JP4183849B2 - 光計測装置 - Google Patents
光計測装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4183849B2 JP4183849B2 JP16984199A JP16984199A JP4183849B2 JP 4183849 B2 JP4183849 B2 JP 4183849B2 JP 16984199 A JP16984199 A JP 16984199A JP 16984199 A JP16984199 A JP 16984199A JP 4183849 B2 JP4183849 B2 JP 4183849B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- output signal
- output
- emitted
- photoelectrons
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射する光束の光量を計測する光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシンチレータから発せられる蛍光のような微弱な光を計測する計測装置として、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数を計数することによって入射した光束の光量を計測する光計測装置が知られている。かかる光計測装置は、光検出素子である光電子増倍管と、光電子増倍管からの出力信号を基準値と比較する比較器と、比較器からの出力を計数するカウンタとを主として備えて構成される。光電子増倍管に光束が入射すると、光電子増倍管の光電面から当該光束の光量に応じた光電子が順次放出され、当該光電子に対応した出力信号が出力される。光電子増倍管からの出力信号は、比較器によって、常に基準値と比較される。ここで、光電子増倍管に光束が入射していない場合は光電子が放出されないため、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超えず、比較器からは論理値０が出力される。一方、光電子増倍管に光束が入射して１つの光電子が放出された場合は、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超え、比較器からは論理値１が出力される。従って、カウンタにより、比較器からの出力を計数することで、放出された光電子数を計数することができ、入射した光束の光量を計測することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にかかる光計測装置には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記従来技術にかかる光計測装置においては、複数の光電子が極めて短い時間間隔を持って放出された場合に、複数の光電子を分離して検出することができず、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまう。従って、入射する光束の光量が小さく、放出される光電子が少ない範囲においては実用に耐えるが、入射する光束の光量が大きくなり、放出される光電子数が多くなるに従って、光電子の数え落としが大きくなる。
【０００４】
ここで、光電子の数え落とし率ξは、光電子増倍管のパルスペア分解能τ（ｓ）、真のカウントレートｎ（１／ｓ）を用いて、
【数１】
と表される。従って、光電子増倍管のパルスペア分解能τが８ｎｓの場合、真のカウントレートｎが１０ＭＣＰＳ(Mega Count Per Second)のときで７％、ｎが２０ＭＣＰＳのときで１４％、ｎが５０ＭＣＰＳのときで２９％の数え落としがそれぞれ発生する。
【０００５】
さらに、上記従来技術にかかる光計測装置においては、同時に２つ、３つ等複数の光電子が放出された場合であっても、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまうため、同時に複数の光電子が放出される場合は光電子数を正確に計数することができず、入射する光束の光量を正確に計測することができない。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、入射する光束の光量を正確に計測することができる光計測装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光計測装置は、入射する光束の光量に応じた光電子を放出し、該光電子の数に応じた出力信号を出力する光検出手段と、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間よりも小さい周期を有する周期信号を生成する周期信号生成手段と、上記周期信号生成手段によって生成された上記周期信号に基づいて上記光検出手段から出力された上記出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、上記Ａ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された上記出力信号を加算する加算手段と、上記加算手段によって加算された上記Ａ／Ｄ変換手段の上記出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと上記周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値Ｖｏと上記Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号が上記光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて下記式
ｑ＝ｍ／（ｋ×ｓ×ｒ）
を用いて上記光検出手段に入射した光子数ｑを計数し、上記光検出手段に入射した光束の光量を算出する光量算出手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
放出された光電子の数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、入射した光束の光量に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、入射した光束の光量が大きくなり、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の最大値ＶｏとＡ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号が光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて上記式を用いて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。
【０００９】
また、本発明の光計測装置においては、上記光検出手段は、真空気密された容器と、上記容器内に配置され、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、上記光電面から放出された上記光電子を加速する加速手段と、上記容器内に配置され、上記加速手段によって加速された上記光電子を入射させ、該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えたことを特徴としてもよい。
【００１０】
上記光電面、加速手段及び半導体検出器を備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００１１】
また、本発明の光計測装置においては、上記半導体検出器は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とすることが好適である。
【００１２】
また、本発明の光計測装置においては、上記周期信号生成手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間の１／２以下の周期を有する周期信号を生成することを特徴としてもよい。
【００１３】
上記周期信号を、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率がさらに高まる。
【００１４】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値と略等しいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出された光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光子検出手段から出力される出力信号の最大値よりも小さいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出された光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る光計測装置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る光計測装置の構成について説明する。図１は本実施形態に係る光計測装置の構成図である。
【００１９】
