JP2001004445A

JP2001004445A - 光計測装置

Info

Publication number: JP2001004445A
Application number: JP11169841A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Suyama; 本比呂須山; Katsuhiko Kawai; 克彦河合; Tetsuya Morita; 哲家森田; Koichiro Oba; 弘一郎大庭
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-01-12
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: JP4183849B2

Abstract

(57)【要約】【課題】入射する光束の光量を正確に計測できる光計
測装置を提供する。【解決手段】光計測装置１０は、入射した光子数に応
じた出力信号を出力する光子検出部１２と、１つの光子
が入射した場合に光子検出部１２から出力される出力信
号の継続時間よりも小さい周期を有する周期信号を生成
するタイミング信号発生回路１４と、タイミング信号発
生回路１４によって生成された周期信号に基づいて光子
検出部１２から出力された出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ
／Ｄ変換器１６と、Ａ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変
換された出力信号を加算する加算器１８と、加算器１８
によって加算された出力信号に基づいて光子検出部１２
に入射した光子数を計数するＣＰＵ２０とを備えて構成
される。光子検出部１２は、光子を検出するＨＰＤ２４
と、ＨＰＤ２４からの出力信号を増幅するＴＺアンプ２
６とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入射する光束の光
量を計測する光計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばシンチレータから発せられる蛍光
のような微弱な光を計測する計測装置として、入射した
光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数を
計数することによって入射した光束の光量を計測する光
計測装置が知られている。かかる光計測装置は、光検出
素子である光電子増倍管と、光電子増倍管からの出力信
号を基準値と比較する比較器と、比較器からの出力を計
数するカウンタとを主として備えて構成される。光電子
増倍管に光束が入射すると、光電子増倍管の光電面から
当該光束の光量に応じた光電子が順次放出され、当該光
電子に対応した出力信号が出力される。光電子増倍管か
らの出力信号は、比較器によって、常に基準値と比較さ
れる。ここで、光電子増倍管に光束が入射していない場
合は光電子が放出されないため、光電子増倍管からの出
力信号が基準値を超えず、比較器からは論理値０が出力
される。一方、光電子増倍管に光束が入射して１つの光
電子が放出された場合は、光電子増倍管からの出力信号
が基準値を超え、比較器からは論理値１が出力される。
従って、カウンタにより、比較器からの出力を計数する
ことで、放出された光電子数を計数することができ、入
射した光束の光量を計測することが可能となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
にかかる光計測装置には、以下に示すような問題点があ
った。すなわち、上記従来技術にかかる光計測装置にお
いては、複数の光電子が極めて短い時間間隔を持って放
出された場合に、複数の光電子を分離して検出すること
ができず、１つの光電子が放出されたものとして計数を
行ってしまう。従って、入射する光束の光量が小さく、
放出される光電子が少ない範囲においては実用に耐える
が、入射する光束の光量が大きくなり、放出される光電
子数が多くなるに従って、光電子の数え落としが大きく
なる。

【０００４】ここで、光電子の数え落とし率ξは、光電
子増倍管のパルスペア分解能τ（ｓ）、真のカウントレ
ートｎ（１／ｓ）を用いて、

【数１】と表される。従って、光電子増倍管のパルスペア分解能
τが８ｎｓの場合、真のカウントレートｎが１０ＭＣＰ
Ｓ(Mega Count Per Second)のときで７％、ｎが２０Ｍ
ＣＰＳのときで１４％、ｎが５０ＭＣＰＳのときで２９
％の数え落としがそれぞれ発生する。

【０００５】さらに、上記従来技術にかかる光計測装置
においては、同時に２つ、３つ等複数の光電子が放出さ
れた場合であっても、１つの光電子が放出されたものと
して計数を行ってしまうため、同時に複数の光電子が放
出される場合は光電子数を正確に計数することができ
ず、入射する光束の光量を正確に計測することができな
い。

