JP3742490B2 - 光波形計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な繰り返し光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微弱な繰り返し光の光波形を計測する装置として、時間相関光子計数装置が知られている。この装置のブロック図を図１１に示す。被測定光源１から出射された被測定光の一部が、光電子増倍管などからなる光検出器２に入射される。光検出器２は、光子１つの検出に対して十分な振幅を有した電気信号を出力するので、入射光を構成する光子１個１個の検出に対応する電気信号パルスが出力される。この出力信号パルスは、プリアンプ３で増幅された後に、ディスクリミネータ１７で、ノイズと分離されて、信号として時間−電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Converter）１８に送られる。ＴＡＣ１８は、被測定光源１と同期回路１３により同期させられており、その周期の開始時刻から起算した入力信号パルスの到達時刻を表す電気信号を出力する。この出力結果をマルチチャンネルアナライザー１９で集積することにより、被測定光の光波形を再現する。
【０００３】
具体的にいうと、被測定光の繰り返し周期Ｔを例えば、ｎ個のチャンネルに分割して、それぞれのチャンネルで検出した光子数、すなわち光子の発生頻度情報を集積する。チャンネルｉの平均検出光子数をμi、１周期の平均検出光子数をμとすると、サンプル数が充分に多ければ、各チャンネルのμiは、そのチャンネルでの被測定光の光強度に対応し、μiの分布波形が被測定光の光波形に対応するので、被測定光の光波形を再現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置では、１周期に複数の光子が入射した場合にそれぞれの光子をどのチャンネルで検出したかを弁別することができないという欠点がある。これは、通常の光電子増倍管では、光子が到達しているか否かは判断できるが、到達した光子の個数を厳密に判定できないことによる。到達した光子の個数を正確に判定できる光電子増倍管としては、特開平８−１４８１１３号公報に記載されているいわゆるハイブリッド光検出器（ＨＰＤ）がある。しかし、このＨＰＤを用いた場合でも、ＴＡＣが周期内の複数の光子の到達時刻を別々に検出処理することができないため、この欠点を解消することはできなかった。
【０００５】
従来のＴＡＣを用いた時間相関光子計数装置では、１周期に複数の光子が入射した場合についても、周期中の最初に検出した光子が検出された時に１個の光子を検出した場合と同様に取り扱われていた。すなわち、複数の光子が入射した場合には、後に入射した光子は発生頻度のデータから数え落とされてしまっていた。
【０００６】
ここで、チャンネルｉでｋ個の光子が検出される確率ｐ（ｉ，ｋ）は、ポアソン分布に従うと考えられるので、この確率ｐ（ｉ，ｋ）は、
【０００７】
【数１】
で示される。したがって、１個以上の光子が検出され、そのうちの最初の光子がチャンネルｉで検出される確率ｑ（ｉ）は、
【０００８】
【数２】
となり、本来の平均検出光子数に比例せず、ｉが大きいほど本来のμiより小さな値を示すことになる。つまり、光波形の後ろ側ほど光強度を低く見積もることになる。
【０００９】
この結果、図１２に示されるように、複数の光子が入射してこうした数え落としが多くなる場合には、本来なら同図中実線Ａで示されるべき測定波形は、破線Ｂで示される波形として測定され、光強度の時間的な減衰が大きくなり、波形が歪むことになる。
【００１０】
これを防ぐためには、１周期中の平均検出光子数を少なくして、１周期中に複数の光子が光検出器に入射する確率を減らし、数え落としが起こらないようにする必要がある。この数え落としを実際に検出した光子のうちの１％以内にするためには、１回の周期中で検出される平均光子数を約０．０２程度とすることが必要だった。このため、一般には、光検出器に到達する光量を減らして、この平均光子数を０．０１程度とする測定が行われていた。一方、計測した光波形のμiの精度を上げるには検出光子の総数、すなわちサンプル数を増加させる必要がある。このためには、従来、計測の時間を長くして周期数を増やすことで対応していた。この結果、光波形の測定に時間がかかり、それでも波形後部の減衰部分を正確に測定することは困難だった。
【００１１】
これらの問題点を解消する技術として、特開平１−２２７９４８号公報に開示されたマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置や特開平８−３８４８０号公報に開示された生体測定装置が知られている。前者は、２値化した光検出器出力の時間波形を時間分割した１次元のシフトレジスタに蓄積することにより、後者は、１周期をさらに細かい時間領域に分けることにより、いずれも１周期で複数の光子の発生頻度情報を測定することを可能にして、前述の数え落としを低減し、波形歪みを少なくしている。しかし、これらはいずれも回路構成が複雑で、波形測定の時間分解能を上げることが困難であり、さらに細分化された時間領域の同一の時間領域に複数の光子が入射した場合の数え落としは依然として残る等の問題点があった。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決して、構成が簡単で計数率が高く高精度の測定が可能な時間相関光子計数型の光波形計測装置を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の繰り返し周期を有する被測定光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装置において、(1)被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)光検出器の出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、(4)光子数解析装置で算出した光子数が１個のみの周期に対応するタイミングピックアップ回路の出力を基にして、該１周期中に該光子を検出した時刻を求め、その検出時刻の範囲に応じて検出回数を積算して光子の検出頻度情報を求める光子検出頻度解析部と、(5)光子頻度解析部の出力を基に被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、を備えることを特徴としている。
【００１４】
これによれば、所定の繰り返し周期を有する被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパルス信号が出力される。そして、このパルス信号を解析することで、周期Ｔ中に１個の光子が検出された時のみにその光子が周期Ｔ中のどの時点で光検出器に到達したかを求める。こうして求めた光子の検出時刻情報により、周期Ｔを細分化した範囲に応じて対応する光子の検出回数を積算すれば、光子の検出頻度情報が求められる。こうして光子検出頻度解析部で求められたこの光子数の頻度情報は、被測定光の強度の時間変化に対応するので、被測定光の波形が再現される。
【００１５】
または、本発明の光波形計測装置は、(1)被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)光検出器の出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、(4)タイミングピックアップ回路の出力を基にして、１周期の間に最初に検出した光子の検出時刻を求め、この検出時刻情報を光子数解析装置で解析された１周期中に検出された光子数ごとに区分して出力する光子検出頻度解析部と、(5)光子検出頻度解析部の出力側に設けられて、その区分された出力ごとに検出時刻の範囲に応じて光子の検出回数をそれぞれ蓄積して記録することにより、光子の検出頻度情報として記録する複数個のメモリと、(6)光子検出頻度情報を前記メモリごとに読み出して、読み出した多数の光子検出頻度情報を統計的に処理することにより、被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、を備えることを特徴とするものでもよい。
【００１６】
これによれば、所定の繰り返し周期を有する被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパルス信号が出力される。そして、光子数解析装置では、このパルス信号を解析して、１周期に含まれる光子数が出力される。一方、タイミングピックアップ回路は、このパルス信号のうち１周期中の最初に検出された光子に対応するパルス信号のみを抽出して出力する。光子検出頻度解析部は、これらの情報をもとにして、１周期中に最初に検出された光子の周期中の検出時刻を求めたうえで、周期中に検出した光子数ごとに、この最初に検出された光子の検出時刻を細分化した時間範囲に応じてその検出回数を積算していく。この積算は、検出した光子数ごとに設けられたメモリが用いられる。この周期中に検出された光子の個数とそのうち最初に検出された光子の検出時刻の発生確率は、被測定光の光波形により一義的に定まる。しかだって、サンプル数が十分多ければ、これらから統計的処理によって光波形を求めることができる。光子の検出頻度情報は、１周期中に検出した光子数ごとに別々のメモリに蓄積記録されているので、メモリごとにこれを読み出せば、光子数ごとの検出頻度情報を読み出すことができる。これを統計処理することにより、被測定光の光波形が再現される。
【００１７】
さらに、光検出器は、半導体ターゲットを増倍部に備える光電子増倍管であってもよいし、ホトダイオードやアバランシェホトダイオード、あるいはマイクロチャネルプレートを増倍部に備える光電子増倍管であってもよい。
【００１８】
これらによれば、光検出器は、微弱光を増幅して検出でき、増倍率を大きくとることができる。つまり、１個の入射光子に対して多数の光電子が発生し、出力電圧も大きくなる。したがって、光検出器に入射した光子数の弁別が容易である。
【００１９】
また、光子数解析装置は、光検出器の出力信号の総電荷量を１周期内で積分して、積分した総電荷量の範囲に応じた値を光子数として出力するものでもよい。本発明の光検出器は、光子の数に対応する強度すなわち電荷量の信号を出力する。したがって、繰り返し周期の１周期内でこの電荷量を積分した値は、その１周期内に光検出器に入射した光子数にほぼ対応する。つまり、電荷量を積分することにより光子数が弁別される。
【００２０】
光子検出頻度解析部は、ＴＡＣを更に備えていてもよい。ＴＡＣは、２つのパルス信号の入力時間差に比例した電圧信号を出力するものである。このＴＡＣの一方のパルス信号として、被測定光の繰り返し周期の１周期のそれぞれの開始時点に同調したパルス信号を与え、他方のパルス信号として、光検出器からの出力信号を与えれば、最初に検出された光子に対応する光検出器からの出力パルス信号がＴＡＣに送られてきた時刻と、その周期の開始時刻の時間差に比例した電圧信号がＴＡＣから出力される。つまり、最初に検出された光子が周期中のどの時点で発生したかを表す電圧信号が出力される。これを利用することにより、周期中最初に検出した光子の検出時刻が正確に求められる。
【００２１】
タイミングピックアップ回路は、光検出器から送られてきたパルス信号のうち、１周期内の最初のパルス信号のみを、その立ち上がり時刻に対して、０以上の所定の遅延時間を有する立ち上がりが急峻なパルス信号に変換して出力する光波形整形回路であってもよい。
【００２２】
これには、コンスタントフラクションディスクリミネータ（ＣＦＤ）と呼ばれる回路を用いることができる。これにより、光検出器からの出力信号は、立ち上がり部がより急峻な信号に変換されて、光子検出頻度解析部へ送られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態のブロック図である。被測定光源１は、所定の繰り返し周期Ｔで同一の光波形の光を射出する光源であり、パルスレーザやパルスレーザを照射されて光励起で蛍光を発する被測定サンプルなどがある。被測定光源１からの被測定光の光路上には、光検出器２が配置されている。光検出器２は、所定時間内に入射した光子数に対応した電気信号を出力するものであり、出力信号は一般にパルス波形を有する。この光検出器２は、増倍部にアバランシェホトダイオードを内蔵した光電子増倍管であるいわゆるＨＰＤである。
【００２５】
ここで、図２〜図５を参照して、この光検出器２について、詳しく説明する。
【００２６】
