JP5255750B2 - 検出器 - Google Patents

Description

本発明は、複数の光電面を備えた光電性アレイを備え、光路内において光電性アレイの前方に、スペクトル分割された光を光電性アレイに合焦させるための合焦手段が配置されている検出器、特に顕微鏡において光をスペクトル検出するための検出器に関するものである。

冒頭で述べた種類の検出器は実用面から知られており、たとえば共焦点顕微鏡においてスペクトル検出するために使用される。この場合、共焦点顕微鏡の検出ピンホールの後で光はレンズによりコリメートされ、コリメートされた光はたとえば格子、プリズムまたはホログラム等の分散要素においてスペクトル分割され、スペクトル分割された光はレンズを用いてたとえばＣＣＤアレイのような光電性アレイに合焦される。

しかしながら、公知のシステムにおいて問題なのは、スペクトル分割方向においてもこれに対し垂直な方向においても、達成可能なスポット径が（共焦点ピンホールのサイズに依存して）典型的には１００μｍないし６００μｍのオーダーにあることである。このオーダーは通常の光電性アレイの個々のピクセルのサイズを何倍も上回るものである。この欠点に対処するため、基本的には、より大きなピクセルを使用するか、或いは、個々のスポットを読み込むために複数個のピクセルを使用することが可能である。しかしながら両方ともスポット１個あたりに必要な読み込み時間、すなわち１つの検出波長につき必要とする読み込み時間が異常に長くなり、その結果ほとんどの目的に対し検出速度が遅すぎてしまう。

本発明の課題は、冒頭で述べた種類の検出器、分光計、顕微鏡において、構造的に簡潔な手段で特に高速検出を達成させることである。

この課題は、本発明によれば、合焦手段が複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイを有し、各マイクロレンズに、スライドレジスタを備えたＣＣＤピクセルが付設されており、スペクトル分割方向におけるマイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズのレンズサイズが、光のスペクトル分割のための分散要素の、相応する波長でのそれぞれのスペクトル分解能に適合している、検出器において、ＣＣＤピクセルの間隔が、スペクトル分割方向に沿ってマイクロレンズのレンズサイズが増大するのに対応して、増大し、マイクロレンズのレンズサイズが非線形分散に適合すべくスペクトル分割方向に沿って増大することによって解決される。

本発明によれば、まず、スペクトル検出においても慣用の光電性アレイを用いれぱ高検出速度を達成できるという認識に至った。このため、本発明によれば、スペクトル分割された光を光電性アレイに合焦させるための手段として、複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズアレイが使用される。マイクロレンズを使用することによって、個々の検出波長または個々の検出波長範囲を個々のピクセルに合焦させることが可能である。したがって、個々の検出波長または個々の検出波長範囲を検出するには、個々の１つのピクセルのみを読み取ればよい。

その結果、本発明による検出器により、構造的に簡潔な手段で高速検出を達成した検出器が得られる。

具体的には、光電性アレイはＣＣＤアレイまたはＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）アレイである。ＣＣＤアレイは今日では大量生産品であり、たとえばデジタルカメラ等で大量に使用される。これに対しＡＰＤアレイは使用範囲がはるかに狭く、研究所で使用されているにすぎない。ＣＣＤアレイの場合占有率または充填率はほとんどの場合１００％であり、すなわち個々の光電面の間にはギャップまたは隙間がない。ＡＰＤアレイの場合にはこの種のギャップが個々の光電面の間にあり、ギャップの大きさは約１５０μｍ或いはそれ以上のことがある。

ＣＣＤアレイでは、発生した電荷は１つのピクセルから次のピクセルへバケツリレーのごとく搬送される。この場合電荷の読み取りと信号の増幅とはシーケンシャルに行なわれる。これに対してＡＰＤアレイでは、誘導された電荷がこの電荷を発生させたピクセルで増幅され、読み取られる。

ＣＣＤアレイでは、読み取りサイクルの間、１個のピクセルにつき複数個の光子を加算させることができる。この場合、最大光子数はピクセルの面積に依存している。ＡＰＤアレイの場合には、１個のピクセルにつき個別光子演算(Einzelphotonenzaehlung)が行なわれる。この場合の最大光子計数率はＡＰＤのデッドタイムに依存しており、１秒あたり５百万回のカウントのオーダーである。

１０００×１０００以上のピクセルアレイはＣＣＤアレイにおいて慣用されている。この場合、ピクセルサイズは５μｍと２０μｍの間にある。ＡＰＤアレイの場合、最近では最大６４×６４のピクセルアレイが使用できる。この場合、通常のピクセルサイズは２０μｍと１５０μｍの間にある。

