JP6699971B2

JP6699971B2 - 蛍光検査システム

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Publication number: JP6699971B2
Application number: JP2016139758A
Authority: JP
Inventors: 飯塚　邦彦; 邦彦飯塚; 義久藤本
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Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-07-14
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Description

本発明は、対象物からの蛍光を観察する蛍光検査システムに関する。

生物学および医学などにおける研究および臨床検査などで用いられる検査手法の１つとして、蛍光を用いた検査手法が挙げられる。蛍光とは、励起光（例えば紫外光または可視光）を吸収して基底状態から励起状態になった後、中間励起状態に落ちた分子またはイオンが、基底状態に戻るときに放出する、励起光より長い波長の光である。生体または非生体試料についての蛍光を用いた検査手法は、細胞構成成分の染色、遺伝子発現、および動的成分の局在移動の観察など、幅広い分野に応用されて成果を挙げている。

一般に多く用いられている蛍光検査手法は、励起光を対象物に照射し、放出される蛍光のみを検知するものである。対象物から放出される蛍光と対象物により反射される励起光とを分離する方法の１つとして、蛍光と励起光とで波長が異なることを利用して、光学的なフィルタにより両者を分離する方法がある。

一方、蛍光と励起光とを分離する別の方法として、蛍光寿命を利用する方法がある。蛍光寿命とは、対象物が励起状態から基底状態に戻るまでの平均時間である。蛍光寿命は、多くの種類の分子でサブナノ秒〜数ナノ秒程度であり、分子の種類によって異なる。蛍光寿命を利用することで、励起光の消光後に放出される蛍光を検知することができる。

特許文献１には、蛍光寿命を用いて蛍光を検知する装置の例として、フォトダイオードを用いたイメージセンサ、およびフォトダイオードからの出力を積分する積分回路を備える装置が示されている。特許文献１に記載されている装置は、励起光の消光後に積分回路をリセットし、リセット後にフォトダイオードから流れる出力電流を積分するように構成されている。

米国特許第７，７３８，０８６号明細書（２０１０年６月１５日登録）

M. Gersbach et al., "A Time-Resolved, Low-Noise Single-Photon Image Sensor Fabricated in Deep-Submicron CMOS Technology," in IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 47, no. 6, pp. 1394-1407, June 2012.

しかし、一般にフォトダイオードにおける光電変換によって発生する電流は微弱である。したがって、特許文献１に記載されている装置によっては、蛍光の発光量が少ない場合には当該蛍光を検知できないという問題がある。

非特許文献１では、蛍光の検知にＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode、シングル・フォトン・アバランシェ・ダイオード）を用いることが提案されている。ＳＰＡＤは、１光子を検知することが可能なＰＮ接合ダイオードの一種である。

通常のダイオードにブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧を印加しようとすると、アバランシェ降伏が生じ、降伏電流が流れる。このため、通常のダイオードにはブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧を印加することができない。

一方、ＳＰＡＤは、ＰＮ接合部分に電荷が存在しない状態では、ブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧を印加しても降伏電流が流れない。しかし、ＳＰＡＤのＰＮ接合部に光子が入射すると、当該ＰＮ接合部分に微小電荷が発生する。すなわち、ＳＰＡＤは、ブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加された状態で光子が入射すると、パルス信号を発生させる。したがって、光子を検知する素子としてＳＰＡＤを使用することで、フォトダイオードを使用する場合と比較して高い感度で蛍光を検知できる可能性がある。

しかし、ＳＰＡＤにおいては、降伏電流が流れるときには、ＰＮ接合部分に発生した微小電荷が増幅され、多くの電荷がＰＮ接合部分を通過することになる。このとき、ＰＮ接合部分を通過する電荷の一部が、ＰＮ接合部分のエネルギー禁止帯に存在する捕獲準位に捕獲されることがある。上述した通り、ＰＮ接合部分に電子が存在する状態では、ＳＰＡＤにブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加されると降伏電流が流れる。したがって、例えば励起光によってＳＰＡＤに降伏電流が流れていた場合、励起光の消光直後に蛍光を検知しようとしても、捕獲準位に捕獲された電子によって降伏電流が発生し、蛍光を正常に検知できない虞がある。

捕獲準位に捕獲された電荷を当該捕獲準位から放出させるためには、ＳＰＡＤに印加する逆バイアス電圧を数１０ｎｓ程度、ブレークダウン電圧よりも低く保持する必要がある。したがって、アバランシェ降伏が発生したＳＰＡＤを瞬時にリチャージすることはできない。仮にアバランシェ降伏の直後にリチャージしても、ＰＮ接合部分に捕獲された電荷によって、実際には光子を検出していないにも関わらずアバランシェ降伏が再度発生する可能性が高い。

