JPH0886753A

JPH0886753A - 減衰特性測定装置

Info

Publication number: JPH0886753A
Application number: JP6223628A
Authority: JP
Inventors: Akira Takeshima; 晃竹島; Yu Koishi; 結小石
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 1996-04-02
Anticipated expiration: 2018-01-08
Also published as: EP0702226A3; US5548124A; DE69525005D1; JP3364333B2; EP0702226A2; DE69525005T2; EP0702226B1

Abstract

(57)【要約】【目的】簡単な構成により広い周波数領域で用いるこ
とのできる螢光サンプル等の減衰時間を高精度に測定で
きる減衰特性測定装置を提供する。【構成】送光部１００から出力された強度変調された
励起光が測定対象体９００に照射され、散乱光あるいは
反応光を波長選択器２００を介して受光部３００で検出
する。受光部３００は、供給された変調信号と受光した
光の積に応じた信号を出力し、処理部６１０が積値に対
応するデータを光の種別ごとに収集し、収集結果に基づ
いて反応光の減衰特性を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物体への光照射によっ
て発生する蛍光など減衰特性を有する光の減衰時間など
を測定する減衰特性測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】蛍光などの減衰特性の測定には、従来か
ら種々の方式が提案されている。これらの方式は、大別
して、（１）光の強度変化の波形を測定して測定波形か
ら減衰波形を求める方式（以下、直接法と呼ぶ）と、
（２）強度変調された励起光を用い、減衰信号光との位
相差から減衰特性を求める方式（以下、位相差法と呼
ぶ）とがある。

【０００３】従来の直接法を用いた装置の具体的な構成
の代表的なものとして以下の構成がある。

【０００４】光源＋光電子増倍管（ＰＭＴ）＋オシ
ロスコープ比較的遅い領域で用いられ、電気信号の歪（リンギン
グ、オーバーシュート等）、ディテクター自身の歪（走
行時間広がり等）が問題になってくる１０ｎｓ以内の高
速領域で使用されることは少ない。

【０００５】短パルスレーザ＋高速ＰＭＴ＋コンス
タントフラクションディスクリミネータ＋ＴＡＣ(time
to amplitude converter) ＋ＰＨＡ(pulse hight analy
zer) 時間相関単一光子計数法により数１０ｐｓの時間分解能
まで得られる。

【０００６】ストリークカメラ（リアルタイム計
測）時間分解能がサブピコ秒まで得られ、単一現象も観測可
能。単一光電子領域で現象を何回も重ねて（積算）波形
取得する方式では十分なダイナミックレンジも得られ高
精度の減衰特性測定が可能である。分光器を用いて波長
情報を同時に取得することができ、時間分解分光装置と
して優れている。

【０００７】光オシロスコープ（サンプリング計
測）ストリーク管を用いたサプリング方式の光波形観測装置
である。優れた測定光量域のダイナミックレンジを有す
るが、方式上、被測定光の収集効率が悪く、極微弱光計
測には適さない。

【０００８】ボックスカー（サンプリング計測）電気的なゲート方式を採用する。安価なシステムが組め
るが、ディテクターの周波数応答と電気的なゲート幅で
時間分解能（≧１００ｐｓ）が決まる。

【０００９】カーセル（光サンプリング計測）光学的なゲート方式を採用する。時間分解能はサンプリ
ングのレーザーパルス幅に依存し短くすることができ
る。

【００１０】位相法は光の利用効率が高く、波形がある
程度特定されている減衰時定数を高速で求める場合に適
した方式であり、螢光減衰時間が温度により大きく変化
するｒｕｂｙあるいはａｌｅｘａｎｄｒｉｔｅ結晶等を
プローブとして用い、高電磁界等の外乱ノイズの大きな
環境で用いることのできる光ファイバ温度計のような、
励起光と螢光間の位相差をＰＬＬ(Phase Lock Loop) に
より、周波数に置き換えて寿命時間を測定する方式や装
置が提案されている（「Zhiyi Zhang et al.,Rev.Sci.I
nstrum.64(9), pp.2531-2540(1993) 」、特開昭６３−
３０８５９６号、「T.Bosselman et al., Proc.2nd Opt
ical Fiber Sensor Conf.,1984,Stuttgart,pp.151-154
」、「Zhiyi Zhang et al., Rev.Sci.Instrum.62, pp.
1735(1991) 」など）。また、波形が特定されない場
合、あるいはマルチコンポーネントの減衰特性の場合
は、変調周波数を変化させるか（励起光が正弦波変調の
場合）、あるいは着目する周波数（励起光がインパルス
の場合、繰り返し周期の整数倍）を変化させて、その都
度、位相差と強度のデータを取得し、フィッティング等
の処理をほどこせば減衰特性が求められる（J.R.Lakowi
cz et al., SPIE Vol.1204Time-Resolved Laser Spectr
oscopy in BiochemistryII,pp.13-20(1990)）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の減衰特性測定装
置は上記のように構成されるので、以下のような問題点
があった。

【００１２】直接法を採用した装置では、波形が直接的
に見られるというメリットはあるものの、寿命時間の算
出には、フィッティング（デコンボリューション）等の
高度な波形処理を必要する。したがって、減衰時定数の
みを出力したい場合にも装置構成は大規模なものとなっ
てしまう。また、減衰時間の短い光に関する測定には短
パルス光源を必要とし、一般的にシステムは複雑とな
る。したがって、自動計測システムの構築が困難であ
る。

【００１３】また、従来の位相差法を採用した装置で
は、いずれも、電子回路のミキサーを用いて位相差を検
出し、周波数に変換しているので、１００ＭＨｚを越え
るような高周波で寿命時間を求めようとすると、ミキサ
ーの入力振幅特性（入力信号振幅により出力の位相が変
化する）が問題となり、電子回路的な補正、あるいはＡ
ＧＣ増幅等によりミキサーへの入力振幅を一定に保つな
ど、精度の高い測定器とするためには複雑な回路構成を
余儀なくされることになってしまう。螢光寿命時間をパ
ラメータとした光ファイバー温度計はマイクロ秒からミ
リ秒の寿命時間を計測に用いており、扱う周波数範囲は
数１００Ｈｚから数ＭＨｚの低周波数の範囲に限定され
ている。また、位相検波を用いた場合、本質的に信号成
分以外の外乱光入射に対してＳ／Ｎの優れた出力を得る
ことができるが、受光器は通常の使用方法（ＣＤバイア
ス印加）によるため、初段増幅器の許容入力範囲を越え
るような強力な背景光が入射したとき、初段増幅器の飽
和により信号成分を増幅することができなくなってしま
う。

【００１４】本発明は、上記を鑑みてなされたものであ
り、簡単な構成により広い周波数領域、特に数ＧＨｚま
での高周波数領域で用いることのできる螢光サンプル等
の減衰時間を高精度に測定できる減衰特性測定装置を提
供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の減衰特性
測定装置は、（ａ）第１の周波数で変化する第１の電気
信号によって強度変調が施され、第１の周波数で周期的
に強度が変化する第１の波長を有する第１の光を測定対
象体に照射する送光部と、（ｂ）測定対象体での第１の
光の散乱光である第２の光と、送光部から出力された第
１の光が測定対象体に照射された結果、測定対象体で生
じた第２の波長を有する第３の光とを入力し、外部から
の指示によりいずれか一方の光を選択して出力する波長
選択器と、（ｃ）光電変換利得を制御するとともに第２
の周波数を有する第２の電気信号を入力し、波長選択器
から出力された光を受光して受光光量および設定された
光電変換利得に応じた電気信号であって、第１の周波数
と第２の周波数との差の絶対値である第３の周波数を有
する成分を含む第３の電気信号を発生する光検出器を備
え、第３の電気信号から第３の周波数の成分を反映した
第４の信号を出力する受光部と、（ｄ）送光部へ第１の
電気信号を出力し、受光部へ第２の電気信号を出力し、
可変波長選択器へ選択波長を指示する波長選択指示信号
を出力するとともに、第１の波長を選択した場合に受光
部から出力された第４の信号の第１の計測結果と第２の
波長を選択した場合に受光部から出力された第４の信号
の第２の計測結果とから受光部に入力する第２の光の強
度変化の位相と受光部に入力する第３の光の強度変化の
位相との位相差に基づいて第３の光の減衰特性を求める
測定処理部と、を備えることを特徴とする。

【００１６】本発明の第２の減衰特性測定装置は、
（ａ）第１の周波数で変化する第１の電気信号によって
強度変調が施され、第１の周波数で周期的に強度が変化
する第１の波長を有する第１の光を測定対象体に照射す
る第１の送光部と、（ｂ）測定対象体での第１の光の散
乱光である第２の光を選択して出力する第１の波長選択
器と、（ｃ）光電変換利得を制御するとともに第２の周
波数を有する第２の電気信号を入力し、波長選択器を透
過した第１の波長選択器から出力された光を受光して受
光光量および設定された光電変換利得に応じた電気信号
であって、第１の周波数と第２の周波数との差の絶対値
である第３の周波数を有する成分を含む第３の電気信号
を発生する第１の光検出器を備え、第３の電気信号から
第３の周波数の成分の振幅値を反映した第４の信号を出
力する第１の受光部と、（ｄ）第４の周波数で変化する
第５の電気信号によって強度変調が施され、第４の周波
数で周期的に強度が変化する第１の波長を有する第３の
光を測定対象体に照射する第２の送光部と、（ｅ）第２
の送光部から出力された第３の光が測定対象体に照射さ
れた結果、測定対象体で生じた第２の波長を有する第４
の光を選択して出力する第２の波長選択器と、（ｆ）光
電変換利得を制御するとともに第５の周波数を有する第
６の電気信号を入力し、第２の波長選択器を透過した光
を受光して受光光量および設定された光電変換利得に応
じた電気信号であって、第４の周波数と第５の周波数と
の差の絶対値である第６の周波数を有する成分を含む第
７の電気信号を発生する第２の光検出器を備え、第７の
電気信号から第６の周波数の成分の振幅値を反映した第
８の信号を出力する第２の受光部と、（ｇ）第１の送光
部へ第１の電気信号を出力し、第１の受光部へ第２の電
気信号を出力し、第２の送光部へ第５の電気信号を出力
し、第２の受光部へ第６の電気信号を出力するととも
に、第１の受光部から出力された第４の信号の信号の第
１の計測結果と第２の受光部から出力された第８の信号
の信号の第２の計測結果とから第１の受光部に入力する
第２の光の強度変化の位相と第２の受光部に入力する第
４の光の強度変化の位相との位相差に基づいて第４の光
の減衰特性を求める測定処理部と、を備えることを特徴
とする。

【００１７】双方の装置において、受光部は、電気信
号を入力し、所定の出力態様に変換して出力する信号供
給部と、信号供給部が出力する電気信号を入力する電
気信号印加端子を有するとともに、光を受光する光導電
型受光器と、光導電型受光器を介して流れる電流信号
に応じた電圧信号を出力する変換増幅部と、変換増幅
部から出力された電圧信号を入力し、光導電型受光器に
入射した光の強度の変化の周波数と前記信号供給部に入
力された電気信号の周波数との差の絶対値の周波数と略
同一の周波数の電圧信号を選択して通過する周波数選択
器と、を備えることを特徴としてもよい。

【００１８】ここで、所定の出力態様は、低出力イン
ピーダンス状態で出力される電圧信号、または、高出
力インピーダンス状態で出力される電流信号である、こ
とが好適である。また、光導電型受光器の動作点を調整
するバイアス調整手段を更に備えることが好適である。

【００１９】また、光導電型受光器は、被測定光強度
が一定、印加電圧値を独立変数とした場合、印加電圧値
が０Ｖを含む所定の定義域において、光導電型受光器を
流れる電流量が印加電圧の略奇関数であるとともに、
印加電圧が一定、被測定光強度値を独立変数とした場
合、被測定光強度が所定の定義域において、光導電型受
光器を流れる電流量が照射信号強度の略線形関数であ
り、光導電型受光器に印加される電圧信号は、周期的
であり、時間平均値が略０であり、且つ、振幅が０とな
る隣り合う時刻の中点の時刻を原点として、振幅が時間
の略偶関数であることを特徴としてもよいし、被測定
光強度が一定、印加電流値を独立変数とした場合、印加
電流値が０Ａを含む所定の定義域において、光導電型受
光器の両端に発生する電圧値が印加電流の略奇関数であ
るとともに、印加電流が一定、被測定光強度値を独立
変数とした場合、被測定光強度が所定の定義域におい
て、光導電型受光器の両端に発生する電圧値が照射信号
強度の略線形関数であり、光導電型受光器に印加され
る電流信号の非直流成分は、周期的であり、時間平均値
が略０であり、且つ、非直流成分の振幅が０となる隣り
合う時刻の中点の時刻を原点として、振幅が時間の略偶
関数である、ことを特徴としてもよい。

【００２０】こうした光導電型受光器として、整流性
接合が反対向きに接続された構造を有する金属−半導体
−金属フォトディテクタ、または、オーム性接触電極
が対向して接続された構造のフォトディテクタを採用可
能である。

【００２１】第１の装置においては、第１の周波数と前
記第２の周波数と同一であり、第１の電気信号と第２の
電気信号との位相差は既知であって、測定処理部は、
受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つよう
に、第１の周波数を調節する周波数調節部と、周波数
調節部によって調節されて固定された第１の周波数を計
測する周波数計測器と、波長選択器で第２の光を選択
した場合に周波数計測器によって計測された第１の計測
周波数から第２の光の光検出器の位置における強度変化
の位相と第１の電気信号の振幅変化の位相との差である
第１の位相差を演算するとともに、波長選択器で前記第
３の光を選択した場合に周波数計測器によって計測され
た第２の計測周波数から第３の光の光検出器の位置にお
ける強度変化の位相と第１の電気信号の振幅変化の位相
との差である第２の位相差を演算し、更に、第１の位相
差と第２の位相差とに基づいて第２の光の減衰特性を求
める演算処理部と、を備えることを特徴としてもよい。

【００２２】ここで、第４の信号は電圧信号であり、基
準値は０Ｖであって、周波数調節部によって固定された
第１の周波数が第１の計測周波数時の第２の光の光検出
器の位置における強度変化の位相と第２の電気信号の振
幅変化の位相との差、および周波数調節部によって固定
された第１の周波数が第２の計測周波数時の第３の光の
光検出器の位置における強度変化の位相と第２の電気信
号の振幅変化の位相との差は、π／２または３π／２あ
ることを特徴としてもよい。

