JP2014095594A - 分光装置および分光用光源 - Google Patents

Abstract

【課題】広い波長範囲で分光分析が行える分光装置および分析用光源を実現すること。
【解決手段】試料を照射する照射光を出力する光源と、
この光源の出力光の照射により前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光が光学系を介して入射される２次元アレイ光検出手段と、
前記試料と前記光源との間に設けられた第１の光学手段と、
この第１の光学手段と前記光源との間に設けられた第２の光学手段と、
前記第１の光学手段と試料１との間、および前記第２の光学手段と前記光源との間の少なくともいずれかに設けられた可変バンドパスフィルタ手段と、
前記２次元アレイ光検出手段の撮像のタイミングと前記可変バンドパスフィルタ手段の光透過波長帯域の変更と同期して制御する制御手段、
とで構成されたことを特徴とする分光装置および分析用光源。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置および分光用光源に関し、詳しくは、分光波長帯域の広範囲化に関する。

従来から、試料（測定対象）に励起用レーザなどの光源からの光を照射したときに生ずる励起光、蛍光やラマン散乱光などを含む出力光を、顕微鏡に入射して分光分析する分光装置が提案されている。

ここで、ラマン散乱とはレーザなどの単一波長を物質に照射することによって生じる線形あるいは非線形な光学現象であって、照射する単一波長光源の波長よりも若干波長シフト（長波長にも短波長にも）した散乱光が発生する現象である。なお、ラマン散乱では、照射光波長１０^-14程度の微弱な光強度しか得られない。

この波長シフト（ラマンシフト）したラマン散乱光スペクトルは物質固有のものであることから、ラマン散乱光に基づき試料がどのような物質であるかを特定できる。

そこで、従来から、試料から発せられるラマン散乱光等を分光装置で検出することにより、試料中に含まれる物質の化学構造および物理的状態を特定することが行われている。なお、従来の分光装置によれば、試料は固体、液体、気体を問わず、かつ、非破壊での検出を行うことができる。

また、ＳＥＲＳは、測定対象である試料においてナノサイズの金属構造の周囲に物質が存在するときに、レーザなどの単一波長光を照射することによって増強されたラマン散乱光が生じる現象である。具体的には、励起光を金属ナノ構造を有する試料に照射すると、金属表面において自由電子の粗密波である表面プラズモンが励起され、その領域における光電場が増強される。

従来の分光装置は、ＳＥＲＳに関し、金属ナノ構造周囲で発生し表面プラズモンにより増強されたラマン散乱光を計測する。このような分野では特許文献３のような回折格子による分光装置が用いられてきた。しかし、回折格子を用いると、装置の部品点数が多くなり、大型で高価となる。また、液晶バンドパスフィルタでは偏光依存性があり、光透過効率も低い。このため、可変バンドパスフィルタによる分光装置が提案されている。

図２６は、従来の可変バンドパスフィルタを用いた分光装置の一例を示す構成説明図である。図２６において、試料１と検出器２の間には平行光を得るためのテレセントリック光学系を構成する光学手段３と４が配置されている。

そして、光学手段３と４の間には、特定領域の光のみを透過させるための可変バンドパスフィルタ５が配置されている。

したがって、光源ＯＳの照射により発生した試料１の点Ａ、Ｂ、Ｃからの光は、それぞれ光軸Ａ”、光軸Ｂ”、光軸Ｃ”を通り、光学手段３を透過して可変バンドパスフィルタ５により光透過波長帯域が制限され、光学手段４によりそれぞれ検出器２の点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’に集光される。

このような構成において、可変バンドパスフィルタ５の光透過波長帯域（波長領域）は可変バンドパスフィルタ５への光入射角度によって変わる。これは、たとえば可変バンドパスフィルタが多層膜フィルタの場合、光入射角度が変わると見かけ上の膜厚が変化するためである。

従来の分光装置を記載した文献としては特許文献１、２、３、４などがある。

特開２００７−１７９００２号公報 特開２００４−３１７６７６号公報 特開２００２−０１４０４３号公報 特開２０１１−２２０７’号公報 特開２０１２−１２７８５５号公報

ところで、図２６の光軸Ａ”、光軸Ｂ”、光軸Ｃ”の光は、図２７に示すようにそれぞれα、β、γの角度で可変バンドパスフィルタ５に入射される。

この結果、検出器２の点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’に集光される透過光のスペクトルおよび強度は、図２８に示すように、Ａ→Ａ’、 Ｂ→Ｂ’、 Ｃ→Ｃ’の各点間で異なるものとなる。

つまり、たとえば試料１の点Ａ、Ｂ、Ｃにおいて、強度一様な（波長依存性なく光強度一定）光スペクトルであったとしても、可変バンドパスフィルタ５への入射角度が図２５に示すように異なるため、光透過スペクトルは検出器２の点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’において異なるものとなる。

そのため、試料１の面からある特定波長の光だけを得たい場合に、検出器２の面領域によって、光透過スペクトルのムラができることになる。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、可変バンドパスフィルタを用いることにより、少ない部品点数で、小型で、安価で、かつ光効率の高い分光装置を実現するとともに、前記面領域において光スペクトル強度のムラのない分光出力が得られる分光装置を広い波長範囲で実現することにある。

このような目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光源から試料に照射される照射光にしたがって前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を光学系を介して２次元アレイ光検出手段に入射して分光分析を行う分光装置において、
前記試料と前記２次元アレイ光検出手段との間に設けられた第１の光学手段と、前記２次元アレイ光検出器と前記第１の光学手段との間に設けられた第２の光学手段と、
前記第１の光学手段と前記試料との間および前記第２の光学手段と前記２次元アレイ光検出手段との間の少なくともいずれかに設けられた可変バンドパスフィルタ手段と、
前記２次元アレイ光検出手段の撮像のタイミングと前記可変バンドパスフィルタ手段の光透過波長帯域の変更とを同期させて制御する制御手段、
とで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の分光装置において、
前記制御手段は、
前記可変バンドパスフィルタ手段を制御して予め定められた複数の前記光透過波長帯域を掃引することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の分光装置において、
前記制御手段は、
前記２次元アレイ光検出手段の撮像タイミングを制御して前記出力光を予め定められた時間間隔で撮像し、
前記可変バンドパスフィルタ手段を制御して前記光透過波長帯域を予め定められた間隔の波長帯域で変更することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の分光装置において、
前記可変バンドパスフィルタを透過した前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を予め定められた偏光方向に偏光する偏光手段を備え、
前記制御手段は前記偏光手段の前記偏光方向を変更することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の分光装置において、
前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光の光軸における２次元平面の位置ずれを修正する光軸調整手段を備えることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の分光装置において、
透過波長帯域の異なる複数の可変バンドパスフィルタが切り替え可能かつ光軸に対して回動可能に取り付けられる支持部材が光軸に沿って少なくとも１系統設けられていることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６に記載の分光装置において、
前記支持部材は回転可能に形成された円板状のフィルタホィールであり、少なくとも一つの前記各可変バンドパスフィルタが所定の回転位置で光軸と交わるように取り付けられていることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項６に記載の分光装置において、
前記支持部材は、光軸と交わる直線方向に移動可能なスライダであることを特徴とするものである。

