KR20200103132A - 시분해 단일 광자 계수 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스 여기광을 생성하는 여기 광원부와, 펄스 여기광을 시료에 조사하여 야기된 광 신호를 포집하는 시료 광학부와, 광 신호를 광전 변환하여 아날로그 단일 광자 신호를 생성하는 광전 변환부와, 아날로그 단일 광자 신호를 신호 샘플링하여 디지털 단일 광자 신호로 변환하는 AD 신호 변환부와, 디지털 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별하여 판별 신호를 생성하고, 디지털 단일 광자 신호의 펄스 시점을 계측하여 상대적인 지연 시간 정보를 갖는 지연 시간 신호를 생성하는 디지털 판별 시간 측정부와, 판별 신호를 참조하여 지연 시간에 따른 유효한 단일 광자 감지 이벤트를 계수하는 시간 신호 처리부를 포함하는 시분해 단일 광자 계수 장치를 제공한다.

Description

시분해 단일 광자 계수 장치{TIME-RESOLVED SINGLE-PHOTON COUNTING APPARATUS}

본 발명은 광신호의 세기를 민감하게 계측하는 광 측정 장치에 관한 것으로서, 개별 광자들을 순차적으로 감지하고 그 감지 타이밍에 따라 계수하는 시분해 단일 광자 계수 장치 또는 시상관 단일 광자 계수기(TCSPC, time-correlated single-photon counter)에 관한 것이다.

본 발명에 의한 시분해 단일 광자 계수 장치는 빠른 속도로 변조된 낮은 세기의 광신호가 갖는 시간적 세기 분포를 측정할 수 있다. 특히, 미세한 분광 신호의 시간적 발광 특성을 분석하기 위한 수단으로 시분해 분광 기술에 활용될 수 있다.

빛은 양자역학적 입자인 광자들의 묶음으로 묘사될 수 있다. 전자식 광 감지기는 광전 변환을 통해 감지된 광자가 이동성을 갖는 광전자를 생성하여 이에 의한 전류 또는 전압으로 감지된 빛의 세기를 감지한다.

감도가 매우 높은 광 감지기는 개별 광자들을 감지할 수 있으며 특히, 광전 변환 과정에서 높은 이득으로 광전자를 증배시키면 개별 광자들을 큰 진폭의 전기적 펄스 형태로 관찰할 수 있다.

여러 타입의 광감지기 가운데 광증배관(PMT, photomultiplier tube)과 아발란체 포토다이오드(APD, avalanche photodiode)는 개별 광자를 감지할 수 있을 만큼 높은 광전자 증배능을 가지고 있어서 광자 수준 감도의 광감지기로 널리 활용된다.

개별적인 광자들이 단일 광자로서 감지되어 서로 독립된 펄스들로 계측될 수 있는 단일 광자의 측정 조건에서 광자 감지의 이벤트 횟수를 디지털적으로 계수하여 광자의 수 즉, 빛의 세기를 계측하는 장치를 단일 광자 계수기(single-photon counter)라 한다. 이러한 단일 광자 계수기는 빛의 세기가 매우 낮은 경우에도 그 세기를 정확하고 정밀하게 정량화할 수 있어 천문학이나 분광학 장치에서 활용되고 있다.

일반적인 단일 광자 계수기는 주어진 측정 시간 동안 감지된 단일 광자 수의 총량을 단순하게 계수한다. 이와 달리, 시분해 단일 광자 계수기는 감지되는 개별적인 단일 광자의 감지 시점을 어떤 기준 시점을 참조하여 시점 별로 분해된 정보로서 단일 광자를 계수한다. 이에 따라, 시분해 단일 광자 계수기는 단일 광자 감지의 이벤트가 갖는 시간적 분포를 정량화하여 미세한 광신호 세기의 시간적 분포 정보를 얻을 수 있다.

시분해 단일 광자 계수기는 광학적 세기가 낮고 주기적으로 변조된 시간적 분포 확률을 갖는 광신호의 분석에 활용될 수 있다. 이러한 조건을 만족하는 경우 어떤 응용에도 시분해 단일 광자 계수기가 활용될 수 있으나, 가장 대표적인 활용 분야는 어떤 시료의 광학적 발광 특성을 조사하는 분광학 분야이다. 이하에서 시분해 단일 광자 계수기 기술에 대한 설명은 분광학 분야에서의 활용을 중심적으로 서술할 것이다. 그러나, 본 발명이 제시하는 사상은 분광학 분야의 응용에 제한되지 않음을 밝혀둔다.

빛의 물리적 특성을 분류하여 조사하는 분광기는 빛의 특성 조사 및 광 방출원의 특성 조사에서 활용되는 장치이다. 고전적 구성의 분광기는 빛의 파장 또는 주파수 별 분포를 측정하는 장치이다. 이로부터 파생된 고등적 분광학 기술들 가운데 광자 방출의 시간적 특성을 측정하는 시분해 분광 장치가 있다. 시분해 분광 기술에서는 조사하고자 하는 시료에 시간적으로 진폭 변조된 여기광(excitation light)을 가하고 시료가 여기광과 상호 작용하여 방출하는 시료 방출광의 시간적 변조 특성을 계측하여 시료가 어떤 광학적 특성을 갖는지 살핀다.

이러한 시분해 분광 기술은 시료 방출광의 방출 성질에 따라 형광(fluorescence), 인광(phosphorescene) 및 산란광(scattered light) 등으로 세분화할 수 있다. 본 발명의 설명에서는 형광의 시료 방출광을 시간적으로 분석하는 시분해 형광 분광학(time-resolved fluorescence spectroscopy)을 중심적으로 기술할 것이다. 그러나, 본 발명이 제시하는 사상은 여기에 국한되지 않음을 밝혀둔다.

형광은 주로 분자 내 전자들의 상태간 전이에 의해 야기되는 광학적 광 방출 현상이다. 분자의 전자는 외부로부터 입사된 광자를 흡수하며 높은 에너지의 들뜬 상태로 전이되었다가 어떤 시간이 흐른 후에 다시 낮은 에너지의 상태로 회복된다. 이 과정에서 전이 에너지는 형광 광자를 방출하여 소진된다. 여기서 형광 광자의 에너지는 형광을 야기한 전자 상태들의 분포에 대한 분광 정보를 제공한다.

한편, 들뜬 상태에서 전자가 머무는 시간은 분자의 내적 및 외적 요인에 의해 상이할 수 있어 유용한 분광학적 정보를 제공한다. 들뜬 상태의 유지 시간의 평균치를 그 상태의 수명(lifetime)이라 하고 형광 방출과 관계된 과정에서는 형광 수명(fluorescence lifetime)이라 한다. 즉, 형광 수명은 형광을 방출할 수 있는 들뜬 상태의 유지 시간을 의미한다. 개별적 전자 상태의 전이에서 그 수명은 양자역학적 과정에 의해 랜덤하다. 따라서, 평균치로서 형광 수명은 집단적 전자 전이를 조사하여 통계적으로 얻는다.

들뜬 상태에서 바닥 상태로 형광 전이를 하는 전자가 들뜬 상태에 머무를 확률은 단순한 전이 메커니즘에 의한 경우 지수적인 감쇠함수(exponential decay function)를 따른다. 따라서, 어떤 시점에 한 무리의 전자들을 일시에 들뜬 상태로 여기 시키고 놓아두면, 이로부터 방출되는 단위 시간당 형광 광자의 수도 지수적 감쇠 함수를 따르며 처음에 피크를 갖고 높다가 시간에 따라 지수 함수적으로 감소하는 양상을 갖게 된다.

형광 수명은 여기의 시점으로부터 각 형광 광자가 방출되는 시간의 통계적 기대치로서 정의되며, 단순 지수 감쇠 함수꼴의 전이율을 갖는 경우 형광 방출의 지수 감쇠 함수가 갖는 특성적 시정수(time constant)와 같다. 여기서, 시정수는 지수감쇠함수가 1 로부터 1/e 로 감소하는데 걸리는 시간을 의미한다.

이러한 형광 수명을 측정하는 시분해 분광 기술들은 여기광의 변조 방식에 따라 분류할 수 있다. 여기광의 세기가 조화 파형(harmonic waveform)을 갖도록 진폭 변조하여 가하는 경우에는 방출되는 형광 역시 조화 파형으로 진폭 변조된다. 이 때, 형광 수명은 변조 주파수에 따른 형광 신호의 변조 진폭 및 변조 위상의 변화를 측정하여 결정될 수 있다. 이러한 시분해 분광 기술은 강한 세기의 형광 신호를 얻을 수 있는 경우에 적합하다.

형광 수명을 측정하는 다른 방법으로서, 짧은 펄스폭을 갖는 단펄스(short pulse)의 여기광을 가하고 이에 의한 형광 방출의 시간적 특성을 측정하는 방식으로 형광 수명을 측정할 수 있다. 이를 위하여 수백 피코초(ps) 이하의 펄스폭을 갖는 단펄스 레이저가 여기광의 광원으로 많이 활용된다.

이와 같이 단펄스의 여기광을 사용하는 경우 방출되는 형광은 고유한 지수 감쇠 함수의 시간적 파형으로 나타나게 되고, 이 파형 정보를 정확히 획득할 수 있으면 용이하게 형광 수명을 결정할 수 있다. 이는 형광 생성 과정에 대한 일종의 임펄스 응답(impulse response)을 구하는 것과 같다.

한편, 단펄스의 여기광에 의한 방식이 조화 파형 변조의 여기광에 의한 방식보다 높은 감도와 정확도로 형광 수명을 측정할 수 있다. 이하의 설명에서는 단펄스의 여기광에 의한 시분해 형광 분광 기술에 대해 좀 더 세밀히 서술한다.

시분해 형광 분광의 활용에서 측정되는 형광 수명의 범위는 형광체에 따라 매우 상이할 수 있으나, 많은 경우 수백 피코초(ps)에서 수십 나노초(ns) 사이이다. 그리고, 측정하는 형광 수명의 수준에 따라 형광 수명 측정 장치의 기술적 요구 사항이 달라진다.

즉, 측정하는 형광 수명이 수십 나노초 이상으로 비교적 긴 경우에는 비교적 대역폭이 좁은 광감지기로 형광 수명의 특성을 잘 감지할 수 있다. 이 경우 오실로스코프와 같은 디지타이저로 광전 변환된 형광 신호를 획득하여 분석하는 간단한 방법으로도 충분하다. 반면, 형광 수명이 1ns 전후 수준으로 비교적 짧은 경우에는 형광 신호를 직접 감지하여 디지타이저와 같은 기기로 분석하는데 여러 기술적 난점이 있다. 이러한 형광 파형을 직접적으로 관측하기 위해서는 광감지기의 대역폭이 수 GHz 이상으로 충분히 넓고, 디지타이저의 신호 샘플율(signal sampling rate)이 수 GHz 이상으로 역시 매우 높아야 하기 때문이다.

한편, 시분해 형광 분광 기술의 실제 응용에서 감지할 형광 신호가 미세한 세기를 갖는 경우가 많다. 이러한 경우에 시분해 형광 분광 장치는 PMT나 APD 같은 고감도의 광감지기가 요구된다. 그러나, 이러한 광감지기들의 대역폭은 수 GHz 에 미치지 못하는 경우가 많다.

시분해 분광 장치에서 이와 같은 고감도 광감지기의 광전 변환 성능은 그 대역폭에 의해 제한된다. 일반적인 PMT와 같은 광자 수준 광감지기는 출력의 시간적 임펄스 응답의 폭이 1ns 또는 그 이상의 수준이다. 따라서, 1ns 전후의 짧은 형광 수명을 갖는 형광 신호를 광전 변환하는데 있어서 그 신호의 파형 정보가 광감지기의 광전 변환 과정에서 왜곡된다. 이러한 신호 왜곡은 보통 저역 통과의 전달 특성으로 묘사되는 선형적 과정으로 이 신호 왜곡을 무시하기 위해서는 측정하는 형광 수명이 광감지기가 갖는 임펄스 응답의 폭에 비하여 월등히 길어야 한다.

또한, 직접적인 파형 획득을 통해 짧은 형광 수명을 갖는 형광 신호를 시간적으로 분석하기 위해서는 디지타이저와 같은 파형 획득 수단이 넓은 대역폭과 높은 신호 샘플링율을 가져야 한다.

즉, 1ns 전후의 짧은 파형 정보를 분석하기 위해서는 최소 수 GHz 이상의 신호 샘플링율을 갖는 초고속 디지타이저가 요구되며 이러한 디지타이저는 매우 고가로 응용성이 제한된다.

이러한 전자 공학적 기술 한계에 의하여 형광 신호를 광전 변환하고 디지털적으로 획득하는 직접적 신호 획득 방법을 통해서는 단펄스의 여기광에 의한 형광 신호의 지수 감쇠 함수적 형태를 온전히 얻어내는데 여러 문제점이 있다.

직접적 신호 획득에 의한 형광 수명 측정법으로서, 충분히 높지 않은 신호 샘플링율 또는 충분히 넓지 않은 디지타이저의 대역폭으로 직접 획득된 파형 정보를 얻고, 이를 처리하여 정밀하게 형광 수명을 계측하는 방식의 종래 기술들이 제시된 바 있다.

