JP5331198B2 - 光源装置及びそれを用いた分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードを光源として用いた光源装置、及びその光源装置を用いた分析装置及び液晶表示装置に関する。

近年、ハロゲンランプや白熱電球よりも安価で、消費電力が小さく、はるかに長寿命であり、かつレーザーよりも出力波長の種類が多い発光ダイオードを、計測又は照明用の光源として幅広く利用しようとする動きが活発である。そのため、今後、発光ダイオードは、従来製品中の光源の置き換え用としてのみならず、新たな計測、制御、照明装置の発展に寄与すると期待されている。しかし、発光ダイオードは可視用の照明光源として用いられることが多く、温度の変化に伴う光量変化が大きい等の理由により、そのまま計測用の光源として使用することは困難である。

特開２００７−２４８２６号公報には、発光ダイオードの発光スペクトルの中で固定した波長域のみを選択して使用する方式として、バンドパスフィルタを用い、その透過中心波長を、発光ダイオードの０℃のときのピーク波長よりも長波長側に設定する方式が記載されている。特開平９−２８１０７８号公報には、発光ダイオードのピーク波長が所定の波長になるように発光ダイオードの温度を制御する方式が記載されている。特開２００７−３０９８４０号公報には、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する別の方式として、発光スペクトルの出力特性を記憶し、記憶した出力特性になるように発光ダイオードの温度を制御する方式が記載されている。その場合、温度を変化させると発光スペクトル強度も変化するが、発光ダイオードへの駆動電力を制御し、スペクトル強度を一定に保つ。

また、発光ダイオードは液晶表示装置のバックライトとしても使用されつつある。その場合、複数の単色発光ダイオードを組み合わせることで白色光を作り出し、バックライトとして使用する方法が一般的である。特開２００７−３１０００８号公報には、各単色発光ダイオードの温度変化を抑制する方式として、複数色の発光ダイオードの温度を検知し、検出した温度に応じて発光ダイオードの温度を一定に保つ方向に制御する温度制御機構を用いる方式が記載されている。また、特開２００６−２７６７２５号公報には、各単色ダイオードの発光強度変化を駆動電力でフィードバック制御する方式として、各発光ダイオードの輝度をそれぞれ検知し、検出された輝度に基づいて発光ダイオードの駆動電力をフィードバック制御する方式が記載されている。

特開２００７−２４８２６号公報 特開平９−２８１０７８号公報 特開２００７−３０９８４０号公報 特開２００７−３１０００８号公報 特開２００６−２７６７２５号公報

光を用いた計測装置として液体分析システムがあり、ハロゲンランプ等からの白色光を試料溶液に照射し、試料溶液を透過した光を分光して必要な波長成分を取り出し、その吸光度を割り出すことで目的の成分量を測定する装置が広く用いられている。白色光を分光した後、必要な波長光のみを試料溶液に照射する場合もある。医療等で用いられる生化学試料を吸光度測定する場合、吸光度の１００００分の１程度の変化を捉えられる精度が求められる。そのため、吸光度測定を行うための光源には対数比で１００００分の１（線形比で０．０２３％）以上の光量安定度が必要とされる。

発光ダイオードの種類によっては、その発光スペクトルの波長帯域が、吸光度測定用光源に求められる波長帯域に十分含まれる。その場合、発光スペクトルのどの領域も光量安定度を満たせば光源光として使用することができる。ここで、発光ダイオードの発光スペクトルは、温度と入力電流に依存する。温度が上昇するにつれ、発光スペクトルのうち短波長側は光量が小さくなり、その結果、ピーク波長は長波長側へシフトする。

バンドパスフィルタの透過中心波長を、発光ダイオードの０℃のときのピーク波長よりも長波長側に設定した場合、液体分析システムの通常の使用温度域である３７℃においては、バンドパスフィルタを通過する光が温度により変動の激しい短波長側になる場合があり、上記の光量安定度を保証することができない。一方、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する方式では、発光ダイオードの温度もしくは駆動電力を用いて発光光量を制御しても、１００００分の１以上の光量安定度を得ることは技術的に非常に難しいという問題がある。

