特開 2024-32244 分光検出器、レーザ走査型顕微鏡

(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】P2024032244

(43)【公開日】2024-03-12

(54)【発明の名称】分光検出器、レーザ走査型顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/12 20060101AFI20240305BHJP

   G02B 21/00 20060101ALI20240305BHJP

【ＦＩ】

G01J3/12

G02B21/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022135803

(22)【出願日】2022-08-29

(71)【出願人】

【識別番号】322004393

【氏名又は名称】株式会社エビデント

(74)【代理人】

【識別番号】110004185

【氏名又は名称】インフォート弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(74)【代理人】

【識別番号】100138391

【弁理士】

【氏名又は名称】天田 昌行

(74)【代理人】

【識別番号】100074099

【弁理士】

【氏名又は名称】大菅 義之

(74)【代理人】

【識別番号】100182936

【弁理士】

【氏名又は名称】矢野 直樹

(72)【発明者】

【氏名】玉野 真悟

(72)【発明者】

【氏名】小林 大

【テーマコード（参考）】

2G020

2H052

【Ｆターム（参考）】

2G020AA03

2G020AA04

2G020CB23

2G020CB43

2G020CC02

2G020CC13

2G020CC26

2G020CC47

2G020CD03

2G020CD06

2G020CD14

2G020CD36

2H052AA07

2H052AA09

2H052AC04

2H052AC14

2H052AC15

2H052AC34

2H052AF07

(57)【要約】

【課題】波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能な分光検出器を実現する。
【解決手段】分光検出器３０は、検出光を波長で分散させる波長分散素子３１と、検出光を検出する光検出器３８と、光検出器３８で検出する検出対象波長を選択する波長選択機構３４と、波長分散素子３１で生じた波長毎の光束を波長選択機構３４が置かれた面に集光させる集光光学系３３と、調整光学系３５を備える。調整光学系３５は、波長選択機構３４と光検出器３８との間に配置され、波長選択機構３４を通過した検出光の発散を抑制する。また、調整光学系３５は、波長選択機構３４を通過した検出光のうち調整光学系３５が配置されていないときに光検出器３８の有効開口外に入射する逸脱光を有効開口内へ入射させる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検出光を波長で分散させる波長分散素子と、
前記検出光を検出する光検出器と、
前記光検出器で検出する検出対象波長を選択する波長選択機構と、
前記波長分散素子で生じた波長毎の光束を前記波長選択機構が置かれた面に集光させる集光光学系と、
前記波長選択機構と前記光検出器との間に配置され、前記波長選択機構を通過した前記検出光の発散を抑制する調整光学系であって、前記波長選択機構を通過した前記検出光のうち前記調整光学系が配置されていないときに前記光検出器の有効開口外に入射する逸脱光を前記有効開口内へ入射させる前記調整光学系と、を備える
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項2】

請求項１に記載の分光検出器において、
前記調整光学系は、
前記波長選択機構を通過した前記検出光の発散を抑制するコリメータと、
前記コリメータと前記光検出器との間に配置された、前記逸脱光を前記有効開口内に導く偏向素子と、を備える
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項3】

請求項２に記載の分光検出器において、
前記偏向素子の断面の輪郭線は、前記逸脱光を前記有効開口内にシフトさせる面に対応する前記コリメータの光軸に対して対称な２直線を含み、
前記断面は、前記コリメータの光軸方向と、前記検出光の波長分散方向とで定義される
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項4】

請求項３に記載の分光検出器において、
前記輪郭線は、さらに、前記２直線を接続し前記光軸上を横断する前記光軸に直交する直線を含む
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項5】

請求項３に記載の分光検出器において、
前記輪郭線は、さらに、前記２直線を接続し前記光軸上を横断する曲線を含み、
前記曲線に対応する前記偏向素子の曲面は、前記有効開口より小さい
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項6】

請求項３に記載の分光検出器において、
前記２直線に対応する面は、前記偏向素子の前記光検出器側に設けられる
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項7】

請求項６に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、前記コリメータに向けられた、前記光軸と直交する平面を有する
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項8】

請求項２に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、上面を前記光検出器に向けた錐台形状を有する
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項9】

請求項８に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、上面を前記光検出器に向けた円錐台形状を有する
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項10】

請求項８に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、上面を前記光検出器に向けた四角錐台形状を有する
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項11】

請求項２に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、ルーフを前記光検出器に向けたパウエルレンズである
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項12】

請求項２に記載の分光検出器において、
前記偏向素子は、前記光検出器の有効開口よりも大きい
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項13】

請求項１に記載の分光検出器において、
前記調整光学系の断面の輪郭線は、前記逸脱光を前記有効開口内にシフトさせる面に対応する前記調整光学系の光軸に対して対称な２直線を含み、
前記断面は、前記調整光学系の光軸方向と、前記調整光学系へ入射時点における前記検出光の波長分散方向とで定義される
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項14】

請求項１３に記載の分光検出器において、
前記輪郭線は、さらに、前記２直線を接続し前記光軸上を横断する前記光軸に直交する直線を含む
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項15】

請求項１３に記載の分光検出器において、
前記輪郭線は、さらに、前記２直線を接続し前記光軸上を横断する曲線を含み、
前記曲線に対応する前記調整光学系の曲面は、前記有効開口より小さい
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項16】

