JP2020129442A - 電子管モジュール及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光透過性基板にプリズムが設けられた電子管の配置作業の容易化を図ることができる。【解決手段】電子管モジュール３０は、電子管１Ａと、筐体３１と、を備える。電子管１Ａは、光透過性基板３を有する真空容器７と、光透過性基板３の内面３ａに設けられた光電面８と、アノード１０と、プリズム１６と、を備える。プリズム１６は、光透過性基板３の外面３ｂに接合された第１面１６ａと、第１面１６ａに対して傾斜する第２面１６ｂと、プリズム１６及び光透過性基板３を介して光電面８に入射して光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射した光を更に反射させることにより、当該光を光電面８に再度入射させる第３面１６ｃと、を有する。筐体３１は、開口３２ａが形成された天壁３２を有する。第２面１６ｂは、天壁３２と平行である。第２面１６ｂの少なくとも一部は、開口３２ａを介して外部に露出している。【選択図】図２

Description

本開示は、電子管モジュール及び光学装置に関する。

従来、試料から生じる蛍光等の微弱光を検出する光電子増倍管等の電子管が知られている。電子管は、光透過性基板を有する真空容器と、光透過性基板の真空側の内面に設けられた光電面（photocathode）と、を備えている。非特許文献１は、このような光電面が設けられた光透過性基板の外面にプリズムが設けられた構成を開示している。この構成では、プリズムの入射面に入射した光は、光電面と真空空間との界面で全反射し、その後プリズムの入射面とは反対側の面で更に反射して光電面に戻る。これにより、光電面の量子効率（ＱＥ：Quantum Efficiency）の向上が図られている。

W.D. Gunter,Jr., G.R. Grant, and S.A. Shaw. Optical devices to increase photocathodequantum efficiency. APPLIED OPTICS Vol.9, No.2 251-257 (1970)

ところで、上記のような電子管では、プリズムの入射面と電子管の軸方向（すなわち光電面に直交する方向）とが互いに傾斜している。このため、光学装置内での電子管の配置に関して、プリズムを使用しない従来の構成では必要のなかった入射面角度の調整が必要となる。具体的には、従来の構成では、被検出光の光軸と電子管の軸方向とが一致するように電子管を配置すればよかった。しかし、上記プリズムを備える電子管を用いる場合には、プリズムの入射面が被検出光の光軸に直交するように、電子管の軸方向を被検出光の光軸に対して傾斜させる必要がある。このため、従来と比較して電子管の配置作業が直感的ではなく、煩雑となる場合がある。

そこで、本開示は、光透過性基板にプリズムが設けられた電子管の配置作業の容易化が図られた電子管モジュール及び光学装置を提供することを目的とする。

本開示の一側面に係る電子管モジュールは、電子管と、電子管を収容する筐体と、を備え、電子管は、光透過性基板を有し、真空空間を構成する真空容器と、光透過性基板の真空空間側の面である内面に設けられ、光透過性基板を介して入射した光に応じて真空空間中に光電子を放出する光電面と、真空容器内に設けられ、光電子に由来する電子を検出する電子検出部と、光透過性基板の内面とは反対側の外面に接合されたプリズムと、を有し、プリズムは、光透過性基板の外面に接合された第１面と、第１面に対して傾斜する光入射面である第２面と、プリズム及び光透過性基板を介して光電面に入射して光電面と真空空間との界面で反射した光を更に反射させることにより、当該光を光電面に再度入射させる反射部と、を有し、筐体は、開口が形成された壁部を有し、プリズムの第２面は、壁部と平行であり、プリズムの第２面の少なくとも一部は、開口を介して外部に露出している。

上記電子管モジュールによれば、プリズムの第２面から入射してプリズム及び光透過性基板を透過する被検出光を光電面と真空空間との界面で反射させ、反射した光を更に反射部で反射させて光電面に再度入射させることができる。これにより、光電面における被検出光の吸収量を増大させることができる。さらに、プリズムの第２面が壁部と平行となり、且つ、プリズムの第２面の少なくとも一部が開口を介して外部に露出するように電子管が筐体に収容されることにより、電子管モジュールの配置が容易となる。具体的には、筐体の壁部が被検出光の光軸に対して直交するように電子管モジュールの位置を調整することにより、電子管モジュールを容易且つ適切に配置することが可能となる。従って、上記電子管モジュールによれば、光透過性基板にプリズムが設けられた電子管の配置作業の容易化を図ることができる。

プリズムの第２面は、壁部の内側面に当接していてもよい。筐体の壁部の内側面にプリズムの第２面を当接させることにより、筐体内に電子管を容易且つ精度良く位置決めすることができる。

プリズムの第２面は、壁部の内側面に接合されていてもよい。この場合、筐体の壁部に対してプリズムが固定されることにより、壁部に対する電子管の位置ずれを好適に防止することができる。

反射部は、第１面及び第２面に接続され、第１面及び第２面に対して傾斜する第３面によって構成されていてもよく、プリズムは、第１面、第２面、及び第３面を側面とする三角柱状に形成されていてもよい。この場合、プリズムの形状を比較的単純化できると共に、光電面と真空空間との界面で反射した光を第３面で更に反射させて光電面に再度入射させることができる。

第３面には、反射膜が設けられていてもよい。この場合、反射膜により、第３面における光の透過ロス（第３面から外部に透過してしまう成分）を低減させることができる。これにより、第３面で反射して光電面に再度入射する光量の減少を抑制できるため、光電面の量子効率を効果的に向上させることができる。

上記電子管は、真空容器内に設けられ、光電子を増倍する電子増倍部を更に有してもよい。或いは、電子検出部は、光電子を増倍する半導体素子であってもよい。上記構成によれば、被検出光が微弱光（例えば測定対象試料に励起光を照射することで二次的に発生する蛍光及びラマン散乱光等）である場合であっても、電子検出部において被検出光に応じた電子を好適に検出することができる。

