JP5733919B2 - 高感度検出器装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を検出する装置、特に、顕微鏡、好ましくはレーザ走査型顕微鏡において試料が放出する光を検出する装置に関する。

光を検出するためのさまざまな種類の検出器が用いられている。
例えば、ＣＣＤセンサ、光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ，ＰＭＴ），アヴァランシェ・フォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ−Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ，ＡＰＤ）がこれにあたる。しばしば、個別の検出器を組み合わせて１次元または２次元の配置とする（ライン検出器または平面検出器）。その場合、構造上の必要から、個々の検出器素子いわゆる検出器セルは互いに離間している。そのため、通常、この種の検出器装置は均質な受光面を備えていない。受光領域があるが、これは非受光領域によって遮断されている。このような検出器装置に光束が当たった場合、その光のうち、受光領域に当たった部分のみが検出される。非受光領域に当たった光を検出することはできない。そのため、検出器装置の効率が低下する。

上述の問題を解決するために、検出器装置の非受光領域に更なる措置を講じず、光偏向素子を用いて受光領域上に偏向させることが知られている。これによって、受光部の検出効率は向上し、理想的な場合は、非受光領域を具備しない検出器の効率にまで向上する。

一般的には、受光領域に可及的均質に光を照射すること、多くは同領域上に正確に光を集束させることを目指すこととなる。光偏向素子として、いわゆるレンズアレイ（Ｌｅｎｓａｒｒａｙｓ）がしばしば用いられ、これは、入射光を球状の素子を用いて集束させ、それによって光点パターンを作成する。したがって、検出器は、受光領域が光点パターンに一致するように構成されている。この種の装置は、例えば特許文献１から周知である。そこに記載されたレンズアレイの欠点の１つは、球状で曲がった面を備えていることである。このような面は、平面状の面に比べて製造コストが顕著に高い。

レーザ走査型顕微鏡の検出器光路内におけるレンズアレイの使用は、特許文献２から周知である。
更なる解決策が特許文献３に記載されている。ここで、ウェッジミラーが光偏向素子として用いられている。このような装置における欠点は、１つには幅狭のウェッジミラーが機械的に脆弱なことである。他には、ウェッジの間にゴミが沈積して受光領域に影響を与えることもある。

米国特許第６１５７０１７号明細書 独国特許出願公開第１００３８５２８号明細書 米国特許第５９５２６４５号明細書 独国実用新案第２０１００４１８号明細書 独国特許出願公開第１０３１３６０６号明細書 独国特許出願公開第１０２００６０３９０７３号明細書 独国特許出願公開第１００３８５２８号明細書 米国特許第６１５７０１７号明細書 米国特許第５９５２６４５号明細書

本発明の課題は、上述の欠点を回避し、特にコストが安く、すなわち低コストで製造可能な検出器装置を提供することである。

本発明は、入射光を屈折によって検出器の受光領域上へと偏向させる、光入射面を備えた光偏向素子を有し、光入射面の１つが平面として構成されている、検出器装置を含む。
代替実施形態において、本発明は、検出器と、第１および第２光入射面からなる光偏向素子とを有し、第１および第２光入射面が平面として形成され、第２光入射面が第１光入射面に対して傾斜している、検出器装置を含む。

本発明の有利な形態は従属項に挙げる。

本発明によれば、所定の使用において、検出器の受光領域に光を精確に照射すること、あるいは、検出器の受光領域上に精確に集束させることは不要であることが判明した。本質的には、光が検出器装置の受光領域に到達しさえすればよい。検出器の種類によっては、検出器素子にできるだけ平坦に光を照射することが有利であろう。なぜなら、これによって光の強度ピークが受光領域上にくることが回避され、非線形検出器信号、または起こり得る放射線障害のリスクが最小限に抑えられるからである。

したがって、従来技術によるコスト高の光学系を使用する必要はない。そうではなく、製造個数が少なくても、容易に低コストで製造できる、ほぼ平坦な面を備えた光学系を利用することが可能である。

