WO2002027284A1 - Appareil et procede de mesure optique - Google Patents

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WO2002027284A1
WO2002027284A1 PCT/JP2000/006562 JP0006562W WO0227284A1 WO 2002027284 A1 WO2002027284 A1 WO 2002027284A1 JP 0006562 W JP0006562 W JP 0006562W WO 0227284 A1 WO0227284 A1 WO 0227284A1
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photon
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photons
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PCT/JP2000/006562
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Motohiro Suyama
Yoshihiko Kawai
Tetsuya Morita
Koichiro Oba
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • G01J2001/4466—Avalanche

Definitions

  • the present invention relates to an optical measurement device and an optical measurement method, and particularly to an optical measurement device and an optical measurement method for detecting photons.
  • an optical measurement device includes: a photon detection unit that detects an incident photon; a time signal output unit that outputs a time signal; Storage means for storing the time signal output from the signal output means. By storing the time signal output from the time signal output means when the photon is detected by the photon detection means, it is possible to measure "when the photon has come”.
  • the photon detecting means detects the number of incident photons
  • the storing means detects the photons detected by the photon detecting means when the photons are detected by the photon detecting means. It is preferable to store the number and the time signal output from the time signal output means.
  • the photon detection means has an AZD converter, and the A / D converter outputs the number of incident photons as a digital value.
  • the signal output from the photon detection means can be directly stored by the storage means.
  • the photon detecting means includes: a photoelectric surface that emits photoelectrons according to the number of incident photons; an accelerating device that accelerates the photons emitted from the photoelectric surface; And a semiconductor photodetector that injects photoelectrons accelerated by the laser beam and outputs an output signal corresponding to the number of photoelectrons.
  • the number of photons incident simultaneously can be efficiently detected by using the photon detecting means provided with the photocathode, the acceleration means, and the semiconductor photodetector.
  • a light measurement method of the present invention includes a photon detection step of detecting an incident photon, a time signal output step of outputting a time signal, and a photon detection step of detecting a photon. And a storage step of storing the time signal output in the time signal output step.
  • the photon detecting step includes: In the storing step, when the photons are detected in the photon detecting step, the number of photons detected in the photon detecting step and the time signal output in the time signal outputting step are stored. storage is preferably c result that it is possible to measure the "or photon when coming" over time.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 (a) shows the output wave height distribution of HPD 24 for a multiphoton.
  • FIG. 2 (b) is a diagram showing an output waveform of the TZ amplifier 26.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (h) are evening timing charts showing the operation of the optical measurement device of FIG.
  • Fig. 3 (a) shows the incident timing of the photons
  • Fig. 3 (b) shows the output of the TZ amplifier
  • Fig. 3 (c) shows the output of the peak hold circuit
  • FIG. 3 (d) shows a trigger signal from the A / D converter delay circuit 37
  • FIG. 3 (e) shows a reset signal from the counter
  • FIG. 3 (f) shows FIG. 3 (g) shows the output of the counter
  • FIG. 3 (h) shows the data in the memory.
  • FIGS. 4 (a) to 4 (c) are timing charts showing the effect of the optical measurement device of FIG. 1 in comparison with a comparative example.
  • Fig. 4 (a) shows the incident timing of the photon
  • Fig. 4 (b) shows the output of the digital oscilloscope in the comparative example
  • Fig. 4 (c) shows the optical measurement device. Indicates an output of
  • FIG. 5 is a configuration diagram of an optical measurement device according to a first modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 (a) to 6 (h) are evening timing charts showing the operation of the optical measuring device in FIG.
  • Fig. 6 (a) shows the incident time of the incident photon
  • Fig. 6 (b) shows the output of the TZ amplifier
  • Fig. 6 (c) shows the output of the peak hold circuit.
  • FIG. 6 (d) shows a trigger signal from the A / D converter delay circuit 37
  • FIG. 6 (e) shows a reset signal from the delay circuit 29
  • FIG. 6 (f) The figure shows the output of the A / D converter
  • Figure 6 (g) shows the output of the counter
  • Figure 6 (h) shows the data in memory.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of an optical measurement device according to a second modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 (a) to 8 (h) are evening timing charts showing the operation of the optical measurement device in FIG.
  • Fig. 8 (a) shows the timing of the photon incidence
  • Fig. 8 (b) shows the readout signal from the counter
  • Fig. 8 (c) shows the reset from the countdown.
  • 8 (d) shows the output of the charge amplifier
  • FIG. 8 (e) shows the trigger signal from the comparator 36
  • FIG. 8 (f) shows the output of the AZD converter.
  • Figure 8 (g) shows the output of the counter
  • Figure 8 () shows the data in memory.
  • FIG. 9 shows a configuration of an optical measurement device according to a third modification of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical measurement device according to the present embodiment.
  • the optical measurement device 10 includes a photon detection unit 12 that detects an incident photon, a time signal output unit 14 that outputs a time signal, and a time signal output when a photon is detected by the photon detection unit 12. It has a storage section 16 for storing the time signal output from the section 14, a CPU 18 for controlling the entire apparatus, an external memory 20 for storing set values, etc., and a display section 22 for displaying measurement results and the like. You. Hereinafter, each component will be described in detail.
  • Photon detector 1 2 hybrid photodetector hereinafter, referred to as HPD 2 4
  • a transimpedance amplifier hereinafter, TZ amplifier 26 intends gutter
  • c configured with a peak hold circuit 28 and A / D converter 30
  • the HPD 24 is an avalanche photodiode that is a semiconductor photodetector that outputs an output signal according to the number of photoelectrons emitted from the photocathode 24 a and the photoelectron 24 a that emits photoelectrons according to the number of incident photons. (Hereinafter, referred to as APD 24b) in the vacuum housing 24c.
  • APD 24b a negative high voltage (for example, ⁇ 8 kV) is applied to the photocathode 24 a by the high-voltage power supply 24 d, and a reverse voltage is applied between the anode of the APD 24 b and the power source by the bias circuit 24 e.
  • a bias voltage for example, +150 V
  • the HPD 24 is provided with an electron lens unit (not shown) so that the photoelectrons emitted from the photocathode 24a can be efficiently incident on the APD 24b.
  • an electron lens unit not shown
  • photoelectrons corresponding to the number of incident photons are emitted from the photocathode 24a.
  • the photoelectrons are accelerated by the action of the electric field, converged by the action of the electron lens, and enter the APD 24b.
  • Photoelectrons incident on the APD 24 b generate a large number of hole-electron pairs when they lose their energy, and this is the first-stage multiplication factor.
  • the first stage multiplication factor depends on the electron acceleration voltage (voltage applied to the photocathode), and is about 1200 when the voltage is 18 kV. After that, the electron avalanche multiplies about 50 times. As a result, a gain of about 60,000 times is obtained for the entire APD 24b.
  • the multiplication fluctuation of the HPD 24 using the APD 24b is extremely small because the multiplication factor of the first stage is as large as about 1200. Therefore, the HPD 24 has an output wave height distribution characteristic for a multiphoton as shown in FIG. 2 (a). For this reason, the HPD 24 can distinguish and detect the number of incident photons.
  • FIG. 2 (a) shows the measurement using an Oltec model number 142A preamplifier with the applied voltage of the photocathode 24a at 18 kV and the reverse bias voltage of the APD 24b at +150 V.
