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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022097758
(43)【公開日】2022-06-30
(54)【発明の名称】発光検出装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20220623BHJP
G01N 21/17 20060101ALI20220623BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 Z
G01N21/17 A
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022080312
(22)【出願日】2022-05-16
(62)【分割の表示】P 2020169511の分割
【原出願日】2016-02-22
(71)【出願人】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】特許業務法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】穴沢 隆
(72)【発明者】
【氏名】山崎 基博
(57)【要約】
【課題】発光検出装置を小型化すると同時に，高感度と低クロストークを両立する。
【解決手段】発光点アレイの各発光点からの発光を，集光レンズアレイの各集光レンズで個別に集光して光束とし，各光束を光学素子で偏向して偏向光束とし，偏向光束を並列にセンサに入射させて検出する発光検出装置であり，各発光点の径，各集光レンズの焦点距離と間隔，各集光レンズと光学素子の光路長の間で所定の関係を満足させることにより，発光検出装置を小型化すると同時に，高感度と低クロストークを同時に実現する発光検出装置。
【選択図】図９
【解決手段】発光点アレイの各発光点からの発光を，集光レンズアレイの各集光レンズで個別に集光して光束とし，各光束を光学素子で偏向して偏向光束とし，偏向光束を並列にセンサに入射させて検出する発光検出装置であり，各発光点の径，各集光レンズの焦点距離と間隔，各集光レンズと光学素子の光路長の間で所定の関係を満足させることにより，発光検出装置を小型化すると同時に，高感度と低クロストークを同時に実現する発光検出装置。
【選択図】図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のキャピラリが平面上に配列されたキャピラリアレイと，
前記キャピラリアレイを支持するデバイスと，
前記キャピラリアレイからの個々の発光点により形成され，Ｍ≧２として，Ｍ個の発光点が配列した発光点アレイからの発光をそれぞれ個別に集光して光束とするＭ個の集光レンズが配列し前記デバイスに一体化されている集光レンズアレイと，
前記Ｍ個の光束が並列に入射される少なくとも１個のセンサと，を有し，
前記Ｍ個の集光レンズが集光する前記Ｍ個の発光点からの各発光の発光領域の全幅をｄ，
前記Ｍ個の集光レンズの焦点距離をｆ，
前記Ｍ個の集光レンズの間隔をｐ，
前記Ｍ個の集光レンズと，前記Ｍ個の光束が入射する前記光学素子の端面の間の最大光路長をｇとするとき，
少なくとも前記Ｍ個の発光点のいずれかに関するｄ，ｆ，ｐ，ｇが，
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（１．２７＊ｄ）＋１）＊ｇ
の関係を満足する，発光検出装置。
前記キャピラリアレイを支持するデバイスと，
前記キャピラリアレイからの個々の発光点により形成され，Ｍ≧２として，Ｍ個の発光点が配列した発光点アレイからの発光をそれぞれ個別に集光して光束とするＭ個の集光レンズが配列し前記デバイスに一体化されている集光レンズアレイと，
前記Ｍ個の光束が並列に入射される少なくとも１個のセンサと，を有し，
前記Ｍ個の集光レンズが集光する前記Ｍ個の発光点からの各発光の発光領域の全幅をｄ，
前記Ｍ個の集光レンズの焦点距離をｆ，
前記Ｍ個の集光レンズの間隔をｐ，
前記Ｍ個の集光レンズと，前記Ｍ個の光束が入射する前記光学素子の端面の間の最大光路長をｇとするとき，
少なくとも前記Ｍ個の発光点のいずれかに関するｄ，ｆ，ｐ，ｇが，
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（１．２７＊ｄ）＋１）＊ｇ
の関係を満足する，発光検出装置。
【請求項2】
前記キャピラリアレイと前記集光レンズアレイとの間に配置され，Ｍ個のピンホールが前記Ｍ個の集光レンズにそれぞれ位置合わせされて配列したピンホールアレイをさらに備える，請求項１に記載の発光検出装置。
【請求項3】
ｆ≧１／（ｐ／ｄ＋１）＊ｇ
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項4】
ｆ≦２＊ｐ
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項5】
ｆ≦ｐ
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
を満足する，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項6】
前記集光レンズアレイと前記センサの光学的な中間に，Ｎ≧２として，番号１，２，・・・，Ｎの複数のダイクロイックミラーを，第１の方向に，番号順に配列したダイクロイックミラーアレイを有し，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの正面の法線ベクトルが，前記第１の方向の正の成分と，前記第１の方向と垂直な第２の方向の負の成分の和から構成され，
前記Ｎ個の法線ベクトルが互いに略平行であり，
前記Ｍ個の集光レンズの光軸が前記第２の方向と略平行であり，
前記Ｍ個の集光レンズの配列方向が，前記第１の方向と前記第２の方向の両方に垂直な第３の方向と略平行である，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの正面の法線ベクトルが，前記第１の方向の正の成分と，前記第１の方向と垂直な第２の方向の負の成分の和から構成され，
前記Ｎ個の法線ベクトルが互いに略平行であり，
前記Ｍ個の集光レンズの光軸が前記第２の方向と略平行であり，
前記Ｍ個の集光レンズの配列方向が，前記第１の方向と前記第２の方向の両方に垂直な第３の方向と略平行である，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項7】
前記Ｍ個の光束が前記第２の方向に沿って前記ダイクロイックミラーアレイに並列に入射され，
前記ダイクロイックミラーアレイより，前記Ｍ個の光束がそれぞれ異なるＮ個の光束に前記第１の方向に分割された分割光束が，前記第２の方向に沿って出射され，
前記Ｍ×Ｎ個の分割光束が前記センサに並列に入射され，一括して検出される，請求項６に記載の発光検出装置。
前記ダイクロイックミラーアレイより，前記Ｍ個の光束がそれぞれ異なるＮ個の光束に前記第１の方向に分割された分割光束が，前記第２の方向に沿って出射され，
前記Ｍ×Ｎ個の分割光束が前記センサに並列に入射され，一括して検出される，請求項６に記載の発光検出装置。
【請求項8】
前記Ｍ個の集光レンズの有効径の平均をＤ，
０≦θ0≦９０°として，前記Ｎ個の法線ベクトルと前記第２の方向と反対方向のなす角度の平均をθ0，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の屈折率の平均をｎ0，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の幅の平均をα，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の厚さの平均をβ，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの間隔の平均をｘ，
２≦ｎ≦Ｎとして，前記番号ｎのダイクロイックミラーの前記第２の方向の端を，前記番号ｎ－１のダイクロイックミラーの前記第２の方向の端に対して，前記第２の方向と反対方向にずらす距離の平均をｙｚ，とするとき
ｄ，ｆ，Ｄ，ｐ，ｇ，θ0，Ｎ，ｎ0，α，β，ｘ，ｙｚが前記Ｍ個の発光を前記ダイクロイックミラーを用いて検出できるように予め定められた所定の関係を満足する，請求項６に記載の発光検出装置。
０≦θ0≦９０°として，前記Ｎ個の法線ベクトルと前記第２の方向と反対方向のなす角度の平均をθ0，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の屈折率の平均をｎ0，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の幅の平均をα，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの基材の厚さの平均をβ，
前記Ｎ個のダイクロイックミラーの間隔の平均をｘ，
２≦ｎ≦Ｎとして，前記番号ｎのダイクロイックミラーの前記第２の方向の端を，前記番号ｎ－１のダイクロイックミラーの前記第２の方向の端に対して，前記第２の方向と反対方向にずらす距離の平均をｙｚ，とするとき
ｄ，ｆ，Ｄ，ｐ，ｇ，θ0，Ｎ，ｎ0，α，β，ｘ，ｙｚが前記Ｍ個の発光を前記ダイクロイックミラーを用いて検出できるように予め定められた所定の関係を満足する，請求項６に記載の発光検出装置。
【請求項9】
θ1＝sin-1(１／ｎ0＊sinθ0)，
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))，
ａW＝cosθ0，
ｂW＝－cosθ0＊tanθ1，
ａL＝（Ｎ－１）＊cosθ0＋sinθ0，
ｂL＝（Ｎ－２）／cosθ0＊（２＊sin(９０°－θ0－θ2)＋１－sin(θ0＋θ2)）＋（Ｎ－２）＊sinθ0＋２＊cosθ0，
ｄ’＝（ｇ－ｆ）／ｆ＊ｄ
として，
（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａW＊Ｄ≦ｘ，及び，
（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａW＊ｄ’≦ｘ≦（sinθ0－ｂL／ａL＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａL＊ｇ
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))，
ａW＝cosθ0，
ｂW＝－cosθ0＊tanθ1，
ａL＝（Ｎ－１）＊cosθ0＋sinθ0，
ｂL＝（Ｎ－２）／cosθ0＊（２＊sin(９０°－θ0－θ2)＋１－sin(θ0＋θ2)）＋（Ｎ－２）＊sinθ0＋２＊cosθ0，
ｄ’＝（ｇ－ｆ）／ｆ＊ｄ
として，
（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａW＊Ｄ≦ｘ，及び，
（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａW＊ｄ’≦ｘ≦（sinθ0－ｂL／ａL＊cosθ0）＊β＋cosθ0／ａL＊ｇ
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
【請求項10】
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))として，
０≦ｙｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
０≦ｙｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
【請求項11】
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))として，
ｎ＝２のとき，０≦ｙｚ≦２＊cosθ0＊β
３≦ｎ≦Ｎのとき，０≦ｙｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
ｎ＝２のとき，０≦ｙｚ≦２＊cosθ0＊β
３≦ｎ≦Ｎのとき，０≦ｙｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
【請求項12】
cosθ0＊α≦ｘ≦cosθ0＊α＋２＊sinθ0＊β
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
を満足する，請求項８に記載の発光検出装置。
【請求項13】
前記Ｍ×Ｎ個の分割光束の少なくとも一部の光路上に光路長調整素子を備える，請求項７に記載の発光検出装置。
【請求項14】
前記Ｍ個の集光レンズが，前記センサのセンサ面に平行な平面内で２次元状に配列している，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項15】
前記センサが，異なる波長帯を識別する複数種類の画素が配列されたカラーセンサである，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【請求項16】
前記Ｍ個の発光点に対して，少なくとも前記集光レンズアレイの相対位置を移動させる機構を備える，請求項１又は２に記載の発光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は，複数のキャピラリ又はマイクロチップ内部に設けられた複数のチャンネルにレーザビーム，ランプ等の光を照射し，キャピラリ又はチャンネルの内部に存在する物質が出射する蛍光，燐光，散乱光，あるいは透過光等を高感度に検出する検出装置に関する。
【背景技術】
【0002】
分離媒体を充填した複数のキャピラリ（外径１００～４００μｍ，内径２５～１００μｍのガラス毛細管）による電気泳動分析を並列処理することによって個々のキャピラリで異なるＤＮＡサンプルの塩基配列解読を一括して行うキャピラリアレイＤＮＡシーケンサが広く利用されている。この機構について次に説明する。市販のキャピラリは，柔軟性を持たせるため，外表面にポリイミドの被覆膜を形成している。各キャピラリの電気泳動路長が一定の部分，例えばキャピラリの試料注入端から３０ｃｍの距離の位置近傍を，被覆膜を除去した状態で同一平面上に揃えて並べ，レーザビームを上記のキャピラリ配列平面に沿って側面方向から照射することで，複数のキャピラリを同時に照射する。以降，本明細書では，上記のキャピラリ配列平面を，単に，配列平面と呼ぶことがある。上記の各キャピラリ内部を電気泳動する蛍光標識ＤＮＡは，レーザビームを通過する際，レーザ照射による励起を受けて蛍光を発光する。ここで，ＤＮＡは，Ａ，Ｃ，Ｇ，Ｔの末端の塩基種に応じて４色の蛍光体に染め分けられている。その結果，各キャピラリのレーザ照射位置は発光点となり，複数の発光点が間隔ｐで直線上に並ぶ。以降，これを発光点アレイと呼ぶ。発光点の数（キャピラリの本数）をＭとすると，発光点アレイの全幅ＡＷは，ＡＷ＝ｐ＊（Ｍ－１）である。例えば，ｐ＝０．３６ｍｍ，Ｍ＝２４のとき，ＡＷ＝８．２８ｍｍである。発光検出装置は，発光点アレイからの各発光を分光しながら一括検出する。この装置構成は，特許文献１に示されている。
【0003】
まず，共通集光レンズによって各発光を平行光束化する。以降，「共通」という表現は，複数（Ｍ個）の発光点について１個の光学素子を用いる（Ｍ：１の対応）という意味で用いる。反対に，「個別」という表現は，１つの発光点について１個の光学素子を用いる（１：１の対応）という意味で用いる。ここで，共通の集光レンズの焦点距離をｆ１，有効径をＤ１とすると，ＡＷ＜ｆ，ＡＷ＜Ｄ１とする必要がある。例えば，集光レンズは，ｆ１＝５０ｍｍ，Ｄ１＝３６ｍｍのカメラレンズである。次に，平行光束をロングパスフィルタに通してレーザビームの波長をカットし，さらに共通の透過型回折格子を透過させて各キャピラリの長軸方向，すなわち発光点アレイの配列方向及び共通の集光レンズの光軸の両者に直交する方向に波長分散させる。ここで，共通の透過型回折格子の有効径をＤＧとすると，検出効率を低下させないためには，Ｄ１≦ＤＧである必要がある。例えば，ＤＧ＝５０ｍｍである。続いて，共通の結像レンズで各平行光束を２次元センサ上に結像させる。ここで，共通の結像レンズの焦点距離をｆ２，有効径をＤ２とすると，検出効率を低下させないためには，Ｄ１≦Ｄ２である必要がある。例えば，結像レンズは，ｆ２＝５０ｍｍ，Ｄ２＝３６ｍｍのカメラレンズである。以上により，発光点アレイからの各発光の波長分散スペクトル像を一括して取得できる。最後に，各波長分散スペクトルの時間変化を分析することによって４色の蛍光強度の時間変化を求め，塩基種の順番，すなわち塩基配列を決定する。
【0004】
