JP2019007803A - Light detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フォトンを検出する光検出装置に関する。 The present invention relates to a photodetection device that detects photons.
微弱光を精密に計測する技術に関して、医療分野、環境分野、天文観測分野等における重要性は言を俟たない。さて、化学発光を利用した免疫分析技術において使用される従来の化学発光検出器の回路構成を図1に示す。 With regard to the technology for accurately measuring faint light, the importance in the medical field, the environmental field, the astronomical observation field, etc. is not limited. FIG. 1 shows a circuit configuration of a conventional chemiluminescence detector used in an immunoassay technique using chemiluminescence.
フォトンを検出するためのカウンティングユニット1は、センサモジュール2、アンプ3およびディスクリミネータ(波高弁別器)4からなる。センサモジュール2は、例えば光電子増倍管、高圧電源回路および電圧分割回路からなる。検出対象のフォトンは、カウンティングユニット1のセンサモジュール2の中の光電子増倍管を経て増幅した光電子に変換され、ついでアンプ3で増幅したパルス波形に変換される。
A
通常、このパルス波形にはフォトンに由来しない電気的ノイズ(ダークカウント)が含まれており、ディスクリミネータ4を通して所定の波高値以下の信号を切り捨てたのち、パルス波形をカウンタ5に導き測光データを得る。なお、特許文献1には、微弱光に対しては、上述したカウンティングユニット1に相当するフォトンカウンティング回路を用い、比較的強い光に対しては、フォトンに由来する直流成分を測定する回路(C−Pコンバータ)を用いており、光量に応じて回路を使い分けるという技術が開示されている。
Normally, this pulse waveform contains electrical noise (dark count) that does not originate from photons. After the signal below a predetermined peak value is discarded through the
図1に示すカウンティングユニット1はパッケージ化されているため、カウンティングユニット1内のディスクリミネータ4は汎用性に欠ける。このため、光電子増倍管の感度の個体差や使用目的などを考慮して、ディスクリミネータ4の弁別処理を簡単に変更することはできない。また、ディスクリミネータ4の出力信号のパルス幅が小さいほど、カウンタ5のカウント性能によっては、カウンタ5に入力されるパルス信号の一部をカウントできないおそれがある。
Since the
本発明の目的は、光電子増倍管の出力信号に対するノイズ処理を調整できるとともに、カウンタによるパルス数のカウントの漏れを抑制することができる光検出装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photodetector that can adjust noise processing for an output signal of a photomultiplier tube and can suppress leakage of the number of pulses by a counter.
本発明に係る光検出装置は、光電子増倍管と、増幅回路と、波高値判別回路と、閾値調整器と、パルス幅設定回路とを有する。光電子増倍管は、発光源からの光を光電変換して電気信号を出力する。増幅回路は、光電子増倍管の出力信号を増幅する。波高値判別回路は、増幅回路の出力信号のうち、波高値が閾値以上の出力信号を判別して出力する。閾値調整器は、閾値を調整可能である。パルス幅設定回路は、予め調整されたパルス幅に基づいて、波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長し、伸長後の信号を、パルス数をカウントするカウンタに出力する。 The photodetector according to the present invention includes a photomultiplier tube, an amplifier circuit, a peak value discriminating circuit, a threshold adjuster, and a pulse width setting circuit. The photomultiplier tube photoelectrically converts light from the light source and outputs an electrical signal. The amplifier circuit amplifies the output signal of the photomultiplier tube. The peak value discriminating circuit discriminates and outputs an output signal having a peak value equal to or greater than a threshold value among the output signals of the amplifier circuit. The threshold adjuster can adjust the threshold. The pulse width setting circuit expands the pulse width of the output signal of the peak value discriminating circuit based on the pulse width adjusted in advance, and outputs the expanded signal to a counter that counts the number of pulses.
カウンタは、パルス幅設定回路の出力信号に基づいて、パルス数をカウントする。カウンタは、光検出装置の外部に配置したり、光検出装置に内蔵させたりすることができる。カウンタを光検出装置の外部に配置する場合には、カウンタ及び光検出装置を有線又は無線で接続すればよい。 The counter counts the number of pulses based on the output signal of the pulse width setting circuit. The counter can be arranged outside the light detection device or can be built in the light detection device. When the counter is arranged outside the photodetection device, the counter and the photodetection device may be connected by wire or wirelessly.
