(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を略平行光束にするコリメータ光学系と、
前記略平行光束を複数の光束に分割する光路分割部と、
前記複数の光束の少なくとも１つを分光する分光素子と、
分光特性が異なる複数の前記分光素子が配置された回転テーブルと、
前記分光素子で分光された分光光を受光する受光器であって、前記分光光の波長分散方向と該波長分散方向に直交する方向に複数の受光素子が２次元状に配置された受光器と、
前記分光素子からの前記分光光を前記受光器の前記受光素子面に結像させる集光光学系と、を有し、
前記回転テーブルは、前記波長分散方向に直交する方向に複数配置され、
前記複数の回転テーブルのそれぞれを回転させることにより、各回転テーブルに配置された各分光素子を、前記複数の光束の少なくとも１つが入射する位置に移動可能に構成され、
前記複数の光束のうち少なくとも２つは、異なる前記回転テーブルに配置された前記分光素子にそれぞれ入射することを特徴とする分光ユニット。
【請求項２】
前記複数の光束が入射する前記複数の分光素子の少なくとも２つは、異なる波長分解能を有する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】
前記複数の回転テーブルの各々は、該回転テーブルに配置された前記分光素子に入射する前記光束の入射角度をそれぞれ変化可能に構成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の分光ユニット。
【請求項４】
前記光路分割部は、ダイクロイックミラーを含み、該ダイクロイックミラーは、少なくとも２つの異なる波長帯域の前記光束に分割することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項５】
前記光路分割部は、ハーフミラーを含み、該ハーフミラーは、少なくとも２つの同一の波長帯域の前記光束に分割することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項６】
前記受光器の前記受光素子はＰＭＴであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項７】
前記受光器の前記受光素子はＣＣＤであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項８】
前記分光素子は回折格子であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項９】
前記分光素子はプリズムであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の分光ユニット。
【請求項１０】
光源からの光を走査して対物レンズにより標本上に集光し、前記標本から出射した光を前記対物レンズで集光する顕微鏡と、
前記顕微鏡からの前記光を分光して検出する請求項１〜９のいずれか一項に記載の分光ユニットと、を有することを特徴とする走査型顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光ユニット及び走査型顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型顕微鏡で検出された信号光を分光して検出する分光ユニットは、一般的に光を回折格子などの分光素子で分光し、この分光光をラインディテクタなどの受光器で検出するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。このような分光ユニットは、信号光を分光させてしまうために検出時の光量が非常に弱くなってしまう。また、波長分解能を向上させるために、一般的に入射光源からの光をスリットやピンホールなどで絞る構成を有しているので、検出される光の光量はさらに暗くなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１５３７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような分光ユニットにおいてラインディテクタとしてライン状に並んだＰＭＴ（光電子増倍管）を用いた場合、波長分解能を向上させるためにはこのラインディテクタの長さを長くする必要があり、分光ユニットが大型化してしまうという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、コンパクトで波長分解能の高い分光ユニット、及び、この分光ユニットを有する走査型顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る分光ユニットは、光