非特許文献１には、ＳＰＡＤを用いた蛍光検知装置の例として、ＤＢＳ（Dichroic Beam Splitter）によって、ＳＰＡＤへ励起光が入射しないように構成された装置が記載されている。当該装置によれば、励起光によってはＳＰＡＤに降伏電流が流れないため、逆バイアス電圧をブレークダウン電圧以下に保持する期間を設ける必要はない。しかし、当該装置はＤＢＳを備えた複数な光学系を必要とするため、小型で安価な蛍光検知システムの実現は困難であった。

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡単な構成で、蛍光の光子の検知精度に優れた蛍光検査システムを実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る蛍光検査システムは、対象物に励起光を照射する励起光源と、上記対象物に上記励起光が照射されることで当該対象物から生じる蛍光の光子を、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）により検知する光子
検知部と、上記励起光源の動作のタイミングを基準として上記ＳＰＡＤに印加される逆バイアス電圧を制御する制御部と、を備え、上記制御部は、上記励起光源が上記励起光を発している期間に亘り、上記逆バイアス電圧を上記ＳＰＡＤのブレークダウン電圧より低くなるように制御し、上記光子検知部は、複数の上記ＳＰＡＤ、および当該ＳＰＡＤ上に配置された複数のカラーフィルタを備え、上記複数のカラーフィルタは、透過させる光のピーク波長が互いに異なる少なくとも２種類のカラーフィルタを含み、上記ＳＰＡＤは、上記複数のカラーフィルタのそれぞれを透過した蛍光の光子を検知し、上記複数のＳＰＡＤは、上記カラーフィルタを備えた上記ＳＰＡＤの受光面が互いに同じ平面上に存在し、所定の１点を中心に、互いに略等しい角度で離れあうように、環状に配置されている。

本発明の一態様に係る蛍光検査システムによれば、簡単な構成で、蛍光の光子の検知精度に優れた蛍光検査システムを実現できる。

実施形態１の蛍光検査システムの構成を示す図である。（ａ）は、実施形態１の蛍光検査システムが備えるマスク信号制御回路の構成を示すブロック図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したマスク信号制御回路の動作を示すタイミングチャートである。図１に示した蛍光検査システムの動作を示すタイミングチャートである。実施形態２の蛍光検査システムの概要を示す図である。実施形態３の蛍光検査システムの概要を示す図である。（ａ）は、レーザ光および蛍光の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、１回目からＮ回目までの対象物へのレーザ光の照射に対する、バッファアンプの出力側電位に表れるパルス信号を示すグラフであり、（ｃ）は、蛍光寿命計算部による計算の過程を示す図である。実施形態４の蛍光検査システムの概要を示す図である。実施形態４の第１の変形例の蛍光検査システムの概要を示す図である。実施形態４の第２の変形例の蛍光検査システムの概要を示す図である。比較例の蛍光検査システムの構成を示す図である。比較例の蛍光検査システムの動作を示すタイミングチャートである。

〔実施形態１〕
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図３、図１０および図１１を用いて説明する。

（蛍光検査システム１の概要）
図１は、本実施形態の蛍光検査システム１の構成を示す図である。図１に示すように、蛍光検査システム１は、レーザ光源１０（励起光源）、レーザ制御部１１（ドライバ回路）、光子検知部２０、およびＳＰＡＤ制御部３０（制御部）を備える。

レーザ光源１０は、対象物１０００にパルス状のレーザ光（励起光）を照射する光源である。レーザ制御部１１は、レーザ光源１０を駆動する。また、レーザ制御部１１は、レーザ光源１０を駆動させたことを示すレーザ同期信号（駆動信号）をＳＰＡＤ制御部３０に出力する。

（光子検知部２０の構成）
光子検知部２０は、ＳＰＡＤ２１、ＳＰＡＤ電源２２、バッファアンプ２３、および固定抵抗２５を備える。光子検知部２０は、対象物１０００にレーザ光が照射されることで生じる蛍光の光子を、ＳＰＡＤ２１により検知する。

ＳＰＡＤ２１は、光子を検知するためのＰＮ接合ダイオードである。上述した通り、ＳＰＡＤ２１は、ブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤが印加されている状態で光子が入射した場合にパルス信号を発生させる。本実施形態では、ＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧は１８Ｖである。

ＳＰＡＤ電源２２は、ＳＰＡＤ２１がパルス信号を発生させるための電力を供給する電源である。ＳＰＡＤ電源２２は、ＳＰＡＤ２１のカソード側端子に接続される。ＳＰＡＤ電源２２は、ＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧以上の電圧の電源である。本実施形態では、ＳＰＡＤ電源２２の電圧Ｖ１は２０Ｖである。

バッファアンプ２３は、ＳＰＡＤ２１のアノード側の入力側の電位Ｖａを信号として増幅し、Ｖｏｕｔとして出力する増幅器である。バッファアンプ２３の入力端子は、ＳＰＡＤ２１のアノード側端子に接続される。

固定抵抗２５は、ＳＰＡＤ２１に降伏電流が流れた場合に電位Ｖａを上昇させるための抵抗器である。固定抵抗２５の一端はＳＰＡＤ２１のアノード側端子およびバッファアンプ２３の入力端子に接続される。固定抵抗２５の他端は接地される。

