JPH05231938A - 高感度多波長分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極めて明るく小型で、生物発光、化学発光、
励起光による極微弱蛍光、ラマン散乱等の極微弱光のス
ペクトル分布を波長走査なしに同時に求める。 【構成】 入射スリット２、入射スリット２を焦点とし
そこから出る光をとり入れて平行にする明るいコリメー
ターレンズ３、コリメーターレンズ３によって平行にさ
れた光を回折して分光する反射型回折格子４、及び、反
射型回折格子４によって分光された平行光を像面上にス
ペクトル像として結像する結像レンズ５からなる分光器
１と、結像レンズ５の像面上に配置された高感度１次元
又は２次元光検出器６とから構成され、スペクトル分布
を波長走査なしに同時に求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、生物発光、化学発光、
励起光による極微弱蛍光、ラマン散乱等の可視領域から
赤外に至るまでの光に対応できる微弱光のスペクトル分
析をすることができる高感度多波長分光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、生物発光、化学発光、励起光によ
る極微弱蛍光、ラマン散乱等の極微弱発光が注目されて
いる。このような極微弱光の分光分析を行うためには、
できるだけ光の損失を少なくして測定することが望まし
い。そのためには、光束利用率（スループット）を大き
くするために出射立体角を大きくとれる明るい光学系に
して、一度に多数の波長を測定する同時測光の優位性を
有する検出系がよい。すなわち、コリメータ系、集光系
とも明るい光学系を採用するとともに、波長走査を行わ
ないで観測波長領域を同時に測光して多波長のスペクト
ル分析ができるポリクロメーターの設計思想をとり入れ
た高感度多波長分光装置が必要である。しかしながら、
従来の分光装置にあってはこの要求を満足するものはな
かった。従来の回折格子を用いた分光器は、基本的にモ
ノクロメーターであるため、入射スリットと出射スリッ
トが必須であり、そのため波長走査が必要となり、その
とき出射スリット以外の光は捨ててしまっているため、
同時測光の優位性はない。

【０００３】また、出射面にスペクトル分布を検出する
１次元又は２次元光分布検出器を配する構成となってい
ないため、単に出射スリットをはずして検出器をつけた
だけでは、同時測光できる波長域も狭く、焦点面の問
題、収差等の問題があり、うまくいかない。そして、コ
リメーター系、集光系ともに反射鏡を軸外しで用いてい
るため、軸外しや収差によるスペクトル線像の曲がりが
生じ、Ｆナンバーはあまり小さくできず、分光器の明る
さには限界があり、Ｆ＝３以下のものは実用化されてい
なかった。

【０００４】このような従来の分光器の反射鏡として放
物面鏡を用いて、Ｆ＝１の分光器が最近開発された。し
かしながら、集光鏡（放物面鏡）を軸外しの状態で用い
ているため、スペクトル線像が曲がってしまい、１次元
又は２次元光分布検出器を配置して正確なスペクトル分
布を求めることは困難であるという大きな問題の他、高
感度で検出器を用いるため検出面を冷却する必要が生
じ、そのため検出面の結露を防ぐための手段として、１
次元又は２次元光分布検出器の光電面の前面に比較的厚
さのある断熱用の真空チャンバーを配置しなければなら
ないことから生じる、集光用の放物面鏡の焦点距離を長
くしなければならないという問題がある。

【０００５】さらに、凹面回折格子を用い、検出器とし
てアレイ状の検出器を用いたポリクロメーターが最近販
売されたが、凹面回折格子の直径、曲率半径に限界があ
るため、明るさに限界があり不充分である。

【０００６】一方、極微弱発光の分光分析のために、三
角コモンパス干渉計、四角コモンパス干渉計、複屈折偏
光干渉計等を用いた静止型干渉分光法を利用することが
提案されているが、その後の検討の結果、発光試料面の
面積がとれるので、分光器より明るいとの指摘に疑問が
出てきた。また、これらの干渉計においては、従来の分
光器より明るい光学系を採用しているが、これは鏡の代
わりに、より明るいレンズを使用していることによるも
のであり、干渉計の特性ではない。そして、回折格子の
横幅より検出器アレイの横幅が小さい現状では、これら
の幅の大きさがそれぞれの分光システムの分解能を決定
するものであるところから、静止型干渉分光法の分解能
は分光器より悪く、また、エネルギーの点からは、分光
器の場合、入射スリットの幅を広げると分解能は悪くな
る代わりにエネルギーはかせげるが、静止型干渉分光法
ではコントラストが悪くなり、このようなことはむずか
しい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
分光器ないし分光法によっては、生物発光、化学発光、
励起光による極微弱蛍光、ラマン散乱等の極微弱光の分
光分析、特に同時に多波長のスペクトル分布を求めるこ
とは困難であった。

【０００８】したがって、本発明の目的は、上記した従
来の分光器ないし分光法の欠点を克服し、極めて明る
く、小型で、生物発光、化学発光、励起光による極微弱
蛍光、ラマン散乱等の極微弱光のスペクトル分布を波長
走査なしに同時に求めることができるポリクロメーター
の設計思想による高感度多波長分光装置を提供すること
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の高感度多波長分
光装置は、入射光を点状ないし線状に限定して射出する
光学系、この光学系の点状ないし線状の射出端を焦点と
しそこから出る光をとり入れて平行にする明るいコリメ
ーターレンズ、コリメーターレンズによって平行にされ
た光を回折して分光する反射型回折格子、及び、反射型
回折格子によって分光された平行光を像面上にスペクト
ル像として結像する結像レンズからなる分光器と、結像
レンズの像面上に配置された光子計数型あるいは高感度
１次元又は２次元光検出器とから構成されていることを
特徴とするものである。

