分光器、及び、それを備えた光学装置
【課題】入射光の方向と射出光の基準方向を平行に維持しつつ、コンパクトな構成で高い分散角と高い光の利用効率を実現する技術を提供することを課題とする。
【解決手段】分光器１１は、直視プリズム１５で屈折により波長毎に光を分散させて、分散した光を反射部材（１６、１７）で反射して、再度、直視プリズム１５で屈折させる。
【解決手段】分光器１１は、直視プリズム１５で屈折により波長毎に光を分散させて、分散した光を反射部材（１６、１７）で反射して、再度、直視プリズム１５で屈折させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器の技術に関し、特にプリズムを用いた分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、使用されている主要な分光器は、プリズムを使用する分光器と、グレーティング（回折格子）を使用する分光器の、２つに大別できる。
【０００３】
グレーティングを使用する分光器は、回折を利用して光を波長毎に分散させるが、通常、所定次数以外の回折光は破棄されるため、光の利用効率は高くても７０％程度となる。このため、グレーティングを使用する分光器では、プリズムを使用する分光器と比較して、十分な光量を得ることが難しい。
【０００４】
これに対して、プリズムを使用する分光器は、屈折を利用して光を波長毎に分散させるため、高い光の利用効率を実現できるが、グレーティングを使用した分光器と比較して、一般に、分散角が小さくなる。このため、プリズムを使用する分光器では、通常、複数のプリズムを利用して、複数回の屈折により光を分散させることで、必要な分散量が確保される。
【０００５】
しかしながら、大きな分散量を得るために複数のプリズムを用いて分光器を構成すると、当然に分光器が大型化してしまう。また、プリズムでは、通常、入射光の方向と射出光の基準となる方向（以降、基準方向と記す。）は平行ではない。このため、複数のプリズムを並べると入射光の方向と射出光の基準方向が大きく異なることになる。従って、複数のプリズムを分光器に与えられる限られた空間の中に効率的に配置することは難しく、空間利用効率が低下しやすい。そして、その低い空間利用効率が装置の大型化に拍車をかけることになる。
このような課題に対して有効な技術として、特許文献１では、特定波長の光が直進するように光を分散させる直視プリズムを利用する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、１つのプリズムの周りに反射ミラーを設け、プリズムから射出された光を反射ミラーで反射することにより、光を複数回同じプリズムに入射させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１７２７４１０号公報
【特許文献２】特開２００２−２２５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術を用いることで、入射光の方向と射出光の基準方向を平行にすることができるため、複数のプリズムを並べても、入射光の方向と射出光の基準方向が大きく異なることはない。しかしながら、特許文献１では、大きな分散量を得ることができるコンパクトな構成については開示されていない。このため、大きな分散量を得るために、複数の直視プリズムを用いて分光器を構成した場合には、装置の大型化は避けられない。
【０００９】
また、特許文献２の技術を用いることで、コンパクトな構成で必要な分散量を得ることができる。しかしながら、特許文献２で開示される構成では、プリズムから射出される射出光の基準方向は、プリズムから射出される毎に異なることになる。このため、必要な分散量に依存して射出光の基準方向が異なるため、分散量を調整する場合には、検出系の配置の変更が必要となる。
【００１０】
以上のような実情を踏まえ、本発明では、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、光の屈折により波長毎に光を分散させる直視プリズムと、直視プリズムで分散した光を反射する反射部材と、を含み、直視プリズムは、反射部材を反射した光を、屈折させる分光器を提供する。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムから射出された光を反射し、直視プリズムに入射させる分光器を提供する。
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の分光器において、反射部材は、光が分散している分散平面と直交する回転軸を中心に回転する分光器を提供する。
本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムの内部に配置される分光器を提供する。
【００１３】
本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムから射出された光に対して、挿脱可能に配置される分光器を提供する。
【００１４】
本発明の第６の態様は、第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光を反射する分光器を提供する。
【００１５】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光が入射する位置に配置される分光器を提供する。
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光の分散方向に移動可能に配置される分光器を提供する。
【００１６】
本発明の第９の態様は、第６の態様に記載の分光器において、反射部材は、所定波長を越える波長の光が反射するショートウェーブパスフィルタである分光器を提供する。
【００１７】
本発明の第１０の態様は、第１の態様乃至第９の態様のいずれか１つに記載の分光器において、直視プリズムは、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出する分光器を提供する。
【００１８】
本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか１つに記載の分光器において、直視プリズムは、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムである分光器を提供する。
本発明の第１２の態様は、第１の態様乃至第１１の態様のいずれか１つに記載の分光器を含む光学装置を提供する。
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載の光学装置において、光学装置は、走査型顕微鏡である光学装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る顕微鏡の構成を例示した図である。
【図２】実施例１に係る分光器の構成を例示した図である。
【図３】実施例１に係る分光器の構成の変形例の側面図である。
【図４】実施例２に係る分光器の構成を例示した図である。
【図５】実施例３に係る分光器の構成の上面図である。
【図６】実施例３に係る分光器の波長に対する分散角の特性を説明するための図である。
【図７】実施例３に係る分光器の波長に対する光の利用効率を説明するための図である。
【図８】実施例３に係る分光器の構成の変形例の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、各実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本実施例に係る顕微鏡の構成を例示した図である。
【００２３】
図１に例示される共焦点走査型顕微鏡１は、蛍光顕微鏡であり、レーザ光を射出する光源２と、レーザ光を反射し、蛍光を透過するダイクロイックミラー３と、標本Ｓを走査する走査装置４と、対物レンズ７の瞳を走査装置４上にリレーするＬＳＭ光学系５と、ミラー６と、レーザ光を標本Ｓに照射する対物レンズ７と、ダイクロイックミラー３を透過した蛍光を集光するコンフォーカルレンズ８と、共焦点ピンホールを有する共焦点絞り９と、蛍光を平行光に変換するコリメートレンズ１０と、分光器１１及びレンズ１２を含む分光光学系１３と、分光光学系１３で分散した蛍光を検出する検出器１４と、を含んで構成されている。
まず、共焦点走査型顕微鏡１の作用について概説する。