구체적으로, 저역 통과의 변조 신호 전달 특성을 극복하기 위한 방안으로 획득된 신호로부터 디컨볼루션(deconvolution) 연산과 같은 신호 처리 기법으로 원래의 파형을 복구하는 것이 어느 정도 가능하다. 그러나 이러한 방법은 파형 신호의 신호 대 잡음비(SNR)가 열화되는 문제점이 있으며 여전히 충분히 넓은 대역폭의 광감지기가 요구된다.

또한, 형광 신호의 시간적 파형의 형태를 지수 감쇠 함수로 가정하여 획득된 신호의 평균적 타이밍 정보로부터 형광 수명의 정보를 계측하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 복잡한 형광 발광 과정이 갖는 정보를 얻을 수 없는 단점이 있다.

이상에서 서술된 형광 신호의 시간적 파형 정보를 획득하는 방법의 기술적 난점을 해결하고 정확하고 정밀한 형광 수명을 계측하는 대표적 종래의 기술로서, 시상관 단일 광자 계수법(TCSPC, time-correlated single-photon counting)이 많이 활용되고 있다. TCSPC 장치는 단일 광자 계수기의 일종으로 고감도 광감지기로 감지된 단일한 광자 신호 펄스의 수를 계수한다. 또한, TCSPC 장치는 단일 광자 응답 펄스의 타이밍 즉, 펄스의 특성적 시점을 감지하여 형광 광자 방출의 시점에 따라 광자 신호 펄스의 수를 계수하는 것을 특징으로 한다.

TCSPC 장치는 PMT와 같은 고감도 광감지기의 임펄스 응답이 갖는 펄스폭의 파형적 한계를 극복하고 정확한 시간적 파형을 얻기 위해 고안된 장치이다. 이러한 TCSPC 장치의 올바른 작동을 위한 요건으로서, 매 측정 주기 별로 단일한 광자의 펄스만이 감지되어야 한다. 이와 같이, 개별적인 단일 광자 응답이 서로 고립된 펄스로 나타날 때 그 펄스의 특성적 시점(characteristic temporal position)을 정밀하게 계측할 수 있다. 그리고 이러한 계측 동작을 여러 측정 주기에 걸쳐 반복하여 다수 광자들의 시간에 따른 세기 분포의 정보를 얻게 된다.

여기서, 단일 광자 응답 펄스의 특성적 시점은 단일 광자 응답의 상대적 생성 시점을 특정 지을 수 있는 펄스의 시간적 위치이다. 흔히, 단일 광자 응답이 갖는 펄스 파형의 피크에 대하여 일정한 비율로 결정한 높이를 기준 삼아 감지한 펄스의 상승 엣지(rising edge)나 하강 엣지(falling edge)를 특성적 시점으로 삼을 수 있다.

다광자 감지의 상황에서 광감지기 출력의 신호에 대한 시간적 분해능은 단일 광자 응답의 시간적 폭에 의해 제한된다. 그러나, 개별적 단일 광자 응답의 시점을 계측하는데 있어서는 그 정밀도는 이와 무관하다. 따라서, TCSPC 장치는 여러 광자들의 시간적 분포를 광감지기의 시간적 분해능이 갖는 한계를 우회하여 정확하게 얻을 수 있다. 이는 단일 광자의 측정 조건에서 개별적인 단일 광자만을 하나씩 감지하기 때문이다. 이에 따라, 비교적 좁은 대역폭의 광감지기로도 정확하고 정밀한 시분해 분광 정보를 얻는 것이 가능하다.

도 1은 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치의 개략적인 블록도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 여기광 발생부(excitation light generator)(10), 시료 광학부(specimen optics)(20), 광전 변환부(photoelectronic converter)(30), 엣지 감지부(edge detector)(40), 시간 신호 변환부(time-signal converter)(50), 시간 신호 처리부(time-signal processor)(60) 및 시스템 클럭부(70)로 구성될 수 있다.

여기광 발생부(10)는 시료에 조사할 짧은 펄스 폭의 단펄스 여기광을 생성하고, 시료 광학부(20)는 측정할 형광 시료에 단펄스 여기광을 조사하고 시료에 의해 발생된 광신호를 포집한다. 그리고, 광전 변환부(30)는 단일한 광자 신호도 감지할 수 있을 만큼 민감한 고증폭률 광감지기(예컨대, PMT)를 활용하여 시료의 광신호를 펄스형 전기 신호인 단일 광자 신호로 변환한다.

이때, 단일 광자 신호가 광학적 단일 광자의 광신호에 의한 것이기 위해서는 광자의 감지 빈도가 충분히 낮아야 한다. 따라서, 시분해 단일 광자 계수 장치를 목적하는 바대로 운용하기 위해서는 그 운용자가 펄스 여기광의 세기를 조절하거나 포집되는 광신호의 세기를 조절하여 높은 확률로 단일 광자 신호가 각 측정 주기 내에서 단일한 광자에 의한 것이 되도록 해야 한다. 이는 시분해 단일 광자 계수 장치의 운용상 불편함을 주고 전체 측정 속도를 제한하는 요소이다.

엣지 감지부(40)는 광신호로부터 유래한 단일 광자 신호의 특성적 시점을 얻기 위해 엣지를 감지하여 펄스폭 변조된 사각 파형의 엣지 시점 신호(edge-time signal)를 생성한다. 또한, 엣지 감지부(40)는 흔히 일정률 판별기(CFD, constant-fraction discriminator)라고 불리는 전기 회로를 활용하여 단일 광자 신호의 피크 전압으로부터 일정한 비율을 갖는 전압을 기준 전압으로 삼아 펄스의 상승 또는 하강 엣지를 결정한다. 그리고 이 엣지 시점에 동기된 엣지를 갖는 엣지 시점 신호를 생성한다.

시간 신호 변환부(50)는 엣지 시점 신호가 제공하는 엣지 시점의 정보로부터 지연 시간 신호(time-delay signal)를 생성한다. 시간 신호 변환부(50)는 엣지 시점 신호로부터 여기광 펄스의 생성과 동기된 어떤 기준 시점에 대한 상대적 시간 지연의 정보를 얻고, 그 지연의 크기를 아날로그 전압 또는 디지털 데이터로 변환한 지연 시간 신호를 출력한다. 이와 같은 시간 신호 변환부(50)로서 시간 전압 변환기(TAC, time-to-amplitude converter)와 같은 회로가 활용될 수 있다.

시간 신호 처리부(60)는 아날로그 전압 또는 디지털 데이터 형태로 제공된 지연 시간 신호에 의하여 단일 광자 신호 펄스의 상대적 시점 즉, 단일 광자의 감지 시점의 정보를 얻고 이를 기초로 감지된 광자의 개수를 디지털적으로 계수한다. 예를 들어, 단일 광자의 감지 시점을 여러 구간으로 나누고 각 구간별로 감지된 광자의 개수를 계수할 수 있다. 이와 같이 시간에 관한 형태로 나타나는 광자 수의 정보가 최종적인 시분해 분광 정보가 될 수 있다.

한편, 어떤 측정 주기 내에서 광신호의 광자가 감지되지 않는 경우에 시간 신호 처리부(60)는 계수를 수행하지 않는다.

한편, 시스템 클럭부(70)는 시분해 단일 광자 계수 장치의 동기적 동작을 위한 측정 클럭 신호를 생성한다. 이 때, 측정 클럭 신호는 여기 광원부(10)에 제공되어 여기 광원부(10)가 측정 클럭 신호에 동기하여 펄스 여기광을 생성하도록 한다. 이에 따라, 측정 클럭 신호의 주기는 단일 광자 계수의 측정 주기가 된다. 또한, 측정 클럭 신호는 시간 신호 변환부(50)에 제공되어 시간 신호 변환부(50)가 그 타이밍 정보를 참조하여 지연 시간을 결정할 수 있도록 한다. 즉, 지연 시간은 펄스 여기광 펄스의 생성에 대한 단일 광자 신호의 엣지 시점의 상대적 시간으로 계측된다.

종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 엣지 감지부(40)와 시간 신호 변환부(50)에서 아날로그 전기 회로 기술을 활용한다. 이에 따라 신호의 처리에 있어 그 결과가 회로 파라미터들에 민감하고 신호 처리의 가변성이나 적응성을 얻기 힘든 문제점이 있다.

또한, 이러한 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 단일 광자 요건에 의거한 측정 속도의 한계를 갖는다.

종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 그 동작 원리상 단일 광자 계수의 측정 주기 내에서 1 또는 0개의 광자만을 감지하고 계수할 수 있을 뿐 다수의 광자가 한 측정 주기 내에서 동시에 또는 거의 동시에 감지되는 경우 시간적으로 인접한 단일 광자 응답 사이의 신호 간섭에 의하여 엣지 감지부(40)가 정확히 엣지 시점의 정보를 계측할 수 없게 된다.

형광 수명을 통계적으로 유의미하게 결정하기 위해서는 수천 개 이상의 많은 수의 형광 광자 신호를 개별적으로 감지하여 계수해야 한다. 형광 방출원의 광자 방출 과정은 랜덤하며 시분해 단일 광자 계수 장치의 측정 주기 내의 광자의 수적 분포를 제어하기 위한 유일한 방법은 평균 광자 감지율을 일정한 수준 이하가 되게 하는 방법 밖에 없게 된다.

일반적으로, 높은 확률로 단일 광자 감지의 요건을 만족하려면 한 측정 주기 내에서 감지되는 광자 수의 평균치는 0.01 보다 낮아야 한다. 이와 같이 낮은 세기 조건에서 감지되는 광자들은 99% 이상의 확률로 단일 광자에 의한 단일 광자 신호가 될 수 있다. 예를 들어, 시분해 단일 광자 계수 장치가 10MHz의 펄스 반복률을 갖는 여기광 레이저를 여기 광원부(10)에서 활용하여 단일 광자 계수를 수행한다면 광자 감지율은 이의 0.01배인 초당 100,000 이하가 된다. 통계적으로 유의미한 형광 수명의 결정을 위해 10,000개의 광자 신호를 수집해야 한다면 형광 수명의 전체적 측정 시간은 0.1초를 넘게 된다.

이와 같이 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 단일 광자 감지의 요건을 만족하기 위하여 낮은 광자 감지율을 유지해야 하기 때문에 측정 시간을 일정한 수준 이하로 단축할 수 없다. 이와 같은 단일 광자 계수 기술의 측정 속도 한계는 고속으로 분광 정보를 획득해야 하는 고속 시분해 분광 장치 및 형광 수명 이미징(fluorescence lifetime imaging)과 같은 응용에서 문제점으로 나타난다.

도 2는 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 광전 변환부(30)가 출력하는 단일 광자 신호는 전형적으로 종형의 파형을 가질 수 있다. 그리고, 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 펄스의 피크 전압 V_p는 시간(t)에 따라 변하는 전압으로서 나타나는 단일 광자 신호 f(t)의 첨두 전압이다. 그리고, 어떤 기준 전압 V_t에 의해 신호 전압이 기준 전압과 일치하는 시점으로 상승 엣지 또는 하강 엣지가 결정되는데, 이와 같은 펄스 엣지는 도 2에서 사각점으로 도시하였고, 엣지 시간은 상승 엣지와 하강 엣지 각각 t_r과 t_f로 표시하였다.

엣지 감지부(40)는 두 가지 방식으로 설정되는 기준 전압을 기준으로 단일 광자 신호의 엣지를 감지할 수 있다.

첫째, 엣지 감지부(40)는 일정치의 절대적 기준 전압에 의거하여 신호 비교기와 같은 회로 요소에 의해 판별을 수행하여 계수 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 단일 광자 신호의 피크 전압이 일정치의 기준 전압에 미달한 작은 크기의 펄스이면 계수 신호는 엣지를 갖지 않고 일정치의 기준 전압을 초과하면 엣지를 갖는다. 그리고, 시간 신호 처리부(60)는 계수 신호의 엣지에 의해 계수 동작이 트리거되는 방식으로 일정치를 초과하는 피크 전압을 갖는 단일 광자 신호의 펄스만을 유효하게 계수할 수 있다.

둘째, 엣지 감지부(40)는 피크 전압 V_p에 대해 일정한 비율 즉, 일정율을 취한 전압으로 기준 전압 V_t가 자동적으로 설정되도록 하여 일정율의 상대적 기준 전압으로 엣지를 감지할 수 있다. 여기서, 일정율은 0.5 수준의 값이 적절하며 이에 따라 V_t는 0.5V_p 수준으로 설정된다.

이와 같은 일정율 기준 전압에 의한 엣지 감지의 동작 원리는 다양한 구성으로 달성될 수 있으나, 도 2의 (b)에서 도시한 바와 같이, 광전 변환부(30)에 감지된 본래의 단일 광자 신호 f(t)에 대하여 일정률만큼 감쇠되고 일정한 시간 지연을 갖는 단일 광자 신호의 복제 신호 f'(t)를 본래의 단일 광자 신호 f(t)와 비교하여 판별하는 방식으로 아날로그 회로를 통해 구현될 수 있다. 이 때, 이 두 신호의 교차 시점에서 일정률 판별된 엣지 시점이 결정되며 신호 비교기와 같은 회로 요소로 일정 전압의 사각 파형으로 엣지 시점 신호를 생성할 수 있다.

