JP2020193838A - 光源および生化学分析装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 分析装置の性能を向上させ且つメンテナンスを容易にする。【解決手段】 並列に配置された紫外光を発する第１のＬＥＤ２ｕと、第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤ２ｗと、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射する反射面３ｒと、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面３ｄと、を備え、ダイクロイック面を備える光学部材をダイクロイックプリズム３とした場合に、反射面３ｒは第１のＬＥＤの光を第２のＬＥＤがある側に反射し、第２のＬＥＤの発光面とダイクロイックプリズムの間に遮光部５を備える構成の光源を用いることで、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として、生化学分析装置などの後段の光学系に入射することを可能とする。【選択図】図１

Description

本開示は、広範囲な波長域の光源、およびそれを用いた生化学分析装置に関する。
生体化学分析装置では、試料に試薬を添加して光を照射し、発光強度を計測して生体試料の濃度を観察している。生化学分析装置においては、試料に照射する光の波長域は３４０〜８００ｎｍといった広範囲な波長域であり、当該波長領域の光を発光できる光源が用いられている。
近年、近紫外光を発光するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）が開発され、試料分析用の光源として用いられている。生化学分析装置においては、上記のとおり３４０〜８００ｎｍといった広範囲な波長域の光を用いて試料を分析しており、光源としてＬＥＤを利用するためには、個々のＬＥＤの波長域はおおよそ３０〜１００ｎｍと生化学分析装置で必要となる波長域に比べて小さいことから、紫外ＬＥＤの光で励起され近赤外の波長領域まで発光する蛍光体を用いたり、複数のＬＥＤを用いたりする必要がある。
特許文献１には、近紫外発光ＬＥＤで励起し、近赤外発光を起こす蛍光体が開示されている。具体的には、特許文献１には、上記蛍光体の例として、発光装置において赤外を発光するＬｉＡｌＯ２：Ｆｅ（発光スペクトルのピーク波長：７４６ｎｍ）およびＡｌ２Ｏ３：Ｃｒ（発光波長の記載なし）が開示されている（要約、段落００６６、図３参照）。また、特許文献２〜４は、複数のＬＥＤを用いた発光装置が記載されている。
特開２００１−３５２１０１号公報 特開２０１４−１７９４０７号公報 特開２０００−１９４０６７号公報 特開２００８−５４６０１５号公報
上述のように生化学分析装置の光源として、ランプ寿命が短いタングステンランプを用いる代わりに、波長領域が異なる複数種類のＬＥＤ光源が用いられることがある。しかしながら、複数種類のＬＥＤ光源を用いた場合、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として、生化学分析装置の後段の光学系に入射することが困難であった。
本開示の目的は、上記課題に鑑みてなされたものであり、長寿命のＬＥＤを光源として用い、メンテナンスを容易にすることを可能とする光源、及びそれを用いた生化学分析装置を提供することにある。
上記の目的を達成するため、本開示は、一方が紫外光を発光する、並列に配置された第１のＬＥＤと第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、反射面およびダイクロイック面より第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤの側に配置され、紫外光を遮光する遮光部と、を備え、遮光部は、第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤの発光面と対向している構成の光源、及びそれを用いた生化学分析装置を提供する。
また、上記の目的を達成するため、本開示は、一方が紫外光を発光する第１のＬＥＤと、第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤとが並列に配置され、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を第２のＬＥＤがある側に反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面とを有するダイクロイックプリズムと、第１のＬＥＤもしくは第２のＬＥＤの発光面とダイクロイックプリズムの間に配置された遮光部と、を備える構成の光源、及びそれを用いた生化学分析装置を提供する。
更に、上記の目的を達成するため、本開示は、一方が紫外光を発光し、並列に配置された第１のＬＥＤと前記第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、第１のＬＥＤに対向して前１のＬＥＤの光を反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、を備え、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤの他方が、主な発光光が紫外光ではない白色ＬＥＤであり、白色ＬＥＤの発光面に対向して、紫外光に対する透過率が紫外光よりも長波長の光に対する透過率よりも小さいフィルタ部材を配置する構成の光源、及びそれを用いた生化学分析装置を提供する。
本開示によれば、ＬＥＤを使い、長寿命化が可能な構成の光源を用いることで生化学分析装置のメンテナンスを容易にできる。上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
本開示の生化学分析装置に用いる光源の構成を示す図である。 実施例１の光源における新たな課題の詳細を説明する図である。 実施例１の遮光構造の一例を示す図である。 実施例１の遮光構造による紫外光抑制を説明する図である。 実施例１の光源においてシミュレーションした光学系を示す図である。 実施例１の光源の貫通孔の変形例を示す図である。 実施例２の光源の一構成例を示す図である。 実施例３の光源の一構成例を示す図である。 実施例４の光源の一構成例を示す図である。 実施例４の光源の遮光フレームの変形例を示す図である。 実施例４の光源のＬＥＤ配置の変形例を示す図である。 実施例４のダイクロイックプリズムの変形例を示す図である。
以下、図面に基づいて、本開示の実施例を説明する。なお、本開示の実施例は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。また、後述する各実施例の説明に使用する各図の対応部分には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。
実施例１は、一方が紫外光を発光する、並列に配置された第１のＬＥＤと第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、反射面およびダイクロイック面より第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤの側に配置され、紫外光を遮光する遮光部と、を備え、遮光部は、第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤの発光面と対向している構成の光源の実施例である。
図１は、実施例１の光源の一構成を示す図である。光源１は、発光波長の異なる２つのＬＥＤパッケージ２ｗ、２ｕと、２つのＬＥＤパッケージから出射した光を１本のビームにするダイクロイックプリズム３と、ＬＥＤパッケージを実装するＬＥＤ基板４と、ダイクロイックプリズム３をＬＥＤ基板４に固定する遮光フレーム５からなる。ＬＥＤパッケージ２ｕは紫外光を出射し、遮光フレーム５の一部は紫外光がＬＥＤパッケージ２ｗに到達するのを抑制する、２つのＬＥＤパッケージの発光面とダイクロイックプリズムの間に配置された遮光部として機能する。
図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、それぞれ光源１の斜視図、同図のＡ−Ａ´線の断面図、ＬＥＤパッケージ２ｗの詳細図、ＬＥＤパッケージ２ｕの詳細図、およびダイクロイックプリズム３の斜視図である。
本実施例では、ＬＥＤパッケージ２ｗは、３８０ｎｍから８００ｎｍの光を発光するＬＥＤパッケージであり、以下、本明細書において、白色ＬＥＤパッケージと呼ぶことにする。ＬＥＤパッケージ２ｕは３４０ｎｍに発光ピークがあり、以下、紫外ＬＥＤパッケージと呼ぶことにする。