本開示の一側面に係る光学装置は、上記電子管モジュールと、測定対象の試料に照射される光を出力する光源と、を備え、電子管モジュールは、光が試料に照射されることにより試料において発生した被検出光が壁部の開口を介してプリズムの第２面に入射するように配置されている。

上記光学装置は、被検出光を検出する検出部として上記電子管モジュールを備えることにより、上述した電子管モジュールと同様の効果を奏する。

上記光学装置において、電子管モジュールは、プリズム及び光透過性基板を介して光電面に入射した被検出光が光電面と真空空間との界面において全反射するように構成されていてもよい。上記構成によれば、全反射した後に再度光電面に戻る被検出光によって光電面における被検出光の吸収量を増大させることができ、光電面の量子効率を効果的に向上させることができる。

本開示によれば、光透過性基板にプリズムが設けられた電子管の配置作業の容易化が図られた電子管モジュール及び光学装置を提供することができる。

実施形態に係る電子管モジュールの斜視図である。 電子管モジュールの一部断面図である。 電子管モジュールに収容された電子管の断面図である。 図３に示される電子管の平面図である。 電子管モジュールにおける被検出光の光路を示す模式図である。 被検出光が光電面と真空空間との界面において全反射するための条件を説明するための模式図である。 電子管の変形例を示す断面図である。 光学装置の第１の例の概略構成図である。 光学装置の第２の例の概略構成図である。 光学装置の第３の例の概略構成図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。各図において同一又は相当の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、図面においては、一部、特徴部分を分かり易く説明するために誇張している部分があり、実際の寸法とは異なっている。また、以下の説明において「上」、「下」等の語は図面に示される状態に基づく便宜的なものである。図３及び図４では、便宜上、ＸＹＺ座標系が示されている。

図１及び図２に示されるように、一実施形態に係る電子管モジュール３０は、電子管１Ａと、電子管１Ａを収容する筐体３１と、を備えている。筐体３１は、略直方体状に形成されている。筐体３１は、例えば金属又は樹脂等によって形成されている。筐体３１は、天壁３２（壁部）、底壁３３、及び側壁３４を有する。天壁３２及び底壁３３は、筐体３１の中心軸線ＡＸ１に沿った方向に互いに対向している。天壁３２及び底壁３３は、中心軸線ＡＸ１に沿った方向から見て、同じ大きさの矩形板状に形成されている。側壁３４は、中心軸線ＡＸ１に沿って延在する角筒状に形成されており、天壁３２の縁部と底壁３３の縁部とを接続している。

図２に示されるように、本実施形態では、ステムピン５を介して電子管１Ａに電圧を供給するための回路基板４１と、回路基板４１に接続され、電子管１Ａに供給するための高電圧を生成する昇圧回路４２とが、電子管１Ａと共に筐体３１に収容されている。電子管１Ａは、筐体３１の中心軸線ＡＸ１に対して電子管１Ａの中心軸線ＡＸ２が傾斜するようにして、筐体３１内に配置及び固定されている。

天壁３２には、被検出光を筐体３１内の電子管１Ａ（後述するプリズム１６の第２面１６ｂ）に導くための開口３２ａが形成されている。開口３２ａは天壁３２の外側面３２ｂから内側面３２ｃまで貫通している。本実施形態では、開口３２ａは、中心軸線ＡＸ１に沿った方向から見て、円形状に形成されている。

図３及び図４に示されるように、電子管１Ａは、電子増倍機能（後述する電子増倍部９）を有する光電子増倍管である。電子管１Ａは、略円筒形状をなす金属製の側管２を有する。側管２の上側端部には、入射光（被検出光）に対して良好な光透過性を有する光透過性基板３が、気密に固定されている。本実施形態では、光透過性基板３は円板状に形成されており、光透過性基板３の周縁部が側管２の上側端部に固定されている。側管２の下側の開口端には、円板状のステム４が配置されている。ステム４には、略円周上の位置に周方向に互いに離間して配置された複数の導電性のステムピン５が、気密に挿着されている。各ステムピン５は、ステム４の上面側及び下面側の互いに対応する位置に形成された開口４ａに挿通されている。また、ステム４を側方から包囲するように、金属製のリング状側管６が、気密に固定されている。側管２の下端部に形成されたフランジ部２ａとリング状側管６の上端部に形成されたフランジ部６ａとが互いに溶接され、側管２とリング状側管６とが互いに気密に固定されている。このようにして、内部が真空状態に保たれた真空容器７が、側管２、光透過性基板３、及びステム４によって形成されている。

真空容器７内には、光電面８と、電子増倍部９と、アノード１０（電子検出部）と、が設けられている。光電面８は、光透過性基板３の真空空間Ｓ側の内面３ａに設けられている。

光電面８は、光透過性基板３を介して入射した光に応じて真空空間Ｓに光電子を放出する。光電面８は、いわゆる透過型の光電面であり、光透過性基板３側の上面で光を受けて、真空空間Ｓ側の下面から光電子を放出する。光電面８は、例えば、ＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の材料によって形成され得る。或いは、光電面８は、バイアルカリ光電面又はマルチアルカリ光電面であってもよい。

ここで、光電面８における被検出光の吸収量を多くする観点からは、光電面８の厚みは大きい方が好ましい。一方、光電面８から真空空間Ｓへの電子の放出効率を向上させる観点からは、光電面８の厚みは小さい方が好ましい。電子管１Ａは、後述するプリズム１６及びレンズ１７を備えることにより、光電面８における被検出光の吸収量を効果的に増大させることができるため、その分、光電面８の厚みを小さくすることができる。以上を踏まえて、光電面８がＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、又はＩｎＧａＡｓによって形成される場合には、光電面８の膜厚は３μｍ以下とされてもよい。また、光電面８がバイアルカリ光電面又はマルチアルカリ光電面である場合には、光電面８の膜厚は０．５μｍ以下とされてもよい。

