KR20230047328A - 시간 계측 장치, 형광 수명 계측 장치, 및 시간 계측 방법 - Google Patents

시간 계측 장치, 형광 수명 계측 장치, 및 시간 계측 방법 Download PDF

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후미노리 니이쿠라
아유무 요시미
겐 기타자와
다카유키 이노우에
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

시간 계측 장치(10)는 클록 신호에 따라 카운트 신호를 출력하는 디지털 카운터(20)와, 검출기(4)에서 검출된 검출 신호, 및 클록 신호가 입력되고, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는, 복수의 TAC 회로(12)(TAC 회로(12a~12j))와, 디지털 카운터(20)로부터 출력된 카운트 신호와 TAC 회로(12)로부터 출력된 계측 신호에 기초하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 제어부(14)와, TAC 회로(12)의 데드 타임을 고려하여, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)를 전환하는 계측용 게이트(11)를 구비한다.

Description

시간 계측 장치, 형광 수명 계측 장치, 및 시간 계측 방법
본 발명의 일 양태는 시간 계측 장치, 형광 수명 계측 장치, 및 시간 계측 방법에 관련된 것이다.
시료에 여기광을 조사했을 때의 형광의 수명을 계측하는 형광 수명 계측 장치 등에 있어서는, 스타트 펄스 신호 및 스톱 펄스 신호의 시간차에 관련된 정보를 출력하는 시간 계측 장치가 이용된다. 이러한 시간 계측 장치로서, 시간차를 아날로그 신호로서 출력하는 TAC(Time-Analog-Converter) 방식을 이용한 시간 계측 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조). TAC 방식은 시간차를 디지털 신호로서 출력함으로써 시간을 계측하는 TDC(Time-digital-converter) 방식과 비교하면, 시간 분해능이 높다고 하는 점에서 유리하다.
특허 문헌 1: 일본 특표 2003－522946호 공보
상술한 것 같은 시간 계측 장치에서는, TAC 회로(시간 진폭 변환기)에 있어서 시간이 계측되면, 계측 후, 일정 시간은 재차의 시간 계측이 행해지지 않는 데드 타임이 된다. 이러한 데드 타임이 생김으로써 계측 효율을 충분히 향상시키지 못하고 있다. 또, 상술한 것처럼, TAC 방식은 시간 분해능이 높은 점에서 유리하지만, 장시간의 이벤트(現象)에 대한 시간 계측(장시간 계측)을 행하는 것이 곤란하다.
본 발명의 일 양태는 상기 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 데드 타임을 저감시켜 계측 효율을 향상시킴과 아울러, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현하는 것이 가능한 시간 계측 장치, 형광 수명 계측 장치, 및 시간 계측 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 장치는, 클록 신호에 따라 카운트 신호를 출력하는 카운터와, 검출기에서 검출된 검출 신호, 및 클록 신호가 입력되고, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는, 복수의 제1 시간 진폭 변환기와, 카운터로부터 출력된 카운트 신호와 제1 시간 진폭 변환기로부터 출력된 계측 신호에 기초하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 제어부와, 제1 시간 진폭 변환기의 데드 타임을 고려하여, 검출 신호가 입력되는 제1 시간 진폭 변환기를 전환하는 제1 전환부를 구비한다.
본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 장치에서는, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는 제1 시간 진폭 변환기가, 복수 마련되어 있다. 그리고, 본 시간 계측 장치에서는, 제1 시간 진폭 변환기의 데드 타임이 고려되어, 검출 신호가 입력되는 제1 시간 진폭 변환기의 전환이 실행된다. 예를 들면 1개의 시간 진폭 변환기만으로 시간이 계측되는 경우에는, 시간 진폭 변환기의 계측 후에 있어서 재차의 계측을 할 수 없는 데드 타임이 생긴다. 이 점, 시간 진폭 변환기가 다단화됨과 아울러, 시간 진폭 변환기의 데드 타임이 고려되어 시간 진폭 변환기가 전환됨으로써, 계측 후에 있어서 재차의 계측을 할 수 없는 시간 진폭 변환기로부터 계측을 할 수 있는 시간 진폭 변환기로 전환하여, 상술한 데드 타임을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다. 또, 본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 장치에서는, 클록 신호에 동기하여 동작하는 카운터가 카운트 신호를 출력함으로써 클록의 주파수에 의존한 대략의 시간 계측(저시간 분해 또한 장시간 계측)이 행해짐과 아울러, 제1 시간 진폭 변환기가 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력함으로써 카운터의 계측 거칠기를 보충하는 세밀한 시간 계측(고시간 분해 또한 단시간 계측)이 행해진다. 이들 시간 계측 결과를 합쳐서 최종적인 시간 정보가 도출됨으로써, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다. 이상과 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 장치에 의하면, 데드 타임을 저감시켜 계측 효율을 향상시킴과 아울러, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다.
제1 전환부는 데드 타임을 고려하여 미리 설정된 전환 정보에 기초하여, 제1 시간 진폭 변환기를 전환해도 된다. 이러한 구성에 의하면, 미리 설정된 정보(데드 타임을 고려한 전환 정보)에 기초하여, 용이하고 또한 적절히 시간 진폭 변환기를 전환할 수 있다.
제어부는 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간에서, 계측 신호가 나타내는 시간을 감산함으로써, 검출 신호가 입력될 때까지의 시간을 나타내는 시간 정보를 도출해도 된다. 이것에 의해, 카운트 신호 및 계측 신호에 기초하여, 검출 신호가 입력될 때까지의 시간을 고정밀도로 도출할 수 있다.
제1 전환부는 데드 타임 중이 아닌 제1 시간 진폭 변환기에 검출 신호가 입력되도록, 제1 시간 진폭 변환기를 전환해도 된다. 이것에 의해, 제1 시간 진폭 변환기의 데드 타임의 영향에 의해 계측 효율이 악화되는 것을 적절히 회피할 수 있다.