여기서, 엣지 감지부(40)의 올바른 동작을 위해서는 복제 신호 f'(t)의 신호 피크 부근이 비교적 일정한 전압을 유지하며 낮은 전압 변동을 갖고, 이러한 신호 피크 부근에서 단일 광자 신호 f(t)와 교차하도록 해야 한다. 이러한 엣지 감지부(40)의 구동 조건이 달성되어야만 서로 다른 단일 광자 응답의 단일 광자 신호에서 나타나는 랜덤한 피크 전압의 변동에도 불구하고 정확하게 엣지 시점을 결정할 수 있다.

이러한 동작 원리에 의한 엣지 감지부(40)와 이를 포함하는 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 아날로그 회로 기술에 의거한 기술로서 그 한계를 갖는다. 즉, 전술한 것과 같이 엣지 감지부(40)의 동작에서 복제 신호의 감쇠량과 시간 지연량은 상기한 올바른 구동 조건이 만족되도록 미세하게 조정되어 결정될 필요가 있다. 그러나, 실제의 구현에서 어느 수준의 오류가 존재할 수 있으며, 이에 따라 엣지 감지부(40)의 동작은 이상적인 것과 다르게 나타난다. 이는 단일 광자 신호의 랜덤한 크기 변동에 따라 엣지 시간이 결정론적 오류(deterministic errors)를 갖고 결정되는 양상으로 나타난다. 또한, 광전 변환부(30)의 교체나 구동 조건 변동 등으로 인하여 단일 광자 신호의 펄스 특성이 변화하면 이에 따라 엣지 감지부(40)의 특성이 맞춰져야 하는데 아날로그 회로 기술에서는 이러한 변경이 간단하지 않다.

또한, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 엣지 시점 신호와 지연 시간 신호의 생성과 처리 과정에서 발생하는 신호 왜곡, 잡음 부가 등의 현상에 의해서도 엣지 시점 신호 및 지연 시간 신호의 특성이 열화될 수 있다. 아울러, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치의 동작 중에 단일 광자 신호 및 엣지 시점 신호의 펄스 파형을 간단히 관찰할 수 없기 때문에 이러한 열화에 대한 대응이나 보상이 간단히 이뤄질 수 없다.

또한, 전술한 바와 같이, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 그 원리상 단일 광자 신호가 매 측정 주기에 0개 또는 1개의 광자만을 감지하도록 광자 감지율을 운용자가 조정하고 확인해야 한다. 이를 위해 광전 변환부(30)에 입력되는 분광 신호의 광학적 세기를 충분히 낮추어 다광자 감지의 빈도를 일정한 수준 이하가 되게 하는 방법이 사용된다.

또한, 종래의 기술에서는 짧은 시간 내에 많은 수의 분광 신호 광자를 감지할 수 없어 전체적인 측정 시간이 길어지는 문제점이 있다.

이와 같이, 본 발명의 핵심적 사상은 종래의 시분해 단일 광자 계수 기술이 갖는 이러한 문제점들을 디지털 기술을 적용하여 해결하는데 있다.

즉, 종래의 기술에서는 핵심적인 요소인 엣지 감지부(40)를 아날로그 회로 기술로 단일 광자 신호의 엣지 시점을 감지하여 처리하였다. 만약 아날로그 단일 광자 신호를 AD 신호 변환을 통해 디지털 데이터로 획득하고 엣지 시점의 계측과 같은 민감한 과정을 디지털적 신호 처리로 수행하면 아날로그 회로 기술이 갖는 기술적 난점들을 해결할 수 있을 것이다.

한국 등록 특허 공보 제10-0885927호

상기한 바와 같이 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치는 아날로그 전기 회로 기술의 한계에 의하여 전술한 문제점을 갖고 있다. 이에 따라 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에 의해 획득된 시분해 단일 광자 계수의 정보는 신뢰성, 정밀도 및 측정 속도의 면에서 한계를 갖는다.

이에, 본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치의 한계를 극복할 수 있는 새로운 시분해 단일 광자 계수 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 고속성, 신뢰성 및 정밀도의 면에서 향상된 성능을 갖는 시분해 단일 광자 계수 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 과제를 해결하기 위해, 펄스 여기광을 생성하는 여기 광원부와, 펄스 여기광을 시료에 조사하여 야기된 광 신호를 포집하는 시료 광학부와, 광 신호를 광전 변환하여 아날로그 단일 광자 신호를 생성하는 광전 변환부와, 아날로그 단일 광자 신호를 신호 샘플링하여 디지털 단일 광자 신호로 변환하는 AD 신호 변환부와, 디지털 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별하여 판별 신호를 생성하고, 디지털 단일 광자 신호의 펄스 시점을 계측하여 상대적인 지연 시간 정보를 갖는 지연 시간 신호를 생성하는 디지털 판별 시간 측정부와, 판별 신호를 참조하여 지연 시간에 따른 유효한 단일 광자 감지 이벤트를 계수하는 시간 신호 처리부를 포함하는 시분해 단일 광자 계수 장치를 제공한다.

또한, 펄스 여기광의 펄스 생성에 관한 동기 타이밍 정보를 갖는 측정 클럭 신호와, AD 신호 변환부의 신호 샘플링 동작의 동기 타이밍 정보를 갖는 샘플 클럭 신호를 생성 및 분배하는 시스템 클럭부를 더 포함하고, 측정 클럭 신호 및 샘플 클럭 신호는 주기적인 타이밍 신호로서 그 주기 비율이 일정한 정수를 가지며 두 신호가 서로 시간적으로 상관되는 것을 특징으로 한다.

또한, 지연 시간은 측정 클럭 신호가 제공하는 동기 시점에 대한 펄스 시점의 상대적 시간으로 계측되는 것을 특징으로 한다.

또한, 측정 클럭 신호는 여기 광원부가 생성하는 펄스 여기광을 광전 변환하여 생성되고, 시스템 클럭부는 측정 클럭 신호와 일정한 정수의 주기 비율을 갖는 샘플 클럭 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호가 제공하는 펄스 크기, 펄스 폭 및 펄스 형상 중 적어도 하나를 포함하는 시간적 전압 파형의 특질을 추출하고, 시간적 전압 파형의 특질을 기초로 단일 광자 신호의 상기 단일 광자성을 판별하여 판별 정보를 갖는 판별 신호를 생성하고, 단일 광자성의 판별 정보는 참과 거짓, 또는 단일 광자와 비단일 광자의 두 가지 상태를 갖거나, 다 광자 감지와 단일 광자 감지와 무 광자 감지의 세 가지 상태를 갖고, 시간 신호 처리부는 판별 정보가 단일 광자성이 참인 상태 또는 단일 광자 감지의 상태인 경우 유효한 단일 광자 감지 이벤트로 간주하여 계수 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호의 펄스 피크를 추출하고, 펄스 피크가 미리 설정된 유효 상한 전압 및 유효 하한 전압의 범위 내에 있으면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고, 펄스 피크가 유효 하한 전압 미만이면 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별하고, 펄스 피크가 유효 상한 전압을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호의 일정 시간 구간에서 얻은 시간적 전압 파형으로부터, 미리 설정된 적어도 하나의 기준 전압을 기준으로 결정한 디지털 단일 광자 신호의 펄스 엣지를 추출하고, 시간적으로 가장 앞선 펄스 엣지와 시간적으로 가장 늦은 펄스 엣지 사이의 시간 간격으로 펄스 폭을 계측하고, 펄스 폭이 미리 설정된 유효 상한 펄스 폭 이하이면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고, 펄스 폭이 상기 유효 상한 펄스 폭을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호가 제공하는 펄스 크기, 펄스 엣지 및 펄스 형상 중 적어도 하나를 포함하는 시간적 전압 파형의 특질을 추출하고, 시간적 전압 파형의 특질로부터 상기 광전 변환부에 의해 광 신호가 감지된 상대적 시점으로서 펄스 시점을 계측하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호의 펄스 피크를 추출하고, 펄스 피크의 전압에 미리 설정된 일정률을 곱하여 얻은 일정률 전압치를 기준으로 디지털 단일 광자 신호의 상승 또는 하강 펄스 엣지를 찾고 상승 또는 하강 펄스 엣지의 시점을 추출하여 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 펄스 피크 또는 펄스 엣지에 시간적으로 인접한 디지털 단일 광자 신호의 데이터를 내삽 또는 커브 피팅 처리하여 펄스 피크의 전압 또는 엣지 시점을 추출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호의 전압 파형을 가중치로 삼는 시간합으로부터 구한 시간 평균치 또는 펄스의 중심 시점을 계산하고, 중심 시점을 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 디지털 단일 광자 신호를 펄스 시점을 원점 삼아 재설정한 시간에 관한 함수로서 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 얻고, 재설정된 시간에 관한 함수로서 한계 마스크의 상한과 하한을 설정하고, 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 한계 마스크의 상한과 하한과 비교하여, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 범위 내에 있으면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 하한 미만이면 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별하고, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 상한을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 한다.

또한, 광전 변환부가 출력하는 단일 광자 신호를 미리 설정된 시간적 펄스 형상으로 전환하여 AD 신호 변환부에 출력하는 펄스 형상 전환부를 더 포함하고, 형상 전환된 단일 광자 신호의 신호 전압은 그 직류 성분의 전압치를 가로질러 지나치는 펄스의 중심 영역을 갖고, 중심 영역에서 신호 전압이 일정한 전압 변화율로 선형적으로 증가하거나 감소하는 펄스 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 펄스 형상 전환부는 단일 광자 신호를 둘로 분배하는 신호 분배기와, 분배된 신호 중 어느 하나를 지연시키는 신호 지연기와, 다시 이 두 신호를 결합하는 신호 결합기로 구성되며, 단일 광자 신호를 분기하였다가 신호 지연을 갖고 다시 결합하고, 신호 분배기 및 신호 결합기 중 어느 하나는 분배 또는 결합되는 신호들 가운데 하나의 신호 위상을 180도 전환하여 신호의 전압 극성이 전환되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 디지털 판별 시간 측정부는 형상 전환된 단일 광자 신호가 신호 변환된 디지털 단일 광자 신호로부터 직류 성분 전압을 계측하고, 디지털 단일 광자 신호의 중심 영역에서 직류 성분 전압을 기준으로 결정한 펄스 엣지인 중심 엣지를 찾고, 중심 엣지 시점을 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 한다.

또한, 여기 광원부 또는 시료 광학부는 펄스 여기광 또는 광신호의 광학적 세기를 조절할 수 있는 조절 수단을 갖고, 시간 신호 처리부는 일정한 시간 동안 단일 광자 감지의 상태로 나타나는 판별 신호의 빈도로서 단일 광자율을 계측하거나, 일정한 시간 동안 무 광자 감지 또는 다 광자 감지의 상태로 나타나는 판별 신호의 빈도로서 무 광자율 또는 다 광자율을 계측하고, 조절 수단은 단일 광자율, 무 광자율 또는 다 광자율이 미리 설정된 범위 내에 있도록 광 신호의 광학적 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.

종래의 시분해 단일 광자 계수 장치와 달리 본 발명에 의한 시분해 단일 광자 계수 장치는 단일 광자 신호의 펄스 시점 및 지연 시간 계측을 디지털 신호 영역에서 수행하여 아날로그 회로에 의존한 기술이 갖는 미세 신호 왜곡에 의한 측정 신뢰성 및 정밀도의 열화 문제를 회피할 수 있다. 또한, 디지털 신호 영역에서 단일 광자 신호를 처리하여 신호 처리의 융통성과 적응성을 쉽게 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 시분해 단일 광자 계수 장치는 디지털 신호 영역에서 단일 광자성을 판별하고 이에 의해 단일 광자 계수를 수행함으로써 각 측정 주기에서 두 개 이상의 광자가 높은 빈도로 감지되는 빈번한 다 광자 감지의 상황에서도 오류 가능성이 있는 펄스 시점 및 지연 시간 정보를 걸러내고 정확한 시분해 단일 광자 계수 정보를 얻을 수 있다. 따라서, 각 측정 주기에 감지되는 분광 신호 광자 수의 기대치가 0.01을 크게 상회하는 경우에도 종래의 기술과 달리 원활하게 단일 광자 계수를 수행할 수 있다. 따라서, 제한된 전체 측정 시간 동안 더 많은 수의 광신호 광자를 감지 및 계수할 수 있다.

도 1은 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치의 개략적인 블록도이다.
도 2는 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치의 개략적인 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 측정 클럭 신호, 샘플 클럭 신호 및 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호의 시간적 파형과 펄스 시점을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호가 갖는 피크 전압 V_p의 확률 분포와 기준 전압 펄스 폭 T_d의 확률 분포를 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 한 측정 주기 내에 두 개 광자가 감지되는 상황에서 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자성 판별을 위한 한계 마스크와 시간적 신호 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명에 의한 시분해 단일 광자 계수 장치를 운용함에 있어서 여러 측정 주기 별로 피크 전압이 상이하고, 감지되는 광자 수가 상이할 때 각 측정 주기 별 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부의 출력 신호인 형상 전환 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부의 구체적인 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치가 펄스 형상 전환부를 포함할 때 측정 주기 내에 2개 광자가 감지되는 상황에서 형상 전환 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부가 포함될 때 단일 광자성 판별을 위한 한계 마스크와 시간적 신호 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 그리고 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치의 개략적인 블록도이다.