図１の（ｃ）を用いて白色ＬＥＤパッケージ２ｗについて説明する。ＬＥＤ２ｗｌは、白色ＬＥＤ枠体２ｗｆの凹部に配置され、蛍光体が分散した樹脂２ｗｐで封止されている。白色ＬＥＤ枠体２ｗｆの材料は、樹脂またはセラミックである。
ＬＥＤ２ｗｌは蛍光体を励起する光源である。本実施例では、ＬＥＤ２ｗｌは発光ピークが３８５ｎｍにあるＬＥＤである。３８５ｎｍから８００ｎｍの連続発光スペクトルを生成するため、樹脂２ｗｐには複数種類の蛍光体が分散している。なお、本実施例では複数種類の蛍光体が樹脂中に分散している形態を説明するが、これに限らずＬＥＤ２ｗｌの上に蛍光体膜を積層した構成でも良い。また、蛍光体の一部を積層し、一部を分散する構成でも良い。所定の波長帯、つまり本実施例では３８５ｎｍから８００ｎｍの連続発光スペクトルを生成できれば良い。但し、完全な連続スペクトルでなくても、生化学分析装置に用いる波長で十分な発光強度を有すれば良い。蛍光体で発光した光とＬＥＤ２ｗｌで発光した光は、樹脂２ｗｐの上面２ｗｐｕから出射する。樹脂２ｗｐの上面２ｗｐｕは、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの発光面となる。
本開示は、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの構成を限定するものではない。また、樹脂２ｗｐは蛍光体だけではなく微粒子を含んでも良い。含有した微粒子による微粒子分散は、蛍光体の分散性を向上したり，光散乱により蛍光体に効率よく励起光を照射するためである。
図１の（ｄ）を用いて紫外ＬＥＤパッケージ２ｕについて説明する。ＬＥＤ２ｕｌは、紫外ＬＥＤ枠体２ｕｆの凹部に配置され、封止ガラス２ｕｃで紫外ＬＥＤ枠体２ｕｆの開口部が覆われている。ＬＥＤ２ｕｌは、発光ピークが３４０ｎｍにある。紫外光は周辺部材を劣化させるため、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕを構成する材料は紫外光で劣化しない材料で構成されている。封止ガラス２ｕｃは石英ガラスなど紫外光を吸収しない部材が用いられる。紫外ＬＥＤ枠体２ｕｆは、セラミックなどが用いられる。例えば、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、Ａｌ、Ｃｕなどである。
本開示は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの構成を限定するものではない。ＬＥＤ２ｕｌから出射した光は、封止ガラス２ｕｃを介して出射する。このため封止ガラスの上面２ｕｃｕと側面２ｕｃｓが、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの発光面となる。本実施例では、ＬＥＤ枠体２ｕｆの凹部にＬＥＤ２ｕｌを実装して封止ガラス２ｕｃで封止したが、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの構造はこれに限らず、例えば、紫外光に耐性を持たせたフッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、シクロオレフィン樹脂などでＬＥＤ枠体２ｕｆの凹部をＬＥＤ２ｕｌごと埋めて封止しても良い。
なお、実施例１として、おおよその波長を記載したが、本開示はこれに限定されない。本開示の光源は、ＬＥＤ２ｕｌが紫外光または近紫外光（例えば波長が３４０ｎｍから４３０ｎｍの光）を発光し、ＬＥＤ２ｗｌが、ＬＥＤ２ｕｌの発光光よりも長い光を発する場合に重要となる。
図１の（ｂ）と（ｅ）を用いて、ダイクロイックプリズム３について説明する。ダイクロイックプリズム３は、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄを有し、反射面３ｒは紫外ＬＥＤパッケージ２ｕに対向して配置され、ダイクロイック面３ｄは、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに対向して配置される。
本実施例の反射面３ｒは光の全反射を利用して反射する面であり、ダイクロイックプリズム３の底面３ｌに対して４５度の角度をなす斜面であり、鏡面加工された面である。なお、反射面はこれに限らず、アルミなどの金属膜が反射面３ｒに形成された構成でも良いし、誘電体の多層膜（誘電体多層膜）が形成された面でも良い。紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの発光光を、ダイクロイック面３ｄ側に反射する機能を有すれば良い。
本実施例のダイクロイック面３ｄは、誘電体多層膜などの薄膜を鏡面上に形成した面であり、薄膜が２つのガラス部材で挟まれた構成となっている。なお、鏡面とは、表面粗さが表面に入射する光の波長よりも小さい滑らかな面のことを言う。ダイクロイック面３ｄは、底面３ｌに対して４５度の角度をなす斜面であり、白色ＬＥＤパッケージ２ｗからの光に対しては透過率が高く、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕからの光に対しては反射率が高い面である。例えば、白色ＬＥＤパッケージ２ｗからの光に対する透過率は８０％以上であり、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕからの光に対する反射率は８０％以上となるような機能を有する面である。なお、上述した透過率および反射率は、それぞれ９０％以上であることが望ましい。
このような構成とすることで、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光線Ｒａｙ２は、反射面３ｒで反射して，ダイクロイック面３ｄで反射してダイクロイックプリズム３の上面３ｕから生化学分析装置の後段の光学系に向かって出射する。一方で、白色ＬＥＤパッケージ２ｗから出射した光線Ｒａｙ１は、ダイクロイック面３ｄを透過して、上面３ｕから生化学分析装置の後段の光学系に向かって出射する。
一般に、生化学分析装置の後段の光学系では光源１から出射した光の一部しか有効利用されない。本実施例では、図１の（ｅ）に示す有効領域３ｅａから出射した光の内、上面３ｕの法線方向からの角度が数度以内の光だけが後段の光学系で有効利用される。有効領域３ｅａは、ダイクロイック面３ｄに対向する上面３ｕの一部である。後段の光学系に依存して有効領域３ｅａの位置や形状が決まる。
本実施例の構成の光源とすることで、白色ＬＥＤパッケージ２ｗと紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光はダイクロイック面３ｄで合わさって、有効領域３ｅａから一つの光線（ビーム）となって後段の光学系に向かって出射することが可能となる。この光源１を適用した生化学分析装置は、検体が含まれる試料セルを通して光の吸収（透過光量）を受光装置でモニタすることができる。
また、白色ＬＥＤパッケージ２ｗと紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの周囲は熱くなるため、ＬＥＤ基板４の後ろに冷却構造を設けることが好ましい。特に樹脂２ｗｐに分散している蛍光体は、近紫外〜青色の波長の光を吸収する蛍光体であり、これらの波長で励起されて発光する蛍光体には、温度が上昇した場合に発光効率が低下するものがある。また、ＬＥＤも温度が上昇すると効率が低下する傾向にある。そのため、光源１には冷却機構が設けられることが望ましい。
本実施例の構成とした場合の新たな課題は、紫外光による周辺部材の劣化である。特に、白色ＬＥＤパッケージ２ｗを構成している部材の一つである樹脂は紫外光を吸収して経時劣化する。蛍光体を分散させる樹脂２ｗｐは紫外光を吸収して黄色くなることがある（以下、この現象を黄変と呼ぶ）。
この場合、白色ＬＥＤパッケージ２ｗ内の概ね３７０ｎｍ以下の光が樹脂２ｗｐで吸収されて黄変するため、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに紫外光が照射され続けると、光源１の使用期間に応じて黄変が進む。黄変が進むと、概ね５００ｎｍ以下の波長の光が樹脂で吸収されるようになり、青側の光量が低下する。一方で、ＬＥＤ２ｗｌは発光ピークが３８５ｎｍにあるＬＥＤであるため、３８５ｎｍの光量が最も大きいことが多い。このため黄変が進むにつれて３８５ｎｍの光が樹脂２ｗｐで吸収されて樹脂２ｗｐが熱を持つようになり、この熱が樹脂２ｗｐの劣化を促進して、さらに蛍光体の劣化までを引き起こす恐れがある。これらは紫外ＬＥＤパッケージ２ｕと白色ＬＥＤパッケージ２ｗを近接して配置する構成に起こる、従来にはない新たな課題である。
