JP3136102B2 - 測光装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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、光電子増倍管からの出力パルスの計数値に基づいて
蛍光強度を測定する光子計数法により蛍光物質を定量す
る。また、強度の強い励起光を発生させるために励起光
源としてレーザ光源が用いられる。更に大きな励起光強
度を得るために、また、光電子増倍管のダークノイズを
除去するために、パルス光を出力するパルスレーザ光源
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パルスの計数値に基
づいて蛍光物質が定量される。

【０００４】

【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、数え落とされる光電
子の個数が増え、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。

【０００５】また、例えば、分光器によるスペクトル測
定において多数の波長に強度ピークが現れる場合がある
が、このような場合に従来の測光装置を用いると以下の
ような問題がある。すなわち、この場合、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、各ピークにおけるピーク強度の差が大きいと、
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計数値が小さ
いため量子ノイズが相対的に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に際して光電子の数
え落としが発生して測定精度が悪くなる。

【０００６】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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る測光装置
は、(1) 入射した被測定光束の光量に応じた個数の光電
子を放出する光電変換面と、光電変換面から放出された
光電子を増倍して二次電子を発生させる電子増倍部と、
二次電子の入力に応じて電流パルス信号をそれぞれ出力
する２以上の所定数のアノード電極と、被測定光束を透
過させる入射窓を有し光電変換面、電子増倍部および所
定数のアノード電極を内部に含む真空容器と、を有する
光検出器と、(2) 所定数のアノード電極それぞれについ
て、一定のゲート時間内に１個以上の電流パルス信号が
出力された事象を計数する光電子計数手段と、(3) 光電
子計数手段により計数された事象の計数値に基づいて、
所定数のアノード電極それぞれに対応する光電変換面上
の領域それぞれからゲート時間内に放出された光電子の
個数の平均値を推定して、被測定光束の光量を求める光
電子数推定手段と、を備えることを特徴とする。

【０００８】この測光装置によれば、光検出器の光電変
換面に被測定光束が入射すると、その光量に応じた光電
子が光電変換面から放出され、その光電子は電子増倍部
で増倍されて多数の二次電子が発生し、その二次電子が
２以上の所定数のアノード電極のうちの何れかのアノー
ド電極に入射すると、そのアノード電極から電流パルス
信号が出力される。所定数のアノード電極それぞれから
出力された電流パルス信号は、光電子計数手段に入力
し、所定数のアノード電極それぞれについて、一定のゲ
ート時間内に１個以上の電流パルス信号が出力された事
象が計数される。そして、光電子数推定手段により、光
電子計数手段により計数された事象の計数値に基づい
て、所定数のアノード電極それぞれに対応する光電変換
面上の領域それぞれからゲート時間内に放出された光電
子の個数の平均値が推定され、被測定光束の光量が求め
られる。

【０００９】請求項２に係る測光装置は、請求項１記載
の測光装置であって、さらに、光電子数推定手段は、ゲ
ート時間内に被測定光束が光電変換面に入射して放出さ
れる光電子の個数がポアソン分布に従うと仮定して平均
値を推定することを特徴とする。この場合、光電変換面
から放出された光電子の個数の平均値は精度良く推定さ
れる。

【００１０】請求項３に係る測光装置は、請求項１記載
の測光装置であって、さらに、光電変換面に入射する被
測定光束の光束内の強度分布を略均一にする均一化光学
系を更に備えることを特徴とする。また、請求項４に係
る測光装置は、請求項１記載の測光装置であって、さら
に、所定数のアノード電極それぞれは、被測定光束が光
電変換面に入射したときに電子増倍部で発生した二次電
子を互いに略等しい頻度で入力することを特徴とする。
これらの場合、所定数のアノード電極それぞれに二次電
子が略均一に入力するので、被測定光束の光量が大きく
なっても、所定数のアノード電極のうちの特定のアノー
ド電極についてのみ平均光電子数の推定精度が悪くなる
ことはなく、優れた光量測定精度が得られる。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【００１５】請求項５に係る測光装置は、請求項１記載
の測光装置であって、さらに、光電子数推定手段は、最
尤法により平均値を推定することを特徴とする。この場
合、光電変換面から放出された光電子の個数の平均値は
精度良く推定される。

