JP5971637B2 - 光信号検出回路、光量検出装置、および荷電粒子線装置 - Google Patents
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Description
図1〜図4を用いて、本発明に係る光信号検出回路の概要および特徴を説明する。図1は、光源によって照射された試料の微量の光が入力された際の光電子増倍管の出力パルスのパルス波高分布およびノイズパルスのパルス波高分布を示す図である。図1において、横軸はパルスの最大電圧値である波高値を示し、縦軸は測定時間内における波高値の出現の頻度(出現回数)を示している。ノイズパルスの波高値の出現の頻度は、図1の点線G2に示すように、波高値の小さい値に集中して分布しており、波高値H1から波高値H2の間で急激にその頻度が減少する。そして、ノイズパルスの波高値の出現の頻度は、波高値H2から波高値H3の間では、波高値H1から波高値H2と比較して頻度の減少は緩やかになる。さらに、波高値H3より大きい波高値においては、ノイズパルスの波高値の出現の頻度は、波高値H2から波高値H3の間と比較してさらに緩やかに減少する。
また、図3において、線G11は、図2に示した光量検出開始時におけるノイズパルスの特性を有する線G21の基での光電子増倍管の出力パルスの特性を示し、線G12は、図2に示した光量検出開始時におけるノイズパルスの特性を有するG22の基での光電子増倍管の出力パルスの特性を示している。
図3に示すように、線G12は、たとえば光量検出開始時から時間が経過し、光検出開始時よりも光電子増倍管の高圧電源電圧が上昇したため、線G11より線G12のほうが、波高値が大きいほうにずれている。すなわち、先の図1に示した暗電流ノイズ領域Aと暗電流ノイズ領域Bとの境界が波高値の大きいほうにずれたため、暗電流ノイズ領域Aと暗電流ノイズ領域Bとの境界の分布の谷間もずれている。このずれは、先の図2に示したノイズパルスの特性の高圧電源電圧による変化に起因しており、暗電流ノイズ領域Aと暗電流ノイズ領域Bとの境界の分布の谷間は、図2の線G21で示すノイズパルスの特性に起因している線G11では概ね波高値H5となり、図2の線G22で示すノイズパルスの特性に起因している線G12では概ね波高値H6となる。
また、図4において、線G31は、図2に示した光量検出開始時におけるノイズパルスの特性を有する線G21の基での光電子増倍管の出力パルスの特性を示し、線G32は、図2に示した光量検出開始時におけるノイズパルスの特性を有するG22の基での光電子増倍管の出力パルスの特性を示している。
図4に示すように、線G32は、たとえば光量検出開始時から時間が経過し、光検出開始時よりも光電子増倍管の温度が上昇したため、線G31より線G32のほうが、暗電流に起因したノイズパルスの波高値の頻度が全体的に多くなるほうに変化している。特には、先の図1に示した暗電流ノイズ領域Aの波高値頻度が顕著に多くなるほうにずれ、暗電流ノイズ領域Bの波高値頻度は、比較的少なめに増加した場合である。この波高頻度の増加は、先の図2に示したノイズパルスの特性の温度上昇による変化に起因しており、暗電流ノイズ領域Aと暗電流ノイズ領域Bとの境界の分布の谷間は波高値H5から波高値H7に変化する。
図5〜図9を用いて、本発明の実施形態1を説明する。図5は、本発明の実施形態1の光信号検出回路を用いた光量検出装置の構成を示すブロック図である。図5に示すように、光量検出装置は、光源1と、光電子増倍管3と、光信号検出回路4と、パーソナルコンピュータ(以下、PCと呼ぶ)5とを備えて試料2からの光を検出対象とする。なお、光電子増倍管3は、光検出手段であり、パーソナルコンピュータ5は、制御手段である。
図11および図12を用いて、本発明の実施形態2を説明する。図11は、本発明の実施形態2の光信号検出回路を用いた光量検出装置の構成を示すブロック図である。図11に示した実施形態2の光量検出装置は、先の図5に示した実施形態1の光量検出装置とほぼ同じであるが、相違点は光信号検出回路4のしきい値決定部44のデータ解析部442の代わりに、データ解析部442aを備えることである。実施形態1の光量検出装置と同じ機能を有する構成要素には、同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図13〜図15を用いて、本発明の実施形態3を説明する。先の実施形態1および実施形態2において光量を検出する際に、光源1や光電子増倍管3、アンプ41のゲイン調整が必要となる場合がある。この実施形態3では、光源1や光電子増倍管3、アンプ41のゲイン調整について説明する。
パルス数記憶領域452は、単位時間ごとにアドレスが対応付けられ、それぞれの単位時間ごとのパルスカウンタの値(パルス数)を記憶する。
図16および図17を用いて、本発明の実施形態4を説明する。図16は、本発明の実施形態4の光信号検出回路を用いた光量検出装置の構成を示すブロック図である。図16に示した実施形態4の光量検出装置は、先の図5で示した実施形態1の光量検出装置の光信号検出回路4の代わりに、光信号検出回路4aを備えている。光信号検出回路4aは、光信号検出回路4からしきい値処理部43が削除され、デジタルアナログ変換部(以下、D/A変換部と呼ぶ)49と、コンパレータ48(図中ではCMP)と、カウンタ50とが追加されている。なお、実施形態1の光量検出装置と同じ機能を有する構成要素には、同一符号を付し、重複する説明を省略する。
先の実施形態1〜4では、光信号検出回路を光量検出装置に適応した場合について説明した。この実施形態5では、光信号検出回路を荷電粒子線装置の1つである走査型電子顕微鏡に適用した場合について説明する。
2 試料