４色の蛍光を同時に検出する他の手段が，非特許文献１に示されている。まず，１個の発光領域からの発光を１個の集光レンズ（ここでは，対物レンズ）によって平行光束化する。ここで，発光領域の全幅をＡＷ，対物レンズの焦点距離をｆ，有効径をＤとすると，ＡＷ＜ｆ，ＡＷ＜Ｄである。用いられている対物レンズは，オリンパスのＵＰＬＳＡＰＯ ６０× Ｗであり，ＡＷ＝０．４４ｍｍ，ｆ１＝３ｍｍ，Ｄ１＝２０ｍｍである。次に，平行光束を１組の３種類のダイクロイックミラーによって４色の４つの平行光束に分割させる。続いて，各平行光束を１組の４個の結像レンズで４つの２次元センサ上にそれぞれ結像させる。ここで，各結像レンズの有効径をＤ２とすると，検出効率を低下させないためには，Ｄ１≦Ｄ２である必要がある。以上により，発光領域の４色の４分割像を一括して取得できる。
【0005】
一方，発光点アレイからの発光を同時に検出する他の手段が，特許文献２に示されている。まず，集光レンズアレイによって発光点アレイからの各発光を個別に平行光束化する。ここで，発光点の間隔をｐ，発光点の数をＭとすると，発光点アレイの全幅はＡＷ＝ｐ＊（Ｍ－１）であり，各集光レンズの有効径をＤとすると，Ｄ＜ＡＷであり，上記の特許文献１及び非特許文献１と異なる構成である。また，Ｄ＜ｐとすることによって，各集光レンズが直線上に並んだ個別の集光レンズアレイとすることができる。次に，各平行光束を個別センサアレイのそれぞれの個別センサに入射させる。以上により，発光点アレイからの発光強度を一括して取得できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007-171214号公報
【特許文献2】特開2011-59095号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】Rev Sci Instrum., 2011 Feb;82(2):023701.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献１の発光検出装置は，各発光点からの発光の集光効率（共通の集光レンズによる集光効率），検出効率（前記集光効率，ロングパスフィルタの透過率，回折格子の回折効率等を踏まえた，センサによる蛍光検出に寄与する発光のトータルの利用効率）が高く，また，回折格子による分光精度も高い。集光効率は，共通の集光レンズのＦ値で表すことができ，１／Ｆ2に比例する。例えば，ｆ１＝５０ｍｍ，Ｄ１＝３６ｍｍのカメラレンズを用いた場合，Ｆ＝ｆ１／Ｄ１＝１．４であり，高感度な発光検出が可能である。また，各発光点からの発光を共通の結像レンズで結像して２次元センサで検出するため，各発光が互いに混じり合うことなく，つまり低クロストークに，各発光を独立に検出することが可能である。以上の高感度と低クロストークの性能は，本技術分野において，微量の測定対象を精度良く検出したり，異なる複数の測定対象を同時かつ独立に検出する上で，特に重要である。しかしながら，本発光検出装置は，２つの共通レンズを含み，ＡＷ＜ｆ，ＡＷ＜Ｄ１≦Ｄ２の関係があることから，ＡＷ一定とすると，装置の全体サイズが非常に大きく，装置の製造コストが高いことが課題である。例えば，ｆ１＝ｆ２＝５０ｍｍ，Ｄ１＝Ｄ２＝３６ｍｍのカメラレンズを用いた場合，発光検出装置の全体サイズは，直径１００ｍｍ，高さ２００ｍｍの円柱の体積（１．６×１０6ｍｍ3）よりも大きくなる。本明細書では，発光検出装置の全体サイズを，発光点からセンサまでの光学系の占有体積で表現し，センサ自体の占有体積は含めないことにする。また，ＡＷ≪ｆ１，ＡＷ≪Ｄ１とすることはできないため（実現するためには巨大なカメラレンズが必要である），光軸付近の発光点（発光点アレイの中央付近に位置する発光点）の検出効率と比較して，光軸から離れた発光点（発光点アレイの端付近に位置する発光点）の検出効率が低下し，発光点毎に感度にばらつきが生じる課題がある。
【0009】
しかし，これらの課題を解決すること，すなわち，発光点アレイからの４色の発光を同時に識別しながら検出する装置を小型化及び低コスト化し，各発光の感度ばらつきを低減することはこれまで行われてこなかった。発光検出装置を小型化できれば，キャピラリアレイＤＮＡシーケンサを小さな領域に設置できたり，持ち運びできるようになったり，あるいは使い勝手が向上したりできる。また，検出装置の部品点数が減ったり，各部品のサイズが小さくなったりすることによって製造コストが低減される。さらに，各発光点の感度ばらつきを低減することにより，各キャピラリで分析されるサンプルの定量的な比較が可能になり，発光点アレイの発光検出において，トータルの感度及びダイナミックレンジを向上させることができる。これらの結果，キャピラリアレイＤＮＡシーケンサはさらに普及し，より一層，世の中に貢献することができる。
【0010】
非特許文献１に示される発光検出装置を用いて，同様の発光点アレイからの４色発光の同時蛍光検出を行うことができる。ただし，非特許文献１で用いられている対物レンズでは，ＡＷ＝０．４４ｍｍであるため，例えば，発光点アレイの全幅８．２８ｍｍのごく一部分しか検出できない。そこで，対物レンズ及び４つの結像レンズの代わりに，キャピラリアレイＤＮＡシーケンサと同様の共通の集光レンズ及び４つの共通の結像レンズを用いる。このとき，３種類のダイクロイックミラーの有効径をＤＭとすると，平行光束に対して４５°傾けて配置するため，検出効率を低下させないためには，√２×Ｄ１≦ＤＭである必要がある。例えばＤＭ＝７１ｍｍである。したがって，４つの２次元センサを含めなくても，発光検出装置の全体サイズは特許文献１の場合よりもさらに大きくなり，それだけ製造コストも高くなる。これに加えて，４つの２次元センサが占める空間は大きく，そのコストも非常に高い。発光点毎の感度ばらつきの課題もそのまま残る。
【0011】
一方，特許文献２に示される発光検出装置を用いることは，Ｄ＜ＡＷのため，装置サイズを小さくできる可能性がある。しかしながら，本文献のように，発光点アレイからの各発光を個別の集光レンズアレイによって集光して検出する場合，トレードオフの関係にある高感度と低クロストークの性能を両方得ることが困難である。本文献においては，そのような課題，及びそれを解決する手段についての議論，配慮が一切なされていない。次に，上記の課題について詳しく説明する。
【0012】
上述の通り，集光効率は，各集光レンズの焦点距離をｆ，及び有効径をＤとすると，Ｆ＝ｆ／Ｄで表すことができる（集光効率は１／Ｆ2に比例する）。ここでＤ一定とすると，ｆが小さいほど，つまり発光点と集光レンズが接近するほど集光効率は上昇するように見える。これは，発光点のサイズが無限小である場合は正しいが，有限である場合は必ずしも正しくない。ここで，発光点の径をｄとすると，無限小とはｄ≪ｆ，あるいはｄ≒０の場合であり，有限とはｄ＞０の場合である。実質的には，ｄ≧０．０１ｍｍとしても良い。以降，本発明では，発光点のサイズが有限の場合を考える。発光点の中心をレンズの焦点位置に置くと，発光点の中心から出射する発光はレンズによって平行光束化され，この光束は，レンズの光軸に沿って，光軸と平行方向に進行する。一方，発光点の端から出射する発光はレンズによって平行光束化され，この光束は，レンズの光軸と角度θ＝tan-1(ｄ／２／ｆ)をなす方向に進行する。すなわち，これらの光束は，レンズから離れるにしたがって分離される。したがって，レンズの光軸上の，レンズから一定距離だけ離れた位置に，発光点の中心から出射する発光の平行光束の大きさのセンサを配置して（又は，エリアセンサの一部の領域を割り当てて）発光を検出する場合，発光点の中心から出射する発光はすべて検出できる一方で，発光点の端から出射する発光は一部しか検出できない。上記角度θはｆが大きいほど小さくなるため，検出できる発光の割合が増大する。
【0013】
以上のように，集光効率を向上して高感度を得るためには，ｆを小さくした方が良い面と，ｆを大きくした方が良い面のトレードオフの関係があることが分かる。しかしながら，高感度を得るために，どのようなｆが最も良いかの検討は，特許文献２を含めて，これまでに一切なされていない。本発明では，後に詳しく述べる通り，実際的な条件下で本検討を行った結果，ｆは小さいほど，全体の集光効率が向上することを見出した。これは，ｆを小さくすることによって発光点の中心からの発光の検出光量が増大する効果が，ｆを大きくすることによって発光点の端からの発光の検出光量が増大する効果よりも大きいことを示している。
【0014】
一方，クロストークについては，上記の集光効率とは別な議論が必要である。ｆが小さくなると上記角度θが大きくなるため，発光点の端から出射する発光が，隣の発光点からの発光を検出するために設置された隣のセンサ（又は，エリアセンサの一部が割り当てられた領域）に重なる割合が増大し，隣の発光点からの発光を検出する上でのクロストークが増大する。すなわち，集光効率を向上させて高感度を得るためにｆを小さくすることと，クロストークを低減するためにｆを大きくすることは，トレードオフの関係にあることが分かった。しかしながら，高感度と低クロストークを両立するために，どのようなｆが最も良いかの検討は，特許文献２を含めて，これまでに一切なされていない。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明による発光検出装置は，Ｍ≧２として，Ｍ個の発光点が配列した発光点アレイからの発光をそれぞれ個別に集光して光束とするＭ個の集光レンズが配列した集光レンズアレイと，Ｍ個の光束が再集光されずに並列に入射される少なくとも１個のセンサとを有し，Ｍ個の発光点の有効径の平均をｄ，Ｍ個の集光レンズの焦点距離の平均をｆ，Ｍ個の集光レンズの間隔の平均をｐ，Ｍ個の集光レンズとセンサの最大光路長の平均をｇ，とするとき，ｄ，ｆ，ｐ，ｇがＭ個の発光を低クロストーク又は高感度に検出できるように予め定められた所定の関係を満足する。
【発明の効果】
【0016】
本発明によると，発光点アレイからの発光の，高感度，低クロストークな検出を行う装置を小型化することができ，これを用いた様々な装置の全体サイズを小型化することができる。したがって，装置を置くスペースを削減でき，装置の持ち運びも可能となり，装置の使い勝手が向上する。また，装置を構成する部品点数が削減され，部品そのものを小型化することによって，製造コストを低減することが可能である。
【0017】
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。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】発光点からの発光を集光レンズで集光して光束とする構成の模式図。
【図2】集光レンズの焦点距離ｆをパラメータとして，集光レンズとセンサの光路長ｇと，相対検出光量の関係を示す図。
【図3】隣り合う２つの発光点からの発光をそれぞれ個別に集光レンズで集光し，分離した光束とする構成の模式図。
【図4】隣り合う２つの発光点からの発光をそれぞれ個別に集光レンズで集光し，混じり合う光束とする構成の模式図。
【図5】高感度，低クロストークの条件を満たす，集光レンズとセンサの光路長ｇと，集光レンズの焦点距離ｆの関係を示す図。
【図6】発光点アレイからの発光を個別に集光レンズアレイで集光してカラーセンサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図7】発光点アレイからの発光を個別に集光レンズアレイで集光し，それらの光束をダイクロアレイで並列に異なる波長帯に分割し，センサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図8】発光点アレイからの発光を個別に集光レンズアレイで集光し，それらの光束を波長分散素子で並列に波長分散させ，個別に結像レンズアレイで結像して検出する発光検出装置の模式図。
【図9】発光点アレイからの発光を個別に集光レンズアレイで集光し，それらの光束を光学素子で並列に偏向させ，センサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図10】発光点アレイからの発光を個別に集光レンズアレイで集光し，それらの光束を光ファイバアレイで並列に偏向させ，光ファイバアレイから出射される光束をセンサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図11】キャピラリアレイＤＮＡシーケンサの装置構成例を示す模式図。
【図12】ダイクロアレイに平行に入射する光束を垂直方向に分割するダイクロアレイの例で，分割可能な最大幅の平行光束を計算した結果を示す図。
【図13】ダイクロアレイに垂直に入射する光束を同方向に分割するダイクロアレイの例で，分割可能な最大幅の平行光束を計算した結果を示す図。
【図14】ダイクロアレイに垂直に入射する光束を同方向に分割する小型化したダイクロアレイの例で，分割可能な最大幅の平行光束を計算した結果を示す図。
【図15】ダイクロアレイに垂直に入射する光束を同方向に分割する小型化かつ段差配置したダイクロアレイの例で，分割可能な最大幅の平行光束を計算した結果を示す図。
【図16】光路長を縮小し，開口幅を拡大するベストモードのダイクロアレイの構成を示す図。
【図17】ダイクロアレイの光路長がＬmax以下，開口径がＷmin以上となる，ダイクロの厚さβとダイクロアレイの間隔ｘの関係を示す図。
【図18】ダイクロアレイの間隔ｘと，開口幅Ｗ及び光路長変化ΔＬの関係を示す図。
【図19】ダイクロアレイの段差ｙ及びｚと，開口幅Ｗの関係を示す図。
【図20】ダイクロアレイに垂直に入射する光束を同方向に分割し，ダイクロを同方向に対して４５°超に傾けるダイクロアレイの例で，分割可能な最大幅の平行光束を計算した結果を示す図。
【図21】ダイクロの傾きθ0と，ダイクロアレイの開口幅Ｗの関係を示す図。
【図22】発光点アレイからの発光の一部を，個別にピンホールアレイを透過させ，その透過光を個別に集光レンズアレイで集光してセンサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図23】集光レンズアレイよりも小さい間隔で配列する発光点アレイからの発光の一部を，個別にピンホールアレイを透過させ，その透過光を個別に集光レンズアレイで集光してセンサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図24】発光点アレイからの発光の一部を，個別にピンホールを透過させ，その透過光を個別に集光レンズアレイで集光した光束を，ダイクロアレイで並列に異なる波長帯に分割し，光路長調整素子を介してセンサに並列に入射させて検出する発光検出装置の模式図。
【図25】ピンホールアレイ，集光レンズアレイ，及びスキャン機構を備えた発光検出装置による発光領域のイメージングの模式図。
【図26】複数のキャピラリを配列するＶ溝アレイと，個別の集光レンズアレイを一体化したデバイスの構成例を示す断面模式図。
【図27】複数のキャピラリを配列するＶ溝アレイと，ピンホールアレイと，個別の集光レンズアレイを一体化したデバイスの構成例を示す断面模式図。
【図28】複数のキャピラリを配列するＶ溝アレイとピンホールアレイを一体化した不透明なデバイスと，個別の集光レンズアレイを接合させた一体化したデバイスの構成例を示す断面模式図。
【発明を実施するための形態】
【0019】
図１は，発光点１から出射する発光を集光レンズ２によって集光し，集光レンズから一定距離だけ離れた位置に配置したセンサで検出する光学系の光軸を含む断面模式図である。本発明では，発光点及び発光という言葉を多用するが，これは検出対象とする物質自身が蛍光や燐光等を発光している場合を示すとは限らず，検出対象に対して光を照射し，その結果生じる検出対象から生じる散乱光や，検出対象を透過した透過光を示す場合もあり，これらを一括して発光点からの発光と表現する。
【0020】
発光点１の径をｄ，集光レンズ２の焦点距離をｆ，集光レンズ２の有効径をＤ，センサの検出領域の径をＤ，集光レンズ２とセンサの光学的な距離（光路長）をｇとする。発光点１と集光レンズ２の距離をｆとする，すなわち集光レンズ２の焦点の位置に発光点１の中心を配置すると，発光点１の中心からの発光は集光レンズ２によって，径がＤの平行光束３となり，光軸方向に進行する。集光レンズ２より光路長ｇだけ離れた位置のセンサにおいて，平行光束３は径がＤのスポット４を形成する。図１の光学系の下側に光軸方向から見た発光点１，上側に光軸方向から見たスポット４，及び後述のスポット５を示す。一方，発光点１の左端からの発光は集光レンズ２によって，径がＤの平行光束３’となり，光軸と角度θをなす方向に進行する。センサにおいて，平行光束３’は径がＤのスポット５を形成する。
【0021】
発光点１の中心からの発光の集光効率は，集光レンズ２のＦ値を用いて１／Ｆ2に比例する。Ｆ＝ｆ／Ｄであるから，Ｄ一定とすると，ｆが小さいほど集光光率が大きくなる。一方，発光点１の左端からの発光のスポット５はセンサの検出領域から右側にずれる。つまり，スポット４はセンサによってすべて検出されるが，スポット５は，スポット４と重なった比率でのみ検出される。この重なりが大きいほど発光点の全域について検出される光量が大きくなる。そのためには，平行光束３’の光軸となす角θが小さければ良く，θ＝tan-1(ｄ／２／ｆ)であるため，ｄ一定とすると，ｆが大きいほど良い。以上のように，発光点１の検出光量を大きくするためには，ｆを小さくした方が良い面と，ｆを大きくした方が良い面のトレードオフの関係があるが，どのようなｆが最も良いかの検討はこれまでになされていない。そこで，次に，発光点１の検出光量を大きくするためのｆ及びｇの条件を解明する。
