(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クロック信号に応じてカウント信号を出力するカウンタと、
検出器において検出された検出信号、及び、前記クロック信号が入力され、前記検出信号及び前記クロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する、複数の第１の時間振幅変換器と、
前記カウンタから出力された前記カウント信号と前記第１の時間振幅変換器から出力された前記計測信号とに基づいて、前記検出信号に係る時間情報を導出し出力する制御部と、
前記第１の時間振幅変換器のデッドタイムを考慮して、前記検出信号が入力される前記第１の時間振幅変換器を切り替える第１の切替部と、を備える時間計測装置。
【請求項２】
前記第１の切替部は、前記デッドタイムを考慮して予め設定された切り替え情報に基づき、前記第１の時間振幅変換器を切り替える、請求項１記載の時間計測装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記カウント信号が示すカウント値に応じた時間から、前記計測信号が示す時間を減算することによって、前記検出信号が入力されるまでの時間を示す前記時間情報を導出する、請求項１又は２記載の時間計測装置。
【請求項４】
前記第１の切替部は、前記デッドタイム中ではない前記第１の時間振幅変換器に前記検出信号が入力されるように、前記第１の時間振幅変換器を切り替える、請求項１〜３のいずれか一項記載の時間計測装置。
【請求項５】
前記複数の第１の時間振幅変換器は、前記デッドタイムに応じた個数、設けられている、請求項１〜４のいずれか一項記載の時間計測装置。
【請求項６】
前記複数の第１の時間振幅変換器は、前記検出器が検出する信号量に応じた個数、設けられている、請求項１〜５のいずれか一項記載の時間計測装置。
【請求項７】
前記検出器において検出される前記検出信号に係る現象の同期信号に応じた信号を出力する、第２の時間振幅変換器を更に備え、
前記制御部は、前記同期信号に応じた信号を更に考慮して、前記時間情報を導出する、請求項１〜６のいずれか一項記載の時間計測装置。
【請求項８】
複数の前記第２の時間振幅変換器を備えており、
前記第２の時間振幅変換器のデッドタイムを考慮して、前記同期信号が入力される前記第２の時間振幅変換器を切り替える第２の切替部を更に備える、請求項７記載の時間計測装置。
【請求項９】
計測対象物から発せられる蛍光の寿命を計測する蛍光寿命計測装置であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載された前記時間計測装置と、
前記計測対象物に生成した光を照射する光源と、
前記光源からの光が照射された前記計測対象物からの前記蛍光を検出し、前記検出信号を出力する前記検出器と、
前記光源による光の出力を制御し、前記光源及び前記時間計測装置に互いに同期した同期信号を出力する信号生成部と、を備える、蛍光寿命計測装置。
【請求項１０】
複数の時間振幅変換器を切り替えながら時間を計測する時間計測装置が実施する時間計測方法であって、
前記複数の時間振幅変換器それぞれのデッドタイムに基づき、検出器において検出された検出信号が入力される一つの時間振幅変換器を選択する工程と、
選択した前記一つの時間振幅変換器に、前記検出信号及びクロック信号を入力し、前記検出信号及び前記クロック信号間の時間に応じた計測信号を得る工程と、
前記クロック信号に応じたカウント信号と前記計測信号とに基づき、前記検出信号に係る時間情報を導出し出力する工程と、を含む時間計測方法。
【請求項１１】
前記選択する工程では、前記デッドタイム中ではない前記時間振幅変換器を選択する、請求項１０記載の時間計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の一態様は、時間計測装置、蛍光寿命計測装置、及び時間計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に励起光を照射した際の蛍光の寿命を計測する蛍光寿命計測装置等においては、スタートパルス信号及びストップパルス信号の時間差に係る情報を出力する時間計測装置が用いられる。このような時間計測装置として、時間差をアナログ信号として出力するＴＡＣ（Time-Analog-Converter）方式を利用した時間計測装置が知られている（例えば特許文献１参照）。ＴＡＣ方式は、時間差をデジタル信号として出力することにより時間を計測するＴＤＣ（Time-digital-converter）方式と比べると、時間分解能が高いという点で有利である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００３−５２２９４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したような時間計測装置では、ＴＡＣ回路（時間振幅変換器）において時間が計測されると、計測後、一定の時間は再度の時間計測が行えないデッドタイムとなる。このようなデッドタイムが生じることによって計測効率を十分に向上させることができていない。また、上述したように、ＴＡＣ方式は時間分解能が高い点で有利であるが、長時間の現象に対する時間計測（長時間計測）を行うことが困難である。【０００５】
