JP2000075217A

JP2000075217A - コンフォーカル顕微鏡、および受光素子

Info

Publication number: JP2000075217A
Application number: JP10245612A
Authority: JP
Inventors: Juichi Yoneyama; 寿一米山
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-08-31
Filing date: 1998-08-31
Publication date: 2000-03-14

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、コンフォーカル顕微鏡、およびコ
ンフォーカル顕微鏡の用途に特に適する受光素子に関
し、従来必要であった高い駆動電圧を不要にしつつ、十
分な信号対雑音比を得ることを目的とする。【解決手段】光源と、光源からの光を試料に照射する
照明光学系と、試料からの放射光を集光する集光光学系
と、放射光を受光する受光素子とを備えたコンフォーカ
ル顕微鏡において、受光素子は、放射光を光電変換する
受光部と、受光部の近くに設けられ、制御領域の蓄積電
荷に対応した信号出力を出力する増幅部と、受光部に生
成される信号電荷を、増幅部の制御領域へ転送する電荷
転送回路と、増幅部の制御領域をリセットするリセット
回路と、制御領域のリセット期間に増幅部から出力され
るリセット電位を保持し、リセット電位と増幅部の信号
出力との差分を出力する差分回路とを備えてコンフォー
カル顕微鏡を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コンフォーカル顕
微鏡、およびコンフォーカル顕微鏡の受光用途に特に適
した受光素子に関する。特に、本発明は、入力光子数が
十数個以上の微弱光を受光する環境下において、光電変
換の信号対雑音比を高める技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料に向けてスポット光を走査
し、試料からの放射光をピンホールを介して逐次検出す
るコンフォーカル（共焦点）顕微鏡が知られている。こ
の種のコンフォーカル顕微鏡では、試料の特定の深さか
ら放射された光が、ピンホールの孔に集光して、そのま
ま通過する。一方、それ以外の深さからの放射光は、ピ
ンポールの位置で広がり遮蔽される。その結果、試料を
特定の深さでスライスした状態の拡大断面像を得ること
ができる。

【０００３】このようなコンフォーカル顕微鏡は、細胞
などの生物試料の観察によく使用される。これらの生物
試料の場合、試料から放射される光は、微弱な蛍光とな
る。コンフォーカル顕微鏡は、この微弱な蛍光を、ピン
ホールを介して光量が制限された状態で検出する。した
がって、コンフォーカル顕微鏡では、受光感度の特に高
い受光素子を使用する必要があった。そのため、従来の
コンフォーカル顕微鏡では、光電子増倍管（以下「ＰＭ
Ｔ」という）、あるいはアバランシェ・ホトダイオード
（以下「ＡＰＤ」という）のどちらかが使用されてい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のＰＭ
Ｔは、一種の真空管である。そのため、（１）形状が大きい（２）１０００Ｖ程度の高電圧を印加する必要がある（３）高価であるといった不具合があった。

【０００５】また、一方のＡＰＤには、（１）１００Ｖ程度の高いバイアス電圧が必要となる（２）周辺温度に依存してバイアス電圧を細かく変更す
る必要がある（３）高集積化が困難であるなどの不具合があった。

【０００６】一方、ホトダイオードなどの通常の受光素
子を使用すれば、上記のような不具合を解消することが
できる。しかしながら、通常の受光素子では、微弱光を
受光する環境下において、十分な信号対雑音比を得るこ
とができなかった。そのため、コンフォーカル顕微鏡の
ように微弱光を受光する環境下では、上記の不具合があ
るにもかかわらず、ＰＭＴもしくはＡＰＤを使用せざる
を得なかった。

【０００７】そこで、請求項１，２に記載の発明では、
ＰＭＴ，ＡＰＤを使用せずに、微弱光を受光する環境下
において、十分な信号対雑音比を得ることが可能なコン
フォーカル顕微鏡を提供することを目的とする。また、
請求項３〜５に記載の発明では、コンフォーカル顕微鏡
の走査速度を高速化するなどの用途に特に適した受光素
子を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（請求項１）請求項１に
記載の発明は、光源と、光源からの光を集光し、試料に
照射する照明光学系と、試料からの放射光を集光する集
光光学系と、集光光学系を介して集光された放射光を受
光する受光素子とを備えたコンフォーカル顕微鏡におい
て、受光素子は、放射光を光電変換して信号電荷を蓄積
する受光部と、受光部の近くに設けられ、電荷を蓄積す
る制御領域を有し、該制御領域の蓄積電荷に対応した信
号出力を出力する増幅部と、受光部に生成される信号電
荷を、増幅部の制御領域へ転送する電荷転送回路と、増
幅部の制御領域をリセットするリセット回路と、制御領
域のリセット期間に増幅部から出力されるリセット電位
を容量性インピーダンスに保持し、保持したリセット電
位と増幅部の信号出力との差分を出力する差分回路とを
備えて構成されることを特徴とする。

【０００９】このような構成では、受光素子の受光部
に、ＰＭＴやＡＰＤなどを使用しない。そのため、高い
駆動電圧が必要になるなどの従来の不具合は解消され
る。したがって、残る問題点は、微弱光を検出する環境
下において、本発明の受光素子が、十分な信号対雑音比
を得ることが可能か否かである。以下、この点について
詳細に説明する。

【００１０】＜従来のＰＭＴの信号対雑音比＞まず最初
に、従来のＰＭＴの信号対雑音比について説明する。図
８は、ＰＭＴの等価回路（ノイズモデル）を示す図であ
る。ここで、受光部９１に対する単位時間（サンプリン
グ時間）当たりの入力光子数をＳｉとし、受光部９１の
量子効率をＥｐとすると、受光部９１における発生電子
数Ｓｐは、Ｓｐ＝Ｅｐ・Ｓｉ・・・［式１］となる。

