JP5988691B2 - 分光装置、及び、それを備えた共焦点走査型顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、分光装置、及び、それを備えた共焦点走査型顕微鏡に関する。

現在、蛍光顕微鏡の分野では、標本からの光を分光して検出することで光の波長情報を取得する分光装置を備えた顕微鏡が主流となってきているが、蛍光観察で検出される蛍光は極めて微弱であることから、蛍光顕微鏡に含まれる分光装置には、高い検出効率が求められている。

分光装置では、一般に、１次回折光の回折効率（以降、１次回折効率と記す。）が高くなるように設計された回折格子により分光される。近年では、高い１次回折効率を有する回折格子を採用することで８０パーセント程度という高い検出効率を実現する分光装置が開発されている。

また、回折格子の単体性能の向上とは別の観点から、検出効率が高い分光装置を実現する技術も検討されている。例えば、特許文献１では、回折格子で生じる０次回折光を再利用する技術が開示されている。特許文献１に開示されるスペクトル解析ユニットは、回折格子で生じた０次回折光束をミラーで再度回折格子に入射させることで０次回折光束を循環させる構成を有している。

特開２００７−２８６０４３号公報

ところで、回折格子は入射角に依存して回折効率のピーク波長が変化する特性を有している。従って、蛍光物質などに応じた所望の波長の蛍光を高い効率で検出するためには、分光装置は回折格子を回転させて入射角を変更し得る構成であることが望ましい。

しかしながら、特許文献１に開示されるスペクトル解析ユニットは回折格子を回転させて入射角を変更し得る構成とはなっていないため、所望の波長の光を高い効率で検出することは困難である。
以上のような実情を踏まえ、本発明は、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる分光装置に関する技術を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様は、光を波長毎に分光する回折素子と、前記回折素子での回折により生じる特定次数の回折光を集光させる集光光学系と、前記特定次数の回折光が前記集光光学系により集光する位置に配置された光検出器と、平行光束として前記回折素子に入射した第１の光の回折により生じる０次回折光である第２の光の進行方向を正反対の方向に反転させて、前記第２の光を前記回折素子に入射させる第１の偏向装置と、前記回折素子に入射した前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光を前記第１の光の回折により生じる前記特定次数の回折光と同じ方向に偏向させて、前記集光光学系に入射させる第２の偏向装置と、を含む分光装置を提供する。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の分光装置において、前記回折素子は、前記第１の光の入射角を変更するように回転自在に配置される分光装置を提供する。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の分光装置において、前記回折素子は、透過型回折格子である分光装置を提供する。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載の分光装置において、前記第２の偏向装置は、前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光の進行方向を反転させる分光装置を提供する。

本発明の第５の態様は、第３の態様または第４の態様に記載の分光装置において、前記第１の偏向装置と前記第２の偏向装置とは、前記回折素子を挟んで相対するように配置され、前記第１の偏向装置は、前記第２の光の進行方向を反転させて、前記第１の光とは異なる面から前記第２の光を前記回折素子に入射させる分光装置を提供する。

本発明の第６の態様は、第３の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、前記回折素子は、透過型体積ホログラム回折格子である分光装置を提供する。

本発明の第７の態様は、第３の態様乃至第６の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、前記第２の偏向装置は、前記第１の光が前記回折素子に入射する位置に前側焦点位置を有する第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系の後側焦点位置に配置された反射部材と、を含む分光装置を提供する。

本発明の第８の態様は、第２の態様に記載の分光装置において、前記回折素子は、反射型回折格子である分光装置を提供する。

本発明の第９の態様は、第８の態様に記載の分光装置において、前記第２の偏向装置は、前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光の進行方向を反転させる反転部材と、前記反転部材で進行方向が反転された前記特定次数の回折光を反射する、前記回折素子の近傍に配置された反射部材と、を含む分光装置を提供する。

本発明の第１０の態様は、第８の態様に記載の分光装置において、前記第２の偏向装置は、前記第１の光が前記回折素子に入射する位置に前側焦点位置を有する第２の集光光学系と、前記第２の集光光学系の後側焦点位置に配置された反射部材と、前記第２の集光光学系と前記反射部材とで進行方向が反転された前記特定次数の回折光を反射する、前記回折素子の近傍に配置された反射部材と、を含む分光装置を提供する。

本発明の第１１の態様は、第８の態様乃至第１０の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、前記第１の偏向装置は、前記回折素子の回転に連動して、前記回折素子の回転軸周りを前記回折素子の回転角度の２倍回転して移動する反射部材であり、前記第２の偏向装置は、前記回折素子の回転に連動して、前記回折素子の回転軸の周りと前記回折素子と同じ角度で回転して移動する偏向装置である分光装置を提供する。

