JP5221868B2 - 光測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定方法及び装置に関する。

光電子増倍管は入射する微弱光のフォトカウントを行うもので、そのカウント値から入射する微弱光の強度を精度よく測定できるので、たとえば、微粒子測定装置や眼科測定装置などに用いられている。

このような微弱光の強度を検出する必要のある測定装置では、微弱光を入射した光電子増倍管の出力信号に含まれる出力パルス（信号パルス）の単位時間当たりの数を入射光の光子数と見なしてカウントする光子計数法により微弱光の強度を測定している。カウントした出力パルス数をフォトカウント値ともいう。出力パルスは光電子増倍管の出力電流を電流／電圧変換及び増幅して得られる出力信号をしきい値電圧で２値化することによりノイズ成分をカットして識別している。

ところが光電子増倍管は、温度環境によって感度（＝カウント値／微弱光強度）が変化する。一例を挙げると−０．３％／℃、つまり１℃環境温度が変化すると同じ強度の光を測定してもカウント値が０．３％変化する。つまり環境温度が１０度上がると、測定値が約３％変化することになる。

従って、周辺温度を考慮しなければ、例えば、１０度から４０度の使用環境下で、測定誤差を３％に抑えようとしても無理がある。その対策として、光電子増倍管の温度を常に測定し、光電子増倍管の温度から光電子増倍管の感度を補正して、測定した測定値の結果にその感度を適用して真の測定値を算出するという方法が通常行なわれている（たとえば、下記の特許文献１〜４を参照）。

そのため、光電子増倍管の「温度感度変化率＝感度変化率／温度」を予め測定し、それを測定器に記憶させておき、測定時にこの記憶された値を読み出し、測定値を補正している。

しかしながら、光電子増倍管の感度変化率には個体差があり、例えば感度変化率は−０．１％／℃もあれば−０．８％／℃もあり、この個体差が測定精度に少なからず影響を与えている。従って、光電子増倍管を用いて得られた測定値に補正を行うには、予め「感度変化率」を光電子増倍管毎に測定しておく必要があった。

更に、この係数「感度変化率／温度」が長期に渡って変化しないという保証がない、つまり経時変化を起こすため、正確な測定を行おうとすると定期的に「感度変化率／温度」を再度求めなければならない、という問題がある。たとえば、定期的（例えば年１回）、光電子増倍管（のユニット）、あるいはそれを使用している装置ごと使用場所から引き上げて、恒温槽等に入れ、基準光による測定を行い、再度係数「感度変化率／温度」を書き換える必要があった。

そのためユーザーにおける装置の運営上の問題、アフターサービスの負担の問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能な光測定方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、
被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて前記被測定物からの光強度を測定する光測定方法及び装置であって、
前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段と、
前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管周囲の温度を測定する温度測定手段と、
前記光電子増倍管の校正を行なう際、前記温度調節手段により前記光電子増倍管の温度を変化させて前記光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出する算出手段と、を用い、
前記光電子増倍管の校正において前記算出手段により算出した単位温度当たりの感度変化率と、前記温度測定手段により測定された測定時の前記光電子増倍管の周囲温度から定まる前記光電子増倍管への入射光量と前記光電子増倍管の測定値の関係から、前記被測定物からの光強度を示す値を算出することを特徴とする。

本発明では、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を簡単に取得できるので、その感度変化率を考慮して被測定物からの微弱光の強度を示す値を算出することができ、測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

図１には、被測定物からの微弱光の強度を測定する光測定装置の構成が図示されている。光測定装置８は、微粒子測定装置などに用いられ、被測定物２４、たとえば微粒子からの微弱な散乱光の強度をフォトカウント値として出力する。

光測定装置８の装置本体（筐体）９内には、光電子増倍管１に配置され、この光電子増倍管１の光電面（陰極）には、対物レンズ１０、ミラー１１及び絞り１２などからなる集光光学系を介して、被測定物２４からの微弱な測定光が入射される。

光電子増倍管１からは測定光の強度に応じたパルス電流が出力され、それが電流／電圧変換及び増幅回路３によってパルス形状の出力信号に変換され、パルス２値化回路４に入力される。パルス２値化回路４は、光電子増倍管からの出力信号の電圧をしきい値電圧と比較し、しきい値電圧より低ければノイズ成分とみなして「０」としてカットし、高ければ信号成分とみなして「１」としてパルス信号を出力する。