【００１１】さらに、負荷抵抗９２をＲとし、増倍部９
３の電流増倍率をＧとし、サンプリング周波数をＦと
し、電子電荷をＱとすると、出力される信号電圧Ｓｖｐ
は、Ｓｖｐ＝Ｇ・Ｅｐ・Ｓｉ・Ｑ・Ｆ・Ｒ・・・［式２］となる。一方、ショット雑音により受光部９１に発生す
る雑音電子数Ｎｐは、発生電子数Ｓｐの平方根となるの
で、Ｎｐ＝√（Ｅｐ・Ｓｉ）・・・［式３］となる。

【００１２】この雑音電子数Ｎｐは、信号電荷と同様に
増倍されて出力されるため、ショット雑音による出力雑
音電圧Ｎｖ（実効値）は、Ｎｖ＝Ｇ・Ｑ・Ｆ・Ｒ・√（Ｅｐ・Ｓｉ）・・・［式４］となる。一方、ボルツマン定数をｋとし、絶対温度をＴ
とし、出力信号の帯域幅をＢとすると、負荷抵抗９２の
熱雑音による出力雑音電圧Ｎｒ（実効値）は、Ｎｒ＝√（４・ｋ・Ｔ・Ｂ・Ｒ）・・・［式５］となる。

【００１３】また、増倍部９３の雑音密度をＶｎとする
と、増倍部９３のアンプ雑音による出力雑音電圧Ｎａ
（実効値）は、Ｎａ＝Ｖｎ・√（Ｂ）・・・［式６］となる。これらの出力雑音電圧Ｎｖ，Ｎｒ，Ｎａの二乗
平均（電力和）を求めることにより、総合的な出力雑音
電圧Ｎｔ（実効値）は、Ｎｔ＝√［（Ｇ・Ｑ・Ｆ・Ｒ）²・Ｅｐ・Ｓｉ＋４・ｋ・Ｔ・Ｂ・Ｒ＋Ｂ・Ｖｎ² ］・・・［式７］となる。

【００１４】なお、ＰＭＴの電流増倍率Ｇは十分に大き
いので、［式７］の出力雑音電圧Ｎｔは、Ｎｔ≒√［（Ｇ・Ｑ・Ｆ・Ｒ）²・Ｅｐ・Ｓｉ］・・・［式８］ ≒Ｇ・Ｑ・Ｆ・Ｒ・√（Ｅｐ・Ｓｉ）に近似することができる。

【００１５】この［式８］からもわかるように、ＰＭＴ
の出力雑音電圧Ｎｔには、ショット雑音の成分が支配的
に現れる。以上の結果から、ＰＭＴの信号対雑音比ＳＮ
ｐは、ＳＮｐ＝Ｓｖｐ／Ｎｔ ≒√（Ｅｐ・Ｓｉ）・・・［式９］となる。

【００１６】＜本発明の信号対雑音比＞次に、本発明の
信号対雑音比について説明する。まず、受光部に対する
単位時間（サンプリング時間）当たりの入力光子数をＳ
ｉとし、受光部の量子効率をＥｓとすると、信号電荷の
発生電子数Ｓｓは、Ｓｓ＝Ｅｓ・Ｓｉ・・・［式１０］となる。なお、受光部の量子効率は、ＰＭＴなどの従来
管に比べ、半導体センサの方が一般的に高い。

【００１７】ところで、本発明のようにリセット回路を
有する受光素子では、リセット回路を非導通にした瞬間
に、リセット回路の熱雑音電流が保持されて、制御領域
のリセット電位が変動する（いわゆるＫＴＣ雑音）。し
かしながら、本発明では増幅部の出力段に、差分回路
（容量性インピーダンス）を設けているので、リセット
電位を差し引いて、ＫＴＣ雑音を無視できる程度に低減
することができる。

【００１８】一方、受光部で発生するショット雑音と、
信号電荷の読み出し過程で発生する雑音（アンプ雑音や
種々の熱雑音など）は、信号電荷に直接混入するため、
無視することができない。これらの信号電荷に直接混入
する雑音を、受光部における等価雑音電子数Ｎｓに換算
して表すと、Ｎｓ＝√（Ｅｓ・Ｓｉ＋Ｎｅ²）・・・［式１１］となる。なお、上式中の第１項はショット雑音の成分で
ある。または第２項中のＮｅは、信号電荷の読み出し過
程で混入する雑音を、受光部における雑音電子数に入力
換算した値である。したがって、本発明における信号対
雑音比ＳＮｓは、ＳＮｓ＝Ｓｓ／Ｎｓ＝Ｅｓ・Ｓｉ／√（Ｅｓ・Ｓｉ＋Ｎｅ²）・・・［式１２］となる。

【００１９】＜本発明の信号対雑音比が、従来の信号対
雑音比を上回る条件＞上述した［式９］および［式１
２］から、本発明の信号対雑音比が、従来の信号対雑音
比を上回る条件式は、Ｅｓ・Ｓｉ／√（Ｅｓ・Ｓｉ＋Ｎｅ²）＞ √（Ｅｐ
・Ｓｉ）となる。

【００２０】ここで、量子効率の条件：Ｅｓ＞Ｅｐ・・・［式１３］を仮定して、上式を入力光子数Ｓｉについて変形する
と、入力光子数の条件：Ｓｉ＞Ｎｅ²・Ｅｐ／Ｅｓ（Ｅｓ−Ｅｐ）・・・［式１４］を得る。

【００２１】したがって、量子効率の条件（式１３）お
よび入力光子数の条件（式１４）を満足する環境下にあ
っては、本発明のコンフォーカル顕微鏡の方が、ＰＭＴ
使用のコンフォーカル顕微鏡よりも高い信号対雑音比を
得ることができる。ちなみに、後述する第１の実施形態
では、入射光の波長が５００ｎｍ以上あるいは２００ｎ
ｍ以下であるとして、Ｅｐ＝０．２，Ｅｓ＝０．８，Ｎｅ＝６を達成している。

【００２２】この場合、量子効率の条件（式１３）を満
足し、かつ入力光子数の条件（式１４）の右辺値は、１
５個となる。したがって、入力光子数１５個以上の微弱
光を受光する環境下において、本発明のコンフォーカル
顕微鏡は、従来以上の高い信号対雑音比を得ることが可
能となる。以上説明したように、本発明のコンフォーカ
ル顕微鏡では、受光素子用の高い駆動電圧を一切不要と
し、さらに上記条件（式１３，式１４）を満たす環境下
において、ＰＭＴ使用のコンフォーカル顕微鏡よりも高
い信号対雑音比を達成することが可能となる。

