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JP4199517B2 - Optical measurement method - Google Patents
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JP4199517B2 - Optical measurement method - Google Patents

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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージインテンシファイアを用いて微弱な光信号を増倍して検出する高感度カメラに関する。
【0002】
【従来の技術】
図2は、従来の高感度カメラの構成を示す図であり、図3は、1枚のマイクロチャンネルプレートと2枚のマイクロチャンネルプレートとのパルス波高分布を比較したグラフである。
図1は、光像増強型の像変換管であるイメージインテンシファイア1と光ファイバ付きCCD素子2とを使用した従来の高感度カメラを示しており、イメージインテンシファイア1は、光電面10と、1枚のマイクロチャンネルプレート(MCP)8と、ホスファー9とからなる。光電面10に光信号が入射されると、光電面10からは、光信号の強度に比例した光電子が放出され、放出された光電子は、MCP8の光電子入射面に入射する。MCP8に入射された光電子はMCP8で増幅され、増倍された電子が電子放出面から放出され、電子放出面から放出された電子がホスファー9に衝突し、ホスファー9で再び光信号に変換され、ホスファー9で変換された光信号は、光ファイバ付きCCD素子で検出される。
【0003】
イメージインテンシファイア1は、2台の高圧電源3、4により制御されており、高圧電源3は、MCP8の光電子入射面とMCP8の電子放出面およびホスファー9との間の電圧を制御し、高圧電源4は、光電面10とMCP8の光電子入射面との間の電圧を制御する。高圧電源4は、シャッターの役割をはたしており、高圧電源4の出力を−200Vにすると、抵抗5によって光電面10とMCP8の光電子入射面との電位差は、−200Vとになって光電面10で変換された光電子がMCP8に送られる。
【0004】
高圧電源3の出力は、通常6KV程度で、高圧電源3の出力を6KVとした場合には、抵抗6と抵抗7とにより、MCP8の光電子入射面とMCP8の電子放出面との電位差が1KVになり、MCP8の光電子入射面とホスファー9との電位差が6KVになる。MCP8に電子が入射すると、MCP8にかけられている1KVの電圧により、MCP8の内壁で2次電子が発生し、電子増倍作用を起こし、入射される光電子が約1万倍程度の電子に増倍され、増倍された電子はホスファー9で光信号に変換され、光信号として出力される。光信号は光ファイバ付きCCD素子2に送られ、光信号の入射によって発生する光電子1つ当たり100カウントの出力として、読み出されている。また、高圧電源3の出力を5KVに下げると、MCP8の内部の電圧が低下してMCP8による電子の増倍が抑えられるため、光信号の入射によって発生する光電子1つ当り10カウントの出力として光ファイバ付きCCD素子2から出力される。このように高圧電源3の出力を変えることで、光信号の入射によって発生する光電子1つ当りのカウント値を変化させ、ゲインの調整として用いている。
【0005】
また、イメージインテンシファイア1にMCP8が2枚付いている高感度カメラも存在し、MCP8が2枚付きいている場合には、高圧電源3の出力は、通常MCP8が1枚の場合よりも高い7KV程度に指定されている。高圧電源3の出力を7KVにすると、MCP8の光電子入射面とMCP8の電子放出面との間に2KVの電位差がかかり、MCP8の光電子入射面とホスファー9との間に7KVの電位差がかかる。この状態で光ファイバ付きCCD素子2からは、光信号の入射によって発生する光電子1つ当り10,000カウントの出力として出力される(例えば、特許文献1参照。)。
【0006】
【特許文献1】
特開平05−187914合公報(第8図、第9図)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のMCP8が1枚付きいている高感度カメラでは、光信号の入射によって発生する光電子1つ当り100カウントの出力が得られて十分に感度が高いが、図3に示す波高値分布の比較から明らかなように、MCP8が1枚付きいている高感度カメラに比べて検出効率が低くなっており、感度は高いが、検出効率は十分ではないという問題点があった。なお、図3は、MCP8による波高値(電子の増倍量:放出される電子の数)のバラツキを示し、所定量のイベント(光電子の入射)毎に得られる波高値分布をグラフ化したものであり、(a)は、MCP8が1枚の場合の波高値分布を示し、(b)は、MCP8が2枚の場合の波高値分布を示している。
【0008】
また、従来のMCP8が2枚付いている高感度カメラでは、指定通りの電圧をかけると、光信号の入射によって発生する光電子1つ当り10,000カウントと高くなりすぎてしまい、光ファイバ付きCCD素子2のダイナミックレンジが65,000カウントであるため、信号/ノイズ比が約6しか取れず、ダイナッミクレンジを失なってしまうという問題点があった。
【0009】
さらに、従来のMCP8が1枚付いている高感度カメラと、従来のMCP8が2枚付きいている高感度カメラとは、別々の装置であり、検出対象の光信号強度に応じて別々の装置を使い分けする必要があり、交換作業等の余分な時間かかり、使い勝手が悪いという問題点があった。
【0010】