【００２４】
光源２から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー３を反射し、走査装置４、ＬＳＭ光学系５、ミラー６を介して対物レンズ７に入射して、標本Ｓ上に照射される。レーザ光が照射された標本Ｓでは、蛍光物質が励起され、蛍光が発生する。蛍光は、対物レンズによって集められ、レーザ光と同じ経路を反対方向に進行し、ダイクロイックミラー３に入射する。ダイクロイックミラー３に入射した蛍光は、ダイクロイックミラー３を透過して、コンフォーカルレンズ８により共焦点絞り９上に集光する。共焦点絞り９は、対物レンズ７の焦点位置と光学的に共役な位置に共焦点ピンホールを有している。このため、対物レンズ７の焦点位置から生じた蛍光のみが共焦点ピンホールを通過し、焦点位置以外から生じた蛍光は共焦点絞りにより遮断される。共焦点ピンホールを通過した蛍光は、コリメートレンズ１０により平行光に変換されて分光光学系１３に入射する。分光光学系１３に入射した蛍光は、分光器１１により波長毎に分散される。そして、分散した蛍光の各々は、レンズ１２によりそれぞれ検出器１４上に集光し、検出器１４によりそれぞれ独立に検出される。
次に、本実施例に係る共焦点走査型顕微鏡１に含まれる分光器１１について、図２を参照しながら、詳述する。
【００２５】
図２は、本実施例に係る分光器の構成を例示した図である。図２（ａ）は、本実施例に係る分光器の上面図であり、図２（ｂ）は、本実施例に係る分光器の側面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。
【００２６】
なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示される分光器１１は、入射する蛍光（光線Ｂ）を波長毎に分散させるが、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、説明を簡素化するため、分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。また、光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３は、この順に、長い波長を有する（つまり、第１の波長＞第２の波長＞第３の波長）。
【００２７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示される分光器１１は、入射する光（光線Ｂ）を屈折により分散させる直視プリズム１５と、直視プリズム１５で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）を反射する反射部材であるミラー１６及びミラー１７と、を含んで構成されている。ミラー１６とミラー１７は、平行に配置されている。
【００２８】
直視プリズム１５は、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出するプリズムであり、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、第２の波長の光線Ｂ２が、入射光である光線Ｂと平行な方向に射出される例が示されている。また、図２（ａ）では、直視プリズム１５は、３つのプリズムを接合した接合プリズムとして例示されているが、特にこれに限られない。直視プリズム１５は、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムであればよい。
【００２９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示されるように、分光器１１に入射した光線Ｂは、まず、直視プリズム１５で分散される。そして、分散した光線（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）は、ミラー１７に入射する。ミラー１７は、直視プリズム１５から射出された光線を反射して、再度、直視プリズム１５に入射させる。直視プリズム１５は、ミラー１７を反射した光線を屈折させる。その後、直視プリズム１５で屈折した光線は、ミラー１６に入射する。ミラー１６も、ミラー１７と同様に作用する。つまり、ミラー１６は、直視プリズム１５から射出された光線を反射して、直視プリズム１５に入射させる。そして、直視プリズム１５は、ミラー１６を反射した光線を再度屈折させる。
【００３０】
このように、本実施例に係る分光器１１は、直視プリズム１５で分散した光線を反射部材（ミラー１６、ミラー１７）で反射し、反射した光線を再度直視プリズム１５で屈折させる。これにより、直視プリズム１５でより多く屈折が生じることになり、その結果、射出される光線の分散量を向上させることができる。
【００３１】
また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示されるように、直視プリズム１５が第２の波長の光線Ｂ２を光線Ｂと平行な方向に射出する特性を有し、且つ、ミラー１６及びミラー１７が平行に配置されているため、光線Ｂ２の射出される方向は、ミラー１７及びミラー１６を反射した後も変化しない。従って、光線Ｂの方向と光線Ｂ２の方向は同じである。
【００３２】
さらに、直視プリズム１５は、屈折を利用して光を分散させるため、回折を利用して光を分散させるグレーティングと比べて、光量の損失が抑制することができる。
【００３３】
従って、本実施例に係る分光器１１及び分光器１１を含む共焦点走査型顕微鏡１によれば、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。
【００３４】
なお、図２（ｂ）に例示されるように、ミラー１６及びミラー１７は、Ｚ座標の異なる位置に配置されている。より具体的には、ミラー１６は、分光器１１への入射光には作用しない位置に配置され、ミラー１７は、分光器１１からの射出光には作用しない位置に配置されている。
【００３５】
ここでは、ミラー１６及びミラー１７は、それぞれ一回ずつ光を反射しているが、特にこれに限られない。Ｚ方向により長いミラーを用いることで、それぞれのミラーで複数回ずつ光を反射させても良い。これにより、分光器１１のＸ方向の大きさを変えることなく、直視プリズム１５のＺ方向の大きさを有効に利用して、より大きな分散量を得ることができる。
【００３６】
また、ミラー１６及びミラー１７のＺ方向の長さを変更する代わりに、ミラー１６と略同じ平面上でＺ座標の異なる位置に別のミラーを配置してもよく、同様に、ミラー１７と略同じ平面上でＺ座標の異なる位置に別のミラーを配置してもよい。この場合も、分光器１１のＸ方向の大きさを変えることなく、直視プリズム１５のＺ方向の大きさを有効に利用して、より大きな分散量を得ることができる。
【００３７】
また、ミラー１６及びミラー１７（反射部材）の各々は、直視プリズム１５から射出される光に対して、挿脱可能に配置されてもよい。反射回数を調整することで、直視プリズム１５での屈折回数を調整することができるため、必要に応じて分散量を調整することができる。例えば、分光器１１の入射側に、Ｚ方向に比較的長いミラー１６を配置し、分光器１１の射出側に、略同じ平面上のＺ座標の異なる位置に複数のミラー１７を並べても良い。この場合、任意のミラー１７を光路上から取り外すことで、射出光の基準方向と入射光の方向とを平行に維持しつつ、必要に応じて分散量を調整することができる。
【００３８】
図３は、本実施例に係る分光器の構成の変形例の上面図である。図３のＸＹＺ座標系は、図２のＸＹＺ座標系と同様に定義されている。図３に例示される変形例に係る分光器１８は、入射する光を屈折により波長毎に分散させる直視プリズム１５と、直視プリズム１５で分散した光を反射する反射部材（ミラー１９、ミラー２０）と、を含んで構成されている点は、図２に例示される本実施例の分光器１８と同様である。
【００３９】
分光器１１では、図２（ｂ）に例示されるように、反射部材（ミラー１６及びミラー１７）がＺ軸に対して平行に配置されている。このため、分光器１１への光の入射がミラー１６により妨げられないように、また、分光器１１からの光の射出がミラー１７により妨げられないように、Ｚ軸に対して斜めの入射光を直視プリズム１５へ入射させている。従って、分光器１１では、入射光の方向及び射出光の基準方向は、水平面に対して平行にならない。
【００４０】
