(57)【要約】【課題】ＳＳＰＤが異常動作していることをユーザに分かりやすく判断させることで、異常状態で使用され続けることを防止する。【解決手段】被写体Ｘからの光を検出するＳＳＰＤからなる光検出器２０と、光検出器２０の状態値を検出する状態値センサ２１，２２と、状態値センサ２１，２２により検出された状態値が所定の許容値範囲外である場合にその旨を報知する報知部５とを備える光検出装置３を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光を検出するＳＳＰＤからなる光検出器と、
該光検出器の状態値を検出する状態値センサと、
該状態値センサにより検出された前記状態値が所定の許容値範囲外である場合にその旨を報知する報知部とを備える光検出装置。
【請求項２】
前記状態値が、前記光検出器の近傍の温度である請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記状態値が、前記光検出器に入力されるバイアス電流である請求項１に記載の光検出装置。
【請求項４】
被写体からの光を検出するＳＳＰＤからなる光検出器と、
該光検出器からの単位時間内の出力信号を積算する積算部と、
前記光検出器に光が入射されていない状態で、前記積算部から出力される積算値が、所定の許容値範囲外である場合にその旨を報知する報知部とを備える光検出装置。
【請求項５】
前記光検出器への光の入射を遮断するシャッタを備える請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記シャッタが、前記被写体への光の入射を遮断する請求項５に記載の光検出装置。
【請求項７】
前記シャッタが、前記被写体から前記光検出器に向かう光を遮断する請求項５または請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
前記光検出器に光が入射されているか否かを表示する表示部を備える請求項４から請求項７のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項９】
レーザ光源から射出されたレーザ光を前記被写体において走査させる光走査部と、
該光走査部により前記レーザ光が走査された結果、前記被写体から戻る戻り光を検出する請求項４から請求項８のいずれかに記載の光検出装置と、
該光検出装置により検出された前記戻り光の強度と、前記光走査部による前記レーザ光の走査位置とに基づいて、前記被写体の画像を生成する画像処理部とを備える走査型顕微鏡。
【請求項１０】
前記画像処理部が、前記戻り光の前記積算値を前記戻り光の強度として前記被写体の画像を生成する請求項９に記載の走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出装置および走査型顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、量子効率が高く、暗ノイズが低い、顕微鏡の光検出器として、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＳＰＤ：Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｎａｎｏｗｉｒｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】１４  Ｄｅｃ  ２０１５  Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．２５  ＤＯＩ：１０．１３６４／ＯＥ．２３．０３２６３３  ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ  ３２６３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＳＳＰＤは、超伝導状態が不安定であったり、検出回路とのアースが一致していなかったりすると、異常動作が発生し、異常動作するときには、光が入射していない状態でのパルス（ダークパルス）が最大計数率相当で出力される。
しかしながら、正常動作時と異常動作時とでパルス形状自体は同等であるため、信号のみを見てＳＳＰＤが正常動作しているのか異常動作しているのかを判断することは困難であるという問題がある。
【０００５】
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ＳＳＰＤが異常動作していることをユーザに分かりやすく判断させることで、異常状態で使用され続けることを防止することができる光検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、被写体からの光を検出するＳＳＰＤからなる光検出器と、該光検出器の状態値を検出する状態値センサと、該状態値センサにより検出された前記状態値が所定の許容値範囲外である場合にその旨を報知する報知部とを備える光検出装置を提供する。
【０００７】
本態様によれば、ＳＳＰＤからなる光検出器が正常な超伝導状態に保たれていることにより、高量子効率かつ低暗ノイズで被写体からの光を検出することができる。この場合において、状態値センサによって光検出器の状態値が検出され、検出された状態値が所定の許容値範囲外にある場合に、報知部によりその旨が報知されるので、ＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常をユーザに報知して、異常状態で使用され続けることを防止することができる。