図２は、この光検出器２の断面構成図である。図２に示されるように、光検出器２は、中空円筒状の外囲器２０の両端にそれぞれ入射窓３０とステム５０とにより気密に封止させ、圧力１０-8Ｔｏｒｒ程度の高真空に内部を保持している。そして、この光検出器２の内部には、電子レンズ８０として２個のフォーカス電極８１，８２がそれぞれ光電陰極４０及びステム５０に近接して設置され、半導体素子６０がステム５０上に設置されている。
【００２７】
ここで、外囲器２０は、中空円筒状のガラス製側管である。この外囲器２０の両端には、２段に折り曲げられた中空円筒状のコバール金属製の取付材２１，２２がそれぞれ設置されている。
【００２８】
また、入射窓３０は、測定対象の光波長を透過しうる円板状のガラス製面板であり、大気側及び真空側の各表面はそれぞれ平面及び凹面を有している。この入射窓３０の真空側周縁部には、２段に折り曲げられた中空円筒状の取付材２３が設置されている。２個の取付材２１，２３の各端部を部分的に溶接することにより、外囲器２０と入射窓３０とは一体に構成されている。
【００２９】
一方、ステム５０は、円板状のコバール金属製面板であり、真空側に設けられた凹部に半導体素子６０が設置されている。このステム５０の真空側周縁部と取付材２２の端部とを部分的に溶接することにより、外囲器２０とステム５０とは一体に構成されている。また、ステム５０の中央部付近には、半導体素子６０の後述する端子棒７２を挿通する貫通穴５８が形成されている。そして、貫通穴５８と端子棒７２との間には、円筒状の絶縁材５９が気密に封止して設置されている。
【００３０】
また、入射窓３０の真空側表面には、薄膜状の光電陰極４０が蒸着して形成されている。この光電陰極４０は、外部電圧源（図示しない）から取付材２３を介して所定の電圧、例えば電位約−１５ｋＶを印加されている。なお、光電陰極４０は、アルカリ金属、例えばＫ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｓｂ等で形成されている。また、光電陰極４０において、入射光ｈνを受容して所定の量子効率で光電変換して光電子ｅ- を生成する口径φ1 は、約１６ｍｍである。
【００３１】
取付材２１の端部には、中心に開口を有する椀状のステンレス製フォーカス電極８１が、一方、取付材２２の端部には、同様に中心に開口を有する中空円錐台状のステンレス製フォーカス電極８２がそれぞれ部分的に溶接によって接合されている。このフォーカス電極８１、８２は、それぞれ開口部を近接させた形で設置されている。これらのフォーカス電極８１、８２は、外部電圧源（図示しない）からそれぞれ取付材２１、２２を介して所定の電圧を印加され、例えばフォーカス電極８１が電位約−１５ｋＶに、フォーカス電極８２が電位約０Ｖに保持されている。
【００３２】
ステム５０の真空側の中央に設けられた凸部上には、半導体素子６０が後述する受容部６５を光電陰極５０に対向させて設置されている。この半導体素子６０の後述する電極層６６と、ステム５０の貫通穴５８を気密に挿通した金属製の端子棒７２とは、金属製のワイヤー７１の端部をそれぞれボンディングすることにより、電気的に接続されている。半導体素子６０の表面側は、外部電圧源（図示しない）から端子棒７２及びワイヤー７１を介して所定の電圧を印加され、例えば電位約−１４５Ｖに保持されている。また、半導体素子６０の裏面側は、外部電圧源（図示しない）からステム５０を介してフォーカス電極８１の印加電圧と同一の電圧を印加され、例えば電位約０Ｖに保持されている。これにより、半導体素子６０は全体として逆バイアス電圧を印加されている。端子棒７２は、半導体素子６０から出力した検出信号を出力する。半導体素子６０の光電子ｅ- を受容して所定の増倍率で有効に増幅する部分の口径φ2 は、約３ｍｍである。
【００３３】
図３は、この半導体素子６０の断面構造を示した図である。この半導体素子６０は、光電陰極４０から放出されて電子レンズ８０によって収束された光電子ｅ- を後述する受容部６５に照射され、後述するアバランシェ増倍領域で増幅して検出するいわゆるアバランシェホトダイオードである。
【００３４】
平板状の半導体基板６１の中央部上には、円板状のキャリア増倍層６２が形成されている。この半導体基板６１の周辺部上には、円環状のガードリング層６３がキャリア増倍層６２と同一の層厚を有して形成されている。キャリア増倍層６２の表面中央領域には、円板状の降伏電圧制御層６４が形成されている。
【００３５】
半導体基板６１は、ｎ+ 型のＳｉで形成された高濃度単結晶ウエハである。この半導体基板６１は、層厚約５００μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰを濃度約１０19ｃｍ-3でドープされ、比抵抗約０．０１Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２は、ｐ型のＳｉを半導体基板６１上にエピタキシャル成長して形成された低濃度半導体層である。このキャリア増倍層６２は、層厚約１０μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを濃度約１０14〜１０16ｃｍ-3でドープされ、比抵抗約１〜１００Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２のドーパント濃度は、降伏電圧に接近した電圧を印加したときに半導体基板６１との接合面から拡がる空乏層が降伏電圧制御層６４に到達する値である。
【００３６】
なお、このキャリア増倍層６２において良好な結晶性を保持してエピタキシャル成長させる層厚ｄは、約５μｍ〜約５０μｍの範囲に含まれるように設定することが好適である。もし、層厚ｄが約５０μｍよりも大きい場合、層厚方向のドーパント濃度の不均一性が顕著になるので、光電子ｅ- に対するアバランシェ増倍ゲインのユニフォミティをキャリアの発生位置に依存して劣化させてしまう。一方、層厚ｄが約５μｍよりも小さい場合、半導体基板６１から伸びて拡がる空乏層が薄くなるので、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインを低減させてしまう。
【００３７】
ここで、層厚ｄを約１０μｍに設定した理由は、加速エネルギー約１５ｋｅＶで照射された光電子ｅ- の最大飛程約３μｍと、後述するアバランシェ増倍領域の層厚約３μｍとに対して、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインの揺らぎを最低限に押さえるためにそれぞれ若干の余裕を考慮したからである。
【００３８】
ガードリング層６３は、第１導電型のドーパントとしてｎ型ドーパントをキャリア増倍層６２の周辺部に熱拡散して形成された高濃度半導体層である。このガードリング層６３は、キャリア増倍層６２の層厚と同一の層厚約１０μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰを半導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０19ｃｍ-3でドープされている。
【００３９】
降伏電圧制御層６４は、ｐ型ドーパントをキャリア増倍層６２の表面中央領域に熱拡散して形成された高濃度半導体層である。この降伏電圧制御層６４は、層厚約１μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを半導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０19ｃｍ-3でドープされている。この降伏電圧制御層６４の表面中央部には、円形状の受容部６５が光電陰極４０に対向して露出されている。
【００４０】
なお、この受容部６５において、光電子ｅ- を受容して所定の増倍率で増幅する口径φ2 は、約１０ｍｍ以下の範囲に含まれるように設定することが好適である。もし、口径φ2 が約１０ｍｍよりも大きい場合、表面方向のドーパント濃度の不均一性が顕著になるので、光電子ｅ- に対するアバランシェ増倍ゲインのユニフォミティをキャリアの発生位置に依存して劣化させてしまう。また、アバランシェ増倍領域の容量が大きくなるので、動作速度が低減してしまう。
【００４１】
受容部６５の周辺部に位置する降伏電圧制御層６４の表面周縁部上の大部分と、ガードリング層６３の表面全体上とには、２種類の絶縁層６６，６７が順次積層して形成されている。絶縁層６６は、Ｓｉの酸化物で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６６の層厚は約２００ｎｍである。絶縁層６７は、Ｓｉの窒化物で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６７の層厚は約５０ｎｍである。なお、絶縁層６６は、ガードリング層６３及び降伏電圧制御層６４を形成する際にキャリア増倍層６２の結晶性を良好に保持するために、あらかじめキャリア増倍層６２の表面領域を酸化させて形成するものである。また、絶縁層６７は、光電陰極４０を形成する際にキャリア増倍層６２、ガードリング層６３及び降伏電圧制御層６４の半導体特性を劣化させないために、絶縁層６６上に堆積させて形成するものである。
【００４２】
絶縁層６７上には、円環状のオーミック電極層６８が形成されており、絶縁層６６，６７の側壁に沿って降伏電圧制御層６４の表面周縁部に接触している。このオーミック電極層６８は、Ａｌで形成された金属薄膜であり、降伏電圧制御層６４に対して良好なオーミック接触性を有している。
【００４３】
なお、オーミック電極層６８は、ワイヤー７１のボンディングによって外部電圧源（図示しない）から端子棒７２を介して所定の電圧を印加され、例えば−１４５Ｖの負電位に保持されている。また、半導体基板６１は、ステム５０上の設置によって外部電圧源（図示しない）から所定の電圧を印加され、例えば０Ｖのグランド（ＧＮＤ）電位に保持されている。これにより、ｎ+ 型の半導体基板６１とｐ+ 型の降伏電圧制御層６４との間に、すなわちキャリア増倍層６２に空乏層がアバランシェ増倍領域として生成される。
【００４４】
ここで、受容部６５に入射した光電子ｅ- がアバランシェ増倍領域に到達するまでの電子照射ゲインは、約４×１０3 である。これらのキャリアがアバランシェ増倍領域を通過して半導体基板６１に到達するまでのアバランシェ増倍ゲインは、約３０である。これにより、半導体素子６０の全体として光電子ｅ- に対する二次電子のゲインは、１０5 程度に達する。
【００４５】
この光検出器２の出力端は、図１に示されるように電流信号を電圧信号に変換するプリアンプ３に接続されている。プリアンプ３の出力側は、以下に構成を詳述する光子数解析装置４とタイミングピックアップ回路５にそれぞれ接続されている。これらの出力は、いずれも後に構成を詳述する光子検出頻度解析部６に接続されている。
【００４６】
このうち、光子数解析装置４は、被測定光の繰り返し周期の１周期Ｔ中に光検出器２で検出された光子の数を判定する装置であり、入力信号を１周期Ｔの間積分して出力する積分回路８と、この積分信号を所定の時定数でサンプルホールドしたうえで出力する波形整形回路９と、この出力信号の電圧値が所定の範囲内にあるか否かを判定する波高解析装置１０が直列に接続されて構成されている。
【００４７】
一方、タイミングピックアップ回路５は、１周期Ｔの間に最初に検出された光子に対応する入力信号を抽出して出力する回路であり、周期Ｔ内における最初の入力パルスと立ち上がりの時刻が同じかこれを所定時間遅延させた所定波形のパルス信号を出力する波形整形回路を含んでいる。その出力波形は方形波が好ましい。光検出器２の出力パルスのパルス幅に比べて光波形を測定する際に求められる時間分解能があまり大きくない場合には、この波形整形回路を省略して、入力信号のうち１周期中に最初に検出された光子に対応する入力信号のみを抽出してそのまま出力してもよい。
【００４８】
また、光子検出頻度解析部６は、１周期中に検出された光子数が１個のときのみのその光子の検出時刻を出力する装置であって、直列接続された遅延回路１１、ゲート回路１２、光子検出頻度解析回路１４と被測定光源１と光子検出頻度解析回路１４のそれぞれに接続された同期回路１３から構成されている。そして、ゲート回路１２は、光子数解析装置４の波高解析装置１０に接続されている。遅延回路１１は、タイミングピックアップ５の出力を１周期Ｔだけ遅延させる回路である。ゲート回路１２は、光子数解析装置４からの出力に応じて遅延回路１１からの出力の通過、遮断を切り替える回路である。また、同期回路１３は、被測定光の繰り返し周期に同期して光子検出頻度解析回路１４を作動させるトリガー信号を発する。光子検出頻度解析回路１４には、前述したＴＡＣが用いられており、トリガー信号の入力タイミングとゲート回路１２からの信号の入力タイミングの時間差に相当する電圧信号を出力する。
