JP4086182B2 - 分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡 - Google Patents
分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の分光器としては、特開平１１−１８３２４９号公報に記載されたようなものがある。この構成を図１０に示す。図１０から、この分光器においては、光ファイバから射出された発散光が第１のレンズで平行光とされる。平行光は、回折格子により回折され特定の波長の光のみが第２のレンズに導かれる。そして、第２のレンズで集光された光が出力スリットを通過して検出される。なお、回折格子を回転させることにより、検出する光の波長を変更することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、他の従来技術としては、特開２００２−１２２７８７号公報に記載されたスペクトル選択装置がある。この構成を図１１に示す。このスペクトル選択装置は、予め定められたスペクトル領域を選択する手段を備え、スペクトル分解された光線と検出装置が互いにこれらの相対位置を可変できる構造になっている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１８３２４９号公報（段落番号００２１−００２８、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１２２７８７号公報（段落番号０００６−００２８、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、波長{λ｜λ1＜λ＜λ2}を一度に検出するためには、例えば、特開平１１−１８３２４９号公報に示されたタイプのものでは、出力スリットを幅の広いものに変更する必要がある。このとき、スリット端部に集光する波長λ１の集光スポットが良好である保証はないため、（λ1−Δλ）の集光スポットも十分に小さなものでない可能性がある。また、この場合、（λ1−Δλ）の集光スポットの一部がスリットの内側に位置し、その成分がスリットを通過するため波長分解能が良くないという問題がある。なお、０＜Δλ≪λ１であり、波長分解能が悪い場合、良い場合の波長に対する検出光量を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。
【０００６】
また、特開２００２−１２２７８７号公報に示されたタイプのものでは、光束を平行光のまま分光して集光せずに検出器に導く構成となっているため、近接した波長成分が完全に分離されることなく、混ざったまま検出されてしまう。すなわち、（λ1−Δλ）や（λ2＋Δλ）の光の一部がともに検出されてしまうという問題がある。
【０００７】
さらに、特開平１１−１８３２４９号公報に記載された分光器においては、波長分解能を上げるための方法として第１のレンズと第２のレンズとの間の平行光束の太さを太くする方法がある。この方法は、第２のレンズのＮＡ（開口数）を大きくする必要がある。そのため、第２のレンズによって集光されたスポット径は小さくなり、その結果として分解能が上がるというものである。
【０００８】
ここで、平行光束の太さを太くするためには、第１のレンズを焦点距離の長いものとするか、あるいは出射ファイバのＮＡを大きくする必要がある。しかし、前者の場合には、レンズを焦点距離の長いものに変更することにより出射ファイバからレンズまでの距離が長くなり、装置が大きくなるという問題がある。また、後者の場合には、出射ファイバとレンズとの位置決め精度が厳しくなるという問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は波長分解能が高い分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
【００１２】
請求項１に係る発明は、複数の波長を含んだ発散光を出射する出射端と、該出射端から出射された発散光を平行光にする第１の光学系と、該第１の光学系により平行になった光束を分光する回転角可変の反射型平面回折格子と、該反射型平面回折格子により分光された光束をテレセントリックに射出し焦点位置に集光する第２の光学系と、該第２の光学系の前記焦点位置に設けられた可変幅スリットと、該可変幅スリットを通過した光束を受光する光検出器とを備え、
前記反射型平面分光素子は、前記第２の光学系の前側焦点位置に配置され、前記第２の光学系は、焦点距離が正であるレンズと負であるレンズを少なくとも１枚ずつ含んで構成され、以下の関係を満たす分光器を提案している。
【数１】
【数２】
ただし、ν + は第２の光学系を構成する焦点距離が正であるいずれかのレンズのアッベ数、ν - は第２の光学系を構成する焦点距離が負であるいずれかのレンズのアッベ数であり、αは反射型平面回折格子に入射する光束の入射角、Ｎは反射型平面回折格子の単位長さ当たりの格子本数、ｍは回折次数、Ｄは第１の光学系を通過した後の光束の直径である。
【００１４】
この発明によれば、第２の光学系は複数のレンズから構成されているため、これらを組み合わせることにより、軸外の色収差を良好に補正することができる。
また、焦点距離が正であるレンズと負であるレンズはこの条件を満足するアッベ数を有しているので、これらのレンズを組み合わせることにより、第２の光学系がアクロマートレンズを一枚含む構成となる。したがって、アクロマートレンズの作用により、軸上の色収差はもとより軸外の色収差も良好に補正できる。
なお、出射端は、レンズにより集光されたスポット、あるいはそのスポット位置に配置された開口（スリットやピンホール）、光ファイバー端面などがある。あるいは、その開口や光ファイバーの端面の面積が十分小さい、いわゆる実質的な点光源が出射端になる。