本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、検出対象の光信号強度に応じて設定を変更することで、複数の計測方法に対応することができ、さらに高い検出効率の蓄積型の計測で信号ノイズ比を高めた計測をも行うことができる使い勝手の良い高感度カメラを提供する点にある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項1記載の発明の要旨は、マイクロチャンネルプレートによって入射された光電子を増倍させて電子を放出し、増倍した電子をホスファーによって光信号に変換し、変換した光信号を計測する光計測方法であって、前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧と、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差とを互いに独立して制御し、前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差に設定する第1の測定方法と、前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧未満に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差に設定する第2の測定方法と、前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差よりも低い第2の電位差に設定する第3の測定方法とが切換可能であることを特徴とする光計測方法に存する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明に係る高感度カメラの実施の形態の構成を示す図である。
【0014】
本実施の形態の高感度カメラであるCCD検出器は、図1を参照すると、イメージインテンシファイア1と光ファイバ付きCCD素子2とからなり、イメージインテンシファイア1は、光電面10と、2枚のマイクロチャンネルプレート(MCP)8と、ホスファー9と、光電面10とMCP8の光電子入射面との間の電圧を制御する高圧電源4と、MCP8の光電子入射面とMCP8の電子放出面との間の電圧、すなわち2枚のMCP8にかかる電圧を制御する高圧電源11と、MCP8の光電子入射面とホスファー9との間の電圧を制御する高圧電源12と、高圧電源4、11、12の出力を設定する電圧設定部20とからなる。
【0015】
光電面10に光信号が入射されると、光電面10からは、光信号の強度に比例した光電子が放出され、放出された光電子は、光電面10とMCP8の光電子入射面との間の電位差によってMCP8の光電子入射面に入射する。MCP8に入射された光電子は、MCP8にかかる電圧に応じて増倍され、増倍された電子が電子放出面から放出され、電子放出面から放出された電子は、MCP8の電子放出面(光電子入射面)とホスファー9との間の電位差によってホスファー9に入射して再び光信号に変換され、ホスファー9で変換された光信号は、光ファイバ付きCCD素子2で検出される。
【0016】
MCP8の内部で光電子増倍作用は、光電子がある程度以上増倍され、増倍された電子によって電流密度が高くなるそれ以上増倍過程が起こらなくなる。すなわち、MCP8にかかる電圧が高いほど電子の増倍は促進されるが、所定の電圧以上では、電子の増倍量(電子放出面から放出される電子の数)は、頭打ちとなる(以下、電子の増倍量が頭打ちとなる電圧を増倍上限電圧と称す)。MCP8に増倍上限電圧以上の電圧をかけることで、入射された1個の光電子に対する電子の増倍量を均一にすることができる。また、MCP8の電子放出面とホスファー9の間の電位差は、ホスファー9においる電子1つ当りの発生する光の量を制御する。従って、ホスファー9の出力明るさは、ホスファー9に入射される電子数と、MCP8の電子放出面とホスファー9の間の電位差とによって決まり、高圧電源11によってMCP8にかかる電圧を制御することでMCP8の電子放出面から放出される電子数(ホスファー9に入射される電子数)を制御すると共に、高圧電源12によってMCP8の電子放出面とホスファー9の間の電位差を制御することで1光電子当りの光ファイバ付きCCD素子2のカウント値を制御する。
【0017】
本実施の形態のように2枚のMCP8を使用した高感度カメラは、第1の計測方法として、イメージインテンシファイア1内部で発生するノイズおよび光ファイバ付きCCD素子2の読み出しノイズと、微弱な光現象からの単一光電子による信号とを明確に分離して、信号成分のみを高感度に検出するホトンカウンティング画像計測法に通常用いられる。MCP8にかける電圧(高圧電源11の出力)を増倍上限電圧以上の2KV程度に設定し、ホスファー9の電圧を、高圧電源11により8KV程度に設定してMCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差を6KV程度にする。この場合、波高値分布は図3(b)に示す2枚MCPのものとなり、MCP8の光電子入射面に入射され1光電子に対して10,000〜1,000カウントの出力が光ファイバ付きCCD素子2から出力され、1秒間に3光電子程度を光電面10から放出される極微弱光の計測に用いられる。
【0018】
イメージインテンシファイア1内部で発生するノイズおよび光ファイバ付きCCD素子2の読み出しノイズは、半導体内部から数千カウント分の放射線によるノイズが出ることがまれにあるので、これより大きければ、信号であることが確実となる。従って、閾値を9千カウントとすれば、この上の値のものをすべて1つの光信号として1つと数えることができる。光ファイバ付きCCD素子2の読み出しには1024×256素子の場合、1MHZで読み出すと0.3秒程度かかるが、3秒に1度読み出して9,000カウント以上を1つとカウントし、表示画面上に1つを表示する。以後3秒毎に読み出して光の入ったところの表示をカウント値に合わせて強くしてゆけば、強度情報を画像化できる。
