JP4554112B2

JP4554112B2 - Two-dimensional faint radiation detector

Info

Publication number: JP4554112B2
Application number: JP2001188301A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: JP2003004636A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二次元的に放射される微弱な電磁波や粒子線を検出する二次元微弱放射検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、病気の予防や診断を有効に行うために、ＤＮＡチップによるハイブリッド形成法が注目されている。これは、ＤＮＡの特定部位の断片（セル）をガラス基板の上にマトリックス状に配置したものである。そして、ＤＮＡチップは、検査対象の人から採取した血液などの検体に蛍光物質を添加して検体のＤＮＡを標識化し、この検体とＤＮＡチップ上のセルとを接触させてハイブリダイゼージョンを行い、検査対象者が特定の病気に係る遺伝子を有するか否かを判定する、などに用いられる。
【０００３】
従来、検体中のＤＮＡがＤＮＡチップのどのセルとハイブリッドを形成したかを検知する場合、図１１に示したようなＤＮＡチップリーダと称する装置を用いて行っている。このＤＮＡチップリーダ１０は、いわゆる共焦点方式となっていて、図示しない検査ステージ上に配置したＤＮＡチップ（試料）１２にレーザ光を照射するレーザ光源１４を備えている。レーザ光源１４の下方には、集光レンズ１６とピンホール１８とが直列に配置してあって、レーザ光源１４の出射したレーザビーム２０を絞るようになっている。
【０００４】
ピンホール１８を通過したレーザビーム２０は、ＤＮＡチップ１２から放射された蛍光とレーザビーム２０とを分離するためのダイクロイックミラー２２を透過したのち、コリメートレンズ２４によって平行光にされる。コリメートレンズ２４によって平行光となったレーザビーム２０は、一対のガルバノミラー２６、２８によって反射されたのち、対物レンズ３０に入射し、ＤＮＡチップ１２上に収束してセルに照射される。ガルバノミラー２６、２８は、レーザビーム２０をＤＮＡチップ１２の面に沿って走査するためのもので、例えばガルバノミラー２６を回転させるとレーザビーム２０がＤＮＡチップ１２の面上をＸ方向に移動し、ガルバノミラー２８を回転させるとレーザビーム２０がＹ方向に移動する。従って、ガルバノミラー２６、２８の回転を制御することにより、ＤＮＡチップ１２にマトリックス状に配置した任意のセルにレーザビーム２０を照射することができる。
【０００５】
ＤＮＡチップ１２のセルは、蛍光物質によって標識化された検体中のＤＮＡとハイブリッドを形成すると、レーザビーム２０が照射されると蛍光を発する。このセルから放射された蛍光は、対物レンズ３０、ガルバノミラー２８、２６、コリメートレンズ２４を介してダイクロイックミラー２２に入射する。そして、ダイクロイックミラー２２は、入射した蛍光のみを選択的に９０度偏向し、ピンホール３２を介して光電子倍増管３４に入射する。光電子倍増管３４は、入射した蛍光によって光電子を生成し、それを増幅して電圧パルスとして出力する。従って、光電子倍増管３４の出力を監視することにより、ＤＮＡチップ１２のどのセルが蛍光を放射したか、すなわち検体中にどのセルとハイブリッドを形成する遺伝子が含まれているかを知ることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した従来のＤＮＡチップリーダ１０は、レーザビーム２０をステップ状に移動させてＤＮＡチップ１２の面を走査する必要がある。このため、Ｎ×Ｎ個のセルをマトリックス状に配置したＤＮＡチップ１２の面に沿ってレーザビーム２０を走査すると、Ｎの数が１００〜１０００（セル数が１万個〜１００万個）と大きくなると、走査時間が指数関数的に増大し、セルの情報を読み取るのに多大な時間を必要とする。このため、複数の光電子倍増管３４を平面的に配置し、ＤＮＡチップ１２の全体にレーザビームを照射し、各光電子倍増管３４の出力パルスを並列的に読み出して二次元情報を得る試みもあるが、光電子倍増管３４は高価であるとともに、大きな設置スペースを必要とするために現実的でない。
【０００７】
また、ＤＮＡチップ１２のハイブリッドを形成したセルの位置を二次元的に得るために、ＣＣＤ方式光子計数ビデオカメラを用いることが考えられる。このＣＣＤ光子計数ビデオカメラは、入射した光子を光電変換して光電子を発生させ、この光電子を多数のキャピラリー（毛細管）からなるマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と称する二次電子倍増管によって、各キャピラリー（チャンネル）ごとに電子数を増幅し、これを再び蛍光体に入射して電子→光変換し、変換した光をＣＣＤビデオカメラで受信するようになっている。しかし、このＣＣＤ方式光子計数ビデオカメラを用いる場合、次のような課題がある。
【０００８】
ＣＣＤビデオカメラからの信号に対して光子計数モードの処理を行う。すなわち、ＣＣＤビデオカメラの各画素（ピクセル）に相当するＣＣＤ素子の出力信号を２値化し、単位時間当りの出力信号（入射した光子の数）を計数する。しかし、ＣＣＤビデオカメラの各素子に対する出力信号の読み出しは、せいぜい１００回／ｓ程度である。
【０００９】
一方、ＤＮＡチップ１２のセルから発生する蛍光は極めて微弱であって、ＭＣＰの各チャンネル（キャピラリー）には、光子が希にしか入射しない。しかも、ＭＣＰからＣＣＤ素子に入射する電子のパルスの持続時間は、０．１〜１０ｎｓと桁外れに短い。このため、ＣＣＤビデオカメラの各素子は、希にしかこない入射光子に対応した電子のパルスを、電子のパルス持続時間に比べて１０⁶〜１０⁸倍も長い、信号の読み出し周期となる１０ｍｓ程度の間積分することになる。ところが、ＣＣＤには暗電流というノイズがあり、このノイズも読み出し周期の間積分されることになり、パルスのＳ／Ｎが１０⁶〜１０⁸以上ないと検出システムが実現できないという非現実的なこととなる。
【００１０】
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、二次元的な微弱な放射を高速、かつ高精度で検出できるようにすることを目的としている。また、本発明は、微弱な放射に基づいた二次元カラー画像を容易に得られるようにすることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る二次元微弱放射検出装置は、光子の入射によって電子を放出する光電変換部と、この光電変換部に対面配置されて光電変換部が放出した電子を増幅する電子増幅部が複数設けられた増幅モジュールと、この増幅モジュールを構成している前記各電子増幅部に対応して設けられ、電子増幅部からの電子が入射する電子検出部が複数設けられた検出モジュールと、この検出モジュールを構成している前記各電子検出部を直交変調パターンに基づいて作動させる動作制御部と、この動作制御部の制御信号と前記各電子検出部の出力信号とに基づいて、前記光電変換部に入射した前記光子の位置を求める光入射位置演算部と、を有することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る二次元微弱放射検出装置は、光子の入射によって電子を放出する光電変換部と、この光電変換部に対面配置されて光電変換部が放出した電子を増幅する電子増幅部が複数設けられた増幅モジュールと、この増幅モジュールを構成している前記各電子増幅部に対応して設けられ、電子増幅部からの電子が入射する電子検出部が複数設けられた検出モジュールと、この検出モジュールを構成している前記各電子検出部を直交変調パターンに基づいて作動させる動作制御部と、この動作制御部の制御信号と前記各電子検出部の出力信号とに基づいて、前記光電変換部に入射した前記光子の位置を求める光入射位置演算部と、前記各電子検出部の出力信号の大きさに基づいて前記光子のエネルギーを求め、予め与えられた色信号に変換する波長演算部と、を有することを特徴としている。
【００１３】
波長演算部は、前記電子検出部の出力信号の出力頻度に基づいて出力信号の大きさを求めて前記色信号に変換するように構成することができる。また、光電変換部の前面に、電磁波または粒子線の入射によって光子を放出する発光部を設けてもよい。
【００１４】
【作用】
上記のごとく構成した本発明は、微弱な放射による光子が光電変換部によって光電子に変換され、この光電子（電子）が増幅モジュールにおいて数を増幅されたのち、検出モジュールに入射する。検出モジュールは、増幅モジュールの複数の電子増幅部に対応して電子検出部が設けてあって、これらの電子検出部が直交変調パターン（例えば、２値直交変調パターンであるアダマール行列の各行に対応するパターン）に従って作動される。従って、常にｎ×ｎ個の電子検出部の１／４から出力信号（データ）が得られる。そして、この得られた出力信号について、光入射位置演算部において得られたデータの逆変換（例えば、アダマール逆変換）を行うことにより、出力信号を出力した電子検出部を特定することができ、光電変換部に入射した光子の位置を求めることができる。従って、二次元の微弱な放射を高速、かつ高精度で二次元的に検出することができ、微弱な放射による二次元映像を得ることができる。
【００１５】
また、本発明においては、電子検出部の出力信号の大きさに基づいて入射した光子のエネルギーを求め、このエネルギーに対応して予め与えられている色信号に変換するようになっているため、複数の波長の光に基づく光子が入力した場合に、二次元的に求めた微弱放射の画像を通常のカラー画像とすることが可能で、二次元微弱放射の状態をより容易に認識、理解することができる。また、カラーの暗視カメラなどを容易に形成することができる。
【００１６】
