JP4645176B2 - 分光顕微鏡装置 - Google Patents

Description

特許文献１に記載されるように、光ファイバで入射した信号光を分光素子で分光する分光器（分光ユニット）が知られている。この分光器は、分光器に接続する光ファイバの射出端の直後に入射スリットを設置している。入射スリットを通過した光束は、コリメート光学系でコリメートされた後に、回折格子に入射し、波長ごとに所定の回折角で射出された後に集光光学系で集光されて、波長分散方向に置かれた一次元受光器に入射される。この構造はツェルニーターナー型といわれるもので、入射スリットから受光器までの倍率は約１倍であることが多い。

特開２００２−２６７９３３号公報 特開平９−２１０７８３号公報

しかし、前述した分光器では、所定の波長分解能を達成するために、入射スリットで信号光を制限する構造になっている。また、コリメート光学系と集光光学系の収差を改善するために、これらの開口を小さくして信号光を制限するような構造になっている。そのために、ファイバからの信号光の全てを有効に使うことができない。

また、特許文献１では、この分光器を有する共焦点顕微鏡を開示しており、共焦点ユニットのピンホールからの信号光を、分光器に導くのにシングルモードファイバを使用することを開示している。このシングルモードファイバ（ファイバのコア径がピンホールの回折限界より小さいもの）を使用する利点として、通常、分光器側で使用されているスリットに比べて、分光器側の光の利用効率を高めることができ、かつ分光精度も向上するとしている。しかし、シングルモードファイバにより分光器側の受光光量を増やすことができない。例えば、分光器側の受光光量を増やそうとして、共焦点顕微鏡側のピンホールの径を大きくしても、介在するシングルモードファイバで分光器側の受光光量を増やすことができない。

本発明は、感度を損なわずに、光ファイバで入射した信号光を分光素子で分光することができる光ファイバ入射型分光器を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、
顕微鏡と、
前記顕微鏡からの蛍光が入射する光ファイバと
前記光ファイバから射出する前記蛍光を平行光とするコリメータ光学系と、
前記コリメータ光学系により平行光に変換された前記蛍光を分光する分光素子と、
前記分光素子により分光された分光光を受光する、少なくとも波長分散方向に複数の受光素子が並んだ受光器と、
前記分光素子からの前記分光光を前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像させる集光光学系と、を有し、
前記光ファイバの開口数ＮＡfiberは、前記集光光学系の開口数をＮＡf、前記集光光学系の焦点距離をff、前記コリメータ光学系の焦点距離をfcとすると
ＮＡfiber≦ＮＡf×(ff／fc)
の関係を満たし、
前記分光素子は、互いに波長分解能が異なる複数の回折格子を有し、前記蛍光の前記回折格子への入射角度がそれぞれ変更可能に構成されるとともに、複数の前記回折格子は切り替え可能に構成されてなり、
前記受光器は、該受光器の前記受光素子面における有効領域の外側に、前記顕微鏡の照明光を遮光する遮光部材が配置されてなること
を特徴とする分光顕微鏡装置が提供される。

前記光ファイバはマルチモードファイバである。

前記顕微鏡は、出射側にピンホールと前記ピンホールを通過した発散光束を収束させるリレーレンズを有する共焦点顕微鏡であり、前記光ファイバに入射する光は、顕微鏡標本からの蛍光を前記ピンホールおよびリレーレンズを介して前記光ファイバに入射する。

前記コリメート光学系の開口数は、前記光ファイバの開口数より大きい。また、前記集光光学系は、前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像される前記分光光のスポット径を前記受光素子の配置ピッチより小さい。また、前記コリメータ光学系は、非球面鏡をさらに有する。

前記光ファイバはマルチモードファイバであり、前記集光光学系の開口数は、前記受光素子の受光感度が最大値の90％以上の角度で前記受光素子に入射する値であり、前記集光光学系は前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像される分光光のスポット径を前記受光素子の配置ピッチより小さくする。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１に、本発明が適用される分光システムの構成を示す。

図１に示す分光システムは、光源系２００、共焦点ユニット２１０および顕微鏡２２０を有する共焦点顕微鏡と、分光ユニット２３０と、情報処理装置２５０とを有する。共焦点ユニット２１０と分光ユニット２３０とは、ファイバカップラ２１９ａおよび２１９ｂを介して光ファイバ２１８により光学的に接続される。

