JP4474096B2 - 輪帯光照射用光源ユニットおよび光学システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の光源から出射された光束をある特定の場所から輪帯光束として出射する輪帯光照射用光源ユニット、並びにこの輪帯光照射用光源ユニットを用いた光学システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から微小な測定対象物の存在を観測するために輪帯光によって測定対象物を照明することが例えば暗視野顕微鏡等で行われている。このような輪帯光を用いる光学系は一般的に図7に示されるように、光源51から照射された光束を第1レンズ52によって平行光束に変換し、遮光板53によって光束の中心部を遮光して輪帯光束を形成し、この輪帯光束を第2レンズ54で測定対象物に集光して照明するものである。
【0003】
しかしながら、上述した光学系の場合、遮光板で遮光することにより輪帯光を形成しているため、光源からの光の利用効率が極端に低くなってしまうという問題がある。近年、パルス光を用いて測定対象物の静止画像を撮像したり、測定対象物を蛍光観察したりすることが要求されているが、このような場合には測定対象物を充分な照度で照明する必要があるため光源の出力を非常に大きくすることが必要となってしまう。光源の出力を大きくするとそれに伴って発熱してしまい、それによって光学系変形が起こり易くなってしまうという問題が生じる。
【0004】
一方、遮光板を用いないで輪帯光照射を行う光学システムとしては、入射するレーザービームを垂直に放射状に反射する円錐状の外面反射体と、放射状に反射されたレーザービームを反射してリング状のビーム(輪帯光)を形成する円錐状の内面反射体からなる光学素子を使用し、その光学素子で形成した輪帯光を対象物に照射するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1〜3参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平6−160723号公報(図1参照)
【0006】
【特許文献2】
特開2000−131616号公報(図2参照)
【0007】
【特許文献3】
特開2000−111832号公報(図9参照)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1〜3に記載された光学システムにおいては、遮光板を使用して輪帯光を形成する方式に比べて光源の光の利用効率が向上しているが、光源ユニット以外に輪帯光形成用の光学系が別途必要となるため、このような別構成の輪帯光形成用光学系が必要なく且つ光の利用効率の高い輪帯光照射用の光源ユニットの開発が求められている。
【0009】
また、光を透過しない対象物を測定あるいは撮像するためには対象物を落射照明することが有効であるが、特許文献1〜3においては限外照明に輪帯光形成用光学系で形成した輪帯光を用いることが記載されているだけで、落射照明に輪帯光を用いることについて全く記載されていない。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した問題を解決するために、別構成の輪帯光形成用光学系が不要であり、光源の光利用効率が高く、光源の発熱による光学系変形の問題の生じない輪帯光照射用光源ユニットを提供することを目的とするものである。
【0011】
また、本発明は輪帯光による落射照明が可能な輪帯光照射用光源ユニットを提供することを目的とするものである。
【0012】
また、本発明は上記輪帯光照射用光源ユニットを用い、光学分解能および検出S/N比の向上した光学システムを提供することを目的とするものである。
【0013】