【００１０】その場合、結像レンズの光軸を観測波長域
の短波長側回折角と長波長側回折角の２等分角に一致さ
せ、該光軸を高感度１次元又は２次元光検出器の検出面
のほぼ中心に一致させるように、結像レンズと高感度１
次元又は２次元光検出器を配置するのが、結像レンズに
よるケラレを防止し、より明るい分光分析をする上で望
ましい。

【００１１】ところで、現在開発されているＦ値の小さ
いレンズの口径が限られているため、コリメーターレン
ズ、結像レンズ、回折格子と回折格子への入射角の組み
合わせに制約があり、生物発光、化学発光等の極微弱な
自然発光の分光検出のためには、反射型回折格子として
ブレーズド回折格子を用い、分光器のコリメータレンズ
口径を結像レンズ口径より大きなものを用いて、−１次
の回折光をスペクトル像としてとり出し可能に配置し
て、迷光を小さくする以上に入射光のロスを小さくする
ことが望ましく、ラマン散乱、蛍光等の励起光による極
微弱発光の分光検出のためには、反射型回折格子として
ブレーズド回折格子を用い、分光器の結像レンズ口径を
コリメーターレンズ口径より大きなものを用いて、＋１
次の回折光をスペクトル像としてとり出し可能に配置し
て、入射光のロスを小さくする以上に迷光を小さくする
ことが望ましい。しかし、迷光を少なくするためにホロ
グラフィック回折格子を用いた場合は、−１次でも＋１
次でもあまり差はない。

【００１２】上記の分光器の変形として、コリメーター
レンズと結像レンズとを１つの兼用レンズによって兼用
させ、この兼用レンズを反射型回折格子の前面に平行に
配置し、兼用レンズの焦点面上に入射光を点状ないし線
状に限定して射出する光学系の点状ないし線状の射出端
を位置させて、兼用レンズの像面上に高感度１次元又は
２次元光検出器回折格子を配置するようにすることもで
きる。

【００１３】また、入射光を点状ないし線状に限定して
射出する光学系としては、スリットないしピンホールを
用いてもよいし、試料ないしその像の微小領域又はある
程度の広がりのある領域からの光を点状あるいは線状に
してとり出す光学系を用いてもよい。

【００１４】さらに、上記のような分光器を同種又は種
類を異ならして２以上多段に配置し、加分散又は差分散
の配列にすることにより、複数回回折光を利用して角分
散を制御すると、加分散配列はより分解能を向上させる
ことができる。

【００１５】ところで、試料の微小点からの発光、蛍光
又はラマン散乱光を、分光器のコリメーターレンズのＦ
ナンバー以下の第１正レンズによりほぼ平行な光に変換
し、この平行光をコリメーターレンズのＦナンバー以下
の第２正レンズにより、高感度多波長分光装置の入射ス
リットに点状ないし線状に結像させるようにすること
で、明るい顕微分光分析ができる。その際、第１正レン
ズの前側焦点に対して試料の分光分析点を走査させるよ
うにすることが望ましい。

【００１６】

【作用】本発明においては、入射光を点状ないし線状に
限定して射出する光学系が試料ないしその像からの光を
点状又は線状光源としてコリメータレンズに入射させ、
コリメータレンズは試料ないしその像からの光を漏れな
く平行度の高い平行光線にして反射型回折格子に入射さ
せる。したがって、反射型回折格子はその分解能を十分
に発揮するとともに極微弱光を分光するようになる。ま
た、コリメータレンズと結像レンズとは、軸外し状態で
使用する必要はなく、入射光を点状ないし線状に限定し
て射出する光学系の像を曲がりなしに結像でき、さら
に、反射型回折格子に極近接して配置できるので、入射
光全てを光分解能同時多波長分光に利用でき、また、装
置の小型化が実現できる。そして、コリメータレンズと
結像レンズとして、Ｆナンバーが可能な限り小さい明る
いレンズを使用することができるので、両レンズの合成
系となる装置全体の明るさを十分に大きくすることがで
き、光子計数型ないし高感度１次元又は２次元光検出器
と組み合わせることにより、生物発光、化学発光、励起
光による極微弱蛍光、ラマン散乱等の極微弱光の同時多
波長分析が可能になり、特に、生物発光、化学発光、励
起光による極微弱蛍光、ラマン散乱等を利用した生体、
微量成分の研究手段として有効なものとなる。

【００１７】

【実施例】生物発光、化学発光、励起光による極微弱蛍
光、ラマン散乱等の極微弱光を分光分析するためには、
試料の発光点からの光を可能な限り多く分光系に入射さ
せるように光学系を選択する必要がある。すなわち、光
学系が極微弱光発光点を見込む立体角を可能な限り大き
くする必要がある。一方、分光系によって分光されたス
ペクトル線像は可能な限り直線状に結像されなければな
らない。このような要求を満足する光学系としては、レ
ンズと反射集光鏡が考えられる。

【００１８】反射集光鏡による結像は、一般に使用波長
の制限が緩やかで、紫外領域から赤外領域まで使用可能
である。しかしながら、集光鏡を結像素子として使用し
ようとすると、集光鏡の垂直法線（光軸）に対してある
角度をなして入射光を入射させ、ある角度をなして反射
光を取り出す、いわゆる軸外しの光学系の配置をとる必
要がある。したがって、分光系の明るい結像素子として
使用するためには、入射側の集光鏡（コリメーター鏡）
と回折側の集光鏡（結像鏡）がぶつからないようにする
ために、必然的に軸外しの角度が大きくなってしまう。
そのため、入射スリットが高いと、その回折像は軸外収
差と回折格子の回折に由来する湾曲を生じる。すなわ
ち、反射集光鏡を使用すると、明るさとスペクトル線像
（スリット像）の直線性が相反することになる。また、
明るくてしかも高分散にするには、反射鏡を結像系とし
て用いる場合、上記のようの軸外し配置によりスペクト
ル線像が曲がってしまうため、このように入射角、回折
角を大きくする配置はとれず、その代わりに集光鏡の焦
点距離を長くせざるを得ず、分光系が大型化し、分光系
を多段配置をするとますます大型化してしまう。

