JP5903700B1 - マルチチャンネル分光器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数チャンネルでの遂次又は同時計測を実現し、且つ、小型で廉価なマルチチャンネル分光器を提供することを目的とする。【解決手段】複数の被検サンプルのスペクトルを同時に計測可能とするために、１つの光源に対向して配置した単レンズのコリメータ素子の組をＮ組分並列に配置する。また、マルチチャンネルでありながら小型の分光器を構築するために、光源からの光をコリメータ素子によって平行光束に変換し、分光素子に入射させ、集光レンズによって複数のチャンネルからの像が同一箇所に結像するように構成する。さらに、観測波長全域に渡って鮮明なスペクトル像を取得するために、コリメータ素子として使用する単レンズが検出器面上で生じせしめる軸上色収差の影響が補償される傾角に、検出器面を集光レンズの光軸に対して傾ける。【選択図】図１

Description

本発明は、光導波モードセンサを用いて反射光の波長や強度等の光学特性を測定するための分光器に関し、特に、マルチチャンネル対応の分光器を実現する光学ユニットの構造に係る技術である。

一般に、ＤＮＡ、抗原−抗体などのタンパク質、糖鎖などのバイオセンサおよび金属イオン、有機分子などの化学センサとして、表面プラズモン共鳴（SPR：Surface Plasmom Resonance）法を適用したＳＰＲセンサが知られている。従来のＳＰＲセンサにおける光学配置は、図８に示すようなクレッチマン配置という構成をとるのが一般的である。透明基板２０１上に金や銀などの金属を蒸着して金属薄膜層２０２を形成し、金属薄膜層２０２を形成した面と反対側の透明基板２０１の面に密着させたプリズム２０３に対して光源２０４から照射される入射光２１０Ａを全反射可能な範囲の入射角で入射させる。入射光２１０Ａは偏光板２０５で偏光され、光学プリズム２０３を通って透明基板２０１中を進むと、透明基板２０１と金属薄膜層２０２の境界面で両者の媒質屈折率の違いから全反射し、その反射光２１０Ｂは光学検出器２０６の方向へ向かう。入射光２１０Ａが透明基板２０１と金属薄膜層２０２の境界面で全反射するとき、金属薄膜層２０２の表面に染み出すエバネセント波成分によって、ある入射角で表面プラズモン共鳴が発現する。

この表面プラズモン共鳴が起こると、入射光のエネルギーは表面プラズモン波の励起に使われるため、反射光の強度が減少することが分かっている。金属薄膜層２０２の表面上に被検出試料が結合または吸着して誘電率に変化が生じれば、その結果、入射光２１０Ａの反射特性が相違することを利用し、被検出試料を検出することができるのである。

また、ＳＰＲセンサにおいて、光学系を簡素化し、小型化を実現した系として、波長分解型測定法が報告されている（例えば、非特許文献６、７参照）。図９に、非特許文献６の報告に係る光学系のＳＰＲセンサ３００の概要を示す。入射光３１０Ａは、光源３０１から光ファイバ３０２Ａを介して光学プリズム３０３の手前まで導かれ、コリメートレンズ３０４によって平行光にされ、偏光板３０５にてｐ偏光にされた後に、光学プリズム３０３に入射される。この入射光３１０Ａは、光学プリズム３０３上に密着する形で配された透明基板３０６上の金属薄膜層３０７に照射され、金属薄膜層３０７から反射される反射光３１０Ｂとして、集光レンズ３０８を通じて光ファイバ３０２Ｂで光検出器３０９まで導かれる。ここで光検出器３０９は、分光器３０９Ａを備えており、反射光３１０Ｂの反射スペクトルを観測する。このＳＰＲセンサ３００は、前述のＳＰＲセンサ２００と同様に、金属薄膜層３０７表面近傍で誘電率の変化が生じると、反射スペクトルに変化が生じ、誘電率変化を検知できる一方で、前述のＳＰＲセンサ２００と異なり、光学系を駆動させて入射光３１０Ａの金属薄膜層に対する入射角を変更することなく、反射光３１０Ｂを波長分解して測定に供する、つまりスペクトルを測定するため、光学系を簡素にし、装置を小型化できる利点を有する。

ＳＰＲセンサとよく似た構造を持ち、やはりセンサの検出面における、物質の吸着や誘電率の変化を検出するセンサとして、光導波モードセンサがある（非特許文献１、２、８〜１９、及び特許文献１〜６参照）。この光導波モードセンサは、ＳＰＲセンサで用いることができる全ての光学系と同等の光学系を使用することが可能であることが知られている。

