JP4156977B2 - Microspectroscope - Google Patents

Description

アダマール行列の要素は全て＋１か−１であるので、それを＋と−で表記する方法が一般的に行われている。例えば４次のアダマール行列Ｈ₄ は、
【０００４】
【数２】

のように記述される。本明細書においても、今後この記述法を用いる。
【０００５】
アダマール行列Ｈを用いたアダマール変換は、例えば非特許文献１に詳しく説明されているように、スペクトル分析や信号伝送、画像処理等、幅広い応用分野がある。例えば、アダマール変換を用いた分光法は、単一スリットを用いた通常の分光方法に比べると、一度に検出する光量が多くなる。したがって、単一スリットを用いた方法より高Ｓ／Ｎの分光強度分布を得ることが可能である。非特許文献２には、巡回性の２５５セルのアダマールマスクを用いることにより、単一スリットを用いる通常の方法に比べて、約８倍のＳ／Ｎが得られたことが報告されている。
【０００６】
アダマール変換を用いた分光装置の代表的な装置の構成を、図２６に示す。分光装置は、入射スリット１と、入射スリット１を透過した入射光を平行光にするためのコリメートレンズ２と、コリメートされた入射光を分光するための分光グレーティング３と、分光された入射スリット像を形成するスリット投影レンズ４と、分光された入射スリット像位置に移動可能に挿入されたアダマールマスク５と、アダマールマスク５を透過した分光成分で分光グレーティング３の像を投影するグレーティング投影レンズ６と、分光グレーティング３で生じた波長分散を補償する分散補償グレーティング７と、分散補償グレーティング７で分散補償された入射スリット像を再び結像するための撮像レンズ８と、再び結像された入射スリット像の強度を検出する検出器９とからなる。
【０００７】
アダマールマスク５には、巡回行列である、いわゆるＰａｌｅｙ型アダマール行列の心行列（アダマール行列の第１行目と第１列目を除いた部分行列）Ｓの要素に応じた開口が設けてある。Ｐａｌｅｙ型アダマール行列は、心行列が巡回行列となっているアダマール行列である。
【０００８】
以下に、７次の心行列Ｓの例Ｓ₇ を用いて、心行列Ｓに対応するアダマールマスクの関係を説明する。図２７に示すように、Ｓ₇ の各行は、＋１と−１からなる要素が７つ並んでおり、上の行から順に、右回りに１要素ずつ回転操作を行った関係にある。したがって、Ｓ₇ の各行を上から下に、左側に１要素ずつずらしながら重ねることにより、１３個の＋と−の要素からなる行ベクトルν₇ を定義できる。アダマールマスクは図２７及び図２８（ｂ）に示すように、ν₇ の要素と同じ数のセルが並んだ形状をしており、その各セルはν₇ の各要素が＋か−かに対応して開口を設定したものである。図２７及び図２８（ｂ）の例では、ν₇ の要素が＋に対応するセルが開口部となり、−に対応するセルが遮蔽部となっている。一方、補助マスクは図２８（ａ）に示すように、アダマールマスク（図の（ｂ））の７つのセル分の長さの開口部を持つ。アダマールマスクにこの補助マスクを重ねると、合成開口（図の（ｃ））が形成される。そして、固定された補助マスクに対してアダマールマスクを１セル分ずつ移動して行けば、Ｓ₇ の各行に対応する開口パターンが順次得られる。このように、固定された補助マスクに対してアダマールマスクを１セル分ずつ移動可能に設置したのが、図２６のアダマールマスク５である。
【０００９】
アダマールマスク５の面上には、入射スリット１と分光グレーティング３とによって生成された入射光の分光スペクトルが投影される。アダマールマスク５は、その分光スペクトルを各セルの幅で定められる波長帯域毎に分割し、それぞれの波長帯域毎に各セルの透過、遮蔽による波長選択を行う。
【００１０】
このように、Ｓ₇ の各行に対応してそれぞれの波長帯域毎に波長選択を受けた入射光は、検出器９によってその選択を受けた部分の強度和が検出される。Ｓ₇ の全ての行に対する強度和が検出された後、Ｓ₇ の逆行列を用いてその強度和は復調され、各波長帯域毎の分光強度が算出される。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第５，９８２，５５３号明細書
【００１２】
【特許文献２】
特開平６−５１３４０号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開平１０−１３３２２５号公報
【００１４】
【特許文献４】
米国特許出願公開第２００２／００２０８１９号明細書
【００１５】
【非特許文献１】
喜安善市著「アダマール行列とその応用」（コロナ社）
【００１６】
【非特許文献２】
J.A.Decker,Jr.,"Experimantal Realization of the MultiplexAdvantage with a Hadamard-Transform Spectrometer",Applied Optics,Vol.10,No.3,pp.510-514 (1971)
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のアダマール変換分光法には、以下に述べる不都合が存在する。すなわち、アダマール行列Ｈ又はその心行列Ｓの全ての行又は列に対する分光変調を行わない限り、それを復調して目的の分光強度を算出することは不可能である。例えば、波長帯域２５５分割のアダマールマスクを用いて分光データを得るためには、アダマールマスクで波長選択部分を切り替えながら、２５５通りの選択を受けた部分の強度和を記録しなければならない。ところが、計測者が必要とする波長分解能は必ずしも一定ではない。もし、計測者が必要とする分光強度の波長分解能がアダマールマスクで決まる波長分解能よりも低いならば、必要以上に長い計測時間を取っていることになる。特に、微弱蛍光標本の分光を行う場合には、不要な計測時間は高速な分光計測の妨げとなったり、蛍光色素の褪色を早めてしまったりするので、好ましくない。
【００１８】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の波長分解能に応じて高速に分光計測することが可能なアダマール顕微分光装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の顕微分光装置は、少なくとも分光観測対象を顕微観察する顕微鏡と、前記顕微鏡からの入射光を波長分解する分光手段と、前記分光手段により波長分解された前記入射光をアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段と、前記分光選択手段で選択された所定の波長帯域の分光強度を検出する検出手段と、検出された分光強度から分光観測対象の分光強度を復調する復調手段とからなり、前記分光選択手段は、所定の次数のアダマール行列の要素に従って選択状態が定まるものであり、
前記分光選択手段が、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の顕微分光装置においては、分光選択手段として、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つものを用いているので、分光選択手段として、所定の波長帯域毎に選択する１列の複数の選択要素間にデットスペースを有する分光選択手段を用いる場合でも、その１列の選択要素間のデットスペースに入射する波長帯域の分光強度も、隣接する列の選択要素によって選択可能となるため、分光手段により波長分解された全ての波長帯域の分光強度をぬけなく検出することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の顕微分光装置の基本形態を図１、図２に従って説明する。図１は、顕微鏡として共焦点顕微鏡を用いる場合、図２は、通常の顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【００２２】
図１の形態の場合、共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光束は、コリメータレンズ１０２により略平行な光に変換され、回折格子や分光プリズムからなる分散素子１０３に入射し、分散素子１０３によって分光された各波長帯域の光は第１のフォーカシングレンズ１０４によってアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６の選択要素上に集光する。分光選択手段１０６で選択された所定の波長帯域の光は第２のフォーカシングレンズ１０７で検出器１０８上に集光され、その分光強度が検出される。分光選択手段１０６の選択要素の選択状態をアダマール行列の各行に対応して制御し、全ての行に対する分光強度を検出した後、そのアダマール行列の逆行列を用いて共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光の分光強度を復調手段１１０により復調するように構成されている。
【００２３】
ここで、コリメータレンズ１０２と分散素子１０３と第１のフォーカシングレンズ１０４が本発明の分光手段１０５を構成しており、第２のフォーカシングレンズ１０７と検出器１０８が本発明の検出手段１０９を構成している。
【００２４】
また、図２の形態の場合は、通常の顕微鏡１１１の１次結像面１１２に分散素子１０３が配置され、顕微鏡の対物レンズの射出瞳像を分光する。分散素子１０３で分光された光束は瞳投影レンズ１１３を経て射出瞳の像を投影する。その射出瞳の像の結像位置にアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６が配置され、分光選択手段１０６で選択された所定の波長帯域の光は、分散素子１０３の像を投影する分散素子投影レンズ１１５を経て、分散素子で生じた波長分散を補償する分散補償素子１１６上に入射し、分散補償素子１１６により分散補償された像は検出器１１７により検出される。分光選択手段１０６の選択要素の選択状態をアダマール行列の各行に対応して制御し、全ての行に対する分光強度を検出した後、そのアダマール行列の逆行列を用いて、顕微鏡１１１の１次結像面１１２の各画素の光の分光強度を復調手段１１０により復調するように構成されている。
【００２５】
この場合は、分散素子１０３と瞳投影レンズ１１３が本発明の分光手段１１４を構成しており、分散素子投影レンズ１１５と検出器１１７が本発明の検出手段１１８を構成している。
【００２６】
ここで、本発明においては、分光選択手段１０６の複数の選択要素の選択状態を規定するアダマール行列は、従来と同様で格別の制限はないが、そのアダマール行列として、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いることが望ましい。以下に、その理由を説明する。
【００２７】
アダマール行列とは、いわゆるＳ型Ｈ行列と呼ばれるものであり、ｎ次のＳ型Ｈ行列の一つＨ_n は、以下の手順で帰納的に求めることができる。
【００２８】
【数３】

ここで、Ｈ_n はｎ次のＳ型Ｈ行列である。このように、Ｓ型Ｈ行列は、ｎ＝２^v （ｖは自然数）次数のみ定義されている。
【００２９】
また、交番数とは、ある一つの行又は列内で、隣り合う要素の符号が異なる位置の数を表している。ｎ＝８の例だと、以下の通りとなる。
【００３０】
【数４】

上記の（４）式の行列の右横に示した数が、各行に対する交番数である。
【００３１】
この方法で求められたＳ型Ｈ行列の各行の交番数は、０からｎ−１の整数が一つずつ存在する。Ｓ型Ｈ行列は対称行列なので、列に対する交番数もこの順番となる。また、Ｓ型Ｈ行列の逆行列は、それ自身の１／ｎと等しい。すなわち、以下の通りとなる。
【００３２】
【数５】

Ｓ型Ｈ行列の行又は列の交番数を昇順に並べ替えた（交番数順の）本発明で用いる行列Ｈ^* も、やはりアダマール行列の一つである。ｎ＝８の例だと、以下の通りとなる。
【００３３】
【数６】

これらのアダマール変換を用いた分光法は、波長帯域をｎ＝２^v 分割にサンプリングしたときの中心波長の行列λ^T ＝｛λ₁ λ₂ ・・・λ_n ｝^T に対する分光強度の行列ｘ^T ＝｛ｘ₁ ｘ₂ ・・・ｘ_n ｝^T を未知数（求めたい分光強度）として、アダマール行列Ｈの各行の要素に即して選択検出した信号強度の行列ｓ^T ＝｛ｓ₁ ｓ₂ ・・・ｓ_n ｝^T が、
【００３４】
【数７】

で表されるので、求めたい分光強度は、（５）式を用いて、
【００３５】
【数８】

の計算式より求まることが分かる。
【００３６】
つまり、本発明の顕微分光装置は、図１や図２の構成により、顕微観察した分光観察対象からの光束を分光し、アダマール行列Ｈの各行の要素に即して分光選択手段の選択要素を作用させて検出した信号強度の行列を計測し、（８）式に基づいて、それらを復調することで、所望の分光強度を得るものである。
【００３７】
ところで、一般的なアダマール行列を用いた分光法では、アダマール行列Ｈの全ての行に対する信号強度を求めなければ、上述の（８）式に基づいた復調はできない。それに対し、上記のように、分光選択手段で用いるアダマール行列として、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いるので、信号強度の行列の要素全てを計測しなくても、低分解能の分光強度を求めることができる。以下に、そのことを説明する。
【００３８】
非特許文献１の第６章によれば、２ｎ次の交番数順のアダマール行列Ｈ^* _2nの上半分の要素は、ｎ次の交番数順のアダマール行列Ｈ^* _n を用いて、
【００３９】
【数９】

の形で表される。ここで、×の演算子は、クロネッカー演算子であり、
【００４０】
【数１０】

を表す。したがって信号強度の行列ｓの最初の半分は、
【００４１】
【数１１】

となり、この方程式を解くと、
【００４２】
【数１２】

の式が得られる。このことは、つまり、最初の半分の数の信号強度から、波長分解能が半分の分光強度が得られることを示している。同様にして、最初の１／４の数の信号強度から、
【００４３】
【数１３】

の式を用いて、波長分解能が１／４の分光強度を求められることが分かる。逆に言えば、交番数順のアダマール行列Ｈ^* _n の初めの２つの行に対する信号強度｛ｓ₁ ｓ₂ ｝^T を検出した時点で、波長帯域を２分割した分光強度を求めることができる。すなわち、
【００４４】
【数１４】

となる。さらに、アダマール行列Ｈの初めの４つの行列に対する信号強度｛ｓ₁ ｓ₂ ｓ₃ ｓ₄ ｝^T を検出した時点で、波長帯域を４分割した分光強度を求めることができる。すなわち、
【００４５】
【数１５】

