WO2014199417A1 - 光信号検出回路および計測装置 - Google Patents

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WO2014199417A1
WO2014199417A1 PCT/JP2013/003714 JP2013003714W WO2014199417A1 WO 2014199417 A1 WO2014199417 A1 WO 2014199417A1 JP 2013003714 W JP2013003714 W JP 2013003714W WO 2014199417 A1 WO2014199417 A1 WO 2014199417A1
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detection circuit
detection
optical signal
pulse
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PCT/JP2013/003714
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秀樹 東
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日本板硝子株式会社
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N2021/6417—Spectrofluorimetric devices
    • G01N2021/6419—Excitation at two or more wavelengths

Definitions

  • the present invention relates to an optical signal detection circuit, and more particularly to an optical signal detection circuit for detecting optical signals of a plurality of channels.
  • Patent Document 1 discloses an apparatus that detects genetic polymorphism, particularly SNP (single nucleotide polymorphism), and diagnoses disease morbidity and diagnoses the relationship between the type of drug administered, effects, and side effects.
  • SNP single nucleotide polymorphism
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a configuration of a fluorescence detection unit disclosed in Patent Document 1.
  • the fluorescence detection unit 64 shown in FIG. 1 includes two optical units 90A and 90B each having an excitation light irradiating unit and a fluorescence light receiving unit, and these two optical units have the wavelength of excitation light and the fluorescence received. The wavelengths are set to be different from each other.
  • the optical unit 90A includes an LED 92a as an excitation light source, and includes a pair of lenses 94a and 96a and a dichroic mirror 98a that collects and emits the emitted light as excitation light to the bottom surface of the reaction vessel 41 containing the measurement sample.
  • the optical unit 90B includes an LED 92b as an excitation light source, and includes a pair of lenses 94b and 96b and a dichroic mirror 98b that collects and emits the emitted light as excitation light on the bottom surface of the reaction vessel 41.
  • the dichroic mirrors 98a and 98b have wavelength characteristics so as to reflect excitation light and transmit fluorescence generated from the sample.
  • the fluorescence transmitted through the dichroic mirrors 98 a and 98 b is incident on the optical fibers 103 a and 103 b by the condenser lenses 102 a and 102 b and guided to the common photodetector 105.
  • the LEDs 92a and 92b are alternately turned on, and the light detection by the photodetector 105 is performed while the LEDs 92a or 92b are turned on.
  • Patent Document 2 discloses a method of measuring relative changes in cerebral blood flow information, that is, hemoglobin concentration, by detecting transmitted light of light irradiated on the head of a living body.
  • FIG. 2 and 3 are diagrams for explaining the configuration of the biological light measurement device disclosed in Patent Document 2.
  • FIG. This biological light measurement apparatus includes a first set of irradiation probes 11a and detection probes 11b shown in FIG. 2, and a second set of irradiation probes and detection probes (not shown).
  • the signal modulation circuit and the signal detection circuit related to the first set of irradiation probes 11a and detection probes 11b are shown, but similar circuits are also provided for the second set of irradiation probes and detection probes.
  • This biological light measuring device uses a semiconductor laser 2 as a light source.
  • the semiconductor laser 2 emits light whose intensity has been modulated into a rectangular wave by the laser driving circuit 3.
  • a modulation frequency is applied to the laser driving circuit 3 by an oscillator 4.
  • the emitted light is irradiated to the head of the subject 5 through the irradiation optical fiber 18a and the irradiation probe 11a, and the light transmitted through the subject 5 is sent to the detector 6 through the detection probe 11b and the detection fiber 18b.
  • the detection signal converted into current by the detector 6 is sent to the lock-in processing unit 7 (see FIG. 3).
  • the lock-in processing unit 7 includes an amplifier 13, an analog switch 14, a low-frequency cut filter unit 15, an AD converter 16, and a lock-in calculation unit 17.
  • the pulse generator 19 generates a pulse signal for alternately turning on and off the first set of light sources and the second set of light sources.
  • the pulse signal and the modulation signal from the oscillator 4 are input to the AND gate 20, and the output from the AND gate 20 is input to the laser driving circuit 3.
  • the laser drive circuit 3 turns the semiconductor laser 2 on and off in synchronization with the pulse generated by the pulse generator 19.
  • the pulse signal from the pulse generator 19 is also input to the analog switch 14.
  • the analog switch 14 turns on / off the signal input to the low-frequency cut filter unit 15 in synchronization with the pulse generated by the pulse generator 19.
  • the signal that has passed through the low-frequency cut filter unit 15 is converted into a digital signal by the AD converter 16 and input to the lock-in calculation unit 17.
  • the lock-in calculation unit 17 detects a signal synchronized with the reference signal using the same frequency as the modulation frequency of the light source as a reference signal.
  • two sets of optical signals having different wavelengths are detected, but both detect two sets of optical signals alternately (in a time division manner). That is, in the example shown in FIG. 1, since the photodetector 105 is common, a time-division detection method is used to distinguish the fluorescence signals from the two optical units 90A and 90B. In the example shown in FIG. 2, the detectors 6 are separate for the first set and the second set, but one set of detection probes detects transmitted light from the irradiation light from the other set of irradiation probes. Therefore, a time-division detection method is used as in the example shown in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the problem of the biological light measurement device according to the prior art.
  • the first set of light sources is turned on / off at regular intervals while being modulated at the modulation frequency f1, and the second set of light sources is modulated at the modulation frequency f2. Is turned on / off at the opposite timing to the first set of light sources.
  • the optical signals received by the first and second sets of detectors 6 are finally processed by the lock-in calculation unit 17 and converted into DC voltage signals, which are then output.
  • This detection signal is output only when each light source is on as shown in FIG. 4 (since normalization is performed in the normal lock-in calculation, the rise and fall of the detection signal are as shown in FIG. Is usually an exponential change). Therefore, as shown in FIG. 4, the detection signals of the first set and the second set are discontinuous, and there is a time lag between the detection timings of the first set and the second set. This is a problem caused by taking a time-division detection method in which the first set and the second set of detection operations are alternately performed.
  • the period in which each set is not detected (period in which the light source is off) and the time lag in detection timing are further increased.
  • a shift in detection timing may cause a problem that not all sets of detection signals can be obtained simultaneously when it is important to observe temporal changes in detection signals.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an optical signal detection circuit for detecting optical signals of a plurality of channels, which can continuously obtain detection signals of each channel and all channels. It is an object of the present invention to provide a technique capable of simultaneously obtaining the detection signals.
  • an optical signal detection circuit is an optical signal detection circuit that detects optical signals of a plurality of channels, and includes a light source provided for each channel and a plurality of light sources.
  • a pulse generation circuit that sequentially supplies blinking pulses one by one, a photodetector that photoelectrically converts a response light signal from the light source, and a switch provided for each channel, synchronized with the blinking pulse And a switch that extracts a signal corresponding to each channel from the output signal of the photodetector by being switched, and a DC conversion circuit that is provided for each channel and converts the output signal of each switch into a DC signal.
  • An external light component detection circuit that detects an external light component and a subtraction circuit that subtracts the external light component from the output signal of the light detector may be further provided between the photodetector and the switch.
  • the pulse generation circuit generates an external light detection pulse at a timing different from the blinking pulse, and the external light component detection circuit includes a sample and hold circuit that detects the external light component using the external light detection pulse. Good.
  • the external light component detection circuit may further include a low-pass filter for removing shot noise of the photodetector.
  • the DC converter circuit converts the output signal of the high-pass filter to DC by switching between an inverting amplification operation and a non-inverting amplification operation in accordance with the on / off timing of the blinking pulse, and a high-pass filter that removes the DC component from the switch output signal. And an inverting / non-inverting amplifier that converts the signal into a signal.
  • the pulse generation circuit may provide a time interval between blinking pulses.
  • This measuring apparatus includes the above-described optical signal detection circuit, and a probe that irradiates an optical signal from a light source onto an object to be detected, and detects a response optical signal from the object to be detected and outputs it to the optical detector.
  • the probe may be common for multiple channels. Alternatively, a separate probe may be provided for each channel.
  • Each channel may include a first optical fiber that guides an optical signal from the light source to the probe, and a second optical fiber that guides the response optical signal from the probe to the photodetector.
  • the photodetector may be common for multiple channels.
  • Still another embodiment of the present invention is also a measuring device.
  • This measuring apparatus includes the above-described optical signal detection circuit, an irradiation probe that irradiates an object with an optical signal from a light source, and a detection probe that detects a response optical signal from the object to be detected and outputs it to a photodetector. May be provided.
  • the detection signals of each channel can be obtained continuously, and the detection signals of all channels can be obtained simultaneously.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the structure of the fluorescence detection part disclosed by patent document 1.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the structure of the biological light measuring device disclosed by patent document 2.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the structure of the biological light measuring device disclosed by patent document 2.
  • FIG. It is a figure for demonstrating the subject of the biological light measuring device which concerns on a prior art.
  • the optical signal detection circuit according to the present embodiment can be used for detecting optical signals of a plurality of channels.
  • a case where an optical signal of three channels is detected will be described as an example.
  • the optical signal detection circuit of the present embodiment can be used for various optical signal detections that require a time-division detection method, and is not limited to a specific optical system,
  • a case where an optical signal detection circuit is applied to the fluorescence detection device will be described.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a fluorescence detection apparatus 500 to which the optical signal detection circuit 530 according to this embodiment is applied.
  • the fluorescence detection apparatus 500 irradiates a sample 501 as an object to be detected with excitation light and detects fluorescence generated from the sample 501 by the irradiation.
  • the fluorescence detection apparatus 500 includes three fluorescence detection optical units (a first fluorescence detection optical unit CH1 for the first channel, a second fluorescence detection optical unit CH2 for the second channel, and A third fluorescence detecting optical unit CH3 for the third channel; a pulse generating circuit 520; and a probe 522.
  • the first fluorescence detection optical unit CH1 includes a first light source 502a, a first light source drive circuit 503a, a first optical multiplexer / demultiplexer 504a, a first photodetector 505a, a first signal detection circuit 506a,
  • the optical fiber 512a for 1st excitation light, the optical fiber 513a for 1st light guide, and the optical fiber 514a for 1st fluorescence are provided.
  • the first signal detection circuit 506a includes a first IV amplifier (current-voltage conversion amplifier) 507a, a first external light detection circuit 508a, a first subtraction circuit 509a, a first analog switch 510a, and a first DC conversion circuit 511a.
  • the second fluorescence detection optical unit CH2 includes a second light source 502b, a second light source drive circuit 503b, a second optical multiplexer / demultiplexer 504b, a second photodetector 505b, a second signal detection circuit 506b,
  • the optical fiber 512b for 2 excitation light, the optical fiber 513b for 2nd light guide, and the optical fiber 514b for 2nd fluorescence are provided.
