JP2908742B2 - Photometric device - Google Patents

Photometric device

Info

Publication number
JP2908742B2
JP2908742B2 JP33048295A JP33048295A JP2908742B2 JP 2908742 B2 JP2908742 B2 JP 2908742B2 JP 33048295 A JP33048295 A JP 33048295A JP 33048295 A JP33048295 A JP 33048295A JP 2908742 B2 JP2908742 B2 JP 2908742B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
distribution
photoelectron
incident
photoelectrons
measured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP33048295A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH09170950A (en
Inventor
尚宜 高本
慎二 大須賀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BUNSHI BAIO HOTONIKUSU KENKYUSHO KK
Original Assignee
BUNSHI BAIO HOTONIKUSU KENKYUSHO KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BUNSHI BAIO HOTONIKUSU KENKYUSHO KK filed Critical BUNSHI BAIO HOTONIKUSU KENKYUSHO KK
Priority to JP33048295A priority Critical patent/JP2908742B2/en
Priority to US08/767,933 priority patent/US5694211A/en
Priority to DE19653204A priority patent/DE19653204A1/en
Priority to GB9626388A priority patent/GB2308442B/en
Publication of JPH09170950A publication Critical patent/JPH09170950A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP2908742B2 publication Critical patent/JP2908742B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光束の光子数を計
数する測光装置に関するものであり、例えば生化学等の
分野においてパルス光源で励起された試料から発生する
蛍光を光子計数してその試料中の蛍光分子数を定量測定
するために利用されるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photometric device for counting the number of photons in a light beam. For example, in the field of biochemistry, etc., the fluorescence generated from a sample excited by a pulsed light source is counted by photon counting to obtain the sample. It is used to quantitatively measure the number of fluorescent molecules in the sample.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、試料中の蛍光物質(或いは、蛍光
分子)を定量測定するために、その試料に励起光を照射
し、蛍光物質から発生する蛍光の強度を測定している。
このような測定に用いられる装置として、蛍光光度計が
ある。この蛍光光度計には、光源として例えばキセノン
ランプが用いられ、また、蛍光検出器として光電子増倍
管が用いられる。一般には、キセノンランプは、パルス
点灯ではなく連続点灯され、また、光電子増倍管は、蛍
光物質で発生した蛍光を受光して、その蛍光強度に応じ
た出力電流を連続的に出力する。このようにして、蛍光
強度が測定され、光電子増倍管の出力値に基づいて蛍光
物質が定量される。
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to quantitatively measure a fluorescent substance (or a fluorescent molecule) in a sample, the sample is irradiated with excitation light and the intensity of fluorescence generated from the fluorescent substance is measured.
As a device used for such a measurement, there is a fluorometer. In this fluorometer, for example, a xenon lamp is used as a light source, and a photomultiplier tube is used as a fluorescence detector. Generally, a xenon lamp is lit continuously instead of pulsed, and a photomultiplier tube receives fluorescence generated by a fluorescent substance and continuously outputs an output current according to the intensity of the fluorescent light. In this way, the fluorescence intensity is measured, and the fluorescent substance is quantified based on the output value of the photomultiplier tube.

【0003】しかし、試料中の蛍光物質の量が微量であ
り蛍光強度が検出限界以下である場合には、蛍光光度計
を用いることができない。そこで、このような場合に
は、励起光源としてレーザ光源が用いられる。この場合
も同様にレーザ光で励起された試料中の蛍光物質から発
生した蛍光の強度が光電子増倍管で測定され、光電子増
倍管の出力値に基づいて蛍光物質が定量される。
[0003] However, when the amount of the fluorescent substance in the sample is very small and the fluorescence intensity is below the detection limit, the fluorometer cannot be used. Therefore, in such a case, a laser light source is used as the excitation light source. In this case, similarly, the intensity of the fluorescence generated from the fluorescent substance in the sample excited by the laser light is measured by the photomultiplier, and the fluorescent substance is quantified based on the output value of the photomultiplier.

【0004】レーザ光源から出力されたパルスレーザ光
で試料中の蛍光物質を励起し、蛍光強度測定結果すなわ
ち光電子増倍管からの出力値から試料中の蛍光物質を定
量する方法として、光電子増倍管からの出力パルスの計
数値を利用するいわゆる光子計数法によるものと、光電
子増倍管からの出力パルスの波高値を利用する方法とが
ある。更に、光子計数法による定量法には、計数値に比
例した蛍光物質があるものと推定する方法と、1パルス
のレーザ光の試料照射につき光電子増倍管の光電変換面
から放出される光電子の個数が0個である確率p(0) か
ら蛍光物質の量を推定する方法とがある。
A method for exciting a fluorescent substance in a sample with a pulsed laser beam output from a laser light source and quantifying the fluorescent substance in the sample from the result of fluorescence intensity measurement, that is, the output value from a photomultiplier tube, is a photomultiplier. There is a so-called photon counting method using the count value of the output pulse from the tube, and a method using the peak value of the output pulse from the photomultiplier tube. Furthermore, in the quantitative method by the photon counting method, there is a method of estimating that there is a fluorescent substance in proportion to the counted value, and a method of estimating a photoelectron emitted from a photoelectric conversion surface of a photomultiplier tube per sample irradiation of one pulse of laser light. There is a method of estimating the amount of the fluorescent substance from the probability p (0) that the number is 0.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光子計
数法による定量方法で計数値に比例した量の蛍光物質が
あると推定すると以下のような問題がある。1パルスの
レーザ光の試料照射につき光電子増倍管の光電変換面か
ら放出される光電子の個数は、入射光量に応じた光電子
数分布に従う。この光電子数分布に従って放出される光
電子の個数が1個である確率をp(1) とし、また、その
個数が2個以上である確率をp(x≧2)とする。また、光
電変換面における光電子数分布がポアソン分布に従うも
のとする。この時、例えば、1パルスのパルスレーザ光
によって励起された蛍光物質から発生した蛍光を光電子
増倍管が受光して光電変換面から放出される光電子の個
数の平均値λが 0.1を越えると、p(x≧2)/p(1) は5
%以上になる。この比が大きい程、光電子増倍管に入射
した蛍光の光量と光電子増倍管からの出力パルスの計数
値とは比例関係から大きく外れるので、光電子増倍管か
らの出力パルスの計数値から蛍光物質を定量すると誤差
が大きくなる。
However, when it is estimated that there is a fluorescent substance in an amount proportional to the count value in the conventional quantification method based on the photon counting method, the following problem occurs. The number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface of the photomultiplier tube per sample irradiation of one pulse of laser light follows a photoelectron number distribution according to the amount of incident light. The probability that the number of photoelectrons emitted according to this photoelectron number distribution is 1 is p (1), and the probability that the number is 2 or more is p (x ≧ 2). It is assumed that the photoelectron number distribution on the photoelectric conversion surface follows the Poisson distribution. At this time, for example, if the average value λ of the number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface when the photomultiplier tube receives the fluorescence generated from the fluorescent material excited by the pulse laser light of one pulse exceeds 0.1, p (x ≧ 2) / p (1) is 5
% Or more. The larger the ratio, the greater the amount of fluorescence incident on the photomultiplier and the count of output pulses from the photomultiplier deviate from the proportional relationship. The error increases when the substance is determined.

【0006】また、ゼロ確率を利用する定量方法では以
下のような問題がある。この定量方法では、光電変換面
における光電子数分布がポアソン分布に従うものとし
て、光電子数の平均値λを λ=−log(p(0) ) … (1) なる式で推定し、これに比例するものとして蛍光物質を
定量する。ここで、パルスレーザ光による励起回数をN
とし、光電子増倍管からの出力パルスの計数値をnとす
ると、 p(0) =1−p(x≧1)=1−n/N … (2) であるので、(1)式は、 λ=−log(1−n/N) … (3) となる。上式でλ値を推定する場合であっても、λ値が
大きくなると(例えば、λ>1.5 )、すなわち、nがN
に近付くと、λ値の推定誤差は大きくなる。
[0006] The quantitative method using the zero probability has the following problems. In this quantitative method, assuming that the photoelectron number distribution on the photoelectric conversion surface follows the Poisson distribution, the average value λ of the photoelectron number is estimated by the following equation: λ = −log (p (0)) (1) and is proportional to this. Quantitatively determine the fluorescent substance. Here, the number of times of excitation by the pulse laser light is N
Assuming that the count value of the output pulse from the photomultiplier tube is n, p (0) = 1−p (x ≧ 1) = 1−n / N (2) , Λ = −log (1-n / N) (3) Even when the λ value is estimated by the above equation, when the λ value increases (for example, λ> 1.5), that is, when n is N
, The estimation error of the λ value increases.

【0007】また、光電子増倍管からの出力パルスの波
高値を利用する従来方法では以下のような問題点があ
る。この方法では、1回のパルス励起当たり光電変換面
から放出される平均光電子数が、出力パルスの波高値の
平均値<h>に比例するとして、蛍光物質を定量する。
ここで、<h>は、
In addition, the conventional method using the peak value of the output pulse from the photomultiplier tube has the following problems. In this method, the fluorescent substance is quantified on the assumption that the average number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface per pulse excitation is proportional to the average value <h> of the peak value of the output pulse.
Where <h> is

【0008】[0008]

【数4】 (Equation 4)

【0009】なる式で与えられ、Nは励起回数であり、
n(h) は波高値がhである光電子増倍管の出力パルスの
計数値であり、hmax は、波高値をデジタル値に変換す
るAD変換器のビット数で決まる最大波高値であり、h
min は、平均波高値の計算に使用する最小の波高値であ
る。hmin =0であることが望ましいが、光電子増倍管
からの出力パルスに重畳する増幅器系のノイズの為に、
min =0とすることはできない。それ故、(4)式で
計算した平均波高値は真の値とは異なるものとなる。ま
た、平均光電子数が大きくなると、hmax よりも大きな
波高値のパルスが出力される頻度が増えてくるが、この
ような波高値のパルスは計数されないので、(4)式で
平均波高値を計算して蛍光物質を定量すると過小評価す
ることになる。
Where N is the number of excitations,
n (h) is the count value of the output pulse of the photomultiplier tube whose peak value is h, and h max is the maximum peak value determined by the number of bits of the AD converter that converts the peak value into a digital value; h
min is the minimum peak value used for calculating the average peak value. h min = 0 is desirable, but due to the noise of the amplifier system superimposed on the output pulse from the photomultiplier tube,
h min = 0 cannot be set. Therefore, the average peak value calculated by equation (4) is different from the true value. Further, when the average number of photoelectrons increases, the frequency of outputting a pulse having a peak value larger than h max increases. However, since the pulse having such a peak value is not counted, the average peak value is calculated by Expression (4). Calculating and quantifying the fluorescent substance will underestimate.

