JP2023539309A - 光学集光／収集システム - Google Patents

Abstract

本発明は光学集光／収集システムに関し、光学集光／収集システムは、－ 環状にされた１次光線を供給するように適合された出射面（１０）を含む、第１の光整形部（１０）と、－ 円錐形の上部中央反射面（２１）および円錐形の下部中央反射面（２４）を含む、第２の光学集光／収集部（２０）と、－ 反射面（３１）を含む第３の光復帰部（３０）であって、反射面（３１）が、出射面（１２）と上部中央反射面（２１）との間に、主光軸（Δ）に沿って配置され、第１の光学部（１０）によって供給される環状にされた１次光線の横寸法より小さい横寸法を有する、第３の光復帰部（３０）とを含む。

Description

本発明の分野は、特に、たとえば蛍光タイプまたはラマンタイプの共焦点顕微鏡法および分光法に関連して使用することができる、光学集光／収集システムの分野である。

共焦点顕微鏡法および分光法の分野では、光学システムは、いわゆる１次光線または励起光線を放射するように適合された光放射器と、一方で１次光線を、分析される試料上に集光させ、他方で１次光線によって試料を励起させたことに応じて試料から生じるいわゆる２次光線を集めるように適合された光学システムと、２次光線を受け取って検出することが意図された光検出システムとを含むことができる。この場合、光学システムは、一方では光放射器と光検出器との間、他方では光放射器と分析される試料との間に配置される。理想的には、全光学システムは回折限界で動作することができるべきであり、ここでは、１次光点および２次光点のサイズは、試料において、それらの波長と一緒に小さくされる。しかし、２つの１次光線と２次光線は異なる周波数であってよいため、光学システムは、これらの２つの周波数で最適化される。この場合、このことは、ダイクロイックフィルタを使用することにより光学経路を分けることによって行うことができる。

いくつかの共焦点顕微鏡または分光計の対物レンズによって、これらの光学集光／収集機能が確実になる。それらは、屈折光学システム、すなわち屈折（すなわち、屈折性の）光学要素によってのみ形成される光学システムのクラスに属すること、または反射屈折光学システム、すなわち屈折光学要素と反射光学要素の組合せによって形成される光学システムのクラスに属することができる。

収色性に取り組むため、それらは、できるだけ色収差および球面収差を補正するように選択および配置された複数のレンズを含むことができる。しかし、対象の光線の収集および検出を最大化するには、好適な作動距離（光学システムの出射部と焦点面との間の距離）を有する小型光学システムを有することが一般的に望ましいが、この複数のレンズによって、所与の開口数に対して大型となる。加えて、これらのレンズの各々は、そこを通る光を吸収またはわずかに反射し、それにしたがって、透過効率が減少する。

さらに、反射光タイプ、すなわち、本質的にアクロマティックである反射光学要素だけによって形成される光学システムもある。しかし、選択した解決策によっては、光学システムの光軸に沿って多かれ少なかれ有意の暗い区域があるため、２次光線の収集の割合（２次光線の収集された光子の数と２次光線の放射した光子の数との間の割合）などといった、光学システムの性能が低下する場合がある。こうした性能および検出の等方性の低下によって、視野の中心におけるこの情報の損失に起因して、いくつかの用途で本システムが不適当になる可能性がある。

文書ＷＯ２０１０／１４１０９２Ａ２は、光線を集光するように適合された反射光アキシコン光学システムを記載する。この光学システムは、いくつかの同軸円錐の反射面によって形成される。しかし、光学システムが１次光線を集光して２次光線を集めるために使用することができる一方で、非共焦点光学顕微鏡法用に設計されたこの光学システムによって、これらの光線の光学経路を区別することは可能にならない。この場合、光学システムは、２次光線の光子だけを光検出システムに送達するために、部分反射ダイクロイックフィルタおよび可能な場合にはスペクトルフィルタを使用することが必要である。しかしながら、これらのフィルタを使用することによって、光学システムの検出性能の低下がもたらされる。

ＷＯ２０１０／１４１０９２Ａ２

本発明の目的は、従来技術の欠点を少なくとも部分的に改善することであり、より具体的には、性能を改善した、特に、相対的に小さいサイズ、大きい関連する開口数、ならびに意図された用途に従って適合することができる作動距離を有し、１次光線と２次光線の光学経路を分離するために部分反射ダイクロイックフィルタを使用する必要がない、反射光アキシコン光学システムに基づいた光学集光／収集システムを提案することである。

このため、本発明の目的は、光放射器によって放射された、いわゆる１次光線を、分析される試料上に集光させ、１次光線に応じて試料によって放射された、いわゆる２次光線を集めて、それを光検出システムに向けて送達するよう意図された光学集光／収集システムであって、この光学システムは、各々が同じ主光軸に沿って中心合わせされたいくつかの光学部を含む。

こうして、光学システムは、入射面上に１次光線を受け取り、出射面によって主光軸の周りに環状にされた１次光線を供給するように適合された第１の光整形部を含む。

光学システムはまた、第２の光学集光／収集部を含み、第２の光学集光／収集部は、
－ 円錐形であり、周辺区域によって囲まれた中央区域によって形成された、いわゆる上部中央反射面であって、いわゆる上部中央反射面は、第１の光学部の出射面から生じる環状にされた１次光線を周辺区域によって反射し、かつ、いわゆる下部中央反射面から生じる入射２次光線を中央区域によって反射するように適合されている、いわゆる上部中央反射面と、
－ 円錐形であり、上部中央反射面から生じる入射１次光線を反射して試料上に集光させ、試料によって放射された２次光線を集めて反射するように適合された下部中央反射面と、
－ 上部中央反射面と下部中央反射面を光学的に結合する、少なくとも２つの切頭円錐の周辺反射面と
を含む。