【００１９】一方、レンズは結像素子として使用する場
合、軸外し状態で使用する必要はなく、スリット像は直
線となる。しかも、レンズの明るさは、光学ガラスレン
ズの組み合わせからなるもののＦナンバーが最も小さ
く、反射鏡ではそれに匹敵するものはない。すなわち、
反射集光鏡と異なり、レンズにおいては、極微弱光発光
点を見込む立体角を可能な限り大きくでき、かつ、分光
系によって分光されたスペクトル線像を可能な限り直線
状に結像することができる。光学レンズにおいては、現
在、収差のないＦナンバーが１以下のもので焦点距離の
比較的大きいもの（ｆ＝５０ｍｍ）や、Ｆ＝２．８程度
で焦点距離の大きいもの（ｆ＝４００ｍｍ）が容易に入
手できる。したがって、入射角、回折角を大きくして
も、スペクトル線像が直線となり、しかも、結像系のレ
ンズ長が短いため、分光系は反射鏡を用いたものより小
型で多段配置をしても全体の装置は大型化しない。

【００２０】以上の理由により、本発明においては、こ
のようなＦナンバーの小さい光学レンズをコリメーター
系及び結像系として用いる。そして、この光学レンズに
よって平行にされた光束を分光する分光系として反射型
の回折格子を用い、さらに、回折され結像系されたスペ
クトル分布像面にスペクトル強度分布像を電気的に検出
する光子計数型ないし高感度１次元又は２次元光検出器
を配置して、各波長の光強度を同時に検出する。分光系
として、反射型の回折格子の代わりに透過型の回折格子
を用いることも考えられるが、透過型の場合、回折効率
の高いものが実現できないので、極微弱光分光には反射
型回折格子より劣る。

【００２１】図１に本発明の高感度多波長分光装置の基
本形態を示す。この装置は、試料Ｓ上の測定点を点状又
は線状に限定するための光学系としての入射スリット
２、入射スリット２位置を焦点とし、そこから出る光を
可能な限り多くとり入れて平行にするＦナンバーの小さ
いコリメーターレンズ３、コリメーターレンズ３によっ
て平行にされた光を回折して分光する反射型回折格子
４、及び、反射型回折格子４によって分光された平行光
を像面Ｐ上にスペクトル像として結像する結像レンズ５
からなる分光器１と、スペクトル像面上に配置された高
感度１次元又は２次元光検出器６とから構成されてい
る。反射型回折格子４は、検出スペクトル範囲を調整す
るために、点Ｃを中心として、図示した矢印のように回
転調節可能に構成されている。

【００２２】このような、分光装置にあっては、回折格
子４の格子間隔をｄ、回折格子４への入射角をｉ、回折
格子４からの回折角をβ、波長をλ、回折次数をｍとす
ると、 sin ｉ＋sin β＝ｍλ／ｄ の関係を満足するように、試料Ｓからの極微弱な入射光
が回折され、高感度１次元又は２次元光検出器６上にス
ペクトル分光された像が結像されるので、高感度１次元
又は２次元光検出器６からの出力を分析し、その像の座
標とその点の像強度を求めることによって、生物発光、
化学発光、励起光による極微弱蛍光等を呈する物体から
の極微弱発光の分光特性を同時に測定することができ
る。ところで、上記式において、ｍ＝−１の関係を満足
させるように、結像レンズ５及び高感度１次元又は２次
元光検出器６を配置する基本タイプ（−１次斜入射分光
型）と、ｍ＝＋１の関係を満足させるように、結像レン
ズ５及び高感度１次元又は２次元光検出器６を配置する
基本タイプ（＋１次斜入射分光型）とがある。図２
（ａ）に−１次斜入射分光型を、図２（ｂ）に＋１次斜
入射分光型を示す。これらの場合、反射型回折格子４と
してはブレーズド回折格子を用い、図示のように配置す
る。

