JP5164038B2 - 微弱光検出器 - Google Patents

Description

この発明は、光電変換素子を用いて構成し、帰還回路にフォトカプラを用いることで微弱光の検出を高感度に行う微弱光検出器に関している。

微弱光を検出するための光検出器として、これまでは、例えば、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）あるいはＣＣＤカメラなどが使われて来た。しかしながら、例えばナノテクノロジーの分野やＤＮＡ、環境ホルモンなどを扱う生物・化学の最先端の分野では、さらに高感度の光検出が必要とされている。また、上記の光検出器にはその使用方法を制限する幾つかの問題点もある。

本発明の微弱光検出器は、これを使用することにより上記の光検出器よりも高感度な光検出が実現できるだけでなく、強度を増倍した光を出力することができるという優れた特性を持っている。

既に、本発明の発明者は、特許文献１（特開２００６−２０３０５０号公報）にて、極微弱光検出器および極微弱光撮像装置に関する発明を開示している。この開示を図５に示す。これは、低速電子を利用したＡＰＤ増倍素子を用いたものである。この回路では、増倍率が３０以下となるようにバイアス電圧を調整したアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）に、該ＡＰＤ内部で発生し、増倍されたキャリアを蓄積するための帰還容量素子を接続し、該帰還容量素子の電圧を読取用トランジスタのゲート電極に入力してそのトランジスタの出力を定期的に読み取り、また、読み取る度に該帰還容量素子の電圧を予め決められた電圧にリセット用半導体ダイオードを通じて再設定することによって、上記のＡＰＤに照射される光の強度を検出している。

つまり、これまでのように著しいアバランシェ効果を起こすほど高速に加速した電子を使うのではなく、励起断面積が高くなる加速電圧の領域で、低速電子を使用する。一般に、励起散乱断面積は電子が低速になるほど増大するが、新たなキャリア電子を生成するために必要な一定以上の励起エネルギー以下になると急速に減少する。従って、電子速度に対する関数としての散乱断面積は、励起エネルギーの数倍程度の運動エネルギーになる速度のところでピークを持つ。この付近に電子速度が来るようにすれば、高い確率で電子は励起されることになり、光電子は確実に次のキャリア電子を生成する。こうして発生した電子もやはり低速にしかならないようにすれば、確実に更なるキャリア電子を発生させることになり増倍率の揺らぎは小さくなる。

また、特許文献１には、全過剰雑音係数が増倍率が３０以下のときに、測定値は、計算値を下回っていることが記載されている。このためには、その増倍率が３０以下となるようにＡＰＤに印加するバイアス電圧を調整する旨記載されている。

本発明と特許文献１の開示との主な違いは、演算増幅器（オペアンプ）の帰還回路にある。特許文献１での開示では積分回路を構成する帰還容量素子を用いているが、本発明ではフォトカプラを用いる。これらの構成の相異に起因して、特許文献１の場合はその帰還容量素子を定期的にリセットするが、本発明の場合は連続的な測定を行うことができる。

また、特許文献２（特開昭５９−１８１６８０号公報）には、フォトカプラによる帰還回路を用い入力電流に等しい電流を出力するための回路が開示されている。これを図６に示す。また、図６のトランジスタＱｃのエミッタ電流は、入力電流に比例した電流である。

この特許文献２の開示と本発明の主な相違点は、本発明では入力電流が光検出器による電流である点、演算増幅器の出力を検出出力として用いる点、および、フォトカプラにおける帰還量を可変にしている点などである。

特開２００６−２０３０５０号公報 特開昭５９−１８１６８０号公報

従来の回路方式では、取り扱いが容易ではあるが感度が低い抵抗帰還型回路か、感度は高いが製作および取り扱いが複雑となる容量帰還型回路を必要に応じて選択をしていた。本発明は、帰還回路に光発生器と光検出器を導入し光を使用して結果的に電流を帰還させるのと同じ効果を得る様にしたものである。光を使用することによって、帰還回路の入力と出力の絶縁性を極めて高くする。

上記のように帰還回路の入力と出力の絶縁性を極めて高くすることで、例えば、熱雑音を抑制することができる。また、埃や水分の付着などによる影響を受けづらくなり、取り扱いが容易な微弱光検出器を製作することができる。また、増倍した光を得られる。