最後に、光学システムは、反射面を含む第３の光復帰部を含み、反射面は、
－ 第１の光学部の出射面と第２の光学部の上部中央反射面との間に、主光軸に沿って配置され、出射面によって供給される環状にされた１次光線の横寸法より小さい横寸法を有し、かつ
－ 上部中央反射面の中央区域から生じる２次光線を光検出システムの方向に反射するように適合されている。

本光学システムのいくつかの好ましくまた非限定の態様は以下の通りである。

第１、第２、および第３の光学部を、互いに軸方向に、すなわち主光軸に沿って重ね合わせることができる。

第１の光学部は、反射光学性であってよく、入射面および出射面が反射性である。

第２の光学部は、円錐形で反射光学性であってよく、上部中央反射面と下部中央反射面は、互いに重ね合わされ、かつ主光軸に沿って同軸である。

第２の光学部は、
－ 上部中央反射面を径方向に囲む中空の切頭円錐の形状である上部周辺反射面であって、上部周辺反射面は、上部中央反射面から生じる１次光線を反射し、かつ、いわゆる下部周辺反射面から生じる２次光線を反射するように適合されている、上部周辺反射面と、
－ 下部中央反射面を径方向に囲む中空の切頭円錐の形状である下部周辺反射面であって、下部周辺反射面は、上部周辺反射面から生じる１次光線を反射し、下部中央反射面から生じる２次光線を反射するように適合されている、下部周辺反射面と
を含むことができる。

１次光線は、少なくとも２５°に等しい主光軸に対する中心傾斜角に応じて、下部中央反射面によって集光され得る。

第２の光学部は、０．５以上の開口数を有することができる。

第２の光学部は、下部中央反射面によって形成される円錐の頂点と焦点との間の距離として規定される、主光軸に沿った、いわゆる作動距離を有することができ、作動距離は、一方では第２の光学集光／収集部の最大内径に依存し、他方では上部および下部周辺反射面ならびに上部および下部中央反射面の外形に依存する。第２の光学部の最大内径は、ここでは、主光軸に垂直な軸に沿った、切頭円錐形の周辺反射面の径方向端部の相対する２つの点を接続する最大距離として規定される。

本発明はまた、上記の特徴のうちの任意の１つに従った光学システム、１次光線を放射するように適合された光放射器、および２次光線を検出するように適合された光検出システムを含む分析システムに関する。

光放射器は、コリメートされた１次光線を放射することができ、コリメートされた１次光線は、主光軸に沿って入射面に入射する。

本発明の他の態様、狙い、利点および特徴は、非限定の例として与えられる、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な記載を読み、添付図面への参照を行えば、より良好に現れることになる。

１つの実施形態に従った、光放射器および光検出システムに結合された光学システムの概略断面図である。 光放射器によって放射され図１に図示された光学システムによって送達された１次光線の集光円錐の例を示す図である。 １次光線に応じて、分析される試料によって放射され、図１に図示された光学システムによって集められた２次光線の光収集円錐の例を示す図である。 測定光線の光収集円錐、すなわち、図１に図示された光学システムによって集められ光検出システムによって検出された２次光線の部分の例を示す図である。 図１に図示されたものと同様の実施形態に従った、光学システムの概略部分断面図である。 図１に図示されたものと同様の実施形態に従った、光学システムの概略部分斜視図である。 １つの変形形態に従った、光学システムの光学集光／収集部の概略部分断面図である。 光学集光／収集部の反射面による反射が（全内部反射による）ガラスタイプ反射である変形形態に従った、光学システムの概略部分断面図である。

図中およびこの後の説明中で、同じ参照符号は同一または同様の要素を表す。加えて、様々な要素は、図の明瞭さを向上させるために、原寸に比例して表されない。さらに、異なる実施形態および変形形態は、相互に排他的ではなく、一緒に組み合わせることができる。別段の記載がない限り、「ほぼ」、「約」、「の範囲の」という用語は、１０％マージン内であり、好ましくは５％マージン内であることを意味する。さらに、「～と～の間に含まれる」という用語およびその均等物は、そうでないと言及されない限り境界が含まれることを意味する。

図１は、１つの実施形態に従った、光学集光／収集システム１の主光軸Δに沿った概略部分断面図である。

ここおよびこの後の説明では、円柱座標での直交３次元直接参照フレーム（ｅ_ｒ、ｅ_θ、ｅ_ｚ）が規定され、ここで、ベクトルｅ_ｚは、光学システム１の主光軸Δ上に中心合わせされて、分析される試料４から光学システム１に向けられ、ベクトルｅ_ｒは軸ｅ_ｚに垂直であり、ベクトルｅ_θは平面（ｅ_ｒ、ｅ_ｚ）に垂直である。この後の説明では、「下部」および「上部」という用語は、試料４からベクトル＋ｅ_ｚに沿って移動するときの位置の増加に関するものと理解するべきである。