図１０に、クレッチマン配置と類似の配置を用いた光導波モードセンサ４００を示す。光導波モードセンサ４００は、透明基板４０１ａと、その上に被覆した金属層又は半導体層で構成される薄膜層４０１ｂと、更にこの薄膜層４０１ｂ上に形成される光導波路層４０１ｃとからなる検出板４０１を用いる。この検出板４０１の光導波路層４０１ｃが形成されている面とは反対側の面に屈折率調節オイルを介して光学プリズム４０２が密着される。光源４０３から照射され、偏光板４０４にて偏光された光は、光学プリズム４０２を通して検出板４０１に照射される。入射光４１０Ａは、検出板４０１に対して全反射となる条件で入射する。ある特定の入射角において、入射光４１０Ａが光導波路内を伝搬する光導波モード（漏洩モード、又はリーキーモードとも呼ばれる）と結合すると、光導波モードが励起され、この光入射角度近傍で光の反射光強度が大きく変化する。このような光導波モードの励起条件は、光導波路層４０１ｃ表面近傍の誘電率によって変化することから、光導波路層４０１ｃの表面において物質の吸着や接近、離脱、変質が生じると、反射光４１０Ｂの強度に変化が現れる。この変化を光検出器４０５により観測することにより、光導波路層４０１ｃ表面における物質の吸着や接近、離脱、変質といった現象を検出することができる。

また、図１１に、図９に示したＳＰＲセンサ３００の光学系を光導波モードセンサに適用した場合の概要を示す。該図４に示す光照射手段は、光源５０１と、光ファイバ５０２Ａと、コリメートレンズ５０３と偏光板５０４で構成されている。光源５０１からの光は、光ファイバ５０２Ａに入射され、光学プリズム５０５に入射しやすい位置に導かれる。光ファイバ５０２Ａの先に配置されたコリメートレンズ５０３により、光ファイバ５０２Ａからの出射光は、平行光となるように設定される。また、この出射光は、偏光板５０４にて所望の偏光状態に偏光された後に、光学プリズム５０５に入射される。光学プリズム５０５に入射された光は、検出板５０６で反射され、反射光として光学プリズム５０５から出射された後、集光レンズ５０７により集光されて光ファイバ５０２Ｂに取り込まれ、分光器５０８及び光検出器５０９にて、反射強度又は反射スペクトルを観測可能とされる。検出板５０６は、透明基板５０６ａ上に、金属層又は半導体層で構成される薄膜層５０６ｂと、光導波路層５０６ｃとがこの順で配されたもので構成され、検出板５０６の光導波路層５０６ｃが配される面と反対側の面に光学プリズム５０５が光学的に密着されて配される。このような構造を有する光導波モードセンサ５００により、入射光が検出板５０６で反射された後の特性、例えば反射光スペクトルを観測すると、入射光のある特定波長帯域の光が、検出板５０６の表面に形成された光導波路層５０６ｃ内及びその近傍を局在的に伝搬する光導波モードを励起する条件を満たし、この波長帯域で反射強度が著しく弱まる現象が生じる。この光導波モード励起条件は、検出板５０６の光導波路層５０６ｃ表面近傍の誘電率によって変化するため、光導波路層５０６ｃ表面近傍の誘電率に変化があると、反射スペクトルが変化する。これにより、反射スペクトルの変化又はある特定波長帯域の反射光強度の変化を観測することで、光導波路層５０６ｃ表面近傍において誘電率変化を引き起こしている原因、例えば、物質の吸着や接近、離脱、変質を光検出器５０９で検出することができる。

特許第４５８１１３５号公報 特許第４５９５０７２号公報 特開２００７−２７１５９６号公報 特開２００８−０４６０９３号公報 特開２００９−０８５７１４号公報 米国特許出願公開第２０１３/０２９３８９６号明細書