【0019】
また、本実施の形態の2枚のMCP8を使用した高感度カメラは、高圧電源11と高圧電源12とによりMCP8とホスファー9とにかける電圧をそれぞれ独立に制御することができる構成となっているため、MCP8にかける電圧を増倍上限電圧未満に設定すると、第2の計測方法である1枚のMCP8を使用した高感度カメラとして使用することができる。1枚のMCP8を使用した高感度カメラとして使用する場合には、MCP8にかける電圧(高圧電源11の出力)を増倍上限電圧未満の1.2KV程度に設定し、ホスファー9の電圧を、高圧電源11により7.2KV程度に設定してMCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差を6KV程度にする。この場合、波高値分布は図3(a)に示す1枚MCPのものとなり、MCP8の光電子入射面に入射され1光電子に対して100カウント以下の出力が光ファイバ付きCCD素子2から出力され、比較的明るい光の計測に用いられる。
【0020】
さらに、本実施の形態の2枚のMCP8を使用した高感度カメラは、高圧電源11と高圧電源12とによりMCP8とホスファー9とにかける電圧をそれぞれ独立に制御することができる構成となっているため、MCP8にかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、MCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差を通常よりも低く設定することにより、第3の計測方法として、今までにない検出率の高い蓄積型の計測方法を実現することができる。
【0021】
MCP8にかける電圧(高圧電源11の出力)を増倍上限電圧以上の2KV程度に設定し、ホスファー9の電圧を、高圧電源11により7KV程度に設定してMCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差を5KV程度にする。この場合、MCP8の光電子入射面に入射され1光電子に対して100カウント以下の出力が光ファイバ付きCCD素子2から出力され、ホトンカウンティング画像計測法より計測される1秒間に3光電子程度を光電面10から放出される極微弱光よりも少し明るい程度の微弱光の計測に用いられる。
【0022】
MCP8にかける電圧を2KVにすると、図3(b)に示す2枚MCPの波高値分布になり、1枚のMCP8を使用した高感度カメラよりも検出効率が高くなっているが、すでに十分な数の電子を発生させているので、ホスファー9の電位を下げて、ホスファー9の出力面から出力される光の量を、MCP8の光電子入射面に入射された1光電子あたり100カウント分にする。従って光ファイバ付きCCD素子2には、100カウント分の光信号を1つの光電子分として送ることが可能になり、光ファイバ付きCCD素子2のダイナミックレンジが65,000カウントであるとすると、信号ノイズ比が65,000/100となり、約650個の光電子を1度で計測することが可能になる。なお、検出効率とは、計測にかかる光電子数の検出効率であり、MCP8の光電子入射面に入射された光電子が光ファイバ付きCCD素子2によって計測される割合を意味する。
【0023】
電圧設定部20は、上述の第1〜3の計測方法における高圧電源11および高圧電源12の出力を図示しない入力手段からの入力によって設定するもので、図示しないモード切換スイッチによって第1〜3の計測方法毎の3つのモードを設定可能になっている。各モードは、設定できる高圧電源11および高圧電源12の出力レンジがそれぞれ定められており、モードを選択することによって第1〜3の計測方法のそれぞれの目的に沿った計測ができる。例えば、第1の計測方法に対応するモードでは、高圧電源11の出力を増倍上限電圧以上の1.8〜2.0KVの範囲、高圧電源12の出力を7.8〜8KVの範囲でそれぞれ設定可能にし、第2の計測方法に対応するモードでは、高圧電源11の出力を増倍上限電圧未満の1〜1.2KVの範囲、高圧電源12の出力を7〜7.2KVの範囲でそれぞれ設定可能にし、第3の計測方法に対応するモードでは、高圧電源11の出力を増倍上限電圧未満の1.8〜2.0KVの範囲、高圧電源12の出力を第1および第2の計測方法におけるMCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差により低くなる6.8〜7KVの範囲でそれぞれ設定可能に構成される。
【0024】
光ファイバ付きCCD素子2にゲイン調整機能が付いていると、光ファイバ付きCCD素子2での電子増倍が可能になり、CCD素子側の感度が100倍上昇することになる。するとイメージインテンシファイア1から光ファイバ付きCCD素子2への信号の転送過程で失われていた部分の光信号が検出可能になる。図2では、検出できない部分が1枚MCPの場合でも2枚MCPの場合でもグラフの左側に存在しているが、この部分の信号もある程度拾い出せるため、さらに感度が良くなる。また、像倍率を変化させると計測可能な閾値の変化と同等となるので、ホトンカウンティング画像計測法以外の使い方で使用している場合に、信号強度が不足してきた場合、この部分にゲインをかけると、さらに検出効率が上昇する。
【0025】
なお、図2に示すパルス波高値分布は、MCP8の枚数で通常決まるが、例えばカーブドMCP等の特殊なMCP8を使えば、1枚のMCP8でも電圧のかけ方によって2つの分布が切換可能になる。この場合も同様に本発明の2枚MCPとして扱える。
【0026】
また、MCPが2枚以上になると、高圧電源11と高圧電源12の電圧を適切に制御する必要がある。この場合でも同様に上記3種類の使い方が可能になる。
【0027】
なお、本実施の形態では、光ファイバ付きCCD素子2としては、インターレースCCD素子、フルフレームCCD素子等を想定しているが、ダイオードアレーやフォーカルプレーンアレーでも同様に対応可能である。