ＣＣＤアレイの作動時には、ダークノイズを減少させるための強力な冷却が必要である。ＡＰＤアレイの場合には、冷却またはペルチエ冷却の必要はほとんどない。

スペクトル分割された光の特に高速の検出と特に確実な検出とを保証するため、マイクロレンズアレイはスペクトル分割方向とスペクトル分割方向に対し垂直な方向とに合焦させるために形成されている。これにより特に大きな空間範囲または平面範囲が検出器によりカバーされる。

具体的には、マイクロレンズアレイは２次元のマイクロレンズアレイである。これにより所望の空間範囲または平面範囲の確実なカバーが保証されている。

マイクロレンズはたとえば屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）である。したがって、マイクロレンズは少なくとも１つの屈折率分布型レンズを有していてよい。

特に有利なレンズは球面レンズである。したがって、マイクロレンズは少なくとも１つの球面レンズを有していてよい。特に有利な構成では、マイクロレンズは球面レンズだけから構成されていてよい。この場合、１個のマイクロレンズまたは複数個のマイクロレンズは球面アパーチャーを有していてよい。

スペクトル分割された光の特に高速の検出と特に確実な検出とに関しては、マイクロレンズは、好ましくはスペクトル分割方向に合焦させるマイクロシリンドリカルレンズアレイと、スペクトル分割方向に対し垂直な方向に合焦させる少なくとも１つのシリンドリカルレンズとの組み合わせを有していてよい。基本的には、少なくとも１つのシリンドリカルレンズは単体のシリンドリカルレンズ、マイクロシリンドリカルレンズ、棒状レンズ、またはこの種のレンズから成るアレイであってよい。少なくとも１つのシリンドリカルレンズを選択する場合には、それぞれの使用例を考慮する必要がある。

基本的には、スペクトル分割方向とスペクトル分割方向に対し垂直な方向の両空間方向での焦点はそれぞれ光電性アレイ上にあることに留意すべきである。特にこのため、複数個のマイクロレンズは、前記両方向への合焦のため、異なる焦点距離を有していてよい。特にこの場合には、マイクロレンズは前記両方向に対し構成的に特に簡潔に同じ基板上に配置されていてよい。これにより操作が特に簡単なマイクロレンズアレイが実現される。この場合、マイクロレンズは前記両方向に対し基板の異なる側に配置されていてよい。

光電性アレイを非対称な光学的解像度に適合させるため、マイクロレンズアレイは非対称レンズを有していてよく、この場合も（一般的にも）マイクロレンズアレイは１つのアレイ、または１つのライン、または１つの単体レンズから構成されていてよい。

マイクロレンズアレイは交差した２つのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイの組み合わせを有していてよい。

操作が特に簡単なマイクロレンズアレイを実現するため、前記両方向のためのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイまたはマイクロレンズは同じ基板に配置されていてよい。さらに有利な態様では、前記両方向のためのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイまたはマイクロレンズは基板の異なる側に配置され、たとえば基板の前面および背面に配置されていてよい。

構造的に特に有利な構成では、マイクロレンズアレイは好ましくは気密封止用の窓として、特に真空封止用の窓として、低温ＣＣＤまたはＡＰＤのために利用されている。

有利には、スペクトル分割方向におけるマイクロレンズアレイの個々のマイクロレンズのレンズサイズが適当な波長でのその都度のスペクトル分解能に適合しているのがよい。これにより、たとえば分散要素としてプリズムを使用した場合に発生する非線形スペクトル分割を補正することができる。

さらに有利な態様では、個々のマイクロレンズを個別に調節（適合）することにより色収差を補正することができる。

本発明による検出器の場合、マイクロレンズを使用することにより、光電性アレイの個々の受光ピクセルの間に、付加的な機能および／または付加的な部材のために利用できる空間が提供されるのが有利である。たとえば、マイクロレンズにより生じる、光電性アレイの受光ピクセル間の空間は、少なくとも１つのスライドレジスタを配置するために利用されてよい。さらに、これとは択一的に、前記空間は、光が多すぎる場合のピクセル間のクロストークを阻止する少なくとも１つのブルーミング防止バリアーを配置するために利用することができる。

さらに、これとは択一的に、または、これに加えて、前記空間は、検出面内部に異なるピクセルを付加するために利用することができる。前記空間の他の利用可能性は散乱光の吸収である。このため、前記空間内に適当な吸収手段を配置することができる。

マイクロレンズアレイは透過率を高めるために表面コーティングされていてよい。これとは択一的に、または、これに加えて、マイクロレンズアレイは散乱光の吸収率または減少率を高めるため好ましくは局部的に表面コーティング部を有していてよい。

