JPH05333286A - 光束平坦化光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フローサイトメータのフローセル中の細胞に
幅が狭く中心部が平坦でエネルギー密度が高いレーザ光
を照射することのできる製作容易で小型、低価格の光束
平坦化光学系を提供する。また、上記レーザ光の形状を
拡大、縮小し、さらに４角形にできるようにする。 【構成】 集光レンズ２、または拡大、縮小レンズ系に
よりレーザ光を拡大、縮小してカルサイト（方解石）結
晶４に入射し、偏光方向が直交する平行な２光束７と８
を得て照射面上で重ね合わせる。また、２枚のカルサイ
ト結晶板４と２１により一列に並ぶ４光束を得て照射面
上で重ね合わせ、また、２枚のカルサイト結晶板を相対
的に回転させるて正方形のスポットを得る。上記カルサ
イト結晶は補強用ガラス基板５、２２等に接着後、研磨
して製作する。また、上記光束平坦化素子を集光レンズ
２と照射面６の間に挿入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フローサイトメータに
おいてフローセル中を流れる細胞にレーザ光束を効率良
く照射する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のフローサイトメータやレーザ加工
機においてはレーザ光束を効率よく集光することが要請
されている。フローサイトメータではフローセル内を通
過する細胞にレーザビ−ムを照射して細胞からの蛍光強
度または散乱強度を測定して細胞分析を行なう。この場
合、レーザビ−ム強度は一般にガウス型に分布するの
で、レーザビ−ムの中心が細胞を通過する場合と、中心
からずれている場合とでは細胞からの蛍光強度や散乱強
度に違いが生じるので、レーザビ−ムの強度分布を出来
るだけ光平坦にするようにしていた。

【０００３】しかし、上記レーザビ−ム強度の平坦化に
より上記信号変動幅を低減できるものの信号強度が平均
的に低下し、検出感度が低まるという問題があった。特
開平１−２７９４８７号公報「流動細胞分析装置」およ
び特開平２−３１５０９９号公報「粒子分析装置」に
は、レーザビ−ムを２ないし４つに分割して位置をずら
して重ね合わせることにより、光束の平坦部分を拡大し
て上記問題を改善するようにしていた。

【０００４】図２は上記レーザビ−ムを２分割した場合
の光学系の構成図である。直線偏光したレーザビ−ム１
は１／２波長板３によりその偏光方向を回転され、ウォ
ラストンプリズム９により位置がわずかに離れた２つの
光ビ−ム７と８に分離され、集光レンズ２により各分割
光を並行化して重ね合わせるようにする。ウォラストン
プリズム９は光学的に異方性の結晶を２枚、結晶軸方向
を直交させ、張り合わせ面の角度を端面とは非平行にし
て製作され、光ビ−ム７と８の偏光方向を互いに直交さ
せて光束間の干渉を防止する。上記光ビ−ム７と８は入
射光の偏光面の向きに応じた分岐角θで分かれ常光線と
異常光線に対応する。照射面における光のエネルギー密
度分布は２つの光束の和になる。

【０００５】図３（Ｂ）の太い線は照射面６上における
光ビ−ム７と８の合成強度分布であり、中心部分の平坦
部分が広くなり、同時にエネルギー密度が増加すること
がわかる。これに対して通常の光学系により平坦部分を
広げようとすると、レーザ光束の分布は図３（Ａ）のよ
うになり中心部のエネルギー密度が低下する。しかし、
上記図２のウォラストンプリズム９は製作が簡単でない
ため高価格であり、また、ウォラストンプリズム９と照
射面６間に集光レンズ２が入るため光学系が長くなると
いう問題があった。また、上記ウォラストンプリズムを
２組使用して光束を４分割することにより光束をさらに
平坦化できるものの、１つおきの光束間に干渉が起るた
め位相までを考慮した調整が必要となるという問題があ
った。

