JPH0560601A

JPH0560601A - 高速光検出器及び高速光検出装置

Info

Publication number: JPH0560601A
Application number: JP22429791A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Suyama; 本比呂須山
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-09-04
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1993-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】入射光の強度変化等に関係なく、一定のタイ
ミングで出力信号を発生する高速光検出器を提供するこ
とである。【構成】電子管２は、光電面４と、光電面４からの光
電子を加速する透過型の加速電極５と、加速電極５の後
方に設けられた透過型の信号取出電極６と、加速された
光電子を集めるアノード７とを有する。透過型の信号取
出電極６からは、光電面４からアノード７に向かう光電
子の速度に対応した出力信号が、光電子が信号取出電極
６を通過する前後で符号を変える誘導電流として取り出
される。信号取出電極６に流れる誘導電流に対応して得
られる出力信号を測定し、出力信号が一方に最大に振れ
た後に振れが減少して０レベルを通過する点を検出すれ
ば、光電子が透過型電極を通過する時間等を正確に検出
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光信号の到着を正確に
測定するための高速光検出器及び高速光検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】高速の
光検出器の応用として、パルス光の到達したタイミング
を正確に検出することが重要になる場合がある。例え
ば、螢光寿命の測定方法の一つであるＴＣＰＣ（Time-C
orrelated single Photon Counting method ）や、スト
リークカメラの電気的なトリガ信号の発生の場合であ
る。このような応用のため、図１７〜図２０に示すよう
な従来技術が知られている。

【０００３】ＰＴ（光電管）、ＰＭＴ（光電子増倍管）
等の電子管のうち最も高速のものは、アノードの前に透
過型の加速電極を有する３極管構造のものである。従来
の高速光検出器では、このような電子管のアノードから
入力光に応答した出力を取り出せるようにしている。図
１７は、従来の高速光検出器の構成を示す。図１７
（ａ）はＰＴを用いた高速光検出器を示し、図１７
（ｂ）はＭＰＣ−ＰＭＴを用いた高速光検出器を示す。

【０００４】しかし、アノードから出力を取り出すタイ
プの高速光検出器では、入射したパルス光の強度ゆら
ぎ、或いはＭＣＰ、ダイノード等における増倍ゆらぎの
ためにその出力の振幅が安定しない。このため、このよ
うな高速光検出器と、その信号出力があるスレッシュホ
ールドレベルＶ_tを超えたときにパルス状のタイミング
信号を発生する外部回路とを備える高速光検出装置で
は、入射した光パルスのタイミングを毎回正確に出力す
ることができない。図１８はこのことを説明した図であ
る。高速光検出器の信号出力が大きい場合（実線）とそ
の信号出力が小さい場合（点線）との間では誤差Δｔが
生じてしまうことが分かる。

【０００５】そこで、外部回路としてＣＦＤ（Constant
Fraction Discriminator ）を用い、高速光検出器の出
力に応じて比較的正確なタイミング信号を出力すること
が一般に行われている。

【０００６】図１９は、このＣＦＤの構成を示した図で
ある。まず、高速光検出器の信号出力を２分し、一方を
反転させてさらに減衰させる。また、他方に適当な遅延
を施す。その後、両者は加算される。加算された信号
は、高速光検出器からの信号出力の大小にかかわらず同
じタイミングで０Ｖとクロスする。このことを以下に簡
単に説明する。信号出力の立ち上がり時間をｔ_r、振幅
をＶ、減衰率をｆ（０＜ｆ＜１）としたとき、０クロス
する時間ｔは、−ｆＶ＋（ｔ／ｔ_r）Ｖ＝０の条件か
ら、ｔ＝ｆｔ_rで与えられる。つまり、ｔは振幅Ｖに依
存しないので、０クロス時間を検出し、これをもとにタ
イミング信号を出力すれば、入射したパルス光の強度ゆ
らぎや高速光検出器である電子管の増倍ゆらぎに影響さ
れない正確なタイミング信号を得ることができる。図２
０（ａ）及び図２０（ｂ）は、各点Ａ、Ｂでの信号波形
の一例を示した図である。

