JP2011208997A

JP2011208997A - 光電変換装置の校正方法

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Publication number: JP2011208997A
Application number: JP2010074898A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Fujiwara; 豊藤原
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2011-10-20

Abstract

【課題】光電変換装置の校正を簡便に行うことである。
【解決手段】蛍光板３１と、蛍光板３１に設けられた透過率の異なる複数の光抑制手段３２、３３、３４と、を備えた校正用測定サンプル３０に対して光検出を行い、光検出結果を、光抑制手段３２、３３、３４における透過率の二乗に基づいて校正する。また、校正結果を、光抑制手段３２、３３、３４における濃度公差、寸法公差、及び取付け誤差の少なくとも一つに基づいて更に校正する。
【選択図】図２

Description

本発明は微弱蛍光を検出する際によく用いられる光電子増倍管などの光電変換装置の校正方法に関する。

従来、測定対象の微弱蛍光を検出するための光検出器として、高い光電変換効率を有する光電子増倍管が広く一般に利用されている（特許文献１参照）。

特開２００９−１４３７９号公報

ところが、光電子増倍管は感度の固体差が大きく、また経時的にも感度は変化する。さらに、光電子増倍管だけではなく、照明手段も経時変化するため、長期間にわたって同じ測定対象から一定の測定結果を取得することは望めない。このことは、例えば測定時間の短縮を図るために、装置に複数の光電変換装置を備える場合、あるいは、装置間で校正を行う場合に問題となる。

本発明の課題は、光電変換装置の校正を簡便に行うことである。

本発明は、蛍光板と、該蛍光板上に配設された透過率の異なる複数の光抑制手段と、を備えた校正用測定サンプルに対して光検出を行い、当該光検出結果を、前記光抑制手段における透過率の二乗に基づいて校正することを特徴とする。
また、前記光検出結果を、前記光抑制手段における濃度公差、寸法公差、及び取付け誤差の少なくとも一つに基づいて校正することを特徴とする。

本発明によれば、光電変換装置の感度固体差や経時変化、照明手段の経時変化、その他装置構成要素の固体差の影響を最小限に抑えることができるため、一つの装置内に備えられた同じ型番の光電変換装置、又は異なる装置に備えられた同じ型番の光電変換装置で同じ測定対象を測定したときに、同程度の測定結果を取得することができるようになる。

微弱蛍光検出装置の概略構成図である。本発明の概念図である。感度の個体差を示す図である。照射強度の個体差を示す図である。デジタル値が透過率の二乗に比例することを示す実験データである。校正前と校正後とを比較した実験データである。

図１は、光電変換装置の校正方法を実現するための微弱蛍光検出装置の構成例を示す図である。
本構成では、ＣＰＵ１０と、メモリ１１と、チップセット１２と、キーボードやマウス等で構成される入力手段１３と、ディスプレイ等の出力手段１４と、ハードディスク１５と、を備えている。また、照明制御手段２０と、ＬＥＤ照明等の照明手段２１と、励起フィルタと呼ばれるバンドパスフィルタ等の照明波長選択手段２２と、投光手段２３と、校正用測定サンプル３０と、を備えている。また、受光手段４０と、蛍光フィルタと呼ばれるバンドパスフィルタ等の受光波長選択手段４１と、光電子増倍管等の光電変換装置４２と、ＡＤ変換手段４３と、を備えている。さらに、投光手段２３及び受光手段４０を移動させる移動手段５０と、移動手段５０を制御するコントローラ５１と、を備えている。

照明制御手段２０は、照明手段２１の調光制御、ＯＮ／ＯＦＦ制御を行うものであり、図示しないバスを介してチップセット１２に接続されている。
照明手段２１から出力される照明は、照明波長選択手段２２の分光透過率特性によって波長帯域が限定され、投光手段２３を介して測定対象に照射される。
測定対象が発する蛍光は、受光手段４０を介して受光波長選択手段４１に入力され、受光波長選択手段４１の分光透過率特性によって限定された波長帯域の光が光電変換装置４２に入力される。

光電変換装置４２は、入力された微弱光を増幅し、電流や電圧等の電気信号に変換してＡＤ変換手段４３に入力する。
ＡＤ変換手段４３は、電流や電圧等のアナログ値としての電気信号をデジタル値に変換し、図示しないバスを介してチップセット１２に出力する。
チップセット１２は、ＡＤ変換手段４３から入力されたデジタル値をメモリ１１に格納し、以降、取得したデジタルデータは、図示しないソフトウェアの管理下に置かれることになる。

なお、投光手段２３及び受光手段４０は、例えば二分岐光ファイバのように物理的に連結されているものであり、これらは移動手段５０によって移動することができる。
移動手段５０は、コントローラ５１から入力される各種制御命令に基づき移動する。例えば、校正を行うときは校正用測定サンプル３０の上に移動し、測定対象を測定するときは測定対象の上に移動する、といった具合であるが、本発明の本質的な部分ではないので詳細説明は割愛する。