請求項９記載の発明は、請求項６に記載の分光装置において、
前記支持部材全体を光軸に対して回動させる回動手段を設けたことを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の分光装置において、
前記光学系は、顕微鏡または望遠鏡の光学系と結合可能あるいは一体化されていることを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の分光装置において、
前記可変バンドパスフィルタは、光軸に対する入射角度に応じて光透過波長帯域が変化するように構成されたことを特徴とする。

請求項１２記載の発明は、請求項１〜１１のいずれかに記載の分光装置において、
前記第１の光学手段と前記第２の光学手段はテレセントリック光学系を形成していることを特徴とする。

請求項１３記載の発明は、
試料を照射する照射光を出力する光源と、
この光源の出力光の照射により前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光が光学系を介して入射される２次元アレイ光検出手段と、
前記試料と前記光源との間に設けられた第１の光学手段と、
この第１の光学手段と前記光源との間に設けられた第２の光学手段と、
前記第１の光学手段と試料１との間、および前記第２の光学手段と前記光源との間の少なくともいずれかに設けられた可変バンドパスフィルタ手段と、
前記２次元アレイ光検出手段の撮像のタイミングと前記可変バンドパスフィルタ手段の光透過波長帯域の変更と同期して制御する制御手段、
とで構成されたことを特徴とする分光用光源である。

本発明の分光装置によれば、観察する面領域において、光スペクトル強度のムラのない分光出力を、より広い波長範囲で得ることができる。

そして、本発明に基づく分光光学系は、試料を照射するのにあたり、実質的な狭帯域光源としても用いることができる。

本発明の一実施例の構成図である。 可変バンドパスフィルタ５における入射角の説明図である。 図１の２次元アレイ光検出器２の受光面上におけるスペクトル強度の模式図である。 可変バンドパスフィルタ５における透過波長帯域の説明図である。 ２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５の動作を説明するタイミングチャートである。 図１のように構成される分光装置の動作を説明するフローチャートである。 ２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５の動作を説明する他のタイミングチャートである。 本発明の他の実施例の構成図である。 可変バンドパスフィルタ５と可変バンドパスフィルタ７における透過波長帯域の説明図である。 ２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５と可変バンドパスフィルタ７の動作を説明するタイミングチャートである。 図８のように構成される分光装置の動作を説明するフローチャートである。 ２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５と可変バンドパスフィルタ７の動作を説明する他のタイミングチャートである。 本発明の他の実施例の構成図である。 図１３の光軸シフト補正の説明図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 図１５の光軸シフト補正の説明図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 本発明に基づく分光動作例の説明図である。 校正装置の具体例を示すブロック図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 図２０におけるフィルタの角度変化説明図である。 図２１に示すフィルタの回転動作を実現するための回転機構の構成図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 本発明の他の実施例の構成図である。 本発明の応用例である狭帯域光源としての構成図である。 従来の分光装置の一例を示す構成説明図である。 図２６の可変バンドパスフィルタ５における光の入射角度の説明図である。 図２６の２次元アレイ光検出器２の受光面上におけるスペクトル強度の模式図である。

図１は本発明に係る分光装置の一実施例を示す構成図であり、図２６と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図２６との相違点は、可変バンドパスフィルタ５の配置位置にある。すなわち、図１の可変バンドパスフィルタ５は、検出器２と光学手段４の間に設けられている。

図１において、試料１は、図示しない白熱光源などの広帯域光源、レーザのような単一波長光源などの光源ＯＳから励起光が照射されることにより、蛍光および散乱光を含む出力光を発生する。

試料１が発生する出力光は、２組の光学手段、すなわちレンズにより構成される光学手段３と、同じくレンズにより構成される光学手段４を介して２次元アレイ光検出器２に入射される。２組の光学手段３と光学手段４で構成されるレンズ光学系は、図示しない顕微鏡に備え付けられているか追って備え付けられる光学系の一部を構成するものであり、試料１の出力光を２次元アレイ光検出器２に結像する。なお、レンズ光学系は、２組の光学手段での構成に限るものではない。

２次元アレイ光検出器２としては、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）などのイメージセンサを用いる。

試料１と光学手段３との間には、可変バンドパスフィルタ５が設けられている。この可変バンドパスフィルタ５は、入射光を透過させる波長帯域が可変であって、光学手段４から入射される平行光束の出力光のうち予め定められた波長帯域の光を透過させるように構成されたものであり、光入射角度チューニング型を用いる。

２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５は、制御部６と電気的に接続されている。２次元アレイ光検出器２の撮像タイミングは制御部６の制御信号により変更制御され、可変バンドパスフィルタ５の光透過波長帯域は２次元アレイ光検出器２の撮像タイミングに合わせて制御部６の制御信号により変更制御される。

ここで、試料１は光学手段３の光軸と直角に設置されており、試料１からの出力光は図の上方すなわち光学手段３の光軸と平行に進む。このような構成において、試料１から光学手段３に出射される試料１の出力光の光軸Ａ”、Ｂ”、Ｃ”は、図２に示すように、それぞれ同一の角度α＝β＝γで可変バンドパスフィルタ５に入射される。

すなわち、試料１の表面のいずれの領域からの出力光であっても、等しい角度で可変バンドパスフィルタ５に入射されるので、可変バンドパスフィルタ５による光透過波長帯域に注目すると、２次元アレイ光検出器２の受光面上の各集光点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’において等しくなる。

つまり、試料１の表面からの出力光のある特定波長の光だけを得たい場合に、図３に示すように、試料１の表面の位置や領域によらず、光透過波長帯域でムラのない分光を行うことができる。

図３は図１の２次元アレイ光検出器２の受光面上におけるスペクトル強度の模式図であり、縦軸には光透過強度を示し、横軸には波長を示している。試料１の点Ａ、Ｂ，Ｃにおいて強度一様で波長依存性もなければ２次元アレイ光検出器２の受光面上の各集光点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’における光透過スペクトルは、互いに等しくなる。

可変バンドパスフィルタ５は、光透過波長帯域が可変で、試料１から出射される平行光束のうち予め定められた波長帯域幅Ｗの光を透過させるものであり、具体的には、フィルタ面への光入射角度の変化に応じて透過光の波長特性が変わるフィルタ部とフィルタの角度を変化させる回転台などから構成される。

図４は図１の可変バンドパスフィルタ５における光透過波長帯域の説明図である。図４において、可変バンドパスフィルタ５は、出力光の光軸に対するフィルタ部の角度を変更することにより、所定の波長帯域幅Ｗを維持しつつ光透過波長帯域を調整できる。