増幅回路としては、直列に接続された複数のオペアンプで構成することができる。例えば、高スルーレート特性(例えば500V/μs)の2つのオペアンプを直列に接続することにより、所望のゲインを確保しやすくなる。具体的には、ゲインが4倍であるオペアンプと、ゲインが6倍であるオペアンプを直列に接続すれば、増幅回路のゲインを24倍とすることができる。 The amplifier circuit can be composed of a plurality of operational amplifiers connected in series. For example, by connecting two operational amplifiers having high slew rate characteristics (for example, 500 V / μs) in series, a desired gain can be easily secured. Specifically, if an operational amplifier with a gain of 4 and an operational amplifier with a gain of 6 are connected in series, the gain of the amplifier circuit can be increased to 24 times.
波高値判別回路は、互いに接続されたコンパレータ及びLVDSレシーバによって構成することができる。コンパレータは、増幅回路の出力信号と、閾値調整器で調整された閾値とを比較する。具体的には、波高値判別回路は、LVDS(低電圧差動信号)出力対応の高速コンパレータと、LVDSレシーバ用のオペアンプとで構成することができる。LVDS対応の高速コンパレータとLVDSレシーバ用のオペアンプを使用することにより、高速なデータ伝送を可能にし、放射電磁ノイズを低減することができる。 The peak value discriminating circuit can be constituted by a comparator and an LVDS receiver connected to each other. The comparator compares the output signal of the amplifier circuit with the threshold adjusted by the threshold adjuster. Specifically, the peak value discriminating circuit can be composed of a high-speed comparator that supports LVDS (low voltage differential signal) output and an operational amplifier for LVDS receiver. By using an LVDS-compatible high-speed comparator and an LVDS receiver operational amplifier, high-speed data transmission is possible, and radiated electromagnetic noise can be reduced.
本発明に係る光検出装置には、パルス幅設定回路で伸長されるパルス幅を調整するパルス幅調整器を設けることができる。パルス幅調整器を使用することにより、カウンタのカウント性能を考慮して、パルス幅を任意に変更することができる。 The photodetection device according to the present invention can be provided with a pulse width adjuster for adjusting the pulse width expanded by the pulse width setting circuit. By using the pulse width adjuster, the pulse width can be arbitrarily changed in consideration of the count performance of the counter.
本発明によれば、波高値判別回路が閾値を調整可能であるため、光電子増倍管の感度の個体差や使用目的などを考慮して、閾値を調整することができる。これにより、光電子増倍管の出力信号に対して、適切なノイズ処理を行うことができる。また、パルス幅設定回路が波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長することにより、パルス幅設定回路の出力信号(言い換えれば、カウンタの入力信号)は、カウンタがカウントしやすい信号となるため、カウンタによるパルス数のカウントの漏れを抑制することができる。 According to the present invention, since the peak value discriminating circuit can adjust the threshold value, the threshold value can be adjusted in consideration of individual differences in the sensitivity of the photomultiplier tube, the purpose of use, and the like. Thereby, an appropriate noise process can be performed with respect to the output signal of a photomultiplier tube. Further, since the pulse width setting circuit extends the pulse width of the output signal of the peak value discriminating circuit, the output signal of the pulse width setting circuit (in other words, the input signal of the counter) becomes a signal that the counter can easily count. , Leakage of the pulse count by the counter can be suppressed.
本発明の実施形態に係る光検出装置について説明する。本実施形態の光検出装置は、フォトンを検出するものであり、図2には、本実施形態の光検出装置10の回路構成例を示す。
A photodetecting device according to an embodiment of the present invention will be described. The photodetection device of this embodiment detects photons, and FIG. 2 shows a circuit configuration example of the