복수의 제1 시간 진폭 변환기는, 데드 타임에 따른 개수, 마련되어 있어도 된다. 이것에 의해, 제1 시간 진폭 변환기를 전환함으로써 데드 타임의 영향을 받는 것을 적절히 회피할 수 있다.
복수의 제1 시간 진폭 변환기는, 검출기가 검출하는 신호량에 따른 개수, 마련되어 있어도 된다. 이것에 의해, 신호량에 따른 수만큼 제1 시간 진폭 변환기가 마련되게 되고, 제1 시간 진폭 변환기를 전환함으로써 데드 타임의 영향을 받는 것을 적절히 회피할 수 있다.
상술한 시간 계측 장치는, 검출기에서 검출되는 검출 신호에 관련된 이벤트의 동기 신호에 따른 신호를 출력하는, 제2 시간 진폭 변환기를 더 구비하고, 제어부는 동기 신호에 따른 신호를 더 고려하여, 시간 정보를 도출해도 된다. 이것에 의해, 검출 신호에 관련된 이벤트의 실제의 타이밍을 고려하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 보다 고정밀도로 도출할 수 있다.
상술한 시간 계측 장치는, 복수의 제2 시간 진폭 변환기를 구비하고 있고, 제2 시간 진폭 변환기의 데드 타임을 고려하여, 동기 신호가 입력되는 제2 시간 진폭 변환기를 전환하는 제2 전환부를 더 구비하고 있어도 된다. 이것에 의해, 제2 시간 진폭 변환기에 있어서의 데드 타임의 영향에 의해 계측 효율이 악화되는 것을 적절히 회피할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 형광 수명 계측 장치는, 계측 대상물로부터 발산되는 형광의 수명을 계측하는 형광 수명 계측 장치로서, 상술한 시간 계측 장치와, 계측 대상물에 생성한 광을 조사하는 광원과, 광원으로부터의 광이 조사된 계측 대상물로부터의 형광을 검출하여, 검출 신호를 출력하는 검출기와, 광원에 의한 광의 출력을 제어하여, 광원 및 시간 계측 장치에 서로 동기한 동기 신호를 출력하는 신호 생성부를 구비한다. 이러한 형광 수명 계측 장치에 의하면, 상술한 시간 계측 장치를 이용하여, 형광 수명을 효율적으로 계측함과 아울러, 형광 수명의 계측에 대해 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 방법은, 복수의 시간 진폭 변환기를 전환하면서 시간을 계측하는 시간 계측 장치가 실시하는 시간 계측 방법으로서, 복수의 시간 진폭 변환기 각각의 데드 타임에 기초하여, 검출기에서 검출된 검출 신호가 입력되는 하나의 시간 진폭 변환기를 선택하는 공정과, 선택한 하나의 시간 진폭 변환기에, 검출 신호 및 클록 신호를 입력하여, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 얻는 공정과, 클록 신호에 따른 카운트 신호와 계측 신호에 기초하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 공정을 포함한다. 이러한 시간 계측 방법에 의하면, 데드 타임을 저감시켜 계측 효율을 향상시킴과 아울러, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다.
상술한 시간 계측 방법에 있어서, 선택하는 공정에서는, 데드 타임 중이 아닌 시간 진폭 변환기를 선택해도 된다. 이것에 의해, 데드 타임의 영향에 의해 계측 효율이 악화되는 것을 적절히 회피할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 데드 타임을 저감시켜 계측 효율을 향상시킴과 아울러, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 형광 수명 계측 장치를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 멀티 TAC 계측을 설명하는 도면이다.
도 3은 멀티 TAC 계측을 설명하는 도면이다.
도 4는 시간 정보의 도출을 설명하는 도면이다.
도 5는 시간 정보의 도출을 설명하는 도면이다.
도 6은 시간 정보의 도출을 설명하는 도면이다.
도 7은 변형예에 따른 시간 계측 장치의 일례를 모식적으로 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 일 양태에 따른 시간 계측 장치, 시간 계측 방법, 형광 수명 계측 장치의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 형광 수명 계측 장치(1)를 모식적으로 나타내는 도면이다. 형광 수명 계측 장치(1)는 시료(S)(계측 대상물)로부터 발산되는 형광의 수명을 계측하는 장치이다.
유기 재료나 형광 프로브의 형광 스펙트럼은, 피크 파장이나 형광 강도 등, 시료의 기능이나 특성을 제어, 평가하는데 있어서 중요한 파라미터이다. 그렇지만, 형광 스펙트럼은 시간적으로 적분된 정보를 취득하기 때문에, 시료에 복수의 물질이나 반응계가 포함되는 경우에는, 그것들이 적분된 정보 밖에 얻을 수 없다. 이러한 경우에는, 시료의 기능이나 특성을 평가하는 수단으로서, 시료가 펄스광에 의해 광여기된 후에 기저 상태로 돌아갈 때까지의 시간을 서브 나노초~밀리초의 시간 영역에서 측정하는 형광 수명 계측이 효과적이다. 본 실시 형태에 따른 형광 수명 계측 장치(1)에서는, 후술하는 시간 계측 장치(10)에 의해서 형광의 검출 타이밍이 도출되어, 형광이 복수 회 검출됨으로써 검출 타이밍의 빈도 분포가 얻어지고, 해당 빈도 분포에 기초하여 시료(S)의 형광 수명이 추정된다.
도 1에 나타나는 것처럼, 형광 수명 계측 장치(1)는 펄스 제너레이터(2)(신호 생성부)와, 광원(3)과, 검출기(4)와, 컴퓨터(5)와, 표시 장치(6)와, 입력 장치(7)와, 시간 계측 장치(10)를 포함하여 구성되어 있다. 또한, 도 1에서는, 형광 수명 계측 장치(1)의 구성 중, 후술하는 클록 생성 회로(9)(도 3 참조)의 도시를 생략하고 있다.