本発明の第１２の態様は、第１の態様乃至第１１の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、さらに、前記第２の光の回折により生じる第３の光である０次回折光の進行方向を反転させて、前記第３の光を前記回折素子に入射させる第３の偏向装置を含む分光装置を提供する。

本発明の第１３の態様は、第１の態様乃至第１２の態様のいずれか１つに記載の分光装置において、前記光検出器は、各々が異なる波長帯域の前記特定次数の回折光を検出する複数の検出素子を含む分光装置を提供する。
本発明の第１４の態様は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の分光装置において、前記第１の偏向装置は、１つの素子で構成される分光装置を提供する。
本発明の第１５の態様は、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の分光装置において、前記第１の偏向装置は、前記第２の光を前記回折素子の前記第２の光が射出した面に入射させる分光装置を提供する。

本発明の第１６の態様は、第１の態様乃至第１５の態様のいずれか１つに記載の分光装置を備える共焦点走査型顕微鏡を提供する。

本発明によれば、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる分光装置に関する技術を提供することができる。

従来技術に係る分光装置の構成を例示する図である。 実施例１に係る分光装置の平面概略図である。 実施例１に係る分光装置の側面概略図である。 再回折回数と回折効率の関係を示す図である。 回折素子の回転前における実施例１に係る分光装置の平面概略図である。 回折素子の回転後における実施例１に係る分光装置の平面概略図である。 実施例２に係る分光装置の平面概略図である。 実施例２に係る分光装置の側面概略図である。 実施例３に係る分光装置の平面概略図である。 実施例３に係る分光装置の側面概略図である。 回折素子の回転前における実施例３に係る分光装置の平面概略図である。 回折素子の回転後における実施例３に係る分光装置の平面概略図である。 実施例４に係る分光装置の平面概略図である。 実施例４に係る分光装置の側面概略図である。 実施例５に係る分光装置の側面概略図である。 実施例６に係る分光装置の平面概略図である。 回折素子の回転前における実施例６に係る分光装置の平面概略図である。 回折素子の回転後における実施例６に係る分光装置の平面概略図である。 実施例７に係る分光装置の平面概略図である。 実施例７に係る分光装置の側面概略図である。 実施例８に係る分光装置の平面概略図である。 実施例９に係る顕微鏡の概略構成図である。

図１は、従来技術に係る分光装置の構成を例示する図である。本実施例に係る分光装置について説明する前に、図１を参照しながら、従来技術に係る分光装置１００について概説する。

図１に例示される従来技術に係る分光装置１００は、入射した光を波長毎に分光する透過型の回折格子１（回折素子）と、回折格子１での回折により生じる１次回折光を集光させる集光光学系２と、１次回折光が集光光学系２により集光する位置に配置された複数の検出素子（検出素子３ａ、検出素子３ｂ、検出素子３ｃ）を含む光検出器３と、を備えている。

分光装置１００では、外部から平行光束として入射した光Ｌ１が回折格子１で回折し、回折することなく直進する０次回折光Ｌ２と、波長毎に異なる角度で回折格子１から出射される各次数（０次を除く）の回折光と、に分離される。なお、図１では、０次回折光Ｌ２、赤の１次回折光Ｌ１ｒ、緑の１次回折光Ｌ１ｇ、青の１次回折光Ｌ１ｂのみが図示されている。

０次回折光と各次数の回折光は、それぞれ平行光束として回折格子１から異なる出射角度で出射される。このため、集光光学系２に入射した１次回折光は集光光学系２の後側焦点位置に配置された光検出器３に波長毎に集光し、光検出器３の複数の検出素子の各々が異なる波長帯域の１次回折光を検出する。これにより、分光装置１００では、検出した光の波長情報を取得することができる。なお、図１では、１次回折光Ｌ１ｒが検出素子３ａで、１次回折光Ｌ１ｇが検出素子３ｂで、１次回折光Ｌ１ｂが検出素子３ｃで、検出される様子が示されている。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら、本実施例に係る分光装置４について説明する。図２Ａは、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図２Ｂは、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図２Ａ及び図２ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。

図２Ａ及び図２Ｂに例示される分光装置４は、回折格子１を挟んで相対するように配置された２つのコーナーキューブ（コーナーキューブ５、コーナーキューブ６）を含む点が、図１に例示される分光装置１００と異なっている。回折格子１と、集光光学系２と、複数の検出素子を含む光検出器３を備えている点については、分光装置１００と同様である。

コーナーキューブ５は、分光装置４の外部から平行光束として回折格子１に入射した光Ｌ１（第１の光）の回折により生じる０次回折光Ｌ２（第２の光）の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ２を回折格子１に入射させる第１の偏向装置である。

