WO2024057455A1 - 光学装置 - Google Patents

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WO2024057455A1
WO2024057455A1 PCT/JP2022/034453 JP2022034453W WO2024057455A1 WO 2024057455 A1 WO2024057455 A1 WO 2024057455A1 JP 2022034453 W JP2022034453 W JP 2022034453W WO 2024057455 A1 WO2024057455 A1 WO 2024057455A1
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WO
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dichroic mirror
optical device
axis
optical path
light
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PCT/JP2022/034453
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English (en)
French (fr)
Inventor
隆 穴沢
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
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Publication date
Application filed by 株式会社日立ハイテク filed Critical 株式会社日立ハイテク
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/36—Microscopes arranged for photographic purposes or projection purposes or digital imaging or video purposes including associated control and data processing arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a device that performs spectral imaging that uses an optical system and an area sensor to image a measurement target distributed two-dimensionally or three-dimensionally, and simultaneously acquires spectral information of each pixel.
  • Spectral imaging is an important technology utilized in various scientific and technological fields and industrial fields. For example, we can identify foreign substances mixed in during the food manufacturing process, detect strong ultraviolet rays emitted from galaxies 10 billion light years away, identify the localization of nuclei, mitochondria, and actin within cells, and This can be used to map the types of minerals on the earth's surface, to identify areas to be removed during colon cancer surgery, and so on.
  • the optical system used for spectral imaging is arbitrary, and may be the objective lens of a microscope, the telephoto lens of a telescope, or a general camera lens.
  • spectral imaging using microscope objective lenses is popular, and is being applied to next-generation sequencers, digital PCR, flow cytometers, immunohistochemistry, etc.
  • a sample in which many colonies are dispersed on a two-dimensional plane is imaged using a fluorescence microscope.
  • Large-scale DNA sequencing is realized by identifying the Immunohistochemistry also uses light microscopy to image the presence and localization of multiple types of tumor markers in tissue sections to diagnose cancer and determine treatment strategies.
  • Spectral imaging measurement methods can be classified into four types: (1) point scan method, (2) line scan method, (3) wavelength scan method, and (4) snapshot method.
  • the point scan method light from one point within the measurement area is spectroscopically measured at a time, and this one point is scanned over the entire measurement area, which is distributed two-dimensionally. Obtain spectral information of the entire area.
  • the line scan method light from one line within a two-dimensionally distributed measurement area is spectroscopically measured at a time, and by scanning said one line over the entire two-dimensionally distributed measurement area, two Obtain spectral information of the entire dimensionally distributed measurement area.
  • the wavelength scanning method light from the entire two-dimensionally distributed measurement area is measured for one wavelength at a time, and by scanning the above one wavelength over the entire measurement wavelength, the two-dimensionally distributed measurement area is measured. Obtain the entire spectral information.
  • the snapshot method obtains light spectral information from the entire two-dimensionally distributed measurement area at once without scanning.
  • the snapshot method seems to be the best, but this is not necessarily the case. This is because in all of these measurement methods, there is a trade-off relationship between various performances such as temporal resolution, spatial resolution, wavelength resolution, and field of view size. For example, when comparing the snapshot method and the wavelength scan method when the same optical system and area sensor are used and the spatial resolution and wavelength resolution are the same, the snapshot method has superior temporal resolution, but the field of view size of the measurement area becomes smaller.
  • the image-splitting method is characterized by high sensitivity because it can utilize both the transmitted light and reflected light of the light incident on the dichroic mirror with high efficiency.
  • CAIRN Research's MultiSplit V2 and Optical Insights' Quad-View have been commercialized as image-splitting spectral imaging devices.
  • a digital camera containing an area sensor was connected to the camera port of a microscope, and an image of the measurement area of a sample distributed two-dimensionally or three-dimensionally was measured.
  • by inserting these devices between a microscope and a digital camera that is, by connecting the microscope, image-splitting spectral imaging device, and area sensor in that order, it is possible to capture two-dimensional or three-dimensional images.
  • the measurement area of a sample distributed in the area can be divided into four images of up to four different wavelength bands and measured simultaneously.
  • different wavelength bands may be referred to as different colors, and four different wavelength bands may be referred to as four colors.
  • the measurement region of spectral imaging is a two-dimensionally or three-dimensionally distributed sample, but hereinafter this may be referred to as a two-dimensionally distributed sample or simply a sample. That is, in this specification, "two-dimensionally distributed” does not exclude three-dimensionally distributed.
  • These devices are characterized by the ability to simultaneously perform four-color imaging of up to four divisions of the sample measurement area while using a single area sensor.
  • FIG. 9 of Patent Document 1 shows the configuration of the above-mentioned image-splitting spectral imaging device.
  • Light from the measurement area O of the sample which is distributed two-dimensionally, is focused by the first condenser lens 14 and the first imaging lens 16, and a primary image of the measurement area O is formed on the first aperture 20. 18 is formed.
  • a first aperture of an appropriate size is provided on the first diaphragm 20 at an appropriate position.
  • the light that can pass through the first aperture is collimated by the second condenser lens 24, passes through the second aperture provided in the second diaphragm 29, and the light is The light enters a dichroic mirror (dichroic filter) 60 that is tilted at 45° with respect to the traveling direction of the light beam.
  • the incident light is split by a dichroic mirror into transmitted light and reflected light, which have different wavelength components.
  • the two divided transmitted light and reflected light are respectively imaged at different positions on the area sensor 36 by the second imaging lens 34 via the mirror 28 and the filter 30, and have different wavelength components in the measurement area O. Two secondary images are formed at different positions on the area sensor 36 so that they do not overlap with each other.
  • one dichroic mirror and one area sensor are used to simultaneously perform two-division two-color imaging of a two-dimensionally distributed sample measurement area.
  • each of the two divided transmitted light and reflected light is incident on the second imaging lens 34 at an angle with respect to the optical axis A by the mirror 28. has been done.
  • One of the features of the configuration of the image-splitting spectral imaging device using a dichroic mirror described above is that the light from the two-dimensionally distributed measurement area of the sample is firstly focused before entering the dichroic mirror. A diaphragm and an aperture are provided at certain positions. This is because, unless such a configuration is adopted, different divided images will overlap on the area sensor, making it impossible to measure each divided image independently.
  • Patent Document 2 uses a dichroic mirror array in which a plurality of dichroic mirrors are arranged, and measures a plurality of samples, which are a plurality of light-emitting points constituting a light-emitting point array, rather than a two-dimensionally distributed sample.
  • This figure shows a device configuration for highly sensitive and independent multicolor detection of light emitted from each light emitting point.
  • the multicolor detection device of Patent Document 2 is different from the image-splitting spectral imaging device of Patent Document 1, but by combining multiple dichroic mirrors, it converts light from the measurement target into light of multiple wavelength components. What they have in common is that they can be divided to detect multiple colors simultaneously and with high efficiency. Further, in Patent Document 2, a multicolor detection device is made smaller and lower in cost.
  • FIG. 7 of Patent Document 2 shows a configuration example of a four-color detection device.
  • light emitted from four light-emitting points 1 (light-emitting point array) arranged at equal intervals on a straight line is emitted by four condensing lenses 2 (light-emitting point array) arranged in the same way.
  • the light beams are each condensed by a light lens array (optical lens array) to become a light beam 9, which is transmitted through one long-pass filter 10.
  • a dichroic mirror array (four types of dichroic mirrors 17, 18, 19, and 20) is arranged in the direction in which the four condensing lenses 2 are arranged, and ), the four light beams 9 are divided into light beams 21, 22, 23, and 24, each having four different wavelength components, for a total of 16 light beams. is incident on one area sensor 30.
  • the total of 16 light beams form luminous point images 25, 26, 27, and 28 at different positions on one area sensor 30, independently and simultaneously. be measured. In other words, four colors of light emitted from four light emitting points are detected simultaneously.
  • it is effective to reduce the focal length of the condenser lens, as shown in [Equation 6], for example.
  • the optical path length of the light beam with the maximum optical path length among the plurality of divided light beams must be calculated. It is effective to reduce the size and reduce the image magnification of each light emitting point image. That is, it is effective to make the light emitting point array, condensing lens array, dichroic mirror array, and area sensor close to each other and to reduce the size of the multicolor detection device composed of these.
  • the dichroic mirror array can split the incident parallel light flux as designed, that is, the parallel light flux can be split without vignetting inside the dichroic mirror array.
  • the maximum width of is defined as the aperture width. Increasing the aperture width is important in ensuring the amount of light and improving sensitivity.
  • Patent Document 2 as shown in Fig. 24(a), the plurality of divided lights generated by the dichroic mirror array have different optical path lengths to the area sensor, so the images of all the divided lights are focused.
  • Figure 24(b) by inserting optical path length adjustment elements of different lengths on the optical paths of multiple split beams, the optical path lengths of each beam can be made equal. It has been shown that it is possible to adjust the image so that all the divided light images can be focused.
  • Patent Document 3 in order to solve the above problem, multiple dichroic mirrors are arranged in opposite directions, as shown in Figure 1, instead of arranging them in one direction as in Patent Document 1. They are arranged along two directions.
  • the maximum optical path length and optical path length difference can be halved, so by using a larger number of dichroic mirrors, the number of divisions and the number of colors to be detected simultaneously can be reduced. It is possible to increase it.
  • FIG. 29 of Patent Document 3 shows a configuration example of a nine-color detection device.
  • five dichroic mirrors are arranged from the center to the right, and in the second stage, five dichroic mirrors are arranged from the center to the left. That is, a dichroic mirror array including a total of 10 dichroic mirrors is shown. Similar to Patent Document 1, a large aperture width is secured by arranging each dichroic mirror in a stepped manner.
  • An image-splitting spectral imaging device typified by FIG. 9 of Patent Document 1 has been commercialized and put into practical use. Because it uses one or more dichroic mirrors to perform spectroscopy, it is characterized by high light utilization efficiency and high sensitivity.
  • the problem is that the equipment is large, complex, and expensive. Furthermore, due to the structure of the device, the maximum number of divisions and the number of colors that can be simultaneously imaged is four, and it is difficult to increase the number of divisions and colors to five or more.
  • FIG. 9 of Patent Document 1 is expanded to four-division four-color imaging by using a combination of three dichroic mirrors.
  • the primary image 18 of the measurement area O of the two-dimensionally distributed sample is a microscopic image, and is an image enlarged to the size of the area sensor 36, for example, 10 mm square.
  • the size of the first aperture is set to 1/4 the size of the area sensor 36, for example, 5 mm square
  • the second condensing lens 24 and the second imaging lens perform secondary imaging.
  • the image may be made to be the same size as the primary image 18.
  • four 5 mm square secondary images having four types of wavelength components are formed on the 10 mm square area sensor 36 so that they do not overlap with each other.
  • the second condenser lens 24 needs to efficiently and uniformly collimate the light emitted from a 5 mm square area, so the diameter of the collimated light beam must be at least 10 mm or more.
  • the central axis of each divided beam must be at least from the optical axis A. Must be at least 5 mm apart.
  • each dichroic mirror Since each dichroic mirror is tilted at 45° with respect to optical axis A, each dichroic mirror must be at least 14 mm square in size. At this time, the space within 15 mm from optical axis A is almost filled with one of the four light beams. Furthermore, as shown in Figure 9 of Patent Document 1, each divided luminous flux is connected to a second junction at an angle to optical axis A from a position 10 mm or more away from optical axis A. The light is incident on the image lens 34. Thereby, the four secondary images formed by the imaging lens 34 are placed at different positions on the area sensor 36 so that they do not overlap with each other.
  • the central axis of any one of the divided light beams must be from the optical axis A. Must be at least 20 mm apart.
  • the angle at which the light beam is incident on the second imaging lens 34 becomes significantly larger than in the case of four-division four-color imaging.
  • a part of the secondary image of the light flux does not fit into the area sensor 36, and even the part that fits into the area sensor 36 has large image distortion, resulting in a decrease in image quality.
  • Patent Document 2 provides a multicolor detection device that measures multiple samples in an array of light emitting points, rather than spectral imaging of a measurement area of a two-dimensionally distributed sample.
  • this multicolor detection device is used for spectral imaging of the measurement area of multiple samples, each of which is distributed two-dimensionally, the divided images on the area sensor overlap each other, and each divided image is measured independently. I won't be able to do it.
  • Each of the focused beams is passed through a long-pass filter 10 with a width of 2.5 mm, a thickness of 1 mm, and a depth of 5 mm, and dichroic mirrors 17, 18, 19, and It is divided into four parts by a dichroic mirror array consisting of 20 pieces.
  • the aperture width 63 of the dichroic mirror array is 1.3 mm.
  • the opening width in the direction perpendicular to the plane of the paper (depth direction) in FIG. 15 of Patent Document 2 is 5 mm, which is the same as the depth of each dichroic mirror. Therefore, by enlarging the depth of each dichroic mirror, it is possible to enlarge the aperture width in the depth direction.
  • the maximum optical path length 64 between the condenser lens 2 and the area sensor 30 is 21 mm.
  • each light emitting point 1 with a diameter of 0.075 mm is imaged on the area sensor 30 at an image magnification of 13 times, and the diameter of each light emitting point image is 0.98 mm.
  • the interval between the total of 16 luminescent point images in the luminescent point array direction (vertical direction in Fig. 7(c) of Patent Document 2) is 1 mm, and the interval in the dividing direction (horizontal direction in Fig. 7(c)) is 2.5 mm. It is. Therefore, each luminous point image can be measured independently without overlapping each other.
  • the diameter of the light-emitting point 1 increases to 0.085 mm or more, the diameter of the light-emitting point image becomes 1.1 mm or more, so the light-emitting point images in the direction of the light-emitting point array overlap with each other. Furthermore, if the diameter of the light emitting point 1 increases to 0.2 mm or more, the diameter of the light emitting point image becomes 2.6 mm or more, so the light emitting point images in the dividing direction also overlap with each other. If the luminous point images overlap each other in this way, it becomes impossible to measure each one independently.
  • the measurement area of the two-dimensionally distributed sample is even larger than the diameter of the light emitting point 1 mentioned above. Therefore, if the multicolor detection device described above is used for spectral imaging of the measurement area of a two-dimensionally distributed sample, the divided images on the area sensor will overlap each other, making it impossible to measure each divided image independently. It will disappear.
  • the light beam collimated by the second condensing lens 24 traveling in the right direction (z-axis positive direction) first enters the long-pass filter 10 perpendicularly, and then enters the dichroic mirror 17. Arrange so that the incident angle is 45°. That is, the long pass filter 10 and the dichroic mirror 17 are arranged on the optical axis A, and the dichroic mirrors 18, 19, and 20 are arranged in this order below the optical axis A (in the negative y-axis direction).
  • the light beam that has passed through dichroic mirror 17 travels to the right on optical axis A, and the other three light beams travel to optical axis A below optical axis A. Go along to the right. Therefore, the positions of the second imaging lens 34 and the area sensor 36 are arranged so that their centers coincide with the centers of the four divided light beams.
  • the first problem is that, as mentioned above, the diameter of the beam collimated by the second condensing lens 24 is 10 mm or more, whereas the aperture width 63 of the dichroic mirror array is Since it is only 1.3 mm, its utilization efficiency is less than 13%, resulting in a decrease in sensitivity. Since the opening width in the depth direction (x-axis direction) in Figure 9 of Patent Document 1 can be expanded to 10 mm or more, it is assumed that there is no decrease in utilization efficiency due to the opening width in the depth direction.
  • the second problem is that since the four divided light beams are all parallel to the optical axis A, they are imaged at the same position on the area sensor 36 by the second imaging lens 34. , the four divided secondary images overlap into one, making it impossible to measure each divided image independently.
  • the second imaging lens 34 is removed, and the second condensing lens 24 directly forms the primary image 18 on the area sensor 36 at the same size.
  • the size of the secondary image divided into four pieces is 5 mm square.
  • the spacing between the four divided secondary images is 2.5 mm, which is the same as the spacing between the four dichroic mirrors. Therefore, the third problem is that the four divided secondary images overlap each other, making it impossible to measure each divided image independently.
  • An example of the optical device according to the present invention is A two-dimensionally distributed sample, a single condenser lens, a dichroic mirror array in which a plurality of dichroic mirrors are arranged, and an area sensor are arranged in this order along the optical axis of the condenser lens, The direction in which the plurality of dichroic mirrors are arranged is perpendicular to the optical axis, An optical device that divides and measures an image of a measurement area on the sample into a plurality of images having different wavelength components on the area sensor, The dichroic mirror array is characterized in that it is closer to the area sensor than the condenser lens.
  • An example of the optical device according to the present invention is In the right-handed XYZ Cartesian coordinate system, A sample distributed two-dimensionally parallel to the YZ plane, a single condensing lens whose optical axis coincides with the The dichroic mirror array and the area sensor parallel to the YZ plane are arranged along the positive direction of the X-axis in the above order.
  • An optical device that divides and measures an image of a measurement area on the sample into m images having different wavelength components on the area sensor, an aperture of the dichroic mirror array provided in the diaphragm is located close to the dichroic mirror array on the side of the condenser lens on the X axis;
  • the present invention enables spectral imaging using the snapshot method, in which an image containing spectral information of each point in the measurement area of a two-dimensionally distributed sample is acquired at once without scanning, to be smaller and smaller than conventional methods. This is achieved using simple, low-cost equipment.
  • this device has high efficiency in using light from the measurement area, making it possible to perform highly sensitive spectrum imaging.
  • this device is capable of imaging in five or more colors in five or more wavelength bands.
  • this device can be applied to spectral imaging performed in various scientific and technological fields and industrial fields, and can contribute to the development of these fields.
  • Schematic diagram of imaging of three emission regions Schematic diagram of imaging of three light-emitting regions with an aperture in the center
  • Schematic diagram of imaging of three light-emitting regions with an aperture in the center and one dichroic mirror Schematic diagram of imaging of three light-emitting regions with an aperture in the center and two dichroic mirrors.
  • a single condenser lens is used.
  • a dichroic mirror array consisting of m dichroic mirrors (m is an integer of 2 or more) is placed between the area sensor and the area sensor, and the light from the measurement area is divided into m pieces of light having different wavelength components. Spectral imaging of the measurement area is performed by imaging different positions on the sensor.
  • the dichroic mirror array is placed closer to the area sensor than a single condenser lens. More specifically, the aperture of the dichroic mirror array is positioned closer to the area sensor than a single condenser lens. Furthermore, the aperture diameter in the direction in which the m dichroic mirrors of the dichroic mirror array are arranged is made smaller than the effective diameter of a single condenser lens.
  • the m dichroic mirrors may include simple mirrors with low wavelength dependence.
  • a single condensing lens does not necessarily mean a single lens, but may also mean a structure equivalent to a single condensing lens (for example, a compound lens combining multiple single lenses, a combination lens, etc.) be.
  • a right-handed XYZ orthogonal coordinate system is defined as follows to further clarify the structure of the device.
  • the origin is the principal point of a single condenser lens.
  • the optical axis of the single condenser lens is the X-axis, and the positive direction of the X-axis is the direction from the measurement area of the sample to the single condenser lens, and from the single condenser lens to the area sensor.
  • the Y-axis and the Z-axis are taken in a direction perpendicular to the optical axis of a single condenser lens, and the Y-axis is the direction in which the m dichroic mirrors forming the dichroic mirror array are arranged.
  • each dichroic mirror is tilted at 45° to the X and Y axes and parallel to the Z axis.
  • a dichroic mirror array may include a filter whose incidence plane is perpendicular to the X-axis or a filter whose incidence plane is perpendicular to the Y-axis.
  • D be the effective diameter of a single condensing lens.
  • the distance between the single condenser lens and the area sensor be the sensor distance h.
  • the X coordinate of the area sensor is h.
  • the aperture is located at the entrance where the light beam from the measurement area is focused by a single condensing lens and enters the dichroic mirror array, that is, on the side of the single condensing lens rather than the dichroic mirror array. establish. It is assumed that the dichroic mirror array and the aperture are close to each other.
  • an “aperture” is a “physical hole” that is provided in a “diaphragm” that blocks light and allows light to pass through.
  • the part that blocks light is called a “diaphragm” and the part that allows light to pass is called an “aperture” to distinguish between the two.
  • the aperture and aperture are on the same plane perpendicular to the X axis.
  • the aperture and the dichroic mirror into which the light flux of m dichroic mirrors first enters are arranged on the X axis.
  • the "aperture width" of the dichroic mirror array is defined as follows.
  • the “aperture width” is the maximum width of the incident light beam that the dichroic mirror array can divide as designed.
  • the “aperture width” is the maximum width of the parallel light beam that is incident on the dichroic mirror array and is split and emitted without any internal vignetting.
  • ⁇ virtual hole'' An opening corresponding to this opening width will be called a ⁇ virtual hole'' in contrast to a ⁇ physical hole.'' Further, it is assumed that the "virtual hole” is placed in the same position and in the same direction as the "physical hole". In other words, the "virtual hole” and the “physical hole” are perpendicular to the X-axis, and the light flux formed by condensing the light from the measurement area with a single condensing lens enters the dichroic mirror array. It is assumed that the input entrance is located closer to the single condenser lens than the dichroic mirror array, and that the dichroic mirror array, the "virtual hole” and the “physical hole” are close to each other. .
  • the smaller of the "physical hole” and the “virtual hole” is referred to as the "opening”.
  • the smaller of the size of the "physical hole” and the size of the “virtual hole” is defined as the "opening width.”
  • the size and width of the hole are defined separately in the Y-axis direction and Z-axis direction.
  • the "opening width” in one direction is the size of the "physical hole”
  • the "opening width” in the other direction may be the size of the "virtual hole”.
  • the distance between the single condenser lens and the aperture is defined as the aperture distance x.
  • the X coordinate of the diaphragm and aperture is x.
  • the above-mentioned “place the dichroic mirror array closer to the area sensor than a single condenser lens” can be expressed as h/2 ⁇ x ⁇ h.
  • the aperture diameter in the direction in which the m dichroic mirrors of the dichroic mirror array are arranged is smaller than the effective diameter of a single condensing lens” can be expressed as D>w.
  • distances h and x strictly mean optical path lengths. That is, when light is bent, the optical path length is the distance along the bend, and the optical path length changes depending on the refractive index of the medium through which the light passes.
  • the bending of light and the passage of light through a medium other than air are both relatively small, so the distance h and can be approximated by a physical distance, that is, the shortest distance without considering the refractive index.
  • the measurement area can be divided into m and m colors imaged in an area without overlapping each other. This makes it possible to fit it inside the sensor, enabling highly sensitive snapshot-based spectral imaging of the measurement area.
  • the measurement area of a sample distributed two-dimensionally is primarily imaged onto the first aperture using the first condensing lens and the first imaging lens, and the second condensing lens and the second imaging lens Secondary imaging is performed on the area sensor using an imaging lens. Additionally, multiple dichroic mirrors are placed between the second condenser lens and the second imaging lens.
  • the measurement area of the two-dimensionally distributed sample is primarily imaged onto the area sensor using only the first condenser lens.
  • multiple dichroic mirrors are placed between the first condenser lens and the area sensor.
  • the position of the area sensor of this device corresponds to the position of the first aperture 20 of the conventional device. Therefore, the size of this device can be significantly reduced compared to the size of conventional devices. Furthermore, the size of each dichroic mirror can be significantly reduced. Furthermore, the number of parts can be significantly reduced.
  • the light emitting point array is used as a plurality of samples, and the light from the plurality of light emitting points is imaged onto the area sensor using each of the plurality of condensing lenses.
  • a dichroic mirror array is placed between the condenser lens and the area sensor.
  • the aperture of the dichroic mirror array is placed closer to each condenser lens than the area sensor.
  • the aperture width in the direction in which multiple dichroic mirrors are arranged should be equal to or larger than the effective diameter of each condenser lens. do.
  • the measurement area of a two-dimensionally distributed sample is imaged onto an area sensor using a single condensing lens.
  • a dichroic mirror array is placed between the condenser lens and the area sensor.
  • the aperture of the dichroic mirror array is placed closer to the area sensor than a single condenser lens.
  • the aperture width in the direction in which the multiple dichroic mirrors are arranged is made smaller than the effective diameter of a single condenser lens.
  • Figure 1 is a schematic diagram of a device that images the measurement area of a two-dimensionally distributed sample. Above the optical axis 4 of the condensing lens 2, the center of the two-dimensionally distributed sample measurement area 1 and the center of the area sensor 3 are located with the condensing lens 2 in between.
  • the light emitting region 6 is located on the optical axis 4, and the light emitting regions 5, 6, and 7 are arranged at equal intervals.
  • the condenser lens 2 collects the light emitted from the light emitting areas 5, 6, and 7, respectively, and forms light emitting area images 8, 9, and 10 on the area sensor 3, which are marked with ⁇ , ⁇ , and ⁇ , respectively. It shows.
  • a light-emitting region image 9 is located on the optical axis 4, and light-emitting region images 8, 9, and 10 are arranged at equal intervals.
  • an enlarging optical system for enlarging the light-emitting region image of the light-emitting region is shown here, a same-magnification optical system or a reduction optical system may be used.
  • left side outline 11 and right side outline 12 of the light beam 11-12 in which the light emitted from the light emitting region 5 forms the light emitting region image 8 are shown by broken lines.
  • the left side outline 13 and the right side outline 14 of the light beam 13-14 in which the light emitted from the light emitting region 6 forms the light emitting region image 9, are shown by solid lines.
  • a left side outline 15 and a right side outline 16 of a light beam 15-16 whose light emission from the light emitting region 7 forms the light emitting region image 10 are shown by broken lines.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a device in which the aperture 17 and the aperture 18 are arranged at the center between the condenser lens 2 and the area sensor 3 in FIG.
  • the plane formed by the aperture 17 and the aperture 18 is perpendicular to the optical axis 4, and the center of the aperture 18 is aligned with the optical axis 4.
