(57)【要約】【課題】広いダイナミックレンジで好適に光量を測定することが可能な光量測定装置を提供する。【解決手段】受光した被測定光の光量に応じた信号として光電子増倍管１から出力される電流信号をＩ−Ｖ変換器４へと入力し、光量に対応する増幅された電圧信号へと変換し、この電圧信号を分岐して、第１出力端子４ａ及び第２出力端子４ｂからの２つの電圧信号として出力する。また、直流成分測定による光量測定に用いられる第１出力端子４ａからの電圧信号については、そのまま信号処理部６へと入力し、フォトンカウンティング測定による光量測定に用いられる第２出力端子４ｂからの電圧信号については、Ｆ−Ｖ変換部５で変換して、周波数電圧信号として信号処理部６へと入力する。【選択図】　図１
2004125626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した光量に応じた個数の光電子を放出する光電陰極、前記光電子を増倍して２次電子を発生させる電子増倍手段、及び前記２次電子を収集して電流信号として出力する陽極を有する光電子増倍管と、
前記光電子増倍管から出力された前記電流信号を電流−電圧変換し、得られた電圧信号を第１出力端子及び第２出力端子のそれぞれから出力する電流−電圧変換手段と、
前記電流−電圧変換手段の前記第２出力端子から出力された前記電圧信号を周波数−電圧変換し、得られた周波数電圧信号を出力端子から出力する周波数−電圧変換手段と、
前記電流−電圧変換手段の前記第１出力端子から出力された直流成分測定用の前記電圧信号、及び前記周波数−電圧変換手段の前記出力端子から出力されたフォトンカウンティング測定用の前記周波数電圧信号を入力し、前記光電子増倍管が受光した前記光量を測定するための所定の信号処理を行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする光量測定装置。
【請求項２】
前記電流−電圧変換手段の前記第２出力端子と、前記周波数−電圧変換手段との間に、前記電圧信号に対する分周値が可変の可変分周器を備えることを特徴とする請求項１記載の光量測定装置。
【請求項３】
前記電流−電圧変換手段の前記第１出力端子と、前記信号処理手段との間に、前記電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする請求項１または２記載の光量測定装置。
【請求項４】
前記周波数−電圧変換手段の前記出力端子と、前記信号処理手段との間に、前記周波数電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光量測定装置。
【請求項５】
前記光電子増倍管に駆動電圧を供給する電圧供給手段での分圧器として、コッククロフト回路が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電子増倍管が受光した光量を定量的に測定するための光量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、受光した光量を定量的に測定する光量測定装置として、受光した光を光電子に変換して検出する光電子増倍管を用いた装置が知られている。このような光量測定装置では、光電子増倍管が被測定光を受光すると、受光した光量に応じた個数の光電子が光電陰極から放出され、多段のダイノード電極からなる電子増倍部によって増倍された後、電流信号として陽極から出力される。そして、この電流信号を用いて、光電子増倍管が受光した光量が測定される。
【０００３】
光電子増倍管から出力される電流信号を用いる上記の光量測定における具体的な光量測定方法としては、電流信号での信号パルス数を計数することによって光量を測定するフォトンカウンティング測定による方法と、電流信号での直流成分によって光量を測定する直流成分測定による方法とが用いられている。
【０００４】
これらの測定方法のうち、フォトンカウンティング測定は、光量が少なく、個々の光電子に対応した信号パルスの識別が容易な場合に有効な測定方法である。一方、直流成分測定は、光量が多くなって個々の信号パルスの計数が困難な場合に有効な測定方法である。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−１８７５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光電子増倍管を用いた光量測定装置では、様々な条件での光量測定に対応するため、光量測定のダイナミックレンジを広くすることが好ましい。このようなダイナミックレンジの問題に対し、特公平７−１８７５７号公報（特許文献１）に記載された光量測定装置が知られている。
【０００７】
この光量測定装置では、光電子増倍管から出力される電流信号に対して、フォトンカウンティング測定用の回路と、直流成分測定用の回路とを併設している。そして、２つの回路の一方または双方から出力されたパルス信号を計数して光量を測定することによって、広いダイナミックレンジでの光量測定を可能としている。
【０００８】
ここで、上記した光量測定装置では、光電子増倍管から出力される電流信号を２つの電流信号に分岐して、フォトンカウンティング測定用及び直流成分測定用のそれぞれの回路に入力している。しかしながら、このように分岐された電流信号を用いて光量測定を行った場合、光量測定に用いる電流信号の信号強度が分岐によって小さくなる。このため、光量測定でのＳ／Ｎ比が低下するなど、光量測定の精度が劣化するという問題がある。また、光電子増倍管の出力は高インピーダンスであるので、光電子増倍管から出力された電流信号を直接に分岐すると、分岐された２つの電流信号が互いに干渉してしまう。
