalten werden. Der Photodetektor 10 unter Verwendung der LPD mit derartigen Eigenschaften ist somit zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung geeignet.

Der die Stromsignalausgabe aus dem Photodetektor 10 empfange ne Integrator 20 führt eine zeitliche Integration des Strom signals über eine bestimmte Zeitdauer durch zur Umwandlung desselben in ein Spannungssignal. Dieser Integrator 20 umfaßt einen Schalter 21 und einen Kondensator 22, die parallel zwi schen dem Anodenanschluß 16a und dem Masseanschluß des Photo detektors 10 angeordnet sind. Der Schalter 21 wird synchron mit dem Zeitverhalten des Einfalls des einfallenden Lichts A auf den Photodetektor 10 geöffnet und geschlossen. Beispiels weise wird der Schalter 21 nur für eine konstante Zeit von dem Zeitpunkt t1 zum Zeitpunkt t2 in bezug auf eine Einfalls zeit des gepulsten einfallenden Lichts A geöffnet. Der Kon densator 22 integriert die Stromsignalausgabe aus dem Photo detektor 10 nur während der Öffnungsdauer des Schalters 21, und sein Potential erscheint als Integrationsergebnis an ei nem seiner Anschlüsse (bei Punkt P in der Zeichnung). Wenn der Schalter 21 geschlossen wird, wird die in dem Kondensator 22 angesammelte Ladung entladen, so daß das Potential bei Punkt P auf Massepotential fällt.

Der Erzeugungsabschnitt 300 umfaßt (i) einen Verstärker 30 zum Empfang der Spannungssignalausgabe aus dem Integrator 20 und zur Ausgabe eines verstärkten Signals, (ii) eine Abtast- Halteschaltung 40 zum Abtasten und Halten der Spannungssig nalausgabe aus dem Verstärker 30 gemäß einem Abtastanwei sungssignal, (iii) einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) 50 zum Empfang des Spannungssignals in der Form einer analo gen Signalausgabe aus der Abtasthalteschaltung 40 und zur Um wandlung desselben in ein digitales Signal mit einem digita len Wert (nämlich einem Peakhöhenwert) gemäß einem Spannungs wert in Erwiderung auf ein Analog-zu-Digital-Umwandlungs anweisungssignal AD, und (iv) einen Histogrammspeicher 60 zum Empfang der digitalen Signalausgabe aus dem AD-Wandler 50 und zum kumulativen Addieren eines vorbestimmten Werts (z. B. 1) zu einer Adresse gemäß dem Pulshöhenwert in Erwiderung auf ein Zählanweisungssignal CU. Die Inhalte des Histogrammspei chers 60 werden alle auf Null zurückgesetzt gemäß einer An weisung in Form eines Speicher-Reset-Signals HR.

Der Bearbeitungsabschnitt 710 umfaßt

(i) einen Generator 71, der gemäß einem Aktivierungsanweisungssignal SA aktiviert wird, zur Berechnung von Gleichung 3, die nachfolgend defi niert ist, auf der Grundlage der durch den Erzeugungsab schnitt 300 erzeugten Peakhöhenverteilung N₁(h), wodurch eine Peakhöhenverteilung von Ereignissen mit einem einzigen Photo elektron p₁(h) erhalten wird,
(ii) einen Generator 72 zum rekursiven Berechnen einer Glei chung 4, die nachfolgend definiert ist, auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung der Ereignisse mit einem einzigen Photo elektron p₁(h), um eine Peakhöhenverteilung von Ereignissen mit k-Photoelektronen p_k(h) zu erhalten, bei jedem von denen die Anzahl der in dem Photodetektor 10 emittierten Photoelek tronen k ist (2 k k_max),
(iii) eine Abschätzeinheit 73 zum Abschätzen einer Photoelek tronenzahlverteilung für den Fall, daß Meßobjektlicht auf den Photodetektor 10 einfällt, auf der Grundlage einer Peakhöhen verteilung N(h), die durch den Erzeugungsabschnitt 300 bei Einstellung in den normalen Meßmodus und bei Einfall von Meß objektlicht auf den Photodetektor erzeugt wird, der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilung für Ereignisse mit einem ein eigen Photoelektron p₁(h) und der bereits erhaltenen Peakhö henverteilungen von Ereignissen mit k-Photoelektronen p_k(h), wodurch die Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird;
(iv) eine Schaltvorrichtung zum Empfang der Ausgabe der Peak höhenverteilung N(h) aus dem Erzeugungsabschnitt 300 und zu ihrer Ausgabe wechselweise an den Generator 71 oder die Ab schätzeinheit 73 gemäß einem Datenrichtungsanweisungssignal SK; und (v) eine Meßsteuereinheit 74 zum Ausgeben einer An weisung einer Aktivierung des Generators 71 in einem Sammel modus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron und zum Ausgeben eine Anweisung einer Aktivierung der Abschätzeinheit 73 in dem normalen Meßmodus und zum Ausgeben von Betriebsti mingsignalen (GT, SH, AD, CU, HR) an den Integrator 20 und den Erzeugungsabschnitt 300.

Beispielsweise kann ein digitales Computersystem zur Verwen dung als Bearbeitungsabschnitt 710 geeignet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mißt die Intensität des Ob jektlichts auf die folgende Weise.

Vor der Messung des Objektlichts werden Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 i k_max) zur Kalibrierung erzeugt. Zur Erzeugung der Peakhöhenverteilungen p_i(h) wird die Kalibrierungsprobe 920 verwendet.

Die Meßsteuereinheit 74 setzt zuerst das Speicher-Reset- Signal vorübergehend auf Hoch, um somit die gesamten Inhalte des Histogrammspeichers 60 auf den Zählwert "0" zurückzuset zen.

Das von der Kalibrierungsprobe 920 emittierte Licht fällt durch den Wellenlängenfilter 410 auf den Photodetektor 10. Die Fig. 4 ist ein Zeitablaufsdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs von dem Einfall des Lichts auf den Photodetektor 10 bis zur Erzeugung der Ausgabe der Peakhöhenverteilung N₁(h) aus dem Erzeugungsabschnitt 300.

Zum Sammeln eines Ereignisses setzt die Meßsteuereinheit das Gatesignal GT, bei dem es sich um ein Integrationsanweisungs signal handelt, während der Zeit T_G in den bedeutenden Zu stand. Während der Dauer des bedeutenden Zustands des Gatesi gnals GT wird der Schalter 21 in einem offenen Zustand gehal ten, wodurch eine Stromsignalausgabe aus dem Photodetektor 10 integriert wird und Ladungen in Abhängigkeit von dem Stromsi gnal in dem Kondensator 22 angesammelt werden. Dann wird an einem Punkt P ein Potential gemäß den angesammelten Ladungen aufgebaut, und ein Spannungssignal wird ausgegeben.

Die Kalibrierungsprobe 920 ist so eingestellt, daß sie nur Licht einer sehr kleinen Menge emittiert und in den meisten Fällen nur maximal ein Photon auf den Photodetektor 10 ein fällt, während das Gatesignal GT sich im bedeutenden Zustand befindet. Dementsprechend ist die Anzahl der in der photo elektrischen Oberfläche 13 während des Dauer des bedeutenden Zustands des Gatesignals GT emittierten Photoelektronen in den meisten Fällen maximal 1.

Die aus dem Integrator 20 ausgegebene Spannungssignalausgabe wird an den Erzeugungsabschnitt 300 geliefert. In dem Erzeu gungsabschnitt 300 empfängt der Verstärker 30 die Spannungs signalausgabe aus dem Integrator 20 zu dessen Verstärkung und stellt das verstärkte Signal an die Abtasthalteschaltung 40 bereit.

Die Meßsteuereinheit 74 setzt das Abtastanweisungssignal SH während der Dauer des hohen Zustands des Gatesignals GT in einen hohen Zustand und verändert das Abtastanweisungssignal SH von dem bedeutenden Zustand zu dem nicht bedeutenden Zu stand unmittelbar vor dem Übergang des Gatesignals GT von dem bedeutenden in den nicht bedeutenden Zustand.

Die Abtasthalteschaltung 40 führt ein Abtasten in dem bedeu tenden Zustand des Abtastanweisungssignals SH durch und hält in dem nicht bedeutenden Zustand des Abtastanweisungssignals SH den abgetasteten Spannungswert zu der Zeit aufrecht, wenn sich das Abtastanweisungssignal SH von dem bedeutenden zu dem nicht bedeutenden Zustand ändert. Die Abtasthalteschaltung 40 führt eine Ausgabe des Spannungswert fort gemäß dem Poten tialwert bei dem Punkt P unmittelbar vor dem Übergang des Ga tesignals GT vom bedeutenden in den nicht bedeutenden Zu stand, nachdem das Abtastanweisungssignal SH von dem bedeu tenden in den nicht bedeutenden Zustand sich geändert hat.

Die Spannungssignalausgabe aus der Abtasthalteschaltung 40 wird an den AD-Wandler 50 bereitgestellt. Nachdem sich das Abtastanweisungssignal SH von dem bedeutenden in den nicht bedeutenden Zustand geändert hat, setzt die Meßsteuereinheit 74 das AD-Umwandlungssignal AD vorübergehend in den bedeuten den Zustand, um dem AD-Wandler 50 eine Durchführungsanweisung für den AD-Umwandlungsbetrieb zu melden. Der AD-Wandler 50, der zur Durchführung des AD-Umwandlungsbetriebs angewiesen ist, wandelt den eingegebenen Spannungswert, bei dem es sich um einen analogen Wert handelt, in einen digitalen Wert um und gibt das einen Peakhöhenwert für ein Ereignis tragende digitale Signal aus.

Die digitale Signalausgabe aus dem AD-Wandler 50 wird an den Histogrammspeicher 60 bereitgestellt. Zu einer geeigneten Zeit nach Vollendung des AD-Umwandlungsbetriebs des AD-Wandlers 50 setzt die Meßsteuereinheit 74 das Additionssignal CU vorübergehend in den bedeutenden Zustand, um dem Histo grammspeicher 60 eine Additionsanweisung zu melden. Der Hi stogrammspeicher 60, der die Additionsanweisung empfängt, ad diert nur den Wert 1 zu dem Inhalt bei einer Adresse gemäß der Peakhöhenwerteingabe.

Nach Vollendung des obigen Betriebs von einer Veränderung des Gatesignals GT auf einen bedeutenden Wert bis zur Aktualisie rung der Inhalte des Histogrammspeichers 60 wird der Betrieb wiederum von einer Veränderung des Gatesignals GT auf den be deutenden Zustand bis zur Aktualisierung der Inhalte des Hi stogrammspeichers 60 eine vorbestimmte Wiederholanzahl wie derholt, wodurch die Peakhöhenverteilung N*₁(h) (0 h h_max) innerhalb des Histogrammspeichers 60 erzeugt wird.