본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 기본적으로 전술한 시상관 단일 광자 계수법에 의거하여 단일 광자 계수 정보를 획득하기 위한 장치이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는, 여기 광원부(excitation light source)(110), 시료 광학부(specimen optics)(120) 광전 변환부(photoelectronic converter)(130), AD 신호 변환부(analog-to-digital signal converter)(150), 디지털 판별 시간 측정부(digital photondiscrimination and timing detector)(160) 및 시간 신호 처리부(time-signal processor)(170)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기 광원부(110)는, 펄스 여기광을 생성하여 시료 광학부(120)로 전달하고, 시료 광학부(120)는 여기 광원부(110)로부터 전달받은 펄스 여기광을 시료에 조사하여 야기된 광 신호를 포집하고 이를 광전 변환부(130)로 전달한다.

광전 변환부(130)는, PMT와 같은 고이득 광감지기를 통해 광 신호를 광전 변환하여 전기 펄스형의 아날로그 단일 광자 신호를 생성한다. 이와 같은 광전 변환부(130)는 전술한 광감지기 이외에 전기적 신호 증폭기 및 저역 통과 필터기 등을 포함할 수 있다.

AD 신호 변환부(150)는, 아날로그 단일 광자 신호를 신호 샘플링(signal sampling)하고 크기 양자화(amplitude quantization)하는 과정을 거쳐 시간적으로 이산적인 디지털 단일 광자 신호로 변환한다. 이와 같은 과정은 일반적인 아날로그-디지털 신호 변환과 동일한 과정으로 고속 ADC의 IC와 같은 회로 요소로 구현될 수 있다.

디지털 판별 시간 측정부(160)는, 디지털 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별하여 판별 신호(photon-discrimination signal)를 생성하고, 디지털 단일 광자 신호의 펄스 시점을 계측하고 이로부터 상대적 지연 시간 정보를 갖는 지연 시간 신호(time-delay signal)를 생성한다.

이와 같이 생성된 판별 신호 및 지연 시간 신호(time-delay signal)는 시간 신호 처리부(170)에 입력되어 최종적으로 시분해 단일 광자 계수 정보로 구성된다.

시간 신호 처리부(170)는 판별 신호를 참조하여 지연 시간에 따른 유효한 단일 광자 감지 이벤트를 계수한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 동기적 동작을 위하여 시스템 클럭부(clock signal generator/distributer)(180)를 더 포함할 수 있다.

시스템 클럭부(180)는, 여기 광원부(110)가 생성하는 펄스 여기광의 펄스 생성에 관한 동기 타이밍 정보를 갖는 측정 클럭 신호와, AD 신호 변환부(150)의 신호 샘플링 동작의 동기 타이밍 정보를 갖는 샘플 클럭 신호를 생성 및 분배한다.

여기서, 측정 클럭 신호는, 시스템 클럭부(180)에 의해 생성되어 여기 광원부(110)로 제공됨으로써 펄스 여기광이 측정 클럭 신호에 동기되도록 하거나, 여기 광원부(110)에 의해 생성되어 시스템 클럭부로 제공될 수 있다.

또한, 측정 클럭 신호 및 상기 샘플 클럭 신호는 주기적인 타이밍 신호로서 그 주기 비율(period ratio)이 일정한 정수를 가지며 두 신호가 서로 시간적으로 상관되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 주기 비율은, 샘플 클럭 신호의 주파수 또는 주기를 측정 클럭 신호의 주파수 또는 주기로 나눈 값으로, 1 보다 충분히 큰 정수이다. 즉, 샘플 클럭 신호의 주파수가 측정 클럭 신호의 주파수보다 정수 배로 월등히 높다.

이와 같이 정수의 주기 비율을 갖기 위하여, 측정 클럭 신호는, 상대적으로 더 높은 주파수의 샘플 클럭 신호를 디지털적으로 분주하여 생성되거나, PLL(phase-locked loop)과 같은 회로 요소에 의해 측정 클럭 신호 및 샘플 클럭 신호가 일정한 상관 관계를 유지하도록 하는 방식으로 생성될 수도 있다.

AD 신호 변환부(150)는 샘플 클럭 신호에 동기되어 고유한 신호 샘플링 동작을 수행하고, 디지털 판별 시간 측정부(160) 또는 AD 신호 변환부(150)는 측정 클럭 신호를 참조하여 디지털 단일 광자 신호 및 지연 시간 신호를 생성하고 처리한다.

여기서, 측정 클럭 신호가 AD 신호 변환부(150)에 제공되어 참조되도록 구성하는 경우에는, AD 신호 변환부(150)가 아날로그 단일 광자 신호를 신호 샘플링하여 디지털 단일 광자 신호의 데이터를 생성하고 처리할 때, 디지털 단일 광자 신호의 데이터가 측정 클럭 신호가 제공하는 측정 주기의 타이밍에 맞춰 측정 주기 별로 분할된 신호 데이터열로 획득 및 처리되도록 할 수 있다.

또한, 측정 클럭 신호가 디지털 판별 시간 측정부(160)에 제공되어 참조되도록 구성하는 경우에는, 디지털 판별 시간 측정부(160)가 펄스 시점의 지연 시간을 결정함에 있어서, 지연 시간은 측정 클럭 신호가 제공하는 측정 주기의 타이밍에 대한 펄스 시점의 상대적 시간으로 계측된다.

디지털 판별 시간 측정부(160)가 생성하는 판별 신호는 본 발명의 특징적 요소로서 디지털 단일 광자 신호가 한 측정 주기에서 단일한 광자의 광신호로부터 유래한 것인지에 관한 정보를 포함한다. 이는 단순히 단일 광자성에 대한 명시적인 참과 거짓으로 나타나는 형태이거나, 단일 광자 신호의 단일 광자성을 함축하는 신호 펄스의 특징적 지표일 수 있지만, 어느 경우에나 시간 신호 처리부(170)는 상기 판별 신호를 참조하여 단일 광자 계수를 수행한다.

디지털 판별 시간 측정부(160) 및 시간 신호 처리부(170)는 디지털적 신호 처리의 구성 요소로서 디지털 회로, 디지털 프로세서, 소프트웨어 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 그리고, 지연 시간 신호 및 판별 신호는 다양한 형태로 나타날 수 있으며 상술한 고유 특성을 갖는 디지털적 정보를 포함하고 있으면 충분하다.

디지털 판별 시간 측정부(160)가 생성하는 판별 신호는, 디지털 정보를 담은 디지털 신호 및 데이터이거나, 판별 신호가 참인 경우에만 디지털 판별 시간 측정부(160)가 지연 시간 신호를 시간 신호 처리부(170)에 전달하는 것과 같이 어떤 신호 및 데이터의 존재 및 부재 여부의 형식일 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 측정 클럭 신호, 샘플 클럭 신호 및 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 4에 도시한 신호 파형 중 a는 측정 클럭 신호를, b는 샘플 클럭 신호를, c는 단일 광자 신호를 나타낸다.

여기서, 측정 클럭 신호는 펄스 여기광의 펄스 주기 및 단일 광자 계수 동작의 측정 주기 T_m을 결정한다.

도 4에서 점으로 도시한 측정 클럭 신호의 엣지에 의해 한 측정 주기의 시점과 종점이 결정될 수 있다. 그리고, 샘플 클럭 신호에 의해 AD 신호 변환부(150)의 신호 샘플링 동작의 주기가 결정된다.

도 4에서는 샘플 클럭 신호의 엣지들에 양의 정수 인덱스 i를 부여하여 그 엣지 시간 t_i는 t₁, t₂, …, t_N 으로 각각 도시하였다. 그리고, 신호 샘플링 주기 T_s는 인접한 엣지 사이의 시간 즉, [t_{i +1}-t_i]이 된다.

AD 신호 변환부(150)는 샘플 클럭 신호의 엣지들에 동기되어 아날로그 단일 광자 신호 f(t)를 신호 샘플링하여 이산적 데이터로서 f₁, f₂, …, f_N과 같은 신호 정보를 획득한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호의 시간적 파형과 펄스 시점을 예시적으로 도시한 그래프이다.

전술한 바와 같이 아날로그 단일 광자 신호는 AD 신호 변환부(150)에 의해 디지털 단일 광자 신호로 신호 변환된다. 여기서, 디지털 단일 광자 신호는 각 측정 주기 별로 f_i의 시간적 배열 정보이고, 펄스 시점은 단일 광자 신호의 시간적 위치로서 엣지 시점 또는 다른 특성적 시점으로 정의할 수 있다.

디지털 판별 시간 측정부(160)가 단일 광자 신호 펄스의 엣지 시점을 f_i 로부터 얻는 과정은 다음과 같다.

먼저, f_i로부터 f(t)의 피크 전압 V_p를 얻는다. 이 때, V_p는 단순히 f_i의 극점 즉, 최대치 또는 최저치로 가늠하여 얻을 수 있다. 또는, 좀 더 정밀한 피크 결정을 위해 f_i의 극점 부근의 신호 데이터로 신호 간삽(signal interpolation)의 연산을 수행하고 간삽된 신호에서 극점을 찾아 더 높은 정밀도로 피크 전압 V_p를 얻을 수 있다.

예를 들어, 3차 다항식 신호 간삽과 같은 방법을 활용하거나, f_i의 극점 부근의 신호 데이터를 커브 피팅(curve fitting)하고 그 극점을 찾아 높은 정밀도로 피크 전압 V_p를 얻을 수 있다. 또한, 3차 다항식 커브 피팅과 같은 방법을 활용하거나, 신호 간삽 및 커브 피팅 등의 방법을 통해 미리 계산된 LUT(look-up table)를 이용하여 f_i의 극점 부근의 신호 데이터로부터 가장 가능성 높은 전압을 피크 전압 V_p로 추정할 수 있다.

이와 같은 방법으로 얻은 V_p에 미리 설정한 일정비를 곱하여 엣지의 기준 전압 V_t를 결정할 수 있다. 그리고, 디지털 단일 광자 신호 f_i가 기준 전압 V_t를 통과하는 시간을 찾아 엣지 시점으로 결정한다. 구체적으로, 하강 엣지를 기준으로 설명하면, f_i의 신호가 V_t보다 높고 f_{i +1}의 신호가 V_t보다 낮은 시점 t_i를 찾아 그 인덱스 i를 k로 삼는다. 이 때, 정밀하게 결정된 엣지 시점은 t_k 와 t_k+1 사이에 위치하게 되며, 이 두 점 사이를 f(t)가 선형적으로 하강한다고 가정하면 t_k 와 t_k+1의 간단한 1차식으로 엣지 시점 t_f를 찾을 수 있다. 좀 더 높은 정밀성을 얻기 위하여 전술한 바와 같이 t_k와 t_k+1 주변의 신호 데이터로부터 신호 간삽, 키브 피팅 및 LUT를 활용하여 정밀한 엣지 시점을 결정할 수도 있다.

한편, 펄스 시점은 엣지 시점 이외에 다른 방법으로 결정될 수 있으며, 펄스의 중심 시점으로도 결정될 수 있다. 이 때, 펄스의 중심 시점은 펄스 신호의 시간 별 강도의 가중치로 얻어지는 펄스의 평균 시간이다. 이는 통상적인 평균치 계산법과 같이 디지털 단일 광자 신호 f_i에 대하여 펄스 신호의 유효한 시간 구간에 대해 시간합 ∑[f_i×t_i]/∑[f_i]으로부터 얻을 수 있다.

이와 같이, 펄스 시점이 결정되면 이로부터 단일 광자 신호 펄스의 상대적 지연 시간을 계측할 수 있다. 여기서, 지연 시간은 측정 클럭 신호의 타이밍에 대한 상대적 펄스 시점이다.

만약, AD 신호 변환부(150)가 측정 클럭 신호의 타이밍에 의해 단일 광자 신호를 각 측정 주기 별로 구분된 디지털 데이터열 f_i로 획득하고 데이터열의 시간 t_i가 측정 주기 내의 상대적 시간으로 설정된 것이라면, 펄스 시점과 지연 시간을 동일하게 간주할 수 있다.

이와 달리, AD 신호 변환부(150)가 측정 클럭 신호의 참조 없이 디지털 단일 광자 신호를 획득하였다면 디지털 판별 시간 측정부(160)는 측정 클럭 신호의 신호 엣지로부터 타이밍 정보를 얻을 수 있다. 이 경우 지연 시간은 측정 클럭 신호의 신호 엣지 시점에 대한 펄스 시점의 상대적인 값으로 계측할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 단일 광자 신호의 펄스 시점을 디지털적 연산에 의하여 결정한다. 따라서, 일단 AD 신호 변환부(150)에 의해 디지털 신호로 변환되고 나면 신호의 왜곡 및 잡음과 같은 문제를 갖지 않는다. 또한, 단일 광자 신호의 펄스 시점을 펄스 파형의 크기나 펄스 폭의 변동에 영향 받지 않고 계측할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 디지털 판별 시간 측정부(160)는 펄스 시점과 함께 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별한다.

