JP2005121623A - 微弱光検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光検出部の多チャンネル化を行なえるようにする。
【解決手段】 パルス信号検出整形加算回路５４は、識別情報付与部５６を有する。光子検出器の検出信号であるパルス電流は、多チャンネル増幅器において電圧信号に変換される。多チャンネル増幅器の出力信号ＰＤは、識別情報付与部５６の信号変換部６０を構成している比較器７０（７０Ａ〜７０Ｎ）に入力する。比較器７０は、入力した信号を一定の電圧を有する矩形波にして出力する。この矩形波は、波形整形部６２において一定のパルス幅を有する信号に変換され、電圧変換部６４に入力する。電圧変換部６４を構成している抵抗器Ｒ₁〜Ｒ₄は、波形整形部６２の出力パルスの電圧レベルを抵抗値に従って異ならせ、検出信号を出力した光子検出器を識別できる識別情報を付与する。識別情報を付与された信号は、加算部において合成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蛍光などの微弱な光を検出する微弱光検出方法および装置に関する。

エッチング装置やプラズマＣＶＤ装置などの半導体製造装置は、プラズマを利用している。このため、プラズマやラジカル状態にあるガスの分析、またプラズマにレーザを照射して発生する蛍光の時間的な変化（時間分解）を求めてガスの組成や、密度分布などを分析することは、半導体デバイスの製造にとって重要である。

一方、バイオテクノロジーや生化学、医療などのライフサイエンスの分野または環境分野などにおいて、特定のＤＮＡやタンパク質、細胞などを検出する場合、または溶液中に含有されている微量物質を検出する場合、蛍光を利用した検出がしばしば行なわれる。例えば、ＤＮＡチップリーダやフローサイトメータなどを用いて特定のＤＮＡを検出する場合、これとハイブリッドを形成するＤＮＡ断片に蛍光プローブを添加し、レーザ光を照射して蛍光プローブから生じる蛍光の有無により行なっている。そして、バックグラウンドノイズを低減し、生体分子の時間的な構造変化や分子間の相互作用を分析する場合、蛍光の時間的変化を得る必要がある。

従来、ナノ秒パルス光という高速信号を直接、同時に多チャンネルによって検出することは、技術的に困難であるために行なわれていなかった。そして、従来の時間分解蛍光測定装置は、一般に励起光であるレーザビームを１点に照射し、多数の試料を配置した試料台（ＸＹステージ）を機械的に移動させて、各試料にレーザビームを順次照射して蛍光を計測するようにしている。また、１本のレーザビームをガルバノミラーによって機械的に駆動して走査し、各試料にレーザビームを照射する装置もある。従来のこれらの装置は、いずれも試料にレーザビームを短時間照射して計測するようになっており、計測に十分な蛍光を得るために、レーザビームの強度を大きくする必要がある。このため、試料にダメージを与えることになりやすい。

さらに、２次元映像装置をタイムゲートという技術によって時間分解するＩＣＣＤのような方法もある。この方法は、パルスレーザの照射からΔｔ時間経過後の画像を得るようにしており、遅延させてゲートを開き、したがって高い時間分解能を得るには多大の時間を要する。しかも、ＣＣＤカメラのデータを読み出すようになっており、データの読み出しに０．１秒程度の時間を必要とする。

ところで、ストリーク管と呼ばれる装置により、ナノ秒より短いパルス光を検出する方法が提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載のパルス光の検出方法は、次のようにして行なう。まず、入射した光信号を複数に分割し、分割した各光信号を光電変換して光電子を得る。そして、各光電子をストリーク管に導入して一対の電極板の間を通過させ、電極板に時間的に変化する電圧を印加して光電子を偏向し、さらに所定のスリットを通過した光電子を蛍光面に衝突させて光に変換したのち、光検出器で検出する。
特開２００３−７５２６１号公報

特許文献１に記載されているパルス光の検出方法は、光電子を偏向させる一対の電極を内蔵したストリーク管を用いる必要があり、装置の構造が複雑で大型、高価である。このため、多数のストリーク管を配置して多チャンネル化をすることが困難である。さらに、この方法ではスリットから入る空間的に１次元の光に限定される。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、光検出部の多チャンネル化を行なえるようにすることを目的としている。
また、本発明は、多数の光電変換器からの検出信号に基づいて、容易に高い時間分解能を得られるようにすることを目的としている。

微弱光を想定した場合、光子検出器（光検出器）を複数設けて光子の検出を行なうとすると、すべての光子検出器に入射する光子の数の合計は、１００個／μ秒以下と考えてよい。そこで、光子検出器の数をｎ個とすると、各光子検出器に入射する光子の数の平均値は、１００個／ｎ／μ秒以下である。そして、光子検出器の数ｎ＝１００とした場合、各光子検出器に入射する光子の数の平均値は、１個／μ秒以下となる。このため、各光子検出器のそれぞれに、サンプリング間隔が１０^-9秒程度の高速のアナログＡ／Ｄ変換器を適用すると、はなはだ効率が悪く、かつ莫大なコストを必要とする。本発明は、このような考察に基づいてなされたものである。

そこで、上記の目的を達成するために、本発明に係る微弱光検出方法は、複数の光電変換器を配置して微弱光を検出する方法であって、前記各光電変換器が出力する検出信号に、各光電変換器を相互に識別する識別情報を付加したのち、識別情報を付加した前記検出信号を読み込んで記憶し、読み込んだ前記検出信号について所定時間ごとに、前記記憶した検出信号に基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める、ことを特徴としている。