【００１６】

【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。

【００１７】（第１の実施形態）まず、第１の実施形態
に係る測光装置の構成について説明する。図１は、第１
の実施形態に係る測光装置の構成図である。

【００１８】この測光装置に用いられる光検出器１０
は、被測定光束Ａを透過させる入射窓１２を有する真空
容器１１内に、入射した被測定光束Ａの光量に応じた個
数の光電子Ｂを放出する光電変換面１３と、その光電子
Ｂを増倍して多数の二次電子を発生させる電子増倍部１
４と、その二次電子を入力して電流パルス信号を出力す
る複数（ここでは１６個）のアノード電極１５₀₁乃至１
５₁₆とを備えるものである。ここで、電子増倍部１４
は、例えば、光電子増倍管におけるような多段の格子状
ダイノードであってもよいし、マイクロチャンネルプレ
ートであってもよい。１６個のアノード電極１５₀₁乃至
１５₁₆は、光電変換面１３と平行な面内に４×４のアレ
イ状に配置されている。なお、この図１では、簡便のた
め、１６個のアノード電極のうちの４個のアノード電極
１５₀₁，１５₀₂，１５₁₅および１５₁₆を示している。

【００１９】この光検出器１０において、光電変換面１
３がアノード電極１５₀₁乃至１５₁₆に対して低電位とさ
れ、また、電子増倍部１４にも所定の電圧が印加されて
いるときに、被測定光束Ａが光電変換面１３に入射する
と、その光量に応じた個数の光電子Ｂが光電変換面１３
から放出され、その光電子Ｂは電子増倍部１４により増
倍されて多数の二次電子が発生する。そして、その二次
電子は、アノード電極１５₀₁乃至１５₁₆のうちの何れか
のアノード電極に到達する。この二次電子が到達して電
流パルス信号を出力するアノード電極は、被測定光束Ａ
の光子が光電変換面１３に入射した位置に対応したもの
である。

【００２０】光検出器１０のアノード電極１５_k から出
力された電流パルス信号は、光電子計数部２０の増幅器
２１_k 、波高弁別器２２_k 、ゲート回路２３_k およびバ
ッファメモリ２４により計数され記憶される（ｋ＝01，
02，…，15，16）。光電子計数部２０では、アノード電
極１５₀₁乃至１５₁₆それぞれから出力された電流パルス
信号について同様の処理を行うので、以下では、ｋ番目
のアノード電極１５_k、並びに、これに対応する増幅器
２１_k 、波高弁別器２２_k およびゲート回路２３_k につ
いて説明する。

【００２１】アノード電極１５_k から出力された電流パ
ルス信号は、光電子計数部２０の増幅器２１_k により、
電圧パルス信号に変換され増幅されて出力され、この電
圧パルス信号は、波高弁別器２２_k に入力する。この波
高弁別器２２_k は、所定パルス幅のゲート信号をも入力
し、このゲート信号のパルス幅で与えられるゲート時間
内に入力した電圧パルス信号であって、且つ、所定の閾
値電圧よりも波高値が高い（すなわち、被測定光束Ａが
光電変換面１３に入射して放出された光電子Ｂに対応し
た）電圧パルス信号を弁別し、論理パルス信号を出力す
る。この波高弁別器２２_k から出力される論理信号を入
力するゲート回路２３_k は、ゲート信号が示すゲート時
間内に、少なくとも１個以上の論理パルスが入力された
ときには論理値１を出力し、論理パルスが全く入力され
なかったときには論理値０を出力する。

【００２２】すなわち、アノード電極１５_k に対応した
光電変換面１３上の位置に、ゲート信号のパルス幅で与
えられるゲート時間内に被測定光束Ａの光子が入射し、
少なくとも１個の光電子が放出されると、そのアノード
電極１５_k に対応するゲート回路２３_k から論理値１が
出力され、そうでない場合には、ゲート回路２３_k から
論理値０が出力される。そして、バッファメモリ２４
は、ゲート信号の各パルス毎に、これらゲート回路２３
₀₁乃至２３₁₆それぞれから出力された論理値を１６ビッ
トデータとして記憶する。すなわち、１６ビットデータ
のうちの第ｋビット目の値は、ｋ番目のゲート回路２３
_k から出力された論理値を示す。

