JP2006308403A - Spectroscopy unit - Google Patents
Spectroscopy unit Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006308403A JP2006308403A JP2005130752A JP2005130752A JP2006308403A JP 2006308403 A JP2006308403 A JP 2006308403A JP 2005130752 A JP2005130752 A JP 2005130752A JP 2005130752 A JP2005130752 A JP 2005130752A JP 2006308403 A JP2006308403 A JP 2006308403A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- optical fiber
- wavelength
- chromatic aberration
- aberration lens
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
本発明は、各種装置,システム等に分光機能を付加するための分光ユニットに関するものである。 The present invention relates to a spectroscopic unit for adding a spectroscopic function to various apparatuses and systems.
各種装置,システム等に分光機能を付加するための手段としては,まずグレーティング又は分散プリズムと検出器とから構成したものがあり,近来は,検出器としてフォトダイオードアレイやCCD等のリニアアレイディテクタを使用した小型分光器も多くなっており,これらの分光器では,高速で簡単に分光スペクトルを得ることができる。 As a means for adding a spectroscopic function to various devices, systems, etc., there are firstly composed of a grating or a dispersion prism and a detector. Recently, a linear array detector such as a photodiode array or CCD is used as a detector. The number of small spectroscopes used has increased, and these spectrographs can easily obtain a spectroscopic spectrum at high speed.
一方,蛍光等の微弱光を高感度で検出する場合には,目的波長のみを通過させる複数のフィルターとPMT(光電子増倍管)を検出器とした構成したものも使用されている。 On the other hand, when detecting faint light such as fluorescence with high sensitivity, a configuration using a plurality of filters that allow only a target wavelength to pass and a PMT (photomultiplier tube) as a detector is also used.
更に,これらの構成を用いずに簡単に分光機能を付加する手段として,特許文献1では,試料からの光を色収差レンズにより収束すると共に,収束された光が通過するように配置したピンホールを,波長に応じて色収差レンズの光軸に沿って移動させる構成とし,ピンホールからの透過光を光検出器により検出するように構成したものが提案されている。
しかしながら上記の従来技術では次に示すような課題がある。
1.大型の分光器では,例えば2次光を抑えるフィルター交換が自動モーターなどで行えるようになっている等,高性能であるが、装置が大きくなり高価である。
2.また小型分光器は価格も比較的安く簡単に使用できるが、検出器として用いられているリニアアレイディテクタは微弱光の検出には不向きで、光量が必要となる。
3.微弱光を検出するための手段として,フィルターとPMTとから構成されるものでは、所望の数の蛍光波長に合わせてフィルターを複数枚数必要であると共に,また検出したい蛍光の数だけPMTが必要となり,また所望の数の蛍光波長同士が近接している場合には,フィルターでは波長分離ができない場合もある。
4.また,特許文献1のものでは,色収差を効果的に発生させるにはF値の小さいレンズを使用する必要があるが、F値が小さくなれば球面収差も同時に発生して収束する焦点が光軸上にずれるために、波長が異なる光も検出器に入ってしまうという欠点がある。
一般に、球面収差とはレンズ形状によって単色光で起こる収差で軸上の1点から出た光が1点に集まらない収差をいい、光軸中心から遠くなるほど、つまりレンズ中心から遠くなり,周縁側へいくほど焦点がずれていく現象である。この球面収差は、F値の大きいレンズを使用することで小さくすることが可能であるが、色収差を大きくするためには曲率半径の大きいレンズを使用することになり、結果として球面収差も大きくなり,これらを同時に解決することは困難である。
However, the above conventional techniques have the following problems.
1. A large spectroscope has high performance, for example, an automatic motor can be used to replace a filter that suppresses secondary light, but the apparatus is large and expensive.
2. Although a small spectroscope is relatively inexpensive and can be used easily, a linear array detector used as a detector is not suitable for detecting faint light and requires a light amount.
3. As a means for detecting faint light, a filter composed of a filter and a PMT requires a plurality of filters in accordance with a desired number of fluorescence wavelengths, and the PMT has the same number as the number of fluorescence to be detected. If the desired number of fluorescent wavelengths are close to each other, the filter may not be able to separate the wavelengths.
4. In
In general, spherical aberration is an aberration that occurs in monochromatic light depending on the lens shape and does not collect light from one point on the axis. The farther from the center of the optical axis, that is, farther from the center of the lens, the peripheral side This is a phenomenon in which the focus shifts as the distance increases. This spherical aberration can be reduced by using a lens having a large F value, but in order to increase chromatic aberration, a lens having a large curvature radius is used, resulting in an increase in spherical aberration. It is difficult to solve these problems at the same time.