【０００６】特開昭５９−６９７２８号公報には上記ウ
ォラストンプリズム（図２）の問題を改善する方法が開
示されている。すなわち、厚さの異なる複屈折結晶板と
１／２波長板を組合せたものにレ−ザ光を照射して出射
光を２分割し、さらに上記複屈折結晶板と１／２波長板
を組合せたものそれぞれ交互に複数個設けてレ−ザ光を
複数の出射光に分離して短軸と長軸との比の小さい楕円
状ビ−ムとし、走査時の反射強度を強めるようにしてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭５９−６９
７２８号公報に開示の方法には、レ−ザビ−ムを微小ス
ポット化して楕円状ビ−ムの形をさらに平坦で鋭くする
方法については開示されていなかった。また、レ−ザビ
−ムのスポットサイズを拡大、縮小して出力ビ−ムサイ
ズを自由に調節できないという問題もあった。さらに、
分割したしたレ−ザビ−ムの配置を上記一列の他に四角
形その他の形に各光間の相互干渉なく配列することもで
きなかった。本発明の目的は、上記分割したしたレ−ザ
ビ−ムのサイズや配置を調節することにより、フローサ
イトメータのフローセル中の各種の細胞にレーザ光束を
効率良く照射することができる小型、低価格で製作容易
な光束平坦化光学系を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、１／２波長板とカルサイト（方解石）結晶等の複屈
折性を有する光学結晶の前に上記入射光束を縮小あるい
は拡大する集光レンズまたは縮小・拡大光学系を設ける
ようにする。また、上記１／２波長板および複屈折性光
学結晶を光軸にそって複数組設けるようにする。また、
上記集光レンズにシリンドリカルレンズを用いるように
する。

【０００９】さらに、第１の１／２波長板と第１の複屈
折性光学結晶により入射光束を２つに分離し、第２の１
／２波長板により４５°回転して第２の複屈折性光学結
晶により一列に配列する４つの光束に分離するようにす
る。また、第１の複屈折性光学結晶に対して第２の複屈
折性光学結晶を９０°回転して配置し、入射光束を四角
形状の４つの光束に分離するようにする。また、フロー
サイトメータ装置においては入射光束を上記光束平坦化
光学系を通して細胞に照射するようにする。

【００１０】

【作用】上記集光レンズまたは縮小・拡大光学系は入射
光束を縮小あるいは拡大して１／２波長板と複屈折性光
学結晶に入射する。また、上記シリンドリカルレンズは
入射光のスポット形状を扁平に変化する。また、上記複
数組の１／２波長板と複屈折性光学結晶は入射光束を複
数に分割する

【００１１】また、第１の１／２波長板と第１の複屈折
性光学結晶により入射光束を２つに分離し、第２の１／
２波長板により４５°回転して第２の複屈折性光学結晶
に入射することにより入射光束を一列配列の４つの光束
に分離する。また、第１の複屈折性光学結晶に対して第
２の複屈折性光学結晶を９０°回転することにより、入
射光束を四角形状の４つの光束に分離する。また、フロ
ーサイトメータ装置においては上記光束平坦化光学系に
より得られた入射光束を細胞に照射する。

【００１２】

【実施例】

［実施例１］図１は本発明による光束平坦化光学系実施
例の構成図である。直線偏光したレーザ光束１は集光レ
ンズ２により集光されて１／２波長板３を通過し、カル
サイト（方解石）結晶４に入射される。カルサイト結晶
４の厚みが薄い場合にはカルサイト結晶４は補強光学ガ
ラス５により補強され、十分な厚さがある場合には補強
ガラス５を省略することができる。

【００１３】レーザ光束１はカルサイト結晶４により偏
光方向が互い直交する異常光線７と常光線８に分離され
それぞれ光軸と平行に出射する。常光線８はカルサイト
結晶中を直進し、異常光線７は結晶中で光軸と約６°曲
げられる。異常光線７と常光線８間の距離ｄはカルサイ
ト結晶の厚さｔに比例し、式（１）のように表される。 ｄ＝ｔ・ｔａｎ６° （１）