【００２３】光電子数推定部３０は、ゲート信号の多数
のパルスについてバッファメモリ２４に記憶された多数
の１６ビットデータに基づいて、以下の要領で、光検出
器１０が受光した被測定光束Ａの光量を求める。なお、
以下では、ゲート信号のＭ個のパルスそれぞれについて
上述の処理がなされ、Ｍ個の１６ビットデータがバッフ
ァメモリ２４に記憶されているものとする。また、Ｍ個
の１６ビットデータのうちのｍ番目の１６ビットデータ
の第ｋビット目の値をｂ_k,m で表す。すなわち、値ｂ
_k,m は、ゲート信号のｍ番目のパルスについてｋ番目の
ゲート回路２３_kから出力された論理値を表している。
このとき、ゲート信号のＭ個のパルスについて、アノー
ド電極１５_k から少なくとも１個の光電子に対応する電
流パルス信号が出力された回数ｎ_k は、

【数１】 で与えられる。

【００２４】また、被測定光束Ａが光電変換面１３に入
射したときにゲート信号のパルス幅で与えられるゲート
時間内にアノード電極１５_k に対応した光電変換面１３
上の領域から放出される光電子の個数はポアソン分布に
従うと仮定し、その平均光電子数をλ_k とする。さら
に、被測定光束Ａが光電変換面１３に入射したときにゲ
ート時間内に光電変換面１３全体から放出される光電子
の個数もポアソン分布に従うと仮定し、その平均光電子
数をλとする。

【００２５】この仮定の下では、ゲート時間内に、アノ
ード電極１５_k から電流パルス信号が１個も出力されな
い確率、すなわち、アノード電極１５_k に対応した光電
変換面１３上の領域から光電子が１個も放出されない確
率ｐ_k(0)は、

【数２】 で表される。したがって、ゲート信号のＭ個のパルスに
ついてアノード電極１５_k から少なくとも１つの電流パ
ルス信号が出力される回数がｎ_k である場合の対数尤度
は、

【数３】 で与えられる。

【００２６】そこで、光電子数推定部３０は、この
（３）式に基づいて最尤法により平均光電子数λを推定
する。すなわち、光電子数推定部３０は、この対数尤度
を最大にする値λ_k を求め、この値λ_k をもって、被測
定光束Ａが光電変換面１３に入射したときにアノード電
極１５_k に対応する光電変換面１３上の領域からゲート
時間内に放出される光電子の平均値と推定する。（３）
式で与えられる対数尤度を最大にする値λ_k は、（３）
式をλ_k で微分して０と置くことにより、

【数４】 で与えられる。光電子数推定部３０は、さらに、

【数５】 なる式より、被測定光束Ａが光電変換面１３に入射した
ときに光電変換面１３全体からゲート時間内に放出され
る平均光電子数λを求め、この平均光電子数λに基づい
て光検出器１０が受光した被測定光束Ａの光量を求め
る。

【００２７】次に、本実施形態に係る測光装置における
平均光電子数λの推定精度について行ったシミュレーシ
ョン計算の結果について述べる。シミュレーション計算
の条件は以下のとおりである。アノード電極の個数を
1、4、16 それぞれとし、光電変換面１３からゲート時
間内に放出される平均光電子数λを 0.06 、0.1 、0.
2、0.3 、0.6 、1 、2 、3 、6 、10 、20 それぞれと
した。以上のそれぞれの条件の組み合わせについて、ゲ
ート信号のパルス数Ｍを 10000として、シミュレーショ
ン計算を 500回行って、平均光電子数λを推定し、その
推定された 500個の平均光電子数λの標準偏差を推定精
度とした。なお、このシミュレーション計算に際して
は、光電変換面１３から放出された光電子が電子増倍部
１４に入力して発生した二次電子は、 4個または16個の
アノード電極それぞれに均等に入射すると仮定した。

【００２８】図２は、本実施形態に係る測光装置におけ
る平均光電子数の推定精度のシミュレーション計算結果
を示す図である。この図において、◇印は、アノード電
極が1個の場合の推定精度（標準偏差）を、△印は、ア
ノード電極が 4個の場合の推定精度（標準偏差）を、□
印は、アノード電極が16個の場合の推定精度（標準偏
差）を、それぞれ示す。この図から判るように、光電変
換面１３から放出された光電子を検出するアノード電極
の個数が多いほど、平均光電子数λを精度良く推定する
ことができる。特に、平均光電子数λが 1を越えると、
平均光電子数λの推定精度は、アノード電極の個数に依
って大きく異なる。アノード電極が 1個の場合には、平
均光電子数λが 6を越えると推定不能になるが、アノー
ド電極が16個の場合には、平均光電子数λが20であって
も推定精度（標準偏差）は 0.064であり良好な精度が得
られた。

