JP6847973B2 - 分光器、及び、それを備えた顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、例えば分光分析のために用いられる分光器に関する。

イメージング性能の優れた分光器の１つとして例えばＤｙｓｏｎ型分光器が知られている。このＤｙｓｏｎ型分光器は、入射スリット、凸曲面を有する屈折レンズ、凹曲面を有する反射型回折格子、検出器を備えたものであり、屈折レンズの凸曲面と反射型回折格子の凹曲面が同心円状に配置されたものである。

特許文献１に記載のＤｙｓｏｎ型分光器１００Ａは、屈折レンズ３Ａの収差による影響を補償し、スペクトル分解能を向上させるために図９に示すように屈折レンズ３Ａの凸曲面側と、反射型回折格子４Ａの凹曲面との間に補償レンズ５Ａが設けられている。

米国特許公報６１８１４１８号公報

しかしながら、特許文献１のように補償レンズ５Ａが設けられると以下のような問題が生じることになる。

まず、屈折レンズ３Ａと反射型回折格子４Ａの間に補償レンズ５Ａが設けられているので、光が屈折レンズ４Ａから反射型回折格子４Ａへ入射する際と、反射型回折格子４Ａで反射されて屈折レンズ３Ａに戻る際に補償レンズ５Ａを２回通過することになる。このため、屈折レンズ３Ａを通過して反射型回折格子４Ａに入射する光の位置や角度が最適化されるように補償レンズ５Ａを設計すると、反射型回折格子４Ａで反射された光は補償レンズ５Ａで屈折されて屈折レンズ３Ａには最適な位置に入射できないことになる。このことがスペクトル分解能のさらなる向上を妨げる原因となっている。

また、光が補償レンズ５Ａを２回通過する光路となっているので、従来のＤｙｓｏｎ型分光器と比較して反射面となる界面の通過回数が４回多くなっているため、検出器６Ａに到達できる光の量が減少して効率が低下したり、迷光が増加したりする。

本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、受光効率の低下や迷光の発生を抑えつつ、広範囲の波長範囲においてスペクトル分解能を向上させることができる分光器、及び、それを用いた顕微鏡を提供することを目的とする。

すなわち、本発明に係る分光器は、光源から射出された光が入射する第１面、及び、前記第１面から入射した光が射出される凸曲面状の第２面を具備する屈折レンズと、前記屈折レンズの前記第２面から射出された光が入射する光を反射するとともに回折する凹曲面状の反射型回折格子と、前記反射型回折格子で反射されて、前記屈折レンズの前記第２面から入射して前記第１面から射出される光が結像する位置に設けられた検出器と、前記屈折レンズの前記第１面、及び、前記検出器の間に設けられ、前記屈折レンズの収差を補償する補償要素と、を備えたことを特徴とする。

このようなものであれば、前記補償要素が前記屈折レンズの前記第１面、及び、前記検出器の間に設けられているので、光が当該補償要素を１回だけ通過するようにできる。したがって、前記屈折レンズにおけるコマ収差や色収差等の影響を前記検出器において補償して最適化した上で前記検出器に光を結像させることが可能となる。

また、この補償要素を設けることで光路が変化して影響を受ける光学素子は存在しないので従来よりも最適化設計がしやすい。

さらに、光は前記補償要素を１回しか通過しないので、光が通過する界面の増加数を最小限とし、効率の低下や迷光の増加も抑えることができる。

広い波長域において前記屈折レンズの収差の影響を補償し、スペクトル分解能を向上させられるようにするには、前記補償要素が、異なる屈折率を有する透光材で形成された複数のレンズを組み合わせて構成されているものであればよい。このようなものであれば、波長ごとに最適な補償を設計しやすい。

上述した組み合わせレンズの具体例としては前記補償要素を構成する組み合わせレンズの各面が球面であるものが挙げられる。

前記補償要素を所望の性能を実現しながら製造性を良くして、安価に製造できるようにするには、前記補償要素を構成する組み合わせレンズの光入射面又は光射出面のいずれか一方が平面であればよい。