本発明は、所定波長の光束を出射する複数のレーザー光源と、各レーザー光源から出射される各光束を反射して所定の位置に導く反射光学素子と、この反射光学素子によって導かれた各光束を受光口で受光し出射口から出射するマルチモード光ファイバーとを備え、前記各レーザー光源は前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して同心円周上に等間隔で配置されており、前記反射光学素子はその光軸が前記光ファイバーの光軸と一致するように配置されると共に各レーザー光源からの各光束を前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して角度を持って相異なる方向から光ファイバーの受光口に入射させ、前記光ファイバーは受光口で受光した各光束を出射口から輪帯光束として出射する輪帯光照射用光源ユニット、およびこの輪帯光照射用光源ユニットを用いた光学システムに関する。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の輪帯光照射用光源ユニットは、複数のレーザー光源から出射されるコヒーレント光のコヒーレントを低下させて部分的なコヒーレント光(以下、パーシャルコヒーレント光)とすると共に輪帯光として出射するものである。
【0015】
ここで、パーシャルコヒーレント光を用いて輪帯光を照射することによる技術的意義について説明する。
【0016】
レーザー光源から出射されるレーザー光、即ちコヒーレント光を測定対象物上に集光した場合、光の定在波は図5で示すように、光強度(照度)Iが相対位置Lに対して明らかに変化する照度分布が測定対象物上に形成される。一方、コヒーレント光のコヒーレンスを低下させたパーシャルコヒーレント光を測定対象物上に集光すると、光の定在波は図6のようになる。なお、図5、6の横軸は測定対象物上の相対位置L、縦軸は相対照度Iである。図6は図5に比較して照度の振幅が小さくなり、照度分布の縞の間隔が短くなっている。その上、図6では光のオフセット成分(ある一定の明るさ)の上に微小な縞の変化が重畳している。
【0017】
図6に示される定在波の光を輪帯光とし、この輪帯光で測定対象物を照明すると、上記オフセット成分は散乱に寄与しないため検出されず、図6に示す微小な明暗の変化のみが測定対象物から検出されることになり検出S/N比を向上させることができる。また、輪帯光照射では測定対象物に対して角度を持って入射する光束のみを使用するので光学分解能が高くなる。
【0018】
即ち本発明においては、光学分解能および検出S/N比を高くできるパーシャルコヒーレント光による輪帯光を高効率で形成可能な輪帯光照射用光源ユニットを提供することができる。
【0019】
本発明に用いるレーザー光源としては、パルス半導体レーザーや連続光レーザーのようなコヒーレンス光源を用いることができる。これらのレーザー光源は同じ光源を複数用いても良く、あるいは異なる種類の光源を組合せて用いても良く、用途に応じて適宜選択するようにすればよい。落射照明用の輪帯光を形成するための複数の各レーザー光源は、それぞれが略同等の所定波長を出射するレーザー光源を用いる必要がある。ここで略同等の所定波長とは各レーザー光源から出射される各レーザー光の波長が±50nmの範囲内、好ましくは±40nmの範囲内にあることを意味する。なお、これらのレーザー光源は平行光からなる光束を出射するためのコリメートレンズを備えてもよい。
【0020】
レーザー光源の数は3〜10個の範囲で使用可能である。良好な輪帯光形成の観点から、輪帯光形成用の光源、即ち輪帯光の波長光を出射するレーザー光源を好ましくは4〜8個、より好ましくは5〜8個配置することが望ましい。一方、輪帯光形成用光源(第1レーザー光源)とは異なる波長の第2のレーザー光源を併用する場合には、レーザー光源の総数が6〜10個で、第1レーザー光源が3〜7個、第2レーザー光源が3〜7個の範囲で使用可能である。
【0021】
本発明において、コンパクト化の観点で複数のレーザー光源はマルチモード光ファイバーの光軸を中心とする同心円周上に配置される。さらに良好なムラのない輪帯光形成の観点から複数のレーザー光源は上述した同心円周上に等間隔となるように配置される。なお、上述した複数の第1レーザー光源と複数の第2レーザー光源を用いる場合には、各第1レーザー光源が上述した同心円周上に等間隔となるように配置され、各第2レーザー光源も上述した同心円周上に等間隔となるように配置される。
【0022】
また、マルチモード光ファイバーの光軸は反射光学素子の光軸と一致するように配置され、反射光学素子は各レーザー光源の光束を反射し、マルチモード光ファイバーの受光口に入射させる。このとき反射光学素子は各レーザー光源からの各光束を前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して角度を持って相異なる方向から光ファイバーの受光口に入射させる。なお、光ファイバーの受光口が反射光学素子の焦点に位置するように配置されることが好ましい。