Nachdem die Peakhöhenverteilung N*₁(h) wie oben beschrieben erzeugt wurde, wird die Peakhöhenverteilung p₁(h) (1 h h_max) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron er zeugt.

Zum Erzeugen der Peakhöhenverteilung p₁(h) steuert die Meß steuereinheit 74 die Schaltvorrichtung 79 durch das Daten richtungsanweisungssignal SK so, daß diese in dem Zustand 79A gehalten wird, wodurch die Richtung von aus dem Erzeugungsab schnitt 300 ausgegebenen Daten der Peakhöhenverteilung N₁(h) zu dem Generator 71 eingestellt wird. Danach setzt die Meß steuereinheit 74 das Aktivierungsanweisungssignal SA auf be deutend, um den Generator 71 zu aktivieren.

Der so aktivierte Generator 71 sammelt die rohen Daten der Peakhöhenverteilung N₁(h) von dem Erzeugungsabschnitt 300, und der Generator 71 erhält durch Extrapolation aus den Wer ten anderer Peakhöhenteile das in Fig. 5 gezeigte N*₁(h) als Peakhöhenverteilung des Teils mit niedriger Pulshöhe, um Rauschkomponenten oder Ereignisse mit Null Photoelektronen in dem Teil mit niedriger Pulshöhe zu eliminieren. Dann führt der Generator 71 die folgende Berechnung durch zum Erzeugen der Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem ein zigen Photoelektron, die in der Fig. 6 gezeigt ist.

wobei h_max: das Maximum des ausgegebenen digitalen Werts von dem AD-Wandler 50 ist.

Die Anzahl der in der photoelektrischen Oberfläche 13 bei ei nem Ereignis erzeugten Photoelektronen wird in den meisten Fällen maximal 1, wobei jedoch das Auftreten von Photonen in der Kalibrierungsprobe 920 ein Wahrscheinlichkeitsphänomen ist, so daß das Auftreten mehrerer Photoelektronen nicht vollständig unterdrückbar ist. Somit wird angenommen, daß die minimale Peakhöhe h von den Peaks in der Peakhöhenverteilung N₁(h), die durch den Erzeugungsabschnitt 300 erzeugt wird, ein Peak mit dem Peakhöhenwert von Ereignissen mit einzigen Photoelektron ist, und die Peakhöhenverteilung N*₁(h), die die Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron betrifft, wird aus dieser Peakform abgeschätzt. Dann wird die Berech nung ausgeführt zum Erhalt der Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron, die in der Fig. 6 gezeigt ist.

Nachdem die Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit ei nem einzigen Photoelektron, wie oben beschrieben, erzeugt worden ist, werden die Peakhöhenverteilungen p_k(h) (2 k k_max) von Ergeignissen mit k Photoelektronen erzeugt.

Zum Erzeugen der Peakhöhenverteilung p₁(h) ändert die Meß steuereinheit 74 das Aktivierungsanweisungssignal KA auf den bedeutenden Zustand, um dadurch den Generator 72 zu aktivie ren.

Der so aktivierte Generator 72 sammelt die Daten der Peakhö henverteilung p₁(h) von dem Generator 71 und berechnet rekur siv die folgende Gleichung zum Erzeugen der Peakhöhenvertei lungen p_k(h) von Ereignissen mit k Photoelektronen.

Im Falle einer beliebigen Verteilung, die bei der Abschätzung der Verteilung der Photoelektronenzahl angenommen wird, und unter Bezeichnung eines Peakhöhenwerts, der den Peakwert von p₁(h) angibt, als h_peak1 wird k_MAX bestimmt durch k_MAX = h_max/h_peak1. Falls h_max = 4095 und h_peak1 = 400 gilt, ist k_MAX ungefähr 10. Falls die Verteilung der Photoelektronenzahl als Poissonverteilung angenommen wird, ist k_MAX ungefähr das 2 bis 3fache von h_max/h_peak1. Falls beispielsweise h_max = 4095 und h_peak1 = 400 gilt, ist in diesem Fall k_MAX ungefähr 30. Der Grund dafür, daß die Peakhöhenverteilung p_k(h) aus der Faltungsberechnung zwischen den Peakhöhenverteilungen p_k-1(h) und p₁(h) wie oben beschrieben erhalten werden können, liegt in der Tatsache, daß die in der photoelektrischen Oberfläche 13 emittierten und in die LPD 15 eintretenden k Photoelektro nen unabhängig voneinander eine Lawinenvervielfachung von Elektronenlochpaaren ausführen.

Falls die Breite der Peakhöhenverteilung, die durch in dem Photodetektor 10, dem Integrator 20 und dem Verstärker 30 er zeugtes Rauschen verursacht wird, nicht vernachlässigt werden kann, werden die Peakhöhenverteilungen p_k(h) jeweils mittels der Gleichungen (6) berechnet auf der Grundlage des Ergebnis ses einer Eliminierung des Einflusses des Rauschens von der Peakhöhenverteilung p₁(h) durch eine Entfaltungsrechnung, und danach wird der Einfluß des Rauschens über jede der Peakhö henverteilungen p_k(h) (k = 2, 3, . . ., k_MAX) durch eine Fal tungsrechnung gelegt.

Wie oben beschrieben wurde, werden die Peakhöhenverteilungen P_k(h) (k = 1, 2, 3, . . ., k_MAX) unter Berücksichtigung des Ein flusses des Rauschens, das die Lichtmeßvorrichtung inherent aufweist, vor der Lichtmengenmessung des Meßobjektlichts er stellt. Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Darstellung der auf diese Weise erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Ereig nissen mit k Photoelektronen. In dieser Fig. ist k_MAX = 8.

Nachdem die Peakhöhenverteilungen p_i(h) (i = 1, . . ., k_MAX) wie oben beschrieben erzeugt wurden, wird die Kalibrierungsprobe 920 durch das Meßobjekt 910 ersetzt und das Meßobjektlicht von dem Meßobjekt 910 wird gemessen.

Die Meßsteuereinheit 74 setzt zuerst das Speicher-Reset- Signal vorübergehend in den bedeutenden Zustand, um die ge samten Inhalte des Histogrammspeichers 60 auf den Zählwert "0" zurückzusetzen.

Das von dem Meßobjekt 910 emittierte Licht fällt durch den Wellenlängenfilter 410 auf den Photodetektor 10. Fig. 8 ist ein Zeitablaufsdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs, beginnend vom Einfall des Lichts auf den Photodetektor 10 bis zur Erzeugung dem Ausgabe der Peakhöhenverteilung N(h) aus dem Erzeugungsabschnitt 300.

Ähnlich wie in dem Fall der Messung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron sendet die Meßsteuereinheit 74 das Ga tesignal GT an den Integrator 20 und sendet auch die Be triebstiminigsignale (SH, AD, CU, HR) an den Erzeugungsab schnitt 300. Dementsprechend arbeiten der Integrator 20 und der Erzeugungsabschnitt 300 auf die gleiche Weise wie im Fall von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron, wodurch die Peakhöhenverteilung N(h) innerhalb des Histogrammspeichers 60 erzeugt wird gemäß dem Einfall des Meßobjektlichts.

Nachdem die Peakhöhenverteilung N(h) wie oben beschrieben er zeugt wurde, wird eine in der photoelektrischen Oberfläche 13 für jeden Fall des Einfalls von Meßobjektlicht erzeugte Ver teilung der Photoelektronenzahl abgeschätzt, wodurch die In tensität des Einfallslichts erhalten wird.

Zum Abschätzen der Photoelektronenzahl steuert die Meßsteuer einheit 74 die Schaltvorrichtung 79 durch das Datenrichtung anweisungssignal SK durch Stellung desselben in den Zustand von 79B, wodurch die Richtung der Daten der Peakhöhenvertei lung N₁(h) von dem Erzeugungsabschnitt 300 zu der Abschät zeinheit 73 hin eingestellt ist. Danach setzt die Meßsteuer einheit 74 das Aktivierungsanweisungssignal GA in den bedeu tenden Zustand, um die Abschätzeinheit 73 zu aktivieren.

Die somit aktivierte Abschätzeinheit 73 sammelt die Daten der Peakhöhenverteilung N(h) von dem Erzeugungsabschnitt 300 und empfängt die Peakhöhenverteilungen p_i(h) von dem Generator 72, und die Abschätzeinheit 73 führt weiter die folgende Arithmetik unter Verwendung der Peakhöhenverteilung N(h) und der Peakhöhenverteilungen p_i(h) aus.

Die Peakhöhenverteilung N(h) muß nicht normiert werden und somit kann sie die gleichen Werte besitzen, wie sie in dem Histogrammspeicher 60 gesammelt werden. Die Peakhöhenvertei lung N(h) gibt eine Verteilung von Ereignissen an, die den Peakhöhenwert h erreicht haben. Beispielsweise wird das Ver fahren der maximalen Wahrscheinlichkeit zum Abschätzen der Verteilungen der Anzahl von Photoelektronen verwendet, die in der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche 13 des Photode tektors 10 bei Einfall von Einfallslicht emittiert werden (oder zum Abschätzen der Verteilung der Photoelektronenzahl). Wenn q_k (k = 1, 2, 3, . . ., K) eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens jedes der Ereignisse mit k Photoelektronen ist, wird q_k erhalten, was eine maximale logarithmische Wahr scheinlichkeit ist, die durch die unten definierte Gleichung (7) ausgedrückt wird, und es wird als eine abgeschätzte Ver teilung der Photoelektronenzahl verwendet.

Hier ist N die Anzahl von Messungen (das heißt, die Anzahl, wie oft das Gatesignal GT einen bedeutenden Zustand einnimmt) und h_min ist ein minimaler Peakhöhenwert h, der für die Ana lyse verwendbar ist. Falls der Peakhöhenwert h klein ist, kann er nicht für die Analyse verwendet werden, aufgrund der Überlagerung von durch den Photodetektor 10, den Verstärker 30, etc. hervorgerufenem Rauschen. Somit kann die Analyse nur ausgeführt werden mit den Peakhöhenwert h_min überschreitenden Werten. Weiter sind p(h) und p_ND wie folgt gegeben.

Dieses p(h) gibt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung des Auf tretens eines Peakhöhenwerts h an unter Berücksichtung der Wahrscheinlichkeiten des Auftretens (Verteilung der Photo elektronenzahl) der jeweiligen Ereignisse mit k Photoelektro nen (k = 1, 2, 3, . . ., K). Zum Erhalt von q_k zur Maximierung der logarithmischen Wahrscheinlichkeit nach der Gleichung (7) wird ein numerisches Berechnungsverfahren, beispielsweise das quasi Newton Verfahren, das für Optimierungsprobleme verwen det wird, angewendet.