非受光領域１０３および受光領域１０４を有する、１次元（列状）受光器（ライン検出器１０２）を示す図。 １次元（列状）受光器の場合の従来技術に基づく装置を示す図。 本発明の第１例示的実施形態である１次元（列状）受光器（ライン検出器３０２）用の装置を示す図。 非受光領域に投射されるすべての光を１つの方向に偏向させた場合を示す図。 ２次元の平面状の検出器を示す図。 レーザ走査型顕微鏡においてＰＭＴライン検出器を用いてスペクトル検出を行うための装置を示す図。 サンドイッチ構造により光偏向素子を接着によって検出器に結合させた検出器装置を示す図。 光偏向素子の基本概念を再度説明するための個別の検出器素子８０２を示す図。

本発明を添付の図面に従って説明する。
図１は、非受光領域１０３および受光領域１０４を有する、１次元（列状）受光器（ライン検出器１０２）を示す図である。光１０１は非受光領域１０３および受光領域１０４に入射する。したがって、入射光の一部のみが検出できる。

図２は、１次元（列状）受光器の場合の従来技術に基づく装置を示す図である。球面レンズを有するレンズアレイ２０５が検出器列２０２の上方にあり、検出器列上に光２０１を集束させる。また、黒色非受光領域２０３の上方でレンズに当たった光は、受光領域２０４上へと偏向される。この配置の欠点は、球面状の表面を有するレンズアレイ２０５の製造が高くつき、特に、製造個数が少ない場合は非常に高コストになる点である。

図３は、本発明の第１の例示的実施形態を示す図である。これは、１次元（列状）受光器（ライン検出器３０２）用の装置である。受光領域３０４の上方に、光入射面３０５ａが入射光に対して垂直またはほぼ垂直方向に配列されているので、これらの領域に当たった光は、光偏向素子３０５の屈折によって、全くまたは殆ど偏向されず、その下にある受光領域３０４に当たる。非受光領域３０３の上方では、光偏向素子３０５の光入射面３０５ｂが、入射光および光入射面３０５ａに対して傾斜しているので、光は、光入射面３０５ｂを透過する際に、偏向により検出器３０２の受光領域３０４上へと偏向される。光入射面の傾斜は、受光面領域および非受光面領域の大きさおよび配置によって決まり、光偏向素子３０５の厚さおよび屈折率によって、また、受光領域と光偏向素子の距離によっても決まる。光偏向素子３０５は、製造上の理由から曲がっている面を除いて平面状の面のみからなり、したがって、製造が簡易である。なぜなら、球面状の面を所定の公差で正確に製造しなくてもよいからである。

図３に示す通り、光偏向素子３０５は、直接、ライン検出器３０２上に配置することができる。あるいは、この素子を、ライン検出器の専用ホルダ内に離間して配置することもできる。

図８に光偏向素子の基本概念を、個別の検出器素子８０２に関して再び示した。検出器素子８０２は１つの非受光領域８０３および受光領域８０４からなり、その上に光偏向素子８０５がある。受光領域８０４の上方に、入光面８０５ａが入射光８０１ａおよび８０１ｂに対してほぼ垂直に配置されている。この領域に当たった光８０１ａは、光偏向素子８０５の偏向によって全くまたは殆んど偏向されず、その下にある受光領域８０４に当たる。非受光領域８０３の上方で、光偏向素子８０５の入光面８０５ｂは、投射光８０１ｂおよび入光面８０５ａに対して傾斜しているので、光８０１ｂは入光面８０５ｂを透過する際に、屈折により検出器８０２の受光領域８０４上へと偏向される。入光面８０５ｂの傾きは、ここでは、検出器８０２からの距離、受光領域８０４の大きさおよび光偏向素子８０５の屈折率ｎによって決まる。入光面８０５ｂの傾きは、ここでは好ましくは、入光面８０５ｂの周縁に当たった光も、受光領域８０４に当たるように選択される。