【0022】
検出光量を評価するため，特許文献１の図３に示された蛍光検出装置を基準とする。この蛍光検出装置の典型例では，共通の集光レンズの焦点距離はｆ１＝５０ｍｍ，有効径はＤ１≧２５ｍｍである。このレンズの明るさはＦ＝ｆ１／Ｄ１≦２．０である。そこで，Ｆ0＝２．０の集光レンズを用いた場合に，焦点に位置する無限小サイズの発光点からの発光が，このレンズによって平行光束化され，その光量がすべてロスなくセンサで検出されるとき，その検出光量を基準（１００％）とする。以降では，任意の無限小サイズの発光点についての検出光量を上記基準に対する相対検出光量で評価する。また，平均の有効径ｄの有限サイズの発光点は，多数の無限小サイズの発光点で構成されていると考える。本明細書では，「有限サイズの発光点」は単に「発光点」と呼び，「無限小サイズの発光点」はその都度「無限小サイズの発光点」と呼ぶ。発光点の相対検出光量は，それを構成する多数の無限小サイズの発光点の相対検出光量の平均とする。例えば，上記の例で，集光レンズをＦ＝２．０からＦ＝１．４に置き換えると，集光効率が（Ｆ0／Ｆ）2＝２．０倍になるので，上記無限小サイズの発光点の相対検出光量は２００％となる。ただし，発光点から全方位に発光される全光量は一定とし，発光点の内部の発光密度は空間的に均一であると仮定する。また，本蛍光検出装置の典型例では，発光点アレイの発光点の間隔がｐ＝０．３６ｍｍ，発光点の数がＭ＝２４，発光点アレイの全幅がＡＷ＝ｐ＊（Ｍ－１）＝８．２８ｍｍであり，発光点アレイの中央に位置する発光点はレンズの焦点近傍に位置するため相対検出光量がほぼ１００％になるが，発光点アレイの端に位置する発光点はレンズの焦点から離れるため相対検出光量が減少し，約５０％となる。そこで，本発明では，各発光点の相対検出光量が５０％以上になるようにして，各発光点の検出感度が従来と同等以上になるようにすることを目標とする。
【0023】
図２は，図１に示した構成において，ｆをパラメータとして，ｇと相対検出光量の関係を計算した結果の図である。ここで，発光点１の平均の有効径はｄ＝０．０５ｍｍとした。また，個別の集光レンズ２の有効径をＤ＝０．５ｍｍとした。レンズの明るさＦ＝ｆ／０．５を考慮して相対検出光量を計算した。有効径ｄ＝０．０５ｍｍの発光点１を，０．１μｍ間隔の約５００個の無限小サイズの発光点で構成し，各無限小サイズの発光点について，図１のスポット４とスポット５の重なり面積比と同じ考え方によって相対検出光量を計算し，それらの平均により発光点１の相対検出光量を求めた。その結果，図２に示す通り，ｆは小さいほど，またｇは小さいほど相対検出光量が大きくなることを初めて見出した。これは，ｆを小さくすることによって発光点１の中心に位置する無限小サイズの発光点の相対検出光量が増大する効果が，ｆを大きくすることによって上記の重なり面積比を増大する効果よりも大きいことを示している。また，任意のｆに対して，ｇを小さくすることによって上記の重なり面積比を増大する効果が大きいことを示している。
【0024】
図１及び図２では，発光点１の中心を集光レンズ２の焦点に配置し，発光を平行光束にした。本発明は本条件においても良好に機能するが，後に詳しく説明する通り，発光点１の中心を集光レンズ２の焦点よりも若干離し，発光を若干絞った光束６にすると，高感度と低クロストークを両立する上で，より好適な条件となることが判明した。より具体的には，センサ位置において，すなわち集光レンズ２から光路長ｇの位置において発光点１の像を結ぶとき，発光点１の径を最小にできるため，最も良い条件であることが判明した。
【0025】
図３は，隣り合う２つの発光点１からの発光をそれぞれ，個別の集光レンズ２で集光し，センサ位置において発光点１の像である発光点像７をそれぞれ得る光学系の光軸を含む断面図である。本発明では，発光点像という表現は，発光点からの発光が結像された像を必ずしも意味するものではなく，発光点からの発光が集光された光束の，所定の位置における断面を一般に意味する。発光点１の径をｄ，集光レンズ２の焦点距離をｆ，集光レンズ２の有効径をＤ，発光点１の間隔及び集光レンズ２の間隔をｐ，センサの検出領域の径をＤ，集光レンズ２とセンサの光学的な距離（光路長）をｇ，センサ位置における発光点像７の径をｄ’とする。発光点１と集光レンズ２の距離を調節し，発光点１からの発光を集光レンズ２によってセンサ位置において結像させるとき，発光点像７の径ｄ’は最小となる。
このとき，像倍率は，
［式１］
ｍ＝（ｇ－ｆ）／ｆ
で表されるため，発光点像７の径ｄ’は，
［式２］
ｄ’≧ｍ＊ｄ＝（ｇ－ｆ）／ｆ＊ｄ
である。ここで，式（２）は，発光点１からの発光が集光レンズ２によってセンサ位置において結像される場合に等号が成立し，それ以外の場合に不等号が成立する。図３の光学系の下側に光軸方向から見た発光点１，上側に光軸方向から見た発光点像７を示す。本発明は，ｇ≧２＊ｆの場合に，つまりｍ≧１の場合に良好に機能する。より望ましくは，ｍ≧５，さらにはｍ≧１０が良い条件となる。これは，図２から明らかなように，相対検出光量を向上するためにはｆをｍｍレベルに縮小する必要がある一方で，ｇをそれほど縮小することは物理的に困難なためである。
このとき，像倍率は，
［式１］
ｍ＝（ｇ－ｆ）／ｆ
で表されるため，発光点像７の径ｄ’は，
［式２］
ｄ’≧ｍ＊ｄ＝（ｇ－ｆ）／ｆ＊ｄ
である。ここで，式（２）は，発光点１からの発光が集光レンズ２によってセンサ位置において結像される場合に等号が成立し，それ以外の場合に不等号が成立する。図３の光学系の下側に光軸方向から見た発光点１，上側に光軸方向から見た発光点像７を示す。本発明は，ｇ≧２＊ｆの場合に，つまりｍ≧１の場合に良好に機能する。より望ましくは，ｍ≧５，さらにはｍ≧１０が良い条件となる。これは，図２から明らかなように，相対検出光量を向上するためにはｆをｍｍレベルに縮小する必要がある一方で，ｇをそれほど縮小することは物理的に困難なためである。
【0026】
本明細書の各図では，発光点１及び発光点像７をそれぞれ円形で描くが，現実には円形とは限らず，その他の形状の場合がある。一般に，発光点１の径ｄ，及び発光点像７の径ｄ’はそれぞれ，発光点１，及び発光点像７の配列方向の幅とする。また，後述する通り，同じ発光検出装置の中で，集光レンズ２とセンサの光学的な距離（光路長）が複数存在する場合がある。その場合，集光レンズ２とセンサの光学的な距離を一般に光路長ｓとし，ｓの最大値を光路長ｇとして，上記の式（１），（２），及び下記の式（３）～（１８）を成立させれば良い。その理由を次に述べる。集光レンズ２とセンサの光学的な距離を変数ｓで表現すると，ｇを最大値として，０≦ｓ≦ｇである。このとき，任意のｓにおける発光点像７の径ｄ’(ｓ)は，ｄ’(ｓ＝０)＝Ｄと，ｄ’(ｓ＝ｇ)＝ｄ’のいずれか大きい方よりも小となる。すなわち，Ｄ≧ｄ’のときはｄ’(ｓ)≦Ｄ，Ｄ≦ｄ’のときはｄ’(ｓ)≦ｄ’となる。前者の場合はクロストークが発生せず，後者の場合はｓ＝ｇでクロストークの基準がクリアされていれば，０≦ｓ≦ｇでも同基準をクリアできることを意味している。一方で，相対検出光量はｓによらずに一定である。
【0027】
また，本明細書では，集光レンズ２が，その直径が有効径Ｄの円形であることを基本としているが，必ずしもその必要はない。一般に，集光レンズ２の有効径Ｄは，発光点１の配列方向，及び集光レンズ１の配列方向の幅を示し，これらの配列方向と直交する方向の幅はその限りではない。集光レンズ２は，円形でも，楕円形でも，正方形でも，長方形でも，その他の形状でも構わない。上述の議論において，発光点像７の径ｄ’(ｓ＝０)＝Ｄは，発光点１の配列方向，及び集光レンズ１の配列方向の径と考えれば良い。これらの配列方向と直交する方向の発光点像７の径は，どれだけ大きくても，クロストークに寄与することはない。また，ｇが十分に大きければ，ｄ’(ｓ＝ｇ)＝ｄ’はＤと無関係である。したがって，クロストークに関する以降の式（１３）～（１８）の条件は，集光レンズ２の配列方向と直交する方向の幅に関わらずそのまま成立する。一方で，仮に集光レンズ２の配列方向と直交する方向の幅を有効径Ｄよりも大とすれば，Ｆ値をＦ＝ｆ／Ｄよりも小さく，つまり集光効率をより高くすることが可能である。この場合，感度に関する以降の式（３）～（１２）の条件は，より一層高い相対検出光量及び感度をもたらすことができる。
【0028】
まず，高感度を得るための条件を検討する。発光点１からの発光の集光レンズ２による集光効率は，集光レンズ２のＦ値，Ｆ＝ｆ／Ｄにより表現できる。相対検出光量を５０％以上とするためには，Ｆ≦２．８，すなわちｆ≦２．８＊Ｄとすれば良い。一方で，集光レンズアレイを構成するためには，ｐ≧Ｄとする必要があるため，
［式３］
ｆ≦２．８＊ｐ
が相対検出光量が５０％以上の条件である。同様に，相対検出光量が１００％以上，２００％以上，４００％以上，及び８００％以上にするには，それぞれ，Ｆ≦２．０，１．４，１．０，及び０．７，すなわち，次の式（４），（５），（６），及び（７）が条件である。
［式４］
ｆ≦２．０＊ｐ
［式５］
ｆ≦１．４＊ｐ
［式６］
ｆ≦１．０＊ｐ
［式７］
ｆ≦０．７＊ｐ
［式３］
ｆ≦２．８＊ｐ
が相対検出光量が５０％以上の条件である。同様に，相対検出光量が１００％以上，２００％以上，４００％以上，及び８００％以上にするには，それぞれ，Ｆ≦２．０，１．４，１．０，及び０．７，すなわち，次の式（４），（５），（６），及び（７）が条件である。
［式４］
ｆ≦２．０＊ｐ
［式５］
ｆ≦１．４＊ｐ
［式６］
ｆ≦１．０＊ｐ
［式７］
ｆ≦０．７＊ｐ
【0029】
以上の式（３）～（７）は，発光点１と集光レンズ２の距離がｆで近似できるとき正しいが，より厳密には次のように表現できる。発光点１と集光レンズ２の距離は，発光点１からの発光が集光レンズ２によって光学的な距離ｇにおいて結像されるとき，ｆ2／（ｇ－ｆ）＋ｆであるため，集光レンズ２の実効的なＦ値は，Ｆ’＝（ｆ2／（ｇ－ｆ）＋ｆ）／Ｄと表現できる。したがって，相対検出光量が５０％，１００％以上，２００％以上，４００％以上，及び８００％以上にするには，次の式（８），（９），（１０），（１１）及び（１２）が厳密な条件である。
［式８］
ｆ≦（１／（２．８＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式９］
ｆ≦（１／（２．０＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１０］
ｆ≦（１／（１．４＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１１］
ｆ≦（１／（１．０＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１２］
ｆ≦（１／（０．７＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式８］
ｆ≦（１／（２．８＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式９］
ｆ≦（１／（２．０＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１０］
ｆ≦（１／（１．４＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１１］
ｆ≦（１／（１．０＊ｐ）＋１／ｇ）-1
［式１２］
ｆ≦（１／（０．７＊ｐ）＋１／ｇ）-1
【0030】
次に，低クロストークを得るための条件を検討する。図３に示すように，隣り合う発光点１の発光点像７が互いに重ならない場合はクロストークが存在しないが，図４に示すように，隣り合う発光点１の発光点像７が互いに重なるとクロストークが発生する。以降，クロストークを，図４において，発光点像７の面積に対する，隣り合う発光点像７の重なり面積の比率Ｘで表現する。クロストークをＸ以下とするためには，
［式１３］
Ｘ＝１／π＊（cos-1(Ｖ2／２－１)－sin(cos-1(Ｖ2／２－１))）
として，
［式１４］
Ｖ≦２＊ｐ／ｄ’
が条件となる。式（２）を用いて式（１４）を変形すると，
［式１５］
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（Ｖ＊ｄ）＋１）＊ｇ
と表すことができる。
［式１３］
Ｘ＝１／π＊（cos-1(Ｖ2／２－１)－sin(cos-1(Ｖ2／２－１))）
として，
［式１４］
Ｖ≦２＊ｐ／ｄ’
が条件となる。式（２）を用いて式（１４）を変形すると，
［式１５］
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（Ｖ＊ｄ）＋１）＊ｇ
と表すことができる。
【0031】
検出対象となる発光点１からの発光の検出を，両隣の発光点１からの発光の影響を受けずに実行するためには，図４において，２つの発光点像７の距離が，少なくとも発光点像の半径（又は径の半分）よりも大である必要がある。これを式（１３），式（１４）で表すと，Ｘ＝０．３９（３９％），Ｖ＝１となり，式（１５）は，
［式１６］
ｆ≧１／（２＊ｐ／ｄ＋１）＊ｇ
で表すことができる。
［式１６］
ｆ≧１／（２＊ｐ／ｄ＋１）＊ｇ
で表すことができる。
【0032】
複数の発光点１からの発光を，より実効的に，独立に検出するためには，両隣からのクロストークの合計の割合を５０％以下にすることが望ましく，そのためには，式（１３），式（１４）で表すと，Ｘ＝０．２５（２５％），Ｖ＝１．２７となり，式（１５）は，
［式１７］
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（１．２７＊ｄ）＋１）＊ｇ
が条件である。
［式１７］
ｆ≧１／（（２＊ｐ）／（１．２７＊ｄ）＋１）＊ｇ
が条件である。
【0033】
さらに望ましくは，クロストークを０％にすることが良く，そのためには，式（１３），式（１４）で表すと，Ｘ＝０（０％），Ｖ＝２となり，式（１５）は，
［式１８］
ｆ≧１／（ｐ／ｄ＋１）＊ｇ
が条件である。
［式１８］
ｆ≧１／（ｐ／ｄ＋１）＊ｇ
が条件である。
【0034】
以上の通り，与えられたｐ及びｄに対して，式（３）～（１２）のいずれかを満たすｇ及びｆを選定することによって所望の相対検出光量及び感度を得ることが可能である。一方，与えられたｐ及びｄに対して，式（１６）～（１８）のいずれかを満たすｇ及びｆを選定することによって所望のクロストークを得ることが可能である。つまり，式（３）～（１２）のいずれかと，式（１６）～（１８）のいずれかの両者を満たすｇ及びｆを選定することによって，トレードオフの関係にある相対検出光量とクロストークを所望のレベルで両立させることができる。
【0035】
図５は，典型例として，ｐ＝１ｍｍ，ｄ＝０．０５ｍｍとした場合について式（３）～（１２）及び式（１６）～（１８）を，横軸ｇ，縦軸ｆで図示したものである。曲線又は直線に示す番号は，対応する番号の式の境界線を示し，↓は境界線から下側の領域，↑は境界線から上側の領域を示す。例えば，相対検出光量を５０％以上の条件である式（３）とするには，図５の直線↓（３）よりも下側の領域のｇ及びｆであれば良い。一方，クロストークを２５％以下の条件である式（１７）とするには，図５の直線↑（１７）より上側の領域のｇ及びｆであれば良い。つまり，相対検出光量を５０％以上かつクロストークを２５％以下とするには，図５の直線↓（３）よりも下側かつ直線↑（１７）より上側の領域のｇ及びｆであれば良い。
【0036】
図５に示されるｇ及びｆを用いた発光検出装置は，ｇとｆの大きさから明らかなように，高感度かつ低クロストークの性能だけでなく，特許文献１及び非特許文献１の検出装置と比較して，装置サイズを１桁～３桁も小型化することができる特長がある。以上から明らかなように，ｐが小さいほど，ｄが大きいほど，高感度，低クロストークの条件を満たすｇとｆの範囲が狭くなる一方，発光検出装置の小型化が必然の構成となる。逆に言えば，ｐが小さいほど，ｄが大きいほど，本発明の特徴が活かされ，従来法に対する効果が顕著になる。具体的にはｐ≦２０ｍｍ，より望ましくはｐ≦１０ｍｍの場合に本発明の特徴が特に活かされる。また，ｄ≧０．００５ｍｍ，より望ましくはｄ≧０．０１ｍｍの場合に本発明の特徴が特に活かされる。
【0037】