구체적으로, 디지털 판별 시간 측정부(160)는 디지털 단일 광자 신호가 제공하는 펄스 크기, 펄스 폭 및 펄스 형상 중 적어도 하나를 포함하는 시간적 전압 파형의 특질을 추출하고, 시간적 전압 파형의 특질을 기초로 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별하여 판별 정보를 갖는 판별 신호를 생성할 수 있다.

여기서, 단일 광자성의 판별 정보는 참과 거짓, 또는 단일 광자와 비단일 광자의 두 가지 상태를 갖거나, 다 광자 감지와 단일 광자 감지와 무 광자 감지의 세 가지 상태를 가질 수 있다.

시간 신호 처리부(170)는 판별 정보가 단일 광자성이 참인 상태 또는 단일 광자 감지의 상태인 경우 유효한 단일 광자 감지 이벤트로 간주하여 계수 동작을 수행한다.

이하, 디지털 판별 시간 측정부(160)가 단일 광자성을 판별하여 판별 신호를 생성하는 방법을 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자 신호가 갖는 피크 전압 V_p의 확률 분포와 기준 전압 펄스 폭 T_d의 확률 분포를 예시적으로 도시한 그래프이다.

단일 광자 신호의 펄스 특성은 광전 변환부(130)의 고이득 광감지기가 갖는 특성에 의해 주로 결정되는데, 특히, PMT와 같은 고이득 광감지기는 광전자 증배 과정에서 이득의 확률 분포가 퍼지는 특성이 있다.

이에 따라, 단일 광자 신호가 모두 단일 광자에 의한 응답인 경우에도 피크 전압 V_p는 랜덤하게 나타난다.

피크 전압 V_p의 확률 분포는 대부분의 경우 도 6의 (a) 그래프와 같이 단일한 피크를 갖는 종형의 형태로 나타난다. 그리고, 그 확률 분포의 실효 폭은 광감지기의 특성에 따라 상이하다.

광전 변환부(130)의 단일 광자 응답에서 이러한 피크 전압 V_p의 확률 분포는, 단일 광자성이 높은 확률로 보장되는 낮은 세기의 빛을 광전 변환부(130)에 입력하여 획득된 단일 광자 신호를 통계적으로 분석하여 얻을 수 있다. 도 6의 (a) 그래프에서는 이와 같은 방법으로 얻을 수 있는 단일 광자 응답의 단일 광자 신호가 보이는 피크 전압 확률 분포를 P_V(V_p)로 도시한다.

한편, 동일한 광전 변환부(130)에서 2개의 광자가 동시에 감지되어 단일 광자 신호가 생성된다면 그 피크 전압의 확률분포는 2배만큼 수평적으로 퍼지며 P_V(V_p/2)/2 로 근사할 수 있을 것이다. 도 6 의 (a) 그래프에서는 P_V(V_p/2)/2의 확률 분포를 대시선으로 도시하였다. 바람직한 구성의 광전 변환부(130)는 두 확률 분포 P_V(V_p)와 P_V(V_p/2)/2가 구분되는 분포 곡선을 가져야 한다. 대부분의 경우 두 확률 분포가 부분적으로 겹쳐지게 나타나기 때문에 단일 광자 신호의 피크 전압에 의해 하나의 광자가 감지되었는지 또는, 두 개의 광자가 동시에 감지되었는지 완전하게 구별하는 것은 한계가 있음을 유념해야 한다.

본 발명의 디지털 판별 시간 측정부(160)는 피크 전압 V_p로부터 높은 성공률로 획득된 단일 광자 신호의 펄스의 단일 광자성을 판별할 수 있다.

구체적으로, 디지털 판별 시간 측정부(160)는 디지털 단일 광자 신호의 펄스 피크를 추출하고, 펄스 피크가 미리 설정된 유효 상한 전압 및 유효 하한 전압의 범위 내에 있으면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별할 수 있다. 그리고, 펄스 피크가 유효 하한 전압 미만이면 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별할 수 있다. 그리고, 펄스 피크가 유효 상한 전압을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별할 수 있다.

예를 들어, 도 6을 참조하면, V_p의 확률 분포에서 종형의 중심부를 특징짓는 유효 상한 전압 V_max와 유효 하한 전압 V_min을 설정한다. 이 때, 피크 전압 V_p는 단일 광자 응답의 경우 높은 확률로 V_max와 V_min 사이에 나타나게 된다. 유효 상한 전압 V_max 보다 높은 피크 전압을 갖는 단일 광자 신호의 펄스는 단일한 광자의 것일 수도 있으나, 두 개의 광자가 동시에 감지되어 나타난 것일 가능성이 높다. 따라서, 피크 전압이 유효 상한 전압 V_max 이상이면 단일 광자성을 거짓으로 판별한다.

또한, 유효 하한 전압 V_min 보다 낮은 피크 전압을 갖는 단일 광자 신호의 펄스는 단일한 광자의 신호일 수도 있으나, 광전 변환부(130)의 광감지기가 갖는 다크 카운트(dark count)의 펄스와 같은 잡음성 신호일 수 있다. 따라서, 피크 전압이 유효 하한 전압 V_min 이하이면 단일 광자성을 거짓으로 판별한다.

이와 같이, 유효 상한 전압과 유효 하한 전압을 설정하고 단일 광자 신호의 피크 전압이 어느 설정 구간에 속하는지를 통해 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 충분히 낮은 광학적 세기의 광신호를 광전 변환부(130)에 입력하여 획득된 디지털 단일 광자 신호로부터 피크 전압을 계측하고, 그 피크 전압의 확률적 분포를 히스토그램을 통해 분석하여 적절한 유효 상한 전압 및 유효 하한 전압을 찾을 수 있다.

그러나, 광전 변환부(130)에서 2 개 이상의 광자가 시간적으로 분리되어 감지될 때는 피크 전압만으로는 단일 광자성을 온전히 판별해내지 못하기 때문에 광자성 판별을 위한 다른 수단이 필요하다.

본 발명은 단일 광자성을 판별하기 위한 상보적 방안으로 단일 광자 신호의 펄스 폭을 활용하는 것을 제시한다.

구체적으로, 디지털 판별 시간 측정부(160)는 디지털 단일 광자 신호의 일정 시간 구간에서 얻은 시간적 전압 파형으로부터, 미리 설정된 적어도 하나의 기준 전압을 기준으로 결정한 디지털 단일 광자 신호의 펄스 엣지를 추출하고, 시간적으로 가장 앞선 펄스 엣지와 시간적으로 가장 늦은 상기 펄스 엣지 사이의 시간 간격으로 펄스 폭을 계측한다. 그리고, 펄스 폭이 미리 설정된 유효 상한 펄스 폭 이하이면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고, 펄스 폭이 유효 상한 펄스 폭을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별한다.

도 6의 (b) 그래프는 단일 광자 응답의 단일 광자 신호에 대하여 어떤 일정치의 기준 전압 V_d를 기준 삼아 계측한 펄스 폭 T_d가 보이는 확률 분포 P_T(T_d)를 도시하고 있다. 여기서, 기준 전압 V_d는 단일 광자성 판별 동작의 펄스 폭 계측을 위해 설정한 일정한 전압으로서 전술한 유효 하한 전압 V_min 보다는 낮거나 같은 값을 갖는 것이 바람직하다.

계측된 기준 전압 펄스폭 T_d는 단일 광자 신호가 단일 광자에 의한 응답임에도 고유한 확률 분포를 갖고 랜덤하게 변동한다. 이와 같은 펄스 폭의 랜덤한 변동은 주효하게는 피크 전압의 랜덤한 변동 즉, 펄스 크기의 랜덤한 변동에 의해 야기된 것이다. 즉, 동일한 펄스 형상을 유지하고 펄스의 크기만 랜덤하게 변동한다면 펄스의 피크 전압이 높아질수록 기준 전압 펄스폭 T_d는 넓어진다.

도 6의 (a) 그래프와 같이 피크 전압의 분포 P_V(V_p)가 V_max 이상으로 매우 높을 확률은 0에 수렴해 가기 때문에 T_d의 확률 분포 P_T(T_d)도 일정한 펄스 폭 이상에서는 0에 수렴하는 경향을 갖는다. 단일 광자성을 판별하기 위하여 T_d의 유효 상한 펄스 폭 T_d,max가 존재하여 이보다 기준 전압 펄스폭 T_d가 넓다면 높은 확률로 두 개 이상의 광자들이 시간차를 두고 감지되어 나타난 신호임을 판별할 수 있다.

상기 기준 전압 펄스 폭은 이와 같이 미리 설정된 기준 전압으로 계측한 단일 광자 신호 펄스의 상승 엣지와 하강 엣지 사이의 시간인 기준 전압 펄스 폭을 계측하고 이것이 미리 설정된 유효 상한 펄스 폭을 상회하면 단일 광자성을 거짓으로 판별한다. 이때, 단일 광자 신호가 한 측정 주기 내에서 인접한 다수의 상승 엣지 및 하강 엣지를 갖는 경우에는, 가장 앞서 나타나는 상승 엣지와 가장 뒤에 나타나는 하강 엣지를 선택하여 기준 전압 펄스 폭을 계측한다.

적절한 유효 상한 펄스 폭을 결정하기 위한 방법으로서, 충분히 낮은 광학적 세기의 광신호를 광전 변환부(130)에 입력하여 획득된 디지털 단일 광자 신호로부터 기준 전압 펄스 폭을 계측하고, 그 확률적 분포를 히스토그램을 통해 분석하여 적절한 유효 상한 펄스 폭을 찾을 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 한 측정 주기 내에 두 개 광자가 감지되는 상황에서 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

여기서, 각 신호 파형 a, b, c 및 d 에서 단일 광자의 응답 두 개가 시간 간격 T_p를 두고 합성되어 있고, a로부터 d에 이를수록 시간 간격 T_p는 좁아진다.

도 7의 각 신호 파형에서 일정한 기준 전압 V_d가 수평선으로 도시되어 있다. 여기서, 기준 전압 펄스 폭 T_d는 신호가 처음 V_d를 통과하는 펄스 엣지로부터 가장 마지막 V_d를 통과하는 펄스 엣지의 시간 간격이다. 그리고, 도 7에서 펄스 엣지는 삼각점으로 도시되어 있다.

도 7에 도시한 바와 같이, 2 개의 단일 광자 응답이 시간적으로 간격을 두고 합해진 경우에 기준 전압 펄스폭 T_d는 단일한 광자에 의한 것 보다 뚜렷이 넓게 나타나게 된다. 따라서, 기준 전압 펄스 폭으로 단일 광자성을 판별할 수 있다.

이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 디지털 판별 시간 측정부(160)가 디지털 단일 광자 신호의 피크 전압, 기준 전압 펄스 폭 또는 다른 수단에 의해 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별할 수 있다. 피크 전압에 의한 판별은 2 개 이상의 광자들이 동시에 또는 거의 동시에 감지되는 경우와 다크 카운트 펄스의 경우를 구별하여 단일 광자성을 거짓으로 판별하는 방식으로 동작한다. 그리고, 기준 전압 펄스 폭에 의한 판별은 두 개 이상의 광자들이 시간차를 두고 감지되는 경우를 감지하여 단일 광자성을 거짓으로 판별하는 방식으로 동작한다.

이 밖에도 다양한 펄스의 특성에 의하여 단일 광자성을 판별할 수 있다. 예를 들어, 신호 전압의 극점 수나 시간적 도함수 및 적분함수도 활용될 수 있다.

디지털 판별 시간 측정부(160)가 단일 광자성을 판별하는 또 다른 방법으로서, 단일 광자 신호의 한계 마스크(limit mask)를 설정하고 단일 광자 신호가 이 한계 마스크를 벗어나는지 여부에 따라 단일 광자성을 판별할 수 있다. 이것은 디지털 통신에서 신호 파형의 분석에 활용되는 한계 마스크 방법과 유사하다.

한편, 디지털 단일 광자 신호는 다수의 데이터 포인트로 구성된 시간에 대한 함수이다. 따라서, 한계 마스크로 단일 광자성을 판별함에 있어 미리 설정된 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 범위를 벗어날 경우에 단일 광자성이 아닌 것으로 판별할 수 있다.

구체적으로, 디지털 판별 시간 측정부(160)는 디지털 단일 광자 신호를 펄스 시점을 원점 삼아 재설정한 시간에 관한 함수로서 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 얻고, 재설정된 시간에 관한 함수로서 한계 마스크의 상한과 하한을 설정한다. 그리고, 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 한계 마스크의 상한과 하한과 비교하여, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 범위 내에 있으면 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별한다. 그리고, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 하한 미만이면 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별한다. 그리고, 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 상한을 초과하면 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 단일 광자성 판별을 위한 한계 마스크와 시간적 신호 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 8에서는 단일 광자 신호 및 한계 마스크 함수를 연속 함수로 표현하였으나, 실제 디지털 판별 시간 측정부에서 처리하는 신호들은 이산적 디지털 데이터임을 유념해야 한다.

한 측정 주기 내의 단일 광자 신호를 그 펄스의 펄스 시점 즉, 중심 시점, 엣지 시점 또는 피크 시점과 같이 펄스 타이밍과 관계된 특성적 시점을 원점으로 삼아 새로운 시간 좌표 t'에 관한 함수 f(t')로 표현할 수 있다. 이와 같이 펄스 시점으로 재정렬된 단일 광자 신호 f(t')는 단일 광자에 의한 응답이라고 하더라도 전술한 바와 같이 광전 변환부(130) 고유의 속성에 의해 랜덤한 크기 및 펄스 폭 변동을 갖는다.