【００１６】
波長λの光と波長（λ＋Δλ）の光を分離できる波長分解能をΔλとすると、次の[数７]の関係が成立する。
【数７】
これは、第２の光学系において、十分に色収差の発生が抑えられていることを条件として、第２の光学系を通過した後、集光された波長λおよび（λ＋Δλ）のスポットが重ならないための条件を示している。すなわち、[数７]の右辺の項は、分光器の波長分解能を表す一つの指標である。一方で、現在の生物系ＬＳＭ（ＬＳＭ：Laser Scanning Microscopy）において、蛍光波長（約５００ｎｍ）を分離するのに用いられる吸収フィルタの波長分解能は１０ｎｍから２０ｎｍである。したがって、この発明によれば、上記関係式を満足することにより、現在の生物系ＬＳＭに用いられる吸収フィルタと同程度の波長分解能をもつ分光器を実現することができる。
【００１９】
請求項２に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器とを備え、該分光器と前記標本との間に該標本と光学的に共役な点を設けた共焦点光学系であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である共焦点光学系を提案している。
【００２０】
この発明によれば、共焦点光学系を構成する光検出部に、波長分解能に優れた請求項１または請求項２に記載された分光器を用いたため、ノイズの少ない分光が可能になる。例えば、蛍光染色した細胞を細い水流に流し、レーザ照射により得られる蛍光や散乱光を解析することにより、細胞絶対数や粒子サイズ等の細胞の性質を解析するフローサイトメータに分光機能を持たせた装置を実現することができる。
【００２１】
請求項３に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置された共焦点ピンホールとを備え、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡を提案している。
【００２２】
この発明によれば、走査型光学顕微鏡を構成する分光器に、波長分解能に優れた請求項１または請求項２に記載された分光器を用いたため、任意の波長を選択して検出を行ったり、同一点から異なる波長帯の信号を検出する走査型光学顕微鏡を実現することができる。
【００２３】
請求項４に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置されたシングルモードファイバの入射端を有し、
該シングルモードファイバの出射端が前記分光器の点光源であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡を提案している。
【００２４】
この発明によれば、このような構成にすることにより、走査顕微鏡部と分光器部とを近接配置する必要がないため、配置の自由度が高く、しかも分光機能を有する走査型光学顕微鏡を実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡について図１から図１０を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る分光器は、図１より、ピンホール１と、第１の光学系２と、平面回折格子３と、第２の光学系４と、可変幅スリット５と、光検出器６と、ダイクロックミラー７とから構成されている。
【００２８】
ピンホール１を透過した発散光は、第１の光学系２により略平行光に変換されて、平面回折格子３に入射する。なお、ピンホール１を透過し発散する光束が、実質的に点光源から発散された光束としてみなすことができるピンホールの径は、ピンホール１を透過し発散する光線のＮＡと波長によって決められる。なお、第１の光学系２の数値データは後述の表１（面番号２と３）に記載されている。また、この数値データに基づく形状は図４に示されている。
【００２９】
平面回折格子３はその表面に溝が形成され、溝と略平行な軸に対して回転可能に構成されている。このような構成により、第２の光学系４の光軸と平行となる波長λ0を選択することができる。平面回折格子３により回折され分光された波長λ0の光束は、第２の光学系４の光軸と平行なまま第２の光学系４に入射する。第２の光学系４においては、その前側焦点位置付近に平面回折格子３が配置されている。
【００３０】
第２の光学系４に入射した各波長の光束は、略テレセントリックとなって射出する。そして、第２の光学系４の後側焦点位置付近において、それぞれの波長の光束が第２の光学系４の光軸に垂直な面内に集光される。また、可変幅スリット５は、前記の集光位置に配置され、その後方には、光検出器６が配置されている。ここで、本実施形態に係る第２の光学系４の結像性能は十分良好になっており、特に色収差が良好に補正されている。具体的な例は図５に示されている。図５に示されているように、第２の光学系４は、複数（ここでは２枚）のレンズで構成されている。ここでは、負レンズと正レンズとからなる接合レンズになっている。このような構成により、スリット位置にできる各波長の集光スポットは十分に小さくなっている。よって、Δλが小さい場合であっても、λ1と（λ1−Δλ）とのスポットが重なることなく、分離することができる。なお、第２の光学系４の数値データは後述の表１（面番号５〜７）に記載されている。
【００３１】