図３は、受光領域３０４に関して対称な配列を示し、この配列では、非受光領域の半分までに当たった光は左にある受光領域上へと、残りの半分に当たった光は右にある受光領域上へと偏向される。

同様にして、非受光領域に当たるすべての光を１つの方向に偏向させることも可能である。これを図４に示す。ここでは、非受光領域に当たるすべての光が、それぞれ左にある受光領域上へと偏向される。

本発明は、１次元の検出器に限定されない。これについて、図５に２次元の平面状の検出器を示す。すべての受光領域５０４は、非受光性分離帯５０３によって互いに分離されている。これに適合する光偏向素子５０５も示されている。この素子は、基本的に図３に示したものと同様に機能し、非受光領域の上方で光入射面５０５ｂに当たった光は側方に偏向され、受光領域５０４上に達する。

１次元素子と同様に、非対称および反射性のうちのいずれか一方の素子も可能である。
本発明による光偏向素子は、検出すべき波長領域において適切な屈折率と透過性とを備えた透明な材料で製造することができる。これには、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）が特に適している。というのは、これは、容易にかつ精密に加工可能であるからである。

本発明による光偏向素子の製造は、関連する透明材料に光入射面をフライス加工することによって達成できる。あるいは、単一素子、例えばプリズムを光偏向素子として構成してもよい。

本発明は、必ずしもそれだけではないが、好ましくは、レーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）においてＰＭＴライン検出器を用いてスペクトル検出を行うのに使用できる。
図６に、独国特許出願公開第１００３３１８０号明細書に基づくレーザ走査型顕微鏡においてＰＭＴライン検出器を用いてスペクトル検出を行うための装置が示されている。この光学的構成は、本質的にツェルニー・ターナー（Ｃｅｒｎｙ Ｔｕｒｎｅｒ）構成を表している。共焦点検出の場合、試料の光Ｌはピンホール光学系ＰＯにより、共焦点絞りＰＨを通って合焦される。非デスキャン検出で多光子吸収の場合はこの絞りはなくてもよい。第１結像鏡Ｓ１は蛍光をコリメートする。続いて、光はライン格子Ｇ、例えばミリメートル当たりの線数が６５１の格子に当たる。この格子は光をその波長に応じてさまざまな方向に曲げる。第２結像鏡Ｓ２は、スペクトル分割された個々の波長成分を、ＰＭＴライン検出器ＤＥ、例えば、浜松ホトニクス社のＨ７２６０ライン光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ，ＰＭＴ）の対応するチャンネル上に合焦させる。この検出器は３２のチャンネルを有し高感度である。上記実施形態の自由スペクトル領域は約３５０ｎｍである。自由スペクトル領域はこの配置においてライン検出器の３２本のチャンネル上に一様に分配され、それによって光学的分解能約１０ｎｍが得られる。この装置を使用すると、結像システムにおいて有利である。なぜなら、検出されるスペクトル帯域が相対的に広いので、検出チャンネル当たりの信号がなお比較的強いからである。自由スペクトル領域のシフトはさらに、例えば格子を捩る、または検出器を移動させることによって達成できる。

上述のライン検出器は、互いに隣接する個別チャンネル（受光領域）の間に、幅０．２ｍｍの分離帯（非受光領域）を有する。図６において、２つの離散した波長用に検出器上に合焦させることを示す。しかしながら、試料から出る蛍光は通常は連続スペクトルを発生させ、したがって光も個別チャンネル間の分離帯上にも合焦される。したがって、これらの分離帯は検出装置の効率に対してネガティブに作用する。

本発明による光偏向素子を使用することによって、分離帯上で合焦していた検出光がライン検出器の個別チャンネル上へと偏向され、検出効率が向上する。
分離帯に当たる場合、検出光は制御されずに、それぞれ隣接する個別チャンネル上に分散する恐れがある。個別チャンネル間の、このいわゆるクロストーク（Ｃｒｏｓｓ−Ｔａｌｋ）によって測定結果が歪曲されることがある。また、このクロストークは、光偏向素子を使用することによって最小限に抑えることができる。