【０００７】ところが、ＣＦＤには種々の問題点があ
る。第１の問題点は、高速光検出器からの信号出力が入
力されてからタイミング信号が出力されるまでの伝達遅
延時間が長い点にある。この問題は、ＣＦＤ内部で遅延
回路を用いることに起因する。例えば、ストリークカメ
ラのトリガのためＣＦＤを用いるとき、被測定光がスト
リークカメラに入射する以前にトリガ信号が必要となる
場合もあるので、このような伝達遅延時間が重要な問題
となる。さらに、この伝達遅延時間は、明らかに測定系
の最大係数率を制限しているという問題もある。

【０００８】また、第２の問題点は、反転回路、減衰回
路、遅延回路等がそれ自身で持つノイズに起因するジッ
タ（タイミング誤差）が避けられず、性能が制限される
点にある。

【０００９】また、第３の問題点は、回路系が繁雑にな
るという点とそれに付随して装置系が高価になるという
点である。

【００１０】そこで、本発明は、入射光の強度変化やＭ
ＣＰゲイン等の増倍分布等に関係なく、一定のタイミン
グで出力信号を発生する高速光検出器を提供することを
目的とする。さらに、本発明は、かかる高速光検出器を
備え、その出力信号に応じてタイミング信号を出力する
高速光検出装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る高速光検出器は、光電面と、アノード
と、光電面及びアノードの間に配置された透過型電極と
を有する電子管を備える。この透過型電極からは、光電
面からアノードに向かう光電子の速度に対応した出力信
号が取り出される。

【００１２】

【作用】上記の高速光検出器にあっては、光電面とアノ
ードとの間に透過型電極が設けられているので、光電面
から発生した光電子が透過型電極に近付くときにはこの
透過型電極に一方向の誘導電流が流れ、光電子が透過型
電極を通過して遠ざかるときにはこの透過型電極に逆方
向の誘導電流が流れる。透過型電極に流れる誘導電流に
対応して得られる出力信号を測定し、出力信号が一方に
最大に振れた後に振れが減少して所定レベルを通過する
点を検出すれば、光電子が透過型電極を通過する時間を
正確に検出することができる。ここで、光電子が光電面
より放出されて透過型電極を通過するのに要する時間
は、光検出器の形状と印加電圧によって正確に決まる一
定値であり、入射光の強度変化等の影響を受けない。従
って、光電子が透過型電極を通過する時間を検出すれ
ば、光信号の到着したタイミングを正確に測定できる。

【００１３】上記の高速光検出器において、光電面と透
過型電極との間にマイクロチャンネルプレートを設ける
ならば、より大きな出力信号を得ることができる。

【００１４】また、上記の高速光検出器において、前記
透過型電極を先端に開孔を有する針状の電極とすること
もできる。また、光電面からの光電子を加速するための
加速電極を透過型電極として用いることもできる。

【００１５】本発明に係る高速光検出装置は、上記のよ
うな高速光検出器と、この高速光検出器からの出力信号
が入射光に応じて最大に振れた後に振れが減少して所定
レベルを通過することを検出し、所定レベルの通過の後
の一定時間後にパルス信号を発生する検出回路とを備え
る。

【００１６】上記の高速光検出装置にあっては、高速光
検出器の出力信号が所定レベルを通過した後の一定時間
後にパルス信号を発生する検出回路が設けられているの
で、入射光の強度変化等の影響を受けず、しかも入射光
の入射から任意の遅延時間でＴＣＰＣ等のタイミング信
号となるべきパルス信号を発生することができる高速光
検出装置を提供することができる。

【００１７】上記の高速光検出装置において、検出回路
に出力信号の０レベルの通過を検出させ、０レベルの通
過の後の一定時間後にパルス信号を発生させることとす
ることもできる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明に係る高速光検出器の実施例に
ついて図１〜図１２を参照しつつ詳細に説明する。

