JP2008039477A

JP2008039477A - 光検出装置

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Publication number: JP2008039477A
Application number: JP2006211238A
Authority: JP
Inventors: Shigeyuki Furuta; 繁之古田; Yasushi Hayashi; 泰志林; Takayuki Ando; 孝幸安藤
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-21

Abstract

【課題】選択的に測定される微弱な光を精度良く検出すること。
【解決手段】複数の光ファイバ１０端面を円環状に配列変換する配列変換アレイ１２と、孔１４ａを光ファイバ端面に対応して移動させて該光信号を選択出力する信号切替機構１４と、光信号を所定量減衰させる光減衰機構１５と、光信号を検出する光電子増倍管１７と、光減衰機構１５と光電子増倍管１７との間に設けられた遮光筒１６と、配列変換アレイ１２と信号切替機構１４とを接続するコネクタ１３と、光電子増倍管１７に対する電気的接続を行う電気コネクタ１８と、コネクタ１３，電気コネクタ１８を外部接続可能状態にし、かつ信号切替機構１４、光減衰機構１５、遮光筒１６、および光電子増倍管１７を覆って遮光する暗箱２０とを備え、各光ファイバ端面から出力された光の広がりが光電子増倍管１７の受光面にほぼ一致する距離となるように配列変換アレイ１２と光電子増倍管１７とが配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、フローサイトメータなどのバイオ計測分野で計測される微弱な光を計測することができる光検出装置に関するものである。

従来から、バイオ計測分野の計測装置では、同時に発光している複数の発光体からの光を検出する光検出装置が用いられる。この光検出装置は、検出器１つに対して光スイッチを用いて入力される光信号を切り替えたり、１つだけ穴があいた遮光板をもちいて空間的に入力される光信号を切り替えることによって、複数の発光体からの光を選択的に検出するようにしていた（特許文献１，２参照）。

特開２００１−３３７０８３号公報実開昭６２−１０６５２号公報

しかしながら、従来の光スイッチを用いた光検出装置では、光スイッチ部分によって光が減衰してしまい、蛍光光子数を計測する場合には、この微弱な光を精度良く検出することができないという問題点があった。

また、遮光板を用いた光検出装置の場合、遮光した光が遮光板で反射し、迷光となって検出器に入射し、ノイズ成分が増大し、精度の高い光検出を行うことができないという問題点があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、選択的に測定される微弱な光を精度良く検出することができる光検出装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる光検出装置は、複数の光導波路から同時に出射される光信号を選択的に切り替えて検出する光検出装置であって、前記複数の光導波路端を配列変換する配列変換アレイと、各光導波路端から出射された光信号を通過させる孔を設け該孔を前記光導波路端に対応して移動させて所定の光信号を選択出力する信号切替機構と、前記信号切替機構から出力された光信号を検出する光検出器と、前記信号切替機構と前記光検出器との間に設けられ、前記信号切替機構から出力された前記光信号を前記光検出器に伝達する遮光空間を形成する遮光部と、前記配列変換アレイと前記信号切替機構とを接続するコネクタ部と、前記コネクタ部を外部接続可能状態にし、かつ前記信号切替機構、前記遮光部、および前記光検出器を覆って遮光する暗箱筐体と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光検出器は、移動可能であり、該光検出器を移動させて各光導波路端と該光検出器の受光面との間の距離を調整することを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光導波路は、光ファイバであり、該光ファイバのコア径あるいは開口数を変化させて前記距離を調整することを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光検出器は、前記各光導波路端と前記光検出器の受光面との間の距離が最適となるように固定されていることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、各光導波路端は、光導波方向に対して垂直にカットあるいは研磨され、前記配列変換アレイ内の各光導波路は、前記光検出器の受光面中央部近傍に向くように配置されることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、各光導波路端は、光導波路端から出力された光が前記光検出器の受光面中央部近傍に向くように斜めにカットあるいは研磨されることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記信号切替機構の孔は、前記光導波路端の径に比して大きく、かつ隣接する光導波路端からの光を受けない範囲の大きさであることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記暗箱筐体内の前記信号切替機構と前記遮蔽部との間に、前記信号切替機構から出力された光信号を所定量減衰させる光減衰機構を設け、前記光検出器は、前記光減衰機構から出力された光信号を検出することを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光減衰機構は、光学フィルタを用いて前記光信号を減衰させることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光減衰機構は、孔の口径の小さくすることによって前記光信号を減衰させることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記光導波路端と前記光検出器との距離を調整することによって前記光信号を減衰させることを特徴とする。

