JP5871149B2 - 顕微分光システム - Google Patents

Description

本発明は、顕微分光システムに関する。

蛍光顕微鏡では蛍光を励起光から分離検出する必要がある原理上、何らかの形での分光機能が必須となっている。中でも共焦点光学系を持つ蛍光顕微鏡の場合にはその光検出器が事実上の点検出器となっていることから一般的な分光器との接続が可能であり、詳細な分光データを得ることのできる顕微分光装置を構成することができる。その一例として、共焦点光学系の光検出器の位置に光ファイバー入射端面を置き、その光ファイバーの出射端面を分光器の入射スリットへ接続する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、分光器の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て回折格子に入射し、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１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

上述のように共焦点顕微鏡に分光器を接続することで詳細なスペクトルデータが得られる蛍光顕微鏡を構成することができるが、実際にはスペクトルの形状の情報が必要となることは稀で、ある特定の波長域の蛍光強度の積分値のみが得られれば十分な場合も多い。具体的には単一の蛍光色素で標識した標本や蛍光波長域が十分に離れた既知の色素で多重標識した標本の観測を行う場合などスペクトルの形状そのものは重要ではなく、各蛍光色素の画像中での分布が得られれば十分であるような標本観察の機会が多い。

従来の分光器ではその構成上、決まった分解能での分光情報が常に得られるかわりに、受光器の各チャンネルに入ってくる光量が少なくなり感度が十分でなく、Ｓ／Ｎも良くない。多チャンネルの受光器を利用しその出力に対して電気的な積分、もしくは、電気信号をＡ／Ｄ変換後に数値積分をすることで必要な蛍光波長範囲の信号強度を得ることもできるが、一般に多チャンネルの受光器は単一の受光器に比べて信号のＳ／Ｎや検出ダイナミックレンジが劣ることから十分なＳ／Ｎでの観察が困難であるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、必要以上に波長分割をすることなく、必要最小限の受光素子で十分なＳ／Ｎを持った分光を行うことができる分光器を有する顕微分光システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る顕微分光システムは、光源からの光を走査して対物レンズにより標本に集光し、標本から射出した信号光を対物レンズで集光する顕微鏡と、分光器と、顕微鏡からの信号光を分光器に入射させる光ファイバと、を有する顕微分光システムであって、分光器は、信号光を略平行光とするコリメート光学系と、略平行光を分光する分光素子と、分光素子で分光された分光光を受光する集光光学系と、複数の反射鏡が、少なくとも分光素子による分光方向に１次元に配列されて空間光変調素子面を形成し、複数の反射鏡の各々が所定の回転軸を中心に回転することにより当該反射鏡で反射された分光光の集光位置を少なくとも所定の１次元方向、及び所定の１次元方向と略直交する方向に移動可能な空間光変調素子と、空間光変調素子で反射された分光光を受光する投影光学系と、複数の受光素子が、投影光学系の光軸と略直交する面内に互いに隣接されて２次元に配列された受光器と、を有し、投影光学系は、光軸に回転対称な屈折力を有し、受光器の配置位置は、投影光学系の焦点位置であり、信号光は、光ファイバの端面から射出されてコリメート光学系に入射するように構成されることを特徴とする。

また、このような顕微分光システムにおいて、集光光学系は、この集光光学系の光軸に回転対称な屈折力を有することが好ましい。

本発明によれば、必要以上に波長分割をすることなく必要最小限の受光素子で十分なＳ／Ｎを持った分光を行うことができる分光器を有する顕微分光システムを提供することができる。

顕微分光システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る分光器を説明するための説明図である。 第１及び第２の実施形態に係る分光器で用いられる空間光変調素子の構成を説明するための説明図である。 第２の実施形態に係る分光器を示す説明図であって、（ａ）はこの分光器の構成を示し、（ｂ）は空間光変調素子における反射状態を示し、（ｃ）は受光器における受光状態を示す。 第３の実施形態に係る分光器を示す説明図であって、（ａ）はこの分光器の構成を示し、（ｂ）は空間光変調素子への結像状態を示し、（ｃ）は空間光変調素子における反射状態を示し、（ｄ）は受光器における受光状態を示す。 第３の実施形態に係る分光器で用いられる空間光変調素子の構成を説明するための説明図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を用いて第１の実施形態に係る分光器を有する顕微分光システムの構成について説明する。図１に示すように、この顕微分光システム１は、光源系１０、共焦点ユニット２０及び顕微鏡３０を有する共焦点顕微鏡と、分光器４０と、制御部５０と、を有する。この顕微分光システム１において、共焦点ユニット２０と分光器４０とは、ファイバカプラ２９ａ，２９ｂを介して光ファイバ２８により光学的に接続されている。

光源系１０は、レーザ装置１１と、光ファイバ１３と、ファイバカプラ１２，１４と、を有する。レーザ装置１１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射出する。この照明光は、光ファイバ１３を介して共焦点ユニット２０に導かれる。なお、図１の例では、照明光として、標本３３を励起して蛍光を発光させるための励起光を射出する。