となる。
【００４６】
つまり、本発明の顕微分光装置では、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列を用いることにより、初めの２^w 個の変調に対する計測値が求まった時点でも、分光データを求めることができる。また、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列を用いることにより、低分解能から高分解能へと、順次波長分解能を上げてゆきながら分光データを求めることができる。さらに、両者を同時に用いることにより、途中でも所望の波長分解能になった時点で計測をやめ、分光データを取得することが可能となる。
【００４７】
したがって、分光選択手段１０６の複数の選択要素の選択状態を規定するアダマール行列は、従来と同様で格別の制限はないが、そのアダマール行列として、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いる構成によれば、従来例のアダマール分光器のメリットである、単一スリットを用いる通常の分光装置に対するＳ／Ｎ比の高さを維持したまま、所望の波長解像度において最短の時間で顕微分光計測が可能となる。これは、特に微弱な分光計測が主となる、蛍光標本等の顕微分光観察においては、蛍光色素の退色を避けられる等の理由で大きなメリットとなる。
【００４８】
［第１実施形態］
本発明の顕微分光装置の好適な１実施形態としては、図１に概略構成図を示すように、顕微鏡に共焦点顕微鏡を用いる場合である。
【００４９】
この場合は、顕微鏡は共焦点顕微鏡１００であり、少なくとも、共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光束を略平行光にするコリメータレンズ１０２と、その略平行光を分光するための分散素子１０３と、分散素子１０３によって分光した光を集光するための第１のフォーカシングレンズ１０４とからなる分光手段１０５、アダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６、さらに、少なくとも、検出器１０８と、分光選択手段１０６で選択された波長帯域の光束のみを検出器１０８に集光するための第２のフォーカシングレンズ１０７とからなる検出手段１０９、及び、復調手段１１０で構成されるものである。さらに、分光選択手段１０６で選択要素に作用させるアダマール行列としては、前述のように、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さく、さらに、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列で構成することが望ましい。
【００５０】
このような構成によれば、共焦点顕微鏡１００で分光観測対象を顕微観察することにより得られた観察光の中、共焦点ピンホール１０１を通過した光束は、コリメータレンズ１０２で略平行光束にされ、この略平行光束が分散素子１０３で分光され、さらに、第１のフォーカシングレンズ１０４で分光選択手段１０６上に波長毎に集光される。この分光選択手段１０６では、分光選択手段１０６を構成する選択要素を作用させることにより、アダマール行列に即した所定の波長帯域の光束が選択され、検出手段１０９の第２のフォーカシングレンズ１０７で検出器１０８に集光され、計測される。アダマール行列の交番数に即して上記分光選択手段１０６の選択要素の作用を代え、所望の分光解像度が得られるまで計測を繰り返した後に、計測された分光データを、前述の（８）式を実現する復調手段１１０により復調することで、分光観測対象の所望の解像度の分光データが最短の時間で得られる。
【００５１】
次に、以下に図面を用いて本実施形態の実施例について説明する。
【００５２】
［第１実施例］
本発明による第１実施例の顕微分光装置は、顕微鏡として以下に示すようなレーザ走査共焦点顕微鏡（ＣＬＳＭ）を用いた場合の構成である。図３（ａ）はこの顕微分光装置の側面図、（ｂ）はその上面図である。この顕微分光装置は、励起光を発するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からの励起光を標本Ｏに向かう光路内に導くダイクロイックミラー１２と、標本面上を２次元走査するための主走査ガルバノミラー１３及び副走査ガルバノミラー１４と、励起光を標本面上に集光させる対物レンズ１５と、標本Ｏの集光領域以外からの光（いわゆるボケ像）を除去するための共焦点ピンホール１６とからなる共焦点顕微鏡と、標本面で発生し共焦点ピンホール１６を通過した蛍光を略平行光にする第１コリメータレンズ１７と、その略平行光を分光するための分散素子としての分光プリズム１８と、分光プリズム１８によって分光した蛍光を集光するためのフォーカシングレンズ１９とからなる分光手段と、分光された蛍光の波長帯域に所定のアダマール行列に即してオン（アダマール行列の＋１成分）、オフ（アダマール行列の−１成分）の切替が可能な選択要素を持つ分光選択手段としてのプログラマブルミラー２０と、プログラマブルミラー２０で反射されたオンの波長帯域の光束のみを再び平行光束に戻すフォーカシングレンズ１９（本実施例の場合、前述のフォーカシングレンズ１９と共通）と、その平行光束を分散補償する前述の分散補償プリズム１８（本実施例の場合、分光プリズム１８と共通）と、分散補償された平行光束を再び集光するための第２コリメータレンズ２３と、集光されたオンの波長帯域の成分を持つ光束を選択して検出する（光電子倍増管）ＰＭＴ２１とからなる検出手段と、前述の（８）式に即して分光データの復調をコンピュータ２５内のソフトウエアで行う復調手段とで構成している。
【００５３】
さらに詳しくは、図３（ａ）の一部を側面から見た図である図３（ｂ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、プログラマブルミラー２０に斜め入射する。プログラマブルミラー２０のオンの要素で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。プログラマブルミラー２０のオフの要素で反射した分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射され、ストッパ２２により吸収される。プログラマブルミラー２０はプログラマブルミラー駆動装置２４を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生する。ＰＭＴ２１は、ＰＭＴ駆動装置２７を介してコンピュータ２５に接続している。コンピュータ２５に接続された表示装置２６に、アダマール変換から求めた分光強度分布を表示する。
【００５４】
ここで、プログラマブルミラー２０は、分光プリズム１８の波長分散方向にアダマール行列の次数に等しい数の微小ミラーが並列してなる微小ミラー集合体であり、その微小ミラーの各々は独立に傾き角度制御することができるものである。そして、各微小ミラーの制御信号のオン、オフでその反射面の傾きを変えることができる。ここでは、オンの状態の微小ミラーで反射した光がＰＭＴ２１に入射し、オフの状態の微小ミラーで反射した光はＰＭＴ２１には入射せず、それ以外の方向であるストッパ２２に向かうように設定されている。
【００５５】
本実施例における分光測定の流れを、図４に示す。ここで、ｗは、２^w が波長帯域の分割数を表す補助変数であり、ｍはアダマール行列の行番号を指定する補助変数（交番数＋1 ）である。ｗとｍはまず０から出発する（ＳＴ１、ＳＴ２）。次に、分割数を表す補助変数ｗをまず１とする（ＳＴ３）。続いて、アダマール行列の行ｍを１から順に加算してゆきながら（ＳＴ４）、次数２^v のアダマール行列Ｈ^* _v のｍ行目の要素に対応させてプログラマブルミラー２０のオン・オフを切り替えて（ＳＴ５）、その切替によって計測した結果（ＰＭＴ２１からの出力）を順次記録する。そして、ｍが２^w に一致した時点で（ＳＴ７）、それまで記録したｍ個の計測結果を用いて前述の（８）式より波長帯域２^w 分割の分光強度を計算する（ＳＴ８）。算出された波長分解能が不十分ならば（ＳＴ７）、ｍを加算しながら（ＳＴ４）、さらに分光計測を継続し、波長分解能が十分になったか（ＳＴ１０）、ｍがアダマール行列Ｈ^* _v の次数２^v に等しくなった時点（ＳＴ９）で分光計測を打ち切る。本処理も、コンピュータ２５内のソフトウエアで実現されている。
【００５６】
このように、本実施例においては、交番数順のＳ型Ｈ行列を用いたことにより、各行に対する信号強度を全て検出せずとも、低分解能から高分解能に、順次解像を上げながら分光強度を求めて行くことができる。したがって、従来の方法と異なり、分解能に合わせて最も効率的に、つまり高速に分光計測が可能な方法である。
【００５７】
［第１実施例の変形例１］
上記第１実施例の変形例として、図５にその要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００５８】
グレイティング・ライト・バルブは、例えば特許文献１で提案されているものであり、ＩＣ製作技術等で同一基板上に等間隔の平行な反射型リボンを並列させて形成し、１本おきのリボンを残りのリボンに対して同一平面になるか、波長の４分の１程度後退あるいは前進させるかの制御をすることにより、前者では反射面、後者では反射型の回折格子になるものである。このようなグレイティング・ライト・バルブ３１₀ をアダマール行列の次数に等しい数だけ、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、分光プリズム１８の波長分散方向にアレイ状に並べて配置したものがグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１であり、回折格子の方向は、図５（ｂ）のようにアレイ３１に沿った方向でも、図５（ｃ）のようにアレイ３１に直交する方向でもよい。このようなグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を、図３（ｂ）と同様な図である図５（ａ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、フォーカシングレンズ１９の光軸に直角に配置されたグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１に斜め入射する。グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオンの要素である反射面で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素である反射型の回折格子に入射して回折された±１次の分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射され、それぞれストッパ２２₁ 、２２₂ により吸収される（図５（ａ）の場合は、図５（ｂ）のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いているが、図５（ｃ）のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いる場合は、図５（ａ）の紙面の前後にストッパ２２₁ 、２２₂ が配置される。）。このグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１は、図３（ａ）の場合と同様、駆動装置を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。
【００５９】
なお、グレイティング・ライト・バルブ３１₀ は、１本おきでなく複数本おきのリボンを残りのリボンに対して同一平面になるか、後退あるいは前進させるようにすることもできるので、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフ、オフの制御を回折格子の有無でなく、回折格子の本数の制御による回折角の違いを利用するようにすることもできる。
【００６０】
また、グレイティング・ライト・バルブ３１₀ の代わりに、出射側の面に反射面が設けられたＡＯＭを用い、このＡＯＭを分光プリズム１８の波長分散方向にアレイ状に並べて配置しても、同様の分光選択手段を構成できる。
【００６１】
［第１実施例の変形例２］
上記第１実施例の変形例として、図６に図３（ｂ）と同様な図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された反射型の電気アドレス空間変調器３２を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００６２】
反射型の電気アドレス空間変調器３２は、例えばＴＮやＳＴＮ、あるいは強誘電性液晶からなる反射型の液晶表示装置と同様であり、各画素の画素電極に印加する電圧の有無等により、入射する直線偏光の方向がそのままの状態で反射されたり、偏光面が９０°回転して反射されるものであり、このような画素をアダマール行列の次数に等しい数だけ、分光プリズム１８の波長分散方向（図６の紙面に垂直なａ−ａ’方向）であってフォーカシングレンズ１９の光軸に直角にアレイ状に並べて配置されて反射型の電気アドレス空間変調器３２が構成される。そして、この反射型の電気アドレス空間変調器３２に入射する光路中に偏光子３３が、反射型の電気アドレス空間変調器３２から反射される光路中に検光子３４が配置される。
【００６３】
この配置においては、図６に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になった分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、反射型の電気アドレス空間変調器３２に斜め入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオンの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４を通過して、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオフの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４に入射して通過が阻止される。この反射型の電気アドレス空間変調器３２は、図３（ａ）の場合と同様、駆動装置を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。なお、検光子３４の直線偏光の透過方向として、偏光子３３の透過方向と同じ方向に設定するようにしてもよく、その場合は、反射型の電気アドレス空間変調器３２の要素のオンとオフの状態は逆になる。
【００６４】
なお、分光選択手段として、上記のように各画素がＴＮ、ＳＴＮ、強誘電性液晶等からなる電気アドレス空間変調器を用いる場合、図７に示すように、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いることもできる。その場合、図７に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、同軸配置のフォーカシングレンズ１９によって集光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になって、透過型の電気アドレス空間変調器３２’に略垂直に入射する。透過型の電気アドレス空間変調器３２’のオンの要素を透過した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま検光子３４を通過して、この場合は別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。透過型の電気アドレス空間変調器３２’のオフの要素を透過した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて検光子３４に入射して通過が阻止される。なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２コリメータレンズ２３の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００６５】
［第１実施例の変形例３］
上記第１実施例の変形例として、図８に図３（ｂ）と同様な図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された光書き込み反射型空間変調器（反射型の光アドレス型空間光変調器）３５を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００６６】
光書き込み反射型空間変調器３５は、例えば特許文献２、特許文献３で提案されているものであり、一対の透明電極の間に光アドレス材料としての光導電層、誘電体ミラー及び液晶等の光変調材料層が順に積層されてなるもので、アドレス光が入射した位置の光導電層の抵抗が低下してその部分の液晶層に電圧がかかり、その部分の液晶層が光変調層として作用するもので、反射型の電気アドレス空間変調器３２が要素のオン・オフ状態を電気的に制御するものに対して、光学的に要素のオン・オフ状態を制御するものと言うことができる。
【００６７】
図８に示すように、光書き込み反射型空間変調器３５の各画素のオン状態は、液晶表示装置（ＴＶ）等の表示装置３６からの光（アドレス光）を投影レンズ３７によりその画素の背面に入射させるように表示装置３６の画素の表示状態を駆動装置を介してコンピュータ２５により制御することにより制御され、例えば、光書き込み反射型空間変調器３５のその画素の表面に入射する光の直線偏光の方向をそのままの状態で反射し、表示装置３６からの光が入射しないオフ状態では、画素の表面に入射する光の直線偏光の方向を９０°回転させて反射する。このような画素をアダマール行列の次数に等しい数だけ、分光プリズム１８の波長分散方向（図８の紙面に垂直なａ−ａ’方向）であってフォーカシングレンズ１９の光軸に直角にアレイ状に並べて配置して光書き込み反射型空間変調器３５が構成される。そして、この光書き込み反射型空間変調器３５に入射する光路中に偏光子３３が、光書き込み反射型空間変調器３５から反射される光路中に検光子３４が配置される。
【００６８】
この配置においては、図８に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になった分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、光書き込み反射型空間変調器３５に斜め入射する。光書き込み反射型空間変調器３５のオンの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４を通過して、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。光書き込み反射型空間変調器３５のオフの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４に入射して通過が阻止される。この光書き込み反射型空間変調器３５を用いる例では、駆動装置を介して表示装置３６がコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。なお、検光子３４の直線偏光の透過方向として、偏光子３３の透過方向と同じ方向に設定するようにしてもよく、その場合は、光書き込み反射型空間変調器３５の要素のオンとオフの状態は逆になる。
【００６９】
［第１実施例の変形例４］
上記第１実施例の変形例として、図９（ｂ）に、前記アダマール行列Ｈ^* _v に対応するマスク３８を示すが、その白要素部分３８_a を反射鏡、黒要素部分３８_b を透明な穴空きあるいは吸収面とし、そのようなマスク３８の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を相互に切り離して１行に並べて配置した固定パターン３９を用い、その固定パターン３９を分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに用いるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００７０】
すなわち、図９（ａ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光された分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、固定パターン３９に斜め入射する。固定パターン３９のオンの要素の反射鏡で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。固定パターン３９のオフの要素の穴空きを通過した分光成分はフォーカシングレンズ１９に戻ることが阻止される。この固定パターン３９は、紙面に垂直なａ−ａ’方向に機械的に移動する駆動装置を介してコンピュータ２５に接続されており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応する行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・のパターンに順次切り替えられる。
【００７１】
なお、フォーカシングレンズ１９の集光位置に配置する固定パターンとしては、マスク３８そのものを用いて、図９（ａ）のｂ−ｂ’方向（マスク３８の列方向）に機械的に順次移動させて、光路中に配置される固定パターンが順に行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・と切り替わるようになるようにしてもよい。
【００７２】
さらに、この変形として、マスク３８の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を切り離して、図９（ｃ）に示すように、各々の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を円板８０の半径方向に等間隔で別々に配置して、この円板８０の回転軸をフォーカシングレンズ１９の光軸と平行に配置して、円板８０の回転角を順に変えることにより、光路中に配置される固定パターンが順に行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・と切り替わるようにしてもよい。
【００７３】
あるいは、図９（ｄ）に示すように、各々の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を多角柱８１の各面に別々に配置して、この多角柱８１の回転軸をフォーカシングレンズ１９の光軸と垂直で分光プリズム１８の波長分散方向に平行に配置して、多角柱８１の回転角を順に変えることにより、光路中に配置される固定パターンが順に行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・と切り替わるようにしてもよい。
【００７４】
このような固定パターン３９を用いる場合、図７と同様に、透過型に構成することもできる。ただし、図９（ｂ）の前記アダマール行列Ｈ^* _v に対応するマスク３８の白要素部分３８_a は透明な穴空き、黒要素部分３８_b は反射面あるいは吸収面とする。このような行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を１行に並べた固定パターン３９を、図１０に示すように、光軸に対して傾斜して配置し、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光が、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、同軸配置のフォーカシングレンズ１９によって集光され、固定パターン３９に斜め入射する。固定パターン３９のオンの要素を通過した分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。固定パターン３９のオフの要素で反射した分光成分の光束は、ストッパ２２により吸収される。なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２コリメータレンズ２３の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００７５】
なお、この場合も、図９（ａ）の反射型と同様に、図９（ｂ）のマスク３８そのものを用いて、図１０（ａ）のｃ−ｃ’方向（マスク３８の列方向）に機械的に順次移動させるようにしてもよいし、図９（ｃ）に示すような円板８０を用いて、この円板８０を機械的に回転させて順次交換するようにしてもよいし、図９（ｄ）に示すような多角柱８１を用いて、この多角柱８１を機械的に回転させて順次交換するようにしてもよい。
【００７６】
また、この図１０の例では、図９（ｂ）の前記アダマール行列Ｈ^* _v に対応するマスク３８の黒要素部分３８_b は、反射型回折格子で構成し、図５の場合と同様に回折光がストッパ２２に入射して吸収されるようにしてもよい。
【００７７】
［第１実施例の変形例５］
ところで、以上の第１実施例及びその変形例において、分光選択手段として用いる１次元の微小ミラー集合体からなるプログラマブルミラー２０、１次元配置のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１、１次元アレイ状に画素が配置された電気アドレス空間変調器３２、３２’、光書き込み反射型空間変調器３５にパターンを書き込む表示装置３６、固定パターン３９は、何れも選択要素の微小ミラー、ライト・バルブ、変調器、開口等（以下、選択要素４０₀ とする。）を、図１１に模式的に示すように、両矢符で示す分光プリズム１８の波長分散方向に１次元アレイ状に並べて配置することにより、分光選択手段４０を構成している。本来なら、選択要素４０₀ は両矢符方向に隣接する選択要素４０₀ と隙間なく配置（分割）されないと、正しい分光強度分布を得ることができず、そのような隙間の位置に対応する波長の分光強度が検出できない。しかしながら、微小ミラー、ライト・バルブ、変調器、開口等を並列配置する場合に、実際には、隣接するものとの間に隙間４１が生じてしまう。
【００７８】
そこで、これらの選択要素４０₀ は、図１２に模式的に示すように、両矢符で示す分光プリズム１８の波長分散方向に、２列以上の複数列に並べて配置し、しかも、その隣同士の列の選択要素４０₀ の配列を相互に補完するように列方向へずらして配列する。図１２の場合は、２列に配置し、列同志で選択要素４０₀ のピッチの半分だけずらして配列している。そして、その２列の選択要素４０₀ 各々をアダマール行列の１行又は１列に対応させてオン・オフを制御するようにすることにより、波長のぬけがない正しい分光強度分布を得ることができる。
【００７９】
ただし、分光プリズム１８により分光された各波長の光束をフォーカシングレンズ１９によって分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）に広がりなく集光させると、２列以上の選択要素４０₀ に各波長の光束が入射しないおそれが出てくる。そこで、フォーカシングレンズ１９として、分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）には広がりがあり、分光プリズム１８の波長分散方向（図の両矢符方向）には焦点が合ったベストスポット状態で集光する非対称な結像作用を持つレンズ系を用いることが望ましい。そのようなフォーカシングレンズ１９としては、分光選択手段４０の列方向と直交する方向に収差の発生があるレンズ系や、積極的に非対称なレンズ系がある。フォーカシングレンズ１９として非対称なレンズ系を用いる場合の、共焦点ピンホール１６からＰＭＴ２１に至る光学系を図１３に示す。図１３（ａ）は、その光学系部分の上面図、図１３（ｂ）はその側面図である。
【００８０】
この場合は、フォーカシングレンズ１９は、例えば回転対称なレンズ４２と円筒レンズ４３によって構成され、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光された光束は、フォーカシングレンズ１９によって分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）には広がりがあり、分光プリズム１８の波長分散方向（図の両矢符方向）には焦点が合ったベストスポット状態で集光されて、分光選択手段４０に斜め入射する。例えば分光選択手段４０がプログラマブルミラーからなるとき、分光選択手段４０のオンの要素で反射された分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、分散補償プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。この場合、別のフォーカシングレンズ１９’は、フォーカシングレンズ１９で発生する非点収差を補正するように、同様に回転対称なレンズと円筒レンズとによって構成されることが望ましい。
【００８１】
以上は、分光選択手段４０として、選択要素４０₀ を２列以上の複数列で構成することにより、選択要素４０₀ 間の隙間４１による分光検出波長のぬけを防止するものであったが、図１１のような隙間４１がある１列の選択要素４０₀ の配置でも、図１４の正面図に示すように、各選択要素４０₀ の入射側に一対一に対応して要素全体と両側の隙間４１の各々半分を覆うように配置された微小正レンズ４４からなるマイクロレンズアレイ４５を分光選択手段４０の入射側に配置することによっても、このような分光検出波長のぬけを防止することができる。
【００８２】
［第２実施例］
本発明による第２実施例を図１５に示す。図１５は図３（ｂ）に対応する上面図であって、第１実施例の検出部の一部に変更を加えたものであり、その他は第１実施例と同様に構成している。第２実施例では、２つの光電子倍増管（ＰＭＴ２１₁ 及びＰＭＴ２１₂ ）を用いて、プログラマブルミラー２０のオン・オフの両方の信号強度を同時に検出している。本実施例では、ＰＭＴ２１₁ とＰＭＴ２１₂ からの出力を、加算器２９で加算して和信号を生成している。また同時に、両者の出力を減算器２８により減算して差信号を生成している。そして、加算器２９と減算器２８により生成した信号を、コンピュータ２５（図３）に送っている。プログラマブルミラー２０と２つのＰＭＴ２１₁ 、２１₂ の間には、別のフォーカシングレンズ１９’と分散補償プリズム１８’と第２−１コリメータレンズ２３₁ 、第２−２コリメータレンズ２３₂ が挿入されている。プログラマブルミラー２０で反射したオンとオフの波長帯域の光束を別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にし、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散を補償し、さらに、第２−１コリメータレンズ２３₁ と第２−２コリメータレンズ２３₂ でそれぞれのＰＭＴ２１₁ 、２１₂ 上に集光するようにしている。
【００８３】
本実施例においては、プログラマブルミラー２０がオンの分光成分とオフの分光成分の差信号を検出するようにしたので、プログラマブルミラー２０がオンの分光成分のみを検出する第１実施例に比較して、ＰＭＴで発生するノイズの影響を少なくすることができる。その結果、第１実施例では用いていなかった、プログラマブルミラー２０がオフの分光成分を計測するようにしたので、第１実施例に比べて、高いＳ／Ｎ比が得られる利点がある。さらに、本実施例においては、プログラマブルミラー２０がオンとオフの両方の信号の和信号を常に検出しているので、光源１１の出力あるいは検出器のオペアンプの感度のふらつきが生じても、それを補正することができる。よって、さらに精度の高い分光強度分布の算出を行うことができる。
【００８４】
［第２実施例の変形例１］
上記第２実施例の変形例として、図１６に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例１で説明したグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００８５】
グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオンの要素である反射面で反射した分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、さらに、第２−１コリメータレンズ２３₁ でＰＭＴ２１₁ 上に集光されるようになっている。他方、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素である反射型の回折格子に入射して回折された＋１次の分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射回折され、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、第２−２コリメータレンズ２３₂ でＰＭＴ２１₂ 上に集光されるようになっている。
【００８６】
なお、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素の反射型の回折格子で回折された−１次の分光成分は、ストッパ２２により吸収されようになっている。
【００８７】