本実施形態にかかる光計測装置１０は、光子検出部１２（光子検出手段）、タイミング信号発生回路１４（周期信号生成手段）、Ａ／Ｄ変換器１６（Ａ／Ｄ変換手段）、加算器１８（加算手段）、ＣＰＵ２０（計数手段）、表示部２２及びメモリ２３を備えて構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２０】
光子検出部１２は、ハイブリッドフォトディテクタ（以下、ＨＰＤ２４という）とトランスインピーダンスアンプ（以下、ＴＺアンプ２６という）とを備えて構成され、入射した光子数（入力した光束の光量に対応する）に応じた出力信号を出力する。
【００２１】
ＨＰＤ２４は、入射する光子の数に応じた光電子を放出する光電面２４ａと光電面２４ａから放出された光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器であるアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ２４ｂという）とを、真空筐体２４ｃ内に対向配置して構成されている。ここで、光電面２４ａには、高圧電源２４ｄ（加速手段）によって負の高電圧（例えば−８ｋＶ）が印加されており、ＡＰＤ２４ｂのアノード−カソード間には、バイアス回路２４ｅによって逆バイアス電圧（例えば＋１５０Ｖ）が印加されている。また、ＨＰＤ２４には、図示しない電子レンズ部が設けられており、光電面２４ａから放出された光電子を効率よくＡＰＤ２４ｂに入射させることができるようになっている。
【００２２】
以下、説明を簡略化するため、光電面２４ａの量子効率（光子から光電子への変換効率）を１００％とし、光子が１つ入射すれば、光電面２４ａから光電子が１つ放出されるとして説明する。
【００２３】
光電面２４ａに光子が入射すると、光電面２４ａからは入射した光子の数に応じた光電子が放出される。かかる光電子は電界の作用によって加速され、電子レンズ部の作用によって収束されてＡＰＤ２４ｂに入射する。ＡＰＤ２４ｂに入射した光電子は、そのエネルギーを失う際に多数の正孔−電子対を生成し、これが初段の増倍率になる。初段の増倍率は、電子の加速電圧（光電面に印加した電圧）に依存し、かかる電圧が−８ｋＶの場合で約１２００となる。その後、電子はさらに５０倍程度にアバランシェ増倍する。その結果、ＡＰＤ２４ｂ全体で約６００００倍のゲインが得られる。ここで、初段の増倍率が約１２００と極めて大きいことから、ＡＰＤ２４ｂを用いたＨＰＤ２４の増倍ゆらぎは極めて小さい。従って、ＨＰＤ２４を用いることにより、図２に示すマルチフォトンに対する出力波高分布図からわかるように、入射した光子がいくつであるかを区別して検出することができる。ここで、図２は、光電面２４ａの印加電圧を−８ｋＶ、ＡＰＤ２４ｂの逆バイアス電圧を＋１５０Ｖとし、オルテック社の型番１４２Ａのプリアンプを用いて測定した結果である。また、ＨＰＤ２４のゲインが約６００００となることと、ＨＰＤ２４からの１電子に対応する出力波形の半値幅（ＦＷＨＭ）が約６ｎｓとなることを考慮すると、ＨＰＤ２４から出力される電流のピーク値は、１光子あたり約２．０μＡとなる。
【００２４】
ＴＺアンプ２６は、ＨＰＤ２４のＡＰＤ２４ｂから出力された電流信号を増幅するとともに、電圧に変換して出力する電流電圧変換回路である。かかるＴＺアンプ２６としては、１μＡを５０ｍＶ程度に増幅する増幅率を有し、３００ＭＨｚ程度の帯域を有することが好ましく、例えばＭｉｔｅｑ社のＡＵ−１４９４−３００（商品名）等が好適である。
【００２５】
ここで、上記増幅率により、ＴＺアンプ２６から出力される電圧のピーク値Ｖｏは、１光子あたり約０．１Ｖとなる。また、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号の波形は、ＡＰＤ２４ｂの応答波形に依存する。ここで、例えば有効径が３ｍｍのＡＰＤ２４ｂを用いると、出力信号は、ライズタイムが１ｎｓ、フォールタイムが１３ｎｓの波形となる。すなわち、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏは１４ｎｓとなる。
【００２６】
タイミング信号発生回路１４は、上記ＨＰＤ２４に１つの光子が入射して光電面２４ａから１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期Ｔｓを有する周期信号であるタイミング信号を生成する。より詳細には、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号は図３（ａ）に示すような波形となっており、その継続時間Ｔｏは１４ｎｓである。ここで、タイミング信号発生回路１４は、図３（ｂ）に示すように、周期Ｔｓが３．５ｎｓ（上記継続時間Ｔｏの１／４）のパルス信号であるタイミング信号を生成する。また、タイミング信号発生回路１４は、生成したタイミング信号をＡ／Ｄ変換器１６に対して出力する。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器１６は、タイミング信号発生回路１４からのタイミング信号をトリガとして、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号をＡ／Ｄ変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６は、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の最大値Ｖｏ（０．１Ｖ）と略等しいチャネル幅Ｖｃを有するように、分解能が調節されている。すなわち、入力レンジ（０〜０．４Ｖ）を４階調に分割し、入力電圧が０．０５Ｖ以下の場合はデジタル値”０”、０．０５Ｖ〜０．１５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”１”、入力電圧が０．１５Ｖ〜０．２５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”２”、入力電圧が０．２５Ｖ〜０．３５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”３”を出力する。分解能をこのように調節することで、ＨＰＤ２４に光子が入射していない場合はデジタル値”０”、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合はデジタル値”１”、２つの光子が入射したときはデジタル値”２”、３つの光子が入射したときはデジタル値”３”がそれぞれＡ／Ｄ変換器１６から出力される。
【００２８】
加算器１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された出力信号を加算し、その加算値ｍをＣＰＵ２０に対して出力する。
【００２９】
ＣＰＵ２０は、加算器から出力された上記加算値ｍに基づいて、ＨＰＤ２４に入射した光子数を計数する。より詳細には、光子数ｑは、上記出力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）、上記加算値ｍを用いて、
【数２】
と表される。ここでｋは、継続時間Ｔｏに対して上記出力信号がＶｏ／２以上となる時間を表しており、例えば上記出力信号が三角波である場合はｋ＝０．５、指数関数的に減少する波形である場合はｋ＝０．３１となる。ＣＰＵ２０はまた、装置全体の制御を行う。
【００３０】
また、表示部２２には光子数の計数結果等が表示され、また、メモリ２３には種々の設定値、光子数の計数結果等が格納される。
【００３１】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置の動作及び作用について説明する。ここでは簡単のため、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号を、ライズタイムが０ｎｓ、フォールタイムが１４ｎｓ、継続時間Ｔｏが１４ｎｓ、最大値Ｖｏが０．１Ｖの三角波として考える。
【００３２】
まず図４（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合、ＴＺアンプ２６からの出力信号は、図４（ｂ）に示すような三角波となる。尚、図４（ｂ）の縦軸のＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器１６がデジタル値”１”、”２”、”３”を出力するためのしきい値であり、それぞれ０．０５Ｖ、０．１５Ｖ、０．２５Ｖとなっている。
【００３３】
ＴＺアンプ２６から出力された出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換され、加算器１８によって加算される。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号（出力値及び出力タイミング）は、ＴＺアンプ２６から出力された出力信号とタイミング信号発生回路１４から出力されるタイミング信号との位相関係によって、例えば図４（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のように変化する。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは２となる。
【００３４】
