WO2010117026A1 - 光源装置及びそれを用いた分析装置及び液晶表示装置 - Google Patents

光源装置及びそれを用いた分析装置及び液晶表示装置 Download PDF

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light emitting
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與儀剛史
原田邦男
藤田毅
山崎功夫
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a light source device using a light emitting diode as a light source, and an analyzer and a liquid crystal display device using the light source device.
  • light-emitting diodes that are cheaper than halogen lamps and incandescent bulbs, consume less power, have a much longer lifetime, and have more output wavelengths than lasers are widely used as light sources for measurement or illumination.
  • the movement is active. Therefore, in the future, light emitting diodes are expected to contribute not only to the replacement of light sources in conventional products, but also to the development of new measurement, control, and illumination devices.
  • the light emitting diode is often used as a visible illumination light source, and is difficult to use as it is as a light source for measurement because of a large change in the amount of light accompanying a change in temperature.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-24826 a bandpass filter is used as a method of selecting and using only a fixed wavelength region in the emission spectrum of the light emitting diode, and its transmission center wavelength is set to 0 ° C. of the light emitting diode. A method of setting a wavelength longer than the peak wavelength is described.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-281078 describes a method for controlling the temperature of a light emitting diode so that the peak wavelength of the light emitting diode becomes a predetermined wavelength.
  • 2007-309840 describes another method for controlling the emission spectrum of a light emitting diode, storing the output characteristic of the emission spectrum and controlling the temperature of the light emitting diode so that the stored output characteristic is obtained. Has been. In that case, although the emission spectrum intensity changes when the temperature is changed, the driving power to the light emitting diode is controlled to keep the spectrum intensity constant.
  • light emitting diodes are being used as backlights for liquid crystal display devices.
  • a method of producing white light by combining a plurality of single-color light emitting diodes and using it as a backlight is common.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-310008 as a method of suppressing the temperature change of each single-color light emitting diode, the temperature of the light emitting diodes of a plurality of colors is detected, and the temperature of the light emitting diodes is kept constant according to the detected temperature. A system using a temperature control mechanism to control is described. Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • 2006-276725 discloses a method for feedback control of the emission intensity change of each monochromatic diode by driving power, and detects the luminance of each light emitting diode and drives the light emitting diode based on the detected luminance. A method for feedback control of electric power is described.
  • a liquid analysis system as a measuring device that uses light.
  • the sample solution By irradiating the sample solution with white light from a halogen lamp, etc., the light transmitted through the sample solution is dispersed to extract the necessary wavelength components, and the absorbance is calculated.
  • An apparatus for measuring a target component amount is widely used.
  • the sample solution is irradiated with only the necessary wavelength light.
  • the light source for measuring absorbance needs to have a light quantity stability of 1 / 10,000 in logarithmic ratio (0.023% in linear ratio) or more.
  • the wavelength band of the emission spectrum is sufficiently included in the wavelength band required for the light source for absorbance measurement.
  • any region of the emission spectrum can be used as light source light if the light quantity stability is satisfied.
  • the emission spectrum of the light emitting diode depends on the temperature and the input current. As the temperature increases, the amount of light on the short wavelength side of the emission spectrum decreases, and as a result, the peak wavelength shifts to the long wavelength side.
  • the transmission center wavelength of the bandpass filter When the transmission center wavelength of the bandpass filter is set longer than the peak wavelength of the light emitting diode at 0 ° C, it passes through the bandpass filter at 37 ° C, which is the normal operating temperature range of the liquid analysis system.
  • the light to be emitted may be on the short-wavelength side where the fluctuation varies greatly with temperature, and the above light quantity stability cannot be guaranteed.
  • the emission wavelength band of each single-color light emitting diode changes depending on the temperature. There is a problem that it is difficult to keep the chromaticity of the light to be constant.
  • An object of the present invention is to provide a technique for stabilizing the light amount and spectrum of a light source when a light emitting diode is used as the light source.
  • the emission spectrum of the light emitting diode at the set temperature in the emission spectrum of the light emitting diode at the set temperature, light on the shorter wavelength side than the wavelength on the long wavelength side with respect to the peak wavelength is smaller than the wavelength on which the light amount change rate due to temperature is smaller than the peak wavelength, and the rest Are used as light source light.
  • an optical filter is used as a member, and R ⁇ S / ⁇ T with respect to the light amount fluctuation rate R with respect to the temperature of light after passing through the optical filter, the temperature control width ⁇ T of the temperature control unit, and the required light amount stability S.
  • the set wavelength of the optical filter is selected so that Thereby, the light quantity change by temperature fluctuation can be suppressed small.
  • the temperature control width ⁇ T a standard deviation of the electrode portion temperature of the light emitting diode can be used.
  • the standard deviation (%) of the light quantity fluctuation can be used.
  • An analyzer irradiates a measurement container with a sample container, a reagent container into which a reagent is placed, a reaction container into which a sample in the sample container and a reagent in the reagent container are dispensed, and measurement light.
  • the light source device is a light emitting diode, a power source for driving the light emitting diode, and a temperature for controlling the temperature of the light emitting diode.
  • light on the short wavelength side is cut on the long wavelength side with respect to the peak wavelength and on the shorter wavelength side than the wavelength at which the change rate of light quantity due to temperature is smaller than the peak wavelength Member.
  • an optical filter is used as a member, and R ⁇ S / with respect to the light quantity fluctuation rate R with respect to the temperature of light after passing through the optical filter, the temperature control width ⁇ T of the temperature control unit, and the required light quantity stability S.
  • the set wavelength of the optical filter is selected so as to be ⁇ T.
  • the measurement light after interacting with the solution in the reaction vessel indicates light transmitted through the solution, light scattered by the solution, fluorescence generated from the solution, and the like.
  • the member that cuts light on the long wavelength side with respect to the peak wavelength of the emission spectrum at the set temperature and on the shorter wavelength side than the wavelength at which the rate of change in light quantity due to temperature is smaller than the peak wavelength is the wavelength width that includes the spectrum required for measurement. Is a long-pass filter or a band-pass filter, and typically a color filter can be used.
  • the set wavelength of the filter is set so that R ⁇ S / ⁇ T with respect to the light quantity fluctuation rate R with respect to the temperature of the light after passing through the filter, the temperature control width ⁇ T of the temperature control unit, and the required light quantity stability S.
  • a long pass filter, a band pass filter, or the like can be used.
  • the peak wavelength is longer than the peak wavelength of the emitted light spectrum in the emission spectrum at 55 ° C., which is the highest temperature in the operating temperature range.
  • the light having a shorter wavelength than the wavelength having a smaller light amount change rate due to temperature is cut, and the remaining emitted light is used as light source light.
  • an optical filter is used as a member, and R ⁇ S / with respect to the light quantity fluctuation rate R with respect to the temperature of light after passing through the optical filter, the temperature control width ⁇ T of the temperature control unit, and the required light quantity stability S.
  • the set wavelength of the optical filter is selected so as to be ⁇ T.
  • the present invention it is possible to minimize the intensity change of the emitted light spectrum when the light emitting diode is used as the light source.
  • the temperature range of the light emitting diode to be controlled for stabilizing the light amount can be widened, and the environment that can be used as a light source having the same stability is expanded.
  • the figure which shows the spectrum change accompanying the temperature change of a light emitting diode The figure which shows the temperature stability (circle dot) and light quantity (square dot) for every wavelength band among the emitted light of a light emitting diode.
  • the figure which shows the setting wavelength of an optical filter Schematic which shows the structural example of the liquid analysis system by this invention.
  • 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a temperature control unit of a light emitting diode.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a temperature control unit of a light emitting diode. Schematic of the measurement part of the liquid analysis system using a light emitting diode.