請求項１３に記載の分光検出器において、
前記２直線に対応する面は、前記調整光学系の前記光検出器側に設けられる
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項17】

請求項１に記載の分光検出器において、さらに、
前記波長分散素子と前記集光光学系の間に配置された搖動ミラーを備える
ことを特徴とする分光検出器。

【請求項18】

請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の分光検出器を備える
ことを特徴とするレーザ走査型顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書の開示は、分光検出器、レーザ走査型顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

分光検出器に用いられる分光手段は、主に、プリズムや回折格子などの波長分散素子と、ダイクロイックフィルタ（ダイクロイックミラー）やバリアフィルタなどのフィルタ素子と、に大別される。

【0003】

波長分散素子を用いる分光検出器（以降、波長分散素子方式の分光検出器と記す）は、例えば、特許文献１の図１に記載されるように、典型的には、ピンホールと、コリメータと、波長分散素子と、集光レンズと、波長選択機構と、光検出器を備えている。この構成では、コリメータが検出光を平行光束に変換して波長分散素子に入射させる。そして、波長分散素子で波長毎に分かれた光束のうち検出対象の波長域の光束のみを、その後段の波長選択機構で選択的に透過させる。このとき、波長分散素子と波長選択機構との間に集光レンズを配置し、各波長の光束を収斂した状態で波長選択機構へ入射させることで、波長選択機構での波長選択精度を向上させることができる。

【0004】

上記の構成では、集光レンズの前側焦点位置に波長分散素子を配置して集光レンズをテレセントリック光学系として構成することが望ましく、さらに、集光レンズの後側焦点位置に波長選択機構を配置することが望ましい。これにより、波長分散素子によって検出波長毎に光線角度が異なったとしても、検出波長域の検出光の波長選択機構への入射角度は波長によらず一定に維持される。従って、検出波長域の変更によって検出波長域の検出光が光検出器の有効開口から逸れてしまうといった事態を避けることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４－１３２７８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、装置内のスペース不足やレイアウト上の制約など様々な要因により、必ずしも集光レンズの前側焦点位置に波長分散素子を配置できるとは限らない。波長分散素子の位置が集光レンズの前側焦点位置からずれると、波長選択機構への主光線の入射角度が波長により異なり、波長によっては光検出器に入射する光束が光検出器の有効開口を外れるおそれがある。結果として、検出する波長によっては正確な分光検出が困難となる。

【0007】

以上のような実情を踏まえ、本発明の一側面に係る目的は、波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能な分光検出器を実現する技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様に係る分光検出器は、検出光を波長で分散させる波長分散素子と、前記検出光を検出する光検出器と、前記光検出器で検出する検出対象波長を選択する波長選択機構と、前記波長分散素子で生じた波長毎の光束を前記波長選択機構が置かれた面に集光させる集光光学系と、前記波長選択機構と前記光検出器との間に配置され、前記波長選択機構を通過した前記検出光の発散を抑制する調整光学系であって、前記波長選択機構を通過した前記検出光のうち前記調整光学系が配置されていないときに前記光検出器の有効開口外に入射する逸脱光を前記有効開口内へ入射させる調整光学系と、を備える。

【0009】

本発明の一態様に係るレーザ走査型顕微鏡は、上記の態様の分光検出器を備える。

【発明の効果】

【0010】

上記の態様によれば、波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能な分光検出器を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の構成を例示する図である。

【図2】第１の実施形態に係る分光検出器の構成を例示する図である。

【図3】第１の実施形態に係る分光検出器内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。

【図4】検出波長域の異なる複数の設定において第１の実施形態に係る分光検出器で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。

【図5】偏向素子を有しない分光検出器内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。

【図6】検出波長域の異なる複数の設定において偏向素子を有しない分光検出器で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。

【図7】第２の実施形態に係る分光検出器の構成を例示する図である。

【図8】第２の実施形態に係る分光検出器内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。

【図9】検出波長域の異なる複数の設定において第２の実施形態に係る分光検出器で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。

【図10】第３の実施形態に係る分光検出器の構成を例示する図である。

【図11】第３の実施形態に係る分光検出器内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。

【図12】偏向素子の断面形状の一例を示す図である。

【図13】偏向素子の断面形状の別の例を示す図である。

【図14】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図15】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図16】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図17】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図18】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図19】偏向素子の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図20】調整光学系の断面形状の一例を示す図である。

【図21】調整光学系の断面形状の別の例を示す図である。

【図22】調整光学系の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図23】調整光学系の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図24】調整光学系の断面形状の更に別の例を示す図である。

【図25】調整光学系の断面形状の更に別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡の構成を例示する図である。レーザ走査型顕微鏡１００は、図１に例示したように、レーザ光で試料Ａを２次元的に走査するスキャンユニット１と、レーザ光が照射されることにより試料Ａにおいて発生してスキャンユニット１を介して入射する蛍光を検出する複数の分光検出装置２と、を備えている。なお、以降では、蛍光を検出する場合を例に説明するが、蛍光は検出光の一例であり、検出光は蛍光に限らない。