Falls die Verteilung der Photoelektronenzahl als Poissonver teilung angenommen wird, sind die Wahrscheinlichkeiten q_k (k = 1, 2, 3, . . ., k_MAX) des Auftretens der jeweiligen Ereig nisse mit k Photoelektronen wie folgt ausgedrückt.

Hier ist λ ein Mittelwert der Zahl der von der photoelektri schen Umwandlungsfläche emittierten Photoelektronen. In die sem Fall des Erhalts der Photoelektronenzahl ist die Vertei lung zum Maximieren der logarithmischen Wahrscheinlichkeit äquivalent zum Erhalten des λ-Werts zur Maximierung der log arithmischen Wahrscheinlichkeit, der durch numerische Berech nung, beispielsweise das Verfahren des goldenen Schnitts oder entsprechende Verfahren, erhalten werden kann. In der folgen den Beschreibung wird die Verteilung der Photoelektronenzahl als Poissonverteilung angenommen. Fig. 9 zeigt ein Beispiel der Peakhöhenverteilung (unterbrochene Linie), die in dem Hi stogrammspeicher 60 mit Empfangen des Meßobjektlichts durch den Photodetektor 10 erzeugt wird, und die Peakhöhenvertei lung (durchgezogene Linie), die auf Grundlage des durch das Verfahren der maximalen Wahrscheinlichkeit abgeschätzten λ-Werts berechnet wird. Sie zeigen eine gute Übereinstimmung in dem Bereich von nicht weniger als dem Peakhöhenwert h_min (= 150). Der dabei abgeschätzte Mittelwert λ der Photoelektro nenzahl war 1,03.

Als nächstes wird der theoretische Vergleich zwischen der Lichtmeßvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 und der her kömmlichen Technologie (dem Abschätzverfahren unter Verwen dung der Wahrscheinlichkeit Null) in Form eines Abschätzfeh lers des Mittelwerts λ der Photoelektronenzahl beschrieben. Fig. 10 ist eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem erfindungsgemäßen Abschätzungsverfah ren und dem Abschätzverfahren unter Verwendung der Wahr scheinlichkeit Null.

Unter der Annahme, daß der Mittelwert λ₀ der Anzahl der von der photoelektrischen Umwandlungsfläche des Photodetektors emittierten Photoelektronen 0,1, 0,2, 0,4, 1,0, 2,0 oder 3,0 war, würden 500 Peakhöhenverteilungen für jeden Mittelwert durch Simulationsberechnung erstellt, und dann wurden die Mittelwerte λ der Photoelektronenzahlen durch die jeweiligen sie verwendenden Verfahren abgeschätzt. Dann wurden Standar dabweichungen der Verteilungen der Abschätzwerte erhalten. Die Markierungen ○ in der Fig. 10 stellen theoretische Werte der Standardabweichung der Verteilung der Schätzwerte λ dar, wenn die Lichtmeßvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird, und die Markierungen stellen theoretische Werte der Standardabweichung der Verteilung der Schätzwerte λ dar, wenn das Abschätzverfahren unter Verwendung der Wahr scheinlichkeit Null verwendet wird.

Man sieht aus dieser Figur, daß der Mittelwert λ der Photo elektronenzahl mit höherer Genauigkeit abgeschätzt werden kann bei Verwendung der Lichtmeßvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform als bei Abschätzung durch das Abschätzverfah ren unter Verwendung der Wahrscheinlichkeit Null. Insbesonde re wenn der Mittelwert λ der Photoelektronenzahl über 0,4 ist, erhöht sich der Unterschied zwischen der Standardabwei chungen der Verteilungen der Abschätzwerte λ durch die jewei ligen Abschätzverfahren, wenn der Mittelwert λ größer wird. Dies bedeutet, daß der Mittelwert λ mit hoher Genauigkeit ab geschätzt werden kann unter Verwendung der Lichtmeßvorrich tung gemäß der ersten Ausführungsform, sogar wenn der Mittel wert λ der Zahl von Photoelektronen, die von der photoelek trischen Umwandlungsfläche 13 nach dem Einfall von Einfalls licht auf den Fotodetektor 10 emittiert werden, groß ist. Die Lichtmenge des Einfallslichts kann mit guter Genauigkeit er halten werden.

Als nächstes wird der theoretische Vergleich zwischen der Lichtmeßvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 und der her kömmlichen Technologie (das Abschätzverfahren unter Verwen dung des mittleren Peakhöhenwerts) in Form eines der Ab schätzfehler des Mittelwerts λ der Photoelektronenzahl be schrieben. Die Fig. 11 ist eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse des Vergleichs zwischen dem Abschätzverfahren nach der vorliegenden Erfindung und dem Abschätzverfahren unter Verwendung des mittleren Peakhöhenwerts.

Unter der Annahme, daß der Mittelwert λ₀ der Zahl von durch die photoelektrische Umwandlungsoberfläche des Photodetektors emittierten Photoelektronen 0,1, 0,2, 0,4, 1,0, 2,0, 3,0, 7,0, 10,f, 12,5, 15,0, 17,5 oder 20 war, wurden 500 Peakhö henverteilungen für jeden Mittelwert der Simulationsrechnung erstellt und die Mittelwerte λ der photoelektronenzahlen wur den durch jedes sie verwendende Verfahren abgeschätzt. Dann wurde das Verhältnis <λ</λ₀ aus dem Mittelwert <λ< von 500 Abschätzwerten λ und λ₀, die sich bei Erzeugung der Peakhö henverteilung in der Simulation ergaben, erhalten. In der Fig. 11 zeigen die Markierungen <λ</λ₀ im Falle der Verwen dung der Lichtmeßvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform an, und die Markierungen stellen <λ</λ₀ im Falle der Ver wendung des Abschätzverfahrens unter Verwendung des mittleren Peakhöhenwerts dar.

Aus dieser Figur sieht man, daß mit der herkömmlichen Techno logie unter Verwendung des mittleren Peakhöhenwerts die Fre quenz des Auftretens von Ereignissen mit Peakhöhenwerten grö ßer als h_max vernachlässigbar wird, falls die mittlere Photo elektronenzahl λ₀ größer als 7 ist, und die Abschätzwerte werden kleiner als die wahren Werte. Dies bedeutet, daß bei Bestimmung einer Menge eines fluoreszierenden Stoffs auf Grundlage dieses Bestimmungsverfahrens im Ergebnis eine Un terschätzung auftreten wird. Im Fall von λ₀ = 20, werden nur 5% der Ausgangspulse aus der Photovervielfacherröhre mit Pe akhöhenwerten zwischen h_min und h_max detektiert. Andererseits kann im Falle des Bestimmungsverfahrens durch die Lichtmeß vorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 ein Schätzwert nahezu gleich zu dem wahren Wert erhalten werden, sogar wenn der Wert von λ₀ 20 erreicht.

Die Fig. 12 ist eine Darstellung des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform unter scheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, daß die Messung des Meßobjektlichts ohne die Notwendigkeit einer Ka librierungsprobe ausgeführt wird. Aufgrund dieses Unter schieds in der Funktion unterscheidet sich die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform von der nach der Aus führungsform 1 in der Fig. 1 darin, daß die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform weiter (i) einen lichtredu zierenden Filter 421 und (ii) einen Träger 431 umfaßt zum Haltern des lichtreduzierenden Filters 421 gemäß einem Licht verringerungsanweisungssignal DL1, und der Bearbeitungsab schnitt 720 umfaßt eine Meßsteuereinheit 75 zum Senden des Lichtverringerungsanweisungssignals DL1 an den Träger 431, wie in der Fig. 12 gezeigt ist.

Die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform mißt die Intensität des Meßobjektlichts auf die folgende Weise.

Ähnlich wie in der Ausführungsform 1 werden vor der Messung des Meßobjektlichts die Peakhöhenverteilungen für die Kali brierung p_i(h) (1 i k_MAX) erzeugt. Zum Erzeugen der Peak höhenverteilungen p_i(h) verändert die Meßsteuereinheit 75 das Lichtverringerungsanweisungssignal DL1 in den bedeutenden Zu stand, um den Träger 431 so zu steuern, daß der lichtreduzie rende Filter 421 im optischen Weg liegt, bevor das Meßobjekt licht von dem Meßobjekt 910 auf dem Photodetektor 10 fällt.

Danach werden die Peakhöhenverteilung p_i(h) (1 i k_MAX) durch den gleichen Betrieb, wie in der Ausführungsform 1 er zeugt.

Nachdem die Peakhöhenverteilungen P_i(h) (1 i k_MAX) auf diese Weise erzeugt wurden, setzt die Meßsteuereinheit 75 das Lichtverringerungsanweisungssignal DL1 in den niedrigen Zu stand, um den Träger 431 so zu steuern, daß der lichtreduzie rende Filter 421 aus dem optischen Weg entfernt wird, bevor das Meßobjektlicht von dem Meßobjekt 910 auf den Photodetek tor 10 fällt, wodurch man das Meßobjektlicht 10 direkt in den Photodetektor 10 eintreten läßt.

Danach wird der gleiche Betrieb, wie bei der Ausführungsform 1 ausgeführt zum Abschätzen der Verteilung der Photoelektro nenzahl von in der Oberfläche 13 mit Einfall des Meßobjekt lichts darauf erzeugten Photoelektronen, wodurch die Intensi tät des Meßobjektlichts erhalten wird.

Fig. 13 ist eine Darstellung des Aufbaus einer dritten Aus führungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform ist so ge staltet, daß nicht spontan von dem Meßobjekt, sondern durch Bestrahlung mit Anregungslicht emittierte Fluoreszenz gemes sen wird. Dann wird die Fluoreszenz als Meßobjektlicht ge messen.

Wie in der Fig. 13 gezeigt ist, umfaßt die vorliegende Ausfüh rungsform (a) einen Photodetektor 10 zum Erfassen der Fluores zenz von einem Meßobjekt 911 oder von einer Kalibrierungsprobe 921 durch einen Wellenlängenfilter 411, wobei die Fluoreszenz bei Bestrahlung mit Anregungslicht erzeugt wird, wobei der Pho todetektor Photoelektronen in einer Zahl gemäß der Verteilung der Photoelektronenzahl in Abhängigkeit von der Anzahl der Pho tonen des Einfallslichts emittiert, die Photoelektronen ver vielfacht und sie als ein elektrisches Stromsignal ausgibt, (b) einen Integrator 20 zum Integrieren der Stromsignalausgabe aus dem Photodetektor 10 zur Umwandlung derselben in ein Spannungs signal und zum Ausgeben des Spannungssignals als ein Peakhöhen signal für ein Ereignis, (c) einen Erzeugungsabschnitt 300 zum Sammeln der Peakhöhenwerte für jedes Ereignis und zum Erzeugen einer Peakhöhenverteilung N(h) einer Ereigniszahl gegen den Pe akhöhenwert, wobei h die Peakhöhenwerte sind; (d) eine gepulste Lichtquelle 80 zum Ausgeben von gepulstem Anregungslicht und eines Timingerzeugungssignals TG des gepulsten Lichts, (e) ei nen Zähler 81 zum Empfang des Timingerzeugungssignals TG und zum Zählen der Anzahl, wie oft das gepulste Licht der gepulsten Lichtquelle 80 erzeugt wird, (f) eine Timingerzeugungsschaltung 82 zum Empfang des Timingerzeugungssignals TG und zum Ausgeben von Betriebstimingsignalen (GT, SH, AS, HS, HR) an den Integra tor 20 und an den Erzeugungsabschnitt 300, und (g) einen Bear beitungsabschnitt 730 zum Sammeln der Peakhöhenverteilung N(h), die durch den Erzeugungsabschnitt 300 erzeugt wurde, und zur Verarbeitung derselben und zum Ausgeben eines Resetsignals HR an den Erzeugungsabschnitt 300 und den Zähler 81.

