专利汇可以提供Method and device for detecting single photon专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device for detecting incidence of a single photon accurately. SOLUTION: Under a state where an avalanche photodiode 11 is applied with a specified voltage lower than the breakdown voltage thereof, and a first pulse voltage V p1 being generated in synchronism with a trigger signal St delivered from a single photon generating source 2 upon generation of a photon Ph and having a magnitude exceeding the breakdown voltage when combined with the specified voltage, a photon Ph enters the avalanche photodiode 11 and incidence of the photon Ph is detected when the output level of a pulse signal Sp delivered from the avalanche photodiode 11 exceeds a specified threshold level. In such a method for detecting a single photon, the timing for starting application of the first pulse voltage V p1 to the avalanche photodiode 11 is adjusted to an optimal timing in the vicinity of incidence of the photon Ph. COPYRIGHT: (C)2003,JPO,下面是Method and device for detecting single photon专利的具体信息内容。
【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、単一光子発生源によって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】この種の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された検出装置として、図6に示す単一光子検出装置51が従来から知られている。 この単一光子検出装置51は、単一光子発生源52によって出射された単一光子(以下、「光子」ともいう)Phを検出するためのアバランシェフォトダイオード(以下、「AP
D」ともいう)11と、APD11にバイアス電圧Vb
を印加するDCバイアス電源12と、単一光子発生源5
2によって光子Phの出射と共に出力されるトリガ信号Stに同期してパルス電圧VpをAPD11に出力するパルスジェネレータ53と、APD11によって出力されるパルス信号Spに基づいて光子Phの入射有無を検出してその入射数をカウントするカウンタ54とを備えている。 この場合、APD11は、光ケーブルOCを介して単一光子発生源52に接続されている。 また、AP
D11は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地されると共にカソード端子がDCバイアス電源12およびパルスジェネレータ53に接続されている。 【0003】この単一光子検出装置51を用いて光子P
hをカウント(検出)する際には、まず、DCバイアス電源12によってAPD11のカソード端子にブレークダウン電圧(図7に示す電圧V1)を下回る正極性のバイアス電圧Vb(同図に示す電圧V2)を印加する。 次に、単一光子発生源52に対して光子Phを出射させる。 この際に、単一光子発生源52は、トリガ信号St
を出力すると共に、そのトリガ信号Stの出力に同期して光子Phを出射する。 これに応じて、パルスジェネレータ53がトリガ信号Stに同期して、一例としてパルス幅が1ns〜2nsのパルス電圧Vpを生成すると共に、生成したパルス電圧VpをAPD11のカソード端子に印加する。 これにより、図7に示すように、DCバイアス電源12によって印加されているバイアス電圧V
bにパルスジェネレータ53から出力されるパルス電圧Vpが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超える電圧がAPD11のカソード端子に印加される。 この状態では、単一光子発生源52によって出射された光子PhがAPD11に入射されることにより、APD1
1内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Spとして出力される。 【0004】一方、カウンタ54は、単一光子発生源5
2によって出力されたトリガ信号Stを入力して、所定のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号SpがAP
D11によって出力されたか否かを検出する検出処理を開始する。 この際に、しきい値を超えたパルス信号Sp
が出力された際には、光子Phが入射されたものとして1カウントする。 次いで、パルスジェネレータ53によるパルス電圧Vpの出力が停止された時点で、カソード端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。 このように、この単一光子検出装置51では、トリガ信号St
の出力時(光子Phの入射が期待される短期間)にのみAPD11をアバランシェ降伏させることで、光子Ph
の未入射状態では、熱雑音などに起因するAPD11によるダークパルス(光子Phの入射以外の原因でしきい値を超えて出力されるパルス信号Sp)の出力が低減されている。 また、単一光子発生源52によって出力されるトリガ信号Stに同期してパルス幅の狭いパルス電圧VpをAPD11に印加することで、APD11がアバランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルスの発生がさらに低減されている。 したがって、この単一光子検出装置51によれば、ダークパルスの発生を低減したことにより、このパルス信号Spの数をカウントすることで、光子Phの入射数をある程度正確に測定することが可能となっている。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の単一光子検出装置51による単一光子の検出方法には、以下の問題点がある。 すなわち、従来の単一光子の検出方法では、APD11をアバランシェ降伏させる時間を短縮することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生を低減している。 しかしながら、APD11をアバランシェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバランシェ降伏時間(1ns〜2ns)は、図7に示すように、光子Phの入射時間(例えば22ps)と比較して、非常に長い時間となっている。 このため、光子Ph