【０００９】
また、フォトンカウンティング測定用の回路では、電流信号での信号パルス数を計数するため、高い周波数特性が要求される。これに対して、光量測定のための回路に高速の素子を用いると、回路の消費電力、及び回路からの発熱が増大するという問題がある。
【００１０】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、広いダイナミックレンジで好適に光量を測定することが可能な光量測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明による光量測定装置は、（１）受光した光量に応じた個数の光電子を放出する光電陰極、光電子を増倍して２次電子を発生させる電子増倍手段、及び２次電子を収集して電流信号として出力する陽極を有する光電子増倍管と、（２）光電子増倍管から出力された電流信号を電流−電圧変換し、得られた電圧信号を第１出力端子及び第２出力端子のそれぞれから出力する電流−電圧変換手段と、（３）電流−電圧変換手段の第２出力端子から出力された電圧信号を周波数−電圧変換し、得られた周波数電圧信号を出力端子から出力する周波数−電圧変換手段と、（４）電流−電圧変換手段の第１出力端子から出力された直流成分測定用の電圧信号、及び周波数−電圧変換手段の出力端子から出力されたフォトンカウンティング測定用の周波数電圧信号を入力し、光電子増倍管が受光した光量を測定するための所定の信号処理を行う信号処理手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
上記した光量測定装置においては、光電子増倍管から出力される電流信号を電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換手段へと入力し、光量に対応する増幅された電圧信号へと変換する。そして、このＩ−Ｖ変換手段で生成された電圧信号を分岐して、直流成分測定に用いられる第１出力端子からの電圧信号、及びフォトンカウンティング測定に用いられる第２出力端子からの電圧信号の２つの電圧信号として出力している。
【００１３】
これにより、充分な信号強度の電圧信号を用いて光量測定を行うことができるので、良好なＳ／Ｎ比で精度良く光量を測定することが可能となる。また、Ｉ−Ｖ変換手段の出力は光電子増倍管の出力に比べてインピーダンスが低いので、分岐された２つの電圧信号が互いに干渉することが防止される。また、このような構成では、Ｉ−Ｖ変換手段として周波数特性が比較的低い素子を用いることが可能である。したがって、光量測定のための回路の消費電力、及び回路からの発熱を低減することができる。
【００１４】
また、フォトンカウンティング測定において、Ｉ−Ｖ変換手段の第２出力端子から出力された電圧信号での信号パルス数をそのまま計数するのではなく、電圧信号での信号パルスのパルス間隔を計測する周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換手段によって変換されたアナログ電圧信号である周波数電圧信号を用いて、信号パルス数を計数している。これにより、Ｉ−Ｖ変換手段からのアナログ電圧信号を用いた直流成分測定と、Ｆ−Ｖ変換手段からのアナログ電圧信号を用いたフォトンカウンティング測定とを好適に実行することができる。
【００１５】
ここで、光量測定装置は、電流−電圧変換手段の第２出力端子と、周波数−電圧変換手段との間に、電圧信号に対する分周値が可変の可変分周器を備えることが好ましい。これにより、Ｆ−Ｖ変換手段へと入力される電圧信号での信号パルス数及びパルス間隔を、可変分周器での分周値の設定によって調整することができる。
【００１６】
また、電流−電圧変換手段の第１出力端子と、信号処理手段との間に、電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする。あるいは、周波数−電圧変換手段の出力端子と、信号処理手段との間に、周波数電圧信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えることを特徴とする。これにより、Ｉ−Ｖ変換手段からの電圧信号、またはＦ−Ｖ変換手段からの周波数電圧信号を用いた光量測定を効率的に実行することができる。
【００１７】
また、光電子増倍管に駆動電圧を供給する電圧供給手段での分圧器として、コッククロフト回路が設けられていることを特徴とする。これにより、分圧器からの発熱を低減して、装置をコンパクト化、低消費電力化することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光量測定装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１９】
図１は、本発明による光量測定装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。本実施形態の測定装置は、被測定光を検出するための光検出器として光電子増倍管（ＰＭＴ）１を用いて構成された光量測定装置である。
【００２０】
