JP2014095601A - 光検出装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】対物レンズの大型化を抑制しつつ光の集光効率を高める。
【解決手段】測定対象物(１６)からの光を集光する対物レンズ素子(１７)と、上記対物レンズ素子(１７)によって集光された光を検出する光検出素子とを備え、上記対物レンズ素子(１７)は、屈折によって光を集光する中央部分(２８)と、この中央部分(２８)の周辺に位置して反射によって光を集光する周辺部分(２９)とを含んでいる。こうして、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができ、集光効率を高めて上記光検出素子による感度アップを図ることができる。
【選択図】図４

Description

この発明は、二次元的に分布する蛍光標識等を読み取る光検出装置に関する。
従来より、生化学分野や分子生物学分野において、蛍光色素を標識物質として利用した蛍光検出システムが広く用いられている。この蛍光検出システムを用いることによって、遺伝子配列,遺伝子の変異・多型解析,タンパク質の分離および同定等の評価を行うことができ、薬等の開発に利用されている。
上述のような蛍光標識を利用した評価方法としては、電気泳動によってタンパク質等の生物学的化合物をゲル内に分布させ、その生物学的化合物の分布を蛍光検出により取得するという方法がよく用いられている。上記電気泳動では、緩衝液等の溶液中に電極を設置しておき、直流電流を流すことによって上記溶液中に電場勾配を生じさせる。このとき、上記溶液中に電荷を有するタンパク質やＤＮＡ(Deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸)やＲＮＡ(ribo nucleic acid：リボ核酸)がある場合に、プラス電荷を有する分子は陰極に、マイナス電荷を有する分子は陽極に引き寄せられ、生体分子の分離を行うことができる。
上記電気泳動を用いた評価方法の一つである二次元電気泳動は、２種類の電気泳動法を組み合わせることによって、ゲル内に生体分子を２次元的に分布させる評価方法であり、プロテオーム解析を行う上で最も有効な方法であると考えられている。
上記電気泳動の組み合わせとしては、例えば、一次元目としての「個々のタンパク質の等電点の違いを利用する等電点電気泳動」と、二次元目としての「タンパク質の分子量で分離を行うＳＤＳ‐ＰＡＧＥ(ドデシル硫酸ナトリウム‐ポリアクリルアミドゲル電気泳動)」との２種類が主に用いられる。こうして分離された上記生体分子としてのタンパク質に対して、蛍光色素は電気泳動前あるいは電気泳動後に付与される。
さらに、上述のようにして作製された上記生体分子(タンパク質)が二次元的に分布されたゲル支持体に励起光を照射し、発生した蛍光強度を取得して、それに基づいて蛍光分布(タンパク質分布)画像を表示させる画像読取装置が、生化学や分子生物学の分野で広く普及している。
また、上記生体分子の二次元分布を保持する方法としては、上記ゲル内に保持するだけではなく、上記ゲル内にタンパク質を分離させた後に、電気泳動や毛細管現象を利用して上記ゲルからメンブレンに転写させる方法も行われる。その場合には、上記ゲル支持体を用いた画像読取の場合と同様に、上記メンブレンである転写支持体上の蛍光分布を画像読取装置によって画像化することができる。
上述したような生体分子が二次元的に分布されたゲル支持体や転写支持体から生体分子分布画像を読み取る画像読取装置として、特開平１０‐３１３４号公報(特許文献１)に開示された画像読み取り装置がある。
上記従来の画像読み取り装置では、中央部に孔が形成されたミラーを主走査方向に移動される光学ヘッドに搭載し、蛍光物質によって標識された変性ＤＮＡの電気泳動が記録された転写支持体に対して、光源からの上記蛍光物質の波長に応じた波長のレーザ光(励起光)を上記ミラーの孔を通過させて照射する。そして、上記転写支持体中の蛍光色素が励起されて発せられた蛍光が上記ミラーの上記孔の周囲で反射され、マルチプライヤによって光電変換されて検出される。こうして、ラインバッファに、１ライン分の画像データが記憶される。以下、上記主走査方向に直交する副走査方向に上記光学ヘッドを移動させながら上記動作を繰り返すことにより、画像処理装置によって二次元の可視画像(蛍光画像)を得るようにしている。
上述のように、上記従来の画像読み取り装置においては、ダイクロイックミラーを用いることなく励起光を転写支持体に照射するため、ダイクロイックミラーを通して励起光を照射する方式に比して、強い励起エネルギーを上記転写支持体に付与することができ、光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上できる。
しかしながら、微弱な蛍光を検出するに当たっては、さらなるＳ/Ｎの向上が求められる。
上記光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上するためには、レーザ光等の励起光の照射によって蛍光色素が励起されて発せられて等方的に広がって出射されるた蛍光をなるべく捕集する必要がある。
ここで、広角度で放出される蛍光をなるべく高効率に捕集する方法としては、高いＮＡ(開口数：numerical aperture)の対物レンズを使用する方法があるが、レンズ素子が大型化してしまう。
その場合には、蛍光を捕集する対物レンズの大型化に伴って、蛍光を上記マルチプライヤまで導く間に設置される反射ミラー,レーザ光カットフィルターおよび集光レンズ等の光学素子も大型化する。そのため、光学ヘッドを含む光学系を走査させる画像読み取り装置では、光学素子の大型化に伴って全体のサイズが大きくなり、高速にスキャンすることができなくなるという問題がある。
特開平１０‐３１３４号公報
そこで、この発明の課題は、対物レンズの大型化を抑制しつつ光の集光効率を高めることができる光検出装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、この発明の光検出装置は、
測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子と、
上記対物レンズ素子によって集光された光を検出する光検出素子と
を備え、