光偏向素子は、専用の取付ホルダにＰＭＴライン検出器から離間して設置しても、ＰＭＴライン検出器の入射窓に接着してもよい。位置ずれを回避するためには、後者の実施形態が好ましい。

このような装置を作製する場合、光偏向素子を接着によって検出器に結合させるが、その際、ＰＭＴライン検出器を例えば能動的ペルティエ冷却によって冷却させる場合に、この接着は、激しい温度変化（△３５℃＠１分）に耐え得るものでなければならないという問題に直面する。光偏向素子用に好ましくは用いられるＰＭＭＡは、ガラス、例えば、ＰＭＴライン検出器の入射窓に用いられるホウケイ酸ガラスとは大幅に異なる膨張係数を有する。このような装置用の光学的接着剤があることはあるが、これは強い紫外線で硬化させなければならない。しかしながら、一方では、ＰＭＭＡはこれらの波長を透過せず、他方ではＰＭＴライン検出器は既にガラス側上にある。このＰＭＴライン検出器は、対応する接着において出現する強い光線負荷に対して脆弱である。したがって、直接組み付けることは問題にならない。

この問題は、図７に示すサンドイッチ構造によって解決される。ＰＭＭＡからなる光偏向素子７０１は、まず、第１の接着部７０２、好ましくは紫外線接着部を用いて、これとは分離したガラス体７０３に接着される。このガラス体は、ＰＭＭＡ光偏向素子に比べて強固に覆われるので、ＰＭＭＡの機械的な力を受け入れ、必要であればＰＭＭＡを変形させることもできる。次に、ＰＭＭＡ−ガラス素子が、ガラス−ガラス接着部７０４を用いて、ＰＭＴライン検出器７０６の入射窓７０５に接着される。このガラス−ガラス接着部７０４は好ましくは空気によって硬化するガラス接着剤を用いて行うことができる。

３０２、４０２…ライン検出器、３０３、４０３、５０３…非受光領域、３０４、４０４、５０４…受光領域、３０５、４０５、５０５…光偏向素子、３０５ａ、４０５ａ、５０５ａ…光入射面、３０５ｂ、４０５ｂ、５０５ｂ…光入射面、７０１…光偏向素子。

Claims (9)

1. 検出器装置であって、
   受光領域を有する１つの検出器と、
   第１の入光面および第２の入光面を有する１つの光偏向素子であって、前記第１の入光面および前記第２の入光面が平面として形成され、前記第２の入光面が前記第１の入光面に対して傾斜している、前記光偏向素子と、
   １枚のガラス基板であって、前記光偏向素子が、該ガラス基板上に布設されている、前記ガラス基板とを備え、
   前記検出器がガラス入射窓を有する冷却ＰＭＴ検出器であり、前記ガラス基板が、該ＰＭＴ検出器の該ガラス入射窓に接着されていることを特徴とする検出器装置。
2. 前記第２の入光面が、透過の際に、入射光を偏向によって前記検出器の前記受光領域上へと偏向させる請求項１に記載の検出器装置。
3. 前記第１の入光面が、透過する際に、入射光に本質的に影響を与えない請求項１または２に記載の検出器装置。
4. 前記検出器が、検出器列として形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出器装置。
5. 前記検出器が、平面検出器として形成される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の検出器装置。
6. 前記光偏向素子が、平面形状の複数の入光面を有する１つの関連素子からなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の検出器装置。
7. 前記光偏向素子が、複数の個別素子から構成される請求項１乃至６のいずれか１項に記載の検出器装置。
8. 前記光偏向素子が、ＰＭＭＡからなる請求項１乃至７のいずれか１項に記載の検出器装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の検出器装置を備えた顕微鏡、好ましくはレーザ走査型顕微鏡。

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