また、この発明にかかる光検出装置は、上記の発明において、前記信号切替機構は、少なくとも前記光信号を受ける部分を光吸収材および／または凹凸形状によって形成して光を吸収させることを特徴とする。

この発明にかかる光検出装置は、暗箱筐体および遮光部による二重遮光を行ってノイズ成分を減らしているので、精度の高い光検出を行うことができるという効果を奏する。

以下、この発明を実施するための最良の形態である光検出装置について、図面を参照して説明する。

（実施の形態）
図１は、この発明の実施の形態である光検出装置の概要構成を模式的に示す斜視図である。また、図２は、図１に示した光検出装置の断面図である。さらに、図３は、図１に示した光検出装置の動作原理の概要を模式的に示す斜視図である。図１〜図３において、細胞などの発光体３０から発する蛍光などの光は、複数の光ファイバ１０からなる光ファイバ群１１を光導波路として伝達される。光ファイバ群１１の発光体３０側は、コネクタ３１によって把持され、光を検出する光電子増倍管１７側は、配列変換アレイ１２によって把持される。配列変換アレイ１２は、コネクタ３１側の平行配置された各光ファイバ１０の配列を、光電子増倍管１７側において軸支穴２３ａを中心に、円環状に配列変換する。

配列変換アレイ１２は、コネクタ１３に接続され、配列変換アレイ１２から出力される光は、信号切替機構１４によって選択され、さらに光減衰機構１５によって減衰された後、遮光筒１６を介して光電子増倍管１７に出力される。光電子増倍管１７によって検出された光は、電気コネクタ１８を介して光電気信号として出力される。なお、電気コネクタ１８は、図示しない電源供給線と入出力信号線を備えた外部コネクタが接続されており、外部電源から光電子増倍管１７に対する電源供給を行うコネクタでもある。また、電気コネクタ１８を介して出力された光電気信号は、その後、増幅処理およびＡ／Ｄ変換処理などが施され、各種演算処理などが行われる。なお、電気コネクタ１８を設けずに、電源供給線と入出力信号線を光電子増倍管１７に直接接続するようにしてもよい。

配列変換アレイ１２とコネクタ１２との接続は、配列変換アレイ１２側の軸支穴２３ａに、信号切替機構１４および光減衰機構１５の軸２３が挿入されることによって、配列変換アレイ１２とコネクタ１３との中心位置が固定され、配列変換アレイ１２の外周に設けられたリブ１２ａがコネクタ１３側の内周に設けられたリブ受け１３ａに挿入されることによって、配列変換アレイ１２とコネクタ１３との周方向位置が固定される。

信号切替機構１４は、円板状に形成され、その周囲に歯車が形成され、軸２３を中心に回転可能に配置され、軸２３中心から、軸支穴２３ａと円環状に配置された光ファイバ端面１０ａとの半径方向の距離分離隔した位置に１つの孔１４ａが設けられる。この孔１４ａは、光ファイバ端面１０ａの径よりも、やや大きな径であって、円環状に配置された隣の光ファイバ端面１０ａに重複しない径である。すなわち、信号切替機構１４は、この孔１４ａによって１つの光ファイバ端面１０ａからの光のみを選択して透過させるようにしている。なお、信号切替機構１４の光があたる部分の表面は、光反射率の低い材質で形成し、さらには、その表面に微細な凹凸をつけてざらざらな面に形成することによって光を吸収し、迷光の発生を防止することが好ましい。