たとえば、可変バンドパスフィルタ５の光透過波長帯域として、図４に示すように、波長Ｌ１０からＬ１９までの波長帯域幅Ｗ１と、波長Ｌ２０からＬ２９までの波長帯域幅Ｗ２と、波長Ｌ３０からＬ３９までの波長帯域幅Ｗ３の３種類を切り替えることができ、光学手段４から入射される試料１からの出力光に含まれる散乱光Ｃ１を、これら波長帯域幅Ｗ１〜Ｗ３のいずれかの帯域で透過させることができる。

制御部６は、前述のように２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５を制御し、可変バンドパスフィルタ５の所定の光透過波長帯域の出力光を所定のタイミングで２次元アレイ光検出器２に撮像させる。制御部６は、２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５を協調動作するように制御する。

制御部６は、２次元アレイ光検出器２を制御して試料１からの出力光を予め定められた時間間隔（たとえば等時間間隔）で撮像し、可変バンドパスフィルタ５を制御して光透過波長帯域を予め定められた間隔の波長帯域（たとえば等波長帯域間隔）で変更するものでもよい。

図５は、制御部６により制御される２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５の動作を説明するタイミングチャートである。図５において、上段はＶＢＰＦ（可変バンドパスフィルタ５）が光を透過させる波長帯域幅の状態変化を示している。各Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の状態ではＶＢＰＦは静止しており、Ｗ１→Ｗ２、Ｗ２→Ｗ３の状態変化は加減速動作によって行う。下段はＣＡＭ（２次元アレイ光検出器２）により出力光が撮像されるタイミングを示したものであって、ＯＮの状態のときに、あらかじめ定められたＴ_expの露光時間で露光され撮像される。加減速動作してＶＢＰＦを状態変化させる際には、次の撮像を開始するまでの待ち時間Ｔ_wが発生する。

制御部６は、図示しない記憶手段に格納される予め定められた２次元アレイ光検出器２がＯＮになる撮像タイミングまたは撮像間隔に合わせて可変バンドパスフィルタ５を制御し、波長帯域幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を切り替える。具体的には、２次元アレイ光検出器２が撮像するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３に合わせて可変バンドパスフィルタ５の波長帯域幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を切り替える。

なお制御部６は、各手段の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）などからなるものでもよい。具体的には制御部６は、図示しない記憶手段に格納されているＯＳなどを起動して、このＯＳ上で記憶手段に格納されたプログラムを読み出して実行することにより分光装置全体を制御し、予め定められたタイミングまたは撮像間隔で可変バンドパスフィルタ５を制御して光透過波長帯域を変更し、２次元アレイ光検出器２に透過光を撮像させる。

図６は、図１のように構成される分光装置の動作を説明するフローチャートである。
（１−１）測定開始後、ステップＳ１において、制御部６はあらかじめ定められた２次元アレイ光検出器２の露光時間Ｔ_expを図示しない記憶手段から読み込んで設定する。
（１−２）ステップＳ２において、制御部６は、予め定められたＶＢＰＦにおける光透過の分光波長帯域幅の状態全てを図示しない記憶手段から読み込み状態初期値を設定して（Ｗ１）動作させ、ＶＢＰＦがＷ１の状態になったことを確認して動作を終了し、静止させる。

（１−３）ステップＳ３において、ＶＢＰＦは予め定められた露光時間Ｔ_expでＶＢＰＦを透過した光の撮像を行い（ＣＡＭ：ＯＮ）、図示しない記憶手段に記憶する。

（１−４）ステップＳ４において、制御部６はすべての分光波長帯域幅の状態での測定が終了したかを判断する。終了した場合（ＹＥＳ）には測定を終了し、次の測定開始を待つ待機状態に戻る。終了していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ５に進む。

（１−５）ステップＳ５において、制御部６は、ＶＢＰＦにおける光透過の波長帯域幅を次の状態に設定し（ＶＢＰＦ：Ｗ１→Ｗ２）、加減速動作を開始する。
（１−６）ステップＳ６において、制御部６はステップ５で設定された次の波長帯域幅Ｗ２に到達したか否かを判断する。到達していない場合（ＮＯ）にはステップＳ６の判断を繰り返して続ける。この繰り返しの判断は、ＶＢＰＦが加減速動作により次の波長帯域幅へ状態変化（Ｗ１→Ｗ２）をしている最中であることを意味し、その累積時間は２次元アレイ光検出器２が次の撮像を開始するまでの待ち時間Ｔ_w（ＣＡＭ：ＯＦＦ）に相当する。到達した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、２次元アレイ光検出器２を制御して波長帯域幅Ｗ２の透過光を撮像させる。

（１−７）以上のような、ステップＳ４での判断とステップ５の動作とステップＳ６の判断とステップ３での撮像を繰り返し行うことで、制御部６は、最終的に、ＶＢＰＦにおける光透過の波長帯域幅をＷ３（最終状態）に制御するとともに、２次元アレイ光検出器２を制御して波長帯域幅Ｗ３の透過光を撮像させ、測定を終了して次の測定開始を待つ待機状態に戻る。

ここで、可変バンドパスフィルタ５は、光学手段４と２次元アレイ光検出器２との間に設けられていることから、試料１のいずれの領域からの出力光であっても等しい角度で可変バンドパスフィルタ５に入射されることになり、２次元アレイ光検出器２の受光面上での位置や領域によらず光透過波長帯域にムラのない分光を行うことができる。

これにより、本発明の分光装置は、試料１の２次元観察平面の領域をムラなく分光することができ、結果として測定後に画像の分光情報を補正する必要がないため高速で分光できる点でも有効である。

また、制御部６が２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５を協調動作するように制御することにより、２次元平面の領域を一度に分光撮像できる点で有効である。

また、本発明の分光装置は、２組の光学手段３と光学手段４で構成されるレンズ光学系と可変バンドパスフィルタ５との少ない部品点数で、小型で、安価な分光装置を実現できる。

また、可変バンドパスフィルタ５として偏光依存性の小さな光入射角度チューニング型を用いた場合には、微弱な光であっても十分な光量が得られるため、露光時間Ｔ_expを小さな値とすることができ、高速で分光できる点で有効である。

なお、上記実施例では、説明の便宜上、可変バンドパスフィルタ５が光を透過させる波長帯域幅をＷ１、Ｗ２、Ｗ３の３つの帯域幅として説明したが、可変バンドパスフィルタ５はより多くの光透過波長帯域で前述の試料１が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を透過するものでもよい。この場合、制御部が可変バンドパスフィルタ５を制御して光透過波長帯域を掃引することにより、連続したスペクトル帯域を分光できる点で有効である。

また、本発明の分光装置は、可変バンドパスフィルタ５の有する光透過の波長帯域幅が波長分解能となるため、波長帯域幅が狭い可変バンドパスフィルタ５を用いて、かつ光を透過させる多数の波長帯域幅に変化させることにより、高い波長分解能で連続したスペクトル帯域を分光することができる。

また、上記実施例では、説明の便宜上、図５に示すように可変バンドパスフィルタ５の光を透過させる波長帯域幅をＷ１→Ｗ２→Ｗ３と階段状（離散的）に変化させたが、Ｗ１からＷ３までの波長帯域幅の変更を連続的または曲線的に変化させるものでもよい。この動作を図７を用いて説明する。