本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、デッドタイムを低減させて計測効率を向上させると共に、高時間分解且つ長時間計測を実現することが可能な時間計測装置、蛍光寿命計測装置、及び時間計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る時間計測装置は、クロック信号に応じてカウント信号を出力するカウンタと、検出器において検出された検出信号、及び、クロック信号が入力され、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する、複数の第１の時間振幅変換器と、カウンタから出力されたカウント信号と第１の時間振幅変換器から出力された計測信号とに基づいて、検出信号に係る時間情報を導出し出力する制御部と、第１の時間振幅変換器のデッドタイムを考慮して、検出信号が入力される第１の時間振幅変換器を切り替える第１の切替部と、を備える。【０００７】
本発明の一態様に係る時間計測装置では、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する第１の時間振幅変換器が、複数設けられている。そして、本時間計測装置では、第１の時間振幅変換器のデッドタイムが考慮されて、検出信号が入力される第１の時間振幅変換器の切り替えが実行される。例えば１つの時間振幅変換器のみで時間が計測される場合には、時間振幅変換器の計測後において再度の計測ができないデッドタイムが生じる。この点、時間振幅変換器が多段化されると共に、時間振幅変換器のデッドタイムが考慮されて時間振幅変換器が切り替えられることにより、計測後において再度の計測ができない時間振幅変換器から計測ができる時間振幅変換器に切り替えて、上述したデッドタイムを大幅に低減することができる。また、本発明の一態様に係る時間計測装置では、クロック信号に同期して動作するカウンタがカウント信号を出力することによりクロックの周波数に依存した大まかな時間計測（低時間分解且つ長時間計測）が行われると共に、第１の時間振幅変換器が検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力することによりカウンタの計測粗さを補う細かな時間計測（高時間分解且つ短時間計測）が行われる。これらの時間計測結果を合わせて最終的な時間情報が導出されることにより、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。以上のように、本発明の一態様に係る時間計測装置によれば、デッドタイムを低減させて計測効率を向上させると共に、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。【０００８】
第１の切替部は、デッドタイムを考慮して予め設定された切り替え情報に基づき、第１の時間振幅変換器を切り替えてもよい。このような構成によれば、予め設定された情報（デッドタイムを考慮した切り替え情報）に基づいて、容易且つ適切に時間振幅変換器を切り替えることができる。【０００９】
制御部は、カウント信号が示すカウント値に応じた時間から、計測信号が示す時間を減算することによって、検出信号が入力されるまでの時間を示す時間情報を導出してもよい。これにより、カウント信号及び計測信号に基づいて、検出信号が入力されるまでの時間を高精度に導出することができる。【００１０】
第１の切替部は、デッドタイム中ではない第１の時間振幅変換器に検出信号が入力されるように、第１の時間振幅変換器を切り替えてもよい。これにより、第１の時間振幅変換器のデッドタイムの影響により計測効率が悪化することを適切に回避できる。【００１１】
複数の第１の時間振幅変換器は、デッドタイムに応じた個数、設けられていてもよい。これにより、第１の時間振幅変換器を切り替えることによってデッドタイムの影響を受けることを適切に回避できる。【００１２】
複数の第１の時間振幅変換器は、検出器が検出する信号量に応じた個数、設けられていてもよい。これにより、信号量に応じた数だけ第１の時間振幅変換器が設けられることとなり、第１の時間振幅変換器を切り替えることによってデッドタイムの影響を受けることを適切に回避できる。【００１３】
上述した時間計測装置は、検出器において検出される検出信号に係る現象の同期信号に応じた信号を出力する、第２の時間振幅変換器を更に備え、制御部は、同期信号に応じた信号を更に考慮して、時間情報を導出してもよい。これにより、検出信号に係る現象の実際のタイミングを考慮して、検出信号に係る時間情報をより高精度に導出することができる。【００１４】
上述した時間計測装置は、複数の第２の時間振幅変換器を備えており、第２の時間振幅変換器のデッドタイムを考慮して、同期信号が入力される第２の時間振幅変換器を切り替える第２の切替部を更に備えていてもよい。これにより、第２の時間振幅変換器におけるデッドタイムの影響により計測効率が悪化することを適切に回避できる。【００１５】
本発明の一態様に係る蛍光寿命計測装置は、計測対象物から発せられる蛍光の寿命を計測する蛍光寿命計測装置であって、上述した時間計測装置と、計測対象物に生成した光を照射する光源と、光源からの光が照射された計測対象物からの蛍光を検出し、検出信号を出力する検出器と、光源による光の出力を制御し、光源及び時間計測装置に互いに同期した同期信号を出力する信号生成部と、を備える。このような蛍光寿命計測装置によれば、上述した時間計測装置を用いて、蛍光寿命を効率的に計測すると共に、蛍光寿命の計測について高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。【００１６】