可変幅スリット５のスリット幅は、λ1のスポットをスリットから透過させ、（λ1−Δλ）のスポットをスリットで遮断するように調整される。同様に、反対側についても、λ2のスポットは透過させ、（λ2＋Δλ）のスポットをスリットで遮断するようにスリットの位置が決められている。したがって、このとき、光検出器６で検出される波長は、λ1からλ2までとなる。このように、設定できる波長の範囲は、平面回折格子３の回転角と可変幅スリット５の幅を調整することにより自由に決めることができる。
【００３２】
以下に、本実施形態に係る第１の実施例について、レンズデータ（表１参照）、を示す。
【表１】
本実施例においては、ピンホール１を透過し発散する光線のＮＡは０．０１１である。また、第１の光学系の焦点距離が１３５ｍｍであるため、第１の光学系を透過した後、略平行光となった光束の径Ｄは、φ３ｍｍである。さらに、回折面の溝本数は６００本／ｍｍ、第１の光学系の光軸と第２の光学系の光軸のなす角は４０度であり、回折格子の溝方向はこの２本の光軸のどちらとも垂直の関係にある。
【００３３】
これらの条件のときに、回折格子の回転角（回折面への光線の入射角）と、第２の光学系の光軸に平行に向う波長λ0との関係は[表２]のようになる。また、波長λ0を変化させたときの第２の光学系により集光されたスポットの直径（ここでは波動光学的に９０％のエネルギーを包含する領域の直径として計算を行った。）と、波長が１ｎｍ変わったときのスポットの位置ずれ量の関係は[表３]のようになる。
【表２】
【表３】
【００３４】
図２は、波長（λ0−１）、λ0、（λ0＋１）ｎｍで直径２０μｍのスポットを有する光束が１８μｍずつずれて並んでいる様子を示している。これによれば、波長λ0ｎｍの光束と波長（λ0＋１）ｎｍの光束とはスポットが重なって分離することができないが、波長（λ0−１）ｎｍの光束と波長（λ0＋１）ｎｍの光束とではスポットの重なりがないために分離できることが分かる。したがって、この場合の波長分解能Δλは、１ｎｍよりも大きく２ｎｍよりも小さいことがわかる。
【００３５】
また、本実施例において、平面回折格子３に入射する光束の入射角α、平面回折格子３の単位長さ当たりの格子本数Ｎ、回折次数ｍ、第１の光学系を透過したのちの光束直径Ｄがそれぞれ、α＝９°、Ｎ＝６００本／ｍｍ、ｍ＝１、Ｄ＝３ｍｍとして、これを以下の[数１０]に代入すれば、本実施例がこの条件を満たすことがわかる。
【数１０】
【００３６】
なお、上記においては、光学系に色収差の発生がない場合を仮定して示したが、一般には、収差が発生してしまう。したがって、これを考慮すると、第２の光学系を通過したあと、スリット位置にできる波長λ1の集光スポット直径（なお、ここでは波動光学的に９０％のエネルギーを包含する領域の直径とする。）をｄ1としたとき、以下の[数１１]を満足すればλ1と（λ1−Δλ）との波長を分離することができる。
【数１１】
ここで、Δλは波長λの光と波長（λ−Δλ）の光を分離できる波長分解能を、βは反射型平面回折格子に入射する光束の出射角を、Ｎは反射型平面回折格子の単位長さあたりの格子本数を、ｍは回折次数を、ｆは第２の光学系の焦点距離を示す。
【００３７】
また、波長分解能Δλを先に決定し、上記[数１１]を満足するような第２の光学系を構成すれば、波長分解能Δλの分光器が実現できる。さらに、波長λ2の集光スポット直径をｄ2とすると、[数１１]のｄ1をｄ2に置き換えることにより、波長λ2の光と（λ2＋Δλ）の光を分離することができる。なお、第２の光学系を構成する[表１]の第５−６面の接合レンズは、[数１]の関係を満たしている。
【００３８】
次に、本発明の参考例について説明する。本参考例にかかる分光器は、第１の実施例において、第１の光学系（［表１］の面番号２から３）を以下の［表４］のレンズに置き替えて構成されている。すなわち、本参考例においては、第１の光学系を負の焦点距離をもつ第１のレンズ群と正の焦点距離をもつ第２のレンズ群とから構成することにより、いわゆるテレフォトタイプとなり、点光源からレンズ最終面までの距離が焦点距離よりも短くなっている。したがって、本実施例によれば、第１の実施例において、ピンホール１から第１の光学系最終面までの距離が１３６．１ｍｍであったものを、焦点距離や光学的な結像性能をほとんど変えることなく６０ｍｍ以上縮めることができる。
【表４】
【００３９】
次に、図３を参照して第２の実施例について説明する。
第２の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、光源５０１と、ビームエキスパンダ５０２と、ビームスプリッタ５０３と、光偏向器５０４、５０５と、瞳伝送光学系５０６、瞳投影光学系５０７と、対物レンズ５０８と、標本５０９と、コンフォーカルレンズ５１４と、共焦点ピンホール５１５と、分光器（第１の実施例に示された分光器）５１６とから構成されている。
【００４０】
レーザ光源５０１を出射した光線は、ビームエキスパンダ５０２により適当な径の光束となり光偏向器５０４により偏向される。偏向された光束は瞳伝送光学系５０６、第２の光偏向器５０５、瞳投影光学系５０７および対物レンズ５０８を通り、標本５０９上を走査されて標本５０９を励起する。標本５０９から発せられた蛍光は光学系を先程とは逆に進行し、デスキャンされてビームスプリッタ５０３に入射する。
【００４１】
ビームスプリッタ５０３で偏向された蛍光成分は、コンフォーカルレンズ５１４に入射し集光されて分光器５１６内のピンホール１を通る。ピンホール１を通った蛍光は分光器５１６内において、点光源として用いられる。本実施例においては、分光器として第１の実施例で説明した分光器を用いているため、これによって、分光機能を備えたレーザ走査型顕微鏡を構成することができる。
【００４２】
次に、図７を参照して第３の実施例について説明する。
第３の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、標本としてフローサイトメータ用の標本５１０を用いた例である。