加算器１８から出力された加算値はＣＰＵ２０に入力され、ＣＰＵ２０によって入射した光子数が計数される。この場合、ｋ＝０．５、ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）＝４、ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）＝１であることから式（２）より、入射した光子数ｑが１であることが検出される。
【００３５】
また、図５（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に同時に２つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図５（ｂ）に示すような三角波（最大値０．２Ｖ）となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図５（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは４となる。この場合、式（２）より、入射した光子数ｑが２であることがＣＰＵ２０によって検出される。
【００３６】
また、図６（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に極めて近い時間間隔をもって４つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図６（ｂ）に示すように、一定の時間遅れを有する４つの三角波の合成波となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図６（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号がＣａｓｅ１の場合は、加算器１８によって加算される加算値ｍが７となり、Ｃａｓｅ２の場合は１０となる。従って、ＣＰＵ２０によって計数される光子数ｑは、Ｃａｓｅ１の場合で３．５、Ｃａｓｅ２の場合で５となる（真値は４）。
【００３７】
ここで、本実施形態にかかる光計測装置１０における光子の計数誤差の評価を行う。まず、Ａ／Ｄ変換によって生じる誤差（以下、Ａ／Ｄ変換誤差σ１という）は、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）を用いて、
【数３】
と表される。また、上記出力信号を三角波と仮定すると、ｑ個の光子が入射した場合の計数誤差σは、上記出力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）及びＡ／Ｄ変換誤差σ１とを用いて、
【数４】
と表される。
【００３８】
例えば、入射する光子の数ｑを１００００個とし、上記ｓ及びｒを種々に変化させた場合の計数誤差σを図７に示す。入射する光子の数ｑが１００００個である場合は、光子数の量子的なゆらぎが１００個（１００００の平方根）となり、量子的なゆらぎによる誤差は０．０１（＝１００／１００００）である。一方、本実施形態にかかる光計測装置１０は、図７に示すように、ｓ、ｒが１以上の範囲にあっては、計数誤差σが光子数の量子的なゆらぎによる誤差である０．０１（＝１００／１００００）よりも十分小さくなることがわかる。これは、光計測装置１０により、必要な計測精度が得られることを意味している。また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ｓ、ｒを大きくすることでさらに計数誤差σを小さくすることが可能となる。
【００３９】
さらに、本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジの評価を行う。一般に光計測装置のダイナミックレンジは、Ａ／Ｄ変換器の変換能力（Ａ／Ｄ変換器の階調、すなわち、所定時間（ほぼパルスペア分解能以内）に入射した光子数をいくつまでＡ／Ｄ変換できるか）によって決まる。ここで、パルスペア分解能τを１０ｎｓとした場合の、真のカウントレートｎと数え落とし率ξとの関係を図８に示す。図８中、「従来型」と示されているのは、光電子増倍管の出力を常に基準値と比較して基準値を超えた回数を計数する従来型の光計測装置についての関係であり、「ｄ＝４」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝４（２ビット）であるものの関係であり、「ｄ＝８」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝８（３ビット）であるものの関係である。
【００４０】
ここで、数え落とし率ξを５％以下とするためには、「従来型」の光計測装置においては、真のカウントレートｎを４×１０6（１／ｓ）程度に抑えなければならず、すなわち、ダイナミックレンジは４×１０6（１／ｓ）程度となる。これに対して、「ｄ＝４」、「ｄ＝８」の本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジはそれぞれ１×１０8（１／ｓ）程度、３×１０8（１／ｓ）程度となり、極めて広い（「従来型」と比較して２桁大きい）ダイナミックレンジを確保することが可能となる。
【００４１】
尚、実際の計測において、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射することがあらかじめわかっている場合、あるいは、計測の結果、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射したことがわかった場合、ダイナミックレンジを広げるためには、ＴＺアンプ２６のゲインを下げることが効果的である。この場合、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）が小さくなるので、図４に示すように計数誤差は大きくなるものの、ＨＰＤ２４における入出力関係の線形性が確保される限度まで光計測装置１０のダイナミックレンジを大きくすることが可能となる。ここで、ＨＰＤ２４においては、出力電流が１００μＡ以上まで上記線形性が確保されるので、１×１０10（１／ｓ）程度まで光計測装置１０ダイナミックレンジを広げることが可能となる。
【００４２】
更に、入射光子数が光計測装置１０のダイナミックレンジの上限を越える場合は、精度の高い計数を行うためには、ＨＰＤ２４のゲインを下げることも有効である。ＨＰＤ２４のゲインは、光電面２４ａに印加する電圧、ＡＰＤ２４ｂに印加する逆バイアス電圧によって１０〜６００００の間で調整可能である。また、上述のＴＺアンプ２６のゲイン、ＨＰＤ２４のゲインは、ＣＰＵ２０から制御するものとしてもよい。
【００４３】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置１０の効果について説明する。本実施形態にかかる光計測装置１０は、入射した光子数に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出部１２から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数、すなわち入射した光子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換器１６から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光子が入射した場合であっても、複数個の光子が入射したものとして計数を行うことができる。また、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍに基づいて光子数ｑを計数することで、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率が高まる。その結果、同時に複数の光子が入射した場合や複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となる。従って、例えばパルスレーザで繰り返し励起される蛍光など、１イベントに２以上の光子を含んでいる場合の光子の計数も、極めて正確に行うことが可能となり、１パルスあたりの蛍光に含まれる光子数の計数なども可能となる。さらに、複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となることから、ＴＺアンプ２６、Ａ／Ｄ変換器１６に高速応答性が要求されなくなり、光計測装置１０自体を安価に構成することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ＨＰＤ２４を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって入射する光子数を効果的に検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射して１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４とすることで、短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくすることで、入射する光子数をそのままＡ／Ｄ変換器１６の出力値とすることが可能となる。
【００４７】
