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技術 光電子増倍管、並びに該光電子増倍管を用いた光測定方法及び装置

出願人 興和株式会社
発明者 鈴木孝佳荒川泰男
出願日 2006年11月10日 (12年9ヶ月経過) 出願番号 2006-304680
公開日 2008年5月29日 (11年2ヶ月経過) 公開番号 2008-123767
状態 特許登録済
技術分野 計測用電子管 光学的手段による材料の調査、分析 測光及び光パルスの特性測定 放射線の測定 眼の診断装置
主要キーワード パルス数カウンタ 収納筐体 パルス形 フレア値 微粒子測定装置 測定体積 感度変化率 単位温度
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (8)

課題

測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定を可能にする。

解決手段

光電子増倍管1の感度特性は、ある程度時間が経過すると変化するので、最初の校正時から所定の時間が経過した場合には、スイッチ16をオンしてヒータ14を発熱させ、光電子増倍管1の温度を強制的に変化させる。そして、光電子増倍管1に基準光源22から基準光入射し、カウンタ6によりフォトカウント値を求めることより、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出し、光電子増倍管の校正を行う。このような構成では、経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

概要

背景

光電子増倍管入射する微弱光フォトカウントを行うもので、そのカウント値から入射する微弱光の強度を精度よく測定できるので、たとえば、微粒子測定装置眼科測定装置などに用いられている。

このような微弱光の強度を検出する必要のある測定装置では、微弱光を入射した光電子増倍管の出力信号に含まれる出力パルス信号パルス)の単位時間当たりの数を入射光光子数と見なしてカウントする光子計数法により微弱光の強度を測定している。カウントした出力パルス数フォトカウント値ともいう。出力パルスは光電子増倍管の出力電流電流電圧変換及び増幅して得られる出力信号をしきい値電圧2値化することによりノイズ成分カットして識別している。

ところが光電子増倍管は、温度環境によって感度(=カウント値/微弱光強度)が変化する。一例を挙げると−0.3%/℃、つまり1℃環境温度が変化すると同じ強度の光を測定してもカウント値が0.3%変化する。つまり環境温度が10度上がると、測定値が約3%変化することになる。

従って、周辺温度を考慮しなければ、例えば、10度から40度の使用環境下で、測定誤差を3%に抑えようとしても無理がある。その対策として、光電子増倍管の温度を常に測定し、光電子増倍管の温度から光電子増倍管の感度を補正して、測定した測定値の結果にその感度を適用して真の測定値を算出するという方法が通常行なわれている(たとえば、下記の特許文献1〜4を参照)。

そのため、光電子増倍管の「温度感度変化率感度変化率/温度」を予め測定し、それを測定器に記憶させておき、測定時にこの記憶された値を読み出し、測定値を補正している。

概要

測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定を可能にする。光電子増倍管1の感度特性は、ある程度時間が経過すると変化するので、最初の校正時から所定の時間が経過した場合には、スイッチ16をオンしてヒータ14を発熱させ、光電子増倍管1の温度を強制的に変化させる。そして、光電子増倍管1に基準光源22から基準光を入射し、カウンタ6によりフォトカウント値を求めることより、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出し、光電子増倍管の校正を行う。このような構成では、経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

目的

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能な光電子増倍管、並びに該光電子増倍管を用いた光測定方法及び装置を提供することを課題とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管であって、光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段が設けられ、前記温度調節手段により光電子増倍管の温度を変化させて光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率が算出可能なことを特徴とする光電子増倍管。

請求項2

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の内部あるいは外部に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項1に記載の光電子増倍管。

請求項3

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の外部に配置されることを特徴とする請求項1に記載の光電子増倍管。

請求項4

前記温度調節手段が光電子増倍管を加熱する熱源であり、熱源をオンしたときの光電子増倍管の温度変化と、熱源オフ時並びにオン時に基準光源からの基準光受光する光電子増倍管の測定値とに基づき前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の光電子増倍管。

請求項5

光電子増倍管の周囲温度を測定する温度センサが、光電子増倍管の収納筐体に取り付けられることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の光電子増倍管。

請求項6

被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定方法であって、光電子増倍管に該光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段を設け、温度調節手段により光電子増倍管の温度を変化させて光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出し、前記算出した単位温度当たりの感度変化率と測定時の光電子増倍管の周囲温度から定まる光電子増倍管への入射光量と光電子増倍管の測定値の関係から、被測定物からの光強度を示す値を算出することを特徴とする光測定方法。

