(57)【要約】フォトン到達時間検出はフォトカソード（４）の形態を備え、該フォトカソード（４）からフォトエレクトロンが、入射したフォトンによって放出される。フォトエレクトロンはＣＣＤセンサ（６）に向かう印加電圧によって加速される。フォトカソード（４）とＣＣＤセンサ（６）との間の電圧は、電子のＣＣＤセンサ（６）への到達エネルギーがそのフォトカソード（４）への到達時間に依存するように、時間変化をする。それゆえ、フォトンの到達時間は、ＣＣＤセンサ（６）によって記録される画素イベントの強度によって示される。
2006520888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトンの到達時間を測定するための装置であって、
前記フォトンによって打たれたときに電子を放出するよう作動可能なフォトカソードと；
前記フォトカソードによって放出された前記電子を検出するために配置されたセンサと；
前記フォトカソードによって前記センサに向かって放出された前記電子を加速させるために電場を発生させるよう作動可能な電場発生器；とを備えて成り、
前記電場発生器は、前記電子が前記フォトンの前記到達時間に依存する到達エネルギーで前記センサに入射するように、時間とともに変化する電場を発生するよう作動可能なものであり；かつ、
前記センサは、前記到達時間を示す出力信号を供給するよう作動可能なものである、フォトンの到達時間を測定するための装置。
【請求項２】
前記センサは、前記到達エネルギーに依存する電荷を蓄えるよう作動可能なＣＣＤセンサである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ＣＣＤセンサは複数の画素セル検出器を備え、異なる画素セル検出器が、前記フォトカソードに入射するフォトンに対応するそれぞれの電子の到達エネルギーを測定するよう作動可能な、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
電子が入射してくる各々の画素セル検出器は、前記到達エネルギーに依存する信号を出力する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記電場発生器は、前記フォトカソードと前記センサとの間に、トリガーポイントから出発する時間とともに変化する電圧差を発生するよう作動可能な、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記電圧差は周期的な信号である、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記周期的な信号は０Ｈｚから１０００Ｈｚの間の振動数を有する、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記電場発生器は、前記フォトカソードと前記センサとの間で、５ｋＶから１０ｋＶの間で電圧を発生するよう作動可能な、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記フォトカソードに到着するフォトンを減衰させるために配列された減衰器を備えている、請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記フォトンは１０ｎｍから１０００ｎｍの間の波長を有している、請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記フォトカソードと前記センサは、前記フォトカソードと前記センサとの間で、実質的に真空を有するシールされた構造として形成されている、請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置は蛍光寿命撮像装置である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記装置は、非侵入のＩＲ撮像のための、フォトンの飛行時間測定のための、検出器である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
前記装置は、補正された単独のフォトン計測と相関するシングル・ショット時間である、請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
フォトンの到達時間を測定するための方法であって、
前記フォトンによって打たれたフォトカソードから電子を放出する工程と；
前記フォトカソードによってセンサに向けて放出される前記電子を加速するための電場を発生させる工程と；
前記フォトカソードによって放出された前記電子を前記センサで検出する工程と；を備え、
前記電場は、前記電子が前記フォトンの前記到達時間に依存する到達エネルギーで前記センサに入射するように時間とともに変化し；かつ、
前記センサは前記到達時間を示す出力信号を供給する、
フォトンの到達時間を測定するための方法。
【請求項１６】
前記センサは、前記到達エネルギーに依存する電荷を蓄えるよう作動可能なＣＣＤセンサである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＣＣＤセンサは、複数の画素セル検出器を備え、異なる画素セル検出器が、前記フォトカソードに入射するフォトンに対応するそれぞれの電子の到達エネルギーを測定するよう作動可能な、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