上記パルス２値化回路４からのパルス信号はパルス数カウンタ６に入力される。このカウンタ６は、不図示のＣＰＵが実行するソフトウェアにより、あるいは専用のハードウェアにより構成され、出力パルスの単位時間当たりの数をカウントする。そのカウント値は、フォトカウント値とも呼ばれ、被測定物２４からの測定光の強度を示している。そして、このカウント値が、後述する演算回路（演算手段）１９により補正演算され、測定結果として液晶表示装置などからなる表示部（モニタ）７に表示される。

光電子増倍管１は、図２に示したように、ソケット１ａに取り付けられ、測定光を導く開口２ａを形成した筐体２内に配置されていて、光電子増倍管１、ソケット１ａ、筐体２などによって光電子増倍管ユニットが構成される。

ところで、光電子増倍管１は、温度により感度（フォトカウント値／受光光量）が変化し、そのため測定値に影響がでる。光電子増倍管の感度は、光電子増倍管が設置される周囲温度の影響で変化し、また装置の起動中も光電子増倍管自身の発熱によって常に温度は変動するので、それによっても、光電子増倍管の感度は変化する。

本実施例では、光電子増倍管の校正のために、光電子増倍管１の筐体２には、温度センサ１５が着脱可能に取り付けられるとともに、光電子増倍管１の温度を強制的に変化させるために、光電子増倍管１の筐体２には、温度調節手段としての熱源が着脱可能に取り付けられる。この熱源は、たとえばヒータ１４として実現され、スイッチ１６によってオン、オフできるようになっている。

今、ここで、１０℃から４０℃の環境で測定することを考えた光電子増倍管ユニットの校正を考えてみる。この校正時には、図１において、被測定物２４からの測定光の代わりに、ＬＥＤなどからなる約１０ｎＷの出力を有する基準光源２２からの基準光を光測定装置８に入射させ、これを光電子増倍管１で受光し、そのフォトカウント値を調べる。

まず、光電子増倍管ユニットの製作時、あるいは製造元出荷時においては、恒温層などで調整して光電子増倍管ユニットの温度が１５℃および３５℃になるようにしてそれぞれ基準光源２２からの基準光を受光させたときのフォトカウント値を求める。その結果が、図３に図示されている。

光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率（感度変化率／温度）は、光電子増倍管１の周囲温度を温度１から温度２に変化させたとき、測定値（フォトカウント値）が、測定値１から測定値２に変化したとして、図１の感度変化率算出手段１７により、
（測定値２−測定値１）／（測定値１）／（温度２−温度１）
として算出される。

図３に示す測定結果の場合には、単位温度当たりの感度変化率は、
（９０−１１０）／｛（３５℃−１５℃）×１１０｝＝−０．９％／℃
となる。この算出した感度変化率／温度は、測定値２、測定値１、温度２、温度１等の測定パラメータとともに、記憶装置（記憶手段）１８に記憶しておくものとする。

次に、周囲温度が２０℃のときに被測定物２４からの微弱光の強度を測定する。周囲温度が２０℃の測定時には、光電子増倍管１の感度が変化するので、その温度のときに感度特性を求める。このとき、図３より求めた感度変化率／温度が不変であるとすると、
（２０℃−１５℃）×（−０．９％／℃）×１１０＋１１０＝１０５
となり、図４で実線で示したような、周囲温度２０℃でのフォトカウント値と受光光量との関係（感度特性）が得られる。

この関係から、たとえば、パルス数カウンタ６のフォトカウント値がＣ１であった場合には、光量Ｗ１が測定される。この測定光量Ｗ１は、図１において、温度センサ１５により測定される周囲温度、並びに記憶装置１８に格納されている値を用いて、演算回路１９により求めることができる。

上述した最初の校正時には、求めた感度変化率／温度は−０．９％／℃であり、この感度変化率／温度が不変の場合には、上述したように、温度センサ１５により測定される周囲温度、並びに記憶装置１８に格納されている値を用いて、カウンタ６からのカウント値から被測定物からの光の強度を測定することができる。