レーザ光源５０１を出射した光線は、ビームエキスパンダ５０２により適当な径の光束となり対物レンズ５０８で集光されて標本５１０に照射される。標本５１０は、細胞あるいは染色体等の細胞成分を液体に浮遊させて、流体系の中を高速で通過させてある。
【００４３】
レーザ光により励起され標本５１０から発せられた蛍光は光学系を先程とは逆に進行し、ビームスプリッタ５０３に入射する。ビームスプリッタ５０３に入射した蛍光成分は偏向され、コンフォーカルレンズ５１４に入射し集光されて分光器５１６内のピンホール１を通る。ピンホール１を通った蛍光は分光器５１６内において、点光源として用いられる。本実施例においては、分光器として第１の実施例で説明した分光器を用いているため、これによって、分光機能を備えたフローサイトメータを構成することができる。
【００４４】
次に、図８を参照して第４の実施例について説明する。
第４の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、第２の実施例に対して、コンフォーカルレンズ５１４と分光器５１６の間にシングルモードファイバ５１７を備えた構成となっている。したがって、光学的な作用はコンフォーカルレンズ５１４に光線が至るまでは、第２の実施例と同様である。コンフォーカルレンズ５１４で集光された光は、シングルモードファイバの入射端から入射し、出射端から射出される光が分光器５１６の点光源として機能している。
【００４５】
本実施形態においては、シングルモードファイバ５１７を備えたことから、入射端をコンフォーカルレンズ５１４の集光位置に、出射端を分光器５１６の点光源の位置に配置すれば、シングルモードファイバ５１７の長さを可変することにより、レーザ走査型顕微鏡と分光器との位置関係を自由に選択できるため、配置の自由度があり、かつ、分光機能を有したレーザ走査型顕微鏡を構成することができる。
【００４６】
次に、図９を参照して第５の実施例について説明する。
第５の実施例は２チャンネルの分光器を示したものである。この分光器は、図１に示した第１の光学系２と平面回折格子３との間にビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタあるいはダイクロイックミラー７のいずれかひとつ若しくはこれに類するものを配置して光路を分割することにより構成されている。なお、分割された光路の先、すなわち、平面回折格子３から光検出器６までの構成は、図１と同様である。こうした構成とすることにより、２チャンネルの分光器を実現することができる。なお、本実施例の分光器を第２から第４の実施例の分光器と置き換えて構成することもできる。
【００４７】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、第１の実施例においては、ピンホールの径を光線のＮＡ、光線の波長によって定めると説明したが、光学系を構成する各構成要素を勘案して、ピンホール径に自由度をもたせるように可変径ピンホールを用いてもよい。
【００４８】
また、第１の実施例および［表１］においては、第２の光学系を接合レンズとして説明したが、［数１］の要件を満たすものであれば、互いに隔たった２枚以上のレンズで構成してもよい。また、第３の実施例においては、分光器の光源をピンホールであるとして説明したが、ピンホールでなくても構わない。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、反射型平面回折格子によって分光された光を集光する第２の光学系が、平行入射光を像側にテレセントリックに射出し、この第２光学系の焦点位置に配された可変幅スリットを透過した光を光検出器で受光しているから、波長分解能を高めることができ、前記反射型平面回折格子の回転角を可変としているから、検波波長帯域が可変の分光器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例にかかる分光器の構成図である。
【図２】 異なる波長のスポットが位置をずらしながら並んでいる様子を表した模式図である。
【図３】 本発明の第２の実施例にかかる分光機能を有するレーザ走査型顕微鏡の構成図である。
【図４】 本発明の第１の実施例にかかる第１の光学系の断面図である。
【図５】 本発明の第１の実施例にかかる第２の光学系の断面図である。
【図６】 本発明の参考例にかかる第１の光学系の断面図である。
【図７】 本発明の第３の実施例にかかる分光機能を有するフローサイトメータの構成図である。
【図８】 本発明の第４の実施例にかかる分光機能を有するレーザ走査型顕微鏡の構成図である。
【図９】 本発明の第５の実施例にかかる分光器の構成図である。
【図１０】 従来例にかかる分光器の構成図である。
【図１１】 従来例にかかるスペクトル選択装置の構成図である。
【図１２】 波長分解能が悪い状態、良い状態での光量を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ピンホール、２・・・第１の光学系、３・・・平面回折格子、４・・・第２の光学系、５・・・可変幅スリット、６・・・光検出器、７・・・ダイクロイックミラー、５０１・・・光源、５０２・・・ビームエキスパンダ、５０３・・・ビームスプリッタ、５０４、５０５・・・光偏向器、５０６・・・瞳伝送光学系、５０７・・・瞳投影光学系、５０８・・・対物レンズ、５０９・・・標本、５１０・・・フローサイトメータ用の標本、５１４・・・コンフォーカルレンズ、５１５・・・共焦点ピンホール、５１６・・・分光器、５１７・・・シングルモードファイバ、