【０００６】そこで本発明は、上記問題点を解決し、入
射する光束の光量を正確に計測することができる光計測
装置を提供することを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光計測装置は、入射する光束の光量に応じ
た光電子を放出し、該光電子の数に応じた出力信号を出
力する光検出手段と、１つの光電子が放出された場合に
上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間より
も小さい周期を有する周期信号を生成する周期信号生成
手段と、上記周期信号生成手段によって生成された上記
周期信号に基づいて上記光検出手段から出力された上記
出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、上記Ａ／
Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された上記出力信号を加
算する加算手段と、上記加算手段によって加算された上
記出力信号に基づいて上記光検出手段に入射した光束の
光量を算出する光量算出手段とを備えたことを特徴とし
ている。

【０００８】放出された光電子の数に応じた出力信号を
光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手
段によってＡ／Ｄ変換することで、入射した光束の光量
に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが
可能となる。従って、入射した光束の光量が大きくな
り、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、
複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うこと
ができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力
信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、
Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値に基づいて光電子数
を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出
力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出され
た複数の光電子数の検出確率が高まる。

【０００９】また、本発明の光計測装置においては、上
記光検出手段は、真空気密された容器と、上記容器内に
配置され、入射する光束の光量に応じた光電子を放出す
る光電面と、上記光電面から放出された上記光電子を加
速する加速手段と、上記容器内に配置され、上記加速手
段によって加速された上記光電子を入射させ、該光電子
の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備え
たことを特徴としてもよい。

【００１０】上記光電面、加速手段及び半導体検出器を
備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは
極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果
的に検出することができる。

【００１１】また、本発明の光計測装置においては、上
記半導体検出器は、アバランシェフォトダイオードであ
ることを特徴とすることが好適である。

【００１２】また、本発明の光計測装置においては、上
記周期信号生成手段は、１つの光電子が放出された場合
に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間の
１／２以下の周期を有する周期信号を生成することを特
徴としてもよい。

【００１３】上記周期信号を、１つの光電子が放出され
た場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくする
ことで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子
数の検出確率がさらに高まる。

【００１４】また、本発明の光計測装置においては、上
記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に
上記光検出手段から出力される出力信号の最大値と略等
しいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。

【００１５】Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の
最大値と略等しくすることで、放出された光電子数をそ
のままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能とな
る。

【００１６】また、本発明の光計測装置においては、上
記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に
上記光子検出手段から出力される出力信号の最大値より
も小さいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。

【００１７】Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の
最大値よりも小さくすることで、放出された光電子数を
精度よく検出することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態に係る光計測装
置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形
態に係る光計測装置の構成について説明する。図１は本
実施形態に係る光計測装置の構成図である。

【００１９】本実施形態にかかる光計測装置１０は、光
子検出部１２（光子検出手段）、タイミング信号発生回
路１４（周期信号生成手段）、Ａ／Ｄ変換器１６（Ａ／
Ｄ変換手段）、加算器１８（加算手段）、ＣＰＵ２０
（計数手段）、表示部２２及びメモリ２３を備えて構成
される。以下、各構成要素について詳細に説明する。

【００２０】光子検出部１２は、ハイブリッドフォトデ
ィテクタ（以下、ＨＰＤ２４という）とトランスインピ
ーダンスアンプ（以下、ＴＺアンプ２６という）とを備
えて構成され、入射した光子数（入力した光束の光量に
対応する）に応じた出力信号を出力する。

【００２１】ＨＰＤ２４は、入射する光子の数に応じた
光電子を放出する光電面２４ａと光電面２４ａから放出
された光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検
出器であるアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰ
Ｄ２４ｂという）とを、真空筐体２４ｃ内に対向配置し
て構成されている。ここで、光電面２４ａには、高圧電
源２４ｄ（加速手段）によって負の高電圧（例えば−８
ｋＶ）が印加されており、ＡＰＤ２４ｂのアノード−カ
ソード間には、バイアス回路２４ｅによって逆バイアス
電圧（例えば＋１５０Ｖ）が印加されている。また、Ｈ
ＰＤ２４には、図示しない電子レンズ部が設けられてお
り、光電面２４ａから放出された光電子を効率よくＡＰ
Ｄ２４ｂに入射させることができるようになっている。