また、液晶表示装置のバックライトとして発光ダイオードを使用した場合、温度が変化することで各単色発光ダイオードのスペクトル強度が変化する。それにより、それらの混合光の輝度や色度が変化するという問題がある。しかし、各単色発光ダイオードの温度変化を抑制する方式では、発光ダイオードの温度を設定温度まで変化させ、かつその温度変動をフィードバックして抑制する必要があり、発光ダイオードを点灯させた直後は温度変動を抑制することができない。また発光ダイオードを温度制御することにより、非常に大きなコストがかかるという問題がある。一方、各単色発光ダイオードの発光強度変化を駆動電力でフィードバック制御する方式では、温度により各単色発光ダイオードの発光波長帯域が変化してしまうため、駆動電力を用いてそれら単色発光ダイオードの光を混合した光の、色度を一定に保つことは難しいという問題がある。

本発明の目的は、発光ダイオードを光源として用いた場合の、光源の光量とスペクトルを安定化するための手法を提供することにある。

本発明では、設定温度における発光ダイオードの発光スペクトルの中で、ピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットし、残りの出射光を光源光として用いる。または、部材として例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように、光学フィルタの設定波長を選択する。これにより、温度変動による光量変化を小さく抑えられる。温度制御幅ΔTには、発光ダイオードの電極部温度の標準偏差を用いることができる。光量安定度Ｓには、光量変動の標準偏差（%）を用いることができる。

本発明による分析装置は、試料を入れる試料容器と、試薬を入れる試薬容器と、試料容器内の試料と試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、反応容器に測定光を照射する光源装置と、反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、光源装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードを駆動する電源と、発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、温度制御部の設定温度下における発光ダイオードの発光スペクトルにおいてピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有する。または、部材として、例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように光学フィルタの設定波長を選択する。

ここで、反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光とは、溶液を透過した光、溶液によって散乱された光、溶液から発生された蛍光などを指す。設定温度における発光スペクトルのピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットする部材は、測定に必要なスペクトルを含む波長幅を選択するロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタであり、典型的には色フィルタを用いることができる。上記したフィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるようにフィルタの設定波長を選択する場合も同様に、ロングパスフィルタやバンドパスフィルタ等を用いることができる。

液晶表示装置のバックライト光源として発光ダイオードを使用する際には、使用温度域の最高温度である５５℃における発光スペクトルの中で、出射光スペクトルのピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットし、残りの出射光を光源光として使用する。または、部材として、例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように光学フィルタの設定波長を選択する。

本発明によると、発光ダイオードを光源として用いた場合の出射光スペクトルの強度変化を最小限に抑えることができる。また、光量安定化のために制御すべき発光ダイオードの温度幅を広げることが出来、同一安定性をもつ光源として使用可能な環境が広がる。

発光ダイオードの温度変化にともなうスペクトル変化を示す図。 発光ダイオードの出射光のうち、波長帯域ごとの温度安定性（丸ドット）と光量（四角ドット）を示す図。 光学フィルタの設定波長を示す図。 本発明による液体分析システムの構成例を示す概略図。 本発明の光源装置の構成例を示すブロック図。 本発明の光源装置の構成例を示すブロック図。 発光ダイオードの温度変化とそれぞれの設定波長、ならびにフィルタカット波長の関係を示す図。 発光ダイオードの温度制御ユニットの構成例を示す略図。 発光ダイオードの温度制御ユニットの構成例を示す略図。 発光ダイオードを用いた液体分析システムの計測部の略図。 光源装置の構成例を示すブロック図。 液晶表示装置の構成例を示す略図。 光源要素の構成例を示すブロック図。 液晶表示装置の構成例を示す略図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