  • the second signal detection circuit 506b includes a second IV amplifier 507b, a second external light detection circuit 508b, a second subtraction circuit 509b, a second analog switch 510b, and a second DC conversion circuit 511b.
  • the third fluorescence detection optical unit CH3 includes a third light source 502c, a third light source drive circuit 503c, a third optical multiplexer / demultiplexer 504c, a third photodetector 505c, a third signal detection circuit 506c, The optical fiber 512c for 3 excitation light, the optical fiber 513c for 3rd light guide, and the optical fiber 514c for 3rd fluorescence are provided.
  • the third signal detection circuit 506c includes a third IV amplifier 507c, a third external light detection circuit 508c, a third subtraction circuit 509c, a third analog switch 510c, and a third DC conversion circuit 511c.
  • the optical signal detection circuit 530 includes a light source for each channel, a light source drive circuit, a photodetector and a signal detection circuit, and a pulse generation circuit 520.
  • the first light source 502a and the first light source driving circuit 503a constitute a light source part of the first fluorescence detection optical unit CH1.
  • the first light source driving circuit 503a receives the first blinking pulse CL1 from the pulse generation circuit 520 at a constant cycle, and uses the first light source 502a to drive the first light source 502a based on the first blinking pulse. Output to.
  • the first light source 502a emits the first excitation light having the main wavelength ⁇ 1a based on the drive pulse from the first light source drive circuit 503a.
  • an LED, a semiconductor laser, or the like can be used for the first light source 502a.
  • the first excitation light emitted from the first light source 502a is guided to the first optical multiplexer / demultiplexer 504a via the first excitation light optical fiber 512a.
  • the first optical multiplexer / demultiplexer 504a for example, the one described in JP-A-2005-30830 can be used.
  • the first excitation light incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 504a is guided to the first light guiding optical fiber 513a in the first optical multiplexer / demultiplexer 504a, and probed through the first light guiding optical fiber 513a. 522.
  • the probe 522 includes a condensing lens that condenses the first excitation light emitted from the distal end portion of the first light guiding optical fiber 513a.
  • a condenser lens for example, a rod lens can be used.
  • the first excitation light is applied to the sample 501 through this condenser lens.
  • Fluorescence (referred to as “first fluorescence”) having a dominant wavelength ⁇ 1b ( ⁇ 1b> ⁇ 1a) generated from the sample 501 by irradiation with the first excitation light is collected by the condenser lens, and the first light guiding optical fiber 513a. Is propagated in the direction opposite to that of the first excitation light and is incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 504a.
  • the first fluorescence incident on the first optical multiplexer / demultiplexer 504a is guided to the first fluorescence optical fiber 514a in the first optical multiplexer / demultiplexer 504a, and the first optical detection is performed via the first fluorescence optical fiber 514a. Is incident on the container 505a.
  • the first photodetector 505a converts the incident fluorescence into a current (photoelectric conversion), and outputs the current signal to the first signal detection circuit 506a.
  • a photodiode (PD), an avalanche photodiode (APD), a photomultiplier tube, or the like can be used as the first photodetector 505a.
  • the first signal detection circuit 506a extracts only a signal corresponding to the first fluorescence from the input signal, converts the signal into a DC signal, and outputs the DC signal. The detailed configuration of the first signal detection circuit 506a will be described later.
  • the first excitation light having the dominant wavelength ⁇ 1a is emitted from the first light source 502a of the first fluorescence detection optical unit CH1, and the dominant wavelength is emitted from the second light source 502b of the second fluorescence detection optical unit CH2.
  • the second excitation light of ⁇ 2a is emitted
  • the third excitation light of the main wavelength ⁇ 3a is emitted from the third light source 502c of the third fluorescence detection optical unit CH3.
  • the main wavelengths ⁇ 1a, ⁇ 2a, and ⁇ 3a are different from each other.
  • the sample 501 is irradiated on the sample 501 through the common condenser lens provided in the probe 522.
  • the structure of such a fluorescence detection probe for example, the structure described in JP-A-2009-36538 can be used.
  • the sample 501 generates fluorescence corresponding to each of the three colors of excitation light. That is, the sample 501 receives the first excitation light having the main wavelength ⁇ 1a to generate the first fluorescence having the main wavelength ⁇ 1b ( ⁇ 1b> ⁇ 1a), and receives the second excitation light having the main wavelength ⁇ 2a.
  • the second fluorescence of ⁇ 2b ( ⁇ 2b> ⁇ 2a) is generated, and the third fluorescence of the main wavelength ⁇ 3b ( ⁇ 3b> ⁇ 3a) is generated by receiving the third excitation light of the main wavelength ⁇ 3a.
  • Examples of such a sample that generates multiple colors of fluorescence include a DNA composition labeled with a plurality of fluorescent dyes.
  • the first optical multiplexer / demultiplexer 504a is configured to guide the first fluorescence having the main wavelength ⁇ 1b to the first optical fiber 514a for fluorescence
  • the second optical multiplexer / demultiplexer 504b is the first optical multiplexer / demultiplexer 504b having the first wavelength ⁇ 2b
  • the second fluorescence is configured to guide the second fluorescence optical fiber 514b
  • the third optical multiplexer / demultiplexer 504c is configured to guide the third fluorescence having the main wavelength ⁇ 3b to the third fluorescence optical fiber 514c. Therefore, the fluorescence having the main wavelengths of ⁇ 1b, ⁇ 2b, and ⁇ 3b is incident on the first to third photodetectors 505a to 505c, respectively.
  • the excitation light of the other channel enters the photodetector of one channel.
  • the wavelength band of the second excitation light of the second channel and the wavelength band of the first fluorescence of the first channel
  • the reflected second excitation light of the second channel may be incident on the first photodetector 505a of the first channel. Therefore, it is necessary to separate fluorescence that should be detected from unnecessary excitation light.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the configuration of the signal detection circuit.
  • the first signal detection circuit 506a of the first channel is shown, but the signal detection circuits of the other two channels basically have the same configuration.
  • the first signal detection circuit 506a includes the first IV amplifier 507a, the first external light detection circuit 508a, the first subtraction circuit 509a, the first analog switch 510a, and the first DC conversion circuit 511a. Prepare.
  • the first external light detection circuit 508a includes a resistor R and a sample and hold circuit 600.
  • the sample and hold circuit 600 includes a switch 601, a capacitor 602, and a buffer amplifier 603.
  • One terminal of the resistor R is connected to the output terminal of the first IV amplifier 507a, and the other terminal is connected to one terminal of the switch 601.
  • the other terminal of the switch 601 is connected to one terminal of a capacitor 602, and the other terminal of the capacitor 602 is grounded.
  • the other terminal of the switch 601 is connected to the input terminal of the buffer amplifier 603.
  • the switch 601 is controlled to be turned on / off by an external light detection pulse CL4 from a pulse generation circuit 520 (see FIG. 5).
  • the first subtraction circuit 509a is composed of an operational amplifier.
  • the two input terminals of the first subtracting circuit 509a are connected to the output terminal of the first IV amplifier 507a and the output of the sample & hold circuit 600, that is, the output terminal of the buffer amplifier 603. From the output signal of the first IV amplifier 507a, The output signal of the sample and hold circuit 600 is subtracted.
  • the output terminal of the first subtraction circuit 509a is connected to one input terminal A of the first analog switch 510a.
  • the other input terminal B of the first analog switch 510a is grounded.
  • the first analog switch 510a switches between the input terminals A and B in synchronization with the first blinking pulse CL1 from the pulse generation circuit 520.
  • the first DC conversion circuit 511a includes a high-pass filter (HPF) 604, an inverting / non-inverting amplifier (an amplifier capable of switching between inverting amplification operation and non-inverting amplification operation) 605, and a low-pass filter (LPF). 609).
  • the inverting / non-inverting amplifier 605 includes an inverting amplifier 606, a non-inverting amplifier 607, and a switch 608.
  • the output terminal of the first analog switch 510 a is connected to the input terminal of the high pass filter 604.
  • the output terminal of the high pass filter 604 is connected to the input terminal of the inverting amplifier 606 and the input terminal of the non-inverting amplifier 607.
  • the output terminal of the inverting amplifier 606 is connected to one input terminal of the switch 608, and the output terminal of the non-inverting amplifier 607 is connected to the other input terminal of the switch 608.
  • the output terminal of the switch 608 is connected to the low pass filter 609.
  • the switch 608 is controlled to be turned on / off in synchronization with the first blinking pulse CL1 from the pulse generation circuit 520.
  • the output signal of the first signal detection circuit 506a is output from the output terminal of the low-pass filter 609.
  • FIG. 7 shows the light emission timing of the light source of each channel and the waveform of the output signal generated by the light source in the first IV amplifier of the first channel.
  • the pulse generation circuit 520 causes the three light sources to blink (on / off) sequentially one pulse at a time by sequentially supplying blinking pulses to the three light sources one by one. That is, first, the first blinking pulse CL1 is supplied to the first light source 502a to emit one pulse of the first excitation light, and then the second blinking pulse CL2 is supplied to the second light source 502b to supply the second excitation light. Is emitted, and then the third blinking pulse CL3 is supplied to the third light source 502c to emit one pulse of the third excitation light.
  • the external light detection pulse CL4 is used to detect an external light component included in the optical signal received by each photodetector and the output signal of each IV amplifier.
  • an external light component this includes components that cause a so-called baseline, such as a dark current of a photodetector and an offset signal of an IV amplifier.
  • the external light detection pulse CL4 is generated at a timing different from that of the first flashing pulse CL1, the second flashing pulse CL2, and the third flashing pulse CL3. That is, the external light detection pulse CL4 is turned on during a period in which the first blinking pulse CL1, the second blinking pulse CL2, and the third blinking pulse CL3 are all off.
  • the first flashing pulse CL1, the second flashing pulse CL2, the third flashing pulse CL3, and the external light detection pulse CL4 have the same cycle.
  • the output signal of the first channel first IV amplifier 507a includes first fluorescence generated by the first excitation light, reflected light of the second excitation light, reflected light of the third excitation light, and external light.
  • the ingredients are synthesized.
  • the reflected light of the excitation light is cut by the first optical multiplexer / demultiplexer 504a when there is no portion overlapping the wavelength band of the first fluorescence, the reflected light of the second excitation light and the third excitation light is not necessarily reflected. Both do not always appear.
  • the output signal of the first IV amplifier 507a is divided into two, and one is sent to the sample and hold circuit 600 to detect the external light component.