本発明の一態様に係る時間計測方法は、複数の時間振幅変換器を切り替えながら時間を計測する時間計測装置が実施する時間計測方法であって、複数の時間振幅変換器それぞれのデッドタイムに基づき、検出器において検出された検出信号が入力される一つの時間振幅変換器を選択する工程と、選択した一つの時間振幅変換器に、検出信号及びクロック信号を入力し、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を得る工程と、クロック信号に応じたカウント信号と計測信号とに基づき、検出信号に係る時間情報を導出し出力する工程と、を含む。このような時間計測方法によれば、デッドタイムを低減させて計測効率を向上させると共に、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。【００１７】
上述した時間計測方法において、選択する工程では、デッドタイム中ではない時間振幅変換器を選択してもよい。これにより、デッドタイムの影響により計測効率が悪化することを適切に回避できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様によれば、デッドタイムを低減させて計測効率を向上させると共に、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る蛍光寿命計測装置を模式的に示す図である。
【図２】マルチＴＡＣ計測を説明する図である。
【図３】マルチＴＡＣ計測を説明する図である。
【図４】時間情報の導出を説明する図である。
【図５】時間情報の導出を説明する図である。
【図６】時間情報の導出を説明する図である。
【図７】変形例に係る時間計測装置の一例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しながら、本発明の一態様に係る時間計測装置、時間計測方法、蛍光寿命計測装置の実施形態について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る蛍光寿命計測装置１を模式的に示す図である。蛍光寿命計測装置１は、試料Ｓ（計測対象物）から発せられる蛍光の寿命を計測する装置である。
【００２２】
有機材料や蛍光プローブの蛍光スペクトルは、ピーク波長や蛍光強度等、試料の機能や特性を制御、評価する上で重要なパラメータである。しかしながら、蛍光スペクトルは時間的に積分された情報を取得するため、試料に複数の物質や反応系が含まれる場合には、それらが積分された情報しか得ることができない。このような場合には、試料の機能や特性を評価する手段として、試料がパルス光により光励起された後に基底状態に戻るまでの時間をサブナノ秒〜ミリ秒の時間領域で測定する蛍光寿命計測が効果的である。本実施形態に係る蛍光寿命計測装置１では、後述する時間計測装置１０によって蛍光の検出タイミングが導出され、蛍光が複数回検出されることにより検出タイミングの頻度分布が得られ、当該頻度分布に基づいて試料Ｓの蛍光寿命が推定される。
【００２３】
図１に示されるように、蛍光寿命計測装置１は、パルスジェネレータ２（信号生成部）と、光源３と、検出器４と、コンピュータ５と、表示装置６と、入力装置７と、時間計測装置１０と、を含んで構成されている。なお、図１では、蛍光寿命計測装置１の構成のうち、後述するクロック生成回路９（図３参照）の図示を省略している。
【００２４】
パルスジェネレータ２は、コンピュータ５からの指示に基づいて、光源３及び時間計測装置１０の基準用ゲート１５（詳細は後述）にそれぞれ同期（例えば同一タイミング）のパルス信号を出力する。パルスジェネレータ２は、光源３による光の出力を制御し、該制御信号をパルス信号として出力する。基準用ゲート１５は、当該パルス信号に基づいて同期信号をＴＡＣ回路１６ａ又はＴＡＣ回路１６ｂに出力する（詳細は後述）。光源３及び基準用ゲート１５に対して同一タイミングのパルス信号が入力されるので、基準用ゲート１５から出力される同期信号は、光源３からの光（励起光）の照射に対応する（同期した）信号である。
【００２５】
光源３は、パルスジェネレータ２から出力された上記パルス信号に基づいて、試料Ｓに照射される励起光を出力する。光源３としては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源、レーザ光源、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源、ランプ系光源等を用いることができる。励起光の強度は、例えば、試料Ｓに励起光が照射されると１光子が発光される程度に設定されてもよい。励起光が照射された試料Ｓからは、励起光に応じた蛍光が出力される。
【００２６】
検出器４は、試料Ｓからの蛍光を検出し、時間計測装置１０の計測用ゲート１１（詳細は後述）に検出信号を出力する。検出器４としては、光電子増倍管又はアバランシェフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオード等を用いることができる。
【００２７】
コンピュータ５は、時間計測装置１０（より詳細には制御部１４）から出力される計測結果に基づき、蛍光寿命を導出する。具体的には、コンピュータ５は、計測結果に含まれる蛍光の時間情報（蛍光の検出タイミング）から、蛍光の検出タイミングの頻度分布を導出し、当該頻度分布から試料Ｓの蛍光寿命を求める。コンピュータ５は、例えばＣＰＵ等の演算部とＲＡＭやフラッシュメモリ等の記憶部から構成される。なお、時間計測装置１０の制御部１４の機能を、コンピュータ５が担ってもよい。
【００２８】
