JP2004020988A

JP2004020988A - 光攪拌器

Info

Publication number: JP2004020988A
Application number: JP2002176726A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kinoshita; 木下　一彦; Hagumu Shio; 塩　育
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22
Also published as: EP1515175A4; US20050226556A1; EP1515175A1; WO2003107071A1

Abstract

【課題】中空モータを使用し、レーザービーム径に対し毎分１８００倍以上周速度で光攪拌板を回転させ可干渉光を実質的非干渉光に変換可能とした光攪拌器を提供する。
【解決手段】光路内に配置する光攪拌板８と、この光攪拌板８を高速で回転する中空モータ２とを備え、前記光攪拌板８にレーザ光を入射することによりレーザ光を実質的非干渉光に変換することを特徴とする光攪拌器。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中空モータを使用し、レーザービーム径に対し毎分１８００倍以上周速度で光攪拌板を回転させ可干渉光を実質的非干渉光に変換可能とした光攪拌器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、レーザ光特有の可干渉性が引き起こす問題を解決するために、単純に回転拡散板を通過させる方法が研究室などで用いられている。しかし、この方法ではレーザ光特有の優れた可干渉性からスペックルパターンなどを除去することはできず、ビームをホモジナイズしているにすぎない。
ＨＡＲＤ　ＥＴ　ＡＬ１９７７（ハードとその共同研究者）は丸い光学ガラスの楔を２５００回転／毎分させてレーザ光線を通過させ、楔の厚み変化が光路長の速やかな変化となるため、レーザ光特有の可干渉性が引き起こす問題をかなり解決し微分干渉像の改善を行った。
【０００３】
現在では、光ファイバーを使った導波管をレーザと顕微鏡の間において光路長の変化を作るため、導波管を振動させている。振動は圧電素子やスピーカ振動膜を利用している。このように導波管（光ファイバー）を振動させると、振動の周波数より低い周波数でレーザービームは時間的に非干渉性（インコヒーレンス）となる。
しかしながら、現在利用されている導波管をレーザと顕微鏡の間において光路長の変化を作るため振動させる方法はあらゆる光学系の付加コンポーネントとしてなりえず、使い勝手はよくない。また装置がコンパクトでないばかりか、決して安価な装置ではない。
【０００４】
レーザ光を照明系に用いたとき、レーザ光の可干渉性（コヒーレンス）は、すべての表面からの反射光同志の干渉や光学素子の汚れ、傷などから発生する散乱光との複雑な回折パターンができあがる。
蛍光顕微鏡のように照明励起光とは異なった波長の蛍光にさえも（インコーヒーレン光とされる）この影響がある。これは照明励起光の強烈な干渉縞によって蛍光像にさえも縞模様現象が現れるなど広い分野の顕微鏡に問題を引き起こしている。特にレーザ光の可干渉性は強烈で、この可干渉性が引き起こす問題点は本格的に解決されてなく、このため、現状ではレーザ光が単色性の優れた明るい光源としてあまり広く利用されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、レーザ光の可干渉性（コヒーレンス）を光路長の速やかな変化と光攪拌効果によって実質的に非干渉性（インコヒーレンス）とすることができる光攪拌器を提供することにより、上記従来の問題点を解決することを目的とする。本発明の光攪拌器は、あらゆる光学系の付加コンポーネントとして使いやすくコンパクトにして安価な装置とすることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため本発明が採用した技術開発手段は、
光路内に配置する光攪拌板と、この光攪拌板をレーザビーム径に対して毎分１８００倍以上の周速度で回転する中空モータとを備え、前記光攪拌板にレーザ光を入射することによりレーザ光を実質的非干渉光に変換することを特徴とする光攪拌器である。
また、前記中空モータはエアーモータであることを特徴とする光攪拌器である。