操作が特に簡単な検出器を実現するため、マイクロレンズアレイは光電性アレイ上に塗付、蒸着、または型押しされていてよい。これにより、マイクロレンズの機能性と光電性アレイの機能性とを兼ね備えた単体部材が実現される。

光電性アレイは、基本的には、１つのマイクロレンズを備えた単一の光電性受光ピクセルから構成することができる。有利な実施態様では、光電性アレイはＣＣＤラインアレイまたはＡＰＤラインアレイ、或いは、２次元のＣＣＤアレイまたはＡＰＤアレイを有している。この場合、それぞれの使用例とデータ処理する際の望ましい快適性とに適合させる必要がある。

特に有利な構成では、光電性アレイは並列に配置された複数個のＣＣＤまたはＡＰＤ、或いは、好ましくは前景照射型の複数個のＥＭＣＣＤを有している。基本的には、背景照射型ＥＭＣＣＤも前景照射型ＥＭＣＣＤも使用することができる。背景照射型ＥＭＣＣＤの基本的な利点は、光が光電面に当たる前に光がＥＭＣＣＤチップのゲート構造を通過する（通常は検出ロスと関連している）必要がないので、量子効率がより高いことである。背景照射型ＥＭＣＣＤの欠点は、薄いために製造と操作が困難なことである。本発明による検出器を使用することにより、ＥＭＣＣＤチップの前面に、光電面を必要としない空間が提供される。光電面を必要としないのは、マイクロレンズアレイが選択されたチップ領域にのみ光を合焦させるからである。この空間をゲート構造のために利用できるので、光電面上方にゲートを配置する必要がなくなる。したがって、製造と操作が簡単で、しかも量子効率が高い前景照射型ＥＭＣＣＤを使用することが可能である。この場合、量子効率は通常の背景照射型ＥＭＣＣＤの範囲である。

本発明の前記課題は、請求項１から２６までのいずれか一項に記載の検出器を備えた分光計によっても解決される。

さらに、本発明の前記課題は、請求項１から２６までのいずれか一項に記載の検出器を備えた顕微鏡、特に共焦点型顕微鏡または半共焦点型顕微鏡によって解決される。この場合、顕微鏡は単体の検出ピンホールまたはマルチスポットスキャナーまたはラインスキャナーを有していてよい。換言すれば、本発明による検出器は、単体の検出ピンホールを備えた共焦点顕微鏡にも、マルチスポットスキャナーまたはラインスキャナーを備えた共焦点型顕微鏡または半共焦点型顕微鏡にも使用することができる。マルチスポットスキャナーの場合には、スペクトル分割方向に対して垂直に配置されるシリンドリカルレンズまたはマイクロレンズの数量は通常スポットの数量に対応させることができる。

ラインスキャナーの場合には、通常、スペクトル分割方向に対し垂直に配置されるシリンドリカルレンズまたはマイクロレンズを設ける必要はない。スペクトル分割方向に対し垂直な光電性ピクセルの数量は１つのスキャンラインあたりのピクセルの数量に相当している。

いわば、本発明による検出器により、分光計および顕微鏡、特に共焦点型顕微鏡と連動して、或いは、マルチスポットスキャナーまたはラインスキャナーと連動して使用することのできるマイクロレンズＣＣＤまたはマイクロレンズＡＰＤおよび好ましくはマイクロレンズＥＭＣＣＤが提供される。

特許請求の範囲の対象である分光計または顕微鏡と関連した、本発明による検出器の特殊な構成による利点に関しては、重複を避けるため、この利点に関し前述した説明を参照してもらいたい。

なお、本発明の解決手段を有利に構成し改変する種々の可能性がある。これに関しては、特許請求の範囲と、図面を用いた、本発明の解決手段の有利な実施形態に関する以下の説明とを参照してもらいたい。図面を用いた、本発明の解決手段の有利な実施形態に関する説明と関連して、本発明の解決手段の一般的に有利な構成をも説明することにする。

図１は本発明による検出器、特に顕微鏡内の光をスペクトル検出するための検出器の一実施形態の概略図である。検出器は少なくとも１つのＣＣＤを備えたＣＣＤアレイ１を有し、光路内においてＣＣＤアレイ１の前方には、スペクトル分割した光をＣＣＤアレイ１に合焦させるための手段が配置されている。特に高検出速度を考慮して、前記手段は複数のマイクロレンズを備えたマイクロレンズ装置（マイクロレンズアレイ）２を有している。この実施形態と以下の実施形態では、ＣＣＤアレイ１の代わりにＡＰＤアレイを使用してもよい。

