JP2010156680A - 温度補償されている分光器及び光学機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光が出射する出射部と、出射部の光出射側に配置された分散素子と、分散素子による分散光が入射する入射部と、出射部と入射部との間に配置され、分散光の入射部への入射角度が使用温度範囲内の温度変化に対してほぼ一定になるような温度補償素子と、を備える。また、光学機器は、このような温度補償されている分光器を有している。
【選択図】図1
Description
θ1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する角度、
θ2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する角度、
Δθは、使用温度範囲内の温度変化による角度θ1の変化量である。
前記温度補償素子は屈折率np、屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなり、
以下の数式(6)、(7)を同時に満たすことが望ましい。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7)
前記出射部と前記分散素子との間に配置された光学系と、
前記分散素子と前記入射部との間に配置された光偏向部材と、
を備え、
前記光偏向部材は複数の偏向素子で構成され、
前記複数の偏向素子は、互いに独立して制御可能であることを特徴とする。
y1は、波長λ1の信号光が前記入射部に到達する位置、
y2は、波長λ2の信号光が前記入射部に到達する位置、
Δyは、前記使用温度範囲内の温度変化による位置y1の変化量である。
図5において、頂角が34度、入射面201aに対して12度入射で、かつ出射面201bに対して12度出射となるような媒質や格子本数を考えてみる。
また、分散素子200の波長分解能Rは、次の数式(5)を満たしていることが望ましい。
本発明の第1実施形態に係る分光器及び光学機器について説明する。本光学機器は、顕微鏡(走査型光学顕微鏡装置)の蛍光検出系である。
グレーティング23としては、図5、図6の分散素子200と同様の構成の分散素子を用いる。
なお、集光レンズ24は、シリンドリカルレンズ等スペクトル分解方向に屈折力を有する光学系との置き換えも可能である。
偏向プリズム12の材質とグレーティング23の材質は同じであることが望ましい。具体的にはシリコンが望ましい。シリコンは屈折率nが通常のガラス屈折率に比べて大きく、かつ、 屈折率の温度係数の絶対値|dn/dT|も通常のガラスのそれに比べて大きい。したがってシリコンを材質としてグレーティングを構成すると、温度変化が起きたときに分散角や射出の方向が大きく変わるという問題がある。ところが偏向プリズム12とグレーティング23が同じ材質だとシリコンの屈折率の変化をキャンセルできる。
つまり、温度変化が起きたときでも分散角や射出の方向を変えないようにすることができる。偏向プリズム12はコリメートレンズ22とグレーティング23の間に配置される。また、偏向プリズム12の具体的な形状は図8の710か図9の810に示したようなプリズム形状である。
さらには、偏向プリズム12の材質とグレーティング23の材質は異なっていてもかまわない。
温度補償素子は屈折率np、 屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなるプリズムであるとする。また、グレーティング23は屈折率nG、 屈折率の温度係数dnG/dTの媒質からなるとする。
例えばプリズムの媒質をSchott製のSF4、グレーティングの媒質をSchott製のNFK5とするときには、温度0度下で波長1547.7nmの光に対して、
np=1.7187
dnp/dT=5.275×10-6
nG=1.4730
dnG/dT=-1.363×10-6
である。
ただし、dnp/dT、dnG/dTは使用温度範囲の0℃から80℃の平均温度係数である。
このとき、
|np/nG|=1.17
|(dnp/dT)/(dnG/dT)|=3.87
となる。
このため、次式(6)、(7)を満足する。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7)
また、このとき、以下の式(8)を満足する。このため、式(9)を満足する。
加えて、偏向プリズム12の材質とグレーティング23の材質が異なる場合には材質の選択肢が増え、数式(9)を満たす範囲の中でより適切な材料を選ぶことができる。一般的な光学ガラスの中から材料を選ぶときには入手性が高いものが多いので、材料の調達時に有利になる。同時に、材料の屈折率nや屈折率の温度係数dn/dTが詳しくわかっているものが多いので詳細な光学設計が可能となる。
θ1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する角度、
θ2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する角度、
Δθは、使用温度範囲内の温度変化による角度θ1の変化量である。
予め分散素子によって分散された、隣り合うλ1、λ2の波長をもつ信号光が、DMDの隣り合う所定の微小ミラーにそれぞれ当たっていたとして、数式(1)を満たすように顕微鏡の蛍光検出系を構成する。これにより、温度が変わってグレーティング23の屈折率が変化し、分散特性が変化したとしても、λ1、λ2の波長の光は、DMDの所定の微小ミラーに入射する。この結果、各々の微小ミラーの角度を制御することにより、λ1、λ2を分離することができる。