また、前記中空モータは電動モータであることを特徴とする光攪拌器である。また、前記光攪拌板は、周期性のないランダム構造物としてレモンスキンフィルター、ビーム整形ディフューザ、および周期性のある構造物ホログラフィックプレート（回折パターンジェネレーター）フライアイレンズ、マイクロレンズアレイの双方を含んでいることを特徴とする光攪拌器である。
また、前記中空モータ中心軸部に、傾けた平行平面ガラス円盤または楔円盤ガラスのいずれかを組み込み、高速回転により不要な干渉縞等を排除した状態で、輪帯照明を可能にしたことを特徴とするであることを特徴とする光攪拌器である。
また、前記光攪拌板をできるだけレーザ射出側端面に接近させて構成したことおよび薄型とすることを特徴とする光攪拌器である。
また、中空モータのロータ部（回転部）を重量形状ともに対称に形成したことを特徴とする光攪拌器である。
また、高速回転する中空モータを緩衝材を介してハウジング内に支持したことを特徴とする光攪拌器である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明すると、図１は第１実施形態に係る本発明の正面図、図２は図１中のＡ−Ａ拡大断面図、図３は図２中のＢ−Ｂ断面図であり、この実施形態では中空モータの駆動手段としてエアーモータを利用している。
各図において、１は本体、２は羽根付回転中心軸、３は中間筒、４はアンキュラーベアリング、５はバネワッシャー、６は環状のガラス保持部材、７は段付き押さえ環、８は光攪拌板、９は窓ガラス、１０はエア−放射口、１１はエアー吐出口、１２はチューブ、１３はコンプレッサーである。
【０００８】
本体１は図２に示すように中心部に円筒状の貫通孔が形成されており、この貫通孔内にアンギュラーベアリング４、４、環状のガラス保持部材６、段付き押さえ環７、７によって回転自在に羽根付回転中心軸２を挟み込み保持している。羽根付回転中心軸２を挟み込んだアンギュラーベアリング４の内輪はバネワッシャー５を介して、あるいは直接的に段付き押さえ環７で締め付け固定され、またアンギュラーベアリング４の外輪側面は環状のガラス保持部材６で固定される。なお図２ではバネワッシャー５は右側のみに配置されているが、左右両側、あるいは左側のみに設けることもできる。
【０００９】
羽根付回転中心軸２は中心部にレーザ光の通過を許容する貫通孔２ｂが形成されており、さらに図３に示すように外周には羽根２ａが円周方向に等ピッチで多数形成されており、前記羽２ａに高圧エアーが当たると、羽根付回転中心軸２が回転する構成となっている。羽根付回転中心軸２を回転するための駆動手段は、図２に示すように前記羽根２ａを前記アンギュラーベアリング４、４の間に挿入し、さらにその外周には中間筒３を配置し、エア放射口１０（後述する）から吹き出される高圧エアーを羽根２ａに衝突させ、羽根付回転中心軸２を回転する構成からなる。一方、本体１には、エアー放射口１０およびエアー吐出口１１が形成されて、それらを連通する本体１の流路内に前記羽根２ａが配置されており、エアー放射口１０はチューブ１２を介してエアコンプレッサーに連通されている。
【００１０】
なお羽根２ａ、中間筒３、アンギュラーベアリング４との関係は、必ずしも図示のものに限定されることなく、高圧エアーが羽根付回転中心軸２の羽根２ａに当たり羽根付回転中心軸２が高速で回転可能な構成であれば種々の形態を採用することができる。
【００１１】
図２において、羽根付回転中心軸２の一端側（レーザ光の出口側端部）には中央部に貫通孔を有する前記段付き押さえ環７がバネワッシャ５を介して取り付けられており、この段付き押さえ環７の貫通孔には光攪拌板８が適宜手段（たとえば接着材、あるいはネジ等により）により取り付けられ、羽根付回転中心軸２の回転により光攪拌板８も高速で回転することができる構成となっている。
さらに、羽根付回転中心軸２の両端外側には前記環状のガラス保持部材６が配置され、その保持部材６に窓ガラス９が適宜手段で固定されている。
【００１２】
このような構成からなる光攪拌器では、図２に示すようにレーザ光は、左側窓ガラス９から入射し羽根付回転中心軸２の貫通孔２ｂを通って、光攪拌板８を通過し、さらに右側窓ガラス９を通って出射されることになる。なお、前記光攪拌板はできるだけレーザ射出側端面に接近させて構成することおよび薄型とすることが望ましい。
【００１３】
以上の構成からなる光攪拌器の作動を説明する。光攪拌板としてはレモンスキンフィルタを使用する。