（ＳＰＡＤ制御部３０の構成）
ＳＰＡＤ制御部３０は、回路電源３１、マスク用スイッチ３２、マスク信号制御回路３３、リチャージ用スイッチ３４、およびリチャージ信号制御回路３５を備える。ＳＰＡＤ制御部３０は、レーザ光源１０の動作のタイミングを基準としてＳＰＡＤ２１に印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを制御する。

回路電源３１は、ＳＰＡＤ２１に印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤを制御するための電源である。本実施形態では、回路電源３１の電圧Ｖ２は３Ｖである。

マスク用スイッチ３２は、回路電源３１とＳＰＡＤ２１のアノード側との間の接続状態を切り替えるスイッチである。マスク用スイッチ３２は、回路電源３１と、ＳＰＡＤ２１のアノード側端子との間に設けられる。リチャージ用スイッチ３４がオフの状態でマスク用スイッチ３２がオン（導通状態）になると、回路電源３１とＳＰＡＤ２１のアノード側端子との間が導通する。

マスク信号制御回路３３は、レーザ制御部１１から入力されるレーザ同期信号に基づいて、マスク用スイッチ３２を制御するマスク信号を生成する。マスク信号制御回路３３の具体的な構成については、図２を参照して後述する。

リチャージ用スイッチ３４は、ＳＰＡＤ２１のアノード側端子の接地状態を切り換えるスイッチである。リチャージ用スイッチ３４は、ＳＰＡＤ２１のアノード側端子とアースとの間に設けられる。マスク用スイッチ３２がオフの状態でリチャージ用スイッチ３４がオンになると、ＳＰＡＤ２１のアノード側端子が接地され、ＳＰＡＤ２１がリチャージ（ＳＰＡＤ２１にブレークダウン電圧以上の逆バイアス電圧が印加）される。なお、マスク用スイッチ３２およびリチャージ用スイッチ３４は、常に少なくとも一方がオフであるように制御される。このため、回路電源３１の短絡が回避される。

リチャージ信号制御回路３５は、リチャージ用スイッチ３４を制御するリチャージ信号を出力する。リチャージ信号は、マスク信号が停止した時刻から所定の時間幅、例えば１ｎｓだけ出力される。

（マスク信号制御回路３３の構成）
図２の（ａ）は、マスク信号制御回路３３の構成を示すブロック図である。図２の（ａ）に示すように、マスク信号制御回路３３は、複数の反転回路３３ａと、信号切替回路３３ｂと、パルス生成回路３３ｃとを備える。マスク信号制御回路３３は、レーザ同期信号に対するマスク信号の遅延量を調整するものである。

複数の反転回路３３ａは、いずれも入力を反転させて出力する回路であり、全て直列に接続されている。すなわち、ある段の反転回路３３ａの出力が、次の段の反転回路３３ａに入力される。また、１段目の反転回路３３ａには、レーザ制御部１１から出力されたレーザ同期信号が入力される。また、反転回路３３ａの２段毎の出力、および最終段の反転回路３３ａの出力は、それぞれ遅延信号として信号切替回路３３ｂに入力される。

信号切替回路３３ｂは、レーザ光源１０からＳＰＡＤ２１までの光路長に応じて、複数の遅延信号のうち、１つの遅延信号を出力する。複数の反転回路３３ａおよび信号切替回路３３ｂにより、遅延制御／補正回路が構成される。

信号切替回路３３ｂが出力する遅延信号は、例えば以下のように設定すればよい。まず、レーザ光が照射される対象物が存在しない状態で、遅延信号ごとにＳＰＡＤ２１による光子の検知を行う。対象物が存在しない状態でＳＰＡＤ２１が光子を検知した場合、当該光子はレーザ光の光子であると考えられる。したがって、対象物が存在しない状態で検知される光子の量が十分少なく、かつ遅延量が最も小さい遅延信号を、蛍光検知時に用いる遅延信号として設定すればよい。換言すれば、当該遅延信号の出力後にＳＰＡＤ２１にレーザ光の光子が入射する確率が十分に小さくなる遅延信号が出力されるように、信号切替回路３３ｂを設定すればよい。

パルス生成回路３３ｃは、マスク信号を生成する回路である。パルス生成回路３３ｃは、信号が入力されるたびに出力、すなわちマスク信号のレベルがＨｉｇｈまたはＬｏｗに反転するトグルフリップフロップである。パルス生成回路３３ｃは、レーザ同期信号、および信号切替回路３３ｂから出力される遅延信号が入力される。初期状態においては、パルス生成回路３３ｃの出力はＬｏｗである。レーザ制御部１１からのレーザ同期信号がパルス生成回路３３ｃに入力されると、パルス生成回路３３ｃの出力は反転してＨｉｇｈになる。その状態で信号切替回路３３ｂからの遅延信号がパルス生成回路３３ｃに入力されると、パルス生成回路３３ｃの出力は再度反転してＬｏｗになる。