Ｗ．Ｋｎｏｌｌ，ＭＲＳ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ １６，ｐｐ．２９−３９（１９９１年） Ｗ．Ｋｎｏｌｌ，Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．４９，ｐｐ．５６９−６３８（１９９８年） Ｈ．Ｋａｎｏ ａｎｄ Ｓ．Ｋａｗａｔａ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．３３，ｐｐ．５１６６−５１７０（１９９４年） Ｃ．Ｎｙｌａｎｄｅｒ，Ｂ．Ｌｉｅｄｂｅｒｇ，ａｎｄ Ｔ．Ｌｉｎｄ，Ｓｅｎｓｏｒ．Ａｃｔｕａｔ．３，ｐｐ．７９−８８（１９８２／８３年） Ｋ．Ｋａｍｂｈａｍｐａｔｉ，Ｔ．Ａ．Ｍ．Ｊａｋｏｂ，Ｊ．Ｗ．Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ，Ｍ．Ｃａｉ，Ｊ．Ｅ．Ｐｅｍｂｅｒｔｏｎ，ａｎｄ Ｗ．Ｋｎｏｌｌ，Ｌａｎｇｍｕｉｒ １７，ｐｐ．１１６９−１１７５（２００１年） Ｏ．Ｒ．Ｂｏｌｄｕｃ，Ｌ．Ｓ．Ｌｉｖｅ，ａｎｄ Ｊ．Ｆ．Ｍａｓｓｏｎ，Ｔａｌａｎｔａ ７７，ｐｐ．１６８０−１６８７（２００９年） Ｉ．Ｓｔａｍｍｌｅｒ，Ａ．Ｂｒｅｃｈｔ，ａｎｄ Ｇ．Ｇａｕｇｌｉｔｚ，Ｓｅｎｓｏｒ．Ａｃｔｕａｔ．Ｂ５４，ｐｐ９８−１０５（１９９９年） Ｍ．Ｏｓｔｅｒｆｅｌｄ，Ｈ．Ｆｒａｎｋｅ，ａｎｄ Ｃ．Ｆｅｇｅｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，ｐｐ．２３１０−２３１２（１９９３年） Ｅ．Ｆ．Ａｕｓｔ ａｎｄ Ｗ．Ｋｎｏｌｌ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７３，ｐ．２７０５（１９９３年） Ｍ．Ｆｕｊｉｍａｋｉ，Ｃ．Ｒｏｃｋｓｔｕｈｌ，Ｘ．Ｗａｎｇ，Ｋ．Ａｗａｚｕ，Ｊ．Ｔｏｍｉｎａｇａ，Ｔ．Ｉｋｅｄａ，Ｙ．Ｏｈｋｉ，ａｎｄ Ｔ．Ｋｏｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ８４，ｐｐ．１６８５−１６８９（２００７年） Ｋ．Ａｗａｚｕ，Ｃ．Ｒｏｃｋｓｔｕｈｌ，Ｍ．Ｆｕｊｉｍａｋｉ，Ｎ．Ｆｕｋｕｄａ，Ｊ．Ｔｏｍｉｎａｇａ，Ｔ．Ｋｏｍａｔｓｕｂａｒａ，Ｔ．Ｉｋｅｄａ，ａｎｄ Ｙ．Ｏｈｋｉ，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １５，ｐｐ．２５９２−２５９７（２００７年）

図１０に示すような従来の光導波モードセンサは、入射光が全反射可能な入射角でプリズムに向かって入射し、且つ、反射光が反射した方向先に光検出器を配置するという光学構成であるため、小型化を図ることが難しかった。また、同一サンプルを複数条件で計測する場合、条件の数に応じて複数の計測を繰り返すか、１チャンネル用の分光器を単純にＮ倍した光学系でＮチャンネル用の分光器を構築していた。

しかしながら、複数の計測を繰り返す手法は、条件の数が多くなるにつれ計測のために要する時間が多大になってしまう。また、分光チャンネルを単に並列化してＮチャンネルにする手法の場合は、図１１に示すような波長分解型導波モードセンサであっても、装置全体のコンパクト化が阻害されるばかりでなく、適切な光路確保のための各チャンネルのアライメントが極めて難しくなり、高度な同軸性を実現させようとすると廉価に製造できないという問題を抱えていた。

そこで本発明は、光の波長に対する光強度変化を利用して対象試料を検出するための分光器において、複数チャンネルでの遂次又は同時計測を実現し、且つ、その複数チャンネルを実現するために招いていた分光器の大型化及び高い製造コストを解消させる光学系を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために本発明に係るマルチチャンネル分光器は、複数の光源と、各光源に対向した位置に各々配置され、単レンズからなるコリメータ素子であって、前記単レンズは対応する前記光源と一対の組となって他の組と独立し、組の数が分光チャンネル数となる当該コリメータ素子と、前記コリメータ素子からの光を波長の違いにより光路分離させる分光素子と、前記分光素子で分散した各波長の光を光検出器にそれぞれ集光させる集光光学系とを備え、前記集光光学系の光軸に対して前記光検出器の撮像面を傾斜させて配置することにより、前記単レンズにより生じる軸上色収差量を補償することを特徴とする。

また、複数の分光チャンネルに対して共通の少なくとも１つの前記集光レンズが、前記複数の光源からの光束を受光することで、前記複数の分光チャンネルのすべてのスペクトル像が少なくとも一つの前記光検出器上の同一位置にスペクトル像を形成することを特徴とする。さらにまた、前記複数の光源のうちの少なくとも１つの光源の位置を、対応するコリメータ素子の光軸上からシフトさせ、前記シフトの量を調整して前記コリメータ素子からの光束の射出角度を制御することにより、前記光検出器上で形成されるスペクトル像の位置が分光チャンネル毎に異なるようにすることを特徴とする。また、前記コリメータ素子は、単一レンズを並べたコリメータレンズアレイを構成してもよい。

本発明に係るマルチチャンネル分光器は、前記複数の光源の各光源に対する前記光検出器上におけるスペクトル像の位置と、対応する分光チャンネルとの関係を記憶しておく記憶手段を更に含み、実際のスペクトル像の位置と、前記記憶手段に記憶されたスペクトル像の位置とを１対１に対応づける方法により、各分光チャンネルのアライメント調整の不完全性をソフトウェア処理による位置校正で補償することを特徴とする。