【００２３】（請求項２）請求項２に記載の発明は、請
求項１に記載のコンフォーカル顕微鏡において、増幅部
の出力段と容量性インピーダンスとの間に、容量性イン
ピーダンスに電流供給するためのバッファアンプを備え
たことを特徴とする。一般に、増幅部の出力段は、容量
性インピーダンスを高速駆動するため、十分な電流供給
能力を備えなければならない。そのため、増幅部のスペ
ースを比較的大きくとる必要があった。

【００２４】しかしながら、上記構成ではバッファアン
プを別途備えるため、増幅部の出力段の電流供給能力を
無理なく下げることができる。その結果、増幅部の面積
が縮小され、制御領域の蓄積容量Ｃｇが下がる。この場
合、信号電荷の電荷量ｑに対して、制御領域の信号電位
（ｑ／Ｃｇ）がより大きく発生するようになる。

【００２５】このように制御領域の信号電位が大きくな
ると、後段における雑音の影響を一様に低減することが
できる。これは、入力光子数の条件（式１４）中の等価
雑音電子数Ｎｅが小さくなることに該当し、請求項１よ
りも条件が一段と緩和される。したがって、請求項２の
コンフォーカル顕微鏡では、入力光子数の更に少ないよ
うな環境下において、ＰＭＴ使用のコンフォーカル顕微
鏡よりも高い信号対雑音比を達成することが容易に可能
となる。

【００２６】（請求項３）請求項３に記載の発明は、受
光面上に細分化して設けられ、入射光を光電変換して信
号電荷を蓄積する複数個の受光部と、受光部ごとに設け
られ、電荷を蓄積する制御領域を有し、該制御領域の蓄
積電荷に対応した信号出力を出力する複数個の増幅部
と、受光部ごとに設けられ、受光部に生成される信号電
荷を増幅部の制御領域へそれぞれ転送する複数個の電荷
転送回路と、増幅部ごとに設けられ、増幅部の制御領域
をリセットする複数個のリセット回路と、増幅部の出力
段ごとに設けられ、制御領域のリセット期間に増幅部か
ら出力されるリセット電位を容量性インピーダンスに保
持し、保持したリセット電位と増幅部の信号出力との差
分を出力する複数個の差分回路と、複数個の差分回路の
出力を加算する加算回路とを備え、受光部の細分化によ
り、受光部から制御領域への電荷転送時間を短縮したこ
とを特徴とする。

【００２７】一般に、受光部の受光面積を拡大すること
により、受光素子の受光効率を容易に高めることができ
る。しかしながら、このような効率アップ対策では、受
光面の拡大に伴って信号電荷の平均路程が長くなるた
め、電荷転送時間が長くかかるようになる。そのため、
このような受光素子をコンフォーカル顕微鏡のような画
像走査を行う用途に使用した場合、１画像当たりの読み
出し時間が遅くなるなどの不具合が生じる。

【００２８】しかしながら、請求項３の受光素子では、
受光部を細分化し、各受光部ごとに電荷転送回路を設け
る。また、加算回路は、各電荷転送回路からの信号を加
算して、総合的な受光出力を生成する。このような構成
では、受光面を拡大しても、受光部の一つ一つが細分化
されているため、信号電荷の平均路程を短く抑えること
ができる。したがって、請求項３の受光素子では、受光
面を拡大して受光効率を高め、その上さらに受光素子の
応答速度を高速化するという相反した課題を一度に解決
することが可能となる。

【００２９】（請求項４）請求項４に記載の発明は、請
求項３に記載の受光素子において、複数の受光部から信
号出力を選択して取り出す出力選択回路を備えたことを
特徴とする。このような出力選択回路を用いて、画素単
位やライン単位に出力を取り出すことが可能となる。し
たがって、請求項４の受光素子を、撮像素子やラインセ
ンサなどの用途に使用することも可能となる。

【００３０】（請求項５）請求項５に記載の発明は、入
射光を光電変換して信号電荷を蓄積する受光部と、電荷
を蓄積する制御領域を有し、該制御領域の蓄積電荷に対
応した信号出力を出力する増幅部と、受光部の近くに分
散して配置され、受光部に生成される信号電荷を、複数
の転送経路を介して増幅部の制御領域へ転送する複数個
の電荷転送回路と、増幅部の制御領域をリセットするリ
セット回路と、制御領域のリセット期間に増幅部から出
力されるリセット電位を容量性インピーダンスに保持
し、保持したリセット電位と増幅部の信号出力との差分
を出力する差分回路とを備え、転送経路の複路化によ
り、受光部から制御領域への電荷転送時間を短縮したこ
とを特徴とする。

【００３１】一般に、受光部の受光面積を拡大すること
により、受光素子の受光効率を容易に高めることができ
る。しかしながら、このような効率アップ対策では、受
光面の拡大に伴って信号電荷の平均路程が長くなるた
め、電荷転送時間が長くかかるようになる。そのため、
このような受光素子をコンフォーカル顕微鏡のような光
学像を走査する用途に使用した場合、１画像当たりの読
み出し時間が遅くなるなどの不具合が生じる。

【００３２】しかしながら、請求項５の受光素子では、
受光部の近くに複数の電荷転送回路を分散配置して、信
号電荷の転送経路を複路化する。このような構成では、
受光面を拡大しても、信号電荷の転送経路が複数用意さ
れているため、信号電荷の平均路程を短く抑えることが
できる。したがって、請求項５の受光素子では、受光面
を拡大して受光効率を高め、その上さらに受光素子の応
答速度を高速化するという相反した課題を一度に解決す
ることが可能となる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明にお
ける実施の形態を説明する。

