JP2010032589A - Optical system for correcting light intensity distribution and biochip reading apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は細い平行なレーザを拡大し、均一な強度分布且つ十分な光量を得られるような光強度分布補正光学系およびこの光学系を用いたバイオチップ読取装置に関する。 The present invention relates to a light intensity distribution correcting optical system capable of obtaining a uniform intensity distribution and a sufficient amount of light by enlarging a thin parallel laser, and a biochip reader using this optical system.
光強度分布補正光学系の先行技術としては下記の特許文献が知られている。 The following patent documents are known as prior art of the light intensity distribution correcting optical system.
上記従来技術においては次のような問題があった。
1.細い平行なレーザは発散光ではないため、ビームを拡大し、強度分布を平坦にできず、光の利用効率が悪い。
The above prior art has the following problems.
1. Since a thin parallel laser is not diverging light, the beam cannot be expanded and the intensity distribution cannot be flattened, and the light utilization efficiency is poor.
従って本発明は、上記従来技術の問題点を解決するためになされたもので、
1.細い平行なレーザを拡散させる。
2.ビームの強度分布を平坦に近づける。
3.前記1.2において光利用効率が低下しないようにする。
ことにより、均一な強度分布且つ十分な光量を得られるような光学系を実現することを目的としている。
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art.
1. Diffuse a thin parallel laser.
2. The intensity distribution of the beam is made close to flat.
3. In 1.2, the light use efficiency is not lowered.
Accordingly, an object is to realize an optical system capable of obtaining a uniform intensity distribution and a sufficient amount of light.
このような課題を達成するための本発明の光学系は、請求項1においては、
ビーム径の細い平行光のレーザを用いて、ビーム径を拡大し且つ強度分布を平坦にし、光利用効率を上げることを特徴とした光強度分布補正光学系において、
少なくとも1つの前記平行光を発散光に変換する負の屈折力を持つ第1レンズ群と
前記レンズ群の後段に配置され、少なくとも1つのレンズから成る負の屈折力を持つ第2レンズ群と、
前記第2レンズ群の後段に配置され、少なくとも1つのレンズから成る正の屈折力を持つ第3レンズ群と、
を有し、
平行に出射される光源からの入射光を拡散させ、拡大しコリメートすると共に各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして出射することを特徴とする光強度分布補正光学系。
An optical system of the present invention for achieving such a problem is as follows.
In a light intensity distribution correcting optical system characterized by using a parallel beam laser with a thin beam diameter, expanding the beam diameter and flattening the intensity distribution, and improving the light utilization efficiency.
A first lens group having negative refracting power for converting at least one of the parallel light into divergent light, and a second lens group having negative refracting power, which is arranged at the rear stage of the lens group and has at least one lens;
A third lens group disposed at a subsequent stage of the second lens group and having a positive refractive power composed of at least one lens;
Have
A light intensity distribution correcting optical system characterized in that incident light from a light source emitted in parallel is diffused, magnified and collimated, and the intensity distribution of the incident light is flattened by spherical aberration of each lens group.
請求項2においては、前記第1レンズ群および前記第2レンズ群は密着していることを特徴とする請求項1に記載の光強度分布補正光学系。 The light intensity distribution correcting optical system according to claim 1, wherein the first lens group and the second lens group are in close contact with each other.
請求項3においては前記球面収差の収差量は、前記第1レンズ群の焦点距離のほぼ40%以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光強度分布補正光学系。 3. The light intensity distribution correcting optical system according to claim 1, wherein an amount of the spherical aberration is approximately 40% or more of a focal length of the first lens group.
請求項4においては、光源からの入射光を対物レンズによりバイオチップ面に照射するバイオチップ読取装置において、
請求項1から請求項3のいずれかに記載の光強度分布補正光学系を用いて前記入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして前記対物レンズに入射させることを特徴とするバイオチップ読取装置。
In claim 4, in the biochip reader that irradiates the biochip surface with the incident light from the light source by the objective lens,
4. The objective lens according to claim 1, wherein the incident light is collimated using the light intensity distribution correcting optical system according to claim 1, and the intensity distribution of the incident light is flattened by spherical aberration of each lens group. A biochip reader characterized by being made to enter.