  • part of the light beams 11-12, 13-14, and 15-16 is blocked by the diaphragm 17, and the rest passes through the aperture 18 and reaches the area sensor 3.
  • the light emitting region images 8, 9, and 10 become weak light emitting region images 19, 20, and 21, respectively.
  • the outline of each light emitting region image has been changed from a solid line to a broken line.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a device in which the dichroic mirror A is arranged after the opening 18 (on the area sensor 3 side) in FIG. 2.
  • the entrance surface of dichroic mirror A is tilted at 45° with respect to optical axis 4, and the center of dichroic mirror A is aligned with optical axis 4.
  • the size of the dichroic mirror A is such that all of the light beams 11-12, 13-14, and 15-16 that have passed through the aperture 18 are incident thereon.
  • the weak emission region images 19, 20, and 21 are in the transmission wavelength band of the dichroic mirror A.
  • the weak A emission region images 19A, 20A, and 21A are the components. To schematically represent this change, the pattern of each light emitting area image is changed from white to dots.
  • Figure 4 is a schematic diagram of a device in which dichroic mirror B is placed next to dichroic mirror A in Figure 3.
  • the plane of incidence of dichroic mirror B is parallel to the plane of incidence of dichroic mirror A.
  • the size of the dichroic mirror B is such that all of the light beams 11-12, 13-14, and 15-16 reflected by the dichroic mirror A are just incident on it.
  • the weak light emitting region images 19, 20, and 21 are the weak A light emitting region images 19A, 20A, and 21A whose components are in the transmission wavelength band of dichroic mirror A, and the reflection wavelength of dichroic mirror A.
  • the pattern of the weak B emission region image is indicated by diagonal lines.
  • a wavelength band that is a "multiply" of two or more wavelength bands means, for example, a wavelength band that is represented by a spectrum obtained by integrating spectra representing each of the two or more wavelength bands. The same applies below.
  • the distance between the two divided images is equal to the distance between the dichroic mirror A and the dichroic mirror B. Since the distance between the two divided images is smaller than the mutual distance between the weak emission region images 19, 20, and 21, the two divided images are measured so that they partially overlap each other.
  • the distance between two images refers to the distance between corresponding points in each image (for example, the distance between the points corresponding to the optical axis in one image and the point corresponding to the optical axis in the other image). (distance between points).
  • Figure 5 is a schematic diagram of a device in which dichroic mirror C is placed next to dichroic mirrors A and B in Figure 4.
  • the entrance surface of dichroic mirror C is parallel to the entrance surfaces of dichroic mirrors A and B.
  • the size of the dichroic mirror C is such that all of the light beams 11-12, 13-14, and 15-16 reflected by the dichroic mirror A and transmitted through the dichroic mirror B are incident thereon. At this time, the light beams 11-12, 13-14, 15-16 transmitted through dichroic mirror A, and the light beams 11-12, 13-14, 15-16 reflected by dichroic mirror A and reflected by dichroic mirror B.
  • weak light emission area image 19A, 20A, and 21A are weak A emission region images 19A, 20A, and 21A whose components are the transmission wavelength band of dichroic mirror A, and whose components are the wavelength band that is the product of the reflection wavelength band of dichroic mirror A and the reflection wavelength band of dichroic mirror B.
  • the pattern of the weak C emission region image is indicated by a check.
  • the distance between the three divided images is the distance between the dichroic mirror A and the dichroic mirror. It is equal to the distance between B or the distance between dichroic mirror B and dichroic mirror C. Since the mutual distance of the three divided images is smaller than the mutual distance of the weak emission region images 19, 20, and 21, the three divided images are measured while overlapping each other.
  • Figures 4 and 5 show spectral imaging that acquires divided images of multiple different wavelength bands, that is, multiple different colors, but it has the following two issues.
  • One is that, as is clear from the comparison between Figures 1 and 2, only a part of the light beams 11-12, 13-14, and 15-16 focused by the condenser lens 2 is measured, so the signal strength is It is weak and has low sensitivity.
  • Another problem is that, as is clear from Figures 4 and 5, multiple divided images of different colors are measured while overlapping each other, so each divided image cannot be measured independently. Both issues are fatal to implementing spectral imaging.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a device in which the aperture 17 and aperture 18 in FIG. 2 are moved in parallel along the optical axis 4 near the area sensor 3 in FIG. 1. In other words, the widths of the openings 18 in FIGS. 2 and 6 are equal. At this time, most of the light beams 13-14 pass through the aperture 18 and reach the area sensor 3, while all of the light beams 11-12 and 15-16 are blocked by the aperture 17 and do not reach the area sensor 3. As a result, the light emitting area image 9 is measured in the same manner as in FIG. 1, while the light emitting area images 8 and 10 are not measured at all.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a device in which the dichroic mirror A is arranged after the opening 18 (on the area sensor 3 side) in FIG. 6, similar to FIG. 3. At this time, only the light beams 13-14 that have passed through the dichroic mirror A reach the area sensor 3, so the light emitting area image 9 becomes an A light emitting area image 9A whose component is the transmission wavelength band of the dichroic mirror A.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a device in which dichroic mirror B is placed next to dichroic mirror A in the same way as in FIG. 4 in FIG. 7.
  • the light beams 13-14 that have passed through the dichroic mirror A the light beams 13-14 that have been reflected by the dichroic mirror A and reflected by the dichroic mirror B reach the area sensor 3, so the light emitting area image 9 is It becomes a two-part image: an A light emitting region image 9A whose component is the transmission wavelength band, and a B light emitting region image 9B whose component is the wavelength band that is the product of the reflection wavelength band of dichroic mirror A and the reflection wavelength band of dichroic mirror B. .
  • the distance between these two divided images is equal to the distance between dichroic mirror A and dichroic mirror B.
  • the distance between these two divided images is larger, so these two divided images do not overlap with each other. It is measured in .
  • Figure 9 is a schematic diagram of a device in which dichroic mirror C is placed next to dichroic mirrors A and B in the same way as in Figure 5 in Figure 8.
  • dichroic mirror C In addition to the light beams 13-14 that have passed through dichroic mirror A, and the light beams 13-14 that have been reflected by dichroic mirror A and reflected by dichroic mirror B, they have also been reflected by dichroic mirror A, transmitted through dichroic mirror B, and are reflected by dichroic mirror B. Since the light beams 13-14 reflected by C reach the area sensor 3, the light emitting area image 9 is an A light emitting area image 9A whose component is the transmission wavelength band of dichroic mirror A, and the reflection wavelength band of dichroic mirror A and the dichroic mirror.
  • the mutual distances between these three divided images are equal to the distances between dichroic mirror A and dichroic mirror B, and between dichroic mirror B and dichroic mirror C.
  • the distance between these three divided images is larger.
  • the three divided images are measured without overlapping each other.
  • spectral imaging is performed to obtain divided images of multiple different wavelength bands, that is, multiple different colors. Unlike the cases in FIGS. 4 and 5, most of the light beams 13-14 collected by the condenser lens 2 are measured, so the signal strength is strong and the sensitivity is high. Furthermore, as is clear from FIGS. 8 and 9, since multiple divided images of different colors are measured without overlapping each other, each divided image can be measured independently. Sensitivity and independent measurement of divided images are both basic performances of spectral imaging, and raising these to a high level is suitable and advantageous for spectral imaging.
  • Figure 10 is a schematic diagram for formulating conditions suitable for spectral imaging.
  • a right-handed XYZ orthogonal coordinate system is defined.
  • the principal point of the condenser lens is the origin
  • the optical axis 4 is the X axis
  • the direction perpendicular to the optical axis 4 and parallel to the paper is the Y axis
  • the direction perpendicular to the paper is the Z axis.
  • the positive direction of the X-axis is upward on the page
  • the Y-axis is on the right side of the page
  • the Z-axis is on the back of the page.
  • the distance between 2 and area sensor 3 is h (the X coordinate of area sensor 3 is h)
  • the distance between condenser lens 2 and aperture 17 and aperture 18 is x (the X coordinate of aperture 17 and aperture 18 is x)
  • the distance of aperture 18 is x.
  • the width in the Y-axis direction is w
  • the width of the opening 18 in the Z-axis direction is v (not shown in FIG. 10).
  • the size of the light-emitting region 7 in the Y-axis direction is d
  • the Y-coordinate of the light-emitting region 7 is y
  • the size of the weak light-emitting region image 21 in the Y-axis direction is d'
  • weak Let the absolute value of the Y coordinate of the light emitting area image 21 be y' (distance between the weak light emitting area image 21 and the optical axis 4), and the image magnification be m.
  • the distance between any two adjacent divided images is p.
  • p is assumed to be almost constant regardless of the divided images.
  • the average value or the mode of the distance between the two adjacent divided images is set as the dividing pitch p.
  • the minimum value of the distance between two adjacent divided images is set as the division pitch p.
  • the distance between two adjacent divided images is often equal to the distance between the two dichroic mirrors through which the light flux that generates each divided image is finally transmitted or reflected, but it may not necessarily be equal depending on the structure. .
  • FIG. 11 are respectively the notations in (a) and (b) of FIG. 7 of Patent Document 2 that have been modified to match the present specification.
  • four light-emitting points correspond to four samples and correspond to light-emitting region 6 in FIG. 9, so light-emitting region 6 is represented as a light-emitting point.
  • the diaphragm and aperture that were omitted in FIG. 7 of Patent Document 2 are expressed as a diaphragm 17 and an aperture 18.
  • the light emitted from the four light-emitting areas 6 is focused by four focusing lenses 2 (focusing lens array) each having an effective diameter D, and is transmitted through one long-pass filter 38.
  • focusing lenses 2 focusing lens array
  • dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 dichroic mirror array
  • four-color divided images J1, J2, J3, and J4 are placed at different positions on the area sensor 3. tie.
  • the focal length of the condenser lens 2 is f (not shown), the distance between the condenser lens 2 and the light emitting area 6 is g, the distance in the X-axis direction between the condenser lens 2 and the area sensor 3 is h, and the distance between the condenser lens 2 and the area sensor 3 is h.
  • the distance in the X-axis direction of the aperture 17 and the aperture 18 is x
  • the width in the direction in which the four types of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 of the aperture 18 are arranged is w
  • the four condensing lenses 2 of the aperture 18 are Let v be the width in the arrangement direction. Also, let p be the arrangement interval of the four divided images, which corresponds to the arrangement interval of the plurality of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4.
  • Patent Document 2 As described in [Background Art], in Patent Document 2, a light emitting point array, a condensing lens array, a dichroic mirror array, and an area sensor are mutually connected in order to detect multicolor light emitted from each light emitting point independently and with high sensitivity. It is important to keep the dichroic mirror array close to each other and to reduce the size of the multicolor detection device composed of them, and to ensure a large aperture width for the dichroic mirror array in order to measure most of the light focused by each condensing lens. . Therefore, as is clear from Figure 11, has been established. Since (Formula 7) and (Formula 8) are clearly different from (Formula 5) and (Formula 6), respectively, it can be seen that the device configurations of Patent Document 2 and this specification are different.
  • FIG. 12 is a schematic diagram for formulating conditions more suitable for spectral imaging.
  • the X coordinates of the diaphragm 17 and the aperture 18 are changed, and a case where the diaphragm 17a and the aperture 18a are created, and a case where the aperture 17b and the aperture 18b are created are superimposed.
  • the diaphragm 17a and the aperture 18a represent a diaphragm and an aperture when the right side contour 16 of the luminous flux 15-16 of light emitted from the light emitting region 7 passes through the right end of the aperture 18a. If the X coordinate of the aperture 17a and the aperture 18a is xt, then It is. The diaphragm 17 and the aperture 18 are shown in the case where the X coordinate is x ⁇ xt, and the diaphragm 17b and the aperture 18b are shown in the case where the X coordinate is x>xt.
  • the width v of the aperture 18 in the Z-axis direction is sufficiently large compared to the width of the light beam, and that the detection efficiency E is not reduced by the width v of the aperture 18 in the Z-axis direction.
  • the detection efficiency E 0 is: It is.
  • Figure 13 is a schematic diagram of a snapshot method spectral imaging device constructed by combining a laser-excited epifluorescence microscope with a dichroic mirror array. Define a right-handed XYZ orthogonal coordinate system as shown in the figure. As in Figure 10, the origin is placed at the principal point of condenser lens 2. The optical axis 4 of the condensing lens 2 is defined as the X axis.
  • a measurement area 1 of the sample distributed two-dimensionally and an area sensor 3 where the measurement area 1 is imaged are each arranged perpendicular to the X-axis.
  • the condenser lens 2 is an objective lens of a fluorescence microscope, and is actually a combination lens of a plurality of single lenses, but in this specification, it is expressed as a single single lens equivalent to a combination lens.
  • a laser beam 45 emitted from a laser light source 44 travels in the negative direction of the Y-axis, and enters a dichroic mirror 46 whose incident surface is tilted at 45 degrees with respect to the X- and Y-axes, and the reflected light travels in the negative direction of the X-axis.
  • the light is focused by a condenser lens 2 and irradiated onto a two-dimensionally distributed measurement area 1 of the sample.
  • the dichroic mirror 46 reflects the wavelength of the laser beam that enters at an angle of incidence of 45° and light with a shorter wavelength, and reflects the light that has a wavelength longer than the wavelength of the laser beam that enters at an angle of incidence of 45°, that is, it is excited by the laser beam. It transmits the fluorescence emitted by the light.
  • the laser beam 45 is reflected or scattered in the measurement area 1, is focused by the condenser lens 2, enters the dichroic mirror 46 along the positive direction of the X-axis, and is reflected toward the positive direction of the Y-axis.
  • Fluorescence emitted from an arbitrary point (light emitting point) on the measurement area 1 is focused by the condenser lens 2 and becomes a luminous flux C0, which travels in the positive direction of the X-axis, passes through the dichroic mirror 46, and is sent to the area sensor. imaged on 3.
  • Let the size of the above light emitting point in the Y-axis direction be d 0 mm, and the Y coordinate be y. In this way, a fluorescent image of the measurement area 1 is formed on the area sensor 3.
  • a dichroic mirror array 43 consisting of an aperture 17, an aperture 18, and four types of dichroic mirrors is arranged before the area sensor 3 (in the negative X-axis direction).
  • a four-color, four-division fluorescent image of the measurement area 1 is formed on the area sensor 3.
  • Fig. 14 a detailed view of the surroundings of the dichroic mirror array 43 and area sensor 3 has been added to Fig. 13, and the same notation as Fig. 10 has been added.
  • Detailed diagram 14(a) on the upper right is a diagram observed from the negative direction of the Z-axis
  • detailed diagram 14(b) below it is a diagram observed from the negative direction of the Y-axis.
  • the laser light source 44, laser beam 45, and dichroic mirror 46 are omitted.
  • the focal length of condenser lens 2 is f (not shown), the distance between condenser lens 2 and measurement area 1 is g, the distance between condenser lens 2 and area sensor 3 is h, condenser lens 2, aperture 17, and aperture.
  • x be the distance of 18.
  • the size of area sensor 3 is 10 mm (width in the Y-axis direction) x 10 mm (width in the Z-axis direction).
  • the width of the opening 18 in the Y-axis direction is w
  • the width of the opening 18 in the Z-axis direction is v.
  • the dichroic mirror array 43 is composed of four types of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4.
  • the light beam C0 passes through the aperture 18 and is divided into four by the dichroic mirror array 43, resulting in four divided light beams C1, C2, C3, and C4, which are imaged on the area sensor 3, respectively.
  • the arrangement interval of the four types of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 in the Y-axis direction is p, and the distance between the imaging points of the four divided light beams C1, C2, C3, and C4 is also p.
  • this device clearly satisfies (Equation 5). That is, the dichroic mirror array 43 is closer to the area sensor 3 than the condenser lens 2 is. Furthermore, from Figure 14, this device clearly satisfies (Equation 6). Further, the direction in which the plurality of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 are arranged is perpendicular to the optical axis 4.
  • the aperture width is increased by shifting the four dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 in steps in the X-axis direction.
  • the direction in which dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 are arranged is not strictly perpendicular to optical axis 4, but approximately perpendicular to it, but in this specification, such a direction is also referred to as perpendicular. include.
  • Fig. 14 the outlines of the luminous flux C0 and the divided luminous fluxes C1 to C4 are shown, but in Fig. 15, only the optical axes of the luminous flux C0 and the divided luminous fluxes C1 to C4 are shown, and a virtual parallel luminous flux 48 is shown instead of the outline. Shown along each optical axis.
  • Each parallel light beam 48 is expressed by 11 light beam elements arranged parallel to each other and at equal intervals. The width of the entire parallel light beam 48 is made to match the aperture width w of the dichroic mirror array 43.
  • the light beam C0 passes through the aperture 18 along the optical axis 4 and is transmitted through the long-pass filter 47, as in FIG.
  • the reflected light or scattered light of the laser beam 45 is blocked by the dichroic mirror 46 as in FIG. 13 (although it is reflected without passing through the dichroic mirror 46), and is further blocked by the long-pass filter 47.
  • the light beam C0 that has passed through the long-pass filter 47 is incident on the dichroic mirror M1, and is split into reflected light that travels in the positive direction of the Y-axis and transmitted light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This transmitted light is a divided luminous flux C1 and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light beam reflected by the dichroic mirror M1 enters the dichroic mirror M2 and is split into transmitted light that travels in the positive direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C2, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M2 enters the dichroic mirror M3, where it is split into transmitted light that travels in the positive direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided light beam C3 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M3 enters the dichroic mirror M4 and becomes reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C4, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the arrangement interval of dichroic mirrors M1, M2, M3, and M4 in the Y-axis direction is 2.5 mm.
  • the distance between the C2 segmented image and the C3 segmented image, and the distance between the C3 segmented image and the C4 segmented image is 2.5 mm, but the distance between the C1 segmented image and the C2 segmented image is 2.5 mm.
  • the image distance is slightly smaller at 2.1 mm.
  • dichroic mirror array 43 is stepped in a stepped manner (step arrangement). That is, dichroic mirror M2 is 0.7 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M1, dichroic mirror M3 is 0.3 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M2, and dichroic mirror M4 is more negative in the X-axis than dichroic mirror M3. direction by 0.3 mm.
  • shift amounts are designed, for example, based on (Formula B) or (Formula D) described below so that the dichroic mirror array 43 functions appropriately.
  • the aperture 18 of the dichroic mirror array 43 provided in the diaphragm exists close to the dichroic mirror array 43 on the side of the condenser lens 2, and the aperture 18 has a plurality of dichroic mirrors M1, M2. , M3, and M4 are preferably smaller than the effective diameter of the condenser lens 2 in the direction in which they are arranged.
  • the aperture 18 of the dichroic mirror array 43 provided in the aperture 17 is located close to the dichroic mirror array 43 on the side of the condenser lens 2 on the X axis, and the condenser lens 2 and the area sensor
  • (Equation 5) is satisfied.
  • the opening width it is not preferable for the opening width to be too small or too large, and it is preferable to keep it within an appropriate range.
  • the distance between the aperture 17 and aperture 18 and the area sensor 3 (that is, the difference between the distance between the condenser lens 2 and the area sensor 3 and the distance between the condenser lens 2 and the aperture 17 and aperture 18)
  • h-x 10 mm or 15 mm
  • Patent Document 2 a preferred structure of the above dichroic mirror array will be generalized following Patent Document 2.
  • a dichroic mirror array in which m dichroic mirrors D1 to Dm are arranged parallel to each other along the positive direction of the Y-axis, (1)
  • the incident planes of dichroic mirrors D1 to Dm are perpendicular to the XY plane, (2)
  • the inclination in the XY plane of the straight line obtained by projecting the normal to the incident surface of the dichroic mirrors D1 to Dm onto the XY plane is negative, and the angle between the normal and the X axis is ⁇ 0
  • the refractive index of the base material is n 0
  • the average width in the direction parallel to the XY plane and perpendicular to the normal to the entrance surface is a
  • the average width is parallel to the XY plane and normal to the entrance surface.
  • b be the average width in the parallel direction, (4) Comparing the positions of two adjacent dichroic mirrors Dj and D(j+1) (where 1 ⁇ j ⁇ (m ⁇ 1)) on the XY plane, the Y coordinate of dichroic mirror D(j+1) is higher. Dichroic mirror Dj has a larger X coordinate.
  • the average spacing in the Y-axis direction is ⁇ y
  • the average spacing in the X-axis direction is When ⁇ x
  • ⁇ 0 , n 0 , a, b, ⁇ y, and ⁇ x have a predetermined relationship. be satisfied.
  • the dichroic mirror D1 is on the X-axis, and the m dichroic mirrors are D1, D2, ..., Dm in the order from the negative direction to the positive direction of the Y-axis.
  • the four-part dichroic mirror array shown in Figure 15 satisfies (Formula A) to (Formula D).
  • ⁇ 0 45° from an optical standpoint.
  • ⁇ 0 45°
  • the graph in Figure 16 shows the results of calculating the change in E when x is varied in the range of 0 to 200 mm using (Equation 17) and (Equation 18) with y as a parameter.
  • E is shown to be in the range of 0.0 to 1.0, but in this specification, this is read as 0% to 100%.
  • E 100% is the detection efficiency obtained when there is no light loss (blocking) by the aperture 17 and aperture 18,
  • Figure 17 is a graph in which the horizontal axis and parameters of Figure 16 are swapped, that is, the results of calculating the change in E when x is the parameter and y is varied in the range of 0 to 0.14 mm.
  • the range of y ⁇ 0.05 mm of the sample and the range of width 0.1 mm in the Y-axis direction is imaged as measurement area 1, but the range of y> ⁇ 0.05 mm of the sample is no longer measurement area 1. Not imaged.
  • the width of measurement area 1 of each divided image in the Y-axis direction is 2 ⁇ y m .
  • -0.05 mm ⁇ y ⁇ 0.05 mm will be expressed as y ⁇ 0.05 mm
  • y ⁇ -0.05 mm or y>0.05 mm will be expressed as y> ⁇ 0.05 mm.
  • the range of y ⁇ 0.06 mm of the sample and the range of width 0.12 mm in the Y-axis direction is imaged as measurement area 1, but the range of y> ⁇ 0.06 mm of the sample is no longer measurement area 1. Not imaged.
  • the range of y ⁇ 0.07 mm of the sample and the range of width 0.14 mm in the Y-axis direction is imaged as measurement area 1, but the range of y> ⁇ 0.07 mm of the sample is no longer measurement area 1. Not imaged.
  • the first condition is that there are at least some portions in which the plurality of divided images do not overlap with each other.
  • the width of each divided image in the Y-axis direction is 2 ⁇ y m ⁇ m, while the array interval of each divided image is p, so this condition is y m ⁇ p/m, and (Equation 20 ), we get It is expressed as
  • This condition can be satisfied by using (Equation 19) and setting E 0 ⁇ 1. It is expressed as
  • the third condition is that there are no parts where a plurality of divided images overlap each other.
  • This condition is y m ⁇ p/m/2, and using (Equation 20), It is expressed as
  • the first condition is 155 mm ⁇ x ⁇ 200 mm, that is, 78% ⁇ x/h ⁇ 100%
  • the second condition is 175 mm ⁇ x ⁇ 200 mm, that is, 88% ⁇ x/h ⁇ 100%
  • the third condition is 185 mm ⁇ x ⁇ 200 mm, that is, 93% ⁇ x/h ⁇ 100%. Therefore, the first and second examples above satisfy the first to third conditions, the third example satisfies the first and second conditions, and the fourth example satisfies the first condition. Satisfy only.
  • Example 2 Under the conditions shown in Example 1, laser-excited four-color fluorescence spectrum imaging of the sample is performed using the configurations shown in FIGS. 13 to 15.
  • Figure 18 shows a 0.5 mm x 0.5 mm area of the two-dimensionally distributed sample surface 49.
  • a right-handed XYZ orthogonal coordinate system common to Figures 13 to 15 is defined.
  • the horizontal right direction of the paper is the Y-axis positive direction
  • the vertical downward direction of the paper is the Z-axis positive direction
  • the depth direction of the paper is the X-axis positive direction.
  • this area is divided into 400 0.025 mm x 0.025 mm sections arranged in a grid of 20 rows x 20 columns, but the boundaries of each section are assumed not to emit light.
  • each section has a different character written on it, so it is possible to identify the section that corresponds to the imaged character.
  • Each section has two letters, the first letter being an uppercase letter and the second letter being a lowercase letter.
  • the first character changes from the 1st line to the 20th line as A, B, ..., T, and the second character changes from the 1st column to the 20th column as a, b, ..., t.
  • each phosphor has a wide fluorescence spectrum, so each emitted fluorescence is measured in multiple divided images (in multiple different wavelength bands). This is called spectral overlap.
  • the fluorescence intensity ratio of the fluorescence emitted by each phosphor measured in each divided image is checked in advance, and based on that information, it is possible to cancel the spectral overlap that exists in the plurality of measured divided images.
  • This process is called color conversion, deconvolution, or unmixing. In this embodiment, this process is omitted, and it is assumed that a processed divided image with no spectral overlap can be directly obtained.
  • a divided image 53, a third divided image 54, and a fourth divided image 55 are indicated by thick broken lines. However, for the sake of clarity, it is assumed here that each divided image can equally measure light in all wavelength bands.
  • a right-handed XYZ orthogonal coordinate system common to Figure 19 is defined.
  • the horizontal left direction of the paper is the Y-axis positive direction
  • the vertical upward direction of the paper is the Z-axis positive direction
  • the depth direction of the paper is the X-axis positive direction.
  • the image magnification m 1
  • the measurement area 50 and its four-part images 52, 53, 54, and 55 are point symmetrical about their intersections with the optical axis 4, so the coordinate system is defined as above.
  • the measurement area 50 and its four-part images 52, 53, 54, and 55 appear to be the same, and the same characters are observed.