続いて，以上の条件に基づき，さらに多色検出を行う方法について説明する。図３又は図４における発光点像７の位置にカラーセンサを，センサ表面が集光レンズ２の光軸と垂直になるように，すなわち，発光点１の配列平面及び集光レンズ２の配列平面に対してセンサ表面が平行になるように配置する。ここで，カラーセンサとは，少なくとも２種類以上の異なる波長の光をそれぞれ識別して検出できる２種類以上の画素が配列したものである。最も一般的なカラーセンサは，一般消費者向けのデジタルカメラに用いられているカラーセンサであり，Ｒ，Ｇ，Ｂ，すなわち赤，緑，青の３種類の色を識別する３種類の画素が２次元状に多数配列している。本発明においても，そのような一般的なカラーセンサを用いることが可能である。近年の一般的なカラーセンサは感度が高く，本技術分野でも利用できる。上記のカラーセンサは，３色の識別に最も適しているが，デジタルカメラが行っているように，３種類の画素の強度比から４色以上の識別を行うことも可能である。したがって，上記のカラーカメラを用いた検出装置を，４色検出を行うＤＮＡシーケンサに応用することができる。
【0038】
ただし，発光点１からの発光の色識別を精度良く行うためには，発光点像７の径ｄ’を各種類の画素のサイズよりも大きくすることが有効である。これは，ひとつの発光点１について，及び各種類の画素について，複数の画素を用いて発光を検出することによって，発光点像７と画素の相対位置のばらつきの影響を回避できるためである。式（３）～（１２）及び式（１６）～（１８）に示す本発明の適正条件では，式（１）でｍ＞１，すなわち，式（２）でｄ’＞ｄとなる場合が多く，上記の条件を満足させることが容易である。また，発光点１の配列平面及び集光レンズ２の配列平面がセンサ表面と平行であるため，センサ表面を集光レンズ２の配列平面に接近させることが可能であり，式（３）～（１２）及び式（１６）～（１８）の条件に従うことが容易である。
【0039】
最近は，Ｒ，Ｇ，Ｂに加えてＩＲ（赤外）を加えた４種類の画素を有するカラーセンサが市販されており，そのようなカラーセンサをＤＮＡシーケンサにおける４色検出に用いることは有用である。複数種類の画素は同一平面上に配列されているものでも，センサ表面と垂直方向に配列されているものでも良い。以上のように，既に実用化されているカラーセンサを本発明に適用することは，開発コストを抑える点で有効である。もちろん，カラーセンサの画素の種類数，各種類の画素が識別する色の特性を目的に応じてカスタマイズさせることは有効である。
【0040】
図６は，カラーセンサを用いた多色検出装置の例を示す。図６（ａ）は，集光レンズ２の各光軸を含む平面に垂直方向から見た多色検出装置，図６（ｂ）は２次元カラーセンサ１１で検出されるイメージ１２を示す。ここでは４色検出を行う例を示す。
【0041】
図６（ａ）に示すように，各発光点１からの発光を，それぞれ個別に集光レンズ２により集光して光束９とし，共通のロングパスフィルタ１０を並列に透過させ，共通の２次元カラーセンサ１１に並列に入射させる。ロングパスフィルタ１０は，励起光など，多色検出の邪魔となる波長の光を遮断するために設ける。図６（ｂ）に示すように，２次元カラーセンサ１１のイメージ１２上には，各発光点１からの発光の発光点像７がそれぞれ形成される。２次元カラーセンサ１１は，例えば，主にＡ発光を検出するＡ画素１３，主にＢ発光を検出するＢ画素１４，主にＣ発光を検出するＣ画素１５，主にＤ発光を検出するＤ画素１６の４種類の画素がそれぞれ多数個，規則正しく配列して構成されている。各画素１３，１４，１５，１６のサイズはいずれもＳ＝０．０５ｍｍである。一方で，ｄ＝０．０５ｍｍ，ｆ＝１ｍｍ，ｇ＝１０ｍｍとし，発光点１を２次元カラーセンサ上で結像させると，式（１）よりｍ＝９，式（２）よりｄ’＝０．４５ｍｍである。つまり，Ｓ＜ｄ’が満たされ，発光点像７は約６４個の画素で検出され，１種類の画素あたり約１６画素で検出される。
【0042】
このように，各種類の画素について，多数個の画素が各発光点像７を検出することによって，発光点１からの発光の４色検出を精度良く行うことができる。例えば，各種類の画素と，発光点像７の相対位置が変動したとしても問題にならない。あるいは，発光点像７内の光強度分布が不均一であったとしても，各色を均等かつ安定に検出できる。図６に示す多色検出装置では，各発光点１の径ｄ，各発光点１及び各集光レンズ２の間隔ｐ，各集光レンズ２の焦点距離ｆ，有効径Ｄ，各集光レンズ２とセンサ１１の光学的な距離ｇが，式（３）～（７），式（８）～（１２），及び式（１６）～（１８）のそれぞれの，いずれかが満足され，所定の高感度と低クロストークを実現するとともに，検出装置の小型化と低コスト化を実現している。
【0043】
一方，図６のように複数種類の画素が同一平面上に配列されているカラーセンサを用いる場合，入射光の利用効率が低いことが課題である。例えば，図６のように，４種類の画素が配列されたカラーセンサで４色を識別する場合，入射光の利用効率は１／４以下になってしまう。これは，より高感度な発光検出を行う場合の障害となる場合がある。入射光の利用効率は，複数種類の画素がセンサ表面と垂直方向に配列されているカラーセンサを用いることで改善される可能性があるが，そのようなカラーセンサはまだ一般的に用いられていない状況である。そこで，次に，入射光の利用効率の高い他の多色検出の方法を提案する。
【0044】
入射光の利用効率を高める手段のひとつに，１種類以上のダイクロイックミラー（以降，略してダイクロと呼ぶ）を用いる方法がある。ダイクロは，ガラス等の透明基板の少なくとも片側の正面に多層膜を形成し，一般に４５°で入射した光の反射光と透過光が異なる波長帯の光となるようにするものであり，反射光と透過光の両方を活用することによって，入射光の利用効率を高めることができる。一般に，１種類のダイクロを用いれば最大２色検出，２種類のダイクロを組み合わせれば最大３色検出，同様にＮ種類のダイクロを組み合わせれば最大Ｎ＋１色検出が可能である。上記のダイクロに加えて，バンドパスフィルタ，色ガラスフィルタ，又は全反射ミラーを併用する場合も多い。一般消費者向けのデジタルビデオカメラでは，３種類のダイクロを組み合わせ，３個のＣＣＤを用いて３色検出を行っているものがある。また，非特許文献１は，３種類のダイクロを組み合わせ，４個のＣＣＤを用いて４色検出を行っている例である。これらのように，ダイクロを用いる方法では，反射光と透過光の進行方向が異なることから複数のセンサを用いる場合が多い。このことは，本発明の目的である検出装置の小型化，及び低コスト化と相反する。
【0045】
図７は，これらの課題を解決した多色検出装置の例を示す。図７（ａ）は集光レンズ２の各光軸を含む平面に垂直方向から見た多色検出装置，図７（ｂ）はひとつの集光レンズ２の光軸を含み，集光レンズアレイの配列方向に垂直な多色検出装置の断面，図７（ｃ）は２次元センサ３０で検出されるイメージ２９を示す。ここでは４色検出を行う例を示す。
【0046】
例として４個の発光点アレイの各発光点１からの発光を，それぞれ個別の集光レンズ２により集光して光束９として，共通のロングパスフィルタ１０を並列に透過させるまでは図６と同様である。ここでは，共通の４種類のダイクロ１７，１８，１９，及び２０を図７（ｂ）のように並べて配置したダイクロアレイを用いる。各光束９を，各ダイクロ１７～２０にそれぞれ並列に入射させ，発光点アレイ方向と垂直方向に，光束２１，２２，２３，及び２４に４分割し，かつ，それぞれを光束９と同一方向，すなわち，集光レンズ２の光軸方向に進行させ，共通の２次元センサ３０に並列に入射させ，発光点像２５，２６，２７，及び２８を形成させる。ここで，ダイクロ２０は全反射ミラーで置き換えても良いが，以降では簡単のため，ダイクロ２８と呼ぶ。
【0047】
図７（ｃ）に示す通り，２次元センサ３０のイメージ２９上に，４個の発光点１からの発光が４分割された１６個の発光点像２５～２８が一括して観察される。ここで，光束９の内，ダイクロ１７を透過する光束が光束２１，ダイクロ１７及び１８で反射する光束が光束２６，ダイクロ１７で反射してダイクロ１８を透過してダイクロ１９で反射する光束が光束２３，ダイクロ１７で反射してダイクロ１８及び１９を透過してダイクロ２０で反射する光束が光束２４である。ロングパスフィルタ１０及びダイクロ１７～２０の透過特性及び反射特性を設計，制御することにより，光束２１は主にＡ蛍光，光束２２は主にＢ蛍光，光束２３は主にＣ蛍光，光束２４は主にＤ蛍光の成分を有するようにし，発光点像２５，２６，２７，及び２８の強度を検出することによって，Ａ，Ｂ，Ｃ，及びＤ蛍光を検出できるようにする。
【0048】
光束２１，２２，２３，及び２４の波長帯は任意に設計して良いが，これらが波長順に並んでいる方がダイクロ１７～２０の設計が容易である。つまり，Ａ蛍光の中心波長＞Ｂ蛍光の中心波長＞Ｃ蛍光の中心波長＞Ｄ蛍光の中心波長とするか，あるいは，Ａ蛍光の中心波長＜Ｂ蛍光の中心波長＜Ｃ蛍光の中心波長＜Ｄ蛍光の中心波長とするのが良い。また，図７には図示しないが，光束２１，２２，２３，及び２４の少なくとも１箇所以上の位置に，それぞれ異なる分光特性を有するバンドパスフィルタ，あるいは色ガラスフィルタを配置し，ダイクロ１７～２０の分光特性を補ったり，高めたりすることは有効である。さらに，図７には図示しないが，発光点１に発光をもたらすための励起光等の照射光を備えることは有効である。そのような照射光は，集光レンズ２を用いずに，集光レンズ２の光軸と垂直方向から照射すると，照射光が集光レンズ２を介してセンサに入射する比率を下げられるため，感度的に有利である。また，ロングパスフィルタ１０の代わりに，ダイクロ１７～２０とは別のダイクロを配置し，照射光を上記ダイクロで反射させてから集光レンズ２で絞って発光点１に照射し，発光点１からの発光は集光レンズ２で集光してから上記ダイクロを透過させ，図７と同様の多色検出装置で検出する，いわゆる落射発光検出の構成とすることも有効である。
【0049】
図７に示す多色検出装置では，各発光点１の径ｄ，各発光点１及び各集光レンズ２の間隔ｐ，各集光レンズ２の焦点距離ｆ，有効径Ｄ，各集光レンズ２とセンサ３０の光学的な距離ｇが，式（３）～（７），式（８）～（１２），及び式（１６）～（１８）のそれぞれの，いずれかを満足することにより，所定の高感度と低クロストークを実現するとともに，検出装置の小型化と低コスト化を実現している。ここで，図７に示すダイクロアレイを用いた多色検出装置を小型化，低コスト化する上での特徴を次の（１）～（１０）に纏める。これらの特徴は，必ずしも全てを満たす必要はなく，いずれかひとつでも満たすことは効果的である。
（１）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分を有するＮ個の光束に分割し，それぞれを同一方向に進行させる。
（２）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分を有するＮ個の光束に分割し，それぞれを各集光レンズの光軸方向に進行させる。
（３）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割する方向を，発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向とする。
（４）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割する方向を，各集光レンズの光軸と垂直方向とする。
（５）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割するＮ個のダイクロを，発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向に配列する。
（６）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割するＮ個のダイクロを，各集光レンズの光軸と垂直方向に配列する。
（７）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分にＮ個に分割したＭ×Ｎ個の光束をセンサに，再集光せずに，直接入射する。
（８）発光点アレイのＭ個の発光点について，各発光点からの発光を集光する集光レンズアレイの各集光レンズの光軸とセンサ面を垂直とする。
（９）Ｎ個の異なる種類のダイクロで構成し，各ダイクロをそれぞれ単一の部材で構成し，発光点アレイのＭ個の発光点からの発光を個別に集光したＭ個の光束を各ダイクロに並列に入射する。
（１０）発光点アレイのＭ個の発光点からの発光を個別に集光したＭ個の光束をそれぞれ異なる波長成分にＮ個に分割したＭ×Ｎ個の光束を単一のセンサに並列に入射する。
（１）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分を有するＮ個の光束に分割し，それぞれを同一方向に進行させる。
（２）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分を有するＮ個の光束に分割し，それぞれを各集光レンズの光軸方向に進行させる。
（３）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割する方向を，発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向とする。
（４）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割する方向を，各集光レンズの光軸と垂直方向とする。
（５）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割するＮ個のダイクロを，発光点アレイ及び集光レンズアレイの配列方向と垂直方向に配列する。
（６）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分に分割するＮ個のダイクロを，各集光レンズの光軸と垂直方向に配列する。
（７）発光点アレイのＭ個の発光点について，集光レンズアレイによって各発光点からの発光を集光したＭ個の光束を，それぞれ異なる波長成分にＮ個に分割したＭ×Ｎ個の光束をセンサに，再集光せずに，直接入射する。
（８）発光点アレイのＭ個の発光点について，各発光点からの発光を集光する集光レンズアレイの各集光レンズの光軸とセンサ面を垂直とする。
（９）Ｎ個の異なる種類のダイクロで構成し，各ダイクロをそれぞれ単一の部材で構成し，発光点アレイのＭ個の発光点からの発光を個別に集光したＭ個の光束を各ダイクロに並列に入射する。
（１０）発光点アレイのＭ個の発光点からの発光を個別に集光したＭ個の光束をそれぞれ異なる波長成分にＮ個に分割したＭ×Ｎ個の光束を単一のセンサに並列に入射する。
【0050】
以上では，発光点アレイからの各発光を集光レンズアレイの各集光レンズで集光した各光束を，上記集光レンズ以外の他のレンズによって再集光せずに，センサに直接入射させる場合について説明した。以下では，発光点アレイからの各発光を集光レンズアレイの各集光レンズで集光した各光束を，上記集光レンズ以外の他のレンズによって再集光してからセンサに入射させる場合について説明する。以降，各光束について，再集光するためのレンズを再集光レンズと呼ぶことにする。
【0051】
式（１）～（１８）の導出にあたっては，集光レンズとセンサの光学的な距離をｇとしたが，再集光レンズを用いる場合は，集光レンズと再集光レンズの光学的な距離をｇとすれば，式（１）～（１８）がそのまま高感度及び低クロストークの条件とすることができる。つまり，図３あるいは図４において，発光点像７の位置が，センサの位置ではなく，再集光レンズの位置と考えれば良い。仮に，再集光レンズの位置で，高感度及び低クロストークの条件になっていなければ，例えば，隣り合う光束の重なりが大き過ぎれば，再集光レンズ以降の構成がいかなるものであっても，高感度及び低クロストークの性能が改善することはないためである。集光レンズから光路長ｇの位置に，集光レンズと同数の再集光レンズを，対となる集光レンズと再集光レンズの光軸を一致させて，間隔ｐで配列する。再集光レンズの有効径を，集光レンズの有効径と等しく，Ｄとすることによって，再集光レンズによる検出光量のロスを抑え，かつ再集光レンズアレイを構築することができる。センサは，再集光レンズよりも後段の，集光レンズからの光路長がｇよりも大の位置に配置する。このように考えれば，図３あるいは図４での高感度，低クロストークを実現するための条件が，再集光レンズを用いる場合にも，そのまま成立することが分かる。
【0052】
図８は，波長分散素子及び再集光レンズアレイを用いた多色検出装置の例を示す模式図である。図８（ａ）は集光レンズ２の各光軸を含む平面に垂直な方向から見た多色検出装置の模式図，図８（ｂ）はひとつの集光レンズ２及び対となる再集光レンズ３３の光軸を含み，集光レンズアレイ及び再集光レンズアレイの配列方向に垂直な多色検出装置の断面模式図，図８（ｃ）は２次元センサ３７で検出されるイメージ４２を示す図である。ここでは３色検出を行う例を示す。
【0053】
図８（ａ）に示すように，発光点１からの発光を集光レンズ２により集光して光束９としてロングパスフィルタ１０を透過させるまでは図６と同様である。その後，図８（ｂ）に示すように，各光束９を，波長分散素子である，共通の透過型回折格子３１に並列に入射させて発光点アレイ方向と垂直方向に波長分散させ，再集光レンズ３３で再集光し，２次元センサ３７に入射させる。ここで，光束３４，３５，及び３６はそれぞれ，Ａ，Ｂ，及びＣ蛍光の中心波長の光束を示す。図８（ｃ）に示すように，２次元センサ３７のイメージ４２上で，各発光点１からの発光の波長分散像４１が得られる。ここで，波長分散像４１の内，像３８，３９，及び４０はそれぞれ，Ａ，Ｂ，及びＣ蛍光の中心波長の光束の像を示す。