光学システム１は、光放射器２によって放射されたいわゆる１次光線を、分析される試料４上に集光させ、１次光線による試料４の励起に応じて試料４によって放射されたいわゆる２次光線を集めて、それを光検出システム３の方向に送達するように適合されている。光検出システム３によって受け取られる応答光線の部分が、測定光線と呼ばれる。したがって、光学システム１は、一方では光放射器２と光検出システム３との間、他方では光放射器２と試料４との間に配設される。光学システム１は、具体的には、たとえばラマンタイプまたは蛍光タイプの、共焦点顕微鏡法および分光法の分野に用途を見いだすことができる。

一般的に、光学システム１は、互いに重ね合わされ、光学システム１の主光軸Δに沿って中心合わせされたいくつかの光学部、とりわけ、
－ １次光線が主光軸Δの周りで環状に光放射器２によって放射されるように適合された、第１のいわゆる光整形部１０、
－ 試料４上に第１の光学部１０から受け取った環状にされた１次光線を集光させて、環状にされた１次光線による試料４の励起に応じて試料４によって放射された光線を集めるように適合された、第２のいわゆる光学集光／収集部２０、
－ 光検出システム３の方向に第２の光学部２０から受け取った２次光線を戻すように適合された、第３のいわゆる光復帰部３０
を含む。この第３の光学部３０は、主光軸Δに沿った第１の光学部１０と第２の光学部２０との間で、第１の光学部１０によって供給される環状にされた１次光線によって径方向に区切られた空間の内側に配置された反射面３１を含む。

光放射器２は、光学システム１の第１の光学部１０の方向に１次光線を放射するように適合されている。光放射器２は、１次光線を放射する光源を含む。この光源は、とりわけ、レーザダイオードまたは発光ダイオードであってよい。

１次光線は、単色または多色であってよい。１次光線の中心波長およびスペクトル範囲は、光学システム１の意図された用途に依存する。説明のために、それらは、可視光範囲、紫外線範囲、または赤外線範囲にあってよい。好ましくは、１次光線は、光学システムのいくつかの可能な屈折要素に関連する色収差を制限するように、単色である。

好ましくは、１次光線は、中実でコリメートされている。言い換えると、１次光線は、連続的で（たとえばガウス分布タイプのもの）、したがって環状の（したがって、中空の）光線から区別される角度強度分布を有する。加えて、好ましくコリメートされると、それを構成する光線は互いに平行である。光放射器２は、たとえば発光ダイオードの場合のように、光源が発散光線を放射するときに、光源の出射部に配置されたコリメータ（図示せず）を含むことができる。

光検出システム３は、測定光線、すなわち、光学システムによって集められた２次光線の一部を受け取って検出するように適合されている。光検出システム３は、電気信号を処理ユニットに供給することができ、電気信号の強度は、検出した２次光線の光学的パワーを表している。光検出システム３は、アバランシェフォトダイオード、ＣＣＤセンサ、または任意の他の等価な光検出器からなってよい。

以前に言及したように、光学システム１は、少なくとも３つの光学部１０、２０、３０を含み、これらの光学部の各々は、主光軸Δに沿って中心合わせされ、互いに重ね合わせされている。主光軸Δは、分析される試料４に位置する焦点を通過する。

第１の光学部１０は、光放射器２によって放射された１次光線を主光軸Δの周りに環状に整形し、それを第２の光学部２０に送達するように適合されている。したがって、第１の光学部１０は、いわゆる整形部である。

有利なことに、光整形部１０は、ここでは、特に色収差の存在を制限するように１次光線が多色であるときに反射光学性である（すなわち、反射光学要素だけによって形成される）が、１次光線が単色である場合にも反射光学性である。こうして、光学システムのコンパクトさが最適化される。加えて、ジオプタ材料によってたとえば蛍光による寄生光線が放射され、次いで単色１次光線によって励起される可能性が回避される。しかし代わりに、特に１次光線が単色であるとき、光学システムは屈折型（屈折性光学要素だけによって形成される）、または反射屈折型（屈折性光学要素および反射性光学要素によって形成される）であってよい。

この例では、光整形部１０は、切頭円錐形の周辺反射面１２によって径方向に囲まれた、円錐形の中央反射面１１を含む。反射面１１は、光整形部１０の入射面であり、反射面１２はその出射面である。これらの異なる反射面は、同軸で、主光軸Δに中心合わせされている。

反射面１１は、いわゆる円錐形で、円錐の頂点が主光軸Δ上に配置される限り中央にある。加えて、反射面１１は、円錐の外面に対応する（円錐の外側に向けられている）。ここでは、反射面１１は直線的外形を有するが、凸状または凹状であってよい。円錐の基部の形状は、ここでは、円形（軸対称円錐）であるが、楕円または多角形であってよい。

反射面１２は、いわゆる切頭円錐形の周辺である。言い換えると、反射面１２は、切頭円錐の内面に対応し（円錐の内側に向けられ）、その結果、１次光線が反射面１１に到達することができる。反射面１２は、反射面１１を径方向に囲み、反射面１１と１２は同軸であって、主光軸Δ上に中心合わせされる。好ましくは、反射面１２は、反射される１次光線の開口角を制限するように、直線的または凹状の外形を有する。円錐の基部の形状は、ここでは、反射面１１のものと同一である。

