(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を集光光学系（５）によりその焦点上に集光させて真空又は媒質中の粒子（２）に照射することにより当該粒子（２）を捕捉するレーザトラッピング装置において、レーザ光の光路に沿って、前記集光光学系（５）の手前側にレーザ光を複数の平行光束に分割するプリズム（３）が配設され、当該プリズム（３）は、レーザ光の入射側及び出射側の両端が、２以上の同数の平面（６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂ) で形成され、入射側及び出射側の対となる平面（６Ａ及び７Ａ，６Ｂ及び７Ｂ) 同士が互いに平行面に形成されたことを特徴とするレーザトラッピング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、レーザ光を集光光学系によりその焦点上に集光させて真空又は媒質中の粒子に照射することにより当該粒子を捕捉するレーザトラッピング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
媒質中の微粒子を非接触，非破壊で捕捉したり、任意の位置へ転送する等のマニュピレーションを行う手法としてレーザトラッピングが知られている。
これは、レーザ光を顕微鏡内に導いて対物レンズで集光し、捕捉しようとする粒子に照射することにより光の放射圧を生じさせ、その圧力により当該粒子を捕捉するものである。
【０００３】
そして、このようなレーザトラッピングにおいては、光軸に直交する平面内でのトラップ力が比較的大きく、これに比して光軸方向のトラップ力が小さいので、専ら光軸に直交する平面内において粒子を二次元的に移動させる操作が行われていたが、最近では、光軸方向のトラップ力を大きくして粒子を光軸に直交する平面内だけでなく光軸方向へも三次元的に移動できるようにしたレーザトラッピング装置が提案された（特開平５−９３８７１号公報参照）。
【０００４】
これは、図５（ａ）に示すように、レーザ光の光路Ｂ中に、頂角の等しい一対の円錐プリズム６１，６２と集光レンズ（対物レンズ）６３が夫々の光軸を一致した状態で配されたもので、レーザ光束は第一の円錐プリズム６１を透過したところで円錐筒状に拡がる光束に変換され、次いで第二の円錐プリズム６２を透過したところで円環状の円筒状の光束に変換された後、これが集光レンズ６３により焦点に集光されて、その焦点において真空又は媒質中の粒子６４を捕捉するようになされている。
【０００５】
このとき、粒子６４を焦点上に位置させてレーザ光を照射すると、レーザ光は光軸に対して比較的大きな角度で入射される円錐筒状の光束となり、その内側には粒子に照射される光がないので、粒子６４の表面の反射により当該粒子６４を光軸に沿って光照射方向に押す力が小さくなり、結果として光軸に沿って光照射方向と反対方向に捕捉する力が増し、粒子を重力に抗して持ち上げたり、空間中の任意の位置に保持することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、対となる二つの円錐プリズム６１及び６２の光軸を同軸的に精度よく配置することは極めて困難であり、光軸が傾いたりずれたりした場合にはレーザ光が散乱してしまうという問題があった。
例えば、図５（ａ）に示すように光軸を完全に一致させて直径約４ｍｍのレーザ光束を照射した場合、その焦点においてレーザ光は図６（ａ）に示すように直径約１０μｍのスポット状に集光されるが、図５（ｂ）に示すように第一の円錐プリズム６１の光軸が約２度傾くとレーザ光は図６（ｂ）に示すように直径約  ０．２ｍｍ程度に散乱し、また図５（ｃ）に示すように第一の円錐プリズム６１の光軸がレーザ光の光軸から僅かに０．１０ｍｍずれるだけでレーザ光は図６（ｃ）に示すように直径約  ０．４ｍｍ程度に散乱してしまい、とてもレーザトラッピングを行う光学系として使用することができないという問題があった。
【０００７】
また、光軸を正確に合わすことができたとしても、円錐プリズム６１及び６２の頂角を正確に等しく加工し、且つ、歪みなく成形することは非常に困難である。したがって、歪みのない一対の理想的なプリズムを成形し、且つ、これらの光軸を精度よく合わせなければならず、このため製造コストが嵩み、レーザトラッピング装置が高価にならざるを得ないという問題があった。