Der Bearbeitungsabschnitt 730 umfaßt (i) einen Generator 71, der gemäß einem Aktivierungsanweisungssignal SA aktiviert wird, zur Erzeugung einer Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron auf der Grundlage der durch den Erzeugungsabschnitt 300 erzeugten Peakhöhenverteilung N₁(h), (ii) einen Generator 72 zum Erzeugen von Peakhöhenver teilungen p_k(h) von Ereignissen mit k Photoelektronen, bei je dem von denen die Anzahl der in dem Photodetektor 10 emittier ten Photoelektronen k ist (2 k k_max), auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, (iii) eine Abschätzeinheit 73 zum Abschätzen ei ner Verteilung der Photoelektronenzahl für einen Fall, in dem das Meßobjektlicht auf den Photodetektor 10 einfällt, auf der Grundlage einer Peakhöhenverteilung N(h), die durch den Erzeu gungsabschnitt 300 erzeugt wird, wenn das Meßobjektlicht auf den Photodetektor im Falle der Einstellung in den normalen Meß modus einfällt, weiter auf der Grundlage der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Ereignissen mit k Photoelektronen, wodurch die Inten sität des Meßobjektlichts erhalten wird, (iv) eine Schaltvor richtung 79 zum Empfang der Peakhöhenverteilung N(h), die aus dem Erzeugungsabschnitt 300 ausgegeben wird, und zum Ausgeben derselben abwechselnd an den Generator 71 oder an die Abschätz einheit 73 gemäß dem Datenrichtunganweisungssignal SK und (v) eine Meßsteuereinheit 76 zum Erzeugen einer Anweisung der Akti vierung des Generators 71 im Fall des Sammelmodus von Ereignis sen mit einem einzigen Photoelektron und zum Ausgeben einer An weisung der Aktivierung der Abschätzeinheit 73 im Fall des nor malen Meßmodus und zum Ausgeben des Resetsignals HR an den Er zeugungsabschnitt 300 und an den Zähler 81.

Vor der Messung des Meßobjektlichts werden Peakhöhenverteilun gen p_i(h) (1 i k_max) zur Kalibrierung erzeugt. Zur Erzeu gung der Peakhöhenverteilungen p_i(h) wird die Kalibrierungspro be 921 verwendet. Die Meßsteuereinheit 76 setzt zuerst das Speicherresetsignal vorübergehend in den hohen Zustand, um alle Inhalte des Histogrammspeichers 60 auf den Zählwert "0" zu set zen. Dann gibt die gepulste Lichtquelle 80 regelmäßig das ge pulste Anregungslicht und das Timingsignal TG kurz vor der Emission des gepulsten Anregungslichts aus.

Der Timingerzeugungsschaltkreis 81, der das Timingsignal TG empfängt, ändert das Gatesignal GT auf den hohen Zustand und wartet dann auf die Ankunft des Einfallslichts auf den Photode tektor 10.

Das mit Bestrahlung der Kalibrierungsprobe 921 erzeugte Licht, nachdem das gepulste Anregungslicht von der gepulsten Licht quelle 80 emittiert wurde, fällt durch den Wellenlängenfilter 410 auf den Photodetektor 10 ein. Die Fig. 14 ist ein Zeitab laufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs zwischen dem Einfall des Lichts auf den Photodetektor 10 bis zur Erzeugung der Peakhöhenverteilung N₁(h), die aus dem Erzeugungsabschnitt 300 ausgegeben wird.

Zum Sammeln eines Ereignisses hält der Timingerzeugungsschalt kreis 82 das Gatesignal GT, bei dem es sich um ein Integrati onsanweisungssignal handelt, über die Zeitdauer T_G im bedeuten den Zustand. Während der Dauer des bedeutenden Zustands des Ga tesignals GT wird der Schalter 21 in einem offenen Zustand ge halten, und die Stromsignalausgabe aus dem Photodetektor 10 wird integriert, um somit Ladungen in Abhängigkeit von dem Stromsignal in dem Kondensator 22 anzusammeln. Dann wird das Potential an dem Punkt P gemäß den angesammelten Ladungen ange hoben, und ein Spannungssignal wird ausgegeben.

Die Kalibrierungsprobe 921 ist derart angepaßt, daß sie nur Licht einer sehr kleinen Menge emittiert, und in den meisten Fällen fällt nur maximal ein Photon auf den Photodetektor 10, während das Gatesignal GT im bedeutenden Zustand ist. Dement sprechend ist die Anzahl der während der Dauer des Gatesignals GT im bedeutenden Zustand in der photoelektrischen Oberfläche 13 erzeugten Photoelektronen in den meisten Fällen maximal eins.

Die Spannungssignalausgabe aus dem Integrator 20 wird an den Erzeugungsabschnitt 300 bereitgestellt. In dem Erzeugungsab schnitt 300 empfängt der Verstärker 30 die Spannungssignalaus gabe aus dem Integrator 20, um sie zu verstärken, und er stellt das verstärkte Signal an die Abtasthalteschaltung 40 bereit.

Die Timingerzeugungsschaltung 82 setzt das Probenanweisungs signal SH während der Dauer des Gatesignals GT in bedeutendem Zustand auf den bedeutenden Zustand und ändert das Abtastanwei sungssignal SH vom bedeutenden Zustand in den nicht bedeutenden Zustand unmittelbar vor dem Übergang des Gatesignals GT vom be deutenden in den nicht bedeutenden Zustand.

Die Abtasthalteschaltung 40 führt eine Abtastung in dem bedeu tenden Zustand des Abtastanweisungssignals SH aus und behält in dem nicht bedeutenden Zustand des Abtasthaltesignals SH den ab getasteten Spannungswert zu der Zeit bei, wenn das Abtastanwei sungssignal SH Übergänge von dem bedeutenden in den nicht be deutenden Zustand durchführt. Die Abtasthalteschaltung 40 führt ein Ausgeben des Spannungswerts gemäß dem Potential bei dem Punkt P unmittelbar vor dem Übergang des Gatesignals GT vom be deutenden in den nicht bedeutenden Zustand fort, nachdem sich das Abtastanweisungssignal SH vom bedeutenden in den nicht be deutenden Zustand ändert.

Die Spannungssignalausgabe aus der Abtasthalteschaltung 40 wird an den AD-Wandler 50 bereitgestellt. Nachdem das Abtastanwei sungssignal SH vom bedeutenden in den nicht bedeutenden Zustand geändert wurde, setzt der Timingerzeugungsschaltkreis 82 das AD-Umwandlungssignal AD vorübergehend in den bedeutenden Zu stand, um dem AD-Wandler 50 eine Ausführungsanweisung für den AD-Umwandlungsbetrieb zu melden. Der AD-Wandler 50, der zur Ausführung des AD-Umwandlungsbetriebs angewiesen wurde, wandelt den Eingangsspannungswert, bei dem es sich um einen analogen Wert handelt, in einen digitalen Wert um, und gibt ein einen Peakhöhenwert für ein Ereignis tragendes digitales Signal aus.

Die digitale Signalausgabe aus dem AD-Wandler 50 wird an den Histogrammspeicher 60 bereitgestellt. Zu einer geeigneten Zeit nach Vollendung des AD-Umwandlungsbetriebs des AD-Wandlers 50 setzt der Timingerzeugungsschaltkreis 82 das Additionssignal CU vorübergehend in den bedeutenden Zustand, um dem Histogramm speicher 60 eine Additionsanweisung zu melden. Der Histogramm speicher 60, der die Additionsanweisung empfängt, addiert le diglich den Wert eins zu den Inhalten an einer der Peakhöhen werteingabe entsprechenden Adresse.

Nach Vollendung des obigen Betriebs von der Änderung des Gate signals GT in den bedeutenden Zustand an bis zur Aktualisierung der Inhalte des Histogrammspeichers 60 wird der Betrieb erneut von der Veränderung des Gatesignals GT auf den bedeutenden Zu stand bis zur Aktualisierung der Inhalte des Histogrammspei chers 60 eine vorbestimmte Anzahl von Wiederholungen wieder holt, wodurch die Peakhöhenverteilung N₁*(h) (0 h h_MAX) in nerhalb des Histogrammspeichers 60 erzeugt wird.

Hiernach werden die Peakhöhenverteilungen p_i(h) auf die gleiche Weise erzeugt wie in der Ausführungsform 1.

Nachfolgend wird die Kalibrierungsprobe 921 durch das Meßobjekt 911 ersetzt zum Messen des Meßobjektlichts von dem Meßobjekt 911.

Die Meßsteuereinheit 76 setzt zuerst das Resetsignal HR vor übergehend in den hohen Zustand, um alle Inhalte des Histo grammspeichers 60 und den Zähler 82 auf den Zählwert "0" zu rückzusetzen. Dann gibt die gepulste Lichtquelle 80 regelmäßig das gepulste Anregungslicht und das Timingsignal TG kurz vor der Emission des gepulsten Anregungslichts aus.

Der Zähler 81, der das Timingsignal TG empfängt, addiert nur den Wert eins zum Inhalt des Zählers. Die Timingerzeugungs schaltung 82, die das Timingsignal TG empfängt, setzt das Gate signal GT in den bedeutenden Zustand und wartet auf das Einfal len des Meßobjektlichts auf den Photodetektor 10.

Das bei Bestrahlung des Meßobjekts 911 nach Emittieren des ge pulsten Anregungslichts von der gepulsten Lichtquelle 80 er zeugte Meßobjektlicht fällt durch den Wellenlängerfilter 410 auf den Photodetektor 10. Die Fig. 15 ist ein Zeitablaufdia gramm zur Veranschaulichung des Betriebs ab dem Einfall des Lichts auf den Photodetektor 10 bis zur Erzeugung der Peakhö henverteilung N₁(h), die aus dem Erzeugungsabschnitt 300 ausge geben wird.