펄스 제너레이터(2)는 컴퓨터(5)로부터의 지시에 기초하여, 광원(3) 및 시간 계측 장치(10)의 기준용 게이트(15)(상세는 후술)에 각각 동기(예를 들면 동일 타이밍)의 펄스 신호를 출력한다. 펄스 제너레이터(2)는 광원(3)에 의한 광의 출력을 제어하고, 그 제어 신호를 펄스 신호로서 출력한다. 기준용 게이트(15)는 해당 펄스 신호에 기초하여 동기 신호를 TAC 회로(16a) 또는 TAC 회로(16b)에 출력한다(상세는 후술). 광원(3) 및 기준용 게이트(15)에 대해서 동일 타이밍의 펄스 신호가 입력되므로, 기준용 게이트(15)로부터 출력되는 동기 신호는, 광원(3)으로부터의 광(여기광)의 조사에 대응하는 (동기한) 신호이다.
광원(3)은 펄스 제너레이터(2)로부터 출력된 상기 펄스 신호에 기초하여, 시료(S)에 조사되는 여기광을 출력한다. 광원(3)으로서는, LED(Light Emitting Diode) 광원, 레이저 광원, SLD(Super Luminescent Diode) 광원, 램프계 광원 등을 이용할 수 있다. 여기광의 강도는, 예를 들면, 시료(S)에 여기광이 조사되면 1광자가 발광되는 정도로 설정되어도 된다. 여기광이 조사된 시료(S)에서는, 여기광에 따른 형광이 출력된다.
검출기(4)는 시료(S)로부터의 형광을 검출하여, 시간 계측 장치(10)의 계측용 게이트(11)(상세는 후술)에 검출 신호를 출력한다. 검출기(4)로서는, 광 전자 증배관 또는 애벌란시 포토 다이오드, PIN 포토 다이오드 등을 이용할 수 있다.
컴퓨터(5)는 시간 계측 장치(10)(보다 상세하게는 제어부(14))로부터 출력되는 계측 결과에 기초하여, 형광 수명을 도출한다. 구체적으로는, 컴퓨터(5)는 계측 결과에 포함되는 형광의 시간 정보(형광의 검출 타이밍)로부터, 형광의 검출 타이밍의 빈도 분포를 도출하여, 해당 빈도 분포로부터 시료(S)의 형광 수명을 구한다. 컴퓨터(5)는, 예를 들면 CPU 등의 연산부와 RAM이나 플래쉬 메모리 등의 기억부로 구성된다. 또한, 시간 계측 장치(10)의 제어부(14)의 기능을, 컴퓨터(5)가 담당해도 된다.
표시 장치(6)는 컴퓨터(5)에 전기적으로 접속된 디스플레이이며, 상술한 시료(S)의 형광 수명 해석 결과를 표시한다. 입력 장치(7)는 키보드 또는 마우스 등이며, 형광 수명의 해석 조건이나 계측 조건의 입력·설정을 행할 수 있다.
시간 계측 장치(10)는 제1 트리거 신호가 입력되고 나서 제2 트리거 신호가 입력될 때까지의 시간을 계측 시간으로서 산출하는 시간 계측 장치이다. 시간 계측 장치(10)는 상이한 타이밍에서 입력되는 2개의 신호(제1 트리거 신호 및 제2 트리거 신호)로부터, 해당 2개의 신호의 입력 타이밍의 차를 도출하는, 각종의 장치 및 시스템에 적용할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 상술한 것처럼, 시간 계측 장치(10)는 시료(S)로부터 발산되는 형광의 수명을 계측하는 형광 수명 계측 장치(1)에 적용되어 있다.
도 1에 나타나는 것처럼, 시간 계측 장치(10)는 계측용 게이트(11)(제1 전환부)와, TAC(Time-Analog-Converter) 회로(12)(제1 시간 진폭 변환기)와, TAC 제어부(13)와, 제어부(14)와, 기준용 게이트(15)(제2 전환부)와, TAC 회로(16)(제2 시간 진폭 변환기)를 구비하고 있다. 보다 상세하게는, 시간 계측 장치(10)는 TAC 회로(12)로서 복수의 TAC 회로(12a~12j)를 가지고, TAC 제어부(13)로서 복수의 TAC 제어부(13a~13f)를 가지며, TAC 회로(16)로서 복수의 TAC 회로(16a, 16b)를 가진다. 복수의 TAC 회로(12a~12j)는 계측용 게이트(11)에 대해서 서로 병렬로 접속되어 있고, 복수의 TAC 회로(16a, 16b)는 기준용 게이트(15)에 대해서 서로 병렬로 접속되어 있다. 또한, 도 1에서는, 시간 계측 장치(10)의 구성 중, 후술하는 디지털 카운터(20)(도 3 참조)의 도시를 생략하고 있다. 해당 디지털 카운터(20)는 TAC 제어부(13)에 마련되어 있어도 되고, TAC 제어부(13)와는 별개로 마련되어 있어도 된다.
TAC 회로(12)는 제1 트리거 신호가 입력되고 나서 제2 트리거 신호가 입력될 때까지의 시간차를 아날로그 신호(진폭)로서 출력하는 시간 진폭 변환기의 회로이다. TAC 회로(12)는, 예를 들면 10ns의 시간을 계측 가능하게 구성되어 있다. TAC 회로(12)는, 구체적으로는, 검출기(4)에서 검출된 검출 신호를 제1 트리거 신호, 클록 생성 회로(9)(도 3 참조)로부터 출력된 클록 신호를 제2 트리거 신호로 하고, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 아날로그 신호(진폭)를 계측 신호로 하여, TAC 제어부(13)에 출력한다. 즉, TAC 회로(12)는 검출기(4)에서 검출된 검출 신호, 및 클록 신호가 입력되고, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력한다. TAC 회로(12)는 계측용 게이트(11)를 통해서, 검출 신호의 입력을 접수한다.