  • m 20, but since FIG. 20 shows FIG. 19 reduced to 1/20, the measurement area 50 in FIG. and 55 are the same (the same letters are written in the corresponding sections).
  • the 2.4 mm x 10 mm image, magnified 20 times, of the 0.12 mm x 0.5 mm measurement area 50 on the sample surface 49, where four types of phosphors are two-dimensionally distributed, is divided into 4 parts into 4 colors. These divided images are measured simultaneously and independently without overlapping each other, making it possible to identify the two-dimensional distribution of each of the four types of phosphors on the measurement area 50.
  • a divided image 58, a third divided image 59, and a fourth divided image 60 are indicated by thick broken lines.
  • each divided image measures four colors of light in different wavelength bands.
  • a right-handed XYZ orthogonal coordinate system which is common to Figure 22, is defined. Similar to FIG. 21, the horizontal left direction of the paper is the Y-axis positive direction, the vertical upward direction of the paper is the Z-axis positive direction, and the paper depth direction is the X-axis positive direction.
  • the four-part images 57, 58, 59, and 60 are measured simultaneously and independently without overlapping each other at all, and it can be confirmed from FIG. 23 that the third condition is satisfied.
  • Segmented images 57, 58, 59, and 60 selectively measure the emitted fluorescence of the first phosphor, second phosphor, third phosphor, and fourth phosphor, respectively. That is, in the first divided image, only the fluorescence emitted from the first phosphor is measured, in the second divided image, only the fluorescence emitted from the second phosphor is measured, and in the third divided image, only the fluorescence emitted from the second phosphor is measured. Only the fluorescence emitted from the body is measured, and in the fourth divided image, only the fluorescence emitted from the fourth phosphor is measured.
  • snapshot method spectral imaging is performed on a 0.1 mm x 0.5 mm measurement area 56 on a two-dimensionally distributed sample surface 49.
  • scanning methods can be used in combination to perform spectral imaging of a wider measurement area. For example, in FIGS. 13 and 14, by moving the sample including the measurement region 1 in the Y-axis direction, the position of the measurement region 56 imaged in four parts on the sample can be changed. By doing so, spectral imaging of a wider measurement area on the sample becomes possible.
  • FIG. 24 to 28 show examples in which the position on the sample surface 49 of the measurement region 56 that is imaged into four parts is changed.
  • the measurement area 56 is fixed at the center of the sample surface 49.
  • the measurement area 56 moves from the left side (Y-axis negative direction) to the right side (Y-axis positive direction) on the sample surface 49 without overlapping or leaking. It's moving.
  • the measurement area 56 in FIG. 26 is the same as the measurement area 56 in FIG. 22.
  • Figures 29 to 33 are the results of four-color, four-division spectrum imaging of the respective measurement regions 56 in Figures 24 to 28, respectively.
  • Figure 31 is the same as Figure 23.
  • spectral imaging is a snapshot method in which an image containing spectral information of each point in the measurement area of a two-dimensionally distributed sample is acquired at one time without scanning. This can be achieved using a device configuration that is smaller, simpler, and lower cost than conventional equipment, as shown in Figures 13 to 15. Additionally, because the efficiency of using light from the measurement area is high, highly sensitive spectral imaging is possible.
  • Patent Document 2 proposes to eliminate the above optical path length difference by inserting optical path length adjustment elements with different thicknesses in each divided optical path.
  • optical path length adjustment elements with different thicknesses made of transparent material with a refractive index of 2 into each divided optical path according to FIG. It turns out that the focus shift between images is rather magnified.
  • FIG. 24(b) of Patent Document 2 increases the optical path length difference between the divided optical paths. Note that in this specification, the difference in distance between each optical path to the position where the image is focused may be referred to as an optical path length difference.
  • the thickness of the transparent member inserted into the optical path of C3 is thicker than the thickness of the transparent member inserted into the optical path of C2.
  • the thickness of the transparent member inserted into the optical path of C4 is thicker than the thickness of the transparent member inserted into the optical path of C3.
  • ⁇ h be the optical path length of any divided light beam, that is, the optical path length difference of any divided light beam based on .
  • the optical path length serving as the above reference can be approximated by the distance h between the condenser lens 2 and the area sensor 3. Therefore, the optical path length of any divided light beam can also be expressed as h+ ⁇ h.
  • the position in the X-axis direction (X-coordinate) at which a divided image of an arbitrary divided light beam is focused shifts toward the front side (in the negative direction of the X-axis) along with ⁇ h.
  • the position in the X-axis direction (X coordinate) at which the divided image is focused will be (1-1/n x ) x t to the rear side (in the positive direction of the X-axis).
  • the thickness t of the transparent member can be reduced, making it easier to mount the optical path length adjustment element.
  • glass or resin is preferably used as the transparent member.
  • the refractive index is preferably n x ⁇ 1.60, more preferably n x ⁇ 1.80. Furthermore, it is more desirable that the refractive index is n x ⁇ 2.00.
  • manufacturers such as AGC, Nippon Electric Glass, Corning, HOYA, and Sumita Optical Glass have developed and sold glasses with high transparency (transmittance) and a refractive index of n x 2.00. It is effective to use such a glass material. Of course, it is also effective to use a highly transparent and high refractive index resin.
  • optical path length adjustment element is applied to FIG.
  • the thickness of the optical path length adjustment element should be increased according to the difference between the optical path length of the divided light beam in the optical path to be inserted and the optical path length of the divided light beam with the shortest optical path length, more specifically, in proportion to the difference. It is better to let it increase.
  • (Formula 24) provides a suitable solution for the optical path length adjustment element, but it goes without saying that the effect can be improved even under conditions that deviate somewhat from this suitable solution. Preferably, It is good to be satisfied.
  • (Formula 25) means ⁇ h/(1-1/n x ) ⁇ 80% ⁇ t ⁇ h/(1-1/n x ) ⁇ 120%. More preferably, It is good to be satisfied.
  • (Formula 26) means ⁇ h/(1-1/n x ) ⁇ 90% ⁇ t ⁇ h/(1-1/n x ) ⁇ 110%.
  • the configuration of the optical path length adjustment element described above is not limited to spectral imaging devices, but can also produce similar effects when applied to any optical device including multicolor detection devices such as Patent Document 2 and Patent Document 3. Needless to say, it will be effective. In other words, it is possible to effectively cancel the optical path length difference inherent in the dichroic mirror array and obtain good optical performance by using a device that combines an arbitrary dichroic mirror array and the configuration of the optical path length adjustment element described above. Become.
  • the thickness of the optical path length adjustment element in the X-axis direction is calculated by (Equation 24). No optical path length adjustment element is inserted in the optical path of C1.
  • the width of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 in the Y-axis direction is all 2.5 mm, and the depth in the Z-axis direction is all 15 mm.
  • each of the light beams of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 are perpendicular to the X-axis, and the direction of the entrance surface of each optical path length adjustment element is set in the negative X-axis direction (direction toward the dichroic mirror array 43). ), the direction of the output surface is the positive direction of the X-axis (direction toward area sensor 3).
  • the side surfaces perpendicular to the Y axis between the optical path length adjusting elements 61 and 62 and between the optical path length adjusting elements 62 and 63 are respectively connected, and the optical path length adjusting elements 61, 62, and 63 are integrated. In this way, any two adjacent transparent solid members may be combined, or a plurality of inserted transparent solid members may be integrated.
  • These bonding surfaces are transparent, allowing light flux to pass through the bonding surfaces.
  • FIG. 24(b) of Patent Document 2 the optical path length adjustment elements 77, 78, and 79 are not integrated. In this respect as well, the configurations of FIG. 34 and FIG. 24(b) of Patent Document 2 are different.
  • Integrating the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 in this way brings about the following effects.
  • optical path length adjustment element becomes easier. If the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 are not integrated, it is necessary to handle and position each of them individually. However, as mentioned above, each optical path length adjustment element is minute, so it is difficult to handle and align each element individually, and the mechanism to implement this is likely to be large and expensive. .
  • the width w of the aperture 18 of the dichroic mirror array 43 in the Y-axis direction is effectively reduced. can be avoided.
  • each divided beam may deviate from the optical path length adjustment element or the area It is possible to reduce the risk of a decrease in the amount of light reaching the sensor 3, and to measure each divided image favorably.
  • aligning the output surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 on the same plane brings about the following effects.
  • These effects can also be obtained by arranging the incident surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 on the same plane instead of their exit surfaces.
  • the unique effect of aligning the output surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 on the same plane is that the output surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 are arranged on the same plane. , and 63 close to the dichroic mirror array 43. Specifically, the optical path length adjusting element 63 can be brought close to the dichroic mirror M4, and hx can be reduced.
  • each split light beam can pass through the coupling surface and form an image on the area sensor 3. Therefore, due to the insertion of the optical path length adjustment element, It is possible to prevent the width w from being effectively reduced.
  • each divided beam may deviate from the optical path length adjustment element or the area It is possible to reduce the risk of a decrease in the amount of light reaching the sensor 3, and to measure each divided image favorably.
  • the integrated optical path length adjustment element shown in Figure 34 can be manufactured in the following three ways.
  • the first method is injection molding.
  • the transparent member is made of resin
  • the integrated optical path length adjustment element can be mass-produced at low cost by injection molding.
  • injection molding can be used even when the transparent member is glass, as shown in Figure 34.
  • the second method is to cut a block of transparent material. With this method, it is somewhat difficult to optically polish the entire incident surface and exit surface of the integrated optical path length adjustment element after the shape shown in FIG. 34 is finished. Specifically, the area near the optical path length adjusting element 62 on the incident surface of the optical path length adjusting element 61 and the area near the optical path length adjusting element 63 on the incident surface of the optical path length adjusting element 62 are optically It is physically difficult to polish. However, since it is easy to prevent each divided light beam from passing through these regions, these regions may be excluded from the target of optical polishing.
  • the third method is to bond the bonding surfaces of the separately manufactured optical path length adjusting elements 61, 62, and 63 with adhesive or the like.
  • this method it is easy to optically polish the entire incident and exit surfaces or side surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 before bonding. It is also possible to make the bonding surface transparent by using a transparent adhesive and making the adhesive layer sufficiently thin. The higher the refractive index of the adhesive, the better, and the closer it is to the refractive index of the optical path length adjustment element, the better.
  • the separately manufactured optical path length adjusting elements 61, 62, and 63 may be stacked and compressed using a special device without using an adhesive. Note that the integrated optical path length adjustment element shown in FIG. 34 is manufactured by the third method.
  • transparent members having the same refractive index n x and different thicknesses t are inserted into different divided optical paths, but this is not necessarily necessary. That is, transparent members having different refractive indexes n x may be inserted into different divided optical paths. However, even in that case, it is better to satisfy (Formula 24) to (Formula 26).
  • the refractive index n x of each transparent member can be changed so that the thickness t of the transparent member inserted into the optical path of the other light beams except for the light beam with the shortest optical path length is the same.
  • the optical path length adjusting elements 61, 62, and 63 are rectangular parallelepipeds. 63 becomes easier to handle and align.
  • the coupling surfaces and side surfaces of the optical path length adjustment elements 61, 62, and 63 in FIG. 34 are made opaque.
  • the surface where any two adjacent transparent solid members are joined may be opaque.
  • a black light-absorbing thin film 64 is placed on the bonding surface and the side surface perpendicular to the Y axis.
  • Example 4 In the above embodiment, four-color spectral imaging using a four-division dichroic mirror array is shown. In contrast, in this embodiment, 9-color spectral imaging is performed using a 9-division dichroic mirror array.
  • FIG. 36 shows the structure of the nine-divided dichroic mirror array 65, the diaphragm 17 and the aperture 18, and the area sensor 3, which is modeled on FIG. 29 of Patent Document 3. Similar to Figure 15, a right-handed XYZ orthogonal coordinate system is defined in the figure. Only the optical axes of the light beam C0 incident on the dichroic mirror array 65 and the nine divided light beams C1 to C9 that are split and emitted from the dichroic mirror array 65 are shown, and the virtual parallel light beam 48 is not shown. .
  • a bandpass filter BP is placed immediately after the aperture 18 (on the positive side of the X-axis), and a dichroic mirror M1 is placed further downstream (on the positive side of the X-axis).
  • dichroic mirror M1 as a starting point, four dichroic mirrors M2, M3, M4, and M5 are arranged at equal intervals in the right direction (Y-axis positive direction), and are shifted in steps in the X-axis direction.
  • dichroic mirror M6 is placed after dichroic mirror M1 (on the positive side of the X-axis).
  • dichroic mirror M6 is placed after dichroic mirror M1 (on the positive side of the X-axis).
  • dichroic mirror M6 as a starting point, four dichroic mirrors M7, M8, M9, and M10 are arranged at equal intervals in the left direction (Y-axis negative direction), and are shifted in steps in the X-axis direction.
  • the light beam C0 passes through the aperture 18 along the optical axis 4 and passes through the bandpass filter BP, as in FIG. 15.
  • the laser beam 45 and its reflected light or scattered light are blocked by the dichroic mirror 46 as in FIG. 13 (although they are reflected without passing through the dichroic mirror 46), but are further blocked by the bandpass filter BP. .
  • the light beam C0 that has passed through the band-pass filter BP enters the dichroic mirror M1 and is split into reflected light that travels in the positive direction of the Y-axis and transmitted light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • the light beam reflected by the dichroic mirror M1 enters the dichroic mirror M2 and is split into transmitted light that travels in the positive direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis. This reflected light is a divided light beam C1 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M2 enters the dichroic mirror M3, where it is split into transmitted light that travels in the positive direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C2, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light beam that has passed through the dichroic mirror M3 enters the dichroic mirror M4, where it is split into transmitted light that travels in the positive direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided light beam C3 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M4 is incident on the dichroic mirror M5 and is reflected, resulting in reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C4, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M1 enters the dichroic mirror M6 and is split into transmitted light that travels in the positive direction of the X-axis and reflected light that travels in the negative direction of the Y-axis.
  • This transmitted light is a divided luminous flux C5 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the light beam reflected by dichroic mirror M6 enters dichroic mirror M7, where it is split into transmitted light that travels in the negative direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C6, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light beam transmitted through the dichroic mirror M7 enters the dichroic mirror M8, where it is split into transmitted light that travels in the negative direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C7 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the light beam transmitted through dichroic mirror M8 enters dichroic mirror M9, and is split into transmitted light that travels in the negative direction of the Y-axis and reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided luminous flux C8, and is perpendicularly incident on the area sensor 3.
  • the light flux that has passed through the dichroic mirror M9 is incident on the dichroic mirror M10 and is reflected, resulting in reflected light that travels in the positive direction of the X-axis.
  • This reflected light is a divided light beam C9 and is incident on the area sensor 3 perpendicularly.
  • the arrangement spacing of dichroic mirrors M1 to M5 and dichroic mirrors M6 to M10 in the Y-axis direction is each 1.6 mm.
  • the distance between the C1 segmented image and the C2 segmented image, the distance between the C2 segmented image and the C3 segmented image, the distance between the C3 segmented image and the C4 segmented image, and the distance between the C6 segmented image and the C4 segmented image are each 1.6 mm
  • the distance between the segmented image of C1 and the segmented image of C5 is 1.6 mm.
  • the distance between the C5 segmented image and the C6 segmented image is slightly smaller than 1.6 mm.
  • dichroic mirror array 65 is shifted in steps in the X-axis direction. That is, dichroic mirror M2 is 0.35 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M1, dichroic mirror M3 is 0.16 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M2, and dichroic mirror M4 is more negative in the X-axis than dichroic mirror M3. Dichroic mirror M5 is shifted by 0.16 mm in the negative direction of the X axis than dichroic mirror M4.
  • dichroic mirror M7 is 0.35 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M6, dichroic mirror M8 is 0.16 mm more negative in the X-axis than dichroic mirror M7, and dichroic mirror M9 is more negative in the X-axis than dichroic mirror M8.
  • dichroic mirror M10 is shifted by 0.16 mm in the negative direction of the X axis relative to dichroic mirror M9.
  • Patent Document 3 a preferred structure of the above dichroic mirror array will be generalized following Patent Document 3.
  • m dichroic mirrors DA1 to DAm are arranged parallel to each other along the positive direction of the Y-axis, and in the order of going from the negative direction to the positive direction of the Y-axis, DA1, DA2,...,DAm.
  • the dichroic mirror array further includes n dichroic mirrors DB1 to DBn, DB1, DB2, ..., DBn, arranged in parallel to each other in order from the positive direction to the negative direction of the Y axis, where n is an integer of 2 or more. include.
  • dichroic mirrors DB1 to DBn are arranged parallel to each other along the negative direction of the Y-axis.
  • Dichroic mirror DA1 and dichroic mirror DB1 are arranged along the X axis.
  • the incident planes of dichroic mirrors DA1 to DAm and dichroic mirrors DB1 to DBn are perpendicular to the XY plane, (2)
  • the inclination of the straight line in the XY plane, which is obtained by projecting the normal to the incident surface of dichroic mirrors DA1 to DAm onto the XY plane, is negative, and
  • the inclination in the XY plane is positive, and the angle between the normal to the incident plane of dichroic mirrors DA1 to DAm and dichroic mirrors DB1 to DBn and the X axis is ⁇ 0 , (3)
  • the dichroic mirror DAj has a larger X coordinate. (5) Comparing the positions of two adjacent dichroic mirrors DBj and DB(j+1) (where 1 ⁇ j ⁇ (n ⁇ 1)) on the XY plane, both the Y and X coordinates are the same as that of dichroic mirror DBj. is larger, (6) Two adjacent dichroic mirrors DA1 and DB1 are on the X axis, and the X coordinate of dichroic mirror DB1 is larger than the X coordinate of dichroic mirror DA1.
  • ⁇ 0 45°.
  • the dichroic mirror array 43 shown in FIG. 15 has a plurality of dichroic mirrors arranged in one direction (positive Y-axis direction).
  • a plurality of dichroic mirrors are arranged in two opposite directions (Y-axis positive direction and Y-axis negative direction). Therefore, when comparing dichroic mirror arrays with the same number of divisions, it is possible to make the maximum optical path length difference smaller in the case of FIG. 36. This effect is described in detail in Patent Document 3.
  • the thickness of the optical path length adjustment element can be reduced, which is even more advantageous.
  • the effect will be even greater.
  • FIG. 37 shows the optical path length adjustment element described above inserted between the dichroic mirror array 65 and the area sensor 3 in FIG. 36.
  • the distance h-x between the aperture 17 and aperture 18 and the area sensor 3 has been expanded from 10 mm to 20 mm.
  • g 20 mm from (formula 1)
  • m 20 from (formula 2).
  • h 400 mm
  • No optical path length adjusting element is inserted in the divided optical path of C5.
  • the width of the optical path length adjustment elements 75 to 82 in the Y-axis direction is all 1.6 mm, and the depth in the Z-axis direction is all 15 mm.
  • each light beam of the optical path length adjustment elements 75 to 82 are perpendicular to the X axis, and the orientation of the entrance surface of each optical path length adjustment element is in the negative direction of the X axis (direction toward the dichroic mirror array 64) and exit The surface is oriented in the positive X-axis direction (direction toward area sensor 3).
  • At least the areas on the entrance surface and the exit surface through which each divided beam passes are optically polished.
  • the sides perpendicular to the Y-axis between optical path length adjustment elements 75 and 76, between optical path length adjustment elements 76 and 77, and between optical path length adjustment elements 77 and 78 are respectively combined, and optical path length adjustment elements 75 to 78 are integrated.
  • the sides perpendicular to the Y axis between optical path length adjustment elements 79 and 80, between optical path length adjustment elements 80 and 81, and between optical path length adjustment elements 81 and 82 are coupled, and optical path length adjustment elements 79 to 82 are connected to each other. are integrated.
  • a black light-absorbing thin film 64 is provided on each bonding surface and on the side surface perpendicular to the Y axis.
  • FIG. 38 shows the optical path length adjustment elements 75 to 82 in FIG. 37 observed from a direction perpendicular to the YZ plane.
  • the optical path length adjustment elements 75 to 78 and the optical path length adjustment elements 79 to 82 are connected by a bridge 83 that defines a plane perpendicular to the Z axis, so that the entire optical path length adjustment elements 75 to 82 are integrated. Integrating the optical path length adjusting elements 75 to 82 in this way brings about the same effect as in the third embodiment.
  • the range of the measurement region 84 which is sometimes the object of imaging, is shown by a thick broken line. These conditions are also shown at the bottom of FIG.
  • the notation of the sample surface 49 is the same as in FIG. 18.
  • the letters written in each section indicate the localized distribution of nine types of phosphors, and each letter emits fluorescence when irradiated with a laser beam. Specifically, it is as follows. Each letter in the 1st line (first letter is A), 10th line (first letter is J), and 19th line (first letter is S) is labeled with the first phosphor, and the light emission of the first phosphor Fluorescence is measured only in the C1 segmented image.
  • Each letter in the second line (first letter B), 11th line (first letter K), and 20th line (first letter T) is labeled with a second phosphor, and the second phosphor's light emission Fluorescence is measured only in the C2 segmented image.
  • Each letter in the 3rd line (the first letter is C) and the 12th line (the first letter is L) is labeled with a third fluorophore, and the emitted fluorescence of the third fluorophore is measured only in the segmented image of C3.
  • Each letter in the 4th line (the first letter is D) and the 13th line (the first letter is M) is labeled with a fourth fluorophore, and the emitted fluorescence of the fourth fluorophore is measured only in the C4 segmented image.
  • Each letter in the 5th line (first letter is E) and the 14th line (first letter is N) is labeled with the fifth fluorophore, and the emitted fluorescence of the fifth fluorophore is measured only in the C5 segmented image.
  • Each letter in the 6th line (the first letter is F) and the 15th line (the first letter is O) is labeled with the 6th fluorophore, and the emitted fluorescence of the 6th fluorophore is measured only in the C6 segmented image.
  • Each letter in the 7th line (the first letter is G) and the 16th line (the first letter is P) is labeled with the seventh fluorophore, and the emitted fluorescence of the seventh fluorophore is measured only in the C7 segmented image.
  • Each letter in the 8th line (the first letter is H) and the 17th line (the first letter is Q) is labeled with the 8th fluorophore, and the emitted fluorescence of the 8th fluorophore is measured only in the C8 segmented image.
  • Each letter in the 9th line (the first letter is I) and the 18th line (the first letter is R) is labeled with the 9th fluorophore, and the emitted fluorescence of the 9th fluorophore is measured only in the C9 segmented image.