【００２９】次に、本実施形態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３は、本実
施形態に係る測光装置を用いた蛍光分光測定システムの
構成図である。

【００３０】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４０は、そのパルスレーザ光の出力タイ
ミングを示すタイミング信号をも出力する。制御部６０
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を計数
するとともに、波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆、ゲート回
路２３₀₁乃至２３₁₆、バッファメモリ２４および光電子
数推定部３０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。

【００３１】パルスレーザ光源４０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４１および４
２により光束径を拡げられ、反射鏡４３により反射さ
れ、レンズ４４により集光されて試料４５に照射され、
試料４５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４６および４８により集光され、
バリアフィルタ４７を透過して、分光器５０に入射す
る。バリアフィルタ４７は、蛍光を透過させるが、試料
４５で散乱されて分光器５０の方向に向かうパルスレー
ザ光を遮断する。

【００３２】蛍光を入力した分光器５０は、その蛍光を
波長分解し、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
５０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が、レンズ５１により集光
されて光検出器１０の光電変換面１３の有効領域全面に
入射するのが好適である。光検出器１０の光電変換面１
３に蛍光（被測定光束Ａ）が入射すると、その光量に応
じた個数の光電子が放出され、その光電子は電子増倍部
１４により増倍されて二次電子が発生し、その二次電子
はアノード電極１５₀₁乃至１５₁₆の何れかに到達し、そ
して、その二次電子が到達したアノード電極から電流パ
ルス信号が出力される。

【００３３】このアノード電極１５₀₁乃至１５₁₆それぞ
れから出力された電流パルス信号それぞれは、増幅器２
１₀₁乃至２１₁₆、波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆、ゲート
回路２３₀₁乃至２３₁₆およびバッファメモリ２４からな
る光電子計数部２０に入力し、ゲート回路２３₀₁乃至２
３₁₆から出力された１６ビットデータがバッファメモリ
２４に蓄積される。そして、光電子数推定部３０によ
り、バッファメモリ２４に蓄積された多数の１６ビット
データに基づいて、光電変換面１３から放出された平均
光電子数λが推定され、光電変換面１３に入射した蛍光
の光量が求められる。波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆、ゲ
ート回路２３₀₁乃至２３₁₆、バッファメモリ２４および
光電子数推定部３０それぞれは、図４に示すように、制
御部６０から出力される信号により制御されて動作す
る。

【００３４】以下では、光電子計数部２０における処理
の内容を、パルスレーザ光（励起光）の発生タイミン
グ、光電変換面１３に蛍光が入射して放出される光電子
の放出頻度および各信号の時間変化とともに説明する。
図５は、パルスレーザ光発生タイミング、光電変換面１
３から放出される光電子の放出頻度および各信号の時間
変化を示す図である。図５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５（ａ））。

【００３５】試料４５中の蛍光物質から発生した蛍光が
分光器５０を経て光検出器１０の光電変換面１３に入射
することにより放出される光電子の放出頻度（図５
（ｂ））は、パルスレーザ光照射直後に立ち上がり、そ
の後漸減する。この光電子は電子増倍部１４により増倍
されて二次電子が発生し、その二次電子はアノード電極
１５₀₁乃至１５₁₆に分配されて入射し、アノード電極１
５₀₁乃至１５₁₆それぞれから電流パルス信号が出力さ
れ、その電流パルス信号は、増幅器２１₀₁乃至２１₁₆そ
れぞれに入力して電圧パルス信号に変換され増幅されて
出力される。

【００３６】図５（ｃ）および（ｄ）それぞれは、増幅
器２１₀₁および２１₀₂それぞれから出力された電圧パル
ス信号を示す図である。増幅器２１₀₁は、光電変換面１
３から放出された最初の光電子および２番目の光電子そ
れぞれに対応して電圧パルス信号を出力しているが、こ
れら２つの光電子が短い時間間隔で放出されたために、
電圧パルス信号は重なって１パルスとなっている（図５
（ｃ））。増幅器２１₀₂は、光電変換面１３から放出さ
れた４番目の光電子および１０番目の光電子それぞれに
対応して電圧パルス信号を出力しており、これら２つの
光電子が比較的長い時間間隔で放出されたために、電圧
パルス信号は２パルスとなっている（図５（ｄ））。

