JP2005265626A

JP2005265626A - 分光分析用ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP2005265626A
Application number: JP2004079031A
Authority: JP
Inventors: Etsuo Nemoto; 越男根本; Kohei Maruyama; 浩平丸山; Haruko Takeyama; 春子竹山; Tadashi Matsunaga; 是松永
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】分光分析装置においてＬＥＤを光源とした場合に、効率よくＬＥＤの光を集光でき、且つ装置が大型化しない照明装置を提供する。
【解決手段】周状に配置された複数のＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段を備えた分光分析用のＬＥＤ照明装置であって、ＬＥＤ光源の下部に配置され、該光源から発光された垂直方向の光束をその上面にて受光し、２つの反射面によって反射して垂直下方に集光する光学的手段を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
【選択図】図５

Description

本発明は、分光分析用のＬＥＤ照明装置及びこれを用いた被検物質の蛍光測定方法に関する。

従来の分光分析装置の基本構成概要は、吸光光度分析通則（ＪＩＳＫ０１１５）、発光分光分析通則（ＪＩＳＫ０１１６）及び、蛍光光度分析通則（ＪＩＳＫ０１２０）等に記載されている。従来の分光分析装置の例を図１、図２に示す。図１において、ａは点灯回路、ｂは光源、ｃは試料、ｄは受光素子、ｅはＡ／Ｄ変換及び信号処理である。ａによりｂが点灯し、ｂから発せられた光が、ｃを透過してｄで受光する。ｄで受光した光の信号をｅで処理する。図２において、ａは点灯回路、ｂは光源、ｃは試料、ｄは受光素子、ｅはＡ／Ｄ変換及び信号処理である。ａによりｂが点灯し、ｂから発せられた光がｃに照射されて反射した光をｄで受光する。ｄ受光した光の信号をｅで処理する。

吸光度分析においては、光源の光を干渉フィルターや分光器等を介して単波長の光にして試料に照射し、受光して透過率、及び吸光度を算出する測定方式を前分光方式と呼ぶ。また、白色光を試料に照射し、干渉フィルターや分光器等を介して受光し、透過率、及び吸光度を算出する測定方式を後分光方式と呼ぶ。図１、図２に示すように透過して受光する方式や反射して受光する方式等がある。また、蛍光分析においては、光源の光を干渉フィルターや分光器等を介して単波長の光にして照射し、試料から発せられた蛍光を干渉フィルターや分光器等を介して受光し、蛍光度として算出する。図１、図２に示すように透過して受光する方式や反射して受光する方式、照射する光と直角方向に受光する方式等がある。また、発光分析においては、化学反応により試料から発せられた光を干渉フィルターや分光器等を介して受光し、発光度として算出し、図３に示すように受光する。また、複数試料を同時に測定するマイクロプレートリーダーと呼ばれる装置もある。

上記のように、分光分析装置において、受光側あるいは投光側において、干渉フィルターを使用することにより、ある特定の波長範囲の光のみを透過している。図４に干渉フィルターを使用した従来の照明装置を示す。ｆはハロゲンランプ、ｇはチョッパーホイール、ｈはコンデンサーレンズ、ｉは熱吸収フィルター、ｊはフィルタホイール、ｋは干渉フィルターである。この構成により、分光分析に使用する単波長の光を取り出すことができ、ファイバー等を使用して試料に照射する。
斯かる照明装置では、光源としてはハロゲンランプなどの白熱光源が使用されているが、これらの光源を使用するには十分な光量を発光するために、それをドライブするための大きな電力が必要である。更に効率が悪いため発熱し、連続使用するには放熱などを考慮する必要がある。

一方、これら白熱光源とは別の光源としてＬＥＤが考えられる。ＬＥＤは、非常に広い帯域幅にわたって放射する白熱光源に対して、比較的大きい光子束を比較的狭い帯域幅にわたって発生する。すなわち、ＬＥＤ放射スペクトルは比較的狭い帯域幅であるために干渉フィルターを含む必要がないことが多く、それによって光学系の費用が廉価になり、電力要求が減少するなど、メリットが多い。