反射面１１は、光放射器２に向けられるとともに、反射面１２に向けられている。反射面１２は、反射面１１に向けられるとともに、第２の光学部２０の反射面２１に向けられている。

こうして、反射面１１は、中実でこのときまでにコリメートされている１次光線を受け取って、それを反射面１２に向けて反射する。１次光線は、次いで環状となり、したがって、主光軸Δの周りに均等に分散される。１次光線は、反射面１２によって、第２の光学部２０の反射面２１に反射される。

第２の光学部２０は、このときまでに環状となった１次光線を試料４上に集光させて、このときまでに励起された試料４によって放射された２次光線を集めて、それを光検出システム３に送達するように適合されている。したがって、第２の光学部２０は、いわゆる集光／収集部である。

光学集光／収集部２０は反射光学性である。したがって、それは反射性光学要素だけを含む。光学集光／収集部２０が第１の光学部１０および第３の光学部３０と組み合わされるという事実によって、作動距離を適合させること、および意図された用途に応じて必要な場合開口数を増加させる一方で、１次光線および測定光線の光路を分離することが可能になる。

光学集光／収集部２０は、円錐形の中央下部反射面２４の主光軸Δに沿ってその上に重ね合わせて配置される、円錐形の中央上部反射面２１を含む。これらの反射面２１、２４は、少なくとも２つの切頭円錐形の周辺反射面２２、２３によって互いに光学的に結合される。この例では、光学集光／収集部２０は、２つの切頭円錐形の周辺反射面、すなわち上部反射面２２および下部反射面２３を含む。それらは、互いに別個であり、１次光線と２次光線の各々が、上部反射面２２上で少なくとも１回、下部反射面２３上で少なくとも１回反射されるように、互いに対して配置されている。これらの異なる反射面は、同軸で、主光軸Δに中心合わせされている。

中央反射面２１は、反射面１２から生じる、このときまでに環状となった１次光線を周辺反射面２２に向けて反射するように適合されている。中央反射面２１は、好ましくは凸状の外形を有する円錐の外面に対応する。好ましくは、この非切頭円錐の基部の形状は、反射面１２のものと同一である。中央反射面２１は、反射面１１および反射面１２と重ね合わされてそれらの下に配置される。１次光線は、次いで、円錐の基部の近くに配置された周辺区域２１．１によって反射される。この周辺区域２１．１は、２次光線を第３の光復帰部３０の反射面３１に向けて反射するように適合された反射面２１の中央区域２１．２とは別個である。したがって、中央反射面２１はまた、周辺反射面２２から生じる２次光線を反射面３１に向けて反射するように適合されている。測定光線は、次いで、頂点近くに配置された中央区域２１．２によって反射される。中央区域２１．２は、中央反射面２１の全表面積の５０％以上、好ましくは５７％の表面積を有する。表面積は、本明細書では、平面（ｅ_ｒ、ｅ_θ）に投影される面であると規定される。

周辺反射面２２は、周辺反射面２３に向けて１次光線を反射し、中央反射面２１に向けて２次光線を反射するように適合されている。周辺反射面２２は、中央反射面２１を径方向に囲む。周辺反射面２２は、ここでは、好ましくは凹状の切頭円錐形状である外形を有し、その内面である（この切頭円錐の内側に向けられている）。

周辺反射面２３は、中央反射面２４に向けて１次光線を反射し、周辺反射面２２に向けて２次光線を反射するように適合されている。周辺反射面２３は、中央反射面２４を径方向に囲み、周辺反射面２２の下に重ね合わされて配置されている。好ましくは、周辺反射面２３は、切頭円錐形状で直線的外形を有する。周辺反射面２３は、内面からなる（この切頭円錐の内側に向けられている）。

図４は、図１に図示された（ここでは金属タイプ反射に関連した）光学部２０の変形形態に従った光学集光／収集部２０を概略的に図示し、面２１および面２２が直線的外形を有し、面２３が（焦点Ｆ２を有する）凸状のパラボラ形状を有し、面２４が（焦点Ｆ１およびＦ２を有する）凹状の楕円外形を有する。この例が、金属タイプ反射ならびにガラスタイプ反射（後で詳述される）と適合性があることに留意されたい。いずれにせよ、反射面２２および２３の各々は、反射面２１と２４の間の光学的な結合を確かにするように適合された外形を有する。これらの異なる反射面２１～２４の外形は、凹状、凸状、直線的、パラボラ状、楕円状などであってよい。

中央反射面２４は、周辺反射面２３から生じる環状にされた１次光線を試料４上に反射して集光させるように適合されている。したがって、面は凹状の外形を有する。この非切頭円錐は、試料４に向けられた頂点を有し、反射面２４は、その外面である（円錐の外側に向けられている）。１次光線は、円錐の基部の近くに配置された周辺区域２４．１によって反射される。したがって、中央反射面２４はまた、このときまでに励起された試料４によって放射された２次光線を周辺反射面２３に向けて反射するように適合されている。光検出システム３によって受け取られることになるこのときまでに集められた２次光線の部分（測定光線）は、頂点近くに配置された中央区域２４．２によって反射される。