  • the charge of the signal is stored in the capacitor C (sample) while the external light detection pulse CL4 is on, and the charge is held (held) while the external light detection pulse CL4 is off.
  • the signal during the period when the external light detection pulse CL4 is on is only the external light component because all the light sources are extinguished. Therefore, the signal from which the external light component is extracted appears at the output of the sample and hold circuit 600. become.
  • the external light component can be detected not only when the intensity is constant, but also when the external light component fluctuates at a sufficiently slow period as compared with the blinking period of the light source.
  • the external light detection pulse CL4 may vary greatly every period, and the external light component detected as a result may include large noise.
  • the external light component detected by the sample and hold circuit 600 is subtracted from the output signal of the original first IV amplifier 507a in the next first subtraction circuit 509a.
  • the subsequent first analog switch 510a extracts only the first fluorescence corresponding to the first channel from the output signal of the first subtracting circuit 509a by switching in synchronization with the first blinking pulse CL1 of the first light source 502a. To do. That is, during the period when the first blinking pulse CL1 is on, the first analog switch 510a is switched to the input terminal A, and the first fluorescence is extracted and output to the subsequent circuit. On the other hand, since the first analog switch 510a is switched to the input terminal B and grounded while the first blinking pulse CL1 is off, the ground potential is output to the subsequent circuit. With the operation so far, the external light component is removed and separated from the signals of other channels without losing the amplitude information of the fluorescence signal.
  • the external light component is not the method performed here, for example, when the output signal of the first IV amplifier 507a is passed through the high-pass filter as it is or when the signal separation between the channels is performed first, and then When the high-pass filter is used for removal, the amplitude information of the fluorescence signal is lost at that time, and thus correct signal detection cannot be performed.
  • FIG. 8 shows the state of signal processing after extracting the fluorescence signal of the first channel.
  • the pulse signal extracted by the first analog switch 510a is converted into a DC signal by the first DC conversion circuit 511a.
  • the first DC conversion circuit 511a includes the high-pass filter (HPF) 604, the inverting / non-inverting amplifier 605, and the low-pass filter (LPF) 609.
  • HPF high-pass filter
  • LPF low-pass filter
  • the output signal from the first analog switch 510a is subjected to signal amplification in accordance with the ON / OFF timing of the first blinking pulse CL1 in the inverting / non-inverting amplifier 605 after the DC component is removed by the high-pass filter 604.
  • the non-inverting amplifier 607 increases it to +1 times.
  • one blinking pulse CL1 is off, it is amplified to-(1-x) / x times (-3 times when the duty ratio is 25%) by the inverting amplifier 606, and as a result, the signal is converted to DC.
  • x a / (a + b
  • the inverting / non-inverting amplifier 605 is composed of two amplifiers of an inverting amplifier 606 and a non-inverting amplifier 607 and a switch 608, but a circuit having the same function. Can be configured with only one operational amplifier and switch. In this case, the operation of one operational amplifier is switched to the non-inverting amplification operation or the inverting amplification operation by turning on / off the switch with the first blinking pulse CL1 (the connection position of the switch in this case is shown in FIG. 6). (This is slightly different from the connection position of the switch 608, but the description is omitted here.)
  • the signal converted into direct current by the inverting / non-inverting amplifier 605 is subjected to noise removal by the low-pass filter 609, and a final output is obtained.
  • the above is the description of the operation of the first signal detection circuit 506a of the first channel.
  • the basic operation of the second signal detection circuit 506b of the second channel and the third signal detection circuit 506c of the third channel is the same as that of the first signal detection circuit 506a of the first channel.
  • the latter-stage analog switch and inverting / non-inverting amplifier changeover switch operate in synchronization with the flashing pulse of each channel (second flashing pulse CL2, third flashing pulse CL3), that is, the flashing pulse of each channel is turned on / off. It is only a point that operates at timing.
  • the detection of the external light component is performed simultaneously on all the channels during the period when the light sources of all the channels are turned off.
  • the signal detection circuit of the present embodiment can be configured only with an analog circuit, an inexpensive optical signal detection circuit 530 and, consequently, a fluorescence detection device 500 can be realized.
  • the response time of the output signal is determined by the response time of the low-pass filter 609 in the final stage of the detection circuit, that is, the signal averaging time.
  • averaging is performed for a time corresponding to the number of pulses of several tens of blinking pulses or more. As shown in FIG. 4, this averaging process is the same for the optical measurement device of Patent Document 2 described above. However, in the optical measurement device of Patent Document 2, since the averaging process for one channel is performed after the averaging process for one channel is completed, there are several tens of pulses or more between the output signals of each channel. A time difference corresponding to the number of pulses is generated.
  • the detection time can be shortened as compared with the optical measurement device disclosed in Patent Document 2. Further, since the detection of the external light component is simultaneously performed in all channels, the detection time can be further shortened.
  • the output signals of each channel are continuously output, the output signals of each channel are discontinuous as in the conventional example shown in FIG. No.
  • the conventional example shown in FIG. 4 has the following problems.
  • the number of groups to be detected in this conventional example is N
  • the time required to detect all the groups once each is N times that when only one group is detected.
  • the rise time and fall time that occur each time the detection of each set is switched on and off is wasted time.
  • the detection time of each set is set to 1 / N. In this case, the detection accuracy generally decreases.
  • the cycle of the blinking pulse of each channel is set to be the same as the cycle of the blinking pulse when only one channel is detected.
  • the response time of the low-pass filter at the final stage of the detection circuit is made the same as when only one channel is detected.
  • the peak value of the output power of the light source (excitation light) is increased by the amount by which the duty ratio of the blinking pulse is reduced. For example, if the duty ratio of the blinking pulse when detecting three channels is 25%, the duty ratio of the blinking pulse is usually 50% when only one channel is detected, so the duty ratio of the blinking pulse is 25%.
  • the peak value of the output power of the light source can be increased as compared with the case where the duty ratio of the blinking pulse is 50% (in this case, the peak value of the output power is typically 2). But can be slightly different depending on the light source used).
  • the period of the blinking pulse of each channel is the same as the period of the blinking pulse when only one channel is detected, and the response time of the low-pass filter at the final stage of the detection circuit is the same as when only one channel is detected. If they are the same, the response time of the output signal is the same for both.
  • the duty ratio of the blinking pulse decreases, the detection accuracy usually decreases, but the peak value of the output power of the light source (excitation light) can be increased by the amount of decrease in the duty ratio of the blinking pulse. Detection can be performed with the same detection accuracy as when only one channel is used, or a decrease in detection accuracy can be minimized.
  • FIG. 9 shows a fluorescence detection apparatus to which the optical signal detection circuit according to the first embodiment of the present invention is applied.
  • the same or corresponding components as those in the embodiment shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the corresponding descriptions are omitted as appropriate.
  • the fluorescence detection device 500 shown in FIG. 9 is a three-channel fluorescence detection device, and its overall configuration is basically the same as that of the embodiment shown in FIG.
  • the first light source 502a of the first channel is a blue LED, and the main wavelength of the first excitation light is 470 nm.
  • the second light source 502b of the second channel is a green LED, and the main wavelength of the second excitation light is 530 nm.
  • the third light source 502c of the third channel is a red LED, and the main wavelength of the third excitation light is 630 nm.
  • the dominant wavelength of the first fluorescence is 530 nm
  • the dominant wavelength of the second fluorescence is 630 nm
  • the dominant wavelength of the third fluorescence is 680 nm.
  • PD photodiode
  • the signal detection circuits 506a, 506b, and 506c for each channel have the same configuration as in FIGS. Although a low noise type operational amplifier is used as the IV amplifier, any amplifier can be used as necessary. As elements constituting the sample and hold circuit of the external light component detection circuit, a general-purpose analog switch and capacitor C, and a general-purpose operational amplifier as a buffer amplifier were used. Although any amplifier can be used as the buffer amplifier, an operational amplifier having a low offset voltage and a low offset current is desirable.
  • the analog switch used was a general-purpose type.
  • a general-purpose operational amplifier is used as the inverting / non-inverting amplifier of the DC conversion circuit, but it is desirable to use a low offset voltage and low offset current type operational amplifier.
  • the last low-pass filter was a fourth-order Bessel type low-pass filter composed of a general-purpose operational amplifier, a resistor R, and a capacitor C. This low-pass filter determines the response time of the signal detection circuit.
  • the response time in the step response here, the time from when the step-like input signal is added until the output signal reaches the level of 90% of the final value) ) Is about 0.18 s.
  • FIG. 10 shows waveforms of the blinking pulse and the external light detection pulse in the first embodiment.
  • the period of each pulse is about 9.09 ms (frequency 110 Hz), and the duty ratio is about 15%.
  • the on / off timing of each pulse is as shown in FIG.
  • a time interval as shown in the figure is provided between the pulses, in order to avoid an overlap between signals of each channel due to a time delay of the response of the IV amplifier.
  • the pulse interval can be determined experimentally by observing the output signal waveform of the IV amplifier.
  • the pulse period needs to be set to the same value for all the blinking pulses and the external light detection pulse, but the pulse ON time (or duty ratio) and the pulse interval do not necessarily have to be the same value.
  • the output power of each LED was determined according to the specifications of the element used, and specifically, was set to about 1.7 times that in the case of a duty ratio of 50% (duty ratio at the time of detecting one channel).
  • FIG. 11 shows a step response waveform when the above three-dye mixed solution is used as a measurement sample. This is obtained by measuring the change in the output signal of each channel from the time when the pulse shown in FIG. As shown in the figure, it can be seen that the detection signals of all the channels are output simultaneously and continuously with a response time of about 0.18 s.
  • the duty ratio of the blinking pulse CL1 of the first channel is 50%, and the LED output power is about 1 / 1.7 when three channels are detected. Measurement was performed with the LED blinking pulses CL2 and CL3 turned off so that the second channel and the third channel would not operate. As a result, when the same sample was measured, the signal-to-noise ratio of the output signal at the time of simultaneous detection of 3 channels was only about 12% lower than that at the time of detection of 1 channel, indicating substantially the same detection performance.
  • the first embodiment has the advantage that the detection signals for each channel can be obtained continuously and the detection signals for all channels can be obtained simultaneously.
  • the detection accuracy when detecting three channels simultaneously can be made substantially equal to the detection accuracy when only one channel is detected in the same detection time.
  • an LED is used as the light source of each channel, but a semiconductor laser or the like may be used instead of the LED.
  • the PD is used as the photodetector for each channel, but an avalanche photodiode (APD), a photomultiplier tube (PMT), or the like may be used instead of the PD.
  • APD avalanche photodiode
  • PMT photomultiplier tube
  • an IV amplifier is provided after the photodetector (PD).