図７は、制御部６により制御される２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５の動作を説明する他のタイミングチャートである。図７において、制御部６は可変バンドパスフィルタ５のフィルタ部を所定の角度で連続的に変化させ、光透過波長帯域を連続的に波長帯域幅Ｗ１からＷ３までの間で変化させる。ここでは光透過波長帯域を連続的に線形に変化させるように図示しているが、非線形な動作でも構わない。

図７のように光透過波長帯域を連続的に変化させて連続したスペクトル帯域を掃引した場合、図５で示したような可変バンドパスフィルタ５の加減速動作が不要なことから、待ち時間Ｔ_wを少なくして２次元アレイ光検出器５での繰り返し撮像が行える。そのため、全体の分光時間は短くなり、従来よりも高速な分光が行える。

この場合、制御部６が光を透過させる可変バンドパスフィルタ５の隣接する波長帯域幅の間隔を調整することにより、光透過波長帯域を連続的に波長帯域幅Ｗ１からＷ３までの間で変化させるものでもよい。たとえば、制御部６は、可変バンドパスフィルタ５を制御して、細かい波長帯域で得られる透過光の光強度の分析を行う必要がある範囲では隣接する波長帯域幅の間隔を狭くし、特に細かい帯域における透過光の光強度分析は不要である範囲では隣接する波長帯域幅の間隔を広くする。

この結果、所望の範囲については連続した波長帯域の分光が行うことができ、分光しようとするスペクトルの波長領域によって適切な波長分解能で、かつ、連続した分光動作であって可変バンドパスフィルタ５の加減速動作の待ち時間Ｔ_wを省略できることから、全体として従来よりも高速な分光が行える。

なお、可変バンドパスフィルタ５の配置位置を、試料１と光学手段３との間から光学手段４と２次元アレイ光検出器２との間に変更した場合にも、たとえば光学手段３と光学手段４による光学系をテレセントリック光学系等にすることにより、試料１からの出力光は２次元アレイ光検出器２へ垂直に入射させることができる。すなわち、図１の構成とほぼ同様に動作することになり、図１の構成とほぼ同様の効果が得られる。

本発明に係る分光装置は、複数の可変バンドパスフィルタを協調動作させることによって、隣接する波長帯域幅の重複部分に対し、高い光学波長分解能の分光を行うものであってもよい。

図８は本発明に係る分光装置の他の実施例の構成図であり、図１と共通する部分には同一の符号を付けている。図８において、光学手段４と２次元アレイ光検出器２との間にも、可変バンドパスフィルタ５と同様に構成された可変バンドパスフィルタ７が設けられている。この可変バンドパスフィルタ７も制御部６と電気的に接続されていて、可変バンドパスフィルタ７の光透過波長帯域も２次元アレイ光検出器２の撮像タイミングに合わせて制御部６の制御信号により変更制御される。さらに、可変バンドパスフィルタ７と２次元アレイ光検出器２の間には、１／２波長板や／４波長板などで構成された偏光板９が設けられている。この偏光板９も制御部６と電気的に接続されていて、その偏光方向が変更制御される。

可変バンドパスフィルタ７は、光軸に対するフィルタ角度を変更して、光の透過可能な波長帯域幅Ｗを維持しつつ、光透過波長帯域を制御する。ここで、可変バンドパスフィルタ７は、可変バンドパスフィルタ５と異なる光の透過可能な波長帯域幅Ｗ´またはほぼ同一の光の透過可能な波長帯域幅Ｗを有する。

また、可変バンドパスフィルタ７は、可変バンドパスフィルタ５とほぼ同一の波長帯域幅Ｗを持つ場合には、制御部６により光透過波長帯域が異なるように制御される。

図９は、可変バンドパスフィルタ５と可変バンドパスフィルタ７が透過させる光透過波長帯域の説明図である。図９において、可変バンドパスフィルタ５および可変バンドパスフィルタ７はほぼ同一の光の透過可能な波長帯域幅Ｗを有するものであり、前述のように光軸に対するフィルタ角度を変更して光の透過可能な波長帯域幅Ｗを維持しつつ光透過波長帯域を制御する。

可変バンドパスフィルタ５の光透過波長帯域は、前述のように波長帯域幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の３種類に切り替えることができる。一方、可変バンドパスフィルタ７の光透過波長帯域は、波長Ｌ１０´からＬ１９´までの波長帯域幅Ｗ４、波長Ｌ２０´からＬ２９´までの波長帯域幅Ｗ５、波長Ｌ３０´からＬ３９´までの波長帯域幅Ｗ６の３種類に切り替えることができ、これら隣接する波長帯域幅Ｗ１とＷ４、Ｗ２とＷ５、Ｗ３とＷ６は一部が重複する。

図９では、波長帯域幅Ｗ１とＷ４の重複部分をＷ１４、波長帯域幅Ｗ２とＷ５の重複部分をＷ２５、波長帯域幅Ｗ３とＷ６の重複部分をＷ３６として表している。なお、これら可変バンドパスフィルタ５の光透過波長帯域と可変バンドパスフィルタ７の光透過波長帯域とが一部（または全部）重複した帯域を、以下「重複透過帯域」という。

制御部６は、図示しない記憶手段に格納される予め定められた２次元アレイ光検出器２がＯＮになる撮像タイミングまたは撮像間隔に合わせて可変バンドパスフィルタ５を制御して光を透過させる波長帯域幅をＷ１、Ｗ２、Ｗ３に変更するとともに、可変バンドパスフィルタ７を制御して光を透過させる波長帯域幅をＷ４、Ｗ５、Ｗ６に変更する。

図１０は、制御部６により制御される２次元アレイ光検出器２と可変バンドパスフィルタ５と可変バンドパスフィルタ７の動作を説明するタイミングチャートである。

図１０において、ＶＢＰＦ１（可変バンドパスフィルタ５）は可変バンドパスフィルタ５が光を透過させる波長帯域幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３への状態変化を示し、ＶＢＰＦ２（可変バンドパスフィルタ７）は可変バンドパスフィルタ７が光を透過させる波長帯域幅Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６への状態変化を示し、ＥＦＦは重複透過帯域幅Ｗ１４、Ｗ２５、Ｗ３６への状態変化を示し、ＣＡＭ（２次元アレイ光検出器２）は２次元アレイ光検出器２により撮像されるタイミングを示しており、ＯＮの状態のときに露光され撮像される。

制御部６は、記憶手段に格納される予め定められた２次元アレイ光検出器２がＯＮになり撮像するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３または撮像間隔に合わせて可変バンドパスフィルタ５が光を透過させる波長帯域幅Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を切り替え、可変バンドパスフィルタ７が光を透過させる波長帯域幅Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６を切り替える。この結果、重複透過帯域幅は、２次元アレイ光検出器２が撮像するタイミングｔ１、ｔ２、ｔ３に合わせて、Ｗ１４、Ｗ２５、Ｗ３６となる。ここで、重複透過帯域幅Ｗ１４、Ｗ２５、Ｗ３６は、一定の幅であってもよいし、異なる幅でもよい。