の未入射状態においてダークパルスが出力される可能性が十分に存在する。 したがって、従来の単一光子の検出方法には、光子Phが未入射であるにも拘わらず入射されたと誤って検出することがあるため、その検出精度が低いという問題点がある。 【0006】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的とする。 【0007】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請求項1記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第1のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、前記アバランシェフォトダイオードに対する前記第1のパルス電圧の印加開始タイミングを前記単一光子の入射付近の最適タイミングに調整する。 【0008】請求項2記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第1のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ信号の出力から前記第1のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第1のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第1
波高値分布および当該第1のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第2波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第1波高値分布、前記第2波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎にSN比をそれぞれ算出し、前記算出したSN比が最大となる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光子の入射を検出する。 【0009】請求項3記載の単一光子の検出方法は、請求項2記載の単一光子の検出方法において、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第1波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第2のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加して前記第2波高値分布を測定する。 【0010】請求項4記載の単一光子の検出方法は、請求項3記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ信号の出力から前記第1のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第1のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第1積分波高値分布および前記第2のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第2積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第1積分波高値分布と前記第2積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第3積分波高値分布を算出し、
前記第3積分波高値分布に基づいて前記第1波高値分布を算出すると共に前記第2積分波高値分布に基づいて前記第2波高値分布を算出する。 【0011】請求項5記載の単一光子の検出方法は、請求項2から4のいずれかに記載の単一光子の検出方法において、前記第1波高値分布および前記第2波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記S
N比を算出する際の前記決定基準として規定した。 【0012】請求項6記載の単一光子の検出装置は、単一光子発生源によって出射された単一光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第1のパルス電圧を生成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータと、前記第1のパルス電圧を印加した状態において前記アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第1および第2カウンタと、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第1のパルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入射期間中において第2のパルス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオードに印加させ、前記第1のパルス電圧の出力期間中において前記第1カウンタを前記イネーブル状態に移行させると共に前記第2のパルス電圧の出力期間中において前記第2カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第1のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第1波高値分布を前記第1カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定すると共に当該第1のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第2波高値分布を前記第2カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定し、前記第1波高値分布、前記第2波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にSN比をそれぞれ算出し、当該算出したSN比が最大となる遅延時間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間として設定する。 