JP2000258334A

JP2000258334A - レーザ光照射装置

Info

Publication number: JP2000258334A
Application number: JP11065246A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Nagai; 豊永井; Katsuhiro Tsuchiya; 勝寛土屋; Yoshiyuki Takahara; 良之高原; Kazuo Yamagishi; 和男山岸; Takeshi Toida; 武志戸井田
Original assignee: Nippon Koden Corp
Current assignee: Nippon Koden Corp
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ビーム幅のばらつきのないレーザ光を計測領
域に照射すること。【解決手段】半導体レーザ１Ａ、光学素子１Ｅ、スリ
ット部材１Ｆは同一光軸上に配置されて保持手段１Ｈに
保持されている。また、半導体レーザ１Ａと光学素子１
Ｅとの間の距離を調整し、ビームウエストの位置を調整
する焦点距離調整機構部１Ｇを備えている。ここで、粒
子の流れ位置による散乱光強度のばらつきをなくすため
に、粒子に照射するビーム幅をサンプル流の幅に比較し
て十分大きくしている。半導体レーザ１Ａから射出され
た光は光学素子１Ｅにより計測領域で集光される。サン
プル流に直交する方向のビーム幅はスリット部材１Ｆに
より決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フローサイトメー
タに代表される粒子分類装置のレーザ光源に関するもの
で、例えば、細胞や血球等の粒子に光を照射して、その
散乱光強度の散乱角度情報や蛍光などに基づいて細胞や
血球等の粒子を分類することのできる装置に用いられる
レーザ光照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】フローサイトメータは、セルソータやセ
ルアナライザ、及び、それらを内蔵する粒子分析装置
（血液分析装置）等があり、フローセル内を流れる粒子
や、フローセルから落下する粒子に対して光を照射さ
せ、その時に発生する前方散乱光や側方散乱光等を検出
し、その検出した光情報に基づいて細胞や血球等の粒子
を分類するようになっている。

【０００３】例えば図９で示されるように、光照射装置
１から射出されたレーザ光ａは、フローセル２内のサン
プル流に照射される。ここで図１０（ａ）にフローセル
の横断面図、図１０（ｂ）にフローセルの縦断面図を示
す。これらの図に示すように、フローセル２の内部は、
鞘状に流れるシース流２ａの中心部分に試料（粒子）７
を送り出す試料管２ｃが位置している。その先端部分で
粒子７はシース液に包まれて粒子７を含んだサンプル流
２ｂとなり、これが細管部分２ｄへ順次供給される。そ
の細管部分２ｄでは、シース流２ａに包まれたサンプル
流２ｂがさらに絞られる。絞られたサンプル流２ｂに
は、レーザ光ａが照射されているので、そこを通過した
粒子７が散乱源となって、前方散乱光ｂ，ｃ，ｄ、側方
散乱光ｅ，ｆ，ｇ、後方散乱光ｈ，ｉを生じさせる。

【０００４】また、図９で示されるように、光照射装置
１から射出されたレーザ光は、フローセル２を通過後、
オブスキュレータ９で遮光される。そして、前方散乱光
ｂ，ｃ，ｄは、フローセル２の前方に設置された散乱光
コリメータレンズ３により平行光束にされ、前方のミラ
ー４とその中央部に設置した孔部によって散乱光角度ご
とに小さいほうからｂ，ｃ，ｄと分けられ、それぞれの
散乱光集光レンズ５によりそれぞれの検出器６に集光さ
れる。同様に、側方散乱光に対しても散乱光角度ごとに
小さいほうからｅ，ｆ，ｇと分けられる。それら検出器
６はフォトダイオード等の光電変換素子により構成さ
れ、受光した光の強度に応じた電気信号に変換し、分析
装置１０に送る。また、側方散乱光を用いて蛍光検出す
る場合には、ミラー４の替わりにビームスプリッタなど
で散乱光を分割し、散乱光集光レンズ５との間に色フィ
ルタを設置する。

【０００５】検出器６は、前方と側方散乱角度に応じた
複数のデータ、あるいは、それに蛍光を加えた複数のデ
ータを検出する。そして、分析装置１０では、入力され
た各検出信号からデータを算出して記憶し、多次元座標
データを算出する。ところで、散乱光は、粒子の大きさ
が照射光の波長に対して大きい場合は前方散乱となり、
粒子の大きさが照射光の波長と同程度の場合は前方およ
び側方散乱となり、粒子の大きさが小さい場合は前方、
側方及び後方散乱光となることが知られている。このた
め、算出した多次元座標データを解析すれば、細胞や血
球等の粒子を分類することができる。