以上説明したことから明らかなように本発明の請求項1〜4によれば、次のような効果がある。
平行な細いビーム径のレーザを試料全体が照射できるビーム径に拡大すると共にビームの強度分布を平坦にし、更に光利用効率をあげることにより、バイオチップ読取装置に適用した場合、画像の光量分布、画面の明るさを改善した光強度分布補正光学系を実現することができる。
As is apparent from the above description, according to claims 1 to 4 of the present invention, the following effects can be obtained.
When applied to a biochip reader, by expanding the laser beam with a narrow parallel beam diameter to a beam diameter that can irradiate the entire sample and flattening the intensity distribution of the beam, and further improving the light utilization efficiency, A light intensity distribution correction optical system with improved screen brightness can be realized.
図1は本発明の光強度分布補正光学系の実施形態の一例を示す要部構成図である。 FIG. 1 is a main part configuration diagram showing an example of an embodiment of a light intensity distribution correcting optical system of the present invention.
図1において、18はレーザシャッタであり、レーザ(図示省略)からの細い平行なレーザ光のオンオフを行う。19はビーム径拡大レンズで、レーザシャッタ18から所定の距離離れた箇所に配置されビーム径を放射状に拡大することにより、発散光に変換する。 In FIG. 1, a laser shutter 18 turns on and off a thin parallel laser beam from a laser (not shown). Reference numeral 19 denotes a beam diameter enlarging lens, which is disposed at a position away from the laser shutter 18 by a predetermined distance, and converts it into divergent light by radially expanding the beam diameter.
20は強度分布補正光学系であり、拡大レンズ19から所定の距離離れた箇所に配置されている。この強度分布補正光学系20は拡大レンズで発散光とされたレーザ光のガウス分布となっている光強度分布を均一化する。均一化された光はミラー3、DM4を経て照射面へ導かれる。 Reference numeral 20 denotes an intensity distribution correction optical system, which is disposed at a position away from the magnifying lens 19 by a predetermined distance. The intensity distribution correcting optical system 20 uniformizes the light intensity distribution which is a Gaussian distribution of the laser light diverged by the magnifying lens. The uniformized light is guided to the irradiation surface through the mirror 3 and DM4.
図2は本発明で用いる光強度分布補正光学系の一例を示す構成図である。なお、この光強度分布補正光学系の構成は特開平2006−317508に開示されている。 FIG. 2 is a block diagram showing an example of a light intensity distribution correcting optical system used in the present invention. The configuration of this light intensity distribution correcting optical system is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-317508.
図2に強度分布補正光学系20の詳細を示す。図において光源30は図1に示す拡大レンズ19を透過したレーザからの発散光である。第1凸レンズ31は、発散光を正の屈折力により光束を光軸側に屈折させてビーム径を絞りながら凹レンズ32に入射させる。凹レンズ32は、第1凸レンズ31の出射光を負の屈折力により光束を外側に屈折させてほぼ平行光にする。 FIG. 2 shows details of the intensity distribution correcting optical system 20. In the figure, a light source 30 is diverging light from a laser beam transmitted through the magnifying lens 19 shown in FIG. The first convex lens 31 causes the diverging light to be refracted by the positive refractive power toward the optical axis side and enter the concave lens 32 while reducing the beam diameter. The concave lens 32 refracts the light emitted from the first convex lens 31 to the outside with a negative refractive power so as to be almost parallel light.
各レンズの球面収差は、光源から出力された際の光強度のガウス分布を平坦な光強度分布にする。なお、それぞれのレンズ群は、1枚のレンズに限らず、複数のレンズにより構成しても良い。 The spherical aberration of each lens makes the Gaussian distribution of light intensity when output from the light source a flat light intensity distribution. Each lens group is not limited to a single lens, and may be composed of a plurality of lenses.