【００２３】第２の装置においては、第１の周波数と第
２の周波数と同一であり、第１の電気信号と第２の電気
信号との位相差は既知であって、かつ、第４の周波数と
第５の周波数と同一であり、第５の電気信号と第６の電
気信号との位相差は既知であって、測定処理部は、第
１の受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つ
ように、第１の周波数を調節する第１の周波数調節部
と、第１の周波数調節部によって調節されて固定され
た第１の周波数を計測する第１の周波数計測器と、第
２の受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つ
ように、第４の周波数を調節する第２の周波数調節部
と、第２の周波数調節部によって調節されて固定され
た第４の周波数を計測する第２の周波数計測器と、第
１の周波数計測器によって計測された第１の計測周波数
から第２の光の第１の光検出器の位置における強度変化
の位相と第１の電気信号の振幅変化の位相との差である
第１の位相差を演算するとともに、第２の周波数計測器
によって計測された第２の計測周波数から第４の光の第
２の光検出器の位置における強度変化の位相と第５の電
気信号の振幅変化の位相との差である第２の位相差を演
算し、更に、第１の位相差と第２の位相差とに基づいて
第４の光の減衰特性を求める演算処理部と、を備えるこ
とを特徴としてもよい。

【００２４】ここで、第４の電気信号および第８の電気
信号は電圧信号であり、基準値は０Ｖであって、第１の
周波数調節部によって固定された第１の周波数が第１の
計測周波数時の第２の光の第１の光検出器の位置におけ
る強度変化の位相と第２の電気信号の振幅変化の位相と
の差、および第２の周波数調節部によって固定された第
４の周波数が第２の計測周波数時の第４の光の第２の光
検出器の位置における強度変化の位相と前記第６の電気
信号の振幅変化の位相との差は、π／２または３π／２
あることを特徴としてもよい。

【００２５】また、第１の装置では、第１の周波数と第
２の周波数とは異なり、測定処理部は第４の信号の振幅
および位相の計測値に基づいて第３の光の減衰特性を算
出する、ことを特徴としてもよい。

【００２６】

【作用】本発明の減衰特性測定装置では、測定処理部が
波長選択器に対して第１の波長（励起光の波長）または
第２の波長（蛍光などの反応光の波長）のいずれか一方
の光の選択出力を指示する。以後、説明の簡単のため、
まず、第１の波長の光を選択することとする。測定処理
部は、この選択と相前後して第１の電気信号を送光部
へ、第２の電気信号を受光部へ送出する。

【００２７】送光部は第１の電気信号を入力すると、第
１の電気信号の振幅の変化に応じた強度の第１の波長の
光、すなわち第１の電気信号で強度変調された第１の波
長を有する第１の光を測定対象物に向けて励起光として
出力する。送光部から出力された励起光が測定対象物に
照射され、照射された励起光と測定対象物を構成する物
質との相互作用によって蛍光などの第２の波長を有する
反応光である第３の光が発生し、測定対象物から出力す
る。また、励起光の一部は測定対象物で散乱される。こ
うした測定対象物での散乱光である第２の光と第３の光
とは波長選択器に入力する。

【００２８】一方、受光部は第２の電気信号を入力する
と、第２の電気信号の変化を反映した電気信号を光検出
器に印加する。光検出器は印加された電気信号の値に応
じて光電変換率が変化する素子が採用される。この状態
で、光検出器は、波長選択器で選択された第１の波長の
光を受光する。光検出器には第２の電気信号の変化を反
映した電気信号が印加されているので、光検出器は実効
的には第１の波長の光の強度と第２の電気信号の振幅と
の積を演算している。したがって、光検出器で発生する
第３の電気信号の変化は、第１の周波数と第２の周波数
との和および差の周波数の成分を含む。受光部では、光
検出器で発生した第３の電気信号（例えば、電流信号）
をこの第３の電気信号の時間変化を反映した電気信号
（例えば、電圧信号）に変換の後、第１の周波数と第２
の周波数との差の周波数の成分のみの第４の電気信号を
選択して出力する。すなわち、本発明の減衰特性測定装
置では、周波数の高い信号の処理は全て光検出器で行
い、電気的に取扱い易い周波数領域の信号に変換後、電
気的な増幅などを施して測定を実施する。

【００２９】受光部から出力された第４の信号は、測定
処理部によって収集・計測される。上述したように、第
４の信号は第１の周波数と第２の周波数との差の成分の
みを含み、かつ、受光した第２の光の強度変化情報を担
っている。したがって、第２の光の強度変化の周波数よ
りも低い周波数であり、電気的に取り扱い易い周波数の
信号を増幅などの電気的な処理することにより、第２の
光の強度変化情報を得る。測定処理部は第４の信号を入
力し、その特性値を記録する。

【００３０】なお、第１の周波数と第２の周波数とが同
一であれば、第４の信号は直流成分のみを含み、この直
流成分の値は第２の光と第２の電気信号との位相差を反
映する。この場合、測定処理部は、第４の信号の値また
は第１の周波数値から第２の光と第２の電気信号との位
相差を求めて記録する。

【００３１】次に、測定処理部は、波長選択器に対して
第２の波長の光の選択出力を指示する。この選択と相前
後して第１の電気信号を送光部へ、第２の電気信号を受
光部へ送出する。以後、上記と同様にして、第３の光
（すなわち反応光）に関する第４の信号の特性値を測定
処理部が記録する。

【００３２】こうして得た、散乱光に関する特性値と反
応光に関する特性値との相違から測定処理部は反応光の
蛍光寿命時間などの減衰特性を算出する。

【００３３】本発明の減衰特性測定装置では、光検出器
として光導電型受光器が好適に使用され、第２の電気信
号が光導電型受光器の信号供給端子に変調電気信号とし
て供給される。こうした変調電気信号の態様としては、
低出力インピーダンス状態で出力された電圧信号あるい
は高出力インピーダンス状態で出力された電流信号が使
用できる。光導電型受光器を採用した場合、光導電型受
光器への供給電気信号の非直流成分が周期的であり、時
間平均値が略０であり、且つ、振幅が０となる隣り合う
時刻の中点の時刻を原点として、振幅が時間の略偶関数
である電気信号を選択するとともに、印加電気信号値の
バイアスを調整すれば、背景光の直流成分の除去がされ
るとともに、変調電圧信号の周波数以外の交流的な背景
光に対してもこれを低減して測定が実施される。

【００３４】本発明の第２の装置は、上記の散乱光に関
する特性値の測定と反応光に関する特性値の測定とを同
時に実施する。この結果、送光部あるいは受光部と測定
対象体との距離が変化しやすい場合であっても、精度の
良い減衰特性の測定を行う。

【００３５】従来の位相差法による減衰時間分解精度
は、励起光と螢光間の位相差を読み取る際の受光強度の
ゆらぎにより、変調周期の１／１０００に制限される。
一方、本発明では、位相差情報を周波数に置き換えて読
みだすことと、光導電型受光器で直接位相差検出を行な
い、さらに受光器への印加電圧と受光に入射する強度変
調光との間の位相差を例えばπ／２ないし３π／２にフ
ェーズロックループ（ＰＬＬ）方式で固定することで入
射光強度の急激な変動に対しても影響の少ない系を構成
することができ、周期の１／１０００の位相分解精度に
制限されることが無い。

【００３６】また、通常の電気信号間で位相比較する方
式では、変調周波数まで帯域を有する増幅器を必要とす
る。しかし、本発明のように、受光器で直接、入射光と
電気信号間の位相比較を行ってしまう方式ではこの限り
でなく、ＰＬＬのループフィルタとして用いられる低周
波領域の増幅器で事足りるものとなり簡単な回路構成と
することができる。また、位相差情報を周波数に置き換
えて読みだす方式により、分解能は周波数カウンタの精
度で制限されることとなり、高分解能での測定が可能で
ある。

【００３７】

【実施例】以下、添付図面を参照しながら本発明の減衰
特性測定装置の実施例を説明する。なお、図面の説明に
おいては同一の要素には同一の符号を付し、重複する説
明を省略する。

【００３８】（第１実施例）本実施例は、励起光の強度
変調周波数と光検出器の光電変換率の制御信号の周波数
とが同一である場合である。詳細な本実施例の説明に先
立って、本実施例の原理について概要を説明する。

【００３９】図１に、本実施例の減衰特性測定装置の概
略の構成を示す。図１に示ように、この装置は、（ａ）
外部から変調信号Ｖ_M（ｔ）を入力し、変調信号Ｖ
_M（ｔ）によって強度変調が施された波長＝λ₁の励起
光Ｉ_EX（ｔ）を測定対象体９００に向けて出力する送光
部１００と、（ｂ）送光部１００から出力された励起光
Ｉ_EX（ｔ）が測定対象体９００に照射された結果、測定
対象体９００で生じた波長＝λ₂の反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ
₁＋φ₂）と測定対象体９００で励起光Ｉ_EX（ｔ）が散
乱した散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）とを入力し、処理部６０
０からの指示によりいずれか一方の光を選択して出力す
る波長選択器２００と、（ｃ）変調信号Ｖ_M（ｔ）を入
力するとともに波長選択器２００から出力された光を受
光し、受光した光の強度（Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）また
はＩ_RF（ｔ＋φ₁））と変調信号Ｖ_M（ｔ）との積に応
じた電流信号を生成後に略直流成分のみの電圧信号を出
力する受光部３００と、（ｄ）受光部３００から出力さ
れた略直流電圧信号の電圧値に応じた周波数の変調信号
を出力する周波数調整部４００と、（ｅ）周波数調整部
４００が出力する変調信号の周波数を計測する周波数カ
ウンタ５００と、（ｆ）波長選択器２００へ選択波長
（λ₁またはλ₂）を指示する波長選択指示信号を出力
するとともに、波長＝λ₁を選択した場合に受光部３０
０から出力された直流電圧信号の電圧値が略「０Ｖ」と
なる周波数値ｆ１を周波数カウンタ５００から読み取
り、読み取った周波数値ｆ１から変調信号Ｖ_M（ｔ）と
散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）との位相差φ₁を求め、波長＝
λ₂を選択した場合に受光部３００から出力された直流
電圧信号の電圧値が略「０Ｖ」となる周波数値ｆ２を周
波数カウンタ５００から読み取り、読み取った周波数値
ｆ２から変調信号Ｖ_M（ｔ）と反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋
φ₂）との位相差（φ₁＋φ₂）を求め、更に２つの位
相差φ₂から反応光の減衰特性を求める処理部６００
と、を備える。

【００４０】ここで、周波数調整部４００は、受光部
３００の直流電圧出力信号を入力し、基準電圧Ｖｒとの
差を増幅して出力する誤差増幅器４０２と、誤差増幅
器４０２の出力信号を入力し、略直流成分のみを通過さ
せるループフィルタ４０１と、ループフィルタ４０１
から出力された直流電圧信号の電圧値に応じた周波数の
変調信号を出力する電圧制御発振器４０３と、を備え
る。

【００４１】なお、送光部１００、波長選択器２００、
受光部３００、および周波数調整部４００でフェーズロ
ックループを形成するロック系８００を構成する。

【００４２】以下、この装置による減衰特性の測定原理
を説明する。

【００４３】誤差増幅器４０２は、その入力端子に直流
電圧信号が入力され、その直流電圧値（Ｖ_d）と基準電
圧値（Ｖｒ）との差を増幅した値の電圧（Ｖ_I＝Ｇ・
（Ｖ_d−Ｖｒ））を出力し、ループフィルタ４０１を経
由して電圧制御発振器（ＶＣＯ）４０３にその制御電圧
を供給する。電圧制御発振器４０３は、供給された制御
電圧値に応じた周波数で発振する。電圧制御発振器４０
３から出力された電圧信号Ｖ_M1（ｔ）は送光部１００に
供給される。この送光部１００は、レーザーダイオード
（ＬＤ）等の光源を備え、電圧制御発振器４０３の出力
する電圧信号に応じてこの光源の出力光を強度変調し、
励起光Ｉ_EX（ｔ）として測定対象体９００へ向けて出力
する。測定対象体９００での散乱光および測定対象体で
の反応光は、波長選択器２００を介して受光部３００で
受光される。波長選択器２００は、分光器あるいは干渉
フィルター、ダイクロイックミラーなどの波長選択素子
から構成され、処理部６００からの制御信号に応じて、
励起光の散乱成分と螢光を分離し、どちらかを選択して
通過させる。受光部３００には電圧制御発振器４０３か
ら出力される変調信号が同時に入力されており、受光し
た光と変調信号との位相差を算出後に位相差信号の時間
平均電圧値に変換して出力する。この時間平均電圧値
は、誤差増幅器４０２の入力端子に入力される。周波数
カウンタ５００は、電圧制御発振器４０３から出力され
る変調信号の周波数を検出する。なお、周波数カウンタ
５００は、周波数を計測するものであれば代替可能であ
る。例えば、周波数／電圧変換器（Ｆ／Ｖコンバータ）
と電圧計との組み合わせ、パルスの繰り返し周期に比例
した電圧を出力するレートメータと電圧計との組み合わ
せ、またはＦＭ検波器に用いられるような周波数弁別器
を使用できる。

【００４４】ここで、受光部３００は入力する光波形と
電気信号波形とを直接乗算して、乗算結果の低周波成分
を電圧値として出力する。図２は、こうした機能を実現
する受光部の構成例１の構成図である。この受光部３０
０は、光信号（Ｉ_I）と電圧信号（Ｖ_I）とを入力し
て、光信号と電圧信号との積を演算することにより受光
した光と変調信号との位相差を反映した電流信号を出力
する光導電型受光器３１０と、電圧信号の交流分の電
圧信号を光導電型受光器３１０に印加するための接続コ
ンデンサＣ１、Ｃ２から成る電圧印加部３６１と、光
導電型受光器３１０に生じた電流の直流分を通すチョー
クコイルＬ１、Ｌ２と、チョークコイルＬ１、光導電
型受光器３１０およびチョークコイルＬ２を流れる電流
信号の交流分を電圧に変換する電流−電圧変換回路３２
０と、電流−電圧変換回路３２０が出力する電圧信号
の時間平均を演算して出力するローパスフィルタ３３０
と、光導電型受光器３１０に印加する電圧のバイアス
値を調整するバイアス調整回路３４０と、から構成され
る。