TAC 제어부(13)는 TAC 회로(12)로부터 입력된 계측 신호인 아날로그 신호(진폭)를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터이다. TAC 제어부(13)는 AD 변환 후의 디지털 신호를 계측 신호로서 제어부(14)에 출력한다. 상술한 것처럼, 시간 계측 장치(10)는 TAC 제어부(13)로서 복수의 TAC 제어부(13a~13f)를 가지고 있다. 도 1에 나타나는 것처럼, TAC 제어부(13a)는 TAC 회로(12a, 12b)로부터 계측 신호의 입력을 접수하고, TAC 제어부(13b)는 TAC 회로(12c, 12d)로부터 계측 신호의 입력을 접수하고, TAC 제어부(13c)는 TAC 회로(12e, 16a)로부터 계측 신호의 입력을 접수하고, TAC 제어부(13d)는 TAC 회로(12f, 12g)로부터 계측 신호의 입력을 접수하고, TAC 제어부(13e)는 TAC 회로(12h, 12i)로부터 계측 신호의 입력을 접수하고, TAC 제어부(13f)는 TAC 회로(12j, 16b)로부터 계측 신호의 입력을 접수한다.
계측용 게이트(11)는 검출기(4)로부터 제1 트리거 신호인 검출 신호의 입력을 받아, 그 검출 신호를 TAC 회로(12)에 출력한다. 상세하게는, 계측용 게이트(11)는 검출기(4)로부터 입력된 검출 신호를, 복수의 TAC 회로(12a~12j) 중 1개의 TAC 회로(12)에만 출력한다. 도 2 및 도 3은 멀티 TAC 계측을 설명하는 도면이다. 여기서의 멀티 TAC 계측이란, 복수의 TAC 회로(12a~12j)를 전환하면서 이용하는 계측 수법을 말한다.
도 2에 나타나는 것처럼, 계측용 게이트(11)는 복수의 TAC 회로(12a~12j)에 1대 1로 대응하도록 TAC 회로(12a~12j)의 전단(前段)에 마련된 복수의 게이트 회로(11a~11j)를 가진다. 계측용 게이트(11)의 복수의 게이트 회로(11a~11j)는 1개만 유효(검출 신호의 입력을 접수하는 상태)로 된다. 유효로 되어 있지 않은 게이트 회로(11a~11j)는, 대기 상태(검출 신호의 입력을 접수하지 않는 상태)로 된다. 계측용 게이트(11)는 유효로 되는 게이트 회로(11a~11j)를 전환함으로써, 복수의 TAC 회로(12a~12j) 중 1개에만 검출 신호가 입력되도록 한다.
계측용 게이트(11)는 복수의 TAC 회로(12a~12j)의 데드 타임을 고려하여, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12a~12j)를 전환한다. 여기서의 데드 타임이란, TAC 회로(12)에서 시간이 계측된 후에 일정 시간 재차의 시간 계측이 행해지지 않게 되는 시간을 말한다. 각 TAC 회로(12a~12j)는 서로 동등한 성능이며, 데드 타임도 같은 정도이다. 또한, 각 TAC 회로(12a~12j)의 데드 타임은, 서로 달라도 된다. 예를 들면 도 2에 나타내지는 예에서는, 계측용 게이트(11)는 처음에, 게이트 회로(11a)를 유효로 하고, 다른 게이트 회로(11b~11j)를 대기 상태로 한다. 이 상태에 있어서는, 검출기(4)로부터 계측용 게이트(11)에 검출 신호가 입력되면, 게이트 회로(11a)에만 검출 신호가 입력되어, 게이트 회로(11a)를 통해서 TAC 회로(12a)에 검출 신호가 입력된다. TAC 회로(12a)에서는, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호가 출력된다. 해당 계측 신호가 출력되는 처리가 행해진 후 일정 시간에 대해서는, TAC 회로(12a)에 있어서 재차의 시간 계측이 행해지지 않는 데드 타임이 된다. 이 때문에, 계측용 게이트(11)는 2번째의 게이트 회로(11b)를 유효로 하고, 다른 게이트 회로(11a, 11c~11j)를 대기 상태로 한다. 이 상태에 있어서는, 검출기(4)로부터 계측용 게이트(11)에 검출 신호가 입력되면, 게이트 회로(11b)에만 검출 신호가 입력되어, 게이트 회로(11b)를 통해서 TAC 회로(12b)에 검출 신호가 입력된다. 그리고, TAC 회로(12a)와 마찬가지로 TAC 회로(12b)에 대해서도 데드 타임이 되기 때문에, 계측용 게이트(11)는 이어서 3번째의 게이트 회로(11c)를 유효로 하고 다른 게이트 회로(11a, 11b, 11d~11j)를 대기 상태로 한다. 이와 같이, 계측용 게이트(11)는 각 TAC 회로(12a~12j)에 대응하는 게이트 회로(11a~11j)를 차례로 1개만 유효로 함으로써, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12a~12j)를 차례로 전환한다. 이 방식에 의하면, 포톤을 놓쳐 버리는 데드 타임은, TAC 회로(12)의 데드 타임(TAC 처리 중 데드 타임)이 아니라, 게이트 회로(11a~11j)의 전환 시간만이 된다. TAC 처리 중 데드 타임은 예를 들면 150ns이고, 게이트 회로의 전환 시간은 예를 들면 1ns이므로, 본 방식에 의해, 포톤을 놓쳐 버리는 데드 타임을 큰 폭으로 짧게 할 수 있다.