コーナーキューブ６は、回折格子１に入射した０次回折光Ｌ２の回折により生じる１次回折光（１次回折光Ｌ２ｒ、１次回折光Ｌ２ｂなど）の進行方向を反転させることで、その１次回折光を光Ｌ１の回折により生じる１次回折光（１次回折光Ｌ１ｒ、１次回折光Ｌ１ｂなど）と同じ方向に偏向させて、集光光学系２に入射させる第２の偏向装置である。

なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、図を簡略化するため、光Ｌ１の回折により生じる１次回折光として、赤の１次回折光Ｌ１ｒと青の１次回折光Ｌ１ｂのみが、０次回折光Ｌ２の回折により生じる１次回折光として、赤の１次回折光Ｌ２ｒと青の１次回折光Ｌ２ｂのみが、図示されている。また、以降では、光Ｌ１の回折により生じる１次回折光を第１の１次回折光と記し、０次回折光Ｌ２の回折により生じる１次回折光を第２の１次回折光と記す。

分光装置４では、コーナーキューブ５でその進行方向が反転した０次回折光Ｌ２は、光Ｌ１が入射する面とは反対側の面（光Ｌ１とは異なる面）から光Ｌ１と同じ入射角で回折格子１に入射する。０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光は、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光とは波長毎に正反対の方向に進行するが、コーナーキューブ６でその進行方向が反転することで第１の１次回折光と波長毎に同じ方向に進行して集光光学系２に入射する。このため、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、集光光学系２により波長毎に同じ位置に集光し、光検出器３で検出される。

なお、コーナーキューブ５及びコーナーキューブ６は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、入射光の進行方向を反転させるとともに、入射光をわずかに平行移動させる。このため、図２Ｂに示すように、コーナーキューブ５での０次回折光Ｌ２の平行移動とコーナーキューブ６での第２の１次回折光の平行移動とにより、第２の１次回折光は、回折格子１に再び入射することなく、集光光学系２に入射する。
また、図２Ｂの回折格子１の下方に描かれた棒は、回転軸を表し、この回転軸回りに回折格子１が回転可能なことを示している。

本実施例に係る分光装置４によれば、コーナーキューブ５とコーナーキューブ６を備えることで、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光に加えて、０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光も、光検出器３で検出することができる。このため、高い検出効率を実現することができる。また、分光装置４は、進行方向を反転させる第１の偏向装置及び第２の偏向装置（コーナーキューブ５及びコーナーキューブ６）を含むだけで０次回折光を再回折させることができることから、分光装置の構成を過度に複雑化することがなく、高い検出効率を実現することができる。

具体的には、図３に示すように、例えば、回折格子１の回折効率が５０％の場合であれば、０次回折光が再回折しない図１に示される構成の分光装置１００では、回折格子１の総合回折効率も５０％であり、従って、分光装置１００の検出効率も５０％程度である。これに対して、本実施例に係る分光装置４では、０次回折光が１回再回折するため、回折格子１の総合回折効率が７５％程度となり、分光装置１００の検出効率も同程度まで向上することになる。例えば、７０％程度の回折効率を有する回折格子１を用いた場合であれば、分光装置４の検出効率を９０％程度まで向上させることができる。
また、本実施例ではコーナーキューブを用いているので、厳密な角度調整が不要なため、組み立てが容易となる。

さらに、分光装置４では、コーナーキューブ５とコーナーキューブ６がそれぞれ入射角によらず入射光の進行方向を反転させるように機能するため、回折格子１を回転させても光Ｌ１の入射角と０次回折光Ｌ２の入射角は常に一致し、第１の１次回折光と第２の１次回折光は波長毎に同じ位置に集光する。このため、回折格子１は、光Ｌ１の入射角を変更するように回転自在に配置されてもよい。図４Ａ、図４Ｂには、回転中心Ｏ回りに回転自在に配置された回折格子１の回転前、回転後における分光装置４の様子が示されている。
ここで、回折格子１は、各次数の回折光が紙面に平行な面（ＸＹ平面）で発生するように配置され、光Ｌ１が入射する位置にある、紙面に垂直でｚ軸方向に一致する回転軸をもち、ステッピングモータ等を用いて任意の角度に回転可能に構成されている。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように回折格子１を回転自在に配置することで、回折格子１を回転させて入射角を変更することができるため、回折格子１の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することが可能であり、例えば、蛍光顕微鏡に適用した場合であれば、蛍光物質などに応じて入射角を調整することができる。

本実施例では、回折素子の回折効率が高いほど分光装置の検出効率も高くなるため、回折効率の高い回折素子が望ましく、例えば、透過型体積ホログラム回折格子であることがより望ましい。

また、本実施例では、１次回折光が入射する位置に集光光学系２が配置された１次回折光を検出する分光装置４を示したが、分光装置は、１次回折光の代わりに任意の次数の回折光を検出してもよい。