【0028】
以上説明したように、本実施の形態によれば、高圧電源11と高圧電源12とにより、2枚のMCP8にかける電圧と、MCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差とを独立に設定できるように構成することにより、検出対象の光信号強度に応じて設定を変更することで、複数の計測方法に対応することができるという効果を奏する。
【0029】
さらに、本実施の形態によれば、MCP8にかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、MCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差を通常よりも低く設定することにより、高い検出効率の蓄積型の計測で信号ノイズ比を高めた計測をも行うことができるという効果を奏する。
【0030】
さらに、本実施の形態によれば、異なる複数の計測方法毎にモードを設け、当該モード毎に設定可能な高圧電源11と高圧電源12との出力レンジを定めることにより、モードを選択するだけで所望の計測方法を行うことができ、使い勝手が良くなるという効果を奏する。
【0031】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【0032】
【発明の効果】
本発明の高感度カメラは、高圧電源11と高圧電源12とにより、2枚のMCP8にかける電圧と、MCP8の電子放出面とホスファー9との間の電位差とを独立に設定できるように構成することにより、検出対象の光信号強度に応じて設定を変更することで、複数の計測方法に対応することができるという効果を奏する。
【0033】
さらに、本発明の高感度カメラは、MCPにかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、MCPの電子放出面とホスファーとの間の電位差を通常よりも低く設定することにより、高い検出効率の蓄積型の計測で信号ノイズ比を高めた計測をも行うことができるという効果を奏する。
【0034】
さらに、本発明の高感度カメラは、異なる複数の計測方法毎にモードを設け、当該モード毎に設定可能な高圧電源と高圧電源との出力レンジを定めることにより、モードを選択するだけで所望の計測方法を行うことができ、使い勝手が良くなるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る高感度カメラの実施の形態の構成を示す図である。
【図2】従来の高感度カメラの構成を示す図である。
【図3】1枚のMCPと2枚のMCPとのパルス波高分布を比較したグラフである。
【符号の説明】
1 イメージインテンシファイア
2 光ファイバ付きCCD素子
3、4、11、12 高圧電源
5、6、7 抵抗
8 MCP
9 ホスファー
10 光電面
20 電圧設定部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a high-sensitivity camera that multiplies and detects a weak light signal using an image intensifier.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a conventional high-sensitivity camera, and FIG. 3 is a graph comparing pulse wave height distributions of one microchannel plate and two microchannel plates.
FIG. 1 shows a conventional high-sensitivity camera using an image intensifier 1 which is a light image intensifying type image conversion tube and a CCD element 2 with an optical fiber. The image intensifier 1 includes a photocathode 10. And one microchannel plate (MCP) 8 and a phosphor 9. When an optical signal is incident on the photocathode 10, photoelectrons proportional to the intensity of the optical signal are emitted from the photocathode 10, and the emitted photoelectrons enter the photoelectron incident surface of the MCP 8. The photoelectrons incident on the MCP 8 are amplified by the MCP 8, the multiplied electrons are emitted from the electron emission surface, the electrons emitted from the electron emission surface collide with the phosphor 9, and are converted into an optical signal again by the phosphor 9. The optical signal converted by the phosphor 9 is detected by a CCD element with an optical fiber.
