JPH1137850A - 光波形計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で計数率が高く高精度の測定が可
能な時間相関光子計数型の光波形計測装置を提供する。 【解決手段】 被測定光源１から出力された所定の繰り
返し周期を有する被測定光の光子は、光検出器２に入射
され、電気パルスに変換される。この電気パルスはプリ
アンプ３を経て、光子数解析装置４とタイミングピック
アップ回路５にそれぞれ送られる。光子数解析装置４で
は、周期中に検出した光子数を判定し、タイミングピッ
クアップ回路５は、周期中の最初の光子に対応する電気
パルスを抽出する。光子検出頻度解析部６は、これらの
信号を基にして、周期中に検出した光子数が１個の時の
みにその光子の到着時刻を求める。波形出力装置６は、
周期を細分化した時間範囲ごとに光子の検出回数を積算
して、光子の発生頻度を求める。この発生頻度が被測定
光の光波形に対応する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微弱な繰り返し光
の光強度の時間変化を表す光波形を計測する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】微弱な繰り返し光の光波形を計測する装
置として、時間相関光子計数装置が知られている。この
装置のブロック図を図１１に示す。被測定光源１から出
射された被測定光の一部が、光電子増倍管などからなる
光検出器２に入射される。光検出器２は、光子１つの検
出に対して十分な振幅を有した電気信号を出力するの
で、入射光を構成する光子１個１個の検出に対応する電
気信号パルスが出力される。この出力信号パルスは、プ
リアンプ３で増幅された後に、ディスクリミネータ１７
で、ノイズと分離されて、信号として時間−電圧変換器
（ＴＡＣ：Time toAmplitude Converter）１８に送られ
る。ＴＡＣ１８は、被測定光源１と同期回路１３により
同期させられており、その周期の開始時刻から起算した
入力信号パルスの到達時刻を表す電気信号を出力する。
この出力結果をマルチチャンネルアナライザー１９で集
積することにより、被測定光の光波形を再現する。

【０００３】具体的にいうと、被測定光の繰り返し周期
Ｔを例えば、ｎ個のチャンネルに分割して、それぞれの
チャンネルで検出した光子数、すなわち光子の発生頻度
情報を集積する。チャンネルｉの平均検出光子数を
μ_i、１周期の平均検出光子数をμとすると、サンプル
数が充分に多ければ、各チャンネルのμ_iは、そのチャ
ンネルでの被測定光の光強度に対応し、μ_iの分布波形
が被測定光の光波形に対応するので、被測定光の光波形
を再現することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この装置で
は、１周期に複数の光子が入射した場合にそれぞれの光
子をどのチャンネルで検出したかを弁別することができ
ないという欠点がある。これは、通常の光電子増倍管で
は、光子が到達しているか否かは判断できるが、到達し
た光子の個数を厳密に判定できないことによる。到達し
た光子の個数を正確に判定できる光電子増倍管として
は、特開平８−１４８１１３号公報に記載されているい
わゆるハイブリッド光検出器（ＨＰＤ）がある。しか
し、このＨＰＤを用いた場合でも、ＴＡＣが周期内の複
数の光子の到達時刻を別々に検出処理することができな
いため、この欠点を解消することはできなかった。

【０００５】従来のＴＡＣを用いた時間相関光子計数装
置では、１周期に複数の光子が入射した場合について
も、周期中の最初に検出した光子が検出された時に１個
の光子を検出した場合と同様に取り扱われていた。すな
わち、複数の光子が入射した場合には、後に入射した光
子は発生頻度のデータから数え落とされてしまってい
た。

【０００６】ここで、チャンネルｉでｋ個の光子が検出
される確率ｐ（ｉ，ｋ）は、ポアソン分布に従うと考え
られるので、この確率ｐ（ｉ，ｋ）は、

【０００７】

【数１】 で示される。したがって、１個以上の光子が検出され、
そのうちの最初の光子がチャンネルｉで検出される確率
ｑ（ｉ）は、

【０００８】

【数２】 となり、本来の平均検出光子数に比例せず、ｉが大きい
ほど本来のμ_iより小さな値を示すことになる。つま
り、光波形の後ろ側ほど光強度を低く見積もることにな
る。

【０００９】この結果、図１２に示されるように、複数
の光子が入射してこうした数え落としが多くなる場合に
は、本来なら同図中実線Ａで示されるべき測定波形は、
破線Ｂで示される波形として測定され、光強度の時間的
な減衰が大きくなり、波形が歪むことになる。

【００１０】これを防ぐためには、１周期中の平均検出
光子数を少なくして、１周期中に複数の光子が光検出器
に入射する確率を減らし、数え落としが起こらないよう
にする必要がある。この数え落としを実際に検出した光
子のうちの１％以内にするためには、１回の周期中で検
出される平均光子数を約０．０２程度とすることが必要
だった。このため、一般には、光検出器に到達する光量
を減らして、この平均光子数を０．０１程度とする測定
が行われていた。一方、計測した光波形のμ_iの精度を
上げるには検出光子の総数、すなわちサンプル数を増加
させる必要がある。このためには、従来、計測の時間を
長くして周期数を増やすことで対応していた。この結
果、光波形の測定に時間がかかり、それでも波形後部の
減衰部分を正確に測定することは困難だった。

【００１１】これらの問題点を解消する技術として、特
開平１−２２７９４８号公報に開示されたマルチチャン
ネル蛍光減衰波形測定装置や特開平８−３８４８０号公
報に開示された生体測定装置が知られている。前者は、
２値化した光検出器出力の時間波形を時間分割した１次
元のシフトレジスタに蓄積することにより、後者は、１
周期をさらに細かい時間領域に分けることにより、いず
れも１周期で複数の光子の発生頻度情報を測定すること
を可能にして、前述の数え落としを低減し、波形歪みを
少なくしている。しかし、これらはいずれも回路構成が
複雑で、波形測定の時間分解能を上げることが困難であ
り、さらに細分化された時間領域の同一の時間領域に複
数の光子が入射した場合の数え落としは依然として残る
等の問題点があった。

【００１２】本発明は、これらの問題点を解決して、構
成が簡単で計数率が高く高精度の測定が可能な時間相関
光子計数型の光波形計測装置を提供することを課題とし
ている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の繰り返
し周期を有する被測定光の光強度の時間変化を表す光波
形を計測する光波形計測装置において、(1)被測定光の
一部が入射され、光子の到達に対応してパルス幅あるい
はパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期より十分に短
く、１個以上の略同時に到達した光子数に対応する電荷
量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)光検出器の
出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の１周期中に
検出した光子数を算出して出力する光子数解析装置と、
(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、１周期の間
に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号のみを
抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、(4)
光子数解析装置で算出した光子数が１個のみの周期に対
応するタイミングピックアップ回路の出力を基にして、
該１周期中に該光子を検出した時刻を求め、その検出時
刻の範囲に応じて検出回数を積算して光子の検出頻度情
報を求める光子検出頻度解析部と、(5)光子頻度解析部
の出力を基に被測定光の波形を再現して出力する波形出
力装置と、を備えることを特徴としている。