図５Ａは、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図５Ｂは、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図５Ａ及び図５ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図５Ａ及び図５Ｂでは、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図５Ａ及び図５Ｂに例示される分光装置７は、コーナーキューブ５の代わりにミラー８を含み、コーナーキューブ６の代わりにレンズ等から構成される集光光学系９及びミラー１０を含む点が、実施例１に係る分光装置４と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る分光装置４と同様である。以下、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら、本実施例に係る分光装置７について説明する。

ミラー８は、回折格子１に入射した光Ｌ１の回折により生じる０次回折光Ｌ２が垂直に入射するように配置されている。このため、ミラー８は、０次回折光Ｌ２の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ２を回折格子１に入射させる第１の偏向装置として機能する。なお、ミラー８の代わりに三角プリズムを用いてもよい。

集光光学系９は、光Ｌ１が回折格子１に入射する位置に前側焦点位置を有する集光光学系である。また、ミラー１０は、集光光学系９の後側焦点位置に配置された反射部材である。このような位置関係で配置されることで、集光光学系９及びミラー１０は、集光光学系９への入射角によらず第２の１次回折光の進行方向を反転させるように機能する。即ち、集光光学系９及びミラー１０は、第２の１次回折光を第１の１次回折光と同じ方向に偏向させて、図示しない集光光学系２に入射させる第２の偏向装置である。なお、本実施例に係る分光装置７は２つの集光光学系を含んでいる。図示しない集光光学系２が第１の集光光学系であり、集光光学系９が第２の集光光学系である。

本実施形態では、第２の偏向装置が集光光学系とミラーで構成されるため、分光装置７を安価に製造することができる。
以上のように構成された分光装置７によっても、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、波長毎に同じ方向に進行する。このため、実施例１に係る分光装置４と同様に、第１の１次回折光に加えて、第２の１次回折光も光検出器３で検出することが可能であり、従って、高い検出効率を実現することができる。分光装置の構成を過度に複雑化することがない点についても実施例１に係る分光装置４と同様である。

また、分光装置７は、回折格子１への入射角によらず第１の１次回折光と第２の１次回折光を波長毎に同じ位置に集光させることができる。このため、光Ｌ１の入射角を変更するように回折格子１を回転自在に配置することで、回折格子１の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる点についても実施例１に係る分光装置４と同様である。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。

図６Ａは、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図６Ｂは、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図６Ａ及び図６ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図６Ａ及び図６Ｂでは、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図６Ａ及び図６Ｂに例示される分光装置１１は、透過型の回折格子１の代わりに、反射型の回折格子１２を含む点、コーナーキューブ５の代わりにコーナーキューブ１３を含む点、コーナーキューブ６の代わりにコーナーキューブ１４及びミラー１５を含む点が、実施例１に係る分光装置４と異なっている。以下、図６Ａ及び図６Ｂを参照しながら、本実施例に係る分光装置１１について説明する。

コーナーキューブ１３は、分光装置１１の外部から平行光束として回折格子１２に入射した光Ｌ１の回折により生じる０次回折光Ｌ２の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ２を回折格子１２に入射させる第１の偏向装置である。０次回折光Ｌ２は光Ｌ１の正反射方向に生じるため、コーナーキューブ１３で進行方向が反転した０次回折光Ｌ２は光Ｌ１と同じ入射角で回折格子１に入射する。つまり、コーナーキューブ１３は、０次回折光Ｌ２を光Ｌ１と同じ面から回折格子１２に入射させる点で分光装置４のコーナーキューブ５と異なっている。

コーナーキューブ１４は、０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光の進行方向を反転させる反転部材である。また、ミラー１５は、コーナーキューブ１４で進行方向が反転された第２の１次回折光を反射する反射部材であり、回折格子１２の近傍に配置されている。光Ｌ１と０次回折光Ｌ２が同じ入射角で回折格子１２の法線に対して対称に入射し、第１の１次回折光と第２の１次回折光が回折格子１２の法線に対して対称に出射することを踏まえると、コーナーキューブ１４及びミラー１５は、全体として、第２の１次回折光を第１の１次回折光と同じ方向に偏向させて、図示しない集光光学系２に入射させる第２の偏向装置として機能する。

なお、ミラー１５を回折格子１２の近傍に配置する構成は、ミラー１５を反射した第２の１次回折光が再びコーナーキューブ１４に入射することを防止することができる点で好適である。つまり、回折格子１２の近傍とは、ミラー１５を反射した第２の１次回折光が再びコーナーキューブ１４に入射しない程度に回折格子１２に近い位置のことである。

分光装置１１では、コーナーキューブ１３でその進行方向が反転した０次回折光Ｌ２は、光Ｌ１が入射する面と同じ面から光Ｌ１と同じ入射角で回折格子１２に入射する。０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光は、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光と波長毎に、回折格子１２の法線に対して対称な方向に進行する。その後、第２の１次回折光は、コーナーキューブ６でその進行方向が反転し、さらにミラー１５で正反射することで、第１の１次回折光と波長毎に同じ方向に進行して、集光光学系２に入射する。このため、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、集光光学系２により波長毎に同じ位置に集光し、光検出器３で検出される。