上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４としていたが、１／２、１／８などにしてもよい。かかるタイミング信号の周期を小さくすれば光子の計数精度が高まり、一方、タイミング信号の周期を大きくすれば、Ａ／Ｄ変換器１６、加算器１８、ＣＰＵ２０等の処理負担が軽減する。
【００４８】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくしていたが、当該チャネル幅を力信号の最大値Ｖｏよりも小さくしてもよい。Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏよりも小さくすることで、入射する光子数を精度よく検出することが可能となる。
【００４９】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、半導体検出器としてＡＰＤ２４ｂを用いていたが、これは、フォトダイオードなどでもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の光計測装置は、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値に基づいて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。その結果、入射する光束の光量が大きく、同時に複数の光電子が放出される場合や複数の光電子が短い時間間隔を持って放出される場合であっても、放出される光電子数を正確に計数することでき、入射した光束の光量を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
また、本発明の光計測装置においては、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、光電面から放出された光電子を加速する加速手段と、加速手段によって加速された光電子を入射させ、当該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００５２】
また、本発明の光計測装置は、周期信号生成手段によって生成する周期信号を、１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００５３】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出される光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００５４】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出される光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光計測装置の構成図である。
【図２】出力波高分布図である。
【図３】出力信号とタイミング信号との波形を示す図である。
【図４】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図５】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図６】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図７】計数誤差を示すグラフである。
【図８】数え落とし率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…光計測装置、１２…光子検出部、１４…タイミング信号発生回路、１６…Ａ／Ｄ変換器、１８…加算器、２０…ＣＰＵ、２２…表示部、２３…メモリ、２４…ＨＰＤ、２６…ＴＺアンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射する光束の光量を計測する光計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えばシンチレータから発せられる蛍光のような微弱な光を計測する計測装置として、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数を計数することによって入射した光束の光量を計測する光計測装置が知られている。かかる光計測装置は、光検出素子である光電子増倍管と、光電子増倍管からの出力信号を基準値と比較する比較器と、比較器からの出力を計数するカウンタとを主として備えて構成される。光電子増倍管に光束が入射すると、光電子増倍管の光電面から当該光束の光量に応じた光電子が順次放出され、当該光電子に対応した出力信号が出力される。光電子増倍管からの出力信号は、比較器によって、常に基準値と比較される。ここで、光電子増倍管に光束が入射していない場合は光電子が放出されないため、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超えず、比較器からは論理値０が出力される。一方、光電子増倍管に光束が入射して１つの光電子が放出された場合は、光電子増倍管からの出力信号が基準値を超え、比較器からは論理値１が出力される。従って、カウンタにより、比較器からの出力を計数することで、放出された光電子数を計数することができ、入射した光束の光量を計測することが可能となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術にかかる光計測装置には、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記従来技術にかかる光計測装置においては、複数の光電子が極めて短い時間間隔を持って放出された場合に、複数の光電子を分離して検出することができず、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまう。従って、入射する光束の光量が小さく、放出される光電子が少ない範囲においては実用に耐えるが、入射する光束の光量が大きくなり、放出される光電子数が多くなるに従って、光電子の数え落としが大きくなる。
【０００４】
ここで、光電子の数え落とし率ξは、光電子増倍管のパルスペア分解能τ（ｓ）、真のカウントレートｎ（１／ｓ）を用いて、
【数１】
【０００５】
さらに、上記従来技術にかかる光計測装置においては、同時に２つ、３つ等複数の光電子が放出された場合であっても、１つの光電子が放出されたものとして計数を行ってしまうため、同時に複数の光電子が放出される場合は光電子数を正確に計数することができず、入射する光束の光量を正確に計測することができない。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点を解決し、入射する光束の光量を正確に計測することができる光計測装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光計測装置は、入射する光束の光量に応じた光電子を放出し、該光電子の数に応じた出力信号を出力する光検出手段と、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間よりも小さい周期を有する周期信号を生成する周期信号生成手段と、上記周期信号生成手段によって生成された上記周期信号に基づいて上記光検出手段から出力された上記出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、上記Ａ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された上記出力信号を加算する加算手段と、上記加算手段によって加算された上記Ａ／Ｄ変換手段の上記出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと上記周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値Ｖｏと上記Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号が上記光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて下記式
ｑ＝ｍ／（ｋ×ｓ×ｒ）
を用いて上記光検出手段に入射した光子数ｑを計数し、上記光検出手段に入射した光束の光量を算出する光量算出手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
放出された光電子の数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、入射した光束の光量に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、入射した光束の光量が大きくなり、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号の最大値ＶｏとＡ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に光検出手段から出力される出力信号が光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて上記式を用いて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。
【０００９】