光減衰機構１５は、信号切替機構１４とほぼ同じ形状をなし、必要に応じて信号切替機構１４の背面に密着配置される。光減衰機構１５は、信号切替機構１４とは別個独立に回転制御される。光減衰機構１５は、信号切替機構１４によって選択された光を減衰させることによってダイナミックレンジを広くしている。すなわち、小さな光量の光に対しては光減衰量を小さくあるいは零とし、大きな光量の光に対しては光減衰量を大きくすることによって、光電子増倍管１７が検出できる光のダイナミックレンジを広くしている。なお、光減衰機構１５による光減衰は、同じ径の複数孔を円環状に設け、各孔に光減衰率の異なるフィルタを設けるようにしてもよいし、径の異なる複数孔を円環状に設け、径の異ならせることによる光通過量の制限によって減衰量を調整するようにしてもよい。また、これらフィルタと異なる径との組み合わせであってもよい。なお、これらの減衰量の間隔は、光電子増倍管１７の光検出範囲以内であることが好ましい。また、光電子増倍管１７または光ファイバ端面１０ａを移動できるようにしておき、光電子増倍管１７と光ファイバ端面１０ａの距離を変更することにより減衰量を調整するようにしても良い。

信号切替機構１４および光減衰機構１５は、上述したように外周に歯車が形成され、それぞれギア２４，２５に歯合し、ギア２４，２５は、それぞれモータ２１，２２によって回転される。図示しないモータ駆動部による各モータ２１，２２の駆動制御によってギア２４，２５の回転量が制御され、所望の光ファイバ端面１０ａの位置に対応した位置に孔１４ａを配置することによって所望の光を選択することができ、さらにこの孔１４ａの位置に、フィルタあるいは異なる径の孔を配置させることによって所望量の光減衰を行うことができる。なお、信号切替機構１４および光減衰機構１５は、金属で形成してもよいし、樹脂によって形成してもよい。

遮光筒１６は、筒状に形成され、光減衰機構１５と光電子増倍管１７との間に光が伝達する筒状の内部空間を形成する。遮光筒１６は、金属あるいは樹脂によって形成され、遮光筒１５の内部および外部は、黒色の塗料によって着色される。また、遮光筒１６の光電子増倍管１７側と光電子増倍管１７の遮光筒１６側とは螺合するように形成され、光電子増倍管１７を回転することによって、光ファイバ端面１０ａと光電子増倍管１７の受光面との距離を調整することができる。また、遮光筒１６と光電子増倍管（光検出器）１７を移動させることによって光ファイバ端面１０ａと光電子増倍管１７の受光面との距離を調整しても良い。