光源系２００は、レーザ装置２０１と、光ファイバ２０３と、ファイバカップラ２０２および２０４とを有する。レーザ装置２０１は、例えば、レーザーダイオードを備え、目的の波長特性を有する照明光を出射する。照明光は、光ファイバ２０３を介して共焦点ユニット２１０に導かれる。なお、図１の例では、照明光として、標本を励起して蛍光を発光させるための励起光を出射する。

共焦点ユニット２１０は、光源系２００からの照明光を平行光とするコリメートレンズ２１１と、ダイクロイックミラー２１２と、走査ユニット２１３と、スキャナレンズ２１４と、集光レンズ２１５と、ピンホール２１６ａを有するピンホール板２１６と、リレーレンズ２１７を有する。

顕微鏡２２０は、第１対物レンズ２２２および第２対物レンズ２２１と、標本２２３を載せるステージ２２４とを有する。共焦点ユニット２１０と顕微鏡２２０とを組み合わせて共焦点顕微鏡が構成される。

分光ユニット２３０は、光ファイバ２１８から入射する観測光（図１の例では蛍光）を平行光とするコリメート光学系２３１と、異なる分光特性を有する３種の分散光学系である回折格子２３３、２３４および２３５と、それらを載せて、回転させる回転テーブル２３２と、複数の受光素子２３７ａがアレー状に並べられた受光素子アレーを有する受光器２３７と、回折格子２３３から２３５のいずれかから出射された回折光を前記受光器の受光面に結像させる集光光学系２３６と、受光器２３７を駆動する高圧電源２３８と、受光器２３７の各受光素子２３７ａの出力を、増幅すると共にディジタル値化して、検出データとして出力する検出回路２３９とを有する。なお、受光素子２３７ａに入射する信号光のNAが、受光素子２３７ａの有効NAまたは最適NAの範囲内になるように、前段の光学系（２３１、２３６など）を形成してある。

情報処理装置２５０は、検出回路２３９から出力される検出データを記憶するフレームメモリ２５１と、記憶されている検出データに基づいて目的の分光特性を演算する中央処理ユニット（ＣＰＵ）２５２と、表示装置２５３と、外部記憶装置２５４と、入力装置２５５と、スキャナ駆動装置２５６と、を有する。ＣＰＵ２５２は、図示していないが演算部と主記憶とを有する。表示装置２５３には、例えば、液晶表示装置が用いられる。外部記憶装置２５４は、例えば、ハードディスク装置、光記録媒体記憶装置、半導体記憶装置等が用いられる。入力装置２５５は、例えば、キーボード、マウス等の機器を含む。

外部記憶装置２５４には、ＣＰＵ２５２の動作プログラムおよび各種データが記憶される。具体的には、複数個の光学要素のそれぞれについての分光特性を、それぞれの光学要素対応に記憶する記憶手段としての機能を有する。プログラムおよびあらかじめ与えられるデータは、例えば、図示しない、読み取り装置を用いてＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体から読み出してインストールすることにより、外部記憶装置２５４に記憶される。

ＣＰＵ２５２は、外部記憶装置２５４に記憶されるプログラムをロードして、各種制御、演算処理等を行う。外部記憶装置２５４に記憶されるプログラムには、測定対象から得られたデータに基づいて分光特性を求める演算を行う手段と、使用する光学系に含まれる光学要素についての特定を受け付ける手段と、受け付けた光学要素を特定する情報に基づいて、記憶手段により記憶される、使用する光学要素についての分光特性情報を読み出して、当該使用する光学系が有する分光特性情報を求め、この分光特性情報と、前記分光ユニットから出力される分光特性データとを用いて、対象の分光特性を求める手段として、ＣＰＵ２５２を動作させるプログラムが含まれる。また、記憶装置と共に、複数個の光学要素のそれぞれについての分光特性を、それぞれの要素対応に記憶する記憶手段として、ＣＰＵ２５２を動作させるプログラムも含まれる。

分光ユニット２３０について、さらに、詳細に説明する。分光ユニット２３０は、光ファイバ２１８を介して観測光を取り込み、回折格子２３３〜２３５のいずれかにより分散させて、受光器２３７の各受光素子２３７ａにおいて分散光の受光を行う。