を略平行光束にするコリメータ光学系と、この略平行光束を複数の光束に分割する光路分割部と、複数の光束の少なくとも１つを分光する分光素子と、分光特性が異なる複数の前記分光素子が配置された回転テーブルと、分光素子で分光された分光光を受光する受光器であって、分光光の波長分散方向とこの波長分散方向に直交する方向に複数の受光素子が２次元状に配置された受光器と、分光素子からの分光光を受光器の受光素子面に結像させる集光光学系と、を有し、回転テーブルは、波長分散方向に直交する方向に複数配置され、複数の回転テーブルのそれぞれを回転させることにより、各回転テーブルに配置された各分光素子を、複数の光束の少なくとも１つが入射する位置に移動可能に構成され、複数の光束のうち少なくとも２つは、異なる回転テーブルに配置された前記分光素子にそれぞれ入射することを特徴とする。
【０００８】
また、このような分光ユニットにおいて、複数の光束が入射する複数の分光素子の少なくとも２つは、異なる波長分解能を有することが好ましい。
【０００９】
また、このような分光ユニットにおいて、複数の回転テーブルの各々は、該回転テーブルに配置された分光素子に入射する光束の入射角度をそれぞれ変化可能に構成されてなることが好ましい。
【００１１】
このような分光ユニットにおいて、光路分割部は、ダイクロイックミラーを含み、このダイクロイックミラーは、少なくとも２つの異なる波長帯域の光束に分割することが好ましい。
【００１２】
また、このような分光ユニットにおいて、光路分割部は、ハーフミラーを含み、このハーフミラーは、少なくとも２つの同一の波長帯域の光束に分割することが好ましい。
【００１４】
また、このような分光ユニットにおいて、受光器の受光素子はＰＭＴであることが好ましい。
【００１５】
また、このような分光ユニットにおいて、受光器の受光素子はＣＣＤであることが好ましい。
【００１６】
また、このような分光ユニットにおいて、分光素子は回折格子であることが好ましい。
【００１７】
また、このような分光ユニットにおいて、分光素子はプリズムであることが好ましい。
【００１８】
また、本発明に係る走査型顕微鏡は、光源からの光を走査して対物レンズにより標本上に集光し、この標本から出射した光を対物レンズで集光する顕微鏡と、顕微鏡からの光を分光して検出する上述の分光ユニットのいずれかと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明を以上のように構成すると、コンパクトで波長分解能の高い分光ユニット、及び、この分光ユニットを有する走査型顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】分光システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係る分光ユニットを説明するための説明図であって、（ａ）はこの分光ユニットの平面図を示し、（ｂ）は受光器の斜視図を示す。
【図３】第１の実施形態において回折格子に入射する信号光束の状態を説明するための説明図であって、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【図４】第１の実施形態の変形例において回折格子に入射する信号光束の状態を説明するための説明図であって、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【図５】第２の実施形態において回折格子に入射する信号光束の状態を説明するための説明図であって、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は側面図を示す。
【図６】ＧＦＰ（緑色蛍光タンパク質）の発光スペクトルを示すグラフであって、（ａ）は４００〜７００ｎｍの波長帯域を１０ｎｍピッチで取得した場合を示し、（ｂ）は４９０〜５５０ｎｍの波長帯域を２ｎｍピッチで取得した場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて分光機能付き走査型顕微鏡の一例である分光システムの構成を説明する。この分光システム１は、光源系１０、共焦点ユニット２０及び顕微鏡３０を有する共焦点顕微鏡と、分光ユニット４０と、情報処理装置５０と、を有する。この分光システム１において、共焦点ユニット２０と分光ユニット４０とは、ファイバカプラ２９ａ，２９ｂを介して光ファイバ２８により光学的に接続される。
【００２２】
光源系１０は、レーザ装置１１と、光ファイバ１３と、ファイバカプラ１２，１４と、を有する。レーザ装置１１は、例えば、レーザーダイオードを備え、目的の波長特性を有する照明光を射出する。この照明光は、光ファイバ１３を介して共焦点ユニット２０に導かれる。なお、図１の例では、照明光として、標本３３を励起して蛍光を発光させるための励起光を射出する。