계측용 게이트(11)는 데드 타임을 고려하여 미리 설정된 전환 정보에 기초하여, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12a~12j)를 전환하고 있다. 해당 전환 정보는 데드 타임 중의 TAC 회로(12a~12j)에 검출 신호가 입력되지 않도록, TAC 회로(12a~12j)의 전환 순서(게이트 회로(11a~11j)에 대해서 유효로 하는 순서)를 규정한 정보이다. 즉, 계측용 게이트(11)는 검출 신호의 입력처가, 데드 타임 중이 아닌 TAC 회로(12a~12j)가 되도록, TAC 회로(12a~12j)를 전환한다. 이러한 전환이 가능하게 되는 전제로서, 복수의 TAC 회로(12a~12j)는 TAC 회로(12)의 데드 타임에 따른 개수, 마련되어 있다. 데드 타임에 따른 개수란, 각 TAC 회로(12)에 차례로 검출 신호가 입력되도록 TAC 회로(12)의 전환을 행했을 때 데드 타임 중인 TAC 회로(12)에 검출 신호가 입력되게 되지 않는 개수이다. 또, 복수의 TAC 회로(12a~12j)는, 검출기(4)가 검출하는 신호량에 따른 개수, 마련되어 있다. 검출기(4)가 검출하는 신호량에 따른 개수란, 상정되는 최대의 신호량으로 검출 신호가 입력되었을 경우라도, 각 TAC 회로(12)에 차례로 검출 신호가 입력되도록 TAC 회로(12)의 전환을 행했을 때 데드 타임 중인 TAC 회로(12)에 검출 신호가 입력되게 되지 않는 개수이다.
제어부(14)는 디지털 카운터(20)(도 3 참조)로부터 출력된 카운트 신호와 TAC 회로(12)로부터 출력되어 TAC 제어부(13)에서 디지털 신호로 변환된 계측 신호에 기초하여, 검출기(4)에 의해서 검출된 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력한다. 도 3에 나타나는 것처럼, 디지털 카운터(20)는 검출기(4)로부터의 검출 신호와 클록 생성 회로(9)로부터의 클록 신호가 입력되는 카운터이다. 디지털 카운터(20)는 클록 신호에 동기하여 동작하고 있고, 클록 신호에 따라(클록 신호를 세어) 카운트 신호를 제어부(14)에 출력한다. 이러한 디지털 카운터(20)는, 검출 신호에 대해 장시간 계측을 행할 수 있지만, 시간 분해능을 높게 하는 것이 어렵다. 제어부(14)는 디지털 카운터(20)에 의한 시간 계측 결과와, 시간 분해능이 높은 TAC 회로(12)에 의한 시간 계측 결과를 조합함으로써, 검출 신호에 관련된 시간 정보의 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현하고 있다.
도 4~도 6은 상술한 시간 정보의 도출을 설명하는 도면이다. 도 4~도 6에 있어서, 가로축은 시간축을 나타내고 있다. 도 4에 나타나는 것처럼, 디지털 카운터(20)는 클록 신호를 세어 카운트 신호를 출력하고 있다. 도 4에서는, 디지털 카운터(20)가 23, 24, 25, 26, 27, 28을 나타내는 카운트 신호를 출력하고 있는 예가 나타내져 있다. 상술한 것처럼, 디지털 카운터(20)는 클록 신호에 동기하여 동작하고 있다. 그리고, 도 4에 나타나는 것처럼, 이제, TAC 회로(12)가 검출기(4)로부터의 검출 신호 TRG1이 입력되고 나서, 검출 신호 TRG1 직후의 클록 신호 TRG2가 입력될 때까지의 시간차 T를 계측한 것으로 한다. TAC 회로(12)가 출력하는 계측 신호에서는, 도 5에 나타나는 것처럼, 검출 신호 TRG1이 입력된 타이밍(시간 t1)에서부터 전압(진폭)이 검출 신호 TRG1에 따라 증가를 개시하고, 클록 신호 TRG2가 입력된 타이밍(시간 t2)에서부터 전압(진폭)이 클록 신호 TRG2에 따라 일정해진다.
제어부(14)는 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간에서, 계측 신호가 나타내는 시간을 감산함으로써, 검출 신호가 TAC 회로(12)에 입력될 때까지의 시간을 나타내는 시간 정보를 도출하고 있다. 즉, 도 4에 나타내지는 예에서는, 제어부(14)는 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간인 23에서, 계측 신호가 나타내는 시간 정보인 시간차 T를 감산함으로써, 검출 신호 TRG1이 TAC 회로(12)에 입력될 때까지의 시간을 나타내는 시간 정보(23－T)를 도출한다. 이러한 시간 정보의 도출은, 디지털 카운터(20)에 입력되는 클록 신호와, TAC 회로(12)에 입력되는 클록 신호가 대응하고 있는(TAC 회로(12)에 입력된 클록 신호가 나타내는 카운트값이 고유하게 정해지는) 것에 의해 가능하게 되는 것이다.
제어부(14)는 복수의 TAC 회로(12)가 전환되는 구성에 있어서, 각 TAC 회로(12)로부터의 정보에 기초하여 각각 시간 정보를 도출함으로써, 멀티 포톤의 경우에 있어서도 적절히 시간 계측을 행할 수 있다. 도 6에 나타내지는 예에서는, 처음에 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)(도 6에 있어서 TAC1이라고 기재)의 시간 정보를 도출한 후에, 2번째로 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)(도 6에 있어서 TAC2라고 기재)의 시간 정보를 도출하고, 또한, 3번째로 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)(도 6에 대해 TAC3와 기재)의 시간 정보를 도출하고 있다. 즉, 도 6에 나타내지는 예에서는, 제어부(14)는 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간인 23에서 TAC1이 출력하는 계측 신호가 나타내는 시간 정보를 감산함으로써 TAC1의 계측 결과에 관련된 시간 정보를 도출하고, 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간인 24에서 TAC2가 출력하는 계측 신호가 나타내는 시간 정보를 감산함으로써 TAC2의 계측 결과에 관련된 시간 정보를 도출하고, 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간인 27에서 TAC3이 출력하는 계측 신호가 나타내는 시간 정보를 감산함으로써 TAC3의 계측 결과에 관련된 시간 정보를 도출하고 있다. 제어부(14)는 도출한 시간 정보(계측 결과)를 컴퓨터(5)에 출력한다.