図２は、図１に示した光量測定装置に用いられる光電子増倍管の一例を示す構成図である。光電子増倍管１は、図２に示すように、受光した光を光電子に変換し、受光した光量に応じた個数の光電子を放出する光電陰極１１と、光電陰極１１から放出された光電子を増倍して２次電子を発生させる電子増倍部と、増倍された２次電子を収集して電流信号として出力する陽極１２とを有する。
【００２１】
電子増倍部は、光電陰極１１と陽極１２との間に設けられた複数のダイノード電極１３１〜１３１０から構成されている。また、これらの光電陰極１１、ダイノード電極１３１〜１３１０、及び陽極１２の各電極は、それぞれ真空容器１０内の所定位置に設置されている。
【００２２】
この光電子増倍管１に対し、光電子増倍管１での各電極１１、１２、１３１〜１３１０に必要な電圧を供給するため、電圧供給部２が接続されている。電圧供給部２は、図１に示すように、所定の電圧値を有する駆動電圧を供給する高圧電源２０と、高圧電源２０から供給された駆動電圧を用いて光電子増倍管１での電極に対してそれぞれ所定の電圧を印加する分圧器３とを有する。なお、電圧供給部２における分圧器３の具体的な構成等については、後述する。
【００２３】
光電子増倍管１が受光した光量に対応する信号として陽極１２から出力された電流信号に対し、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換手段であるＩ−Ｖ変換器４が設けられている。Ｉ−Ｖ変換器４は、光電子増倍管１から出力された電流信号をＩ−Ｖ変換して、アナログ電圧信号である電圧信号を生成する。本光量測定装置においては、このＩ−Ｖ変換器４で得られた電圧信号が光量測定に用いられる。
【００２４】
Ｉ−Ｖ変換器４において生成された電圧信号は２つの電圧信号に分岐される。そして、分岐された電圧信号は、それぞれ第１出力端子４ａ、及び第２出力端子４ｂから出力される。これらの電圧信号のうち、第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、直流成分測定による光量測定に用いられる。また、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、フォトンカウンティング測定による光量測定に用いられる。
【００２５】
Ｉ−Ｖ変換器４の第１出力端子４ａ、及び第２出力端子４ｂから出力された電圧信号に対し、光電子増倍管１が受光した光量を測定するための所定の信号処理を行う信号処理手段として、信号処理部６が設けられている。Ｉ−Ｖ変換器４からの２つの電圧信号のうち、第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、直流成分測定に用いられるアナログ電圧信号として直接に信号処理部６へと入力される。
【００２６】
一方、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換手段であるＦ−Ｖ変換器を含んで構成されているＦ−Ｖ変換部５へと入力される。Ｆ−Ｖ変換部５は、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂから出力された電圧信号での信号パルスのパルス間隔を計測することによって電圧信号をＦ−Ｖ変換して、パルス間隔に対応した電圧値を有するアナログ電圧信号である周波数電圧信号を生成する。Ｆ−Ｖ変換部５において生成された周波数電圧信号は出力端子５ａから出力され、フォトンカウンティング測定に用いられるアナログ電圧信号として信号処理部６へと入力される。
【００２７】
以上の構成において、測定試料Ｓからの光などの被測定光が光電子増倍管１へと入射されると、光電子増倍管１において、受光した光量に対応する電流信号が生成されて出力される。光電子増倍管１から出力された電流信号は、Ｉ−Ｖ変換器４においてＩ−Ｖ変換され、得られた電圧信号が第１出力端子４ａ及び第２出力端子４ｂのそれぞれから出力される。
【００２８】
第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、信号処理部６へと入力されて、直流成分測定による光量測定に用いられる。この直流成分測定は、個々の信号パルスの計数が困難な光量が多い領域に対して有効な測定方法である。
【００２９】
一方、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換部５においてＦ−Ｖ変換され、得られた周波数電圧信号が出力端子５ａから出力される。そして、出力端子５ａから出力された周波数電圧信号は、信号処理部６へと入力されて、フォトンカウンティング測定による光量測定に用いられる。このフォトンカウンティング測定は、個々の光電子に対応した信号パルスの識別が容易な光量が少ない領域に対して有効な測定方法である。
【００３０】
本実施形態による光量測定装置の効果について説明する。
【００３１】
図１に示した光量測定装置では、光電子増倍管１から出力される電流信号をＩ−Ｖ変換器４へと入力し、光量に対応する増幅された電圧信号へと変換する。そして、このＩ−Ｖ変換器４において生成された電圧信号を分岐して、直流成分測定に用いられる第１出力端子４ａからの電圧信号、及びフォトンカウンティング測定に用いられる第２出力端子４ｂからの電圧信号の２つの電圧信号として出力している。
【００３２】