共焦点ユニット２０は、光源系１０からの照明光を略平行光束とするコリメートレンズ２１と、ダイクロイックミラー２２と、走査ユニット２３と、スキャナレンズ２４と、集光レンズ２５と、ピンホール２６ａを有するピンホール板２６と、リレーレンズ２７と、を有する。また、顕微鏡３０は、第２対物レンズ３１及び対物レンズ３２と、標本３３が載置されるステージ３４と、を有する。これらの共焦点ユニット２０と顕微鏡３０とを組み合わせて走査型共焦点顕微鏡が構成される。なお、ダイクロイックミラー２２は、光源系１０から射出されたレーザ光を顕微鏡３０側に反射し、このレーザ光により励起した標本３３から放射される蛍光を透過するように構成されている。また、集光レンズ２５の像側焦点は、ピンホール板２６のピンホール２６ａと略一致するように配置されている。

光源である光源系１０のレーザ装置１１から射出されたレーザ光（励起光）はファイバカプラ１２を介して光ファイバ１３に導入される。さらにこの光ファイバ１３を通ったレーザ光はファイバカプラ１４から共焦点ユニット２０のコリメートレンズ２１に入射する。そして、このレーザ光はコリメートレンズ２１で略平行光に変換された後、ダイクロイックミラー２２で顕微鏡３０側の光路に反射され、直交配置された２つのガルバノミラーからなる走査ユニット２３及びスキャナレンズ２４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３１で略平行光にされた後、対物レンズ３２で集光され、標本３３上の１点に集光される。なお、走査ユニット２３により二次元的に走査される標本３３上の位置は、制御部５０により走査ユニット２３におけるガルバノミラーの動作を制御することにより制御される。そして、このレーザ光により励起された標本３３から放射された蛍光（信号光）は、対物レンズ３２で略平行光に変換され、レーザ光（励起光）と逆の経路を辿ってダイクロイックミラー２２に入射する。さらに、ダイクロイックミラー２２に入射した蛍光はこのダイクロイックミラー２２を透過し、集光レンズ２５によりピンホール板２６のピンホール２６ａ上に集光される。

ピンホール２６ａを通過した光は、リレーレンズ２７を経て、ファイバカプラ２９ａから光ファイバ２８に導かれる。リレーレンズ２７を介すると、図１に示すように、ピンホール２６ａ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２８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。

ここで、ピンホール２６ａに形成される集光点は標本３３上での光スポットの像となっているため、標本３３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２６ａでは像を結ばずピンホール板２６により遮られ、ファイバカプラ２９ａにほとんど到達できない。そのため、このピンホール２６ａを通過できた光のみが、リレーレンズ２７を介してファイバカプラ２９ａに到達できる。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２９ａに入射した蛍光は、光ファイバ２８を通り、ファイバカプラ２９ｂを介して分光器４０に導入される。

図２に示すように、分光器４０は、光ファイバ２８から入射する信号光（図１の例では蛍光）を略平行光束とするコリメート光学系４１と、分光特性を有する波長分散素子（以下「分光素子」と呼ぶ）である回折格子４２と、２次元に微小反射鏡（微小鏡）が配列されて空間光変調面を形成する空間光変調素子４４と、回折格子４２で波長分散を受けた信号光（分光光）を空間光変調素子４４の空間光変調素子面上に２次元に集光する集光光学系４３と、複数の受光素子４６ａがアレー状に並べられた受光素子アレーを有して受光面を形成する受光器４６と、空間光変調素子４４で反射された信号光（分光光）を受光器４６の受光面に結像させる投影光学系４５と、を有する。以下、この分光器４０の光軸方向（光ファイバ２８から出射した信号光が進む中心方向）をＺ軸とし、この光軸に直交する面内において水平方向をＸ軸とし、垂直方向をＹ軸として説明する。

この分光器４０では、光ファイバ２８により導入された信号光を、コリメート光学系４１により略平行光とし、回折格子４２に照射する。この回折格子４２は、Ｘ軸方向に延びる回折格子溝が微小間隔でＹ軸方向に複数並んで刻まれている。そのため、この回折格子４２に入射した信号光は、Ｙ軸方向に回折される。このとき回折角はその波長によって決まるため、この信号光はＹ軸方向に波長に応じて分散され、分光される。すなわち、光軸に直交する面内において、回折格子４２による分光方向がＹ軸方向に相当し、この分光方向に直交する方向がＸ軸方向に相当する。

そして、このようにして分光された信号光（分光光）は集光光学系４３に入射する。この集光光学系４３は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の屈折力が異なるように構成されており、この図２においてはＹ軸方向の屈折力がＸ軸方向の屈折力より大きくなるように構成されている。例えば、この２次元集光光学系４３としては、Ｙ軸方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。そのため、この集光光学系４３に入射した分光光は、Ｘ軸方向には同一の長さであるがＹ軸方向に並ぶライン毎に異なる光波長からなる光パターンが生成され、空間光変調素子４４上に投影される。例えば、図２の構成の場合、回折格子４２でＹ軸方向上側に回折された分光光ＬＩ１は、集光光学系４３により空間光変調素子４４のＹ軸方向上側に光パターンＩＭ１１として集光される。また、回折格子４２でＹ軸方向下側に回折された分光光ＬＩ２は、集光光学系４３により空間光変調素子４４のＹ軸方向下側に光パターンＩＭ１２として集光される。