【００１４】また、１／２波長板３は入射光束１の偏光
方向を４５°回転させるのでカルサイト結晶４から出射
する常光線８と異常光線７の偏光方向は互いに直交して
相互に干渉することがなくなり、また、照射面６におけ
る異常光線７と常光線８のエネルギー強度が揃うので、
図３（Ｂ）に示すように照射面６における光のエネルギ
ー密度分布を両光束の和にすることができる。本発明で
は、集光レンズ２によりレーザ光束１を微細スポットに
集光するので異常光線７と常光線８もそれぞれ微細化さ
れ、照射面６上に形成される楕円光の分布を幅狭く鋭い
ものにすることができる。常光線７と常光線８の各スポ
ットサイズはレーザ光束１のサイズと集光レンズ２の焦
点距離により設定する。

【００１５】また、上記エネルギー密度分布の形は使用
目的に応じて変える必要がある。エネルギー密度分布の
中心部を幅狭く出来るだけ平坦にする場合には集光レン
ズ２により常光線７と常光線８の各スポットサイズを小
さくし、同時にカルサイト結晶４の厚みを薄くして距離
ｄも小さくするようにする。また、エネルギー密度分布
を幅広く平坦にする場合には集光レンズ２により常光線
７と常光線８の各スポットサイズを広げ、同時にカルサ
イト結晶４の厚みを厚くして距離ｄを大きくするように
する。

【００１６】カルサイト結晶４は補強光学ガラス５に接
着後、所定の厚さまで研磨して製作する。カルサイト結
晶４の厚みが薄い場合には補強光学ガラス５によりカル
サイト結晶４補強するようにしてその製作を容易化す
る。また、１／２波長板３とカルサイト結晶４を集光レ
ンズ２と照射面６間に組み込むため光軸方向の長さを比
較的短くすることができ、光学系を小さく構成すること
ができる。また、常光線８と異常光線７間の距離ｄはカ
ルサイト結晶４の面上の位置に依存しないからカルサイ
ト結晶４に入射するレ−ザ光束の位置調整を省略して組
立調整工程を簡素化することができる。

【００１７】ただし、集光レンズ２の焦点合わせと、１
／２波長板３の偏光方向とカルサイト結晶４の角度を調
整する作業は必要である。なお、１／２波長板３は集光
レンズ２の手前に設けることもできる。以上により、製
作、調整等が容易で、コンパクトな光束平坦化光学系を
安価に提供することができる。

【００１８】［実施例２］図４は本発明による他の光束
平坦化光学系実施例の構成図であり、幅の広い楕円光束
を得ることができる。図４においては、凹レンズ２６と
凸レンズ２７よりなるビ−ム拡大光学系の焦点距離を調
整して集光レンズ２に入射する光ビ−ムの大きさを拡大
する。

【００１９】［実施例３］図５は本発明による光束平坦
化光学系の他の実施例の構成図である。図５において
は、集光レンズ２の替わりに２枚のシリンドリカルレン
ズ１０と同１１を用いて光束平坦化方向と平坦化しない
方向の光束集光サイズを別個に決定するようにしてい
る。すなわち、シリンドリカルレンズ１０により光束平
坦化方向の光束幅を決め、シリンドリカルレンズ１１に
より光束平坦化方向に直交する方向の光束幅を決定す
る。なお、光束平坦化方向に直交する方向の光束幅がシ
リンドリカルレンズ１１の面内に納まる場合にはシリン
ドリカルレンズ１１をカルサイト結晶４と照射面６の間
に挿入するようにしてもよい。

【００２０】［実施例４］図６は本発明による光束平坦
化光学系の他の実施例の構成図であり、カルサイト結晶
を２個使用し、１／２波長板２０によりカルサイト結晶
４から出た常光線および異常光線の偏光方向を再び４５
°回転させると、照射面６に４つの光束が１列に並んで
集光されるので、カルサイト結晶４と２１の厚さを適当
に選択して分離した４つの光束を重ね合わせることによ
り、さらに優れた光束平坦特性を得ることができる。こ
のとき、隣合う光束の偏光方向は直交するため、隣合う
光束同士の干渉が起こらない。１つ置きの光束間では偏
光方向が一致するため干渉が発生するがその強度は小さ
い。なお、２２はカルサイト結晶２１を補強する補強光
学ガラスである。