【００４５】ここで、光導電型受光器３１０は、ＧａＡ
ｓを半導体材料として用いた金属−半導体−金属（ＭＳ
Ｍ）受光器から構成される。この光導電型受光器３１０
は、照射光量が一定、印加電圧値を独立変数とした場
合、印加電圧値が０Ｖを含む所定の定義域において、光
導電型受光器を流れる電流量が印加電圧の奇関数である
という特性、および、印加電圧が一定、入射光量を独立
変数とした場合、光導電型受光器を流れる電流量が入射
光量の略線形関数であるという特性を有している。図３
（ａ）〜（ｄ）は、本実施例の位相差検出回路において
採用可能な光導電型受光器３１０の特性を例示した図で
ある。一般的に、光電導型ディテクターは図３（ａ）に
示されるように、入射光量一定のとき、印加電圧に対し
て直線的な出力電流特性を示し、正負の印加電圧に対し
て、電流の方向は、電圧に対応した絶対値の等しいもの
となり、リニアな純抵抗とみなせる。また、印加電圧一
定のときの入射光に対する出力電流特性は図３（ｄ）に
示すような直線で表わせられる。また、高速光導電型デ
ィテクターであるＭＳＭでは、図３（ｂ）あるいは図３
（ｃ）に示されるように、印加電圧に対して非直線的な
電流特性を示すことがある。このような場合においても
正負の印加電圧に対して、絶対値の等しい電流特性であ
れば、本実施例の光導電型受光器として採用可能であ
る。なお、図３（ａ）の破線で示されるように、正負の
印加電圧に対して絶対値が異なるような特性であって
も、正負電流の絶対値の比率が、ＭＳＭに印加される電
圧の範囲で、一定に保たれれば、ＭＳＭに印加される交
流電圧に直流オフセット電圧を含ませることにより、同
様に、本実施例で採用可能である。

【００４６】光導電型受光器３１０は、文献『超高速シ
リコンスイッチ』に示されるような諸材料（シリコン単
結晶、ＩｎＰ、アモルファスシリコン等）を用いても構
成することができる。また、高速動作に適していない
が、ＣｄＳセル、あるいは２〜１７μｍの赤外域に感度
を有するＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）ディテクタを用いても
同様に可能である。ＭＳＭディテクタは、ウェハー上に
櫛形電極を作製しただけの極めて簡単な構造をしてお
り、浮遊容量の小さいところから、一般に用いられる高
速ディテクターの代表であるｐｉｎフォトダイオードよ
りも、受光面サイズに対する周波数応答特性が優れてお
り、高感度で周波数特性の優れた光検出器を構成しやす
い。また、構造上暗電流を小さくでき、Ｓ／Ｎ比が優れ
ている。

【００４７】なお、アバランシフォトダイオード（ＡＰ
Ｄ）を光検出器として採用し、ＡＰＤの増倍特性の電圧
依存性を利用してゲイン変調を施し、位相差検出特性を
有する受光部を構成することも考えられる。しかし、正
負対称の印加電圧で用いることができないため、その位
相差出力は入射光量依存の直流オフセット電圧を含んだ
ものとなり、扱いが複雑となる。また、背景光に対する
出力をゼロにできないので、強力な背景光を含むような
測定環境においては、ディテクタと初段増幅器での飽和
を考慮した、可変ＮＤフィルターを用いた入射光量調節
機構を有するような設計を強いられることにより、複雑
なシステムになってしまう。

【００４８】一方、上記のＭＳＭなどの正負対称な電圧
を印加可能な上述の光導電型受光器を使用すれば、強力
な背景光に対しても初段増幅器の飽和を考慮する必要が
無く、簡単にシステムを構築できる。

【００４９】電流電圧変換回路３２０は、演算増幅器Ａ
２および抵抗Ｒ２から構成され、入力した交流電流信号
が抵抗Ｒ２によって電圧に変換されて、電圧信号が出力
される。

【００５０】ローパスフィルタ３３０は、演算増幅器Ａ
１、コンデンサＣ４および抵抗Ｒ１から構成される。こ
のローパスフィルタ３３０では、コンデンサＣ４の容量
値と抵抗Ｒ１の抵抗値との積で決まる時定数で入力した
電圧信号を積分して時間平均値を演算することにより、
位相差に応じた略直流電圧を出力する。

【００５１】また、バイアス調整回路３４０は、バイア
ス電圧値を調整する可変抵抗ＶＲ１と、可変抵抗ＶＲ１
の端子と接続される、直列接続された直流電源Ｅ１，Ｅ
２と、からなり、直流電源Ｅ１と直流電源Ｅ２との接続
点は接地電位に設定される。

【００５２】この受光部３００は、無変調光の受光時に
出力が「０Ｖ」となるように、可変抵抗ＶＲ１によって
バイアス電圧が調整される。この場合、大気の揺らぎな
どを無視すれば、受光部３００の入力信号である受光し
た光（直流成分＝Ｉ₀）の交流成分Ｉ_RV（ｔ）および変
調信号Ｖ_M2（ｔ）は、Ｉ_RV（ｔ）＝Ｉ_RV0ｓｉｎ（ωｔ−φ） …（１）Ｉ_RV0：散乱変調光の強度振幅（変調成分） ω：変調周波数 φ：受光した光と変調信号との位相差Ｖ_M（ｔ）＝Ｖ_M0ｓｉｎ（ωｔ） …（２）Ｖ_M0：変調信号の電圧振幅である。そして、光導電型受光器３１０を流れる電流ｉ
_DT（ｔ）は、ｉ_DT（ｔ）＝Ｉ_RV（ｔ）・Ｖ_M（ｔ）＝Ｋ₁・ｓｉｎ（ωｔ−φ）・ｓｉｎ（ωｔ）＝Ｋ₂・（ｃｏｓ（２ωｔ−φ）＋ｃｏｓφ） …（３）ここで、Ｋ_i：定数（ｉ＝１，２）と表される。

【００５３】電流電圧変換回路３２０は電流信号ｉ
_DT（ｔ）を、Ｖ_AC（ｔ）＝Ｋ₃・ｉ_DT（ｔ）＝Ｋ₄・（ｃｏｓ（２ωｔ−φ）＋ｃｏｓφ） …（４）で表される電圧信号Ｖ_AC（ｔ）に変換して出力する。電
圧信号Ｖ_AC（ｔ）は、更に、ローパスフィルタ３３０で
時間平均が取られ、Ｖ_DC（ｔ）＝Ｖ_DC ＝Ｋ₅・ｃｏｓφ …（５）で表される電圧値がローパスフィルタ３３０から出力さ
れる。

【００５４】図４は、受光部の動作の説明図であり、
（１）式に示した位相差（φ）と出力電圧（Ｖ_DC）との
関係を示す。図４（ａ）は位相差が０（＋２ｎπ；ｎ＝
整数）の場合を、図４（ｂ）は位相差がπ／２（＋ｎ
π；ｎ＝整数）の場合を、そして図４（ｃ）は位相差が
π（＋２ｎπ；ｎ＝整数）の場合を示す。

【００５５】したがって、誤差増幅器４０２の基準電圧
端子の入力値を「０Ｖ」とすると、誤差増幅器４０２の
出力電圧値Ｖ_Iは、Ｖ_I＝Ｇ・Ｖ_DC＝Ｇ・Ｋ₅・ｃｏｓφ …（６）ここで、Ｇ：誤差増幅器の利得となる。すなわち、ｃｏｓφ＝Ｖ_I／（Ｇ・Ｋ₅） …（７）となり、誤差増幅器４０２が充分な利得を持つ（すなわ
ち、Ｇが充分に大きい）ならば、散乱変調光と変調信号
との位相差が常に略π／２（＋ｎπ；ｎ＝整数）に保た
れるようなフェーズロックループ（ＰＬＬ）が構成され
る。

【００５６】ところで、フェーズロックループのロック
条件が成立しても変調周波数値は一義的には決定されな
い。そこで、あらかじめ電圧制御発振器４０３の発振周
波数範囲が往復距離の遅延時間（Ｌ／ｃ）の４／３倍の
周期を含むように設定され、また初期変調周波数が充分
に低ければ、電圧制御発振器４０３の周波数が所定の値
で位相差はちょうどπ／２となる。

【００５７】波長選択器の設定により透過波長が散乱励
起光の波長λ₁に設定された場合、上記のロック条件が
成立する発振周波数ｆ₁は、送光部での群遅延時間と受
光部での群遅延時間との和をＴ_dとして、１／ｆ₁＝（４／３）（Ｔ_d＋（Ｌ／ｃ）） …（８）で与えられる。

【００５８】また、波長選択器の設定により透過波長が
反応光の波長λ₂に設定された場合、上記のロック条件
が成立する発振周波数ｆ₂は、散乱励起光からの位相遅
れをφ₂とすると、１／ｆ₂＝（４／３）（Ｔ_d＋（Ｌ／ｃ）＋（１／ｆ₂）（φ₂／２π）） …（９）で与えられる。（８）式および（９）式より、 φ₂＝２π（３／４）（１−（ｆ₂／ｆ₁）） …（１７）と、φ₂が求められる。

【００５９】ところで、減衰特性が単一指数関数で近似
できるとき、励起光に対する減衰信号光の位相遅れφ_D
は、 φ_D＝ｔａｎ^-1ωτ …（１０）ここで、ω：角周波数 τ：減衰定数（寿命時間）で与えられることが知られている（F.W.J.Teale : Time
-Resolved Spectroscopyin Biochemistry and Biology,
NATO ASI Series, Life Sciences, Vol.69, pp.59-8
0）。したがって、減衰光の減衰特性を示す寿命時間τ
は、 τ＝ｔａｎφ₂／（２πｆ₂） …（１１）と求めることができる。

【００６０】図５は、変調信号の説明図である。上記で
は、変調信号として図５（ａ）の正弦波を使用したが、
変調信号の波形は時間−振幅座標系において、一定周
期を有する周期関数であり、振幅の時間平均が「０」
であり、かつ、振幅が０となる隣り合う時刻の中点の
時刻を原点とした場合に、振幅が時間の偶関数であれ
ば、上記の例と同様に位相差が周期の１／４となった場
合に受光部３００の出力は「０Ｖ」となる。すなわち、
図５（ｂ）の三角波、図５（ｃ）の台形波、または図５
（ｄ）の矩形波などが使用可能である。

【００６１】また、受光部３００は、図２の構成から変
調信号の印加方法を変更して、図６に示すように電圧印
加部３６２を採用したり、あるいは図７に示すように電
圧印加部３６３を採用したりしても同様にフェーズロッ
クループを形成することができる。また、直流電圧のみ
を出力として必要とする場合には、図８に示すように、
電流電圧変換回路３２０とローパスフィルタ３３０とを
一体化した電流電圧変換回路３５０とすることも可能で
ある。なお、図２の受光部３００の構成から図６あるい
は図７の構成への変形に対応して図８の受光部の構成か
ら図９あるいは図１０の構成への変形が可能である。

【００６２】上記の回路構成は、光導電型受光器３１０
がＧａＡｓを用いたＭＳＭのような過渡応答が良好な場
合に好適なものであるが、ＣｄＳやＰｂＳなどを受光物
質とした過渡応答が良好とは言えない光導電型受光器３
１５を使用する場合には、図１１に示すような回路構成
とするのが好適である。この場合、電圧印加部は無くと
も構成可能である。

【００６３】光導電型受光器の中には小さな暗抵抗を示
すものがあるため、第１実施例で行った電圧印加で用い
るには適さないものがある（例えば、波長が２〜１７μ
ｍの赤外域に感度を有するＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）受光
器では、暗抵抗が４０Ωである）。こうした光導電型受
光器を採用する場合には、電圧印加で受光器のゲインを
変調するよりも、等価的に出力インピーダンスが非常に
大きな電流源から電流を供給するとともに、この供給電
流を変調し、受光器の両端間に発生する電圧を検出する
方式が安定度やＳＮ比の点で優れている。

【００６４】図１２は、こうした光導電型受光器を採用
した場合に好適な受光部の構成図である。図１２に示す
ように、この受光部は、変調信号を入力し、この変調
信号の有する交流成分値に応じて高いインピーダンス状
態で電流信号を供給する定電流駆動回路３７０と、定
電流駆動回路３７０から供給された電流を入出力する電
流供給端子を有するともに、被測定光を受光する光導電
型受光器３１６と、定電流駆動回路３７０の平均駆動
電流値を設定するバイアス調整部３４０と、受光の結
果、光導電型受光器３１６で発生した電流によって発生
した電圧信号を増幅する差動増幅器３８０と、差動増
幅器３８０から出力された電圧信号の含む略直流成分を
通過させるローパスフィルタ３９０と、を備える。そし
て、定電流駆動回路３７０は、変調信号を一方の端子
に入力するとともに、バイアス調整部３４０から出力さ
れたバイアス電圧（Ｖ_B）を他方の端子に入力し、他方
の端子からバイアス電圧値だけ直流バイアスされた交流
電圧信号（Ｖ₄（ｔ）＝Ｖ_B＋Ｖ₃（ｔ））を出力する
コンデンサＣ１１と、電圧信号Ｖ₄（ｔ）を正入力端
子に入力し、負入力端子に入力した電圧との差を増倍
（ゲイン＝Ｇ１）して出力（２出力）する演算増幅器３
７１と、演算増幅器３７１の正出力をベース端子に入
力するとともにコレクタ端子が正電源（＋Ｖ）に接続さ
れたトランジスタＴｒ１、および、演算増幅器３７１の
負出力をベース端子に入力するとともにコレクタ端子が
負電源（−Ｖ）に接続され、エミッタ端子がトランジス
タＴｒ１のエミッタ端子と接続されたトランジスタＴｒ
２と、トランジスタＴｒ１のエミッタ端子（およびト
ランジスタＴｒ２のエミッタ端子）と一方の端子が接続
され、光導電型受光器３１６の一方の電流入出力端子と
他方の端子が接続された抵抗Ｒ１１と、抵抗Ｒ１１の
一方の端子と正入力端子が接続されるとともに抵抗Ｒ１
１の他方の端子と負入力端子が接続され、出力が演算増
幅器１３５の負入力端子と接続された差動増幅器３７２
と、を備える。