本発明は演算増幅器を用いた微弱光検出器であって、出力側から入力側への信号帰還をフォトカプラを用いて行なうことで、入力側と出力側との絶縁性を高めるものである。概略、検出しようとする光を照射する光検出器は第１光検出器で、上記の信号帰還の光検出器は第２光検出器である。このとき、回路構成は、次のようになる。つまり、第１光検出器と第２光検出器とは直列接続とし、この両端に予め決められた電位差を印加する。第１光検出器と第２光検出器との結節点の電位を演算増幅器の反転入力端子側に入力し、非反転入力端子を接地する。上記演算増幅器の出力電圧を発光素子に印加して発光させる。この発光を光分岐器で分岐して、一方を第２光検出器に入力し、他方を出力する。また、上記光分岐手段は分岐比を変えることが可能であり、その分岐比率を変えて感度を変えるものである。この構成によって、上記のように、検出しようとする入力光を第１光検出器に入力し、上記演算増幅器の出力電圧を検出するか上記光分岐手段から出力された光の強度を検出するかして上記入力光の強度を検出する。

上記微弱光検出器の複数を直列接続し、連続する２段について前段の出力光を後段の入力光とすることで高感度化を図ることができる。

光強度検出手段をさらに備え、上記光分岐手段から出力される光の光強度の検出をこの光強度検出手段を用いて行なうことができる。

上記の光分岐器には、空間型、光ファイバ型、あるいは平面導波型の光分岐器を用いることができる。この分岐における分岐比は、外部から調整できるものであることが望ましい。分岐比の異なる光分岐器と切換えて分岐比を調整してもよい。

また、例えば、第１光検出器と第２光検出器には、逆バイアス電圧が印加された半導体ダイオードを用いることができる。

第１光検出器は、例えば、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子である。

また、上記発光素子は、抵抗素子と直列接続された発光ダイオードで、上記演算増幅器と予め決められた電位端子との間に接続され、上記抵抗素子の抵抗値を変えることで感度を変えることができるものである。

以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１は、本発明の微弱光検出器１０1の回路図を示す。これは、演算増幅器を用いた微弱光検出器であって、出力側から入力側への信号帰還をフォトカプラを用いて行なうことで、入力側と出力側との絶縁性を高めるものである。検出しようとする微弱光を照射する光検出器は第１光検出器６で、上記の信号帰還の光検出器は第２光検出器７である。第１光検出器６と第２光検出器７は直列接続とし、この両端に予め決められた電位差を印加する。図１では、一方を接地し、他方に負のバイアス電位を印加している。第１光検出器６と第２光検出器７との結節点の電位を演算増幅器２の反転（あるいは非反転）入力端子側に入力し、非反転（あるいは反転）入力端子を接地する。演算増幅器２の出力電圧を発光素子３に印加して発光させる。演算増幅器２の入力端子を上記の括弧内の様にする場合は、発光素子３の向きを逆にする。この発光素子３の発光を第２光検出器７に入力する。

この構成によって、上記のように、検出しようとする入力光を第１光検出器６に入力すると、発光素子３による発光は、導波路１０を通って光分岐器１３で光量が低下し導波路１１を通って第２光検出器７に入射することで、第２光検出器７に電流が流れ、第１光検出器６による電流と第２光検出器７による電流が平衡する。

第３光検出器９に流れる光誘起電流は、例えば、端子Ｔ４に接続された電流計で読取ることができる。また、当然のことながら、演算増幅器２の出力電圧を読み取ることでも、入射光の強度を知ることが出来る。

光分岐器１３は、発光素子３からの光を、導波路１０で光分岐器１３に導き、第２光検出器７に接続した導波路１１と第３光検出器９に接続した導波路１２に分岐するものである。この分岐においては、第３光検出器９への分岐を多めにすることが望ましく、例えば、１対１００にすることによって、他にロスがなければ、第１光検出器６への入力光のほぼ１００倍の発光が発光素子３から得られる。また、光分岐器１３の光量の分割比は、任意に設定できるものであることが望ましい。

ここで、光分岐器としては、図５（ａ）、（ｂ）あるいは（ｃ）に示す空間型（バルク型）のものを用いることができる。図５（ａ）は、導波路１１、１２に入射する光量をレンズの移動によって調整するものである。図５（ｂ）、（ｃ）は、それぞれビームスプリッタ（ハーフプリズム）や部分透過ミラー（ハーフミラー）の透過率によって調整するものである。また、図５（ｄ）に示す光ファイバ型の光分岐器を用いることもできる。分岐比はコア間の距離と近接している距離（結合長）により調節する。また、図５（ｅ）に示す平面導波路型のものであってもよい。