Die Timingerzeugungsschaltung 82 überträgt das Gatesignal GT an den Integrator 20 und überträgt die Betriebstimingsignale (SH, AD, CU, HR) an den Erzeugungsabschnitt 300 auf die gleiche Wei se wie im Falle der Messung von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron. Dementsprechend arbeiten der Integrator 20 und der Erzeugungsabschnitt 300 auf die gleiche Weise wie im Fall von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron zur Erzeugung der Peakhöhenverteilung N(h) gemäß dem Einfall des Meßobjekt lichts innerhalb des Histogrammspeichers 60.

Nachdem die Peakhöhenverteilung N(h) wie oben beschrieben er zeugt wurde, wird die Verteilung der in der photoelektrischen Oberfläche 13 bei jedem Ereignis erzeugten Photoelektronenzahl auf die gleiche Weise wie bei der Ausführungsform 1 abge schätzt, wodurch die Intensität des einfallenden Lichts erhal ten wird.

Die Fig. 16 ist eine Darstellung des Aufbaus einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Die Vorrichtung nach dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 3 darin, daß die Messung des Meßobjekt lichts ausgeführt wird ohne die Notwendigkeit für eine Kali brierungsprobe. Aufgrund dieses Unterschieds in der Funktion unterscheidet sich die Vorrichtung nach der vorliegenden Aus führungsform von der Ausführungsform 3 nach der Fig. 13 darin, daß die Vorrichtung weiter (i) einen lichtreduzierenden Filter 421 und (ii) einen Träger 431 umfaßt zum Bewegen des lichtredu zierenden Filters 421 gemäß dem Lichtverringerungsanweisungs signal DL1, und darin, daß der Verarbeitungsabschnitt 740 eine Meßsteuereinheit 77 umfaßt, um dem Träger 431 das Lichtverrin gerungsanweisungssignal DL1 zu melden, wie in der Fig. 16 ge zeigt ist. Mit anderen Worten, die vorliegende Ausführungsform wird erhalten durch Anwenden der Abwandlung von der Ausfüh rungsform 2 gegenüber der Ausführungsform 1 auf die Ausfüh rungsform 3.

Ähnlich wie in der Ausführungsform 3 werden die Peakhöhenver teilungen p_i(h) (1 i k_MAX) für die Kalibrierung vor der Messung des Meßobjektlichts erzeugt. Zur Erzeugung der Peakhö henverteilungen p_i(h) setzt die Meßsteuereinheit 75 das Licht verringerungsanweisungssignal DL1 in den hohen Zustand zur Steuerung des Trägers 431, um somit den Lichtverringerungsfil ter 421 in dem optischen Weg zu plazieren, bevor das Meßobjekt licht von dem Meßobjekt 910 auf den Photodetektor 10 einfällt.

Danach wird der gleiche Betrieb in Ausführungsform 3 ausge führt, um die Peakhöhenverteilungen p₁(h) (1 i k_MAX) zu er zeugen.

Nachdem die Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 i k_MAX) auf die se Weise erzeugt wurden, setzt die Meßsteuereinheit 75 das Lichtverringerungsanweisungssignal DL1 in den niedrigen Zustand zur Steuerung des Trägers 431 derart, daß der lichtreduzierende Filter 421 aus dem optischen Weg entfernt wird, bevor das Meß objektlicht von dem Meßobjekt 910 auf den Photodetektor 10 ein fällt, wodurch man das Meßobjektlicht direkt in den Photodetek tor 10 eintreten läßt.

Danach wird der gleiche Betrieb wie bei der Ausführungsform 3 ausgeführt, um die Verteilung der Photoelektronenzahl der in der photoelektrischen Oberfläche 13 bei Einfall des Meßobjekt lichts auftretenden Photoelektronen abzuschätzen, wodurch die Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Fig. 17 ist eine Darstellung des Aufbaus einer fünften Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Die Vor richtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform 3 darin, daß die Messung des Meß objektlichts ausgeführt wird ohne eine Notwendigkeit für die Kalibrierungsprobe, ähnlich wie bei der Ausführungsform 4. Auf grund dieses Unterschieds in der Funktion unterscheidet sich die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform von der Ausführungsform 3 nach der Fi 28942 00070 552 001000280000000200012000285912883100040 0002019647428 00004 28823g. 13 darin, daß die Vorrichtung weiter umfaßt (i) einen lichtreduzierenden Filter 421 und (ii) einen Träger 431 zum Bewegen des lichtreduzierenden Filters 421 gemäß dem Lichtverringerungsanweisungssignal DL1, und darin, daß der Verarbeitungsabschnitt 740 eine Meßsteuereinheit 77 um faßt zum Melden des Lichtverringerungsanweisungssignals DL1 an den Träger 431, wie in der Fig. 17 gezeigt ist. Weiter unter scheidet sich die Vorrichtung nach der Ausführungsform von der vorliegenden Ausführungsform 4 darin, daß der lichtreduzierende Filter 421 nicht zur Verringerung des Meßobjektlichts sondern zur Verringerung des Anregungslichts verwendet wird.

Die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform mißt die In tensität des Meßobjektlichts auf die folgende Weise.

Ähnlich zu der Ausführungsform 3 werden die Peakhöhenverteilun gen p_i(h) (1 i k_MAX) für die Kalibrierung vor der Messung des Meßobjektlichts erzeugt. Zum Erzeugen der Peakhöhenvertei lungen p_i(h) setzt die Meßsteuereinheit 77 das Lichtverringe rungsanweisungssignal DL1 in den bedeutenden Zustand zur Steue rung des Trägers 31 so, daß der lichtreduzierende Filter 421 in dem optischen Weg plaziert wird, bevor das gepulste Anregungs licht aus der gepulsten Lichtquelle 80 auf das Meßobjekt 911 einfällt.

Danach wird der gleiche Betrieb wie bei der Ausführungsform 3 ausgeführt zur Erzeugung der Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 i k_MAX).

Nachdem die Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 i k_MAX) auf die se Weise erzeugt wurden, setzt die Meßsteuereinheit 75 das Lichtverringerungsanweisungssignal DL1 in den nicht bedeutenden Zustand zur Steuerung des Trägers 431 so, daß der lichtreduzie rende Filter 421 aus dem optischen Weg entfernt wird, bevor das gepulste Anregungslicht aus der gepulsten Lichtquelle 80 auf das Meßobjekt 911 einfällt, wodurch man das Anregungslicht in das Meßobjekt 911 eintreten läßt.

Danach wird der gleiche Betrieb wie bei der Ausführungsform 3 ausgeführt, um die Verteilung der Photoelektronenzahl von in der photoelektrischen Oberfläche 13 mit Einfall des Meßobjekt lichts auftretenden Photoelektronen abzuschätzen, um dadurch die Intensität des Meßobjektlichts zu erhalten.

Fig. 18 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs vom Einfall des Lichts auf den Photodetektor 10 an, im Falle der Sammlung von Ereignissen mit einem einzigen Photo elektron, bis zur Erzeugung der Peakhöhenverteilung N₁(h), die aus dem Erzeugungsabschnitt 300 ausgegeben wird. Die Fig. 19 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs vom Einfall des Meßobjektlichts auf den Photodetektor 10 an bis zur Erzeugung der Peakhöhenverteilung N(h) in dem Erzeugungsab schnitt 300. Die in den Fig. 18 und 19 gezeigten Zeitabläufe sind die gleichen wie den Fig. 14 und 15, die jedoch beige fügt sind, um die Zustände der Erhöhung und Verringerung des Anregungslichts zu zeigen.

Da die Menge des Beleuchtungslichts bei Sammlung von Ereignis sen mit einem einzigen Photoelektron in der vorliegenden Aus führungsform kleiner sein kann als in der Ausführungsform 4, kann die vorliegende Ausführungsform eine Veränderung der Ei genschaft des Meßobjekts aufgrund eines Ausbleichens mehr als in der Ausführungsform 4 verringern.

Fig. 20 ist eine Darstellung eines Aufbaus einer sechsten Aus führungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Wie in der Fig. 20 gezeigt ist, unterscheidet sich die Vorrichtung nach der vorliegenden Ausführungsform von der Vorrichtung der Ausführungsform 1 darin, daß die Vorrichtung weiter einen Ver gleichszählabschnitt 150 umfaßt zum Vergleichen eines Span nungswerts der Spannungssignalausgabe aus dem Verstärker 30 mit einer vorbestimmten Anzahl von (sechs in der vorliegenden Aus führungsform) zueinander unterschiedlichen Referenzspannungs werten und zum Zählen der jeweiligen Vergleichsergebnisse, und weiter darin, daß der Verarbeitungsabschnitt 750 eine Abschät zeinheit 73A umfaßt, die die Abschätzeinheit 73 ersetzt, zum Abschätzen der Verteilung der Photoelektronenzahl für den Fall, bei dem das Meßobjektlicht auf den Photodetektor 10 fällt, auf Grundlage der Zählergebnisse durch den Vergleichszählabschnitt 150, wenn Meßobjektlicht auf den Photodetektor bei Messung des Meßobjektlichts einfällt, der bereits erhaltenen Peakhöhenver teilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) für Er eignisse mit k-Photoelektronen, wodurch die Intensität des Meß objektlichts erhalten wird.

Der Vergleichszählabschnitt 150 umfaßt (i) einen Referenzspan nungsgenerator 110 zum Ausgeben von sechs Arten von Referenz spannungen V_r,1 bis V_r,6 und (ii) Vergleichszählvorrichtungen 130 _i zum Vergleichen des Spannungssignals von dem Verstärker 30 mit V_r,i (i = 1 bis 6) und zum Ausführen eines Zählens, wenn der Spannungswert des Spannungssignals aus dem Verstärker 30 größer ist als V_r,i.

Jede Vergleichszählvorrichtung 130 _i umfaßt (i) einen Komparator 111 zum Vergleichen des Spannungswerts bei Empfang des Span nungssignals von dem Verstärker 30 mit V_r,i (i=1 bis 6) und zum Ausgeben der Vergleichsergebnisse in Binärspannungspegeln und (ii) einen Zählen 121 zum Hochzählen bei Veränderung der Span nungsausgabe aus dem Komparator 111 gemäß einer Veränderung von einem Zustand, bei dem der Spannungswert des Spannungssignals von dem Verstärker 30 kleiner ist als V_r,i, bis zu einem Zu stand, bei dem der Spannungswert des Spannungssignals aus dem Verstärker 30 größer ist als V_r,i.

Vor der Messung des Meßobjektlichts werden die Peakhöhenvertei lungen p_i(h) (1 i k_MAX) für die Kalibrierung auf die glei che Weise wie bei der Ausführungsform 1 erzeugt.

Als nächstes werden die Werte von V_r,i gemäß den Peakhöhenver teilungen p_i(h) (1 i k_MAX) für die Kalibrierung bestimmt, und der Referenzspannungsgenerator 110 gibt die Spannung in V_r,i aus.