表示装置６は、コンピュータ５に電気的に接続されたディスプレイであり、上述した試料Ｓの蛍光寿命解析結果を表示する。入力装置７は、キーボード又はマウス等であり、蛍光寿命の解析条件や計測条件の入力・設定を行うことができる。
【００２９】
時間計測装置１０は、第１のトリガ信号が入力されてから第２のトリガ信号が入力されるまでの時間を計測時間として算出する時間計測装置である。時間計測装置１０は、異なるタイミングで入力される２つの信号（第１のトリガ信号及び第２のトリガ信号）から、当該２つの信号の入力タイミングの差を導出する、各種の装置及びシステムに適用することができる。本実施形態では、上述したように、時間計測装置１０は、試料Ｓから発せられる蛍光の寿命を計測する蛍光寿命計測装置１に適用されている。
【００３０】
図１に示されるように、時間計測装置１０は、計測用ゲート１１（第１の切替部）と、ＴＡＣ（Time-Analog-Converter）回路１２（第１の時間振幅変換器）と、ＴＡＣ制御部１３と、制御部１４と、基準用ゲート１５（第２の切替部）と、ＴＡＣ回路１６（第２の時間振幅変換器）と、を備えている。より詳細には、時間計測装置１０は、ＴＡＣ回路１２として複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを有し、ＴＡＣ制御部１３として複数のＴＡＣ制御部１３ａ〜１３ｆを有し、ＴＡＣ回路１６として複数のＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂを有する。複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊは計測用ゲート１１に対して互いに並列に接続されており、複数のＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂは基準用ゲート１５に対して互いに並列に接続されている。なお、図１では、時間計測装置１０の構成のうち、後述するデジタルカウンタ２０（図３参照）の図示を省略している。当該デジタルカウンタ２０は、ＴＡＣ制御部１３に設けられていてもよいし、ＴＡＣ制御部１３とは別に設けられていてもよい。
【００３１】
ＴＡＣ回路１２は、第１のトリガ信号が入力されてから第２のトリガ信号が入力されるまでの時間差をアナログ信号（振幅）として出力する時間振幅変換器の回路である。ＴＡＣ回路１２は、例えば１０ｎｓの時間を計測可能に構成されている。ＴＡＣ回路１２は、具体的には、検出器４において検出された検出信号を第１のトリガ信号、クロック生成回路９（図３参照）から出力されたクロック信号を第２のトリガ信号として、検出信号及びクロック信号間の時間に応じたアナログ信号（振幅）を計測信号としてＴＡＣ制御部１３に出力する。すなわち、ＴＡＣ回路１２は、検出器４において検出された検出信号、及び、クロック信号が入力され、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する。ＴＡＣ回路１２は、計測用ゲート１１を介して、検出信号の入力を受け付ける。
【００３２】
ＴＡＣ制御部１３は、ＴＡＣ回路１２から入力された計測信号であるアナログ信号（振幅）をデジタル信号に変換するＡＤコンバータである。ＴＡＣ制御部１３は、ＡＤ変換後のデジタル信号を計測信号として制御部１４に出力する。上述したように、時間計測装置１０は、ＴＡＣ制御部１３として複数のＴＡＣ制御部１３ａ〜１３ｆを有している。図１に示されるように、ＴＡＣ制御部１３ａはＴＡＣ回路１２ａ，１２ｂから計測信号の入力を受け付け、ＴＡＣ制御部１３ｂはＴＡＣ回路１２ｃ，１２ｄから計測信号の入力を受け付け、ＴＡＣ制御部１３ｃはＴＡＣ回路１２ｅ，１６ａから計測信号の入力を受け付け、ＴＡＣ制御部１３ｄはＴＡＣ回路１２ｆ，１２ｇから計測信号の入力を受け付け、ＴＡＣ制御部１３ｅはＴＡＣ回路１２ｈ，１２ｉから計測信号の入力を受け付け、ＴＡＣ制御部１３ｆはＴＡＣ回路１２ｊ，１６ｂから計測信号の入力を受け付ける。
【００３３】
計測用ゲート１１は、検出器４から第１のトリガ信号である検出信号の入力を受け、該検出信号をＴＡＣ回路１２に出力する。詳細には、計測用ゲート１１は、検出器４から入力された検出信号を、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊのうち１つのＴＡＣ回路１２にのみ出力する。図２及び図３は、マルチＴＡＣ計測を説明する図である。ここでのマルチＴＡＣ計測とは、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを切り替えながら利用する計測手法をいう。
【００３４】
図２に示されるように、計測用ゲート１１は、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊに１対１で対応するようにＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊの前段に設けられた複数のゲート回路１１ａ〜１１ｊを有する。計測用ゲート１１の複数のゲート回路１１ａ〜１１ｊは、１つのみ有効（検出信号の入力を受け付ける状態）とされる。有効とされていないゲート回路１１ａ〜１１ｊは、待機状態（検出信号の入力を受け付けない状態）とされる。計測用ゲート１１は、有効とされるゲート回路１１ａ〜１１ｊを切り替えることにより、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊのうち１つのみに検出信号が入力されるようにする。