【００２３】
共焦点ユニット２０は、光源系１０からの照明光を略平行光束とするコリメートレンズ２１と、ダイクロイックミラー２２と、走査ユニット２３と、スキャナレンズ２４と、集光レンズ２５と、ピンホール２６ａを有するピンホール板２６と、リレーレンズ２７と、を有する。また、顕微鏡３０は、対物レンズ３２及び第２対物レンズ３１と、標本３３が載置されるステージ３４と、を有する。これらの共焦点ユニット２０と顕微鏡３０とを組み合わせて走査型共焦点顕微鏡が構成される。なお、ダイクロイックミラー２２は、光源系１０から射出されたレーザ光を顕微鏡３０側に反射し、このレーザ光により励起した標本３３から放射される蛍光を透過するように構成されている。また、集光レンズ２５の像側焦点は、ピンホール板２６のピンホール２６ａと略一致するように配置されている。
【００２４】
分光ユニット４０は、光ファイバ２８から入射する信号光（図１の例では蛍光）を略平行光束とするコリメート光学系４１と、異なる分光特性を有する３種の分光素子である回折格子４３１，４３２，４３３（まとめて回折格子４３とする）と、それらを保持して回転する回転テーブル４２と、複数の受光素子４５ａがアレー状に並べられてラインディテクタを構成する受光器４５と、回折格子４３（回折格子４３１〜４３３のいずれか）から射出された回折光（分光光）を受光器４５の受光面に結像させる集光光学系４４と、受光器４５を駆動するための電源を供給する高圧電源４６と、受光器４５の各受光素子４５ａの出力を増幅するとともにディジタル化して検出データとして出力する検出回路４７と、を有する。なお、受光素子４５ａに入射する信号光（分光光）のＮＡが、この受光素子４５ａの有効ＮＡ又は最適ＮＡの範囲内になるように、前段の光学系（コリメート光学系４１や集光光学系４４）が形成されている。
【００２５】
情報処理装置５０は、検出回路４７から出力される検出データを記憶するフレームメモリ５１と、記憶されている検出データに基づいて目的の分光特性を演算する中央処理ユニット（ＣＰＵ）５２と、表示装置５３と、外部記憶装置５４と、入力装置５５と、スキャナ駆動装置５６と、を有する。ここで、ＣＰＵ５２は、図示していないが演算部と主記憶部とを有する。また、表示装置５３には、例えば、液晶表示装置が用いられる。また、外部記憶装置５４には、例えば、ハードディスク装置、光記録媒体記憶装置、半導体記憶装置等が用いられる。また、入力装置５５には、例えば、キーボード、マウス等の機器を含む。
【００２６】
外部記憶装置５４には、ＣＰＵ５２の動作プログラム及び各種データが記憶される。具体的には、複数個の光学要素のそれぞれについての分光特性（分光データ）を、それぞれの光学要素対応に記憶する記憶手段としての機能を有する。このようなプログラム及び予め与えられたデータは、例えば、図示しない読み取り装置を用いてＣＤ−ＲＯＭ等の記憶媒体から読み出してインストールすることにより、外部記憶装置５４に記憶される。
【００２７】
ＣＰＵ５２は、外部記憶装置５４に記憶されるプログラムをロードして、各種制御、演算処理等を行う。この外部記憶装置５４に記憶されるプログラムには、スキャナ駆動装置５６を介して走査ユニット２３の作動を制御する手段と、測定対象から得られたデータに基づいて分光特性を求める演算を行う手段と、受け付けた光学要素を特定する情報に基づいて記憶手段により記憶される、使用する光学要素についての分光特性情報を読み出して、当該使用する光学系が有する分光特性情報を求め、この分光特性情報と、上述の分光ユニット４０から出力される分光データとを用いて対象の分光特性を求める手段と、によりＣＰＵ５２を動作させるプログラムが含まれる。また、記憶装置と共に、複数個の光学要素のそれぞれについての分光特性を、それぞれの要素対応に記憶する記憶手段として、ＣＰＵ５２を動作させるプログラムも含まれる。
【００２８】
分光ユニット４０について、さらに詳細に説明する。この分光ユニット４０は、光ファイバ２８を介して信号光を取り込み、回折格子４３１〜４３３のいずれかにより分光させて、受光器４５の各受光素子４５ａにおいて分光光の受光を行う。
【００２９】
図１に示すように、光ファイバ２８は、ファイバカプラ２９ｂで分光ユニット４０に取り付けられている。光ファイバ２８からの信号光は、全ての光束が、コリメート光学系４１により略平行光にされ、回折格子４３１〜４３３のうち選択された回折格子４３に入射される。この回折格子４３に入射した信号光は、その波長によって決まる回折角方向に回折されて分光される。そして、分光された信号光は、集光光学系４４で集光されて、受光器４５の受光面に結像されてこの受光器４５に入射される。受光器４５からは、各受光素子４５ａに入射した信号光の光量に対応した電気信号が出力され、情報処理装置５０により処理することにより、波長対強度の分光信号を得ることができる。