電子増倍部９は、光電面８から放出された光電子を増倍する。本実施形態では、電子増倍部９は、電子増倍孔を多数有する薄板状のダイノード板１１が複数段に積層されることによりブロック状に形成されており、ステム４の上面に設置されている。各ダイノード板１１の縁部には、外側に突出するダイノード板接続片１１ａが形成されている。各ダイノード板接続片１１ａの下面側には、ステム４に挿着された所定のステムピン５の先端部分が溶接固定されている。これにより、各ダイノード板１１は、各ステムピン５と電気的に接続されている。

アノード１０は、光電面８から放出された光電子に由来する電子を検出する。ここで、光電面８から放出された光電子に由来する電子とは、当該光電子自体であってもよいし、当該光電子に基づいて二次的に発生した電子であってもよい。本実施形態では、アノード１０は、電子増倍部９によって増倍された二次電子（すなわち、光電面８から放出された光電子に基づいて二次的に発生した電子）を検出する。本実施形態では、アノード１０は、最終段のダイノード板１１ｂよりも１つ上の段に設けられており、最終段のダイノード板１１ｂから放出された二次電子を出力信号として取り出すための平板状の陽極部材として構成されている。

光電面８と電子増倍部９との間には、光電面８から放出された光電子を電子増倍部９に収束させて導くための平板状の収束電極１２が設置されている。収束電極１２には、ステムピン５が溶接固定されている（図示せず）。これにより、収束電極１２は、ステムピン５と電気的に接続されている。また、アノード１０には、ステムピン５の一つであるアノードピン５Ａが溶接固定されている。これにより、アノード１０は、アノードピン５Ａと電気的に接続されている。そして、電源回路（例えば、図９に示される回路基板４１）に接続されたステムピン５によって、光電面８と収束電極１２とが同電位となり、且つ各ダイノード板１１が上段から下段に向かうにつれて高電位となるように、電圧が印加される。また、アノード１０が最終段のダイノード板１１ｂよりも高電位となるように電圧が印加される。

ステム４は、ベース材１３と、ベース材１３の上側（内側）に接合された上側押え材１４と、ベース材１３の下側（外側）に接合された下側押え材１５とによって、３層構造に形成されている。ステム４の側面には、上述したリング状側管６が固定されている。本実施形態では、ベース材１３の側面とリング状側管６の内壁面とが接合されることにより、リング状側管６に対してステム４が固定されている。

真空容器７の外側において、電子管１Ａは、プリズム１６を備えている。プリズム１６は、光透過性基板３の内面３ａとは反対側の外面３ｂに接合されている。プリズム１６は、第１面１６ａと、第２面１６ｂと、第３面１６ｃと、を有する。第１面１６ａ、第２面１６ｂ、及び第３面１６ｃは、それぞれ矩形状に形成されている。第１面１６ａ、第２面１６ｂ、及び第３面１６ｃは、いずれも平坦面である。プリズム１６は、第１面１６ａ、第２面１６ｂ、及び第３面１６ｃを側面とする三角柱状に形成されている。具体的には、第２面１６ｂは、第１面１６ａの長手方向（Ｘ軸方向）における一端に接続されており、第３面１６ｃは、第１面１６ａの長手方向における他端に接続されている。第２面１６ｂの第１面１６ａに接続された側とは反対側の端部は、第３面１６ｃの第１面１６ａに接続された側とは反対側の端部に接続されている。本実施形態では、プリズム１６の底面（プリズム１６の短手方向（Ｙ軸方向）に垂直な面）は、第２面１６ｂと第３面１６ｃとが互いに直交する直角二等辺三角形状に形成されている。

第１面１６ａは、光透過性基板３の外面３ｂに接合されている。第２面１６ｂは、第１面１６ａに対して傾斜している。第２面１６ｂは、被検出光を入射させる光入射面である。第３面１６ｃは、第１面１６ａ及び第２面１６ｂに接続され、第１面１６ａ及び第２面１６ｂに対して傾斜している。第３面１６ｃは、プリズム１６及び光透過性基板３を介して光電面８に入射して光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射した光を更に反射させることにより、当該光を光電面８に再度入射させる反射部として機能する。プリズム１６の第１面１６ａと光透過性基板３の外面３ｂとは、例えば、プリズム１６の屈折率と光透過性基板３の屈折率との略中間の屈折率を有する光学接着剤によって互いに接着されている。

本実施形態では、第１面１６ａの長手方向における長さは、光透過性基板３の直径と一致している。具体的には、第１面１６ａに垂直な方向（Ｚ軸方向）から見て、第１面１６ａの長手方向における両端部の位置は、光透過性基板３の縁部の位置と一致している。第１面１６ａにおける第２面１６ｂと接続された端部が光透過性基板３の縁部よりも内側に位置していないことにより、電子管モジュール３０の筐体３１内に電子管１Ａを配置する際に、第２面１６ｂと筐体３１の天壁３２の内側面３２ｃとを当接させることが可能となっている（図２参照）。ただし、このように電子管１Ａを筐体３１内に配置する必要がない場合には、第１面１６ａにおける第２面１６ｂと接続された端部は、光透過性基板３の縁部よりも内側に位置してもよい。

プリズム１６の第３面１６ｃには、光の反射率を向上させるための反射膜１９が設けられている。反射膜１９は、例えば、アルミニウム、アルミニウム系合金、銀、銀系合金、金、誘電体多層膜等によって形成され得る。