【００６５】図１２に示す受光部は、以下のように動作
する。

【００６６】抵抗Ｒ１１（抵抗値＝ｒ１１）を流れる電
流Ｉｄによって抵抗Ｒ１１の端子間に生じた電圧（＝ｒ
１１・Ｉｄ）は、差動増幅器３７２によって増倍され、
演算増幅器３７１の負入力端子に入力される。演算増幅
器３７１は、演算増幅器３７１の負入力端子の電圧値が
正入力端子に入力する電圧値Ｖ₄（ｔ）と一致させるよ
うに、トランジスタＴｒ１およびトランジスタＴｒ２を
制御する。この結果、光導電型受光器３１６を流れる電
流値Ｉｄは、Ｉｄ＝Ｖ₄（ｔ）／（Ｇ１・ｒ１１）＝（Ｖ_B／（Ｇ１・ｒ１１））＋（Ｖ₃（ｔ）／（Ｇ１・ｒ１１）） …（１２）となる。すなわち、電流値Ｉｄは光導電型受光器３１６
の抵抗値に影響されず、その変化分は変調電圧信号が発
生した電圧信号の交流成分Ｖ₃（ｔ）に比例する。

【００６７】この状態で、光信号が光導電型受光器３１
６に入力されると、変調電圧Ｖ₃（ｔ）と入射光の交流
成分との積値に応じた電圧信号が光導電型受光器３１６
の電流入出力端子間に発生する。この電圧信号には、直
流成分と交流成分とを含む。これらの２成分を含む電圧
信号は、差動増幅器３８０で増幅された後、直流成分が
ローパスフィルタ３９０で選択されて出力される。

【００６８】図１３は、ループフィルタ４０１の回路構
成図である。図１３に示すように、位相の定常誤差をな
くすため、低域周波数においてほぼ無限大のゲインを持
たせ、ノイズ帯域を狭くして発振周波数を安定化させる
ために積分型の構成となっている。

【００６９】図１４は、本実施例の減衰特性測定装置の
具体的な構成図である。なお、本実施例では、測定対象
体９００として蛍光サンプルを使用している。図１４に
示すように、この装置は、（ａ）周波数調整部４１０か
ら変調信号Ｖ_M（ｔ）を入力し、変調信号Ｖ_M（ｔ）に
よって強度変調が施された波長＝λ₁の励起光Ｉ
_EX（ｔ）を測定対象体９００に向けて出力する送光部１
００と、（ｂ）送光部１００から出力された光を測定対
象体９００へ導く光学系７１０と、（ｃ）送光部１００
から出力された励起光Ｉ_EX（ｔ）が測定対象体９００に
照射された結果、測定対象体９００で生じた波長＝λ₂
の反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）と測定対象体９００で
励起光Ｉ_EX（ｔ）が散乱した散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）と
を導く光学系７２０と、（ｄ）反応光と散乱光とを入力
し、処理部６１０からの指示によりいずれか一方の光を
選択して出力する波長選択器２００と、（ｅ）変調信号
Ｖ_M（ｔ）を入力するとともに波長選択器２００から出
力された光を受光し、受光した光の強度（Ｉ_RC（ｔ＋φ
₁＋φ₂）またはＩ_RF（ｔ＋φ₁））と変調信号Ｖ
_M（ｔ）との積に応じた電流信号を生成後に略直流成分
のみの電圧信号を出力する受光部３００と、（ｆ）受光
部３００から出力された略直流電圧信号の電圧値に応じ
た周波数の変調信号を出力する周波数調整部４１０と、
（ｇ）周波数調整部４００が出力する変調信号の周波数
を計測する周波数カウンタ５００と、（ｈ）波長選択器
２００へ選択波長（λ₁またはλ₂）を指示する波長選
択指示信号を出力するとともに、波長＝λ₁を選択した
場合に受光部３００から出力された直流電圧信号の電圧
値が略「０Ｖ」となる周波数値ｆ１を周波数カウンタ５
００から読み取り、読み取った周波数値ｆ１から変調信
号Ｖ_M（ｔ）と散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）との位相差φ₁
を求め、波長＝λ₂を選択した場合に受光部３００から
出力された直流電圧信号の電圧値が略「０Ｖ」となる周
波数値ｆ２を周波数カウンタ５００から読み取り、読み
取った周波数値ｆ２から変調信号Ｖ_M（ｔ）と反応光Ｉ
_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）との位相差（φ₁＋φ₂）を求
め、更に２つの位相差からφ₂から反応光の減衰特性を
求める処理部６１０と、を備える。

【００７０】ここで、送光部１００は、流れる電流に
応じた強度の励起光（波長＝λ₁）を発光するレーザダ
イオード（ＬＤ）１２０と、周波数調整部４１０から
の変調信号Ｖ_M1（ｔ）を入力し、変調信号Ｖ_M1（ｔ）の
値に応じた電流をＬＤ１２０に供給するＬＤドライバ１
１０とから構成される。

【００７１】また、処理部６１０は、波長選択器２０
０へ波長選択指示信号を発行するとともに、周波数カウ
ンタ５００が計測した周波数値を読み取って、反応光の
減衰特性を算出する演算処理部６１１と、演算処理部
６１１の指示により、演算処理部６１１の演算結果を表
示する表示部６１２と、を備える。

【００７２】更に、周波数調整部４１０は、周波数調整
部４００の電圧制御発振器４０３に替えて、演算処理部
６１１からの指示により発振周波数の帯域が指定可能な
電圧制御発振器４１３を使用している。

【００７３】また、光学系７１０は、ＬＤ１２０から
出力された励起光を集光するレンズ７１１と、レンズ
７１１で集光された励起光を入力して導波する光ファイ
バ７１２と、光ファイバ７１２から出力された光を測
定対象体９００に集光するレンズ７１３と、から構成さ
れる。

【００７４】また、光学系７２０は、測定対象体９０
０からの散乱光および反応光を集光するレンズ７２３
と、レンズ７２３で集光された励起光を入力して導波
する光ファイバ７２２と、光ファイバ７２２から出力
された光を波長選択器２００に集光するレンズ７２１
と、から構成される。

【００７５】図１４の装置は、以下のようにして反応光
の減衰特性を測定する。

【００７６】まず、演算処理部６１１が、波長選択器２
００へ励起光の波長である波長＝λ₁の光の選択出力を
指示する。この状態で、受光部３００を動作させ受光部
３００の直流出力電圧値が「０Ｖ」となるようにバイア
ス調整回路３４０が出力するバイアス電圧値を調整す
る。

【００７７】次に、電圧制御発振器４１３へ発振周波数
の帯域選択を指示する。帯域選択指示を入力すると、電
圧制御発振器４１３は指示された帯域内のある角周波数
（ω）で発振し、送光部１００と受光部３００とに向け
て発振信号を出力する。送光部１００は、この発振信号
をＬＤドライバ１１０で受信し、ＬＤドライバ１１０が
適当な直流バイアスを付与した後ＬＤ１２０を駆動す
る。こうして駆動されたＬＤ１２０は、変調角周波数ω
で強度変調された励起光を発生する。

【００７８】ＬＤ１２０から出力されたレーザ光は光学
系７１０を介して測定対象体９００に励起光として照射
される。励起光が照射された測定対象体９００では、励
起光の一部は散乱されるとともに、蛍光が発生する。励
起光の散乱成分と螢光との一部は光学系７２０を介して
波長選択器２００に導かれる。波長選択器２００は、処
理部６１０からの波長選択指示に従って、励起光の散乱
成分（以後、散乱光と呼ぶ）を螢光から分離して受光部
３００へ向けて出力する。

【００７９】受光部３００に入力した散乱光は光導電型
受光器３１０で受光される。一方、光導電型受光器３１
０の電圧印加端子間には電圧制御発振器４１３の出力信
号が印加されている。したがって、光導電型受光器３１
０には（３）式で表される電流信号が発生する。光導電
型受光器３１０で発生した電流信号は、電流電圧変換回
路３２０、ローパスフィルタ３３０を順次経由して、
（５）式で表される直流電圧信号Ｖ_DCを出力する。受光
部３００が出力した誤差電圧信号Ｖ_DCは、ループフィル
タ４０１に導かれて必要な帯域に制限された後、直流増
幅器４０２により増幅されて電圧制御発振器４１３に制
御電圧として供給される。電圧制御発振器４１３は、こ
の制御電圧値に応じて発振周波数を決定する。すなわ
ち、ロックされる周波数（ｆ１）よりも低い周波数で発
振している場合には発振周波数が高くなるように制御す
る。逆に、ロック周波数（ｆ１）よりも高い周波数で発
振している場合には発振周波数が低くなるように制御す
る。誤差増幅器４０２の利得Ｇは充分大きく設定される
ので、（７）式から、光導電型受光器３１０に入射時の
散乱光（Ｉ_SC（ωｔ＋φ₁））の位相と光導電型受光器
３１０に印加された変調電圧（Ｖ_M2（ｔ））の位相との
位相差（φ₁）は略π／２（＋ｎπ；ｎ＝整数）とな
る。

【００８０】ロック条件が成立するロック周波数ｆ１
は、一般に、１／ｆ１＝（４／（４ｎ−１））・（Ｔｄ＋Ｌ／ｃ） …（１３）で表される。図１５に（１３）式のｎ＝１，２の場合に
ロック条件が成立する具体的な変調励起光の送光と散乱
光の受光とのタイミングを示す。

【００８１】また、誤差増幅器４０２の極性を上記の場
合と比べて反転した場合には、ロック条件が成立するロ
ック周波数ｆ１は、一般に、１／ｆ１＝（４／（４ｎ−３））・（Ｔｄ＋Ｌ／ｃ） …（１４）で表される。図１６に、（１４）式のｎ＝１，２の場合
にロック条件が成立する具体的な変調励起光の送光と散
乱光の受光とのタイミングを示す。

【００８２】（１３）式および（１４）式から判るよう
に、ロック条件の成立だけでは位相差（φ₁）を一意に
決定できない。このため、演算処理部６１１は、あらか
じめ電圧制御発振器４１３の発振周波数の範囲を特定す
る。（１３）式や（１４）式のＴｄは通常は既知であ
り、また、Ｌのおおよその値が知れている場合には、演
算処理部６１１は任意のｎに応じた測定を指定すること
ができる。

【００８３】ロック条件が成立した時点で、演算処理部
６１１は、電圧制御発振器４１３の出力信号の発振周波
数ｆ１をモニタ計測している周波数カウンタ５００から
発振周波数ｆ１の値を読み取り、格納する。

【００８４】次いで、演算処理部６１１が、波長選択器
２００へ反応光（蛍光）の波長である波長＝λ₂の光の
選択出力を指示する。この状態で、上記の散乱光の場合
と同様に、受光部３００を動作させ受光部３００の直流
出力電圧値が「０Ｖ」となるようにバイアス調整回路３
４０が出力するバイアス電圧値を調整する。

【００８５】引き続き、電圧制御発振器４１３へ発振周
波数の帯域選択を指示し、上記の散乱光の場合と同様
に、光導電型受光器３１０に入射時の反応光（Ｉ_RC（ω
ｔ＋φ ₁＋φ₂））の位相と光導電型受光器３１０に印
加された変調電圧（Ｖ_M2（ｔ））の位相との位相差（φ
₁＋φ₂）が略π／２となる発振周波数ｆ２を計測して
演算処理部６１１に格納する。こうして計測した位相差
（φ₁）と位相差（φ₁＋φ₂）とに基づいて、（１
１）式から反応光の減衰特性である寿命時間τを算出す
る。こうして測定した寿命時間を表示部６１２に表示す
る。

【００８６】本実施例の装置による測定精度は、例え
ば、１００ＭＨｚで変調された励起光を用いて、寿
命時間が約２ｎｓの反応光の場合、以下の通りとなる。
これらの条件の場合、位相差（φ₂）は５１．４８８１
°と見積もられる。

【００８７】従来の位相差法では、測定精度は位相読み
取りの分解能に依存し、この分解能は周期の１／１００
０（０．３６°）程度なので、寿命時間τの測定におよ
ぼす影響は、 Δτ＝（ｔａｎφ₂−ｔａｎ（φ₂−０．３６））／（２π×１００×１０⁶）＝２５．６ｐｓ …（１５）と見積もられる。

【００８８】一方、本実施例の装置によれば、（６）式
のｆ１＝１００ＭＨｚを仮定し、同様に寿命時間２ｎｓ
の螢光サンプルを考えると、（１０）式および（１１）
式から、ｔａｎ［（３／４）×２π×（１−ｆ２／（１００×１０⁶））］＝２π×ｆ２×τ …（１６）となり。したがって、ｆ２＝８２．９ＭＨｚが観測され
た場合に、寿命時間は２．０００１２ｎｓに特定される
（図１７参照）。周波数検出の手段として用いる周波数
カウンタは６桁の分解能を得ることは難しくなく、その
ときの周波数の分解能として１００Ｈｚを仮定して、８
２．８９９９（８２．９−０．０００１）ＭＨｚが観測
されたとすると、そのときの寿命時間は２．０００１４
ｎｓに特定される。したがって、寿命時間の分解能は
０．０２ｐｓが得られる。

【００８９】なお、本実施例の装置では、サブピコセカ
ンドの時間領域についても、測定対象となるため、電気
回路系あるいは送光部、受光部でのタイミングドリフト
（群遅延の変動）が測定値に対して無視しえない値とな
り得る。（８）式および（９）式はこれらのドリフト値
を含んだものであり、時間を置かずに励起光と螢光の測
定を行ない、位相遅れφ₂を求めることで、ドリフトの
影響を最小限に軽減できる。また、送光部１００および
受光部３００での群遅延時間が周波数に対して平坦でな
く、周波数ｆ１と周波数ｆ２の測定においてその値が測
定系の精度に関して無視しえないような場合、あらかじ
め周波数に対する送光部１００および受光部３００での
群遅延時間の値を演算処理部６１１内に格納しておき、
周波数ｆ１および周波数ｆ２の計測後に補間などによ
り、遅延時間の補正をすることで測定精度の向上を図る
ことができる。

【００９０】（第２実施例）図１８は、本発明の第２実
施例の減衰特性測定装置の構成図である。この装置は、
多項の指数関数で近似される螢光減衰特性を求めること
が可能である。図１８に示すように、本実施例の装置
は、第１実施例の装置に加えて、直流増幅器４０２の
出力信号を入力して電圧制御発振器４０３へ供給する制
御電圧を発生する制御電圧発生部４２０と、受光部３
００に替えて位相差出力に加えて振幅出力を出力する受
光部３７０と、第１実施例の装置の処理部６１０に替
えて、制御電圧発生部４２０に発生電圧指示を発行する
とともに、周波数カウンタ５００の計測値および波高検
出器５２０の計測値と読み込んで、反応光の減衰特性を
測定する処理部６２０と、を備える。