【００３０】
なお、回折格子４３１〜４３３は、刻線本数（１ｍｍ当たりの回折格子溝の本数）が異なる。また、これらの回折格子４３１〜４３３は、回転テーブル４２上に角度位置を変えて設置されている。そのため、回転テーブル４２を回して回折格子４３１〜４３３に入射する角度を変えることで、受光器４５で検出される波長帯域を変更することができる。また、回折格子４３１〜４３３のうち、ある回折格子から他の回折格子に切替えることで、波長分解能を変えることもできる。
【００３１】
光ファイバ２８は、石英のコアからなるステップインデックス型であり、コア径は５０μｍ、ＮＡは０．２２である。この光ファイバ２８からファイバカプラ２９ｂを介して射出された光は、分光ユニット４０内に導かれる。本実施形態では、コリメート光学系４１を介して分散光学系に導かれる。このとき、本実施形態に係る分光システム１では、微弱な光信号（蛍光）を扱う。このため、高いＳＮ比を得るには、光ファイバ２８により導入された信号光束を高い効率で利用する必要がある。そこで、コリメート光学系４１の役割は、光ファイバ２８により導入された信号光束（発散光）をロスすることなく取り込んで、後ろに続く分光素子である回折格子４３に導くことである。
【００３２】
受光器４５は、例えば、３２チャンネルのマルチアノード型のラインＰＭＴ（光電子増倍管）で構成される。このＰＭＴは、１チャンネルの素子の大きさが約０．８ｍｍ×７ｍｍで、波長分散方向（信号光が分光される方向）に３２チャンネル分がピッチＰ（＝１ｍｍ）で並んだ構造を有している。
【００３３】
集光光学系４４としては、集光レンズを用いることもできるし、集光ミラーを用いることもできる。図１では集光光学系４４として、集光レンズを用いた場合を示している。受光器４５の受光面での光ファイバ２８からの信号光の像（光ファイバのコアの像）の大きさは、受光器４５の受光素子４５ａの波長分散方向の大きさやピッチＰよりも小さければ、受光器４５の素子数に対応する高い波長分解能を得ることができる。さらに、光学系の収差を考慮すると、信号光の像の大きさはこれよりも小さい方が望ましい。この集光光学系４４は、回折格子からの出射光の、その受光器４５上における像が、前述したピッチＰより小さい径で結像されるように構成されている。
【００３４】
次に、分光システム１の動作について説明する。この例では、レーザ光を観察対象の標本３３に照射して、この標本３３において励起された蛍光を顕微鏡３０において取り込んで分光ユニット４０に導き、分光データを取得する。測定ないし観察の手順はおおよそ次の通りである。
【００３５】
光源である光源系１０のレーザ装置１１から射出されたレーザ光（励起光）はファイバカプラ１２を介して光ファイバ１３に導入される。さらにこの光ファイバ１３を通ったレーザ光はファイバカプラ１４から共焦点ユニット２０のコリメートレンズ２１に入射する。そして、このレーザ光はコリメートレンズ２１で略平行光に変換された後、ダイクロイックミラー２２で顕微鏡３０側の光路に反射され、直交配置された２つのガルバノメータからなる走査ユニット２３及びスキャナレンズ２４に導入されて、二次元的に走査される。走査されたレーザ光は、第２対物レンズ３１を通り、対物レンズ３２で集光され、標本３３上の１点に集光される。なお、走査ユニット２３により二次元的に走査される標本３３上の位置は、情報処理装置５０のスキャナ駆動装置５６を介して中央処理ユニット５２により走査ユニット２３におけるガルバノメータの動作を制御することにより制御される。そして、このレーザ光により励起された標本３３から放射された蛍光（信号光）は、対物レンズ３２で略平行光に変換され、レーザ光（励起光）と逆の経路を辿ってダイクロイックミラー２２に入射する。ダイクロイックミラー２２に入射した蛍光はこのダイクロイックミラー２２を透過し、集光レンズ２５によりピンホール板２６のピンホール２６ａ上に集光される。
【００３６】
ピンホール２６ａを通過した光は、リレーレンズ２７を経て、ファイバカプラ２９ａから光ファイバ２８に導かれる。リレーレンズ２７を介すると、図１に示すように、ピンホール２６ａを通過した光が、そのままであると発散光束となるところを、再び、集光され、光ファイバ２８の開口端において、見かけ上、小さな開口径でも、有効に（ロスが少なく）入射できるようになる。
【００３７】
ここで、ピンホール２６ａに形成される集光点は標本３３上での光スポットの像となっているため、標本３３上の他の点から発した光がたとえあったとしても、ピンホール２６ａでは像を結ばずピンホール板２６により遮られ、ファイバカプラ２９ａにほとんど到達できない。そのため、このピンホール２６ａを通過できた光のみが、リレーレンズ２７を介してファイバカプラ２９ａに到達できる。この結果、走査型共焦点顕微鏡では高い横分解能だけでなく、高い縦分解能を持って標本を観察できる顕微鏡となっている。
