JP5497088B2 - 光学ユニット、蛍光検出装置、および、蛍光検出方法 - Google Patents

Description

この発明は、光学ユニット、この光学ユニットを備えた蛍光検出装置、および、上記光学ユニットを用いた蛍光検出方法に関する。

従来より、生化学分野や分子生物学分野において、蛍光色素を標識物質として利用した蛍光検出システムが広く用いられている。この蛍光検出システムを用いることによって、遺伝子配列,遺伝子の変異・多型解析,タンパク質の分離および同定等の評価を行うことができ、薬等の開発に利用されている。

上述のような蛍光標識を利用した評価方法としては、電気泳動によってタンパク質等の生物学的化合物をゲル内に分布させ、その生物学的化合物の分布を蛍光検出により取得するという方法がよく用いられている。上記電気泳動では、緩衝液等の溶液中に電極を設置しておき、直流電流を流すことによって上記溶液中に電場勾配を生じさせる。このとき、上記溶液中に電荷を有するタンパク質やＤＮＡ(Deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸)やＲＮＡ(ribo nucleic acid：リボ核酸)がある場合に、プラス電荷を有する分子は陰極に、マイナス電荷を有する分子は陽極に引き寄せられ、生体分子の分離を行うことができる。

上記電気泳動を用いた評価方法の一つである二次元電気泳動は、２種類の電気泳動法を組み合わせることによって、ゲル内に生体分子を２次元的に分布させる評価方法であり、プロテオーム解析を行う上で最も有効な方法であると考えられている。

上記電気泳動の組み合わせとしては、例えば、一次元目としての「個々のタンパク質の等電点の違いを利用する等電点電気泳動」と、二次元目としての「タンパク質の分子量で分離を行うＳＤＳ‐ＰＡＧＥ(ドデシル硫酸ナトリウム‐ポリアクリルアミドゲル電気泳動)」との２種類が主に用いられる。こうして分離された上記生体分子としてのタンパク質に対して、蛍光色素は電気泳動前あるいは電気泳動後に付与される。

さらに、上述のようにして作製された上記生体分子(タンパク質)が二次元的に分布されたゲル支持体に励起光を照射し、発生した蛍光強度を取得して、それに基づいて蛍光分布(タンパク質分布)画像を表示させる画像読取装置が、生化学や分子生物学の分野で広く普及している。

また、上記生体分子の二次元分布を保持する方法としては、上記ゲル内に保持するだけではなく、上記ゲル内にタンパク質を分離させた後に、電気泳動や毛細管現象を利用して上記ゲルからメンブレンに転写させる方法も行われる。その場合には、上記ゲル支持体を用いた画像読取の場合と同様に、上記メンブレンである転写支持体上の蛍光分布を画像読取装置によって画像化することができる。

上述したような生体分子が二次元的に分布されたゲル支持体や転写支持体から生体分子分布画像を読み取る画像読取装置として、特開平１０‐３１３４号公報(特許文献１)に開示された画像読み取り装置がある。

上記従来の画像読み取り装置では、中央部に孔が形成されたミラーを主走査方向に移動される光学ヘッドに搭載し、蛍光物質によって標識された変性ＤＮＡの電気泳動が記録された転写支持体に対して、光源からの上記蛍光物質の波長に応じた波長のレーザ光(励起光)を上記ミラーの孔を通過させて照射する。そして、上記転写支持体中の蛍光色素が励起されて発せられた蛍光が上記ミラーの上記孔の周囲で反射され、マルチプライヤによって光電変換されて検出される。こうして、ラインバッファに、１ライン分の画像データが記憶される。以下、上記主走査方向に直交する副走査方向に上記光学ヘッドを移動させながら上記動作を繰り返すことにより、画像処理装置によって二次元の可視画像(蛍光画像)を得るようにしている。

上述のように、上記従来の画像読み取り装置においては、ダイクロイックミラーを用いることなく励起光を転写支持体に照射するため、ダイクロイックミラーを通して励起光を照射する方式に比して、強い励起エネルギーを上記転写支持体に付与することができ、光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上できる。

しかしながら、微弱な蛍光を検出するに当たっては、さらなるＳ/Ｎの向上が求められる。そこで、上記従来の画像読み取り装置よりもさらに検出信号のＳ/Ｎを向上させた光学式ヘッド方式の画像読取装置として、特開２０００‐１６２１２６号公報(特許文献２)に開示された画像情報読取装置がある。

この画像情報読取装置においては、中央部に孔が形成されたミラーを主走査方向に移動される光学ヘッドに搭載し、蛍光色素で標識された生体由来物質が分布する転写支持体に対して、レーザ光源からの上記蛍光色素を励起する波長のレーザ光を、上記ミラーの孔を通過させて上方に照射する。そして、上記転写支持体中の蛍光色素が励起されて下方に発せられた蛍光が上記ミラーに至る。一方、上記転写支持体の上方に出射された蛍光は凹面鏡の内面で反射されて下方に向かい、上記転写支持体を透過して、上記光学ヘッドにおける上記ミラーに至る。こうして、上記ミラーに至った両蛍光は上記ミラーの上記孔の周囲で反射され、マルチプライヤによって光電変換されて検出される。こうして、ラインバッファに、１ライン分の画像データが記憶される。以下、上記主走査方向に直交する副走査方向に上記光学ヘッドを移動させながら上記動作を繰り返すことにより、画像処理装置によって二次元の可視画像(蛍光画像)を得るようにしている。

こうして、上記マルチプライヤによって検出される蛍光の光量を増大して、光電検出される信号(画像情報)のＳ/Ｎを向上することができる。

しかしながら、上記従来の画像情報読取装置には、以下のような問題がある。

すなわち、上記転写支持体の上方に配置された上記凹面鏡も、上記光学ヘッドの上記主捜査方向および上記副走査方向への移動と同期して同じ方向に移動させる必要があり、上記凹面鏡の移動機構が複雑になるという問題がある。

また、上記蛍光は上記転写支持体から広い角度で出射されるため、上記蛍光を効率よく検出するには広い角度で出射された蛍光を上記マルチプライヤに集光する必要がある。ここで、広角度で放出される蛍光をなるべく高効率に捕集する方法としては、高いＮＡ(開口数：numerical aperture)の対物レンズを使用する方法があるが、レンズ素子が大型化してしまう。

その場合には、蛍光を捕集する対物レンズの大型化に伴って、蛍光を上記マルチプライヤまで導く間に設置される反射ミラー,レーザ光カットフィルターおよび集光レンズ等の光学素子も大型化する。そのため、光学ヘッドを含む光学系を走査させる画像読取装置では、光学素子の大型化に伴って全体のサイズが大きくなるという問題がある。特に、上記マルチプライヤを含む検出系の全体を上記光学ヘッドに搭載して走査させる場合には、走査部の重量が重くなり、高速で走査することができなくなることが懸念される。