これにより、光電子増倍管１から出力された電流信号を直接に分岐して用いる場合に比べて、充分な信号強度の電圧信号を用いて光量測定を行うことができるので、良好なＳ／Ｎ比で精度良く光量を測定することが可能となる。また、光量が多い領域での直流成分測定による光量測定と、光量が少ない領域でのフォトンカウンティング測定による光量測定とを併用することにより、全体としての光量測定のダイナミックレンジを広くすることができる。
【００３３】
また、Ｉ−Ｖ変換器４としては、例えばアナログ用のオペアンプなどが用いられるが、このようなＩ−Ｖ変換器４の出力は、光電子増倍管１の出力に比べてインピーダンスが低い。したがって、分岐された２つの電圧信号が互いに干渉することが防止される。
【００３４】
また、このような構成においては、光電子増倍管１からの電流信号が入力されるＩ−Ｖ変換器４として、周波数特性が比較的低い素子を用いることが可能である。したがって、光量測定のための回路の消費電力、及び回路からの発熱が低減される。
【００３５】
すなわち、例えば上述した特公平７−１８７５７号公報に記載された光量測定装置では、光電子増倍管から出力された電流信号自体を分岐して、フォトンカウンティング測定及び直流成分測定による光量測定に用いている。このような構成では、光量が多い領域で用いられる直流成分測定において、測定可能なレンジを充分に広くすることができない。このため、光量が少ない領域におけるフォトンカウンティング測定での測定可能なレンジを、ある程度光量が多くなる領域まで広くとる必要がある。この場合、光量測定のための回路に高速の素子を用いなくてはならず、回路の消費電力、及び回路からの発熱が増大する原因となる。
【００３６】
これに対して、図１に示した光量測定装置においては、光電子増倍管１から出力された電流信号をＩ−Ｖ変換器４で変換して電圧信号とした後に、光量測定に用いている。このような構成では、フォトンカウンティング測定に要求される測定可能なレンジが狭くなるので、Ｉ−Ｖ変換器４としては、周波数特性が比較的低い素子を用いることが可能となる。これにより、Ｉ−Ｖ変換器４を含む回路の消費電力、及び回路からの発熱を低減することができる。
【００３７】
また、被測定光の検出に用いられている光電子増倍管は、熱によってその特性が変動する。特に、アナログ信号の強度等は熱の影響を受けやすく、温度が上昇することによって光電子増倍管の感度が変動し、かつ、暗電流が増大する。したがって、フォトンカウンティング測定が用いられる領域と、アナログ信号の直流成分測定が用いられる領域とを正確につなぐためには、このような光電子増倍管の温度変化による特性の変動を低く抑えることが必要である。これに対して、上述したように回路からの発熱を低減することにより、光電子増倍管の特性の変動を抑制することができる。
【００３８】
また、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂから出力された電圧信号を用いて行われるフォトンカウンティング測定について、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号での信号パルス数をそのまま計数するのではなく、電圧信号での信号パルスのパルス間隔を計測するＦ−Ｖ変換器を含むＦ−Ｖ変換部５によって変換されたアナログ電圧信号である周波数電圧信号を用いて、信号パルス数を計数している。
【００３９】
これにより、Ｉ−Ｖ変換器４の第１出力端子４ａから出力されたアナログ電圧信号を用いた直流成分測定と、Ｆ−Ｖ変換部５の出力端子５ａから出力されたアナログ電圧信号を用いたフォトンカウンティング測定とを好適に実行することができる。特に、フォトンカウンティング測定が用いられる領域においても、信号パルス数を一定時間計数するのではなく、パルス間隔によって周波数電圧信号を生成しているので、比較的速い計測が可能である。
【００４０】
ここで、光電子増倍管１が受光した光量を測定するための信号処理を行う信号処理部６の構成については、様々な構成を用いることができる。具体的には、例えば、信号処理部６において、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号及びＦ−Ｖ変換部５からの周波数電圧信号を用いて光量を算出し、得られた光量値を出力する構成を用いることができる。このような場合、算出された光量値を表示するための表示装置（表示部）６６を設ける構成としても良い。また、このような表示装置６６では、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号、あるいはＦ−Ｖ変換部５からの周波数電圧信号などを表示しても良い。
【００４１】
あるいは、信号処理部６において、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号及びＦ−Ｖ変換部５からの周波数電圧信号のうちで、所定の電圧信号を選択して出力する構成を用いることができる。このような場合、出力された電圧信号を計測するための計測装置（計測部）６７を設ける構成としても良い。
【００４２】
また、光電子増倍管１に駆動電圧を供給する電圧供給部２での分圧器３としては、コッククロフト回路を用いることが好ましい。コッククロフト回路を用いた分圧器３は、図２に示すように、直列に接続されたダイオードに対し、その接続点に１つおきに、各々の側にコンデンサを１つずつ直列に積み重ねた構成となっており、その一方側の各接続点に、光電陰極１１と、光電陰極１１及び陽極１２の間に設けられたダイオード電極１３１〜１３１０とのうちの対応する電極が接続されている。また、図２の構成では、光電陰極１１、ダイオード電極１３１、１３５、及び１３７に対して、アースとの間にそれぞれコンデンサが付加されている。このような構成により、各電極に対して、光電陰極１１から陽極１２へ向けて順次変化する所定の電圧が印加される。