【００３８】
ファイバカプラ２９ａに入射した蛍光は、光ファイバ２８を通り、ファイバカプラ２９ｂを介して分光ユニット４０に導入される。分光ユニット４０に導入された蛍光は、コリメート光学系４１で略平行光束となり回折格子４３１〜４３３のいずれかに導入される。本実施形態に係る分光システム１において、これらの回折格子４３１〜４３３は、上述したように、波長分解能を可変とするために３種類用意され、回転テーブル４２を図示しないパルスモータで制御して回転させることにより、いずれかの回折格子４３が選択されて使用される。
【００３９】
回折格子４３で回折した蛍光は、集光光学系４４で集光され、回折格子４３の波長分解能に応じた拡がり角で受光器４５に入射する。入射した蛍光は、受光素子４５ａの光電効果により電気信号に変換される。変換された電気信号は、増幅器４７ａにより増幅され、Ａ／Ｄ変換器４７ｂでディジタル信号に変換されてフレームメモリ５１に送られ、ＣＰＵ５２で演算、処理されて画像として表示装置５３に表示される。
【００４０】
それでは、このような構成の分光システム１における波長分解能について説明する。なお、ここでは、光ファイバ２８はコア径φが０．０５ｍｍ、ＮＡが０．２であり、コリメート光学系４１は焦点距離が３０ｍｍであり、また、集光光学系４４は焦点距離が３００ｍｍであり、受光器４５は１ｍｍピッチで並んだ３２チャンネルのマルチアノード型のラインＰＭＴであるとする。すなわち、分光ユニット４０における倍率はコリメート光学系４１及び集光光学系４４の焦点距離の比から１０倍となり、受光器４５の集光位置には直径が０．５ｍｍのファイバ像が形成されることになる。
【００４１】
ここで、回折格子４３による分光は、次の条件式（１）の関係を有する。
【００４２】
ｓｉｎα  ＋  ｓｉｎβ  ＝Ｎｍλ                  （１）
但し、α：回折格子への入射角［°］（回折格子の法線と蛍光とのなす角度）
β：回折格子からの射出角［°］（回折格子の法線とｍ次回折光とのなす角度）
ｍ：回折次数
Ｎ：１ｍｍ当たりの刻線本数（回折格子溝の本数）
λ：入射光の波長［ｎｍ］
【００４３】
この条件式（１）より、例えば、回折格子４３への蛍光の入射角が０°で、回折格子４３の１ｍｍ当たりの刻線本数Ｎが７００本であり、この回折格子４３の１次光（ｍ＝１）を受光器４５で受光する場合、分光したい波長の下限であるλ＝４００ｎｍの光は１６．２°で回折され、上限であるλ＝７５０ｎｍの光は３１．７°で回折される。上述の条件の光学系において、４００ｎｍの光が回折された角度を光軸と考えると、７５０ｎｍの光は４５ｍｍずれた位置に結像することになる（３００ｍｍ×ｔａｎ１５．５＝４５ｍｍ）。ＰＭＴは１ｍｍピッチで３２個（チャンネル）の受光素子しかないので、４００ｎｍから７５０ｎｍの全ての波長の光を受光することはできない。全ての波長の光を受光しようとすると、４５ｍｍの全長を有する受光器４５が必要となり、分光システム１（分光ユニット４０）が大型化してしまう。上述の回転テーブル４２を回転させることで回折格子４３の角度を変化させ、受光器４５に入射する回折光の位置を変化させて４００ｎｍから７５０ｎｍの光をいくつかの部分に分割することにより、分光データを取得する方法も可能であるが、時間的にずれた画像しか取得することができず、標本３３における蛍光の状態が短時間で変化する場合には正確なデータを得ることができないことがある。
【００４４】
また、分光システム１（分光ユニット４０）の大型化を避けるために、回折格子の１ｍｍ当たりの刻線本数Ｎを少なくすると、受光器４５の各受光素子４５ａに入射する波長が増えてしまうため、細かい波長の凹凸が検出できなくなり波長分解能が悪くなる。具体的には上述の光学系において、１ｍｍ当たりの刻線本数Ｎが７００本のときの波長分解能は１チャンネル当たり４．３ｎｍであり、受光器４５の全長に全ての波長の光を入射させることはできないが、この本数Ｎを３００本にすると、受光器４５の全長に収めることができる。しかし、この場合には１チャンネル当たりの波長分解能は１０ｎｍ程度になってしまう。また、光ファイバー２８のファイバ像の受光器４５に対する投影倍率を低くしても分光システム１（分光ユニット４０）をコンパクトに構成することができるが、やはり波長分解能が悪化してしまう。なお、投影倍率を高くするとファイバ像が受光器４５の１チャンネル当たりの受光素子４５ａの幅を超えるために、ファイバ像の大きさが波長分解能を悪化させることになる。
【００４５】
そこで、分光システム１（分光ユニット４０）の大型化を避けつつ波長分解能を高くするために、受光器４５の受光素子４５ａを２次元状に配置して分光された光を受光する構成について説明する。