  • the block diagram which shows the structural example of a light source device. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a liquid crystal display device.
  • the block diagram which shows the structural example of a light source element. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration example of a liquid crystal display device.
  • the total light amount and the spectrum shape of the emitted light spectrum of the light emitting diode change. That is, as the temperature of the light emitting diode increases, the total amount of light decreases, and the peak of the spectrum moves to the long wavelength side. As is apparent from FIG. 1, the degree of change due to temperature is larger on the short wavelength side than on the long wavelength side.
  • the spectrum peak wavelength at 40.1 ° C. is about 574 nm
  • the spectrum at 20.0 ° C. is shorter than about 575 nm
  • the spectrum at 59.5 ° C. is about 578 nm.
  • the light quantity variation due to temperature increases.
  • there is a wavelength that is more stable with respect to temperature on the longer wavelength side than the peak wavelength and the light quantity stability is increased by cutting light on the shorter wavelength side. Therefore, it is only necessary to cut light on the shorter wavelength side with reference to a wavelength that is longer than the peak wavelength and is easy to stabilize with respect to temperature, that is, a wavelength with a small change rate of light quantity due to temperature.
  • the set temperature is 40.1 ° C.
  • the amount that can be cut may differ, but if light on the shorter wavelength side than the reference wavelength is removed as much as possible, the light quantity stability can be improved.
  • This light emitting diode is an example, but other light emitting diodes show the same tendency.
  • the temperature of the data in FIG. 1 is a value obtained by measuring the electrode portion of the light emitting diode.
  • the biochemical analyzer is required to measure the absorbance of the sample of the biochemical analysis item with an accuracy of about 1 / 10,000. Is within 1 / 10,000 (linear ratio is 0.023%).
  • the temperature fluctuation rate of the light amount of the light emitting diode and the cut FIG. 2 shows the ratio of the light quantity after cutting with respect to the previous light quantity.
  • the set temperature (use temperature) of the light emitting diode was 40.1 ° C.
  • the horizontal axis in FIG. 2 is the set wavelength (for example, the wavelength corresponding to the middle point of the wavelength corresponding to 72% and the wavelength corresponding to 5% (FIG. 3), and the left vertical axis is cut by an optical filter.
  • the vertical axis on the right is the ratio I (square dot) of the amount of light after being cut to the amount of light before being cut by the optical filter of the light emitting diode. Was 100%.
  • the light wavelength variation rate R with respect to the temperature of the emitted light of the light emitting diode cut by the optical filter is set so that R ⁇ S / ⁇ T. Select.
  • the light amount fluctuation of about 0.9% / ° C. occurs depending on the temperature.
  • the temperature accuracy of a high-precision chiller Is generally difficult to achieve because it is 0.05 ° C.
  • the amount of light decreases on the short wavelength side and the amount of light increases on the long wavelength side as the temperature increases.
  • the wavelength at which the amount of light turns from increasing to decreasing with increasing temperature is longer than the peak wavelength of the spectrum.
  • the set wavelength at which the light quantity fluctuation rate can be suppressed most is on the shorter wavelength side (572.9 nm) than the peak wavelength (574.3 nm) of the light emitting diode itself, and in that case, the light quantity of about 0.15% / ° C. It can be seen that the fluctuation rate can be suppressed. In this case, if the temperature is controlled at about 0.15 ° C., a stability of 0.023% in linear ratio can be obtained.
  • the set wavelength was set to 571 nm on the short wavelength side.
  • the light intensity at a wavelength of 571 nm is about 90% of the peak intensity of the emission spectrum.
  • the set wavelength may be set to a wavelength on the short wavelength side which is 90% of the peak intensity of the emission spectrum.
  • the set wavelength may be set between the peak wavelength and the wavelength that is 90% of the intensity of the peak wavelength on the shorter wavelength side than the peak wavelength.
  • FIG. 4 is a simplified diagram showing the overall configuration of the liquid analysis system according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a light source device mounted on the liquid analysis system.
  • a plurality of sample cups 2 containing samples 1 are arranged on the sample disk 3.
  • a plurality of reagent bottles 5 containing the reagents 4 are arranged on the reagent disk 6.
  • the cell disk 9 has a plurality of cells 8 in which the sample 1 and the reagent 4 are mixed to form a reaction solution 7.
  • the sample dispensing mechanism 10 moves the sample 1 from the sample cup 2 to the cell 8 by a certain amount.
  • the reagent dispensing mechanism 11 moves the reagent 4 from the reagent bottle 5 to the cell 8 by a certain amount.
  • the stirring unit 12 stirs and mixes the sample 1 and the reagent 4 in the cell 8.
  • the measuring unit 13 includes a light emitting unit 15 that is a light source that irradiates light to the reaction solution 7, and a light receiving element 21 that receives light transmitted through the reaction solution 7.
  • the cell 8 that has been analyzed is washed by the washing unit 14, the next sample is dispensed from the sample dispensing mechanism 10, and a new reagent is dispensed from the reagent dispensing mechanism 11.
  • the cell 8 is held in a constant temperature bath 17 and is immersed in a constant temperature fluid whose temperature and flow rate are controlled by the control unit, and the cell 8 and the reaction liquid 7 therein are moved in a state of being maintained at a constant temperature. Water was used as the constant temperature fluid, and the temperature was adjusted to 37 ⁇ 0.1 ° C., which is the reaction temperature.
  • the analyzer further includes a current control circuit for supplying a constant current to the light emitting unit, a control unit for controlling each part of the device, and a drive unit for independently rotating and driving the sample disk, the reagent disk, and the cell disk in accordance with instructions from the control unit.
  • a constant temperature fluid control unit that controls the temperature and flow rate of the constant temperature fluid, a measurement unit that calculates absorbance from the amount of light received by the light receiving element 21, and reaction process data and measurement items that are changes over time in the absorbance of the reaction solution measured by the measurement unit
  • a data storage unit storing calibration curve data, an input unit for inputting necessary data from the outside to the data storage unit, an analysis unit for calculating the component amount from the absorbance data, and an output unit for displaying and outputting the data to the outside.
  • the analysis of the amount of a certain component in sample 1 is performed in the following procedure. First, a certain amount of sample 1 in the sample cup 2 is dispensed into the cell 8 by the sample dispensing mechanism 10. Next, a predetermined amount of the reagent 4 in the reagent bottle 5 is dispensed into the cell 8 by the reagent dispensing mechanism 11. At the time of dispensing, the sample disk 3, the reagent disk 6 and the cell disk 9 are rotationally driven by the respective driving units under the control of the control unit, and the dispensing mechanism reaches the sample cup 2, the reagent bottle 5 and the cell 8. Move to a predetermined position.
  • the figure is a simplified diagram and shows only one reagent disk and reagent dispensing mechanism, but typically there are two reagent disks, a reagent dispensing mechanism, and a stirring section.
  • the reagent that reacts with the sample earlier in time is called the first reagent, and the reagent that reacts next is called the second reagent.
  • the absorbance of the reaction solution 7 is measured each time the cell 8 passes the measurement position of the measurement unit 13 while rotating the cell disk 9, and is sequentially stored as reaction process data in the data storage unit. After photometry for about 10 minutes, the inside of the cell 8 is washed by the washing mechanism 14 and the next analysis is performed. Meanwhile, if necessary, after a certain time, another reagent 4 is added and dispensed into the cell 8 by the reagent dispensing mechanism 11, stirred by the stirring unit 12, and further measured for a certain time. As a result, reaction process data including the absorbance of the reaction solution 7 having a constant time interval is stored in the data storage unit. From the accumulated reaction process data, the analysis unit analyzes the component amount based on the calibration curve data for each inspection item. Data necessary for control and analysis of each unit is input from the input unit to the data storage unit. Calibration curve data is held in the data storage unit. Various data, results, and alarms are displayed and output by the output unit.