上記対物レンズ素子は、屈折によって光を集光する中央部分と、この中央部分の周辺に位置して反射によって光を集光する周辺部分とを含んでいる
ことを特徴としている。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記測定対象物からの光は、上記測定対象物上の略一点から放射状に出射される光であり、
上記対物レンズ素子は、上記測定対象物上の略一点から放射状に出射される光を上記光検出素子上に集光するようになっている。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記測定対象物に光を照射する光源を備え、
上記対物レンズ素子は、上記光源からの光を透過する光透過部を含んでおり、
上記光源からの光は、上記対物レンズ素子の上記光透過部を透過して上記測定対象物を照射するようになっている。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子は、光軸に対して同心円状の形状を有しており、
上記光軸は、上記光透過部の少なくとも一部を通過している。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子と上記光検出素子との間に配置されると共に、上記光源からの光と略同一波長の光を減光する波長フィルタを備え、
上記波長フィルタは、上記対物レンズ素子によって集光された光のうち、上記光源からの光と略同一波長の成分を減光して上記光検出素子上を照射するようになっている。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子と上記光検出素子との間に配置された中間レンズ素子を備え、
上記中間レンズ素子は、上記対物レンズ素子によって集光された光を、さらに上記光検出素子上に集光するようになっている。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子の上記中央部分は、
上記測定対象物からの光が入射すると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する入射側凸面と、
上記入射側凸面からの光を出射させると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する出射側凸面と
を含む一方、
上記対物レンズ素子の上記周辺部分は、
上記測定対象物からの光が入射する入射側端面と、
上記入射側端面からの光を内部で反射させる外周面と、
上記外周面で内部反射された光を出射させる出射側端面と
を含んでおり、
上記中央部分における上記入射側凸面と上記周辺部分における上記入射側端面との境界には、凹状の境界部が形成されている。
尚、ここで言う「内部反射」とは、全反射をも含む概念である。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子の上記中央部分における上記入射側凸面および上記周辺部分における上記入射側端面は、上記入射側凸面から入射した光の光路と上記入射側端面から入射した光の光路とが、上記凹状の境界部を境にして互いに分離されて交差することがないような形状を有している。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子の上記周辺部分における上記入射側端面は、外側に向かって凸状の曲面形状を有している。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子の上記周辺部分における上記外周面は、外部に向かって凸状の曲面形状を有している。
以上より明らかなように、この発明の光検出装置では、測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子は、屈折によって光を集光する通常の凸レンズに相当する中央部分の外周に、反射によって光を集光する周辺部分を有している。したがって、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができ、集光効率を高めて光検出素子による感度アップを図ることができる。そのため、光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上するために、対物レンズとして上記対物レンズ素子と同等のＮＡを有する凸レンズを用いる場合に比して、上記対物レンズ素子の直径を小さくすることができる。
また、上記対物レンズ素子は、上記測定対象物からの光を集光して上記光検出素子に入射するので、上記対物レンズ素子以降の光学素子および上記光検出素子の直径を小さくすることができ、検出光学系をコンパクトにして高速スキャンを可能にできる。
この発明の光検出装置の外観図である。 図１におけるサンプル台の下部に設置された走査ステージの外観図である。 図２における第２ステージ上に載置される走査モジュールの断面図である。 図３における対物レンズの断面図である。 上記対物レンズの具体的形状の一例を示す図である。 図３において対物レンズからピンホールまでの光線図である。 従来のコリメータレンズにおける断面図である。
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の光検出装置における外観図である。本光検出装置１は、筺体を成す本体２と、本体２の上面を覆う蓋体３とで、大まかに構成されている。本体２の上面には、ガラスでなるサンプル台４が設けられており、サンプル台４上には例えば蛍光物質によって標識された生体由来物質が分布するゲル支持体やメンブレン等の転写支持体(共に図示せず)がサンプルとしてセットされる。
そして、上記サンプル台４の下側には光学系が配置されており、サンプル台４上にセットされたサンプルに対して、光照射光学系によってサンプル台４を通して下方から励起光を照射し、サンプル台４を透過してくるサンプルからの蛍光を検出光学系によって検出する。上記検出光学系はＰＣ(Personal computer：パーソナルコンピュータ)５等の外部端末と接続されており、ＰＣ５から測定条件の制御等を行う。さらに、ＰＣ５によって、検出データに基づいてサンプルの蛍光画像を作成し、内蔵する表示画面に上記作成した蛍光画像等を表示する。