【０００８】
上記態様においては、前記状態値が、前記光検出器の近傍の温度であってもよい。
このようにすることで、光検出器の近傍の温度が高くなると超伝導状態から外れて、光検出器が異常状態となるので、温度の検出により、ＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常を、正しくユーザに報知することができる。
【０００９】
また、上記態様においては、前記状態値が、前記光検出器に入力されるバイアス電流であってもよい。
このようにすることで、光検出器の近傍の温度が高くなって超伝導状態から外れると、光検出器を動作させるために入力されているバイアス電流が変化するので、バイアス電流の検出により、ＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常を、正しくユーザに報知することができる。
【００１０】
また、本発明の他の態様は、被写体からの光を検出するＳＳＰＤからなる光検出器と、該光検出器からの単位時間内の出力信号を積算する積算部と、前記光検出器に光が入射されていない状態で、前記積算部から出力される積算値が、所定の許容値範囲外である場合にその旨を報知する報知部とを備える光検出装置を提供する。
【００１１】
光検出器に光が入射していない状態では、ＳＳＰＤからなる光検出器が正常状態であればダークパルスはごく微量であるのに対し、光検出器が異常状態であれば、最大計数率相当のパルスが出力される。本態様によれば、光検出器に光が入射されていない状態での光検出器からの単位時間内の出力信号の積算部による積算値の許容値範囲外である場合にその旨を報知することにより、ＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常を、正しくユーザに報知することができる。
【００１２】
上記態様においては、前記光検出器への光の入射を遮断するシャッタを備えていてもよい。
このようにすることで、シャッタの作動により光検出器への光の入射を確実に阻止して、光の未入射状態を形成し、ダークパルスによるＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常判定を精度よく行うことができる。
【００１３】
また、上記態様においては、前記シャッタが、前記被写体への光の入射を遮断してもよい。
このようにすることで、シャッタの作動により被写体への光の入射を遮断し、光検出器への光の入射をより確実に阻止して、光の未入射状態を形成し、ダークパルスによるＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常判定を精度よく行うことができる。
【００１４】
また、上記態様においては、前記シャッタが、前記被写体から前記光検出器に向かう光を遮断してもよい。
このようにすることで、シャッタの作動により被写体から光検出器に向かう光を遮断し、光検出器への光の入射をより確実に阻止して、光の未入射状態を形成し、ダークパルスによるＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常判定を精度よく行うことができる。
【００１５】
また、上記態様においては、前記光検出器に光が入射されているか否かを表示する表示部を備えていてもよい。
このようにすることで、表示部への表示により、光検出器への光の未入射状態をユーザが確認することができる。
【００１６】
また、本発明の他の態様は、レーザ光源から射出されたレーザ光を前記被写体において走査させる光走査部と、該光走査部により前記レーザ光が走査された結果、前記被写体から戻る戻り光を検出する上記いずれかの光検出装置と、該光検出装置により検出された前記戻り光の強度と、前記光走査部による前記レーザ光の走査位置とに基づいて、前記被写体の画像を生成する画像処理部とを備える走査型顕微鏡を提供する。
【００１７】
本態様によれば、光走査部の作動によりレーザ光源から射出されたレーザ光が試料において光走査されると、各走査位置から戻る戻り光が光検出器により検出されるので、各走査位置の情報と光検出器により検出された戻り光の光量とを対応づけることにより、被写体の画像を生成することができる。この場合に、ＳＳＰＤからなる光検出器が正常な超伝導状態に保たれていることにより、高量子効率かつ低暗ノイズで被写体からの戻り光を検出することができる。
【００１８】
上記態様においては、前記画像処理部が、前記戻り光の前記積算値を前記戻り光の強度として前記被写体の画像を生成してもよい。
このようにすることで、光検出器への戻り光の未入射状態では、積算値をＳＳＰＤからなる光検出器の検出異常の判定に用い、光検出器に戻り光が入射しているときには、積算値を戻り光の強度として被写体の画像を生成するために使用することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ＳＳＰＤが異常動作していることをユーザに分かりやすく判断させることで、異常状態で使用され続けることを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る光検出装置および走査型顕微鏡を示す全体構成図である。
【図２】図１の走査型顕微鏡に備えられる顕微鏡本体を示す模式図である。