電子が入射してくる各々の画素セル検出器は、前記到達エネルギーに依存する信号を出力する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記電場発生器は、前記フォトカソードと前記センサとの間に、トリガーポイントから出発する時間とともに増大する電圧差を発生するよう作動可能な、請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記電圧差は周期的な信号である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記周期的な信号は、０Ｈｚから１０００Ｈｚの間の振動数を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電場発生器は、前記フォトカソードと前記センサとの間で、５ｋＶから１０ｋＶの間の電圧を発生するよう作動可能な請求項１５から請求項２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記フォトカソードに到着するフォトンを減衰させるために配列された減衰器を備えている、請求項１５から請求項２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記フォトンは、１０ｎｍから１０００ｎｍの間の波長を有している、請求項１５から請求項２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記フォトカソードと前記センサは、前記フォトカソードと前記センサとの間で、実質的に真空を有するシールされた構造として形成されている、請求項１５から請求項２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記方法は、蛍光寿命撮像方法の一部である、請求項１５から請求項２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記方法は、非侵入のＩＲ撮像のための、フォトンの飛行時間測定のための、検出の方法の一部である、請求項１５から請求項２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記方法は、補正された単独のフォトン計測と相関するシングル・ショット時間の方法の一部である、請求項１５から請求項２５のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、フォトン現象の検出の分野に関する。より具体的には、この発明は、例えば、時間相関シングルフォトンカウンティング、蛍光寿命撮像等の時間分解撮像、非侵入ＩＲ撮像（光学断層撮影）のためのフォトンの飛行時間（time-of-flight）の測定、及びシングルショット(single shot)時間相関シングルフォトンカウンティング
、といったものに用いられる、フォトン到達時間の検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトンイベントカウンティングの撮像増強器の使用は、例えば、地上および宇宙の両方での天文学、自動放射線写真や生体発光及び蛍光撮像において、定着した撮像取得技術である。フォトンイベントカウンティングの撮像において、撮像増強器のフォトカソードに衝突するフォトンは、マクロチャネルプレートの下でカスケードすることによっておそらく百万倍に増加するフォトエレクトロンを遊離させる。そのような多数の電子が蛍光体スクリーンに衝突すると、閃光やシンチレーション、すなわち、フォトンイベントが引き起こされる。フォトンがフォトカソードに衝突するときのフォトンの位置情報は、フォトカソードおよびマイクロチャネルプレートとの間、及び、マイクロチャネルプレートと蛍光体（２つの近接焦点）との間、の小さいギャップによって保存される。その後、蛍光体の画面上のフォトンイベントは、電荷結合素子（ＣＣＤ）または電荷注入素子（ＣＩＤ）のようなセンサで撮像される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
取得された何千ものＣＣＤフレームは画像を構築するために統合され得る。紫外線における、線型性、高い動的範囲、高い感度、広範な領域、及び、良好なスペクトル応答性は、直接ＣＣＤに撮像するような他の方法よりも、フォトンカウントアプローチの特別な強みである。しかしながら、この技術は、時間分解能を何ら有さない。
【０００４】
限定された時間分解能は、フレーム間の強度の変化量（すなわち、各フレームで検出された多数のフォトン）を記録することによって、実現され得る。このアプローチの時間分解能は、通常ミリ秒のオーダーであるＣＣＤのビデオの読み出し率によって束縛される。これは、通常ナノ秒の時間スケールで発生する蛍光減衰測定のような高速の現象を研究する使用には、あまりに低すぎる。
【０００５】
ＣＣＤによって描かれた蛍光体上に電子が入射する前に、カスケードの中で電子を増大させるために、マイクロチャネルプレートを使用して強化されたＣＣＤを使用することが知られている。このような強化されたＣＣＤは、マイクロチャネル内における電子の増加過程の統計上の性質に基づく、幅広いフォトンイベントパルスの高さ分布を、有している。このような強化されたＣＣＤの振る舞いは、パルス高さにおけるフォトン到達時間の符号化に適さない。
【０００６】
日本国の浜松市の浜松ホトニクスＫ．Ｋによって生産されたＣＣＤカメラ７１９０のような、エレクトロンボンバードＣＣＤを供給することもまた知られている。エレクトロンボンバードＣＣＤは、フォトン計測のできる撮像素子であり、それは真空下のＣＣＤの前方に位置するフォトカソードからなる。フォトエレクトロンは、フォトンによってフォトカソードから放出されるが、増大過程を経験することなく、かつ、蛍光画面によって光に変換されずに、高電圧によってＣＣＤの上に直接的に加速される。フォトンイベントが、単一の画素中で、そして、非常に狭いパルス高さ分布で、強く局在化するように、エレクトロンボンバードＣＣＤの振る舞いを表示する。知られたエレクトロンボンバードＣＣＤは、何等の時間分解能を提供しない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの側面から見ると、本発明は、フォトンの到達時間を測定するための装置を提供し、前記装置は、