一方、変形例に係る分光器１８では、図３に例示されるように、反射部材（ミラー１９及びミラー２０）がＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に、配置されている。このため、Ｚ軸に対して直交する入射光を直視プリズム１５へ入射させた場合であっても、ミラー１９及びミラー２０が分光器１８への光の入射や分光器１８からの光の射出を妨げることはない。従って、本変形例に係る分光器１８によれば、入射光の方向及び射出光の基準方向を水平面に対して平行にすることができる。
【００４１】
なお、図３に例示される分光器１８では、反射部材がＺ軸に対して斜めに配置する例、つまり、図２に例示される分光器１１に対して反射部材をＹ軸と平行な回転軸を中心に回転させる例を示したが、反射部材の回転は、特にこれに限られない。反射部材は、光が分散している分散平面と直交する回転軸、ここでは、Ｚ軸と平行な回転軸を中心に回転してもよい。これにより、入射光と平行な方向に射出される光の波長を変更することができる。
【００４２】
以上、本実施例及び本変形例では、分光器を含む構成として共焦点走査型顕微鏡１を例示したが、特にこれに限られず、任意の光学装置に利用できる。しかし、分光器は波長の異なる光を空間的に分離するものである。このため、分光器を顕微鏡に用いる場合、波長に関する情報と観察対象の２次元情報とを同時に検出することは難しい。従って、分光器を用いる顕微鏡としては、走査型顕微鏡が好適である。
【実施例２】
【００４３】
図４は、本実施例に係る分光器の構成を例示した図である。図４（ａ）は、本実施例に係る分光器の上面図であり、図４（ｂ）は、本実施例に係る分光器の側面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。なお、本実施例に係る分光器２１も、実施例１に係る分光器１１と同様に、任意の光学装置に利用することができる。
【００４４】
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）でも、説明を簡素化するため、本実施例に係る直視プリズム２２で分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。
【００４５】
本実施例に係る分光器２１は、入射する光（光線Ｂ）を屈折により分散させる直視プリズム２２と、直視プリズム２２で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）を反射する反射部材（ミラー２３、ミラー２４）と、を含んで構成されている点は、実施例１に係る分光器１１と同様である。ただし、反射部材であるミラー２３及びミラー２４が、直視プリズム２２の内部に配置されている点が、実施例１に係る分光器１１と異なっている。
【００４６】
図４（ａ）に例示されるように、ミラー２３とミラー２４の間に少なくとも１つの接合面が存在する位置に、ミラー２３及びミラー２４は配置されることが望ましい。すなわち、ミラー２３及びミラー２４は、直視プリズム２２を構成する別のプリズム内に配置されることが望ましい。これにより、ミラー２３及びミラー２４を反射した光は、接合面で屈折するため、分光器２１から射出される光線の分散量を向上させることができる。
【００４７】
このように反射部材を直視プリズム２２の内部に配置することで、屈折率差の大きな空気接触面を光が透過する回数が減少する。このため、空気接触面での不要な反射光が減少し、分光器１１で生じる光量の損失を抑制することができる。
【００４８】
以上、本実施例に係る分光器２１及び分光器２１を含む光学装置によれば、実施例１に係る分光器１１及び分光器１１を含む光学装置と同様に、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。
【００４９】
なお、本実施例に係る分光器２１も、実施例１に係る分光器１１と同様に、種々の変形が可能である。例えば、反射部材の長さや個数を変えて、それぞれの反射部材で複数回ずつ光を反射させても良い。また、反射部材は、直視プリズム２２内部に挿脱可能に配置されてもよい。また、反射部材は、直視プリズム２２内部でＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に配置されてもよい。
【実施例３】
【００５０】
図５は、本実施例に係る分光器の構成の上面図である。図５のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。なお、本実施例に係る分光器２５も、実施例１に係る分光器１１と同様に、任意の光学装置に利用することができる。
【００５１】
また、図５でも、説明を簡素化するため、本実施例に係る直視プリズム２６で分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。また、光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３は、この順に長い波長を有する（つまり、第１の波長＞第２の波長＞第３の波長）。
【００５２】
ところで、プリズムを使用する分光器の分散角は、一般に、グレーティングを使用する分光器の分散角に比べて、波長に対する線形性が低い。その結果、プリズムを使用する分光器では、射出される光の分散量についても、波長に対する線形性が低くなる。検出器の受光面に配列された受光素子が、通常、一定間隔で並べられていることを考慮すると、このような分散量の非線形性は、各受光素子に入射する光の波長域の幅のばらつきを引き起こすことになり、好ましくない。
【００５３】
各受光素子に入射する光の波長域の幅のばらつきを抑制するために、受光素子の間隔を分光器の分光特性に合わせて変更する方法も考えられるが、その場合でも、光学的な分解能自体が改善されるわけではない。
本実施例に係る分光器２５は、このような波長に対する分散量の線形性を、分光器自身により改善することができる。
【００５４】
本実施例に係る分光器２５は、入射する光を屈折により分散させる直視プリズム２６と、直視プリズム２６で分散した光を反射する反射部材（ミラー２７、ミラー２８）と、を含んで構成されている点は、実施例１に係る分光器１１と同様である。ただし、反射部材が、直視プリズム２６で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）のうち、所定波長を越える波長の光のみを反射する点が異なっている。なお、本実施例では、所定波長は、光線Ｂ２の有する第２の波長であり、５５０ｎｍであるが、特にこれに限られない。
【００５５】
より具体的には、ミラー２８は、光線Ｂ２の有する第２の波長を越える波長の光が入射する位置に配置されることにより、第２の波長を越える波長の光（光線Ｂ１）を反射する。このため、ミラー２７にも第２の波長を越える波長の光（光線Ｂ１）のみが入射し、ミラー２７は光線Ｂ１を反射する。このため、本実施例に係る分光器２５では、５５０ｎｍ以下の波長の光（光線Ｂ２、光線Ｂ３）は直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを越える波長の光（光線Ｂ１）は、直視プリズム２６を３回通過する。
【００５６】
図６は、本実施例に係る分光器の波長に対する分散角の特性を説明するための図である。縦軸は分光器から射出されたときの分散角を示し、横軸は波長を示している。線Ｌｄ１（一点鎖線）は、光が反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過した場合の特性を示し、線Ｌｄ３（実線）は、光が反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。また、線ＬｄＣ（点線）は、本実施例に係る分光器２５の特性であり、５５０ｎｍ以下の波長の光は反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを超える波長の光は、反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。
【００５７】
図６の線Ｌｄ１に示されるように、プリズムは屈折を利用して光を分散させるため、一般に、高波長域では低波長域に比べて分散量（分散度）の変化は緩やかになる。しかし、本実施例に係る分光器２５では、分散量の変化が緩やかな高波長域の波長を反射部材で反射して、直視プリズム２６を３回通過させることにより、高波長域での分散量の変化率を向上させている。これにより、図６の線ＬｄＣに例示されるように、全波長域でおよそ線形な波長特性を実現している。なお、ここでは、高波長域と低波長域という表現は、波長の大小についての相対的な関係を示しており、特定の範囲の波長を示すものではない。