図１に示すように、光ファイバ２１８は、ファイバカップラ２１９ｂで分光ユニット２３０に取り付けられている。光ファイバ２１８からの信号光は、全ての光束が、コリメート光学系２３１により平行光にされ、回折格子２３３から２３５のうち選択された回折格子に入射される。回折格子に入射した信号光は、その波長によってしかるべき回折角方向に回折されて分光される。分光された信号光は、集光光学系２３６で集光されて、受光器２３７の受光面に結像されて、受光器２３７に入射される。受光器２３７からは各素子２３７ａに入射した信号光の光量に対応した電気信号が出力され、情報処理装置２５０により処理することにより、波長対強度の分光信号を得ることができる。

回折格子２３３、２３４および２３５は、刻線本数が異なる。それらは、回転盤２３２上に角度位置を変えて設置されている。回転盤２３２を回して、回折格子に入射する角度を変えることで、受光器で受光される波長帯域を変更することができる。また、回折格子を他の回折格子に切替えることで、波長分解能を変えることもできる。

光ファイバ２１８は、石英のコアからなるステップインデックス型であり、コア径は５０μm、NAは０．２２である。光ファイバ２１８からカプラ２１９ｂを介して出射された光は、分光ユニット２３０内に導かれる。ここで、本実施形態では、コリメート光学系２３１を介して、分散光学系に導かれる。コリメート光学系２３１は、本発明が適用される分光装置では、微弱な光信号を扱う。このため、高いＳＮ比を得るには、光ファイバ２１８により導入された信号光束を高い効率で利用する必要がある。そこで、コリメート光学系２３１の役割は、光ファイバ２１８により導入された信号光束（発散光）をロスすることなく、例えば、遮る、無駄にするなどなく、取り込んで、後ろ側に続く回折格子２３３、２３４、２３５に導くことである。

本実施形態では、コリメート光学系２３１として、組合せレンズ系を用いている。その一例を図２に示す。図２に示すコリメート光学系２３１は、レンズＬ１からＬ５の５枚のレンズを組み合わせて構成される。

コリメートレンズ系２３１は、物体側（光ファイバ先端側）から順に、第１レンズ群、第２レンズ群とで構成されている。第１レンズ群は、物体側に平面を向けた平凸レンズＬ１，Ｌ２の２枚を組みあわせた組合せレンズにより構成される。第２レンズ群は、物体側から順に、凹メニスカスレンズＬ３、両凸レンズＬ４および凹メニスカスレンズＬ５を張り合わせた３枚接合レンズにより構成されている。表１に、レンズデータを示す。ここで、ｒはレンズ面の曲率半径（ｍｍ）、ｄは面間隔（ｍｍ）、ｎｄとνｄは、各レンズの硝材のｄ線に対する屈折率とアッベ数である。なお、ｆはｄ線の焦点距離、ｄ０は物体（光ファイバ先端）から第１面までの光軸上の距離、NAは開口数を表す。

第１レンズ群は、正のパワーを持ち、光ファイバから発散光束を収束してほぼ平行光束にする役割を持つ。一方、第２レンズ群は、弱い負のパワーを持ち、第１レンズ群で発生した球面収差と色収差を補正する。特に、色収差に関しては、先ず、屈折率差とアッベ数差の大きいレンズＬ３とレンズＬ４の接合面で大きく補正し、この面での補正誤差をレンズＬ４とレンズＬ５で修正する。これにより、おおよそ、ｈ線（４０４．７ｎｍ）からＡ線（７６８．２ｎｍ）までの広い波長領域で色収差を補正している。

なお、この実施形態では、正弦条件も良好に補正されているので、光ファイバのコア径（φ５０μｍ）程度の大きさの物体面からの光束を良好に平行光にすることができる。

コリメート光学系を構成するレンズＬ１からＬ５の外形は、すべてφ１９．５ｍｍである。このうち、有効径（光束がけられない径）は、約φ１８ｍｍである。このとき、コリメートレンズは、少なくともNAが０．２５であり、ここで使用する光ファイバのNAの０．２２より大きい。従って、光ファイバから出射された全光束を良好に平行光束とすることができる。よって、光束をロスすることなく、利用することが可能となる。

受光器２３７は、３２chのマルチアノード型のPMT（光電子増倍管）で、１chの素子の大きさは約０．８mm×７mmで、波長分散方向に３２ch分がピッチＰ（＝１mm）で並んだ構造である。

