JP2012204262A - 光検出器用高電圧回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 光を測光するための光検出器に用いられる光検出器用高電圧回路において、小型化を達成するとともに安全な光検出器用高電圧回路を提供すること。
【解決手段】 光電子増倍管（ＰＭＴ）２０に対して高電圧の電力を供給する光検出器用高電圧回路１０は、複数の太陽電池セル１１ａが電気的に直列に接続されて構成される光発電部１１と、光発電部１１に対して所定の波長を有する光を出射する発光ダイオードからなる光源部１２とを備えている。これにより、高電圧回路１０を半導体上で構成可能な程度まで小型化することができるとともに、極めて容易に高電圧の電力を安定してＰＭＴ２０に供給することができる。又、光源部１２と高電圧を発生する光発電部１１とを、所謂、ホトアイソレーション状態とすることができるため、高電圧を極めて容易にかつ確実に分離することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を測光するための光検出器に用いられる高電圧回路に関する。

近年、微弱な光の検出が必要な技術、例えば、生体情報測定技術等において最適な超高感度の光検出器として光電子増倍管（ホトマルチプライヤ：ＰＭＴ）やアバランシェフォトダイオード等が広く採用されている。そして、特に、光電子増倍管に関しては、従来から、例えば、下記特許文献１に示すような光電子増倍管の感度調整装置が知られている。

この従来の光電子増倍管の感度調整装置は、第１ダイノードと陽極との間に印加する高電圧電圧を可変電圧供給回路から供給して電圧値を調整する一方で、光電陰極と第１ダイノードとの間に定電圧電源から電圧を印加して、この印加電圧を前記可変電圧供給回路から供給される高電圧電圧と独立させて所定の一定値に保つようになっている。これにより、この従来の光電子増倍管の感度調整装置においては、光電子増倍管の量子効率及び線形性を悪化させることなく、その感度が調整できるようになっている。

特開平７−１４２０２４号公報

ところで、微弱な光の検出が必要な技術分野において広く需要が見込まれる光検出器としての光電子増倍管は、これまで一般に真空管技術を用いて製作されており、その結果、小型化の達成が困難であり、又、手作業部分が必要なため量産化も困難であった。このことに関し、最近では、光電子の増倍原理は従来からの真空管方式を踏襲しながら、微小電気機械素子(Micro-Electro-Mechanical Systems : MEMS)の技術進歩により、半導体構造の超小型光電子増倍管の作製及び量産が可能となってきた。

しかしながら、半導体構造の超小型光電子増倍管においても、光電子の増倍原理は従来からの真空管方式と同様であるため、上記従来の感度調整装置のように高電圧回路が必要である。この高電圧回路は、例えば、チャージポンプ式を採用したりセラミックトランスを採用したりすることによってある程度の小型化は達成されているものの、未だ大きな体積を有していて半導体上で構成可能な程度まで小型化は進んでいない。このため、光電子増倍管と高電圧回路とからなる装置全体の小型化は未だ十分に達成されているとは言えず、又、このことが装置全体の量産化を阻害しているとも言える。したがって、今後、ますますの需要が見込まれる光電子増倍管を安価に安定して供給するためには、高電圧回路をより小型化して大量に生産できることが必須である。

又、光検出器としての光電子増倍管においては、光電子の増倍原理上、高電圧回路から複数段のダイノードに対して高電圧の電圧を供給する必要がある。すなわち、光電子増倍管を用いて微弱な光を測光する場合には、高電圧の電圧を取り扱うことが必要となり、安全を確保する上で、優れた測光性能を有しているにもかかわらず、光電子増倍管を用いて測光できる分野が限られる可能性がある。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光を測光するための光検出器に用いられる光検出器用高電圧回路において、小型化を達成するとともに安全な光検出器用高電圧回路を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、所定の媒体内を伝播した光の受光に伴って放出された光電子を増倍して光検出信号を出力する光検出器に対して高電圧の電力を供給する光検出器用高電圧回路であって、複数の光発電素子が電気的に直列に接続されて構成されて、この光発電素子によって発電した高電圧の電力を前記光検出器に供給する光発電部と、前記光発電部に対して所定の波長を有する光を出射する光源部とを備えたことにある。

この場合、前記光発電部を構成する前記複数の光発電素子は、例えば、複数の太陽電池セルであり、前記光源部は、例えば、所定の波長を有する光を出射する発光ダイオードであるとよく、又、この場合には、前記光発電部を構成する前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に一体的に形成し、前記光源部の発光ダイオードを前記一つの半導体上に一体的に形成することができる。そして、この場合には、前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に直線状に形成したり、前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に円状に形成したり、すなわち、前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に２次元状に形成したり、あるいは、前記複数の太陽電池セルを１つの半導体上にて前記光源部から出射されて入射する光に対して層状にすなわち３次元的に形成することができる。そして、これらの場合、前記光検出器用高電圧回路を前記光検出器と同一の半導体上に一体的に形成するとよい。

これらによれば、光検出器用高電圧回路を半導体上で構成可能な程度まで小型化することができるとともに、極めて容易に高電圧の電力を安定して光検出器に供給することができる。又、例えば、外部から電力の供給される光源部と高電圧を発生する光発電部とを、所謂、ホトアイソレーション状態とすることができるため、高電圧を極めて安全にかつ確実に分離することができる。