識別情報が付加された検出信号の読込みは、各光電変換器に対応したものを合成してから行なうとよい。識別情報は、電圧レベルであってよい。また、前記検出信号の記憶は、前記検出信号の読込み時刻とともに記憶し、前記光電変換器ごとに求める前記検出信号の検出時間と数とは、予め定めた時間ごとについて求めるようにできる。

また、本発明に係る微弱光検出方法は、複数の光電変換器を配置して微弱光を検出する方法であって、前記複数の光電変換器を複数のブロックに区分し、前記各光電変換器が出力する検出信号に、前記各ブロック内の前記各光電変換器を相互に識別可能な識別情報を付加したのち、前記各ブロック内の前記光電変換器に対応した識別情報の付加された前記検出信号を合成し、前記各ブロックを相互に識別可能なブロック情報と前記合成された信号とを読み込んで前記識別情報の付加された前記検出信号と前記ブロック情報とを記憶し、記憶した検出信号とブロック情報とに基づいて、所定時間ごとに前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める、ことを特徴としている。

そして、上記微弱光検出方法を実施するための微弱光検出装置は、入射した光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換器と、前記各光電変換器に対応して設けられ、対応する光電変換器が出力した検出信号に識別情報を付加して出力する識別情報付与部と、前記各識別情報付与部の出力信号を読み込むデータ読込み部と、前記データ読込み部が読み込んだ前記出力信号を記憶するデータ記憶部と、前記データ読込み部が読み込んだ前記出力信号について所定時間ごとに、前記データ記憶部が記憶した前記出力信号に基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める演算部と、を有することを特徴としている。

さらに、本発明に係る微弱光検出装置は、複数のブロックに区分され、入射した光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換器と、前記光電変換器に対応して設けられ、前記各ブロック内の前記各光電変換器を相互に識別可能な識別情報を前記光電変換器の出力した検出信号に付加して出力する識別情報付与部と、前記各ブロックのそれぞれに設けられ、ブロック内の前記各識別情報付与部の出力信号を合成する検出信号合成部と、前記各ブロックに対応して設けられ、各ブロックを相互に識別可能なブロック情報を前記検出信号合成部の出力信号に同期して出力するブロック情報生成部と、前記検出信号合成部の出力した合成検出信号と前記ブロック情報生成部の出力したブロック情報とを読み込み、読み込んだ前記合成検出信号と与えられた比較情報とに基づいて、前記識別情報の付加された検出信号を求めるデータ読込み部と、前記データ読込み部が求めた前記識別情報の付加された前記検出信号を、前記データ読込み部が読み込んだ前記ブロック情報とともに記憶するデータ記憶部と、前記データ記憶部に記憶された前記識別情報を付加された前記検出信号と前記ブロック情報とに基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める演算部と、を有することを特徴としている。

前記識別情報付与部は、前記検出信号を所定の電圧を有するパルス信号にして出力する信号変換部と、前記信号変換部の出力パルスの電圧を、前記光電変換器に対応させて複数の電圧レベルに変換する電圧変換部とによって構成することができる。また、前記電圧変換部は、前記信号変換部の出力側に並列接続した複数の電圧変換器を有し、前記データ読込み部と前記データ記憶部とは、前記複数の電圧変換器に対応して設ける構成にできる。さらに、前記データ記憶部は、前記データ読込み部の出力信号読込み時刻に対応させて前記出力信号を記憶し、前記演算部は、予め定めた時間ごとについての前記各光電変換器が出力した前記検出信号の検出時間と数とを求めるように構成することができる。なお、ブロック情報は、各ブロックに対応した電圧レベルであってよい。

上記のごとくなっている本発明は、各光電変換器が出力する検出信号に識別情報を付加して記憶するようにしているため、ＣＣＤなどを用いる場合と異なり、光子を１つずつ到来時間と共に検出することができる。また、本発明は、ストリーク管などを用いないため、装置をコンパクト、かつ任意の光電変換器の配置に対応可能、安価にすることができる。そして、記憶した検出信号は、識別情報に基づいてどの光電変換器が出力したものであるかを容易に判別することができる。したがって、光検出部を多数の光電変換器によって形成し、多チャンネル化をしたとしても、ナノ秒の時間分解で光子の到来を検知可能、また演算処理が可能であり、微弱光を容易、確実、かつ高い時間分解能で検出することができる。

さらに、各光電変換器に対応した識別情報を付加した検出信号を合成したのちに読み込むようにしているため、光子の到来が時間的にまれな微弱な光であったとしても、多数の光電変換器の検出信号を効率よく、容易に高速で読み込むことができる。

そして、本発明は、複数の光電変換器を複数のブロックに区分し、各光電変換器の検出信号識別情報を与えるとともに各ブロックにブロック情報を与え、識別情報を付加した検出信号をブロック情報とともに読み込むようにしているため、非常に多数の光電変換器を用いた場合であっても、読み込んだ検出信号がどの光電変換器から出力されたものであるかを、容易、確実に特定することができる。したがって、より広範囲における微弱光の検出を容易に高精度で行なうことができる。