電子検出部の出力信号の大きさは、電子検出部が出力する出力信号の頻度に基づいて求めるようにすると、計測の揺らぎによる誤りを避けることができ、検出すべき出力信号の大きさを容易、確実に求めることができる。そして、光電変換部の前面に、電磁波または粒子線の入射によって光子を放出する発光部を設けると、微弱なＸ線やガンマ線、α線などの検出が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る二次元微弱放射検出装置の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明に係る二次元微弱放射検出装置の実施形態の概略ブロック図であって、ＤＮＡチップリーダに適用した例を示したものである。図１において、二次元微弱放射検出装置である微弱光検出装置４０は、レーザ照射ユニット４２を有している。このレーザ照射ユニット４２は、検査ステージ４４の上に配置した試料となるＤＮＡチップ４６にレンズ系４８を介してレーザビーム５０を照射できるようにしてある。また、微弱光検出装置４０は、検査ステージ４４の上方に配設した検出ユニット５２と、この検出ユニット５２の出力信号に基づいハイブリッドを形成したＤＮＡチップ４６内のセルの位置などを求める信号処理ユニット５４を備えている。
【００１８】
検出ユニット５２は、詳細を後述するように、微弱な光を検出する複数のマイクロキャピラリーを備えた検出部５６と、この検出部５６を作動させる動作制御部５８とからなっている。また、信号処理ユニット５４は、検出部５６の出力信号を読み込むデータ読取り部６０を有する。さらに、信号処理ユニット５４には、データ読取り部６０の出力側に接続した振幅検出部６２、振幅検出部６２の出力側に設けた計数部６４、計数部６４からの信号が入力する画像作成部６８、画像作成部６８の出力側の設けた出力部７０を有している。そして、画像作成部６８は、その作用を後述する画像演算部６８ａとスペクトル作成部８６ｂとから形成してある。また、出力部７０には、出力装置となっている表示装置７０やプリンタ７２、外部記憶装置７４などが接続されている。
【００１９】
検出ユニット５２の検出部５６は、図２に示したように、レンズ８０、光電変換部８２、増幅モジュールとなるマイクロチャンネルプレート８４、検出モジュール８６を備えていて、レンズ８０が検出窓となっている。そして、検出部５６は、図３に示したように、レーザビーム５０や外来光を遮蔽する遮光容器５６ａが設けてあって、この遮光容器５６ａの前端面にレンズ８０が取り付けてある。さらに、遮光容器５６ａ内には、レンズ８０の後方に光電変換部８２、マイクロチャンネルプレート８４、検出モジュール８６をこの順に配置してある。これらの光電変換部８２、マイクロチャンネルプレート８４、検出モジュール８６は、超高速フォトカウンティング方式の二次元受信器５６ｂを構成している。また、レンズ８０と二次元受信器５６ｂとの間には、光学フィルタ５６ｃが配置してある。この光学フィルタ５６ｃは、レーザ光の周波数帯域を遮断するとともに、蛍光に対応した周波数帯域の光を選択的に透過して二次元受信器５６ｂに入射させるようになっている。
【００２０】
二次元受光器５６ｂは、図４に示したように、真空容器５６ｄを有していて、真空容器５６ｄの前面に光電変換部８２が取り付けてある。そして、マイクロチャンネルプレート８４と検出モジュール８６とは、真空容器５６ｄの内部に配設してある。また、二次元受信器５６ｂは、光電変換部８２とマイクロチャンネルプレート８４と検出モジュール８６とが相互に密接するように配置してある。
【００２１】
検出部５６は、レンズ８０がＤＮＡチップ４６と対面するように配置される。そして、レンズ８０は、ＤＮＡチップ４６のセルが放射する微弱放射である微弱光な蛍光（入射光）を光電変換部８２上に結像させる。そして、光電変換部８２は、レンズ８０と光学フィルタ５６ｃとを透過した蛍光（光子）が８８入射すると、電子（光電子）９０を放出する。また、光電変換部８２が放出した電子９０は、詳細を後述するマイクロチャンネルプレート８４において数が１０⁷〜１０⁷倍程度に増幅され、増幅電子９２となって検出モジュール８６に入射し、検出モジュール８６によって検出される。
【００２２】
マイクロチャンネルプレート８４は、二次電子倍増管である複数のマイクロキャピラリー９４を、ＤＮＡチップ４６のセルに対応させてマトリックス状に配設した構造を有している。マイクロチャンネルプレート８４を構成しているマイクロキャピラリー９４は、図５に示したように、直径が６μｍ、長さが１ｃｍ程度の加速管９６と、この加速管９６の両端に設けたカソード９８、アノード１００からなっている。そして、マイクロキャピラリー９４は、カソード９８とアノード１００とが直流電源１０２に接続され、１０００〜１００００Ｖの直流高電圧がカソード９８とアノード１００との間に印加してある。このため、カソード９８側から加速管９６内に入射した電子９０は、カソード９８とアノード１００との間に印加してある高電圧によって加速され、加速管９６の内壁に衝突するたびに二次電子を生じて雪崩的に数が増幅され、増幅電子９２としてアノード１００側から出射される。
【００２３】
検出モジュール８６は、図６に示したようになっている。すなわち、検出モジュール８６は、実施形態の場合、ＭＯＳトランジスタからなる複数の検出トランジスタ１０４（１０４_ij）と、ＭＯＳトランジスタからなる複数の読み出しトランジスタ１０６（１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ………）とを備えている。検出トランジスタ１０４_ij（ｉ＝１、２、３、………ｎ、ｊ＝１、２、３、………ｎ）は、マイクロチャンネルプレート８４を構成しているマイクロキャピラリー９４に対応してｎ×ｎ個がマトリックス状に配置してある。また、読み出しトランジスタ１０６は、マトリックス状に配置した検出トランジスタ１０４の各列に対応してｎ個設けてある。
【００２４】
検出トランジスタ１０４は、各行ごとにゲートがゲート制御線１０８（１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、………）に接続され、これらのゲート制御線１０８が動作制御部５８を構成しているゲート切替回路１１０に接続してある。また、検出トランジスタ１０４は、ドレインが各列ごとにデータ線１１２（１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、………）を介して読み出しトランジスタ１０６のソースに接続してある。そして、各読み出しトランジスタ１０６は、ドレインが信号処理ユニット５４のデータ読取り部６０に接続してあり、それぞれのゲートが対応する読み出し線１１４（１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、………）に接続してある。
また、検出トランジスタ１０４のソースには、マイクロキャピラリー９４の出力側に対面して設けた検出電極１２０が接続してある。
【００２５】
各読み出し線１１４は、動作制御部５８を構成している読み出し線切替回路１１６に接続してある。動作制御部５８は、ゲート切替回路１１０、読み出し線切替回路１１６、切替制御部１１８などから構成してある。そして、切替制御部１１８は、詳細を後述するように、２値直交変調パターン（直交変調パターン）に基づいて切替制御信号を生成し、この切替制御信号をゲート切替回路１１０と読み出し線切替回路１１６とに与え、各検出トランジスタ１０４を直交変調パターンに基づいて切替動作させるようになっている。
【００２６】
このように構成した実施形態に係る微弱光検出装置４０の作用は、次のとおりである。まず、図示しない検体とハイブリッドを形成させたＤＮＡチップ４６を検査ステージ４４の上に配置し、レーザ照射ユニット４２によってレーザビーム５０をＤＮＡチップ４６の全体に照射する。ＤＮＡチップ４６のセルが蛍光物質によって標識されている検体のＤＮＡとハイブリッドを形成していると、そのセルから蛍光が放射される。この蛍光（光子）は、検査ステージ４４の上方に設けた検査ユニット５２の検出部５６に入射する。
【００２７】
検出部５６に入射した光子８８は、図２に示したように、レンズ８０を透過して光電変換部８２によって電子（光電子）９０に変換される。そして、電子９０は、マイクロチャンネルプレート８４を構成しているマイクロキャピラリー９４の増幅管９６に入射する（図５参照）。電子９０は、増幅管９６に入ると、増幅管９６の両端に印加されている高圧直流電圧によって加速され、加速管９６の内壁に多数回衝突して二次電子を生成し、個数が１０⁶〜１０⁷倍程度に増幅される。この増幅電子９２は、検出モジュール８６の検出電極１２０に入射し、検出電極１２０を帯電させる。従って、検出トランジスタ１０４を順次切り替えて動作させることにより、どの検出トランジスタ１０４の検出電極１２０に増幅電子９２が入射したかを知ることができる。
【００２８】
ところで、ＤＮＡチップ４６のセルが放射する蛍光は、極めて微弱であって、マイクロチャンネルプレート８４の各マイクロキャピラリー９４には、光電変換により生成された電子９０が希にしか入射しない。すなわち、検出モジュール８６の各検出電極１２０には、増幅電子９２が希にしか入射しない。このため、ゲート１チャンネル（１つのゲート制御線１０８）、読み出し１チャンネル（１つの読み出し線１１４）を選択してデータを読み出す場合、図７（ａ）に示したように、データ読取り部６０は、まばらにしか検出パルス１２２を出力しない。しかも、ゲート制御線１０８と読み出し線１１４とを順次切り替えるためにｎ×ｎ回の切り替えが必要で、ｎの数が１００〜１０００（セル数が１万個〜１００万個）となると、多大な読み出し時間を必要とする。
【００２９】
そこで、複数のゲート制御線１０８と複数の読み出し線１１４とを選択して複数の検出トランジスタ１０４を同時に駆動すると、各データ線１１２には、図７（ｂ）に示したように、検出トランジスタ１０４を個々に駆動したときより多くのパルス１２４が得られる。そして、データ読取り部６０は、これらを合成したパルスを出力するため、同図（ｃ）に示したように、時系列における検出パルス１２２の密度を高くすることができる。しかし、このままでは、どの検出トランジスタ１０４の出力によって得られた検出パルス１２２であるかを知ることができず、ＤＮＡチップ４６のどのセルがハイブリッドを形成しているかを特定することができない。このため、この実施形態においては、直交変調パターンに基づいた駆動信号を生成して検出トランジスタ１０４を駆動するようにしている。
【００３０】
以上に述べてきた直交変調パターンとしては、２値直交変調パターンであるアダマール行列の各行に対応した変調パターンが適している。アダマール行列は、要素が「＋１」と「−１」とからなっていて、対角線に沿って対象位置にある要素が同じである対称行列となっている。例えば、一次のアダマール行列Ｈ⁽¹⁾を具体的に書くと、
【数１】

