JP3742491B2

JP3742491B2 - 光波形計測装置

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Publication number: JP3742491B2
Application number: JP19590797A
Authority: JP
Inventors: 恒幸浦上; 太郎安藤; 豊山下
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-07-22
Filing date: 1997-07-22
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH1137851A

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９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個を検出した際に、十分な振幅を有した電気信号を出力するので、入射光波形を構成するそれぞれの光子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１０で、ノイズと弁別され信号として、時間−電圧変換器（ＴＡＣ：Time to Amplitude Converter）１１に送られる。ＴＡＣ１１は、被測定光源１と同期回路８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に対応した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１２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μ_i、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μ_iは、そのチャンネルでの被測定光の光強度に対応し、μ_i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】
この結果、図１０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。
【０００７】
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μ_i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。
【０００８】
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。
【０００９】
しかし、これらの装置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るなどの欠点があった。しかもこれらの装置でも、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は、これらを弁別することができないため、光子の数え落としを完全に解消することはできない。光強度が相対的に大きな時点ほど同一の時間領域に複数の光子が入射する可能性が大きくなるため、こうした数え落としが増し、波形歪みの要因となる。これを低減するためには、波形の解析時に必要な時間分解能より細かい時間分解能で測定する必要があるが、前述したように、これらの装置では時間分解能をあげること自体が困難であるため、こうした数え落としを解消することができず、結果として波形歪みを解消することが難しかった。
【００１０】
本発明は、これらの問題点を解決して、構成が簡単で高計数率においても波形歪みの少ない高精度の測定が可能な光波形計測装置を提供することを課題としている。
【００１１】
【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であり、(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短パルス信号を出力する光検出器と、(2)短パルス信号を電圧信号に変換するプリアンプと、(3)プリアンプの出力電圧を１つあるいは複数の予め設定されたしきい値と比較して、それぞれのしきい値を超えている間、それぞれのしきい値に対応して設けられた出力端から所定のパルス信号を出力することにより、電圧信号を多値化処理する多値化処理回路と、(4)所定の繰り返し周期を細分化した時間領域に対応して個別に設けられた複数の記憶領域を備えるメモリ部と、(5)細分化された時間領域のそれぞれの領域ごとに、多値化処理回路の複数の出力信号を基に同一の時間領域内で検出された光子数を算出する演算処理を行い、計算した光子数をメモリ部の対応する記憶領域に蓄積記憶させる演算部と、(6)メモリ部の各記憶領域に蓄積された検出光子の総数を時間領域ごとに順次読み出して統計処理することにより、被測定光の光波形を再現して出力する光波形出力部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