【0010】このような問題点を解決する為に、アバラ
ンシェフォトダイオード(以下、APD)を利用した光
検出器(参考文献: Shawn J. Fagen, "Vacuum avalanc
he photodiodes can count single photons", Laser Fo
cus World, Nov. (1993) pp.125-132 )が提案されてい
る。このAPDを利用した光検出器は、光電子増倍管と
比較して、低雑音、高感度であり、単一光子をも計数す
ることができる。更に、一定光量の光束を多数回測定し
て得られる電流信号の波高分布において、k-光電子事象
すなわち光電変換面に光束が入射して放出される光電子
の個数がk個である事象(k=1,2,3,…)それぞれに対応
するピークを識別することができるという優れた特徴を
有する。このような特徴を有することから、光電変換面
で放出された光電子の数すなわち被測定光束の光量を精
度良く測定することができるものとして期待されてい
る。
In order to solve such a problem, a photodetector using an avalanche photodiode (hereinafter, APD) (reference: Shawn J. Fagen, "Vacuum avalanc")
he photodiodes can count single photons ", Laser Fo
cus World, Nov. (1993) pp.125-132). A photodetector using this APD has lower noise and higher sensitivity than a photomultiplier tube, and can count even a single photon. Furthermore, in a peak distribution of a current signal obtained by measuring a light beam of a constant light amount many times, a k-photoelectron event, that is, an event in which the number of photoelectrons emitted by the light beam incident on the photoelectric conversion surface is k (k = 1, 2, 3,...) Has an excellent feature that peaks corresponding to each of them can be identified. Because of these features, it is expected that the number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface, that is, the quantity of the measured light beam can be accurately measured.

【0011】しかし、このAPDを利用した光検出器で
あっても、光電変換面で発生する光電子の個数が数個程
度(5ないし8程度以下)である場合には、光電子数を
精度良く測定できるが、光電子の個数が多い場合には、
光電子数を精度良く測定することができない。
However, even in the photodetector using the APD, when the number of photoelectrons generated on the photoelectric conversion surface is about several (about 5 to 8 or less), the number of photoelectrons can be measured accurately. Yes, but if the number of photoelectrons is large,
The number of photoelectrons cannot be measured accurately.

【0012】例えば、分光器によるスペクトル測定に関
して、中心波長の周辺の多数の波長に強度ピークが現れ
る場合がある。このとき、最も大きいピーク強度に対し
て光子計数法による測定が理想的に行なえるように被測
定光束の全波長帯域の光量を調整する。しかし、波長そ
れぞれにおけるピーク強度の差が大きい場合、最大ピー
ク強度については精度良く測定することができても、小
さいピーク強度の測定に際しては量子ノイズが大きくな
って測定精度が悪くなる。一方、小さいピーク強度を精
度よく測定しようとすると、被測定光束全体の光量を大
きくする必要があり、今度は大きなピーク強度の測定精
度が悪くなる。
For example, regarding spectrum measurement by a spectroscope, an intensity peak may appear at many wavelengths around a center wavelength. At this time, the amount of light in the entire wavelength band of the measured light beam is adjusted so that measurement by the photon counting method can be ideally performed for the largest peak intensity. However, when the difference between the peak intensities at the respective wavelengths is large, even if the maximum peak intensity can be measured with high accuracy, the quantum noise increases when the small peak intensity is measured, resulting in poor measurement accuracy. On the other hand, in order to measure a small peak intensity with high accuracy, it is necessary to increase the light amount of the whole light beam to be measured, and this time, the measurement accuracy of the large peak intensity deteriorates.

【0013】本発明は、上記問題点を解消する為になさ
れたものであり、被測定光束が光検出器の光電変換面に
入射して放出される光電子数が大きい場合であっても、
或いは、被測定光束のスペクトル測定に際してピーク強
度差が大きい場合であっても、その被測定光束の光量あ
るいはスペクトルを精度よく測定することができる測光
装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problem, and is intended to solve the above problem even when the light beam to be measured is incident on the photoelectric conversion surface of the photodetector and the number of photoelectrons emitted is large.
Alternatively, it is an object of the present invention to provide a photometric device capable of accurately measuring the light amount or spectrum of a measured light beam even when the peak intensity difference is large when measuring the spectrum of the measured light beam.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明に係る測光装置
は、(1) 被測定光束の光量に応じた分布に従った個数の
光電子を放出する光電変換面と、それぞれ光電子数分布
に従った個数の光電子を入射し増倍して電流信号を出力
する2以上の所定数の増倍部と、被測定光束を透過させ
る入射窓を有し光電変換面および所定数の増倍部を内部
に含む真空容器と、を備える光検出器と、(2) 所定数の
増倍部それぞれから出力された電流信号それぞれを所定
時間積分して電圧信号に変換する積分手段と、(3) 電圧
信号に応じたデジタル値に変換するAD変換手段と、
(4) 所定数の増倍部のそれぞれ及びデジタル値に対応す
る番地に所定値を累積加算して、所定数の増倍部それぞ
れについて電圧信号の波高分布を生成する波高分布生成
手段と、(5) 所定数の増倍部それぞれに入射する光電子
が1個の場合に波高分布生成手段で生成される波高分布
を単一光電子事象波高分布として獲得する単一光電子事
象波高分布生成手段と、(6) 所定数の増倍部それぞれに
入射する光電子の個数kが2以上かつ一定数以下のそれ
ぞれの場合におけるk-光電子事象波高分布を、単一光電
子事象波高分布に基づいて漸化的にコンボリューション
計算によって算出するk-光電子事象波高分布生成手段
と、(7) 被測定光束が光電変換面に入射して放出された
光電子が所定数の増倍部の何れかに入射して波高分布生
成手段で生成された波高分布と、単一光電子事象波高分
布と、光電子の個数kそれぞれの場合におけるk-光電子
事象波高分布とに基づいて、被測定光束が光電変換面に
入射した場合の所定数の増倍部それぞれについての光電
子数分布を推定することによって、被測定光束の光量を
求める光電子数分布推定手段と、を備えることを特徴と
する。
According to the present invention, there is provided a photometric device comprising: (1) a photoelectric conversion surface which emits a number of photoelectrons according to a distribution corresponding to a light amount of a light beam to be measured; A predetermined number of multiplying units for injecting and multiplying the number of photoelectrons and outputting a current signal, and an entrance window for transmitting a light beam to be measured having a photoelectric conversion surface and a predetermined number of multiplying units therein. A vacuum vessel including a photodetector, (2) integrating means for integrating each of the current signals output from each of the predetermined number of multipliers for a predetermined time and converting them into a voltage signal, and (3) a voltage signal. AD conversion means for converting into a corresponding digital value;
(4) a pulse height distribution generating means for cumulatively adding a predetermined value to each of the predetermined number of multipliers and the address corresponding to the digital value, and generating a voltage signal peak distribution for each of the predetermined number of multipliers; 5) a single photoelectron event wave height distribution generating means for acquiring a wave height distribution generated by the wave height distribution generating means as a single photoelectron event wave height distribution when the number of photoelectrons incident on each of the predetermined number of multipliers is one; 6) The k-photoelectron event height distribution in each case where the number k of photoelectrons incident on each of the predetermined number of multipliers is 2 or more and a certain number or less is recursively calculated based on the single photoelectron event height distribution. K-photoelectron event wave height distribution generating means calculated by a volume calculation; and (7) a wave height to be measured is incident on the photoelectric conversion surface, and the emitted photoelectrons are incident on any of a predetermined number of multipliers to generate a wave height distribution. Wave height generated by means Based on the single photoelectron event wave height distribution and the k-photoelectron event wave height distribution in each case of the number k of photoelectrons, a predetermined number of multiplication units when the measured light flux enters the photoelectric conversion surface A photoelectron number distribution estimating means for estimating the photoelectron number distribution to obtain the light amount of the measured light beam.

【0015】本装置は以下のように作用する。光検出器
に入射した被測定光束が真空容器の入射窓を透過して光
電変換面に入射すると、光電変換面から光量に応じた個
数の光電子が放出される。光検出器内の所定数の増倍部
それぞれに光電子数分布に従った個数の光電子が入射す
ると、増倍されて電流信号が出力される。所定数の増倍
部それぞれから出力された電流信号それぞれは、積分手
段により所定時間積分されて電圧信号に変換され、AD
変換手段によりその電圧信号に応じたデジタル値に変換
される。このデジタル値は波高分布生成手段に入力され
て、所定数の増倍部それぞれについて波高分布が生成さ
れる。そして、単一光電子事象波高分布生成手段で獲得
された単一光電子事象波高分布と、k-光電子事象波高分
布生成手段で算出されたk-光電子事象波高分布(k=2,3,
…,K)と、被測定光束が光検出器に入射して波高分布生
成手段で生成された所定数の増倍部それぞれについての
波高分布とに基づいて、光電子数分布推定手段におい
て、所定数の増倍部それぞれに入射した光電子数分布が
推定され、被測定光束の光量が求められる。
The present device operates as follows. When the light beam to be measured that has entered the photodetector passes through the entrance window of the vacuum vessel and enters the photoelectric conversion surface, the number of photoelectrons corresponding to the amount of light is emitted from the photoelectric conversion surface. When a number of photoelectrons according to the photoelectron number distribution enter each of a predetermined number of multipliers in the photodetector, the photomultipliers are multiplied and a current signal is output. Each of the current signals output from each of the predetermined number of multipliers is integrated for a predetermined time by the integration means and converted into a voltage signal.
The conversion unit converts the voltage value into a digital value corresponding to the voltage signal. This digital value is input to a peak distribution generating means, and a peak distribution is generated for each of a predetermined number of multiplication units. Then, the single photoelectron event height distribution obtained by the single photoelectron event height distribution generating means and the k-photoelectron event height distribution calculated by the k-photoelectron event height distribution generating means (k = 2,3,
.., K) and the wave height distribution of each of the predetermined number of multipliers generated by the wave height distribution generating means when the light beam to be measured is incident on the photodetector. The distribution of the number of photoelectrons incident on each of the multipliers is estimated, and the light quantity of the measured light flux is obtained.

【0016】また、本装置に用いられる光検出器の所定
数の増倍部それぞれが、アノードとカソードとの間に逆
バイアス電圧が印加され、且つ、光電変換面に対向する
部位が光電変換面の電位よりも高電位に設定されて、光
電子を入力して生成された電子・正孔対をアバランシェ
増倍し、アバランシェ増倍された電子・正孔対の数に応
じた電流信号を出力するアバランシェフォトダイオード
であることが好適である。この場合には、優れた定量性
が維持され、且つ、被測定光束の光量の測定レンジが拡
大される。
Each of a predetermined number of photomultipliers of the photodetector used in the present apparatus has a reverse bias voltage applied between an anode and a cathode, and a portion facing the photoelectric conversion surface has a photoelectric conversion surface. Is set higher than the potential of the avalanche, and avalanche multiplies the electron-hole pairs generated by inputting photoelectrons, and outputs a current signal corresponding to the number of avalanche-multiplied electron-hole pairs. Preferably, the photodiode is an avalanche photodiode. In this case, excellent quantitative performance is maintained, and the measurement range of the light amount of the measured light beam is expanded.

