JPH09229769A

JPH09229769A - 微弱光測定装置および微弱光測定方法

Info

Publication number: JPH09229769A
Application number: JP3223596A
Authority: JP
Inventors: Masao Makiuchi; 正男牧内; Junji Miyazaki; 潤二宮崎
Original assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO K; SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Current assignee: SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO K; SEITAI HIKARI JOHO KENKYUSHO KK
Priority date: 1996-02-20
Filing date: 1996-02-20
Publication date: 1997-09-05
Anticipated expiration: 2016-02-20
Also published as: JP3155191B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、散乱極微弱光の測定に好適な微弱光
測定装置および微弱光測定方法に関し、同一の波長領域
の背景光成分に埋もれてしまうほどの微弱な信号光であ
っても、その信号光の測定を可能にする。【解決手段】２つの入力信号端子を有しそれら２つの信
号入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅して
出力する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つの信
号入力端子それぞれに、該２つの信号入力端子それぞれ
から見たときに同一の向きに接続された各フォトダイオ
ードを有する２つの受光回路を備えた微弱光測定装置を
用意し、所定の信号光の発光レベルが相互に異なる被測
定体および参照体それぞれから発せられた第１の光およ
び第２の光を、上記２つの受光回路の各フォトダイオー
ドそれぞれに同時に入射させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、散乱極微弱光の測
定に好適な微弱光測定装置および微弱光測定方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】極微弱光の検出技術は生物学、医療分
野、天文分野など広範囲な応用が期待され、これを実現
していくための高感度受光素子の開発が進められてい
る。従来、極微弱光の検出には、光電子倍増管（ＰＭ
Ｔ）が使用されていたが、量子効率が数パーセント以下
と小さく、また電子管であるので寸法も大きく、また冷
却を必要とする用途が多いが、マイナス８０度以下に冷
却するのは困難であった。

【０００３】このようなことから、最近では量子効率が
容易に９０％程度を達成できる半導体受光素子の開発が
重要になっている。一方、例えば生体からでる極微弱光
を検出するような用途では、生体光源は光を特定の方向
にのみ放射することはなく、その表面からあらゆる方向
に放射する。このため、レンズのようなもので集光する
ことが出来ない。従って、高感度化のためには例えば数
十ミリの大口径受光素子を用いることが好ましい。この
ような受光素子では、素子の不完全性のために、光を検
出していない時でも相当な電流（暗電流）が流れる。こ
の暗電流を減少させると同時に、背景光の影響を減らす
ために、素子および装置を冷却することが行われる。こ
のような対策を施した現状であっても、生体からの微弱
光を十分な精度で検出するまでの十分な特性に達してい
ない。また、発光波長が０．５〜１．７μｍの光の検出
にはＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＰ等の化合物半導体
が使用されることが多いが、現在の段階では、世界的に
見ても直径１０ｍｍφ程度の受口径が最大でそれ以上の
素子は作製されていない。

【０００４】上記のように受光素子自体の開発も重要で
あるが、一方では、その受光素子の能力を最大限に引き
出すための回路上の工夫も重要である。半導体受光素子
を用いて、その半導体受光素子に入射する入射光を測定
する受光回路として、従来、大別して高抵抗型受光回路
と電荷蓄積型受光回路が知られている。

【０００５】図１２は、高抵抗型受光回路の原理回路図
（ａ）、その等価回路図（ｂ）、およびその特性を示す
図（ｃ）である。高抵抗型受光回路は光通信をはじめ多
くの光受信器に採用されているもので、ここではその基
本となるところのみ示されている。図１２（ａ）に示す
ように、フォトダイオード（ここではＰＩＮフォトダイ
オードとする）１と直列に、高抵抗（ここでは１００Ｍ
Ω）の負荷抵抗２を接続し、それらの両端に、バイアス
電源３により、フォトダイオードに対し逆向きにバイア
ス電圧を印加する。こうしておいて、ｔ＝０（ｓｅｃ）
よりフォトダイオード１に所定光量を入射し、それによ
ってこの回路にｉＴなる一定電流が流れたものとする。