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、被測定光に含まれる光子が光検出器に達する。光検出器は、この光子の到達に応じて光子数に対応する電荷量のパルス幅が十分に短い短パルス信号を発する。この短パルス信号は、プリアンプによって電圧信号に変換される。そして、多値化処理回路は、この電圧信号の電圧値を予め設定された１つあるいは複数のしきい値と比較して、電圧値がそれぞれのしきい値を超えている間、それぞれのしきい値に対応して設けられた出力端から所定のパルス信号を出力する。この電圧値は光検出器の出力電荷量に対応しており、この出力電荷量は略同時に光検出器に到達した光子数に対応しているので、電圧値をしきい値で多値化することによって光検出器に到達した光子数に対応するパルス信号が得られる。細分化された時間領域ごとにこのパルス信号の演算処理を行うことにより、この時間領域ごとに検出された光子数が算定され、これは、時間領域ごとに設けられたメモリに光子の発生頻度情報として蓄積されていく。サンプリング数が十分多ければ、このメモリに蓄積された光子の発生頻度情報は、被測定光の光波形に相当するヒストグラムに近づいていく。したがって、メモリに蓄積された情報を読み出すことにより被測定光の光波形が再現される。
【００１３】
この光波形計測装置の光検出器は、半導体ターゲット、ホトダイオード、アバランシェホトダイオード、あるいは／及び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が好ましい。
【００１４】
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て、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。
【００１５】
または、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光子数解析装置をさらに備え、演算部は繰り返し周期ごとに演算部内で計算した光子数をこの光子数出力と比較して演算部内で計算した光子数に所定の処理を行ってメモリ部の各領域に記憶させることを特徴とするものでもよい。
【００１６】
これによれば、光検出器は、到達した光子数に応じた電荷を出力するので、周期中の総電荷量はすなわち周期中に光検出器に到達した全光子数に対応する。したがって、光検出器の出力信号を１周期内で積分することにより、光子数解析装置は、光検出器に１周期に到達した光子数を弁別できる。ここで求めた光子数と演算部で算出した光子数を比較することにより、多値化処理による弁別した光子数が検証される。
【００１７】
【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。
【００１８】
図１は、本発明の１実施形態のブロック構成図である。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、具体的には、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挙げられる。被測定光源１から射出された被測定光の光路上には、光検出器が配置されている。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等を内蔵した光電子増倍管であるいわゆるＨＰＤである。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
この光検出器２の出力端である端子棒７２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、この出力信号の電圧値を予め設定された複数のしきい値と比較し、それぞれのしきい値を超えている間、それぞれのしきい値に対応して設けられた出力端から所定のパルス信号を出力する多値化処理回路４に接続されている。多値化処理回路４の出力は、この出力パルス信号間で所定の演算処理を行う演算部５にそれぞれ接続されている。そして、演算部５には、周期Ｔをｎチャンネルの時間領域に分割し、それぞれの時間領域で発生した光子数を蓄積記憶するｎチャンネルのメモリ部６に接続されている。このメモリ部６はさらに、このメモリ部６に蓄積された情報をもとに被測定光の光波形を再現する波形出力装置７に接続されている。また、多値化処理回路４、演算部５はそれぞれ被測定光源１に同期させるトリガー信号を発する同期装置８に接続されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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に対する検出回数、グラフ中の数字は、光電変換された光電子数をそれぞれ表している。
【００５１】
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、それぞれの出力電子数に対応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できる。単一光子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、高いエパルス波高分解能が得られる。
【００５２】
次に、図１及び図６、図７を参照して、本実施形態の動作を説明する。図６、図７は、本発明の多値化処理回路４における多値化処理内容を説明する図である。
【００５３】
被測定光源１から繰り返し周期Ｔで発せられた光子の一部が光検出器２に入射する。光検出器２では、前述した動作により、到達した光子数に応じてパルス信号が出力される。この信号は、プリアンプ３で図６(a)に示されるような電圧信号に変換され、多値化処理回路４に送られる。
【００５４】
多値化処理回路４では、送られてきた電圧信号を予め設定されたしきい値と比較する。ここでは、説明を簡単にするため、しきい値が１つの２値化処理の例について述べる。このしきい値はノイズレベルより高く、確実に光子が検出されたときの出力電圧がこのしきい値を上回る値を設定しておく。多値化処理回路４は、比較の結果、この電圧信号がしきい値を上回っている時点に所定の電圧を出力する（同図(b)参照）。例えば、２個の光子が重なって光検出器２に到達したような場合には、多値化処理回路４に入力される信号は、１個の光子が到達したときに比べて、電荷量が大きく、信号の継続時間も長くなる。このため、多値化処理回路４から出力される信号の持続時間も光子数に応じて長くなる。