【００４９】
光子検出頻度解析部６は、さらに、この出力を基にして被測定光の波形を再現する波形出力装置７に接続されている。波形出力装置７には、マルチチャンネルアナライザーやパソコン、ＣＰＵとメモリの組み合わせなどを用いることができる。
【００５０】
本実施形態の動作説明に先立ち、図２、図３により、光子が入射した際の光検出器２の動作について詳しく説明する。
【００５１】
外部電圧源から所定の電圧が印加されると、光電陰極４０及び電子レンズ８１に所定電位が生成されるとともに、電子レンズ８２及びステム５０により高い電位が生成される。これにより、真空容器２０の内部には、半導体素子６０から電子レンズ８１，８２の各開口を通過して光電陰極４０に向かう電界が発生する。
【００５２】
また、オーミック電極層６８には所定電位が生成されるとともに、半導体基板６１により高い電位が生成される。これにより、半導体素子６０の内部には、逆バイアス電圧が印加されているので、半導体基板６１とキャリア増倍層６２との接合面から降伏電圧制御層６４に向かって延びた空乏層がアバランシェ増倍領域を生成する。
【００５３】
ここで、外部から微弱光の光子ｈνが入射窓３０の受光部に入射すると、この光子ｈνは入射窓３０の内部を透過して光電陰極４０に吸収される。そのため、光電陰極４０の価電子帯に位置した電子が伝導帯に励起され、負の電子親和力作用によって光電子ｅ- として真空中に放出される。このようにして光電陰極４０から放出された光電子ｅ- は、図２の斜線で示す範囲に形成されたステム５０から電子レンズ８０を介して光電陰極４０に向かって開放された電界に対向して移動し、半導体素子６０の受容部６５に入射する。
【００５４】
なお、電子レンズ８０によって光電陰極４０から放出された光電子ｅ- を受容部６５上の一点に収束させることは原理的に不可能であるが、受容部６５の口径φ2 程度に収束させることは可能である。そのため、個々の光電子ｅ- は受容部６５の異なる位置に入射することになる。
【００５５】
半導体素子６０の受容部６５に入射した光電子ｅ- は、キャリア増倍層６２の内部でエネルギー約３．６ｅＶを失う毎に一対の電子−正孔対を生成する。そのため、単一の光電子ｅ- の入射によって、数千組の電子−正孔対が二次キャリアとして発生する。このように増倍した二次キャリアは、半導体基板６１から降伏電圧制御層６４に向かう電界に対向してドリフトする。この中で電子は、キャリア増倍層６２の内部に生成したアバランシェ増倍領域に到達する。このとき、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインは約４×１０3 に達する。
【００５６】
アバランシェ増倍領域にドリフトした電子は、キャリア増倍層６２を構成する分子に衝突してイオン化を起こすアバランシェ増倍過程を繰り返す。このように増倍した電子は、半導体基板６１からキャリア増倍層６２に向かう電界に対向してドリフトして半導体基板６１に到達する。このとき、アバランシェ増倍ゲインは約３０であり、光電子ｅ- に対する電子のトータルゲインは１０5 程度に達する。
【００５７】
ここで、ｐ型のキャリア増倍層６２のドーパント分布は非常に均一に制御されている。そのため、アバランシェ増倍ゲインは、アバランシェ増倍領域中における二次電子の発生位置に対する依存を低減しており、良好なユニフォミティを得ている。
【００５８】
このような二次電子の増倍量に対応した逆方向電流が、オーミック電極層６８からワイヤー７１及び端子棒７２を介して外部に出力される。そのため、光検出器２に入射した光子の個数を順次個別に検出することができる。
【００５９】
ここで、図４、５を参照して、本実施形態の光検出器２と、従来型の光電子増倍管とでパルス波高分解能を比較した結果について説明する。図４は、本実施形態の光検出器２の出力パルス波高分布図であり、図５は、従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布である。これらのグラフにおいては、横軸は、出力電子数、縦軸は、各出力電子数の検出回数であり、グラフ内の数値は光電変換された光電子数である。
【００６０】
図４、５より本実施形態の光検出器２は、従来型の光電子増倍管に比較して、それぞれの光電子数に対する検出回数のピークがはっきりしており、光電子パルスのパルス波高分解能が高く、光子数を弁別することが容易である。単一光子入射に伴う光電子パルスのパルス波高分解能は、従来型では３０〜１００％であるのに対し、本実施形態の光検出器２では、通常のアンプノイズを加味しても７．６％と大幅に改善されている。これは、従来型の光電子増倍管では、増幅部の１段あたりの増幅率が１０程度と低いため、増幅部を多段化することにより高い増幅率を得ているが、各段の増幅率が一定していないために、増幅の結果、入射光子１個あたりに得られる電子の数が変動するためである。一方、本実施形態の光検出器２は、初段の増幅率が１０００程度と高く、安定しているため、入射光子１個あたりに得られる最終的な電子の数が一定に近いので、高いパルス波高分解能が得られる。
【００６１】
続いて、本実施形態全体の動作を図１、６を用いて説明する。図６は、本実施形態の動作のタイミングチャートである。
【００６２】
被測定光源１から出射された光の一部は、光検出器２に入射される。光検出器２に図６(a)に示されるタイミングで光子が入射すると、光検出器２内では、前述したように光電変換が行われ、同図(b)に示されるタイミングで光電子を発する。この結果、光検出器２は、この光電子を増倍して同図(c)に示されるようなパルス電流を出力する。このパルスのパルス幅は、周期Ｔに比べて充分に短く、パルスの立ち上がり時刻は、光子の到達時刻に相当する。また、パルス幅より短い時間内に複数の光子が光電変換されたときは、光子数に応じた所定の強度のパルス電流が出力される。この信号はプリアンプ３で電流電圧変換されて、光子数解析装置４とタイミングピックアップ回路５にそれぞれ送られる。
【００６３】
このうち、光子数解析装置４では、まず、電圧信号に変換された入力パルスが積分回路８で１周期Ｔごとに積分されて、波形整形回路９で所定の時定数でサンプルホールドされ、同図(d)に示される波形に成形されたうえで出力される。したがって、１周期が終了するそれぞれの時点での電圧値は、その周期に検出された光子数に比例するものとなる。波高解析装置１０では、この１周期が終了する時点の電圧値を調べて、同図(d)中のＶの範囲（電圧値が所定の定数α以上でα＋Ｖ以下の範囲）に入っている場合、すなわち、１周期中に検出された光子が１個のみの場合のみに信号を出力し、それ以外の光子が検出されなかったか２個以上の光子が検出された場合には信号を出力しない。この出力は、同図(e)に示されるように次の１周期にわたって出力される。いいかえれば、波高が解析された周期より１周期遅れて出力される。この出力信号は、光子検出頻度解析部６のゲート回路１２に送られる。
【００６４】
一方、タイミングピックアップ回路５には、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパルス信号が入力される。そして、タイミングピックアップ回路５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上がり時刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じまたは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力する。このパルス信号は、光子検出頻度解析部６に送られる。
【００６５】
そして、光子検出頻度解析部６では、遅延回路１１が、このパルス信号を１周期遅延させる（同図(h)参照）。ゲート回路１２は、この遅延されたパルス信号と同図(e)に示される光子数解析装置４から送られてきた電圧値を乗算して、同図(i)に示されるパルスを出力する。これは、周期中に光子が１個のみ検出されたときのその光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じあるいは所定の遅延時間を有する方形波のパルス信号を１周期遅延させた信号である。この信号は光子検出頻度解析回路１４に送られる。光子検出頻度解析回路１４には、同期回路１３から各周期の開始時刻に同調するトリガー信号が入力されている。同図(i)に示された信号が入力されると、光子検出頻度解析回路１４は、この信号の入力タイミングとトリガー信号の入力タイミング、言い換えれば、それぞれの周期の開始時刻との時間差に比例した電圧信号を出力する。したがって、光子の到達時刻とその周期の開始時刻との時間差に相当する電圧信号が得られる。
【００６６】
この測定を何度も繰り返しながら、波形出力装置６で、この電圧信号を電圧の範囲に応じて積算していく。この電圧は検出した光子の周期内における到達時刻、言い換えれば検出時刻に対応しているので、この操作は、光子の検出頻度情報をサンプリングしていることになる。前述したようにサンプリングの数が十分多ければ、１周期Ｔをｎチャンネルに分割した時間間隔ｉの間に観測された光子の数μiは、そのｉ時点での被測定光の光強度に対応する。本実施形態では、１周期Ｔ中に光子が１個のみ検出された場合の検出頻度情報のみを抽出して使用しているが、この１周期Ｔ中に光子が１個のみ検出され、それがチャンネルｉで検出される場合の確率ｑ1（ｉ）は、式(1)より、
【００６７】
【数３】
で表される。これは、μiに比例しているため、ｑ1（ｉ）を基にして被測定光の波形を再構成することができる。波形出力装置６におけるこの被測定光の波形の再構成は、サンプリングされた検出頻度を単純に画面あるいは用紙等にヒストグラム表示あるいは印刷することにより光波形を再構成するものでもよいし、サンプリングされた検出頻度情報を統計的に処理して補正したうえで光の時間波形を表示あるいは印刷するものでもよい。
【００６８】
本実施形態では、１周期中に光子が２個以上検出された場合は、その情報は、光子の検出頻度のサンプリングに使用せず、１周期中に光子が１個のみ検出された場合に限り、その情報を使用しているので、従来の装置で、１周期中に光子が複数検出された場合の後から検出された光子の数え落としに伴い発生していた波形の歪みが起こることがなく、正確な波形の検出が可能になる。また、サンプリングの際の光子到達時刻を測定するのに、ＴＡＣを使用することにより、簡単な構成で１０ｐｓ程度と時間分解能の極めて高い測定が可能である。
【００６９】
また、従来の装置では、平均検出光子数μを増やすと、周期Ｔ中に複数個の光子を検出して、波形の歪みをもたらす光子の数え落としが発生する確率が高くなるため、平均検出光子数μを低く抑える必要があった。本実施形態の場合は、光子が１個のみの場合だけに限り、サンプリングに用いるので、光子が２個以上検出される場合を考慮する必要がなく、平均検出光子数を増やすことができる。図７は、平均検出光子数μに対して、光子が１個のみ検出される場合の１周期あたりの解析光子数μaをプロットしたものである。図７より、この解析光子数μaが最も多くなるのは、μ＝１．０の時である。この時、本実施形態での解析光子数μaは０．３６８となる。これは、従来の装置で標準的であった平均検出光子数μ＝０．０１の時の解析光子数μa＝０．００９９と比較して約３７倍にあたり、本実施形態では、短時間で精度の良い測定が可能であることがわかる。
【００７０】
次に、図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、この第２の実施形態のブロック図である。
【００７１】
まず、装置の構成を説明する。基本的な構成は、図１に示される第１の実施形態と同一であり、共通する部分の構成についての説明は省略する。本実施形態ではまず、光子検出頻度解析部６の構成が、第１の実施形態と異なる。本実施形態では、ＴＡＣを用いた光子検出頻度解析回路１４が遅延回路１１の直後に接続されており、この光子検出頻度解析回路１４の出力側に、光子数解析装置４にも接続されており、光子数に応じて光子検出頻度解析回路１４の出力信号の出力先を切り替えるゲート切替器１５が接続されている。ゲート切替器１５のそれぞれの出力先には、さらに、１周期Ｔ中の検出光子数に対応して設けられ、それぞれの光子数のときの光子検出頻度解析回路１４の出力信号を蓄積して記憶する複数（ｎ個）のメモリ１６1〜１６nが接続されている。そして、それぞれのメモリは、波形出力装置７に接続されている。