【0013】

スキャンユニット１は、レーザ光を出射するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光を試料Ａに導く照明光学系１２とを備えている。レーザ光源１１は、例えば４０５ｎｍ、４８８ｎｍ、５４３ｎｍといった発振波長の異なるものが複数種備えられ、それぞれの発振波長のレーザ光を出射制御可能なＡＯＴＦ（Ａｃｏｕｓｔｏ―Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ）を備えている。照明光学系１２は、レーザ光源１１からのレーザ光を導光する光ファイバ１３と、コリメートレンズ１４とを備えている。

【0014】

また、スキャンユニット１は、試料Ａからの蛍光を集光する対物レンズ１５と、対物レンズ１５により集光された蛍光を結像させる結像レンズ１６と、結像レンズ１６により結像された蛍光を略平行光にする瞳投影レンズ１７と、レーザ光で試料Ａを走査するスキャナ１８と、略平行光にされた蛍光をレーザ光の光路から分岐する励起ダイクロイックミラー１９と、分岐された蛍光を集光する共焦点レンズ２０と、集光された蛍光のうち、対物レンズ１５の焦点位置から発生した蛍光のみを通過させる共焦点ピンホール２１と、コリメートレンズ２３を備えている。

【0015】

スキャナ１８は、例えば、互いに直交する方向に試料Ａを走査する２つのガルバノミラーを含んでいる。なお、スキャナは、ガルバノミラーの代わりに又は加えて、レゾナントミラーなどの他のスキャンデバイスを含んでもよい。

【0016】

励起ダイクロイックミラー１９は、回転可能な励起ターレット２２に分光透過率又は反射率の異なるものが複数固定されている。励起ターレット２２の回転により、光路に挿入する励起ダイクロイックミラー１９は変更可能である。

【0017】

分光検出装置２の各々は、複数の波長域の蛍光を同時に検出可能なマルチチャンネル分光検出装置であり、この例では、２つの分光検出器３０を備えている。具体的には、分光検出装置２は、スキャンユニット１から入射する蛍光を波長域に応じて２つの光路に分解（分光）する２つの測光ダイクロイックミラー（測光ダイクロイックミラー２４、測光ダイクロイックミラー２６）と、２つの分光検出器３０を備えている。

【0018】

測光ダイクロイックミラー２４、測光ダイクロイックミラー２６は、それぞれ回転可能な測光ターレット（測光ターレット２５、測光ターレット２７）に分光透過率又は反射率の異なるものが複数固定されている。測光ターレットの回転により、光路に挿入する測光ダイクロイックミラーは変更可能である。分光検出器３０の構成の詳細について後述する。

【0019】

レーザ走査型顕微鏡１００は、さらに、入力装置４、表示装置５、及び制御装置６を備えている。入力装置４は、ユーザの入力操作に応じて、例えば、観察対象とする蛍光色素又は波長範囲の入力、画像取得に使用する光検出器３８（図２参照）の設定の入力、スキャン設定の入力など、レーザ走査型顕微鏡１００の各種設定の入力を行う。入力装置４は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルである。

【0020】

表示装置５は、レーザ走査型顕微鏡１００の設定の入力を可能にする設定入力画面の表示や、画像の表示など、各種の表示を行う。表示装置５は、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）である。

【0021】

制御装置６は、レーザ走査型顕微鏡１００の各部を制御する。例えば、制御装置６は、レーザ走査型顕微鏡１００の設定に応じて、スキャナ１８がレーザ光で試料Ａを走査し、且つ、試料Ａからの蛍光を検出する、ようにレーザ走査型顕微鏡１００を制御する。さらに、制御装置６は、光検出器３８（図２参照）から出力された信号に基づいて試料Ａの走査画像を生成する。より詳細には、走査画像は、光検出器３８から出力された蛍光強度に関する信号とスキャナ１８の走査位置に関する信号に基づいて、構築される。

【0022】

制御装置６は、例えば、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）であり、プロセッサ６ａ及びメモリ６ｂを含む。制御装置６が行う各種制御は、例えば、プロセッサ６ａがメモリ６ｂに記憶されたプログラムを実行すること（所謂ソフトウェア処理）により実現されてもよいし、ハードウェア処理により実現されてもよいし、ソフトウェア処理及びハードウェア処理の組み合わせにより実現されてもよい。プロセッサ６ａは、例えば、１つ又は複数の集積回路を含む。集積回路は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）などであってもよい。

【0023】

メモリ６ｂは、プロセッサ６ａが実行するプログラムを記憶する。メモリ６ｂは、プロセッサ６ａが実行するプログラムを格納した非一時的なコンピュータ可読媒体を含んでいる。メモリ６ｂは、例えば、１つ又は複数の任意の半導体メモリ、１つ又は複数のその他の記憶装置、を含むことができる。半導体メモリは、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの揮発性メモリ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、プログラマブルＲＯＭ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリを含んでいる。ＲＡＭには、例えば、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などが含まれてもよい。その他の記憶装置には、例えば、コンピュータ可読媒体として例えば磁気ディスクを含む磁気記憶装置、コンピュータ可読媒体として例えば光ディスクを含む光学記憶装置などが含まれてもよい。

【0024】

図２は、本実施形態に係る分光検出器の構成を例示する図である。図２では、分光検出器３０に入射した蛍光のうちの特定の波長（例えば、４００ｎｍ）を有する光束のみを図示している。