【００１４】これによれば、所定の繰り返し周期を有す
る被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検
出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパル
ス信号が出力される。そして、このパルス信号を解析す
ることで、周期Ｔ中に１個の光子が検出された時のみに
その光子が周期Ｔ中のどの時点で光検出器に到達したか
を求める。こうして求めた光子の検出時刻情報により、
周期Ｔを細分化した範囲に応じて対応する光子の検出回
数を積算すれば、光子の検出頻度情報が求められる。こ
うして光子検出頻度解析部で求められたこの光子数の頻
度情報は、被測定光の強度の時間変化に対応するので、
被測定光の波形が再現される。

【００１５】または、本発明の光波形計測装置は、(1)
被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応してパル
ス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が繰り返し周期よ
り十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に対
応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、(2)
光検出器の出力パルス信号を基にして、繰り返し周期の
１周期中に検出した光子数を算出して出力する光子数解
析装置と、(3)光検出器の出力パルス信号を基にして、
１周期の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス
信号のみを抽出して出力するタイミングピックアップ回
路と、(4)タイミングピックアップ回路の出力を基にし
て、１周期の間に最初に検出した光子の検出時刻を求
め、この検出時刻情報を光子数解析装置で解析された１
周期中に検出された光子数ごとに区分して出力する光子
検出頻度解析部と、(5)光子検出頻度解析部の出力側に
設けられて、その区分された出力ごとに検出時刻の範囲
に応じて光子の検出回数をそれぞれ蓄積して記録するこ
とにより、光子の検出頻度情報として記録する複数個の
メモリと、(6)光子検出頻度情報を前記メモリごとに読
み出して、読み出した多数の光子検出頻度情報を統計的
に処理することにより、被測定光の波形を再現して出力
する波形出力装置と、を備えることを特徴とするもので
もよい。

【００１６】これによれば、所定の繰り返し周期を有す
る被測定光は、その一部が光検出器に入射される。光検
出器からは、検出器に到達した光子の数に対応するパル
ス信号が出力される。そして、光子数解析装置では、こ
のパルス信号を解析して、１周期に含まれる光子数が出
力される。一方、タイミングピックアップ回路は、この
パルス信号のうち１周期中の最初に検出された光子に対
応するパルス信号のみを抽出して出力する。光子検出頻
度解析部は、これらの情報をもとにして、１周期中に最
初に検出された光子の周期中の検出時刻を求めたうえ
で、周期中に検出した光子数ごとに、この最初に検出さ
れた光子の検出時刻を細分化した時間範囲に応じてその
検出回数を積算していく。この積算は、検出した光子数
ごとに設けられたメモリが用いられる。この周期中に検
出された光子の個数とそのうち最初に検出された光子の
検出時刻の発生確率は、被測定光の光波形により一義的
に定まる。しかだって、サンプル数が十分多ければ、こ
れらから統計的処理によって光波形を求めることができ
る。光子の検出頻度情報は、１周期中に検出した光子数
ごとに別々のメモリに蓄積記録されているので、メモリ
ごとにこれを読み出せば、光子数ごとの検出頻度情報を
読み出すことができる。これを統計処理することによ
り、被測定光の光波形が再現される。

【００１７】さらに、光検出器は、半導体ターゲットを
増倍部に備える光電子増倍管であってもよいし、ホトダ
イオードやアバランシェホトダイオード、あるいはマイ
クロチャネルプレートを増倍部に備える光電子増倍管で
あってもよい。

【００１８】これらによれば、光検出器は、微弱光を増
幅して検出でき、増倍率を大きくとることができる。つ
まり、１個の入射光子に対して多数の光電子が発生し、
出力電圧も大きくなる。したがって、光検出器に入射し
た光子数の弁別が容易である。

【００１９】また、光子数解析装置は、光検出器の出力
信号の総電荷量を１周期内で積分して、積分した総電荷
量の範囲に応じた値を光子数として出力するものでもよ
い。本発明の光検出器は、光子の数に対応する強度すな
わち電荷量の信号を出力する。したがって、繰り返し周
期の１周期内でこの電荷量を積分した値は、その１周期
内に光検出器に入射した光子数にほぼ対応する。つま
り、電荷量を積分することにより光子数が弁別される。

【００２０】光子検出頻度解析部は、ＴＡＣを更に備え
ていてもよい。ＴＡＣは、２つのパルス信号の入力時間
差に比例した電圧信号を出力するものである。このＴＡ
Ｃの一方のパルス信号として、被測定光の繰り返し周期
の１周期のそれぞれの開始時点に同調したパルス信号を
与え、他方のパルス信号として、光検出器からの出力信
号を与えれば、最初に検出された光子に対応する光検出
器からの出力パルス信号がＴＡＣに送られてきた時刻
と、その周期の開始時刻の時間差に比例した電圧信号が
ＴＡＣから出力される。つまり、最初に検出された光子
が周期中のどの時点で発生したかを表す電圧信号が出力
される。これを利用することにより、周期中最初に検出
した光子の検出時刻が正確に求められる。

【００２１】タイミングピックアップ回路は、光検出器
から送られてきたパルス信号のうち、１周期内の最初の
パルス信号のみを、その立ち上がり時刻に対して、０以
上の所定の遅延時間を有する立ち上がりが急峻なパルス
信号に変換して出力する光波形整形回路であってもよ
い。

【００２２】これには、コンスタントフラクションディ
スクリミネータ（ＣＦＤ）と呼ばれる回路を用いること
ができる。これにより、光検出器からの出力信号は、立
ち上がり部がより急峻な信号に変換されて、光子検出頻
度解析部へ送られる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００２４】図１は、本発明の第１の実施形態のブロッ
ク図である。被測定光源１は、所定の繰り返し周期Ｔで
同一の光波形の光を射出する光源であり、パルスレーザ
やパルスレーザを照射されて光励起で蛍光を発する被測
定サンプルなどがある。被測定光源１からの被測定光の
光路上には、光検出器２が配置されている。光検出器２
は、所定時間内に入射した光子数に対応した電気信号を
出力するものであり、出力信号は一般にパルス波形を有
する。この光検出器２は、増倍部にアバランシェホトダ
イオードを内蔵した光電子増倍管であるいわゆるＨＰＤ
である。