図１１は、図８のように構成される分光装置の動作を説明するフローチャートである。
（２−１）測定開始後、ステップＳ１において、制御部６はあらかじめ定められた２次元アレイ光検出器の露光時間Ｔ_expを図示しない記憶手段から読み込んで設定する。
（２−２）ステップＳ２において、制御部６は、予め定められたＶＢＰＦ５、７における光透過の分光波長帯域幅の状態全てを、図示しない記憶手段から読み込んで、状態初期値として設定し（ＶＢＰＦ１：Ｗ１、ＶＢＰＦ２：Ｗ４）、動作させ、重複透過帯域が初期状態（ＥＦＦ：Ｗ１４）になったことを確認し、動作を終了して静止させる。

（２−３）ステップＳ３において、２次元アレイ光検出器２は、予め定められた露光時間Ｔ_expで撮像を行い（ＣＡＭ：ＯＮ）、撮像データを図示しない記憶手段に記憶する。

（２−４）ステップＳ４において、制御部６はすべての波長帯域での測定が終了したかを判断する。終了した場合（ＹＥＳ）には測定終了に進み、次の測定開始を待つ始状態に戻る。終了していない場合（ＮＯ）には、ステップＳ５に進む。
（２−５）ステップＳ５において、制御部６は、ＶＢＰＦ５、７における光透過の波長帯域幅を次の状態に設定し（ＶＢＰＦ１：Ｗ１→Ｗ２、ＶＢＰＦ２：Ｗ４→５、ＥＦＦ：Ｗ１４→Ｗ２５）、加減速動作を開始する。

（２−６）ステップＳ６において、制御部６はステップ５で設定された次の重複透過帯域（ＥＦＦ：Ｗ２５）に到達したかを判断する。到達していない場合（ＮＯ）にはステップＳ６の判断を繰り返し行い続ける。この繰り返しの判断は、ＶＢＰＦ５と７が加減速動作を行いつつ、次の重複透過帯域の状態（ＥＦＦ：Ｗ２５）へと移行している最中であることを意味し、その累積時間は２次元アレイ光検出器２が次の撮像を開始するまでの待ち時間Ｔ_w（ＣＡＭ：ＯＦＦ）に相当する。到達した場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ３に進み、制御部６は２次元アレイ光検出器２を制御して撮像させる。

（２−７）以上のような、ステップＳ４での判断とステップ５の動作とステップＳ６の判断とステップ３での撮像を繰り返し行うことで、最終的に、制御部６はＶＢＰＦ５、７における光透過の波長帯域幅を（ＶＢＰＦ１：Ｗ３、ＶＢＰＦ２：Ｗ６）制御して重複透過帯域を最終状態（ＥＦＦ：Ｗ３６）にするとともに、２次元アレイ光検出器２を制御してその透過光を撮像させて測定を終了させ、次の測定開始を待つ待機状態に戻る。

このように、２つの可変バンドパスフィルタ５、７を協調動作させることにより、前述の試料１が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を所定の波長帯域の全て（または一部）において重複透過帯域ごとに透過させて、分光することができる。

また、可変バンドパスフィルタ５、７の重複透過帯域の範囲を狭くすることで、高い波長分解能を得ることができる。

図８のように構成される分光装置によれば、複数の可変バンドパスフィルタを協調動作させることで、連続した波長帯域に対して高い波長分解能の分光分析を高速に行うことができる。

また、上述の構成とすることにより、少ない部品点数で、小型で、安価な分光装置を実現できる。

また、可変バンドパスフィルタ７として偏光依存性の小さな光入射角度チューニング型を用いた場合には、微弱な光であっても十分な光量が得られるため、高速な分光装置を実現できる。

なお、上記実施例では、説明の便宜上、可変バンドパスフィルタ５、７の光透過の波長帯域幅を図１０に示すようにＷ１→Ｗ２→Ｗ３、Ｗ４→Ｗ５→Ｗ６と階段状（離散的）に変化させるものとしたが、Ｗ１からＷ３まで、Ｗ４からＷ６までの光透過波長帯域の変更を図１２に示すように連続的に変化させてもよい。

具体的には、制御部６は、重複透過帯域の帯域幅を一定に保つように、可変バンドパスフィルタ５のフィルタ部を所定の角度ずつ変化させて光透過の波長帯域幅を連続的にＷ１からＷ３までの間で変化させる。これに合わせて、制御部６は、重複透過帯域を所望の帯域幅に保つように、可変バンドパスフィルタ７のフィルタ部を所定の角度ずつ変化させて光透過の波長帯域幅を連続的にＷ４からＷ６までの間で変化させる。

図１２は、制御部６により制御される２次元アレイ光検出器２および可変バンドパスフィルタ５、７の動作を説明する他のタイミングチャートである。図１２において、制御部６は、可変バンドパスフィルタ５および可変バンドパスフィルタ７のフィルタ部を所定の角度に連続的に変化させる。

すなわち、可変バンドパスフィルタ５の光透過の波長帯域幅をＷ１からＷ３までの間で連続的に変化させるとともに、可変バンドパスフィルタ７の光透過の波長帯域幅をＷ４からＷ６までの間で連続的に変化させる。これにより、重複透過帯域は、Ｗ１４からＷ３６までの間で連続的に変化する。なお、図１２では重複透過帯域が連続的に線形に変化するように図示しているが、非線形な動作でも構わない。

図１２のように重複透過帯域を連続的に変化させて出力光のスペクトル帯域を掃引した場合、図１０で示したような可変バンドパスフィルタ５、７の加減速動作が不要なことから、待ち時間Ｔ_wを少なくして２次元アレイ光検出器５での繰り返し撮像が行える。そのため、全体の分光時間を短くでき、従来よりも高速な分光が行える。

また、制御部６が重複透過帯域の幅Ｗ１４、Ｗ２５、Ｗ３６を変更させつつ、可変バンドパスフィルタ５、７の透過波長帯域を連続的にＷ１からＷ３までおよびＷ４からＷ６までの間で変化させるものでもよい。たとえば、制御部６は、可変バンドパスフィルタ５、７を制御して細かい波長帯域で得られる透過光の光強度の分析を行う必要がある範囲では重複透過帯域の幅を極狭いものとし、特に細かい帯域における透過光の光強度分析は不要である範囲では重複透過帯域の幅を広いものとする。

この結果、所望の連続した波長帯域については従来より高い波長分解能の分光が行うことができ、かつ、全体としては必要な最低限の波長分解能を保持しつつも高速に分光分析ができる点で有効である。