【００４３】
例えば、フォトンカウンティング測定用の回路を光量測定に用いる場合、光電子増倍管での分圧器などの駆動回路には、一般にブリーダが用いられる。この場合、ブリーダ自体が発熱源となってしまうために、装置のコンパクト化が困難となる。これに対して、分圧器３としてコッククロフト回路を用いることにより、分圧器３からの発熱を低減して、装置をコンパクト化、低消費電力化することが可能となる。
【００４４】
また、このような構成において、分圧器３へと駆動電圧を供給する高圧電源２０において高周波数（例えば３００ｋＨｚ以上）の発振周波数を設定し、光電子増倍管１から出力される信号を変調することが好ましい。これにより、信号出現点を限定させることができ、光量測定を好適に行うことができる。
【００４５】
図３は、図１に示した光量測定装置の具体的な構成例を示す斜視図である。この光量測定装置９では、光電子増倍管１や信号処理部６などの装置の各構成要素が、外部からの光を遮蔽する筐体９０内に設置されている。
【００４６】
また、筐体９０内には、光電子増倍管１に対して所定位置に設置される測定試料Ｓに対して、試料Ｓを励起するための励起用光源９１、試料Ｓからの光を光電子増倍管１へと反射させるリフレクタ９２、試料Ｓからの光を光電子増倍管１へと入射させるための開口を有するアパーチャ９３、及びアパーチャ９３での開口の開閉を制御するシャッター９４等が設置されている。また、筐体９０の前面には、本光量測定装置９において行われる光量測定に関して必要な情報を表示する表示部６６、及び光量測定を操作する操作部６８が設けられている。
【００４７】
このような構成により、図１に示した光量測定装置を好適に実現することができる。また、これ以外にも、様々な構成を用いることが可能である。
【００４８】
図１に示した光量測定装置の構成について、より具体的な実施形態とともにさらに説明する。
【００４９】
図４は、光量測定装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の光量測定装置は、図１に示した実施形態と同様に、光電子増倍管１、電圧供給部２、Ｉ−Ｖ変換器４、Ｆ−Ｖ変換部５、及び信号処理部６を備えて構成されている。
【００５０】
Ｉ−Ｖ変換器４は、並列に接続された増幅器４１及び抵抗４２から構成されている。このＩ−Ｖ変換器４は、光電子増倍管１から出力された電流信号をＩ−Ｖ変換し、電圧信号を生成する。生成された電圧信号は２つの電圧信号に分岐される。そして、分岐された電圧信号は、それぞれ第１出力端子４ａ、及び第２出力端子４ｂから出力される。
【００５１】
Ｉ−Ｖ変換器４の出力端子４ａ、４ｂから出力された電圧信号に対し、信号処理部６が設けられている。本実施形態における信号処理部６は、光量測定に必要な信号処理、演算等を行うＣＰＵ６０を有して構成されている。Ｉ−Ｖ変換器４からの２つの電圧信号のうち、第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器４８によってデジタル信号に変換された後、信号処理部６のＣＰＵ６０へと入力される。ＣＰＵ６０は、Ａ／Ｄ変換器４８からのデジタル信号を用いて、直流成分測定による光量測定に必要な信号処理を実行する。
【００５２】
一方、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換手段であるＦ−Ｖ変換器５０を含むＦ−Ｖ変換部５へと入力される。Ｆ−Ｖ変換器５０は、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂから出力された電圧信号をＦ−Ｖ変換し、周波数電圧信号を生成する。Ｆ−Ｖ変換器５０の出力端子５ａから出力された周波数電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器５８によってデジタル信号に変換された後、信号処理部６のＣＰＵ６０へと入力される。ＣＰＵ６０は、Ａ／Ｄ変換器５８からのデジタル信号を用いて、フォトンカウンティング測定による光量測定に必要な信号処理を実行する。
【００５３】
本実施形態におけるＦ−Ｖ変換部５は、Ｆ−Ｖ変換器５０に加えて、波形整形器５１、及び可変分周器５２を有している。また、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂと、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１との間には、コンパレータ４５が設けられている。
【００５４】
コンパレータ４５の一方の入力端子には、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂからの電圧信号が入力されている。また、コンパレータ４５の他方の入力端子には、基準電圧供給部４６から供給された基準電圧が入力されている。コンパレータ４５は、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号と基準電圧とを比較し、基準電圧以上の電圧値を有する電圧信号パルスを、Ｆ−Ｖ変換部５へと通過させる。これにより、暗電流などに起因するノイズの電圧信号パルスが除去される。
【００５５】