【００２５】ここで、図２〜図５を参照して、この光検
出器２について、詳しく説明する。

【００２６】図２は、この光検出器２の断面構成図であ
る。図２に示されるように、光検出器２は、中空円筒状
の外囲器２０の両端にそれぞれ入射窓３０とステム５０
とにより気密に封止させ、圧力１０^-8Ｔｏｒｒ程度の高
真空に内部を保持している。そして、この光検出器２の
内部には、電子レンズ８０として２個のフォーカス電極
８１，８２がそれぞれ光電陰極３０及びステム５０に近
接して設置され、半導体素子６０がステム５０上に設置
されている。

【００２７】ここで、外囲器２０は、中空円筒状のガラ
ス製側管である。この外囲器２０の両端には、２段に折
り曲げられた中空円筒状のコバール金属製の取付材２
１，２２がそれぞれ設置されている。

【００２８】また、入射窓３０は、測定対象の光波長を
透過しうる円板状のガラス製面板であり、大気側及び真
空側の各表面はそれぞれ平面及び凹面を有している。こ
の入射窓３０の真空側周縁部には、２段に折り曲げられ
た中空円筒状の取付材２３が設置されている。２個の取
付材２１，２３の各端部を部分的に溶接することによ
り、外囲器２０と入射窓３０とは一体に構成されてい
る。

【００２９】一方、ステム５０は、円板状のコバール金
属製面板であり、真空側に設けられた凹部に半導体素子
６０が設置されている。このステム５０の真空側周縁部
と取付材２２の端部とを部分的に溶接することにより、
外囲器２０とステム５０とは一体に構成されている。ま
た、ステム５０の中央部付近には、半導体素子６０の後
述する端子棒７２を挿通する貫通穴５８が形成されてい
る。そして、貫通穴５８と端子棒７２との間には、円筒
状の絶縁材５９が気密に封止して設置されている。

【００３０】また、入射窓３０の真空側表面には、薄膜
状の光電陰極４０が蒸着して形成されている。この光電
陰極４０は、外部電圧源（図示しない）から取付材２３
を介して所定の電圧、例えば電位約−１５ｋＶを印加さ
れている。なお、光電陰極４０は、アルカリ金属、例え
ばＫ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｓｂ等で形成されている。また、光
電陰極４０において、入射光ｈνを受容して所定の量子
効率で光電変換して光電子ｅ^- を生成する口径φ₁ は、
約１６ｍｍである。

【００３１】取付材２１の端部には、中心に開口を有す
る椀状のステンレス製フォーカス電極８１が、一方、取
付材２２の端部には、同様に中心に開口を有する中空円
錐台状のステンレス製フォーカス電極８２がそれぞれ部
分的に溶接によって接合されている。このフォーカス電
極８１、８２は、それぞれ開口部を近接させた形で設置
されている。これらのフォーカス電極８１、８２は、外
部電圧源（図示しない）からそれぞれ取付材２１、２２
を介して所定の電圧を印加され、例えばフォーカス電極
８１が電位約−１５ｋＶに、フォーカス電極８２が電位
約０Ｖに保持されている。

【００３２】ステム５０の真空側の中央に設けられた凸
部上には、半導体素子６０が後述する受容部６５を光電
陰極５０に対向させて設置されている。この半導体素子
６０の後述する電極層６６と、ステム５０の貫通穴５８
を気密に挿通した金属製の端子棒７２とは、金属製のワ
イヤー７１の端部をそれぞれボンディングすることによ
り、電気的に接続されている。半導体素子６０の表面側
は、外部電圧源（図示しない）から端子棒７２及びワイ
ヤー７１を介して所定の電圧を印加され、例えば電位約
−１４５Ｖに保持されている。また、半導体素子６０の
裏面側は、外部電圧源（図示しない）からステム５０を
介してフォーカス電極８１の印加電圧と同一の電圧を印
加され、例えば電位約０Ｖに保持されている。これによ
り、半導体素子６０は全体として逆バイアス電圧を印加
されている。端子棒７２は、半導体素子６０から出力し
た検出信号を出力する。半導体素子６０の光電子ｅ^- を
受容して所定の増倍率で有効に増幅する部分の口径φ₂
は、約３ｍｍである。

【００３３】図３は、この半導体素子６０の断面構造を
示した図である。この半導体素子６０は、光電陰極３０
から放出されて電子レンズ８０によって収束された光電
子ｅ^- を後述する受容部６５に照射され、後述するアバ
ランシェ増倍領域で増幅して検出するいわゆるアバラン
シェホトダイオードである。

【００３４】平板状の半導体基板６１の中央部上には、
円板状のキャリア増倍層６２が形成されている。この半
導体基板６１の周辺部上には、円環状のガードリング層
６３がキャリア増倍層６２と同一の層厚を有して形成さ
れている。キャリア増倍層６２の表面中央領域には、円
板状の降伏電圧制御層６４が形成されている。

【００３５】半導体基板６１は、ｎ⁺ 型のＳｉで形成さ
れた高濃度単結晶ウエハである。この半導体基板６１
は、層厚約５００μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰ
を濃度約１０¹⁹ｃｍ^-3でドープされ、比抵抗約０．０１
Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２は、ｐ型の
Ｓｉを半導体基板６１上にエピタキシャル成長して形成
された低濃度半導体層である。このキャリア増倍層６２
は、層厚約１０μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを
濃度約１０¹⁴〜１０¹⁶ｃｍ^-3でドープされ、比抵抗約１
〜１００Ω・ｃｍを有している。キャリア増倍層６２の
ドーパント濃度は、降伏電圧に接近した電圧を印加した
ときに半導体基板６１との接合面から拡がる空乏層が降
伏電圧制御層６４に到達する値である。

【００３６】なお、このキャリア増倍層６２において良
好な結晶性を保持してエピタキシャル成長させる層厚ｄ
は、約５μｍ〜約５０μｍの範囲に含まれるように設定
することが好適である。もし、層厚ｄが約５０μｍより
も大きい場合、層厚方向のドーパント濃度の不均一性が
顕著になるので、光電子ｅ^- に対するアバランシェ増倍
ゲインのユニフォミティをキャリアの発生位置に依存し
て劣化させてしまう。一方、層厚ｄが約５μｍよりも小
さい場合、半導体基板６１から伸びて拡がる空乏層が薄
くなるので、光電子ｅ^- に対する電子照射ゲインを低減
させてしまう。

【００３７】ここで、層厚ｄを約１０μｍに設定した理
由は、加速エネルギー約１５ｋｅＶで照射された光電子
ｅ^- の最大飛程約３μｍと、後述するアバランシェ増倍
領域の層厚約３μｍとに対して、光電子ｅ^- に対する電
子照射ゲインの揺らぎを最低限に押さえるためにそれぞ
れ若干の余裕を考慮したからである。

【００３８】ガードリング層６３は、第１導電型のドー
パントとしてｎ型ドーパントをキャリア増倍層６２の周
辺部に熱拡散して形成された高濃度半導体層である。こ
のガードリング層６３は、キャリア増倍層６２の層厚と
同一の層厚約１０μｍを有し、ｎ型ドーパントとしてＰ
を半導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０¹⁹ｃｍ^-3で
ドープされている。