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Abstract

2次元的に分布するサンプルと，単一の集光レンズと，複数のダイクロイックミラーが配列するダイクロイックミラーアレイと，エリアセンサとが，前記集光レンズの光軸に沿ってこの順で配列され，前記複数のダイクロイックミラーが配列する方向が，前記光軸と垂直方向であり，前記サンプル上の測定領域のイメージを，前記エリアセンサ上で，異なる波長成分を有する複数のイメージに分割して計測する光学装置において，前記ダイクロイックミラーアレイが，前記集光レンズよりも，前記エリアセンサに近接している。

Description

光学装置
　本発明は，光学系およびエリアセンサを用いて2次元的または3次元的に分布する測定対象をイメージングすると同時に，各画素のスペクトル情報を同時に取得するスペクトルイメージングを行う装置に関する。
　スペクトルイメージングは，様々な科学技術分野や産業分野で活用されている重要技術である。例えば，食品の製造工程で混入した異物を識別したり，100億光年の彼方の銀河から発せられる強い紫外線を検出したり，細胞内の核，ミトコンドリア，アクチンの局在を識別したり，衛星から地表面の鉱物の種類をマッピングしたり，大腸がんの手術中に切除対象部位を特定したり，等である。
　スペクトルイメージングに用いる光学系は任意であり，顕微鏡の対物レンズを用いても，望遠鏡の望遠レンズを用いても，一般的なカメラレンズを用いても構わない。バイオ分析および体外診断の分野では，顕微鏡の対物レンズを用いたスペクトルイメージングが盛んであり，次世代シーケンサ，デジタルPCR，フローサイトメータ，免疫組織化学，等に応用されている。
例えば，次世代シーケンサでは，多数のコロニーが2次元平面上に分散しているサンプルを蛍光顕微鏡でイメージングしながら，各コロニーが4種類の塩基に対応する4種類の蛍光体のいずれが蛍光発光しているかを識別することによって，大規模なDNAシーケンスを実現している。また，免疫組織化学では，組織切片における複数種類の腫瘍マーカーの存在および局在を光学顕微鏡でイメージングすることによって，がん診断を行い，治療方針を決定している。
　スペクトルイメージングの計測方法には様々な手法が提案され，実用化されている。スペクトルイメージングの計測方法は，(1) ポイントスキャン法，(2) ラインスキャン法，(3) 波長スキャン法，(4) スナップショット法，の4種類に分類することができる。
　ポイントスキャン法では，1度に測定領域内の1点からの光を分光計測し，上記1点を2次元的に分布する測定領域全体に渡ってスキャンすることによって，2次元的に分布する測定領域全体の分光情報を得る。ラインスキャン法では，1度に2次元的に分布する測定領域内の1ラインからの光を分光計測し，上記1ラインを2次元的に分布する測定領域全体に渡ってスキャンすることによって，2次元的に分布する測定領域全体の分光情報を得る。波長スキャン法では，1度に2次元的に分布する測定領域全体からの光を1波長について計測し，上記1波長を測定波長全体に渡ってスキャンすることによって，2次元的に分布する測定領域全体の分光情報を得る。スナップショット法では，スキャンを行わずに，1度に2次元的に分布する測定領域全体からの光の分光情報を得る。
　このように記すと，スナップショット法が最も優れているように見えるが，必ずしもそうとは限らない。これらの計測方法のいずれにおいても，時間分解能，空間分解能，波長分解能，視野サイズ，等の諸性能がトレードオフの関係を有しているためである。例えば，同じ光学系とエリアセンサを用いて空間分解能と波長分解能を揃えた場合についてスナップショット法と波長スキャン法を比較すると，スナップショット法の方が時間分解能が優れる一方で，測定領域の視野サイズは小さくなる。
　また，それぞれの計測方法の中にも，様々な方式が存在し，それぞれの装置構成等に依存して，上記の諸性能に加えて，装置のサイズやコスト等において，優劣が生じる。したがって，スペクトルイメージングの目的に応じて，適切な計測方法および装置を選定することが重要である。
　スナップショット法のひとつとして，ダイクロイックミラーを用いた像分割方式が実用化されている。像分割方式は，ダイクロイックミラーに入射した光の透過光と反射光の両方を高効率で利用できるため，感度が高いことが特徴である。
　像分割方式のスペクトルイメージング装置として，例えば，CAIRN Research社のMultiSplit V2や，Optical Insights社のQuad-Viewが製品化されている。従来は，顕微鏡のカメラポートにエリアセンサを含むデジタルカメラが接続され，2次元的または3次元的に分布するサンプルの測定領域のイメージが計測されていた。これに対して，顕微鏡とデジタルカメラの間にこれらの装置を挿入することによって，すなわち，顕微鏡，像分割方式のスペクトルイメージング装置，エリアセンサの順で接続することによって，2次元的または3次元的に分布するサンプルの測定領域を最大で4種類の異なる波長帯の4個のイメージに分割して同時に計測することができる。
　本明細書では，異なる波長帯を異なる色，4種類の異なる波長帯を4色と呼ぶことがある。また，本明細書では，スペクトルイメージングの測定領域は2次元的または3次元的に分布するサンプルであるが，以降ではこれを2次元的に分布するサンプル，あるいは単にサンプルと呼ぶことがある。すなわち，本明細書において「2次元的に分布する」とは，3次元的に分布する場合を除外しない。これらの装置は，1個のエリアセンサを用いながら，同時に，サンプルの測定領域の最大で4分割4色イメージングが可能であることが特徴である。
　特許文献1の図9に，上記の像分割方式のスペクトルイメージング装置の構成が示されている。2次元的に分布するサンプルの測定領域Oからの光は，第1の集光レンズ14および第1の結像レンズ16で集光され，第1の絞り20上に測定領域Oの1次イメージ18が形成される。第1の絞り20上には適切なサイズの第1の開口が適切な位置に設けられている。
　1次イメージ18からの光の内，第1の開口を通過できる光は，第2の集光レンズ24でコリメートされ，第2の絞り29に設けられている第2の開口を通過し，光の進行方向に対して45°に傾けられたダイクロイックミラー（ダイクロイックフィルタ）60に入射する。入射光は，ダイクロイックミラーによって，異なる波長成分を有する透過光と反射光に2分割される。2分割された透過光と反射光はそれぞれ，ミラー28およびフィルタ30を介して，第2の結像レンズ34によってエリアセンサ36上の異なる位置に結像され，測定領域Oの異なる波長成分を有する2個の2次イメージがエリアセンサ36上の異なる位置に，互いに重なり合わないように形成される。すなわち，図9は，1個のダイクロイックミラーと1個のエリアセンサを用いながら，同時に，2次元的に分布するサンプルの測定領域の2分割2色イメージングを行っている。ここで，図9に示されている通り，2分割された透過光と反射光のそれぞれは，ミラー28によって，光軸Aに対して角度を持った状態で第2の結像レンズ34に入射されている。
　図9と同様の装置構成において，ダイクロイックミラーの数を増やすことによって，分割数および色数を増やすことが可能である。例えば，2個のダイクロイックミラーを組み合わせれば，入射光を異なる波長成分を有する3個の出射光に分割することができるため，1個のエリアセンサを用いながら，同時に，2次元的に分布するサンプルの測定領域の3分割3色イメージングを行うことができる。あるいは，3個のダイクロイックミラーを組み合わせれば，入射光を異なる波長成分を有する4個の出射光に分割することができるため，1個のエリアセンサを用いながら，同時に，2次元的に分布するサンプルの測定領域の4分割4色イメージングを行うことができる。
　以上のダイクロイックミラーを用いた像分割方式のスペクトルイメージング装置の構成の特徴のひとつは，2次元的に分布するサンプルの測定領域からの光をダイクロイックミラーに入射させる手前で1次結像させ，その位置に絞りおよび開口を設けていることである。これは，そのような構成を取らないと，エリアセンサ上で異なる分割像が重なり合ってしまい，それぞれの分割像を独立に計測できなくなってしまうためである。
　特許文献2は，2次元的に分布するサンプルではなく，発光点アレイを構成する複数の発光点である複数のサンプルを測定対象とし，複数のダイクロイックミラーが配列するダイクロイックミラーアレイを用いることによって，各発光点からの発光を高感度かつ独立に多色検出する装置構成を示している。
　すなわち，特許文献2の多色検出装置は，特許文献1の像分割方式のスペクトルイメージング装置とは異なるが，複数のダイクロイックミラーを組み合わせることによって，測定対象からの光を複数の波長成分の光に分割して，高効率に，かつ同時に多色検出する点は共通している。また，特許文献2では，多色検出装置の小型化と低コスト化が実現されている。
　特許文献2の図7に4色検出装置の構成例が示されている。図7(a)に示されるように，直線上に等間隔で配列する4個の発光点1（発光点アレイ）から発光される光は，同様に配列する4個の集光レンズ2（集光レンズアレイ）でそれぞれ集光されて光束9となり，1個のロングパスフィルタ10を透過する。また，図7(b)に示されるように，ダイクロイックミラーアレイ（4種類のダイクロイックミラー17，18，19，および20が，4個の集光レンズ2が配列する方向，および集光レンズ2の光軸方向の両者に垂直な方向に配列されている）によって，4個の光束9はそれぞれ異なる4種類の波長成分を有する光束21，22，23，および24に分割され，合計16個の光束が1個のエリアセンサ30に入射する。
　さらに，図7(c)に示されるように，合計16個の光束はそれぞれ，1個のエリアセンサ30上の異なる位置に発光点像25，26，27，および28を形成し，独立かつ同時に計測される。つまり，4個の発光点からの発光の4色検出が同時になされている。各発光点からの発光を高感度に計測するためには，例えば[式6]に示されているように，集光レンズの焦点距離を小さくすることが有効である。また，各発光点からの発光を独立に計測するためには，例えば[式17]に示されているように，分割される複数の光束の内の最大の光路長を有する光束の光路長を小さくし，各発光点像の像倍率を小さくすることが有効である。すなわち，発光点アレイ，集光レンズアレイ，ダイクロイックミラーアレイ，エリアセンサを相互に近接させ，これらで構成される多色検出装置のサイズを小さくすることが有効である。
　また，特許文献2では，[0065]に記されているように，ダイクロイックミラーアレイが入射する平行光束を設計通りに分割できる，つまりダイクロイックミラーアレイの内部でケラレを受けずに分割できる，平行光束の最大幅が開口幅であると定義されている。開口幅を大きくすることは，光量を確保し，感度を向上する上で重要である。
　特許文献2の図14と図15の比較から明らかなように，複数の同じサイズのダイクロイックミラーを同じ間隔で配列する場合，複数のダイクロイックミラーを同一平面上に配列するよりも，階段状に段ずれさせて配列する方が開口幅を大きくすることができることが示されている。
　一方，特許文献2では，図24(a)に示されているように，ダイクロイックミラーアレイによって生成される複数の分割光はエリアセンサまでの光路長が異なるため，すべての分割光の像に焦点を合わせることができないが，図24(b)に示されているように，複数の分割光の光路上にそれぞれ異なる長さの光路長調整素子を挿入することによって，それぞれの光路長が等しくなるように調整し，すべての分割光の像に焦点を合わせることができるようになることが示されている。
　特許文献2の多色検出装置において，ダイクロイックミラーの数を増やし，分割数および同時検出する色数を増やすと，複数の分割光の光路長の内の最大光路長が増大するとともに，最大光路長と最小光路長の差である光路長差が増大するため，複数の発光点からの発光を独立に計測できなくなったり，複数の発光点からの発光の分割像のすべてに焦点を合わせることが困難となる。
　これに対して，特許文献3では，上記の課題を解決するため，図1に示すように，複数のダイクロイックミラーを，特許文献1のように一方向に沿って配列させるのではなく，反対方向の二方向に沿って配列させている。このような構成のダイクロイックミラーアレイを用いた多色検出装置では，最大光路長および光路長差を半減させることができるため，より多数のダイクロイックミラーを用いて，分割数および同時検出する色数を増やすことが可能である。
　特許文献3の図29に9色検出装置の構成例が示されている。1段目に5個のダイクロイックミラーが中央から右方向に沿って配列され，2段目に5個のダイクロイックミラーが中央から左方向に沿って配列されている。すなわち，合計10個のダイクロイックミラーを含むダイクロイックミラーアレイが示されている。特許文献1と同様に，各ダイクロイックミラーを階段状に段ずれさせて配列することによって大きな開口幅を確保している。
米国特許第5982497号明細書 特許第6820907号公報 国際公開第2020/075293号パンフレット
　特許文献1の図9に代表される像分割方式のスペクトルイメージング装置は製品化され，実用化されている。単数または複数のダイクロイックミラーを用いて分光しているため，光の利用効率が高く，感度が高いことが特徴である。
　しかしながら，装置が大きくて複雑であり，高コストであることが課題である。また，装置の構造により，分割数および同時イメージングする色数は4個が最大であり，5個以上にすることは困難である。
　特許文献1の図9を，3個のダイクロイックミラーの組み合わせを用いることによって，4分割4色イメージングに拡張した場合を例として，以下にその理由を説明する。
　2次元的に分布するサンプルの測定領域Oの1次イメージ18は顕微鏡像であり，エリアセンサ36のサイズ，例えば10 mm角に拡大された像である。4分割4色イメージングを行うためには，第1の開口のサイズをエリアセンサ36の1/4サイズ，例えば5 mm角として，第2の集光レンズ24と第2の結像レンズによって2次イメージが1次イメージ18の等倍像となるようにすれば良い。つまり，4種類の波長成分を有する4個の5 mm角の2次イメージが，サイズが10 mm角のエリアセンサ36上に，互いに重なり合わないように形成される。
　ここで，特許文献1の図9において，縦方向（y軸方向）に2個，奥行き方向（x軸方向）に2個の合計4個の5 mm角の2次イメージが並ぶようにする。したがって，第2の集光レンズ24は，5 mm角の領域からの発光を効率良く，均一にコリメートする必要があるため，コリメートされた光束の径を少なくとも10 mm以上にしなければならない。また，径が10 mm以上のコリメートされた光束を，径が10 mm以上の4個の光束に互いに重ならないように分割するためには，分割された各光束の中心軸は光軸Aから少なくとも5 mm以上離れている必要がある。
　各ダイクロイックミラーは光軸Aに対して45°に傾けられているため，各サイズを14 mm角以上とする必要がある。このとき，光軸Aから15mm以内の空間が，4個の光束のいずれかでほぼ満たされた状態となる。さらに，特許文献1の図9に示されている通り，分割された各光束は，光軸Aから10 mm以上離れた位置から，光軸Aに対して角度を持った状態で第2の結像レンズ34に入射される。これによって，結像レンズ34によって形成される4個の2次イメージがエリアセンサ36上の異なる位置に，互いに重なり合わないようになされる。
　以上の条件を起点として，ダイクロイックミラーを少なくとも1個増やし，5分割5色イメージングを行うことを想定する。径が10 mm以上のコリメートされた光束を，径が10 mm以上の5個の光束に互いに重ならないように分割するためには，分割された光束のいずれかひとつの中心軸は光軸Aから少なくとも20 mm以上離れている必要がある。
　このとき，その光束が第2の結像レンズ34に入射される角度は，4分割4色イメージングの場合と比較して著しく大きくなってしまう。その結果，その光束の2次イメージは一部がエリアセンサ36に収まらなかったり，エリアセンサ36に収まっている部分も像の歪が大きく，イメージの品質が低下することになる。5分割5色以上のイメージングについても以上と同様である。
　特許文献2は，2次元的に分布するサンプルの測定領域のスペクトルイメージングではなく，発光点アレイの複数のサンプルを測定対象とする多色検出装置を提供するものである。この多色検出装置をそれぞれが2次元的に分布する複数のサンプルの測定領域のスペクトルイメージングに用いると，エリアセンサ上で分割されたイメージが相互に重なり合ってしまい，それぞれの分割イメージを独立に計測できなくなってしまう。
　以上の理由を，特許文献2の明細書にしたがって，図7および図15に示される多色検出装置の詳細な構成を用いて説明する。
　4個の径0.075 mmの発光点1を間隔1 mmで配列し，4個の焦点距離1.5 mm，有効径1 mmの集光レンズ2を間隔1 mmで配列し，各発光点1からの発光を各集光レンズ2で集光する。集光された各光束を，幅2.5 mm，厚さ1 mm，奥行き5 mmのロングパスフィルタ10を透過させ，幅2.5 mm，厚さ1 mm，奥行き5 mmのダイクロイックミラー17，18，19，および20で構成されるダイクロイックミラーアレイによって4分割する。
　特許文献2の図15において，ダイクロイックミラー17，18，19，および20の水平方向の配列間隔をx＝2.5 mmとし，ダイクロイックミラー18をダイクロイックミラー17よりy＝0.7 mmだけ上側（集光レンズ2に向かう方向）に段ずれさせ，ダイクロイックミラー19をダイクロイックミラー18よりz＝0.3 mmだけ上側に段ずれさせ，ダイクロイックミラー20をダイクロイックミラー19よりz＝0.3 mmだけ上側に段ずれさせる。このとき，ダイクロイックミラーアレイの開口幅63が1.3 mmとなる。特許文献2の図15の紙面に垂直方向（奥行き方向）の開口幅は各ダイクロイックミラーの奥行きと同じ5 mmである。したがって，各ダイクロイックミラーの奥行きを拡大することによって，奥行き方向の開口幅を拡大することが可能である。
　以上の結果，集光レンズ2とエリアセンサ30の間の最大の光路長64が21 mmとなる。このとき，径0.075 mmの各発光点1は像倍率13倍でエリアセンサ30上に結像され，各発光点像の径は0.98 mmとなる。合計16個の発光点像の，発光点アレイ方向（特許文献2の図7(c)の縦方向）の間隔は1 mm，分割方向（図7(c)の横方向）の間隔は2.5 mmである。したがって，各発光点像は互いに重なり合うことなく，それぞれを独立に計測することが可能である。
　しかしながら，発光点1の径が0.085 mm以上に大きくなると，発光点像の径が1.1 mm以上になるため，発光点アレイ方向の発光点像が互いに重なり合ってしまう。また，発光点1の径が0.2 mm以上に大きくなると，発光点像の径が2.6 mm以上になるため，分割方向の発光点像も互いに重なり合ってしまう。このように発光点像が互いに重なり合うと，それぞれを独立に計測できなくなってしまう。
　一方，2次元的に分布するサンプルの測定領域は上記の発光点1の径よりもさらに大きい。したがって，上記の多色検出装置を2次元的に分布するサンプルの測定領域のスペクトルイメージングに用いると，エリアセンサ上で分割されたイメージが相互に重なり合ってしまい，それぞれの分割イメージを独立に計測できなくなってしまうのである。
　次に，特許文献2で示されているダイクロイックミラーアレイを，特許文献1の像分割方式のスペクトルイメージング装置に適用することを考える。具体的には，特許文献1の図9において，第2の絞り29および第2の開口，ダイクロイックミラー60，ミラー28，およびフィルタ30の一式を，特許文献2の図15に示されるロングパスフィルタ10，およびダイクロイックミラー17，18，19，および20からなるダイクロイックミラーアレイの一式に置き換えてみる。
　ここで，特許文献1の図9において，右方向（z軸正方向）に進む第2の集光レンズ24でコリメートされた光束が最初にロングパスフィルタ10に垂直に入射し，次いでダイクロイックミラー17に45°で入射するように配置する。つまり，ロングパスフィルタ10およびダイクロイックミラー17は光軸A上に配置され，ダイクロイックミラー18，19，および20は，この順番で光軸Aより下方向（y軸負方向）に配置される。
　これらのダイクロイックミラーアレイによって4分割される光束の内，ダイクロイックミラー17を透過した光束は光軸A上を右側に進み，その他の3個の光束は光軸Aよりも下側で光軸Aに沿って右側に進む。そこで，第2の結像レンズ34およびエリアセンサ36の位置を，それらの中央が4分割された4個の光束の中央と一致するように，配置する。
　以上のような構成の装置によって，2次元的に分布するサンプルの測定領域の4分割4色イメージングを行うと次のような課題を生じる。
　まず，第1の課題は，第2の集光レンズ24でコリメートされた光束は，上述の通り，径が10 mm以上あるのに対して，ダイクロイックミラーアレイの開口幅63は，上述の通り，1.3 mmに過ぎないため，その利用効率が13%以下になってしまい，感度が低下してしまうことである。特許文献1の図9の奥行き方向（x軸方向）の開口幅については10 mm以上に拡大することが可能であるため，奥行き方向の開口幅による利用効率の低下はないものとする。
　次に，第2の課題は，4分割された光束は，いずれも光軸Aと平行であるため，第2の結像レンズ34によってエリアセンサ36上の同じ位置に結像されてしまう，つまり，4個に分割された2次イメージがひとつに重なってしまうため，各分割イメージを独立に計測できなくなってしまうことである。
　続いて，第2の課題を回避するために，第2の結像レンズ34を除外し，第2の集光レンズ24によって1次イメージ18を直接，エリアセンサ36上に等倍に結像することを想定する。4個に分割された2次イメージのサイズは，上述の通り，5 mm角である。これに対して，4個に分割された2次イメージの間隔は，4個のダイクロイックミラーの配列間隔と同じであり，2.5 mmである。したがって，第3の課題は，4個に分割された2次イメージが相互に重なり合ってしまい，各分割イメージを独立に計測できなくなってしまうことである。
　本発明に係る光学装置の一例は，
　2次元的に分布するサンプルと，単一の集光レンズと，複数のダイクロイックミラーが配列するダイクロイックミラーアレイと，エリアセンサとが，前記集光レンズの光軸に沿ってこの順で配列され，
　前記複数のダイクロイックミラーが配列する方向が，前記光軸と垂直方向であり，
　前記サンプル上の測定領域のイメージを，前記エリアセンサ上で，異なる波長成分を有する複数のイメージに分割して計測する
光学装置において，
　前記ダイクロイックミラーアレイが，前記集光レンズよりも，前記エリアセンサに近接していることを特徴とする。
　本発明に係る光学装置の一例は，
　右手系XYZ直交座標系において，
　YZ平面と平行に2次元状に分布するサンプルと，光軸がX軸と一致する単一の集光レンズと，mを2以上の整数としてm個のダイクロイックミラーを互いに平行にY軸方向に配列するダイクロイックミラーアレイと，YZ平面と平行なエリアセンサとを，上記の順番でX軸正方向に沿って配置し，
　前記サンプル上の測定領域のイメージを，前記エリアセンサ上で，異なる波長成分を有するm個のイメージに分割して計測する光学装置において，
　絞りの中に設けられた前記ダイクロイックミラーアレイの開口が，X軸上で，前記集光レンズの側で，前記ダイクロイックミラーアレイに近接して存在し，
　前記集光レンズと前記エリアセンサのX軸方向の距離をh，前記集光レンズと前記開口のX軸方向の距離をxとするとき，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 が満たされることを特徴とする。
　2次元的に分布するサンプルの測定領域の各点の分光情報を有するイメージを，スキャンを行わずに1度に取得するスナップショット法のスペクトルイメージングが，本発明により，従来と比較して小さく，簡単で，低コストな装置によって実現される。
　また，本装置は，測定領域からの光の利用効率が高いため，高感度なスペクトルイメージングが可能である。
　さらに，本装置は，5種類以上の波長帯の5色以上のイメージングが可能である。
　したがって，本装置は，様々な科学技術分野や産業分野で実施されるスペクトルイメージングに応用することができ，これらの分野の発展に貢献することができる。
　上記した以外の，課題，構成及び効果は，以下の実施形態の説明により明らかにされる。
3個の発光領域のイメージングの模式図 中央に開口を設けた，3個の発光領域のイメージングの模式図 中央に開口を設け，1個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 中央に開口を設け，2個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 中央に開口を設け，3個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 エリアセンサ近傍に開口を設けた，3個の発光領域のイメージングの模式図 エリアセンサ近傍に開口を設け，1個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 エリアセンサ近傍に開口を設け，2個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 エリアセンサ近傍に開口を設け，3個のダイクロイックミラーを配置した，3個の発光領域のイメージングの模式図 開口を設けた，発光領域のイメージングの模式図における第1の表記設定 第1の表記設定に揃えた特許文献2の図7 開口を設けた，発光領域のイメージングの模式図における第2の表記設定 レーザ励起の落射蛍光顕微鏡に基づくスナップショット法のスペクトルイメージング装置の模式図 図13のスペクトルイメージング装置の詳細図 4分割ダイクロイックミラーアレイと周辺部の詳細図 yをパラメータとしたxに対するEの変化を示すグラフ xをパラメータとしたyに対するEの変化を示すグラフ 2次元的に分布するサンプル平面の模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域50の模式図 測定領域50の4分割イメージの模式図 測定領域50の4色4分割イメージの模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56の模式図 測定領域56の4色4分割イメージの模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56(1)の模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56(2)の模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56(3)の模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56(4)の模式図 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域56(5)の模式図 測定領域50(1)の4分割イメージの模式図 測定領域50(2)の4分割イメージの模式図 測定領域50(3)の4分割イメージの模式図 測定領域50(4)の4分割イメージの模式図 測定領域50(5)の4分割イメージの模式図 光路長調整素子を挿入した4分割ダイクロイックミラーアレイと周辺部の詳細図 光吸収薄膜付きの光路長調整素子を挿入した4分割ダイクロイックミラーアレイと周辺部の詳細図 9分割ダイクロイックミラーアレイと周辺部の詳細図 光吸収薄膜付きの光路長調整素子を挿入した9分割ダイクロイックミラーアレイと周辺部の詳細図 9分割ダイクロイックミラーアレイ側から観察した光吸収薄膜付きの光路長調整素子 2次元的に分布するサンプル平面上の測定領域84の模式図 測定領域84の9分割イメージの模式図
［概要］
　2次元的に分布するサンプルの測定領域からの光を，単一の集光レンズを用いて，エリアセンサ上に結像することによって測定領域のイメージングを行う光学系において，単一の集光レンズとエリアセンサの間に，m個（mは2以上の整数）のダイクロイックミラーを配列したダイクロイックミラーアレイを配置し，測定領域からの光を異なる波長成分を有するm個の光に分割してエリアセンサ上の異なる位置に結像することによって測定領域のスペクトルイメージングを行う。
　ここで，ダイクロイックミラーアレイとエリアセンサの間にはレンズを配置しない。また，ダイクロイックミラーアレイを単一の集光レンズよりもエリアセンサに近づけて配置する。より具体的には，ダイクロイックミラーアレイの開口の位置を，単一の集光レンズよりもエリアセンサに近づけて配置する。また，ダイクロイックミラーアレイのm個のダイクロイックミラーが配列する方向の開口径を，単一の集光レンズの有効径よりも小とする。m個のダイクロイックミラーには，波長依存性の低い単純なミラーが含まれても良い。単一の集光レンズは，単レンズを意味するとは限らず，単一の集光レンズと等価な構造（たとえば，複数の単レンズを組み合わせた複合レンズ，組み合わせレンズ，等）を意味することもある。
　本明細書では，次のように右手系XYZ直交座標系を定義し，装置の構造をより明確化する。単一の集光レンズの主点を原点とする。単一の集光レンズの光軸をX軸とし，X軸の正方向をサンプルの測定領域から単一の集光レンズに向かう方向，および単一の集光レンズからエリアセンサに向かう方向とする。また，単一の集光レンズの光軸に垂直方向にY軸およびZ軸を取り，ダイクロイックミラーアレイを構成するm個のダイクロイックミラーが配列する方向をY軸とする。各ダイクロイックミラーの入射面はX軸およびY軸に対して45°に傾けられ，Z軸と平行である。また，入射面がX軸に垂直なフィルタ，または入射面がY軸に垂直なフィルタをダイクロイックミラーアレイに含める場合もある。