前記フォトンによって打たれたときに電子を放出するよう作動可能なフォトカソードと；
前記フォトカソードによって放出された前記電子を検出するために配置されたセンサと；
前記フォトカソードによって前記センサに向かって放出された前記電子を加速させるために電場を発生させるよう作動可能な電場発生器；とを備えて成り、  前記電場発生器は、前記電子が前記フォトンの前記到達時間に依存する到達エネルギーで前記センサに入射するように、時間によって変化する電場を発生するよう作動可能なものであり；かつ、
前記センサは、前記到達時間を示す出力信号を供給するよう作動可能なものである。
【０００８】
この発明は、フォトカソードからセンサに電子を加速するために時間変化する電圧を印加することによって、センサで電子の衝突を記録されたエネルギーが、その電子が加速されたときにフォトカソードとセンサとの間に存在する電圧を、従って電子がフォトカソードから放出された時間を、つまりフォトンがフォトカソードに到達した時間を推定するために使用され得る、ということを認識する。従って、調査された現象の時間スケールに適合する割合で変化する加速電圧（電場）の使用によって、センサでの電子到達エネルギーがフォトカソードでのフォトンの到達時間に関連するよう調整することにより、到達するフォトンに効果的に時間のタグをつけることが可能となる。
【０００９】
また、センサは、電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）、ＣＭＯＳ基盤のＣＣＤ、または他の位置感度の良い撮像検出器、といった様々な形態を取りうるということが認識されるであろう。この種のＣＣＤセンサは、そのようなＣＣＤセンサによって発生された信号の読み出しや処理を行う回路の入手しやすさに伴った分解能そして性能の水準の上昇とともに利用可能であるので、ＣＣＤセンサを使用することは特に好適である。
【００１０】
ＣＣＤセンサを単発型の機器として使用することも可能であるが、より好ましい実施例においてＣＣＤセンサは、各々のフォトンイベントのそれぞれに対応する各々の電子の到達エネルギーを、つまり到達時間を、別々に測定するために使用される異なる画素セルを有した複数の画素セル検出器を備えている。それ故、単独のＣＣＤフレームは、読み出されたときに、画素信号の強さで示される到達時間を含んで、多数のフォトン到達時間を記録することになる。
【００１１】
電場発生器を制御する特に便利な方法は、フォトカソードとセンサとの間に、トリガーポイントから出発する時間とともに増大する電圧差を発生させることである。従って、研究される現象用としては、蛍光事象や光の照射パルスのためのトリガーといった、一般的なトリガーを用いることができ、そして、センサとフォトカソードとの間に、電場発生器によって付与される電圧差が、そのトリガーから開始されて上昇又は下降する。
【００１２】
感度を増加させるため、より好ましい実施例では、電圧差は周期的な信号とされている。この周期的な信号は、複数の画像が獲得されるように、トリガーイベントが対応して繰り返される。
【００１３】
周期的な信号はいろいろな振動数を有し得るものの、この発明は、特に、周期的な信号が０Ｈｚから１０００Ｈｚの間の振動数を有するシステムに好適である。
【００１４】
電場発生器はフォトカソードとセンサとの間でいろいろなレベルの電圧を発生し得るものの、ＣＣＤの感度は、典型的な作動電圧が０Vから１０ｋVの範囲になるようにするものである。
【００１５】
多数のフォトンイベントがＣＣＤ内における単一の画素中に記録されることによって、飽和の問題が発生しうるということが理解されるであろう。その結果、画素中で受信した電子の全エネルギーを、異なるフォトンに対応する。すなわち、異なるフォトン到達時間を有する個々の分離した電子のエネルギーに分割することは不可能になる。この問題に対処するために、励起光（またはより一般的にサンプルに照射する光）は、フォトンのパイルアップ（pile-up）が発生しないように減衰される。あるいは、減衰器は、さもなければ不都合なシステムの飽和が発生してしまうであろう環境において、フォトカソードに到達するフォトンを減衰させるために、フォトカソードの前で使用され得る。
【００１６】
検出されるフォトンは電磁スペクトラムの大部分に亘る波長を持ち得るということが認識されるであろう一方で、本発明による技術は、１０ｎｍから１０００ｎｍの間の波長を有するフォトンとともに使用されることが特に好適である。
【００１７】
本発明の実施例のように、フォトカソード及びセンサを、フォトエレクトロンが加速され得るフォトカソードとセンサとの間に実質的な真空を有するシールされた構造として形成すると便利である。
【００１８】
本発明による技術は、広い異なるいろいろな用途で、フォトンの到達時間を測定するために使用され得るが、本発明に係る技術は、蛍光寿命撮像、非侵入のＩＲ撮像（光学断層撮影）のためのフォトン飛行時間（time-of-flight）測定、及び、補正された単独のフォトン計測と相関するシングルショット時間(single shot time)、を測定するのに特に好適である。
【００１９】
別の側面から見ると、本発明はフォトン到達時間の測定方法を提供するものであり、前記方法は、
前記フォトンによって打たれたフォトカソードから電子を放出する工程と；