Fig. 21 ist eine Zeichnung zur Darstellung der oben erzeugten Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 = 1, 2, 3, . . ., k_MAX) von Ereignissen mit k-Photoelektronen, die den Einfluß des Rauschens, den die Lichtmeßvorrichtung inherent aufweist, mit in Betracht zieht. In dieser Figur ist k_MAX = 10. Fig. 21 zeigt gestrichelte Li nien an, die die Peakhöhenwerte darstellen, die jeweils den Re ferenzspannungen V_r,1 bis V_r,6 in der vorliegenden Ausführungs form entsprechen.

Die Referenzspannungen V_r,1 bis V_r,6, die an jeweils einem Ein gangsanschluß der jeweiligen Komparatoren 111 bis 116 von dem Referenzspannungsgenerator 110 bereitgestellt werden, werden wie beispielsweise nachfolgend beschrieben auf Grundlage der Peakhöhenverteilungen p_i(h) (k = 1, 2, 3, . . ., k_MAX) für Ereignisse mit k Photoelektronen bestimmt. Die Referenzspannung v_r,1, die an die Vergleichszählvorrichtung 130₁ geliefert wird, ist auf einen Spannungswert eingestellt, der einem Peakhöhenwert ent spricht, der größer ist als die Rauschkomponenten, die dem Be reich mit niedriger Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron überlagert sind, und der kleiner ist als die Basis des Peaks auf der Seite mit niedriger Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron. Die Referenzspannung V_r,2, die an die Vergleichszählvorrichtung 130₂ bereitgestellt wird, ist auf einen Spannungswert eingestellt, der einem Peakhöhen wert in der Nähe der Basis auf der Seite der hohen Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron entspricht. Die Referenzspannung V_r,3, die an die Vergleichszähleinrichtung 130₃ bereitgestellt wird, ist auf ei nen Spannungswert eingestellt, der einem Peakhöhenwert in der Nähe der Basis auf der Seite der hohen Peakhöhe der Peakhöhen verteilung p₂(h) für Ereignisse mit zwei Photoelektronen ent spricht. Die Referenzspannung V_r,4, die an die Vergleichszähl vorrichtung 130₄ bereitgestellt wird, ist auf einen Spannungs wert eingestellt, der einem Peakhöhenwert in der Nähe der Basis auf der Seite der hohen Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₄(h) für Ereignisse mit vier Photoelektronen entspricht. Die Refe renzspannung V_r,5, die an die Vergleichszählvorrichtung 130₅ bereitgestellt wird, ist auf einen Spannungswert eingestellt, der einem Peakhöhenwert in der Nähe der Basis auf der Seite der hohen Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₇(h) für Ereignisse mit sieben Photoelektronen entspricht. Die Referenzspannung V_r,6, die an die Vergleichszählvorrichtung 130₆ bereitgestellt wird, ist auf einen Spannungswert eingestellt, der einem Peakhöhen wert in der Nähe der Basis auf der Seite der hohen Peakhöhe der Peakhöhenverteilung p₁₀(h) für Ereignisse mit zehn Photoelek tronen entspricht.

Wenn die Beziehung zwischen dem Peakhöhenwert h und der Aus gangsspannung Vaus aus dem Verstärker 30 ausgedrückt wird als Vaus = V(h), und wenn die Referenzspannung V_r,1 bis V_r,6 erhal ten werden auf der Grundlage der Peakhöhenverteilungen p_k(h) (k = 1, 2, 3, . . ., 10) für Ereignisse mit k-Photoelektronen, wie in Fig. 21 gezeigt ist, gilt: V_r,1 = V(h₁ = 151), V_r,2 = (h₂ = 438), V_r,3 = V(h₃ = 847), V_r,4 = V(h₄ = 1650), V_r,5 = V(h₅ = 2839) und V_r,6 = V(h₆ = 4001).

Die Referenzspannungen V_r,1 bis V_r,6, die auf diese Weise einge stellt sind, werden jeweils von dem Referenzsignalgenerator 110 ausgegeben und jeweils an die Vergleichszählvorrichtungen 130₁ bis 130₆ bereitgestellt.

Nachfolgend wird die Kalibrierungsprobe 920 durch das Meßobjekt 910 ersetzt, und dann wird das Meßobjektlicht von dem Meßobjekt 910 gemessen.

Die Meßsteuereinheit 74 setzt zuerst das Resetsignal HR vor übergehend in den hohen Zustand, um alle Inhalte des Histro grammspeichers 60 und des Zählers 121 auf den Zählwert "0" zu rückzusetzen.

Fig. 22 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vergleichszählung in dem Vergleichszählabschnitt 150. Zum Messen des Meßobjektlichts setzt die Meßsteuereinheit 74 das Gatesignal GT in den hohen Zustand. Wenn das Meßobjekt licht auf den Photodetektor 10 während der Dauer des hohen Zu stands des Gatesignals GT einfällt zur Erzeugung von Photoelek tronen in der photoelektrischen Oberfläche 13, gibt der Detek tor 10 ein Stromsignal aus. Die Stromsignalausgabe aus dem De tektor 10 wird durch den Integrator 20 über die Dauer des hohen Zustands des Gatesignals GT integriert zur Umwandlung in ein Spannungssignal, und das Spannungssignal wird ausgegeben.

Die Spannungssignalausgabe aus dem Integrator 20 wird durch den Verstärker 30 verstärkt, und danach wird das verstärkte Signal an den Vergleichszählabschnitt 150 geliefert.

Der Vergleichszählabschnitt 150 vergleicht den Spannungswert des von dem Verstärker 30 gelieferten Spannungssignals mit je der der Referenzspannungen V_r,1 bis V_r,6, und jede Vergleichs zählvorrichtung 130₁ bis 130₆ zählt weiter, wenn der Spannungs wert des Spannungssignals größer ist als die Referenzspannung V_r,1 bis V_r,6.

Nach Vollendung der Erzeugung und dem Zählen in den Vergleichs zählvorrichtungen 130₁ bis 130₆ auf diese Weise wird die Ver teilung der Photoelektronenzahl der in der photoelektrischen Oberfläche 13 auftretenden Photoelektronen abgeschätzt, wodurch die Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Zum Abschätzen der Verteilung der Photoelektronenzahl setzt die Meßsteuervorrichtung 74 das Aktivierungsanweisungssignal GA in den hohen Zustand, wodurch die Abschätzeinheit 73A aktiviert wird.

Die somit aktivierte Abschätzeinheit 73A sammelt die Zählwerte Cm (m = 1 bis 6) von der Vergleichszähleinheit 150.

Beispielsweise wird das Verfahren der maximalen Wahrscheinlich keit zum Abschätzen der Verteilung der Zahl der Photoelektronen (Verteilung der Photoelektronenzahl), die in der photoelektri schen Oberfläche 13 des Photodetektors 10 bei Empfang des Meß objektlichts emittiert werden, verwendet. Es sei q_k (k = 1, 2, 3, . . ., K) eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Ereignissen jeweils mit k-Photoelektronen und q₀ eine Wahrscheinlichkeit der Emission von keinem Photoelektron aus der photoelektrischen Oberfläche 13 (Wahrscheinlichkeit 0), so wird q_k (k = 0, 1, 2, . . ., K) zur Maximierung der durch die nachfolgende Gleichung de finierten logarithmischen Wahrscheinlichkeit erhalten, was als eine Abschätzung der Verteilung der Photoelektronenzahl verwen det wird.

Hier ist N die Anzahl der Messungen, bei der es sich um die Zahl der gesamten Anregungen im Falle der Messung einer Fluo reszenzintensität durch gepulste Anregung handelt. Weiter sind n_m, p_ND und p_m wie folgt definiert.

Hier kann die Form der Verteilung der Photoelektronenzahl als beliebige Form angenommen werden unter der Voraussetzung, daß die Zahl der Populationsparameter kleiner ist als die Zahl der Zähler (sechs in diesem Fall), wobei jedoch in der nachfolgen den Beschreibung eine Poisson Verteilung angenommen wird. Wenn die Verteilung der Photoelektronenzahl als Poisson Verteilung angenommen wird, werden die Wahrscheinlichkeiten q_k (k = 1, 2, 3, . . ., K) des Auftretens der jeweiligen Ereignisse mit k Photoelektronen durch die Gleichung (20) ausgedrückt. Hier be deutet λ einen Mittelwert der Zahl der Photoelektronen, die von der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche 13 emittiert wer den. In diesem Fall ist der Erhalt der Verteilung der Photo elektronenzahl zur Maximierung der logarithmischen Wahrschein lichkeit äquivalent zum Erhalt des λ-Werts zur Maximierung der logarithmischen Wahrscheinlichkeit, der durch numerische Be rechnung beispielsweise durch das Verfahren des goldenen Schnitts erhalten werden kann.

In diesem Fall wird eine Stufenfunktion angenommen als Bezie hung zwischen dem Peakhöhenwert h der Spannungssignaleingabe und der Wahrscheinlichkeit der Ausgabe des logischen Puls signals in jedem der Komparatoren 111 bis 116. Falls jedoch die Wahrscheinlichkeit der Ausgabe eines logischen Pulssignals ge genüber dem Peakhöhenwert h des Spannungssignals durch eine allgemeinere Form angegeben ist, η_m(h) (m = 1, 2, 3, . . ., M), werden die obigen Gleichungen (13) und (14) ersetzt durch die folgen den Gleichungen.

Als nächstes wird der theoretische Vergleich zwischen der Lichtmeßvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform und der herkömmlichen Technologie (das Abschätzverfahren unter Verwen dung der Wahrscheinlichkeit 0) in Form eines Abschätzfehlers des Mittelwerts λ der Photoelektronenzahlen beschrieben. Fig. 23 ist eine Zeichnung zur Darstellung der Ergebnisse des Ver gleichs zwischen dem Abschätzverfahren nach der vorliegenden Ausführungsform und dem Abschätzverfahren unter Verwendung der Wahrscheinlichkeit 0.

Unter den Bedingungen, daß der Mittelwert λ₀ der Zahl von Pho toelektronen, die von der photoelektrischen Oberfläche des Pho todetektors emittiert werden, 0,1, 0,2, 0,3, 0,6, 1,0, 2,0, 3,0 oder 6,0 betrug, und die Zahl der Messungen N 10 000 betrug, wurden 500 Peakhöhenverteilungen für jeden Wert durch Simulati onsrechnung erzeugt, und unter Verwendung derselben wurden die Mittelwerte λ der Photoelektronenzahlen durch jedes der Verfah ren abgeschätzt, und die Standardabweichungen der Verteilungen der Schätzwerte wurden erhalten. In Fig. 23 zeigen die Markie rungen theoretische Werte der Standardabweichung der Vertei lung der Schätzwerte λ im Fall der Verwendung der Lichtmeßvor richtung gemäß der Ausführungsform 2 an, und die Markierungen zeigen theoretische Werte der Standardabweichung der Vertei lung der Schätzwerte λ im Fall des Abschätzverfahrens unter Verwendung der Wahrscheinlichkeit 0 an.

