(57)【要約】【課題】発光体自身での光の吸収による光量ロスを極力減らして、発光体から発せられる蛍光、発光、照明光などを取り出す効率を格段に向上させることが可能な光学系を提供する。【解決手段】楕円状面１１ａ，２１ａ、円錐状面１１ｂ，２１ｂを有する側面１１，２１と、上面１２，２２と、底面１３，２３とを備えた、板状光学部材１，２が、底面同士が面対称に重ね合せられてなる。底面間には、上面１２，２２と同じ形状及び大きさの反射領域Ａが、楕円状面側の端部から円錐状面側へ向けて設けられている。板状光学部材１は、楕円形状の第一焦点位置に溝部１４を有する。板状光学部材１，２は、夫々、楕円形状の第一焦点と円形状の曲率中心とが一致し、楕円形状の第二焦点が円錐状面の近傍に位置し、円錐状面における楕円形状の第二焦点位置近傍に、開口部１５，２５を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
楕円状面と円錐状面を有する側面と、前記側面に連接する上面と、前記側面に連接し且つ前記上面に対し平行な底面とを備えた板状光学部材を２つ有し、該２つの板状光学部材が、前記底面同士が対向し且つ面対称となるように重ね合せられてなり、
前記２つの板状光学部材の前記底面の間には、前記上面の形状及び大きさと同じ形状及び大きさを有する反射領域が、前記底面における前記楕円状面側の端部から該底面における前記円錐状面側へ向けて設けられ、
前記２つの板状光学部材のうちの一方は、前記楕円状面を構成する楕円形状の第一焦点位置に溝部を有し、
前記２つの板状光学部材は、夫々、前記楕円形状の第一焦点と前記円錐状面を構成する円形状の曲率中心とが一致し、且つ、前記楕円形状の第二焦点が前記円錐状面の近傍に位置し、さらに、前記円錐状面における前記楕円形状の第二焦点位置近傍に開口部を有することを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光、蛍光、照明光など、発光体から発する光を効率よく微小な領域に集光させる光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の光学系としては、例えば、次の特許文献１に記載の装置に用いられている構成のものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２５０２８８号公報
【０００４】
図７は特許文献１に記載の装置の概略構成を示す説明図である。
図７に示す装置は、回転楕円鏡５１と、光源５２と、球面鏡５３を備えている。光源５２は、回転楕円鏡５１の第一焦点Ｐ５１に配置されている。球面鏡５３は、その中央部に孔部５３ａを有している。さらに球面鏡５３では、その曲率中心が第一焦点Ｐ５１の位置にあり、且つその曲率半径が回転楕円鏡５１の第一焦点Ｐ５１と第二焦点Ｐ５２の間隔にほぼ等しくなっている。図７中、５４はコンデンサレンズである。図７において、光源５２から出た光は、回転楕円鏡５１で反射して、その第二焦点Ｐ５２の位置で収束した後、発散する。コンデンサレンズ５４は、発散した光束を、ほぼ平行光束にして照明対象物５５を照射する。
【０００５】
回転楕円鏡５１は、一部分が欠除した形状を有している。この欠除した部分は、照明対象物５５以外の部分を照射する光を反射する部分である。図７の構成では、光源５２から回転楕円鏡５１の欠除部分に向かう光が、光源５２からみて欠除部分の後ろ側にある球面鏡５３で反射する。これによって、反射された光は、回転楕円鏡５１の第一焦点Ｐ５１を通り、欠除部分とは反対側にある回転楕円鏡５１の部分に入射する。入射した光は、回転楕円鏡５１で再び反射して照明対象物５５を照明するようになっている。
図７に記載の装置によれば、光源５２で発光した光のほとんどを回転楕円鏡５１の第二焦点位置Ｐ５２に集光させることができるので、発光利用効率の高い照明光束を得ることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の装置では、発光点である回転楕円鏡５１の第一焦点Ｐ５１に、光源５２が配置されている。そして、光源５２から発した光のうち、回転楕円鏡５１の欠除部分に向かう光を、球面鏡５３で反射させて回転楕円鏡５１の第一焦点Ｐ５１に向かわせている。しかしながら、このような構成では、発光点に光源として透過率の低い発光体を配置した場合、発光点を通過する光の一部が発光体で吸収されて光量をロスしてしまう。