本願発明の分光器は、１つの光源に対向して配置した単レンズのコリメータ素子を一組とすると、複数組（Ｎ組）並べたマルチチャンネル構成であって、各チャンネルは互いに独立しており、組の数が分光チャンネル数に相当する。コリメータ素子に単レンズを使用することから、複数枚レンズで構成される場合と比較して部品点数が減り、材料及び製造コストが抑えられ、しかも微小なレンズ間の高度で繊細な同軸アライメント調整がなくなるので作業コストを大幅に低減できることになる。その結果、低価格な分光器を提供することが可能になる。

また、複数のチャンネルをもつマルチチャンネル分光器であるため、複数の試料を並列に計測することができ、複数チャンネルの同時計測が可能となる。

さらに、コリメータ素子によって光源からの光を平行にして分光素子に入射させ、集光レンズによって複数のチャンネルからの像が同一箇所に結像するように構成しているためマルチチャンネルでありながら小型の分光器を構築することができる。

また、本願発明のマルチチャンネル分光器は、像が形成される光検出面を集光レンズの光軸に対して傾けるように配置した光検出器を備えているため、コリメータ素子として使用する単レンズが生じせしめる軸上色収差のズレ量が、傾斜角度に対応するように傾けた光検出面により補償され、軸上色収差によって鮮明な像が生成されないという問題を解消することができる。

本発明に係るマルチチャンネル分光器に関する光学構成の概略をあらわした図である。 光源の例を示した図であり、図２（Ａ）は一次光源を用い、図２（Ｂ）は二次光源を用いて、対応するコリメータレンズへ光が入射する場合を示している。 コリメータレンズアレイを示した図である。 チャンネル数と集光光学系との関係を示した図である。 軸上色収差を示した図である。 光検出器の検出面を傾けて像を検出することを示した図である。 光源をコリメータレンズの光軸外に配置したときのスペクトル画像を示した図である。 従来の表面プラズモン共鳴法を用いたＳＰＲセンサの光学配置の一例を示した図である。 従来の表面プラズモン共鳴を用いたＳＰＲセンサの光学配置の他の例を示した図である。 従来の光導波モードセンサの光学配置の一例を示した図である。 従来の光導波モードセンサの光学配置の他の例を示した図である。

以下に図面を参照しながら、本発明に係るマルチチャンネル分光器の一実施形態について説明する。なお、本発明のマルチチャンネル分光器は、例えば、上述したような高感度分析装置に使用されるものであるが、本発明は、スペクトル像を形成するための光学系の構成に特徴があるため、分光器によって分光されたスペクトル像から各波長の強度変化を調べて対象試料を検出する処理等については省略することとする。

図１は、マルチチャンネル分光器１００における光学構成の概略図である。マルチチャンネル分光器内における光の進行を大まかに言えば、光源１からの光をコリメータ素子２により平行光にし、プリズム３を通過させた後、グリズム４を通すことによって分散させ、この分散した各色の光は、集光レンズ系５によって光検出器６（例えば、二次元受光センサ）で検出されるという流れである。

１．光源について
マルチチャンネル分光器１００の光源１は各チャンネルに存在する。すなわち、図２（Ａ）に示すように、原理的にはマルチチャンネルのチャンネル数に対応した複数の光源１(1)，１(2)，…をもつということになる。ただし、図２（Ｂ）に示すとおり、一次光源としては１つの光源であり、一次光源からの光が任意のレンズやミラーを介して複数の二次光源を形成し、各二次光源が後述するコリメータ素子２のそれぞれに入射して各チャンネルとなる構成における「二次光源」も、本願発明における「光源」に含まれる。
なお、本実施形態の場合、光源１にはＬＥＤを用いるが、必ずしもこれに限定されるわけではなく、他の任意の光源を適用することが可能である。

２．コリメータ素子について
本実施の形態では、コリメータ素子はコリメータレンズ２であって、光源１からの光をコリメータレンズ２に通して平行光にする。各光源１(i)（i=1，2，…）に対向して１つのコリメータレンズ２(i)（i=1，2，…）を配置する。また、各コリメータレンズ２(i)は、従来は複数枚のレンズで構成されることが一般的であるが、本実施形態のコリメータレンズは単レンズ構成である。したがって、１つの光源と１つの単レンズ型コリメータレンズが組を形成し、この組が光源の数だけ並んでマルチチャンネルを構成する。各チャンネルは互いに独立し、各光源に対する位置制御やＯＮ/ＯＦＦ切り替え等は他のチャンネル制御の影響を受けないようにすることができる。

