JP2011141270A - 光源ユニット及び分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑制しつつ、光源からの光を分岐し得る、光源ユニット、及びそれを備えた分析装置を提供することにある。
【解決手段】光源ユニット１０は、光源４０と、光源４０から出射された光の照度分布を均一化させる照度均一化素子２０と、照度均一化素子２０から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子３０とを備えている。照度均一化素子２０は、第１の光透過性材料で形成された単一のコア層２１と、第１の光透過性材料よりも屈折率が低い第２の光透過性材料で形成され、且つ、コア層２１の周囲を覆うクラッド層２２とを備えているのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学分析に用いられる光源ユニット、及びそれを備えた分析装置に関する。

近年、光を利用した光学的分析は、多くの分野において利用されている。光学的分析の代表的な例としては、吸光光度法が知られている。吸光光度法は、物質毎に、吸収する光の波長が異なることを利用した分析方法である。吸光光度法では、試料の入った反応室に、特定波長の光が照射され、反射光又は透過光の強度が測定される。そして、測定値から試料の吸光度が求められ、求められた吸光度から含有物質の濃度が特定される。

また、このような吸光光度法を実行するため、種々の分析装置が提案されている。例えば、特許文献１は、複数個の反応室と、光源と、光学系とを備えた分析装置を開示している。特許文献１に開示の分析装置では、光学系は、光ファイバカプラと、それから分岐した複数の光ファイバアレイとを備えている。そして、光ファイバカプラの入力側は光源に向けられ、各光ファイバアレイの照射側は反応室に向けられている。

従って、特許文献１に開示された分析装置では、光源が出射した光は、光ファイバカプラによって分岐され、その後、各反応室に導かれる。特許文献１に開示された分析装置を用いれば、光源を一度発光させるだけで、複数個の試料に対して同時に吸光度を求めることができる。

また、特許文献２は、分析装置に用いられる光源装置の一例を開示している。特許文献２に開示された光源装置は、主に、光源と、集光レンズと、照度均一化素子と、ビームスプリッタと、検査用受光素子と、光量検出用の受光素子とを備えている。特許文献２に開示された光源装置では、光源から出射された光は、集光レンズによって集光されたのち、照度均一化素子に入射する。そして、光源からの光は、照度均一化素子を通過した後、ビームスプリッタによって分岐され、一方は検査用受光素子によって受光され、他方は光量検出用の受光素子によって受光される。

特許文献２に開示された光源装置を用いれば、光量検出用の受光素子から信号に基づいて、光源の光量を制御することができる。特許文献２に開示された光源装置は、光量の厳密な調節が求められる分析装置に有用である。

特開２００７−２８５９９９号公報 特開２００５−０７００２１号公報

ところで、上述した特許文献１に開示の分析装置では、光学系として、光ファイバカプラが備えられるが、光ファイバカプラの作製には光ファイバ同士を溶融させて結合させる必要がある。このため、特許文献１に開示の分析装置には、製造コストが高いという問題がある。

また、上述した特許文献２に開示の光源装置では、高価なビームスプリッタが必要となるため、この光源装置を備えた分析装置においても、製造コストが高いという問題がある。更に、特許文献２に開示の光源装置においては、集光レンズの光軸に合わせてビームスプリッタを配置する必要があり、組み立て調整が難しく、この点でも分析装置の製造コストを引き上げてしまう。

本発明の目的の一例は、上記問題を解消し、製造コストを抑制しつつ、光源からの光を分岐し得る、光源ユニット、及びそれを備えた分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明における光源ユニットは、光源と、前記光源から出射された光の照度分布を均一化させる照度均一化素子と、前記照度均一化素子から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子と、を備えていることを特徴とする。

また、上記目的を達成するため、本発明における分析装置は、光源ユニットと、反応室と、光量検出用の受光素子とを備え、前記光源ユニットは、前記光源から出射された光の照度分布を均一化させる照度均一化素子と、前記照度均一化素子から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子と、を備え、前記分岐光の一つは前記反応室へと導かれ、別の前記分岐光は前記光量検出用の受光素子へと導かれている、ことを特徴とする。

以上の特徴により、照度均一化素子による照度分布の均一化により、光源から出射された光は合波（ミキシング）されて、高出力、高輝度な一つの光束となる。そして、このような光束から、分岐光が得られるので、各分岐光は、発光源の揺らぎに対しても同調する。このことから、本発明が、多チャンネルを有する分析装置に適用された場合は、光源ユニットに由来する測定間差が軽減され、高精度な測定が可能となる。

上記本発明における光源ユニット及び分析装置では、前記２以上の分岐光それぞれの光量が、前記２以上の分岐光の全部または一部において一致するように、前記分岐素子が、前記照度均一化素子から出射された光を分岐する、のが好ましい。

また、前記光源としては、発光ダイオードが挙げられる。更に、具体的には、前記発光ダイオードとしては、端面発光ダイオード、点光源発光ダイオード、及び面発光ダイオードが挙げられる。