【００３４】＜第１の実施形態＞第１の実施形態は、請
求項１，２に記載の発明に対応した実施形態である。図
１は、第１の実施形態におけるコンフォーカル顕微鏡１
１の構成を示す図である。図１において、レーザー光源
１２の光路上には、ビームエキスパンダ１３、ダイクロ
イックミラー１４を間に介して、ＸＹ走査ユニット１５
が配置される。このＸＹ走査ユニット１５の後には、さ
らにリレーレンズ１６、凸レンズ１７、凹レンズ１８、
対物レンズ１９が順に配置される。

【００３５】また、ダイクロイックミラー１４の反射光
路側には、集光レンズ２１、ピンホール２２およびダイ
クロイックミラー２３が配置される。このダイクロイッ
クミラー２３の一方の分岐先には受光素子２４が配置さ
れ、もう一方の分岐先には受光素子２５が配置される。
これらの受光素子２４，２５の出力端子は、Ａ／Ｄ変換
回路２６を介してフレームメモリ回路２７に接続され
る。このフレームメモリ回路２７のデータ出力端子は、
画像処理回路２８を介してモニタ２９に接続される。

【００３６】図２は、上述した受光素子２４，２５の内
部回路を示す図である。図２において、受光面上にホト
ダイオードＰＤが形成される。このホトダイオードＰＤ
のカソードには電源電圧Ｖｄｄが印加され、アノードに
は、電荷転送用のＭＯＳスイッチＱＴを経て、増幅部
（例えばＪＦＥＴ）ＱＡのゲートが接続される。このＭ
ＯＳスイッチＱＴのゲートには、電荷転送用の制御パル
スφＴが供給される。

【００３７】また、増幅部ＱＡのゲートには、リセット
用のＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧを介してリセット用の定
電位ラインに接続される。このＭＯＳスイッチＱＲＳＴ
Ｇのゲートには、リセット用の制御パルスφＲＳＴＧが
供給される。さらに、増幅部ＱＡのドレインには電源電
圧Ｖｄｄが印加され、かつソースには定電流源ＣＣが接
続されて、ソースホロワ回路を構成する。この増幅部Ｑ
Ａのソースには、バッファアンプＡ１を介して蓄積容量
ＣＴの一端側が接続される。この蓄積容量ＣＴの他端側
は、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨを介して定電位ラインに
接続される。また、蓄積容量ＣＴの他端側の電位は、バ
ッファアンプＡ２を介することにより、出力電圧Ｖｏｕ
ｔとして外部へ出力される。

【００３８】（本発明と第１の実施形態との対応関係）
次に、上記した実施形態の各構成と本発明の構成要件と
の対応関係について詳しく説明する。まず、請求項１に
記載の発明と第１の実施形態の対応関係については、光
源はレーザー光源１２に対応し、照明光学系はビームエ
キスパンダ１３，ＸＹ走査ユニット１５，凸レンズ１
７，凹レンズ１８，対物レンズ１９に対応し、集光光学
系は集光レンズ２１およびピンホール２２に対応し、受
光素子は受光素子２４，２５に対応し、受光部はホトダ
イオードＰＤに対応し、増幅部は増幅部ＱＡに対応し、
電荷転送回路はＭＯＳスイッチＱＴに対応し、リセット
回路はＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧに対応し、容量性イン
ピーダンスは蓄積容量ＣＴに対応し、差分回路は蓄積容
量ＣＴおよびＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨに対応する。ま
た、請求項２に記載の発明と第１の実施形態との対応関
係については、バッファアンプはバッファアンプＡ１に
対応する。

【００３９】（第１の実施形態の動作説明）コンフォー
カル顕微鏡１１は、ＸＹ走査ユニット１５を用いて、レ
ーザー光の射出角を縦横に振る。その結果、レーザー光
のスポット点は、試料２０の上を縦横に走査移動する。
このようなレーザー光の走査に伴って、生物などの試料
２０からは、蛍光（波長域５００〜８００ｎｍ）が放射
される。

【００４０】これらの放射光は、レーザー光の射出光路
を逆方向に戻り、ダイクロイックミラー１４に到達す
る。ダイクロイックミラー１４は、この放射光（蛍光）
を波長選択して反射する。このように反射された放射光
は、集光レンズ２１を介して集光する。このとき、ピン
ホール２２は、孔の位置に集光する放射光のみを選択的
に通過させる（いわゆる「光学的な試料像のスライ
ス」）。

【００４１】このピンホール２２の通過により極端に微
弱となった放射光は、ダイクロイックミラー２３に入射
して、長波長側と短波長側とに波長分離される。受光素
子２４は、この長波長側の放射光を受光する。また、受
光素子２５は、短波長側の放射光を受光する。以下、こ
の受光素子２４，２５の動作について詳しく説明する。

【００４２】図３は、受光素子２４，２５の動作タイミ
ングを示すタイミングチャートである。まず、期間Ｔ１
において、制御パルスφＲＳＴＧがローレベルに立ち下
げられる。すると、リセット用のＭＯＳスイッチＱＲＳ
ＴＧが導通し、増幅部ＱＡのゲート容量に蓄積されてい
た電荷がリセットされる。

【００４３】その結果、増幅部ＱＡのソースからはリセ
ット電位が出力される。このリセット電位は、バッファ
アンプＡ１を介して、蓄積容量ＣＴの一端側に印加され
る。このとき、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨは導通状態に
維持されるため、蓄積容量ＣＴには、ＭＯＳスイッチＱ
ＲＳＴＨのオン抵抗を介した充電路が構成される。その
結果、期間Ｔ１の終了時点までに、蓄積容量ＣＴには、
リセット電位に対応した電位が保持される。

【００４４】次の期間Ｔ２が開始すると、制御パルスφ
ＲＳＴＧがハイレベルに立ち上げられる。すると、リセ
ット用のＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧが非導通状態とな
り、増幅部ＱＡのゲートはフローティング状態となる。
リセット用のＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧの導通時には、
オン抵抗による熱雑音が常時発生しており、非導通にな
った瞬間の熱雑音が増幅部ＱＡのゲートに充電される。
これが、いわゆるＫＴＣ雑音であり、増幅部ＱＡのゲー
ト容量Ｃｇが小さいために、期間Ｔ２の開始時点にリセ
ット電位は大きく変化する。増幅部ＱＡはソースホロワ
として動作しているため、このＫＴＣ雑音は、増幅部Ｑ
Ａのソース、及びバッファアンプＡ１を通じて蓄積容量
ＣＴに充電される。