図２は、上記サンプル台４の下部に設置された走査ステージ６の外観図を示す。この走査ステージ６は、基準となる第１ステージ７と第１ステージ７の上に載置された第２ステージ８とで構成されている。そして、第２ステージ８の上に走査モジュール９が載置されている。上記蛍光を検出する上記検出光学系は走査モジュール９の中に格納されている。
上記走査ステージ６を構成する第１ステージ７には、第１走査方向に延在すると共に、一定の間隔で互いに対向する２本のガイドレール１０a,１０bが配設されている。また、第２ステージ８は、第１ステージ７のガイドレール１０aによって案内されて上記第１走査方向に往復動する第１ガイド部材１１と、ガイドレール１０bによって案内されて上記第１走査方向に往復動する第２ガイド部材１２とを有している。
上記第２ステージ８を構成する第１ガイド部材１１と第２ガイド部材１２との間には、上記第１走査方向に直交する第２走査方向に延在すると共に、一定の間隔で互いに対向する２本のガイドレール１３a,１３bが配設されている。また、上記走査モジュール９は、ガイドレール１３aによって案内されて上記第２走査方向に往復動する第１ガイド部材１４と、ガイドレール１３bによって案内されて上記第２走査方向に往復動する第２ガイド部材１５とを有している。
上記構成を有する走査ステージ６による走査方法は、先ず、上記第２ステージ８の第１ガイド部材１１と第２ガイド部材１２とがガイドレール１０a,１０bによって案内されて上記第１走査方向に移動して、第２ステージ８の第１ステージ７に対する位置決めが行われる。そうした後に、走査モジュール９の第１ガイド部材１４と第２ガイド部材１５とがガイドレール１３a,１３bによって案内されて上記第２走査方向に移動して、走査モジュール９の第２ステージ８に対する位置決めが行われる。以後、上記動作を繰り返すことによって、サンプル１６上を二次元に走査するのである。
すなわち、本実施の形態においては、上記第１走査方向への移動手段を、ガイドレール１０a,１０bと第１,第２ガイド部材１１,１２とで構成し、上記第２走査方向への移動手段を、ガイドレール１３a,１３bと第１,第２ガイド部材１４,１５とで構成しているのである。
また、具体的な説明は省略するが、上記筺体を成す本体２のサンプル台４下部における走査ステージ６よりも更に下側には、第２ステージ８の第１,第２ガイド部材１１,１２を上記第１走査方向に、走査モジュール９の第１,第２ガイド部材１４,１５を上記第２走査方向に移動させるためのモータ,駆動ベルト,ボールねじ,歯車,制御基板,電源および配線等の走査機構が設置されている。
図３は、上記第２ステージ８の上に載置される走査モジュール９の概略構成を示す縦断面図である。尚、以下の説明においては、光源１８からの励起光の照射に基づいて、上記蛍光物質で標識された上記測定対象物であるサンプル１６から発せられる上記励起光とは異なる波長の微弱な蛍光を検出する場合を例示する。
図３において、走査モジュール９内の上部には、サンプル台(ガラス)４の近傍に位置して、サンプル台４上にセットされたサンプル１６からの蛍光を集光する上記対物レンズ素子としての対物レンズ１７を配置している。さらに、対物レンズ１７の光軸と励起光の光源１８の光軸とが直交する位置には、光源１８から出射されて複数のレンズでなるレンズ群１９で集光されたレーザ光等の励起光を対物レンズ１７に入射するように反射させる反射ミラー２０を配置している。
上記対物レンズ１７はレンズホルダ２１内に収納されており、レンズホルダ２１はステッピングモータ等の駆動部２２によって、対物レンズ１７の光軸方向に移動可能になっている。こうして、対物レンズ１７は、レンズホルダ２１と共に上記光軸方向に移動可能になっている。
また、上記対物レンズ１７の光軸上における反射ミラー２０の下方には、反射ミラー２０側から順に、対物レンズ１７によって集光されたサンプル１６からの蛍光を平行光に変換する第１レンズ２３、励起光カット用の波長フィルタ２４、波長フィルタ２４を通過した蛍光を集光する第２レンズ２５、および、第２レンズ２５を通過した蛍光の迷光をカットするピンホール２６が配置されている。さらに、対物レンズ１７の光軸上におけるピンホール２６の下方には、ピンホール２６を通過した蛍光を検出する上記光検出素子としての検出器２７が配置されている。
上記構成を有する走査モジュール９において、光源１８から出射された励起光は、レンズ群１９で集束され、次いで反射ミラー２０によって反射されて、対物レンズ１７およびサンプル台４を通過し、サンプル１６における下面上の一点に集光される。その場合、反射ミラー２０の長手方向(レンズ群１９の光軸に直交する方向)の長さは短く、上記長手方向に直交する方向の幅は狭くなっており、光源１８からの励起光は対物レンズ１７の光軸付近(励起光透過部)のみを通過するようになっている。
上記蛍光は、サンプル１６における上記励起光が照射された略一点の部分から周囲に等方的に出射される。そして、出射された蛍光のうちのガラスで成るサンプル台４を透過して対物レンズ１７に入射した成分が、対物レンズ１７,第１レンズ２３,波長フィルタ２４,第２レンズ２５およびピンホール２６を通過して、検出器２７によって検出される。そして、検出器２７からの検出信号は、内蔵されるＡＤ変換器(図示せず)等によってＡＤ変換等の処理が施された後に、ＰＣ５へ送出される。こうして、サンプル１６上の各測定点での蛍光強度の分布が内部メモリ等に記録される。
ここで、上述したように、上記対物レンズ１７を通過した蛍光は、集束光となって第１レンズ２３の方向に導かれる。そして、第１レンズ２３によって実質的に光軸と平行な光になるように屈折される。また、上記中間レンズ素子としての第２レンズ２５は第１レンズ２３からの蛍光を集光する。また、ピンホール２６は空間的に迷光をカットするために配置される。尚、励起光カット用の波長フィルタ２４は、例えば回転フォルダ(図示せず)等に配置されて、励起光の波長に応じて他の波長のフィルタと交換可能になっている。
以下、本願の特徴である上記対物レンズ１７に付いて、詳細に説明する。
図４は、上記対物レンズ１７の縦断面図である。図４から分かるように、対物レンズ１７における光軸を含む中央部分は、上記光軸に沿って突出する入射側凸面２８aと出射側凸面２８bとを含んで、通常の凸レンズの機能(屈折のみで光を偏向)を有する凸レンズ部２８となっている。そして、サンプル１６から出射された蛍光のうち、放射角度の小さい蛍光ａは、この凸レンズ部２８の部分を通過して第１レンズ２３に向かって集光される。以下、凸レンズ部２８を指して「中央部分」と言う場合もある。