上記本発明における光源ユニット及び分析装置は、前記照度均一化素子が、第１の光透過性材料で形成された単一のコア層と、前記第１の光透過性材料よりも屈折率が低い第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記コア層の周囲を覆うクラッド層とを備えている、態様とするのが好ましい。この場合、光源ユニット、ひいては分析装置の製造コストの低減が可能となる。

また、上記の場合、前記分岐素子が、前記第１の光透過性材料で形成された複数のコア層と、前記第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層とを備え、前記複数のコア層は、それぞれの一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されている、のが好ましい。更に、前記照度均一化素子の前記コア層が、前記分岐素子の前記複数のコア層と一体的に形成され、前記照度均一化素子の前記クラッド層が、前記分岐素子の前記クラッド層と一体的に形成されている、のが特に好ましい。これらの場合は、よりいっそう、光源ユニット及び分析装置の製造コストの低減が可能となる。

更に、前記分岐素子は、複数の光導波路と、前記複数の光導波路それぞれの一端を前記照度均一化要素の前記コア層の出射面に向けた状態で、前記複数の光導波路を保持する、保持部材と、を備えていても良い。この場合も、光源ユニット、ひいては分析装置の製造コストの低減が可能となる。

また、上記本発明における光源ユニット及び分析装置は、前記光源が、Ｐ型の半導体層と、前記Ｐ型の半導体層に接合されているＮ型の半導体層と、光反射層とを備え、前記光反射層は、更に、前記Ｐ型の半導体層及び前記Ｎ型の半導体の少なくとも一方における、接合面の反対側に位置する面に設けられている、態様であるのが好ましい。この場合は、出射される光の高出力化及び高輝度化が可能となる。また、上記態様では、前記光反射層の反射率は６０％以上であるのが好ましい。

上記、本発明のける光源ユニット及び分析装置は、前記光源から出射された光を集光し、集光した光を前記照度均一化素子に入射させる、集光素子を更に備えている態様とするのが好ましい。この態様によれば、光源が出射した光を、効率良く、照度均一化素子に入射させることができる。

また、上記態様では、前記集光素子が、前記第１の光透過性材料で形成された複数のコア層と、前記第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層とを備え、前記複数のコア層は、前記照度均一化素子側のそれぞれの一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されている、のが好ましい。この場合は、集光素子の製造コストの低減が可能となる。そして、この場合においては、前記照度均一化素子の前記コア層が、前記集光素子の前記複数のコア層と一体的に形成され、更に、前記照度均一化素子の前記クラッド層が、前記集光素子の前記クラッド層と一体的に形成されているのが特に好ましい。

また、本発明の光源ユニットは、光源と、光導波路とを備え、前記光導波路は、その入射面が、前記光源の光を出射する部分に接触するように、または前記光を出射する部分に近接するように、配置されている、ことを特徴としていても良い。この場合、前記光導波路が、前記光源の光を出射する部分での光量に対する、前記光導波路の入射面での光量の割合が５０％以上となるように、配置されているのが好ましい。

上記の態様によれば、簡単な構成で、光源から出射された光を効率良く光導波路に導くことができる。従って、この場合は、光源、レンズ、光導波路といった光学部品それぞれ間での位置関係の調整が必要なく、精度の高い組み立て技術が求められることはない。結果、組立工程の簡易化が促進される。また、光学ユニットの小型化も容易となる。

以上の特徴により、本発明における光源ユニット及び分析装置によれば、製造コストを抑制しつつ、光源からの光を分岐することができる。

図１は、本発明の実施の形態１における光源ユニット及び分析装置の概略構成を示す構成図である。 図２（ａ）は、図１に示した照度均一化素子及び分岐素子の構成を示す断面図である。図２（ｂ）は、照度均一化素子に入射する光の照度分布を示す図である。図２（ｃ）は、照度均一化素子から出射する光の照度分布を示す図である。 図３は、図１に示した照度均一化素子の分解斜視図である。 図４は、本発明の実施の形態２における光源ユニットの構成を示す上面図である。 図５は、図４に示した光源ユニットの断面図である。 図６は、本発明の実施の形態３における光源ユニットの第１の例を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態３における光源ユニットの第２の例を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態４における光源ユニットの構成を示す断面図である。 図９は、図８に示した光源ユニットにおける、光源から光導波路までの距離と光量との関係を表すグラフである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光源ユニット及び分析装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。最初に、図１を用いて、本実施の形態１における光源ユニット１０と分析装置３００との全体構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における光源ユニット及び分析装置の概略構成を示す構成図である。

図１に示すように、本実施の形態１における光源ユニット１０は、光源４０と、光源４０から出射された光の照度分布を均一化させる、照度均一化素子２０と、照度均一化素子２０から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子３０とを備えている。