又、光検出器用高電圧回路において、さらに、前記光源部から前記光発電部への光路内に設けられて前記光源部から出射された光の光量を検出する光量検出部と、前記光量検出部によって検出された前記光量を用いて前記光源部から出射される光の光量を制御する光量制御部とを備えるとよい。

これによれば、光源部から出射される光（光量）を確実に安定させることができるため、光発電部を形成する各太陽電池セルの発電効率を安定化させることができる。その結果、光検出器用高電圧回路から電力が供給される光検出器においては、例えば、２次電子放出効果が安定化し、２次電子の放出状態すなわち増倍ゲインを安定化させることができて、微弱な光の検出精度を向上させることができる。

又、これらの場合、少なくとも前記光発電部及び前記光源部を内包し、前記光源部が出射した光の外部への漏洩を遮光する遮光カバーを備えるとよい。

これによれば、遮光カバーによって、少なくとも光発電部及び光源部を内包して覆うことにより、光源部から出射された光が漏洩して、例えば、光検出器の受光面に届くことを効果的に防止することができる。これにより、電力を得るために光源部から光発電部に向けて出射される光が光検出器による測光に対して影響を与えることがなく、光検出器は正確に微弱な光を検出することができる。

また、本発明の他の特徴は、前記光検出器として、陰極と陽極とを有しており、前記陰極と前記陽極との間にて、前記光発電部から供給された高電圧の電力を用いて受光に伴って前記陰極から前記陽極に向けて放出された光電子を増倍する複数段のダイノードを備える光電子増倍管を採用できることにもあり、この場合、前記光発電部は、前記電気的に直列に接続された前記複数の光発電素子の所定の位置から所定の高電圧の電力を取り出すための接続端子を備えており、前記接続端子と前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードとが電気的に接続されて、それぞれの前記ダイノードに所定の高電圧の電力を供給するとよい。又、この場合、前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードごとに所定の高電圧の電力を供給する前記光発電部を設けるとよい。

通常、光電子増倍管においては、従来から、ダイノードに所定の高電圧の電力を供給するために複数のブリーダ抵抗を備えていて、一括して供給される高電圧の電力はこのブリーダ抵抗を介することによって各ダイノードに必要な電圧に分割されるようになっている。これに対して、本発明では、電気的に直列に接続された複数の光発電素子の所定の位置から所定の高電圧の電力を取り出すための接続端子を光発電部に形成しておき、接続端子と光電子増倍管におけるそれぞれのダイノードとを電気的に接続してそれぞれの前記ダイノードに所定の高電圧の電力を供給することができるため、ブリーダ抵抗を省略することができる。

したがって、光検出器用高電圧回路から光電子増倍管の各ダイノードに電力を供給するときに、各ブリーダ抵抗によって無駄な電力が消費されることがなくなり、各ダイノードが適切に２次電子放出効果を発揮することができる。又、ブリーダ抵抗を省略することができるため、例えば、ＭＥＭＳ技術によって半導体上に光電子増倍管を形成する場合において、光検出器用高電圧回路を一体的に成形し易くすることができ、よりコンパクト化を達成することができる。

又、前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードごとに所定の高電圧の電力を供給する前記光発電部のそれぞれに対応して前記光源部を設けるとともに、前記ダイノードごとに、前記光源部から前記光発電部への光路内に設けられて前記光源部から出射された光の光量を検出する光量検出部と、前記光量検出部によって検出された前記光量を用いて前記光源部から出射される光の光量を制御する光量制御部とを設け、少なくとも前記光発電部、前記光源部及び光量検出部を内包し、前記光源部が出射した光の外部への漏洩を遮光する遮光カバーを前記ダイノードごとに備えるとよい。

これによれば、各ダイノードごとに光発電部、光源部及び光量検出部を遮光カバーによって覆うことにより、ダイノードごとに供給される電圧を細かくかつ安定して制御することができるとともに、電力を得るために光源部から出射される光が光電子増倍管による測光に対して影響を与えることがない。又、ダイノードごとに供給される電圧を細かくかつ安定して制御することができることにより、各ダイノードによる２次電子放出効果が安定化し、２次電子の放出状態すなわち増倍ゲインを安定化させることもできる。

又、この場合、前記光量制御部が、外部から前記光源部による光の出射動作に関する外部指示信号を入力するための入力部を備えるとよく、この場合、前記光量制御部の前記入力部には、前記外部指示信号としての変調信号を出力する変調器が接続されるようになっており、前記変調信号が、例えば、周波数変調信号又はスペクトラム拡散信号であるとよい。又、この場合、前記変調器が所定の媒体内に向けて光を出射する光源に対しても前記変調信号を出力するものであり、前記光源は前記変調器から出力された前記変調信号に基づいて変調した変調光を前記所定の媒体内に出射するとよく、この場合、前記光源が前記変調光を出射する前記所定の媒体は、例えば、生体であるとよい。