【００７２】
次に、図８〜図１０を参照して、本実施形態の動作を説明する。図９は、本実施形態のタイミングチャート、図１０は、本実施形態の波形出力装置のフローチャートである。ここでも、第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。
【００７３】
被測定光源１から出射した光の一部の光子（図９(a)参照）は、光検出器２により、光電変換されたうえで（同図(b)参照）増倍されて出力される（同図(c)参照）。この信号は、プリアンプ３で電圧信号に変換されて、第１の実施形態の場合と同様に光子数解析装置４と、タイミングピックアップ回路５のそれぞれに送られる。
【００７４】
光子数解析装置４では、積分回路８によりこの信号を１周期Ｔごとに積分して、波形整形回路９により所定の時定数でサンプルホールドして同図(d)に示される波形に成形して出力する。第１の実施形態の説明で述べたように、周期Ｔが終了するそれぞれの時点での電圧値は、その周期Ｔ中に検出された光子数に比例している。そこで、波高解析装置１０で、この１周期が終了する時点の電圧値を調べて、対応する光子数に対応する電圧値を出力する（同図(e)参照）。
【００７５】
一方、タイミングピックアップ回路５には、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパルス信号が入力される。このタイミングピックアップ回路５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上がり時刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じかあるいは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力する。遅延回路１１は、このパルス信号を１周期遅延させる（同図(h)参照）。光子検出頻度解析回路１４には、同期回路１３からそれぞれの周期の開始時刻に同調したトリガー信号が入力されている。そして、他方の入力信号として同図(h)に示されるパルス信号が入力されると、トリガー信号とこのパルス信号の入力タイミングの時間差に比例する電圧信号を出力する（同図(i)参照）。この信号は、つまり周期中の最初の光子の到達時刻を表す信号である。ゲート切替器１５は、光子数解析装置４から送られてきた光子数情報（同図(e)参照）を参照して、この光子数に対応するメモリ１６に最初の光子の到達時刻情報を区分して出力する。例えば、メモリ１６1には、同図(j)に示される１周期中の検出光子数１個の時の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６2には、同図(k)に示される１周期中の検出光子数２個の時の最初の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６nには、１周期中の検出光子数がｎ個の時の最初の光子の到達時刻の情報がそれぞれ送られ、蓄積されていく。
【００７６】
これを繰り返して多数のサンプルの情報をメモリに蓄積した後で、波形出力装置７は、メモリ１６に蓄積された光子発生頻度の情報を読み出して、後述する統計的処理を行い、被測定光の光波形を再現して出力する。
【００７７】
ここで、周期中に２個の光子が検出され、そのうち最初の光子がチャンネルｉで検出される確率ｑ2（ｉ）は、式(1)より、
【００７８】
【数４】
で表される。同様に、周期Ｔ中にｋ個の光子が検出され、そのうち最初の光子がチャンネルｉで検出される確率ｑk（ｉ）は、一般的に
【００７９】
【数５】
の形式で表せる。ただし、ｆk（μ，μi，…，μn）は、μ，μi，…，μnの関数である。つまり、ｑk（ｉ）は、μiに比例する項と、ｆkに比例する項からなる。
【００８０】
以下に、図１０を参照して、この統計処理の一例を示す。ここでは、１周期中に１個〜ｍ個の光子を検出したときの頻度情報を基に光波形を求める処理について説明する。
【００８１】
まず、メモリ１６1から周期Ｔ中に１個の光子のみを検出したときの光子の検出頻度情報を読み出して（Ｓ１）、この頻度情報を基にして式(3)に基づいて、それぞれのチャンネルｉのμiを算出して、光波形Ｌを求める（Ｓ２）。この光波形Ｌを以下の補正のもととなる光波形Ｌ0に設定する（Ｓ３）。続いて補正のループ計算に入る。まず補正に用いる頻度情報の光子数ｋを２に設定する（Ｓ４）。そして、メモリ７k（ここでは７2）から周期Ｔ中にｋ個（ここでは２個）の光子が検出されたときの光子検出頻度情報を読み出して（Ｓ５）、この頻度情報を基にして、式(5)（この場合は具体的には、式(4)に相当）に基づいて補正後のμiを求める（Ｓ６）。具体的には、得られた頻度情報をｑ2（ｉ）とし、Ｌ0のμj（ｉ≦ｊ≦ｎ）を基にｆ2を算出したうえでこれらを基にして新たなμiを算出する。こうして得られた新たな波形ＬをＬ0と比較する（Ｓ７）。ＬとＬ0の差、例えば、それぞれのμiの差の２乗を積算した数値、が大きければ、得られた光波形Ｌを新たなＬ0として（Ｓ８）、再度Ｓ６に戻って補正計算を繰り返す。ＬとＬ0の差が予め設定した誤差の範囲内であれば、得られた光波形Ｌを新たなＬ0とし（Ｓ９）、ｋがｍより大きいかどうか、つまり光子数ｍ個までの補正を終了しているかどうかを判定する（Ｓ１０）。ｋがｍより小さいときは、ｋ＋１を新たなｋに設定して（Ｓ１１）、Ｓ５に戻り、周期Ｔ中にｋ個の光子を検出したときの頻度情報による光波形の補正を繰り返す。ｋがｍ以上であれば、光子数ｍ個までの補正は終了したとして、得られた光波形Ｌを最終的な光波形として出力する（Ｓ１２）。
【００８２】
このアルゴリズムは補正処理の一例であり、補正処理はこれに限定されるものではない。例えば、２個以上の光子を検出したときの頻度情報に基づく補正値を同時に算出してそれぞれを重み付けして積算してもよいし、μiを求める際に、最後のｎチャンネルから求めていき、求めた最新のμi〜μnを用いて時刻が先のチャンネルのμi-1を求めていってもよい。また、繰り返し計算の際にμiを置き換えるのではなく、元のμiと新たに求めたμiとの差に重みをかけて元のμiに加えた値を次回の補正の際に用いるμiとしてもよい。
【００８３】
この実施形態では、従来数え落とされていた周期Ｔ中に複数の光子が検出されたときの頻度情報が有効に用いられるので、短時間で多くの頻度情報を獲得することができ、短い時間で波形の計測が可能となる。例えば、平均検出光子数μが１．０の場合、周期中に１個の光子を検出したときの情報のみを使用する場合、測定した周期のうち有効なデータを獲得できる周期の割合は、３６．８％であるが、本実施形態を用いて２個の光子を検出したときの情報を使用すれば、この割合は５５．２％、３個の光子を検出したときの情報まで使用すれば、６１．３％に向上させることができる。また、数え落としに伴う波形の歪みが生じないので、精度の高い測定が可能となる。
【００８４】
以上の説明では、光検出器として増倍部にアバランシェホトダイオードを用いた光電子増倍管を例として説明したが、光電子増倍管の増倍部はホトダイオード等の半導体ターゲットであっても、同様に安定した高い増倍率を備えるので、光子数の弁別が可能であり、本発明の光波形計測装置に利用できる。また、同様に安定した高い増倍率を備えていれば、マイクロチャネルプレートを増倍部として用いた光電子増倍管でもよい。さらに、光検出器は光電子増倍管に限られるものではなく、光子の到達時間と到達した個数を弁別可能な出力信号を発するものであれば、様々な形式の光検出器を使用することができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の光波形計測装置によれば、被測定光の繰り返し周期の１周期中に１個の光子が検出されたときにのみその光子の発生頻度情報を積算して光波形を求めるので、従来問題とされていた１周期中に複数個の光子を検出したときの数え落としがなくなり、波形の歪みの少ない高精度の測定が可能になる。また、平均検出光子数を増やして測定できるので、従来より短時間で多数の光子の発生頻度情報を積算することができ、測定時間を短縮することもできる。
【００８６】
また、本発明の他の形態によれば、被測定光の繰り返し周期の１周期中に検出された光子数に応じて別々のメモリに１周期の最初に検出された光子の発生頻度情報を蓄積したうえで、統計処理により被測定光の波形を求めている。このため、複数個の光子を検出したときでも従来のような数え落としの要因とはならず、光波形を補正する有効な情報として用いることができる。このため、平均検出光子数を増やすことができ、有効な発生頻度情報を短時間でより多く集積することができるので、短時間での高精度の測定が可能となる。
【００８７】
さらに、光検出器に半導体ターゲット等を増倍部に用いた光電子増倍管を使用すれば、検出器に到達した光子数の弁別が容易になるので、光子の数え落としや光子数の数え間違いによる光波形の歪みがなくなる。
【００８８】
また、光検出器の出力を積分して光子数を検出すれば、光子数の弁別を行う回路の構成が簡単ですむ。
【００８９】
光子検出頻度解析装置にＴＡＣを用いれば、簡単で安価な構成により、時間分解能の高い測定ができる。
【００９０】
また、タイミングピックアップ回路に波形整形回路を用いて、出力を方形波等の立ち上がりが急峻なパルスに整形すれば、光検出器に光子が到達した時刻をより高精度に特定できるので、時間分解能の高い測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。
【図２】図１の実施形態で使用する光検出器の断面構成図である。
【図３】図２の光検出器の半導体素子の断面構成図である。
【図４】図２の光検出器の出力パルス波高分布図である。
【図５】従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の動作のタイミングチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態の平均検出光子数に対する解析光子数のプロット図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の動作のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態の統計処理のフローチャートである。
【図１１】従来の時間相関光子計数装置のブロック図である。
【図１２】従来の時間相関光子計数装置における波形歪みの一例を示す図である。
【符号の説明】
１…被測定光源、２…光検出器、３…プリアンプ、４…光子数解析装置、５…タイミングピックアップ回路、６…光子検出頻度解析部、７…波形出力装置、８…積分回路、９…波形整形回路、１０…波高解析装置、１１…遅延回路、１２…ゲート回路、１３…同期回路、１４…光子検出頻度解析回路、１５…ゲート切替器、１６…メモリ、１７…ディスクリミネータ、１８…ＴＡＣ、１９…マルチチャンネルアナライザー、６０…半導体素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、微弱な繰り返し光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微弱な繰り返し光の光波形を計測する装置として、時間相関光子計数装置が知られている。この装置のブロック図を図１１に示す。被測定光源１から出射された被測定光の一部が、光電子増倍管などからなる光検出器２に入射される。光検出器２は、光子１つの検出に対して十分な振幅を有した電気信号を出力するので、入射光を構成する光子１個１個の検出に対応する電気信号パルスが出力される。この出力信号パルスは、プリアンプ３で増幅された後に、ディスクリミネータ１７で、ノイズと分離されて、信号として時間−電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Converter）１８に送られる。ＴＡＣ１８は、被測定光源１と同期回路１３により同期させられており、その周期の開始時刻から起算した入力信号パルスの到達時刻を表す電気信号を出力する。この出力結果をマルチチャンネルアナライザー１９で集積することにより、被測定光の光波形を再現する。
【０００３】