この例の場合も、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフ、オフの制御を回折格子の有無でなく、回折格子の本数の制御による回折角の違いを利用するようにすることもできる。
【００８８】
［第２実施例の変形例２］
上記第２実施例の別の変形例として、図１７に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例２で説明した反射型の電気アドレス空間変調器３２又は透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。なお、図１７は、反射型の電気アドレス空間変調器３２を用いた場合を図示してあるが、透過型の電気アドレス空間変調器３２’の構成は、図１７と図７から明らかであるので、図示は省く。
【００８９】
反射型の電気アドレス空間変調器３２のオンの要素で反射（透過型の電気アドレス空間変調器３２’の場合と透過）した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向を保ったまま別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面を透過し、第２−１コリメータレンズ２３₁ で集光され、ＰＭＴ２１₁ に入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオフの要素で反射（透過型の電気アドレス空間変調器３２’の場合と透過）した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向から偏光面が９０°回転されて別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面で反射され、第２−２コリメータレンズ２３₂ で集光され、ＰＭＴ２１₂ に入射する。
【００９０】
なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２−１コリメータレンズ２３₁ 、２−２コリメータレンズ２３₂ の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００９１】
［第２実施例の変形例３］
上記第２実施例の別の変形例として、図１８に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例３で説明した光書き込み反射型空間変調器３５を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００９２】
液晶表示装置（ＴＶ）等の表示装置３６からの光（アドレス光）を投影レンズ３７により光書き込み反射型空間変調器３５の背面に入射させることによりオンにされた要素で反射した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向を保ったまま別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面を透過し、第２−１コリメータレンズ２３₁ で集光され、ＰＭＴ２１₁ に入射する。光書き込み反射型空間変調器３５の背面にアドレス光が入射しなかったオフの要素で反射した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向から偏光面が９０°回転されて別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面で反射され、第２−２コリメータレンズ２３₂ で集光され、ＰＭＴ２１₂ に入射する。
【００９３】
なお、この場合も、別のフォーカシングレンズ１９’と第２−１コリメータレンズ２３₁ 、２−２コリメータレンズ２３₂ の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００９４】
［第２実施例の変形例４］
上記第２実施例の別の変形例として、図１９に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例４で説明した固定パターン３９を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００９５】
図９との関連で説明したオン要素が反射鏡でオフ要素が穴空きとなっているマスク３８の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を相互に切り離して１行に並べて配置した固定パターン３９、あるいは、その代わりに、そのような行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を２次元的に配置したマスク３８（図９（ｂ））、あるいは、円板８０の半径方向に等間隔で行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を配置したマスク、あるいは、多角柱８１の各面に行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・を配置したマスクを、図１９の固定パターン３９として用い、固定パターン３９のオンの要素で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２−１コリメータレンズ２３₁ で集光され、ＰＭＴ２１₁ に入射する。固定パターン３９のオフの要素の穴空きを透過した分光成分は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、さらに、第２−２コリメータレンズ２３₂ でＰＭＴ２１₂ 上に集光されるようになっている。固定パターン３９の行３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・の切り替えは第１実施例の変形例４の場合と同様である。
【００９６】
なお、この例において、固定パターン３９のオンの要素を反射鏡、オフ要素を反射型回折格子で構成し、その反射型回折格子の回折方向に上記別のフォーカシングレンズ１９’、分散補償プリズム１８’、第２−２コリメータレンズ２３₂ 、及び、ＰＭＴ２１₂ を配置するようにしてもよい。
【００９７】
［第３実施例］
本発明による第３実施例の顕微分光装置の共焦点ピンホール１６以降の要部の側面図を図２０に示す。励起光を発するレーザ光源１１、ダイクロイックミラー１２、主走査ガルバノミラー１３、副走査ガルバノミラー１４、対物レンズ１５の構成と配置は図３の場合と同様であるので、図示は省く。
【００９８】
この実施例は、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、特許文献４等で知られているマルチチャンネル検出器（アレイディテクタ）４７を用いるものであり、このマルチチャンネル検出器４７は、分光選択手段の各選択要素に対応する検出チャンネル４７₀ が分光プリズム１８の波長分散方向に１次元アレイ状に並べて配置されているものであり、各検出チャンネル４７₀ からの検出信号はコンピュータ２５内に入力され、その中のソフトウエアにより、各検出チャンネル４７₀ からの検出信号は選択的に取り込まれるようになっており、各測定の際に、オンの要素に対応する検出チャンネル４７₀ からの検出信号をソフトウエアにより加算して取り込むことによって、第１実施例、第２実施例と同様にして分光データを求めることができる。
【００９９】
なお、各検出チャンネル４７₀ からの検出信号の選択的取り込みをソフトウエアでなく、マルチチャンネル検出器４７に接続されたマルチプレクサー等のハードウエア（電気回路）で行うようにしてもよい。
【０１００】
［第３実施例の変形例］
上記第３実施例の変形例として、図２１に顕微分光装置の共焦点ピンホール１６以降の要部の側面図を示す。励起光を発するレーザ光源１１、ダイクロイックミラー１２、主走査ガルバノミラー１３、副走査ガルバノミラー１４、対物レンズ１５の構成と配置は図３の場合と同様であるので、図示は省く。
【０１０１】
この変形例は、分光選択手段として、マルチチャンネル検出器４７の代わりに、分光選択手段の選択要素の数に等しい本数の光ファイバー４８₀ の入射端を分光プリズム１８の波長分散方向に１次元に並べて構成した光ファイバーアレイ４８を用いて、各光ファイバー４８₀ の射出端に各々に２分波スイッチ素子４９₀ を接続し、各２分波スイッチ素子４９₀ のオン側からの出力を合波素子５０₁ に入力させ、各２分波スイッチ素子４９₀ のオフ側からの出力を合波素子５０₂ に入力させ、合波素子５０₁ の出力光強度をディテクタ５１₁ で、合波素子５０₂ の出力光強度をディテクタ５１₂ で検出するようにしてある。そして、光ファイバーアレイ４８のチャンネル数に等しい数の２分波スイッチ素子４９₀ 各々のオン、オフ切り替えは、コンピュータ２５に接続されたスイッチアレイ駆動装置５２によって制御されるようになっている。
【０１０２】
このような構成であるので、光ファイバーアレイ４８のオンの光ファイバー４８₀ を経て検出された分光強度は、合波素子５０₁ を経てディテクタ５１₁ で検出される。また、光ファイバーアレイ４８のオフの光ファイバー４８₀ を経て検出された分光強度は、合波素子５０₂ を経てディテクタ５１₂ で検出される。したがって、ディテクタ５１₁ で検出された分光強度を用いる場合は、第１実施例と同様な分光強度検出が行え、ディテクタ５１₁ とディテクタ５１₂ で検出された分光強度を用いる場合は、第２実施例と同様な分光強度検出が行える。
【０１０３】
［第２実施形態］
本発明の顕微分光装置の好適な別の実施形態としては、図２に概略構成図を示すように、共焦点顕微鏡以外の通常の顕微鏡を用いる場合である。
【０１０４】
この形態の場合は、図２に示すように、通常の顕微鏡１１１の１次結像面１１２に配され、顕微鏡１１１の対物レンズの射出瞳を分光するための分散素子１０３と、分散素子１０３によって分光された対物レンズの射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ１１３とからなる分光手段１１４、分光された対物レンズの射出瞳の結像位置に配置され、アダマール行列に即した所定の波長帯域毎に波長選択可能な選択要素を有する分光選択手段１０６、分散素子１０３の像を投影する分散素子投影レンズ１１５と、分散素子１０３で生じた波長分散を補償する分散補償素子１１６と、分散補償素子１１６により分散補償された像を検出するための検出器１１７とからなる検出手段１１８、及び、復調手段１１０で構成されるものである。さらに、分光選択手段１１６で選択要素に作用させるアダマール行列としては、前述のように、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さく、さらに、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列で構成することが望ましい。
【０１０５】
本構成によれば、顕微鏡１１４で分光観測対象を顕微観察することにより得られた観察像が、分散素子１０３と瞳投影レンズ１１３により分光され、さらに、分光選択手段１１６を構成する選択要素をアダマール行列に即して作用させることにより所定の波長帯域の光束を選択し、検出手段１１８の分散素子投影レンズ１１５と分散補償素子１１６により分散補償された分光像を得て、この像を検出器１１７により検出する。アダマール行列の交番数に即して分光選択手段１１６の選択要素の作用を替え、所望の分光解像度が得られるまで計測を繰り返した後に、計測された分光像の各点において前述の（８）式を実現する復調手段１１０により復調することで、分光観測対象の所望の解像度の分光像が最短の時間で得られる。
【０１０６】
次に、以下に図面を用いて本実施形態の実施例について説明する。
【０１０７】
［第４実施例］
第４実施例として蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置を図２２を用いて説明する。
【０１０８】
本発明による第４実施例の顕微分光装置は、図２２（ａ）に示すように、少なくとも、励起光を発する光源６１と、光源６１からの励起光を標本Ｏに向かう光路に導入するダイクロイックミラー６２と、励起光を標本面上に集光させ、標本Ｏの蛍光像を拡大するための対物レンズ６３と、対物レンズ６３により拡大された標本Ｏの像を結像させるための結像レンズ６４とからなる顕微鏡、その顕微鏡の１次結像面に配され、対物レンズ６３の射出瞳を分光するための分散素子としての分光グレーティング６５と、分光された対物レンズ６３の射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ６６とからなる分光手段、分光された対物レンズ６３の射出瞳の結像位置に配置され、所定の波長帯域毎に波長選択を行う固定アダマールマスク６７と、固定アダマールマスク６７を横方向に移動するアダマールマスク駆動装置６８とからなる分光選択手段、固定アダマールマスク６７を透過した分光成分で分光グレーティング６５の像を投影する分散素子投影レンズ６９と、分光グレーティング６５で生じた波長分散を補償する分散補償素子として分散補償グレーティング７０と、分散補償グレーティング７０により分散補償された蛍光像を撮像するための撮像装置７１とからなる検出手段、さらに、前述の（８）式に即して分光データの復調を図示しないコンピュータ内のソフトウエアで行う復調手段で構成される。
【０１０９】
なお、当該コンピュータでは、撮像装置７１とアダマールマスク駆動装置６８の制御や蛍光像の分光像の表示等も行う。
【０１１０】
固定アダマールマスク６７には、図２２（ｂ）にｎ＝８の例のパターンを示すように、交番数順のアダマール行列Ｈ^* に対応した開口パターンが開いている。対物レンズ６３の射出瞳は、分光グレーティング６５によってこのアダマールマスク上に縦方向の分光スペクトルとなって投影される。アダマールマスク駆動装置６８でこの固定アダマールマスク６７を横方向に順次動かしながら撮像装置７１で撮像した画像を、コンピュータに蓄積して行く。そして、各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１１】
本実施例においても、固定アダマールマスク６７に交番数順のアダマール行列の開口バターンを設けたことにより、第１実施例で説明したと同様に、計測の途中から低分解能の分光画像を順次得ることができ、その分高速化が図れる。
【０１１２】
［第４実施例の変形例］
上記第４実施例の変形例として、図２３に図２２と同様の図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第４実施例の固定アダマールマスク６７の代わりに、第１実施例の変形例２で説明した透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第４実施例と同様である。
【０１１３】
透過型の電気アドレス空間変調器３２’に入射する光路中に偏光子３３を、その透過型の電気アドレス空間変調器３２’を透過した光路中に検光子３４を、電圧を印加した要素（画素）のみを標本Ｏからの蛍光が通過できるように配置する。そして、この透過型の電気アドレス空間変調器３２’には、交番数順のアダマール行列Ｈ^* の行又は列の＋１に対応した要素（画素）に電圧が選択的に印加される。対物レンズ６３の射出瞳は、分光グレーティング６５によってこの透過型の電気アドレス空間変調器３２’上に分光スペクトルとなって投影される。透過型の電気アドレス空間変調器３２’上の電圧を印加する要素を選択しながら撮像装置７１で撮像した画像を、コンピュータに蓄積して行く。そして、撮像した画像の各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１４】
［第５実施例］
この実施例の顕微分光装置は、図２４（ａ）に示すように、少なくとも、励起光を発する光源６１と、光源６１からの励起光を標本Ｏに向かう光路に導入するダイクロイックミラー６２と、励起光を標本面上に集光させ、標本Ｏの蛍光像を拡大するための対物レンズ６３と、対物レンズ６３により拡大された標本Ｏの像を結像させるための結像レンズ６４とからなる顕微鏡、その顕微鏡の１次結像面に配され、対物レンズ６３の射出瞳を分光するための分散素子としての分光グレーティング６５と、分光された対物レンズ６３の射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ６６とからなる分光手段、分光された対物レンズ６３の射出瞳の結像位置に配置され、所定の波長帯域毎に異なる２つの周波数で周波数変調を行う周波数光変調器アレイ７３からなる分光選択手段、周波数光変調器アレイ７３を透過した分光成分で分光グレーティング６５の像を投影する分散素子投影レンズ６９と、分光グレーティング６５で生じた波長分散を補償する分散補償素子として分散補償グレーティング７０と、分散補償グレーティング７０により分散補償された蛍光像を撮像するための撮像装置７１とからなる検出手段、さらに、撮像装置７１で撮像した画像の各画素の変調信号にロックイン検出器を経て、各画素の異なる２つの周波数それぞれで光変調された光強度を検出して、コンピュータに蓄積して行く。そして、各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１５】
ここで、周波数光変調器アレイ７３は、図２４（ｂ）に示すように、電気光学変調器、音響光学変調器等の光変調器７３₀ を分光グレーティング６５の波長分散方向にアレイ状に配置してなるもので、各光変調器７３₀ が分光選択手段の選択要素を構成しており、オンの要素である光変調器７３₀ はある特定の周波数で対応する波長帯域の強度に周波数変調をかけ、オフの要素である光変調器７３₀ はそれとは異なる特定の周波数でそれに対応する波長帯域の強度に周波数変調をかける。したがって、ロックイン検出器でそれぞれの周波数の強度を検出することにより、周波数光変調器アレイ７３のオン・オフそれぞれの要素を透過してきら分光強度を検出することができるので、第４実施例と同様にこの周波数光変調器アレイ７３を制御しながら撮像装置７１で撮像した画像の復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１６】
なお、以上の実施例では、交番数順のアダマール行列を用いた例を説明したが、変調画像を復調できるのは、交番数が０から２^w −１（ｗは任意の自然数) である行成分を用いた２ｗ枚の変調画像を取得できた後となる。つまり、２^w 枚の変調画像を取得する順序に制限はない。したがって、交番数順のアダマール行列の代わりに、初めの２^w 個の行又は列の交番数が全て、残りの行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列を用いても、初めの２^w 個のの分光変調を行った時点で波長帯域２^w 分割の低解像度の分光強度を求めることができるので、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
さて、以上の実施例及び変形例において、分光プリズム１８、分散補償プリズム１８、１８’の代わりに、分光グレーティング（回折格子）を用いてもよく、また、分光グレーティング６５、分散補償グレーティング７０の代わりに、分光プリズムを用いてもよい。
【０１１８】
また、分散補償プリズム１８’や分散補償グレーティング７０は配置しなくてもよいが、検出器であるＰＭＴ２１、２１₁ 、２１₂ の受光面と別の別のフォーカシングレンズ１９’や第２コリメータレンズ２３、第２−１コリメータレンズ２３₁ 、第２−２コリメータレンズ２３₂ を波長分散で広がった光束を検出可能なサイズにすればよい。
【０１１９】
また、分光選択手段が反射型のものは、透過型に変形することは容易に可能である。
【０１２０】
さらに、検出器としては、ＰＭＴ以外に、アバランシェフォトダイオード等の高感度低ノイズ検出器を用いることができるのは当然である。
【０１２１】
また、分光選択手段として、固定パターンを用いる例（図９、図１０、図１９、図２２）においては、分光手段側を移動させるようにしてもよい。図２５に図９の場合に、分光選択手段として２次元配置マスク３８を用いて、マスク３８を移動する代わりに、分光プリズム１８を破線から点線の位置に移動させることにより、分光手段の各要素のオン・オフ状態を変えるようにすることができる。
【０１２２】
以上述べた、本発明のアダマール顕微分光装置を整理すると以下のようになる。
【０１２３】
〔１〕 少なくとも分光観測対象を顕微観察する顕微鏡と、前記顕微鏡からの入射光を波長分解する分光手段と、前記分光手段により波長分解された前記入射光をアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段と、前記分光選択手段で選択された所定の波長帯域の分光強度を検出する検出手段と、検出された分光強度から分光観測対象の分光強度を復調する復調手段とからなり、前記分光選択手段は、所定の次数のアダマール行列の要素に従って選択状態が定まるものであり、
前記分光選択手段が、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つことを特徴とする顕微分光装置。
【０１２４】
〔２〕 前記顕微鏡が共焦点顕微鏡からなり、前記分光手段が、少なくとも、前記共焦点顕微鏡の共焦点ピンホールを通過した光束を略平行光にするコリメータレンズと、その略平行光を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された光を集光するための第１のフォーカシングレンズとからなり、前記検出手段が、少なくとも、検出器と、前記分光選択手段で選択された波長帯域の光束のみを当該検出器に取り込むためのレンズ系とからなることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１２５】
〔３〕 前記第１のフォーカシングレンズが、非対称な結像作用を持つものであることを特徴とする上記１又は２記載の顕微分光装置。
【０１２６】
〔４〕 少なくとも、前記分光手段が、前記顕微鏡の１次結像面に配され、前記顕微鏡の対物レンズの射出瞳を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された対物レンズの射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズとからなり、前記分光選択手段が、分光された対物レンズの射出瞳の結像位置に配置され、前記検出手段が、少なくとも、前記分散素子の像を投影する分散素子投影レンズと、前記分散素子で生じた波長分散を補償する分散補償素子と、前記分散補償素子により分散補償された像を検出するための検出器とからなることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１２７】
〔５〕 前記検出手段が、少なくとも２つの検出器を用いて構成され、前記分光選択手段で定められたアダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域の光束を別々に検出することを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１２８】
〔６〕 前記アダマール行列として、次数２^v （ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^w 個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１２９】
〔７〕 前記分光選択手段が、周波数変調型の空間光変調器であり、アダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域に別々の周波数変調をかけ、前記検出手段で周波数選別して片方若しくはそれぞれを検出することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３０】
〔８〕 前記顕微鏡が共焦点顕微鏡からなり、前記分光手段が、少なくとも、前記共焦点顕微鏡の共焦点ピンホールを通過した光束を略平行光にするコリメータレンズと、その略平行光を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された光を集光するための第１のフォーカシングレンズとからなり、前記検出手段が、少なくともマルチチャンネル検出器で構成されることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１３１】
〔９〕 前記分光選択手段として、ディフォーマブルミラー、ディジタルミラーデバイス、グレイティング・ライト・バルブ等の機械式変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３２】
〔１０〕 前記分光選択手段として、反射型若しくは透過型の電気アドレス空間変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３３】
〔１１〕 前記分光選択手段として、光書き込み反射型空間変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３４】
〔１２〕 前記分光選択手段として、アダマール行列の＋１成分と−１成分にそれぞれ対応させた反射部分と透過部分を持つ固定パターン若しくは反射部分とグレーティング部分を持つ固定パターンを機械的に移動させるものを用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３５】
〔１３〕 前記固定パターンとして、アダマール行列の行又は列を、１次元に並べたもの、２次元に並べたもの、円板上若しくは多角柱の側面に並べたものを用いることを特徴とする上記１２記載の顕微分光装置。
【０１３６】
〔１４〕 前記波長選択手段が、マルチチャンネル検出器で検出後に電気回路若しくはソフトウエアで実現されることを特徴とする上記８記載の顕微分光装置。
【０１３７】
〔１５〕 前記波長選択手段が、少なくとも、光ファイバと、分波スイッチ素子と、合波素子との組み合わせで構成されていることを特徴とする上記８記載の顕微分光装置。
【０１３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の顕微分光装置によれば、所望の波長分解能の分光強度分布が得られた時点で計測を打ち切っても、従来のアダマール分光装置と異なり、正確に分光データが得られるので、計測時間の効率化を図った高速な分光装置を供給できる。
【０１３９】
また、分光選択手段として、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つものを用いているので、分光選択手段として、所定の波長帯域毎に選択する１列の複数の選択要素間にデットスペースを有する分光選択手段を用いる場合でも、その１列の選択要素間のデットスペースに入射する波長帯域の分光強度も、隣接する列の選択要素によって選択可能となるため、分光手段により波長分解された全ての波長帯域の分光強度をぬけなく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】顕微鏡として共焦点顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【図２】顕微鏡として通常の顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【図３】本発明による第１実施例の顕微分光装置の構成を説明するための図である。
【図４】第１実施例の分光装置による分光計測のフローチャートを示す図である。
【図５】第１実施例の変形例１の要部のみを示す図である。
【図６】第１実施例の変形例２の要部のみを示す図である。
【図７】図６の変形例を透過型に代えた場合の要部のみを示す図である。
【図８】第１実施例の変形例３の要部のみを示す図である。
【図９】第１実施例の変形例４を説明するための図である。
【図１０】図９の変形例を透過型に代えた場合の要部のみを示す図である。
【図１１】選択要素を１次元アレイ状に並べて配置してなる分光選択手段の問題点を説明するための図である。
【図１２】第１実施例の変形例５による分光選択手段の選択要素の配置を説明するための図である。
【図１３】図１２の分光選択手段のために用いるフォーカシングレンズの構成を説明するための要部のみを示す図である。
【図１４】図１１の配置の分光選択手段の問題点を解決するための別の手段を説明するための図である。
【図１５】本発明による第２実施例の顕微分光装置の要部のみを示す図である。
【図１６】第２実施例の変形例１の図１５と同様の図である。
【図１７】第２実施例の変形例２の図１５と同様の図である。
【図１８】第２実施例の変形例３の図１５と同様の図である。
【図１９】第２実施例の変形例４の図１５と同様の図である。
【図２０】本発明による第３実施例の顕微分光装置の共焦点ピンホール以降の要部の側面図である。
【図２１】第３実施例の変形例の図２０と同様の図である。
【図２２】本発明による第４実施例の蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置の構成を示す図である。
【図２３】第４実施例の変形例の図２２（ａ）と同様の図である。
【図２４】本発明による第５実施例の蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置の構成を示す図である。
【図２５】本発明において分光選択手段として固定パターンを用いる場合の変形例を説明するための図である。
【図２６】従来のアダマール変換を用いた分光装置の構成を示す図である。
【図２７】従来の７次のＳ行列の例とそれに対応するアダマールマスクを示す図である。
【図２８】従来のアダマールマスクによる波長選択の切り替えを表す図である。
【符号の説明】
Ｏ…標本
１…入射スリット
２…コリメートレンズ
３…分光グレーティング
４…スリット投影レンズ
５…アダマールマスク
６…グレーティング投影レンズ
７…分散補償グレーティング
８…撮像レンズ
９…検出器
１１…レーザ光源
１２…ダイクロイックミラー
１３…主走査ガルバノミラー
１４…副走査ガルバノミラー
１５…対物レンズ
１６…共焦点ピンホール
１７…第１コリメータレンズ
１８…分光プリズム
１８’…分散補償プリズム
１９…フォーカシングレンズ
１９’…別のフォーカシングレンズ
２０…プログラマブルミラー
２１…ＰＭＴ（光電子倍増管）
２１₁ 、２１₂ …ＰＭＴ（光電子倍増管）
２２…ストッパ
２２₁ 、２２₂ …ストッパ
２３…第２コリメータレンズ
２３₁ …第２−１コリメータレンズ
２３₂ …第２−２コリメータレンズ
２４…プログラマブルミラー駆動装置
２５…コンピュータ
２６…表示装置
２７…ＰＭＴ駆動装置
２８…減算器
２９…加算器
３１…グレイティング・ライト・バルブ・アレイ
３１₀ …グレイティング・ライト・バルブ
３２…反射型の電気アドレス空間変調器
３２’…透過型の電気アドレス空間変調器
３３…偏光子
３４…検光子
３５…光書き込み反射型空間変調器（反射型の光アドレス型空間光変調器）
３６…表示装置
３７…投影レンズ
３８…アダマール行列Ｈ^* _v に対応するマスク
３８_a …白要素部分
３８_b …黒要素部分
３８₁ 、３８₂ 、３８₃ ・・・…マスクの行
３９…固定パターン
４０₀ …選択要素
４０…分光選択手段
４１…隙間
４１が生じてしまう。
４２…回転対称なレンズ
４３…円筒レンズ
４４…微小正レンズ
４５…マイクロレンズアレイ
４６…偏光ビームビームスプリッター
４７…マルチチャンネル検出器（アレイディテクタ）
４７₀ …検出チャンネル
４８₀ …光ファイバー
４８…光ファイバーアレイ
４９₀ …２分波スイッチ素子
５０₁ 、５０₂ …合波素子
５１₁ 、５１₂ …ディテクタ
５２…スイッチアレイ駆動装置
６１…光源
６２…ダイクロイックミラー
６３…対物レンズ
６４…結像レンズ
６５…分光グレーティング
６６…瞳投影レンズ
６７…固定アダマールマスク
６８…アダマールマスク駆動装置
６９…分散素子投影レンズ
７０…分散補償グレーティング
７１…撮像装置
７３…周波数光変調器アレイ
７３₀ …光変調器
８０…円板
８１…多角柱
１００…共焦点顕微鏡
１０１…共焦点ピンホール
１０２…コリメータレンズ
１０３…分散素子
１０４…第１のフォーカシングレンズ
１０５…分光手段
１０６…分光選択手段
１０７…第２のフォーカシングレンズ
１０８…検出器
１０９…検出手段
１１０…復調手段
１１１…通常の顕微鏡
１１２…１次結像面
１１３…瞳投影レンズ
１１４…分光手段
１１５…分散素子投影レンズ
１１６…分散補償素子
１１７…検出器
１１８…検出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a microspectroscope, and more particularly to a microspectroscope using a Hadamard transform method.
[0002]
[Prior art]
The Hadamard matrix H is a square matrix whose elements are either +1 or −1, and is a generic name for matrices having the following properties.
[0003]
[Expression 1]