のようになる。また、二次、三次のアダマール行列Ｈ⁽²⁾、Ｈ⁽³⁾は、数式２、数式３のように書くことができる。
【数２】

【数３】

【００３１】
すなわち、アダマール行列は、一般的に次の漸化式によって定義することができる。
【数４】

ただし、数式４において、ｋは次数を示す。
【００３２】
そこで、実施形態においては、検出ユニット５２の動作制御部５８を構成している切替制御部１１８が、スイッチをオンにする場合を「＋１」、スイッチをオフにする場合を「−１」に対応したアダマール行列に基づいて、検出トランジスタ１０４の切替動作信号を作成し、切替制御信号としてゲート切替回路１１０と読み出し線切替回路１１６とに与える。例えば、検出モジュール８６が８×８個の検出トランジスタ１０４で構成した場合、検出トランジスタ１０４の動作信号は図８のようになる。この図８において斜線を施した部分が動作電圧を与えられてオンとなる＋１に相当し、白抜きの部分がオフである−１に相当している。
【００３３】
すなわち、切替制御部１１８は、ゲート切替回路１１０にアダマール行列に従った切替制御信号を与え、ゲート制御線１０８を介して各検出トランジスタ１０４のゲートにアダマール行列に従ってゲート電圧を切り替えて印加するとともに、読み出し線切替回路１１６にアダマール行列に基づいた切替信号を与えて読み出しトランジスタ１０６をアダマール行列に従って切り替えて動作させる。例えば、検出トランジスタ１０４が８×８個である場合、切替制御部１１８は、アダマール行列に基づいて図８の下部に示したｎ個の変調モードを生成し、ゲート切替回路１１０に図８の下部右側に示した０次の動作信号（切替信号）を与え、すべてのゲート制御線１０８をゲート電源に接続し、すべての検出トランジスタ１０４のゲートにゲート電圧を印加するとともに、読み出し線切替回路１１６に図８の下部左側の０次から７次の切替信号を与え、読み出しトランジスタ１０６をアダマール行列に基づいて順次切り替えて駆動する。
【００３４】
そして、切替制御部１１８は、読み出しトランジスタ１０６に対して０次から７次までの切り替えが終了したならば、ゲート切替回路１１０に１次の駆動信号を与え、第１行、第３行、第５行、第７行のゲート制御線１０８ａに接続した検出トランジスタ１０４のゲートに電圧を印加し、この状態で読み出しトランジスタ１０６を０次から７次まで切り替える。このようにして、切替制御部１１８は、検出トランジスタ１０４のゲートに対して印加する電圧を、０次から７次まで順に切り替えるごとに、読み出しトランジスタ１０６を０次から７次まで切り替える。これにより、検出トランジスタ１０４は、常に半分がゲート電圧を印加され、半分のデータ線１１２がオン状態となり、全体の１／４の検出トランジスタ１０４から出力信号がデータ読取り部６０に入力する。
【００３５】
データ読取り部６０は、検出トランジスタ１０４の出力信号として入力する電流を電圧に変換して増幅し、図６に示したような出力パルス１３０を電圧として出力する。この出力パルス１３０は、図１に示したように、信号処理ユニット５４の振幅検出部６２に入力される。なお、データ読取り部６０の出力パルス１３０は、Ａ／Ｄ変換するようにしてもよい。
【００３６】
検出トランジスタ１０４のゲートをアダマール行列に基づいて切り替えて電圧を印加し、読み出しトランジスタ１０６をアダマール行列によって切り替えて動作させた場合、データ読取り部６０の出力するパルス１３０（アダマール行列に基づいて変調したデータ）から、アダマール逆変換をすることにより復調することにより、パルス１３０を出力した検出トランジスタ１０４を求めることができる。すなわち、ゲート制御線１０８を行、読み出し線１１４（データ線１１２）を列とする頻度データ行列を考えた場合、この行方向と列方向とにアダマール逆変換（二次元アダマール逆変換）を行うことにより、任意に選択した１つのゲート制御線１０８と１つの読み出し線１１４との組み合わせによる検出トランジスタ１０４を特定することができる。従って、画像演算部６８ａは、詳細を後述するように入射位置演算部となっていて、計数部６４の係数値に基づいてアダマール逆変換をすることにより、増幅電子９２が入射した検出トランジスタ１０４を求めることができ、光電子９０が入力したマイクロキャピラリー９４を特定することができ、光電変換部８２のどの位置に光子８８が入射したかを知ることができる。よって、ＤＮＡチップ４６のどのセルが蛍光を放射したかを知ることができる。
【００３７】
信号処理ユニット５４の振幅検出部６２は、データ読取り部６０の出力するパルス１３０を振幅（電圧の大きさ）を求めて計数部６４に入力する。すなわち、ＤＮＡチップ４６のセルに結合させる図示しない検体に複数の蛍光物質が添加してある場合、セルがハイブリッドを形成すると、ＤＮＡチップ４６からは複数の蛍光が放射される。蛍光物質の放射する蛍光は、その蛍光物質に特有の波長を有する。従って、蛍光物質が異なると、異なる波長の蛍光が放射され、光電変換部８２に入射する光子８８のエネルギーがそれぞれ異なる。このため、光電変換部８２において生成される電子（光電子）９０は、入射した光子８８のエネルギーの違いによって運動エネルギーが異なり、波長の短い蛍光が入射するとより運動エネルギーの大きな電子９０が生成される。そして、より運動エネルギーの大きな電子９０がマイクロキャピラリー９４に入射すると、より多くの二次電子が生成され、増幅電子９２の数が多くなる。従って、波長の短い蛍光による光子８８に基づく電子９０が入射したマイクロキャピラリー９４に対応した検出トランジスタ１０４の出力が大きくなり、データ読取り部６０の出力するパルス１３０の大きさとなる振幅（パルス１３０の高さ）がより大きくなる。つまり、データ読取り部６０の出力パルス１３０は、ＤＮＡチップ６０が複数の蛍光を放射する場合、図９に示したように振幅の異なったものとなる。
【００３８】
計数部６４は、動作制御部５８の切替制御部１１８が読み出し線切替回路１１６に切替制御信号を出力するのに同期して振幅検出部６２の出力信号を読み込み、振幅検出部６２の求めた振幅ごとにデータ読取り部６０の出力するパルス１３０を計数し、画像作成部６８の画像演算部６８ａ入力する。入射位置演算部である画像演算部６８ａは、計数部６４の出力した係数値を図示しない内部メモリに、データの読み出しのモードに対応させてパルス１３０の大きさごとに記憶する。そして、画像演算部６８ａは、アダマール行列に基づいた変調モードによるデータの読み出しが終了すると、内部メモリに記憶した計数部６４からの係数値を読み出し、このデータを予め与えられている演算式によってアダマール逆変換する。これにより、上記したように画像演算部６８ａは、ピクセルとなる信号を出力した検出トランジスタ１０４、すなわち電子（光電子）９０の入射したマイクロキャピラリー９４の位置を求め、蛍光を放射したＤＮＡチップ４６内のセルを特定するとともに、各セルごとにデータ読取り部６０の出力パルス１３０の大きさ（振幅の大きさ）について頻度を求める。
【００３９】
そして、画像作成部６８を構成しているスペクトル作成部６８ａは、画像演算部６８ａが求めた出力パルス１３０の振幅ごとの頻度（パルス数）を読み出し、図１０に示したように、ピクセルごとの出力パルス１３０についてのエネルギースペクトルを作成する。さらにスペクトル作成部６８ａは、作成したエネルギースペクトルに基づいて、検出ユニット５２に入射した光子のエネルギー（蛍光の波長）を求める。すなわち、スペクトル作成部６８ｂは、予め与えられている蛍光の波長とデータ読取り部６０の出力パルス１３０の振幅との関係から、図１０のパルス頻度の極大値ａ、ｂ、ｃに相当する蛍光の波長λ₁、λ₂、λ₃を求めるとともに、波長λに対して予め与えられている色を選択して色信号に変換する。このとき、波長変換部６８ｂは、図１０のパルス数（頻度）の大きさによって色の濃さ（色信号の大きさ）を変えるようになっている。そして、スペクトル作成部６８ｂの出力した色信号は、出力部７０を介して表示装置７２などに出力される。これにより、ＤＮＡチップ４６のハイブリッドを形成しているセルが二次元の通常のカラー画像として表示される。これにより、二次元的に放射される蛍光などの微弱な放射を高速に、高精度で検出することができ、また微弱な放射による二次元画像が得られる。なお、波長λが０の部分に相当するピークｄは、ノイズに相当する。
