(57)【要約】【課題】  光電子増倍管の出力信号に対するノイズ処理を調整できるとともに、カウンタによるパルス数のカウントの漏れを抑制することができる光検出装置を提供する。【解決手段】  光検出装置は、光電子増倍管（１２）と、増幅回路（２０）と、波高値判別回路（３０）と、パルス幅設定回路（４２）とを有する。光電子増倍管（１２）は、発光源（１１）からの光を光電変換して電気信号を出力する。増幅回路（２０）は、光電子増倍管（１２）の出力信号を増幅する。波高値判別回路（３０）は、増幅回路（２０）の出力信号のうち、波高値が閾値以上の出力信号を判別して出力する。閾値調整器（３１）は閾値を調整可能である。パルス幅設定回路（４２）は、予め調整されたパルス幅に基づいて、波高値判別回路（３０）の出力信号のパルス幅を伸長し、伸長後の信号を、パルス数をカウントするカウンタに出力する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光源からの光を光電変換して電気信号を出力する光電子増倍管と、
前記光電子増倍管の出力信号を増幅する増幅回路と、
前記増幅回路の出力信号のうち、波高値が閾値以上の出力信号を判別して出力する波高値判別回路と、
前記閾値を調整する閾値調整器と、
予め調整されたパルス幅に基づいて、前記波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長し、伸長後の信号を、パルス数をカウントするカウンタに出力するパルス幅設定回路と、
を有することを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記カウンタを有することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記増幅回路は、直列に接続された複数のオペアンプを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記波高値判別回路は、
前記増幅回路の出力信号と、前記閾値調整器で調整された前記閾値とを比較するコンパレータと、
前記コンパレータと接続されたＬＶＤＳレシーバと、
を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記パルス幅設定回路で伸長されるパルス幅を調整するパルス幅調整器を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトンを検出する光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微弱光を精密に計測する技術に関して、医療分野、環境分野、天文観測分野等における重要性は言を俟たない。さて、化学発光を利用した免疫分析技術において使用される従来の化学発光検出器の回路構成を図１に示す。
【０００３】
フォトンを検出するためのカウンティングユニット１は、センサモジュール２、アンプ３およびディスクリミネータ（波高弁別器）４からなる。センサモジュール２は、例えば光電子増倍管、高圧電源回路および電圧分割回路からなる。検出対象のフォトンは、カウンティングユニット１のセンサモジュール２の中の光電子増倍管を経て増幅した光電子に変換され、ついでアンプ３で増幅したパルス波形に変換される。
【０００４】
通常、このパルス波形にはフォトンに由来しない電気的ノイズ（ダークカウント）が含まれており、ディスクリミネータ４を通して所定の波高値以下の信号を切り捨てたのち、パルス波形をカウンタ５に導き測光データを得る。なお、特許文献１には、微弱光に対しては、上述したカウンティングユニット１に相当するフォトンカウンティング回路を用い、比較的強い光に対しては、フォトンに由来する直流成分を測定する回路（Ｃ−Ｐコンバータ）を用いており、光量に応じて回路を使い分けるという技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３ー１８１８２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１に示すカウンティングユニット１はパッケージ化されているため、カウンティングユニット１内のディスクリミネータ４は汎用性に欠ける。このため、光電子増倍管の感度の個体差や使用目的などを考慮して、ディスクリミネータ４の弁別処理を簡単に変更することはできない。また、ディスクリミネータ４の出力信号のパルス幅が小さいほど、カウンタ５のカウント性能によっては、カウンタ５に入力されるパルス信号の一部をカウントできないおそれがある。