本実施の形態１では、光源４０としては発光ダイオードが用いられており、光源４０から出射された光の照度分布はそのままでは、不均一である。しかし、光源ユニット１０は、照度均一化素子２０を備えているため、複数の分岐光を照度が均一な状態で出射することができる。

また、光源ユニット１０では、分岐のために、フォトカプラ及びビームスプリッタといった高価な光学部品は利用されておらず、従来に比べ、光源ユニット１０の製造コストは低くなっている。つまり、光源ユニット１０によれば、製造コストを抑制しつつ、光源４０からの光を分岐することができる。

また、図１に示すように、本実施の形態１における分析装置３００は、光源ユニット１０と、試料と試薬との反応が行われる反応室５０と、分析用の受光素子５１と、光量検出用の受光素子５２とを備えている。分岐光の一つは、反応室５０へと導かれ、別の分岐光は光量検出用の受光素子５２へと導かれている。

更に、本実施の形態１では、分岐素子３０は、光導波路３２及び３３と、これらを保持する保持部材３１とを備えている。保持部材３１は、光導波路３２及び３３の一端を、照度均一化素子２０の出射面に向けた状態で、光導波路３２及び３３を保持するように構成されている（後述の図２（ａ）参照）。

また、光導波路３２は、分岐光の一つが反応室５０へと導かれるように配置されている。一方、光導波路３３は、別の分岐光が光量検出用の受光素子５２へと導かれるように配置されている。更に、分析用の受光素子５１は、反応室５０で反射された分岐光、又は反応室５０を透過した分岐光が入射するように配置されている。

このように、分析装置３００では、照度分布の均一化後に、試料の分析と光量のモニタリングとが行われる。分析装置３００によれば、試料の分析に用いられる光の光量と、光量のモニターに用いられる光の光量とを同期できるため、光量制御の精度の向上が図られる。

ここで、光源ユニット１０の構成について、図１に加えて、図２（ａ）〜図２（ｃ）及び図３を用いて更に具体的に説明する。図２（ａ）は、図１に示した照度均一化素子及び分岐素子の構成を示す断面図、図２（ｂ）は、照度均一化素子に入射する光の照度分布を示す図、図２（ｃ）は、照度均一化素子から出射する光の照度分布を示す図である。図３は、図１に示した照度均一化素子の分解斜視図である。

図２（ａ）に示すように、照度均一化素子２０は、単一のコア層２１と、コア層２１の周囲を覆うクラッド層２２とを備えている。そして、光導波路の原理から、コア層２１の屈折率ｎｃは、クラッド層２２の屈折率ｎｋよりも高くなる必要がある。即ち、式「ｎｃ＞ｎｋ」が成立する必要がある。よって、コア層２１は、第１の光透過性材料で形成されているのに対して、クラッド層２２は、第１の光透過性材料よりも屈折率が低い第２の光透過性材料で形成されている。更に、クラッド層２２において入射面及び出射面以外は、遮光層２３によって覆われている。従って、照度均一化素子２０の入射面Ｘから入射した光は、コア層２１とクラッド層２０との界面で反射しながら、照度均一化素子２０の出射面Ｙから出射される。

ところで、図１に示したように、光源４０として発光ダイオードが用いられているとすると、入射面Ｘからは、モード（経路）が異なる複数の光が入射するため、図２（ｂ）に示すように、入射面Ｘでの照度分布は不均一となる。しかしながら、これらの光は、コア層２１とクラッド層２２との界面での反射を繰り返しながら、混じり合う。結果、図２（ｃ）に示すように、出射面Ｙでの照度分布は均一化される。

また、照度均一化素子２０において、光の反射回数は、３回以上であるのが好ましい。但し、反射回数が多いほど照度分布は均一化されやすい傾向にあるが、多すぎると光量が低下する可能性がある。また、光の反射回数は、これをｋとおくと、下記の数１によって表すことができる。下記の数１において、Ｌはコア層２１の全長、Ｄはコア層２１の断面の外接円の直径、ｎｃはコア層２１を形成する第１の光透過性材料の屈折率、ＮＡは入射光の波長である。

（数１）
ｋ＝Ｌ／（Ｄ・ＳＱＲＴ（（ｎｃ^２−ＮＡ^２）／ＮＡ^２））

なお、図２（ａ）の例では、コア層２１の断面形状は矩形であるが、本実施の形態において、コア層２１の断面形状は特に限定されるものではない。コア層２１の断面形状は、円形、三角形、六角形などであっても良い。

また、照度均一化素子２０の具体的な作製は、例えば、次に示すようにして行うことができる。先ず、図３に示すように、第２の光透過性材料で形成された基板２２ａを用意し、これに、コア層２１を形作る溝２１ａを形成する。次に、溝２１ａに、第１の光透過性材料を充填する。図３において、２１ｂは、充填された第１の光透過性材料を示している。

