JP3315212B2 - Weak luminescence measuring device - Google Patents
Weak luminescence measuring deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は一次元あるいは二次元位
置情報を出力することのできる高速タイミング微弱発光
測定装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-speed timing weak light emission measuring device capable of outputting one-dimensional or two-dimensional position information.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、このような分野の技術として、例
えば特開昭６１−２６６９４２号公報のものが知られて
いる。これは、単一光子レベルのサブナノ秒領域での発
光現象を、単一光子計数法により測定するものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as a technique in such a field, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-266942 is known. In this method, a light emission phenomenon in a sub-nanosecond region at a single photon level is measured by a single photon counting method.
【０００３】この従来例は、試料を励起する光源と、励
起タイミングを求める手段と、試料からの微弱発光を検
出することにより検出タイミングと検出位置情報を求め
る検出手段と、励起タイミングと検出タイミングの時間
差情報および上記の検出位置情報を多数回の励起ごとに
集積する処理手段を備えている。In this conventional example, a light source for exciting a sample, a means for obtaining an excitation timing, a detecting means for obtaining detection timing and detection position information by detecting weak light emission from the sample, There is provided processing means for integrating the time difference information and the detected position information for each of a large number of excitations.
【０００４】ここで、検出手段は光電面、マイクロチャ
ンネルプレート（ＭＣＰ）および電子入射型の半導体入
射位置検出器（ＰＳＤ）を含む光電子増倍管を有してい
る。そして、検出タイミングは上記ＭＣＰの電位変化か
ら求め、位置情報は上記ＰＳＤの出力から得ている。The detecting means has a photomultiplier tube including a photocathode, a microchannel plate (MCP), and an electron incident type semiconductor incident position detector (PSD). The detection timing is obtained from the potential change of the MCP, and the position information is obtained from the output of the PSD.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来技
術では、半導体入射位置検出素子を電子管（光電子増倍
管）の内部に組み込むことが必要になってしまう。この
ため、システムが高価になりがちで、半導体入射位置検
出素子に欠陥が生じたときには、この素子のみを取り換
えることも不可能になる。However, in the above prior art, it is necessary to incorporate the semiconductor incident position detecting element inside an electron tube (photomultiplier tube). For this reason, the system tends to be expensive, and when a defect occurs in the semiconductor incident position detecting element, it becomes impossible to replace only this element.
【０００６】また、検出タイミング信号は位置情報を求
める素子とは別のＭＣＰより得られているため、適切な
タイミング調整も必要になる。ここで、半導体入射位置
検出素子の出力から検出タイミングを求めることも考え
られるが、高速タイミングの測定ではジッタを増大させ
る要因となる。Further, since the detection timing signal is obtained from an MCP different from the element for obtaining the position information, appropriate timing adjustment is required. Here, it is conceivable to determine the detection timing from the output of the semiconductor incident position detection element, but this may cause an increase in jitter in high-speed timing measurement.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の微弱発光測定装
置は、上記の課題を解決するためになされたもので、励
起されて微弱発光する試料に励起光パルスを入射するパ
ルス光源と、励起光パルスの入射タイミングに同期した
基準時間パルスを発生する基準時間パルス発生手段と、
空間的な拡がりをもって入射された前記微弱発光を単一
光子レベルで検出することにより、検出タイミングに同
期した検出時間パルスと、微弱発光の検出された空間的
位置に応じた位置信号とを出力する微弱発光検出手段
と、基準時間パルスと前記検出時間パルスのタイミング
の時間差に対応した時間差信号を出力する時間差信号出
力手段と、パルス光源による多数回の励起ごとに、位置
信号と時間差信号を対応させて集積するデータ処理手段
とを備え、特に上記の微弱発光検出手段は、微弱発光に
応答して光電子を放出する光電面と、この光電子を位置
情報を保持した状態で増倍する増倍手段と、増倍電子の
入射により発光する螢光面と、この螢光面の前面に堆積
されたメタルバック電極とを含むイメージ管を有し、検
出時間パルスはメタルバック電極の電位変化にもとづき
出力され、位置信号は螢光面における光学像を光電変換
することにより出力されるよう構成されている。A weak light emission measuring apparatus according to the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and comprises a pulse light source for injecting an excitation light pulse into a sample that emits weak light when excited, Reference time pulse generation means for generating a reference time pulse synchronized with the incident timing of the light pulse,
By detecting the weak light emitted with a spatial spread at a single photon level, a detection time pulse synchronized with the detection timing and a position signal corresponding to the spatial position where the weak light is detected are output. Weak light emission detection means, time difference signal output means for outputting a time difference signal corresponding to the time difference between the reference time pulse and the timing of the detection time pulse, and the position signal and the time difference signal corresponding to each of a large number of excitations by the pulse light source. Data processing means for integrating the light emission, particularly the weak light emission detection means, a photocathode which emits photoelectrons in response to the weak light emission, and a multiplication means for multiplying the photoelectrons while holding the position information, And an image tube including a fluorescent screen that emits light by the incidence of multiplied electrons, and a metal back electrode deposited on the front surface of the fluorescent screen. Is output based on the potential change of the back electrode, the position signal is configured to be output by photoelectrically converting an optical image of the fluorescent screen.