コンパレータ４５を通過した電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１へと入力される。波形整形器５１は、電圧信号を波形整形した後、可変分周器５２へと出力する。可変分周器５２は、電圧信号に対する分周値が可変に設定可能に構成された分周器である。可変分周器５２は、波形整形器５１から入力された電圧信号を設定された分周値によって分周して、Ｆ−Ｖ変換器５０へと出力する。
【００５６】
なお、電圧供給部２による光電子増倍管１への電圧の供給、可変分周器５２での電圧信号の分周値の設定等は、信号処理部６のＣＰＵ６０によって制御されている。
【００５７】
本実施形態による光量測定装置においては、Ｆ−Ｖ変換器５０の前段に、可変分周器５２を設けている。これにより、Ｆ−Ｖ変換器５０へと入力されるＩ−Ｖ変換器４からの電圧信号での信号パルス数及びパルス間隔を、その分周値の設定によって調整することができるので、より広いレンジでのフォトンカウンティング測定が可能となる。
【００５８】
このような構成では、最も光量が小さい場合には、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号を可変分周器５２で分周しない設定とする。そして、光量の大きさに対応して、可変分周器５２での分周値を適宜設定する。これにより、例えば、Ｉ−Ｖ変換器４から出力される電圧信号で１０ｋｃｐｓ程度までは、測定可能となる。
【００５９】
また、例えば、Ｉ−Ｖ変換器４において、フルスケールを数μＡ（好ましくは２〜３μＡに対して出力４〜５Ｖ）に設定した場合、フォトンカウンティング測定において信号パルス数が１０ｋｃｐｓとなるレベルは、直流成分測定では、数１０ｍＶレベルである。このような例では、フォトンカウンティング測定、及び直流成分測定を合わせて、６桁程度のダイナミックレンジでの光量測定が可能である。
【００６０】
また、Ｉ−Ｖ変換器４と信号処理部６との間、及びＦ−Ｖ変換器５０と信号処理部６との間に、それぞれＡ／Ｄ変換器４８、５８を設けている。これにより、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号、またはＦ−Ｖ変換器５０からの周波数電圧信号を用いた光量測定を効率的に実行することができる。
【００６１】
特に、直流成分測定及びフォトンカウンティング測定による光量測定に、Ｉ−Ｖ変換器４及びＦ−Ｖ変換器５０からのアナログ電圧信号を用い、かつ、これらのアナログ電圧信号をＡ／Ｄ変換器４８、５８によってＡ／Ｄ変換して、ＣＰＵ６０に取り込んでいる。このような構成では、電圧信号での信号パルス数をそのまま計数する構成に比べて、直流成分測定とフォトンカウンティング測定との切り換えが容易であり、光量測定のミスが生じにくい。したがって、光電子増倍管１で受光した光量の大きさ及びその変化にかかわらず、光量を精度良く確実に測定することができる。
【００６２】
図５は、光量測定装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の光量測定装置は、図１に示した実施形態と同様に、光電子増倍管１、電圧供給部２、Ｉ−Ｖ変換器４、Ｆ−Ｖ変換部５、及び信号処理部６を備えて構成されている。
【００６３】
Ｉ−Ｖ変換器４は、並列に接続された増幅器４１及び抵抗４２から構成されている。このＩ−Ｖ変換器４は、光電子増倍管１から出力された電流信号をＩ−Ｖ変換し、電圧信号を生成する。生成された電圧信号は２つの電圧信号に分岐される。そして、分岐された電圧信号は、それぞれ第１出力端子４ａ、及び第２出力端子４ｂから出力される。
【００６４】
Ｉ−Ｖ変換器４の出力端子４ａ、４ｂから出力された電圧信号に対し、信号処理部６が設けられている。本実施形態における信号処理部６は、光量測定に必要な信号処理、演算等を行うＣＰＵ６０を有して構成されている。
【００６５】
Ｉ−Ｖ変換器４からの２つの電圧信号のうち、第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、さらに２つの電圧信号へと分岐される。そして、分岐された一方の電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器４８によってデジタル信号に変換された後、信号処理部６のＣＰＵ６０へと入力される。また、分岐された他方の電圧信号は、増幅器４７によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器４９によってデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ６０へと入力される。ＣＰＵ６０は、Ａ／Ｄ変換器４８、４９からのデジタル信号の一方または双方を用いて、直流成分測定による光量測定に必要な信号処理を実行する。
【００６６】
一方、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換手段であるＦ−Ｖ変換器５０を含むＦ−Ｖ変換部５へと入力される。Ｆ−Ｖ変換器５０は、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂから出力された電圧信号をＦ−Ｖ変換し、周波数電圧信号を生成する。
【００６７】