【００４５】次に、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨが非導通
になって前記ＫＴＣ雑音は、蓄積容量ＣＴに充電された
まま保持される。なお、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨが非
導通になった時にもＫＴＣ雑音が発生するが、蓄積容量
ＣＴはゲート容量Ｃｇに比べてはるかに大きいために無
視できる。次の期間Ｔ３が開始すると、制御パルスφＴ
および制御パルスφＲＳＴＨが、ローレベルに立ち下げ
られる。すると、ＭＯＳスイッチＱＴが導通し、ホトダ
イオードＰＤに蓄積されていた信号電荷が、増幅部ＱＡ
のゲート領域へ転送される。その結果、増幅部ＱＡのソ
ース電位は、信号電荷による電圧上昇分をリセット電位
に上乗せした電圧となる。このような増幅部ＱＡのソー
ス電位は、バッファアンプＡ１を介して蓄積容量ＣＴの
一端側に印加される。

【００４６】このとき、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨは非
導通状態に維持される。そのため、蓄積容量ＣＴの他端
側はフローティング状態となり、ソース電位から蓄積容
量の保持電圧分（前記ＫＴＣ雑音など）だけ引いた電圧
が出力される。すなわち、上述したリセット時の雑音が
除去された真の信号電圧が出力される。この出力電圧
は、バッファアンプＡ２を介して、出力電圧Ｖｏｕｔと
して出力される。

【００４７】なお、この期間Ｔ３中も、ホトダイオード
ＰＤでは放射光が照射され、光電変換が絶えず実施され
る。この期間Ｔ３中に発生する信号電荷は、導通状態の
ＭＯＳスイッチＱＴによりそのまま吸い出され、増幅部
ＱＡのゲート領域へ無駄なく転送される。そのため、ホ
トダイオードＰＤの有効な光電変換期間をできる限り長
く設定することが可能となり、受光素子２４，２５の光
電変換効率をさらに一段と高めることができる。

【００４８】次の期間Ｔ４が開始すると、制御パルスφ
Ｔがハイレベルへ立ち上げられる。すると、ＭＯＳスイ
ッチＱＴが非導通状態に維持され、ホトダイオードＰＤ
のアノードがフローティング状態となる。この時点か
ら、ホトダイオードＰＤは、新たな信号電荷の蓄積を開
始する。以上説明した期間Ｔ１〜Ｔ４の動作により、ス
ポット走査１点分の信号電荷が読み出され、出力電圧Ｖ
ｏｕｔとして出力される。コンフォーカル顕微鏡１１
は、このようなスポット走査に伴って順次出力される出
力電圧ＶｏｕｔをＡ／Ｄ変換して、フレームメモリ回路
２７上に配列して、拡大された走査画像を形成する。こ
のように形成された走査画像は、画像処理回路２８を介
して読み出され、モニタ２９上に表示される。

【００４９】（第１の実施形態の効果など）以上説明し
たように、第１の実施形態では、ＰＭＴやＡＰＤに代え
て、受光素子２４，２５を使用する。これらの受光素子
２４，２５は、数ボルト程度の低い電源電圧で駆動可能
である。そのため、従来のコンフォーカル顕微鏡とは異
なり、受光素子用の高い駆動電圧が一切不要となる。し
たがって、コンフォーカル顕微鏡の小型化および低コス
ト化を容易に実現することが可能となる。

【００５０】また、第１の実施形態では、蓄積容量ＣＴ
を充電するためのバッファアンプＡ１を設けている。そ
のため、増幅部ＱＡの電流供給能力を下げることが可能
となり、増幅部ＱＡのゲート領域を面積縮小することが
できる。この場合、ゲート領域の容量分Ｃｇが低下し、
信号電荷の電荷量ｑによるゲート領域の電圧上昇（ｑ／
Ｃｇ）を大きく得ることが可能となる。したがって、後
段におけるアンプ雑音や熱雑音の影響を一段と低減する
ことができる。

【００５１】さらに、第１の実施形態では、従来以上の
信号対雑音比を得ることも可能となる。以下、具体的な
数値を挙げて、この信号対雑音比の改善効果について説
明する。まず、放射光の波長が５００ｎｍ以上あるいは
２００ｎｍ以下である場合、ホトダイオードＰＤの量子
効率は８０％以上となる。一方、従来のＰＭＴでは、量
子効率がかなり低く、２０％以下となる。

【００５２】また一方、本実施形態では、アンプノイズ
や熱雑音などの入力換算雑音電子数Ｎｅを６個程度に抑
えることが十分に可能となる。図４は、このような数値
条件のもとにおいて、信号対雑音比の新旧比較を示した
図である。この図４にも示されるように、コンフォーカ
ル顕微鏡１１は、入力光子数１５個以上の微弱光を受光
する環境下において、従来以上の高い信号対雑音比を得
ることが可能となる。なお、このような信号対雑音比の
改善条件は、上述した量子効率の条件（式１３）および
入力光子数の条件（式１４）から即座に求めることもで
きる。次に、別の実施形態について説明する。

【００５３】＜第２の実施形態＞第２の実施形態は、請
求項１，３，４に記載の発明に対応する実施形態であ
る。なお、本実施形態におけるコンフォーカル顕微鏡の
構造自体は、後述する受光素子３１を使用する点を除い
て、第１の実施形態（図１）と同一である。そのため、
ここでは重複説明を省き、本実施形態の特徴である受光
素子３１について詳しく説明する。

【００５４】図５は、受光素子３１の回路構成を示す図
である。図５において、受光面上に複数個のホトダイオ
ードＰＤが形成される。これらのホトダイオードＰＤご
とに、図５の実線枠内に示す回路が形成される。これら
の回路はいずれも同一構成であるため、以下、１画素分
の回路構成のみを説明する。