また、本発明は、識別情報として電圧レベルを用いているため、電圧レベルを変更するのに抵抗器に電気信号（パルス電圧）を通すだけでよく、安価であるとともに迅速に識別情報を付加することができ、処理速度の低下を招くようなことがない。そして、本発明は、予め定めた時間ごとの各光電変換器が出力した検出信号の数を求めるようにしてあるため、ナノ秒以下の高い時間分解を容易に実現することができる。なお、電圧変換器となる抵抗器を複数並列接続することにより、多次元的な識別情報を付加することができ、光電変換器の数を多くしても容易に識別することができる。

本発明に係る微弱光検出方法および装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係る微弱光検出装置の説明図である。図２において、微弱光検出装置１０は、蛍光などの微弱光（光子）１２が入射する検出ユニット２０を有している。検出ユニット２０は、チャンバ２２を備えており、チャンバ２２にレンズユニット２４が装着してあり、チャンバ２２の内部にマイクロミラーアレイ２６や光電変換部となる光子検出器アレイ２８、検出回路部３０などが収納してある。すなわち、チャンバ２２には、前端の開口部３２にレンズユニット２４が装着してある。そして、レンズユニット２４の後方には、直角プリズム３４がチャンバ２２内に配設してある。直角プリズム３４は、傾斜面がレンズユニット２４から入射した微弱光１２を図の下方に反射し、マイクロミラーアレイ２６に入射させる。

マイクロミラーアレイ２６は、直角プリズム３４から入射した微弱光１２を、入射方向と予め定めた角度だけ異なった方向に反射する。マイクロミラーアレイ２６によって反射された微弱光（反射光３６）は、直角プリズム３４を透過して直角プリズム３４の上方の、適宜の位置に配設したレンズ系３８に入射する。このレンズ系３８の上方には、反射鏡４０が設けてある。反射鏡４０は、レンズ系３８から入射した反射光３６を光子検出器アレイ２８に向けて反射する。光子検出器アレイ２８は、光電子増倍管などの光電変換器からなる複数の光子検出器から構成してある。各光子検出器の出力信号（検出信号）は、検出回路部３０に入力し、詳細を後述するように、識別情報を付加される。そして、検出回路部３０は、識別情報を付加した検出信号を、チャンバ２２の外部に設けたアナログ・ディジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）４２に出力する。Ａ／Ｄ変換部４２は、多チャンネルの高速Ａ／Ｄ変換器によって構成してあって、検出回路部３０が出力したアナログ信号をディジタル信号に変換し、コンピュータ４４に入力する。

コンピュータ４４は、データ記憶部４６と演算部４８と、Ａ／Ｄ変換部４２の出力信号を読み込んでデータ記憶部４６に書き込むデータ読込み部（図示せず）とを備えている。データ記憶部４６は、検出回路部３０の出力信号のディジタル変換された信号を、データ読込み部が読み込んだ時刻とともに記憶するようになっている。また、演算部４８は、データ記憶部４６に記憶されているディジタルデータを読み出し、光子検出器アレイ２８を構成している各光子検出器のそれぞれが出力した検出信号の検出時間と数とを求めるようになっている。

光子検出器アレイ２８は、図３に示したように、複数の光子検出器５０（５０Ａ〜５０Ｎ）によって構成してある。これらの光子検出器５０は、微弱光１２が入射すると光子を光電子に変換し、増幅して電気信号である電流を出力する。そして、各光子検出器５０は、マトリックス状に配列してもよいし、その他の配置でもよい。

また、検出回路部３０は、図３に示したように、多チャンネル増幅器５２とパルス信号検出整形加算回路５４とを有している。この検出回路部３０においては、光子検出器５０の出力したパルス信号を閾値と比較し、閾値を超えた信号を整形してパルス幅が一定の矩形波を得るとともに、各光子検出器（チャンネル）ごとに識別情報（タグ）を付けて加算回路で合成するようにしている。ただし、実施形態の場合、パルス幅は５ナノ秒以下にしてあり、識別情報として矩形波の高さ（振幅）を各光子検出器５０ごとに異ならせてある。

多チャンネル増幅器５２は、各光子検出器５０に対応して設けた電流電圧変換部と、この電流電圧変換部の出力側に設けられて、電流電圧変換部の出力信号を増幅する増幅部とを有する（いずれも図示せず）。電流電圧変換部は、光子検出器５０が検出信号として出力した電流信号（パルス電流）を電圧信号（パルス電圧）に変換して出力する。

パルス信号検出整形加算回路５４は、図１に示したように、識別情報付与部５６と加算部５８とから構成してある。識別情報付与部５６は、各光子検出器５０を識別できるように識別情報を付加して出力する。識別情報付与部５６の出力信号は、加算部５８において合成するようにしてある。なお、図１は、理解を容易にするために、識別情報付与部５６において４種類の識別情報を付加できるようにするとともに、加算部５８が２つの加算回路を有する例を示したものであって、これに限定されるものでない。

識別情報付与部５６は、多チャンネル増幅器５２の出力信号が入力する信号変換部６０と、この信号変換部６０の出力側に設けた波形整形部６２、この波形整形部６２の出力側に設けた電圧変換部６４とからなっている。信号変換部６０は、多チャンネル増幅器５２の出力した電圧レベルがまちまちの信号を、一定の電圧値を有する矩形波にして出力するもので、多チャンネル増幅器５２に設けた電流電圧変換部、すなわち光子検出器５０に対応した数の比較器７０（７０Ａ〜７０Ｎ）によって構成してある。そして、各比較器７０の反転入力端子は、基準電圧電源７１に接続してある。一方、各比較器７０の非反転入力端子には、多チャンネル増幅器５２の各チャンネルが電圧信号に変換して出力した光子検出器５０の検出信号ＰＤ（ｉ，ｊ）が入力するようになっている。これらの比較器７０は、非反転入力端子に入力する多チャンネル増幅器５２からの信号を、所定の電圧値を有する矩形に変換して波形整形部６２に出力する。

