JP2019513979A - 光の強度変動を交流電圧測定信号に変換する光／電圧変換器回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、光（Ｌ）の強度変動を交流電圧測定信号に変換する光／電圧変換器回路（１００）に関しており、この光／電圧変換器回路（１００）は、光（Ｌ）を検出するフォトダイオード（Ｄ）と、一次巻線（Ｔ１）および二次巻線（Ｔ２）を有する変圧器（Ｔ）と、を備え、ここでの変圧器（Ｔ）の一次巻線（Ｔ１）は、フォトダイオード（Ｄ）に直列に接続されており、ここでの交流電圧測定信号は、二次巻線（Ｔ２）に印加され、さらに、直流電流阻止型でかつ交流電流導通型の電気的回路網（Ｎ１）を備えており、前記電気的回路網（Ｎ１）は、変圧器（Ｔ）の一次巻線（Ｔ１）とフォトダイオード（Ｄ）とからなる直列回路に並列に接続されている。本発明はまた、そのような光／電圧変換器回路（１００）を備えた顕微鏡にも関する。

Description

本発明は、光の強度変動を交流電圧測定信号に変換する光／電圧変換器回路ならびにそのような光／電圧変換器回路を備えた顕微鏡に関する。

顕微鏡分野では、試料を照明する、１つ以上のレーザー源を使用する分光検査法が広く普及している。ここでは測定の種類に応じて、非常に異なる要求が測定技術に課せられる。

例えば、ＳＲＳ顕微鏡（SRSとはstimulated Raman scatteringの略であり、これについては例えばFreudigerらによる文献「Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy, Science 2008」を参照されたい）では、波長の異なる２つのレーザービームが使用される。これらの２つのレーザービームは、検査すべき試料上に誘導され、そこにおいて散乱する。２つのレーザービームのうちの１つの振幅変調（例えば、偏光変調、波長変調も含む）のもとでは、有用信号として僅かな強度変動が散乱光（コヒーレントなレーザー類似ビーム）の中に生じるが、しかしながらこれは顕著な直流成分に載っている。このような直流成分を含む強度変動（交流成分）の検出は困難を来す。

一方では、直流成分と交流成分との比は、１０ｅｘｐ６までになり得る。他方では、光の直流成分は１Ｗのオーダーである可能性があり、このことは検出素子（通常はフォトダイオード）内へのおびただしいエネルギー入射につながる。入射した光出力による加熱の他に、直流成分は、ダイオード（これは通常、阻止方向にバイアス電圧を有している）内で電流通流も引き起こし、このことも同様に顕著な加熱に寄与する。これは特に、動作点のシフトや固有ノイズの増加によって測定に悪影響を及ぼす。

測定は、通常、スキャン方式で実施され、すなわち、点状に試料の上を走査して行われる。これは、通常、ライン毎に行われ、ここではインターレースの間、レーザーがスイッチオフされるが、このことは、再スイッチオン時の付加的エラー信号につながる可能性がある。

本発明によれば、光の強度変動を検出する光／電圧変換器回路、ならびに独立請求項の特徴部分を有するそのような光／電圧変換器回路を備えた顕微鏡、例えばＳＲＳ顕微鏡が提案される。好ましい構成は、従属請求項ならびに以下の説明の対象である。

本発明の一態様は、検出素子としてのフォトダイオードを有する、光の強度変動を交流電圧測定信号に変換する光／電圧変換器回路に関しており、ここでは、検出された光強度の交流成分が、一次巻線および二次巻線を有する変圧器を用いて直流成分から分離される。この目的のために、フォトダイオードの光束は、一次巻線を通って導かれ、それによって、交流成分は二次巻線内で交流電圧を誘導し、この交流電圧が測定信号として検出され得る。変圧器の一次巻線とフォトダイオードとからなる直列回路に並列に、直流電流阻止型でかつ交流電流導通型の電気的回路網が接続されており、これは交流電圧用のフォトダイオードの電流回路を閉成し、それによって、接続されたさらなるコンポーネント、特にフォトダイオード用の電圧源における信号損失を防止する。この回路網はその上さらに、検出されるべき光束の周波数領域が変圧器内で最大限の誘導を引き起こすように、電圧源のインピーダンスを整合化することができる。この回路網はまた、検出すべき信号に関するフィルタリング機能を達成するために周波数選択的に設計されてもよい。