【0054】
図８に示す多色検出装置では，各発光点１の径ｄ，各発光点１及び各集光レンズ２の間隔ｐ，各集光レンズ２の焦点距離ｆ，有効径Ｄ，各集光レンズ２と各再集光レンズ３３の光学的な距離ｇが，式（３）～（７），式（８）～（１２），及び式（１６）～（１８）のそれぞれの，いずれかを満足することにより，所定の高感度と低クロストークを実現するとともに，検出装置の小型化と低コスト化を実現している。
【0055】
図８では，再集光レンズを用いる場合は，集光レンズと再集光レンズの光学的な距離をｇとして，式（３）～（７），式（８）～（１２），及び式（１６）～（１８）のそれぞれの，いずれかを満足させることが良いことを示した。同様に，発光点アレイの各発光点からの発光をそれぞれ個別に集光して光束とする集光レンズからの光学的な距離がｇの位置に，各光束を互いに異なる方向に進行させる光学素子，あるいは，各光束の間隔を拡大させる光学素子を配置し，式（３）～（７），式（８）～（１２），及び式（１６）～（１８）のそれぞれの，いずれかを満足させることは有効である。
【0056】
例えば，図９は，光学素子として，図６のロングパスフィルタ１０の後段にプリズム４３を配置することにより，各光束９を，互いに異なる方向に進行させてから，共通の２次元カラーセンサ１１に並列に入射して検出している。図９（ａ）は集光レンズ２の各光軸を含む平面に垂直方向から見た多色検出装置，図９（ｂ）は２次元カラーセンサ１１で検出されるイメージ１２を示す。プリズム４３は，各光束９の入射位置によって，屈折の方向と角度が変化し，屈折後の各光束４４の間隔が拡大するようにしている。集光レンズ２とプリズム４３の光学的な距離をｇとすれば，式（１）～（１８）がそのまま高感度及び低クロストークの条件となる。加えて，２次元カラーセンサ１１のイメージ１２上の発光点像４５の間隔が，図６の場合と比較して拡大するため，プリズム４３以降でのクロストークの増大を回避し，各発光点１からの発光の独立検出が容易となる。また，発光点像４５の間隔が大きいため，図９のようにセンサが共通の２次元カラーセンサである必要は必ずしもなく，各光束４４を個別のカラーセンサで検出することも可能である。プリズム４３を図７の構成に適用する場合は，プリズム４３をロングパスフィルタ１０とダイクロアレイの中間に配置するのが良い。集光レンズ２とプリズム４３の光路長は，集光レンズ２と２次元センサ３０の光路長よりも小さくすることができるため，低クロストークの条件を満たすことがより容易になる。また，図７（ｃ）における発光点像２５～２８の，光束分割方向の間隔は変化しないが，発光点アレイ方向の間隔が広がるため，クロストークを低減することが容易となる。
【0057】
以上のように，ダイクロ，フィルタ，全反射ミラー，回折格子，及びセンサ等を複数の発光点について共通化することによって装置構成が簡略化され，実装が容易化される。また，検出装置の全体サイズが小型化される。さらに，以上の構成によれば，各発光点について検出効率及び分光精度は等価であり，感度及び色識別のばらつきを低減することが可能である。
【0058】
図１０は，光学素子として，図６のロングパスフィルタ１０の後段に光ファイバ４６を配置した例である。各光束９を，個別の光ファイバ４６の入射端より入射させ，相互の間隔を拡大した出射端より出射させ，出射した光束４７を共通の２次元カラーセンサ１１に並列に入射して検出している。図１０（ａ）は集光レンズ２の各光軸を含む平面に垂直方向から見た多色検出装置，図１０（ｂ）は２次元カラーセンサ１１で検出されるイメージ１２を示す。
【0059】
集光レンズ２と光ファイバ４６の入射端の光学的な距離をｇとすれば，式（１）～（１８）がそのまま高感度及び低クロストークの条件となる。加えて，２次元カラーセンサ１１のイメージ１２上の発光点像４８の間隔が，図６の場合と比較して拡大するため，光ファイバ４６以降でのクロストークの増大を回避し，各発光点１からの発光の独立検出が容易となる。また，発光点像４８の間隔が大きいため，図１０のようにセンサが共通の２次元カラーセンサである必要は必ずしもなく，各光束４７を個別のカラーセンサで検出することも可能である。光ファイバ４６を図７の構成に適用する場合は，光ファイバ４６の入射端を図７の２次元センサ３０の位置，つまりダイクロアレイの後段に配置するのが良い。また，光ファイバ４６は，図７（ｃ）の発光点像２５～２８のすべてに対応させることができる。これにより，発光点像２５～２８の相互の間隔や配置を任意に設定できるため，個々を個別のセンサで検出したり，所望の１次元センサや２次元センサで検出することが容易となる。
【0060】
以下，本発明の実施例を説明する。
［実施例１］
図１１は，キャピラリアレイＤＮＡシーケンサの装置構成例を示す模式図である。図１１を用いて分析手順を説明する。まず，複数のキャピラリ４９（図１１では４本のキャピラリ４９を示す）の試料注入端５０を陰極側緩衝液６０に浸し，試料溶出端５１をポリマブロック５５を介して陽極側緩衝液６１に浸した。ポンプブロック５５のバルブ５７を閉じ，ポンプブロック５５に接続されたシリンジ５６により内部のポリマ溶液に加圧し，ポリマ溶液を各キャピラリ４９の内部に，試料溶出端５１から試料注入端５０に向かって充填した。次に，バルブ５７を開け，各キャピラリに試料注入端５０から異なる試料を注入した後，陰極５８と陽極５９の間に電源６２により高電圧を印加することにより，キャピラリ電気泳動を開始した。４色の蛍光体で標識されたＤＮＡは試料注入端５０から試料溶出端５１に向かって電気泳動した。
［実施例１］
図１１は，キャピラリアレイＤＮＡシーケンサの装置構成例を示す模式図である。図１１を用いて分析手順を説明する。まず，複数のキャピラリ４９（図１１では４本のキャピラリ４９を示す）の試料注入端５０を陰極側緩衝液６０に浸し，試料溶出端５１をポリマブロック５５を介して陽極側緩衝液６１に浸した。ポンプブロック５５のバルブ５７を閉じ，ポンプブロック５５に接続されたシリンジ５６により内部のポリマ溶液に加圧し，ポリマ溶液を各キャピラリ４９の内部に，試料溶出端５１から試料注入端５０に向かって充填した。次に，バルブ５７を開け，各キャピラリに試料注入端５０から異なる試料を注入した後，陰極５８と陽極５９の間に電源６２により高電圧を印加することにより，キャピラリ電気泳動を開始した。４色の蛍光体で標識されたＤＮＡは試料注入端５０から試料溶出端５１に向かって電気泳動した。
【0061】
各キャピラリ４９の，試料注入端５０より一定距離電気泳動された位置（レーザ照射位置５２）を被覆除去して同一平面上に配列し，レーザ光源５３より発振されたレーザビーム５４を，集光してから，配列平面の側方より，配列平面に沿って導入し，各キャピラリ４９のレーザ照射位置５２を一括照射した。４色の蛍光体で標識されたＤＮＡを各キャピラリ４９の内部で電気泳動し，レーザ照射位置５２を通過する際に励起し，蛍光を発光させた。各キャピラリ４９の内部からの発光は発光点アレイを形成し，各発光は，配列平面に対して垂直方向（図１１の紙面に垂直方向）から図６～１０に代表される多色検出装置によって検出した。
【0062】
本実施例では，図１１のキャピラリＤＮＡシーケンサにダイクロアレイによる多色検出装置を用いる場合について具体的に説明する。外径０．３６ｍｍ，内径０．０５ｍｍの４本のキャピラリ４９のレーザ照射位置５２を間隔ｐ＝１ｍｍで同一平面上に配列し，径０．０５ｍｍに絞ったレーザビーム５４を配列平面側方より照射することで，数がＭ＝４個，有効径ｄ＝０．０５ｍｍの発光点１が間隔ｐ＝１ｍｍで配列する発光点アレイを得た。ここで，発光点の有効径は，キャピラリの内径と一致するとした。レーザビーム５４の波長は５０５ｎｍ，４色の蛍光（発光極大波長）は，Ａ蛍光（５４０ｎｍ），Ｂ蛍光（５７０ｎｍ），Ｃ蛍光（６００ｎｍ），及びＤ蛍光（６３０ｎｍ）とした。発光点アレイの全幅はＡＷ＝ｐ＊（Ｍ－１）＝３ｍｍとした。焦点距離ｆ＝１．５ｍｍ，有効径Ｄ＝１ｍｍの４個の集光レンズ２を間隔ｐ＝１ｍｍで配列した集光レンズアレイ８の各集光レンズ２により，各発光点１からの発光をそれぞれ集光した。以上のｄ，ｐ，ｆ，及びＤは，発光点毎に，及び集光レンズ毎に等しくすることを基本とするが，必ずしも等しい必要はない。そのような場合は，ｄ，ｐ，ｆ，及びＤは，複数の発光点，及び集光レンズについての平均値とする。
【0063】
図１２は，ひとつの集光レンズ２の光軸を含み，集光レンズアレイ８の配列方向に垂直な多色検出装置の断面であるが，図７と異なり，各集光レンズ２の光軸と，ダイクロアレイによる光束の分割後の進行方向が垂直，すなわち各集光レンズ２の光軸と２次元センサ３０のセンサ面を平行とした。その他の点は図７に従った。ただし，図１２では発光点１を図示省略している。
【0064】
集光レンズ２から距離３ｍｍの位置に，集光レンズ２の光軸と法線が平行になるように，幅がα＝５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍのロングパスフィルタ１０を配置した。また，幅がα＝５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍの石英基板（屈折率ｎ0＝１．４６）の右下正面に多層膜又は単層膜を形成したダイクロ１７，１８，１９，２０を，集光レンズ２の光軸に対して法線を４５°に傾け，５ｍｍ間隔で配置した。図７と同様に，ダイクロ２０は，全反射ミラーで置き換えても構わない。図１２は，ロングパスフィルタ１０，ダイクロ１７～２０はいずれも，α×βの側面を示しており，γは紙面に垂直方向である。また，ダイクロ１７，１８，１９の左上正面に，反射ロスを低減するための反射防止膜を形成した。さらに，ダイクロ１７，１８，１９，及び２０の全側面には，意図しない迷光を防ぐため，光の透過を防ぐ遮光膜を形成した。集光レンズ２から距離５ｍｍの位置に（つまり，ロングパスフィルタ１０から距離２ｍｍの位置に），ダイクロ１７の右端を配置した。ダイクロ１７，１８，１９，及び２０の上端，下端をそれぞれ同一平面上に配置した。ダイクロ１７，１８，１９，及び２０の下端から距離５ｍｍの位置に２次元センサ３０を配置した。以上の光学系要素はいずれも空中に配置した。空中配置とするのは，ダイクロの分光性能が高くなるためである。
【0065】
図１２に示す１１本の光束要素６５は，上記のダイクロアレイによって入射する平行な光束を設計通りに４分割することができ，かつ光束の幅が最大となる場合の光束を示し，反射の法則，屈折の法則を用いて，それらの光路を計算した結果を示している。以降，上記の最大光束幅を，ダイクロアレイの開口幅６３と呼び，その大きさをＷで表す。開口幅は，ダイクロアレイが入射する光束を設計通りに良好に分割することができる，光束の最大幅を意味する。開口幅Ｗと，発光点１からの発光を集光レンズ２で集光して得られる光束の，集光レンズ２からの光路長ｓにおける幅ｄ’(ｓ)は一般には異なる。ｄ’(ｓ)は実際の光束の幅であるのに対して，Ｗは与えられた条件下の多色検出装置が受け入れることができる光束の幅の最大値を示している。つまり，集光レンズ２で集光した光束の光量をロスせずに分割するためには，Ｗ≧ｄ’(ｓ)とするのが良い。また，Ｗは大きいほど，集光レンズ２で集光した光束の中心軸と，開口幅６３の中心軸のずれに対する許容度が増すので良い。集光レンズ２から左に進行する１１本の光束要素６５は，光束の開口幅６３内で等間隔とし，互いに平行とした。
【0066】
図１２に示した通り，各光束要素６５は，各ダイクロ１７～１９を通過する際に，内部屈折により上側に順次平行移動した。この影響を低減するため，集光レンズ２の光軸，及び集光レンズから出射する光束要素の中心は，ダイクロ１７の右下正面の中央よりも下側に配置した。一方，集光レンズ２と２次元センサ３０の光学的な距離である光路長ｓは，図１２から明らかなように，４つに分割された光束によって異なり，ダイクロ１７～１９を透過し，ダイクロ２０で反射する光束が最大の光路長６４を与える。以降では，集光レンズとセンサの間に複数の光路が存在する場合，その内の最も長い光路の光路長６４を，その光検出装置の光路長とし，その大きさをｇで表す。図１２の多色検出装置については，開口幅６３はＷ＝２．１ｍｍ，光路長６４はｇ＝２９ｍｍと計算された。以上のＷ及びｇは，発光点毎に，及び集光レンズ毎に等しくすることを基本とするが，必ずしも等しい必要はない。そのような場合は，Ｗ及びｇは，複数の発光点，及び集光レンズについての平均値とする。
【0067】
発光点１と，焦点距離がｆ＝１．５ｍｍの集光レンズ２の光学的な距離を約１．５８ｍｍとすることによって，発光点１からの発光を，集光レンズ２から光学的な距離がｇ＝２９ｍｍにおいて，式（１）より像倍率がｍ＝１８．３，式（２）より径がｄ＝０．０５ｍｍの発光点１の発光点像７の径がｄ’＝０．９２ｍｍで結像した。上記ｄ’と比較して集光レンズの有効径Ｄ＝１ｍｍの方が大であるため，集光レンズ２からの光路長ｓが０ｍｍ≦ｓ≦２９ｍｍに対して，ｄ’(ｓ)≦１ｍｍであり，ｄ’(ｓ)≦Ｗ＝２．１ｍｍが成立した。したがって，ダイクロ１７～２０で４個に分割した光束は，いずれもロスなく，２次元センサ３０に到達させることができた。
【0068】
以上の多色検出装置では，式（４），式（９），及び式（１８）が満足され，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークが０％の高感度，低クロストーク条件が得られることが分かった。多色検出装置のサイズは，発光点アレイの全幅ＡＷ＝３ｍｍ，図１２に示す通り，集光レンズ２の光軸方向の幅２４．２ｍｍ，集光レンズ２の光軸及び発光点アレイに垂直方向の幅９．２ｍｍで規定される直方体の体積（６６８ｍｍ2）よりも小さくすることができる。すなわち，特許文献１の場合と比較して，蛍光検出装置の全体サイズを１／２，４００倍に小型化できる。また，用いる光学素子はいずれも微細であるため，大幅な低コスト化が可能である。以上のｍ及びｄ’は，発光点毎に，及び集光レンズ毎に等しくすることを基本とするが，必ずしも等しい必要はない。そのような場合は，ｍ及びｄ’は，複数の発光点，及び集光レンズについての平均値とする。
【0069】
［実施例２］
実施例１の図１２の多色検出装置では，ダイクロアレイ，集光レンズアレイ，発光点アレイの配列方向は，いずれも２次元センサ３０のセンサ面と平行に配列するため，これらの間で立体障害は発生しない。しかしながら，キャピラリアレイの各キャピラリ４９の配列平面は２次元センサ３０のセンサ面と垂直となるため，これらの立体障害が発生する場合があり，装置構成上の課題となる。そこで，本実施例では本課題を解決する多色検出装置を提案する。
実施例１の図１２の多色検出装置では，ダイクロアレイ，集光レンズアレイ，発光点アレイの配列方向は，いずれも２次元センサ３０のセンサ面と平行に配列するため，これらの間で立体障害は発生しない。しかしながら，キャピラリアレイの各キャピラリ４９の配列平面は２次元センサ３０のセンサ面と垂直となるため，これらの立体障害が発生する場合があり，装置構成上の課題となる。そこで，本実施例では本課題を解決する多色検出装置を提案する。
【0070】
キャピラリＤＮＡシーケンサにおける，キャピラリアレイから集光レンズアレイまでの構成は実施例１と同様とし，図１２の構成を図１３の構成に置き換えた。図１３は，ひとつの集光レンズ２の光軸を含み，集光レンズアレイ８の配列方向に垂直な多色検出装置の断面模式図であり，図７と同様に，各集光レンズ２の光軸と分割後の光束の進行方向が平行，すなわち各集光レンズ２の光軸と２次元センサ３０のセンサ面を垂直とした。集光レンズ２から距離３ｍｍの位置に，集光レンズ２の光軸と法線が平行になるように，幅がα＝５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍのロングパスフィルタ１０を配置した。また，幅がα＝５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍの石英基板（屈折率ｎ0＝１．４６）の，左上正面に多層膜を形成したダイクロ１７，右下正面に多層膜又は単層膜を形成したダイクロ１８，１９，及び２０を，集光レンズ２の光軸に対して法線を４５°に傾け，５ｍｍ間隔で配置した。ダイクロ１７の右下正面，ダイクロ１８，１９の左上正面に，反射ロスを低減するための反射防止膜を形成した。さらに，ダイクロ１７，１８，１９，及び２０の全側面には，意図しない迷光を防ぐため，光の透過を防ぐ遮光膜を形成した。
【0071】
集光レンズ２から距離５ｍｍの位置にダイクロ１７の上端を配置した。ダイクロ１７，１８，１９，２０の上端，下端をそれぞれ同一平面上に配置した。ダイクロ１７，１８，１９，及び２０の下端から距離５ｍｍの位置に２次元センサ３０を配置した。以上の光学系要素はいずれも空中に配置した。図１２と同様に，１１本の光束要素６５を示す。この結果，図１３の多色検出装置については，開口幅６３はＷ＝１．７ｍｍ，光路長６４はｇ＝２８ｍｍと計算され，図１２と同等の性能が得られた。