さらに、本実施の形態のコリメータレンズ２は、複数のコリメータレンズ２(i)（i=1，2，…）を並べたレンズアレイで構成する。例えば、４個の単レンズ型コリメータレンズ２(1)〜２(4)が１つのコリメータレンズアレイ２である。各コリメータレンズ２(i)の径は例えば２ｍｍの極小レンズであり、各コリメータレンズが板形状材の上に所定の間隔で並ぶように一体成形する。コリメータレンズアレイ２の材質は、例えば樹脂材であり、金型による製作によって、レンズ径やレンズ間隔が定めた精度範囲内になるような大量生産が可能である。これにより、コリメータレンズアレイ２の製造コストを低減させることができる。また、複数のコリメータレンズ２(i)（i=1，2，…）が一体型となってレンズアレイを構築していることから、金型が所定の精度で製作されていれば、形成されたコリメータレンズアレイのレンズ同士についての位置合わせは不要である。
つまり、複数のコリメータレンズ２(i)（i=1，2，…）をコリメータレンズアレイ２という１つの成型品にすることで、金型加工の量産体制を通じた廉価な製造を行い得るし、しかも各レンズ間の手間のかかる複雑なアライメント工程を省略しながら高度な精度再現性を図ることを可能にする。レンズアレイは、直線上に配置するだけであっても構わないが、面上に２次元配列をなしても構わない。

なお、コリメータ素子は、必ずしもレンズ系に限定するわけではなく、ミラー系（例えば、パラボラミラー）や回折格子を用いてＬＥＤからの光束を平行光にしてもよい。また、コリメータ素子２によって平行光にした後、プリズム３に入射前に、偏光板８を通過する構成であってもよく、偏光方位は対象試料の特性に応じて適宜設定される。

３．ピンホールアレイ
光源１としてＬＥＤを使用した場合は、各コリメータレンズ２(i)のレンズ径（例えば、２ｍｍ）に対し、ＬＥＤ光の発光部面積が大きいため、そのままでは、コリメータレンズから射出される光の平行度を十分に高めることができない。そこで、コリメータレンズ２(i)の焦点距離に対して無視できる程度の小さな穴からの光がコリメータレンズに入射するようピンホールアレイ７をＬＥＤ１とコリメータレンズ２の間に配置させて点光源を作成することが望ましい。
本実施形態のマルチチャンネル分光器１００は、図１に示すとおり、ＬＥＤ１(i)の光進行方向にピンホール７を配置することで点状の光源を生成することにより、コリメータレンズ２(i)からの射出光を平行光にしている。

４．プリズム及びグリズム
コリメータレンズ２により平行光になった光束は、その後、計測対象の試料層があるプリズム３を通り、さらにグリズム４に入る。プリズム３を通るときに光は波長により異なった角度で屈折するが、その程度は、プリズム３に続いて配置されるグリズム４よりも有意に小さいため、分散効果は主にグリズム４によって与えられている。
ところで、上述したとおり、従来の光導波モードセンサとは異なり、本発明はマルチチャンネル分光器１００の装置全体をコンパクト化することも重要であるため、光源１から出た光が光検出器６まで直進しながら進行することが小型化を実現する上で好ましい。そのため、コリメータレンズ２からの平行光を試料層があるプリズム３へ入射し、全反射させて出射光を直進させ、さらにグリズム４のグレーティング機能を使って光を波長分散させることによって、マルチチャンネル分光器１００の構成要素が一直線となるような光学系を構築した（図１参照）。しかも、本発明は、単チャンネルではなく、マルチチャンネルのための分光器をコンパクトな光学系によって実現していることに留意されたい。
なお、生じせしめる分散の大きさに関わらずプリズム３及びグリズム４は共に、特許請求の範囲に記載する「分光素子」に相当する。また、グリズム４のかわりに平板透過型グレーティング等の分散素子を用いても良いことは自明である。

５．集光光学系
グリズム４によって分散された光は、波長ごとに特定の方向に向かって進み、グリズムの後方に配置した集光光学系５によって光検出器６の受光面上に結像する。本発明のマルチチャンネル分光器１００は、複数の「光源１(i)−コリメータレンズ２(i)」の組からの光束が、「１つの」集光光学系５によって光検出器６へ向かうという光路を確保しているのである。集光光学系５を複数のチャンネル（ＣＨ）間で共通にすると、集光光学系５は必然的に大口径化する。その結果、各チャンネル光路と集光光学系５のアライメントの要求の程度を大幅に緩和できるという効果を得られる。アライメントの精度を緩和する結果、一方で、光検出器６で形成されるスペクトル像が各チャンネルで厳密には同一位置にならないという課題が生じてしまう。このことによって生ずるスペクトル位置と波長の対応付けの不確からしさは、画像検出後の後処理で解消している。なお、コリメータレンズアレイ上にコリメータ素子を１列に配置する場合に集光光学系が大口径化するのはコリメータ素子の配列方向に沿った断面のみであるから、その断面が長軸となるようにレンズ開口を短冊状に切断することで、集光光学系の体積を縮小してもよい。

なお、集光光学系５は必ずしも１個に限らない。例えば、合計８チャンネルの場合、４チャンネルに関して或１つの集光光学系が、残りの４チャンネルに関して別の集光光学系が各チャンネルからの光を結像させるようにしてよい。１つの集光光学系が幾つのチャンネルを処理するかは、適宜決めてよい。

