JP2007171444A - 光学フィルタ切り替え装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の光ファイバ光学系の透過波長帯域を同時に選択制御でき、光学フィルタの切り替え速度を速めて高速駆動できるようにすると共に、組立・調心が容易で、装置を小型化できるようにする。
【解決手段】入射用光ファイバ１０と、その出射光を平行光に変換するコリメータレンズ１２と、平行光を収束光に変換する集光レンズ１４と、収束光が入射する出射用光ファイバ１６を有し、選択した光学フィルタを平行光が入射する位置に挿入駆動機構を備えた光学フィルタ切り替え装置である。コリメータ対が属する群を複数とし、各群に属するコリメータ対が作る平行光束の重心位置が同一円周上にほぼ同じ角度間隔で配置され、１つの群に属するコリメータ対が作る平行光束が全て通過できる有効面積を備えた光学フィルタ２４ａ，…，２５ｃをフィルタホルダ２０の同じ半径の円周上に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の試料に対して多波長の蛍光計測を短時間で実施するのに有用な光学フィルタ切り替え装置に関し、更に詳しく述べると、コリメータ対が属する群を複数配設して、１つの群に属するコリメータ対が作る平行光束が全て通過できる有効面積を備えた光学フィルタが複数配置され、選択した光学フィルタを所望のコリメータ対の位置に移動し停止させる回転駆動機構を備えている光学フィルタ切り替え装置に関するものである。

蛍光計測装置では、試料に励起光を照射し、それによって発生する蛍光を検出することにより、試料に含まれている生化学物質等を特定する。発生した蛍光から特定の波長成分のみを取り出して測定するためには、通常、光ファイバによる光伝送路に光学フィルタを挿入し、蛍光を通す方法が採用されている。その場合、入射用光ファイバから出射する発散光をコリメータレンズによって平行光にし、その平行光を集光レンズにより収束光にして出射用光ファイバに結合させるコリメータ対光学系を用い、その平行光路中に、所定の分光透過率を有する光学フィルタを挿入する構成が一般に採用されている（特許文献１参照）。光学フィルタとしては、誘電体多層膜による干渉フィルタを透光性ガラス基板上に形成したバンドパスフィルタが用いられることが多い。

最近、蛍光計測の分野では、多数の試料に対して多波長の蛍光計測を実施することによって、多くの蛍光マーカを一括して処理し、複数の生化学的な情報収集を短時間に行うことが求められている。そこで、複数の試料から発生する蛍光を短時間で検出するために、検出光の透過波長帯域を切り替えて測定する。複数の透過波長帯域を切り替える手段としては、複数の光学フィルタを機械的に入れ替える装置を用いるのが簡便である。

光学フィルタ切り替え装置としては、従来、波長を選択する光学フィルタを所定の透過波長帯域の数だけ用意して回転式のフィルタホルダに固定し、回転駆動機構によって前記回転式のフィルタホルダを回転させ、所望の波長の光学フィルタを、光路を遮る位置に移動し保持するように構成されている。

しかし、多数の光ファイバ光学系を一つの光学フィルタの有効面積内に入るように配列する場合、各光ファイバ光学系の調心作業が非常に難しくなる問題がある。特に一つの光学フィルタの有効面積内に配置する光ファイバ光学系の数が４を超えると、各光ファイバ光学系を保持、調心するための機構配置が非常に困難になり、問題が顕著になる。その理由は、多数の入射用光ファイバ、コリメータレンズ、集光レンズ、出射用光ファイバを狭い空間に二次元的に配列しなければならないためである。

また光学フィルタとして、多数の光ファイバ光学系の光路の外形寸法に外接する有効面積が必要であるため、該光学フィルタの直径が非常に大きくなってしまう問題がある。そして、大きな径の光学フィルタを、所望の波長帯域の数だけ相互に機械的に干渉しないように、回転式のフィルタホルダの同心円上に配置する必要があるため、光学フィルタが大きくなった分、大きな半径の同心円上に配置する必要が生じ、フィルタホルダの直径が大きくなってしまい、装置が大型化してしまう。更に、波長帯域を切り替える角度は、波長帯域の数をｍ個とすれば、（３６０°／ｍ）の間隔であり、波長帯域の切り替えに必要となる駆動角度が大きくなるため、切り替えに時間がかかる問題もある。
特開平１１−３２６２１０号公報

本発明が解決しようとする課題は、多数の光ファイバ光学系の透過波長帯域を同時に選択制御でき、光学フィルタの切り替え速度を速めて高速駆動できるようにすると共に、組立・調心が容易で、装置を小型化できるようにすることである。