【０００６】このときの等価回路は図１２（ｂ）のよう
に表わされる。すなわち、フォトダイオード１は抵抗１
ａと接合容量１ｂで表わされ、そのフォトダイオード１
（抵抗１ａと接合容量１ｂ）に負荷抵抗２が並列に接続
され、それらの並列回路に定電流源３’からｔ＝０を起
点として一定電流ｉＴが流れ込む。このとき、この並列
回路両端の電圧（出力電圧Ｖ_out ）は図１２（ｃ）のグ
ラフのように変化する。出力電圧Ｖ_out は、主に、負荷
抵抗２の抵抗値と流れる電流ｉＴで定まる。したがっ
て、立ち上がった後の出力電圧Ｖ_out を測定することに
より、フォトダイオード１への入射光量が測定される。

【０００７】この高抵抗型受光回路は、以下に説明する
電荷蓄積型受光回路と比べ応答性に優れているという長
所はあるが、負荷抵抗が熱雑音を発生し、ノイズに弱い
という欠点を合わせ持っている。図１３は、電荷蓄積
型受光回路の原理回路図（ａ）、その等価回路図
（ｂ）、およびその特性を示す図（ｃ）である。図１２
に示す高抵抗型受光回路との相違点について説明する。

【０００８】この電荷蓄積型受光回路では、フォトダイ
オード１と直列に、図１２（ｂ）に示す負荷抵抗２に代
え、負荷容量（ここでは３ｐＦ）４が接続されている。
このため、ｔ＝０の時点以降一定電流ｉＴが流れたと
き、図１３（ｃ）に示すように、出力電圧Ｖ_out は高抵
抗型受光回路の場合と比べはるかに大きな値となる。こ
の電荷蓄積型の場合、主に負荷容量４と接合容量１ｂ、
そして電流値ｉＴによって出力電圧Ｖ_out の上昇速度が
定まり、したがってこの電荷蓄積型では、積分された電
圧を、ｔ＝０以降の、所定の測定時間経過した時点で観
測することにより、フォトダイオード１への入射光量が
測定される。この電荷蓄積型受光回路の場合、高抵抗型
受光回路と比べ応答性は劣るがパルス性ノイズは時間平
均され、したがって微弱光の測定には有利である。

【０００９】図１４は、電荷蓄積型の受光回路を採用し
た微弱光検出回路の一構成例を示す回路図である。特性
の揃った２つのジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂか
らなるデュアルジャンクションＦＥＴ２１と、それら２
つのジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂの各ソースと
グランドライン５との間に接続された２つの抵抗２２
ａ，２２ｂにより差動増幅器２０が構成されている。こ
れら２つのジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂの各ド
レインは互いに接続され、そのドレインとグランドライ
ン５との間に電源６が配置され、所定の電源電圧（ここ
では５Ｖ）が印加されている。

【００１０】また、この差動増幅器２０の一方の信号入
力端子２０ａであるジャンクションＦＥＴ２１ａのゲー
トとグランドライン５との間には、ゲート側がカソー
ド、グランドライン５側がアノードとなる向きにＰＩＮ
フォトダイオード１が接続されている。また、このＰＩ
Ｎフォトダイオード１と並列にＭＯＳＦＥＴ７が接続さ
れている。このＭＯＳＦＥＴ７は、ＰＩＮフォトダイオ
ード１のアノードとカソードとの間を短絡するスイッチ
の役割りを有しており、ＭＯＳＦＥＴ７のゲートにリセ
ット信号が入力されるとＰＩＮフォトダイオード１が短
絡され、測定開始時刻ｔ＝０でリセット信号が解除さ
れ、その時刻ｔ＝０以降、光学フィルタ８を透過してＰ
ＩＮフォトダイオード１に信号光が入射されることによ
る光電流が差動増幅器２０の一方の第１の信号入力端子
２０ａに入力される。また、この差動増幅器２０のもう
一方の第２の信号入力端子２０ｂであるジャンクション
ＦＥＴ２１ｂのゲートには、所定の参照信号が入力され
る。差動増幅器２０では、２つの信号入力端子２０ａ，
２０ｂから入力された２つの信号の差分が増幅されて出
力される。この出力信号は、例えば図示しない次段の差
動増幅器に入力されてさらに増幅される。