代表的なレモンスキンフィルタの場合はランダムにして異なる小さな焦点距離を持つ凸レンズの集合板を意図して製作したものであるが、コストなどの関係から板ガラスを荒摺し、化学腐食により荒摺面の散乱を少なくした、レモンの表皮状にしたものである。従って、規則正しい小さな焦点距離を持つ凸レンズの集合板（マイクロレンズアレイ）ではなく、焦点距離が異なり、凸レンズや凹レンズの集合した周期性のないランダム構造物である。
【００１４】
エアコンプレッサーから高圧エアーを放射口１０から放射すると中空モータの羽根付回転中心軸２が高速で回転する（たとえばレーザービーム径に対し毎分１８００倍以上周速度）。この状態でレーザ光を照射すると、図２に示すようにレーザ光は、左側窓ガラス９から入射し羽根付回転中心軸２の貫通孔２ｂを通って、光攪拌板８を通過し、さらに右側窓ガラス９を通って出射される。
この時、図２においてレーザ光はランダムにして異なる小さな焦点距離を持つ凸レンズと凹レンズの影響が残ったレモン表皮状のレモンスキンフィルタによる散乱を受け、さらにこのフィルターが回転するとこれらの光が攪拌され、光路長の速やかな変化となる。この結果、出射されたレーザ光は、時間的平均をとれば実質上非干渉性（インコヒーレンス）となる。
【００１５】
この中空モータによる中心軸は毎分１万回転以上可能でレーザ光φ１ｍｍを光攪拌板の中心から半径３．２ｍｍに照射すると毎分２０万回異なった状態の（波列の異なった）光が送られることになる。レーザ光は少なくとも３．３ＫＨｚより低い周波数で時間的平均をとれば実質上非干渉性（インコヒーレンス）が保証される
これまでの実験から、この状態でスペックルパターンは通常の検出器から完全に除去できる。さらに中空モータの大型のものを使用し、光攪拌板の中心から半径１０ｍｍとし、レーザ光をφ０．３ｍｍに絞り込むと少なくとも３０ＫＨｚより低い周波数で時間的平均をとれば実質上非干渉性（インコヒーレンス）とすることができる。また、レーザビーム径に対して毎分１８００倍以上周速度（この場合３０ｒｐｍ）以上で光攪拌板を回転させれば、干渉縞は通常のビデオカメラに記録されないことになるが、少なくとも数倍の速度にした方が無難である。
【００１６】
また、前記光攪拌板とは、レモンスキイフィルター以外に光学研磨直前の摺りガラスで拡散板とも呼ばれているものやＰｈｙｇｉｃａｌ　Ｏｐｔｉｃｓ　　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのビーム整形ディフュザーも含んでいる。（この拡散板はサーフェース・レリーフホログラムを加工し、マイクロ凹レンズと同等の効果を持つ）。このほかにホログラフィックプレートの一例はエドモンド・オプティックス・ジャパン株式会社より回折パターンジェネレータの商品名で販売されている回折光学素子でもある。また、周期性のある構造物フライアイレンズ、マイクロレンズアレイも使い方によってはレーザ光特有の可干渉性は時間的に非干渉性（インコヒーレント）とすることができる。
【００１７】
続いて本発明に係る第２実施形態を説明する。この例は光攪拌板を回転する駆動手段としての中空モータにコアレス偏平型電動モータを利用した点に特徴があり、図４はコアレス偏平型電動モータを利用した本形態の断面図及び側面図である。
図において、２１は外筒、２２はヨ−ク付回転中心軸、２３は蓋付押え環、２４はアンギュラ−ベアリング、２５はコイル支持板、２６はコイル、２７はヨ−ク、２８はマグネット、２９は光攪拌板、３０はケ−ス、３１はバネワッシャ−、３２はケ−ブル、３３は小ねじ、３４はなべねじである。
【００１８】
外筒２１には２個のアンギュラ−ベアリング２４の外輪が両組み合わせで圧入固定されている。また、ヨ−ク付回転中心軸２２はアンギュラ−ベアリング２４の内輪にはめ込まれ、バネワッシャ−３１を介して蓋付押え環２３で固定される。ヨーク付回転中心軸２２には中心部に貫通孔２２ａが形成されるとともにヨーク２７がなべねじ３４で固定され、このヨーク２７にはマグネット２８が固定される。前記ヨーク２７の中心部には前記貫通孔２２ａに連通する貫通孔２７ａが形成され、この貫通孔２７ａの出口に光攪拌板２９が適宜固定手段（接着など）で固定される。そして、光攪拌板２９の外側には外筒２１に固定したケース３０が取り付けられる。なお上記構成ではヨ−ク付回転中心軸２２はバネワッシャ−３１、蓋付押え環２３とともに一体で回転構成となっているが、バネワッシャ−３１、蓋付押え環２３の代わりに他の支持手段を使用することによりヨ−ク付回転中心軸２２のみがアンギュラーベアリングで支持され回転する構成とすることもできる。
【００１９】
