(57)【要約】【課題】  従来の大型の分光器は，高性能であるが、装置が大きくなり高価であり，また小型分光器は価格も比較的安く簡単に使用できるが、検出器として用いられているリニアアレイディテクタが微弱光の検出には不向きで、光量が必要となる。またフィルターとＰＭＴとから構成されるものでは、所望の数の蛍光波長毎にフィルターとＰＭＴが必要となり，蛍光波長同士が近接している場合には，フィルターでは波長分離ができない場合もある。【解決手段】  そこで本発明では、光検出器３に連なる光ファイバー２の端部５を，色収差レンズ１に対向させて，その光軸６に沿って移動可能に設置すると共に，その移動位置を制御可能な移動制御機構７を設け，光ファイバーの端部のコアの中心側に遮光部を設けた分光ユニットを提案する。光ファイバーは高ＮＡのマルチモードファイバーとするのが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出器に連なる光ファイバーの端部を，色収差レンズに対向させて，その光軸に沿って移動可能に設置すると共に，その移動位置を制御可能な移動制御機構を設け，光ファイバーの端部のコアの中心側に遮光部を設けたことを特徴とする分光ユニット
【請求項２】
移動制御機構は，波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバーの端部の位置との対応関係の記憶手段を備えており，所望の波長に対して，対応関係から位置を求めて，その位置に移動させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット
【請求項３】
光ファイバーは高ＮＡのマルチモードファイバーとしたことを特徴とする請求項１に記載の分光ユニット
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種装置，システム等に分光機能を付加するための分光ユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種装置，システム等に分光機能を付加するための手段としては，まずグレーティング又は分散プリズムと検出器とから構成したものがあり，近来は，検出器としてフォトダイオードアレイやＣＣＤ等のリニアアレイディテクタを使用した小型分光器も多くなっており，これらの分光器では，高速で簡単に分光スペクトルを得ることができる。
【０００３】
一方，蛍光等の微弱光を高感度で検出する場合には，目的波長のみを通過させる複数のフィルターとＰＭＴ（光電子増倍管）を検出器とした構成したものも使用されている。
【０００４】
更に，これらの構成を用いずに簡単に分光機能を付加する手段として，特許文献１では，試料からの光を色収差レンズにより収束すると共に，収束された光が通過するように配置したピンホールを，波長に応じて色収差レンズの光軸に沿って移動させる構成とし，ピンホールからの透過光を光検出器により検出するように構成したものが提案されている。
【特許文献１】特開平１−１８８８１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記の従来技術では次に示すような課題がある。
１.大型の分光器では，例えば２次光を抑えるフィルター交換が自動モーターなどで行えるようになっている等，高性能であるが、装置が大きくなり高価である。
２.また小型分光器は価格も比較的安く簡単に使用できるが、検出器として用いられているリニアアレイディテクタは微弱光の検出には不向きで、光量が必要となる。
３.微弱光を検出するための手段として，フィルターとＰＭＴとから構成されるものでは、所望の数の蛍光波長に合わせてフィルターを複数枚数必要であると共に，また検出したい蛍光の数だけＰＭＴが必要となり，また所望の数の蛍光波長同士が近接している場合には，フィルターでは波長分離ができない場合もある。
４.また，特許文献１のものでは，色収差を効果的に発生させるにはＦ値の小さいレンズを使用する必要があるが、Ｆ値が小さくなれば球面収差も同時に発生して収束する焦点が光軸上にずれるために、波長が異なる光も検出器に入ってしまうという欠点がある。
一般に、球面収差とはレンズ形状によって単色光で起こる収差で軸上の１点から出た光が１点に集まらない収差をいい、光軸中心から遠くなるほど、つまりレンズ中心から遠くなり，周縁側へいくほど焦点がずれていく現象である。この球面収差は、Ｆ値の大きいレンズを使用することで小さくすることが可能であるが、色収差を大きくするためには曲率半径の大きいレンズを使用することになり、結果として球面収差も大きくなり，これらを同時に解決することは困難である。
【０００６】
本発明は，以上の課題を解決することを目的とするもので，即ち，従来の分光器を用いずに，高感度で波長分解能の高い分光機能を利用することができる分光ユニットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以上の課題を解決するために，本発明では、光検出器に連なる光ファイバーの端部を，色収差レンズに対向させて，その光軸に沿って移動可能に設置すると共に，その移動位置を制御可能な移動制御機構を設け，光ファイバーの端部のコアの中心側に遮光部を設けた分光ユニットを提案している。
【０００８】
そして本発明では、上記構成において，移動制御機構は，波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバーの端部の位置との対応関係の記憶手段を備えており，所望の波長に対して，対応関係から位置を求めて，その位置に移動させる構成とすることを提案している。