【０００６】ここで光照射装置１に半導体レーザ１Ａの
ような拡散光源を使用した場合、フローセル２内のサン
プル流２ｂに適当な大きさの光を照射するために、図９
に示したように、コリメータレンズ１Ｂ、横絞りレンズ
１Ｃ、縦絞りレンズ１Ｄを用いている。すなわち図１
１、図１２に示すようにして照射ビーム形状を整形して
いる。まず半導体レーザ１Ａから射出されたレーザ光
は、コリメータレンズ１Ｂで平行光束とされ、サンプル
流２ｂと直交する方向のビーム幅を決める横絞りレンズ
１Ｃと、サンプル流２ｂと平行な方向のビーム幅を決め
る縦絞りレンズ１Ｄを通過し、サンプル流２ｂの位置で
最も小さくなるように絞られる。このようにレーザビー
ムが最も絞られた部分を、ビームウエストという。サン
プル流２ｂの位置で絞られた照射レーザビーム幅は、各
々の方向でのビームの絞り角度α、βで決まる。すなわ
ち絞り角度α、βが大きくなるとビーム幅は小さくな
り、絞り角度α、βが小さくなるとビーム幅が大きくな
る。

【０００７】ところで、ビームウエストでのビーム幅
は、図１３に示すようにサンプル流２ｂに対し直交する
方向と平行な方向で異なり、それぞれ適当な幅ｄ１，ｄ
２が設定される。特にサンプル流２ｂに対し直交する方
向のビーム幅ｄ１は、通常サンプル流２ｂに対して十分
大きい幅に設定される。図４は、縦軸に照射光の強度、
横軸にサンプル流２ｂの中心位置からの距離を取った場
合の照射光強度分布図であるが、図４に示されるよう
に、サンプル流２ｂに対し直交する方向のビーム幅ｄ１
は、サンプル流２ｂの中心位置で光強度が最大となるよ
うに設定される。この強度分布における最大値の１３．
５％（ｅ^-2）以上となる距離が照射光のビーム幅とな
る。例えば、サンプル流２ｂは２０μｍ程度に絞られ、
その中に１０μｍ程度の大きさの細胞が流され、これに
ビーム幅１００μｍの光が照射される。

【０００８】つまり、計測対象となる粒子７は、サンプ
ル流２ｂの中央からシース流２ａとの境界面までの間の
いずれかの箇所を流れるので、粒子７に照射されるレー
ザ光ａの量は、サンプル流２ｂの中央を流れた場合に最
大となり、サンプル流２ｂとシース流２ａの境界面を流
れた場合に最小となる。それに伴い、その際発生する散
乱光の量も、同様に変化してしまう。しかし、照射ビー
ム幅ｄ１がサンプル流２ｂの幅に比較して十分大きい場
合には、粒子７がサンプル流２ｂの何処を通っても同じ
散乱光強度が得られるようにできる。通常フローサイト
メータでは、同じ粒子７が流れた時には、同じ散乱光強
度を検出するようにするのが良いので、サンプル流２ｂ
の幅とサンプル流２ｂに対し直交する方向の照射ビーム
幅ｄ１の関係は重要である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の装置では、以下に示す問題があった。すなわ
ち、図１１、図１２に示すような光照射装置で所望のビ
ーム幅を得るには、ビームの絞り角度が一定となるよう
にする必要があるが、半導体レーザ１Ａの開き角の部品
差が非常に大きいので、焦点距離・光軸の調整が、半導
体レーザ１Ａとコリメータ１Ｂの間，横絞りレンズ１Ｃ
とフローセル２の間，縦絞りレンズ１Ｄとフローセル２
の間の合計３カ所必要で調整が煩雑となり、同じビーム
ウエストを持つレーザ光を得ることが難しかった。

【００１０】また、このような構成であれば、半導体レ
ーザ１Ａから射出された光は、３つのレンズを通過する
際、どうしても目的とするビーム成形以外の要素が加わ
ってしまい、同じビームウエストを作るのが難しかっ
た。例えば、図１２に示すように横絞りレンズ１Ｃで調
整された光が、縦絞りレンズ１Ｄを通過することによっ
て横方向のビーム幅や光軸が変わってしまうことがあっ
た。