空間光変調素子４４は、図３に示すような構造をした微小鏡４４ａが１次元、若しくは２次元に配列しているものである。各微小鏡４４ａはヒンジ４４ｂで支えられた軸４４ｃの周りに電極４４ｄに加えられた電圧によって所定の１次元方向（本実施形態では分光方向と略直交する方向であるＸ軸方向）に鏡面を傾斜させる（回転させる）ことができるように構成されている。一般に極端に縦横の長さの異なる微小鏡４４ａは製造が困難であることから、縦横の空間光変調素子４４として十分な横幅が得られない場合には２次元配列したものを利用し、Ｘ軸方向に並ぶ微小鏡４４ａのＸ軸方向の各ラインに同一の制御を行うことで、あたかもＹ軸方向の幅が狭くＸ軸方向に長い鏡があるようにすることもできる。

空間光変調素子４４において反射された信号光（分光光）は、投影光学系４５によって受光器４６に導かれる。なお、受光器４６の複数の受光素子４６ａは、Ｘ軸方向にアレー状に並んで配置されている。すなわち、受光器４６の受光素子４６ａは、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向（Ｘ軸方向）に配列されている。この投影光学系４５は、光軸に対して回転対称な屈折力を有する第１集光レンズ４５ａと、Ｙ軸方向の屈折力の方がＸ軸方向の屈折力より大きい第２集光レンズ４５ｂとからなり、合成焦点距離がＹ軸方向とＸ軸方向とで異なるように設計されている。このとき、受光器４６は、投影光学系４５の光軸と略直交する面内における分光方向と略直交する方向、すなわち、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向（Ｘ軸方向）に関して、投影光学系４５の後側焦点位置に配置されている。また、空間光変調素子４４及び受光器４６は、投影光学系４５を介して、この投影光学系４５の分光方向、すなわち、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向と略直交する方向（Ｙ軸方向）に関して、共役関係に配置されている。なお、この投影光学系４５の第２集光レンズ４５ｂも、Ｙ軸方向（分光方向）にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズを用いることができる。

上述のように、この第１の実施形態では投影光学系４５のＸ軸方向の焦点距離は、この投影光学系４５のＸ軸方向主面と受光器４６との距離Ｌ２に等しくなるように設計されている。そのため、空間光変調素子４４上の微小鏡４４ａによる信号光（分光光）の反射方向に依存して受光器４６を構成する受光素子４６ａのうちのどの受光素子４６ａに入射するかを選択することができる。

一方、投影光学系４５のＹ軸方向の焦点距離に関しては、空間光変調素子４４と受光器４６とが共役になるように設計されている。すなわち、空間光変調素子４４と投影光学系４５のＹ軸方向主面との距離がＬ１である場合に、Ｙ軸方向の焦点距離ｆが次式（１）を満足するように設計されている。

ｆ ＝ Ｌ１×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２） （１）

このとき、空間光変調素子４４の像が受光素子４６ａの受光領域に収まる必要があることから、投影光学系４５のＹ軸方向の倍率は、受光素子４６ａと空間光変調素子４４の大きさの比以下となっている必要がある。すなわち、投影光学系４５のＹ軸方向の倍率は、受光素子４６ａの受光領域の大きさと空間光変調素子４４の空間光変調素子面の大きさとの比以下となっている必要がある。ここで、投影光学系４５の倍率は上述の距離Ｌ２と距離Ｌ１との比に等しいので、次式（２）の関係を満たす必要がある。

Ｌ２／Ｌ１ ≦ 受光領域Ｙ軸方向サイズ／空間光変調素子面Ｙ軸方向サイズ （２）

以上より、この第１の実施形態に係る分光器４０においては、空間光変調素子４４のＸ軸方向に並ぶ微小鏡４４ａから構成されるラインの各々に、分光された波長の異なる信号光が入射するため、ライン毎に微小鏡４４ａの傾斜角度を制御することにより、分光された信号光を波長毎にどの受光素子４６ａに入射させるかを制御することができる。例えば、空間光変調素子４４のＹ軸方向上側に集光された光パターンＩＭ１１の反射光ＬＯ１は、Ｘ軸方向左側の受光素子４６ａに集光されて像ＩＭ２１を形成し、空間光変調素子４４のＹ軸方向下側に集光された光パターンＩＭ１２の反射光ＬＯ２は、Ｘ軸方向右側の受光素子４６ａに集光されて像ＩＭ２２を形成している。

なお、受光器４６の受光素子４６ａは、これらの受光素子４６ａに入射する分光光の強度を検出し、その検出値が制御部５０に渡され、制御部５０で演算処理されて画像として図示しない表示装置等に出力される。

それでは、この第１の実施形態に係る分光器４０の具体的な設計手段を以下に示す。なお、集光光学系４３及び第２集光レンズ４５ｂについてはＹ軸方向（空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向と略直交する方向）にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズを用いる場合について説明する。