そして、溝２１ａを、第２の光透過性材料で形成された板２２ｂによって覆い、塗料の塗布などによって遮光層２３を形成すれば、照度均一化素子２０が得られる。また、第１の光透過性材料及び第２の光透過性材料の具体例としては、硝子、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン（ケイ素系樹脂）などが挙げられる。

なお、その他、照度均一化素子２０は、紫外線などの光線によって性質が変化する樹脂を用いて基板を形成し、この基板のコア層とする部分に光線を照射することによっても形成することができる。

また、図２に示すように、分岐素子３０は、上述したように、光導波路３２及び３３と、保持部材３１とを備えている。保持部材３１は、各光導波路の一端を照度均一化要素２０のコア層２１の出射面Ｙに向けた状態で、光導波路３２及び３３を保持している。具体的には、光導波路３２及び３３は、光ファイバー束である。保持部材３１は、スリーブ３１ａとコレット３１ｂとを備えている。

また、光導波路３２及び３３の一端とコア層２１との間には、密着性を高めるために、オイル３４が塗布されているのが好ましい。更に、図２では図示されていないが、照度均一化要素２０と分岐素子３０とは、互いに圧着された状態で保持されているのが好ましい。このような態様とすれば、照度均一化素子２０と分岐素子３０と界面における光の損失の発生が抑制される。

以上のように、本実施の形態１における光源ユニット１０では、光源４０からの光は照度均一化素子２０によって、高出力、且つ、高輝度な一つの光束とされる。そして、このような光束から、各分岐光が得られるので、各分岐光は、光源の揺らぎに対しても同調する。

従って、上述したように、分析装置３００では、試料の分析に用いられる光の光量と、光量のモニターに用いられる光の光量とを同期できる。更に、本実施の形態１における光源ユニット１０を、多チャンネルを有する分析装置に適用した場合は、光源ユニット由来の測定間差を軽減することができ、高精度な測定が可能となる。また、本実施の形態１における光源ユニットは、その構造により、製造コストの低減化に加え、レイアウトの容易化及び耐衝撃性の向上を図ることもできる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における光源ユニット及び分析装置について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本発明の実施の形態２における光源ユニットの構成を示す上面図である。図５は、図４に示した光源ユニットの断面図である。図５に示す断面は、図４に示した切断線Ａ−Ａに沿って得られている。

図４及び図５に示すように、本実施の形態２における光源ユニット１００は、分岐素子３の構造の点で、実施の形態１と異なっている。また、光源ユニット１００は、更に、実施の形態１と異なり、光源１から出射された光を集光し、集光した光を照度均一化素子２に入射させる集光素子９も備えている。加えて、本実施の形態２では、集光素子９、照度均一化素子２、及び分岐素子３は一体的に形成されている。以下に、実施の形態１との相違点を具体的に説明する。

本実施の形態２では、照度均一化素子２は、第１の光透過性材料で形成された単一のコア層２ａと、第２の光透過性材料で形成され、且つ、コア層２ａの周囲を覆うクラッド層２ｂとを備えている。

また、本実施の形態２では、分岐素子３は、第１の光透過性材料で形成された複数のコア層３ａと、第２の光透過性材料で形成され、且つ、複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層３ｂとを備えている。更に、各コア層３ａは、それぞれの照度均一化素子２側の一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されている。

更に、集光素子９は、第１の光透過性材料で形成された複数のコア層９ａと、第２の光透過性材料で形成され、且つ、複数のコア層９ａそれぞれの周囲を覆うクラッド層９ｂとを備えている。各コア層９ａは、それぞれの光源１側の一端が互いに離れ、それぞれの照度均一化素子２側の一端が集合するように形成されている。

そして、図４及び図５に示すように、集光素子９、照度均一化素子２、及び分岐素子３において、コア層９ａ、コア層２ａ、コア層３ａは、連続的に一体化された状態で形成されている。同様に、クラッド層９ｂ、クラッド層２ｂ、及びクラッド層３ｂも、連続的に一体化された状態で形成されている。図５において、２４は、遮光層を示している。図４においては、説明のため、遮光層２４の図示は省略している。

具体的には、本実施の形態２では、第２の光透過性材料で形成された基板８ａに、コア層９ａ、コア層２ａ及びコア層３ａとなる溝を設け、溝内に第１の光透過性材料が充填される。そして、基板８ａの上に、第２の光透過性材料で形成された板８ｂが接合される。これにより、コア層９ａ、コア層２ａ及びコア層３ａとして機能するコア層７と、クラッド層９ｂ、クラッド層２ｂ、及びクラッド層３ｂとして機能するクラッド層９とが形成される。そして、集光素子９、照度均一化素子２、及び分岐素子３が一体的となった光学素子が得られる。

なお、その他、コア層７及びクラッド層８は、紫外線などの光線によって性質が変化する樹脂を用いて基板を形成し、この基板のコア層とする部分に光線を照射することによっても形成することができる。また、コア層とする部分に不純物イオンを打ち込むことによっても形成できる。