【0023】
このように複数のレーザー光源をマルチモード光ファイバーの光軸に対して同心円周上に配置すると共に光ファイバーに近接して配置することにより効率的な空間配置を可能としている。また、反射光学素子は凹面ミラーであることが好ましい。
【0024】
複数のレーザー光源はマルチモード光ファイバーの受光口までの光路長が等しくなるよう配置されることが好ましい。各レーザー光源から光ファイバー受光口までの距離を等しくすると、熱膨張による各光源から光ファイバー受光口までの光路変化が等しく、各光源から光束の集光率が一様に変化する。これは特定の光源の収束率が極端に変化しないことを意味しており、安定度を向上させる。
【0025】
本発明において、マルチモード光ファイバーは、入射光束のコヒーレンスを低下させて出射するコヒーレント低下素子として機能する。光ファイバーに複数の光束が入射すると、光ファイバーはこれら光束を混合しそれらのコヒーレンスを低下させると共に光強度分布を平滑化することができる。また、マルチモード光ファイバーとしてはコア径が50〜1200μmのものが使用可能であるが、良好な輪帯光形成の観点、使用するレーザー光源の数の観点及び入射光の利用効率の観点から400〜1000μmが好ましく、500〜900μmがより好ましい。また、マルチモード光ファイバーとして、マルチモードステップインデックスファイバー、マルチモードグレーデットインデックスファイバー等が使用可能である。
【0026】
また、マルチモード光ファイバーは、反射光学素子から光ファイバー受光口へ入射する光束の入射角が受光口の開口数により定義される最大入射角よりも小さくなるように設定されることが好ましい。それによって光損失が防止される。また、光ファイバーに入射する各光束の開口数が前記光ファイバーの開口数以下となるように設定されることが好ましい。
【0027】
本発明の輪帯光照射用光源ユニットは、マルチモード光ファイバーから出射された発散輪帯光束を平行な輪帯光束に変換して出力するレンズ系を備えていることが好ましい。このレンズ系は複数枚のコリメートレンズあるいは非球面レンズからなっていることが好ましい。これは出射される発散輪帯光束のパワーが強く且つ発散の角度も大きいため、本発明の光源ユニットに適用可能な小径のコリメートレンズ1枚では平行輪帯光束に十分に変換することが困難であるためである。なお、上述したレンズ系として非球面レンズを用いる場合には1枚の非球面レンズで発散輪帯光束を平行輪帯光束に変換することが可能である。但し、低コスト化の観点からはレンズ系として複数枚のコリメートレンズを用いることが好ましい。
【0028】
なお、本発明の輪帯光照射用光源ユニットを使用すると、光学分解能及び検出S/N比を高くすることができるためより小さい対象物を検出することが可能となるとともに、対象物を撮像する場合にも光源の光利用効率を低下させずに撮像することができる。このため電子顕微鏡、粒子分析装置、血液画像システム等に適用することができる。特に画像処理解析を伴う光学システム用の光源として好適である。
【0029】
以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳細に説明する。但し、これによって本発明が限定されるものではない。
【0030】
図1は実施例の輪帯光光源ユニットの構成を示す断面図、図2は図1のA−A断面図である。
【0031】
図1および図2において、円筒状の本体1の中心軸に同軸に設けられた貫通孔の中にマルチモード光ファイバー2が挿入されている。マルチモード光ファイバー2はコア3およびクラッド4を有している。
【0032】
さらに、本体1には本体1の中心軸を中心とする円周上に、上述の本体1の中心軸に同軸に設けられた貫通孔に平行な6つの貫通孔が設けられ、それらの端部にそれぞれレーザー光源6a、6b、6c、6d、6e、6fとコリメートレンズ7a、7b、7c、7d、7e、7fが設けられている(図2参照)。また、これらの貫通穴の内部にはそれぞれ、光源駆動用回路基板5a、5b、5c、5d、5e、5f(但し、5b、5c、5e、5fは図示しない)が設けられている。
【0033】