第３の光学部３０は、光検出システム３に測定光線を送達するように適合されている。第３の光学部３０は、こうして光復帰部と呼ばれる。

第３の光学部３０は、主光軸Δ上に中心合わせされ、主光軸Δに沿って反射面１２と中央反射面２１との間に配置された反射面３１を含む。加えて、反射面３１は、反射面１２によって供給される環状にされた１次光線によって径方向に区切られた空間の中に配置されている。反射面３１は、ここでは、測定光線を径方向ｅ_ｒに沿って、ここでは反射性である、ここでは第２の復帰面３２の方向に反射し、これにより、測定光線が光検出システム３上に集光する。あるいは、この反射面３２が存在しなくてよく、またはいくつかの反射面３２を測定光線の光路上に設けることができる。加えて、必要な場合、光学フィルタおよび他の光学要素を面３１と３２の間に配設することができる。

動作では、光放射器２が、主光軸Δに沿って光学システム１の方向に、ここでは単色で、中実でコリメートされた１次光線を放射する。光学システム１は、１次光線を整形し、分析される試料４上にそれを集光させる。

最初に、１次光線は、１次光線を環状にする光整形部１０によって受け取られる。環状にするために、１次光線は、円錐形の反射面１１によって、切頭円錐形の反射面１２の方向に径方向に反射され、次いで、この反射面１２によって光学集光／収集部２０の方向に反射される。１次光線は、次いで環状にされる。

このときまでに環状となった１次光線は、光復帰部３０の反射面３１の存在によって乱されることなく、主光軸Δに沿って伝播する。実際に、後者は、１次光線の内法より小さい平面（ｅ_ｒ、ｅ_θ）内の寸法を有する。

その後、１次光線は、光学集光／収集部２０によって受け取られ、光学集光／収集部２０が１次光線を試料４に位置する焦点で集光させる。集光させるために、１次光線は、その周辺区域２１．１で円錐形の反射面２１によって切頭円錐形の反射面２２の方向に径方向に反射され、この反射面２２によって切頭円錐形の反射面２３の方向に反射され、次いでこの反射面２３によって、１次光線を、分析される試料４上に集光させる円錐形の反射面２４の方向に反射される。

図２Ａは、分析される試料４上の、１次光線の集光円錐の例を図示する。図２Ａは、ここでは、主光軸Δの周りの１次光線の角度強度分布Ｉｆからなる。

１次光線は、主光軸Δに対して傾斜角度φ_ｆだけ傾いて開口角Δφ_ｆを有し、その結果、１次光線は、円錐の中に含まれて、ここでは最小角φ_ｆ－Δφ_ｆ／２と最大角φ_ｆ＋Δφ_ｆ／２との間で区切られて角度φ_ｆに中心があり、主光軸Δの周りに環状である。この例では、１次光線は、円形基部上で環状であるが、同じ理論が多角形基部を有するリングに適用される。

光整形部１０と光学集光／収集部２０を組み合わせると、たとえば少なくとも２５°に等しい、または少なくとも４０°に等しい、かなりの最小傾斜角度φ_ｆ－Δφ_ｆ／２を得ることが可能になることが生じる。この例では、最小傾斜角度φ_ｆ－Δφ_ｆ／２は約４５°に等しく、開口角Δφ_ｆは約５°に等しい。

この特に傾いた集光によって、意図された用途に従った作動距離を集光させることが可能になり、この作動距離は、ここでは、反射面２４の頂点と分析される試料４との間の主光軸Δに沿った距離として規定される。たとえば、作動距離は、こうして光学部２０の約４ｃｍの最大内径について、約０．５ｍｍと約５ｍｍの間であってよい。以前に言及したように、この最大内径Ｄは、ここでは、主光軸Δに垂直な軸に沿って、それぞれの反射面２２と２３の径方向端部の相対する２つの点を接続する最大距離と規定される（図３Ａ参照）。こうして、光学部２０の最大内径Ｄの所与の値について、非常に小型であることが要求される使用法では、小さい作動距離（したがって、非常に大きい開口数）を有することが可能であり、または、たとえば、光学システム１と試料４との間に作動物質の挿入が要求される使用法では、より大きい作動距離（したがって、大きいままであってよい開口数）を有することが可能である。作動距離の値は、最大内径Ｄの値、ならびに、反射面２１、２２、２３、および２４の外形に依存する。

こうして、光学システムの性能および試料の照明の均一性は、たとえば０．７の範囲といった、光学システム１の大きい開口角に従って、照明を平均化することによって改善される。加えて、光学システム１のサイズが特に減少する。また、ダイクロイックフィルタの使用は必要でない。

図１に戻る。分析される試料４は、１次光線によってこのときまでに励起されるが、代わりに、２次光線を光学システム１の方向に放射する。説明のため、２次光線は、蛍光タイプの放射からなってよく、この場合、２次光線の中心波長は、１次光線のものより大きくてよく、またはラマンタイプの放射からなってよく、この場合、２次光線の中心波長は、１次光線のものに近い。

最初に、２次光線は、光学集光／収集部２０によって集められ、光学集光／収集部２０はそれを光復帰部３０に向けて反射する。こうして、２次光線は、円錐形反射面２４によって切頭円錐形の反射面２３に向けて径方向に反射され（２次光線は、こうして環状にされ）、次いで、反射面２３によって切頭円錐形の反射面２２に向けて反射され、次いで、反射面２２によって円錐形の反射面２１に向けて反射され、反射面２１が最終的に２次光線を光復帰部３０に向けて反射する。