また、本実施の形態２においても、第２の光透過性材料の屈折率は、第１の光透過性材料の屈折率よりも低くなっている。第１の光透過性材料及び第２の光透過性材料の具体例としては、硝子、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シリコーン樹脂、ポリシラン（ケイ素系樹脂）などが挙げられる。

このように、本実施の形態２では、照度均一化素子２と分岐素子３とを一体的に形成できるため、更なる製造コストの低減化を図ることができる。更に、照度均一化素子２と分岐素子３とが、接合部分を介すことなく一体的に接合されているため、両者の間における光の損失及び反射を抑制でき、導波効率の向上が図られる。また、本実施の形態２では、集光素子９も用いられるため、集光率の向上も図られる。

また、本実施の形態２による場合も、実施の形態１で述べた効果を得ることができる。即ち、光源１から出射された光は、照度の均一化が行われた後に、分岐光として出射されるので、どの分岐光も同じ光量成分を有している。更に、光源１の発光量が変化した場合は、いずれの分岐光も同様に変化する。本実施の形態２においても、分岐光は何れも同じ特性を有するため、極めて高精度な分光測定が可能となる。

本実施の形態２では、図４及び図５に示すように、光源１は、Ｐ型の半導体層９０と、Ｎ型の半導体層９１とを備えている。また、Ｐ型の半導体層９０及びＮ型の半導体層９１それぞれは、ワイヤー５を介して回路基板４の配線パターン４１に電気的に接続されている。

また、光源１では、配線パターン４１を介して、Ｐ型の半導体層９０には、Ｎ型の半導体層９１よりも高い電圧が印加され、Ｐ型の半導体９０層の電位は、Ｎ型の半導体層９１の電位よりも高くに設定される。そして、これにより、Ｐ型の半導体層９０とＮ型の半導体装置９１との間に形成された活性層（発光層）６に、キャリアである電子及び正孔が集中し、再結合が起こり、発光が生じる。

また、本実施の形態２においては、光導波路として機能するコア層７は、活性層（発光層）６に近接または接触するように配置されるのが好ましい。この場合、より高出力で、高輝度な分岐光を得ることができる。そして、このような配置とすれば、高精度なレンズ等が不要となるため、調整箇所が少なくなる。その結果、製造の簡易化及び部品コストの低減化が図られると共に、光源ユニット１００を小型化でき、光源ユニット１００を備える分析装置の小型化も達成できる。

本実施の形態２における分析装置は、図４及び図５に示した光源ユニット１００に、図１に示した、反応室５０、分析用の受光素子５１、及び光量検出用の受光素子５２などを組み合わせることで得ることができる。

本実施の形態２において、光源１は、Ｐ型の半導体層９０と、Ｎ型の半導体層９１とを備えていれば良く、面発光ダイオード、端面発光ダイオード、点光源ＬＥＤ、及び半導体レーザのいずれであっても良い。

また、ワイヤーボンディングに用いられるワイヤー５の形成材料としては、銅、金、アルミニウムの他、マグネシウム−アルミニウム−亜鉛の合金を使用することができる。また、回路基板４としては、放熱性の良好なアルミ製の基板を用いるのが好ましいが、その他、ガラスエポキシ樹脂または紙フェノールを基材とした基板を用いることもできる。

また、配線パターン４１としては、銅、アルミなど形成された配線パターンが挙げられる。その他、配線パターン４１としては、銅の表面にニッケルまたは金をメッキして形成された配線パターンも挙げられる。なお、光源１、ワイヤー５、回路基板４、及び配線パターン４１は、上述した例に限定されるものではない。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における光源ユニット及び分析装置について、図６及び図７を参照しながら説明する。最初に図６を用いて、本実施の形態３における光源ユニットの第１の例について説明する。図６は、本発明の実施の形態３における光源ユニットの第１の例を示す図である。

図６に示すように、本実施の形態３においては、光源ユニット２００は、光源として、面発光ダイオード１０（後述の図８参照）を備えている。面発光ダイオード１０は、１つの側面だけでなく、２以上の側面で発光することができる。本実施の形態３では、面発光ダイオードは、４つの側面から、各側面の法線方向に沿って、光を出射させることができる。

また、光源として面発光ダイオード１０が用いられるため、本実施の形態３では、図６に示すように、面発光ダイオード１０を囲むように、４つの集光素子９が配置されている。また、各集光素子９の出射面は、同一の照度均一化素子２の入射面に接続されており、集光された光は全て一箇所に集められる。

このように、本実施の形態３では、発光ダイオード１０の１つの側面だけでなく、他の３つの側面から発光された光も、照度均一化素子２に入射することから、１個の面発光ダイオード１０から、より高出力、高輝度な光を取得することができる。照度均一化素子２から出射された光は、分岐素子３に入射し、複数の分岐光とされる。

また、本実施の形態４においても、４つの集光素子９と、照度均一化素子２と、分岐素子３とは、実施の形態２と同様に、一体的に形成されている。これらの作製は、実施の形態２２において述べた手法によって行うことができる。