【０００８】ここで、微弱発光検出手段の受光面の前面
に、微弱発光を空間的に分光するプリズム等の分光手段
を設ける構成としてもよい。[0008] Here, a spectroscopic means such as a prism for spatially dispersing the weak light emission may be provided in front of the light receiving surface of the weak light emission detection means.
【０００９】[0009]
【作用】本発明によれば、螢光面上に堆積されたメタル
バック電極から検出タイミングが得られるので、位置信
号を得るためのアノードから検出タイミングを求めるの
と等価になる。また、螢光面の残像特性を利用して、電
子管の外部に設けた光電変換型の撮像デバイスで位置信
号を求め得る。According to the present invention, the detection timing is obtained from the metal back electrode deposited on the fluorescent screen, which is equivalent to obtaining the detection timing from the anode for obtaining the position signal. In addition, a position signal can be obtained by a photoelectric conversion type imaging device provided outside the electron tube using the afterimage characteristic of the fluorescent screen.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、添付図面により、本発明の一実施例を
説明する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【００１１】図１は実施例の構成を示すブロック図であ
り、図２は要部を分解して示す斜視図である。実施例の
装置は、試料１を励起する励起光学系と、試料１からの
微弱発光を波長に応じて空間分解する螢光光学系と、こ
の微弱発光を検出する光検出系と、これらの出力信号を
処理する処理系から構成されている。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the embodiment, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing essential parts. The apparatus according to the embodiment includes an excitation optical system that excites the sample 1, a fluorescence optical system that spatially resolves weak light emission from the sample 1 according to the wavelength, a light detection system that detects the weak light emission, and outputs of these. It is composed of a processing system for processing signals.
【００１２】まず、図１のように励起光学系は励起光パ
ルスを生成するパルスレーザ光源２１を有し、この出力
光はハーフミラー２２および集光レンズ２３を介して試
料１に入射される。螢光光学系は試料１の微弱発光を集
光する集光レンズ３１を有し、この集光された検出光は
分光器３２に入射される。分光器３２はスリット３３を
有するスリット板３４に入射され、プリズム３５で分光
されて波長ごとに空間分解される。すなわち、検出光に
波長λ1 ，λ2 の光が含まれていると、図２のように波
長ごとに位置情報を持たされる。なお、図示しないＮＤ
フィルタなどにより、検出光は単一光子レベルまで減光
されている。First, as shown in FIG. 1, the excitation optical system has a pulse laser light source 21 for generating an excitation light pulse, and this output light is incident on the sample 1 via a half mirror 22 and a condenser lens 23. The fluorescent optical system has a condenser lens 31 for condensing weak light emission of the sample 1, and the collected detection light is incident on a spectroscope 32. The spectroscope 32 is incident on a slit plate 34 having a slit 33, is split by a prism 35, and is spatially resolved for each wavelength. That is, if the detection light includes light of wavelengths λ 1 and λ 2 , position information is provided for each wavelength as shown in FIG. ND not shown
The detection light is reduced to a single photon level by a filter or the like.
【００１３】光検出系は例えばイメージインテンシファ
イヤ管（Ｉ・Ｉ管）と呼ばれるイメージ管４で構成さ
れ、このイメージ管４は受光面に形成された光電面４１
と、この放出光電子を増倍するマイクロチャンネルプレ
ート４２と、出力面に形成された螢光面４３とを有し、
この螢光面４３上にはメタルバック電極４４が堆積され
ている。このメタルバック電極４４は蒸着などによる薄
い金属膜であり、螢光面４３の光がマイクロチャンネル
プレート４２にフィードバックするのを防止している。The light detection system comprises an image tube 4 called, for example, an image intensifier tube (II tube). The image tube 4 has a photoelectric surface 41 formed on a light receiving surface.