【0013】請求項7記載の単一光子の検出装置は、請求項6記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第1波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第2のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第2波高値分布を測定する。 【0014】請求項8記載の単一光子の検出装置は、請求項7記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記トリガ信号の出力から前記第1のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第1のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第1積分波高値分布および前記第2のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第2積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、
前記第1積分波高値分布と前記第2積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第3積分波高値分布を算出し、前記第3積分波高値分布に基づいて前記第1波高値分布を算出すると共に前記第2積分波高値分布に基づいて前記第2波高値分布を算出する。 【0015】請求項9記載の単一光子の検出装置は、請求項6から8のいずれかに記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記第1波高値分布および前記第2波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記SN比を算出する際の前記決定基準として規定する。 【0016】 【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された単一光子検出装置1の好適な実施の形態について説明する。 なお、従来の単一光子検出装置51
と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 【0017】単一光子検出装置1は、単一光子発生源2
によって出射された光子Phを検出する装置であって、
図1に示すように、APD11、DCバイアス電源1
2、トリガ信号Stに基づいて第1のパルス電圧Vp1
と第2のパルス電圧Vp2(以下、特に区別しないときには「パルス電圧Vp」という)とを生成するパルスジェネレータ13、コンパレータ14、第1カウンタ1
5、第2カウンタ16およびCPU(本発明における制御部)17を備えている。 【0018】この場合、APD11は、光ケーブルOC
を介して単一光子発生源2に接続されている。 また、A
PD11は、パルス電圧Vpの印加直後(アバランシェ降伏の初期時)ほどキャリアの増幅作用が大きく、パルス電圧Vpを印加してから経過時間が長くなるに従いその増幅作用が小さくなる特性を有している。 したがって、光子Phの入射タイミングと、パルス電圧Vpの印加開始タイミング(つまりパルス電圧Vpの立ち上がり付近)とを互いに同期させることで、その光子Phの入射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結果、パルス信号Sp(本発明における出力信号)の出力レベルを大きくすることができる。 【0019】パルスジェネレータ13は、単一光子発生源2によって生成されるトリガ信号Stが入力されたときには、CPU17によって予め設定された遅延時間T
d2経過後に第1のパルス電圧Vp1を生成すると共に、さらにCPU17によって予め設定された遅延時間Td3経過後に第2のパルス電圧Vp2(第1のパルス電圧Vp1と同じ時間幅:一例として1ns〜2ns)
を生成する。 コンパレータ14は、APD11によって出力されるパルス信号Spの出力レベルをCPU17によって予め設定されたしきい値Vthと比較し、パルス信号Spの出力レベルがしきい値Vthを上回ったときに検出信号Sdを生成して出力する。 【0020】第1カウンタ15は、CPU17によって生成されたイネーブル信号Se1が入力されている状態(イネーブル状態)でカウント動作可能となり、検出信号Sdが入力されたときにカウント値をインクリメントする。 第2カウンタ16も同様にして、CPU17によって生成されたイネーブル信号Se2が入力されている状態(イネーブル状態)でカウント動作可能となり、検出信号Sdが入力されたときにカウント値をインクリメントする。 【0021】CPU17は、内部メモリに予め記憶された動作プログラムに従って動作し、開始信号Ssを生成して単一光子発生源2に出力する。 また、CPU17
は、パルスジェネレータ13、コンパレータ14、第1
カウンタ15および第2カウンタ16を統括制御する。
具体的には、CPU17は、図2に示すように、トリガ信号Stを入力した際には、所定の遅延時間Td4経過後にイネーブル信号Se1を生成して第1カウンタ15
に出力すると共に、所定の遅延時間Td5経過後にイネーブル信号Se2を生成して第2カウンタ16に出力する。 この場合、各遅延時間Td4,Td5および各イネーブル信号Se1,Se2のパルス幅は、同図に示すように、イネーブル信号Se1の出力期間中にパルスジェネレータ13によって第1のパルス電圧Vp1が生成され、かつイネーブル信号Se2の出力期間中にパルスジェネレータ13によって第2のパルス電圧Vp2が生成されるようにそれぞれ予め設定されている。 また、各イネーブル信号Se1,Se2のパルス幅は、例えば同一に設定されている。 さらに、CPU17は、しきい値V
thをコンパレータ14に設定する。 また、CPU17
は、遅延時間Td2,Td3に対応する遅延時間データDd2,Dd3を生成してパルスジェネレータ13に出力することにより、パルスジェネレータ13に遅延時間Td2,Td3を設定する。 これらの場合、CPU17
は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブルおよび遅延時間テーブルを参照してしきい値Vthおよび遅延時間データDd2,Dd3を生成する。 一例として、しきい値テーブルには、複数のしきい値Vthが所定レベル刻みで昇順に配列(記録)されている。 同様にして、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Td2が昇順(または降順)で配列(記録)されると共に、一種類の遅延時間Td3が記録されている。 一例として、遅延時間Td2の最小値は、後述する遅延時間Td1よりも若干短い時間に設定され、遅延時間Td2の最大値は、遅延時間Td1よりも長い時間に設定されている。