【0072】
発光点１と集光レンズ２の光学的な距離を約１．５８ｍｍとすることによって，発光点１からの発光を，集光レンズ２から光学的な距離がｇ＝２８ｍｍにおいて，像倍率がｍ＝１７．７，発光点像７の径がｄ’＝０．８８ｍｍで結像した。上記ｄ’と比較して集光レンズの有効径Ｄ＝１ｍｍの方が大であるため，集光レンズからの光学的距離ｓが０ｍｍ≦ｓ≦２８ｍｍに対して，ｄ’(ｓ)≦１ｍｍであり，ｄ’(ｓ)≦Ｗ＝１．７ｍｍが成立した。したがって，ダイクロ１７～２０で４個に分割した光束は，いずれもロスなく，２次元センサ３０に到達させることができた。
【0073】
以上の多色検出装置では，式（４），式（９），及び式（１８）が満足され，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークが０％の高感度，低クロストーク条件が得られることが分かった。多色検出装置のサイズは，発光点アレイの全幅ＡＷ＝３ｍｍ，図１３に示す通り，集光レンズ２の光軸方向の幅１４．２ｍｍ，集光レンズ２の光軸及び発光点アレイの配列方向に垂直方向の幅１９．２ｍｍで規定される直方体の体積（８１８ｍｍ2）よりも小さくすることができる。すなわち，特許文献１の場合と比較して，蛍光検出装置の全体サイズを１／２，０００倍に小型化できる。また，用いる光学素子はいずれも微細であるため，大幅な低コスト化が可能である。
【0074】
図１３の多色検出装置では，ダイクロアレイ，集光レンズアレイ，発光点アレイの配列方向，さらにキャピラリアレイの配列平面のいずれも２次元センサ３０のセンサ面と平行に配列するため，これらの立体障害は発生しないため，これらの実装が容易となった。
【0075】
［実施例３］
実施例１及び実施例２の条件における，各キャピラリ４９の内径，すなわち発光点１の径ｄ＝０．０５ｍｍを，ｄ＝０．０７５ｍｍに拡大した条件について検討する。図１３の多色検出装置を用い，発光点１からの発光を，光路長ｇ＝２８ｍｍにおいて，像倍率がｍ＝１７．７，発光点像７の径がｄ’＝１．３３ｍｍで結像させた。上記ｄ’は，集光レンズの有効径Ｄ＝１ｍｍよりも大であるため，集光レンズからの光学的距離ｓが０ｍｍ≦ｓ≦２８ｍｍに対して，ｄ’(ｓ)≦１．３３ｍｍであり，ｄ’(ｓ)≦Ｗ＝１．７ｍｍが成立した。したがって，図１３と同様に，ダイクロ１７～２０で４個に分割した光束は，いずれもロスなく，２次元センサ３０に到達させることができた。
実施例１及び実施例２の条件における，各キャピラリ４９の内径，すなわち発光点１の径ｄ＝０．０５ｍｍを，ｄ＝０．０７５ｍｍに拡大した条件について検討する。図１３の多色検出装置を用い，発光点１からの発光を，光路長ｇ＝２８ｍｍにおいて，像倍率がｍ＝１７．７，発光点像７の径がｄ’＝１．３３ｍｍで結像させた。上記ｄ’は，集光レンズの有効径Ｄ＝１ｍｍよりも大であるため，集光レンズからの光学的距離ｓが０ｍｍ≦ｓ≦２８ｍｍに対して，ｄ’(ｓ)≦１．３３ｍｍであり，ｄ’(ｓ)≦Ｗ＝１．７ｍｍが成立した。したがって，図１３と同様に，ダイクロ１７～２０で４個に分割した光束は，いずれもロスなく，２次元センサ３０に到達させることができた。
【0076】
しかし，以上の多色検出装置では，式（４），式（９）は図１３と同様に満足されるものの，式（１８）が満足されず，式（１７）が満足された。したがって，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークは２５％以下の高感度，低クロストーク条件となり，クロストークについては図１３よりも劣化することが分かった。そこで，本実施例では，光路長ｇを縮小することによって，像倍率ｍ及び発光点像７の径ｄ’を縮小し，クロストークを低減することを狙う。光路長ｇを縮小するためには，各ダイクロ１７～２０の，サイズ及び配列間隔を縮小することが有効と考えられる。
【0077】
図１４は，図１３の条件における，ロングパスフィルタ１０及びダイクロ１７～２０を，幅がα＝５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍから，幅がα＝２．５ｍｍ，厚さがβ＝１ｍｍ，奥行きがγ＝５ｍｍに縮小し，ダイクロ１７～２０の配列間隔をｘ＝５ｍｍからｘ＝２．５ｍｍに縮小した場合の結果を示している。
【0078】
このとき，図１４において，ダイクロ１７の左端とダイクロ１８の右端の横方向（集光レンズ２の光軸と垂直方向）の位置が一致する。同様に，ダイクロ１８の左端とダイクロ１９の右端，及びダイクロ１９の左端とダイクロ２０の右端の横方向の位置がそれぞれ一致する。その他の条件は図１３と同等とした。図１４は，図１３と同じスケールで示す。
【0079】
その結果，光路長６４は，ｇ＝２８ｍｍからｇ＝１９ｍｍに縮小することができた。したがって，式（１）より像倍率がｍ＝１１．７，式（２）より発光点像の径がｄ’＝０．８８ｍｍとなり，式（４），（９）に加えて，式（１８）が満足されるようになった。つまり，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークは０％以下の高感度，低クロストーク条件となった。しかしながら，開口幅６３がＷ＝１．７ｍｍからＷ＝０．０３ｍｍに大幅に縮小されること，つまり集光レンズ２で集光された光束をロスなく２次元センサ３０に到達させることが不可能であることが明らかとなった。これは，各ダイクロのサイズと間隔の縮小に伴って，それぞれの厚さβ＝１ｍｍの相対的な比率が増大したため，光束が各ダイクロを通過する際に，内部屈折により上側に順次平行移動する影響を無視できなくなったためである。
【0080】
そこで，上記影響を解消するため，図１５に示す通り，ダイクロ１７～２０を同一平面配置から段ずれ配置に変更した。すなわち，上記平行移動に応じて，ダイクロ１７～２０の集光レンズ２の光軸方向の相対位置を同一平面から変化させた。以下で，図１４との相違点を説明する。まず，集光レンズ２から距離６．３ｍｍの位置にダイクロ１７の上端を配置した。次に，ダイクロ１８の下端を，ダイクロ１７の下端と比較して，ダイクロ１７を透過した光束の進行方向と反対側に，つまり図１５で上側に，ｙ＝０．７ｍｍだけずらした。続いて，ダイクロ１９の下端を，ダイクロ１８の下端と比較して，ダイクロ１８で反射した光束の進行方向と反対側に，つまり図１５で上側に，ｚ＝０．３ｍｍだけずらした。最後に，ダイクロ２０の下端を，ダイクロ１９の下端と比較して，ダイクロ１９で反射した光束の進行方向と反対側に，つまり図１５で上側に，ｚ＝０．３ｍｍだけずらした。
【0081】
以上の結果，開口幅６３が，図１４のＷ＝０．０３ｍｍから，Ｗ＝１．３ｍｍに大幅に拡大できることが判明した。一方，光路長６４がｇ＝２１ｍｍと，図１４よりわずかに増大したため，式（１）より像倍率がｍ＝１３，式（２）より発光点像の径がｄ’＝０．９８ｍｍとなった。上記ｄ’と比較して集光レンズの有効径Ｄ＝１ｍｍの方が大であるため，集光レンズからの光路長ｓが０ｍｍ≦ｓ≦２１ｍｍに対して，ｄ’(ｓ)≦１ｍｍであり，ｄ’(ｓ)≦Ｗ＝１．３ｍｍが成立した。したがって，ダイクロ１７～２０で４個に分割した光束は，いずれもロスなく，２次元センサ３０に到達させることができた。
【0082】
以上の多色検出装置では，図１４と同様に，式（４），式（９），及び式（１８）が満足され，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークが０％の高感度，低クロストーク条件が得られることが分かった。多色検出装置のサイズは，発光点アレイの全幅ＡＷ＝３ｍｍ，図１５に示す通り，集光レンズ２の光軸方向の幅１３．８ｍｍ，集光レンズ２の光軸及び発光点アレイの配列方向に垂直方向の幅１０ｍｍで規定される直方体の体積（４１４ｍｍ2）よりも小さくすることができる。すなわち，特許文献１の場合と比較して，蛍光検出装置の全体サイズを１／３，９００倍に小型化できる。また，用いる光学素子はいずれも微細であるため，大幅な低コスト化が可能である。
【0083】
［実施例４］
以上の実施例で明らかにしたように，ダイクロアレイを用いた多色検出装置では，開口幅Ｗの拡大と，光路長ｇの縮小というトレードオフの関係にあるふたつを両立させることが重要であり，この両立は装置の小型化に伴って困難となった。実施例３で示したダイクロアレイの配列間隔ｘ，及び段ずれｙ及びｚの調整は，この課題を解決する効果的な手段であった。本実施例では，上記の配列間隔と段ずれ配置を一般化し，開口幅Ｗの拡大と光路長ｇの縮小を両立する一般解を導出する。本発明におけるダイクロの配置の端的な特徴は，ダイクロの厚さβを考慮している点である。従来は，ダイクロのサイズ（α及びγ）が十分大きいために，βを考慮しなくても支障がなかったが，これらを小型化する場合，βを考慮した配置が重要なのである。特に，各ダイクロを，空中ではなく，ガラス材の内部に設置する場合は，β＝０と考えて支障がなかった。
以上の実施例で明らかにしたように，ダイクロアレイを用いた多色検出装置では，開口幅Ｗの拡大と，光路長ｇの縮小というトレードオフの関係にあるふたつを両立させることが重要であり，この両立は装置の小型化に伴って困難となった。実施例３で示したダイクロアレイの配列間隔ｘ，及び段ずれｙ及びｚの調整は，この課題を解決する効果的な手段であった。本実施例では，上記の配列間隔と段ずれ配置を一般化し，開口幅Ｗの拡大と光路長ｇの縮小を両立する一般解を導出する。本発明におけるダイクロの配置の端的な特徴は，ダイクロの厚さβを考慮している点である。従来は，ダイクロのサイズ（α及びγ）が十分大きいために，βを考慮しなくても支障がなかったが，これらを小型化する場合，βを考慮した配置が重要なのである。特に，各ダイクロを，空中ではなく，ガラス材の内部に設置する場合は，β＝０と考えて支障がなかった。
【0084】
図１６は，ひとつの集光レンズ２の光軸を含み，集光レンズアレイ８の配列方向に垂直な多色検出装置の断面模式図であり，ダイクロの幅α，厚さβが与えられたとき，開口幅Ｗを最大とし，光路長ｇを最小とする多色検出装置の構成を示している。図１５における，集光レンズ２，ロングパスフィルタ１０，２次元センサ３０は図示を省略した。
【0085】
図１６において，上から下に向かって入射する開口幅Ｗの光束７０は，ダイクロＭ(１)，Ｍ(２)，Ｍ(３)，…，及びＭ(Ｎ)で反射及び透過を順次繰り返し，上から下に向かって出射する光束Ｆ(１)，Ｆ(２)，Ｆ(３)，…，及び光束Ｆ(Ｎ)を得ている。ダイクロの数，すなわち光束７０の分割数は，図１６で例として４個としているが，本実施例では一般化してＮ個（Ｎ≧２）とする。もちろん，Ｎ番目のダイクロＭ(Ｎ)は全反射ミラーで置き換えても良い。以上では，図１２～１５に示すように，発光検出装置の光路長ｇを，集光レンズ２からセンサ３０までの最大長の光路の光路長で定義した。以降では，光路長ｇの一部として，ダイクロアレイの光路長Ｌを，図１６に示すように，最大長の光路（光束７０から光束Ｆ(Ｎ)に至る光路）における，光束７０の光軸上のダイクロアレイの最上端（ダイクロＭ(Ｎ)の上端）と同じ高さの位置から，光束Ｆ(Ｎ)の光軸上のダイクロアレイの最下端（ダイクロＭ(１)の下端）と同じ高さの位置までの光路長で定義する。
【0086】
各ダイクロは，屈折率ｎ0の透明基板の少なくとも一方の正面に光学的な膜が形成されたものであり，空気中に，間隔ｘで配置した。各ダイクロについて，図１６において左上正面から左上方向に向かう法線ベクトルを定義する。各ダイクロを，各法線ベクトルが，光束７０の進行方向と反対方向（図１６で下から上に向かう方向）に対して角度θ0（０≦θ0≦９０°）だけ傾くように傾けた。図１６では，θ0＝４５°で描いているが，本実施例では，０°≦θ0≦９０°の任意のθ0とする。以上より，各ダイクロＭ(１)～Ｍ(Ｎ)を，互いに略平行，かつ略等間隔に配列した。また，ダイクロＭ(２)の下端を，ダイクロＭ(１)の下端に対して，ｙだけ上側に，すなわちｙだけ光束Ｆ(１)の進行方向と反対方向に，ずらして配置した。さらに，ダイクロＭ(３)の下端を，ダイクロＭ(２)の下端に対して，ｚだけ上側に，すなわちｚだけ光束Ｆ(２)の進行方向と反対方向に，ずらして配置した。同様に，３≦ｎ≦Ｎとして，ダイクロＭ(ｎ)の下端を，ダイクロＭ(ｎ－１)の下端に対して，ｚだけ上側に，すなわちｚだけ光束Ｆ(ｎ－１)の進行方向と反対方向に，ずらして配置した。
【0087】
このとき，ダイクロＭ(１)の入射面における光束の入射角はθ0であり，ダイクロＭ(１)の入射面（左上正面）における光束の屈折角θ1は，
［式１９］
θ1＝sin-1(１／ｎ0＊sinθ0)
である。また，ダイクロＭ(２)～Ｍ(Ｎ)の入射面（右下正面）における光束の入射角は９０°－θ0であり，ダイクロＭ(２)～Ｍ(Ｎ)の入射面における光束の屈折角θ2は，
［式２０］
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))
である。光束７０の内，右端を光束右端６６として点線で示し，左端を光束左端６７として一点鎖線で示し，それぞれ光束Ｆ(１)，Ｆ(２)，Ｆ(３)，…，及び光束Ｆ(Ｎ)の右端，左端まで追跡して描いた。
［式１９］
θ1＝sin-1(１／ｎ0＊sinθ0)
である。また，ダイクロＭ(２)～Ｍ(Ｎ)の入射面（右下正面）における光束の入射角は９０°－θ0であり，ダイクロＭ(２)～Ｍ(Ｎ)の入射面における光束の屈折角θ2は，
［式２０］
θ2＝sin-1(１／ｎ0＊sin(９０°－θ0))
である。光束７０の内，右端を光束右端６６として点線で示し，左端を光束左端６７として一点鎖線で示し，それぞれ光束Ｆ(１)，Ｆ(２)，Ｆ(３)，…，及び光束Ｆ(Ｎ)の右端，左端まで追跡して描いた。
【0088】
図１６に従い，開口幅Ｗを最大とし，光路長Ｌを最小とするベストモードの二つの条件を次に記す。第一に，光束右端６６が，△で示す，ダイクロＭ(１)，Ｍ(２)，…，及びＭ(Ｎ－１)の左端の角６９を通過，もしくはかすめることである。第二に，光束左端６７が，○で示す，ダイクロＭ(１)の下端の角６８と，ダイクロＭ(２)，…，及びＭ(Ｎ－１)の左端の角６９を通過，もしくはかすめることである。以上の条件によれば，図１６の幾何学的な関係より，以下の関係式が導出される。まず，各ダイクロＭ(１)～Ｍ(Ｎ)の間隔ｘは，ベストモードにおいて，
［式２１］
ｘ＝ｘ0＝cosθ0＊α＋sinθ0＊β
となる。また，開口幅Ｗは，ベストモードにおいて，
［式２２］
Ｗ＝Ｗ0＝ａW＊α＋ｂW＊β
となる。ここで，
［式２３］
ａW≡cosθ0
［式２４］
ｂW≡－cosθ0＊tanθ1
とした。
［式２１］
ｘ＝ｘ0＝cosθ0＊α＋sinθ0＊β
となる。また，開口幅Ｗは，ベストモードにおいて，
［式２２］
Ｗ＝Ｗ0＝ａW＊α＋ｂW＊β
となる。ここで，
［式２３］
ａW≡cosθ0
［式２４］
ｂW≡－cosθ0＊tanθ1
とした。
【0089】
さらに，光路長Ｌは，ベストモードにおいて，
［式２５］
Ｌ＝Ｌ0＝ａL＊α＋ｂL＊β
である。ここで，
［式２６］
ａL≡（Ｎ－１）＊cosθ0＋sinθ0
［式２７］
ｂL≡（Ｎ－２）／cosθ0＊（２＊sin(９０°－θ0－θ2)＋１－sin(θ0＋θ2)）＋（Ｎ－２）＊sinθ0＋２＊cosθ0
とした。
［式２５］
Ｌ＝Ｌ0＝ａL＊α＋ｂL＊β
である。ここで，
［式２６］
ａL≡（Ｎ－１）＊cosθ0＋sinθ0
［式２７］
ｂL≡（Ｎ－２）／cosθ0＊（２＊sin(９０°－θ0－θ2)＋１－sin(θ0＋θ2)）＋（Ｎ－２）＊sinθ0＋２＊cosθ0
とした。
【0090】
一方，各ダイクロＭ(１)～Ｍ(Ｎ)の段差ｙ，及びｚは，ベストモードにおいて，
［式２８］
ｙ＝ｙ0＝cosθ0＊β
［式２９］
ｚ＝ｚ0＝sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
となる。
［式２８］
ｙ＝ｙ0＝cosθ0＊β
［式２９］
ｚ＝ｚ0＝sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
となる。
【0091】
以上の通り，ｘ0，Ｗ0，Ｌ0，ｙ0，及びｚ0はいずれもα及びβと関連付けられた。
【0092】
以上のα，β，ｎ0，θ0，ｘ，及びｚはダイクロイックミラー及び全反射ミラー毎に等しくすることを基本とするが，必ずしも等しい必要はない。そのような場合は，α，β，ｎ0，θ0，ｘ，及びｚは，複数のダイクロについての平均値とする。
【0093】
以上を逆に解くことにより，目標とする開口幅の最小値Ｗminを得るためのα，β，及びｘを導出できる。Ｗ0≧Ｗmin及び式（２２）より，
［式３０］
α≧－ｂW／ａW＊β＋１／ａW＊Ｗmin
となり（等号のときベストモード），式（２１）より，
［式３１］
ｘ≧（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋１／ａW＊cosθ0＊Ｗmin
となる（等号のときベストモード）。
［式３０］
α≧－ｂW／ａW＊β＋１／ａW＊Ｗmin
となり（等号のときベストモード），式（２１）より，
［式３１］