【００１１】この図１４に示す微弱光検出回路には、Ｐ
ＩＮフォトダイオード１で発生した光電流を蓄える負荷
容量は図示されていないが、ＰＩＮフォトダイオード１
の接合容量（図１３に示す接合容量１ｂ）、ＭＯＳＦＥ
Ｔ７のドレイン・ソース間容量、ジャンクションＦＥＴ
２１ａのゲート・ソース間容量が、図１３に示す負荷容
量４（接合容量１ｂを含む）に相当する。

【００１２】図１５は、図１４に示すＰＩＮフォトダイ
オード１を、互いに直列に接続された複数（ここでは３
個）のＰＩＮフォトダイオード１ａ，１ｂ，１ｃで構成
した微弱光検出回路を示す回路図、図１６は、図１４に
ＰＩＮフォトダイオード１を、互いに並列に接続された
複数（ここでは３個）のＰＩＮフォトダイオード１ａ，
１ｂ，１ｃで構成した微弱検出回路を示す回路図であ
る。

【００１３】図１５，図１６に示すように、複数のＰＩ
Ｎフォトダイオードを互いに直列ないし並列に接続する
と、各ＰＩＮフォトダイオードに同相で入力される信号
光・背景光に対してＰＩＮフォトダイオード内で無相関
に発生するパルス性ノイズが相対的に小さくなり、Ｓ／
Ｎ（信号対雑音比）が向上し、微弱光の検出に有利とな
る。複数のＰＩＮフォトダイオードを直列に接続するか
あるいは並列に接続するかは、信号光の性質（高出力・
短時間信号が低出力・長時間信号）によって変化する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ＰＩＮフォトダイオー
ド１には、例えば生体サンプル等の被測定体から発せら
れた極微弱な信号光が入射されるが、この被測定体から
は、信号光のみでなく、熱輻射による背景光も発せられ
ており、その背景光もＰＩＮフォトダイオード１に入射
する。信号光の波長成分の光のみがＰＩＮフォトダイオ
ード１に入射されるよう、ＰＩＮフォトダイオード１の
前面に光学フィルタ８を備えても、熱輻射による背景光
は広い波長領域に広がっており、背景光のうち、信号光
の波長と同一の波長成分は信号光とともに光学フィルタ
８を通過してＰＩＮフォトダイオード１に入射する。こ
のとき、信号光の強度が、光学フィルタ８で除去しきれ
ない背景光の強度と比べ十分大きい場合は問題はない
が、例えば生体サンプルから発せられる極微弱光を信号
光とする場合などは、光学フィルタ８を透過してくる背
景光にすら信号光が埋もれてしまい、信号光を十分な精
度で測定することができないという問題がある。

【００１５】本発明は、上記事情に鑑み、上記のよう
な、同一の波長領域の背景光成分に埋もれてしまうほど
の微弱な信号光であっても、その信号光の測定が可能な
微弱光測定装置、およびその微弱光測定装置を用いた微
弱光測定方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の微弱光測定装置は、（１−１）２つの信号入力端子を有しそれら２つの信号
入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅して出
力する差動増幅器（１−２）差動増幅器の２つの信号入力端子それぞれ
に、それら２つの信号入力端子それぞれから見たときに
同一の向きに接続された各フォトダイオードを有する２
つの受光回路を備えたことを特徴とする。

【００１７】また、上記目的を達成する本発明の第２の
微弱光測定装置は、（２−１）２つの信号入力端子を有しそれら２つの信号
入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅して出
力する差動増幅器（２−２）差動増幅器の２つの信号入力端子のうちのい
ずれか一方の信号入力端子に、その一方の信号入力端子
から見て互いに逆向きに接続された２つのダイオードを
有する受光回路を備えたことを特徴とする。

【００１８】ここで、上記本発明の第１ないし第２の微
弱光測定装置において、上記受光回路が、その受光回路
に備えられたフォトダイオードに流れる電荷を蓄積して
その電荷の蓄積により発生した電圧を差動増幅回路の信
号入力端子に伝える電荷蓄積型の受光回路であることが
好ましい。微弱光の測定には、ノイズに強い電荷蓄積型
が有利だからである。