【００４０】
なお、前記実施形態においては、検出部５６がレンズ８０、光電変換部８２、マイクロチャンネルプレート８４、検出モジュール８６によって構成した場合について説明したが、レンズ８０の前面にシンチレータのような発光部を設けてもよい。このように発光部を設けると、例えばＸ線やγ線、電子線、α線などの非常に微弱な電磁波や粒子線を二次元的に検出することができ、映像化することができる。
【００４１】
また、上記に説明した実施形態は、本発明の一態様の説明であって、これに限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、ＤＮＡチップ４６のハイブリッドを形成したセルの検出に適用する場合について説明したが、カラーの暗視カメラとして使用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、検出モジュールを構成している複数の電子検出部を直交変調パターン（例えば、２値直交変調パターンであるアダマール行列の各行に相当するパターン）に従って動作させ、常にｎ×ｎ個の電子検出部の１／４から出力信号（データ）を得、この得られた出力信号について、入射位置演算部においてデータの逆変換を行うことにより、出力信号を出力した電子検出部を特定することができ、光電変換部に入射した光子の位置を求めることができる。従って、二次元の微弱な放射を高速、かつ高精度で二次元的に検出することができ、微弱な放射による二次元映像を得ることができる。
【００４３】
また、本発明においては、電子検出部の出力信号の大きさに基づいて入射した光子のエネルギーを求め、このエネルギーに対応して予め与えられている色信号に変換するようになっているため、複数の波長の光に基づく光子が入力した場合に、二次元的に求めた微弱放射の画像を通常のカラー画像とすることが可能で、二次元微弱放射の状態をより容易に認識、理解することができる。
【００４４】
そして、本発明は、電子検出部の出力信号の大きさを、電子検出部が出力する出力信号の頻度に基づいて求めるようにしており、計測の揺らぎによる誤りを避けることができ、検出すべき出力信号の大きさを容易、確実に求めることができる。また、光電変換部の前面に、電磁波または粒子線の入射によって光子を放出する発光部を設けているため、微弱なＸ線やガンマ線、α線などの検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る二次元微弱放射検出装置のブロック図である。
【図２】実施の形態に係る検出部の詳細説明図である。
【図３】実施の形態に係る検出部の概略を示す斜視図である。
【図４】実施の形態に係る検出部を構成している二次元受信器を説明する斜視図である。
【図５】実施の形態に係るマイクロキャピラリーの詳細説明図である。
【図６】実施の形態に係る検出モジュールの詳細説明図である。
【図７】実施の形態に係るデータ読取り部の出力パルスの状態を説明する図である。
【図８】実施の形態に係る検出モジュールの動作を制御する方法の説明図である。
【図９】実施の形態に係るデータ読取り部の出力する出力パルスの説明図である。
【図１０】実施の形態に係るデータ読取り部の出力パルスに基づくエネルギースペクトルの説明図である。
【図１１】従来のＤＮＡチップリーダの説明図である。
【符号の説明】
４０………二次元微弱放射検出装置（微弱光検出装置）、
４２………レーザ照射ユニット、４６………ＤＮＡチップ、
５２………検出ユニット、５４………信号処理ユニット、５６………検出部、
５８………動作制御部、６０………データ読取り部、６２………振幅検出部、
６４………計数部、６６………光入射位置演算部、６８………画像作成部、
６８ａ………入射位置演算部（画像演算部）、
６８ｂ………波長演算部（スペクトル作成部）、８２………光電変換部、
８４………増幅モジュール（マイクロチャンネルプレート）、
８６………検出モジュール、９４………マイクロキャピラリー、
１０４₁₁、１０４₁₂、１０４₁₃、１０４₂₁………検出トランジスタ、
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ………読み出しトランジスタ、
１２０………検出電極。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a two-dimensional weak radiation detection apparatus that detects weak electromagnetic waves and particle beams emitted two-dimensionally.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in order to effectively prevent and diagnose diseases, a hybridization method using a DNA chip has attracted attention. In this method, fragments (cells) of specific sites of DNA are arranged in a matrix on a glass substrate. The DNA chip adds a fluorescent substance to a sample such as blood collected from a person to be examined to label the sample DNA, and contacts the sample with a cell on the DNA chip for hybridization. It is used for determining whether or not the test subject has a gene related to a specific disease.
[0003]
Conventionally, when detecting which cell of a DNA chip has formed a hybrid with DNA in a sample, an apparatus called a DNA chip reader as shown in FIG. 11 is used. The DNA chip reader 10 is a so-called confocal system, and includes a laser light source 14 that irradiates a DNA chip (sample) 12 placed on an inspection stage (not shown) with laser light. A condensing lens 16 and a pinhole 18 are arranged in series below the laser light source 14 so that the laser beam 20 emitted from the laser light source 14 is focused.
[0004]
The laser beam 20 that has passed through the pinhole 18 passes through a dichroic mirror 22 for separating the fluorescence emitted from the DNA chip 12 and the laser beam 20, and then is collimated by a collimator lens 24. The laser beam 20 converted into parallel light by the collimating lens 24 is reflected by the pair of