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、発光体自身での光の吸収による光量ロスを極力減らして、発光体から発せられる蛍光、発光、照明光などを取り出す効率を格段に向上させることが可能な光学系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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明による光学系は、楕円状面と円錐状面を有する側面と、前記側面に連接する上面と、前記側面に連接し且つ前記上面に対し平行な底面とを備えた板状光学部材を２つ有し、該２つの板状光学部材が、前記底面同士が対向し且つ面対称となるように重ね合せられてなり、前記２つの板状光学部材の前記底面の間には、前記上面の形状及び大きさと同じ形状及び大きさを有する反射領域が、前記底面における前記楕円状面側の端部から該底面における前記円錐状面側へ向けて設けられ、前記２つの板状光学部材のうちの一方は、前記楕円状面を構成する楕円形状の第一焦点位置に溝部を有し、前記２つの板状光学部材は、夫々、前記楕円形状の第一焦点と前記円錐状面を構成する円形状の曲率中心とが一致し、且つ、前記楕円形状の第二焦点が前記円錐状面の近傍に位置し、さらに、前記円錐状面における前記楕円形状の第二焦点位置近傍に開口部を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発光体自身での光の吸収による光量ロスを極力減らして、発光体から発せられる蛍光、発光、照明光などを取り出す効率を格段に向上させることが可能な光学系が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は本発明の第一実施形態にかかる光学系の概略構成を示す分解図である。図２は図１の光学系を上方からみた平面図、図３は図１の光学系を下方からみた平面図である。図４〜図６は図１の光学系における発光体から発光する光の経路を示す説明図である。なお、便宜上、図４〜図６では、光の経路を一部の光線で示してある。
【００１１】
第一実施形態の光学系は、図１に示すように、第一の板状光学部材１と、第二の板状光学部材２を有する。第一の板状光学部材１は、側面１１と、上面１２と、底面１３とで囲まれた柱体で構成されている。第二の板状光学部材２は、側面２１と、上面２２と、底面２３とで囲まれた柱体で構成されている。
【００１２】
第一の板状光学部材１について説明する。側面１１は、楕円状面１１ａと、円錐状面１１ｂと、平面１１ｃを有している。楕円状面１１ａ、円錐状面１１ｂ、及び平面１１ｃは、夫々、反射面として構成されている。なお、以下の説明では、第１の方向と第２の方向を使って説明する。ここで、第１の方向と第２の方向は、互いに直交する２つの方向である。第１の方向は、上面１２あるいは底面１３の面内の方向である。第２の方向は、上面１２あるいは底面１３と直交する方向となる。
【００１３】
楕円状面１１ａは、楕円柱を略扇形状に切り取ったときの円柱面である。第１の方向における形状が楕円（の一部）であるので、楕円状面１１ａは、この方向に光学的パワーを有する。一方、第２の方向には、楕円状面１１ａは光学的パワーを持たない。楕円状面１１ａは、上面１２（底面１３あるいはこれらの面と平行な仮想面）の面内に、第一焦点と第二焦点を有する。
【００１４】
円錐状面１１ｂは、円錐柱を略扇形状に切り取ったときの円錐面である。第１の方向における形状が円（の一部）であるので、円錐状面１１ｂは、この方向に光学的パワーを有する。一方、第２の方向には、円錐状面１１ｂは光学的パワーを持たない。円錐状面１１ｂは、上面１２（底面１３あるいはこれらの面と平行な仮想面）の面内に、曲率中心を有する。
【００１５】
楕円状面１１ａと円錐状面１１ｂは、対向するように配置されている。また、楕円状面１１ａと円錐状面１１ｂは、互いに外側に凸面を向けるように配置されている。また、平面１１ｃは、楕円状面１１ａと円錐状面１１ｂの間に位置している。上面１２は、側面１１に連接している。また、底面１３は、側面１１に連接し且つ上面１２に対し平行に設けられている。
【００１６】
第二の板状光学部材２について説明する。側面２１は、楕円状面２１ａと、円錐状面２１ｂと、平面２１ｃを有している。楕円状面２１ａ、円錐状面２１ｂ、及び平面２１ｃは、反射面として構成されている。
【００１７】
楕円状面２１ａは、楕円柱を略扇形状に切り取ったときの円柱面である。第１の方向における形状が楕円（の一部）であるので、楕円状面２１ａは、この方向に光学的パワーを有する。一方、第２の方向には、楕円状面２１ａは光学的パワーを持たない。楕円状面２１ａは、上面２２（底面２３あるいはこれらの面と平行な仮想面）の面内に、第一焦点と第二焦点を有する。