こうして、２次光線は、反射面２４の全表面積によって集めることができる。したがって、光学システムは、光学システムの動作原理に起因して主光軸において、光収集円錐中に固有の暗い領域、すなわちゼロ強度区域（中空光収集円錐）を持たず、このことによって、光学システム１の性能が改善される。

この点に関し、図２Ｂは、反射面２４による２次光線を集めるための円錐の例を図示する。図２Ｂは、ここでは、主光軸Δの周りの２次光線の角度強度分布Ｉｃからなる。

こうして、光収集円錐が中実である、すなわち２次光線は、０°とφ_{ｃ，ｍａｘ}の間の非ゼロの強度を有することが生じる。したがって、光学システムは、光収集円錐中に暗い領域を有さない。この例では、角度φ_{ｃ，ｍａｘ}は、φ_ｆ－Δφ_ｆ／２およびφ_ｆ＋Δφ_ｆ／２の値にほぼ等しいが、これらの値より大きくてよい。したがって、収集率は特に大きい。収集率は、試料４によって放射され集められた光子の数と、試料によって放射された２次光子の数の比率として規定することができる。収集率は、光収集円錐中にまとめられた２次光線の累積強度と、半分の空間（ｅ_ｒ，ｅ_θ，＋ｅ_ｚ）中にまとめられた２次光線の累積強度との比率であってもよい。

図１に戻る。このときまでに環状となった２次光線は、反射面２１によって、光復帰部３０の反射面３１の方向に反射される。好ましくは、２次光線は、このときまでに再び中実となる。

反射面３１によって受け取られる２次光線は、測定光線、すなわち、光検出システム３によって受け取られる２次光線の部分である。２次光線は、反射面２１の中央区域２１．２によって反射されており、反射面１２と２１の間を伝播する環状にされた１次光線によって径方向に区切られた空間中を伝播する。

こうして、集められた２次光線の小部分（周辺区域２１．１によって反射されたもの）が、光整形部１０の方向に反射される。しかし、この周辺区域２１．１は、中央区域２１．２のものより小さい表面積を有し、その結果、検出率が特に高くなり、それによって光学システムの性能を改善することができる。

その後、測定光線は、反射面３２によって反射され、光検出システム３の焦点面上に集光される。

図２Ｃは、測定光線に関連する反射面２４による光収集のための円錐の例を図示する。図２Ｃは、ここでは、主光軸Δの周りの測定光線の角度強度分布Ｉｍからなる。特に、図２Ｃは、中央区域２４．２によって集められた２次光線の部分からなる。２次光線の光収集円錐は、一次的には、図２Ａに図示された集光円錐と図２Ｃに図示された測定光線の光収集円錐の総和に対応する。開口角Δφ_ｆが小さい限り、測定光線の光収集円錐、したがって検出率が特に大きい。

こうして、光学システム１によって、光放射器２によって放射された１次光線を、分析される試料上に集光させ、次いで、このときまでに励起された試料４によって放射された２次光線を集め、最後に、２次光線を光検出システム３まで送達することが可能になる。この例では、光学システム１が全体的に反射光学性であり、このことによって、特に、色収差、球面収差をなくし、特に小型の光学システムを作ることが可能になる。

さらに、主光軸Δ上に中心合わせされた３つの光学部１０、２０、３０の重ね合わせによって、および特に、光学部１０は１次光線を後で光学集光／収集部２０に送達するため１次光線を環状にするという事実によって、光学システム１は、光学部２０の最大内径Ｄの所与の値およびたとえば０．７の範囲の好ましくは０．５以上の大きい開口数について適合することができる作動距離を有する。加えて、光学部３０の反射面３１が光学部１０と３０の間に配置され、このときまでに環状となった１次光線によって径方向に区切られる空間の内側に配設されるという事実によって、本光学システムによって、１次光線および測定光線に関連する光路を分離することが可能になる。そのため、本光学システムによって、ダイクロイックミラーまたはダイクロイックフィルタの使用を回避することが可能になり、そのことによって、光学システム１の性能が改善される。収集率ならびに検出率が最適化される。その上、そのような空間分離方法に頼ることによって、光検出システムによって捕捉される可能性がある、１次光線によって引き起こされる反射面の寄生蛍光現象を制限することが可能になる。したがって、信号対雑音比が特に増加する。

図３Ａおよび図３Ｂは、図１に概略的に図示されたものと同様の、光学システム１の概略部分断面図（図３Ａ）および概略部分斜視図（図３Ｂ）である。この実施形態では、放射され集められた光線の反射は、金属タイプ反射である。より具体的には、これらの光線はここでは光学集光／収集部２０内を流体媒体中または真空中で伝播し、金属（Ａｇ、Ａｌ、Ａｕなど）に基づいて作られる反射面２１～２４によって反射される。

光学システム１は、主光軸Δに対応する機械的軸の周りに、一緒に組み立てられたいくつかの剛体ブロックを含む。

光学システム１は、ここでは、－ｅ_ｒ方向に沿って１次光線の伝播を可能にすることが意図された径方向コンジット４２を含むカバー４１を含み、径方向コンジット４２は、主光軸Δに中心合わせされて入射１次光線を反射面１１の方向に反射させるように適合された反射面４３を有する。