【００１９】また、上記フォトダイオードとしては、受
光感度が高いことから、典型的には、ＰＩＮフォトダイ
オードを好適に採用することができる。フォトダイオー
ドとしてＰＩＮフォトダイオードを採用した場合、上記
受光回路が、その受光回路に備えられたフォトダイオー
ドに逆バイアス電圧を印加するバイアス回路を備えたも
のであることが好ましい。ＰＩＮフォトダイオードに逆
バイアスを印加すると、そのｉ層にｐ型の不純物もｎ型
の不純物もほとんど存在しない空乏層が形成され、入射
光に対し一層高感度となるからである。

【００２０】尚、上記フォトダイオードそれぞれは、互
いに直列に接続された複数のフォトダイオードからなる
ものであってもよく、あるいは、互いに並列に接続され
た複数のフォトダイオードからなるものであってもよ
い。これらの場合、前述したようにＳ／Ｎ（信号対雑音
比）が向上するからである。また、上記フォトダイオー
ドの受光面前面側に、所望の波長の光を該フォトダイオ
ードに導くとともに該所望の波長以外の波長の光を除去
する光学フィルタを備えることが好ましい。できるだけ
Ｓ／Ｎの良い信号光をフォトダイオードに入射すること
が好ましいからである。

【００２１】さらに、上記本発明の第１ないし第２の微
弱光測定装置において、上記受光回路および上記差動増
幅器が、内部が冷却される容器に収納され、その容器
が、その容器外部から、その容器に収納された受光回路
に備えられたフォトダイオードに向けて入射しようとす
る入射光のうち所望の波長の光を入射させるとともにそ
の入射光のうち所望の波長以外の波長の光を吸収ないし
反射する光学フィルタを備えた入射窓を有することが好
ましい。前述したように、フォトダイオード等を冷却す
ることにより暗電流を減らすことができ、Ｓ／Ｎのよい
受光が可能となるからである。

【００２２】さらに、上記本発明の第１ないし第２の微
弱光測定装置において、上記受光回路、上記差動増幅
器、および上記光学フィルタが、内部が冷却される容器
に収納され、その容器が、その容器外部から、その容器
に収納された光学フィルタに向けて入射しようとする入
射光のうちの少なくとも信号の波長である所望の波長の
光を入射させる入射窓を有することが好ましい。入射窓
に光学フィルタを用いるのではなく、あるいは入射窓に
光学フィルタを用いるとともに、光学フィルタを容器の
内部に収納して光学フィルタ自身も冷却することによ
り、その光学フィルタ自身から発せられる熱輻射による
背景光を低減することができるからである。

【００２３】また、上記本発明の第１ないし第２の微弱
光測定装置において、上記フォトダイオードの、そのフ
ォトダイオードに入射する入射光に対する相対位置を、
フォトダイオードどうしで交互に交代させる位置交代手
段を備えることが好ましい。位置を交代しながら測定す
ることで、フォトダイオード、そのフォトダイオードを
含む受光回路等のばらつきによる誤差を抑えることがで
きるからである。

【００２４】また、上記目的を達成する本発明の第１の
微弱光測定方法は、本発明の第１の微弱光測定装置、す
なわち、２つの入力信号端子を有しそれら２つの信号入
力端子から入力された２つの信号の差分を増幅して出力
する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つの信号入
力端子それぞれに、該２つの信号入力端子それぞれから
見たときに同一の向きに接続された各フォトダイオード
を有する２つの受光回路を備えた微弱光測定装置を用意
し、所定の信号光の発光レベルが相互に異なる被測定体
および参照体それぞれから発せられた第１の光および第
２の光を、上記２つの受光回路の各フォトダイオードそ
れぞれに同時に入射させることを特徴とする。

【００２５】また、上記目的を達成する本発明の第２の
微弱光測定装置は、本発明の第２の微弱光測定装置、す
なわち、２つの入力信号端子を有しそれら２つの信号入
力端子から入力された２つの信号の差分を増幅して出力
する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つの信号入
力端子のうちのいずれか一方の信号入力端子に、該一方
の信号入力端子から見て互いに逆向きに接続された２つ
のダイオードを有する受光回路を備えた微弱光測定装置
を用意し、所定の信号光の発光レベルが相互に異なる被
測定体および参照体それぞれから発せられた第１の光お
よび第２の光を、上記受光回路の２つの各フォトダイオ
ードそれぞれに同時に入射させることを特徴とする。