例えば、図４（Ａ）の場合、ＣＨ１〜ＣＨ８の光が集光光学系５によって光検出器６で結像する。図４（Ｂ）の場合、ＣＨ１〜ＣＨ４の光については集光光学系５−１によって光検出器６−１で結像し、ＣＨ５〜ＣＨ８の光については集光光学系５−２によって光検出器６−２で結像する。マルチチャンネルの光束を、１つの集光光学系が対応する光検出器に集光させるということは、光源の位置によらず、すなわちどのチャンネルであっても、光検出器６の検出面上の同一位置にスペクトル像を形成するということである。このことは、複数のチャンネルの単一位置検出を可能にするという技術的意義を有する。

６．光検出器
プリズム３を通りグリズム４によって分散した光は、集光光学系５によって光検出器６に集光する。光検出器６は、例えば、２次元ＣＣＤセンサである。光検出器６の検出面では、コリメータレンズ２を構成する材料の屈折率の波長依存性に由来して、図５に示すとおり、Ｐ₁が相対的に短波長（青色）の結像点、Ｐ₂が相対的に中間波長（緑色）の結像点、Ｐ₃が相対的に長波長（赤色）の結像点というように、結像位置が波長（色）によって前後にずれるという軸上色収差が生じる。ＬＥＤからの白色光源を用いた場合、青でピントを合わせると青白い輝点の周囲に赤い前ボケがあらわれ、赤でピントを合わせると赤っぽい輝点の周囲に青紫の後ボケがあらわれる。

そこで、このような軸上色収差の問題を解決するため、本願発明は光検出器６の検出面自体を傾けることによって波長によらずスペクトル全域が光検出器上で良像を形成するようにしている。
つまり、グリズム４で分けられた各波長に関する光の進行方向の収束性の違い、すなわち光軸方向の結像位置のずれは、検出面を光軸に対して垂直に設置することから生じている。赤色の光が光軸に沿って奥で軸と交わり、青色の光は、コリメータレンズ寄りの手前で交わるので、このずれ量にあわせて光検出器６の検出面が光軸に対して傾斜するように配置する。図５のＰ₁，Ｐ₂，Ｐ₃の波長の結像点がずれていたように、図６に示すＱ₁は相対的に短波長（青色）のスペクトルが作る結像点、Ｑ₂は相対的に中間波長（緑色）のスペクトルが作る結像点，Ｑ₃は相対的に長波長（赤色）のスペクトルが作る結像点である。光検出器６の検出面を傾けることにより、ピントが手前で合う青色も、奥でピントが合う赤色も、各結像位置は検出面上に存在する。これにより、波長の違いによる結像位置の光軸方向のずれを修正でき、波長によらずシャープな像形成が可能となる。なお、集光レンズ系５の前方に配置したグリズム４でコリメート光を分散させているので、この像は波長によって識別されるスペクトル像となることは言うまでもない。

各光源１(i) (ピンホールアレイ７を実装する場合はピンホールアレイ７、以下同様)と、対応のコリメータレンズ２(i)との同軸性を上げるほど、複数のチャンネルのすべてにおいて、光検出器６で検出されるスペクトル像の位置の同一性が高まる。スペクトル像が形成される範囲が広がらないということは、大きな検出面にする必要がなくなるので光検出器６を小さくさせることにつながる。

なお、本実施形態では光検出器６は２次元ＣＣＤセンサを用いた。これは各光源とコリメータレンズとの同軸性が不完全な場合にスペクトル像の同一位置性が損なわれたり、集光レンズ５の不完全性ゆえにスペクトル像が直線状でなく歪曲したりし得るからである。１次元のラインセンサの場合、歪曲像の端部がセンサの受光領域から外れてしまったり、全チャンネルのスペクトルが、同一受光領域に対応づけられなくなったりして、スペクトルすべてを検出できないことがあるので、２次元ＣＣＤセンサを使用することで、スペクトル像全体をカバーする構成とすることが望ましい。しかし、諸収差が小さく高精度な集光光学系５を使用することで、歪曲が無い或いは歪曲収差の程度が小さなスペクトル像であれば、１次元ラインセンサであってもよい。

次に、光源１(i) をコリメータレンズ２(i)の光軸上に配置せず、敢えてシフトさせてコリメータレンズの光軸外に置く構成について説明する。
上述したように、本願発明のマルチチャンネル分光器１００は、各チャンネルが独立しているので、各光源のＯＮ/ＯＦＦ切り替えは他のチャンネルに左右されない。そこで、例えば、ＣＨ１をＯＮにしてその後瞬時（例えば、０．１秒後）にＯＦＦにした後、ＣＨ２をＯＮにしてその後瞬時（例えば、０．１秒後）にＯＦＦにするという切り替えを最後のＣＨ８まで行うとする。全チャンネルの切り替えに要する時間は１秒にも満たないため、対象試料の計測間隔が例えば１０分に１回というような計測タイミングであると、各チャンネルのＯＮ/ＯＦＦ制御を適切に行うことで、全チャンネルについて実質的に同時計測しているとみなせる。