Man sieht aus der Fig. 23, daß der Mittelwert λ der Photoelek tronenzahl mit höherer Genauigkeit durch die Lichtmeßvorrich tung gemäß der Ausführungsform 6 als durch das Abschätzverfah ren unter Verwendung der Wahrscheinlichkeit 0 abgeschätzt wer den kann. Insbesondere wird nach Überschreiten des Werts von 0,6 durch den Mittelwert λ der Photoelektronenzahl der Unter schied zwischen den Standardabweichungen der Verteilung des Schätzwerts λ durch die jeweiligen Abschätzverfahren größer, wenn sich der Mittelwert λ erhöht. Die Verwendung der Lichtmeß vorrichtung gemäß der Ausführungsform 6 erlaubt eine genaue Ab schätzung des Mittelwerts λ, sogar dann, wenn der Mittelwert λ der Zahl von Photoelektronen, die von der photoelektrischen Um wandlungsfläche 13 bei Einfall des Meßobjektlichts auf den Pho todetektor 10 emittiert werden, groß ist, wodurch die Menge des einfallenden Lichts mit Genauigkeit erhalten werden kann.

Da die Lichtmeßvorrichtung nach der vorliegenden Ausführungs form nicht den AD-Wandler 50 verwendet, der nicht in der Lage ist, einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb zum Messen der Lichtmen ge des Meßobjektlichts auszuführen, kann die Abtastung bei hö herer Geschwindigkeit als in der Lichtmeßvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 wiederholt werden. Beispielsweise kann die Wiederholung der Abtastung bis zu der hohen Geschwindigkeit von ungefähr 10 MHz erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung kann auf die gleiche Weise wie durch die Abwandlung von der Ausführungsform 1 zur Ausführungsform 2 abgeändert werden.

Fig. 24 ist eine Darstellung des Aufbaus einer siebten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Lichtmeßvorrichtung. Die Vor richtung nach der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zur Ausführungsform 3 angeordnet, so daß Fluoreszenz nicht durch spontane Emission des Meßobjektlichts, sondern durch Bestrah lung mit Anregungslicht emittiert wird. Dann wird die Fluores zenz als Meßobjektlicht gemessen.

Wie in der Fig. 24 gezeigt ist, unterscheidet sich die Vor richtung nach der vorliegenden Ausführungsform von der Vorrich tung nach der Ausführungsform 3 darin, daß die Vorrichtung wei ter den Vergleichszählabschnitt 150 umfaßt zum Vergleichen ei nes Spannungswerts der Spannungssignalausgabe aus dem Verstär ker 30 mit einer vorbestimmten Anzahl (in dieser Ausführungs form sechs) von zueinander unterschiedlichen Referenzspannungs werten und zum Zählen der jeweiligen Vergleichsergebnisse, und darin, daß der Bearbeitungsabschnitt 760 eine Abschätzeinheit 73A umfaßt, die die Abschätzeinheit 73 ersetzt, zum Abschätzen einer Verteilung der Photoelektronenzahl für einen Fall, daß das Meßobjektlicht auf den Photodetektor 10 einfällt, auf der Grundlage der Zählergebnisse durch den Vergleichszählabschnitt 150, wenn das Meßobjektlicht auf den Photodetektor einfällt, bei Messung des Meßobjektlichts, der bereits erhaltenen Peakhö henverteilung p₁(h) für Ereignisse mit einem einzigen Photo elektron und den bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) für Ereignisse mit k Photoelektronen, wodurch die Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Vor der Messung des Meßobjektlichts werden die Peakhöhenvertei lungen p₁(h) (1 i k_MAX) zur Kalibrierung auf die gleiche Weise wie in der Ausführungsform 3 erzeugt.

Als nächstes werden ähnlich wie in der Ausführungsform 6 die Werte von V_r,i gemäß den Peakhöhenverteilungen p_i(h) (1 i k_MAX) für die Kalibrierung bestimmt, und der Referenzspannungs generator 110 gibt die Spannungen V_r,i aus.

Nachfolgend wird die Kalibrierungsprobe 921 durch das Meßobjekt 911 ersetzt, und dann wird Meßobjektlicht von dem Meßobjekt 911 gemessen.

Die Meßsteuereinheit 74 setzt zuerst das Resetsignal HR vor übergehend in den hohen Zustand, um alle Inhalte des Histo grammspeichers 60 und des Zählers 121 auf den Zählwert "0" zu rückzusetzen.

Fig. 25 ist ein Zeitablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Vergleichszählung in dem Vergleichszählabschnitt 150. Zum Messen des Meßobjektlichts setzt die Meßsteuereinheit 74 das Gatesignal GT in den bedeutenden Zustand. Wenn das Meß objektlicht auf den Photodetektor 10 während der Dauer des be deutenden Zustands des Gatesignals GT einfällt und Photoelek tronen in der photoelektrischen Oberfläche 13 erzeugt, gibt der Detektor 10 ein Stromsignal aus. Die Stromsignalausgabe aus dem Detektor 10 wird durch den Integrator 20 über die Dauer des be deutenden Zustands des Gatesignals GT integriert zur Umwandlung in ein Spannungssignal, und das Spannungssignal wird ausgege ben.

Nach Vollendung des Zählens in den Vergleichszählvorrichtungen 130₁ bis 130₆ auf diese Weise, wird die Verteilung der Photo elektronenzahl von Photoelektronen, die in der photoelektri schen Oberfläche 13 auftreten, abgeschätzt, wodurch die Inten sität des Meßobjektlichts erhalten wird.

Da die Lichtmeßvorrichtung nach der vorliegenden Ausführungs form nicht den AD-Wandler 50 verwendet, der zur Durchführung eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs zum Messen der Lichtmenge eines Objektlichts nicht in der Lage ist, kann die Anregung der Probe 911 durch die gepulste Laserquelle 80 bei höherer Ge schwindigkeit wiederholt werden als in der Lichtmeßvorrichtung nach der Ausführungsform 3. Die maximale Wiederholrate dieser Anregung wird bestimmt durch die Fluoreszenzlebensdauer der fluoreszierenden Substanz, die in der Probe 911 enthalten ist. Beispielsweise unter der Annahme der Fluoreszenzlebensdauer von 10 ns und einer Integrationsdauer in dem Integrator von 20 bis 50 ns, kann die Wiederholung der Anregung erhöht werden bis auf die hohe Geschwindigkeit von ungefähr 10 MHz.

Die vorliegende Erfindung kann auch auf die gleiche Weise wie die Abwandlung von der Ausführungsform 3 zu den Ausführungsfor men 4 und 5 abgeändert werden.

Die vorliegende Erfindung kann ohne Beschränkung auf die obigen Ausführungsformen eine Vielfalt von Abwandlungen aufweisen. Wenn beispielsweise ein zu messender Strahl eine Pulsform auf weist, ist der Integrator nicht eingeschränkt auf die Kombina tion eines Kondensators mit einem Schalter, sondern er kann ei ne Kombination eines ladungsempfindlichen Vorverstärkers mit einem eine Wellenform formenden Verstärker sein, wie er häufig auf dem Gebiet der Strahlungsdetektion verwendet wird.

Der Peakhöhenverteilungsgenerator ist nicht auf jene mit einem AD-Wandler und einem Histogrammspeicher eingeschränkt. Bei spielsweise wird eine Referenzspannung Vr an einen Eingangsan schluß eines Komparators geliefert, und eine Spannungssignal ausgabe aus dem Verstärker 30 wird an den anderen Eingangsan schluß geliefert. Dann wird diese Referenzspannung Vr durchge fahren zum Erhalt von Zählwerten N_i des Zählers für die kon stante Zeit für jeweilige Werte Vr_i der Referenzspannung, und die Peakhöhenverteilung ist definiert als Differenzen N_i - N_i+1 der Zählwerte N_i. In diesem Fall entspricht (Vr_i + Vr_i+1)/2 dem Peakhöhenwert h (wobei i = 1, 2, 3, . . .) gilt.

Die erfindungsgemäße Lichtmeßvorrichtung kann für andere Anwen dungen verwendet werden als die oben beschriebene Messung von in gepulster Form erzeugter Fluoreszenz. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine Lichtmenge eines kontinuierlich erzeugten Strahls messen. In diesem Fall führt der Integrator 20 der Lichtmeßvorrichtung wiederholt eine Integration über eine kon stante Zeit aus. Dann arbeiten in der Lichtmeßvorrichtung der Ausführungsform 1 die Abtasthalteschaltung 40 und der AD-Wandler 50 in Synchronisation mit dem Betrieb des Integrators 20, und auf der Grundlage der in dem Histogrammspeicher 60 nach Vollendung einer vorbestimmten Anzahl von Integrationsvorgängen in dem Integrator 20 erzeugten Peakhöhenverteilung wird die Verteilung der Zahl der Photoelektronen, die in dem Photodetek tor 10 emittiert werden, auf die gleiche Weise wie für die Aus führungsform 1 beschrieben abgeschätzt. Dann kann die Lichtmen ge des zu messenden Strahls auf Grundlage dieses Schätzwerts er halten werden. Im Fall der Lichtmeßvorrichtung der Ausführungs form 6 wird auf Grundlage der Zählwerte der Zähler 121 nach Vollendung der vorbestimmten Zahl von Integrationsvorgängen in dem Integrator 20 die Verteilung der Zahl der Photoelektronen, die in dem Photodetektor emittiert werden, auf die gleiche Wei se wie für die Ausführungsform 6 beschrieben abgeschätzt, wo durch die Lichtmenge des zu messenden Strahls auf der Grundlage dieses Schätzwerts erhalten werden kann.

Aus der derart beschriebenen Erfindung ist es offensichtlich, daß die Erfindung in vielen Richtungen verändert werden kann. Solche Veränderungen sollen nicht als abweichend vom Grundge danken und Bereich der Erfindung angesehen werden, soweit sie im Bereich der folgenden Ansprüche enthalten sind.

Auf die Japanischen Anmeldungen Nr. 296902/1995, die am 15. No vember 1995 eingereicht wurde, und Nr. 146220/1996, die am 7. Juni 1996 eingereicht wurde, wird hiermit Bezug genommen.