図５を参照して、プリズム１６によって光電面８の量子効率が向上する原理について説明する。図５においては、上述した電子管１Ａの構成要素のうち、側管２の一部、光透過性基板３、光電面８、プリズム１６、及び天壁３２の一部が概略的に示されている。図５は、被検出光Ｌがプリズム１６の第２面１６ｂに向かう平行光である場合を示している。本実施形態では、被検出光Ｌの光軸は、第２面１６ｂに直交している。図５に示されるように、被検出光Ｌは、プリズム１６及び光透過性基板３を介して、光電面８に入射する。本実施形態では、電子管１Ａは、被検出光Ｌの光軸に対して、光電面８の真空空間Ｓ側の内面８ａと真空空間Ｓとの界面において被検出光Ｌが全反射するように（すなわち、後述する式（３）を満たすように）配置されている。この場合、被検出光Ｌは、光電面８の内面８ａと真空空間Ｓとの界面において全反射し、プリズム１６の第３面１６ｃへと向かう。当該被検出光Ｌは、反射膜１９が設けられたプリズム１６の第３面１６ｃにおいて反射させられることにより、再び光電面８へと向かう。

図６を参照して、被検出光Ｌが光電面８の内面８ａと真空空間Ｓとの界面において全反射するための条件について説明する。ここでは、プリズム１６の屈折率をｎ_１（＞１）、光透過性基板３の屈折率をｎ_２（＞１）、光電面８の屈折率をｎ_３（＞１）とする。真空空間Ｓの屈折率は１である。また、プリズム１６から光透過性基板３へと入射する被検出光Ｌの入射角をθ_１、光透過性基板３から光電面８へと入射する被検出光Ｌの入射角をθ_２、光電面８から真空空間Ｓへと入射する被検出光Ｌの入射角をθ_３とする。また、光電面８から真空空間Ｓへと入射する被検出光Ｌの臨界角（光電面８と真空空間Ｓとの界面で全反射が起こる最小の入射角）をθ_０とする。この場合、下記式（１）及び（２）が成立する。そして、被検出光Ｌが光電面８の内面８ａと真空空間Ｓとの界面において全反射するための条件は、下記式（３）により表される。従って、被検出光Ｌを光電面８の内面８ａと真空空間Ｓとの界面において全反射させるためには、電子管１Ａは、被検出光Ｌの光透過性基板３に対する入射角θ_１に基づいて定まるθ_３が下記式（３）を満たすように、被検出光Ｌの光軸に対して配置されればよい。
ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｎ_２ｓｉｎθ_２＝ｎ_３ｓｉｎθ_３ …（１）
ｎ_３ｓｉｎθ_０＝１ …（２）
θ_３≧θ_０ …（３）

図２に戻り、電子管モジュール３０における筐体３１と電子管１Ａとの位置関係について説明する。電子管１Ａは、プリズム１６の第２面１６ｂが天壁３２と平行となり、且つ、プリズム１６の第２面１６ｂの少なくとも一部が開口３２ａを介して外部に露出するように、筐体３１内に配置されている。プリズム１６の第２面１６ｂは、天壁３２の内側面３２ｃに当接している。これにより、第２面１６ｂと天壁３２（内側面３２ｃ）とが平行となるように、筐体３１内に電子管１Ａを容易且つ精度良く位置決めすることができる。

なお、仮に、中心軸線ＡＸ２に沿った方向から見て、第１面１６ａの端部（第２面１６ｂに接続される側の端部）が光透過性基板３の縁部よりも内側に位置する場合等には、光透過性基板３の縁部が天壁３２と干渉してしまうため、第２面１６ｂを天壁３２の内側面３２ｃとの間に隙間が生じることになる。このような場合には、天壁３２の内側面３２ｃと第２面１６ｂとの間に、当該隙間を埋めるためのスペーサ部材が配置されてもよい。或いは、当該隙間に対応する部分における天壁３２の厚みを他の部分における厚みよりも大きくすることよって、天壁３２の内側面３２ｃと第２面１６ｂとが当接させられてもよい。

本実施形態では、プリズム１６の第２面１６ｂは、天壁３２の内側面３２ｃに接合されている。第２面１６ｂと内側面３２ｃとは、例えば、接着剤によって接合され得る。接着剤として、例えば、シリコーン系接着剤等のガラス接着用接着剤が用いられてもよい。ここで、内側面３２ｃとガラス接着用接着剤とのなじみを良くするために、予め内側面３２ｃの材質に適したプライマーが内側面３２ｃに塗布されてもよい。この場合、内側面３２ｃに塗布されたプライマーが乾燥した後に、プライマーが塗布された内側面３２ｃと第２面１６ｂとがガラス接着用接着剤によって接合される。或いは、接着剤として、内側面３２ｃの材質となじみの良い接着剤が用いられてもよい。この場合、第２面１６ｂと当該接着剤とのなじみを良くするために、予め第２面１６ｂにガラス用のプライマーが塗布されてもよい。ただし、上述したようなプライマーを用いることは必須ではない。このように、天壁３２に対して電子管１Ａのプリズム１６が固定されることにより、天壁３２に対する電子管１Ａの位置ずれを好適に防止することができる。なお、第２面１６ｂのうち内側面３２ｃと当接する部分の全体が内側面３２ｃに接合されてもよいし、第２面１６ｂのうち内側面３２ｃと当接する部分の一部が内側面３２ｃに接合されてもよい。また、第２面１６ｂは、必ずしも天壁３２の内側面３２ｃに接合される必要はなく、電子管１Ａは、第２面１６ｂ以外の部分において、筐体３１に対して固定されてもよい。