　単一の集光レンズの有効径をDとする。単一の集光レンズとエリアセンサの距離をセンサ距離hとする。つまり，エリアセンサのX座標がhである。測定領域からの光が単一の集光レンズで集光されて形成される光束がダイクロイックミラーアレイに入射する際の入口，すなわち，ダイクロイックミラーアレイよりも単一の集光レンズの側に開口を設ける。ダイクロイックミラーアレイと開口は近接しているものとする。
　なお，「ダイクロイックミラーアレイと開口が近接する」とは，たとえばダイクロイックミラーアレイと開口との距離が，ダイクロイックミラーアレイとエリアセンサとの距離またはダイクロイックミラーアレイと集光レンズとの距離に比べて十分に短いことをいうが，これに限らない。
　一般に，「開口」とは，光を遮断する「絞り」の中に設けられ，光を通過させる「物理的な穴」である。本明細書では，光を遮断する部分を「絞り」と呼び，光を通過させる部分を「開口」と呼び，両者を区別する。絞りおよび開口はX軸と垂直な同一平面上にある。開口，およびm個のダイクロイックミラーの内の光束が最初に入射されるダイクロイックミラーをX軸上に配置する。
　一方，特許文献2において，ダイクロイックミラーアレイの「開口幅」が次のように定義されている。「開口幅」とは，ダイクロイックミラーアレイが，入射する光束を設計通りに分割できる，光束の最大幅である。つまり，ダイクロイックミラーアレイに入射する平行光束が一部でも内部でケラレを受けることなく，分割され，出射される，平行光束の最大幅が「開口幅」である。
　この開口幅に相当する開口を，「物理的な穴」と対比させ，「仮想的な穴」と呼ぶことにする。また，「仮想的な穴」は，「物理的な穴」と同じ位置に，同じ向きに配置されるものとする。すなわち，「仮想的な穴」および「物理的な穴」は，X軸と垂直であり，測定領域からの光が単一の集光レンズで集光されて形成される光束がダイクロイックミラーアレイに入射する際の入口，すなわち，ダイクロイックミラーアレイよりも単一の集光レンズの側に位置し，ダイクロイックミラーアレイと「仮想的な穴」および「物理的な穴」は近接している，とする。
　以上を踏まえて，本明細書では，「物理的な穴」と「仮想的な穴」の内，より小さい方を「開口」とする。つまり，「物理的な穴」の大きさと「仮想的な穴」の大きさの内，より小さい方を「開口幅」とする。
　ただし，穴の大きさ，および幅は，Y軸方向とZ軸方向に個別に定義する。つまり，一方向の「開口幅」が「物理的な穴」の大きさであり，他方向の「開口幅」が「仮想的な穴」の大きさとなる場合もある。また，「開口」が「仮想的な穴」である場合も，「仮想的な穴」の外側に「仮想的な絞り」が存在し，光が遮断されるものとする。以降では，「物理的な」および「仮想的な」という表現を省く。ここで，単一の集光レンズと開口の距離を開口距離xとする。つまり，絞り，開口のX座標がxである。開口のY軸方向の幅を開口幅wとし，開口のZ軸方向の幅を開口幅vとする。
　以上のように定義すると，上述の「ダイクロイックミラーアレイを単一の集光レンズよりもエリアセンサに近づけて配置する」は，h/2＜x＜hと表現できる。また，「ダイクロイックミラーアレイのm個のダイクロイックミラーが配列する方向の開口径を，単一の集光レンズの有効径よりも小とする」は，D＞wと表現できる。
　本明細書では，距離hおよびxは厳密には光路長を意味する。すなわち，光が折れ曲がる場合は，光路長は折れ曲がりに沿った距離となり，光が通過する媒質の屈折率に応じて光路長が変化する。しかしながら，図14（後述）で示されるように，本明細書では，光の折れ曲がり，および光が空気以外の媒質を通過することは，いずれも相対的に小さい割合であるため，距離hおよびxを物理的な距離，すなわち屈折率を考慮しない最短距離で近似することができる。
　以上の装置（本装置）の構成によって，2次元的に分布するサンプルの測定領域からの光の利用効率の低下を抑えながら，測定領域のm分割m色のイメージを互いに重なり合わない状態でエリアセンサ内に収めることが可能となり，測定領域の高感度なスナップショット法のスペクトルイメージングが可能となる。
　2次元的に分布するサンプルの測定領域の中の光軸近傍の1点からの光は，集光レンズで集光され，有効径Dに拡大された後，エリアセンサに近づくにしたがって絞られ，エリアセンサ上の1点に像を結ぶ。したがって，ダイクロイックミラーアレイをエリアセンサに近づけて配置すると，ダイクロイックミラーアレイの開口の位置において上記の光は絞られた状態となり，かつ絞られた光は開口の中央付近に位置するため，上記の光の大部分が開口を通過できる。
　また，2次元的に分布するサンプルの測定領域の中の光軸から離れた1点からの光は，同様に，集光レンズで集光され，有効径Dに拡大された後，エリアセンサに近づくにしたがって絞られるが，絞られた光は開口の中央から離れた場所に位置するため，上記の1点の光軸からの距離に応じて，上記の光が開口を通過できる割合が低下する。つまり，エリアセンサでイメージングされるサンプルの測定領域が光軸近傍に限定される。したがって，この測定領域の結像サイズよりも，m個のダイクロイックミラーのY軸方向の配列間隔を大きくすることによって，この測定領域のm個の分割イメージが互いに重なり合わないようにすることができ，エリアセンサによってそれぞれを同時に，高感度に，かつ独立に計測することができるようになる。
　本装置は，特許文献1を含む従来のスペクトルイメージングの装置と比較して，小さくて簡単であり，低コストである特徴がある。さらに，分割数mおよび同時イメージングする色数mを5以上にすることが容易である。例えば，本装置に，特許文献3の図29に示されるダイクロイックミラーアレイを用いれば，m＝9の9色検出が可能である。
　以下，本装置の構成を特許文献1の図9の従来装置の構成と比較する。
　従来装置では，2次元的に分布するサンプルの測定領域を第1の集光レンズおよび第1の結像レンズによって第1の絞り上に1次イメージングし，第2の集光レンズおよび第2の結像レンズでエリアセンサ上に2次イメージングしている。また，複数のダイクロイックミラーを第2の集光レンズと第2の結像レンズの中間に配置している。
　これに対して本装置では，2次元的に分布するサンプルの測定領域を第1の集光レンズのみでエリアセンサ上に1次イメージングしている。また，複数のダイクロイックミラーを第1の集光レンズとエリアセンサの中間に配置している。本装置のエリアセンサの位置は，従来装置の第1の絞り20の位置に相当する。したがって，本装置のサイズを従来装置のサイズと比較して大幅に縮小することができる。また，各ダイクロイックミラーのサイズを大幅に縮小することができる。さらに，部品点数を大幅に減少させることができる。
　以下，本装置の構成を特許文献2の図7および図15の装置の構成と比較する。
　特許文献2の装置では，発光点アレイを複数のサンプルとし，複数の発光点からの光をそれぞれ複数の集光レンズのそれぞれでエリアセンサ上にイメージングしている。また，ダイクロイックミラーアレイを集光レンズとエリアセンサの中間に配置している。ただし，最大光路長を短くすると同時に，装置サイズを小さくするため，ダイクロイックミラーアレイの開口をエリアセンサよりも各集光レンズに近づけて配置している。また，各集光レンズが集光した光束を効率良くダイクロイックミラーアレイに入射させるため，複数のダイクロイックミラーが配列する方向の開口幅を各集光レンズの有効径と比較して同等か，より大きくする。
　これに対して本装置では，2次元的に分布するサンプルの測定領域を単一の集光レンズでエリアセンサ上にイメージングしている。また，ダイクロイックミラーアレイを集光レンズとエリアセンサの中間に配置している。ただし，集光レンズが集光した光束を効率良くダイクロイックミラーアレイに入射させるため，ダイクロイックミラーアレイの開口を単一の集光レンズよりもエリアセンサに近づけて配置する。また，複数の分割イメージがエリアセンサ上で重なり合わないようにするため，複数のダイクロイックミラーが配列する方向の開口幅を単一の集光レンズの有効径と比較して小さくする。以上の通り，本装置と，特許文献2の図7および図15の装置は目的が異なる上，構成が基本的に異なっている。
［定式化］
　図1～図10，および図12の模式図を用いて，上述の［発明が解決しようとする課題］および［概要］に記した内容の理解を深めるとともに，本発明の一例に係る装置構成を定式化する。
　図1は，2次元的に分布するサンプルの測定領域のイメージングを行う装置の模式図である。集光レンズ2の光軸4の上に，2次元的に分布するサンプルの測定領域1の中央，エリアセンサ3の中央がそれぞれ集光レンズ2を挟んで位置している。
　サンプルの測定領域1の上に3個の発光領域5，6，7が存在しており，それぞれを△，○，□で示している。発光領域6が光軸4の上にあり，発光領域5，6，7が等間隔で並んでいる。集光レンズ2は，発光領域5，6，7からの発光をそれぞれ集光し，エリアセンサ3の上に発光領域像8，9，10を形成しており，それぞれを△，○，□で示している。発光領域像9が光軸4の上にあり，発光領域像8，9，10が等間隔で並んでいる。ここでは，発光領域の発光領域像を拡大する拡大光学系が示されているが，等倍光学系や縮小光学系であっても構わない。
　また，発光領域5からの発光が発光領域像8を形成する光束11-12の左側輪郭11および右側輪郭12を破線で示す。発光領域6からの発光が発光領域像9を形成する光束13-14の左側輪郭13および右側輪郭14を実線で示す。発光領域7からの発光が発光領域像10を形成する光束15-16の左側輪郭15および右側輪郭16を破線で示す。
　図2は，図1において，集光レンズ2とエリアセンサ3の中間の中央に，絞り17および開口18を配置した装置の模式図である。絞り17および開口18がなす平面を光軸4と垂直とし，開口18の中央を光軸4と一致させている。このとき，光束11-12，13-14，15-16の一部が絞り17によって遮られ，残りが開口18を通過してエリアセンサ3に到達する。その結果，発光領域像8，9，10はそれぞれ弱発光領域像19，20，21となる。この変化を模式的に表すため，各発光領域像の輪郭を実線から破線に変更している。
　図3は，図2において，開口18の後段に（エリアセンサ3側に），ダイクロイックミラーAを配置した装置の模式図である。ダイクロイックミラーAの入射面を光軸4に対して45°に傾け，ダイクロイックミラーAの中央を光軸4と一致させている。また，ダイクロイックミラーAのサイズは，開口18を通過した光束11-12，13-14，15-16の全体がちょうど入射する程度とする。このとき，ダイクロイックミラーAを透過した光束11-12，13-14，15-16だけがエリアセンサ3に到達するため，弱発光領域像19，20，21は，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とする弱A発光領域像19A，20A，21Aとなる。この変化を模式的に表すため，各発光領域像のパターンを白からドットに変更している。
　図4は，図3において，ダイクロイックミラーAの隣にダイクロイックミラーBを配置した装置の模式図である。ダイクロイックミラーBの入射面をダイクロイックミラーAの入射面と平行にしている。また，ダイクロイックミラーBのサイズは，ダイクロイックミラーAで反射した光束11-12，13-14，15-16の全体がちょうど入射する程度とする。このとき，ダイクロイックミラーAを透過した光束11-12，13-14，15-16に加えて，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBで反射した光束11-12，13-14，15-16がエリアセンサ3に到達するため，弱発光領域像19，20，21はそれぞれ，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とする弱A発光領域像19A，20A，21A，およびダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とする弱B発光領域像19B，20B，21Bの2分割像となる。弱B発光領域像のパターンを斜線で示す。
　なお，２つ以上の波長帯を「掛け合わせた」波長帯とは，たとえば，２つ以上の波長帯のそれぞれを表すスペクトルを積算して得られるスペクトルで表される波長帯を意味する。以下同様である。
　2分割像の距離，例えば，弱A発光領域像19Aと弱B発光領域像19Bの距離は，ダイクロイックミラーAとダイクロイックミラーBの距離と等しい。弱発光領域像19，20，21の相互の距離と比較して，2分割像間の距離の方が小さいため，2分割像は相互に一部重なり合って計測されている。なお，本明細書において，２つの像の距離とは，それぞれの像において互いに対応する点の間の距離（たとえば一方の像において光軸に対応する点と，他方の像において光軸に対応する点との間の距離）を意味する場合がある。
　図5は，図4において，ダイクロイックミラーA，Bの隣にダイクロイックミラーCを配置した装置の模式図である。ダイクロイックミラーCの入射面をダイクロイックミラーA，Bの入射面と平行にしている。また，ダイクロイックミラーCのサイズは，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBを透過した光束11-12，13-14，15-16の全体がちょうど入射する程度とする。このとき，ダイクロイックミラーAを透過した光束11-12，13-14，15-16，および，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBで反射した光束11-12，13-14，15-16に加えて，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBを透過し，ダイクロイックミラーCで反射した光束11-12，13-14，15-16がエリアセンサ3に到達するため，弱発光領域像19，20，21は，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とする弱A発光領域像19A，20A，21A，ダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とする弱B発光領域像19B，20B，21B，ダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの透過波長帯とダイクロイックミラーCの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とする弱C発光領域像19C，20C，21Cの3分割像となる。弱C発光領域像のパターンをチェックで示す。
　3分割像の相互の距離，例えば，弱A発光領域像19Aと弱B発光領域像19Bの距離，あるいは弱B発光領域像19Bと弱C発光領域像19Cの距離は，ダイクロイックミラーAとダイクロイックミラーBの距離，あるいはダイクロイックミラーBとダイクロイックミラーCの距離と等しい。弱発光領域像19，20，21の相互の距離と比較して，3分割像の相互の距離の方が小さいため，3分割像は相互に重なり合って計測されている。
　図4および図5は，複数の異なる波長帯，すなわち複数の異なる色の分割像を取得するスペクトルイメージングを行っているが，次のふたつの課題を有している。ひとつは，図1と図2の対比から明らかなように，集光レンズ2で集光された光束11-12，13-14，15-16の一部のみが計測されるため，信号強度が弱く，感度が低いことである。もうひとつは，図4と図5から明らかなように，複数の異なる色の分割像が相互に重なり合って計測されるため，それぞれの分割像を独立に計測できないことである。いずれの課題も，スペクトルイメージングを実施する上で致命的である。
　図6は，図1において，図2おける絞り17および開口18の位置をエリアセンサ3の近傍に光軸4に沿って平行移動して配置した装置の模式図である。つまり，図2と図6における開口18の幅は等しい。このとき，光束13-14の大部分が開口18を通過してエリアセンサ3に到達する一方で，光束11-12，15-16のすべてが絞り17によって遮られてエリアセンサ3に到達しない。その結果，発光領域像9は図1と同等に計測される一方で，発光領域像8，10は全く計測されなくなる。
　図7は，図6において，図3と同様に開口18の後段に（エリアセンサ3側に），ダイクロイックミラーAを配置した装置の模式図である。このとき，ダイクロイックミラーAを透過した光束13-14だけがエリアセンサ3に到達するため，発光領域像9は，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とするA発光領域像9Aとなる。
　図8は，図7において，図4と同様にダイクロイックミラーAの隣にダイクロイックミラーBを配置した装置の模式図である。ダイクロイックミラーAを透過した光束13-14に加えて，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBで反射した光束13-14がエリアセンサ3に到達するため，発光領域像9は，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とするA発光領域像9A，およびダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とするB発光領域像9Bの2分割像となる。
　これらの2分割像の距離は，ダイクロイックミラーAとダイクロイックミラーBの距離と等しい。発光領域像9のサイズ，つまりA発光領域像9AおよびB発光領域像9Bのサイズと比較して，これらの2分割像の距離の方が大きいため，これらの2分割像は相互に重なり合わずに計測されている。
　図9は，図8において，図5と同様にダイクロイックミラーA，Bの隣にダイクロイックミラーCを配置した装置の模式図である。ダイクロイックミラーAを透過した光束13-14，および，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBで反射した光束13-14に加えて，ダイクロイックミラーAで反射し，ダイクロイックミラーBを透過し，ダイクロイックミラーCで反射した光束13-14がエリアセンサ3に到達するため，発光領域像9は，ダイクロイックミラーAの透過波長帯を成分とするA発光領域像9A，ダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とするB発光領域像9B，ダイクロイックミラーAの反射波長帯とダイクロイックミラーBの透過波長帯とダイクロイックミラーCの反射波長帯を掛け合わせた波長帯を成分とするC発光領域像9Cの3分割像となる。
　これらの3分割像の相互の距離は，ダイクロイックミラーAとダイクロイックミラーB，および，ダイクロイックミラーBとダイクロイックミラーCの距離と等しい。発光領域像9のサイズ，つまりA発光領域像9A，B発光領域像9B，およびC発光領域像9Cのサイズと比較して，これらの3分割像の相互の距離の方が大きいため，これらの3分割像は相互に重なり合わずに計測されている。
　図8および図9では，複数の異なる波長帯，すなわち複数の異なる色の分割像を取得するスペクトルイメージングを行っている。図4および図5の場合と異なり，集光レンズ2で集光された光束13-14の大部分が計測されるため，信号強度が強く，感度が高いことが特徴である。また，図8と図9から明らかなように，複数の異なる色の分割像が相互に重なり合わずに計測されるため，それぞれの分割像を独立に計測できる。感度と分割像の独立計測はいずれもスペクトルイメージングの基本性能であり，これらを高い水準にすることはスペクトルイメージングに好適であり，有利である。
　図10は，スペクトルイメージングに好適な条件を定式化するための模式図である。図10において右手系XYZ直交座標系を定義する。図2において，集光レンズの主点を原点とし，光軸4をX軸，光軸4と垂直かつ紙面に平行な方向をY軸，紙面に垂直方向をZ軸とする。X軸は紙面上向き，Y軸は紙面右向き，Z軸は紙面奥向きをそれぞれ正の方向とする。
　集光レンズ2の有効径Dを，焦点距離をf（図示せず），集光レンズ2との測定領域1の距離をg（測定領域1のX座標の絶対値をg），集光レンズ2とエリアセンサ3の距離をh（エリアセンサ3のX座標をh），集光レンズ2と絞り17および開口18の距離をx（絞り17および開口18のX座標をx），開口18のY軸方向の幅をw，開口18のZ軸方向の幅をv（図10には示さず）とする。
　図10では，図2における発光領域5，6，それらの発光の光束，およびそれらの発光領域像を省略し，発光領域7，その発光の光束15-16，およびその弱発光領域像21に着目する。発光領域7のY軸方向の大きさをd，発光領域7のY座標（発光領域7と光軸4の距離）をy，弱発光領域像21のY軸方向の大きさをd'，弱発光領域像21のY座標の絶対値をy’（弱発光領域像21と光軸4の距離），像倍率をmとする。
　また，複数のダイクロイックミラー（図10には示さず）を配置した際に複数の分割像が得られるが，任意の隣り合う2個の分割像の距離，すなわち分割ピッチをpとする。基本的には，pは分割像によらずにほぼ一定であると見なす。また，隣り合う2個の分割像の距離が一定でない場合は，隣り合う2個の分割像の距離の平均値，または最頻値を分割ピッチpとする。あるいは，隣り合う2個の分割像の距離の最小値を分割ピッチpとする。一方，隣り合う2個の分割像の距離は，それぞれの分割像を生成する光束が最後に透過または反射する2個のダイクロイックミラーの距離と等しい場合が多いが，構造によって必ずしも等しくならない場合もある。
　図10における幾何光学より以下が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　図5と図9の比較から明らかなように，絞り17および開口18の位置は，集光レンズ2とエリアセンサ3の中間の，中央よりも，エリアセンサ3に近い位置とすることがスペクトルイメージングに有利である。この条件は次式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 また，図9から明らかなように，開口18を光束13-14のみが通過し，光束11-12，15-16が通過しないようにすることがスペクトルイメージングに有利である。この条件は次式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　図11の(a)および(b)はそれぞれ，特許文献2の図7の(a)および(b)において，表記を本明細書に合わせて修正したものである。例えば，4個の発光点は4個のサンプルに対応し，図9の発光領域6に対応するため，発光領域6を発光点として表している。また，特許文献2の図7で省略されていた絞りおよび開口を，絞り17および開口18として表記している。
　4個の発光領域6（発光点アレイ）から発光される光はそれぞれ，4個の有効径Dの集光レンズ2（集光レンズアレイ）で集光され，1個のロングパスフィルタ38を透過し，4種類のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4（ダイクロイックミラーアレイ）によって4色に4分割され，エリアセンサ3上の異なる位置に4色の4分割像J1，J2，J3，およびJ4を結ぶ。
　集光レンズ2の焦点距離をf（図示せず），集光レンズ2と発光領域6の距離をg，集光レンズ2とエリアセンサ3のX軸方向の距離をh，集光レンズ2と絞り17および開口18のX軸方向の距離をx，開口18の4種類のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4が配列する方向の幅をw，開口18の4個の集光レンズ2が配列する方向の幅をvとする。また，複数のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4の配列間隔に相当する4個の分割像の配列間隔をpとする。
　［背景技術］で述べた通り，特許文献2では，各発光点からの発光を高感度かつ独立に多色検出するため，発光点アレイ，集光レンズアレイ，ダイクロイックミラーアレイ，エリアセンサを相互に近接させ，これらで構成される多色検出装置のサイズを小さくすること，各集光レンズが集光した光の多くを計測するため，ダイクロイックミラーアレイの開口幅を大きく確保することが重要である。したがって，図11からも明らかなように，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 が成立している。（式7）および（式8）はそれぞれ（式5）および（式6）と明確に異なっていることから，特許文献2と本明細書の装置構成が異なっていることが分かる。
［実施例1］
　図12は，スペクトルイメージングに一層好適な条件を定式化するための模式図である。図10において，絞り17および開口18のX座標を変化させ，絞り17aおよび開口18aとした場合と，絞り17bおよび開口18bとした場合とを重ねて表示している。
　絞り17aおよび開口18aは，発光領域7からの発光の光束15-16の右側輪郭16が，開口18aの右端を通過する場合の絞りおよび開口を示す。絞り17aおよび開口18aのX座標をxtとすると，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 である。絞り17および開口18はX座標がx＜xtの場合，絞り17bおよび開口18bはX座標がx＞xtの場合の例を示している。
　図12に示すように，絞り17および開口18のX座標が任意のxにおける，光束15-16のY軸方向の幅をQとすると，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 である。また，図12に示すように，絞り17および開口18のX座標がx≧xtの任意のxにおける，光束15-16の開口18を通過する部分のY軸方向の幅をRとすると，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 である。光束15-16の内，開口18を通過するものの比率を検出効率Eとすると，図12から明らかなように，絞り17および開口18のX座標がx＜xtの場合，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 であり，絞り17および開口18のX座標がx≧xtの場合，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 である。ただし，（式12）および（式13）で，E＜0と計算される場合はE＝0，E＞1またはQ＝0と計算される場合はE＝1とする。また，開口18のZ軸方向の幅vは光束の幅と比較して十分に大きく，開口18のZ軸方向の幅vによる検出効率Eの低下はないものとする。
　発光領域7が発光点である場合など，発光領域7のY軸方向の大きさが十分に小さいとき，d＝0と近似できる。このとき，（式9），（式10），（式11）はそれぞれ以下のように書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 絞り17および開口18のX座標がx＜xt0の場合，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 であり，絞り17および開口18のX座標がx≧xt0の場合，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 である。ただし，（式17）および（式18）で，E＜0と計算される場合はE＝0，E＞1またはQ＝0と計算される場合はE＝1とする。また，開口18のZ軸方向の幅vは光束の幅と比較して十分に大きく，開口18のZ軸方向の幅vによる検出効率Eの低下はないものとする。x≧xt0の場合で，d＝0，かつy＝0，すなわち発光領域7のY軸方向の大きさが十分に小さく，かつ光軸4上にあるときの検出効率E0は，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
 である。また，d＝0，すなわち発光領域7のY軸方向の大きさが十分に小さいとき，検出効率Eがゼロ（E＝0）となる発光領域7のY座標ymは，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 である。
　図13は，レーザ励起の落射蛍光顕微鏡にダイクロイックミラーアレイを組み合わせることによって構築したスナップショット法のスペクトルイメージング装置の模式図である。図中に示すように右手系XYZ直交座標系を定義する。図10と同様に，原点を集光レンズ2の主点に置く。集光レンズ2の光軸4をX軸とする。
　2次元的に分布するサンプルの測定領域1，および測定領域1がイメージングされるエリアセンサ3をそれぞれX軸と垂直に配置する。集光レンズ2は，蛍光顕微鏡の対物レンズであり，実際には複数の単レンズの組み合わせレンズであるが，本明細書では組み合わせレンズと等価な単一の単レンズとして表現されている。
　レーザ光源44から発振されるレーザビーム45をY軸負方向に進行させ，入射面をX軸およびY軸に対して45°傾けたダイクロイックミラー46に入射させ，反射光をX軸負方向に進行させ，集光レンズ2で集光し，2次元的に分布するサンプルの測定領域1に照射する。ダイクロイックミラー46は，入射角45°で入射するレーザビームの波長およびそれより短い波長の光を反射し，入射角45°で入射するレーザビームの波長より長い波長の光，つまりレーザビームで励起されて発光される蛍光を透過する。
　レーザビーム45は，測定領域1において反射または散乱し，それらが集光レンズ2で集光されてX軸正方向に沿ってダイクロイックミラー46に入射し，Y軸正方向に向かって反射される。測定領域1上の任意の1点（発光点）から発光される蛍光は，集光レンズ2で集光されて光束C0となってX軸正方向に進み，ダイクロイックミラー46を透過し，エリアセンサ3上に結像される。上記の発光点のY軸方向の大きさをd=0 mm，Y座標をyとする。このようにして，測定領域1の蛍光イメージがエリアセンサ3上に形成される。