[0003]
The image intensifier 1 is controlled by two high-voltage power supplies 3 and 4, and the high-voltage power supply 3 controls the voltage between the photoelectron incident surface of the MCP 8, the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9, The power source 4 controls the voltage between the photocathode 10 and the photoelectron entrance surface of the MCP 8. The high-voltage power supply 4 plays a role of a shutter. When the output of the high-voltage power supply 4 is set to −200 V, the potential difference between the photocathode 10 and the photoelectron incident surface of the MCP 8 becomes −200 V due to the resistor 5. The converted photoelectrons are sent to the MCP 8.
[0004]
The output of the high-voltage power supply 3 is normally about 6 KV, and when the output of the high-voltage power supply 3 is 6 KV, the potential difference between the photoelectron incident surface of the MCP 8 and the electron emission surface of the MCP 8 is 1 KV due to the resistors 6 and 7. Thus, the potential difference between the photoelectron incident surface of the MCP 8 and the phosphor 9 becomes 6 KV. When electrons enter the MCP 8, secondary electrons are generated on the inner wall of the MCP 8 by the voltage of 1 KV applied to the MCP 8, causing an electron multiplying action, and the incident photoelectrons are multiplied by about 10,000 times. The multiplied electrons are converted into an optical signal by the phosphor 9 and output as an optical signal. The optical signal is sent to the CCD element 2 with an optical fiber, and is read out as an output of 100 counts per photoelectron generated by the incidence of the optical signal. Further, when the output of the high voltage power supply 3 is lowered to 5 KV, the voltage inside the MCP 8 is reduced and the multiplication of electrons by the MCP 8 is suppressed. Therefore, the output of 10 counts per photoelectron generated by the incidence of the optical signal is obtained. Output from the CCD element 2 with fiber. By changing the output of the high-voltage power supply 3 in this way, the count value per photoelectron generated by the incidence of the optical signal is changed and used for gain adjustment.
[0005]
In addition, there is a high-sensitivity camera with two MCPs 8 in the image intensifier 1, and when two MCPs 8 are attached, the output of the high-voltage power supply 3 is higher than that in the case of one normal MCP 8. It is specified at about 7KV. When the output of the high voltage power supply 3 is 7 KV, a potential difference of 2 KV is applied between the photoelectron incident surface of the MCP 8 and the electron emission surface of the MCP 8, and a potential difference of 7 KV is applied between the photoelectron incident surface of the MCP 8 and the phosphor 9. In this state, the CCD element 2 with an optical fiber outputs an output of 10,000 counts per photoelectron generated by the incidence of an optical signal (see, for example, Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 05-187914 (FIGS. 8 and 9)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional high-sensitivity camera with one MCP 8 has a sufficiently high sensitivity because an output of 100 counts per photoelectron generated by the incidence of an optical signal is obtained, but the peak value distribution shown in FIG. As is clear from the comparison, the detection efficiency is lower than that of the high-sensitivity camera with one MCP 8 and the sensitivity is high, but there is a problem that the detection efficiency is not sufficient. FIG. 3 shows the variation of the peak value (electron multiplication amount: the number of emitted electrons) due to MCP8, and a graph showing the peak value distribution obtained for each predetermined amount of event (photoelectron incidence). (A) shows the peak value distribution when one MCP 8 is used, and (b) shows the peak value distribution when two MCPs 8 are used.
[0008]
In addition, in a high sensitivity camera with two conventional MCP8, if a specified voltage is applied, it becomes too high at 10,000 counts per photoelectron generated by the incidence of an optical signal, and a CCD with an optical fiber. Since the dynamic range of the element 2 is 65,000 counts, only a signal / noise ratio of about 6 can be obtained, and the dynamic range is lost.
[0009]
Furthermore, the high-sensitivity camera with one conventional MCP8 and the high-sensitivity camera with two conventional MCP8 are separate devices, and different devices are used according to the optical signal intensity to be detected. There is a problem that it is necessary to use properly, it takes extra time for replacement work, etc., and it is not easy to use.
[0010]
The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to support a plurality of measurement methods by changing the setting according to the optical signal intensity to be detected, Further, the present invention is to provide an easy-to-use high-sensitivity camera that can also perform measurement with a high signal-to-noise ratio by accumulation type measurement with high detection efficiency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
The gist of the invention described in claim 1 is that the photoelectron incident by the microchannel plate is multiplied to emit the electron, the multiplied electron is converted into an optical signal by the phosphor, and the converted optical signal is measured. A voltage applied to the microchannel plate and a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor are controlled independently of each other, and the voltage applied to the microchannel plate is set to an upper limit of multiplication. A first measurement method in which a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor is set to a first potential difference, and a voltage applied to the microchannel plate is less than a multiplication upper limit voltage. Set the potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor A second measurement method for setting the first potential difference; a voltage applied to the microchannel plate is set to a multiplication upper limit voltage or more; and a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor is set to the first The optical measurement method is characterized in that it can be switched to a third measurement method for setting a second potential difference lower than the first potential difference.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0013]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a high sensitivity camera according to the present invention.