集光光学系２３６として、本実施形態では、集光レンズを用いる。受光器２３７の受光面での光ファイバからの信号光の像Ｓｐ（光ファイバのコアの像）の大きさは、受光器２３７の素子２３７ａの波長分散方向の大きさやピッチＰよりも小さければ、受光器２３７の素子数に対応する高い波長分解能を得ることができる。さらに、光学系の収差を考慮すると、信号光の像の大きさはこれよりも小さい方が望ましい。この集光レンズは、回折格子からの出射光の、その受光器２３７上における像Ｓｐが、前述したピッチＰより小さい径となるように結像する。

次に、本実施形態の動作について、図１を参照して説明する。この例では、レーザ光を観察対象の標本２２３に照射して、標本２２３において励起された蛍光を顕微鏡において取り込んで、分光ユニット２３０に導いて、分光データを取得する。測定ないし観察の手順はおおよそ次の通りである。

光源であるレーザ２０１から出射されたレーザ光（励起光）はファイバカプラ２０２を介して光ファイバ２０３に導入される。光ファイバ２０３の他端は、ファイバカップラ２０４顕微鏡２２０に搭載された共焦点ユニット２１０に取り付けられており、光ファイバ２０３の一端から出射されたレーザ光はコリメートレンズ２１1で平行光束となりダイクロイックミラー２１２で反射され、直交配置された２つのガルバノメータからなる走査ユニット２１３およびスキャナレンズ２１４に導入されて、二次元的に走査される。走査されたレーザ光は、第２対物レンズ２２１を通り、対物レンズ２２２で集められ、標本２２３上の１点に集光される。標本２２３から発せられた蛍光は対物レンズ２２２で集められ、励起光と逆の順路をたどり、ダイクロイックミラー２１２に到達する。ダイクロイックミラー２１２に到達した蛍光はダイクロイックミラー２１２を透過し、集光レンズ２１５でピンホール２１６ａのあるピンホール板２１６上に集光される。

ピンホール２１６ａを通過した光は、リレーレンズ２１７を経て、ファイバカップラ２１９ａから光ファイバ２１８に導かれる。リレーレンズ２１７を介すると、図１に示すように、ピンホール２１６ａを通過した光が、そのままであると発散光束となるところを、再び、集光され、光ファイバ２１８の開口端において、見かけ上、小さな開口径でも、有効に（ロスが少なく）入射できるようになる。

ファイバカプラ２１９ａは、この孔２１９ａのさらに先に配置されているため、このピンホール２１６ａを通過できた光のみが、リレーレンズ２１７を介してファイバカプラ2１９ａに到達できる。ここで、ピンホール２１６ａにできる集光点は標本上での光スポットの像となっているため、標本上の他の点から発した光がたとえあったとしても、ピンホール２１６ａでは像を結ばずピンホール板２１６により遮られ、ファイバカプラ２１９ａにほとんど到達できない。この結果、走査型共焦点顕微鏡では高い横分解能だけでなく、高い縦分解能を持って標本を観察できる顕微鏡となっている。

ファイバカプラ２１９ａに入射した蛍光は、光ファイバ２１８を介して、分光ユニット２３０に導入される。分光ユニット２３０に導入された蛍光は、コリメート光学系２３１で平行光束となり回折格子２３３、２３４および２３５のいずれかに導入される。回折格子は波長分解能を可変とするために３種類用意され、パルスモータ制御で回転する回転テーブル２３２上に配置されている。

回折格子で回折した蛍光は、集光光学系２３６で集光され、回折格子の波長分解能に応じた拡がり角で受光器２３７に入射する。入射した蛍光は、受光素子２３７ａの光電効果により電気信号に変換される。変換された電気信号は、増幅器２３９ａにより増幅され、A／D変換器２３９ｂでディジタル信号に変換されてフレームメモリ２５１に送られ、ＣＰＵ２５２で演算，処理されて画像として表示される。

ここで、光ファイバ２１８には、マルチモードファイバが適している。先ず、蛍光が共焦点ユニット２１０から光ファイバ２１８に入射するまでの装置構成条件を説明する。

集光レンズ２１５でピンホール板２１６に集光される蛍光のエアリディスク径とNA（開口数）をそれぞれDemとNAemとし、光ファイバ２１８のコア径とNAをそれぞれDfiberとNAfiberとし、ピンホール板２１６上のピンホール２１６ａの大きさをDholeとし、リレーレンズ２１７の倍率の絶対値をβとする。