このことを図3を用いて説明する。図3は、レンズの球面収差を説明する説明図である
図3(a)において、凸レンズ34では、球面収差により、その外周側に入射する光束はレンズ近くの焦点距離f1に収束し、内周に入射する光束はf1よりも遠い焦点距離f2に収束する。
This will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the spherical aberration of the lens. In FIG. 3A, in the convex lens 34, the light beam incident on the outer peripheral side of the convex lens 34 converges to the focal length f1 near the lens due to the spherical aberration. Is converged to a focal length f2 farther than f1.
図3(b)において、凹レンズ35では、球面収差により、その外周側に入射する光束は、広がり角が大きく、内周に入射する光束は広がり角が小さい。図3(b)において焦点距離f3,f4は、平行光が入射した際の発散する光束の延長線(破線)が収束する点までの距離である。この焦点距離が、球面収差により、凹レンズ35の外周では短く(f3)、内周では遠くなる(f4)。 In FIG. 3B, in the concave lens 35, due to spherical aberration, the light beam incident on the outer peripheral side has a large spread angle, and the light beam incident on the inner periphery has a small spread angle. In FIG. 3B, the focal lengths f3 and f4 are distances to the point where the extension line (broken line) of the diverging light beam when parallel light enters is converged. This focal length is short (f3) on the outer periphery of the concave lens 35 and far (f4) on the inner periphery due to spherical aberration.
図2に戻り、第1凸レンズ31では、球面収差により、光強度の高い中心部の光束は平行に近くなり、光強度の弱い周辺部の光束は中心部に集められる。
また、凹レンズ32は、第1凸レンズ31でビーム径全体が絞られるため、凹レンズ32の内側にビームが入射するので凹レンズ32の球面収差は弱くなり、ビーム全体を平行光に近くすると共に光強度分布を平坦にすることができる。
Returning to FIG. 2, in the first convex lens 31, due to spherical aberration, the light beam in the central part with high light intensity becomes nearly parallel, and the light beam in the peripheral part with low light intensity is collected in the central part.
In addition, since the entire diameter of the concave lens 32 is reduced by the first convex lens 31, the beam is incident on the inside of the concave lens 32, so that the spherical aberration of the concave lens 32 is weakened, and the entire beam becomes close to parallel light and the light intensity distribution. Can be flattened.
第2凸レンズ33は、絞られたビーム径を拡大することでズーミングを可能にする。なお、実際には、第1凸レンズ31、凹レンズ32および第2凸レンズ33の球面収差を組み合わせて、より均一な光強度分布を実現している。この場合、球面収差量としては、第1凸レンズ31において、その合成焦点距離のほぼ40%以上あれば、このような効果を得ることができる。 The second convex lens 33 enables zooming by enlarging the narrowed beam diameter. Actually, a more uniform light intensity distribution is realized by combining the spherical aberrations of the first convex lens 31, the concave lens 32 and the second convex lens 33. In this case, if the spherical aberration amount is approximately 40% or more of the combined focal length of the first convex lens 31, such an effect can be obtained.
図4は、上述における光強度分布補正の効果を表した図である。
図4(a),(b)において、縦軸はビームの相対強度を示し、横軸はビーム径を示している。なお、この例では図2の光源30の位置にNA=0.09の光ファイバ端面からの発散光を用いた例を示している。
FIG. 4 is a diagram showing the effect of the light intensity distribution correction described above.
4A and 4B, the vertical axis indicates the relative intensity of the beam, and the horizontal axis indicates the beam diameter. In this example, divergent light from the optical fiber end face with NA = 0.09 is used at the position of the light source 30 in FIG.