【0017】また、光電子数分布推定手段は、最尤法に
より光電子数分布を推定してもよいし、また、光電子数
分布がポアソン分布等の所定の分布であると仮定して光
電子数分布を推定してもよい。
Further, the photoelectron number distribution estimating means may estimate the photoelectron number distribution by the maximum likelihood method, or calculate the photoelectron number distribution by assuming that the photoelectron number distribution is a predetermined distribution such as a Poisson distribution. It may be estimated.

【0018】また、光検出器の入射窓の前面に備えら
れ、入射した被測定光束の径を拡大または縮小して、そ
の拡大または縮小された被測定光束を入射窓に入射させ
るレンズ系を更に備える場合には、光量の大きな被測定
光束を測定する場合に有効である。
Further, there is further provided a lens system provided on the front surface of the entrance window of the photodetector for enlarging or reducing the diameter of the incident light beam to be measured and for causing the enlarged or reduced light beam to be incident to the incident window. If it is provided, it is effective when measuring a measured light beam having a large light amount.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態を詳細に説明する。尚、図面の説明におい
て同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省
略する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description.

【0020】まず、本発明に係る測光装置の構成につい
て説明する。図1は、本発明に係る測光装置の構成図で
ある。
First, the configuration of the photometric device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of a photometric device according to the present invention.

【0021】入射光束Aを受光する光検出器10は、そ
の入射光束Aが光電変換面13に入射するとその光量に
応じた分布に従った個数の光電子が光電変換面13から
放出され、その光電変換面13にそれぞれ対向してアレ
イ状に配置された所定数の増倍部それぞれに入射した光
電子を増倍して電流信号を出力するものである。この増
倍部として、例えば、アバランシェフォトダイオード
(以下、APD)が好適に用いられる。
The photodetector 10, which receives the incident light beam A, emits a number of photoelectrons in accordance with a distribution corresponding to the amount of light when the incident light beam A enters the photoelectric conversion surface 13, and the photoelectric conversion surface 13 emits the photoelectrons. This is to multiply the photoelectrons incident on each of a predetermined number of multipliers arranged in an array so as to face the conversion surface 13 and output a current signal. For example, an avalanche photodiode (hereinafter, APD) is suitably used as the multiplier.

【0022】この光検出器10は、内部が真空に保たれ
ている真空容器11の一部に入射窓12が設けられてお
り、入射光束Aは、その入射窓12を透過して、光電変
換面13に到達する。この光電変換面13に対向して、
APD15aないし15dが1次元状または2次元状に
アレイ配置されており、そのアレイは光電変換面13と
略平行である。この図では、4つのAPDが1次元アレ
イで配置されている。光電変換面13には、アレイ状配
置されたAPD15aないし15dに対して例えば−1
0kVないし−15kVの高電圧が、高圧電源19によ
って印加されているので、入射光束Aが光電変換面13
に入射すると、その入射光束Aの光量に応じた分布に従
った個数の光電子Bが放出され、そして、その光電子B
は、光電変換面13とAPD15aないし15dとの間
の電界によって加速され、APD15aないし15dの
何れかに入射する。
In this photodetector 10, an entrance window 12 is provided in a part of a vacuum vessel 11 in which the inside is kept in a vacuum, and an incident light beam A is transmitted through the entrance window 12 and photoelectrically converted. The plane 13 is reached. Opposing the photoelectric conversion surface 13,
The APDs 15a to 15d are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and the array is substantially parallel to the photoelectric conversion surface 13. In this figure, four APDs are arranged in a one-dimensional array. The photoelectric conversion surface 13 has, for example, -1 with respect to the APDs 15a to 15d arranged in an array.
Since a high voltage of 0 kV to −15 kV is applied by the high voltage power supply 19, the incident light beam A
, A number of photoelectrons B are emitted in accordance with the distribution according to the amount of the incident light flux A, and the photoelectrons B
Are accelerated by an electric field between the photoelectric conversion surface 13 and the APDs 15a to 15d, and are incident on any of the APDs 15a to 15d.

【0023】この内の1つであるAPD15aについて
説明する。アノード16aとカソード17aとの間に、
逆バイアス電源18によって逆バイアス電圧(例えば、
+2.5kV)が印加され、且つ、光電変換面13に対
向するアノード16aの電位は光電変換面13の電位よ
りも高電位に設定されている。このAPD15aに対向
する光電変換面13の領域から光電子Bが放出される
と、その光電子Bはアノード15aに衝突し、電離作用
により光電子がAPD15a中で失ったエネルギ3.6
eV当たり1対の電子および正孔が生成され、そして、
この電子・正孔対はAPD15a内でアバランシェ増倍
され、アノード端子およびカソード端子の間に電流信号
として出力される。但し、光電子がAPD15a内で失
うエネルギは一定値ではなく或る分布に従うため、ま
た、APD15aの増倍率も一定値ではなく或る増倍率
分布に従うため、1個の光電子の入射により出力される
電流信号の大きさも或る分布を有する。
The APD 15a, one of which, will be described. Between the anode 16a and the cathode 17a,
A reverse bias voltage (for example,
+2.5 kV) is applied, and the potential of the anode 16 a facing the photoelectric conversion surface 13 is set to be higher than the potential of the photoelectric conversion surface 13. When the photoelectrons B are emitted from the region of the photoelectric conversion surface 13 facing the APD 15a, the photoelectrons B collide with the anode 15a, and the energy of the photoelectrons lost in the APD 15a by the ionization action is 3.6.
a pair of electrons and holes is generated per eV, and
This electron-hole pair is subjected to avalanche multiplication in the APD 15a, and is output as a current signal between the anode terminal and the cathode terminal. However, since the energy lost by the photoelectrons in the APD 15a is not a constant value but follows a certain distribution, and the multiplication factor of the APD 15a is not a constant value but follows a certain multiplication factor distribution. The magnitude of the signal also has a certain distribution.

【0024】したがって、光検出器10が一定光量の光
束を多数回測定すると、光電変換面13で放出されて、
APD15aに入射する光電子の個数分布(光電子数分
布)は、光量に応じた或る平均値の周りに広がった分布
となり、光検出器10から出力される電流信号は、光電
子1個によりAPD15から出力される電子・正孔対の
個数の分布に従って更に広がりのある分布となる。
Therefore, when the photodetector 10 measures a light beam of a constant light amount many times, it is emitted from the photoelectric conversion surface 13 and
The number distribution (photoelectron number distribution) of photoelectrons incident on the APD 15a becomes a distribution spread around a certain average value corresponding to the light amount, and the current signal output from the photodetector 10 is output from the APD 15 by one photoelectron. The distribution further expands in accordance with the distribution of the number of pairs of electrons and holes.

【0025】他のAPD15bないし15dも、上述の
APD15aと同様である。但し、アノード16aない
し16dそれぞれと光電変換面13との間の電位差は、
一定値であってもよいし異なる値であってもよい。ま
た、APD15aないし15dに印加される逆バイアス
電圧も、一定値であってもよいし異なる値であってもよ
い。APD15aないし15dそれぞれが同一の特性を
有する場合には、同一の電位を印加して同一の増倍率を
確保することが、その後の処理の上で好都合である。一
方、APD15aないし15dそれぞれが異なる特性を
有する場合には、同一の増倍率を確保すべく、それぞれ
に適切な電位を印加することが好ましい。
The other APDs 15b to 15d are the same as the above-described APD 15a. However, the potential difference between each of the anodes 16a to 16d and the photoelectric conversion surface 13 is as follows:
It may be a constant value or a different value. Further, the reverse bias voltages applied to the APDs 15a to 15d may be constant values or different values. When each of the APDs 15a to 15d has the same characteristics, it is convenient in the subsequent processing to apply the same potential and secure the same multiplication factor. On the other hand, when the APDs 15a to 15d have different characteristics, it is preferable to apply an appropriate potential to each of them in order to secure the same multiplication factor.

【0026】また、APD15aないし15dそれぞれ
は、互いに独立の素子であってもよいし、また、基板上
に集積化されたものであってもよい。後者の場合には、
同一の特性を有する多数のAPDが所定の位置に精度よ
くアレイ配置されるので、扱いが容易となる。
Each of the APDs 15a to 15d may be an independent element, or may be integrated on a substrate. In the latter case,
Since a large number of APDs having the same characteristics are precisely arranged at predetermined positions in an array, handling becomes easy.

【0027】この光検出器10から出力された電流信号
は以下のように処理される。光検出器10内のAPD1
5aから出力された電流信号に関する処理について先ず
以下に説明する。他のAPD15bないし15dそれぞ
れから出力された電流信号の処理も同様である。
The current signal output from the photodetector 10 is processed as follows. APD1 in the photodetector 10
First, the processing related to the current signal output from 5a will be described below. The same applies to the processing of the current signals output from the other APDs 15b to 15d.

【0028】APD15aから出力された電流信号を入
力する積分器20aは、その電流信号を一定時間積分し
て電圧信号に変換する。この積分器20aには、光検出
器10のAPD15aのアノード端子と接地端子との間
に、スイッチ21aとコンデンサ22aとが並列に設け
られている。スイッチ21aは、入射光束Aが光検出器
10へ入射するタイミングに同期して開閉され、例え
ば、パルス状の入射光束Aの入射時刻を基準として時間
t1から時刻t2までの一定時間だけ開かれる。コンデ
ンサ22aは、スイッチ21aが開いている間だけ、A
PD15aから出力された電流信号を積分し、その積分
結果である電位が一方の端子(図中の点Pa)に現れ
る。スイッチ21が閉じると、コンデンサ22に蓄積さ
れた電荷は放電され、点Paの電位は接地電位となる。
The integrator 20a which receives the current signal output from the APD 15a integrates the current signal for a certain period of time and converts the current signal into a voltage signal. In the integrator 20a, a switch 21a and a capacitor 22a are provided in parallel between an anode terminal of the APD 15a of the photodetector 10 and a ground terminal. The switch 21a is opened and closed in synchronization with the timing at which the incident light beam A is incident on the photodetector 10. For example, the switch 21a is opened for a certain period from time t1 to time t2 based on the incident time of the pulsed incident light beam A. Only when the switch 21a is open, the capacitor 22a
The current signal output from the PD 15a is integrated, and the potential resulting from the integration appears at one terminal (point Pa in the figure). When the switch 21 is closed, the charge stored in the capacitor 22 is discharged, and the potential at the point Pa becomes the ground potential.

【0029】積分器20aで電流信号が積分された結果
である点Paの電位は、増幅器30aによって、後段の
サンプルホールド回路40aやAD変換器50における
動作に際して適当な振幅となるよう増幅される。その増
幅された電圧信号は、サンプルホールド回路40aでサ
ンプリングされてホールドされる。
The potential at the point Pa, which is the result of the integration of the current signal by the integrator 20a, is amplified by the amplifier 30a so as to have an appropriate amplitude during the operation of the sample-hold circuit 40a and the AD converter 50 at the subsequent stage. The amplified voltage signal is sampled and held by the sample and hold circuit 40a.