図４−１に示すように、光電子増倍管１７の受光面と光ファイバ端面１０ａとの間の距離によって光電子増倍管１７が受光する光量は変化し、最も光量が多い、すなわち感度が高くなる距離が存在する。これは、光ファイバ端面１０ａから出射された光の広がりと受光面１７ａの面積に関係する。模式的に説明すると、図５に示すように、光ファイバ端面１０ａから出射された光の広がりと受光面１７ａの面積とが一致したとき効率の良い受光がなされるのに対して、光ファイバ端面１０ａと受光面１７ａとの間の距離が近いと受光面１７ａの面積に比して入射した光の広がりが小さすぎ、逆に距離が遠いと受光面１７ａの面積に比して入射した光の広がりが大きくなり、いずれの場合にも効率のよい受光がなされないからである。図４に示す例では、１７ｍｍ近傍が最も感度が高い距離であり、この距離になるように光電子増倍管１７を移動して距離を調整すればよい。なお、遮光筒１６内に集光レンズ等の光学系を設けるようにしてもよい。この場合、集光レンズを介した光学距離が、上述した距離となるため、これを考慮した距離となるように光電子増倍管１７を移動する必要がある。感度の高い距離に設定したら、この距離を保つように光電子増倍管１７が移動しないように固定することが好ましい。また、集光レンズは、光ファイバ端面１０ａと光電子増倍管１７の受光面１７ａとの間であれば、任意の場所に設けてよい。なお、検出器と離す距離は、検出器の受光面積と関係するので、検出器の受光面積が変われば、離す距離もかわる。そこで、光の広がりと受光面積との比で考えると、図４−１より、感度のピークは、ある程度幅を持っているので、受光面１７ａでの光の広がり（光の当たる面積）が、受光面１７ａの面積の４０％以上とすることが好ましく、７０％以上とするとさらに好ましい。受光面積比が４０％以上になるように前記の距離を調整すると、図４−２に示すように、受光効率が顕著に向上する。受光面積比が７０％以上の範囲では感度が高原状態となるので、前記距離の変動の影響が小さくなる利点もある。

なお、上述したコネクタ１３，電気コネクタ１８，信号切替機構１４、光減衰機構１５、ギア２４，２５、遮光筒１６、および光電子増倍管１７は、暗箱２０内に収容され、モータ２１，２２は、暗箱２０の外部に設けられる。なお、コネクタ１３，電気コネクタ１８は、外部接続可能な状態で暗箱２０に設けられる。光検出部である光電子増倍管１７のみが電気コネクタ１８を介して暗箱２０内に収容されるため、電気的なノイズ混入を防止することができる。暗箱２０は、金属あるいは樹脂によって形成され、コネクタ１３、電気コネクタ１８、モータ２１，２２とギア２４，２５との連結部以外は、この暗箱２０によって遮光された内部空間を形成し、内側は、黒色の塗料によって着色されている。また、暗箱２０は、電気的な接地がなされている。なお、暗箱２０内に上述した遮光筒１６が設けられるため、暗箱の二重構造が形成され、光ノイズの混入を一層排除することができる。

この暗箱２０のコネクタ１３に配列変換アレイ１２を接続し、電気コネクタ１８に光検出処理系および電源供給系を接続することによって光測定を行うことができる。なお、暗箱１７は、たとえば、フローサイトメータ内に組み込まれた光検出器として用いられる。

ここで、図６および図７を参照して全ての光ファイバ端面１０ａから出射された光が受光面１７ａに対して最適な位置関係となって出射される光ファイバ端面１０ａの形状について説明する。図６に示すように、光ファイバ端面１０ａが光ファイバ１０の光導波方向に対して垂直にカットあるいは研磨されている場合、配列変換アレイ１２内の各光ファイバ１０の配置を、光ファイバ１０の光導波方向が受光面１７ａの中央もしくは中心部近傍に向くように斜め配置する。この斜めの角度は、上述した光ファイバ端面１０ａと受光面１７ａとの間の最適距離に依存する。なお光ファイバ端面における光量ロスが0.5ｄB以下にカットまたは研磨されているとなお良い。

また、図７に示すように、光ファイバ端面１０ａが光ファイバ１０の光導波路方向に対して斜めにカットあるいは研磨される場合、この斜めにカットあるいは研磨された光ファイバ端面１０ａの法線が受光面１７ａの中央もしくは中心部近傍に向くように配置すればよい。この場合における光ファイバ端面１０ａの角度も、上述した光ファイバ端面１０ａと受光面１７ａとの間の最適距離に依存する。

いずれの場合でも、各光ファイバ端面１０ａから出射された光が、１つの受光面１７ａの中心に向くように形成されるので、最適位置関係が形成されるとともに、各光ファイバ端面１０ａから出射される光の検出ばらつきが少なくなり、測定の安定性を増すことができる。