図4(a)は、光強度分布補正前のビームの強度分布(ガウス分布)であって、ビームの中心に強度のピークがあり、周辺になるほど強度が減衰していく様子がわかる。
これに対して、図4(b)は、光強度分布補正後の分布であって、光強度は、ビームの中心からの距離aで急峻に減衰しているが、必要な視野2aの内部では、その分布がほぼ均一に補正されていることが分かる。
FIG. 4A shows the intensity distribution (Gaussian distribution) of the beam before correction of the light intensity distribution, in which there is an intensity peak at the center of the beam, and the intensity is attenuated toward the periphery.
On the other hand, FIG. 4B shows a distribution after correction of the light intensity distribution, and the light intensity is sharply attenuated at a distance a from the center of the beam, but in the necessary field of view 2a. It can be seen that the distribution is corrected almost uniformly.
また、光強度分布を補正した場合でも、ビーム強度のピーク(ビームの中心)と、そこからの距離aにおけるビーム強度の差で示したシェーディングSの値は、ほぼ同一といえる。
この結果からビーム強度分布は、許容できるシェーディングS以内に平坦化された状態であって、アパーチャ(視野径2a)への入射効率は、補正前ではファイバからの出射光量のおよそ22%であったものが、補正後にはおよそ58%となり、2.6倍に改善されることが確認されている。
Even when the light intensity distribution is corrected, it can be said that the value of the shading S indicated by the difference in beam intensity at the distance a from the peak of the beam intensity (the center of the beam) is almost the same.
From this result, the beam intensity distribution is flattened within the allowable shading S, and the incident efficiency to the aperture (field diameter 2a) is approximately 22% of the amount of light emitted from the fiber before correction. It has been confirmed that this is about 58% after correction, which is improved by 2.6 times.
以上のように、球面レンズ3枚で発散光をコリメートすると共に、光強度分布を必要な視野内では平坦に補正することができる。 As described above, the divergent light can be collimated by the three spherical lenses, and the light intensity distribution can be corrected to be flat within a necessary visual field.
図5は、本発明の光強度分布補正光学系を用いたバイオチップ読取装置における光学系の構成を示す図である。
図5に示すように、本実施形態のバイオチップ読取装置は、透明なバイオチップ100の表面110に励起光を照射する本発明の光強度分布補正光学系を用いた照明光学系200と、この照明光学系200により照射された励起光に基づく蛍光像を結像させる結像光学系300と、を備える。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an optical system in a biochip reader using the light intensity distribution correcting optical system of the present invention.
As shown in FIG. 5, the biochip reader of the present embodiment includes an illumination optical system 200 using the light intensity distribution correction optical system of the present invention that irradiates excitation light onto the surface 110 of a transparent biochip 100, and this An imaging optical system 300 that forms a fluorescent image based on the excitation light irradiated by the illumination optical system 200.
バイオチップ100の表面110には、複数のセルが2次元配置され、各セルに蛍光試料が注入される構造となっている。 A plurality of cells are two-dimensionally arranged on the surface 110 of the biochip 100, and a fluorescent sample is injected into each cell.
照明光学系200の後段にはマイクロレンズ123aが形成された透明な回転板123が備えられている。回転板123はモータ124の回転軸125に取り付けられ、モータ124の駆動力により回転される。照明光学系200からの平行光が回転板123に入射すると、各マイクロレンズ123aはそれぞれレーザ光を集光してバイオチップ100を照射する。 A transparent rotating plate 123 in which a microlens 123a is formed is provided at the subsequent stage of the illumination optical system 200. The rotating plate 123 is attached to the rotating shaft 125 of the motor 124 and is rotated by the driving force of the motor 124. When the parallel light from the illumination optical system 200 enters the rotating plate 123, each microlens 123a collects the laser light and irradiates the biochip 100.