上記対物レンズ１７における出射側凸面２８b(凸レンズ部２８)の周辺部分は、下方に向かって開いた円錐台形の筒状体２９となっている。そして、サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光ｂは、筒状体２９の入射側端面２９aから筒状体２９内に入射し、入射側端面２９aに連続する外周面２９bで全反射されて光軸側に偏向され、外周面２９bに間接に連続する出射側端面２９cから第１レンズ２３に向かって出射される。以下、筒状体２９を指して「周辺部分」と言う場合もある。
以上のごとく、上記サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光を、筒状体２９の外周面２９bで全反射させることによって、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができる。そのため、検出器２７の感度アップを図ることができるのである。
また、本光検出装置１の対物レンズを上記対物レンズ１７と同等のＮＡを通常の凸レンズで実現するよりも、レンズ素子自体をコンパクトに形成することができるのである。
図５に、上記対物レンズ１７の具体的形状の一例を示す。尚、図５に記載の寸法は一例であり、この発明は、図５の寸法に限定されるものではない。ここで、図５中、「Ｒ」は曲率半径であり、単位は「ｍｍ」である。尚、図５においては、対物レンズ１７における光軸上の入射側の最先端を原点とし、上記光軸に垂直な方向にＸ軸を取り、上記光軸の方向にＹ軸を取っている。したがって、上記原点は、凸レンズ部２８の入射側凸面２８aと上記光軸との交点ではなく、筒状体２９の入射側端面２９aと外周面２９bとの交線を含む平面と上記光軸との交点である。
上述したように、上記サンプル１６から出射された蛍光のうち放射角度の小さい蛍光ａは、対物レンズ１７における光軸を含む中央部分(凸レンズ部２８)を通過して第１レンズ２３に向かって集光される。このように、対物レンズ１７の中央部分は、点光源から放射状に放出された光を屈折によって集光するため、凸レンズの形状が望ましい。
ここで、中央部分に凸レンズ部を有すると共に、凸レンズ部の周辺部分に入射光を反射させる外周面を含む筒状体を有するレンズは、再公表ＷＯ２００８／０６９１４３や特開２０１０‐１１４０４４号公報に開示されている。しかしながら、これら特許文献は、何れも、ＬＥＤ等の発光素子からの光を前方に指向性よく出射させる発光素子用レンズに関するものであり、これに類似するレンズを対物レンズとして光検出装置に用いる点や、上記レンズを対物レンズとして使用することによって光検出装置の光学素子を小型化する点については一切開示も示唆もされてはいない。
また、上記再公表ＷＯ２００８／０６９１４３に開示されているコリメータレンズの場合には、図７に示すように、上記凸レンズの形状とは言っても、光軸との成す角が小さい光線を屈折する部分の出射面は凸形状の楕円面１０２cであるものの、入射側は凹形状の球面１０２aである。そのため、光軸を含む中央部分は、出射側だけで集光効果を得る必要があり、凸レンズとしての集光能率が低下する。したがって、出射側の凸形の楕円面１０２cの曲率を大きくする必要が生ずる等の設計上の制約が生ずる。あるいは、出射側の凸形の楕円面１０２cの焦点距離が大きくなるため、このコリメータレンズレンズを搭載した場合には、走査モジュール９が大型化するなどの問題が発生する。
尚、図７において、１０１は光源であり、１０２はコリメータレンズであり、１０２bは光源１０１からの光を全反射させる楕円面であり、１０２dは楕円面１０２bで全反射された光を屈折する楕円面である。
本実施の形態においては、図５に示すように、上記対物レンズ１７における光軸を含む中央部分は、入射面を矢印「Ｒ１」で示すように凸形の入射側凸面２８aで構成する。一方、出射面を矢印「Ｒ２」で示すように凸形の出射側凸面２８bで構成している。このように、レンズ素子１７の上記中央部分は、入射面と出射面との両方が凸形面であるため、集光の能率を容易に向上させることができる。したがって、出射側の出射側凸面２８bの曲率を特に大きくする必要はなく、出射側の出射側凸面２８bの焦点距離が大きくなって走査モジュール９が大型化することもない。
また、上記サンプル１６から出射された蛍光のうちで放射角度の小さい蛍光ａを、対物レンズ１７における光軸を含む中央部分によって集光する一方、放射角度の大きい蛍光ｂを、対物レンズ１７における周辺部分によって集光する場合に、上記中央部分の入射面に入射された光の光路と上記周辺部分の入射面に入射された光の光路とが、対物レンズ１７内において明確に分離されることが望ましい。
しかしながら、上記再公表ＷＯ２００８／０６９１４３に開示されているコリメータレンズの場合には、球面１０２aに入射されて凸形の楕円面１０２cに至る中央部分の光と、球面１０２aに入射されて凸形の楕円面１０２bに至る周辺部分の光とが、明確に分離されることがない。そのため、球面１０２aに入射されて凹形の楕円面１０２dに至って全反射され、迷光となる光が存在する。
本実施の形態においては、図５に示すように、上記対物レンズ１７における入射面の形状を、光軸を含む中央部分は矢印「Ｒ１」で示すように凸形の入射側凸面２８aで構成する一方、上記中央部分の周辺部分(筒状体２９)は矢印「Ｒ３」で示すように凸形の入射側端面２９aで構成している。このように、入射面における上記中央部分と上記周辺部分とが異なる曲面で形成されて、上記中央部分と上記周辺部分との境界には、凹状(谷状)のくびれ部分が形成される。したがって、入射面における上記中央部分と上記周辺部分とが明確に分離されている。
そのため、上記中央部分(凸レンズ部２８)の入射側凸面２８aに入射される光は、対物レンズ１７の光軸側に屈折されるのに対して、上記周辺部分(筒状体２９)の入射側端面２９aに入射される光は、対物レンズ１７の光軸とは反対側に位置する外周面２９b側に屈折される。このように、入射側凸面２８aに入射される光と入射側端面２９aに入射される光との屈折方向か全く異なるために、上記中央部分の入射側凸面２８aに入射された光と上記周辺部分の入射側端面２９aに入射された光とが、上記中央部分の出射側凸面２８bと上記周辺部分の外周面２９bとの間の面に至ることを防止でき、出射側凸面２８bと外周面２９bとの間の面に至った光が迷光となることを防止できるのである。