さらに、上記生体分子(タンパク質)が二次元的に分布されたゲル支持体や、上記ゲル支持体のパターンをメンブレンに転写させた転写支持体を、直接ガラス板上に載置して生体分子分布画像を読み取る第１の場合と、上記生体分子(タンパク質)が二次元的に分布されたゲル支持体を、二次元電気泳動用基板中に封入した状態でガラス板上に載置して生体分子分布画像を読み取る第２の場合とでは、対物レンズから二次元分布の支持体までの距離が、上記二次元電気泳動用基板における封入された上記支持体より下側の厚みの分だけ異なり、上記第２の場合の方が上記第１の場合に比して長くなる。

したがって、上記対物レンズを含む光学系の光軸方向の位置を上記第１の場合に最適なように設定した場合には、上記第２の場合には上記ゲル支持体からの蛍光が上記マルチプライヤに集光されなくなると言う問題がある。特に、高い開口数ＮＡの対物レンズを使用する場合には、上記対物レンズの外周部において上述の問題が顕著になる。

特開平１０‐３１３４号公報 特開２０００‐１６２１２６号公報

そこで、この発明の課題は、対物レンズから測定対象物までの距離が異なっても上記測定対象物からの光の分布を精度良く検出することが可能な光学ユニット、この光学ユニットを備えた蛍光検出装置、および、上記光学ユニットを用いた蛍光検出方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光学ユニットは、
測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子と、
上記対物レンズ素子によって集光された光を実質的に平行光に変換する変換レンズと
を備え、
上記対物レンズ素子は、周辺部分に位置すると共に、側面での全反射によって光を集光する全反射部を含んでおり、
上記変換レンズは、
上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光が入射される領域を、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて複数有しており、
上記複数の領域を含む総ての箇所に入射された上記対物レンズ素子からの光を、光軸に対して実質的に平行な上記平行光に変換するようになっている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子は、周辺部分に、側面での全反射によって光を集光する全反射部を有している。また、上記対物レンズ素子によって集光された光を実質的に平行光に変換する変換レンズは、上記全反射部からの反射光が入射される領域を、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて複数有している。したがって、例えば、上記測定対象物がサンプル台上に直接載置されている場合と、上記測定対象物が基板内に封入されて上記サンプル台上に載置されている場合とには、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化の影響を受けやすい上記対物レンズ素子の上記全反射部からの全反射光は、上記変換レンズにおける異なる領域に入射される。

その場合でも、上記変換レンズは、上記異なる領域に入射された何れの光をも光軸に対して実質的に平行な上記平行光に変換するようになっている。

すなわち、上記対物レンズ素子の全反射部によって通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集光する場合であって、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離が例えば上記基板の厚みに応じた分だけ異なる場合であっても、上記変換レンズからは、同じように光軸に対して実質的に平行な平行光が出射される。そのため、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず、上記変換レンズよりも後段の検出光学系での動作を精度良く行うことが可能になる。

また、１実施の形態の光学ユニットでは、
上記変換レンズにおける上記複数の領域に入力される上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光は、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて異なる広がり角度を有しており、
上記変換レンズにおける上記複数の領域の夫々は、入射された上記異なる広がり角度を有する光を、上記広がり角度が実質的に０度の光に変換するようになっている。

この実施の形態によれば、上記変換レンズは、上記異なる領域に入射された何れの光をも広がり角度が実質的に０度の光に変換するようになっている。したがって、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離が異なる場合であっても、上記変換レンズの上記各領域からは、夫々の領域における中心光線のみならず全体の光線が光軸に対して略平行な光が出射される。そのため、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず、上記変換レンズよりも後段の検出光学系での動作をさらに精度良く行うことが可能になる。

また、１実施の形態の光学ユニットでは、
上記変換レンズにおける上記複数の領域の夫々は、
入射される光の上記広がり角度が集束を表す角度である場合には、入射面の曲率と出射面の曲率との合計が入射光を発散させる曲率である一方、入射される光の上記広がり角度が発散を表す角度である場合には、入射面の曲率と出射面の曲率との合計が入射光を集束させる曲率である。

この実施の形態によれば、上記変換レンズにおける上記複数の領域の夫々は、入力される光が集束光である場合には入射光を発散させる一方、入力される光が発散光である場合には入射光を集束させるようにしている。したがって、入射される光の上記広がり角度が集束を表す角度の場合であっても、発散を表す角度の場合であっても、上記広がり角度が実質的に０度の光に変換することが可能になる。

また、１実施の形態の光学ユニットでは、
上記対物レンズ素子は、中央部分に位置すると共に、屈折によって光を集光する屈折部を有しており、
上記変換レンズは、上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光が入射される上記領域を周辺部分に有している。

上記変換レンズへの入射光の入射位置に対する上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化の影響は、上記対物レンズ素子における中央部の屈折部からの出射光よりも周辺部分の上記全反射部からの出射光の方が大きい。

この実施の形態によれば、上記変換レンズにおいて、上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光が入射される上記領域は、周辺部分に設けられている。したがって、上記変換レンズの中央部分に入射される上記対物レンズ素子の上記屈折部からの出射光は、上記領域を介さずに実質的に平行な平行光に変換される。これに対して、上記変換レンズの周辺部分に入射される上記対物レンズ素子の上記全反射部からの出射光は、上記領域によって実質的に平行な平行光に変換される。こうして、上記対物レンズ素子からの総ての出射光を、実質的に平行な平行光に変換することができる。

また、１実施の形態の光学ユニットでは、
上記対物レンズ素子における上記全反射部は、光軸に対して同心円状の形状を有しており、
上記変換レンズにおける上記複数の領域は光軸に対して同心円状の形状を有している。

この実施の形態によれば、上記測定対象物上の光源が点光源の場合に、上記対物レンズ素子の上記全反射部からの出射光を、実質的に平行な平行光により正確に変換することが可能になる。

また、１実施の形態の光学ユニットでは、
上記測定対象物は、光透過性を有するサンプル台上に積載され、
上記対物レンズ素子および上記変換レンズは、上記サンプル台における上記測定対象物が積載される面とは反対側の面に対向して配置されており、
上記対物レンズ素子は、上記測定対象物から発せられた光を上記サンプル台を介して集光するようになっている。

この実施の形態によれば、上記測定対象物は光透過性のサンプル台上に積載され、上記対物レンズ素子は上記測定対象物からの光を上記サンプル台を介して集光するので、例えば、上記測定対象物を上記サンプル台上に直接載置する場合と、上記測定対象物を基板内に封入して上記サンプル台上に載置する場合とでは、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離が異なることになる。その場合であっても、同じように、上記変換レンズからは光軸に対して実質的に平行な平行光が出射される。そのため、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず、上記変換レンズよりも後段の検出光学系での動作を精度良く行うことが可能になる。