【0025】

分光検出器３０は、図２に示すように、波長分散素子３１と、搖動ミラー３２と、集光光学系３３と、波長選択機構３４と、調整光学系３５と、光検出器３８を備えている。これらの構成要素は、蛍光が入射する側からこの順番に配置されている。これらの構成要素により、分光検出器３０は、分光検出器３０に入射した蛍光のうち所定の波長域の蛍光のみを検出することができる。以降では、分光検出器３０で検出対象とする波長域を、単に、検出波長域と記す。

【0026】

波長分散素子３１は、蛍光を波長で分散させる素子である。波長分散素子３１は、例えば、回折格子（例えば、ＶＰＨ（Ｖｏｌｕｍｅ Ｐｈａｓｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ） Ｇｒａｔｉｎｇ）やプリズムである。搖動ミラー３２は、波長分散素子３１と集光光学系３３の間に配置されたミラーである。搖動ミラー３２は、反射面の向きを変更するように搖動可能である。より具体的には、搖動ミラー３２は、例えば、波長分散素子３１の波長分散方向と波長分散素子３１へ入射する蛍光の進行方向の両方に直交する回転軸周りに回転することで反射面の向きを調整することができる。

【0027】

集光光学系３３は、波長分散素子３１で生じた波長毎の光束を波長選択機構３４が置かれた面上に集光させる光学系である。波長選択機構３４は、光検出器３８で検出する検出対象波長を選択する機構である。波長選択機構３４は、例えば、開口が形成されたスリット板である。波長選択機構３４は、集光光学系３３の後側焦点位置に置かれている。

【0028】

調整光学系３５は、波長選択機構３４と光検出器３８との間に配置された光学系である。調整光学系３５は、波長選択機構３４を通過した蛍光の発散を抑制し、波長選択機構３４を通過した蛍光のうち、調整光学系３５が配置されていない場合には光検出器３８の有効開口外に入射することになる光（以降、逸脱光と記す。）を、光検出器３８の有効開口内へ導く。

【0029】

調整光学系３５は、コリメータ３６と、偏向素子３７を含んでいる。コリメータ３６は、波長選択機構３４を通過した蛍光の発散を抑制する光学系である。コリメータ３６は、正のパワーを有し、蛍光を略平行光束に変換する。偏向素子３７は、波長選択機構３４を通過した蛍光のうち逸脱光を光検出器３８の有効開口内へ導く素子である。偏向素子３７は、コリメータ３６と光検出器３８の間に配置されている。

【0030】

光検出器３８は、蛍光を検出する検出器である。光検出器３８は、例えば、光電子増倍管（ＰＭＴ）であり、シリコン光電子増倍管（ＳｉＰＭ）であってもよい。

【0031】

以上のように構成された分光検出器３０では、コリメートレンズ２３により平行光束に変換された蛍光が波長分散素子３１へ入射する。波長分散素子３１は、入射した蛍光を図２の紙面と平行な方向に波長分散させ、波長毎に一定の方向へ出射する。波長分散素子３１から出射した蛍光は、波長毎に異なる方向に進行するが、各波長の蛍光の光束は引き続き平行光束である。

【0032】

波長分散素子３１から出射した蛍光は、波長毎に異なる角度で搖動ミラー３２に入射し、さらに、搖動ミラー３２を反射した蛍光は、集光光学系３３へ入射する。集光光学系３３へ入射する蛍光は、平行光束であるので、図２に示すように、集光光学系３３の後側焦点位置に配置されている、波長選択機構３４が置かれた面上に集光する。

【0033】

また、集光光学系３３へ入射する蛍光は、波長毎に異なる角度で集光光学系３３へ入射するので、波長選択機構３４が置かれた面上において、波長毎に集光光学系３３の光軸と直交する方向の異なる位置に集光することになる。

【0034】

このため、分光検出器３０では、波長選択機構３４の開口内に集光する所定の波長域の蛍光のみが波長選択機構３４を通過する。従って、分光検出器３０は、波長分散素子３１に入射した蛍光のうち波長選択機構３４を通過した所定の波長域の蛍光のみを検出することができる。

【0035】

波長選択機構３４の開口内に集光する蛍光の波長域、つまり、検出波長域は、搖動ミラー３２で調整可能である。波長分散素子３１から出射される蛍光の波長と方向の関係は一定であるが、搖動ミラー３２の反射面の向きを調整することで、集光光学系３３へ入射する蛍光の波長と入射角の関係を調整することができる。波長選択機構３４が置かれた面（集光光学系３３の後側焦点位置）における集光位置は、集光光学系３３への入射角に依存するので、入射角を調整することで開口内に集光する蛍光の波長域（検出波長域）を調整することができる。

【0036】

波長選択機構３４は、開口幅が一定のスリット板であってもよく、開口幅を変更可能なスリット板であってもよい。開口幅を変更可能なスリット板を波長選択機構３４として採用することで、分光検出器３０では、検出波長域の幅を調整することが可能となる。