これらによれば、各光源部は、光量制御部から出力された外部指示信号（具体的には、変調信号）に基づいて変調された光を光発電部に向けて出射するため、光発電部は外部指示信号（具体的には、変調信号）による変調を反映した電力を出力する。このため、光電子増倍管の各ダイノードにおいては、光発電部を介して、外部指示信号（具体的には、変調信号）を取得することになる。したがって、変調信号によって変調された光が媒体（生体）内を伝播して光電子増倍管によって受光されると、この受光に伴って放出された光電子に関して、光電子増倍管の内部、より詳しくは、外部指示信号（具体的には、変調信号）の影響を受けた各ダイノードにてヘテロダイン処理を行うことができる。このため、電気信号になってから信号処理を行う場合に比してＳＮ比の改善を達成することができるとともに、回路の簡略化を達成することができる。

さらに、本発明の他の特徴は、前記光検出器として、前記光発電部から供給された高電圧の電力を用いて受光に伴って放出された光電子を増倍するアバランシェフォトダイオードを採用できることにもある。この場合においても、光検出器用高電圧回路を半導体上で構成可能な程度まで小型化することができるとともに、極めて容易に高電圧の電力を安定してアバランシェフォトダイオードに供給することができる。又、例えば、外部から電力の供給される光源部と高電圧を発生する光発電部とを、所謂、ホトアイソレーション状態とすることができるため、高電圧を極めて安全にかつ確実に分離することができる。

本発明の第１実施形態に係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 図１の光発電部の構成を説明するための概略的な断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 図３に示した本発明の第２実施形態における光発電部の変形例を説明するための概略的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 図６に示した本発明の第４実施形態の変形例をに係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る光検出器用高電圧回路の概略を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係り、光検出器用高電圧回路の接続された光検出器が生体内部を伝播した光を検出する場合を具体的に説明するための図である。 本発明の変形例に係る光発電部の構成を示す概略的な図である。 本発明の変形例に係る光発電部の構成を示す概略的な図である。 本発明の変形例に係り、光検出器用高電圧回路の接続される光検出器としてアバランシェフォトダイオードを採用した場合の構成を示す概略的なブロック図である。

ａ．第１実施形態
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係り、光検出器用高電圧回路１０（以下、単に「高電圧回路１０」とも称呼する。）及びこの高電圧回路１０と電気的に接続されて高電圧の電力が供給される光検出器としての光電子増倍管２０（以下、「ＰＭＴ２０」とも称呼する。）の構成を概略的に示している。

高電圧回路１０は、図１に示すように、光発電部１１と光源部１２とを備えている。光発電部１１は、複数の光発電素子、具体的には、太陽電池セル１１ａが半導体基板１１ｂ上にて電気的に直列に接続されて形成されるものである。ここで、光発電部１１に関しては、受光に伴って発電可能な構造であれば特に限定されるものではないが、例えば、図２に示すような構造を採用することができる。すなわち、光発電部１１は、Ｓｉ基板及びＳｉＯ_２層からなる、所謂、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板である半導体基板１１ｂと、この半導体基板１１ｂのＳｉ層に形成したＰＮ接合すなわち太陽電池セル１１ａと、形成された太陽電池セル１１ａを保護するＳｉＯ_２膜の保護層とを有するように構成される。なお、このような構造の場合、Ｓｉ層に形成される各ＰＮ接合に対応する各太陽電池セル１１ａは、例えば、アルミニウム等を用いて形成される逆接合短絡電極により互いに接合される。これにより、Ｓｉ層にｐ型領域とｎ型領域とがｐｎｐ…ｎｐｎのように連続して形成されても逆接合短絡電極によって個々のＰＮ接合すなわち個々の太陽電池セル１１ａが連続的に直列状にすなわち電気的に直列に形成される。なお、このように、太陽電池セル１１ａが連続的に直列状に形成される場合には、図２に示すように、Ｓｉ層に形成される最初のｐ型領域が外部への接続端子である「＋極」となり、Ｓｉ層に形成される最後のｎ型領域が外部への接続端子である「−極」となる。

このように形成される光発電部１１においては、ＰＭＴ２０にて必要とされる電圧に応じて、「＋極」と「−極」との間における太陽電池セル１１ａ（すなわちＳｉ層のＰＮ接合）の数を変更することにより、容易に高電圧が得られる。例えば、ＰＭＴ１０に対して１０００Ｖの電圧を供給する場合、各太陽電池セル１１ａの出力電圧が１Ｖであれば、太陽電池セル１１ａ（すなわち、ＰＮ接合）を１０００個直列状に形成すれば良いことになる。このとき、ＰＮ接合の間隔すなわち太陽電池セル１１ａの幅寸法が、例えば、１０μｍ程度であれば、光発電部１１の幅寸法としては１０ｍｍ程度とすることができる。

光源部１２は、図示しない電源回路から供給される電力を利用して点灯し、例えば、１５００ｎｍ〜３００ｎｍ程度の波長を有する光である赤外光、可視光、紫外光を発光するものである。そして、光源部１２は、輝度調整用可変抵抗１３を調整することにより、その輝度が適宜変更可能とされている。ここで、光源部１２としては、点灯可能であれば特に限定されるものではないが、例えば、ＬＥＤや有機ＥＬ等、半導体化が容易な光源が好ましい。又、光源部１２の構造としては、点光源であってもよいし、複数の点光源を集合させてもよい。