【図３】図１の走査型顕微鏡に備えられる信号処理部を示すブロック図である。
【図４】図１の走査型顕微鏡の変形例を示す部分的な模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の一実施形態に係る光検出装置３および走査型顕微鏡１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る走査型顕微鏡１は、図１に示されるように、顕微鏡本体２と、本実施形態に係る光検出装置３と、顕微鏡本体２と光検出装置３とを接続する光ファイバ４と、該光検出装置３における検出異常を報知する報知部５とを備えている。
【００２２】
顕微鏡本体２は、図２に示されるように、レーザ光源６からのレーザ光を２次元的に走査するガルバノミラー（光走査部）７と、該ガルバノミラー７によって走査されたレーザ光を試料（被写体）Ｘに集光する一方、試料Ｘにおいて発生した蛍光を集光する対物レンズ８と、該対物レンズ８によって集光され、ガルバノミラー７を介して戻る蛍光をレーザ光の光路から分岐するダイクロイックミラー９とを備えている。
【００２３】
また、顕微鏡本体２には、レーザ光源６の後段に配置され、レーザ光源６からのレーザ光の試料Ｘへの照射を遮断するためのシャッタ１０、および、ダイクロイックミラー９と光ファイバ４の入射端との間に配置され、蛍光を遮断するためのシャッタ１１が設けられている。
【００２４】
光ファイバ４は、顕微鏡本体２からの蛍光の射出口２９と後述する冷凍機１８の光取り込み口３０とを結ぶマルチモードファイバである。
図中、符号１２はレーザ光源６からのレーザ光を略平行光にするコリメートレンズ、符号１３，１４は、レーザ光および蛍光をリレーする瞳投影レンズおよび結像レンズ、符号１５は集光レンズ、符号１６は共焦点ピンホール、符号１７はリレーレンズである。
【００２５】
光検出装置３は、冷凍機１８と、検出部１９とを備えている。
冷凍機１８は、図１に示されるように、内部にＳＳＰＤからなる光検出器２０を備え、該光検出器２０を極低温状態に冷却して、超伝導状態に保持するようになっている。各光検出器２０は、光取り込み口３０に入射された蛍光が図示しない光ファイバを経由して導かれることにより、入射された光の光子数に応じた電圧信号を外部に出力するようになっている。
【００２６】
検出部１９は、バイアス電流を供給する電流供給部３６と、冷凍機１８内の光検出器２０の近傍に配置され、冷凍機１８内の温度を検出する温度計（状態値センサ）２１と、光検出器２０を動作させるために電流供給部３６から光検出器２０に供給されるバイアス電流（状態値）を検出する電流計（状態値センサ）２２と、検出回路２３とを備えている。電流計２２は、光検出器２０への光子の入射により入射部分が超伝導状態から常伝導状態に変化する際の電圧変化を検出信号として出力する検出回路２３に設けられている。
電流計２２、温度計２１および検出回路２３にはＡ／Ｄ変換部２４が接続されており、検出したバイアス電流の電流値、温度および検出信号をＡ／Ｄ変換して後述する信号処理部２５に入力するようになっている。
【００２７】
報知部５は、信号処理部（画像処理部）２５と、表示部２６とを備えている。
信号処理部２５は、検出回路２３から出力されてきた検出信号（出力信号）を単位時間にわたって積算する積算部３２（図３参照。）と、積算部３２から出力された積算値を蛍光の輝度平均値として、ガルバノミラー７によるレーザ光の走査位置情報に対応づけて配列することにより、蛍光画像を生成する画像生成部２７とを備えている。画像生成部２７は生成した蛍光画像を表示部２６に出力するようになっている。
【００２８】
また、信号処理部２５は、電流計２２から出力されたバイアス電流値、温度計２１から出力された温度およびシャッタ１０，１１がレーザ光および蛍光を遮断しているときに積算部３２から出力された積算値が、それぞれの所定の許容値範囲を超えているか否かを判定する判定部２８を備えている。判定部２８は、バイアス電流値、温度および積算値の許容値範囲をそれぞれ記憶しており、入力されてきたバイアス電流値、温度および積算値のいずれかが許容値範囲を外れた場合には、その旨を表示部２６に出力するようになっている。
【００２９】
信号処理部２５は、例えば、パーソナルコンピュータ等のプロセッサである。表示部２６は、例えば、モニタである。
【００３０】
このように構成された本実施形態に係る光検出装置３および走査型顕微鏡１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る光検出装置３および走査型顕微鏡１によれば、レーザ光源６から発せられたレーザ光が、コリメートレンズ１２によって略平行光に変換され、ダイクロイックミラー９によって偏向されてガルバノミラー７に入射される。ガルバノミラー７の作動により２次元的に走査されたレーザ光は、瞳投影レンズ１３および結像レンズ１４を経由して、対物レンズ８により試料Ｘに集光される。
【００３１】
試料Ｘにおいては、レーザ光の各走査位置において蛍光物質が励起されることにより、蛍光が発生する。発生した蛍光は、対物レンズ８により集光され、結像レンズ１４、瞳投影レンズ１３およびガルバノミラー７を経由して戻る途中で、ダイクロイックミラー９を透過することにより、レーザ光の光路から分岐されて、集光レンズ１５により集光され、共焦点ピンホール１６を通過した部分が、リレーレンズ１７を経由して光ファイバ４に入射される。