図２の（ｂ）は、マスク信号制御回路３３の動作を示すタイミングチャートである。レーザ光源１０は、時刻ｔ１１におけるレーザ同期信号をトリガとして、パルスレーザを出射する。出射されたパルスレーザは、レーザ光源１０の発光素子からＳＰＡＤ２１までの光路長に応じた遅延を伴いＳＰＡＤ２１に入射する。

一方、マスク信号制御回路３３では、時刻ｔ１１において、マスク信号制御回路３３にレーザ同期信号が入力されると、マスク信号、すなわちパルス生成回路３３ｃの出力がＨｉｇｈになる。その後、時刻ｔ１２において、信号切替回路３３ｂから出力された遅延信号がパルス生成回路３３ｃに入力され、パルス生成回路３３ｃの出力がＬｏｗになる。

蛍光検査システム１においては、これらの動作が繰り返される。例えば図２に示したタイミングチャートにおいて、時刻ｔ１３およびｔ１４においては、それぞれ時刻ｔ１１およびｔ１２と同様の動作が繰り返される。

（蛍光検査システム１の動作）
図３は、蛍光検査システム１の動作を示すタイミングチャートである。蛍光検査システム１の動作について、図３を参照して説明する。

まず、時刻ｔ１において、レーザ制御部１１がレーザ同期信号を出力すると、マスク信号制御回路３３がマスク信号を生成する。マスク信号によってマスク用スイッチ３２がオンになり、ＳＰＡＤ２１のアノード側の電位Ｖａが３Ｖになる。その結果、ＳＰＡＤ２１に印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤは、２０Ｖ−３Ｖ＝１７Ｖになる。この値は、ＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧（１８Ｖ）より低い値である。

マスク信号制御回路３３は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、マスク信号の生成を継続する。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、ＳＰＡＤ２１に印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤは、ＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧より小さい電圧に維持される。したがって、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間において、励起光光子がＳＰＡＤ２１に入射しても、ＳＰＡＤ２１に降伏電流は流れない。

時刻ｔ２において、マスク信号制御回路３３は、マスク信号をＬｏｗにし、マスク用スイッチ３２をオフにする。同時に、リチャージ信号制御回路３５は、リチャージ信号を生成し、リチャージ用スイッチ３４をオンにする。これにより、バッファアンプ２３の入力側が接地されて電位Ｖａが低下する。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間は、ＳＰＡＤ２１のＰＮ接合部に蓄積されていた電荷が放出されるための時間である。この時間は、１ｎｓ以下であってよい。時刻ｔ３において、リチャージ信号制御回路３５はリチャージ信号の生成を停止する。リチャージ信号の生成の停止により、リチャージ用スイッチ３４がオフになり、ＳＰＡＤ２１のアノード側が接地されなくなる。しかしこの時点では、ＳＰＡＤ２１のＰＮ接合部に電荷が存在しないため、ＳＰＡＤ２１に降伏電流が流れず、固定抵抗２５にも電流が流れない。したがって電位Ｖａは引き続き０である。

時刻ｔ４において、ＳＰＡＤ２１に蛍光の光子が照射されると、ＳＰＡＤ２１に降伏電流が流れる。降伏電流が固定抵抗２５を流れることで、電位Ｖａが上昇し、光子を検知したことを示す信号がバッファアンプ２３の出力側電位Ｖｏｕｔに表れる。

以上の時刻ｔ１〜時刻ｔ４までの動作を繰り返すことで、蛍光検査システム１は、レーザ光の消光後にＳＰＡＤ２１に入射する蛍光の光子を検知することができる。例えば図３のタイミングチャートにおける時刻ｔ５〜時刻ｔ７においては、時刻ｔ１〜時刻ｔ３と同様の動作が繰り返される。

（比較例の蛍光検査システム９）
次に、比較例の蛍光検査システム９について、図１０および図１１を用いて説明する。図１０は、蛍光検査システム９の構成を示す図である。蛍光検査システム９は、回路電源３１、マスク用スイッチ３２、およびマスク信号制御回路３３を有しない点で蛍光検査システム１と相違する。また、リチャージ信号制御回路３５は、レーザ同期信号が出力されてから所定の時間経過後にリチャージ信号の出力を開始する。

蛍光検査システム９においては、ＳＰＡＤ２１には常にブレークダウン電圧以上の電圧が印加される。このため、対象物により反射されたレーザ光によってアバランシェ降伏が発生し、ＳＰＡＤ２１に降伏電流が流れる。そして、ＰＮ接合部分のエネルギー禁止帯に電荷が捕獲される可能性がある。

エネルギー禁止帯に捕獲された電荷が存在する場合、ＳＰＡＤ２１へレーザ光が入射しなくなった直後にリチャージ用スイッチ３４をオフにすると、当該電荷により、実際には蛍光の光子を検知していないにも関わらずアバランシェ降伏が発生する。その結果、蛍光の検知精度が低下する。