【００５８】
図７は、本実施例に係る分光器の波長に対する光の利用効率を説明するための図である。縦軸は光の利用効率を示し、横軸は波長を示している。線Ｌｔ１（一点鎖線）は、光が反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過した場合の特性を示し、線Ｌｔ３（実線）は、光が反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。また、線ＬｔＣ（点線）は、本実施例に係る分光器２５の特性であり、５５０ｎｍ以下の波長の光は反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを超える波長の光は、反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。さらに、線Ｌｒ（破線）は、回折格子を用いた分光器の波長に対する光の利用効率を示している。
【００５９】
図７の線Ｌｔ１及び線Ｌｔ３に示されるように、直視プリズム２６を複数回通過することで、光の利用効率は全波長域で低下する。これは、主に、空気接触面で不要な反射が生じることが原因として考えられる。しかしながら、線ＬｔＣに示される本実施例に係る分光器２５の光の利用効率は、線Ｌｒに示される回折格子を用いた分光器の光の利用効率よりも、全波長域で高い。
【００６０】
このように、反射部材が所定波長を越える波長の光のみを反射するように構成することで、回折格子を用いた分光器に比べて高い光の利用効率を実現しながら、分光器の分散量の波長に対する線形性を改善することができる。
【００６１】
以上、本実施例に係る分光器２５及び分光器２５を含む光学装置によれば、実施例１に係る分光器１１及び分光器１１を含む光学装置と同様に、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。また、それに加えて、分散量の波長に対する線形性を改善することができる。
【００６２】
なお、本実施例に係る分光器２５では、直視プリズム２６が入射光と平行な方向に射出する光の波長（特定波長）と、反射部材が反射する光の波長の境界（所定波長）とが、一致する例を示したが、特にこれに限られない。
【００６３】
また、本実施例に係る分光器２５のミラー２８（反射部材）は、直視プリズム２６で分散した光の分散方向に移動可能に配置されてもよい。分散方向とは、直視プリズム２６により光が分散する方向であり、本実施例に係る分光器２５ではＹ方向である。これにより、ミラー１７に入射する光の波長域を変更し、分散量を向上させる波長域を変更することができるため、分散量の波長に対する線形性の改善がより容易となる。
【００６４】
図８は、本実施例に係る分光器の構成の変形例の上面図である。図８のＸＹＺ座標系は、図５のＸＹＺ座標系と同様に定義されている。図８に例示される変形例に係る分光器２９は、入射する光を屈折により分散させる直視プリズム３０と、直視プリズム３０で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）のうち、所定波長を越える波長の光を反射する反射部材（ミラー３１、ショートウェーブパスフィルタ３２）と、を含んで構成されている点は、図５に例示される本実施例に係る分光器２５と同様である。ただし、射出側に配置された反射部材として、ミラー２８の代わりに、所定波長を越える波長の光を反射する光学特性を有するショートウェーブパスフィルタ３２を用いている点が異なっている。
【００６５】
変形例に係る分光器２９では、図８に例示されるように、所定波長以下の波長の光（光線Ｂ２、光線Ｂ３）は、ショートウェーブパスフィルタ３２を透過する。このため、所定波長以下の波長の光がショートウェーブパスフィルタ３２に入射しないように反射部材（ショートウェーブパスフィルタ３２）を配置する必要はない。従って、変形例に係る分光器２９によれば、高精度な位置決めが不要となり、製造上の負担が低減される。また、個体間でより安定した性能を実現することもできる。
【００６６】
なお、本実施例に係る分光器２５及び本変形例に係る分光器２９も、実施例１に係る分光器１１と同様に、種々の変形が可能である。例えば、反射部材の長さや個数を変えて、それぞれの反射部材で複数回ずつ光を反射させても良い。また、反射部材は、直視プリズム３０内部に挿脱可能に配置されてもよい。また、反射部材は、直視プリズム３０内部でＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に配置されてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・共焦点走査型顕微鏡、２・・・光源、３・・・ダイクロイックミラー、４・・・走査装置、５・・・ＬＳＭ光学系、６、１６、１７、１９、２０、２３、２４、２７、２８、３１・・・ミラー、７・・・対物レンズ、８・・・コンフォーカルレンズ、９・・・共焦点絞り、１０・・・コリメートレンズ、１１、１８、２１、２５、２９・・・分光器、１２・・・レンズ、１３・・・分光光学系、１４・・・検出器、１５、２２、２６、３０・・・直視プリズム、３２・・・ショートウェーブパスフィルタ、Ｓ・・・標本、Ｌｄ１、Ｌｄ２、ＬｄＣ、Ｌｔ１、Ｌｔ２、ＬｔＣ、Ｌｒ・・・線、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・光線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光器の技術に関し、特にプリズムを用いた分光器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、使用されている主要な分光器は、プリズムを使用する分光器と、グレーティング（回折格子）を使用する分光器の、２つに大別できる。
【０００３】
グレーティングを使用する分光器は、回折を利用して光を波長毎に分散させるが、通常、所定次数以外の回折光は破棄されるため、光の利用効率は高くても７０％程度となる。このため、グレーティングを使用する分光器では、プリズムを使用する分光器と比較して、十分な光量を得ることが難しい。
【０００４】
これに対して、プリズムを使用する分光器は、屈折を利用して光を波長毎に分散させるため、高い光の利用効率を実現できるが、グレーティングを使用した分光器と比較して、一般に、分散角が小さくなる。このため、プリズムを使用する分光器では、通常、複数のプリズムを利用して、複数回の屈折により光を分散させることで、必要な分散量が確保される。
【０００５】
しかしながら、大きな分散量を得るために複数のプリズムを用いて分光器を構成すると、当然に分光器が大型化してしまう。また、プリズムでは、通常、入射光の方向と射出光の基準となる方向（以降、基準方向と記す。）は平行ではない。このため、複数のプリズムを並べると入射光の方向と射出光の基準方向が大きく異なることになる。従って、複数のプリズムを分光器に与えられる限られた空間の中に効率的に配置することは難しく、空間利用効率が低下しやすい。そして、その低い空間利用効率が装置の大型化に拍車をかけることになる。
このような課題に対して有効な技術として、特許文献１では、特定波長の光が直進するように光を分散させる直視プリズムを利用する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、１つのプリズムの周りに反射ミラーを設け、プリズムから射出された光を反射ミラーで反射することにより、光を複数回同じプリズムに入射させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１７２７４１０号公報
【特許文献２】特開２００２−２２５３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１の技術を用いることで、入射光の方向と射出光の基準方向を平行にすることができるため、複数のプリズムを並べても、入射光の方向と射出光の基準方向が大きく異なることはない。しかしながら、特許文献１では、大きな分散量を得ることができるコンパクトな構成については開示されていない。このため、大きな分散量を得るために、複数の直視プリズムを用いて分光器を構成した場合には、装置の大型化は避けられない。