  • the measurement unit 13 has a light source device described below. Depending on the situation, a plurality may be mixed and arranged. Moreover, analysis of a plurality of items may be performed simultaneously by changing the wavelength of each of the plurality of light source devices arranged.
  • FIG. 5 is a schematic view showing an example of a light source device.
  • the light-emitting diode light source device 21 of this embodiment includes a light source power source 25 that drives the light-emitting diode 22, a temperature control unit 24 that controls the temperature of the light-emitting diode 22, and light on the short wavelength side in the emission spectrum of the light emitted from the light-emitting diode 22.
  • the filter 23 which cuts is provided.
  • the set wavelength of the filter (for example, the transmittance is 72) so that R ⁇ S / ⁇ T with respect to the light amount fluctuation rate R with respect to the temperature of the light after passing through the filter, the temperature control width ⁇ T of the light emitting diode, and the required light amount stability S. %) And a wavelength corresponding to 5% are selected.
  • the filter 23 can be, for example, a colored glass filter, a plastic filter, or an optical thin film filter having wavelength dependency.
  • the filter 23 can obtain the same effect even between the reaction container and the light receiving unit. There is no problem even if the structure of the light emitting diode 22 or the filter 23 can be replaced when the characteristics of the light emitting diode 22 or the filter 23 change due to aging or the like.
  • the temperature of the electrode unit is controlled to be 10 ° C. to 50 ° C.
  • the temperature set value of the temperature control unit 24 is tuned so that the fluctuation rate R with respect to the temperature of the light after passing through the filter 23 satisfies R ⁇ S / ⁇ T, or the light emission There is no problem even if the diode itself is selected.
  • the characteristics of the light emitting diode 22 or the filter 23 change due to deterioration over time or the like, there is no problem even if the light emitting diode 22 or the filter 23 is replaced or tuned.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an example of a light source device including means for realizing tuning of a set wavelength according to temperature.
  • the set wavelength memory 26 information on the set wavelength set in the spectrum under each temperature is recorded, and the temperature at which the set temperature is matched with the wavelength cut by the filter 23 is output to the temperature control unit 24.
  • the temperatures are T 1 , T 2 , T 3 ,...
  • the wavelengths that are 90% of the peak intensity on the shorter wavelength side than the peak wavelength of the emission spectrum of the light emitting diode are ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3.
  • the wavelength setting memory 26 are recorded in the wavelength setting memory 26 as (T 1 , ⁇ 1 ), (T 2 , ⁇ 2 ), (T 3 , ⁇ 3 ),.
  • the temperature T 2 is output to the temperature control unit 24.
  • the set wavelength memory also stores the results of temperature and total usage time.
  • the temperature of the electrode unit is controlled to be 10 ° C. to 50 ° C.
  • FIG. 7 shows an image of the result obtained thereby. If the temperature at which the set wavelength matches the filter cut wavelength of the filter 23 (for example, the wavelength corresponding to 72% of the transmittance corresponding to the wavelength corresponding to 5% and the wavelength corresponding to the midpoint) is T 0 , the temperature is more than T 0. If the temperature T H (> T 0), the setting wavelength becomes longer wavelength than the filter cutoff wavelength of the filter 23, the reverse case to a temperature lower than T 0 T L ( ⁇ T 0 ), setting the wavelength filter cut wavelength Shorter wavelength.
  • the set wavelength memory 26 stores the set wavelength at each temperature, and an appropriate temperature T 0 can be selected. At this time, if the operating temperature environment is within the temperature and temperature fluctuation range necessary for stabilizing the light amount of the light emitting diode, the temperature control unit 24 may not be used.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a temperature control device for a light emitting diode using a Peltier element
  • FIG. 8 (b) is a plan view
  • FIG. 8 (a) is a left side view thereof
  • FIG. 8 (c) is a right side view.
  • FIG. 8 (b) is a plan view
  • FIG. 8 (a) is a left side view thereof
  • FIG. 8 (c) is a right side view.
  • FIG. 8 In the Peltier element use type temperature adjustment module, the temperature of the light emitting diode 22 is adjusted by sandwiching the electrode of the light emitting diode 22 between the block 95 and the Peltier element 94 having high thermal conductivity and electrical conductivity. The surface opposite to the light emitting diode 22 side of the Peltier element 94 is in contact with the heat sink 93.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a temperature control device for a light emitting diode using constant temperature water
  • FIG. 9B is a plan view
  • FIG. 9A is a left side view thereof
  • FIG. 9C is a right side view.
  • FIG. 9 in the constant temperature water use type temperature control module an insulator 96 and a constant temperature water circulation base 97 having high thermal conductivity are used instead of the Peltier element 94 and the heat sink 93 in the Peltier element use type temperature control module.
  • the constant temperature water flows through the water channels 98 and 99 in the constant temperature water circulation base 97 to keep the temperature of the constant temperature water circulation base 97 constant.
  • the temperature range of the constant temperature water may be 5 ° C. to 55 ° C. so that the temperature of the electrode portion of the light emitting diode is 10 ° C. to 50 ° C.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration example when a light source device including a temperature control module 92 using constant temperature water (hereinafter referred to as module 92) is incorporated in a liquid analysis system.
  • the temperature of the module 92 is adjusted by flowing constant temperature water 107 flowing between the cell 8 and the constant temperature bath 42 to the module 92 as indicated by the broken line.
  • the constant temperature water 107 may flow from the module 92 to the constant temperature bath 42 side.
  • the light from the light emitting diode 22 is wavelength-selected by the filter 103 and then partially cut by the slit 104 and passes through the cell 8 and the reaction solution 7. Further, after the stray light is removed by the slit 106, the light enters the photodiode 108.
  • the output signal of the photodiode 108 is connected to the measurement unit shown in FIG.
  • a photomultiplier tube may be used instead of the photodiode 108.
  • a constant current power source or a waveform generating power source having a variation coefficient of the output peak current value within 0.023% in a linear ratio can be used as the light source power source 25 of the light source device shown in FIG. 5 or FIG. 6, a constant current power source or a waveform generating power source having a variation coefficient of the output peak current value within 0.023% in a linear ratio can be used.
  • a rectangular wave, a sine wave, or a sign signal wave is used as the drive current waveform output from the waveform generating power supply.
  • a method may be adopted in which a plurality of light emitting diodes having different peak wavelengths are modulated by the waveform generation power source, a plurality of these light emissions are combined and demodulated after light reception to obtain the intensity for each wavelength.
  • the filter 23 is a short wavelength cut filter.
  • short-wavelength light whose intensity varies greatly with temperature in the spectrum of the light-emitting diode 22 is cut. Therefore, the filter 23 uses a means for selecting a desired long wavelength component after spectrally separating with a spectroscope using a diffraction grating or a prism, a dichroic mirror for obtaining only a narrow band wavelength by transmission or reflection, or a metal thin film mirror. There is no problem.
  • the spectrum of the excitation light that causes fluorescence is narrower than the spectrum width of the light emitting diode. Therefore, when the emitted light from the light source 21 is used to excite the fluorescence of the measurement sample, the filter 23 may be omitted. Further, as the filter 23, there is no problem even if a band pass filter for selecting the sensitivity wavelength band of the reagent using the liquid analysis system is used. At this time, the wavelength corresponding to the midpoint of the wavelength corresponding to 72% and the wavelength corresponding to 5% on the shorter wavelength side than the transmission center wavelength of the bandpass filter is set as the set wavelength.