また、この発明の蛍光検出装置は、
蛍光を励起する励起光を測定対象物に照射する光源部と、
上記励起光の照射に基づいて上記測定対象物から発せられた蛍光が入射されると共に、この入射された蛍光を実質的に平行な蛍光に変換する上記この発明の光学ユニットと、
上記光学ユニットからの実質的に平行な蛍光が入射されると共に、上記励起光の波長と同等の波長成分の光を減光する波長フィルタと、
上記波長フィルタからの蛍光を検出する光検出素子と
を備え、
上記光学ユニットの上記対物レンズ素子は、上記光源部からの上記励起光を透過させる励起光透過部を中央部分に有しており、上記光源部からの上記励起光を上記励起光透過部を介して上記測定対象物に照射させると共に、上記測定対象物からの蛍光を集光するようになっている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に対して実質的に平行な平行光を出射できる上記この発明の光学ユニットを備え、この光学ユニットの上記対物レンズ素子は、光源部からの励起光を中央部の励起光透過部を介して上記測定対象物に照射させると共に、上記測定対象物から発せられた蛍光を集光するようにしている。したがって、上記光学ユニットの上記変換レンズからは、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に略平行な蛍光が出射されて、後段の波長フィルタに入射される。

その結果、上記波長フィルタによる上記励起光の波長と同等の波長成分を有する迷光のカットを、精度良く行うこと可能になる。

また、この発明の蛍光検出方法は、
光源部から、蛍光を励起する励起光を出射し、
上記光源部からの励起光を、上記この発明の光学ユニットにおける上記対物レンズ素子の中央部分を透過させて、測定対象物に照射し、
上記励起光の照射に基づいて上記測定対象物から発せられた蛍光を、上記対物レンズ素子で集光し、
上記光学ユニットにおける上記変換レンズによって、上記対物レンズ素子で集光された蛍光を実質的に平行光に変換し、
波長フィルタによって、上記変換レンズで変換された実質的に平行な蛍光から上記励起光の波長と同等の波長成分の光を減光し、
光検出素子によって、上記波長フィルタからの蛍光を検出する
ことを特徴としている。

上記構成によれば、対物レンズ素子と測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に対して実質的に平行な平行光を出射できる上記この発明の光学ユニットを備え、この光学ユニットの上記対物レンズ素子の中央部を光源部からの励起光を透過させて上記測定対象物に照射させると共に、上記測定対象物から発せられた蛍光を上記対物レンズ素子で集光するようにしている。したがって、上記光学ユニットの上記変換レンズからは、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に略平行な蛍光が出射されて、後段の波長フィルタに入射される。

その結果、上記波長フィルタによる上記励起光の波長と同等の波長成分を有する迷光のカットを、精度良く行うこと可能になる。

以上より明らかなように、この発明の光学ユニットは、対物レンズ素子の周辺部分には全反射によって光を集光する全反射部を設け、変換レンズには、上記全反射部からの光が入射される領域を、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて複数設けて、上記変換レンズは、上記異なる領域に入射された何れの光をも光軸に対して実質的に平行な上記平行光に変換するようになっている。したがって、上記対物レンズ素子の全反射部によって通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集光する場合であって、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離が例えば上記測定対象物が封入された基板の厚みに応じた分だけ異なる場合であっても、上記変換レンズから、光軸に対して実質的に平行な平行光を出射させることができる。その結果、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず、上記変換レンズよりも後段の検出光学系での動作を精度良く行うことが可能になる。

また、この発明の蛍光検出装置および蛍光検出方法は、対物レンズ素子と測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に対して実質的に平行な平行光を出射できる上記この発明の光学ユニットを備え、この光学ユニットにおける上記対物レンズ素子の中央部分を光源部からの励起光を透過させて上記測定対象物に照射させると共に、上記測定対象物から発せられた蛍光を上記対物レンズ素子で集光するようにしている。したがって、上記光学ユニットの上記変換レンズからは、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離の変化に拘わらず光軸に略平行な蛍光が出射されて、後段の波長フィルタに入射される。

その結果、上記波長フィルタによる上記励起光の波長と同等の波長成分を有する迷光のカットを、精度良く行うことできる。

この発明の光学ユニットを備えた蛍光検出装置における外観図である。 図１におけるサンプル台の下部に設置された走査ステージの外観図である。 図２における第２ステージ上に載置される走査モジュールの断面図である。 図３における対物レンズの斜視図である。 上記対物レンズの断面図である。 図３において第１レンズを通常の凹レンズに置き換えた場合の対物レンズから第２レンズまでの光線図である。 図６においてサンプルを二次元電気泳動用基板中に封入した場合の光線図である。 図３における第１レンズの斜視図である。 上記第１レンズの断面図である。 点光源と見かけ上の光源とのずれの距離Δの説明図である。 上記対物レンズの筒状体の上端面の点から入射される光の光路を示す図である。 図３においてサンプルを二次元電気泳動用基板中に封入した場合の対物レンズからピンホールまでの光線図である。 図１２においてサンプルを直接載置した場合の光線図である。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

図１は、本実施の形態の光学ユニットを備えた蛍光検出装置における外観図である。本蛍光検出装置１は、筺体を成す本体２と、本体２の上面を覆う蓋体３とで、大まかに構成されている。本体２の上面には、ガラスでなるサンプル台４が設けられており、サンプル台４上には例えば蛍光物質によって標識された生体由来物質が分布するゲル支持体やメンブレン等の転写支持体(共に図示せず)がサンプル(測定対象物)としてセットされる。

そして、上記サンプル台４の下側には光学系が配置されており、サンプル台４上にセットされたサンプルに対して、光照射光学系によってサンプル台４を通して下方から励起光を照射し、サンプル台４を透過してくるサンプルからの蛍光を検出光学系によって検出する。上記検出光学系はＰＣ(Personal computer：パーソナルコンピュータ)５等の外部端末と接続されており、ＰＣ５から測定条件の制御等を行う。さらに、ＰＣ５によって、検出データに基づいてサンプルの蛍光画像を作成し、内蔵する表示画面に上記作成した蛍光画像等を表示する。

図２は、上記サンプル台４の下部に設置された走査ステージ６の外観図を示す。この走査ステージ６は、基準となる第１ステージ７と第１ステージ７の上に載置された第２ステージ８とで構成されている。そして、第２ステージ８の上に走査モジュール９が載置されている。上記蛍光を検出する上記検出光学系は走査モジュール９の中に格納されている。

上記走査ステージ６を構成する第１ステージ７には、第１走査方向に延在すると共に、一定の間隔で互いに対向する２本のガイドレール１０a,１０bが配設されている。また、第２ステージ８は、第１ステージ７のガイドレール１０aによって案内されて上記第１走査方向に往復動する第１ガイド部材１１と、ガイドレール１０bによって案内されて上記第１走査方向に往復動する第２ガイド部材１２とを有している。

上記第２ステージ８を構成する第１ガイド部材１１と第２ガイド部材１２との間には、上記第１走査方向に直交する第２走査方向に延在すると共に、一定の間隔で互いに対向する２本のガイドレール１３a,１３bが配設されている。また、上記走査モジュール９は、ガイドレール１３aによって案内されて上記第２走査方向に往復動する第１ガイド部材１４と、ガイドレール１３bによって案内されて上記第２走査方向に往復動する第２ガイド部材１５とを有している。