このとき、共焦点顕微鏡を解像力が高い状態で使用するためには、ピンホール２１６ａの径と蛍光のエアリディスク径は次の条件で使うことが望ましい。

Dem×0.5 ≦ Dhole ≦ Dem×1
このとき、次の条件を満たす構成にすることにより、ピンホール２１６ａを通過した信号光を効率よく光ファイバ２１８に入射することができる。

Dfiber ≧ Dem×1×β
NAfiber ≧ NAem／β
また、信号光が特に微弱なとき、共焦点顕微鏡を、解像力をやや犠牲にして信号感度の高い状態で使用する場合がある。このためには、ピンホール２１６ａの径と蛍光のエアリディスク径は、次の条件で使うことが望ましい。

Dem×1 ＜ Dhole ≦ Dem×5
このとき、次の条件を満たす構成にすることにより、ピンホール２１６ａを通過した信号光を効率よく光ファイバ２１８に入射することができる。

Dfiber ≧ Dem×5×β
NAfiber ≧ NAem／β
次に、蛍光が光ファイバ２１８から分光ユニット230に射出した後の装置構成条件を説明する。コリメートレンズ231の焦点距離と開口数をそれぞれｆcとNAcとする。集光光学系２３６の焦点距離と開口数をそれぞれｆfとNAfとする。受光器２３７のピッチをPとする。受光器２３７の波長分散方向の受光範囲２３７ｂの長さをLとする。

このとき、分光ユニット２３０を受光器２３７のピッチPで制限される波長分解能の上限で使用するためには、受光器２３７での光ファイバ２１８の像の波長分散方向の大きさはP以下であることが望ましい。また、微弱な蛍光を扱うので、光ファイバ２１８からの射出光を高い効率で受光器２３７に導く必要がある。

このとき、次の条件を満たす構成にすることにより、高い波長分解能と、（特許文献１が提案するシングルモードファイバを使用しなくても）高い効率を実現できる。

Dfiber ≦ P×（ｆc／ｆf）
NAfiber ≦ NAc
NAfiber ≦ NAf×（ｆf／ｆc）
なお、このとき集光光学系２３６の径と、回折格子の径は、それぞれへの入射光束の径よりも大きくすることで、高い効率を実現できる。

また、受光器２３７は、一般に垂直入射の時に最も感度が高く、入射角が大きくなるにつれて感度が低下する。ここで、受光感度がその最大値のｘ％までのNA領域をNAｘする。このとき、次の条件を満たすことで、NAｘの領域だけで蛍光を受光することができる。

NAfiber ≦ NAx×（ｆf／ｆc）
ここで、受光感度がその最大値の90％までのNA領域を有効なNAとして、NA90と定義すると、次の条件を満たすことで、有効なNA領域だけを使用することができる。

NAfiber ≦ NA90×（ｆf／ｆc）
ここで、受光感度がその最大値の95％までのNA領域を最適なNAとして、NA95と定義すると、次の条件を満たすことで、最適なNA領域だけを使用することができる。

NAfiber ≦ NA95×（ｆf／ｆc）
次に、レーザ光を遮光するためのｆfとｆcの更なる条件について説明する。

ピンホール板２１６のピンホール２１６ａを通過して光ファイバ２１８で伝送された蛍光信号には、励起のために標本に照射されたレーザ光のうち、標本で反射や散乱した成分の一部が含まれている。このレーザ光の光量は、信号として有用な蛍光の光量よりも強いことが多く、受光器２３７のダイナミックレンジを有効に活用するためには、蛍光信号と分離しなければならない。

本実施形態では、蛍光より波長の短い励起光であるレーザ光を、受光器２３７の受光面の受光範囲から外し、蛍光だけを受光範囲に入れて受光することで、レーザ光と蛍光を分離し、レーザ光を除去する。共焦点顕微鏡と組み合わせて使われるファイバ入射型分光器において、共焦点顕微鏡のピンホールがエアリディスク径の１倍〜5倍（〜10倍）のときでも、ピンホールを通過した信号光（蛍光）を高い効率で使用できる。