【００５５】
こうして生成したパルス信号は演算部５に送られる。演算部５では、このパルス信号の状態を監視して、この信号がオフからオンに切り替わったあと所定の時間経過ごとにその時間領域に対応するメモリ６に蓄積された光子数のカウンターを１つ増加させることにより、光子数をカウントしていく（同図(c)参照）。同図(a)中右側の信号で示されるように２個の光子が重なって到達しているときには、同図に示されるようにパルス信号のオン状態が長いので、同図(c)に示されるようにオン状態の途中でさらにもう１度光子数のカウンターが増加され、２個の光子をカウントすることができる。
【００５６】
あるいは、演算部５はパルス信号のパルス幅を監視してもよい。この場合は、パルス幅が所定の幅以下の同図(b)の左側に示されるような光子数１個に対応する信号の場合は、そのパルス波形の中心にあたる時間領域に対応するメモリ６の光子数カウンターを一つ増加させる。そして、パルス幅が所定の幅以上の同図(b)の右側に示されるような光子数２個に対応する信号の場合は、そのパルス波形の中心にあたる時間領域に対応するメモリ６の光子数カウンターを２つ増加させればよい。
【００５７】
一方、３値化処理する場合には、２つのしきい値を設定しておく。このしきい値としては、前述の２値化処理と同様に１個の光子が検出されたときにこのしきい値を必ず上回る下側のしきい値１と、これとは別に１個の光子だけが検出されたときの電圧値よりも高く、２個以上の光子が検出されたときの電圧値よりも低い上側のしきい値２との２種類のしきい値を設定しておく。図７(a)に示されるように、多値化処理回路４に入力した電圧値をこれらのしきい値のそれぞれと比較して、それぞれのしきい値を上回っている時点で同図(b)(c)に示されるようにしきい値１、しきい値２のそれぞれに対応した出力端に所定の電圧信号を出力する。この場合は、しきい値１に対応した出力端から信号が出力されると、１個以上の光子が検出されていることを示し、しきい値２に対応した出力端から信号が出力されると、２個の光子が検出されていることを表すことになる。したがって、演算部５では、それぞれの信号を監視しておき、それぞれの信号がオフ状態からオン状態に変わった時点で、同期回路８からのトリガー信号に基づいてその時間領域に対応するメモリ６のカウンターを１個増加させれば、光子数をカウントすることができる。
【００５８】
この場合も、ノイズを除去して正確な検出を行うため、オン状態が一定時間継続した後でカウンターへの積算処理を行うことが好ましい。
【００５９】
多値化処理はここで例示した２値化、３値化に限られるものではなく、４値化以上の多値化処理も同様の手法で行うことができる。また、多値化処理で出力される信号は、前述したようにしきい値に１対１に対応した出力端を設けるのではなく、例えば、複数の出力端が２進数で示した各ビットを表すようにしてどのしきい値を超えているかを表すようにしてもよい。具体的には、低いほうからしきい値１、２、３の３つのしきい値が存在し、Ａ、Ｂ２つの出力端がある場合を考えると、しきい値１を超えていない状態では、Ａ、Ｂ両方をオフにし、しきい値１以上しきい値２未満の状態では、Ｂのみをオンにし、しきい値２以上しきい値３未満の状態では、Ａのみをオンにし、しきい値３以上の状態では、ＡＢ共オンにすれば、２つの出力端の信号でそれぞれの状態を表示することができる。
【００６０】
こうして測定を繰り返すことにより、時間領域に分割されたメモリ６には、それぞれの時間領域で検出された光子数の積算値が蓄積されていく。これが光子検出の頻度情報となる。測定回数を充分にとり、検出した光子数のサンプル数が十分に多くなれば、この光子検出頻度のヒストグラムは、被測定光の光強度を表す光波形にほぼ対応することになる。したがって、波形出力装置７は、メモリ６からこの光子発生検出頻度情報を読み出して表示することにより光波形を表示することができる。
【００６１】
このように、細分化された時間領域の同一の時間領域中に複数の光子が検出された場合でも、多値化処理により検出された光子数を正確に検出することが可能である。したがって、繰り返し周期中に検出される光子の総数を制限する必要がないので、１回の繰り返し周期で多数の光子検出情報を取得できる。つまり、光波形計測に必要な光子検出情報を取得するのに必要な繰り返し周期が少なくて済み、短時間で計測が可能になる。さらに、同一の時間領域に複数の光子が到達してもその個数を正確に把握できるので、時間領域を必要以上に細かくとる必要がなく、装置の構成が簡単で済み、なおかつ波形歪みのない正確な測定が可能となる。
【００６２】
図８は、本発明の他の実施形態のブロック構成図を示している。説明を簡略化するため、前述の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、プリアンプ３からの信号を分離して光子数解析装置９に導いている。光子数解析装置９は、プリアンプ３からの出力信号を積分する積分回路９１と、積分信号を整える波形整形回路９２、電圧値を調べる波高解析装置９３を直列に接続して構成している。また、本実施形態の演算部５には、時間領域に対応して設けられた一時メモリ５１が併設されている。
【００６４】