上記構成を有する走査ステージ６による走査方法は、先ず、上記第２ステージ８の第１ガイド部材１１と第２ガイド部材１２とがガイドレール１０a,１０bによって案内されて上記第１走査方向に移動して、第２ステージ８の第１ステージ７に対する位置決めが行われる。そうした後に、走査モジュール９の第１ガイド部材１４と第２ガイド部材１５とがガイドレール１３a,１３bによって案内されて上記第２走査方向に移動して、走査モジュール９の第２ステージ８に対する位置決めが行われる。以後、上記動作を繰り返すことによって、サンプル１６上を二次元に走査するのである。

すなわち、本実施の形態においては、上記第１走査方向への移動手段を、ガイドレール１０a,１０bと第１,第２ガイド部材１１,１２とで構成し、上記第２走査方向への移動手段を、ガイドレール１３a,１３bと第１,第２ガイド部材１４,１５とで構成しているのである。

また、具体的な説明は省略するが、上記筺体を成す本体２のサンプル台４下部における走査ステージ６よりも更に下側には、第２ステージ８の第１,第２ガイド部材１１,１２を上記第１走査方向に、走査モジュール９の第１,第２ガイド部材１４,１５を上記第２走査方向に移動させるためのモータ,駆動ベルト,ボールねじ,歯車,制御基板,電源および配線等の駆動部が設置されている。

図３は、上記第２ステージ８の上に載置される走査モジュール９の概略構成を示す縦断面図である。図３において、走査モジュール９内の上部には、サンプル台(ガラス)４の近傍に位置して、サンプル台４上にセットされたサンプル１６からの蛍光を集光する対物レンズ１７を配置している。さらに、対物レンズ１７の光軸と励起光の光源１８の光軸とが直交する位置には、光源１８から出射されて複数のレンズでなるレンズ群１９で集光されたレーザ光等の励起光を対物レンズ１７に入射するように反射させる反射ミラー２０を配置している。

上記対物レンズ１７はレンズホルダ２１内に収納されており、レンズホルダ２１はステッピングモータ等の駆動部２２によって、対物レンズ１７の光軸方向に移動可能になっている。こうして、対物レンズ１７は、レンズホルダ２１と共に上記光軸方向に移動可能になっている。

また、上記対物レンズ１７の光軸上における反射ミラー２０の下方には、反射ミラー２０側から順に、対物レンズ１７によって集光されたサンプル１６からの蛍光を平行光に変換する第１レンズ２３、励起光カット用の波長フィルタ２４、波長フィルタ２４を通過した蛍光を集光する第２レンズ２５、および、第２レンズ２５を通過した蛍光の迷光をカットするピンホール２６が配置されている。さらに、対物レンズ１７の光軸上におけるピンホール２６の下方には、ピンホール２６を通過した蛍光を検出する検出器２７が配置されている。

すなわち、本実施の形態においては、上記第１レンズ２３によって、特許請求の範囲における上記変換レンズを構成しているのである。

上記構成を有する走査モジュール９において、光源１８から出射された励起光は、レンズ群１９で集束され、次いで反射ミラー２０によって反射されて、対物レンズ１７およびサンプル台４を通過し、サンプル１６における下面上の一点に集光される。その場合、反射ミラー２０の長手方向(レンズ群１９の光軸に直交する方向)の長さは短く、上記長手方向に直交する方向の幅は狭くなっており、光源１８からの励起光は対物レンズ１７の光軸付近(励起光透過部)のみを通過するようになっている。

すなわち、本実施の形態においては、上記光源１８,レンズ群１９および反射ミラー２０によって、特許請求の範囲における上記光源部を構成しているのである。

上記蛍光は、サンプル１６における上記励起光が照射された部分から周囲に等方的に出射される。そして、出射された蛍光のうちのガラスで成るサンプル台４を透過して対物レンズ１７に入射した成分が、対物レンズ１７,第１レンズ２３,波長フィルタ２４,第２レンズ２５およびピンホール２６を通過して、検出器２７によって検出される。そして、検出器２７からの検出信号は、内蔵されるＡＤ変換器(図示せず)等によってＡＤ変換等の処理が施された後に、ＰＣ５へ送出される。こうして、サンプル１６上の各測定点での蛍光強度の分布が内部メモリ等に記録される。

ここで、上述したように、上記対物レンズ１７を通過した蛍光は、集束光となって第１レンズ２３の方向に導かれる。そして、第１レンズ２３によって実質的に光軸と平行な光になるように屈折される。また、第２レンズ２５は蛍光を集光する。また、ピンホール２６は空間的に迷光をカットするために配置される。尚、励起光カット用の波長フィルタ２４は、例えば回転フォルダ(図示せず)等に配置されて、励起光の波長に応じて他の波長のフィルタと交換可能になっている。

以下、上記対物レンズ１７に付いて、詳細に説明する。

図４は、上記対物レンズ１７の斜視図を示す。但し、図４(a)は、反射ミラー２０側から見た斜視図である。図４(b)は、サンプル台４側から見た斜視図である。さらに、図５は、対物レンズ１７の縦断面図である。

図４および図５から分かるように、上記対物レンズ１７は灰皿を伏せたような形状を有している。そして、光軸を含む中央部分は、上記光軸に沿って球面状に突出する上凸面２８aと下凸面２８bとを含んで、通常の凸レンズの機能(屈折のみで光を偏向)を有する凸レンズ部２８となっている。そして、図５に示すように、サンプル１６から出射された蛍光のうち、放射角度の小さい蛍光ａは、この凸レンズ部２８の部分を通過して検出器２７に向かって集光される。

上記対物レンズ１７における凸レンズ部２８の周囲は、下方に向かって開いた円錐台形状の筒状体２９となっている。そして、サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光ｂは、筒状体２９の上端面２９aから筒状体２９内に入射し、筒状体２９の側面２９bで全反射されて光軸側に偏向され、筒状体２９の下端面２９cから検出器２７に向かって出射される。

すなわち、本実施の形態においては、上記凸レンズ部２８で特許請求の範囲における上記屈折部を構成し、筒状体２９で上記全反射部を構成しているのである。

以上のごとく、上記サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光を、筒状体２９の側面２９bで全反射させることによって、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができる。そのため、検出器２７の感度アップを図ることができる。

また、本蛍光検出装置１の対物レンズを上記対物レンズ１７と同等のＮＡを通常の凸レンズで実現するよりも、レンズ素子自体をコンパクトに形成することができるのである。

ところで、上記波長フィルタ２４としてカットオフが急峻な干渉フィルタを用いるために、波長フィルタ２４への入射光を光軸に平行な平行光にする必要がある。そこで、対物レンズ１７を通過して集光された蛍光を、第１レンズ２３によって平行光に近い状態にして波長フィルタ２４へ入射するようにしている。ここで、対物レンズ１７によって平行光にすることも可能ではある。しかしながら、その場合には、蛍光のビーム径が大きくなってしまい、第１レンズ２３以下の光学素子の大型化を招くことになる。