また、上記対物レンズ１７の入射面における上記中央部分の入射側凸面２８aに入射された光の光路と、上記周辺部分の入射側端面２９aに入射された光の光路とが、対物レンズ１７中で互いに交差することがないように、入射側凸面２８aおよび入射側端面２９aの形状が設定されている。
したがって、上記中央部分の入射側凸面２８aに入射された光の総てが、出射面である凸形の出射側凸面２８bに至るのに対し、上記周辺部分の入射側端面２９aに入射される光の総てが、反射面である外周面２９bに至ることになる。その結果、対物レンズ１７の入射面に入射されて出射側凸面２８bおよび外周面２９b以外の面に至る光によって、迷光が発生することなはないのである。
また、上記対物レンズ１７の上記中央部分における出射面は、図５において、矢印「Ｒ２」で示すように凸形の出射側凸面２８bで構成されている。したがって、対物レンズ１７の上記中央部分においては、入射面である入射側凸面２８aと出射面である出射側凸面２８bとの協働によって、サンプル１６から出射された蛍光のうちの放射角度の小さい蛍光ａを、効果的に検出器２７に向かって集光することができる。
また、上記対物レンズ１７の上記周辺部分における入射面は、上述したように凸形の入射側端面２９aで構成されている。このように、対物レンズ１７の入射面は、上記中央部分の凸形の入射側凸面２８aと上記周辺部分の凸形の入射側端面２９aとが、凹状(谷状)のくびれ部分を境界として、互いに隣接して独立した凸形の形状に構成されている。したがって、上記周辺部分においても入射面に凸レンズによる集光効果を持たせることができ、上記周辺部分の入射側端面２９aから入射されて外周面２９bを照射する光の照射面積を小さくすることができる。その結果、対物レンズ１７における外周面２９bの光軸方向の長さを短くすることができ、対物レンズ１７全体の小型化を図ることが可能になる。
また、上記対物レンズ１７の周辺部分における反射面は、図５において矢印「Ｒ４」で示すように対物レンズ１７の外側に向かって凸形の外周面２９bで構成している。このように外周面(反射面)２９bが外部に向かって凸状であると言うことは、対物レンズ１７内の光から見れば外周面２９bを凹面鏡と見なすことができ、外周面２９bは凹面鏡の原理で反射光を集光させることができる。
すなわち、上記対物レンズ１７における上記周辺部分は、凸形の入射側端面２９aによって入射光を凸レンズのように屈折させて集光し、さらに凸形の外周面２９bによって凹面鏡のように反射させて集光する２段階の集光機能を有している。したがって、何れか一方の集光機能を単独で行う場合に比べて、集光性を向上させることができる。
また、上記対物レンズ１７の上記周辺部分における入射側端面２９aは、当該入射側端面２９aから入射された光が外周面２９bに対して全反射条件を満たすように入射させるように形成されている。
したがって、上記対物レンズ１７の上記周辺部分における入射側端面２９aから入射された光は、外周面２９bで全反射されて、上記周辺部分内を出射面に向かって進むことができる。
尚、本実施の形態においては、上記周辺部分における筒状体２９の外周面２９bで、入射側端面２９aからの入射光を全反射するようにしている。しかしながら、この発明は全反射に限定されるものではなく、単なる反射でもよい。すなわち、金属反射膜を外周面２９bに形成して、上記金属反射膜で反射するようにしてもよい。
以上のごとく、上記対物レンズ１７は、サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光を、筒状体２９の外周面２９bで全反射あるいは反射させることによって、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができる。そのため、検出器２７の感度アップを図ることができるのである。
また、本光検出装置１の対物レンズを上記対物レンズ１７と同等のＮＡを通常の凸レンズで実現するよりも、レンズ素子自体をコンパクトに形成することができる。
また、図６には、上記サンプル１６から発せられて対物レンズ１７から第２レンズ２５までを通過する蛍光の光線図を示す。図６において、波長フィルタ２４としてカットオフが急峻な干渉フィルターを用いるため、波長フィルタ２４への入射光を平行光にする必要がある。そこで、対物レンズ１７を通過して集光された蛍光を、第１レンズ２３によって平行光に近い状態にして波長フィルタ２４へ入射するようにしている。ここで、対物レンズ１７によって平行光にすることも可能ではある。しかしながら、その場合には、蛍光のビーム径が大きくなってしまい、第１レンズ２３以下の光学素子の大型化を招くことになる。
したがって、上述したような、中央部分に凸レンズ部２８を有すると共に、凸レンズ部２８の周辺部分に円錐台形の筒状体２９を有する対物レンズ１７を用いることによって、第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５の各光学素子の小型化を図ることができ、走査モジュール９の小型・軽量化を図ることができるのである。
尚、上述の説明においては、上記光源１８からの励起光の照射に起因して、サンプル１６から出射される蛍光を検出する場合を例に挙げて説明したが、サンプル１６から出射される光は、上記蛍光以外に、反射・散乱光である場合も含まれる。すなわち、反射吸収物質で標識された生体由来物質が分布する転写支持体をサンプル１６とした場合には、光源１８からの励起光の照射に基づいて、上記反射吸収物質で標識されたサンプル１６からは上記励起光と同じ波長の強い強度の光(反射・散乱光)が発せられる。
上述のように、本実施の形態においては、光源１８から出射されて対物レンズ１７の上記励起光透過部を透過した励起光の照射に起因して、サンプル１６における略一点から等方的に出射される光を、対物レンズ１７によって集光し、検出器２７によって検出するようにしている。
そして、上記対物レンズ１７を、中央部分に凸レンズ部２８を有すると共に、凸レンズ部２８の周辺部分に円錐台形の筒状体２９を有するように構成している。したがって、サンプル１６から出射された光のうちで、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい光ｂを、筒状体２９の外周面２９bで全反射あるいは反射させて集光することができ、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光を効率良く集めることができる。その結果、上記光の集光率を高めることができ、対物レンズ１７の光軸上に配置された反射ミラー２０で遮られて検出器２７によって検出されない光の存在によるＳ/Ｎの低下を防止して、高感度な光検出装置を実現することができる。