また、容易に分かるように、可変抵抗４の抵抗値を変えることによって、発光素子３の発光強度を変えることが出来るので、入力光に対する感度やダイナミックレンジ等を変えることが出来る。

これと同様に、光分岐器１３の分岐比を変えることに依っても、第１光検出器６への入力光に対する演算増幅器２の出力電圧の比、つまり感度を変えることができることがわかる。光分岐器１３は、市販のものであり、分岐比が可変のもあるが、可変で無い場合は、差し換えて分岐比を変える。

上記の第１光検出器６と第２光検出器７は、例えば、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子である。

図２は、図１の構成における第３光検出器９とその周りの配線等を除去し、代わりに、導波路１２を外部に延長した微弱光検出器１０２である。この微弱光検出器１０２は、カスケード接続が可能である。例えば、図３に示す様に、初段の微弱光検出器１０２に測定しようとする光を入射し、その導波路１２の出力光を、次段の第１光検出器６に入射する。この段の出力光を、微弱光検出器１０１で検出するものである。この最終段は、微弱光検出器１０１でも、あるいは図４に示す光検出器でもよい。このようにカスケード接続によって、光強度は順に増倍されるので、容易に高感度化を図ることができる。

第１光検出器として、例えば、半導体放射線検出器を用いることで、本発明を放射線検出器として用いることができる。この場合、放射線強度は、電圧、電流あるいは光強度に変換される。

光分岐器を用いた本発明の微弱光検出器の回路図である。 カスケード接続ができる本発明の微弱光検出器の回路図である。 カスケード接続の例を示すブロック図である。 光分岐器の例を示す図である。 特許文献１で開示された極微弱光検出器の回路図である。 特許文献２で開示された電流源回路の回路図である。

符号の説明

２ 演算増幅器
３ 発光素子
４ 可変抵抗
６ 第１光検出器
７ 第２光検出器
８ 導波路
９ 第３光検出器
１０、１１、１２ 導波路
１３ 増幅器
１０１、１０２ 微弱光検出器
Ｔ１〜Ｔ４ 端子

Claims (7)

1. 予め決められた電位差が印加される第１光検出器と第２光検出器との直列接続回路と、
   第１光検出器と第２光検出器との結節点の電位を反転入力（あるいは非反転）端子側に入力し、非反転（あるいは反転）入力端子を接地した演算増幅器と、
   上記演算増幅器の出力電圧の印加で発光する発光素子と、
   上記発光素子の光を分岐する光分岐手段と、
   上記光分岐手段で分岐された光を第２光検出器に入力する入力手段と、
   上記光分岐手段で分岐された光を出力する手段とを備え、
   上記光分岐手段は分岐比を変えることが可能であり、その分岐比率を変えて感度を変えるものであって、
   検出しようとする入力光を第１光検出器に入力し、上記演算増幅器の出力電圧を検出するか上記光分岐手段から出力された光の強度を検出するかして上記入力光の強度を検出することを特徴とする微弱光検出器。
2. 請求項１に記載の微弱光検出器の複数を直列接続したものであって、連続する２段について前段の出力光を後段の入力光とすることを特徴とする微弱光検出器。
3. 光強度検出手段をさらに備え、
   上記光分岐手段から出力される光の光強度の検出を上記光強度検出手段を用いて行なうことを特徴とする請求項１あるいは２のいずれかに記載の微弱光検出器。
4. 上記の光分岐器は、空間型、光ファイバ型、あるいは平面導波型の光分岐器であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の微弱光検出器。
5. 第１光検出器と第２光検出器は、逆バイアス電圧が印加された半導体ダイオードであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載された微弱光検出器。
6. 第１光検出器は、光ダイオード検出素子、アバランシェフォトダイオード、光伝導型ダイオード、あるいは焦電型光検出素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の微弱光検出器。
7. 上記発光素子は、抵抗素子と直列接続された発光ダイオードで、上記演算増幅器と予め決められた電位端子との間に接続され、上記抵抗素子の抵抗値を変えることで感度を変えることができるものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の微弱光検出器。