여기서, 도 8에 도시한 바와 같이, 한계 마스크는 f(t')가 갖는 신호 형상의 한계치로서 한계 마스크 상한 f_max(t')와 한계 마스크 하한 f_min(t')으로 구성된다. 재정렬된 단일 광자 신호 f(t')가 만약 단일 광자에 의한 응답이라면, 그 크기가 각각의 t'점에서 높은 확률로 한계 마스크 상한 f_max(t') 보다 낮고 하한 f_min(t') 보다 높을 것으로 기대할 수 있다. 따라서, 단일 광자성이 참으로 판별된다. 그리고, 만약 재정렬된 단일 광자 신호 f(t')가 어떤 시점 t'에서 한계 마스크의 한계를 벗어난다면 단일 광자성을 거짓으로 판별할 수 있다. 이 때, 재정렬된 디지털 단일 광자 신호의 데이터가 단 한 점에서라도 한계 마스크의 한계를 벗어나면 단일 광자성을 거짓으로 판별할 수도 있고, 또는 미리 설정된 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 한계 마스크의 범위를 벗어날 때 단일 광자성을 거짓으로 판별할 수 있다.

평균적인 단일 광자 유래의 단일 광자 신호 f_avg(t')을 중심으로 한계 마스크 상한 f_max(t')와 한계 마스크 하한 f_min(t')이 설정될 수 있다. 한계 마스크 상한과 하한의 피크 전압은 각각 도 6에 도시한 바와 같이 얻을 수 있는 단일 광자 신호 피크 전압의 유효 상한 전압 V_max 와 유효 하한 전압 V_min과 일치하도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 디지털 판별 시간 측정부(160)는 이와 같이 미리 설정된 한계 마스크로부터 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별할 수 있다. 즉, 어떤 측정 주기의 재정렬된 단일 광자 신호가 한계 마스크에 의해 정의된 범위를 벗어나면 이는 단일 광자성이 낮은 것으로 판별한다.

한계 마스크에 의한 단일 광자성 판별을 위한 사전 처리 과정으로서, 디지털 판별 시간 측정부(160)는 입력된 한 측정 주기의 디지털 단일 광자 신호에 대하여 먼저 그 펄스 시점을 결정하고 시간 축을 재정렬하여 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 얻는다. 이 때, 재정렬 작업은 정밀하게 수행될 필요는 없으며 신호 샘플링 시간 간격 T_s의 정밀도 수준으로 수행되어도 충분할 수 있다. 그리고, 재정렬된 단일 광자 신호를 미리 설정한 한계 마스크와 비교하여, 한계 마스크의 상한 및 하한을 벗어나는 신호 데이터의 수가 기준 수를 초과하면 단일 광자성이 없는 것으로 판별한다.

이러한 한계 마스크에 의한 판별법을 위하여, 한계 마스크의 상한과 하한은 단일 광자에 의한 단일 광자 신호를 통계적으로 분석하여 설정할 수 있다. 단일 광자성이 높은 확률로 보장되는 낮은 세기의 빛을 광전 변환부(130)에 입력하고, 이렇게 하여 발생된 단일 광자 응답의 단일 광자 신호를 획득하여 그 펄스 시점으로 재정렬한다. 재정렬된 단일 광자 신호에 대하여 재정렬된 시간 t'의 각 시간 점 별로 전압 히스토그램을 얻는다. 이 때, 각 시간 점 별로 전압 히스토그램은 도 6의 (a) 그래프와 같은 양상으로 나타난다. 전술한 것과 같은 방식으로 각 시간 점 t'에 대하여 전압 히스토그램이 제시하는 유효 상한과 유효 하한의 전압을 얻어 각각 상한 f_max(t')와 하한 f_min(t')로 삼는다.

이상에서 설명한 한계 마스크에 의한 단일 광자성 판별은 이에 앞서 설명한 펄스 크기와 폭에 의한 판별법보다 디지털 연산의 복잡도가 더 높다. 이는 디지털 판별 시간 측정부(160)가 입력되는 디지털 단일 광자 신호에 대하여 펄스 시간 계측, 시간 재정렬 및 시간 점 별 크기 비교의 과정을 거쳐야 하기 때문이다. 그러나 한계 마스크에 의한 판별은 펄스 크기 및 폭에 의한 판별법보다 단일 광자 신호가 갖는 파형의 보다 많은 특성을 살펴볼 수 있으므로 더 정밀한 단일 광자성 판별이 가능한 장점이 있다.

도 9는 본 발명에 의한 시분해 단일 광자 계수 장치를 운용함에 있어서 여러 측정 주기 별로 피크 전압이 상이하고, 감지되는 광자 수가 상이할 때 각 측정 주기 별 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 9를 참조하면, 측정 주기 1과 측정 주기 2에서는 단일 광자성이 참으로 판별된 것이다. 그리고, 피크 전압에 대한 일정률을 갖는 기준 전압의 교차점으로 엣지 시간(하강 엣지)이 결정될 수 있다. 이 때, 신호 엣지는 도 9에서 사각점으로 도시하였다.

측정주기 3 에서는 단일 광자 신호가 2개로 분리된 펄스를 갖는다. 이는 기준 전압 V_d의 펄스 폭이 미리 설정한 유효 상한 T_d,max 보다 길다는 점을 이용해 판별할 수 있다. 역시, 한계 마스크에 의해서도 측정 주기 내의 펄스가 1개 이상의 광자에 의한 것임을 판별할 수 있다.

측정 주기 3과 같은 분리된 펄스가 합성된 단일 광자 신호에 대하여 본 발명에 의한 디지털 판별 시간 측정부(160)는 단순히 단일 광자성을 거짓으로 판별하고, 이에 따라 함께 계측된 펄스 시점 및 지연 시간의 정보를 무시하여 시간 신호 처리부(170)가 계수하지 않도록 할 수 있다.

다른 방법으로서, 기준 전압 펄스 폭이 미리 설정한 유효 하한 T_d,min 보다 긴 경우에는 이러한 두 펄스들이 서로 간섭하지 않을 만큼 넓은 시간 간격을 두고 떨어진 것인 점에 착안하여, 한 측정 주기의 디지털 단일 광자 신호를 시간적으로 분할하여 각각 개별적인 펄스의 신호를 포함하게 하고, 이렇게 분할된 디지털 단일 광자 신호를 하나의 디지털 단일 광자 신호로 취급하여 다시 각각 단일 광자성을 판별하고, 분할된 디지털 단일 광자 신호에 대한 단일 광자성이 참으로 판별될 경우 이에 따라 함께 계측된 펄스 시점 및 지연 시간의 정보를 유효하게 간주하여 시간 신호 처리부(170)가 계수 동작을 수행하도록 할 수도 있다.

측정 주기 4에서는 단일 광자 신호가 2 개의 단일 광자 신호 펄스들이 중첩된 양상으로 나타난다.

전술한 바와 같이 기준 전압 V_d의 펄스 폭이 미리 설정한 유효상한 T_d,max 보다 길다는 점을 통해 이를 판별할 수 있다. 역시, 한계 마스크를 통해서도 단일 광자성이 없음을 판별할 수 있다.

측정 주기 5 에서는 단일 광자 신호의 펄스가 낮은 피크 전압을 갖는다. 전술한 바와 같이 펄스의 피크 전압이 미리 설정한 유효 하한 전압 V_min 보다 낮음을 통해 단일 광자성을 거짓으로 판별할 수 있다. 이 경우 획득된 단일 광자 신호는 다크 카운트 펄스와 같은 광전 변환부(130)의 잡음성 신호일 가능성이 있다.

한편, 측정 주기 6에서는 단일 광자 신호가 2개의 피크를 갖고 있으나 기준 전압 V_d의 펄스 폭이 미리 설정한 유효 상한 T_d,max 보다는 좁은 경우이다. 펄스의 크기와 폭으로 단일 광자성을 판별하는 방법에서는 이러한 펄스의 단일 광자성은 참으로 판별될 수 있다. 그러나, 한계 마스크에 의한 판별 방법에서는 그 펄스 형상의 변이에 의해 단일 광자성이 거짓으로 판별될 수 있다. 이와 같은 펄스 형상은 단일 광자 응답의 확률적 변동에 의한 우연의 결과일 수도 있고 또는, 단일 광자 펄스 응답과 다크 카운트와 같은 잡음이 거의 동시에 나타난 결과일 수도 있다. 한계 마스크에 의한 판별 방법은 더 보수적으로 이러한 펄스를 단일 광자성이 없는 것으로 판별한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 디지털 단일 광자 신호의 데이터와 각 측정 주기 별로 계측된 펄스 시점 및 단일 광자성 판별의 정보를 디지털 저장 장치에 저장할 수 있다. 그리고, 시분해 분광 장치의 운용자가 저장된 데이터를 열람하여 디지털 판별 시간 측정부(160)가 올바르게 동작하고 있는지를 검토할 수 있다. 운용자는 이러한 검토를 통해 설정된 펄스 시간 계측 및 단일 광자성 판별의 파라미터들이 타당한 것인지를 살필 수 있다. 운용자는 검토 결과를 바탕으로 펄스 시점 계측 및 단일 광자성 판별의 파라미터들을 재설정하여 저장된 디지털 단일 광자 신호로 디지털 판별 시간 측정부(160) 및 시간 신호 처리부(170)를 추후에 재동작시킬 수도 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 디지털 기술 고유의 이점에 의하여 세밀한 동작 상황을 모니터링하고 계측 과정을 재설정할 수 있다. 이러한 방법으로 시분해 단일 광자 계수 장치의 동작을 보다 면밀히 최적화하고 측정 결과에 높은 신뢰성을 제공할 수 있다. 이러한 특성은 아날로그 기술에 의거한 종래의 기술에서는 기대할 수 없는 특성이다.

이상에서 제시한 본 발명의 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 광전 변환부(130)의 단일 광자 응답이 종형 혹은 가우시안 함수형으로 나타나고 그 파형이 하나의 양 혹은 음의 피크를 갖는 것으로 설명하였다. 이는 광전 변환부(130)가 PMT와 같은 고이득 광감지기의 출력신호를 직접 단일 광자 신호로 출력하거나 간단한 저역 통과 필터기나 저역 통과적 전달특성을 갖는 신호 증폭기로 증강하여 단일 광자 신호로 출력되는 경우에 해당한다.

광전 변환부(130)가 이상에서와 같이 종형의 펄스 형상을 갖도록 하면 다음과 같은 단점이 존재한다.

단일 광자 신호의 엣지 시간을 결정하기 위해서는 디지털 판별 시간 측정부(160)가 먼저 신호의 피크 전압을 계측해야 한다. 다른 방법에 의하여 펄스 시점을 결정하는 경우에도 신호의 피크 부근이 온전히 AD 신호 변환부(150)에 의해 신호 샘플링 되어야만 정확한 펄스 시점을 결정할 수 있다. 그리고 펄스 시점을 계측하는 수학적 연산의 정확도를 담보하기 위하여 신호의 간삽, 커브 피팅과 같은 복잡한 신호 처리가 요구될 수 있다.

본 발명의 실제 구현과 운용에 있어서, AD 신호 변환부(150)는 제한된 동적 영역(dynamic range)를 갖고 있다. 즉, 양자화 레벨간 간격에 대하여 최대 전압 폭은 유한하고 신호가 이를 초과하면 정확히 AD 신호 변환될 수 없다. AD 신호 변환의 특성상 양자화 잡음을 최소화하기 위하여 가능한 AD 신호 변환의 최대 전압 폭을 좁게 설정하고, 획득되는 단일 광자 신호가 최대 전압 폭 내에서 비교적 큰 진폭으로 나타나도록 하는 것이 바람직하다. 그러나 이와 같이 AD 신호 변환의 마진이 넓지 않게 되면 랜덤한 변동에 의해 단일 광지 신호가 큰 진폭으로 나타나는 경우에는 피크 전압이 AD 신호 변환부(150)의 동적 영역을 초과하며 획득된 디지털 단일 광자 신호가 클리핑(clipping)되어 얻어질 위험이 있다.

이상에서 설명한 펄스 시점 연산의 복잡성과 제한된 동적 영역에 의한 위험성을 회피하기 위한 방안으로서, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 부가적으로 펄스 형상 전환부(140)를 포함하여, 펄스 형상 전환부(140)가 광전 변환부(130)로부터 출력된 단일 광자 신호의 시간적 형상을 미리 설정한 펄스 형상으로 전환하여 형상 전환 단일 광자 신호를 AD 신호 변환부(150)에 출력하는 구조를 제시한다.