【００１８】
円錐状面２１ｂは、円錐柱を略扇形状に切り取ったときの円錐面である。第１の方向における形状が円（の一部）であるので、円錐状面２１ｂは、この方向に光学的パワーを有する。一方、第２の方向には、円錐状面２１ｂは光学的パワーを持たない。円錐状面２１ｂは、上面２２（底面２３あるいはこれらの面と平行な仮想面）の面内に、曲率中心を有する。
【００１９】
楕円状面２１ａと円錐状面２１ｂは、対向するように配置されている。また、楕円状面２１ａと円錐状面２１ｂは、互いに外側に凸面を向けるように配置されている。また、平面２１ｃは、楕円状面２１ａと円錐状面２１ｂの間に位置している。上面２２は、側面２１に連接している。また、底面２３は、側面２１に連接し且つ上面２２に対し平行に設けられている。
【００２０】
本実施形態では、側面１１と側面１２、上面１２と上面２２、底面１３と底面２３は、それぞれ同じ形状及び大きさである。そして、第一の板状光学部材１と、第二の板状光学部材２は、底面１３と底面２３同士が対向し、且つ、面対称となるようにして重ね合せられている。
【００２１】
第一の板状光学部材１の底面１３と第二の板状光学部材２の底面の間には、反射領域Ａが設けられている。反射領域Ａは、反射面として構成されている。また、反射領域Ａの形状及び大きさは、第一の板状光学部材１の上面１２の形状及び大きさと同じである。当然、反射領域Ａの形状及び大きさは、第二の板状光学部材２の上面２２の形状及び大きさと同じになる。そして、反射領域Ａは、底面１３，２３における楕円状面１１ａ，２１ａ側の端部から円錐状面１１ｂ，２１ｂ側へ向けて設けられている。即ち、上面１２（２２）を底面１３（２３）に投影したとき、反射領域Ａに投影した領域と一致するように設けられている。
【００２２】
そのため、底面１３，２３の各々は、反射面と透過面を有することになる。反射面は反射領域Ａであって、その領域は、楕円状面１１ａ，２１ａ側の端部から上面１２，２２と同じ大きさ及び形状の領域になる。一方、透過面は、反射領域Ａ以外の領域であって、その領域は、反射領域Ａの端から円錐状面１１ｂ，２１ｂ側の端までになる。
【００２３】
また、第一の板状光学部材１は、溝部１４を有している。この溝部１４には、例えば発光体が収容される。ここで、楕円状面１１ａを構成する楕円形状の第一焦点をＰ１１とする。溝部１４の位置は、第一焦点Ｐ１１と一致している。なお、溝部１４の位置は第一焦点Ｐ１１の近傍であっても良い。溝部１４の上方には、図示しない反射板が設けられている。反射板は、溝部１４から真上に向けて出射される光を反射する。
【００２４】
また、円錐状面１１ｂを構成する円形状の曲率中心をＯ１１とする。すると、第一の板状光学部材１では、第一焦点Ｐ１１と曲率中心Ｏ１１とが一致している。すなわち、このような関係となるように、楕円状面１１ａと円錐状面１１ｂが配置されている。また、楕円状面１１ａを構成する楕円形状の第二焦点をＰ２１とする。すると、第一の板状光学部材１では、第二焦点Ｐ２１が円錐状面１１ｂの近傍に位置している。すなわち、このような関係となるように、楕円状面１１ａと円錐状面１１ｂの形状が選定されている。
【００２５】
さらに、円錐状面１１ｂには、開口部１５が設けられている。上述のように、円錐状面１１ｂは反射面となっている。そのため、開口部１５に該当する領域のみは反射コート等が施されていない。この開口部１５は、第二焦点Ｐ１２の近傍に設けられている。この開口部１５は、例えば、溝部１４に配置された発光体からの光を、外部へ出射させるために用いられる。開口部１５の開口面は、上面１２及び底面１３に対して垂直に設けられている。この開口面は、上面１２における円弧と半径の等しい透明の円柱の側面で構成されている。なお、開口部１５は、外部へ光を出射させることができれば、どのような構成であってもよい。
【００２６】
また、楕円状面２１ａを構成する楕円形状の第一焦点をＰ２１，円錐状面２１ｂを構成する円形状の曲率中心をＯ２１とする。すると、第二の板状光学部材２は、第一焦点Ｐ２１と曲率中心Ｏ２１とが一致している。すなわち、このような関係となるように、楕円状面２１ａと円錐状面２１ｂが配置されている。また、楕円状面２１ａを構成する楕円形状の第二焦点をＰ２２とする。すると、第二の板状光学部材２では、第二焦点Ｐ２２が円錐状面２１ｂの近傍に位置している。すなわち、このような関係となるように、楕円状面２１ａと円錐上面２１ｂの形状が選定されている。