【0037】

波長選択機構３４は、開口の一端が固定されていて他端が移動自在な構成により開口幅を変更してもよく、開口の両端が移動自在な構成により開口幅を変更してもよい。開口の両端が移動自在な構成の場合には、開口幅と開口位置を同時に調整することができるため、検出波長域の幅を調整する役割と同時に、搖動ミラー３２と同様に検出波長域をシフトさせる役割を担うこともできる。

【0038】

図３は、本実施形態に係る分光検出器３０内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。図４は、検出波長域の異なる複数の設定において本実施形態に係る分光検出器３０で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。図５は、偏向素子３７を有しない分光検出器９０内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。図６は、検出波長域の異なる複数の設定において偏向素子３７を有しない分光検出器９０で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。以下、図３から図６を参照しながら、調整光学系３５の作用についてさらに詳細に説明する。

【0039】

波長分散素子方式の分光検出器では、上述したように、集光光学系の前側焦点位置に波長分散素子を配置し、集光光学系の後側焦点位置に波長選択機構（又は光検出器）を配置することが望ましいが、このような配置は様々な理由から採用できない場合がある。分光検出器３０でも、波長分散素子３１は集光光学系３３の前側焦点位置とは異なる位置に配置されている。

【0040】

集光光学系３３の前側焦点位置に波長分散素子３１が配置されていれば、波長分散素子３１から出射した光線は、波長分散素子３１からの射出角によらず波長選択機構３４へ光軸と平行に入射することになる。このため、波長選択機構３４を通過した蛍光は、検出波長域によらず波長選択機構３４の後段に配置された光検出器３８の一定の領域内へ入射する。従って、検出波長域の変更することでケラレが生じるといったことは起こり得ない。

【0041】

しかしながら、分光検出器３０の様に、集光光学系３３の前側焦点位置に波長分散素子３１が配置されていない場合には、例えば、図３に示すように、波長選択機構３４へ入射する主光線角度が波長毎に異なり、多くの波長において光軸に対して傾斜してしまう。

【0042】

図３では、波長選択機構３４の開口幅を検出波長幅１００ｎｍ分に対応する幅に設定しながら搖動ミラー３２で検出波長域を１００ｎｍずつ変化させた様子が示されている。図３（ａ）は、検出波長域を４００ｎｍから５００ｎｍに設定したときの開始波長（４００ｎｍ）の光線図である。図３（ｂ）は、検出波長域を５００ｎｍから６００ｎｍに設定したときの開始波長（５００ｎｍ）の光線図である。図３（ｃ）は、検出波長域を６００ｎｍから７００ｎｍに設定したときの開始波長（６００ｎｍ）の光線図である。図３（ｄ）は、検出波長域を７００ｎｍから８００ｎｍに設定したときの開始波長（７００ｎｍ）の光線図である。図３（ｅ）は、検出波長域を８００ｎｍから９００ｎｍに設定したときの開始波長（８００ｎｍ）の光線図である。図３には、６００ｎｍの蛍光の主光線はおよそ光軸と平行に波長選択機構３４へ入射するが、６００ｎｍから離れるほど大きな入射角で主光線が波長選択機構３４へ入射する様子が示されている。

【0043】

波長選択機構３４の後段に調整光学系３５を設けることなく光検出器３８を配置した場合、蛍光が光検出器３８へ入射する位置は、入射角の大きさに比例して変化するため、検出波長域に依存して変化することになる。従って、波長選択機構３４を通過した蛍光であっても、検出波長域の設定によっては光検出器３８の有効開口から逸れてしまい、検出できないという事態が起こり得る。

【0044】

調整光学系３５は、このような波長選択機構３４を通過した蛍光のケラレを抑制するものである。分光検出器３０は、波長選択機構３４と光検出器３８の間に調整光学系３５を設けることで、集光光学系３３の前側焦点位置に波長分散素子３１が配置されていない場合であっても、図４に示すように、検出波長域によらず蛍光を光検出器３８の有効開口内に導いて検出することができる。

【0045】

図４では、図３と同様に、波長選択機構３４の開口幅を検出波長幅１００ｎｍ分に対応する幅に設定しながら搖動ミラー３２で検出波長域を１００ｎｍずつ変化させた様子が示されている。図４（ａ）は、検出波長域を４００ｎｍから５００ｎｍに設定したときに、検出波長域の両端（４００ｍ、５００ｎｍ）と中心波長（４５０ｎｍ）の蛍光が光検出器３８上に形成する光強度分布を示した図である。図４（ｂ）は、検出波長域を５００ｎｍから６００ｎｍに設定したときに、検出波長域の両端（５００ｍ、６００ｎｍ）と中心波長（５５０ｎｍ）の蛍光が光検出器３８上に形成する光強度分布を示した図である。図４（ｃ）は、検出波長域を６００ｎｍから７００ｎｍに設定したときに、検出波長域の両端（６００ｍ、７００ｎｍ）と中心波長（６５０ｎｍ）の蛍光が光検出器３８上に形成する光強度分布を示した図である。図４（ｂ）は、検出波長域を７００ｎｍから８００ｎｍに設定したときに、検出波長域の両端（７００ｍ、８００ｎｍ）と中心波長（７５０ｎｍ）の蛍光が光検出器３８上に形成する光強度分布を示した図である。図４（ｅ）は、検出波長域を８００ｎｍから９００ｎｍに設定したときに、検出波長域の両端（８００ｍ、９００ｎｍ）と中心波長（８５０ｎｍ）の蛍光が光検出器３８上に形成する光強度分布を示した図である。図４に示すように、分光検出器３０は、調整光学系３５を用いることで、４００ｎｍから９００ｎｍまでの全波長域で蛍光を有効開口内に収めることが可能である。