発光ダイオードの設定温度を変化させた場合、図１のように、発光ダイオードの出射光スペクトルの全体光量とスペクトル形状が変化する。すなわち、発光ダイオードの温度が高くなるに従い、全体光量は減少し、スペクトルのピークは長波長側に移動する。図１から明らかなように、温度による変化の程度は長波長側より短波長側の方が大きい。４０．１℃のスペクトルを基準に比較すると、４０．１℃のスペクトルピーク波長約５７４ｎｍに対して、２０．０℃のスペクトルでは約５７５ｎｍより短波長側、５９．５℃のスペクトルでは約５７８ｎｍより短波長側で温度による光量変動が大きくなる。このように、ピーク波長よりも長波長側に、温度に対して安定しやすい波長があり、これより短波長側の光をカットすることで、光量安定度は増す。したがって、ピーク波長よりも長波長側であって温度に対して安定しやすい波長、つまり温度による光量変化率が小さい波長を基準に、それより短波長側の光をカットするようにすればよい。図１のスペクトルの場合、設定温度が４０．１℃であるとしたとき、５７５nmから５７８nmの間に定めた波長よりも短波長側の光をカットする。使用する部材の性質によっては、カットできる量は異なる場合もあるが、この基準となる波長よりも短波長側における光をできるだけ除くようにすれば、光量安定度を向上することができる。尚、この発光ダイオードは一例であるが、他の発光ダイオードでも同様の傾向を示す。図１のデータの温度は、発光ダイオードの電極部を測定した値である。

生化学分析装置には、吸光度測定の光路長が１０ｍｍの場合、生化学分析項目の試料の吸光度を１００００分の１程度の精度で測定することが求められるため、光源ユニットも光量変動が対数比で１００００分の１（線形比で０．０２３％）以内であることが求められる。図１に示した温度特性を有する発光ダイオードの出射光のうち、設定した波長（以下、設定波長）よりも短波長側を光学フィルタによりカットした場合の、発光ダイオード光量の温度変動率と、カット前の光量に対するカット後の光量割合を示したのが図２である。発光ダイオードの設定温度（使用温度）は、４０．１℃とした。

図２の横軸は設定波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長（図３）とする、左の縦軸は光学フィルタでカットされた発光ダイオードの出射光の、温度に対する光量変動率Ｒ（丸ドット）であり、設定波長を５６６ｎｍから５８４ｎｍに変化させた場合、光量安定度が約０．１５％／℃から０．９％／℃まで変化する。右の縦軸は、発光ダイオードの出射光の光学フィルタでカットする前の光量に対する、カットした後の光量の割合Ｉ（四角ドット）である。光学フィルタがないときの光量を１００％とした。

発光ダイオードの温度制御幅ΔＴと要求される光量安定度Ｓに対して、光学フィルタでカットされた発光ダイオードの出射光の温度に対する光量変動率Ｒが、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように設定波長を選択する。

図２より、使用するスペクトル領域が広すぎる（例えば、設定波長が５６６ｎｍ）、もしくは狭すぎる（設定波長が５７９ｎｍより長波長）場合に、温度により０．９％／℃程度の光量変動が生じるため、必要なスペックである線形比でＳ＝０．０２３％の安定性を得るためには、単純に０．０２６℃以内の精度で温度制御をする必要があるが、例えば高精度チラーの温度精度は一般的に０．０５℃であるため技術的に達成困難である。一方、図１のように、温度の上昇に伴って短波長側では光量が減少し、長波長側では逆に光量が増加する。温度の上昇に伴って光量が減少から増加に転じる波長は、スペクトルのピーク波長よりも長波長側にある。それにより、光量変動率を最も抑えられる設定波長は、発光ダイオードそのもののピーク波長（５７４．３ｎｍ）よりも短波長側（５７２．９ｎｍ）にあり、その場合、約０．１５％／℃の光量変動率に抑えられることが分かる。この場合、約０．１５℃程度の温度制御をすれば線形比で０．０２３％の安定性を得ることができる。