また、本発明の光計測装置においては、上記光検出手段は、真空気密された容器と、上記容器内に配置され、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、上記光電面から放出された上記光電子を加速する加速手段と、上記容器内に配置され、上記加速手段によって加速された上記光電子を入射させ、該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えたことを特徴としてもよい。
【００１０】
上記光電面、加速手段及び半導体検出器を備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００１１】
また、本発明の光計測装置においては、上記半導体検出器は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とすることが好適である。
【００１２】
また、本発明の光計測装置においては、上記周期信号生成手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の継続時間の１／２以下の周期を有する周期信号を生成することを特徴としてもよい。
【００１３】
上記周期信号を、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率がさらに高まる。
【００１４】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光検出手段から出力される出力信号の最大値と略等しいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１５】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出された光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光計測装置においては、上記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に上記光子検出手段から出力される出力信号の最大値よりも小さいチャネル幅を有することを特徴としてもよい。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出された光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係る光計測装置について、図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係る光計測装置の構成について説明する。図１は本実施形態に係る光計測装置の構成図である。
【００１９】
本実施形態にかかる光計測装置１０は、光子検出部１２（光子検出手段）、タイミング信号発生回路１４（周期信号生成手段）、Ａ／Ｄ変換器１６（Ａ／Ｄ変換手段）、加算器１８（加算手段）、ＣＰＵ２０（計数手段）、表示部２２及びメモリ２３を備えて構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２０】
光子検出部１２は、ハイブリッドフォトディテクタ（以下、ＨＰＤ２４という）とトランスインピーダンスアンプ（以下、ＴＺアンプ２６という）とを備えて構成され、入射した光子数（入力した光束の光量に対応する）に応じた出力信号を出力する。
【００２１】
ＨＰＤ２４は、入射する光子の数に応じた光電子を放出する光電面２４ａと光電面２４ａから放出された光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器であるアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ２４ｂという）とを、真空筐体２４ｃ内に対向配置して構成されている。ここで、光電面２４ａには、高圧電源２４ｄ（加速手段）によって負の高電圧（例えば−８ｋＶ）が印加されており、ＡＰＤ２４ｂのアノード−カソード間には、バイアス回路２４ｅによって逆バイアス電圧（例えば＋１５０Ｖ）が印加されている。また、ＨＰＤ２４には、図示しない電子レンズ部が設けられており、光電面２４ａから放出された光電子を効率よくＡＰＤ２４ｂに入射させることができるようになっている。
【００２２】
以下、説明を簡略化するため、光電面２４ａの量子効率（光子から光電子への変換効率）を１００％とし、光子が１つ入射すれば、光電面２４ａから光電子が１つ放出されるとして説明する。
【００２３】
光電面２４ａに光子が入射すると、光電面２４ａからは入射した光子の数に応じた光電子が放出される。かかる光電子は電界の作用によって加速され、電子レンズ部の作用によって収束されてＡＰＤ２４ｂに入射する。ＡＰＤ２４ｂに入射した光電子は、そのエネルギーを失う際に多数の正孔−電子対を生成し、これが初段の増倍率になる。初段の増倍率は、電子の加速電圧（光電面に印加した電圧）に依存し、かかる電圧が−８ｋＶの場合で約１２００となる。その後、電子はさらに５０倍程度にアバランシェ増倍する。その結果、ＡＰＤ２４ｂ全体で約６００００倍のゲインが得られる。ここで、初段の増倍率が約１２００と極めて大きいことから、ＡＰＤ２４ｂを用いたＨＰＤ２４の増倍ゆらぎは極めて小さい。従って、ＨＰＤ２４を用いることにより、図２に示すマルチフォトンに対する出力波高分布図からわかるように、入射した光子がいくつであるかを区別して検出することができる。ここで、図２は、光電面２４ａの印加電圧を−８ｋＶ、ＡＰＤ２４ｂの逆バイアス電圧を＋１５０Ｖとし、オルテック社の型番１４２Ａのプリアンプを用いて測定した結果である。また、ＨＰＤ２４のゲインが約６００００となることと、ＨＰＤ２４からの１電子に対応する出力波形の半値幅（ＦＷＨＭ）が約６ｎｓとなることを考慮すると、ＨＰＤ２４から出力される電流のピーク値は、１光子あたり約２．０μＡとなる。
【００２４】
ＴＺアンプ２６は、ＨＰＤ２４のＡＰＤ２４ｂから出力された電流信号を増幅するとともに、電圧に変換して出力する電流電圧変換回路である。かかるＴＺアンプ２６としては、１μＡを５０ｍＶ程度に増幅する増幅率を有し、３００ＭＨｚ程度の帯域を有することが好ましく、例えばＭｉｔｅｑ社のＡＵ−１４９４−３００（商品名）等が好適である。
【００２５】
ここで、上記増幅率により、ＴＺアンプ２６から出力される電圧のピーク値Ｖｏは、１光子あたり約０．１Ｖとなる。また、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号の波形は、ＡＰＤ２４ｂの応答波形に依存する。ここで、例えば有効径が３ｍｍのＡＰＤ２４ｂを用いると、出力信号は、ライズタイムが１ｎｓ、フォールタイムが１３ｎｓの波形となる。すなわち、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏは１４ｎｓとなる。
【００２６】
タイミング信号発生回路１４は、上記ＨＰＤ２４に１つの光子が入射して光電面２４ａから１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期Ｔｓを有する周期信号であるタイミング信号を生成する。より詳細には、１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号は図３（ａ）に示すような波形となっており、その継続時間Ｔｏは１４ｎｓである。ここで、タイミング信号発生回路１４は、図３（ｂ）に示すように、周期Ｔｓが３．５ｎｓ（上記継続時間Ｔｏの１／４）のパルス信号であるタイミング信号を生成する。また、タイミング信号発生回路１４は、生成したタイミング信号をＡ／Ｄ変換器１６に対して出力する。
【００２７】
Ａ／Ｄ変換器１６は、タイミング信号発生回路１４からのタイミング信号をトリガとして、ＴＺアンプ２６から出力される出力信号をＡ／Ｄ変換する。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６は、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号の最大値Ｖｏ（０．１Ｖ）と略等しいチャネル幅Ｖｃを有するように、分解能が調節されている。すなわち、入力レンジ（０〜０．４Ｖ）を４階調に分割し、入力電圧が０．０５Ｖ以下の場合はデジタル値”０”、０．０５Ｖ〜０．１５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”１”、入力電圧が０．１５Ｖ〜０．２５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”２”、入力電圧が０．２５Ｖ〜０．３５Ｖ（チャネル幅０．１Ｖ）の場合はデジタル値”３”を出力する。分解能をこのように調節することで、ＨＰＤ２４に光子が入射していない場合はデジタル値”０”、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合はデジタル値”１”、２つの光子が入射したときはデジタル値”２”、３つの光子が入射したときはデジタル値”３”がそれぞれＡ／Ｄ変換器１６から出力される。
【００２８】
加算器１８は、Ａ／Ｄ変換器１６から出力された出力信号を加算し、その加算値ｍをＣＰＵ２０に対して出力する。
【００２９】