【0030】APD15a以外のAPD15iそれぞれ
から出力された電流信号も同様に、積分器20iで一定
時間積分されて、その積分結果である電位が点Piに現
れ、その点Piの電位は増幅器30iで増幅されて、サ
ンプルホールド回路40iでサンプルされホールドされ
る(i=b,c,d)。
Similarly, current signals output from the APDs 15i other than the APD 15a are similarly integrated for a predetermined time by the integrator 20i, and the potential resulting from the integration appears at the point Pi, and the potential at the point Pi is amplified by the amplifier 30i. Then, it is sampled and held by the sample and hold circuit 40i (i = b, c, d).

【0031】そして、サンプルホールド回路40aない
し40dそれぞれでサンプルされホールドされて出力さ
れた電圧信号それぞれは、マルチプレクサ45を介して
順次AD変換器50に入力し、それぞれの電圧値に応じ
たデジタル値に変換される。
Each of the voltage signals sampled, held, and output by each of the sample-and-hold circuits 40a to 40d is sequentially input to an AD converter 50 via a multiplexer 45, and converted into a digital value corresponding to each voltage value. Is converted.

【0032】サンプルホールド回路40aないし40
d、マルチプレクサ45およびAD変換器50も、入射
光束Aが光検出器10へ入射するタイミングに同期して
動作し、例えば、時刻t2の直前の時刻における点Pa
ないしPdそれぞれの電位が増幅された電圧値が、サン
プルホールド回路40aないし40dそれぞれでサンプ
ル・ホールドされ、そして、それぞれの電圧値に応じた
デジタル値それぞれがAD変換器50から順次出力され
る。なお、マルチプレクサ45を設けることなく、サン
プルホールド回路40aないし40dそれぞれに対し
て、AD変換器を設けてもよい。
Sample hold circuits 40a through 40
d, the multiplexer 45 and the AD converter 50 also operate in synchronization with the timing at which the incident light beam A enters the photodetector 10, and for example, the point Pa at the time immediately before the time t2.
The voltage values obtained by amplifying the potentials of Pd through Pd are sampled and held by the sample and hold circuits 40a through 40d, respectively, and digital values corresponding to the respective voltage values are sequentially output from the AD converter 50. Note that an AD converter may be provided for each of the sample and hold circuits 40a to 40d without providing the multiplexer 45.

【0033】これらのデジタル値を入力するヒストメモ
リ(波高分布生成手段)60は、積分器20aないし2
0dそれぞれにおいて一定時間の積分が行われる度に、
APD15aないし15dそれぞれ、および、AD変換
器50から出力されたデジタル値に応じた番地に所定値
(例えば、1)を累積加算する。積分器20aないし2
0dそれぞれにおける多数回の積分結果についてヒスト
メモリ60に累積加算することによって、APD15a
ないし15dそれぞれについてAD変換器50から出力
された電圧信号の波高値の分布が得られる。
A history memory (wave height distribution generating means) 60 for inputting these digital values includes an integrator 20a to 2
Each time integration for a certain period of time is performed in each of 0d,
A predetermined value (for example, 1) is cumulatively added to an address corresponding to each of the APDs 15a to 15d and the digital value output from the AD converter 50. Integrators 20a through 20
0d, the APD 15a
The peak value distribution of the voltage signal output from the AD converter 50 is obtained for each of the signals 15 to 15d.

【0034】このようにして得られたAPD15aない
し15dそれぞれについての波高分布に基づいて、演算
部70は、光検出器10の光電変換面13で放出されて
APD15aないし15dそれぞれに入射した光電子の
個数の分布(光電子数分布)を推定し、この推定された
光電子数分布に基づいて入射光束Aの光量を求める。演
算部70として例えばコンピュータが用いられる。
Based on the wave height distributions of the APDs 15a to 15d obtained in this manner, the arithmetic unit 70 calculates the number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface 13 of the photodetector 10 and incident on the APDs 15a to 15d. Is estimated (photoelectron number distribution), and the light amount of the incident light beam A is obtained based on the estimated photoelectron number distribution. For example, a computer is used as the arithmetic unit 70.

【0035】次に、光検出器10の光電変換面13に入
射光束が入射して放出される光電子数分布の推定方法に
ついて詳細に説明する。この推定は、演算部70におい
て行われるものである。なお、この推定方法は、APD
15aないし15dそれぞれについて行なわれるもので
あるので、以下ではAPD15aについて述べる。
Next, a method for estimating the distribution of the number of photoelectrons emitted when the incident light beam enters the photoelectric conversion surface 13 of the photodetector 10 will be described in detail. This estimation is performed in the arithmetic unit 70. Note that this estimation method uses the APD
Since this is performed for each of 15a to 15d, the APD 15a will be described below.

【0036】推定に先立って、先ず、演算部70は、単
一光電子事象の場合にヒストメモリ60で生成される単
一光電子事象波高分布を獲得する。ここで、単一光電子
事象とは、1個の光電子がAPD15aに入射する事象
をいい、単一光電子事象波高分布とは、その事象が発生
した場合にヒストメモリ60で生成される波高分布であ
る。すなわち、単一光電子事象波高分布は、光電変換面
13で放出された1個の光電子がAPD15aに入射し
たことによりAPD15aから出力される電子・正孔対
の個数の分布を表すものである。この単一光電子事象波
高分布を、波高値hの関数としてp1 (h) で表す。h
は、AD変換器50からの出力値である。なお、この単
一光電子事象波高分布は、単一光電子事象が発生する確
率が圧倒的に支配的となるような極めて微弱な光束を光
検出器10に入射させることにより獲得する。
Prior to the estimation, first, the arithmetic unit 70 acquires a single photoelectron event wave height distribution generated in the history memory 60 in the case of a single photoelectron event. Here, the single photoelectron event refers to an event in which one photoelectron is incident on the APD 15a, and the single photoelectron event wave height distribution is a wave height distribution generated in the history memory 60 when the event occurs. That is, the single photoelectron event wave height distribution represents the distribution of the number of electron-hole pairs output from the APD 15a when one photoelectron emitted from the photoelectric conversion surface 13 enters the APD 15a. This single photoelectron event peak height distribution is denoted by p 1 (h) as a function of the peak height h. h
Is an output value from the AD converter 50. Note that the single photoelectron event wave height distribution is obtained by causing the photodetector 10 to enter an extremely weak light beam such that the probability of occurrence of a single photoelectron event is overwhelmingly dominant.

【0037】なお、このp1 (h) の低波高部には増幅器
系のノイズが重畳しているので、実データを使用するこ
とができない。そこで、低波高部では実データを用いる
ことなく、ノイズが重畳していない隣接した波高域のデ
ータから外挿して求める。また、p1 (h) は、
Since the noise of the amplifier system is superimposed on the low wave height portion of p 1 (h), actual data cannot be used. Therefore, in the low crest portion, the actual data is not used, and the extrapolated data is obtained from data of an adjacent crest region where noise is not superimposed. Also, p 1 (h) is

【0038】[0038]

【数5】 (Equation 5)

【0039】で規格化しておく。hmax は、波高値をデ
ジタル値に変換するAD変換器50のビット数で決まる
最大波高値である。
Is standardized. h max is the maximum peak value determined by the number of bits of the AD converter 50 that converts the peak value into a digital value.

【0040】続いて、演算部70は、k-光電子事象波高
分布、すなわち、k個の光電子がAPD15aに入射し
た場合にヒストメモリ60で生成される波高分布p
k (h) を、
Subsequently, the calculation unit 70 calculates the k-photoelectron event wave height distribution, that is, the wave height distribution p generated by the history memory 60 when k photoelectrons enter the APD 15a.
k (h)

【0041】[0041]

【数6】 (Equation 6)

【0042】なるコンボリューション計算によって漸化
的に算出する(k=2,3,…,K)。Kは2以上である。光電
子数分布を推定する際に任意の分布を仮定する場合に
は、p1(h) のピーク値を与える波高値をhpeak1 とし
て、K=hmax /hpeak1 とする。hmax =4095、
peak1 =400であれば、Kは10程度である。ま
た、光電子数分布としてポアソン分布を仮定する場合に
は、Kは、hmax /hpeak1の2ないし3倍程度、すな
わち、hmax =4095、hpeak1 =400であれば、
Kは30程度にする。なお、以上のようにして波高分布
k-1 (h) とp1 (h)とのコンボリューション計算から
波高分布pk (h) を求めることができることの根拠は、
波高分布pk (h) が、光電変換面13で放出されたk個
の光電子がAPD15に入射してアバランシェ増倍され
た電子・正孔対の個数の分布を表すものであることに基
づく。
The recursive calculation is performed by the following convolution calculation (k = 2, 3,..., K). K is 2 or more. When an arbitrary distribution is assumed when estimating the photoelectron number distribution, the peak value giving the peak value of p 1 (h) is set as h peak1 , and K = h max / h peak1 . h max = 4095,
If h peak1 = 400, K is about 10. When a Poisson distribution is assumed as the photoelectron number distribution, K is about two to three times h max / h peak1 , that is, if h max = 4095 and h peak1 = 400,
K is set to about 30. In addition, as described above, the reason why the wave height distribution p k (h) can be obtained from the convolution calculation of the wave height distributions p k-1 (h) and p 1 (h) is as follows.
This is based on the fact that the wave height distribution p k (h) represents the distribution of the number of avalanche-multiplied electron-hole pairs when k photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface 13 enter the APD 15.

【0043】なお、光検出器10、積分器20a、増幅
器30a、サンプルホールド回路40aおよびAD変換
器50において発生するノイズに起因する波高分布の広
がりが無視できない場合には、波高分布p1 (h) からそ
のノイズの影響をデコンボリューション計算によって取
り除いたものに基づいて、(5)式で波高分布pk (h)
それぞれを算出し、その後、波高分布pk (h) それぞれ
にノイズの影響をコンボリューション計算によって重畳
しておく(k=2,3,…,K)。
If the spread of the pulse height distribution caused by noise generated in the photodetector 10, the integrator 20a, the amplifier 30a, the sample hold circuit 40a, and the AD converter 50 cannot be ignored, the pulse height distribution p 1 (h ), The influence of the noise is removed by the deconvolution calculation, and the peak height distribution p k (h) is calculated by the equation (5).
Each is calculated, and then the influence of noise is superimposed on each of the peak height distributions p k (h) by convolution calculation (k = 2, 3,..., K).

【0044】以上のようにして、測光装置が固有的に有
しているノイズの影響を考慮した波高分布pk (h) (k=
1,2,3,…,K)を、光電子数分布の推定に先立って用意し
ておく。図2は、このようにして求められたk-光電子事
象の波高分布pk (h) それぞれを示す図である。
As described above, the peak height distribution p k (h) (k =
1,2,3, ..., K) are prepared before estimating the photoelectron number distribution. FIG. 2 is a diagram showing each of the peak height distributions p k (h) of the k -photoelectron events thus obtained.