【００３９】降伏電圧制御層６４は、ｐ型ドーパントを
キャリア増倍層６２の表面中央領域に熱拡散して形成さ
れた高濃度半導体層である。この降伏電圧制御層６４
は、層厚約１μｍを有し、ｐ型ドーパントとしてＢを半
導体基板６１の濃度と同一の濃度約１０¹⁹ｃｍ^-3でドー
プされている。この降伏電圧制御層６４の表面中央部に
は、円形状の受容部６５が光電陰極４０に対向して露出
されている。

【００４０】なお、この受容部６５において、光電子ｅ
^- を受容して所定の増倍率で増幅する口径φ₂ は、約１
０ｍｍ以下の範囲に含まれるように設定することが好適
である。もし、口径φ₂ が約１０ｍｍよりも大きい場
合、表面方向のドーパント濃度の不均一性が顕著になる
ので、光電子ｅ^- に対するアバランシェ増倍ゲインのユ
ニフォミティをキャリアの発生位置に依存して劣化させ
てしまう。また、アバランシェ増倍領域の容量が大きく
なるので、動作速度が低減してしまう。

【００４１】受容部６５の周辺部に位置する降伏電圧制
御層６４の表面周縁部上の大部分と、ガードリング層６
３の表面全体上とには、２種類の絶縁層６６，６７が順
次積層して形成されている。絶縁層６６は、Ｓｉの酸化
物で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６６の層
厚は約２００ｎｍである。絶縁層６７は、Ｓｉの窒化物
で形成された絶縁性薄膜である。この絶縁層６７の層厚
は約５０ｎｍである。なお、絶縁層６６は、ガードリン
グ層６３及び降伏電圧制御層６４を形成する際にキャリ
ア増倍層６２の結晶性を良好に保持するために、あらか
じめキャリア増倍層６２の表面領域を酸化させて形成す
るものである。また、絶縁層６７は、光電陰極４０を形
成する際にキャリア増倍層６２、ガードリング層６３及
び降伏電圧制御層６４の半導体特性を劣化させないため
に、絶縁層６６上に堆積させて形成するものである。

【００４２】絶縁層６７上には、円環状のオーミック電
極層６８が形成されており、絶縁層６６，６７の側壁に
沿って降伏電圧制御層６４の表面周縁部に接触してい
る。このオーミック電極層６８は、Ａｌで形成された金
属薄膜であり、降伏電圧制御層６４に対して良好なオー
ミック接触性を有している。

【００４３】なお、オーミック電極層６８は、ワイヤー
７１のボンディングによって外部電圧源（図示しない）
から端子棒７２を介して所定の電圧を印加され、例えば
−１４５Ｖの負電位に保持されている。また、半導体基
板６１は、ステム５０上の設置によって外部電圧源（図
示しない）から所定の電圧を印加され、例えば０Ｖのグ
ランド（ＧＮＤ）電位に保持されている。これにより、
ｎ⁺ 型の半導体基板６１とｐ⁺ 型の降伏電圧制御層６４
との間に、すなわちキャリア増倍層６２に空乏層がアバ
ランシェ増倍領域として生成される。

【００４４】ここで、受容部６５に入射した光電子ｅ^-
がアバランシェ増倍領域に到達するまでの電子照射ゲイ
ンは、約４×１０³ である。これらのキャリアがアバラ
ンシェ増倍領域を通過して半導体基板６１に到達するま
でのアバランシェ増倍ゲインは、約３０である。これに
より、半導体素子６０の全体として光電子ｅ^- に対する
二次電子のゲインは、１０⁵ 程度に達する。

【００４５】この光検出器２の出力端は、図１に示され
るように電流信号を電圧信号に変換するプリアンプ３に
接続されている。プリアンプ３の出力側は、以下に構成
を詳述する光子数解析装置４とタイミングピックアップ
回路５にそれぞれ接続されている。これらの出力は、い
ずれも後に構成を詳述する光子検出頻度解析部６に接続
されている。

【００４６】このうち、光子数解析装置４は、被測定光
の繰り返し周期の１周期Ｔ中に光検出器２で検出された
光子の数を判定する装置であり、入力信号を１周期Ｔの
間積分して出力する積分回路８と、この積分信号を所定
の時定数でサンプルホールドしたうえで出力する波形整
形回路９と、この出力信号の電圧値が所定の範囲内にあ
るか否かを判定する波高解析装置１０が直列に接続され
て構成されている。

【００４７】一方、タイミングピックアップ回路５は、
１周期Ｔの間に最初に検出された光子に対応する入力信
号を抽出して出力する回路であり、周期Ｔ内における最
初の入力パルスと立ち上がりの時刻が同じかこれを所定
時間遅延させた所定波形のパルス信号を出力する波形整
形回路を含んでいる。その出力波形は方形波が好まし
い。光検出器２の出力パルスのパルス幅に比べて光波形
を測定する際に求められる時間分解能があまり大きくな
い場合には、この波形整形回路を省略して、入力信号の
うち１周期中に最初に検出された光子に対応する入力信
号のみを抽出してそのまま出力してもよい。

【００４８】また、光子検出頻度解析部６は、１周期中
に検出された光子数が１個のときのみのその光子の検出
時刻を出力する装置であって、直列接続された遅延回路
１１、ゲート回路１２、光子検出頻度解析回路１４と被
測定光源１と光子検出頻度解析回路１４のそれぞれに接
続された同期回路１３から構成されている。そして、ゲ
ート回路１２は、光子数解析装置１０に接続されてい
る。遅延回路１１は、タイミング解析装置５の出力を１
周期Ｔだけ遅延させる回路である。ゲート回路１２は、
光子数解析装置４からの出力に応じて遅延回路１１から
の出力の通過、遮断を切り替える回路である。また、同
期回路１３は、被測定光の繰り返し周期に同期して光子
検出頻度解析回路１４を作動させるトリガー信号を発す
る。光子検出頻度解析回路１４には、前述したＴＡＣが
用いられており、トリガー信号の入力タイミングとゲー
ト回路１２からの信号の入力タイミングの時間差に相当
する電圧信号を出力する。

【００４９】光子検出頻度解析部６は、さらに、この出
力を基にして被測定光の波形を再現する波形出力装置７
に接続されている。波形出力装置７には、マルチチャン
ネルアナライザーやパソコン、ＣＰＵとメモリの組み合
わせなどを用いることができる。

【００５０】本実施形態の動作説明に先立ち、図２、図
３により、光子が入射した際の光検出器２の動作につい
て詳しく説明する。

【００５１】外部電圧源から所定の電圧が印加される
と、光電陰極４０及び電子レンズ８１に所定電位が生成
されるとともに、電子レンズ８２及びステム５０により
高い電位が生成される。これにより、真空容器２０の内
部には、半導体素子６０から電子レンズ８１，８２の各
開口を通過して光電陰極４０に向かう電界が発生する。