ＣＰＵ２０は、加算器から出力された上記加算値ｍに基づいて、ＨＰＤ２４に入射した光子数を計数する。より詳細には、光子数ｑは、上記出力信号の継続時間Ｔｏと上記タイミング信号の周期Ｔｓとの比ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）、上記加算値ｍを用いて、
【数２】
【００３０】
また、表示部２２には光子数の計数結果等が表示され、また、メモリ２３には種々の設定値、光子数の計数結果等が格納される。
【００３１】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置の動作及び作用について説明する。ここでは簡単のため、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合にＴＺアンプ２６から出力される出力信号を、ライズタイムが０ｎｓ、フォールタイムが１４ｎｓ、継続時間Ｔｏが１４ｎｓ、最大値Ｖｏが０．１Ｖの三角波として考える。
【００３２】
まず図４（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に１つの光子が入射した場合、ＴＺアンプ２６からの出力信号は、図４（ｂ）に示すような三角波となる。尚、図４（ｂ）の縦軸のＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３はそれぞれ、Ａ／Ｄ変換器１６がデジタル値”１”、”２”、”３”を出力するためのしきい値であり、それぞれ０．０５Ｖ、０．１５Ｖ、０．２５Ｖとなっている。
【００３３】
ＴＺアンプ２６から出力された出力信号は、Ａ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換され、加算器１８によって加算される。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号（出力値及び出力タイミング）は、ＴＺアンプ２６から出力された出力信号とタイミング信号発生回路１４から出力されるタイミング信号との位相関係によって、例えば図４（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のように変化する。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは２となる。
【００３４】
加算器１８から出力された加算値はＣＰＵ２０に入力され、ＣＰＵ２０によって入射した光子数が計数される。この場合、ｋ＝０．５、ｓ（＝Ｔｏ／Ｔｓ）＝４、ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）＝１であることから式（２）より、入射した光子数ｑが１であることが検出される。
【００３５】
また、図５（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に同時に２つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図５（ｂ）に示すような三角波（最大値０．２Ｖ）となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図５（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ただし、Ｃａｓｅ１、Ｃａｓｅ２いずれの場合であっても、加算器１８によって加算された加算値ｍは４となる。この場合、式（２）より、入射した光子数ｑが２であることがＣＰＵ２０によって検出される。
【００３６】
また、図６（ａ）に示すように、ＨＰＤ２４に極めて近い時間間隔をもって４つの光子が入射した場合は、ＴＺアンプ２６から出力信号は図６（ｂ）に示すように、一定の時間遅れを有する４つの三角波の合成波となり、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号は、例えば図６（ｃ）のＣａｓｅ１あるいはＣａｓｅ２等のようになる。ここで、Ａ／Ｄ変換器１６からの出力信号がＣａｓｅ１の場合は、加算器１８によって加算される加算値ｍが７となり、Ｃａｓｅ２の場合は１０となる。従って、ＣＰＵ２０によって計数される光子数ｑは、Ｃａｓｅ１の場合で３．５、Ｃａｓｅ２の場合で５となる（真値は４）。
【００３７】
ここで、本実施形態にかかる光計測装置１０における光子の計数誤差の評価を行う。まず、Ａ／Ｄ変換によって生じる誤差（以下、Ａ／Ｄ変換誤差σ１という）は、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）を用いて、
【数３】
【数４】
【００３８】
例えば、入射する光子の数ｑを１００００個とし、上記ｓ及びｒを種々に変化させた場合の計数誤差σを図７に示す。入射する光子の数ｑが１００００個である場合は、光子数の量子的なゆらぎが１００個（１００００の平方根）となり、量子的なゆらぎによる誤差は０．０１（＝１００／１００００）である。一方、本実施形態にかかる光計測装置１０は、図７に示すように、ｓ、ｒが１以上の範囲にあっては、計数誤差σが光子数の量子的なゆらぎによる誤差である０．０１（＝１００／１００００）よりも十分小さくなることがわかる。これは、光計測装置１０により、必要な計測精度が得られることを意味している。また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ｓ、ｒを大きくすることでさらに計数誤差σを小さくすることが可能となる。
【００３９】
さらに、本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジの評価を行う。一般に光計測装置のダイナミックレンジは、Ａ／Ｄ変換器の変換能力（Ａ／Ｄ変換器の階調、すなわち、所定時間（ほぼパルスペア分解能以内）に入射した光子数をいくつまでＡ／Ｄ変換できるか）によって決まる。ここで、パルスペア分解能τを１０ｎｓとした場合の、真のカウントレートｎと数え落とし率ξとの関係を図８に示す。図８中、「従来型」と示されているのは、光電子増倍管の出力を常に基準値と比較して基準値を超えた回数を計数する従来型の光計測装置についての関係であり、「ｄ＝４」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝４（２ビット）であるものの関係であり、「ｄ＝８」と示されているのは、本実施形態にかかる光計測装置であって、ｓ＝４、Ａ／Ｄ変換器の階調ｄ＝８（３ビット）であるものの関係である。
【００４０】
ここで、数え落とし率ξを５％以下とするためには、「従来型」の光計測装置においては、真のカウントレートｎを４×１０6（１／ｓ）程度に抑えなければならず、すなわち、ダイナミックレンジは４×１０6（１／ｓ）程度となる。これに対して、「ｄ＝４」、「ｄ＝８」の本実施形態にかかる光計測装置１０のダイナミックレンジはそれぞれ１×１０8（１／ｓ）程度、３×１０8（１／ｓ）程度となり、極めて広い（「従来型」と比較して２桁大きい）ダイナミックレンジを確保することが可能となる。
【００４１】
尚、実際の計測において、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射することがあらかじめわかっている場合、あるいは、計測の結果、Ａ／Ｄ変換器１６の変換能力を越える数の光子が入射したことがわかった場合、ダイナミックレンジを広げるためには、ＴＺアンプ２６のゲインを下げることが効果的である。この場合、上記出力信号の最大値Ｖｏと上記チャネル幅Ｖｃとの比ｒ（＝Ｖｏ／Ｖｃ）が小さくなるので、図４に示すように計数誤差は大きくなるものの、ＨＰＤ２４における入出力関係の線形性が確保される限度まで光計測装置１０のダイナミックレンジを大きくすることが可能となる。ここで、ＨＰＤ２４においては、出力電流が１００μＡ以上まで上記線形性が確保されるので、１×１０10（１／ｓ）程度まで光計測装置１０ダイナミックレンジを広げることが可能となる。
【００４２】
更に、入射光子数が光計測装置１０のダイナミックレンジの上限を越える場合は、精度の高い計数を行うためには、ＨＰＤ２４のゲインを下げることも有効である。ＨＰＤ２４のゲインは、光電面２４ａに印加する電圧、ＡＰＤ２４ｂに印加する逆バイアス電圧によって１０〜６００００の間で調整可能である。また、上述のＴＺアンプ２６のゲイン、ＨＰＤ２４のゲインは、ＣＰＵ２０から制御するものとしてもよい。
【００４３】
続いて、本実施形態にかかる光計測装置１０の効果について説明する。本実施形態にかかる光計測装置１０は、入射した光子数に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出部１２から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換器１６によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数、すなわち入射した光子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換器１６から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光子が入射した場合であっても、複数個の光子が入射したものとして計数を行うことができる。また、１つの光子が入射して１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値ｍに基づいて光子数ｑを計数することで、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏよりも短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率が高まる。その結果、同時に複数の光子が入射した場合や複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となる。従って、例えばパルスレーザで繰り返し励起される蛍光など、１イベントに２以上の光子を含んでいる場合の光子の計数も、極めて正確に行うことが可能となり、１パルスあたりの蛍光に含まれる光子数の計数なども可能となる。さらに、複数の光子が短い時間間隔を持って入射した場合であっても、入射した光子数を正確に計数することが可能となることから、ＴＺアンプ２６、Ａ／Ｄ変換器１６に高速応答性が要求されなくなり、光計測装置１０自体を安価に構成することが可能となる。