図１１は、蛍光検査システム９の動作を示すタイミングチャートである。エネルギー禁止帯に捕獲された電荷に起因するアバランシェ降伏をＳＰＡＤ２１に発生させないために、蛍光検査システム９においては、当該電荷がエネルギー禁止帯から十分に放出されるまで、リチャージ用スイッチ３４をオンの状態にしている。このため、図１１に示すタイミングチャートにおいては、リチャージ信号の時間幅、すなわち時刻ｔ２２から時刻ｔ２３までの時間幅、および時刻ｔ２６から時刻ｔ２７までの時間幅が、図３に示すタイミングチャートにおける時刻ｔ２から時刻ｔ３までの時間幅と比較して顕著に長い。具体的には、図１１に示すタイミングチャートにおけるリチャージ信号の時間幅は、１０ｎｓ〜数１０ｎｓである。リチャージ信号が出力されている期間には、ＳＰＡＤ２１のアノード側は接地された状態であり、蛍光検査システム９は光子を検知できない。

（蛍光検査システム１の効果）
蛍光検査システム１においては、レーザ光源１０がレーザ光を発している時間帯に亘り、ＳＰＡＤ２１に降伏電流が流れないため、降伏電流に起因する電荷がＳＰＡＤ２１のＰＮ接合部分のエネルギー禁止帯に捕獲されない。したがって、リチャージ信号が出力される時間が短い場合であっても、ＳＰＡＤ２１が蛍光の光子を検知する精度の低下が抑制される。またこのとき、ＳＰＡＤ２１に励起光が入射することを防止するための、複雑な光学系は不要である。

また、マスク信号制御回路３３は、レーザ同期信号を受信してからマスク用スイッチ３２をオフにするまでの時間、すなわちＳＰＡＤ２１に印加される逆バイアス電圧ＶＳＰＡＤをＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧以上にするまでの時間を調整可能である。したがって、蛍光検査システム１においては、当該システムの特性などを考慮して、レーザ光の光子がＳＰＡＤ２１に入射せず、かつ遅延量が必要以上に長くならないように上記の時間を調整することができる。

なお、蛍光検査システム１において、対象物が配置される領域は、レーザ光源１０、光子検知部２０、およびＳＰＡＤ制御部３０のうち、少なくともいずれかが設けられている集積回路上に設けられている。したがって、対象物が配置される領域を、レーザ光源１０、光子検知部２０、およびＳＰＡＤ制御部３０が配置される領域とは別に確保する必要がなく、蛍光検査システム１を小型化することができる。

なお、上述したＳＰＡＤ２１のブレークダウン電圧、ＳＰＡＤ電源２２の電圧、回路電源３１の電圧、およびリチャージ信号の長さなどの具体的な数値は例示であり、本願発明を限定するものではない。また、レーザ光源１０以外の光源を用いて、対象物１０００に対してレーザ光以外の光を励起光として照射してもよい。

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。

図４は、本実施形態の蛍光検査システム２の概要を示す図である。図４に示すように、蛍光検査システム２は、レーザ制御部１１、光子検知部２０およびＳＰＡＤ制御部３０が、同一の集積回路１００上に配置された構成を有する。集積回路１００は、例えばシリコンで形成された集積回路である。

蛍光検査システム２においては、レーザ制御部１１およびＳＰＡＤ制御部３０が同一の集積回路１００に配置されているため、レーザ制御部１１とＳＰＡＤ制御部３０との間の距離を短くすることができる。したがって、レーザ制御部１１からＳＰＡＤ制御部３０へ出力されるレーザ同期信号の電気的遅延が減少し、制御が容易になる。また、レーザ制御部１１およびＳＰＡＤ制御部３０を別個の集積回路に配置する場合と比較して、蛍光検査システム２を小型化することができる。

また、蛍光検査システム２においては、光子検知部２０もまた、集積回路１００上に配置されている。したがって、蛍光検査システム２をさらに小型化することができる。

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図５〜図６に基づいて説明すれば、以下のとおりである。

（蛍光検査システム３の構成）
図５は、本実施形態の蛍光検査システム３の概要を示す図である。図５に示すように、蛍光検査システム３は、光子検知部２０、ＳＰＡＤ制御部３０、ＴＤＣ（Time to Digital Converter、時間デジタル変換）回路４０、および蛍光寿命計算部５０を備える。なお、図５においては省略されているが、蛍光検査システム３は、蛍光検査システム１などと同様、レーザ制御部を備えている。

ＴＤＣ回路４０は、ＳＰＡＤ２１に蛍光の光子が入射することでバッファアンプ２３の出力側電位Ｖｏｕｔに表れるパルス信号の発生時刻、すなわち蛍光の光子の検知時刻をデジタル化する。ＴＤＣ回路自体は公知であるため、ここではＴＤＣ回路４０の具体的構成については説明しない。ＴＤＣ回路４０は、図５に示すように集積回路１００上に設けられていてもよく、集積回路１００とは別に設けられていてもよい。