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の分光器としては、特開平１１−１８３２４９号公報に記載されたようなものがある。この構成を図１０に示す。図１０から、この分光器においては、光ファイバから射出された発散光が第１のレンズで平行光とされる。平行光は、回折格子により回折され特定の波長の光のみが第２のレンズに導かれる。そして、第２のレンズで集光された光が出力スリットを通過して検出される。なお、回折格子を回転させることにより、検出する光の波長を変更することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
また、他の従来技術としては、特開２００２−１２２７８７号公報に記載されたスペクトル選択装置がある。この構成を図１１に示す。このスペクトル選択装置は、予め定められたスペクトル領域を選択する手段を備え、スペクトル分解された光線と検出装置が互いにこれらの相対位置を可変できる構造になっている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１８３２４９号公報（段落番号００２１−００２８、第１図）
【特許文献２】
特開２００２−１２２７８７号公報（段落番号０００６−００２８、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、波長{λ｜λ1＜λ＜λ2}を一度に検出するためには、例えば、特開平１１−１８３２４９号公報に示されたタイプのものでは、出力スリットを幅の広いものに変更する必要がある。このとき、スリット端部に集光する波長λ１の集光スポットが良好である保証はないため、（λ1−Δλ）の集光スポットも十分に小さなものでない可能性がある。また、この場合、（λ1−Δλ）の集光スポットの一部がスリットの内側に位置し、その成分がスリットを通過するため波長分解能が良くないという問題がある。なお、０＜Δλ≪λ１であり、波長分解能が悪い場合、良い場合の波長に対する検出光量を図１２（ａ）、（ｂ）に示す。
【０００６】
また、特開２００２−１２２７８７号公報に示されたタイプのものでは、光束を平行光のまま分光して集光せずに検出器に導く構成となっているため、近接した波長成分が完全に分離されることなく、混ざったまま検出されてしまう。すなわち、（λ1−Δλ）や（λ2＋Δλ）の光の一部がともに検出されてしまうという問題がある。
【０００７】
さらに、特開平１１−１８３２４９号公報に記載された分光器においては、波長分解能を上げるための方法として第１のレンズと第２のレンズとの間の平行光束の太さを太くする方法がある。この方法は、第２のレンズのＮＡ（開口数）を大きくする必要がある。そのため、第２のレンズによって集光されたスポット径は小さくなり、その結果として分解能が上がるというものである。
【０００８】
ここで、平行光束の太さを太くするためには、第１のレンズを焦点距離の長いものとするか、あるいは出射ファイバのＮＡを大きくする必要がある。しかし、前者の場合には、レンズを焦点距離の長いものに変更することにより出射ファイバからレンズまでの距離が長くなり、装置が大きくなるという問題がある。また、後者の場合には、出射ファイバとレンズとの位置決め精度が厳しくなるという問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は波長分解能が高い分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
【００１２】
請求項１に係る発明は、複数の波長を含んだ発散光を出射する出射端と、該出射端から出射された発散光を平行光にする第１の光学系と、該第１の光学系により平行になった光束を分光する回転角可変の反射型平面回折格子と、該反射型平面回折格子により分光された光束をテレセントリックに射出し焦点位置に集光する第２の光学系と、該第２の光学系の前記焦点位置に設けられた可変幅スリットと、該可変幅スリットを通過した光束を受光する光検出器とを備え、
前記反射型平面分光素子は、前記第２の光学系の前側焦点位置に配置され、前記第２の光学系は、焦点距離が正であるレンズと負であるレンズを少なくとも１枚ずつ含んで構成され、以下の関係を満たす分光器を提案している。
【数１】
【００１４】
この発明によれば、第２の光学系は複数のレンズから構成されているため、これらを組み合わせることにより、軸外の色収差を良好に補正することができる。
また、焦点距離が正であるレンズと負であるレンズはこの条件を満足するアッベ数を有しているので、これらのレンズを組み合わせることにより、第２の光学系がアクロマートレンズを一枚含む構成となる。したがって、アクロマートレンズの作用により、軸上の色収差はもとより軸外の色収差も良好に補正できる。
なお、出射端は、レンズにより集光されたスポット、あるいはそのスポット位置に配置された開口（スリットやピンホール）、光ファイバー端面などがある。あるいは、その開口や光ファイバーの端面の面積が十分小さい、いわゆる実質的な点光源が出射端になる。
【００１６】
波長λの光と波長（λ＋Δλ）の光を分離できる波長分解能をΔλとすると、次の[数７]の関係が成立する。
【数７】
【００１９】
請求項２に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器とを備え、該分光器と前記標本との間に該標本と光学的に共役な点を設けた共焦点光学系であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である共焦点光学系を提案している。
【００２０】