また、グレーティング23の媒質と偏光プリズム12の媒質が同一のときは上記の効果に加えて、温度変化を起こしたときの屈折率変化の不確定度がひとつ減る。これにより、光学設計の確実性が上がる。また、加工の際に材料の取り違えを避けられるといった効果がある。
このように、好ましくは、温度補償素子と分散素子との屈折率と温度係数(温度変化に対する屈折率の変化量)とが略等しいことが望ましい。
y1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する位置、
y2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する位置、
Δyは、使用温度範囲内の温度変化による位置y1の変化量である。
第1実施形態では、従来のプリズム(回折光学面なし)に代えて、第2実施形態の分散素子を用いている。そのため、試料からの蛍光を高い波長分解能で分散することができる。
このように顕微鏡の蛍光検出系を構成することにより、温度が変わってグレーティング23の屈折率が変化し、分散特性が変化したとしても、それぞれのレーザー波長は、DMDの所定の微小ミラーに入射する。これにより、レーザー波長と蛍光波長を分離する能力は損なわれない。
次に、本発明の第2実施形態に係る光学機器について説明する。本光学機器は、顕微鏡の照明光学系である。
図2に示す走査型光学顕微鏡装置の照明光学系は、特定の波長で照明することができる。第2実施形態の顕微鏡は、分散素子としてグレーティングを用いて構成した分光照明装置を有する顕微鏡として構成されている。
偏向プリズム112の材質とグレーティング104の材質は同じであることが望ましい。具体的にはシリコンが望ましい。シリコンは屈折率nが通常のガラス屈折率に比べて大きく、かつ、 屈折率の温度係数の絶対値|dn/dT|も通常のガラスのそれに比べて大きい。したがってシリコンを材質としてグレーティングを構成すると、温度変化が起きたときに分散角や射出の方向が大きく変わるという問題がある。ところが偏向プリズム112とグレーティング104が同じ材質だとシリコンの屈折率の変化をキャンセルできる。
つまり、温度変化が起きたときでも分散角や射出の方向を変えないようにすることができる。偏向プリズム112はレンズ122とグレーティング104の間に配置される。また、偏向プリズム112の具体的な形状は図8の710か図9の810に示したようなプリズム形状である。
さらには、偏向プリズム112の材質とグレーティング104の材質は異なっていてもかまわない。
温度補償素子は屈折率np、屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなるプリズムであるとし、グレーティング104は屈折率nG、 屈折率の温度係数dnG/dTの媒質からなるとする。例えばプリズムの媒質をSchott製のSF4、グレーティングの媒質をSchott製のNFK5とするときには、温度0度下で波長1547.7nmの光に対して、
np=1.7187
dnp/dT=5.275×10-6
nG=1.4730
dnG/dT=-1.363×10-6
である。
ただし、dnp/dT、dnG/dTは使用温度範囲の0℃から80℃の平均温度係数である。
このとき、
|np/nG|=1.17
|(dnp/dT)/(dnG/dT)|=3.87
となる。
このため、次式(6)、(7)を満足する。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7)
を満たす。
また、このとき、以下の式(8)を満足する。このため、式(9)を満足する。
θ1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する角度、
θ2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する角度、
Δθは、使用温度範囲内の温度変化による角度θ1の変化量である。
照明光として利用したい波長λ1があたるマイクロミラーはオンとし、波長λ1に隣り合う、照明光として利用しない波長λ2があたるマイクロミラーをオフとすることにより照明光の波長を選択している。温度が変わってグレーティング104の屈折率が変化し、分散特性が変化したとしても、数式(1)を満たすように顕微鏡の照明光学系を構成する。これにより、λ1、λ2の波長は温度が変化する前と同じマイクロミラーにそれぞれあたる。すなわちマイクロミラーの制御に変更は必要ないという効果が得られる。
また、グレーティング104の媒質と偏光プリズム112の媒質が同一のときは上記の効果に加えて、温度変化を起こしたときの屈折率変化の不確定度がひとつ減ることにより、光学設計の確実性が上がる。また、加工の際に材料の取り違えを避けられるといった効果がある。
y1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する位置、
y2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する位置、
Δyは、使用温度範囲内の温度変化による位置y1の変化量である。
このように顕微鏡の照明光学系を構成することにより、温度が変わってグレーティング104の屈折率が変化し分散特性が変化したとしても、光源101からのそれぞれの波長の光はDMD105の所定のマイクロミラーに当たることになり、所定の波長の光のみを選択的に反射してレンズ124に導くことができる。
第2実施形態では、従来の回折格子(プリズムなし)に代えて、本実施形態の分散素子を用いている。そのため、光源101からの照明光を高い波長分解能で分散することができる。