なお、上記各実施例では、２組の光学手段３と光学手段４で構成されるレンズ光学系を用いる例を示したが、これに限るものではなく、その他の光学手段を用いてもよい。

また、図８に示すようにたとえば可変バンドパスフィルタ７の後段に１／２波長板、１／４波長板などで構成された偏光板９を設置して、可変バンドパスフィルタ７を透過した前述の試料１が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を、直線偏光、円偏光、楕円偏光などの予め定められた偏光を得るように構成してもよい。この場合、制御部６からの制御信号に基づき偏光手段の偏光方向を変更制御してもよい。

このような分光装置によれば、予め定められた偏光方向に偏光することにより、偏光依存性を持った試料１からの出力光のスペクトルの分光ができる点で有効である。

ところで、可変バンドパスフィルタ５、７として光入射角度チューニング型を用いた場合、角度の調整如何によっては光軸に垂直なＸＹ面における位置ずれ（光軸シフト）が生じることがあるが、光軸調整手段を設けて制御することにより、ＸＹ方向で生じた位置ずれ（光軸シフト）を適切に修正できる。

すなわち、試料１から２次元アレイ光検出器２に至る光路中に光軸を調整するための光透過光学板などの光軸調整手段を設け、試料１からの出射光の光軸に対して垂直な平面におけるＸＹ方向で生じる位置ずれ（光軸シフト）を修正する。この場合、制御部からの制御信号に基づいて光軸調整手段を制御し、ＸＹ方向で生じた位置ずれ（光軸シフト）を修正するように試料１からの出力光の入射角度を制御してもよい。

図１３は光軸補正手段を設けた実施例図であり、図８と共通する部分には同一の符号を付けている。図１３において、可変バンドパスフィルタ５、７によって生じる光軸シフトは、それぞれ同じ角度だけ傾けた光軸補正板５’、７’により補正できる。

試料１と光学手段３の間に設けられた可変バンドパスフィルタ５によって生じる光軸シフトは光学手段４と２次元アレイ光検出器２の間に設けられた光軸補正板５’によって補正され、光学手段４と２次元アレイ光検出器２との間に設けられた可変バンドパスフィルタ７により生じる光軸シフトは試料１と光学手段３の間に設けられた光軸補正板７’により補正される。ここで、可変バンドパスフィルタ５は光軸補正板５’と同じ厚さと屈折率を持ち、可変バンドパスフィルタ７は光軸補正板７’と同じ厚さと屈折率を持つものとする。

光軸シフト補正板５’、７’を用いた光軸シフトの補正の動作について、図１４を使って説明する。

図１４は、図１３の可変バンドバスフィルタ５と光学手段３、４からなるテレセントリック光学系および光軸補正板５’に着目した光路説明図である。光学手段３、４により構成されるテレセントリック光学系の光軸中心（一点鎖線）を通る図下方からの光は、可変バンドパスフィルタ５に到達すると、スネル則にしたがってフィルタの表面と裏面で屈折して進む。この時、光路は光軸中心と平行ではあるが、光軸シフトＳが発生する。ここで、光軸シフトＳは可変バンドパスフィルタ５の屈折率と厚みと光軸に対する角度θ１の関数として表される。可変バンドパスフィルタ５によりシフトした光軸は光学手段３を通って光軸中心と交差し、光軸中心に対し左右転置した光路を進む。その後、光学手段４を透過することで、光軸中心と平行な光路となる。

つまり、可変バンドパスフィルタ５により生じた光軸シフトＳは光学手段４を透過した後にも同じだけの光軸シフトＳを保ちながら、光軸中心と平行な光路をとって光軸補正板５’へ到達する。光軸補正板５’に到達した光は、スネル則にしたがって光軸補正板５’の表面と裏面で屈折して進む。この時、可変バンドパスフィルタ５で生じた光軸シフトＳと同じだけの光軸シフトを光軸補正板５’によって生じさせれば、光軸シフトが補正される。その条件は、光軸補正板５’の厚さと屈折率が可変バンドパスフィルタ５と同じであることおよび光軸に対し傾ける角度θ２がθ１であることである。

以上の説明は、可変バンドパスフィルタ５と光軸補正板７’を置き換えて、光軸補正板５’を可変バンドパスフィルタ７で置き換えても、同様に説明できる。この場合、可変バンドパスフィルタ７により生じる光軸シフトとは反対方向の光軸シフトを光軸補正板７’によってあらかじめ与えておくことにより、光軸シフトが補正される。その条件は、光軸補正板７’の厚さと屈折率が可変バンドパスフィルタ７のそれと同じであることと、光軸補正板７’の光軸に対する角度θ２が可変バンドパスフィルタ７の光軸に対する角度θ１と同じであることである。

なお、図１３において、試料１と光学手段３の間に配置された可変バンドパスフィルタ５と光軸補正板７’の配置順序は光の進む方向に前後しても構わない。この場合、対応させて、光学手段４と２次元アレイ光検出器２の間に配置された可変バンドパスフィルタ７と光軸補正板５’の配置順序を光の進行方向に前後に入れ替えてもよい。

また、図１３と図１４を用いて説明した上記実施例では、可変バンドパスフィルタ５、７と光軸補正板５’、７’は同じ厚みと屈折率とすると説明したが、異なる厚みと屈折率であっても構わない。その場合、光軸補正板５’、７’の角度θ２は可変バンドパスフィルタ５、７を傾けた角度θ１とは同じではない。

また、上記実施例では、試料１と光学手段３との間に配置された可変バンドパスフィルタ５により生じる光軸シフトを補正するために、光学手段４と２次元アレイ光検出器２の間に光軸補正板５’を配置する構成について説明したが、図１５に示すように、試料１と光学手段３との間に配置された可変バンドパスフィルタ５により生じる光軸シフトを補正するために、光軸補正板５’を試料１と光学手段３との間に配置するか、光学手段４と２次元アレイ光検出器２の間に配置された可変バンドパスフィルタ７により生じる光軸シフトを補正するために、光軸補正板７’を光学手段４と２次元アレイ光検出器２の間に配置してもよい。

図１６は図１５の可変バンドパスフィルタ５、７と光軸補正板５’、７’に着目した光路説明図である。可変バンドパスフィルタ５，７により生じた光軸シフトＳは可変バンドパスフィルタ５，７の直後に配置された光軸補正板５’、７’によって補正される。この時、可変バンドパスフィルタ５と光軸補正板５’を傾ける角度の関係をθ２＝１８０°−θ１とする。

なお、図１３と図１５の実施例では、光の進路に沿って可変バンドパスフィルタ５、７の後に光軸補正板５’、７’を順次配置するように説明したが、可変バンドパスフィルタ５，７の前にそれぞれ光軸補正板５’、７’を配置してもよい。

このような構成によれば、顕微観察される平面領域において光軸シフトを補正しながら分光を行うことができ、分光測定終了後に光軸シフトを考慮して分析を行う必要が無いため、簡便に短時間で分光分析を行える点で有効である。