この発明によれば、共焦点光学系を構成する光検出部に、波長分解能に優れた請求項１または請求項２に記載された分光器を用いたため、ノイズの少ない分光が可能になる。例えば、蛍光染色した細胞を細い水流に流し、レーザ照射により得られる蛍光や散乱光を解析することにより、細胞絶対数や粒子サイズ等の細胞の性質を解析するフローサイトメータに分光機能を持たせた装置を実現することができる。
【００２１】
請求項３に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置された共焦点ピンホールとを備え、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡を提案している。
【００２２】
この発明によれば、走査型光学顕微鏡を構成する分光器に、波長分解能に優れた請求項１または請求項２に記載された分光器を用いたため、任意の波長を選択して検出を行ったり、同一点から異なる波長帯の信号を検出する走査型光学顕微鏡を実現することができる。
【００２３】
請求項４に係る発明は、光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置されたシングルモードファイバの入射端を有し、
該シングルモードファイバの出射端が前記分光器の点光源であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡を提案している。
【００２４】
この発明によれば、このような構成にすることにより、走査顕微鏡部と分光器部とを近接配置する必要がないため、配置の自由度が高く、しかも分光機能を有する走査型光学顕微鏡を実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る分光器およびこれを用いた共焦点光学系、走査型光学顕微鏡について図１から図１０を参照して詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る分光器は、図１より、ピンホール１と、第１の光学系２と、平面回折格子３と、第２の光学系４と、可変幅スリット５と、光検出器６と、ダイクロックミラー７とから構成されている。
【００２８】
ピンホール１を透過した発散光は、第１の光学系２により略平行光に変換されて、平面回折格子３に入射する。なお、ピンホール１を透過し発散する光束が、実質的に点光源から発散された光束としてみなすことができるピンホールの径は、ピンホール１を透過し発散する光線のＮＡと波長によって決められる。なお、第１の光学系２の数値データは後述の表１（面番号２と３）に記載されている。また、この数値データに基づく形状は図４に示されている。
【００２９】
平面回折格子３はその表面に溝が形成され、溝と略平行な軸に対して回転可能に構成されている。このような構成により、第２の光学系４の光軸と平行となる波長λ0を選択することができる。平面回折格子３により回折され分光された波長λ0の光束は、第２の光学系４の光軸と平行なまま第２の光学系４に入射する。第２の光学系４においては、その前側焦点位置付近に平面回折格子３が配置されている。
【００３０】
第２の光学系４に入射した各波長の光束は、略テレセントリックとなって射出する。そして、第２の光学系４の後側焦点位置付近において、それぞれの波長の光束が第２の光学系４の光軸に垂直な面内に集光される。また、可変幅スリット５は、前記の集光位置に配置され、その後方には、光検出器６が配置されている。ここで、本実施形態に係る第２の光学系４の結像性能は十分良好になっており、特に色収差が良好に補正されている。具体的な例は図５に示されている。図５に示されているように、第２の光学系４は、複数（ここでは２枚）のレンズで構成されている。ここでは、負レンズと正レンズとからなる接合レンズになっている。このような構成により、スリット位置にできる各波長の集光スポットは十分に小さくなっている。よって、Δλが小さい場合であっても、λ1と（λ1−Δλ）とのスポットが重なることなく、分離することができる。なお、第２の光学系４の数値データは後述の表１（面番号５〜７）に記載されている。
【００３１】
可変幅スリット５のスリット幅は、λ1のスポットをスリットから透過させ、（λ1−Δλ）のスポットをスリットで遮断するように調整される。同様に、反対側についても、λ2のスポットは透過させ、（λ2＋Δλ）のスポットをスリットで遮断するようにスリットの位置が決められている。したがって、このとき、光検出器６で検出される波長は、λ1からλ2までとなる。このように、設定できる波長の範囲は、平面回折格子３の回転角と可変幅スリット５の幅を調整することにより自由に決めることができる。
【００３２】
以下に、本実施形態に係る第１の実施例について、レンズデータ（表１参照）、を示す。
【表１】
【００３３】
これらの条件のときに、回折格子の回転角（回折面への光線の入射角）と、第２の光学系の光軸に平行に向う波長λ0との関係は[表２]のようになる。また、波長λ0を変化させたときの第２の光学系により集光されたスポットの直径（ここでは波動光学的に９０％のエネルギーを包含する領域の直径として計算を行った。）と、波長が１ｎｍ変わったときのスポットの位置ずれ量の関係は[表３]のようになる。
【表２】
図２は、波長（λ0−１）、λ0、（λ0＋１）ｎｍで直径２０μｍのスポットを有する光束が１８μｍずつずれて並んでいる様子を示している。これによれば、波長λ0ｎｍの光束と波長（λ0＋１）ｎｍの光束とはスポットが重なって分離することができないが、波長（λ0−１）ｎｍの光束と波長（λ0＋１）ｎｍの光束とではスポットの重なりがないために分離できることが分かる。したがって、この場合の波長分解能Δλは、１ｎｍよりも大きく２ｎｍよりも小さいことがわかる。
【００３５】