まず、コリメート光学系４１の焦点距離ｆｃは、このコリメート光学系４１を通過した後の光ビームの幅がおおよそ空間光変調素子４４の横幅（Ｘ軸方向幅）と等しくなるようにすれば良いので、空間光変調素子４４のＸ軸方向幅をＷとすると、次の条件式（３）を満足すれば良い。但し、ＮＡ_fは光ファイバ２８の開口数である。

Ｗ ＝ ２×ｆｃ×ＮＡ_f （３）

次に集光光学系（シリンドリカルレンズ）４３のＹ軸方向の焦点距離ｆ₁については、波長としてλ₁〜λ₂の範囲の信号光を分光して検出するために、回折格子４２として格子定数ｄのものを使い、この回折格子４２への入射角をθ₁とすると、回折格子４２からの出射角θ₂は、ｓｉｎ^-1（λ₁／ｄ−ｓｉｎθ₁）からｓｉｎ^-1（λ₂／ｄ−ｓｉｎθ₁）までの範囲となる。従って、回折格子４２から出射する分光光の半画角Δθは次式（４）で表される。

Δθ＝（ｓｉｎ^-1（λ₂／ｄ−ｓｉｎθ₁）−ｓｉｎ^-1（λ₁／ｄ−ｓｉｎθ₁））／２
（４）

よって、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａのＹ軸方向のピクセルピッチをＰ_SLMとし、Ｙ軸方向に並ぶピクセル数をＮ_SLMとすると、集光光学系４３のＹ軸方向の焦点距離ｆ₁は、次の条件式（５）を満たすようにすれば良い。

２×ｆ₁×ｓｉｎΔθ ＝ Ｐ_SLM×Ｎ_SLM （５）

最後に投影光学系４５の焦点距離については、Ｘ軸方向の焦点距離ｆ_2TとＹ軸方向の焦点距離ｆ_2Lとがあるが、これらはそれぞれ次のように決める。

まず、受光素子４６ａの横幅（Ｘ軸方向幅）がＷ_dTで、この受光素子４６ａがＸ軸方向にＮ_d本並んでおり、空間光変調素子４４の各微小鏡４４ａは±α_mの偏向角を持つとすると、この投影光学系４５のＸ軸方向の焦点距離ｆ_2Tは、次式（６）の関係を満たせば良い。

ｆ_2T×sinα_m ＝ Ｗ_dT×Ｎ_d／２ （６）

なお、空間光変調素子４４の縦幅（Ｙ軸方向幅）がＰ_SLM×Ｎ_SLMとして表されるため、この空間光変調素子４４で反射された分光光のうち、Ｙ軸方向の成分が、投影光学系４５で集光されて受光素子４６ａの縦幅（Ｙ軸方向幅）Ｗ_dLに入ればいいので、投影光学系４５の倍率Ｍを次式（７）となるようにすれば良い。

Ｍ ＝ Ｗ_dL／（Ｐ_SLM×Ｎ_SLM） （７）

一方、投影光学系４５のＹ軸方向の焦点距離ｆ_2Lは、投影光学系４５から受光器４６までの距離Ｌ２が、投影光学系４５のＹ軸方向焦点距離ｆ_2Tに等しいので、空間光変調素子４４と投影光学系４５のＹ軸方向主面との距離がＬ１であれば、上述の式（１）の関係より、次式（８）のように表される。

ｆ_2L ＝ Ｌ１×ｆ_2T／（Ｌ１＋ｆ_2T） （８）

このように設計された光学系において、光軸に対してＸ軸方向にｋ番目の位置にある受光素子４６ａに入射させる際には、空間光変調素子４４でその蛍光波長を反射している微小鏡４４ａの傾きαを、次式（９）となるように制御すれば良い。なお、回折格子４２で分光された波長毎の分光光をどの受光素子４６ａに入射させるかは、制御部５０により空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの傾斜角を制御することにより選択することができる。

α ＝ ｓｉｎ^-1（ｋ×Ｗ_dT／ｆ_2T） （９）

空間光変調素子４４上の微小鏡４４ａはこの第１の実施形態のような光学配置の場合にはＹ軸方向に１次元に配列していることが望ましいが、微小鏡４４ａが２次元に配列していてもかまわない。その際にはＹ軸方向の同一高さにありＸ軸方向に並ぶ微小鏡４４ａが同一の反射角となるように制御されれば良い。

蛍光検出をする際に使われる励起光など受光素子４６ａに入射することが望ましくない波長の光に関しては、空間光変調素子４４上のその光の波長に対応する微小鏡４４ａの傾きを大きくすることで受光素子４６ａに入射しない方向に飛ばしてしまうこともできる。上記の設計手順において受光器４６を構成する受光素子４６ａのうち最も端に位置するものをブランクにしてしまうことで、検出が不要な励起光についてはその位置に集光するように空間光変調素子４４を制御することで、受光器４６に対して不要な光が入射することを防ぐことができる。