前記屈折レンズの収差の影響を補償する能力をさらに高くするには、前記補償要素が非球面レンズで構成されていればよい。

イメージング性能を高いものにするには、前記屈折レンズの前記第２面の凸曲面と、前記反射型回折格子の凹曲面が同心円状に配置されていればよい。

前記検出器と、前記入射スリットの位置を離すことができ、大きな機器であっても取り付けやすくするには、前記光源、及び、前記屈折レンズの前記第１面の間に設けられた反射要素をさらに備え、前記光源の光軸方向が前記屈折レンズの光軸方向に対して交差するように設けられており、前記入射スリットを通過した光が前記反射要素で反射されて前記屈折レンズの前記第１面に入射するように構成されていればよい。

前記反射要素から前記屈折レンズの前記第１面に光が入射する際の干渉縞の発生を抑えつつ、光の一部の波長成分が透過しなくなるのを防ぐには前記反射要素が反射プリズムであり、当該反射プリズムの光射出面と前記屈折レンズの前記第１面との間が離間していればよい。

前記光源から射出された光が前記屈折レンズの前記第２面や前記反射型回折格子で反射されて再び光源に戻ることにより迷光が発生するのを防ぐには、前記光源が、同心円状に配置された前記第２面の凸曲面と前記反射型回折格子の凹曲面の中心が前記反射要素の反射面に対して面対象となる点からずらして配置されていればよい。

本発明に係る分機器を備えた顕微鏡であれば、幅広い波長域において高分解能の分光分析を実現できる。

本発明に係る分光器であれば、屈折レンズの収差の影響を補償してスペクトル分解能を向上させつつ、補償要素を光が通過する回数を１回だけにして受光効率の低下や迷光の増加を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る分光器の構造を示す模式図。 同実施形態における分光器と従来の分光器とのスペクトル分解能の違いを示すシミュレーション結果。 本発明の第１変形例における補償要素を示す模式図。 本発明の第２変形例における補償要素を示す模式図。 本発明の第３変形例における補償要素を示す模式図。 本発明の第４変形例における反射要素及び屈折レンズを示す模式図。 本発明の第５変形例における分光器を示す模式図。 第５変形例における第２面からの反射光の進路を示す模式図。 従来の分光器の構造を示す模式図。

１００・・・分光器
１ ・・・入射スリット
２ ・・・反射要素
３ ・・・屈折レンズ
３１ ・・・第１面
３２ ・・・第２面
４ ・・・反射型回折格子
５ ・・・補償要素
６ ・・・検出器

本発明の一実施形態に係る分光器１００について図１を参照しながら説明する。前記分光器１００は、例えば分光顕微鏡に用いられるものであり、いわゆるＤｙｓｏｎ型分光器にさらに補償要素５を備えたものである。

より具体的には前記分光器１００は、光路順に光源である入射スリット１、反射要素２、屈折レンズ３、反射型回折格子４、補償要素５、検出器６が設けてある。以下に各部について詳述する。

前記入射スリット１は、所定の長方形状のスリット幅を有するものである。本実施形態では前記入射スリット１は１０μｍ×１００μｍの長方形状のスリットを有する。この入射スリット１に対して顕微鏡で測定する測定対象からの反射光又は透過光が入射し、ビーム断面が概略長方形状にされて射出される。図１に示されるように前記入射スリット１の開口方向は、前記屈折レンズ３の光軸方向に対して垂直となるように設けてある。

前記反射要素２は、例えばガラス製の反射プリズムであって前記入射スリット１を通過した光を反射して前記屈折レンズ３へと入射させるものである。この反射要素２の反射面は前記入射スリット１の開口方向に対してほぼ４５度をなすように斜めに傾けて設けてある。すなわち、前記入射スリット１の設けてある点に対して前記反射要素２の反射面と面対象の関係にある位置に屈折レンズ３の凸曲面の中心とが一致するように配置してある。

前記屈折レンズ３は、概略平凸形状をなすレンズであって、前記入射スリット１を通過した光が入射する平面である第１面３１と、前記第１面３１から入射した光が内部を通過して外部へと射出される凸曲面状の第２面３２とを具備するものである。図１に示されるように、本実施形態では前記入射スリット１を通過した光が前記反射要素２で反射されてその進行方向が９０度曲げられた後に前記第１面３１へと入射するように構成してある。前記第１面３１に入射する光の入射点の位置は前記第１面３１の中心線よりも外側にしてある。