【００２７】
さらに、円錐状面２１ｂには、開口部２５が設けられている。上述のように、円錐状面２１ｂは反射面となっている。そのため、開口部２５に該当する領域のみは反射コート当が施されていない。この開口部２５は、第二焦点Ｐ２２の近傍に設けられている。この開口部２５は、例えば、溝部１４に配置された発光体からの光を、外部へ出射させるために用いられる。開口部２５の開口面は、上面２２及び底面２３に対して垂直に設けられている。この開口面は、上面２２における円弧と半径の等しい透明の円柱の側面で構成されている。なお、開口部２５は、外部へ光を出射させることができれば、どのような構成であってもよい。
【００２８】
このように構成された第一実施形態の光学系の作用について説明する。ここでは、発光体（図示省略）として、蛍光を発光する試料を用いる。この発光体を溝部１４に入れると、発光体から発した光は、以下のようにして、外部へ出射する。ここで、第一焦点Ｐ１１と第二焦点Ｐ１２とを結ぶ軸をＡＸとする。すると、発光体から発した光としては、（１）軸ＡＸに沿って楕円状面１１ａへ向かう光、（２）軸ＡＸに対して傾斜角度を有して楕円状面１１ａへ向かう光、（３）軸ＡＸに沿って円錐状面１１ｂへ向かう光、（４）軸ＡＸに対して傾斜角度を有して円錐状面１１ｂへ向かう光がある。
【００２９】
（１）軸ＡＸに沿って楕円状面１１ａへ向かう光。
図４に示すように、この光は、楕円状面１１ａに入射した後、楕円状面１１ａで逆向きに反射される。反射された光は再び発光体を通過した後、軸ＡＸに沿って第一焦点Ｐ１１、及び第二焦点Ｐ１２を通過して、開口部１５から出射する。
【００３０】
（２）軸ＡＸに対して傾斜角度を有して楕円状面１１ａへ向かう光。
図４に示すように、この光は、楕円状面１１ａに入射した後、楕円状面１１ａで反射される。このとき、発光体を収容する溝部１４が、第一焦点Ｐ１１に一致している。そのため、楕円状面１１ａで反射された光は、第二焦点Ｐ１２に集光する。第二焦点Ｐ１２の近傍には、開口部１５が設けられている。よって、第二焦点Ｐ１２に集光した光は、開口部１５から出射する。ここで、発光体から発した光が再び発光体を通過すると、発光体自身で光を吸収することによる光量ロスが生じる。しかしながら、楕円状面１１ａで反射された光は、発光体を通過せずに第二焦点Ｐ１２に集光する。このように、発光体から発した光が再び発光体を通過することが無いので、光量ロスは生じない。ただし、傾斜角度が小さい光はこの限りではない。しかしながら、傾斜角度が小さい光の占める割合は少ないので、光量ロスの防止の効果は十分に得られる。
【００３１】
（３）軸ＡＸに沿って円錐状面１１ｂへ向かう光。
図５に示すように、この光は、第二焦点Ｐ１２を通過して、開口部１５から出射する。
【００３２】
（４）軸ＡＸに対して傾斜角度を有して円錐状面１１ｂへ向かう光。
図５に示すように、この光は、円錐状面１１ｂに入射した後、円錐状面１１ｂで反射される。円錐状面１１ｂで反射された光は、図６に示すように、円錐状面２１ｂへ向かい、円錐状面２１ｂで反射される。ここで、楕円状面２１ａの第一焦点Ｐ２１と円錐状面２１ｂの曲率中心Ｏ２１とが一致している。このため、円錐状面２１ｂで反射された光は、曲率中心Ｏ２１、すなわち第一焦点Ｐ２１に向かう。そして、第一焦点Ｐ２１を通過して、楕円状面２１ａに向かう。さらに、楕円状面２１ａの第二焦点Ｐ２２が、円錐状面２１ｂの近傍に位置している。そのため、楕円状面２１ａに向かった光は、楕円状面２１ａで反射されて、楕円状面２１ａの第二焦点Ｐ２２に集光する。第二焦点Ｐ２２の近傍には、開口部２５が設けられている。よって、第二焦点Ｐ２２に集光した光は、開口部２５から出射する。
【００３３】
このように、軸ＡＸに対して傾斜角度を有して円錐状面１１ｂへ向かう光は、円錐状面１１ｂで反射されることによって、第二の板状光学部材２に入射する。この光は、第二の板状光学部材２において楕円状面２１ａの第一焦点Ｐ２１を通過し、楕円状面２１ａの第二焦点Ｐ２２に集光して、開口部２５から出射する。このとき、第二の板状光学部材２の第一焦点Ｐ２１には、発光体は配置されていない。発光体から発した光が再び発光体を通過することが無いので、光量ロスは生じない。
【００３４】