【０００９】
また、特許文献２の技術を用いることで、コンパクトな構成で必要な分散量を得ることができる。しかしながら、特許文献２で開示される構成では、プリズムから射出される射出光の基準方向は、プリズムから射出される毎に異なることになる。このため、必要な分散量に依存して射出光の基準方向が異なるため、分散量を調整する場合には、検出系の配置の変更が必要となる。
【００１０】
以上のような実情を踏まえ、本発明では、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現する技術を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様は、光の屈折により波長毎に光を分散させる直視プリズムと、直視プリズムで分散した光を反射する反射部材と、を含み、直視プリズムは、反射部材を反射した光を、屈折させる分光器を提供する。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムから射出された光を反射し、直視プリズムに入射させる分光器を提供する。
本発明の第３の態様は、第２の態様に記載の分光器において、反射部材は、光が分散している分散平面と直交する回転軸を中心に回転する分光器を提供する。
本発明の第４の態様は、第１の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムの内部に配置される分光器を提供する。
【００１３】
本発明の第５の態様は、第１の態様乃至第４の態様のいずれか１つに記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムから射出された光に対して、挿脱可能に配置される分光器を提供する。
【００１４】
本発明の第６の態様は、第１の態様乃至第５の態様のいずれか１つに記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光を反射する分光器を提供する。
【００１５】
本発明の第７の態様は、第６の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光が入射する位置に配置される分光器を提供する。
本発明の第８の態様は、第７の態様に記載の分光器において、反射部材は、直視プリズムで分散した光の分散方向に移動可能に配置される分光器を提供する。
【００１６】
本発明の第９の態様は、第６の態様に記載の分光器において、反射部材は、所定波長を越える波長の光が反射するショートウェーブパスフィルタである分光器を提供する。
【００１７】
本発明の第１０の態様は、第１の態様乃至第９の態様のいずれか１つに記載の分光器において、直視プリズムは、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出する分光器を提供する。
【００１８】
本発明の第１１の態様は、第１の態様乃至第１０の態様のいずれか１つに記載の分光器において、直視プリズムは、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムである分光器を提供する。
本発明の第１２の態様は、第１の態様乃至第１１の態様のいずれか１つに記載の分光器を含む光学装置を提供する。
本発明の第１３の態様は、第１２の態様に記載の光学装置において、光学装置は、走査型顕微鏡である光学装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現する技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１に係る顕微鏡の構成を例示した図である。
【図２】実施例１に係る分光器の構成を例示した図である。
【図３】実施例１に係る分光器の構成の変形例の側面図である。
【図４】実施例２に係る分光器の構成を例示した図である。
【図５】実施例３に係る分光器の構成の上面図である。
【図６】実施例３に係る分光器の波長に対する分散角の特性を説明するための図である。
【図７】実施例３に係る分光器の波長に対する光の利用効率を説明するための図である。
【図８】実施例３に係る分光器の構成の変形例の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、各実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本実施例に係る顕微鏡の構成を例示した図である。
【００２３】
図１に例示される共焦点走査型顕微鏡１は、蛍光顕微鏡であり、レーザ光を射出する光源２と、レーザ光を反射し、蛍光を透過するダイクロイックミラー３と、標本Ｓを走査する走査装置４と、対物レンズ７の瞳を走査装置４上にリレーするＬＳＭ光学系５と、ミラー６と、レーザ光を標本Ｓに照射する対物レンズ７と、ダイクロイックミラー３を透過した蛍光を集光するコンフォーカルレンズ８と、共焦点ピンホールを有する共焦点絞り９と、蛍光を平行光に変換するコリメートレンズ１０と、分光器１１及びレンズ１２を含む分光光学系１３と、分光光学系１３で分散した蛍光を検出する検出器１４と、を含んで構成されている。
まず、共焦点走査型顕微鏡１の作用について概説する。
【００２４】
光源２から射出されたレーザ光は、ダイクロイックミラー３を反射し、走査装置４、ＬＳＭ光学系５、ミラー６を介して対物レンズ７に入射して、標本Ｓ上に照射される。レーザ光が照射された標本Ｓでは、蛍光物質が励起され、蛍光が発生する。蛍光は、対物レンズによって集められ、レーザ光と同じ経路を反対方向に進行し、ダイクロイックミラー３に入射する。ダイクロイックミラー３に入射した蛍光は、ダイクロイックミラー３を透過して、コンフォーカルレンズ８により共焦点絞り９上に集光する。共焦点絞り９は、対物レンズ７の焦点位置と光学的に共役な位置に共焦点ピンホールを有している。このため、対物レンズ７の焦点位置から生じた蛍光のみが共焦点ピンホールを通過し、焦点位置以外から生じた蛍光は共焦点絞りにより遮断される。共焦点ピンホールを通過した蛍光は、コリメートレンズ１０により平行光に変換されて分光光学系１３に入射する。分光光学系１３に入射した蛍光は、分光器１１により波長毎に分散される。そして、分散した蛍光の各々は、レンズ１２によりそれぞれ検出器１４上に集光し、検出器１４によりそれぞれ独立に検出される。
次に、本実施例に係る共焦点走査型顕微鏡１に含まれる分光器１１について、図２を参照しながら、詳述する。
【００２５】
図２は、本実施例に係る分光器の構成を例示した図である。図２（ａ）は、本実施例に係る分光器の上面図であり、図２（ｂ）は、本実施例に係る分光器の側面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。
【００２６】
なお、図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示される分光器１１は、入射する蛍光（光線Ｂ）を波長毎に分散させるが、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、説明を簡素化するため、分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。また、光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３は、この順に、長い波長を有する（つまり、第１の波長＞第２の波長＞第３の波長）。
【００２７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示される分光器１１は、入射する光（光線Ｂ）を屈折により分散させる直視プリズム１５と、直視プリズム１５で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）を反射する反射部材であるミラー１６及びミラー１７と、を含んで構成されている。ミラー１６とミラー１７は、平行に配置されている。
【００２８】