本発明は、入射用光ファイバと、該入射用光ファイバからの出射光を平行光に変換し光学フィルタに入射するコリメータレンズと、光学フィルタを透過した光を収束光に変換する集光レンズと、この収束光が入射する出射用光ファイバを有し、選択した光学フィルタを平行光が入射する位置に移動し停止させる駆動機構を備えた光学フィルタ切り替え装置において、入射用光ファイバ、コリメータレンズ、集光レンズ、及び出射用光ファイバからなるコリメータ対が属する群を複数有し、各群に属するコリメータ対が作る平行光束の重心位置が同一円周上に配置され、１つの群に属するコリメータ対が作る平行光束が全て通過できる有効面積を備えた光学フィルタが同じ半径の円周上に複数、少なくとも２つの群以上に属するコリメータ対が作る平行光束が同時に光学フィルタを通過できるようにフィルタホルダに配置されていることを特徴とする光学フィルタ切り替え装置である。

１つの群に属するコリメータ対の数は、例えば１〜４（但し、各群に属するコリメータ対の数が全て１である場合は除く）とする。光学フィルタは、例えばバンドパスフィルタである。切り替えるべき所定の光透過波長帯域の数がｍ、前記群の数がｎである場合、ｍ×ｎ枚の光学フィルタを円周上に配置する。光学フィルタは、全ての群に属する全てのコリメータ対が作る平行光束が、同時に同じ光透過波長特性を有する個別の光学フィルタを通過するように配置する。ここで群の数は、典型的には２〜４とする。

本発明は、多数の光ファイバ光学系をいくつかの群に分けて、群ごとに独立した光学フィルタを順次、回転させて所定の光路に挿入するように構成されているので、多数の光ファイバ光学系の透過波長を同時に高速で切り替えることができ、小型で組立・調心が容易となり、挿入損失ばらつきも小さくできる。

本発明に係る光学フィルタ切り替え装置の本体部分の概略構成を図１に示す。また、装置の断面を図２に示す。光学フィルタ切り替え装置は、多数の入射用光ファイバ１０が複数の光ファイバ群１０ａ，１０ｂ，１０ｃに分けられ、複数のコリメータレンズ１２、複数の集光レンズ１４、複数の光ファイバ群１６ａ，１６ｂ，１６ｃの出射用光ファイバ１６と調心固定され、コリメータ対の群を構成している。つまり、各コリメータ対は、入射用光ファイバ１０と、該入射用光ファイバ１０からの出射光を平行光に変換するコリメータレンズ１２と、平行光を収束光に変換する集光レンズ１４と、その収束光が入射する出射用光ファイバ１６からなる。そして、これらのコリメータ対の群は、回転式のフィルタホルダ２０の回転軸２２を中心として、ほぼ等しい角度間隔で回転軸中心を通る直線から等しい距離で配置されている。図１では、２つのコリメータ対からなる群が３群、実質的に等角度間隔で配列されている様子を示している。

回転式のフィルタホルダ２０には、所定の波長帯域を選択透過するための６個の光学フィルタが配置されている。これらの光学フィルタは、所望の波長帯域数に応じて同じ波長透過特性を有する第１の光学フィルタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃ、及び同じ波長透過特性を有する第２の光学フィルタ２５ａ，２５ｂ，２５ｃ（但し、第１の光学フィルタ２４ａ，２４ｂ，２４ｃと第２の光学フィルタ２５ａ，２５ｂ，２５ｃの波長透過特性は異なる）であり、各コリメータ対の群ごとに所望の測定順序に従い且つほぼ等しい角度間隔で配置されている。なお初期状態においては、第１のコリメータ対の群には、光学フィルタ２４ａ，２５ａが第１の光学フィルタの群として、第２のコリメータ対の群には、光学フィルタ２４ｂ，２５ｂが第２の光学フィルタの群として、第３のコリメータ対の群には、光学フィルタ２４ｃ，２５ｃが第３の光学フィルタの群として、それぞれ割り当てられている。

図２に示すように、多数のコリメータレンズ１２、集光レンズ１４、及び光学フィルタを装着したフィルタホルダ２０などは、暗箱（筐体）３０内に収容され、各入射用光ファイバ１０及び出射用光ファイバ１６も外光が入らないように接続される。また、回転式のフィルタホルダ２０を回転駆動するための回転駆動機構３２が、それらの接続位置と重ならないように入射側に配置される。

各コリメータ対の群と各光学フィルタの群の組み合わせは初期的なものであり、回転式のフィルタホルダ２０が回転するに従って、組み合わせも変化する。このような構成において、図１に示す例では、各コリメータ対の群には、光ファイバ光学系を２つずつ割り当て、合計６つの光ファイバ光学系を同時に波長選択できるように光ファイバ切り替え装置を構成している。また２つの透過波長帯域を選択できるように、回転式のフィルタホルダ２０の上に６０°間隔で光学フィルタを配置して光ファイバ切り替え装置を構成する。第１のコリメータ対の群では、入射用光ファイバ１０からでた発散光は、コリメータレンズ１２でそれぞれ平行光に変換され、光学フィルタ２４ａに到達する。光学フィルタ２４ａによって、第１の波長帯域の光のみが選択透過され、集光レンズ１６によって収束光に変換されて対応する出射用光ファイバ１６に結合する。これによって、所望の波長帯域のみを選択透過できる光ファイバ光学系が実現される。他のコリメータ対の群も同様である。

切り替えるべき波長帯域数を２、コリメータ対光学系の群を３、各群を構成する光ファイバ光学系の数を２とした場合、従来の装置では、６つの光ファイバ光学系を構成するコリメータ対が全て入る光学フィルタを２個用意し、それを１８０°間隔で配置することになるのに対して、本例では、２つのコリメータ対が入る光学フィルタを６個用意し、それを６０°間隔で配置すればよいので、回転半径が小さくなり、波長切り替えに伴う移動角度が少なくなり、調心固定が容易な、小型で安定した光学フィルタ切り替え装置が実現できる。

この状態で、回転式のフィルタホルダ２０を回転し、当初の光学フィルタ２４ａの位置に隣の光学フィルタ２５ａがくるように、即ち６０°回転させた位置で固定すると、第２の波長帯域のみを選択透過できる光ファイバ光学系を実現できる。この状態で、回転式のフィルタホルダ２０を逆回転し、−６０°回転させた位置で固定すると、再び第１の波長帯域のみを選択透過できる光ファイバ光学系を実現できる。勿論、光学フィルタ２４ａ，…，２４ｃは同じ光透過特性、また光学フィルタ２５ａ，…，２５ｃも同じ光透過特性を有するし、第１〜第３のコリメータ対の群は、それぞれ等しい間隔、すなわち本例では１２０°の間隔で配置されているため、正回転のみ６０°ずつ回転させる一連の動作を繰り返すことによっても、全ての光ファイバ光学系に対して同時に波長を切り替えることができる光学フィルタ切り替え装置が実現できる。

このように本発明では、複数のコリメータ対を１群として複数の群を構成し（各群に属するコリメータ対の数は異なっていてもよい）、各群に属するコリメータ対が作る複数の平行光束の重心位置を同一円周上にほぼ同じ角度間隔で配置し、１つの群に属するコリメータ対が作る平行光束がすべて通過できる面積を有する複数の光学フィルタを同じ半径をもつ別の円周上に、少なくとも２つの群以上に属するコリメータが作る平行光束がすべて同時に光学フィルタを通過できるように配置する。このようにすると、１つの光学フィルタに対応する１つの群に属する光ファイバとレンズの数を少なくできるので、空間的な余裕ができる。また各群間の距離が短くなる。これによって配置が容易になり、調芯も容易になる。また、光学フィルタの直径を小さくでき、そのため装置を小型化でき、更にフィルタの切り替え時間を短縮できる。

本発明において、１つの群に属するコリメータの数は１〜４（但し、各群に属するコリメータ対が全て１である場合は除く）とするのがよい。また群の数は２〜４とするのがよい。このような構造にすると、１つの光学フィルタに対応する１つの群に属する光ファイバとレンズの数を少なくできるので、空間的な余裕ができる。これによって、配置が容易になり、調芯も容易になる。また、光学フィルタの直径を小さくでき、装置を小型化できる。

切り替えるべき所定の波長帯域の数をｍ、前記群の数をｎとした場合、円周上に配置される光学フィルタの数は、ｍ×ｎ枚とし、全ての群に属する全てのコリメータ対が作る平行光束が同時に同じ透過波長特性を有する独立した光学フィルタを通過するように光学フィルタを配置する。これによって、同一波長の光を複数同時に計測できるようになる。