【００１９】図１は、第１実施例の高速光検出器の構成
を示した概念図である。この高速光検出器は４極管構造
となっている。具体的には、電子管２内に光電面４とこ
の光電面４からの光電子を集めるアノード７とを備え、
これらの間に透過型の加速電極５と透過型の信号取出電
極６とを備える。信号取出電極６からは同軸ケーブル８
が延びる。加速電極５と同軸ケーブル８の外部導体８ｂ
とアノード７とは、光電面４に対して正の同電位に保た
れている。同軸ケーブル８の中心導体８ａは、出力信号
の端子となっている。中心導体８ａ一端は、図示してい
ないが、抵抗等を介してアノード７と同電位に接続され
ており、この抵抗の両端から出力信号を電圧の変化とし
て取り出すことができる。

【００２０】図１の高速光検出器の動作について説明す
る。パルス状の光が光電面４に入射すると、光電面４で
光電子が発生する。この光電子は加速電極５で加速され
て信号取出電極６を通過し、アノード７に衝突する。信
号取出電極６を通過する光電子は、信号取出電極６に誘
導電流を発生させる。この誘導電流は、光電子が加速電
極５を通過した後に表れ、光電子が信号取出電極６を通
過するとき０点をクロスして反転し、光電子がアノード
７に衝突するとき再び０点に戻る。ここで、光電子が光
電面４より出射して信号取出電極６を通過するまでの時
間は、電子管２の各電極に印加される電圧によって定め
られる一定値であるので、誘導電流が０点をクロスする
タイミングは、入射光の光電面４への入射のタイミング
を正確に反映することとなり、入射光の強度ゆらぎ等に
左右されることがない。

【００２１】図２は、参考のため、図１の高速光検出器
の出力信号の波形を示した図である。なお、図示の波形
は単一の光子が入射した場合を模式的に示す。入射光に
応じて光電面４で発生した光電子が加速電極５を通過す
ると、負の一定電位の出力信号が表れる。その後、光電
子が信号取出電極６を通過すると、出力信号は０点をク
ロスして正の一定電位を示す。光電子がアノード７に衝
突すると、出力信号が０点に戻る。

【００２２】図３は、第２実施例の高速光検出器の構成
を示した概念図である。この高速光検出器は３極管構造
となっている。具体的には、電子管１２内に光電面４と
この光電面４からの光電子を集めるアノード７とを備
え、これらの間に透過型の加速電極兼信号取出電極１６
を備える。この加速電極兼信号取出電極１６からは同軸
ケーブル８が延びる。

【００２３】図３の高速光検出器の動作について説明す
る。パルス状の光が光電面４に入射すると、光電面４で
光電子が発生する。この光電子は加速電極兼信号取出電
極１６で加速されてこれを通過し、そのままアノード７
に入射することとなる。信号取出電極兼信号取出電極１
６を通過する光電子は、信号取出電極１６に誘導電流を
発生させる。

【００２４】図４は、図３の高速光検出器の出力信号の
波形を示した図である。入射光に応じて光電面４で発生
した光電子が加速電極兼信号取出電極１６に向かって加
速されるにしたがって、出力信号の負電位が次第に増大
する。その後、光電子が加速電極兼信号取出電極１６を
通過すると、出力信号は０点をクロスして正の一定電位
を示す。光電子がアノード７に衝突すると、出力信号が
０点に戻る。

【００２５】図５は、第３実施例の高速光検出器の構成
を示した概念図である。この高速光検出器は４極管構造
となっている。具体的には、電子管２２内に光電面４と
この光電面４からの光電子を集めるアノード７とを備
え、これらの間に透過型の加速電極５と透過型の針状信
号取出電極２６とを備える。この針状信号取出電極２６
からは同軸ケーブル８が延びる。

【００２６】図６は針状信号取出電極２６の詳細を示し
た図である。入射光に応じて発生した光電子は、加速電
極５で加速されてこれを通過し、針状信号取出電極２６
を通過する。針状信号取出電極２６の開孔２６ｄを通過
する光電子は、この針状信号取出電極２６に誘導電流を
発生させる。針状信号取出電極２６は、心線２６ａの両
側面をＧＮＤ板２６ｂ、２６ｃで挾んだ構造となってい
るので、この形状はマイクロストリップ線と同様の構造
とみなせる。