前記反射型回折格子４は、凹曲面に１００〜１０００本／ｍｍの間隔で格子が形成してある。この凹曲面と前記屈折レンズ３の前記第２面３２は同心円をなすようにしてあり、光の幅方向に対して分光する。この反射型回折格子４で回折、反射された光の大部分は前記第２面３２において光が射出される箇所とは別の箇所であり、紙面において上側半分の部分へと入射するようにしてある。

前記補償要素５は、反射型回折格子４で反射された光が前記屈折レンズ３の前記第２面３２に入射し、内部を通過して前記第１面３１から射出される箇所に一方が対向し、他方が前記検出器６に対向するようにしてある。前記補償要素５は、前記屈折レンズ３とは屈折率の異なる２つのレンズからなる組み合わせレンズであり、２つのレンズで形成される３つの境界面はそれぞれ球面をなすようにしてある。この補償要素５は前記屈折レンズ３の収差による誤差を補償するものであり、短波長側の光よりも長波長側の光に対して強く作用するよう構成してある。

前記検出器６は補償要素５を通過したそれぞれ分光された光が結像する位置に設けてあり、その受光面は前記屈折レンズ３の前記第１面３１とほぼ平行となるように設けてある。

このように構成された分光器１００による前記検出器６で検出される各波長のスリット像に関するシミュレーション結果について、図３のように構成された従来の分光器１００で検出される各波長のスリット像の検出結果に関するシミュレーション結果と比較しながら説明する。

図２にそれぞれのシミュレーション結果を示す。

本実施形態の分光器１００によれば、従来の分光器１００と比較して長波長側においてもスリット形状が保たれた状態で検出されており、隣接する波長との区別可能な最小単位をより小さくできていることが分かる。

しかして本実施形態の分光器１００では、前記補償要素５が前記屈折レンズ３の前記第１面３１と前記検出器６との間に設けられており、１回しか通過しないので、前記屈折レンズ３の収差による影響を補償するために最適設計を行っても、その作用が他の光学系に対して別の影響を発生しにくくできる。このため、従来の分光器１００と比較してより高精度なスペクトル分解能を得ることができる。

また、前記補償要素５に対して光は１回しか通過しないので、典型的なＤｙｓｏｎ型分光器１００に対して光路上における境界面、反射面の増加数を最小限に抑えることができる。このため、光量の低下による受光効率の低下や、迷光の発生を抑えることができ、スペクトル分解能やイメージング能力を高くできる。

さらに前記反射要素２により前記入射スリット１を前記屈折レンズ３の前記第１面３１に対向させなくてもよいので、前記入射スリット１と前記検出器６を離して設けることができる。したがって、前記検出器６についても分解能が高く大型のものを使用しやすくなったり、前記入射スリット１と前記検出器６との取り回しを良くしたりできる。

その他の実施形態について説明する。

補償要素については、組み合わせレンズに限られるものではなく、例えば単一のレンズで補償するようにしてもよい。また、逆に３つ以上のレンズからなる組み合わせレンズにより補償要素を構成してより高精度に屈折レンズの収差を補償できるようにしてもよい。

また、補償要素を構成する組み合わせレンズの全ての面を曲面にする必要はなく、図３に示すように補償要素５を構成する組み合わせレンズにおいて屈折レンズ３の第１面３１と対向する光入射面を平面として形成してもよい。あるいは図４に示すように補償要素５を構成する組み合わせレンズにおいて検出器６と対向する光射出面を平面として形成してもよい。これらのようなものであれば、屈折レンズ３の収差を補償できるようにしつつ、補償要素５の加工を容易にでき製造コストを低減しやすい。加えて、屈折レンズ３の収差をさらに高精度に補償できるようにするには、図５に示すように補償要素５を非球面レンズで構成してもよい。

また、補償要素５については回折現象を利用したＤＯレンズ、ＤＯ素子を用いてもよい。さらに補正要素５として収差補正板を用いてもよいし、分布屈折率レンズ（ＧＲＩＮレンズ）を用いてもよい。