ここで、高精度チラーの温度精度であるΔＴ＝０．０５℃以内で光量安定度Ｓ＝０．０２３％を得るためには、光量変動率Ｒ＜Ｓ／ΔＴ（＝０．０２３％／０．０５℃）＝０．４６％／℃でなくてはならない。図２より、設定波長が５７１ｎｍから５７６ｎｍの間で光量変動率が約０．４６％／℃以下となる。さらに、光量Ｉを大きくとるために、設定波長を短波長側の５７１ｎｍに設定した。また、波長５７１ｎｍの光強度は、発光スペクトルのピーク強度の約９０％の強度である。そこで、光量安定度に裕度をもたせるために、設定波長を発光スペクトルのピーク強度に対して９０％の強度となる短波長側の波長に設定してもよい。あるいは、設定波長をピーク波長より短波長側で、ピーク波長とピーク波長の強度の９０％の強度となる波長の間に設定してもよい。

図２は一例であるが、他の発光ダイオードも同様の特性を持つ。

次に、実施例によって本発明をより詳細に説明する。

図４は、本発明による液体分析システムの全体構成を表す簡略図である。図５は、その液体分析システムに搭載された光源装置を示す略図である。サンプルディスク３には、サンプル１を収めたサンプルカップ２が複数配置されている。試薬ディスク６には、試薬４を収めた試薬ボトル５が複数配置されている。セルディスク９には、内部でサンプル１と試薬４とを混合させ反応液７とするセル８が複数配置されている。サンプル分注機構１０は、サンプルカップ２からセル８にサンプル１を一定量移動させる。試薬分注機構１１は、試薬ボトル５からセル８に試薬４を一定量移動させる。攪拌部１２は、セル８内でサンプル１と試薬４を攪拌し混合させる。計測部１３は、反応液７に光を照射する光源である発光部１５、及び反応液７を透過した光を受光する受光素子２１を備える。分析の終了したセル８は洗浄部１４で洗浄され、サンプル分注機構１０から次のサンプルが分注され、試薬分注機構１１から新しい試薬が分注される。セル８は恒温槽１７に保持されて、制御部により温度・流量を制御された恒温流体に浸漬され、セル８及びその中の反応液７が一定温度に保たれた状態で移動される。恒温流体には水を用い、温度は反応温度である３７±０．１℃に温調した。

分析装置はさらに、発光部に一定の電流を供給する電流制御回路、装置各部を制御する制御部、制御部からの命令に従い、サンプルディスク、試薬ディスク、セルディスクをそれぞれ独立に回転駆動する駆動部、恒温流体の温度と流量を制御する恒温流体制御部、受光素子２１の受ける光量から吸光度を算出する測定部、測定部で測定した反応液の吸光度の経時変化である反応過程データや測定項目ごとに検量線データを蓄えたデータ格納部、外部より必要なデータをデータ格納部に入力する入力部、吸光度データから成分量を割り出す解析部、データを表示し外部に出力する出力部を有する。

サンプル１中のある成分量の分析は、次の様な手順で行われる。まず、サンプル分注機構１０によりサンプルカップ２内のサンプル１をセル８内に一定量分注する。次に、試薬分注機構１１により試薬ボトル５内の試薬４をセル８内に一定量分注する。これら分注の際は、サンプルディスク３、試薬ディスク６、セルディスク９は制御部の制御下にそれぞれの駆動部によって回転駆動され、サンプルカップ２、試薬ボトル５、セル８を分注機構が届く所定の位置に移動する。続いて、セル８内のサンプル１と試薬４とを攪拌部１２により攪拌し、反応液７とする。図は簡略図であり、試薬ディスクや試薬分注機構を一つのみ図示しているが、典型的には２つの試薬ディスクと試薬分注機構、攪拌部が存在する。時間的に早くサンプルと反応させる試薬を第１試薬、次に反応させる試薬を第２試薬と呼ぶ。