【００２２】以下、説明を簡略化するため、光電面２４
ａの量子効率（光子から光電子への変換効率）を１００
％とし、光子が１つ入射すれば、光電面２４ａから光電
子が１つ放出されるとして説明する。

【００２３】光電面２４ａに光子が入射すると、光電面
２４ａからは入射した光子の数に応じた光電子が放出さ
れる。かかる光電子は電界の作用によって加速され、電
子レンズ部の作用によって収束されてＡＰＤ２４ｂに入
射する。ＡＰＤ２４ｂに入射した光電子は、そのエネル
ギーを失う際に多数の正孔−電子対を生成し、これが初
段の増倍率になる。初段の増倍率は、電子の加速電圧
（光電面に印加した電圧）に依存し、かかる電圧が−８
ｋＶの場合で約１２００となる。その後、電子はさらに
５０倍程度にアバランシェ増倍する。その結果、ＡＰＤ
２４ｂ全体で約６００００倍のゲインが得られる。ここ
で、初段の増倍率が約１２００と極めて大きいことか
ら、ＡＰＤ２４ｂを用いたＨＰＤ２４の増倍ゆらぎは極
めて小さい。従って、ＨＰＤ２４を用いることにより、
図２に示すマルチフォトンに対する出力波高分布図から
わかるように、入射した光子がいくつであるかを区別し
て検出することができる。ここで、図２は、光電面２４
ａの印加電圧を−８ｋＶ、ＡＰＤ２４ｂの逆バイアス電
圧を＋１５０Ｖとし、オルテック社の型番１４２Ａのプ
リアンプを用いて測定した結果である。また、ＨＰＤ２
４のゲインが約６００００となることと、ＨＰＤ２４か
らの１電子に対応する出力波形の半値幅（ＦＷＨＭ）が
約６ｎｓとなることを考慮すると、ＨＰＤ２４から出力
される電流のピーク値は、１光子あたり約２．０μＡと
なる。

【００２４】ＴＺアンプ２６は、ＨＰＤ２４のＡＰＤ２
４ｂから出力された電流信号を増幅するとともに、電圧
に変換して出力する電流電圧変換回路である。かかるＴ
Ｚアンプ２６としては、１μＡを５０ｍＶ程度に増幅す
る増幅率を有し、３００ＭＨｚ程度の帯域を有すること
が好ましく、例えばＭｉｔｅｑ社のＡＵ−１４９４−３
００（商品名）等が好適である。

【００２５】ここで、上記増幅率により、ＴＺアンプ２
６から出力される電圧のピーク値Ｖｏは、１光子あたり
約０．１Ｖとなる。また、ＴＺアンプ２６から出力され
る出力信号の波形は、ＡＰＤ２４ｂの応答波形に依存す
る。ここで、例えば有効径が３ｍｍのＡＰＤ２４ｂを用
いると、出力信号は、ライズタイムが１ｎｓ、フォール
タイムが１３ｎｓの波形となる。すなわち、１つの光子
が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信
号の継続時間Ｔｏは１４ｎｓとなる。

【００２６】タイミング信号発生回路１４は、上記ＨＰ
Ｄ２４に１つの光子が入射して光電面２４ａから１つの
光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力され
る出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期Ｔｓを有す
る周期信号であるタイミング信号を生成する。より詳細
には、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から
出力される出力信号は図３（ａ）に示すような波形とな
っており、その継続時間Ｔｏは１４ｎｓである。ここ
で、タイミング信号発生回路１４は、図３（ｂ）に示す
ように、周期Ｔｓが３．５ｎｓ（上記継続時間Ｔｏの１
／４）のパルス信号であるタイミング信号を生成する。
また、タイミング信号発生回路１４は、生成したタイミ
ング信号をＡ／Ｄ変換器１６に対して出力する。