【００９１】制御電圧発生部４２０は、処理部６２０
から指示された出力電流の値の範囲内で、直流増幅器４
０２から出力された電圧値の値に応じた値の電流を出力
する乗算型ＤＡ変換器４２１と、処理部６２０から指
示された値の電流を出力するＤＡ変換器４２２と、乗
算型ＤＡ変換器４２１の出力電流とＤＡ変換器４２２の
出力電流とを加算後、加算電流値に応じた電圧値に変換
して電流制御発振器４０３へ向けて出力する加算変換回
路４２３と、を備える。

【００９２】ここで、乗算型ＤＡ変換器４２１は、直流
増幅器４０２からの入力電圧を処理部６２０からのディ
ジタル的なスパン設定入力により割算して出力する機能
を持つ。例えば、スパン設定の取りうる最大値が２５５
（８ｂｉｔ）のとき、設定値「５１」が与えられ、直流
増幅器４０２の出力電圧が５Ｖのとき、乗算型ＤＡ変換
器４２１からは１Ｖ（５Ｖ×５１／２５５）に相当する
電流値が出力されることになる。直流増幅器４０２の出
力範囲が０〜５Ｖ、電圧制御発振器４０３の制御電圧範
囲０〜５Ｖに対して発振周波数が１００〜６００ＭＨｚ
のように直線的に対応するとき、スパン設定に「５１」
を設定することは、最大周波数偏移５００ＭＨｚの１／
５（例えば１００〜２００ＭＨｚ間の１００ＭＨｚ）に
周波数範囲が制限されることになる。ＤＡ変換器４２２
へのシフト設定は、加算変換回路４２３の演算増幅器Ａ
３に対するシフト量を設定し、周波数の使用域を決定す
るために用いる。上記のようにスパン設定で周波数可変
範囲を１００ＭＨｚとしたとき、１００〜６００ＭＨｚ
の範囲のどこを用いるかを決定する。

【００９３】図１９は、受光部３７０の構成図である。
図１９に示すように、受光部３７０は、図２に示した受
光部３００に加えて、交流電圧出力を入力して変調信
号の周波数の略２倍の周波数の信号を選択して出力する
バンドパスフィルタ３７１と、バンドパスフィルタ３
７１から出力された信号の振幅値を計測し振幅信号を出
力する波高検出器３７２を備える。

【００９４】図２０は、本実施例で採用可能な図１９と
は異なる別の受光部の構成図である。図２０に示した受
光部は、図２に示した受光部３００に加えて、フェー
ズロックループの形成にあたってＰＬＬの特性には影響
を与えないような、ループ帯域幅よりも高い周波数（こ
こではｆ_PM、ただし、ｆ_PM《電圧入力Ｖ_Iの周波数
ｆ_M）の信号を発生する発振器３７３と、変調信号
（電圧入力Ｖ_I；周波数＝ｆ_M）と発振器３７３の出力
信号とを入力し、変調信号を位相変調する位相変調器３
７４と、交流電圧出力を入力して周波数が略ｆ_PMの信
号を選択して出力するバンドパスフィルタ３７５と、
バンドパスフィルタ３７５から出力された信号を整流・
平滑化する振幅検出器３７６と、を備える。

【００９５】光導電型受光器３１０で発生した電流信号
は、電流電圧変換回路３２０で電圧信号に変換される。
ＰＬＬが作動している状態では、誤差増幅器４０２の基
準電圧（Ｖｒ）を「０Ｖ」としたとき、電流電圧変換回
路３２０の平均的出力（直流分）は、誤差増幅器４０２
およびループフィルタ４０１の直流に対するゲインがほ
ぼ無限大のため、ゼロに保たれ、ループ帯域幅を越える
ｆ_PMで位相変調されたことによる、入射光量の変調成分
に比例した振幅の交流電圧が現れる。この交流電圧信号
は、位相変調周波数ｆ_PMと略同一の周波数の成分のみを
選択するバンドパスフィルタ３７５を通過し、振幅検出
器３７６により入射光の振幅変調成分に比例した直流電
圧に変換されて出力される。また、電流電圧変換回路３
２０から出力された交流電圧信号は、ローパスフィルタ
３３０に入力し、時定数Ｒ１・Ｃ４で決まるカットオフ
周波数の演算増幅器Ａ１による非反転増幅器により、位
相変調による成分を取り除いて直流化された後、位相差
出力として誤差増幅器４０２に供給される。

【００９６】演算処理部６２０はスパン設定によりロッ
クする周波数が一点になるような周波数範囲を電圧制御
発振器４０３に与え、シフト設定により周波数使用域を
少しずつ移動させて、ロック周波数を少しずつ変え、そ
の都度、励起光と螢光の強度、及び、励起光と螢光間の
位相差に依存する電圧制御発振器４０３の発振周波数を
記録する。このときのロック周波数は（１３）式あるい
は（１４）式に準じたものとなる。一連の各周波数につ
いて螢光強度と位相差が求まると、カーブフィッティン
グにより螢光減衰の各成分を決定する。

【００９７】（第３実施例）図２１は、本発明の減衰特
性測定装置の第３実施例の構成図である。この装置は、
光導電型受光器を用いた位相比較器により、ＰＬＬの帰
還ループを構成せず、直接的に位相差から減衰特性を測
定するものである。図２１に示すように、この装置は、
（ａ）外部からの指定に応じた周波数の変調信号を発生
する可変周波数発振器４３０と、（ｂ）可変周波数発振
器４３０からの変調信号を入力し、変調信号によって強
度変調が施された波長＝λ₁の励起光Ｉ_EX（ｔ）を測定
対象体９００に向けて出力する送光部１００と、（ｃ）
反応光と散乱光とを入力し、外部からの指示によりいず
れか一方の光を選択して出力する波長選択器２００と、
（ｄ）変調信号を入力するとともに波長選択器２００か
ら出力された光を受光し、受光した光の強度と変調信号
との積に応じた電流信号を生成後に受光した光と変調信
号との位相差を反映した位相差信号と、前述の電流信号
の交流成分の振幅を反映した振幅信号を出力する受光部
３８０と、（ｅ）可変周波数発振器４３０へ発振周波数
指示信号を出力し、波長選択器２００へ選択波長（λ₁
またはλ₂）を指示する波長選択指示信号を出力すると
ともに、波長＝λ₁を選択した場合に受光部３８０から
出力された信号から変調信号Ｖ_M2（ｔ）と散乱光Ｉ
_RF（ｔ＋φ₁）との位相差φ₁を求め、波長＝λ₂を選
択した場合に受光部３８０から出力された信号から変調
信号Ｖ_M2（ｔ）と反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）との位
相差（φ₁＋φ₂）を求め、更に２つの位相差からφ₂
から反応光の減衰特性を求める処理部６３０と、を備え
る。

【００９８】図２２は、本実施例の装置の受光部３８０
の構成図である。図２２に示すように、受光部３８０は
図２の受光部３００の構成に加えて、（ａ）電圧印加部
３６１に入力する信号を選択する信号選択部３８１と、
（ｂ）電流電圧変換部３２０の交流出力（ＡＣＯ）から
出力された信号を入力し、直流成分を除去して出力する
ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）３８２と、（ｃ）ハイパス
フィルタ３８２から出力された信号を入力し、波高値を
測定する波高値検出器３８３と、（ｄ）信号選択部３８
１への選択指示を行う制御部３８４と、（ｅ）ローパス
フィルタ３３０の出力信号と波高値検出器３８３の出力
信号とを入力し、制御部３８４の選択指示に従って、正
規化された位相差信号と位相差の区間を示す区間信号と
を出力する演算部３８５と、（ｆ）正規化された位相差
信号と区間信号とを入力して、位相差に変換して位相差
に対して一意的な位相差出力を行う変換部３８６と、を
備える。

【００９９】ここで、信号選択部３８１は、入力した
電気信号の位相をπ／２シフトする移相器３８７と、
入力した電気信号の波高値を測定する波高検知器３８８
と、制御部３８４の選択指示に従って、入力した電気
信号（選択１）、移相器３８７の出力信号（選択２）、
または波高検知器３８８の出力信号（選択３）のいずれ
か１つを選択して電圧印加部３６１に入力するスイッチ
３８９と、から構成される。

【０１００】制御部３８４がスイッチ３８９と演算部３
８５とに選択３の選択指示を通知する。この設定時、ハ
イパスフィルタ３８２の出力値は最大値となる。演算部
３８５は、このＶ値を入力して蓄積する。

【０１０１】次に、制御部３８４がスイッチ３８９と演
算部３８５とに選択１の選択指示を通知する。演算部３
８５は、Ｗ値を入力し、先のＶ値で除算して正規化され
た位相差信号Ｕを出力する。図２３は、入力信号がＤｕ
ｔｙ５０％の矩形波の場合の位相差φに対する位相差信
号Ｕの変化を示したグラフである。位相差信号Ｕは、光
導電型受光器３１０に入力する電圧信号の振幅値および
光信号の強度値に依存しないので、この位相差信号Ｕを
使用すれば、光導電型受光器３１０に入力する電圧信号
の振幅値および光信号の強度値に依存しない位相差検出
が可能である。

【０１０２】以上のように、位相差の不定性が０〜πあ
るいはπ〜２πの範囲であれば、位相差信号Ｕの値から
一意的に位相差を求めることができる。

【０１０３】しかし、位相差の不定性が０〜２πの範囲
の場合には、図２３からも明らかなように、１つの位相
差信号Ｕの値に対して２つの位相差の値が候補となり、
以上の測定だけでは一意的に決定できない。この場合に
は、上記の測定に引き続き、制御部３８４がスイッチ３
８９と演算部３８５とに選択２の選択指示を通知する。
この設定時、ローパスフィルタ３３０の出力値は、φを
（φ＋π／２）とした値となり、図２４に示すグラフの
通りとなる。このグラフからも明らかなように、位相差
が０〜πの範囲ではＷ値が正となり、位相差がπ〜２π
の範囲ではＷ値が負となる。演算部３８５はこのＷ値を
入力してＷ値の正負を区間信号として出力する。変換部
３８６は、この正負情報と上記の位相差信号Ｕとを入力
し、一意的な位相差の値に変換して図２５に示すような
位相差出力信号を出力する。なお、区間信号の生成およ
び変換部３８６の動作は、位相差の不定性が０〜πある
いはπ〜２πの範囲であっても適用可能である。

【０１０４】本実施例の装置では、第１実施例と同様に
バイアス調整回路３４０を調整後、処理部６３０が、可
変周波数発振器４３０の発振周波数をある値に固定し
て、受光波長の励起と螢光を交互に選択することによ
り、励起と螢光間の位相差と変調振幅データを得る。可
変周波数発振器４３０の周波数を変化させて、同じ処理
を行なうことで、周波数に対する螢光振幅と位相差デー
タを蓄積し、寿命時間を算出する。

【０１０５】（第４実施例）図２６は、本発明の減衰特
性測定装置の第３実施例の構成図である。この装置は、
フェーズロックするにあたっての制御対象を、第１実施
例における変調周波数を変化させる電圧制御発振器に替
えて、位相を変化させる可変移相器を用いた点が第１実
施例と異なる。本実施例では、可変移相器として印加電
圧に応じて入出力間の位相差が変化する可変位相器を採
用する。すなわち、本実施例の装置は、（ａ）外部から
の指定に応じた周波数の変調信号を発生する可変周波数
発振器４３０と、（ｂ）可変周波数発振器４３０からの
変調信号を入力し、変調信号によって強度変調が施され
た波長＝λ₁の励起光Ｉ_EX（ｔ）を測定対象体９００に
向けて出力する送光部１００と、（ｃ）反応光と散乱光
とを入力し、外部からの指示によりいずれか一方の光を
選択して出力する波長選択器２００と、（ｄ）変調信号
を入力するとともに波長選択器２００から出力された光
を受光し、受光した光の強度と変調信号との積に応じた
電流信号を生成後に受光した光と変調信号との位相差を
反映した位相差信号と、前述の電流信号の交流成分の振
幅を反映した振幅信号を出力する受光部３００と、
（ｅ）受光部３００から出力された略直流電圧信号の電
圧値に応じた入出力間の位相差の変調信号を出力する位
相調整部４４０と、（ｆ）可変周波数発振器４３０へ発
振周波数指示信号を出力し、波長選択器２００へ選択波
長（λ₁またはλ₂）を指示する波長選択指示信号を出
力するとともに、波長＝λ₁を選択した場合に位相調整
部４４０が出力する位相差制御信号から変調信号Ｖ
_M（ｔ）と散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）との位相差φ₁を求
め、波長＝λ₂を選択した場合に位相調整部４４０が出
力する位相差制御信号から変調信号Ｖ_M（ｔ）と反応光
Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）との位相差（φ₁＋φ₂）を求
め、更に２つの位相差からφ₂から反応光の減衰特性を
求める処理部６４０と、を備える。

【０１０６】ここで、位相調整部４４０は、受光部３
００の直流電圧出力信号を入力し、基準電圧（Ｖｒ）と
の差を増幅出力する誤差増幅器４０２と、誤差増幅器
４０２から出力された信号を入力し、略直流成分のみを
通過させるループフィルタ４０１と、ループフィルタ
４０１から出力された直流電圧信号の電圧値に応じた移
相量を入出力間の変調信号を出力する可変移相器４４３
と、を備える。

【０１０７】また、処理部６４０は、可変周波数発振
器４３０へ発振周波数指示信号を出力し、波長選択器２
００へ波長選択指示信号を発行するとともに、可変移相
器４４３の入力電圧信号の電圧値を読み取って、強度変
調された散乱光および反応光と変調信号との位相差を求
めた後、反応光の減衰特性を算出する演算処理部６４１
と、演算処理部６４１の指示により、演算処理部６４
１の演算結果を表示する表示部６１２と、を備える。

【０１０８】まず、第１実施例と同様に、処理部６４０
の演算処理部６４１が、波長選択器２００へ励起光の波
長である波長＝λ₁の光の選択出力を指示する。この状
態で、受光部３００を動作させ受光部３００の直流出力
電圧値が「０Ｖ」となるようにバイアス調整回路３４０
が出力するバイアス電圧値を調整する。

【０１０９】次に、演算処理部６４１が可変周波数発振
器４３０へ発振周波数を指示する。発振周波数指示を入
力すると、可変周波数発振器５３７は指示された周波数
で発振し、送光部１００と受光部３００とに向けて発振
信号を変調信号として出力する。送光部１００は、変調
信号に応じて強度変調された励起光を発生する。