  • the result Considering that the HPD 24 gain is about 60000 and that the half-width (FWHM) of the output waveform corresponding to one electron from the HPD 24 is about 2 ns, the output from the HPD 24 is The peak current is about 5 A per photon (for simplicity, the photo-electron conversion efficiency is 100%).
  • the TZ amplifier 26 is a current-voltage conversion circuit that amplifies the current signal output from the APD 24b of the HPD 24, converts the signal into a voltage, and outputs the voltage. You. As shown in FIG. 2 (b), the output waveform of the TZ amplifier 26 has a constant time from 0 V to the maximum voltage value regardless of the magnitude of the incident signal.
  • the TZ amplifier 26 preferably has an amplification factor of amplifying 18 to about 50111 and preferably has a band of about 300 MHz. For example, AU-1494-300 (trade name) of Miteq, etc. It is suitable.
  • the peak value of the voltage output from the TZ amplifier 26 is about 0.25 V per photon due to the above amplification factor.
  • the peak hold circuit 28 holds and outputs the peak value of the output signal from the TZ amplifier 26 for a certain period.
  • the peak value output from the peak hold circuit 28 is reset by receiving a reset signal from the time signal output unit 14.
  • the AZD converter 30 receives the trigger signal from the storage unit 16 and A / D converts the signal output from the peak hold circuit 28 and outputs the signal. At that time, the resolution is adjusted so that the number of incident photons is output as a digital value. More specifically, the input range (0 to 1V) is divided into four gradations, and when the input voltage is 0.125V to 0.375V, the digital value is "1" and the input voltage is 0.375V. Digital value "2" for up to 0.625 V, digital value "3" for input voltage 0.625 V to 0.875 V, digital for input voltage over 0.875 V Outputs the value "4".
  • the digital value "1" when one photon is incident on the HPD 24, the digital value “2” when two photons are incident, and the digital value "2" when three photons are incident Is a digital value "3", and a digital value "4" is output from the A / D converter 30 when four photons are incident.
  • the time signal output section 14 includes a timer 32 and a counter 34.
  • the evening timer 32 generates and outputs a pulse signal at regular intervals (for example, 5 ns).
  • the counter 34 receives a pulse signal from the timer 32 and A reset signal (reset signal A in FIG. 1) is output to the peak hold circuit 28 at regular intervals (for example, 5 ns).
  • the counter 34 counts the pulse signal received from the timer 32, and outputs the count value multiplied by the period of the pulse signal (for example, 5 ns) to the storage section 16 as a time signal.
  • the period of the pulse signal generated by the timer 32 is preferably as short as possible to improve the accuracy in determining the time resolution of the optical measuring device 10, but from the HPD 24 It is preferable that the time width is longer than the time width of the response waveform of one photon output. This is because if the pulse signal period is shorter than the one-photon response waveform, one event may be measured multiple times.
  • the counter 34 is reset by a reset signal (reset signal B in FIG. 1) from the CPU 18 at the start of measurement or the like.
  • the storage unit 16 includes a comparator 36, an A / D converter delay circuit 37, and a memory 38.
  • the output signal from the peak hold circuit 28 is input to the + input terminal of the comparator 36, and the reference voltage is input to one input terminal.
  • the reference voltage is set to 0.13 V which is lower than the voltage (0.25 V) corresponding to one photon at the output of the peak hold circuit 28.
  • the comparator 36 compares the output signal from the peak hold circuit 28 with a reference voltage and outputs a comparison logic result. That is, when the output signal from the peak hold circuit 28 becomes larger than the reference voltage, the output is raised to a high level. Also, when the output signal from the peak hold circuit 28 becomes smaller than the reference voltage, the output falls to a low level.
  • the output of the comparator 36 is given a fixed delay amount Delayl by the A / D converter delay circuit 37, and then output to the AZD converter 30 and the memory 38 as a trigger signal.
  • the delay amount Delayl given by the delay circuit 37 for the AZD converter is equal to the delay amount of the TZ amplifier 26. It is set to a value equal to or slightly greater than the time required for the output waveform to reach the peak voltage from OV (Fig. 2 (b)).
  • the memory 38 stores the output signal output from the AZD converter 30 and the time signal output from the counter 34 at the timing when the trigger signal is received from the A / D converter delay circuit 37.
  • the operation of the storage unit 16 having the above configuration is as follows. That is, while no photon is incident on the HPD 24, no trigger signal is output from the A / D converter delay circuit 37, so that data is not stored in the memory 38. On the other hand, when a photon enters the HPD 24, a trigger signal is output from the A / D converter delay circuit 37 to the AZD converter 30 and the memory 38. In this case, the number of photons is output from the A / D converter 30 as a digital value and stored in the memory 38, and the time signal output from the counter is also stored in the memory 38.
  • 3 (a) to 3 (h) are timing charts showing the operation of the optical measuring device according to the present embodiment.
  • a reset signal is output from the CPU 18 to the counter 34, and the counter 34 is reset. Also, with the reset of the counter 34, counting of the pulse signal received from the timer 32 is started.
  • the output signal from the TZ amplifier 26 is detected by the peak hold circuit 28, and the detection result is output to the A / D converter 30 and the comparator 36 (third (c) Figure).
  • the output signal from the TZ amplifier 26 reaches the peak value, this peak value is held for a certain period by the peak hold circuit 28 and continues to be output to the AZD converter 30 and the comparator 36 (third ( c) Figure).
  • the delay amount Delayl is set to be equal to or slightly longer than the time required for the output waveform of the TZ amplifier 26 to reach the peak value from 0 V.
  • the A / D converter 30 has approximately 0.75 V (equivalent to three photons) which is the peak value of the output signal of the TZ amplifier 26. Is entered ing. Therefore, as shown in FIG. 3 (f), the digital value "3" is output from the A / D converter 30.
  • the trigger signal is also input from the A / D converter delay circuit 37 to the memory 38, the output value from the A / D converter 30 and the output signal shown in FIG.
  • the time signal output from the counter 34 is stored in the memory 38. That is, the value of the time signal from the counter 34, which is input first after the trigger signal is input to the memory 38, is stored in the memory 38.
  • a reset signal is output from the counter 34 to the peak hold circuit 28 at regular intervals (for example, 5 ns) as shown in FIG. 3 (e). Therefore, the output signal of the peak hold circuit 28 is reset at regular intervals (for example, 5 ns) as shown in FIG. 3 (c).
  • the data stored in the memory 38 is the third ( h) As shown in the figure.
  • the optical measurement device 10 of the present embodiment detects photons by the photon detection unit 12 that detects incident photons, the time signal output unit 14 that outputs a time signal, and the photon detection unit 12. It is mainly provided with a storage unit 16 for storing the time signal output from the time signal output unit 14.
  • the photon detector 12 includes an HPD 24 having a photocathode 24a and an APD 24b, a TZ amplifier 26, a peak hold circuit 28, and an A / D converter 30.
  • the storage unit 16 includes a counter 34, and the storage unit 16 includes a comparator 36, an A / D converter delay circuit 37, and a memory 38.
  • the optical measurement device 10 stores the number of photons detected by the HPD 24 and the time signal output from the counter 34 in the memory 38 when the photons are detected by the HPD 24. When and how many photons came. " On the other hand, when no photons are detected by the HPD 24, no information is stored in the memory 38, and the amount of data stored is extremely small. Therefore, the capacity of the memory 38 can be effectively used, and “when and how many photons have come” can be measured over a long period of time.