具体的にいうと、被測定光の繰り返し周期Ｔを例えば、ｎ個のチャンネルに分割して、それぞれのチャンネルで検出した光子数、すなわち光子の発生頻度情報を集積する。チャンネルｉの平均検出光子数をμi、１周期の平均検出光子数をμとすると、サンプル数が充分に多ければ、各チャンネルのμiは、そのチャンネルでの被測定光の光強度に対応し、μiの分布波形が被測定光の光波形に対応するので、被測定光の光波形を再現することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この装置では、１周期に複数の光子が入射した場合にそれぞれの光子をどのチャンネルで検出したかを弁別することができないという欠点がある。これは、通常の光電子増倍管では、光子が到達しているか否かは判断できるが、到達した光子の個数を厳密に判定できないことによる。到達した光子の個数を正確に判定できる光電子増倍管としては、特開平８−１４８１１３号公報に記載されているいわゆるハイブリッド光検出器（ＨＰＤ）がある。しかし、このＨＰＤを用いた場合でも、ＴＡＣが周期内の複数の光子の到達時刻を別々に検出処理することができないため、この欠点を解消することはできなかった。
【０００５】
従来のＴＡＣを用いた時間相関光子計数装置では、１周期に複数の光子が入射した場合についても、周期中の最初に検出した光子が検出された時に１個の光子を検出した場合と同様に取り扱われていた。すなわち、複数の光子が入射した場合には、後に入射した光子は発生頻度のデータから数え落とされてしまっていた。
【０００６】
ここで、チャンネルｉでｋ個の光子が検出される確率ｐ（ｉ，ｋ）は、ポアソン分布に従うと考えられるので、この確率ｐ（ｉ，ｋ）は、
【０００７】
【数１】
【０００８】
【数２】
【０００９】
この結果、図１２に示されるように、複数の光子が入射してこうした数え落としが多くなる場合には、本来なら同図中実線Ａで示されるべき測定波形は、破線Ｂで示される波形として測定され、光強度の時間的な減衰が大きくなり、波形が歪むことになる。
【００１０】
これを防ぐためには、１周期中の平均検出光子数を少なくして、１周期中に複数の光子が光検出器に入射する確率を減らし、数え落としが起こらないようにする必要がある。この数え落としを実際に検出した光子のうちの１％以内にするためには、１回の周期中で検出される平均光子数を約０．０２程度とすることが必要だった。このため、一般には、光検出器に到達する光量を減らして、この平均光子数を０．０１程度とする測定が行われていた。一方、計測した光波形のμiの精度を上げるには検出光子の総数、すなわちサンプル数を増加させる必要がある。このためには、従来、計測の時間を長くして周期数を増やすことで対応していた。この結果、光波形の測定に時間がかかり、それでも波形後部の減衰部分を正確に測定することは困難だった。
【００１１】
これらの問題点を解消する技術として、特開平１−２２７９４８号公報に開示されたマルチチャンネル蛍光減衰波形測定装置や特開平８−３８４８０号公報に開示された生体測定装置が知られている。前者は、２値化した光検出器出力の時間波形を時間分割した１次元のシフトレジスタに蓄積することにより、後者は、１周期をさらに細かい時間領域に分けることにより、いずれも１周期で複数の光子の発生頻度情報を測定することを可能にして、前述の数え落としを低減し、波形歪みを少なくしている。しかし、これらはいずれも回路構成が複雑で、波形測定の時間分解能を上げることが困難であり、さらに細分化された時間領域の同一の時間領域に複数の光子が入射した場合の数え落としは依然として残る等の問題点があった。
【００１２】
本発明は、これらの問題点を解決して、構成が簡単で計数率が高く高精度の測定が可能な時間相関光子計数型の光波形計測装置を提供することを課題としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の繰り返し周期を有する被測定光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装置において、(1)被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)光検出器の出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、(4)光子数解析装置で算出した光子数が１個のみの周期に対応するタイミングピックアップ回路の出力を基にして、該１周期中に該光子を検出した時刻を求め、その検出時刻の範囲に応じて検出回数を積算して光子の検出頻度情報を求める光子検出頻度解析部と、(5)光子頻度解析部の出力を基に被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、を備えることを特徴としている。
【００１４】
これによれば、所定の繰り返し周期を有する被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパルス信号が出力される。そして、このパルス信号を解析することで、周期Ｔ中に１個の光子が検出された時のみにその光子が周期Ｔ中のどの時点で光検出器に到達したかを求める。こうして求めた光子の検出時刻情報により、周期Ｔを細分化した範囲に応じて対応する光子の検出回数を積算すれば、光子の検出頻度情報が求められる。こうして光子検出頻度解析部で求められたこの光子数の頻度情報は、被測定光の強度の時間変化に対応するので、被測定光の波形が再現される。
【００１５】
または、本発明の光波形計測装置は、(1)被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)光検出器の出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、(4)タイミングピックアップ回路の出力を基にして、１周期の間に最初に検出した光子の検出時刻を求め、この検出時刻情報を光子数解析装置で解析された１周期中に検出された光子数ごとに区分して出力する光子検出頻度解析部と、(5)光子検出頻度解析部の出力側に設けられて、その区分された出力ごとに検出時刻の範囲に応じて光子の検出回数をそれぞれ蓄積して記録することにより、光子の検出頻度情報として記録する複数個のメモリと、(6)光子検出頻度情報を前記メモリごとに読み出して、読み出した多数の光子検出頻度情報を統計的に処理することにより、被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、を備えることを特徴とするものでもよい。
【００１６】
これによれば、所定の繰り返し周期を有する被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパルス信号が出力される。そして、光子数解析装置では、このパルス信号を解析して、１周期に含まれる光子数が出力される。一方、タイミングピックアップ回路は、このパルス信号のうち１周期中の最初に検出された光子に対応するパルス信号のみを抽出して出力する。光子検出頻度解析部は、これらの情報をもとにして、１周期中に最初に検出された光子の周期中の検出時刻を求めたうえで、周期中に検出した光子数ごとに、この最初に検出された光子の検出時刻を細分化した時間範囲に応じてその検出回数を積算していく。この積算は、検出した光子数ごとに設けられたメモリが用いられる。この周期中に検出された光子の個数とそのうち最初に検出された光子の検出時刻の発生確率は、被測定光の光波形により一義的に定まる。しかだって、サンプル数が十分多ければ、これらから統計的処理によって光波形を求めることができる。光子の検出頻度情報は、１周期中に検出した光子数ごとに別々のメモリに蓄積記録されているので、メモリごとにこれを読み出せば、光子数ごとの検出頻度情報を読み出すことができる。これを統計処理することにより、被測定光の光波形が再現される。
【００１７】
さらに、光検出器は、半導体ターゲットを増倍部に備える光電子増倍管であってもよいし、ホトダイオードやアバランシェホトダイオード、あるいはマイクロチャネルプレートを増倍部に備える光電子増倍管であってもよい。
【００１８】
これらによれば、光検出器は、微弱光を増幅して検出でき、増倍率を大きくとることができる。つまり、１個の入射光子に対して多数の光電子が発生し、出力電圧も大きくなる。したがって、光検出器に入射した光子数の弁別が容易である。
【００１９】
また、光子数解析装置は、光検出器の出力信号の総電荷量を１周期内で積分して、積分した総電荷量の範囲に応じた値を光子数として出力するものでもよい。本発明の光検出器は、光子の数に対応する強度すなわち電荷量の信号を出力する。したがって、繰り返し周期の１周期内でこの電荷量を積分した値は、その１周期内に光検出器に入射した光子数にほぼ対応する。つまり、電荷量を積分することにより光子数が弁別される。
【００２０】
光子検出頻度解析部は、ＴＡＣを更に備えていてもよい。ＴＡＣは、２つのパルス信号の入力時間差に比例した電圧信号を出力するものである。このＴＡＣの一方のパルス信号として、被測定光の繰り返し周期の１周期のそれぞれの開始時点に同調したパルス信号を与え、他方のパルス信号として、光検出器からの出力信号を与えれば、最初に検出された光子に対応する光検出器からの出力パルス信号がＴＡＣに送られてきた時刻と、その周期の開始時刻の時間差に比例した電圧信号がＴＡＣから出力される。つまり、最初に検出された光子が周期中のどの時点で発生したかを表す電圧信号が出力される。これを利用することにより、周期中最初に検出した光子の検出時刻が正確に求められる。
【００２１】
タイミングピックアップ回路は、光検出器から送られてきたパルス信号のうち、１周期内の最初のパルス信号のみを、その立ち上がり時刻に対して、０以上の所定の遅延時間を有する立ち上がりが急峻なパルス信号に変換して出力する光波形整形回路であってもよい。
【００２２】
これには、コンスタントフラクションディスクリミネータ（ＣＦＤ）と呼ばれる回路を用いることができる。これにより、光検出器からの出力信号は、立ち上がり部がより急峻な信号に変換されて、光子検出頻度解析部へ送られる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態のブロック図である。被測定光源１は、所定の繰り返し周期Ｔで同一の光波形の光を射出する光源であり、パルスレーザやパルスレーザを照射されて光励起で蛍光を発する被測定サンプルなどがある。被測定光源１からの被測定光の光路上には、光検出器２が配置されている。光検出器２は、所定時間内に入射した光子数に対応した電気信号を出力するものであり、出力信号は一般にパルス波形を有する。この光検出器２は、増倍部にアバランシェホトダイオードを内蔵した光電子増倍管であるいわゆるＨＰＤである。
【００２５】
ここで、図２〜図５を参照して、この光検出器２について、詳しく説明する。
【００２６】
図２は、この光検出器２の断面構成図である。図２に示されるように、光検出器２は、中空円筒状の外囲器２０の両端にそれぞれ入射窓３０とステム５０とにより気密に封止させ、圧力１０-8Ｔｏｒｒ程度の高真空に内部を保持している。そして、この光検出器２の内部には、電子レンズ８０として２個のフォーカス電極８１，８２がそれぞれ光電陰極４０及びステム５０に近接して設置され、半導体素子６０がステム５０上に設置されている。
【００２７】
ここで、外囲器２０は、中空円筒状のガラス製側管である。この外囲器２０の両端には、２段に折り曲げられた中空円筒状のコバール金属製の取付材２１，２２がそれぞれ設置されている。
【００２８】
また、入射窓３０は、測定対象の光波長を透過しうる円板状のガラス製面板であり、大気側及び真空側の各表面はそれぞれ平面及び凹面を有している。この入射窓３０の真空側周縁部には、２段に折り曲げられた中空円筒状の取付材２３が設置されている。２個の取付材２１，２３の各端部を部分的に溶接することにより、外囲器２０と入射窓３０とは一体に構成されている。
【００２９】
一方、ステム５０は、円板状のコバール金属製面板であり、真空側に設けられた凹部に半導体素子６０が設置されている。このステム５０の真空側周縁部と取付材２２の端部とを部分的に溶接することにより、外囲器２０とステム５０とは一体に構成されている。また、ステム５０の中央部付近には、半導体素子６０の後述する端子棒７２を挿通する貫通穴５８が形成されている。そして、貫通穴５８と端子棒７２との間には、円筒状の絶縁材５９が気密に封止して設置されている。
【００３０】
また、入射窓３０の真空側表面には、薄膜状の光電陰極４０が蒸着して形成されている。この光電陰極４０は、外部電圧源（図示しない）から取付材２３を介して所定の電圧、例えば電位約−１５ｋＶを印加されている。なお、光電陰極４０は、アルカリ金属、例えばＫ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｓｂ等で形成されている。また、光電陰極４０において、入射光ｈνを受容して所定の量子効率で光電変換して光電子ｅ- を生成する口径φ1 は、約１６ｍｍである。