前記外筒２１にはコイル支持板２５が小ネジ３３によって固定されており、このコイル支持板２５にコイル２６が配置され、コイル２６はケーブルを介して図示せぬ電源に接続されている。そして、前記コイル２６とヨーク２７、マグネット２８により従来公知のコアレス偏平型電動モータを構成する。
以上の構成からなる光攪拌器ではコイル２６に通電するとマグネット２８、ヨーク２７が回転し、さらに光攪拌板２９も回転し、光攪拌板２９を通ったレーザ光を第１実施形態と同様に実質上の非干渉性（インコヒーレント）とすることができる。なお電動モータの動作原理は従来公知のコアレス偏平型モータと同一であるので詳細な説明は省略する。
。
【００２０】
つづいて第３実施形態を説明する。
第３実施形態は防振対策を施した光攪拌器に特徴がある。
図５は中空モータを緩衝材としてのＯリングで支持した例の断面図である。中空モータを利用した光攪拌器は外周および左右両側面が０リングによりハウジングに支持されており、この構成によりハウジングに伝達する振動はＯリングにより防ぐことができる。また、ロ−タ部の重量、形状ともに対称とした構造をとることにより、顕微鏡、測定機にとって有害な１００Ｈｚ以下の振動を防止できるが、残る高周波振動をハウシング内に０リング等緩衝材で容易に防振を計ることが可能となる。
【００２１】
以上本発明に係る光攪拌器について幾つかの具体的構成例を説明したが、つづいてその使用方法について説明する。ただし、以下の図は光攪拌板とレーザ光との関係のみを示している。
図６は光攪拌板に平行なレーザ光を入射させ、その後集光レンズ使用しない場合の通常の使い方を示す。
図７は光攪拌板に平行なレーザ光を入射させ、周期性のある構造物よってできた二次光源像をその後集光レンズによって平行な光束とした使用した場合の使い方を示す。
図８は光攪拌板にレーザ光を集光させ、その後にレンズ等によって平行光束利用する場合を示す。（ビ−ムエキスパンダ−内に光攪拌板を設けた状態をも示す。）
周期性のないランダム構造物としてレモンスキンフィルタ−、ビ−ム整形ディフュザ−、の場合は図６、図７、図８のいずれの方法でも使用できる。
周期性のある構造物ホログラフィックプレ−ト（回折パタ−ンジェネレ−タ−）フライアイレンズ、マイクロレンズアレイの双方を含む場合は図７又は図８のいずれかの方法で使用するとよい。
【００２２】
図９は本光攪拌板の応用例で、傾いた平行平面板を光攪拌板の代わりに組み込んだ場合である。
この状態を作るには回転中心軸にレーザを入射させ、平行平面板で屈折させ、輪帯状の光を中空モータの回転によって作ることができる。輪帯光の半径は平行平面板の傾き角と厚みに依存する。
この輪帯照明光は顕微鏡対物レンズの辺縁部にレーザ光を導入し、（ガラス表面と溶液境界面で）全反射させ蛍光を発光させる（エバネッセント波励起）照明となる。図１０も本光攪拌板の応用例で、偏角プリズムを光攪拌板の代わりに組み込んだ場合を示す。
この状態を作るには回転中心軸にレーザを入射させ、偏角プリズム屈折させ、輪帯光の傾斜角を持った輪帯光を中空モータの回転によって作ることができる。輪帯光の傾き角は偏角プリズムの頂角に依存する。
このように中空モータの利用により輪帯光を攪拌できる利点と小型化及び回転中心軸に対して形状重量とも対称型とする事ができ、回転による振動を大幅に低減できる。
【００２３】
以上、本発明に係る中空モータを使用した光攪拌器の実施形態を説明したが、中空モータの駆動法として歯車駆動等他の駆動方法を使用することもできる。また、光攪拌板、およびその使用方法も例示したものに限定することなく、種々の利用形態を採用することができる。
さらに、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、小型の光攪拌器として構成することができることから、光学機械中に組み込んだり、外付けが容易に可能となる。さらに、レーザ光を容易に、少なくとも３．３ＫＨｚより低い周波数で実質的に非干渉性（インコヒ−レンス）とすることができる。この状態では広い分野で問題を引き起こしたスペックルパタ−ンが通常の検出器から完全に除去できる。若干の設定条件変更により、３０ＫＨｚより低い周波数で実質的に非干渉性（インコヒ−レンス）とすることも容易に可能である。
レーザ光を単色性の優れた、明るい光源として広く利用でき、この応用範囲は予測しがたい。
中空モータを利用したため円形小型の光攪拌板を使用できるのでモータの負荷も低く抑えられ、超高速、低振動光攪拌器が実現できる。
エア−モータ、偏平型電動モータに限らず中空モータによって、小型の光攪拌板をできるだけレーザ射出側端面に接近させ、しかも薄型光攪拌器の構造とすることにより、レーザに限らず光攪拌板からの拡がり光を無駄なくレンズで集光でき、光源像の拡大や均一化等の使用用途拡大が図れる。