　ただし，図13では，以上に追加して，エリアセンサ3の前段に（X軸負方向に），絞り17，開口18，および4種類のダイクロイックミラーで構成されるダイクロイックミラーアレイ43が配置されている。すなわち，2次元的に分布するサンプルと，単一の集光レンズ2と，複数のダイクロイックミラーが配列するダイクロイックミラーアレイ43と，エリアセンサ3とが，集光レンズ2の光軸4に沿ってこの順で配列されている。この結果，測定領域1の4色の4分割蛍光イメージがエリアセンサ3上に形成される。
　別の表現では，右手系XYZ直交座標系において，YZ平面と平行に2次元状に分布するサンプルと，光軸4がX軸と一致する単一の集光レンズ2と，mを2以上の整数としてm個のダイクロイックミラーを互いに平行にY軸方向に配列するダイクロイックミラーアレイ43と，YZ平面と平行なエリアセンサ3とが，上記の順番でX軸正方向に沿って配置されている。
　図14では，図13に対してダイクロイックミラーアレイ43およびエリアセンサ3の周辺の詳細図を追記するとともに，図10と同等の表記を付け加えた。右上の詳細図14(a)はZ軸負方向から観察した図であり，その下の詳細図14(b)はY軸負方向から観察した図である。図14では，レーザ光源44，レーザビーム45，ダイクロイックミラー46を省略した。
　集光レンズ2の焦点距離をf（図示せず），集光レンズ2と測定領域1の距離をg，集光レンズ2とエリアセンサ3の距離をh，集光レンズ2と絞り17および開口18の距離をxとする。本実施例では，f＝9.52 mm，D＝10 mmの集光レンズ2を用い，集光レンズ2の設計に基づいてh＝200 mmとする。このとき，（式1）よりg＝1 mm，（式2）よりm＝20である。
　エリアセンサ3のサイズは10 mm（Y軸方向の幅）×10 mm（Z軸方向の幅）である。開口18のY軸方向の幅をw，開口18のZ軸方向の幅をvとする。ダイクロイックミラーアレイ43は，4種類のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4で構成される。
　光束C0は，開口18を通過して，ダイクロイックミラーアレイ43によって4分割され，4個の分割光束C1，C2，C3，およびC4となり，エリアセンサ3上にそれぞれ結像する。4種類のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4のY軸方向の配列間隔はpであり，4個の分割光束C1，C2，C3，およびC4の結像点の距離もpである。
　図14より，本装置は明らかに（式5）を満足している。すなわち，ダイクロイックミラーアレイ43が，集光レンズ2よりも，エリアセンサ3に近接している。さらに，図14より，本装置は明らかに（式6）を満足している。また，複数のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4が配列する方向は，光軸4と垂直方向である。
　なお，図14の例では，ダイクロイックミラーアレイ43とエリアセンサ3の間にはレンズが存在しない。このため，装置の構成は簡素である。
　図15は，図14のダイクロイックミラーアレイ43を改良し，詳細に表したものである。図14と同様に，図中に右手系XYZ直交座標系を定義している。ロングパスフィルタ47を開口18の直後（X軸正方向側）に配置し，さらにその後段（X軸正方向側）にダイクロイックミラーM1を配置する。ダイクロイックミラーM1を起点として，ダイクロイックミラーM2，M3，およびM4を右側（Y軸正方向）に等間隔で配列する。ダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4の入出射面は，XY平面上の直線Y＝－Xと垂直に配置されている。また，特許文献2の図15に倣い，4個のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4をX軸方向に階段状に段ずれさせることによって開口幅を大きくしている。このため，ダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4が配列する方向は，光軸4と厳密に垂直方向ではなく略垂直方向となっているが，本明細書ではこのような方向も垂直方向に含む。
　図14では光束C0および分割光束C1～C4の輪郭が示されているが，図15では光束C0と分割光束C1～C4の光軸のみが示され，輪郭の代わりに仮想的な平行光束48が各光軸に沿って示されている。各平行光束48は，互いに平行かつ等間隔で配列する11本の光束要素で表現されている。平行光束48全体の幅は，ダイクロイックミラーアレイ43の開口幅wと一致させてある。
　光束C0は，図14と同様に光軸4に沿って開口18を通過し，ロングパスフィルタ47を透過する。レーザビーム45の反射光または散乱光は，図13と同様にダイクロイックミラー46によって遮断されるが（ダイクロイックミラー46を透過せずに，反射されるが），ロングパスフィルタ47によってさらに遮断される。ロングパスフィルタ47を透過した光束C0は，ダイクロイックミラーM1に入射し，Y軸正方向に進む反射光と，X軸正方向に進む透過光に分割される。この透過光は分割光束C1であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM1で反射した光束は，ダイクロイックミラーM2に入射し，Y軸正方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C2であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM2を透過した光束は，ダイクロイックミラーM3に入射し，Y軸正方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C3であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM3を透過した光束は，ダイクロイックミラーM4に入射し，X軸正方向に進む反射光となる。この反射光は分割光束C4であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。
　このように，サンプル上の測定領域のイメージが，エリアセンサ3上で，異なる波長成分を有する複数のイメージ（ダイクロイックミラーの数をm＝4としてm＝4個のイメージ）に分割されて計測される。
　ロングパスフィルタ47，およびダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4の基材はそれぞれ屈折率1.46の石英ガラスであり，サイズはそれぞれ，幅a＝3 mm（XY平面と平行，かつダイクロイックミラーの入射面と平行な方向の寸法），厚さb＝1 mm（XY平面と平行，かつダイクロイックミラーの入射面と垂直な方向の寸法），奥行きc＝15 mm（Z軸と平行な方向の寸法，図示せず）である。ダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4のY軸方向の配列間隔は2.5 mmである。ただし，図15を詳細に分析すると分かる通り，C2の分割像とC3の分割像の距離，C3の分割像とC4の分割像の距離は2.5 mmであるが，C1の分割像とC2の分割像の距離はやや小さい2.1 mmである。本実施例では最頻値の2.5 mmを分割ピッチとし，p＝2.5 mmとする。
　また，ダイクロイックミラーアレイ43を階段状に段ずれ（段差配置）させる。すなわち，ダイクロイックミラーM2はダイクロイックミラーM1よりもX軸負方向に0.7 mmだけ，ダイクロイックミラーM3はダイクロイックミラーM2よりもX軸負方向に0.3 mmだけ，ダイクロイックミラーM4はダイクロイックミラーM3よりもX軸負方向に0.3 mmだけシフトさせる。これらのシフト量は，ダイクロイックミラーアレイ43が適切に機能するように，例えば，後述の（式B）または（式D）に基づいて設計される。
　以上の構成により，図15に示す通り，開口幅w＝1.4 mmが得られる。奥行き方向の開口幅はv＝15 mmとする。平行光束48の全幅を1.4 mmよりも大きくすると，少なくとも平行光束48の一部がダイクロイックミラーアレイ43の内部でケラレを受け，平行光束48の全体をエリアセンサ3に到達させることができなくなる。因みに，仮に，ダイクロイックミラーアレイ43を階段状に段ずれさせないと，つまり上記のシフトを0 mmとすると，開口幅がw＝0.03 mmに大幅に縮小される。
　大きな開口幅wを確保することは，エリアセンサ3が受光する光量を増やし，計測の感度を向上する上で重要である。しかし他方で，開口幅w＝1.4 mmが集光レンズ2の有効径D=10 mmより小さくなっており，（式6）が満足されている。したがって，スペクトルイメージングの基本性能を向上させることができる。
　このように，絞りの中に設けられたダイクロイックミラーアレイ43の開口18が，集光レンズ2の側で，ダイクロイックミラーアレイ43に近接して存在し，開口18の，複数のダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4が配列する方向の幅が，集光レンズ2の有効径と比較して，小であることが好適である。また，絞り17の中に設けられたダイクロイックミラーアレイ43の開口18が，X軸上で，集光レンズ2の側で，ダイクロイックミラーアレイ43に近接して存在し，集光レンズ2とエリアセンサ3のX軸方向の距離をh，集光レンズと前記開口のX軸方向の距離をxとするとき，（式5）が満たされるようにすると好適である。
　以上より，開口幅は小さ過ぎても，大き過ぎても好ましくなく，適切な範囲に収められると好適である。
　一方，図15に示す通り，絞り17および開口18とエリアセンサ3の距離（すなわち，集光レンズ2とエリアセンサ3の距離と，集光レンズ2と絞り17および開口18の距離との差）をh－x＝10 mm，または15 mmとする（図15ではh－x＝10 mmとしている）。このとき，h＝200 mmであるため，x＝190 mmまたは185 mmであり，それぞれx/h＝95%または92.5%である。いずれの場合も，（式5）が満足されている。したがって，スペクトルイメージングの基本性能を向上させることができる。
　以下，上記のダイクロイックミラーアレイの好適な構造を特許文献2に倣って一般化する。
　右手系XYZ直交座標系において，m≧2として，m個のダイクロイックミラーD1～DmがY軸正方向に沿って互いに平行に配列するダイクロイックミラーアレイにおいて，
(1) ダイクロイックミラーD1～Dmの入射面がXY平面と垂直であり，
(2) ダイクロイックミラーD1～Dmの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが負であり，法線とX軸がなす角をθ0とし，
(3) ダイクロイックミラーD1～Dmの，基材の屈折率をn0，XY平面と平行かつ入射面の法線と垂直方向の幅の平均をa，XY平面と平行かつ入射面の法線と平行方向の幅の平均をbとし，
(4) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDjおよびD(j＋1)の（ただし1≦j≦(m－1)），XY平面における位置を比較すると，Y座標はダイクロイックミラーD(j＋1)の方が大きく，X座標はダイクロイックミラーDjの方が大きく，
(5) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDjおよびD(j＋1)の（ただし2≦j≦(m－1)），Y軸方向の配列間隔の平均をΔy，X軸方向の配列間隔の平均をΔxとするとき，
ダイクロイックミラーアレイ43の開口18のY軸方向の開口幅を拡大し，かつダイクロイックミラーアレイ43の光路長を縮小できるように，θ0，n0，a，b，Δy，Δxが所定の関係を満足する。
　なお，ダイクロイックミラーD1がX軸上にあり，m個のダイクロイックミラーが，Y軸の負方向から正方向に向かう順番に，D1，D2，…，Dmである。
　具体的には，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
 を満足するのが良い。あるいは，θ2＝sin-1(1/ n0×sin(θ0))とするとき，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 を満足すると良い。また，
(6) 隣り合う2個のダイクロイックミラーD1およびD2の，Y軸方向の配列間隔をΔy0，X軸方向の配列間隔をΔx0とするとき，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 を満足するのが良い。あるいは，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 を満足すると良い。
　図15に示される4分割のダイクロイックミラーアレイは，もちろん（式A）～（式D）を満足している。以上で，光学的観点からθ0＝45°とするのが最も効果的な場合が多い。θ0≠45°の場合は，エリアセンサ3をYZ平面と非平行，例えば，θ0またはθ0-45°だけ傾けると良い場合がある。
　図16のグラフは，（式17）および（式18）を用いて，yをパラメータとして，xを0～200 mmの範囲で変化させたときのEの変化を計算した結果を示す。Eは0.0～1.0の範囲が示されているが，本明細書では，これを0%～100%に読み替える。E＝100%は絞り17および開口18による光のロス（遮断）が一切ない場合に得られる検出効率であり，E＝50%はその半分の検出効率，E＝0%は一切検出されないことをそれぞれ意味する。x以外は以上と同じ条件とした。すなわち，D＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mm，d＝0 mm，m＝20とした。これらの条件を図16のグラフの下にも示す。
　まず，y＝0 mmに着目すると，x＝0 mmでE＝14%から，xとともにEが上昇し，x＝xt0＝173 mmでE＝100%に達し，それ以降はE＝100%が維持される。次に，y＝0.04 mmに着目すると，x＝0 mmでE＝14%から，y＝0 mmの場合と同様にxとともにEが増大するが，x＝xt0＝148 mmでE＝54%を境にxとともにEが減少に転じ，x＝197 mmでE＝0%となり，それ以降はE＝0%が維持される。全般的に，yを上昇させると，（式14）に従ってxt0が減少するため，Eが増大から減少に転じるxが減少し，E＝0%となるxも減少する。
　図17は，図16の横軸とパラメータを入れ替えたグラフ，すなわち，xをパラメータとして，yを0～0.14 mmの範囲で変化させたときのEの変化を計算した結果を示す。
　第1の例として，x＝190 mm（x/h＝95%）に固定すると，y＝0 mm，0.02 mmではE＝100%，y＝0.04 mmではE＝38%，y≧0.06 mmではE＝0%となる。（式20）を用いて，E＝0%となる発光点のY座標を詳細に求めると，ym＝0.05 mmであることが分かる。つまり，光学系は光軸4に関して対称であるから，y≦±0.05 mmの発光点は計測され，y＞±0.05 mmの発光点は計測されない。言い換えると，サンプルのy≦±0.05 mmの範囲，Y軸方向の幅0.1 mmの範囲が測定領域1となってイメージングされるが，サンプルのy＞±0.05 mmの範囲は測定領域1ではなくなってイメージングされない。一般に，各分割イメージの測定領域1のY軸方向の幅は2×ymである。
　尚，本明細書では，－0.05 mm≦y≦0.05 mmをy≦±0.05 mm，y＜－0.05 mmまたはy＞0.05 mmをy＞±0.05 mmと表記することにする。
　第2の例として，x＝185 mm（x/h＝93%）に固定すると，y＝0 mmではE＝100%，y＝0.02 mmではE＝94%，y＝0.04 mmではE＝45%，y≧0.06 mmではE＝0%となる。（式20）を用いて，E＝0%となる発光点のY座標を詳細に求めると，ym＝0.06 mmであることが分かる。つまり，y≦±0.06 mmの発光点は計測され，y＞±0.06 mmの発光点は計測されない。言い換えると，サンプルのy≦±0.06 mmの範囲，Y軸方向の幅0.12 mmの範囲は測定領域1となってイメージングされるが，サンプルのy＞±0.06 mmの範囲は測定領域1ではなくなってイメージングされない。
　第3の例として，x＝180 mm（x/h＝90%）に固定すると，y＝0 mmではE＝100%，y＝0.02 mmではE＝84%，y＝0.04 mmではE＝48%，y＝0.06 mmではE＝12%，y≧0.08 mmではE＝0%となる。（式20）を用いて，E＝0%となる発光点のY座標を詳細に求めると，ym＝0.07 mmであることが分かる。つまり，y≦±0.07 mmの発光点は計測され，y＞±0.07 mmの発光点は計測されない。言い換えると，サンプルのy≦±0.07 mmの範囲，Y軸方向の幅0.14 mmの範囲は測定領域1となってイメージングされるが，サンプルのy＞±0.07 mmの範囲は測定領域1ではなくなってイメージングされない。
　第4の例として，x＝155 mm（x/h＝78%）に固定すると，y＝0 mm，0.02 mmではE＝62%，y＝0.04 mmではE＝54%，y＝0.06 mmではE＝40%，y＝0.08 mmではE＝26%，y＝0.1 mmではE＝12%，y≧0.12 mmではE＝0%となる。（式20）を用いて，E＝0%となる発光点のY座標を詳細に求めると，ym＝0.12 mmであることが分かる。つまり，y≦±0.12 mmの発光点は計測され，y＞±0.12 mmの発光点は計測されない。言い換えると，サンプルのy≦±0.12 mmの範囲，Y軸方向の幅0.24 mmの範囲は測定領域1となってイメージングされるが，サンプルのy＞±0.12 mmの範囲は測定領域1ではなくなってイメージングされない。
　以上の通り，x/hを大きくするのに従って（x/hを100%に近づけるのに従って），イメージングされる測定領域1の範囲が限定されるとともに，計測されるイメージの信号強度およびコントラストが増大する。これは，複数の異なる色に分割されたイメージを同時に計測する際に，好適な条件となる。すなわち，各発光点の信号強度が強く，感度が高い上，複数の異なる色の分割イメージが相互に重なり合わずに計測されるため，それぞれの分割イメージを独立に計測できる。
　以上の検討を踏まえて，スペクトルイメージングの基本性能を向上するため，（式5）よりもさらに好適な条件を明確化する。
　第1の条件は，複数の分割イメージが相互に重なり合わない部分が少なくとも一部存在することである。各分割イメージのY軸方向の幅は2×ym×mであるのに対して，各分割イメージの配列間隔はpであるため，この条件はym≦p/mであり，（式20）を用いると，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
 で表される。
　第2の条件は，複数の分割イメージの少なくともそれぞれの中央の検出効率がE＝100%に維持されていることである。この条件は，（式19）を用いてE0≧1とすれば良く，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 で表される。
　第3の条件は，複数の分割イメージが相互に重なり合う部分が全く存在しなくなることである。この条件はym≦p/m/2であり，（式20）を用いると，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
 で表される。
　上記の条件，すなわちD＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mmにおいて，第1の条件は155 mm≦x≦200 mm，すなわち78%≦x/h≦100%，第2の条件は175 mm≦x≦200 mm，すなわち88%≦x/h≦100%，第3の条件は185 mm≦x≦200 mm，すなわち93%≦x/h≦100%である。したがって，上記の第1の例および第2の例は第1～第3の条件を満足し，第3の例は第1と第2の条件を満足し，第4の例は第1の条件のみを満足する。
［実施例2］
　実施例1に示した諸条件下で，図13～図15の構成により，サンプルのレーザ励起4色蛍光スペクトルイメージングを行う。
　図18は，2次元的に分布するサンプル面49の0.5 mm×0.5 mmの領域を示す。図中に示すように，図13～図15と共通の右手系XYZ直交座標系を定義する。紙面水平右方向をY軸正方向，紙面垂直下方向をZ軸正方向，紙面奥行き方向をX軸正方向とする。この領域は，便宜上，20行×20列の格子状に並ぶ400個の0.025 mm×0.025 mmの区画に分けられているが，各区画の境界線は発光しないものとする。
　各区画に記載されている文字はそれぞれ4種類の蛍光体の局在分布を示し，各文字がレーザビーム照射によって蛍光発光する。各文字に意味はないが，各区画にそれぞれ異なる文字が記載されているため，イメージングされた文字と対応する区画を特定することができる。各区画の文字は二文字であり，一文字目が大文字のアルファベット，二文字目が小文字のアルファベットになっている。一文字目は1行目から20行目にかけてA，B，…，Tと変化し，二文字目は1列目から20列目にかけてa，b，…，tと変化している。
　1行目（一文字目がA），5行目（一文字目がE），9行目（一文字目がI），13行目（一文字目がM），17行目（一文字目がQ）の各文字はそれぞれ第1の蛍光体で標識されている。第1の蛍光体の発光蛍光は，4分割イメージの内の第1の分割イメージ（分割光束C1のイメージ）でのみ計測される。
　2行目（一文字目がB），6行目（一文字目がF），10行目（一文字目がJ），14行目（一文字目がN），18行目（一文字目がR）の各文字はそれぞれ第2の蛍光体で標識されている。第2の蛍光体の発光蛍光は，4分割イメージの内の第2の分割イメージ（分割光束C2のイメージ）でのみ計測される。
　3行目（一文字目がC），7行目（一文字目がG），11行目（一文字目がK），15行目（一文字目がO），19行目（一文字目がS）の各文字はそれぞれ第3の蛍光体で標識されている。第3の蛍光体の発光蛍光は，4分割イメージの内の第3の分割イメージ（分割光束C3のイメージ）でのみ計測される。
　4行目（一文字目がD），8行目（一文字目がH），12行目（一文字目がL），16行目（一文字目がP），20行目（一文字目がT）の各文字はそれぞれ第4の蛍光体で標識されている。第4の蛍光体の発光蛍光は，4分割イメージの内の第4の分割イメージ（分割光束C4のイメージ）でのみ計測される。
　現実には，各蛍光体の蛍光スペクトルは広いため，それぞれの発光蛍光は複数の分割イメージ（複数の異なる波長帯で）で計測される。これをスペクトルオーバーラップと呼ぶ。各蛍光体の発光蛍光が各分割イメージで計測される蛍光強度比率を予め調べておき，その情報に基づいて計測された複数の分割イメージに存在するスペクトルオーバーラップをキャンセルすることができる。このプロセスを色変換，デコンボリューション，あるいはアンミキシング等と呼ぶ。本実施例では，このプロセスを省略し，このプロセスを処理済のスペクトルオーバーラップが存在しない分割イメージが直接得られるものと仮定する。
　図19は，図18のサンプル面49上に，実施例1の第2の例，すなわち，D＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mm，d＝0 mm，m＝20，x＝185 mmのときにイメージングの対象となる測定領域50の範囲を太破線で示したものである。これらの条件を図19の下側にも示す。測定領域50のY軸方向の幅は，上述の通り，2×ym＝0.12 mmである。測定領域50のZ軸方向の幅は，開口幅が十分に大きいため（v＝15 mm），サンプルの全幅である0.5 mmである。
　図20は，10 mm×10 mmのエリアセンサ3のイメージング領域51を実線で示し，上記の測定領域50の像倍率m＝20の4分割イメージである，第1の分割イメージ52，第2の分割イメージ53，第3の分割イメージ54，および第4の分割イメージ55を太破線で示している。ただし，ここでは分かりやすくするために，各分割イメージがすべての波長帯の光を同等に計測できると仮定している。
　図中に示すように，図19と共通の右手系XYZ直交座標系を定義する。紙面水平左方向をY軸正方向，紙面垂直上方向をZ軸正方向，紙面奥行き方向をX軸正方向とする。像倍率m＝1と仮定すると，測定領域50とその4分割イメージ52，53，54，および55は，それぞれの光軸4との交点について点対称であるため，上記のように座標系を定義すると，測定領域50とその4分割イメージ52，53，54，および55は見かけ上，それぞれ同一になり，同一の文字が観察される。本実施例はm＝20であるが，図20は図19を1/20倍に縮小して表示しているため，図19の測定領域50と図20の4分割イメージ52，53，54，および55はそれぞれ同一になっている（対応する区画に同一の文字が記載されている）。
　4分割イメージ52，53，54，および55のそれぞれのY軸方向の幅は2×ym×m＝2.4 mmであり，相互の間隔はp＝2.5 mmである。各分割イメージのZ軸方向の幅は0.5×m＝10 mmである。このように，4分割イメージ52，53，54，および55は相互に全く重なり合わずに同時かつ独立に計測され，第3の条件が満足されていることを図20からも確認できる。
　図21では，図20における上記の仮定を取り除き，分割イメージ52，53，54，および55が，第1の蛍光体，第2の蛍光体，第3の蛍光体，および第4の蛍光体のそれぞれ発光蛍光を選択的に計測するようにした。すなわち，第1の分割イメージでは第1の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第2の分割イメージでは第2の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第3の分割イメージでは第3の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第4の分割イメージでは第4の蛍光体の発光蛍光のみが計測されている。
　以上より，4種類の蛍光体が2次元的に分布するサンプル面49上の0.12 mm×0.5 mmの測定領域50の，20倍に拡大された2.4 mm×10 mmのイメージが4色に4分割され，それらの分割イメージが互いに重なり合うことなく同時かつ独立に計測され，測定領域50上の4種類の蛍光体それぞれの2次元的な分布の同定が可能になっている。
　これらの分割イメージ52，53，54，および55を重ね表示することによって，測定領域50上の4種類の蛍光体の2次元的な分布を一つのイメージで示すことも可能である。
　図22は，図18のサンプル面49上に，実施例1の第1の例，すなわち，D＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mm，d＝0 mm，m＝20，x＝190 mmのときにイメージングの対象となる測定領域56の範囲を太破線で示したものである。これらの条件を図22の下側にも示す。測定領域56のY軸方向の幅は，上述の通り，2×ym＝0.1 mmである。測定領域56のZ軸方向の幅は，開口幅が十分に大きいため（v＝15 mm），サンプルの全幅である0.5 mmである。
　図23は，10 mm×10 mmのエリアセンサ3のイメージング領域51を実線で示し，上記の測定領域56の像倍率m＝20の4分割イメージである，第1の分割イメージ57，第2の分割イメージ58，第3の分割イメージ59，および第4の分割イメージ60を太破線で示している。図21と同様に，各分割イメージが異なる波長帯の4色の光を計測している。
　図中に示すように，図22と共通の右手系XYZ直交座標系を定義する。図21と同様に，紙面水平左方向をY軸正方向，紙面垂直上方向をZ軸正方向，紙面奥行き方向をX軸正方向とする。4分割イメージ57，58，59，および60のそれぞれのY軸方向の幅は2×ym×m＝2 mmであり，相互の間隔はp＝2.5 mmである。このため，図21と比較して，分割イメージ間の隙間に余裕がある。各分割イメージのZ軸方向の幅は0.5×m＝10 mmである。
　このように，4分割イメージ57，58，59，および60は相互に全く重なり合わずに同時かつ独立に計測され，第3の条件が満足されていることを図23からも確認できる。
　分割イメージ57，58，59，および60が，第1の蛍光体，第2の蛍光体，第3の蛍光体，および第4の蛍光体のそれぞれ発光蛍光を選択的に計測している。すなわち，第1の分割イメージでは第1の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第2の分割イメージでは第2の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第3の分割イメージでは第3の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，第4の分割イメージでは第4の蛍光体の発光蛍光のみが計測されている。
　以上より，4種類の蛍光体が2次元的に分布するサンプル面49上の0.1 mm×0.5 mmの測定領域56の，20倍に拡大された2 mm×10 mmのイメージが4色に4分割され，それらの分割イメージが互いに重なり合うことなく同時かつ独立に計測され，測定領域56上の4種類の蛍光体それぞれの2次元的な分布の同定が可能になっている。
　これらの分割イメージ57，58，59，および60を重ね表示することによって，測定領域56上の4種類の蛍光体の2次元的な分布を一つのイメージで示すことも可能である。