【００２３】図２（ａ）の−１次斜入射分光型及び図２
（ｂ）の＋１次斜入射分光型分光器におけるコリメータ
ーレンズ３と結像レンズ５の口径の関係を考えてみる。
図３（ａ）は−１次斜入射分光型について検討するため
の光路図であるが、結像レンズの光軸を短波長側回折角
β_a と長波長側回折角β_b との２等分角β_ceに一致させ
た場合、コリメーターレンズ３の直径をＤ_i 、回折格子
の幅をｌ、中心波長の回折角をβ_ce、結像レンズ５の直
径をＤ_o 、回折格子中心から結像レンズまでの距離をＬ
とすると、 Ｄ_i ＝ｌcos ｉ Ｄ_o ＝ｌcos β_ce＋２Ｌtan Δβ ，Δβ＝β_a −β_ce ところで、このタイプの場合、光検出器６に有効に光が
達するためには、ｉ＜β_ceであるから、 Ｄ_i ＞Ｄ_o の条件を満足するように結像レンズ５の口径を選ぶこと
が必要である。同じようにして、図３（ｂ）の＋１次斜
入射分光型について検討すると、 Ｄ_i ＝ｌcos ｉ Ｄ_o ＝ｌcos β_ce＋２Ｌtan Δβ ，Δβ＝β_b −β_ce このタイプの場合、光検出器６に有効に光が達するため
には、ｉ＞β_ceであるから、 Ｄ_i ＜Ｄ_o の条件を満足するように結像レンズ５の口径を選ぶこと
が必要である。この検討に基づいて、分光すべき光の種
類に応じて何れのタイプを選択すべきかを検討する。−
１次斜入射分光型は、ブレーズド回折格子を図３（ａ）
に示したように、短い回折面にも入射光が当たるように
配置しなければならないため、この面から回折光が生じ
て迷光となり、バックグラウンド光を増加させる。これ
に対して、＋１次斜入射分光型は、図３（ｂ）に示すよ
うに、ブレーズド回折格子の短い回折面には光が当たら
ないように回折格子が配置されるため、迷光は小さくな
るが、上記したように結像レンズ５の口径がコリメータ
ーレンズ３のそれより大きい必要がある。ところが、本
発明の高感度多波長分光装置においては、コリメーター
レンズ３はＦ値が小さく、口径は可能な限り大きなもの
であるので、それ以上の口径のレンズを結像レンズとし
て用いることは困難である。したがって、＋１次斜入射
分光型のものは、結像レンズ５としてコリメーターレン
ズ３の口径程度のものを用いる場合、損失の大きいもの
ということができる。以上のとおりであるから、生物発
光、化学発光のような極微弱な自然発光の分光検出のた
めには、−１次斜入射分光型のものが適していると言え
る。これに対して、迷光の影響が重大なラマン散乱、蛍
光等の励起光による極微弱発光の分光においては、多少
のロスはあっても、迷光が信号光を隠さない＋１次斜入
射分光型のものがより適していると言える。なお、当然
ながら、レンズの設計において、自由にコリメーターレ
ンズ、結像レンズの口径、Ｆナンバーが実現できるな
ら、生物発光、化学発光のような極微弱な自然発光の分
光検出のためにも、＋１次斜入射分光型のものがより優
れていると言うことができる。

【００２４】さて、このような高感度多波長分光装置に
よって試料Ｓからの光を分光分析するに際しては、上記
図１に示したように、結像レンズ５から射出する回折光
が０次光以外に−１次光、＋１次光等の光を含むので、
さきに述べたように適当な次数の回折光の中心波長が高
感度１次元又は２次元光検出器６の中心にくるように結
像レンズ５と、回折格子４の角度を調節して配置する。
この際、従来の波長掃引方式では考慮しなくてよかった
が、同時測光する多波長分光器で考慮する必要があるの
が、幾何光学的受光効率である。すなわち、同時測光方
式は、観測波長の光を同時に観測するために回折角の異
なる光を結像レンズで集光するため、観測波長域の端の
波長は、中心波長の光軸に対して大きな角度差をもつ場
合、結像レンズ５によるケラレが生じ、受光効率の低下
が起こる。ケラレによる光量低下を出来るだけ小さくす
るため、回折格子の中心から結像レンズ５の位置までの
距離を小さくする。コリメーターレンズ３からの入射光
を回折格子へ入射させる角をレンズ配置が許容される範
囲で小さくすることが必要である。前の結像レンズＤ₀
の式は、レンズに入射する光に対する最小必要口径と結
像レンズまでの距離Ｌの関係である。

【００２５】この場合、試料Ｓ上の測定点を点状又は線
状に限定するための光学系として、入射スリット２の代
わりに、試料Ｓの微小領域又はある程度の広がりのある
領域からの光を点状あるいは線状にしてとり出せるもの
を用いてもよい。例えば、図４に示した高感度多波長分
光装置のように、試料Ｓからの光を集光窓から集光し、
点状又は線状の射出端に射出する光コンセントレイター
２ｂを用いてもよい。また、ピンホールであってもよ
い。

【００２６】なお、コリメーターレンズ３、結像レンズ
５としては、以上の図示において１枚のレンズからなっ
ているが、例えば図５（ａ）、（ｂ）に断面構造を例示
したような複数枚の球面レンズからなるＦナンバーの小
さい標準レンズと望遠レンズを用いる。また、これらに
限らず、非球面レンズ、フレネルレンズを用いてもよ
い。以下の実施例においても同様である。

【００２７】ところで、図１に示した基本タイプの変形
として、コリメーターレンズと結像レンズとを１つのレ
ンズによって兼用させる分光装置が考えられる。図６
（ａ）に示すように、反射型回折格子４の前面にＦナン
バーの小さいコリメーター・結像兼用レンズ７を平行に
配置し、この兼用レンズ７の焦点に入射スリット２を位
置させ、回折格子４による回折光の兼用レンズ７による
像位置に高感度１次元又は２次元光検出器６を配置し
て、試料からの光を垂直に入射させるものである（垂直
入射分光型）。入射スリット２と高感度１次元又は２次
元光検出器６との配置位置を交換して、図６（ｂ）のよ
うに試料からの光を斜め方向から入射させるように配置
してもよい（斜入射分光型）。図では、検出器をレンズ
の光軸の中心に合わせてあるが、入射スリットの位置と
観測波域によっては、中心位置よりズレる場合もある。
図の（ｂ）の斜入射分光型のものが、図の（ａ）の垂直
入射分光型のものより、検出器の配置が容易である。

【００２８】さて、光子計数型ないし高感度１次元又は
２次元光検出器６としては、図７に示したように、２次
元光子計数管と低残像ビジコンを組み合わせたもの（Ｖ
ＩＭＳ）、図８のような光子計数型画像計測装置（ＰＩ
ＡＳ）、さらには、ダイオード光検出器をアレー状に並
べたアレー光検出器、ＣＣＤ、さらには、それらの受光
面を冷却して雑音を小さくして高感度にしたもの等が含
まれる。