Ｆ−Ｖ変換器５０の出力端子５ａから出力された周波数電圧信号は、さらに２つの周波数電圧信号へと分岐される。そして、分岐された一方の周波数電圧信号は、Ａ／Ｄ変換器５８によってデジタル信号に変換された後、信号処理部６のＣＰＵ６０へと入力される。また、分岐された他方の周波数電圧信号は、増幅器５７によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器５９によってデジタル信号に変換された後、ＣＰＵ６０へと入力される。ＣＰＵ６０は、Ａ／Ｄ変換器５８、５９からのデジタル信号の一方または双方を用いて、フォトンカウンティング測定による光量測定に必要な信号処理を実行する。
【００６８】
本実施形態におけるＦ−Ｖ変換部５は、Ｆ−Ｖ変換器５０に加えて、波形整形器５１を有している。また、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂと、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１との間には、コンパレータ４５が設けられている。
【００６９】
コンパレータ４５の一方の入力端子には、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂからの電圧信号が入力されている。また、コンパレータ４５の他方の入力端子には、基準電圧供給部４６から供給された基準電圧が入力されている。コンパレータ４５は、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号と基準電圧とを比較し、基準電圧以上の電圧値を有する電圧信号パルスを、Ｆ−Ｖ変換部５へと通過させる。これにより、暗電流などに起因するノイズの電圧信号パルスが除去される。
【００７０】
コンパレータ４５を通過した電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１へと入力される。波形整形器５１は、電圧信号を波形整形した後、Ｆ−Ｖ変換器５０へと出力する。
【００７１】
本実施形態による光量測定装置においては、Ｉ−Ｖ変換器４と信号処理部６との間、及びＦ−Ｖ変換器５０と信号処理部６との間に、それぞれＡ／Ｄ変換器を設けている。これにより、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号、またはＦ−Ｖ変換器５０からの周波数電圧信号を用いた光量測定を効率的に実行することができる。
【００７２】
さらに、このＩ−Ｖ変換器４またはＦ−Ｖ変換器５０と、信号処理部６のＣＰＵ６０との間のＡ／Ｄ変換器について、２つのＡ／Ｄ変換器４８及び４９、Ａ／Ｄ変換器５８及び５９をそれぞれ設置するとともに、その一方について、入力される電圧信号を増幅器４７、５７によって所定の増幅率で増幅している。これにより、光量測定装置によって測定可能な光量のダイナミックレンジをさらに広くすることができる。
【００７３】
例えば、増幅器４７、５７での電圧信号の増幅率を数１０倍程度とすれば、ＣＰＵ６０に接続されているＡ／Ｄ変換器が１０ビットレベルの変換器でも、６桁以上のダイナミックレンジでの光量測定が可能である。このような構成を用いることにより、広いダイナミックレンジを有する光量測定装置を、比較的簡単かつ低コストに実現することができる。
【００７４】
なお、本実施形態においては、Ｆ−Ｖ変換部５において可変分周器を設けない構成としている。このように、可変分周器については、他の部分の回路構成等に応じて、適宜設ければ良い。
【００７５】
図６は、光量測定装置の第４実施形態の構成を示すブロック図である。本実施形態の光量測定装置は、図１に示した実施形態と同様に、光電子増倍管１、電圧供給部２、Ｉ−Ｖ変換器４、Ｆ−Ｖ変換部５、及び信号処理部６を備えて構成されている。
【００７６】
Ｉ−Ｖ変換器４は、並列に接続された増幅器４１及び抵抗４２から構成されている。このＩ−Ｖ変換器４は、光電子増倍管１から出力された電流信号をＩ−Ｖ変換し、電圧信号を生成する。生成された電圧信号は２つの電圧信号に分岐される。そして、分岐された電圧信号は、それぞれ第１出力端子４ａ、及び第２出力端子４ｂから出力される。
【００７７】
Ｉ−Ｖ変換器４の出力端子４ａ、４ｂから出力された電圧信号に対し、信号処理部６が設けられている。本実施形態における信号処理部６は、光量測定に用いる電圧信号を選択して出力するスイッチ７、及びスイッチ７の動作を制御する制御部７５を有して構成されている。
【００７８】
Ｉ−Ｖ変換器４からの２つの電圧信号のうち、第１出力端子４ａから出力された電圧信号は、さらに２つの電圧信号へと分岐される。そして、分岐された一方の電圧信号は、スイッチ７の第１入力端子７１へと入力される。また、分岐された他方の電圧信号は、増幅器４７によって増幅された後、スイッチ７の第２入力端子７２へと入力される。
【００７９】
一方、第２出力端子４ｂから出力された電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換手段であるＦ−Ｖ変換器５０を含むＦ−Ｖ変換部５へと入力される。Ｆ−Ｖ変換器５０は、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂから出力された電圧信号をＦ−Ｖ変換し、周波数電圧信号を生成する。
【００８０】
Ｆ−Ｖ変換器５０の出力端子５ａから出力された周波数電圧信号は、さらに２つの周波数電圧信号へと分岐される。そして、分岐された一方の周波数電圧信号は、スイッチ７の第３入力端子７３へと入力される。また、分岐された他方の周波数電圧信号は、増幅器５７によって増幅された後、スイッチ７の第４入力端子７４へと入力される。