しかしながら、対象試料を数秒ごとに１回計測することが要求されたり、各チャンネルのＯＮ/ＯＦＦ制御が適切に働かなかったり、或いは、各チャンネルの像を別々に検出した後に画像合成して全チャンネルの画像を形成するといった画像処理を行わずに複数のチャンネルのスペクトル像を一括して検出したいときなどは、全チャンネルを同時計測したいニーズが出てくる。また、全チャンネルの同時計測であれば、各スペクトル像がどのチャンネルに対応しているかを識別することも必要である。これを解決する手段が、光源１(i)をシフトさせてコリメートレンズ２(i)の光軸外に（即ち、光軸上を外して）置く構成である。

図７は、マルチチャンネルとして３つのチャンネル（ＣＨ１〜ＣＨ３）を例に挙げ、光源をコリメータレンズの光軸外に配置したチャンネルを含むときのスペクトル画像を示した図である。

ＣＨ２は、光源の主軸とコリメータレンズの光軸が同軸上にあるチャンネルである。ＣＨ１及びＣＨ３は、光源をコリメータレンズの光軸から直交方向にオフセットしている。光学系を上からみた図７が示すとおり、ＣＨ１は−Δｙ₁、ＣＨ３は＋Δｙ₃だけ光軸からずれている。
いま、レンズの入射角θ、焦点距離ｆ、像高ｙとの関係は、ｙ＝ｆｔａｎ（θ）が成立することから、ＣＨ１及びＣＨ３の光源１(1)、１(3)が対応のコリメータレンズ２(1)、２(3)の光軸から±Δｙだけオフセットすると、コリメータレンズ２(1)、２(3)からの光は±Δθだけ傾いて出射されることになり、これが集光レンズ５への入射角となって、集光レンズを通った後に結像する像位置（像高）±ｙとなってあらわれる。
すなわち、各チャンネルが光検出器６における検出面上に形成するスペクトル像は、原理的に同一位置に出現せず、ＣＨ１のスペクトル像、ＣＨ２のスペクトル像、ＣＨ３のスペクトル像がばらけて、異なる位置で検出されることになる（図７の右端）。光源の、コリメータ光軸に対するオフセット量の変化が、光検出器上で形成されるスペクトル像の位置の変化に対応するのである。別の言い方をすると、光源１(i)とコリメータレンズ２(i)の同軸性を意図的に崩すことで、各光源−チャンネルに対応した光束が形成するスペクトル像の検出器上の座標を制御できるということを意味する。
なお、光源のコリメータレンズに対するオフセット方向をグリズムの分散方向と直交方向に選ぶとき、最小のオフセット量で各チャンネルのスペクトル像の重なりを回避できて好適であるが、オフセット方向は分散方向と直交する方向に限られるものではない。

したがって、コリメータレンズを光源の光軸からシフトさせる位置決め手段（図示せず）を備えたり、或いは各ＣＨに対してあらかじめ設定したシフト量で光学系の組み立ての際に光源を配置させたりしておけば、複数のチャンネルを同時に計測し、且つ検出器の同一検出面において複数の独立したスペクトル像を近接に配列させた中で、各スペクトル像がどのチャンネルに対応しているかを分別することが可能となる。これは、チャンネルに対応したスペクトル像を独立に識別可能な、複数チャンネルの同時分光を実現するという技術的意義を有する。

ところで、各チャンネルについて光源とコリメータレンズの同軸性が正確であり、諸収差の小さな光学系部品相互が高精度で組み付けられていれば、原理的には、すべてのチャンネルのスペクトル像は検出器６の検出面上で重なり合うことになる。しかしながら、実際には厳密なアライメントは難しく、装置のコスト高に反映されてしまう。また、上述したとおり、本実施形態のマルチチャンネル分光器１００は、複数のチャンネルの光束が共通の集光光学系５によって光検出器６に集光され、スペクトル像を形成するように構成した光学系であるので、高精度なアライメントを要求することが合理的であるとはいえない。

それゆえ、各チャンネルによって光検出器上のスペクトル像の位置に差が生じることへの対処は、検出面に座標を設けて目盛りをふり、どのチャンネルのスペクトル像が検出面のＸＹ座標のどの位置で検出されるかを、あらかじめ記憶してあるスペクトル校正テーブルと比較校正する。具体的には例えば、Ｘ座標が−Ｘ₁〜＋Ｘ₁、Ｙ座標が−Ｙ₁〜＋Ｙ₁の範囲内にあるスペクトル像はチャンネル（ＣＨ１）に対応するというように特定すればよい。その結果、各チャンネルに対応するスペクトル像を識別できるので、光学系部品アライメントを厳密にしなくてもスペクトル像の検出が可能になる。さらに言えば、マルチチャンネル分光器として組み上げた後、スペクトル分布が既知の光源を使ってチャンネルごとに、どの波長が検出器上のどの座標に対応づけられるかをあらかじめスペクトル校正テーブルに記憶させておけば、未知のスペクトル像を検出した際に、それと対応づけることによって、各チャンネルが検出しているスペクトルの波長割り付けを確実にできる。これらは、機械的な調整機構の実装を省略できるという技術的意義を有する。