【００４４】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、ＨＰＤ２４を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって入射する光子数を効果的に検出することができる。
【００４５】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射して１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４とすることで、短い時間間隔を持って入射した複数の光子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００４６】
また、本実施形態にかかる光計測装置１０は、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくすることで、入射する光子数をそのままＡ／Ｄ変換器１６の出力値とすることが可能となる。
【００４７】
上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、タイミング信号発生回路１４が生成するタイミング信号の周期を、１つの光子が入射した場合の出力信号の継続時間Ｔｏの１／４としていたが、１／２、１／８などにしてもよい。かかるタイミング信号の周期を小さくすれば光子の計数精度が高まり、一方、タイミング信号の周期を大きくすれば、Ａ／Ｄ変換器１６、加算器１８、ＣＰＵ２０等の処理負担が軽減する。
【００４８】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏと略等しくしていたが、当該チャネル幅を力信号の最大値Ｖｏよりも小さくしてもよい。Ａ／Ｄ変換器１６のチャネル幅を出力信号の最大値Ｖｏよりも小さくすることで、入射する光子数を精度よく検出することが可能となる。
【００４９】
また、上記実施形態にかかる光計測装置１０においては、半導体検出器としてＡＰＤ２４ｂを用いていたが、これは、フォトダイオードなどでもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明の光計測装置は、入射した光束の光量に応じた光電子を放出させ、当該光電子数に応じた出力信号を光子検出手段から出力し、当該出力信号をＡ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換することで、放出された光電子数に応じた出力信号をＡ／Ｄ変換手段から出力することが可能となる。従って、同時に複数の光電子が放出された場合であっても、複数個の光電子が放出されたものとして計数を行うことができる。また、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも小さい周期でＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換された出力信号の加算値に基づいて光電子数を計数することで、１つの光電子が放出された場合の出力信号の継続時間よりも短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率が高まる。その結果、入射する光束の光量が大きく、同時に複数の光電子が放出される場合や複数の光電子が短い時間間隔を持って放出される場合であっても、放出される光電子数を正確に計数することでき、入射した光束の光量を正確に計測することが可能となる。
【００５１】
また、本発明の光計測装置においては、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、光電面から放出された光電子を加速する加速手段と、加速手段によって加速された光電子を入射させ、当該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器とを備えた光子検出手段を用いることで、同時に、あるいは極めて近い時間間隔をもって放出される光電子数を効果的に検出することができる。
【００５２】
また、本発明の光計測装置は、周期信号生成手段によって生成する周期信号を、１つの光電子が放出される場合の出力信号の継続時間の１／２よりも小さくすることで、短い時間間隔を持って放出された複数の光電子数の検出確率を高めることが可能となる。
【００５３】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値と略等しくすることで、放出される光電子数をそのままＡ／Ｄ変換手段の出力値とすることが可能となる。
【００５４】
また、本発明の光計測装置においては、Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅を出力信号の最大値よりも小さくすることで、放出される光電子数を精度よく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光計測装置の構成図である。
【図２】出力波高分布図である。
【図３】出力信号とタイミング信号との波形を示す図である。
【図４】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図５】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図６】Ａ／Ｄ変換器の出力を示す図である。
【図７】計数誤差を示すグラフである。
【図８】数え落とし率を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…光計測装置、１２…光子検出部、１４…タイミング信号発生回路、１６…Ａ／Ｄ変換器、１８…加算器、２０…ＣＰＵ、２２…表示部、２３…メモリ、２４…ＨＰＤ、２６…ＴＺアンプ
Claims (6)
- 入射する光束の光量に応じた光電子を放出し、該光電子の数に応じた出力信号を出力する光検出手段と、
１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号の継続時間よりも小さい周期を有する周期信号を生成する周期信号生成手段と、
前記周期信号生成手段によって生成された前記周期信号に基づいて前記光検出手段から出力された前記出力信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段によってＡ／Ｄ変換された前記出力信号を加算する加算手段と、
前記加算手段によって加算された前記Ａ／Ｄ変換手段の前記出力信号の加算値ｍ、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号の継続時間Ｔｏと前記周期信号生成手段の周期信号の周期Ｔｓとの比ｓ＝Ｔｏ／Ｔｓ、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号の最大値Ｖｏと前記Ａ／Ｄ変換手段のチャネル幅Ｖｃとの比ｒ＝Ｖｏ／Ｖｃ、及び、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号が前記光検出手段の出力信号の継続時間Ｔｏに対してＶｏ／２以上となる時間ｋに基づいて下記式
ｑ＝ｍ／（ｋ×ｓ×ｒ）
を用いて前記光検出手段に入射した光子数ｑを計数し、前記光検出手段に入射した光束の光量を算出する光量算出手段と
を備えたことを特徴とする光計測装置。 - 前記光検出手段は、
真空気密された容器と、
前記容器内に配置され、入射する光束の光量に応じた光電子を放出する光電面と、
前記光電面から放出された前記光電子を加速する加速手段と、
前記容器内に配置され、前記加速手段によって加速された前記光電子を入射させ、該光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体検出器と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。 - 前記半導体検出器は、アバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の光計測装置。