【0045】そして、演算部70は、測定対象である光
束を光検出器10で受光してヒストメモリ60に生成さ
れた波高分布n(h) を獲得し、この波高分布n(h) およ
び上述した単一光電子事象およびk-光電子事象それぞれ
場合の波高分布pk (h) から、被測定光束を受光してA
PD15aに入射した光電子の個数の平均値すなわち光
電子数分布を、以下の要領で推定する。
Then, the arithmetic section 70 receives the light beam to be measured by the photodetector 10 and obtains the peak height distribution n (h) generated in the history memory 60. From the wave height distribution p k (h) in the case of a single photoelectron event and the case of a k-photoelectron event, respectively,
The average value of the number of photoelectrons incident on the PD 15a, that is, the photoelectron number distribution is estimated in the following manner.

【0046】この波高分布n(h) は、規格化する必要は
なく、ヒストメモリ60に蓄積されたままの値でよい。
すなわち、波高分布n(h) は、波高値hが得られた事象
の分布を表す。入射光束を受光して光検出器10の光電
変換面13で放出された光電子がAPD15aに入射す
る個数の分布(光電子数分布)の推定に際しては例えば
最尤法を用いる。すなわち、k-光電子事象それぞれが生
起する確率をqk (k=0,1,2,…,K)として、
The peak height distribution n (h) does not need to be normalized, and may be a value stored in the history memory 60.
That is, the peak height distribution n (h) represents the distribution of the events for which the peak value h was obtained. For example, the maximum likelihood method is used for estimating the distribution (number of photoelectrons) of the number of photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface 13 of the photodetector 10 after receiving the incident light beam and incident on the APD 15a. That is, assuming that the probability of occurrence of each k-photoelectron event is q k (k = 0, 1, 2,..., K),

【0047】[0047]

【数7】 (Equation 7)

【0048】なる式で表される対数尤度が最大になるq
k を求め、これを推定光電子数分布とする。ここで、N
は測定回数であり、hmin は解析に使用できる最小の波
高値hである。波高値hが小さい場合には、APD15
aや増幅器30aなどに因るノイズが重畳されているの
で解析には使用できないので、波高値hmin 以上につい
てのみ解析する。また、p(h) およびpNDは、
Where the log likelihood expressed by
k is obtained, and this is set as an estimated photoelectron number distribution. Where N
Is the number of measurements, and h min is the minimum peak value h that can be used for analysis. When the peak value h is small, the APD 15
Since the noise due to a and the amplifier 30a is superimposed and cannot be used for analysis, only the peak value h min or more is analyzed. Also, p (h) and p ND are

【0049】[0049]

【数8】 (Equation 8)

【0050】[0050]

【数9】 (Equation 9)

【0051】である。このp(h) は、k-光電子事象(k=
1,2,3,…,K)それぞれの生起確率(光電子数分布)をも
考慮した波高値hの発生確率分布を表す。(7)式の対
数尤度を最大とするqk を求めるには、例えば最適化問
題に対して使われる準ニュートン法等の数値計算法を適
用する。
Is as follows. This p (h) is the k-photoelectron event (k =
1, 2, 3,..., K) represents the occurrence probability distribution of the peak value h in consideration of each occurrence probability (photoelectron number distribution). In order to obtain q k that maximizes the log likelihood of the equation (7), a numerical calculation method such as a quasi-Newton method used for an optimization problem is applied.

【0052】光電子数分布としてポアソン分布を仮定す
る場合には、k-光電子事象それぞれが生起する確率qk
は、
When the Poisson distribution is assumed as the photoelectron number distribution, the probability q k that each of the k-photoelectron events will occur
Is

【0053】[0053]

【数10】 (Equation 10)

【0054】で表される。ここで、λは、APD15a
に入射する光電子の個数の平均値である。この場合、対
数尤度を最大とする光電子数分布を求めることは、対数
尤度を最大とするλ値を求めることであり、例えば黄金
分割法等の数値計算により求めることができる。以下で
は、光電子数分布としてポアソン分布を仮定する。図3
は、被測定光束を光検出器10で受光してヒストメモリ
60に生成された波高分布(破線)と、最尤法で推定さ
れたλ値に基づいて計算された波高分布(実線)との1
例を示す。両者は、波高値hmin (=150)以上の範
囲で良い一致を示している。なお、このとき推定された
光電子数の平均値λは、1.03であった。
Is represented by Here, λ is the APD 15a
Is the average value of the number of photoelectrons incident on. In this case, finding the photoelectron number distribution that maximizes the log likelihood means finding the λ value that maximizes the log likelihood, and can be found by numerical calculation such as the golden section method. In the following, a Poisson distribution is assumed as the photoelectron number distribution. FIG.
Is the peak height distribution (dashed line) generated in the history memory 60 by receiving the light beam to be measured by the photodetector 10 and the peak height distribution (solid line) calculated based on the λ value estimated by the maximum likelihood method.
Here is an example. Both show good agreement in the range above the peak value h min (= 150). The average value λ of the number of photoelectrons estimated at this time was 1.03.

【0055】以上のようにして、APD15aに入射し
た光電子の個数の分布(光電子数分布)すなわち入射し
た光電子の個数の平均値が求められる。APD15bな
いし15dについても同様である。APD15aないし
15dそれぞれに入射した光電子の個数の平均値は、A
PD15aないし15dそれぞれに対向する光電変換面
13の領域それぞれで放出された光電子の個数の平均値
であり、その領域に入射した被測定光束の光量を表して
いる。したがって、APD15aないし15dそれぞれ
に入射した光電子の個数の平均値から、光電変換面13
に入射した被測定光束の光量分布が求められ、また、A
PD15aないし15dそれぞれに入射した光電子の個
数の総和から、光電変換面13に入射した被測定光束の
光量の総和が求められる。
As described above, the distribution of the number of photoelectrons incident on the APD 15a (photoelectron number distribution), that is, the average value of the number of incident photoelectrons is obtained. The same applies to the APDs 15b to 15d. The average value of the number of photoelectrons incident on each of the APDs 15a to 15d is A
This is the average value of the number of photoelectrons emitted in each of the areas of the photoelectric conversion surface 13 facing the PDs 15a to 15d, and represents the light amount of the light beam to be measured incident on that area. Therefore, from the average value of the number of photoelectrons incident on each of the APDs 15a to 15d,
Is obtained, the light quantity distribution of the measured light beam incident on
From the sum of the number of photoelectrons incident on each of the PDs 15a to 15d, the sum of the light amounts of the measured light flux incident on the photoelectric conversion surface 13 is obtained.

【0056】このようにして、被測定光束の光量を測定
すれば、被測定光束が光検出器の光電変換面に入射して
放出される光電子数が大きい場合であっても、複数のA
PDそれぞれで電子・正孔対をアバランシェ増倍するの
で、その被測定光束の光量を精度よく測定することがで
きる。
By measuring the light quantity of the measured light beam in this manner, even if the measured light beam is incident on the photoelectric conversion surface of the photodetector and the number of photoelectrons emitted is large, a plurality of A
Since the avalanche multiplication of the electron-hole pairs is performed in each PD, the amount of light of the measured light beam can be measured with high accuracy.

【0057】なお、光量の大きい被測定光束を測定する
場合には、この測光装置を有効に利用するには、被測定
光束が入射窓12にスポット状に入射するのではなく、
広い領域に亘って入射することが好ましい。そこで、被
測定光束の光束径が小さい場合には、入射窓の前面に被
測定光束の光束径を拡大するレンズを備えるのが好適で
ある。このようにすれは、優れた定量性を維持しなが
ら、被測定光束の光量の測定レンジを拡大することがで
きる。
When a light beam to be measured having a large light quantity is measured, the light beam to be measured is not incident on the entrance window 12 in a spot-like manner in order to effectively use the photometric device.
It is preferable that the light is incident over a wide area. Therefore, when the light beam diameter of the measured light beam is small, it is preferable to provide a lens for enlarging the light beam diameter of the measured light beam on the front surface of the entrance window. In this way, the measurement range of the light quantity of the measured light beam can be expanded while maintaining excellent quantitative performance.

【0058】しかし一方、光量の小さい被測定光束を測
定する場合に、被測定光束を光電変換面13の全領域で
受光して、APD15aないし15dそれぞれで光電子
を入射するようにすると、個々のAPDに入射する光電
子の個数は少なくなり測定に時間を要して効率が悪くな
る。この場合には、光電変換面13の或る限られた領域
にのみ被測定光束が入射するようにして、APD15a
ないし15dの内の一部に光電子を入射させて、その光
電子が入射したAPDから出力された電流信号のみにつ
いて処理を行なえば、短時間で効率良く測定することが
できる。
On the other hand, when measuring a light beam to be measured having a small light amount, the light beam to be measured is received in the entire area of the photoelectric conversion surface 13 and photoelectrons are incident on each of the APDs 15a to 15d. The number of photoelectrons incident on the surface becomes small, and it takes time for the measurement, resulting in poor efficiency. In this case, the light beam to be measured enters only a limited area of the photoelectric conversion surface 13 so that the APD 15a
If the photoelectrons are made incident on a part of 15d through 15d and only the current signal output from the APD on which the photoelectrons are incident is processed, the measurement can be performed efficiently in a short time.

【0059】次に、本発明に係る測光装置を蛍光分光測
定に適用した場合について説明する。図4は、本発明に
係る測光装置を用いた蛍光分光測定の説明図である。
Next, a case where the photometric device according to the present invention is applied to fluorescence spectroscopy will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram of the fluorescence spectrometry using the photometric device according to the present invention.

【0060】励起光であるパルスレーザ光を出力するパ
ルスレーザ光源80は、そのレーザ光出力のタイミング
信号をも出力する。制御部91は、このタイミング信号
に基づいて、出力されたパルスレーザ光のパルス数すな
わち蛍光物質の励起回数Nを計数するとともに、スイッ
チ21aないし21d、サンプルホールド回路40aな
いし40d、マルチプレクサ45、AD変換器50およ
びヒストメモリ60それぞれの動作を制御する信号を生
成し出力し、これらの動作を制御する。
The pulse laser light source 80 which outputs the pulse laser light as the excitation light also outputs a timing signal of the laser light output. The control unit 91 counts the number of pulses of the output pulse laser light, that is, the number N of times of excitation of the fluorescent substance, based on the timing signal, and switches 21a to 21d, sample and hold circuits 40a to 40d, a multiplexer 45, and an AD converter. It generates and outputs signals for controlling the operation of each of the device 50 and the history memory 60, and controls these operations.