【００１１】本発明は、上記した背景に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、上記した問題を解決
し、簡単な構成でビーム幅のばらつきがなく、光学系の
調整も容易に行えるレーザ光照射装置を提供することに
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の装置は、粒子が通過する計測領域にレ
ーザ光を照射することにより発生する散乱光および蛍光
を検出することにより前記粒子の分類を行うようにした
粒子分類装置のレーザ光照射装置において、半導体レー
ザ光源と、該半導体レーザ光源から射出された光を前記
計測領域に集める光学素子と、光照射範囲を制限するス
リット部材を備え、前記半導体レーザ光源と、前記光学
素子と、前記スリット部材とが同一光軸上に配置される
ようにこれらを一体に保持する保持手段とを具備する構
成とした。

【００１３】このような構成において、光学素子は、半
導体レーザ光源から射出された光を粒子が通過する計測
領域に集める。スリット部材は、その計測領域における
ビーム幅を決定する。

【００１４】また、本発明の装置は、前記半導体レーザ
光源と前記光学素子との間の距離の調整ができる距離調
整手段を有するようにすると、ビームウエストの位置を
正確に計測領域に一致させることができる。

【００１５】また、本発明の装置において、前記スリッ
ト部材は、粒子の流れに対し直交する方向の光照射範囲
を制限するように配置する。このようにすれば粒子の流
れ方向のビーム幅は、半導体レーザの開き角で決まり、
その流れに対し直交する方向のビーム幅は、スリット部
材で決まる。なお、流れに対し直交する方向において、
計測対象粒子の流れる箇所によって散乱光強度や蛍光強
度などの差が発生しないように、前記直交する方向のビ
ーム幅が十分大きくなるように設定する。流れに平行な
方向のビーム幅は、流れの位置が変化しても、得られる
散乱光強度や蛍光強度などへの影響は少ない。

【００１６】

【発明の実施の形態】図５は、本発明に係る光照射装置
１を搭載したフローサイトメータの一例を示している。
同図に示すように、光照射装置１は半導体レーザ１Ａ，
光学素子１Ｅ、スリット部材１Ｆで構成されている。本
光照射装置１以外の構成および作用は図９に示した装置
と同様である。光照射装置１の詳細を、図１，図２に示
す。図１は、照射光束の成形の様子をサンプル流２ｂに
対し直交する方向から見た断面図であり、図２は、サン
プル流２ｂに平行な方向から見た断面図である。これら
の図に示すように、半導体レーザ１Ａ，光学素子１Ｅ、
スリット部材１Ｆは同一光軸上に配置されて保持手段１
Ｈに保持されている。また、本例では、半導体レーザ１
Ａと光学素子１Ｅとの間の距離を調整し、ビームウエス
トの位置を調整する焦点距離調整機構部（距離調整手
段）１Ｇを備えている。また、本例では、粒子の流れ位
置による散乱光強度のばらつきをなくすために、粒子７
に照射するビーム幅をサンプル流２ｂの幅に比較して十
分大きくしている。

【００１７】ところで、一般に半導体レーザは、ビーム
射出口の形状が、短辺は数μｍ，長辺は数百μｍの長方
形となっているので、波長に近い短辺の方向の光成分は
回折して開き角が本質的に大きくなる。本例では、サン
プル流２ｂに平行となる方向のビーム幅を、サンプル流
２ｂに対し直交する方向のビーム幅に比べて大きくとる
ようにする。このため、半導体レーザ１Ａは、開き角の
大きいビーム射出口の短辺方向が、サンプル流２ｂに対
し平行な方向となるように取り付ける。また、図１、図
２に示すように、スリット部材１Ｆは、そのスリットの
光を制限する方向が、半導体レーザ１Ａの長方形の開き
角の小さいビーム射出口の長辺方向となるように取り付
ける。