【００４６】
［第１の実施形態］
まず、図２及び図３を用いて第１の実施形態に係る分光ユニット１４０の構成について説明する。なお、この第１の実施形態に係る分光ユニット１４０は、図１に示す分光システム１において、分光ユニット４０をこの分光ユニット１４０に置き換えた構成で使用される。そのため、光源系１０、共焦点ユニット２０及び顕微鏡３０を有する共焦点顕微鏡、並びに情報処理装置５０の構成は、同一の符合を用いることにより詳細な説明は省略する。
【００４７】
第１の実施形態に係る分光ユニット１４０は、光ファイバ２８を通りファイバカプラ２９ｂから射出される蛍光（信号光）を略平行光束に変換するコリメート光学系１４１と、この略平行光束を３つの光路に分割する光路分割部１４８と、回転テーブル１４２に取り付けられ、それぞれが異なる分光特性を有する３つの分光素子である回折格子１４３１，１４３２，１４３３（まとめて、回折格子１４３と呼ぶ）と、回折格子１４３１〜１４３３のいずれかで回折された光を集光する反射凹面ミラーからなる集光光学系１４４と、この集光光学系１４４で集光された回折光を検出する受光器１４５と、から構成される。
【００４８】
この第１の実施形態に係る分光ユニット１４０において、受光器１４５は、図２（ａ）の紙面の左右方向（水平方向（波長分散方向））に並ぶ複数の受光素子からなる受光領域を、図２（ａ）の紙面に直交する方向、図２（ｂ）の紙面の上下方向に３段重ねることにより、これらの受光素子を２次元状に配置している。なお、以降の説明において、上段の受光領域を第１の受光部１４５ａ、中段の受光領域を第２の受光部１４５ｂ、及び、下段の受光領域を第３の受光部１４５ｃと呼ぶ。これらの第１〜第３の受光部１４５ａ〜１４５ｃの各々は、例えば、上述の３２チャンネルのマルチアノード型のラインＰＭＴで構成されている。
【００４９】
また、第１の受光部１４５ａ、第２の受光部１４５ｂ、第３の受光部１４５ｃは、図２（ｂ）の紙面の上下方向に３段重ねる例に限られず、図２（ｂ）の紙面の上下方向に、所定の間隔を設けて配置してもよい。
【００５０】
また、受光器１４５は、図２（ａ）の紙面の左右方向（水平方向（波長分散方向））に並ぶ複数の受光素子からなる受光領域を、図２（ａ）の紙面に直交する方向、図２（ｂ）の紙面の上下方向に３段重ねる例に限られず、単に図２（ａ）の紙面の左右方向と図２（ａ）の紙面に直交する方向に複数の受光素子をそれぞれは配置することにより、受光素子を２次元状に配置してもよい。
【００５１】
また、光路分割部１４８は、コリメート光学系１４１から出射した略平行光束に含まれる光（波長４００〜７５０ｎｍの光とする）のうち、所定の波長帯域（例えば、６４０〜７５０ｎｍ）の光を反射し、その他の波長の光を透過する第１のダイクロイックミラー１４８ａと、この第１のダイクロイックミラー１４８ａを透過した略平行光束に含まれる光のうち、所定の波長帯域（例えば、４００〜５２０ｎｍ）の光を反射し、その他の波長の光を透過する第２のダイクロイックミラー１４８ｂと、第１のダイクロイックミラー１４８ａで反射された光の略平行光束を反射して回折格子１４３１〜１４３３のいずれか（回折格子１４３）に照射させる第１のミラー１４８ｃと、第２のダイクロイックミラー１４８ｂで反射された光の略平行光束を反射して回折格子１４３に照射させる第２のミラー１４８ｄと、を有して構成されている。
【００５２】
なお、コリメート光学系１４１を出射し、第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂを透過した光が、回折格子１４３に垂直に（０°の角度で）入射するときに、第１のダイクロイックミラー１４８ａは上述の波長帯域の光をコリメート光学系１４１側の下方に反射するように配置され、第１のミラー１４８ｃはこの光を第１のダイクロイックミラー１４８ａを透過した光と略平行になるように反射し（図３（ｂ））、かつ、この光が回折格子１４３に対して、回折格子の溝の方向（図３（ａ）の紙面に直交する方向）と直交する方向（溝のピッチ方向）の面内（図３（ａ）の紙面内）において＋５°の角度で入射するように配置されている（図３（ａ））。また、第２のダイクロイックミラー１４８ｂは上述の波長帯域の光をコリメート光学系１４１側の上方に反射するように配置され、第２のミラー１４８ｄはこの光を第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂを透過した光と略平行になるように反射し（図３（ｂ））、且つ、この光が回折格子１４３に対して、回折格子の溝の方向（図３（ａ）の紙面に直交する方向）と直交する方向（溝のピッチ方向）の面内（図３（ａ）の紙面内）において−５°の角度で入射するように配置されている（図３（ａ））。