【００２７】Ａ／Ｄ変換器１６は、タイミング信号発生
回路１４からのタイミング信号をトリガとして、ＴＺア
ンプ２６から出力される出力信号をＡ／Ｄ変換する。こ
こで、Ａ／Ｄ変換器１６は、１つの光子が入射して１つ
の光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力さ
れる出力信号の最大値Ｖｏ（０．１Ｖ）と略等しいチャ
ネル幅Ｖｃを有するように、分解能が調節されている。
すなわち、入力レンジ（０〜０．４Ｖ）を４階調に分割
し、入力電圧が０．０５Ｖ以下の場合はデジタル値”
０”、０．０５Ｖ〜０．１５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）
の場合はデジタル値”１”、入力電圧が０．１５Ｖ〜
０．２５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル
値”２”、入力電圧が０．２５Ｖ〜０．３５Ｖ（チャネ
ル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”３”を出力する。
分解能をこのように調節することで、ＨＰＤ２４に光子
が入射していない場合はデジタル値”０”、ＨＰＤ２４
に１つの光子が入射した場合はデジタル値”１”、２つ
の光子が入射したときはデジタル値”２”、３つの光子
が入射したときはデジタル値”３”がそれぞれＡ／Ｄ変
換器１６から出力される。

【００２８】加算器１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力
された出力信号を加算し、その加算値ｍをＣＰＵ２０に
対して出力する。

【００２９】ＣＰＵ２０は、加算器から出力された上記
加算値ｍに基づいて、ＨＰＤ２４に入射した光子数を計
数する。より詳細には、光子数ｑは、上記出力信号の継
続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ
（＝Ｔｏ／Ｔｓ）、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チ
ャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）、上記加算値ｍ
を用いて、

【数２】と表される。ここでｋは、継続時間Ｔｏに対して上記出
力信号がＶｏ／２以上となる時間を表しており、例えば
上記出力信号が三角波である場合はｋ＝０．５、指数関
数的に減少する波形である場合はｋ＝０．３１となる。
ＣＰＵ２０はまた、装置全体の制御を行う。

【００３０】また、表示部２２には光子数の計数結果等
が表示され、また、メモリ２３には種々の設定値、光子
数の計数結果等が格納される。

【００３１】続いて、本実施形態にかかる光計測装置の
動作及び作用について説明する。ここでは簡単のため、
ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２
６から出力される出力信号を、ライズタイムが０ｎｓ、
フォールタイムが１４ｎｓ、継続時間Ｔｏが１４ｎｓ、
最大値Ｖｏが０．１Ｖの三角波として考える。

【００３２】まず図４（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４
に１つの光子が入射した場合、ＴＺアンプ２６からの出
力信号は、図４（ｂ）に示すような三角波となる。尚、
図４（ｂ）の縦軸のＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３はそれぞ
れ、Ａ／Ｄ変換器１６がデジタル値”１”、”２”、”
３”を出力するためのしきい値であり、それぞれ０．０
５Ｖ、０．１５Ｖ、０．２５Ｖとなっている。

【００３３】ＴＺアンプ２６から出力された出力信号
は、Ａ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換され、加算器
１８によって加算される。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６か
らの出力信号（出力値及び出力タイミング）は、ＴＺア
ンプ２６から出力された出力信号とタイミング信号発生
回路１４から出力されるタイミング信号との位相関係に
よって、例えば図４（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓ
ｅ２等のように変化する。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓ
ｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算
された加算値ｍは２となる。

【００３４】加算器１８から出力された加算値はＣＰＵ
２０に入力され、ＣＰＵ２０によって入射した光子数が
計数される。この場合、ｋ＝０．５、ｓ（＝Ｔｏ／Ｔ
ｓ）＝４、ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）＝１であることから式
（２）より、入射した光子数ｑが１であることが検出さ
れる。

【００３５】また、図５（ａ）に示すように、ＨＰＤ２
４に同時に２つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２
６から出力信号は図５（ｂ）に示すような三角波（最大
値０．２Ｖ）となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号
は、例えば図５（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２
等のようになる。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いず
れの場合であっても、加算器１８によって加算された加
算値ｍは４となる。この場合、式（２）より、入射した
光子数ｑが２であることがＣＰＵ２０によって検出され
る。