【０１１０】送光部１００から出力されたレーザ光は測
定対象体９００に励起光として照射される。励起光が照
射された測定対象体９００では、励起光の一部は散乱さ
れるとともに、蛍光が発生する。励起光の散乱成分と螢
光との一部は波長選択器２００に導かれる。波長選択器
２００は、処理部６４１からの波長選択指示に従って、
励起光の散乱成分（以後、散乱光と呼ぶ）を螢光から分
離して受光部３００へ向けて出力する。

【０１１１】受光部３００に入力した散乱光は光導電型
受光器３１０で受光される。一方、受光部３００の光導
電型受光器３１０にはコンデンサを介して交流電圧が印
加され、印加電圧成分が直接出力することのないようイ
ンダクター結合により、電流電圧変換回路３２０に位相
差依存した電流が入力される。光導電型受光器３１０の
変換利得が印加電圧により変調されているので、同一周
波数で強度変調された入射光との位相差に依存した出力
電流が得られ、ローパスフィルタ３３０の時定数で積分
されて位相差に依存した直流電圧に変換されて出力され
る。第１実施例と同様に受光部３００は、印加電圧と入
射光間の位相差がπ／２（＋ｎπ）のとき受光部３００
の直流電圧出力は「０Ｖ」となり、また位相の遅れ、進
みにより極性の反転した直流電圧出力が得られる。位相
比較器である受光部３００の出力は、系の最適応答が得
られるように設定された誤差増幅器４０２とループフィ
ルタ４０１とにより増幅されて、可変移相器４４３の制
御電圧入力に供給される。したがって、光導電型受光器
３１０には（３）式で表される電流信号が発生する。光
導電型受光器３１０で発生した電流信号は、電流電圧変
換回路３２０、ローパスフィルタ３３０を順次経由し
て、（５）式で表される直流電圧信号Ｖ_DCを出力する。
受光部３００が出力した直流電圧信号Ｖ_DCは、誤差増幅
器４０２により増幅され、ループフィルタ４０１に導か
れて必要な帯域に制限された後、可変移相器４４３に制
御電圧として供給される。可変移相器４４３は、この制
御電圧値に応じて移相量を決定する。すなわち、ロック
される位相差よりも小さな移相量の場合には移相量が大
きくなるように制御する。逆に、ロックされる位相差よ
りも大きい移相量の場合には移相量が小さくなるように
制御する。誤差増幅器４０２の利得Ｇが充分大きく設定
され、かつ、基準電圧値（Ｖｒ）が「０Ｖ」のとき、
（７）式から、光導電型受光器３１０に入射時の散乱光
（Ｉ_SC（ωｔ＋φ₁））の位相と光導電型受光器３１０
に印加された変調電圧（Ｖ_M2（ｔ））の位相との位相差
（φ₁）は略π／２（＋ｎπ；ｎ＝整数）となる。

【０１１２】ロック条件が成立した時点で、演算処理部
６４１は、可変移相器４４３の入力信号の電圧値を読み
取り、格納する。

【０１１３】次いで、処理部６４０の演算処理部６４１
が、波長選択器２００へ反応光（蛍光）の波長である波
長＝λ₂の光の選択出力を指示する。この状態で、上記
の散乱光の場合と同様に、受光部３００を動作させ受光
部３００の直流出力電圧値が「０Ｖ」となるようにバイ
アス調整回路３４０が出力するバイアス電圧値を調整す
る。

【０１１４】引き続き、上記の散乱光の場合と同様に、
光導電型受光器３１０に入射時の反応光（Ｉ_RC（ωｔ＋
φ₁＋φ₂））の位相と光導電型受光器３１０に印加さ
れた変調電圧（Ｖ_M2（ｔ））の位相との位相差（φ₁＋
φ₂）が略π／２となる位相量を計測して演算処理部６
４１に格納する。こうして計測した位相差（φ₁）と位
相差（φ₁＋φ₂）とに基づいて、（１１）式から反応
光の減衰特性である寿命時間τを算出する。こうして測
定した寿命時間を表示部６１２に表示する。

【０１１５】尚、可変移相器４４３の制御電圧に対する
移相量はあらかじめ知られている必要がある。処理部６
４１はこれら一連の測定を可変周波数発振器４３０の発
振周波数を変えて繰り返すことでサンプルの周波数−位
相特性を得ることができる。また、図１９、２０で示し
たタイプの受光部を用いることで、周波数−振幅特性を
同時に得ることもできる。

【０１１６】（第５実施例）図２７は、本発明の減衰特
性測定装置の第５実施例の構成図である。上記の各実施
例では、散乱光と反応光とを波長選択部で切換えて測定
を行う一連の手順内で、測定対象体までの距離Ｌ１、Ｌ
２が、変動してしまうようような場合、正確な減衰特性
を求めることができなくなる。本実施例の装置はこの問
題点を解消するのに好適な装置である。すなわち、この
装置は、散乱光に関するフェーズロックループと反応光
に関するフェーズロックループを同時に形成し、同時に
変調信号との位相差を計測することにより、測定対象体
までの距離Ｌ１、Ｌ２を無視できることとしたものであ
る。図２７に示すように、この装置は、（ａ）散乱光に
関するフェーズロックループを形成するロック系８５１
と、（ｂ）反応光に関するフェーズロックループを形成
するロック系８５２と、（ｃ）ロック系８５１における
変調信号の周波数をモニタリング計測する周波数カウン
タ５５１と、（ｄ）ロック系８５２における変調信号の
周波数をモニタリング計測する周波数カウンタ５５２
と、（ｅ）ロック系８５１がフェーズロックループを形
成した時点の周波数カウンタ５５１の計測値を読み込む
とともに、ロック系８５２がフェーズロックループを形
成した時点の周波数カウンタ５５２の計測値を読み込
み、これらの読み込んだ計測値に基づいて反応光の減衰
特性を求める処理部６５０と、（ｆ）ロック系８５１が
出力した励起光の一部とロック系８５２が出力した励起
光の一部とを合波して測定対象物９００に向けて出力す
る合波ミラー７５１と、（ｇ）測定対象物９００からの
散乱光と反応光とを入力して、夫々散乱光成分と反応光
成分とを含む２つの光に分岐する分岐ミラー７５２と、
を備える。

【０１１７】ロック系８５１は、波長選択器２００に替
えて波長＝λ₁の光を選択的に透過する波長選択器２５
１を使用する点のみが第１実施例のロック系８００と相
違し、また、ロック系８５２は、波長選択器２００に替
えて波長＝λ₂の光を選択的に透過する波長選択器２５
２を使用する点のみが第１実施例のロック系８００と相
違する。

【０１１８】本実施例の装置は、以下のようにして反応
光の減衰特性を測定する。

【０１１９】まず、夫々のロック系８５１、８５２の受
光部３００₁、３００₂のバイアス調整回路を調整し
て、受光部３００₁の直流出力の出力電圧値および受光
部３００₂の直流出力の出力電圧値を略「０Ｖ」に設定
する。引き続き、夫々のロック系から励起光を出力す
る。

【０１２０】励起光を生じさせる送光部１００₁および
送光部１００₂は夫々別の電圧制御発振器４０３₁およ
び電圧制御発振器４０３₂により駆動されてそれぞれの
周波数に等しい強度変調された励起光を発生する。送光
部１００₁から出力された光および送光部１００₂から
出力された光は、合波ミラー７５１を介して同一の光路
上に整列されて測定対象体９００に照射される。測定対
象体９００で生じる励起光の散乱成分と減衰特性に関わ
る反応光成分の特定の光路上に整列させられた成分は、
分岐ミラー７５２によって励起波長λ₁のみ選択する波
長選択器２５１と励起波長λ₂のみ選択する波長選択器
２５２とへ分割されて導かれる。波長選択器２５１を介
した光は受光部３００₁へ、波長選択器２５２を介した
光は受光部３００₂へ入力する。以後、夫々のロック系
は、第１実施例と同様に、フェーズロックループを形成
する。すなわち、散乱光に関するフェーズロック動作と
反応光に関するフェーズロック動作とは、独立して、且
つ同時に夫々のロック系で実行される。

【０１２１】双方のロック系でフェーズロックループが
形成された後、処理部６５０は周波数カウンタ５５１の
周波数計測値と周波数カウンタ５５２の周波数計測値と
を読み取る。以後、第１実施例と同様にして反応光の減
衰特性を算出して表示する。

【０１２２】本実施例の装置によれば、第１実施例の装
置と比較して、波長切換えに費やされる多くの時間をゼ
ロにでき、ＰＬＬ応答周波数ならびにデータ処理時間の
みに制限される高速測定が可能になる。

【０１２３】（第６実施例）測定において最大の分解能
を達成するためには、装置全体として最大感度が得られ
る条件に容易に設定できることが好ましい。ところで、
位相差検出の感度を最大とするには、励起光に対して得
られる散乱光あるいは反応光の位相遅れが３０°〜６０
°の範囲に入っていることが望ましい。この目的には、
このような位相差となるように自動的に系の発振周波数
を固定する、オフセット位相ロックループ（例えば、特
開昭６３−３０８５９６に開示の技術）を用いることが
適している。

【０１２４】図２８は、本発明の減衰特性測定装置の第
６実施例の構成図であり、この装置はオフセット位相ロ
ックループを形成することを特徴とする。図２８に示す
ように、この装置は、（ａ）外部から変調信号Ｖ
_M（ｔ）を入力し、変調信号Ｖ_M（ｔ）によって強度変
調が施された波長＝λ₁の励起光Ｉ_EX（ｔ）を測定対象
体９００に向けて出力する送光部１００と、（ｂ）送光
部１００から出力された励起光Ｉ_EX（ｔ）が測定対象体
９００に照射された結果、測定対象体９００で生じた波
長＝λ₂の反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）と測定対象体
９００で励起光Ｉ_EX（ｔ）が散乱した散乱光Ｉ_RF（ｔ＋
φ₁）とを入力し、処理部６６０からの指示によりいず
れか一方の光を選択して出力する波長選択器２００と、
（ｃ）変調信号Ｖ_M（ｔ）を入力するとともに波長選択
器２００から出力された光を受光し、受光した光の強度
（Ｉ_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）またはＩ_RF（ｔ＋φ₁））と
変調信号Ｖ_M（ｔ）との積に応じた電流信号を生成後に
略直流成分のみの電圧信号を出力する受光部３００と、
（ｄ）受光部３００から出力された略直流電圧信号の電
圧値に応じた周波数を有し、処理部６６０から指示され
た位相差を有する２つの変調信号を出力する周波数調整
部４６０と、（ｅ）周波数調整部４６０が出力する変調
信号の周波数を計測する周波数カウンタ５００と、
（ｆ）波長選択器２００へ選択波長（λ₁またはλ₂）
を指示する波長選択指示信号を出力するとともに、波長
＝λ₁を選択した場合に、誤差増幅器４０２の基準電圧
値（Ｖｒ）入力を「０Ｖ」としたとき、受光部３００か
ら出力された直流電圧信号の電圧値が略「０Ｖ」となる
周波数カウンタ５００の計測値とを読み取り、読み取っ
た値から変調信号Ｖ_M（ｔ）と散乱光Ｉ_RF（ｔ＋φ₁）
との位相差φ₁を求め、波長＝λ₂を選択した場合に受
光部３００から出力された直流電圧信号の電圧値が略
「０Ｖ」となる周波数カウンタ５００の計測値とを読み
取り、読み取った値から変調信号Ｖ_M（ｔ）と反応光Ｉ
_RC（ｔ＋φ₁＋φ₂）との位相差（φ₁＋φ₂）を求
め、更に２つの位相差からφ₂から反応光の減衰特性を
求める処理部６６０と、を備える。

【０１２５】ここで、周波数調整部４６０は、受光部
３００の直流電圧出力信号を入力し、基準電圧値（Ｖ
ｒ）との差を増幅して出力する誤差増幅器４０２と、
誤差増幅器４０２の出力を入力し、略直流成分のみを通
過させるループフィルタ４０１と、ループフィルタ４
０１から出力された直流電圧信号の電圧値に応じた周波
数を有し、処理部６６０から指定された位相差を有する
２つの変調信号を出力する多重位相電圧制御発振器４６
３と、を備える。なお、Ｌ１、Ｌ２の光路、Ｌ３の電気
信号路により生じる群遅延時間の総和と、Ｌ４の電気信
号路で生じる群遅延時間とが等しく設定される。

【０１２６】また、処理部６６０は、波長選択器２０
０へ波長選択指示信号を発行するとともに、周波数カウ
ンタ５００の計測値とを読み取って、強度変調された散
乱光および反応光と変調信号との位相差を求めた後、反
応光の減衰特性を算出する演算処理部６６１と、演算
処理部６６１の指示により、演算処理部６１１の演算結
果を表示する表示部６１２と、を備える。多重位相電圧
制御発振器４６３は、電圧制御により周波数可変である
点は電圧制御発振器４０３と違いは無いが、周波数同一
で常に位相差が一定（φ２−φ１）の二つの出力を有し
ている。

【０１２７】本実施例の装置は、以下のようにして反応
光の減衰特性を出力する。なお、説明の簡単のため、送
光部１００、波長選択器２００、受光部３００における
電気信号路および光路での群遅延時間を無視することに
する。

【０１２８】本測定に先立って、バイアス調整回路３４
０を調整して、受光部３００の出力である電流電圧変換
回路３２０の出力する電圧信号の平均値を略「０Ｖ」に
設定するとともに、処理部６６０が多重位相電圧制御発
振器４６３の出力する２つの信号の位相差（φ２−φ
１）を１２０°〜１５０°範囲の一定値に設定する。引
き続き、送光部１００から励起光を出力して本測定を開
始する。以後、第１実施例と同様にして、本測定を実施
して反応光の減衰特性を測定する。

【０１２９】なお、この装置では、励起光の散乱成分に
より測定系の遅延時間校正を行なうことはできないの
で、特性のよく知れた測定対象体を時間校正に用いる必
要がある。

【０１３０】上記では、多重位相電圧制御発振器４６３
の出力する２つの信号の位相差（φ２−φ１）を１２０
°〜１５０°範囲としたが、多重位相電圧制御発振器４
６３の出力する２つの信号の位相差（φ２−φ１）を３
０°〜６０°範囲として、φ２側の出力を９０°移相器
を介して受光部３００に供給することも可能である。