【００３１】
取付材２１の端部には、中心に開口を有する椀状のステンレス製フォーカス電極８１が、一方、取付材２２の端部には、同様に中心に開口を有する中空円錐台状のステンレス製フォーカス電極８２がそれぞれ部分的に溶接によって接合されている。このフォーカス電極８１、８２は、それぞれ開口部を近接させた形で設置されている。これらのフォーカス電極８１、８２は、外部電圧源（図示しない）からそれぞれ取付材２１、２２を介して所定の電圧を印加され、例えばフォーカス電極８１が電位約−１５ｋＶに、フォーカス電極８２が電位約０Ｖに保持されている。
【００３２】
ステム５０の真空側の中央に設けられた凸部上には、半導体素子６０が後述する受容部６５を光電陰極５０に対向させて設置されている。この半導体素子６０の後述する電極層６６と、ステム５０の貫通穴５８を気密に挿通した金属製の端子棒７２とは、金属製のワイヤー７１の端部をそれぞれボンディングすることにより、電気的に接続されている。半導体素子６０の表面側は、外部電圧源（図示しない）から端子棒７２及びワイヤー７１を介して所定の電圧を印加され、例えば電位約−１４５Ｖに保持されている。また、半導体素子６０の裏面側は、外部電圧源（図示しない）からステム５０を介してフォーカス電極８１の印加電圧と同一の電圧を印加され、例えば電位約０Ｖに保持されている。これにより、半導体素子６０は全体として逆バイアス電圧を印加されている。端子棒７２は、半導体素子６０から出力した検出信号を出力する。半導体素子６０の光電子ｅ- を受容して所定の増倍率で有効に増幅する部分の口径φ2 は、約３ｍｍである。
【００３３】
図３は、この半導体素子６０の断面構造を示した図である。この半導体素子６０は、光電陰極４０から放出されて電子レンズ８０によって収束された光電子ｅ- を後述する受容部６５に照射され、後述するアバランシェ増倍領域で増幅して検出するいわゆるアバランシェホトダイオードである。
【００３４】
平板状の半導体基板６１の中央部上には、円板状のキャリア増倍層６２が形成されている。この半導体基板６１の周辺部上には、円環状のガードリング層６３がキャリア増倍層６２と同一の層厚を有して形成されている。キャリア増倍層６２の表面中央領域には、円板状の降伏電圧制御層６４が形成されている。
【００３５】
半導体基板６１は、ｎ+ 型のＳｉで形成された高濃度単結晶ウエハである。この半導体基板６１は、層厚約５００μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰを濃度約１０19ｃｍ-3でドープされ、比抵抗約０．０１Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２は、ｐ型のＳｉを半導体基板６１上にエピタキシャル成長して形成された低濃度半導体層である。このキャリア増倍層６２は、層厚約１０μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを濃度約１０14〜１０16ｃｍ-3でドープされ、比抵抗約１〜１００Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２のドーパント濃度は、降伏電圧に接近した電圧を印加したときに半導体基板６１との接合面から拡がる空乏層が降伏電圧制御層６４に到達する値である。
【００３６】
なお、このキャリア増倍層６２において良好な結晶性を保持してエピタキシャル成長させる層厚ｄは、約５μｍ〜約５０μｍの範囲に含まれるように設定することが好適である。もし、層厚ｄが約５０μｍよりも大きい場合、層厚方向のドーパント濃度の不均一性が顕著になるので、光電子ｅ- に対するアバランシェ増倍ゲインのユニフォミティをキャリアの発生位置に依存して劣化させてしまう。一方、層厚ｄが約５μｍよりも小さい場合、半導体基板６１から伸びて拡がる空乏層が薄くなるので、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインを低減させてしまう。
【００３７】
ここで、層厚ｄを約１０μｍに設定した理由は、加速エネルギー約１５ｋｅＶで照射された光電子ｅ- の最大飛程約３μｍと、後述するアバランシェ増倍領域の層厚約３μｍとに対して、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインの揺らぎを最低限に押さえるためにそれぞれ若干の余裕を考慮したからである。
【００３８】
ガードリング層６３は、第１導電型のドーパントとしてｎ型ドーパントをキャリア増倍層６２の周辺部に熱拡散して形成された高濃度半導体層である。このガードリング層６３は、キャリア増倍層６２の層厚と同一の層厚約１０μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰを半導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０19ｃｍ-3でドープされている。
【００３９】
降伏電圧制御層６４は、ｐ型ドーパントをキャリア増倍層６２の表面中央領域に熱拡散して形成された高濃度半導体層である。この降伏電圧制御層６４は、層厚約１μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを半導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０19ｃｍ-3でドープされている。この降伏電圧制御層６４の表面中央部には、円形状の受容部６５が光電陰極４０に対向して露出されている。
【００４０】
なお、この受容部６５において、光電子ｅ- を受容して所定の増倍率で増幅する口径φ2 は、約１０ｍｍ以下の範囲に含まれるように設定することが好適である。もし、口径φ2 が約１０ｍｍよりも大きい場合、表面方向のドーパント濃度の不均一性が顕著になるので、光電子ｅ- に対するアバランシェ増倍ゲインのユニフォミティをキャリアの発生位置に依存して劣化させてしまう。また、アバランシェ増倍領域の容量が大きくなるので、動作速度が低減してしまう。
【００４１】
受容部６５の周辺部に位置する降伏電圧制御層６４の表面周縁部上の大部分と、ガードリング層６３の表面全体上とには、２種類の絶縁層６６，６７が順次積層して形成されている。絶縁層６６は、Ｓｉの酸化物で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６６の層厚は約２００ｎｍである。絶縁層６７は、Ｓｉの窒化物で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６７の層厚は約５０ｎｍである。なお、絶縁層６６は、ガードリング層６３及び降伏電圧制御層６４を形成する際にキャリア増倍層６２の結晶性を良好に保持するために、あらかじめキャリア増倍層６２の表面領域を酸化させて形成するものである。また、絶縁層６７は、光電陰極４０を形成する際にキャリア増倍層６２、ガードリング層６３及び降伏電圧制御層６４の半導体特性を劣化させないために、絶縁層６６上に堆積させて形成するものである。
【００４２】
絶縁層６７上には、円環状のオーミック電極層６８が形成されており、絶縁層６６，６７の側壁に沿って降伏電圧制御層６４の表面周縁部に接触している。このオーミック電極層６８は、Ａｌで形成された金属薄膜であり、降伏電圧制御層６４に対して良好なオーミック接触性を有している。
【００４３】
なお、オーミック電極層６８は、ワイヤー７１のボンディングによって外部電圧源（図示しない）から端子棒７２を介して所定の電圧を印加され、例えば−１４５Ｖの負電位に保持されている。また、半導体基板６１は、ステム５０上の設置によって外部電圧源（図示しない）から所定の電圧を印加され、例えば０Ｖのグランド（ＧＮＤ）電位に保持されている。これにより、ｎ+ 型の半導体基板６１とｐ+ 型の降伏電圧制御層６４との間に、すなわちキャリア増倍層６２に空乏層がアバランシェ増倍領域として生成される。
【００４４】
ここで、受容部６５に入射した光電子ｅ- がアバランシェ増倍領域に到達するまでの電子照射ゲインは、約４×１０3 である。これらのキャリアがアバランシェ増倍領域を通過して半導体基板６１に到達するまでのアバランシェ増倍ゲインは、約３０である。これにより、半導体素子６０の全体として光電子ｅ- に対する二次電子のゲインは、１０5 程度に達する。
【００４５】
この光検出器２の出力端は、図１に示されるように電流信号を電圧信号に変換するプリアンプ３に接続されている。プリアンプ３の出力側は、以下に構成を詳述する光子数解析装置４とタイミングピックアップ回路５にそれぞれ接続されている。これらの出力は、いずれも後に構成を詳述する光子検出頻度解析部６に接続されている。
【００４６】
このうち、光子数解析装置４は、被測定光の繰り返し周期の１周期Ｔ中に光検出器２で検出された光子の数を判定する装置であり、入力信号を１周期Ｔの間積分して出力する積分回路８と、この積分信号を所定の時定数でサンプルホールドしたうえで出力する波形整形回路９と、この出力信号の電圧値が所定の範囲内にあるか否かを判定する波高解析装置１０が直列に接続されて構成されている。
【００４７】
一方、タイミングピックアップ回路５は、１周期Ｔの間に最初に検出された光子に対応する入力信号を抽出して出力する回路であり、周期Ｔ内における最初の入力パルスと立ち上がりの時刻が同じかこれを所定時間遅延させた所定波形のパルス信号を出力する波形整形回路を含んでいる。その出力波形は方形波が好ましい。光検出器２の出力パルスのパルス幅に比べて光波形を測定する際に求められる時間分解能があまり大きくない場合には、この波形整形回路を省略して、入力信号のうち１周期中に最初に検出された光子に対応する入力信号のみを抽出してそのまま出力してもよい。
【００４８】
また、光子検出頻度解析部６は、１周期中に検出された光子数が１個のときのみのその光子の検出時刻を出力する装置であって、直列接続された遅延回路１１、ゲート回路１２、光子検出頻度解析回路１４と被測定光源１と光子検出頻度解析回路１４のそれぞれに接続された同期回路１３から構成されている。そして、ゲート回路１２は、光子数解析装置４の波高解析装置１０に接続されている。遅延回路１１は、タイミングピックアップ５の出力を１周期Ｔだけ遅延させる回路である。ゲート回路１２は、光子数解析装置４からの出力に応じて遅延回路１１からの出力の通過、遮断を切り替える回路である。また、同期回路１３は、被測定光の繰り返し周期に同期して光子検出頻度解析回路１４を作動させるトリガー信号を発する。光子検出頻度解析回路１４には、前述したＴＡＣが用いられており、トリガー信号の入力タイミングとゲート回路１２からの信号の入力タイミングの時間差に相当する電圧信号を出力する。
【００４９】
光子検出頻度解析部６は、さらに、この出力を基にして被測定光の波形を再現する波形出力装置７に接続されている。波形出力装置７には、マルチチャンネルアナライザーやパソコン、ＣＰＵとメモリの組み合わせなどを用いることができる。
【００５０】
本実施形態の動作説明に先立ち、図２、図３により、光子が入射した際の光検出器２の動作について詳しく説明する。
【００５１】
外部電圧源から所定の電圧が印加されると、光電陰極４０及び電子レンズ８１に所定電位が生成されるとともに、電子レンズ８２及びステム５０により高い電位が生成される。これにより、真空容器２０の内部には、半導体素子６０から電子レンズ８１，８２の各開口を通過して光電陰極４０に向かう電界が発生する。
【００５２】
また、オーミック電極層６８には所定電位が生成されるとともに、半導体基板６１により高い電位が生成される。これにより、半導体素子６０の内部には、逆バイアス電圧が印加されているので、半導体基板６１とキャリア増倍層６２との接合面から降伏電圧制御層６４に向かって延びた空乏層がアバランシェ増倍領域を生成する。
【００５３】
ここで、外部から微弱光の光子ｈνが入射窓３０の受光部に入射すると、この光子ｈνは入射窓３０の内部を透過して光電陰極４０に吸収される。そのため、光電陰極４０の価電子帯に位置した電子が伝導帯に励起され、負の電子親和力作用によって光電子ｅ- として真空中に放出される。このようにして光電陰極４０から放出された光電子ｅ- は、図２の斜線で示す範囲に形成されたステム５０から電子レンズ８０を介して光電陰極４０に向かって開放された電界に対向して移動し、半導体素子６０の受容部６５に入射する。
【００５４】