【００５５】まず、ホトダイオードＰＤのカソードには
電源電圧Ｖｄｄが印加され、アノードには、電荷転送用
のＭＯＳスイッチＱＴを経て、増幅部（例えばＪＦＥ
Ｔ）ＱＡのゲートが接続される。このＭＯＳスイッチＱ
Ｔのゲートには、電荷転送用の制御パルスφＴが供給さ
れる。また、増幅部ＱＡのゲートには、リセット用のＭ
ＯＳスイッチＱＲＳＴＧを介してリセット用の定電位ラ
インに接続される。このＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧのゲ
ートには、リセット用の制御パルスφＲＳＴＧが供給さ
れる。

【００５６】さらに、増幅部ＱＡのドレインには電源電
圧Ｖｄｄが印加され、かつソースには定電流源ＣＣが接
続されて、ソースホロワ回路を構成する。この増幅部Ｑ
Ａのソースには、蓄積容量ＣＴの一端側が接続される。
この蓄積容量ＣＴの他端側は、マルチプレクサ型のスイ
ッチ回路ＱＨに接続される。このスイッチ回路ＱＨは、
外部入力φＨの電圧状態に応じてＡＢ２系統に出力を振
り分ける。このＡ系統側の出力は、加算回路ＳＡの入力
に接続される。また、Ｂ系統側の出力は、加算回路ＳＢ
の入力に接続される。

【００５７】この種の加算回路ＳＡ，ＳＢは、入力電圧
と基準電圧Ｖｒｅｆとの電圧差を増幅する差動アンプＡ
と、差動アンプＡの負帰還ループに挿入される蓄積容量
ＣＡと、蓄積容量ＣＡの保持電圧をリセットするＭＯＳ
スイッチＱＲＳＴＨとから構成される。このＭＯＳスイ
ッチＱＲＳＴＨのゲートには制御パルスφＲＳＴＨが供
給される。

【００５８】（本発明と第２の実施形態との対応関係）
次に、上記した各構成と本発明の構成要件との対応関係
について説明する。まず、請求項３に記載の発明と第２
の実施形態との対応関係については、受光部はホトダイ
オードＰＤに対応し、増幅部は増幅部ＱＡに対応し、電
荷転送回路はＭＯＳスイッチＱＴに対応し、リセット回
路はＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧに対応し、容量性インピ
ーダンスは蓄積容量ＣＴに対応し、差分回路は蓄積容量
ＣＴとＭＯＳスイッチＱＲＳＴＨに対応し、加算回路は
加算回路ＱＡ，ＱＢに対応する。また、請求項４に記載
の発明と第２の実施形態との対応関係については、出力
選択回路が、スイッチ回路ＱＨに対応する。

【００５９】（全画素を合成出力する場合の動作説明）
以下、全画素の合成を行う場合の動作説明を行う。ま
ず、コンフォーカル顕微鏡の操作者は、各スイッチ回路
ＱＨの外部入力φＨを全てハイレベルに設定し、各スイ
ッチ回路ＱＨの出力をＡ系統側に全て振り分ける。

【００６０】この状態において、図６に示す動作タイミ
ングが実行される。まず期間Ｔ１において、制御パルス
φＲＳＴＧがローレベルに立ち下げられる。すると、リ
セット用のＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧが導通し、増幅部
ＱＡのゲート容量に蓄積されていた電荷がリセットされ
る。その結果、増幅部ＱＡのソースからはリセット電位
が出力される。このリセット電位は、蓄積容量ＣＴの一
端側に印加される。

【００６１】このとき、蓄積容量ＣＴの他端側は、差動
アンプＡの負帰還動作により基準電圧Ｖｒｅｆとほぼ等
しい電圧に維持される（いわゆるイマジナリショー
ト）。その結果、期間Ｔ１の終了時点までに、各画素の
蓄積容量ＣＴには、リセット電位と基準電圧Ｖｒｅｆと
の差分電圧がそれぞれ保持される。次の期間Ｔ２が開始
すると、制御パルスφＲＳＴＧがハイレベルに立ち上げ
られる。すると、リセット用のＭＯＳスイッチＱＲＳＴ
Ｇが非導通状態となり、増幅部ＱＡのゲートはフローテ
ィング状態となる。

【００６２】このとき、ＭＯＳスイッチＱＲＳＴＧが非
導通に変化した瞬間の熱雑音が、増幅部ＱＡのゲート容
量に保持される。これが、いわゆるＫＴＣ雑音となる。
一般に、増幅部ＱＡのゲート容量Ｃｇは小さいため、Ｋ
ＴＣ雑音によって期間Ｔ２の開始時点のリセット電位は
大きく変化する。このＫＴＣ雑音は、増幅部ＱＡのソー
スを介して蓄積容量ＣＴに充電される。

【００６３】次の期間Ｔ３が開始すると、制御パルスφ
Ｔおよび制御パルスφＲＳＴＨが、ローレベルに立ち下
げられる。すると、ＭＯＳスイッチＱＴが導通し、ホト
ダイオードＰＤに蓄積されていた信号電荷が、増幅部Ｑ
Ａのゲート領域へ転送される。その結果、増幅部ＱＡの
ソース電位は、信号電荷による電圧上昇分をリセット電
位に上乗せした電圧となる。このような増幅部ＱＡのソ
ース電位は、蓄積容量ＣＴの一端側に印加される。

【００６４】このとき、蓄積容量ＣＴの他端側は、差動
アンプＡの負帰還動作により基準電圧Ｖｒｅｆとほぼ等
しい電圧に維持される（いわゆるイマジナリショー
ト）。その結果、期間Ｔ３の終了時点までに、各画素の
蓄積容量ＣＴには、ソース電位と基準電圧Ｖｒｅｆとの
差分電圧がそれぞれ充電される。このとき、各画素の蓄
積容量ＣＴには、充電電圧の変化分（ＫＴＣ雑音などを
除去した真の信号電圧分）に対応する充電電流が流れ
る。