【００５２】また、オーミック電極層６８には所定電位
が生成されるとともに、半導体基板６１により高い電位
が生成される。これにより、半導体素子６０の内部に
は、逆バイアス電圧が印加されているので、半導体基板
６１とキャリア増倍層６２との接合面から降伏電圧制御
層６４に向かって延びた空乏層がアバランシェ増倍領域
を生成する。

【００５３】ここで、外部から微弱光の光子ｈνが入射
窓３０の受光部に入射すると、この光子ｈνは入射窓３
０の内部を透過して光電陰極４０に吸収される。そのた
め、光電陰極４０の価電子帯に位置した電子が伝導帯に
励起され、負の電子親和力作用によって光電子ｅ^- とし
て真空中に放出される。このようにして光電陰極４０か
ら放出された光電子ｅ^- は、図２の斜線で示す範囲に形
成されたステム５０から電子レンズ８０を介して光電陰
極４０に向かって開放された電界に対向して移動し、半
導体素子６０の受容部６５に入射する。

【００５４】なお、電子レンズ８０によって光電陰極４
０から放出された光電子ｅ^- を受容部６５上の一点に収
束させることは原理的に不可能であるが、受容部６５の
口径φ₂ 程度に収束させることは可能である。そのた
め、個々の光電子ｅ^- は受容部６５の異なる位置に入射
することになる。

【００５５】半導体素子６０の受容部６５に入射した光
電子ｅ^- は、キャリア増倍層６２の内部でエネルギー約
３．６ｅＶを失う毎に一対の電子−正孔対を生成する。
そのため、単一の光電子ｅ^- の入射によって、数千組の
電子−正孔対が二次キャリアとして発生する。このよう
に増倍した二次キャリアは、半導体基板６１から降伏電
圧制御層６４に向かう電界に対向してドリフトする。こ
の中で電子は、キャリア増倍層６２の内部に生成したア
バランシェ増倍領域に到達する。このとき、光電子ｅ^-
に対する電子照射ゲインは約４×１０³ に達する。

【００５６】アバランシェ増倍領域にドリフトした電子
は、キャリア増倍層６２を構成する分子に衝突してイオ
ン化を起こすアバランシェ増倍過程を繰り返す。このよ
うに増倍した電子は、半導体基板６１からキャリア増倍
層６２に向かう電界に対向してドリフトして半導体基板
６１に到達する。このとき、アバランシェ増倍ゲインは
約３０であり、光電子ｅ^- に対する電子のトータルゲイ
ンは１０⁵ 程度に達する。

【００５７】ここで、ｐ型のキャリア増倍層６２のドー
パント分布は非常に均一に制御されている。そのため、
アバランシェ増倍ゲインは、アバランシェ増倍領域中に
おける二次電子の発生位置に対する依存を低減してお
り、良好なユニフォミティを得ている。

【００５８】このような二次電子の増倍量に対応した逆
方向電流が、オーミック電極層６８からワイヤー７１及
び端子棒７２を介して外部に出力される。そのため、光
検出器２に入射した光子の個数を順次個別に検出するこ
とができる。

【００５９】ここで、図４、５を参照して、本実施形態
の光検出器２と、従来型の光電子増倍管とでパルス波高
分解能を比較した結果について説明する。図４は、本実
施形態の光検出器２の出力パルス波高分布図であり、図
５は、従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布であ
る。これらのグラフにおいては、横軸は、出力電子数、
縦軸は、各出力電子数の検出回数であり、グラフ内の数
値は光電変換された光電子数である。

【００６０】図４、５より本実施形態の光検出器２は、
従来型の光電子増倍管に比較して、それぞれの光電子数
に対する検出回数のピークがはっきりしており、光電子
パルスのパルス波高分解能が高く、光子数を弁別するこ
とが容易である。単一光子入射に伴う光電子パルスのパ
ルス波高分解能は、従来型では３０〜１００％であるの
に対し、本実施形態の光検出器２では、通常のアンプノ
イズを加味しても７．６％と大幅に改善されている。こ
れは、従来型の光電子増倍管では、増幅部の１段あたり
の増幅率が１０程度と低いため、増幅部を多段化するこ
とにより高い増幅率を得ているが、各段の増幅率が一定
していないために、増幅の結果、入射光子１個あたりに
得られる電子の数が変動するためである。一方、本実施
形態の光検出器２は、初段の増幅率が１０００程度と高
く、安定しているため、入射光子１個あたりに得られる
最終的な電子の数が一定に近いので、高いパルス波高分
解能が得られる。

【００６１】続いて、本実施形態全体の動作を図１、６
を用いて説明する。図６は、本実施形態の動作のタイミ
ングチャートである。

【００６２】被測定光源１から出射された光の一部は、
光検出器２に入射される。光検出器２に図６(a)に示さ
れるタイミングで光子が入射すると、光検出器２内で
は、前述したように光電変換が行われ、同図(b)に示さ
れるタイミングで光電子を発する。この結果、光検出器
２は、この光電子を増倍して同図(c)に示されるような
パルス電流を出力する。このパルスのパルス幅は、周期
Ｔに比べて充分に短く、パルスの立ち上がり時刻は、光
子の到達時刻に相当する。また、パルス幅より短い時間
内に複数の光子が光電変換されたときは、光子数に応じ
た所定の強度のパルス電流が出力される。この信号はプ
リアンプ３で電流電圧変換されて、光子数解析装置４と
タイミングピックアップ回路５にそれぞれ送られる。

【００６３】このうち、光子数解析装置４では、まず、
電圧信号に変換された入力パルスが積分回路８で１周期
Ｔごとに積分されて、波形整形回路９で所定の時定数で
サンプルホールドされ、同図(d)に示される波形に成形
されたうえで出力される。したがって、１周期が終了す
るそれぞれの時点での電圧値は、その周期に検出された
光子数に比例するものとなる。波高解析装置１０では、
この１周期が終了する時点の電圧値を調べて、同図(d)
中のＶの範囲（電圧値が所定の定数α以上でα＋Ｖ以下
の範囲）に入っている場合、すなわち、１周期中に検出
された光子が１個のみの場合のみに信号を出力し、それ
以外の光子が検出されなかったか２個以上の光子が検出
された場合には信号を出力しない。この出力は、同図
(e)に示されるように次の１周期にわたって出力され
る。いいかえれば、波高が解析された周期より１周期遅
れて出力される。この出力信号は、光子検出頻度解析部
６のゲート回路１２に送られる。