波形整形部６２は、信号変換部６０の各比較器７０に対応して設けた波形整形回路７２（７２Ａ〜７２Ｎ）からなっている。これらの波形整形回路７２は、図４に示したように、ＪＫフリップフロップ７４と遅延回路７６とから構成してある。遅延回路７６は、入力側がＪＫフリップフロップ７４のＱ出力端子に接続してあり、出力側がＪＫフリップフロップ７４のＫ入力端子に接続してある。また、ＪＫフリップフロップ７４は、Ｊ入力端子が比較器７０の出力側に接続してあって、比較器７０の出力信号が入力する。このため、ＪＫフリップフロップ７４は、Ｊ入力端子に矩形波が入力すると、セット状態となってＱ出力端子から「Ｈ」を出力するとともに、この出力信号を遅延回路７６によって所定時間（例えば、数ナノ秒）遅延させてＫ入力端子に入力してリセットされるため、Ｑ出力端子から一定のパルス幅を有する矩形信号を出力する。この矩形パルス信号は、波形整形部６２の出力信号として電圧変換部６４に与えられる。

波形整形部６２の出力側に設けた電圧変換部６４は、識別情報を付与するためのもので、図１に示したように、電圧変換器となる抵抗器から構成してある。そして、実施形態の場合、電圧変換部６４は、波形整形部６２を構成している各波形整形回路７２の出力側に一対の抵抗器Ｒ_i（ｉ＝１〜４）、Ｒ_j（ｊ＝１〜４）が並列に接続してある。これらの抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jは、波形整形回路７２から出力された一定電圧のパルス信号を４段階の電圧レベルにすることにより、識別情報を付与する。すなわち、波形整形回路７２から出力されたパルス信号は、抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jを通ることによって電圧が降下し、パルスの高さが４段階の高さにされる。

加算部５８は、それぞれが加算器を構成する一対のオペアンプ８０（８０ａ、８０ｂ）を有する。そして、一方のオペアンプ８０ａの入力側は、各波形整形回路７２の出力側に並列接続した一対の抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jのいずれか一方（例えば、抵抗器Ｒ_i）に接続してあり、他方のオペアンプ８０ｂの入力側は、他方の抵抗器Ｒ_jに接続してある。これら各オペアンプ８０には、抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jを通ったパルス信号が同時に入力し、出力したアナログ信号がＡ／Ｄ変換部４２においてディジタル信号に変換され、ＰＣＩバスを介してコンピュータ４４に入力される。そして、コンピュータ４４は、図示しないデータ読込み部がＡ／Ｄ変換部４２の出力信号（データ）を読み込み、読み込んだデータを読み込み時刻とともにデータ記憶部４４に書き込む。なお、Ａ／Ｄ変換部４２は、加算部５８を構成しているオペアンプ８０に対応したＡ／Ｄ変換器を備えている。

したがって、Ａ／Ｄ変換部４２のチャンネル数、すなわちオペアンプ８０の数をｍ個とし、タグのためのｎ種類の抵抗器を用いると、全光子検出器５０の数Ｎは、Ｎ＝ｎ^mとなる。そして、前記したように、図１は、ｍ＝２、ｎ＝４の場合であって、識別情報（タグ）が４通りであるため、１６個の光子検出器の出力信号を識別できることになる。

上記のごとくなっている微弱光検出装置１０による微弱光の検出は、次のようにして行なわれる。図２に示すように、微弱光（光子）１２は、レンズユニット２４を介して検出ユニット２０のチャンバ２２に入射し、直角プリズム３４、マイクロミラーアレイ２６、レンズ系３８、反射鏡４０を経て、光子検出器アレイ２８を構成している光子検出器５０のいずれかに入射する（図３参照）。微弱光１２が入射した光子検出器５０は、光子を光電子に変換してパルス状の電流を検出信号として出力する。光子検出器５０の出力したパルス電流は、多チャンネル増幅器５２に入力する。多チャンネル増幅器５２は、入力したパルス電流を電圧に変換したのち、さらに増幅して図５（１）に示したようなアナログのパルス電圧ＰＤを出力信号として、パルス信号検出整形加算回路５４の信号変換部６０に入力する（図１参照）。

すなわち、パルス電圧ＰＤは、信号変換部６０を構成している比較器７０の非反転入力端子に入力する。比較器７０は、ノイズを除去するために、入力したパルス電圧ＰＤを予め設定してある基準電圧電源７１の基準電圧（閾値）と比較し、図５（２）に示したような一定の電圧（パルスの高さ）の矩形パルス９０を出力する。比較器７０の出力した矩形パルス９０は、波形整形部６２を構成している波形整形回路７２のＪＫフリップフロップ７４のＪ端子に入力する（図４参照）。波形整形回路７２は、入力した矩形パルス９０を一定時間保持し、図５（３）に示したように、所定パルス幅のパルス９２を出力する。このパルス９２のパルス幅は、遅延回路７６の遅延時間に依存する。そして、パルス９２は、波形整形部６２の出力として電圧変換部６４に入力される。