【００３５】
計測用ゲート１１は、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊのデッドタイムを考慮して、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを切り替える。ここでのデッドタイムとは、ＴＡＣ回路１２において時間が計測された後に一定の時間再度の時間計測が行えなくなる時間をいう。各ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊは、互いに同等の性能であり、デッドタイムも同程度である。なお、各ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊのデッドタイムは、互いに異なっていてもよい。例えば図２に示される例では、計測用ゲート１１は、最初に、ゲート回路１１ａを有効とし、他のゲート回路１１ｂ〜１１ｊを待機状態とする。この状態においては、検出器４から計測用ゲート１１に検出信号が入力されると、ゲート回路１１ａにのみ検出信号が入力され、ゲート回路１１ａを介してＴＡＣ回路１２ａに検出信号が入力される。ＴＡＣ回路１２ａでは、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号が出力される。当該計測信号が出力される処理が行われた後一定の時間については、ＴＡＣ回路１２ａにおいて再度の時間計測が行えないデッドタイムとなる。このため、計測用ゲート１１は、２番目のゲート回路１１ｂを有効とし、他のゲート回路１１ａ，１１ｃ〜１１ｊを待機状態とする。この状態においては、検出器４から計測用ゲート１１に検出信号が入力されると、ゲート回路１１ｂにのみ検出信号が入力され、ゲート回路１１ｂを介してＴＡＣ回路１２ｂに検出信号が入力される。そして、ＴＡＣ回路１２ａと同様にＴＡＣ回路１２ｂについてもデッドタイムとなるため、計測用ゲート１１は、つづいて３番目のゲート回路１１ｃを有効とし他のゲート回路１１ａ，１１ｂ，１１ｄ〜１１ｊを待機状態とする。このように、計測用ゲート１１は、各ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊに対応するゲート回路１１ａ〜１１ｊを順番に１つのみ有効とすることにより、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを順番に切り替える。この方式によれば、フォトンを取りこぼしてしまうデッドタイムは、ＴＡＣ回路１２のデッドタイム（ＴＡＣ処理中デッドタイム）ではなく、ゲート回路１１ａ〜１１ｊの切り替え時間のみとなる。ＴＡＣ処理中デッドタイムは例えば１５０ｎｓであり、ゲート回路の切り替え時間は例えば１ｎｓであるので、本方式により、フォトンを取りこぼしてしまうデッドタイムを大幅に短くすることができる。
【００３６】
計測用ゲート１１は、デッドタイムを考慮して予め設定された切り替え情報に基づき、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを切り替えている。当該切り替え情報は、デッドタイム中のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊに検出信号が入力されないように、ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊの切り替えの順番（ゲート回路１１ａ〜１１ｊについて有効とする順番）を規定した情報である。すなわち、計測用ゲート１１は、検出信号の入力先が、デッドタイム中ではないＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊになるように、ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊを切り替える。このような切り替えが可能になる前提として、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊは、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムに応じた個数、設けられている。デッドタイムに応じた個数とは、各ＴＡＣ回路１２に順番に検出信号が入力されるようにＴＡＣ回路１２の切り替えを行った際にデッドタイム中のＴＡＣ回路１２に検出信号が入力されることとならない個数である。また、複数のＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊは、検出器４が検出する信号量に応じた個数、設けられている。検出器４が検出する信号量に応じた個数とは、想定される最大の信号量で検出信号が入力された場合であっても、各ＴＡＣ回路１２に順番に検出信号が入力されるようにＴＡＣ回路１２の切り替えを行った際にデッドタイム中のＴＡＣ回路１２に検出信号が入力されることとならない個数である。
【００３７】
制御部１４は、デジタルカウンタ２０（図３参照）から出力されたカウント信号とＴＡＣ回路１２から出力されてＴＡＣ制御部１３においてデジタル信号に変換された計測信号とに基づいて、検出器４によって検出された検出信号に係る時間情報を導出し出力する。図３に示されるように、デジタルカウンタ２０は、検出器４からの検出信号とクロック生成回路９からのクロック信号とが入力されるカウンタである。デジタルカウンタ２０は、クロック信号に同期して動作しており、クロック信号に応じて（クロック信号を数えて）カウント信号を制御部１４に出力する。このようなデジタルカウンタ２０は、検出信号について長時間計測を行うことができるものの、時間分解能を高くすることが難しい。制御部１４は、デジタルカウンタ２０による時間計測結果と、時間分解能が高いＴＡＣ回路１２による時間計測結果とを組み合わせることにより、検出信号に係る時間情報の高時間分解且つ長時間計測を実現している。