【００２６】ここで典型的には、被測定体は、自らが測
定の対象となる信号光を発するとともに、所定の光量
（所定の温度）の熱輻射による背景を発するものであ
り、参照体としては、被測定体と比べ熱輻射による背景
光の発光レベルは被測定体と同等であって、信号光は発
しない材料のものが選択される。ここで、上記本発明の
第１ないし第２の微弱光測定方法において、上記第１の
光を入射するフォトダイオードと、上記第２の光を入射
するフォトダイオードを、交互に交代させることが好ま
しい。フォトダイオード等のばらつきによる誤差の低減
化を図るためである。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、本発明の微弱光測定装置の一実施形
態に組み込まれる微弱光測定回路の第１の例を示す回路
図である。前述した従来例（図１８、図１９参照）との
相違点について説明する。

【００２８】図１に示す微弱検出回路では、電源６１
は、ジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂのドレイン
と、マイナス電源ライン５１との間に配置されており、
抵抗１２ａ，２２ｂは、ジャンクションＦＥＴ２１ａ，
２１ｂとマイナス電源ライン５１との間に配置されてい
る。ジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂからデュアル
ジャンクションＦＥＴ２１が構成されている。

【００２９】また、差動増幅器２０の第２の信号入力端
子２０ｂにも、この第２の信号入力端子２０ｂから見た
ときに、第１の信号入力端子２０ａから見たときのＰＩ
Ｎフォトダイオード１の向きと同じ向きとなるようにＰ
ＩＮフォトダイオード１１が接続され、また、このＰＩ
Ｎフォトダイオード１１と並列にＭＯＳＦＥＴ７１が接
続されている。このＭＯＳＦＥＴ７１は、ＭＯＳＦＥＴ
７と同じタイミングでリセット信号が入力される。ま
た、ＰＩＮフォトダイオード１１の前面には、光学フィ
ルタ８１が配置されている。この光学フィルタ８１は光
学フィルタ８と同一特性のものであり、参照体（後述す
る）から発せられた、背景光が入射し、その背景光のう
ちの、信号光の波長と同一波長成分が透過してＰＩＮフ
ォトダイオード１１に入射する。この図１に示す微弱光
検出回路には２個のＰＩＮフォトダイオード１，１１が
備えられており、ＰＩＮフォトダイオード１には、被測
定体から発せられた背景光と信号光との双方、ＰＩＮフ
ォトダイオード１１には参照体から発せられた背景光の
みが入射させ、差動増幅器２０でそれらの差分が増幅さ
れて出力されるため、背景光が存在していてもその背景
光の影響がキャンセルされ、信号光のみを高感度に測定
することができる。

【００３０】図２は、ＰＩＮフォトダイオードを冷却し
ながらその端子電圧を測定した結果を示す図である。図
１に示す微弱光検出回路では、ＰＩＮフォトダイオード
１，１１には、積極的にバイアス電圧を印加していない
が、このＰＩＮフォトダイオード１，１１を例えば５０
Ｋに冷却すると約０．７Ｖの電圧が発生しこの電圧でＰ
ＩＮフォトダイオードがバイアスされより高感度の動作
が可能となる。あるいは、後述するように、積極的にバ
イアス電圧を印加する場合であっても、冷却温度を考慮
し、その冷却温度で発生する端子電圧を考慮したバイア
ス電圧が設定される。

【００３１】図３は、図１に示す微弱光測定回路を含む
微弱光測定装置の構成構造図である。ＰＩＮフォトダイ
オード１，１１、差動増幅器２０、及び光学フィルタ
８，８１が容器１００内に収納され、その容器１００の
内部が例えば５０Ｋにまで冷却される。この容器１００
は、入射窓１０１を有している。また、この容器１００
の入射窓１０１に対向する位置にもう１つの容器１１０
が配置され、この容器１１０内には、生体サンプル、例
えば白血球と、その白血球を刺激する薬品等の水溶液か
らなる被測定体１２０と、ダミー用の参照体１３０とが
配置される。被測定体１２０からは、熱輻射による背景
光のほか、刺激された白血球からの信号光も発せられ
る。一方、参照体１３０からなる温度環境上には被測定
体１２０と同一の環境に置かれ、被測定体１２０が発す
る背景光と同一の分光分布、同一の光量レベルの背景光
が発せられる。ただし、参照体１３０には、ここの例で
は白血球は含まれておらず信号光は発せられない。