したがって、上述したような、中央部分に凸レンズ部２８を有すると共に、凸レンズ部２８の周囲に円錐台形状の筒状体２９を有する対物レンズ１７を用いることによって、第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５の各光学素子の小型化を図ることができ、走査モジュール９の小型・軽量化を図ることができるのである。

ここで、上記対物レンズ１７を通過して集光された蛍光を、平行光に近い状態にして波長フィルタ２４へ入射するための第１レンズ２３を、唯一つの曲面を有する通常の凹レンズ３０によって構成した場合には、サンプル１６から発せられて対物レンズ１７から第２レンズ２５までを通過する蛍光の光線図は図６に示すようになる。この場合、駆動部２２によって、対物レンズ１７の位置を、サンプル台(ガラス)４上に直接載置されたサンプル１６(上記ゲル支持体や上記転写支持体)の位置に焦点を結ぶように設定した場合に、対物レンズ１７の凸レンズ部２８を通過した光と筒状体２９を通過した光とが略同じ位置(ピンホール２６の穴の位置)に集光されるように、対物レンズ１７の形状が最適化されているものとする。

ところが、図６に示すように形状が最適化された対物レンズ１７を用いて、図７に示すように、サンプル１６であるゲル支持体が二次元電気泳動用基板３１中に封入されてサンプル台(ガラス)４上に載置された状態で、サンプル１６からの蛍光を検出する場合には、対物レンズ１７からサンプル１６までの距離が、二次元電気泳動用基板３１における封入されたサンプル１６より下側部分３１aの厚みｔの分だけ、図６の場合よりも長くなる。したがって、対物レンズ１７の位置を二次元電気泳動用基板３１における封入されたサンプル１６の位置に焦点を結ぶように設定しても、対物レンズ１７の凸レンズ部２８を通過した光と筒状体２９を通過した光とが、ピンホール２６の穴の位置に集光されることがない。さらに、波長フィルタ２４への入射光の入射角度も光軸に対して平行ではなく、迷光カットの性能が悪くなる。

これは、上記二次元電気泳動用基板３１における封入されたサンプル１６より下側部分３１aの影響によって、対物レンズ１７の中央の凸レンズ部２８とその周囲の筒状体２９とで収差の発生量や光路長の変化量が異なるために生ずるものである。

そこで、本実施の形態においては、このような問題に対処するために、対物レンズ１７および第１レンズ２３の形状に、以下のような創意工夫を凝らしている。

図８は、上記第１レンズ２３の斜視図を示す。但し、図８(a)は、波長フィルタ２４側から見た斜視図である。さらに、図８(b)は、反射ミラー２０側から見た斜視図である。また、図９は、第１レンズ２３の縦断面図を示す。但し、図９(a)は、サンプル１６をサンプル台４上に直接載置した場合(以下、「第１の場合」という)の蛍光の光線図を含んでいる。さらに、図９(b)は、サンプル１６を二次元電気泳動用基板３１中に封入してサンプル台４上に載置した場合(以下、「第２の場合」という)の蛍光の光線図を含んでいる。

図８および図９から分かるように、上記第１レンズ２３は、互いに対向する二つの平面３２a,３２bのうちの平面３２aに凹曲面３２cが形成された凹レンズ部３２と、互いに対向する二つの平面３３a,３３bのうちの平面３３bの周囲のみに形成された傾斜部に凸曲面３３cが形成された凸レンズ部３３とを、凸レンズ部３３の平面３３aと凹レンズ部３２の平面３２bとを互いに対向させて積層した構成を有している。

そして、図９に示すように、上記サンプル１６から出射された蛍光のうち、対物レンズ１７の凸レンズ部２８を通過した蛍光ａは、上記第１の場合も上記第２の場合も、共に、凸レンズ部３３における平面３３bと、凹レンズ部３２における凹曲面３２cとを通過するようになっている。

これに対して、上記サンプル１６から出射された蛍光のうち、対物レンズ１７の筒状体２９で全反射された蛍光ｂは、上記第１の場合には、図９(a)に示すように、凸レンズ部３３における凸曲面３３cと、凹レンズ部３２における凹曲面３２cとを通過するようになっている。また、上記第２の場合には、図９(b)に示すように、凸レンズ部３３における平面３３bと、凹レンズ部３２における凹曲面３２cとを通過するようになっている。

尚、上記第１レンズ２３は、凹レンズ部３２と凸レンズ部３３とを互いに密着させて単に積層して形成しても良いし、凹レンズ部３２と凸レンズ部３３とを接着して形成しても良い。あるいは、凹レンズ部３２と凸レンズ部３３とを一体に構成しても良い。

本実施の形態における測定対象は、光源１８から出射され、レンズ群１９で集束され、反射ミラー２０で反射されて、サンプル１６における下面上の一点に集光された励起光のスポット内の蛍光部分である。したがって、点光源とみなすことができる。そして、点光源の場合、図１０に示すように、屈折率Ｎで厚さｄの光透過板３４の表面上の点光源Ｐから入射角θ'で光透過板３４内に入射された光は、光透過板３４の裏面で屈折されて出射角θで出射される。その場合に、光透過板３４の裏面から出射される光は、恰も光透過板３４内の点Ｐ'を光源として出射されたように見える。そして、点光源Ｐと見かけ上の光源Ｐ'との間には距離Δのずれが生ずる。この場合の上記ずれの距離Δは、
Δ＝ｄ{１−(cosθ/Ｎsinθ')}
と表される。したがって、上記ずれの距離Δは、光透過板３４の厚さｄが大きく、入射角θ'が小さい程、大きくなる。つまり、サンプル１６をサンプル台４上に直接載置する上記第１の場合よりも、サンプル１６を二次元電気泳動用基板３１中に封入してサンプル台４上に載置する上記第２の場合の方が上記ずれの距離Δは大きい。また、対物レンズ１７の凸レンズ部２８を通過した蛍光ａよりも、対物レンズ１７の筒状体２９で全反射された蛍光ｂの方が上記ずれの距離Δは小さい。逆に言えば(ｄ−Δ)の値が大きい。尚、(ｄ−Δ)は、光透過板３４がある場合とない場合との光源の移動距離(＝ｄ)と、光透過板３４がある場合とない場合との見かけ上の光源の移動距離(＝Δ)との差を意味している。

図１１は、上記対物レンズ１７の筒状体２９で全反射される上記(ｄ−Δ)の値が大きい蛍光ｂのうち、筒状体２９の上端面２９aの点Ｑから筒状体２９内に入射される光の光路を示す。ここで、光路Ｌ１は上記「第１の場合」の光路であり、光路Ｌ２は上記「第２の場合」の光路である。