【００３７】一方、制御部６０は、パルスレーザ光源４
０におけるパルスレーザ光の発生タイミングを示すタイ
ミング信号を入力し、このタイミングに同期してゲート
信号（図５（ｅ））を出力する。このゲート信号は、パ
ルスレーザ光発生直前の時刻に立ち上がり、蛍光光子発
生頻度が充分に減衰する時間（蛍光寿命の５倍程度）が
経過した時刻に立ち下がるパルス状の信号である。

【００３８】増幅器２１₀₁乃至２１₁₆それぞれから出力
された電圧パルス信号は、制御部６０から出力されたゲ
ート信号とともに、波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆それぞ
れに入力される。波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆それぞれ
は、ゲート信号が示すゲート時間（ゲート信号のパルス
の立ち上がり時刻から立ち下がり時刻までの時間）内で
あって電圧パルス信号の信号レベルが所定の閾値より大
きいときに論理値１である論理パルス信号を出力する。
このようにすることにより、波高弁別器２２₀₁乃至２２
₁₆それぞれから出力される論理パルス信号は、蛍光光子
の入射により光電変換面１３から放出された光電子に対
応したものとなる。

【００３９】図５（ｆ）および（ｇ）それぞれは、波高
弁別器２２₀₁および２２₀₂それぞれから出力された論理
パルス信号を示す図である。波高弁別器２２₀₁は、増幅
器２１₀₁から出力された電圧パルス信号が１パルスであ
ることから、１パルスの論理パルス信号を出力しており
（図５（ｆ））、波高弁別器２２₀₂は、増幅器２１₀₂か
ら出力された電圧パルス信号が２パルスであることか
ら、それぞれに対応して２パルスの論理パルス信号を出
力している（図５（ｇ））。

【００４０】波高弁別器２２₀₁乃至２２₁₆それぞれから
出力された論理パルス信号は、制御部６０から出力され
たゲート信号とともに、ゲート回路２３₀₁乃至２３₁₆そ
れぞれに入力される。ゲート回路２３₀₁乃至２３₁₆それ
ぞれは、ゲート信号が示すゲート時間内に論理パルス信
号が論理値１となる時刻以降、論理値１を出力し、ゲー
ト信号が示すゲート時間内に論理パルス信号が論理値０
のままであれば、論理値０を出力する。すなわち、ゲー
ト時間内に１パルス以上の論理パルス信号が入力した場
合には、ゲート時間終了時刻（ゲート信号のパルスの立
ち下がり時刻）に論理値１が出力されており、ゲート時
間内に１パルスも入力しなかった場合には、ゲート時間
終了時刻に論理値０が出力されている。そして、その出
力された論理値は、ゲート時間終了時刻以降であってバ
ッファメモリ２４に記憶される時まで維持され、バッフ
ァメモリ２４に記憶された後に論理値０にクリアされ
る。

【００４１】図５（ｈ）および（ｉ）それぞれは、ゲー
ト回路２３₀₁および２３₀₂それぞれから出力された論理
値の変化を示す図である。ゲート回路２３₀₁は、波高弁
別器２２₀₁から出力された論理パルス信号のパルスの立
ち上がり時刻以降、論理値１を出力しており（図５
（ｈ））、ゲート回路２３₀₂は、波高弁別器２２₀₂から
出力された論理パルス信号の２パルスのうち最初のパル
スの立ち上がり時刻以降、論理値１を出力している（図
５（ｉ））。

【００４２】そして、ゲート回路２３₀₁乃至２３₁₆それ
ぞれから出力された論理値は、制御部６０から出力され
るトリガパルス信号（図５（ｊ））とともに、バッファ
メモリ２４に入力する。このトリガパルス信号は、パル
スレーザ光源４０におけるパルスレーザ光発生のタイミ
ングに同期しており、ゲート信号の立ち下がり時刻以降
であって次のゲート信号の立ち上がり時刻以前の時刻に
立ち上がるパルス状の信号である。このトリガパルス信
号の立ち上がり時刻では、ゲート回路２３₀₁乃至２３₁₆
それぞれから出力された論理値は維持されている。そし
て、バッファメモリ２４は、トリガパルス信号の立ち上
がり時刻においてゲート回路２３₀₁乃至２３₁₆それぞれ
から出力されている論理値を１６ビットデータとして記
憶する。