  • Fig. 4 (a) when photons are incident with a time-series distribution as shown in Fig. 4 (a), if you try to measure when and how many photons came using a digital oscilloscope, As shown in FIG. 4 (b), the output value is stored in the memory in 256-level (8-bit) data every Ins in the time axis direction, whereas the optical measurement according to the present embodiment is performed. If the device 10 is used, as shown in Fig. 4 (c), it is only necessary to store the number of photons of up to four gradations (2 bits) and the time information at that time in the memory only when the photons are incident. .
  • the optical measurement device 10 when the optical measurement device 10 according to the present embodiment is used, when a measurement time is set to 150 s and a time resolution is set to 5 ns using a memory of 64 Mbytes, measurement is possible up to a maximum of 16 M events (photon incidence). , Can be recorded.
  • the use of the external memory 20 enables longer-time measurement and recording.
  • the number of incident photons is output as a digital value by the AZD converter 30, so that the signal output from the A / D converter 30 is stored in a memory.
  • the data can be stored directly in the display unit 38, and can also be displayed directly on the display unit 22.
  • the photoelectric surface 24 a By using the HPD 24 with the avalanche photodiode 24b and the avalanche photodiode 24b, it is possible to efficiently detect the number of photons incident simultaneously (or at a very close timing).
  • the HPD 24 is used for the light detection unit.
  • this may be a VL PC (Visua 1 Right Photon Counter) or the like.
  • the VLPC consists of an arsenic-doped silicon substrate and a thin, non-doped layer epitaxially grown on the silicon substrate.
  • avalanche multiplication occurs, and a gain of about 5 ⁇ 10 4 is obtained.
  • the reason why such a high gain is obtained in the VL PC is that the band gap can be regarded as being equal to the ionization energy from the impurity level.
  • the VLPC has such a high gain, similar to the HPD, it is possible to output it by distinguishing the number of incident photons.
  • optical measurement device 10 according to the present embodiment, the following modified examples can be considered.
  • the reset signal is not output from the counter 34 to the peak hold circuit 28, but the reset signal is output from the newly provided delay circuit 29 to the peak hold circuit 28.
  • the trigger signal output from the A / D converter delay circuit 37 is input to the delay circuit 29.
  • the input voltage of the comparator 36 becomes higher than the reference voltage, so that a trigger signal is output from the A / D converter delay circuit 37.
  • the A / D conversion circuit 30 A / D converts the output signal from the peak hold circuit 28 and outputs the converted signal to the memory 38.
  • the trigger signal is given a predetermined delay Delay2 by the delay circuit 29, and then is output to the peak hold circuit 28 as a reset signal. Therefore, the peak hold circuit 28 is reset after a predetermined time has elapsed after the trigger signal is output from the AZD converter delay circuit 37.
  • FIG. 6 (a) to 6 (h) are evening timing charts showing the operation of the optical measurement device 50.
  • FIG. The operation of the optical measuring device 50 is different from that of the optical measuring device 10 according to the above embodiment in that it corresponds to the generation of a trigger signal from the AZD converter delay circuit 37, that is, in response to the incidence of a photon.
  • the peak hold circuit 28 is reset.
  • the reset signal is obtained by delaying the trigger signal from the AZD converter delay circuit 37 by a fixed time Delay2 by the delay circuit 29, so that in terms of timing, the A / D conversion circuit 30 After the A / D conversion is performed, the peak hold circuit 28 is reset.
  • the peak hold circuit 28 is reset.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of an optical measurement device 60 according to a second modification.
  • the current signal output from the HPD 24 is converted into a voltage by the TZ amplifier 26, and an output signal in which the peak value is held for a certain period by the peak hold circuit 28.
  • this may be a charge amplifier 40 with a reset function like the optical measurement device 60 according to the present modification.
  • One input terminal of the charge amplifier 40 is grounded, the output current of the HPD 24 is input to the other input terminal, and the output terminal is connected to the input terminal of the AZD converter 30 and the + terminal of the comparator 36.
  • Operational amplifier 40a connected to the side input terminal and the other input terminal of the operational amplifier 40a And a reset switch 40c connected in parallel with the capacitor 40b.
  • the charge amplifier 40 integrates the amount of electric charge output from the HPD 24, outputs a voltage that is the result of the integration, and outputs a reset signal (reset signal A in FIG. 7) from the counter 34 to the reset switch 40. Reset when c is turned on.
  • the comparator 36 compares the output voltage from the charge amplifier 40 with the reference voltage, and switches the logic output to a high level when the output voltage becomes higher than the reference voltage. Switch output to mouth-to-mouth level. This high-level logic output is output as a trigger signal.
  • the counter 34 of the time signal output unit 14 reads the read signal immediately before outputting the reset signal. (Read signal C in Fig. 7) (Figs. 8 (b) and 8 (c)).
  • an AND circuit 42 is provided downstream of the comparator 36 in the storage unit 16.
  • the read signal output from the counter 34 and the trigger signal (FIG. 8 (e)) output from the comparator 36 are input to the AND circuit 42.
  • the output signal of the AND circuit is A It is output to the / D converter 30 and the memory 38. Therefore, in the optical measuring device 60, when the read signal is output from the counter 34 after the output voltage (FIG. 8 (d)) from the charge amplifier 40 exceeds the reference voltage, the AZD conversion circuit A / D conversion is performed by 30, and the output signal from the AZD conversion circuit 30 and the time signal from the counter 34 are stored in the memory 38. With this configuration, the peak hold circuit 28 and the A / D converter delay circuit 37 are not required. In addition, when multiple photons enter continuously in a short time, Even in this case, it is possible to minimize errors.
  • the count 34 was reset by the reset signal from the CPU 18 at the start of the measurement.
  • the counter 34 may be reset by a trigger signal of the A / D converter delay circuit 37. With this configuration, the counter 34 is reset with the incidence of photons, and the time signal output from the counter 34 indicates the interval at which the photons have entered the HPD 24. . Therefore, by adopting such a configuration, the memory 38 stores the number of photons incident on the HPD 24 and the incident interval of the photons.
  • the APD 24b is used as the semiconductor light detector, but this may be a photodiode or the like.
  • optical measurement device and the optical measurement method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments and modified examples, and various modifications are possible.
  • the value of the time signal from the counter 34 which is input first after the trigger signal is input to the memory 38, is stored in the memory 38.
  • the value of the time signal from the counter 34 input last before the trigger signal is input to the memory 38 may be stored in the memory 38.
  • optical measurement device and the optical measurement method according to the present invention are widely used for detecting bioluminescence and the like.