【００２７】図５の高速光検出器の動作について簡単に
説明する。入射光に応じて光電面４で発生した光電子が
加速電極５を通過すると、負の一定電位の出力信号が表
れる。その後、光電子が針状信号取出電極２６の開孔２
６ｄを通過すると、出力信号は０点をクロスして正の一
定電位を示す。この場合、針状信号取出電極２６がマイ
クロストリップ線と同様の構造を有するので、高速の出
力信号を歪みなく検出することができる。

【００２８】図７は、第４実施例の高速光検出器の構成
を示した概念図である。この高速光検出器は５極管構造
となっている。具体的には、電子管３２内に光電面４と
この光電面４からの光電子を集めるアノード７とを備
え、これらの間に透過型の加速電極５と信号取出電極６
と後方電極３０とを順次配置している。信号取出電極６
及びアノード７からはそれぞれ同軸ケーブル８、１８が
延びている。

【００２９】図７の高速光検出器の動作は、第１実施例
の高速光検出器の動作と基本的に同じである。図８
（ａ）は、信号取出電極６からの信号出力を示す。光電
子が加速電極５を通過すると、負の一定電位の出力信号
がまず表れ、光電子が信号取出電極６を通過すると、出
力信号は０点をクロスして正の一定電位を示す。光電子
が後方電極３０を通過すると、出力信号が０点に戻る。
図８（ｂ）は、アノード７側からの出力を示す。図示の
ように、アノード７側からは光電子に対応した通常の出
力信号が得られる。

【００３０】図９は、第５実施例の高速光検出器の構成
を示した概念図である。この高速光検出器は、第１実施
例の高速光検出器と同様に４極管構造となっている。具
体的には、電子管４２内に光電面４とこの光電面４から
の光電子を集めるアノード７とを備え、これらの間に透
過型の加速電極５と信号取出電極６とを配置している。
信号取出電極６からは信号取出用の同軸ケーブル８が延
びている。また、光電面４からも、コンデンサを介して
信号取出用の同軸ケーブル２８が延びている。

【００３１】図１０は、図９の高速光検出器の動作を示
す。パルス状の入射光が光電面４に入射すると、光電面
４で光電子が発生する。光電子の発生に対応して、光電
面４の電位が変動するが、この電位の変動を同軸ケーブ
ル２８が取り出せる。図１０（ａ）は、同軸ケーブル２
８側からの出力波形を示す。光電面４で発生した光電子
は、加速電極５で加速されて信号取出電極６を通過し、
アノード７に衝突する。信号取出電極６を通過する光電
子は、信号取出電極６に誘導電流を発生させる。この誘
導電流に対応して同軸ケーブル８から０点をクロスする
出力信号が得られる。図１０（ｂ）は、同軸ケーブル８
側からの出力波形を示す。

【００３２】図１１は、第６実施例の高速光検出器の構
成を示した概念図である。この高速光検出器は、第３実
施例の高速光検出器を変形したものである。ただし、電
子管５２内の加速電極５と針状信号取出電極２６との間
には、集束電極１５とアパーチャ２５とが設けられてい
る。

【００３３】図１１の高速光検出器の動作について簡単
に説明する。入射光に応じて光電面４で発生した光電子
は、加速電極５で加速された後、集束電極１５でビーム
径を絞られつつ、そのほとんどがアパーチャ２５を通過
する。アパーチャ２５を通過した光電子は、針状信号取
出電極２６の開孔を通過してアノード７に入射する。針
状信号取出電極２６を通過する光電子は、針状信号取出
電極２６に誘導電流を発生させる。この誘導電流に対応
して同軸ケーブル８から０点をクロスする出力信号が得
られる。

【００３４】図１２は、第７実施例の高速光検出器の構
成を示した図である。この高速光検出器はＭＣＰ−ＰＭ
Ｔを用いている。具体的には、電子管６２内に、光電面
４とこの光電面４からの光電子を増倍するＭＣＰ９と増
倍された光電子を集めるアノード７とを備える。ＭＣＰ
９とアノード７との間には、透過型の信号取出電極６が
設けられている。信号取出電極６は、帯域の広いＳＭＡ
コネクタ３８の信号線に極力短い距離で接続される。Ｓ
ＭＡコネクタ３８のＧＮＤは、アノードとともに接地さ
れる。信号取出電極６は、電位的に浮いていることにな
るが、通常、測定器に接続すれば、測定器の入力インピ
ーダンスを介してＧＮＤに設置されるので、光電面４に
パルス光が入射しない限り、ＧＮＤの電位になってい
る。なお、ＳＭＡコネクタ３８の代わりに他のコネクタ
を使用しても構わない。