また、本実施例において、平面回折格子３に入射する光束の入射角α、平面回折格子３の単位長さ当たりの格子本数Ｎ、回折次数ｍ、第１の光学系を透過したのちの光束直径Ｄがそれぞれ、α＝９°、Ｎ＝６００本／ｍｍ、ｍ＝１、Ｄ＝３ｍｍとして、これを以下の[数１０]に代入すれば、本実施例がこの条件を満たすことがわかる。
【数１０】
なお、上記においては、光学系に色収差の発生がない場合を仮定して示したが、一般には、収差が発生してしまう。したがって、これを考慮すると、第２の光学系を通過したあと、スリット位置にできる波長λ1の集光スポット直径（なお、ここでは波動光学的に９０％のエネルギーを包含する領域の直径とする。）をｄ1としたとき、以下の[数１１]を満足すればλ1と（λ1−Δλ）との波長を分離することができる。
【数１１】
【００３７】
また、波長分解能Δλを先に決定し、上記[数１１]を満足するような第２の光学系を構成すれば、波長分解能Δλの分光器が実現できる。さらに、波長λ2の集光スポット直径をｄ2とすると、[数１１]のｄ1をｄ2に置き換えることにより、波長λ2の光と（λ2＋Δλ）の光を分離することができる。なお、第２の光学系を構成する[表１]の第５−６面の接合レンズは、[数１]の関係を満たしている。
【００３８】
次に、本発明の参考例について説明する。本参考例にかかる分光器は、第１の実施例において、第１の光学系（［表１］の面番号２から３）を以下の［表４］のレンズに置き替えて構成されている。すなわち、本参考例においては、第１の光学系を負の焦点距離をもつ第１のレンズ群と正の焦点距離をもつ第２のレンズ群とから構成することにより、いわゆるテレフォトタイプとなり、点光源からレンズ最終面までの距離が焦点距離よりも短くなっている。したがって、本実施例によれば、第１の実施例において、ピンホール１から第１の光学系最終面までの距離が１３６．１ｍｍであったものを、焦点距離や光学的な結像性能をほとんど変えることなく６０ｍｍ以上縮めることができる。
【表４】
次に、図３を参照して第２の実施例について説明する。
第２の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、光源５０１と、ビームエキスパンダ５０２と、ビームスプリッタ５０３と、光偏向器５０４、５０５と、瞳伝送光学系５０６、瞳投影光学系５０７と、対物レンズ５０８と、標本５０９と、コンフォーカルレンズ５１４と、共焦点ピンホール５１５と、分光器（第１の実施例に示された分光器）５１６とから構成されている。
【００４０】
レーザ光源５０１を出射した光線は、ビームエキスパンダ５０２により適当な径の光束となり光偏向器５０４により偏向される。偏向された光束は瞳伝送光学系５０６、第２の光偏向器５０５、瞳投影光学系５０７および対物レンズ５０８を通り、標本５０９上を走査されて標本５０９を励起する。標本５０９から発せられた蛍光は光学系を先程とは逆に進行し、デスキャンされてビームスプリッタ５０３に入射する。
【００４１】
ビームスプリッタ５０３で偏向された蛍光成分は、コンフォーカルレンズ５１４に入射し集光されて分光器５１６内のピンホール１を通る。ピンホール１を通った蛍光は分光器５１６内において、点光源として用いられる。本実施例においては、分光器として第１の実施例で説明した分光器を用いているため、これによって、分光機能を備えたレーザ走査型顕微鏡を構成することができる。
【００４２】
次に、図７を参照して第３の実施例について説明する。
第３の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、標本としてフローサイトメータ用の標本５１０を用いた例である。
レーザ光源５０１を出射した光線は、ビームエキスパンダ５０２により適当な径の光束となり対物レンズ５０８で集光されて標本５１０に照射される。標本５１０は、細胞あるいは染色体等の細胞成分を液体に浮遊させて、流体系の中を高速で通過させてある。
【００４３】
レーザ光により励起され標本５１０から発せられた蛍光は光学系を先程とは逆に進行し、ビームスプリッタ５０３に入射する。ビームスプリッタ５０３に入射した蛍光成分は偏向され、コンフォーカルレンズ５１４に入射し集光されて分光器５１６内のピンホール１を通る。ピンホール１を通った蛍光は分光器５１６内において、点光源として用いられる。本実施例においては、分光器として第１の実施例で説明した分光器を用いているため、これによって、分光機能を備えたフローサイトメータを構成することができる。
【００４４】
次に、図８を参照して第４の実施例について説明する。
第４の実施例にかかるレーザ走査型顕微鏡は、第２の実施例に対して、コンフォーカルレンズ５１４と分光器５１６の間にシングルモードファイバ５１７を備えた構成となっている。したがって、光学的な作用はコンフォーカルレンズ５１４に光線が至るまでは、第２の実施例と同様である。コンフォーカルレンズ５１４で集光された光は、シングルモードファイバの入射端から入射し、出射端から射出される光が分光器５１６の点光源として機能している。
【００４５】
本実施形態においては、シングルモードファイバ５１７を備えたことから、入射端をコンフォーカルレンズ５１４の集光位置に、出射端を分光器５１６の点光源の位置に配置すれば、シングルモードファイバ５１７の長さを可変することにより、レーザ走査型顕微鏡と分光器との位置関係を自由に選択できるため、配置の自由度があり、かつ、分光機能を有したレーザ走査型顕微鏡を構成することができる。
【００４６】
次に、図９を参照して第５の実施例について説明する。