また、遅延時間Td3は、例えば、開始信号Ssの周期T1の約1/2に設定されている。 なお、テーブルを参照せずに、しきい値Vthおよび遅延時間データDd
2,Dd3を演算して生成することも可能である。 【0022】次に、単一光子検出装置1によるパルスジェネレータ13に対する遅延時間Td2の最適値およびコンパレータ14に対するしきい値Vthの最適値の算出処理について、図2,3を参照して説明する。 なお、
この際に使用する単一光子発生源2は、図2に示すように、開始信号Ssを入力したときに、この開始信号Ss
に同期してトリガ信号Stを出力すると共にこのトリガ信号Stに同期して光子Phを出射可能に構成されている。 また、単一光子発生源2は、トリガ信号Stに対して光子Phを上記の遅延時間Td1だけ遅延して出力するように設定されている。 したがって、パルスジェネレータ13によるトリガ信号Stの入力から第1のパルス電圧Vp1の出力までの遅延時間Td2を調整することによって、APD11に対するパルス電圧Vp1の印加開始タイミング(つまりパルス電圧Vp1の立ち上がり)をAPD11に対する光子Phの入射タイミングに対して最適なタイミングに設定することが可能となる。 【0023】まず、CPU17は、遅延時間テーブルを参照することによって遅延時間データDd2,Dd3を生成してパルスジェネレータ13に出力することにより、パルスジェネレータ13に対して遅延時間Td2,
Td3を設定する(ステップ31)。 一例として、CP
U17は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時間Td2をパルスジェネレータ13に設定する。 また、
CPU17は、第1カウンタ15および第2カウンタ1
6の各カウント値をリセットする。 【0024】次いで、CPU17は、しきい値テーブルを参照することによってしきい値Vthを生成し(読み出し)て、コンパレータ14に設定する(ステップ3
2)。 【0025】次いで、CPU17は、図2に示すように、開始信号Ssを一定の周期T1で繰り返し生成して単一光子発生源2に出力する。 これにより、単一光子発生源2は、図2に示すように、周期T1でトリガ信号S
tおよび光子Phを繰り返し生成して出力する。 また、
CPU17は、単一光子発生源2によって生成されたトリガ信号Stが入力される毎に、イネーブル信号Se
1,Se2を生成して第1カウンタ15および第2カウンタ16にそれぞれ出力する。 一方、パルスジェネレータ13は、トリガ信号Stが入力される毎に、第1のパルス電圧Vp1および第2のパルス電圧Vp2を生成してAPD11に出力する。 次いで、APD11は、各パルス電圧Vpの印加期間だけアバランシェ降伏して、第1のパルス電圧Vp1の印加期間中においては光子Ph
の入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア(いわゆる暗電流)を増幅してパルス信号Sp(ダークパルスを含む)を出力する。 また、APD11は、第2のパルス電圧Vp2の印加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア(いわゆる暗電流)を増幅してパルス信号Sp
(ダークパルスのみ)を出力する。 この際に、コンパレータ14は、APD11によって出力されたパルス信号Spの電圧レベルとしきい値Vthとを比較し、パルス信号Spの電圧レベルがしきい値Vthを上回ったときに検出信号Sdを出力する。 次いで、第1カウンタ15
および第2カウンタ16が、CPU17によって出力された各イネーブル信号Se1,Se2に基づき、それぞれ第1のパルス電圧Vp1および第2のパルス電圧Vp
2の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電圧VpのAPD11への印加期間(印加状態)においてイネーブル状態に移行する。 このため、第1カウンタ1
5は、第1のパルス電圧Vp1のAPD11への印加期間中(印加状態)にイネーブル状態に移行してコンパレータ14によって生成される検出信号Sdの出力回数をカウントする。 一方、第2カウンタ16は、第2のパルス電圧Vp2のAPD11への印加期間中にイネーブル状態となって光子Phの未入射期間中における検出信号Sdの出力回数をカウントする(ステップ33)。 【0026】CPU17は、開始信号Ssの出力回数が規定回数に達したか否かを判別し(ステップ34)、達しないと判別したときにはステップ33を繰り返し実行する。 一方、CPU17は、規定回数に達したと判別したときには、開始信号Ssの出力を停止した後、各カウンタ15,16の現在の各カウント値を読み出すと共に現在のしきい値Vthに関連付けて内部メモリにそれぞれ記憶する。 また、CPU17は、コンパレータ14に対して設定したしきい値Vthがしきい値テーブルに記憶された最大値(上限)に達したか否かを判別する(ステップ35)。 【0027】上限に達していないと判別したときには、
CPU17は、ステップ32に移行して、しきい値テーブルから次のしきい値Vth(次に高いレベルのしきい値Vth)を読み出してコンパレータ14に設定する(ステップ32)。 CPU17は、ステップ35においてコンパレータ14に対して設定したしきい値Vthがしきい値テーブルに記憶された最大値(上限)に達したと判別するまで、ステップ32〜ステップ35を繰り返し実行して、コンパレータ14に対するしきい値Vth
を順次変更設定しつつ、各しきい値Vthにおける各カウンタ15,16のカウント値を記憶する。 この場合、
第1カウンタ15のカウント値は、光子Phの入射およびAPD11の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生した検出信号Sdの出力回数を示し、第2カウンタ16
のカウント値は、APD11の熱的なゆらぎ等にのみ起因して発生した検出信号Sd(ダークパルス)の出力回数を示している。 したがって、ステップ32〜ステップ35を繰り返し実行することにより、図4に示すように、光子Phの入射およびAPD11の熱的なゆらぎ等の双方に起因したパルス信号Spの出力回数についての第1積分波高値分布と、APD11の熱的なゆらぎ等にのみ起因したパルス信号Spの出力回数についての第2
積分波高値分布とが測定される(ステップ36)。 【0028】ステップ35においてコンパレータ14に対して設定したしきい値Vthがしきい値テーブルに記憶された最大値(上限)に達したと判別したときには、
CPU17は、第1積分波高値分布と第2積分波高値分布とに基づいて、図5に示すような、純粋に光子Phの入射に起因して発生するパルス信号Spの出力回数についての第1波高値分布(第1微分波高値分布ともいう)
と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Sp
(ダークパルス)の出力回数についての第2波高値分布(第2微分波高値分布ともいう)とを算出する(ステップ37)。 具体的には、CPU17は、第2積分波高値分布に基づき、n番目(nは自然数)のしきい値Vth