また、本体1の中心軸に同軸に設けられた貫通孔には光出射側に3枚のコリメートレンズ9a、9b、9cが設けられている。そして、凹面ミラー8が図1における本体1の左端面に設けられている。ここで、マルチモード光ファイバー2は、その光軸が凹面ミラー8の光軸に一致し、かつ、その受光口が凹面ミラー8の焦点に位置するように配置される。なお、凹面ミラー8は、アルミニウム円板を凹面形状に切削加工し、ミラー面を鏡面研磨した後、Au膜を蒸着させたものである。
【0034】
マルチモード光ファイバー2としては、コア径800μmのマルチモード光ファイバー(住友電工(株)製MKH−08型)を用いている。また、レーザー光源6a〜6fには波長870nmのパルス半導体レーザー(浜松ホトニクス(株)製L7030−04型)を使用している。
【0035】
このような構成において、各レーザー光源6a〜6fから出射した複数の光束は各コリメートレンズ7a〜7fによってそれぞれ凹面ミラー8の光軸に平行な平行光に変換され、凹面ミラー8によって集光されてマルチモード光ファイバー2の受光口にそれぞれ所定の同じ入射角で且つ異なる方向から入射する。ここで、各レーザー光源6a〜6fからマルチモード光ファイバー2までの各光路長は互いに同じであるので、光束は全て同じスポット径で受光口に入射される。
【0036】
マルチモード光ファイバー2は入射した複数の光束を混合し、コヒーレンスを低下させると共に光強度分布を平滑化して出射口から発散輪帯光束を3枚のコリメートレンズ9a、9b、9cへ出射する。コリメートレンズ9a〜9cはマルチモード光ファイバー2からの発散輪帯光束を一つの光軸を有する平行輪帯光に変換する。
【0037】
なお、凹面ミラー8は、マルチモード光ファイバー2の受光口へ入射する光束の入射角が受光口の開口数により制限される最大入射角よりも小さくなるように設定され、光損失が防止される。
【0038】
このようにして、所定波長の光束を出射する複数のレーザー光源を用いてコヒーレンスが低下した平行輪帯光を効率良く得ることができる。即ち、光利用効率に優れ、小型軽量であり、出射光を取り扱い易く、出力安定度が高く、かつ経時変化が少ない、等の効果が得られる。
【0039】
図3は上記実施例の輪帯光照射用光源ユニットを用いた光学システム(撮像装置)の構成全体説明図である。
【0040】
図3において、輪帯光照射用光源ユニット21から波長870nmのパルス半導体レーザー光による輪帯光が出射されると、その輪帯光はハーフミラー22により反射される。ハーフミラー22により反射された輪帯光はダイクロイックミラー23を透過し、対物レンズ24により対象物25上に収斂される。つまり、対象物25に対する同軸落射照明が行われる。なお、ダイクロイックミラー23は波長870nmの光を透過し、波長660nmの光を反射させるものを用いている。
【0041】
照明された対象物25からの画像光は、対物レンズ24、ダイクロイックミラー23、ハーフミラー22、結像レンズ26を経た画像光はCCDボードカメラ27に入射する。これにより、CCDボードカメラ27は波長870nmの輪帯光の落射照明による対象物25の画像を撮像することができる。
【0042】
一方、図4は対象物25がノズル43から溶媒とともに吐出された粒子である場合の構成を示す図であり、その他の構成は図3と同様である。
【0043】
このように対象物25が光学セル42中を溶媒とともに高速で移動する粒子である場合、以下のようにして検出領域44に移動してきた粒子を検出し撮像することができる。まず、波長660nmの赤色半導体レーザー(三菱電機製MJ1014J)を備えた第2光源ユニット31から波長660nmのレーザー光が出射されると、そのレーザー光は円錐状外面反射ミラー32と円錐状内面反射ミラー33により輪帯光に変換される。この輪帯光はリング状ミラー34により円錐状内面反射ミラー35に導かれ検出領域44に収斂される。
【0044】
ノズル43から吐出された粒子が検出領域44に至ると波長660nmの輪帯光によって限外照明され、この粒子からの散乱光(波長660nm)は、対物レンズ24を介してダイクロイックミラー23により反射され、レンズ36、ミラー37、ピンホールプレート38、コリメートレンズ39およびバンドパスフィルタ40を介して光検出素子(フォトマルチプライアチューブ)41へ入射する。これによって光検出素子41は検出領域44からの散乱光の強度を測定する。検出領域44における散乱光が光検出素子41によって検出されると、撮像制御部28はその散乱光強度が所定範囲にある場合は撮像対象粒子であると判定し、輪帯光照射用光源ユニット21の各パルス半導体レーザー光源をパルス発光させ、撮像領域45における粒子の画像をCCDボードカメラ27に撮像させる。このようにすると、溶媒とともに高速で移動する粒子の像を効率良く撮像することが可能となる。なお、上記実施例においては、図4に示すように検出領域44と撮像領域45がほぼ一致するように設定しているが、撮像領域45は検出領域44に対して図4中左側(ノズル43からの溶媒の吐出方向下流側)に設定するようにしてもよい。