ｘ≧（sinθ0－ｂW／ａW＊cosθ0）＊β＋１／ａW＊cosθ0＊Ｗmin
となる（等号のときベストモード）。
【0094】
同様に，目標とする光路長の最大値Ｌmaxを得るためのα，β，及びｘを導出できる。Ｌ0≦Ｌmax及び式（２５）より，
［式３２］
α≦－ｂL／ａL＊β＋１／ａL＊Ｌmax
となり（等号のときベストモード），式（２１）より，
［式３３］
ｘ≦（sinθ0－ｂL／ａL＊cosθ0）＊β＋１／ａL＊cosθ0＊Ｌmax
となる（等号のときベストモード）。
［式３２］
α≦－ｂL／ａL＊β＋１／ａL＊Ｌmax
となり（等号のときベストモード），式（２１）より，
［式３３］
ｘ≦（sinθ0－ｂL／ａL＊cosθ0）＊β＋１／ａL＊cosθ0＊Ｌmax
となる（等号のときベストモード）。
【0095】
以上のＷmin，及びＬmaxは発光点毎に，及び集光レンズ毎に等しくすることを基本とするが，必ずしも等しい必要はない。そのような場合は，Ｗmin，及びＬmaxは，複数の発光点，及び集光レンズについての平均値とする。
【0096】
図１７は，例として，Ｎ＝４，ｎ0＝１．４６，θ0＝４５°の場合について，式（３１）及び（３３）を満たす範囲を，横軸β，縦軸ｘで示したものである。パラメータとして，Ｗmin＝０．５，１，２，３，及び４ｍｍ，Ｌmax＝５，１０，２０，３０，及び４０ｍｍとし，↑は直線より上側の範囲，↓は直線より下側の範囲を示している。例えば，Ｗmin＝０．５ｍｍ，かつＬmax＝２０ｍｍとするためには，図１７において，↑Ｗmin＝０．５の直線より上側，かつ↓Ｌmax＝２０の直線より下側の範囲のβ及びｘを選定すれば良いことが分かる。
【0097】
一方で，与えられた発光点の径ｄ，発光点アレイの間隔ｐに対して，式（３）～（７）又は式（８）～（１２）のいずれかの高感度条件を満たす，集光レンズの焦点距離ｆ，集光レンズとセンサの光路長ｇを選定し，Ｗmin＝ｄ’，Ｌmax＝ｇとして，式（３１）及び（３３）を満たせば，高感度条件のダイクロアレイを用いた小型多色検出装置を構築できる。ここで，式（２）より，ｄ’＝（ｇ－ｆ）／ｆ＊ｄとする。同様に，与えられた発光点の径ｄ，発光点アレイの間隔ｐに対して，式（１６）～（１８）のいずれかの低クロストーク条件を満たす，集光レンズの焦点距離ｆ，集光レンズとセンサの光路長ｇを選定し，Ｗmin＝ｄ’，Ｌmax＝ｇとして，式（３１）及び（３３）を満たせば，低クロストーク条件のダイクロアレイを用いた小型多色検出装置を構築できる。もちろん，式（３）～（７）又は式（８）～（１２）のいずれかの高感度条件，及び，式（１６）～（１８）のいずれかの低クロストーク条件の両方を満たす，集光レンズの焦点距離ｆ，集光レンズとセンサの光路長ｇを選定し，Ｗmin＝ｄ’，Ｌmax＝ｇとして，式（３１）及び（３３）を満たせば，高感度かつ低クロストーク条件のダイクロアレイを用いた小型多色検出装置を構築できる。
【0098】
例えば，実施例１に従い，ｄ＝０．０５ｍｍ，ｐ＝１ｍｍ，ｆ＝１．５ｍｍ，Ｄ＝１ｍｍ，ｇ＝２９ｍｍに対して，Ｎ＝４，ｎ0＝１．４６，θ0＝４５°，β＝１ｍｍ，ｘ＝５ｍｍとするとき，式（４），式（９），式（１８），式（３１），及び式（３３）のすべてが満足され，高感度かつ低クロストークなダイクロイックミラーを用いた小型多色検出装置となることが分かる。
【0099】
次に，各ダイクロＭ(１)～Ｍ(Ｎ)の間隔ｘについて検討を深める。上述の通り，ベストモードにおいては式（２１）のｘ0とするのが最も良いが，ベストモードからどの程度ずれても効果が得られるかを次に詳細に検討する。図１８に示す実線は，間隔ｘと，図１５のダイクロ１７及び１８で得られる開口幅Ｗの関係を計算した結果である。一般に，ダイクロの総数Ｎが増えるに従い，トータルの開口幅が上記結果よりも小さくなる可能性があるが，ここではＮ＝２の場合を指標として評価する。図１５は，θ0＝４５°，β＝１ｍｍのときの式（２１）で計算されるｘ＝ｘ0＝２．５ｍｍの条件であるが，このとき，図１８に示す通り，開口幅がＷ＝１．３ｍｍと最大になった。ｘ＜ｘ0では，｜ｘ－ｘ0｜に比例してＷが減少し，ｘ＝１．６ｍｍでＷ＝０ｍｍとなった。これに対して，ｘ＞ｘ0では，Ｗ＝１．３ｍｍで一定となった。一方，図１８に示す破線は，間隔ｘと，図１５における，光路長Ｌの変化量ΔＬの関係を示す。ここで，ｘ＝ｘ0＝２．５ｍｍのとき，ΔＬ＝０ｍｍとし，Ｗ＝１．３ｍｍと同じ高さになるように表示した。また，Ｗの縦軸（左側）とΔＬの縦軸（右側）のスケールを揃え，ΔＬの縦軸を上下反転させた。一般に，ダイクロの総数Ｎが増えるに従い，ΔＬが上記結果よりも大きくなる可能性があるが，ここではＮ＝２の場合を指標として評価する。ΔＬは，当然ながら，ｘに比例して増大した。
【0100】
図１８より，１．６ｍｍ≦ｘ≦２．５ｍｍにおけるｘに対するＷの増加率と，２．５ｍｍ≦ｘにおけるｘに対するΔＬの増加率は，いずれも傾きが略１で等しかった。つまり，いずれも｜ｘ－ｘ0｜に比例して性能が低下することが分かった。これに対して従来は，βが考慮されておらず，β＝０ｍｍに相当する。このとき，仮に同等の配置とする場合の間隔ｘ0は，式（２１）よりｘ＝１．８ｍｍとなり，このとき図１８により，Ｗ＝０．４ｍｍとなる。以上より，従来と同等以上の性能を得るためには，１．８ｍｍ≦ｘ≦３．２ｍｍとすれば良いことが分かった。一般には，図１６において，２≦ｎ≦Ｎとして，ダイクロＭ(ｎ)とＭ(ｎ－１)の配列間隔ｘを，
［式３４］
cosθ0＊α≦ｘ≦cosθ0＊α＋２＊sinθ0＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
［式３４］
cosθ0＊α≦ｘ≦cosθ0＊α＋２＊sinθ0＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
【0101】
続いて，各ダイクロＭ(１)～Ｍ(Ｎ)の段差ｙ，及びｚについて検討を深める。上述の通り，ベストモードにおいては式（２８）及び（２９）のｙ0及びｚ0とするのが最も良いが，ベストモードからどの程度ずれても段差配置の効果が得られるかを次に詳細に検討する。
【0102】
図１９（ａ）は，段差ｙと，図１５のダイクロ１７及び１８で得られる開口幅Ｗの関係を計算した結果である。一般に，ダイクロの総数Ｎが増えるに従い，トータルの開口幅Ｗが上記結果よりも小さくなる可能性があるが，ここではＮ＝２の場合を指標として評価する。図１５は，θ0＝４５°，β＝１ｍｍのときの式（２８）で計算されるｙ＝ｙ0＝０．７ｍｍの条件であるが，このとき，図１９（ａ）に示す通り，開口幅がＷ＝１．３ｍｍと最大になった。また，｜ｙ－ｙ0｜に比例してＷが減少し，ｙ＝０ｍｍ及び１．４ｍｍでＷ＝０．６ｍｍ，ｙ＝－０．７ｍｍ及び２．１ｍｍでＷ＝０ｍｍとなった。ここで，マイナスのｙは図１５と逆向きの段差を示す。したがって，０ｍｍ≦ｙ≦１．４ｍｍとすることで段差の効果が得られることが分かった。
【0103】
同様に，図１９（ｂ）は，段差ｚと，図１５のダイクロ１８及び１９で得られる開口幅Ｗの関係を計算した結果である。図１５は，θ0＝４５°，β＝１ｍｍのときの式（２９）で計算されるｚ＝ｚ0＝０．３ｍｍの条件であるが，このとき，図１９（ｂ）に示す通り，開口幅がＷ＝１．３ｍｍと最大になった。また，｜ｚ－ｚ0｜に比例してＷが減少し，ｚ＝０ｍｍ及び０．６ｍｍでＷ＝１ｍｍ，ｙ＝－１．１ｍｍ及び１．７ｍｍでＷ＝０ｍｍとなった。ここで，マイナスのｚは図１５と逆向きの段差を示す。したがって，０ｍｍ≦ｚ≦０．６ｍｍとすることで段差の効果が得られることが分かった。以上を一般化すると次のようになる。図１６において，ダイクロＭ(２)の分割光束進行側の端を，ダイクロＭ(１)の分割光束進行側の端に対して，分割光束進行方向と反対側にｙだけずらし，
［式３５］
０≦ｙ≦２＊cosθ0＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
［式３５］
０≦ｙ≦２＊cosθ0＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
【0104】
また，３≦ｎ≦Ｎとして，ダイクロＭ(ｎ)の分割光束進行側の端を，ダイクロＭ(ｎ－１)の分割光束進行側の端に対して，分割光束進行方向と反対側にｚだけずらし，
［式３６］
０≦ｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
［式３６］
０≦ｚ≦２＊sin(９０°－θ0－θ2)／cosθ2＊β
とすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
【0105】
以上は，図１５及び図１６のように，集光レンズの光軸と分割光束進行方向が平行の場合の構成について検討したが，図１２のようにこれらが垂直の場合は，２≦ｎ≦Ｎとして，ダイクロＭ(ｎ)の分割光束進行側の端を，ダイクロＭ(ｎ－１)の分割光束進行側の端に対して，分割光束進行方向と反対側にｚだけずらし，式（３６）の通りにすることによって，開口幅Ｗを拡大し，光路長Ｌを縮小することができる。
【0106】
［実施例５］
実施例３，実施例４では，複数のダイクロの段差配置によって，ダイクロアレイの開口幅Ｗの拡大と，光路長Ｌの縮小を実現した。本実施例では，段差配置をしない場合，すなわち，複数のダイクロを同一平面配置する場合，より具体的には，各ダイクロの分割光束進行方向側の端を同一平面上に並べる場合について，開口幅Ｗの拡大と，光路長Ｌの縮小を実現する手段を提案する。
実施例３，実施例４では，複数のダイクロの段差配置によって，ダイクロアレイの開口幅Ｗの拡大と，光路長Ｌの縮小を実現した。本実施例では，段差配置をしない場合，すなわち，複数のダイクロを同一平面配置する場合，より具体的には，各ダイクロの分割光束進行方向側の端を同一平面上に並べる場合について，開口幅Ｗの拡大と，光路長Ｌの縮小を実現する手段を提案する。
【0107】
実施例３の図１４はθ0＝４５°の場合の結果であるが，θ0＝５０°とした場合の結果を図２０に示す。その他の条件は，図１４と図２０で等しく，いずれの場合もダイクロ１７～２０を同一平面配置とした。それにも関わらず，開口幅が，図１４では僅かにＷ＝０．０３ｍｍに過ぎなかったのに対して，図２０ではＷ＝０．９ｍｍと大幅に拡大できることが明らかとなった。最大光路長は両者で変化せず，Ｌ＝１９ｍｍであった。したがって，図１４と同様に，像倍率がｍ＝１１．７，発光点像の径がｄ’＝０．８８ｍｍとなり，式（４），（９）に加えて，式（１８）が満足されるようになった。したがって，相対検出光量が１００％以上，厳密な相対検出光量が１００％以上，クロストークは０％以下の高感度，低クロストーク条件となった。
【0108】
このような効果が得られた理由を次に検討する。図１４に示す通り，θ0＝４５°の場合は，光束が，異なるダイクロ間の空間では水平に左方向に進行する一方で，各ダイクロの内部では左上方向に進行するため，光束はダイクロを通過する毎に段々に上方向に移動してしまい，そのことが開口幅Ｗを制限した。これに対して，図２０に示す通り，θ0＝５０°≧４５°とすることによって，光束が，異なるダイクロ間の空間では左下方向に進行する一方で，各ダイクロの内部では左上方向に進行するため，両者が相殺され，光束がダイクロを通過する毎の上下方向の移動が抑えられ，そのことが開口幅Ｗの拡大につながったのである。したがって，θ0は４５°以上とするのが良いが，さらに開口幅Ｗを最大にする最適値が存在するはずである。
【0109】
図２１は，図１４及び図２０の条件下で，θ0を変化させたときのＷを計算した結果である。θ0＝４５°からＷが上昇し，θ0＝５２°でＷが最大値０．９２ｍｍとなり，θ0＝５７°でＷが略ゼロまで減衰することが分かった。つまり，４５°≦θ0≦５７°とすることによって，Ｗを拡大できることが分かった。
【0110】
次に，以上を一般化する。図１６の議論と同様に，図２０の幾何学的な関係から以下を導出する。ダイクロＭ(１)の入射面における光束の屈折角θ1は式（１９）の通りであり，ダイクロＭ(２)～Ｍ(Ｎ－１)の入射面における光束の屈折角θ2は式（２０）の通りである。異なるダイクロ間の空間で左下方向に進行する光束の下方向の移動距離Ｓ↓は，
［式３７］
Ｓ↓＝tan(２＊θ0－９０°)＊tanθ0／（tanθ0－tan(２＊θ0－９０°)）＊（ｘ－β／cos(９０°－θ0)
で求められる。一方，各ダイクロの内部で左上方向に進行する光束の上方向の移動距離Ｓ↑は，
［式３８］
Ｓ↑＝１／cosθ2＊β＊sin(９０°－θ0－θ2)
で求められる。ここで，βは各ダイクロの厚さ，ｘは各ダイクロの間隔を示す。図２０のように，Ｓ↓とＳ↑を相殺させるためには，Ｓ↓＝Ｓ↑とするのが最も良い。そこで，このベストモードにおけるθ0をθ0(ＢＭ)とする。
［式３７］
Ｓ↓＝tan(２＊θ0－９０°)＊tanθ0／（tanθ0－tan(２＊θ0－９０°)）＊（ｘ－β／cos(９０°－θ0)
で求められる。一方，各ダイクロの内部で左上方向に進行する光束の上方向の移動距離Ｓ↑は，
［式３８］
Ｓ↑＝１／cosθ2＊β＊sin(９０°－θ0－θ2)
で求められる。ここで，βは各ダイクロの厚さ，ｘは各ダイクロの間隔を示す。図２０のように，Ｓ↓とＳ↑を相殺させるためには，Ｓ↓＝Ｓ↑とするのが最も良い。そこで，このベストモードにおけるθ0をθ0(ＢＭ)とする。
【0111】
式（３７），（３８）を図２０の条件であるβ＝１ｍｍ，ｘ＝２．５ｍｍに適用したところ，θ0(ＢＭ)＝５０°と求められた。すなわち，図２０の構成はベストモードの構成である。しかしながら，図２１によれば，Ｗが最大になるのはθ0＝５２°であり，上記のθ0(ＢＭ)より２°だけ大きくなっている。これは，θ0をθ0(ＢＭ)より若干大きく，すなわちＳ↓をＳ↑より若干大きくして光束を段々左下に進行させた方が，Ｗを若干大きくできることを示している。
【0112】
以上より，従来の基準であるθ0＝４５°の場合に対して，Ｗを有意に拡大するための条件は，
［式３９］
４５°≦θ0≦２＊θ0(ＢＭ)－４５°
である。また，上記の２°のずれを考慮すると，より正確な条件は，
［式４０］
４５°≦θ0≦２＊θ0(ＢＭ)－４３°
となる。
［式３９］
４５°≦θ0≦２＊θ0(ＢＭ)－４５°
である。また，上記の２°のずれを考慮すると，より正確な条件は，
［式４０］
４５°≦θ0≦２＊θ0(ＢＭ)－４３°
となる。
【0113】
［実施例６］
図２２は，図６の構成において，発光点のサイズが比較的大きい場合の発光検出装置を示す模式図である。発光点７１の径はｄ＝０．５ｍｍ，間隔はｐ＝１ｍｍと，実施例１と比較して発光点のサイズが一桁大きい。発光点７１はそれぞれ，０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍの立方体の反応セルで構成し，内部の化学反応によって化学発光を生じさせた。この化学発光の波長，強度の時間変化を発光点７１毎に調べることによって，各反応セルに導入された試料を分析した。集光レンズ２の焦点距離はｆ＝１ｍｍ，有効径はＤ＝１ｍｍ，間隔はｐ＝１ｍｍ，集光レンズ２と２次元カラーセンサ１１の光学的距離はｇ＝１０ｍｍとした。発光点７１及び集光レンズ２の配列方向は，図２２（ａ）の横方向だけでなく，図２２（ａ）の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。本実施例では，励起光源を必要としないため，図６のロングパスフィルタ１０は省略した。
図２２は，図６の構成において，発光点のサイズが比較的大きい場合の発光検出装置を示す模式図である。発光点７１の径はｄ＝０．５ｍｍ，間隔はｐ＝１ｍｍと，実施例１と比較して発光点のサイズが一桁大きい。発光点７１はそれぞれ，０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×０．５ｍｍの立方体の反応セルで構成し，内部の化学反応によって化学発光を生じさせた。この化学発光の波長，強度の時間変化を発光点７１毎に調べることによって，各反応セルに導入された試料を分析した。集光レンズ２の焦点距離はｆ＝１ｍｍ，有効径はＤ＝１ｍｍ，間隔はｐ＝１ｍｍ，集光レンズ２と２次元カラーセンサ１１の光学的距離はｇ＝１０ｍｍとした。発光点７１及び集光レンズ２の配列方向は，図２２（ａ）の横方向だけでなく，図２２（ａ）の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。本実施例では，励起光源を必要としないため，図６のロングパスフィルタ１０は省略した。
【0114】
図２２（ａ）に示すように，２次元カラーセンサ１１のセンサ面で発光点７１を結像させると，式（１）によりｍ＝９，式（２）によりｄ’＝４．５ｍｍとなった。このとき，式（６）及び式（１０）が満足され，相対検出光量４００％以上，厳密な相対検出光量２００％以上となった。一方で，図２２（ａ）の光束９に示す通り，異なる発光点７１間のクロストークが非常に大きく，式（１６）～（１８）がいずれも満たされなかった。
【0115】