A microchannel plate 42 for multiplying the emitted photoelectrons, and a fluorescent surface 43 formed on an output surface.
On the fluorescent surface 43, a metal back electrode 44 is deposited. The metal back electrode 44 is a thin metal film formed by vapor deposition or the like, and prevents light on the fluorescent screen 43 from being fed back to the microchannel plate 42.
【００１４】このようなイメージ管４によれば、図２に
示すように、光電面４１に入射した波長λ1 ，λ2 の光
に応じて光電子ｅ1 ，ｅ2 が放出され、マイクロチャン
ネルプレート４２の増倍率ｍ（およそ１０6 ）倍に増大
されて螢光面４３に入射される。ここで、光電面４１、
マイクロチャンネルプレート４２および螢光面４３上の
メタルバック電極４４にはバイアス電圧Ｅ1 ，Ｅ2 ，Ｅ
3 が印加されており、また電子レンズ系（図示せず）も
設けられている。According to such an image tube 4, as shown in FIG. 2, the wavelength lambda 1 incident on the photocathode 41, lambda 2 of photoelectrons e 1, e 2 in response to light emitted, the micro-channel plate The light is increased to a multiplication factor m (approximately 10 6 ) times 42 and is incident on the fluorescent screen 43. Here, the photocathode 41,
The bias voltages E 1 , E 2 , E 2 are applied to the metal back electrode 44 on the microchannel plate 42 and the fluorescent screen 43.
3, and an electron lens system (not shown) is also provided.
【００１５】この構成によると、メタルバック電極４４
に増倍電子が入射されたタイミングで電位が変化するの
で、このアノードと等価のメタルバック電極４４の電位
変化が検出時間タイミングとして利用できる。また、こ
のタイミングと同期して螢光面４３が発光し、これがイ
メージセンサ５に撮像される。ここで、イメージセンサ
５は分光器３２による波長ごとの空間分解の方向に位置
分解能を有しているので、入射位置情報を電気信号とし
て出力できる。According to this configuration, the metal back electrode 44
Since the potential changes at the timing when the multiplied electrons are incident on the metal back electrode 44, the potential change of the metal back electrode 44 equivalent to the anode can be used as the detection time timing. The fluorescent screen 43 emits light in synchronization with this timing, and this is imaged by the image sensor 5. Here, since the image sensor 5 has a position resolution in the direction of spatial resolution for each wavelength by the spectroscope 32, the incident position information can be output as an electric signal.
【００１６】処理系はタイミング処理系と、入射位置情
報の処理系と、これらデータの集積処理系に大別され
る。まず、タイミング処理系はホトダイオード６１を有
し、この出力すなわち励起パルス光の入射タイミングに
同期した基準時間パルスが、第１のコンスタントフラク
ション弁別器（ＣＦＤ1 ）６２を経由して時間電圧変換
器（ＴＡＣ）６３のスタート端子に入力される。一方、
メタルバック電極４４の電位変化はアンプ６４から第２
のコンスタントフラクション弁別器（ＣＤＦ2 ）６５を
経由して、上記の時間電圧変換器６６のストップ端子に
入力される。時間電圧変換器６６はスタート・ストップ
間の時間差を求め、時間差信号として出力する。The processing system is roughly classified into a timing processing system, a processing system for incident position information, and a processing system for integrating these data. First, the timing processing system has a photodiode 61, and the output, that is, a reference time pulse synchronized with the incident timing of the excitation pulse light, is passed through a first constant fraction discriminator (CFD 1 ) 62 to a time-voltage converter (CFD 1 ). TAC) 63 is input to the start terminal. on the other hand,
The change in the potential of the metal back electrode 44 is
Is input to the stop terminal of the time-to-voltage converter 66 via the constant fraction discriminator (CDF 2 ) 65. The time-voltage converter 66 obtains a time difference between the start and the stop, and outputs it as a time difference signal.
【００１７】一方、位置情報処理系は位置検出回路７１
を有し、イメージセンサ５の出力を演算して位置情報信
号を出力する。ここで、タイミング信号発生回路８は検
出時間タイミングにもとづく第２の弁別器６５の出力に
もとづきタイミング同期のための信号を求め、これをＡ
Ｄコンバータ（ＡＤＣ1 ，ＡＤＣ2 ）７２，６６に与え
る。これに従い、ＡＤコンバータ６６は時間電圧変換器
６３からの時間差信号をディジタル化してメモリ９１に
与え、ＡＤコンバータ７２は位置検出回路７１からの位
置情報信号をディジタル化してメモリ９１に与える。On the other hand, the position information processing system comprises a position detecting circuit 71.