【００１８】このように構成された光照射装置１の作用
は次のようになる。操作者が焦点距離調整機構部１Ｇを
調整すれば、図１、図２に示すように、半導体レーザ１
Ａから射出されたレーザ光ａは、光学素子１Ｅによりサ
ンプル流２ｂの位置で最も小さくなる。照射する光の波
長を固定した場合、サンプル流２ｂの位置で絞られた照
射レーザビーム幅は、ビームの絞り角度、すなわち、ビ
ームウエストの位置と集光前の照射光束径で決まり、絞
り角度が大きくなるとビーム幅は小さくなり、絞り角度
が小さくなるとビーム幅が大きくなる。

【００１９】本装置においては、スリット部材１Ｆが設
けられており、サンプル流２ｂと直交する方向の照射範
囲を制限するように設定されている。このため、図３に
示したように、スリット部材１Ｆが無い場合においてサ
ンプル流２ｂと直交する方向の照射光束ａ０は、図２に
示したようにスリット部材１Ｆで制限を受けるので、照
射光束はａ１のように絞り角度βが小さくなる。つま
り、図１３に示したサンプル流２ｂと直交する方向の照
射ビーム幅ｄ１は、スリット部材１Ｆのスリット幅で決
まる絞り角度βと光学素子１Ｅで絞られたビームウエス
トまでの距離、すなわち、サンプル流２ｂまでの距離で
決まるので、レーザ光源１Ａの開き角に大きな部品差が
あっても、スリット部材１Ｆにより照射光の絞り角度β
を一定にできる。これにより、ビーム幅ｄ１のばらつき
のないレーザ光源を得ることができる。

【００２０】さらに、図４に示したように、照射ビーム
がａ１で示される強度分布となっているので、粒子７に
照射するビーム幅ｄ１がサンプル流２ｂの幅に比較して
十分大きくなり、前記したように粒子７の流れる場所に
よる散乱光強度のばらつきがなくなり、粒子７がサンプ
ル流２ｂの何処を通っても同じ散乱光強度が得られるよ
うになっている。

【００２１】もし、図３に示したようにスリット部材１
Ｆを設置しない場合には、図４に示すように照射ビーム
がａ０で示される強度分布となるので、サンプル流２ｂ
の幅に比較して十分大きいとは言えない。この場合、計
測対象となる粒子７は、サンプル流２ｂの何処でも通る
ことができるので、粒子７に照射されるレーザ光の量
は、サンプル流２ｂの中央を流れた場合に最大となり、
サンプル流２ｂとシース流２ａの境界面を流れた場合に
最小となる。それに伴い、その際発生する散乱光の量
も、同様に変化してしまう。しかしスリット部材１Ｆを
設置することによりこのような不具合は解消されるので
ある。

【００２２】なお、サンプル流２ｂと平行な方向の照射
光束はスリット部材１Ｆによる制限を受けない。この方
向のビーム幅は、半導体レーザごとのサンプル流２ｂに
平行な方向の開き角にばらつきがあっても、同一装置に
おいて同種の粒子がサンプル流２ｂの何処を通っても得
られる散乱光強度は同じとなる。

【００２３】光照射装置１のさらに具体的な例を図６に
示す。この図に示すように、ハウジング１１は基部１２
と柱部１３から成るＬ字型形状であり、それぞれの端部
から角部にかけて溝部１４、１５が設けられている。柱
部１３の前部１３ａと後部１３ｂの中央には同一直線状
に貫通した孔部１６ａ，１６ｂが設けられている。孔部
１６ｂには半導体レーザ１Ａが取付られており、孔部１
６ａには凸レンズ１７が取付られている。前部１３ａの
前面にはスリット部材１８が設けられている。これら半
導体レーザ１Ａ、凸レンズ１７およびスリット部材１Ｆ
は同一光軸上に配置されている。柱部１３の後部１３ａ
の上部近傍にはねじ孔が設けられており、そこにねじ１
９が螺着されている。ねじ１９の先端は前部１３ａの後
面に当接している。また基部１２の上部１２ａの端部近
傍にはねじ孔が設けられており、そこにねじ２０が螺着
されている。ねじ２０の先端は基部１２の下部１２ｂの
上面に当接している。