  • the light emitting diode is selected, or a dichroic mirror or a metal thin film mirror is selected so that the light obtained by cutting the emission spectrum of the light emitting diode with the filter 23 includes the sensitivity wavelength band of the reaction solution 7.
  • a light emitting diode is used as the fluorescence excitation light source
  • the light emitting diode is used so that the light obtained by cutting the emission spectrum of the light emitting diode with the filter 23 includes the fluorescence excitation wavelength band of the reaction solution 7 and does not include the wavelength band of the fluorescence itself.
  • select a dichroic mirror or metal thin film mirror select a dichroic mirror or metal thin film mirror.
  • FIG. 11 is a schematic view showing another embodiment of the light source device according to the present invention.
  • the light emitting diode was driven with a constant driving power intensity using a light source power source.
  • the light source device of this embodiment has a light amount feedback function for suppressing light amount fluctuation of the light emitting diode due to temperature fluctuations that cannot be controlled.
  • the light source device of the present embodiment is used by being mounted on the liquid analysis system shown in the first embodiment.
  • the light-emitting diode light source device 31 of this embodiment includes a photodiode 32 attached to the side of the optical filter 23 and a light amount control unit 27.
  • the light emitted from the light emitting diode 22 is cut at a specific wavelength by the optical filter 23 as in the first embodiment, and a part of the light is received by the photodiode 32.
  • the light amount control unit 27 controls the amount of current output from the light source power supply 25 to the light emitting diode 22 so as to compensate for the intensity change of the signal received by the photodiode 32.
  • the light source device 31 can monitor the intensity of the light whose wavelength is selected by the filter 23 and can keep the light quantity constant. Therefore, the intensity of the emitted light that fluctuates when the temperature of the light emitting diode 22 does not fall within the target temperature range can be made constant.
  • a photomultiplier tube may be used in place of the photodiode 32 for monitoring the intensity of the light whose wavelength is selected by the filter 23.
  • FIG. 12 is a schematic view of a liquid crystal display device using the light source device according to the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing the light source device mounted in FIG.
  • the liquid crystal display device 58 includes a light source element 77, a backlight 51, a light source power source 55 for supplying power to the backlight, a light guide plate 53, a liquid crystal panel 54, a video control circuit 56, and a liquid crystal drive circuit 57.
  • the backlight 51 has one or a plurality of light source elements 77 shown in FIG. Light emitted from the backlight 51 enters the light guide plate 53, and each single color light of the light source element 77 is mixed by the light guide plate 53 to become white light, and illuminates the liquid crystal panel 54 from the back.
  • the light source element 77 shown in FIG. 13 includes monochromatic light emitting diodes 71, 72, 73 that emit light at respective wavelengths of red (R), green (G), and blue (B), and optical filters 74, 75, 76.
  • R red
  • G green
  • B blue
  • optical filters 74, 75, 76 optical filters 74, 75, 76.
  • the emitted light from the monochromatic light emitting diodes 71, 72, 73 is optical filters 74, 75, 76, respectively, and is 90% of the peak intensity of the emitted light spectrum at the maximum temperature in the operating temperature range, specifically, 55 ° C. Light having a shorter wavelength than the wavelength on the shorter wavelength side, which is the intensity of the light, is cut.
  • the optical filters 74, 75, and 76 can be, for example, colored glass filters, plastic filters, or wavelength-dependent optical thin film filters.
  • the backlight 51 using the light source element 77 can suppress the spectrum fluctuation due to the temperature fluctuation, that is, the chromaticity fluctuation. Thereby, it is possible to realize a liquid crystal display device with a very small time lag until the luminance and chromaticity due to temperature fluctuations are stabilized.
  • FIG. 14 shows a liquid crystal display device 120 having a temperature adjustment unit 121 of the light source element 77.