請求項7

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の内部あるいは外部に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項6に記載の光測定方法。

請求項8

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の外部に配置されることを特徴とする請求項6に記載の光測定方法。

請求項9

前記温度調節手段が光電子増倍管を加熱する熱源であり、熱源をオンしたときの光電子増倍管の温度変化と、熱源オフ時並びにオン時に基準光源からの基準光を受光する光電子増倍管の測定値とに基づき前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載の光測定方法。

請求項10

光電子増倍管の周囲温度を測定する温度センサが、光電子増倍管の収納筐体に取り付けられることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項に記載の光測定方法。

請求項11

前記単位温度当たりの感度変化率が、所定時間経過ごとに算出されることを特徴とする請求項6から10のいずれか1項に記載の光測定方法。

請求項12

被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定装置であって、光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段と、温度調節手段により光電子増倍管の温度を変化させて光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出する算出手段と、前記算出した単位温度当たりの感度変化率と測定時の光電子増倍管の周囲温度から定まる光電子増倍管への入射光量と光電子増倍管の測定値の関係から、被測定物からの光強度を示す値を演算する演算手段と、を有することを特徴とする光測定装置。

請求項13

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の内部あるいは外部に着脱可能に取り付けられることを特徴とする請求項12に記載の光測定装置。

請求項14

前記温度調節手段が、光電子増倍管の収納筐体の外部に配置されることを特徴とする請求項12に記載の光測定装置。

請求項15

前記温度調節手段が光電子増倍管を加熱する熱源であり、熱源をオンしたときの光電子増倍管の温度変化と、熱源オフ時並びにオン時に基準光源からの基準光を受光する光電子増倍管の測定値とに基づき前記単位温度当たりの感度変化率が算出されることを特徴とする請求項12から14のいずれか1項に記載の光測定装置。

請求項16

光電子増倍管の周囲温度を測定する温度センサが、光電子増倍管の収納筐体に取り付けられることを特徴とする請求項12から15のいずれか1項に記載の光測定装置。

請求項17

前記単位温度当たりの感度変化率が、所定時間経過ごとに算出されることを特徴とする請求項12から16のいずれか1項に記載の光測定装置。

技術分野

0001

本発明は、被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管、並びにこの光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定方法及び装置に関する。

背景技術

0002

光電子増倍管は入射する微弱光のフォトカウントを行うもので、そのカウント値から入射する微弱光の強度を精度よく測定できるので、たとえば、微粒子測定装置眼科測定装置などに用いられている。

0003

このような微弱光の強度を検出する必要のある測定装置では、微弱光を入射した光電子増倍管の出力信号に含まれる出力パルス信号パルス)の単位時間当たりの数を入射光光子数と見なしてカウントする光子計数法により微弱光の強度を測定している。カウントした出力パルス数フォトカウント値ともいう。出力パルスは光電子増倍管の出力電流電流電圧変換及び増幅して得られる出力信号をしきい値電圧2値化することによりノイズ成分カットして識別している。

0004

ところが光電子増倍管は、温度環境によって感度(=カウント値/微弱光強度)が変化する。一例を挙げると−0.3%/℃、つまり1℃環境温度が変化すると同じ強度の光を測定してもカウント値が0.3%変化する。つまり環境温度が10度上がると、測定値が約3%変化することになる。

0005

従って、周辺温度を考慮しなければ、例えば、10度から40度の使用環境下で、測定誤差を3%に抑えようとしても無理がある。その対策として、光電子増倍管の温度を常に測定し、光電子増倍管の温度から光電子増倍管の感度を補正して、測定した測定値の結果にその感度を適用して真の測定値を算出するという方法が通常行なわれている(たとえば、下記の特許文献1〜4を参照)。

0006

そのため、光電子増倍管の「温度感度変化率感度変化率/温度」を予め測定し、それを測定器に記憶させておき、測定時にこの記憶された値を読み出し、測定値を補正している。

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、光電子増倍管の感度変化率には個体差があり、例えば感度変化率は−0.1%/℃もあれば−0.8%/℃もあり、この個体差が測定精度に少なからず影響を与えている。従って、光電子増倍管を用いて得られた測定値に補正を行うには、予め「感度変化率」を光電子増倍管毎に測定しておく必要があった。