なお、上述したように、光ファイバ端面１０ａと受光面１７ａとの間に光の出射方向を変える光学系を設けるようにしてもよい。また、光ファイバ端面１０ａと受光面１７ａとの間の距離は、集光レンズなどを用いて調整してもよいと言及したが、光ファイバのコア径あるいは開口数（Ｎ／Ａ数）を小さくして距離を調整するようにしてもよい。

なお、受光面１７ａの形状は、円形であることが好ましく、円形であることを前提に述べたが、形状は任意であり、たとえば、矩形であってもよい。

また、上述した実施の形態の配列変換アレイ１２の光ファイバ端面１０ａは、軸支穴２３ａを中心にして円環状に配置されるようにしていたが、図８に示すように円環状の配置を二重（二列）にしてもよい。図８では、円ＣＡ上に光ファイバ端面１０ａが配置され、この円ＣＡの内側に設けた同心円である円ＣＢに沿ってさらに円環上に配置された光ファイバ端面１０ｂを設けている。図８ａでは、２列としたが、ファイバをＮ重（Ｎ列）にしても良い。

これは、光ファイバ端面１０ａを多く配置すると、隣接する各光ファイバ端面１０ａ間の距離が縮まり、最終的には隣接する各光ファイバ端面１０ａ間がつながってしまい、隣接する各光ファイバ端面１０ａからの光が干渉してしまう。そこで、光ファイバ端面１０ａが配置される円ＣＡを大きくとればよいが、小型化を阻害することになる。そこで、図８に示すように、隣接する光ファイバ端面１０ａ間であって円ＣＡに比して小さい円ＣＢ上に光ファイバ端面１０ｂを配置すれば、光ファイバ端面間からの光の干渉が生じないように密に光ファイバ端面を配置することができる。

この場合、信号切替機構１４および光減衰機構１５に対応する信号切替機構５４および光減衰機構５５は、軸２３を中心にした円ＣＡ，ＣＢに対応した半径を有する２つの孔を設ける必要がある。また、ファイバがＮ重（Ｎ列）の時は、孔もＮ個設ける必要がある。

さらに、光ファイバ端面は、光ファイバ端面１０ａ，１０ｂのように、円環状に配置されるものには限らない。たとえば、図９に示すように、円弧状に配置した光ファイバ端面１０ｃを有した配列変換アレイ６２としてもよい。

また、図１０に示すように、格子状に配置された光ファイバ端面１０ｄとしてもよい。この場合、信号切替機構７４および光減衰機構７５は、回転をせず、上下移動および直線移動を行って、選択すべき光ファイバ端面１０ｄの位置に、信号切替機構７４および光減衰機構７５に設けた孔の位置を合わせるようにする。より確実に光を検出器に導く為にレンズ等を使ってもよい。

さらに、この場合、信号切替機構７４および光減衰機構７５を光電子増倍管１７側に固定し、図１１に示すように、光電子増倍管１７自体を上下移動および直線移動を行わせるようにしてもよい。

また、図１２に示すように、光ファイバ端面を直線状に配置し、この光ファイバ端面と光電子増倍管１７との間に信号切替機構８４および光減衰機構８５を独立して固定し、信号切替機構８４および光減衰機構８５に設けられた孔を介して光ファイバ端面からの光を選択できるように、光電子増倍管１７を直線移動させるようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態では、光ファイバ群１１の各光ファイバ１０が、ほぼ平行に配列され、コネクタ３１，１２間で一対一に対応して配置されているが、これに限らず、光ファイバ１０が交差して配置してもよい。要は、コネクタ１２側において選択される光ファイバ１０におけるコネクタ３１側の配置位置がわかっていればよい。