以上のように構成された分光装置１１によっても、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、波長毎に同じ方向に進行する。このため、実施例１に係る分光装置４と同様に、第１の１次回折光に加えて、第２の１次回折光も光検出器３で検出することが可能であり、従って、高い検出効率を実現することができる。分光装置の構成を過度に複雑化することがない点についても実施例１に係る分光装置４と同様である。

さらに、分光装置１１は、コーナーキューブ１３が入射角によらず入射光の進行方向を反転させるように機能し、コーナーキューブ１４及びミラー１５からなる偏向装置１６が全体で入射角によらず入射光の進行方向を反転させるように機能するため、回折格子１２を回転させても光Ｌ１の入射角と０次回折光Ｌ２の入射角は常に一致し、第１の１次回折光と第２の１次回折光は波長毎に同じ位置に集光する。このため、回折格子１２は、光Ｌ１の入射角を変更するように回転自在に配置されてもよい。図７Ａ、図７Ｂには、回転中心Ｏを回りに回転自在に配置された回折格子１２の回転前、回転後における分光装置１１の様子が示されていて、コーナーキューブ１４及びミラー１５が偏向装置１６として図示されている。図７Ａ及び図７Ｂに示されるように回折格子１を回転自在に配置することで、回折格子１２を回転させて入射角を変更することができるため、回折格子１２の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。

このように、反射型の回折格子１２を備えた分光装置１１によっても、実質的には、第２の１次回折光を正反射させる反射部材（ミラー１５）を追加するだけで、透過型の回折格子１を備えた分光装置４と同様の効果を得ることができる。

図８Ａは、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図８Ｂは、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図８Ａ及び図８ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図８Ａ及び図８Ｂでは、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図８Ａ及び図８Ｂに例示される分光装置１７は、コーナーキューブ１４の代わりに集光光学系１８及びミラー１９を含む点が、実施例３に係る分光装置１１と異なっている。その他の構成は、実施例３に係る分光装置１１と同様である。以下、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、本実施例に係る分光装置１７について説明する。

集光光学系１８は、光Ｌ１が回折格子１に入射する位置に前側焦点位置を有する集光光学系である。また、ミラー１９は、集光光学系１８の後側焦点位置に配置された反射部材である。このような位置関係で配置されることで、集光光学系１８及びミラー１９は、集光光学系１８への入射角によらず第２の１次回折光の進行方向を反転させるように機能する。即ち、第２の１次回折光を反射する回折格子１２の近傍に配置された反射部材であるミラー１５と第２の１次回折光の進行方向を反転させる集光光学系１８及びミラー１９とが全体として、第２の１次回折光を第１の１次回折光と同じ方向に偏向させて図示しない集光光学系２に入射させる第２の偏向装置として機能する。なお、本実施例に係る分光装置１７は２つの集光光学系を含んでいる。図示しない集光光学系２が第１の集光光学系であり、集光光学系１８が第２の集光光学系である。

以上のように構成された分光装置１７によっても、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、波長毎に同じ方向に進行する。このため、実施例３に係る分光装置１１と同様に、第１の１次回折光に加えて、第２の１次回折光も光検出器３で検出することが可能であり、従って、高い検出効率を実現することができる。分光装置の構成を過度に複雑化することがない点についても実施例３に係る分光装置１１と同様である。

また、分光装置１７は、回折格子１２への入射角によらず第１の１次回折光と第２の１次回折光を波長毎に同じ位置に集光させることができる。このため、光Ｌ１の入射角を変更するように回折格子１２を回転自在に配置することで、回折格子１２の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる点についても実施例３に係る分光装置１１と同様である。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。

図９は、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図９のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図９では、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図９に例示される分光装置２０は、コーナーキューブ１４及びミラー１５の代わりにミラー２１を含む点が、実施例３に係る分光装置１１と異なっている。その他の構成は、実施例３に係る分光装置１１と同様である。以下、図９を参照しながら、本実施例に係る分光装置２０について説明する。

ミラー２１は、予め角度を調整して配置することで、第２の１次回折光を第１の１次回折光と同じ方向に偏向させて、図示しない集光光学系２に入射させる第２の偏向装置として機能する。ただし、波長によって回折方向が入射位置に対して光Ｌ１と同じ側になるものについては、再回折できない構成となっている。

以上のように構成された分光装置２０によっても、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、波長毎に同じ方向に進行する。このため、実施例３に係る分光装置１１と同様に、第１の１次回折光に加えて、第２の１次回折光も光検出器３で検出することが可能であり、従って、高い検出効率を実現することができる。分光装置の構成を過度に複雑化することがない点についても実施例３に係る分光装置１１と同様である。