したがって、本実施の形態によれば、上記大きな放射角度の光ｂを高いＮＡの通常の凸レンズで集光する場合よりも対物レンズ１７を小型に構成することができる。また、対物レンズ１７は、サンプル１６からの光を集光して第１レンズ２３に入射するので、光を検出器２７に導く光路上に設置される第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５等の光学素子をも小型にすることが可能になる。
また、上記対物レンズ１７,第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５等の光学素子を小型にすることにより、上記光照射光学系および上記検出光学系を搭載している走査モジュール９の重量を軽くすることができる。したがって、上記走査機構の構成を簡素化すると共に、軽量化を図って、走査モジュール９の高速走査を可能にすることができる。したがって、サンプル１６における異なる複数の位置での二次元の光分布を高速に検出することが可能になる。
また、本実施の形態において、上記対物レンズ１７は、図４に示すように、上記光軸となる中心軸に関して対象性を有する同心円状の平面形状を有している。そして、この中心軸と、反射ミラー２０で反射された上記励起光が透過する上記励起光透過部の少なくとも一部とが、重複するようになっている。そのため、ダイクロイックミラーを通して励起光を照射する方式に比して、強い励起エネルギーをサンプル１６に付与することができ、検出器２７で光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上することができる。さらに、上記光軸の周囲に上記励起光透過部を設けることができ、上記励起光を対物レンズ１７の上記中央部分に対して略垂直に入射させることができ、上記励起光の入射を簡単に行うことができる。
ここで、上記対物レンズ１７における上記励起光透過部は、光源１８からの励起光を透過させる機能を有していればどのような形態であってもよく、例えば上記励起光透過部の周辺部と比べて何ら異なる特徴を有していなくても差し支えない。つまり、上記励起光透過部のレンズ曲率を周辺部のレンズ曲率とは異なる等の特徴がなく、上記周辺部と明確な構造的な違いや明確な境界が無くとも、実際に使用する際に光源１８からの励起光を透過させることができればよいのである。
また、本実施の形態においては、上記対物レンズ１７と検出器２７との間に上記中間レンズ素子としての第２レンズ２５を配置している。そして、対物レンズ１７によって集光された光を、さらに第２レンズ２５で集光位置が検出器２７の検出面上になるように点集光するようにしている。
本光検出装置１の光検出効率を向上させるためには、検出器２７の検出面に対して集光スポットの径が非常に小さい点になるように集光させる必要がある。ところが、上述のような構成を有する対物レンズ１７のみで点集光させることは困難である。例えば、対物レンズ１７とサンプル１６との間の距離がわずかにずれた場合であっても、検出器２７の検出面上のスポット径が非常に大きくなり、検出効率が低下するという問題が発生する。そこで、本実施の形態においては、先ず、対物レンズ１７でサンプル１６から放射状に発せられた光を並行光に近い状態でゆるく集光したうえで、次に、第２レンズ２５で検出器２７の検出面上に点集光するのである。こうすることによって、光検出効率を向上させることができるのである。
また、本実施の形態においては、上記対物レンズ１７と第２レンズ２５との間に、光源１８からの励起光の波長と同等の波長成分の光を遮光する波長フィルタ２４を配置している。そして、検出器２７に入射しようとする光源１８からの励起光の波長と同等の波長の迷光をカットするようにしている。したがって、検出器２７によってさらに効率よく蛍光を検出することができるのである。
以上のごとく、この発明の光検出装置は、
測定対象物１６からの光を集光する対物レンズ素子１７と、
上記対物レンズ素子１７によって集光された光を検出する光検出素子２７と
を備え、
上記対物レンズ素子１７は、屈折によって光を集光する中央部分２８と、この中央部分２８の周辺に位置して反射によって光を集光する周辺部分２９とを含んでいる
ことを特徴としている。
上記構成によれば、上記測定対象物１６からの光を集光する対物レンズ素子１７は、屈折によって光を集光する通常の凸レンズに相当する中央部分２８の外周に、反射によって光を集光する周辺部分２９を有している。したがって、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができ、集光効率を高めて上記光検出素子２７による感度アップを図ることができる。そのために、上記従来の画像読み取り装置のように、光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上するために、対物レンズとして上記対物レンズ素子１７と同等のＮＡを有する凸レンズを用いる場合に比して、上記対物レンズ素子１７の直径を小さくすることができる。
また、上記対物レンズ素子１７は、上記測定対象物１６からの光を集光して上記光検出素子２７に入射するので、上記対物レンズ素子１７以降の光学素子および上記光検出素子２７の直径を小さくすることができ、検出光学系をコンパクトにして高速スキャンを可能にすることができるのである。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記測定対象物１６からの光は、上記測定対象物１６上の略一点から放射状に出射される光であり、
上記対物レンズ素子１７は、上記測定対象物１６上の略一点から放射状に出射される光を上記光検出素子２７上に集光するようになっている。
この実施の形態によれば、上記測定対象物１６上の略一点から放射状に出射される微弱な光であっても、上記対物レンズ素子１７によって高い集光効率で集光して上記光検出素子２７上に集光するので、上記光検出素子２７によって高感度で検出することができるのである。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記測定対象物１６に光を照射する光源１８を備え、