  • PD photodetector
  • a circuit including a sample & hold circuit and a low-pass filter is shown as the external light component detection circuit.
  • a sampling circuit such as an AD converter may be used.
  • the external light component detection circuit and the subtraction circuit can be omitted when measuring in an environment where the external light component can be ignored, such as in a dark room.
  • the case of detecting optical signals of three channels has been described, but the number of detected channels is not particularly limited.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a fluorescence detection apparatus 500 according to a modification.
  • the signal detection circuit and the like are not shown.
  • the three-channel probe 522 is common in the first embodiment shown in FIG. 9, a separate probe may be provided for each channel as shown in this modification of FIG. That is, the first channel may include the first probe 522a, the second channel may include the second probe 522b, and the third channel may include the third probe 522c. It should be noted that excitation of each channel is possible not only when the points measured by the first probe 522a, the second probe 522b, and the third probe 522c are the same point on the sample as shown in FIG. When light influences each other, the optical signal detection circuit of this embodiment is effective.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a fluorescence detection apparatus 500 according to another modification.
  • the signal detection circuit and the like are not shown.
  • FIG. 13 only a single-channel fluorescence detection optical unit is shown.
  • each channel guides excitation light and fluorescence using a single optical fiber, but it may be configured to guide excitation light and fluorescence using separate optical fibers. . That is, in this modification, excitation light is guided from the light source 502 to the probe 522 by the excitation light guiding optical fiber 513_1, and fluorescence is guided from the probe 522 to the photodetector 505 by the fluorescence guiding optical fiber 513_2. Yes.
  • the excitation light filter 504_1 between the light source 502 and the excitation light guiding optical fiber 513_1, and to provide the fluorescence filter 504_2 between the fluorescence guiding optical fiber 513_2 and the photodetector 505. .
  • the optical signal detection circuit 530 according to the first embodiment is not limited to the fluorescence detection device as long as it is an optical measurement device that irradiates the detection target with the optical signal and detects the response optical signal from the detection target. It can be applied to various devices.
  • the optical signal detection circuit 530 according to the first embodiment can also be used in a device that detects transmitted light of light irradiated on the head of a living body as shown in FIG.
  • the optical signal detection circuit 530 according to the first embodiment is not limited to a living body related measuring device such as a gene analyzer, and can be applied to various multichannel optical measuring devices.
  • an irradiation probe that irradiates a detection object with an optical signal from a light source, a detection probe that detects a response light signal from the detection object and outputs the response light signal to the photodetector May be provided separately.
  • FIG. 14 shows a fluorescence detection apparatus to which the optical signal detection circuit according to the second embodiment of the present invention is applied.
  • the same or corresponding components as those in the embodiment illustrated in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals, and the corresponding description is omitted as appropriate.
  • the probes (first probe 522a, second probe 522b, and third probe 522c) of each channel are independent, and a photodetector 505 (here, PMT (photomultiplier tube) is used). ) Is common to all channels.
  • the sample to be measured is different for each channel (the first sample 501a, the second sample 501b, the third sample 501c), or even when they are the same, there is a distance between the probes and the reflection of the excitation light does not affect each other.
  • the IV amplifier 507 to the subtraction circuit 509 can be shared by all channels.
  • the main wavelengths of excitation light and fluorescence of each channel and the configuration of the signal detection circuit are the same as those in the first embodiment shown in FIG.
  • the waveforms of the blinking pulse and the external light detection pulse are the same as those of the first embodiment shown in FIG.
  • the output power of the LED of each channel was also made the same as in the first embodiment.
  • the output signal at the time of simultaneous detection of three channels was almost the same as when one channel was detected.
  • the second embodiment has the following advantages in addition to the advantages described in the first embodiment.
  • a part of the photodetector 505 and the signal detection circuit 506 is shared by all channels. Accordingly, the cost and size of the fluorescence detection device 500 can be reduced. In particular, when an expensive photodetector such as a PMT (photomultiplier tube) is used, the cost can be greatly reduced.