0008

更に、この係数「感度変化率/温度」が長期に渡って変化しないという保証がない、つまり経時変化を起こすため、正確な測定を行おうとすると定期的に「感度変化率/温度」を再度求めなければならない、という問題がある。たとえば、定期的(例えば年1回)、光電子増倍管(のユニット)、あるいはそれを使用している装置ごと使用場所から引き上げて、恒温槽等に入れ、基準光による測定を行い、再度係数「感度変化率/温度」を書き換える必要があった。

0009

そのためユーザーにおける装置の運営上の問題、アフターサービスの負担の問題があった。

0010

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能な光電子増倍管、並びに該光電子増倍管を用いた光測定方法及び装置を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、
被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管であって、
光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段が設けられ、
前記温度調節手段により光電子増倍管の温度を変化させて光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率が算出可能なことを特徴とする。

0012

また、本発明は、
被測定物からの微弱光を検出し測定値を出力する光電子増倍管を用いて被測定物からの光強度を測定する光測定方法及び装置であって、
光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段を設けること、
温度調節手段により光電子増倍管の温度を変化させて光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を算出すること、
前記算出した単位温度当たりの感度変化率と測定時の光電子増倍管の周囲温度から定まる光電子増倍管への入射光量と光電子増倍管の測定値の関係から、被測定物からの光強度を示す値を演算することを特徴とする。

発明の効果

0013

本発明では、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率を簡単に取得できるので、その感度変化率を考慮して被測定物からの微弱光の強度を示す値を算出することができ、測定時の温度や経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。

0015

図1には、被測定物からの微弱光の強度を測定する光測定装置の構成が図示されている。光測定装置8は、微粒子測定装置などに用いられ、被測定物24、たとえば微粒子からの微弱散乱光の強度をフォトカウント値として出力する。

0016

光測定装置8の装置本体(筐体)9内には、光電子増倍管1に配置され、この光電子増倍管1の光電面陰極)には、対物レンズ10、ミラー11及び絞り12などからなる集光光学系を介して、被測定物24からの微弱な測定光が入射される。

0017

光電子増倍管1からは測定光の強度に応じたパルス電流が出力され、それが電流/電圧変換及び増幅回路3によってパルス形状の出力信号に変換され、パルス2値化回路4に入力される。パルス2値化回路4は、光電子増倍管からの出力信号の電圧をしきい値電圧と比較し、しきい値電圧より低ければノイズ成分とみなして「0」としてカットし、高ければ信号成分とみなして「1」としてパルス信号を出力する。

0018

上記パルス2値化回路4からのパルス信号はパルス数カウンタ6に入力される。このカウンタ6は、不図示のCPUが実行するソフトウェアにより、あるいは専用のハードウェアにより構成され、出力パルスの単位時間当たりの数をカウントする。そのカウント値は、フォトカウント値とも呼ばれ、被測定物24からの測定光の強度を示している。そして、このカウント値が、後述する演算回路(演算手段)19により補正演算され、測定結果として液晶表示装置などからなる表示部(モニタ)7に表示される。

0019

光電子増倍管1は、図2に示したように、ソケット1aに取り付けられ、測定光を導く開口2aを形成した筐体2内に配置されていて、光電子増倍管1、ソケット1a、筐体2などによって光電子増倍管ユニットが構成される。

0020

ところで、光電子増倍管1は、温度により感度(フォトカウント値/受光光量)が変化し、そのため測定値に影響がでる。光電子増倍管の感度は、光電子増倍管が設置される周囲温度の影響で変化し、また装置の起動中も光電子増倍管自身の発熱によって常に温度は変動するので、それによっても、光電子増倍管の感度は変化する。

0021

本実施例では、光電子増倍管の校正のために、光電子増倍管1の筐体2には、温度センサ15が着脱可能に取り付けられるとともに、光電子増倍管1の温度を強制的に変化させるために、光電子増倍管1の筐体2には、温度調節手段としての熱源が着脱可能に取り付けられる。この熱源は、たとえばヒータ14として実現され、スイッチ16によってオンオフできるようになっている。