校正用測定サンプル３０は、蛍光板３１と、複数の光抑制手段３２、３３、３４と、遮光板３５と、から構成されている。蛍光板３１は、蛍光プレートや蛍光ガラス等と称されている蛍光材料が一般に入手可能であり、光抑制手段３２、３３、３４としては、ＮＤフィルタが好適であり、各光抑制手段３２、３３、３４の透過率は、夫々、Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃に設定されている。遮光板３５は、光抑制手段３２、３３、３４を固定するための単なる黒色板である。

次に、光電変換装置の校正方法について、図２を用いて説明する。
照明手段２１から、分光放射率Ｉ(λ)の照明が分光透過率α(λ)の照明波長選択手段２２に入力された場合、投光手段２３には∫(Ｉ(λ)・α(λ))ｄλで表される光が入力される。以下、Ｉ(λ)を単にＩと表記し、α(λ)を単にαと表記し、∫(Ｉ(λ)・α(λ))ｄλを単にＩαと表記する。

投光手段２３の分光透過率（例えば光ファイバ素線の分光透過率のこと）をｐとすると、投光手段２３からは、Ｉαｐの光が光抑制手段３２に照射されることになる。
光抑制手段３２の分光透過率をＴとすると、蛍光板３１には、ＩαｐＴの光が照射されることになる。
蛍光板３１の蛍光スペクトルをＲとすると、蛍光板３１は、ＩαｐＴの光を入力し、ＩαｐＴＲの光を出力することになる。ここで、Ｒを蛍光スペクトルとしたが、さらに厳密には、蛍光を含んだ反射光の分光反射率である。

蛍光板３１が出力する蛍光を含む反射光ＩαｐＴＲは、もう一度光抑制手段３２を通過するので、受光手段４０には、ＩαｐＴ²Ｒの光が入力される。
受光手段４０の分光透過率をｑとすると、受光波長選択手段４１にはＩαｐＴ²Ｒｑの光が入力される。
受光波長選択手段４１の分光透過率をβとすると、光電変換装置４２にはＩαｐＴ²Ｒｑβ＝（ＩαβｐｑＲ）Ｔ²の光が入力される。

光電変換装置の分光感度をｋとすると、ＡＤ変換手段４３には（ＩαβｐｑＲｋ）Ｔ²の電気が入力される。
したがって、ＡＤ変換手段４３からは（ＩαβｐｑＲｋ）Ｔ²に由来するデジタル値が出力されることになる。
ここで、Ｉ、α、β、ｐ、ｑ、Ｒ、ｋの夫々が一定であると仮定すると、ＡＤ変換手段４３から出力されるデジタル値は、光抑制手段３２の透過率の二乗（Ｔ²）に比例する、というモデルが成立する。

例えば、図３のように感度の異なる光電変換装置から得られる生データ（厳密にはＡＤ変換後の電圧等のデジタル値）は、光抑制手段３２の透過率の二乗と高い相関を示すはずであるから、生データを光抑制手段３２の透過率の二乗（Ｔ²）の座標空間にマッピングすれば、異なる感度特性を有する光電変換装置で同じ測定対象を測定した場合に、同程度の値が得られるようになるはずである。

また、図４のように同じ光電変換装置を使用しているとしても、照明手段が経時変化すれば、光電変換装置から得られる生データの値は照明手段の強度変化に応じて変化するはずであるが、定期的に生データを光抑制手段３２の透過率の二乗（Ｔ²）の座標空間にマッピングする校正を行えば、経時変化の影響を最小限に抑えた結果が得られるようになるはずである。

図５は、透過率の二乗の座標空間にマッピングした実験データである。
これは、蛍光板上に透過率２５％、４０％、５０％の３種類のＮＤフィルタを載せた校正用測定サンプルを用意し、感度の異なる複数の光電変換装置で各校正領域を測定して得られた生データ（電圧）と、ＮＤフィルタの透過率の二乗の相関を調べた結果である。なお、ＤＡＲＫというのは、黒色遮光板（透過率０％）のことである。

ここで、透過率５０％のＮＤフィルタ上から得られた生データは、同じ型番の光電子増倍管であっても２.５７６、４.０５６、３.０３４[Ｖｏｌｔ]という違いがある。なお、光電子増倍管の特性上、その感度は１０の何乗のオーダまでの精度しか保障されないのが一般的なので当然といえば当然の結果である。

しかし、どの光電子増倍管もＮＤフィルタの透過率の二乗とは高い相関を示しているので、光電変換装置の生データＶ[Ｖｏｌｔ]を、Ｔ²＝ａＶ＋ｂ[％²]のように光抑制手段の透過率の二乗（Ｔ²）に変換し、変換後のＴ²を測定結果として採用すれば、仮に一つの装置内に感度の異なる複数の光電変換装置が備えられているとしても、同程度の測定結果を得ることが可能となる。