[0014]
The CCD detector, which is a high-sensitivity camera according to the present embodiment, is composed of an image intensifier 1 and a CCD element 2 with an optical fiber, and the image intensifier 1 includes a photocathode 10 and 2. A single microchannel plate (MCP) 8, a phosphor 9, a high voltage power source 4 that controls the voltage between the photocathode 10 and the photoelectron incidence surface of the MCP 8, a photoelectron incidence surface of the MCP 8, and an electron emission surface of the MCP 8. A high voltage power source 11 for controlling the voltage between the two MCPs 8, a high voltage power source 12 for controlling the voltage between the photoelectron incident surface of the MCP 8 and the phosphor 9, and outputs of the high voltage power sources 4, 11, 12. And a voltage setting unit 20 for setting.
[0015]
When an optical signal is incident on the photocathode 10, photoelectrons proportional to the intensity of the optical signal are emitted from the photocathode 10, and the emitted photoelectrons have a potential difference between the photocathode 10 and the photoelectron entrance surface of the MCP 8. Is incident on the photoelectron incident surface of the MCP 8. The photoelectrons incident on the MCP 8 are multiplied in accordance with the voltage applied to the MCP 8, the multiplied electrons are emitted from the electron emission surface, and the electrons emitted from the electron emission surface are the electron emission surface of the MCP 8 (photoelectron incidence Surface) and the phosphor 9 is incident on the phosphor 9 and converted again into an optical signal. The optical signal converted by the phosphor 9 is detected by the CCD element 2 with an optical fiber.
[0016]
The photomultiplier action inside the MCP 8 is such that the photoelectrons are multiplied more than a certain amount, and no further multiplication process occurs where the current density is increased by the multiplied electrons. That is, as the voltage applied to the MCP 8 is higher, the multiplication of electrons is promoted, but at a predetermined voltage or higher, the amount of multiplication of electrons (the number of electrons emitted from the electron emission surface) reaches a peak (hereinafter, The voltage at which the amount of electron multiplication reaches its peak is called the multiplication upper limit voltage). By applying a voltage equal to or higher than the multiplication upper limit voltage to the MCP 8, the amount of multiplication of electrons with respect to one incident photoelectron can be made uniform. Further, the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 controls the amount of light generated per electron in the phosphor 9. Accordingly, the output brightness of the phosphor 9 is determined by the number of electrons incident on the phosphor 9 and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9, and the voltage applied to the MCP 8 by the high voltage power source 11 is controlled. The number of electrons emitted from the electron emission surface (the number of electrons incident on the phosphor 9) is controlled, and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 is controlled by the high-voltage power supply 12, so The count value of the CCD element 2 with an optical fiber is controlled.
[0017]
As in the present embodiment, a high-sensitivity camera using two MCPs 8 is weak as the first measurement method, noise generated inside the image intensifier 1 and readout noise of the CCD element 2 with an optical fiber. It is usually used in photon counting image measurement methods that clearly separate a signal from a single photoelectron from a light phenomenon and detect only a signal component with high sensitivity. The voltage applied to the MCP 8 (the output of the high-voltage power supply 11) is set to about 2 KV that is equal to or higher than the multiplication upper limit voltage, and the voltage of the phosphor 9 is set to about 8 KV by the high-voltage power supply 11 and the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 The potential difference between them is about 6 KV. In this case, the crest value distribution is that of the two MCPs shown in FIG. 3 (b), and the output of 10,000 to 1,000 counts per one photoelectron incident on the photoelectron incident surface of MCP8 is a CCD element with an optical fiber. 2 is used for measurement of extremely weak light emitted from the photocathode 10 by about 3 photoelectrons per second.
[0018]
The noise generated inside the image intensifier 1 and the readout noise of the CCD element 2 with an optical fiber rarely come out of noise caused by several thousand counts from the inside of the semiconductor. That is certain. Therefore, if the threshold value is set to 9,000, all of the above values can be counted as one optical signal. Reading out the CCD element 2 with an optical fiber takes about 0.3 seconds when reading at 1 MHZ in the case of 1024 × 256 elements, but reading it once every 3 seconds and counting 9,000 counts or more as one on the display screen 1 is displayed on the screen. Thereafter, the intensity information can be imaged by reading out every 3 seconds and strengthening the display where the light enters according to the count value.