蛍光寿命計算部５０は、ＴＤＣ回路４０によりデジタル化された蛍光の光子の検知時刻に基づいて、対象物の蛍光寿命を計算する。蛍光寿命計算部５０は、例えば蛍光寿命を解析するソフトウェアをインストールされた汎用のコンピュータであってよい。

（蛍光寿命計算部５０の説明）
図６の（ａ）は、レーザ光および蛍光の波形を示すグラフである。図６の（ａ）において、横軸は時間、縦軸は光の強度をそれぞれ示す。図６の（ａ）に示すように、レーザ光の波形はパルス状であるのに対して、蛍光の波形はレーザ光より若干遅れて増大し、その後緩やかに減少する波形を示す。蛍光の波形は、対象物の蛍光寿命によって変化する。

図６の（ｂ）は、１回目からＮ回目までの対象物へのレーザ光の照射に対する、バッファアンプ２３の出力側電位Ｖｏｕｔに表れるパルス信号を示すグラフである。図６の（ｂ）において、横軸は時間、縦軸はＶｏｕｔをそれぞれ示す。図６の（ｂ）に示すグラフにおいて、Ｖｏｕｔにパルス状の信号が発生している時間が、ＳＰＡＤ２１により蛍光の光子が検知された時間である。

図６の（ｃ）は、蛍光寿命計算部５０による蛍光寿命の計算過程を示す図である。図６の（ｃ）は、蛍光寿命計算部５０が蛍光寿命の計算過程において作成したヒストグラムを示し、横軸は蛍光の光子の検出時刻、縦軸はパルス信号の発生回数である。蛍光寿命計算部５０は、対象物へのレーザ光の照射に対応して出力側電位Ｖｏｕｔに表れるパルス信号の発生時刻のデジタル化を繰り返すことで、図６の（ｃ）に示すようなヒストグラムを作成する。さらに蛍光寿命計算部５０は、作成したヒストグラムを蛍光寿命による減衰曲線にフィッティングすることにより、蛍光寿命を算出する。フィッティングは公知の方法、例えば最小二乗法によって実行すればよい。

蛍光検査システム３によれば、蛍光寿命計算部５０により算出した蛍光寿命により、対象物に含まれる蛍光物質の特定を行うことができる。なお、蛍光寿命が互いに異なる複数種類の蛍光物質が対象物に含まれる場合であっても、上記ヒストグラムを複数の減衰曲線の和にフィッティングすることにより当該複数種類の蛍光物質を推定することができる。

〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図７〜図９に基づいて説明すれば、以下のとおりである。なお、図７〜図９に示す蛍光検査システム４、４Ａおよび４Ｂにおいては、レーザ光源１０、レーザ制御部１１、およびＳＰＡＤ制御部３０は省略されている。

（蛍光検査システム４）
図７は、本実施形態の蛍光検査システム４の概要を示す図である。蛍光検査システム４において、光子検知部２０は、複数のＳＰＡＤ２１、および当該ＳＰＡＤ２１上に配置された複数のカラーフィルタ６０を備える。また、光子検知部２０は、複数のＳＰＡＤ２１に対応する受光回路２４を備える。ここで、受光回路２４とは、図１に示した光子検知部２０のうち、ＳＰＡＤ２１以外の構成要素の集合を意味する。

複数のカラーフィルタ６０は、第１カラーフィルタ６１、第２カラーフィルタ６２、および第３カラーフィルタ６３を備える。本実施形態では第１カラーフィルタ６１は赤色光のみを透過させ、第２カラーフィルタ６２は緑色光のみを透過させ、第３カラーフィルタ６３は青色光のみを透過させる。なお、カラーフィルタ６０が透過させる光の色は、上記の例に限定されない。また、カラーフィルタ６０の数は２個であっても、４個以上であってもよい。さらに、全てのカラーフィルタ６０において、透過させる光の色が互いに異なっている必要はない。すなわち、カラーフィルタ６０は、透過させる光のピーク波長が互いに異なる少なくとも２種類のカラーフィルタを含んでいればよい。

蛍光検査システム４は、複数のカラーフィルタ６０のそれぞれを透過した蛍光を、複数のＳＰＡＤ２１により検知することで、蛍光の光子を成分ごとに検知できる。したがって、例えば複数のＳＰＡＤ２１のそれぞれの出力をアナログ‐デジタル変換するコンバータ、およびデジタル変換された上記出力からそれぞれのカラーフィルタ６０を透過した光の強度比を算出する演算装置が蛍光検査システム４に接続されている場合、当該演算装置により対象物が発した蛍光のピーク周波数を推定することができる。さらに、当該ピーク周波数により、対象物に含まれる蛍光物質の種類を特定または推定することができる。