以上述べた電子管モジュール３０によれば、プリズム１６の第２面１６ｂから入射してプリズム１６及び光透過性基板３を透過する被検出光を光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射させ、反射した光を更にプリズム１６の第３面１６ｃで反射させて光電面８に再度入射させることができる。これにより、光電面８における被検出光の吸収量を増大させることができる。また、被検出光Ｌを光電面８に対して傾斜させて入射させることにより、被検出光Ｌを光電面８に対して垂直に入射させる場合と比較して、光電面８内における被検出光Ｌの光路長を増加させることもできる。また、光電面８から真空空間Ｓへと入射する被検出光Ｌの入射角θ_３が臨界角θ_０より大きくなるように電子管モジュール３０を配置することにより、被検出光Ｌの一部が光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射されずに真空空間Ｓへと透過してしまうことによる透過ロスを低減できる。従って、電子管モジュール３０によれば、光電面８に吸収される被検出光Ｌの光量を多くすることができる。これにより、光電面８の量子効率を効果的に向上させることができる。

さらに、電子管モジュール３０では、筐体３１内に電子管１Ａを収容することにより、電子管１Ａを適切に保護することができる。また、プリズム１６の第２面１６ｂが天壁３２と平行となり、且つ、プリズム１６の第２面１６ｂの少なくとも一部が開口３２ａを介して外部に露出するように電子管１Ａが筐体３１に収容されることにより、電子管モジュール３０の配置が容易となる。具体的には、筐体３１の天壁３２（及び底壁３３）が被検出光の光軸に対して直交するように電子管モジュール３０の位置を調整することにより、電子管モジュール３０を容易且つ適切に配置することが可能となる。従って、電子管モジュール３０によれば、光透過性基板３にプリズム１６が設けられた電子管１Ａの配置作業の容易化を図ることができる。また、筐体３１の中心軸線ＡＸ１と被検出光の光軸とが平行となるため、電子管モジュール３０を含む光学系（後述する光学装置５０Ａ〜５０Ｃ等）において、電子管モジュール３０を自然な向きで収まりよく配置することができる。

また、プリズム１６は、第１面１６ａ、第２面１６ｂ、及び第３面１６ｃを側面とする三角柱状に形成されている。これにより、プリズム１６の形状を比較的単純化できると共に、光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射した光を第３面１６ｃで更に反射させて光電面８に再度入射させることができる。

また、プリズム１６の第３面１６ｃには、反射膜１９が設けられている。反射膜１９によれば、第３面１６ｃにおける光の透過ロス（第３面１６ｃから外部に透過してしまう成分）を低減させることができるため、光電面８の量子効率を効果的に向上させることができる。

また、電子管１Ａは、真空容器７内に設けられ、光電面８から放出された光電子を増倍する電子増倍部９を有する。これにより、被検出光Ｌが微弱光（例えば測定対象試料に励起光を照射することで二次的に発生する蛍光及びラマン散乱光等）である場合であっても、アノード１０において被検出光Ｌに応じた電子を好適に検出することができる。

［電子管の変形例］
図７を参照して、変形例に係る電子管１Ｂについて説明する。電子管１Ｂは、光電面８から放出された光電子を増倍するための構造（すなわち、真空容器内の構造）に関して、電子管１Ａと異なる構成を有する。電子管１Ｂが備える構成のうち、光透過性基板３、光電面８、プリズム１６、及び反射膜１９の構成は、電子管１Ａと同様である。電子管１Ｂは、光の入射に応じて光電面８より放出された光電子を加速し、半導体素子中で高いゲインを得ることで微弱光の検出を可能とする、いわゆる、電子打ち込み増倍型光センサ（ＨＰＤ：Hybrid Photo-Detector）である。

図７に示されるように、電子管１Ｂは、内部が真空に保持された真空容器２０を有する。本実施形態では一例として、真空容器２０は、光透過性基板３と、筒状のカソード電極２１と、セラミック等の絶縁性材料からなる円筒状の側板２２と、側板２２を４分割することで形成された第１側板２２ａと第２側板２２ｂとの間で挟むようにして固定されたリング状の中間電極２３ａと、第２側板２２ｂと第３側板２２ｃとの間で挟むように固定されたリング状の中間電極２３ｂと、第３側板２２ｃと第４側板２２ｄとの間で挟むように固定されたリング状の中間電極２３ｃと、金属フランジ２４と、金属フランジ２４に気密に接続された円板状のステム２５とから構成されている。光透過性基板３、カソード電極２１、側板２２、中間電極２３、金属フランジ２４、及びステム２５は、互いに同心状に積層配置されている。

側板２２は、カソード電極２１と金属フランジ２４との間に設けられている。側板２２の一端は、カソード電極２１の端面にろう付け等で気密に接合されている。側板２２の他端は、ステム２５の外周に設けられた金属フランジ２４にろう付け等で気密に接合されている。また、中間電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、真空容器２０の中心軸線ＡＸを中心とする開口部を有するリング状をなし、側板２２の内壁に沿って所定の間隔を空けて、光電面８と電気的に独立して配置されている。ここで、カソード電極２１、側板２２及び金属フランジ２４の筒状部の外径は略同一であり、カソード電極２１の内径は側板２２の内径より小さい。従って、中心軸線ＡＸに沿ってカソード電極２１の一端から他端に亘って、カソード電極２１の内壁面は側板２２の内壁面より内側に位置する。これに対し、中間電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃの開口部の内径は、電子軌道に干渉しない範囲内、すなわち、光電面８の径に比較して極端に小さくならない範囲で極力小さくされ、中間電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、筒状の側板２２の内壁面からカソード電極２１よりも更に内方に突出している。これにより、光電面８より放出した電子の軌道を制御する際の迷走電子による側板２２の帯電、及び当該帯電に起因する電子軌道への影響をなくすことができる。中間電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃは、側板２２に挟んだ状態でろう付け等により固定されることにより、側板２２との一体化が図られている。

また、真空容器２０の金属フランジ２４の中心軸線ＡＸ側には、リング状の立ち上がり電極２６が固定されている。この立ち上がり電極２６は、金属フランジ２４と同心状に配置され、中間電極２３ａ，２３ｂ，２３ｃに比して径の小さい開口を有する。当該開口は、光透過性基板３に向けて側板２２の内壁に沿って延びる略円柱形状の先端部２６ａを形成している。