【0045】
以上のようにして撮像された粒子画像は出力部30に出力される。また、粒子分析部29は光検出素子41によって得られた散乱光強度から粒子の計数や粒子径の算出および粒度分布の作成を行い、その結果を出力部30に出力する。
【0046】
なお、上記実施例では輪帯光照射用光源ユニット21を同軸落射照明(明視野照明)用の光源ユニットとして用いているがこれに限定されるものではなく、通常の落射照明用光源や暗視野照明用の光源ユニットとしても使用することができる。
【0047】
また、上記実施例では、粒子の存在検出用に第2光源ユニット31を用いたが、輪帯光形成用光源ユニット21に輪帯光形成用のレーザー光源と粒子検出用のレーザー光源を配置するようにし、第2光源ユニットを省略した構成としてもよい。例えば、図2において、レーザー光源6a、6cおよび6eには波長870nmのパルス半導体レーザーを使用し、6b、6dおよび6fに波長660nmの赤色半導体レーザーを使用するようにすればよい。また、このような輪帯光形成用光源ユニットを光学システムに適用する場合には、輪帯光形成用光源ユニットから出射される波長870nmの輪帯光束と波長660nmの輪帯光束とをダイクロイックミラーによって分離し、波長870nmの輪帯光束を撮像用に使用し、波長660nmの輪帯光束を粒子検出用に使用すれば良い。
【0048】
また、対象物が粒子の場合の測定方法についても上記実施例に限定されるものではなく、例えば公知のフローサイトメータを用いて溶媒中の粒子の測定を行う方法等を適用することができる。また、測定対象となる粒子としては、ファインセラミックス、顔料、化粧品用パウダー、トナー、研磨剤、食品添加物、ヒトを含む哺乳動物の血液や尿などの体液に含まれる有形物(赤血球や白血球等の細胞等)が挙げられる。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、光利用効率に優れ、小型軽量であり、出射光を取り扱い易く、出力安定度が高く、かつ経時変化の少ない輪帯光照射用光源ユニットを提供することができる。
【0050】
また、本発明によれば、光学分解能および検出S/N比の高い光学システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の輪帯光照射用光源ユニットの実施例の構成を示す断面図である。
【図2】 図1のA−A断面図である。
【図3】 本発明の輪帯光照射用光源ユニットを用いた光学システムの実施例の構成を示す断面図である。
【図4】 粒子測定用光学セルを示す図である。
【図5】 コヒーレント光の定在波を示す図である。
【図6】 パーシャルコヒーレント光の定在波を示す図である。
【図7】 従来の輪帯光照射光学系を示す断面図である。
【符号の説明】
1:本体、2:マルチモード光ファイバー、3:コア、4:クラッド、5a〜5f:光源駆動用回路基板、6a〜6f:レーザー光源、7a〜7f:コリメートレンズ、8:凹面ミラー、9a〜9c:コリメートレンズ、21:輪帯光照射用光源ユニット、22:ハーフミラー、23:ダイクロイックミラー、24:対物レンズ、25:対象物、26:結像レンズ、27:CCDボードカメラ、28:撮像制御部、29:粒子分析部、30:出力部、31:第2光源ユニット、32:円錐状外面反射ミラー、33:円錐状内面反射ミラー、34:リング状ミラー、35:円錐状内面反射ミラー、36:レンズ、37:ミラー、38:ピンホールプレート、39:コリメートレンズ、40:バンドパスフィルタ、41:光検出素子、42:光学セル、43:ノズル、44:検出領域、45:撮像領域。
Claims (9)