この発明の実施の形態である光検出装置の概要構成を模式的に示す斜視図である。図１に示した光検出装置の断面図である。図１に示した光検出装置の動作原理の概要を模式的に示す斜視図である。光電子増倍管と光ファイバ端面との間の距離に対する光電子増倍管が検出する光量の関係を示す図である。受光面積比に対する光電子増倍管が検出する光量の関係を示す図である。光ファイバ端面と光電子増倍管の受光面との位置関係を模式的に示す斜視図である。光ファイバ端面が光導波方向に対して垂直にカットあるいは研磨された場合における光ファイバと受光面との関係を示す図である。光ファイバ端面が光導波方向に対して斜めにカットあるいは研磨された場合における光ファイバと受光面との関係を示す図である。光ファイバ端面を円環状に二重配置した一例を示す図である。光ファイバ端面を円弧状に配置した一例を示す図である。光ファイバ端面を格子状に配置した光検出装置の一例を示す図である。光ファイバ端面を格子状に配置し、光電子増倍管を移動させて光検出を行う光検出装置の一例を示す図である。光ファイバ端面を直線状に配置した場合の光検出装置の一例を示す図である。

符号の説明

１光検出装置
１０光ファイバ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ光ファイバ端面
１１光ファイバ群
１２，５２，６２，７２，８２配列変換アレイ
１２ａリブ
１３コネクタ
１３ａリブ受け
１４，５４，７４，８４信号切替機構
１４ａ孔
１５，５５，７５，８５光減衰機構
１６遮光筒
１７光電子増倍管
１８電気コネクタ
２１，２２モータ
２３軸
２３ａ軸支穴
２４，２５ギア

Claims

複数の光導波路から同時に出射される光信号を選択的に切り替えて検出する光検出装置であって、
前記複数の光導波路端を配列変換する配列変換アレイと、
各光導波路端から出射された光信号を通過させる孔を設け該孔を前記光導波路端に対応して移動させて所定の光信号を選択出力する信号切替機構と、
前記信号切替機構から出力された光信号を検出する光検出器と、
前記信号切替機構と前記光検出器との間に設けられ、前記信号切替機構から出力された前記光信号を前記光検出器に伝達する遮光空間を形成する遮光部と、
前記配列変換アレイと前記信号切替機構とを接続するコネクタ部と、
前記コネクタ部を外部接続可能状態にし、かつ前記信号切替機構、前記遮光部、および前記光検出器を覆って遮光する暗箱筐体と、
を備えたことを特徴とする光検出装置。
前記光検出器は、移動可能であり、該光検出器を移動させて各光導波路端と該光検出器の受光面との間の距離を調整することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記光導波路は、光ファイバであり、該光ファイバのコア径あるいは開口数を変化させて前記距離を調整することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
前記光検出器は、前記各光導波路端と前記光検出器の受光面との間の距離が最適となるように固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
各光導波路端は、光導波方向に対して垂直にカットあるいは研磨され、前記配列変換アレイ内の各光導波路は、前記光検出器の受光面中央部近傍に向くように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光検出装置。
各光導波路端は、光導波路端から出力された光が前記光検出器の受光面中央部近傍に向くように斜めにカットあるいは研磨されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光検出装置。
前記信号切替機構の孔は、前記光導波路端の径に比して大きく、かつ隣接する光導波路端からの光を受けない範囲の大きさであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光検出装置。
前記暗箱筐体内の前記信号切替機構と前記遮蔽部との間に、前記信号切替機構から出力された光信号を所定量減衰させる光減衰機構を設け、
前記光検出器は、前記光減衰機構から出力された光信号を検出することを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記光減衰機構は、光学フィルタを用いて前記光信号を減衰させることを特徴とする請求項８に記載の光検出装置。
前記光減衰機構は、孔の口径の小さくすることによって前記光信号を減衰させることを特徴とする請求項８に記載の光検出装置。
前記光導波路端と前記光検出器との距離を調整することによって前記光信号を減衰させることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
前記信号切替機構は、少なくとも前記光信号を受ける部分を光吸収材および／または凹凸形状によって形成して光を吸収させることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。