【００４３】制御部６０は、パルスレーザ光源４０から
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
の励起回数が充分に大きな値Ｍになったときに、光電子
数推定部３０に指示して平均光電子数λの推定を行わせ
る。すなわち、光電子数推定部３０は、制御部６０から
の指示を受けて、バッファメモリ２４に記憶されている
Ｍ個の１６ビットデータを読み出し、これに基づいて、
（４）式により、アノード電極１５_k についての平均光
電子数λ_k （ｋ＝01，02，…，15，16）を推定し、
（５）式により、分光器５０により選択出力された蛍光
の所定波長成分が光検出器１０の光電変換面１３に入射
して放出された光電子の平均値λを求め、そして、その
蛍光の所定波長成分の光量を求める。そして、分光器５
０の選択波長を走査し、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。

【００４４】以上のようにしてスペクトルを測定すれ
ば、複数のアノード電極それぞれについて出力される電
流パルス信号を並列的に処理して平均光電子数を推定す
るので、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。

【００４５】なお、上記実施形態では、分光器５０から
出力された被測定光束は、レンズ５１を経て、光検出器
１０の光電変換面１３に入射した。この場合、一般に、
光電変換面１３に入射した被測定光束は、強度が光束中
央付近で強く周辺部で弱い。したがって、光検出器１０
の複数のアノード電極のうち特定のアノード電極に二次
電子が入射する頻度が大きくなって、その特定のアノー
ド電極に対する平均光電子数の推定精度が悪くなり、そ
れ故、光検出器１０の光電変換面１３から放出される光
電子数の平均値の推定精度も悪くなる。

【００４６】このような問題に対処するために、被測定
光束Ａを光検出器１０の光電変換面１３にできる限り均
一に入射させるのが好適である。例えば、図６に示すよ
うに、光検出器１０の光電変換面１３の前面に均一化光
学系７０を備えてもよい。図６（ａ）は、均一化光学系
７０の構成図であり、図６（ｂ）は、この均一化光学系
７０により光検出器１０の光電変換面１３上に入射する
被測定光束Ａの光束形状を示す図である。この均一化光
学系７０は、それぞれの一辺が互いに接して一定の角度
をなして配されて被測定光束Ａを入力する２つの反射鏡
７１Ａおよび７１Ｂ、反射鏡７１Ａで反射された被測定
光束Ａの一部を光検出器１０の光電変換面１３に向けて
反射させる反射鏡７２、ならびに、反射鏡７１Ｂで反射
された被測定光束Ａの残部を光検出器１０の光電変換面
１３に向けて反射させる反射鏡７３を備えて構成され
る。

【００４７】中央部ほど強度が強いプロファイルを有す
る円形形状の被測定光束Ａが均一化光学系７０の反射鏡
７１Ａおよび７１Ｂに均等に入射すると、被測定光束Ａ
の半分（半円形状）は反射鏡７１Ａおよび反射鏡７２に
より順次反射され、残り半分は反射鏡７１Ｂおよび反射
鏡７３により順次反射されて、光検出器１０の光電変換
面１３に互いに重なって入射する。この光電変換面１３
上に入射した被測定光束Ａの光束形状は図６（ｂ）に示
すようになり、被測定光束Ａの中央部（強度が強い部
分）と周辺部（強度が弱い部分）とが重なるので、光電
変換面１３に入射する被測定光束Ａの均一性が向上する
ことになる。したがって、光検出器１０の複数のアノー
ド電極それぞれに到達する二次電子の頻度も均一になる
ので、平均光電子数λの推定精度すなわち被測定光束Ａ
の光量測定精度は向上する。

【００４８】（第２の実施形態）次に、第２の実施形態
に係る測光装置の構成ついて説明する。図７は、第２の
実施形態に係る測光装置の構成図である。

【００４９】本実施形態に係る測光装置は、第１の実施
形態の測光装置と比較すると、複数のアノード電極を有
する光検出器１０に替えて、複数（ここでは１６個）の
光検出器９０₀₁乃至９０₁₆を備えている点で異なる。ま
た、この図では、光検出器９０₀₁乃至９０₁₆それぞれの
入射窓９２₀₁乃至９２₁₆の前面にレンズアレイ（分割光
学系）８０が配されている。

【００５０】レンズアレイ８０は、１６個のレンズ８０
₀₁乃至８０₁₆がアレイ状に配されたものであり、レンズ
８０_k は、被測定光束Ａのうちの一部の光束を入射し
て、光検出器９０_k の入射窓９２_k に集光するものであ
る（ｋ＝01，02，…，15，16）。