図６に示すように屈折レンズ３の第１面３１と反射プリズムで構成された反射要素２の光射出面との間に隙間を形成して、所定距離離間するようにしてもよい。なお、隙間については通過する光の波長よりも大きくする、あるいは光源がハロゲンランプやＳＬＤのような広帯域光源の場合にはその可干渉長よりも大きくすることにより、反射要素２と屈折レンズ３との間を光が通過する際に干渉縞が生じるのを抑制することができる。また、隙間を接着剤等で埋めずにそのままにしておくことで、通過する光の一部が接着剤で吸収されたり乱反射されたりすることにより減衰する事も防げる。したがって、広範囲の波長を検出器６にまで導くことが可能となる。

さらに図７に示すように光源である入射スリット１の反射要素２に対する位置は前記実施形態よりも屈折レンズ３の第１面３１側にずらして配置してもよい。すなわち、屈折レンズ３の第２面３２の凸曲面と前記反射型回折格子４の凹曲面が同心円となるように配置されている場合において、入射スリット１の位置が反射要素２の反射面に対して同心円の中心と一致させず、ずれた状態で配置してもよい。例えば前記実施形態のように光源が同心円の中心に対応する位置に配置されていると屈折レンズ３の第２面３２又は反射型回折格子４で反射された光が図９（ａ）に示すように光源に戻ってきて迷光となる可能性がある。これに対して図８のように光源を配置することにより、第２面３２又は反射型回折格子４で生じた反射光が光源には戻らないようにして迷光が発生しないようにすることができる。

前記反射要素については省略し、従来と同様に入射スリットの開口方向を屈折レンズの第１面に対して対向するように配置してもよい。光源については入射スリットによりライン光に形成したものに限られず、例えば光ファイバを１又は複数列で並べて設けたものをライン光を射出するための光源としてもよい。

本発明に係る分光器は顕微鏡だけに用いられるものではなく、カメラやその他の用途に用いても構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。

本発明であれば、屈折レンズの収差の影響を補償してスペクトル分解能を向上させつつ、補償要素を光が通過する回数を１回だけにして受光効率の低下や迷光の増加を抑制した分光器を提供できる。

Claims (10)

1. 光源から射出された光が入射する第１面、及び、前記第１面から入射した光が射出される凸曲面状の第２面を具備する屈折レンズと、
   前記屈折レンズの前記第２面から射出された光が入射する光を反射するとともに回折する凹曲面状の反射型回折格子と、
   前記反射型回折格子で反射されて、前記屈折レンズの前記第２面から入射して前記第１面から射出される光が結像する位置に設けられた検出器と、
   前記屈折レンズの前記第１面、及び、前記検出器の間に設けられ、前記屈折レンズの収差を補償する補償要素と、を備えたことを特徴とする分光器。
2. 前記補償要素が、異なる屈折率を有する透光材で形成された複数のレンズを組み合わせて構成されている請求項１記載の分光器。
3. 前記補償要素を構成する複数のレンズにおいて光が通過する各面が球面である請求項２記載の分光器。
4. 前記補償要素を構成する少なくとも１つのレンズの光入射面又は光射出面のいずれか一方が平面である請求項２記載の分光器。
5. 前記補償要素が非球面レンズで構成されている請求項１記載の分光器。
6. 前記屈折レンズの前記第２面の凸曲面と、前記反射型回折格子の凹曲面が同心円状に配置されている請求項１記載の分光器。
7. 前記光源、及び、前記屈折レンズの前記第１面の間に設けられた反射要素をさらに備え、
   前記光源の光軸方向が前記屈折レンズの光軸方向に対して交差するように設けられており、前記入射スリットを通過した光が前記反射要素で反射されて前記屈折レンズの前記第１面に入射するように構成されている請求項１記載の分光器。
8. 前記反射要素が反射プリズムであり、当該反射プリズムの光射出面と前記屈折レンズの前記第１面との間が離間している請求項７記載の分光器。
9. 前記光源が、同心円状に配置された前記第２面の凸曲面と前記反射型回折格子の凹曲面の中心が前記反射要素の反射面に対して面対象となる点からずらして配置されている請求項６記載の分光器。
10. 請求項１記載の分光器を備えた顕微鏡。

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