TAC 회로(16)는 제1 트리거 신호가 입력되고 나서 제2 트리거 신호가 입력될 때까지의 시간차를 아날로그 신호(진폭)로서 출력하는 시간 진폭 변환기의 회로이다. TAC 회로(16)는 검출기(4)에서 검출되는 검출 신호에 관련된 이벤트의 동기 신호에 따른 신호를 출력한다. 검출기(4)에서 검출되는 검출 신호에 관련된 이벤트란, 검출기(4)에서 검출되는 시료(S)로부터의 형광이다. 이벤트의 동기 신호란, 펄스 제너레이터(2)가 광원(3) 및 기준용 게이트(15)에 동기한(예를 들면 동일한) 타이밍에서 출력된 펄스 신호에 기초하여 기준용 게이트(15)가 TAC 회로(16)에 출력하는 동기 신호이다. 즉, 여기서의 동기 신호란, 형광의 검출에 관해서 광원(3)으로부터 시료(S)에 조사되는 여기광에 동기한 신호이다. TAC 회로(16)는, 구체적으로는, 기준용 게이트(15)로부터 입력된 동기 신호를 제1 트리거 신호, 클록 생성 회로(9)로부터 출력된 클록 신호를 제2 트리거 신호로 하고, 동기 신호 및 클록 신호의 시간차에 따른 아날로그 신호(진폭)를, 상술한 동기 신호에 따른 신호로 하여 TAC 제어부(13)에 출력한다. 시간 계측 장치(10)는 TAC 회로(16)로서 2개의 TAC 회로(16a, 16b)를 가진다. TAC 회로(16a)는 상술한 동기 신호에 따른 신호를 TAC 제어부(13c)에 출력한다. 또, TAC 회로(16b)는 상술한 동기 신호에 따른 신호를 TAC 제어부(13f)에 출력한다. TAC 제어부(13c, 13f)는 TAC 회로(16a, 16b)로부터 입력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(14)에 출력한다. 그리고, 제어부(14)는 상술한 동기 신호에 따른 신호를 더 고려하여, 시간 정보를 도출해도 된다. 즉, 제어부(14)는 상술한 동기 신호에 따른 신호로부터, 이벤트의 개시 타이밍(시점)을 특정하여, 검출기(4)에 의해서 검출된 검출 신호에 관련된 시간 정보를 보다 고정밀도로 도출해도 된다.
기준용 게이트(15)는 TAC 회로(16)의 데드 타임을 고려하여, 상술한 동기 신호가 입력되는 TAC 회로(16a, 16b)를 전환한다. 기준용 게이트(15)는 펄스 제너레이터(2)로부터 펄스 신호의 입력을 받아, 그 펄스 신호에 따른 동기 신호를 TAC 회로(16a, 16b) 중 일방으로만 출력한다. 기준용 게이트(15)는 데드 타임을 고려하여 미리 설정된 전환 정보에 기초하여, 동기 신호가 입력되는 TAC 회로(16a, 16b)를 전환하고 있다. 해당 전환 정보는 데드 타임 중의 TAC 회로(16a, 16b)에 동기 신호가 입력되지 않도록 규정되어 있다.
다음으로, 본 실시 형태에 따른 시간 계측 장치(10), 및 그 시간 계측 장치(10)를 구비하는 형광 수명 계측 장치(1)의 작용·효과에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 따른 시간 계측 장치(10)는 클록 신호에 따라 카운트 신호를 출력하는 디지털 카운터(20)와, 검출기(4)에서 검출된 검출 신호, 및 클록 신호가 입력되고, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는, 복수의 TAC 회로(12)(TAC 회로(12a~12j))와, 디지털 카운터(20)로부터 출력된 카운트 신호와 TAC 회로(12)로부터 출력된 계측 신호에 기초하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 제어부(14)와, TAC 회로(12)의 데드 타임을 고려하여, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)를 전환하는 계측용 게이트(11)를 구비한다.
이러한 시간 계측 장치(10)에서는, 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는 TAC 회로(12)가, 복수 마련되어 있다. 그리고, 본 시간 계측 장치(10)에서는, TAC 회로(12)의 데드 타임이 고려되어, 검출 신호가 입력되는 TAC 회로(12)의 전환이 실행된다. 예를 들면 1개의 TAC 회로(12)만으로 시간이 계측되는 경우에는, TAC 회로(12)에 있어서의 계측 후에 있어서 재차의 계측을 할 수 없는 데드 타임이 생긴다. 이 점, TAC 회로(12)가 다단화됨과 아울러, TAC 회로(12)의 데드 타임이 고려되어 TAC 회로(12)가 전환되는 것에 의해, 계측 후에 있어서 재차의 계측을 할 수 없는 TAC 회로(12)로부터 계측을 할 수 있는 TAC 회로(12)로 전환하여, 상술한 데드 타임을 큰 폭으로 저감시킬 수 있다. 또, 본 실시 형태에 따른 TAC 회로(12)에서는, 클록 신호에 동기하여 동작하는 디지털 카운터(20)가 카운트 신호를 출력함으로써 클록의 주파수에 의존한 대략의 시간 계측(저시간 분해 또한 장시간 계측)이 행해짐과 아울러, TAC 회로(12)가 검출 신호 및 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력함으로써 디지털 카운터(20)의 계측 거칠기를 보충하는 세밀한 시간 계측(고시간 분해 또한 단시간 계측)이 행해진다. 이들 시간 계측 결과를 합쳐서 최종적인 시간 정보가 도출됨으로써, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다. 이상과 같이, 본 실시 형태에 따른 시간 계측 장치(10)에 의하면, 데드 타임을 저감시켜 계측 효율을 향상시킴과 아울러, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다. 시간 계측 장치(10)에 의한 시간 분해능의 일례는 0.25ps이며, 장시간 계측의 일례는 24시간 이상이다. 또한, 여기서의 시간 분해능이란 계측 단위이며, 계측 시스템 전체의 시간 분해능을 나타내는 것은 아니다.