【００３５】以下、本発明に係る高速光検出装置の実施
例について図１３〜図１６を参照しつつ詳細に説明す
る。

【００３６】図１３は第１実施例の高速光検出装置の構
成を示す。この高速光検出装置は、図１〜図１２に示し
たような高速光検出器１００とその出力信号を処理する
検出回路１０１とを備える。検出回路１０１は、立上が
り点検出回路１０１ａと、波形整形用回路１０１ｂと、
閾値検出用回路１０１ｃとを備える。立上がり点検出回
路１０１ａは、コンパレータ等を用いて構成することが
でき、高速光検出器１００の出力信号が閾値−Ｖ´をク
ロスする前後でその出力を反転させる。波形整形用回路
１０１ｂは、単安定マルチバイブレータを用い、その反
転出力を利用する。閾値検出用回路１０１ｃも、コンパ
レータ等を用いて構成することができ、波形整形用回路
１０１ｂからのゲート信号が０Ｖにある場合に、高速光
検出器１００の出力信号が閾値０Ｖをクロスする前後で
その出力を反転させる。

【００３７】図１４は第１実施例の高速光検出装置の動
作を示すタイムチャートである。図１４（ａ）は、高速
光検出器１００の出力信号を示す。図１４（ｂ）は、立
上がり点検出回路１０１ａの出力を示し、図１４（ｃ）
は、波形整形用回路１０１ｂの出力を示し、図１４
（ｄ）は、閾値検出用回路１０１ｃの出力を示す。立上
がり点検出回路１０１ａは、高速光検出器１００の出力
信号が閾値−Ｖ´をクロスすると矩形のパルスを発生す
る。波形整形用回路１０１ｂは、立上がり点検出回路１
０１ａの発生するパルスを、高速光検出器１００の出力
信号の時間幅に対応したゲート信号に波形整形する。閾
値検出用回路１０１ｃは、波形整形用回路１０１ｂから
のゲート信号と高速光検出器１００の出力信号とを比較
し、高速光検出器１００の出力信号が閾値０Ｖをクロス
する点（０クロス点）を検出してパルス信号を発生す
る。このパルス信号は、ＴＣＰＣにおけるＴＡＣ装置へ
の入力信号としてそのまま利用することができる。ま
た、このパルス信号は、ストリークカメラのトリガ信号
またはタイミング信号としてもそのまま使用することが
できる。

【００３８】以下に、第２実施例の高速光検出装置の構
成を説明する。この高速光検出装置は、第１実施例の高
速光検出装置の構成とほぼ同様の構成を有する。ただ
し、閾値検出用回路１０１ｃが閾値０Ｖではなく、閾値
Ｖ_tをクロスする前後でその出力を反転させる点が異な
る。図１５は、閾値検出用回路１０１ｃの具体的な構成
を示す。この場合、単安定マルチバイブレータ２０１ｃ
の他にバイアス回路３０１ｃを付加している。このた
め、閾値検出用回路１０１ｃは、波形整形用回路１０１
ｂからのゲート信号が入力されている場合に、高速光検
出器１００の出力信号が閾値Ｖ_tをクロスする前後でそ
の出力を反転させる。