このように、この第１の実施形態に係る分光器４０は、信号光の波長ごとに受光素子４６ａを選択することができるので、必要以上に波長分割をすることなく必要最小限の受光素子４６ａで十分なＳ／Ｎを持った分光を行うことができる。さらに、励起光など不要な光が受光素子４６ａに入射して信号強度を乱したり受光素子４６ａを傷めたりすることを避けることができる。また、任意の励起波長が受光器４６に入ることを避けられるので、特に複数の励起波長で観察する共焦点顕微鏡に最適である。

また、この第１の実施形態に係る分光器４０は、光ファイバ２８を入射端としているので、容易に共焦点顕微鏡に接続することが可能である。すなわち、一般に共焦点顕微鏡では光検出をピンホールに接続した光検出器で行っているが、ピンホール透過後の光を光ファイバに入射させることで光検出器への光導入を容易に光ファイバで行うことが可能である。このようにして、分光機能を持った共焦点顕微鏡に適した分光器を構成することができる。

［第２の実施形態］
図４に、第２の実施形態に係る分光器１４０の構成を示す。第１の実施形態に係る分光器４０との違いは、横方向（ＸＺ断面におけるＸ軸方向であって、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向)において光ファイバ２８の射出端と空間光変調素子４４とが共役関係であり、同様に横方向（Ｘ軸方向）において回折格子４２と受光器４６の受光面とが共役関係になったことである。なお、縦方向（Ｙ軸方向であって、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａの回転可能な１次元方向と略直交する方向）の関係は第１の実施形態と同様であり、また、この第１の実施形態と同様の構成要素については、同一の符合を付し、詳細な説明は省略する。

図４（ａ）に示す分光器１４０は、光ファイバ２８から入射する信号光を略平行光とするコリメート光学系４１と、分光特性を有する波長分散素子（分光素子）である回折格子４２と、２次元に微小反射鏡（微小鏡）が配列された空間光変調素子４４と、回折格子４２で波長分散を受けた信号光（分光光）を空間光変調素子４４の空間光変調素子面上に１次元に集光する集光光学系１４３と、複数の受光素子４６ａがＸ軸方向にアレー状に並べられた受光素子アレーを有する受光器４６と、空間光変調素子４４で反射した光を受光器４６の受光面に結像させる投影光学系４５と、を有する。

この分光器１４０では、光ファイバ２８を介して取り込まれた信号光を、コリメート光学系４１により略平行光とし、回折格子４２に照射する。この信号光は回折格子４２で波長毎に異なる角度に分散されて集光光学系１４３により空間光変調素子４４上に集光される。なお、空間光変調素子４４は第１の実施形態と同様に、図３に示す構成を有している。また、この第２の実施形態において、集光光学系１４３は光軸に回転対称な屈折力を有している。そのため、回折格子４２でＹ軸方向上側に回折された分光光ＬＩ１は、集光光学系１４３により空間光変調素子４４のＹ軸方向上側に点像ＩＭ１１として集光される。また、回折格子４２でＹ軸方向下側に回折された分光光ＬＩ２は、集光光学系１４３により空間光変調素子４４のＹ軸方向下側に点像ＩＭ１２として集光される。

空間光変調素子４４で反射された分光光は投影光学系４５によって受光器４６に導かれる。ここで、投影光学系４５は第１の実施形態と同様、光軸に回転対称な屈折力を有する第１集光レンズ４５ａと例えばシリンドリカルレンズで構成される第２集光レンズ４５ｂとからなり、合成焦点距離がＹ軸方向とＸ軸方向で異なるように設計されている。なお、空間光変調素子４４及び受光器４６の投影光学系４５に対する配置位置は、第１の実施形態と同様である。

この第２の実施形態においても、投影光学系４５のＸ軸方向の焦点距離は、第１の実施形態と同様に、投影光学系４５のＸ軸方向主面と受光器４６との距離Ｌ２２に等しくなるように設計されており、図４（ｂ）に示すように、空間光変調素子４４上の微小鏡４４ａによる信号光（分光光ＬＩ１）の反射方向（反射光ＬＯ１の方向）に依存して受光器４６を構成する受光素子４６ａのうちのどの受光素子４６ａに入射するかを選択することができる。

また、投影光学系４５のＹ軸方向の焦点距離に関しても、第１の実施形態と同様に、空間光変調素子４４と受光器４６とが共役となるように設計されている。すなわち、空間光変調素子４４と投影光学系４５のＹ軸方向主面との距離がＬ２１である場合に焦点距離ｆが、次式（１０）の関係となるように設定されている。

ｆ ＝ Ｌ２１×Ｌ２２／（Ｌ２１＋Ｌ２２） （１０）

また、第１の実施形態と同様に、空間光変調素子４４の像が受光素子４６ａの受光面に収まる必要があることから、投影光学系４５のＹ軸方向の倍率は受光素子４６ａの受光領域の大きさと空間光変調素子４４の空間光変調素子面の大きさとの比以下となっている必要がある。ここで、投影光学系４５の倍率は距離Ｌ２２と距離Ｌ２１との比に等しいので、次式（１１）の関係を満たす必要がある。

Ｌ２２／Ｌ２１≦受光領域Ｙ軸方向サイズ／空間光変調素子面Ｙ軸方向サイズ （１１）

以下に、この第２の実施形態に係る分光器１４０の具体的な設計手段を示す。なお、第２集光レンズ４５ｂについてはＹ軸方向にのみ屈折力を有するシリンドリカルレンズを用いる場合について説明する。