化学発光源11から発生したフォトンは、高圧電源13からの電力を受けて作動する光電子増倍管12で受光され、光電変換処理によって電気信号に変換される。光電子増倍管12には増幅回路20が接続されており、光電子増倍管12の出力信号は増幅回路20に入力される。ここで、光電子増倍管12及び増幅回路20の接続ラインには、終端抵抗素子14の一端が接続されており、終端抵抗素子14の他端は接地されている。
Photons generated from the
終端抵抗素子14を用いることにより、光電子増倍管12の出力信号の電流値を電圧値に変換することができる。このため、増幅回路20には、光電子増倍管12の出力信号の電圧値が入力される。図3には、増幅回路20の入力信号の波形の拡大図を示す。図3において、縦軸は電圧値であり、横軸は時間である。図3によれば、フォトンに由来する波形(ピーク高さが略20mVを示す、ピーク幅が略2ns程度の下向きの波形)がノイズピークを含んだ状態で観測できる。
By using the
増幅回路20は、入力信号(電圧値)を増幅させる。増幅回路20で使用されるオペアンプには、高スルーレート特性(例えば500V/μs)が要求されるが、ゲインが制約されてしまう。そこで、本実施形態では、増幅回路20を2段オペアンプ(初段オペアンプ21及び後段オペアンプ22)の構成とすることにより、高スルーレート特性を確保しつつ、増幅回路20のゲインも確保している。
The
初段オペアンプ21の入力端子は、光電子増倍管12と接続されており、初段オペアンプ21の出力端子は、後段オペアンプ22の入力端子と接続されている。例えば、初段オペアンプ21のゲインを4倍とし、後段オペアンプ22のゲインを6倍とすることにより、初段オペアンプ21及び後段オペアンプ22を含む増幅回路20として、24倍のゲインを確保できる。
The input terminal of the first stage
なお、本実施形態では、2つのオペアンプ21,22を直列に接続しているが、これに限るものではない。具体的には、3つ以上のオペアンプを直列に接続して、増幅回路20を構成することもできる。
In the present embodiment, the two
図4Aには、増幅回路20の出力信号(増幅信号)を約14μsの時間帯においてオシロスコープで観測した波形を示す。図4Aにおいて、縦軸は電圧値であり、横軸は時間である。本実施形態では、増幅回路20のゲインをマイナスゲインに設定しているため、増幅回路20の入力信号(図3参照)と、増幅回路20の出力信号(図4A参照)とでは、信号の極性(プラスマイナス)が反転し、図4Aでは、主に上向きのピークが得られている。
FIG. 4A shows a waveform obtained by observing the output signal (amplified signal) of the
増幅回路20には波高値判別回路30が接続されており、増幅回路20の出力信号は、波高値判別回路30に入力される。波高値判別回路30は、入力信号のうち、閾値(電圧値)以上の信号をパルス信号として出力する。波高値判別回路30は、閾値を調整するための閾値調整器31と、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)出力対応のコンパレータ32と、LVDSレシーバ用のオペアンプ33とを有する。コンパレータ32及びオペアンプ33を用いることにより、コンパレータ32及びオペアンプ33の間で高速なデータ伝送を可能にし、放射電磁ノイズを低減することができる。なお、波高値判別回路30は、上述したように閾値以上の信号を出力(判別)することができればよく、本実施形態で説明した回路とは異なる回路を用いることもできる。
A crest
コンパレータ32の第1入力端子には、増幅回路20(具体的には、後段オペアンプ22)の出力端子が接続されており、増幅回路20の出力信号がコンパレータ32の第1入力端子に入力される。コンパレータ32の第2入力端子には、閾値調整器31が接続されており、閾値調整器31で調整された閾値がコンパレータ32の第2入力端子に入力される。コンパレータ32は、増幅回路20の出力信号(電圧値)と、閾値調整器31で調整された閾値(電圧値)とを比較し、閾値以上の信号を出力する。オペアンプ33は、コンパレータ32の出力信号に基づいてパルス信号を生成する。
The output terminal of the amplifier circuit 20 (specifically, the post-stage operational amplifier 22) is connected to the first input terminal of the
ここで、波高値判別回路30から出力された信号のパルス幅は、増幅回路20に入力された信号のピーク幅(具体的には、図3に示すピーク幅(略2ns))と同じである。このようにパルス幅が短いと、波高値判別回路30から出力されたパルス信号を後述するカウンタ43によってカウントするとき、カウンタ43のカウント性能によってはパルス信号の一部をカウントできないおそれがある。
Here, the pulse width of the signal output from the peak
そこで、本実施形態では、パルス信号のカウント漏れを抑制するために、波高値判別回路30及びカウンタ43の間にパルス幅設定回路42を設けている。具体的には、パルス幅設定回路42の入力端子は、波高値判別回路30の出力端子と接続され、パルス幅設定回路42の出力端子は、カウンタ43の入力端子と接続されている。
Therefore, in the present embodiment, a pulse
パルス幅設定回路42は、波高値判別回路30の出力信号(パルス信号)のパルス幅を設定する。ここで、パルス幅設定回路42にはパルス幅調整器41が接続されており、パルス幅調整器41で調整されたパルス幅の情報がパルス幅設定回路42に入力される。パルス幅設定回路42は、波高値判別回路30の出力信号のパルス幅を、パルス幅調整器41で調整されたパルス幅に変更する。パルス幅調整器41では、カウンタ43のカウント性能に応じてパルス信号を漏れなくカウントできるようなパルス幅(例えば、数十ns〜100ns、好ましくは20ns)に調整される。本実施形態では、カウンタ43がパルス信号を漏れなくカウントできるように、パルス幅調整器41及びパルス幅設定回路42によって、波高値判別回路30の出力信号のパルス幅を伸長する。
The pulse
パルス幅設定回路42の出力信号(パルス信号)は、カウンタ43に入力される。カウンタ43は、パルス幅設定回路42から出力されたパルス信号に基づいて、パルス数をカウントする。
An output signal (pulse signal) of the pulse
図4Bには、パルス幅設定回路42の出力信号の波形を示す。図4Bに示す波形では、図4Aに示す信号のうち、閾値を超えた3本の信号のみが抽出されている。ここで、図4Aに示す波形と図4Bに示す波形とは同位相である。図4Bでは認識できないが、図4Bに示す波形は、図4Aに示す波形に対して、パルス幅が伸長されている。