次に、本発明の第3実施形態に係る光学機器について図3、図8を参照して説明する。本光学機器は、波長選択スイッチである。
図3は、第3実施形態にかかる波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。
偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質は同じであることが望ましい。具体的にはシリコンが望ましい。シリコンは屈折率nが通常のガラス屈折率に比べて大きく、かつ、 屈折率の温度係数の絶対値|dn/dT|も通常のガラスのそれに比べて大きい。したがってシリコンを材質としてグレーティングを構成すると、温度変化が起きたときに分散角や射出の方向が大きく変わるという問題がある。ところが偏向プリズム512とグレーティング503が同じ材質だとシリコンの屈折率の変化をキャンセルできる。
つまり、温度変化が起きたときでも分散角や射出の方向を変えないようにすることができる。偏向プリズム512はマイクロレンズアレイ502とグレーティング503の間に配置される。また、偏向プリズム512の具体的な形状は図8の710か図9の810に示したようなプリズム形状である。
さらには、偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質は異なっていてもかまわない。
温度補償素子は屈折率np、屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなるプリズムであるとし、グレーティング503は屈折率nG、屈折率の温度係数dnG/dTの媒質からなるとする。例えばプリズムの媒質をSchott製のSF4、グレーティングの媒質をSchott製のNFK5とするときには、温度0度下で波長1547.7nmの光に対して、
np=1.7187
dnp/dT=5.275×10-6
nG=1.4730
dnG/dT=-1.363×10-6
である。
ただし、dnp/dT、dnG/dTは使用温度範囲の0℃から80℃の平均温度係数である。
このとき、
|np/nG|=1.17
|(dnp/dT)/(dnG/dT)|=3.87
となる。
このため、次式(6)、(7)を満足する。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7)
また、このとき、以下の式(8)を満足する。このため、式(9)を満足する。
加えて、偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質が異なる場合には材質の選択肢が増え、数式(9)を満たす範囲の中でより適切な材料を選ぶことができる。一般的な光学ガラスの中から材料を選ぶときには入手性が高いものが多いので、材料の調達時に有利になる。と同時に材料の屈折率nや屈折率の温度係数dn/dTが詳しくわかっているものが多いので詳細な光学設計が可能となる。
θ1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する角度、
θ2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する角度、
Δθは、使用温度範囲内の温度変化による角度θ1の変化量である。
y1は、波長λ1の信号光が入射部に到達する位置、
y2は、波長λ2の信号光が入射部に到達する位置、
Δyは、使用温度範囲内の温度変化による位置y1の変化量である。
この波長選択スイッチは、いわゆる透過型の波長選択スイッチであって、複数の光ファイバからなるファイバアレイ701と、レンズ702と、フォーカシングレンズ703と、第1バルクレンズ704と、偏向プリズム710と、反射部材705と、グレーティング720と、第2バルクレンズ706と、MEMSモジュールであるマイクロミラーアレイ730とを備えている。
数式(1)または数式(2)を満たすように波長選択スイッチが構成されることにより、温度が変わってグレーティング503または720の屈折率が変化し分散特性が変化したとしても、グレーティング503または720で分光されたそれぞれの波長の光は、温度が変わる前と同じマイクロミラーにあたる。したがって温度変化が起きたとしても、ミラーの中心に当たる波長がITUグリッドから外れてしまう、ITUグリッドエラーが起きたり、それに伴って信号光の透過帯域(バンド幅)が狭くなったりすることはなく、良好な波長選択スイッチの性能を保ち続ける。
また、グレーティング503または720の媒質と偏光プリズム512または710の媒質が同一のときは上記の効果に加えて、温度変化を起こしたときの屈折率変化の不確定度がひとつ減ることにより、光学設計の確実性が上がる。また、加工の際に材料の取り違えを避けられるといった効果がある。
次に、本発明の第4実施形態に係る光学機器について図4を参照しつつ説明する。本光学機器は、波長選択スイッチである。上記第3実施形態と同一の部材には同一の符号を付す。図4は、第4実施形態にかかる波長選択スイッチの構成を示す斜視図である。
その他の構成、作用、効果は第3実施形態と同様である。
すなわち、数式(1)または数式(2)を満たすように波長選択スイッチが構成されることにより、温度が変わってグレーティング503の屈折率が変化し分散特性が変化したとしても、グレーティング503で分光されたそれぞれの波長の光は、温度が変わる前と同じマイクロミラーにあたる。したがって温度変化が起きたとしても、ミラーの中心に当たる波長がITUグリッドから外れてしまう、ITUグリッドエラーが起きたり、それに伴って信号光の透過帯域(バンド幅)が狭くなったりすることはなく、良好な波長選択スイッチの性能を保ち続ける。