【００３９】図１６は第２実施例の高速光検出装置の動
作を示すタイムチャートである。図１６（ａ）は、高速
光検出器１００の出力信号で、図１６（ｂ）は、立上が
り点検出回路１０１ａの出力を示し、図１４（ｃ）は、
波形整形用回路１０１ｂの出力を示し、図１４（ｄ）
は、閾値検出用回路１０１ｃの出力を示す。立上がり点
検出回路１０１ａは、高速光検出器１００の出力信号が
閾値−Ｖ´をクロスすると矩形のパルスを発生する。波
形整形用回路１０１ｂは、立上がり点検出回路１０１ａ
の発生するパルスを、高速光検出器１００の出力信号の
時間幅に対応したゲート信号に波形整形する。この場
合、バイアス回路３０１ｃの存在によって、ゲート信号
のＬレベルがＶ_tとなる。閾値検出用回路１０１ｃは、
波形整形用回路１０１ｂの出力するゲート信号がＬレベ
ルのある場合に、高速光検出器１００の出力信号が閾値
Ｖ_tをクロスする点（Ｖ_tクロス点）を検出してパルス
信号を発生する。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高速
光検出器によれば、透過型電極に流れる誘導電流に対応
して得られる出力信号を測定し、出力信号が一方に最大
に振れた後に振れが減少して所定レベルを通過する点を
検出すれば、例えば、光電子が透過型電極を通過する時
間等、高速光検出器の光電面に光が入射した後の所定時
間間隔後の時間を検出することができる。

【００４１】また、本発明に係る高速光検出装置によれ
ば、高速光検出器の出力信号が所定レベルを通過した後
の一定時間後にパルス信号を発生する検出回路が設けら
れているので、入射光の強度変化等の影響を受けず、し
かも入射光の入射から任意の遅延時間でＴＣＰＣ、スト
リークカメラ等のタイミング信号となるべきパルス信号
を発生することができる高速光検出装置を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例の高速光検出器の構成図である。

【図２】図１の高速光検出器の出力波形を示した図であ
る。

【図３】第２実施例の高速光検出器の構成図である。

【図４】図３の高速光検出器の出力波形を示した図であ
る。

【図５】第３実施例の高速光検出器の構成図である。

【図６】図５の高速光検出器に設けられた針状信号取出
電極の拡大図である。

【図７】第４実施例の高速光検出器の構成図である。

【図８】図７の高速光検出器の出力波形を示した図であ
る。

【図９】第５実施例の高速光検出器の構成図である。

【図１０】図９の高速光検出器の出力波形を示した図で
ある。

【図１１】第６実施例の高速光検出器の構成図である。

【図１２】第７実施例の高速光検出器の構成図である。

【図１３】第１実施例の高速光検出装置の構成図であ
る。

【図１４】図１３の高速光検出器の動作を示したフロー
チャートである。

【図１５】第２実施例の高速光検出装置の要部を示した
図である。

【図１６】図１５の高速光検出器の動作を示したフロー
チャートである。

【図１７】従来の高速光検出器の構成を示した図であ
る。

【図１８】図１７の高速光検出器の出力を示した図であ
る。

【図１９】ＣＦＤの構成を示した図である。

【図２０】ＣＦＤの出力波形を示した図である。

【符号の説明】

４…光電面６、１６、２６…透過型電極７…アノード１００…高速光検出器１０１…検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光電面と、アノードと、前記光電面及び
前記アノードの間に配置された透過型電極とを有する電
子管を備え、前記光電面から前記アノードに向かう光電
子の速度に対応した出力信号を前記透過型電極から取り
出すことを特徴とする高速光検出器。
【請求項２】前記光電面と前記透過型電極との間にマ
イクロチャンネルプレートを設けたことを特徴とする請
求項１記載の高速光検出器。
【請求項３】前記透過型電極は、先端に開孔を有する
針状の電極であることを特徴とする請求項１記載の高速
光検出器。
【請求項４】前記透過型電極は、前記光電面からの光
電子を加速するための加速電極であることを特徴とする
請求項１記載の高速光検出器。
【請求項５】請求項１又は請求項４記載の高速光検出
器と、該高速光検出器からの前記出力信号が入射光に応
じて最大に振れた後に振れが減少して所定レベルを通過
することを検出し、該所定レベルの通過の後の一定時間
後にパルス信号を発生する検出回路とを備えることを特
徴とする高速光検出装置。
【請求項６】前記検出回路は、前記出力信号の０レベ
ルの通過を検出し、０レベルの通過の後の一定時間後に
パルス信号を発生することを特徴とする請求項５記載の
高速光検出装置。