【００５１】光検出器９０₀₁乃至９０₁₆は、互いに同等
のものであり、入射窓９２₀₁乃至９２₁₆それぞれが１平
面上に４×４のアレイ状に配されている。なお、この図
７では、簡便のため、４×４のアレイを直列に展開し
て、１６個の光検出器のうちの４個の光検出器９０₀₁，
９０₀₂，９０₁₅および９０₁₆を示している。光検出器９
０_k は、レンズ８０_k から到達した光束を透過させる入
射窓９２_k を有する真空容器９１_k 内に、その光束の光
量に応じた個数の光電子Ｂを放出する光電変換面９３_k
と、その光電子Ｂを増倍して多数の二次電子を発生させ
る電子増倍部９４_k と、その二次電子を入力して電流パ
ルス信号を出力するアノード電極９５_k とを備えるもの
である（ｋ＝01，02，…，15，16）。

【００５２】光検出器９０₀₁乃至９０₁₆それぞれのアノ
ード電極９５₀₁乃至９５₁₆それぞれから出力された電流
パルス信号は、光電子計数部に入力され、第１の実施形
態の場合と同様にして、光検出器９０₀₁乃至９０₁₆それ
ぞれについて、一定のゲート時間内に１個以上の電流パ
ルス信号が出力された事象が計数される。そして、光電
子数推定手段３０により、光電子計数手段２０により計
数された事象の計数値い基づいて、光検出器９０₀₁乃至
９０₁₆それぞれの光電変換面９３₀₁乃至９３₁₆それぞれ
からゲート時間内に放出された光電子の個数の平均値が
推定され、被測定光束Ａの光量が求められる。

【００５３】本発明は、上記実施形態に限定されるもの
ではなく種々の変形が可能である。例えば、上記第１の
実施形態では、光検出器には１６個のアノード電極が２
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、より多数のアノー
ド電極を配置してもよいし、より一般的にはｍ×ｎ個
（ｍ≧２、ｎ≧２）のアノード電極を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。第２の実
施形態における光検出器の配置についても同様である。
さらに、光電子計数部２０は、上述の実施形態の構成に
限られるものではない。

【００５４】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、制御部６０は、ゲート信
号を一定の繰り返し周波数のパルス列として出力し、光
電子計数部２０は、このゲート信号の個々のパルスが示
すゲート時間内に１個以上の光電子に対応する電流パル
ス信号がアノード電極から出力された回数を計数し、光
電子数推定部４０は、上述と同様の要領で光検出器１０
の光電変換面１３から放出された光電子の平均個数を推
定し、この推定値に基づいて被測定光束の光量を求め
る。

【００５５】

【発明の効果】以上、詳細に説明したとおり本発明に係
る測光装置によれば、光検出器の光電変換面に被測定光
束が入射すると、その光量に応じた光電子が光電変換面
から放出され、その光電子は電子増倍部で増倍されて多
数の二次電子が発生し、その二次電子が２以上の所定数
のアノード電極のうちの何れかのアノード電極に入射す
ると、そのアノード電極から電流パルス信号が出力され
る。所定数のアノード電極それぞれから出力された電流
パルス信号は、光電子計数手段に入力し、所定数のアノ
ード電極それぞれについて、一定のゲート時間内に１個
以上の電流パルス信号が出力された事象が計数される。
そして、光電子数推定手段により、光電子計数手段によ
り計数された事象の計数値に基づいて、所定数のアノー
ド電極それぞれに対応する光電変換面上の領域それぞれ
からゲート時間内に放出された光電子の個数の平均値が
推定され、被測定光束の光量が求められる。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、
その光電子は所定数のアノード電極に分配されて、その
所定数のアノード電極それぞれについて並列的に処理が
なされて平均光電子数が推定されるので、被測定光束の
光量は精度良く測定することができる。

【００５６】

【００５７】したがって、本発明に係る測光装置がスペ
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、パルスレーザ光で
励起された試料から発生する蛍光の強度が連続的に変化
し、しかも、その強度変化が大きな場合であっても、試
料中の蛍光分子数の変化を定量測定することができる測
光装置として好適に用いることができる。

【００５８】特に、ゲート時間内に光束が光電変換面に
入射して放出される光電子の個数がポアソン分布に従う
と仮定して平均値を推定する場合や、最尤法により平均
値を推定する場合には、光電変換面から放出された光電
子の個数の平均値を精度良く推定することができる。