3 光電子増倍管(光検出手段)
4 光信号検出回路
5 パーソナルコンピュータ(制御手段)
41 アンプ(増幅手段)
42 A/D変換部(アナログデジタル変換手段)
43 しきい値処理部(しきい値処理手段)
44 しきい値決定部(しきい値決定手段)
46,46a ゲイン制御部(ゲイン制御手段)
47 パルス測定制御部(パルス測定制御手段)
48 コンパレータ(比較手段)
49 D/A変換部(デジタルアナログ変換手段)
50 カウンタ(カウント手段)
441 データ処理部(データ処理手段)
442,442a データ解析部(データ解析手段)
451 頻度数記憶領域(頻度数記憶手段)
452 パルス数記憶領域(パルス数記憶手段)
Claims (14)
- 光検出手段により検出される光量に応じたアナログ検出信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段によって増幅されたアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
無光状態で前記光検出手段によって検出され、前記アナログデジタル変換手段によって変換されたデジタル検出信号からパルスを検出するとともに、前記検出したパルスの最大電圧値である波高値を検出する処理を繰り返し、前記検出した波高値ごとのパルスの出現頻度を求め、前記求めた波高値ごとのパルスの出現頻度に基づいてパルス判定しきい値を決定するしきい値決定手段と、
前記しきい値決定手段によって決定されたパルス判定しきい値以上の波高値のパルスを含む前記デジタル検出信号を検出信号として出力するしきい値処理手段と、
を備えることを特徴とする光信号検出回路。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値のパルスの出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果、パルスの出現頻度が前記頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光信号検出回路。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に波高値ごとのパルスの出現頻度を比較してパルスの出現頻度の最小値を求め、パルスの出現頻度が最小値を示す波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と
を備えることを特徴とする請求項1に記載の光信号検出回路。 - 光検出手段により検出される光量に応じたアナログ検出信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段によって増幅されたアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
無光状態で前記光検出手段によって検出され、前記アナログデジタル変換手段によって変換されたデジタル検出信号からパルスを検出するとともに、前記検出したパルスの最大電圧値である波高値を検出する処理を繰り返し、前記検出した波高値ごとのパルスの出現頻度を求め、前記求めた波高値ごとのパルスの出現頻度に基づいてパルス判定しきい値を決定するしきい値決定手段と、
前記しきい値決定手段によって決定されたパルス判定しきい値をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、
前記検出した光量に応じたアナログ検出信号が、前記デジタルアナログ変換手段によって変換されたアナログ信号のパルス判定しきい値以上であるか否かを判定する比較手段と、
前記比較手段によって前記検出した光量に応じたアナログ検出信号が、前記デジタルアナログ変換手段によって変換されたアナログ信号のパルス判定しきい値以上であると判定された数をカウントして出力するカウント手段と、
を備えることを特徴とする光信号検出回路。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値のパルスの出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果、パルスの出現頻度が前記頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載の光信号検出回路。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に波高値ごとのパルスの出現頻度を比較してパルスの出現頻度の最小値を求め、パルスの出現頻度が最小値を示す波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と
を備えることを特徴とする請求項4に記載の光信号検出回路。 - 光量を検出し、検出した光量に応じたアナログ検出信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段によって検出されたアナログ検出信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段によって増幅されたアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
無光状態で前記光検出手段によって検出され、前記アナログデジタル変換手段によって変換されたデジタル検出信号からパルスを検出するとともに、前記検出したパルスの最大電圧値である波高値を検出する処理を繰り返し、前記検出した波高値ごとのパルスの出現頻度を求め、前記求めた波高値ごとのパルスの出現頻度に基づいてパルス判定しきい値を決定するしきい値決定手段と、