図６は、校正前と校正後とを比較した実験データである。
これは、一つの装置内に２系統の測定系を備える微弱蛍光検出装置３装置（装置Ａ、装置Ｂ、装置Ｃ）、即ち、合計６系統の測定系で、蛍光強度の異なる３種類のサンプルを測定して得られた校正前の測定結果（図６（Ａ））と、校正後の測定結果（図６（Ｂ））を示した図であり、校正前では光電変換装置の感度の固体差による測定結果の違いが顕著であるのに対して、校正後は１装置内の測定系の測定結果、装置間の測定系の測定結果が同程度になっている効果が確認できる。

このように、蛍光板３１上に複数の光抑制手段３２、３３、３４を設け、夫々の箇所を測定したときに、光電変換装置４２から出力されるアナログ値をＡＤ変換手段４３によってデジタル値とし、このデジタル値を、光抑制手段３２、３３、３４の透過率の二乗の座標空間にマッピングすることで、一装置内の複数の光電変換装置の感度を校正することができる。

装置Ａ、装置Ｂ、装置Ｃは同じタイミングで製作したものであり、故に、各装置の蛍光板やＮＤフィルタ等の構成部品は同ロットで製造されたものであるため、上記の校正を行っただけで、装置Ａ、装置Ｂ、装置Ｃの機体差は最小限に抑えることができたものと思われる。

ところが、装置を長期間保守する場合、装置内のある部品が寿命を迎え、部品交換の必要が生じる時期が必ず来る。また、新規に装置を製作する場合は装置の構成部品を調達する必要が生じることになる。このとき、同じ型番の部品を入手するのが好ましいことは言うまでもないが、同部品が製造中止となっており、代替品を使わざるを得ないケースも想定される。あるいは、同じ型番の部品が入手できたとしても、異なるロットで製造されたものであるため、上記の校正だけでは不十分な可能性が残る。

例えば、図２において、異なるロットで製造されたＮＤフィルタを使用する場合は、校正用測定サンプルそのものの特性が装置間で異なることになる。通常、ＮＤフィルタの特性は、光学濃度ＯＤ（Optical Density）で定義されており、透過率Ｔとは、ＯＤ＝ｌｏｇ₁₀（１／Ｔ）という関係がある。そして、ＮＤフィルタの固体差は、「濃度公差：±１０％」といった表現で定義されるのが一般である。

つまり、透過率５０％のＮＤフィルタの場合、その光学濃度は０．３であり、濃度公差：±１０％ということは、光学濃度が０.２７から０.３３のばらつきがある、ということである。光学濃度０.２７は透過率５３.７％、光学濃度０.３３は透過率４６.７％に相当するので、透過率に換算すると、４６.７％から５３.７％のばらつきがあることになる。
よって、ＮＤフィルタ等の校正用測定サンプルそのものの固体差を校正する方法が必要になる。

そこで、上記校正を行った上で、さらに、この校正結果を変換する機能を有しておくことが好ましい。即ち、既に説明した第１の校正方法で生データＶ[Ｖｏｌｔ]をＴ²＝ａＶ＋ｂの形で透過率の二乗Ｔ²[％²]に変換し、さらに、Ｔ²をＴ’＝ＡＴ²＋Ｂ、Ｔ’＝Ａ（Ｔ²）²＋ＢＴ²＋Ｃ等のように一次式や多項式で変換する第２の校正方法を装置のソフトウェアの機能として備えておくことが好ましい。

この第２の校正方法は、ＮＤフィルタ等の校正用測定サンプルそのものの固体差だけではなく、ワークディスタンス（測定対象と投光／受光手段の距離）の差、各種校正部品の取り付け精度、その他諸々の影響をもキャンセル可能な手段となる。

１０ＣＰＵ
１１メモリ
１２チップセット
１３入力手段
１４出力手段
１５ハードディスク
２０照明制御手段
２１照明手段
２２照明波長選択手段
２３投光手段
３０校正用測定サンプル
３１蛍光板
３２光抑制手段
３３光抑制手段
３４光抑制手段
３５遮光板
４０受光手段
４１受光波長選択手段
４２光電変換装置
４３ＡＤ変換手段
５０移動手段
５１コントローラ

Claims

蛍光板と、該蛍光板上に配設された透過率の異なる複数の光抑制手段と、を備えた校正用測定サンプルに対して光検出を行い、当該光検出結果を、前記光抑制手段における透過率の二乗に基づいて校正することを特徴とする光電変換装置の校正方法。
前記光検出結果を、前記光抑制手段の透過率における濃度公差に基づいて校正することを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置の校正方法。