【００３８】
図４〜図６は、上述した時間情報の導出を説明する図である。図４〜図６において、横軸は時間軸を示している。図４に示されるように、デジタルカウンタ２０は、クロック信号を数えてカウント信号を出力している。図４では、デジタルカウンタ２０が、２３、２４、２５、２６、２７、２８を示すカウント信号を出力している例が示されている。上述したように、デジタルカウンタ２０はクロック信号に同期して動作している。そして、図４に示されるように、いま、ＴＡＣ回路１２が、検出器４からの検出信号ＴＲＧ１が入力されてから、検出信号ＴＲＧ１の直後のクロック信号ＴＲＧ２が入力されるまでの時間差Ｔを計測したとする。ＴＡＣ回路１２が出力する計測信号では、図５に示されるように、検出信号ＴＲＧ１が入力されたタイミング（時間ｔ１）から電圧（振幅）が検出信号ＴＲＧ１に応じて増加を開始し、クロック信号ＴＲＧ２が入力されたタイミング（時間ｔ２）から電圧（振幅）がクロック信号ＴＲＧ２に応じて一定となる。
【００３９】
制御部１４は、カウント信号が示すカウント値に応じた時間から、計測信号が示す時間を減算することによって、検出信号がＴＡＣ回路１２に入力されるまでの時間を示す時間情報を導出している。すなわち、図４に示される例では、制御部１４は、カウント信号が示すカウント値に応じた時間である２３から、計測信号が示す時間情報である時間差Ｔを減算することによって、検出信号ＴＲＧ１がＴＡＣ回路１２に入力されるまでの時間を示す時間情報（２３−Ｔ）を導出する。このような時間情報の導出は、デジタルカウンタ２０に入力されるクロック信号と、ＴＡＣ回路１２に入力されるクロック信号とが対応している（ＴＡＣ回路１２に入力されたクロック信号が示すカウント値が一意に定まる）ことにより可能になるものである。
【００４０】
制御部１４は、複数のＴＡＣ回路１２が切り替えられる構成において、各ＴＡＣ回路１２からの情報に基づきそれぞれ時間情報を導出することにより、マルチフォトンの場合においても適切に時間計測を行うことができる。図６に示される例では、最初に検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２（図６においてＴＡＣ１と記載）の時間情報を導出した後に、２番目に検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２（図６においてＴＡＣ２と記載）の時間情報を導出し、さらに、３番目に検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２（図６においてＴＡＣ３と記載）の時間情報を導出している。すなわち、図６に示される例では、制御部１４は、カウント信号が示すカウント値に応じた時間である２３からＴＡＣ１が出力する計測信号が示す時間情報を減算することによりＴＡＣ１の計測結果に係る時間情報を導出し、カウント信号が示すカウント値に応じた時間である２４からＴＡＣ２が出力する計測信号が示す時間情報を減算することによりＴＡＣ２の計測結果に係る時間情報を導出し、カウント信号が示すカウント値に応じた時間である２７からＴＡＣ３が出力する計測信号が示す時間情報を減算することによりＴＡＣ３の計測結果に係る時間情報を導出している。制御部１４は、導出した時間情報（計測結果）をコンピュータ５に出力する。
【００４１】
ＴＡＣ回路１６は、第１のトリガ信号が入力されてから第２のトリガ信号が入力されるまでの時間差をアナログ信号（振幅）として出力する時間振幅変換器の回路である。ＴＡＣ回路１６は、検出器４において検出される検出信号に係る現象の同期信号に応じた信号を出力する。検出器４において検出される検出信号に係る現象とは、検出器４において検出される試料Ｓからの蛍光である。現象の同期信号とは、パルスジェネレータ２が光源３及び基準用ゲート１５に同期した（例えば同一の）タイミングで出力したパルス信号に基づき基準用ゲート１５がＴＡＣ回路１６に出力する同期信号である。すなわち、ここでの同期信号とは、蛍光の検出に関して光源３から試料Ｓに照射される励起光に同期した信号である。ＴＡＣ回路１６は、具体的には、基準用ゲート１５から入力された同期信号を第１のトリガ信号、クロック生成回路９から出力されたクロック信号を第２のトリガ信号として、同期信号及びクロック信号の時間差に応じたアナログ信号（振幅）を、上述した同期信号に応じた信号としてＴＡＣ制御部１３に出力する。時間計測装置１０は、ＴＡＣ回路１６として２つのＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂを有する。ＴＡＣ回路１６ａは、上述した同期信号に応じた信号をＴＡＣ制御部１３ｃに出力する。また、ＴＡＣ回路１６ｂは、上述した同期信号に応じた信号をＴＡＣ制御部１３ｆに出力する。ＴＡＣ制御部１３ｃ，１３ｆは、ＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂから入力された信号をデジタル信号に変換し制御部１４に出力する。そして、制御部１４は、上述した同期信号に応じた信号を更に考慮して、時間情報を導出してもよい。すなわち、制御部１４は、上述した同期信号に応じた信号から、現象の開始タイミング（始点）を特定し、検出器４によって検出された検出信号に係る時間情報をより高精度に導出してもよい。