図１０は、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図１０のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図１０では、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図１０に例示される分光装置２２は、コーナーキューブ１３の代わりにミラー２３を含む点が、実施例４に係る分光装置１７と異なっている。その他の構成は、実施例４に係る分光装置１７と同様である。また、ミラー２３の代わりに三角プリズムを用いてもよい。

なお、回折格子１２は、回転中心Ｏ周りに回転自在に配置されていて、図１１Ａ、図１１Ｂには、回折格子１２の回転前、回転後における分光装置２２の様子が示されている。

ミラー２３は、図１１Ｂに示されるように、回折格子１２の回転に連動して、回折格子１２の回転軸（回転中心Ｏ）周りを回折格子１２の回転角度θの２倍の角度２θだけ回転して移動する反射部材である。ミラー２３は、このように回折格子１２の回転に連動して動作することで、０次回折光Ｌ２が回折格子１２の回転角度によらずミラー２３に垂直に入射する。このため、ミラー２３は、０次回折光Ｌ２の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ２を回折格子１２に入射させる第１の偏向装置として機能する。
なお、本実施例のミラー１９と集光光学系１８を一体化したものや実施例３の偏向装置１６等については、回折格子１２の回転角度θと同じ角度θだけ回折格子１２の回転軸と同軸で回転する構成となっている。

以上のように構成された分光装置２２によっても、第１の１次回折光と第２の１次回折光は、波長毎に同じ方向に進行する。このため、実施例４に係る分光装置１７と同様に、第１の１次回折光に加えて、第２の１次回折光も光検出器３で検出することが可能であり、従って、高い検出効率を実現することができる。分光装置の構成を過度に複雑化することがない点についても実施例４に係る分光装置１７と同様である。

また、分光装置２２は、回折格子１２への入射角によらず第１の１次回折光と第２の１次回折光を波長毎に同じ位置に集光させることができる。このため、光Ｌ１の入射角を変更するように回折格子１２を回転自在に配置することで、回折格子１２の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる点についても実施例４に係る分光装置１７と同様である。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。

図１２Ａは、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図１２Ｂは、本実施例に係る分光装置の側面概略図である。図１２Ａ及び図１２ＢのＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図１２Ａ及び図１２Ｂでは、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図１２Ａ及び図１２Ｂに例示される分光装置２４は、コーナーキューブ２５を含む点が、実施例１に係る分光装置４と異なっている。その他の構成は、実施例１に係る分光装置４と同様である。以下、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照しながら、本実施例に係る分光装置２４について説明する。

コーナーキューブ２５は、０次回折光Ｌ２の回折により生じる０次回折光Ｌ３の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ３を回折格子１に入射させる第３の偏向装置である。なお、コーナーキューブ２５は、光Ｌ１を遮らないように配置される。このような配置は、コーナーキューブ５により０次回折光Ｌ２が平行移動させられることにより可能となっている。

分光装置２４では、コーナーキューブ２５でその進行方向が反転した０次回折光Ｌ３は、光Ｌ１が入射する面と同じ面から光Ｌ１と同じ入射角で回折格子１に入射する。０次回折光Ｌ３の回折により生じる第３の１次回折光（１次回折光Ｌ３ｒ、１次回折光Ｌ３ｂ）は、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光と波長毎に同方向に進行して集光光学系２に入射する。このため、第１の１次回折光、第２の１次回折光、及び第３の１次回折光は、集光光学系２により波長毎に同じ位置に集光し、光検出器３で検出される。

本実施例に係る分光装置２４によれば、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光と０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光とに加えて、０次回折光Ｌ３の回折により生じる第３の１次回折光も、光検出器３で検出することができる。このため、実施例１に係る分光装置４に比べて、より高い検出効率を実現することができる。また、分光装置２４と分光装置４の構成上の差異は、分光装置２４がコーナーキューブ２５を含む点だけである。従って、分光装置の構成を過度に複雑化することがなく、より高い検出効率を実現することができる。

具体的には、図３に示すように、例えば、回折格子１の回折効率が５０％の場合であれば、０次回折光が１回再回折される本実施例に係る分光装置４では、回折格子１の総合回折効率が７５％程度となり、分光装置１００の検出効率も同程度であるのに対して、０次回折光が２回再回折される本実施例に係る分光装置２４では、回折格子１の総合回折効率が９０％弱となり、分光装置１００の検出効率も同程度まで向上することになる。