【００２９】この中のＶＩＭＳとＰＩＡＳについて、簡
単に説明すると、図７において、２次元光子計数管２１
の光電面２２に入射した光子は光電子に変換され、この
光電子はメッシュ２３、電子レンズ２４を経て２段接続
のマイクロチヤンネルプレート（ＭＣＰ）２５に入射し
て増幅され、出射面の蛍光面２６に当って輝点を形成す
る。この輝点はレンズ２７によって低残像ビジコン２８
の光電面に結像し、ビジコン２８の出力から光子が対応
する輝点の２次元の位置がパルス信号とし求められるの
で、この輝点の分布を得ることによって極微弱光スペク
トル分布画像が求められる。

【００３０】また、図８のＰＩＡＳにおいては、光電面
２２からＭＣＰ２５に至るまでの構成は図７のものと同
様であり（もっとも、図８のＭＣＰ２５は３段接続であ
る）、ＭＣＰ２５から出る電子群はその後に配置された
シリコン半導体位置検出器（ＰＳＤ）２９に入射し、電
子衝撃効果によってさらに増幅され、パルス信号として
ＰＳＤ２９から出力される。ＰＳＤ２９はその周辺に４
個の信号出力電極３０を持つ電荷分配型の位置検出器で
あり、ＰＳＤ２９内部で発生した電荷は、表面の抵抗層
を経てこれら４個の電極３０にその発生位置に応じて分
配される。この結果、ＰＳＤ２９に入射する電子群の重
心位置すなわち、輝点位置に対応する信号が４個の電極
３０から得られる。ＰＳＤ２９から得られるパルス信号
はアンプ３２で増幅された後、位置演算装置３１に導か
れる。ここで、これらパルス信号を積分回路３３で積分
して各電極３０からの電荷量を求める。次に、これらの
信号を加減算回路３４に導き、ウィンドゲート３５を介
して除算器３６に導いて位置信号に変換し、ＡＤ変換器
３７でＡＤ変換して出力する。この出力信号を処理して
輝点の分布を求め、極微弱光スペクトル分布画像を得る
ことができる。なお、図７、図８において、符号Ｌ₀ は
入射光子（矢印）を光電面１２上に結像させる対物レン
ズを示している。

【００３１】さて、図１の本発明の高感度多波長分光装
置を組み込んだ高感度多波長分光システムについて説明
すると、図９（ａ）に示すように、図１の分光器１をそ
の入射スリットが上側にくるように配置し、そのスリッ
トの上側に、温度制御装置付試料室１０の中に配置した
試料Ｓを直接接触させて配置して、試料Ｓからの微弱光
のスペクトル分布像を高感度１次元又は２次元光検出器
６にて検出する。図中、符号９は分光器１の回折格子の
角度調節機構を示している。次に、図９（ｂ）に、分光
器１に試料Ｓを直接接触させるのではなく、集光レンズ
１１を介して配置する場合を示す。この場合、集光レン
ズ１１としてフレネルレンズを用いているが、通常の球
面レンズ系を用いてよいことは自明である。ただし、発
光試料が非常に大きい面積がとれる場合、フレネルレン
ズ１１を結像レンズとして使用する代わりに、試料Ｓの
直進光だけを分光器１に入射するレンズとして使用で
き、分光器への入射光量を大きくとれる利点がある。な
お、集光レンズ１１としては、分光器１のコリメーター
レンズ３とＦナンバーが同じものか小さいものを用い、
集光レンズ１１から集光する光の集光角がコリメーター
レンズ３の受光角以上になるようにしなければならな
い。ところで、図９（ａ）及び（ｂ）の配置は、試料の
下方へ出る光を分光する場合の配置を示してあるが、試
料の上方又は側方へ出る光を分光する場合については、
それらの方向に応じて分光器１等を配置すればよいこと
は明らかである。

【００３２】以上において、分光器は１段のみで使用す
ることを考えていたが、これに限られるものではなく、
分光器を２以上多段に配置して、角分散を複数回回折光
を利用して加分散配列にすることにより、全体の分解能
を向上させることもできる。特に、ラマン分光のよう
に、励起光とラマン光の波長の差が少ないときに、この
ような配置が有効である。もちろん、差分散の配列もで
きる。このような本発明の高感度多重多波長分光装置の
構成例を図１０〜１２に示す。図１０は、図２（ａ）の
−１次斜入射分光型分光器１₁ 〜１₄ を４段直列に配列
して、全体として方形に構成したものであり、図１１の
ものは、図２（ｂ）の＋１次斜入射分光型分光器１₁ 〜
１₄ を４段直列に配列して、全体として方形に構成した
ものであり、図１２のものは、＋１次斜入射分光型分光
器１₁ 〜１₃ を３段直列に配列して構成したものであ
る。なお、段数は上記に限られるものではない。また、
−１次斜入射分光型のものと＋１次斜入射分光型のもの
とを組み合わせて用いてもよい。

【００３３】さて、以上説明したような高感度多波長分
光装置を用いて蛍光、ラマン散乱等の極微弱発光を分光
することができる。これらのための分光分析システムに
ついて説明する。図１３は、通常の大きさの試料Ｓから
の蛍光又はラマン散乱を分光するためのシステムの概念
図であり、励起光源４０からの光を励起用分光器４１を
通して所望波長の励起光を取り出し、試料Ｓに照射す
る。試料Ｓからの蛍光又はラマン散乱光は、本発明のレ
ンズを用いた高感度多波長分光装置５０に入射して同時
に多波長の分光分析が行われる。使用する高感度多波長
分光装置５０としては、蛍光分析の場合は、通常１段の
分光器からなるもので充分であるが、ラマン散乱光を分
光するには、励起光、迷光との波長差が小さいので、波
長分解能の高い図１０〜１２に示したような多段配置の
ものを用いる必要がある（以下に示す顕微分光の場合も
同様である。）。なお、励起光源４０としてレーザーを
用いる場合は、励起用分光器４１は必要ない。