(n)と次の(n+1)番目のしきい値Vth(n+
1)の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Vth(n),Vth(n+1)の間に出力レベルが属するパルス信号Sp、言い替えれば、
その出力レベルがしきい値Vth(n)を超え、かつしきい値Vth(n+1)以下のパルス信号Spの出力回数についての第2微分波高値分布を算出する(ステップ37、図5参照)。 また、CPU17は、第1積分波高値分布のカウント値から第2積分波高値分布のカウント値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Sp
のうちの主として光子Phの入射に起因して出力レベルがしきい値Vthを超えるパルス信号Spの出力回数についての第3積分波高値分布を算出し、その第3積分波高値分布に基づき、n番目(nは自然数)のしきい値V
th(n)と次の(n+1)番目のしきい値Vth(n
+1)の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Vth(n),Vth(n+1)の間に出力レベルが属するパルス信号Spの出力回数についての第1微分波高値分布を算出する(ステップ37、
図5参照)。 【0029】次に、CPU17は、算出した第1微分波高値分布および第2微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Vthcを算出すると共に、このしきい値Vthcを超える各しきい値Vthのダークパルスの総数Nd(図5における左下がり斜線を付した部分のカウント値の合計)、および純粋に光子Phの入射に起因して発生するパルス信号Spの総数Np(図5における右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計)
を算出し、さらに総数Npを総数Ndで除算することにより、この遅延時間Td2(この例では、最小の遅延時間)を設定して光子Phの入射検出を行った際のSN比を算出する(ステップ38)。 この場合、第1微分波高値分布および第2微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Vthcをコンパレータ14の実際のしきい値Vthcとすることにより、光子Phの入射に起因したパルス信号Spのカウント値をダークパルスのカウント値よりも常に多くすることができると共に、
ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光子Phの入射検出を行うことができる。 【0030】次に、CPU17は、パルスジェネレータ13に対して設定した遅延時間Td2が遅延時間テーブルに記憶された最大値(上限)に達したか否かを判別する(ステップ39)。 上限に達していないと判別したときには、CPU17は、ステップ31に移行して、遅延時間テーブルから次の遅延時間データDd2を読み出してパルスジェネレータ13に出力することにより、パルスジェネレータ13に新たな遅延時間Td2を設定する。 この後、CPU17は、ステップ31〜ステップ3
9を繰り返し実行して、パルスジェネレータ13に対する遅延時間Td2を順次変更設定しながら、各遅延時間Td2毎のしきい値VthcおよびSN比を同様にして算出する。 【0031】一方、CPU17は、ステップ39において、パルスジェネレータ13に対して設定した遅延時間Td2が遅延時間テーブルに記憶された最大値(上限)
に達したと判別したときには、算出した複数のSN比のうちからSN比が最大となる1つの遅延時間Td2を決定する。 次いで、CPU17は、この決定した遅延時間Td2をパルスジェネレータ13に対する最適な遅延時間として決定して設定すると共に、この遅延時間Td2
のときのしきい値Vthcをコンパレータ14に対する最適なしきい値Vthとして決定して設定する(ステップ40)。 【0032】このように、この単一光子検出装置1による単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ1
3に対する最適な遅延時間Td2およびコンパレータ1
4に対する最適なしきい値Vthを設定することにより、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Phの入射を検出できる状態に単一光子検出装置1を設定することができるため、高い精度で光子Phの入射を検出することができる。 【0033】なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。 例えば、本発明の実施の形態では、抵抗を介してAPD11のアノード端子を接地して、正極性電圧としてのDCバイアス電源12
の電圧V2およびパルスジェネレータ13のパルス電圧Vpをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、抵抗を介してAPD11のカソード端子を接地して、負極性電圧としてのDCバイアス電源12の出力電圧およびパルスジェネレータ13のパルス電圧をアノード端子に印加してもよい。 この場合には、APD11に対するパルス電圧Vpの立ち下がり(印加開始タイミング)と、APD11に対する光子P
hの入射タイミングとを同期させる。 また、本発明の実施の形態では、図3におけるステップ31〜ステップ3
9のループ内で各遅延時間Td2毎のSN比を算出する構成を採用したが、ステップ36,37において算出した各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時点で各遅延時間Td2毎のSN比を算出すると共にSN
比が最大となる遅延時間Td2を算出する構成を採用することもできる。 また、本発明の実施の形態では、第1
積分波高値分布および第2積分波高値分布を求め、これら各積分波高値分布に基づいて、第1波高値分布および第2波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコンパレータ14に代えてウィンドウコンパレータを使用すると共に、その出力レベルがしきい値Vth(n)を超え、かつ次のしきい値Vth(n)以下のパルス信号Spの出力回数を第1カウンタ15および第2カウンタ16でカウントする構成を採用することにより、第1積分波高値分布および第2積分波高値分布を測定することなく、第1波高値分布および第2波高値分布を算出することもできる。 【0034】 【発明の効果】以上のように、請求項1記載の単一光子の検出方法によれば、アバランシェフォトダイオードに対する第1のパルス電圧の印加開始タイミングを単一光子の入射付近の最適タイミングに調整することにより、