galvanometer mirrors

26 and 28, then enters the objective lens 30, converges on the DNA chip 12, and is irradiated onto the cell. The galvanometer mirrors 26 and 28 are for scanning the laser beam 20 along the surface of the DNA chip 12. For example, when the galvanometer mirror 26 is rotated, the laser beam 20 moves on the surface of the DNA chip 12 in the X direction. When the galvanometer mirror 28 is rotated, the laser beam 20 moves in the Y direction. Therefore, by controlling the rotation of the

galvanometer mirrors

26 and 28, it is possible to irradiate the laser beam 20 to any cell arranged in a matrix on the DNA chip 12.
[0005]
When the cell of the DNA chip 12 forms a hybrid with the DNA in the sample labeled with a fluorescent substance, the cell emits fluorescence when irradiated with the laser beam 20. The fluorescence emitted from the cell is incident on the dichroic mirror 22 via the objective lens 30, the galvanometer mirrors 28 and 26, and the collimator lens 24. The dichroic mirror 22 selectively deflects only the incident fluorescence by 90 degrees and enters the photomultiplier tube 34 through the pinhole 32. The photomultiplier tube 34 generates photoelectrons by incident fluorescence, amplifies it, and outputs it as a voltage pulse. Therefore, by monitoring the output of the photomultiplier tube 34, it is possible to know which cell of the DNA chip 12 radiates fluorescence, that is, which cell contains a gene that forms a hybrid with the sample.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional DNA chip reader 10 needs to scan the surface of the DNA chip 12 by moving the laser beam 20 stepwise. Therefore, when the laser beam 20 is scanned along the surface of the DNA chip 12 in which N × N cells are arranged in a matrix, the number of N is 100 to 1000 (the number of cells is 10,000 to 1,000,000). When it becomes large, the scanning time increases exponentially, and it takes a lot of time to read the cell information. For this reason, there are also attempts to obtain two-dimensional information by arranging a plurality of photomultiplier tubes 34 in a plane, irradiating the entire DNA chip 12 with a laser beam, and reading the output pulses of the photomultiplier tubes 34 in parallel. However, the photomultiplier tube 34 is not practical because it is expensive and requires a large installation space.
[0007]
In order to obtain two-dimensionally the position of the cell where the hybrid of the DNA chip 12 is formed, it is conceivable to use a CCD photon counting video camera. This CCD photon counting video camera photoelectrically converts incident photons to generate photoelectrons, and each photoelectron is generated by a secondary electron multiplier tube called a microchannel plate (MCP) composed of a number of capillaries (capillaries). The number of electrons is amplified for each channel), and is again incident on the phosphor to be converted from electrons to light, and the converted light is received by a CCD video camera. However, when this CCD photon counting video camera is used, there are the following problems.
[0008]
A photon counting mode process is performed on the signal from the CCD video camera. That is, the output signal of the CCD element corresponding to each pixel (pixel) of the CCD video camera is binarized, and the output signal (number of incident photons) per unit time is counted. However, the readout of the output signal to each element of the CCD video camera is at most about 100 times / s.
[0009]
On the other hand, the fluorescence generated from the cells of the DNA chip 12 is extremely weak, and photons rarely enter each channel (capillary) of the MCP. Moreover, the duration of the pulse of electrons incident on the CCD element from the MCP is extremely short, 0.1 to 10 ns. For this reason, each element of the CCD video camera uses an electron pulse corresponding to an incident photon which is rarely emitted, as compared with the electron pulse duration.⁶-10⁸The integration is performed for about 10 ms, which is twice as long as the signal readout cycle. However, there is a dark current noise in the CCD, and this noise is also integrated during the readout cycle, and the S / N of the pulse is 10⁶-10⁸Otherwise, the detection system cannot be realized.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described drawbacks of the prior art, and has an object to detect two-dimensional faint radiation at high speed and with high accuracy. It is another object of the present invention to easily obtain a two-dimensional color image based on weak radiation.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a two-dimensional weak radiation detection apparatus according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that emits electrons upon incidence of photons, and an electron that is disposed facing the photoelectric conversion unit and emitted from the photoelectric conversion unit. Amplifying module provided with a plurality of electronic amplifying units for amplifying the signal, and a plurality of electron detecting units provided corresponding to each of the electronic amplifying units constituting the amplifying module and receiving electrons from the electron amplifying unit. Detection module, an operation control unit that operates each of the electron detection units constituting the detection module based on an orthogonal modulation pattern, a control signal of the operation control unit, and an output signal of each of the electron detection units, And a light incident position calculation unit that obtains the position of the photon incident on the photoelectric conversion unit.
[0012]
Further, the two-dimensional weak radiation detection apparatus according to the present invention includes a photoelectric conversion unit that emits electrons upon incidence of a photon, and an electron amplification unit that is disposed facing the photoelectric conversion unit and amplifies the electrons emitted by the photoelectric conversion unit. A plurality of amplification modules, a detection module provided corresponding to each of the electronic amplification units constituting the amplification module, and provided with a plurality of electron detection units on which electrons from the electron amplification unit are incident, and this An operation control unit that operates each of the electron detection units constituting the detection module based on a quadrature modulation pattern, and the photoelectric conversion based on a control signal of the operation control unit and an output signal of each of the electron detection units A light incident position calculation unit that obtains the position of the photon incident on the unit, and obtains the energy of the photon based on the magnitude of the output signal of each of the electron detection units. It is characterized by having a wavelength calculation unit for conversion.
[0013]
The wavelength calculation unit can be configured to obtain the magnitude of the output signal based on the output frequency of the output signal of the electron detection unit and convert it to the color signal. Moreover, you may provide the light emission part which discharge | releases a photon by incidence | injection of electromagnetic waves or a particle beam in the front surface of a photoelectric conversion part.
[0014]
[Action]
In the present invention configured as described above, photons generated by weak radiation are converted into photoelectrons by the photoelectric conversion unit, and the number of photoelectrons (electrons) is amplified by the amplification module and then incident on the detection module. The detection module is provided with an electron detection unit corresponding to a plurality of electronic amplification units of the amplification module, and these electron detection units correspond to each row of an orthogonal modulation pattern (for example, a Hadamard matrix that is a binary orthogonal modulation pattern). Operated according to the pattern). Therefore, an output signal (data) is always obtained from ¼ of the n × n electron detectors. And about this obtained output signal, by performing inverse transformation of the data obtained in the light incident position calculation unit (for example, Hadamard inverse transformation), it is possible to identify the electron detection unit that has output the output signal, The position of the photon incident on the photoelectric conversion unit can be obtained. Therefore, two-dimensional weak radiation can be detected two-dimensionally at high speed and with high accuracy, and a two-dimensional image with weak radiation can be obtained.
[0015]
Further, in the present invention, the energy of the incident photon is obtained based on the magnitude of the output signal of the electron detection unit, and is converted into a color signal given in advance corresponding to this energy. When photons based on light of multiple wavelengths are input, it is possible to make a two-dimensionally obtained image of weak radiation into a normal color image, and to easily recognize and understand the state of two-dimensional weak radiation be able to. In addition, a color night vision camera or the like can be easily formed.
[0016]
If the magnitude of the output signal of the electron detection unit is determined based on the frequency of the output signal output by the electron detection unit, errors due to measurement fluctuations can be avoided, and the magnitude of the output signal to be detected is easy. , Can be assured. If a light emitting unit that emits photons upon incidence of electromagnetic waves or particle beams is provided on the front surface of the photoelectric conversion unit, weak X-rays, gamma rays, α rays, and the like can be detected.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Preferred embodiments of a two-dimensional weak radiation detection apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic block diagram of an embodiment of a two-dimensional weak radiation detection apparatus according to the present invention, showing an example applied to a DNA chip reader. In FIG. 1, a weak light detection device 40 that is a two-dimensional weak radiation detection device has a laser irradiation unit 42. The laser irradiation unit 42 is configured to irradiate a laser beam 50 through a lens system 48 to a DNA chip 46 that is a sample placed on the inspection stage 44. Further, the faint light detection device 40 includes a detection unit 52 disposed above the inspection stage 44, and a signal processing unit that obtains the position of a cell in the DNA chip 46 that forms a hybrid based on the output signal of the detection unit 52. 54.