しかしながら、ＬＥＤは紫外域など波長によっては輝度の小さいものも多く、複数個使用しなければ十分な光量を確保できない場合がある。平面状に複数個のＬＥＤを並べる場合、光の照射面積の増大を招く。また、複数個のＬＥＤの光を集光する手法においても、ドーム型やリング型など、直にＬＥＤを集光部に向ける方法では光線の角度が特有の性質を持ってしまう欠点がある。

本発明は、分光分析装置においてＬＥＤを光源とした場合に、効率よくＬＥＤの光を集光でき、且つ装置全体がコンパクトな照明装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、斯かる事情に鑑み、検討したところ、ＬＥＤ光源の下部に光束を偏光・集光させる光学的手段を備えることによって、上記の課題が達成でき、限られたスペースで蛍光分析等を効率よく行えることを見出した。

すなわち、本発明は、周状に配置された複数のＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段を備えた分光分析用のＬＥＤ照明装置であって、ＬＥＤ光源の下部に配置され、該光源から発光された垂直方向の光束をその上面にて受光し、２つの反射面によって反射して垂直下方に集光する光学的手段を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明装置を提供するものである。

また本発明は、周状に配置された複数のＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段を備えたＬＥＤ照明装置を用いて被検物質の蛍光強度を測定する方法であって、ＬＥＤ光源の下部に配置され、該光源から発光された垂直方向の光束をその上面にて受光し、２つの反射面によって反射して垂直下方に集光でき、中心部に設けられた貫通穴に、励起光により発光した蛍光を導入するための光ファイバーを設置してなる光学的手段を用いることを特徴とする蛍光測定方法を提供するものである。

本発明の照明装置によれば、ＬＥＤ光源による光を効率よく集光した平行光を特定のエリアに照射することができる。また、偏光・集光の光学的手段が、ＬＥＤ光源に対して、その下部に配置され、垂直方向に光が集光されることから、装置が平面方向へ拡大することを防ぐことができる。また、干渉フィルターを使用する場合、光学的手段の上面にフィルター処理できることから、施行が容易である。また、蛍光検出を行う場合においても、光学的手段の中に、光ファイバーや、検知センサ等を装着することにより、限られたスペース内に励起光源と検知センサを収めることができる。

図５は、本発明ＬＥＤ照明装置の主要構成断面図である。
１はＬＥＤ光源であり、複数のＬＥＤが周上、例えば円周上に配置され（図６）、垂直下方向に発光するように向けられている。２はＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段のプリズムである。プリズムは光源であるＬＥＤの下部になるべく近接するように設置され、光源から発せられた光束を、プリズム上面の受光面で受光するように配置されている。複数のＬＥＤを使用する場合、光源のスペースが大きくなるが、このようにプリズムを配置することにより、被検物質付近の平面方向のスペースに余裕がない場合にも設置が可能となる。

斯かるプリズムは、上面に受光面を有し、反射面を少なくとも２カ所有する必要がある。すなわち、ＬＥＤ光源１から発光した垂直方向の光を、プリズム２の上面の受光面で受光し、当該光を少なくとも第１、第２の反射面３を介して垂直下方向に集光可能なものであることが必要である。プリズムの形状は、円柱状部とその上端部に設けられたより大径の逆円錐台部とを備え、これらを光透過素材（たとえばガラス）により一体的に成形されて構成されている。この円柱状部と逆円錐台部とは同心である。反射面の形状は、例えば、前述した逆円錐台部の中心と同心の円錐の凹形状が挙げられる。この円錐面からなる反射面はその中心線に対する傾斜角度がたとえば４５°に設定されている。

尚、プリズム以外にも、ＬＥＤの光束を偏光・集光でき、照射エリアを一定に保ち、且つ光量を増大させることができるものであれば本発明の光学的手段として使用でき、例えば、前述した逆円錐台の円錐面と、円錐の凹形状それぞれの円錐面に沿って形成されたミラー等が使用可能である。