このように構成される高電圧回路１０においては、輝度調整用可変抵抗１３が調整されることにより光源部１２が所定の輝度の光を出射すると、出射された光は光発電部１１によって受光される。光発電部１１においては、各太陽電池セル１１ａが光を受光することにより発電し、それぞれ、所定の電圧を出力する。そして、各太陽電池セル１１ａが電気的に直列に接続されているため、形成された太陽電池セル１１ａの数に応じた電圧が接続端子と電気的に接続されたＰＭＴ２０に対して出力される。ここで、図１に示すように、高電圧回路１０においては、光発電部１１がＰＭＴ２０と閉ループを描いて接続されており、光源部１２に接続される外部電源とは光接続によって遮断されている。すなわち、高電圧を発生させる光発電部１１と外部電源の接続される光源部１２とが、所謂、ホトアイソレーション状態にあるため、極めて容易にかつ確実に高電圧保護が行いやすく、特に、医療向け機器に使用する場合には安全保護の面で極めて有効となる。

ＰＭＴ２０は、図１に示すように、受光面２１、陰極２２、集束電極２３、複数段（例えば、５〜１５段程度）のダイノード２４及び陽極２５を備えた既知の構造を有するものである。なお、ＰＭＴ２０の構造については、周知のとおりであるため、その説明を省略する。又、このＰＭＴ２０に対しては、高電圧回路１０から供給される電力を用いてＰＭＴ２０を作動させるための作動回路３０が接続される。作動回路３０は、ＰＭＴ２０の各ダイノード２４に接続されて高電圧回路１０から供給される高電圧を必要な電圧に分割するブリーダ抵抗３１、ＰＭＴ２０の陽極２５側に接続される負荷抵抗３２及び増幅器３３を備えた既知の構造を有するものである。したがって、作動回路３０の構造についても、周知のとおりであるため、その説明を省略する。

このように構成されるＰＭＴ２０においては、高電圧回路１０から出力された高電圧が陰極２２と作動回路３０の負荷抵抗３２を経由して陽極２５の間に印加される。なお、このＰＭＴ２０においては、陽極２５側がグランド電位とされている。又、各ダイノード２４においては、それぞれに接続された作動回路３０のブリーダ抵抗３１を経由して陰極２２側から順に高電圧回路１０からの高電圧が必要電圧に分割されて供給される。この状態において、ＰＭＴ２０の受光面２１に光が到達すると、到達した光（光信号）は光電変換されて陰極２２から真空空間とされたＰＭＴ２０内に飛び出した僅かな光電子として現れ、集束電極２３によってダイノード２４方向に導かれる。そして、光電子は、各ダイノード２４により、次々と２次電子放出効果によって増倍され、この２次電子流が陽極２５に集められて作動回路３０の負荷抵抗３２の両端にて電気信号として捕えられる。このように、負荷抵抗３２の両端にて捕えられた電気信号は増幅器３３によって電気的に増幅される。

以上の説明からも理解できるように、上記第１実施形態によれば、高電圧回路１０を半導体上で構成可能な程度まで小型化することができるとともに、極めて容易に高電圧の電力を安定してＰＭＴ２０に供給することができる。又、外部から電力の供給される光源部１２と高電圧を発生する光発電部１１とをホトアイソレーション状態とすることができるため、高電圧を極めて容易にかつ確実に分離することができる。

ｂ．第２実施形態
上記第１実施形態においては、ＰＭＴ２０を作動させるための作動回路３０が複数のブリーダ抵抗３１を備えていて、このブリーダ抵抗３１を介してＰＭＴ２０の各ダイノード２４に高電圧回路１０から供給される高電圧を供給することにより、各ダイノード２４に必要な電圧に分割するように実施した。この場合、高電圧回路１０から供給される電力が作動回路３０の各ブリーダ抵抗３１によって無駄に消費される可能性がある。したがって、この第２実施形態においては、作動回路３０におけるブリーダ抵抗３１を省略して実施する。なお、この第２実施形態を説明するにあたり、上記第１実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その説明を省略する。

この第２実施形態においては、図３に示すように、上記第１実施形態にてＰＭＴ２０の各ダイノード２４に接続された作動回路３０のブリーダ抵抗３１を省略し、代わりに、高電圧回路１０の光発電部１１を各ダイノード２４に対して直接的に接続する。より具体的に説明すると、この第２実施形態においては、高電圧回路１０の光発電部１１が、ＰＭＴ２０の各ダイノード２４が必要とする電圧を発生するように分割されて直接各ダイノード２４に電気的に接続されている。なお、光発電部１１を分割するに当たっては、上述したように、各太陽電池セル１１ａの出力電圧に基づいて、各ダイノード２４が必要とする電圧となるように太陽電池セル１１ａの数を調整すればよい。

このように、この第２実施形態においては、高電圧回路１０の光発電部１１を各ダイノード２４が必要とする電圧に応じて分割して直接的に接続することにより、作動回路３０から各ブリーダ抵抗３１を省略して実施することが可能となる。これにより、高電圧回路１０からＰＭＴ２０の各ダイノード２４に電力を供給するときに、各ブリーダ抵抗３１によって無駄な電力が消費されることがなくなり、各ダイノード２４が適切に２次電子放出効果を発揮することができる。又、作動回路３０において、ブリーダ抵抗３１を省略することができるため、例えば、半導体上にＰＭＴ２０を形成する場合において、熱影響を排除して高電圧回路１０及び作動回路３０を一体的に成形し易くすることができ、よりコンパクト化を達成することができる。