図１に図示した実施形態の場合には、プリズム５によりスペクトル分割した２つの光束３，４をＣＣＤアレイ１に合焦させる。光路内においてプリズム５の前方には検出用アパーチャープレート６が配置されている。

図２は本発明による検出器の他の実施形態の概略図であり、ここではラインスキャナーが使用されている。さらに、光路内において、光束３と４を発生させるプリズム５の前方には、検出用スリットプレート７が配置されている。

図３と図４と図５にはそれぞれ、個々のマイクロレンズ８を備えたマイクロレンズアレイが図示されている。マイクロレンズ８は同じ基板の前面と背面に配置されている。図３ないし図５に図示した個々の例はマイクロレンズ８の配置の点で異なっている。それぞれのマイクロレンズ８には、スライドレジスタ１０を備えたＣＣＤピクセル９が付設されている。なお、図において破線で示したのは、それぞれ１つのマイクロレンズ８に属する検出面１１である。

図３に図示した本発明に範囲外の例の場合には、同じ大きさのマイクロレンズ８がスペクトル分割方向に沿って等間隔で配置されている。図４に図示した本発明の実施形態の場合には、マイクロレンズ８の大きさはスペクトル分割方向に沿って増大しており、これはたとえばプリズム５において非線形分散が生じた場合にこれに最適に適合させるためである。ＣＣＤピクセル９の間隔も対応的に増大している。

図５に図示した本発明に範囲外の例の場合には、スペクトル分割方向に垂直に複数個のＣＣＤピクセル９が配置されている。その結果、基板の上面と下面にマイクロレンズ８を備えたマイクロレンズアレイ２に適宜適合させることができる。

図６は、本発明による検出器によって露出した中間空間を電子的電荷加算法に利用する態様を示している。ここではそれぞれ２つのＣＣＤピクセル９にそれぞれ１つの検出面１１が付設されている。

図７はＣＣＤアレイとＡＰＤアレイの構造を比較したものである。

本発明による検出器の他の有利な構成に関しては、重複を避けるため、本明細書の課題を解決するための手段の欄と特許請求の範囲を参照してもらいたい。

なお、上述の実施形態は特許請求の範囲に記載の解決手段を詳細に説明するためのものにすぎず、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。

スペクトル検出光路内に設置された本発明による検出器の一実施形態の概略図である。 スペクトル検出光路内に設置された本発明による検出器の他の実施形態の概略図である。 基板の両側にシリンドリカルレンズを配置したマイクロレンズアレイの本発明に範囲外の例の概略図である。 基板の両側にシリンドリカルレンズが配置され、スペクトル分割方向に沿ってマイクロレンズのサイズが大きくなっているマイクロレンズアレイの一実施形態の概略図である。 基板の両側にシリンドリカルレンズを配置したマイクロレンズアレイの本発明に範囲外の例の概略図である。 ＣＣＤアレイで電子的電荷加算を実施するために露出した中間空間の利用態様の１例を示す概略図である。 ＣＣＤアレイとＡＰＤアレイを比較した概略図である。

符号の説明

１ ＣＣＤアレイ
２ マイクロレンズ装置
３ 光束
４ 光束
５ プリズム
７ 検出用スリットプレート
６ 検出用アパーチャープレート
８ マイクロレンズ
９ ＣＣＤピクセル
１０ スライドレジスタ
１１ 検出面

Claims (29)