And outputs the position information signal by calculating the output of the image sensor 5. Here, the timing signal generation circuit 8 obtains a signal for timing synchronization based on the output of the second discriminator 65 based on the detection time timing, and outputs this signal to A
D converters (ADC 1 , ADC 2 ) 72 and 66 are provided. In accordance with this, the AD converter 66 digitizes the time difference signal from the time-voltage converter 63 and supplies it to the memory 91, and the AD converter 72 digitizes the position information signal from the position detection circuit 71 and supplies it to the memory 91.
【００１８】集積処理系としてのメモリ９１は、ＣＰＵ
９２のコントロールに従い、励起ごとの位置情報信号と
時間差信号の集積を行う。すなわち、パルスレーザ光源
２１による試料１の励起が多数回にわたって繰り返さ
れ、各々の励起ごとに得られた位置情報信号と時間差信
号をペアとして、メモリ９１に記憶していく。A memory 91 as an integrated processing system includes a CPU
According to the control of 92, the position information signal and the time difference signal for each excitation are integrated. That is, the excitation of the sample 1 by the pulse laser light source 21 is repeated many times, and the position information signal and the time difference signal obtained for each excitation are stored in the memory 91 as a pair.
【００１９】これにより、単一電子計数法による微弱発
光の観測がなされるが、この観測では波長に応じて一次
元の位置分解がされているので、波長ごとの微弱発光計
測が実現される。そして、必要に応じてＣＲＴなどで表
示される。As a result, the weak light emission is observed by the single electron counting method. In this observation, since the one-dimensional position resolution is performed according to the wavelength, the weak light emission measurement for each wavelength is realized. Then, it is displayed on a CRT or the like as necessary.
【００２０】上記実施例によれば、ＭＣＰ−ＰＭＴを用
いた場合と同様の、５０ｐｓ以下の時間分解特性を得る
ことができる。また、位置情報は螢光面４３の発光から
得るため、螢光体の残光特性を利用でき、正確なタイミ
ング信号を必要とせずに正確な位置情報を得ることがで
きる。すなわち、従来のように位置情報を光ではなく電
気信号で取り出すときは、適当なタイミングを必要とす
る。さらに、ＭＣＰ−ＰＭＴを用いた場合と違って、本
発明では位置情報（実施例では波長）も同時に得ること
ができる。According to the above-described embodiment, it is possible to obtain a time-resolved characteristic of 50 ps or less, similar to the case where the MCP-PMT is used. Further, since the position information is obtained from the light emission of the fluorescent screen 43, the afterglow characteristics of the phosphor can be used, and accurate position information can be obtained without requiring an accurate timing signal. That is, when the position information is extracted not by light but by an electric signal as in the related art, appropriate timing is required. Furthermore, unlike the case where the MCP-PMT is used, in the present invention, position information (wavelength in the embodiment) can be obtained at the same time.
【００２１】[0021]
【発明の効果】以上の通り、本発明の微弱発光測定装置
では、螢光面上に堆積されたメタルバック電極から検出
タイミングが得られるので、位置信号を得るためのアノ
ードから検出タイミングを求めるのと等価になる。ま
た、螢光面の残像特性を利用して、電子管の外部に設け
た光電変換型の撮像デバイスで位置信号を求め得る。以
上の結果として、時間分解特性の優れた高速タイミング
信号を得ることができる。As described above, in the weak light emission measuring apparatus of the present invention, the detection timing is obtained from the metal back electrode deposited on the phosphor screen, so that the detection timing is obtained from the anode for obtaining the position signal. Is equivalent to In addition, a position signal can be obtained by a photoelectric conversion type imaging device provided outside the electron tube using the afterimage characteristic of the fluorescent screen. As a result, a high-speed timing signal having excellent time-resolved characteristics can be obtained.
【図１】実施例に係る微弱発光測定装置のブロック図。FIG. 1 is a block diagram of a weak light emission measuring device according to an embodiment.
【図２】実施例の要部の斜視図。FIG. 2 is a perspective view of a main part of the embodiment.