前記しきい値決定手段によって決定されたパルス判定しきい値以上の波高値のパルスを含む前記デジタル検出信号を検出信号として出力するしきい値処理手段と、
前記しきい値決定手段から出力される検出信号に基づいて、前記光検出手段に入射された光の強度またはパルス数を算出して前記光量を解析する制御手段と、
を備えることを特徴とする光量検出装置。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値のパルスの出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果、パルスの出現頻度が前記頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の光量検出装置。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に波高値ごとのパルスの出現頻度を比較してパルスの出現頻度の最小値を求め、パルスの出現頻度が最小値を示す波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と
を備えることを特徴とする請求項7に記載の光量検出装置。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段と、
所定の単位時間に対応付けて当該単位時間に検出したパルス数を記憶するパルス数記憶手段と、
前記所定の単位時間ごとに、前記しきい値決定手段が検出したパルス数をカウントし、カウントしたパルス数を前記所定の単位時間に対応付けて前記パルス数記憶手段に記憶させるパルス測定制御手段と、
ゲイン調整通知に基づいて、前記光検出手段および前記増幅手段のゲインを調整するゲイン制御手段と、
をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値のパルスの出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果、パルスの出現頻度が前記頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値に決定するとともに、前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に波高値ごとのパルスの出現頻度を比較してパルスの出現頻度の最小値を求め、前記求めた最小値と、前記頻度下限値と、前記パルス数記憶手段に記憶された単位時間ごとに検出された各パルス数とに基づいて、前記光検出手段および前記増幅手段のゲインを調整するか否かを判定し、ゲインを調整すると判定した場合には、前記ゲイン調整通知を前記ゲイン制御手段に出力するデータ解析手段と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載の光量検出装置。 - 光量を検出し、検出した光量に応じたアナログ検出信号を出力する光検出手段と、
前記光検出手段によって検出されたアナログ検出信号を増幅する増幅手段と、
前記増幅手段によって増幅されたアナログ検出信号をデジタル検出信号に変換するアナログデジタル変換手段と、
無光状態で前記光検出手段によって検出され、前記アナログデジタル変換手段によって変換されたデジタル検出信号からパルスを検出するとともに、前記検出したパルスの最大電圧値である波高値を検出する処理を繰り返し、前記検出した波高値ごとのパルスの出現頻度を求め、前記求めた波高値ごとのパルスの出現頻度に基づいてパルス判定しきい値を決定するしきい値決定手段と、
前記しきい値決定手段によって決定されたパルス判定しきい値をデジタル信号からアナログ信号に変換するデジタルアナログ変換手段と、
前記検出した光量に応じたアナログ検出信号が、前記デジタルアナログ変換手段によって変換されたアナログ信号のパルス判定しきい値以上であるか否かを判定する比較手段と、
前記比較手段によって前記検出した光量に応じたアナログ検出信号が、前記デジタルアナログ変換手段によって変換されたアナログ信号のパルス判定しきい値以上であると判定された数をカウントして出力するカウント手段と、
前記カウント手段から出力されるカウント数に基づいて、前記光検出手段に入力された光の強度またはパルス数を算出して前記光量を解析する制御手段と、
を備えることを特徴とする光量検出装置。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に当該波高値のパルスの出現頻度と予め定められた頻度下限値とを比較し、比較の結果、パルスの出現頻度が前記頻度下限値以下となった波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と、
を備えることを特徴とする請求項11に記載の光量検出装置。 - 前記検出した波高値に対応付けて当該波高値のパルスの出現頻度を記憶する頻度数記憶手段をさらに備え、
前記しきい値決定手段は、
前記波高値ごとのパルスの出現頻度を前記頻度数記憶手段に記憶させる処理を行うデータ処理手段と、
前記頻度数記憶手段に記憶された波高値ごとのパルスの出現頻度のうち、波高値の値が小さいものから順に波高値ごとのパルスの出現頻度を比較してパルスの出現頻度の最小値を求め、パルスの出現頻度が最小値を示す波高値の値をパルス判定しきい値に決定するデータ解析手段と
を備えることを特徴とする請求項11に記載の光量検出装置。 - 請求項1に記載の光信号検出回路を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
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