[0019]
In addition, the high-sensitivity camera using two MCPs 8 of the present embodiment has a configuration in which the voltage applied to the MCP 8 and the phosphor 9 can be independently controlled by the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12. Therefore, if the voltage applied to the MCP 8 is set to be less than the multiplication upper limit voltage, it can be used as a high-sensitivity camera using one MCP 8 as the second measurement method. When used as a high-sensitivity camera using a single MCP 8, the voltage applied to the MCP 8 (output of the high voltage power supply 11) is set to about 1.2 KV, which is less than the multiplication upper limit voltage, and the voltage of the phosphor 9 is set to a high voltage. The power supply 11 is set to about 7.2 KV, and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 is set to about 6 KV. In this case, the crest value distribution is that of the single MCP shown in FIG. 3A, which is incident on the photoelectron incident surface of the MCP 8 and an output of 100 counts or less is output from the CCD element 2 with an optical fiber for one photoelectron. Used for measuring relatively bright light.
[0020]
Furthermore, the high-sensitivity camera using two MCPs 8 according to the present embodiment has a configuration in which the voltage applied to the MCP 8 and the phosphor 9 can be independently controlled by the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12. Therefore, the voltage applied to the MCP 8 is set to be equal to or higher than the multiplication upper limit voltage, and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 is set lower than usual. An accumulation-type measurement method with a high detection rate can be realized.
[0021]
The voltage applied to the MCP 8 (the output of the high-voltage power supply 11) is set to about 2 KV that is equal to or higher than the multiplication upper limit voltage, and the voltage of the phosphor 9 is set to about 7 KV by the high-voltage power supply 11 and the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 The potential difference between them is about 5 KV. In this case, an output of 100 counts or less for one photoelectron incident on the photoelectron incident surface of the MCP 8 is output from the CCD element 2 with an optical fiber, and about 3 photoelectrons per second measured by the photon counting image measurement method is used for the photocathode. 10 is used to measure weak light that is slightly brighter than extremely weak light emitted from the light source 10.
[0022]
When the voltage applied to the MCP 8 is set to 2 KV, the peak value distribution of the two MCPs shown in FIG. 3B is obtained, and the detection efficiency is higher than that of the high-sensitivity camera using one MCP 8. Since the number of electrons is generated, the potential of the phosphor 9 is lowered so that the amount of light output from the output surface of the phosphor 9 is 100 counts per photoelectron incident on the photoelectron incident surface of the MCP 8. Therefore, it is possible to send an optical signal for 100 counts as one photoelectron to the CCD element 2 with an optical fiber. If the dynamic range of the CCD element 2 with an optical fiber is 65,000 counts, signal noise The ratio is 65,000 / 100, and approximately 650 photoelectrons can be measured at a time. The detection efficiency is the detection efficiency of the number of photoelectrons required for measurement, and means the ratio at which the photoelectrons incident on the photoelectron incident surface of the MCP 8 are measured by the CCD element 2 with an optical fiber.
[0023]
The voltage setting unit 20 sets the outputs of the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12 in the first to third measurement methods described above by input from input means (not shown). Three modes for each measurement method can be set. In each mode, the output ranges of the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12 that can be set are respectively determined, and measurement according to the respective purposes of the first to third measurement methods can be performed by selecting the mode. For example, in the mode corresponding to the first measurement method, the output of the high voltage power supply 11 is in the range of 1.8 to 2.0 KV which is not less than the multiplication upper limit voltage, and the output of the high voltage power supply 12 is in the range of 7.8 to 8 KV. In the mode corresponding to the second measurement method, the output of the high-voltage power supply 11 is in the range of 1 to 1.2 KV below the multiplication upper limit voltage, and the output of the high-voltage power supply 12 is in the range of 7 to 7.2 KV. In the mode corresponding to the third measurement method, the output of the high-voltage power supply 11 is in the range of 1.8 to 2.0 KV, which is less than the multiplication upper limit voltage, and the output of the high-voltage power supply 12 is the first and second measurements. In the method, each can be set in a range of 6.8 to 7 KV, which is lowered by the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9.
[0024]
If the CCD element 2 with an optical fiber has a gain adjusting function, the electron multiplication in the CCD element 2 with an optical fiber becomes possible, and the sensitivity on the CCD element side increases by 100 times. Then, it becomes possible to detect a portion of the optical signal that has been lost in the process of transferring the signal from the image intensifier 1 to the CCD device 2 with an optical fiber. In FIG. 2, the portion that cannot be detected is present on the left side of the graph regardless of whether it is a single MCP or a double MCP. However, since the signal of this portion can be picked up to some extent, the sensitivity is further improved. Also, since changing the image magnification is equivalent to changing the measurable threshold value, if the signal strength is insufficient when used in a way other than the photon counting image measurement method, gain is applied to this part. This further increases the detection efficiency.