【００６４】一方、タイミングピックアップ回路５に
は、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパル
ス信号が入力される。そして、タイミングピックアップ
回路５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上が
り時刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が
同じまたは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が
均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力す
る。このパルス信号は、光子検出頻度解析部６に送られ
る。

【００６５】そして、光子検出頻度解析部６では、遅延
回路１１が、このパルス信号を１周期遅延させる（同図
(h)参照）。ゲート回路１２は、この遅延されたパルス
信号と同図(e)に示される光子数解析装置４から送られ
てきた電圧値を乗算して、同図(i)に示されるパルスを
出力する。これは、周期中に光子が１個のみ検出された
ときのその光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じある
いは所定の遅延時間を有する方形波のパルス信号を１周
期遅延させた信号である。この信号は光子検出頻度解析
回路１４に送られる。光子検出頻度解析回路１４には、
同期回路１３から各周期の開始時刻に同調するトリガー
信号が入力されている。同図(i)に示された信号が入力
されると、光子検出頻度解析回路１４は、この信号の入
力タイミングとトリガー信号の入力タイミング、言い換
えれば、それぞれの周期の開始時刻との時間差に比例し
た電圧信号を出力する。したがって、光子の到達時刻と
その周期の開始時刻との時間差に相当する電圧信号が得
られる。

【００６６】この測定を何度も繰り返しながら、波形出
力装置６で、この電圧信号を電圧の範囲に応じて積算し
ていく。この電圧は検出した光子の周期内における到達
時刻、言い換えれば検出時刻に対応しているので、この
操作は、光子の検出頻度情報をサンプリングしているこ
とになる。前述したようにサンプリングの数が十分多け
れば、１周期Ｔをｎチャンネルに分割した時間間隔ｉの
間に観測された光子の数μ_iは、そのｉ時点での被測定
光の光強度に対応する。本実施形態では、１周期Ｔ中に
光子が１個のみ検出された場合の検出頻度情報のみを抽
出して使用しているが、この１周期Ｔ中に光子が１個の
み検出され、それがチャンネルｉで検出される場合の確
率ｑ₁（ｉ）は、式(1)より、

【００６７】

【数３】 で表される。これは、μ_iに比例しているため、ｑ
₁（ｉ）を基にして被測定光の波形を再構成することが
できる。波形出力装置６におけるこの被測定光の波形の
再構成は、サンプリングされた検出頻度を単純に画面あ
るいは用紙等にヒストグラム表示あるいは印刷すること
により光波形を再構成するものでもよいし、サンプリン
グされた検出頻度情報を統計的に処理して補正したうえ
で光の時間波形を表示あるいは印刷するものでもよい。

【００６８】本実施形態では、１周期中に光子が２個以
上検出された場合は、その情報は、光子の検出頻度のサ
ンプリングに使用せず、１周期中に光子が１個のみ検出
された場合に限り、その情報を使用しているので、従来
の装置で、１周期中に光子が複数検出された場合の後か
ら検出された光子の数え落としに伴い発生していた波形
の歪みが起こることがなく、正確な波形の検出が可能に
なる。また、サンプリングの際の光子到達時刻を測定す
るのに、ＴＡＣを使用することにより、簡単な構成で１
０ｐｓ程度と時間分解能の極めて高い測定が可能であ
る。

【００６９】また、従来の装置では、平均検出光子数μ
を増やすと、周期Ｔ中に複数個の光子を検出して、波形
の歪みをもたらす光子の数え落としが発生する確率が高
くなるため、平均検出光子数μを低く抑える必要があっ
た。本実施形態の場合は、光子が１個のみの場合だけに
限り、サンプリングに用いるので、光子が２個以上検出
される場合を考慮する必要がなく、平均検出光子数を増
やすことができる。図７は、平均検出光子数μに対し
て、光子が１個のみ検出される場合の１周期あたりの解
析光子数μ_aをプロットしたものである。図７より、こ
の解析光子数μ_aが最も多くなるのは、μ＝１．０の時
である。この時、本実施形態での解析光子数μ_aは０．
３６８となる。これは、従来の装置で標準的であった平
均検出光子数μ＝０．０１の時の解析光子数μ_a＝０．
００９９と比較して約３７倍にあたり、本実施形態で
は、短時間で精度の良い測定が可能であることがわか
る。

【００７０】次に、図８を参照して本発明の第２の実施
形態について説明する。図８は、この第２の実施形態の
ブロック図である。

【００７１】まず、装置の構成を説明する。基本的な構
成は、図１に示される第１の実施形態と同一であり、共
通する部分の構成についての説明は省略する。本実施形
態ではまず、光子検出頻度解析部６の構成が、第１の実
施形態と異なる。本実施形態では、ＴＡＣを用いた光子
検出頻度解析回路１４が遅延回路１１の直後に接続され
ており、この光子検出頻度解析回路１４の出力側に、光
子数解析装置４にも接続されており、光子数に応じて光
子検出頻度解析回路１４の出力信号の出力先を切り替え
るゲート切替器１５が接続されている。ゲート切替器１
５のそれぞれの出力先には、さらに、１周期Ｔ中の検出
光子数に対応して設けられ、それぞれの光子数のときの
光子検出頻度解析回路１４の出力信号を蓄積して記憶す
る複数（ｎ個）のメモリ１６₁〜１６_nが接続されてい
る。そして、それぞれのメモリは、波形出力装置７に接
続されている。

【００７２】次に、図８〜図１０を参照して、本実施形
態の動作を説明する。図９は、本実施形態のタイミング
チャート、図１０は、本実施形態の波形出力装置のフロ
ーチャートである。ここでも、第１の実施形態と共通す
る部分については、説明を省略する。

【００７３】被測定光源１から出射した光の一部の光子
（図９(a)参照）は、光検出器２により、光電変換され
たうえで（同図(b)参照）増倍されて出力される（同図
(c)参照）。この信号は、プリアンプ３で電圧信号に変
換されて、第１の実施形態の場合と同様に光子数解析装
置４と、タイミングピックアップ回路５のそれぞれに送
られる。

【００７４】光子数解析装置４では、積分回路８により
この信号を１周期Ｔごとに積分して、波形整形回路９に
より所定の時定数でサンプルホールドして同図(d)に示
される波形に成形して出力する。第１の実施形態の説明
で述べたように、周期Ｔが終了するそれぞれの時点での
電圧値は、その周期Ｔ中に検出された光子数に比例して
いる。そこで、波高解析装置１０で、この１周期が終了
する時点の電圧値を調べて、対応する光子数に対応する
電圧値を出力する（同図(e)参照）。