直視プリズム１５は、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出するプリズムであり、図２（ａ）及び図２（ｂ）では、第２の波長の光線Ｂ２が、入射光である光線Ｂと平行な方向に射出される例が示されている。また、図２（ａ）では、直視プリズム１５は、３つのプリズムを接合した接合プリズムとして例示されているが、特にこれに限られない。直視プリズム１５は、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムであればよい。
【００２９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示されるように、分光器１１に入射した光線Ｂは、まず、直視プリズム１５で分散される。そして、分散した光線（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）は、ミラー１７に入射する。ミラー１７は、直視プリズム１５から射出された光線を反射して、再度、直視プリズム１５に入射させる。直視プリズム１５は、ミラー１７を反射した光線を屈折させる。その後、直視プリズム１５で屈折した光線は、ミラー１６に入射する。ミラー１６も、ミラー１７と同様に作用する。つまり、ミラー１６は、直視プリズム１５から射出された光線を反射して、直視プリズム１５に入射させる。そして、直視プリズム１５は、ミラー１６を反射した光線を再度屈折させる。
【００３０】
このように、本実施例に係る分光器１１は、直視プリズム１５で分散した光線を反射部材（ミラー１６、ミラー１７）で反射し、反射した光線を再度直視プリズム１５で屈折させる。これにより、直視プリズム１５でより多く屈折が生じることになり、その結果、射出される光線の分散量を向上させることができる。
【００３１】
また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に例示されるように、直視プリズム１５が第２の波長の光線Ｂ２を光線Ｂと平行な方向に射出する特性を有し、且つ、ミラー１６及びミラー１７が平行に配置されているため、光線Ｂ２の射出される方向は、ミラー１７及びミラー１６を反射した後も変化しない。従って、光線Ｂの方向と光線Ｂ２の方向は同じである。
【００３２】
さらに、直視プリズム１５は、屈折を利用して光を分散させるため、回折を利用して光を分散させるグレーティングと比べて、光量の損失が抑制することができる。
【００３３】
従って、本実施例に係る分光器１１及び分光器１１を含む共焦点走査型顕微鏡１によれば、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。
【００３４】
なお、図２（ｂ）に例示されるように、ミラー１６及びミラー１７は、Ｚ座標の異なる位置に配置されている。より具体的には、ミラー１６は、分光器１１への入射光には作用しない位置に配置され、ミラー１７は、分光器１１からの射出光には作用しない位置に配置されている。
【００３５】
ここでは、ミラー１６及びミラー１７は、それぞれ一回ずつ光を反射しているが、特にこれに限られない。Ｚ方向により長いミラーを用いることで、それぞれのミラーで複数回ずつ光を反射させても良い。これにより、分光器１１のＸ方向の大きさを変えることなく、直視プリズム１５のＺ方向の大きさを有効に利用して、より大きな分散量を得ることができる。
【００３６】
また、ミラー１６及びミラー１７のＺ方向の長さを変更する代わりに、ミラー１６と略同じ平面上でＺ座標の異なる位置に別のミラーを配置してもよく、同様に、ミラー１７と略同じ平面上でＺ座標の異なる位置に別のミラーを配置してもよい。この場合も、分光器１１のＸ方向の大きさを変えることなく、直視プリズム１５のＺ方向の大きさを有効に利用して、より大きな分散量を得ることができる。
【００３７】
また、ミラー１６及びミラー１７（反射部材）の各々は、直視プリズム１５から射出される光に対して、挿脱可能に配置されてもよい。反射回数を調整することで、直視プリズム１５での屈折回数を調整することができるため、必要に応じて分散量を調整することができる。例えば、分光器１１の入射側に、Ｚ方向に比較的長いミラー１６を配置し、分光器１１の射出側に、略同じ平面上のＺ座標の異なる位置に複数のミラー１７を並べても良い。この場合、任意のミラー１７を光路上から取り外すことで、射出光の基準方向と入射光の方向とを平行に維持しつつ、必要に応じて分散量を調整することができる。
【００３８】
図３は、本実施例に係る分光器の構成の変形例の上面図である。図３のＸＹＺ座標系は、図２のＸＹＺ座標系と同様に定義されている。図３に例示される変形例に係る分光器１８は、入射する光を屈折により波長毎に分散させる直視プリズム１５と、直視プリズム１５で分散した光を反射する反射部材（ミラー１９、ミラー２０）と、を含んで構成されている点は、図２に例示される本実施例の分光器１８と同様である。
【００３９】
分光器１１では、図２（ｂ）に例示されるように、反射部材（ミラー１６及びミラー１７）がＺ軸に対して平行に配置されている。このため、分光器１１への光の入射がミラー１６により妨げられないように、また、分光器１１からの光の射出がミラー１７により妨げられないように、Ｚ軸に対して斜めの入射光を直視プリズム１５へ入射させている。従って、分光器１１では、入射光の方向及び射出光の基準方向は、水平面に対して平行にならない。
【００４０】
一方、変形例に係る分光器１８では、図３に例示されるように、反射部材（ミラー１９及びミラー２０）がＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に、配置されている。このため、Ｚ軸に対して直交する入射光を直視プリズム１５へ入射させた場合であっても、ミラー１９及びミラー２０が分光器１８への光の入射や分光器１８からの光の射出を妨げることはない。従って、本変形例に係る分光器１８によれば、入射光の方向及び射出光の基準方向を水平面に対して平行にすることができる。
【００４１】
なお、図３に例示される分光器１８では、反射部材がＺ軸に対して斜めに配置する例、つまり、図２に例示される分光器１１に対して反射部材をＹ軸と平行な回転軸を中心に回転させる例を示したが、反射部材の回転は、特にこれに限られない。反射部材は、光が分散している分散平面と直交する回転軸、ここでは、Ｚ軸と平行な回転軸を中心に回転してもよい。これにより、入射光と平行な方向に射出される光の波長を変更することができる。
【００４２】
以上、本実施例及び本変形例では、分光器を含む構成として共焦点走査型顕微鏡１を例示したが、特にこれに限られず、任意の光学装置に利用できる。しかし、分光器は波長の異なる光を空間的に分離するものである。このため、分光器を顕微鏡に用いる場合、波長に関する情報と観察対象の２次元情報とを同時に検出することは難しい。従って、分光器を用いる顕微鏡としては、走査型顕微鏡が好適である。
【実施例２】
【００４３】
図４は、本実施例に係る分光器の構成を例示した図である。図４（ａ）は、本実施例に係る分光器の上面図であり、図４（ｂ）は、本実施例に係る分光器の側面図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。なお、本実施例に係る分光器２１も、実施例１に係る分光器１１と同様に、任意の光学装置に利用することができる。
【００４４】
また、図４（ａ）及び図４（ｂ）でも、説明を簡素化するため、本実施例に係る直視プリズム２２で分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。
【００４５】
本実施例に係る分光器２１は、入射する光（光線Ｂ）を屈折により分散させる直視プリズム２２と、直視プリズム２２で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）を反射する反射部材（ミラー２３、ミラー２４）と、を含んで構成されている点は、実施例１に係る分光器１１と同様である。ただし、反射部材であるミラー２３及びミラー２４が、直視プリズム２２の内部に配置されている点が、実施例１に係る分光器１１と異なっている。
【００４６】
図４（ａ）に例示されるように、ミラー２３とミラー２４の間に少なくとも１つの接合面が存在する位置に、ミラー２３及びミラー２４は配置されることが望ましい。すなわち、ミラー２３及びミラー２４は、直視プリズム２２を構成する別のプリズム内に配置されることが望ましい。これにより、ミラー２３及びミラー２４を反射した光は、接合面で屈折するため、分光器２１から射出される光線の分散量を向上させることができる。
【００４７】