【０００９】
以上の本発明においては，光ファイバーは，シングルモードファイバーではなく，高ＮＡのマルチモードファイバーとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
ある波長の光が色収差レンズの周縁側を通って焦点を結ぶ位置に光ファイバーの端部を位置させると，それよりも波長が短く，色収差レンズの中心側を通って光ファイバーの端部の近傍に焦点を結ぶ光は，光ファイバーの端部のコアの中心側に設けた遮光部により遮光することができ，また上記ある波長の光が色収差レンズの中心側を通って焦点を結ぶ位置は，光ファイバーの端部よりも，更に色収差レンズから離れた位置であるので，ある波長の光は，中心側の一部が遮光部により遮光されるものの，他は遮光部の外側において高ＮＡの光ファイバーのコア内に入射して光検出器により検出することができる。
【００１１】
こうして本発明では、色収差レンズの球面収差による焦点のずれを排除し，また色収差の効果を高めることにより，高い光分解能での波長分離が可能となる。また光検出器としては，ＰＭＴ等の高感度光検出器を使用することによりフィルターでは分光できないような波長差の蛍光試料等にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
移動制御機構に，波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバーの端部の位置との対応関係の記憶手段を備えることにより，所望の波長に対して，対応関係から位置を求めて，その位置に迅速に移動させることができる。
【００１３】
複数の波長に対応する夫々の位置に高速で次々に移動させることにより，複数波長の光に対する測定を行うことができる。
【実施例１】
【００１４】
次に本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る分光ユニットの構成を示す系統図であり，また図２，図３は本発明の動作と，その原理を模式的に示す説明図である。
符号１は色収差レンズであり，２は光ファイバーである。光ファイバー２は光検出器３に接続されている。この光検出器３は，例えばＰＭＴ等の高感度光検出器を用いる。符号４は移動機構を示すものであり，この移動機構４は，光ファイバー２の端部５を色収差レンズ１に対向させて支持すると共に，この端部５を色収差レンズ１の光軸６に沿って移動可能としている。勿論，図に示すように，光ファイバー２の端部５の光軸は，色収差レンズ１の光軸６と一致させる。また光ファイバー２は，シングルモードファイバーではなく，高ＮＡのマルチモードファイバーとしている。
【００１５】
符号７は移動機構４の移動を制御する移動制御機構であり，この移動制御機構７には，波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と，光ファイバー２の端部５の位置との対応関係を記憶する記憶手段８を備えており，測定すべき所望の波長に対して，記憶手段８に記憶させた対応関係から位置を求めて移動機構４を制御することにより，光ファイバー２の端部５を，求めた位置に移動させる構成としている。測定すべき波長が複数の場合には，夫々の位置を求めて移動機構４を制御して，光ファイバー２の端部５を，夫々の位置に高速で次々に移動させる制御を行う。
【００１６】
図１，図２に示すように，色収差レンズ１を通った光は，色収差により，波長が長いほど，色収差レンズ１から，より離れた位置で焦点を結ぶと共に，球面収差により，図２に示すように，色収差レンズ１の中心側から周辺側に行くに従って，色収差レンズ１に，より近い位置で焦点を結ぶ。
【００１７】
図２では，光の波長の違いを線種により表しており，例えば図１，図２の実線の光Ｌ2は破線の光Ｌ3よりも波長が長く，２点鎖線の光Ｌ1よりも波長が短い。尚，図において，色収差レンズ１の中心側を通る光には添字i，周縁側を通る光には添字oを付して区別する。
【００１８】
図２，図３に示すように，色収差レンズ１の中心側を通った光Ｌ3iが結ぶ焦点ｆ3iは，この光Ｌ3よりも波長の長い光Ｌ2が色収差レンズ１の周縁側を通って結ぶ焦点ｆ2oと近接している。
【００１９】
ここで，ある波長の光，この場合，光Ｌ2の測定を行う場合には，図３に示すように，移動制御機構７により移動機構４を制御して光ファイバー２の端部５の端面を，光Ｌ2が色収差レンズ１の周縁側を通って結ぶ焦点ｆ2oの位置にもたらす。尚，符号９は光ファイバー２のコア，１０はクラッドであり，１１は遮光部を示すものである。
【００２０】
この状態では光Ｌ2よりも波長の短い光Ｌ3が色収差レンズ１の中心側を通った光Ｌ3iは，コア９の中心側に設けた遮光部１１により遮光される。色収差レンズ１を通った光Ｌ2のうち，色収差レンズ１の中心側を通った光Ｌ2iの一部は遮光部１１により遮光されるが，色収差レンズ１の，より周縁側を通る光は遮光部１１よりも外側に位置するので光ファイバー２のコア９内に入射して光検出器３により検出することができる。
【００２１】
ここで遮光部１１は，大きくすると，上述したように対象とする波長の光の，色収差レンズ１の中心側を通る部分を遮光する割合が大きくなるため，対象とする波長の光の光量が小さくなるが、波長分解能は高くなる。従って，遮光部１１は，波長分解能と光量を勘案して適宜に決定することができる。
【００２２】