上述したように、上記「第１の場合」よりも上記「第２の場合」の方が上記ずれの距離Δは大きい。そして、上記「第２の場合」には、駆動部２２によって対物レンズ１７を光軸方向に二次元電気泳動用基板３１の下側部分３１aの厚みｔだけサンプル１６側に移動させるため、対物レンズ１７の凸レンズ部２８を通過した蛍光ａに対する上記ずれの距離Δの影響はキャンセルされるが、筒状体２９で全反射された蛍光ｂに対する影響は残る。その場合、上記「第１の場合」に点Ｑに入射する光の見かけ上の光源Ｐ'１は、上記「第２の場合」に点Ｑに入射する光の見かけ上の光源Ｐ'２よりも、対物レンズ１７の上端から遠い位置にある。そのため、上記「第２の場合」の方が、上記「第１の場合」よりも、点Ｑでの入射角αおよび屈折角βは大きく(α２＞α１,β２＞β１)、筒状体２９の側面２９bでの反射角δは小さく(δ２＜δ１)なる。

その結果、上述したように、図６に示すように、上記「第１の場合」において、対物レンズ１７の筒状体２９を通過した光がピンホール２６の穴の位置に集光されるように形状が最適化された対物レンズ１７を上記「第２の場合」に用いると、図１１に示すように、側面２９bでの全反射光Ｌ２が上記「第１の場合」の全反射光Ｌ１よりも光軸側に寄ることになる。したがって、図７に示すように、波長フィルタ２４への入射光の入射角度が光軸に対して平行ではなく、ピンホール２６の穴の位置に集光されることもないのである。

そこで、本実施の形態においては、先ず、上記「第２の場合」の側面２９bでの全反射光Ｌ２が、凸レンズ部２８を通過した光と平行になって波長フィルタ２４に入射されるようにする。その上で、上記「第１の場合」の側面２９bでの反射光Ｌ１も、凸レンズ部２８を通過した光と平行になって波長フィルタ２４に入射されるようにするのである。

すなわち、先ず、図１２および図９(b)に示すように、上記「第２の場合」において、サンプル１６からの蛍光のうち、対物レンズ１７における凸レンズ部２８で屈折された蛍光ａが、第１レンズ２３における平面３３bの領域Ａ１および凹曲面３２cの領域Ｂ１を通る第１領域に入射され、且つ側面２９bで全反射された蛍光ｂが、第１レンズ２３における平面３３bの領域Ａ２および凹曲面３２cの領域Ｂ２を通る第２領域に入射される条件１を満たすように、対物レンズ１７における反射面(側面)２９bの角度や全反射光が通過する面の曲率等と、第１レンズ２３の形状とを設定する。

そうすることにより、上記第１レンズ２３の凸レンズ部３３は、単にガラス板と同等に機能することになる。したがって、集光されつつ凸レンズ部３３の平面３３bに入射された蛍光ａ,ｂの各光線は、屈折されて光軸により平行になると共に、発散されて互いにより平行に(広がり角度がより０度に近く)なる。そして、蛍光ａ,ｂの各光線は、さらに凹レンズ部３２の凹曲面３２cを通過することによって、光軸と実質的に平行(広がり角度が実質的に０度)となる。すなわち、第１レンズ２３に入射された蛍光ｂは、トータルとして発散の作用を受けるのである。

より具体的に説明すれば、上記対物レンズ１７の筒状体２９で全反射された集束光が第１レンズ２３の上記第２領域に入射される場合には、先ず、光軸により平行な光に屈折させるように上記第２領域における入射面(平面３３bのＡ２)の光軸に対する傾斜角と出射面(凹曲面３２cのＢ２)の光軸に対する傾斜角とを設定する。次に、広がり角度をより０度に近付けるために、上記第２領域における入射面(平面３３bのＡ２)の曲率と出射面(凹曲面３２cのＢ２)の曲率との合計が入射光を発散させる曲率になるように設定するのである。この場合、平面３３bのＡ２の曲率は「０」であるから、凹曲面３２cのＢ２の曲率を発散させる曲率にして、合計の曲率を入射光を発散させる曲率に設定するのである。

その結果、上記凹曲面３２cの領域Ｂ１の傾斜角および曲率と、領域Ｂ２の傾斜角および曲率とを、夫々最適に設定することによって、第１レンズ２３に入射された蛍光ａ,ｂは、光軸と略平行な光に変換されるのである。

次に、図１３および図９(a)に示すように、上記「第１の場合」において、サンプル１６からの蛍光のうちの、対物レンズ１７の側面２９bで全反射された蛍光ｂが、一旦集光された後に、第１レンズ２３における凸曲面３３cの領域Ａ３および凹曲面３２cの領域Ｂ３を通る第３領域に入射される条件２を満たすように、対物レンズ１７の反射面(側面)２９bの角度や全反射光が通過する面の曲率等と、第１レンズ２３の形状とを設定する。

この場合、上記対物レンズ１７における凸レンズ部２８で屈折された蛍光ａは、対物レンズ１７とサンプル１６との間の距離の変化の影響を受け難いため、上記「第２の場合」と同様に、第１レンズ２３における平面３３bの領域Ａ１および凹曲面３２cの領域Ｂ１を通る第１領域に入射されるのである。

そうすることによって、上記第１レンズ２３の凸レンズ部３３は、凸レンズと同等に機能することになる。したがって、発散しつつ凸レンズ部３３の凸曲面３３cに入射された蛍光ｂの光束は、屈折されて光軸により平行になると共に、集光されて互いにより平行に(広がり角度がより０度に近く)なる。そして、蛍光ｂの各光線は、さらに凹レンズ部３２の凹曲面３２cを通過して、光軸と実質的に平行(広がり角度が実質的に０度)となる。すなわち、第１レンズ２３に入射された蛍光ｂは、トータルとして集光の作用を受けるのである。

より具体的に説明すれば、上記対物レンズ１７の筒状体２９で全反射されて一旦集束された後に、発散された発散光が第１レンズ２３の上記第３領域に入射される場合には、先ず、光軸により平行な光に屈折させるように上記第３領域における入射面(凸曲面３３cのＡ３)の光軸に対する傾斜角と出射面(凹曲面３２cのＢ３)の光軸に対する傾斜角とを設定する。次に、広がり角度をより０度に近付けるために、上記第３領域における入射面(凸曲面３３cのＡ３)の曲率と出射面(凹曲面３２cのＢ３)の曲率との合計が入射光を集束させる曲率になるように設定するのである。この場合、凸曲面３３cのＡ３の曲率は「入射光を集束させる曲率」であり、凹曲面３２cのＢ３の曲率は「入射光を発散させる曲率」であるから、凹曲面３２cのＢ３の曲率を凸曲面３３cのＡ３の曲率よりも小さくして、合計の曲率を入射光を集束させる曲率に設定するのである。

その結果、上記凸曲面３３cにおける領域Ａ３の傾斜角および曲率と、凹曲面３２cにおける領域Ｂ３の傾斜角および曲率とを最適に設定することによって、第１レンズ２３に入射された蛍光ｂは、光軸と略平行な光に変換されるのである。

ここで、上記第１レンズ２３の上記第１〜第３領域における入射面と出射面との曲率を「０」とした場合、つまり上記各領域を三角プリズムの一部で構成した場合には、入射面と出射面とが成す角度によって入射される光の上記広がり角度をある程度までは改善することはできるが、上記広がり角度を実質的に０度に制御することができない。そこで、本実施の形態においては、上述したように、上記各領域における入射面と出射面とのうちの少なくとも何れか一方の曲率を「０」以外の曲率に設定して、合計の曲率が入射光を集束あるいは発散させる曲率になるようにするのである。