本発明によれば、有用信号は直流成分から非常に良好に分離され、さらなる評価のために、例えば前処理、増幅などが施される。そのため、直流成分を含む強度変動は、特に良好にかつ正確に測定することができる。その上さらに、光／電圧変換器回路は、複雑ではない構成部品を有する簡単な構造と、それに伴う堅牢性および高い信頼性とによって優れている。変圧器により、無電位測定信号が提供され、このことはさらなる処理を非常にフレキシブルにさせる。スイッチオンの際の、例えばインターレースの際のエラー信号成分も同様に低減もしくは完全に回避される。

二次巻線内で誘導された信号の前処理は、第２の電気的回路網が変圧器の二次巻線と導電的に接続されている場合に可能である。この前処理は、フィルタリングおよび／または増幅を含み得る。第２の電気的回路網は、特に、電圧測定装置の残りの光／電圧変換器回路へのインピーダンス整合化のためにも用いることができ、そのため特に大きな測定信号が得られる。

特に、二次巻線内では電流が誘導される。この電流を電圧として測定可能にするために、当該電流は、電流−電圧変換器を用いて電圧に変換することができる。そのような変換器の最も簡単な形状はインピーダンスである。好ましい構成では、第２の電気的回路網の入力インピーダンスは、電流−電圧変換のために使用される。第２の電気的回路網の出力側には、例えば、電圧増幅器を使用することができる。

交流電圧測定信号の特に簡単な測定は、電圧測定装置が変圧器の二次巻線に並列に接続されている場合に可能である。

好ましくは、電圧源は、変圧器の一次巻線とフォトダイオードとからなる直列回路に並列に接続されている。それにより、特に、フォトダイオードは、阻止方向に動作させることができ、このことは、検出可能な光束の帯域幅を広める。

好ましくは、フォトダイオードの一方の電極は、電気的にアース電位に置かれる。このことは、特に、この目的のために固体の十分な電気的接続部（例えば導体路など）が使用される場合には、アース接続を介して同時に熱放出も行うことができるという利点を提供する。例えば、この電極は、（特に固体の）金属体と物理的に接続することもでき、この金属体は、特別に複雑な絶縁を必要とすることなく、特に同時にヒートシンクとしても、および電界のシールドのためにも用いることができる。この金属体が高い導電性を有する場合、特に良好なシールド効果が達成される。特に良好な冷却効果は、金属体の静止質量がフォトダイオードの質量の少なくとも１０倍、２０倍、５０倍または１００倍である場合に達成される。

好ましくは、金属体は、フォトダイオードが配置されている凹部を有する。それにより、特に良好な冷却効果およびシールド効果を得ることができる。ただしこのフォトダイオードは、凹部なしで金属体に取り付けることも可能である。このことは製造を容易にさせる。

フォトダイオードの金属体への取り付けは、例えばろう接によって達成することができる。このことは、実地において何度も試された、同時に電気的コンタクト形成を伴う取り付け方法である。

金属体は、例えば、プレートまたはブロックとして形成されてもよい。

金属体は、例えば、完全にもしくは部分的に銅および／またはアルミニウムおよび／または鉄から形成されてもよい。この金属体は腐食防止のために、例えば錫めっき、亜鉛めっきまたはニッケルめっきされてもよい。

本発明のさらなる利点および構成は、明細書および添付の図面から明らかになる。

上述した特徴および以下でさらに説明すべき特徴は、本発明の枠内から逸脱することなく、それぞれ明示された組み合わせにおいてだけでなく、他の組み合わせにおいても、あるいは単独においても、使用可能であることを理解されたい。

本発明は、実施例に基づいて図面に概略的に示されており、以下ではこれらの図面を参照して説明する。

ＳＲＳ顕微鏡として構成された本発明による顕微鏡の好ましい実施形態 本発明による光／電圧変換器回路の好ましい実施形態の概略的回路図 フォトダイオード用の付加的な金属体を有する図２による回路図 本発明による光／電圧変換器回路のフォトダイオードをアースに接続するための第１の好ましい手段 本発明による光／電圧変換器回路のフォトダイオードをアースに接続するための第２の好ましい手段