【００３２】
光ファイバ４に入射した蛍光は、光ファイバ４を経由して導光され、冷凍機１８の光取り込み口３０から冷凍機１８内に配置されている光検出器２０に光ファイバ３１によって導光され、光検出器２０によって検出される。
蛍光が検出されると光検出器２０において発生した電圧変化に基づいて検出回路２３によって検出信号が生成されるので、生成された検出信号はＡ／Ｄ変換部２４を経由して信号処理部２５に入力される。
【００３３】
信号処理部２５においては、検出信号が積算部３２により積算されて得られた積算値と、レーザ光の走査位置情報とに基づいて、画像生成部２７により蛍光画像が生成され表示部２６に表示される。
この場合において、本実施形態に係る走査型顕微鏡１によれば、顕微鏡本体２から出力された蛍光が、冷凍機１８によって極低温に冷却されて超伝導状態に保持されている光検出器２０によって検出されるので、高量子効率かつ低暗ノイズで蛍光を検出することができる。
【００３４】
本実施形態に係る光検出装置３および走査型顕微鏡１においては、冷凍機１８内の光検出器２０の近傍に配置された温度計２１により、冷凍機１８内の温度が検出されるとともに、検出回路２３に設けられた電流計２２により、光検出器２０を動作させるために必要なバイアス電流が検出される。
ＳＳＰＤからなる光検出器２０を正常動作させるためには、超伝導状態に維持することが必要であるが、超伝導状態が崩れると、温度計２１により検出される温度および電流計２２により検出されるバイアス電流が所定の許容値範囲外に外れるので、判定部２８によりその旨を表示部２６に出力することにより、ユーザに報知することができる。
【００３５】
また、本実施形態に係る走査型顕微鏡１においては、レーザ光源６の後段に設けられたシャッタ１０および光ファイバ４の前段に設けられたシャッタ１１により、レーザ光および蛍光を遮断した状態で、検出回路２３から出力される検出信号の積算値が許容値範囲外に外れる場合には、最大計数率相当のダークパルスが出力されていることが分かるので、判定部２８によりその旨を表示部２６に出力することにより、ユーザに報知することができる。
光検出器２０の検出異常をユーザに分かりやすく報知することで、異常状態のまま使用され続けることを防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、顕微鏡本体２からの蛍光の射出口２９と冷凍機１８の光取り込み口３０とを光ファイバ４によって接続したが、これに代えて、ガラスロッドで接続したり、ミラーによって空気光路を経由して蛍光を光取り込み口３０に導いたりしてもよい。
また、本実施形態においては、レーザ光を遮断するシャッタ１０および蛍光を遮断するシャッタ１１の両方を設けたが、いずれか一方でもよい。
【００３７】
また、本実施形態においては、蛍光画像を表示するモニタ等の表示部２６に、温度、電流値あるいは積算値が許容値範囲外となった旨を表示することとしたが、その表示態様は任意でよい。警告メッセージとして表示してもよいし、表示の色を変化させることにより表示してもよい。また、報知部５として信号処理部２５と表示部２６とを備える場合を例示したが、報知の方法は、表示以外にもランプの点灯、点滅や警報音等の音により報知する方法、またはこれらの組合せを採用してもよい。これにより、ユーザが状態値を自身でモニタして総合判断することなしに、報知部５によりＳＳＰＤからなる光検出器２０が検出異常となった旨を認識することができるという利点がある。
【００３８】
また、本実施形態においては、光の未入射状態の光検出器２０からの検出信号によって検出異常を判断する場合に、シャッタ１０，１１によってレーザ光または蛍光を遮断することとしたが、シャッタ１０，１１の開閉状態を表示することによって、光未入射状態であるか否かをユーザに知らせることにしてもよい。また、図４に示されるように、例えば、リレーレンズ１７の間に挿脱可能なミラー３３を挿入することによって、試料Ｘからの蛍光を他の光検出器３４に導いて検出し、光未入射状態であるか否かを確認することにしてもよい。符号３５は蛍光に含まれるレーザ光を遮断するバリアフィルタである。他の光検出器３４としては、光電子増倍管（ＰＭＴ）等の公知の任意の光検出器を用いることができる。
【００３９】
また、許容値範囲は、ユーザが任意に設定することができることにしてもよい。
また、検出異常か否かを判定するタイミングは、必要によりまたは定期的に、手動あるいは自動で、あるいは撮影時のみに自動で実施することにしてもよい。また、検出異常出力のリセットは、手動であるいは定期的に自動で実施することにしてもよい。
【００４０】
また、本実施形態においては、光検出装置３を走査型顕微鏡１に用いた例を説明したが、これに代えて、任意の観察装置に用いることにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  走査型顕微鏡
３  光検出装置
５  報知部
７  ガルバノミラー（光走査部）
１０，１１  シャッタ
２０  光検出器
２１  温度計（状態値センサ）
２２  電流計（状態値センサ）
２５  信号処理部（画像処理部）
２６  表示部
３２  積算部
Ｘ  試料（被写体）
【図１】
2018072510.tif 000003
【図２】
2018072510.tif 000004
【図３】
2018072510.tif 000005
【図４】
2018072510.tif 000006