【０００７】
本発明の目的は、光電子増倍管の出力信号に対するノイズ処理を調整できるとともに、カウンタによるパルス数のカウントの漏れを抑制することができる光検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光検出装置は、光電子増倍管と、増幅回路と、波高値判別回路と、閾値調整器と、パルス幅設定回路とを有する。光電子増倍管は、発光源からの光を光電変換して電気信号を出力する。増幅回路は、光電子増倍管の出力信号を増幅する。波高値判別回路は、増幅回路の出力信号のうち、波高値が閾値以上の出力信号を判別して出力する。閾値調整器は、閾値を調整可能である。パルス幅設定回路は、予め調整されたパルス幅に基づいて、波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長し、伸長後の信号を、パルス数をカウントするカウンタに出力する。
【０００９】
カウンタは、パルス幅設定回路の出力信号に基づいて、パルス数をカウントする。カウンタは、光検出装置の外部に配置したり、光検出装置に内蔵させたりすることができる。カウンタを光検出装置の外部に配置する場合には、カウンタ及び光検出装置を有線又は無線で接続すればよい。
【００１０】
増幅回路としては、直列に接続された複数のオペアンプで構成することができる。例えば、高スルーレート特性（例えば５００Ｖ／μｓ）の２つのオペアンプを直列に接続することにより、所望のゲインを確保しやすくなる。具体的には、ゲインが４倍であるオペアンプと、ゲインが６倍であるオペアンプを直列に接続すれば、増幅回路のゲインを２４倍とすることができる。
【００１１】
波高値判別回路は、互いに接続されたコンパレータ及びＬＶＤＳレシーバによって構成することができる。コンパレータは、増幅回路の出力信号と、閾値調整器で調整された閾値とを比較する。具体的には、波高値判別回路は、ＬＶＤＳ（低電圧差動信号）出力対応の高速コンパレータと、ＬＶＤＳレシーバ用のオペアンプとで構成することができる。ＬＶＤＳ対応の高速コンパレータとＬＶＤＳレシーバ用のオペアンプを使用することにより、高速なデータ伝送を可能にし、放射電磁ノイズを低減することができる。
【００１２】
本発明に係る光検出装置には、パルス幅設定回路で伸長されるパルス幅を調整するパルス幅調整器を設けることができる。パルス幅調整器を使用することにより、カウンタのカウント性能を考慮して、パルス幅を任意に変更することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、波高値判別回路が閾値を調整可能であるため、光電子増倍管の感度の個体差や使用目的などを考慮して、閾値を調整することができる。これにより、光電子増倍管の出力信号に対して、適切なノイズ処理を行うことができる。また、パルス幅設定回路が波高値判別回路の出力信号のパルス幅を伸長することにより、パルス幅設定回路の出力信号（言い換えれば、カウンタの入力信号）は、カウンタがカウントしやすい信号となるため、カウンタによるパルス数のカウントの漏れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の化学発光検出器の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本実施形態である光検出装置の回路構成を示すブロック図である。
【図３】増幅回路の入力信号の波形を示す拡大図である。
【図４Ａ】増幅回路の出力信号の波形を示す図である。
【図４Ｂ】波高値判別回路の出力信号の波形を示す図である。
【図５Ａ】増幅回路の出力信号の波形について、図４Ａよりも時間幅を拡大した図である。