【００３４】次に、微小な試料からの蛍光、ラマン散乱
光等の極微弱発光を分光するには、図１４に示したよう
な顕微分光システムを採用することにより、本発明の高
感度多波長分光装置５０の特徴を利用した明るい同時多
波長分光分析ができる。従来、対物レンズ５１や結像レ
ンズ５２にＦ値の小さいレンズを用いても、分光器５０
のレンズ系のＦ値が大きいため、分光器の明るさが感度
の限界を決めていた。しかし、本発明の高感度多波長分
光装置を用いると、Ｆ≒１程度の明るい顕微蛍光分光
や、Ｆ≒２．８程度の顕微ラマン分光が可能になる。す
なわち、励起光源Ｌ_S1又はＬ_S2により励起された試料Ｓ
からの蛍光又はラマン散乱光は、小さなＦナンバーの対
物レンズ５１により平行光に変換され、次いで、対物レ
ンズ５１のＦナンバーと同じＦナンバーの結像レンズ５
２により本発明の高感度多波長分光装置５０の入射スリ
ット２に結像される。このように、小さなＦナンバーの
対物レンズ５１、結像レンズ５２を使用して、試料Ｓか
らの蛍光、ラマン散乱光を大きな立体角で取り込み、か
つ、高感度多波長分光装置５０に伝達するので、高感度
多波長分光装置５０で明るい分光が可能になる。なお、
高感度多波長分光装置５０のコリメーターレンズのＦナ
ンバーは、対物レンズ５１、結像レンズ５２のＦナンバ
ーに合わせるか、出来るだけ近づける。それ以上である
と、一部の光がロスになり（対物レンズ５１のＦナンバ
ーが大き過ぎると、試料Ｓの発光点から取り込む光量に
ロスが生じ、結像レンズ５２のＦナンバーが大き過ぎる
と、入射スリット２に結像される試料Ｓの発光点の像が
拡大され、スリット２で一部が遮蔽されロスとな
る。）、高感度多波長分光装置５０の明るさを充分に利
用することができない。なお、図１４において、符号５
３は励起光源Ｌ_S2かの光を試料Ｓに向け、試料Ｓからの
蛍光又はラマン散乱光を通過させるダイクロイックミラ
ーであり、符号５４は試料Ｓを走査して分析点を順次変
更する試料走査機構である。

【００３５】ところで、レンズは、光の透過特性がその
ガラス媒質により制限されてしまう。一般に、可視領域
では透過特性のよいガラスの種類が多く、近赤外域から
赤外域では種類が少なくなる。したがって、可視領域を
中心とする明るい分光器には明るいレンズが使用可能で
ある。上記蛍光及びラマン散乱光の分光は可視領域で行
うのが通常であるので、この点からも本発明の高感度多
波長分光装置が適している。なお、発光、蛍光、ラマン
散乱光の分光以外にも、当然吸収、反射分光にも、以上
説明した本発明の高感度多波長分光装置を用いることが
できる。

【００３６】さて、以下に本発明の高感度多波長分光装
置による同時測光方式のモノクロメーターによる波長掃
引方式に対する利点について簡単に説明する。

【００３７】同時測光方式の利点は２つある。１つは観
測時間であり、もう１つはダークノイズの低減である。

【００３８】観測時間については、大きさＬでＮ画素の
検出器で波長領域Ｗを波長分解能Ｒで同時測光する時の
観測時間Ｔは、各画素についてＴであり、波長分解能当
たりの観測時間もＴとなる。これに対して、波長掃引方
式により同一分解能で同じ波長領域を測定する場合、波
長領域Ｗを時間Ｔで掃引する時には、出射スリット（分
解能は、出射スリットの波長幅である。）から出てくる
波長幅の光のみを観測していることになるので、波長分
解能当たりの観測時間は、Ｔ・Ｒ／Ｗとなる。したがっ
て、観測時間の面から言えば、同時測光方式は、波長掃
引方式に対してＷ／Ｒ倍の向上が期待できる。

【００３９】ダークノイズは、受光面の面積に比例する
と考えることができる。両方式で同じ受光面面積の検出
器を使用すると仮定すると、同時測光方式の場合は、あ
る波長の光は、検出器の受光面上で分解能波長幅に相当
する場所に到達する。したがって、この波長の光に相当
するダークノイズは光の来る場所のダークノイズのみを
考慮すればよい。検出器受光面全面で発生するダークノ
イズをＤとすると、分解能波長幅に相当するダークノイ
ズは、Ｄ・Ｒ／Ｗとなる。これに対し、波長掃引方式で
は、シングルチャンネルの検出器を使用するので、分解
能に関係なく各波長について一定Ｄである。

【００４０】すなわち、本発明は、観測時間とダークノ
イズの低減について、同時測光方式の利点を備え、特に
高分解能領域では大きい感度向上がある。

【００４１】さらに、両方式のＳ／Ｎ比の比較をする。
分解能当たりのエネルギーをそれぞれＩ_m 、Ｉ_s 、それ
ぞれの検出器のシグナル発生確率をＰ_m 、Ｐ_s 、検出器
の光電面全面で発生するダークカクント数をそれぞれ、
Ｄ_m 、Ｄ_s とすると、同時測光方式のシグナル量
（Ｎ_s ）、ダークノイズ量（Ｎ_d ）、分解能当たりの観
測時間は次のようになる。

【００４２】シグナル量（Ｎ_s ）＝Ｐ_m ・Ｉ_m ダークノイズ量（Ｎ_d ）＝Ｄ_m ・（Ｒ／Ｗ） 観測時間／分解能＝Ｔ 波長掃引方式のシグナル量（Ｎ_s ）、ダークノイズ量
（Ｎ_d ）、分解能当たりの観測時間は次のようになる。