（変形例）
図８は、実施形態４の第１の変形例の蛍光検査システム４Ａの概要を示す図である。図８に示すように、蛍光検査システム４Ａにおいては、ＳＰＡＤ２１およびカラーフィルタ６０が環状に配置されている。蛍光検査システム４Ａにおいては、各ＳＰＡＤ２１からの距離が略等しい位置に対象物を配置することで、対象物が発する蛍光を各ＳＰＡＤ２１で均等に受光することができる。

また、図９は、実施形態４の第２の変形例の蛍光検査システム４Ｂの概要を示す図である。図９に示すように、蛍光検査システム４Ｂは、４つのＳＰＡＤ２１、およびそれぞれのＳＰＡＤ２１上に配された、第１カラーフィルタ６１、第２カラーフィルタ６２、第３カラーフィルタ６３、および第４カラーフィルタ６４を備える。第４カラーフィルタ６４が透過させる光のピーク周波数は、第１カラーフィルタ６１、第２カラーフィルタ６２および第３カラーフィルタ６３のいずれかが透過させる光のピーク周波数と同じであってもよく、いずれとも異なっていてもよい。

蛍光検査システム４Ｂにおいては、ＳＰＡＤ２１を格子状に配置することで、ＳＰＡＤ２１を稠密に配置できる。したがって、蛍光検査システム４Ｂによれば、対象物の大きさが微小である場合、すなわち蛍光を発する領域の面積が小さい場合にも、それぞれのＳＰＡＤによって当該対象物が発する蛍光を検知することができる。

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る蛍光検査システム（１など）は、対象物（１０００）に励起光を照射する励起光源（レーザ光源１０）と、上記対象物に上記励起光が照射されることで当該対象物から生じる蛍光の光子を、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）（２１）により検知する光子検知部（２０）と、上記励起光源の動作のタイミングを基準として上記ＳＰＡＤに印加される逆バイアス電圧を制御する制御部（ＳＰＡＤ制御部３０）と、を備え、上記制御部は、上記励起光源が上記励起光を発している期間に亘り、上記逆バイアス電圧を上記ＳＰＡＤのブレークダウン電圧より低くなるように制御する。

上記の構成によれば、励起光源が励起光を発している期間に亘り、ＳＰＡＤに印加される逆バイアス電圧は、当該ＳＰＡＤのブレークダウン電圧より低い。このため、励起光源が励起光を発している期間に亘り、ＳＰＡＤには降伏電流が流れない。このため、励起光の照射時にＳＰＡＤのＰＮ接合部に電荷が捕獲されず、ＳＰＡＤによる蛍光の光子の検知精度の低下が抑制される。したがって、簡単な構成で、蛍光の光子の検知精度に優れた蛍光検査システムを実現できる。

本発明の態様２に係る蛍光検査システムは、上記態様１において、上記励起光源を駆動させるとともに、当該励起光源を駆動させたことを示す駆動信号（レーザ同期信号）を上記制御部に出力するドライバ回路（レーザ制御部１１）をさらに備え、上記制御部は、上記駆動信号を受信してから、上記逆バイアス電圧を上記ブレークダウン電圧以上に設定するまでの時間を調整可能であることが好ましい。

駆動信号を受信してから励起光が停止するまでの時間は、ドライバ回路および励起光源の特性により異なる。また、励起光がＳＰＡＤに入射するまでの時間は、励起光源とＳＰＡＤとの距離により異なる。上記の構成によれば、制御部は、これらの条件に応じて、ＳＰＡＤに印加される逆バイアス電圧を、（ｉ）ＳＰＡＤに励起光が照射されている期間には当該ＳＰＡＤのブレークダウン電圧より低く、（ｉｉ）励起光の照射が停止した後には速やかに当該ＳＰＡＤのブレークダウン電圧以上になるように、逆バイアス電圧を上記ブレークダウン電圧以上に設定するまでの時間を調整することができる。

本発明の態様３に係る蛍光検査システムは、上記態様２において、上記ドライバ回路および上記制御部は、同一の集積回路（１００）に配置されていることが好ましい。上記の構成によれば、ドライバ回路と制御部との間の距離が短くなるため、ドライバ回路から制御部への駆動信号の電気的遅延が減少し、制御が容易になる。

本発明の態様４に係る蛍光検査システムは、上記態様３において、上記光子検知部は、上記集積回路に配置されていることが好ましい。上記の構成によれば、蛍光検査システムを小型化することができる。

本発明の態様５に係る蛍光検査システムは、上記態様２から４のいずれかにおいて、上記対象物が配置される領域は、上記ドライバ回路、上記制御部、および上記光子検知部のうち、少なくともいずれかが配置されている集積回路上に設けられていることが好ましい。上記の構成によれば、蛍光検査システムを小型化することができる。

本発明の態様６に係る蛍光検査システムは、上記態様１から５のいずれかにおいて、上記光子検知部は、複数の上記ＳＰＡＤ、および当該ＳＰＡＤ上に配置された複数のカラーフィルタ（カラーフィルタ６０）を備え、上記複数のカラーフィルタは、透過させる光のピーク波長が互いに異なる少なくとも２種類のカラーフィルタ（第１カラーフィルタ６１〜第４カラーフィルタ６４）を含み、上記ＳＰＡＤは、上記複数のカラーフィルタのそれぞれを透過した蛍光の光子を検知することが好ましい。