　図22および図23では，2次元的に分布するサンプル面49上の0.1 mm×0.5 mmの測定領域56についてスナップショット法のスペクトルイメージングが実施されている。同じ装置構成および同じ条件下で，より広い範囲の測定領域のスペクトルイメージングを行うために，スキャン法を併用することができる。例えば，図13および図14において，測定領域1を含むサンプルをY軸方向に移動させることによって，4分割イメージングされる測定領域56のサンプル上の位置を変化させることができる。そうすることにより，サンプル上の，より広い範囲の測定領域のスペクトルイメージングが可能となる。
　図24～図28は，4分割イメージングされる測定領域56のサンプル面49上の位置を変化させている例を示している。図22では，測定領域56がサンプル面49上の中央に固定されている。これに対して，図24～図28では，測定領域56がサンプル面49上の左側（Y軸負方向）から右側（Y軸正方向）に向かって，重複なく，かつ，漏れがないように移動している。ただし，図26の測定領域56は，図22の測定領域56と同じである。
　図29～図33はそれぞれ，図24～図28のそれぞれの測定領域56の4色4分割スペクトルイメージングの結果である。ただし，図31は図23と同じである。図29～図33の結果をつなぎ合わせ，さらに重ね表示することによって，サンプル面49全体の4色のスペクトルイメージングが可能となる。
［実施例3］
　実施例1および実施例2に示したように，2次元的に分布するサンプルの測定領域の各点の分光情報を有するイメージを，スキャンを行わずに1度に取得するスナップショット法のスペクトルイメージングを，図13～図15に示すような，従来と比較して小さく，簡単で，低コストな装置構成によって実現することができる。また，測定領域からの光の利用効率が高いため，高感度なスペクトルイメージングが可能である。
　しかしながら，異なる波長帯の光（異なる色）を計測する複数の分割イメージの間でフォーカスが僅かにずれる問題が生じることがある。これは，複数の分割イメージを形成する光束の光路長が相互に異なることに基づく。例えば，図15を参照すると明らかに，「C1の光路長」＜「C2の光路長」＜「C3の光路長」＜「C4の光路長」となっている。
　これらの光路長差は，集光レンズ2からエリアセンサ3に至る光路長全体，あるいは集光レンズ2とエリアセンサ3の距離と比較して小さいため，無視できる場合が多い。しかし，C1～C4の分割イメージすべてをエリアセンサ3上に厳密にフォーカスさせることができないため，より高い分解能を有する分割イメージを同時に取得する必要がある場合には問題になり得る。
　特許文献2では，各分割光路に異なる厚さの光路長調整素子を挿入することによって，上記の光路長差を解消することが提案されている。しかしながら，実際に特許文献2の図24(b)に従って，各分割光路に屈折率が2の透明材質の異なる厚さの光路長調整素子を挿入してみると，期待に反して，複数の分割イメージの間のフォーカスのずれがむしろ拡大されることが判明した。詳細に調べると，特許文献2の図24(b)の構成によると，各分割光路の間の光路長差が拡大されることが明らかになった。なお，本明細書において，各光路における像がフォーカスされる位置までの距離の差を，光路長差と呼ぶ場合がある。
　そこで，光路長調整素子を用いて光路長差を解消する方法について，改めて原理から考え直すと同時に，どのようにして簡単に，高ロバストに，かつ低コストに実装するかを考慮することによって，期待通りに機能する新たな方法を考案した。
　まず，図15を改めて詳細に検討する。例えば，エリアセンサ3上で，C1の分割イメージにフォーカスを合わせた状態にする。
　このとき，「C1の光路長」＜「C2の光路長」であるため，C2の分割イメージはエリアセンサ3よりも手前（X軸負方向）でフォーカスが合うことになる。そこで，屈折率が1より大きい透明部材をC2の光路にだけ挿入すると，C2の分割イメージがフォーカスされるX軸方向の位置（X座標）がエリアセンサ3に近づく（X座標が大きくなる）。ここで，C1の光路には透明部材を挿入しない。すなわち，最も短い光路長を有する光束の光路上に，透明部材（たとえば透明固体部材）を挿入しない。このようにすると当該光路において透明部材による影響を回避できる。このように，透明部材の屈折率と厚さを適切に選ぶことによって，エリアセンサ3上で，C2の分割イメージにフォーカスを合わせることが可能である。
　同様に，透明部材をC3およびC4の光路にもそれぞれ挿入することによって，エリアセンサ3上で，C3およびC4の分割イメージにもフォーカスを合わせることが可能である。ただし，C3の光路に挿入される透明部材の厚さは，C2の光路に挿入される透明部材の厚さよりも厚い。また，C4の光路に挿入される透明部材の厚さは，C3の光路に挿入される透明部材の厚さよりも厚い。
　これに対して，特許文献2の図24(b)を改めて参照すると，各光路に挿入される透明部材の厚さの厚薄関係が上記と逆であることが分かる。すなわち，最も長い光路長を有する光束24（C4）の光路には透明部材を挿入せず，2番目に長い光路長を有する光束23（C3）の光路に最も薄い透明部材を挿入し，3番目に長い光路長を有する光束22（C2）の光路に2番目に薄い透明部材を挿入し，最も短い光路長を有する光束21（C1）の光路に最も厚い透明部材を挿入している。このため，上述の通り，特許文献2の図24(b)の構成を実装すると，複数の分割イメージの間のフォーカスのずれがむしろ拡大され，逆効果になる。
　以上の検討を踏まえて，より好適な透明部材，すなわちより好適な光路長調整素子を考案する。
　集光レンズ2とエリアセンサ3の間に配置されるダイクロイックミラーアレイ43によって生成される複数の分割光束の内，集光レンズ2とエリアセンサ3の間の光路長が最も短い分割光束の光路長を基準とする，任意の分割光束の光路長，すなわち任意の分割光束の光路長差をΔhとする。上述の通り，上記の基準となる光路長は，集光レンズ2とエリアセンサ3の距離hで近似できる。したがって，任意の分割光束の光路長をh＋Δhと表現することもできる。
　任意の分割光束の分割イメージがフォーカスされるX軸方向の位置（X座標）はΔhとともに前段側（X軸負方向）に変位する。一方で，任意の分割光束の光路に，屈折率nx，厚さtの透明部材を挿入すると，その分割イメージがフォーカスされるX軸方向の位置（X座標）は(1－1/nx)×tだけ後段側（X軸正方向）に変位する。したがって，Δh＝(1－1/nx)×t，すなわち，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
 とすることによって，基準（Δh＝0）となる分割光束の分割イメージがフォーカスされるX軸方向の位置と，任意の分割光束の分割イメージがフォーカスされるX軸方向の位置を一致させることが可能である。
　（式24）から分かるように，分割光束のΔhに応じてtを変化させること，より具体的には分割光束のΔhに比例させてtを増やすことが重要である。すなわち，m個に分割されたイメージを形成するm個の光束の，集光レンズ2とエリアセンサ3の間のm個の光路長の内，任意の光路長から最も短い光路長を差し引いた光路長差をΔhとするとき，当該任意の光路長を有する光束の光路上に，当該任意の光路長を有する光束の光軸方向の厚みtの透明固体部材を挿入し，tとΔhが比例関係にあると好適である。
　また，屈折率nxのより大きな透明部材を用いることによって，透明部材の厚さtを薄くできるため，光路長調整素子の実装が容易になる。
　後述するように，より厚い透明部材の光路長調整素子を用いることは，絞り17および開口18とエリアセンサ3の距離h－xを増大させる，つまりxおよびx/hを減少させる。このことは，スペクトルイメージングに好適な（式7），（式21）～（式23）の諸条件を満足させることを困難にする。したがって，屈折率nxのより大きな透明部材を用いることが効果的である。
　透明部材として，例えば，ガラスまたは樹脂を用いるのが良い。その屈折率はnx≧1.60が望ましく，nx≧1.80がより望ましい。さらには，その屈折率をnx≧2.00とするのがより望ましい。もちろん，計測対象の波長の光の透過率が高い透明部材を選択することも重要である。近年，AGC，日本電気硝子，コーニング，HOYA，住田光学ガラス，等々のメーカから，透明度（透過率）が高い，屈折率がnx≧2.00のガラスが開発，販売されるようになっている。このようなガラス材を用いることは効果的である。もちろん，透明度が高い，高屈折率樹脂を用いることも有効である。
　上記の好適な光路長調整素子を図15に適用する。実際に，図15のダイクロイックミラーアレイ43を用いる場合について光路長を計算すると，「C2の光路長」－「C1の光路長」＝2.1 mm，「C3の光路長」－「C1の光路長」＝4.6 mm，「C4の光路長」－「C1の光路長」＝7.1 mmである。
　ここで，各光束が，各ダイクロイックミラーの基材である屈折率1.46の石英ガラスを通過する際の光路長の縮小が考慮されている。したがって，光路長が最も短い分割光束である「C1の光路長」を基準とすると，C1の光路長差はΔh＝0 mm，C2の光路長差はΔh＝2.1 mm，C3の光路長差はΔh＝4.6 mm，C4の光路長差はΔh＝7.1 mmである。
　光路長調整素子の部材として，屈折率がn＝2.00の高屈折率ガラスを用いることにすると，（式24）より，C1の光路に厚さがt＝0 mm，C2の光路に厚さがt＝4.2 mm，C3の光路に厚さがt＝9.2 mm，C2の光路に厚さがt＝14.2 mmの高屈折率ガラスを挿入することによって，C1，C2，C3，およびC4のすべての分割イメージをエリアセンサ3上に同時にフォーカスさせることが可能となる。
　上記では，C1の光路に厚さがt＝0 mmの高屈折率ガラスを挿入する，つまり，C1の光路には光路長調整素子を挿入しない。これに対して，C1の光路に厚さがt＝t0（≠0）の高屈折率ガラスを挿入する場合は，C2の光路に厚さがt＝t0＋4.2 mm，C3の光路に厚さがt＝t0＋9.2 mm，C4の光路に厚さがt＝t0＋14.2 mmの高屈折率ガラスを挿入すれば，上記と同様の効果が得られる。しかしながら，上記と比較して，絞り17および開口18とエリアセンサ3の距離h－xをt0だけ増大させる必要が生じる，つまり，その分だけxおよびx/hを減少させる必要が生じる。このことは，スペクトルイメージングに好適な（式7），（式21）～（式23）の諸条件を満足させることを困難にするため，この方法は好ましいとは限らない。
　一般に，最も短い光路長を有する分割光束の光路には光路長調整素子を挿入せずに，その他の分割光束の光路に光路長調整素子を挿入するのが良い。また，光路長調整素子の厚さは，挿入する光路の分割光束の光路長と，上記の最も短い光路長を有する分割光束の光路長の差に応じて増やす，より具体的には差に比例させて増やすのが良い。
　（式24）は光路長調整素子の好適な解を与えるが，この好適な解から多少ずれた条件でも効果を上げることができることは言うまでもない。好ましくは，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
 が満たされることが良い。ここで，（式25）は，Δh/(1-1/nx)×80%≦t≦Δh/(1-1/nx)×120%を意味する。さらに好ましくは，
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
 が満たされるのが良い。ここで，（式26）は，Δh/(1-1/nx)×90%≦t≦Δh/(1-1/nx)×110%を意味する。
　以上の光路長調整素子の構成は，スペクトルイメージング装置に限らず，特許文献2や特許文献3のような多色検出装置を始めとする任意の光学装置に応用した場合にも，同様の効果を発揮することは言うまでもない。すなわち，任意のダイクロイックミラーアレイと，上記の光路長調整素子の構成とを組み合わせたデバイスによって，ダイクロイックミラーアレイに内在する光路長差を実効的にキャンセルし，良好な光学性能を得ることが可能となる。
　図34は，図15において，ダイクロイックミラーアレイ43とエリアセンサ3の間に上記の光路長調整素子を挿入したものである。ただし，絞り17および開口18とエリアセンサ3の距離h－xが10 mmから20 mmに拡大されている。つまり，h＝200 mmであるため，xが190 mm（x/h＝95%）から180 mm（x/h＝90%）に減少している。また，図34には，仮想的な平行光束48が示されていない。
　光路長調整素子の部材は透明固体部材であり，たとえば屈折率nx＝2.00の高屈折率ガラスである。光路長調整素子のX軸方向の厚さは（式24）により計算される。C1の光路には光路長調整素子が挿入されていない。C2の光路に挿入されている光路長調整素子61のX軸方向の厚さはt＝4.2 mmである。C3の光路に挿入されている光路長調整素子62のX軸方向の厚さはt＝9.2 mmである。C4の光路に挿入されている光路長調整素子63のX軸方向の厚さはt＝14.2 mmである。光路長調整素子61，62，および63のY軸方向の幅はいずれも2.5 mm，Z軸方向の奥行きはいずれも15 mmである。
　このように，m個に分割されたイメージを形成するm個の光束の内，任意の光束の光路上に，m個の光束の光路長差に応じて厚みが変化する透明固体部材が挿入されていてもよい。
　光路長調整素子61，62，および63の各光束の入射面と出射面をそれぞれX軸と垂直とし，各光路長調整素子における入射面の向きをX軸負方向（ダイクロイックミラーアレイ43に向かう方向），出射面の向きをX軸正方向（エリアセンサ3に向かう方向）とする。
　少なくとも，これらの入射面と出射面を光学研磨して置き，入射面と出射面における光の反射や散乱を抑えることも重要である。ただし，入射面と出射面の全体が光学研磨されている必要はなく，少なくとも，入射面と出射面の上の各分割光束が通過する領域が光学研磨されていると良い。
　光路長調整素子61と62の間，および，光路長調整素子62と63の間のY軸と垂直な側面がそれぞれ結合され，光路長調整素子61，62，および63が一体化されている。このように，任意の隣り合う2個の透明固体部材を結合してもよく，挿入される複数の透明固体部材が一体化されていてもよい。これらの結合面（隣り合う2個の透明固体部材が結合されている面）は透明であり，光束が結合面を透過することも可能としている。結合面以外のY軸と垂直な側面，具体的には，光路長調整素子61のY軸負方向の側面，光路長調整素子62のY軸負方向の側面，光路長調整素子63のY軸負方向とY軸正方向の両側面も光学研磨して置くと良い。また，図34に示す通り，光路長調整素子61，62，および63の出射面のX座標が揃えられ，各出射面が同一平面上に揃えられている。
　以上に対して，特許文献2の図24(b)では，各光路長調整素子77，78，79が一体化されていない。この点でも，図34と特許文献2の図24(b)の構成は異なっている。
　このように光路長調整素子61，62，および63を一体化することは次のような効果をもたらす。
　まず，光路長調整素子のハンドリングおよび位置合わせが容易になることである。光路長調整素子61，62，および63が一体化されていない場合，それぞれを個別にハンドリングおよび位置合わせする必要がある。しかしながら，上述の通り，それぞれの光路長調整素子は微細であるため，それぞれを個別にハンドリングおよび位置合わせすることは困難であり，実施するための機構が大型化，高コスト化する可能性が高い。
　次に，光路長調整素子61，62，および63のY軸方向の幅を，ダイクロイックミラーM1，M2，M3，およびM4のY軸方向の配列間隔p＝2.5 mmと同等まで拡大することができることである。これによって，光路長調整素子の挿入に起因して，例えば光路長調整素子による光学的なケラレが発生し，ダイクロイックミラーアレイ43の開口18のY軸方向の幅wが実効的に縮小されることを回避することができる。あるいは，何らかの理由によって分割光束C1～C4の位置がY軸方向に変位したり，光路長調整素子がY軸方向に変位したりした際に，各分割光束が光路長調整素子から外れたり，エリアセンサ3に到達する光量が減少したりするリスクを低減して，それぞれの分割イメージを良好に計測することが可能である。
　また，光路長調整素子61，62，および63の出射面を同一平面上に揃えることは次のような効果をもたらす。まず，光路長調整素子の角が減るため，各分割光束が角で散乱するリスクを低減できることである。次に，少なくとも出射面の光学研磨が容易になることである。これらの効果は，光路長調整素子61，62，および63の出射面ではなく，入射面を同一平面上に揃えることでも得られる。光路長調整素子61，62，および63の出射面を同一平面上に揃えることによる特有の効果は，ダイクロイックミラーアレイ43が階段状に配列されていることに合わせて，光路長調整素子61，62，および63をダイクロイックミラーアレイ43に近接させること，具体的には光路長調整素子63をダイクロイックミラーM4に近接させることができ，h－xを縮小することができることである。
　さらに，光路長調整素子61，62，および63の結合面を透明にすることは次のような効果をもたらす。各分割光束の少なくとも一部が結合面を透過してエリアセンサ3上にイメージを形成することができるため，光路長調整素子の挿入に起因して，ダイクロイックミラーアレイ43の開口18のY軸方向の幅wが実効的に縮小されることを回避することができる。あるいは，何らかの理由によって分割光束C1～C4の位置がY軸方向に変位したり，光路長調整素子がY軸方向に変位したりした際に，各分割光束が光路長調整素子から外れたり，エリアセンサ3に到達する光量が減少したりするリスクを低減して，それぞれの分割イメージを良好に計測することが可能である。
　図34の一体化された光路長調整素子は，次の3通りの方法で作製することができる。
　第1の方法は射出成形法である。特に，透明部材が樹脂である場合，射出成形により，一体化された光路長調整素子を低コストに量産することができる。図34のように，透明部材がガラスである場合も，近年は射出成形を用いることができるようになっている。
　第2の方法は，透明部材のブロックを切削する方法である。この方法では，図34の形状に仕上げた後に，一体化された光路長調整素子の入射面と出射面の全体を光学研磨することはやや困難である。具体的には，光路長調整素子61の入射面の内，光路長調整素子62の近傍の領域，および，光路長調整素子62の入射面の内，光路長調整素子63の近傍の領域を光学研磨することは物理的に困難である。ただし，これらの領域を各分割光束が透過することを回避することは容易なため，これらの領域を光学研磨の対象から外しても構わない。
　第3の方法は，別々に作製された光路長調整素子61，62，および63の結合面を接着剤等で接着する方法である。この方法では，接着前に，光路長調整素子61，62，および63の入射面および出射面，あるいは側面の全体を光学研磨することが容易である。また，透明な接着剤を用いて，接着層を十分に薄くすることによって，結合面を透明にすることもできる。接着剤の屈折率は高いほどよく，また，光路長調整素子の屈折率に近いほど良い。第3の方法において，接着剤を用いずに，専用のデバイスを用いて，別々に作製された光路長調整素子61，62，および63を重ねた状態で圧縮する方法としても良い。尚，図34の一体化された光路長調整素子は，第3の方法により作製されている。
　以上では，異なる分割光路に，同じ屈折率nxの，異なる厚さtの透明部材を挿入しているが，必ずしもその必要はない。すなわち，異なる分割光路に，異なる屈折率nxの透明部材を挿入しても良い。ただし，その場合も（式24）～（式26）を満足するのが良い。例えば，最も短い光路長の光束を除く，その他の光束の光路に挿入する透明部材の厚さtがいずれも同じになるように，それぞれの屈折率nxを変化させることができる。そのようにすると，図34の階段状の光路長調整素子61，62，および63とは異なり，直方体の光路長調整素子61，62，および63となるため，光路長調整素子61，62，および63のハンドリングおよび位置合わせが一層容易になる。
　図35では，図34における光路長調整素子61，62，および63の結合面および側面が不透明化されている。このように，任意の隣り合う2個の透明固体部材が結合されている面が不透明であってもよい。具体的には，黒色の光吸収薄膜64を，結合面と，Y軸に垂直な側面とに設置している。このような構成によって，異なる分割光束の間の干渉を回避でき，各分割光束のイメージを独立に計測しやすくなる。あるいは，各分割光束が結合面および側面で反射し，それが自身の分割イメージに重なるなどにより，分割イメージの質が低下することを回避できるようになる。
　実施例2，図13，図14，および図15の構成によるスペクトルイメージング装置の代わりに，実施例2，図13，図14，および図34の構成によるスペクトルイメージング装置を用いることによって，4分割イメージのすべてをエリアセンサ3上にフォーカスさせることが可能となる。
　実施例2，図13，図14，および図15の構成における条件は，D＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mm，d＝0 mm，m＝20，x＝185 mmまたは190 mm（x/h＝93%または95%）であり，（式23）の第3の条件が満足されている。これに対して，実施例2，図13，図14，および図34の構成における条件は，D＝10 mm，w＝1.4 mm，p＝2.5 mm，h＝200 mm，d＝0 mm，m＝20，x＝180 mm（x/h＝90%）であり，（式22）の第2の条件が満足されるが，（式23）の第3の条件が満足されていない。したがって，4分割イメージの少なくとも一部が相互に重なり合うことになる。この新たに発生した課題を解決するため，以下の工夫を加えた。
　集光レンズ2の仕様を，f＝9.52 mm，D＝10 mmから，f＝19.05 mm，D＝10 mmに変更する。また，集光レンズ2とエリアセンサ3の距離を，h＝200 mmからh＝400 mmに変更する。このとき，（式1）よりg＝20 mm，（式2）よりm＝20である。また，図34に示される通り，h－x＝20 mmであるため，x＝380 mm，x/h＝95%となる。したがって，これらの変更によって，図34に示す構成を用いながら，（式23）の第3の条件が満足され，4分割イメージが相互に全く重なり合わないようにすることができる。また，m＝20が維持されているため，図23，図29～図33と同じ4分割イメージを取得することができる。さらに，実施例2の場合と比較してより一層，すべての4分割イメージにぴたりとピントを合わせることができる。
［実施例4］
　以上の実施例では，4分割のダイクロイックミラーアレイを用いた4色のスペクトルイメージングが示されている。これに対して，本実施例では，9分割のダイクロイックミラーアレイを用いた9色のスペクトルイメージングを行う。
　装置構成は，ダイクロイックミラーアレイを除いて，図13および図14に従う。すなわち，f＝9.52 mm，D＝10 mmの集光レンズ2を用い，集光レンズ2の設計に基づいてh＝200 mmとする。このとき，（式1）よりg＝1 mm，（式2）よりm＝20である。ただし，エリアセンサ3のサイズは15 mm（Y軸方向の幅）×10 mm（Z軸方向の幅）に拡大する。
　図36は，特許文献3の図29に倣った9分割のダイクロイックミラーアレイ65，絞り17および開口18，およびエリアセンサ3の構造を示している。図15と同様に，図中に右手系XYZ直交座標系を定義している。ダイクロイックミラーアレイ65に入射する光束C0と，ダイクロイックミラーアレイ65から分割されて出射する9個の分割光束C1～C9の光軸のみが示されており，仮想的な平行光束48は示されていない。
　バンドパスフィルタBPを開口18の直後（X軸正方向側）に配置するとともに，さらにその後段（X軸正方向側）にダイクロイックミラーM1を配置する。次いで，ダイクロイックミラーM1を起点として，4個のダイクロイックミラーM2，M3，M4，およびM5を右方向（Y軸正方向）に等間隔に配列し，X軸方向には階段状に段ずれさせる。ダイクロイックミラーM1～M5の入出射面は，XY平面上の直線Y＝－Xと垂直になるように配置されている。
　一方，ダイクロイックミラーM1の後段（X軸正方向側）にダイクロイックミラーM6を配置する。次いで，ダイクロイックミラーM6を起点として，4個のダイクロイックミラーM7，M8，M9，およびM10を左方向（Y軸負方向）に等間隔に配列し，X軸方向には階段状に段ずれさせる。ダイクロイックミラーM6～M10の入出射面は，XY平面上の直線Y＝Xと垂直になるように配置されている。
　光束C0は，図15と同様に光軸4に沿って開口18を通過し，バンドパスフィルタBPを透過する。レーザビーム45およびその反射光または散乱光は，図13と同様にダイクロイックミラー46によって遮断されるが（ダイクロイックミラー46を透過せずに，反射されるが），バンドパスフィルタBPによってさらに遮断される。
　バンドパスフィルタBPを透過した光束C0は，ダイクロイックミラーM1に入射し，Y軸正方向に進む反射光と，X軸正方向に進む透過光に分割される。ダイクロイックミラーM1で反射した光束は，ダイクロイックミラーM2に入射し，Y軸正方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C1であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM2を透過した光束は，ダイクロイックミラーM3に入射し，Y軸正方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C2であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM3を透過した光束は，ダイクロイックミラーM4に入射し，Y軸正方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C3であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM4を透過した光束は，ダイクロイックミラーM5に入射して反射され，X軸正方向に進む反射光となる。この反射光は分割光束C4であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。
　一方，ダイクロイックミラーM1を透過した光束は，ダイクロイックミラーM6に入射し，X軸正方向に進む透過光と，Y軸負方向に進む反射光に分割される。この透過光は分割光束C5であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM6で反射した光束は，ダイクロイックミラーM7に入射し，Y軸負方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C6であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM7を透過した光束は，ダイクロイックミラーM8に入射し，Y軸負方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C7であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM8を透過した光束は，ダイクロイックミラーM9に入射し，Y軸負方向に進む透過光と，X軸正方向に進む反射光に分割される。この反射光は分割光束C8であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。ダイクロイックミラーM9を透過した光束は，ダイクロイックミラーM10に入射して反射され，X軸正方向に進む反射光となる。この反射光は分割光束C9であり，エリアセンサ3に垂直に入射される。
　バンドパスフィルタBP，およびダイクロイックミラーM1～M10の基材はそれぞれ屈折率1.46の石英ガラスであり，サイズはそれぞれ，幅a＝1.9 mm（XY平面と平行，かつダイクロイックミラーの入射面と平行な方向の寸法），厚さb＝0.5 mm（XY平面と平行，かつダイクロイックミラーの入射面と垂直な方向の寸法），奥行きc＝15 mm（Z軸と平行な方向の寸法，図示せず）である。
　ダイクロイックミラーM1～M5，およびダイクロイックミラーM6～M10のY軸方向の配列間隔はそれぞれ1.6 mmである。ただし，図36を詳細に分析すると分かる通り，C1の分割像とC2の分割像の距離，C2の分割像とC3の分割像の距離，C3の分割像とC4の分割像の距離，C6の分割像とC7の分割像の距離，C7の分割像とC8の分割像の距離，C8の分割像とC9の分割像の距離はそれぞれ1.6 mmであり，C1の分割像とC5の分割像の距離，C5の分割像とC6の分割像の距離は1.6 mmよりやや小さい。本実施例では最頻値の1.6 mmを分割ピッチとし，p＝1.6 mmとする。
　また，ダイクロイックミラーアレイ65をX軸方向に階段状に段ずれさせる。すなわち，ダイクロイックミラーM2はダイクロイックミラーM1よりもX軸負方向に0.35 mmだけ，ダイクロイックミラーM3はダイクロイックミラーM2よりもX軸負方向に0.16 mmだけ，ダイクロイックミラーM4はダイクロイックミラーM3よりもX軸負方向に0.16 mmだけ，ダイクロイックミラーM5はダイクロイックミラーM4よりもX軸負方向に0.16 mmだけシフトさせる。また，ダイクロイックミラーM7はダイクロイックミラーM6よりもX軸負方向に0.35 mmだけ，ダイクロイックミラーM8はダイクロイックミラーM7よりもX軸負方向に0.16 mmだけ，ダイクロイックミラーM9はダイクロイックミラーM8よりもX軸負方向に0.16 mmだけ，ダイクロイックミラーM10はダイクロイックミラーM9よりもX軸負方向に0.16 mmだけシフトさせる。以上の構成により，図36に示す通り，開口幅w＝1 mmが得られる。奥行き方向の開口幅はv＝15 mmとする（図示せず）。集光レンズ2の有効径はD=10 mmであるため，（式6）が満足されている。
　一方，図36に示す通り，h－x＝10 mmであり，h＝200 mmであるため，x＝190 mm，x/h＝95%である。したがって，第3の条件である（式23）が満足され，9個の分割イメージを，それぞれが相互に重なり合わない状態で，同時に計測することが可能である。すなわち，9種類の波長帯（9色）を計測するスナップショット法のスペクトルイメージングが可能である。