【0046】

コリメータ３６は、波長選択機構３４を通過した発散光束を略平行光束に変換する。なお、コリメータ３６は、発散状態を抑制できればよく、発散光束を発散角度がより小さい発散光束に変換してもよい。また、コリメータ３６は、発散光束を収斂角度が比較的小さい収斂光束に変換してもよい。これにより、光束が光軸から離れすぎないように光軸から離れる方向に進行する光束の向きを調整しつつ、光検出器３８上における各波長の光束径が大きくなりすぎることを防止することができる。

【0047】

図５及び図６に示すように、コリメータ３６で光束径の拡大を抑制しても、波長選択機構３４への入射角が大きすぎると、光検出器３８の有効開口から逸れてしまう。具体的には、図６（ａ）に示す検出波長域を４００ｎｍから５００ｎｍに設定したときと、図６（ｅ）に示す検出波長域を８００ｎｍから９００ｎｍに設定したときに、検出波長域の蛍光が光検出器３８の有効開口から逸れる様子が示されている。

【0048】

偏向素子３７は、コリメータ３６で光束径が調整された光束を有効開口内にシフトさせるものであり、少なくとも、有効開口から逸れてしまう逸脱光を光軸に近づけるように作用する。従って、偏向素子３７は、光検出器３８の有効開口よりも大きいことが望ましい。偏向素子３７は、具体的には、図２及び図３に示すように、例えば、三角柱形状を有するプリズムである。偏向素子３７は、光検出器３８に向けた頂角を光軸上に有し、光軸に対して対称に配置される。より詳細には、偏向素子３７を三角柱の二等辺三角形形状の底面を光軸で２等分するように配置すればよい。

【0049】

これにより、光軸に対称なプリズムの２つの側面が光軸から離れた位置に入射した光束を内側（光軸に近づく方向）にシフト（平行移動）させるように作用するため、有効開口外へ向かう逸脱光を有効開口内に導くことが可能となる。また、コリメータ３６とは異なり、偏向素子３７には光束を収斂する作用はない。このため、偏向素子３７は、コリメータ３６で略平行光束に変換された蛍光をそのままの光束状態で光検出器３８に導くことが可能であり、光検出器３８上で蛍光が過度に集光されることを避けることができる。光検出器３８に入射する光の単位面積当たりの強度が強くなり過ぎると、光検出器の劣化や、検出強度の線形性が劣化することがあるが、本実施形態では、光検出器３８に蛍光が過度に集光することがない。従って、光検出器３８の劣化や光電変換の線形性の劣化も避けることができる。

【0050】

以上の様に、分光検出器３０によれば、波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能を実現することができる。

【0051】

（第２の実施形態）
図７は、本実施形態に係る分光検出器４０の構成を例示する図である。図８、本実施形態に係る分光検出器４０内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。図９は、検出波長域の異なる複数の設定において第２の実施形態に係る分光検出器４０で得られるスポットダイアグラムを比較した図である。なお、図７では、分光検出器４０に入射した蛍光のうちの特定の波長（例えば、４００ｎｍ）を有する光束のみを図示している。

【0052】

本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡は、分光検出器３０の代わりに図７に示す分光検出器４０を備える点が、図１に示すレーザ走査型顕微鏡１００とは異なっている。その他の点は、レーザ走査型顕微鏡１００と同様である。分光検出器４０は、調整光学系３５の代わりに調整光学系４５を備える点が、分光検出器３０とは異なっている。調整光学系４５は、波長選択機構３４を通過した蛍光のケラレを抑制するものであり、コリメータ３６と、偏向素子４７を備えている。調整光学系４５は、偏向素子３７の代わりに偏向素子４７を備える点が、調整光学系３５とは異なっている。

【0053】

偏向素子４７は、波長選択機構３４を通過した蛍光のうち逸脱光を光検出器３８の有効開口内へ導く素子である。偏向素子４７も、偏向素子３７と同様に、コリメータ３６で光束径が調整された光束を有効開口内にシフトさせるものであり、少なくとも、有効開口から逸れてしまう逸脱光を光軸に近づけるように作用する。偏向素子４７は、具体的には、図７に示すように、例えば、曲面からなるルーフを光検出器３８に向けたパウエルレンズであり、曲面が光軸上に位置するように配置される。

【0054】

分光検出器４０でも、波長選択機構３４と光検出器３８の間に調整光学系４５を設けることで、集光光学系３３の前側焦点位置に波長分散素子が配置されていない場合であっても、図８及び図９に示すように、検出波長域によらず蛍光を光検出器３８の有効開口内に導いて検出することができる。なお、図８及び図９は、図３及び図４と同様に、波長選択機構３４の開口幅を検出波長幅１００ｎｍ分に対応する幅に設定しながら搖動ミラー３２で検出波長域を１００ｎｍずつ変化させた様子が示されている。