【００４３】シグナル量（Ｎ_s ）＝Ｐ_s ・Ｉ_s ダークノイズ量（Ｎ_d ）＝Ｄ_s 観測時間／分解能＝Ｔ（Ｒ／Ｗ） ここで、Ｗ／Ｒ＝Ｍとして、Ｍをスペクトルエレメント
の数とすると、同時測光方式のＳ／Ｎ比（Ｓ／Ｎ）_m 及
び波長掃引方式のＳ／Ｎ比（Ｓ／Ｎ）_s は、 （Ｓ／Ｎ）_m ＝Ｐ_m ・Ｉ_m ・Ｔ^1/2 ／（Ｐ_m ・Ｉ_m ＋Ｄ_m ／Ｍ）^1/2 (S/N)_s ＝Ｐ_s ・Ｉ_s ・（Ｔ／Ｍ）^1/2 ／（Ｐ_s ・Ｉ_s ＋Ｄ_s ）^1/2 となる。

【００４４】したがって、同一の分光器を使用し、検出
器の特性が両方式において同じと仮定すると、Ｉ_m ＝Ｉ
_s 、Ｐ_m ＝Ｐ_s 、Ｄ_m ＝Ｄ_s であるので、両方式のＳ／
Ｎ比の比について次のような結論が得られる。

【００４５】 Ｎ_s ≫Ｎ_d （光子雑音が支配的な場合） （Ｓ／Ｎ）_m ／（Ｓ／Ｎ）_s ＝Ｍ^1/2 Ｎ_s ＝Ｎ_d （光子雑音と検出器雑音が同程度の場合） （Ｓ／Ｎ）_m ／（Ｓ／Ｎ）_s ＝２^1/2 Ｍ／（Ｍ＋１）^1/2 Ｎ_s ≪Ｎ_d （検出器雑音が支配的な場合） （Ｓ／Ｎ）_m ／（Ｓ／Ｎ）_s ＝Ｍ したがって、本発明の高感度多波長分光装置による同時
測光方式は、モノクロメーターによる波長掃引方式より
も、少なくともＭ^1/2 倍以上の感度の向上が期待でき
る。

【００４６】次に、図１５に試作した本発明の高感度多
波長分光装置の感度性能の実測値を示す。測定した波長
は、５４６ｎｍの水銀の輝線スペクトルを使用し、分解
能は６．５ｎｍとし、このときの入射スリット幅は２０
０μｍで、高さは１０ｍｍとした。検出器には図７の２
次元光子計数管と低残像ビジコンを組み合わせたものを
用いた。図から明らかなように、最小検出可能信号は、
ゲート時間１０秒で１０^-15 Ｗ、ゲート時間４００秒で
１０^-16 Ｗの分光検出が可能であった。なお、従来のも
のの場合、せいぜい１０^-12 Ｗであり、この点から本発
明の高感度多波長分光装置の高感度性が分る。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明の高感度多波長分
光装置は、入射光を点状ないし線状に限定して射出する
光学系２、Ｆナンバーの小さいコリメータレンズ３、反
射型回折格子４、Ｆナンバーの小さい結像レンズ５、光
子計数型ないし高感度１次元又は２次元光検出器６を有
する多波長分光装置であり、生物発光、化学発光、励起
光による極微弱蛍光、ラマン散乱等を呈する試料Ｓから
の極微弱光の分光分析に際して、次のような優れた作用
を実現する。すなわち、入射光を点状ないし線状に限定
して射出する光学系２が試料Ｓからの光を点状又は線状
光源としてコリメータレンズ３に入射させるので、コリ
メータレンズ３は試料Ｓからの光を漏れなく平行度の高
い平行光線にして反射型回折格子４に入射させる。した
がって、反射型回折格子４はその分解能を十分に発揮す
るとともに極微弱光を分光するようになる。また、コリ
メータレンズ３と結像レンズ５とは、反射型回折格子４
に極近接して配置でき、さらに、軸外し状態で配置する
必要はないので、入射光全てを高分解能同時多波長分光
に利用でき、また、装置の小型化が実現できる。そし
て、最も重要な効果であるが、コリメータレンズ３と結
像レンズ５として、Ｆナンバーが可能な限り小さい明る
いレンズを使用することができるので、両レンズの合成
系となる装置全体の明るさを十分に大きくすることがで
き、光子計数型ないし高感度１次元又は２次元光検出器
６と組み合わせ、観測波長域を同時に測光することによ
り、従来困難であった生物発光、化学発光、励起光によ
る極微弱蛍光、ラマン散乱等の極微弱光の同時多波長分
析が可能になり、特に、生物発光、化学発光、励起光に
よる極微弱蛍光、ラマン散乱等を利用した生体、微量成
分の研究手段として有効なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高感度多波長分光装置の１実施例の光
学配置図である。