光学システム１は、カバー４１と接触してカバー４１の下に配置され、中実で軸対称な円錐が配置される貫通開口４５を含む第１の内部構造４４を含む。この軸対称な円錐は、反射面１１が画定される上面および反射面３１が画定される下面を有する。スルーホールの境界は、切頭円錐形の反射面１２を画定するように構成されている（ここでは図示せず）。完全な軸対称な円錐と貫通開口４５の境界との間の自由空間によって、このときまでに環状となった１次光線の伝播が可能になる。

光学システム１は、第１の内部構造４４と接触して第１の内部構造４４の下に配置され、反射面２１までへの環状にされた１次光線の伝播を可能にする貫通開口４７を含む第２の内部構造４６を含む。第２の内部構造４６は、測定光線の伝播、次いで反射面３１による（反射面３２を介した）光検出システムの方向への反射を可能にする径方向ダクト４８を含む。スルーホール４７は、第２の内部構造４６の下部により大きい横方向寸法を有する。スルーホール４７の内面は、次いで、反射面２２を画定する。

光学システム１は、第２の内部構造４６と接触して第２の内部構造４６の下に配置された第３の内部構造４９を含む。第３の内部構造４９は中央ブロックを含み、中央ブロックの上面が円錐形の反射面２１を画定し、下面が円錐形の反射面２４を画定する。

光学システム１は、第３の内部構造４９と接触して第３の内部構造４９の下に配置された第４の構造５０を含む。第４の構造５０はスルーホール５１を含み、スルーホール５１の中には、円錐形の反射面２４を含む中央ブロックが部分的に延在している。内部境界が反射面２３を画定する。

最後に、保持構造５２が第４の構造５０に組み立てられ、第１の構造４４、第２の構造４６、および第３の構造４９と接触してそれらの保持を確実にする。こうして、光学システム１は、特に高いコンパクト性を有し、５×５×５ｃｍ以下の寸法を有することができる。本発明に従ったこの最適化した光学システムは、特に、機械構造に起因した、たとえば７％未満の低い光学損失を有することができる。

具体的な実施形態をここまで記載してきた。様々な変形形態および改変形態が当業者には明らかとなろう。

こうして、光ファイバが、光放射器２と反射面１１との間、および反射面３１または３２と光検出システム３との間の光学的結合を確実にすることができる。

さらに、検出されることが意図されたスペクトル帯域だけを送達するように、スペクトルフィルタを反射面３１または３２と光検出システム３との間に配設することができる。

最後に一般的に、光学システム１の反射面によって放射され、かつ／または集めれた光線の反射は、（図３Ａおよび図３Ｂの例でのように）金属タイプ反射および／またはガラスタイプ反射（すなわち、全内部反射）であってよい。

この点に関し、図５は、別の実施形態に従った光学システム１を図示しており、光学集光／収集部２０の反射面２１～２４によって放射され、集められた光線の反射は、ガラスタイプ反射である、すなわち全内部反射によるものである。また、光線は、光線の波長に対して透過性である固体材料２０．１（たとえば、光学ポリマ、ダイアモンドなど）内の光学部２０の中を伝播する。鏡の曲率は、反射の角度が常に、ここでは、透明材料２０．１および環境Ｇの屈折率を含む、よく知られている全内部反射の条件を満たすようなものである。この点に関し、この例では、透明材料２０．１は、ここでは１．５に等しい屈折率を有する（たとえば、Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）タイプの）光学ポリマからなってよく、これが１に等しい屈折率を有する空気Ｇによって囲まれる。

この例では、放射された光線が流体媒体中または真空中の光整形部１０の中を伝播し、金属反射面１１および１２によって反射される。その後、光線は、直交するように（ここでは平坦な）上流面２５と交差することによって光学部２０に入り、透明材料中を伝播する。光線は、全内部反射によって反射面２１～２４により反射される。光線は、直交するように（ここでは湾曲した）下流面２６と交差することによって光学部２０から出る。この下流面は、ここでは、中心が光学システム１の焦点と一致する球形状を有する。集められた光線は、反射面３１まで同様の逆行経路をたどる。

特に、この変形形態に従った光学システム１は、反射面２１～２４が、金属面のものより高い、非常に高い反射率を有するという利点を有し、このことによって、光学システム１の性能が改善される。加えて、光学部２０は、１つの部片で同じ材料から作られ、このことによって、特に光学部２０がいくつかの別個の要素から形成される場合と比較して、製造および異なる要素の相対的な配置が簡略化される。加えて、面２１および２４は、光線の通路中に配置される機械的な保持システムをもはや必要としない。

１ 光学集光／収集システム、光学システム
２ 光放射器
３ 光検出システム
４ 試料
１０ 光整形部、第１の光学部
１１ 中央反射面、金属反射面、入射面
１２ 周辺反射面、金属反射面、出射面
２０ 光学集光／収集部、第２の光学部
２０．１ 固体材料、透明材料
２１ 反射面、中央反射面、上部中央反射面
２１．１ 周辺区域
２１．２ 中央区域
２２ 周辺反射面、上部反射面
２３ 周辺反射面、下部反射面
２４ 中央下部反射面、下部中央反射面
２５ 上流面
２６ 下流面
３０ 光復帰部、第３の光学部
３１ 反射面
３２ 第２の復帰面
４１ カバー
４２ 径方向コンジット
４３ 反射面
４４ 第１の内部構造
４５ 貫通開口
４６ 第２の内部構造
４７ 貫通開口、スルーホール
４８ 径方向ダクト
４９ 第３の内部構造
５０ 第４の構造
５１ スルーホール
５２ 保持構造