FIG. 4B shows the waveform of the output signal of the pulse
ここで、図5A及び図5Bには、図4A及び図4Bに示す波形について、図4A及び図4Bの時間軸を10倍に拡大したときの図をそれぞれ示す。図5Aに示す波形は、図4Aに示す領域R1の波形に対応し、図5Bに示す波形は、図4Bに示す領域R2の波形に対応している。図5Aに示す波形では、パルス幅(ピーク幅)が数nsであるのに対して、図5Bに示す波形では、パルス幅(ピーク幅)が約60nsに伸長されている。このようにパルス幅(ピーク幅)を伸長することにより、カウンタ43のカウント性能によって、パルス信号の一部をカウントできないことを抑制でき、カウント処理の精度を向上させることができる。 Here, FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the waveforms shown in FIGS. 4A and 4B when the time axis of FIGS. 4A and 4B is enlarged 10 times, respectively. The waveform shown in FIG. 5A corresponds to the waveform of the region R1 shown in FIG. 4A, and the waveform shown in FIG. 5B corresponds to the waveform of the region R2 shown in FIG. 4B. In the waveform shown in FIG. 5A, the pulse width (peak width) is several ns, whereas in the waveform shown in FIG. 5B, the pulse width (peak width) is extended to about 60 ns. By extending the pulse width (peak width) in this way, it is possible to prevent the counting performance of the counter 43 from counting a part of the pulse signal and improve the accuracy of the counting process.
本実施形態では、図2に示すように、光検出装置10がカウンタ43を備えているが、これに限るものではない。具体的には、光検出装置10の外部にカウンタ43を設け、光検出装置10及びカウンタ43を有線又は無線で接続することができる。この場合には、パルス幅設定回路42の出力信号が、有線又は無線を介して、カウンタ43に送信される。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the
1 カウンティングユニット
2 センサモジュール
3 オペアンプ
4 ディスクリミネータ
5 カウンタ
10 光検出装置
11 化学発光源
12 光電子増倍管
13 高圧電源
14 終端抵抗素子
20 増幅回路
21 初段オペアンプ
22 後段オペアンプ
30 波高値判別回路
31 閾値調整器
32 コンパレータ(LVDS出力対応)
33 オペアンプ(LVDSレシーバ)
41 パルス幅調整器
42 パルス幅設定回路
43 カウンタ
DESCRIPTION OF
33 Operational amplifier (LVDS receiver)
41
Claims (5)
前記光電子増倍管の出力信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力信号のうち、波高値が閾値以上の出力信号を判別して出力する波高値判別回路と、
前記閾値を調整する閾値調整器と、
予め調整されたパルス幅に基づいて、前記波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長し、伸長後の信号を、パルス数をカウントするカウンタに出力するパルス幅設定回路と、
を有することを特徴とする光検出装置。 A photomultiplier tube that photoelectrically converts light from the light source and outputs an electrical signal;
An amplifier circuit for amplifying the output signal of the photomultiplier;
Among the output signals of the amplifier circuit, a peak value discriminating circuit for discriminating and outputting an output signal whose peak value is equal to or greater than a threshold value;
A threshold adjuster for adjusting the threshold;
A pulse width setting circuit that expands the pulse width of the output signal of the peak value discriminating circuit based on a pre-adjusted pulse width, and outputs the expanded signal to a counter that counts the number of pulses;
A photodetection device comprising:
前記増幅回路の出力信号と、前記閾値調整器で調整された前記閾値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータと接続されたLVDSレシーバと、
を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の光検出装置。 The peak value discrimination circuit is:
A comparator that compares the output signal of the amplifier circuit with the threshold adjusted by the threshold adjuster;
An LVDS receiver connected to the comparator;
The photodetection device according to claim 1, wherein the photodetection device includes:
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