여기서, 본 발명의 바람직한 구현으로서, 펄스 형상 전환부(140)가 출력하는 형상 전환 단일 광자 신호는 직류와 교류의 신호 성분을 갖고 그 교류 성분의 시간적 분포의 중심 영역에서 형상 전환 단일 광자 신호의 신호 전압이 그 직류 성분의 전위를 일정한 변화율로 선형적으로 통과하는 파형을 갖는 것을 특징으로 가질 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부의 출력 신호인 형상 전환 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다. (a)는 형상 전환 단일 광자 신호가 AD 신호 변환부(150)에 의해 온전히 신호 샘플링될 때의 상황을, (b)는 형상 전환 단일 광자 신호의 크기가 AD 신호 변환부(150)의 한계 전압의 범위를 일부 초과하는 상황을 상정한 것이다. (b)에서는 단일 광자 신호의 양과 음의 피크 부근이 클리핑된 채로 디지털 단일 광자 신호가 획득된다.

도 10에서, 실선의 그래프는 AD 신호 변환부(150)에 입력된 아날로그형 형상 전환 단일 광자 신호를, 원형 점들은 AD 신호 변환된 이산적 데이터의 값을 나타낸다.

도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 형상 전환 단일 광자 신호는 양과 음의 피크를 갖는 반대칭형 펄스로서 그 펄스의 시간적 중심 영역에서 신호의 전압이 직류 성분 전압과 교차하는 양상을 갖는다. 그리고 직류 전압과의 교차가 이뤄지는 펄스의 중심 영역에서 신호의 전압 변화가 선형적인 특징을 갖는다.

이러한 형상 전환 단일 광자 신호에 대하여 그 특성적 펄스 시점은 종형의 단일 광자 신호보다 간단하고 신뢰성 높게 계측될 수 있다. 이를 위하여 디지털 판별 시간 측정부(160)는 먼저 형상 전환 단일 광자 신호의 직류 성분 전압을 계측한다. 이는 펄스의 유효한 시간 영역 이전 혹은 이후의 신호 전압을 평균하여 간단하게 구할 수 있다. 그리고 이렇게 계측한 직류 전압을 기준 전압 V_t로 삼아 펄스의 중심 엣지를 감지할 수 있다.

형상 전환 단일 광자 신호 중심 엣지의 정밀한 시점은 신호가 선형적으로 변하는 특성에 의해 간단한 1차 관계식으로도 결정될 수 있다. 신호가 기준 전압 V_t를 통과하기 직전 신호 샘플링 시간 t_k에 획득된 디지털 단 일 광자 신호를 f_k 라 하고, 직후 t_k+1에 획득된 신호를 f_{k + 1} 이라 하면, 선형적 전압 변화에 따라 그 기울기 즉, 전압 변화율 s는 아래의 수학식1에 의해 계산된다.

[수학식 1]

s = (f_{k +1}- f_k) / (t_k+1- t_k)

그리고, 두 신호점 사이에 위치한 어떤 시점 t 에서 신호 전압 f(t)은 아래의 수학식2에 의해 계산된다.

[수학식 2]

f(t) = f_k + s(t - t_k)

따라서, 신호 전압이 기준 전압 V_t를 통과하는 시간 t₀는 아래의 수학식3에 의해 계산된다.

[수학식 3]

t₀ = t_k + (V_t - f_k)/s

이와 같이 형상 전환 단일 광자 신호는 선형적으로 변하는 구간으로부터 중심 엣지의 시점을 간단하게 결정할 수 있다. 그리고, 중심 엣지에 인접한 양측의 신호 데이터 f_k 와 f_{k + 1} 만 온전히 획득될 수 있다면 그 이외의 신호 데이터가 오류를 가져도 문제가 없다. 따라서, 도 10의 (b)에서 도시한 클리핑된 펄스에 대해서도 중심 엣지의 시점을 정확히 결정할 수 있다.

펄스 형상 전환부(140)는 그 임펄스 응답이 바람직한 형상 전환 단일 광자 신호의 형태를 갖도록 설계된 전기 신호 필터의 일종이다. 이러한 필터는 통상적인 전기 신호의 필터와 같은 구조와 요소로 구현될 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부의 구체적인 블록도이다.

도 11을 참조하면, 펄스 형상 전환부(140)는, 단일 광자 신호를 분기하였다가 신호 지연을 갖고 다시 결합하는 구성으로서, 입력된 단일 광자 신호를 둘로 분배하는 신호 분배기(142), 분배된 신호 중 어느 하나를 지연시키는 신호 지연기(143) 및 다시 이 두 신호를 결합하는 신호 결합기(144)로 구성된다.

신호 지연기(143)는 단순한 케이블 지연으로 충분하며, 이때, 신호 분배기(142)와 신호 결합기(144) 중 어느 하나가 분배 또는 결합되는 신호들 가운데 하나의 신호 위상을 180도 전환함으로써, 그 신호의 전압 극성이 전환되도록 한다. 예를 들어, 도 11과 같이, 신호 분배기(142)의 두 개의 출력 신호 중 우측의 출력 신호의 위상이 180도 전환되어 그 극성이 전환될 수 있다.

또한, 이와 같이 분기된 두 신호들 중 어느 하나에 신호 지연이 가해진다. 따라서, 다시 신호 결합기(144)를 통해 두 신호가 합성되면 도 11의 하단과 같은 파형의 출력 신호가 얻어진다.

이러한 구조의 펄스 형상 전환부(140)는 입력 신호의 펄스 폭을 넓혀 일정한 수준에 도달하기 위한 것으로서, 저역 통과 필터기(141)를 가질 수 있다. 이러한 저역 통과 필터 작용은 신호 분배기(142) 이전에 이루어질 수도 있고, 신호 결합기(143) 이후에 이루어질 수도 있다. 바람직한 실시예에서 이러한 저역 통과 필터기(141)는 그 임펄스 응답이 대칭적 종형에 가까운 것으로서 고차 가우시안 필터(Gaussian filter)이거나 혹은 고차의 베셀 필터(Bessel filter)일 수 있다.

여기서, 펄스 형상 전환부(140)는 신호 지연기(143)의 신호 지연량과 저역 통과 필터기(141)의 대역 폭을 설정하여 목표하는 출력의 펄스 형상을 얻을 수 있다. 저역 통과 필터기(141)를 통과한 단일 광자 신호의 펄스가 갖는 반치 폭(FWHM)과 신호 지연량이 유사한 수준일 때 도 10에 도시한 바와 같이 중심 영역에서 신호의 전압이 선형적으로 변화하는 파형이 얻어질 수 있다.

한편, 이러한 형상 전환 단일 광자 신호에 대하여 단일 광자성 판별 동작도 펄스의 크기와 폭, 또는 한계 마스크에 의거하여 수행될 수 있다.

도 10에 도시한 바와 같은 형상 전환 단일 광자 신호의 펄스 크기에 의한 단일 광자성 판별은 펄스의 양과 음의 피크전압, V_p1와 V_p2를 계측하여 전술한 것과 같이 판별될 수 있다. 그러나, 신호가 도 10의 (b)에서와 같이 클리핑된 경우에는 피크 부근의 파형 정보가 소실되어 피크 전압을 결정할 수 없다. 따라서 이 방법은 바람직하지 않을 수 있다.

대안적 방법으로서, 중심 엣지의 전압 기울기 s에 의해 간접적으로 펄스 파형의 크기를 가늠할 수 있다. 기울기 s의 크기가 미리 설정한 유효 하한과 유효 상한의 범위를 벗어나면 단일 광자성이 없는 것으로 판별한다.

한편, 도 10에 도시한 바와 같은 형상 전환 단일 광자 신호의 펄스 폭에 의한 단일 광자성 판별은 기준 전압에 의해 계측된 시작 엣지와 종료 엣지 사이의 시간 간격으로 정의된 기준 전압 펄스폭에 의해 이뤄질 수 있다. 이 때, 복수의 기준 전압을 설정하여 이 기준 전압들을 통과하는 복수의 시간들 가운데 가장 우선하는 것을 시작 엣지, 가장 늦게 나타나는 것을 종료 엣지로 삼아 그 차로 기준 전압 펄스 폭을 계측할 수 있다.

한편, 전술한 것과 같이 형상 전환 단일 광자 신호에 대하여서도 한계 마스크를 설정하여 단일 광자성을 판별할 수도 있다. 구체적으로, 디지털 단일 광자 신호로부터 우선 엣지 시간을 계측하고 이를 통해 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 얻고, 이를 미리 설정한 한계 마스크 상한과 하한과 비교하여 단일 광자성을 판별할 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치가 펄스 형상 전환부를 포함할 때 측정 주기 내에 2개 광자가 감지되는 상황에서 형상 전환 단일 광자 신호의 시간적 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 각 신호 파형 a, b, c 및 d 에서 단일광자의 응답 펄스 2 개가 시간 간격 T_p를 두고 합성되어 있다. 그리고, a 로부터 d 에 이를수록 시간 간격 T_p는 좁아진다.

각 신호 파형에서 일정한 기준 전압 V_d1과 V_d2가 수평선으로 도시되어 있다. 여기서, 기준 전압 펄스폭 T_d는 신호가 처음 V_d1 또는 V_d2를 통과하는 펄스 엣지로부터 가장 마지막에 V_d1 또는 V_d2를 통과하는 펄스 엣지의 시간 간격으로 정의된다. 도 12에서 이러한 방법에 의해 결정된 펄스 엣지는 삼각점으로 도시하였다. 도 12에 도시한 것과 같이 2 개의 단일 광자 응답이 시간적으로 간격을 두고 합해진 경우에 기준 전압 펄스 폭 T_d는 단일한 광자에 의한 것보다 뚜렷이 넓게 나타나게 된다. 따라서 기준 전압 펄스 폭으로 단일 광자성을 판별할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 펄스 형상 전환부가 포함될 때 단일 광자성 판별을 위한 한계 마스크와 시간적 신호 파형을 예시적으로 도시한 그래프이다.

도 13에서는 단일 광자 신호 및 한계 마스크 함수를 연속 함수로 표현하였으나, 실제 디지털 판별 시간 측정부(160)에서 처리하는 신호들은 이산적 디지털 데이터임을 유념해야 한다.

전술한 바와 같이 디지털 판별 시간 측정부(160)가 디지털 단일 광자 신호로부터 단일 광자성을 판별하기 위한 방법으로 한계 마스크를 이용할 수 있다. 입력된 디지털 단일 광자 신호에 대해 우선 펄스 시점을 감지한다. 전술한 중심 엣지의 시점으로 펄스 시점을 삼을 수 있다. 펄스 시점을 원점으로 삼아 재정렬한 시간 t'에 관해 디지털 단일 광자 신호를 재정렬한다. 이때, 재정렬 작업은 신호 샘플링 시간 간격 T_s의 정밀도 수준으로 수행되어도 충분하다.

재정렬된 디지털 단일 광자 신호에 대하여 도 13에서와 같이 평균적인 디지털 단일 광자 신호 f_avg(t')를 중심으로 한계 마스크의 상한 f_max(t')와 하한 f_max(t')가 설정된다. 재정렬된 디지털 단일 광자 신호의 신호 전압이 한계 마스크에 의해 정의된 범위를 벗어나면 단일 광자성이 없는 것으로 판별한다.

여기서, 한계 마스크 상한과 하한은 연속된 함수가 아니며 펄스의 중심 영역 즉, 중심 엣지의 시점 t'=0을 중심으로 t₁과 t₂ 사이의 빈 영역을 갖도록 설정할 수 있다. 이는 중심 엣지 근처에서 한계 마스크의 상한과 하한의 함수가 서로 교차하는 문제를 회피하기 위한 목적이다.

한편, 디지털 단일 광자 신호가 AD 신호 변환부(150)의 동적 영역을 벗어나 신호가 클리핑되었다면, 한계 마스크의 상한 및 하한도 같은 한계로 클리핑하여 판별에 활용할 수 있다. 이와 달리, 클리핑된 신호 데이터를 무시하고 클리핑되지 않은 신호 데이터만으로 한계 마스크에 의한 판별을 수행할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 이상에서 설명한 바와 같이 디지털 판별 시간 측정부(160)가 단일 광자성을 판별하여 시간 신호 처리부(170)가 시분해 단일 광자 계수 정보를 구성할 때 참조한다.

단순한 참조 방법으로서, 시간 신호 처리부(170)가 단일 광자성이 참으로 판별된 측정 주기의 지연 시간만으로 시분해 단일 광자 계수 정보를 구성할 수 있다.

이러한 동작에 의하여, 종래의 시분해 단일 광자 계수 장치와 달리 2개 이상의 다광자가 한 측정 주기 내에 감지되는 빈도가 높아도 다광자 감지에 의한 펄스 시점 계측의 오류를 배제할 수 있다. 이러한 장점에 의해 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 종래 보다 더 세기가 높은 광신호를 처리할 수 있어 전체 측정 속도가 증대될 수 있다.

한편, 전술한 디지털 판별 시간 측정부(160)의 설명에서는 단일 광자성을 참과 거짓의 2단계로 판별하는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치는 디지털 판별 시간 측정부(160)가 단일 광자성을 이 보다 세분화된 단계로 판별하는 것을 포함한다.

예를 들어, 디지털 판별 시간 측정부(160)가 디지털 단일 광자 신호에서 얻은 펄스 특성의 정보를 바탕으로 각 측정 주기 별 신호에 대하여 무 광자, 단일 광자 또는 다 광자 감지의 3단계로 단일 광자성을 판별하는 것이 가능하다. 여기서, 무 광자와 다 광자 감지는 이전에 단일 광자성이 거짓인 경우를 세분한 것이다.