【０１３１】（第７実施例）図２９は、本発明の減衰特
性測定装置の第７実施例の構成図である。上記の各実施
例では、励起光の変調周波数と光導電型受光器の変調周
波数とを同一としたが、本実施例では、光導電型受光器
の印加電圧周波数を励起光の強度変調周波数（すなわ
ち、光導電型受光器に入射する散乱光あるいは反応光の
強度変調周波数）とを異なる値とし、受光部を周波数変
換器として作動させ、ビートダウンした周波数により位
相差と振幅を測定する装置である。この装置では、受光
部で直接に入射光と受光器印加電圧間の位相を比較して
しまう方式とは異なり、受光部でいったん扱いやすい１
００ＫＨｚ以下の低周波数に変換してから、電気信号間
の位相差を検出することとなる。

【０１３２】図２９に示すように、本実施例の装置は、
（ａ）処理部６７０の指示に応じた周波数（ｆ０）の発
振信号を出力する可変周波数発振器４７１と、（ｂ）周
波数Δｆ（１００ｋＨｚ以下）の発振信号を出力する発
振器４７２と、（ｃ）可変周波数発振器４７１が出力し
た発振信号と発振器４７２が出力した発振信号とを入力
して周波数＝ｆ０＋Δｆの変調信号を出力する単側波帯
ミキサ４７３と、（ｄ）可変周波数発振器４７１からの
変調信号を入力し、変調信号によって強度変調が施され
た波長＝λ₁の励起光Ｉ_EX（ｔ）を測定対象体９００に
向けて出力する送光部１００と、（ｅ）反応光と散乱光
とを入力し、外部からの指示によりいずれか一方の光を
選択して出力する波長選択器２００と、（ｆ）単側波帯
ミキサ４７３が出力した変調信号を入力するとともに波
長選択器２００から出力された光を受光し、受光した光
の強度と変調信号との積に応じた電流信号を生成後に受
光した光の周波数と単側波帯ミキサ４７３が出力した変
調信号の周波数との差の周波数Δｆの信号を選択して出
力する受光部３９０と、（ｇ）受光部３９０から出力さ
れた信号の位相と発振器４７２の出力信号の位相との位
相差を検出する位相差検出器５７１と、（ｈ）受光部３
９０から出力された信号の振幅値を検出する振幅検出器
５７２と、（ｉ）可変周波数発振器４７１へ発振周波数
指示信号を出力し、波長選択器２００へ選択波長（λ₁
またはλ₂）を指示する波長選択指示信号を出力すると
ともに、位相差検出器５７１が検出した位相差と振幅検
出器５７２が検出した振幅値とを読み取って、波長＝λ
₁を選択した場合には変調信号Ｖ_M（ｔ）と散乱光Ｉ_RF
（ｔ＋φ₁）との位相差φ₁を求め、波長＝λ₂を選択
した場合には変調信号Ｖ_M（ｔ）と反応光Ｉ_RC（ｔ＋φ
₁＋φ₂）との位相差（φ₁＋φ₂）を求め、更に２つ
の位相差からφ₂から反応光の減衰特性を求める処理部
６７０と、を備える。

【０１３３】図３０は、受光部３９０の構成図である。
図３０に示すように、受光部３９０は、光信号
（Ｉ_I）と電圧信号（Ｖ_I）とを入力して、光信号と電
圧信号との積を演算することにより受光した光と変調信
号との位相差を反映した電流信号を出力する光導電型受
光器３１０と、電圧信号の交流分の電圧信号を光導電
型受光器３１０に印加するための接続コンデンサＣ１、
Ｃ２から成る電圧印加部３６１と、光導電型受光器３
１０に生じた電流の低周波成分を通すチョークコイルＬ
１、Ｌ２と、チョークコイルＬ１、光導電型受光器３
１０およびチョークコイルＬ２を流れる電流信号の交流
分を電圧に変換する電流−電圧変換回路３２０と、電
流−電圧変換回路３２０が出力する電圧信号の周波数が
略Δｆの成分を選択して出力するバンドパスフィルタ３
７１と、光導電型受光器３１０に印加する電圧のバイ
アス値を調整するバイアス調整回路３４０と、から構成
される。すなわち、受光部３９０は、図２に示した受光
部３００で、ローパスフィルタ３３０をバンドパスフィ
ルタ３７１に交換したものである。

【０１３４】本実施例の装置は、以下のようにして反応
光の減衰特性を測定する。

【０１３５】本測定に先立って、バイアス調整回路３４
０を調整して、受光部３９０の出力である電流電圧変換
回路３２０の出力する電圧信号の平均値を略「０Ｖ」に
設定する。引き続き、夫々のロック系から励起光を出力
する。

【０１３６】単側波帯ミキサ４７３は、１００ＫＨｚ以
内の固定の低周波数（Δｆ）を発生する発振器４７２の
発生信号と処理部６７０により発生周波数（ｆ０）が指
定される可変周波数発振器４７１の発生信号とが入力さ
れ、周波数＝ｆ０＋Δｆの出力信号を受光部３９０の光
導電型受光器３１０に供給する。可変周波数発振器４７
１の発生信号は単側波帯ミキサ４７３に供給されると同
時に送光部１００にも供給される。送光部１００は可変
周波数発振器４７１から供給される信号に応じた強度変
調された励起光を測定対象体９００に照射する。測定対
象体９００からの励起光散乱成分と反応光（螢光）成分
は、処理部６７０から、その透過波長を指示された波長
選択器２００に入力され、指示に従ってどちらか一方が
受光部３９０に導かれる。

【０１３７】光導電型受光器３１０の変換利得は印加さ
れた電圧に依存し、周波数＝ｆ０＋Δｆで変調されてい
る。したがって、光導電型受光器では、印加電圧の周波
数（ｆ０＋Δｆ）と入射光の強度変調周波数（ｆ０）と
の周波数混合が行われ、周波数＝２ｆ０＋Δｆの信号成
分と周波数＝Δｆの信号成分とが光導電型受光器３１０
を流れる電流信号として発生し、光導電型受光器３１０
に接続された電流電圧変換回路３２０から電圧信号とし
て出力される。電流電圧変換回路３２０から出力された
信号は、バンドパスフィルタ３７１によって、ビートダ
ウンされた信号成分（周波数＝Δｆ）を選択されて出力
される。このビートダウンされた信号は、送光部１００
の変調信号と散乱光あるいは反応光との位相差情報と散
乱光あるいは反応光の強度変調振幅に比例した振幅を保
存している。

【０１３８】ビートダウンされた信号は、位相差検出器
５７１と振幅検出器５７２とに入力する。位相差検出器
５７１は、同時に発振器４７２の出力信号を入力し、発
振器４７２の出力信号とビートダウンされた信号との位
相差を検出して処理部６７０へ通知する。この位相差
は、送光部１００の変調信号と散乱光あるいは反応光と
の位相差を反映している。また、振幅検出器５７２は、
ビートダウンされた信号の振幅値を検出して処理部６７
０へ通知する。

【０１３９】本測定にあたって、まず、処理部６７０
は、可変周波数発振器４７１に発振周波数ｆ０を指示す
るとともに、波長選択器２００に波長＝λ１の選択を指
示する。この状態で、光路長Ｌ１＋Ｌ２、送光部１００
および受光部３９０での群遅延時間の総和により生じる
位相差φ１を測定する。同時に受光される強度変調振幅
成分Ａｌ測定する。処理部６７０はこれらの測定結果を
内部に記録する。

【０１４０】次に、処理部６７０は、可変周波数発振器
４７１の設定は変更せずに、波長選択器に波長＝λ₂の
選択を指示する。この状態で、光路長Ｌ１＋Ｌ２、送光
部１００および受光部３９０での群遅延時間の総和によ
り生じる位相差φ１＋φ２を測定する。同時に受光され
る強度変調振幅成分Ａ２測定する。処理部６７０はこれ
らの測定結果を内部に記録する。引き続き、処理部６７
０は、以上の記録結果から位相差（φ２−φ１）および
相対強度（Ａ２／Ａ１）を得る。

【０１４１】ついで、処理部６７０は、可変周波数発振
器４７１の発振周波数指示を順次変更して上記と同様の
測定を繰り返し行なう。こうして、各周波数での位相差
および相対強度が求まり測定対象体９００の減衰特性を
測定する。

【０１４２】（第８実施例）図３１は、本発明の減衰特
性測定装置の第８実施例の構成図である。この装置は、
細胞を区別するようなシステム（例えば、「R.R.Alfano
et al., SPIE Vol.1599 Resent Advances in the
Uses of Light in Physics,Chemistry,Engineeri
ng,and Medicine,pp.284-289(1991) 」に開示のシステ
ム）に本発明を応用したものである。

【０１４３】図３１に示すように、この装置は、（ａ）
散乱光に関するフェーズロックループを形成するロック
系８８１と、（ｂ）反応光に関するフェーズロックルー
プを形成するロック系８８２と、（ｃ）ロック系８８１
における変調信号の周波数をモニタリング計測する周波
数カウンタ５５１と、（ｄ）ロック系８８２における変
調信号の周波数をモニタリング計測する周波数カウンタ
５５２と、（ｅ）ロック系８８１がフェーズロックルー
プを形成した時点の周波数カウンタ５５１の計測値を読
み込むとともに、ロック系８８２がフェーズロックルー
プを形成した時点の周波数カウンタ５５２の計測値を読
み込み、これらの読み込んだ計測値に基づいて反応光の
減衰特性を求める処理部６８０と、（ｆ）ロック系８８
１が出力した励起光の一部とロック系８８２が出力した
励起光の一部とを合波して測定対象物９００に向けて出
力する合波ミラー７５１と、（ｇ）合波ミラー７５１で
整列された励起光を測定対象体９００に導くとともに、
測定対象体９００からの散乱光および反応光を導くライ
トガイド７８０と、（ｈ）ライトガイド７８０から出力
された光を入力して、夫々散乱光成分と反応光成分とを
含む２つの光に分岐する分岐ミラー７５２と、を備え
る。

【０１４４】ロック系８８１は、第１実施例の送光部
１００に替えて、送光部１００から出力された光の２倍
高調波を発生するＳＨＧ素子１８６を加えて送光部１８
１を構成する点、波長選択器２００に替えて波長＝λ
₁の光を選択的に透過する波長選択器２５１を使用する
点が第１実施例のロック系８００と相違し、また、ロッ
ク系８８２は、第１実施例の送光部１００に替えて、
送光部１００から出力された光の２倍高調波を発生する
ＳＨＧ素子１８７を加えて送光部１８２を構成する点、
波長選択器２００に替えて波長＝λ₂の光を選択的に
透過する波長選択器２５２を使用する点が第１実施例の
ロック系８００と相違する。

【０１４５】本実施例の装置は、第５実施例と同様に動
作する。すなわち、送光部１８１、１８２と受光部３０
０₁、３００₂との間の位相差を一定（π／２）に保つ
ように電圧制御発振器４０３₁、４０３₂の発振周波数
が制御され、その周波数から、測定対象体９００の蛍光
減衰時間を特定し、ガン細胞と正常細胞の区別をする。

【０１４６】以下、本実施例の装置の動作を具体的に説
明する。

【０１４７】ファイバースコープ等に組み込まれたライ
トガイド７８０の先端から細胞にむけて励起光（波長＝
３１５ｎｍ）が測定対象体９００に照射され、励起光の
測定対象体９００の表面からの散乱成分と螢光（波長＝
３３０ｎｍ〜４４０ｎｍ）が同じくライトガイド７８０
を通った後、波長選択器２５１、２５２を介して受光部
３００₁、３００₂に導かれる。ここで、ライドガイド
７８０の先端から測定対象体９００までの距離Ｌ３は頻
雑に変動することが考えられるので、二組のロック系８
８１、８８２を用意して、測定周期の高速化を図ってい
る。測定に用いる励起光は、波長＝６３０ｎｍの光を発
生するレーザダイオードの出力光を第二高調波を発生す
るＳＨＧ結晶１８６、１８７を介することにより得る。
ライトガイド７８０におけるＬ１およびＬ２を１ｍ、屈
折率を１．５、ライトガイド７８０先端から測定対象体
９００までの距離Ｌ３を１０ｃｍ、この光路屈折率を
１．０とし、送光部１８１、１８２、受光部３００₁、
３００₂、波長選択器２５１、２５２、送受光部でのラ
イトガイド結合光学系の群遅延時間を無視すると、周波
数カウンタ５５１で得られる値ｆ１は、（４）式で示さ
れるように、ｆ１＝（（４／３）×（２×１．５＋０．２）／３×１０⁸）＝７０．３１２５ＭＨｚとなる。

【０１４８】R.R.Alfano等によれば、二つの減衰時定数
で細胞の螢光減衰特性が近似される。そして、ガン細胞
からの蛍光の内、遅い方の螢光減衰時定数は１．９１３
ｎｓ、であり、正常細胞からの蛍光の内、遅い方の螢光
減衰時定数は１．１２ｎｓに平均値が分類される。記述
がされていないが、ガン細胞と正常細胞で共通のほぼ同
程度の早い減衰時定数を持つとされている。本実施例の
装置では、二つの時定数を分離して測定することはでき
ないが、正常細胞とガン細胞の時定数が異なることによ
る励起光と螢光の位相差の変化により、周波数カウンタ
５５２で得られる値が変化し、正常細胞とガン細胞の区
別をすることができる。

【０１４９】ここで、距離Ｌ３がサンプルの運動あるい
はファイバースコープの移動により変動すると、たとえ
測定対象体が同一でも周波数カウンタ５５２の指示値が
変動することになるが、同時に取得しているｆ１によ
り、式（１７）で示した方式でサンプルの位相差のみを
抜き出すことができる。簡単のため早い時定数を無視す
ると、式（１７）、（１０）、（１１）より導出され
る、ｔａｎ［（３／４）×２π×（１−（ｆ２／（７０．３
１２５×１０⁶））］＝２π×ｆ２×τ によりｆ２が特定される。これにより、τに細胞の時定
数をあてはめて計算すると、正常細胞で得られる周波数
ｆ２は６４ＭＨｚ、ガン細胞から得られる周波数ｆ２は
６０．９ＭＨｚとなり、本実施例の装置の分解能から鑑
みて、充分に正常細胞とガン細胞とを識別することがで
きる。

【０１５０】

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明の減
衰特性測定装置によれば、高速動作が可能であり且つ入
射光量依存性の小さい特性を持つ光導電型受光器を用い
て高速演算を実行し、後段の電気回路では比較的低速の
信号を処理するので、減衰特性測定の分解能を大幅に向
上させることができる。