1. 複数の光電面（９）を備えたＣＣＤアレイの形態をした光電性アレイ（１）を備えて構成される検出器であって、光路内にて前記光電性アレイ（１）の前方に、スペクトル分割された光を前記光電性アレイ（１）に合焦させるための合焦手段が配置され、前記合焦手段が複数のマイクロレンズ（８）を備えたマイクロレンズアレイ（２）を有し、各マイクロレンズ（８）に、スライドレジスタ（１０）を備えたＣＣＤピクセル（９）が付設されており、スペクトル分割方向におけるマイクロレンズアレイ（２）の個々のマイクロレンズ（８）のレンズサイズが、光のスペクトル分割のための分散要素の、相応する波長でのそれぞれのスペクトル分解能に適合している、検出器において、
   ＣＣＤピクセル（９）の間隔が、スペクトル分割方向に沿ってマイクロレンズ（８）のレンズサイズが増大するのに対応して、増大し、マイクロレンズ（８）のレンズサイズが非線形分散に適合すべくスペクトル分割方向に沿って増大することを特徴とする検出器。
2. マイクロレンズアレイ（２）がスペクトル分割方向とスペクトル分割方向に対し垂直な方向とに合焦させるために形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の検出器。
3. マイクロレンズアレイ（２）が２次元のマイクロレンズアレイであることを特徴とする、請求項１または２に記載の検出器。
4. マイクロレンズ（８）が屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮ）であることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の検出器。
5. マイクロレンズ（８）が球面レンズであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の検出器。
6. マイクロレンズ（８）が球面レンズだけから構成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の検出器。
7. １個のマイクロレンズ（８）または複数個のマイクロレンズ（８）が球面アパーチャーを有していることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の検出器。
8. マイクロレンズ（８）が、スペクトル分割方向に合焦させるマイクロシリンドリカルレンズアレイと、スペクトル分割方向に対し垂直な方向に合焦させる少なくとも１つのシリンドリカルレンズとの組み合わせを有していることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の検出器。
9. 前記少なくとも１つのシリンドリカルレンズが単体のシリンドリカルレンズ、マイクロシリンドリカルレンズ、または棒状レンズであることを特徴とする、請求項８に記載の検出器。
10. 複数個のマイクロレンズ（８）が、スペクトル分割方向とスペクトル分割方向に対し垂直な方向の両方向への合焦のため、異なる焦点距離を有していることを特徴とする、請求項２に記載の検出器。
11. マイクロレンズアレイ（２）が非対称レンズを有していることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の検出器。
12. マイクロレンズアレイ（２）が交差した２つのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイの組み合わせを有していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の検出器。
13. スペクトル分割方向とスペクトル分割方向に対し垂直な方向の両方向のためのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイまたはマイクロレンズ（８）が同じ基板に配置されていることを特徴とする、請求項２に記載の検出器。
14. 前記両方向のためのレンズアレイまたはシリンドリカルレンズアレイまたはマイクロレンズ（８）が基板の異なる側に配置されていることを特徴とする、請求項１３に記載の検出器。
15. マイクロレンズアレイ（２）が気密封止用の窓として、低温ＣＣＤ（９）のために利用されていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一項に記載の検出器。
16. 個々のマイクロレンズ（８）を個別に調節することにより色収差が補正されていることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の検出器。
17. マイクロレンズ（８）により生じる、光電性アレイ（１）の受光ピクセル（９）間の空間が、少なくとも１つのスライドレジスタ（１０）を配置するために利用されていることを特徴とする、請求項１から１６までのいずれか一項に記載の検出器。
18. マイクロレンズ（８）により生じる、光電性アレイ（１）の受光ピクセル（９）間の空間が、少なくとも１つのブルーミング防止バリアーを配置するために利用されていることを特徴とする、請求項１から１７までのいずれか一項に記載の検出器。
19. マイクロレンズ（８）により生じる、光電性アレイ（１）の受光ピクセル（９）間の空間が、検出面（１１）内部に異なるピクセル（９）を付加するために利用されていることを特徴とする、請求項１から１８までのいずれか一項に記載の検出器。
20. マイクロレンズ（８）により生じる、光電性アレイ（１）の受光ピクセル（９）間の空間が、散乱光を吸収するために利用されていることを特徴とする、請求項１から１９までのいずれか一項に記載の検出器。
21. マイクロレンズアレイ（２）が透過率を高めるために表面コーティングされていることを特徴とする、請求項１から２０までのいずれか一項に記載の検出器。
22. マイクロレンズアレイ（２）が散乱光の吸収率または減少率を高めるため、局部的に表面コーティング部を有していることを特徴とする、請求項１から２１までのいずれか一項に記載の検出器。
23. マイクロレンズアレイ（２）が光電性アレイ（１）上に塗付、蒸着、または型押しされていることを特徴とする、請求項１から２２までのいずれか一項に記載の検出器。
24. 光電性アレイ（１）がＣＣＤラインアレイ、或いは、２次元のＣＣＤアレイを有していることを特徴とする、請求項１から２３までのいずれか一項に記載の検出器。
25. 光電性アレイ（１）が並列に配置された複数個のＣＣＤを有していることを特徴とする、請求項１から２４までのいずれか一項に記載の検出器。
26. 光電性アレイ（１）が前景照射型の複数個のＥＭＣＣＤを有していることを特徴とする、請求項１から２５までのいずれか一項に記載の検出器。
27. 請求項１から２６までのいずれか一項に記載の検出器を備えた分光器。
28. 請求項１から２６までのいずれか一項に記載の検出器を備えた顕微鏡。
29. 顕微鏡が単体の検出ピンホール（６）またはマルチスポットスキャナーまたはラインスキャナーを有していることを特徴とする、請求項２８に記載の顕微鏡。

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