そこで本実施例の光源では、図１に示した遮光フレーム５の構造を工夫することにより、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの光が白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する量を低減する。図２を用いて上述した新たな課題を詳細に説明する。図２は遮光フレームが無い場合に、どのような光線が色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達するかを説明するための図である。
同図において、光線Ｒａｙ３は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光がダイクロイックプリズム３の上面３ｕで反射し、底面３ｌで再反射して、これを繰り返してダイクロイック面３ｄを透過して、底面３ｌから白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する例である。ダイクロイックプリズム３は透明であるが、上面３ｕや底面３ｌでは、フレネル反射率に基づいて一部の光が表面反射する。
また、ダイクロイック面３ｄは特定の波長の光が特定の角度で入射した場合に、所定の反射率および透過率となる。本実施例では、ダイクロイック面３ｄの法線を基準として４５度で入射する波長３４０ｎｍの光に対して反射率が９０％以上となるように設定されている。このため、Ｒａｙ３のように入射角度４５度からずれた光は透過することがある。つまり、ダイクロイックプリズム３が２つのＬＥＤパッケージの前に存在することで、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光が、フレネル反射とダイクロイック面３ｄの透過を経て白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する。
光線Ｒａｙ４は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光がダイクロイックプリズム３の上面３ｕでフレネル反射し、底面３ｌで屈折して白色ＬＥＤパッケージ２ｗ入射する例である。
また、光線Ｒａｙ５は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光が底面３ｌでフレネル反射し、白色ＬＥＤパッケージ２ｗ入射する例である。
更に、光線Ｒａｙ６は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの封止ガラスの側面２ｕｃｓから出射した光が、直接白色ＬＥＤパッケージ２ｗ入射する例である。本実施例では、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕは封止ガラスを備えることから白色ＬＥＤパッケージ２ｗよりも厚みがあり発光面がダイクロイックプリズムに近い構成となっている。このため光線Ｒａｙ６のような経路が発生する。
これら様々な経路で白色ＬＥＤパッケージ２ｗに入射する紫外光線を抑制することが新たな課題であり、この課題を解決するために、本実施例の更なる構成として、白色ＬＥＤパッケージ２ｗもしくは紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの発光面とダイクロイックプリズム３の間に配置された遮光部を形成する遮光フレーム５を考案した。
図３および４を用いて、本実施例の遮光フレーム５に関して説明する。図３は遮光フレーム５の構造を説明するための図である。図４は遮光フレーム５によってどのように光線が遮光されるかを説明するための図である。
図３の（ａ）はダイクロイックプリズム３が配置される側から見た遮光フレーム５の斜視図であり、（ｂ）はＬＥＤ基板４が配置される側から見た斜視図であり、（ｃ）はダイクロイックプリズム３側から見た遮光フレーム５の正面図であり、（ｄ）はＬＥＤ基板４側から見た背面図である。
図１に示したように，ダイクロイックプリズム３は開口部５ｏの凹部にはめ込まれる。凹部の形状を高精度に作成することで、ダイクロイックプリズム３を高精度に所定の位置に配置できる。貫通孔５ａ、５ａ’は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕ、白色ＬＥＤパッケージ２ｗからの光を通してダイクロイックプリズム３に到達させるための穴である。すなわち、反射面およびダイクロイック面を有する部材であるダイクロプリズム３を固定する遮光フレーム５を備え、遮光フレーム５は、第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤからの光を通して反射面３ｒおよびダイクロイック面３ｄに到達させるための貫通孔を備える。
一方、ねじ穴５ｓ、５ｓ’は、ＬＥＤ基板４と遮光フレーム５を固定するためのねじ穴である。すなわち、遮光フレーム５は、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤを実装するＬＥＤ基板４と、遮光フレーム５を固定するためのねじ穴を備える。このねじ穴の位置を高精度に加工することで、ＬＥＤ基板４と遮光フレーム５の位置関係を高精度に合わせることができる。ガイド５ｈ、５ｈ’は、生化学分析装置の後段の光学系の構造物に光源１の位置を合わせるために使う穴である。ここでは穴としたが固定用貫通孔であっても良いし、突起をガイドとしても良い。
ここで、ダイクロイックプリズム３の振動等による位置ずれ、すなわちガタの防止に関して説明する。凹部の貫通孔５ａと５ａ’の間の平坦部に接着剤を塗布し、ガタが起きないようにダイクロイックプリズム３ｄを固定する。一般的に光が導光する部材を接着すると、そこで散乱が生じて光が部材から漏れるため光利用効率が低下する。しかし、生化学分析装置の後段の光学系まで考慮すると、有効領域３ｅａから出射した光の内、上面３ｕの法線方向からの角度が数度以内の光だけが後段の光学系で利用可能である。
このことから、図１の（ｂ）に示した光線Ｒａｙ２のような、反射面３ｒおよびダイクロイック面３ｄで約４５度で反射する経路をたどる光線のみが有効であること分かる。したがって、上記の接着箇所で散乱する光は、そもそも有効利用されない光であり、分析装置の光利用効率には影響しない。このような理由により、貫通孔５ａと５ａ’の間の平坦部である固定面とダイクロイックプリズム３を接着する構成とした。
すなわち、第１の貫通孔と第２の貫通孔の間にあり、ダイクロイックプリズムと対向する固定面を有し、この固定面とダイクロイックプリズム３は接着されている構成とした。この構成により、分析装置の光利用効率に影響を与えずに部品のガタを抑える効果を奏する。
図３の（ｅ）を用いて、本実施例のダイクロイックプリズム３、遮光フレーム５および２つのＬＥＤパッケージ間の位置関係を説明する。図３の（ｅ）は、図１の（ｂ）に対応する図であり、本説明に関係のある箇所だけを記載している図であり、ねじ穴５ｓと５ｓ’との間の構造を記載している。
貫通孔５ａ、５ａ’の大きさは、図１に記載したＬＥＤ２ｗｌおよびＬＥＤ２ｕｌの大きさより若干大きくする。若干大きくするのは、実装誤差によるＬＥＤ２ｗｌおよびＬＥＤ２ｕｌの位置ずれが効率に及ぼす影響を抑制するためである。検討によれば、貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’は、両側に０．３ｍｍ程度の許容範囲を設け、ＬＥＤの幅＋０．６ｍｍ程度にすることが好ましい。図１のＬ2ul及びＬ2wlと図３のＬ5a及びＬ5a´を用いると、Ｌ5a = Ｌ2ul + ０．６ｍｍおよびＬ5a´ = Ｌ2wl + ０．６ｍｍ程度である。すなわち、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤと、対応する貫通孔の大きさである幅は、対応する貫通孔の幅の方が、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤの幅よりも大きくする。
また、貫通孔の幅を発光面２ｗｐｕおよび２ｕｃｕと同程度とすれば、概ね全ての発光光をダイクロイックプリズム３に導けるが、本実施例では貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’を小さくして、図１のＬＥＤの幅Ｌ2ul、Ｌ2wlより若干大きい程度としている。これは、ＬＥＤの直上の発光面からの出射光強度が他の部位よりも大きいことと、図１の（ｅ）に示す有効領域３ｅａの面積は後段の光学系で概ね決定されるものであるが、ＬＥＤと同程度の大きさになることが多く、この場合ＬＥＤ直上の発光面からの光のみが有効に利用されるため、貫通孔の幅をＬＥＤの幅より大きくしても光利用効率が改善する効果が小さいためである。これらを鑑みた上で、さらに貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’は小さければ小さいほど、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光が、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する量が低減するため、貫通孔の幅Ｌ５ａをＬＥＤの幅Ｌ2ulより若干大きい程度とし、貫通孔の幅Ｌ５ａ’を図１のＬＥＤの幅Ｌ2wlより若干大きい程度とした。