【００６５】これら各画素の蓄積容量ＣＴに流れる充電
電流は、それぞれのスイッチ回路ＱＨを介して差動アン
プＡの負帰還ループに流れ込む。このとき、ＭＯＳスイ
ッチＱＲＳＴＨは非導通状態に維持される。そのため、
合流した充電電流は蓄積容量ＣＡを充電する。その結
果、蓄積容量ＣＡには、各画素の信号出力を合成した合
成電圧が保持される。このとき、差動アンプＡの出力か
らは、基準電圧Ｖｒｅｆから蓄積容量ＣＡの合成電圧分
だけ下がった電圧が出力される。以上のような一連の動
作により、加算回路ＳＡの出力端子からは、受光面上の
全画素の合成出力を得ることが可能となる。

【００６６】（受光面の各領域ごとに分割合成する場合
の動作説明）以下、受光面の各領域ごとに分割合成する
場合の動作を説明する。まず、コンフォーカル顕微鏡の
操作者は、受光面をＡＢ２つの領域に分ける。そして、
一方のＡ領域内の画素については、外部入力φＨをハイ
レベルに設定し、スイッチ回路ＱＨの出力系統をＡ系統
に設定する。

【００６７】また、他方のＢ領域内の画素については、
外部入力φＨをローレベルに設定して、スイッチ回路Ｑ
Ｈの出力系統をＢ系統に設定する。この状態で、図６に
示す動作タイミングが実行される。すると、加算回路Ｓ
Ａは、Ａ領域内の画素からの信号出力を合成する。ま
た、加算回路ＳＢは、Ｂ領域内の画素からの信号出力を
合成する。その結果、加算回路ＳＡからは、Ａ領域の受
光量に相当する信号出力が出力される。また、加算回路
ＳＢからは、Ｂ領域の受光量に相当する信号出力が出力
される。このように、外部入力φＨを個別設定すること
により、受光面を自在に分割し、各領域ごとの信号出力
を得ることが可能となる。

【００６８】（第２の実施形態の効果など）以上説明し
たように、第２の実施形態では、複数のホトダイオード
ＰＤの信号出力を全て加算することにより、単一光点の
光量を検出することが可能となる。この場合、受光面上
に複数のホトダイオードＰＤを配しているので、一つ一
つのホトダイオードＰＤの面積は小さく、信号電荷の平
均路程を短く抑えることができる。したがって、受光素
子３１の信号読み出し速度を容易に高速化することがで
きる。そのため、このような受光素子３１をコンフォー
カル顕微鏡に使用した場合には、走査像の読み出し時間
を一段と短縮することが可能となる。

【００６９】また、第２の実施形態では、スイッチ回路
ＱＨを用いて、受光面を複数の領域に区分し、各領域ご
との信号出力を得ることも可能となる。したがって、こ
のような受光素子３１をコンフォーカル顕微鏡に使用し
た場合には、回折や収差や内面反射光などの影響を受け
やすい受光面周辺を避けて、受光面の中央領域の信号出
力のみを得ることが可能となる。

【００７０】また、領域分割の設定によっては、受光面
上の１画素や１ラインごとに信号出力を取り出すことも
可能となる。したがって、上記の受光素子３１は、単一
光点の受光用途に限定されず、イメージセンサやライン
センサなどの広い用途に使用することも可能となる。次
に、別の実施形態について説明する。

【００７１】＜第３の実施形態＞第３の実施形態は、請
求項１，５に記載の発明に対応した実施形態である。な
お、本実施形態におけるコンフォーカル顕微鏡の構造自
体は、後述する受光素子５１を使用する点を除いて、第
１の実施形態（図１）と同一である。そのため、ここで
は重複説明を省き、受光素子５１の特徴点について詳し
く説明する。

【００７２】図７は、受光素子５１の構成上の特徴点を
説明するための図である。図７において、受光面上にホ
トダイオードＰＤが形成される。このホトダイオードＰ
Ｄの周囲には、電荷転送用のＭＯＳスイッチＱＴが分散
して配置される。これらのＭＯＳスイッチＱＴの各ゲー
トは共通接続され、制御パルスφＴが供給される。ま
た、これらのＭＯＳスイッチＱＴの各ドレインは共通接
続され、増幅部ＱＡのゲートに接続される。

【００７３】このような受光素子５１では、分散配置さ
れたＭＯＳスイッチＱＴにより、信号電荷の転送経路が
複数形成される。そのため、ホトダイオードＰＤの面積
を拡大しても、信号電荷の平均路程を短く抑えることが
可能となる。したがって、受光素子５１の信号読み出し
速度を容易に高速化することができる。そのため、この
ような受光素子５１をコンフォーカル顕微鏡に使用した
場合には、走査像の読み出し時間を一段と短縮すること
が可能となる。なお、上述した各実施形態では、蓄積容
量ＣＴの両端電位差を利用して、リセット電位と信号出
力との差分をとっているが、本発明の差分回路はこのよ
うな回路構成に限定されるものではない。例えば、リセ
ット電位を保持する保持回路と、信号出力を保持する保
持回路とを別々に設け、両方の保持回路の出力差を出力
しても勿論かまわない。

【００７４】

【発明の効果】（請求項１）請求項１に記載のコンフォ
ーカル顕微鏡では、従来製品のような高い駆動電圧を一
切不要とし、さらに上記条件（式１３，式１４）を満た
す環境下において、ＰＭＴ使用のコンフォーカル顕微鏡
よりも高い信号対雑音比を達成することが可能となる。

【００７５】（請求項２）請求項２に記載のコンフォー
カル顕微鏡は、バッファアンプを備える。したがって、
増幅部を面積縮小するなどして、増幅部の電流供給能力
を下げることが可能となる。その結果、制御領域の蓄積
容量Ｃｇが低下して、信号電荷の電荷量ｑに対する制御
領域の信号電位（ｑ／Ｃｇ）は大きくなる。この場合、
後段におけるアンプ雑音や熱雑音の影響は一様に小さく
なり、［式１４］中の等価雑音電子数Ｎｅを下げること
が可能となる。したがって、請求項２のコンフォーカル
顕微鏡では、さらに高い信号対雑音比を達成することが
可能となる。