- 出射する光束の波長が略同等である4〜8個のレーザー光源と、各レーザー光源から出射される各光束を反射して所定の位置に導く反射光学素子と、この反射光学素子によって導かれた各光束を受光口で受光し出射口から出射するマルチモード光ファイバーとを備え、前記出射する光束の波長が略同等である4〜8個のレーザー光源は前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して同心円周上に等間隔で配置されており、前記反射光学素子はその光軸が前記光ファイバーの光軸と一致するように配置されると共に前記各レーザー光源から出射された略同等の波長の各光束を前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して角度を持って相異なる方向から光ファイバーの受光口に入射させ、前記光ファイバーは受光口で受光した各光束を出射口から輪帯光束として出射することを特徴とする輪帯光照射用光源ユニット。
- 前記光ファイバーから出射される輪帯光束が発散輪帯光束であり、この発散輪帯光束を平行輪帯光束として出力するレンズ系を備え、このレンズ系が複数枚のコリメートレンズからなるか、または非球面レンズからなることを特徴とする請求項1記載の輪帯光照射用光源ユニット。
- レーザー光源の総数が6〜10個であり、出射する光束の波長が略同等である3〜7個の第1レーザー光源と、この第1レーザー光源とは異なる波長の光束を出射する3〜7個の第2レーザー光源と、各レーザー光源から出射される各光束を反射して所定の位置に導く反射光学素子と、この反射光学素子によって導かれた各光束を受光口で受光し出射口から出射するマルチモード光ファイバーとを備え、前記各第1レーザー光源は前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して同心円周上に等間隔で配置されており、前記各第2レーザー光源は前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して同心円周上に等間隔で配置されており、前記反射光学素子はその光軸が前記光ファイバーの光軸と一致するように配置されると共に各レーザー光源からの各光束を前記マルチモード光ファイバーの光軸に対して角度を持って相異なる方向から光ファイバーの受光口に入射させ、前記光ファイバーは受光口で受光した各光束を出射口から輪帯光束として出射することを特徴とする輪帯光照射用光源ユニット。
- 請求項1または2に記載された輪帯光照射用光源ユニットと、この輪帯光照射用光源ユニットから照射された輪帯光束を集光して対象物を照射する集光レンズと、対象物からの光を受光する対物レンズと、この対物レンズからの光を受光し像を形成する結像レンズと、この結像レンズにより形成された像を撮像する撮像素子とを備えたことを特徴とする光学システム。
- 前記対物レンズが前記集光レンズを兼ねており、前記輪帯光照射用光源ユニットから照射された輪帯光を前記対物レンズによって集光して前記対象物に照射すると共に前記対象物からの光を前記対物レンズによって受光することを特徴とする請求項4記載の光学システム。
- 前記レーザー光源とは異なる波長の光束を出射するレーザー光源を備えた第2光源ユニットと、前記第2光源ユニットから出射された光束を輪帯光束に変換する輪帯光変換ユニットと、この輪帯光変換ユニットで形成された輪帯光束で対象物を限外照明する限外照明用光学系と、限外照明による対象物からの光を受光する光検出素子と、を備えることを特徴とする請求項4または請求項5記載の光学システム。
- 前記輪帯光照射用光源ユニットの各レーザー光源がパルス半導体レーザーであることを特徴とする請求項6記載の光学システム。
- 請求項3に記載された輪帯光照射用光源ユニットと、この輪帯光照射用光源ユニットから照射された前記各第1レーザー光源による輪帯光束を集光して対象物を照射すると共に対象物からの光を受光する対物レンズと、この対物レンズからの光を受光し像を形成する結像レンズと、この結像レンズにより形成された像を撮像する撮像素子と、前記輪帯光照射用光源ユニットから照射された前記各第2レーザー光源による輪帯光束で対象物を限外照明する限外照明用光学系と、限外照明による対象物からの光を受光する光検出素子とを備え、前記各第1レーザー光源がパルス半導体レーザーであることを特徴とする光学システム。
- 前記光検出素子の信号検出に基づいて前記輪帯光照射用光源ユニットの各パルス半導体レーザーをパルス発光させることを特徴とする請求項7または請求項8記載の光学システム。
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