上記の構成によれば、光子検知部は、複数のカラーフィルタのそれぞれを透過した蛍光を、複数のＳＰＡＤにより検知することで、蛍光の光子を成分ごとに検知できる。

本発明の態様７に係る蛍光検査システムは、上記態様６において、上記複数のＳＰＡＤは、環状に配置されていることが好ましい。

上記の構成によれば、各ＳＰＡＤからの距離が略等しい位置に対象物を配置することで、対象物が発する蛍光を各ＳＰＡＤで均等に受光することができる。

本発明の態様８に係る蛍光検査システムは、上記態様６において、上記複数のＳＰＡＤは、格子状に配置されていることが好ましい。

上記の構成によれば、ＳＰＡＤを稠密に配置できるため、対象物の大きさが微小である場合、すなわち蛍光を発する領域が微小である場合にも、それぞれのＳＰＡＤによって蛍光を検知することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。

〔本発明の別の表現〕
本発明は、以下のようにも表現され得る。すなわち、本発明の一態様に係る蛍光検査システムは、シングル・フォトン・アバランシェ・ダイオード（ＳＰＡＤ）により光を検知する光子検知部を備えたシリコン集積回路と、シリコン集積回路上の検査対象物に励起光を当てる励起光源と、励起光源の発光と光子検知部の動作を同期的に制御する制御部とを有し、励起光を消光後に放出される蛍光の光子の飛来を検知する光子検知部は、励起光源が発光している間はＳＰＡＤに印加される電圧をブレークダウン電圧以下に保持する。

また、本発明の一態様に係る蛍光検査システムにおいて、上記光子検知部は、励起光が消光したのちＳＰＡＤに印加される電圧をブレークダウン電圧以上に設定するまでの時間が調整可能である。

また、本発明の一態様に係る蛍光検査システムにおいて、上記シリコン集積回路は、光子検知部と、励起光源をドライブするドライバ回路と、励起光源の発光と光子検知部の動作を同期的に制御する制御部とを、同一の集積回路上に形成している。

また、本発明の一態様に係る蛍光検査システムにおいて、上記蛍光検査システムは、さらに、蛍光寿命を解析する回路およびソフトウェアを含む。

また、本発明の一態様に係る蛍光検査システムにおいて、上記光子検知部は、複数のＳＰＡＤとそれぞれのＳＰＡＤの上に形成されたカラーフィルタを有し、それらカラーフィルタは少なくとも２種類以上の異なる中心波長を有し、異なる中心波長のカラーフィルタを通して蛍光を検知する。

１、２、３、４、４Ａ、４Ｂ蛍光検査システム
１０レーザ光源（励起光源）
１１レーザ制御部（ドライバ回路）
２０光子検知部
２１ＳＰＡＤ
３０ＳＰＡＤ制御部（制御部）
１００集積回路
１０００対象物

Claims

対象物に励起光を照射する励起光源と、
上記対象物に上記励起光が照射されることで当該対象物から生じる蛍光の光子を、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）により検知する光子検知部と、
上記励起光源の動作のタイミングを基準として上記ＳＰＡＤに印加される逆バイアス電圧を制御する制御部と、を備え、
上記制御部は、上記励起光源が上記励起光を発している期間に亘り、上記逆バイアス電圧を上記ＳＰＡＤのブレークダウン電圧より低くなるように制御し、
上記光子検知部は、複数の上記ＳＰＡＤ、および当該ＳＰＡＤ上に配置された複数のカラーフィルタを備え、
上記複数のカラーフィルタは、透過させる光のピーク波長が互いに異なる少なくとも２種類のカラーフィルタを含み、
上記ＳＰＡＤは、上記複数のカラーフィルタのそれぞれを透過した蛍光の光子を検知し、
上記複数のＳＰＡＤは、
上記カラーフィルタを備えた上記ＳＰＡＤの受光面が互いに同じ平面上に存在し、
所定の１点を中心に、互いに略等しい角度で離れあうように、環状に配置されていることを特徴とする蛍光検査システム。
上記励起光源を駆動させるとともに、当該励起光源を駆動させたことを示す駆動信号を上記制御部に出力するドライバ回路をさらに備え、
上記制御部は、上記駆動信号を受信してから、上記逆バイアス電圧を上記ブレークダウン電圧以上に設定するまでの時間を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光検査システム。
上記ドライバ回路および上記制御部は、同一の集積回路に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の蛍光検査システム。
上記光子検知部は、上記集積回路に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の蛍光検査システム。
上記対象物が配置される領域は、上記ドライバ回路、上記制御部、および上記光子検知部のうち、少なくともいずれかが配置されている集積回路上に設けられていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の蛍光検査システム。