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Description

明細書 光計測装置及び光計測方法 技術分野
本発明は、 光計測装置及び光計測方法に関するものであり、 特に、 光 子を検出する光計測装置及び光計測方法に関するものである。 背景技術
昨今の光技術の発展に伴い、 光は、 光通信、 光センシング、 光コンビ ユー夕といった様々な分野に利用されており、 今後も、 利用分野がより 一層広範囲となることは、 疑う余地もない。 かかる状況の中で、 「光を測 る」 ということが極めて重要となっている。 「光を測る」ための道具とし ては、 例えば、 光電子増倍管などが広く知られている。 かかる光電子増 倍管によれば、 光電子増倍作用により、 微弱な光をも効率よく検出する ことができる。
しかし、 今後、 光の新たな利用分野を広げていくにあたっては、 「光子 がいつ、 いくつ来た」 というように、 光を時空間において光子レベルで 測ることが極めて重要となる。 これに対し、 上記光電子増倍管をはじめ とする従来の 「光を測る」 ための道具 （方法） は、 光を時空間において 光子レべルで測定するための道具ではない。 発明の開示
一方、 光を時空間において光子レベルで測定するために、 例えば、 光 を光子レベルで検出できるアバランシェフォトダイォードからの出力を デジタルオシロスコープで観察するという手法も考えられるが、 デジ夕 ルオシロスコープは本来、 光子を検出するためのものではないため、 必 要以上の分解能を有し、 その分測定できる時間幅が極端に制限されてし まうという問題点がある。
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、 「光子がい つ来たか」 あるいは 「光子がいくつ来たか」 を長時間にわたり計測する ことができる光計測装置及び光計測方法を提供することを目的とする。 上記目的を達成するために本発明の光計測装置は、 入射する光子を検 出する光子検出手段と、 時間信号を出力する時間信号出力手段と、 光子 検出手段によって光子を検出したときに、 時間信号出力手段から出力さ れた時間信号を格納する格納手段とを備えたことを特徴としている。 光子検出手段によつて光子を検出したときに、 時間信号出力手段から 出力された時間信号を格納することで、 「光子がいつ来たか」を計測する ことができる。 一方、 光子検出手段によって光子を検出しないときは、 格納手段に何ら情報を格納しないため、 格納手段に格納されるデータ量 は極めて小さい。その結果、 「光子がいつ来たか」を長時間にわたり計測 することが可能となる。
また、 本発明の光計測装置においては、 光子検出手段は、 入射する光 子の数を検出し、 格納手段は、 光子検出手段によって光子を検出したと きに、 光子検出手段によって検出した光子の数と、 時間信号出力手段か ら出力された時間信号とを格納することが好ましい。
光子検出手段によって光子を検出したときに、 光子検出手段によって 検出した光子の数と、 時間信号出力手段から出力された時間信号とを格 納することで、 「光子がいつ、 いくつ来たか」 を計測することができる。 一方、 光子検出手段によって光子を検出しないときは、 格納手段により 何ら情報を格納しないため、 格納されるデータ量は極めて小さい。 その 結果、 「光子がいつ、 いくつ来たか」を長時間にわたり計測することが可 能となる。
また、 本発明の光計測装置においては、 光子検出手段は、 AZD変換 器を有し、 A/D変換器は、 入射する光子の数をデジタル値として出力 することが好ましい。 入射する光子の数をデジタル値として出力するこ とで、 光子検出手段から出力される信号を直接、 格納手段によって格納 することができる。
また、 本発明の光計測装置においては、 光子検出手段は、 入射する光 子の数に応じた光電子を放出する光電面と、 光電面から放出された光電 子を加速する加速手段と、 加速手段によって加速された光電子を入射さ せ、 光電子の数に応じた出力信号を出力する半導体光検出器とを備える ことが好ましい。 上記光電面、 加速手段及び半導体光検出器を備えた光 子検出手段を用いることで、 同時 （あるいは極めて近いタイミング） に 入射する光子の数を効率よく検出することができる。
また、 本発明の光計測装置においては、 半導体光検出器は、 アバラン シェフォトダイオードであることを特徴とすることが好適である。 また、 上記目的を達成するために、 本発明の光計測方法は、 入射する 光子を検出する光子検出工程と、 時間信号を出力する時間信号出力工程 と、 光子検出工程によって光子を検出したときに、 時間信号出力工程に よって出力された時間信号を格納する格納工程とを備えたことを特徴と している。
光子検出工程において光子を検出したときに、 時間信号出力工程にお いて出力された時間信号を格納することで、 「光子がいつ来たか」を計測 することができる。 一方、 光子検出工程において光子を検出しないとき は、 格納工程において何ら情報を格納しないため、 格納されるデ一夕量 は極めて小さい。
また、 本発明の光計測方法においては、 前記光子検出工程は、 入射す る複数の光子を分離して検出し、 格納工程は、 光子検出工程によって光 子を検出したときに、 光子検出工程によって検出した光子の数と、 時間 信号出力工程によって出力された時間信号とを格納することが好ましい c その結果、 「光子がいつ来たか」を長時間にわたり計測することが可能と なる。
光子検出工程において光子を検出したときに、 光子検出工程において 検出した光子の数と、 時間信号出力工程において出力された時間信号と を格納することで、 「光子がいつ、 いくつ来たか」 を計測することができ る。 一方、 光子検出工程において光子を検出しないときは、 格納工程に おいて何ら情報を格納しないため、格納されるデータ量は極めて小さい。 その結果、 「光子がいつ、 いくつ来たか」 を長時間にわたり計測すること が可能となる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の実施形態に係る光計測装置の構成図である。
第 2 (a) 図は、 マルチフオトンに対する HPD 24による出力波高 分布である。
第 2 (b) 図は、 TZアンプ 26の出力波形を示す図である。
第 3 (a) 図〜第 3 (h) 図は、 第 1図の光計測装置の動作を示す夕 イミングチャートである。 ここで、 第 3 (a) 図は、 光子の入射タイミ ングを示し、 第 3 (b) 図は、 TZアンプの出力を示し、 第 3 (c) 図 は、 ピークホールド回路の出力を示し、 第 3 (d) 図は、 A/D変換器 用遅延回路 37からのトリガ信号を示し、 第 3 (e) 図は、 カウン夕か らのリセット信号を示し、 第 3 (f ) 図は、 AZD変換器の出力を示し、 第 3 (g) 図は、 カウンタの出力を示し、 第 3 (h) 図は、 メモリ内の データを示す。 第 4 (a) 図〜第 4 (c) 図は、 第 1図の光計測装置の効果を比較例 と比較して示すタイミングチャートである。 ここで、 第 4 (a) 図は、 フオトンの入射タイミングを示し、 第 4 (b) 図は、 比較例におけるデ ジ夕ルオシロスコープの出力を示し、 第 4 (c) 図は、 光計測装置 1 0 の出力を示す。
第 5図は、 本発明の実施形態の第 1の変形例に係る光計測装置の構成 図である。