ステム２５における真空空間Ｓ側の面上には、光電面８に対向するようにＡＰＤ（アバランシェ・フォト・ダイオード）を含む半導体素子２７（電子検出部）が固定されている。ＡＰＤは、濃度の高いＰ領域とＮ領域とを接合し、そこでアバランシェ増幅に十分な高い電界を形成する半導体素子である。光電面８から放出された光電子が半導体素子２７の表面である電子入射面に照射されると、半導体素子２７は、当該光電子を増倍して電気信号に変換し、ステム２５を貫通して設けられたピン２８を介して外部に出力する。

以上述べたように、電子管１Ｂでは、光電子を増倍する機能を有する半導体素子２７が、電子検出部として機能する。上記構成によれば、被検出光が微弱光である場合であっても、半導体素子２７において被検出光に応じた電子を好適に検出することができる。また、電子管１Ｂでは、電子検出部として機能する半導体素子２７が電子増倍機能を有するため、第１実施形態の電子管１Ａにおける電子増倍部９を設ける必要がない。なお、電子管１Ｂの具体的な構造は、上記例に限られない。例えば、中間電極２３の一部が省略されてもよいし、立ち上がり電極２６が省略されてもよい。なお、電子管モジュール３０に収容される電子管は、必ずしも上述したような電子増倍機能（電子増倍部９又は半導体素子２７）を備える必要はない。電子管モジュール３０に収容される電子管は、例えば、真空容器内において、光電面８と、光電面８から放出された光電子を直接検出するアノードとを有する光電管（光電変換管）であってもよい。

［光学装置］
次に、図８〜図１０を参照して、上述した電子管モジュール３０を備える光学装置５０Ａ〜５０Ｃについて説明する。

［光学装置の第１の例］
図８に示されるように、第１の例に係る光学装置５０Ａは、試料台５１に載置された試料１００に励起光Ｌｅを照射し、対物レンズ５６の焦点位置Ｐ０において試料１００から生じた微弱な蛍光Ｌｆを検出する二光子レーザ顕微鏡（二光子励起顕微鏡、二光子顕微鏡）である。

光学装置５０Ａは、試料台５１と、レーザ出力部５２（光源）と、集光レンズ５３と、コリメートレンズ５４と、ダイクロイックミラー５５と、対物レンズ５６と、集光レンズ５７と、コリメートレンズ５８と、蛍光Ｌｆを検出するための電子管モジュール３０と、を備える。

試料台５１は、測定対象の試料１００が載置される部分である。試料台５１は、例えば可動式のステージである。試料１００は、例えば生体試料であり、励起光Ｌｅが照射されることによって蛍光Ｌｆを発する。レーザ出力部５２は、測定対象の試料１００に照射される励起光Ｌｅ（光）を出力する光源である。レーザ出力部５２により出力される励起光Ｌｅは、近赤外超短パルスレーザ光である。本実施形態では一例として、レーザ出力部５２により出力される励起光Ｌｅは平行光である。集光レンズ５３は、レーザ出力部５２から出力される励起光Ｌｅの光路上に配置され、励起光Ｌｅを集光することにより、励起光Ｌｅを点光源に変換する。コリメートレンズ５４は、集光レンズ５３よりも後段に配置され、励起光Ｌｅを平行化（コリメート）する。ダイクロイックミラー５５は、励起光Ｌｅを反射する一方で蛍光Ｌｆを透過するように構成されたミラー部材であり、コリメートレンズ５４の後段に配置されている。コリメートレンズ５４によって平行光とされた励起光Ｌｅは、ダイクロイックミラー５５において反射し、対物レンズ５６を通過して試料１００に達する。これにより、対物レンズ５６の焦点位置Ｐ０のみにおいて二光子励起が生じ、当該焦点位置Ｐ０において試料１００から蛍光Ｌｆが生じる。

試料１００において生じた蛍光Ｌｆは、励起光Ｌｅとは逆の経路を辿って対物レンズ５６を通過し、ダイクロイックミラー５５を透過する。その後、蛍光Ｌｆは、集光レンズ５７によって集光される。集光レンズ５７によって集光された蛍光Ｌｆは、集光レンズ５７の集光点よりも後方に配置されたコリメートレンズ５８によって平行化される。図８に示されるように、電子管モジュール３０は、試料１００において生じた蛍光Ｌｆの光軸ＯＡがプリズム１６の第２面１６ｂに直交するように、コリメートレンズ５８の後段に配置されている。また、蛍光Ｌｆは、天壁３２の開口３２ａに収まるように、コリメートレンズ５８によって平行化される。このように平行化された蛍光Ｌｆは、開口３２ａを介してプリズム１６の第２面１６ｂに入射し、電子管モジュール３０によって検出される。

以上述べた光学装置５０Ａは、被検出光（ここでは蛍光Ｌｆ）を検出する検出部として電子管モジュール３０を備えることにより、上述した電子管モジュール３０と同様の効果を奏する。すなわち、プリズム１６を利用することにより、電子管１Ａにおける光電面８の量子効率を効果的に向上させることができる。その結果、電子管１Ａのアノード１０において、蛍光Ｌｆに応じた電子を好適に検出することができる。また、図８に示されるように、電子管１Ａが筐体３１に収容されていることにより、光学装置５０Ａにおいて、筐体３１の中心軸線ＡＸ１（図２参照）と被検出光（蛍光Ｌｆ）の光軸ＯＡとが平行となるように電子管モジュール３０を収まりよく配置することができる。