  • the temperature adjustment unit 121 includes a Peltier element, is driven by a temperature control power source 122, and controls the temperature by heating and cooling the light source element 77.
  • a heat radiating plate 123 is installed on the back of the Peltier element.
  • a combination of a heat dissipation fan and a heater, or constant temperature water output from the chiller and chiller may be used.
  • the temperature control set value is determined so that the long wavelength end of the wavelength cut by the optical filters 74 to 76 in the light source element 77 becomes a wavelength on the short wavelength side where the intensity is 90% of the peak intensity.
  • the liquid crystal display device 120 can suppress the temperature fluctuation of the light emitting diode, and therefore has the advantage that the change in the color temperature is small and the change in the light amount is also small. Have.

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Abstract

　発光ダイオードを光源として用いた場合の、温度変動による光源スペクトル変動を低減する。　発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、ピーク波長よりも短波長側と長波長側で温度変動による変化率が異なることに着目し、適切な波長より短波長側の光をカットする。

Description

光源装置及びそれを用いた分析装置及び液晶表示装置
　本発明は、発光ダイオードを光源として用いた光源装置、及びその光源装置を用いた分析装置及び液晶表示装置に関する。
　近年、ハロゲンランプや白熱電球よりも安価で、消費電力が小さく、はるかに長寿命であり、かつレーザーよりも出力波長の種類が多い発光ダイオードを、計測又は照明用の光源として幅広く利用しようとする動きが活発である。そのため、今後、発光ダイオードは、従来製品中の光源の置き換え用としてのみならず、新たな計測、制御、照明装置の発展に寄与すると期待されている。しかし、発光ダイオードは可視用の照明光源として用いられることが多く、温度の変化に伴う光量変化が大きい等の理由により、そのまま計測用の光源として使用することは困難である。
　特開２００７－２４８２６号公報には、発光ダイオードの発光スペクトルの中で固定した波長域のみを選択して使用する方式として、バンドパスフィルタを用い、その透過中心波長を、発光ダイオードの０℃のときのピーク波長よりも長波長側に設定する方式が記載されている。特開平９－２８１０７８号公報には、発光ダイオードのピーク波長が所定の波長になるように発光ダイオードの温度を制御する方式が記載されている。特開２００７－３０９８４０号公報には、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する別の方式として、発光スペクトルの出力特性を記憶し、記憶した出力特性になるように発光ダイオードの温度を制御する方式が記載されている。その場合、温度を変化させると発光スペクトル強度も変化するが、発光ダイオードへの駆動電力を制御し、スペクトル強度を一定に保つ。
　また、発光ダイオードは液晶表示装置のバックライトとしても使用されつつある。その場合、複数の単色発光ダイオードを組み合わせることで白色光を作り出し、バックライトとして使用する方法が一般的である。特開２００７－３１０００８号公報には、各単色発光ダイオードの温度変化を抑制する方式として、複数色の発光ダイオードの温度を検知し、検出した温度に応じて発光ダイオードの温度を一定に保つ方向に制御する温度制御機構を用いる方式が記載されている。また、特開２００６－２７６７２５号公報には、各単色ダイオードの発光強度変化を駆動電力でフィードバック制御する方式として、各発光ダイオードの輝度をそれぞれ検知し、検出された輝度に基づいて発光ダイオードの駆動電力をフィードバック制御する方式が記載されている。
特開２００７－２４８２６号公報 特開平９－２８１０７８号公報 特開２００７－３０９８４０号公報 特開２００７－３１０００８号公報 特開２００６－２７６７２５号公報
　光を用いた計測装置として液体分析システムがあり、ハロゲンランプ等からの白色光を試料溶液に照射し、試料溶液を透過した光を分光して必要な波長成分を取り出し、その吸光度を割り出すことで目的の成分量を測定する装置が広く用いられている。白色光を分光した後、必要な波長光のみを試料溶液に照射する場合もある。医療等で用いられる生化学試料を吸光度測定する場合、吸光度の１００００分の１程度の変化を捉えられる精度が求められる。そのため、吸光度測定を行うための光源には対数比で１００００分の１（線形比で０．０２３％）以上の光量安定度が必要とされる。
　発光ダイオードの種類によっては、その発光スペクトルの波長帯域が、吸光度測定用光源に求められる波長帯域に十分含まれる。その場合、発光スペクトルのどの領域も光量安定度を満たせば光源光として使用することができる。ここで、発光ダイオードの発光スペクトルは、温度と入力電流に依存する。温度が上昇するにつれ、発光スペクトルのうち短波長側は光量が小さくなり、その結果、ピーク波長は長波長側へシフトする。
　バンドパスフィルタの透過中心波長を、発光ダイオードの０℃のときのピーク波長よりも長波長側に設定した場合、液体分析システムの通常の使用温度域である３７℃においては、バンドパスフィルタを通過する光が温度により変動の激しい短波長側になる場合があり、上記の光量安定度を保証することができない。一方、発光ダイオードの発光スペクトルを制御する方式では、発光ダイオードの温度もしくは駆動電力を用いて発光光量を制御しても、１００００分の１以上の光量安定度を得ることは技術的に非常に難しいという問題がある。
　また、液晶表示装置のバックライトとして発光ダイオードを使用した場合、温度が変化することで各単色発光ダイオードのスペクトル強度が変化する。それにより、それらの混合光の輝度や色度が変化するという問題がある。しかし、各単色発光ダイオードの温度変化を抑制する方式では、発光ダイオードの温度を設定温度まで変化させ、かつその温度変動をフィードバックして抑制する必要があり、発光ダイオードを点灯させた直後は温度変動を抑制することができない。また発光ダイオードを温度制御することにより、非常に大きなコストがかかるという問題がある。一方、各単色発光ダイオードの発光強度変化を駆動電力でフィードバック制御する方式では、温度により各単色発光ダイオードの発光波長帯域が変化してしまうため、駆動電力を用いてそれら単色発光ダイオードの光を混合した光の、色度を一定に保つことは難しいという問題がある。
　本発明の目的は、発光ダイオードを光源として用いた場合の、光源の光量とスペクトルを安定化するための手法を提供することにある。
　本発明では、設定温度における発光ダイオードの発光スペクトルの中で、ピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットし、残りの出射光を光源光として用いる。または、部材として例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように、光学フィルタの設定波長を選択する。これにより、温度変動による光量変化を小さく抑えられる。温度制御幅ΔTには、発光ダイオードの電極部温度の標準偏差を用いることができる。光量安定度Ｓには、光量変動の標準偏差（%）を用いることができる。
　本発明による分析装置は、試料を入れる試料容器と、試薬を入れる試薬容器と、試料容器内の試料と試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、反応容器に測定光を照射する光源装置と、反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、光源装置は、発光ダイオードと、発光ダイオードを駆動する電源と、発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、温度制御部の設定温度下における発光ダイオードの発光スペクトルにおいてピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有する。または、部材として、例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように光学フィルタの設定波長を選択する。
　ここで、反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光とは、溶液を透過した光、溶液によって散乱された光、溶液から発生された蛍光などを指す。設定温度における発光スペクトルのピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットする部材は、測定に必要なスペクトルを含む波長幅を選択するロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタであり、典型的には色フィルタを用いることができる。上記したフィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるようにフィルタの設定波長を選択する場合も同様に、ロングパスフィルタやバンドパスフィルタ等を用いることができる。