【００７５】一方、タイミングピックアップ回路５に
は、同図(c)と相似波形の同図(f)に示される波形のパル
ス信号が入力される。このタイミングピックアップ回路
５では、１周期Ｔ中の最初のパルス信号の立ち上がり時
刻、すなわち、光子の到達時刻と立ち上がり時刻が同じ
かあるいは所定の遅延時間を有する方形波でパルス幅が
均一な同図(g)に示されるようなパルス信号を出力す
る。遅延回路１１は、このパルス信号を１周期遅延させ
る（同図(h)参照）。光子検出頻度解析回路１４には、
同期回路１３からそれぞれの周期の開始時刻に同調した
トリガー信号が入力されている。そして、他方の入力信
号として同図(h)に示されるパルス信号が入力される
と、トリガー信号とこのパルス信号の入力タイミングの
時間差に比例する電圧信号を出力する（同図(i)参
照）。この信号は、つまり周期中の最初の光子の到達時
刻を表す信号である。ゲート切替器１５は、光子数解析
装置４から送られてきた光子数情報（同図(e)参照）を
参照して、この光子数に対応するメモリ１６に最初の光
子の到達時刻情報を区分して出力する。例えば、メモリ
１６₁には、同図(j)に示される１周期中の検出光子数１
個の時の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６₂には、
同図(k)に示される１周期中の検出光子数２個の時の最
初の光子の到達時刻の情報が、メモリ１６_nには、１周
期中の検出光子数がｎ個の時の最初の光子の到達時刻の
情報がそれぞれ送られ、蓄積されていく。

【００７６】これを繰り返して多数のサンプルの情報を
メモリに蓄積した後で、波形出力装置７は、メモリ１６
に蓄積された光子発生頻度の情報を読み出して、後述す
る統計的処理を行い、被測定光の光波形を再現して出力
する。

【００７７】ここで、周期中に２個の光子が検出され、
そのうち最初の光子がチャンネルｉで検出される確率ｑ
₂（ｉ）は、式(1)より、

【００７８】

【数４】 で表される。同様に、周期Ｔ中にｋ個の光子が検出さ
れ、そのうち最初の光子がチャンネルｉで検出される確
率ｑ_k（ｉ）は、一般的に

【００７９】

【数５】 の形式で表せる。ただし、ｆ_k（μ，μ_i，…，μ_n）
は、μ，μ_i，…，μ_nの関数である。つまり、ｑ
_k（ｉ）は、μ_iに比例する項と、ｆ_kに比例する項から
なる。

【００８０】以下に、図１０を参照して、この統計処理
の一例を示す。ここでは、１周期中に１個〜ｍ個の光子
を検出したときの頻度情報を基に光波形を求める処理に
ついて説明する。

【００８１】まず、メモリ１６₁から周期Ｔ中に１個の
光子のみを検出したときの光子の検出頻度情報を読み出
して（Ｓ１）、この頻度情報を基にして式(3)に基づい
て、それぞれのチャンネルｉのμ_iを算出して、光波形
Ｌを求める（Ｓ２）。この光波形Ｌを以下の補正のもと
となる光波形Ｌ₀に設定する（Ｓ３）。続いて補正のル
ープ計算に入る。まず補正に用いる頻度情報の光子数ｋ
を２に設定する（Ｓ４）。そして、メモリ７_k（ここで
は７₂）から周期Ｔ中にｋ個（ここでは２個）の光子が
検出されたときの光子検出頻度情報を読み出して（Ｓ
５）、この頻度情報を基にして、式(5)（この場合は具
体的には、式(4)に相当）に基づいて補正後のμ_iを求め
る（Ｓ６）。具体的には、得られた頻度情報をｑ
₂（ｉ）とし、Ｌ₀のμ_j（ｉ≦ｊ≦ｎ）を基にｆ₂を算出
したうえでこれらを基にして新たなμ_iを算出する。こ
うして得られた新たな波形ＬをＬ₀と比較する（Ｓ
７）。ＬとＬ₀の差、例えば、それぞれのμ_iの差の２乗
を積算した数値、が大きければ、得られた光波形Ｌを新
たなＬ₀として（Ｓ８）、再度Ｓ６に戻って補正計算を
繰り返す。ＬとＬ₀の差が予め設定した誤差の範囲内で
あれば、得られた光波形Ｌを新たなＬ₀とし（Ｓ９）、
ｋがｍより大きいかどうか、つまり光子数ｍ個までの補
正を終了しているかどうかを判定する（Ｓ１０）。ｋが
ｍより小さいときは、ｋ＋１を新たなｋに設定して（Ｓ
１１）、Ｓ５に戻り、周期Ｔ中にｋ個の光子を検出した
ときの頻度情報による光波形の補正を繰り返す。ｋがｍ
以上であれば、光子数ｍ個までの補正は終了したとし
て、得られた光波形Ｌを最終的な光波形として出力する
（Ｓ１２）。

【００８２】このアルゴリズムは補正処理の一例であ
り、補正処理はこれに限定されるものではない。例え
ば、２個以上の光子を検出したときの頻度情報に基づく
補正値を同時に算出してそれぞれを重み付けして積算し
てもよいし、μ_iを求める際に、最後のｎチャンネルか
ら求めていき、求めた最新のμ_i〜μ_nを用いて時刻が先
のチャンネルのμ_i-1を求めていってもよい。また、繰
り返し計算の際にμ_iを置き換えるのではなく、元のμ_i
と新たに求めたμ_iとの差に重みをかけて元のμ_iに加え
た値を次回の補正の際に用いるμ_iとしてもよい。

【００８３】この実施形態では、従来数え落とされてい
た周期Ｔ中に複数の光子が検出されたときの頻度情報が
有効に用いられるので、短時間で多くの頻度情報を獲得
することができ、短い時間で波形の計測が可能となる。
例えば、平均検出光子数μが１．０の場合、周期中に１
個の光子を検出したときの情報のみを使用する場合、測
定した周期のうち有効なデータを獲得できる周期の割合
は、３６．８％であるが、本実施形態を用いて２個の光
子を検出したときの情報を使用すれば、この割合は５
５．２％、３個の光子を検出したときの情報まで使用す
れば、６１．３％に向上させることができる。また、数
え落としに伴う波形の歪みが生じないので、精度の高い
測定が可能となる。

【００８４】以上の説明では、光検出器として増倍部に
アバランシェホトダイオードを用いた光電子増倍管を例
として説明したが、光電子増倍管の増倍部はホトダイオ
ード等の半導体ターゲットであっても、同様に安定した
高い増倍率を備えるので、光子数の弁別が可能であり、
本発明の光波形計測装置に利用できる。また、同様に安
定した高い増倍率を備えていれば、マイクロチャネルプ
レートを増倍部として用いた光電子増倍管でもよい。さ
らに、光検出器は光電子増倍管に限られるものではな
く、光子の到達時間と到達した個数を弁別可能な出力信
号を発するものであれば、様々な形式の光検出器を使用
することができる。