ｂ−１．第２実施形態の変形例
上記第２実施形態においては、高電圧回路１０を構成する光発電部１１をＰＭＴ２０の各ダイノード２４に直接的に接続するために分割するように実施した。この場合、上記第１実施形態にて説明したように、太陽電池セル１１ａが連続的に形成された光発電部１１において、図４に示すように、ＰＭＴ２０のダイノード２４が必要とする電圧に応じて、適宜、ダイノード極を設けて、このダイノード極とＰＭＴ２０のダイノード２４とを直接的に接続して実施することも可能である。この場合には、光発電部１１を一体的に形成することができるため、第２実施形態のように光発電部１１を各ダイノード２４に合わせて分割する場合に比して、よりコンパクト化を達成することができるとともに光発電部１１の生産性を向上させることができる。

ｃ．第３実施形態
上記各実施形態及び変形例においては、高電圧回路１０を構成する光源部１２は、輝度調整用可変抵抗１３を調整することにより、調整された所定の輝度を出射するように実施した。すなわち、上記各実施形態及び変形例においては、光源部１２は、一旦設定された輝度によって継続して光を光発電部１１に向けて出射するように実施した。この場合、光発電部１１を形成する各太陽電池セル１１ａの発電効率の安定化、言い換えれば、高電圧回路１０から電力が供給されるＰＭＴ２０の作動安定化（より具体的には、ゲイン安定化）を目的として、光源部１２から出射される光（より詳しくは、光量）を調整可能に実施することも可能である。以下、この第３実施形態を詳細に説明するが、上記各実施形態及び変形例と同一部分に同一の符号を付し、その説明を省略する。

この第３実施形態においては、高電圧回路１０の光源部１２が、図５に示すように、上述した輝度調整用可変抵抗１３に代えて、光量検出部１４と光量制御部１５とを備えている。光量検出部１４は、光源部１２から光発電部１１への光路内に設けられて、光源部１２によって出射された光すなわち光量を検出するものである。光量制御部１５は、光量検出部１４によって検出された光量を取得し、この取得した光量に基づいて光源部１２が出射する光（光量）を制御するものである。なお、光量制御部１５による光量制御に関しては、如何なるものであってもよく、例えば、周知のＰＩＤ制御や周知のデジタル制御に基づいて、光源部１２が出射する光（光量）を制御することができる。

このように構成される第３実施形態における高電圧回路１０においては、まず、光源部１２から光発電部１１に向けて出射されるとともに、出射された光（光量）が光量検出部１４によって参照受光されて検出される。このように光量検出部１４によって検出された光量は光量制御部１５によって取得され、光量制御部１５は、例えば、予め設定されている基準光量と取得した光量とを比較して光源部１２から基準光量となる光が出射されるように制御信号を作成し、この制御信号を光源部１２に対して出力する。これにより、光源部１２は、出力された制御信号に従い、ＬＥＤや有機ＥＬ等の光源の点灯状態を制御し、光発電部１１に向けて出射する光（光量）を変化させる。

したがって、この第３実施形態においては、光源部１２から出射される光（光量）を状況に応じて変更して調整することができるため、光発電部１１を形成する各太陽電池セル１１ａの発電効率を安定化させることができる。その結果、高電圧回路１０から高電圧の電力が供給されるＰＭＴ２０においては、例えば、各ダイノード２４による２次電子放出効果が安定化し、２次電子の放出状態すなわち増倍ゲインを安定化させることができる。その他の効果については、上記各実施形態及び変形例と同様である。

ｄ．第４実施形態
本発明における光検出器用高電圧回路である高電圧回路１０は、上記各実施形態及び変形例において説明したように、光発電部１１が光源部１２によって出射された光を電力に変換することにより、光検出器であるＰＭＴ２０が必要とする電力を供給する。すなわち、ＰＭＴ２０が必要とする電力は光を変換することによって得られる。ところで、光検出器であるＰＭＴ２０は、微弱な光を検出するものである。このため、電力を得るために必要である光源部１２からの光が、本来、微弱な光を検出する光検出器（ＰＭＴ２０）に対して影響を与えてはならない。したがって、この第４実施形態においては、高電圧回路１０が電力を発電するために必要な光、すなわち、光源部１２によって出射される光がＰＭＴ２０の光検出に影響を及ぼさないように実施する。以下、この第４実施形態を上記第３実施形態における高電圧回路１０を用いて具体的に説明する。

この第４実施形態においては、図６に示すように、高電圧回路１０のうち、光発電部１１、光源部１２（より詳しくは、発光部分）及び光量検出部１４の全体が遮光カバー１６によって覆われている。遮光カバー１６は、光を遮光する材料から箱状に形成されるものである。このように、遮光カバー１６によって、少なくとも、光発電部１１及び光源部１２（より詳しくは、発光部分）を覆うことにより、光源部１２から出射された光が漏洩してＰＭＴ２０の受光面２１に届くことを効果的に防止することができる。これにより、電力を得るために光源部１２から出射される光がＰＭＴ２０に対して影響を与えることがなく、ＰＭＴ２０は正確に微弱な光を検出することができる。