【0055】

パウエルレンズとして構成された偏向素子４７では、光軸に近い位置から偏向素子４７に入射した蛍光は、光軸上に配置された曲面のルーフから出射する。この曲面は、光軸付近の光束に対してのみ強い正のパワーを持つ。これにより、光軸付近の光束はシフトを伴わず集光したのち発散されるため、偏向素子４７と光検出器３８との距離を適切に設定することで光検出器３８上で蛍光が過度に集光されることを避けることができる。さらに、光軸に近い位置を通って曲面に入射した蛍光が、偏向素子４７で大きく屈折して光検出器３８の有効開口外へ逸れてしまうことも回避することができる。従って、光軸に近い位置から入射した蛍光が有効開口外へ逸れることを回避しながら、光軸から離れた位置から入射した蛍光を偏向素子３７と同様に光軸に近づけることで光検出器３８の有効開口内へ導くことができる。また、偏向素子４７では、ルーフを構成する曲面と曲面に接続される光軸に対して対称な２平面とは滑らかなにつながっていて、偏向素子３７にある頂角の様にとがった部分がない。このため、偏向素子３７において頂角に入射した光束が分割されてしまうような事態は、偏向素子４７では生じない。このため、図４（ｃ）と図９（ｃ）を比較すると明らかなように、偏向素子３７の光軸付近に入射する蛍光も確実に光検出器３８の有効開口内に導くことができる。

【0056】

以上の様に、分光検出器４０でも、分光検出器３０と同様に、波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能を実現することができる。さらに、分光検出器４０によれば、光軸から距離に応じて蛍光に対する作用が異なる偏向素子４７を用いることで、光検出器３８の有効開口内へ光を導く効果を分光検出器３０よりも改善することができる。

【0057】

（第３の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る分光検出器５０の構成を例示する図である。図１１は、本実施形態に係る分光検出器５０内を通る検出光の光線図を比較した図であり、検出波長域の異なる複数の設定の各々における光線図を示している。なお、図１０では、分光検出器５０に入射した蛍光のうちの特定の波長（例えば、４００ｎｍ）を有する光束のみを図示している。

【0058】

本実施形態に係るレーザ走査型顕微鏡は、分光検出器３０の代わりに図１０に示す分光検出器５０を備える点が、図１に示すレーザ走査型顕微鏡１００とは異なっている。その他の点は、レーザ走査型顕微鏡１００と同様である。分光検出器５０は、調整光学系３５の代わりに調整光学系５５を備える点が、分光検出器３０とは異なっている。調整光学系５５は、波長選択機構３４を通過した蛍光のケラレを抑制するものであり、コリメータ３６と、偏向素子５７を備えている。調整光学系５５は、偏向素子３７の代わりに偏向素子５７を備える点が、調整光学系３５とは異なっている。

【0059】

偏向素子５７は、波長選択機構３４を通過した蛍光のうち逸脱光を光検出器３８の有効開口内へ導く素子である。偏向素子５７も、偏向素子３７と同様に、コリメータ３６で光束径が調整された光束を有効開口内にシフトさせるものであり、少なくとも、有効開口から逸れてしまう逸脱光を光軸に近づけるように作用する。偏向素子５７は、具体的には、図１０に示すように、例えば、上面を光検出器３８に向けた四角錐台形状を有し、上面が光軸と直交するように配置される。なお、偏向素子５７は、蛍光が波長分散する方向に四角錐台の４つ側面のうち２つの側面が向けられていることが望ましい。

【0060】

分光検出器５０でも、波長選択機構３４と光検出器３８の間に調整光学系５５を設けることで、集光光学系３３の前側焦点位置に波長分散素子３１が配置されていない場合であっても、図１１に示すように、検出波長域によらず蛍光を光検出器３８の有効開口内に導いて検出することができる。なお、図１１は、図３と同様に、波長選択機構３４の開口幅を検出波長幅１００ｎｍ分に対応する幅に設定しながら搖動ミラー３２で検出波長域を１００ｎｍずつ変化させた様子が示されている。

【0061】

偏向素子５７でも、光軸に近い位置から偏向素子５７に入射した蛍光は、光軸と直交した上面に入射するため、偏向素子５７で大きく屈折して光検出器３８の有効開口外へ逸れてしまうことを回避することができる。従って、偏向素子４７と同様に、光軸に近い位置から入射した蛍光が有効開口外へ逸れることを回避しながら、光軸から離れた位置から入射した蛍光を偏向素子４７と同様に光軸に近づけることで光検出器３８の有効開口内へ導くことができる。

【0062】

以上の様に、分光検出器５０でも、分光検出器３０と同様に、波長分散素子と光学系の配置の自由度を確保しながら、高性能を実現することができる。さらに、分光検出器５０によれば、分光検出器４０と同様に、光軸から距離に応じて蛍光に対する作用が異なる偏向素子５７を用いることで、光検出器３８の有効開口内へ光を導く効果を分光検出器３０よりも改善することができる。

【0063】

上述した実施形態は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。上述の実施形態を変形した変形形態および上述した実施形態に代替する代替形態が包含され得る。つまり、実施形態は、その趣旨および範囲を逸脱しない範囲で構成要素を変形することが可能である。また、１つ以上の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、新たな実施形態を実施することができる。また、各実施形態に示される構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよく、または実施形態に示される構成要素にいくつかの構成要素を追加してもよい。さらに、各実施形態に示す処理手順は、矛盾しない限り順序を入れ替えて行われてもよい。即ち、本発明の分光検出器及びレーザ走査型顕微鏡は、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