通常、反応液７の吸光度はセルディスク９を回転中に、セル８が計測部１３の測定位置を通過するたびに測定され、順次、データ格納部に反応過程データとして蓄積される。約１０分間測光後、洗浄機構１４によりセル８内を洗浄し、次の分析を行う。その間、必要であれば一定時間後、別の試薬４を試薬分注機構１１によりセル８内に追加して分注し、攪拌部１２により攪拌し、さらに一定時間測定する。これにより、一定の時間間隔を持った反応液７の吸光度からなる反応過程データが、データ格納部に格納される。蓄積された反応過程データから、解析部においてそれぞれの検査項目ごとの検量線データに基づき成分量を分析する。各部の制御・分析に必要なデータは、入力部からデータ格納部に入力される。検量線データはデータ格納部に保持される。各種データや結果、及びアラームは出力部により表示・出力される。

液体分析システムでは、吸光度計測を行う場合と、吸光度計測でも散乱特性を重視する計測を行う場合、さらに蛍光測定を行う場合が混在するため、計測部１３には、以下に説明する光源装置を目的に応じて複数混在させ、配置してもよい。また、複数配置した光源装置それぞれの波長を異ならせることにより、複数項目の分析を同時に行ってもよい。

図５は、光源装置の一例を示す概略図である。本実施例の発光ダイオード光源装置２１は、発光ダイオード２２を駆動する光源電源２５、発光ダイオード２２の温度を制御する温度制御ユニット２４、発光ダイオード２２の出射光のうち発光スペクトルにおいて短波長側の光をカットするフィルタ２３を備える。

フィルタ透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、発光ダイオードの温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対してＲ＜Ｓ／ΔＴとなるようにフィルタの設定波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長とする）を選択する。

フィルタ２３は、例えば色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタとすることができる。フィルタ２３は、反応容器と受光部の間にあっても同様の効果を得ることができる。発光ダイオード２２又はフィルタ２３の特性が経年劣化などにより変化した場合、発光ダイオード２２又はフィルタ２３を交換することが可能な構造としても問題ない。液体分析システムの計測条件に合わせて、例えば、電極部の温度が１０℃から５０℃となるように制御する。

発光ダイオードのスペクトルは電極部の温度により変化するため、フィルタ２３透過後の光の温度に対する変動率ＲがＲ＜Ｓ／ΔＴをみたすように温度制御ユニット２４の温度設定値をチューニングする、又は発光ダイオードそのものを選択しても問題ない。発光ダイオード２２又はフィルタ２３の特性が経年劣化などにより変化した場合、発光ダイオード２２又はフィルタ２３を交換する、又はチューニングしても問題ない。

図６は、温度による設定波長のチューニングを実現する手段を備えた光源装置の例を示す模式図である。設定波長メモリ２６には、各温度下のスペクトルで設定された設定波長の情報が記録されており、フィルタ２３でカットする波長と上記設定温度が一致する温度を温度制御ユニット２４に出力する。例えば、温度がＴ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，‥‥のとき、発光ダイオードの発光スペクトルのピーク波長より短波長側でピーク強度の９０％の強度となる波長をλ₁，λ₂，λ₃，‥‥とすると、波長設定メモリ２６には、（Ｔ₁，λ₁）、（Ｔ₂，λ₂）、（Ｔ₃，λ₃）‥‥という情報が記録されている。そして、フィルタ２３がλ₂より短波長の光をカットするものであるとき、温度制御ユニット２４に温度Ｔ₂を出力する。設定波長メモリには制御による温度や総使用時間の結果も保存する。液体分析システムの計測条件に合わせて、例えば、電極部の温度が１０℃から５０℃となるように制御する。

図７に、それにより得られる結果のイメージを示す。フィルタ２３のフィルタカット波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長）と設定波長が一致する温度をＴ₀とすると、Ｔ₀よりも高温Ｔ_H（＞Ｔ₀）の場合、設定波長はフィルタ２３のフィルタカット波長よりも長波長になり、逆にＴ₀よりも低温Ｔ_L（＜Ｔ₀）の場合、設定波長はフィルタカット波長よりも短波長になる。設定波長メモリ２６には各温度における設定波長が記録されており、適切な温度であるＴ₀を選択することができる。その際、使用温度環境が発光ダイオードの光量安定化のために必要な温度と温度変動幅にある場合には、温度制御ユニット２４を用いなくともよい。