本発明は,以上の課題を解決することを目的とするもので,即ち,従来の分光器を用いずに,高感度で波長分解能の高い分光機能を利用することができる分光ユニットを提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a spectroscopic unit that can use a spectroscopic function with high sensitivity and high wavelength resolution without using a conventional spectroscope. It is intended.
以上の課題を解決するために,本発明では、光検出器に連なる光ファイバーの端部を,色収差レンズに対向させて,その光軸に沿って移動可能に設置すると共に,その移動位置を制御可能な移動制御機構を設け,光ファイバーの端部のコアの中心側に遮光部を設けた分光ユニットを提案している。 In order to solve the above-described problems, in the present invention, the end of the optical fiber connected to the photodetector is placed facing the chromatic aberration lens so as to be movable along the optical axis, and the movement position can be controlled. Has proposed a spectroscopic unit that is equipped with a simple movement control mechanism and a light shielding part on the center side of the core at the end of the optical fiber.
そして本発明では、上記構成において,移動制御機構は,波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバーの端部の位置との対応関係の記憶手段を備えており,所望の波長に対して,対応関係から位置を求めて,その位置に移動させる構成とすることを提案している。 According to the present invention, in the above configuration, the movement control mechanism includes a storage unit that stores a correspondence relationship between the wavelength obtained based on the measurement using the light having a known wavelength and the position of the end of the optical fiber, and sets the desired wavelength. On the other hand, it has been proposed to obtain a position from the correspondence and move to that position.
以上の本発明においては,光ファイバーは,シングルモードファイバーではなく,高NAのマルチモードファイバーとすることが好ましい。 In the present invention described above, the optical fiber is preferably not a single mode fiber but a high NA multimode fiber.
ある波長の光が色収差レンズの周縁側を通って焦点を結ぶ位置に光ファイバーの端部を位置させると,それよりも波長が短く,色収差レンズの中心側を通って光ファイバーの端部の近傍に焦点を結ぶ光は,光ファイバーの端部のコアの中心側に設けた遮光部により遮光することができ,また上記ある波長の光が色収差レンズの中心側を通って焦点を結ぶ位置は,光ファイバーの端部よりも,更に色収差レンズから離れた位置であるので,ある波長の光は,中心側の一部が遮光部により遮光されるものの,他は遮光部の外側において高NAの光ファイバーのコア内に入射して光検出器により検出することができる。 If the end of the optical fiber is positioned at a position where light of a certain wavelength passes through the peripheral side of the chromatic aberration lens and is focused, the wavelength is shorter than that, and the light passes through the center of the chromatic aberration lens and is focused on the vicinity of the end of the optical fiber. Can be shielded by a light shielding portion provided on the center side of the core at the end of the optical fiber, and the position at which the light having a certain wavelength passes through the center side of the chromatic aberration lens is focused on the end of the optical fiber. Since it is located farther from the chromatic aberration lens than the chromatic aberration lens, a part of the center side of the light with a certain wavelength is shielded by the light shielding part, but the other is within the core of the high NA optical fiber outside the light shielding part. Incident light can be detected by a photodetector.
こうして本発明では、色収差レンズの球面収差による焦点のずれを排除し,また色収差の効果を高めることにより,高い光分解能での波長分離が可能となる。また光検出器としては,PMT等の高感度光検出器を使用することによりフィルターでは分光できないような波長差の蛍光試料等にも適用することができる。 Thus, according to the present invention, it is possible to perform wavelength separation with high optical resolution by eliminating defocus due to spherical aberration of the chromatic aberration lens and enhancing the effect of chromatic aberration. Moreover, as a photodetector, it can apply also to the fluorescence sample etc. of a wavelength difference which cannot be spectrally separated by a filter by using high sensitivity photodetectors, such as PMT.
移動制御機構に,波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバーの端部の位置との対応関係の記憶手段を備えることにより,所望の波長に対して,対応関係から位置を求めて,その位置に迅速に移動させることができる。 The movement control mechanism is provided with a storage means for the correspondence between the wavelength obtained based on the measurement using the light having a known wavelength and the position of the end of the optical fiber, so that the position can be obtained from the correspondence for the desired wavelength. Can be quickly moved to that position.