なお、電子レンズ８０によって光電陰極４０から放出された光電子ｅ- を受容部６５上の一点に収束させることは原理的に不可能であるが、受容部６５の口径φ2 程度に収束させることは可能である。そのため、個々の光電子ｅ- は受容部６５の異なる位置に入射することになる。
【００５５】
半導体素子６０の受容部６５に入射した光電子ｅ- は、キャリア増倍層６２の内部でエネルギー約３．６ｅＶを失う毎に一対の電子−正孔対を生成する。そのため、単一の光電子ｅ- の入射によって、数千組の電子−正孔対が二次キャリアとして発生する。このように増倍した二次キャリアは、半導体基板６１から降伏電圧制御層６４に向かう電界に対向してドリフトする。この中で電子は、キャリア増倍層６２の内部に生成したアバランシェ増倍領域に到達する。このとき、光電子ｅ- に対する電子照射ゲインは約４×１０3 に達する。
【００５６】
アバランシェ増倍領域にドリフトした電子は、キャリア増倍層６２を構成する分子に衝突してイオン化を起こすアバランシェ増倍過程を繰り返す。このように増倍した電子は、半導体基板６１からキャリア増倍層６２に向かう電界に対向してドリフトして半導体基板６１に到達する。このとき、アバランシェ増倍ゲインは約３０であり、光電子ｅ- に対する電子のトータルゲインは１０5 程度に達する。
【００５７】
ここで、ｐ型のキャリア増倍層６２のドーパント分布は非常に均一に制御されている。そのため、アバランシェ増倍ゲインは、アバランシェ増倍領域中における二次電子の発生位置に対する依存を低減しており、良好なユニフォミティを得ている。
【００５８】
このような二次電子の増倍量に対応した逆方向電流が、オーミック電極層６８からワイヤー７１及び端子棒７２を介して外部に出力される。そのため、光検出器２に入射した光子の個数を順次個別に検出することができる。
【００５９】
ここで、図４、５を参照して、本実施形態の光検出器２と、従来型の光電子増倍管とでパルス波高分解能を比較した結果について説明する。図４は、本実施形態の光検出器２の出力パルス波高分布図であり、図５は、従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布である。これらのグラフにおいては、横軸は、出力電子数、縦軸は、各出力電子数の検出回数であり、グラフ内の数値は光電変換された光電子数である。
【００６０】
図４、５より本実施形態の光検出器２は、従来型の光電子増倍管に比較して、それぞれの光電子数に対する検出回数のピークがはっきりしており、光電子パルスのパルス波高分解能が高く、光子数を弁別することが容易である。単一光子入射に伴う光電子パルスのパルス波高分解能は、従来型では３０〜１００％であるのに対し、本実施形態の光検出器２では、通常のアンプノイズを加味しても７．６％と大幅に改善されている。これは、従来型の光電子増倍管では、増幅部の１段あたりの増幅率が１０程度と低いため、増幅部を多段化することにより高い増幅率を得ているが、各段の増幅率が一定していないために、増幅の結果、入射光子１個あたりに得られる電子の数が変動するためである。一方、本実施形態の光検出器２は、初段の増幅率が１０００程度と高く、安定しているため、入射光子１個あたりに得られる最終的な電子の数が一定に近いので、高いパルス波高分解能が得られる。
【００６１】
続いて、本実施形態全体の動作を図１、６を用いて説明する。図６は、本実施形態の動作のタイミングチャートである。
【００６２】
被測定光源１から出射された光の一部は、光検出器２に入射される。光検出器２に図６(a)に示されるタイミングで光子が入射すると、光検出器２内では、前述したように光電変換が行われ、同図(b)に示されるタイミングで光電子を発する。この結果、光検出器２は、この光電子を増倍して同図(c)に示されるようなパルス電流を出力する。このパルスのパルス幅は、周期Ｔに比べて充分に短く、パルスの立ち上がり時刻は、光子の到達時刻に相当する。また、パルス幅より短い時間内に複数の光子が光電変換されたときは、光子数に応じた所定の強度のパルス電流が出力される。この信号はプリアンプ３で電流電圧変換されて、光子数解析装置４とタイミングピックアップ回路５にそれぞれ送られる。
【００６３】
このうち、光子数解析装置４では、まず、電圧信号に変換された入力パルスが積分回路８で１周期Ｔごとに積分されて、波形整形回路９で所定の時定数でサンプルホールドされ、同図(d)に示される波形に成形されたうえで出力される。したがって、１周期が終了するそれぞれの時点での電圧値は、その周期に検出された光子数に比例するものとなる。波高解析装置１０では、この１周期が終了する時点の電圧値を調べて、同図(d)中のＶの範囲（電圧値が所定の定数α以上でα＋Ｖ以下の範囲）に入っている場合、すなわち、１周期中に検出された光子が１個のみの場合のみに信号を出力し、それ以外の光子が検出されなかったか２個以上の光子が検出された場合には信号を出力しない。この出力は、同図(e)に示されるように次の１周期にわたって出力される。いいかえれば、波高が解析された周期より１周期遅れて出力される。この出力信号は、光子検出頻度解析部６のゲート回路１２に送られる。
【００６４】
一方、タイミングピックアップ回路５には、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパルス信号が入力される。そして、タイミングピックアップ回路５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上がり時刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じまたは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力する。このパルス信号は、光子検出頻度解析部６に送られる。
【００６５】
そして、光子検出頻度解析部６では、遅延回路１１が、このパルス信号を１周期遅延させる（同図(h)参照）。ゲート回路１２は、この遅延されたパルス信号と同図(e)に示される光子数解析装置４から送られてきた電圧値を乗算して、同図(i)に示されるパルスを出力する。これは、周期中に光子が１個のみ検出されたときのその光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じあるいは所定の遅延時間を有する方形波のパルス信号を１周期遅延させた信号である。この信号は光子検出頻度解析回路１４に送られる。光子検出頻度解析回路１４には、同期回路１３から各周期の開始時刻に同調するトリガー信号が入力されている。同図(i)に示された信号が入力されると、光子検出頻度解析回路１４は、この信号の入力タイミングとトリガー信号の入力タイミング、言い換えれば、それぞれの周期の開始時刻との時間差に比例した電圧信号を出力する。したがって、光子の到達時刻とその周期の開始時刻との時間差に相当する電圧信号が得られる。
【００６６】
この測定を何度も繰り返しながら、波形出力装置６で、この電圧信号を電圧の範囲に応じて積算していく。この電圧は検出した光子の周期内における到達時刻、言い換えれば検出時刻に対応しているので、この操作は、光子の検出頻度情報をサンプリングしていることになる。前述したようにサンプリングの数が十分多ければ、１周期Ｔをｎチャンネルに分割した時間間隔ｉの間に観測された光子の数μiは、そのｉ時点での被測定光の光強度に対応する。本実施形態では、１周期Ｔ中に光子が１個のみ検出された場合の検出頻度情報のみを抽出して使用しているが、この１周期Ｔ中に光子が１個のみ検出され、それがチャンネルｉで検出される場合の確率ｑ1（ｉ）は、式(1)より、
【００６７】
【数３】
【００６８】
本実施形態では、１周期中に光子が２個以上検出された場合は、その情報は、光子の検出頻度のサンプリングに使用せず、１周期中に光子が１個のみ検出された場合に限り、その情報を使用しているので、従来の装置で、１周期中に光子が複数検出された場合の後から検出された光子の数え落としに伴い発生していた波形の歪みが起こることがなく、正確な波形の検出が可能になる。また、サンプリングの際の光子到達時刻を測定するのに、ＴＡＣを使用することにより、簡単な構成で１０ｐｓ程度と時間分解能の極めて高い測定が可能である。
【００６９】
また、従来の装置では、平均検出光子数μを増やすと、周期Ｔ中に複数個の光子を検出して、波形の歪みをもたらす光子の数え落としが発生する確率が高くなるため、平均検出光子数μを低く抑える必要があった。本実施形態の場合は、光子が１個のみの場合だけに限り、サンプリングに用いるので、光子が２個以上検出される場合を考慮する必要がなく、平均検出光子数を増やすことができる。図７は、平均検出光子数μに対して、光子が１個のみ検出される場合の１周期あたりの解析光子数μaをプロットしたものである。図７より、この解析光子数μaが最も多くなるのは、μ＝１．０の時である。この時、本実施形態での解析光子数μaは０．３６８となる。これは、従来の装置で標準的であった平均検出光子数μ＝０．０１の時の解析光子数μa＝０．００９９と比較して約３７倍にあたり、本実施形態では、短時間で精度の良い測定が可能であることがわかる。
【００７０】
次に、図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図８は、この第２の実施形態のブロック図である。
【００７１】
まず、装置の構成を説明する。基本的な構成は、図１に示される第１の実施形態と同一であり、共通する部分の構成についての説明は省略する。本実施形態ではまず、光子検出頻度解析部６の構成が、第１の実施形態と異なる。本実施形態では、ＴＡＣを用いた光子検出頻度解析回路１４が遅延回路１１の直後に接続されており、この光子検出頻度解析回路１４の出力側に、光子数解析装置４にも接続されており、光子数に応じて光子検出頻度解析回路１４の出力信号の出力先を切り替えるゲート切替器１５が接続されている。ゲート切替器１５のそれぞれの出力先には、さらに、１周期Ｔ中の検出光子数に対応して設けられ、それぞれの光子数のときの光子検出頻度解析回路１４の出力信号を蓄積して記憶する複数（ｎ個）のメモリ１６1〜１６nが接続されている。そして、それぞれのメモリは、波形出力装置７に接続されている。
【００７２】
次に、図８〜図１０を参照して、本実施形態の動作を説明する。図９は、本実施形態のタイミングチャート、図１０は、本実施形態の波形出力装置のフローチャートである。ここでも、第１の実施形態と共通する部分については、説明を省略する。
【００７３】
被測定光源１から出射した光の一部の光子（図９(a)参照）は、光検出器２により、光電変換されたうえで（同図(b)参照）増倍されて出力される（同図(c)参照）。この信号は、プリアンプ３で電圧信号に変換されて、第１の実施形態の場合と同様に光子数解析装置４と、タイミングピックアップ回路５のそれぞれに送られる。
【００７４】
光子数解析装置４では、積分回路８によりこの信号を１周期Ｔごとに積分して、波形整形回路９により所定の時定数でサンプルホールドして同図(d)に示される波形に成形して出力する。第１の実施形態の説明で述べたように、周期Ｔが終了するそれぞれの時点での電圧値は、その周期Ｔ中に検出された光子数に比例している。そこで、波高解析装置１０で、この１周期が終了する時点の電圧値を調べて、対応する光子数に対応する電圧値を出力する（同図(e)参照）。
【００７５】
一方、タイミングピックアップ回路５には、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパルス信号が入力される。このタイミングピックアップ回路５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上がり時刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じかあるいは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力する。遅延回路１１は、このパルス信号を１周期遅延させる（同図(h)参照）。光子検出頻度解析回路１４には、同期回路１３からそれぞれの周期の開始時刻に同調したトリガー信号が入力されている。そして、他方の入力信号として同図(h)に示されるパルス信号が入力されると、トリガー信号とこのパルス信号の入力タイミングの時間差に比例する電圧信号を出力する（同図(i)参照）。この信号は、つまり周期中の最初の光子の到達時刻を表す信号である。ゲート切替器１５は、光子数解析装置４から送られてきた光子数情報（同図(e)参照）を参照して、この光子数に対応するメモリ１６に最初の光子の到達時刻情報を区分して出力する。例えば、メモリ１６1には、同図(j)に示される１周期中の検出光子数１個の時の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６2には、同図(k)に示される１周期中の検出光子数２個の時の最初の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６nには、１周期中の検出光子数がｎ個の時の最初の光子の到達時刻の情報がそれぞれ送られ、蓄積されていく。