　液晶表示装置のバックライト光源として発光ダイオードを使用する際には、使用温度域の最高温度である５５℃における発光スペクトルの中で、出射光スペクトルのピーク波長に対して長波長側で、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい波長よりも短波長側の光をカットし、残りの出射光を光源光として使用する。または、部材として、例えば光学フィルタを用い、光学フィルタの透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように光学フィルタの設定波長を選択する。
　本発明によると、発光ダイオードを光源として用いた場合の出射光スペクトルの強度変化を最小限に抑えることができる。また、光量安定化のために制御すべき発光ダイオードの温度幅を広げることが出来、同一安定性をもつ光源として使用可能な環境が広がる。
発光ダイオードの温度変化にともなうスペクトル変化を示す図。 発光ダイオードの出射光のうち、波長帯域ごとの温度安定性（丸ドット）と光量（四角ドット）を示す図。 光学フィルタの設定波長を示す図。 本発明による液体分析システムの構成例を示す概略図。 本発明の光源装置の構成例を示すブロック図。 本発明の光源装置の構成例を示すブロック図。 発光ダイオードの温度変化とそれぞれの設定波長、ならびにフィルタカット波長の関係を示す図。 発光ダイオードの温度制御ユニットの構成例を示す略図。 発光ダイオードの温度制御ユニットの構成例を示す略図。 発光ダイオードを用いた液体分析システムの計測部の略図。 光源装置の構成例を示すブロック図。 液晶表示装置の構成例を示す略図。 光源要素の構成例を示すブロック図。 液晶表示装置の構成例を示す略図。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
　発光ダイオードの設定温度を変化させた場合、図１のように、発光ダイオードの出射光スペクトルの全体光量とスペクトル形状が変化する。すなわち、発光ダイオードの温度が高くなるに従い、全体光量は減少し、スペクトルのピークは長波長側に移動する。図１から明らかなように、温度による変化の程度は長波長側より短波長側の方が大きい。４０．１℃のスペクトルを基準に比較すると、４０．１℃のスペクトルピーク波長約５７４ｎｍに対して、２０．０℃のスペクトルでは約５７５ｎｍより短波長側、５９．５℃のスペクトルでは約５７８ｎｍより短波長側で温度による光量変動が大きくなる。このように、ピーク波長よりも長波長側に、温度に対して安定しやすい波長があり、これより短波長側の光をカットすることで、光量安定度は増す。したがって、ピーク波長よりも長波長側であって温度に対して安定しやすい波長、つまり温度による光量変化率が小さい波長を基準に、それより短波長側の光をカットするようにすればよい。図１のスペクトルの場合、設定温度が４０．１℃であるとしたとき、５７５nmから５７８nmの間に定めた波長よりも短波長側の光をカットする。使用する部材の性質によっては、カットできる量は異なる場合もあるが、この基準となる波長よりも短波長側における光をできるだけ除くようにすれば、光量安定度を向上することができる。尚、この発光ダイオードは一例であるが、他の発光ダイオードでも同様の傾向を示す。図１のデータの温度は、発光ダイオードの電極部を測定した値である。
　生化学分析装置には、吸光度測定の光路長が１０ｍｍの場合、生化学分析項目の試料の吸光度を１００００分の１程度の精度で測定することが求められるため、光源ユニットも光量変動が対数比で１００００分の１（線形比で０．０２３％）以内であることが求められる。図１に示した温度特性を有する発光ダイオードの出射光のうち、設定した波長（以下、設定波長）よりも短波長側を光学フィルタによりカットした場合の、発光ダイオード光量の温度変動率と、カット前の光量に対するカット後の光量割合を示したのが図２である。発光ダイオードの設定温度（使用温度）は、４０．１℃とした。
　図２の横軸は設定波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長（図３）とする、左の縦軸は光学フィルタでカットされた発光ダイオードの出射光の、温度に対する光量変動率Ｒ（丸ドット）であり、設定波長を５６６ｎｍから５８４ｎｍに変化させた場合、光量安定度が約０．１５％／℃から０．９％／℃まで変化する。右の縦軸は、発光ダイオードの出射光の光学フィルタでカットする前の光量に対する、カットした後の光量の割合Ｉ（四角ドット）である。光学フィルタがないときの光量を１００％とした。
　発光ダイオードの温度制御幅ΔＴと要求される光量安定度Ｓに対して、光学フィルタでカットされた発光ダイオードの出射光の温度に対する光量変動率Ｒが、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように設定波長を選択する。
　図２より、使用するスペクトル領域が広すぎる（例えば、設定波長が５６６ｎｍ）、もしくは狭すぎる（設定波長が５７９ｎｍより長波長）場合に、温度により０．９％／℃程度の光量変動が生じるため、必要なスペックである線形比でＳ＝０．０２３％の安定性を得るためには、単純に０．０２６℃以内の精度で温度制御をする必要があるが、例えば高精度チラーの温度精度は一般的に０．０５℃であるため技術的に達成困難である。一方、図１のように、温度の上昇に伴って短波長側では光量が減少し、長波長側では逆に光量が増加する。温度の上昇に伴って光量が減少から増加に転じる波長は、スペクトルのピーク波長よりも長波長側にある。それにより、光量変動率を最も抑えられる設定波長は、発光ダイオードそのもののピーク波長（５７４．３ｎｍ）よりも短波長側（５７２．９ｎｍ）にあり、その場合、約０．１５％／℃の光量変動率に抑えられることが分かる。この場合、約０．１５℃程度の温度制御をすれば線形比で０．０２３％の安定性を得ることができる。
　ここで、高精度チラーの温度精度であるΔＴ＝０．０５℃以内で光量安定度Ｓ＝０．０２３％を得るためには、光量変動率Ｒ＜Ｓ／ΔＴ（＝０．０２３％／０．０５℃）＝０．４６％／℃でなくてはならない。図２より、設定波長が５７１ｎｍから５７６ｎｍの間で光量変動率が約０．４６％／℃以下となる。さらに、光量Ｉを大きくとるために、設定波長を短波長側の５７１ｎｍに設定した。また、波長５７１ｎｍの光強度は、発光スペクトルのピーク強度の約９０％の強度である。そこで、光量安定度に裕度をもたせるために、設定波長を発光スペクトルのピーク強度に対して９０％の強度となる短波長側の波長に設定してもよい。あるいは、設定波長をピーク波長より短波長側で、ピーク波長とピーク波長の強度の９０％の強度となる波長の間に設定してもよい。
　図２は一例であるが、他の発光ダイオードも同様の特性を持つ。
　次に、実施例によって本発明をより詳細に説明する。
　図４は、本発明による液体分析システムの全体構成を表す簡略図である。図５は、その液体分析システムに搭載された光源装置を示す略図である。サンプルディスク３には、サンプル１を収めたサンプルカップ２が複数配置されている。試薬ディスク６には、試薬４を収めた試薬ボトル５が複数配置されている。セルディスク９には、内部でサンプル１と試薬４とを混合させ反応液７とするセル８が複数配置されている。サンプル分注機構１０は、サンプルカップ２からセル８にサンプル１を一定量移動させる。試薬分注機構１１は、試薬ボトル５からセル８に試薬４を一定量移動させる。攪拌部１２は、セル８内でサンプル１と試薬４を攪拌し混合させる。計測部１３は、反応液７に光を照射する光源である発光部１５、及び反応液７を透過した光を受光する受光素子２１を備える。分析の終了したセル８は洗浄部１４で洗浄され、サンプル分注機構１０から次のサンプルが分注され、試薬分注機構１１から新しい試薬が分注される。セル８は恒温槽１７に保持されて、制御部により温度・流量を制御された恒温流体に浸漬され、セル８及びその中の反応液７が一定温度に保たれた状態で移動される。恒温流体には水を用い、温度は反応温度である３７±０．１℃に温調した。
　分析装置はさらに、発光部に一定の電流を供給する電流制御回路、装置各部を制御する制御部、制御部からの命令に従い、サンプルディスク、試薬ディスク、セルディスクをそれぞれ独立に回転駆動する駆動部、恒温流体の温度と流量を制御する恒温流体制御部、受光素子２１の受ける光量から吸光度を算出する測定部、測定部で測定した反応液の吸光度の経時変化である反応過程データや測定項目ごとに検量線データを蓄えたデータ格納部、外部より必要なデータをデータ格納部に入力する入力部、吸光度データから成分量を割り出す解析部、データを表示し外部に出力する出力部を有する。
　サンプル１中のある成分量の分析は、次の様な手順で行われる。まず、サンプル分注機構１０によりサンプルカップ２内のサンプル１をセル８内に一定量分注する。次に、試薬分注機構１１により試薬ボトル５内の試薬４をセル８内に一定量分注する。これら分注の際は、サンプルディスク３、試薬ディスク６、セルディスク９は制御部の制御下にそれぞれの駆動部によって回転駆動され、サンプルカップ２、試薬ボトル５、セル８を分注機構が届く所定の位置に移動する。続いて、セル８内のサンプル１と試薬４とを攪拌部１２により攪拌し、反応液７とする。図は簡略図であり、試薬ディスクや試薬分注機構を一つのみ図示しているが、典型的には２つの試薬ディスクと試薬分注機構、攪拌部が存在する。時間的に早くサンプルと反応させる試薬を第１試薬、次に反応させる試薬を第２試薬と呼ぶ。
　通常、反応液７の吸光度はセルディスク９を回転中に、セル８が計測部１３の測定位置を通過するたびに測定され、順次、データ格納部に反応過程データとして蓄積される。約１０分間測光後、洗浄機構１４によりセル８内を洗浄し、次の分析を行う。その間、必要であれば一定時間後、別の試薬４を試薬分注機構１１によりセル８内に追加して分注し、攪拌部１２により攪拌し、さらに一定時間測定する。これにより、一定の時間間隔を持った反応液７の吸光度からなる反応過程データが、データ格納部に格納される。蓄積された反応過程データから、解析部においてそれぞれの検査項目ごとの検量線データに基づき成分量を分析する。各部の制御・分析に必要なデータは、入力部からデータ格納部に入力される。検量線データはデータ格納部に保持される。各種データや結果、及びアラームは出力部により表示・出力される。