上述したように、本実施の形態においては、上記対物レンズ１７における反射面(側面)２９bの角度や全反射光が通過する面の曲率等と、第１レンズ２３における凸曲面３３cの領域Ａ３と凹曲面３２cの領域Ｂ１〜Ｂ３との傾斜角および曲率を含む形状とを、上記条件１および条件２を満たすように設定している。したがって、サンプル１６をサンプル台４上に直接載置した「第１の場合」と、サンプル１６を二次元電気泳動用基板３１中に封入してサンプル台４上に載置した「第２の場合」との何れにおいても、対物レンズ１７の凸レンズ部２８で屈折された蛍光ａと側面２９bで全反射された蛍光ｂとの各光線を、第１レンズ２３から出射される際に光軸に略平行にすることができる。したがって、波長フィルタ２４による迷光のカットを精度良く行うことが可能になるのである。

上記対物レンズ１７の筒状体２９から上記「第１の場合」と上記「第２の場合」とで異なる反射角および広がり角度で全反射されてくる光を、第１レンズ２３によって光軸に略平行に且つ広がり角度を略０に変換するには、第１レンズ２３の「傾斜角度」と「曲率」とを同時に適切な値に設定する必要がある。ところが、図６や図７に示すような唯一つの曲面を有する通常の凹レンズ３０では、傾斜角度と曲率とを同時に適切な値に設定することは非常に困難である。

そこで、本実施の形態においては、上記第１レンズ２３の上記第２領域と上記第３領域との両領域において、入射面と出射面との両面を利用することによって、傾斜角度と曲率とを同時に適切な値に設定するようにしている。すなわち、各領域における「傾斜角度」と「曲率」とは入射面と出射面とのトータル値が重要となる。そこで、第１に、上記第２領域の入射面Ａ２と上記第３領域の入射面Ａ３とで「傾斜角度」と「曲率」との両方が異なるように設定する。そして、第２に、上記第２領域の出射面Ｂ２と上記第３領域の出射面Ｂ３とで「傾斜角度」と「曲率」との両方が異なるように設定する。こうすることによって、両領域において入射面と出射面との両面を利用することができ、「傾斜角度」および「曲率」の設計自由度を増加させることができるのである。

以上のごとく、本実施の形態においては、第１走査方向と第２走査方向とに二次元走査を行う走査モジュール９には、対物レンズ１７で集光された蛍光を実質的に平行光にする第１レンズ２３、励起光カット用の波長フィルタ２４、蛍光を集光する第２レンズ２５、迷光をカットするピンホール２６、および、蛍光を検出する検出器２７でなる検出光学系が、一体に収納されている。

そして、上記対物レンズ１７を、中央部分に凸レンズ部２８を有すると共に、凸レンズ部２８の周囲に円錐台形状の筒状体２９を有するように構成している。したがって、サンプル１６から出射された蛍光のうち、凸レンズ部２８に入りきらないような放射角度の大きい蛍光ｂを、筒状体２９の側面２９bで全反射させて集光することができ、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の光をも集めることができる。その結果、上記蛍光の集光率を高めることができ、対物レンズ１７の光軸上に配置されたプリズム２０で遮られて検出器２７によって検出されない蛍光の存在によるＳ/Ｎの低下を防止して、高感度な蛍光情報読み取り装置を実現することができる。

したがって、本実施の形態によれば、上記従来の画像情報読取装置のように、サンプル１６の上方に出射された蛍光を下方に反射するための上記凹面鏡を設ける必要がなく、走査モジュール９の移動と同期して上記凹面鏡を同じ方向に移動させる必要がない。そのために、上記二次元走査の走査機構が複雑になることはないのである。

さらに、上記大きな放射角度の蛍光ｂを高いＮＡの通常の凸レンズで集光する場合よりも対物レンズ１７を小型に構成することができる。また、対物レンズ１７は、サンプル１６からの蛍光を集光して第１レンズ２３に入射するので、蛍光を検出器２７に導く光路上に設置される第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５等の光学素子をも小型にすることが可能になる。

また、上記対物レンズ１７,第１レンズ２３,波長フィルタ２４および第２レンズ２５等の光学素子を小型にすることにより、上記光照射光学系および上記検出光学系を搭載している走査モジュール９の重量を軽くすることができる。したがって、上記走査機構の構成を簡素化すると共に、軽量化を図って、走査モジュール９の高速走査を可能にすることができる。したがって、サンプル１６における異なる複数の位置での二次元の蛍光分布を高速に検出することが可能になる。

また、上記第１レンズ２３を、平面３２aの中心部に凹曲面３２cが形成された凹レンズ部３２と、平面３３bの周囲に凸曲面３３cが形成された凸レンズ部３３とを有する形状に構成している。そして、中心部から外側に向かって上記第１領域と、上記第２領域と、上記第３領域とを設けている。

ここで、上記第１領域および上記第２領域は、凸レンズ部３３の平面３３bと凹レンズ部３２の凹曲面３２cを通る領域でなると共に、入射された光束を光軸により平行にし、且つトータルとして発散させる領域である。また、上記第３領域は、凸レンズ部３３の凸曲面３３cと凹レンズ部３２の凹曲面３２cとを通る領域でなると共に、入射された光束を光軸により平行にし、且つトータルとして集光させる領域である。

そして、図１０および図１１で説明したように、見かけ上の光源Ｐ'２が対物レンズ１７の上端部から近い位置にあるので対物レンズ１７での全反射後の光路Ｌ２が光軸側(中心側)に因りやすい上記「第２の場合」には、対物レンズ１７で全反射された蛍光ｂを、第１レンズ２３の上記第２領域に入射させるようにするのである。その場合、上記第２領域は入射された光線を光軸により平行にし、且つトータルとして発散させる領域である。そのために、対物レンズ１７で全反射された光を集光するようにすれば、第１レンズ２３の上記第２領域から出射される蛍光ｂの各光線は、互いに略平行で且つ光軸に対しても略平行になるのである。

さらに、上記「第１の場合」には、対物レンズ１７で全反射された蛍光ｂを、第１レンズ２３の上記第３領域に入射させるようにする。その場合、上記第３領域は入射された光線を光軸により平行にし、且つトータルとして集光させる領域である。そのため、対物レンズ１７で全反射されて第１レンズ２３に入射される光を発散するようにすれば、第１レンズ２３の上記第３領域から出射される蛍光ｂの各光線は、互いに略平行で且つ光軸に対しても略平行になるのである。

ここで、上記対物レンズ１７で全反射された光を発散するように第１レンズ２３に入射させるには、図１３に示すように、対物レンズ１７で全反射された光を、第１レンズ２３に入射される前に一旦集光させればよい。