Claims (10)

1. 光放射器（２）によって放射された、いわゆる１次光線を、分析される試料（４）上に集光させ、前記１次光線に応じて前記試料（４）によって放射された、いわゆる２次光線を集めて、それを光検出システム（３）に送達することが意図された光学集光／収集システム（１）であって、前記光学集光／収集システム（１）は、各々が同じ主光軸（Δ）に沿って中心合わせされたいくつかの光学部（１０、２０、３０）を含み、前記いくつかの光学部（１０、２０、３０）は、
   入射面（１１）上に前記１次光線を受け取り、出射面（１２）によって前記主光軸（Δ）の周りに環状にされた前記１次光線を供給するように適合された第１の光整形部（１０）と、
   第２の光学集光／収集部（２０）であって、
   円錐形であり、周辺区域（２１．１）によって囲まれた中央区域（２１．２）によって形成された、いわゆる上部中央反射面（２１）であって、前記いわゆる上部中央反射面（２１）は、第１の光学部（１０）の前記出射面（１２）から生じる前記環状にされた１次光線を前記周辺区域（２１．１）によって反射し、かつ、いわゆる下部中央反射面（２４）から生じる入射２次光線を前記中央区域（２１．２）によって反射するように適合されている、いわゆる上部中央反射面（２１）、
   円錐形であり、前記上部中央反射面（２１）から生じる入射１次光線を反射して前記試料（４）上に集光させ、前記試料（４）によって放射された前記２次光線を集めて反射するように適合された下部中央反射面（２４）、および
   前記上部中央反射面（２１）と下部中央反射面（２４）を光学的に結合する、少なくとも２つの切頭円錐の周辺反射面（２２、２３）
   を含む、第２の光学集光／収集部（２０）と、
   反射面（３１）を含む第３の光復帰部（３０）であって、前記反射面（３１）が、
   前記第１の光学部（１０）の前記出射面（１２）と第２の光学部（２０）の前記上部中央反射面（２１）との間に、前記主光軸（Δ）に沿って配置され、前記出射面（１２）によって供給される前記環状にされた１次光線の横寸法より小さい横寸法を有し、かつ、
   前記上部中央反射面（２１）の前記中央区域（２１．２）から生じる前記２次光線を前記光検出システム（３）の方向に反射するように適合された、
   第３の光復帰部（３０）と
   を含む、光学集光／収集システム（１）。
2. 第１、第２、および第３の光学部（１０、２０、３０）が、互いに軸方向に、前記主光軸（Δ）に沿って重ね合わされている、請求項１に記載の光学集光／収集システム（１）。
3. 前記第１の光学部（１０）が反射光学性であり、前記入射面（１１）および前記出射面（１２）が反射性である、請求項１または２に記載の光学集光／収集システム（１）。
4. 前記第２の光学部（２０）が、円錐形でかつ反射光学性であり、前記上部中央反射面（２１）と前記下部中央反射面（２４）が、互いに重ね合わされ、かつ前記主光軸（Δ）に沿って同軸である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）。
5. 前記第２の光学部（２０）の前記少なくとも２つの切頭円錐の周辺反射面（２２、２３）が、
   前記上部中央反射面（２１）を径方向に囲む中空の切頭円錐の形状である上部周辺反射面（２２）であって、前記上部周辺反射面（２２）は、前記上部中央反射面（２１）から生じる前記１次光線を反射し、かつ、いわゆる下部周辺反射面（２３）から生じる前記２次光線を反射するように適合されている、上部周辺反射面（２２）と、
   前記下部中央反射面（２４）を径方向に囲む中空の切頭円錐の形状である前記下部周辺反射面（２３）であって、前記下部周辺反射面（２３）は、前記上部周辺反射面（２２）から生じる前記１次光線を反射し、かつ、前記下部中央反射面（２４）から生じる前記２次光線を反射するように適合されている、前記下部周辺反射面（２３）と
   を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）。
6. 前記１次光線が、少なくとも２５°に等しい前記主光軸（Δ）に対する中心傾斜角に応じて、前記下部中央反射面（２４）によって集光される、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）。
7. 前記第２の光学部（２０）が、０．５以上の開口数を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）。
8. 前記第２の光学部（２０）が、前記下部中央反射面（２４）によって形成される円錐の頂点と焦点との間の、前記主光軸（Δ）に沿った、いわゆる作動距離を有し、前記作動距離は、一方では前記光学部（２０）の最大内径（Ｄ）に依存し、他方では前記少なくとも２つの切頭円錐の周辺反射面（２２、２３）ならびに前記上部中央反射面（２１）および前記下部中央反射面（２４）の外形に依存し、前記最大内径（Ｄ）は、前記主光軸（Δ）に垂直な軸に沿った、前記少なくとも２つの切頭円錐の周辺反射面（２２、２３）の径方向端部の相対する２つの点の間の最大距離として規定される、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の光学集光／収集システム（１）、前記１次光線を放射するように適合された光放射器（２）、および前記２次光線を検出するように適合された光検出システム（３）を含む、分析システム。
10. 前記光放射器（２）が、コリメートされた１次光線を放射し、前記コリメートされた１次光線が、前記主光軸（Δ）に沿って前記入射面（１１）に入射する、請求項９に記載の分析システム。

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