  • PMT photomultiplier tube
  • a photodiode (PD), an avalanche photodiode (APD), or the like may be used instead of the PMT.
  • the main wavelengths of excitation light and fluorescence may be the same for all channels.
  • the fluorescence detection optical unit of each channel a type in which the excitation light guiding optical fiber and the fluorescence guiding optical fiber are separated as shown in FIG. 13 may be used.
  • the present invention can be used for an optical measurement device such as a gene analysis device.

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Abstract

　光信号検出回路５３０は、各チャンネルごとに設けられた光源と、複数の光源に対し点滅パルスを１パルスずつ順番に供給するパルス発生回路５２０と、光源からの光信号に対する応答光信号を光電変換する光検出器と、各チャンネルごとに設けられたアナログスイッチと、各チャンネルごとに設けられ、各アナログスイッチの出力信号を直流信号に変換する直流変換回路とを備える。各アナログスイッチは、点滅パルスに同期してスイッチングされることにより光検出器の出力信号から各チャンネルに対応する信号を抽出する。

Description

光信号検出回路および計測装置
　本発明は、光信号検出回路に関し、特に複数チャンネルの光信号を検出する光信号検出回路に関する。
　近年、光計測技術を応用した遺伝子解析装置や各種の診断装置の開発が盛んに行なわれている。例えば、特許文献１には、遺伝子多型、特にＳＮＰ（一塩基多型）を検出し、病気罹患率の診断や、投与薬剤の種類と効果および副作用との関係などの診断を行なう装置が示されており、そこでは測定試料に２種類の励起光を照射し、その結果として試料から発生した蛍光を検出する方法が示されている。
　図１は、特許文献１に開示された蛍光検出部の構成を説明するための図である。図１に示す蛍光検出部６４は、励起光照射部と蛍光受光部を備えた２台の光学ユニット９０Ａ，９０Ｂを備えており、これら２台の光学ユニットは励起光の波長と受光する蛍光の波長が互いに異なるように設定されている。光学ユニット９０Ａは、励起光源としてＬＥＤ９２ａを備え、その発光を励起光として測定試料が入った反応容器４１の底面に集光して照射する一対のレンズ９４ａ、９６ａとダイクロイックミラー９８ａを備えている。また、光学ユニット９０Ｂは、励起光源としてＬＥＤ９２ｂを備え、その発光を励起光として反応容器４１の底面に集光して照射する一対のレンズ９４ｂ、９６ｂとダイクロイックミラー９８ｂを備えている。ダイクロイックミラー９８ａ，９８ｂは励起光を反射し、かつ試料から発生する蛍光を透過させるように波長特性が設定されている。ダイクロイックミラー９８ａ，９８ｂを透過した蛍光は、集光レンズ１０２ａ,１０２ｂにより光ファイバ１０３ａ，１０３ｂに入射させられ、共通の光検出器１０５に導かれる。この蛍光検出部６４では、ＬＥＤ９２ａと９２ｂを交互に点灯させ、ＬＥＤ９２ａ又は９２ｂの点灯中に光検出器１０５による蛍光検出を行なっている。
　また、特許文献２には、生体の頭部に照射した光の透過光を検出することで、大脳の血流情報、即ち血液のヘモグロビン濃度の相対変化を計測する方法が示されている。図２、３は、特許文献２に開示された生体光計測装置の構成を説明するための図である。この生体光計測装置は、図２に示す第１組の照射プローブ１１ａおよび検出プローブ１１ｂと、第２組の照射プローブおよび検出プローブ（図示せず）を備える。図２では、第１組の照射プローブ１１ａおよび検出プローブ１１ｂに関する信号変調回路および信号検出回路を示しているが、第２組の照射プローブおよび検出プローブについても同様の回路が設けられる。
　この生体光計測装置は、光源として半導体レーザ２を使用する。半導体レーザ２は、レーザ駆動回路３によって矩形波状に強度変調された光を放射する。レーザ駆動回路３には、発振器４により変調周波数が印加される。放射された光は照射用光ファイバ１８ａおよび照射プローブ１１ａを介して被検体５の頭部に照射され、被検体５を透過した光は検出プローブ１１ｂおよび検出用ファイバ１８ｂを介して検出器６に送られる。検出器６で電流に変換された検出信号は、ロックイン処理部７（図３参照）に送られる。このロックイン処理部７は、増幅器１３、アナログスイッチ１４、低域カットフィルタ部１５、ＡＤ変換器１６及びロックイン演算部１７を有している。
　パルス発生器１９は、第１組の光源と第２組の光源を交互にオン・オフするためのパルス信号を発生する。このパルス信号と発振器４からの変調信号はアンドゲート２０に入力され、アンドゲート２０からの出力は、レーザ駆動回路３に入力される。これにより、レーザ駆動回路３は、パルス発生器１９で発生されたパルスに同期して半導体レーザ２のオン・オフを行なう。また、パルス発生器１９からのパルス信号は、アナログスイッチ１４にも入力される。これにより、アナログスイッチ１４は、パルス発生器１９で発生されたパルスに同期して低域カットフィルタ部１５への信号の入力のオン・オフを行なう。
　図３に示すように、低域カットフィルタ部１５を通過した信号は、ＡＤ変換器１６でデジタル信号に変換され、ロックイン演算部１７に入力される。ロックイン演算部１７は、光源の変調周波数と同じ周波数を参照信号として、参照信号と同期した信号の検出を行なう。以上の動作によって、被検体５の頭部を透過した第１組、第２組の光信号を交互に検出することができる。
　上記の２つの例では、波長の異なる２組の光信号の検出を行なっているが、いずれも２組の光信号を交互に（時分割的に）検出している。つまり、図１に示す例では、光検出器１０５が共通となっているため、２台の光学ユニット９０Ａ，９０Ｂからの蛍光信号を区別するために時分割的な検出手法がとられている。また図２に示す例では、検出器６は第１組と第２組とで別々であるが、一方の組の検出プローブが他の組の照射プローブからの照射光による透過光を検出してしまう可能性があるため、図１に示す例と同様に時分割的な検出手法がとられている。
特開２００６－２７１３４７号公報 特開２００９－４２４号公報
　図４は、従来技術に係る生体光計測装置の課題を説明するための図である。上記特許文献２に係る生体光計測装置では、図４に示すように、第１組の光源は変調周波数ｆ１で変調されながら一定期間毎にオン・オフされ、第２組の光源は変調周波数ｆ２で変調されながら、第１組の光源とは反対のタイミングでオン・オフされる。
　そして、第１組、第２組の検出器６で受光された光信号は、それぞれ最終的にロックイン演算部１７で処理されて直流電圧信号に変換されて出力される。この検出信号は、図４に示すようにそれぞれの光源がオンの期間のみ出力される（通常ロックイン演算では平均化処理が行なわれるため、検出信号の立ち上がりおよび立ち下がりは、図４に示すように指数関数的な変化となるのが普通である）。従って、図４に示すように第１組、第２組の検出信号はそれぞれ不連続であり、且つ第１組、第２組の検出タイミングには時間的なずれが発生している。これは、第１組と第２組の検出動作を交互に行う時分割的な検出手法をとっているために生じた問題である。検出する組の数がさらに多い場合、各組の検出されない期間（光源がオフの期間）や検出タイミングの時間的なずれは、さらに大きくなる。特に検出タイミングのずれは、検出信号の時間的変化の観測が重要である場合、全ての組の検出信号が同時に得られないことが問題となる場合がある。
　本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数チャンネルの光信号を検出する光信号検出回路において、各チャンネルの検出信号を連続的に得ることができるとともに、全てのチャンネルの検出信号を同時に得ることができる技術を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明のある態様の光信号検出回路は、複数チャンネルの光信号を検出する光信号検出回路であって、各チャンネルごとに設けられた光源と、複数の光源に対し点滅パルスを１パルスずつ順番に供給するパルス発生回路と、光源からの光信号に対する応答光信号を光電変換する光検出器と、各チャンネルごとに設けられたスイッチであって、点滅パルスに同期してスイッチングされることにより光検出器の出力信号から各チャンネルに対応する信号を抽出するスイッチと、各チャンネルごとに設けられ、各スイッチの出力信号を直流信号に変換する直流変換回路とを備える。
　光検出器とスイッチとの間に設けられた、外光成分を検出する外光成分検出回路と、光検出器の出力信号から外光成分を差し引く減算回路とをさらに備えてもよい。
　パルス発生回路は、点滅パルスとは異なるタイミングで外光検出用パルスを発生し、外光成分検出回路は、外光検出用パルスを用いて外光成分を検出するサンプル＆ホールド回路を備えてもよい。
　外光成分検出回路は、光検出器のショット雑音を除去するローパスフィルタをさらに備えてもよい。
　直流変換回路は、スイッチの出力信号から直流成分を除去するハイパスフィルタと、点滅パルスのオン・オフのタイミングに合わせて反転増幅動作と非反転増幅動作とを切り替えることでハイパスフィルタの出力信号を直流信号に変換する反転・非反転アンプと、を備えてもよい。
　パルス発生回路は、点滅パルス間に時間間隔を設けてもよい。
　本発明の別の態様は、計測装置である。この計測装置は、上述の光信号検出回路と、光源からの光信号を被検出物に照射するとともに、被検出物からの応答光信号を検出して光検出器に出力するプローブとを備える。
　プローブは、複数チャンネルに関して共通であってもよい。あるいは、各チャンネルごとに別々の前記プローブを備えてもよい。
　各チャンネルごとに、光源からプローブに光信号を導光する第１光ファイバと、プローブから光検出器に応答光信号を導光する第２光ファイバとを備えてもよい。光検出器は、複数チャンネルに関して共通であってもよい。
　本発明のさらに別の態様もまた、計測装置である。この計測装置は、上述の光信号検出回路と、光源からの光信号を被検出物に照射する照射プローブと、被検出物からの応答光信号を検出して光検出器に出力する検出プローブとを備えてもよい。
　本発明によれば、複数チャンネルの光信号を検出する光信号検出回路において、各チャンネルの検出信号を連続的に得ることができるとともに、全てのチャンネルの検出信号を同時に得ることができる。
特許文献１に開示された蛍光検出部の構成を説明するための図である。 特許文献２に開示された生体光計測装置の構成を説明するための図である。 特許文献２に開示された生体光計測装置の構成を説明するための図である。 従来技術に係る生体光計測装置の課題を説明するための図である。 本実施形態に係る光信号検出回路を適用した蛍光検出装置を説明するための図である。 信号検出回路の構成を説明するための図である。 各チャンネルの光源の発光タイミングと、それらによって第１チャンネルの第１ＩＶアンプに発生する出力信号の波形を示す図である。 第１チャンネルの蛍光信号抽出後の信号処理の様子を示す図である。 本発明の第１実施例に係る光信号検出回路を適用した蛍光検出装置を示す図である。 第１実施例における点滅パルスおよび外光検出用パルスの波形を示す図である。 上記の色素混合液を測定試料とした時のステップ応答波形を示す図である。 変形例に係る蛍光検出装置を説明するための図である。 別の変形例に係る蛍光検出装置を説明するための図である。 本発明の第２実施例に係る光信号検出回路を適用した蛍光検出装置を示す図である。