図１には、本発明による顕微鏡の好ましい実施形態が概略的に示され、全体として符号１が付されている。この顕微鏡は、ＳＲＳ顕微鏡の原理に基づいており、ここでは試料１０が、異なる波長λ_Ｐ（レーザー２）およびλ_Ｓ（レーザー３）の２つのレーザー２，３を用いて点状に照射される。この目的のために、レーザー３（ストークスレーザー）から放射された波長λ_Ｓのいわゆるストークスビームは、当該ストークスビームの強度を高周波領域（典型的にはＭＨｚ）に変調するための振幅変調器６（代替的に波長変調または偏光変調する装置）を通過し、レーザー２（ポンプレーザー）から放射された波長λ_Ｐのいわゆるポンプビームとダイクロイックミラー７を介して一体化される。次いで、これらのビームは顕微鏡対物レンズ８を通過し、そこから当該ビームは、試料１０の同じ試料領域に集束される。結果として生じた（場合によってはそれらの強度がＳＲＳ効果に基づいて変化したポンプビームとストークスビームとからなる）散乱した光ビーム４は、まず、当該光ビーム４のストークス成分をブロックするフィルタ９を通過し、次いで、本発明による光／電圧変換器回路１００の好ましい実施形態を有する検出器によって検出される。計算ユニット５は、顕微鏡１のコンポーネントを制御し、ならびに好ましくは、光／電圧変換器回路１００から供給された交流電圧測定信号を受信して処理するのに用いられる。

ストークスビームの変調は、散乱したポンプビームの強度変動につながる。結果的に生じた光ビーム４では、フィルタ９の後で、光ビームの強度に関連して高い直流成分が生じ、これは小さな交互成分に重畳している。

測定は、通常、スキャン方式で実施され、すなわち、試料上を点状に走査して行われる。これは、通常、ライン毎に行われ、ここではインターレースの間、レーザーをスイッチオフすることができる。

図２には、本発明による光／電圧変換器回路１００の好ましい実施形態が概略的に回路図で示されている。この光／電圧変換器回路１００は、図１に基づいて説明した光ビーム４（これは図２中矢印Ｌで示されている）における強度変動を、交流電圧測定信号に変換するのに用いられる。

光／電圧変換器回路１００は、フォトダイオードＤを有しており、このフォトダイオードＤは、変圧器Ｔの一次巻線Ｔ１に直列に接続されている。直流電流阻止型でかつ交流電流導通型の電気的回路網Ｎ１が、変圧器Ｔの一次巻線Ｔ１とフォトダイオードＤとからなる直列回路に並列に接続されている。さらに電圧源Ｕが、変圧器Ｔの一次巻線Ｔ１とフォトダイオードＤとからなる直列回路に並列に接続されている。

電圧源Ｕを用いることにより、フォトダイオードＤは、阻止方向に動作させることができ、それによって、フォトダイオードＤからは、特に広い帯域幅の光束が生成可能である。

直流電流阻止型でかつ交流電流導通型の電気的回路網Ｎ１は、一方では、フォトダイオードＤと変圧器Ｔの一次巻線Ｔ１とを通る交流電流回路の閉成に用いられ、そのため改ざんもしくは障害につながりかねない関心のある交流成分が電圧源Ｕを介して流される必要はない。さらに、この回路網Ｎ１は、閉成された交流電流回路のインピーダンスを、次のように整合化することができる。すなわち、交流成分が、変圧器Ｔにおいて最大限の誘導を引き起こすように整合化することができる。このインピーダンスの量は、ここでは交流成分の周波数に対して最小にされる。

回路網Ｎ１は、最も簡単なケースでは、単一のコンデンサからなり得る。付加的に、この回路網は、関心のある交流成分の周波数のもとで共振回路のインピーダンスを低減するさらなるＬ，Ｒ，Ｃ素子（インダクタンス、抵抗、キャパシタンス）を有することができる。

変圧器Ｔでは、一次巻線Ｔ１から電流の交流成分が二次巻線Ｔ２に誘導され、それによって二次側では、直流成分から分離された交流成分のみが、交流電圧測定信号として出力側Ｓに印加される。この出力側Ｓには、特に電圧測定装置、例えば図１からの計算ユニット５のＡＤＣ変換器が接続可能である。

交流電圧測定信号の前処理のために、第２の電気的回路網Ｎ２が設けられており、この第２の電気的回路網Ｎ２は、例えば交流電圧測定信号のフィルタリングおよび／または増幅に用いられる。さらに、ここでは、接続された電圧測定装置への光／電圧変換器回路のインピーダンス整合化を行うことができる。

第２の電気的回路網Ｎ２は、Ｒ，Ｌ，Ｃ素子の直列および／または並列回路を含むことができる。ＲＦ技術におけるインピーダンス整合化のための回路（「整合化構造」）は、例えば、Ｌ，ＴおよびＰｉ整合化構造のように公知である。これらのインピーダンス整合化のための回路のうち、１つ以上は、当該回路網Ｎ２において、所望の結果を得るために、相前後して直列に接続されてもよい。