図８は、ペルチェ素子を用いた発光ダイオードの温度調節装置の一例を示す図であり、図８（ｂ）は平面図、図８（ａ）はその左側面図、図８（ｃ）は右側面図である。ペルチェ素子使用型温度調節モジュールでは、発光ダイオード２２の電極を、熱伝導性が高く電気伝導性のあるブロック９５とペルチェ素子９４で挟み込むことで、発光ダイオード２２の温度を調節している。ペルチェ素子９４の発光ダイオード２２側と反対の面は放熱板９３に接している。

図９は、恒温水を用いる発光ダイオードの温度調節装置の例を示す図であり、図９（ｂ）は平面図、図９（ａ）はその左側面図、図９（ｃ）は右側面図である。恒温水使用型温度調節モジュールでは、ペルチェ素子使用型温度調節モジュールにおけるペルチェ素子９４と放熱板９３の代わりに、熱伝導性の高い絶縁体９６と恒温水循環ベース９７を用いる。恒温水は恒温水循環ベース９７内の水路９８，９９を流れ、恒温水循環ベース９７の温度を一定に保つ。この場合、恒温水の代わりに恒温オイルや恒温ガスを用いても問題ない。その場合、例えば発光ダイオードの電極部の温度が１０℃から５０℃となるように、恒温水の温度幅は５℃から５５℃としてもよい。

図１０は、恒温水使用型温度調節モジュール９２（以下、モジュール９２という）を含む光源装置を液体分析システムに組み込んだときの構成例を示す図である。セル８と恒温槽４２の間を流れる恒温水１０７を、破線で示した矢印のようにモジュール９２へ流すことで、モジュール９２の温度調節を行う。この場合、恒温水１０７はモジュール９２から恒温槽４２側へ流しても構わない。発光ダイオード２２からの光はフィルタ１０３で波長選択された後に、スリット１０４で一部カットされ、セル８、反応液７を透過する。さらにスリット１０６で迷光が取り除かれた後に、フォトダイオード１０８へと入射する。フォトダイオード１０８の出力信号は、図４に示した測定部へと繋がっている。光検出器として、フォトダイオード１０８の代わりに光電子増倍管を用いても構わない。

図５あるいは図６に示した光源装置の光源電源２５は、定電流電源、もしくは出力ピーク電流値の変動係数が線形比で０．０２３％以内である波形発生電源を用いることができる。波形発生電源から出力される駆動電流波形は、矩形波、正弦波、又は符号信号波が用いられる。ピーク波長の異なる複数の発光ダイオードを上記波形発生電源で変調し、それらの発光を複数組み合わせ、受光後に復調することで、波長ごとの強度を求める方式を採用してもよい。

フィルタ２３は短波長カットフィルターを用いる。本発明では発光ダイオード２２のスペクトルの中で温度による強度変動が激しい短波長光をカットする。そのため、フィルタ２３は、回折格子やプリズムを用いた分光器で分光した後に所望の長波長成分を選択する手段や、透過又は反射により狭帯域の波長のみを得るダイクロイックミラー、又は金属薄膜ミラーを用いても問題はない。

また、蛍光を生じさせる励起光のスペクトルは発光ダイオードのスペクトル幅と比べ狭帯域である。そこで、測定試料の蛍光を励起させるために光源２１からの出射光を用いる場合、フィルタ２３を除いても構わない。またフィルタ２３として、液体分析システムを用いる試薬の感度波長帯域を選択するバンドパスフィルタを用いても問題ない。その際、バンドパスフィルタの透過中心波長よりも短波長側で、透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長を設定波長とする。発光ダイオードの発光スペクトルをフィルタ２３でカットした光が反応液７の感度波長帯域を含むように、発光ダイオードを選択する、もしくはダイクロイックミラー、金属薄膜ミラーを選択する。蛍光励起光源として発光ダイオードを用いる場合には、発光ダイオードの発光スペクトルをフィルタ２３でカットした光が反応液７の蛍光励起波長帯域を含み、かつ蛍光そのものの波長帯域を含まないように、発光ダイオードを選択する、もしくはダイクロイックミラー、金属薄膜ミラーを選択する。