전술한 펄스 크기 및 펄스 폭에 의한 단일 광자성 판별 방법에서, 디지털 단일 광자 신호의 피크 전압의 크기가 미리 설정한 유효 하한보다 작은 경우에는 무 광자로 판별할 수 있다. 또한, 단일 광자 신호의 피크 전압의 크기가 미리 설정한 유효 상한보다 큰 경우에는 다 광자로 판별할 수 있다.

또한, 피크 전압의 크기가 미리 설정한 유효 상한보다 낮더라도 기준 전압의 펄스 폭이 그 상한을 초과하는 경우에 다 광자로 판별할 수 있다.

한계 마스크에 의한 판별 방법에서는, 상기 재정렬된 디지털 단일 광자 신호의 전압 크기가 한계 마스크의 하한의 크기보다 작은 경우에는 무 광자로 판별할 수 있다. 또한, 단일 광자 신호의 전압 크기가 한계 마스크의 상한의 크기보다 큰 경우에는 다 광자로 판별할 수 있다.

위 판별 방법에 관한 설명에서, 크기는 신호의 극성을 무시한 신호 진폭의 측정으로서 단일 광자 신호의 직류 성분 전압을 기준으로 측정한 신호 전압의 절대치 크기이다.

이상의 세 가지의 배타적인 경우들 즉, 무 광자, 단일 광자, 다 광자 감지의 경우가 나타나는 상대적 빈도는 광전 변환부(130)에서 감지되는 광신호의 광학적 세기와 관계한다. 세기가 매우 낮을 때는 무 광자의 비율이 압도적으로 높다. 세기가 커지면서 단일 광자의 비율이 증가하며 무 광자의 비율을 이에 따라 감소한다. 세기가 매우 커지면 단일 광자와 무 광자의 비율은 감소하고 다 광자의 비율이 커진다. 이러한 감지 광자수의 확률적 분포는 포아송 분포(Poisson distribution)를 따르는 것으로 알려져 있다.

종래의 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 단일 광자성에 대하여 무 광자 감지만을 판별한 것과 같이 동작한다. 즉, 단일 광자와 다 광자 감지를 구별하지 못했다. 따라서, 오직 확률적인 특성에 의존하여 광신호의 세기를 낮게 유지하는 방법만으로 다 광자 감지의 빈도를 억제하였다. 따라서 전술한 바와 같이 단일 광자 감지율이 0.01 이하가 되도록 운용해야 했다. 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서는 단일 광자 감지율이 0.1 이상이 되어도 다 광자의 신호를 계수에서 배제할 수 있다. 따라서, 단일 광자 감지율은 10배 이상으로 향상된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 시분해 단일 광자 계수 장치에서 여기 광원부(110) 또는 시료 광학부(120)가 펄스 여기광 또는 광신호의 세기를 조정할 수 있는 수단을 포함하면 판별 신호를 활용하여 최적의 동작 조건을 자동화하여 찾을 수 있다. 특히, 여기 광원부(110)가 그 광출력의 세기를 조절할 수 있도록 하면 단일 광자 감지율을 최대화하면서 불필요하게 높은 세기의 펄스 여기광이 조사되지 않도록 할 수 있다.

이를 위하여, 시간 신호 처리부(170)가 각 측정 주기 별로 입력되는 판별 신호로부터 무 광자, 단일 광자 및 다 광자 감지로 나타나는 측정 주기의 비율 즉, 무 광자율, 단일 광자율 및 다 광자율을 계측한다. 이러한 다 광자율, 단일 광자율 또는 무 광자율을 운용자에게 제공하면 운용자가 펄스 여기광 또는 분광 신호의 세기를 수동적으로 조절하여 단일 광자율을 최적화할 수 있다.

또한, 자동화된 단일 광자율 최적화를 위하여, 여기 광원부(110) 또는 시료 광학부(120)가 무 광자율이 일정한 수준 이하가 되면 펄스 여기광 또는 분광 신호의 세기를 키우거나 또는, 다 광자율 또는 단일 광자율이 일정 수준 이상이 되면 펄스 여기광 또는 광신호의 세기를 줄이는 식으로 폐루프 제어(closed-loop control)를 수행할 수 있다. 이러한 자동화는 운용자의 간섭 없이 최적화되고 신뢰성 높은 시분해 단일 광자 계수 정보를 얻을 수 있게 해준다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

110: 여기 광원부
120: 시료 광학부
130: 광전 변환부
140: 펄스 형성 전환부
150: AD 신호 변환부
160: 디지털 판별 시간 측정부
170: 시간 신호 처리부
180: 시스템 클럭부

Claims (16)

1. 펄스 여기광을 생성하는 여기 광원부;
   상기 펄스 여기광을 시료에 조사하여 야기된 광 신호를 포집하는 시료 광학부;
   상기 광 신호를 광전 변환하여 아날로그 단일 광자 신호를 생성하는 광전 변환부;
   상기 아날로그 단일 광자 신호를 신호 샘플링하여 디지털 단일 광자 신호로 변환하는 AD 신호 변환부;
   상기 디지털 단일 광자 신호의 단일 광자성을 판별하여 판별 신호를 생성하고, 상기 디지털 단일 광자 신호의 펄스 시점을 계측하여 상대적인 지연 시간 정보를 갖는 지연 시간 신호를 생성하는 디지털 판별 시간 측정부; 및
   상기 판별 신호를 참조하여 상기 지연 시간에 따른 유효한 단일 광자 감지 이벤트를 계수하는 시간 신호 처리부
   를 포함하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 펄스 여기광의 펄스 생성에 관한 동기 타이밍 정보를 갖는 측정 클럭 신호와, 상기 AD 신호 변환부의 신호 샘플링 동작의 동기 타이밍 정보를 갖는 샘플 클럭 신호를 생성 및 분배하는 시스템 클럭부를 더 포함하고,
   상기 측정 클럭 신호 및 상기 샘플 클럭 신호는
   주기적인 타이밍 신호로서 그 주기 비율이 일정한 정수를 가지며 두 신호가 서로 시간적으로 상관되는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 지연 시간은
   상기 측정 클럭 신호가 제공하는 동기 시점에 대한 상기 펄스 시점의 상대적 시간으로 계측되는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 측정 클럭 신호는 상기 여기 광원부가 생성하는 상기 펄스 여기광을 광전 변환하여 생성되고,
   상기 시스템 클럭부는
   상기 측정 클럭 신호와 일정한 정수의 주기 비율을 갖는 상기 샘플 클럭 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 디지털 판별 시간 측정부는
   상기 디지털 단일 광자 신호가 제공하는 펄스 크기, 펄스 폭 및 펄스 형상 중 적어도 하나를 포함하는 시간적 전압 파형의 특질을 추출하고,
   상기 시간적 전압 파형의 특질을 기초로 상기 단일 광자 신호의 상기 단일 광자성을 판별하여 판별 정보를 갖는 판별 신호를 생성하고,
   상기 단일 광자성의 판별 정보는
   참과 거짓, 또는 단일 광자와 비단일 광자의 두 가지 상태를 갖거나, 다 광자 감지와 단일 광자 감지와 무 광자 감지의 세 가지 상태를 갖고,
   상기 시간 신호 처리부는
   상기 판별 정보가 단일 광자성이 참인 상태 또는 단일 광자 감지의 상태인 경우 유효한 단일 광자 감지 이벤트로 간주하여 계수 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 디지털 판별 시간 측정부는
   상기 디지털 단일 광자 신호의 펄스 피크를 추출하고,
   상기 펄스 피크가 미리 설정된 유효 상한 전압 및 유효 하한 전압의 범위 내에 있으면 상기 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고,
   상기 펄스 피크가 상기 유효 하한 전압 미만이면 상기 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별하고,
   상기 펄스 피크가 상기 유효 상한 전압을 초과하면 상기 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 디지털 판별 시간 측정부는
   상기 디지털 단일 광자 신호의 일정 시간 구간에서 얻은 시간적 전압 파형으로부터, 미리 설정된 적어도 하나의 기준 전압을 기준으로 결정한 상기 디지털 단일 광자 신호의 펄스 엣지를 추출하고,
   시간적으로 가장 앞선 상기 펄스 엣지와 시간적으로 가장 늦은 상기 펄스 엣지 사이의 시간 간격으로 펄스 폭을 계측하고,
   상기 펄스 폭이 미리 설정된 유효 상한 펄스 폭 이하이면 상기 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고,
   상기 펄스 폭이 상기 유효 상한 펄스 폭을 초과하면 상기 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 디지털 판별 시간 측정부는
   상기 디지털 단일 광자 신호가 제공하는 펄스 크기, 펄스 엣지 및 펄스 형상 중 적어도 하나를 포함하는 시간적 전압 파형의 특질을 추출하고,
   상기 시간적 전압 파형의 특질로부터 상기 광전 변환부에 의해 상기 광 신호가 감지된 상대적 시점으로서 펄스 시점을 계측하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 디지털 판별 시간 측정부는
   상기 디지털 단일 광자 신호의 펄스 피크를 추출하고,
   상기 펄스 피크의 전압에 미리 설정된 일정률을 곱하여 얻은 일정률 전압치를 기준으로 상기 디지털 단일 광자 신호의 상승 또는 하강 펄스 엣지를 찾고 상기 상승 또는 하강 펄스 엣지의 시점을 추출하여 상기 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 디지털 판별 시간 측정부는
    상기 펄스 피크 또는 펄스 엣지에 시간적으로 인접한 상기 디지털 단일 광자 신호의 데이터를 내삽 또는 커브 피팅 처리하여 상기 펄스 피크의 전압 또는 엣지 시점을 추출하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 디지털 판별 시간 측정부는
    상기 디지털 단일 광자 신호의 전압 파형을 가중치로 삼는 시간합으로부터 구한 시간 평균치 또는 펄스의 중심 시점을 계산하고,
    상기 중심 시점을 상기 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
12. 제 1 항, 제 5 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디지털 판별 시간 측정부는
    상기 디지털 단일 광자 신호를 상기 펄스 시점을 원점 삼아 재설정한 시간에 관한 함수로서 재정렬된 디지털 단일 광자 신호를 얻고,
    재설정된 시간에 관한 함수로서 한계 마스크의 상한과 하한을 설정하고, 재정렬된 상기 디지털 단일 광자 신호를 상기 한계 마스크의 상한과 하한과 비교하여,
    상기 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 상기 한계 마스크의 범위 내에 있으면 상기 단일 광자성을 참 또는 단일 광자 감지의 상태로 판별하고,
    상기 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 상기 한계 마스크의 하한 미만이면 상기 단일 광자성을 거짓 또는 무 광자 감지의 상태로 판별하고,
    상기 디지털 단일 광자 신호의 크기가 기준 수 이상의 데이터 포인트에서 상기 한계 마스크의 상한을 초과하면 상기 단일 광자성을 거짓 또는 다 광자 감지의 상태로 판별하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전 변환부가 출력하는 상기 단일 광자 신호를 미리 설정된 시간적 펄스 형상으로 전환하여 상기 AD 신호 변환부에 출력하는 펄스 형상 전환부를 더 포함하고,
    상기 형상 전환된 상기 단일 광자 신호의 신호 전압은
    그 직류 성분의 전압치를 가로질러 지나치는 펄스의 중심 영역을 갖고,
    상기 중심 영역에서 신호 전압이 일정한 전압 변화율로 선형적으로 증가하거나 감소하는 펄스 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 펄스 형상 전환부는
    상기 단일 광자 신호를 둘로 분배하는 신호 분배기와, 분배된 신호 중 어느 하나를 지연시키는 신호 지연기와, 다시 이 두 신호를 결합하는 신호 결합기로 구성되며, 상기 단일 광자 신호를 분기하였다가 신호 지연을 갖고 다시 결합하고,
    상기 신호 분배기 및 상기 신호 결합기 중 어느 하나는
    분배 또는 결합되는 신호들 가운데 하나의 신호 위상을 180도 전환하여 신호의 전압 극성이 전환되도록 하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 디지털 판별 시간 측정부는
    상기 형상 전환된 상기 단일 광자 신호가 신호 변환된 디지털 단일 광자 신호로부터 직류 성분 전압을 계측하고,
    상기 디지털 단일 광자 신호의 상기 중심 영역에서 상기 직류 성분 전압을 기준으로 결정한 펄스 엣지인 중심 엣지를 찾고,
    상기 중심 엣지 시점을 상기 펄스 시점으로 삼는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.
    
16. 제 1 항 및 제 5 항에 있어서,
    상기 여기 광원부 또는 상기 시료 광학부는
    상기 펄스 여기광 또는 상기 광신호의 광학적 세기를 조절할 수 있는 조절 수단을 갖고,
    상기 시간 신호 처리부는
    일정한 시간 동안 단일 광자 감지의 상태로 나타나는 판별 신호의 빈도로서 단일 광자율을 계측하거나,
    일정한 시간 동안 무 광자 감지 또는 다 광자 감지의 상태로 나타나는 판별 신호의 빈도로서 무 광자율 또는 다 광자율을 계측하고,
    상기 조절 수단은
    상기 단일 광자율, 무 광자율 또는 다 광자율이 미리 설정된 범위 내에 있도록 상기 광 신호의 광학적 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 시분해 단일 광자 계수 장치.

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