波形整形回路７２から出力されたパルス９２は、電圧変換部６４を構成している抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jを通ることにより、図５（４）に示した出力パルス９４のように、電圧レベルが所定の値に変換されて識別情報が付与される。この出力パルス９４の電圧レベルは、抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jの抵抗値により定まる。そして、各波形整形回路７２から出力されたパルス９２は、抵抗器Ｒ_i、Ｒ_jによって電圧変換され、加算部５８を構成しているオペアンプ８０ａ、８０ｂに入力する。オペアンプ８０は、電圧変換部６４が次々に出力する出力パルス９４を合成し、増幅してＡ／Ｄ変換部４２に送出する。なお、微弱光１２は、前記したように、到来する光子が時間的にまれであるため、複数の光子検出器５０から同時に検出信号が出力されることはほとんどない。

例えば、多チャンネル増幅器５２が４チャンネルであって、その出力信号（生波形）であるパルス電圧ＰＤが図６（１）のようであったとする。そして、これらのパルス電圧ＰＤが波形整形されたのち、各チャンネルに対応して電圧変換されて識別情報を付加され、出力パルス９４となって加算部５８に入力された場合、各オペアンプ８０から図６（２）に示すような、各チャンネルに応じてパルス高さの異なるパルスが出力される。したがって、各パルスの高さを識別することによって、多チャンネル増幅器５２のどのチャンネルの出力信号、すなわちどの光子検出器５０の検出信号であるかを容易に識別することができる。

オペアンプ８０を用いた加算回路の出力Ｖ_out（ｔ）は、ＪＫフリップフロップ７４の出力電圧をＶ₀、オペアンプ８０のフィードバック抵抗をｒ_f、電圧変換部６４の各チャンネルの抵抗値をｒ_i（ｉ＝１、２、３、………）とすると、

ただし、

である。そして、Χ（ｔ）はｔ＝０で立ち上がる値が１で幅がΔｔのパルス関数であって、図５（３）に示したパルス９２のような矩形状の関数である。また、ｔ_i,jは、ｉ番目の光子検出器５０に到来した光子によるｊ番目のパルスの到来時刻を表している。

加算部５８の出力パルスは、Ａ／Ｄ変換部４２に入力してディジタル信号に変換される。そして、Ａ／Ｄ変換部４２の出力信号は、コンピュータ４４のデータ読込み部に読み込まれ、データ記憶部４６に読み込み時刻とともに書き込まれる。なお、図２には、データ記憶部４６が１つしか記載してないが、データ読込み部とデータ記憶部４６とは、オペアンプ８０に対応して設けてあり、オペアンプ８０ごとに分けてデータ記憶部４６に書き込まれる。一方、演算部４８は、各データ読込み部がＡ／Ｄ変換部４２の出力信号（データ）を、予め定めた時間読み込むと、各データ記憶部４６に格納してあるデータを読み出し、各データ記憶部４６に記憶されている各データの電圧レベル（識別情報）に基づいて、予め定められた時間（例えば１ナノ秒）ごとの各光子検出器５０が出力した検出信号の数を求めて出力する。

このように実施形態においては、各光子検出器５０の検出信号に識別情報を付加してデータとしてデータ記憶部４６に記憶し、データ記憶部４６に記憶したデータに基づいて、各光子検出器の検出信号の到来時間と数とを求めるようにしているため、装置を安価、コンパクトにできるとともに、迅速な処理が可能となる。しかも、データを読み込み時間とともに記憶するようにしているため、ナノ秒以下の高い時間分解能を容易に得ることができる。

図７は、第２実施形態に係る微弱光検出装置の要部の概略ブロック図である。この第２実施形態に係る微弱光検出装置１００は、検出回路部３０を構成しているパルス信号検出整形加算回路１１０が、対応した第１実施形態のパルス信号検出整形加算回路５４と異なっている点を除いて、第１実施形態の微弱光検出装置とほぼ同様に形成してある。

第２実施形態に係る微弱光検出装置１００は、光子検出アレイ２８を構成している複数の光子検出器５０を複数のブロックに区分している。なお、この実施形態においては、第１実施形態における説明との相違を明確にし、理解を容易にするために、１６個の光子検出器５０を４つのブロックに区分した場合について説明する。しかし、この実施形態に限定されるものでないことは、もちろんである。

第２実施形態のパルス信号検出整形加算回路１１０には、光子検出器５０を４つのブロックに区分したのに対応して、４つの回路ブロック１１２（１１２Ａ〜１１２Ｄ）が設けてある。各回路ブロック１１２は、後述するように同一の構成となっている。そして、これらの回路ブロック１１２の出力側には、ブロック情報生成部が接続してある。ブロック情報生成部は、各回路ブロック１１２の出力信号に基づいて、各回路ブロック１１２を相互に識別可能なブロック識別信号（ブロック情報）を生成して付加できるようにしてある。

各回路ブロック１１２は、図８に示したように、光子検出器５０のそれぞれに対応して設けた比較器７０からなる信号変換部６０、各比較器７０に対応した波形整形回路７２を有する波形整形部６２、波形整形部６２の出力側に設けた電圧変換部１１４（１１４Ａ〜１１４Ｄ）、電圧変換部１１４の出力側に接続した検出信号合成部１１６（１１６Ａ〜１１６Ｄ）とから構成してある。