第 6 (a) 図〜第 6 (h) 図は、 第 5図の光計測装置の動作を示す夕 イミングチャートである。 ここで、 第 6 (a) 図は、 光子の入射夕イミ ングを示し、 第 6 (b) 図は、 TZアンプの出力を示し、 第 6 (c) 図 は、 ピークホ一ルド回路の出力を示し、 第 6 (d) 図は、 A/D変換器 用遅延回路 37からのトリガ信号を示し、 第 6 (e) 図は、 遅延回路 2 9からのリセット信号を示し、 第 6 (f ) 図は、 A/D変換器の出力を 示し、 第 6 (g) 図は、 カウンタの出力を示し、 第 6 (h) 図は、 メモ リ内のデータを示す。
第 7図は、 本発明の実施形態の第 2の変形例に係る光計測装置の構成 図である。
第 8 (a) 図〜第 8 (h) 図は、 第 7図の光計測装置の動作を示す夕 イミングチャートである。 ここで、 第 8 (a) 図は、 光子の入射夕イミ ングを示し、 第 8 (b) 図は、 カウンタからの読みだし信号を示し、 第 8 (c) 図は、 カウン夕からのリセット信号を示し、 第 8 (d) 図は、 チャージアンプの出力を示し、 第 8 (e) 図は、 比較器 36からのトリ ガ信号を示し、 第 8 ( f ) 図は、 AZD変換器の出力を示し、 第 8 (g) 図は、 カウンタの出力を示し、 第 8 ( ) 図は、 メモリ内のデータを示 す。
第 9図は、 本発明の実施形態の第 3の変形例に係る光計測装置の構成 図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態に係る光計測装置及び光計測方法を第 1図〜第 4 (c) 図に基づき説明する。
まず、 本実施形態に係る光計測装置の構成について説明する。 第 1図 は本実施形態に係る光計測装置の構成図である。
本実施形態にかかる光計測装置 1 0は、 入射する光子を検出する光子 検出部 1 2、 時間信号を出力する時間信号出力部 14、 光子検出部 1 2 によって光子を検出したときに時間信号出力部 14から出力された時間 信号を格納する格納部 1 6、 装置全体の制御を行う CPU 1 8、 設定値 等を格納する外部メモリ 20及び測定結果等を表示する表示部 22を備 えて構成される。 以下、 各構成要素について詳細に説明する。
光子検出部 1 2は、 ハイブリッドフォトディテクタ （以下、 HPD 2 4という）、 トランスインピーダンスアンプ（以下、 TZアンプ 26とい う）、ピークホールド回路 28及び A/D変換器 30を備えて構成される c
HPD 24は、 入射する光子の数に応じた光電子を放出する光電面 2 4 aと光電面 24 aから放出された光電子の数に応じた出力信号を出力 する半導体光検出器であるアバランシェフオトダイオード （以下、 AP D 24 bという） とを、 真空筐体 24 c内に対向配置して構成された電 子管である。 ここで、 光電面 24 aには、 高圧電源 24 dによって負の 高電圧 （例えば— 8 k V) が印加されており、 APD 24 bのアノード —力ソード間には、 バイアス回路 24 eによって逆バイアス電圧 （例え ば + 1 50V) が印加されている。 また、 HPD 24には、 図示しない 電子レンズ部が設けられており、 光電面 24 aから放出された光電子を 効率よく APD 24 bに入射させることができるようになつている。 光電面 24 aに光子が入射すると、 光電面 24 aからは入射した光子 の数に応じた光電子が放出される。 かかる光電子は電界の作用によって 加速され、 電子レンズ部の作用によって収束されて A PD 24 bに入射 する。 APD 24 bに入射した光電子は、 そのエネルギーを失う際に多 数の正孔—電子対を生成し、 これが初段の増倍率になる。 初段の増倍率 は、 電子の加速電圧 （光電面に印加した電圧） に依存し、 かかる電圧が 一 8 k Vの場合で約 1 200となる。 その後、 電子はさらに 50倍程度 にアバランシェ増倍する。 その結果、 APD 24 b全体で約 60000 倍のゲインが得られる。 ここで、 初段の増倍率が約 1200と極めて大 きいことから、 APD 24 bを用いた HPD 24の増倍ゆらぎは極めて 小さい。 従って、 HPD 24は、 第 2 (a) 図に示すようなマルチフォ トンに対する出力波高分布特性を有している。 このため、 HPD 24は、 入射した光子がいくつであるかを区別して検出することができる。 ここ で、 第 2 (a) 図は、 光電面 24 aの印加電圧を一 8 kV、 APD 24 bの逆バイアス電圧を + 1 50 Vとし、 オルテック社の型番 142 Aの プリアンプを用いて測定した結果である。 また、 HP D 24のゲインが 約 6 0000となることと、 HPD 24からの 1電子に対応する出力波 形の半値幅 （FWHM) が約 2 n sとなることを考慮すると、 HPD 2 4から出力される電流のピーク値は、 1光子あたり約 5 Aとなる （尚、 簡単のため、 光—電子変換効率は 1 00 %としている）。
HPD 24としては、 特開平 9一 3 1 2 145号公報に記載された電 子管ゃ特開平 6— 3 1 8447号公報に記載された電子管の他、 特開平 8 - 148 1 1 3号公報に記載された光電子増倍管や、 特開平 9一 29 70 5 5号公報に記載された電子管が幅広く用いられる。
TZアンプ 26は、 HPD 24の APD 24 bから出力された電流信 号を増幅するとともに、 電圧に変換して出力する電流電圧変換回路であ る。 TZアンプ 26の出力波形は、 第 2 (b) 図に示すように、 0 Vか ら最大電圧値に達するまでにかかる時間が、入射信号の大きさによらず、 一定である。 かかる T Zアンプ 26としては、 1 八を50111 程度に 増幅する増幅率を有し、 300 MHz程度の帯域を有することが好まし く、 例えば M i t e q社の AU— 1494- 300 (商品名） 等が好適 である。 ここで、 上記増幅率により、 TZアンプ 26から出力される電 圧のピーク値は、 1光子あたり約 0. 25 Vとなる。
ピークホールド回路 28は、 TZアンプ 26からの出力信号のピーク 値を一定期間保持して出力する。 尚、 ピークホールド回路 28から出力 されるピーク値は、 時間信号出力部 14からのリセット信号を受けてリ セットされる。
AZD変換器 30は、 格納部 1 6からのトリガ信号を受けて、 ピーク ホ一ルド回路 28から出力される信号を A/D変換して出力する。 その 際、 入射する光子の数をデジタル値として出力するように分解能が調節 されている。 より具体的には、 入力レンジ （0〜1V) を 4階調に分割 し、 入力電圧が 0. 1 25V~ 0. 37 5 Vの場合はデジタル値" 1"、 入力電圧が 0. 375 V〜 0. 625 Vの場合はデジタル値" 2"、 入力 電圧が 0. 62 5 V〜 0. 87 5 Vの場合はデジタル値" 3"、 入力電圧 が 0. 87 5 V以上の場合はデジタル値" 4" を出力する。 分解能をこ のように調節することで、 HPD 24に 1つの光子が入射した場合はデ ジタル値" 1"、 2つの光子が入射したときはデジタル値" 2"、 3つの 光子が入射したときはデジタル値" 3"、 4つの光子が入射したときはデ ジタル値" 4" がそれぞれ A/D変換器 30から出力される。