次に、本実施形態の動作を説明する。本実施形態では、演算部５は、繰り返し周期Ｔ中の各時間領域で検出された光子数を一旦それぞれの時間領域に対応する一時メモリ５１に格納する。一方、プリアンプ３からの出力信号の一部は積分回路９１に送られて繰り返し周期Ｔの間積分され、波形整形回路９２で波形を整えられる。この結果、出力される電圧値は、繰り返し周期Ｔ中に光検出器２から出力された総電荷量に相当する、つまり、繰り返し周期Ｔ中に光検出器２で検出された光子の総数に相当する。波高解析装置９３では、この繰り返し周期Ｔの終了時点の電圧値に基づいて光子の総数に対応する信号を出力する。演算部５は、この光子の総数と一時メモリ５１に格納されている繰り返し周期Ｔ中に検出した光子の総数を比較する。両者が一致する場合は、一時メモリ５１の内容をメモリ６に転送して積算する。両者が一致しない場合は、多値化処理時に数え間違いがあったと判断して、一時メモリ５１の内容を破棄する。このようにすることで、メモリ６には、数え落とし等のない正確な光子数頻度情報が蓄積される。したがって、歪みのない光波形が得られる。
【００６５】
演算部５は、一時メモリ５１と光子数解析装置９の出力に差がある場合、一時メモリ５１の格納内容を破棄するのではなく、両者の結果をもとに一時メモリ５１に格納された光子数を補正したうえでメモリ６に出力してもよい。この補正処理としては、例えば、数え落としがあった場合に、数え落としの起こりやすい信号の重なり部を判断してその時点の光子数を増加させる手法などがある。
【００６６】
また、一時メモリ５１を使用せずに、直接メモリ６に出力した上で、光子数解析装置９からの出力と演算部５の計算結果が異なる場合には、メモリ６の内容を書き換えるようにしてもよい。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
また、光検出器２からの電荷信号を電圧信号に変換するプリアンプ３は、電気抵抗を用いることができる。
【００７０】
さらに、多値化処理回路４としては、コンパレータ等が使用できる。あるいは、多値化処理回路４で、プリアンプ３を兼ねてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、光検出器からの出力信号を多値化処理して繰り返し周期を細分化した時間領域ごとに設けたメモリに積算しているので、１度の繰り返し周期の同一の時間領域中に多数の光子が到達した場合でも、数え落としを生ずることなく信号を積算することができるので、歪みのない波形計測が可能となる。また、１回に検出される光子数が少なくなるよう制限する必要がないので、繰り返し周期中に多数の光子を検出することができ、光波形の測定時間を短くすることができる。
【００７２】
また、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をなくすことができる。
【００７３】
さらに、周期中の光子数を解析する光子数解析装置をさらに備えれば、多値化処理による光子数の解析結果を検証できるので、数え間違いをさらに低減することができ、より確実な光波形計測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態のブロック構成図である。
【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】図１の多値化処理回路における２値化処理の説明図である。
【図７】図１の多値化処理回路における３値化処理の説明図である。
【図８】本発明の他の実施形態のブロック構成図である。
【図９】従来の時間相関光子計数装置のブロック図である。
【図１０】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…多値化処理回路、５…演算部、６…メモリ部、７…波形出力装置、８…同期装置、９…光子数解析装置、１０…ディスクリミネータ、１１…ＴＡＣ、１２…マルチチャンネルアナライザー、５１…一時メモリ、６０…半導体素子、９１…積分回路、９２…波形整形回路、９３…波高解析装置。

Claims

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短パルス信号を出力し、前記短パルス信号のパルス幅は前記繰り返し周期より十分に短く、その電荷量は１個以上の略同時に到達した光子数に対応している光検出器と、
前記短パルス信号を電圧信号に変換するプリアンプと、
前記プリアンプの出力電圧を１つあるいは複数の予め設定されたしきい値と比較して、それぞれのしきい値を超えている間、それぞれのしきい値に対応して設けられた出力端から所定のパルス信号を出力することにより、電圧信号を多値化処理する多値化処理回路と、
前記所定の繰り返し周期を細分化した時間領域に対応して個別に設けられた複数の記憶領域を備えるメモリ部と、
前記細分化された時間領域のそれぞれの領域ごとに、前記多値化処理回路の複数の出力信号を基に同一の時間領域内で検出された光子数を算出する演算処理を行い、計算した光子数を前記メモリ部の対応する記憶領域に蓄積記憶させる演算部と、
前記メモリ部の各記憶領域に蓄積された検出光子の総数を前記時間領域ごとに順次読み出して統計処理することにより、前記被測定光の光波形を再現して出力する光波形出力部と、
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記載の光波形計測装置。
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光子数計測装置をさらに備え、前記演算部は前記繰り返し周期ごとに演算部内で計算した光子数をこの光子数出力と比較して、演算部内で計算した光子数に所定の処理を行って前記メモリ部の各領域に記憶させることを特徴とする請求項１記載の光波形計測装置。