上記対物レンズ素子１７は、上記光源１８からの光を透過する光透過部を含んでおり、
上記光源１８からの光は、上記対物レンズ素子１７の上記光透過部を透過して上記測定対象物１６を照射するようになっている。
この実施の形態によれば、上記光源１８からの光を上記対物レンズ素子１７の上記光透過部を透過して上記測定対象物１６に照射するようにしている。そのために、ダイクロイックミラーを通して励起光を照射する方式に比して、強い励起エネルギーを上記測定対象物１６に付与することができ、上記光検出素子２７で検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上することができる。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７は、光軸に対して同心円状の形状を有しており、
上記光軸は、上記光透過部の少なくとも一部を通過している。
この実施の形態によれば、光軸に対して同心円状の形状を有する上記対物レンズ素子１７における上記光軸の周囲に、上記光透過部を設けることができる。したがって、上記光源１８からの光を、上記対物レンズ素子１７の上記中央部分２８に対して略垂直に入射させることができ、上記光の入射を簡単に行うことができる。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７と上記光検出素子２７との間に配置されると共に、上記光源１８からの光と略同一波長の光を減光する波長フィルタ２４を備え、
上記波長フィルタ２４は、上記対物レンズ素子１７によって集光された光のうち、上記光源１８からの光と略同一波長の成分を減光して上記光検出素子２７上を照射するようになっている。
この実施の形態によれば、上記波長フィルタ２４は上記光源１８からの光と略同一波長の成分を減光するので、上記光検出素子２７に入射されようとする上記光源１８からの光と略同一波長の迷光を上記波長フィルタ２４によってカットすることができる。したがって、上記光検出素子２７によってさらに効率よく検出することができる。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７と上記光検出素子２７との間に配置された中間レンズ素子２５を備え、
上記中間レンズ素子２５は、上記対物レンズ素子１７によって集光された光を、さらに上記光検出素子２７上に集光するようになっている。
上記検出器２７での光検出効率を向上させるためには、上記検出器２７の検出面に対して集光スポットの径が非常に小さい点になるように集光させる必要がある。
この実施の形態によれば、上記対物レンズ素子１７によって集光された光を、上記中間レンズ素子２５によって上記光検出素子２７上に集光するようにしている。したがって、サンプル１６から放射状に発せられた光を、先ず、対物レンズ１７によって並行光に近い状態でゆるく集光し、次に、上記中間レンズ素子２５で上記光検出素子２７上に点集光することができ、光検出効率を向上させることができるのである。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７の上記中央部分２８は、
上記測定対象物１６からの光が入射すると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する入射側凸面２８aと、
上記入射側凸面２８aからの光を出射させると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する出射側凸面２８bと
を含む一方、
上記対物レンズ素子１７の上記周辺部分２９は、
上記測定対象物１６からの光が入射する入射側端面２９aと、
上記入射側端面２９aからの光を内部で反射させる外周面２９bと、
上記外周面２９bで内部反射された光を出射させる出射側端面２９cと
を含んでおり、
上記中央部分２８における上記入射側凸面２８aと上記周辺部分２９における上記入射側端面２９aとの境界には、凹状の境界部が形成されている。
この実施の形態によれば、上記対物レンズ素子１７の上記中央部分２８は、入射面を凸形の入射側凸面２８aで構成する一方、出射面を凸形の出射側凸面２８bで構成するので、集光の能率を容易に向上させることができる。したがって、出射側の出射側凸面２８bの曲率を特に大きくする必要はなく、出射側の出射側凸面２８bの焦点距離が大きくなって走査モジュール９が大型化することもない。
さらに、上記入射面には、上記中央部分２８における入射側凸面２８aと上記周辺部分２９における入射側端面２９aとの境界に、凹状の境界部が形成されている。そのため、入射側凸面２８aに入射される光と入射側端面２９aに入射される光との屈折方向が全く異なり、入射面における上記中央部分２８と上記周辺部分２９とが明確に分離される。したがって、入射側凸面２８aに入射された光と入射側端面２９aに入射された光とが、出射側凸面２８bと外周面２９bとの間の面に至ることを防止でき、出射側凸面２８bと外周面２９bとの間の面に至った光が迷光となることを防止できる。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７の上記中央部分２８における上記入射側凸面２８aおよび上記周辺部分２９における上記入射側端面２９aは、上記入射側凸面２８aから入射した光の光路と上記入射側端面２９aから入射した光の光路とが、上記凹状の境界部を境にして互いに分離されて交差することがないような形状を有している。
この実施の形態によれば、上記入射側凸面２８aから入射した光の光路と入射側端面２９aから入射した光の光路とは、交差することがない。その結果、上記中央部分２８の入射側凸面２８aに入射された光の総てが、出射面である凸形の出射側凸面２８bに至るのに対して、上記周辺部分２９の入射側端面２９aに入射される光の総てが、反射面である外周面２９bに至ることになる。
したがって、上記入射面に入射されて出射側凸面２８bおよび外周面２９b以外の面に至る光によって、迷光が発生することが防止される。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７の上記周辺部分２９における上記入射側端面２９aは、外側に向かって凸状の曲面形状を有している。