　以下、本発明の実施形態に係る光信号検出回路について説明する。本実施形態に係る光信号検出回路は、複数チャンネルの光信号検出に用いることができるが、ここでは３チャンネルの光信号を検出する場合を例にとって説明する。本実施形態の光信号検出回路は、時分割的な検出手法が必要とされる様々な光信号検出に対して用いることができ、特定の光学系だけに使用を限定されるものではないが、ここでは蛍光検出装置に光信号検出回路を適用した場合について説明する。
　図５は、本実施形態に係る光信号検出回路５３０を適用した蛍光検出装置５００を説明するための図である。蛍光検出装置５００は、被検出物としての試料５０１に対して励起光を照射し、該照射により試料５０１から発生した蛍光を検出するものである。
　図５に示すように、蛍光検出装置５００は、３つの蛍光検出用光学ユニット（第１チャンネル用の第１蛍光検出用光学ユニットＣＨ１、第２チャンネル用の第２蛍光検出用光学ユニットＣＨ２、および第３チャンネル用の第３蛍光検出用光学ユニットＣＨ３）と、パルス発生回路５２０と、プローブ５２２とを備える。
　第１蛍光検出用光学ユニットＣＨ１は、第１光源５０２ａと、第１光源駆動回路５０３ａと、第１光合分波器５０４ａと、第１光検出器５０５ａと、第１信号検出回路５０６ａと、第１励起光用光ファイバ５１２ａと、第１導光用光ファイバ５１３ａと、第１蛍光用光ファイバ５１４ａとを備える。第１信号検出回路５０６ａは、第１ＩＶアンプ（電流-電圧変換アンプ）５０７ａと、第１外光検出回路５０８ａと、第１減算回路５０９ａと、第１アナログスイッチ５１０ａと、第１直流変換回路５１１ａとを備える。
　第２蛍光検出用光学ユニットＣＨ２は、第２光源５０２ｂと、第２光源駆動回路５０３ｂと、第２光合分波器５０４ｂと、第２光検出器５０５ｂと、第２信号検出回路５０６ｂと、第２励起光用光ファイバ５１２ｂと、第２導光用光ファイバ５１３ｂと、第２蛍光用光ファイバ５１４ｂとを備える。第２信号検出回路５０６ｂは、第２ＩＶアンプ５０７ｂと、第２外光検出回路５０８ｂと、第２減算回路５０９ｂと、第２アナログスイッチ５１０ｂと、第２直流変換回路５１１ｂとを備える。
　第３蛍光検出用光学ユニットＣＨ３は、第３光源５０２ｃと、第３光源駆動回路５０３ｃと、第３光合分波器５０４ｃと、第３光検出器５０５ｃと、第３信号検出回路５０６ｃと、第３励起光用光ファイバ５１２ｃと、第３導光用光ファイバ５１３ｃと、第３蛍光用光ファイバ５１４ｃとを備える。第３信号検出回路５０６ｃは、第３ＩＶアンプ５０７ｃと、第３外光検出回路５０８ｃと、第３減算回路５０９ｃと、第３アナログスイッチ５１０ｃと、第３直流変換回路５１１ｃとを備える。
　本実施形態に係る光信号検出回路５３０は、各チャンネルの光源、光源駆動回路、光検出器および信号検出回路と、パルス発生回路５２０とから構成される。
　第１～第３蛍光検出用光学ユニットＣＨ１～ＣＨ３は同様の構成を有するので、ここでは代表して第１蛍光検出用光学ユニットＣＨ１の構成を説明する。第１光源５０２ａおよび第１光源駆動回路５０３ａは、第１蛍光検出用光学ユニットＣＨ１の光源部を構成している。第１光源駆動回路５０３ａは、パルス発生回路５２０から一定の周期で第１点滅パルスＣＬ１を受信し、該第１点滅パルスに基づいて第１光源５０２ａを駆動するための駆動パルスを第１光源５０２ａに出力する。第１光源５０２ａは、第１光源駆動回路５０３ａからの駆動パルスに基づいて主波長λ１ａの第１励起光を出射する。第１光源５０２ａには、ＬＥＤや半導体レーザ等を用いることができる。
　第１光源５０２ａから出射された第１励起光は、第１励起光用光ファイバ５１２ａを介して第１光合分波器５０４ａに導かれる。第１光合分波器５０４ａとしては、例えば特開２００５－３０８３０号公報に記載されたものを用いることができる。第１光合分波器５０４ａに入射した第１励起光は、第１光合分波器５０４ａ内において第１導光用光ファイバ５１３ａに導かれ、該第１導光用光ファイバ５１３ａを介してプローブ５２２に導かれる。
　プローブ５２２は、第１導光用光ファイバ５１３ａの先端部から出射された第１励起光を集光する集光レンズを備える。集光レンズとしては、例えばロッドレンズを用いることができる。第１励起光は、この集光レンズを介して試料５０１に照射される。第１励起光の照射によって試料５０１から発生した主波長λ１b（λ１ｂ＞λ１ａ）の蛍光（「第１蛍光」と呼ぶ）は、前記集光レンズにより集光され、第１導光用光ファイバ５１３ａを第１励起光とは逆方向に伝搬し、第１光合分波器５０４ａに入射する。第１光合分波器５０４ａに入射した第１蛍光は、第１光合分波器５０４ａ内において第１蛍光用光ファイバ５１４ａに導かれ、該第１蛍光用光ファイバ５１４ａを介して第１光検出器５０５ａに入射する。
　第１光検出器５０５ａは、入射した蛍光を電流に変換（光電変換）し、該電流信号を第１信号検出回路５０６ａに出力する。第１光検出器５０５ａとしては、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管等を用いることができる。第１信号検出回路５０６ａは、入力された信号から第１蛍光に対応する信号のみ抽出し、該信号を直流信号に変換して出力する。第１信号検出回路５０６ａの詳細な構成については後述する。
　蛍光検出装置５００において、第１蛍光検出用光学ユニットＣＨ１の第１光源５０２ａからは主波長λ１ａの第１励起光が出射され、第２蛍光検出用光学ユニットＣＨ２の第２光源５０２ｂからは主波長λ２ａの第２励起光が出射され、第３蛍光検出用光学ユニットＣＨ３の第３光源５０２ｃからは主波長λ３ａの第３励起光が出射される。主波長λ１ａ、λ２ａおよびλ３ａは、互いに異なる波長である。第１励起光を伝搬する第１導光用光ファイバ５１３ａ、第２励起光を伝搬する第２導光用光ファイバ５１３ｂ、および第３励起光を伝搬する第３導光用光ファイバ５１３ｃは、共通の１つのプローブ５２２にまとめられ、第１～第３励起光はプローブ５２２に備えられた共通の集光レンズを通して試料５０１に照射される。このような蛍光検出用プローブの構造は、例えば特開２００９－３６５３８号公報に記載されたものを用いることができる。
　試料５０１は、３色の励起光のそれぞれに対応した蛍光を発生する。すなわち、試料５０１は、主波長λ１ａの第１励起光の照射を受けて主波長λ１ｂ（λ１ｂ＞λ１ａ）の第１蛍光を発生し、主波長λ２ａの第２励起光の照射を受けて主波長λ２ｂ（λ２ｂ＞λ２ａ）の第２蛍光を発生し、主波長λ３ａの第３励起光の照射を受けて主波長λ３ｂ（λ３ｂ＞λ３ａ）の第３蛍光を発生する。このような複数色の蛍光を発生する試料としては、例えば複数の蛍光色素で標識されたＤＮＡ組成物が挙げられる。
　蛍光検出装置５００において、第１光合分波器５０４ａは、主波長λ１ｂの第１蛍光を第１蛍光用光ファイバ５１４ａに導くよう構成され、第２光合分波器５０４ｂは、主波長λ２ｂの第２蛍光を第２蛍光用光ファイバ５１４ｂに導くよう構成され、第３光合分波器５０４ｃは、主波長λ３ｂの第３蛍光を第３蛍光用光ファイバ５１４ｃに導くよう構成されている。従って、第１～第３光検出器５０５ａ～５０５ｃには、それぞれλ１ｂ、λ２ｂ、λ３ｂを主波長とする蛍光が入射する。
　ここで、あるチャンネルの励起光の波長帯域と他のチャンネルの蛍光の波長帯域に少なくとも部分的に重なりがある場合、あるチャンネルの光検出器に他のチャンネルの励起光が入射する可能性がある。例えば第２チャンネルの第２励起光の波長帯域と第１チャンネルの第１蛍光の波長帯域に少なくとも部分的に重なりがある場合、プローブ５２２の集光レンズの端面や試料５０１の表面等で一部反射した第２チャンネルの第２励起光が第１チャンネルの第１光検出器５０５ａに入射する可能性がある。従って、本来検出すべき蛍光と不要な励起光とを分離する必要がある。
　図６は、信号検出回路の構成を説明するための図である。ここでは、第１チャンネルの第１信号検出回路５０６ａを示しているが、他の２つのチャンネルの信号検出回路も基本的に同じ構成である。
　上述したように、第１信号検出回路５０６ａは、第１ＩＶアンプ５０７ａと、第１外光検出回路５０８ａと、第１減算回路５０９ａと、第１アナログスイッチ５１０ａと、第１直流変換回路５１１ａとを備える。
　図６に示すように、第１外光検出回路５０８ａは、抵抗Ｒと、サンプル＆ホールド回路６００とから構成される。サンプル＆ホールド回路６００は、スイッチ６０１と、コンデンサ６０２と、バッファアンプ６０３とから構成される。抵抗Ｒの一方の端子は第１ＩＶアンプ５０７ａの出力端子に接続され、他方の端子はスイッチ６０１の一方の端子に接続される。スイッチ６０１の他方の端子はコンデンサ６０２の一方の端子が接続され、コンデンサ６０２の他方の端子は接地される。また、スイッチ６０１の他方の端子はバッファアンプ６０３の入力端子に接続される。スイッチ６０１は、パルス発生回路５２０（図５参照）からの外光検出用パルスＣＬ４によりオン・オフを制御される。
　第１減算回路５０９ａは、オペアンプから構成される。第１減算回路５０９ａの２つの入力端子には、第１ＩＶアンプ５０７ａの出力端子と、サンプル＆ホールド回路６００の出力、すなわちバッファアンプ６０３の出力端子が接続され、前記第１ＩＶアンプ５０７ａの出力信号から前記サンプル＆ホールド回路６００の出力信号が差し引かれる。
　第１減算回路５０９ａの出力端子は、第１アナログスイッチ５１０ａの一方の入力端子Ａに接続される。第１アナログスイッチ５１０ａの他方の入力端子Ｂは接地される。第１アナログスイッチ５１０ａは、パルス発生回路５２０からの第１点滅パルスＣＬ１に同期して入力端子ＡとＢとが切り替えられる。
　図６に示すように、第１直流変換回路５１１ａは、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６０４と、反転・非反転アンプ（反転増幅動作と非反転増幅動作を切り替え可能なアンプ）６０５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０９から構成される。反転・非反転アンプ６０５は、反転アンプ６０６と、非反転アンプ６０７と、スイッチ６０８から構成される。ハイパスフィルタ６０４の入力端子には第１アナログスイッチ５１０ａの出力端子が接続される。ハイパスフィルタ６０４の出力端子は、反転アンプ６０６の入力端子と非反転アンプ６０７の入力端子に接続される。反転アンプ６０６の出力端子はスイッチ６０８の一方の入力端子に接続され、非反転アンプ６０７の出力端子はスイッチ６０８の他方の入力端子に接続される。スイッチ６０８の出力端子はローパスフィルタ６０９に接続される。スイッチ６０８は、パルス発生回路５２０からの第１点滅パルスＣＬ１に同期してオン・オフを制御される。そして、ローパスフィルタ６０９の出力端子から、第１信号検出回路５０６ａの出力信号が出力される。
　図７は、各チャンネルの光源の発光タイミングと、それらによって第１チャンネルの第１ＩＶアンプに発生する出力信号の波形を示す。本実施形態では、パルス発生回路５２０は、３つの光源に対し点滅パルスを１パルスずつ順番に供給することで、３つの光源を１パルスずつ順番に点滅（オン・オフ）させる。すなわち、まず第１光源５０２ａに対して第１点滅パルスＣＬ１を供給して第１励起光を１パルス出射させ、その後第２光源５０２ｂに対して第２点滅パルスＣＬ２を供給して第２励起光を１パルス出射させ、その後第３光源５０２ｃに対して第３点滅パルスＣＬ３を供給して第３励起光を１パルス出射させる。
　外光検出用パルスＣＬ４は、各光検出器で受光した光信号および各ＩＶアンプの出力信号の中に含まれる外光成分を検出するために用いる。なお、ここでは外光成分と表現しているが、この中には光検出器の暗電流やＩＶアンプのオフセット信号等、いわゆるベースラインの発生要因となる成分も含まれる。外光検出用パルスＣＬ４は、第１点滅パルスＣＬ１、第２点滅パルスＣＬ２および第３点滅パルスＣＬ３とは異なるタイミングで発生される。すなわち、外光検出用パルスＣＬ４は、第１点滅パルスＣＬ１、第２点滅パルスＣＬ２および第３点滅パルスＣＬ３全てオフとなっている期間にオンされる。なお、第１点滅パルスＣＬ１、第２点滅パルスＣＬ２、第３点滅パルスＣＬ３および外光検出用パルスＣＬ４は、同じ周期を有する。
　図７に示すように、第１チャンネルの第１ＩＶアンプ５０７ａの出力信号は、第１励起光によって発生した第１蛍光、第２励起光の反射光、第３励起光の反射光、および外光成分が合成されたものになっている。ただし、励起光の反射光は、第１蛍光の波長帯域と重なる部分が無い場合は第１光合分波器５０４ａでカットされてしまうため、必ずしも第２励起光と第３励起光の反射光の両方ともが現れるとは限らない。