図３には、図２の光／電圧変換器回路１００が改めて示されており、この場合フォトダイオードＤの電極（ここではアノード）は、電気的アースにも、固体の金属体１１０にも接続されている。この金属体１１０は、例えば、特に腐食防止の理由から、かつ／またはフォトダイオードの簡単なろう接のために錫めっきされ得る銅板であってもよい。この銅板１１０は、光の照射によって引き起こされた入射熱の放熱のためのヒートシンクとして用いられ、ならびに、電気的障害もしくは電磁的障害に対するシールドとして用いられる。この金属体は、例えばフォトダイオードが配置された矩形形状または円筒形状の凹部を有していてもよい。

アノードが電気的アースに接続され、場合によっては金属体１１０にも接続されている、上述したフォトダイオードＤの相互接続は、図４ｂにおいて、再度概略的に示されており、これに対して、フォトダイオードＤのカソードが電気的アースに接続され、場合によっては金属体１１０にも接続されている代替的な好ましい実施形態は、図４ａに概略的に示されている。このケース（４ａ）では、変圧器Ｔの一次巻線は、フォトダイオードＤのアノードと負の給電電圧との間に存在する。

最後に、前述のように論じられた実施例は、特許請求される教示の説明のためだけに用いられるものであるが、これらの教示を当該実施例に限定するものではないことにひときわ留意すべきである。特に、上述した実施例は可能な限り相互に組み合わせることができるものであろう。

Claims (10)

1. 光（Ｌ）の強度変動を交流電圧測定信号に変換する光／電圧変換器回路（１００）であって、前記光／電圧変換器回路（１００）は、
   前記光（Ｌ）を検出するフォトダイオード（Ｄ）と、
   一次巻線（Ｔ１）および二次巻線（Ｔ２）を有する変圧器（Ｔ）と、
   を備え、
   前記変圧器（Ｔ）の前記一次巻線（Ｔ１）は、前記フォトダイオード（Ｄ）に直列に接続されており、前記交流電圧測定信号は、前記二次巻線（Ｔ２）に印加され、
   前記光／電圧変換器回路（１００）は、直流電流阻止型でかつ交流電流導通型の電気的回路網（Ｎ１）を備えており、
   前記電気的回路網（Ｎ１）は、前記変圧器（Ｔ）の前記一次巻線（Ｔ１）と前記フォトダイオード（Ｄ）とからなる直列回路に並列に接続されている、
   光／電圧変換器回路（１００）。
2. 前記光／電圧変換器回路（１００）は、第２の電気的回路網（Ｎ２）を備え、前記第２の電気的回路網（Ｎ２）は、前記変圧器（Ｔ）の前記二次巻線（Ｔ２）と導電的に接続されている、
   請求項１記載の光／電圧変換器回路（１００）。
3. 前記光／電圧変換器回路（１００）は、電圧源（Ｕ）を備え、前記電圧源（Ｕ）は、前記変圧器（Ｔ）の前記一次巻線（Ｔ１）と前記フォトダイオード（Ｄ）とからなる前記直列回路に並列に接続されている、
   請求項１または２記載の光／電圧変換器回路（１００）。
4. 前記フォトダイオード（Ｄ）の一方の電極は、電気的にアース電位に置かれる、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の光／電圧変換器回路（１００）。
5. 前記フォトダイオード（Ｄ）の電気的にアース電位に置かれる前記電極は、金属体（１１０）に接続されており、特にろう接されている、
   請求項４記載の光／電圧変換器回路（１００）。
6. 前記金属体の質量は、前記フォトダイオード（Ｄ）の質量の少なくとも１０倍である、
   請求項５記載の光／電圧変換器回路（１００）。
7. 前記金属体（１１０）は、供給導体路、薄板、プレートまたはブロックとして形成され、かつ／または、前記金属体（１１０）は、完全にもしくは部分的に、銅および／またはアルミニウムおよび／または鉄から形成されている、
   請求項５または６記載の光／電圧変換器回路（１００）。
8. 前記フォトダイオード（Ｄ）は、前記金属体（１１０）の凹部内に配置されている、
   請求項５から７までのいずれか１項記載の光／電圧変換器回路（１００）。
9. 前記光／電圧変換器回路（１００）は、前記交流電圧測定信号を出力する測定電圧出力側（Ｓ）を備え、前記測定電圧出力側（Ｓ）は、前記変圧器（Ｔ）の前記二次巻線（Ｔ２）に並列に接続されている、
   請求項１から８までのいずれか１項記載の光／電圧変換器回路（１００）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の光／電圧変換器回路（１００）を備えた顕微鏡（１）。

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