モータ部を重量、形状ともに対称とし、振動を削減し、残る高周波振動をハウシング内に０リング等緩衝材で防振を計った小型光攪拌器であるので、光学機械中に組み込み、外付けが容易に可能である。
攪拌板の替わりに傾いた平行平面図や偏角プリズムを組み込むと不要な干渉縞等　を除去した状態で平行な輪帯光や傾斜角を持った輪帯光による輪帯照明を顕微鏡や露光器等の照明光学系中に形成できる。
等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る本発明の正面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ拡大断面図である。
【図３】図２中のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】コアレス偏平型電動モータを利用した本形態の断面図及び側面図である。
【図５】中空モータをＯリングで支持した例の断面図である。
【図６】光攪拌板に平行なレーザ光を入射させ、その後集光レンズ使用しない場合の通常の使い方を示す例である。
【図７】光攪拌板に平行なレーザ光を入射させ、周期性のある構造物よってできた二次光源像をその後集光レンズによって平行な光束とした使用した場合の使い方を示す例である。
【図８】光攪拌板にレーザ光を集光させ、その後にレンズ等によって平行光束利用する場合を示す図である。
【図９】本光攪拌板の応用例で、傾いた平行平面板を光攪拌板の代わりに組み込んだ場合の図である。
【図１０】本光攪拌板の他の応用例で、偏角プリズムを光攪拌板の代わりに組み込んだ場合を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　本体
２　　　　　　羽根付回転中心軸
３　　　　　　中間筒
４　　　　　　アンキュラーベアリング
５　　　　　　バネワッシャー
６　　　　　　環状のガラス保持部材
７　　　　　　段付き押さえ環
８　　　　　　光攪拌板
９　　　　　　窓ガラス
１０　　　　　エア−放射口
１１　　　　　エアー吐出口
１２　　　　　チューブ
１３　　　　　コンプレッサー
２１　　　　　外筒
２２　　　　　ヨ−ク付回転中心軸
２３　　　　　蓋付押え環
２４　　　　　アンギュラ−ベアリング
２５　　　　　コイル支持板
２６　　　　　コイル
２７　　　　　ヨ−ク
２８　　　　　マグネット
２９　　　　　光攪拌板
３０　　　　　ケ−ス
３１　　　　　バネワッシャ−
３２　　　　　ケ−ブル
３３　　　　　小ねじ
３４　　　　　なべねじ

Claims

光路内に配置する光攪拌板と、この光攪拌板をレーザビーム径に対して毎分１８００倍以上の周速度で回転する中空モータとを備え、前記光攪拌板にレーザ光を入射することによりレーザ光を実質的非干渉光に変換することを特徴とする光攪拌器。
前記中空モータはエアーモータであることを特徴とする請求項１に記載の光攪拌器。
前記中空モータは電動モータであることを特徴とする請求項１に記載の光攪拌器。
前記光攪拌板は、周期性のないランダム構造物としてレモンスキンフィルター、ビーム整形ディフューザ、および周期性のある構造物ホログラフィックプレート（回折パターンジェネレーター）フライアイレンズ、マイクロレンズアレイの双方を含んでいることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の光攪拌器。
前記中空モータ中心軸部に、傾けた平行平面ガラス円盤または楔円盤ガラスのいずれかを組み込み、高速回転により不要な干渉縞等を排除した状態で、輪帯照明を可能にしたことを特徴とするであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光攪拌器。
前記光攪拌板をできるだけレーザ射出側端面に接近させて構成したことおよび薄型としたことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の光攪拌器。
中空モータのロータ部を重量形状ともに対称に形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の光攪拌器。
高速回転する中空モータを緩衝材を介してハウジング内に支持したことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の光攪拌器。