なお、図６の例では、光源として、４つの側面で発光可能な面発光ダイオード１０が例示されているが、本実施の形態３において、光源はこれに限定されるものではない。本実施の形態３では、面発光ダイオードは、４つ以外の数の発光可能な側面を備えていても良く、集光素子９は、発光可能な側面の形状及び数に応じて配置される。

また、本実施の形態３では、光源となる面発光ダイオード１０の数は限定されるものではない。図７は、本発明の実施の形態３における光源ユニットの第２の例を示す図である。図７の例では、光源ユニット２０１は、光源となる面発光ダイオードを２つ備えている。そして、各面発光ダイオード毎に４つの集光素子９が合計８個配置されている。

一方、照度均一化要素２及び分岐素子３はそれぞれ１つである。よって、８個の集光素子９によって集光された光は、全て、一つの照度均一化素子２に入射する。このように、図７の例によれば、よりいっそう、高出力、高密度な光を取得することができる。また、図７の例では、面発光ダイオード１０の数は２個であるが、例えば、３個以上の面発光ダイオード１０が配置された態様であっても良い。

また、本実施の形態３において、光導波路として機能するコア層７（各集光素子９の入射面）は、面発光ダイオード１０の各発光面（側面）に近接または接触するように配置されるのが好ましい。また、面発光ダイオード１０が２以上の場合も同様である。このような構成とすれば、より高出力で、高輝度な分岐光を得ることができる。

本実施の形態３における分析装置は、図６に示した光源ユニット２００又は図７に示した光源ユニット２０１に、図１に示した、反応室５０、分析用の受光素子５１、及び光量検出用の受光素子５２などを組み合わせることで得ることができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における光源ユニット及び分析装置について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、本発明の実施の形態４における光源ユニットの構成を示す断面図である。図９は、図８に示した光源ユニットにおける、光源から光導波路までの距離と光量との関係を表すグラフである。

ところで、従来からの分析装置では、測定時間を短縮するために、複数の測定チャンネルを並列させる手段を備えることが多い（例えば、特開平２−１８４７４０号公報）。そして、透過測光、又は反射率測光などの測光手法を用いて、複数の測定チャンネルを備える分析装置においては、各測定チャンネル間で測定光のばらつきに起因する測定誤差が生じることがないように、挙動及び光量が同一となる測定光を、各々の測定チャンネルに配分することが要求されている。その要求を満たすために、例えば特開平５−９３６８８号公報および特開２００７−４１３４２号公報では、光ファイバーの特性を合わせる、また測定用チャンネルと補正用チャンネルとを用意する等の工夫を行なっている。

特開平５−９３６８８号公報に示したような測定系において、一つの光源であったとしても、その光源の発光部位によって発光度ムラがあり、また、そのムラの強度分布も、環境温度や光源の発熱の影響で時間の経過により変動する。それゆえに、光ファイバーを複数本束ねた光バンドルファイバーで光導波した場合、各々の光ファイバーへ入射する光量の比率が時間の経過によって変動してしまうという欠点がある。そのため、単一チャンネルの分析装置であっても、測定用と補正用チャンネルへの光導波される光量の変動が一致しない。

光バンドルファイバーの欠点として、そのように束ねられる光ファイバーの位置に依存して、すなわち、発光部位が同一でない光を光導波してしまうことによって、光量の比率変動が生じてしまうことにある。

特開２００７−４１３４２号公報においては、特開平５−９３６８８号公報に示されたようなバンドルファイバーの欠点を補うために、複数の光ファイバーで取得した光を、単一の光路へ光導波する方法が提案されている。

しかしこの手法は、複数光源から単一光路に集光させて光強度を高めることが目的とされており、時間の経過によって比率変動しない光、すなわち挙動が一定の光を複数チャンネルに分岐することを目的とはしていない。

また、特開平５−９３６８８号公報のような分岐構造をもつ光ファイバーを作製するためには、高度な光ファイバー融着方法が必要であり、歩留まりや製造時間の問題から製造コストが高くなりがちであり、最終的な分析装置のコストアップがユーザー負担へと繋がる可能性がある。

また、光ファイバーは断面直径によって、曲げＲの制限があるために、提案されているように分岐構造の光ファイバーを接続すればするほど、装置の規模を大きくしなければならない。

また、光ファイバーへの入射方法はレンズによる集光によるとされているが、光ファイバーのように小さな開口へ入射させるためには、光軸を厳密に合わせることが特に重要となる。そして、光源とレンズ、光ファイバーの各々の位置関係を保障するためには、高精度で高価な構成部品が必要となり、同時に高い精度で組み立てる必要性から、組立工程が煩雑となる。従って、このような構成とすると、製造コストが高くなり、最終的な分析装置のコストアップがユーザー負担へと繋がる可能性がある。