複数の波長に対応する夫々の位置に高速で次々に移動させることにより,複数波長の光に対する測定を行うことができる。 By moving to each position corresponding to a plurality of wavelengths one after another at a high speed, it is possible to measure light of a plurality of wavelengths.
次に本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図1は本発明に係る分光ユニットの構成を示す系統図であり,また図2,図3は本発明の動作と,その原理を模式的に示す説明図である。
符号1は色収差レンズであり,2は光ファイバーである。光ファイバー2は光検出器3に接続されている。この光検出器3は,例えばPMT等の高感度光検出器を用いる。符号4は移動機構を示すものであり,この移動機構4は,光ファイバー2の端部5を色収差レンズ1に対向させて支持すると共に,この端部5を色収差レンズ1の光軸6に沿って移動可能としている。勿論,図に示すように,光ファイバー2の端部5の光軸は,色収差レンズ1の光軸6と一致させる。また光ファイバー2は,シングルモードファイバーではなく,高NAのマルチモードファイバーとしている。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a system diagram showing the configuration of a spectroscopic unit according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are explanatory diagrams schematically showing the operation and principle of the present invention.
符号7は移動機構4の移動を制御する移動制御機構であり,この移動制御機構7には,波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と,光ファイバー2の端部5の位置との対応関係を記憶する記憶手段8を備えており,測定すべき所望の波長に対して,記憶手段8に記憶させた対応関係から位置を求めて移動機構4を制御することにより,光ファイバー2の端部5を,求めた位置に移動させる構成としている。測定すべき波長が複数の場合には,夫々の位置を求めて移動機構4を制御して,光ファイバー2の端部5を,夫々の位置に高速で次々に移動させる制御を行う。
Reference numeral 7 denotes a movement control mechanism for controlling the movement of the
図1,図2に示すように,色収差レンズ1を通った光は,色収差により,波長が長いほど,色収差レンズ1から,より離れた位置で焦点を結ぶと共に,球面収差により,図2に示すように,色収差レンズ1の中心側から周辺側に行くに従って,色収差レンズ1に,より近い位置で焦点を結ぶ。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the light passing through the
図2では,光の波長の違いを線種により表しており,例えば図1,図2の実線の光L2は破線の光L3よりも波長が長く,2点鎖線の光L1よりも波長が短い。尚,図において,色収差レンズ1の中心側を通る光には添字i,周縁側を通る光には添字oを付して区別する。
In FIG. 2, the difference in wavelength of light is represented by line types. For example, the solid line light L 2 in FIGS. 1 and 2 has a longer wavelength than the broken line light L 3 , and is longer than the two-dot chain line light L 1. The wavelength is short. In the drawing, the light passing through the center side of the
図2,図3に示すように,色収差レンズ1の中心側を通った光L3iが結ぶ焦点f3iは,この光L3よりも波長の長い光L2が色収差レンズ1の周縁側を通って結ぶ焦点f2oと近接している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the focal point f 3i formed by the light L 3i passing through the center side of the
ここで,ある波長の光,この場合,光L2の測定を行う場合には,図3に示すように,移動制御機構7により移動機構4を制御して光ファイバー2の端部5の端面を,光L2が色収差レンズ1の周縁側を通って結ぶ焦点f2oの位置にもたらす。尚,符号9は光ファイバー2のコア,10はクラッドであり,11は遮光部を示すものである。
Here, when measuring light of a certain wavelength, in this case, light L 2 , as shown in FIG. 3, the movement control mechanism 7 controls the
この状態では光L2よりも波長の短い光L3が色収差レンズ1の中心側を通った光L3iは,コア9の中心側に設けた遮光部11により遮光される。色収差レンズ1を通った光L2のうち,色収差レンズ1の中心側を通った光L2iの一部は遮光部11により遮光されるが,色収差レンズ1の,より周縁側を通る光は遮光部11よりも外側に位置するので光ファイバー2のコア9内に入射して光検出器3により検出することができる。
In this state, the light L 3i that has passed through the center side of the
ここで遮光部11は,大きくすると,上述したように対象とする波長の光の,色収差レンズ1の中心側を通る部分を遮光する割合が大きくなるため,対象とする波長の光の光量が小さくなるが、波長分解能は高くなる。従って,遮光部11は,波長分解能と光量を勘案して適宜に決定することができる。
Here, if the
遮光部11は,光ファイバー2のコア9への光の入射を防止するものであるから,光を反射,散乱又は吸収する構成とすれば良く,例えば対応するコア9に傷を形成することにより,容易に散乱可能とすることができる。
Since the
こうして本発明では、色収差レンズ1の球面収差による焦点のずれを排除し,また色収差の効果を高めることにより,高い光分解能での波長分離が可能となり,また光検出器3としては,PMT等の高感度光検出器を使用することにより,従来例として示した構成におけるフィルターでは分光できないような波長差の蛍光試料等にも適用することができる。
In this way, according to the present invention, the defocus due to the spherical aberration of the
上述したとおり,本発明では、移動制御機構7に,波長既知の光による測定に基づいて得られた波長と光ファイバー2の端部5の位置との対応関係の記憶手段を備えることにより,所望の波長の光に対して,対応関係から位置を求めることができ,これに基づいて移動機構4により,その位置に迅速に移動させることができる。
As described above, in the present invention, the movement control mechanism 7 is provided with a storage unit that stores the correspondence between the wavelength obtained based on the measurement using the light having a known wavelength and the position of the
そして,複数の波長に対応する夫々の位置に高速で次々に移動させることにより,複数波長の光に対する測定を行うことができる。 And it can measure with respect to the light of a plurality of wavelengths by moving to each position corresponding to a plurality of wavelengths one after another at high speed.