なお、上記実施例では、光学系が顕微鏡の例について説明したが、たとえば望遠鏡などその他の用途にも使用できる。

図１７も本発明の他の実施例の構成図であり、図８の実施例よりも分光可能な波長帯域の広範囲化を図ったものであって、（Ａ）は簡略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）の部分断面図である。フィルタホイール１０、２０は可変バンドパスフィルタ（以下単にフィルタという）の支持部材として用いられるものであり、たとえば図８の実施例における可変バンドパスフィルタ５、７の位置に光軸ＯＡに沿って配置される。

フィルタホイール１０、２０には、円周方向に沿って９０°間隔でそれぞれ４つのフィルタ取付部１１〜１４、２１〜２４が設けられているが、フィルタ取付部は４つに限るものではなく、設計に応じて増減してもよい。

フィルタホイール１０、２０の中心位置には、フィルタホイール１０、２０を連動して回転駆動するためのモータ１５、２５が設けられている。モータ１５、２５でフィルタホイール１０、２０を回転駆動することにより、光軸ＯＡと交わるフィルタ取付部１１〜１４、２１〜２４を順次切り替えることができる。

なお、各４つのフィルタ取付部１１〜１４、２１〜２４のうち、１１と２１はフィルタが取り付けられていないブランクになっていて、残りの各３つにはそれぞれ同一構成で透過波長帯域の異なるフィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’が取り付けられている。これらブランクのフィルタ取付部１１と２１は、分光が不要な場合や光軸調整などに有効に機能する。

フィルタホイール１０、２０の各フィルタ取付部１２〜１４、２２〜２４に取り付けられているフィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’には、それぞれチルト用のモータＭＴが設けられている。これらのモータＭＴを回転させることによりフィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’の中心部を貫く光軸ＯＡに対してフィルタの角度を変化させることができる。

具体的には、モータ１５、２５を駆動してフィルタホイール１０、２０を回転させ、フィルタホイール１０、２０のフィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’が取り付けられる各フィルタ取付部１２〜１４、２２〜２４の１２と２２、１３と２３および１４と２４がそれぞれペアとして組み合わされるように回転させて固定する。

すなわち、図１７の例では、モータ１５、２５を駆動してフィルタホイール１０、２０を回転させることによりまず最初にフィルタ取付部１２と２２（フィルタＡとＡ’）を組み合わせ、モータＭＴを回転させることにより図８の実施例を構成する可変バンドパスフィルタ５と７と同様な面分光動作を行う。

これにより、分光したいスペクトルがたとえば図１８に示すような特性曲線Ｓ１とすると、Ａ−Ａ’で示す波長領域が分光される。

次に、モータ１５、２５を駆動してフィルタホイール１０、２０を回転させることによりフィルタ取付部１３と２３（フィルタＢとＢ’）を組み合わせて面分光動作を行い、スペクトル曲線Ｓ１のＢ−Ｂ’で示す波長領域を分光する。

さらに、モータ１５、２５を駆動してフィルタホイール１０、２０を回転させることによりフィルタ取付部１４と２４（フィルタＣとＣ’）を組み合わせて面分光動作を行い、スペクトル曲線Ｓ１のＣ−Ｃ’で示す波長領域を分光する。

このとき、実際には斜線部で示す隣接する波長領域Ｇ_AB、Ｇ_BCにおいて、重複して測定できるようにしておくとよい。これによって、後で連続したスペクトル曲線Ｓ１の情報を得ることが可能となる。

また、これら複数のフィルタの特性をなめらかに接続するために、それらの波長と光量の関係を測定前に校正しておくことが望ましい。

図１９は、このような校正作業に用いる校正装置の具体例を示すブロック図である。図１９において、広帯域光源３０は、広帯域の波長領域にわたって波長およびレベルが安定した光信号出力特性を有するものとする。受光器４０は、広帯域の波長領域にわたって平坦な光電変換特性を有するものとする。なお、図１７に示す光学系全体を分光光学系５０として示している。

このような広帯域光源３０と受光器４０を用いてフィルタを校正することにより、フィルタが個別に持つ厚みや屈折率などのばらつきによって生じる入射角度と波長特性の誤差があっても、総合的に補正できる。

図１７に示すフィルタホイール１０、２０のように、異なる波長領域を分光可能なフィルタの組み合わせを切り替える機構を設けることにより、広範囲な波長域に対する面分光を、利便性よく高速で行うことができる。

また、使用波長域で波長帯域を重複させ、かつ同時に用いるすべてのフィルタを測定前に使用する全波長域で校正しておくことにより、連続した波長域の面分光が可能となる。

もし、このような可変バンドパスフィルタの組み合わせ機構がないとすると、広い波長域の面分光は困難である。

あるいは可能であったとしても、異なる分光波長域を持つ複数の面分光装置を準備しておいて測定のたびに交換する必要があるため、実際的ではない。

図２０も本発明の他の実施例の構成図であり、図１７と共通する部分には同一の符号を付けている。ここで、フィルタＡ、Ｂ、Ｃ、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’はモータＭＴを介さずにそれぞれフィルタホイール１０、２０に直接固定されて取り付けられている。図２０において、各フィルタホイール１０、２０には、図１７の機構に加えて、それぞれのフィルタホイール１０、２０全体を光軸ＯＡに対して任意の角度で傾けるためのモータ６０、７０が設けられている。

これにより、光軸ＯＡに対するフィルタの角度も変化することになり、フィルタの透過波長帯域を変えることができる。

広範な波長範囲の分光動作は、図１７の構成と同様に、モータ１５、２５を駆動してフィルタホイール１０、２０を回転させることによりフィルタ取付部１２〜１４、２２〜２４に取り付けられているフィルタの組み合わせを切り替えることにより行う。

なお、図２０におけるフィルタの角度変化は、たとえば図２１に示すように、光軸ＯＡに対してフィルタの視野の中心ｎを回転中心として回転させることにより、視野Ｅの縮小を少なくできる。

図２２は図２１に示すフィルタの回転動作を実現するための回転機構の構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図であって、フィルタホイール１０、２０を回転駆動させるモータ１５、２５は、支持片１６、２６を介して支持基板１７、２７に取り付けられている。

これらモータ１５、２５を支持する支持基板１７、２７をモータ６０、７０により回転させることで、フィルタホイール１０、２０の各フィルタ取付部１２〜１４、２２〜２４に取り付けられているフィルタに角度変化を与えることができる。

ここで、モータ６０、７０の回転軸とフィルタの視野の中心ｎは一致していることから、図２０で説明したように視野Ｅの縮小を少なくできる。

なお、モータ６０、７０の回転軸を中心にした支持基板１７、２７のフィルタホイール１０、２０と反対方向の位置には、モータ６０、７０の回転軸に作用する重さを平衡させるためのカウンタウェイト８０、９０が取り付けられている。

図２３も本発明の他の実施例の構成図であり、図１７と共通する部分には同一符号を付けている。図２３では、フィルタの支持部材として、図１７のフィルタホイール１０、２０に代えてスライダ１００、１１０を用いている。

スライダ１００にはフィルタＡ〜Ｃが直線状に所定の間隔で取り付けられていて、スライダ１１０にはフィルタＡ’〜Ｃ’がフィルタＡ〜Ｃと同じ間隔で直線状に取り付けられている。