しかし、最初の校正時から所定の時間（たとえば１年）が経過した場合には、光電子増倍管１に経時変化が発生し、測定温度での感度特性が変化することが確認されている。

今、たとえば、最初の校正時から、たとえば１年が経過して測定を行うときの温度が２５℃だとし、感度変化率／温度が最初の校正時と同様に、−０．９％／℃とすると、基準光量に対するフォトカウント値は、
（２５℃−１５℃）×（−０．９％／℃）×１１０＋１１０＝１００
となるが、実際には、図５に示したように、基準光量に対するフォトカウント値は９５となり、上記の値とは相違している。

これは、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率が経時変化したものと考えられ、そのため測定値にも影響がでてしまう。測定のたびに基準光量で校正を行っても校正終了から測定前までにそれなりに温度変化が起きてしまう。

また、先の校正結果から一律に補正する方法、例えば今回だと２５℃でフォトカウント値が１００→９５になっているので、各温度一律に５％減、とする方法では不適であることが判っている。仮に光電子増倍管感度そのものが劣化したという原因ならば、全ての温度で一律５％減したと判断し補正を掛けることで問題は解決する。しかしながら、光電子増倍管の感度劣化ではなく、温度変化に伴う光電子増倍管の感度変化率／温度が原因だとすると、例えば温度１５℃では感度低下はなく、２５℃では−５％感度低下、３５℃では−１０％感度低下する可能性もある。

このため、ある程度時間が経つと、正しい測定が不可能になるので、最初の校正時から所定の時間が経過した場合には、光電子増倍管の感度変化率／温度を再度演算しなおす。そのため、最初の校正時から所定の時間が経過したとき、スイッチ１６をオンしてヒータ１４を発熱させ、光電子増倍管１の温度を強制的に変化させて光電子増倍管１に基準光源２２から基準光を入射し、カウント値を求めることより感度変化率／温度を算出し光電子増倍管ユニットの校正を行う。

具体的には、２回目の校正を行う時、温度センサ１５により測定される周囲温度が２５℃だとすると、図６に示したように、その時の基準光量１０ｎＷに対するフォトカウント値９５を求める。その後、スイッチ１６をオンにしてヒータ１４を作動させ光電子増倍管ユニットの温度を強制的に上昇させる。温度がある程度平衡状態になったら、図１の感度変化率算出手段１７は、一点鎖線で示すように、その時温度センサ１５により求められる光電子増倍管１の温度４５℃と、パルス数カウンタ６から得られる基準光量に対するフォトカウント値７０から、単位温度当たりの感度変化率、
（７０−９５）／｛（４５℃−２５℃）×９５｝＝−１．３％／℃
を算出する。そして、この算出された新しい感度変化率／温度は、前のものに上書きされる形で記憶装置１８に格納される。

その後の測定は、新しい感度変化率／温度を用いて行われる。すなわち、被測定物２４からの微弱光が光電子増倍管１に受光され、パルス数カウンタ６は、たとえばフォトカウント値Ｃ２を出力する。演算回路１９は、温度センサ１５より測定時の周囲温度が２０℃とすると、この温度と、記憶装置１８から読み出される新しい感度変化率−１．３％／℃から、図７に示したように、２０℃での光量とフォトカウント値の関係を示す実線で示した感度特性から、カウント値Ｃ２に対する測定光量Ｗ２を演算する。そして、この演算された測定光量を、被測定物２４からの微弱光の強度を示す値として表示部７に表示する。

このように、所定時間が経過するごとに、光電子増倍管の校正を行うことにより、光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

上述した実施例では、被測定物２４からの微弱光は、例えば微粒子測定装置などで微粒子から散乱される散乱光であったが、光測定装置８の構成は、被検眼の前房内からの散乱光を解析してフレア測定、セル測定などの眼科測定を行う眼科測定装置にも適用することができる。例えば、フレア測定では、前房内に存在する細胞あるいはたんぱく質にレーザー光が照射され、そこから散乱される散乱光が、図１に示した光測定装置８と同様な構成の光電子増倍管に入射され、その測定値（フォトカウント値）から前房内の測定体積内の細胞数が計測され、たんぱく質濃度（フレア値）が測定される。このような装置においても、定期的に装置を校正して感度変化率／温度を簡単に更新できるので、経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のあるフレア測定が可能となる。