Since all elements of the Hadamard matrix are +1 or -1, a method of expressing them with + and-is generally performed. For example, a fourth-order Hadamard matrix H_FourIs
[0004]
[Expression 2]

It is described as follows. In the present specification, this description method will be used in the future.
[0005]
The Hadamard transform using the Hadamard matrix H has a wide range of application fields such as spectrum analysis, signal transmission, and image processing as described in detail in Non-Patent Document 1, for example. For example, a spectroscopic method using Hadamard transform increases the amount of light detected at one time as compared with a normal spectroscopic method using a single slit. Therefore, it is possible to obtain a spectral intensity distribution with a higher S / N than the method using a single slit. Non-Patent Document 2 reports that by using a cyclic 255-cell Hadamard mask, an S / N of about 8 times that of a normal method using a single slit was obtained.
[0006]
FIG. 26 shows a typical apparatus configuration of a spectroscopic apparatus using Hadamard transform. The spectroscopic device includes an incident slit 1, a collimating lens 2 for converting incident light transmitted through the incident slit 1 into parallel light, a spectroscopic grating 3 for splitting the collimated incident light, and a split incident slit image. A Hadamard mask 5 that is movably inserted at the position of the incident slit image that has been spectrally separated, and a grating projection lens 6 that projects the image of the spectral grating 3 with the spectral component transmitted through the Hadamard mask 5. A dispersion compensation grating 7 that compensates for chromatic dispersion generated in the spectral grating 3, an imaging lens 8 for re-imaging the incident slit image that has been dispersion-compensated by the dispersion compensation grating 7, and a re-imaged incident slit image And a detector 9 for detecting the intensity of.
[0007]
The Hadamard mask 5 is provided with an opening corresponding to an element of a so-called Paley-type Hadamard matrix heart matrix (a partial matrix excluding the first row and the first column of the Hadamard matrix) S, which is a cyclic matrix. The Paley-type Hadamard matrix is a Hadamard matrix whose heart matrix is a cyclic matrix.
[0008]
Below, an example S of a 7th-order heart matrix S₇Is used to explain the relationship of the Hadamard mask corresponding to the heart matrix S. As shown in FIG.₇In each row, seven elements consisting of +1 and -1 are arranged, and there is a relationship in which the rotation operation is performed one element clockwise in order from the upper row. Therefore, S₇Are overlapped from top to bottom, one element at a time on the left side, so that a row vector ν consisting of 13 + and − elements.₇Can be defined. As shown in FIG. 27 and FIG.₇The number of cells is the same as the elements of, and each cell has ν₇An opening is set corresponding to each element of + or-. In the example of FIGS. 27 and 28B, ν₇A cell corresponding to + in the element is an opening, and a cell corresponding to-is a shielding part. On the other hand, as shown in FIG. 28A, the auxiliary mask has an opening having a length corresponding to seven cells of the Hadamard mask (FIG. 28B). When this auxiliary mask is overlaid on the Hadamard mask, a synthetic aperture ((c) in the figure) is formed. If the Hadamard mask is moved one cell at a time relative to the fixed auxiliary mask, S₇Opening patterns corresponding to the respective rows are sequentially obtained. In this way, the Hadamard mask 5 in FIG. 26 is provided so that the Hadamard mask can be moved by one cell with respect to the fixed auxiliary mask.
[0009]
On the surface of the Hadamard mask 5, a spectral spectrum of incident light generated by the incident slit 1 and the spectral grating 3 is projected. The Hadamard mask 5 divides the spectrum into wavelength bands determined by the width of each cell, and performs wavelength selection by transmission and shielding of each cell for each wavelength band.
[0010]
In this way, S₇The incident light that has been subjected to wavelength selection for each wavelength band corresponding to each row of, detects the sum of the intensity of the selected portion by the detector 9. S₇After the sum of intensities for all rows of is detected, S₇The sum of the intensities is demodulated using the inverse matrix, and the spectral intensity for each wavelength band is calculated.
[0011]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,982,553
[0012]
[Patent Document 2]
JP-A-6-51340
[0013]
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-133225
[0014]
[Patent Document 4]
US Patent Application Publication No. 2002/0020819
[0015]
[Non-Patent Document 1]
Kiyasu City "Hadamard procession and its application" (Corona)
[0016]
[Non-Patent Document 2]
J.A.Decker, Jr., "Experimantal Realization of the MultiplexAdvantage with a Hadamard-Transform Spectrometer", Applied Optics, Vol.10, No.3, pp.510-514 (1971)
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, the conventional Hadamard transform spectroscopy has the following disadvantages. That is, unless spectral modulation is performed on all the rows or columns of the Hadamard matrix H or the heart matrix S, it is impossible to demodulate it and calculate the target spectral intensity. For example, in order to obtain spectroscopic data using a Hadamard mask divided into 255 wavelength bands, the sum of the intensities of 255 selected portions must be recorded while switching the wavelength selection portion using the Hadamard mask. However, the wavelength resolution required by the measurer is not always constant. If the wavelength resolution of the spectral intensity required by the measurer is lower than the wavelength resolution determined by the Hadamard mask, the measurement time is longer than necessary. In particular, when performing spectroscopic analysis of a weak fluorescent specimen, unnecessary measurement time is not preferable because it hinders high-speed spectroscopic measurement or accelerates the fading of the fluorescent dye.
[0018]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a Hadamard microspectroscope capable of performing spectroscopic measurement at high speed according to a desired wavelength resolution.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The microspectroscopic device of the present invention that achieves the above object includes a microscope for microscopically observing at least a spectroscopic observation object, a spectroscopic means for wavelength-resolving incident light from the microscope, and the incident light wavelength-resolved by the spectroscopic means A spectral selection means having a plurality of selection elements for selecting a predetermined wavelength band in accordance with the Hadamard matrix, a detection means for detecting the spectral intensity of the predetermined wavelength band selected by the spectral selection means, and And a demodulating means for demodulating the spectral intensity of the spectral observation object from the spectral intensity, wherein the spectral selecting means determines a selection state according to an element of a Hadamard matrix of a predetermined order,
The spectroscopic selection means includes at least two or more selection elements that give a selection state of a Hadamard matrix row or column, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. It is characterized by having an array.
[0020]
In the microspectroscopic device of the present invention, as a spectroscopic selection means, selection elements that give a selection state of rows or columns of a Hadamard matrix are composed of at least two columns, and the arrangement of selection elements in adjacent columns complements each other. Therefore, a spectroscopic selection unit having a dead space between a plurality of selection elements in one column selected for each predetermined wavelength band is used as the spectroscopic selection unit. Even in this case, since the spectral intensity of the wavelength band incident on the dead space between the selection elements in one row can be selected by the selection element in the adjacent row, the spectral intensities of all the wavelength bands resolved by the spectroscopic means It is possible to detect without passing through.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the basic form of the microspectroscopic device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a basic form of a microspectroscopic device of the present invention when a confocal microscope is used as a microscope, and FIG. 2 is a diagram when a normal microscope is used.
[0022]
In the case of the form of FIG. 1, the light beam that has passed through the confocal pinhole 101 of the confocal microscope 100 is converted into substantially parallel light by the collimator lens 102 and is incident on the dispersive element 103 formed of a diffraction grating or a spectroscopic prism. The light of each wavelength band dispersed by the element 103 is condensed on the selection element of the spectral selection means 106 having a plurality of selection elements that are selected for each predetermined wavelength band in accordance with the Hadamard matrix by the first focusing lens 104. . The light of the predetermined wavelength band selected by the spectral selection means 106 is condensed on the detector 108 by the second focusing lens 107, and the spectral intensity is detected. The selection state of the selection element of the spectroscopic selection means 106 is controlled corresponding to each row of the Hadamard matrix, and after detecting the spectral intensities for all rows, the confocal pin of the confocal microscope 100 is used using the inverse matrix of the Hadamard matrix. The demodulating means 110 demodulates the spectral intensity of the light that has passed through the hole 101.
[0023]
Here, the collimator lens 102, the dispersive element 103, and the first focusing lens 104 constitute the spectral means 105 of the present invention, and the second focusing lens 107 and the detector 108 constitute the detection means 109 of the present invention. ing.
[0024]
In the case of the configuration shown in FIG. 2, the dispersive element 103 is disposed on the primary image forming surface 112 of the normal microscope 111 to separate the exit pupil image of the objective lens of the microscope. The luminous flux dispersed by the dispersive element 103 projects an exit pupil image through a pupil projection lens 113. Spectral selection means 106 having a plurality of selection elements to be selected for each predetermined wavelength band corresponding to the Hadamard matrix is arranged at the image formation position of the image of the exit pupil, and the predetermined wavelength band selected by the spectral selection means 106 is arranged. The light passes through the dispersion element projection lens 115 that projects the image of the dispersion element 103 and then enters the dispersion compensation element 116 that compensates for the chromatic dispersion generated by the dispersion element, and the image compensated for dispersion by the dispersion compensation element 116 is detected. Detected by instrument 117. The selection state of the selection element of the spectroscopic selection means 106 is controlled corresponding to each row of the Hadamard matrix, and after detecting the spectral intensities for all rows, the primary imaging of the microscope 111 is performed using the inverse matrix of the Hadamard matrix. The demodulating means 110 demodulates the spectral intensity of the light of each pixel on the surface 112.
[0025]
In this case, the dispersive element 103 and the pupil projection lens 113 constitute the spectroscopic means 114 of the present invention, and the dispersive element projection lens 115 and the detector 117 constitute the detection means 118 of the present invention.
[0026]
Here, in the present invention, the Hadamard matrix that defines the selection states of the plurality of selection elements of the spectroscopic selection means 106 is the same as the conventional one, and there is no particular limitation.^vHadamard matrix (v is a natural number)^wAn Hadamard matrix whose w or column alternating number is less than the minimum of all remaining row or column alternating numbers, or an Hadamard matrix whose row or column alternating number is ascending It is desirable to use at least one Hadamard matrix. The reason will be described below.
[0027]
The Hadamard matrix is a so-called S-type H matrix, and is one of n-order S-type H matrices._nCan be obtained inductively by the following procedure.
[0028]
[Equation 3]