図１１は、本発明による光源装置の他の実施例を示す模式図である。実施例１では、光源電源を用いて、一定の駆動電力強度で発光ダイオードを駆動した。一方、本実施例の光源装置は、制御しきれない温度変動による発光ダイオードの光量変動を抑えるための光量フィードバック機能を有する。本実施例の光源装置は、実施例１に示した液体分析システムに搭載して使用される。

本実施例の発光ダイオード光源装置３１は、光学フィルタ２３の脇に取り付けられたフォトダイオード３２と、光量制御部２７を有する。発光ダイオード２２からの出射光は、光学フィルタ２３で実施例１と同様に特定の波長をカットされ、フォトダイオード３２により一部の光が受光される。フォトダイオード３２により受光された信号の強度変化を補償するように、光源電源２５から発光ダイオード２２へ出力する電流量を光量制御部２７が制御する。

このように、光源装置３１は、フィルタ２３で波長選択された光の強度をモニターし、その光量が一定になるように保持することができる。そのため、発光ダイオード２２の温度が目標温度領域内に収まらない場合に、変動してしまう出射光強度を一定にすることができる。フィルタ２３で波長選択された光の強度のモニターのために、フォトダイオード３２に代えて光電子増倍管を用いてもよい。

図１２は、本発明による光源装置を用いる液晶表示装置の概略図である。図１３は、図１２に搭載された光源装置を示す略図である。

液晶表示装置５８は、光源要素７７、バックライト５１、バックライトに電力を供給する光源電源５５、導光板５３、液晶パネル５４、映像制御回路５６、液晶駆動回路５７を有する。バックライト５１は、図１３に示す光源要素７７を単数、もしくは複数有する。バックライト５１からの出射光は導光板５３に入射し、光源要素７７の各単色光は導光板５３で混合されて白色光となり、液晶パネル５４を背面から照明する。

図１３に示した光源要素７７は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの波長で発光する単色発光ダイオード７１，７２，７３と、光学フィルタ７４，７５，７６から構成されている。図１３には、赤、緑、青に対して各々１個の発光ダイオードを図示したが、各波長ごとに発光ダイオードを複数使用してもよい。単色発光ダイオード７１，７２，７３からの出射光は、それぞれ、光学フィルタ７４，７５，７６で、使用温度域の最高温度、具体的には５５℃のときの出射光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長よりも短波長光がカットされる。光学フィルタ７４，７５，７６は、例えば色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタとすることができる。

上記で説明したように、出射光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長よりも短波長光をカットすることにより、温度変動による光量変動ならびにスペクトル変動が極めて小さくなる。そのため、光源要素７７を使用したバックライト５１は、温度変動によるスペクトル変動つまり色度の変動を小さく抑えることができる。それにより、温度変動による輝度と色度が安定するまでのタイムラグが極めて小さい液晶表示装置を実現することができる。

図１４に、光源要素７７の温度調節ユニット１２１を有する液晶表示装置１２０を示す。温度調節ユニット１２１はペルチェ素子からなり、温度制御用電源１２２で駆動され、光源要素７７を加熱冷却することで温度制御する。ペルチェ素子の背面には放熱板１２３を設置する。ペルチェ素子の代わりに、放熱ファンとヒーターの組み合わせ、もしくはチラーとチラーから出力される恒温水を用いてもよい。温度制御設定値は、光源要素７７の内の光学フィルタ７４〜７６でカットされる波長の長波長端が、ピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長となるように決定する。温度調節ユニット１２１のない図１２の液晶表示装置５８と比較し、液晶表示装置１２０では発光ダイオードの温度変動を抑えることができるため、色温度の変化が少なく、かつ光量の変化も小さいという利点を有する。