【００３６】また、図６（ａ）に示すように、ＨＰＤ２
４に極めて近い時間間隔をもって４つの光子が入射した
場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図６（ｂ）に示
すように、一定の時間遅れを有する４つの三角波の合成
波となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば
図６（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のように
なる。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号がＣａ
ｓｅ１の場合は、加算器１８によって加算される加算値
ｍが７となり、Ｃａｓｅ２の場合は１０となる。従っ
て、ＣＰＵ２０によって計数される光子数ｑは、Ｃａｓ
ｅ１の場合で３．５、Ｃａｓｅ２の場合で５となる（真
値は４）。

【００３７】ここで、本実施形態にかかる光計測装置１
０における光子の計数誤差の評価を行う。まず、Ａ／Ｄ
変換によって生じる誤差（以下、Ａ／Ｄ変換誤差σ１と
いう）は、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅
Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）を用いて、

【数３】と表される。また、上記出力信号を三角波と仮定する
と、ｑ個の光子が入射した場合の計数誤差σは、上記出
力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓ
との比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）及びＡ／Ｄ変換誤差σ１とを
用いて、

【数４】と表される。

【００３８】例えば、入射する光子の数ｑを１００００
個とし、上記ｓ及びｒを種々に変化させた場合の計数誤
差σを図７に示す。入射する光子の数ｑが１００００個
である場合は、光子数の量子的なゆらぎが１００個（１
００００の平方根）となり、量子的なゆらぎによる誤差
は０．０１（＝１００／１００００）である。一方、本
実施形態にかかる光計測装置１０は、図７に示すよう
に、ｓ、ｒが１以上の範囲にあっては、計数誤差σが光
子数の量子的なゆらぎによる誤差である０．０１（＝１
００／１００００）よりも十分小さくなることがわか
る。これは、光計測装置１０により、必要な計測精度が
得られることを意味している。また、本実施形態にかか
る光計測装置１０は、ｓ、ｒを大きくすることでさらに
計数誤差σを小さくすることが可能となる。

【００３９】さらに、本実施形態にかかる光計測装置１
０のダイナミックレンジの評価を行う。一般に光計測装
置のダイナミックレンジは、Ａ／Ｄ変換器の変換能力
（Ａ／Ｄ変換器の階調、すなわち、所定時間（ほぼパル
スペア分解能以内）に入射した光子数をいくつまでＡ／
Ｄ変換できるか）によって決まる。ここで、パルスペア
分解能τを１０ｎｓとした場合の、真のカウントレート
ｎと数え落とし率ξとの関係を図８に示す。図８中、
「従来型」と示されているのは、光電子増倍管の出力を
常に基準値と比較して基準値を超えた回数を計数する従
来型の光計測装置についての関係であり、「ｄ＝４」と
示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であ
って、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝４（２ビット）
であるものの関係であり、「ｄ＝８」と示されているの
は、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、
Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝８（３ビット）であるものの関
係である。

【００４０】ここで、数え落とし率ξを５％以下とする
ためには、「従来型」の光計測装置においては、真のカ
ウントレートｎを４×１０⁶（１／ｓ）程度に抑えなけ
ればならず、すなわち、ダイナミックレンジは４×１０
⁶（１／ｓ）程度となる。これに対して、「ｄ＝４」、
「ｄ＝８」の本実施形態にかかる光計測装置１０のダイ
ナミックレンジはそれぞれ１×１０⁸（１／ｓ）程度、
３×１０⁸（１／ｓ）程度となり、極めて広い（「従来
型」と比較して２桁大きい）ダイナミックレンジを確保
することが可能となる。