【０１５１】すなわち、本発明は、電子ミキサを使用し
た場合に見られるような入力振幅の変動により出力の位
相が変動することが無く、高速応答の光導電型受光器を
受光器に用いることにより、扱う周波数領域を大幅に拡
大することができ、測定対象の選択の自由度を向上でき
る。

【０１５２】また、高感度化と強力外乱信号に対する飽
和を考慮した場合であっても、ダイナミックレンジの大
きな低ノイズ増幅器を必須とせず、外乱光信号が初段増
幅器に入力されることがないので、それによる初段増幅
器の飽和を特別に考慮する必要が無くなる。したがって
信号成分に対するＳ／Ｎとダイナミックレンジのゆるす
かぎり初段増幅器のゲインを大きく設定することがで
き、設計の自由度が大きく、容易に高感度な測定系を構
成することができる。

【０１５３】また、従来の方式とは異なり、信号光に比
較して強力な背景光に信号成分以外の変調成分が多く含
まれるような場合であっても、初段増幅器に信号以外の
変調成分が入力されることは無いので、それに対する特
別な配慮を必要としない。

【０１５４】また、通常の電気信号間で位相比較する方
式では、変調周波数まで帯域を有する増幅器を必要とす
るが、本発明のように、受光器で直接、入射光と電気信
号間の位相比較を行ってしまう方式ではこの限りでな
く、ＰＬＬのループフィルタとして用いられる低周波領
域の増幅器で事足りるものとなり簡単な回路構成とする
ことができる。

【０１５５】また、位相差情報を周波数に置き換えて読
みだす方式により、分解能は周波数カウンターの精度で
制限されることとなり、高分解能での測定が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の減衰特性測定装置の概要
構成図である。

【図２】第１実施例の受光部の構成図である。

【図３】第１実施例で採用可能な光導電型受光器の特性
を示すグラフである。

【図４】第１実施例の受光部の動作説明図である。

【図５】第１実施例の光導電型受光器に供給する変調信
号の説明図である。

【図６】受光部の変形例の構成図である。

【図７】受光部の変形例の構成図である。

【図８】受光部の変形例の構成図である。

【図９】受光部の変形例の構成図である。

【図１０】受光部の変形例の構成図である。

【図１１】受光部の変形例の構成図である。

【図１２】受光部の変形例の構成図である。

【図１３】ループフィルタの構成図である。

【図１４】第１実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図１５】第１実施例の減衰特性測定装置のロック条件
の説明図である。

【図１６】第１実施例の減衰特性測定装置のロック条件
の説明図である。

【図１７】ロック周波数と寿命時間との関係を示すグラ
フである。

【図１８】第２実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図１９】第２実施例の受光部の構成図である。

【図２０】第２実施例の受光部の構成図である。

【図２１】第３実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図２２】第３実施例の受光部の構成図である。

【図２３】第３実施例の動作説明図である。

【図２４】第３実施例の動作説明図である。

【図２５】第３実施例の動作説明図である。

【図２６】第４実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図２７】第５実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図２８】第６実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図２９】第７実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【図３０】第７実施例の受光部の構成図である。

【図３１】第８実施例の減衰特性測定装置の構成図であ
る。

【符号の説明】

１００，１８１，１８２…送光部、２００，２５１，２
５２…波長選択器、３００，３７０…受光部、３１０，
３１５，３１６…光導電型受光器、４００，４１０，４
２０，４６０…周波数調整部、５００，５１０，５２０
…周波数カウンタ、６００，６１０，６２０，６３０，
６４０，６５０，６６０，６７０，６８０…処理部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の周波数で変化する第１の電気信号
によって強度変調が施され、第１の周波数で周期的に強
度が変化する第１の波長を有する第１の光を測定対象体
に照射する送光部と、前記測定対象体での前記第１の光の散乱光である第２の
光と、前記送光部から出力された前記第１の光が前記測
定対象体に照射された結果、前記測定対象体で生じた第
２の波長を有する第３の光とを入力し、外部からの指示
によりいずれか一方の光を選択して出力する波長選択器
と、光電変換利得を制御するとともに第２の周波数を有する
第２の電気信号を入力し、前記波長選択器から出力され
た光を受光して受光光量および設定された光電変換利得
に応じた電気信号であって、前記第１の周波数と前記第
２の周波数との差の絶対値である第３の周波数を有する
成分を含む第３の電気信号を発生する光検出器を備え、
前記第３の電気信号から前記第３の周波数の成分を反映
した第４の信号を出力する受光部と、前記送光部へ前記第１の電気信号を出力し、前記受光部
へ前記第２の電気信号を出力し、前記可変波長選択器へ
選択波長を指示する波長選択指示信号を出力するととも
に、第１の波長を選択した場合に前記受光部から出力さ
れた第４の信号の第１の計測結果と第２の波長を選択し
た場合に前記受光部から出力された第４の信号の第２の
計測結果とから前記受光部に入力する前記第２の光の強
度変化の位相と前記受光部に入力する前記第３の光の強
度変化の位相との位相差に基づいて前記第３の光の減衰
特性を求める測定処理部と、を備えることを特徴とする減衰特性測定装置。
【請求項２】第１の周波数で変化する第１の電気信号
によって強度変調が施され、第１の周波数で周期的に強
度が変化する第１の波長を有する第１の光を測定対象体
に照射する第１の送光部と、前記測定対象体での前記第１の光の散乱光である第２の
光を選択して出力する第１の波長選択器と、光電変換利得を制御するとともに第２の周波数を有する
第２の電気信号を入力し、前記波長選択器を透過した前
記第１の波長選択器から出力された光を受光して受光光
量および設定された光電変換利得に応じた電気信号であ
って、前記第１の周波数と前記第２の周波数との差の絶
対値である第３の周波数を有する成分を含む第３の電気
信号を発生する第１の光検出器を備え、前記第３の電気
信号から前記第３の周波数の成分の振幅値を反映した第
４の信号を出力する第１の受光部と、第４の周波数で変化する第５の電気信号によって強度変
調が施され、第４の周波数で周期的に強度が変化する第
１の波長を有する第３の光を測定対象体に照射する第２
の送光部と、前記第２の送光部から出力された前記第３の光が前記測
定対象体に照射された結果、前記測定対象体で生じた第
２の波長を有する第４の光を選択して出力する第２の波
長選択器と、光電変換利得を制御するとともに第５の周波数を有する
第６の電気信号を入力し、前記第２の波長選択器を透過
した光を受光して受光光量および設定された光電変換利
得に応じた電気信号であって、前記第４の周波数と前記
第５の周波数との差の絶対値である第６の周波数を有す
る成分を含む第７の電気信号を発生する第２の光検出器
を備え、前記第７の電気信号から前記第６の周波数の成
分の振幅値を反映した第８の信号を出力する第２の受光
部と、前記第１の送光部へ前記第１の電気信号を出力し、前記
第１の受光部へ前記第２の電気信号を出力し、前記第２
の送光部へ前記第５の電気信号を出力し、前記第２の受
光部へ前記第６の電気信号を出力するとともに、前記第
１の受光部から出力された第４の信号の信号の第１の計
測結果と前記第２の受光部から出力された第８の信号の
信号の第２の計測結果とから前記第１の受光部に入力す
る前記第２の光の強度変化の位相と前記第２の受光部に
入力する前記第４の光の強度変化の位相との位相差に基
づいて前記第４の光の減衰特性を求める測定処理部と、を備えることを特徴とする減衰特性測定装置。
【請求項３】前記受光部は、電気信号を入力し、所定の出力態様に変換して出力する
信号供給部と、前記信号供給部が出力する電気信号を入力する電気信号
印加端子を有するとともに、光を受光する光導電型受光
器と、前記光導電型受光器を介して流れる電流信号に応じた電
圧信号を出力する変換増幅部と、前記変換増幅部から出力された電圧信号を入力し、前記
光導電型受光器に入射した光の強度の変化の周波数と前
記信号供給部に入力された電気信号の周波数との差の絶
対値の周波数と略同一の周波数の電圧信号を選択して通
過する周波数選択器と、を備えることを特徴とする請求項１または２記載の減衰
特性測定装置。
【請求項４】前記所定の出力態様は、低出力インピー
ダンス状態で出力される電圧信号である、ことを特徴と
する請求項３記載の減衰特性測定装置。
【請求項５】前記所定の出力態様は、高出力インピー
ダンス状態で出力される電流信号である、ことを特徴と
する請求項３記載の減衰特性測定装置。
【請求項６】前記光導電型受光器の動作点を調整する
バイアス調整手段を更に備える、ことを特徴とする請求
項３記載の減衰特性測定装置。
【請求項７】前記光導電型受光器は、被測定光強度が一定、印加電圧値を独立変数とした場
合、印加電圧値が０Ｖを含む所定の定義域において、前
記光導電型受光器を流れる電流量が印加電圧の略奇関数
であるとともに、印加電圧が一定、被測定光強度値を独
立変数とした場合、被測定光強度が所定の定義域におい
て、前記光導電型受光器を流れる電流量が照射信号強度
の略線形関数であり、前記光導電型受光器に印加される電圧信号は、周期的で
あり、時間平均値が略０であり、且つ、振幅が０となる
隣り合う時刻の中点の時刻を原点として、振幅が時間の
略偶関数である、ことを特徴とする請求項４記載の減衰特性測定装置。
【請求項８】前記光導電型受光器は、被測定光強度が一定、印加電流値を独立変数とした場
合、印加電流値が０Ａを含む所定の定義域において、前
記光導電型受光器の両端に発生する電圧値が印加電流の
略奇関数であるとともに、印加電流が一定、被測定光強
度値を独立変数とした場合、被測定光強度が所定の定義
域において、前記光導電型受光器の両端に発生する電圧
値が照射信号強度の略線形関数であり、前記光導電型受光器に印加される電流信号の非直流成分
は、周期的であり、時間平均値が略０であり、且つ、非
直流成分の振幅が０となる隣り合う時刻の中点の時刻を
原点として、振幅が時間の略偶関数である、ことを特徴とする請求項５記載の減衰特性測定装置。
【請求項９】前記光導電型受光器は、整流性接合が反
対向きに接続された構造を有する金属−半導体−金属フ
ォトディテクタである、ことを特徴とする請求項３記載
の減衰特性測定装置。
【請求項１０】前記光導電型受光器は、オーム性接触
電極が対向して接続された構造のフォトディテクタであ
る、ことを特徴とする請求項３記載の減衰特性測定装
置。
【請求項１１】前記第１の周波数と前記第２の周波数
と同一であり、前記第１の電気信号と前記第２の電気信
号との位相差は既知であって、前記測定処理部は、前記受光部の出力信号が基準値に固定される条件を保つ
ように、前記第１の周波数を調節する周波数調節部と、前記周波数調節部によって調節されて固定された前記第
１の周波数を計測する周波数計測器と、前記波長選択器で前記第２の光を選択した場合に前記周
波数計測器によって計測された第１の計測周波数から前
記第２の光の前記光検出器の位置における強度変化の位
相と前記第１の電気信号の振幅変化の位相との差である
第１の位相差を演算するとともに、前記波長選択器で前
記第３の光を選択した場合に前記周波数計測器によって
計測された第２の計測周波数から前記第３の光の前記光
検出器の位置における強度変化の位相と前記第１の電気
信号の振幅変化の位相との差である第２の位相差を演算
し、更に、前記第１の位相差と前記第２の位相差とに基
づいて前記第３の光の減衰特性を求める演算処理部と、を備えることを特徴とする請求項１記載の減衰特性測定
装置。
【請求項１２】前記第４の信号は電圧信号であり、前
記基準値は０Ｖであって、前記周波数調節部によって固
定された前記第１の周波数が前記第１の計測周波数時の
前記第２の光の前記光検出器の位置における強度変化の
位相と前記第２の電気信号の振幅変化の位相との差、お
よび前記周波数調節部によって固定された前記第１の周
波数が前記第２の計測周波数時の前記第３の光の前記光
検出器の位置における強度変化の位相と前記第２の電気
信号の振幅変化の位相との差は、π／２または３π／２
ある、ことを特徴とする請求項１１記載の減衰特性測定
装置。
【請求項１３】前記第１の周波数と前記第２の周波数
と同一であり、前記第１の電気信号と前記第２の電気信
号との位相差は既知であって、かつ、前記第４の周波数
と前記第５の周波数と同一であり、前記第５の電気信号
と前記第６の電気信号との位相差は既知であって、前記測定処理部は、前記第１の受光部の出力信号が基準値に固定される条件
を保つように、前記第１の周波数を調節する第１の周波
数調節部と、前記第１の周波数調節部によって調節されて固定された
前記第１の周波数を計測する第１の周波数計測器と、前記第２の受光部の出力信号が基準値に固定される条件
を保つように、前記第４の周波数を調節する第２の周波
数調節部と、前記第２の周波数調節部によって調節されて固定された
前記第４の周波数を計測する第２の周波数計測器と、前記第１の周波数計測器によって計測された第１の計測
周波数から前記第２の光の前記第１の光検出器の位置に
おける強度変化の位相と前記第１の電気信号の振幅変化
の位相との差である第１の位相差を演算するとともに、
前記第２の周波数計測器によって計測された第２の計測
周波数から前記第４の光の前記第２の光検出器の位置に
おける強度変化の位相と前記第５の電気信号の振幅変化
の位相との差である第２の位相差を演算し、更に、前記
第１の位相差と前記第２の位相差とに基づいて前記第４
の光の減衰特性を求める演算処理部と、を備えることを特徴とする請求項２記載の減衰特性測定
装置。
【請求項１４】前記第４の電気信号および前記第８の
電気信号は電圧信号であり、前記基準値は０Ｖであっ
て、前記第１の周波数調節部によって固定された前記第
１の周波数が前記第１の計測周波数時の前記第２の光の
前記第１の光検出器の位置における強度変化の位相と前
記第２の電気信号の振幅変化の位相との差、および前記
第２の周波数調節部によって固定された前記第４の周波
数が前記第２の計測周波数時の前記第４の光の前記第２
の光検出器の位置における強度変化の位相と前記第６の
電気信号の振幅変化の位相との差は、π／２または３π
／２ある、ことを特徴とする請求項１３記載の減衰特性
測定装置。
【請求項１５】前記第１の周波数と前記第２の周波数
とは異なり、前記測定処理部は前記第４の信号の振幅お
よび位相の計測値に基づいて前記第３の光の減衰特性を
算出する、ことを特徴とする請求項１記載の減衰特性測
定装置。