예를 들면, TADF 등의 유기 EL 발광 재료를 광여기했을 경우에는, ns오더의 발광 및 ms오더의 발광이 생길 수 있다. 이와 같이, 매우 큰 시간 단위차의 감쇠 특성을 가지는 발광이 생기는 경우에는, 형광 수명 계측을 효율 좋게 행하려면, 고시간 분해능을 유지한 채로 장시간 계측을 행할 수 있는 측정 장치가 필요하다. 이러한 형광 수명 계측 등에 있어서, 본 실시 형태에 따른, 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현하는 시간 계측 장치(10)를 효과적으로 이용할 수 있다. 또한, 시간 계측 장치(10)의 계측 대상은, 상술한 TADF로 한정되지 않고, 그 외의 형광체나, 발광 이벤트 이외의 다양한 이벤트의 대상을 포함할 수 있다.
또, 상술한 시간 계측 장치(10)는 복수의 TAC 회로(12)를 전환하여 시간 계측을 행하는 것에 의해서, 예를 들면 형광 수명 계측에 있어서, 종래보다도 고광량(예를 들면 10배 정도의 광량)으로의 시간 계측이 가능하게 된다. 시료의 발광 강도가 강한 경우에 있어서는, 종래는 필터를 이용하여 발광을 크게 감쇠시켜 계측을 행하고 있어, 신호의 로스가 많은 상태로 시간 계측을 행하고 있지만, 시간 계측 장치(10)에 의하면 해당 신호의 로스를 억제한 상태로 고정밀도로 시간 계측을 행할 수 있다.
계측용 게이트(11)는 데드 타임을 고려하여 미리 설정된 전환 정보에 기초하여, TAC 회로(12)를 전환해도 된다. 이러한 구성에 의하면, 미리 설정된 정보(데드 타임을 고려한 전환 정보)에 기초하여, 용이하고 또한 적절히 TAC 회로(12)를 전환할 수 있다.
제어부(14)는 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간에서, 계측 신호가 나타내는 시간을 감산함으로써, 검출 신호가 입력될 때까지의 시간을 나타내는 시간 정보를 도출해도 된다. 이것에 의해, 카운트 신호 및 계측 신호에 기초하여, 검출 신호가 입력될 때까지의 시간을 고정밀도로 도출할 수 있다.
계측용 게이트(11)는 데드 타임 중이 아닌 TAC 회로(12)에 검출 신호가 입력되도록, TAC 회로(12)를 전환해도 된다. 이것에 의해, TAC 회로(12)의 데드 타임의 영향에 의해 계측 효율이 악화되는 것을 적절히 회피할 수 있다.
복수의 TAC 회로(12)는 데드 타임에 따른 개수, 마련되어 있어도 된다. 이것에 의해, TAC 회로(12)를 전환함으로써 데드 타임의 영향을 받는 것을 적절히 회피할 수 있다.
복수의 TAC 회로(12)는 검출기(4)가 검출하는 신호량에 따른 개수, 마련되어 있어도 된다. 이것에 의해, 신호량에 따른 수만큼 TAC 회로(12)가 마련됨으로써, TAC 회로(12)를 전환하는 것에 의해 데드 타임의 영향을 받는 것을 적절히 회피할 수 있다.
시간 계측 장치(10)는 검출기(4)에서 검출되는 검출 신호에 관련된 이벤트의 동기 신호에 따른 신호를 출력하는, 복수의 TAC 회로(16)(TAC 회로(16a, 16b))를 더 구비하고, 제어부(14)는 동기 신호에 따른 신호를 더 고려하여, 시간 정보를 도출해도 된다. 이것에 의해, 검출 신호에 관련된 이벤트의 실제의 타이밍을 고려하여, 검출 신호에 관련된 시간 정보를 보다 고정밀도로 도출할 수 있다.
시간 계측 장치(10)는 TAC 회로(16)의 데드 타임을 고려하여, 동기 신호가 입력되는 TAC 회로(16)를 전환하는 기준용 게이트(15)를 더 구비하고 있어도 된다. 이것에 의해, TAC 회로(16)에 있어서의 데드 타임의 영향에 의해 기준 신호의 계측 효율이 악화되는 것을 적절히 회피할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 형광 수명 계측 장치(1)는, 시료(S)로부터 발산되는 형광의 수명을 계측하는 형광 수명 계측 장치로서, 상술한 시간 계측 장치(10)와, 시료(S)에 생성한 광을 조사하는 광원(3)과, 광원(3)으로부터의 광이 조사된 시료(S)로부터의 형광을 검출하여, 검출 신호를 출력하는 검출기(4)와, 광원(3)에 의한 광의 출력을 제어하여, 광원(3) 및 시간 계측 장치(10)에 서로 동기한 동기 신호를 출력하는 펄스 제너레이터(2)를 구비한다. 이러한 형광 수명 계측 장치(1)에 의하면, 상술한 시간 계측 장치(10)를 이용하여, 형광 수명을 효율적으로 계측함과 아울러, 형광 수명의 계측에 대해 고시간 분해 또한 장시간 계측을 실현할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되지 않는다. 예를 들면, 시간 계측 장치(10)가 동기 신호에 관련된 TAC 회로(16) 및 기준용 게이트(15)를 구비하는 것으로서 설명했지만, 시간 측정 대상의 이벤트의 타이밍(반복 타이밍 등)을 파악할 수 있는 경우에는, 도 7에 나타나는 것처럼, TAC 회로(16) 및 기준용 게이트(15)를 구비하지 않는 구성이 채용되어도 된다.