ダイクロイックプリズム３の反射面３ｒおよびダイクロイック面３ｄの幅Ｌ３ｒおよびＬ３ｄは，それぞれ貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’より若干大きい程度とした。すなわち、具体的には、貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’ ＋０．４ｍｍ程度とした。これはダイクロイックプリズム３を遮光フレーム５に配置するときの位置ずれを加味した値である。すなわち、反射面の幅またはダイクロイック面の幅と、対応する貫通孔の幅は、反射面の幅またはダイクロイック面の幅の方が対応する貫通孔の幅よりも大きくした。
また、遮光フレーム５の他の特徴としては、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕと白色ＬＥＤパッケージ２ｗの間に存在して紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの発光面よりＬＥＤ基板４側に伸びている遮光壁５ｗを配置したことである。これにより、 紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光が迷光となって、隣接する白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達することを抑制する。
次に，図４を用いて遮光フレーム５によってどのように光線が遮光されるかを説明する。図４は、図３と同じ個所を描いている。図２の光線Ｒａｙ３は、貫通孔の側面５ａｓで遮光される。つまり、貫通孔５ａを有することで、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光が低減するという効果を奏する。ここで、貫通孔５ａおよびこれを構成する貫通孔の側面５ａｓが、本実施例における光源１の遮光部である。
光線Ｒａｙ４とＲａｙ５は、遮光フレーム５において、発光面２ｕｃｕと対向する部位５ｃにより遮光される。つまり、発光面２ｕｃｕと対向する部位５ｃを有することで、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光が低減するという効果を奏する。ここで、遮光フレーム５において発光面２ｕｃｕと対向する部位５ｃが、本実施例における光源１の遮光部である。
光線Ｒａｙ６は、遮光壁５ｗにより遮光される。つまり、遮光壁５ｗを有することで、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光が低減するという効果を奏する。ここで、遮光壁５ｗが、本実施例における光源１の遮光部である。
光線Ｒａｙ７は、ダイクロイックプリズム３に入射した後、上面３ｕでフレネル反射して、底面３ｌから出射し、底面３ｌに対向する遮光フレーム５の部位で遮光される例である。貫通孔の幅Ｌ５ａおよびＬ５ａ’を、ＬＥＤの幅Ｌ2ul、Ｌ2wlより若干大きい程度とすることで、底面３ｌに対向して遮光フレーム５の一部が存在する構成となり、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光が低減するという効果が奏される。ここで、底面３ｌに対向する遮光フレーム５の一部、別の言い方をすると、貫通孔５ａと５ａ’の間にありダイクロイックプリズム３と対向する面が、本実施例における光源１の遮光部である。
光線Ｒａｙ８は、ダイクロイックプリズム３に入射した後、上面３ｕと底面３ｌの間でフレネル反射を繰り返して、ダイクロイック面３ｄを透過し、底面３ｌから貫通孔５ａ’に入射して、貫通孔の側面５ａｓ’で遮光される。ＬＥＤの幅Ｌ2wlより若干大きい貫通孔を白色ＬＥＤパッケージ２ｗ側にも設けることによって、ダイクロイック面３ｄを透過して貫通孔５ａ’に入射する光線が有ったとしても側面５ａｓ’で遮光され、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光が低減するという効果を奏する。ここで、貫通孔５ａ’およびこれを構成する貫通孔の側面５ａｓ’が、本実施例における光源１の遮光部である。
次に，遮光フレーム５の材料について説明する。紫外光による劣化が少なく紫外光を透過せず紫外光に対して反射率が低い部材が好ましい。例えばアルミブロックなどの金属に、紫外光の反射率を低下する表面処理を施した部材である。また、他の材料としてはセラミックやガラスなどの無機材料が挙げられる。セラミックやガラスも紫外光を吸収して透過しない、もしくは紫外光を減衰する材料であることが好ましい。なお、石英以外の一般的なガラスは紫外光の吸収率が高い。また、紫外光で最も劣化しやすいのは樹脂であり、金属や無機材料は紫外光に耐性を持つことから、紫外光に暴露され続ける材料としては金属若しくは無機材料が好ましい。
ここで、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光の光利用効率と、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの発光面２ｗｐｕに到達する紫外光量をシミュレーションした結果について説明する。図５は、シミュレーションした光学系の概略図である。光源１は図１および図３の（ｅ）に示した構造であり、ＬＥＤ間の距離Ｌｌｅｄを６ｍｍとし、貫通孔５ａ、５ａ’の高さＬｂを２．１ｍｍとした。第１の開口絞りＡ１以降が、生化学分析装置の後段の光学系を示している。Ａ２〜Ａ８は同図に示した通り、照射レンズ系、第２の開口絞り、試料セル、検出レンズ系、第３の開口絞り、光検出器、仮想平面を示している。このように、生化学分析装置は、試料セルと、ダイクロイック面から出射した光線（ビーム）を試料セルへ照明するレンズを備える。
光利用効率および発光面２ｗｐｕに到達する紫外光量を次のように定義した。紫外ＬＥＤパッケージ２ｕのＬＥＤ２ｕｌから発光される全光量を１００％としたとき、光検出器Ａ７および発光面２ｗｐｕに到達した光の割合を光利用効率および紫外光量とした。光はＬＥＤ２ｕｌの上面から発光角度分布をランバート分布として発光させた。
図５の光学系の光軸は、図３の（ｅ）の白色ＬＥＤパッケージ２ｗの中心を通る。白色ＬＥＤパッケージ２ｗを光軸に合わせた理由は、白色ＬＥＤパッケージ２ｗは紫外ＬＥＤパッケージ２ｕに比較して広範囲の波長の光を出射することから、光量が白色ＬＥＤパッケージ２ｗの方が足りなくなる恐れがあり，白色ＬＥＤパッケージ２ｗの光の光利用効率を最大にするために、光源１の位置合わせが高精度にできる光軸上に白色ＬＥＤパッケージ２ｗを配置した。
光源１のダイクロイック面３ｄに対向する上面３ｕから出射した光は、第１の開口絞りＡ１で制限される。その後照射レンズ系Ａ２で、試料セルＡ４に適切に光が照射されるように集光される。試料セルＡ４の前には、第２の開口絞りＡ３が配置される。照射レンズ系Ａ２は、１枚のレンズでも良いが、収差を補正するため複数枚のレンズで構成されることが多い。試料セルＡ４を透過した光は、検出レンズ系Ａ５で光検出器Ａ７に集光される。検出レンズ系Ａ５も同様に、１枚のレンズでも良いが、収差を補正するため複数枚のレンズで構成されることが多い。光検出器Ａ７の前には、第３の開口絞りＡ６が配置される。
この光学系の有効領域３ｅａは１ｍｍ角の略正方形である。さらに、有効領域３ｅａを透過した光の内、上面３ｕの法線からの角度が数度以内の光のみが有効に利用される。したがって、光利用効率は１％未満である。
表１に計算結果を示す。比較例として、遮光フレーム５を無くした場合も示す。この比較から、遮光フレーム５が有っても無くても光利用効率は変わらないが、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの発光面２ｗｐｕに到達する紫外光量は、遮光フレーム５が有ることにより１／１０未満に低減する。
［表１］
表１ 遮光フレーム有無による紫外光量比較
Figure 2020193838
したがって、本実施例の２つのＬＥＤパッケージの発光面とダイクロイックプリズムの間に配置された遮光部として機能する遮光フレーム５により、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光量が低下し、紫外光による樹脂２ｗｐの劣化を抑制するという効果を奏することが示された。これにより光源１の新たな課題が抑制され、複数種類のＬＥＤを用い、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として、生化学分析装置の後段の光学系に入射することを可能となり、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現されることが示された。