まず、コリメート光学系４１の焦点距離ｆｃは、このコリメート光学系４１を通過した後の光ビームの幅がおおよそ受光素子４６ａの横幅（Ｘ軸方向幅）と等しくなるようにすれば良いので、受光素子４６ａのＸ軸方向幅をＷ′とすると、次式（１２）の関係を満足すれば良い。但し、ＮＡ_fは光ファイバ２８の開口数であり、ｆ_22T及びｆ₂₁はそれぞれ下記の式から決まる投影光学系４５のＸ軸方向の焦点距離及び集光光学系１４３の焦点距離である。

Ｗ′ ≧ （ｆ_22T／ｆ₂₁）×２×ｆｃ×ＮＡ_f （１２）

次に集光光学系１４３の焦点距離ｆ₂₁については、波長としてλ₁〜λ₂の範囲の信号光を検出するために、回折格子４２として格子定数ｄのものを使い、回折格子４２への入射角をθ₁とすると、回折格子４２からの出射角θ₂は、ｓｉｎ^-1（λ₁／ｄ−ｓｉｎθ₁）からｓｉｎ^-1（λ₂／ｄ−ｓｉｎθ₁）までの範囲となる。従って、回折格子４２から出射する分光光の半画角Δθは第１の実施形態で示した式（４）で表される。よって、空間光変調素子４４の微小鏡４４ａのＹ軸方向のピクセルピッチをＰ_SLMとし、Ｙ軸方向に並ぶピクセル数をＮ_SLMとすると、集光光学系１４３の焦点距離ｆ₂₁は、次の条件式（１３）を満たすようにすれば良い。

２×ｆ₂₁×ｓｉｎΔθ ＝ Ｐ_SLM×Ｎ_SLM （１３）

最後に投影光学系４５の焦点距離については、Ｘ軸方向の焦点距離ｆ_22TとＹ軸方向の焦点距離ｆ_22Lとがあるが、これらはそれぞれ次のように決める。

まず、受光素子４６ａの横幅（Ｘ軸方向幅）がＷ_dTで、この受光素子４６ａがＸ軸方向にＮ_d本並んでおり、空間光変調素子４４の各微小鏡４４ａは±α_mの偏向角を持つとすると、この投影光学系４５のＸ軸方向の焦点距離ｆ_22Tは、次式（１４）の関係を満たせば良い。

ｆ_22T×sinα_m ＝ Ｗ_dT×Ｎ_d／２ （１４）

なお、空間光変調素子４４の縦幅（Ｙ軸方向幅）がＰ_SLM×Ｎ_SLMとして表されるため、この空間光変調素子４４で反射された分光光のうち、Ｙ軸方向に延びる光が、投影光学系４５で集光されて受光素子４６ａの縦幅（Ｙ軸方向幅）Ｗ_dLに入ればいいので、投影光学系４５の倍率Ｍは、第１の実施形態で示した式（７）となるようにすれば良い。

一方、投影光学系４５のＹ軸方向の焦点距離ｆ_22Lは、投影光学系４５から受光器４６までの距離Ｌ２２が、投影光学系４５の横方向焦点距離ｆ_22Tに等しいので、空間光変調素子４４と投影光学系４５のＹ軸方向主面との距離がＬ２１であれば、上述の式（１０）の関係より、次式（１５）のように表される。

ｆ_22L ＝ Ｌ２１×ｆ_22T／（Ｌ２１＋ｆ_22T） （１５）

このように設計された光学系において、光軸に対してＸ軸方向にｋ番目の位置にある受光素子４６ａに入射させる際には、空間光変調素子４４でその蛍光波長を反射している微小鏡４４ａの傾きαを、次式（１６）となるように制御すれば良い。

α ＝ ｓｉｎ^-1（ｋ×Ｗ_dT／ｆ_22T） （１６）

例えば、図４（ｃ）に示すように、空間光変調素子４４のＹ軸方向上側に集光された点像ＩＭ１１の反射光ＬＯ１、はＸ軸方向左側の受光素子４６ａに集光されて像ＩＭ２１を形成し、空間光変調素子４４のＹ軸方向下側に集光された点像ＩＭ１２の反射光ＬＯ２は、Ｘ軸方向右側の受光素子４６ａに集光されて像ＩＭ２２を形成している。このとき、投影光学系４５により形成される点像ＩＭ１１，ＩＭ１２の像は、Ｘ軸方向に延びるライン上の光パターンとなる。

なお、この第２の実施形態においても、空間光変調素子４４上の微小鏡４４ａはＹ軸方向に１次元に配列していることが望ましいが、微小鏡４４ａが２次元に配列していてもかまわない。その際にはＹ軸方向の同一高さにありＸ軸方向に並ぶ微小鏡４４ａが同一の反射角となるように制御されればよい。