【００４１】尚、実際の計測において、Ａ／Ｄ変換器１
６の変換能力を越える数の光子が入射することがあらか
じめわかっている場合、あるいは、計測の結果、Ａ／Ｄ
変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射したこと
がわかった場合、ダイナミックレンジを広げるために
は、ＴＺアンプ２６のゲインを下げることが効果的であ
る。この場合、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネ
ル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）が小さくなるので、
図４に示すように計数誤差は大きくなるものの、ＨＰＤ
２４における入出力関係の線形性が確保される限度まで
光計測装置１０のダイナミックレンジを大きくすること
が可能となる。ここで、ＨＰＤ２４においては、出力電
流が１００μＡ以上まで上記線形性が確保されるので、
１×１０¹⁰（１／ｓ）程度まで光計測装置１０ダイナミ
ックレンジを広げることが可能となる。

【００４２】更に、入射光子数が光計測装置１０のダイ
ナミックレンジの上限を越える場合は、精度の高い計数
を行うためには、ＨＰＤ２４のゲインを下げることも有
効である。ＨＰＤ２４のゲインは、光電面２４ａに印加
する電圧、ＡＰＤ２４ｂに印加する逆バイアス電圧によ
って１０〜６００００の間で調整可能である。また、上
述のＴＺアンプ２６のゲイン、ＨＰＤ２４のゲインは、
ＣＰＵ２０から制御するものとしてもよい。

【００４３】続いて、本実施形態にかかる光計測装置１
０の効果について説明する。本実施形態にかかる光計測
装置１０は、入射した光子数に応じた光電子を放出さ
せ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出部１２か
ら出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換器１６によってＡ
／Ｄ変換することで、放出された光電子数、すなわち入
射した光子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換器１６から
出力することが可能となる。従って、同時に複数の光子
が入射した場合であっても、複数個の光子が入射したも
のとして計数を行うことができる。また、１つの光子が
入射して１つの光電子が放出された場合の出力信号の継
続時間Ｔｏよりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／
Ｄ変換された出力信号の加算値ｍに基づいて光子数ｑを
計数することで、１つの光子が入射した場合の出力信号
の継続時間Ｔｏよりも短い時間間隔を持って入射した複
数の光子数の検出確率が高まる。その結果、同時に複数
の光子が入射した場合や複数の光子が短い時間間隔を持
って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に
計数することが可能となる。従って、例えばパルスレー
ザで繰り返し励起される蛍光など、１イベントに２以上
の光子を含んでいる場合の光子の計数も、極めて正確に
行うことが可能となり、１パルスあたりの蛍光に含まれ
る光子数の計数なども可能となる。さらに、複数の光子
が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射
した光子数を正確に計数することが可能となることか
ら、ＴＺアンプ２６、Ａ／Ｄ変換器１６に高速応答性が
要求されなくなり、光計測装置１０自体を安価に構成す
ることが可能となる。

【００４４】また、本実施形態にかかる光計測装置１０
は、ＨＰＤ２４を用いることで、同時に、あるいは極め
て近い時間間隔をもって入射する光子数を効果的に検出
することができる。

【００４５】また、本実施形態にかかる光計測装置１０
は、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング
信号の周期を、１つの光子が入射して１つの光電子が放
出される場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４とする
ことで、短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の
検出確率を高めることが可能となる。

【００４６】また、本実施形態にかかる光計測装置１０
は、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値
Ｖｏと略等しくすることで、入射する光子数をそのまま
Ａ／Ｄ変換器１６の出力値とすることが可能となる。

【００４７】上記実施形態にかかる光計測装置１０にお
いては、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミ
ング信号の周期を、１つの光子が入射した場合の出力信
号の継続時間Ｔｏの１／４としていたが、１／２、１／
８などにしてもよい。かかるタイミング信号の周期を小
さくすれば光子の計数精度が高まり、一方、タイミング
信号の周期を大きくすれば、Ａ／Ｄ変換器１６、加算器
１８、ＣＰＵ２０等の処理負担が軽減する。

【００４８】また、上記実施形態にかかる光計測装置１
０においては、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信
号の最大値Ｖｏと略等しくしていたが、当該チャネル幅
を力信号の最大値Ｖｏよりも小さくしてもよい。Ａ／Ｄ
変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏよりも
小さくすることで、入射する光子数を精度よく検出する
ことが可能となる。