【００４２】
基準用ゲート１５は、ＴＡＣ回路１６のデッドタイムを考慮して、上述した同期信号が入力されるＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂを切り替える。基準用ゲート１５は、パルスジェネレータ２からパルス信号の入力を受け、該パルス信号に応じた同期信号をＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂのうち一方にのみ出力する。基準用ゲート１５は、デッドタイムを考慮して予め設定された切り替え情報に基づき、同期信号が入力されるＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂを切り替えている。当該切り替え情報は、デッドタイム中のＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂに同期信号が入力されないように規定されている。
【００４３】
次に、本実施形態に係る時間計測装置１０、及び、該時間計測装置１０を備える蛍光寿命計測装置１の作用・効果について説明する。
【００４４】
本実施形態に係る時間計測装置１０は、クロック信号に応じてカウント信号を出力するデジタルカウンタ２０と、検出器４において検出された検出信号、及び、クロック信号が入力され、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する、複数のＴＡＣ回路１２（ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊ）と、デジタルカウンタ２０から出力されたカウント信号とＴＡＣ回路１２から出力された計測信号とに基づいて、検出信号に係る時間情報を導出し出力する制御部１４と、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムを考慮して、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２を切り替える計測用ゲート１１と、を備える。
【００４５】
このような時間計測装置１０では、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力するＴＡＣ回路１２が、複数設けられている。そして、本時間計測装置１０では、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムが考慮されて、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２の切り替えが実行される。例えば１つのＴＡＣ回路１２のみで時間が計測される場合には、ＴＡＣ回路１２における計測後において再度の計測ができないデッドタイムが生じる。この点、ＴＡＣ回路１２が多段化されると共に、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムが考慮されてＴＡＣ回路１２が切り替えられることにより、計測後において再度の計測ができないＴＡＣ回路１２から計測ができるＴＡＣ回路１２に切り替えて、上述したデッドタイムを大幅に低減することができる。また、本実施形態に係るＴＡＣ回路１２では、クロック信号に同期して動作するデジタルカウンタ２０がカウント信号を出力することによりクロックの周波数に依存した大まかな時間計測（低時間分解且つ長時間計測）が行われると共に、ＴＡＣ回路１２が検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力することによりデジタルカウンタ２０の計測粗さを補う細かな時間計測（高時間分解且つ短時間計測）が行われる。これらの時間計測結果を合わせて最終的な時間情報が導出されることにより、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。以上のように、本実施形態に係る時間計測装置１０によれば、デッドタイムを低減させて計測効率を向上させると共に、高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。時間計測装置１０による時間分解能の一例は０．２５ｐｓであり、長時間計測の一例は２４時間以上である。なお、ここでの時間分解能とは、計測単位であり、計測システム全体の時間分解能を示すものではない。
【００４６】
例えば、ＴＡＤＦ等の有機ＥＬ発光材料を光励起した場合には、ｎｓオーダの発光及びｍｓオーダの発光が生じうる。このように、非常に大きな時間単位差の減衰特性を有する発光が生じる場合には、蛍光寿命計測を効率よく行うには、高時間分解能を維持したまま長時間計測を行うことができる測定装置が必要となる。このような蛍光寿命計測等において、本実施形態に係る、高時間分解且つ長時間計測を実現する時間計測装置１０を効果的に利用することができる。なお、時間計測装置１０の計測対象は、上述したＴＡＤＦに限られず、その他の蛍光体や、発光現象以外の様々な現象の対象を含みうる。
【００４７】
また、上述した時間計測装置１０は、複数のＴＡＣ回路１２を切り替えて時間計測を行うことによって、例えば蛍光寿命計測において、従来よりも高光量（例えば１０倍程度の光量）での時間計測が可能になる。試料の発光強度が強い場合においては、従来はフィルタを用いて発光を大きく減衰して計測を行っており、信号のロスが多い状態で時間計測を行っているが、時間計測装置１０によれば当該信号のロスを抑制した状態で高精度に時間計測を行うことができる。