並列に配置された紫外ＬＥＤパッケージ２ｕ（ＬＥＤ２ｕｌ）と白色ＬＥＤパッケージ２ｗ（ＬＥＤ２ｗｌ）と、ＬＥＤ２ｕｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射する反射面３ｒとＬＥＤ２ｗｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射し、ＬＥＤ２ｗｌの光を透過するダイクロイック面と、を備え、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄからなる光学部材をダイクロイックプリズム３と呼ぶ場合に、反射面３ｒはＬＥＤ２ｕｌの光をＬＥＤ２ｗｌがある側に反射し、ＬＥＤ２ｕｌもしくはＬＥＤ２ｗｌの発光面とダイクロイックプリズム３の間に遮光部を備える構成の光源により、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源を実現することができるという効果を奏する。
別の言い方をすると、並列に配置された紫外ＬＥＤパッケージ２ｕ（ＬＥＤ２ｕｌ）と白色ＬＥＤパッケージ２ｗ（ＬＥＤ２ｗｌ）と、ＬＥＤ２ｕｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射する反射面３ｒとＬＥＤ２ｗｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射し、ＬＥＤ２ｗｌの光を透過するダイクロイック面と、を備え、紫外光を遮光する遮光部を有し、反射面３ｒおよびダイクロイック面３ｄよりＬＥＤ２ｕｌもしくはＬＥＤ２ｗｌ側に当該遮光部が有り、ＬＥＤ２ｕｌもしくはＬＥＤ２ｗｌの発光面と対向して当該遮光部を備える構成の光源により、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現するという効果を奏する。
また、遮光フレーム５は白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光量低下だけではなく、ダイクロイックプリズム３を固定し、ＬＥＤパッケージに対して所定の位置に配置する部材でもある。したがって、上記の遮光部として機能する遮光フレームを用いた本実施例の構成により、紫外光による劣化抑制とダイクロイックプリズム３と複数のＬＥＤを高精度に配置するという２つの課題を解決するという効果を奏する。
[貫通孔の変形例]
上述した実施例１の貫通孔５ａは四角柱とした。しかし、貫通孔５ａの形状はこれに限らず、多角柱、円柱や楕円柱でも良い。また図６に示す変形例のように単純ではない形状でも良い。貫通孔５ａの最低限必要な機能は、貫通していることである。このため種々の変形例が考えられる。
遮光フレーム５の反射率が十分に低くない場合、光は貫通孔の側面５ａｓで吸収されながらも、ある程度の距離を伝搬し、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達することがある。そのような光を低減するため、図６に示すような貫通孔５ａの形状が考えられる。この構造は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光を反射してＬＥＤ基板４側に戻すための貫通孔構造である。貫通孔５ａは、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕ側の孔の方が、ダイクロイックプリズム３に近い位置の孔よりも大きな孔（孔径）となっており、孔の大きさが位置によって異なる点が特徴である。すなわち、貫通孔の孔の大きさが、貫通孔の深さ方向の位置によって異なっている。
こと図６で説明すると、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕ側の孔径Ｌ５ａ１がダイクロイックプリズム３に近い側の孔径Ｌ５ａ２よりも大きいことが特徴である。
このような変形例の構成により遮光フレーム５に反射面５ａｒが形成され、光線Ｒａｙ９やＲａｙ１０の様に反射面５ａｒにより紫外光をＬＥＤ基板４に向けて反射することが可能となり、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光量を低下するという効果を奏する。この反射面５ａｒは、本変形例の光源１の遮光部である。
実施例２は、試料セルＡ４に投影される光源の像を、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕと白色ＬＥＤパッケージ２ｗで一致するための実施例であり、第１のＬＥＤまたは第２のＬＥＤに対向して、光を拡散する拡散板を配置した構成の光源の実施例である。
先に光学系の説明に利用した図５を用いて実施例２の課題を説明する。そのため、図５に示すように、試料セルＡ４に仮想的な平面Ａ８を仮定する。白色ＬＥＤパッケージ２ｗは光軸上に存在し、さらに組立の際に白色ＬＥＤパッケージ２ｗのＬＥＤ２ｗｌの中心が光軸に一致するように配置されるため、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの発光面の像がそのまま投影される。具体的には、励起光源として、例えば正方形のＬＥＤを使っている場合、正方形の明るい像が仮想平面Ａ８上に投影される。
一方で、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕに関しては、所定の位置にＬＥＤ２ｕｌが実装されれば、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕのＬＥＤ２ｕｌが白色ＬＥＤパッケージ２ｗのＬＥＤ２ｗｌの像に重なるように投影される。しかし、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの実装ずれのために、必ずしも重ならない。試料セルＡ４の同じ位置に２つのパッケージからの光が投影されることで、試料セルＡ４の同じ位置を検査できる。一般に、分析装置は複数波長間の強度の差から試料セルＡ４の成分を分析するため、試料セルＡ４の同じ位置に光を投影し、そこからの透過光を光検出器で受光することが望ましい。そこで、像が完全に重ならなくても白色ＬＥＤパッケージ２ｗの像全体を覆うように紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの像を大きくすることを考案した。
図７は、その特徴を導入した実施例２の光源１の一構成例の断面図である。実施例１と異なる点は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕがずれた位置に配置されている点と、貫通孔５ａの形状を変形し、ダイクロイックプリズム３と紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの間に光を拡散する拡散板６を導入した点である。
拡散板６は散乱により光の進行方向を変化させるため、光源の像がぼやけて広がる。拡散板６には、拡散板の表面を粗面として凹凸面により光を散乱する方式の拡散板と、板材の中に散乱粒子を分散させて粒子により光を散乱する方式の拡散板および両方式をハイブリッドした方式がある。どの方式の拡散板も凹凸面の粗さや、散乱粒子の濃度を調整することにより散乱性を制御することが可能である。実施例２の拡散板としては、何れの散乱方式を用いても良い。拡散板６は、基本的には光を散乱する機能を有する部材であれば良い。
本実施例では、石英ガラスの上面６ｕと下面６ｌの両面を粗面とした拡散板６を例として用いる。拡散板６の材料としては、この他にサファイア、ＣａＦ２、フッ化マグネシウムガラス、紫外線透過ガラスなどが挙げられる。但し、本実施例の拡散板６は、これら材料に限定されない。
図７のＲａｙ２、Ｒａｙ１１およびＲａｙ１２を用いて、光源の像が広がる理由を説明する。何れの光線も、位置がずれた紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの中心付近からの発光光線である。中心付近からの発光光線は強度が高いため、これら光線を後段の光学系で活用できる様に光源１から出射することは光利用効率を向上するために重要であり、また、これら光線がＬＥＤ像の最も明るい部分を形成することが多い。