【００２１】また、第１のカルサイト結晶４に対して第
２のカルサイト結晶２１を９０°回転して配置すると４
つの光束を四角形に配置することができ、この４つの光
束を重ね合わせて正方形スポットを得ることができる。
このような正方形のスポットはレ−ザ光束を大きな細胞
に一様に照射する場合にとくに有効である。

【００２２】なお、本発明は上記各カルサイト結晶と同
様の性質を有する光学材料についても同様に適用するこ
とができる。また、本発明の適用範囲はフローサイトメ
ータばかりでなく、レーザ加工機やレーザプリンタなど
光束平坦化が必要な光学系に対し応用できる。

【００２３】

【発明の効果】本発明により以下の効果を有する光束平
坦化光学系を提供し、例えばフローサイトメータにおけ
るレーザ光束の集光効率とその一様性を改善して細胞か
らの蛍光または散乱検出信号の変動を低減し、検出感度
を向上することができる。 （１）集光レンズまたは縮小光学系によりレーザ光束を
小さく集光し、１／２波長板とカルサイト結晶により光
束を分離するので、幅が狭く中心部が平坦でエネルギー
密度が高い光スポットを得ることができる。

【００２４】（２）上記光スポット発生用の厚さの薄い
カルサイト結晶を、予め補強用ガラス基板に接着したカ
ルサイト結晶を研磨することにより容易に製作すること
ができる。 （３）拡大・縮小光学系部分を用いることにより光スポ
ットの形状を自在に拡大、縮小することができる。

【００２５】（４）光スポットの形状はカルサイト結晶
面の光軸位置によらないので光軸位置調整を省略するこ
とができる。 （５）光束平坦化素子の構成が簡単なため製作が容易で
あり、集光レンズと照射面の間に光束平坦化素子を挿入
できるため、光学系全体を小型化できる。 （６）２枚のカルサイト結晶板を相対的に回転させるこ
とによりスポット形状を正方形化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光束平坦化光学系の構成図であ
る。

【図２】従来のウォラストンプリズムを使用した光束平
坦化光学系の構成図である。

【図３】光束を平坦化する光ビ−ムの強度分布図であ
る。

【図４】本発明による他の光束平坦化光学系の構成図で
ある。

【図５】シリンドリカルレンズを使用した本発明の光束
平坦化光学系の構成図である。

【図６】４光束による本発明の光束平坦化光学系の構成
図である。

【符号の説明】

１…レーザ光束、２…集光レンズ、３、２０…１／２波
長板、４、２１…カルサイト結晶、５、２２…補強ガラ
ス板、６…照射面、７…異常光線、８…常光線、９…ウ
ォラストンプリズム、１０、１１…シリンドリカルレン
ズ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １／２波長板とカルサイト（方解石）結
   晶等の複屈折性を有する光学結晶により入射光束を常光
   線と異常光線に分離して照射面上にて重ねあわせる光束
   平坦化光学系において、上記光学結晶の前に上記入射光
   束を縮小あるいは拡大する集光レンズまたは縮小・拡大
   光学系を設けたことを特徴とする光束平坦化光学系。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記１／２波長板お
   よび複屈折性光学結晶を光軸にそって複数組設けたこと
   を特徴とする光束平坦化光学系。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、上記集光レ
   ンズをシリンドリカルレンズとしたことを特徴とする光
   束平坦化光学系。
4. 【請求項４】 請求項２において、上記入射光束を第１
   の１／２波長板と第１の複屈折性光学結晶により２つの
   光束に分離し、第２の１／２波長板により４５°回転し
   て第２の複屈折性光学結晶により一列に配列する４つの
   光束に分離するようにしたことを特徴とする光束平坦化
   光学系。
5. 【請求項５】 請求項２において、第１の複屈折性光学
   結晶に対して第２の複屈折性光学結晶を９０°回転して
   配置して、上記入射光束を四角形状に配置された４つの
   光束に分離するようにしたことを特徴とする光束平坦化
   光学系。
6. 【請求項６】 入射光束を請求項１ないし５に記載の光
   束平坦化光学系を通して細胞に照射するようにしたこと
   を特徴とするフローサイトメータ装置。