ｄ−１．第４実施形態の変形例
上記第４実施形態においては、ＰＭＴ２０の各ダイノード２４に合わせて分割された光発電部１１及び１つの光源部１２（より詳しくは、発光部分）の全体を１つの遮光カバー１６によって覆うように実施した。この場合、図７に示すように、光源部１２を各光発電部１１に合わせて、言い換えれば、ＰＭＴ２０の各ダイノード２４ごとに合わせて分割し、それぞれの光発電部１１、光源部１２（より詳しくは、発光部分）及び光量検出部１４を個別に遮光カバー１６によって覆うように実施することも可能である。このように、各ダイノード２４に直接的に接続される光発電部１１、光源部１２（より詳しくは、発光部分）及び光量検出部１４を個別に遮光カバー１６によって覆うことにより、ダイノード２４ごとに供給される電圧を細かくかつ安定して制御することができるとともに、電力を得るために光源部１２から出射される光がＰＭＴ２０に対して影響を与えることがない。又、ダイノード２４ごとに供給される電圧を細かくかつ安定して制御することができることにより、例えば、各ダイノード２４による２次電子放出効果が安定化し、２次電子の放出状態すなわち増倍ゲインを安定化させることができる。

ｅ．第５実施形態
上記各実施形態及び変形例においては、高電圧回路１０を構成する光源部１２は、外部からの指示に基づくことなく、すなわち、外部から入力される光の出射動作に関する外部指示信号に基づくことなく、例えば、予め設定された態様によって光発電部１１に向けて光を出射するように実施した。この場合、光発電部１１を構成する各太陽電池セル１１ａは、光源部１２から出射される光を電力に変換してＰＭＴ２０のそれぞれのダイノード２４に対して電力を出力するため、光源部１２に対して外部から外部指示信号を入力することにより、ＰＭＴ２０のダイノード２４に外部指示信号の影響を与えることができる。以下、この第５実施形態を上記第４実施形態の変形例にて説明した高電圧回路１０を用いて具体的に説明する。

この第５実施形態においては、図８に示すように、それぞれの光量制御部１５が外部入力部１５ａを備えており、この外部入力部１５ａを介して変調器１７が通信可能に接続されている。変調器１７は、光量制御部１５に対し、外部指示信号として、例えば、変調信号である周波数変調信号やスペクトラム拡散変調信号等を出力して入力するものである。これにより、各光量制御部１５においては、それぞれ、変調器１７から入力された変調信号に基づき、対応する光源部１２に対して制御信号を変調させて出力する。したがって、各光源部１２は、光量制御部１５から出力された、変調信号に基づいて変調された制御信号に従って、ＬＥＤや有機ＥＬ等の光源の点灯状態を制御し、光発電部１１に向けて光を出射する。

このように変調された制御信号に従って出射された光を受光する光発電部１１においては、各太陽電池セル１１ａが変調器１７による変調を反映した電力を出力する。このため、光発電部１１から電力が供給されるＰＭＴ２０の各ダイノード２４においては、２次電子放出効果に変調器１７による変調を反映させて光電子を増倍するため、陽極２５に集められて作動回路３０の負荷抵抗３２の両端にて捕えられる電気信号にも変調器１７による変調を反映させることができる。なお、この場合、各ダイノード２４に対して、別々の変調信号を加えたり、同一の変調信号を加えたり、何ら変調を与えないようにすることができることは言うまでもない。

ここで、この第５実施形態に係る高電圧回路１０が接続されたＰＭＴ２０を、所定の媒体（具体的に、例えば、生体である脳内等）内部を伝播した光の検出に適用した場合を例示して具体的に説明する。

この場合においては、図９に示すように、変調器１７は、生体内部に対して光を出射する複数の光源に対して、それぞれ異なる周波数変調信号又はスペクトラム拡散変調信号ＳＩＧｉ，ＳＩＧｊ，ＳＩＧｋ…を出力する。これにより、各光源は、それぞれ、異なる変調光を生体内部に向けて出射し、生体内部に出射された各変調光はそれぞれ吸収散乱の影響を受けてＰＭＴ２０の受光面２１に到達する。なお、この場合、伝播する光の光路の途中に光ファイバーやグラスロッド、フィルタ等が存在していてもよい。

一方、変調器１７は、光量制御部１５に対し、周波数変調信号又はスペクトラム拡散変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎを出力する。これにより、上述したように、各光源部１２は、光量制御部１５から出力された変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎに基づいて変調された制御信号に従って光発電部１１に向けて光を出射し、光発電部１１は、各太陽電池セル１１ａが変調器１７による変調を反映した電力を出力する。このため、ＰＭＴ２０の各ダイノード２４においては、光発電部１１を介して、変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎを取得する。これにより、ＰＭＴ２０の受光面２１に各変調光が到達すると、到達した各変調光（各光変調信号）は、各変調光が有している変調信号ＳＩＧｉ，ＳＩＧｊ，ＳＩＧｋ…に関連付けられて各ダイノード２４が取得した変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎの影響を受けることによって、所謂、ヘテロダイン効果を得て、生体内部で生じた吸収散乱の変化を作動回路３０の負荷抵抗３２の両端にて電気信号として捕えることができる。