このように、本実施形態の光学系では、発光体から発した（１）〜（４）の光のうち、（２）〜（４）の光は発光体を通過することがない。すなわち、本実施形態の光学系では、発光体から発した（２）〜（４）の光を、再び発光体に入射させずに済む。しかも、この（２）〜（４）の光は、発光体から発した光の大部分を占める。このため、本実施形態の光学系によれば、発光体による光量ロスを大幅に減少させることができる。その結果、発光体から発せられる光を取り出すにあたって、その効率を格段に向上させることができる。
【００３５】
なお、発光体から発する光には、溝部１４の真上及び真上近傍に向かう光がある。このような光のうち、溝部１４の上方から出射する光は、図示しない反射板の反射面で逆向きに反射されて溝部１４に戻る。また、発光体から発して溝部１４の真下及び真下近傍に向かう光は、底面１３の反射領域Ａで反射され溝部１４に戻る。したがって、このような光は、発光体を繰り返し通過するので光量ロスが生じる。しかし、これらの光及び（１）の光の光量は、円錐状面１１ｂで反射される光の光量に比べて極くわずかであるため、大きな光量ロスとはならない。
【００３６】
また、発光体から発する光には、発光体から発して最初に上面１２あるいは底面１３に対入射する光がある。このような光は、上面１２と底面１３の反射領域Ａとで反射を繰り返しながら、楕円状面１１ａあるいは円錐状面１１ｂへ向かう。これらの光は上面１２と底面１３で反射を繰り返しながらも、最終的には開口部１５あるいは開口部２５に向かう。
【００３７】
開口部１５，２５から出射した光は、例えば、開口部近傍にレンズを配置することによって集光して受光素子に入射させることができる。あるいは、開口部近傍に受光素子を配置することによって、開口部１５，２５から出射した光をそのまま受光素子に入射させることができる。このようにすることで、開口部１５，２５から出射した光をロスなく検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の光学装置は、発光や蛍光を発する試料などの発光体から発せられた光を利用する医療、医学、生物学の分野に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる光学系の概略構成を示す分解図である。
【図２】図１の光学系を上方からみた平面図である。
【図３】図１の光学系を下方からみた平面図である。
【図４】図１の光学系における発光体から発光する光の経路を示す説明図である。
【図５】図１の光学系における発光体から発光する光の他の経路を示す説明図である。
【図６】図１の光学系における発光体から発光する光の他の経路を示す分解斜視図である。
【図７】特許文献１に記載の装置の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
１                  第一の板状光学部材
２                  第二の板状光学部材
１１，２１          側面
１１ａ，２１ａ      楕円状面
１１ｂ，２１ｂ      円錐状面
１１ｃ，２１ｃ      平面
１２，２２          上面
１３，２３          底面
１４                溝部
１５，２５          開口部
５１                回転楕円鏡
５２                光源
５３                球面鏡
５３ａ              孔部
５４                コンデンサレンズ
５５                照明対象物
Ａ                  反射領域
Ｏ１１              円錐状面１１ｂを構成する円の曲率中心
Ｏ２１              円錐状面２１ｂを構成する円の曲率中心
Ｐ１１              楕円状面１１ａを構成する楕円の第一焦点
Ｐ１２              楕円状面１１ａを構成する楕円の第二焦点
Ｐ２１              楕円状面２１ａを構成する楕円の第一焦点
Ｐ２２              楕円状面２１ａを構成する楕円の第二焦点
Ｐ５１              回転楕円鏡５１の第一焦点（球面鏡５３の曲率中心）
Ｐ５２              回転楕円鏡５２の第二焦点
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009128695.tif 000005
【図４】
2009128695.tif 000006
【図５】
2009128695.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009128695.tif 000009