また、光学装置５０Ａにおいて、電子管１Ａは、プリズム１６及び光透過性基板３を介して光電面８に入射した蛍光Ｌｆ（被検出光）が光電面８と真空空間Ｓとの界面において全反射するように構成されてもよい。具体的には、図５における被検出光Ｌとしての蛍光Ｌｆに対して上記式（３）が成立するように、光学装置５０Ａにおいて、電子管１Ａが構成及び配置されてもよい。この場合、光電面８と真空空間Ｓとの界面で全反射した後に再度光電面８に戻る蛍光Ｌｆによって光電面８における蛍光Ｌｆの吸収量を増大させることができ、光電面８の量子効率を効果的に向上させることができる。

［光学装置の第２の例］
図９に示されるように、第２の例に係る光学装置５０Ｂは、試料台５１に載置された試料１００に励起光Ｌｅを照射し、対物レンズ５６の焦点位置Ｐ０において試料１００から生じた微弱な蛍光Ｌｆ１を検出する共焦点レーザ顕微鏡である。光学装置５０Ｂは、レーザ照射部５２Ａの代わりにレーザ照射部５２Ｂを備え、ピンホール５９を更に備える点で、光学装置５０Ａと相違しており、その他の構成については光学装置５０Ａと同様である。

具体的には、レーザ照射部５２Ａにより出力される励起光Ｌｅは、可視紫外光レーザである。この場合、試料１００に励起光Ｌｅが照射されることにより、対物レンズ５６の焦点位置Ｐ０以外の領域を含む照射領域から蛍光が生じる。図９において、蛍光Ｌｆ１は、焦点位置Ｐ０において生じた蛍光を示しており、蛍光Ｌｆ２は、焦点位置Ｐ０以外の位置（ここでは一例として試料１００と試料台５１との接触位置付近）において生じた蛍光を示している。このように、光学装置５０Ｂでは、焦点位置Ｐ０以外の領域においても蛍光Ｌｆ２が生じることから、焦点位置Ｐ０からの蛍光Ｌｆ１のみを通過させるためのピンホール５９が、集光レンズ５７の後段に設けられている。これにより、蛍光Ｌｆ１のみが、ピンホール５９を通過し、コリメートレンズ５８を介して電子管モジュール３０の入射面（プリズム１６の第２面１６ｂ）へと導かれる。すなわち、ピンホール５９は、焦点位置Ｐ０以外の領域において生じた蛍光Ｌｆ２を遮蔽する。以上述べた光学装置５０Ｂにおいても、上述した光学装置５０Ａと同様の効果が奏される。

［光学装置の第３の例］
図１０に示されるように、第３の例に係る光学装置５０Ｃは、フローサイトメトリーを行う装置（フローサイトメーター）である。光学装置５０Ｃは、レーザ照射部５２Ｃと、フローセルＦＣと、コリメートレンズ６０と、複数（ここでは一例として３つ）のダイクロイックミラー６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃと、複数の集光レンズ６２Ａ，６２Ｂ，６２Ｃと、複数のコリメートレンズ６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃと、複数の電子管モジュール３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃと、を備える。

フローセルＦＣは、測定対象となる複数の細胞等の試料１００を含む試料溶液を流通させる装置である。フローセルＦＣは、試料溶液中の試料１００が１つずつ順番に流れるように整列させる機能を有する。レーザ照射部５２Ｃは、フローセルＦＣにおける所定の照射位置に対して励起光Ｌｅ（ここでは一例として、４８８ｎｍアルゴンレーザ）を照射するように構成されている。これにより、フローセルＦＣ内を流通して照射位置を通過する各試料１００に対して順次励起光Ｌｅが照射される。このように試料１００に対して励起光Ｌｅが照射されることにより、試料１００において蛍光Ｌｆが発生する。

コリメートレンズ６０は、試料１００において発生した蛍光Ｌｆを平行化する。コリメートレンズ６０の後段には、ダイクロイックミラー６１Ａ，６１Ｂ，６１Ｃがこの順に配置されている。ここでは一例として、１段目のダイクロイックミラー６１Ａは、赤色光Ｌｒを反射し、赤色光Ｌｒよりも短波長の光を透過するように構成されている。ダイクロイックミラー６１Ａの後段に配置された２段目のダイクロイックミラー６１Ｂは、ダイクロイックミラー６１Ａを透過した光のうち黄色光Ｌｙを反射し、黄色光Ｌｙよりも短波長の光を透過するように構成されている。ダイクロイックミラー６１Ｂの後段に配置された３段目のダイクロイックミラー６１Ｃは、ダイクロイックミラー６１Ｂを透過した光のうち緑色光Ｌｇを反射し、緑色光Ｌｇよりも短波長の光を透過するように構成されている。

ダイクロイックミラー６１Ａにより反射された赤色光Ｌｒの光路上には、集光レンズ６２Ａ、コリメートレンズ６３Ａ、及び電子管モジュール３０Ａが配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー６１Ａ、集光レンズ６２Ａ、コリメートレンズ６３Ａ、及び電子管モジュール３０Ａは、蛍光Ｌｆに含まれる赤色光Ｌｒを検出する光学系を構成している。電子管モジュール３０Ａは、ダイクロイックミラー６１Ａにより反射された赤色光Ｌｒの光軸ＯＡ１がプリズム１６の第２面１６ｂに直交するように、コリメートレンズ６３Ａの後段に配置されている。赤色光Ｌｒは、集光レンズ６２Ａ及びコリメートレンズ６３Ａによって、天壁３２の開口３２ａに収まるように平行化される。このように平行化された赤色光Ｌｒは、開口３２ａを介してプリズム１６の第２面１６ｂに入射し、電子管モジュール３０Ａによって検出される。