【００７６】（請求項３）請求項３に記載の受光素子で
は、受光部を細分化し、各受光部ごとに電荷転送回路を
設ける。したがって、受光部の数を増やして総受光面積
を大きくしても、受光部から電荷転送回路までの信号電
荷の平均路程を短く抑えることができる。したがって、
このような構成の受光素子は、受光面積を拡大しても、
早い応答速度を達成することが可能となる。

【００７７】（請求項４）請求項４に記載の受光素子
は、出力選択回路を用いて画素別に出力を得ることがで
きる。したがって、単一光点の受光用途のみならず、イ
メージセンサやラインセンサなどの用途に使用すること
も可能となる。また、第２の実施形態に述べたように、
受光面の一部領域のみから信号出力を選択的に得るなど
の用途に使用することも可能となる。

【００７８】（請求項５）請求項５に記載の受光素子で
は、受光部の近くに複数の電荷転送回路を分散配置する
ことにより、信号電荷の転送経路を複路化する。したが
って、受光部の面積を拡大しても、受光部から各電荷転
送回路までの信号電荷の平均路程を短く抑えることがで
きる。したがって、このような構成の受光素子は、受光
面積を拡大しても、早い応答速度を達成することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】コンフォーカル顕微鏡１１の構成を示す図であ
る。

【図２】受光素子２４，２５の内部回路を示す図であ
る。

【図３】受光素子２４，２５の動作を示すタイミングチ
ャートである。

【図４】信号対雑音比の新旧比較を示す図である。

【図５】受光素子３１の回路構成を示す図である。

【図６】受光素子３１の動作を示すタイミングチャート
である。

【図７】受光素子５１の構成上の特徴点を説明するため
の図である。

【図８】ＰＭＴの等価回路（ノイズモデル）を示す図で
ある。

【符号の説明】

１１コンフォーカル顕微鏡１２レーザー光源１３ビームエキスパンダ１４ダイクロイックミラー１５ＸＹ走査ユニット１７凸レンズ１８凹レンズ１９対物レンズ２０試料２１集光レンズ２２ピンホール２３ダイクロイックミラー２６Ａ／Ｄ変換回路２７フレームメモリ回路２９モニタ９１受光部９３増倍部ＰＤホトダイオードＱＨスイッチ回路ＱＲＳＴＨ一定電位を印加するためのＭＯＳスイッチＣＴ蓄積容量ＱＲＳＴＧリセット用のＭＯＳスイッチＱＡ増幅部ＱＴ電荷転送用のＭＯＳスイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H052 AA07 AA08 AA09 AB06 AB24 AC15 AC18 AC27 AC34 AD31 AD34 AF06 4M118 AA05 AA10 AB01 BA14 CA02 DD09 DD12 FA06 FA08 FA42 5C024 AA03 CA05 EA03 EA04 FA01 FA13 GA01 GA31 GA33 HA17 HA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの光を、試料に照射する照明光学系と、前記試料からの放射光を集光する集光光学系と、前記集光光学系を介して集光された放射光を受光する受
光素子とを備えたコンフォーカル顕微鏡において、前記受光素子は、前記放射光を光電変換して信号電荷を蓄積する受光部
と、前記受光部の近くに設けられ、電荷を蓄積する制御領域
を有し、該制御領域の蓄積電荷に対応した信号出力を出
力する増幅部と、前記受光部に生成される信号電荷を、前記増幅部の制御
領域へ転送する電荷転送回路と、前記増幅部の制御領域をリセットするリセット回路と、前記制御領域のリセット期間に前記増幅部から出力され
るリセット電位を容量性インピーダンスに保持し、保持
したリセット電位と前記増幅部の信号出力との差分を出
力する差分回路とを備えて構成されることを特徴とする
コンフォーカル顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載のコンフォーカル顕微鏡
において、前記増幅部の出力段と前記容量性インピーダンスとの間
に、前記容量性インピーダンスに電流供給するためのバ
ッファアンプを備えたことを特徴とするコンフォーカル
顕微鏡。
【請求項３】受光面上に細分化して設けられ、入射光
を光電変換して信号電荷を蓄積する複数個の受光部と、前記受光部ごとに設けられ、電荷を蓄積する制御領域を
有し、該制御領域の蓄積電荷に対応した信号出力を出力
する複数個の増幅部と、前記受光部ごとに設けられ、前記受光部に生成される信
号電荷を前記増幅部の制御領域へそれぞれ転送する複数
個の電荷転送回路と、前記増幅部ごとに設けられ、前記増幅部の制御領域をリ
セットする複数個のリセット回路と、前記増幅部の出力段ごとに設けられ、前記制御領域のリ
セット期間に前記増幅部から出力されるリセット電位を
容量性インピーダンスに保持し、保持したリセット電位
と前記増幅部の信号出力との差分を出力する複数個の差
分回路と、前記複数個の差分回路の出力を加算する加算回路とを備
え、前記受光部の細分化により、前記受光部から前記制御領
域への電荷転送時間を短縮したことを特徴とする受光素
子。
【請求項４】請求項３に記載の受光素子において、前記複数の受光部から信号出力を選択して取り出す出力
選択回路を備えたことを特徴とする受光素子。
【請求項５】入射光を光電変換して信号電荷を蓄積す
る受光部と、電荷を蓄積する制御領域を有し、該制御領域の蓄積電荷
に対応した信号出力を出力する増幅部と、前記受光部の近くに分散して配置され、前記受光部に生
成される信号電荷を、複数の転送経路を介して前記増幅
部の制御領域へ転送する複数個の電荷転送回路と、前記増幅部の制御領域をリセットするリセット回路と、前記制御領域のリセット期間に前記増幅部から出力され
るリセット電位を容量性インピーダンスに保持し、保持
したリセット電位と前記増幅部の信号出力との差分を出
力する差分回路とを備え、前記転送経路の複路化により、前記受光部から前記制御
領域への電荷転送時間を短縮したことを特徴とする受光
素子。