第２の実施形態に係る分光器１４０を以上のような構成にすることによって、空間光変調素子４４の素子サイズを小さくすることができる。

［第３の実施形態］
図５に、第３の実施形態に係る分光器２４０の構成を示す。第１及び第２の実施形態に係る分光器４０，１４０との違いは、縦方向(ＹＺ断面におけるＹ軸方向)及び横方向(ＸＺ断面におけるＸ軸方向)で、光ファイバ２８の射出端と空間光変調素子２４４が共役関係であり、同様に回折格子４２と受光器２４６の受光面が共役関係になったことである。なお、第１及び第２の実施形態と同様の構成要素については、同一の符合を付し、詳細な説明は省略する。

図５（ａ）に示す分光器２４０は、光ファイバ２８から入射する信号光を略平行光とするコリメート光学系４１と、分光特性を有する波長分散素子（分光素子）である回折格子４２と、２次元に微小反射鏡（微小鏡）が配列された空間光変調素子２４４と、回折格子４２で波長分散を受けた信号光（分光光）を空間光変調素子２４４上に１次元に集光する集光光学系１４３と、複数の受光素子２４６ａを有する受光器２４６と、空間光変調素子２４４で反射した光を受光器２４６の受光面に結像させる投影光学系２４５と、を有する。なお、この第３の実施形態に係る分光器２４０においては、必ずしも受光素子２４６ａはアレー上に並んでいる必要はなく、例えば、図５（ｄ）に示すように２次元に配置することができる。

この分光器２４０では、光ファイバ２８を介して取り込まれた信号光を、コリメート光学系４１により略平行光とし、回折格子４２に照射する。観察光は回折格子４２で波長毎に異なる角度に分散されて集光光学系１４３により空間光変調素子２４４上に集光される。この第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、集光光学系１４３は光軸に回転対称な屈折力を有している。そのため、図５（ａ），（ｂ）に示すように、回折格子４２でＹ軸方向上側に回折された分光光ＬＩ１は、集光光学系１４３により空間光変調素子２４４のＹ軸方向上側に点像ＩＭ１１として集光される。また、回折格子４２でＹ軸方向下側に回折された分光光ＬＩ２は、集光光学系１４３により空間光変調素子２４４のＹ軸方向下側に点像ＩＭ１２として集光される。

また、空間光変調素子２４４は第１及び第２の実施形態とは異なり、上述の所定の１次元方向（Ｘ軸方向）に加えて、この１次元方向に略直交する方向（Ｙ軸方向）にも鏡面を傾斜させることができる、すなわち、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２軸に鏡面を傾斜させることができるようになっている。例えば、図６に示すように、各微小鏡２４４ａは、第１ヒンジ２４４ｂで支えられた第１軸２４４ｃの周りに第１電極２４４ｆに加えられた電圧によってＸ軸方向に鏡面を傾斜させることができ、さらに、この第１ヒンジ２４４ｂは、第２ヒンジ２４４ｄで支えられた第２軸２４４ｅの周りに第２電極２４４ｇに加えられた電圧によってＹ軸方向に鏡面を傾斜させることができるように構成されている。

空間光変調素子２４４において反射された分光光は投影光学系２４５によって受光器２４６に導かれる。ここで、投影光学系２４５は、第１及び第２の実施形態とは異なり、Ｙ軸方向とＸ軸方向で焦点距離は同じである。例えば、この投影光学系２４５は、光軸に回転対称な屈折力を有して構成されている。この第３の実施形態において、受光器２４６は、投影光学系２４５の光軸と略直交する面内におけるＹ軸方向（分光方向）に関してこの投影光学系２４５の後側焦点位置に配置されている。すなわち、投影光学系２４５の焦点距離は、投影光学系２４５の主面と受光器２４６との距離Ｌ２に等しくなるように設計されており、図５（ａ），（ｃ），（ｄ）に示すように、空間光変調素子２４４上の微小鏡２４４ａによる信号光（分光光ＬＩ１）の反射方向（反射光ＬＯ１の方向）に依存して受光器２４６を構成する受光素子２４６ａのうちのどの受光素子２４６ａに入射するかを選択することができる。

以下に、この第３の実施形態に係る分光器２４０の具体的な設計手段を示す。

まず、コリメート光学系４１の焦点距離ｆｃは、このコリメート光学系４１を通過した後の光ビームの径に集光光学系１４３と投影光学系２４５で決まる倍率を乗じた径が受光素子２４６ａの径に等しくなるようにすれば良いので、受光素子２４６ａの径をΦとすると、次式（１７）の関係を満たせば良い。但し、ＮＡ_fは光ファイバ２８の開口数であり、ｆ₃₂及びｆ₃₁はそれぞれ下記の式から決まる投影光学系２４５の焦点距離及び集光光学系１４３の焦点距離である。

Φ ≧ （ｆ₃₂／ｆ₃₁）×２×ｆｃ×ＮＡ_f （１７）

次に集光光学系１４３の焦点距離ｆ₃₁については、波長としてλ₁からλ₂の範囲の信号光を検出するために、回折格子４２として格子定数ｄのものを使い、回折格子４２への入射角をθ₁とすると、回折格子からの出射角θ₂は、ｓｉｎ^-1（λ₁／ｄ−ｓｉｎθ₁）からｓｉｎ^-1（λ₂／ｄ−ｓｉｎθ₁）までの範囲となる。従って、回折格子４２から射出する分高校の半画角Δθは第１の実施形態で示した式（４）で表される。よって、空間光変調素子２４４の微小鏡２４４ａのＹ軸方向のピクセルピッチをＰ_SLMとし、Ｙ軸方向に並ぶピクセル数をＮ_SLMとすると、集光光学系１４３の焦点距離ｆ₃₁は、次の条件式（１８）を満たすようにすれば良い。