Ｒａｙ１１は、ほとんど散乱を受けずに伝搬した場合であり、拡散板６が無い場合の光線経路である。この場合、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの中心から発光した強度の高い光線Ｒａｙ１とは出射位置が異なるため、仮想平面Ａ８上の像の位置が異なる。しかし、散乱により光線Ｒａｙ１２のように光線Ｒａｙ１と出射位置が一致する光線も発生することから像が部分的に一致する。また、光線Ｒａｙ１３のように強度の大きな中心付近の光が、光散乱を受けて広範囲でダイクロイックプリズム３から出射するため、像がぼやけて大きくなる。
したがって、ダイクロイックプリズム３と紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの間に拡散板６を導入することにより、像がぼやけて大きくなり、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの像と紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの像が重なる領域が増えるという効果を奏する。本構成により、複数種類のＬＥＤを用い、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として生化学分析装置の後段の光学系に入射させ、試料セルＡ４で複数の像が重なるようにすることを可能とした。その結果、本実施例によれば、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現するという効果を奏する。
実施例３の構成は、白色ＬＥＤパッケージ２ｗに遮光部を備える構成であって、図８を用いて説明する。実施例１と異なる点は、貫通孔５ａ、５ａ’の高さを小さくした点と、白色ＬＥＤを、紫外光を通さないコーティング部材で覆う、すなわち白色ＬＥＤパッケージ２ｗの外面を、紫外光を透過せず、紫外光で劣化し難いコーティング部材２ｃで覆った点と、白色ＬＥＤパッケージ２ｗの発光面２ｗｐｕに対向して、約３７０ｎｍ以上の光は通すが、それより短波長の光に関しては反射もしくは吸収するフィルタ部材７を設けた点である。貫通孔の高さを小さくしたのは、フィルタ部材７を設ける空間を作るためである。
コーティング部材２ｃはアルミや金などの金属蒸着膜が好ましい。蒸着膜の厚さは１０ｎｍ以上で１００ｎｍ程度が好ましい。フィルタ部材７としてはダイクロイック面を有する部材でも良いが、斜めから入射した紫外光を透過させることもあるので、波長３８０ｎｍ以上の光を通すが３４０ｎｍ程度以下の紫外光を吸収する部材が良い。そのような材料の一つとしてガラスなどがある。ガラスは、十分に紫外光を吸収するためには１ｍｍ以上の厚みがあることが望ましい。ガラス材料の例としては、無アルカリガラス、ソーダライムガラス、ホウ珪酸ガラス、耐熱ガラスが上げられる。また他の材料としては、シリコーン樹脂やアクリルも挙げられる。但し、本実施例におけるフィルタ部材７はこれら材料に限定されない。
すなわち、一方が紫外光を発光し、並列に配置された第１のＬＥＤと第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、を備え、第１のＬＥＤ及び第２のＬＥＤの他方が、主な発光光が紫外光ではない白色ＬＥＤであり、白色ＬＥＤの発光面に対向して、紫外光に対する透過率が紫外光よりも長波長の光に対する透過率よりも小さいフィルタ部材を配置する構成である。
このような構成とすることにより、白色ＬＥＤ枠体２ｗｆの外面はコーティング部材２ｃにより紫外光がほとんど照射されない構成となり、発光面２ｗｐｕに対してはフィルタ部材７により紫外光の暴露量が低減されるという効果を奏する。本構成においては、光源１の遮光部はコーティング部材２ｃとフィルタ部材７である。本実施例の光源１の遮光部であるフィルタ部材７はＬＥＤ２ｗｌとダイクロイックプリズム３との間にあり、これにより紫外光量を低減するという効果を奏している。
実施例４は、一つのＬＥＤパッケージ２ｐｋに、発光波長の異なる２つのＬＥＤ２ｗｌとＬＥＤ２ｕｌを実装し、このＬＥＤパッケージを、発光波長の異なる２つのＬＥＤパッケージ２ｗ、２ｕの代わりに使う点が、実施例１と主に異なる点である。すなわち、実施例４は、第１のＬＥＤと第２のＬＥＤは一つのパッケージに実装されており、第１のＬＥＤと第２のＬＥＤの間に壁面を設けた構成の光源の実施例である。
図９を用いて本実施例の構成を説明する。図９の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ本実施例の光源１の斜視図、ＬＥＤパッケージ２ｐｋの詳細図、（ａ）のＢ−Ｂ´線の断面図である。
図９の（ｂ）および（ｃ）を用いてＬＥＤパッケージ２ｐｋを説明する。本実施例のＬＥＤパッケージ２ｐｋの特徴は、ＬＥＤ２ｕｌの紫外光によりＬＥＤ２ｗｌの周辺部材の劣化を抑制するため、ＬＥＤ２ｗｌとＬＥＤ２ｕｌの間に壁面２ｂｒを設けた点である。ＬＥＤパッケージ２ｐｋの筐体２ｆｒはセラミックなど紫外光で劣化しない部材で構成される。材料の例としては、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、サファイア、セラミック、Ａｌ、Ｃｕがあげられる。但し、本開示において、材料はこれらに限定されない。
筐体２ｆｒの２か所に凹部があり、その凹部の底面にＬＥＤ２ｗｌとＬＥＤ２ｕｌが配置されている。ＬＥＤ２ｗｌが配置されている凹部２ｇｗは、蛍光体が分散した樹脂２ｗｐで埋められており、ＬＥＤ２ｗｌの光で蛍光体が励起され、この凹部２ｇｗの発光面２ｗｅｓからはＬＥＤ２ｗｌの発光光と蛍光体の発光光が出射する。
ＬＥＤ２ｕｌが配置されている凹部２ｇｕは、紫外光に強い樹脂やガラスで封止されても良いがされなくても良い。例えば樹脂として、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂およびシクロオレフィン樹脂があげられる。但し、本開示において、材料はこれらに限定されない。また、凹部２ｇｕの発光面２ｕｅｓを覆うように石英などのカバーガラス（図示なし）を付けても良いし、カバーガラスをＬＥＤパッケージ２ｐｋの発光面側の全面に付けても良い。
本実施例の構成は、一つのＬＥＤパッケージであるためコンパクトで取扱いが容易であるという利点を有し、かつ、それぞれの凹部で必要となる波長の光を生成でき、さらに蛍光体が分散した樹脂２ｗｐの紫外光による劣化を抑制できる構成である。
本実施例のＬＥＤパッケージを、図９の（ｃ）に示すように配置することで凹部２ｇｕで発光した紫外光が凹部２ｇｗに到達することを抑制できる。ＬＥＤ２ｗｌとＬＥＤ２ｕｌに対応して貫通孔５ａ’および５ａが配置され、中央の遮光部５ｂｒが壁面２ｂｒに対向して配置され、中央の遮光部５ｂｒと壁面２ｂｒが近接していることにより、ＬＥＤ２ｕｌから出射した紫外光は、貫通孔５ａ’、５ａおよび中央の遮光部５ｂｒと壁面２ｂｒで吸収もしくは反射されるため、凹部２ｇｗに到達する紫外光は低減される。
したがって、並列に配置された紫外光を発するＬＥＤ２ｕｌと、ＬＥＤ２ｕｌとは発光スペクトルの異なるＬＥＤ２ｗｌと、ＬＥＤ２ｕｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射する反射面３ｒと、ＬＥＤ２ｗｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射し、ＬＥＤ２ｗｌの光を透過するダイクロイック面３ｄとを備え、ダイクロイック面３ｄを備える光学部材をダイクロイックプリズム３と呼ぶ場合に、反射面３ｒはＬＥＤ２ｕｌの光をＬＥＤ２ｗｌがある側に反射し、ＬＥＤの発光面（２ｕｅｓまたは２ｗｅｓ）とダイクロイックプリズム３との間に遮光部５ｂｒを備えることを特徴とする光源１とすることにより、凹部２ｇｗに到達する紫外光量が低下し、紫外光による樹脂２ｗｐの劣化を抑制するという効果を奏する。これにより、複数種類のＬＥＤを用い、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として、生化学分析装置の後段の光学系に入射することが可能となり、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現されるという効果を奏する。
別の言い方をすると、並列に配置されたＬＥＤ２ｕｌとＬＥＤ２ｗｌと、ＬＥＤ２ｕｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射する反射面３ｒと、ＬＥＤ２ｗｌに対向してＬＥＤ２ｕｌの光を反射し、ＬＥＤ２ｗｌの光を透過するダイクロイック面３ｄと、を備え、紫外光を遮光する遮光部を有し、反射面３ｒおよびダイクロイック面３ｄよりＬＥＤ２ｕｌもしくはＬＥＤ２ｗｌ側に当該遮光部が有り、ＬＥＤ２ｕｌもしくはＬＥＤ２ｗｌの発光面と対向して当該遮光部を備える、ことを特徴とする光源により、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現するという効果を奏する。