[0025]
The pulse peak value distribution shown in FIG. 2 is normally determined by the number of MCPs 8, but if a special MCP 8 such as a curved MCP is used, for example, even one MCP 8 can switch between the two distributions depending on how the voltage is applied. . This case can also be handled as a two-sheet MCP of the present invention.
[0026]
When the number of MCPs is two or more, it is necessary to appropriately control the voltages of the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12. Even in this case, the above three types of usage are possible.
[0027]
In the present embodiment, an interlace CCD element, a full frame CCD element, or the like is assumed as the CCD element 2 with an optical fiber, but a diode array or a focal plane array can be similarly applied.
[0028]
As described above, according to the present embodiment, the voltage applied to the two MCPs 8 by the high voltage power supply 11 and the high voltage power supply 12 and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 are independently determined. By configuring so as to be able to be set, there is an effect that it is possible to cope with a plurality of measurement methods by changing the setting according to the intensity of the optical signal to be detected.
[0029]
Furthermore, according to the present embodiment, the voltage applied to the MCP 8 is set to be equal to or higher than the multiplication upper limit voltage, and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 is set to be lower than usual. It is possible to perform measurement with an increased signal-to-noise ratio in the accumulation type measurement.
[0030]
Furthermore, according to the present embodiment, a mode is provided for each of a plurality of different measurement methods, and the output range of the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12 that can be set for each mode is determined. A desired measurement method can be performed, and the convenience of use is improved.
[0031]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that the embodiments can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention. In addition, the number, position, shape, and the like of the constituent members are not limited to the above-described embodiment, and can be set to a suitable number, position, shape, and the like in practicing the present invention. In each figure, the same numerals are given to the same component.
[0032]
【The invention's effect】
The high-sensitivity camera according to the present invention is configured such that the voltage applied to the two MCPs 8 and the potential difference between the electron emission surface of the MCP 8 and the phosphor 9 can be set independently by the high-voltage power supply 11 and the high-voltage power supply 12. Thus, there is an effect that it is possible to cope with a plurality of measurement methods by changing the setting according to the intensity of the optical signal to be detected.
[0033]
Furthermore, the high-sensitivity camera of the present invention sets the voltage applied to the MCP to be equal to or higher than the multiplication upper limit voltage, and sets the potential difference between the electron emission surface of the MCP and the phosphor to be lower than usual. There is an effect that it is possible to perform a measurement with an increased signal-to-noise ratio by an accumulation type measurement.
[0034]
Furthermore, the high-sensitivity camera of the present invention provides a mode for each of a plurality of different measurement methods, and determines an output range between a high-voltage power source and a high-voltage power source that can be set for each mode, so that only a desired mode can be selected. The measurement method can be performed, and there is an effect that usability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a high sensitivity camera according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a conventional high-sensitivity camera.
FIG. 3 is a graph comparing pulse wave height distributions of one MCP and two MCPs.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image intensifier 2 CCD element with optical fiber 3, 4, 11, 12 High voltage power supply 5, 6, 7 Resistance 8 MCP
9 Phosphor 10 Photocathode 20 Voltage setting part

Claims (1)

マイクロチャンネルプレートによって入射された光電子を増倍させて電子を放出し、増倍した電子をホスファーによって光信号に変換し、変換した光信号を計測する光計測方法であって、An optical measurement method for multiplying photoelectrons incident by a microchannel plate to emit electrons, converting the multiplied electrons into an optical signal by a phosphor, and measuring the converted optical signal,
前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧と、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差とを互いに独立して制御し、  Controlling independently the voltage applied to the microchannel plate and the potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor,
前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差に設定する第1の測定方法と、  A first measurement method in which a voltage applied to the microchannel plate is set to a multiplication upper limit voltage or more, and a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor is set to a first potential difference;
前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧未満に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差に設定する第2の測定方法と、  A second measurement method in which a voltage applied to the microchannel plate is set to be less than a multiplication upper limit voltage, and a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor is set to a first potential difference;
前記マイクロチャンネルプレートにかける電圧を増倍上限電圧以上に設定し、前記マイクロチャンネルプレートの電子放出面と前記ホスファーとの間の電位差を第1の電位差よりも低い第2の電位差に設定する第3の測定方法とが切換可能であることを特徴とする光計測方法。  A voltage applied to the microchannel plate is set to be equal to or higher than a multiplication upper limit voltage, and a potential difference between the electron emission surface of the microchannel plate and the phosphor is set to a second potential difference lower than the first potential difference. An optical measurement method characterized in that the measurement method can be switched.
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