このことをより具体的に例示して説明すると、例えば、変調信号ＳＩＧｉ，ＳＩＧｊ，ＳＩＧｋ…として１００．０００ＭＨｚの矩形波を用い、変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎとして１００．５００ＭＨｚの矩形波を用いた場合、作動回路３０の負荷抵抗３２の両端にて、０．５００ＭＨｚのヘテロダイン信号を生体内部で生じた吸収散乱の変化を表す電気信号として捕えることができる。又、例えば、変調信号ＳＩＧｉ，ＳＩＧｊ，ＳＩＧｋ…として１００．０００ＭＨｚのスペクトラム拡散変調信号（例えば、周期６５５３５、拡散符号系列としてＭ系列符号）を用い、変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎとして１００．５００ＭＨｚのスペクトラム拡散変調信号を用いた場合、作動回路３０の負荷抵抗３２の両端にて、０．５００ＭＨｚのヘテロダイン信号を生体内部で生じた吸収散乱の変化を表す電気信号として捕えることができる。

このように、この第５実施形態においては、ＰＭＴ２０の内部、より詳しくは、変調信号ＳＩＧｂ，ＳＩＧｃ，…，ＳＩＧｎの影響を受けた各ダイノード２４にてヘテロダイン処理を行うことができる。このため、電気信号になってから信号処理を行う場合に比してＳＮ比の改善を達成することができるとともに、回路の簡略化を達成することができる。

本発明の実施にあたっては、上記各実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。

例えば、上記各実施形態及び各変形例においては、太陽電池セル１１ａを、図２に示した断面形状を有して、例えば、直線状に配置して実施するようにした。しかし、太陽電池セル１１ａの配置に関しては、直線状に配置することに限定されるものではなく、例えば、図１０に示すように、太陽電池セル１１ａを入射光面側から見て同心円状に配置して実施することも可能である。この場合には、図２に示した断面形状を維持することにより、ダイオードの分離が不要となり耐圧が容易に確保できる。

又、上記各実施形態及び各変形例においては、図２に示したように、光発電部１１を構成する太陽電池セル１１ａのＰＮ接合におけるｐ型領域とｎ型領域が光源部１２からの入射光に対して垂直な同一面上に配置されるように実施した。この場合、例えば、図１１に示すように、太陽電池セル１１ａのＰＮ接合におけるｐ型領域とｎ型領域を光源部１２からの入射光に対して層状にし、入光面積が大きく確保できるように実施することも可能である。この場合、図１１に示すように、ＰＮ接合の上下層に対してイオン注入法等を用いて、不純物濃度の高い（１０ｅ１７〜１０ｅ１９ｃｍ^−３程度）ｐ＋型領域とｎ＋型領域とを形成することができる。これにより、不純物濃度が相対的に低い（１０ｅ１４〜１０ｅ１７ｃｍ^−３程度）中間領域であるｐ型領域又はｎ型領域との間で濃度勾配を生じさせる。したがって、発生したキャリアがＳｉ−ＳｉＯ_２界面において再結合することを抑制することができるばかりでなく、Ｓｉ−ＳｉＯ_２界面に不本意に形成される可能性があるチャンネルの発生を抑制できるため、リーク電流も抑制できる。

又、上記各実施形態及び各変形例においては、光検出器として光電子増倍管２０（ＰＭＴ２０）を採用して実施した。この場合、光検出器として、アバランシェフォトダイオードを採用し、図１２に示すように、高電圧回路１０がこのアバランシェフォトダイオードのバイアス電源に高電圧の電力を供給するように実施することも可能である。この場合においても、上記各実施形態および各変形例と同様の効果が期待できる。

又、上記各実施形態及び各変形例において説明したように、高電圧回路１０は極めて容易に半導体上に形成することができるため、例えば、ＭＥＭＳによってＰＭＴ２０が半導体上に形成される場合には、高電圧回路１０とＰＭＴ２０とを同一半導体上に一体的に形成することが可能となる。この場合、装置自体を極めてコンパクトとすることができるとともに、高電圧回路１０はＰＭＴ２０に対して適切に高電圧の電力を供給することができる。したがって、このように超コンパクト化した場合であっても、ＰＭＴ２０による微弱な光の検出精度を損なうことがない。

又、上記第４，５実施形態及び変形例においては、遮光カバー１６が単に光源部１２から出射された光を外部に漏出しないように光を遮光する機能を有するとして実施した。この場合、例えば、遮光カバー１６の内側に反射部材を設けて実施することも可能であり、この場合には、光源部１２の負担（負荷）を軽減することができる。又、このように遮光カバー１６の内側に反射部材を設けることにより、光源部１２から出射された光をより効率よく受光して光発電部１１がより効率よく電力を発電することもできる。

さらに、上記各実施形態及び各変形例においては、光発電部１１を構成する太陽電池セル１１ａを直列に配置する場合を説明した。しかしながら、必要に応じて、直列状に接続された複数の太陽電池セル１１ａ群を互いに並列に接続して実施可能であることは言うまでもない。又、上記各実施形態及び各変形例においては、光発電部１１を構成する太陽電池セル１１ａを直線状に配置する場合を説明したが、２次元に配置して実施可能であることは言うまでもない。この場合、太陽電池セル１１ａ間は、例えば、内部スイッチで自由に条件に応じて切りかえられたり、ボンディング又はプロセスによって配線を最適化して接続されるとよい。