【0061】パルスレーザ光源80から出力された蛍光
物質励起の為のパルスレーザ光は、レンズ81および8
2で集光されて試料83に照射され、試料83中の蛍光
物質を励起する。この蛍光物質から発生した蛍光は、レ
ンズ84および86で集光され、バリアフィルタ85を
透過して、分光器90に入射する。バリアフィルタ85
は、蛍光を透過させるが、試料83で散乱されて分光器
90の方向に向かうパルスレーザ光を遮断する。
The pulse laser light for exciting the fluorescent substance output from the pulse laser light source 80 is supplied to the lenses 81 and 8.
The light is condensed at 2 and irradiates the sample 83 to excite the fluorescent substance in the sample 83. Fluorescence generated from this fluorescent substance is collected by the lenses 84 and 86, passes through the barrier filter 85, and enters the spectroscope 90. Barrier filter 85
Transmits the fluorescence, but blocks the pulsed laser light scattered by the sample 83 and traveling toward the spectroscope 90.

【0062】蛍光を入力した分光器90は、その蛍光を
成分波長に分散し、選択された波長の光束のみを出力す
るものであり、その選択波長を走査することができる。
分光器90から出力された所定波長の光束は、一般的に
は或る広がり角を持って出力される。この光束の光量が
小さい場合には、光束はレンズ87によって集束されて
光検出器10の入射窓12の或る小さい領域に入射され
る。一方、分光器90から出力された光束の光量が大き
い場合には、光束はレンズ87によって光検出器10の
入射窓12の略全面に入射される。このように光束の光
量に応じて光検出器10の入射窓12に光束が入射する
面積を可変に設定できるよう、このレンズ87は、分光
器90と光検出器10との間で光軸に沿って移動可能で
あると好適である。そして、光検出器10の光電変換面
13に蛍光が入射すると、その光量に応じて光電子が放
出され、APD15aないし15dそれぞれに光電子が
入射してアバランシェ増倍された電子・正孔対の数に応
じた電流信号が出力される。APD15aないし15d
それぞれから出力された電流信号それぞれは、積分器、
増幅器、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、AD
変換器、ヒストメモリおよび演算部からなる信号処理部
100に入力する。
The spectroscope 90 to which the fluorescent light is input disperses the fluorescent light into the component wavelengths and outputs only the luminous flux of the selected wavelength, and can scan the selected wavelength.
The luminous flux of a predetermined wavelength output from the spectroscope 90 is generally output with a certain spread angle. When the light quantity of this light beam is small, the light beam is converged by the lens 87 and is incident on a certain small area of the entrance window 12 of the photodetector 10. On the other hand, when the light amount of the light beam output from the spectroscope 90 is large, the light beam is incident on substantially the entire surface of the entrance window 12 of the photodetector 10 by the lens 87. As described above, this lens 87 is provided between the spectroscope 90 and the photodetector 10 along the optical axis so that the area where the light beam enters the entrance window 12 of the photodetector 10 can be variably set in accordance with the amount of the light beam. Preferably, it is movable along. When fluorescent light enters the photoelectric conversion surface 13 of the photodetector 10, photoelectrons are emitted in accordance with the amount of light, and photoelectrons enter the APDs 15a to 15d, respectively, and the number of avalanche-multiplied electron-hole pairs increases. A corresponding current signal is output. APD 15a to 15d
Each current signal output from each is integrator,
Amplifier, sample hold circuit, multiplexer, AD
The signal is input to a signal processing unit 100 including a converter, a history memory, and an arithmetic unit.

【0063】以下では、信号処理部100における動作
を、パルスレーザ光(励起光)光量、蛍光光量および各
信号の時間変化とともに説明する。先ず、APD15a
から出力された電流信号の処理およびそのタイミングに
ついて説明する。図5は、本発明に係る測光装置の動作
の説明図であり、図6は、パルスレーザ光光量、蛍光光
量および各信号の時間変化を示す図である。図6では、
パルスレーザ光(励起光)発生時刻を基準にしている
(図6(a))。
Hereinafter, the operation of the signal processing section 100 will be described together with the amount of pulse laser light (excitation light), the amount of fluorescent light, and the time change of each signal. First, APD 15a
The processing of the current signal output from the CPU and its timing will be described. FIG. 5 is an explanatory diagram of the operation of the photometric device according to the present invention, and FIG. 6 is a diagram illustrating a pulse laser beam light amount, a fluorescent light amount, and a time change of each signal. In FIG.
The pulse laser light (excitation light) generation time is used as a reference (FIG. 6A).

【0064】試料83中の蛍光物質から発生する蛍光の
光量(図6(b))は、パルスレーザ光照射時刻から発
生し、その後漸減する。この蛍光を受光した光検出器1
0のAPD15aから出力される電流信号(図6
(c))は、蛍光光量変化に応じて変化する。すなわ
ち、光電変換面13から放出された光電子がAPD15
aに入射してアバランシェ増倍された電子・正孔対の数
に応じた電流信号が出力されるまで或程度時間を要する
ので、APD15aから出力される電流信号の大きさ
は、蛍光を初めて受光した時刻から次第に増加し、やが
て蛍光光量と同様に漸減する。
The amount of fluorescence (FIG. 6 (b)) generated from the fluorescent substance in the sample 83 is generated from the pulse laser beam irradiation time and then gradually decreases. Photodetector 1 that has received this fluorescence
The current signal output from the APD 15a of 0 (FIG. 6)
(C)) changes according to a change in the amount of fluorescent light. That is, the photoelectrons emitted from the photoelectric conversion surface 13
Since it takes some time until a current signal corresponding to the number of avalanche-multiplied electron-hole pairs incident on a is output, the magnitude of the current signal output from the APD 15 a It gradually increases from the time when it is performed, and then gradually decreases like the amount of fluorescent light.

【0065】積分器20aは、このAPD15aから出
力された電流信号を積分する。その積分時間Twは、パ
ルスレーザ光発生時刻またはその直前に始まり、蛍光放
出が殆ど終了するまで(例えば蛍光寿命の4〜5倍程
度)とする。制御部91は、この積分時間Twの間だけ
スイッチ21が開状態となることを指示するゲート信号
(図6(d))を、レーザ光出力のタイミング信号に基
づいて生成し出力する。コンデンサ22aには、この積
分時間Twの間にAPD15aから出力された電流信号
(図6(c))を積分した電荷が蓄積される。図5中の
点Paにおける電位(図6(e))は次第に増加する
が、蛍光光量の漸減に伴ってやがて飽和状態となり略一
定値となる。この一定値となった点Paの電位は、AP
D15aで生成された電子・正孔対の総数に応じたもの
である。
The integrator 20a integrates the current signal output from the APD 15a. The integration time Tw starts at or immediately before the pulse laser light generation time and is set to be almost completed (for example, about 4 to 5 times the fluorescence lifetime) of the fluorescence emission. The control unit 91 generates and outputs a gate signal (FIG. 6D) for instructing that the switch 21 is opened only during the integration time Tw based on the laser light output timing signal. An electric charge obtained by integrating the current signal (FIG. 6C) output from the APD 15a during the integration time Tw is stored in the capacitor 22a. The potential at the point Pa in FIG. 5 (FIG. 6 (e)) gradually increases, but eventually becomes saturated and becomes a substantially constant value as the amount of fluorescent light gradually decreases. The potential at the point Pa at which the constant value is obtained is expressed by AP
This corresponds to the total number of electron-hole pairs generated in D15a.

【0066】増幅器30aで増幅された点Paの電位
は、サンプルホールド回路40aでサンプリングされて
ホールドされる。そのタイミングは、積分器20aにお
ける積分時間Twの終了直前、すなわち、ゲート信号が
オフになる直前である。この動作を指示する信号(図6
(f))も制御部91から出力される。
The potential at the point Pa amplified by the amplifier 30a is sampled and held by the sample and hold circuit 40a. The timing is immediately before the end of the integration time Tw in the integrator 20a, that is, immediately before the gate signal is turned off. A signal instructing this operation (FIG. 6)
(F)) is also output from the control unit 91.

【0067】他のAPD15bないし15dそれぞれか
ら出力された電流信号それぞれも、以上に説明したAP
D15aから出力された電流信号についての処理と同様
に処理される。かつ、積分器20aないし20bそれぞ
れにおける動作は同一のタイミングで行なわれ、サンプ
ルホールド回路40aないし40dそれぞれにおける動
作も同一のタイミングで行なわれる。すなわち、APD
15aないし15dそれぞれから出力される電流信号そ
れぞれについて、パルスレーザ光発生後の同一時刻から
同一時間の間の積分結果を得ることができる。
The current signals output from each of the other APDs 15b to 15d also correspond to the AP described above.
Processing is performed in the same manner as the processing for the current signal output from D15a. The operations in integrators 20a to 20b are performed at the same timing, and the operations in sample hold circuits 40a to 40d are also performed at the same timing. That is, APD
For each of the current signals output from each of 15a to 15d, an integration result from the same time to the same time after the generation of the pulsed laser light can be obtained.

【0068】サンプルホールド回路40aないし40d
それぞれから出力された信号は、マルチプレクサ45に
よって順次選択されてAD変換器50に入力しデジタル
値に変換される。このマルチプレクサ45の選択動作
は、サンプルホールド40aないし40dそれぞれのセ
トリング時間(サンプルおよびホールドの動作を開始し
て出力値が確定するまでに要する時間)経過後に行なわ
れ、制御部91から出力されるアドレス信号(APD1
5aないし15dの何れかを指示する信号)に従って動
作する。また、AD変換器50の動作は、マルチプレク
サ45からの出力値それぞれが確定した後に行なわれ、
これも制御部91から出力される制御信号に従って行な
われる。
Sample hold circuits 40a to 40d
The signals output from each are sequentially selected by the multiplexer 45, input to the AD converter 50, and are converted into digital values. The selection operation of the multiplexer 45 is performed after the elapse of the settling time of each of the sample / holds 40a to 40d (the time required until the output value is determined after the start of the sample / hold operation) and the address output from the control unit 91. Signal (APD1
5a to 15d). The operation of the AD converter 50 is performed after each output value from the multiplexer 45 is determined.
This is also performed according to a control signal output from control section 91.

【0069】AD変換器50から出力されたデジタル値
は、ヒストメモリ60に入力されて、アドレス信号およ
びデジタル値に応じた番地に所定値が累積加算されて、
APD15aないし15dそれぞれについての波高分布
n(h) が生成される。
The digital value output from the AD converter 50 is input to the history memory 60, and a predetermined value is cumulatively added to an address corresponding to the address signal and the digital value.
A peak height distribution n (h) for each of the APDs 15a to 15d is generated.