Where H_nIs an n-th order S-type H matrix. Thus, the S-type H matrix has n = 2.^v(V is a natural number) Only the order is defined.
[0029]
The alternating number represents the number of positions where the signs of adjacent elements are different in one row or column. In the case of n = 8, it is as follows.
[0030]
[Expression 4]

The number shown on the right side of the matrix of the above equation (4) is the number of alternations for each row.
[0031]
As the alternating number of each row of the S-type H matrix obtained by this method, there is one integer from 0 to n-1. Since the S-type H matrix is a symmetric matrix, the alternating numbers for the columns are also in this order. The inverse matrix of the S-type H matrix is equal to 1 / n of itself. That is, it is as follows.
[0032]
[Equation 5]

Matrix H used in the present invention in which the alternating numbers of rows or columns of the S-type H matrix are rearranged in ascending order^*Is also one of the Hadamard matrices. In the case of n = 8, it is as follows.
[0033]
[Formula 6]

Spectroscopy using these Hadamard transforms has a wavelength band of n = 2.^vMatrix λ of center wavelengths when sampling in divisions^T= {Λ₁λ₂... λ_n}^TMatrix of spectral intensities for x^T= {X₁x₂... x_n}^TIs an unknown (spectral intensity to be obtained), and a signal intensity matrix s selected and detected in accordance with the elements of each row of the Hadamard matrix H^T= {S₁s₂... s_n}^TBut,
[0034]
[Expression 7]

Therefore, the spectral intensity to be obtained can be calculated using equation (5).
[0035]
[Equation 8]

It can be seen from the following formula.
[0036]
That is, the microspectroscopic device of the present invention splits the light beam from the spectroscopic observation object microscopically observed with the configuration of FIG. 1 and FIG. The matrix of the signal intensity detected by the action is measured, and the desired spectral intensity is obtained by demodulating them based on the equation (8).
[0037]
By the way, in a spectroscopic method using a general Hadamard matrix, demodulation based on the above-described equation (8) cannot be performed unless signal strengths for all rows of the Hadamard matrix H are obtained. On the other hand, as described above, as the Hadamard matrix used in the spectral selection means, the first 2^wAn Hadamard matrix whose w or column alternating number is less than the minimum of all remaining row or column alternating numbers, or an Hadamard matrix whose row or column alternating number is ascending Since at least one Hadamard matrix is used, low-resolution spectral intensity can be obtained without measuring all the elements of the signal intensity matrix. This will be described below.
[0038]
According to Chapter 6 of Non-Patent Document 1, Hadamard matrix H in 2n order alternating number order^* _2nThe upper half of the element is an n-order alternating Hadamard matrix H^* _nUsing,
[0039]
[Equation 9]

It is expressed in the form of Here, the operator of x is a Kronecker operator,
[0040]
[Expression 10]

Represents. Thus, the first half of the signal strength matrix s is
[0041]
[Expression 11]

Then, solving this equation,
[0042]
[Expression 12]

The following equation is obtained. This means that a spectral intensity with half the wavelength resolution can be obtained from the first half of the signal intensity. Similarly, from the first 1/4 number of signal strengths,
[0043]
[Formula 13]

It can be seen that a spectral intensity having a wavelength resolution of ¼ can be obtained using the following equation. Conversely, the Hadamard matrix H in alternating order^* _nSignal strength for the first two rows of {s₁s₂}^TThe spectral intensity obtained by dividing the wavelength band into two can be obtained. That is,
[0044]
[Expression 14]

It becomes. Furthermore, the signal strength {s for the first four matrices of the Hadamard matrix H₁s₂s_Threes_Four}^TThe spectral intensity obtained by dividing the wavelength band into four can be obtained. That is,
[0045]
[Expression 15]