　液体分析システムでは、吸光度計測を行う場合と、吸光度計測でも散乱特性を重視する計測を行う場合、さらに蛍光測定を行う場合が混在するため、計測部１３には、以下に説明する光源装置を目的に応じて複数混在させ、配置してもよい。また、複数配置した光源装置それぞれの波長を異ならせることにより、複数項目の分析を同時に行ってもよい。
　図５は、光源装置の一例を示す概略図である。本実施例の発光ダイオード光源装置２１は、発光ダイオード２２を駆動する光源電源２５、発光ダイオード２２の温度を制御する温度制御ユニット２４、発光ダイオード２２の出射光のうち発光スペクトルにおいて短波長側の光をカットするフィルタ２３を備える。
　フィルタ透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、発光ダイオードの温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対してＲ＜Ｓ／ΔＴとなるようにフィルタの設定波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長とする）を選択する。
　フィルタ２３は、例えば色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタとすることができる。フィルタ２３は、反応容器と受光部の間にあっても同様の効果を得ることができる。発光ダイオード２２又はフィルタ２３の特性が経年劣化などにより変化した場合、発光ダイオード２２又はフィルタ２３を交換することが可能な構造としても問題ない。液体分析システムの計測条件に合わせて、例えば、電極部の温度が１０℃から５０℃となるように制御する。
　発光ダイオードのスペクトルは電極部の温度により変化するため、フィルタ２３透過後の光の温度に対する変動率ＲがＲ＜Ｓ／ΔＴをみたすように温度制御ユニット２４の温度設定値をチューニングする、又は発光ダイオードそのものを選択しても問題ない。発光ダイオード２２又はフィルタ２３の特性が経年劣化などにより変化した場合、発光ダイオード２２又はフィルタ２３を交換する、又はチューニングしても問題ない。
　図６は、温度による設定波長のチューニングを実現する手段を備えた光源装置の例を示す模式図である。設定波長メモリ２６には、各温度下のスペクトルで設定された設定波長の情報が記録されており、フィルタ２３でカットする波長と上記設定温度が一致する温度を温度制御ユニット２４に出力する。例えば、温度がＴ1，Ｔ2，Ｔ3，‥‥のとき、発光ダイオードの発光スペクトルのピーク波長より短波長側でピーク強度の９０％の強度となる波長をλ1，λ2，λ3，‥‥とすると、波長設定メモリ２６には、（Ｔ1，λ1）、（Ｔ2，λ2）、（Ｔ3，λ3）‥‥という情報が記録されている。そして、フィルタ２３がλ2より短波長の光をカットするものであるとき、温度制御ユニット２４に温度Ｔ2を出力する。設定波長メモリには制御による温度や総使用時間の結果も保存する。液体分析システムの計測条件に合わせて、例えば、電極部の温度が１０℃から５０℃となるように制御する。
　図７に、それにより得られる結果のイメージを示す。フィルタ２３のフィルタカット波長（例えば透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長）と設定波長が一致する温度をＴ0とすると、Ｔ0よりも高温ＴH（＞Ｔ0）の場合、設定波長はフィルタ２３のフィルタカット波長よりも長波長になり、逆にＴ0よりも低温ＴL（＜Ｔ0）の場合、設定波長はフィルタカット波長よりも短波長になる。設定波長メモリ２６には各温度における設定波長が記録されており、適切な温度であるＴ0を選択することができる。その際、使用温度環境が発光ダイオードの光量安定化のために必要な温度と温度変動幅にある場合には、温度制御ユニット２４を用いなくともよい。
　図８は、ペルチェ素子を用いた発光ダイオードの温度調節装置の一例を示す図であり、図８（ｂ）は平面図、図８（ａ）はその左側面図、図８（ｃ）は右側面図である。ペルチェ素子使用型温度調節モジュールでは、発光ダイオード２２の電極を、熱伝導性が高く電気伝導性のあるブロック９５とペルチェ素子９４で挟み込むことで、発光ダイオード２２の温度を調節している。ペルチェ素子９４の発光ダイオード２２側と反対の面は放熱板９３に接している。
　図９は、恒温水を用いる発光ダイオードの温度調節装置の例を示す図であり、図９（ｂ）は平面図、図９（ａ）はその左側面図、図９（ｃ）は右側面図である。恒温水使用型温度調節モジュールでは、ペルチェ素子使用型温度調節モジュールにおけるペルチェ素子９４と放熱板９３の代わりに、熱伝導性の高い絶縁体９６と恒温水循環ベース９７を用いる。恒温水は恒温水循環ベース９７内の水路９８，９９を流れ、恒温水循環ベース９７の温度を一定に保つ。この場合、恒温水の代わりに恒温オイルや恒温ガスを用いても問題ない。その場合、例えば発光ダイオードの電極部の温度が１０℃から５０℃となるように、恒温水の温度幅は５℃から５５℃としてもよい。
　図１０は、恒温水使用型温度調節モジュール９２（以下、モジュール９２という）を含む光源装置を液体分析システムに組み込んだときの構成例を示す図である。セル８と恒温槽４２の間を流れる恒温水１０７を、破線で示した矢印のようにモジュール９２へ流すことで、モジュール９２の温度調節を行う。この場合、恒温水１０７はモジュール９２から恒温槽４２側へ流しても構わない。発光ダイオード２２からの光はフィルタ１０３で波長選択された後に、スリット１０４で一部カットされ、セル８、反応液７を透過する。さらにスリット１０６で迷光が取り除かれた後に、フォトダイオード１０８へと入射する。フォトダイオード１０８の出力信号は、図４に示した測定部へと繋がっている。光検出器として、フォトダイオード１０８の代わりに光電子増倍管を用いても構わない。
　図５あるいは図６に示した光源装置の光源電源２５は、定電流電源、もしくは出力ピーク電流値の変動係数が線形比で０．０２３％以内である波形発生電源を用いることができる。波形発生電源から出力される駆動電流波形は、矩形波、正弦波、又は符号信号波が用いられる。ピーク波長の異なる複数の発光ダイオードを上記波形発生電源で変調し、それらの発光を複数組み合わせ、受光後に復調することで、波長ごとの強度を求める方式を採用してもよい。
　フィルタ２３は短波長カットフィルターを用いる。本発明では発光ダイオード２２のスペクトルの中で温度による強度変動が激しい短波長光をカットする。そのため、フィルタ２３は、回折格子やプリズムを用いた分光器で分光した後に所望の長波長成分を選択する手段や、透過又は反射により狭帯域の波長のみを得るダイクロイックミラー、又は金属薄膜ミラーを用いても問題はない。
　また、蛍光を生じさせる励起光のスペクトルは発光ダイオードのスペクトル幅と比べ狭帯域である。そこで、測定試料の蛍光を励起させるために光源２１からの出射光を用いる場合、フィルタ２３を除いても構わない。またフィルタ２３として、液体分析システムを用いる試薬の感度波長帯域を選択するバンドパスフィルタを用いても問題ない。その際、バンドパスフィルタの透過中心波長よりも短波長側で、透過率が７２％に相当する波長と５％に相当する波長の、中点に相当する波長を設定波長とする。発光ダイオードの発光スペクトルをフィルタ２３でカットした光が反応液７の感度波長帯域を含むように、発光ダイオードを選択する、もしくはダイクロイックミラー、金属薄膜ミラーを選択する。蛍光励起光源として発光ダイオードを用いる場合には、発光ダイオードの発光スペクトルをフィルタ２３でカットした光が反応液７の蛍光励起波長帯域を含み、かつ蛍光そのものの波長帯域を含まないように、発光ダイオードを選択する、もしくはダイクロイックミラー、金属薄膜ミラーを選択する。
　図１１は、本発明による光源装置の他の実施例を示す模式図である。実施例１では、光源電源を用いて、一定の駆動電力強度で発光ダイオードを駆動した。一方、本実施例の光源装置は、制御しきれない温度変動による発光ダイオードの光量変動を抑えるための光量フィードバック機能を有する。本実施例の光源装置は、実施例１に示した液体分析システムに搭載して使用される。
　本実施例の発光ダイオード光源装置３１は、光学フィルタ２３の脇に取り付けられたフォトダイオード３２と、光量制御部２７を有する。発光ダイオード２２からの出射光は、光学フィルタ２３で実施例１と同様に特定の波長をカットされ、フォトダイオード３２により一部の光が受光される。フォトダイオード３２により受光された信号の強度変化を補償するように、光源電源２５から発光ダイオード２２へ出力する電流量を光量制御部２７が制御する。
　このように、光源装置３１は、フィルタ２３で波長選択された光の強度をモニターし、その光量が一定になるように保持することができる。そのため、発光ダイオード２２の温度が目標温度領域内に収まらない場合に、変動してしまう出射光強度を一定にすることができる。フィルタ２３で波長選択された光の強度のモニターのために、フォトダイオード３２に代えて光電子増倍管を用いてもよい。
　図１２は、本発明による光源装置を用いる液晶表示装置の概略図である。図１３は、図１２に搭載された光源装置を示す略図である。
　液晶表示装置５８は、光源要素７７、バックライト５１、バックライトに電力を供給する光源電源５５、導光板５３、液晶パネル５４、映像制御回路５６、液晶駆動回路５７を有する。バックライト５１は、図１３に示す光源要素７７を単数、もしくは複数有する。バックライト５１からの出射光は導光板５３に入射し、光源要素７７の各単色光は導光板５３で混合されて白色光となり、液晶パネル５４を背面から照明する。
　図１３に示した光源要素７７は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの波長で発光する単色発光ダイオード７１，７２，７３と、光学フィルタ７４，７５，７６から構成されている。図１３には、赤、緑、青に対して各々１個の発光ダイオードを図示したが、各波長ごとに発光ダイオードを複数使用してもよい。単色発光ダイオード７１，７２，７３からの出射光は、それぞれ、光学フィルタ７４，７５，７６で、使用温度域の最高温度、具体的には５５℃のときの出射光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長よりも短波長光がカットされる。光学フィルタ７４，７５，７６は、例えば色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタとすることができる。