　図６に示すように、第１ＩＶアンプ５０７ａの出力信号は二手に分けられ、一方はサンプル＆ホールド回路６００に送られて外光成分の検出が行なわれる。サンプル＆ホールド回路６００では、外光検出用パルスＣＬ４がオンの期間はコンデンサＣに信号の電荷が蓄えられ（サンプル）、外光検出用パルスＣＬ４がオフの期間はその電荷が保持（ホールド）される。外光検出用パルスＣＬ４がオンの期間の信号は、全ての光源が消灯しているため外光成分のみとなり、したがってサンプル＆ホールド回路６００の出力には外光成分が抽出された信号が現れることになる。外光成分は一定強度の場合に限らず、光源の点滅周期と比べて十分ゆっくりした周期で変動している場合でも検出可能である。通常、外光を受光した第１光検出器５０５ａの出力には外光強度に応じたショットノイズ（一種のホワイトノイズ）が含まれているが、サンプル＆ホールド回路６００のコンデンサＣと、サンプル＆ホールド回路６００直前の抵抗Ｒとで構成されるローパスフィルタでノイズが除去されることによって、外光成分の平均的な挙動を検出することができる。仮にＲ＝０Ωとしてノイズ除去を行なわない場合、コンデンサＣの両端にはノイズ電圧がそのまま現れるため、ホールドされる電圧レベル（外光検出用パルスＣＬ４がオンからオフに切り替わった瞬間の電圧レベル）が外光検出用パルスＣＬ４の周期毎に大きくばらつき、結果として検出される外光成分には大きなノイズが含まれる場合がある。
　サンプル＆ホールド回路６００で検出された外光成分は、次の第１減算回路５０９ａにおいて元の第１ＩＶアンプ５０７ａの出力信号から差し引かれる。続く第１アナログスイッチ５１０ａは、第１光源５０２ａの第１点滅パルスＣＬ１に同期してスイッチングされることにより、第１減算回路５０９ａの出力信号から、第１チャンネルに対応する第１蛍光のみを抽出する。すなわち、第１点滅パルスＣＬ１がオンの期間には第１アナログスイッチ５１０ａは入力端子Ａに切り替えられ、第１蛍光が抽出されて後段の回路に出力される。一方、第１点滅パルスＣＬ１がオフの期間には第１アナログスイッチ５１０ａは入力端子Ｂに切り替えられて接地されるので、後段の回路には接地電位が出力される。ここまでの動作で、蛍光信号の振幅情報を失うことなく、外光成分の除去および他のチャンネルの信号との分離が行なわれている。
　なお外光成分を、ここで行なった方法ではなく、例えば第１ＩＶアンプ５０７ａの出力信号をそのままハイパスフィルタに通すことによって除去しようとした場合や、あるいは先にチャンネル間の信号分離を行ない、その後にハイパスフィルタで除去しようとした場合には、その時点で蛍光信号の振幅情報が失われてしまうため、正しい信号検出を行なうことができない。
　図８は、第１チャンネルの蛍光信号抽出後の信号処理の様子を示す。第１アナログスイッチ５１０ａで抽出されたパルス状の信号は、第１直流変換回路５１１ａにて直流信号に変換される。第１直流変換回路５１１ａは、上述したように、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）６０４と、反転・非反転アンプ６０５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６０９から構成される。
　第１アナログスイッチ５１０ａからの出力信号は、ハイパスフィルタ６０４で直流成分が除去された後、反転・非反転アンプ６０５において第１点滅パルスＣＬ１のオン・オフのタイミングに合わせて信号増幅が行なわれる。図８に示すように、第１点滅パルスＣＬ１のデューティ比ｘがｘ＝ａ／（ａ＋ｂ）で表わされるとすると、第１点滅パルスＣＬ１がオンの時は非反転アンプ６０７によって＋１倍に、第１点滅パルスＣＬ１がオフの時は反転アンプ６０６によって－（１－ｘ）／ｘ倍（デューティ比が２５％の場合は－３倍）に増幅され、結果として信号が直流に変換されることになる。なお、ここでは説明を分かりやすくするために、反転・非反転アンプ６０５は、反転アンプ６０６と非反転アンプ６０７の２つのアンプ、およびスイッチ６０８から構成されるものとしているが、同じ機能を有する回路は、１つのオペアンプとスイッチだけでも構成することができる。この場合、第１点滅パルスＣＬ１でスイッチをオン・オフすることによって、１つのオペアンプの動作を非反転増幅動作あるいは反転増幅動作に切り替えることになる（この場合のスイッチの接続位置は、図６のスイッチ６０８の接続位置とは若干異なるが、ここでは説明は省略する。）
　反転・非反転アンプ６０５において直流に変換された信号は、ローパスフィルタ６０９によってノイズが除去された後、最終的な出力が得られる。
　以上が、第１チャンネルの第１信号検出回路５０６ａの動作説明である。第２チャンネルの第２信号検出回路５０６ｂと第３チャンネルの第３信号検出回路５０６ｃについても、基本的な動作は第１チャンネルの第１信号検出回路５０６ａと同様であり、異なるのは、減算回路後段のアナログスイッチと反転・非反転アンプの切り替えスイッチが各チャンネルの点滅パルス（第２点滅パルスＣＬ２、第３点滅パルスＣＬ３）に同期して動作する、すなわち各チャンネルの点滅パルスのオン・オフのタイミングで動作する点だけである。外光成分の検出については、全てのチャンネルの光源がオフとなる期間に、全てのチャンネルで同時に行なわれる。
　本実施形態の信号検出回路はアナログ回路のみで構成することができるため、安価な光信号検出回路５３０、ひいては蛍光検出装置５００を実現できる。
　本実施形態に係る光信号検出回路５３０において、出力信号の応答時間は検出回路最終段のローパスフィルタ６０９の応答時間、つまり信号の平均化時間によって決定される。通常は、点滅パルスの数十パルス分、あるいはそれ以上のパルス数に相当する時間だけ平均化が行なわれる。この平均化処理は、図４に示したように、上述の特許文献２の光計測装置でも同様である。しかしながら、特許文献２の光計測装置では、１つのチャンネルの平均化処理が終わった後に他のチャンネルの平均化処理が行なわれるため、各チャンネルの出力信号の間には数十パルス分、あるいはそれ以上のパルス数の分だけの時間差が発生している。これに対し本実施形態では、各チャンネルの発光タイミングには１パルス分のずれしか無いため、各チャンネルの出力信号の間には１パルス分の時間差しか発生せず、実質的に全てのチャンネルの出力信号は同時に出力されると考えてよい（後述の実施例において実測結果を示す）。このように、全てのチャンネルにおいて同時進行的に信号処理されるため、特許文献２に開示された光計測装置と比べて検出時間を短くすることができる。また、外光成分の検出が全てのチャンネルで同時に行なわれるため、さらに検出時間を短くすることができる。
　さらに、本実施形態に係る光信号検出回路５３０では、各チャンネルの出力信号は連続的に出力されるため、図４に示す従来例のように各チャンネルの出力信号が不連続になるということが無い。
　また、図４に示す従来例においては以下のような問題がある。この従来例において検出する組の数をＮとした場合、全ての組を各１回ずつ検出するために必要な時間は、１組だけ検出する場合のＮ倍となる。特に、各組の検出のオン・オフの切り替わりの度に発生する立ち上がり時間と立ち下がり時間は無駄な時間となる。あるいは、これとは逆に、全組を１回ずつ検出するのに掛かるトータルの時間を、１組だけ検出する場合の検出時間と同じにするために各組の検出時間を１／Ｎにした場合、一般的に検出精度が低下する。
　このような問題を解決するために、本実施形態に係る光信号検出回路５３０では、各チャンネルの点滅パルスの周期を、検出するチャンネルが１つだけの場合の点滅パルスの周期と同じにし、さらに検出回路最終段のローパスフィルタの応答時間を、検出するチャンネルが１つだけの場合と同じにする。また、光源（励起光）の出力パワーのピーク値を、点滅パルスのデューティ比が小さくなった分だけ増加させる。例えば、３チャンネル検出時の点滅パルスのデューティ比を２５％とした場合、検出するチャンネルが１つだけの場合の点滅パルスのデューティ比は通常５０％であるため、点滅パルスのデューティ比を２５％とした場合における光源（励起光）の出力パワーのピーク値は、点滅パルスのデューティ比を５０％とした場合よりも増加させることができる（この場合、典型的には出力パワーのピーク値を２倍に増加できるが、使用する光源によっては多少異なる場合がある）。
　これは以下の理由による。各チャンネルの点滅パルスの周期を、検出するチャンネルが１つだけの場合の点滅パルスの周期と同じにし、さらに検出回路最終段のローパスフィルタの応答時間を、検出するチャンネルが１つだけの場合と同じにすると、出力信号の応答時間は両者で同じとなる。一方、点滅パルスのデューティ比が小さくなると通常は検出精度が低下するが、光源（励起光）の出力パワーのピーク値を点滅パルスのデューティ比が小さくなった分だけ増加させることができるため、検出するチャンネルが１つだけの場合と同等の検出精度で検出できる、あるいは検出精度の低下を最小限に抑えることができる。
　次に、本発明の実施例について説明する。図９は、本発明の第１実施例に係る光信号検出回路を適用した蛍光検出装置を示す。図９に示す第１実施例において、図５に示す実施形態と同一又は対応する構成要素については同一の符号を付すとともに、対応する説明は適宜省略する。
　図９に示す蛍光検出装置５００は３チャンネルの蛍光検出装置であり、その全体構成は図５に示す実施形態と基本的に同じである。第１チャンネルの第１光源５０２ａは青色ＬＥＤであり、第１励起光の主波長は４７０ｎｍである。第２チャンネルの第２光源５０２ｂは緑色ＬＥＤであり、第２励起光の主波長は５３０ｎｍである。第３チャンネルの第３光源５０２ｃは赤色ＬＥＤであり、第３励起光の主波長は６３０ｎｍである。また、第１蛍光の主波長は５３０ｎｍであり、第２蛍光の主波長は６３０ｎｍであり、第３蛍光の主波長は６８０ｎｍである。各チャンネルの光検出器にはＰＤ（フォトダイオード）を用いた。
　各チャンネルの信号検出回路５０６ａ，５０６ｂ，５０６ｃは、図５および図６と同様の構成である。ＩＶアンプには低ノイズタイプのオペアンプを用いたが、必要に応じて任意のアンプを用いることができる。外光成分検出回路のサンプル＆ホールド回路を構成する素子には、汎用のアナログスイッチとコンデンサＣ、そしてバッファアンプとして汎用のオペアンプを用いた。バッファアンプには任意のアンプを用いることができるが、低オフセット電圧および低オフセット電流のオペアンプが望ましい。サンプル＆ホールド回路のコンデンサＣと同回路直前の抵抗Ｒとで構成されるローパスフィルタの時定数τ（＝Ｒ×Ｃ）は１０ｍｓに設定した。
　減算回路には汎用のオペアンプを用いたが、低オフセット電圧および低オフセット電流タイプのオペアンプの使用が望ましい。アナログスイッチは汎用タイプを使用した。ハイパスフィルタは抵抗ＲとコンデンサＣで構成し、時定数τ（＝Ｒ×Ｃ）は１５ｍｓに設定した。直流変換回路の反転・非反転アンプには汎用のオペアンプを用いたが、低オフセット電圧および低オフセット電流タイプのオペアンプの使用が望ましい。最後のローパスフィルタは、汎用のオペアンプ、抵抗Ｒ、およびコンデンサＣによって構成される４次のベッセル型ローパスフィルタとした。このローパスフィルタは信号検出回路の応答時間を決定するが、ステップ応答における応答時間（ここでは、ステップ状の入力信号を加えてから出力信号が最終値の９０％のレベルに達するまでの時間とした）は約０．１８ｓである。
　図１０は、第１実施例における点滅パルスおよび外光検出用パルスの波形を示す。各パルスの周期は約９．０９ｍｓ（周波数１１０Ｈｚ）、デューティ比は約１５％である。各パルスのオン・オフのタイミングは図１０に示す通りである。パルス間には図示のような時間間隔を設けているが、これはＩＶアンプの応答の時間遅れによって各チャンネルの信号間に重なりが発生することを避けるためである。パルス間隔は、ＩＶアンプの出力信号波形を観測することによって、実験的に決定することができる。なお、パルスの周期は全ての点滅パルスおよび外光検出用パルスで同じ値に設定する必要があるが、パルスのオン時間（あるいはデューティ比）やパルス間隔は必ずしも同じ値にする必要は無い。各ＬＥＤの出力パワーは、使用した素子の仕様にしたがって決定し、具体的にはデューティ比５０％（１チャンネル検出時のデューティ比）の場合の約１．７倍に設定した。