次にFRET(蛍光エネルギー移動)に良く利用される蛍光タンパク質のECFPとEYFPを同時に検出する場合について本発明を利用した実施例を説明する。
まず,ドナーであるECFPの最大励起波長は433nm,最大蛍光波長は474nmである。一方アクセプターであるEYFPの最大励起波長は512nm、最大蛍光波長は575nmである。
そこで,ECFP励起に波長405nmのレーザーダイオード(LD)を使用し、色収差レンズ1の材質にBK7を用いた場合を考えると、それぞれの波長における屈折率は、405nmで1.53024,474nmで1.52329,587nmで1.51680である。
一方,有効径3.6mm,546.1nmでの焦点距離6mmのレンズを色収差レンズ1として用いると、夫々の波長における焦点距離f(405nm)は5.85mm,f(474nm)は5.93mm,f(587nm)は6.00mmとなる。
上述した寸法から,色収差レンズ1のNAは0.29であるので、光ファイバー2のNAは0.29以上で,例えばコア9径を200μmとしたマルチモードタイプの光ファイバー2を用いる。
このとき,色収差レンズ1の球面収差による光軸6方向の焦点位置のずれは,159μmとなり、色収差レンズ1周縁部の光の焦点距離は,f(405nm)で5.69mm,f(474nm)は5.77mm,f(587nm)は5.84mmとなる。
このように色収差レンズ1の周縁部に対応したEYFPの焦点距離である5.84mmと、励起レーザー波長405nmの色収差レンズ1の中心部に対応した焦点距離5.85mmとが略同じ位置となり、そのままでは励起レーザーの光も同時に検出してしまう。
Next, an embodiment using the present invention will be described in the case of simultaneously detecting ECFP and EYFP of fluorescent proteins often used for FRET (fluorescence energy transfer).
First, ECFP as a donor has a maximum excitation wavelength of 433 nm and a maximum fluorescence wavelength of 474 nm. On the other hand, the acceptor EYFP has a maximum excitation wavelength of 512 nm and a maximum fluorescence wavelength of 575 nm.
Therefore, considering the case where a laser diode (LD) having a wavelength of 405 nm is used for ECFP excitation and BK7 is used as the material of the
On the other hand, when a lens with an effective diameter of 3.6 mm and a focal length of 6 mm is used as the
Since the NA of the
At this time, the shift of the focal position in the direction of the
As described above, the focal length of 5.84 mm corresponding to the peripheral portion of the
そこで,色収差レンズ1の中心側の20%を遮光し、光ファイバー2の端部5のコア9を,色収差レンズ1の周縁部を通った光の焦点位置に合わせると、その時の色収差レンズ1の有効径の中心側の20%を通った光の大きさは,1番大きい405nmの時で約61μmであるため、光ファイバー2のコア9の端面をφ61μmだけ遮光部11により遮光する。遮光は上述したように,その一つの手段として光を散乱させればよいので,簡単に行える方法として傷をつけた。
EYFPとEYFPの2つの蛍光を夫々検出するために必要な光ファイバー2の端部5の,光軸6方向の移動距離は150μmであり、光ファイバー2を,移動機構4としてのPZTステージを用い,移動制御機構7により制御して上記移動距離を高速スキャンさせ、高感度の光検出器3としてPMTを用いて同時測定を行い,夫々の波長においてノイズの少ない光信号の取得が可能となった。
Therefore, if 20% of the center side of the
The moving distance in the direction of the
本発明は以上のとおりであるので、次のような効果があり,産業上の利用可能性が大である。
1.グレーティング又は分散プリズムと検出器とから構成される従来の分光器や,フィルター等を使用せずに,簡素な構成で,高感度で波長分解能の高い分光機能を実現することができる。
2.フィルターでは分光できないような波長差の小さい蛍光試料等にも適用することができる。
Since the present invention is as described above, the following effects are obtained and the industrial applicability is great.