It becomes.
[0046]
That is, in the microspectroscopic device of the present invention, the order 2^vHadamard matrix (v is a natural number)^wBy using a Hadamard matrix in which the number of alternating rows or columns (w is a natural number less than v) is smaller than the minimum of the alternating numbers of all remaining rows or columns,^wSpectral data can be obtained even when measurement values for individual modulations are obtained. Further, by using an Hadamard matrix in which the number of alternating rows or columns is ascending, spectral data can be obtained while sequentially increasing the wavelength resolution from low resolution to high resolution. Furthermore, by using both at the same time, it is possible to stop the measurement at the time when the desired wavelength resolution is reached even in the middle and acquire the spectral data.
[0047]
Therefore, the Hadamard matrix that defines the selection state of the plurality of selection elements of the spectral selection means 106 is the same as the conventional one and there is no particular limitation.^vHadamard matrix (v is a natural number)^wAn Hadamard matrix whose w or column alternating number is less than the minimum of all remaining row or column alternating numbers, or an Hadamard matrix whose row or column alternating number is ascending According to the configuration using at least one Hadamard matrix, while maintaining the high S / N ratio of a conventional spectroscopic device using a single slit, which is a merit of the conventional Hadamard spectrometer, at a desired wavelength resolution. Microspectroscopy can be measured in the shortest time. This is a great merit because, for example, in the microspectroscopic observation of a fluorescent specimen or the like, in which weak spectroscopic measurement is mainly used, fading of the fluorescent dye can be avoided.
[0048]
[First Embodiment]
As a preferred embodiment of the microspectroscopic device of the present invention, a confocal microscope is used as a microscope as shown in a schematic configuration diagram in FIG.
[0049]
In this case, the microscope is a confocal microscope 100, and at least a collimator lens 102 that makes the light beam that has passed through the confocal pinhole 101 of the confocal microscope 100 substantially parallel light, and a dispersion for dispersing the substantially parallel light. A spectroscopic means 105 comprising an element 103 and a first focusing lens 104 for condensing the light dispersed by the dispersive element 103, a spectroscopic having a plurality of selection elements to be selected for each predetermined wavelength band according to the Hadamard matrix A detection unit 109 including a selection unit 106, and at least a detector 108 and a second focusing lens 107 for condensing only the light flux in the wavelength band selected by the spectral selection unit 106 on the detector 108; The demodulating unit 110 is used. Further, as described above, the Hadamard matrix to be applied to the selection element by the spectral selection means 106 is the degree 2^vHadamard matrix (v is a natural number)^wThe number of alternating rows or columns (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternating numbers of all remaining rows or columns, and the alternating number of rows or columns is composed of an ascending order Hadamard matrix. It is desirable.
[0050]
According to such a configuration, the light beam that has passed through the confocal pinhole 101 in the observation light obtained by microscopically observing the spectroscopic observation object with the confocal microscope 100 is made into a substantially parallel light beam by the collimator lens 102. The substantially parallel light beam is dispersed by the dispersive element 103 and further condensed by the first focusing lens 104 on the spectral selecting means 106 for each wavelength. In the spectroscopic selection unit 106, a light beam having a predetermined wavelength band corresponding to the Hadamard matrix is selected by operating a selection element constituting the spectroscopic selection unit 106, and a detector is detected by the second focusing lens 107 of the detection unit 109. The light is collected at 108 and measured. The operation of the selection element of the spectral selection means 106 is changed in accordance with the number of alternating Hadamard matrices, and the measurement is repeated until a desired spectral resolution is obtained. Then, the measured spectral data is expressed by the above-described equation (8). By demodulating by the demodulating means 110 to be realized, spectral data with a desired resolution of the spectroscopic observation target can be obtained in the shortest time.
[0051]
Next, examples of the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0052]
[First embodiment]
The microspectroscopic device according to the first embodiment of the present invention has a configuration in which a laser scanning confocal microscope (CLSM) as shown below is used as a microscope. FIG. 3A is a side view of the microspectroscope, and FIG. 3B is a top view thereof. This microspectroscopic device includes a laser light source 11 that emits excitation light, a dichroic mirror 12 that guides excitation light from the laser light source 11 into an optical path toward the sample O, and a main scanning galvanometer mirror for two-dimensionally scanning the sample surface. 13 and the sub-scanning galvanometer mirror 14, an objective lens 15 for condensing excitation light on the specimen surface, and a confocal pinhole 16 for removing light (so-called blurred image) from other than the specimen O condensing region A first collimator lens 17 for converting the fluorescence generated on the specimen surface and passing through the confocal pinhole 16 into substantially parallel light, and a spectroscopic prism 18 as a dispersive element for dispersing the substantially parallel light. And a focusing means 19 for condensing the fluorescence spectrally separated by the spectral prism 18, and a predetermined Adamant in the wavelength band of the spectrally separated fluorescence The programmable mirror 20 having a selection element that can be switched on (+1 component of the Hadamard matrix) and off (−1 component of the Hadamard matrix) in accordance with the matrix, and reflected by the programmable mirror 20 A focusing lens 19 that returns only the light beam in the ON wavelength band back to a parallel light beam (in this embodiment, the same as the focusing lens 19 described above), and the dispersion compensation prism 18 that performs dispersion compensation on the parallel light beam (this embodiment) In this case, it is common to the spectroscopic prism 18), the second collimator lens 23 for condensing the dispersion-compensated parallel light beam again, and the condensed light beam having the component in the ON wavelength band is selected and detected. (Photomultiplier tube) The detection means comprising the PMT 21 and the software in the computer 25 for demodulating the spectral data in accordance with the above equation (8). It is constituted by the demodulating means for performing at.
[0053]
More specifically, as shown in FIG. 3 (b), which is a side view of a part of FIG. 3 (a), the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17. Then, the light is split by the spectroscopic prism 18, collected by the off-axis focusing lens 19, and obliquely incident on the programmable mirror 20. The spectral component light beam reflected by the ON element of the programmable mirror 20 is converted into a parallel light beam by the focusing lens 19 again, compensated for dispersion by the spectral prism 18, collected by the second collimator lens 23, and incident on the PMT 21. To do. The spectral component reflected by the OFF element of the programmable mirror 20 is reflected in a different direction from the spectral component reflected by the ON element and is absorbed by the stopper 22. The programmable mirror 20 is connected to the computer 25 via the programmable mirror driving device 24, and sequentially generates patterns corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 in an alternating order. The PMT 21 is connected to the computer 25 via the PMT driving device 27. The spectral intensity distribution obtained from the Hadamard transform is displayed on the display device 26 connected to the computer 25.
[0054]
Here, the programmable mirror 20 is a micromirror assembly in which micromirrors of the same number as the order of the Hadamard matrix are arranged in parallel in the wavelength dispersion direction of the spectroscopic prism 18, and each micromirror independently controls the tilt angle. It is something that can be done. The tilt of the reflecting surface can be changed by turning on / off the control signal of each micromirror. Here, the light reflected by the micro mirror in the on state is incident on the PMT 21, and the light reflected by the micro mirror in the off state is not incident on the PMT 21, but is directed toward the stopper 22 in the other direction. Has been.
[0055]
FIG. 4 shows the flow of spectroscopic measurement in this example. Where w is 2^wIs an auxiliary variable representing the number of divisions of the wavelength band, and m is an auxiliary variable (alternating number + 1) designating the row number of the Hadamard matrix. First, w and m start from 0 (ST1, ST2). Next, the auxiliary variable w representing the number of divisions is first set to 1 (ST3). Subsequently, while adding the row m of the Hadamard matrix sequentially from 1 (ST4), the degree 2^vHadamard matrix of^* _vThe programmable mirror 20 is turned on / off in correspondence with the mth row element (ST5), and the measurement results (output from the PMT 21) are sequentially recorded. And m is 2^w(ST7), using the m measurement results recorded so far, the wavelength band 2 from the above equation (8)^wThe spectral intensity of the division is calculated (ST8). If the calculated wavelength resolution is insufficient (ST7), while adding m (ST4), further spectroscopic measurement is continued, whether the wavelength resolution is sufficient (ST10), m is the Hadamard matrix H^* _vDegree 2 of^vWhen it becomes equal to (ST9), the spectroscopic measurement is discontinued. This processing is also realized by software in the computer 25.
[0056]
As described above, in this embodiment, by using the S-type H matrix in the order of the alternating number, the spectral intensity is increased while sequentially increasing the resolution from the low resolution to the high resolution without detecting all the signal intensities for each row. Can go for you. Therefore, unlike the conventional method, it is a method capable of performing spectroscopic measurement most efficiently in accordance with the resolution, that is, at high speed.
[0057]
[Modification 1 of the first embodiment]
As a modification of the first embodiment, FIG. This modification is characterized in that the grating light valve array 31 is used in place of the programmable mirror 20 of the first embodiment as the spectral selection means, and the other configuration is the first embodiment. Similar to the example.
[0058]
The grating light valve is proposed in Patent Document 1, for example, and is formed by arranging parallel reflective ribbons at equal intervals on the same substrate in parallel by IC manufacturing technology or the like. Is controlled to be in the same plane with respect to the remaining ribbons, or retreated or advanced by about a quarter of the wavelength, so that the former becomes a reflection surface and the latter becomes a reflection type diffraction grating. Such a grating light valve 31₀Are arranged in an array in the wavelength dispersion direction of the spectroscopic prism 18 by the number equal to the order of the Hadamard matrix, as shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c), in the grating light valve array 31. The direction of the diffraction grating may be a direction along the array 31 as shown in FIG. 5B or a direction perpendicular to the array 31 as shown in FIG. As shown in FIG. 5A, which is the same diagram as FIG. 3B, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is passed through the grating light valve array 31 in the first collimator lens. 17, the light is split by the spectroscopic prism 18, collected by the off-axis focusing lens 19, and applied to the grating light valve array 31 arranged at right angles to the optical axis of the focusing lens 19. Incidently incident. The spectral component light beam reflected by the reflecting surface, which is the on element of the grating light valve array 31, is converted into a parallel light beam by the focusing lens 19 again and compensated for dispersion by the spectral prism 18, and then the second collimator. The light is collected by the lens 23 and enters the PMT 21. The ± 1st order spectral component diffracted by being incident on the reflective diffraction grating, which is the off element of the grating light valve array 31, is reflected in a direction different from the spectral component reflected by the on element. , Each stopper 22₁, 22₂(In the case of FIG. 5 (a), the grating light valve array 31 of FIG. 5 (b) is used, but the grating light valve array 31 of FIG. 5 (c) is used. When using the stopper 22 before and after the paper surface of FIG.₁, 22₂Is placed. ). The grating light valve array 31 is connected to the computer 25 via the drive device as in the case of FIG. 3A, and a pattern corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 is displayed. It is configured to occur sequentially in an alternating order.
[0059]
The Greating Light Valve 31₀Since every other ribbon, instead of every other ribbon, can be in the same plane with respect to the remaining ribbons, or retracted or advanced, the grating light valve array 31 can be turned off or off. It is also possible to use the difference in diffraction angle by controlling the number of diffraction gratings instead of the presence or absence of the diffraction grating.
[0060]
The Greating Light Valve 31₀Instead of the above, the same spectral selection means can be configured by using an AOM having a reflection surface provided on the exit side surface and arranging the AOM in an array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18.
[0061]
[Modification 2 of the first embodiment]
As a modification of the first embodiment, FIG. 6 shows a view similar to FIG. This modification is characterized in that a reflection type electrical address spatial modulator 32 in which pixels are arranged in a one-dimensional array is used as the spectral selection means instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0062]
The reflective electrical address spatial modulator 32 is similar to a reflective liquid crystal display device made of, for example, TN, STN, or ferroelectric liquid crystal, and enters depending on the presence or absence of a voltage applied to the pixel electrode of each pixel. The direction of linearly polarized light is reflected as it is, or the plane of polarization is rotated by 90 ° and reflected, and the number of such pixels equal to the order of the Hadamard matrix is equal to the wavelength dispersion direction ( A reflective electrical address spatial modulator 32 is configured by being arranged in an array in the direction of aa ′ perpendicular to the paper surface of FIG. 6 and perpendicular to the optical axis of the focusing lens 19. A polarizer 33 is disposed in the optical path incident on the reflective electrical address spatial modulator 32, and an analyzer 34 is disposed in the optical path reflected from the reflective electrical address spatial modulator 32.
[0063]
In this arrangement, as shown in FIG. 6, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made approximately parallel by the first collimator lens 17, dispersed by the spectral prism 18, and passed through the polarizer 33 in a predetermined direction. The light beam of the spectral component that has become linearly polarized light is collected by the focusing lens 19 arranged off-axis, and obliquely enters the reflective electrical address spatial modulator 32. The spectral component light beam reflected by the ON element of the reflection-type electrical address spatial modulator 32 is again converted into a parallel light beam by the focusing lens 19 while maintaining the direction of the linearly polarized light, passes through the analyzer 34, and is spectrally separated. After dispersion compensation by the prism 18, the light is collected by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. The spectral component light beam reflected by the off element of the reflective electrical address spatial modulator 32 is rotated by 90 ° in the direction of linearly polarized light, converted into a parallel light beam again by the focusing lens 19, and incident on the analyzer 34. Passage is blocked. This reflection type electrical address spatial modulator 32 is connected to the computer 25 via the drive device as in the case of FIG. 3A, and has a pattern corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25. It is configured to occur sequentially in an alternating order. Note that the linearly polarized light transmission direction of the analyzer 34 may be set to the same direction as the transmission direction of the polarizer 33. In that case, the elements of the reflective electrical address spatial modulator 32 are turned on and off. The state of is reversed.
[0064]
In the case where an electrical address spatial modulator in which each pixel is made of TN, STN, ferroelectric liquid crystal or the like as described above is used as the spectral selection means, as shown in FIG. 7, the programmable mirror 20 of the first embodiment is used. Alternatively, a transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ in which pixels are arranged in a one-dimensional array can be used. In that case, as shown in FIG. 7, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made approximately parallel by the first collimator lens 17, dispersed by the spectroscopic prism 18, and condensed by the focusing lens 19 arranged coaxially. The light passes through the polarizer 33 and becomes linearly polarized light in a predetermined direction, and enters the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ substantially perpendicularly. The spectral component light beam that has passed through the ON element of the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ passes through the analyzer 34 while maintaining the direction of linear polarization, and in this case, is collimated by another focusing lens 19 ′. It is converted into a light beam, collected by the second collimator lens 23, and enters the PMT 21. The spectral component light beam that has passed through the off element of the transmission-type electrical address spatial modulator 32 'is rotated by 90 ° in the direction of linearly polarized light and incident on the analyzer 34 to be prevented from passing therethrough. Note that another spectral prism for dispersion compensation may be disposed between another focusing lens 19 ′ and the second collimator lens 23.
[0065]
[Modification 3 of the first embodiment]
As a modification of the first embodiment, FIG. 8 shows a view similar to FIG. In this modification, as a spectral selection means, instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment, a light writing reflective spatial modulator in which pixels are arranged in a one-dimensional array (a reflective optical addressing spatial light modulator). ) 35 is used, and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0066]
The optical writing reflective spatial modulator 35 is proposed in, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3, and includes a photoconductive layer, a dielectric mirror, a liquid crystal, and the like as an optical address material between a pair of transparent electrodes. Light modulation material layers are stacked in order. The resistance of the photoconductive layer at the position where the address light is incident is lowered and voltage is applied to the liquid crystal layer, and the liquid crystal layer acts as a light modulation layer. Therefore, it can be said that the on / off state of the element is optically controlled as opposed to the one in which the reflective electrical address spatial modulator 32 electrically controls the on / off state of the element.
[0067]
As shown in FIG. 8, each pixel of the optical writing reflective spatial light modulator 35 is in an ON state when light (address light) from a display device 36 such as a liquid crystal display device (TV) is received by the projection lens 37 and the back of the pixel. The display state of the pixel of the display device 36 is controlled by the computer 25 via the driving device so that the light is incident on the surface of the pixel. For example, the straight line of light incident on the surface of the pixel of the light writing reflective spatial modulator 35 is controlled. In the OFF state where the polarization direction is reflected as it is and the light from the display device 36 is not incident, the direction of linear polarization of the light incident on the surface of the pixel is rotated by 90 ° and reflected. The number of such pixels equal to the order of the Hadamard matrix is arrayed in the wavelength dispersion direction of the spectroscopic prism 18 (direction aa ′ perpendicular to the paper surface of FIG. 8) and perpendicular to the optical axis of the focusing lens 19. The optical writing reflection type spatial modulator 35 is arranged side by side. A polarizer 33 is disposed in the optical path incident on the optical writing reflective spatial modulator 35, and an analyzer 34 is disposed in the optical path reflected from the optical writing reflective spatial modulator 35.
[0068]
In this arrangement, as shown in FIG. 8, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made approximately parallel by the first collimator lens 17, dispersed by the spectral prism 18, and passed through the polarizer 33 in a predetermined direction. The light beam of the spectral component that has become linearly polarized light is collected by a focusing lens 19 disposed off-axis and obliquely incident on the optical writing reflective spatial modulator 35. The spectral component light beam reflected by the ON element of the optical writing reflective spatial light modulator 35 is converted into a parallel light beam again by the focusing lens 19 while maintaining the direction of the linearly polarized light, passes through the analyzer 34, and passes through the spectral prism. After being compensated for dispersion at 18, the light is condensed by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. The spectral component light beam reflected by the off element of the optical writing reflection type spatial modulator 35 is rotated by 90 ° in the direction of linearly polarized light to be converted into a parallel light beam by the focusing lens 19 again, and enters the analyzer 34 and passes therethrough. Is blocked. In this example using the optical writing reflection type spatial modulator 35, the display device 36 is connected to the computer 25 via a drive device, and patterns corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 are sequentially applied in an alternating order. Is configured to occur. Note that the linearly polarized light transmission direction of the analyzer 34 may be set to the same direction as the transmission direction of the polarizer 33. In this case, the elements of the light writing reflective spatial modulator 35 are turned on and off. The state is reversed.
[0069]
[Modification 4 of the first embodiment]
As a modification of the first embodiment, FIG. 9B shows the Hadamard matrix H.^* _vA mask 38 corresponding to the white element portion 38 is shown._aThe reflector, black element part 38_bA transparent perforated or absorbing surface, and a row 38 of such a mask 38.₁, 38₂, 38_ThreeAre used in place of the programmable mirror 20 of the first embodiment as a spectroscopic selection means, using a fixed pattern 39 that is separated from each other and arranged in a line. The same as in the first embodiment.
[0070]
That is, as shown in FIG. 9A, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, and the luminous flux of the spectral component dispersed by the spectral prism 18 is arranged off-axis. The light is condensed by the focusing lens 19 and obliquely enters the fixed pattern 39. The spectral component light beam reflected by the reflecting mirror of the ON element of the fixed pattern 39 is again converted into a parallel light beam by the focusing lens 19, compensated for dispersion by the spectral prism 18, and then condensed by the second collimator lens 23. Incident on the PMT 21. Spectral components that have passed through the holes of the OFF elements of the fixed pattern 39 are prevented from returning to the focusing lens 19. The fixed pattern 39 is connected to the computer 25 via a drive device that mechanically moves in the a-a ′ direction perpendicular to the paper surface, and a row 38 corresponding to an element of the Hadamard matrix stored in the computer 25.₁, 38₂, 38_Three.. Are sequentially switched.
[0071]
As a fixed pattern to be arranged at the focusing position of the focusing lens 19, the mask 38 itself is used and mechanically sequentially moved in the bb ′ direction (column direction of the mask 38) in FIG. The fixed patterns arranged in the optical path are arranged in line 38 in order.₁, 38₂, 38_Three.. May be switched.
[0072]
Further, as a variation of this, row 38 of mask 38₁, 38₂, 38_ThreeAre separated from each other as shown in FIG.₁, 38₂, 38_ThreeAre arranged separately at equal intervals in the radial direction of the disc 80, the rotation axis of the disc 80 is arranged in parallel with the optical axis of the focusing lens 19, and the rotation angle of the disc 80 is changed in order. As a result, the fixed patterns arranged in the optical path are sequentially lined 38.₁, 38₂, 38_Three... May be switched.
[0073]
Alternatively, as shown in FIG.₁, 38₂, 38_ThreeAre arranged separately on each surface of the polygonal column 81, and the rotation axis of the polygonal column 81 is arranged perpendicular to the optical axis of the focusing lens 19 and parallel to the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18. By changing the rotation angle of the 81 in order, the fixed pattern arranged in the optical path is changed to the row 38 in order.₁, 38₂, 38_Three... May be switched.
[0074]
When such a fixed pattern 39 is used, it can be configured as a transmission type as in FIG. However, the Hadamard matrix H in FIG.^* _vThe white element portion 38 of the mask 38 corresponding to_aIs a transparent perforated, black element 38_bIs a reflecting surface or an absorbing surface. Such a line 38₁, 38₂, 38_ThreeAre arranged in a tilted manner with respect to the optical axis, and the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is substantially reduced by the first collimator lens 17 as shown in FIG. The light is collimated, dispersed by the spectral prism 18, collected by the coaxially arranged focusing lens 19, and obliquely incident on the fixed pattern 39. The spectral component light beam that has passed through the ON element of the fixed pattern 39 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, condensed by the second collimator lens 23, and incident on the PMT 21. The light beam of the spectral component reflected by the off element of the fixed pattern 39 is absorbed by the stopper 22. Note that another spectral prism for dispersion compensation may be disposed between another focusing lens 19 ′ and the second collimator lens 23.
[0075]
In this case as well, in the same manner as the reflection type of FIG. 9A, the mask 38 itself of FIG. 9B is used in the cc ′ direction (column direction of the mask 38) of FIG. You may make it move mechanically sequentially, you may make it rotate this disk 80 mechanically using the disk 80 as shown in FIG.9 (c), and you may replace | exchange sequentially, Using a polygonal column 81 as shown in FIG. 9D, the polygonal column 81 may be mechanically rotated and sequentially replaced.
[0076]
In the example of FIG. 10, the Hadamard matrix H of FIG.^* _vThe black element portion 38 of the mask 38 corresponding to_bMay be formed of a reflective diffraction grating, and diffracted light may be incident on the stopper 22 and absorbed as in the case of FIG.
[0077]
[Modification 5 of the first embodiment]
By the way, in the above first embodiment and its modifications, the programmable mirror 20 made of a one-dimensional micromirror assembly used as a spectral selection means, the one-dimensionally arranged grating light valve array 31, and the one-dimensional array shape. The electrical address spatial modulators 32 and 32 ′ in which pixels are arranged in the display device 36, the display device 36 for writing a pattern in the light writing reflective spatial modulator 35, and the fixed pattern 39 are all selected from a micromirror, a light valve, and a modulation element. Container, opening, etc. (hereinafter, selection element 40₀And ) Are arranged in a one-dimensional array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 indicated by a double arrow as shown schematically in FIG. Originally, the selection element 40₀Is a selection element 40 adjacent in the direction of the double arrow₀If it is not arranged (divided) without any gap, a correct spectral intensity distribution cannot be obtained, and the spectral intensity of the wavelength corresponding to the position of such a gap cannot be detected. However, when micromirrors, light valves, modulators, openings, and the like are arranged in parallel, a gap 41 is actually formed between adjacent ones.
[0078]
Therefore, these selection elements 40₀12 are arranged side by side in a plurality of rows of two or more in the wavelength dispersion direction of the spectroscopic prism 18 indicated by double arrows as shown schematically in FIG.₀Are arranged in the column direction so as to complement each other. In the case of FIG. 12, the selection elements 40 are arranged in two columns, and the columns are connected to each other.₀The arrangement is shifted by half the pitch. And the selection element 40 of the two rows₀By controlling each on / off corresponding to one row or one column of the Hadamard matrix, it is possible to obtain a correct spectral intensity distribution with no wavelength shift.
[0079]
However, when the light beams having respective wavelengths separated by the spectroscopic prism 18 are condensed by the focusing lens 19 without spreading in the direction orthogonal to the column direction of the spectral selection means 40 (dd ′ direction in the figure), two or more columns are collected. Selection element 40₀There is a risk that the light flux of each wavelength will not be incident. Therefore, the focusing lens 19 has a spread in the direction (dd ′ direction in the figure) orthogonal to the column direction of the spectral selection means 40, and in the wavelength dispersion direction (the double arrow direction in the figure) of the spectral prism 18. It is desirable to use a lens system having an asymmetric imaging function that condenses light in the best spot state in focus. As such a focusing lens 19, there is a lens system in which aberration is generated in a direction orthogonal to the column direction of the spectral selection means 40, or a positively asymmetric lens system. FIG. 13 shows an optical system from the confocal pinhole 16 to the PMT 21 when an asymmetric lens system is used as the focusing lens 19. FIG. 13A is a top view of the optical system portion, and FIG. 13B is a side view thereof.
[0080]
In this case, the focusing lens 19 is composed of, for example, a rotationally symmetric lens 42 and a cylindrical lens 43, and the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made approximately parallel by the first collimator lens 17 and is split by the spectral prism 18. The focused light beam spreads in the direction (dd ′ direction in the figure) orthogonal to the column direction of the spectral selection means 40 by the focusing lens 19, and the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 (the double arrow direction in the figure). Is focused in the best spot state in focus and obliquely enters the spectroscopic selection means 40. For example, when the spectral selection means 40 is composed of a programmable mirror, the spectral component light beam reflected by the ON element of the spectral selection means 40 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and dispersion compensation is performed by the dispersion compensation prism 18. Then, the light is collected by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. In this case, it is desirable that the other focusing lens 19 ′ is similarly composed of a rotationally symmetric lens and a cylindrical lens so as to correct astigmatism generated in the focusing lens 19.
[0081]
The above is the selection element 40 as the spectral selection means 40.₀Is composed of a plurality of columns of two or more columns, whereby the selection element 40₀The spectrally detected wavelength is prevented from being lost by the gap 41 between them, but one row of selection elements 40 having the gap 41 as shown in FIG.₀As shown in the front view of FIG.₀By arranging a microlens array 45 consisting of minute positive lenses 44 arranged so as to cover the entire element and each of the gaps 41 on both sides in a one-to-one correspondence with the incident side of the spectral selecting means 40 However, it is possible to prevent such a spectral detection wavelength from being lost.
[0082]
[Second Embodiment]
A second embodiment according to the present invention is shown in FIG. FIG. 15 is a top view corresponding to FIG. 3B, in which a part of the detection unit of the first embodiment is modified, and the rest is configured in the same manner as in the first embodiment. In the second embodiment, two photomultiplier tubes (PMT21) are used.₁And PMT21₂), The on / off signal strength of the programmable mirror 20 is simultaneously detected. In this embodiment, PMT21₁And PMT21₂Are added by an adder 29 to generate a sum signal. At the same time, a difference signal is generated by subtracting both outputs by a subtractor 28. Then, the signal generated by the adder 29 and the subtracter 28 is sent to the computer 25 (FIG. 3). Programmable mirror 20 and two PMTs 21₁, 21₂Between the other focusing lens 19 ′, the dispersion compensation prism 18 ′, and the 2-1 collimator lens 23.₁2-2 collimator lens 23₂Has been inserted. A light beam in the on and off wavelength bands reflected by the programmable mirror 20 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and the wavelength dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensation prism 18 ′. Collimator lens 23₁And 2-2 collimator lens 23₂In each PMT21₁, 21₂It concentrates on the top.
[0083]
In this embodiment, the programmable mirror 20 detects the difference signal between the on-spectrum component and the off-spectrum component, so that the programmable mirror 20 detects only the on-spectral component. , The influence of noise generated in the PMT can be reduced. As a result, the programmable mirror 20 that has not been used in the first embodiment is measured for the off-spectral component, so that there is an advantage that a higher S / N ratio can be obtained compared to the first embodiment. Furthermore, in this embodiment, since the programmable mirror 20 always detects the sum signal of both the on and off signals, even if the output of the light source 11 or the sensitivity of the operational amplifier of the detector fluctuates, It can be corrected. Therefore, it is possible to calculate the spectral intensity distribution with higher accuracy.
[0084]
[Modification 1 of the second embodiment]
As a modification of the second embodiment, FIG. 16 shows only the main part similar to FIG. This modification is characterized in that the grating light valve array 31 described in the first modification of the first embodiment is used as the spectral selection means instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment. The other configurations are the same as those of the second embodiment.
[0085]