第５の実施例は２チャンネルの分光器を示したものである。この分光器は、図１に示した第１の光学系２と平面回折格子３との間にビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタあるいはダイクロイックミラー７のいずれかひとつ若しくはこれに類するものを配置して光路を分割することにより構成されている。なお、分割された光路の先、すなわち、平面回折格子３から光検出器６までの構成は、図１と同様である。こうした構成とすることにより、２チャンネルの分光器を実現することができる。なお、本実施例の分光器を第２から第４の実施例の分光器と置き換えて構成することもできる。
【００４７】
以上、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、第１の実施例においては、ピンホールの径を光線のＮＡ、光線の波長によって定めると説明したが、光学系を構成する各構成要素を勘案して、ピンホール径に自由度をもたせるように可変径ピンホールを用いてもよい。
【００４８】
また、第１の実施例および［表１］においては、第２の光学系を接合レンズとして説明したが、［数１］の要件を満たすものであれば、互いに隔たった２枚以上のレンズで構成してもよい。また、第３の実施例においては、分光器の光源をピンホールであるとして説明したが、ピンホールでなくても構わない。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、反射型平面回折格子によって分光された光を集光する第２の光学系が、平行入射光を像側にテレセントリックに射出し、この第２光学系の焦点位置に配された可変幅スリットを透過した光を光検出器で受光しているから、波長分解能を高めることができ、前記反射型平面回折格子の回転角を可変としているから、検波波長帯域が可変の分光器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例にかかる分光器の構成図である。
【図２】 異なる波長のスポットが位置をずらしながら並んでいる様子を表した模式図である。
【図３】 本発明の第２の実施例にかかる分光機能を有するレーザ走査型顕微鏡の構成図である。
【図４】 本発明の第１の実施例にかかる第１の光学系の断面図である。
【図５】 本発明の第１の実施例にかかる第２の光学系の断面図である。
【図６】 本発明の参考例にかかる第１の光学系の断面図である。
【図７】 本発明の第３の実施例にかかる分光機能を有するフローサイトメータの構成図である。
【図８】 本発明の第４の実施例にかかる分光機能を有するレーザ走査型顕微鏡の構成図である。
【図９】 本発明の第５の実施例にかかる分光器の構成図である。
【図１０】 従来例にかかる分光器の構成図である。
【図１１】 従来例にかかるスペクトル選択装置の構成図である。
【図１２】 波長分解能が悪い状態、良い状態での光量を示す図である。
【符号の説明】
１・・・ピンホール、２・・・第１の光学系、３・・・平面回折格子、４・・・第２の光学系、５・・・可変幅スリット、６・・・光検出器、７・・・ダイクロイックミラー、５０１・・・光源、５０２・・・ビームエキスパンダ、５０３・・・ビームスプリッタ、５０４、５０５・・・光偏向器、５０６・・・瞳伝送光学系、５０７・・・瞳投影光学系、５０８・・・対物レンズ、５０９・・・標本、５１０・・・フローサイトメータ用の標本、５１４・・・コンフォーカルレンズ、５１５・・・共焦点ピンホール、５１６・・・分光器、５１７・・・シングルモードファイバ、
Claims (4)
- 複数の波長を含んだ発散光を出射する出射端と、該出射端から出射された発散光を平行光にする第１の光学系と、該第１の光学系により平行になった光束を分光する回転角可変の反射型平面回折格子と、該反射型平面回折格子により分光された光束をテレセントリックに射出し焦点位置に集光する第２の光学系と、該第２の光学系の前記焦点位置に設けられた可変幅スリットと、該可変幅スリットを通過した光束を受光する光検出器とを備え、
前記反射型平面分光素子は、前記第２の光学系の前側焦点位置に配置され、前記第２の光学系は、焦点距離が正であるレンズと負であるレンズを少なくとも１枚ずつ含んで構成され、以下の関係を満たす分光器。
- 光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器とを備え、該分光器と前記標本との間に該標本と光学的に共役な点を設けた共焦点光学系であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である共焦点光学系。
- 光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置された共焦点ピンホールとを備え、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡。
- 光源と、該光源から発した光を標本上に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間に配置され、前記標本上に集光された光点を光学的に走査させる光偏向器と、該光偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記光偏向器と前記対物レンズの瞳とを互いに光学的に共役とする瞳投影光学系と、前記標本からの反射光もしくは前記標本から発生した蛍光を分光する分光器と、前記光偏向器と前記分光器との間で前記標本と光学的に共役な位置に配置されたシングルモードファイバの入射端を有し、
該シングルモードファイバの出射端が前記分光器の点光源であって、前記分光器が請求項１に記載された分光器である走査型光学顕微鏡。
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