【0064】

上述した実施形態では、偏向素子として、三角柱形状のプリズム、パウエルレンズ、四角錐台形状のプリズムを例示したが、偏向素子の形状はこれらに限らない。図１２から図１９は、それぞれ偏向素子の断面形状を例示した図である。偏向素子は、光軸から離れた位置から入射する逸脱光を光検出器３８の有効開口内へ導くことができればよく、図１２から図１９に示すような断面形状を有してもよい。なお、断面は、コリメータ３６の光軸方向と偏向素子へ入射時点における蛍光の波長分散方向とで定義される面である。

【0065】

偏向素子の断面の輪郭線は、図１２から図１７に示すように、光軸ＡＸに対して対称な２直線（直線ＳＬ１、直線ＳＬ２）を含むことが望ましい。この２直線は、逸脱光を有効開口内にシフトさせる面に対応する。この２直線に対応する面は、図１２、図１４、図１６に示す偏向素子６７、偏向素子８７、偏向素子１０７のように、光検出器３８側に設けられることが望ましく、コリメータ３６側には、光軸ＡＸと直交する平面Ｆを有することが望ましい。これにより、光軸に近いほど直線と光検出器３８が近くなるため、光軸付近の光束のシフト量を小さくし、且つ、光軸から離れた光束のシフト量を大きくすることができる。ただし、２直線に対応する面は、図１３、図１５、図１６に示す偏向素子７７、偏向素子９７、偏向素子１１７のように、コリメータ３６側に設けられてもよい。

【0066】

図１２及び図１３に示す偏向素子６７及び偏向素子７７に示すように、２直線は直接つながっていてもよい。図１４及び図１５に示す偏向素子８７及び偏向素子９７に示すように、２直線は光軸ＡＸを横断する曲線Ｃ１で接続されてもよい。光軸ＡＸを横断する曲線Ｃ１に対応する曲面は、光束を大きく曲げないことを意図したものであるので、光検出器３８の有効開口よりも小さいことが望ましい。図１６及び図１７に示す偏向素子１０７及び偏向素子１１７に示すように、２直線は光軸ＡＸを横断する光軸ＡＸに直交する直線ＳＬ３で接続されてもよい。即ち、偏向素子は、錐台形状を有してもよく、より望ましくは、上面を光検出器３８側に向けた錐台形状を有してもよい。錐台形状は、上述した四錐台形状のような角錐台形状に限らず、円錐台形状であってもよい。

【0067】

また、偏向素子が有する逸脱光を光検出器３８の有効開口内へ導く作用は、光束の過度な収斂が生じない限り、コリメータ３６のような曲面により実現されてもよく、偏向素子は、例えば、図１８及び図１９に示す偏向素子１２７及び偏向素子１３７のような曲面Ｃ２を有する平凸レンズであってもよい。

【0068】

上述した実施形態では、調整光学系がコリメータ３６と偏向素子からなる構成を例示したが、調整光学系は、コリメート機能と逸脱光を有効開口内へ導く機能を有していればよく、図２０から図２５に示すように、単一の素子で構成されてもよい。図２０から図２５は、調整光学系の断面形状を例示した図である。なお、断面は、調整光学系の光軸方向と偏向素子へ入射時点における蛍光の波長分散方向とで定義される面である。

【0069】

調整光学系の断面の輪郭線も、図２０から図２５に示すように、光軸ＡＸに対して対称な２直線（直線ＳＬ１、直線ＳＬ２）を含むことが望ましい。この２直線は、逸脱光を有効開口内にシフトさせる面に対応する。２直線に対応する面は、光検出器３８側に設けられることが望ましく、図２０及び図２１に示す調整光学系６５及び調整光学系７５に示すように、２直線は直接つながっていてもよい。図２２及び図２３に示す調整光学系８５及び調整光学系９５に示すように、２直線は光軸ＡＸを横断する曲線Ｃ１で接続されてもよい。光軸ＡＸを横断する曲線Ｃ１に対応する曲面は、光束を大きく曲げないことを意図したものであるので、光検出器３８の有効開口よりも小さいことが望ましい。図２４及び図２５に示す調整光学系１０５及び調整光学系１１５に示すように、２直線は光軸ＡＸを横断する光軸ＡＸに直交する直線ＳＬ３で接続されてもよい。調整光学系は、２直線と反対側に、光束をコリメートするための曲面を有することが望ましい。

【符号の説明】

【0070】

１：スキャンユニット、２：分光検出装置、６：制御装置、１１：レーザ光源、１７：スキャナ、２１：共焦点ピンホール、３０、４０、５０、９０：分光検出器、３１：波長分散素子、３２：搖動ミラー、３３：集光光学系、３４：波長選択機構、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５、１１５：調整光学系、３６：コリメータ、３７、４７、５７、６７、７７、８７、９７、１０７、１１７、１２７、１３７：偏向素子、３８：光検出器、１００：レーザ走査型顕微鏡、Ａ：試料、ＡＸ：光軸

【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】