また、分光装置２４では、０次回折光Ｌ３は回折格子１の回転角度によらず光Ｌ１と同じ角度で回折格子１に入射するため、第１の１次回折光、第２の１次回折光、及び第３の１次回折光を波長毎に同じ位置に集光させることができる。このため、光Ｌ１の入射角を変更するように回折格子１を回転自在に配置することで、回折格子１の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる点については実施例１に係る分光装置４と同様である。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。
なお、コーナーキューブ５の代わりに三角プリズムを、コーナーキューブ２５の代わりにミラーまたは三角プリズムを、含む構成としても良い。

図１３は、本実施例に係る分光装置の平面概略図である。図１３のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けた直交座標系である。なお、図１３では、集光光学系２と光検出器３の図示が省略されている。

図１３に例示される分光装置２８は、コーナーキューブ２９を含む点が、実施例３に係る分光装置１１と異なっている。その他の構成は、実施例３に係る分光装置１１と同様である。以下、図１３を参照しながら、本実施例に係る分光装置２８について説明する。

コーナーキューブ２９は、０次回折光Ｌ２の回折により生じる０次回折光Ｌ３の進行方向を反転させて、０次回折光Ｌ３を回折格子１２に入射させる第３の偏向装置である。

分光装置２８では、コーナーキューブ２９でその進行方向が反転した０次回折光Ｌ３は、光Ｌ１が入射する面と同じ面から光Ｌ１と同じ入射角で回折格子１２に入射する。０次回折光Ｌ３の回折により生じる第３の１次回折光（１次回折光Ｌ３ｒ、１次回折光Ｌ３ｂ）は、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光と波長毎に同方向に進行して集光光学系２に入射する。このため、第１の１次回折光、第２の１次回折光及び第３の１次回折光は、集光光学系２により波長毎に同じ位置に集光し、光検出器３で検出される。

本実施例に係る分光装置２８によれば、光Ｌ１の回折により生じる第１の１次回折光と０次回折光Ｌ２の回折により生じる第２の１次回折光に加えて、０次回折光Ｌ３の回折により生じる第３の１次回折光も、光検出器３で検出することができる。このため、実施例３に係る分光装置１１に比べて、より高い検出効率を実現することができる。また、分光装置２８と分光装置１１の構成上の差異は、分光装置２８がコーナーキューブ２５を含む点だけである。従って、分光装置の構成を過度に複雑化することがなく、より高い検出効率を実現することができる。

また、分光装置２８では、０次回折光Ｌ３は回折格子１２の回転角度によらず光Ｌ１と同じ角度で回折格子１２に入射するため、第１の１次回折光、第２の１次回折光、及び第３の１次回折光を波長毎に同じ位置に集光させることができる。このため、光Ｌ１の入射角を変更するように回折格子１２を回転自在に配置することで、回折格子１２の回折効率のピーク波長を検出すべき光の波長に合わせることができる点については実施例３に係る分光装置１１と同様である。従って、所望の波長の光を高い検出効率で検出することができる。

なお、コーナーキューブ５の代わりに三角プリズムを、コーナーキューブ２９の代わりにミラーまたは三角プリズムを、含む構成としてもよい。

なお、以上では、０次回折光を１回または２回再回折する構成を例示したが、分光装置は、０次回折光を３回以上再回折してもよい。ただし、回折素子の回折効率がある程度高い場合には２回程度の再回折で十分な検出効率が得られること、再回折の回数を増やすほど構成が複雑になること、を考慮して、再回折回数を選択することが望ましい。

図１４は、本実施例に係る顕微鏡の概略構成図である。図１４に例示される顕微鏡４０は、実施例１に係る分光装置４を備えた、蛍光観察に用いられる共焦点走査型顕微鏡である。

顕微鏡４０は、レーザ４１と、レーザ４１から出射されたレーザ光を反射させ標本４５からの蛍光を透過させるダイクロイックミラー４２と、レーザ光で標本４５を走査するためのガルバノミラー４３と、レーザ光を標本４５に照射する走査光学系４４と、ダイクロイックミラー４２を透過した蛍光を集光させる共焦点レンズ４６と、標本４５と光学的に共役な位置に共焦点ピンホール４８が形成された共焦点絞り４７と、共焦点ピンホール４８を通過した蛍光をコリメートするコリメートレンズ４９と、コリメートレンズ４９からの蛍光が平行光束として入射する分光装置４とを備えている。

