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光子計数法とは、単一光子検出器（SPD）を用いて個々の光子を計数する技術である。単一光子検出器は、検出された光子ごとに信号パルスを発する。計数効率は、量子効率とシステムの電子損失によって決まる。
多くの光検出器は個々の光子を検出するように構成でき、それぞれに相対的な利点と欠点があります。[ 1 ] [ 2 ]一般的なタイプには、光電子増倍管、ガイガーカウンター、単一光子アバランシェダイオード、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器、遷移端センサー、シンチレーションカウンターなどがあります。電荷結合素子も使用できます。
光子計数では、アナログ信号出力と光子数の間の比例定数がランダムに変化するゲインノイズが除去されます。したがって、光子計数検出器の過剰ノイズ係数は1であり、固定された光子数に対して達成可能な信号対雑音比は、一般的に光子計数を行わない同じ検出器よりも高くなります。[ 3 ]
光子計数により時間分解能を向上させることができます。従来の検出器では、複数の光子が重なり合うインパルス応答を生成するため、時間分解能は検出器の立ち下がり時間程度に制限されます。しかし、単一の光子が検出されたことがわかっている場合は、インパルス応答の中心を評価することで、その到着時間を正確に決定できます。時間相関単一光子計数（TCSPC）を使用すると、20倍以上長い立ち下がり時間を持つ検出器を使用して、25 ps未満の時間分解能 が実証されています。[ 4 ]
単一光子検出器は通常、一度に1つの光子しか検出できず、検出イベントの間にリセットのための時間が必要となる場合があります。この間隔中に到達した光子は検出されない可能性があります。そのため、正確に測定できる最大光強度は通常低くなります。少数の光子で構成される測定では、放出される光子の数がランダムに変動するため、本質的に信号対雑音比が低くなります。この影響は、多数の光子を同時に検出できる従来の検出器ではそれほど顕著ではありません。最大信号レベルが低いため、信号対雑音比が低くなるか、従来の検出よりも露光時間が長くなります。
単一光子検出は、次のような分野で有用です。[ 1 ]
放射線医学において、 X線画像診断法の主な欠点の1つは、電離放射線の悪影響です。少量の被ばく（ほとんどの医療画像診断で使用される）によるリスクは小さいと考えられていますが、「合理的に実行可能な限り低く」（ALARP ）という放射線防護原則が常に適用されます。被ばくを減らす1つの方法は、X線検出器をできるだけ効率的にして、特定の診断画像品質に対してより低い線量を使用することです。光子計数検出器は、ノイズをより容易に除去できるため、役立つ可能性があります。[ 5 ] [ 6 ]光子計数はカラー写真に類似しており、各光子の異なるエネルギーが出力に影響しますが、電荷積分は、白黒写真のように信号の強度のみを考慮します。[ 7 ]
光子計数マンモグラフィは2003年に商業的に導入されました。このようなシステムは広く普及していませんが、フラットパネル検出器を備えた他のデジタルマンモグラフィシステムよりも約40%低い線量で同等の画像を生成する能力があることを裏付ける証拠がいくつかあります。[ 8 ] [ 9 ]その後、光子エネルギーを識別するためのスペクトルイメージング技術が開発され、[ 10 ] [ 6 ]画像品質をさらに向上させ[ 11 ]、組織の種類を区別することが可能になりました。 [ 12 ]光子計数コンピュータ断層撮影は、急速に進化し、臨床的実現可能性に近づいているもう1つの関心分野です。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
時間相関単一光子計数法（TCSPC）は、個々の光子の到着時間を正確に記録し、蛍光、リン光、またはその他の発光化学プロセスによって生成された光子の到着時間のピコ秒スケールの時間差を測定することを可能にし、試料に関する追加の分子情報を提供します。TCSPCを使用することで、比較的低速な検出器でも、複数の光子が同時に入射した場合に 重なり合うインパルス応答によって隠されてしまうような、極めて微細な時間差を測定することが可能になります。
一部のパルスLIDARシステムは、より高い解像度を実現するためにTCSPCを使用して単一光子計数モードで動作します。LIDAR用の赤外線光子計数技術は急速に進歩しています。[ 17 ]
単位時間あたりに観測される光子の数を光子束といいます。単位面積あたりの光子束は、光子が表面に入射する場合は光子放射照度、広範囲の光源からの光子放出を考慮する場合は光子放射輝度と呼ばれます。単位立体角あたりの光子束は光子強度です。単位光源面積あたりの光子束は光子放射輝度です。これらの量のSI単位は、以下の表にまとめられています。
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