1. A spectral function with high sensitivity and high wavelength resolution can be realized with a simple configuration without using a conventional spectroscope composed of a grating or dispersion prism and a detector, or a filter.
2. It can also be applied to a fluorescent sample having a small wavelength difference that cannot be separated by a filter.
1 色収差レンズ
2 光ファイバー
3 光検出器
4 移動機構
5 光ファイバーの端部
6 光軸
7 移動制御機構
8 記憶手段
9 コア
10 クラッド
11 遮光部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
2. The spectroscopic unit according to claim 1, wherein the optical fiber is a high-NA multimode fiber.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005130752A JP2006308403A (en) | 2005-04-28 | 2005-04-28 | Spectroscopy unit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005130752A JP2006308403A (en) | 2005-04-28 | 2005-04-28 | Spectroscopy unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006308403A true JP2006308403A (en) | 2006-11-09 |
Family
ID=37475465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005130752A Pending JP2006308403A (en) | 2005-04-28 | 2005-04-28 | Spectroscopy unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006308403A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107966409A (en) * | 2017-12-29 | 2018-04-27 | 青岛崂应环境科技有限公司 | Gas concentration analysis method and device |
KR20200007297A (en) * | 2018-07-12 | 2020-01-22 | 울산과학기술원 | Apparatus for detecting laser based fluorescence |
-
2005
- 2005-04-28 JP JP2005130752A patent/JP2006308403A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107966409A (en) * | 2017-12-29 | 2018-04-27 | 青岛崂应环境科技有限公司 | Gas concentration analysis method and device |
KR20200007297A (en) * | 2018-07-12 | 2020-01-22 | 울산과학기술원 | Apparatus for detecting laser based fluorescence |
KR102151775B1 (en) | 2018-07-12 | 2020-09-03 | 울산과학기술원 | Apparatus for detecting laser based fluorescence |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101750188B1 (en) | Confocal measurement device | |
US20190017938A1 (en) | Diffractive biosensor | |
JP2017102067A (en) | Optical measurement device | |
JP2008523383A (en) | Multi-spot survey device | |
US8314407B2 (en) | Optical illumination apparatus for illuminating a sample with a line beam | |
CN109596045B (en) | Confocal measuring device | |
TWI673474B (en) | Optical measuring device | |
JP4645176B2 (en) | Spectroscopic microscope | |
JP6659548B2 (en) | Multicolor scanning microscope | |
JP2021096251A (en) | Device and method for coupling light having multiple different wavelengths with waveguide | |
US8619252B2 (en) | Microscope including a light intensity measuring unit for measuring an intensity of light emitted from the microscope | |
JP5356804B2 (en) | Raman scattered light measurement system | |
US20180136041A1 (en) | Optical analysis system with optical conduit light delivery | |
NL2023275B1 (en) | Alignment and readout of optical chips | |
KR101620594B1 (en) | spectroscopy apparatus | |
JP2006308403A (en) | Spectroscopy unit | |
US8742384B2 (en) | Optical illumination apparatus and method having a reflective arrangement with moveable components for adjusting incident light | |
JP2007271528A (en) | Coaxial compact fluorescence spectroscopic analyzer | |
US12085447B2 (en) | Spectroscopy system | |
KR101403065B1 (en) | Multichannel fluorescence detection system for laser induced fluorescence with capillary electrophoresis | |
JP2009192284A (en) | Spectral unit, spectroscopic analyzer, and wavelength division multiplex transmission system | |
JP3494148B2 (en) | Focus detection device and laser inspection processing device | |
KR101756364B1 (en) | Optical Spectrometer of using Fiber Bragg Grating | |
JP2013195264A (en) | Spectroscope and microspectroscopic system | |
JP2013200329A (en) | Microscope system |