ダークパルスの影響を最小限に抑えることができるため、単一光子の入射を精度良く検出することができる。 【0035】また、請求項2記載の単一光子の検出方法および請求項6記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第1のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第1のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されている期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第1波高値分布および第1のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第2波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第1波高値分布、第2波高値分布、およびしきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にSN比をそれぞれ算出し、算出したSN比が最大となる遅延時間だけトリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオードに対して印加して単一光子を検出することにより、検出可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、SN比が最も良好となるタイミングで第1のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加することができる。 したがって、単一光子の入射を精度良く検出することができる。 【0036】さらに、請求項3記載の単一光子の検出方法および請求項7記載の単一光子の検出装置によれば、
単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力させると共に単一光子を出射させて第1波高値分布を測定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧を上回る第2のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに対して単一光子が入射されていない期間において所定の周期で繰り返し印加して第2波高値分布を測定することにより、一回の測定によって得られた第1波高値分布および第2波高値分布に基づいてSN比が最大となる遅延時間を算出するのと比較して、SN比が最も良好となる第1のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出することができる。 したがって、単一光子の入射を一層精度良く検出することができる。 【0037】さらに、請求項4記載の単一光子の検出方法および請求項8記載の単一光子の検出装置によれば、
トリガ信号の出力から第1のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第1のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第1積分波高値分布および第2のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第2積分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第1積分波高値分布と第2積分波高値分布との差分に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出力回数についての第3積分波高値分布を算出し、第3積分波高値分布に基づいて第1波高値分布を算出すると共に第2積分波高値分布に基づいて第2波高値分布を算出することにより、第1波高値分布および第2波高値分布を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤差を軽減することができる。 したがって、SN比が最も良好となる第1のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正確に算出することができる。 したがって、単一光子の入射をさらに一層精度良く検出することができる。 【0038】また、請求項5記載の単一光子の検出方法および請求項9記載の単一光子の検出装置によれば、第1波高値分布および第2波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値をSN比を算出する際の決定基準として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因した出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。
したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、
単一光子の入射検出率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施の形態に係る単一光子検出装置1
の構成図である。 【図2】単一光子検出装置1の動作を説明するためのタイミングチャートである。 【図3】単一光子検出装置1の動作および本発明の実施の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフローチャートである。 【図4】しきい値Vthをパラメータとして光子Phの入射状態のときにおける第1積分波高値分布および光子Phの非入射状態のときにおける第2積分波高値分布を示すグラフである。 【図5】しきい値Vthをパラメータとする光子Phの第1波高値分布およびダークパルスについての第2積分波高値分布を示すグラフである。 【図6】従来の単一光子検出装置51の構成図である。 【図7】従来の単一光子検出装置51による単一光子の検出に際して、APD11に印加電圧を印加するタイミングと光子Phの入射タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。 【符号の説明】 1 単一光子検出装置2 単一光子発生源11 アバランシェフォトダイオード12 DCバイアス電源13 パルスジェネレータ14 コンパレータ15,16 カウンタOC 光ケーブルPh 光子Sp 検出信号Ss 開始信号St トリガ信号Vb バイアス電圧Vp パルス電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 真 長野県上田市大字小泉字桜町81番地 日置 電機株式会社内(72)発明者 田中 光喜 長野県上田市大字小泉字桜町81番地 日置 電機株式会社内Fターム(参考) 2G065 AA04 AA12 AB14 AB19 BA09 BA40 BC03 BC04 BC07 BC17 BC35 5F049 MA07 NA01 NA04 NA17 NB07 UA12 UA13 UA20
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