また、一定の焦点距離を確保する必要があること、また、高精度に組立調整された光学部品には、振動による位置ずれが生じる可能性があることから、上述の光源ユニットは、小型の可搬型の分析装置には不向きである。

また、発光ダイオードを使う場合に、電気的接続の為にワイヤーボンディングされているワイヤーの影が、レンズの集光時に問題となることがある。この場合、高輝度化の妨げにもなる。更に、ワイヤーは屈曲半径が大きく、光導波路を近接または接触させる際の妨げにもなっている。

以上の問題を解消するため、本実施の形態４における光源ユニット２０１では、光導波路は、その入射面が、光源の光を出射する部分に接触するように、または光源の光を出射する部分に近接するように、配置される。以下、図８及び図９に基づいて説明する。

図８に示すように、本実施の形態４における光源ユニット２０２は、光源６０と、光導波路６１とを備えている。また、光導波路６１は、その入射面６１ａが、光源６０の光を出射する部分（活性層）６に接触するように、または光を出射する部分６に近接するように、配置されている。

また、本実施の形態４において、光導波路６１は、光源６０の光を出射する部分６での光量に対する、光導波路６１の入射面６１ａでの光量の割合が、５０％以上となるように、配置されているのが好ましい。つまり、光源６１の出射面から光導波路６１の入射面までの距離Ｓは、上記条件が満たされるように設定される。これは、割合が５０％未満となると、分析装置に用いた場合に分析精度が低下する可能性があるからである。

具体的には、図９に示すように、光源ユニット２０２において、光源６０から光導波路６１までの距離Ｓが長くなると、光導波路６１から出射される光の光量は低下してしまう。言い換えると、光導波路６１が光源６０に近づくに伴い、光導波路６１から出射された光の光量は増加する。特に、光源６０と光導波路６１とが接触する場合、即ち、図９において距離がゼロの場合は、光量は最大となる。なお、図９において、縦軸は光導波路６１から出射される光の光量であり、横軸は光源６０から光導波路６１までの距離Ｓである。

また、光源の種類及び構造によっては、ワイヤーボンディングの存在により、光源６０と光導波路６１とを接触させることが困難な場合があるが、この場合であれば、できる限り、光源６０と光導波路６１とを接近させるのが好ましい。なお、本実施の形態４においては、光導波路６１の構成は特に限定されるものではなく、実施の形態１〜３に示した、集光素子、照度均一化素子などであっても良い。

以上の特徴によれば、簡単な構成で、光源６０から出射された光を効率良く光導波路６１に導くことができる。従って、この場合は、高精度なレンズなどの光学部品が必要ないため、光源、レンズ、光導波路といった光学部品それぞれ間での位置関係の調整も必要なくなる。よって、精度の高い組み立て技術が求められることはなく、組立工程の簡易化が促進される。また、光学ユニットの小型化も容易となる。

また、本実施の形態では、光源６０は、面発光ダイオードであり、Ｐ型の半導体層９０とＮ型の半導体層９１とを接合して構成されており、両者の接合部分には、光を出射する活性層６が形成されている。また、光源６０において、Ｐ型の半導体９０層の外側（活性層６側の反対側）には、反射層９３が形成され、更に、Ｎ型の半導体層９１の外側（活性層６側の反対側）には、反射層９４が形成されている。なお、図８において、９２は、緩衝層である。

従って、図８に示すように、活性層６の主面からＰ型の半導体層９０またはＮ型の半導体層９１へと光が出射されたとしても、出射された光は、反射層９３または反射層９４によって反射される。光源６０によれば、活性層６から出射される光を確実に、光導波路６１へと導くことができるので、結果、出射光の高出力化及び高輝度化が可能となる。

また、本実施の形態４において、反射層９３及び反射層９４の反射率は６０％以上であるのが好ましく、特には９０％以上であるのが好ましい。なお、図８の例では、Ｐ型の半導体装置９０及びＮ型の半導体層９１の両方に反射層が設けられているが、本実施の形態４では、このうちの一方のみに反射層が設けられた態様であっても良い。

また、本実施の形態４において図８に示した光源６０は、実施の形態１〜３においても用いることができる。光源６０は、従来からの面発光ダイオードの製造工程を殆ど変えることなく作製出来るため、光源６０の開発コスト及び最終的な製造コストは低く、光源ユニット及び分析装置の製造コストの低減化に貢献できる。