そこで，図２２（ｂ）に示すように，各発光点７１と対応する各集光レンズ２の中間にそれぞれピンホール７２を有するピンホールアレイ７３を配置した。各ピンホール７２の径ｄ0は，ｄ0≦ｄであり，ここでは，ｄ0＝０．１ｍｍとした。各ピンホールの間隔はｐ＝１ｍｍとした。ピンホールの配列方向は，図２２（ｂ）の横方向だけでなく，図２２（ａ）の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。ここで，発光点７１ではなく，ピンホール７２を発光点と見なし，図２２（ｂ）のように，２次元カラーセンサ１１のセンサ面でピンホール７２を結像させ，ピンホール像７４を形成すると，ピンホール像７４の径は式（２）によりｄ’＝０．９ｍｍとなった。このとき，式（１８）が満足され，クロストークを０％とすることができた。図２２（ａ）と同様に，式（６）及び式（１０）が満足され，相対検出光量４００％以上，厳密な相対検出光量２００％以上となった。ただし，これはピンホール７２を通過した全光量を基準にしたものであり，図２２（ａ）の発光点７１から発光した全光量を基準にしたものよりも小さい。
【0116】
図２３は，図２２（ｂ）と同様の検出装置を応用する他の例を示す模式図である。図２３（ａ）に示すように，発光点７５の径はｄ＝０．０１ｍｍ，間隔はｐ’＝０．１ｍｍである一方で，集光レンズ２の焦点距離はｆ＝１ｍｍ，有効径はＤ＝１ｍｍ，間隔はｐ＝１ｍｍ，集光レンズ２と２次元カラーセンサ１１の光路長はｇ＝１０ｍｍである。つまり，以上の実施例と異なり，発光点の間隔と集光レンズの間隔が異なり，ｐ’＜ｐの場合の例である。発光点７５，集光レンズ２は，図２３（ａ）の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。２次元カラーセンサ１１のセンサ面で発光点７５を結像させると，図２２（ａ）の場合よりもさらに広範囲の多数の発光点７５からの発光が個々の集光レンズ２で集光されるため，クロストークが一層増大してしまう。
【0117】
そこで，図２３（ｂ）のように，各発光点７５と対応する各集光レンズ２の中間にそれぞれピンホール７２を有するピンホールアレイ７３を配置した。各ピンホール７２は，それぞれ対応する集光レンズ２に位置合わせされて配置されている。各ピンホール７２の径はｄ0＝０．１ｍｍ，間隔ｐ＝１ｍｍとし，ｄ0≧ｄとした。ピンホールは，図２３（ｂ）の紙面に垂直方向にも等間隔で配列しても良い。ここで，発光点アレイとピンホールアレイ７３を十分近接させることにより，各発光点７５及び各ピンホール７２を２次元カラーセンサ１１のセンサ面に一括して結像させ，それぞれ発光点像７６とピンホール像７４を形成した。式（２）よりピンホール像７４の径は０．９ｍｍとなり，異なるピンホール像７４間のクロストークが０％となることは図２２（ｂ）と同様である。一方，各集光レンズ２が各ピンホール７２を通して平均２個の発光点７５からの発光を集光し，２次元カラーセンサ１１のセンサ面の各ピンホール像７４の内部にそれぞれの発光点像７６を形成した。各発光点像７６の径は０．０９ｍｍ，間隔は０．９ｍｍであるため，異なる発光点像７６間のクロストークもなかった。
【0118】
図２３（ｂ）は，集光レンズの間隔よりも細かい間隔で配列する発光点からの発光を高感度，低クロストークに多色検出することを可能とする構成であるが，多数の発光点の内の一部の発光点のみしか検出できない。図２３（ｂ）の場合，１０個の発光点の内，平均して２個の発光点のみが検出されている。そこで，図２３（ｂ）において，発光点アレイと，ピンホールアレイ７３以降の検出装置の相対位置を例えば矢印方向に順次ずらすことにより，すなわち多数の発光点の内，検出対象となる発光点をスキャンすることにより，すべての発光点を検出することができるようになる。
【0119】
以上では，２次元カラーセンサを用いた多色検出装置を用いたが，もちろん２次元カラーセンサの代わりに２次元モノクロセンサを用いた検出装置としても構わない。また，図７に示すような，ダイクロアレイを用いた多色検出装置を用いても良い。
【0120】
図２４（ａ）は，本実施例で用いる，ダイクロアレイを用いた多色検出装置の例を示す模式図であり，図７（ｂ）と図２３（ｂ）を融合した構成である。図２４（ａ）では，光束２１，２２，２３，及び２４はそれぞれ光路長が異なるため，対応する発光点像２５，２６，２７，及び２８のいずれかを２次元センサ３０のセンサ面で結像させると，その他の発光点像は上記センサ面で結像されないため，若干ボケた状態となる。図７では，１個の発光点７５を１個の集光レンズ２で集光し，４個の発光点像２５，２６，２７，及び２８を得ていたため，上記のボケがクロストークの原因となることはなかった。これに対して図２４（ａ）では，複数個の発光点７５を１個の集光レンズ２で集光し，各発光点について４個に分割された発光点像２５，２６，２７，及び２８を得ていたため，上記のボケによって，ピンホール像７４の内部の複数の発光点像７６が互いに重なり合い，クロストークの原因となった。
【0121】
そこで，図２４（ｂ）に示す通り，本実施例では，光束２１，２２，及び２３の光路上にそれぞれ異なる長さの光路長調整素子７７，７８，及び７９を挿入し，集光レンズ２と２次元センサ３０の光学的距離で定義される光束２１，２２，２３，及び２４の光路長が略等しくなるように調整した。光路長調整素子は，屈折率が１よりも大の透明材質で構成されている。例えば，屈折率が２の材質の内部では，空間的に同じ距離であっても，空中と比較して２倍の光学的距離を有する。このような構成とすることにより，発光点像２５，２６，２７，及び２８を２次元センサ３０のセンサ面に同時に結像させることが可能となり，上記のボケ及びそれによるクロストークの発生を回避することができた。
【0122】
以上では，検出対象が略等間隔に配列する発光点アレイであったが，検出対象を１次元，２次元，あるいは３次元状の任意の発光分布とすることができ，図２３（ｂ）と同様の発光検出装置によって，検出結果から元の発光分布を再構築してイメージングすることも可能である。図２５は，そのようなイメージングの例を模式的に示したものである。
【0123】
図２５（ａ）に示すように，発光分布８０を２次元状に分布させた。ここでは，発光分布８０が「α」という文字を描いている場合を例として示す。これに対して，発光点分布８０に平行かつ近接してピンホールアレイ７３を配置した。図２５（ａ）は，発光点分布８０とピンホールアレイ７３に含まれる複数のピンホール７２の位置関係及び大小関係を模式的に示したものである。ここでは，３×３＝９個のピンホール７２を２次元状に等間隔で配列した。発光点分布８０と各ピンホール７２は十分に近接しているため，図２５（ａ）で，発光点分布８０の内，各ピンホール７２と重なっている部分からの発光が，各ピンホール７２を通じて，図２３（ｂ）と同様の発光検出装置によって検出される。
【0124】
図２５（ｂ）は，このとき２次元カラーセンサ１１によって撮像される，９個のピンホール７２の像である９個のピンホール像７４，及び９個のピンホール７２を通して検出される発光点分布８０の部分の像である９個の発光点分布部分像８１を示している。これまでの実施例と同様に，各ピンホール７２は拡大結像される一方で，ピンホール７２の間隔とピンホール像７４の間隔が等しいため，図２５（ｂ）に示す通り，隣り合うピンホール像７４の隙間が狭くなったが，相互のクロストークは０％であった。また，各発光点分布部分像８１は，対応する各ピンホール像７４の内部に収められるため，やはり相互のクロストークは０％であった。
【0125】
図２５（ｃ）は，図２５（ａ）において，発光点分布８０とピンホールアレイ７３の相対位置を横方向にずらしたものである。各ピンホール７２は，図２５（ａ）と比較して，発光点分布８０の異なる部分と重なった。その重なった部分からの発光を，図２５（ｄ）に示すように，それぞれ結像させ，検出した。以上のように，発光点分布８０とピンホールアレイ７３の相対位置を，横方向及び縦方向に順次スライドさせ，撮像を繰り返すことによって，発光点分布８０の全体像をイメージングすることができた。この際，発光点分布８０と２次元カラーセンサ１１の相対位置を固定すれば，画像処理を行わなくても，発光点分布８０の全体像をイメージングすることができる。
【0126】
［実施例７］
本発明の実装上の課題のひとつは，各発光点と各集光レンズの位置合わせを如何に精度良く，簡便に行うかである。本実施例は，複数のキャピラリについて，これを実現する手段を示すものである。
本発明の実装上の課題のひとつは，各発光点と各集光レンズの位置合わせを如何に精度良く，簡便に行うかである。本実施例は，複数のキャピラリについて，これを実現する手段を示すものである。
【0127】
図２６は，複数のキャピラリ４９と，複数のキャピラリ４９を配列するＶ溝アレイと，集光レンズアレイ８を一体化したデバイス８６の構成例を示す断面模式図である。図２６（ａ）は，レーザビーム５４の照射位置における各キャピラリ４９の長軸に垂直な断面を示し，図２６（ｂ）はレーザビーム５４の照射位置ではない個所における各キャピラリ４９の長軸に垂直な断面を示し，図２６（ｃ）は任意の一つのキャピラリの長軸を含む断面を示す。図２６（ａ）は図２６（ｃ）のＡ－Ａ断面に相当し，図２６（ｂ）は図２６（ｃ）のＢ－Ｂ断面に相当する。
【0128】
図２６に示すデバイス８６は，複数のキャピラリ４９からなるキャピラリアレイと，サブデバイス８５を含む。サブデバイス８５は，複数のＶ溝８２が間隔ｐで配列したＶ溝アレイを含む部分であるＶ溝アレイデバイス８４と，複数の集光レンズ２が間隔ｐで配列した集光レンズアレイ８を含む部分である集光レンズアレイデバイス８３が一体化したものである。図２６（ａ）において，各発光点１と，各Ｖ溝８２，及び各集光レンズ２の中心軸をそれぞれ一致させてある。複数のキャピラリ４９をそれぞれＶ溝８２に押し当てることによって，簡便に，複数のキャピラリ４９を所定の間隔ｐで同一平面上に配列させることができる。また，各キャピラリ４９のレーザビーム５４の照射位置である各発光点１と，各集光レンズ２が所望の距離となるように，サブデバイス８５の構造を調整しておく。これにより，発光点１からの発光が集光レンズ２によって所望の通りに集光される。
【0129】
図２６（ａ）に示すように，発光点１におけるキャピラリ４９の断面には，サブデバイス８５の集光レンズ２が存在し，Ｖ溝８２が存在しない。一方，図２６（ｂ）に示すように，発光点１の両脇におけるキャピラリ４９の断面には，サブデバイス８３の集光レンズ２が存在せず，Ｖ溝８２が存在する。図２６（ｃ）はキャピラリ４９の長軸方向の断面を示し，サブデバイス８５の中央に集光レンズ２が存在し，その両脇にＶ溝８２が存在している。これは，Ｖ溝８２によるキャピラリ４９の高精度な位置合わせを実現しつつ，発光点１からの発光の検出をＶ溝８２が邪魔をしないようにする工夫である。以上のようなサブデバイス８５を予め作成しておけば，複数のキャピラリ４９をそれぞれ各Ｖ溝８２に押し付けるだけで，各発光点１と各集光レンズ２の高精度な位置合わせを簡便に行うことが可能となる。
【0130】
本実施例は，以上の実施例のいずれの構成とも組み合わせることができる。Ｖ溝アレイデバイス８４と集光レンズアレイデバイス８３を一体化したサブデバイス８５は，射出成形やインプリントのような加工法で一体成形することが可能であり，低コストに量産も可能である。もちろん，Ｖ溝アレイデバイス８４と集光レンズアレイデバイス８３を別々に作製してから結合させることでサブデバイス８５を完成させても良い。
【0131】
サブデバイスはＶ溝アレイが無い場合も有効である。例えば，サブデバイスのキャピラリ配列側の表面をＶ溝アレイではなく，平面としても良い。複数のキャピラリの配列間隔は別の手段によって調整する必要があるが，各キャピラリをサブデバイスの上記平面に押し付けることによって，各キャピラリと各集光レンズの距離，すなわち各発光点と各集光レンズの距離を制御することは可能である。あるいは，Ｖ溝ではなくても，キャピラリの位置を制御するための構造物をサブデバイスに設ければ良い。
【0132】
各集光レンズ２の，発光点アレイの配列方向と平行方向の焦点距離をｆ１と，同垂直方向の焦点距離をｆ２とするとき，以上の実施例ではｆ＝ｆ１＝ｆ２としていたが，ｆ１≠ｆ２とすることも有効である。例えば，本実施例のように，発光点１がキャピラリ４９の内部に存在するときに有効である。キャピラリ４９は円筒形状をしているため，発光点アレイの配列方向にレンズ作用を持つが，各キャピラリ４９の長軸方向にはレンズ作用を持たない。したがって，発光点１からの発光を集光レンズ２で効率良く集光するためには，上記のキャピラリ４９のレンズ作用の方向による違いをキャンセルすることが有効であり，そのためにはｆ１≠ｆ２，具体的にはｆ１＜ｆ２とすれば良い。これは，各集光レンズ２の表面を非球面形状とすることで簡単に実現できる。また，各集光レンズ２をフレネルレンズとすることによって，レンズの厚みを低減し，蛍光検出装置をさらに小型化することも可能である。フレネルレンズの利用は，ｆ１＝ｆ２の場合も，もちろん有効である。
【0133】
図２７は，図２６において，発光点アレイと集光レンズアレイ８の中間に，ピンホールアレイ７３を追加した構成を示す。より具体的には，Ｖ溝アレイデバイス８４と集光レンズアレイデバイス８３の中間にピンホールアレイ７３を挟み込み，これら全体をサブデバイス８６とした。図２２（ｂ）に示すピンホール７２は，その存在によって，集光レンズ２が発光点７１からの発光を集光する光量を制限していた。これに対して図２７に示すピンホール７２は，図２７（ａ）に示すように，その存在によって，集光レンズ２が発光点１からの発光を集光する光量を制限しないように，各ピンホール７２の径ｄ0は発光点１の径ｄよりも大きくした（ｄ0≧ｄ）。図２２（ｂ）のピンホール７２の役割は発光点７１の径を実効的に縮小することであったのに対して，図２７のピンホール７２の役割は，集光レンズ２が対応する発光点１からの発光以外の光を集光することを回避することである。例えば，レーザビーム５４をキャピラリアレイに照射する際に発生する，各キャピラリ４９の外表面におけるレーザビーム５４の散乱光が，集光レンズ２によって集光され，センサに到達することを回避，あるいは低減できる。あるいは，集光レンズ２によって隣接する発光点１からの発光が集光され，センサに到達することを回避，あるいは低減できる。以上によって，発光点１からの発光の高感度な検出が可能となる。
【0134】
これらの不要な光をセンサに到達させないためには，発光点とセンサの中間の任意の箇所に色ガラスフィルタを配置することも有効である。色ガラスフィルタは上記のピンホールと併用しても良いし，どちらか一方のみを用いても良い。これらの不要な光が集光レンズ２で集光された光束は，集光レンズ２の光軸（すなわち，発光点１からの発光が集光レンズ２で集光された光束の光軸）に対して傾いて進行するため，上述のロングパスフィルタやダイクロで遮断することが難しい（発光点１からの発光が集光レンズ２で集光された光束に対して設計されているため）。これに対して，色ガラスフィルタは，光の入射角度が違っても，同等のフィルタ性能を発揮することができるため，上記の効果を得ることができる。
【0135】
図２８は，図２７と同様の効果を生じる別な構成を示す。サブデバイス８５の構成要素である集光レンズアレイデバイス８３は，以上と同様に，ガラス，樹脂等の透明材料で作製するのに対して，Ｖ溝アレイデバイス８４は不透明な材料で作製する。Ｖ溝アレイデバイス８４の各集光レンズ２の光軸と交差する位置にそれぞれ貫通孔であるピンホール８７を形成することにより，Ｖ溝アレイデバイス８４がピンホールアレイの役割を担うようにする。このような構成にすることによって，図２７の場合よりも簡便にサブデバイス８５を作製することが可能である。
【0136】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0137】
１ 発光点
２ 集光レンズ
３，３’ 平行光束
４，５ スポット
７ 発光点像
８ 集光レンズアレイ
１１ ２次元カラーセンサ
１７～２０ ダイクロ
３０ ２次元センサ
３１ 透過型回折格子
３３ 再集光レンズ
３７ ２次元センサ
４１ 波長分散像
４３ プリズム
４５，４８ 発光点像
４９ キャピラリ
５３ レーザ光源
７１ 発光点
７２ ピンホール
７４ ピンホール像
７５ 発光点
７６ 発光点像
７７～７９ 光路長調整素子
８０ 発光分布
８３ 集光レンズアレイデバイス
８４ Ｖ溝アレイデバイス
８７ ピンホール
２ 集光レンズ
３，３’ 平行光束
４，５ スポット
７ 発光点像
８ 集光レンズアレイ
１１ ２次元カラーセンサ
１７～２０ ダイクロ
３０ ２次元センサ
３１ 透過型回折格子
３３ 再集光レンズ
３７ ２次元センサ
４１ 波長分散像
４３ プリズム
４５，４８ 発光点像
４９ キャピラリ
５３ レーザ光源
７１ 発光点
７２ ピンホール
７４ ピンホール像
７５ 発光点
７６ 発光点像
７７～７９ 光路長調整素子
８０ 発光分布
８３ 集光レンズアレイデバイス
８４ Ｖ溝アレイデバイス
８７ ピンホール
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】