【0070】演算部70は、この波高分布n(h) と、こ
れとは別に(5)式および(6)式から求めた単一光電
子事象およびk-光電子事象それぞれの波高分布pk (h)
(k=1,2,3,…,K)と、制御部91でパルスレーザ光の出
力パルス数を計数して得られた値Nとから、(7)式で
表される対数尤度が最大になるλ値を求める。このよう
にして、APD15aないし15dそれぞれに入射した
光電子の個数の平均値を推定し、これらの総和から光検
出器10の入射窓12に入射した光束の光量を求める。
そして、分光器90の選択波長を走査して、蛍光の波長
成分それぞれの光量を上述と同様の要領で求めて、蛍光
スペクトルを測定する。
The arithmetic unit 70 calculates the peak height distribution n k (h) and the peak height distribution p k (h) of each of the single photoelectron event and the k-photoelectron event separately obtained from the equations (5) and (6). )
(K = 1, 2, 3,..., K) and the value N obtained by counting the number of output pulses of the pulse laser light by the control unit 91, the log likelihood expressed by the equation (7) is obtained. Find the maximum λ value. In this manner, the average value of the number of photoelectrons incident on each of the APDs 15a to 15d is estimated, and the light amount of the light beam incident on the incident window 12 of the photodetector 10 is obtained from the sum of these.
Then, the selected wavelength of the spectroscope 90 is scanned, and the light amount of each of the wavelength components of the fluorescence is obtained in the same manner as described above, and the fluorescence spectrum is measured.

【0071】以上のようにしてスペクトルを測定すれ
ば、複数のAPDを備えたことにより光検出器で精度よ
く検出することができる光量範囲が広がるので、被測定
光束のスペクトルのピーク強度差が大きい場合であって
も、そのスペクトルを精度よく測定することができる。
When the spectrum is measured as described above, the light intensity range that can be accurately detected by the photodetector is expanded by providing a plurality of APDs, so that the peak intensity difference of the spectrum of the measured light beam is large. Even in this case, the spectrum can be accurately measured.

【0072】なお、図6では、蛍光寿命と積分時間Tw
との関係について触れる必要があったため、多数の蛍光
光子が発生するものとして、その蛍光光量や光検出器1
0から出力される電流信号などの時間変化を図示した。
しかし、蛍光物質が微量で蛍光光子数が数個程度である
場合には、蛍光光量の時間変化は、図6(b)に図示し
た漸減曲線ではなく、個々の蛍光光子の発生時刻に対応
したパルス状のものとなる。このような場合でも、本発
明に係る測光装置は有効に用いられ得る。
In FIG. 6, the fluorescence lifetime and the integration time Tw are shown.
It was necessary to mention the relationship between the fluorescent light amount and the amount of fluorescent light.
The time change of the current signal output from 0 is illustrated.
However, when the amount of the fluorescent substance is very small and the number of fluorescent photons is about several, the time change of the amount of fluorescent light does not correspond to the gradually decreasing curve shown in FIG. 6B, but corresponds to the generation time of each fluorescent photon. It will be pulsed. Even in such a case, the photometric device according to the present invention can be used effectively.

【0073】また、上記実施形態では、光検出器には4
つのAPDが1次元アレイ状に配置されていたが、これ
に限られるものではない。1次元アレイであっても、よ
り多数のAPDを配置してもよいし、また、例えば4×
4個、より一般的にはm×n個(m≧2、n≧2)のA
PDを2次元アレイ状に配置してもよく、更に、2次元
アレイ配置であっても矩形形状に配置するものに限られ
るものではなく、一定形状の領域内に任意配置されてい
ても構わない。何れにしても、複数のAPDそれぞれ
は、光電変換面に光束が入射して放出された光電子が加
速されて入射するような配置と電位であることが重要で
ある。
In the above embodiment, the photodetector has 4
Although one APD is arranged in a one-dimensional array, the present invention is not limited to this. Even in a one-dimensional array, a larger number of APDs may be arranged, and for example, 4 ×
4, more generally m × n (m ≧ 2, n ≧ 2) A
The PDs may be arranged in a two-dimensional array, and the two-dimensional array arrangement is not limited to the arrangement in a rectangular shape, and may be arbitrarily arranged in a fixed-shaped area. . In any case, it is important that each of the plurality of APDs has an arrangement and an electric potential such that a light beam is incident on the photoelectric conversion surface and emitted photoelectrons are accelerated and incident.

【0074】また、本発明に係る測光装置は、上述のパ
ルス状に発生する蛍光の測定だけでなく他の適用の態様
が可能である。例えば、連続的に発生する光束の光量の
測定も可能である。この場合、測光装置の積分器は、一
定時間の積分を繰り返し行い、サンプルホールド回路お
よびAD変換器は、積分器の動作に同期して動作する。
積分器における積分動作が所定回数行われた時点におい
てヒストメモリに生成された波高分布に基づいて、演算
部は、上述の同様の要領で光検出器で放出された光電子
の個数分布を推定し、この推定値に基づいて被測定光束
の光量を求めることができる。
Further, the photometric device according to the present invention can be applied to not only the above-described measurement of the fluorescence generated in a pulse shape but also other application modes. For example, it is also possible to measure the light amount of a continuously generated light beam. In this case, the integrator of the photometric device repeatedly performs integration for a fixed time, and the sample-hold circuit and the AD converter operate in synchronization with the operation of the integrator.
Based on the wave height distribution generated in the history memory at the time when the integration operation in the integrator is performed a predetermined number of times, the calculation unit estimates the number distribution of the photoelectrons emitted from the photodetector in the same manner as described above, and The light quantity of the measured light beam can be obtained based on the estimated value.

【0075】また、光電子数分布の推定は、最尤法によ
るのが最も好適であるが、他の方法、例えば、最小二乗
法を用いることもできる。
The distribution of the number of photoelectrons is most preferably estimated by the maximum likelihood method, but other methods, for example, the least square method can also be used.

【0076】[0076]

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明に係
る測光装置では、先ず、被測定光束が光検出器の光電変
換面に入射すると光電子が放出され、その光電子は光検
出器内の所定数の増倍部の何れかに入射し増倍されて電
流信号が出力される。ここで増倍部それぞれに入射した
光電子の個数は、入射した光束の光量に応じた光電子数
分布に従う。この所定数の増倍部それぞれから出力され
た電流信号それぞれは、積分手段で所定時間積分されて
電圧信号となり、この電圧信号は、AD変換手段でデジ
タル値に変換され、このデジタル値は、波高分布生成手
段に入力して、増倍部ごとに電圧信号の波高分布が生成
される。被測定光束が光検出器に入射して生成された波
高分布と、単一光電子事象波高分布生成手段で獲得され
た単一光電子事象の波高分布と、k-光電子事象波高分布
生成手段で算出されたk-光電子事象の波高分布(k=2,3,
…)とに基づいて、光電子数分布推定手段において、被
測定光束が光検出器に入射してた場合の増倍部ごとの光
電子数分布が推定され、さらに被測定光束の光量が求め
られる。この測光装置に用いられる光検出器の増倍部と
して、アバランシェフォトダイオードを利用するのが好
適である。また、光電子の個数分布を推定するに際して
は、ポアソン分布を仮定して最尤法による。また、光検
出器の入射窓の前面にレンズ系を備えて、被測定光束の
光束径を拡大して入射窓に入射させるようにしてもよ
い。
As described above in detail, in the photometric device according to the present invention, first, when the light beam to be measured enters the photoelectric conversion surface of the photodetector, photoelectrons are emitted, and the photoelectrons are emitted to a predetermined position in the photodetector. A current signal is output after being incident on one of the number multiplication units and multiplied. Here, the number of photoelectrons incident on each of the multipliers follows a photoelectron number distribution according to the amount of incident light flux. Each of the current signals output from each of the predetermined number of multipliers is integrated for a predetermined time by the integration means to become a voltage signal, and this voltage signal is converted to a digital value by the AD conversion means, and this digital value is converted into a peak value. The signal is input to the distribution generating means, and a peak distribution of the voltage signal is generated for each multiplication unit. The wave height distribution generated by the measured light beam incident on the photodetector, the wave height distribution of a single photoelectron event obtained by the single photoelectron event wave height distribution generating means, and the wave height distribution calculated by the k-photoelectron event wave height distribution generating means Height distribution of k-photoelectron events (k = 2,3,
..), The photoelectron number distribution estimating means estimates the photoelectron number distribution of each multiplication unit when the light beam to be measured enters the photodetector, and further calculates the light quantity of the light beam to be measured. It is preferable to use an avalanche photodiode as a multiplier of the photodetector used in the photometric device. In estimating the number distribution of photoelectrons, the maximum likelihood method is used assuming a Poisson distribution. Further, a lens system may be provided in front of the entrance window of the photodetector so that the beam diameter of the beam to be measured is enlarged so as to be incident on the entrance window.

【0077】このような構成としたので、被測定光束が
光検出器の光電変換面に入射して放出される光電子数が
大きい場合であっても、被測定光束の光量を精度良く測
定することができる。したがって、本装置がスペクトル
測定に用いられる場合には、被測定光束のスペクトル測
定に際してピーク強度差が大きい場合であっても、スペ
クトルを精度よく測定することができる。また、例えば
生化学等の分野において、パルスレーザ光源で励起され
た試料から発生する蛍光を光子計数してその試料中の蛍
光分子数を定量測定する測光装置としても好適に用いる
ことができる。
With such a configuration, even when the measured light beam is incident on the photoelectric conversion surface of the photodetector and the number of emitted photoelectrons is large, the light amount of the measured light beam can be accurately measured. Can be. Therefore, when the present apparatus is used for spectrum measurement, the spectrum can be measured accurately even when the peak intensity difference is large when measuring the spectrum of the measured light flux. Further, for example, in the field of biochemistry and the like, the present invention can be suitably used as a photometric device for photon counting fluorescence generated from a sample excited by a pulsed laser light source and quantitatively measuring the number of fluorescent molecules in the sample.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る測光装置の構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of a photometric device according to the present invention.

【図2】k-光電子事象の波高分布pk (h) を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing a wave height distribution p k (h) of a k -photoelectron event.

【図3】測定対象である光束を実際に測定して得られた
波高分布(破線)と、最尤法で推定されたλ値に基づい
て計算された波高分布(実線)とを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a wave height distribution (broken line) obtained by actually measuring a light flux to be measured and a wave height distribution (solid line) calculated based on a λ value estimated by the maximum likelihood method. is there.

【図4】本発明に係る測光装置を用いた蛍光分光測定の
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of fluorescence spectroscopy measurement using the photometric device according to the present invention.

【図5】本発明に係る測光装置の動作の説明図である。FIG. 5 is an explanatory diagram of an operation of the photometric device according to the present invention.