0022

今、ここで、10℃から40℃の環境で測定することを考えた光電子増倍管ユニットの校正を考えてみる。この校正時には、図1において、被測定物24からの測定光の代わりに、LEDなどからなる約10nWの出力を有する基準光源22からの基準光を光測定装置8に入射させ、これを光電子増倍管1で受光し、そのフォトカウント値を調べる。

0023

まず、光電子増倍管ユニットの製作時、あるいは製造元出荷時においては、恒温層などで調整して光電子増倍管ユニットの温度が15℃および35℃になるようにしてそれぞれ基準光源22からの基準光を受光させたときのフォトカウント値を求める。その結果が、図3に図示されている。

0024

光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率(感度変化率/温度)は、光電子増倍管1の周囲温度を温度1から温度2に変化させたとき、測定値(フォトカウント値)が、測定値1から測定値2に変化したとして、図1の感度変化率算出手段17により、
(測定値2−測定値1)/(測定値1)/(温度2−温度1)
として算出される。

0025

図3に示す測定結果の場合には、単位温度当たりの感度変化率は、
(90−110)/{(35℃−15℃)×110}=−0.9%/℃
となる。この算出した感度変化率/温度は、測定値2、測定値1、温度2、温度1等の測定パラメータとともに、記憶装置(記憶手段)18に記憶しておくものとする。

0026

次に、周囲温度が20℃のときに被測定物24からの微弱光の強度を測定する。周囲温度が20℃の測定時には、光電子増倍管1の感度が変化するので、その温度のときに感度特性を求める。このとき、図3より求めた感度変化率/温度が不変であるとすると、
(20℃−15℃)×(−0.9%/℃)×110+110=105
となり、図4実線で示したような、周囲温度20℃でのフォトカウント値と受光光量との関係(感度特性)が得られる。

0027

この関係から、たとえば、パルス数カウンタ6のフォトカウント値がC1であった場合には、光量W1が測定される。この測定光量W1は、図1において、温度センサ15により測定される周囲温度、並びに記憶装置18に格納されている値を用いて、演算回路19により求めることができる。

0028

上述した最初の校正時には、求めた感度変化率/温度は−0.9%/℃であり、この感度変化率/温度が不変の場合には、上述したように、温度センサ15により測定される周囲温度、並びに記憶装置18に格納されている値を用いて、カウンタ6からのカウント値から被測定物からの光の強度を測定することができる。

0029

しかし、最初の校正時から所定の時間(たとえば1年)が経過した場合には、光電子増倍管1に経時変化が発生し、測定温度での感度特性が変化することが確認されている。

0030

今、たとえば、最初の校正時から、たとえば1年が経過して測定を行うときの温度が25℃だとし、感度変化率/温度が最初の校正時と同様に、−0.9%/℃とすると、基準光量に対するフォトカウント値は、
(25℃−15℃)×(−0.9%/℃)×110+110=100
となるが、実際には、図5に示したように、基準光量に対するフォトカウント値は95となり、上記の値とは相違している。

0031

これは、光電子増倍管の単位温度当たりの感度変化率が経時変化したものと考えられ、そのため測定値にも影響がでてしまう。測定のたびに基準光量で校正を行っても校正終了から測定前までにそれなりに温度変化が起きてしまう。

0032

また、先の校正結果から一律に補正する方法、例えば今回だと25℃でフォトカウント値が100→95になっているので、各温度一律に5%減、とする方法では不適であることが判っている。仮に光電子増倍管感度そのものが劣化したという原因ならば、全ての温度で一律5%減したと判断し補正を掛けることで問題は解決する。しかしながら、光電子増倍管の感度劣化ではなく、温度変化に伴う光電子増倍管の感度変化率/温度が原因だとすると、例えば温度15℃では感度低下はなく、25℃では−5%感度低下、35℃では−10%感度低下する可能性もある。

0033

このため、ある程度時間が経つと、正しい測定が不可能になるので、最初の校正時から所定の時間が経過した場合には、光電子増倍管の感度変化率/温度を再度演算しなおす。そのため、最初の校正時から所定の時間が経過したとき、スイッチ16をオンしてヒータ14を発熱させ、光電子増倍管1の温度を強制的に変化させて光電子増倍管1に基準光源22から基準光を入射し、カウント値を求めることより感度変化率/温度を算出し光電子増倍管ユニットの校正を行う。