【図５Ｂ】波高値判別回路の出力信号の波形について、図４Ｂよりも時間幅を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態に係る光検出装置について説明する。本実施形態の光検出装置は、フォトンを検出するものであり、図２には、本実施形態の光検出装置１０の回路構成例を示す。
【００１６】
化学発光源１１から発生したフォトンは、高圧電源１３からの電力を受けて作動する光電子増倍管１２で受光され、光電変換処理によって電気信号に変換される。光電子増倍管１２には増幅回路２０が接続されており、光電子増倍管１２の出力信号は増幅回路２０に入力される。ここで、光電子増倍管１２及び増幅回路２０の接続ラインには、終端抵抗素子１４の一端が接続されており、終端抵抗素子１４の他端は接地されている。
【００１７】
終端抵抗素子１４を用いることにより、光電子増倍管１２の出力信号の電流値を電圧値に変換することができる。このため、増幅回路２０には、光電子増倍管１２の出力信号の電圧値が入力される。図３には、増幅回路２０の入力信号の波形の拡大図を示す。図３において、縦軸は電圧値であり、横軸は時間である。図３によれば、フォトンに由来する波形（ピーク高さが略２０ｍＶを示す、ピーク幅が略２ｎｓ程度の下向きの波形）がノイズピークを含んだ状態で観測できる。
【００１８】
増幅回路２０は、入力信号（電圧値）を増幅させる。増幅回路２０で使用されるオペアンプには、高スルーレート特性（例えば５００Ｖ／μｓ）が要求されるが、ゲインが制約されてしまう。そこで、本実施形態では、増幅回路２０を２段オペアンプ（初段オペアンプ２１及び後段オペアンプ２２）の構成とすることにより、高スルーレート特性を確保しつつ、増幅回路２０のゲインも確保している。
【００１９】
初段オペアンプ２１の入力端子は、光電子増倍管１２と接続されており、初段オペアンプ２１の出力端子は、後段オペアンプ２２の入力端子と接続されている。例えば、初段オペアンプ２１のゲインを４倍とし、後段オペアンプ２２のゲインを６倍とすることにより、初段オペアンプ２１及び後段オペアンプ２２を含む増幅回路２０として、２４倍のゲインを確保できる。
【００２０】
なお、本実施形態では、２つのオペアンプ２１，２２を直列に接続しているが、これに限るものではない。具体的には、３つ以上のオペアンプを直列に接続して、増幅回路２０を構成することもできる。
【００２１】
図４Ａには、増幅回路２０の出力信号（増幅信号）を約１４μｓの時間帯においてオシロスコープで観測した波形を示す。図４Ａにおいて、縦軸は電圧値であり、横軸は時間である。本実施形態では、増幅回路２０のゲインをマイナスゲインに設定しているため、増幅回路２０の入力信号（図３参照）と、増幅回路２０の出力信号（図４Ａ参照）とでは、信号の極性（プラスマイナス）が反転し、図４Ａでは、主に上向きのピークが得られている。
【００２２】
増幅回路２０には波高値判別回路３０が接続されており、増幅回路２０の出力信号は、波高値判別回路３０に入力される。波高値判別回路３０は、入力信号のうち、閾値（電圧値）以上の信号をパルス信号として出力する。波高値判別回路３０は、閾値を調整するための閾値調整器３１と、ＬＶＤＳ（Low Voltage Differential Signaling）出力対応のコンパレータ３２と、ＬＶＤＳレシーバ用のオペアンプ３３とを有する。コンパレータ３２及びオペアンプ３３を用いることにより、コンパレータ３２及びオペアンプ３３の間で高速なデータ伝送を可能にし、放射電磁ノイズを低減することができる。なお、波高値判別回路３０は、上述したように閾値以上の信号を出力（判別）することができればよく、本実施形態で説明した回路とは異なる回路を用いることもできる。
【００２３】
コンパレータ３２の第１入力端子には、増幅回路２０（具体的には、後段オペアンプ２２）の出力端子が接続されており、増幅回路２０の出力信号がコンパレータ３２の第１入力端子に入力される。コンパレータ３２の第２入力端子には、閾値調整器３１が接続されており、閾値調整器３１で調整された閾値がコンパレータ３２の第２入力端子に入力される。コンパレータ３２は、増幅回路２０の出力信号（電圧値）と、閾値調整器３１で調整された閾値（電圧値）とを比較し、閾値以上の信号を出力する。オペアンプ３３は、コンパレータ３２の出力信号に基づいてパルス信号を生成する。