このとき、３つの光路は、図３（ａ）に示すように、回折格子１４３の回折格子の溝の方向（図３（ａ）の紙面に直交する方向）から見たときに、それぞれの光路の中心が回折面で略一致するように構成されている。そして、上述の条件式（１）により、回折格子１４３で回折された光（分光光）の中心が、この回折格子１４３の法線に対して、回折格子の溝の方向（図３（ａ）の紙面に直交する方向）と直交する方向（溝のピッチ方向）の面内（図３（ａ）の紙面内）において２４°の方向となるようにすると、３つの光路に分割されたそれぞれの波長帯域の光が、図２（ａ）の紙面に直交する方向、図２（ｂ）の紙面の上下方向に並んだ第１〜第３の受光部１４５ａ〜１４５ｃのそれぞれの受光領域内に収まり、並べられた３つのラインＰＭＴで無駄なく受光することができる。
【００５３】
なお、この第１の実施形態に係る分光ユニット１４０の構成では、図３（ｂ）に示すように、光路分割部１４８で分割された３つの光路が、回折格子１４３の回折格子の溝の方向（図３（ｂ）の紙面の上下方向）と直交する方向（図３（ｂ）の紙面の左右方向）に略平行な光路となって回折格子１４３に入射するため、集光光学系１４４は、上記３つの光路のそれぞれに対応して上下方向に並んだ３つの反射凹面ミラーが必要である。しかし、図４（ｂ）に示すように、光路分割部１４８で光束を分岐した際に、回折格子１４３に対してスリット方向角度を持たせて入射させる、すなわち、回折格子１４３の回折格子の溝の方向に沿って、法線に対して所定の角度を持たせ（図４（ｂ）に示す角度γ）、回折格子の溝の方向（図４（ａ）の紙面に直交する方向）と回折格子の溝の方向に直交する方向（図４（ｂ）の紙面に直交する方向）からそれぞれ見たときに、いずれも３つの光路の中心が回折面で略一致するように入射させると、集光光学系１４４を１枚の反射凹面ミラーで実現可能である。この場合、スリット方向角度をγ［°］とすると、回折格子１４３による分光は次の条件式（２）の関係になることに注意が必要である。
【００５４】
（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）ｓｉｎγ＝Ｎｍλ            （２）
【００５５】
以上のように、この第１の実施形態に係る分光ユニット１４０は、受光器１４５の受光領域を２次元状に配置し、回折格子１４３に入射する前に光路分割部１４８で波長帯域の異なる３つの光路に分割し、それぞれの波長帯域毎に高さ方向の位置と平面方向の角度を変えて１枚の回折格子１４３に入射させ、それぞれの波長帯域の光を２次元状に配置された受光器１４５の受光領域で検出するように構成されているため、コンパクトで波長分解能の高い分光データを同時に取得することができる分光システム１を構成することができる。すなわち、この第１の実施形態に係る分光ユニット１４０を用いることにより、受光器１４５の波長分散方向の幅（受光素子がライン状に並ぶ方向の幅）は従来の分光ユニットと略同一でありながら、３倍の波長領域の分光データを従来と同じ波長分解能で同時に取得することができる。あるいは、従来と同じ波長領域でありながら、３倍の波長分解能の分光データを同時に取得することができる。
【００５６】
［第２の実施形態］
次に、図５を用いて第２の実施形態に係る分光ユニット２４０の構成について説明する。この第２の実施形態に係る分光ユニット２４０は、図２及び図３に示した第１の実施形態に係る分光ユニット１４０の回転テーブル１４２及び回折格子１４３を、この第２の実施形態に係る分光ユニット２４０の回転テーブル２４２及び回折格子２４３に置き換えた構成で使用される。なお、図５は、第２の実施形態に係る分光ユニット２４０のうち、回転テーブル２４２及び回折格子２４３の部分だけを示している。具体的には、光路分割部１４８により分割された３つに光路のそれぞれに対して、図５（ａ）の紙面に直交する方向、図５（ｂ）の紙面の上下方向に３段に並ぶ３枚の回折格子（図５（ｂ）に示す回折格子２４３ａ，２４３ｂ，２４３ｃ）で構成している。すなわち、上段の第１の回折格子２４３ａには、第２のダイクロイックミラー１４８ｂで反射された波長４００〜５２０ｎｍの光が入射し、中段の第２の回折格子２４３ｂには、第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂを透過した波長５２０〜６４０ｎｍの光が入射し、下段の第３の回折格子２４３ｃには、第１のダイクロイックミラー１４８ａで反射された波長６４０〜７５０ｎｍの光が入射する。
【００５７】