【００７６】
これを繰り返して多数のサンプルの情報をメモリに蓄積した後で、波形出力装置７は、メモリ１６に蓄積された光子発生頻度の情報を読み出して、後述する統計的処理を行い、被測定光の光波形を再現して出力する。
【００７７】
ここで、周期中に２個の光子が検出され、そのうち最初の光子がチャンネルｉで検出される確率ｑ2（ｉ）は、式(1)より、
【００７８】
【数４】
【００７９】
【数５】
【００８０】
以下に、図１０を参照して、この統計処理の一例を示す。ここでは、１周期中に１個〜ｍ個の光子を検出したときの頻度情報を基に光波形を求める処理について説明する。
【００８１】
まず、メモリ１６1から周期Ｔ中に１個の光子のみを検出したときの光子の検出頻度情報を読み出して（Ｓ１）、この頻度情報を基にして式(3)に基づいて、それぞれのチャンネルｉのμiを算出して、光波形Ｌを求める（Ｓ２）。この光波形Ｌを以下の補正のもととなる光波形Ｌ0に設定する（Ｓ３）。続いて補正のループ計算に入る。まず補正に用いる頻度情報の光子数ｋを２に設定する（Ｓ４）。そして、メモリ７k（ここでは７2）から周期Ｔ中にｋ個（ここでは２個）の光子が検出されたときの光子検出頻度情報を読み出して（Ｓ５）、この頻度情報を基にして、式(5)（この場合は具体的には、式(4)に相当）に基づいて補正後のμiを求める（Ｓ６）。具体的には、得られた頻度情報をｑ2（ｉ）とし、Ｌ0のμj（ｉ≦ｊ≦ｎ）を基にｆ2を算出したうえでこれらを基にして新たなμiを算出する。こうして得られた新たな波形ＬをＬ0と比較する（Ｓ７）。ＬとＬ0の差、例えば、それぞれのμiの差の２乗を積算した数値、が大きければ、得られた光波形Ｌを新たなＬ0として（Ｓ８）、再度Ｓ６に戻って補正計算を繰り返す。ＬとＬ0の差が予め設定した誤差の範囲内であれば、得られた光波形Ｌを新たなＬ0とし（Ｓ９）、ｋがｍより大きいかどうか、つまり光子数ｍ個までの補正を終了しているかどうかを判定する（Ｓ１０）。ｋがｍより小さいときは、ｋ＋１を新たなｋに設定して（Ｓ１１）、Ｓ５に戻り、周期Ｔ中にｋ個の光子を検出したときの頻度情報による光波形の補正を繰り返す。ｋがｍ以上であれば、光子数ｍ個までの補正は終了したとして、得られた光波形Ｌを最終的な光波形として出力する（Ｓ１２）。
【００８２】
このアルゴリズムは補正処理の一例であり、補正処理はこれに限定されるものではない。例えば、２個以上の光子を検出したときの頻度情報に基づく補正値を同時に算出してそれぞれを重み付けして積算してもよいし、μiを求める際に、最後のｎチャンネルから求めていき、求めた最新のμi〜μnを用いて時刻が先のチャンネルのμi-1を求めていってもよい。また、繰り返し計算の際にμiを置き換えるのではなく、元のμiと新たに求めたμiとの差に重みをかけて元のμiに加えた値を次回の補正の際に用いるμiとしてもよい。
【００８３】
この実施形態では、従来数え落とされていた周期Ｔ中に複数の光子が検出されたときの頻度情報が有効に用いられるので、短時間で多くの頻度情報を獲得することができ、短い時間で波形の計測が可能となる。例えば、平均検出光子数μが１．０の場合、周期中に１個の光子を検出したときの情報のみを使用する場合、測定した周期のうち有効なデータを獲得できる周期の割合は、３６．８％であるが、本実施形態を用いて２個の光子を検出したときの情報を使用すれば、この割合は５５．２％、３個の光子を検出したときの情報まで使用すれば、６１．３％に向上させることができる。また、数え落としに伴う波形の歪みが生じないので、精度の高い測定が可能となる。
【００８４】
以上の説明では、光検出器として増倍部にアバランシェホトダイオードを用いた光電子増倍管を例として説明したが、光電子増倍管の増倍部はホトダイオード等の半導体ターゲットであっても、同様に安定した高い増倍率を備えるので、光子数の弁別が可能であり、本発明の光波形計測装置に利用できる。また、同様に安定した高い増倍率を備えていれば、マイクロチャネルプレートを増倍部として用いた光電子増倍管でもよい。さらに、光検出器は光電子増倍管に限られるものではなく、光子の到達時間と到達した個数を弁別可能な出力信号を発するものであれば、様々な形式の光検出器を使用することができる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の光波形計測装置によれば、被測定光の繰り返し周期の１周期中に１個の光子が検出されたときにのみその光子の発生頻度情報を積算して光波形を求めるので、従来問題とされていた１周期中に複数個の光子を検出したときの数え落としがなくなり、波形の歪みの少ない高精度の測定が可能になる。また、平均検出光子数を増やして測定できるので、従来より短時間で多数の光子の発生頻度情報を積算することができ、測定時間を短縮することもできる。
【００８６】
また、本発明の他の形態によれば、被測定光の繰り返し周期の１周期中に検出された光子数に応じて別々のメモリに１周期の最初に検出された光子の発生頻度情報を蓄積したうえで、統計処理により被測定光の波形を求めている。このため、複数個の光子を検出したときでも従来のような数え落としの要因とはならず、光波形を補正する有効な情報として用いることができる。このため、平均検出光子数を増やすことができ、有効な発生頻度情報を短時間でより多く集積することができるので、短時間での高精度の測定が可能となる。
【００８７】
さらに、光検出器に半導体ターゲット等を増倍部に用いた光電子増倍管を使用すれば、検出器に到達した光子数の弁別が容易になるので、光子の数え落としや光子数の数え間違いによる光波形の歪みがなくなる。
【００８８】
また、光検出器の出力を積分して光子数を検出すれば、光子数の弁別を行う回路の構成が簡単ですむ。
【００８９】
光子検出頻度解析装置にＴＡＣを用いれば、簡単で安価な構成により、時間分解能の高い測定ができる。
【００９０】
また、タイミングピックアップ回路に波形整形回路を用いて、出力を方形波等の立ち上がりが急峻なパルスに整形すれば、光検出器に光子が到達した時刻をより高精度に特定できるので、時間分解能の高い測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。
【図２】図１の実施形態で使用する光検出器の断面構成図である。
【図３】図２の光検出器の半導体素子の断面構成図である。
【図４】図２の光検出器の出力パルス波高分布図である。
【図５】従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の動作のタイミングチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態の平均検出光子数に対する解析光子数のプロット図である。
【図８】本発明の第２の実施形態のブロック図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の動作のタイミングチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態の統計処理のフローチャートである。
【図１１】従来の時間相関光子計数装置のブロック図である。
【図１２】従来の時間相関光子計数装置における波形歪みの一例を示す図である。
【符号の説明】
１…被測定光源、２…光検出器、３…プリアンプ、４…光子数解析装置、５…タイミングピックアップ回路、６…光子検出頻度解析部、７…波形出力装置、８…積分回路、９…波形整形回路、１０…波高解析装置、１１…遅延回路、１２…ゲート回路、１３…同期回路、１４…光子検出頻度解析回路、１５…ゲート切替器、１６…メモリ、１７…ディスクリミネータ、１８…ＴＡＣ、１９…マルチチャンネルアナライザー、６０…半導体素子。
Claims (9)
- 所定の繰り返し周期を有する被測定光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装置において、
前記被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が前記繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、
前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、
前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、
前記光子数解析装置で算出した光子数が１のみの周期に対応する前記タイミングピックアップ回路の出力を基にして、該１周期中に該光子を検出した時刻を求め、その検出時刻の範囲に応じて検出回数を積算して光子の検出頻度情報を求める光子検出頻度解析部と、
前記光子頻度解析部の出力を基に前記被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、
を備えることを特徴とする光波形計測装置。 - 所定の繰り返し周期を有する被測定光の光強度の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装置において、
前記被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が前記繰り返し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、
前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記繰り返し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、
前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、
前記タイミングピックアップ回路の出力を基にして、前記１周期の間に最初に検出した光子の検出時刻を求め、この検出時刻情報を前記光子数解析装置で解析された１周期中に検出された光子数ごとに区分して出力する光子検出頻度解析部と、
前記光子検出頻度解析部の出力側に設けられて、その区分された出力ごとに検出時刻の範囲に応じて光子の検出回数をそれぞれ蓄積することにより、光子の検出頻度情報として記録する複数個のメモリと、
前記光子検出頻度情報を前記メモリごとに読み出して、読み出した多数の光子検出頻度情報を統計的に処理することにより、前記被測定光の波形を再現して出力する波形出力装置と、を備えることを特徴とする光波形計測装置。 - 前記光検出器は、半導体ターゲットを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記光検出器は、ホトダイオードを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記光検出器は、アバランシェホトダイオードを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記光検出器は、マイクロチャネルプレートを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記光子数解析装置は、前記光検出器の出力信号の総電荷量を前記１周期内で積分して、積分した総電荷量の範囲に応じた値を光子数として出力することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記光子検出頻度解析部は、時間−電圧変換器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
- 前記タイミングピックアップ回路は、前記光検出器から送られてきたパルス信号のうち、前記１周期内の最初のパルス信号のみを、その立ち上がり時刻に対して、０以上の所定の遅延時間を有する立ち上がりが急峻なパルス信号に変換して出力する光波形整形回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
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