Claims

1. Eine Lichtmeßvorrichtung mit:
einem Photodetektor zum Emittieren von Photoelektronen in einer Anzahl gemäß einer Verteilung einer Photoelektronen zahl in Abhängigkeit von einer Zahl von Photonen eines Einfallslichts, zum Vervielfachen der Photoelektronen und zum Ausgeben eines Stromsignals;
einem integrierenden Mittel zum Integrieren des Stromsi gnals zur Umwandlung des Stromsignals in ein Spannungs signal und zum Ausgeben des Spannungssignals als Peakhö henwert für ein Ereignis;
einem ersten Erzeugungsmittel zum Sammeln eines Peakhöhen werts für jedes Ereignis und zum Erzeugen einer Peakhöhen verteilung N(h) einer Anzahl von Ereignissen gegenüber dem Peakhöhenwert, wobei h der Peakhöhenwert ist;
einem zweiten Erzeugungsmittel zum Erzeugen einer Peakhö henverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron auf der Grundlage einer Peakhöhenverteilung N₁(h), die durch das erste Erzeugungsmittel in einem Sam melmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, bei jedem von denen eine Zahl von in dem Photodetektor emittierten Photoelektronen im wesentlichen maximal eins ist, erzeugt wird;
einem dritten Erzeugungsmittel zum rekursiven Berechnen von wie nachfolgend definierten Werten auf der Grundlage der Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron, und dadurch zum Erzeugen von Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Ereignissen mit k-Photoelektronen, bei jedem von denen eine Zahl von von dem Photodetektor emittierten Photoelek tronen k ist mit 2 k k_max; und
einem Abschätzmittel zum Abschätzen der Verteilung der Photoelektronenzahl für einen Fall, bei dem Meßobjektlicht auf den Photodetektor einfällt, auf der Grundlage einer Peakhöhenverteilung N(h), die durch das erste Erzeugungs mittel erzeugt wird, wenn das Meßobjektlicht auf den Pho todetektor in einem normalen Meßmodus einfällt, weiter auf der Grundlage der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Er eignissen mit k-Photoelektronen, wodurch eine Intensität des Meßobjektlichts erhalten wird.

2. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Photo detektor umfaßt:
eine photoelektrische Umwandlungsoberfläche (13) zum Emit tieren von Photoelektronen in einer Zahl entsprechend ei ner Verteilung der Photoelektronenzahl in Abhängigkeit von der Lichtmenge eines darauf einfallenden Strahls;
eine Lawinenphotodiode, bei der zwischen einer Anode und einer Kathode eine Sperrspannung angelegt ist und bei der ein der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche gegenüber liegender Teil auf ein höheres Potential als ein Potential der photoelektrischen Umwandlungsoberfläche eingestellt ist, zur Lawinenvervielfachung von bei Einfall der Photo elektronen erzeugten Elektronlochpaaren und zur Ausgabe eines Stromsignals gemäß einer Anzahl von derart lawinen vervielfachten Elektronlochpaaren; und
einen Vakuumbehälter mit einem Eintrittsfenster zum Trans mittieren des Strahls und zum Einschließen der photoelek trischen Umwandlungsoberfläche und der Lawinenphotodiode.

3. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das erste Erzeugungsmittel umfaßt:
einen Analog-Digital-Wandler zum Empfang des Spannungs signals, Umwandeln des Spannungssignals in ein digitales Signal und Ausgeben des digitalen Signals als Peakhöhen wert; und
Ereigniszählmittel zum Zählen und Speichern einer Anzahl von auftretenden Ereignissen für jeden digitalen Ausgabe wert aus dem Analog-Digital-Wandler,
wobei das dritte Erzeugungsmittel nachfolgend definierte Werte berechnet zum Erhalt der Peakhöhenverteilung p_k(h) von Ereignissen mit k-Photoelektronen

4. Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Abschätz mittel die Verteilung der Photoelektronenzahl durch das Verfahren der maximalen Wahrscheinlichkeit abschätzt.

5. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Ab schätzmittel die Verteilung der Photoelektronenzahl unter der Annahme abschätzt, daß die Verteilung der Photoelek tronenzahl eine Poisson Verteilung ist.

6. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter ein lichtreduzierendes Mittel umfaßt zum Verringern einer auf den Photodetektor einfallenden Lichtmenge in Erwiderung auf eine Einstellung in einen Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron.

7. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei das lichtreduzierende Mittel einen lichtreduzierenden Filter umfaßt zum Verringern der Intensität des darauf einfallen den Lichts und zum Ausgeben des Lichts gegen den Photode tektor.

8. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter um faßt:
eine gepulste Lichtquelle zum Ausgeben gepulsten Lichts zur Bestrahlung eines Meßobjekts und weiter zum Ausgeben eines Timingerzeugungssignals des gepulsten Lichts; und
Betriebstimingsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Integrationsanweisungssignals und eines Sammelanweisungs signals aus dem Timingerzeugungssignal des gepulsten Lichts und zum Senden des Integrationsanweisungssignals an das integrierende Mittel und des Sammelanweisungssignals an das erste Erzeugungsmittel.

9. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 8, die weiter ein lichtreduzierendes Mittel zum Verringern einer auf den Photodetektor einfallenden Lichtmenge umfaßt in Erwiderung auf eine Einstellung in einen Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron.

10. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das lichtreduzierende Mittel einen lichtreduzierenden Filter umfaßt zum Empfang von Meßobjektlicht von einem Meßobjekt, zum Verringern der Intensität des Lichts und zum Ausgeben des Lichts gegen den Photodetektor.

11. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei das lichtreduzierende Mittel einen lichtreduzierenden Filter umfaßt zum Empfang des von der gepulsten Lichtquelle ausge gebenen gepulsten Lichts, zum Verringern der Intensität des Lichts und zum Ausgeben des Lichts gegen ein Meßob jekt.

12. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter um faßt:
eine vorbestimmte Anzahl von Vergleichsmitteln zum Ver gleichen des Spannungssignals für jedes Ereignis mit einer vorbestimmten Anzahl von Referenzspannungen, die sich von einander unterscheiden, und zum Ausgeben eines logischen Pulssignals, wenn das Spannungssignal größer ist als die jeweilige vorbestimmte Referenzspannung; und
Vergleichsergebniszählmittel zum Zählen der logischen Pulssignale, die aus der vorbestimmten Anzahl von Ver gleichsmitteln ausgegeben werden,
wobei das Abschätzmittel die Verteilung der Photoelektro nenzahl abschätzt für den Fall, bei dem das Meßobjektlicht auf den Photodetektor einfällt, auf der Grundlage der Zählergebnisse des Vergleichsergebniszählmittels bei Ein fall des Meßobjekts auf den Photodetektor, und weiter auf der Grundlage der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilung p₁(h) von Ereignissen mit einem einzigen Photoelektron und der bereits erhaltenen Peakhöhenverteilungen p_k(h) von Er eignissen mit k-Photoelektronen.

13. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiter Meß steuermittel umfaßt zum Ausgeben einer Anweisung einer Ak tivierung des zweiten Erzeugungsmittels im Falle einer Einstellung in den Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron und zum Ausgeben einer Anweisung einer Aktivierung des Abschätzmittels im Falle einer Ein stellung in den normalen Meßmodus.

14. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Meß steuermittel ein Integrationsanweisungssignal an das Inte grationsmittel sendet und ein Sammelanweisungssignal an das erste Erzeugungsmittel sendet.

15. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, die weiter lichtreduzierende Mittel umfaßt zum Verringern der auf den Photodetektor einfallenden Lichtmenge in einem Fall, bei dem ein Anweisungssignal für ein Ereignis mit einem einzi gen Photoelektron in einem bedeutenden Zustand ist, um ei ne Einstellung in den Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron zu bewirken, wobei das Meßsteuer mittel das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem ein zigen Photoelektron ausgibt.

16. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei das lichtreduzierende Mittel umfaßt:
einen lichtreduzierenden Filter zum Verringern der Inten sität von darauf einfallendem Licht und zum Ausgeben des Lichts gegen den Photodetektor; und
Trägermittel zum Plazieren des lichtreduzierenden Filters in einer Position, wo das Licht, das in den Photodetektor eintreten soll, hindurchtritt, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron sich in dem bedeutenden Zustand befindet, jedoch zum Entfernen des lichtreduzierenden Filters aus der Position, wo das Licht, das in den Photodetektor eintreten soll, hindurchtritt, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzi gen Photoelektron sich nicht in dem bedeutenden Zustand befindet.

17. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13 weiter mit:
einer gepulsten Lichtquelle zum Ausgeben gepulsten Lichts zur Bestrahlung eines Meßobjekts und zudem zum Ausgeben eines Timingerzeugungssignals des gepulsten Lichts;
einem Betriebstimingsignalerzeugungsmittel zum Erzeugen des Integrationsanweisungssignals und des Sammelanwei sungssignals aus dem Timingerzeugungssignal des gepulsten Lichts und zum Senden des Integrationsanweisungssignals an das Integrationsmittel und des Sammelanweisungssignals an das erste Erzeugungsmittel; und
einem lichtreduzierenden Mittel zum Verringern der Menge des auf den Photodetektor einfallenden Lichts für einen Fall, bei dem ein Anweisungssignal für Ereignisse mit ei nem einzigen Photoelektron sich im bedeutenden Zustand be findet zum Bewirken einer Einstellung in den Sammelmodus für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron, wobei das Meßsteuermittel das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron ausgibt.

18. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das lichtreduzierende Mittel umfaßt:
einen lichtreduzierenden Filter zum Empfang von Meßobjekt licht von einem Meßobjekt, zum Verringern der Intensität des Lichts und zum Ausgeben des Lichts gegen den Photode tektor; und
Trägermittel zum Positionieren des lichtreduzierenden Fil ters an einer Position, wo das Licht, das in den Photode tektor eintreten soll, hindurchtritt, wenn das Anweisungs signal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron sich im bedeutenden Zustand befindet, jedoch zum Entfernen des lichtreduzierenden Filters aus der Position, wo das Licht, das in den Photodetektor eintreten soll, hindurch tritt, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photoelektron sich nicht in dem bedeutenden Zu stand befindet.

19. Die Lichtmeßvorrichtung gemäß Anspruch 17, wobei das lichtreduzierende Mittel umfaßt:
einen lichtreduzierenden Filter zum Empfang des gepulsten Lichts, das aus der gepulsten Lichtquelle ausgegeben wird, zum Verringern der Lichtintensität und zum Ausgeben des Lichts gegen das Meßobjekt; und
Trägermittel zum Positionieren des lichtreduzierenden Fil ters in einer Position, wo das Licht, das aus der gepul sten Lichtquelle ausgegeben wird, hindurchtritt, wenn das Anweisungssignal für Ereignisse mit einem einzigen Photo elektron sich in dem bedeutenden Zustand befindet, jedoch zum Entfernen des lichtreduzierenden Filters aus der Posi tion, wo das aus der gepulsten Lichtquelle ausgegebene Licht hindurchtritt, wenn das Anweisungssignal für Ereig nisse mit einem einzigen Photoelektron sich nicht in dem bedeutenden Zustand befindet.