モータ124により回転板123を回転させると、バイオチップ100の表面110が各マイクロレンズ123aで絞られた励起光ビームにより走査される。マイクロレンズ123aは、その各ビームがバイオチップ100の各セルを個別に走査できるような空間位置関係で回転板123上に配置されている。このような構成により、スペックルのノイズの発生を防ぐことができる。 When the rotating plate 123 is rotated by the motor 124, the surface 110 of the biochip 100 is scanned by the excitation light beam narrowed by each microlens 123a. The microlens 123a is arranged on the rotating plate 123 in a spatial positional relationship so that each beam can individually scan each cell of the biochip 100. With such a configuration, generation of speckle noise can be prevented.
結像光学系300は、レンズ131と、励起光を除去し蛍光のみを選択的に透過させるバリアフィルタ132と、対物レンズ133と、を備える。励起光により励起されたバイオチップ100のセルからの蛍光は、レンズ131、バリアフィルタ132、対物レンズ133を介して受光器114に入射し、受光器114に結像を結ぶ。
The imaging optical system 300 includes a lens 131, a barrier filter 132 that removes excitation light and selectively transmits only fluorescence, and an objective lens 133. The fluorescence from the cell of the biochip 100 excited by the excitation light enters the light receiver 114 through the lens 131, the barrier filter 132, and the objective lens 133, and forms an image on the light receiver 114.
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention.
Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.
3 ミラー
4 DM(ダイクロイックミラー)
18 レーザシャッタ
19 ピーム拡大レンズ
20 光強度分布補正光学系
31 第1凸レンズ
32 凹レンズ
33 第2凸レンズ
34 凸レンズ
35 凹レンズ
100 バイオチップ
110 バイオチップの表面
114 受光器
123 回転板
123a マイクロレンズ
124 モータ
125 回転軸
131 レンズ
132 バリアフィルタ
133 対物レンズ
200 照明光学系
300 結像光学系
3 Mirror 4 DM (Dichroic Mirror)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Laser shutter 19 Beam expansion lens 20 Light intensity distribution correction | amendment optical system 31 1st convex lens 32 Concave lens 33 2nd convex lens 34 Convex lens 35 Concave lens 100 Biochip 110 The surface of a biochip 114 Light receiver 123 Rotating plate 123a Micro lens 124 Motor 125 Rotating shaft 131 Lens 132 Barrier Filter 133 Objective Lens 200 Illumination Optical System 300 Imaging Optical System
Claims (4)
少なくとも1つの前記平行光を発散光に変換する負の屈折力を持つ第1レンズ群と
前記レンズ群の後段に配置され、少なくとも1つのレンズから成る負の屈折力を持つ第2レンズ群と、
前記第2レンズ群の後段に配置され、少なくとも1つのレンズから成る正の屈折力を持つ第3レンズ群と、
を有し、
平行に出射される光源からの入射光を拡散させ、拡大しコリメートすると共に各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして出射することを特徴とする光強度分布補正光学系。 In a light intensity distribution correcting optical system characterized by using a parallel beam laser with a thin beam diameter, expanding the beam diameter and flattening the intensity distribution, and improving the light utilization efficiency.
A first lens group having negative refracting power for converting at least one of the parallel light into divergent light, and a second lens group having negative refracting power, which is arranged at the rear stage of the lens group and has at least one lens;
A third lens group disposed at a subsequent stage of the second lens group and having a positive refractive power composed of at least one lens;
Have
A light intensity distribution correcting optical system characterized in that incident light from a light source emitted in parallel is diffused, magnified and collimated, and the intensity distribution of the incident light is flattened by spherical aberration of each lens group.
請求項1から請求項3のいずれかに記載の記載の光強度分布補正光学系を用いて前記入射光をコリメートすると共に、各レンズ群の球面収差により前記入射光の強度分布を平坦にして前記対物レンズに入射させることを特徴とするバイオチップ読取装置。 In a biochip reader that irradiates the biochip surface with incident light from a light source by an objective lens,
The incident light is collimated using the light intensity distribution correcting optical system according to any one of claims 1 to 3, and the intensity distribution of the incident light is flattened by spherical aberration of each lens group. A biochip reader characterized by being incident on an objective lens.
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