各電圧変換部１１４は、各波形整形回路７２の出力側に並列接続した一対の抵抗器Ｒ_i（ｉ＝１、２、３、４）、Ｒ₀からなっている。そして、各電圧変換部１１４は、抵抗器Ｒ_iがその回路ブロック１１２に属する光子検出器５０を相互に識別するための識別情報を付与できるように、抵抗値が異なっていて、波形整形回路７２の出力信号を異なった電圧レベルのパルス信号にする。

各検出信号合成部１１６は、オペアンプからなる一対の加算器１１８（１１８Ａ〜１１８Ｄ）、１２０（１２０Ａ〜１２０Ｄ）によって構成してある。一方の加算器１１８は、非反転入力端子に抵抗器Ｒ_iが接続してあって、抵抗器Ｒ_iを通った信号が入力し、これらの信号を合成して出力側に設けたブロック情報生成部１２４に出力する。他方の加算器１２０は、非反転入力端子に抵抗器Ｒ₀が接続してあって、各抵抗器Ｒ₀を通った信号を合成してブロック情報生成部１２４に入力する。

ブロック情報生成部１２４は、各回路ブロック１１２のそれぞれに対応させた一対の抵抗器Ｒ₀、Ｒ_j（ｊ＝１、２、３、４）を有する。一方の抵抗器Ｒ₀は、一方の端子が加算器１１８の出力端子に接続してあり、他方の端子が加算部５８に接続してある。また、他方の抵抗器Ｒ_jは、一方の端子が加算器１２０の出力端子に接続してあり、他方の端子が加算部５８に接続してある。抵抗器Ｒ_jは、各加算器１２０から出力された所定の高さのパルスを、抵抗値に応じて高さの異なるパルスに変換することによりブロック情報を生成し、ブロック情報を付加して出力する。そして、ブロック情報生成部１２４の抵抗器Ｒ₀は、各回路ブロック１１２に属する光子検出器５０を相互に識別できる識別情報を維持した信号を加算部５８に出力する。

加算部５８は、ブロック情報生成部１２４の抵抗器Ｒ₀を通った信号を合成する加算器８０ａと、抵抗器Ｒ_jを通ってブロック情報が付加された信号を合成する加算器８０ｂとからなっている。これら各加算器８０（８０ａ、８０ｂ）の出力信号は、Ａ／Ｄ変換部４２の対応したＡ／Ｄ変換器１２６（１２６Ａ、１２６Ｂ）に入力される（図７参照）。各Ａ／Ｄ変換器１２６の出力信号は、ＰＣＩバスを介してコンピュータ４４に入力する。

コンピュータ４４は、図９に示したように、Ａ／Ｄ変換部４２の出力信号が入力するデータ読込み部１４０、データ読込み部１４０の出力側に設けたデータ記憶部４６と、データ記憶部４６に接続した演算部４８とを有する。

データ読込み部１４０は、データ抽出回路１４２と、ブロック情報抽出回路１４４と、これらの各抽出回路１４２、１４４に接続した比較データ記憶部１４５とから構成してある。データ抽出回路１４２は、入力側がＡ／Ｄ変換部４２のＡ／Ｄ変換器１２６Ａの出力側に接続してある。そして、データ抽出回路１４２は、Ａ／Ｄ変換器１２６Ａの出力信号を比較データ記憶部１４５に記憶してある比較データと比較し、識別情報を付加された検出信号をデータとして抽出し、データ記憶部４６の対応するメモリ１４６Ａに、Ａ／Ｄ変換器１２６Ａがデータを出力した時刻とともに書き込む。また、ブロック情報抽出回路１４４は、Ａ／Ｄ変換器１２６Ｂの出力信号を比較データ記憶部１４５に記憶してある比較データと比較し、ブロック情報を求めてデータ記憶部４６の対応するメモリ１４６Ｂに、ブロック情報のデータを読み込んだ時刻とともに書き込む。そして、演算部４８は、所定時間ごとに各メモリ１４６（１４６Ａ、１４６Ｂ）に書き込まれたデータに基づいて、検出信号を出力した光子検出器５０と、この光子検出器５０が出力した検出信号の数とを求めて出力する。

このようになっている第２実施形態に係る微弱光検出装置１００の作用は、次のとおりである。各光子検出器５０の検出信号である電流パルスは、第１実施形態と同様に、多チャンネル増幅器５２によって電圧信号に変換され、パルス信号検出整形加算回路１１０の信号変換部６０において所定の電圧レベルを有する矩形パルスに変換される。この矩形パルスは、波形整形部６２において所定パルス幅を有する矩形パルスにされる。すなわち、波形整形部６２の各波形整形回路７２から出力されるパルス電圧は、同じパルス幅とパルス高さを有する。

波形整形回路７２から出力されたパルスは、電圧変換部１１４の抵抗器Ｒ_i、Ｒ₀に供給される。抵抗器Ｒ_iを通過したパルスは、抵抗器Ｒ_iの抵抗値に応じた電圧（パルス高さ）に変換され、回路ブロック１１２内の波形整形回路７２相互、すなわち各回路ブロック１１２のそれぞれに属する光子検出器５０を相互に識別可能な識別信号を付加される。これらの抵抗器Ｒ_iを通ったパルスは、検出信号合成部１１６を構成している一方の加算器１１８に入力され、加算器１１８によって合成され、合成検出信号としてブロック情報生成部１２４に入力される。