図３は受光器の受光面上での信号光の結像の様子を説明する図である。受光面の有効領域は斜線で示す領域である。有効領域の外側には遮光板２３７ｄが取り付けられていて、遮光板２３７ｄに照射された光は受光面には到達できない。このとき、レーザ光の受光面上でのスポットＳｐが、遮光板２３７ｄ上に集光するように、回転テーブル２３２の角度を調整して、回折格子２３３から２３５を配置することで、レーザ光を蛍光から分離し、除去できる。

さて、有用である蛍光信号は、不要であるレーザ光よりも波長が短いことを利用して分離する。しかし、これらの波長は近いことが多い。レーザ光の波長に近い蛍光信号を受光するためには、遮光板２３７ｄの位置を受光領域に近づけると共に、レーザ光のスポットを小さくすることが有効である。

遮光板２３７ｄの位置を受光領域２３７ｂの境界２３７ｃまで近づけた場合、波長Lexレーザ光のスポットの大きさが受光器２３７の受光素子２３７ａのピッチＰと同じであれば、受光可能な蛍光の最短波長Lem（最短波長のchの中心波長）は、受光器の受光素子２３７ａのピッチＰに相当する波長ピッチをLpとすると、
Lem = Lex ＋ Lp
となる。

実際には、光学系の収差、装置の製造誤差、可動部の再現精度などの、各種の誤差分を考慮し、スポットＳｐ径は、受光器２３７の受光素子２３７ａのピッチPよりも小さくすることが望ましい。本実施例では、スポットＳｐの径Ｓは500umであるので、これらの誤差分によるスポット径（図３において破線円Ｓｄで示す）の増加分Dが、例えば±100umであるとすると、受光可能な蛍光の最短波長Lemは、
Lem = Lex + Lp × ( D + S ) / P
= Lex + Lp × ( 100 + 500 ) / 1000
となる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態は、分光ユニット２３０において、コリメート光学系２３１と、集光光学系２３６に、それぞれ凹面鏡を用いる例である。図４に、その一例を示す。

本実施形態では、コリメート光学系２３１として、凹面鏡２３１１を用いる。コリメート用の凹面鏡２３１１は、焦点距離３０mm直径１５mmであり、入射NAは、ファイバのNA０．２２よりも大きい０．２５である。このとき平行光にされた信号光の光束径は、約１３．２mm（30×0.22×2）となる。回折格子の格子面の大きさは３０mm×３０mmであり、入射角を考慮しても信号光の光束径よりも十分広い。集光光学系２３６として用いられる凹面鏡２３６１の焦点距離は３００mmで、直径は５０mmであり、受光器２３７に対してテレセントリックな位置に配置されている。受光器２３７は、３２chのマルチアノード型のPMT（光電子増倍管）で、１chの素子の大きさは約０．８mm×７mmで、波長分散方向に３２ch分がピッチ１mmで並んだ構造である。集光用の凹面鏡がテレセントリックな配置であるので、受光器の全３２chに入射する光束の、凹面鏡での大きさは波長分散方向に約４５．２mm、これと垂直な方向に約１３．２mmと、集光用の凹面鏡よりも小さい。この構造であれば、光ファイバから射出した信号光のうちの受光する波長帯域の光を、遮光することなく、効率よく受光器２３７に導くことができる。

受光器の受光面での光ファイバからの信号光の像（光ファイバのコアの像）の大きさは、受光器の素子の波長分散方向の大きさやピッチよりも小さければ、受光器の素子数に対応する高い波長分解能を得ることができる。さらに、光学系の収差を考慮すると、信号光の像の大きさはこれよりも小さい方が望ましい。この構造であれば、光ファイバから受光器までの倍率が１０倍であるとすると、信号光の像（光ファイバのコアの像）の大きさは約５００μmであり、高い波長分解能を得ることができる。

なお、光ファイバには、芯線の屈折率分布がグレーテッドインデックス型のものもある。しかし、この型の光ファイバは、受光面上に決像されたコアの像の輪郭が明確でなくて裾野をひく。そのため、波長分解方向のクロストークが悪くなるので、波長分解能を低下させるため、好ましくない。また、光ファイバの材質がプラスチックのものや、多芯の形式のもあるが、石英の単芯の形式に比べると、透明度が低いこと、多芯間の充填材に特異的な吸収帯を持つものもあることから、感度低下や、分光スペクトルの不正確さの原因となるので、好ましくない。さらに、光ファイバのコネクタは、ＦＣ型コネクタであるほうが、位置再現精度が高いので好ましい。一方、コネクタを用いずに、光ファイバを固定する構成としてもよい。