この実施の形態によれば、上記周辺部分２９における上記入射側端面２９aは、外側に向かって凸状の曲面形状を有している。したがって、上記周辺部分２９においても入射面に凸レンズによる集光効果を持たせることができ、入射側端面２９aから入射されて外周面２９bを照射する光の照射面積を小さくすることができる。その結果、外周面２９bの光軸方向の長さを短くすることができ、レンズ素子１７全体の小型化を図ることが可能になる。
また、一実施の形態の光検出装置では、
上記対物レンズ素子１７の上記周辺部分２９における上記外周面２９bは、外部に向かって凸状の曲面形状を有している。
この実施の形態によれば、上記対物レンズ素子１７の上記外周面(反射面)２９bが外部に向かって凸状の曲面形状を有しており、上記対物レンズ素子１７内の光から見れば凹面鏡と見なすことができる。したがって、外周面２９bは凹面鏡の原理で反射光を集光させることができる。
すなわち、上記対物レンズ素子１７における上記周辺部分２９は、凸形の入射側端面２９aによって入射光を凸レンズのように屈折させて集光し、さらに凸形の外周面２９bによって凹面鏡のように反射させて集光する２段階の集光機能を有している。したがって、何れか一方の集光機能を単独で行う場合に比べて、集光性を向上させることができる。
１…光検出装置、
４…サンプル台、
５…ＰＣ、
６…走査ステージ、
９…走査モジュール、
１６…サンプル、
１７…対物レンズ、
１８…光源、
２０…反射ミラー、
２３…第１レンズ、
２４…波長フィルタ、
２５…第２レンズ、
２６…ピンホール、
２７…検出器、
２８…凸レンズ部(中央部分)、
２８a…入射側凸面、
２８b…出射側凸面、
２９…筒状体(周辺部分)、
２９a…入射側端面、
２９b…外周面、
２９c…出射側端面。

Claims (10)

  1. 測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子と、
    上記対物レンズ素子によって集光された光を検出する光検出素子と
    を備え、
    上記対物レンズ素子は、屈折によって光を集光する中央部分と、この中央部分の周辺に位置して反射によって光を集光する周辺部分とを含んでいる
    ことを特徴とする光検出装置。
  2. 請求項１に記載の光検出装置において、
    上記測定対象物からの光は、上記測定対象物上の略一点から放射状に出射される光であり、
    上記対物レンズ素子は、上記測定対象物上の略一点から放射状に出射される光を上記光検出素子上に集光するようになっている
    ことを特徴とする光検出装置。
  3. 請求項１あるいは請求項２に記載の光検出装置において、
    上記測定対象物に光を照射する光源を備え、
    上記対物レンズ素子は、上記光源からの光を透過する光透過部を含んでおり、
    上記光源からの光は、上記対物レンズ素子の上記光透過部を透過して上記測定対象物を照射するようになっている
    ことを特徴とする光検出装置。
  4. 請求項３に記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子は、光軸に対して同心円状の形状を有しており、
    上記光軸は、上記光透過部の少なくとも一部を通過している
    ことを特徴とする光検出装置。
  5. 請求項３あるいは請求項４に記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子と上記光検出素子との間に配置されると共に、上記光源からの光と略同一波長の光を減光する波長フィルタを備え、
    上記波長フィルタは、上記対物レンズ素子によって集光された光のうち、上記光源からの光と略同一波長の成分を減光して上記光検出素子上を照射するようになっている
    ことを特徴とする光検出装置。
  6. 請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子と上記光検出素子との間に配置された中間レンズ素子を備え、
    上記中間レンズ素子は、上記対物レンズ素子によって集光された光を、さらに上記光検出素子上に集光するようになっている
    ことを特徴とする光検出装置。
  7. 請求項１から請求項６までの何れか一つに記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子の上記中央部分は、
    上記測定対象物からの光が入射すると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する入射側凸面と、
    上記入射側凸面からの光を出射させると共に、光軸方向外側に向かって凸状の曲面形状を有する出射側凸面と
    を含む一方、
    上記対物レンズ素子の上記周辺部分は、
    上記測定対象物からの光が入射する入射側端面と、
    上記入射側端面からの光を内部で反射させる外周面と、
    上記外周面で内部反射された光を出射させる出射側端面と
    を含んでおり、
    上記中央部分における上記入射側凸面と上記周辺部分における上記入射側端面との境界には、凹状の境界部が形成されている
    ことを特徴とする光検出装置。
  8. 請求項７に記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子の上記中央部分における上記入射側凸面および上記周辺部分における上記入射側端面は、上記入射側凸面から入射した光の光路と上記入射側端面から入射した光の光路とが、上記凹状の境界部を境にして互いに分離されて交差することがないような形状を有している
    ことを特徴とする光検出装置。
  9. 請求項７あるいは請求項８に記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子の上記周辺部分における上記入射側端面は、外側に向かって凸状の曲面形状を有している
    ことを特徴とする光検出装置。
  10. 請求項７から請求項９までの何れか一つに記載の光検出装置において、
    上記対物レンズ素子の上記周辺部分における上記外周面は、外部に向かって凸状の曲面形状を有している
    ことを特徴とする光検出装置。
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