The light beam of the spectral component reflected by the reflecting surface which is the ON element of the grating light valve array 31 is made into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′ and generated by the spectral prism 18 by the dispersion compensation prism 18 ′. The chromatic dispersion is compensated, and the 2-1 collimator lens 23 is further provided.₁At PMT21₁It is focused on the top. On the other hand, the + 1st order spectral component diffracted by being incident on the reflective diffraction grating which is the off element of the grating light valve array 31 is reflected in a direction different from the spectral component reflected by the on element. The diffracted light is collimated by another focusing lens 19 ′, and the chromatic dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensating prism 18 ′.₂At PMT21₂It is focused on the top.
[0086]
The −1st order spectral component diffracted by the reflection type diffraction grating of the off element of the grating light valve array 31 is absorbed by the stopper 22.
[0087]
Also in this example, the grating light valve array 31 can be turned off / off using the difference in diffraction angle by controlling the number of diffraction gratings instead of the presence or absence of the diffraction grating.
[0088]
[Modification 2 of the second embodiment]
As another modification of the second embodiment, FIG. 17 shows only the main part similar to FIG. In this modified example, instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment, the reflection-type electric address spatial modulator 32 or the transmissive electric address space modulation described in the second modification of the first embodiment is used as the spectral selection means. The other feature is the same as that of the second embodiment. FIG. 17 illustrates the case where the reflective electrical address spatial modulator 32 is used, but the configuration of the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ is clear from FIGS. 17 and 7. The illustration is omitted.
[0089]
The light beam of the spectral component reflected by the ON element of the reflective electrical address spatial modulator 32 (transmitted in the case of the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′) maintains the direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizer 33. The collimated light beam is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, is incident on the polarization beam beam splitter 46, passes through the polarization beam beam splitting surface, and the second-1 collimator lens 23.₁And condensed by PMT21₁Is incident on. The spectral component light beam reflected by the off element of the reflective electrical address spatial modulator 32 (and transmitted through the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′) is polarized from the direction of linearly polarized light that has passed through the polarizer 33. The surface is rotated by 90 ° to be converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, is incident on the polarization beam beam splitter 46, is reflected by the polarization beam beam split surface, and is applied to the 2-2 collimator lens 23.₂And condensed by PMT21₂Is incident on.
[0090]
In addition, another focusing lens 19 'and the 2-1 collimator lens 23₁2-2 Collimator lens 23₂Another spectral prism for dispersion compensation may be arranged between the two.
[0091]
[Modification 3 of the second embodiment]
As another modification of the second embodiment, FIG. 18 shows only the main part similar to FIG. This modification is characterized in that the optical writing reflective spatial modulator 35 described in the modification 3 of the first embodiment is used as the spectral selection means instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment. Other configurations are the same as those of the second embodiment.
[0092]
A light beam of a spectral component reflected by an element that is turned on by causing light (address light) from a display device 36 such as a liquid crystal display device (TV) to enter the back surface of the optical writing reflective spatial light modulator 35 through a projection lens 37. Is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′ while maintaining the direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizer 33, is incident on the polarization beam beam splitter 46, is transmitted through the polarization beam beam splitting surface, -1 collimator lens 23₁And condensed by PMT21₁Is incident on. The spectral component light beam reflected by the off element in which the address light is not incident on the back surface of the optical writing reflective spatial light modulator 35 has its polarization plane rotated by 90 ° from the direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizer 33. Are collimated by a focusing lens 19 ′, are incident on a polarization beam beam splitter 46, are reflected by the polarization beam beam splitting surface, and the second-second collimator lens 23.₂And condensed by PMT21₂Is incident on.
[0093]
In this case as well, another focusing lens 19 'and the 2-1 collimator lens 23 are used.₁2-2 Collimator lens 23₂Another spectral prism for dispersion compensation may be arranged between the two.
[0094]
[Modification 4 of the second embodiment]
As another modification of the second embodiment, FIG. 19 shows only the main part similar to FIG. This modification is characterized in that the fixed pattern 39 described in the modification 4 of the first embodiment is used as the spectral selection means instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment. The configuration is the same as in the second embodiment.
[0095]
The row 38 of the mask 38 described with reference to FIG. 9 in which the ON elements are reflectors and the OFF elements are perforated.₁, 38₂, 38_ThreeAre arranged in a line separated from each other, or alternatively, such a line 38₁, 38₂, 38_Three.. In a two-dimensionally arranged mask 38 (FIG. 9 (b)), or rows 38 at equal intervals in the radial direction of the disk 80.₁, 38₂, 38_Three.. Are arranged on each side of the mask or the polygonal column 81.₁, 38₂, 38_Three19 is used as the fixed pattern 39 in FIG. 19, and the spectral component light beam reflected by the ON element of the fixed pattern 39 is again converted into a parallel light beam by the focusing lens 19 and dispersed by the spectral prism 18. After compensation, the 2-1 collimator lens 23₁And condensed by PMT21₁Is incident on. The spectral component transmitted through the hole of the OFF element of the fixed pattern 39 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and the chromatic dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensation prism 18 ′. 2-2 Collimator lens 23₂At PMT21₂It is focused on the top. Line 38 of fixed pattern 39₁, 38₂, 38_Three.. Are switched in the same manner as in the fourth modification of the first embodiment.
[0096]
In this example, the ON element of the fixed pattern 39 is constituted by a reflecting mirror, and the OFF element is constituted by a reflective diffraction grating, and the other focusing lens 19 ′ and dispersion compensating prism 18 ′ are arranged in the diffraction direction of the reflective diffraction grating. 2-2 collimator lens 23₂And PMT21₂May be arranged.
[0097]
[Third embodiment]
FIG. 20 shows a side view of the main part after the confocal pinhole 16 of the microspectroscopic device of the third embodiment according to the present invention. The configuration and arrangement of the laser light source 11 that emits the excitation light, the dichroic mirror 12, the main scanning galvanometer mirror 13, the sub-scanning galvanometer mirror 14, and the objective lens 15 are the same as those in FIG.
[0098]
In this embodiment, a multi-channel detector (array detector) 47 known from Patent Document 4 or the like is used instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment. Detection channel 47 corresponding to each selection element of the selection means₀Are arranged in a one-dimensional array in the wavelength dispersion direction of the spectroscopic prism 18, and each detection channel 47 is arranged.₀The detection signal from is input into the computer 25, and each detection channel 47 is detected by software therein.₀The detection signal from the detection channel 47 is selectively captured, and in each measurement, the detection channel 47 corresponding to the ON element is used.₀Spectral data can be obtained in the same manner as in the first and second embodiments by adding the detection signals from and adding them by software.
[0099]
Each detection channel 47₀The detection signal from the signal may be selectively fetched not by software but by hardware (electric circuit) such as a multiplexer connected to the multi-channel detector 47.
[0100]
[Modification of Third Embodiment]
As a modification of the third embodiment, FIG. 21 shows a side view of the main part after the confocal pinhole 16 of the microspectroscope. The configuration and arrangement of the laser light source 11 that emits the excitation light, the dichroic mirror 12, the main scanning galvanometer mirror 13, the sub-scanning galvanometer mirror 14, and the objective lens 15 are the same as those in FIG.
[0101]
In this modification, instead of the multi-channel detector 47, the number of optical fibers 48 equal to the number of selection elements of the spectral selection means is used as the spectral selection means.₀Each optical fiber 48 is formed using an optical fiber array 48 in which the incident ends of the optical fiber are arranged one-dimensionally in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18.₀2 branch switch elements 49 at the exit ends of the₀Are connected, and each of the two branching switch elements 49 is connected.₀The output from the ON side of the multiplexer 50₁To each of the two demultiplexing switch elements 49₀The output from the off side of the multiplexer 50₂And the multiplexing element 50₁The output light intensity of the detector 51₁Then, the multiplexing element 50₂The output light intensity of the detector 51₂It is made to detect with. Then, the number of the two branching switch elements 49 equal to the number of channels of the optical fiber array 48.₀Each on / off switching is controlled by a switch array driving device 52 connected to the computer 25.
[0102]
With this configuration, the optical fiber 48 that is on in the optical fiber array 48 is used.₀Spectral intensity detected through the multiplex element 50₁After the detector 51₁Is detected. Further, the optical fiber 48 which is off of the optical fiber array 48 is used.₀Spectral intensity detected through the multiplex element 50₂After the detector 51₂Is detected. Therefore, the detector 51₁When using the spectral intensity detected in step 1, the same spectral intensity detection as in the first embodiment can be performed, and the detector 51 is detected.₁And detector 51₂When using the spectral intensity detected in step 1, the same spectral intensity detection as in the second embodiment can be performed.
[0103]
[Second Embodiment]
Another preferred embodiment of the microspectroscopic device of the present invention is a case where a normal microscope other than a confocal microscope is used, as shown in a schematic configuration diagram in FIG.
[0104]
In the case of this form, as shown in FIG. 2, the dispersive element 103 is disposed on the primary imaging plane 112 of the normal microscope 111 and separates the exit pupil of the objective lens of the microscope 111, and the dispersive element 103. A spectroscopic unit 114 including a pupil projection lens 113 for forming an image of the exit pupil of the dispersed objective lens, and a predetermined position corresponding to the Hadamard matrix, arranged at the imaging position of the exit pupil of the dispersed objective lens Spectral selection means 106 having a selection element capable of selecting a wavelength for each wavelength band, a dispersion element projection lens 115 that projects an image of the dispersion element 103, a dispersion compensation element 116 that compensates for chromatic dispersion generated in the dispersion element 103, and a dispersion The detection unit 118 includes a detector 117 for detecting an image dispersion-compensated by the compensation element 116, and the demodulation unit 110. Further, as described above, the Hadamard matrix that acts on the selection element by the spectroscopic selection unit 116 is the order 2 as described above.^vHadamard matrix (v is a natural number)^wThe number of alternating rows or columns (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternating numbers of all remaining rows or columns, and the alternating number of rows or columns is composed of an ascending order Hadamard matrix. It is desirable.
[0105]
According to this configuration, an observation image obtained by microscopically observing a spectroscopic observation target with the microscope 114 is dispersed by the dispersive element 103 and the pupil projection lens 113, and further, a selection element constituting the spectroscopic selection unit 116 is a Hadamard. A light beam in a predetermined wavelength band is selected by acting in accordance with the matrix, a spectral image compensated for dispersion by the dispersion element projection lens 115 and the dispersion compensation element 116 of the detection means 118 is obtained, and this image is detected by the detector 117. To detect. The function of the selection element of the spectral selection means 116 is changed in accordance with the number of alternatings of the Hadamard matrix, and the measurement is repeated until a desired spectral resolution is obtained, and then the above equation (8) is obtained at each point of the measured spectral image. By demodulating by the demodulating means 110 that realizes the above, a spectral image having a desired resolution of the spectroscopic observation target can be obtained in the shortest time.
[0106]
Next, examples of the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0107]
[Fourth embodiment]
A microspectroscopic device using a fluorescence microscope will be described as a fourth embodiment with reference to FIG.
[0108]
As shown in FIG. 22A, the microspectroscopic device according to the fourth embodiment of the present invention includes at least a light source 61 that emits excitation light and a dichroic mirror that introduces excitation light from the light source 61 into an optical path toward the specimen O. 62, an objective lens 63 for concentrating the excitation light on the specimen surface and enlarging the fluorescent image of the specimen O, and an imaging lens 64 for forming an image of the specimen O magnified by the objective lens 63. A spectroscopic grating 65 serving as a dispersive element for dispersing the exit pupil of the objective lens 63 and an image of the exit pupil of the dispersed objective lens 63. A spectroscopic means comprising a pupil projection lens 66 for imaging, a fixed Hadamard mask 67 which is arranged at the imaging position of the exit pupil of the dispersed objective lens 63 and performs wavelength selection for each predetermined wavelength band; Spectral selection means comprising a Hadamard mask driving device 68 that moves the Hadamard mask 67 in the horizontal direction, a dispersive element projection lens 69 that projects an image of the spectral grating 65 with spectral components transmitted through the fixed Hadamard mask 67, and a spectral grating 65. Detection means comprising a dispersion compensation grating 70 as a dispersion compensation element for compensating the generated chromatic dispersion, and an image pickup device 71 for picking up a fluorescence image dispersion-compensated by the dispersion compensation grating 70, and the above-described equation (8) The demodulating means performs demodulation of spectroscopic data by software in a computer (not shown).
[0109]
The computer also controls the imaging device 71 and Hadamard mask driving device 68, displays a spectral image of a fluorescent image, and the like.
[0110]
In the fixed Hadamard mask 67, as shown in FIG. 22B, an example pattern of n = 8, the Hadamard matrix H in the order of alternating numbers.^*The opening pattern corresponding to is open. The exit pupil of the objective lens 63 is projected as a spectral spectrum in the vertical direction on the Hadamard mask by the spectral grating 65. The images captured by the imaging device 71 while the fixed Hadamard mask 67 is sequentially moved in the horizontal direction by the Hadamard mask driving device 68 are accumulated in the computer. A spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel.
[0111]
Also in this embodiment, by providing the Hadamard matrix aperture pattern in the alternating number order in the fixed Hadamard mask 67, low resolution spectral images can be sequentially obtained from the middle of the measurement, as described in the first embodiment. Can be speeded up accordingly.
[0112]
[Modification of Fourth Embodiment]
As a modification of the fourth embodiment, FIG. 23 shows a view similar to FIG. This modification is characterized in that the transmission type electrical address spatial modulator 32 ′ described in the modification 2 of the first embodiment is used as the spectral selection means instead of the fixed Hadamard mask 67 of the fourth embodiment. Other configurations are the same as those of the fourth embodiment.
[0113]
Elements (pixels) to which a voltage is applied are applied to the polarizer 33 in the optical path incident on the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ and the analyzer 34 in the optical path transmitted through the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′. Only) so that the fluorescence from the specimen O can pass through. The transmission type electric address spatial modulator 32 ′ includes an Hadamard matrix H in the order of alternating numbers.^*A voltage is selectively applied to the element (pixel) corresponding to +1 in the row or column. The exit pupil of the objective lens 63 is projected as a spectral spectrum by the spectral grating 65 onto the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′. The image picked up by the image pickup device 71 is stored in the computer while selecting the element to which the voltage on the transmissive electrical address spatial modulator 32 ′ is applied. A spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel of the captured image.
[0114]
[Fifth embodiment]
As shown in FIG. 24A, the microspectroscopic device of this embodiment includes at least a light source 61 that emits excitation light, a dichroic mirror 62 that introduces excitation light from the light source 61 into an optical path toward the sample O, and an excitation. A microscope comprising an objective lens 63 for condensing light on the specimen surface and enlarging a fluorescent image of the specimen O, and an imaging lens 64 for forming an image of the specimen O magnified by the objective lens 63. The spectral grating 65 as a dispersive element for dispersing the exit pupil of the objective lens 63 and the image of the exit pupil of the dispersed objective lens 63 are formed on the primary imaging plane of the microscope. A frequency light modulator array that is disposed at the imaging position of the exit pupil of the spectral objective and the objective lens 63 that is spectrally divided and that performs frequency modulation at two different frequencies for each predetermined wavelength band. 3 is a spectral selection means, a dispersion element projection lens 69 that projects an image of the spectral grating 65 with a spectral component that has passed through the frequency light modulator array 73, and a dispersion compensation element that compensates for chromatic dispersion generated by the spectral grating 65. Detection means comprising a compensation grating 70 and an image pickup device 71 for picking up a fluorescence image dispersion-compensated by the dispersion compensation grating 70, and a lock-in detector for the modulation signal of each pixel of the image picked up by the image pickup device 71 Then, the light intensity modulated at each of the two different frequencies of each pixel is detected and stored in the computer. A spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel.
[0115]
Here, as shown in FIG. 24B, the frequency optical modulator array 73 includes an optical modulator 73 such as an electro-optic modulator or an acousto-optic modulator.₀Are arranged in an array in the wavelength dispersion direction of the spectral grating 65, and each optical modulator 73 is arranged.₀Constitutes a selection element of the spectroscopic selection means, and is an optical modulator 73 that is an ON element.₀Applies frequency modulation to the intensity of the corresponding wavelength band at a specific frequency, and the optical modulator 73 is an off element.₀Applies frequency modulation to the intensity of the corresponding wavelength band at a different specific frequency. Therefore, by detecting the intensity of each frequency with the lock-in detector, the spectral intensity can be detected while passing through the on / off elements of the frequency optical modulator array 73. Similarly, a spectral image can be calculated by demodulating an image picked up by the image pickup device 71 while controlling the frequency light modulator array 73.
[0116]
In the above embodiment, the example using the Hadamard matrix in the order of the alternating number has been described. However, the modulation image can be demodulated when the alternating number is from 0 to 2.^wThis is after 2w modulated images using a row component of −1 (w is an arbitrary natural number) can be acquired. That is, 2^wThere is no restriction on the order of obtaining the modulated images. Thus, instead of the alternating Hadamard matrix, the first 2^wEven if a Hadamard matrix in which the number of alternating rows or columns is all smaller than the minimum number of alternating rows or columns is used, the first 2^wWavelength band 2 when individual spectral modulations are performed^wSince the spectral intensity of the divided low resolution can be obtained, the same effect as in the above embodiments can be obtained.
[0117]
In the above-described embodiments and modifications, a spectral grating (diffraction grating) may be used instead of the spectral prism 18 and the dispersion compensation prisms 18 and 18 ′, and instead of the spectral grating 65 and the dispersion compensation grating 70. In addition, a spectral prism may be used.
[0118]
Further, the dispersion compensation prism 18 ′ and the dispersion compensation grating 70 may not be arranged, but the PMTs 21 and 21 that are detectors.₁, 21₂Another focusing lens 19 ', the second collimator lens 23, and the 2-1 collimator lens 23 different from the light receiving surface of₁2-2 collimator lens 23₂Is made a size that can detect a light beam spread by chromatic dispersion.
[0119]
Further, if the spectral selection means is of a reflective type, it can be easily transformed into a transmissive type.
[0120]
In addition to the PMT, a high-sensitivity low-noise detector such as an avalanche photodiode can naturally be used as the detector.
[0121]
Further, in the example of using a fixed pattern as the spectral selection means (FIGS. 9, 10, 19, and 22), the spectral means side may be moved. In the case of FIG. 9 in FIG. 25, using the two-dimensional arrangement mask 38 as the spectral selection means, instead of moving the mask 38, the spectral prism 18 is moved from the broken line to the dotted line position. The on / off state of can be changed.
[0122]
The above-described Hadamard microspectroscopic device of the present invention is organized as follows.
[0123]
[1] A microscope for microscopically observing at least a spectroscopic observation target, a spectroscopic means for wavelength-resolving incident light from the microscope, and a predetermined wavelength band based on a Hadamard matrix for the incident light wavelength-resolved by the spectroscopic means A spectral selection means having a plurality of selection elements to be selected; a detection means for detecting a spectral intensity in a predetermined wavelength band selected by the spectral selection means; and a spectral intensity of a spectral observation object is demodulated from the detected spectral intensity The spectroscopic selection unit is configured to determine a selection state according to an element of a Hadamard matrix of a predetermined order,
The spectroscopic selection means includes at least two or more selection elements that give a selection state of a Hadamard matrix row or column, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. A microspectroscopic device characterized by having an arrangement.
[0124]
[2] The microscope is a confocal microscope, and the spectroscopic means at least collimates the collimator lens that makes the light beam that has passed through the confocal pinhole of the confocal microscope substantially parallel light, and splits the substantially parallel light. And a first focusing lens for condensing the light dispersed by the dispersion element, and the detection means has at least a detector and a wavelength band selected by the spectral selection means. 2. The microspectroscopic device according to 1 above, comprising a lens system for taking only the light beam into the detector.
[0125]
[3] The microspectroscopic device according to the above 1 or 2, wherein the first focusing lens has an asymmetric imaging action.
[0126]
[4] At least the spectroscopic means is disposed on the primary imaging plane of the microscope, and a dispersion element for dispersing the exit pupil of the objective lens of the microscope, and the exit of the objective lens dispersed by the dispersive element A pupil projection lens for forming an image of a pupil, wherein the spectral selection means is disposed at the imaging position of the exit pupil of the dispersed objective lens, and the detection means is at least an image of the dispersion element. A dispersion element projection lens for projecting light, a dispersion compensation element for compensating for chromatic dispersion generated by the dispersion element, and a detector for detecting an image dispersion-compensated by the dispersion compensation element. 2. The microspectroscopic device according to 1 above.
[0127]
[5] The detection unit is configured by using at least two detectors, and separately detects light fluxes in respective wavelength bands corresponding to the +1 component and the −1 component of the Hadamard matrix determined by the spectral selection unit. 5. The microspectroscopic device according to any one of 1 to 4 above, wherein:
[0128]
[6] As the Hadamard matrix, degree 2^vHadamard matrix (v is a natural number)^wAn Hadamard matrix whose w or column alternating number is less than the minimum of all remaining row or column alternating numbers, or an Hadamard matrix whose row or column alternating number is ascending 6. The microspectroscopic device according to any one of 1 to 5, wherein at least one Hadamard matrix is used.
[0129]
[7] The spectroscopic selection means is a frequency modulation type spatial light modulator, and separately applies frequency modulation to each wavelength band corresponding to the +1 component and −1 component of the Hadamard matrix, and the detection means selects the frequency. The microspectroscopic device according to any one of 1 to 6 above, wherein one or each of them is detected.
[0130]
[8] The microscope is a confocal microscope, and the spectroscopic means at least collimates the collimator lens that makes the light beam that has passed through the confocal pinhole of the confocal microscope substantially parallel light, and splits the substantially parallel light. 2. The dispersive element according to claim 1, and a first focusing lens for condensing the light dispersed by the dispersive element, wherein the detection means comprises at least a multi-channel detector. Microspectroscopic device.
[0131]
[9] The microspectroscopic light according to any one of 1 to 7 above, wherein a mechanical modulator such as a deformable mirror, a digital mirror device, a grating light valve, or the like is used as the spectroscopic selection means. apparatus.
[0132]
[10] The microspectroscopic device according to any one of the above items 1 to 7, wherein a reflection type or transmission type electric address spatial modulator is used as the spectroscopic selection means.
[0133]
[11] The microspectroscopic device according to any one of 1 to 7, wherein an optical writing reflection type spatial light modulator is used as the spectral selection means.
[0134]
[12] As the spectroscopic selection means, a fixed pattern having a reflection part and a transmission part or a fixed pattern having a reflection part and a grating part corresponding to the +1 component and the −1 component of the Hadamard matrix are mechanically moved. 8. The microspectroscopic device according to any one of 1 to 7 above, which is used.
[0135]
[13] The fixed pattern, wherein the Hadamard matrix rows or columns are arranged one-dimensionally, two-dimensionally arranged, or arranged on a disk or a side surface of a polygonal column. 12. The microspectroscopic device according to 12.
[0136]
[14] The microspectroscopic device according to [8], wherein the wavelength selection means is realized by an electric circuit or software after being detected by a multichannel detector.
[0137]
[15] The microspectroscopic device as described in 8 above, wherein the wavelength selection means is composed of a combination of at least an optical fiber, a demultiplexing switch element, and a multiplexing element.
[0138]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the microspectroscopic device of the present invention, even if the measurement is stopped when the spectral intensity distribution with a desired wavelength resolution is obtained, unlike the conventional Hadamard spectroscopic device, the spectroscopic optical device can accurately measure the spectrum. Since data is obtained, it is possible to supply a high-speed spectroscopic device with improved measurement time efficiency.
[0139]
Further, as the spectral selection means, the selection elements that give the selection state of the Hadamard matrix rows or columns are composed of at least two columns, and the arrangement of the selection elements in the adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. Even when using a spectral selection means having a dead space between a plurality of selection elements of one row selected for each predetermined wavelength band as the spectral selection means, the one having that arrangement is used. Since the spectral intensity of the wavelength band incident on the dead space between the selection elements can also be selected by the selection element of the adjacent column, it is possible to detect all of the spectral intensity of the wavelength bands wavelength-resolved by the spectroscopic means. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a basic form of a microspectroscopic device of the present invention when a confocal microscope is used as a microscope.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a basic form of a microspectroscopic device of the present invention when a normal microscope is used as a microscope.
FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the microspectroscopic device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a flowchart of spectroscopic measurement by the spectroscopic device of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing only a main part of a first modification of the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing only a main part of a second modification of the first embodiment.
7 is a diagram showing only a main part when the modified example of FIG. 6 is replaced with a transmissive type. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing only a main part of a third modification of the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram for explaining a fourth modification of the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing only a main part when the modified example of FIG. 9 is replaced with a transmissive type.
FIG. 11 is a diagram for explaining a problem of a spectral selection unit in which selection elements are arranged in a one-dimensional array.
FIG. 12 is a diagram for explaining the arrangement of selection elements of a spectral selection unit according to a fifth modification of the first embodiment.
13 is a diagram showing only a main part for explaining the configuration of a focusing lens used for the spectral selection means of FIG. 12. FIG.
14 is a diagram for explaining another means for solving the problem of the spectral selection means arranged in FIG. 11; FIG.
FIG. 15 is a diagram showing only a main part of a microspectroscopic device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a view similar to FIG. 15 of Modification 1 of the second embodiment.
FIG. 17 is a view similar to FIG. 15 of Modification 2 of the second embodiment.
FIG. 18 is a view similar to FIG. 15 of Modification 3 of the second embodiment.
FIG. 19 is a view similar to FIG. 15 of Modification 4 of the second embodiment.
FIG. 20 is a side view of the main part after the confocal pinhole of the microspectroscope of the third embodiment according to the present invention.
FIG. 21 is a view similar to FIG. 20 of a modified example of the third embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a microspectroscopic device using a fluorescence microscope according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a view similar to FIG. 22A of a modification of the fourth embodiment.
FIG. 24 is a diagram showing the configuration of a microspectroscopic device using a fluorescence microscope according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a diagram for explaining a modification in the case where a fixed pattern is used as the spectral selection means in the present invention.
FIG. 26 is a diagram illustrating a configuration of a spectroscopic device using a conventional Hadamard transform.
FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a conventional 7th-order S matrix and a corresponding Hadamard mask.
FIG. 28 is a diagram illustrating wavelength selection switching by a conventional Hadamard mask.
[Explanation of symbols]
O ... Sample
1 ... Incident slit
2 ... Collimating lens
3. Spectral grating
4 ... Slit projection lens
5 ... Hadamard Mask
6 ... Grating projection lens
7. Dispersion compensation grating
8 ... Imaging lens
9 ... Detector
11 ... Laser light source
12 ... Dichroic mirror
13 ... Main scanning galvanometer mirror
14 ... Sub-scanning galvanometer mirror
15 ... Objective lens
16 ... Confocal pinhole
17 ... 1st collimator lens
18 ... spectral prism
18 '... dispersion compensation prism
19 ... Focusing lens
19 ’… Another focusing lens
20 ... Programmable mirror
21 ... PMT (Photomultiplier tube)
21₁, 21₂... PMT (Photomultiplier tube)
22 ... Stopper
22₁, 22₂... stopper
23 ... Second collimator lens
23₁... 2-1 collimator lens
23₂... 2-2 collimator lens
24. Programmable mirror drive device
25. Computer
26. Display device
27 ... PMT drive
28 ... Subtractor
29 ... Adder
31 ... Greating light valve array
31₀... Grating light bulb
32 ... Reflective type electrical address spatial modulator
32 '... Transmission-type electrical address spatial modulator
33 ... Polarizer
34 ... Analyzer
35 ... Optical writing reflective spatial light modulator (reflective optical addressing spatial light modulator)
36 ... Display device
37 ... Projection lens
38 ... Hadamard matrix H^* _vMask corresponding to
38_a... white element part
38_b... black element part
38₁, 38₂, 38_Three.... Mask lines
39 ... Fixed pattern
40₀... selected elements
40: Spectral selection means
41 ... Gap
41 is generated.
42 ... rotationally symmetric lens
43 ... Cylindrical lens
44 ... Small positive lens
45 ... Microlens array
46 ... Polarized beam beam splitter
47 ... Multi-channel detector (array detector)
47₀... Detection channel
48₀... Optical fiber
48 ... Optical fiber array
49₀... 2 branch switch element
50₁, 50₂... Multiplexer
51₁, 51₂... detector
52. Switch array driving device
61 ... Light source
62 ... Dichroic mirror
63 ... Objective lens
64: Imaging lens
65 ... Spectral grating
66 ... Pupil projection lens
67 ... Fixed Hadamard Mask
68. Hadamard mask driving device
69. Dispersion element projection lens
70: Dispersion compensation grating
71 ... Imaging device
73. Frequency optical modulator array
73₀... Light modulator
80 ... disc
81 ... Polygonal column
100 ... Confocal microscope
101 ... Confocal pinhole
102 ... Collimator lens
103 ... Dispersion element
104. First focusing lens
105: Spectroscopic means
106: Spectral selection means
107: Second focusing lens
108: Detector
109: Detection means
110: Demodulating means
111 ... Normal microscope
112 ... Primary imaging plane
113 ... Pupil projection lens
114: Spectroscopic means
115. Dispersion element projection lens
116: Dispersion compensation element
117 ... Detector
118: Detection means