- 前記周期信号生成手段は、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号の継続時間の１／２以下の周期を有する周期信号を生成する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光計測装置。 - 前記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に前記光検出手段から出力される出力信号の最大値と略等しいチャネル幅を有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光計測装置。 - 前記Ａ／Ｄ変換手段は、１つの光電子が放出された場合に前記光子検出手段から出力される出力信号の最大値よりも小さいチャネル幅を有する
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光計測装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16984199A JP4183849B2 (ja) | 1999-06-16 | 1999-06-16 | 光計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP16984199A JP4183849B2 (ja) | 1999-06-16 | 1999-06-16 | 光計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001004445A JP2001004445A (ja) | 2001-01-12 |
| JP4183849B2 true JP4183849B2 (ja) | 2008-11-19 |
Family
ID=15893929
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP16984199A Expired - Fee Related JP4183849B2 (ja) | 1999-06-16 | 1999-06-16 | 光計測装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4183849B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003098086A (ja) * | 2001-09-21 | 2003-04-03 | Olympus Optical Co Ltd | 光量測定装置 |
| JP4766866B2 (ja) * | 2004-11-09 | 2011-09-07 | 興和株式会社 | 光測定方法及び装置 |
| JP2008235878A (ja) | 2007-02-19 | 2008-10-02 | Showa Denko Kk | 太陽電池及びその製造方法 |
| DE102009015586A1 (de) | 2009-03-30 | 2010-10-14 | Perkinelmer Optoelectronics Gmbh & Co.Kg | Sensorausleseschaltung, Sensor und Verfahren zum Auslesen eines Sensorelements |
| JP5945245B2 (ja) * | 2013-05-13 | 2016-07-05 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | 信号パルス検出装置、質量分析装置、および信号パルス検出方法 |
| WO2019058438A1 (ja) * | 2017-09-20 | 2019-03-28 | オリンパス株式会社 | 光計測装置、光計測方法および走査型顕微鏡 |
| JP2021135229A (ja) * | 2020-02-28 | 2021-09-13 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光検出装置 |
-
1999
- 1999-06-16 JP JP16984199A patent/JP4183849B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001004445A (ja) | 2001-01-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN211554305U (zh) | LiDAR读出电路 | |
| JP5644294B2 (ja) | 光検出器 | |
| US20160181459A1 (en) | Method for increasing the dynamic range of a silicon photomultiplier | |
| US6940589B1 (en) | Optical measurement apparatus and method for optical measurement | |
| JP4183849B2 (ja) | 光計測装置 | |
| US5715049A (en) | Light measuring apparatus for quantifying photons | |
| Fukasawa et al. | High speed HPD for photon counting | |
| Orlov et al. | UV/visible high-sensitivity MCP-PMT single-photon GHz counting detector for long-range lidar instrumentations | |
| US7135669B2 (en) | Low-level light detector and low-level light imaging apparatus | |
| Bülter | Single-photon counting detectors for the visible range between 300 and 1,000 nm | |
| Stapels et al. | Characterization of a CMOS Geiger photodiode pixel | |
| JPH1137851A (ja) | 光波形計測装置 | |
| CN114923590B (zh) | 一种基于光电倍增管对微弱光子的精确测量方法和系统 | |
| Vinogradov | Perfomance of Silicon Photomultipliers in photon number and time resolution | |
| Matsui et al. | HAPD time-resolution study under single-photon irradiation | |
| WO2022034558A1 (en) | Method and sensor for measuring electrons | |
| Zheng et al. | An improved design of the readout base board of the photomultiplier tube for future PandaX dark matter experiments | |
| JP2000304697A (ja) | 蛍光寿命測定方法および装置 | |
| JPH1137850A (ja) | 光波形計測装置 | |
| JP2005207955A (ja) | 光検出用回路及び光検出器 | |
| CN114137548A (zh) | 光电探测装置、包括其的激光雷达及使用其的探测方法 | |
| US10760960B2 (en) | Coincidence resolving time readout circuit | |
| JP2003202292A (ja) | 蛍光寿命測定装置および方法 | |
| Li et al. | A Photon Limited SiPM Based Receiver for Internet of Things | |
| JP2001027567A (ja) | 光計測装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060606 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070614 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070807 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071003 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080325 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080514 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080902 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080903 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110912 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |