JP2004361201A

JP2004361201A - Microspectroscope

Info

Publication number: JP2004361201A
Application number: JP2003158953A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hashimoto; 武橋本
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-04
Also published as: JP4156977B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an Hadamard microspectroscope capable of rapidly carrying out spectroscopic measurements with respect to desired wavelength resolutions. <P>SOLUTION: The Hadamard microspectroscope is provided with a microscope by which a spectroscopic observation object is microscopically observed; a spectroscopic means 18 which spectroscopically separates incidence light from the microscope; a spectroscopic selecting means 40 having a plurality of selecting elements which select the spectroscopically separated incidence light components with respect to prescribed wavelength bands meeting Hadamard matrices; a detecting means 21 which detects spectroscopic intensity of the prescribed wavelength band being selected; and a demodulating means which demodulates the spectroscopic intensity from the detected spectroscopic intensity. In the spectroscopic selecting means 40, a selection state is determined in accordance with elements of the Hadamard matrix, and the selecting elements which make the selection state of rows or columns in the Hadamard matrix, are composed of at least two lines, and adjacent lines of the selecting elements are shifted in relation to each other in a direction parallel to the lines so as to complement each other in their arrangement. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顕微分光装置に関し、特に、アダマール変換法を用いた顕微分光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アダマール行列Ｈとは、要素が全て＋１と−１のどちらかからなる正方行列であり、次の性質を有する行列の総称である。
【０００３】
【数１】

アダマール行列の要素は全て＋１か−１であるので、それを＋と−で表記する方法が一般的に行われている。例えば４次のアダマール行列Ｈ_４は、
【０００４】
【数２】

のように記述される。本明細書においても、今後この記述法を用いる。
【０００５】
アダマール行列Ｈを用いたアダマール変換は、例えば非特許文献１に詳しく説明されているように、スペクトル分析や信号伝送、画像処理等、幅広い応用分野がある。例えば、アダマール変換を用いた分光法は、単一スリットを用いた通常の分光方法に比べると、一度に検出する光量が多くなる。したがって、単一スリットを用いた方法より高Ｓ／Ｎの分光強度分布を得ることが可能である。非特許文献２には、巡回性の２５５セルのアダマールマスクを用いることにより、単一スリットを用いる通常の方法に比べて、約８倍のＳ／Ｎが得られたことが報告されている。
【０００６】
アダマール変換を用いた分光装置の代表的な装置の構成を、図２６に示す。分光装置は、入射スリット１と、入射スリット１を透過した入射光を平行光にするためのコリメートレンズ２と、コリメートされた入射光を分光するための分光グレーティング３と、分光された入射スリット像を形成するスリット投影レンズ４と、分光された入射スリット像位置に移動可能に挿入されたアダマールマスク５と、アダマールマスク５を透過した分光成分で分光グレーティング３の像を投影するグレーティング投影レンズ６と、分光グレーティング３で生じた波長分散を補償する分散補償グレーティング７と、分散補償グレーティング７で分散補償された入射スリット像を再び結像するための撮像レンズ８と、再び結像された入射スリット像の強度を検出する検出器９とからなる。
【０００７】
アダマールマスク５には、巡回行列である、いわゆるＰａｌｅｙ型アダマール行列の心行列（アダマール行列の第１行目と第１列目を除いた部分行列）Ｓの要素に応じた開口が設けてある。Ｐａｌｅｙ型アダマール行列は、心行列が巡回行列となっているアダマール行列である。
【０００８】
以下に、７次の心行列Ｓの例Ｓ_７を用いて、心行列Ｓに対応するアダマールマスクの関係を説明する。図２７に示すように、Ｓ_７の各行は、＋１と−１からなる要素が７つ並んでおり、上の行から順に、右回りに１要素ずつ回転操作を行った関係にある。したがって、Ｓ_７の各行を上から下に、左側に１要素ずつずらしながら重ねることにより、１３個の＋と−の要素からなる行ベクトルν_７を定義できる。アダマールマスクは図２７及び図２８（ｂ）に示すように、ν_７の要素と同じ数のセルが並んだ形状をしており、その各セルはν_７の各要素が＋か−かに対応して開口を設定したものである。図２７及び図２８（ｂ）の例では、ν_７の要素が＋に対応するセルが開口部となり、−に対応するセルが遮蔽部となっている。一方、補助マスクは図２８（ａ）に示すように、アダマールマスク（図の（ｂ））の７つのセル分の長さの開口部を持つ。アダマールマスクにこの補助マスクを重ねると、合成開口（図の（ｃ））が形成される。そして、固定された補助マスクに対してアダマールマスクを１セル分ずつ移動して行けば、Ｓ_７の各行に対応する開口パターンが順次得られる。このように、固定された補助マスクに対してアダマールマスクを１セル分ずつ移動可能に設置したのが、図２６のアダマールマスク５である。
【０００９】
アダマールマスク５の面上には、入射スリット１と分光グレーティング３とによって生成された入射光の分光スペクトルが投影される。アダマールマスク５は、その分光スペクトルを各セルの幅で定められる波長帯域毎に分割し、それぞれの波長帯域毎に各セルの透過、遮蔽による波長選択を行う。
【００１０】
このように、Ｓ_７の各行に対応してそれぞれの波長帯域毎に波長選択を受けた入射光は、検出器９によってその選択を受けた部分の強度和が検出される。Ｓ_７の全ての行に対する強度和が検出された後、Ｓ_７の逆行列を用いてその強度和は復調され、各波長帯域毎の分光強度が算出される。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第５，９８２，５５３号明細書
【００１２】
【特許文献２】
特開平６−５１３４０号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開平１０−１３３２２５号公報
【００１４】
【特許文献４】
米国特許出願公開第２００２／００２０８１９号明細書
【００１５】
【非特許文献１】
喜安善市著「アダマール行列とその応用」（コロナ社）
【００１６】
【非特許文献２】
Ｊ．Ａ．Ｄｅｃｋｅｒ，Ｊｒ．，”ＥｘｐｅｒｉｍａｎｔａｌＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＭｕｌｔｉｐｌｅｘＡｄｖａｎｔａｇｅｗｉｔｈａＨａｄａｍａｒｄ−ＴｒａｎｓｆｏｒｍＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ”，ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．３，ｐｐ．５１０−５１４（１９７１）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のアダマール変換分光法には、以下に述べる不都合が存在する。すなわち、アダマール行列Ｈ又はその心行列Ｓの全ての行又は列に対する分光変調を行わない限り、それを復調して目的の分光強度を算出することは不可能である。例えば、波長帯域２５５分割のアダマールマスクを用いて分光データを得るためには、アダマールマスクで波長選択部分を切り替えながら、２５５通りの選択を受けた部分の強度和を記録しなければならない。ところが、計測者が必要とする波長分解能は必ずしも一定ではない。もし、計測者が必要とする分光強度の波長分解能がアダマールマスクで決まる波長分解能よりも低いならば、必要以上に長い計測時間を取っていることになる。特に、微弱蛍光標本の分光を行う場合には、不要な計測時間は高速な分光計測の妨げとなったり、蛍光色素の褪色を早めてしまったりするので、好ましくない。
【００１８】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、所望の波長分解能に応じて高速に分光計測することが可能なアダマール顕微分光装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成する本発明の顕微分光装置は、少なくとも分光観測対象を顕微観察する顕微鏡と、前記顕微鏡からの入射光を波長分解する分光手段と、前記分光手段により波長分解された前記入射光をアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段と、前記分光選択手段で選択された所定の波長帯域の分光強度を検出する検出手段と、検出された分光強度から分光観測対象の分光強度を復調する復調手段とからなり、前記分光選択手段は、所定の次数のアダマール行列の要素に従って選択状態が定まるものであり、
前記分光選択手段が、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つことを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の顕微分光装置においては、分光選択手段として、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つものを用いているので、分光選択手段として、所定の波長帯域毎に選択する１列の複数の選択要素間にデットスペースを有する分光選択手段を用いる場合でも、その１列の選択要素間のデットスペースに入射する波長帯域の分光強度も、隣接する列の選択要素によって選択可能となるため、分光手段により波長分解された全ての波長帯域の分光強度をぬけなく検出することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の顕微分光装置の基本形態を図１、図２に従って説明する。図１は、顕微鏡として共焦点顕微鏡を用いる場合、図２は、通常の顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【００２２】
図１の形態の場合、共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光束は、コリメータレンズ１０２により略平行な光に変換され、回折格子や分光プリズムからなる分散素子１０３に入射し、分散素子１０３によって分光された各波長帯域の光は第１のフォーカシングレンズ１０４によってアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６の選択要素上に集光する。分光選択手段１０６で選択された所定の波長帯域の光は第２のフォーカシングレンズ１０７で検出器１０８上に集光され、その分光強度が検出される。分光選択手段１０６の選択要素の選択状態をアダマール行列の各行に対応して制御し、全ての行に対する分光強度を検出した後、そのアダマール行列の逆行列を用いて共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光の分光強度を復調手段１１０により復調するように構成されている。
【００２３】
ここで、コリメータレンズ１０２と分散素子１０３と第１のフォーカシングレンズ１０４が本発明の分光手段１０５を構成しており、第２のフォーカシングレンズ１０７と検出器１０８が本発明の検出手段１０９を構成している。
【００２４】
また、図２の形態の場合は、通常の顕微鏡１１１の１次結像面１１２に分散素子１０３が配置され、顕微鏡の対物レンズの射出瞳像を分光する。分散素子１０３で分光された光束は瞳投影レンズ１１３を経て射出瞳の像を投影する。その射出瞳の像の結像位置にアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６が配置され、分光選択手段１０６で選択された所定の波長帯域の光は、分散素子１０３の像を投影する分散素子投影レンズ１１５を経て、分散素子で生じた波長分散を補償する分散補償素子１１６上に入射し、分散補償素子１１６により分散補償された像は検出器１１７により検出される。分光選択手段１０６の選択要素の選択状態をアダマール行列の各行に対応して制御し、全ての行に対する分光強度を検出した後、そのアダマール行列の逆行列を用いて、顕微鏡１１１の１次結像面１１２の各画素の光の分光強度を復調手段１１０により復調するように構成されている。
【００２５】
この場合は、分散素子１０３と瞳投影レンズ１１３が本発明の分光手段１１４を構成しており、分散素子投影レンズ１１５と検出器１１７が本発明の検出手段１１８を構成している。
【００２６】
ここで、本発明においては、分光選択手段１０６の複数の選択要素の選択状態を規定するアダマール行列は、従来と同様で格別の制限はないが、そのアダマール行列として、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いることが望ましい。以下に、その理由を説明する。
【００２７】
アダマール行列とは、いわゆるＳ型Ｈ行列と呼ばれるものであり、ｎ次のＳ型Ｈ行列の一つＨ_ｎは、以下の手順で帰納的に求めることができる。
【００２８】
【数３】

ここで、Ｈ_ｎはｎ次のＳ型Ｈ行列である。このように、Ｓ型Ｈ行列は、ｎ＝２^ｖ（ｖは自然数）次数のみ定義されている。
【００２９】
また、交番数とは、ある一つの行又は列内で、隣り合う要素の符号が異なる位置の数を表している。ｎ＝８の例だと、以下の通りとなる。
【００３０】
【数４】

上記の（４）式の行列の右横に示した数が、各行に対する交番数である。
【００３１】
この方法で求められたＳ型Ｈ行列の各行の交番数は、０からｎ−１の整数が一つずつ存在する。Ｓ型Ｈ行列は対称行列なので、列に対する交番数もこの順番となる。また、Ｓ型Ｈ行列の逆行列は、それ自身の１／ｎと等しい。すなわち、以下の通りとなる。
【００３２】
【数５】

Ｓ型Ｈ行列の行又は列の交番数を昇順に並べ替えた（交番数順の）本発明で用いる行列Ｈ^＊も、やはりアダマール行列の一つである。ｎ＝８の例だと、以下の通りとなる。
【００３３】
【数６】

これらのアダマール変換を用いた分光法は、波長帯域をｎ＝２^ｖ分割にサンプリングしたときの中心波長の行列λ^Ｔ＝｛λ_１λ_２・・・λ_ｎ｝^Ｔに対する分光強度の行列ｘ^Ｔ＝｛ｘ_１ｘ_２・・・ｘ_ｎ｝^Ｔを未知数（求めたい分光強度）として、アダマール行列Ｈの各行の要素に即して選択検出した信号強度の行列ｓ^Ｔ＝｛ｓ_１ｓ_２・・・ｓ_ｎ｝^Ｔが、
【００３４】
【数７】

で表されるので、求めたい分光強度は、（５）式を用いて、
【００３５】
【数８】

の計算式より求まることが分かる。
【００３６】
つまり、本発明の顕微分光装置は、図１や図２の構成により、顕微観察した分光観察対象からの光束を分光し、アダマール行列Ｈの各行の要素に即して分光選択手段の選択要素を作用させて検出した信号強度の行列を計測し、（８）式に基づいて、それらを復調することで、所望の分光強度を得るものである。
【００３７】
ところで、一般的なアダマール行列を用いた分光法では、アダマール行列Ｈの全ての行に対する信号強度を求めなければ、上述の（８）式に基づいた復調はできない。それに対し、上記のように、分光選択手段で用いるアダマール行列として、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いるので、信号強度の行列の要素全てを計測しなくても、低分解能の分光強度を求めることができる。以下に、そのことを説明する。
【００３８】
非特許文献１の第６章によれば、２ｎ次の交番数順のアダマール行列Ｈ^＊ _２ｎの上半分の要素は、ｎ次の交番数順のアダマール行列Ｈ^＊ _ｎを用いて、
【００３９】
【数９】

の形で表される。ここで、×の演算子は、クロネッカー演算子であり、
【００４０】
【数１０】

を表す。したがって信号強度の行列ｓの最初の半分は、
【００４１】
【数１１】

となり、この方程式を解くと、
【００４２】
【数１２】

の式が得られる。このことは、つまり、最初の半分の数の信号強度から、波長分解能が半分の分光強度が得られることを示している。同様にして、最初の１／４の数の信号強度から、
【００４３】
【数１３】

の式を用いて、波長分解能が１／４の分光強度を求められることが分かる。逆に言えば、交番数順のアダマール行列Ｈ^＊ _ｎの初めの２つの行に対する信号強度｛ｓ_１ｓ_２｝^Ｔを検出した時点で、波長帯域を２分割した分光強度を求めることができる。すなわち、
【００４４】
【数１４】

となる。さらに、アダマール行列Ｈの初めの４つの行列に対する信号強度｛ｓ_１ｓ_２ｓ_３ｓ_４｝^Ｔを検出した時点で、波長帯域を４分割した分光強度を求めることができる。すなわち、
【００４５】
【数１５】

となる。
【００４６】
つまり、本発明の顕微分光装置では、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列を用いることにより、初めの２^ｗ個の変調に対する計測値が求まった時点でも、分光データを求めることができる。また、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列を用いることにより、低分解能から高分解能へと、順次波長分解能を上げてゆきながら分光データを求めることができる。さらに、両者を同時に用いることにより、途中でも所望の波長分解能になった時点で計測をやめ、分光データを取得することが可能となる。
【００４７】
したがって、分光選択手段１０６の複数の選択要素の選択状態を規定するアダマール行列は、従来と同様で格別の制限はないが、そのアダマール行列として、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いる構成によれば、従来例のアダマール分光器のメリットである、単一スリットを用いる通常の分光装置に対するＳ／Ｎ比の高さを維持したまま、所望の波長解像度において最短の時間で顕微分光計測が可能となる。これは、特に微弱な分光計測が主となる、蛍光標本等の顕微分光観察においては、蛍光色素の退色を避けられる等の理由で大きなメリットとなる。
【００４８】
［第１実施形態］
本発明の顕微分光装置の好適な１実施形態としては、図１に概略構成図を示すように、顕微鏡に共焦点顕微鏡を用いる場合である。
【００４９】
この場合は、顕微鏡は共焦点顕微鏡１００であり、少なくとも、共焦点顕微鏡１００の共焦点ピンホール１０１を通過した光束を略平行光にするコリメータレンズ１０２と、その略平行光を分光するための分散素子１０３と、分散素子１０３によって分光した光を集光するための第１のフォーカシングレンズ１０４とからなる分光手段１０５、アダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段１０６、さらに、少なくとも、検出器１０８と、分光選択手段１０６で選択された波長帯域の光束のみを検出器１０８に集光するための第２のフォーカシングレンズ１０７とからなる検出手段１０９、及び、復調手段１１０で構成されるものである。さらに、分光選択手段１０６で選択要素に作用させるアダマール行列としては、前述のように、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さく、さらに、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列で構成することが望ましい。
【００５０】
このような構成によれば、共焦点顕微鏡１００で分光観測対象を顕微観察することにより得られた観察光の中、共焦点ピンホール１０１を通過した光束は、コリメータレンズ１０２で略平行光束にされ、この略平行光束が分散素子１０３で分光され、さらに、第１のフォーカシングレンズ１０４で分光選択手段１０６上に波長毎に集光される。この分光選択手段１０６では、分光選択手段１０６を構成する選択要素を作用させることにより、アダマール行列に即した所定の波長帯域の光束が選択され、検出手段１０９の第２のフォーカシングレンズ１０７で検出器１０８に集光され、計測される。アダマール行列の交番数に即して上記分光選択手段１０６の選択要素の作用を代え、所望の分光解像度が得られるまで計測を繰り返した後に、計測された分光データを、前述の（８）式を実現する復調手段１１０により復調することで、分光観測対象の所望の解像度の分光データが最短の時間で得られる。
【００５１】
次に、以下に図面を用いて本実施形態の実施例について説明する。
【００５２】
［第１実施例］
本発明による第１実施例の顕微分光装置は、顕微鏡として以下に示すようなレーザ走査共焦点顕微鏡（ＣＬＳＭ）を用いた場合の構成である。図３（ａ）はこの顕微分光装置の側面図、（ｂ）はその上面図である。この顕微分光装置は、励起光を発するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からの励起光を標本Ｏに向かう光路内に導くダイクロイックミラー１２と、標本面上を２次元走査するための主走査ガルバノミラー１３及び副走査ガルバノミラー１４と、励起光を標本面上に集光させる対物レンズ１５と、標本Ｏの集光領域以外からの光（いわゆるボケ像）を除去するための共焦点ピンホール１６とからなる共焦点顕微鏡と、標本面で発生し共焦点ピンホール１６を通過した蛍光を略平行光にする第１コリメータレンズ１７と、その略平行光を分光するための分散素子としての分光プリズム１８と、分光プリズム１８によって分光した蛍光を集光するためのフォーカシングレンズ１９とからなる分光手段と、分光された蛍光の波長帯域に所定のアダマール行列に即してオン（アダマール行列の＋１成分）、オフ（アダマール行列の−１成分）の切替が可能な選択要素を持つ分光選択手段としてのプログラマブルミラー２０と、プログラマブルミラー２０で反射されたオンの波長帯域の光束のみを再び平行光束に戻すフォーカシングレンズ１９（本実施例の場合、前述のフォーカシングレンズ１９と共通）と、その平行光束を分散補償する前述の分散補償プリズム１８（本実施例の場合、分光プリズム１８と共通）と、分散補償された平行光束を再び集光するための第２コリメータレンズ２３と、集光されたオンの波長帯域の成分を持つ光束を選択して検出する（光電子倍増管）ＰＭＴ２１とからなる検出手段と、前述の（８）式に即して分光データの復調をコンピュータ２５内のソフトウエアで行う復調手段とで構成している。
【００５３】
さらに詳しくは、図３（ａ）の一部を側面から見た図である図３（ｂ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、プログラマブルミラー２０に斜め入射する。プログラマブルミラー２０のオンの要素で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。プログラマブルミラー２０のオフの要素で反射した分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射され、ストッパ２２により吸収される。プログラマブルミラー２０はプログラマブルミラー駆動装置２４を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生する。ＰＭＴ２１は、ＰＭＴ駆動装置２７を介してコンピュータ２５に接続している。コンピュータ２５に接続された表示装置２６に、アダマール変換から求めた分光強度分布を表示する。
【００５４】
ここで、プログラマブルミラー２０は、分光プリズム１８の波長分散方向にアダマール行列の次数に等しい数の微小ミラーが並列してなる微小ミラー集合体であり、その微小ミラーの各々は独立に傾き角度制御することができるものである。そして、各微小ミラーの制御信号のオン、オフでその反射面の傾きを変えることができる。ここでは、オンの状態の微小ミラーで反射した光がＰＭＴ２１に入射し、オフの状態の微小ミラーで反射した光はＰＭＴ２１には入射せず、それ以外の方向であるストッパ２２に向かうように設定されている。
【００５５】
本実施例における分光測定の流れを、図４に示す。ここで、ｗは、２^ｗが波長帯域の分割数を表す補助変数であり、ｍはアダマール行列の行番号を指定する補助変数（交番数＋１）である。ｗとｍはまず０から出発する（ＳＴ１、ＳＴ２）。次に、分割数を表す補助変数ｗをまず１とする（ＳＴ３）。続いて、アダマール行列の行ｍを１から順に加算してゆきながら（ＳＴ４）、次数２^ｖのアダマール行列Ｈ^＊ _ｖのｍ行目の要素に対応させてプログラマブルミラー２０のオン・オフを切り替えて（ＳＴ５）、その切替によって計測した結果（ＰＭＴ２１からの出力）を順次記録する。そして、ｍが２^ｗに一致した時点で（ＳＴ７）、それまで記録したｍ個の計測結果を用いて前述の（８）式より波長帯域２^ｗ分割の分光強度を計算する（ＳＴ８）。算出された波長分解能が不十分ならば（ＳＴ７）、ｍを加算しながら（ＳＴ４）、さらに分光計測を継続し、波長分解能が十分になったか（ＳＴ１０）、ｍがアダマール行列Ｈ^＊ _ｖの次数２^ｖに等しくなった時点（ＳＴ９）で分光計測を打ち切る。本処理も、コンピュータ２５内のソフトウエアで実現されている。
【００５６】
このように、本実施例においては、交番数順のＳ型Ｈ行列を用いたことにより、各行に対する信号強度を全て検出せずとも、低分解能から高分解能に、順次解像を上げながら分光強度を求めて行くことができる。したがって、従来の方法と異なり、分解能に合わせて最も効率的に、つまり高速に分光計測が可能な方法である。
【００５７】
［第１実施例の変形例１］
上記第１実施例の変形例として、図５にその要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００５８】
グレイティング・ライト・バルブは、例えば特許文献１で提案されているものであり、ＩＣ製作技術等で同一基板上に等間隔の平行な反射型リボンを並列させて形成し、１本おきのリボンを残りのリボンに対して同一平面になるか、波長の４分の１程度後退あるいは前進させるかの制御をすることにより、前者では反射面、後者では反射型の回折格子になるものである。このようなグレイティング・ライト・バルブ３１_０をアダマール行列の次数に等しい数だけ、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、分光プリズム１８の波長分散方向にアレイ状に並べて配置したものがグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１であり、回折格子の方向は、図５（ｂ）のようにアレイ３１に沿った方向でも、図５（ｃ）のようにアレイ３１に直交する方向でもよい。このようなグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を、図３（ｂ）と同様な図である図５（ａ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、フォーカシングレンズ１９の光軸に直角に配置されたグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１に斜め入射する。グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオンの要素である反射面で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素である反射型の回折格子に入射して回折された±１次の分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射され、それぞれストッパ２２_１、２２_２により吸収される（図５（ａ）の場合は、図５（ｂ）のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いているが、図５（ｃ）のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いる場合は、図５（ａ）の紙面の前後にストッパ２２_１、２２_２が配置される。）。このグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１は、図３（ａ）の場合と同様、駆動装置を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。
【００５９】
なお、グレイティング・ライト・バルブ３１_０は、１本おきでなく複数本おきのリボンを残りのリボンに対して同一平面になるか、後退あるいは前進させるようにすることもできるので、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフ、オフの制御を回折格子の有無でなく、回折格子の本数の制御による回折角の違いを利用するようにすることもできる。
【００６０】
また、グレイティング・ライト・バルブ３１_０の代わりに、出射側の面に反射面が設けられたＡＯＭを用い、このＡＯＭを分光プリズム１８の波長分散方向にアレイ状に並べて配置しても、同様の分光選択手段を構成できる。
【００６１】
［第１実施例の変形例２］
上記第１実施例の変形例として、図６に図３（ｂ）と同様な図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された反射型の電気アドレス空間変調器３２を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００６２】
反射型の電気アドレス空間変調器３２は、例えばＴＮやＳＴＮ、あるいは強誘電性液晶からなる反射型の液晶表示装置と同様であり、各画素の画素電極に印加する電圧の有無等により、入射する直線偏光の方向がそのままの状態で反射されたり、偏光面が９０°回転して反射されるものであり、このような画素をアダマール行列の次数に等しい数だけ、分光プリズム１８の波長分散方向（図６の紙面に垂直なａ−ａ’方向）であってフォーカシングレンズ１９の光軸に直角にアレイ状に並べて配置されて反射型の電気アドレス空間変調器３２が構成される。そして、この反射型の電気アドレス空間変調器３２に入射する光路中に偏光子３３が、反射型の電気アドレス空間変調器３２から反射される光路中に検光子３４が配置される。
【００６３】
この配置においては、図６に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になった分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、反射型の電気アドレス空間変調器３２に斜め入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオンの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４を通過して、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオフの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４に入射して通過が阻止される。この反射型の電気アドレス空間変調器３２は、図３（ａ）の場合と同様、駆動装置を介してコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。なお、検光子３４の直線偏光の透過方向として、偏光子３３の透過方向と同じ方向に設定するようにしてもよく、その場合は、反射型の電気アドレス空間変調器３２の要素のオンとオフの状態は逆になる。
【００６４】
なお、分光選択手段として、上記のように各画素がＴＮ、ＳＴＮ、強誘電性液晶等からなる電気アドレス空間変調器を用いる場合、図７に示すように、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いることもできる。その場合、図７に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、同軸配置のフォーカシングレンズ１９によって集光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になって、透過型の電気アドレス空間変調器３２’に略垂直に入射する。透過型の電気アドレス空間変調器３２’のオンの要素を透過した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま検光子３４を通過して、この場合は別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。透過型の電気アドレス空間変調器３２’のオフの要素を透過した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて検光子３４に入射して通過が阻止される。なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２コリメータレンズ２３の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００６５】
［第１実施例の変形例３］
上記第１実施例の変形例として、図８に図３（ｂ）と同様な図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、１次元アレイ状に画素が配置された光書き込み反射型空間変調器（反射型の光アドレス型空間光変調器）３５を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００６６】
光書き込み反射型空間変調器３５は、例えば特許文献２、特許文献３で提案されているものであり、一対の透明電極の間に光アドレス材料としての光導電層、誘電体ミラー及び液晶等の光変調材料層が順に積層されてなるもので、アドレス光が入射した位置の光導電層の抵抗が低下してその部分の液晶層に電圧がかかり、その部分の液晶層が光変調層として作用するもので、反射型の電気アドレス空間変調器３２が要素のオン・オフ状態を電気的に制御するものに対して、光学的に要素のオン・オフ状態を制御するものと言うことができる。
【００６７】
図８に示すように、光書き込み反射型空間変調器３５の各画素のオン状態は、液晶表示装置（ＴＶ）等の表示装置３６からの光（アドレス光）を投影レンズ３７によりその画素の背面に入射させるように表示装置３６の画素の表示状態を駆動装置を介してコンピュータ２５により制御することにより制御され、例えば、光書き込み反射型空間変調器３５のその画素の表面に入射する光の直線偏光の方向をそのままの状態で反射し、表示装置３６からの光が入射しないオフ状態では、画素の表面に入射する光の直線偏光の方向を９０°回転させて反射する。このような画素をアダマール行列の次数に等しい数だけ、分光プリズム１８の波長分散方向（図８の紙面に垂直なａ−ａ’方向）であってフォーカシングレンズ１９の光軸に直角にアレイ状に並べて配置して光書き込み反射型空間変調器３５が構成される。そして、この光書き込み反射型空間変調器３５に入射する光路中に偏光子３３が、光書き込み反射型空間変調器３５から反射される光路中に検光子３４が配置される。
【００６８】
この配置においては、図８に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、偏光子３３を経て所定の方向の直線偏光になった分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、光書き込み反射型空間変調器３５に斜め入射する。光書き込み反射型空間変調器３５のオンの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を保ったまま再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４を通過して、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。光書き込み反射型空間変調器３５のオフの要素で反射した分光成分の光束は、直線偏光の方向を９０°回転されて再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、検光子３４に入射して通過が阻止される。この光書き込み反射型空間変調器３５を用いる例では、駆動装置を介して表示装置３６がコンピュータ２５に接続しており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応したパターンを交番順で順次発生するように構成されている。なお、検光子３４の直線偏光の透過方向として、偏光子３３の透過方向と同じ方向に設定するようにしてもよく、その場合は、光書き込み反射型空間変調器３５の要素のオンとオフの状態は逆になる。
【００６９】
［第１実施例の変形例４］
上記第１実施例の変形例として、図９（ｂ）に、前記アダマール行列Ｈ^＊ _ｖに対応するマスク３８を示すが、その白要素部分３８_ａを反射鏡、黒要素部分３８_ｂを透明な穴空きあるいは吸収面とし、そのようなマスク３８の行３８_１、３８_２、３８_３・・・を相互に切り離して１行に並べて配置した固定パターン３９を用い、その固定パターン３９を分光選択手段として、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに用いるものであり、他の構成は第１実施例と同様である。
【００７０】
すなわち、図９（ａ）に示すように、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光された分光成分の光束は軸外し配置されたフォーカシングレンズ１９によって集光されて、固定パターン３９に斜め入射する。固定パターン３９のオンの要素の反射鏡で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。固定パターン３９のオフの要素の穴空きを通過した分光成分はフォーカシングレンズ１９に戻ることが阻止される。この固定パターン３９は、紙面に垂直なａ−ａ’方向に機械的に移動する駆動装置を介してコンピュータ２５に接続されており、コンピュータ２５に記憶されたアダマール行列の要素に対応する行３８_１、３８_２、３８_３・・・のパターンに順次切り替えられる。
【００７１】
なお、フォーカシングレンズ１９の集光位置に配置する固定パターンとしては、マスク３８そのものを用いて、図９（ａ）のｂ−ｂ’方向（マスク３８の列方向）に機械的に順次移動させて、光路中に配置される固定パターンが順に行３８_１、３８_２、３８_３・・・と切り替わるようになるようにしてもよい。
【００７２】
さらに、この変形として、マスク３８の行３８_１、３８_２、３８_３・・・を切り離して、図９（ｃ）に示すように、各々の行３８_１、３８_２、３８_３・・・を円板８０の半径方向に等間隔で別々に配置して、この円板８０の回転軸をフォーカシングレンズ１９の光軸と平行に配置して、円板８０の回転角を順に変えることにより、光路中に配置される固定パターンが順に行３８_１、３８_２、３８_３・・・と切り替わるようにしてもよい。
【００７３】
あるいは、図９（ｄ）に示すように、各々の行３８_１、３８_２、３８_３・・・を多角柱８１の各面に別々に配置して、この多角柱８１の回転軸をフォーカシングレンズ１９の光軸と垂直で分光プリズム１８の波長分散方向に平行に配置して、多角柱８１の回転角を順に変えることにより、光路中に配置される固定パターンが順に行３８_１、３８_２、３８_３・・・と切り替わるようにしてもよい。
【００７４】
このような固定パターン３９を用いる場合、図７と同様に、透過型に構成することもできる。ただし、図９（ｂ）の前記アダマール行列Ｈ^＊ _ｖに対応するマスク３８の白要素部分３８_ａは透明な穴空き、黒要素部分３８_ｂは反射面あるいは吸収面とする。このような行３８_１、３８_２、３８_３・・・を１行に並べた固定パターン３９を、図１０に示すように、光軸に対して傾斜して配置し、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光が、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光され、同軸配置のフォーカシングレンズ１９によって集光され、固定パターン３９に斜め入射する。固定パターン３９のオンの要素を通過した分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。固定パターン３９のオフの要素で反射した分光成分の光束は、ストッパ２２により吸収される。なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２コリメータレンズ２３の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００７５】
なお、この場合も、図９（ａ）の反射型と同様に、図９（ｂ）のマスク３８そのものを用いて、図１０（ａ）のｃ−ｃ’方向（マスク３８の列方向）に機械的に順次移動させるようにしてもよいし、図９（ｃ）に示すような円板８０を用いて、この円板８０を機械的に回転させて順次交換するようにしてもよいし、図９（ｄ）に示すような多角柱８１を用いて、この多角柱８１を機械的に回転させて順次交換するようにしてもよい。
【００７６】
また、この図１０の例では、図９（ｂ）の前記アダマール行列Ｈ^＊ _ｖに対応するマスク３８の黒要素部分３８_ｂは、反射型回折格子で構成し、図５の場合と同様に回折光がストッパ２２に入射して吸収されるようにしてもよい。
【００７７】
［第１実施例の変形例５］
ところで、以上の第１実施例及びその変形例において、分光選択手段として用いる１次元の微小ミラー集合体からなるプログラマブルミラー２０、１次元配置のグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１、１次元アレイ状に画素が配置された電気アドレス空間変調器３２、３２’、光書き込み反射型空間変調器３５にパターンを書き込む表示装置３６、固定パターン３９は、何れも選択要素の微小ミラー、ライト・バルブ、変調器、開口等（以下、選択要素４０_０とする。）を、図１１に模式的に示すように、両矢符で示す分光プリズム１８の波長分散方向に１次元アレイ状に並べて配置することにより、分光選択手段４０を構成している。本来なら、選択要素４０_０は両矢符方向に隣接する選択要素４０_０と隙間なく配置（分割）されないと、正しい分光強度分布を得ることができず、そのような隙間の位置に対応する波長の分光強度が検出できない。しかしながら、微小ミラー、ライト・バルブ、変調器、開口等を並列配置する場合に、実際には、隣接するものとの間に隙間４１が生じてしまう。
【００７８】
そこで、これらの選択要素４０_０は、図１２に模式的に示すように、両矢符で示す分光プリズム１８の波長分散方向に、２列以上の複数列に並べて配置し、しかも、その隣同士の列の選択要素４０_０の配列を相互に補完するように列方向へずらして配列する。図１２の場合は、２列に配置し、列同志で選択要素４０_０のピッチの半分だけずらして配列している。そして、その２列の選択要素４０_０各々をアダマール行列の１行又は１列に対応させてオン・オフを制御するようにすることにより、波長のぬけがない正しい分光強度分布を得ることができる。
【００７９】
ただし、分光プリズム１８により分光された各波長の光束をフォーカシングレンズ１９によって分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）に広がりなく集光させると、２列以上の選択要素４０_０に各波長の光束が入射しないおそれが出てくる。そこで、フォーカシングレンズ１９として、分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）には広がりがあり、分光プリズム１８の波長分散方向（図の両矢符方向）には焦点が合ったベストスポット状態で集光する非対称な結像作用を持つレンズ系を用いることが望ましい。そのようなフォーカシングレンズ１９としては、分光選択手段４０の列方向と直交する方向に収差の発生があるレンズ系や、積極的に非対称なレンズ系がある。フォーカシングレンズ１９として非対称なレンズ系を用いる場合の、共焦点ピンホール１６からＰＭＴ２１に至る光学系を図１３に示す。図１３（ａ）は、その光学系部分の上面図、図１３（ｂ）はその側面図である。
【００８０】
この場合は、フォーカシングレンズ１９は、例えば回転対称なレンズ４２と円筒レンズ４３によって構成され、共焦点ピンホール１６を通過した蛍光は、第１コリメータレンズ１７で略平行にされ、分光プリズム１８により分光された光束は、フォーカシングレンズ１９によって分光選択手段４０の列方向と直交する方向（図のｄ−ｄ’方向）には広がりがあり、分光プリズム１８の波長分散方向（図の両矢符方向）には焦点が合ったベストスポット状態で集光されて、分光選択手段４０に斜め入射する。例えば分光選択手段４０がプログラマブルミラーからなるとき、分光選択手段４０のオンの要素で反射された分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされて、分散補償プリズム１８で分散補償された後に、第２コリメータレンズ２３で集光され、ＰＭＴ２１に入射する。この場合、別のフォーカシングレンズ１９’は、フォーカシングレンズ１９で発生する非点収差を補正するように、同様に回転対称なレンズと円筒レンズとによって構成されることが望ましい。
【００８１】
以上は、分光選択手段４０として、選択要素４０_０を２列以上の複数列で構成することにより、選択要素４０_０間の隙間４１による分光検出波長のぬけを防止するものであったが、図１１のような隙間４１がある１列の選択要素４０_０の配置でも、図１４の正面図に示すように、各選択要素４０_０の入射側に一対一に対応して要素全体と両側の隙間４１の各々半分を覆うように配置された微小正レンズ４４からなるマイクロレンズアレイ４５を分光選択手段４０の入射側に配置することによっても、このような分光検出波長のぬけを防止することができる。
【００８２】
［第２実施例］
本発明による第２実施例を図１５に示す。図１５は図３（ｂ）に対応する上面図であって、第１実施例の検出部の一部に変更を加えたものであり、その他は第１実施例と同様に構成している。第２実施例では、２つの光電子倍増管（ＰＭＴ２１_１及びＰＭＴ２１_２）を用いて、プログラマブルミラー２０のオン・オフの両方の信号強度を同時に検出している。本実施例では、ＰＭＴ２１_１とＰＭＴ２１_２からの出力を、加算器２９で加算して和信号を生成している。また同時に、両者の出力を減算器２８により減算して差信号を生成している。そして、加算器２９と減算器２８により生成した信号を、コンピュータ２５（図３）に送っている。プログラマブルミラー２０と２つのＰＭＴ２１_１、２１_２の間には、別のフォーカシングレンズ１９’と分散補償プリズム１８’と第２−１コリメータレンズ２３_１、第２−２コリメータレンズ２３_２が挿入されている。プログラマブルミラー２０で反射したオンとオフの波長帯域の光束を別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にし、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散を補償し、さらに、第２−１コリメータレンズ２３_１と第２−２コリメータレンズ２３_２でそれぞれのＰＭＴ２１_１、２１_２上に集光するようにしている。
【００８３】
本実施例においては、プログラマブルミラー２０がオンの分光成分とオフの分光成分の差信号を検出するようにしたので、プログラマブルミラー２０がオンの分光成分のみを検出する第１実施例に比較して、ＰＭＴで発生するノイズの影響を少なくすることができる。その結果、第１実施例では用いていなかった、プログラマブルミラー２０がオフの分光成分を計測するようにしたので、第１実施例に比べて、高いＳ／Ｎ比が得られる利点がある。さらに、本実施例においては、プログラマブルミラー２０がオンとオフの両方の信号の和信号を常に検出しているので、光源１１の出力あるいは検出器のオペアンプの感度のふらつきが生じても、それを補正することができる。よって、さらに精度の高い分光強度分布の算出を行うことができる。
【００８４】
［第２実施例の変形例１］
上記第２実施例の変形例として、図１６に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例１で説明したグレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００８５】
グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオンの要素である反射面で反射した分光成分の光束は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、さらに、第２−１コリメータレンズ２３_１でＰＭＴ２１_１上に集光されるようになっている。他方、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素である反射型の回折格子に入射して回折された＋１次の分光成分は、オンの要素で反射した分光成分とは異なる方向に反射回折され、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、第２−２コリメータレンズ２３_２でＰＭＴ２１_２上に集光されるようになっている。
【００８６】
なお、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフの要素の反射型の回折格子で回折された−１次の分光成分は、ストッパ２２により吸収されようになっている。
【００８７】
この例の場合も、グレイティング・ライト・バルブ・アレイ３１のオフ、オフの制御を回折格子の有無でなく、回折格子の本数の制御による回折角の違いを利用するようにすることもできる。
【００８８】
［第２実施例の変形例２］
上記第２実施例の別の変形例として、図１７に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例２で説明した反射型の電気アドレス空間変調器３２又は透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。なお、図１７は、反射型の電気アドレス空間変調器３２を用いた場合を図示してあるが、透過型の電気アドレス空間変調器３２’の構成は、図１７と図７から明らかであるので、図示は省く。
【００８９】
反射型の電気アドレス空間変調器３２のオンの要素で反射（透過型の電気アドレス空間変調器３２’の場合と透過）した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向を保ったまま別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面を透過し、第２−１コリメータレンズ２３_１で集光され、ＰＭＴ２１_１に入射する。反射型の電気アドレス空間変調器３２のオフの要素で反射（透過型の電気アドレス空間変調器３２’の場合と透過）した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向から偏光面が９０°回転されて別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面で反射され、第２−２コリメータレンズ２３_２で集光され、ＰＭＴ２１_２に入射する。
【００９０】
なお、別のフォーカシングレンズ１９’と第２−１コリメータレンズ２３_１、２−２コリメータレンズ２３_２の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００９１】
［第２実施例の変形例３］
上記第２実施例の別の変形例として、図１８に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例３で説明した光書き込み反射型空間変調器３５を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００９２】
液晶表示装置（ＴＶ）等の表示装置３６からの光（アドレス光）を投影レンズ３７により光書き込み反射型空間変調器３５の背面に入射させることによりオンにされた要素で反射した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向を保ったまま別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面を透過し、第２−１コリメータレンズ２３_１で集光され、ＰＭＴ２１_１に入射する。光書き込み反射型空間変調器３５の背面にアドレス光が入射しなかったオフの要素で反射した分光成分の光束は、偏光子３３を透過した直線偏光の方向から偏光面が９０°回転されて別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、偏光ビームビームスプリッター４６に入射して、その偏光ビームビームスプリット面で反射され、第２−２コリメータレンズ２３_２で集光され、ＰＭＴ２１_２に入射する。
【００９３】
なお、この場合も、別のフォーカシングレンズ１９’と第２−１コリメータレンズ２３_１、２−２コリメータレンズ２３_２の間に分散補償用の別の分光プリズムを配置するようにしてもよい。
【００９４】
［第２実施例の変形例４］
上記第２実施例の別の変形例として、図１９に図１５と同様の要部のみを示す。この変形例は、分光選択手段として、第２実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、第１実施例の変形例４で説明した固定パターン３９を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第２実施例と同様である。
【００９５】
図９との関連で説明したオン要素が反射鏡でオフ要素が穴空きとなっているマスク３８の行３８_１、３８_２、３８_３・・・を相互に切り離して１行に並べて配置した固定パターン３９、あるいは、その代わりに、そのような行３８_１、３８_２、３８_３・・・を２次元的に配置したマスク３８（図９（ｂ））、あるいは、円板８０の半径方向に等間隔で行３８_１、３８_２、３８_３・・・を配置したマスク、あるいは、多角柱８１の各面に行３８_１、３８_２、３８_３・・・を配置したマスクを、図１９の固定パターン３９として用い、固定パターン３９のオンの要素で反射した分光成分の光束は、再度フォーカシングレンズ１９で平行光束にされて、分光プリズム１８で分散補償された後に、第２−１コリメータレンズ２３_１で集光され、ＰＭＴ２１_１に入射する。固定パターン３９のオフの要素の穴空きを透過した分光成分は、別のフォーカシングレンズ１９’で平行光束にされ、分散補償プリズム１８’で分光プリズム１８によって生じた波長分散が補償され、さらに、第２−２コリメータレンズ２３_２でＰＭＴ２１_２上に集光されるようになっている。固定パターン３９の行３８_１、３８_２、３８_３・・・の切り替えは第１実施例の変形例４の場合と同様である。
【００９６】
なお、この例において、固定パターン３９のオンの要素を反射鏡、オフ要素を反射型回折格子で構成し、その反射型回折格子の回折方向に上記別のフォーカシングレンズ１９’、分散補償プリズム１８’、第２−２コリメータレンズ２３_２、及び、ＰＭＴ２１_２を配置するようにしてもよい。
【００９７】
［第３実施例］
本発明による第３実施例の顕微分光装置の共焦点ピンホール１６以降の要部の側面図を図２０に示す。励起光を発するレーザ光源１１、ダイクロイックミラー１２、主走査ガルバノミラー１３、副走査ガルバノミラー１４、対物レンズ１５の構成と配置は図３の場合と同様であるので、図示は省く。
【００９８】
この実施例は、第１実施例のプログラマブルミラー２０の代わりに、特許文献４等で知られているマルチチャンネル検出器（アレイディテクタ）４７を用いるものであり、このマルチチャンネル検出器４７は、分光選択手段の各選択要素に対応する検出チャンネル４７_０が分光プリズム１８の波長分散方向に１次元アレイ状に並べて配置されているものであり、各検出チャンネル４７_０からの検出信号はコンピュータ２５内に入力され、その中のソフトウエアにより、各検出チャンネル４７_０からの検出信号は選択的に取り込まれるようになっており、各測定の際に、オンの要素に対応する検出チャンネル４７_０からの検出信号をソフトウエアにより加算して取り込むことによって、第１実施例、第２実施例と同様にして分光データを求めることができる。
【００９９】
なお、各検出チャンネル４７_０からの検出信号の選択的取り込みをソフトウエアでなく、マルチチャンネル検出器４７に接続されたマルチプレクサー等のハードウエア（電気回路）で行うようにしてもよい。
【０１００】
［第３実施例の変形例］
上記第３実施例の変形例として、図２１に顕微分光装置の共焦点ピンホール１６以降の要部の側面図を示す。励起光を発するレーザ光源１１、ダイクロイックミラー１２、主走査ガルバノミラー１３、副走査ガルバノミラー１４、対物レンズ１５の構成と配置は図３の場合と同様であるので、図示は省く。
【０１０１】
この変形例は、分光選択手段として、マルチチャンネル検出器４７の代わりに、分光選択手段の選択要素の数に等しい本数の光ファイバー４８_０の入射端を分光プリズム１８の波長分散方向に１次元に並べて構成した光ファイバーアレイ４８を用いて、各光ファイバー４８_０の射出端に各々に２分波スイッチ素子４９_０を接続し、各２分波スイッチ素子４９_０のオン側からの出力を合波素子５０_１に入力させ、各２分波スイッチ素子４９_０のオフ側からの出力を合波素子５０_２に入力させ、合波素子５０_１の出力光強度をディテクタ５１_１で、合波素子５０_２の出力光強度をディテクタ５１_２で検出するようにしてある。そして、光ファイバーアレイ４８のチャンネル数に等しい数の２分波スイッチ素子４９_０各々のオン、オフ切り替えは、コンピュータ２５に接続されたスイッチアレイ駆動装置５２によって制御されるようになっている。
【０１０２】
このような構成であるので、光ファイバーアレイ４８のオンの光ファイバー４８_０を経て検出された分光強度は、合波素子５０_１を経てディテクタ５１_１で検出される。また、光ファイバーアレイ４８のオフの光ファイバー４８_０を経て検出された分光強度は、合波素子５０_２を経てディテクタ５１_２で検出される。したがって、ディテクタ５１_１で検出された分光強度を用いる場合は、第１実施例と同様な分光強度検出が行え、ディテクタ５１_１とディテクタ５１_２で検出された分光強度を用いる場合は、第２実施例と同様な分光強度検出が行える。
【０１０３】
［第２実施形態］
本発明の顕微分光装置の好適な別の実施形態としては、図２に概略構成図を示すように、共焦点顕微鏡以外の通常の顕微鏡を用いる場合である。
【０１０４】
この形態の場合は、図２に示すように、通常の顕微鏡１１１の１次結像面１１２に配され、顕微鏡１１１の対物レンズの射出瞳を分光するための分散素子１０３と、分散素子１０３によって分光された対物レンズの射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ１１３とからなる分光手段１１４、分光された対物レンズの射出瞳の結像位置に配置され、アダマール行列に即した所定の波長帯域毎に波長選択可能な選択要素を有する分光選択手段１０６、分散素子１０３の像を投影する分散素子投影レンズ１１５と、分散素子１０３で生じた波長分散を補償する分散補償素子１１６と、分散補償素子１１６により分散補償された像を検出するための検出器１１７とからなる検出手段１１８、及び、復調手段１１０で構成されるものである。さらに、分光選択手段１１６で選択要素に作用させるアダマール行列としては、前述のように、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さく、さらに、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列で構成することが望ましい。
【０１０５】
本構成によれば、顕微鏡１１４で分光観測対象を顕微観察することにより得られた観察像が、分散素子１０３と瞳投影レンズ１１３により分光され、さらに、分光選択手段１１６を構成する選択要素をアダマール行列に即して作用させることにより所定の波長帯域の光束を選択し、検出手段１１８の分散素子投影レンズ１１５と分散補償素子１１６により分散補償された分光像を得て、この像を検出器１１７により検出する。アダマール行列の交番数に即して分光選択手段１１６の選択要素の作用を替え、所望の分光解像度が得られるまで計測を繰り返した後に、計測された分光像の各点において前述の（８）式を実現する復調手段１１０により復調することで、分光観測対象の所望の解像度の分光像が最短の時間で得られる。
【０１０６】
次に、以下に図面を用いて本実施形態の実施例について説明する。
【０１０７】
［第４実施例］
第４実施例として蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置を図２２を用いて説明する。
【０１０８】
本発明による第４実施例の顕微分光装置は、図２２（ａ）に示すように、少なくとも、励起光を発する光源６１と、光源６１からの励起光を標本Ｏに向かう光路に導入するダイクロイックミラー６２と、励起光を標本面上に集光させ、標本Ｏの蛍光像を拡大するための対物レンズ６３と、対物レンズ６３により拡大された標本Ｏの像を結像させるための結像レンズ６４とからなる顕微鏡、その顕微鏡の１次結像面に配され、対物レンズ６３の射出瞳を分光するための分散素子としての分光グレーティング６５と、分光された対物レンズ６３の射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ６６とからなる分光手段、分光された対物レンズ６３の射出瞳の結像位置に配置され、所定の波長帯域毎に波長選択を行う固定アダマールマスク６７と、固定アダマールマスク６７を横方向に移動するアダマールマスク駆動装置６８とからなる分光選択手段、固定アダマールマスク６７を透過した分光成分で分光グレーティング６５の像を投影する分散素子投影レンズ６９と、分光グレーティング６５で生じた波長分散を補償する分散補償素子として分散補償グレーティング７０と、分散補償グレーティング７０により分散補償された蛍光像を撮像するための撮像装置７１とからなる検出手段、さらに、前述の（８）式に即して分光データの復調を図示しないコンピュータ内のソフトウエアで行う復調手段で構成される。
【０１０９】
なお、当該コンピュータでは、撮像装置７１とアダマールマスク駆動装置６８の制御や蛍光像の分光像の表示等も行う。
【０１１０】
固定アダマールマスク６７には、図２２（ｂ）にｎ＝８の例のパターンを示すように、交番数順のアダマール行列Ｈ^＊に対応した開口パターンが開いている。対物レンズ６３の射出瞳は、分光グレーティング６５によってこのアダマールマスク上に縦方向の分光スペクトルとなって投影される。アダマールマスク駆動装置６８でこの固定アダマールマスク６７を横方向に順次動かしながら撮像装置７１で撮像した画像を、コンピュータに蓄積して行く。そして、各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１１】
本実施例においても、固定アダマールマスク６７に交番数順のアダマール行列の開口バターンを設けたことにより、第１実施例で説明したと同様に、計測の途中から低分解能の分光画像を順次得ることができ、その分高速化が図れる。
【０１１２】
［第４実施例の変形例］
上記第４実施例の変形例として、図２３に図２２と同様の図を示す。この変形例は、分光選択手段として、第４実施例の固定アダマールマスク６７の代わりに、第１実施例の変形例２で説明した透過型の電気アドレス空間変調器３２’を用いた点に特徴があるものであり、他の構成は第４実施例と同様である。
【０１１３】
透過型の電気アドレス空間変調器３２’に入射する光路中に偏光子３３を、その透過型の電気アドレス空間変調器３２’を透過した光路中に検光子３４を、電圧を印加した要素（画素）のみを標本Ｏからの蛍光が通過できるように配置する。そして、この透過型の電気アドレス空間変調器３２’には、交番数順のアダマール行列Ｈ^＊の行又は列の＋１に対応した要素（画素）に電圧が選択的に印加される。対物レンズ６３の射出瞳は、分光グレーティング６５によってこの透過型の電気アドレス空間変調器３２’上に分光スペクトルとなって投影される。透過型の電気アドレス空間変調器３２’上の電圧を印加する要素を選択しながら撮像装置７１で撮像した画像を、コンピュータに蓄積して行く。そして、撮像した画像の各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１４】
［第５実施例］
この実施例の顕微分光装置は、図２４（ａ）に示すように、少なくとも、励起光を発する光源６１と、光源６１からの励起光を標本Ｏに向かう光路に導入するダイクロイックミラー６２と、励起光を標本面上に集光させ、標本Ｏの蛍光像を拡大するための対物レンズ６３と、対物レンズ６３により拡大された標本Ｏの像を結像させるための結像レンズ６４とからなる顕微鏡、その顕微鏡の１次結像面に配され、対物レンズ６３の射出瞳を分光するための分散素子としての分光グレーティング６５と、分光された対物レンズ６３の射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズ６６とからなる分光手段、分光された対物レンズ６３の射出瞳の結像位置に配置され、所定の波長帯域毎に異なる２つの周波数で周波数変調を行う周波数光変調器アレイ７３からなる分光選択手段、周波数光変調器アレイ７３を透過した分光成分で分光グレーティング６５の像を投影する分散素子投影レンズ６９と、分光グレーティング６５で生じた波長分散を補償する分散補償素子として分散補償グレーティング７０と、分散補償グレーティング７０により分散補償された蛍光像を撮像するための撮像装置７１とからなる検出手段、さらに、撮像装置７１で撮像した画像の各画素の変調信号にロックイン検出器を経て、各画素の異なる２つの周波数それぞれで光変調された光強度を検出して、コンピュータに蓄積して行く。そして、各画素毎に第１実施例で説明した（８）式に即した復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１５】
ここで、周波数光変調器アレイ７３は、図２４（ｂ）に示すように、電気光学変調器、音響光学変調器等の光変調器７３_０を分光グレーティング６５の波長分散方向にアレイ状に配置してなるもので、各光変調器７３_０が分光選択手段の選択要素を構成しており、オンの要素である光変調器７３_０はある特定の周波数で対応する波長帯域の強度に周波数変調をかけ、オフの要素である光変調器７３_０はそれとは異なる特定の周波数でそれに対応する波長帯域の強度に周波数変調をかける。したがって、ロックイン検出器でそれぞれの周波数の強度を検出することにより、周波数光変調器アレイ７３のオン・オフそれぞれの要素を透過してきら分光強度を検出することができるので、第４実施例と同様にこの周波数光変調器アレイ７３を制御しながら撮像装置７１で撮像した画像の復調を行うことにより、分光画像を算出することができる。
【０１１６】
なお、以上の実施例では、交番数順のアダマール行列を用いた例を説明したが、変調画像を復調できるのは、交番数が０から２^ｗ−１（ｗは任意の自然数）である行成分を用いた２ｗ枚の変調画像を取得できた後となる。つまり、２^ｗ枚の変調画像を取得する順序に制限はない。したがって、交番数順のアダマール行列の代わりに、初めの２^ｗ個の行又は列の交番数が全て、残りの行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列を用いても、初めの２^ｗ個のの分光変調を行った時点で波長帯域２^ｗ分割の低解像度の分光強度を求めることができるので、以上の実施例と同様の効果を得ることができる。
【０１１７】
さて、以上の実施例及び変形例において、分光プリズム１８、分散補償プリズム１８、１８’の代わりに、分光グレーティング（回折格子）を用いてもよく、また、分光グレーティング６５、分散補償グレーティング７０の代わりに、分光プリズムを用いてもよい。
【０１１８】
また、分散補償プリズム１８’や分散補償グレーティング７０は配置しなくてもよいが、検出器であるＰＭＴ２１、２１_１、２１_２の受光面と別の別のフォーカシングレンズ１９’や第２コリメータレンズ２３、第２−１コリメータレンズ２３_１、第２−２コリメータレンズ２３_２を波長分散で広がった光束を検出可能なサイズにすればよい。
【０１１９】
また、分光選択手段が反射型のものは、透過型に変形することは容易に可能である。
【０１２０】
さらに、検出器としては、ＰＭＴ以外に、アバランシェフォトダイオード等の高感度低ノイズ検出器を用いることができるのは当然である。
【０１２１】
また、分光選択手段として、固定パターンを用いる例（図９、図１０、図１９、図２２）においては、分光手段側を移動させるようにしてもよい。図２５に図９の場合に、分光選択手段として２次元配置マスク３８を用いて、マスク３８を移動する代わりに、分光プリズム１８を破線から点線の位置に移動させることにより、分光手段の各要素のオン・オフ状態を変えるようにすることができる。
【０１２２】
以上述べた、本発明のアダマール顕微分光装置を整理すると以下のようになる。
【０１２３】
〔１〕少なくとも分光観測対象を顕微観察する顕微鏡と、前記顕微鏡からの入射光を波長分解する分光手段と、前記分光手段により波長分解された前記入射光をアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段と、前記分光選択手段で選択された所定の波長帯域の分光強度を検出する検出手段と、検出された分光強度から分光観測対象の分光強度を復調する復調手段とからなり、前記分光選択手段は、所定の次数のアダマール行列の要素に従って選択状態が定まるものであり、
前記分光選択手段が、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つことを特徴とする顕微分光装置。
【０１２４】
〔２〕前記顕微鏡が共焦点顕微鏡からなり、前記分光手段が、少なくとも、前記共焦点顕微鏡の共焦点ピンホールを通過した光束を略平行光にするコリメータレンズと、その略平行光を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された光を集光するための第１のフォーカシングレンズとからなり、前記検出手段が、少なくとも、検出器と、前記分光選択手段で選択された波長帯域の光束のみを当該検出器に取り込むためのレンズ系とからなることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１２５】
〔３〕前記第１のフォーカシングレンズが、非対称な結像作用を持つものであることを特徴とする上記１又は２記載の顕微分光装置。
【０１２６】
〔４〕少なくとも、前記分光手段が、前記顕微鏡の１次結像面に配され、前記顕微鏡の対物レンズの射出瞳を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された対物レンズの射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズとからなり、前記分光選択手段が、分光された対物レンズの射出瞳の結像位置に配置され、前記検出手段が、少なくとも、前記分散素子の像を投影する分散素子投影レンズと、前記分散素子で生じた波長分散を補償する分散補償素子と、前記分散補償素子により分散補償された像を検出するための検出器とからなることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１２７】
〔５〕前記検出手段が、少なくとも２つの検出器を用いて構成され、前記分光選択手段で定められたアダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域の光束を別々に検出することを特徴とする上記１から４の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１２８】
〔６〕前記アダマール行列として、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いることを特徴とする上記１から５の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１２９】
〔７〕前記分光選択手段が、周波数変調型の空間光変調器であり、アダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域に別々の周波数変調をかけ、前記検出手段で周波数選別して片方若しくはそれぞれを検出することを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３０】
〔８〕前記顕微鏡が共焦点顕微鏡からなり、前記分光手段が、少なくとも、前記共焦点顕微鏡の共焦点ピンホールを通過した光束を略平行光にするコリメータレンズと、その略平行光を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された光を集光するための第１のフォーカシングレンズとからなり、前記検出手段が、少なくともマルチチャンネル検出器で構成されることを特徴とする上記１記載の顕微分光装置。
【０１３１】
〔９〕前記分光選択手段として、ディフォーマブルミラー、ディジタルミラーデバイス、グレイティング・ライト・バルブ等の機械式変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３２】
〔１０〕前記分光選択手段として、反射型若しくは透過型の電気アドレス空間変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３３】
〔１１〕前記分光選択手段として、光書き込み反射型空間変調器を用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３４】
〔１２〕前記分光選択手段として、アダマール行列の＋１成分と−１成分にそれぞれ対応させた反射部分と透過部分を持つ固定パターン若しくは反射部分とグレーティング部分を持つ固定パターンを機械的に移動させるものを用いることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の顕微分光装置。
【０１３５】
〔１３〕前記固定パターンとして、アダマール行列の行又は列を、１次元に並べたもの、２次元に並べたもの、円板上若しくは多角柱の側面に並べたものを用いることを特徴とする上記１２記載の顕微分光装置。
【０１３６】
〔１４〕前記波長選択手段が、マルチチャンネル検出器で検出後に電気回路若しくはソフトウエアで実現されることを特徴とする上記８記載の顕微分光装置。
【０１３７】
〔１５〕前記波長選択手段が、少なくとも、光ファイバと、分波スイッチ素子と、合波素子との組み合わせで構成されていることを特徴とする上記８記載の顕微分光装置。
【０１３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の顕微分光装置によれば、所望の波長分解能の分光強度分布が得られた時点で計測を打ち切っても、従来のアダマール分光装置と異なり、正確に分光データが得られるので、計測時間の効率化を図った高速な分光装置を供給できる。
【０１３９】
また、分光選択手段として、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つものを用いているので、分光選択手段として、所定の波長帯域毎に選択する１列の複数の選択要素間にデットスペースを有する分光選択手段を用いる場合でも、その１列の選択要素間のデットスペースに入射する波長帯域の分光強度も、隣接する列の選択要素によって選択可能となるため、分光手段により波長分解された全ての波長帯域の分光強度をぬけなく検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】顕微鏡として共焦点顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【図２】顕微鏡として通常の顕微鏡を用いる場合の本発明の顕微分光装置の基本形態の概略の構成を示す図である。
【図３】本発明による第１実施例の顕微分光装置の構成を説明するための図である。
【図４】第１実施例の分光装置による分光計測のフローチャートを示す図である。
【図５】第１実施例の変形例１の要部のみを示す図である。
【図６】第１実施例の変形例２の要部のみを示す図である。
【図７】図６の変形例を透過型に代えた場合の要部のみを示す図である。
【図８】第１実施例の変形例３の要部のみを示す図である。
【図９】第１実施例の変形例４を説明するための図である。
【図１０】図９の変形例を透過型に代えた場合の要部のみを示す図である。
【図１１】選択要素を１次元アレイ状に並べて配置してなる分光選択手段の問題点を説明するための図である。
【図１２】第１実施例の変形例５による分光選択手段の選択要素の配置を説明するための図である。
【図１３】図１２の分光選択手段のために用いるフォーカシングレンズの構成を説明するための要部のみを示す図である。
【図１４】図１１の配置の分光選択手段の問題点を解決するための別の手段を説明するための図である。
【図１５】本発明による第２実施例の顕微分光装置の要部のみを示す図である。
【図１６】第２実施例の変形例１の図１５と同様の図である。
【図１７】第２実施例の変形例２の図１５と同様の図である。
【図１８】第２実施例の変形例３の図１５と同様の図である。
【図１９】第２実施例の変形例４の図１５と同様の図である。
【図２０】本発明による第３実施例の顕微分光装置の共焦点ピンホール以降の要部の側面図である。
【図２１】第３実施例の変形例の図２０と同様の図である。
【図２２】本発明による第４実施例の蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置の構成を示す図である。
【図２３】第４実施例の変形例の図２２（ａ）と同様の図である。
【図２４】本発明による第５実施例の蛍光顕微鏡を用いた顕微分光装置の構成を示す図である。
【図２５】本発明において分光選択手段として固定パターンを用いる場合の変形例を説明するための図である。
【図２６】従来のアダマール変換を用いた分光装置の構成を示す図である。
【図２７】従来の７次のＳ行列の例とそれに対応するアダマールマスクを示す図である。
【図２８】従来のアダマールマスクによる波長選択の切り替えを表す図である。
【符号の説明】
Ｏ…標本
１…入射スリット
２…コリメートレンズ
３…分光グレーティング
４…スリット投影レンズ
５…アダマールマスク
６…グレーティング投影レンズ
７…分散補償グレーティング
８…撮像レンズ
９…検出器
１１…レーザ光源
１２…ダイクロイックミラー
１３…主走査ガルバノミラー
１４…副走査ガルバノミラー
１５…対物レンズ
１６…共焦点ピンホール
１７…第１コリメータレンズ
１８…分光プリズム
１８’…分散補償プリズム
１９…フォーカシングレンズ
１９’…別のフォーカシングレンズ
２０…プログラマブルミラー
２１…ＰＭＴ（光電子倍増管）
２１_１、２１_２…ＰＭＴ（光電子倍増管）
２２…ストッパ
２２_１、２２_２…ストッパ
２３…第２コリメータレンズ
２３_１…第２−１コリメータレンズ
２３_２…第２−２コリメータレンズ
２４…プログラマブルミラー駆動装置
２５…コンピュータ
２６…表示装置
２７…ＰＭＴ駆動装置
２８…減算器
２９…加算器
３１…グレイティング・ライト・バルブ・アレイ
３１_０…グレイティング・ライト・バルブ
３２…反射型の電気アドレス空間変調器
３２’…透過型の電気アドレス空間変調器
３３…偏光子
３４…検光子
３５…光書き込み反射型空間変調器（反射型の光アドレス型空間光変調器）
３６…表示装置
３７…投影レンズ
３８…アダマール行列Ｈ^＊ _ｖに対応するマスク
３８_ａ…白要素部分
３８_ｂ…黒要素部分
３８_１、３８_２、３８_３・・・…マスクの行
３９…固定パターン
４０_０…選択要素
４０…分光選択手段
４１…隙間
４１が生じてしまう。
４２…回転対称なレンズ
４３…円筒レンズ
４４…微小正レンズ
４５…マイクロレンズアレイ
４６…偏光ビームビームスプリッター
４７…マルチチャンネル検出器（アレイディテクタ）
４７_０…検出チャンネル
４８_０…光ファイバー
４８…光ファイバーアレイ
４９_０…２分波スイッチ素子
５０_１、５０_２…合波素子
５１_１、５１_２…ディテクタ
５２…スイッチアレイ駆動装置
６１…光源
６２…ダイクロイックミラー
６３…対物レンズ
６４…結像レンズ
６５…分光グレーティング
６６…瞳投影レンズ
６７…固定アダマールマスク
６８…アダマールマスク駆動装置
６９…分散素子投影レンズ
７０…分散補償グレーティング
７１…撮像装置
７３…周波数光変調器アレイ
７３_０…光変調器
８０…円板
８１…多角柱
１００…共焦点顕微鏡
１０１…共焦点ピンホール
１０２…コリメータレンズ
１０３…分散素子
１０４…第１のフォーカシングレンズ
１０５…分光手段
１０６…分光選択手段
１０７…第２のフォーカシングレンズ
１０８…検出器
１０９…検出手段
１１０…復調手段
１１１…通常の顕微鏡
１１２…１次結像面
１１３…瞳投影レンズ
１１４…分光手段
１１５…分散素子投影レンズ
１１６…分散補償素子
１１７…検出器
１１８…検出手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a microspectroscope, and more particularly to a microspectroscope using a Hadamard transform method.
[0002]
[Prior art]
The Hadamard matrix H is a square matrix whose elements all consist of either +1 or −1, and is a generic term for matrices having the following properties.
[0003]
(Equation 1)

Since all elements of the Hadamard matrix are +1 or -1, a method of expressing them with + and-is generally used. For example, a fourth-order Hadamard matrix H₄Is
[0004]
(Equation 2)

It is described as follows. In this specification, this description method will be used in the future.
[0005]
The Hadamard transform using the Hadamard matrix H has wide application fields such as spectrum analysis, signal transmission, and image processing, as described in detail in Non-Patent Document 1, for example. For example, the spectroscopy using the Hadamard transform requires a larger amount of light to be detected at one time than the normal spectroscopy using a single slit. Therefore, it is possible to obtain a higher S / N spectral intensity distribution than the method using a single slit. Non-Patent Document 2 reports that the use of a cyclical 255-cell Hadamard mask provided about eight times the S / N as compared to a normal method using a single slit.
[0006]
FIG. 26 shows the configuration of a typical spectroscopic device using the Hadamard transform. The spectroscopic device includes an incident slit 1, a collimating lens 2 for converting incident light transmitted through the incident slit 1 into parallel light, a spectral grating 3 for dispersing the collimated incident light, and a split incident slit image. , A Hadamard mask 5 movably inserted at the split incident slit image position, and a grating projection lens 6 for projecting an image of the spectral grating 3 with spectral components transmitted through the Hadamard mask 5. A dispersion compensation grating 7 for compensating chromatic dispersion generated by the spectral grating 3, an imaging lens 8 for re-forming the incident slit image dispersion-compensated by the dispersion compensation grating 7, and an incident slit image re-formed. And a detector 9 for detecting the intensity of the light.
[0007]
The Hadamard mask 5 has openings corresponding to the elements of a center matrix S (a sub-matrix excluding the first row and the first column of the Hadamard matrix) S of a so-called Paley-type Hadamard matrix, which is a cyclic matrix. The Paley-type Hadamard matrix is a Hadamard matrix in which the center matrix is a cyclic matrix.
[0008]
Below, an example S of the 7th-order heart matrix S₇The relationship between the Hadamard masks corresponding to the heart matrix S will be described with reference to FIG. As shown in FIG.₇In each row, seven elements consisting of +1 and -1 are arranged side by side, and the relationship is such that a rotation operation is performed clockwise one element at a time in order from the upper row. Therefore, S₇Are shifted from top to bottom while shifting one element to the left, so that a row vector ν composed of 13 + and-elements₇Can be defined. As shown in FIG. 27 and FIG. 28 (b), the Hadamard mask₇Has the same number of cells as the elements of₇The aperture is set in accordance with whether each element is + or-. In the example of FIG. 27 and FIG.₇The cell corresponding to the element of + is an opening, and the cell corresponding to-is a shielding part. On the other hand, as shown in FIG. 28A, the auxiliary mask has an opening having a length corresponding to seven cells of the Hadamard mask (FIG. 28B). When this auxiliary mask is overlaid on the Hadamard mask, a synthetic aperture ((c) in the figure) is formed. Then, by moving the Hadamard mask by one cell with respect to the fixed auxiliary mask, S₇Are sequentially obtained. The Hadamard mask 5 shown in FIG. 26 is provided so that the Hadamard mask can be moved by one cell with respect to the fixed auxiliary mask.
[0009]
On the surface of the Hadamard mask 5, a spectral spectrum of incident light generated by the entrance slit 1 and the spectral grating 3 is projected. The Hadamard mask 5 divides its spectral spectrum into wavelength bands determined by the width of each cell, and performs wavelength selection by transmission and shielding of each cell for each wavelength band.
[0010]
Thus, S₇, The detector 9 detects the sum of the intensities of the selected portions of the incident light corresponding to each row. S₇After the sum of the intensities for all the rows of₇Is demodulated using the inverse matrix of, and the spectral intensity for each wavelength band is calculated.
[0011]
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,982,553
[0012]
[Patent Document 2]
JP-A-6-51340
[0013]
[Patent Document 3]
JP-A-10-133225
[0014]
[Patent Document 4]
US Patent Application Publication No. 2002/0020819
[0015]
[Non-patent document 1]
Kiichi Zenichi, Hadamard Matrix and its Applications (Corona)
[0016]
[Non-patent document 2]
J. A. Decker, Jr. , "Experimental Realization of the MultiplexAdvantage with a Hadamard-Transform Spectrometer", Applied Optics, Vol. 10, No. 3, pp. 510-514 (1971)
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional Hadamard transform spectroscopy has the following disadvantages. That is, unless spectral modulation is performed on all the rows or columns of the Hadamard matrix H or its center matrix S, it is impossible to demodulate it and calculate the target spectral intensity. For example, in order to obtain spectral data using a Hadamard mask having 255 wavelength bands, it is necessary to record the sum of the intensities of 255 selected portions while switching the wavelength selection portion using the Hadamard mask. However, the wavelength resolution required by the measurer is not always constant. If the wavelength resolution of the spectral intensity required by the measurer is lower than the wavelength resolution determined by the Hadamard mask, it means that the measurement time is longer than necessary. In particular, when performing spectroscopy on a weak fluorescent specimen, an unnecessary measurement time is not preferable because it hinders high-speed spectroscopic measurement or accelerates the fading of the fluorescent dye.
[0018]
The present invention has been made in view of such problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a Hadamard microspectroscope capable of performing high-speed spectroscopic measurement according to a desired wavelength resolution.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a microspectroscopic device according to the present invention includes a microscope for microscopically observing at least a spectroscopic observation target, a spectral unit for wavelength-resolving incident light from the microscope, and the incident light wavelength-resolved by the spectral unit. A plurality of selection elements for selecting a predetermined wavelength band according to the Hadamard matrix, a detection unit for detecting the spectral intensity of the predetermined wavelength band selected by the spectrum selection unit, Demodulating means for demodulating the spectral intensity of the spectral observation target from the spectral intensity, wherein the spectral selecting means, the selection state is determined according to the elements of the Hadamard matrix of a predetermined order,
The spectral selection means is configured such that the selection elements that give a row or column selection state of the Hadamard matrix are composed of at least two or more columns, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. It is characterized in that it has an array of
[0020]
In the microspectroscope according to the present invention, as the spectral selection means, the selection elements for providing the row or column selection state of the Hadamard matrix are composed of at least two or more columns, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns complements each other. As the spectral selecting means, a spectral selecting means having a dead space between a plurality of selecting elements in one row selected for each predetermined wavelength band is used as the spectral selecting means. Even in this case, the spectral intensities of the wavelength bands incident on the dead space between the selection elements in the one row can also be selected by the selection elements in the adjacent rows. Can be detected without fail.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, a basic mode of the microspectroscope according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a basic configuration of a microspectroscope according to the present invention when a confocal microscope is used as a microscope, and FIG. 2 is when a normal microscope is used.
[0022]
In the case of the embodiment shown in FIG. 1, a light beam that has passed through a confocal pinhole 101 of a confocal microscope 100 is converted into substantially parallel light by a collimator lens 102, enters a dispersion element 103 formed of a diffraction grating or a spectral prism, and is dispersed. The light of each wavelength band split by the element 103 is condensed by the first focusing lens 104 onto a selection element of the spectral selection means 106 having a plurality of selection elements for each predetermined wavelength band in accordance with the Hadamard matrix. . The light in the predetermined wavelength band selected by the spectral selecting means 106 is condensed on the detector 108 by the second focusing lens 107, and the spectral intensity is detected. The selection state of the selection element of the spectral selection means 106 is controlled corresponding to each row of the Hadamard matrix, and after detecting the spectral intensities for all the rows, the confocal pin of the confocal microscope 100 is calculated using the inverse matrix of the Hadamard matrix. The spectral intensity of the light passing through the hole 101 is demodulated by the demodulator 110.
[0023]
Here, the collimator lens 102, the dispersive element 103, and the first focusing lens 104 constitute the spectral unit 105 of the present invention, and the second focusing lens 107 and the detector 108 constitute the detecting unit 109 of the present invention. ing.
[0024]
In the case of the embodiment shown in FIG. 2, the dispersive element 103 is arranged on the primary image plane 112 of the ordinary microscope 111, and separates the exit pupil image of the objective lens of the microscope. The luminous flux split by the dispersion element 103 passes through the pupil projection lens 113 to project an image of an exit pupil. At an image forming position of the image of the exit pupil, spectral selection means 106 having a plurality of selection elements for selecting each predetermined wavelength band according to the Hadamard matrix is arranged, and the predetermined wavelength band selected by the spectral selection means 106 is selected. The light passes through a dispersion element projection lens 115 that projects the image of the dispersion element 103, and is incident on a dispersion compensation element 116 that compensates for chromatic dispersion generated by the dispersion element, and the image compensated for dispersion by the dispersion compensation element 116 is detected. Is detected by the detector 117. The selection state of the selection element of the spectral selection means 106 is controlled corresponding to each row of the Hadamard matrix, and after detecting the spectral intensities for all the rows, the primary imaging of the microscope 111 is performed using the inverse matrix of the Hadamard matrix. The light intensity of each pixel on the surface 112 is demodulated by the demodulation means 110.
[0025]
In this case, the dispersive element 103 and the pupil projection lens 113 constitute the spectral unit 114 of the present invention, and the dispersive element projection lens 115 and the detector 117 constitute the detecting unit 118 of the present invention.
[0026]
Here, in the present invention, the Hadamard matrix that defines the selection state of the plurality of selection elements of the spectral selection means 106 is the same as the conventional one without any particular limitation.^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wHadamard matrix in which the number of alternations of rows (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternations of all the remaining rows or columns, or the Hadamard matrix in which the alternations of rows or columns are in ascending order It is desirable to use at least one Hadamard matrix. The reason will be described below.
[0027]
The Hadamard matrix is a so-called S-type H matrix, and one of n-order S-type H matrices H_nCan be obtained inductively by the following procedure.
[0028]
(Equation 3)

Where H_nIs an n-order S-type H matrix. Thus, the S-type H matrix has n = 2^v(V is a natural number) Only the order is defined.
[0029]
Further, the alternation number indicates the number of positions where the signs of adjacent elements are different in one row or column. In the case of n = 8, it is as follows.
[0030]
(Equation 4)

The number shown on the right side of the matrix of the above equation (4) is the alternation number for each row.
[0031]
The number of alternations in each row of the S-type H matrix obtained by this method has one integer from 0 to n-1. Since the S-type H matrix is a symmetric matrix, the alternation numbers for the columns are in this order. The inverse matrix of the S-type H matrix is equal to 1 / n of itself. That is, it is as follows.
[0032]
(Equation 5)

The matrix H used in the present invention in which the number of alternations of rows or columns of the S-type H matrix is rearranged in ascending order (in order of alternation number)^*Is also one of the Hadamard matrices. In the case of n = 8, it is as follows.
[0033]
(Equation 6)

Spectroscopy using these Hadamard transforms has a wavelength band of n = 2.^vMatrix λ of center wavelength when sampled by division^T= ｛Λ₁λ₂... λ_n｝^TMatrix of spectral intensities for x^T= ｛X₁x₂... x_n｝^TIs an unknown number (spectral intensity to be obtained), a matrix s of signal intensities selected and detected according to the elements of each row of the Hadamard matrix H^T= ｛S₁s₂... s_n｝^TBut,
[0034]
(Equation 7)

Thus, the spectral intensity to be obtained is calculated by using the equation (5).
[0035]
(Equation 8)

It can be seen from the calculation formula of
[0036]
In other words, the microspectroscopic device of the present invention, by the configuration of FIG. 1 or FIG. A matrix of the detected signal intensities is measured and demodulated based on the equation (8) to obtain a desired spectral intensity.
[0037]
By the way, in general spectroscopy using a Hadamard matrix, demodulation based on the above equation (8) cannot be performed unless signal strengths for all rows of the Hadamard matrix H are obtained. In contrast, as described above, the first two Hadamard matrices used in the spectral selection means are used.^wHadamard matrix in which the number of alternations of rows (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternations of all the remaining rows or columns, or the Hadamard matrix in which the alternations of rows or columns are in ascending order Since at least one Hadamard matrix is used, a low-resolution spectral intensity can be obtained without measuring all elements of the signal intensity matrix. This will be described below.
[0038]
According to Chapter 6 of Non-Patent Document 1, a 2n-order Hadamard matrix H in order of alternating number^* _2nThe upper half of the element is a Hadamard matrix H in nth order^* _nUsing,
[0039]
(Equation 9)

In the form of Here, the × operator is the Kronecker operator,
[0040]
(Equation 10)

Represents Therefore, the first half of the signal strength matrix s is
[0041]
(Equation 11)

And solving this equation gives
[0042]
(Equation 12)

Is obtained. This means that, from the first half of the signal intensities, a spectral intensity with half the wavelength resolution can be obtained. Similarly, from the first quarter signal strength,
[0043]
(Equation 13)

It can be seen that a spectral intensity with a wavelength resolution of 1/4 can be obtained by using the following equation. Conversely, a Hadamard matrix H in the order of alternating numbers^* _nSignal strength ｛s for the first two rows of₁s₂｝^TIs detected, the spectral intensity obtained by dividing the wavelength band into two can be obtained. That is,
[0044]
[Equation 14]

Becomes Further, the signal strength ｛s for the first four matrices of the Hadamard matrix H₁s₂s₃s₄｝^TIs detected, the spectral intensity obtained by dividing the wavelength band into four can be obtained. That is,
[0045]
(Equation 15)

Becomes
[0046]
That is, in the microspectroscope of the present invention, the order 2^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wBy using a Hadamard matrix in which the number of alternating rows or columns (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternating number of all remaining rows or columns, the first 2^wSpectral data can also be obtained at the time when the measured values for the individual modulations have been obtained. Also, by using a Hadamard matrix in which the number of alternations in rows or columns is ascending, spectral data can be obtained while sequentially increasing the wavelength resolution from low resolution to high resolution. Further, by using both of them at the same time, it becomes possible to stop the measurement at the time when the desired wavelength resolution is reached in the middle and acquire the spectral data.
[0047]
Accordingly, the Hadamard matrix that defines the selection state of the plurality of selection elements of the spectral selection unit 106 is the same as the conventional one without any particular limitation.^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wHadamard matrix in which the number of alternations of rows (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternations of all the remaining rows or columns, or the Hadamard matrix in which the alternations of rows or columns are in ascending order According to the configuration using at least one Hadamard matrix, a desired wavelength resolution can be obtained while maintaining a high S / N ratio with respect to a normal spectral device using a single slit, which is an advantage of the conventional Hadamard spectroscope. Microspectroscopy can be performed in the shortest time. This is a great merit in that micro-spectroscopic observation of a fluorescent specimen or the like, in which mainly weak spectroscopic measurement is mainly performed, can avoid fading of the fluorescent dye.
[0048]
[First Embodiment]
As a preferred embodiment of the microspectroscope according to the present invention, a confocal microscope is used as a microscope as shown in FIG.
[0049]
In this case, the microscope is a confocal microscope 100, and at least a collimator lens 102 for converting a light beam passing through a confocal pinhole 101 of the confocal microscope 100 into substantially parallel light, and a dispersion for dispersing the substantially parallel light. A spectroscopic unit 105 including an element 103 and a first focusing lens 104 for condensing light dispersed by the dispersion element 103, and a spectroscope having a plurality of selection elements for each predetermined wavelength band in accordance with a Hadamard matrix A selection unit 106, and a detection unit 109 including at least a detector 108 and a second focusing lens 107 for focusing only the light beam in the wavelength band selected by the spectral selection unit 106 on the detector 108; , Demodulating means 110. Further, as described above, the Hadamard matrix applied to the selected element by the spectral selection means 106 has the order 2^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wThe alternation number of the rows or columns (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternation numbers of all the remaining rows or columns, and further, the alternation number of the rows or columns is constituted by an ascending Hadamard matrix. It is desirable.
[0050]
According to such a configuration, of the observation light obtained by microscopically observing the spectroscopic observation target with the confocal microscope 100, the light flux that has passed through the confocal pinhole 101 is converted into a substantially parallel light flux by the collimator lens 102. The substantially parallel light beam is split by the dispersive element 103, and further condensed by the first focusing lens 104 on the spectral selecting unit 106 for each wavelength. In the spectral selecting means 106, a light beam of a predetermined wavelength band according to the Hadamard matrix is selected by operating a selecting element constituting the spectral selecting means 106, and the light is detected by the second focusing lens 107 of the detecting means 109. The light is collected at 108 and measured. After changing the action of the selection element of the spectral selection means 106 in accordance with the alternating number of the Hadamard matrix and repeating the measurement until a desired spectral resolution is obtained, the measured spectral data is converted into the above-mentioned equation (8). By performing demodulation by the demodulation unit 110 to be realized, spectral data of a desired resolution of the spectral observation target can be obtained in the shortest time.
[0051]
Next, an example of the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0052]
[First embodiment]
The microspectroscope according to the first embodiment of the present invention has a configuration in which a laser scanning confocal microscope (CLSM) as described below is used as a microscope. FIG. 3A is a side view of the microspectroscope, and FIG. 3B is a top view thereof. This microspectroscope includes a laser light source 11 for emitting excitation light, a dichroic mirror 12 for guiding the excitation light from the laser light source 11 into an optical path toward the sample O, and a main scanning galvanometer mirror for two-dimensionally scanning the sample surface. 13, a sub-scanning galvanometer mirror 14, an objective lens 15 for condensing the excitation light on the sample surface, and a confocal pinhole 16 for removing light (a so-called blurred image) from a region other than the converging region of the sample O. , A first collimator lens 17 for converting the fluorescence generated on the sample surface and passing through the confocal pinhole 16 into substantially parallel light, and a spectral prism 18 as a dispersive element for dispersing the substantially parallel light. A focusing lens 19 for condensing the fluorescent light separated by the splitting prism 18; A programmable mirror 20 having a selection element that can be switched on (+1 component of the Hadamard matrix) and off (-1 component of the Hadamard matrix) in accordance with the matrix, and reflected by the programmable mirror 20 A focusing lens 19 (in this embodiment, common to the focusing lens 19) for returning only the light beam in the ON wavelength band to a parallel light beam again, and the dispersion compensation prism 18 (this embodiment) for dispersion-compensating the parallel light beam. In the case of (1), this is common to the spectral prism 18), the second collimator lens 23 for condensing the dispersion-compensated parallel light again, and the light having the condensed ON wavelength band component is selected and detected. (Photomultiplier tube) Detection means comprising the PMT 21 and demodulation of spectral data in accordance with the above-mentioned equation (8) It is constituted by the demodulating means for performing at.
[0053]
More specifically, as shown in FIG. 3B, which is a view of a part of FIG. 3A viewed from the side, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is substantially parallel by the first collimator lens 17. Then, the light is split by the light splitting prism 18, condensed by a focusing lens 19 arranged off-axis, and is obliquely incident on the programmable mirror 20. The luminous flux of the spectral component reflected by the on element of the programmable mirror 20 is again converted into a parallel luminous flux by the focusing lens 19, dispersion-compensated by the spectral prism 18, collected by the second collimator lens 23, and incident on the PMT 21. I do. The spectral component reflected by the OFF element of the programmable mirror 20 is reflected in a different direction from the spectral component reflected by the ON element, and is absorbed by the stopper 22. The programmable mirror 20 is connected to a computer 25 via a programmable mirror driving device 24, and sequentially generates patterns corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 in alternating order. The PMT 21 is connected to a computer 25 via a PMT driving device 27. The display device 26 connected to the computer 25 displays the spectral intensity distribution obtained from the Hadamard transform.
[0054]
Here, the programmable mirror 20 is a micromirror assembly in which a number of micromirrors equal to the order of the Hadamard matrix are arranged in parallel in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18, and each of the micromirrors independently controls the tilt angle. Is what you can do. The inclination of the reflection surface can be changed by turning on / off the control signal of each micromirror. Here, the light reflected by the micromirror in the on state is incident on the PMT 21, and the light reflected by the micromirror in the off state is not incident on the PMT 21, but is directed to the stopper 22 in the other direction. Have been.
[0055]
FIG. 4 shows a flow of the spectroscopic measurement in this embodiment. Where w is 2^wIs an auxiliary variable that represents the number of divisions of the wavelength band, and m is an auxiliary variable (alternating number + 1) that specifies the row number of the Hadamard matrix. First, w and m start from 0 (ST1, ST2). Next, an auxiliary variable w representing the number of divisions is set to 1 (ST3). Subsequently, while adding the row m of the Hadamard matrix in order from 1 (ST4), the order 2^vHadamard matrix H of^* _vThe on / off of the programmable mirror 20 is switched corresponding to the element of the m-th row (ST5), and the result of the switching (output from the PMT 21) is sequentially recorded. And m is 2^w(ST7), the wavelength band 2 is obtained from the above-described equation (8) using the m measurement results recorded so far.^wThe spectral intensity of the division is calculated (ST8). If the calculated wavelength resolution is insufficient (ST7), the spectrometry is continued while adding m (ST4), and whether the wavelength resolution is sufficient (ST10) or whether m is a Hadamard matrix H^* _vDegree 2 of^v(ST9), the spectroscopic measurement is terminated. This processing is also realized by software in the computer 25.
[0056]
As described above, in this embodiment, by using the S-type H matrix in the order of the number of alternations, the spectral intensity can be increased from low resolution to high resolution while sequentially increasing the resolution without detecting all signal intensities for each row. You can go for it. Therefore, unlike the conventional method, this method is the most efficient, that is, high-speed spectroscopic measurement according to the resolution.
[0057]
[Modification 1 of First Embodiment]
As a modification of the first embodiment, FIG. 5 shows only a main part thereof. This modification is characterized in that a grating light valve array 31 is used instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment as a spectral selection means. Same as in the example.
[0058]
The grating light valve is proposed, for example, in Patent Document 1, and is formed by forming parallel reflective ribbons at equal intervals in parallel on the same substrate by using an IC manufacturing technique or the like. Is controlled to be in the same plane with respect to the remaining ribbons or to be retracted or advanced by about a quarter of the wavelength, so that the former becomes a reflective surface and the latter becomes a reflective diffraction grating. Such a grating light valve 31₀As shown in FIGS. 5B and 5C, the grating light valve array 31 is arranged in an array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 by the number equal to the order of the Hadamard matrix. The direction of the diffraction grating may be a direction along the array 31 as shown in FIG. 5B or a direction orthogonal to the array 31 as shown in FIG. As shown in FIG. 5A, which is a view similar to FIG. 3B, the fluorescent light passing through the confocal pinhole 16 passes the first collimator lens to the grating light valve array 31. The light is made substantially parallel by 17, is split by the splitting prism 18, is condensed by an off-axis focusing lens 19, and forms a grating light valve array 31 arranged at right angles to the optical axis of the focusing lens 19. Obliquely incident. The luminous flux of the spectral component reflected by the reflecting surface, which is an ON element of the grating light valve array 31, is converted into a parallel luminous flux again by the focusing lens 19, and dispersion-compensated by the spectral prism 18, and then the second collimator. The light is condensed by the lens 23 and enters the PMT 21. The ± 1st-order spectral components incident on and diffracted from the reflection type diffraction grating, which is the off element of the grating light valve array 31, are reflected in a direction different from the direction of the spectral component reflected by the on element. , Each stopper 22₁, 22₂(In the case of FIG. 5A, the grating light valve array 31 of FIG. 5B is used, but the grating light valve array 31 of FIG. 5C is used. In the case of using the stoppers 22, the

stoppers

22₁, 22₂Is arranged. ). This grating light valve array 31 is connected to a computer 25 via a driving device, as in the case of FIG. 3A, and forms a pattern corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25. It is configured to occur sequentially in an alternating order.
[0059]
Note that the grating light valve 31₀Can turn the grating light valve array 31 off and off since every other ribbon, instead of every other ribbon, can be flush with the remaining ribbons or retracted or advanced. Can be controlled not by the presence or absence of the diffraction grating but by utilizing the difference in the diffraction angle by controlling the number of diffraction gratings.
[0060]
Also, the grating light valve 31₀Instead, the same spectral selecting means can be configured by using an AOM having a reflecting surface on the emission side and arranging the AOMs in an array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18.
[0061]
[Modification 2 of First Embodiment]
FIG. 6 shows a diagram similar to FIG. 3B as a modification of the first embodiment. This modification is characterized in that a reflection-type electric address spatial modulator 32 in which pixels are arranged in a one-dimensional array is used instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment as the spectral selection means. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0062]
The reflection-type electric address spatial modulator 32 is similar to a reflection-type liquid crystal display device made of, for example, TN, STN, or ferroelectric liquid crystal, and is incident depending on the presence or absence of a voltage applied to a pixel electrode of each pixel. The direction of the linearly polarized light is reflected as it is, or the plane of polarization is reflected by being rotated by 90 °, and the number of such pixels is equal to the order of the Hadamard matrix in the wavelength dispersion direction ( The reflective electric address spatial modulator 32 is arranged in an array in a direction perpendicular to the optical axis of the focusing lens 19 (a-a 'direction perpendicular to the plane of FIG. 6). Then, a polarizer 33 is disposed in an optical path incident on the reflective electric address spatial modulator 32, and an analyzer 34 is disposed in an optical path reflected from the reflective electric address spatial modulator 32.
[0063]
In this arrangement, as shown in FIG. 6, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, is split by the splitting prism 18, and passes through the polarizer 33 in a predetermined direction. The light beam of the linearly polarized spectral component is condensed by the off-axis focusing lens 19 and obliquely enters the reflective electric address spatial modulator 32. The luminous flux of the spectral component reflected by the ON element of the reflective electrical address spatial modulator 32 is again converted into a parallel luminous flux by the focusing lens 19 while maintaining the direction of linearly polarized light, passes through the analyzer 34, and After dispersion compensation by the prism 18, the light is condensed by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. The luminous flux of the spectral component reflected by the off element of the reflection type electric address spatial modulator 32 is rotated by 90 ° in the direction of linearly polarized light, converted into a parallel luminous flux again by the focusing lens 19, and then enters the analyzer 34. Passage is blocked. This reflection type electric address spatial modulator 32 is connected to a computer 25 via a driving device, as in the case of FIG. 3A, and forms a pattern corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25. It is configured to occur sequentially in an alternating order. The transmission direction of the linearly polarized light of the analyzer 34 may be set to the same direction as the transmission direction of the polarizer 33. In this case, the on / off of the elements of the reflective electric address spatial modulator 32 is performed. Is reversed.
[0064]
In the case where each pixel uses an electric address spatial modulator made of TN, STN, ferroelectric liquid crystal or the like as described above, as shown in FIG. 7, the programmable mirror 20 of the first embodiment is used as the spectral selection means. Alternatively, a transmission type electric address spatial modulator 32 'in which pixels are arranged in a one-dimensional array can be used. In this case, as shown in FIG. 7, the fluorescent light that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, separated by the spectral prism 18, and collected by the coaxial focusing lens 19, The light is converted into linearly polarized light in a predetermined direction through the polarizer 33, and is incident on the transmission type electric address spatial modulator 32 'substantially perpendicularly. The luminous flux of the spectral component transmitted through the on element of the transmission type electric address spatial modulator 32 'passes through the analyzer 34 while maintaining the direction of linearly polarized light, and in this case, is parallelized by another focusing lens 19'. The light beam is condensed by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. The luminous flux of the spectral component transmitted through the OFF element of the transmission type electric address spatial modulator 32 'is rotated by 90 [deg.] In the direction of the linearly polarized light, enters the analyzer 34, and is blocked from passing therethrough. Note that another spectral prism for dispersion compensation may be arranged between another focusing lens 19 ′ and the second collimator lens 23.
[0065]
[Third Modification of First Embodiment]
FIG. 8 shows a view similar to FIG. 3B as a modification of the first embodiment. In this modification, as a spectral selecting means, instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment, an optical writing reflective spatial modulator (reflective optical addressing spatial optical modulator) in which pixels are arranged in a one-dimensional array is used. 35), and the other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0066]
The optical writing / reflection type spatial modulator 35 is proposed in, for example, Patent Documents 2 and 3, and includes a photoconductive layer as a photoaddressing material, a dielectric mirror, and a liquid crystal between a pair of transparent electrodes. A layer of light modulating material is stacked in order. The resistance of the photoconductive layer at the position where the address light is incident is reduced, and a voltage is applied to the liquid crystal layer in that portion, and the liquid crystal layer in that portion acts as a light modulating layer. In other words, it can be said that the reflective electric address spatial modulator 32 electrically controls the on / off state of the element, whereas the reflective electric address spatial modulator 32 electrically controls the on / off state of the element.
[0067]
As shown in FIG. 8, the ON state of each pixel of the optical writing reflective spatial modulator 35 is such that light (address light) from a display device 36 such as a liquid crystal display device (TV) is projected by a projection lens 37 to the back of the pixel. Is controlled by controlling the display state of the pixel of the display device 36 via the drive device by the computer 25 so that the light is incident on the surface of the pixel of the optical writing reflective spatial modulator 35, for example. In the off state in which the direction of the polarized light is reflected as it is and light from the display device 36 does not enter, the direction of the linearly polarized light of the light incident on the surface of the pixel is reflected by being rotated by 90 °. Such pixels are arranged in an array by the number equal to the order of the Hadamard matrix in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 (the aa ′ direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8) and at right angles to the optical axis of the focusing lens 19. The optical writing reflection type spatial modulator 35 is constituted by arranging them side by side. Then, a polarizer 33 is arranged in an optical path incident on the optical writing reflective spatial modulator 35, and an analyzer 34 is arranged in an optical path reflected from the optical writing reflective spatial modulator 35.
[0068]
In this arrangement, as shown in FIG. 8, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, split by the splitting prism 18, and passes through the polarizer 33 in a predetermined direction. The linearly polarized light beam of the spectral component is condensed by the focusing lens 19 arranged off-axis, and is obliquely incident on the optical writing reflective spatial modulator 35. The luminous flux of the spectral component reflected by the ON element of the light writing / reflection type spatial modulator 35 is again converted into a parallel luminous flux by the focusing lens 19 while maintaining the direction of linearly polarized light, passes through the analyzer 34, and passes through the spectral prism. After dispersion compensation at 18, the light is condensed by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. The luminous flux of the spectral component reflected by the OFF element of the optical writing reflection type spatial modulator 35 is rotated by 90 ° in the direction of the linearly polarized light, converted into a parallel luminous flux again by the focusing lens 19, and then enters the analyzer 34 and passes therethrough. Is prevented. In the example using the optical writing / reflection type spatial modulator 35, the display device 36 is connected to the computer 25 via the driving device, and the patterns corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 are sequentially and alternately arranged. Is configured to occur. The transmission direction of the linearly polarized light of the analyzer 34 may be set to the same direction as the transmission direction of the polarizer 33. In this case, the ON / OFF of the elements of the optical writing / reflection type spatial modulator 35 may be set. The situation is reversed.
[0069]
[Modification 4 of First Embodiment]
As a modified example of the first embodiment, FIG. 9B shows the Hadamard matrix H^* _vIs shown, the white element portion 38 of which is shown._aThe reflecting mirror, black element part 38_bIs a transparent perforated or absorbing surface, and rows 38 of such a

mask

38₁, 38₂, 38₃Are separated from each other and used as a fixed pattern 39 arranged in one line, and the fixed pattern 39 is used as spectral selection means instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment. This is the same as in the first embodiment.
[0070]
That is, as shown in FIG. 9A, the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, and the luminous flux of the spectral component spectrally separated by the spectral prism 18 is placed off-axis. The light is condensed by the focusing lens 19 and obliquely enters the fixed pattern 39. The luminous flux of the spectral component reflected by the ON mirror of the fixed pattern 39 is again converted into a parallel luminous flux by the focusing lens 19, dispersion-compensated by the spectral prism 18, and then condensed by the second collimator lens 23. The light enters the PMT 21. The spectral component that has passed through the hole of the OFF element of the fixed pattern 39 is prevented from returning to the focusing lens 19. The fixed pattern 39 is connected to the computer 25 via a driving device that moves mechanically in the a-a 'direction perpendicular to the plane of the drawing, and the row 38 corresponding to the elements of the Hadamard matrix stored in the computer 25 is provided.₁, 38₂, 38₃.. Are sequentially switched.
[0071]
Note that, as a fixed pattern to be arranged at the condensing position of the focusing lens 19, the mask 38 itself is used, and is sequentially and mechanically moved in the bb ′ direction (the column direction of the mask 38) in FIG. 9A. The fixed patterns arranged in the optical path are arranged in line 38 in order.₁, 38₂, 38₃.. May be switched.
[0072]
Further, as a variation, the row 38 of the

mask

38₁, 38₂, 38₃Are separated from each other, as shown in FIG.₁, 38₂, 38₃Are separately arranged at equal intervals in the radial direction of the disk 80, and the rotation axis of the disk 80 is arranged parallel to the optical axis of the focusing lens 19, and the rotation angle of the disk 80 is changed in order. Thus, the fixed patterns arranged in the optical path are sequentially arranged in the row 38.₁, 38₂, 38₃.. May be switched.
[0073]
Alternatively, as shown in FIG.₁, 38₂, 38₃Are arranged separately on each surface of the polygonal prism 81, and the rotation axis of the polygonal prism 81 is perpendicular to the optical axis of the focusing lens 19 and parallel to the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18. By sequentially changing the rotation angle of 81, the fixed pattern arranged in the optical path is sequentially changed to row 38.₁, 38₂, 38₃.. May be switched.
[0074]
When such a fixed pattern 39 is used, it can be configured as a transmission type as in FIG. However, the Hadamard matrix H shown in FIG.^* _vWhite portion 38 of the mask 38 corresponding to_aIs a transparent hole, black element 38_bIs a reflecting surface or an absorbing surface. Line 38 like this₁, 38₂, 38₃Are arranged in a row with respect to the optical axis as shown in FIG. 10, and the fluorescent light passing through the confocal pinhole 16 is substantially reflected by the first collimator lens 17 as shown in FIG. The light is made parallel, separated by the splitting prism 18, condensed by the focusing lens 19 arranged coaxially, and obliquely enters the fixed pattern 39. The light beam of the spectral component that has passed through the ON element of the fixed pattern 39 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, collected by the second collimator lens 23, and incident on the PMT 21. The luminous flux of the spectral component reflected by the OFF element of the fixed pattern 39 is absorbed by the stopper 22. Note that another spectral prism for dispersion compensation may be arranged between another focusing lens 19 ′ and the second collimator lens 23.
[0075]
In this case as well, similarly to the reflection type shown in FIG. 9A, the mask 38 shown in FIG. 9B is used in the cc ′ direction (the column direction of the mask 38) in FIG. The disk 80 may be sequentially moved mechanically, or a disk 80 as shown in FIG. 9C may be used, and the disk 80 may be mechanically rotated and replaced sequentially. By using a polygonal column 81 as shown in FIG. 9D, the polygonal column 81 may be mechanically rotated and replaced sequentially.
[0076]
In the example of FIG. 10, the Hadamard matrix H of FIG. 9B is used.^* _vBlack element portion 38 of the mask 38 corresponding to_bMay be constituted by a reflection type diffraction grating, and diffracted light may be incident on the stopper 22 and absorbed as in the case of FIG.
[0077]
[Modification Example 5 of First Embodiment]
By the way, in the above-described first embodiment and its modified examples, the programmable mirror 20 composed of a one-dimensional micro mirror assembly used as the spectral selecting means, the one-dimensionally arranged grating light valve array 31, the one-dimensional array Each of the electrical address spatial modulators 32 and 32 'in which pixels are arranged, a display device 36 for writing a pattern in the optical writing reflective spatial modulator 35, and the fixed pattern 39 are all micromirrors, light valves, and modulation elements that are selected elements. Vessel, opening, etc.₀And 11) are arranged side by side in a one-dimensional array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 indicated by a double arrow as schematically shown in FIG. Originally, the selection element 40₀Is the selection element 40 adjacent in both arrow directions₀If they are not arranged (divided) without a gap, a correct spectral intensity distribution cannot be obtained, and a spectral intensity of a wavelength corresponding to the position of such a gap cannot be detected. However, when micro mirrors, light valves, modulators, apertures, and the like are arranged in parallel, a gap 41 is actually formed between adjacent micro mirrors, light valves, modulators, apertures, and the like.
[0078]
Therefore, these selection elements 40₀12, are arranged in two or more rows in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 indicated by double arrows as shown schematically in FIG.₀Are arranged in the column direction so as to complement each other. In the case of FIG. 12, the selection elements 40 are arranged in two rows,₀The pitch is shifted by half of the pitch. Then, the two rows of selection elements 40₀By controlling on / off in accordance with each row or column of the Hadamard matrix, it is possible to obtain a correct spectral intensity distribution without missing wavelengths.
[0079]
However, if the luminous flux of each wavelength separated by the spectral prism 18 is condensed by the focusing lens 19 without spreading in the direction orthogonal to the column direction of the spectral selecting means 40 (direction dd ′ in the drawing), two or more rows Selection element 40₀There is a possibility that the luminous flux of each wavelength will not be incident. Therefore, as the focusing lens 19, there is a spread in the direction orthogonal to the column direction of the spectral selecting means 40 (direction dd 'in the figure), and in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 (the direction of both arrows in the figure). It is desirable to use a lens system having an asymmetric image-forming action that converges light in a focused best spot state. As such a focusing lens 19, there are a lens system in which aberration is generated in a direction orthogonal to the column direction of the spectral selecting unit 40, and a lens system that is positively asymmetric. FIG. 13 shows an optical system from the confocal pinhole 16 to the PMT 21 when an asymmetric lens system is used as the focusing lens 19. FIG. 13A is a top view of the optical system portion, and FIG. 13B is a side view thereof.
[0080]
In this case, the focusing lens 19 is composed of, for example, a rotationally symmetric lens 42 and a cylindrical lens 43, and the fluorescence that has passed through the confocal pinhole 16 is made substantially parallel by the first collimator lens 17, and separated by the spectral prism 18. The light beam spreads in the direction orthogonal to the column direction of the spectral selecting means 40 (direction dd ′ in the drawing) by the focusing lens 19, and the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18 (the direction of the double arrow in the drawing). Is focused in the best spot state in focus, and is obliquely incident on the spectral selection means 40. For example, when the spectral selecting unit 40 is configured by a programmable mirror, the light flux of the spectral component reflected by the ON element of the spectral selecting unit 40 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and dispersion-compensated by the dispersion compensating prism 18. After that, the light is condensed by the second collimator lens 23 and enters the PMT 21. In this case, it is desirable that the other focusing lens 19 ′ is similarly constituted by a rotationally symmetric lens and a cylindrical lens so as to correct the astigmatism generated in the focusing lens 19.
[0081]
The above is the description of the selection element 40₀Is composed of two or more columns, so that the selection element 40₀Although it is intended to prevent the spectral detection wavelength from being lost due to the gaps 41 between the gaps, the selection elements 40 in one row having the gaps 41 as shown in FIG.₀In the arrangement of FIG. 14, as shown in the front view of FIG.₀A microlens array 45 composed of minute positive lenses 44 arranged so as to cover the entire element and each half of the gap 41 on both sides in a one-to-one correspondence with the incident side of This can also prevent such a loss of the spectral detection wavelength.
[0082]
[Second embodiment]
FIG. 15 shows a second embodiment according to the present invention. FIG. 15 is a top view corresponding to FIG. 3B, in which a part of the detection unit of the first embodiment is changed, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. In the second embodiment, two photomultiplier tubes (PMT21₁And PMT21₂), The signal strength of both ON and OFF of the programmable mirror 20 is detected simultaneously. In this embodiment, the PMT 21₁And PMT21₂Are added by an adder 29 to generate a sum signal. At the same time, a difference signal is generated by subtracting the outputs of the two by a subtractor 28. Then, the signal generated by the adder 29 and the subtractor 28 is sent to the computer 25 (FIG. 3). Programmable mirror 20 and two

PMTs

21₁, 21₂In between, another focusing lens 19 ′, dispersion compensation prism 18 ′, and 2-1 collimator lens 23₁2-2nd collimator lens 23₂Is inserted. The luminous flux in the ON and OFF wavelength bands reflected by the programmable mirror 20 is converted into a parallel luminous flux by another focusing lens 19 ′, and the chromatic dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensating prism 18 ′. Collimator lens 23₁And the 2-2 collimator lens 23₂In each PMT21₁, 21₂It is focused on the top.
[0083]
In the present embodiment, the programmable mirror 20 detects the difference signal between the ON spectral component and the OFF spectral component, so that the programmable mirror 20 detects only the ON spectral component in comparison with the first embodiment. , PMT can be reduced. As a result, since the programmable mirror 20 measures the off-spectrum component which is not used in the first embodiment, there is an advantage that a higher S / N ratio can be obtained as compared with the first embodiment. Further, in the present embodiment, since the programmable mirror 20 always detects the sum signal of both the ON and OFF signals, even if the output of the light source 11 or the sensitivity of the operational amplifier of the detector fluctuates, it is not necessary. Can be corrected. Therefore, it is possible to calculate the spectral intensity distribution with higher accuracy.
[0084]
[Modification 1 of Second Embodiment]
As a modification of the second embodiment, FIG. 16 shows only the main parts similar to FIG. This modification is characterized in that the grating light valve array 31 described in the first modification of the first embodiment is used as the spectral selecting means instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment. The other configuration is the same as that of the second embodiment.
[0085]
The luminous flux of the spectral component reflected by the reflecting surface, which is an ON element of the grating light valve array 31, is converted into a parallel luminous flux by another focusing lens 19 'and generated by the spectral prism 18 by the dispersion compensating prism 18'. The chromatic dispersion is compensated, and the 2-1 collimator lens 23₁With PMT21₁The light is focused on the top. On the other hand, the + 1st-order spectral component incident on and diffracted from the reflection type diffraction grating, which is the off element of the grating light valve array 31, is reflected in a direction different from the spectral component reflected by the on element. The light is diffracted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and the chromatic dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensating prism 18 ′.₂With PMT21₂The light is focused on the top.
[0086]
The −1st order spectral component diffracted by the reflection type diffraction grating of the off element of the grating light valve array 31 is to be absorbed by the stopper 22.
[0087]
Also in this example, the off / off of the grating light valve array 31 can be controlled not by the presence or absence of the diffraction grating but by the difference in the diffraction angle by controlling the number of diffraction gratings.
[0088]
[Modification 2 of Second Embodiment]
As another modified example of the second embodiment, FIG. 17 shows only the main parts similar to FIG. In this modification, as a spectral selecting means, instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment, the reflection-type electric address spatial modulator 32 or the transmission-type electric address spatial modulation described in the modification 2 of the first embodiment is used. This embodiment is characterized in that the device 32 'is used, and the other configuration is the same as that of the second embodiment. FIG. 17 shows the case where the reflection type electric address space modulator 32 is used. However, the configuration of the transmission type electric address space modulator 32 ′ is clear from FIGS. 17 and 7. Are not shown.
[0089]
The luminous flux of the spectral component reflected by the on-element of the reflective electrical address spatial modulator 32 (and transmitted in the case of the transmission electrical address spatial modulator 32 ′) maintains the direction of linearly polarized light transmitted through the polarizer 33. The collimated light beam is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, enters the polarization beam beam splitter 46, passes through the polarization beam beam split surface, and passes through the 2-1 collimator lens 23.₁Collected by the PMT21₁Incident on. The luminous flux of the spectral component reflected by the OFF element of the reflection type electric address spatial modulator 32 (and transmitted in the case of the transmission type electric address spatial modulator 32 ′) is polarized from the direction of linearly polarized light transmitted through the polarizer 33. The surface is rotated by 90 °, turned into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, enters the polarization beam splitter 46, is reflected by the polarization beam splitter surface, and is reflected by the second-second collimator lens 23.₂Collected by the PMT21₂Incident on.
[0090]
Note that another focusing lens 19 ′ and the 2-1st collimator lens 23₁2-2 collimator lens 23₂A separate spectral prism for dispersion compensation may be arranged between them.
[0091]
[Third Modification of Second Embodiment]
As another modified example of the second embodiment, FIG. 18 shows only the main parts similar to FIG. This modified example is characterized in that the optical writing reflection type spatial modulator 35 described in the modified example 3 of the first embodiment is used instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment as the spectral selection means. The other configuration is the same as that of the second embodiment.
[0092]
Light (addressing light) from a display device 36 such as a liquid crystal display device (TV) is incident on the back surface of a light-writing reflective spatial modulator 35 by a projection lens 37, and the light flux of the spectral component reflected by the element that is turned on. Is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′ while maintaining the direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizer 33, enters the polarization beam splitter 46, passes through the polarization beam splitter surface, and -1 collimator lens 23₁Collected by the PMT21₁Incident on. The luminous flux of the spectral component reflected by the OFF element where the address light did not enter the back surface of the optical writing reflection type spatial modulator 35 was separated by 90 ° from the direction of the linearly polarized light transmitted through the polarizer 33, and was separated. Is made into a parallel light beam by the focusing lens 19 ′, enters the polarization beam beam splitter 46, is reflected by the polarization beam beam splitting surface, and is reflected by the 2-2 collimator lens 23.₂Collected by the PMT21₂Incident on.
[0093]
Also in this case, another focusing lens 19 'and the 2-1 collimator lens 23 are used.₁2-2 collimator lens 23₂A separate spectral prism for dispersion compensation may be arranged between them.
[0094]
[Modification 4 of Second Embodiment]
As another modified example of the second embodiment, FIG. 19 shows only the main parts similar to FIG. This modification is characterized in that the fixed pattern 39 described in the modification 4 of the first embodiment is used instead of the programmable mirror 20 of the second embodiment as the spectral selection means. The configuration is the same as in the second embodiment.
[0095]
The row 38 of the mask 38 in which the ON element is a reflecting mirror and the OFF element is perforated as described in connection with FIG.₁, 38₂, 38₃Are separated from each other and arranged in one line, or alternatively, such a

line

38₁, 38₂, 38₃.. Are arranged two-dimensionally (FIG. 9B), or the rows 38 are arranged at equal intervals in the radial direction of the disk 80.₁, 38₂, 38₃.. Are arranged, or a row 38 is provided on each surface of the polygonal column 81.₁, 38₂, 38₃Are used as the fixed pattern 39 in FIG. 19, and the luminous flux of the spectral component reflected by the ON element of the fixed pattern 39 is converted into a parallel luminous flux again by the focusing lens 19 and dispersed by the spectral prism 18. After the compensation, the 2-1 collimator lens 23₁Collected by the PMT21₁Incident on. The spectral component transmitted through the hole of the OFF element of the fixed pattern 39 is converted into a parallel light beam by another focusing lens 19 ′, and the chromatic dispersion generated by the spectral prism 18 is compensated by the dispersion compensating prism 18 ′. 2-2 collimator lens 23₂With PMT21₂The light is focused on the top. Row 38 of fixed

pattern

39₁, 38₂, 38₃Are the same as in the case of the fourth modification of the first embodiment.
[0096]
In this example, the ON element of the fixed pattern 39 is constituted by a reflector and the OFF element is constituted by a reflection type diffraction grating, and the other focusing lens 19 'and dispersion compensation prism 18' are arranged in the diffraction direction of the reflection type diffraction grating. 2-2nd collimator lens 23₂, And PMT21₂May be arranged.
[0097]
[Third embodiment]
FIG. 20 is a side view of a main part after the confocal pinhole 16 of the microspectroscope according to the third embodiment of the present invention. The configuration and arrangement of the laser light source 11, the dichroic mirror 12, the main-scanning galvanometer mirror 13, the sub-scanning galvanometer mirror 14, and the objective lens 15, which emit the excitation light, are the same as those in FIG.
[0098]
This embodiment uses a multi-channel detector (array detector) 47 known in Patent Document 4 or the like instead of the programmable mirror 20 of the first embodiment. Detection channel 47 corresponding to each selected element of the selection means₀Are arranged in a one-dimensional array in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18.₀Is input into the computer 25, and the detection signal 47₀The detection signal from the detection channel 47 corresponding to the element that is ON at each measurement.₀The spectral signals can be obtained in the same manner as in the first embodiment and the second embodiment by adding and detecting the detection signals from.
[0099]
Note that each detection channel 47₀The detection signal may be selectively captured by hardware (electric circuit) such as a multiplexer connected to the multi-channel detector 47 instead of software.
[0100]
[Modification of Third Embodiment]
As a modified example of the third embodiment, FIG. 21 shows a side view of a main part after the confocal pinhole 16 of the microspectroscope. The configuration and arrangement of the laser light source 11, the dichroic mirror 12, the main-scanning galvanometer mirror 13, the sub-scanning galvanometer mirror 14, and the objective lens 15, which emit the excitation light, are the same as those in FIG.
[0101]
In this modification, the number of optical fibers 48 equal to the number of selection elements of the spectral selection means is replaced with the multi-channel detector 47 as the spectral selection means.₀Each optical fiber 48 is formed by using an optical fiber array 48 in which the incident ends of the optical fibers are arranged one-dimensionally in the wavelength dispersion direction of the spectral prism 18.₀The two-branch switching elements 49₀Are connected to each other,₀The output from the ON side of the₁To each of the two-branch switch elements 49₀The output from the off side of the₂To the multiplexing element 50₁Output light intensity of the detector 51₁And the multiplexing element 50₂Output light intensity of the detector 51₂To detect. The number of half-branch switch elements 49 equal to the number of channels of the optical fiber array 48 is₀Each on / off switching is controlled by a switch array driving device 52 connected to the computer 25.
[0102]
With such a configuration, the optical fiber 48 of the optical fiber array 48 is turned on.₀Is detected by the multiplexing element 50.₁Through the detector 51₁Is detected by Further, the optical fiber 48 of the optical fiber array 48 is turned off.₀Is detected by the multiplexing element 50.₂Through the detector 51₂Is detected by Therefore, the detector 51₁In the case of using the spectral intensity detected by the detector 51, the same spectral intensity detection as in the first embodiment can be performed, and₁And detector 51₂In the case where the spectral intensity detected in step (1) is used, spectral intensity detection similar to that in the second embodiment can be performed.
[0103]
[Second embodiment]
Another preferred embodiment of the microspectroscope of the present invention is a case where a normal microscope other than a confocal microscope is used as shown in a schematic configuration diagram in FIG.
[0104]
In the case of this mode, as shown in FIG. 2, a dispersive element 103 arranged on the primary image plane 112 of the ordinary microscope 111 for dispersing the exit pupil of the objective lens of the microscope 111 and a dispersive element 103 A spectroscopic unit 114 including a pupil projection lens 113 for forming an image of the split exit pupil of the objective lens; a spectroscopic means 114 disposed at an image forming position of the split exit pupil of the objective lens, and a predetermined according to the Hadamard matrix A spectral selecting unit 106 having a selecting element capable of selecting a wavelength for each wavelength band, a dispersive element projection lens 115 for projecting an image of the dispersive element 103, a dispersion compensating element 116 for compensating for chromatic dispersion generated by the dispersive element 103, It comprises a detecting means 118 comprising a detector 117 for detecting an image dispersion-compensated by the compensating element 116, and a demodulating means 110. Further, as described above, the Hadamard matrix applied to the selected element by the spectral selection means 116 has the order 2^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wThe alternation number of the rows or columns (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternation numbers of all the remaining rows or columns, and further, the alternation number of the rows or columns is constituted by an ascending Hadamard matrix. It is desirable.
[0105]
According to this configuration, the observation image obtained by microscopically observing the spectral observation target with the microscope 114 is separated by the dispersive element 103 and the pupil projection lens 113, and further, the selection element forming the spectral selection unit 116 is changed to a Hadamard. The light flux in a predetermined wavelength band is selected by operating according to the matrix, and a spectral image whose dispersion is compensated by the dispersion element projection lens 115 and the dispersion compensation element 116 of the detection means 118 is obtained. Is detected by The operation of the selection element of the spectral selection means 116 is changed according to the alternating number of the Hadamard matrix, and the measurement is repeated until a desired spectral resolution is obtained. Then, at each point of the measured spectral image, the above equation (8) is used. Is demodulated by the demodulation means 110 for realizing the above, a spectral image of a desired resolution of the spectral observation target can be obtained in the shortest time.
[0106]
Next, an example of the present embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0107]
[Fourth embodiment]
A microspectroscope using a fluorescence microscope as a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
[0108]
As shown in FIG. 22A, the microspectroscope according to the fourth embodiment of the present invention includes at least a light source 61 that emits excitation light and a dichroic mirror that introduces the excitation light from the light source 61 into an optical path toward the sample O. 62, an objective lens 63 for condensing the excitation light on the sample surface and enlarging the fluorescence image of the sample O, and an imaging lens 64 for forming an image of the sample O enlarged by the objective lens 63 A spectral grating 65 as a dispersive element for dispersing the exit pupil of the objective lens 63, which is arranged on the primary image plane of the microscope, and forming an image of the split exit pupil of the objective lens 63. A spectroscopic means including a pupil projection lens 66 for forming an image, a fixed Hadamard mask 67 disposed at an image forming position of the split exit pupil of the objective lens 63, and performing wavelength selection for each predetermined wavelength band; A spectral selecting means including a Hadamard mask driving device 68 for moving the Hadamard mask 67 in the lateral direction, a dispersive element projection lens 69 for projecting an image of the spectral grating 65 with spectral components transmitted through the fixed Hadamard mask 67, and a spectral grating 65. Detecting means including a dispersion compensating grating 70 as a dispersion compensating element for compensating for the generated chromatic dispersion, and an image pickup device 71 for picking up a fluorescence image dispersion-compensated by the dispersion compensating grating 70; And demodulation means for demodulating the spectral data by software in a computer (not shown).
[0109]
The computer also controls the imaging device 71 and the Hadamard mask driving device 68 and displays a spectral image of a fluorescent image.
[0110]
The fixed Hadamard mask 67 has a Hadamard matrix H in the order of the number of alternations, as shown in FIG.^*Is open. The exit pupil of the objective lens 63 is projected on the Hadamard mask by the spectral grating 65 as a vertical spectral spectrum. While the fixed Hadamard mask 67 is sequentially moved in the lateral direction by the Hadamard mask driving device 68, the image captured by the imaging device 71 is stored in the computer. Then, a spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel.
[0111]
Also in this embodiment, the fixed Hadamard mask 67 is provided with aperture patterns of the Hadamard matrix in the order of the alternating numbers, so that low-resolution spectral images can be sequentially obtained from the middle of the measurement, as described in the first embodiment. And speedup can be achieved.
[0112]
[Modification of Fourth Embodiment]
FIG. 23 shows a diagram similar to FIG. 22 as a modification of the fourth embodiment. This modification is characterized in that the transmission type electric address spatial modulator 32 'described in the modification 2 of the first embodiment is used as the spectral selection means instead of the fixed Hadamard mask 67 of the fourth embodiment. The other configuration is the same as that of the fourth embodiment.
[0113]
The polarizer 33 is placed in the optical path incident on the transmission type electric address spatial modulator 32 ′, the analyzer 34 is placed in the optical path transmitted through the transmission type electric address spatial modulator 32 ′, and a voltage-applied element (pixel) ) Are arranged such that the fluorescence from the sample O can pass through. The transmission type electric address space modulator 32 'has a Hadamard matrix H^*Is selectively applied to the element (pixel) corresponding to +1 in the row or column. The exit pupil of the objective lens 63 is projected by the spectral grating 65 on the transmission type electric address spatial modulator 32 'as a spectral spectrum. The image picked up by the image pickup device 71 is stored in the computer while selecting an element for applying a voltage on the transmission type electric address spatial modulator 32 '. Then, a spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel of the captured image.
[0114]
[Fifth embodiment]
As shown in FIG. 24A, the microspectroscope of this embodiment includes at least a light source 61 for emitting excitation light, a dichroic mirror 62 for introducing the excitation light from the light source 61 into an optical path toward the sample O, and A microscope including an objective lens 63 for condensing light on the specimen surface and enlarging a fluorescent image of the specimen O, and an imaging lens 64 for imaging the image of the specimen O enlarged by the objective lens 63 A spectral grating 65 disposed on the primary image plane of the microscope and dispersing the exit pupil of the objective lens 63 as a dispersive element; and forming a split image of the exit pupil of the objective lens 63. Spectral means comprising a pupil projection lens 66, a frequency light modulator array arranged at an image forming position of the split exit pupil of the objective lens 63 and performing frequency modulation at two different frequencies for each predetermined wavelength band 3, a dispersion element projection lens 69 for projecting an image of the spectral grating 65 with spectral components transmitted through the frequency light modulator array 73, and a dispersion compensating element for compensating for chromatic dispersion generated by the spectral grating 65. Detecting means comprising a compensation grating 70 and an image pickup device 71 for picking up a fluorescence image dispersion-compensated by the dispersion compensation grating 70, and a lock-in detector for a modulation signal of each pixel of the image picked up by the image pickup device 71. , The light intensity modulated at each of two different frequencies of each pixel is detected and stored in the computer. Then, a spectral image can be calculated by performing demodulation according to the equation (8) described in the first embodiment for each pixel.
[0115]
Here, as shown in FIG. 24B, the frequency light modulator array 73 is a light modulator 73 such as an electro-optic modulator or an acousto-optic modulator.₀Are arranged in an array in the wavelength dispersion direction of the spectral grating 65.₀Constitute a selection element of the spectral selection means, and the optical modulator 73 which is an ON element₀Performs frequency modulation on the intensity of the corresponding wavelength band at a specific frequency, and turns off the optical modulator 73₀Performs frequency modulation on the intensity of the corresponding wavelength band at a specific frequency different therefrom. Therefore, by detecting the intensity of each frequency with the lock-in detector, it is possible to detect the spectral intensity of the light transmitted through each element of the ON / OFF of the frequency optical modulator array 73. Similarly, a spectral image can be calculated by demodulating an image captured by the imaging device 71 while controlling the frequency light modulator array 73.
[0116]
In the above embodiment, the example using the Hadamard matrix in the order of the number of alternations has been described. However, the modulation image can be demodulated only when the number of alternations is 0 to 2^wThis is after the acquisition of 2w modulated images using a row component of -1 (w is an arbitrary natural number). That is, 2^wThere is no limitation on the order of acquiring the modulated images. Thus, instead of a Hadamard matrix in alternating order, the first two^wEven if a Hadamard matrix in which the number of alternations of all rows or columns is smaller than the minimum value of the number of alternations of the remaining rows or columns is used, the first two^wWavelength band 2 at the time when^wSince the low-resolution spectral intensity of the division can be obtained, the same effect as in the above embodiment can be obtained.
[0117]
Now, in the above embodiments and modifications, a spectral grating (diffraction grating) may be used instead of the spectral prism 18 and the

dispersion compensating prisms

18 and 18 ′, and instead of the spectral grating 65 and the dispersion compensating grating 70. Alternatively, a spectral prism may be used.
[0118]
Further, the dispersion compensating prism 18 'and the dispersion compensating grating 70 need not be arranged, but the

PMTs

21 and 21 serving as detectors are not required.₁, 21₂And the other focusing lens 19 ′, the second collimator lens 23, and the 2-1 collimator lens 23₁2-2nd collimator lens 23₂May be set to a size that can detect a light beam spread by wavelength dispersion.
[0119]
Further, when the spectral selection means is of a reflection type, it can be easily transformed into a transmission type.
[0120]
Furthermore, it goes without saying that a high-sensitivity low-noise detector such as an avalanche photodiode can be used in addition to the PMT as the detector.
[0121]
Further, in the case of using a fixed pattern as the spectral selecting means (FIGS. 9, 10, 19, and 22), the spectral means may be moved. In FIG. 25, in the case of FIG. 9, the two-dimensional arrangement mask 38 is used as the spectral selecting means, and instead of moving the mask 38, the spectral prism 18 is moved from a broken line to a dotted line, thereby each element of the spectral means. Can be changed on and off.
[0122]
The Hadamard microspectroscopic device of the present invention described above is arranged as follows.
[0123]
[1] At least a microscope for microscopically observing a spectroscopic observation target, spectral means for wavelength-resolving the incident light from the microscope, and a predetermined wavelength band corresponding to the Hadamard matrix for the incident light wavelength-resolved by the spectral means. A spectral selecting means having a plurality of selection elements to be selected, a detecting means for detecting a spectral intensity in a predetermined wavelength band selected by the spectral selecting means, and a demodulation of a spectral intensity of a spectral observation target from the detected spectral intensity. Demodulation means, the spectral selection means, the selection state is determined according to the elements of the Hadamard matrix of a predetermined order,
The spectral selection means is configured such that the selection elements that give a row or column selection state of the Hadamard matrix are composed of at least two or more columns, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. A microspectroscope characterized by having a different arrangement.
[0124]
[2] The microscope includes a confocal microscope, and the spectroscopic unit is configured to at least collimate a collimator lens that converts a light beam passing through a confocal pinhole of the confocal microscope into substantially parallel light, and disperse the substantially parallel light. And a first focusing lens for condensing the light dispersed by the dispersion element, wherein the detecting means comprises at least a detector and a wavelength band selected by the spectral selecting means. 2. The microspectroscope according to claim 1, comprising a lens system for taking only the light beam into the detector.
[0125]
[3] The microspectroscopic device according to the above [1] or [2], wherein the first focusing lens has an asymmetric image-forming action.
[0126]
[4] At least the dispersing means is disposed on a primary image plane of the microscope, and a dispersive element for dispersing an exit pupil of an objective lens of the microscope, and an emission of the objective lens disperse by the dispersive element. A pupil projection lens for forming an image of the pupil, wherein the spectral selecting means is disposed at an image forming position of the split exit pupil of the objective lens, and the detecting means comprises at least an image of the dispersive element. , A dispersion compensating element for compensating for chromatic dispersion generated by the dispersion element, and a detector for detecting an image dispersion-compensated by the dispersion compensating element. 2. The microspectroscope according to 1 above.
[0127]
[5] The detecting means is configured by using at least two detectors, and separately detects light fluxes in respective wavelength bands corresponding to the +1 component and the -1 component of the Hadamard matrix determined by the spectral selecting means. 5. The microspectroscope according to any one of the above items 1 to 4, wherein:
[0128]
[6] As the Hadamard matrix, degree 2^v(V is a natural number) Hadamard matrix, the first 2^wHadamard matrix in which the number of alternations of rows (w is a natural number smaller than v) is smaller than the minimum value of the alternations of all the remaining rows or columns, or the Hadamard matrix in which the alternations of rows or columns are in ascending order 6. The microspectroscope according to any one of the above items 1 to 5, wherein at least one Hadamard matrix is used.
[0129]
[7] The spectral selecting means is a frequency modulation type spatial light modulator, applies different frequency modulation to each wavelength band corresponding to the +1 component and the -1 component of the Hadamard matrix, and selects the frequency by the detecting means. 7. The microspectroscope according to any one of the above items 1 to 6, wherein one or each of the two is detected.
[0130]
[8] The microscope includes a confocal microscope, and the spectroscopic unit is configured to at least collimate a collimator lens that converts a light beam passing through a confocal pinhole of the confocal microscope into substantially parallel light, and disperse the substantially parallel light. And a first focusing lens for condensing light dispersed by the dispersive element, wherein the detecting means comprises at least a multi-channel detector. Microspectrometer.
[0131]
[9] The microspectroscopic light according to any one of [1] to [7], wherein a mechanical modulator such as a deformable mirror, a digital mirror device, or a grating light valve is used as the spectral selection means. apparatus.
[0132]
[10] The microspectroscope according to any one of the above items 1 to 7, wherein a reflection-type or transmission-type electric address spatial modulator is used as the spectral selection means.
[0133]
[11] The microspectroscope according to any one of [1] to [7], wherein an optical writing reflection type spatial modulator is used as the spectral selection means.
[0134]
[12] As the spectral selection means, a means for mechanically moving a fixed pattern having a reflection part and a transmission part corresponding to the +1 and -1 components of the Hadamard matrix or a fixed pattern having a reflection part and a grating part, respectively. 8. The microspectroscope according to any one of the above items 1 to 7, wherein the microspectrometer is used.
[0135]
[13] As the fixed pattern, a row or column of a Hadamard matrix is one-dimensionally arranged, two-dimensionally arranged, or arranged on a disk or on a side surface of a polygonal pillar. 13. The microspectroscopic device according to 12.
[0136]
[14] The microspectroscope according to the above item 8, wherein the wavelength selecting means is realized by an electric circuit or software after detection by a multi-channel detector.
[0137]
[15] The microspectroscope according to the above item 8, wherein the wavelength selecting means is constituted by at least a combination of an optical fiber, a demultiplexing switch element and a multiplexing element.
[0138]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the microspectroscope of the present invention, even if measurement is terminated when a spectral intensity distribution having a desired wavelength resolution is obtained, unlike the conventional Hadamard spectroscope, accurate spectroscopy is performed. Since data can be obtained, a high-speed spectrometer capable of improving measurement time can be supplied.
[0139]
Further, as the spectral selection means, a selection element which gives a row or column selection state of the Hadamard matrix is composed of at least two or more columns, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. Even if the spectral selection means having a dead space between a plurality of selection elements in one row selected for each predetermined wavelength band is used as the spectral selection means, Since the spectral intensity of the wavelength band incident on the dead space between the selection elements can also be selected by the selection element in the adjacent row, it is possible to detect the spectral intensities of all the wavelength bands wavelength-resolved by the spectral means without fail. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a basic form of a microspectroscope according to the present invention when a confocal microscope is used as a microscope.
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a basic form of a microspectroscope of the present invention when a normal microscope is used as a microscope.
FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration of the microspectroscope according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a flowchart of spectroscopic measurement by the spectroscopic device of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing only a main part of Modification Example 1 of the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram showing only a main part of Modification 2 of the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing only essential parts when the modification of FIG. 6 is replaced with a transmission type.
FIG. 8 is a diagram showing only a main part of Modification 3 of the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram for explaining a fourth modification of the first embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing only essential parts when the modification of FIG. 9 is replaced with a transmission type.
FIG. 11 is a diagram for explaining a problem of a spectral selection unit in which selection elements are arranged in a one-dimensional array.
FIG. 12 is a diagram for explaining an arrangement of selection elements of a spectral selection unit according to Modification Example 5 of the first embodiment.
FIG. 13 is a diagram illustrating only a main part for describing a configuration of a focusing lens used for the spectral selection unit in FIG. 12;
FIG. 14 is a view for explaining another means for solving the problem of the spectral selection means having the arrangement of FIG. 11;
FIG. 15 is a view showing only a main part of a microspectroscope according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a view similar to FIG. 15 of a first modification of the second embodiment.
FIG. 17 is a view similar to FIG. 15 of Modification 2 of the second embodiment.
FIG. 18 is a view similar to FIG. 15 of Modification 3 of the second embodiment.
FIG. 19 is a view similar to FIG. 15 of Modification 4 of the second embodiment.
FIG. 20 is a side view of a main part after a confocal pinhole of a microspectroscope according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a view similar to FIG. 20 of a modification of the third embodiment.
FIG. 22 is a diagram showing a configuration of a microspectroscope using a fluorescence microscope of a fourth embodiment according to the present invention.
FIG. 23 is a view similar to FIG. 22A of a modification of the fourth embodiment.
FIG. 24 is a diagram showing a configuration of a microspectroscope using a fluorescence microscope of a fifth embodiment according to the present invention.
FIG. 25 is a view for explaining a modification in the case where a fixed pattern is used as the spectral selection means in the present invention.
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of a conventional spectroscopic device using Hadamard transform.
FIG. 27 is a diagram illustrating an example of a conventional 7th-order S matrix and a corresponding Hadamard mask.
FIG. 28 is a diagram illustrating switching of wavelength selection using a conventional Hadamard mask.
[Explanation of symbols]
O ... specimen
1 ... entrance slit
2. Collimating lens
3. Spectral grating
4: Slit projection lens
5 ... Hadamard mask
6 ... Grating projection lens
7 ... Dispersion compensation grating
8 ... Imaging lens
9 ... Detector
11 Laser light source
12 ... Dichroic mirror
13 Main scanning galvanometer mirror
14. Sub-scanning galvanometer mirror
15 ... Objective lens
16: Confocal pinhole
17 ... First collimator lens
18. Spectral prism
18 ': Dispersion compensating prism
19 ... Focusing lens
19 '... another focusing lens
20: Programmable mirror
21 ... PMT (Photomultiplier tube)
21₁, 21₂... PMT (Photomultiplier tube)
22 ... Stopper
22₁, 22₂… Stopper
23 Second collimator lens
23₁... No. 2-1 collimator lens
23₂... 2-2 collimator lens
24 ... Programmable mirror driving device
25 ... Computer
26 ... Display device
27 ... PMT drive
28 ... Subtractor
29 ... Adder
31 ... Grating light valve array
31₀… Grating light valve
32 ... Reflection type electric address space modulator
32 '... Transmission type electric address space modulator
33 ... Polarizer
34 ... Analyzer
35: Optical writing reflective spatial modulator (reflective optical addressing spatial optical modulator)
36 ... Display device
37 ... Projection lens
38 ... Hadamard matrix H^* _vMask corresponding to
38_a… White element
38_b… Black element part
38₁, 38₂, 38₃…… Mask row
39… Fixed pattern
40₀… Selection element
40 ... Spectral selection means
41 ... gap
41 occurs.
42 ... rotationally symmetric lens
43 ... Cylindrical lens
44 ... minute positive lens
45 ... Micro lens array
46… Polarized beam beam splitter
47 Multi-channel detector (array detector)
47₀… Detection channel
48₀… Optical fiber
48… Optical fiber array
49₀... 2 branching switch elements
50₁, 50₂… Combining element
51₁, 51₂… Detector
52 ... Switch array driving device
61 ... light source
62 ... Dichroic mirror
63… Objective lens
64 ... imaging lens
65 ... Spectral grating
66 ... Pupil projection lens
67… Fixed Hadamard mask
68 ... Hadamard mask driving device
69 Dispersion element projection lens
70 ... Dispersion compensation grating
71 ... Imaging device
73… Frequency optical modulator array
73₀… Optical modulator
80 ... disk
81 ... Polygonal pillar
100: Confocal microscope
101: Confocal pinhole
102 ... Collimator lens
103 ... Dispersion element
104: First focusing lens
105 ... Spectroscopy means
106 ... Spectral selection means
107: second focusing lens
108 Detector
109 ... Detection means
110 ... demodulation means
111 ... normal microscope
112: Primary imaging plane
113 ... Pupil projection lens
114 ... Spectroscopic means
115 ... Dispersion element projection lens
116: Dispersion compensating element
117 Detector
118 ... Detection means

Claims

少なくとも分光観測対象を顕微観察する顕微鏡と、前記顕微鏡からの入射光を波長分解する分光手段と、前記分光手段により波長分解された前記入射光をアダマール行列に即した所定の波長帯域毎に選択する複数の選択要素を有する分光選択手段と、前記分光選択手段で選択された所定の波長帯域の分光強度を検出する検出手段と、検出された分光強度から分光観測対象の分光強度を復調する復調手段とからなり、前記分光選択手段は、所定の次数のアダマール行列の要素に従って選択状態が定まるものであり、
前記分光選択手段が、アダマール行列の行又は列の選択状態を与える選択要素が少なくとも２列以上で構成され、その隣同士の列の選択要素の配列がお互いを補完するように列方向へずらされた配列を持つことを特徴とする顕微分光装置。A microscope for microscopic observation of at least a spectroscopic observation object, a spectral unit for wavelength-resolving the incident light from the microscope, and selecting the incident light wavelength-resolved by the spectral unit for each predetermined wavelength band according to a Hadamard matrix. Spectral selecting means having a plurality of selection elements, detecting means for detecting the spectral intensity in a predetermined wavelength band selected by the spectral selecting means, and demodulating means for demodulating the spectral intensity of the spectral observation target from the detected spectral intensity Wherein the selected state is determined according to the elements of a Hadamard matrix of a predetermined order,
The spectral selection means is configured such that the selection elements that give a row or column selection state of the Hadamard matrix are composed of at least two or more columns, and the arrangement of the selection elements in adjacent columns is shifted in the column direction so as to complement each other. A microspectroscope characterized by having a different arrangement.

前記顕微鏡が共焦点顕微鏡からなり、前記分光手段が、少なくとも、前記共焦点顕微鏡の共焦点ピンホールを通過した光束を略平行光にするコリメータレンズと、その略平行光を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された光を集光するための第１のフォーカシングレンズとからなり、前記検出手段が、少なくとも、検出器と、前記分光選択手段で選択された波長帯域の光束のみを当該検出器に取り込むためのレンズ系とからなることを特徴とする請求項１記載の顕微分光装置。The microscope includes a confocal microscope, and the spectroscopic unit includes at least a collimator lens that converts a light beam passing through a confocal pinhole of the confocal microscope into substantially parallel light, and a dispersive element that disperses the substantially parallel light. And a first focusing lens for condensing the light dispersed by the dispersive element, wherein the detecting means is configured to at least detect only the detector and the luminous flux in the wavelength band selected by the spectral selecting means. The microspectroscope according to claim 1, comprising a lens system for taking in the detector.

前記第１のフォーカシングレンズが、非対称な結像作用を持つものであることを特徴とする請求項１又は２記載の顕微分光装置。3. The microspectroscope according to claim 1, wherein the first focusing lens has an asymmetric image forming function.

少なくとも、前記分光手段が、前記顕微鏡の１次結像面に配され、前記顕微鏡の対物レンズの射出瞳を分光するための分散素子と、前記分散素子によって分光された対物レンズの射出瞳の像を結像させるための瞳投影レンズとからなり、前記分光選択手段が、分光された対物レンズの射出瞳の結像位置に配置され、前記検出手段が、少なくとも、前記分散素子の像を投影する分散素子投影レンズと、前記分散素子で生じた波長分散を補償する分散補償素子と、前記分散補償素子により分散補償された像を検出するための検出器とからなることを特徴とする請求項１記載の顕微分光装置。At least the dispersing means is disposed on a primary image plane of the microscope, and a dispersive element for dispersing an exit pupil of an objective lens of the microscope, and an image of an exit pupil of the objective lens dispersive by the dispersive element And a pupil projection lens for forming an image. The spectral selecting means is arranged at an image forming position of a split exit pupil of the objective lens, and the detecting means projects at least an image of the dispersive element. 2. A dispersion element projection lens, comprising: a dispersion compensation element for compensating chromatic dispersion generated by the dispersion element; and a detector for detecting an image dispersion-compensated by the dispersion compensation element. The microspectroscope described in the above.

前記検出手段が、少なくとも２つの検出器を用いて構成され、前記分光選択手段で定められたアダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域の光束を別々に検出することを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の顕微分光装置。The detecting means is configured by using at least two detectors, and separately detects light fluxes in respective wavelength bands corresponding to +1 and -1 components of the Hadamard matrix determined by the spectral selecting means. The microspectroscope according to any one of claims 1 to 4, wherein

前記アダマール行列として、次数２^ｖ（ｖは自然数）のアダマール行列であって、初めの２^ｗ個（ｗはｖより小さい自然数）の行又は列の交番数が残りの全ての行又は列の交番数の最小値よりも小さいアダマール行列、あるいは、行又は列の交番数が昇順のアダマール行列の少なくとも一方のアダマール行列を用いることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の顕微分光装置。The Hadamard matrix is a Hadamard matrix of degree 2 ^v (v is a natural number), wherein the first 2 ^w (w is a natural number smaller than v) alternating numbers of rows or columns are alternating numbers of all remaining rows or columns. The Hadamard matrix smaller than the minimum value of the number, or a Hadamard matrix of at least one of the Hadamard matrices in which an alternating number of rows or columns is in ascending order is used. apparatus.

前記分光選択手段が、周波数変調型の空間光変調器であり、アダマール行列の＋１成分と−１成分に対応したそれぞれの波長帯域に別々の周波数変調をかけ、前記検出手段で周波数選別して片方若しくはそれぞれを検出することを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の顕微分光装置。The spectral selecting means is a frequency modulation type spatial light modulator, applies different frequency modulation to each wavelength band corresponding to the +1 component and the -1 component of the Hadamard matrix, and selects one of the frequencies by the detecting means. 7. The microspectroscope according to claim 1, wherein each of them is detected. 8.