図６にＬＥＤの配置図を示す。ＬＥＤは、下部に置かれたプリズム２の形状に合わせ、円周上に配置されている。

斯かるＬＥＤ光源と光学的手段の受光面との間には、干渉フィルターを設置することによって、より帯域の狭い光をプリズムに入光させれば、ＬＥＤの特性よりさらに限定された帯域の光を集光できることになり、分光分析上好ましい。干渉フィルターの種類や大きさはその波長をカバーするＬＥＤの特性に応じて決定すればよく、またその設置位置も光源と光学的手段の受光面との間であればよく、光学的手段の受光面に直接フィルター処理を施すことでもよい。例えば、ドーナツ形状の干渉フィルターをＬＥＤとプリズムの間に平行に設置することや、プリズム上面に直接フィルター処理する方法が挙げられる。
図７に受光面に干渉フィルター処理を施したプリズムの立体図、図８に当該干渉フィルター処理を施したプリズムを装着した本発明ＬＥＤ照明装置の断面図を示す。
プリズム６は、上面に干渉フィルターの処理が施されている。干渉フィルターの種類は必要に応じて２つ以上に分割されている（図７）。処理の面積はその波長をカバーするＬＥＤの特性に応じて決定される。これにより光射出口により射出される光は、ＬＥＤの特性よりさらに帯域が限定されるので、分光分析により適する。

図９にプリズム６の中心部に設けた貫通穴に、励起光により発光した蛍光を検知センサに導入するための光ファイバーを設置した本発明ＬＥＤ照明装置の断面図を示す。
ＬＥＤ光源１が点灯すると、プリズム６の第１及び第２の反射面で反射して垂直方向に集光し、被検物質８が入ったプレートの上方より励起光として照射される。この際、蛍光物質が存在し、蛍光物質が励起されて蛍光が発光すると、当該蛍光がプリズム７の中心に設けられた貫通穴９に装着された光ファイバ−１０を通じて蛍光検出部へ導かれる。ここでは、蛍光を検知センサに導入するための手段として光ファイバーを示したが、貫通穴の内径に収まるならば、フォトダイオード等の検知センサを装着して直接検出することでもよい。

図１は従来の分光分析装置（吸光分析）の概念図である。図２は従来の分光分析装置（発光分析）の概念図である。図３は従来の分光分析装置（蛍光分析）の概念図である。図４は従来の分光分析用照明装置の概念図である。図５は本発明ＬＥＤ照明装置の主要構成断面図である。図６はＬＥＤの配置図である。図７は受光面に干渉フィルター処理を施したプリズムの立体図である。図８は干渉フィルター処理を施したプリズムを装着した本発明ＬＥＤ照明装置の断面図である。プリズムの中心部に光ファイバーを装着したＬＥＤ照明装置の断面図である。

符号の説明

１：ＬＥＤ光源
２：プリズム
３：反射面
４：プリント基板
５：光射出口
６：プリズム（フィルター処理）
７：プレート
８：被検物質
９：貫通穴
１０：光ファイバー
１１：蛍光受光面

Claims

周状に配置された複数のＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段を備えた分光分析用のＬＥＤ照明装置であって、ＬＥＤ光源の下部に配置され、該光源から発光された垂直方向の光束をその上面にて受光し、２つの反射面によって反射して垂直下方に集光する光学的手段を備えたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
ＬＥＤ光源と光学的手段の受光面との間に、干渉フィルターを設置してなる請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
干渉フィルターの設置が、光学的手段の受光面にフィルター処理するものである請求項２記載のＬＥＤ照明装置。
光学的手段が、円筒形状の受光面を有するプリズムである請求項１〜３のいずれか１項記載のＬＥＤ照明装置。
光学的手段の中心部に設けられた貫通穴に、励起光により発光した蛍光を導入するための光ファイバーを設置してなる請求項１〜４のいずれか１項記載のＬＥＤ照明装置。
貫通穴に、更に光センサを設置するものである請求項５記載のＬＥＤ照明装置。
周状に配置された複数のＬＥＤ光源と、該ＬＥＤ光源から発せられた光束を偏光・集光させる光学的手段を備えたＬＥＤ照明装置を用いて被検物質の蛍光強度を測定する方法であって、ＬＥＤ光源の下部に配置され、該光源から発光された垂直方向の光束をその上面にて受光し、２つの反射面によって反射して垂直下方に集光でき、中心部に設けられた貫通穴に、励起光により発光した蛍光を導入するための光ファイバーを設置してなる光学的手段を用いることを特徴とする蛍光測定方法。