以上のように構成された顕微鏡４０によれば、分光装置４が高い検出効率を実現しているため、標本４５からの微弱な蛍光を分光して波長情報を効率的に取得することができる。

なお、本実施例では、実施例１に係る分光装置４を含む顕微鏡４０を例示したが、顕微鏡は、他の実施例に係る分光装置を備えてもよい。

１、１２・・・回折格子
２、９、１８・・・集光光学系
３・・・光検出器
３ａ、３ｂ、３ｃ・・・検出素子
４、７、１１、１７、２０、２２、２４、２８、１００・・・分光装置
５、６、１３、１４、２５、２９・・・コーナーキューブ
８、１０、１５、１９、２１、２３・・・ミラー
１６・・・偏向装置
４０・・・顕微鏡
４１・・・レーザ
４２・・・ダイクロイックミラー
４３・・・ガルバノミラー
４４・・・走査光学系
４５・・・標本
４６・・・共焦点レンズ
４７・・・共焦点絞り
４８・・・共焦点ピンホール
４９・・・コリメートレンズ
Ｏ・・・回転中心
Ｌ１・・・光
Ｌ１ｒ、Ｌ１ｇ、Ｌ１ｂ、Ｌ２ｒ、Ｌ２ｂ、Ｌ３ｒ、Ｌ３ｂ・・・１次回折光
Ｌ２、Ｌ３・・・０次回折光

Claims (16)

1. 光を波長毎に分光する回折素子と、
   前記回折素子での回折により生じる特定次数の回折光を集光させる集光光学系と、
   前記特定次数の回折光が前記集光光学系により集光する位置に配置された光検出器と、
   平行光束として前記回折素子に入射した第１の光の回折により生じる０次回折光である第２の光の進行方向を正反対の方向に反転させて、前記第２の光を前記回折素子に入射させる第１の偏向装置と、
   前記回折素子に入射した前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光を前記第１の光の回折により生じる前記特定次数の回折光と同じ方向に偏向させて、前記集光光学系に入射させる第２の偏向装置と、を含む
   ことを特徴とする分光装置。
2. 請求項１に記載の分光装置において、
   前記回折素子は、前記第１の光の入射角を変更するように回転自在に配置される
   ことを特徴とする分光装置。
3. 請求項２に記載の分光装置において、
   前記回折素子は、透過型回折格子である
   ことを特徴とする分光装置。
4. 請求項３に記載の分光装置において、
   前記第２の偏向装置は、前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光の進行方向を反転させる
   ことを特徴とする分光装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の分光装置において、
   前記第１の偏向装置と前記第２の偏向装置とは、前記回折素子を挟んで相対するように配置され、
   前記第１の偏向装置は、前記第２の光の進行方向を反転させて、前記第１の光とは異なる面から前記第２の光を前記回折素子に入射させる
   ことを特徴とする分光装置。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の分光装置において、
   前記回折素子は、透過型体積ホログラム回折格子である
   ことを特徴とする分光装置。
7. 請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の分光装置において、
   前記第２の偏向装置は、
   前記第１の光が前記回折素子に入射する位置に前側焦点位置を有する第２の集光光学系と、
   前記第２の集光光学系の後側焦点位置に配置された反射部材と、を含む
   ことを特徴とする分光装置。
8. 請求項２に記載の分光装置において、
   前記回折素子は、反射型回折格子である
   ことを特徴とする分光装置。
9. 請求項８に記載の分光装置において、
   前記第２の偏向装置は、
   前記第２の光の回折により生じる前記特定次数の回折光の進行方向を反転させる反転部材と、
   前記反転部材で進行方向が反転された前記特定次数の回折光を反射する、前記回折素子の近傍に配置された反射部材と、を含む
   ことを特徴とする分光装置。
10. 請求項８に記載の分光装置において、
    前記第２の偏向装置は、
    前記第１の光が前記回折素子に入射する位置に前側焦点位置を有する第２の集光光学系と、
    前記第２の集光光学系の後側焦点位置に配置された反射部材と、
    前記第２の集光光学系と前記反射部材とで進行方向が反転された前記特定次数の回折光を反射する、前記回折素子の近傍に配置された反射部材と、を含む
    ことを特徴とする分光装置。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の分光装置において、
    前記第１の偏向装置は、前記回折素子の回転に連動して、前記回折素子の回転軸周りを前記回折素子の回転角度の２倍回転して移動する反射部材であり、
    前記第２の偏向装置は、前記回折素子の回転に連動して、前記回折素子の回転軸周りを前記回折素子と同じ回転角度で回転して移動する、
    ことを特徴とする分光装置。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の分光装置において、さらに、
    前記第２の光の回折により生じる第３の光である０次回折光の進行方向を反転させて、
    前記第３の光を前記回折素子に入射させる第３の偏向装置を含む
    ことを特徴とする分光装置。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載の分光装置において、
    前記光検出器は、各々が異なる波長帯域の前記特定次数の回折光を検出する複数の検出素子を含む
    ことを特徴とする分光装置。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の分光装置において、
    前記第１の偏向装置は、１つの素子で構成される
    ことを特徴とする分光装置。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の分光装置において、
    前記第１の偏向装置は、前記第２の光を前記回折素子の前記第２の光が射出した面に入射させる
    ことを特徴とする分光装置。
16. 請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の分光装置を備える
    ことを特徴とする共焦点走査型顕微鏡。

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