なお、上述した実施例では、ヒータ１４は、光電子増倍管自体を収納する筐体２ないし光電子増倍管ユニットの外部に取付けられているが、筐体２の内部に着脱可能に取付けるようにしてもよい。また、収納筐体２ないし光電子増倍管ユニットから離れた場所で、光電子増倍管の温度を変化させることができる場所に配置することもできる。

また、光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段は、ヒータ１４などの熱源でなく、光測定装置８が設置される部屋の空調機であってもよく、また光測定装置全体を収納する温度調節可能な恒温槽であってもよい。

また、光電子増倍管の周囲温度を測定する温度センサ１５は、光電子増倍管の収納筐体に取り付けるのではなく、光電子増倍管の温度を測定できる周囲の所定の箇所に配置するようにしてもよい。

また、上述した実施例では、基準光は基準光源２２を用いて発生させたが、通常の光源と、複数の濃度フィルタから選択された所定の濃度のフィルタを用いて基準光を発生させるようにしてもよい。

光測定装置の構成を示した構成図である。 光電子増倍管ユニットにおける温度センサ並びにヒータの取り付け状態を示した説明図である。 感度変化率／温度を求める方法を説明したグラフ図である。 図３で求めた感度変化率／温度での入射光量とフォトカウント値との関係を示すグラフ図である。 光電子増倍管の感度特性が変化した場合のフォトカウント値のずれを示すグラフ図である。 光電子増倍管の感度特性が変化した場合の感度変化率／温度を再度求める方法を説明したグラフ図である。 図６で求めた感度変化率／温度での入射光量とフォトカウント値との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 光電子増倍管
８ 光測定装置
１４ ヒータ
１５ 温度センサ
１７ 感度変化率算出手段
１８ 記憶装置
１９ 演算回路（演算手段）
２２ 基準光源
２４ 被測定物

Claims (6)

1. 被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて前記被測定物からの光強度を測定する光測定方法であって、
   前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段と、
   前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管周囲の温度を測定する温度測定手段と、
   前記光電子増倍管の校正を行なう際、前記温度調節手段により前記光電子増倍管の温度を変化させて前記光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出する算出手段と、を用い、
   前記光電子増倍管の校正において前記算出手段により算出した前記単位温度当たりの感度変化率と、前記温度測定手段により測定された測定時の前記光電子増倍管の周囲温度から定まる前記光電子増倍管への入射光量と前記光電子増倍管の測定値の関係から、前記被測定物からの光強度を示す値を算出することを特徴とする光測定方法。
2. 前記温度調節手段が前記光電子増倍管を加熱する熱源であり、前記光電子増倍管の校正において、前記熱源をオンしたときの前記光電子増倍管の温度変化と、前記熱源のオフ時並びに前記熱源のオン時に基準光源からの基準光を受光する前記光電子増倍管の測定値とに基づき前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項１に記載の光測定方法。
3. 所定時間経過ごとに前記光電子増倍管の校正を行ない、その際、前記温度調節手段により前記光電子増倍管の温度を変化させ、前記算出手段により前記光電子増倍管の前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の光測定方法。
4. 被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定装置であって、
   前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段と、
   前記光電子増倍管近傍に配置され前記光電子増倍管周囲の温度を測定する温度測定手段と、
   前記光電子増倍管の校正を行なう際、前記温度調節手段により前記光電子増倍管の温度を変化させて前記光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出する算出手段と、
   前記光電子増倍管の校正において前記算出手段により算出した前記単位温度当たりの感度変化率と、前記温度測定手段により測定された前記光電子増倍管の周囲温度から定まる前記光電子増倍管への入射光量と前記光電子増倍管の測定値の関係から、前記被測定物からの光強度を示す値を演算する演算手段と、
   を有することを特徴とする光測定装置。
5. 前記温度調節手段が前記光電子増倍管を加熱する熱源であり、前記光電子増倍管の校正において、前記算出手段により前記熱源をオンしたときの前記光電子増倍管の温度変化と、前記熱源のオフ時並びに前記熱源のオン時に基準光源からの基準光を受光する前記光電子増倍管の測定値とに基づき前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項４に記載の光測定装置。
6. 所定時間経過ごとに前記光電子増倍管の校正を行ない、その際、前記温度調節手段により前記光電子増倍管の温度を変化させ、前記算出手段により前記光電子増倍管の前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項４または５に記載の光測定装置。

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