【００２４】このような構成の装置において、半導体レ
ーザ１Ａと凸レンズ１７との間の距離はねじ１９を回す
ことによって調節することができる。またサンプル流２
ｂに対する角度はねじ２０を回すことによって調節する
ことができる。本装置によれば、構造が簡単であるた
め、製造が容易である。特に、ハウジング１１を１つの
部材で形成するならば半導体レーザ１Ａと凸レンズ１７
の装着孔を同一直線状に確実に形成することができるの
で、これらを同一光軸上に配置することが極めて容易と
なる。また光照射方向および集光位置をねじ１９とねじ
２０によって簡単に調節することができるという効果も
備えている。この例では、ハウジング１１が保持手段で
あり、凸レンズ１７が光学素子であり、ねじ１９が距離
調整手段である。

【００２５】以上は、スリット部材１Ｆを光学素子１Ｅ
の前面に配置した例であるが、図７、図８に示すように
スリット部材１Ｆを光学素子１Ｅの後面に配置しても同
様の作用効果が得られる。

【００２６】また以上の例は、サンプル流れ２ｂ中の粒
子７の流れる位置による散乱光強度のばらつきをなくす
場合について説明したが、さらに、厳密に半導体レーザ
による散乱光強度のばらつきをなくす場合には、サンプ
ル流２ｂと平行な方向の光照射範囲を制限するようにス
リット部材を入れてもよい。また以上の例では、焦点距
離調整機構部１Ｇを設けたが、半導体レーザ１Ａと光学
素子１Ｅの距離が一義的に決まってしまうような構造を
とる場合には、この機構を設ける必要はない。

【００２７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明で
は、使用する半導体レーザの開き角に大きな部品差があ
っても、スリット部材により照射光の絞り角度を一定に
できるので、ビーム幅のばらつきのないレーザ光を計測
領域に照射することができる。また、光学系としては半
導体レーザ光源，光学素子、スリット部材だけの簡単な
構成となるので、調整が簡素化でき、従来のような複数
のレンズの部品差によって発生するビームウエスト形状
のばらつきを本質的になくすことができる。さらに、各
要素を固定する保持手段を一体構造とすることができる
ので、各要素の取り付け位置（光軸）を合わせた加工が
容易に実施でき、各要素間での光軸あわせは必要なくな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ光照射装置の一例を示す図
であり、サンプル流２ｂに対し直交する方向から見た
図。

【図２】図１に示した装置であり、サンプル流と平行な
方向から見た図。

【図３】図１および図２に示した装置のスリット部材な
しの場合の作用を示すための図。

【図４】本発明に係る装置から照射される光のビームウ
エストでの光強度分布とサンプル流幅の関係を示す図で
ある。

【図５】本発明のレーザ光照射装置が組み込まれた粒子
分析装置の全体構成を示す図。

【図６】本発明のレーザ光照射装置のより具体的な例を
示す図。

【図７】本発明のレーザ光照射装置の他の例を示す図。

【図８】図７に示した装置を、サンプル流と平行な方向
から見た図。

【図９】従来の粒子分析装置の全体構成を示す図。

【図１０】図９に示した装置の作用を説明するための
図。

【図１１】従来の光照射装置を説明するための図。

【図１２】従来の光照射装置を説明するための図。

【図１３】計測領域におけるビームウエストの幅を示す
図。

【符号の説明】

１光照射装置１Ａ半導体レーザ１Ｅ光学素子１Ｆスリット部材１Ｇ焦点距離調整機構部２フローセル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高原良之東京都新宿区西落合１丁目31番４号日本光電工業株式会社内 (72)発明者山岸和男東京都新宿区西落合１丁目31番４号日本光電工業株式会社内 (72)発明者戸井田武志東京都新宿区西落合１丁目31番４号日本光電工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子が通過する計測領域にレーザ光を照
射することにより発生する散乱光および蛍光を検出する
ことにより前記粒子の分類を行うようにした粒子分類装
置のレーザ光照射装置において、半導体レーザ光源と、該半導体レーザ光源から射出された光を前記計測領域に
集める光学素子と、光照射範囲を制限するスリット部材を備え、前記半導体レーザ光源と、前記光学素子と、前記スリッ
ト部材とが同一光軸上に配置されるようにこれらを一体
に保持する保持手段とを具備することを特徴とするレー
ザ光照射装置。
【請求項２】前記半導体レーザ光源と前記光学素子と
の間の距離の調整ができる距離調整手段を有することを
特徴とする請求項１に記載のレーザ光照射装置。
【請求項３】前記スリット部材は、粒子の流れに対し
直交する方向の照射範囲を制限することを特徴とする請
求項１または２に記載のレーザ光照射装置。