検出信号合成部１１６を構成している各加算器１２０には、抵抗器Ｒ₀を通った波形整形回路７２の出力信号が入力する。各抵抗器Ｒ₀を通ったパルスは、同じパルス高さを有しており、検出信号合成部１１６の他方の加算器１２０に入力されて合成され、ブロック情報生成部１２４に入力する。そして、加算器１２０に入力する信号は、加算器１１８に入力する信号と同様に抵抗器を通過するため、伝達経路がほぼ同じとなって加算器１１８に入力する信号と同期する。このため、加算器１２０の出力するパルスは、加算器１１８の出力するパルスに同期して出力される。

ブロック情報生成部１２４は、各回路ブロック１１２のそれぞれに対応させた一対の抵抗器Ｒ₀、Ｒ_jを有している。各抵抗器Ｒ₀には、各回路ブロック１１２において識別情報を付加され、加算器１１８によって合成された合成検出信号が入力する。そして、各加算器１１８の出力信号は、識別情報が維持された状態のままブロック情報生成部１２４の抵抗器Ｒ₀を通過し、加算部５８を構成している加算器８０ａに入力され、加算器８０ａによって合成される。この加算器８０ａの出力信号は、Ａ／Ｄ変換部４２のＡ／Ｄ変換器１２６Ａに入力される。一方、各加算器１２０の出力信号は、ブロック情報生成部１２４の対応する抵抗器Ｒ_jに供給される。各抵抗器Ｒ_jは、入力したパルスを抵抗値に応じた電圧レベル（パルス高さ）に変換してブロック情報（ブロック識別信号）を付加し、加算部５８の加算器８０ｂに入力する。加算器８０ｂは、各抵抗器Ｒ_jを通った信号を合成してＡ／Ｄ変換部４２のＡ／Ｄ変換器１２６Ｂに出力する。そして、加算器８０ａ、８０ｂは、入力する信号がそれぞれ抵抗器を通って伝達経路が同じにされているため、同期して信号が入力し、同期して合成した信号を出力する。

各Ａ／Ｄ変換器１２６Ａ、１２６Ｂは、波形整形回路７２の出力信号に同期して入力するアナログのパルス高さをディジタルに変換し、図９に示したように、データ読込み部１４０の対応するデータ抽出回路１４２とブロック情報抽出回路１４４とに同時に出力する。データ抽出回路１４２は、比較データ記憶部１４５に記憶されている比較データを読み出してＡ／Ｄ変換器１２６Ａの出力信号と比較し、識別情報が付加された検出信号（データ）を抽出する。そして、データ抽出回路１４２は、抽出したデータをＡ／Ｄ変換器１２６Ａから入力した時刻とともにデータ記憶部４６のメモリ１４６Ａに書き込む。

また、データ読込み部１４０のブロック情報抽出回路１４４は、Ａ／Ｄ変換器１２６Ｂの出力信号を比較データ記憶部１４５に記憶されている比較データと比較し、ブロック情報を抽出してデータ記憶部４６のメモリ１４６Ｂに、Ａ／Ｄ変換器１２６Ｂから信号が入力した時刻とともに書き込む。そして、演算部４８は、所定の時間ごとに各メモリ１４６に書き込まれたデータを読み出し、メモリ１４６Ｂに書き込まれた内容からデータの書き込まれた時刻と、検出回路部３０をを構成している回路ブロック１１２を特定するとともに、 メモリ１４６Ａに書き込まれた内容からデータの書き込まれた時刻と検出信号を出力した光子検出器５０を特定する。したがって、どの回路ブロック１１２に属するどの光子検出器５０がいつ検出信号を出力したかが求められる。

これにより、光子検出器アレイ２８によるナノ秒以下の高い時間分解能における光子（微弱光）の検出状態を容易に求めることができ、演算部４８の出力信号に基づいた２次元画像を得ることができる。しかも、第２実施形態においては、複数の光子検出器５０を複数のブロック１１２に区分し、ブロックを相互に識別可能としたことにより、多くの光子検出器５０を識別することが可能となり、多数の光子検出器５０を用いた多チャンネル化が可能で、より広範囲な計測領域における微弱光をより高精度に検出することができる。

本発明は、微弱な光の検出を必要とする分野、例えばエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置におけるプラズマやラジカル状態にあるガスの分析、ガスの組成や密度分布の解析などに適用することができる。また、ＤＮＡやタンパク質、細胞などの分析、さらにはライフサイエンスや環境分野における時間分解による３次元映像装置への適用、赤外線パルスレーザを用いた暗視野装置による空間の３次元映像の作成に適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るパルス信号検出整形加算回路の説明図である。 本発明の第１実施形態に係る微弱光検出装置の説明図である。 第１実施形態に係る検出回路部の概略構成図である。 実施形態に係る波形整形回路の説明図である。 実施形態に係るパルス信号検出整形加算回路の動作を説明する図である。 実施形態に係る加算部の出力信号の説明図である。 第２実施形態に係る検出回路部の概略構成図である。 第２実施形態に係るパルス信号検出整形加算回路部の説明図である。 第２実施形態に係るコンピュータの要部の概略ブロック図である。