前記フォトカソードによってセンサに向けて放出される前記電子を加速させるために電場を発生させる工程と；
前記フォトカソードによって放出された前記電子を前記センサで検出する工程と；を備えてなり、
前記電場は、前記電子が前記フォトンの前記到達時間に依存する到達エネルギーで前記センサに入射するように時間とともに変化し；かつ、
前記センサは前記到達エネルギーを示す出力信号を供給する。
【００２０】
以下、本発明の実施例を、添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明する。  図１はフォトン到達時間を検出する装置を概略的に説明するものであり；かつ、
図２はそのセンサでの到達エネルギーに相当する２つのフォトンの検出を概略的に説明するものである。
【００２１】
図１は、装置２（任意である）、フォトカソード４、及び、ＣＣＤセンサ６、を含むシステムを表している。フォトカソード４及びＣＣＤセンサ６は、実質的な真空下に保持されたキャビティ８を中に有するシールされたユニットとして形成される。入射したフォトンによってフォトカソード４から放出されたフォトエレクトロンは、電場発生器１０によって発生した電場によって、キャビティ８を横切って加速される。加速された電子は、その後、ＣＣＤセンサ６に衝突し、電子の到達エネルギーに関連する強度を有する画素セル検出器の一つの中で、信号を発生する。電子の到達エネルギーは、そのフォトエレクトロンがチャンバ８を横断している間に、電場発生器１０によって適合される、電場に順々に依存する。フォトエレクトロンがチャンバ８を横断するのに要する時間は、電場発生器によって発生した電場が変化する期間よりもさらに短い。それ故に、ＣＣＤセンサでの電子の到達エネルギーは、フォトンがフォトカソード４に入射した時間での、電場発生器１０によって付与された瞬間的な電場を事実上代表する。装置２は、一つのＣＣＤフレーム周期の間で、一つ以上のフォトエレクトロンがそれぞれの画素セル検出器に入射しない（または少なくともこのような発生が統計的に稀である）ように、フォトカソード４に到達するフォトンの数を減衰させるために使用され得る。
【００２２】
ＣＣＤインターフェース回路１２は、ＣＣＤセンサ６からの画素セル検出器の強度値のフレームを読み込み、かつ、アナログ・デジタル変換器１４を通して、それら強度値が解析されるコンピュータ１６に、これら強度値を受け渡す。異なる画素で検出された強度値は、画素セル検出器信号を生じさせたトリガーイベントに関連したフォトン到達時間を決定するために使用され得る。
【００２３】
図１は、電場発生器１０により発生され得る時間変化する電場を概略的に説明したものである。これは、トリガーイベントから出発する周期的に繰り返す電圧傾斜の形式である。電圧値は、０Ｖから１０ｋＶのより大きな可能な範囲で、典型的に５ｋＶから１０ｋＶの範囲になるであろう。周期的に繰り返す電場の振動数は、典型的に０Ｈｚから１０００Ｈｚの領域であろう。
【００２４】
図１に説明されたシステムは、広い色々な異なる波長を持つフォトンに応答し得る。典型的な波長の範囲は１０ｎｍから１０００ｎｍである。システムが応答するフォトンの波長は、フォトカソード４の材料を換えることによって調整され得る。例として、ＧａＡｓは、４００から９００ｎｍの可視光の波長の範囲でフォトンを検出するのに特に好適な材料である。
【００２５】
図１に示したシステムは、蛍光寿命撮像装置、非侵入のＩＲ撮像（光学断層撮影）のためのフォトン飛行時間（time-of-flight）測定、または、補正された単独のフォトン計測と相関するシングルショット時間(single shot time)、といった、広い色々な検出システム内の用途に容易に適応し得ることがその分野におけるあれらの人々によって認識されるであろう。
【００２６】
図２は、図１のシステムの動作を概略的に説明するものである。説明したように、２つのフォトンがフォトカソード４に入射する。これらのフォトンは、時間間隔によって間隔を空けられる。第１のフォトンは、第２の遅れたフォトンが到達するときに存在しているよりも低い電圧で、ＣＣＤセンサに向かって加速されたフォトエレクトロンを生成する。従って、第１の到達電子のための、対応するＣＣＤの画素に記録された信号は、第２の到達電子のためのものよりも低い強度（もしその電圧が上昇すれば）を有するであろう。もし電圧が下降すれば、その後、第２のフォトエレクトロンのための、記録された信号は、より低い強度を有するであろう。従って、時間とともに直線的に増加する加速電圧により、かつ、ＣＣＤによる電子到達エネルギーに対する応答、少なくとも第１次近似に対する応答が線型であると想定することにより、トリガーイベントの後のフォトン到達時間が、ＣＣＤセンサによって検出された画素フォトンイベントの結果の強度に実質的に比例するということがわかるであろう。画素強度の時間への変換は、トリガーと単独のパルスとの間の既知の時間間隔での較正によって得られる。その較正は、電圧傾斜の時間座標図に依存する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】フォトン到達時間を検出する装置を概略的に説明する図である。
【図２】前記センサでの到達エネルギーに相当する２つのフォトンの検出を概略的に説明する図である。
【符号の説明】
【００２８】
２  装置
４  フォトカソード
６  ＣＣＤセンサ
８  キャビティ
１０  電場発生器
１２  ＣＣＤインターフェース回路
１６  コンピュータ
【図１】
2006520888.tif 000003
【図２】
2006520888.tif 000004
【国際調査報告】
2006520888.tif 000005
2006520888.tif 000006