　上記で説明したように、出射光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長よりも短波長光をカットすることにより、温度変動による光量変動ならびにスペクトル変動が極めて小さくなる。そのため、光源要素７７を使用したバックライト５１は、温度変動によるスペクトル変動つまり色度の変動を小さく抑えることができる。それにより、温度変動による輝度と色度が安定するまでのタイムラグが極めて小さい液晶表示装置を実現することができる。
　図１４に、光源要素７７の温度調節ユニット１２１を有する液晶表示装置１２０を示す。温度調節ユニット１２１はペルチェ素子からなり、温度制御用電源１２２で駆動され、光源要素７７を加熱冷却することで温度制御する。ペルチェ素子の背面には放熱板１２３を設置する。ペルチェ素子の代わりに、放熱ファンとヒーターの組み合わせ、もしくはチラーとチラーから出力される恒温水を用いてもよい。温度制御設定値は、光源要素７７の内の光学フィルタ７４～７６でカットされる波長の長波長端が、ピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長となるように決定する。温度調節ユニット１２１のない図１２の液晶表示装置５８と比較し、液晶表示装置１２０では発光ダイオードの温度変動を抑えることができるため、色温度の変化が少なく、かつ光量の変化も小さいという利点を有する。
１　サンプル
２　サンプルカップ
３　サンプルディスク
４　試薬
５　試薬ボトル
６　試薬ディスク
７　反応液
８　セル
９　セルディスク
１０　サンプル分注機構
１１　試薬分注機構
１２　攪拌部
１３　測定部
１４　洗浄部
１５　発光部
２１　光源部
２２　発光ダイオード
２３　フィルタ
２４　温度制御ユニット
２５　光源電源
２６　設定波長メモリ
２７　光量制御部
３１　光源部
３２　フォトダイオード
４２　恒温槽
５１　バックライト
５３　導光板
５４　液晶パネル
５５　光源電源
５６　映像制御回路
５７　液晶駆動回路
５８　液晶表示装置
７１～７３　発光ダイオード
７４～７６　光学フィルタ
７７　光源要素
９２　恒温水使用型温度調節モジュール
９３　放熱板
９４　ペルチェ素子
９５　ブロック
９６　絶縁体
９７　恒温水循環ベース
９８，９９　水路
１０３　フィルタ
１０４，１０６　スリット
１０７　恒温水
１０８　フォトダイオード
１２１　温度調節ユニット
１２２　温度制御用電源
１２３　放熱板

Claims (18)

  1. 　発光ダイオードと、
    　前記発光ダイオードを駆動する電源と、
    　前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、
    　前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、ピーク波長に対して長波長側に設定された、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい設定波長よりも短波長側の光をカットする部材と
    を有することを特徴とする光源装置。
  2. 　発光ダイオードと、
    　前記発光ダイオードを駆動する電源と、
    　前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、
    　前記発光ダイオードからの光をフィルタリングして設定波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有し、
    　前記部材は、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、前記部材透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、前記温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように前記設定波長を選択したことを特徴とする光源装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の光源装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲にあることを特徴とする光源装置。
  4. 　請求項１又は２に記載の光源装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲のなかで前記ピーク波長より短波長側の波長であることを特徴とする光源装置。
  5. 　請求項１又は２に記載の光源装置において、前記部材が色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ、又は波長依存性のある光学薄膜フィルタであることを特徴とする光源装置。
  6. 　試料を入れる試料容器と、
    　試薬を入れる試薬容器と、
    　前記試料容器内の試料と前記試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、
    　前記反応容器に測定光を照射する光源装置と、
    　前記反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、
    　前記光源装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する電源と、前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいてピーク波長に対して長波長側に設定された、ピーク波長よりも温度による光量変化率が小さい設定波長よりも短波長側の光をカットする部材とを有することを特徴とする分析装置。
  7. 　試料を入れる試料容器と、
    　試薬を入れる試薬容器と、
    　前記試料容器内の試料と前記試薬容器内の試薬とが分注される反応容器と、
    　前記反応容器に測定光を照射する光源装置と、
    　前記反応容器中の溶液と相互作用した後の測定光を検出する検出器とを含み、
    　前記光源装置は、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する電源と、前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部と、前記発光ダイオードからの光をフィルタリングして設定波長よりも短波長側の光をカットする部材を有し、
    　前記部材は、前記温度制御部の設定温度下における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいて、前記部材透過後の光の温度に対する光量変動率Ｒ、前記温度制御部の温度制御幅ΔＴ、要求される光量安定度Ｓに対して、Ｒ＜Ｓ／ΔＴとなるように前記設定波長を選択したことを特徴とする分析装置。
  8. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク波長の９０％以上の強度となる波長範囲にあることを特徴とする分析装置。
  9. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記設定波長が前記発光スペクトルのピーク強度の９０％以上の強度となる波長範囲のなかで前記ピーク波長より短波長側の波長であることを特徴とする分析装置。
  10. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記部材が、測定に必要なスペクトルを含む波長幅を選択するロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタであることを特徴とする分析装置。
  11. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、一定温度に保たれた流体を保持する恒温槽を有し、前記反応容器は前記恒温槽内の流体に浸漬され、前記温度制御部は前記恒温槽の流体を前記光源装置に循環させて前記発光ダイオードの温度を制御することを特徴とする分析装置。
  12. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記発光ダイオードの、前記部材で前記設定波長よりも短波長側の光をカットされた後の光量を制御する光量制御手段を有することを特徴とする分析装置。
  13. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記電源は定電流電源又は駆動電力を変調した電源であることを特徴とする分析装置。
  14. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記温度制御部は、前記発光スペクトルのピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長より短波長の光を前記部材によってカットできるように前記発光ダイオードの温度を制御することを特徴とする分析装置。
  15. 　請求項６又は７に記載の分析装置において、前記温度制御部は、前記部材の前記設定波長と制御温度情報を対にして記録する記録部と出力部を有する温度制御部であることを特徴とする分析装置。
  16. 　バックライトと、導光板と、液晶パネルとを含む液晶表示装置において、
    　前記バックライトは、発光ダイオードと、前記発光ダイオードを駆動する電源と、５５℃における前記発光ダイオードの発光スペクトルにおいてピーク強度の９０％の強度となる短波長側の波長よりも短波長の光をカットする部材とを有することを特徴とする液晶表示装置。
  17. 　請求項１６に記載の液晶表示装置において、前記部材は、色ガラスフィルタ、プラスチックフィルタ又は波長依存性のある光学薄膜フィルタであることを特徴とする液晶表示装置。
  18. 　請求項１６に記載の液晶表示装置において、前記発光ダイオードの温度を制御する温度制御部を有することを特徴とする液晶表示装置。
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