　以下，上記のダイクロイックミラーアレイの好適な構造を特許文献3に倣って一般化する。
　右手系XYZ直交座標系において，m≧2として，m個のダイクロイックミラーDA1～DAmがY軸正方向に沿って互いに平行に配列し，Y軸の負方向から正方向に向かう順番に，DA1，DA2，…，DAmである。ダイクロイックミラーアレイは，さらに，nを2以上の整数として，Y軸の正方向から負方向に向かう順番に互いに平行に配列する，DB1，DB2，…，DBnのn個のダイクロイックミラーDB1～DBnを含む。n個のダイクロイックミラーDB1～DBnは，Y軸負方向に沿って互いに平行に配列する。ダイクロイックミラーDA1とダイクロイックミラーDB1がX軸に沿って配列する。このダイクロイックミラーアレイにおいて，
(1) ダイクロイックミラーDA1～DAmおよびダイクロイックミラーDB1～DBnの入射面がXY平面と垂直であり，
(2) ダイクロイックミラーDA1～DAmの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが負であり，ダイクロイックミラーDB1～DBnの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが正であり，ダイクロイックミラーDA1～DAmおよびダイクロイックミラーDB1～DBnの入射面の法線がX軸となす角をθ0とし，
(3) ダイクロイックミラーDA1～DAmおよびダイクロイックミラーDB1～DBnの，基材の屈折率をn0，XY平面と平行かつ入射面の法線と垂直方向の幅の平均をa，XY平面と平行かつ入射面の法線と平行方向の幅の平均をbとし，
(4) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDAjおよびDA(j＋1)の（ただし1≦j≦(m－1)），XY平面における位置を比較すると，Y座標はダイクロイックミラーDA(j＋1)の方が大きく，X座標はダイクロイックミラーDAjの方が大きく，
(5) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDBjおよびDB(j＋1)の（ただし1≦j≦(n－1)），XY平面における位置を比較すると，Y座標とX座標はいずれもダイクロイックミラーDBjの方が大きく，
(6) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDA1およびDB1がX軸上にあり，ダイクロイックミラーDA1のX座標よりダイクロイックミラーDB1のX座標が大きく，
(7) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDAjおよびDA(j＋1)の（ただし2≦j≦(m－1)），および，隣り合う2個のダイクロイックミラーDBjおよびDB(j＋1)の（ただし2≦j≦(n－1)），それぞれのY軸方向の配列間隔の平均をΔy，X軸方向の配列間隔の平均をΔxとするとき，
ダイクロイックミラーアレイのY軸方向の開口幅を拡大し，かつダイクロイックミラーアレイの光路長を縮小できるように，θ0，n0，a，b，Δy，Δxが所定の関係を満足する。
具体的には，（式A）あるいは（式B）を満足すると良い。また，
(8) 隣り合う2個のダイクロイックミラーDA1およびDA2のY軸方向の配列間隔と，隣り合う2個のダイクロイックミラーDB1およびDB2のY軸方向の配列間隔との平均をΔy0とし，隣り合う2個のダイクロイックミラーDA1およびDA2のX軸方向の配列間隔と，隣り合う2個のダイクロイックミラーDB1およびDB2のX軸方向の配列間隔との平均をΔx0とするとき，（式C）あるいは（式D）を満足すると良い。以上で，θ0＝45°とするのが最も効果的な場合が多い。θ0≠45°の場合は，エリアセンサ3をYZ平面と非平行，例えば，θ0またはθ0-45°だけ傾けると良い場合がある。
　しかしながら，図15と同様に，9個の分割イメージを形成する光束の光路長が相互に異なるため，エリアセンサ3上で9個の分割イメージのすべてに厳密にフォーカスを合わせることが困難である。そこで，図34および図35と同様に，光路長調整素子を用いることによって，光束間の光路長の差異をキャンセルし，上記の困難を解決する。併せて，実施例3と同様に，集光レンズ2の仕様を，f＝9.52 mm，D＝10 mmから，f＝19.05 mm，D＝10 mmに変更し，集光レンズ2とエリアセンサ3の距離を，h＝200 mmからh＝400 mmに変更する。
　図15に示すダイクロイックミラーアレイ43は，複数のダイクロイックミラーが一方向（Y軸正方向）に配列している。これに対して，図36に示すダイクロイックミラーアレイ65は複数のダイクロイックミラーが互いに反対向きの二方向（Y軸正方向とY軸負方向）に配列している。したがって，同じ分割数のダイクロイックミラーアレイで比較すると，図36の場合の方が最大の光路長差を小さくすることが可能である。本効果については特許文献3に詳細に記載されている。
　したがって，本明細書で提案する光路長調整素子を用いて光路長差をキャンセルする際に，光路長調整素子の厚さを薄くできるため，一層有利となる。つまり，本明細書で開示される方法と，特許文献3の方法と組み合わせることによって，効果が一層大きくなる。
　図36のダイクロイックミラーアレイ65を用いる場合について，各分割光束の光路長差を計算する。最も光路長の短いC5を基準として，C5の光路長差をΔh＝0 mmとすると，C1の光路長差はΔh＝1.7 mm，C2の光路長差はΔh＝3.2 mm，C3の光路長差はΔh＝4.8 mm，C4の光路長差はΔh＝6.3 mm，C6の光路長差はΔh＝1.4 mm，C7の光路長差はΔh＝2.9 mm，C8の光路長差はΔh＝4.5 mm，C9の光路長差はΔh＝6.0 mmである。
　ここで，各光束が，各ダイクロイックミラーの基材である屈折率1.46の石英ガラスを通過する際の光路長の縮小が考慮されている。光路長調整素子の部材として，屈折率がnx＝2.00の高屈折率ガラスを用いることにすると，（式24）より，C1の光路に厚さがt＝3.4 mm，C2の光路に厚さがt＝6.5 mm，C3の光路に厚さがt＝9.6 mm，C4の光路に厚さがt＝12.7 mm，C5の光路に厚さがt＝0.0 mm（高屈折率ガラスを挿入しない），C6の光路に厚さがt＝2.7 mm，C7の光路に厚さがt＝5.8 mm，C8の光路に厚さがt＝8.9 mm，C9の光路に厚さがt＝12.1 mmの高屈折率ガラスを挿入することによって，C1～C9のすべての分割イメージをエリアセンサ3上に同時にジャストフォーカスさせることが可能となる。
　図37は，図36において，ダイクロイックミラーアレイ65とエリアセンサ3の間に上記の光路長調整素子を挿入したものである。ただし，絞り17および開口18とエリアセンサ3の距離h－xが10 mmから20 mmに拡大されている。このとき，（式1）よりg＝20 mm，（式2）よりm＝20である。また，h＝400 mmであるため，x＝380 mm，x/h＝95%である。したがって，これらの変更によって，（式23）の第3の条件が満足され，9分割イメージが相互に全く重なり合わないようにすることができる。
　光路長調整素子の部材は，屈折率がnx＝2.00の高屈折率ガラスである。C1の分割光路に挿入されている光路長調整素子75のX軸方向の厚さはt＝3.4 mmである。C2の分割光路に挿入されている光路長調整素子76のX軸方向の厚さはt＝6.5 mmである。C3の分割光路に挿入されている光路長調整素子77のX軸方向の厚さはt＝9.6 mmである。C4の分割光路に挿入されている光路長調整素子78のX軸方向の厚さはt＝12.7 mmである。C5の分割光路には光路長調整素子が挿入されていない。C6の分割光路に挿入されている光路長調整素子79のX軸方向の厚さはt＝2.7 mmである。C7の分割光路に挿入されている光路長調整素子80のX軸方向の厚さはt＝5.8 mmである。C8の分割光路に挿入されている光路長調整素子81のX軸方向の厚さはt＝8.9 mmである。C9の分割光路に挿入されている光路長調整素子82のX軸方向の厚さはt＝12.1 mmである。光路長調整素子75～82のY軸方向の幅はいずれも1.6 mm，Z軸方向の奥行きはいずれも15 mmである。
　光路長調整素子75～82の各光束の入射面と出射面をそれぞれX軸と垂直とし，各光路長調整素子における入射面の向きをX軸負方向（ダイクロイックミラーアレイ64に向かう方向），出射面の向きをX軸正方向（エリアセンサ3に向かう方向）とする。
　少なくとも，入射面と出射面の上の各分割光束が通過する領域を光学研磨して置く。光路長調整素子75と76の間，光路長調整素子76と77の間，光路長調整素子77と78の間のY軸と垂直な側面がそれぞれ結合され，光路長調整素子75～78が一体化されている。一方，光路長調整素子79と80の間，光路長調整素子80と81の間，光路長調整素子81と82の間のY軸と垂直な側面がそれぞれ結合され，光路長調整素子79～82が一体化されている。図35と同様に，それぞれの結合面およびY軸と垂直な側面に黒色の光吸収薄膜64が設置されている。
　また，光路長調整素子75～82の出射面のX座標が揃えられ，各出射面が同一平面上に揃えられている。図38は，図37の光路長調整素子75～82をYZ平面に垂直方向から観察したものである。光路長調整素子75～78と光路長調整素子79～82が，Z軸に垂直な平面を画定するブリッジ83で結合され，光路長調整素子75～82の全体が一体化されている。このように光路長調整素子75～82を一体化することは実施例3と同様の効果をもたらす。
　図39は，図22と同様に，サンプル面49上に，D＝10 mm，w＝1 mm，p＝1.6 mm，h＝400 mm，d＝0 mm，m＝20，x＝380 mmのときにイメージングの対象となる測定領域84の範囲を太破線で示したものである。これらの条件を図39の下側にも示す。
　このとき，（式20）よりym＝0.04 mmであるため，測定領域84のY軸方向の幅は，2×ym＝0.08 mmである。測定領域84のZ軸方向の幅は，開口幅が十分に大きいため（v＝15 mm），サンプルの全幅である0.5 mmである。
　サンプル面49の表記法は図18と同様である。ただし，各区画に記載されている文字はそれぞれ9種類の蛍光体の局在分布を示し，各文字がレーザビーム照射によって蛍光発光するものとする。具体的には以下の通りとする。1行目（一文字目がA），10行目（一文字目がJ），19行目（一文字目がS）の各文字はそれぞれ第1の蛍光体で標識され，第1の蛍光体の発光蛍光はC1の分割イメージでのみ計測される。2行目（一文字目がB），11行目（一文字目がK），20行目（一文字目がT）の各文字はそれぞれ第2の蛍光体で標識され，第2の蛍光体の発光蛍光はC2の分割イメージでのみ計測される。3行目（一文字目がC），12行目（一文字目がL）の各文字はそれぞれ第3の蛍光体で標識され，第3の蛍光体の発光蛍光はC3の分割イメージでのみ計測される。4行目（一文字目がD），13行目（一文字目がM）の各文字はそれぞれ第4の蛍光体で標識され，第4の蛍光体の発光蛍光はC4の分割イメージでのみ計測される。5行目（一文字目がE），14行目（一文字目がN）の各文字はそれぞれ第5の蛍光体で標識され，第5の蛍光体の発光蛍光はC5の分割イメージでのみ計測される。6行目（一文字目がF），15行目（一文字目がO）の各文字はそれぞれ第6の蛍光体で標識され，第6の蛍光体の発光蛍光はC6の分割イメージでのみ計測される。7行目（一文字目がG），16行目（一文字目がP）の各文字はそれぞれ第7の蛍光体で標識され，第7の蛍光体の発光蛍光はC7の分割イメージでのみ計測される。8行目（一文字目がH），17行目（一文字目がQ）の各文字はそれぞれ第8の蛍光体で標識され，第8の蛍光体の発光蛍光はC8の分割イメージでのみ計測される。9行目（一文字目がI），18行目（一文字目がR）の各文字はそれぞれ第9の蛍光体で標識され，第9の蛍光体の発光蛍光はC9の分割イメージでのみ計測される。
　図40は，図23と同様に，15 mm×10 mmのエリアセンサ3のイメージング領域51を実線で示し，上記の測定領域84の像倍率m＝20の9分割イメージである，C1の分割イメージ85，C2の分割イメージ86，C3の分割イメージ87，C4の分割イメージ88，C5の分割イメージ89，C6の分割イメージ90，C7の分割イメージ91，C8の分割イメージ92，C9の分割イメージ93を太破線で示している。各分割イメージは異なる波長帯の9色の光を計測している。
　9分割イメージ85～93のそれぞれのY軸方向の幅は2×ym×m＝1.6 mmであり，相互の間隔はp＝1.6 mmである。したがって，9分割イメージ85～93は相互に全く重なり合わずに同時かつ独立に計測され，第3の条件が満足されていることを図40からも確認できる。また，9分割イメージ85～93のY軸方向の全幅は1.6×9＝14.4 mmであり，エリアセンサ3のイメージング領域51のY軸方向の幅15 mmに収まる。
　C1の分割イメージでは第1の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C2の分割イメージでは第2の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C3の分割イメージでは第3の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C4の分割イメージでは第4の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C5の分割イメージでは第5の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C6の分割イメージでは第6の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C7の分割イメージでは第7の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C8の分割イメージでは第8の蛍光体の発光蛍光のみが計測され，C9の分割イメージでは第9の蛍光体の発光蛍光のみが計測されている。
　以上より，9種類の蛍光体が2次元的に分布するサンプル面49上の0.08 mm×0.5 mmの測定領域84の，20倍に拡大された1.6 mm×10 mmのイメージが9色に9分割され，それらの分割イメージが互いに重なり合うことなく同時かつ独立に計測され，測定領域84上の9種類の蛍光体それぞれの2次元的な分布の同定が可能になっている。これらの分割イメージ85～93を重ね表示することによって，測定領域84上の9種類の蛍光体の2次元的な分布を一つのイメージで示すことも可能である。さらに，すべての9分割イメージにぴたりとピントを合わせることができるため，解像度が高く，分析精度が高いスペクトルイメージングが可能となる。
1　測定領域
2　集光レンズ
3　エリアセンサ
4　光軸
5～7　発光領域
8～10　発光領域像
9A　A発光領域像
9B　B発光領域像
9C　C発光領域像
11-12　発光領域5からの発光が発光領域像8を形成する光束
11　光束11-12の左側輪郭
12　光束11-12の右側輪郭
13-14　発光領域6からの発光が発光領域像9を形成する光束
13　光束13-14の左側輪郭
14　光束13-14の右側輪郭
15-16　発光領域7からの発光が発光領域像10を形成する光束
15　光束15-16の左側輪郭
16　光束15-16の右側輪郭
17　絞り
18　開口
19～21　弱発光領域像
19A～21A　弱A発光領域像
19B～21B　弱B発光領域像
19C～21C　弱C発光領域像
43　ダイクロイックミラーアレイ
44　レーザ光源
45　レーザビーム
46　ダイクロイックミラー
47　ロングパスフィルタ
48　平行光束
49　サンプル面
50　第2の例の測定領域
51　エリアセンサ3のイメージング領域
52～55　測定領域50の4分割イメージ
56　第1の例の測定領域
57～60　測定領域56の4分割イメージ
61～63　光路長調整素子
64　光吸収薄膜
65　ダイクロイックミラーアレイ
75～82　光路長調整素子
83　ブリッジ
84　測定領域
85～93　測定領域84の4分割イメージ
A　ダイクロイックミラー
B　ダイクロイックミラー
BP　バンドパスフィルタ
C　ダイクロイックミラー
C0　光束
C1～C4　分割光束
D　集光レンズの有効径
D1～Dm　ダイクロイックミラー
E　検出効率
M1～M10　ダイクロイックミラー
a　ダイクロイックミラーアレイによる各分割光束の光軸を含む平面上の，ダイクロイックミラーの入射面と平行方向の幅
b　ダイクロイックミラーアレイによる各分割光束の光軸を含む平面上の，ダイクロイックミラーの入射面と垂直方向の幅
d　ダイクロイックミラーアレイが配列する方向の発光領域の大きさ
d’　ダイクロイックミラーアレイが配列する方向の弱発光領域像の大きさ
g　集光レンズとサンプルの距離
h　集光レンズとエリアセンサの距離
m　像倍率
p　分割ピッチ
v　レンズアレイが配列する方向のダイクロイックミラーアレイの開口幅
w　ダイクロイックミラーアレイが配列する方向のダイクロイックミラーアレイの開口幅
x　集光レンズと絞りおよび開口の距離
y　発光領域と光軸の距離
y’　弱発光領域像と光軸の距離

Claims (25)

  1. 　2次元的に分布するサンプルと，単一の集光レンズと，複数のダイクロイックミラーが配列するダイクロイックミラーアレイと，エリアセンサとが，前記集光レンズの光軸に沿ってこの順で配列され，
    　前記複数のダイクロイックミラーが配列する方向が，前記光軸と垂直方向であり，
    　前記サンプル上の測定領域のイメージを，前記エリアセンサ上で，異なる波長成分を有する複数のイメージに分割して計測する
    光学装置において，
    　前記ダイクロイックミラーアレイが，前記集光レンズよりも，前記エリアセンサに近接していることを特徴とする光学装置。
  2. 　請求項1に記載の光学装置において，
    　前記ダイクロイックミラーアレイと前記エリアセンサの間にレンズが存在しないことを特徴とする光学装置。
  3. 　請求項1に記載の光学装置において，
    　絞りの中に設けられた前記ダイクロイックミラーアレイの開口が，前記集光レンズの側で，前記ダイクロイックミラーアレイに近接して存在し，
    　前記開口の，前記複数のダイクロイックミラーが配列する方向の幅が，前記集光レンズの有効径と比較して，小であることを特徴とする光学装置。
  4. 　右手系XYZ直交座標系において，
    　YZ平面と平行に2次元状に分布するサンプルと，光軸がX軸と一致する単一の集光レンズと，mを2以上の整数としてm個のダイクロイックミラーを互いに平行にY軸方向に配列するダイクロイックミラーアレイと，YZ平面と平行なエリアセンサとを，上記の順番でX軸正方向に沿って配置し，
    　前記サンプル上の測定領域のイメージを，前記エリアセンサ上で，異なる波長成分を有するm個のイメージに分割して計測する光学装置において，
    　絞りの中に設けられた前記ダイクロイックミラーアレイの開口が，X軸上で，前記集光レンズの側で，前記ダイクロイックミラーアレイに近接して存在し，
    　前記集光レンズと前記エリアセンサのX軸方向の距離をh，前記集光レンズと前記開口のX軸方向の距離をxとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  5. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記ダイクロイックミラーアレイと前記エリアセンサの間にレンズが存在しないことを特徴とする光学装置。
  6. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記集光レンズの有効径をD，前記開口のY軸方向の幅をwとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  7. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記集光レンズの有効径をD，前記開口のY軸方向の幅をw，前記m個に分割されたイメージの間隔の平均をpとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  8. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記集光レンズの有効径をD，前記開口のY軸方向の幅をwとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  9. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記集光レンズの有効径をD，前記開口のY軸方向の幅をw，前記m個に分割されたイメージの間隔の平均をpとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  10. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記m個のダイクロイックミラーが，Y軸の負方向から正方向に向かう順番に，D1，D2，…，Dmであり，
    　前記m個のダイクロイックミラーの入射面がXY平面と垂直であり，前記m個のダイクロイックミラーの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが負であり，
    　前記m個のダイクロイックミラーの入射面の法線とX軸がなす角をθ0とし，
    　前記m個のダイクロイックミラーの，基材の屈折率をn0，XY平面と平行かつ入射面の法線と垂直方向の幅の平均をa，XY平面と平行かつ入射面の法線と平行方向の幅の平均をbとするとき，
    　前記ダイクロイックミラーD1がX軸上にあり，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDjおよびD(j＋1)の（ただし1≦j≦(m－1)）XY平面における位置を比較すると，Y座標は前記ダイクロイックミラーD(j＋1)の方が大きく，X座標は前記ダイクロイックミラーDjの方が大きく，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーD1およびD2の，Y軸方向の配列間隔をΔy0，X軸方向の配列間隔をΔx0とし，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDjおよびD(j＋1)の（ただし2≦j≦(m－1)），Y軸方向の配列間隔の平均をΔy，X軸方向の配列間隔の平均をΔxとするとき，
    　前記開口のY軸方向の幅を拡大し，かつ前記ダイクロイックミラーアレイの光路長を縮小できるように，θ0，n0，a，b，Δy0，Δy，Δx0，Δxが所定の関係を満足することを特徴とする光学装置。
  11. 　請求項10に記載の光学装置において，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  12. 　請求項10に記載の光学装置において，
    　θ2＝sin-1(1/ n0×sin(θ0))，とするとき
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  13. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記m個のダイクロイックミラーが，Y軸の負方向から正方向に向かう順番に，DA1，DA2，…，DAmであり，
    　前記ダイクロイックミラーアレイが，さらに，nを2以上の整数として，Y軸の正方向から負方向に向かう順番に互いに平行に配列する，DB1，DB2，…，DBnのn個のダイクロイックミラーを含み，
    　前記m個のダイクロイックミラーおよび前記n個のダイクロイックミラーの入射面がXY平面と垂直であり，前記m個のダイクロイックミラーの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが負であり，前記n個のダイクロイックミラーの入射面の法線をXY平面に投影した直線のXY平面における傾きが正であり，
    　前記m個のダイクロイックミラーおよび前記n個のダイクロイックミラーの入射面の法線がX軸となす角をθ0とし，
    　前記m個のダイクロイックミラーおよび前記n個のダイクロイックミラーの基材の屈折率をn0，XY平面と平行かつ入射面の法線と垂直方向の幅の平均をa，XY平面と平行かつ入射面の法線と平行方向の幅の平均をbとするとき，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDA1およびDB1がX軸上にあり，前記ダイクロイックミラーDA1のX座標より前記ダイクロイックミラーDB1のX座標が大きく，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDAjおよびDA(j＋1)の（ただし（1≦j≦(m－1)）），XY平面における位置を比較すると，Y座標はダイクロイックミラーDA(j＋1)の方が大きく，X座標はダイクロイックミラーDAjの方が大きく，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDBjおよびDB(j＋1)の（ただし（1≦j≦(n－1)）），XY平面における位置を比較すると，Y座標とX座標はいずれもダイクロイックミラーDBjの方が大きく，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDA1およびDA2のY軸方向の配列間隔と，隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDB1およびDB2のY軸方向の配列間隔との平均をΔy0とし，隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDA1およびDA2のX軸方向の配列間隔と，隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDB1およびDB2のX軸方向の配列間隔との平均をΔx0とし，
    　隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDAjおよびDA(j＋1)の（ただし（2≦j≦(m－1)）），および，隣り合う2個の前記ダイクロイックミラーDBjおよびDB(j＋1)の（ただし（2≦j≦(n－1)）），それぞれのY軸方向の配列間隔の平均をΔy，X軸方向の配列間隔の平均をΔxとするとき，
    　ダイクロイックミラーアレイのY軸方向の開口幅を拡大し，かつダイクロイックミラーアレイの光路長を縮小できるように，θ0，n0，a，b，Δy0，Δy，Δx0，Δxが所定の関係を満足することを特徴とする光学装置。
  14. 　請求項13に記載の光学装置において，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  15. 　請求項13に記載の光学装置において，
    　θ2＝sin-1(1/ n0×sin(θ0))，とするとき
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  16. 　請求項10～請求項15のいずれか一項に記載の光学装置において，
    　θ0＝45°であることを特徴とする光学装置。
  17. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記m個に分割されたイメージを形成するm個の光束の内，任意の前記光束の光路上に，前記m個の光束の光路長差に応じて厚みが変化する透明固体部材を挿入することを特徴とする光学装置。
  18. 　請求項17に記載の光学装置において，
    　任意の隣り合う2個の前記透明固体部材が結合されていることを特徴とする光学装置。
  19. 　請求項18に記載の光学装置において，
    　前記任意の隣り合う2個の前記透明固体部材が結合されている面が透明であることを特徴とする光学装置。
  20. 　請求項18に記載の光学装置において，
    　前記任意の隣り合う2個の前記透明固体部材が結合されている面が不透明であることを特徴とする光学装置。
  21. 　請求項17に記載の光学装置において，
    　挿入される複数の前記透明固体部材が一体化されていることを特徴とする光学装置。
  22. 　請求項4に記載の光学装置において，
    　前記m個に分割されたイメージを形成するm個の光束の，前記集光レンズと前記エリアセンサの間のm個の光路長の内，任意の光路長から最も短い光路長を差し引いた光路長差をΔhとするとき，
    　前記任意の光路長を有する光束の光路上に，前記任意の光路長を有する光束の光軸方向の厚みtの透明固体部材を挿入し，
    　tとΔhが比例関係にあることを特徴とする光学装置。
  23. 　請求項22に記載の光学装置において，
    　前記最も短い光路長を有する光束の光路上に，前記透明固体部材を挿入しないことを特徴とする光学装置。
  24. 　請求項22に記載の光学装置において，
    　前記透明固体部材の屈折率をnxとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
     が満たされることを特徴とする光学装置。
  25. 　請求項22に記載の光学装置において，
    　前記透明固体部材の屈折率をnxとするとき，
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
     が満たされることを特徴とする光学装置。
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