１…試料、２１…パルスレーザ光源、３２…分光器、４
…イメージ管、４１…光電面、４２…マイクロチャンネ
ルプレート、４３…螢光面、４４…メタルバック電極、
５…イメージセンサ、６６…時間電圧変換器、７１…位
置検出回路、８…タイミング信号発生回路、９２…ＣＰ
Ｕ。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... sample, 21 ... pulse laser light source, 32 ... spectroscope, 4
... image tube, 41 ... photoelectric surface, 42 ... microchannel plate, 43 ... fluorescent surface, 44 ... metal back electrode,
5 image sensor, 66 time-voltage converter, 71 position detection circuit, 8 timing signal generation circuit, 92 CP
U.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−266942（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−2789（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−148352（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−57132（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−188001（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−58745（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/62 - 21/74 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-266942 (JP, A) JP-A-54-2789 (JP, A) JP-A-61-148352 (JP, A) JP-A 64-64 57132 (JP, A) JP-A-5-188001 (JP, A) JP-A-59-58745 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 21/62-21 / 74 JICST file (JOIS)
Claims (2)
ルスを入射するパルス光源と、 前記励起光パルスの入射タイミングに同期した基準時間
パルスを発生する基準時間パルス発生手段と、 空間的な拡がりをもって入射された前記微弱発光を単一
光子レベルで検出することにより、検出タイミングに同
期した検出時間パルスと、前記微弱発光の検出された空
間的位置に応じた位置信号とを出力する微弱発光検出手
段と、 前記基準時間パルスと前記検出時間パルスのタイミング
の時間差に対応した時間差信号を出力する時間差信号出
力手段と、 前記パルス光源による多数回の励起ごとに、前記位置信
号と前記時間差信号を対応させて集積するデータ処理手
段とを備え、 前記微弱発光検出手段は、 前記微弱発光に応答して光電子を放出する光電面と、こ
の光電子を位置情報を保持した状態で増倍する増倍手段
と、増倍電子の入射により発光する螢光面と、この螢光
面の前面に堆積されたメタルバック電極とを含むイメー
ジ管を有し、 前記検出時間パルスは前記メタルバック電極の電位変化
にもとづき出力され、 前記位置信号は前記螢光面における光学像を光電変換す
ることにより出力されるよう構成されていることを特徴
とする微弱発光測定装置。1. A pulse light source for injecting an excitation light pulse into a sample that is excited to emit weak light, a reference time pulse generating means for generating a reference time pulse synchronized with the incident timing of the excitation light pulse, and a spatial expanse. Detecting at a single photon level the weak light emission incident thereon with a weak light emission detection that outputs a detection time pulse synchronized with the detection timing and a position signal corresponding to the detected spatial position of the weak light emission Means, time difference signal output means for outputting a time difference signal corresponding to the time difference between the timing of the reference time pulse and the detection time pulse, and the position signal and the time difference signal corresponding to each of a number of excitations by the pulse light source. Data processing means for causing the light emission to be integrated, wherein the weak light emission detecting means comprises: a photoelectric element which emits photoelectrons in response to the weak light emission A surface, a multiplying means for multiplying the photoelectrons while retaining the position information, a fluorescent surface emitting light upon incidence of the multiplied electrons, and a metal back electrode deposited on the front surface of the fluorescent surface. An image tube, wherein the detection time pulse is output based on a potential change of the metal back electrode, and the position signal is configured to be output by photoelectrically converting an optical image on the fluorescent screen. Characteristic weak light emission measuring device.
に、前記微弱発光を空間的に分光する分光手段を更に備
える請求項１記載の微弱発光測定装置。2. The weak light emission measuring apparatus according to claim 1, further comprising a spectral means for spatially separating the weak light emission in front of a light receiving surface of the weak light emission detecting means.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23155893A JP3315212B2 (en) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | Weak luminescence measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23155893A JP3315212B2 (en) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | Weak luminescence measuring device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0783829A JPH0783829A (en) | 1995-03-31 |
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Family
ID=16925393
Family Applications (1)
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| JP23155893A Expired - Fee Related JP3315212B2 (en) | 1993-09-17 | 1993-09-17 | Weak luminescence measuring device |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP3315212B2 (en) |
Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPH09210907A (en) * | 1996-02-06 | 1997-08-15 | Bunshi Bio Photonics Kenkyusho:Kk | Scanning fluorescent sensing device |
| WO2005015284A1 (en) * | 2003-08-12 | 2005-02-17 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Apparatus for the detection of photons of a light beam |
-
1993
- 1993-09-17 JP JP23155893A patent/JP3315212B2/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0783829A (en) | 1995-03-31 |
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