このように反射部材を直視プリズム２２の内部に配置することで、屈折率差の大きな空気接触面を光が透過する回数が減少する。このため、空気接触面での不要な反射光が減少し、分光器１１で生じる光量の損失を抑制することができる。
【００４８】
以上、本実施例に係る分光器２１及び分光器２１を含む光学装置によれば、実施例１に係る分光器１１及び分光器１１を含む光学装置と同様に、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。
【００４９】
なお、本実施例に係る分光器２１も、実施例１に係る分光器１１と同様に、種々の変形が可能である。例えば、反射部材の長さや個数を変えて、それぞれの反射部材で複数回ずつ光を反射させても良い。また、反射部材は、直視プリズム２２内部に挿脱可能に配置されてもよい。また、反射部材は、直視プリズム２２内部でＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に配置されてもよい。
【実施例３】
【００５０】
図５は、本実施例に係る分光器の構成の上面図である。図５のＸＹＺ座標系は、方向参照の便宜のために設けたものであり、例えば、鉛直方向がＺ軸、水平面がＸＹ平面である。なお、本実施例に係る分光器２５も、実施例１に係る分光器１１と同様に、任意の光学装置に利用することができる。
【００５１】
また、図５でも、説明を簡素化するため、本実施例に係る直視プリズム２６で分散した光のうち、第１の波長を有する光線Ｂ１、第２の波長を有する光線Ｂ２、第３の波長を有する光線Ｂ３の光路のみを例示している。また、光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３は、この順に長い波長を有する（つまり、第１の波長＞第２の波長＞第３の波長）。
【００５２】
ところで、プリズムを使用する分光器の分散角は、一般に、グレーティングを使用する分光器の分散角に比べて、波長に対する線形性が低い。その結果、プリズムを使用する分光器では、射出される光の分散量についても、波長に対する線形性が低くなる。検出器の受光面に配列された受光素子が、通常、一定間隔で並べられていることを考慮すると、このような分散量の非線形性は、各受光素子に入射する光の波長域の幅のばらつきを引き起こすことになり、好ましくない。
【００５３】
各受光素子に入射する光の波長域の幅のばらつきを抑制するために、受光素子の間隔を分光器の分光特性に合わせて変更する方法も考えられるが、その場合でも、光学的な分解能自体が改善されるわけではない。
本実施例に係る分光器２５は、このような波長に対する分散量の線形性を、分光器自身により改善することができる。
【００５４】
本実施例に係る分光器２５は、入射する光を屈折により分散させる直視プリズム２６と、直視プリズム２６で分散した光を反射する反射部材（ミラー２７、ミラー２８）と、を含んで構成されている点は、実施例１に係る分光器１１と同様である。ただし、反射部材が、直視プリズム２６で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）のうち、所定波長を越える波長の光のみを反射する点が異なっている。なお、本実施例では、所定波長は、光線Ｂ２の有する第２の波長であり、５５０ｎｍであるが、特にこれに限られない。
【００５５】
より具体的には、ミラー２８は、光線Ｂ２の有する第２の波長を越える波長の光が入射する位置に配置されることにより、第２の波長を越える波長の光（光線Ｂ１）を反射する。このため、ミラー２７にも第２の波長を越える波長の光（光線Ｂ１）のみが入射し、ミラー２７は光線Ｂ１を反射する。このため、本実施例に係る分光器２５では、５５０ｎｍ以下の波長の光（光線Ｂ２、光線Ｂ３）は直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを越える波長の光（光線Ｂ１）は、直視プリズム２６を３回通過する。
【００５６】
図６は、本実施例に係る分光器の波長に対する分散角の特性を説明するための図である。縦軸は分光器から射出されたときの分散角を示し、横軸は波長を示している。線Ｌｄ１（一点鎖線）は、光が反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過した場合の特性を示し、線Ｌｄ３（実線）は、光が反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。また、線ＬｄＣ（点線）は、本実施例に係る分光器２５の特性であり、５５０ｎｍ以下の波長の光は反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを超える波長の光は、反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。
【００５７】
図６の線Ｌｄ１に示されるように、プリズムは屈折を利用して光を分散させるため、一般に、高波長域では低波長域に比べて分散量（分散度）の変化は緩やかになる。しかし、本実施例に係る分光器２５では、分散量の変化が緩やかな高波長域の波長を反射部材で反射して、直視プリズム２６を３回通過させることにより、高波長域での分散量の変化率を向上させている。これにより、図６の線ＬｄＣに例示されるように、全波長域でおよそ線形な波長特性を実現している。なお、ここでは、高波長域と低波長域という表現は、波長の大小についての相対的な関係を示しており、特定の範囲の波長を示すものではない。
【００５８】
図７は、本実施例に係る分光器の波長に対する光の利用効率を説明するための図である。縦軸は光の利用効率を示し、横軸は波長を示している。線Ｌｔ１（一点鎖線）は、光が反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過した場合の特性を示し、線Ｌｔ３（実線）は、光が反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。また、線ＬｔＣ（点線）は、本実施例に係る分光器２５の特性であり、５５０ｎｍ以下の波長の光は反射部材を反射せずに直視プリズム２６を１回だけ通過し、５５０ｎｍを超える波長の光は、反射部材を反射して直視プリズム２６を３回通過した場合の特性を示している。さらに、線Ｌｒ（破線）は、回折格子を用いた分光器の波長に対する光の利用効率を示している。
【００５９】
図７の線Ｌｔ１及び線Ｌｔ３に示されるように、直視プリズム２６を複数回通過することで、光の利用効率は全波長域で低下する。これは、主に、空気接触面で不要な反射が生じることが原因として考えられる。しかしながら、線ＬｔＣに示される本実施例に係る分光器２５の光の利用効率は、線Ｌｒに示される回折格子を用いた分光器の光の利用効率よりも、全波長域で高い。
【００６０】
このように、反射部材が所定波長を越える波長の光のみを反射するように構成することで、回折格子を用いた分光器に比べて高い光の利用効率を実現しながら、分光器の分散量の波長に対する線形性を改善することができる。
【００６１】
以上、本実施例に係る分光器２５及び分光器２５を含む光学装置によれば、実施例１に係る分光器１１及び分光器１１を含む光学装置と同様に、入射光の方向と射出光の基準方向を大きく異ならせることなく、コンパクトな構成で大きな分散量と高い光の利用効率を実現することができる。また、それに加えて、分散量の波長に対する線形性を改善することができる。
【００６２】
なお、本実施例に係る分光器２５では、直視プリズム２６が入射光と平行な方向に射出する光の波長（特定波長）と、反射部材が反射する光の波長の境界（所定波長）とが、一致する例を示したが、特にこれに限られない。
【００６３】
また、本実施例に係る分光器２５のミラー２８（反射部材）は、直視プリズム２６で分散した光の分散方向に移動可能に配置されてもよい。分散方向とは、直視プリズム２６により光が分散する方向であり、本実施例に係る分光器２５ではＹ方向である。これにより、ミラー１７に入射する光の波長域を変更し、分散量を向上させる波長域を変更することができるため、分散量の波長に対する線形性の改善がより容易となる。
【００６４】