以上のごとく、上記「第２の場合」には、上記対物レンズ１７で全反射された光を、集光させつつ、第１レンズ２３の上記第２領域に入射できるように、且つ、上記「第１の場合」には、対物レンズ１７で全反射された光を、一旦集光させた後に発散させつつ、第１レンズ２３の上記第３領域に入射できるように、対物レンズ１７における反射面(側面)２９bの角度や全反射光が通過する面の曲率等と、第１レンズ２３の凸曲面３３cおよび凹曲面３２cの傾斜角および曲率を含む形状とを設定するのである。

したがって、本実施の形態においては、サンプル１６をサンプル台４上に直接載置した場合と、サンプル１６を二次元電気泳動用基板３１中に封入してサンプル台４上に載置した場合とのごとく、対物レンズ１７から見かけ上の光源Ｐ'までの距離が異なる場合であっても、対物レンズ１７の側面２９bで全反射された蛍光ｂを第１レンズ２３から出射される際に光軸に略平行にすることができる。したがって、波長フィルタ２４による迷光のカットを精度良く行うことが可能になる。

さらに、上記対物レンズ１７の凸レンズ部２８で屈折された蛍光ａと側面２９bで全反射された蛍光ｂとを、第１レンズ２３を介してピンホール２６の穴の位置に集光することができる。したがって、対物レンズ１７から見かけ上の光源Ｐ'までの距離が異なる場合であっても、集光状態を一定にして、安定した検出器２７による蛍光の検出を行うことが可能になる。

すなわち、本実施の形態によれば、中央部分に凸レンズ部２８を有すると共に、凸レンズ部２８の周囲に円錐台形状の筒状体２９を有する対物レンズ１７を用いて、サンプル１６から出射された蛍光のうち、通常の凸レンズでは集光できないような大きな放射角度の蛍光をも集光して、上記蛍光の集光率を高める場合において、対物レンズ１７から見かけ上の光源Ｐ'までの距離が異なっても、精度良く且つ安定して蛍光の検出を行うことができるのである。

尚、上述したように、本実施の形態においては、上記第１レンズ２３に、対物レンズ１７の筒状体２９で全反射された光が入射される領域として、上記第２領域と第３領域との二つの領域を設けている。しかしながら、この発明は、二つの領域に限定されるものではなく、対物レンズ１７とサンプル１６との間の距離の変化数に応じて、三つ以上の領域を設けても差し支えない。

１…蛍光検出装置、
４…サンプル台、
５…ＰＣ、
６…走査ステージ、
９…走査モジュール、
１６…サンプル、
１７…対物レンズ、
１８…光源、
１９…レンズ群、
２０…反射ミラー、
２１…レンズホルダ、
２２…駆動部、
２３…第１レンズ、
２４…波長フィルタ、
２５…第２レンズ、
２６…ピンホール、
２７…検出器、
２８,３３…凸レンズ部、
２９…筒状体、
３１…二次元電気泳動用基板、
３２…凹レンズ部、
３２a,３２b,３３a,３３b…平面、
３２c…凹曲面、
３３c…凸曲面。

Claims (8)

1. 測定対象物からの光を集光する対物レンズ素子と、
   上記対物レンズ素子によって集光された光を実質的に平行光に変換する変換レンズと
   を備え、
   上記対物レンズ素子は、周辺部分に位置すると共に、側面での全反射によって光を集光する全反射部を含んでおり、
   上記変換レンズは、
   上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光が入射される領域を、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて複数有しており、
   上記複数の領域を含む総ての箇所に入射された上記対物レンズ素子からの光を、光軸に対して実質的に平行な上記平行光に変換するようになっている
   ことを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
   上記変換レンズにおける上記複数の領域に入力される上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光は、上記対物レンズ素子と上記測定対象物との間の距離に応じて異なる広がり角度を有しており、
   上記変換レンズにおける上記複数の領域の夫々は、入射された上記異なる広がり角度を有する光を、上記広がり角度が実質的に０度の光に変換するようになっている
   ことを特徴とする光学ユニット。
3. 請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
   上記変換レンズにおける上記複数の領域の夫々は、
   入射される光の上記広がり角度が集束を表す角度である場合には、入射面の曲率と出射面の曲率との合計が入射光を発散させる曲率である一方、入射される光の上記広がり角度が発散を表す角度である場合には、入射面の曲率と出射面の曲率との合計が入射光を集束させる曲率である
   ことを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項１から請求項３までの何れか一つに記載の光学ユニットにおいて、
   上記対物レンズ素子は、中央部分に位置すると共に、屈折によって光を集光する屈折部を有しており、
   上記変換レンズは、上記対物レンズ素子の上記全反射部からの光が入射される上記領域を周辺部分に有している
   ことを特徴とする光学ユニット。
5. 請求項１から請求項４までの何れか一つに記載の光学ユニットにおいて、
   上記対物レンズ素子における上記全反射部は、光軸に対して同心円状の形状を有しており、
   上記変換レンズにおける上記複数の領域は、光軸に対して同心円状の形状を有している
   ことを特徴とする光学ユニット。
6. 請求項１から請求項５までの何れか一つに記載の光学ユニットにおいて、
   上記測定対象物は、光透過性を有するサンプル台上に積載され、
   上記対物レンズ素子および上記変換レンズは、上記サンプル台における上記測定対象物が積載される面とは反対側の面に対向して配置されており、
   上記対物レンズ素子は、上記測定対象物から発せられた光を上記サンプル台を介して集光するようになっている
   ことを特徴とする光学ユニット。
7. 蛍光を励起する励起光を測定対象物に照射する光源部と、
   上記励起光の照射に基づいて上記測定対象物から発せられた蛍光が入射されると共に、この入射された蛍光を実質的に平行な蛍光に変換する請求項１から請求項６までの何れか一つに記載の光学ユニットと、
   上記光学ユニットからの実質的に平行な蛍光が入射されると共に、上記励起光の波長と同等の波長成分の光を減光する波長フィルタと、
   上記波長フィルタからの蛍光を検出する光検出素子と
   を備え、
   上記光学ユニットの上記対物レンズ素子は、上記光源部からの上記励起光を透過させる励起光透過部を中央部分に有しており、上記光源部からの上記励起光を上記励起光透過部を介して上記測定対象物に照射させると共に、上記測定対象物からの蛍光を集光するようになっている
   ことを特徴とする蛍光検出装置。
8. 光源部から、蛍光を励起する励起光を出射し、
   上記光源部からの励起光を、請求項１から請求項６までの何れか一つに記載の光学ユニットにおける上記対物レンズ素子の中央部分を透過させて、測定対象物に照射し、
   上記励起光の照射に基づいて上記測定対象物から発せられた蛍光を、上記対物レンズ素子で集光し、
   上記光学ユニットにおける上記変換レンズによって、上記対物レンズ素子で集光された蛍光を実質的に平行光に変換し、
   波長フィルタによって、上記変換レンズで変換された実質的に平行な蛍光から上記励起光の波長と同等の波長成分の光を減光し、
   光検出素子によって、上記波長フィルタからの蛍光を検出する
   ことを特徴とする蛍光検出方法。

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