遮光部１１は，光ファイバー２のコア９への光の入射を防止するものであるから，光を反射，散乱又は吸収する構成とすれば良く，例えば対応するコア９に傷を形成することにより，容易に散乱可能とすることができる。
【００２３】
こうして本発明では、色収差レンズ１の球面収差による焦点のずれを排除し，また色収差の効果を高めることにより，高い光分解能での波長分離が可能となり，また光検出器３としては，ＰＭＴ等の高感度光検出器を使用することにより，従来例として示した構成におけるフィルターでは分光できないような波長差の蛍光試料等にも適用することができる。
【００２４】
上述したとおり，本発明では、移動制御機構７に，波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバー２の端部５の位置との対応関係の記憶手段を備えることにより，所望の波長の光に対して，対応関係から位置を求めることができ，これに基づいて移動機構４により，その位置に迅速に移動させることができる。
【００２５】
そして，複数の波長に対応する夫々の位置に高速で次々に移動させることにより，複数波長の光に対する測定を行うことができる。
【実施例２】
【００２６】
次にＦＲＥＴ（蛍光エネルギー移動）に良く利用される蛍光タンパク質のＥＣＦＰとＥＹＦＰを同時に検出する場合について本発明を利用した実施例を説明する。
まず，ドナーであるＥＣＦＰの最大励起波長は433nm，最大蛍光波長は474nmである。一方アクセプターであるＥＹＦＰの最大励起波長は512nm、最大蛍光波長は575nmである。
そこで，ＥＣＦＰ励起に波長405nmのレーザーダイオード（ＬＤ）を使用し、色収差レンズ１の材質にＢＫ７を用いた場合を考えると、それぞれの波長における屈折率は、405nmで1.53024，474nmで1.52329，587nmで1.51680である。
一方，有効径3.6mm，546.1nmでの焦点距離6mmのレンズを色収差レンズ１として用いると、夫々の波長における焦点距離ｆ（405nm）は5.85mm，ｆ（474nm）は5.93mm，ｆ（587nm）は6.00mmとなる。
上述した寸法から，色収差レンズ１のＮＡは0.29であるので、光ファイバー２のＮＡは0.29以上で，例えばコア９径を200μmとしたマルチモードタイプの光ファイバー２を用いる。
このとき，色収差レンズ１の球面収差による光軸６方向の焦点位置のずれは，159μmとなり、色収差レンズ１周縁部の光の焦点距離は，ｆ（405nm）で5.69mm，ｆ（474nm）は5.77mm，ｆ（587nm）は5.84mmとなる。
このように色収差レンズ１の周縁部に対応したＥＹＦＰの焦点距離である5.84mmと、励起レーザー波長405nmの色収差レンズ１の中心部に対応した焦点距離5.85mmとが略同じ位置となり、そのままでは励起レーザーの光も同時に検出してしまう。
【００２７】
そこで，色収差レンズ１の中心側の２０％を遮光し、光ファイバー２の端部５のコア９を，色収差レンズ１の周縁部を通った光の焦点位置に合わせると、その時の色収差レンズ１の有効径の中心側の２０％を通った光の大きさは，１番大きい405nmの時で約61μmであるため、光ファイバー２のコア９の端面をφ61μmだけ遮光部１１により遮光する。遮光は上述したように，その一つの手段として光を散乱させればよいので，簡単に行える方法として傷をつけた。
ＥＹＦＰとＥＹＦＰの２つの蛍光を夫々検出するために必要な光ファイバー２の端部５の，光軸６方向の移動距離は150μmであり、光ファイバー２を，移動機構４としてのＰＺＴステージを用い，移動制御機構７により制御して上記移動距離を高速スキャンさせ、高感度の光検出器３としてＰＭＴを用いて同時測定を行い，夫々の波長においてノイズの少ない光信号の取得が可能となった。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は以上のとおりであるので、次のような効果があり，産業上の利用可能性が大である。
１.グレーティング又は分散プリズムと検出器とから構成される従来の分光器や，フィルター等を使用せずに，簡素な構成で，高感度で波長分解能の高い分光機能を実現することができる。
２.フィルターでは分光できないような波長差の小さい蛍光試料等にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る分光ユニットの構成を示す系統図である。
【図２】本発明の動作と，その原理を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の動作と，その原理を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００３０】
１                  色収差レンズ
２                  光ファイバー
３                  光検出器
４                  移動機構
５                  光ファイバーの端部
６                  光軸
７                  移動制御機構
８                  記憶手段
９                  コア
１０                クラッド
１１                遮光部
【図１】
2006308403.tif 000003
【図２】
2006308403.tif 000004
【図３】
2006308403.tif 000005