［遮光フレームの変形例］
本変形例では、図１０を用いて、ダイクロイック面３ｄを透過した紫外光を外部に逃がすための遮光フレーム５の開口部５ｏ付近の形状に関して説明する。図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ本実施例の光源１の斜視図、正面図、遮蔽フレーム５の正面図および図（ａ）のＣ−Ｃ´線の断面図である。第実施例１と主に異なる点は、遮蔽フレーム５に紫外光射出経路５ｐを設けた点である。
反射面３ｒで反射した紫外光は、ダイクロイック面３ｄへの入射角度に依存して、一部の光はダイクロイック面３ｄを貫通する。この貫通した光は、ダイクロイックプリズム３から外に出射する。その際に図１に示した遮光フレーム５の構成の場合、外に出射した光は遮光フレーム５の壁面で反射する。遮光フレーム５の反射率が十分に低ければ反射光の強度は小さいことから図１の構成でも良い。しかし、反射率が十分に小さくない場合、反射した紫外光が白色ＬＥＤパッケージ２ｗに到達することを抑制することが望ましく、本変形例のように紫外光射出経路５ｐを設けて反射光を外に逃がした方が良い。
図１０の（ｄ）の光線Ｒａｙ１４を用いて説明する。光線Ｒａｙ１４は反射面３ｒで反射した後、ダイクロイック面３ｄを貫通してダイクロイックプリズム３から出射する。出射した光線Ｒａｙ１４は、紫外光射出経路５ｐを伝搬してダイクロイックプリズム３に戻ることなく遮光フレーム５から外に出射する。紫外光射出経路５ｐは、ダイクロイックプリズム３から出射した光を光源１の外に出射する（逃す）ための空間である。
本変形例の紫外光射出経路５ｐの特徴を述べる。紫外光射出経路５ｐの幅Ｗ５ｐは、図（ｃ）に示すように正面から見た時、紫外光が出射してくる貫通孔５ａの幅と同程度以上であることが望ましい。これは、少なくても貫通孔５ａの幅と同程度の幅を持った光ビームがダイクロイックプリズム３から出射することが考えられるためである。
紫外光射出経路５ｐの長さＬ５ｐは、開口部５ｏから遮光フレーム５の端面まで到達していた方が良い。これは、ダイクロイックプリズム３から出射した光を反射して戻す面を無くし、紫外光射出経路５ｐの端部から光を遮光フレーム５の外部に出射するためである。なお、理想的には端面まで紫外光射出経路５ｐは到達していた方が良いが、ダイクロイックプリズム３に隣接して空隙（紫外光射出経路５ｐ）があれば、遮光フレーム５で反射してダイクロイックプリズム３に戻る光は低減する。
つまり、ダイクロイック面３ｄがある側のダイクロイックプリズム３の側面に隣接して、紫外光が出射してくる貫通孔５ａの幅と同程度以上の幅を持つ空間（紫外光射出経路５ｐ）を有することにより、ＬＥＤパッケージ２ｗに到達する紫外光量が低下し、紫外光による樹脂２ｗｐの劣化を抑制するという効果を奏する。これにより、複数種類のＬＥＤを用い、複数のＬＥＤから発光した光を一本の光線（ビーム）として、生化学分析装置の後段の光学系に入射することが可能となり、ランプ寿命が短いタングステンランプの代わりに、長寿命のＬＥＤを用いた光源が実現されるという効果を奏する。
［ＬＥＤ配置の変形例］
図１１に示す変形例は、紫外光を発するＬＥＤパッケージ２ｕと紫外光より長波長の光を発するＬＥＤパッケージ２ｗが上記の実施例と反対の位置に配置された例である。ＬＥＤパッケージ２ｗおよび２ｕの詳細な構成は実施例１で説明した通りである。本変形例では、ＬＥＤパッケージ２ｕに対向してダイクロイック面３ｄが配置され、ダイクロイック面３ｄはＬＥＤ２ｗｌの光を反射し、ＬＥＤ２ｕｌの光を透過する機能を有する。ＬＥＤパッケージ２ｗに対向して反射面３ｒが配置され、反射面３ｒは光をＬＥＤパッケージ２ｕがある側に反射する機能を有する。
このような構成であっても図中の光線Ｒａｙ１およびＲａｙ２のように、一つのビームとなって光源１から出射する。また、ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した紫外光は課題となり、遮光フレーム５は紫外光がＬＥＤパッケージ２ｗに含まれる樹脂２ｗｐに到達する量を低減する効果を有する。実施例１で説明したＬＥＤ配置の方が、反射面３ｒで紫外光をＬＥＤパッケージ２ｗがある方に反射するため遮光フレーム５の効果は大きいが、本ＬＥＤ配置の場合でも図２で説明した光線Ｒａｙ４〜Ｒａｙ６のような迷光が発生するため、遮光フレーム５でそれらを抑制する効果は大きい。
図２の光線Ｒａｙ４のように紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光がダイクロイックプリズム３の上面３ｕでフレネル反射し、底面３ｌで屈折して白色ＬＥＤパッケージ２ｗ入射したり、光線Ｒａｙ５のように紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した光が底面３ｌでフレネル反射し、白色ＬＥＤパッケージ２ｗ入射したり、光線Ｒａｙ６のように紫外ＬＥＤパッケージ２ｕの封止ガラスの側面２ｕｃｓから出射した光が直接白色ＬＥＤパッケージ２ｗに入射することが考えられるので、これら光線を遮光フレーム５で遮光して、紫外光がＬＥＤパッケージ２ｗに含まれる樹脂２ｗｐに到達する量を低減することは重要であり、遮光フレーム５は紫外光の樹脂２ｗｐへの暴露量を低減する効果を有する。
［ダイクロイックプリズムの変形例］
実施例1〜実施例４においてダイクロイックプリズム３は、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄが一体の構造としたが、これに限らない。本開示におけるダイクロイックプリズム３は、光を合成する機能を有する部材を総称して呼んでいる。具体的には、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄの機能を有する部材をダイクロイックプリズム３と呼んでいる。
反射面３ｒは、反射面３ｒに対向するＬＥＤの光をダイクロイック面３ｄの方に反射する機能を有し、ダイクロイック面３ｄは、反射面３ｒ側から入射する光を反射し、ダイクロイック面３ｄに対向するＬＥＤの光を透過する機能を有すれば良い。
図１２の（ａ）から（ｃ）に、ダイクロイックプリズム３の変形例を示す。図１２の（ａ）はダイクロイック面３ｄと同様に、反射面３ｒも２つのガラス部材で挟まれた誘電体多層膜である場合を示している。この構成は、ダイクロイックプリズム３が直方体となり、図１に示したダイクロイックプリズム３のように反射面３ｒの端部が尖ってないので、割れや欠けが起こり難いという利点を有する。
（ｂ）は、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄが別々の部材に備わっている場合であり、直角プリズム３ｒｐとダイクロイック面３ｄを含む部材との組み合わせがダイクロイックプリズム３（図中点線で囲まれている部材）である。一般には図１２の（ｂ）の左側の部材だけをダイクロイックプリズム３と呼ぶが、本開示では反射面３ｒとダイクロイック面３ｄを合わせた構成をダイクロイックプリズム３と呼ぶ。本構成のダイクロイックプリズム３を遮光フレーム５に配置する。最も簡単な固定方法は、ダイクロイックプリズム３に対向する遮光フレーム５の面に接着することである。
図１２の（ｃ）は、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄが別々の部材に備わっている場合である。反射面３ｒはミラー部材３ｍの表面に形成されている。ミラー部材３ｍはガラスなどの平板の表面にアルミや誘電多層膜などが形成された部材であり、この形成された反射膜が反射面３ｒとなる。ダイクロイック面３ｄは、ダイクロイックフィルタ３ｄｆの表面に形成されている。ダイクロイックフィルタ３ｄｆは、ガラスなどの平板の表面に誘電体多層膜が形成された部材であり、この誘電体多層膜がダイクロイック面３ｄである。この構成は、ダイクロイック面３ｄと反射面３ｄを形成する部材としては最も作成が容易な部材の組み合わせである。
すなわち、一方が紫外光を発光する、並列に配置された第１のＬＥＤと第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、第１のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、第２のＬＥＤに対向して第１のＬＥＤの光を反射し、第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面とを備えたダイクロイックプリズム３である。本構成のダイクロイックプリズム３を実装する場合は、一般的なフィルタを固定するフィルタホルダなどの構造を遮光フレーム５の開口部５ｏ付近に形成する必要がある。