１０…光検出器用高電圧回路、１１…光発電部、１１ａ…太陽電池セル、１１ｂ…半導体基板、１２…光源部、１３…輝度調整用可変抵抗、１４…光量検出部、１５…光量制御部、１６…遮光カバー、１７…変調器、２０…光電子増倍管（ＰＭT）、２１…受光面、２２…陰極、２３…集束電極、２４…ダイノード、２５…陽極、３０…作動回路、３１…ブリーダ抵抗、３２…負荷抵抗、３３…増幅器

Claims (18)

1. 所定の媒体内を伝播した光の受光に伴って放出された光電子を増倍して光検出信号を出力する光検出器に対して高電圧の電力を供給する光検出器用高電圧回路であって、
   複数の光発電素子が電気的に直列に接続されて構成されて、この光発電素子によって発電した高電圧の電力を前記光検出器に供給する光発電部と、
   前記光発電部に対して所定の波長を有する光を出射する光源部とを備えたことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
2. 請求項１に記載した光検出器用高電圧回路において、さらに、
   前記光源部から前記光発電部への光路内に設けられて前記光源部から出射された光の光量を検出する光量検出部と、
   前記光量検出部によって検出された前記光量を用いて前記光源部から出射される光の光量を制御する光量制御部とを備えたことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
3. 請求項１又は請求項２に記載した光検出器用高電圧回路において、
   少なくとも前記光発電部及び前記光源部を内包し、前記光源部が出射した光の外部への漏洩を遮光する遮光カバーを備えたことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
4. 請求項１ないし請求項３のうちのいずれか一つに記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記光発電部を構成する前記複数の光発電素子は複数の太陽電池セルであり、
   前記光源部は所定の波長を有する光を出射する発光ダイオードであることを特徴とする光検出器用高電圧回路。
5. 請求項４に記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記光発電部を構成する前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に一体的に形成し、前記光源部の発光ダイオードを前記一つの半導体上に一体的に形成したことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
6. 請求項５に記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に直線状に形成したことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
7. 請求項５に記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記複数の太陽電池セルを一つの半導体上に円状に形成したことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
8. 請求項５に記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記複数の太陽電池セルを１つの半導体上にて前記光源部から出射されて入射する光に対して層状に形成したことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
9. 請求項１ないし請求項８のうちのいずれか一つに記載した光検出器用高電圧回路において、
   前記光検出器は、陰極と陽極とを有しており、前記陰極と前記陽極との間にて、前記光発電部から供給された高電圧の電力を用いて受光に伴って前記陰極から前記陽極に向けて放出された光電子を増倍する複数段のダイノードを備える光電子増倍管であることを特徴とする光検出器用高電圧回路。
10. 請求項９に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光発電部は、
    前記電気的に直列に接続された前記複数の光発電素子の所定の位置から所定の高電圧の電力を取り出すための接続端子を備えており、
    前記接続端子と前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードとが電気的に接続されて、それぞれの前記ダイノードに所定の高電圧の電力を供給することを特徴とする光検出器用高電圧回路。
11. 請求項９に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードごとに所定の高電圧の電力を供給する前記光発電部を設けたことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
12. 請求項１１に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光電子増倍管におけるそれぞれの前記ダイノードごとに所定の高電圧の電力を供給する前記光発電部のそれぞれに対応して前記光源部を設けるとともに、
    前記ダイノードごとに、前記光源部から前記光発電部への光路内に設けられて前記光源部から出射された光の光量を検出する光量検出部と、前記光量検出部によって検出された前記光量を用いて前記光源部から出射される光の光量を制御する光量制御部とを設け、
    少なくとも前記光発電部、前記光源部及び光量検出部を内包し、前記光源部が出射した光の外部への漏洩を遮光する遮光カバーを前記ダイノードごとに備えたことを特徴とする光検出器用高電圧回路。
13. 請求項１２に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光量制御部が、外部から前記光源部による光の出射動作に関する外部指示信号を入力するための入力部を備えることを特徴とする光検出器用高電圧回路。
14. 請求項１３に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光量制御部の前記入力部には、前記外部指示信号としての変調信号を出力する変調器が接続されるようになっており、前記変調信号が周波数変調信号又はスペクトラム拡散信号であることを特徴とする光検出器用高電圧回路。
15. 請求項１４に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記変調器が所定の媒体内に向けて光を出射する光源に対しても前記変調信号を出力するものであり、
    前記光源は前記変調器から出力された前記変調信号に基づいて変調した変調光を前記所定の媒体内に出射することを特徴とする光検出器用高電圧回路。
16. 請求項１５に記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光源が前記変調光を出射する前記所定の媒体は、生体であることを特徴とする光検出器用高電圧回路。
17. 請求項１ないし請求項８のうちのいずれか一つに記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光検出器は、前記光発電部から供給された高電圧の電力を用いて受光に伴って放出された光電子を増倍する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光検出器用高電圧回路。
18. 請求項１ないし請求項１７のうちのいずれか一つに記載した光検出器用高電圧回路において、
    前記光検出器と同一の半導体上に一体的に形成したことを特徴とする光検出器用高電圧回路。

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