0034

具体的には、2回目の校正を行う時、温度センサ15により測定される周囲温度が25℃だとすると、図6に示したように、その時の基準光量10nWに対するフォトカウント値95を求める。その後、スイッチ16をオンにしてヒータ14を作動させ光電子増倍管ユニットの温度を強制的に上昇させる。温度がある程度平衡状態になったら、図1の感度変化率算出手段17は、一点鎖線で示すように、その時温度センサ15により求められる光電子増倍管1の温度45℃と、パルス数カウンタ6から得られる基準光量に対するフォトカウント値70から、単位温度当たりの感度変化率、
(70−95)/{(45℃−25℃)×95}=−1.3%/℃
を算出する。そして、この算出された新しい感度変化率/温度は、前のものに上書きされる形で記憶装置18に格納される。

0035

その後の測定は、新しい感度変化率/温度を用いて行われる。すなわち、被測定物24からの微弱光が光電子増倍管1に受光され、パルス数カウンタ6は、たとえばフォトカウント値C2を出力する。演算回路19は、温度センサ15より測定時の周囲温度が20℃とすると、この温度と、記憶装置18から読み出される新しい感度変化率−1.3%/℃から、図7に示したように、20℃での光量とフォトカウント値の関係を示す実線で示した感度特性から、カウント値C2に対する測定光量W2を演算する。そして、この演算された測定光量を、被測定物24からの微弱光の強度を示す値として表示部7に表示する。

0036

このように、所定時間が経過するごとに、光電子増倍管の校正を行うことにより、光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のある微弱光の測定が可能となる。

0037

上述した実施例では、被測定物24からの微弱光は、例えば微粒子測定装置などで微粒子から散乱される散乱光であったが、光測定装置8の構成は、被検眼前房内からの散乱光を解析してフレア測定セル測定などの眼科測定を行う眼科測定装置にも適用することができる。例えば、フレア測定では、前房内に存在する細胞あるいはたんぱく質レーザー光照射され、そこから散乱される散乱光が、図1に示した光測定装置8と同様な構成の光電子増倍管に入射され、その測定値(フォトカウント値)から前房内の測定体積内の細胞数計測され、たんぱく質濃度(フレア値)が測定される。このような装置においても、定期的に装置を校正して感度変化率/温度を簡単に更新できるので、経時変化によって光電子増倍管の感度が変化してしまうような場合でも、信頼性のあるフレア測定が可能となる。

0038

なお、上述した実施例では、ヒータ14は、光電子増倍管自体を収納する筐体2ないし光電子増倍管ユニットの外部に取付けられているが、筐体2の内部に着脱可能に取付けるようにしてもよい。また、収納筐体2ないし光電子増倍管ユニットから離れた場所で、光電子増倍管の温度を変化させることができる場所に配置することもできる。

0039

また、光電子増倍管の温度を変化させる温度調節手段は、ヒータ14などの熱源でなく、光測定装置8が設置される部屋の空調機であってもよく、また光測定装置全体を収納する温度調節可能な恒温槽であってもよい。

0040

また、光電子増倍管の周囲温度を測定する温度センサ15は、光電子増倍管の収納筐体に取り付けるのではなく、光電子増倍管の温度を測定できる周囲の所定の箇所に配置するようにしてもよい。

0041

また、上述した実施例では、基準光は基準光源22を用いて発生させたが、通常の光源と、複数の濃度フィルタから選択された所定の濃度のフィルタを用いて基準光を発生させるようにしてもよい。

図面の簡単な説明

0042

光測定装置の構成を示した構成図である。
光電子増倍管ユニットにおける温度センサ並びにヒータの取り付け状態を示した説明図である。
感度変化率/温度を求める方法を説明したグラフ図である。
図3で求めた感度変化率/温度での入射光量とフォトカウント値との関係を示すグラフ図である。
光電子増倍管の感度特性が変化した場合のフォトカウント値のずれを示すグラフ図である。
光電子増倍管の感度特性が変化した場合の感度変化率/温度を再度求める方法を説明したグラフ図である。
図6で求めた感度変化率/温度での入射光量とフォトカウント値との関係を示すグラフ図である。

符号の説明

0043

1光電子増倍管
8光測定装置
14ヒータ
15温度センサ
17感度変化率算出手段
18記憶装置
19演算回路(演算手段)
22基準光源
24 被測定物

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