【図6】パルスレーザ光光量、蛍光光量および各信号の
時間変化を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a pulse laser beam light amount, a fluorescent light amount, and a time change of each signal.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…光検出器、11…真空容器、12…入射窓、13
…光電変換面、15a,15b,15c,15d…アバ
ランシェフォトダイオード(APD)、16a,16
b,16c,16d…アノード、17a,17b,17
c,17d…カソード、18…逆バイアス電源、19…
高圧電源、20a,20b,20c,20d…積分器、
21a,21b,21c,21d…スイッチ、22a,
22b,32c,22d…コンデンサ、30a,30
b,30c,30d…増幅器、40a,40b,40
c,40d…サンプルホールド回路、45…マルチプレ
クサ、50…AD変換器、60…ヒストメモリ、70…
演算部、80…パルスレーザ光源、81,82…レン
ズ、83…試料、84…レンズ、85…バリアフィル
タ、86,87…レンズ、90…分光器、91…制御
部、A…被測定光束、B…光電子。
10 photodetector, 11 vacuum chamber, 12 entrance window, 13
... photoelectric conversion surfaces, 15a, 15b, 15c, 15d ... avalanche photodiodes (APD), 16a, 16
b, 16c, 16d ... Anode, 17a, 17b, 17
c, 17d: cathode, 18: reverse bias power supply, 19 ...
High-voltage power supply, 20a, 20b, 20c, 20d ... integrator,
21a, 21b, 21c, 21d ... switch, 22a,
22b, 32c, 22d ... capacitors, 30a, 30
b, 30c, 30d ... amplifiers, 40a, 40b, 40
c, 40d: sample and hold circuit, 45: multiplexer, 50: AD converter, 60: history memory, 70:
Arithmetic operation unit, 80: pulse laser light source, 81, 82: lens, 83: sample, 84: lens, 85: barrier filter, 86, 87: lens, 90: spectroscope, 91: control unit, A: light beam to be measured, B: Photoelectrons.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01J 1/02 G01J 1/44 G01N 21/64 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01J 1/02 G01J 1/44 G01N 21/64

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被測定光束の光量に応じた分布に従った
個数の光電子を放出する光電変換面と、それぞれ光電子
数分布に従った個数の光電子を入射し増倍して電流信号
を出力する2以上の所定数の増倍部と、前記被測定光束
を透過させる入射窓を有し前記光電変換面および前記所
定数の増倍部を内部に含む真空容器と、を備える光検出
器と、 前記所定数の増倍部それぞれから出力された前記電流信
号それぞれを所定時間積分して電圧信号に変換する積分
手段と、 前記電圧信号に応じたデジタル値に変換するAD変換手
段と、 前記所定数の増倍部のそれぞれ及び前記デジタル値に対
応する番地に所定値を累積加算して、前記所定数の増倍
部それぞれについて前記電圧信号の波高分布を生成する
波高分布生成手段と、 前記所定数の増倍部それぞれに入射する光電子が1個の
場合に前記波高分布生成手段で生成される波高分布を単
一光電子事象波高分布として獲得する単一光電子事象波
高分布生成手段と、 前記所定数の増倍部それぞれに入射する光電子の個数k
が2以上かつ一定数以下のそれぞれの場合におけるk-光
電子事象波高分布を、前記単一光電子事象波高分布に基
づいて漸化的にコンボリューション計算によって算出す
るk-光電子事象波高分布生成手段と、前記被測定光束が
前記光電変換面に入射して放出された光電子が前記所定
数の 増倍部の何れかに入射して前記波高分布生成手段で生成
された波高分布と、前記単一光電子事象波高分布と、前
記光電子の個数kそれぞれの場合における前記k-光電子
事象波高分布とに基づいて、前記被測定光束が前記光電
変換面に入射した場合の前記所定数の増倍部それぞれに
ついての前記光電子数分布を推定することによって、前
記被測定光束の光量を求める光電子数分布推定手段と、 を備えることを特徴とする測光装置。
1. A photoelectric conversion surface that emits a number of photoelectrons according to a distribution according to a light amount of a light beam to be measured, and a number of photoelectrons according to a photoelectron number distribution are input and multiplied to output a current signal. A photodetector comprising a predetermined number of two or more multipliers, and a vacuum vessel having an entrance window through which the measured light beam is transmitted and including the photoelectric conversion surface and the predetermined number of multipliers therein; Integrating means for integrating each of the current signals output from each of the predetermined number of multipliers for a predetermined time to convert the current signal into a voltage signal; AD converting means for converting the current signal into a digital value corresponding to the voltage signal; A pulse height distribution generating means for cumulatively adding a predetermined value to each of the multipliers and the address corresponding to the digital value, thereby generating a pulse height distribution of the voltage signal for each of the predetermined number of multipliers; Multiplication section of each A single photoelectron event wave height distribution generating means for acquiring a wave height distribution generated by the wave height distribution generating means as a single photoelectron event wave height distribution when only one photoelectron is incident on the photomultiplier; Number of incident photoelectrons k
The k-photoelectron event crest distribution generating means for calculating the k-photoelectron event crest distribution in each case of 2 or more and a certain number or less based on the single photoelectron event crest distribution by a convolution calculation based on the recurrence, The photoelectron emitted when the light beam to be measured is incident on the photoelectric conversion surface is incident on one of the predetermined number of multipliers, and the wave height distribution generated by the wave height distribution generating means and the single photoelectron event Crest height distribution, based on the k-photoelectron event crest distribution in each case of the number k of the photoelectrons, based on the k-photoelectron event crest distribution, for each of the predetermined number of multipliers when the measured light flux is incident on the photoelectric conversion surface. A photoelectron number distribution estimating means for estimating the photoelectron number distribution to obtain the light quantity of the measured light flux.
【請求項2】 前記所定数の増倍部それぞれは、アノー
ドとカソードとの間に逆バイアス電圧が印加され、且
つ、前記光電変換面に対向する部位が前記光電変換面の
電位よりも高電位に設定されて、前記光電子を入力して
生成された電子・正孔対をアバランシェ増倍し、アバラ
ンシェ増倍された電子・正孔対の数に応じた前記電流信
号を出力するアバランシェフォトダイオードである、こ
とを特徴とする請求項1記載の測光装置。
2. A predetermined number of multiplying sections, to each of which a reverse bias voltage is applied between an anode and a cathode, and a portion facing the photoelectric conversion surface has a higher potential than a potential of the photoelectric conversion surface. An avalanche photodiode that avalanche multiplies the electron-hole pairs generated by inputting the photoelectrons and outputs the current signal according to the number of avalanche-multiplied electron-hole pairs. The photometric device according to claim 1, wherein:
【請求項3】 前記光電子数分布推定手段は、最尤法に
より前記光電子数分布を推定する、ことを特徴とする請
求項1記載の測光装置。
3. The photometric device according to claim 1, wherein said photoelectron number distribution estimating means estimates said photoelectron number distribution by a maximum likelihood method.
【請求項4】 前記光電子数分布推定手段は、前記光電
子数分布がポアソン分布であると仮定して前記光電子数
分布を推定する、ことを特徴とする請求項1記載の測光
装置。
4. The photometric device according to claim 1, wherein said photoelectron number distribution estimating means estimates said photoelectron number distribution on the assumption that said photoelectron number distribution is a Poisson distribution.
【請求項5】 前記光検出器の前記入射窓の前面に備え
られ、入射した前記被測定光束の径を拡大または縮小し
て、その拡大または縮小された前記被測定光束を前記入
射窓に入射させるレンズ系を更に備えることを特徴とす
る請求項1記載の測光装置。
5. The light detector is provided in front of the entrance window of the photodetector, and the diameter of the incident light beam to be measured is enlarged or reduced, and the enlarged or reduced light beam to be measured is incident on the entrance window. The photometric device according to claim 1, further comprising a lens system for causing the light to be emitted.
JP33048295A 1995-12-19 1995-12-19 Photometric device Expired - Lifetime JP2908742B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP33048295A JP2908742B2 (en) 1995-12-19 1995-12-19 Photometric device
US08/767,933 US5694211A (en) 1995-12-19 1996-12-17 Light measuring apparatus for quantizing photon
DE19653204A DE19653204A1 (en) 1995-12-19 1996-12-19 Light measuring device for the quantitative measurement of photons
GB9626388A GB2308442B (en) 1995-12-19 1996-12-19 A light measuring apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP33048295A JP2908742B2 (en) 1995-12-19 1995-12-19 Photometric device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH09170950A JPH09170950A (en) 1997-06-30
JP2908742B2 true JP2908742B2 (en) 1999-06-21

Family

ID=18233123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP33048295A Expired - Lifetime JP2908742B2 (en) 1995-12-19 1995-12-19 Photometric device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2908742B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012047627A2 (en) 2010-09-27 2012-04-12 Purdue Research Foundation System and method of extending the linear dynamic range of event counting

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6004421B2 (en) * 2012-03-30 2016-10-05 株式会社日立ハイテクノロジーズ Image sensor, inspection device, and detection device
JP7416729B2 (en) * 2018-06-19 2024-01-17 ベクトン・ディキンソン・アンド・カンパニー Variable multiplexing switch, system, and method of use for detector arrays
JP7208052B2 (en) * 2019-02-15 2023-01-18 株式会社豊田中央研究所 optical rangefinder

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012047627A2 (en) 2010-09-27 2012-04-12 Purdue Research Foundation System and method of extending the linear dynamic range of event counting
EP2622313A4 (en) * 2010-09-27 2015-09-09 Purdue Research Foundation System and method of extending the linear dynamic range of event counting
US9767258B2 (en) 2010-09-27 2017-09-19 Purdue Research Foundation System and method of extending the linear dynamic range of event counting
US10162942B2 (en) 2010-09-27 2018-12-25 Purdue Research Foundation System and method of extending the linear dynamic range of event counting

Also Published As

Publication number Publication date
JPH09170950A (en) 1997-06-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10892149B2 (en) Optical detectors and methods of using them
US5990484A (en) Method and apparatus for measuring fluorescence
JP5746044B2 (en) Position-resolved measuring instrument and method for acquiring spatial coordinates of a quantum beam incident on the position-resolved measuring instrument
US5715049A (en) Light measuring apparatus for quantifying photons
US20110192957A1 (en) System and Method for Extending Dynamic Range for a Detector
JP2908742B2 (en) Photometric device
US5032714A (en) Light waveform measuring device including a streak camera
JPH09159527A (en) Fluorescent material determining device
US5694211A (en) Light measuring apparatus for quantizing photon
JP2000304697A (en) Method and apparatus for measurement of fluorescence life
US20110186740A1 (en) System for controlling photomultiplier gain drift and associated method
JP2003202292A (en) Device and method of measuring lifetime of fluorescence
JPH05172638A (en) Photo array sensor and image intensifier for spectral analyzer
JPH10227695A (en) Pulse light photometric apparatus
JPH07280646A (en) Luminous-flux measuring device
JPH09210907A (en) Scanning fluorescent sensing device
JP3136102B2 (en) Photometric device
RU2593423C1 (en) Spectrometer for soft x-ray and vuv ranges
JP3315212B2 (en) Weak luminescence measuring device
Kelly et al. Time-resolved fluorescence polarization measurements for entire emission spectra with a resistive-anode, single-photon-counting detector: The Fluorescence Omnilyzer
US11361951B2 (en) System and method for photomultiplier tube image correction
WO2023286353A1 (en) Arithmetic device, optical detection device, and gain calculation method
Sabsabi et al. LIBS Instrumentations
EP1329699A1 (en) Optical measurement apparatus and method for optical measurement
Bellamy et al. Absolute calibration and monitoring of a spectrometric channel using a photomultiplier