時間信号出力部 14は、 タイマ 32とカウンタ 34とを備えて構成さ れる。 夕イマ 3 2は、 一定周期 （例えば 5 n s) 毎にパルス信号を生成 し、 出力する。 カウンタ 34は、 タイマ 32からパルス信号をうけ、 一 定周期（例えば 5 n s )毎にピークホールド回路 2 8にリセット信号（第 1図のリセット信号 A) を出力する。 また、 カウンタ 3 4は、 タイマ 3 2から受けたパルス信号をカウントし、 そのカウント値にパルス信号の 周期 （例えば 5 n s ) を乗じたものを時間信号として格納部 1 6に対し て出力する。 ここで、 タイマ 3 2が発生するパルス信号の周期は、 光計 測装置 1 0の時間分解能を決定する点で、 精度向上のためにはできるだ け短くすることが好ましいが、 H P D 2 4から出力される 1光子の応答 波形が有する時間幅よりも大きくすることが好ましい。 パルス信号の周 期が 1光子の応答波形よりも短い場合は、 1事象を複数回計測してしま うことがあるからである。 また、 カウンタ 3 4は、 計測開始時等に、 C P U 1 8からのリセット信号 （第 1図のリセット信号 B ) によってリセ ットされる。
格納部 1 6は、 比較器 3 6と A/D変換器用遅延回路 3 7とメモリ 3 8とを備えて構成される。 比較器 3 6の +側入力端にはピークホールド 回路 2 8からの出力信号が入力されており、 一側入力端には基準電圧が 入力されている。 ここで、 上記基準電圧は、 ピークホールド回路 2 8の 出力において 1光子に相当する電圧 （0 . 2 5 V) よりも低い 0 . 1 3 Vに設定されている。 比較器 3 6は、 ピークホールド回路 2 8からの出 力信号を基準電圧と比較して、 比較論理結果を出力するようになってい る。 すなわち、 ピークホールド回路 2 8からの出力信号が基準電圧より 大きくなると、 その出力をハイレベルに立ち上げる。 また、 ピークホー ルド回路 2 8からの出力信号が基準電圧より小さくなると、 その出力を ローレベルに立ち下げる。 この比較器 3 6の出力は、 A/D変換器用遅 延回路 3 7によって、 一定の遅延量 Delayl を与えられた後、 トリガ信 号として AZ D変換器 3 0及びメモリ 3 8に出力される。 ここで、 AZ D変換器用遅延回路 3 7が与える遅延量 Delaylは、 T Zアンプ 2 6の 出力波形が OVからピーク電圧に達するまでにかかる時間 （第 2 (b) 図） に等しいか、 もしくは、 それより少し大きな値に設定されている。 メモリ 38は、 A/D変換器用遅延回路 37からトリガ信号を受けた タイミングで、 AZD変換器 3 0から出力された出力信号とカウンタ 3 4から出力された時間信号を格納する。
上記構成による格納部 1 6の動作は以下の通りである。 すなわち、 H PD 24に光子が入射していない間は、 A/D変換器用遅延回路 37か らトリガ信号が出力されないため、 メモリ 38へのデータの格納は行わ れない。 これに対して、 HPD 24に光子が入射した場合は、 A/D変 換器用遅延回路 37から AZD変換器 30及びメモリ 38に対してトリ ガ信号が出力される。 この場合、 A/D変換器 30から光子数がデジ夕 ル値として出力されてメモリ 38に格納されるとともに、 カウン夕から 出力された時間信号もメモリ 38に格納される。
続いて、 本実施形態にかかる光計測装置の動作について説明し、 併せ て、 本発明の光計測方法について説明する。 第 3 (a) 図〜第 3 (h) 図は、 本実施形態にかかる光計測装置の動作を示すタイミングチヤ一ト である。 ここでは、 第 3 (a) 図に示すように、 計測開始時刻 （ t ==0) から 59 n s後に 3個の光子、 1 20 n s後に 5個の光子、 1 8 1 n s 後に 4個の光子、 245 n s後に 1個の光子、 282 n s後に 2個の光 子が HPD 24に入射した場合について考える。
計測を開始すると、 まず、 CPU 1 8からカウン夕 34に対してリセ ット信号が出力され、 カウンタ 34がリセットされる。 また、 カウン夕 34のリセットに伴い、 タイマ 32から受けたパルス信号のカウントが 開始される。
ここで、 HPD 24によって光子が検出されるまで、 すなわち、 計測 開始から 59 n s後までは、 HPD 24の出力、 TZアンプ 26の出力 が小さく、 ピークホールド回路 28の出力が基準電圧を超えないため、 A/D変換器用遅延回路 37からはトリガ信号が出力されずメモリ 3 8 へのデータ格納は行われない。
これに対して、 計測開始時刻から 59 n s後に、 HPD 24に 3個の 光子が入射すると、 光電面 24 aから光電子が放出され、 APD 24 b によって電子増倍がなされる。 HP D 24から出力された電流は、 TZ アンプ 26によって電圧に変換され、 第 3 (b) 図に示すように 3光子 に相当する約 0. 7 5 Vのピーク電圧を示す波形が出力される。
より詳しくは、 T Zアンプ 26からの出力信号は、 ピークホールド回 路 28によって検出され、 その検出結果が、 A/D変換器 3 0及び比較 器 36に対して出力される （第 3 (c) 図）。 TZアンプ 26からの出力 信号がピーク値に達すると、 このピーク値はピークホ一ルド回路 2 8に よって一定期間保持され、 AZD変換器 30及び比較器 36に対して出 力され続ける （第 3 (c) 図）。
ここで、 T Zアンプ 26からの出力信号が、 比較器 36に入力される 基準電圧 （0. 13 V) よりも大きくなると、 比較器 36の出力がハイ レベルとなる。 このハイレベル出力は、 A/D変換器用遅延回路 37に よって所定の遅延 Delayl を与えられた後、 AZD変換器 30及びメモ リ 38に対してトリガ信号として出力される （第 3 (d) 図）。 このよう にして、 AZD変換器用遅延回路 37から A/D変換器 30にトリガ信 号が入力されると、 A/D変換器 30によって入力信号が A/D変換さ れる。 ここで、 遅延量 Delayl は、 T Zアンプ 26の出力波形が 0 Vか らピーク値に達するまでにかかる時間と等しいか、 もしくは、 それより 少し長い時間に設定されている。 したがって、 AZD変換器 30にトリ ガ信号が入力される時点では、 A/D変換器 30には、 TZアンプ 2 6 の出力信号のピーク値である約 0. 7 5 V (3光子に相当） が入力され ている。 したがって、 第 3 ( f ) 図に示すように、 A/D変換器 30か らはデジタル値" 3" が出力される。
また、 A/D変換器用遅延回路 37からは、 メモリ 38に対してもト リガ信号が入力されるので、 A/D変換器 30からの出力値と、第 3 (g) 図に示すようなカウンタ 34から出力される時間信号とが、 メモリ 38 に格納される。 すなわち、 メモリ 38にトリガ信号が入力された後最初 に入力されるカウン夕 34からの時間信号の値が、 メモリ 38に格納さ れる。
一方、カウンタ 34からピークホールド回路 28に対しては、第 3 (e) 図に示すように、 一定周期 （例えば 5 n s) 毎にリセット信号が出力さ れる。 従って、 ピークホールド回路 28の出力信号は、 第 3 (c) 図に 示すように、 一定周期 （例えば 5 n s) 毎にリセットされる。
以下同様に、 HPD 24に光子が入射したときに、 入射した光子の個 数とそのときの時間信号がメモリ 38に格納され、 その結果、 メモリ 3 8に格納されるデ一夕は第 3 (h) 図のようになる。