凹面鏡としては、放物面鏡などの非球面鏡を用いる構成としてもよい。また、コリメート光学系、集光光学系は、２枚以上の反射鏡により構成されるもの、レンズと反射鏡とを組み合わせたものでもよい。

図１は本発明の一実施形態が適用される分光システムの構成の一例を示すブロック図。 図２はコリメート光学系の一例であるコリメートレンズ系の構成を示す説明図。 図３は受光器の構成の一例と、受光素子の配置ピッチと受光スポット径との関係を示す説明図。 図４は本発明の第２の実施形態に用いられるコリメート光学系および集光光学系の他の例を示す説明図。

符号の説明

２００…光源系、２０１…レーザ光源、２１０…共焦点ユニット、２１１…コリメートレンズ１、２１２…ダイクロイックミラー、２１３…走査ユニット、２１４…スキャナレンズ、２１５…集光レンズ、２１６…遮光板、２１７…リレーレンズ、２１８…光ファイバ、２１９ａ、２１９ｂ…ファイバカプラ、
２２０…顕微鏡、２２１…第2対物レンズ、２２２…対物レンズ、２２３…標本、２２４…ステージ、
２３０…分光ユニット、２３１…コリメートレンズ、２３２…回転テーブル、２３３…回折格子、２３４…回折格子、２３５…回折格子、２３６…集光レンズ、２３７…受光器、２３９ａ…増幅器、２３９ｂ…Ａ／Ｄ変換器、２２８…高圧電源、
２５０…情報処理装置、２５１…フレームメモリ、２５２…ＣＰＵ、２５３…表示装置、２５４…外部記憶装置、２５５…入力装置、２５６…スキャナ駆動装置。

Claims (7)

1. 顕微鏡と、
   前記顕微鏡からの蛍光が入射する光ファイバと
   前記光ファイバから射出する前記蛍光を平行光とするコリメータ光学系と、
   前記コリメータ光学系により平行光に変換された前記蛍光を分光する分光素子と、
   前記分光素子により分光された分光光を受光する、少なくとも波長分散方向に複数の受光素子が並んだ受光器と、
   前記分光素子からの前記分光光を前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像させる集光光学系と、を有し、
   前記光ファイバの開口数ＮＡfiberは、前記集光光学系の開口数をＮＡf、前記集光光学系の焦点距離をff、前記コリメータ光学系の焦点距離をfcとすると
   ＮＡfiber≦ＮＡf×(ff／fc)
   の関係を満たし、
   前記分光素子は、互いに波長分解能が異なる複数の回折格子を有し、前記蛍光の前記回折格子への入射角度がそれぞれ変更可能に構成されるとともに、複数の前記回折格子は切り替え可能に構成されてなり、
   前記受光器は、該受光器の前記受光素子面における有効領域の外側に、前記顕微鏡の照明光を遮光する遮光部材が配置されてなること
   を特徴とする分光顕微鏡装置。
2. 前記光ファイバはマルチモードファイバであること
   を特徴とする請求項1記載の分光顕微鏡装置。
3. 前記顕微鏡は、出射側にピンホールと前記ピンホールを通過した発散光束を収束させるリレーレンズを有する共焦点顕微鏡であり、
   前記光ファイバに入射する光は、顕微鏡標本からの蛍光を前記ピンホールおよびリレーレンズを介して前記光ファイバに入射すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の分光顕微鏡装置。
4. 前記コリメート光学系の開口数は、前記光ファイバの開口数より大きいこと
   を特徴とする請求項1から３のいずれか一項に記載の分光顕微鏡装置。
5. 前記集光光学系は、前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像される前記分光光のスポット径を前記受光素子の配置ピッチより小さくすること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の分光顕微鏡装置。
6. 前記コリメータ光学系は、非球面鏡をさらに有すること
   を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の分光顕微鏡装置。
7. 前記光ファイバはマルチモードファイバであり、
   前記集光光学系の開口数は、前記受光素子の受光感度が最大値の90％以上の角度で前記受光素子に入射する値であり、
   前記集光光学系は前記受光器の複数の受光素子面にそれぞれ結像される分光光のスポット径を前記受光素子の配置ピッチより小さくすること
   を特徴とする請求項１に記載の分光顕微鏡装置。

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