この第２の実施形態に係る分光ユニット２４０においては、図５（ｂ）に示すように、３段で構成されている回折格子２４３ａ〜２４３ｃのそれぞれは、同軸上で回転可能な３枚の回転テーブル２４２ａ、２４２ｂ、２４２ｃに対して独立に取り付けられている。また、回転テーブル２４２ａ〜２４２ｃのそれぞれを回転させることにより、複数用意した回折格子２４３の組（３段の回折格子２４３ａ〜２４３ｃから構成される組であって、それぞれの回転テーブル２４２ａ〜２４２ｃに対して角度を変えて３組取り付けられている（図５（ａ）に示す２４３１ａ，２４３２ａ，２４３３ａ））を任意に選択することができる。そのため、上述の第１の実施形態に係る分光ユニット１４０では、光路分割部１４８で分割された３つの光路のそれぞれの回折格子１４３に入射する角度は、光路分割部１４８の第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂ並びに第１及び第２のミラー１４８ｃ，１４８ｄの角度により、それぞれの光路の光の波長帯域に応じて設定していたが、この第２の実施形態に係る分光ユニット２４０では、３段の回折格子２４３ａ〜２４３ｃのそれぞれの角度を回転テーブル２４２ａ〜２４２ｃを回転させて波長帯域に応じて設定すれば良いため、図３（ａ）等に示すような、３つの光路のそれぞれの回折格子に対する入射角度を変える必要はない。すなわち、図５（ａ）に示すように、回折格子２４３（回折格子２４３１〜２４３３のいずれか）の回折格子の溝の方向（図５（ａ）の紙面に直交する方向）から見たときに、３つの光路は同一直線上に重なっていても良い。この場合も、上述の条件式（１）により、回折格子２４３ａ〜２４３ｃのそれぞれで回折された光の中心が、例えば、第２の回折格子２４３ｂの法線に対して、回折格子の溝の方向（図５（ａ）の紙面に直交する方向）と直交する方向（溝のピッチ方向）の面内（図５（ａ）の紙面内）において２４°の方向となるようにすると、３つの光路に分割されたそれぞれの波長帯域の光が、上下方向に並んだ第１〜第３の受光部１４５ａ〜１４５ｃのそれぞれの受光領域内に収まり、並べられた３つのラインＰＭＴで無駄なく受光することができる。
【００５８】
以上のように、このような構成の第２の実施形態に係る分光ユニット２４０によっても、コンパクトで波長分解能の高い分光データを同時に取得することができる分光システム１を構成することができる。
【００５９】
［第３の実施形態］
第２の実施形態に係る分光システム２３０においては、光路分割部１４８を構成する第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂにより、３つの光路のそれぞれを通る光の波長帯域が異なるように分割した場合について説明したが、この第１及び第２のダイクロイックミラー１４８ａ，１４８ｂをハーフミラーで構成することも可能である。この場合、光ファイバ２８を介して導入された信号光に含まれる波長帯域の光が同じ波長帯域のまま３つの光路に分割される。そのため、図５（ｂ）の回転テーブル２４２ａ〜２４２ｃを回転させて、上段、中段及び下段の回折格子２４３ａ〜２４３ｃの刻線本数を異なるものとすることにより、同一の信号光の分光データを異なる波長分解能で（異なる波長レンジで）同時に取得することができる。例えば、図６（ａ）に示すように、粗い回折格子で４００〜７００ｎｍまでの幅広いレンジを粗い波長分解能（例えば１０ｎｍピッチ）で観察しながら、図６（ｂ）に示すように、この波長帯域の一部（４９０〜５５０ｎｍ）を、細かい回折格子で細かい波長分解能（例えば２ｎｍピッチ）で観察することが可能である。
【００６０】
なお、以上の第１〜第３の実施形態においては、分光ユニット１４０，２４０に導入される信号光を３つの光路に分割した場合について説明したが、光路の分割数はこれらの実施形態に限定されることはなく、２つの光路に分割するように構成しても良いし、４つ以上の光路に分割するようにしても良い。また、受光器１４５の受光素子としてＰＭＴを用いた場合について説明したがＣＣＤで構成することも可能である。また、分光素子として回折格子１４３，２４３を用いる場合について説明したが、プリズムを用いることも可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  分光システム（分光機能付き走査型顕微鏡）
４０，１４０，２４０  分光システム    ４１，１４１  コリメータ光学系
４３，１４３，２４３  回折格子（分光素子）
２４３ａ  第１の回折格子    ２４３ｂ  第２の回折格子
２４３ｃ  第３の回折格子    ４４，１４４  集光光学系
４５，１４５  受光器    １４５ａ  第１の受光領域
１４５ｂ  第２の受光領域    １４５ｃ  第３の受光領域
１４８  光路分割部    １４８ａ  第１のダイクロイックミラー
１４８ｂ  第２のダイクロイックミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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