【００３２】容器１１０の底部には、信号光および背景
光を透過する光学材料で構成された出射窓１１１が形成
されており、被測定体１２０から発せられた信号光およ
び背景光は、容器１１０の出射窓１１１を透過し、容器
１００の入射窓１０１から容器１００内に入射し、光学
フィルタ８により、信号光はそのまま透過するとともに
背景光は信号光の波長と同一の波長成分のみが透過して
ＰＩＮフォトダイオード１に入射する。一方参照体１３
０から発せられた背景光は出射窓１１１から出射し入射
窓１０１から入射し、光学フィルタ８１により信号光の
波長と同一の波長成分のみが透過してＰＩＮフォトダイ
オード１１に入射する。各フォトダイオード１，１１に
はそれらのＰＩＮフォトダイオード１，１１の各入射光
により各光電流が発生しそれら各光電流による信号の差
分に対応する信号が差動増幅器２０から出力される。

【００３３】ここで、容器１００ないし、容器１００に
収納された微弱光検出回路（少なくともＰＩＮフォトダ
イオード１，１１）を回転させてそれらＰＩＮフォトダ
イオード１，１１の配置位置を交互に交代させ、あるい
は、ＰＩＮフォトダイオード１，１１の位置は固定され
ていても容器１１０の方を回転させて被測定体１２０か
ら発せられた信号光および参照光をＰＩＮフォトダイオ
ード１１に入射するとともに参照体１３０から発せられ
た背景光をＰＩＮフォトダイオード１に入射すると、そ
れらのＰＩＮフォトダイオード１，１１等のばらつきに
よる誤差をキャンセルし、より高精度の測定を行なうこ
とができる。

【００３４】尚、ここでは、出射窓１１１，入射窓１０
１は、信号光だけでなく背景光に関してもフィルタの役
割りはなさず透明であることを前提として説明したが、
背景光をできるだけカットするよう出射窓１１１ないし
入射窓１０１として光学フィルタを備えてもよい。その
とき、その出射窓１１１ないし入射窓１０１として備え
た光学フィルタで背景光が十分にカットされ、かつその
出射窓１１１ないし入射窓１０１自体から発せられる熱
輻射による背景光が問題にならないレベルであれば、図
３に示す光学フィルタ８，８１は取り除いてもよい。

【００３５】以下、本発明に用い得る微弱光測定回路の
種々の例について説明する。図４，図５は、微弱光測定
回路の、第２の例，第３の例を示す回路図である。図４
に示す回路例では、図１に示す回路例におけるＰＩＮフ
ォトダイオード１，１１が、それぞれ直列に接続された
複数（ここでは各３個）のＰＩＮフォトダイオード１
ａ，１ｂ，１ｃ；１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成されて
おり、図５に示す回路例では、図１に示す回路例におけ
るＰＩＮフォトダイオード１，１１が、それぞれ並列に
接続された複数（ここでは各３個）のＰＩＮフォトダイ
オード１ａ，１ｂ，１ｃ；１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構
成されている。前述したように複数のＰＩＮフォトダイ
オードを直列ないし並列に接続するとＳ／Ｎが向上し一
層高精度の微弱光測定が可能となる。

【００３６】図６は、微弱光測定回路の第４の例を示す
回路図である。図１に示す回路例として比べバイアス電
源３１，３２が付加されている。このようにバイアス電
源３１，３２を備えＰＩＮフォトダイオード１，１１に
逆バイアス電源を付加すると、純粋なｉ層（空乏層）が
形成され一層高感度の測定が可能となる。

【００３７】図７，図８は、微弱光測定回路の第５の
例，第６の例を示す回路図である。図１に示す回路例と
比べ、図６に示す回路例と同様にバイアス電源３１，３
２を備えるとともに、図４，図５に示す回路例と同様
に、各ＰＩＮフォトダイオード１，１１が、それぞれ、
直列ないし並列に接続された複数のＰＩＮフォト１ａ，
１ｂ，１ｃ；１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成されてい
る。

【００３８】バイアス電源３１，３２；３１ａ，３１
ｂ，３１ｃ；３２ａ，３２ｂ，３２ｃを配置したことに
よる作用および各ＰＩＮフォトダイオード１，１１をそ
れぞれ複数のＰＩＮフォトダイオード１ａ，１ｂ，１
ｃ；１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成したことによる作用
は、それぞれ前述のとおりであり、重複説明を省略す
る。図９は、微弱光測定回路の第７の例を示す回路図で
ある。