【００８１】
信号処理部６のスイッチ７は、入力端子７１〜７４のうちで、出力端子７０へと接続される入力端子を切り換える。これにより、入力端子７１〜７４へと入力されている各電圧信号のうちで、光量に応じて選択された好適な電圧信号が外部へと出力される。
【００８２】
本実施形態におけるＦ−Ｖ変換部５は、Ｆ−Ｖ変換器５０に加えて、波形整形器５１を有している。また、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂと、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１との間には、コンパレータ４５が設けられている。
【００８３】
コンパレータ４５の一方の入力端子には、Ｉ−Ｖ変換器４の第２出力端子４ｂからの電圧信号が入力されている。また、コンパレータ４５の他方の入力端子には、基準電圧供給部４６から供給された基準電圧が入力されている。コンパレータ４５は、Ｉ−Ｖ変換器４からの電圧信号と基準電圧とを比較し、基準電圧以上の電圧値を有する電圧信号パルスを、Ｆ−Ｖ変換部５へと通過させる。これにより、暗電流などに起因するノイズの電圧信号パルスが除去される。
【００８４】
コンパレータ４５を通過した電圧信号は、Ｆ−Ｖ変換部５の波形整形器５１へと入力される。波形整形器５１は、電圧信号を波形整形した後、Ｆ−Ｖ変換器５０へと出力する。
【００８５】
本実施形態による光量測定装置においては、光量測定装置内にはＡ／Ｄ変換器及び信号処理用のＣＰＵ等を設けず、信号処理部６のスイッチ７を介して、適宜電圧信号を選択して外部へと出力している。光量測定装置の構成としては、このように、信号処理部６では電圧信号の選択のみを行う構成としても良い。この場合、例えば、信号処理部６からの出力を別装置である計測装置に入力して、光量測定を実行することができる。
【００８６】
例えば、図６に示した構成では、信号処理部６から出力される信号は、いずれの場合もアナログ電圧信号であり、電圧計でそのまま電圧値を読み取ることができる。また、電圧計の出力をレコーダ等についないで光量測定を行うことも可能である。これにより、広いダイナミックレンジでの光量測定を、比較的簡単かつ低コストに実行することができる。また、一定時間で信号パルス数を計数する構成に比べ、アナログ電圧信号の電圧値を測定する上記の構成によれば、電圧値が連続した変化量となるため、光量変化の測定を好適に行うことができる。
【００８７】
本発明による光量測定装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、被測定光の検出に用いられる光電子増倍管については、図２に示した構成はその一例を示すものであり、他にも様々な構成の光電子増倍管を用いることが可能である。また、例えば、各電圧信号については、必要に応じて、Ａ／Ｄ変換器の前段に積分回路（図５及び図６参照）、ローパスフィルタ、その他の回路素子を配置しても良い。
【００８８】
【発明の効果】
本発明による光量測定装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、光電子増倍管から出力される電流信号をＩ−Ｖ変換手段によって電圧信号に変換し、この電圧信号を２つに分岐して直流成分測定及びフォトンカウンティング測定に用いるとともに、フォトンカウンティング測定をＦ−Ｖ変換手段によって行う光量測定装置によれば、広いダイナミックレンジで好適に光量を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光量測定装置の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示した光量測定装置に用いられる光電子増倍管の一例を示す構成図である。
【図３】図１に示した光量測定装置の具体的な構成例を示す斜視図である。
【図４】光量測定装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図５】光量測定装置の第３実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】光量測定装置の第４実施形態の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…光電子増倍管（ＰＭＴ）、１０…真空容器、１１…光電陰極、１２…陽極、１３１〜１３１０…ダイノード電極、２…電圧供給部、２０…高圧電源、３…分圧器、４…電流−電圧（Ｉ−Ｖ）変換器、４ａ…第１出力端子、４ｂ…第２出力端子、４１…増幅器、４２…抵抗、４５…コンパレータ、４６…基準電圧供給部、４７…増幅器、４８、４９…Ａ／Ｄ変換器、５…周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換部、５ａ…出力端子、５０…周波数−電圧（Ｆ−Ｖ）変換器、５１…波形整形器、５２…可変分周器、５７…増幅器、５８、５９…Ａ／Ｄ変換器、６…信号処理部、６０…ＣＰＵ、６６…表示装置（表示部）、６７…計測装置（計測部）、６８…操作部、７…スイッチ、７０…出力端子、７１〜７４…入力端子、７５…制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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