２×ｆ₃₁×ｓｉｎΔθ ＝ Ｐ_SLM×Ｎ_SLM （１８）

最後に投影光学系２４５の焦点距離については、次のように決める。

図５（ｄ）に示すように、受光素子２４６ａの縦幅（Ｙ軸方向幅）がＷ_dLで、この受光素子２４６ａがＸ軸方向にＮ_d列、横幅（Ｘ軸方向幅）がＷ_dTで、Ｙ軸方向にＭ_d行、２次元上に並んでおり、また、空間光変調素子２４４の各微小鏡２４４ａは縦方向（Ｙ軸方向）に±α_mの偏向角を持ち、横方向（Ｘ軸方向）に±β_mの偏向角をもつとすると、この投影光学系２４５の焦点距離ｆ₃₂は、次式（１９），（２０）の関係を満たせば良い。

ｆ₃₂×ｓｉｎα_m ＝ Ｗ_dL×Ｎ_d／２ （１９）
ｆ₃₂×ｓｉｎβ_m ＝ Ｗ_dT×Ｍ_d／２ （２０）

このように設計された光学系において、光軸に対して縦方向（Ｙ軸方向）にｊ番目で、横方向（Ｘ軸方向）にｋ番目の位置にある受光素子２４６ａに入射させる際には、空間光変調素子２４４でその蛍光波長を反射している微小鏡２４４ａの傾きα，βを、次式（２１），（２２）となるように制御すれば良い。

α ＝ ｓｉｎ^-1（ｊ×Ｗ_dL／ｆ₃₂） （２１）
β ＝ ｓｉｎ^-1（ｋ×Ｗ_dT／ｆ₃₂） （２２）

例えば、図５（ｄ）に示すように、空間光変調素子２４４のＹ軸方向上側に集光された点像ＩＭ１１の反射光ＬＯ１、は上段のＸ軸方向左側の受光素子２４６ａに集光されて像ＩＭ２１を形成し、空間光変調素子２４４のＹ軸方向下側に集光された点像ＩＭ１２の反射光ＬＯ２は、下段のＸ軸方向右側の受光素子２４６ａに集光されて像ＩＭ２２を形成している。

なお、この第３の実施形態においても、空間光変調素子２４４上の微小鏡２４４ａはＹ軸方向に１次元に配列していることが望ましいが、微小鏡２４４ａが２次元に配列していてもかまわない。その際にはＹ軸方向の同一高さにありＸ軸方向に並ぶ微小鏡２４４ａが同一の反射角となるように制御されればよい。

第３の実施形態に係る分光器２４０を以上のような構成にすることによって、空間光変調素子２４４の素子サイズを小さくすることができる。また、受光器２４６は、その受光素子２４６ａを１次元だけでなく２次元に配置することもでき、分光された波長毎に、これらの受光素子２４６ａの選択自由度を上げることができる。

１ 顕微分光システム ２０ 共焦点ユニット ３０ 顕微鏡
４０ 分光器 ４１ コリメート光学系 ４３ 集光光学系
４４ 空間光変調素子 ４４ａ 微小鏡（反射鏡）
４５ 投影光学系 ４６ 受光器 ４６ａ 受光素子

Claims (2)

1. 光源からの光を走査して対物レンズにより標本に集光し、前記標本から射出した信号光を前記対物レンズで集光する顕微鏡と、
   分光器と、
   前記顕微鏡からの前記信号光を前記分光器に入射させる光ファイバと、を有する顕微分光システムであって、
   前記分光器は、
   信号光を略平行光とするコリメート光学系と、
   前記略平行光を分光する分光素子と、
   前記分光素子で分光された分光光を受光する集光光学系と、
   複数の反射鏡が、少なくとも前記分光素子による分光方向に１次元に配列されて空間光変調素子面を形成し、前記複数の反射鏡の各々が所定の回転軸を中心に回転することにより当該反射鏡で反射された前記分光光の集光位置を少なくとも所定の１次元方向、及び前記所定の１次元方向と略直交する方向に移動可能な空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で反射された前記分光光を受光する投影光学系と、
   複数の受光素子が、前記投影光学系の光軸と略直交する面内に互いに隣接されて２次元に配列された受光器と、を有し、
   前記投影光学系は、前記光軸に回転対称な屈折力を有し、
   前記受光器の配置位置は、前記投影光学系の焦点位置であり、
   前記信号光は、前記光ファイバの端面から射出されて前記コリメート光学系に入射するように構成されることを特徴とする顕微分光システム。
2. 前記集光光学系は、前記集光光学系の光軸に回転対称な屈折力を有することを特徴とする請求項１に記載の顕微分光システム。