【００８５】

【発明の効果】本発明の光波形計測装置によれば、被測
定光の繰り返し周期の１周期中に１個の光子が検出され
たときにのみその光子の発生頻度情報を積算して光波形
を求めるので、従来問題とされていた１周期中に複数個
の光子を検出したときの数え落としがなくなり、波形の
歪みの少ない高精度の測定が可能になる。また、平均検
出光子数を増やして測定できるので、従来より短時間で
多数の光子の発生頻度情報を積算することができ、測定
時間を短縮することもできる。

【００８６】また、本発明の他の形態によれば、被測定
光の繰り返し周期の１周期中に検出された光子数に応じ
て別々のメモリに１周期の最初に検出された光子の発生
頻度情報を蓄積したうえで、統計処理により被測定光の
波形を求めている。このため、複数個の光子を検出した
ときでも従来のような数え落としの要因とはならず、光
波形を補正する有効な情報として用いることができる。
このため、平均検出光子数を増やすことができ、有効な
発生頻度情報を短時間でより多く集積することができる
ので、短時間での高精度の測定が可能となる。

【００８７】さらに、光検出器に半導体ターゲット等を
増倍部に用いた光電子増倍管を使用すれば、検出器に到
達した光子数の弁別が容易になるので、光子の数え落と
しや光子数の数え間違いによる光波形の歪みがなくな
る。

【００８８】また、光検出器の出力を積分して光子数を
検出すれば、光子数の弁別を行う回路の構成が簡単です
む。

【００８９】光子検出頻度解析装置にＴＡＣを用いれ
ば、簡単で安価な構成により、時間分解能の高い測定が
できる。

【００９０】また、タイミングピックアップ回路に波形
整形回路を用いて、出力を方形波等の立ち上がりが急峻
なパルスに整形すれば、光検出器に光子が到達した時刻
をより高精度に特定できるので、時間分解能の高い測定
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のブロック図である。

【図２】図１の実施形態で使用する光検出器の断面構成
図である。

【図３】図２の光検出器の半導体素子の断面構成図であ
る。

【図４】図２の光検出器の出力パルス波高分布図であ
る。

【図５】従来型の光電子増倍管の出力パルス波高分布図
である。

【図６】本発明の第１の実施形態の動作のタイミングチ
ャートである。

【図７】本発明の第１の実施形態の平均検出光子数に対
する解析光子数のプロット図である。

【図８】本発明の第２の実施形態のブロック図である。

【図９】本発明の第２の実施形態の動作のタイミングチ
ャートである。

【図１０】本発明の第２の実施形態の統計処理のフロー
チャートである。

【図１１】従来の時間相関光子計数装置のブロック図で
ある。

【図１２】従来の時間相関光子計数装置における波形歪
みの一例を示す図である。

【符号の説明】

１…被測定光源、２…光検出器、３…プリアンプ、４…
光子数解析装置、５…タイミングピックアップ回路、６
…光子検出頻度解析部、７…波形出力装置、８…積分回
路、９…波形整形回路、１０…波高解析装置、１１…遅
延回路、１２…ゲート回路、１３…同期回路、１４…光
子検出頻度解析回路、１５…ゲート切替器、１６…メモ
リ、１７…ディスクリミネータ、１８…ＴＡＣ、１９…
マルチチャンネルアナライザー、６０…半導体素子。代
理人弁理士 長谷川 芳樹

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の繰り返し周期を有する被測定光の
   光強度の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装
   置において、 前記被測定光の一部が入射され、光子の到達に対応して
   パルス幅あるいはパルスの立ち上がり時間が前記繰り返
   し周期より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光
   子数に対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器
   と、 前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記繰り返
   し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する
   光子数解析装置と、 前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記１周期
   の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号の
   みを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、 前記光子数解析装置で算出した光子数が１のみの周期に
   対応する前記タイミングピックアップ回路の出力を基に
   して、該１周期中に該光子を検出した時刻を求め、その
   検出時刻の範囲に応じて検出回数を積算して光子の検出
   頻度情報を求める光子検出頻度解析部と、 前記光子頻度解析部の出力を基に前記被測定光の波形を
   再現して出力する波形出力装置と、 を備えることを特徴とする光波形計測装置。
2. 【請求項２】 所定の繰り返し周期を有する光の光強度
   の時間変化を表す光波形を計測する光波形計測装置にお
   いて、 前記光の一部が入射され、光子の到達に対応してパルス
   幅あるいはパルスの立ち上がり時間が前記繰り返し周期
   より十分に短く、１個以上の略同時に到達した光子数に
   対応する電荷量のパルス信号を出力する光検出器と、 前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記繰り返
   し周期の１周期中に検出した光子数を算出して出力する
   光子数解析装置と、 前記光検出器の出力パルス信号を基にして、前記１周期
   の間に最初に検出した光子に対応する出力パルス信号の
   みを抽出して出力するタイミングピックアップ回路と、 前記タイミングピックアップ回路の出力を基にして、前
   記１周期の間に最初に検出した光子の検出時刻を求め、
   この検出時刻情報を前記光子数解析装置で解析された１
   周期中に検出された光子数ごとに区分して出力する光子
   検出頻度解析部と、 前記光子検出頻度解析部の出力側に設けられて、その区
   分された出力ごとに検出時刻の範囲に応じて光子の検出
   回数をそれぞれ蓄積することにより、光子の検出頻度情
   報として記録する複数個のメモリと、 前記光子検出頻度情報を前記メモリごとに読み出して、
   読み出した多数の光子検出頻度情報を統計的に処理する
   ことにより、前記被測定光の波形を再現して出力する波
   形出力装置と、 を備えることを特徴とする光波形計測装置。
3. 【請求項３】 前記光検出器は、半導体ターゲットを増
   倍部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求
   項１又は２に記載の光波形計測装置。
4. 【請求項４】 前記光検出器は、ホトダイオードを増倍
   部に備える光電子増倍管であることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の光波形計測装置。
5. 【請求項５】 前記光検出器は、アバランシェホトダイ
   オードを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
6. 【請求項６】 前記光検出器は、マイクロチャネルプレ
   ートを増倍部に備える光電子増倍管であることを特徴と
   する請求項１又は２に記載の光波形計測装置。
7. 【請求項７】 前記光子数解析装置は、前記光検出器の
   出力信号の総電荷量を前記１周期内で積分して、積分し
   た総電荷量の範囲に応じた値を光子数として出力するこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形計測装
   置。
8. 【請求項８】 前記光子検出頻度解析部は、時間−電圧
   変換器を有することを特徴とする請求項１又は２に記載
   の光波形計測装置。
9. 【請求項９】 前記タイミングピックアップ回路は、前
   記光検出器から送られてきたパルス信号のうち、前記１
   周期内の最初のパルス信号のみを、その立ち上がり時刻
   に対して、０以上の所定の遅延時間を有する立ち上がり
   が急峻なパルス信号に変換して出力する光波形整形回路
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光波形
   計測装置。