実施例では、コリメータレンズ及び集光レンズに直径８ｍｍ、焦点距離１０ｍｍのアクロマートを使用し、レンズ間距離を２０ｍｍに設定した。また光ファイバには、コア径９８０μｍ、クラッド径１０００μｍ、ＮＡ（開口数）０．３の大口径多モード光ファイバを使用した。更に、フィルタホルダの回転駆動機構として外形４２ｍｍ角のステッピングモータを使用した。光学フィルタには、第１の光学フィルタの組として、外径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、透過中心波長５３０ｎｍ、透過帯域幅±１０ｎｍのバンドパスフィルタ３枚を、第２の光学フィルタの組として、外径２０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、透過中心波長６１０ｎｍ、透過帯域幅±１０ｎｍのバンドパスフィルタ３枚を、それぞれ使用し、前記ステッピングモータとコリメータ対の光学系が干渉しないように、半径３７ｍｍの同心円上に各光学フィルタの中心がくるよう回転式のフィルタホルダに配置した。

以上のような構成により、従来の方法で必要であった、外径３０ｍｍのバンドパスフィルタによるフィルタホルダの外径を、１０８ｍｍから９８ｍｍに小型化できた。また、光ファイバ光学系の調心を装置に組み付けた状態で行うことができるようになったため、調心固定後の挿入損失を１．９±０．１ｄＢのばらつきに抑えることができた。

上記の説明（図１に示す構成）においては、６つの光ファイバ光学系を２つずつの３群に分けて、２つの透過波長帯域を選択制御する光学フィルタ切り替え装置について示したが、本発明は、このような構成のみに限定されるものでないことは言うまでもない。光ファイバ光学系が多いほど、その効果が高く、選択する波長帯域数も多いほど、その効果が高いが、同心円上に光学フィルタを配置する必要があるため、円形の光学フィルタを使う場合には、２〜６波長帯域程度の選択を行うために使用するのが好適であり、光ファイバ光学系の数は１群あたり、２〜４程度が好適である。これを超えるような場合は、光学フィルタを円形ではなく矩形とし、各光ファイバ光学系を１列または２列で配置することによって、装置上での組立調心が可能になる。また、各光学フィルタは、実質的に等角度間隔で（その公差がフィルタの大きさの範囲内である）配置されることが好ましい。群の数は、前記の通り波長帯域の数と光ファイバ光学系の数で選択することになるので、特に制約はないが、一般的な蛍光検出装置に用いる場合は、最大でも４種類程度の蛍光物質の選択評価になることから、群の数としては、２〜４群が好適である。

本発明に係る光学フィルタ切り替え装置本体の一例を示す概略構成図。 光学フィルタ切り替え装置の断面図。

符号の説明

１０ 入射用光ファイバ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光ファイバ群
１２ コリメータレンズ
１４ 集光レンズ
１６ 出射用光ファイバ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 光ファイバ群
２０ レンズホルダ
２２ 回転軸
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ 光学フィルタ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ 光学フィルタ

Claims (5)

1. 入射用光ファイバと、該入射用光ファイバからの出射光を平行光に変換し光学フィルタに入射するコリメータレンズと、光学フィルタを透過した光を収束光に変換する集光レンズと、この収束光が入射する出射用光ファイバを有し、選択した光学フィルタを平行光が入射する位置に移動し停止させる駆動機構を備えた光学フィルタ切り替え装置において、入射用光ファイバ、コリメータレンズ、集光レンズ、及び出射用光ファイバからなるコリメータ対が属する群を複数有し、各群に属するコリメータ対が作る平行光束の重心位置が同一円周上に配置され、１つの群に属するコリメータ対が作る平行光束が全て通過できる有効面積を備えた光学フィルタが、同じ半径の円周上に複数、少なくとも２つの群以上に属するコリメータ対が作る平行光束が同時に光学フィルタを通過できるようにフィルタホルダに配置されていることを特徴とする光学フィルタ切り替え装置。
2. １つの群に属するコリメータ対の数を１〜４（但し、各群に属するコリメータ対の数が全て１である場合は除く）とする請求項１記載の光学フィルタ切り替え装置。
3. 光学フィルタがバンドパスフィルタであり、切り替えるべき所定の光透過波長帯域の数がｍ、前記群の数がｎである場合、円周上に配置される光学フィルタの数はｍ×ｎ枚である請求項１又は２記載の光学フィルタ切り替え装置。
4. 全ての群に属する全てのコリメータ対が作る平行光束が、同時に同じ光透過波長特性を有する個別の光学フィルタを通過するように光学フィルタを配置した請求項１乃至３のいずれかに記載の光学フィルタ切り替え装置。
5. 群の数が２〜４である請求項１乃至４のいずれかに記載の光学フィルタ切り替え装置。
   

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