ダイクロイックミラー６１Ｂにより反射された黄色光Ｌｙの光路上には、集光レンズ６２Ｂ、コリメートレンズ６３Ｂ、及び電子管モジュール３０Ｂが配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー６１Ｂ、集光レンズ６２Ｂ、コリメートレンズ６３Ｂ、及び電子管モジュール３０Ｂは、蛍光Ｌｆに含まれる黄色光Ｌｙを検出する光学系を構成している。電子管モジュール３０Ｂは、ダイクロイックミラー６１Ｂにより反射された黄色光Ｌｙの光軸ＯＡ２がプリズム１６の第２面１６ｂに直交するように、コリメートレンズ６３Ｂの後段に配置されている。黄色光Ｌｙは、集光レンズ６２Ｂ及びコリメートレンズ６３Ｂによって、天壁３２の開口３２ａに収まるように平行化される。このように平行化された黄色光Ｌｙは、開口３２ａを介してプリズム１６の第２面１６ｂに入射し、電子管モジュール３０Ｂによって検出される。

ダイクロイックミラー６１Ｃにより反射された緑色光Ｌｇの光路上には、集光レンズ６２Ｃ、コリメートレンズ６３Ｃ、及び電子管モジュール３０Ｃが配置されている。すなわち、ダイクロイックミラー６１Ｃ、集光レンズ６２Ｃ、コリメートレンズ６３Ｃ、及び電子管モジュール３０Ｃは、蛍光Ｌｆに含まれる緑色光Ｌｇを検出する光学系を構成している。電子管モジュール３０Ｃは、ダイクロイックミラー６１Ｃにより反射された緑色光Ｌｇの光軸ＯＡ３がプリズム１６の第２面１６ｂに直交するように、コリメートレンズ６３Ｃの後段に配置されている。緑色光Ｌｇは、集光レンズ６２Ｃ及びコリメートレンズ６３Ｃによって、天壁３２の開口３２ａに収まるように平行化される。このように平行化された緑色光Ｌｇは、開口３２ａを介してプリズム１６の第２面１６ｂに入射し、電子管モジュール３０Ｃによって検出される。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。例えば、電子管モジュール３０は、本開示で例示された光学装置５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ以外の光学装置に組み込まれてもよい。すなわち、電子管モジュール３０は、二光子レーザ顕微鏡、共焦点レーザ顕微鏡、及びフローサイトメーター以外の用途に利用されてもよい。また、電子管に含まれるプリズムは、三角柱状のプリズム１６に限られず、四角柱状等の他の形状を有するものであってもよい。すなわち、電子管に含まれるプリズムは、光電面８と真空空間Ｓとの界面で反射した光を更に反射させることにより、当該光を光電面８に再度入射させることが可能なように構成されていればよく、特定の形状を有するものに限定されない。

１Ａ，１Ｂ…電子管、３…光透過性基板、３ａ…内面、３ｂ…外面、７，２０…真空容器、８…光電面、９…電子増倍部、１０…アノード（電子検出部）、１６…プリズム、１６ａ…第１面、１６ｂ…第２面、１６ｃ…第３面（反射部）、１９…反射膜、２７…半導体素子（電子検出部）、３０…電子管モジュール、３１…筐体、３２…天壁（壁部）、３２ａ…開口、３２ｂ…外側面、３２ｃ…内側面、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…光学装置、５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃ…レーザ照射部（光源）、１００…試料、Ｌ…被検出光、Ｌｅ…励起光（光）、Ｌｆ…蛍光（被検出光）、Ｌｒ…赤色光（被検出光）、Ｌｙ…黄色光（被検出光）、Ｌｇ…緑色光（被検出光）、Ｓ…真空空間。

Claims (9)

1. 電子管と、
   前記電子管を収容する筐体と、を備え、
   前記電子管は、
   光透過性基板を有し、真空空間を構成する真空容器と、
   前記光透過性基板の前記真空空間側の面である内面に設けられ、前記光透過性基板を介して入射した光に応じて前記真空空間中に光電子を放出する光電面と、
   前記真空容器内に設けられ、前記光電子に由来する電子を検出する電子検出部と、
   前記光透過性基板の前記内面とは反対側の外面に接合されたプリズムと、を有し、
   前記プリズムは、前記光透過性基板の前記外面に接合された第１面と、前記第１面に対して傾斜する光入射面である第２面と、前記プリズム及び前記光透過性基板を介して前記光電面に入射して前記光電面と前記真空空間との界面で反射した光を更に反射させることにより、当該光を前記光電面に再度入射させる反射部と、を有し、
   前記筐体は、開口が形成された壁部を有し、
   前記プリズムの前記第２面は、前記壁部と平行であり、
   前記プリズムの前記第２面の少なくとも一部は、前記開口を介して外部に露出している、電子管モジュール。
2. 前記プリズムの前記第２面は、前記壁部の内側面に当接している、請求項１に記載の電子管モジュール。
3. 前記プリズムの前記第２面は、前記壁部の内側面に接合されている、請求項２に記載の電子管モジュール。
4. 前記反射部は、前記第１面及び前記第２面に接続され、前記第１面及び前記第２面に対して傾斜する第３面によって構成されており、
   前記プリズムは、前記第１面、前記第２面、及び前記第３面を側面とする三角柱状に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子管モジュール。
5. 前記第３面には、反射膜が設けられている、請求項４に記載の電子管モジュール。
6. 前記電子管は、前記真空容器内に設けられ、前記光電子を増倍する電子増倍部を更に有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子管モジュール。
7. 前記電子検出部は、前記光電子を増倍する半導体素子である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子管モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子管モジュールと、
   測定対象の試料に照射される光を出力する光源と、を備え、
   前記電子管モジュールは、前記光が前記試料に照射されることにより前記試料において発生した被検出光が前記壁部の前記開口を介して前記プリズムの前記第２面に入射するように配置されている、光学装置。
9. 前記電子管モジュールは、前記プリズム及び前記光透過性基板を介して前記光電面に入射した前記被検出光が前記光電面と前記真空空間との界面において全反射するように構成されている、請求項８に記載の光学装置。

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