【００３９】この回路例では、差動増幅器２０の２つの
信号入力端子２０ａ，２０ｂのうちの一方の、第１の信
号入力端子２０ａに、この第１の信号入力端子２０ａか
ら見て互いに逆向きに接続された２つのＰＩＮフォトダ
イオード１，１１が備えられており、もう一方の第２の
信号入力端子２０ｂには参照信号が入力されるよう構成
されている。

【００４０】これまでに説明した、図１および図４〜図
８に示す回路例では被測定体から発せられた背景光と信
号光を入射するＰＩＮフォトダイオード１と参照体から
発せられた背景光を入射するＰＩＮフォトダイオード１
１を、互いに異なる信号入力端子２０ａ，２０ｂに接続
し、差動増幅器２０で差分（背景光のキャンセル）を行
なっていたが、この図９に示す回路例では、ＰＩＮフォ
トダイオード１の入射光のうちの背景光成分とＰＩＮフ
ォトダイオード１１の入射光、すなわち背景光が差動増
幅器２０に入力される前にキャンセルされ、信号光によ
る信号成分のみが差動増幅器２０に入力される。

【００４１】図１０，図１１は、微弱光測定回路の第８
の例，第９の例を示す回路図である。それぞれ直列（図
１０の場合）ないし並列（図１１の場合）に接続された
複数（ここでは３個）のＰＩＮフォトダイオード１ａ，
１ｂ，１ｃ；１１ａ，１１ｂ，１１ｃで構成されてい
る。

【００４２】これらの回路列に示すように、本発明にお
いては、種々に構成された回路を採用することができ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
微弱な信号光を背景光の影響を排除して高感度に測定す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の微弱光測定装置の一実施形態に組み込
まれる微弱光測定回路の第１の例を示す回路図である。

【図２】ＰＩＮフォトダイオードを冷却しながらその端
子電圧を測定した結果を示す図である。

【図３】図１に示す微弱光測定回路を含む微弱光測定装
置の構成構造図である。

【図４】微弱光測定回路の第２の例を示す回路図であ
る。

【図５】微弱光測定回路の第３の例を示す回路図であ
る。

【図６】微弱光測定回路の第４の例を示す回路図であ
る。

【図７】微弱光測定回路の第５の例を示す回路図であ
る。

【図８】微弱光測定回路の第６の例を示す回路図であ
る。

【図９】微弱光測定回路の第７の例を示す回路図であ
る。

【図１０】微弱光測定回路の第８の例を示す回路図であ
る。

【図１１】微弱光測定回路の第９の例を示す回路図であ
る。

【図１２】高抵抗型受光回路の原理回路図（ａ）、その
等価回路図（ｂ）、およびその特性を示す図（ｃ）であ
る。

【図１３】電荷蓄積型受光回路の原理回路図（ａ）、そ
の等価回路図（ｂ）、およびその特性を示す図（ｃ）で
ある。

【図１４】電荷蓄積型の受光回路を採用した微弱光検出
回路の一構成例を示す回路図である。

【図１５】図１４に示すＰＩＮフォトダイオード１を、
互いに直列に接続された複数（ここでは３個）のＰＩＮ
フォトダイオード１ａ，１ｂ，１ｃで構成した微弱光検
出回路を示す回路図である。