[0018]
As will be described in detail later, the detection unit 52 includes a detection unit 56 including a plurality of microcapillaries that detect weak light, and an operation control unit 58 that operates the detection unit 56. Further, the signal processing unit 54 includes a data reading unit 60 that reads an output signal of the detection unit 56. Further, the signal processing unit 54 includes an amplitude detection unit 62 connected to the output side of the data reading unit 60, a counting unit 64 provided on the output side of the amplitude detection unit 62, and an image creation unit to which signals from the counting unit 64 are input. 68, and an output unit 70 provided on the output side of the image creating unit 68. The image creation unit 68 is formed of an image calculation unit 68a and a spectrum creation unit 86b described later. The output unit 70 is connected to a display device 70, a printer 72, an external storage device 74, and the like, which are output devices.
[0019]
As shown in FIG. 2, the detection unit 56 of the detection unit 52 includes a lens 80, a photoelectric conversion unit 82, a microchannel plate 84 serving as an amplification module, and a detection module 86. The lens 80 serves as a detection window. Yes. As shown in FIG. 3, the detection unit 56 includes a light shielding container 56a that shields the laser beam 50 and extraneous light, and a lens 80 is attached to the front end surface of the light shielding container 56a. Further, a photoelectric conversion unit 82, a microchannel plate 84, and a detection module 86 are arranged in this order behind the lens 80 in the light shielding container 56a. The photoelectric conversion unit 82, the microchannel plate 84, and the detection module 86 constitute a two-dimensional receiver 56b of an ultra high speed photo counting method. An optical filter 56c is disposed between the lens 80 and the two-dimensional receiver 56b. The optical filter 56c cuts off the frequency band of the laser light and selectively transmits light in the frequency band corresponding to the fluorescence so as to enter the two-dimensional receiver 56b.
[0020]
As shown in FIG. 4, the two-dimensional light receiver 56b has a vacuum vessel 56d, and a photoelectric conversion unit 82 is attached to the front surface of the vacuum vessel 56d. The microchannel plate 84 and the detection module 86 are disposed inside the vacuum vessel 56d. The two-dimensional receiver 56b is arranged so that the photoelectric conversion unit 82, the microchannel plate 84, and the detection module 86 are in close contact with each other.
[0021]
The detection unit 56 is arranged so that the lens 80 faces the DNA chip 46. The lens 80 causes the weak fluorescence (incident light), which is weak radiation emitted from the cell of the DNA chip 46, to form an image on the photoelectric conversion unit 82. When the fluorescence (photon) transmitted through the lens 80 and the optical filter 56c enters 88, the photoelectric conversion unit 82 emits electrons (photoelectrons) 90. Further, the number of electrons 90 emitted by the photoelectric conversion unit 82 is 10 in a microchannel plate 84 to be described in detail later.⁷-10⁷The amplified electron 92 is amplified by about twice, enters the detection module 86, and is detected by the detection module 86.
[0022]
The microchannel plate 84 has a structure in which a plurality of microcapillaries 94 that are secondary electron multiplier tubes are arranged in a matrix corresponding to the cells of the DNA chip 46. As shown in FIG. 5, the microcapillary 94 constituting the microchannel plate 84 includes an acceleration tube 96 having a diameter of about 6 μm and a length of about 1 cm, a cathode 98 provided at both ends of the acceleration tube 96, and an anode. It consists of 100. In the microcapillary 94, the cathode 98 and the anode 100 are connected to the DC power source 102, and a DC high voltage of 1000 to 10000 V is applied between the cathode 98 and the anode 100. For this reason, the electrons 90 that have entered the accelerating tube 96 from the cathode 98 side are accelerated by the high voltage applied between the cathode 98 and the anode 100, and each time they collide with the inner wall of the accelerating tube 96, secondary electrons are emitted. As a result, the number is amplified in an avalanche manner and emitted as amplified electrons 92 from the anode 100 side.
[0023]
The detection module 86 is as shown in FIG. That is, in the embodiment, the detection module 86 includes a plurality of detection transistors 104 (104_ij) And a plurality of read transistors 106 (106a, 106b, 106c,...) Composed of MOS transistors.). Detection transistor 104_ij(I = 1, 2, 3,... N, j = 1, 2, 3,... N) corresponds to n × n micro-capillaries 94 constituting the micro-channel plate 84. They are arranged in a matrix. Further, n read transistors 106 are provided corresponding to the respective columns of the detection transistors 104 arranged in a matrix.
[0024]
The detection transistor 104 has a gate connected to the gate control line 108 (108a, 108b, 108c,...) For each row, and these gate control lines 108 are connected to the gate switching circuit 110 constituting the operation control unit 58. Connected. The drain of the detection transistor 104 is connected to the source of the read transistor 106 via the data line 112 (112a, 112b, 112c,...) For each column. Each read transistor 106 has a drain connected to the data read unit 60 of the signal processing unit 54 and a gate connected to the corresponding read line 114 (114a, 114b, 114c,...). .
A detection electrode 120 provided facing the output side of the microcapillary 94 is connected to the source of the detection transistor 104.
[0025]
Each readout line 114 is connected to the readout line switching circuit 116 constituting the operation control unit 58. The operation control unit 58 includes a gate switching circuit 110, a readout line switching circuit 116, a switching control unit 118, and the like. The switching control unit 118 generates a switching control signal based on a binary quadrature modulation pattern (orthogonal modulation pattern), as will be described in detail later, and this switching control signal is used as the gate switching circuit 110 and the readout line switching circuit 116. The detection transistors 104 are switched based on the orthogonal modulation pattern.
[0026]
The operation of the weak light detection apparatus 40 according to the embodiment configured as described above is as follows. First, a DNA chip 46 that is hybridized with a sample (not shown) is placed on the inspection stage 44, and a laser beam 50 is irradiated on the entire DNA chip 46 by the laser irradiation unit 42. When the cell of the DNA chip 46 forms a hybrid with the sample DNA labeled with a fluorescent substance, fluorescence is emitted from the cell. This fluorescence (photon) is incident on the detection unit 56 of the inspection unit 52 provided above the inspection stage 44.
[0027]
As shown in FIG. 2, the photon 88 incident on the detection unit 56 passes through the lens 80 and is converted into electrons (photoelectrons) 90 by the photoelectric conversion unit 82. Then, the electrons 90 enter the amplification tube 96 of the microcapillary 94 constituting the microchannel plate 84 (see FIG. 5). When the electrons 90 enter the amplifying tube 96, they are accelerated by the high-voltage DC voltage applied to both ends of the amplifying tube 96, collide with the inner wall of the accelerating tube 96 many times, and generate secondary electrons.⁶-10⁷It is amplified about twice. The amplified electrons 92 enter the detection electrode 120 of the detection module 86 and charge the detection electrode 120. Therefore, it is possible to know which detection transistor 104 has the amplified electrons 92 incident thereon by sequentially switching the detection transistors 104 to operate.
[0028]
By the way, the fluorescence emitted from the cells of the DNA chip 46 is extremely weak, and the electrons 90 generated by photoelectric conversion rarely enter the microcapillaries 94 of the microchannel plate 84. That is, the amplified electrons 92 rarely enter the detection electrodes 120 of the detection module 86. Therefore, when data is read by selecting one gate channel (one gate control line 108) and one read channel (one read line 114), as shown in FIG. The detection pulse 122 is output only sparsely. Moreover, in order to sequentially switch the gate control line 108 and the readout line 114, it is necessary to switch n × n times, and when the number n is 100 to 1000 (the number of cells is 10,000 to 1,000,000), Read time is required.
[0029]
Therefore, when the plurality of gate control lines 108 and the plurality of readout lines 114 are selected and the plurality of detection transistors 104 are simultaneously driven, each data line 112 includes a detection transistor 104 as shown in FIG. 7B. More pulses 124 are obtained when the are individually driven. And since the data reading part 60 outputs the pulse which combined these, as shown in the figure (c), it can make the density of the detection pulse 122 in a time series high. However, as it is, it is impossible to know which detection pulse 122 is obtained by the output of which detection transistor 104, and it is impossible to specify which cell of the DNA chip 46 forms a hybrid. For this reason, in this embodiment, the detection transistor 104 is driven by generating a drive signal based on the orthogonal modulation pattern.
[0030]
As the orthogonal modulation pattern described above, a modulation pattern corresponding to each row of the Hadamard matrix which is a binary orthogonal modulation pattern is suitable. The Hadamard matrix is a symmetric matrix in which elements are “+1” and “−1”, and the elements at the target position are the same along the diagonal line. For example, the first-order Hadamard matrix H⁽¹⁾If you write specifically,
[Expression 1]

become that way. In addition, the second-order and third-order Hadamard matrix H⁽²⁾, H⁽³⁾Can be written as Equation 2 and Equation 3.
[Expression 2]