【００２４】
ここで、波高値判別回路３０から出力された信号のパルス幅は、増幅回路２０に入力された信号のピーク幅（具体的には、図３に示すピーク幅（略２ｎｓ））と同じである。このようにパルス幅が短いと、波高値判別回路３０から出力されたパルス信号を後述するカウンタ４３によってカウントするとき、カウンタ４３のカウント性能によってはパルス信号の一部をカウントできないおそれがある。
【００２５】
そこで、本実施形態では、パルス信号のカウント漏れを抑制するために、波高値判別回路３０及びカウンタ４３の間にパルス幅設定回路４２を設けている。具体的には、パルス幅設定回路４２の入力端子は、波高値判別回路３０の出力端子と接続され、パルス幅設定回路４２の出力端子は、カウンタ４３の入力端子と接続されている。
【００２６】
パルス幅設定回路４２は、波高値判別回路３０の出力信号（パルス信号）のパルス幅を設定する。ここで、パルス幅設定回路４２にはパルス幅調整器４１が接続されており、パルス幅調整器４１で調整されたパルス幅の情報がパルス幅設定回路４２に入力される。パルス幅設定回路４２は、波高値判別回路３０の出力信号のパルス幅を、パルス幅調整器４１で調整されたパルス幅に変更する。パルス幅調整器４１では、カウンタ４３のカウント性能に応じてパルス信号を漏れなくカウントできるようなパルス幅（例えば、数十ｎｓ〜１００ｎｓ、好ましくは２０ｎｓ）に調整される。本実施形態では、カウンタ４３がパルス信号を漏れなくカウントできるように、パルス幅調整器４１及びパルス幅設定回路４２によって、波高値判別回路３０の出力信号のパルス幅を伸長する。
【００２７】
パルス幅設定回路４２の出力信号（パルス信号）は、カウンタ４３に入力される。カウンタ４３は、パルス幅設定回路４２から出力されたパルス信号に基づいて、パルス数をカウントする。
【００２８】
図４Ｂには、パルス幅設定回路４２の出力信号の波形を示す。図４Ｂに示す波形では、図４Ａに示す信号のうち、閾値を超えた３本の信号のみが抽出されている。ここで、図４Ａに示す波形と図４Ｂに示す波形とは同位相である。図４Ｂでは認識できないが、図４Ｂに示す波形は、図４Ａに示す波形に対して、パルス幅が伸長されている。
【００２９】
ここで、図５Ａ及び図５Ｂには、図４Ａ及び図４Ｂに示す波形について、図４Ａ及び図４Ｂの時間軸を１０倍に拡大したときの図をそれぞれ示す。図５Ａに示す波形は、図４Ａに示す領域Ｒ１の波形に対応し、図５Ｂに示す波形は、図４Ｂに示す領域Ｒ２の波形に対応している。図５Ａに示す波形では、パルス幅（ピーク幅）が数ｎｓであるのに対して、図５Ｂに示す波形では、パルス幅（ピーク幅）が約６０ｎｓに伸長されている。このようにパルス幅（ピーク幅）を伸長することにより、カウンタ４３のカウント性能によって、パルス信号の一部をカウントできないことを抑制でき、カウント処理の精度を向上させることができる。
【００３０】
本実施形態では、図２に示すように、光検出装置１０がカウンタ４３を備えているが、これに限るものではない。具体的には、光検出装置１０の外部にカウンタ４３を設け、光検出装置１０及びカウンタ４３を有線又は無線で接続することができる。この場合には、パルス幅設定回路４２の出力信号が、有線又は無線を介して、カウンタ４３に送信される。
【符号の説明】
【００３１】
１  カウンティングユニット
２  センサモジュール
３  オペアンプ
４  ディスクリミネータ
５  カウンタ
１０  光検出装置
１１  化学発光源
１２  光電子増倍管
１３  高圧電源
１４  終端抵抗素子
２０  増幅回路
２１  初段オペアンプ
２２  後段オペアンプ
３０  波高値判別回路
３１  閾値調整器
３２  コンパレータ（ＬＶＤＳ出力対応）
３３  オペアンプ（ＬＶＤＳレシーバ）
４１  パルス幅調整器
４２  パルス幅設定回路
４３  カウンタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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