【図２】図１の高感度多波長分光装置の２つの基本タイ
プの光学配置図である。

【図３】図２の基本タイプを検討するための光路図であ
る。

【図４】他の実施例の光学配置図である。

【図５】複数枚の球面レンズからなるＦナンバーの小さ
いレンズの断面構造を例示するための図である。

【図６】図１の変形例の光学配置図である。

【図７】本発明の高感度多波長分光装置に用いる２次元
光子計数管と低残像ビジコンを組み合わせたものの断面
図である。

【図８】他の光子計数型画像計測装置の断面図である。

【図９】図１の本発明の高感度多波長分光装置を組み込
んだ高感度多波長分光システムの断面図である。

【図１０】本発明の多段の高感度多重多波長分光装置の
１例の光学配置図である。

【図１１】他の例の多段の高感度多重多波長分光装置の
光学配置図である。

【図１２】さらに別の例の多段の高感度多重多波長分光
装置の光学配置図である。

【図１３】通常の大きさの試料からの蛍光又はラマン散
乱を分光するためのシステムの概念図である。

【図１４】蛍光又はラマン散乱の顕微分光システムの概
念図である。

【図１５】本発明の高感度多波長分光装置の感度性能の
実測値を示す図である。

【符号の説明】

１、１₁ 〜１₄ ：分光器、２：入射スリット、２ｂ：光
コンセントレイター、３：コリメーターレンズ、４：反
射型回折格子、５：結像レンズ、６：高感度１次元又は
２次元光検出器、７：コリメーター・結像兼用レンズ、
８：シリンドリカルレンズ、９：角度調節機構、１０：
温度制御装置付試料室、１１：集光レンズ、２１：２次
元光子計数管、２２：光電面、２３：メッシュ、２４：
電子レンズ、２５：マイクロチヤンネルプレート（ＭＣ
Ｐ）、２６：蛍光面、２７：レンズ、２８：低残像ビジ
コン、２９：シリコン半導体位置検出器（ＰＳＤ）、３
０：信号出力電極、３１：位置演算装置、３２：アン
プ、３３：積分回路、３４：加減算回路、３５：ウィン
ドゲート、３６：除算器、３７：ＡＤ変換器、４０：励
起光源、４１：励起用分光器、５０：高感度多波長分光
装置、５１：対物レンズ、５２：結像レンズ、５３：ダ
イクロイックミラー、５４：試料走査機構、Ｓ：試料、
Ｌ₀ ：対物レンズ、Ｌ_S1、Ｌ_S2：励起光源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 市村勉 宮城県仙台市太白区向山１−１−20−301 (72)発明者 名越利之 宮城県仙台市太白区八木山香澄町23−21 (72)発明者 稲場文男 宮城県仙台市太白区八木山南１−13−１

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を点状ないし線状に限定して射出
   する光学系、この光学系の点状ないし線状の射出端を焦
   点としそこから出る光をとり入れて平行にする明るいコ
   リメーターレンズ、コリメーターレンズによって平行に
   された光を回折して分光する反射型回折格子、及び、反
   射型回折格子によって分光された平行光を像面上にスペ
   クトル像として結像する結像レンズからなる分光器と、
   結像レンズの像面上に観測波長域が検出面内に入るよう
   に配置された高感度１次元又は２次元光検出器とから構
   成されていることを特徴とする高感度多波長分光装置。
2. 【請求項２】 結像レンズの光軸を観測波長域の短波長
   側回折角と長波長側回折角の２等分角に一致させ、該光
   軸を高感度１次元又は２次元光検出器の検出面のほぼ中
   心に一致するように、結像レンズと高感度１次元又は２
   次元光検出器が配置されていることを特徴とする請求項
   １記載の高感度多波長分光装置。
3. 【請求項３】 生物発光、化学発光等の極微弱な自然発
   光の分光検出のために、反射型回折格子としてブレーズ
   ド回折格子を用い、分光器のコリメーターレンズ口径を
   結像レンズ口径より大きなものを用いて、−１次の回折
   光をスペクトル像としてとり出し可能に配置して、迷光
   を小さくする以上に入射光のロスを小さくすることを特
   徴とする請求項１又は２記載の高感度多波長分光装置。
4. 【請求項４】 ラマン散乱、蛍光等の励起光による極微
   弱発光の分光検出のために、反射型回折格子としてブレ
   ーズド回折格子を用い、分光器の結像レンズ口径をコリ
   メーターレンズ口径より大きなものを用いて、＋１次の
   回折光をスペクトル像としてとり出し可能に配置して、
   入射光のロスを小さくする以上に迷光を小さくすること
   を特徴とする請求項１又は２記載の高感度多波長分光装
   置。
5. 【請求項５】 コリメーターレンズと結像レンズとを１
   つの兼用レンズによって兼用させ、この兼用レンズを反
   射型回折格子の前面に平行に配置し、兼用レンズ７の焦
   点面上に入射光を点状ないし線状に限定して射出する光
   学系の点状ないし線状の射出端を位置させ、兼用レンズ
   の像面上に高感度１次元又は２次元光検出器回折格子４
   を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の高感
   度多波長分光装置。
6. 【請求項６】 入射光を点状ないし線状に限定して射出
   する光学系として、スリットないしピンホールを用いた
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の高
   感度多波長分光装置。
7. 【請求項７】 入射光を点状ないし線状に限定して射出
   する光学系として、試料ないしその像の微小領域又はあ
   る程度の広がりのある領域からの光を点状あるいは線状
   にしてとり出す光学系を用いたことを特徴とする請求項
   １から５のいずれかに記載の高感度多波長分光装置。
8. 【請求項８】 請求項１から７記載の分光器を同種又は
   種類を異ならして２以上多段に配置し、加分散又は差分
   散の配列にすることにより、複数回回折光を利用して角
   分散を制御することを特徴とする高感度多波長分光装
   置。
9. 【請求項９】 試料の微小点からの発光、蛍光又はラマ
   ン散乱光を、分光器のコリメーターレンズのＦナンバー
   以下の第１正レンズによりほぼ平行な光に変換し、この
   平行光をコリメーターレンズのＦナンバー以下の第２正
   レンズにより請求項１から８記載の何れかの高感度多波
   長分光装置の入射光を点状ないし線状に限定して射出す
   る光学系上に結像させるようにしたことを特徴とする高
   感度多波長分光装置。
10. 【請求項１０】 第１正レンズの前側焦点に対して試料
    の分光分析点を走査させるようにしたことを特徴とする
    請求項９記載の高感度多波長分光装置。