[Equation 3]

[0031]
That is, the Hadamard matrix can be generally defined by the following recurrence formula.
[Expression 4]

However, in Formula 4, k shows an order.
[0032]
Therefore, in the embodiment, the switching control unit 118 constituting the operation control unit 58 of the detection unit 52 corresponds to “+1” when the switch is turned on and “−1” when the switch is turned off. Based on the Hadamard matrix, a switching operation signal for the detection transistor 104 is generated and supplied to the gate switching circuit 110 and the readout line switching circuit 116 as a switching control signal. For example, when the detection module 86 includes 8 × 8 detection transistors 104, the operation signal of the detection transistor 104 is as shown in FIG. In FIG. 8, the shaded portion corresponds to +1 that is turned on when an operating voltage is applied, and the white portion corresponds to −1 that is turned off.
[0033]
That is, the switching control unit 118 gives a switching control signal according to the Hadamard matrix to the gate switching circuit 110, and switches and applies the gate voltage to the gate of each detection transistor 104 according to the Hadamard matrix via the gate control line 108. A switching signal based on the Hadamard matrix is given to the readout line switching circuit 116 to switch the readout transistor 106 in accordance with the Hadamard matrix. For example, when the number of detection transistors 104 is 8 × 8, the switching control unit 118 generates n modulation modes shown in the lower part of FIG. 8 based on the Hadamard matrix, and causes the gate switching circuit 110 to display the lower part of FIG. The 0th-order operation signal (switching signal) shown on the right side is applied, all the gate control lines 108 are connected to the gate power supply, the gate voltage is applied to the gates of all the detection transistors 104, and the readout line switching circuit 116 is supplied. A switching signal from the 0th order to the 7th order on the lower left side of FIG. 8 is given, and the read transistor 106 is sequentially switched based on the Hadamard matrix and driven.
[0034]
Then, when the switching from the 0th order to the 7th order is completed for the read transistor 106, the switching control unit 118 gives a primary drive signal to the gate switching circuit 110, and the first row, the third row, A voltage is applied to the gate of the detection transistor 104 connected to the gate control line 108a in the fifth row and the seventh row, and the read transistor 106 is switched from the 0th order to the 7th order in this state. In this way, the switching control unit 118 switches the read transistor 106 from the 0th order to the 7th order every time the voltage applied to the gate of the detection transistor 104 is switched in order from the 0th order to the 7th order. As a result, half of the detection transistors 104 are always applied with the gate voltage, half of the data lines 112 are turned on, and an output signal is input to the data reading unit 60 from the 1/4 detection transistors 104 of the whole.
[0035]
The data reading unit 60 converts a current input as an output signal of the detection transistor 104 into a voltage and amplifies it, and outputs an output pulse 130 as shown in FIG. 6 as a voltage. The output pulse 130 is input to the amplitude detector 62 of the signal processing unit 54 as shown in FIG. The output pulse 130 of the data reading unit 60 may be A / D converted.
[0036]
When a voltage is applied by switching the gate of the detection transistor 104 based on the Hadamard matrix and the read transistor 106 is operated by switching using the Hadamard matrix, the pulse 130 output from the data reading unit 60 (data modulated based on the Hadamard matrix) ), The detection transistor 104 that has output the pulse 130 can be obtained by performing demodulation by inverse Hadamard transform. That is, when a frequency data matrix having the gate control line 108 as a row and the readout line 114 (data line 112) as a column is considered, Hadamard inverse transformation (two-dimensional Hadamard inverse transformation) is performed in the row direction and the column direction. Thus, it is possible to specify the detection transistor 104 by a combination of one arbitrarily selected gate control line 108 and one readout line 114. Accordingly, the image calculation unit 68a is an incident position calculation unit as will be described in detail later. By performing inverse Hadamard transformation based on the coefficient value of the counting unit 64, the detection transistor 104 into which the amplified electrons 92 have entered is detected. The microcapillary 94 to which the photoelectron 90 is input can be specified, and the position of the photon 88 in the photoelectric conversion unit 82 can be known. Therefore, it is possible to know which cell of the DNA chip 46 emitted fluorescence.
[0037]
The amplitude detection unit 62 of the signal processing unit 54 obtains the amplitude (voltage magnitude) of the pulse 130 output from the data reading unit 60 and inputs it to the counting unit 64. That is, when a plurality of fluorescent substances are added to a sample (not shown) to be bound to the cell of the DNA chip 46, a plurality of fluorescence is emitted from the DNA chip 46 when the cell forms a hybrid. The fluorescence emitted by the fluorescent material has a wavelength characteristic of the fluorescent material. Accordingly, when the fluorescent materials are different, fluorescence having different wavelengths is emitted, and the energy of the photons 88 incident on the photoelectric conversion unit 82 is different. For this reason, the electrons (photoelectrons) 90 generated in the photoelectric conversion unit 82 have different kinetic energies depending on the energy difference of the incident photons 88, and the electrons 90 having larger kinetic energy are generated when fluorescent light having a short wavelength is incident. . When electrons 90 having higher kinetic energy are incident on the microcapillary 94, more secondary electrons are generated and the number of amplified electrons 92 is increased. Therefore, the output of the detection transistor 104 corresponding to the microcapillary 94 into which the electrons 90 based on the photons 88 of fluorescence having a short wavelength are incident is increased, and the amplitude (the height of the pulse 130 is increased) of the pulse 130 output from the data reading unit 60 ) Will be larger. That is, when the DNA chip 60 emits a plurality of fluorescences, the output pulse 130 of the data reading unit 60 has different amplitudes as shown in FIG.
[0038]
The counting unit 64 reads the output signal of the amplitude detecting unit 62 in synchronization with the switching control unit 118 of the operation control unit 58 outputting the switching control signal to the readout line switching circuit 116, and the amplitude obtained by the amplitude detecting unit 62 is obtained. Every time, the pulse 130 output from the data reading unit 60 is counted and input to the image calculation unit 68 a of the image creation unit 68. The image calculation unit 68a, which is an incident position calculation unit, stores the coefficient value output from the counting unit 64 in an internal memory (not shown) for each size of the pulse 130 corresponding to the data reading mode. Then, when the reading of the data in the modulation mode based on the Hadamard matrix is completed, the image calculation unit 68a reads the coefficient value from the counting unit 64 stored in the internal memory, and this data is Hadamard according to an arithmetic expression given in advance. Reverse conversion. As a result, as described above, the image calculation unit 68a obtains the position of the detection capillary 104 that outputs the pixel signal, that is, the position of the microcapillary 94 on which the electrons (photoelectrons) 90 are incident, and the fluorescence inside the DNA chip 46 that has emitted the fluorescence. While specifying a cell, the frequency is calculated | required about the magnitude | size (magnitude magnitude) of the output pulse 130 of the data reading part 60 for every cell.
[0039]
Then, the spectrum creation unit 68a constituting the image creation unit 68 reads the frequency (number of pulses) for each amplitude of the output pulse 130 obtained by the image computation unit 68a, and as shown in FIG. An energy spectrum for the output pulse 130 is created. Furthermore, the spectrum creating unit 68a obtains the energy (fluorescence wavelength) of the photons incident on the detection unit 52 based on the created energy spectrum. That is, the spectrum creation unit 68b determines the fluorescence corresponding to the maximum values a, b, and c of the pulse frequency in FIG. 10 from the relationship between the wavelength of the fluorescence given in advance and the amplitude of the output pulse 130 of the data reading unit 60. Wavelength λ₁, Λ₂, Λ_ThreeAnd a color given in advance for the wavelength λ is selected and converted into a color signal. At this time, the wavelength converter 68b changes the color density (color signal magnitude) according to the number of pulses (frequency) in FIG. Then, the color signal output from the spectrum creating unit 68 b is output to the display device 72 and the like via the output unit 70. As a result, the cells forming the hybrid of the DNA chip 46 are displayed as a two-dimensional normal color image. Thereby, weak radiation such as fluorescence emitted two-dimensionally can be detected at high speed with high accuracy, and a two-dimensional image by weak radiation can be obtained. Note that the peak d corresponding to the portion where the wavelength λ is 0 corresponds to noise.
[0040]
In the above embodiment, the case where the detection unit 56 includes the lens 80, the photoelectric conversion unit 82, the microchannel plate 84, and the detection module 86 has been described. However, a light emitting unit such as a scintillator is provided on the front surface of the lens 80. May be. When the light emitting portion is provided in this manner, for example, very weak electromagnetic waves and particle beams such as X-rays, γ-rays, electron beams, and α-rays can be detected two-dimensionally and imaged.
[0041]
Moreover, embodiment described above is description of 1 aspect of this invention, Comprising: It is not limited to this. For example, in the above-described embodiment, the case where the present invention is applied to detection of a cell in which a hybrid of the DNA chip 46 is formed has been described. However, it can be used as a color night vision camera.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the plurality of electron detectors constituting the detection module operate according to an orthogonal modulation pattern (for example, a pattern corresponding to each row of a Hadamard matrix that is a binary orthogonal modulation pattern). The output signal (data) is always obtained from ¼ of the n × n electron detection units, and the output signal is output by performing inverse conversion of the data on the obtained output signal in the incident position calculation unit. Thus, the position of the photon incident on the photoelectric conversion unit can be obtained. Therefore, two-dimensional weak radiation can be detected two-dimensionally at high speed and with high accuracy, and a two-dimensional image with weak radiation can be obtained.
[0043]
Further, in the present invention, the energy of the incident photon is obtained based on the magnitude of the output signal of the electron detection unit, and is converted into a color signal given in advance corresponding to this energy. When photons based on light of multiple wavelengths are input, it is possible to make a two-dimensionally obtained image of weak radiation into a normal color image, and to easily recognize and understand the state of two-dimensional weak radiation be able to.
[0044]
In the present invention, the magnitude of the output signal of the electron detector is obtained based on the frequency of the output signal output from the electron detector, so that errors due to measurement fluctuations can be avoided and should be detected. The magnitude of the output signal can be determined easily and reliably. In addition, since a light emitting unit that emits photons upon incidence of electromagnetic waves or particle beams is provided on the front surface of the photoelectric conversion unit, weak X-rays, gamma rays, α rays, and the like can be detected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a two-dimensional weak radiation detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a detailed explanatory diagram of a detection unit according to the embodiment.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a detection unit according to the embodiment.
FIG. 4 is a perspective view for explaining a two-dimensional receiver constituting a detection unit according to the embodiment.
FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of a microcapillary according to an embodiment.
FIG. 6 is a detailed explanatory diagram of a detection module according to the embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a state of an output pulse of a data reading unit according to the embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram of a method for controlling the operation of the detection module according to the embodiment;
FIG. 9 is an explanatory diagram of output pulses output by the data reading unit according to the embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of an energy spectrum based on an output pulse of the data reading unit according to the embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram of a conventional DNA chip reader.
[Explanation of symbols]
40 ... 2D weak radiation detector (weak light detector),
42 ......... Laser irradiation unit, 46 ......... DNA chip,
52... Detection unit 54... Signal processing unit 56 56 Detection unit
58... Operation control unit 60... Data reading unit 62 62 Amplitude detection unit
64... Counting unit 66... Light incident position calculation unit 68 68.
68a .... Incident position calculation unit (image calculation unit),
68b ......... Wavelength calculation part (spectrum creation part), 82 ... ... Photoelectric conversion part,
84 ……… Amplification module (microchannel plate),
86 ……… Detection module, 94 ……… Microcapillary,
104₁₁, 104₁₂, 104₁₃, 104_{twenty one}……… Detection transistor,
106a, 106b, 106c,... Readout transistor,
120... Detection electrode.