Claims (7)

A microscope for microscopically observing at least a spectroscopic observation target, a spectroscopic means for wavelength-resolving incident light from the microscope, and the incident light wavelength-resolved by the spectroscopic means are selected for each predetermined wavelength band based on a Hadamard matrix Spectral selection means having a plurality of selection elements, detection means for detecting the spectral intensity of a predetermined wavelength band selected by the spectral selection means, and demodulation means for demodulating the spectral intensity of the spectroscopic observation target from the detected spectral intensity The spectroscopic selection means determines the selection state according to the elements of a predetermined order Hadamard matrix,
The spectroscopic selection means includes at least two or more selection elements that give a selection state of a Hadamard matrix row or column, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. A microspectroscopic device characterized by having an arrangement.   The microscope comprises a confocal microscope, and the spectroscopic means at least a collimator lens that makes the light beam that has passed through the confocal pinhole of the confocal microscope substantially parallel light, and a dispersive element for dispersing the substantially parallel light And a first focusing lens for condensing the light dispersed by the dispersive element, and the detection means includes at least a detector and a light beam in a wavelength band selected by the spectral selection means. 2. The microspectroscopic device according to claim 1, comprising a lens system for taking in the detector. 3. The microspectroscopic device according to claim 2, wherein the first focusing lens has an asymmetric imaging action.   At least the spectroscopic means is disposed on the primary imaging plane of the microscope, and a dispersive element for dispersing the exit pupil of the objective lens of the microscope, and an image of the exit pupil of the objective lens dispersed by the dispersive element The spectral selection means is disposed at the imaging position of the exit pupil of the spectrally divided objective lens, and the detection means projects at least the image of the dispersive element. 2. A dispersion element projection lens, comprising: a dispersion compensation element that compensates for chromatic dispersion caused by the dispersion element; and a detector that detects an image dispersion-compensated by the dispersion compensation element. The microspectroscopic device described.   The detection unit is configured by using at least two detectors, and separately detects light fluxes in respective wavelength bands corresponding to the +1 component and the −1 component of the Hadamard matrix determined by the spectral selection unit. The microspectroscopic device according to any one of claims 1 to 4. The Hadamard matrix is a Hadamard matrix of order 2 ^v (v is a natural number), and the first 2 ^w (w is a natural number smaller than v) row or column alternating number is the alternating number of all remaining rows or columns. 6. The microscopic light according to claim 1, wherein the Hadamard matrix is smaller than the minimum value of the number, or the Hadamard matrix having at least one of the alternating numbers of rows or columns is in ascending order. apparatus.   The spectral selection means is a frequency modulation type spatial light modulator, which applies different frequency modulation to each wavelength band corresponding to the +1 component and −1 component of the Hadamard matrix, and selects the frequency by the detection means. Or each is detected, The microspectroscopic device of any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned.

Images