符号の説明

１０、１００………微弱光検出装置、１２………微弱光、２０………検出ユニット、２４………レンズユニット、２６………マイクロミラーアレイ、２８………光子検出器アレイ、３０………検出回路部、４４………コンピュータ、４６………データ記憶部、４８………演算部、５０Ａ、５０Ｎ………光子検出器、５４、１１０………パルス信号検出整形加算回路、５６………識別情報付与部、５８………加算部、６０………信号変換部、６２………波形整形部、６４、１１４Ａ〜１１４Ｄ………電圧変換部、Ｒ₁〜Ｒ₄………電圧変換器（抵抗器）、１１２Ａ〜１１２Ｄ………回路ブロック、１１６Ａ〜１１６Ｄ………検出信号合成部、１２４………ブロック情報生成部、１４０………データ読込み部、１４２………データ抽出回路、１４４………ブロック情報抽出回路。

Claims (11)

1. 複数の光電変換器を配置して微弱光を検出する方法であって、
   前記各光電変換器が出力する検出信号に、各光電変換器を相互に識別する識別情報を付加したのち、
   識別情報を付加した前記検出信号を読み込んで記憶し、
   読み込んだ前記検出信号について所定時間ごとに、前記記憶した検出信号に基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数を求める、
   ことを特徴とする微弱光検出方法。
2. 請求項１に記載の微弱光検出方法において、
   前記識別情報を付加した前記検出信号の読込みは、前記各光電変換器に対応した前記識別情報の付加された前記検出信号を合成したのちに行なうことを特徴とする請求項１に記載の微弱光検出方法。
3. 複数の光電変換器を配置して微弱光を検出する方法であって、
   前記複数の光電変換器を複数のブロックに区分し、
   前記各光電変換器が出力する検出信号に、前記各ブロック内の前記各光電変換器を相互に識別可能な識別情報を付加したのち、
   前記各ブロック内の前記光電変換器に対応した識別情報の付加された前記検出信号を合成し、
   前記各ブロックを相互に識別可能なブロック情報と前記合成された信号とを読み込んで前記識別情報の付加された前記検出信号と前記ブロック情報とを記憶し、
   記憶した検出信号とブロック情報とに基づいて、所定時間ごとに前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める、
   ことを特徴とする微弱光検出方法。
4. 請求項３に記載の微弱光検出方法において、
   前記ブロック情報は、前記検出信号に基づいて生成することを特徴とする微弱光検出方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１に記載の微弱光検出方法において、
   前記識別情報は、電圧レベルであることを特徴とする微弱光検出方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１に記載の微弱光検出方法において、
   前記検出信号の記憶は、前記検出信号の読込み時刻とともに記憶し、
   前記光電変換器ごとに求める前記検出信号の検出時間と数とは、予め定めた時間ごとについて求める、
   ことを特徴とする微弱光検出方法。
7. 入射した光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換器と、
   前記各光電変換器に対応して設けられ、対応する光電変換器が出力した検出信号に識別情報を付加して出力する識別情報付与部と、
   前記各識別情報付与部の出力信号を読み込むデータ読込み部と、
   前記データ読込み部が読み込んだ前記出力信号を記憶するデータ記憶部と、
   前記データ読込み部が読み込んだ前記出力信号について所定時間ごとに、前記データ記憶部が記憶した前記出力信号に基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める演算部と、
   を有することを特徴とする微弱光検出装置。
8. 複数のブロックに区分され、入射した光を電気信号に変換して出力する複数の光電変換器と、
   前記光電変換器に対応して設けられ、前記各ブロック内の前記各光電変換器を相互に識別可能な識別情報を前記光電変換器の出力した検出信号に付加して出力する識別情報付与部と、
   前記各ブロックのそれぞれに設けられ、ブロック内の前記各識別情報付与部の出力信号を合成する検出信号合成部と、
   前記各ブロックに対応して設けられ、各ブロックを相互に識別可能なブロック情報を前記検出信号合成部の出力信号に同期して出力するブロック情報生成部と、
   前記検出信号合成部の出力した合成検出信号と前記ブロック情報生成部の出力したブロック情報とを読み込み、読み込んだ前記合成検出信号と与えられた比較情報とに基づいて、前記識別情報の付加された検出信号を求めるデータ読込み部と、
   前記データ読込み部が求めた前記識別情報の付加された前記検出信号を、前記データ読込み部が読み込んだ前記ブロック情報とともに記憶するデータ記憶部と、
   前記データ記憶部に記憶された前記識別情報を付加された前記検出信号と前記ブロック情報とに基づいて、前記各光電変換器のそれぞれが出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める演算部と、
   を有することを特徴とする微弱光検出装置。
9. 請求項７または８に記載の微弱光検出装置において、
   前記識別情報付与部は、前記検出信号を所定の電圧を有するパルス信号にして出力する信号変換部と、前記信号変換部の出力パルスの電圧を、前記光電変換器に対応させて複数の電圧レベルに変換する電圧変換部とを有することを特徴とする微弱光検出装置。
10. 請求項９に記載の微弱光検出装置において、
    前記電圧変換部は、前記信号変換部の出力側に並列接続した複数の電圧変換器を有し、
    前記データ読込み部と前記データ記憶部とは、前記複数の電圧変換器に対応して設けてある、
    ことを特徴とする微弱光検出装置。
11. 請求項７ないし１０のいずれか１に記載の微弱光検出装置において、
    前記データ記憶部は、前記データ読込み部の出力信号読込み時刻に対応させて前記出力信号を記憶し、
    前記演算部は、予め定めた時間ごとについての前記各光電変換器が出力した前記検出信号の検出時間と数とを求める、
    ことを特徴とする微弱光検出装置。
    
    

Images