以上のように、本発明によれば、光源ユニットにおける製造コストを抑制しつつ、光源からの光を分岐することができる。本発明は、光学分析を実行する分析装置に有用である。

１ 光源
２ 照度均一化素子
２ａ 照度均一化素子のコア層
２ｂ 照度均一化素子のクラッド層
３ 分岐素子
３ａ 分岐素子のコア層
３ｂ 照度均一化素子のクラッド層
４ 回路基板
４１ 配線パターン
５ ワイヤーボンディング
６ 活性層（発光層）
７ コア層
８ クラッド層
８ａ 基板
８ｂ 板
９ 集光素子
９ａ 集光素子のコア層
９ｂ 集光素子のクラッド層
１０ 面発光ダイオード
２０ 照度均一化素子
２１ コア層
２１ａ 溝
２１ｂ 充填された第１の光透過性材料
２２ クラッド層
２２ａ 基板
２２ｂ 板
２３ 遮光層
２４ 遮光層
３０ 分岐素子
３１ 保持部材
３２ 光導波路
３３ 光導波路
４０ 光源
５０ 反応室
５１ 分析用の受光素子
５２ 光量検出用の受光素子
６０ 光源
６１ 光導波路
６１ａ 入射面
９０ Ｐ型の半導体層
９１ Ｎ型の半導体層
９２ 緩衝層
９３ 反射層（上面）
９４ 反射層（下面）
１００ 光源ユニット（実施の形態２）
２００ 光源ユニット（実施の形態３：第１の例）
２０１ 光源ユニット（実施の形態３：第２の例）
２０２ 光源ユニット（実施の形態４）
３００ 分析装置

Claims (14)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光の照度分布を均一化させる照度均一化素子と、
   前記照度均一化素子から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子と、
   を備えていることを特徴とする光源ユニット。
2. 前記２以上の分岐光それぞれの光量が、前記２以上の分岐光の全部または一部において一致するように、前記分岐素子が、前記照度均一化素子から出射された光を分岐する、請求項１に記載の光源ユニット。
3. 前記照度均一化素子が、第１の光透過性材料で形成された単一のコア層と、前記第１の光透過性材料よりも屈折率が低い第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記コア層の周囲を覆うクラッド層とを備えている、請求項１または２に記載の光源ユニット。
4. 前記分岐素子が、前記第１の光透過性材料で形成された複数のコア層と、前記第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層とを備え、
   前記複数のコア層は、それぞれの一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されている、請求項３に記載の光源ユニット。
5. 前記照度均一化素子の前記コア層が、前記分岐素子の前記複数のコア層と一体的に形成され、
   更に、前記照度均一化素子の前記クラッド層が、前記分岐素子の前記クラッド層と一体的に形成されている、請求項４に記載の光源ユニット。
6. 前記分岐素子が、複数の光導波路と、前記複数の光導波路それぞれの一端を前記照度均一化要素の前記コア層の出射面に向けた状態で、前記複数の光導波路を保持する、保持部材と、を備えている、請求項３に記載の光源ユニット。
7. 前記光源が、Ｐ型の半導体層と、前記Ｐ型の半導体層に接合されているＮ型の半導体層と、光反射層とを備え、
   前記光反射層は、更に、前記Ｐ型の半導体層及び前記Ｎ型の半導体の少なくとも一方における、接合面の反対側に位置する面に設けられている、請求項１または２に記載の光源ユニット。
8. 前記光反射層の反射率が６０％以上である、請求項７に記載の光源ユニット。
9. 前記光源から出射された光を集光し、集光した光を前記照度均一化素子に入射させる、集光素子を更に備えている請求項１〜８のいずれかに記載の光源ユニット。
10. 前記集光素子が、前記第１の光透過性材料で形成された複数のコア層と、前記第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層とを備え、
    前記複数のコア層は、前記照度均一化素子側のそれぞれの一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されている、請求項９に記載の光源ユニット。
11. 前記光源から出射された光を集光し、集光した光を前記照度均一化素子に入射させる、集光素子を更に備え、
    前記集光素子は、前記第１の光透過性材料で形成された複数のコア層と、前記第２の光透過性材料で形成され、且つ、前記複数のコア層それぞれの周囲を覆うクラッド層とを備え、前記集光素子の前記複数のコア層は、前記照度均一化素子側のそれぞれの一端が集合し、それぞれの他端が互いに離れるように形成されており、そして、
    前記照度均一化素子の前記コア層は、前記集光素子の前記複数のコア層と一体的に形成され、前記照度均一化素子の前記クラッド層は、前記集光素子の前記クラッド層と一体的に形成されている、請求項３に記載の光源ユニット。
12. 光源と、光導波路とを備え、
    前記光導波路は、その入射面が、前記光源の光を出射する部分に接触するように、または前記光を出射する部分に近接するように、配置されている、ことを特徴とする光源ユニット。
13. 前記光導波路が、前記光源の光を出射する部分での光量に対する、前記光導波路の入射面での光量の割合が５０％以上となるように、配置されている、請求項１２に記載の光源ユニット。
14. 光源ユニットと、反応室と、光量検出用の受光素子とを備え、
    前記光源ユニットは、
    前記光源から出射された光の照度分布を均一化させる照度均一化素子と、
    前記照度均一化素子から出射された光を２以上の分岐光に分岐する、分岐素子と、
    を備え、
    前記分岐光の一つは前記反応室へと導かれ、別の前記分岐光は前記光量検出用の受光素子へと導かれている、
    ことを特徴とする分析装置。

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