Claims

光子の入射によって電子を放出する光電変換部と、
この光電変換部に対面配置されて光電変換部が放出した電子を増幅する電子増幅部が複数設けられた増幅モジュールと、
この増幅モジュールを構成している前記各電子増幅部に対応して設けられ、電子増幅部からの電子が入射する電子検出部が複数設けられた検出モジュールと、
この検出モジュールを構成している前記各電子検出部を直交変調パターンに基づいて作動させる動作制御部と、
この動作制御部の制御信号と前記各電子検出部の出力信号とに基づいて、前記光電変換部に入射した前記光子の位置を求める光入射位置演算部と、
を有することを特徴とする二次元微弱放射検出装置。A photoelectric converter that emits electrons upon incidence of photons; and
An amplifying module provided with a plurality of electron amplifying units arranged to face the photoelectric converting unit and amplifying electrons emitted from the photoelectric converting unit;
A detection module provided corresponding to each of the electronic amplification units constituting the amplification module, and provided with a plurality of electron detection units on which electrons from the electronic amplification unit are incident;
An operation control unit for operating each electron detection unit constituting the detection module based on an orthogonal modulation pattern;
Based on the control signal of this operation control unit and the output signal of each of the electron detection units, a light incident position calculation unit for obtaining the position of the photon incident on the photoelectric conversion unit,
A two-dimensional faint radiation detection apparatus comprising:

光子の入射によって電子を放出する光電変換部と、
この光電変換部に対面配置されて光電変換部が放出した電子を増幅する電子増幅部が複数設けられた増幅モジュールと、
この増幅モジュールを構成している前記各電子増幅部に対応して設けられ、電子増幅部からの電子が入射する電子検出部が複数設けられた検出モジュールと、
この検出モジュールを構成している前記各電子検出部を直交変調パターンに基づいて作動させる動作制御部と、
この動作制御部の制御信号と前記各電子検出部の出力信号とに基づいて、前記光電変換部に入射した前記光子の位置を求める光入射位置演算部と、
前記各電子検出部の出力信号の大きさに基づいて前記光子のエネルギーを求め、予め与えられた色信号に変換する波長演算部と、
を有することを特徴とする二次元微弱放射検出部。A photoelectric converter that emits electrons upon incidence of photons; and
An amplifying module provided with a plurality of electron amplifying units arranged to face the photoelectric converting unit and amplifying electrons emitted from the photoelectric converting unit;
A detection module provided corresponding to each of the electronic amplification units constituting the amplification module, and provided with a plurality of electron detection units on which electrons from the electronic amplification unit are incident;
An operation control unit for operating each electron detection unit constituting the detection module based on an orthogonal modulation pattern;
Based on the control signal of this operation control unit and the output signal of each of the electron detection units, a light incident position calculation unit for obtaining the position of the photon incident on the photoelectric conversion unit,
A wavelength calculation unit that obtains the energy of the photon based on the magnitude of the output signal of each of the electron detection units, and converts the photon energy into a predetermined color signal
A two-dimensional faint radiation detector.

請求項２に記載の二次元微弱放射検出装置において、
前記波長演算部は、前記電子検出部の出力信号の出力頻度に基づいて出力信号の大きさを求めて前記色信号に変換することを特徴とする二次元微弱放射検出装置。The two-dimensional weak radiation detection apparatus according to claim 2,
The wavelength calculation unit obtains the magnitude of an output signal based on the output frequency of the output signal of the electron detection unit and converts it into the color signal.

請求項１ないし３のいずれか１に記載の二次元微弱放射検出装置において、
前記光電変換部の前面に、電磁波または粒子線の入射によって光子を放出する発光部が設けてあることを特徴とする二次元微弱放射検出装置。The two-dimensional weak radiation detection apparatus according to any one of claims 1 to 3,
2. A two-dimensional faint radiation detection apparatus, wherein a light emitting unit that emits photons upon incidence of electromagnetic waves or particle beams is provided in front of the photoelectric conversion unit.