【図１６】図１４にＰＩＮフォトダイオード１を、互い
に並列に接続された複数（ここでは３個）のＰＩＮフォ
トダイオード１ａ，１ｂ，１ｃで構成した微弱検出回路
を示す回路図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ
ＰＩＮフォトダイオード７，７１ＭＯＳＦＥＴ８，８１光学フィルタ２０差動増幅器２０ａ第１の信号入力端子２０ｂ第２の信号入力端子２１デュアルジャンクションＦＥＴ２１ａ，２１ｂジャンクションＦＥＴ２２ａ，２２ｂ抵抗３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３２，３２ａ，３２
ｂ，３２ｃバイアス電源５１マイナス電源ライン６１電源１００，１１０容器１０１入射窓１１１出射窓１２０被測定体１３０参照体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの信号入力端子を有しそれら２つの
信号入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅し
て出力する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つの
信号入力端子それぞれに、該２つの信号入力端子それぞ
れから見たときに同一の向きに接続された各フォトダイ
オードを有する２つの受光回路を備えたことを特徴とす
る微弱光測定装置。
【請求項２】２つの信号入力端子を有しそれら２つの
信号入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅し
て出力する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つの
信号入力端子のうちのいずれか一方の信号入力端子に、
該一方の信号入力端子から見て互いに逆向きに接続され
た２つのダイオードを有する受光回路を備えたことを特
徴とする微弱光測定装置。
【請求項３】前記受光回路が、該受光回路に備えられ
たフォトダイオードに流れる電荷を蓄積して該電荷の蓄
積により発生した電圧を前記信号入力端子に伝える電荷
蓄積型の受光回路であることを特徴とする請求項１又は
２記載の微弱光測定装置。
【請求項４】前記フォトダイオードがＰＩＮフォトダ
イオードであることを特徴とする請求項１又は２記載の
微弱光測定装置。
【請求項５】前記受光回路が、該受光回路に備えられ
たフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加するバイア
ス回路を備えたことを特徴とする請求項４記載の微弱光
測定装置。
【請求項６】前記フォトダイオードそれぞれが、互い
に直列に接続された複数のフォトダイオードからなるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の微弱光測定装置。
【請求項７】前記フォトダイオードそれぞれが、互い
に並列に接続された複数のフォトダイオードからなるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の微弱光測定装置。
【請求項８】前記フォトダイオードの受光面前面側
に、所望の波長の光を該フォトダイオードに導くととも
に該所望の波長以外の波長の光を除去する光学フィルタ
を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の微弱光
測定装置。
【請求項９】前記受光回路および前記差動増幅器が、
内部が冷却される容器に収納され、該容器が、該容器外
部から、該容器に収納された前記受光回路に備えられた
前記フォトダイオードに向けて入射しようとする入射光
のうち所望の波長の光を入射させるとともに該入射光の
うち該所望の波長以外の波長の光を吸収ないし反射する
光学フィルタを備えた入射窓を有することを特徴とする
請求項１又は２記載の微弱光測定装置。
【請求項１０】前記受光回路、前記差動増幅器、およ
び前記光学フィルタが、内部が冷却される容器に収納さ
れ、該容器が、該容器外部から、該容器に収納された前
記光学フィルタに向けて入射しようとする入射光のうち
の少なくとも前記所望の波長の光を入射させる入射窓を
有することを特徴とする請求項８記載の微弱光測定装
置。
【請求項１１】前記フォトダイオードの、該フォトダ
イオードに入射する入射光に対する相対位置を、該フォ
トダイオードどうしで交互に交代させる位置交代手段を
備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の微弱光測
定装置。
【請求項１２】２つの入力信号端子を有しそれら２つ
の信号入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅
して出力する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つ
の信号入力端子それぞれに、該２つの信号入力端子それ
ぞれから見たときに同一の向きに接続された各フォトダ
イオードを有する２つの受光回路を備えた微弱光測定装
置を用意し、所定の信号光の発光レベルが相互に異なる被測定体およ
び参照体それぞれから発せられた第１の光および第２の
光を、前記２つの受光回路の各フォトダイオードそれぞ
れに同時に入射させることを特徴とする微弱光測定方
法。
【請求項１３】２つの入力信号端子を有しそれら２つ
の信号入力端子から入力された２つの信号の差分を増幅
して出力する差動増幅器、および前記差動増幅器の２つ
の信号入力端子のうちのいずれか一方の信号入力端子
に、該一方の信号入力端子から見て互いに逆向きに接続
された２つのダイオードを有する受光回路を備えた微弱
光測定装置を用意し、所定の信号光の発光レベルが相互に異なる被測定体およ
び参照体それぞれから発せられた第１の光および第２の
光それぞれを、前記受光回路の２つの各フォトダイオー
ドそれぞれに同時に入射させることを特徴とする微弱光
測定方法。
【請求項１４】前記第１の光を入射するフォトダイオ
ードと、前記第２の光を入射するフォトダイオードを、
交互に交代させることを特徴とする請求項１２又は１３
記載の微弱光測定方法。