【００４９】また、上記実施形態にかかる光計測装置１
０においては、半導体検出器としてＡＰＤ２４ｂを用い
ていたが、これは、フォトダイオードなどでもよい。

【００５０】

【発明の効果】本発明の光計測装置は、入射した光束の
光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた
出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ
／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、放出され
た光電子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力
することが可能となる。従って、同時に複数の光電子が
放出された場合であっても、複数個の光電子が放出され
たものとして計数を行うことができる。また、１つの光
電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さ
い周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号
の加算値に基づいて光電子数を計数することで、１つの
光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短
い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確
率が高まる。その結果、入射する光束の光量が大きく、
同時に複数の光電子が放出される場合や複数の光電子が
短い時間間隔を持って放出される場合であっても、放出
される光電子数を正確に計数することでき、入射した光
束の光量を正確に計測することが可能となる。

【００５１】また、本発明の光計測装置においては、入
射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、
光電面から放出された光電子を加速する加速手段と、加
速手段によって加速された光電子を入射させ、当該光電
子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備
えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極
めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的
に検出することができる。

【００５２】また、本発明の光計測装置は、周期信号生
成手段によって生成する周期信号を、１つの光電子が放
出される場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さ
くすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の
光電子数の検出確率を高めることが可能となる。

【００５３】また、本発明の光計測装置においては、Ａ
／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等し
くすることで、放出される光電子数をそのままＡ／Ｄ変
換手段の出力値とすることが可能となる。

【００５４】また、本発明の光計測装置においては、Ａ
／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小
さくすることで、放出される光電子数を精度よく検出す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光計測装置の構成図である。

【図２】出力波高分布図である。

【図３】出力信号とタイミング信号との波形を示す図で
ある。

【図４】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。

【図５】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。

【図６】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。

【図７】計数誤差を示すグラフである。

【図８】数え落とし率を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…光計測装置、１２…光子検出部、１４…タイミン
グ信号発生回路、１６…Ａ／Ｄ変換器、１８…加算器、
２０…ＣＰＵ、２２…表示部、２３…メモリ、２４…Ｈ
ＰＤ、２６…ＴＺアンプ

フロントページの続き (72)発明者森田哲家静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者大庭弘一郎静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB04 AB11 BA09 BC12 BC22 BC28 BD02 BE01 DA08 5F049 MA07 NA20 NB07 UA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射する光束の光量に応じた光電子を放
出し、該光電子の数に応じた出力信号を出力する光検出
手段と、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出
力される出力信号の継続時間よりも小さい周期を有する
周期信号を生成する周期信号生成手段と、前記周期信号生成手段によって生成された前記周期信号
に基づいて前記光検出手段から出力された前記出力信号
をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、前記Ａ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された前記出力
信号を加算する加算手段と、前記加算手段によって加算された前記出力信号に基づい
て前記光検出手段に入射した光束の光量を算出する光量
算出手段とを備えたことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】前記光検出手段は、真空気密された容器と、前記容器内に配置され、入射する光束の光量に応じた光
電子を放出する光電面と、前記光電面から放出された前記光電子を加速する加速手
段と、前記容器内に配置され、前記加速手段によって加速され
た前記光電子を入射させ、該光電子の数に応じた出力信
号を出力する半導体検出器とを備えたことを特徴とする
請求項１に記載の光計測装置。
【請求項３】前記半導体検出器は、アバランシェフォ
トダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の
光計測装置。
【請求項４】前記周期信号生成手段は、１つの光電子
が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力
信号の継続時間の１／２以下の周期を有する周期信号を
生成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項
に記載の光計測装置。
【請求項５】前記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が
放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信
号の最大値と略等しいチャネル幅を有することを特徴と
する請求項１〜４のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項６】前記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が
放出された場合に前記光子検出手段から出力される出力
信号の最大値よりも小さいチャネル幅を有することを特
徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光計測装
置。