何れの構成であっても、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから出射した光を生化学分析装置の後段の光学系で有効活用するためには、高精度に光学系を調整する必要がある。調整を容易にするためには紫外ＬＥＤパッケージ２ｕと白色ＬＥＤパッケージ２ｗは近接して配置する必要がある。このため、遮光フレーム５が無い場合は、紫外ＬＥＤパッケージ２ｕから斜めに出射した紫外光が、光源１を構成する部材で反射して迷光となって樹脂２ｗｐに到達する。したがって、遮光フレーム５で遮光して、紫外光がＬＥＤパッケージ２ｗに含まれる樹脂２ｗｐに到達する量を低減することは重要であり、遮光フレーム５は紫外光の樹脂２ｗｐへの暴露量を低減する効果を有する。遮光フレーム５は遮光をするとともに、反射面３ｒとダイクロイック面３ｄを所定の位置に高精度に配置するという効果も奏する。
なお、図１２の（ｂ）と（ｃ）の構成は一部を交換しても良い。例えば（ｂ）の直角プリズム３ｒｐの代わりにミラー部材３ｍを用いても良い。これらダイクロイックプリズム３の構成に本発明は限定されない。
［光源の用途］
以上詳述した本開示の光源は、例えば、生化学分析装置用の光源の他、分光光度計など分析機器用の光源、植物育成用の光源に利用することができる。
なお、本開示は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例および変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例および変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…光源
２…ＬＥＤパッケージ
２ｕ…紫外ＬＥＤパッケージ
２ｗ…白色ＬＥＤパッケージ
２ｐｋ…発光波長の異なる２つのＬＥＤを実装したパッケージ
３…ダイクロイックプリズム
４…ＬＥＤ基板
５…遮光フレーム
６…拡散板
７…フィルタ部材
Ａ１…第１の開口絞り
Ａ２…照射レンズ系
Ａ３…第２の開口絞り
Ａ４…試料セル
Ａ５…検出レンズ系
Ａ６…第３の開口絞り
Ａ７…光検出器
Ａ８ …仮想平面

Claims (17)

  1. 一方が紫外光を発光する、並列に配置された第１のＬＥＤと前記第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、
    前記第１のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、
    前記第２のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を反射し、前記第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、
    前記反射面および前記ダイクロイック面より前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤの側に配置され、前記紫外光を遮光する遮光部と、を備え、
    前記遮光部は、前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤの発光面と対向している、
    ことを特徴とする光源。
  2. 一方が紫外光を発光する第１のＬＥＤと、前記第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤとが並列に配置され、
    前記第１のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を前記第２のＬＥＤがある側に反射する反射面と、前記第２のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を反射し、前記第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面とを有するダイクロイックプリズムと、
    前記第１のＬＥＤもしくは前記第２のＬＥＤの発光面と前記ダイクロイックプリズムの間に配置された遮光部と、を備える、
    ことを特徴とする光源。
  3. 請求項１または請求項２に記載の光源であって、
    前記反射面および前記ダイクロイック面を有する部材を固定する遮光フレームを備え、前記遮光フレームは、前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤからの光を通して前記反射面および前記ダイクロイック面に到達させるための貫通孔を備える、
    ことを特徴とする光源。
  4. 請求項３に記載の光源であって、
    前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤと、対応する前記貫通孔の大きさは、対応する前記貫通孔の幅の方が、前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤの幅よりも大きい、
    ことを特徴とする光源。
  5. 請求項３に記載の光源であって、
    前記反射面の幅または前記ダイクロイック面の幅と、対応する前記貫通孔の幅は、前記反射面の幅または前記ダイクロイック面の幅の方が対応する前記貫通孔の幅よりも大きい、
    ことを特徴とする光源。
  6. 請求項３に記載の光源であって、
    前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤはＬＥＤ基板に実装され、
    前記遮光フレームは、前記ＬＥＤ基板と、前記遮光フレームを固定するためのねじ穴もしくは固定用貫通孔を備える、
    ことを特徴とする光源。
  7. 請求項２に記載の光源であって、
    前記ダイクロイックプリズムを固定する遮光フレームを備え、
    前記遮光フレームは、
    前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤからの光を通して、前記反射面及び前記ダイクロイック面に到達させるための、前記第１のＬＥＤに対応する第１の貫通孔と、前記第２のＬＥＤに対応する第２の貫通孔と、
    前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔の間にあり、前記ダイクロイックプリズムと対向する固定面を有する、
    ことを特徴とする光源。
  8. 請求項７に記載の光源であって、
    前記固定面と前記ダイクロイックプリズムは接着されている、
    ことを特徴とする光源。
  9. 請求項３に記載の光源であって、
    前記貫通孔の孔の大きさが、前記貫通孔の深さ方向の位置によって異なる、
    ことを特徴とする光源。
  10. 請求項１または２の光源であって、
    前記第１のＬＥＤまたは前記第２のＬＥＤに対向して、光を拡散する拡散板を配置した、
    ことを特徴とする光源。
  11. 一方が紫外光を発光し、並列に配置された第１のＬＥＤと前記第１のＬＥＤとは発光スペクトルの異なる第２のＬＥＤと、
    前記第１のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を反射する反射面と、
    前記第２のＬＥＤに対向して前記第１のＬＥＤの光を反射し、前記第２のＬＥＤの光を透過するダイクロイック面と、を備え、
    前記第１のＬＥＤ及び前記第２のＬＥＤの他方が、主な発光光が紫外光ではない白色ＬＥＤであり、
    前記白色ＬＥＤの発光面に対向して、紫外光に対する透過率が紫外光よりも長波長の光に対する透過率よりも小さいフィルタ部材を配置する、
    ことを特徴とする光源。
  12. 請求項１１に記載の光源であって、
    前記白色ＬＥＤを、紫外光を通さないコーティング部材で覆う、
    ことを特徴とする光源。
  13. 請求項１または請求項２記載の光源であって、
    前記第１のＬＥＤと前記第２のＬＥＤは一つのパッケージに実装されており、前記第１のＬＥＤと前記第２のＬＥＤの間に壁面を設けた、
    ことを特徴とする光源。
  14. 請求項１，請求項２、または請求項１１のいずれか一項記載の光源であって、
    前記第１のＬＥＤは紫外光を発光する、
    ことを特徴とする光源。
  15. 請求項１４に記載の光源であって、
    前記第２のＬＥＤは前記第１のＬＥＤの発光光より長い波長の光を発光する、
    ことを特徴とする光源。
  16. 請求項１，請求項２、または請求項１１のいずれか一項記載の光源を備える、
    ことを特徴とする生化学分析装置。
  17. 請求項１６記載の生化学分析装置であって、
    試料セルと、
    前記ダイクロイック面から出射した光線（ビーム）を前記試料セルへ照明するレンズと、を備える、
    ことを特徴とする生化学分析装置。
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