これらスライダ１００、１１０を光軸ＯＡに対して直線状に連動して移動させることにより、フィルタＡ〜ＣとＡ’〜Ｃ’を切り替えることができる。

前述と同様に、フィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’に設けられているモータＭＴを回転させることにより、フィルタＡ〜Ｃ、Ａ’〜Ｃ’の中心部を貫く光軸ＯＡに対して角度をつけて変化させることができる。

広範な波長範囲の分光動作にあたっては、図１７の説明と同様に、フィルタＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の組み合わせを切り替える。この場合も、ブランクＤを設けることが望ましい。

図２４も本発明の他の実施例の構成図であり、図２３と共通する部分には同一符号を付けている。図２４では、スライダ１００に直線状に所定の間隔で取り付けられるフィルタＡ〜ＣとしてモータＭＴのないものを用いている。スライダ１１０に直線状に所定の間隔で取り付けられるフィルタＡ’〜Ｃ’としてもモータＭＴのないものを用いるが、図示しない。

図２４において、スライダ１００の一端にはフィルタＡ〜Ｃの取付面と直交するように支持片９１が固定されていて、支持片１０１にはスライダ１００全体を回転駆動してフィルタＡ〜Ｃに角度を与えるためのモータ１０２が設けられている。

モータ１０２は、視野Ｅの縮小を少なくするために、スライダ１００の長軸方向を回転中心にして、その回転中心と光軸の中心部ｎが一致するように支持片１０１に固定されている。

図２４の構成によれば、図２３に比べて全体のモータの数を減らすことができ、コスト削減が図れる。

本発明で重要なことは、可変バンドパスフィルタが所定の傾斜角度だけ傾いた（チルト）ときに可変バンドパスフィルタの透過波長帯域が変化することであり、かつその変化量が、光学系全体として構成されることにより所定の仕様を満足することである。従って、可変バンドパスフィルタを透過する光路ＯＡが平行光か否かは必ずしも必須ではない。

さらに、上記各実施例では面分光を行う分光装置について説明したが、その出力は分光された狭帯域光であることから、図２５に示すように、実質的な狭帯域光源としても利用できる。

図２５において、広帯域光源１２０の出力光は、本発明に基づく分光光学系１３０に入射されて分光され、分光光学系１３０で分光された出力光は試料１４０に照射される。試料１４０を透過した光は第１の受光器１５０で受光されて電気信号に変換され、試料１４０で反射された光や試料１４０が励起されて発生する蛍光などは第２の受光器１６０で受光されて電気信号に変換される。

すなわち、本発明に基づく分光光学系１３０は、試料１４０を照射するのにあたり、実質的な狭帯域光源として機能する。なお、受光器１５０、１６０は、点受光や線受光や面受光のいずれであってもよい。

また、本分光器は通常の顕微鏡や望遠鏡と連結可能である。たとえば図８の光学系において、試料１が通常の顕微鏡等のカメラの像面、あるいは対物レンズの中間像面になるように設置すると、あたかも図８の光学系全体が分光機能を持つカメラとして機能できるようになる。両者はＣマウントなどの汎用のコネクタで接続してもよい。同様に分光顕微鏡として一体化することもできる。

１ 試料
２ ２次元アレイ光検出器
３、４ 光学手段
５、７ 可変バンドパスフィルタ
５’、７’ 光軸補正板
６ 制御部
１０、２０ フィルタホイール
１１〜１４、２１〜２４ フィルタ取付部
１５、２５ モータ
１６、２６ 支持片
１７、２７ 支持基板
５０ 分光光学系
６０、７０ モータ
８０、９０ カウンタウェイト
１００、１１０ スライダ
１０１ 支持片
１０２ モータ

Claims (13)

1. 光源から試料に照射される照射光にしたがって前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を光学系を介して２次元アレイ光検出手段に入射して分光分析を行う分光装置において、
   前記試料と前記２次元アレイ光検出手段との間に設けられた第１の光学手段と、前記２次元アレイ光検出器と前記第１の光学手段との間に設けられた第２の光学手段と、
   前記第１の光学手段と前記試料との間および前記第２の光学手段と前記２次元アレイ光検出手段との間の少なくともいずれかに設けられた可変バンドパスフィルタ手段と、
   前記２次元アレイ光検出手段の撮像のタイミングと前記可変バンドパスフィルタ手段の光透過波長帯域の変更とを同期させて制御する制御手段、
   とで構成されたことを特徴とする分光装置。
2. 前記制御手段は、
   前記可変バンドパスフィルタ手段を制御して予め定められた複数の前記透過波長帯域を掃引することを特徴とする請求項１記載の分光装置。
3. 前記制御手段は、
   前記２次元アレイ光検出手段の撮像タイミングを制御して前記出力光を予め定められた時間間隔で撮像し、
   前記可変バンドパスフィルタ手段を制御して前記透過波長帯域を予め定められた間隔の波長帯域で変更することを特徴とする請求項１または２に記載の分光装置。
4. 前記可変バンドパスフィルタを透過した前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光を予め定められた偏光方向に偏光する偏光手段を備え、
   前記制御手段は前記偏光手段の前記偏光方向を変更することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の分光装置。
5. 前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光の光軸における２次元平面の位置ずれを修正する光軸調整手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の分光装置。
6. 透過波長帯域の異なる複数の可変バンドパスフィルタが切り替え可能かつ光軸に対して回動可能に取り付けられる支持部材が光軸に沿って少なくとも１系統設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の分光装置。
7. 前記支持部材は回転可能に形成された円板状のフィルタホィールであり、少なくとも一つの前記各可変バンドパスフィルタが所定の回転位置で光軸と交わるように取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
8. 前記支持部材は、光軸と交わる直線方向に移動可能なスライダであることを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
9. 前記支持部材全体を光軸に対して回動させる回動手段を設けたことを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
10. 前記光学系は、顕微鏡または望遠鏡の光学系と結合可能あるいは一体化されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の分光装置。
11. 前記可変バンドパスフィルタは、光軸に対する入射角度に応じて透過波長帯域が変化するように構成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の分光装置。
12. 前記第１の光学手段と前記第２の光学手段はテレセントリック光学系を形成していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の分光装置。
13. 試料を照射する照射光を出力する光源と、
    この光源の出力光の照射により前記試料が発する蛍光および散乱光、反射光、透過光を含む出力光が光学系を介して入射される２次元アレイ光検出手段と、
    前記試料と前記光源との間に設けられた第１の光学手段と、
    この第１の光学手段と前記光源との間に設けられた第２の光学手段と、
    前記第１の光学手段と試料１との間、および前記第２の光学手段と前記光源との間の少なくともいずれかに設けられた可変バンドパスフィルタ手段と、
    前記２次元アレイ光検出手段の撮像のタイミングと前記可変バンドパスフィルタ手段の光透過波長帯域の変更と同期して制御する制御手段、
    とで構成されたことを特徴とする分光用光源。

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