図８は、本実施例に係る分光器の構成の変形例の上面図である。図８のＸＹＺ座標系は、図５のＸＹＺ座標系と同様に定義されている。図８に例示される変形例に係る分光器２９は、入射する光を屈折により分散させる直視プリズム３０と、直視プリズム３０で分散した光（光線Ｂ１、光線Ｂ２、光線Ｂ３）のうち、所定波長を越える波長の光を反射する反射部材（ミラー３１、ショートウェーブパスフィルタ３２）と、を含んで構成されている点は、図５に例示される本実施例に係る分光器２５と同様である。ただし、射出側に配置された反射部材として、ミラー２８の代わりに、所定波長を越える波長の光を反射する光学特性を有するショートウェーブパスフィルタ３２を用いている点が異なっている。
【００６５】
変形例に係る分光器２９では、図８に例示されるように、所定波長以下の波長の光（光線Ｂ２、光線Ｂ３）は、ショートウェーブパスフィルタ３２を透過する。このため、所定波長以下の波長の光がショートウェーブパスフィルタ３２に入射しないように反射部材（ショートウェーブパスフィルタ３２）を配置する必要はない。従って、変形例に係る分光器２９によれば、高精度な位置決めが不要となり、製造上の負担が低減される。また、個体間でより安定した性能を実現することもできる。
【００６６】
なお、本実施例に係る分光器２５及び本変形例に係る分光器２９も、実施例１に係る分光器１１と同様に、種々の変形が可能である。例えば、反射部材の長さや個数を変えて、それぞれの反射部材で複数回ずつ光を反射させても良い。また、反射部材は、直視プリズム３０内部に挿脱可能に配置されてもよい。また、反射部材は、直視プリズム３０内部でＺ軸に対して斜めに、且つ、互いに平行に配置されてもよい。
【符号の説明】
【００６７】
１・・・共焦点走査型顕微鏡、２・・・光源、３・・・ダイクロイックミラー、４・・・走査装置、５・・・ＬＳＭ光学系、６、１６、１７、１９、２０、２３、２４、２７、２８、３１・・・ミラー、７・・・対物レンズ、８・・・コンフォーカルレンズ、９・・・共焦点絞り、１０・・・コリメートレンズ、１１、１８、２１、２５、２９・・・分光器、１２・・・レンズ、１３・・・分光光学系、１４・・・検出器、１５、２２、２６、３０・・・直視プリズム、３２・・・ショートウェーブパスフィルタ、Ｓ・・・標本、Ｌｄ１、Ｌｄ２、ＬｄＣ、Ｌｔ１、Ｌｔ２、ＬｔＣ、Ｌｒ・・・線、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・光線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の屈折により波長毎に光を分散させる直視プリズムと、
前記直視プリズムで分散した光を反射する反射部材と、を含み、
前記直視プリズムは、前記反射部材を反射した光を、屈折させることを特徴とする分光器。
【請求項２】
請求項１に記載の分光器において、
前記反射部材は、
前記直視プリズムから射出された光を反射し、
前記直視プリズムに入射させることを特徴とする分光器。
【請求項３】
請求項２に記載の分光器において、
前記反射部材は、光が分散する分散平面と直交する回転軸を中心に回転することを特徴とする分光器。
【請求項４】
請求項１に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムの内部に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムから射出された光に対して、挿脱可能に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光を反射することを特徴とする分光器。
【請求項７】
請求項６に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光のうち、前記所定波長を越える波長の光が入射する位置に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項８】
請求項７に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光の分散方向に移動可能に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項９】
請求項６に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記所定波長を越える波長の光が反射するショートウェーブパスフィルタであることを特徴とする分光器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の分光器において、
前記直視プリズムは、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出することを特徴とする分光器。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の分光器において、
前記直視プリズムは、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムであることを特徴とする分光器。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の分光器を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光学装置において、
前記光学装置は、走査型顕微鏡であることを特徴とする光学装置。
【請求項１】
光の屈折により波長毎に光を分散させる直視プリズムと、
前記直視プリズムで分散した光を反射する反射部材と、を含み、
前記直視プリズムは、前記反射部材を反射した光を、屈折させることを特徴とする分光器。
【請求項２】
請求項１に記載の分光器において、
前記反射部材は、
前記直視プリズムから射出された光を反射し、
前記直視プリズムに入射させることを特徴とする分光器。
【請求項３】
請求項２に記載の分光器において、
前記反射部材は、光が分散する分散平面と直交する回転軸を中心に回転することを特徴とする分光器。
【請求項４】
請求項１に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムの内部に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムから射出された光に対して、挿脱可能に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光のうち、所定波長を越える波長の光を反射することを特徴とする分光器。
【請求項７】
請求項６に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光のうち、前記所定波長を越える波長の光が入射する位置に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項８】
請求項７に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記直視プリズムで分散した光の分散方向に移動可能に配置されることを特徴とする分光器。
【請求項９】
請求項６に記載の分光器において、
前記反射部材は、前記所定波長を越える波長の光が反射するショートウェーブパスフィルタであることを特徴とする分光器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の分光器において、
前記直視プリズムは、特定波長の光を入射光と平行な方向に射出することを特徴とする分光器。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の分光器において、
前記直視プリズムは、少なくとも２つのプリズムが接合された接合プリズムであることを特徴とする分光器。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の分光器を含むことを特徴とする光学装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光学装置において、
前記光学装置は、走査型顕微鏡であることを特徴とする光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１２８１０８（Ｐ２０１１−１２８１０８Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８９１９８（Ｐ２００９−２８９１９８）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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