【００４８】
計測用ゲート１１は、デッドタイムを考慮して予め設定された切り替え情報に基づき、ＴＡＣ回路１２を切り替えてもよい。このような構成によれば、予め設定された情報（デッドタイムを考慮した切り替え情報）に基づいて、容易且つ適切にＴＡＣ回路１２を切り替えることができる。
【００４９】
制御部１４は、カウント信号が示すカウント値に応じた時間から、計測信号が示す時間を減算することによって、検出信号が入力されるまでの時間を示す時間情報を導出してもよい。これにより、カウント信号及び計測信号に基づいて、検出信号が入力されるまでの時間を高精度に導出することができる。
【００５０】
計測用ゲート１１は、デッドタイム中ではないＴＡＣ回路１２に検出信号が入力されるように、ＴＡＣ回路１２を切り替えてもよい。これにより、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムの影響により計測効率が悪化することを適切に回避できる。
【００５１】
複数のＴＡＣ回路１２は、デッドタイムに応じた個数、設けられていてもよい。これにより、ＴＡＣ回路１２を切り替えることによってデッドタイムの影響を受けることを適切に回避できる。
【００５２】
複数のＴＡＣ回路１２は、検出器４が検出する信号量に応じた個数、設けられていてもよい。これにより、信号量に応じた数だけＴＡＣ回路１２が設けられることとなり、ＴＡＣ回路１２を切り替えることによってデッドタイムの影響を受けることを適切に回避できる。
【００５３】
時間計測装置１０は、検出器４において検出される検出信号に係る現象の同期信号に応じた信号を出力する、複数のＴＡＣ回路１６（ＴＡＣ回路１６ａ，１６ｂ）を更に備え、制御部１４は、同期信号に応じた信号を更に考慮して、時間情報を導出してもよい。これにより、検出信号に係る現象の実際のタイミングを考慮して、検出信号に係る時間情報をより高精度に導出することができる。
【００５４】
時間計測装置１０は、ＴＡＣ回路１６のデッドタイムを考慮して、同期信号が入力されるＴＡＣ回路１６を切り替える基準用ゲート１５を更に備えていてもよい。これにより、ＴＡＣ回路１６におけるデッドタイムの影響により基準信号の計測効率が悪化することを適切に回避できる。
【００５５】
本実施形態に係る蛍光寿命計測装置１は、試料Ｓから発せられる蛍光の寿命を計測する蛍光寿命計測装置であって、上述した時間計測装置１０と、試料Ｓに生成した光を照射する光源３と、光源３からの光が照射された試料Ｓからの蛍光を検出し、検出信号を出力する検出器４と、光源３による光の出力を制御し、光源３及び時間計測装置１０に互いに同期した同期信号を出力するパルスジェネレータ２と、を備える。このような蛍光寿命計測装置１によれば、上述した時間計測装置１０を用いて、蛍光寿命を効率的に計測すると共に、蛍光寿命の計測について高時間分解且つ長時間計測を実現することができる。
【００５６】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、時間計測装置１０が同期信号に係るＴＡＣ回路１６及び基準用ゲート１５を備えるとして説明したが、時間測定対象の現象のタイミング（繰り返しタイミング等）が把握できている場合には、図７に示されるように、ＴＡＣ回路１６及び基準用ゲート１５を備えない構成が採用されてもよい。
【００５７】
また、ＴＡＣ回路１２の数も実施形態において説明した数（８個）に限定されず、例えば図７に示されるように、ＴＡＣ回路１２が６個（ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｆ）等であってもよいし、その他の数であってもよい。このようなＴＡＣ回路１２の適正な数は、例えば蛍光寿命計測であれば、測定する蛍光寿命値に応じて変化させることが好ましい。例えば、測定する蛍光寿命値が５μｓ以下である場合にはＴＡＣ回路１２の数が８個（又はそれ以下）とされ、測定する蛍光寿命値が５μｓよりも長い場合には９個以上のＴＡＣ回路１２が設けられてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１…蛍光寿命計測装置、２…パルスジェネレータ（信号生成部）、３…光源、４…検出器、１０…時間計測装置、１１…計測用ゲート（第１の切替部）、１２…ＴＡＣ回路（第１の時間振幅変換器）、１４…制御部、１５…基準用ゲート（第２の切替部）、１６…ＴＡＣ回路（第２の時間振幅変換器）、２０…デジタルカウンタ（カウンタ）、Ｓ…試料（計測対象物）。
【要約】
時間計測装置１０は、クロック信号に応じてカウント信号を出力するデジタルカウンタ２０と、検出器４において検出された検出信号、及び、クロック信号が入力され、検出信号及びクロック信号間の時間に応じた計測信号を出力する、複数のＴＡＣ回路１２（ＴＡＣ回路１２ａ〜１２ｊ）と、デジタルカウンタ２０から出力されたカウント信号とＴＡＣ回路１２から出力された計測信号とに基づいて、検出信号に係る時間情報を導出し出力する制御部１４と、ＴＡＣ回路１２のデッドタイムを考慮して、検出信号が入力されるＴＡＣ回路１２を切り替える計測用ゲート１１と、を備える。【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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【図７】
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