【００５９】また、光電変換面に入射した被測定光束の
光束内の強度分布を略均一にする均一化光学系を更に備
える場合や、被測定光束が光電変換面に入射したときに
電子増倍部で発生した二次電子を所定数のアノード電極
それぞれが互いに略等しい頻度で入力するよう配される
場合には、所定数のアノード電極それぞれに二次電子が
略均一に入力するので、被測定光束の光量が大きくなっ
ても、所定数のアノード電極のうちの特定のアノード電
極についてのみ平均光電子数の推定精度が悪くなること
はなく、優れた光量測定精度が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る測光装置の構成図であ
る。

【図２】第１の実施形態に係る測光装置における平均光
電子数の推定精度のシミュレーション計算結果を示す図
である。

【図３】第１の実施形態に係る測光装置を用いた蛍光分
光測定システムの構成図である。

【図４】第１の実施形態に係る測光装置の動作の説明図
である。

【図５】第１の実施形態に係る測光装置を用いた蛍光分
光測定システムにおけるパルスレーザ光発生タイミン
グ、光電変換面から放出される光電子の放出頻度および
各信号の時間変化を示す図である。

【図６】均一化光学系の構成図である。

【図７】第２の実施形態に係る測光装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１０…光検出器、１１…真空容器、１２…入射窓、１３
…光電変換面、１４…電子増倍部、１５₀₁，１５₀₂，１
５₁₅，１５₁₆…アノード電極、２０…光電子計数部、２
１₀₁，２１₀₂，２１₁₅，２１₁₆…増幅器、２２₀₁，２２
₀₂，２２₁₅，２２₁₆…波高弁別器、２３₀₁，２３₀₂，２
３₁₅，２３₁₆…ゲート回路、２４…バッファメモリ、３
０…光電子数推定部、４０…パルスレーザ光源、４１，
４２…レンズ、４３…反射鏡、４４…レンズ、４５…試
料、４６…レンズ、４７…バリアフィルタ、４８…レン
ズ、５０…分光器、６０…制御部、７０…均一化光学
系、７１Ａ，７２Ｂ，７２，７３…反射鏡、８０…レン
ズアレイ、９０₀₁，９０₀₂，９０₁₅，９０₁₆…光検出
器、９１₀₁，９１₀₂，９１₁₅，９１₁₆…真空容器、９２
₀₁，９２₀₂，９２₁₅，９２₁₆…入射窓、９３₀₁，９
３₀₂，９３₁₅，９３₁₆…光電変換面、９４₀₁，９４₀₂，
９４₁₅，９４₁₆…電子増倍部、９５₀₁，９５₀₂，９
５₁₅，９５₁₆…アノード電極、Ａ…被測定光束、Ｂ…光
電子。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した被測定光束の光量に応じた個数
   の光電子を放出する光電変換面と、前記光電変換面から
   放出された光電子を増倍して二次電子を発生させる電子
   増倍部と、前記二次電子の入力に応じて電流パルス信号
   をそれぞれ出力する２以上の所定数のアノード電極と、
   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、前記電子増倍部および前記所定数のアノード電極を
   内部に含む真空容器と、を有する光検出器と、 前記所定数のアノード電極それぞれについて、一定のゲ
   ート時間内に１個以上の前記電流パルス信号が出力され
   た事象を計数する光電子計数手段と、 前記光電子計数手段により計数された前記事象の計数値
   に基づいて、前記所定数のアノード電極それぞれに対応
   する前記光電変換面上の領域それぞれから前記ゲート時
   間内に放出された光電子の個数の平均値を推定して、前
   記被測定光束の光量を求める光電子数推定手段と、 を備えることを特徴とする測光装置。
2. 【請求項２】 前記光電子数推定手段は、前記被測定光
   束が前記光電変換面に入射して前記ゲート時間内に放出
   される光電子の個数がポアソン分布に従うと仮定して前
   記平均値を推定する、ことを特徴とする請求項１記載の
   測光装置。
3. 【請求項３】 前記光電変換面に入射する前記被測定光
   束の光束内の強度分布を略均一にする均一化光学系を更
   に備える、ことを特徴とする請求項１記載の測光装置。
4. 【請求項４】 前記所定数のアノード電極それぞれは、
   前記被測定光束が前記光電変換面に入射したときに前記
   電子増倍部で発生した二次電子を互いに略等しい頻度で
   入力する、ことを特徴とする請求項１記載の測光装置。
5. 【請求項５】 前記光電子数推定手段は、最尤法により
   前記平均値を推定する、ことを特徴とする請求項１記載
   の測光装置。