１ サンプル
２ サンプルカップ
３ サンプルディスク
４ 試薬
５ 試薬ボトル
６ 試薬ディスク
７ 反応液
８ セル
９ セルディスク
１０ サンプル分注機構
１１ 試薬分注機構
１２ 攪拌部
１３ 測定部
１４ 洗浄部
１５ 発光部
２１ 光源部
２２ 発光ダイオード
２３ フィルタ
２４ 温度制御ユニット
２５ 光源電源
２６ 設定波長メモリ
２７ 光量制御部
３１ 光源部
３２ フォトダイオード
４２ 恒温槽
５１ バックライト
５３ 導光板
５４ 液晶パネル
５５ 光源電源
５６ 映像制御回路
５７ 液晶駆動回路
５８ 液晶表示装置
７１〜７３ 発光ダイオード
７４〜７６ 光学フィルタ
７７ 光源要素
９２ 恒温水使用型温度調節モジュール
９３ 放熱板
９４ ペルチェ素子
９５ ブロック
９６ 絶縁体
９７ 恒温水循環ベース
９８，９９ 水路
１０３ フィルタ
１０４，１０６ スリット
１０７ 恒温水
１０８ フォトダイオード
１２１ 温度調節ユニット
１２２ 温度制御用電源
１２３ 放熱板

Claims (15)

1. 発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードを駆動する電源と、
   前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、
   前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、ピーク波長に対して長波長側に設定された、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい設定波長よりも短波長側の光をカットする部材と
   を有することを特徴とする光源装置。
2. 発光ダイオードと、
   前記発光ダイオードを駆動する電源と、
   前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、
   前記発光ダイオードからの光をフィルタリングして設定波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有し、
   前記部材は、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、前記部材透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、前記温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように前記設定波長を選択したことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１又は２に記載の光源装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲にあることを特徴とする光源装置。
4. 請求項１又は２に記載の光源装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲のなかで前記ピーク波長より短波長側の波長であることを特徴とする光源装置。
5. 請求項１又は２に記載の光源装置において、前記部材が色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタであることを特徴とする光源装置。
6. 試料を入れる試料容器と、
   試薬を入れる試薬容器と、
   前記試料容器内の試料と前記試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、
   前記反応容器に測定光を照射する光源装置と、
   前記反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、
   前記光源装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する電源と、前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいてピーク波長に対して長波長側に設定された、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい設定波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有することを特徴とする分析装置。
7. 試料を入れる試料容器と、
   試薬を入れる試薬容器と、
   前記試料容器内の試料と前記試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、
   前記反応容器に測定光を照射する光源装置と、
   前記反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、
   前記光源装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する電源と、前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、前記発光ダイオードからの光をフィルタリングして設定波長よりも短波長側の光をカットする部材を有し、
   前記部材は、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、前記部材透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、前記温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように前記設定波長を選択したことを特徴とする分析装置。
8. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク波長の９０％以上の強度となる波長範囲にあることを特徴とする分析装置。
9. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲のなかで前記ピーク波長より短波長側の波長であることを特徴とする分析装置。
10. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記部材が、測定に必要なスペクトルを含む波長幅を選択するロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタであることを特徴とする分析装置。
11. 請求項６又は７に記載の分析装置において、一定温度に保たれた流体を保持する恒温槽を有し、前記反応容器は前記恒温槽内の流体に浸漬され、前記温度制御部は前記恒温槽の流体を前記光源装置に循環させて前記発光ダイオードの温度を制御することを特徴とする分析装置。
12. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記発光ダイオードの、前記部材で前記設定波長よりも短波長側の光をカットされた後の光量を制御する光量制御手段を有することを特徴とする分析装置。
13. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記電源は定電流電源又は駆動電力を変調した電源であることを特徴とする分析装置。
14. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記温度制御部は、前記発光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長より短波長の光を前記部材によってカットできるように前記発光ダイオードの温度を制御することを特徴とする分析装置。
15. 請求項６又は７に記載の分析装置において、前記温度制御部は、前記部材の前記設定波長と制御温度情報を対にして記録する記録部と出力部を有する温度制御部であることを特徴とする分析装置。

Images