以上のように、 本実施形態の光計測装置 1 0は、 入射する光子を検出 する光子検出部 1 2、 時間信号を出力する時間信号出力部 14、 光子検 出部 1 2によって光子を検出したときに時間信号出力部 14から出力さ れた時間信号を格納する格納部 16を主に備えて構成されている。 光子 検出部 1 2は、 光電面 24 aと APD 24 bとを有する HPD 24、 T Zアンプ 26、 ピークホールド回路 28、 A/D変換器 3 0を備え、 時 間信号出力部 14はタイマ 32とカウンタ 34とを備え、 格納部 1 6は 比較器 36と A/D変換器用遅延回路 37とメモリ 38とを備えて構成 される。 HPD 24に光子が入射すると、 AZD変換器用遅延回路 3 7 からトリガ信号が出力され、 A/D変換器 30から出力された光子数と カウンタ 34から出力された時間情報がメモリ 38に格納される。 続いて、 本実施形態にかかる光計測装置の作用及び効果について説明 する。 本実施形態にかかる光計測装置 1 0は、 HPD 24によって光子 を検出したときに、 HPD 24によって検出した光子の数と、 カウンタ 34から出力された時間信号をメモリ 38に格納することで、 「光子が いつ、 いくつ来たか」 を計測することができる。 一方、 HPD 24によ つて光子を検出しないときは、メモリ 38に何ら情報を格納しないため、 格納されるデータ量は極めて小さい。 従って、 メモリ 38の容量を有効 に利用することができ、 「光子がいつ、 いくつ来たか」 を長時間にわたり 計測することができる。
より具体的には、 例えば、 第 4 (a) 図に示すような時系列分布を持 つて光子が入射する場合に、 デジタルオシロスコープを用いて、 光子が いつ、 いくつ来たかを計測しょうとすると、 第 4 (b) 図に示すように、 時間軸方向に I n s毎、 出力値は 256階調 （8ビット） ずつデータを メモリに格納することになるのに対し、 本実施形態にかかる光計測装置 1 0を用いれば、 第 4 (c) 図に示すように、 光子が入射したときのみ、 最高 4階調 （2ビット） の光子数とそのときの時間情報をメモリに格納 するだけでよい。 すなわち、 本実施形態にかかる光計測装置 10を用い れば、 64Mバイトのメモリを用い、 計測時間を 1 50 s、 時間分解能 を 5 n sとした場合、 最大 1 6Mイベント （光子の入射） まで計測、 記 録することができる。 また、 外部メモリ 20の活用により、 さらに長時 間の計測、 記録も可能となる。
また、 本実施形態にかかる光計測装置 1 0においては、 AZD変換器 30により、 入射する光子の数をデジタル値として出力することで、 当 該 A/D変換器 30から出力される信号をメモリ 38に直接格納するこ とができるとともに、 表示部 22に直接表示させることもできる。
また、 本実施形態にかかる光計測装置 1 0においては、 光電面 24 a とアバランシェフォトダイォ一ド 24 bを備えた HPD 24を用いるこ とで、 同時 （あるいは極めて近いタイミング） に入射する光子の数を効 率よく検出することができる。
本実施形態にかかる光計測装置 1 0においては光検出部に HP D 24 を用いていたが、 これは VL P C (V i s u a 1 L i g h t P h o t o n C o un t e r) などでもよい。 VLP Cは、 ヒ素をド一プし たシリコン基板と、 シリコン基板上にェピタキシャル成長された薄いノ ンド一プ層よりなる。 VL P Cを 7K程度に冷却し、 約 7Vを印加する ことにより、 アバランシェ増倍が発生し、 約 5 X 104 のゲインが得ら れる。 VL P Cでこのように高ゲインが得られるのは、 パンドギャップ が不純物準位からのイオン化エネルギーに等しいと見なせるからである。
VLPCは、 このようにゲインが高いので、 HP Dと同様に、 入射した 光子がいくつであるかを区別して出力することができる。
また、 本実施形態にかかる光計測装置 1 0には、 以下に示すような変 形例が考えられる。
第 5図を用いて第 1の変形例にかかる光計測装置 50を説明する。 光計測装置 50においては、 カウンタ 34からピークホールド回路 2 8に対してリセット信号を出力せず、 新たに設けた遅延回路 29からピ ークホールド回路 28に対してリセット信号を出力する。 かかる遅延回 路 2 9には、 A/D変換器用遅延回路 37から出力されるトリガ信号が 入力されている。
かかる構成をとつた場合、 HPD 24に光子が入射すると、 比較器 3 6の入力電圧が基準電圧よりも大きくなるため、 A/D変換器用遅延回 路 3 7からトリガ信号が出力される。 かかるトリガ信号を受けた A/D 変換回路 30は、 ピークホールド回路 28からの出力信号を A/D変換 してメモリ 38に出力し、 同じくトリガ信号を受けたメモリ 38は、 A /D変換回路 3 0からの出力信号とカウンタ 3 4からの時間信号とを格 納する。 一方、 トリガ信号は遅延回路 2 9により所定の遅延 Delay2 を 与えられた後、 リセット信号としてピークホールド回路 2 8に対して出 力される。 従って、 AZD変換器用遅延回路 3 7からトリガ信号出力さ れて一定時間経過後に、 ピークホールド回路 2 8がリセットされる。 第 6 ( a ) 図〜第 6 ( h ) 図は、 光計測装置 5 0の動作を示す夕イミ ングチャートである。 光計測装置 5 0の動作が上記実施形態にかかる光 計測装置 1 0と異なる点は、 A Z D変換器用遅延回路 3 7からのトリガ 信号の発生に対応して、 すなわち、 光子の入射に対応してピークホール ド回路 2 8がリセットされる点である。 ここで、かかるリセット信号は、 AZD変換器用遅延回路 3 7からのトリガ信号を遅延回路 2 9によって 一定時間 Delay2だけ遅延させたものであるため、 タイミング的には、 A/ D変換回路 3 0によって A / D変換がなされた後にピークホールド 回路 2 8がリセットされることになる。 かかる構成とすることで、 上記 実施形態にかかる光計測装置 1 0におけるリセット間隔内に複数個の光 子が順次入射しても、 各々の入射フォトン数と時間を記録することが可 能となる。
第 7図は、 第 2の変形例にかかる光計測装置 6 0の構成図である。 上 記実施形態にかかる光計測装置 1 0においては、 H P D 2 4から出力さ れた電流信号を T Zアンプ 2 6によって電圧に変換し、 ピークホールド 回路 2 8によって一定期間ピーク値を保持した出力信号を出力していた が、 これは、 本変形例にかかる光計測装置 6 0のように、 リセット機能 付きのチャージアンプ 4 0であってもよい。 チヤ一ジアンプ 4 0は、 一 方の入力端が接地され、 他方の入力端に H P D 2 4の出力電流が入力さ れ、 出力端が AZD変換器 3 0の入力端及び比較器 3 6の +側入力端に 接続された演算増幅器 4 0 aと、 演算増幅器 4 0 aの上記他方の入力端 と出力端とを接続するキャパシタ 40 bと、 キャパシタ 40 bと並列に 接続されたリセットスィッチ 40 cとを備えて構成される。 ここで、 チ ヤージアンプ 40は、 HPD 24から出力される電荷量を積分してその 積分結果である電圧を出力するとともに、 カウンタ 34からのリセット 信号 （第 7図のリセット信号 A) によってリセットスィッチ 40 cが o nされることでリセットされる。
比較器 36は、 チャージアンプ 40からの出力電圧を基準電圧と比較 して、 出力電圧が基準電圧より大きくなると、 その論理出力をハイレべ ルに切り替え、 出力電圧が基準電圧より小さくなると、 その論理出力を 口一レベルに切り替える。 このハイレベルの論理出力がトリガ信号とし て、 出力される。
また、 第 8 (a) 図〜第 8 (h) 図のタイミングチャートに示すよう に、光計測装置 60においては、時間信号出力部 14のカウンタ 34は、 リセット信号を出力する直前に、 読み出し信号 （第 7図の読みだし信号 C) を出力する （第 8 (b)、 (c) 図）。