また、グレーティング503の媒質と偏光プリズム512の媒質が同一のときは上記の効果に加えて、温度変化を起こしたときの屈折率変化の不確定度がひとつ減ることにより、光学設計の確実性が上がる。また、加工の際に材料の取り違えを避けられるといった効果がある。
偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質は同じであることが望ましい。具体的にはシリコンが望ましい。シリコンは屈折率nが通常のガラス屈折率に比べて大きく、かつ、 屈折率の温度係数の絶対値|dn/dT|も通常のガラスのそれに比べて大きい。したがってシリコンを材質としてグレーティングを構成すると、温度変化が起きたときに分散角や射出の方向が大きく変わるという問題がある。ところが偏向プリズム512とグレーティング503が同じ材質だとシリコンの屈折率の変化をキャンセルできる。
つまり、温度変化が起きたときでも分散角や射出の方向を変えないようにすることができる。偏向プリズム512はマイクロレンズアレイ502とグレーティング503の間に配置される。また、偏向プリズム512の具体的な形状は図8の710か図9の810に示したようなプリズム形状である。
さらには、偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質は異なっていてもかまわない。
温度補償素子は屈折率np、屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなるプリズムであるとし、グレーティング503は屈折率nG、屈折率の温度係数dnG/dTの媒質からなるとする。例えばプリズムの媒質をSchott製のSF4、グレーティングの媒質をSchott製のNFK5とするときには、温度0度下で波長1547.7nmの光に対して、
np=1.7187
dnp/dT=5.275×10-6
nG=1.4730
dnG/dT=-1.363×10-6
である。
ただし、dnp/dT、dnG/dTは使用温度範囲の0℃から80℃の平均温度係数である。
このとき、
|np/nG|=1.17
|(dnp/dT)/(dnG/dT)|=3.87
となる。
このため、次式(6)、(7)を満足する。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7)
また、このとき、以下の式(8)を満足する。このため、式(9)を満足する。
加えて、偏向プリズム512の材質とグレーティング503の材質が異なる場合には材質の選択肢が増え、数式(9)を満たす範囲の中でより適切な材料を選ぶことができる。一般的な光学ガラスの中から材料を選ぶときには入手性が高いものが多いので、材料の調達時に有利になる。同時に、材料の屈折率nや屈折率の温度係数dn/dTが詳しくわかっているものが多いので詳細な光学設計が可能となる。
偏向プリズム(プリズム)810への入射角A1は、偏向プリズム810の第1面811への入射角である。偏向プリズム810からの射出角A3は、第2面812からの射出角である。偏向プリズム810の頂角A2は、第1面811と第2面812の延長線が互いに交わる点の内角である(図11)。
12 偏向プリズム
22 コリメートレンズ
23 グレーティング(分散素子)
25 DMD(光偏向部材)
27a、27b、27c、27d 光検出装置(入射部)
101 光源(出射部)
102 レンズ
104 グレーティング(分散素子)
105 DMD(光偏向部材)
112 偏向プリズム
200 分散素子
201a 入射面
201b 射出面
201c 回折光学面
220 プリズム
230 平面部材
300 分散素子
400 分散素子
500 波長選択スイッチ
501 ファイバアレイ(出射部、入射部)
502 マイクロレンズアレイ
503 グレーティング(分散素子)
504 レンズ
505 マイクロミラーアレイ(MEMSモジュール、光偏向部材)
512 偏向プリズム
600 波長選択スイッチ
601 反射光学部材
701 ファイバアレイ(出射部、入射部)
710 偏向プリズム
720 グレーティング(分散素子)
730 マイクロミラーアレイ(光偏向部材)
M マイクロミラー
G 回折格子
Claims (8)
- 光が出射する出射部と、
前記出射部の光出射側に配置された分散素子と、
前記分散素子による分散光が入射する入射部と、
前記出射部と前記入射部との間に配置され、前記分散光の前記入射部への入射角度が使用温度範囲内の温度変化に対してほぼ一定になるような温度補償素子と、
を備えることを特徴とする分光器。 - 前記分散素子はイマージョングレーティングであって、前記温度補償素子は偏向プリズムであることを特徴とする請求項2に記載の分光器。
- 前記分散素子の媒質と前記温度補償素子の媒質とが同一であることを特徴とする請求項3に記載の分光器。
- 前記分散素子は屈折率nG、屈折率の温度係数dnG/dTの媒質からなり、
前記温度補償素子は屈折率np、屈折率の温度係数dnp/dTの媒質からなり、
以下の数式(6)、(7)を同時に満たすことを特徴とする請求項3に記載の分光器。
1≦|np/nG|≦1.2 (6)
1≦|(dnp/dT)/(dnG/dT)|≦4 (7) - 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の分光器と、
前記出射部と前記分散素子との間に配置された光学系と、
前記分散素子と前記入射部との間に配置された光偏向部材と、
を備え、
前記光偏向部材は複数の偏向素子で構成され、
前記複数の偏向素子は、互いに独立して制御可能であることを特徴とする光学機器。
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