또, TAC 회로(12)의 수도 실시 형태에 있어서 설명한 수(8개)로 한정되지 않고, 예를 들면 도 7에 나타나는 것처럼, TAC 회로(12)가 6개(TAC 회로(12a~12f)) 등이어도 되고, 그 외의 수여도 된다. 이러한 TAC 회로(12)의 적정한 수는, 예를 들면 형광 수명 계측이면, 측정하는 형광 수명값에 따라 변화시키는 것이 바람직하다. 예를 들면, 측정하는 형광 수명값이 5μs 이하인 경우에는 TAC 회로(12)의 수가 8개(또는 그 이하)로 되고, 측정하는 형광 수명값이 5μs보다도 긴 경우에는 9개 이상의 TAC 회로(12)가 마련되어도 된다.
1…형광 수명 계측 장치 2…펄스 제너레이터(신호 생성부)
3…광원 4…검출기
10…시간 계측 장치 11…계측용 게이트(제1 전환부)
12…TAC 회로(제1 시간 진폭 변환기) 14…제어부
15…기준용 게이트(제2 전환부) 16…TAC 회로(제2 시간 진폭 변환기)
20…디지털 카운터(카운터) S…시료(계측 대상물)

Claims (11)

  1. 클록 신호에 따라 카운트 신호를 출력하는 카운터와,
    검출기에서 검출된 검출 신호, 및 상기 클록 신호가 입력되고, 상기 검출 신호 및 상기 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 출력하는, 복수의 제1 시간 진폭 변환기와,
    상기 카운터로부터 출력된 상기 카운트 신호와 상기 제1 시간 진폭 변환기로부터 출력된 상기 계측 신호에 기초하여, 상기 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 제어부와,
    상기 제1 시간 진폭 변환기의 데드 타임을 고려하여, 상기 검출 신호가 입력되는 상기 제1 시간 진폭 변환기를 전환하는 제1 전환부를 구비하는 시간 계측 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전환부는 상기 데드 타임을 고려하여 미리 설정된 전환 정보에 기초하여, 상기 제1 시간 진폭 변환기를 전환하는, 시간 계측 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 카운트 신호가 나타내는 카운트값에 따른 시간에서, 상기 계측 신호가 나타내는 시간을 감산함으로써, 상기 검출 신호가 입력될 때까지의 시간을 나타내는 상기 시간 정보를 도출하는, 시간 계측 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 전환부는 상기 데드 타임 중이 아닌 상기 제1 시간 진폭 변환기에 상기 검출 신호가 입력되도록, 상기 제1 시간 진폭 변환기를 전환하는, 시간 계측 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 시간 진폭 변환기는 상기 데드 타임에 따른 개수, 마련되어 있는, 시간 계측 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 제1 시간 진폭 변환기는 상기 검출기가 검출하는 신호량에 따른 개수, 마련되어 있는, 시간 계측 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기에서 검출되는 상기 검출 신호에 관련된 이벤트의 동기 신호에 따른 신호를 출력하는 제2 시간 진폭 변환기를 더 구비하고,
    상기 제어부는 상기 동기 신호에 따른 신호를 더 고려하여, 상기 시간 정보를 도출하는, 시간 계측 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    복수의 상기 제2 시간 진폭 변환기를 구비하고 있고,
    상기 제2 시간 진폭 변환기의 데드 타임을 고려하여, 상기 동기 신호가 입력되는 상기 제2 시간 진폭 변환기를 전환하는 제2 전환부를 더 구비하는, 시간 계측 장치.
  9. 계측 대상물로부터 발산되는 형광의 수명을 계측하는 형광 수명 계측 장치로서,
    청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 상기 시간 계측 장치와,
    상기 계측 대상물에 생성한 광을 조사하는 광원과,
    상기 광원으로부터의 광이 조사된 상기 계측 대상물로부터의 상기 형광을 검출하여, 상기 검출 신호를 출력하는 상기 검출기와,
    상기 광원에 의한 광의 출력을 제어하여, 상기 광원 및 상기 시간 계측 장치에 서로 동기한 동기 신호를 출력하는 신호 생성부를 구비하는, 형광 수명 계측 장치.
  10. 복수의 시간 진폭 변환기를 전환하면서 시간을 계측하는 시간 계측 장치가 실시하는 시간 계측 방법으로서,
    상기 복수의 시간 진폭 변환기 각각의 데드 타임에 기초하여, 검출기에서 검출된 검출 신호가 입력되는 하나의 시간 진폭 변환기를 선택하는 공정과,
    선택한 상기 하나의 시간 진폭 변환기에, 상기 검출 신호 및 클록 신호를 입력하여, 상기 검출 신호 및 상기 클록 신호 간의 시간에 따른 계측 신호를 얻는 공정과,
    상기 클록 신호에 따른 카운트 신호와 상기 계측 신호에 기초하여, 상기 검출 신호에 관련된 시간 정보를 도출하여 출력하는 공정을 포함하는 시간 계측 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 선택하는 공정에서는, 상기 데드 타임 중이 아닌 상기 시간 진폭 변환기를 선택하는, 시간 계측 방법.
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