一方、 格納部 16の比較器 3 6の後段には、 AND回路 42が設けら れている。 AND回路 42には、 カウン夕 34から出力される読み出し 信号と、 比較器 36から出力されるトリガ信号 （第 8 (e) 図） とが入 力されており、 AND回路の出力信号は、 A/D変換器 30及びメモリ 38に対して出力されている。 従って、 光計測装置 60においては、 チ ャ一ジアンプ 40からの出力電圧 （第 8 (d) 図） が基準電圧を超えた 後、 カウンタ 34から読み出し信号が出力された時点で、 AZD変換回 路 30によって A/D変換が行われ、 AZD変換回路 30からの出力信 号とカウンタ 34からの時間信号とがメモリ 38に格納される。 かかる 構成をとることで、 ピークホールド回路 28や A/D変換器用遅延回路 37が不要となる。 また、 短時間に複数個の光子が連続して入射する場 合であっても、 誤差を最小限に押さえることが可能となる。
また、 上記実施形態にかかる光計測装置 1 0においては、 計測開始時 に C P U 1 8からのリセット信号により、 カウン夕 3 4をリセットして いたが、 第 9図に示す第 3の変形例にかかる光計測装置 7 0のように、 A/D変換器用遅延回路 3 7のトリガ信号によりカウンタ 3 4をリセッ トするような構成としてもよい。 かかる構成をとることで、 光子の入射 に伴いカウンタ 3 4がリセットされることになり、 カウンタ 3 4から出 力される時間信号は、 H P D 2 4に光子が入射した間隔を示すものにな る。 従って、 かかる構成をとることで、 メモリ 3 8には、 H P D 2 4に 入射する光子数と、 光子の入射間隔が格納されることになる。
また、 上記実施形態にかかる光計測装置 1 0においては、 半導体光検 出器として A P D 2 4 bを用いていたが、 これは、 フォトダイオードな どでもよい。
本発明に係る光計測装置及び光計測方法は、 前述した実施形態及び変 形例に限定されず、 種々の変更が可能である。
例えば、 上記実施形態及び変形例の光計測装置では、 メモリ 3 8にト リガ信号が入力された後最初に入力されるカウンタ 3 4からの時間信号 の値が、 メモリ 3 8に格納されていた。 しかしながら、 メモリ 3 8にト リガ信号が入力される前に最後に入力されたカウンタ 3 4からの時間信 号の値を、 メモリ 3 8に格納するのでもよい。 産業上の利用可能性
本発明に係る光計測装置及び光計測方法は、 生体発光の検出等に幅広 く用いられる。

Claims

請求の範囲
1 . 入射する光子を検出する光子検出手段と、
時間信号を出力する時間信号出力手段と、
前記光子検出手段によつて光子を検出したときに 前記時間信号出力 手段から出力された時間信号を格納する格納手段と
を備えたことを特徴とする光計測装置。
2 . 前記光子検出手段は、 入射する光子の数を検出し、 前記格納手段 は、 前記光子検出手段によって光子を検出したときに、 前記光子検出手 段によって検出した光子の数と、 前記時間信号出力手段から出力された 時間信号とを格納することを特徴とする請求項 1に記載の光計測装置。
3 . 前記光子検出手段は、 AZD変換器を有し、 前記 A/D変換器は、 入射する光子の数をデジタル値として出力することを特徴とする請求項 2に記載の光計測装置。
4 . 前記光子検出手段は、
入射する光子の数に応じた光電子を放出する光電面と、
前記光電面から放出された前記光電子を加速する加速手段と、 前記加速手段によって加速された前記光電子を入射させ、 該光電子の 数に応じた出力信号を出力する半導体光検出器と
を備えたことを特徴とする請求項 2に記載の光計測装置。
5 . 前記半導体光検出器は、 アバランシェフオトダイオードであるこ とを特徴とする請求項 4に記載の光計測装置。
6 . 前記光子検出手段は、 検出結果を示す検出信号を出力し、 前記時間信号出力手段は、 一定周期毎に前記時間信号を出力し、 前記格納手段は、
前記検出信号を所定のしきい値と比較して、 前記検出信号が前記しき い値より大きい場合に、 トリガ一信号を出力するための比較手段と、 前記トリガ一信号に基づいて前記時間信号を格納するための格納制御 手段とからなることを特徴とする請求項 1に記載の光計測装置。
7 . 前記光子検出手段は、検出した光子の数を示す検出信号を出力し、 前記時間信号出力手段は、 一定周期毎に前記時間信号を出力し、 前記格納手段は、
前記検出信号を所定のしきい値と比較して、 前記検出信号が前記しき い値より大きい場合に、トリガ一信号を出力するための比較手段を有し、 前記 A/ D変換器は、 該トリガ一信号に基づいて、 前記光子検出手段か らの検出信号をデジタル値に変換し、
前記格納手段は、 さらに、 前記トリガー信号に基づいて前記デジタル 値と前記時間信号とを格納するための格納制御手段を有することを特徴 とする請求項 3に記載の光計測装置。
8 . 前記光子検出手段は、
入射した光子の数に応じた出力信号を出力する光検出器と、
前記出力信号を所定時間検出する検出動作を繰り返し行う出力信号検 出器とからなり、
前記比較手段が、 前記出力信号検出器による検出動作の検出結果と前 記しきい値とを比較し、前記検出結果が前記しきい値より大きい場合に、 トリガ一信号を出力することを特徴とする請求項 7に記載の光計測装置。
9 . 前記出力信号検出器は、 前記光検出器からの前記出力信号を検出 しそのピークを保持するためのピーク保持回路からなり、 前記比較手段 が、 前記ピーク保持回路により検出された前記出力信号と前記しきい値 とを比較し、 前記出力信号が前記しきい値より大きくなつた後所定の遅 延経過後に、 トリガー信号を出力することにより、 前記 AZD変換器に 該ピーク値をデジタル値に変換させることを特徴とする請求項 8に記載 の光計測装置。
1 0 . 前記時間信号出力手段は、 前記所定時間毎にリセット信号を出 力し、 前記ピーク検出器を該リセット信号に応じてリセットさせること を特徴とする請求項 9に記載の光計測装置。
1 1 . 前記比較手段は、 前記トリガ一信号を出力した後前記所定の時 間経過後にリセット信号を出力することで、 前記ピーク検出器をリセッ トさせることを特徴とする請求項 9に記載の光計測装置。
1 2 . 前記光検出器は、入射した光子の数に応じた電流信号を出力し、 前記出力信号検出器は、 該電流信号を積分して電圧信号に変換する積分 手段からなり、
前記時間信号出力手段は、 前記所定時間毎に読みだし信号とリセット 信号とをこの順で出力し、
前記積分手段は、 該リセット信号に応じてリセットし、
前記比較手段は、 前記電圧信号を前記所定のしきい値と比較し、 前記 読みだし信号を受けたタイミングに前記電圧信号が前記しきい値より大 きい場合に、 トリガ一信号を出力することを特徴とする請求項 8に記載 の光計測装置。
1 3 . 入射する光子を検出する光子検出工程と、
時間信号を出力する時間信号出力工程と、
前記光子検出工程によって光子を検出したときに、 前記時間信号出力 工程によって出力された時間信号を格納する格納工程と
を備えることを特徴とする光計測方法。
1 4 . 前記光子検出工程は、 入射する複数の光子を分離して検出し、 前記格納工程は、 前記光子検出工程によって光子を検出したときに、 前記光子検出工程によって検出した光子の数と、 前記時間信号出力工程 によって出力された時間信号とを格納することを特徴とする請求項 1 3 に記載の光計測方法 c
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