本願発明は、従来の分光器が、光学系を構成するレンズによって光の波長に対応した収束性に差異が生じる色収差を回避するためミラーを使ったり、色収差を軽減するためにアクロマートレンズを使ったりしているというアプローチとはまったく異なる技術思想によるものであって、厳密なアライメントを要求することなく且つ色収差の影響を回避したマルチチャンネル対応の小型分光器を実現するという本願固有の技術を有している。

１ 光源
２ コリメータレンズアレイ
３ プリズム
４ グリズム
５ 集光レンズ系
６ 光検出器
７ ピンホールアレイ
８ 偏光板
１００ マルチチャンネル分光器
４０１、５０６ 検出板
２０１、３０６、４０１ａ、５０６ａ 透明基板
４０１ｂ 薄膜層
４０１ｃ 光導波路層
５０６ｂ シリコン層
５０６ｃ 酸化シリコン層
３０２Ａ、３０２Ｂ、５０２Ａ、５０２Ｂ 光ファイバ
３０４、５０３ コリメートレンズ
２０５、３０５、４０４、５０４ 偏光板
２０３、３０３、４０２、５０５ 光学プリズム
３０８、５０７ 集光レンズ
３０９Ａ、５０８ 分光器
２００、３００ ＳＰＲセンサ
２０２、３０７ 金属薄膜層
２０４、３０１、４０３、５０１ 光源
１０９、２０６、３０９、４０５、５０９ 光検出器
２１０Ａ、３１０Ａ、４１０Ａ 入射光
２１０Ｂ、３１０Ｂ、４１０Ｂ 反射光
４００、５００ 光導波モードセンサ

Claims (5)

1. 複数の光源と、
   各光源に対向した位置に各々配置され、単レンズからなるコリメータ素子を複数並べて一体構造にして前記単レンズ同士の位置合せを不要にしたマルチコリメータアレイであって、前記単レンズは対応する前記光源と一対の組となって他の組と独立し、組の数が分光チャンネル数となる当該マルチコリメータアレイと、
   前記マルチコリメータアレイの各コリメータ素子からの光を波長の違いにより光路分離させる分光素子と、
   前記分光素子で分散した各波長の光を光検出器にそれぞれ集光させる集光光学系と、
   を備えたマルチチャンネル分光器であって、
   前記集光光学系の光軸に対して前記光検出器の結像面を傾斜させて配置することにより、前記単レンズにより生じる軸上色収差量を補償する、マルチチャンネル分光器。
2. 複数の光源と、
   各光源に対向した位置に各々配置され、単レンズからなるコリメータ素子であって、前記単レンズは対応する前記光源と一対の組となって他の組と独立し、組の数が分光チャンネル数となる当該コリメータ素子と、
   前記コリメータ素子からの光を波長の違いにより光路分離させる分光素子と、
   前記分光素子で分散した各波長の光を光検出器にそれぞれ集光させる集光光学系と、
   を備えたマルチチャンネル分光器であって、
   前記集光光学系の光軸に対して前記光検出器の結像面を傾斜させて配置することにより、前記単レンズにより生じる軸上色収差量を補償し、
   前記複数の光源のうちの少なくとも１つの光源の位置を、対応するコリメータ素子の光軸上からシフトさせ、
   前記シフトの量を調整してコリメータ素子からの光束の射出角度を制御することにより、前記光検出器上で形成されるスペクトル像の位置が分光チャンネル毎に異なるようにする、マルチチャンネル分光器。
3. 複数の分光チャンネルに対して共通の少なくとも１つの前記集光光学系が、前記複数の光源からの光束を受光することで、前記複数の分光チャンネルのすべてのスペクトル像が少なくとも一つの前記光検出器上の同一位置にスペクトル像を形成することを特徴とする、請求項１又は２に記載のマルチチャンネル分光器。
4. 前記複数の光源のうちの少なくとも１つの光源の位置を、対応するコリメータ素子の光軸上からシフトさせ、
   前記シフトの量を調整してコリメータ素子からの光束の射出角度を制御することにより、前記光検出器上で形成されるスペクトル像の位置が分光チャンネル毎に異なるようにする、請求項１に記載のマルチチャンネル分光器。
5. 前記複数の光源の各光源に対する前記光検出器上におけるスペクトル像の位置と、対応する分光チャンネルとの関係を記憶しておく記憶手段を更に含み、
   実際のスペクトル像の位置と、前記記憶手段に記憶されたスペクトル像の位置とを対応付けることで各分光チャンネルのアライメント調整の不完全性をソフトウェア処理による位置校正で補償することを特徴とする、請求項３又は４に記載のマルチチャンネル分光器。