　以下、第１実施例に係る３チャンネルの蛍光検出装置５００の信号検出性能を示す。ここでは、測定試料として３種類の蛍光色素、ＦＩＴＣ（青励起用）、Ｒｅｓｏｒｕｆｉｎ（緑励起用）およびＣｙ５（赤励起用）を任意の濃度で混ぜ合わせた混合液を用いた。
　図１１は、上記の３色素混合液を測定試料とした時のステップ応答波形を示す。これは、図１０に示すパルスを印加し始めた時間をゼロとし、そこからの各チャンネルの出力信号変化を測定したものである。図示のように、全てのチャンネルの検出信号が、約０．１８ｓの応答時間で同時に、かつ連続的に出力されていることが分かる。
　次に、１つのチャンネルだけを検出する場合と３チャンネルを同時に検出する場合の検出精度を比較した。１チャンネルだけの検出を行なう際には、図９の蛍光検出装置５００において、第１チャンネルの点滅パルスＣＬ１のデューティ比を５０％、ＬＥＤ出力パワーを３チャンネル検出時の約１／１．７に設定するとともに、第２チャンネルおよび第３チャンネルが動作しないように、ＬＥＤ点滅パルスＣＬ２とＣＬ３をオフにした状態で測定した。その結果、同じ試料を測定した場合、３チャンネル同時検出時の出力信号のＳＮ比は、１チャンネル検出時と比べて僅か１２％程度低いだけであり、ほぼ同等の検出性能を示した。
　以上のように、第１実施例は、各チャンネルの検出信号が連続的に得られ、かつ全てのチャンネルの検出信号が同時に得られるという利点を有する。また、３チャンネルを同時に検出する場合の検出精度を、同じ検出時間で１つのチャンネルだけを検出する場合の検出精度とほぼ同等にすることができる。
　上述の第１実施例では各チャンネルの光源としてＬＥＤを用いたが、ＬＥＤに代えて半導体レーザ等を用いてもよい。また、第１実施例では各チャンネルの光検出器としてＰＤを用いたが、ＰＤに代えてアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）等を用いてもよい。
　第１実施例では、光検出器（ＰＤ）の後段にＩＶアンプを設けたが、光検出器の中にＩＶアンプが組み込まれている場合はＩＶアンプを別途設ける必要は無い。
　第１実施例では、外光成分検出回路としてサンプル＆ホールド回路とローパスフィルタで構成される回路を示したが、ＡＤコンバータ等によるサンプリング回路を用いてもよい。
　なお、暗室等、外光成分が無視できる環境で測定する場合には、外光成分検出回路および減算回路は省略することができる。
　第１実施例では３チャンネルの光信号を検出する場合を説明したが、検出するチャンネル数には特に制限は無い。
　図１２は、変形例に係る蛍光検出装置５００を説明するための図である。図１２において、信号検出回路等の図示は省略されている。図９に示す第１実施例では３チャンネルのプローブ５２２は共通であったが、図１２の本変形例に示すように、各チャンネルごとに別々のプローブを備えてもよい。すなわち、第１チャンネルが第１プローブ５２２ａを備え、第２チャンネルが第２プローブ５２２ｂを備え、第３チャンネルが第３プローブ５２２ｃを備える構成としてもよい。なお、第１プローブ５２２ａ、第２プローブ５２２ｂ、第３プローブ５２２ｃによって測定される箇所が図１２のように試料上の同一点である場合だけでなく、測定箇所が離れていても各チャンネルの励起光が相互に影響を及ぼす場合には、本実施例の光信号検出回路は有効である。
　図１３は、別の変形例に係る蛍光検出装置５００を説明するための図である。図１３において、信号検出回路等の図示は省略されている。また、図１３では１チャンネルの蛍光検出用光学ユニットのみ図示している。図９に示す第１実施例では、各チャンネルは１本の光ファイバを用いて励起光と蛍光を導光しているが、励起光と蛍光を別々の光ファイバで導光する構成としてもよい。すなわち、本変形例では、光源５０２からプローブ５２２に励起光を励起光導光用光ファイバ５１３＿１で導光し、プローブ５２２から光検出器５０５に蛍光を蛍光導光用光ファイバ５１３＿２で導光している。この場合、光源５０２と励起光導光用光ファイバ５１３＿１との間に励起光用フィルタ５０４＿１を設け、蛍光導光用光ファイバ５１３＿２と光検出器５０５との間に蛍光用フィルタ５０４＿２を設けることが好ましい。
　第１実施例に係る光信号検出回路５３０は、被検出物に光信号を照射し、該被検出物からの応答光信号を検出する方式の光計測装置であれば、蛍光検出装置だけでなく、様々な装置に適用することができる。例えば、第１実施例に係る光信号検出回路５３０は、図２に示すような生体の頭部に照射した光の透過光を検出する装置にも用いることができる。さらには、第１実施例に係る光信号検出回路５３０は、遺伝子解析装置等の生体関連計測装置に限られず、様々な多チャンネル光計測装置に適用することができる。
　透過光を検出する光計測装置においては、光源からの光信号を被検出物に照射する照射プローブと、該被検出物からの応答光信号を検出して光検出器に出力する検出プローブと、を別々に設けてもよい。
　図１４は、本発明の第２実施例に係る光信号検出回路を適用した蛍光検出装置を示す。図１４に示す第２実施例において、図５に示す実施形態と同一又は対応する構成要素については同一の符号を付すとともに、対応する説明は適宜省略する。
　図１４に示す蛍光検出装置５００もまた、図９に示す第１実施例と同様に３チャンネルの蛍光検出装置である。本第２実施例では、各チャンネルのプローブ（第１プローブ５２２ａ、第２プローブ５２２ｂ、第３プローブ５２２ｃ）が独立となっており、光検出器５０５（ここではＰＭＴ（光電子増倍管）を使用）が全チャンネルで共通となっている。
　測定する試料が各チャンネル別々の場合（第１試料５０１ａ、第２試料５０１ｂ、第３試料５０１ｃ）、あるいは同一の場合でもプローブの設置間隔に距離があって励起光の反射が相互に影響しない場合等は、蛍光を検出する光検出器５０５を共通化できる。また、信号検出回路５０６についても、ＩＶアンプ５０７から減算回路５０９までを全チャンネルで共通化できる。
　各チャンネルの励起光および蛍光の主波長、信号検出回路の構成については図９に示す第１実施例と同じである。また、点滅パルスおよび外光検出用パルスの波形も図１０に示す第１実施例のものと同じである。さらに、各チャンネルのＬＥＤの出力パワーも第１実施例と同じにした。
　このような構成で、第１実施例と同様にステップ応答の測定を行なった結果、第１実施例の測定結果（図１１参照）と同様の結果が得られた。
　また、第１実施例と同様に、１つのチャンネルだけを検出する場合と３チャンネルを同時に検出する場合の検出精度を比較した結果、第１実施例と同様に、３チャンネル同時検出時の出力信号のＳＮ比は、１チャンネル検出時とほぼ同等であった。
　本第２実施例では、上述の第１実施例において説明した利点に加えて以下の利点を有する。本第２実施例では、光検出器５０５および信号検出回路５０６の一部を全チャンネルにおいて共通化している。従って、蛍光検出装置５００の低コスト化および小型化を図ることができる。特にＰＭＴ（光電子増倍管）のような高価な光検出器を使う場合には大きなコスト削減ができる。
　本第２実施例でも第１実施例と同様の変形例が適用できる。ここでは、第１実施例と異なる点のみを記載する。共通の光検出器５０５としては、ＰＭＴに代えて、フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）等を用いてもよい。
　また、励起光および蛍光の主波長は、それぞれ全チャンネルで同じであってもよい。また、各チャンネルの蛍光検出用光学ユニットは、図１３のように励起光導光用光ファイバと蛍光導光用光ファイバが別々となったタイプのものを用いてもよい。
　以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
　ＣＨ１　第１蛍光検出用光学ユニット、　ＣＨ２　第２蛍光検出用光学ユニット、　ＣＨ３　第３蛍光検出用光学ユニット、　５００　蛍光検出装置、　５０１　試料、　５０５　光検出器、　５０６ａ　第１信号検出回路、　５０６ｂ　第２信号検出回路、　５０６ｃ　第３信号検出回路、　５２０　パルス発生回路、　５２２　プローブ、　５３０　光信号検出回路、　６００　サンプル＆ホールド回路、　６０３　バッファアンプ、　６０４　ハイパスフィルタ、　６０５　反転・非反転アンプ、　６０９　ローパスフィルタ。
　本発明は、例えば遺伝子解析装置等の光計測装置に利用できる。

Claims (12)

  1. 　複数チャンネルの光信号を検出する光信号検出回路であって、
    　各チャンネルごとに設けられた光源と、
    　複数の前記光源に対し点滅パルスを１パルスずつ順番に供給するパルス発生回路と、
    　前記光源からの光信号に対する応答光信号を光電変換する光検出器と、
    　各チャンネルごとに設けられたスイッチであって、前記点滅パルスに同期してスイッチングされることにより前記光検出器の出力信号から各チャンネルに対応する信号を抽出するスイッチと、
    　各チャンネルごとに設けられ、各スイッチの出力信号を直流信号に変換する直流変換回路と、
    　を備えることを特徴とする光信号検出回路。
  2. 　前記光検出器と前記スイッチとの間に設けられた、外光成分を検出する外光成分検出回路と、
    　前記光検出器の出力信号から前記外光成分を差し引く減算回路と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光信号検出回路。
  3. 　前記パルス発生回路は、前記点滅パルスとは異なるタイミングで外光検出用パルスを発生し、
    　前記外光成分検出回路は、前記外光検出用パルスを用いて前記外光成分を検出するサンプル＆ホールド回路を備えることを特徴とする請求項２に記載の光信号検出回路。
  4. 　前記外光成分検出回路は、前記光検出器のショット雑音を除去するローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の光信号検出回路。
  5. 　前記直流変換回路は、前記スイッチの出力信号から直流成分を除去するハイパスフィルタと、点滅パルスのオン・オフのタイミングに合わせて反転増幅動作と非反転増幅動作とを切り替えることで前記ハイパスフィルタの出力信号を直流信号に変換する反転・非反転アンプと、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光信号検出回路。
  6. 　前記パルス発生回路は、前記点滅パルス間に時間間隔を設けることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光信号検出回路。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の光信号検出回路と、
    　前記光源からの光信号を被検出物に照射するとともに、前記被検出物からの応答光信号を検出して前記光検出器に出力するプローブと、
    　を備えることを特徴とする計測装置。
  8. 　前記プローブは、複数チャンネルに関して共通であることを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
  9. 　各チャンネルごとに別々の前記プローブを備えることを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
  10. 　各チャンネルごとに、前記光源から前記プローブに光信号を導光する第１光ファイバと、前記プローブから前記光検出器に応答光信号を導光する第２光ファイバとを備えることを特徴とする請求項９に記載の計測装置。
  11. 　前記光検出器は、複数チャンネルに関して共通であることを特徴とする請求項９または１０に記載の計測装置。
  12. 　請求項１から６のいずれかに記載の光信号検出回路と、
    　前記光源からの光信号を被検出物に照射する照射プローブと、
    　前記被検出物からの応答光信号を検出して前記光検出器に出力する検出プローブと、
    　を備えることを特徴とする計測装置。
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