そこで、本発明は、精度よく製造することが極めて困難な円錐プリズムを用いることなく、しかも、光軸が多少傾いたりずれたりしてもレーザ光が散乱することなく集光されて粒子を確実に捕捉できるようにすることを技術的課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために、本発明は、レーザ光を集光光学系によりその焦点上に集光させて真空又は媒質中の粒子に照射することにより当該粒子を捕捉するレーザトラッピング装置において、レーザ光の光路に沿って、前記集光光学系の手前側にレーザ光を複数の平行光束に分割するプリズムが配設され、当該プリズムは、レーザ光の入射側及び出射側の両端が、２以上の同数の平面で形成され、入射側及び出射側の対となる平面同士が互いに平行面に形成されたことを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、集光光学系の手前側にレーザ光を複数の平行光束に分割するプリズムが配設されており、そのプリズムは、レーザ光の入射側及び出射側の両端が、２以上の同数の平面で形成されており、入射側及び出射側の対となる平面同士が互いに平行面に形成されているので、複雑な曲面を形成する必要がなく、プリズムを極めて簡単にしかも精度良く加工成形できる。
【００１０】
そして、プリズムの入射側の各平面が集まる稜線又は頂点からレーザ光を入射させると、レーザ光は各平面で屈折されてその面の数分の光束に分割されると共に、出射側の面で再び屈折される。
このとき、入射側と出射側の対となる平面同士が平行に形成されているので、集光光学系の光軸に対してプリズムの光軸が多少傾いても、また、多少ずれても各光束は散乱することなく、必ず集光光学系の周囲に光軸と平行な複数の光束として出射される。
したがって、これらの光束を集光光学系によりその焦点に集光することができ、各光束は光軸に対して比較的大きな角度で集光されるのでその焦点上に粒子が捕捉される。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて具体的に説明する。
図１は本発明に係るレーザトラッピング装置を示す概略説明図、図２（ａ）乃至（ｅ）は夫々レーザトラッピング装置に使用する使用するプリズムを示す図、図３（ａ）及び（ｂ）は夫々プリズムを出射した光束及び焦点におけるレーザスポットを示す説明図、図４（ａ）及び（ｂ）は光軸が傾いたときとずれたときの光学系を示す概略説明図である。
【００１２】
図中１は、真空又は媒質中の粒子２にレーザ光を照射することにより当該粒子２を捕捉するレーザトラッピング装置であって、その光路に沿って、レーザ光を複数の平行光束に分割して出射させるプリズム３と、その平行光束を焦点上に集光させる二つのレンズ４ａ，４ｂからなる集光光学系５が配列されている。
このプリズム３は、レーザ光の入射側及び出射側の両端が、２以上の同数の平面６Ａ，６Ｂ，７Ａ，７Ｂで形成され、入射側及び出射側の対となる平面６Ａ及び７Ａ，６Ｂ及び７Ｂ同士が互いに平行面に形成されている。
【００１３】
具体的には、例えば、図２（ａ）に示すように四角柱８の両端に山形の斜面を形成したもの、図２（ｂ）に示すように正四角柱９の両端に正四角錐形状の斜面を形成したもの、図２（ｃ）に示すように正六角柱１０の両端に正六角錐形状の斜面を形成したもの、図２（ｄ）に示すように正八角柱１１の両端に正八角錐形状の斜面を形成したもの等を使用することができる。
【００１４】
また、上述したように偶数の平面を形成する場合に限らず、図２（ｅ）に示すように円柱１２に正三角錐形状の斜面を形成したものであってもよく、さらに、入射側及び出射側の対となる平面同士が互いに平行面に形成されていれば、正多角錐形状に限らず、単なる角錐形状であってもよい。
さらにまた、入射側に平面の集合する稜線又は頂点Ｐがあれば、出射側にはそのような稜線又は頂点がなくてもよい。
【００１５】
なお、プリズム３及びレンズ４ａ，４ｂは任意の材質を使用できるが、本例のプリズム３は屈折率ｎｄ  ＝１．５１のガラスを使用し、レンズ４ａはＳＫ１１（屈折率ｎｄ  ＝１．５６３８）のガラス、レンズ４ｂはＳＦ５（屈折率ｎｄ  ＝１．６７２７）のガラスを夫々使用している。
【００１６】
以上が本発明の構成例であって、次にその作用について図２（ｂ）のプリズムを使用した場合を例にとって説明する。
プリズム３は、正四角柱９の両端に正四角錐形状の斜面が形成されてなり、入射側及び出射側の対となる斜面だけでなく、当該プリズム３の周面もすべて平行な平面で形成することができるので、容易にしかも精度よく加工することができる。
【００１７】
そして、このように形成されたプリズム３を集光光学系５の光軸と同軸的に配列し、プリズム３の入射側の頂点Ｐからその光軸に沿ってレーザ光を入射させると、入射側の正四角錐の４つの斜面によりレーザ光が四方向に屈折され、出射側の正四角錐の４つの斜面により再び屈折されて４本の平行光となって出射される。
なお、このときレーザ光束の円形スポットが正四角錐の４つの斜面により４分割されているので、各光束の断面は、図３（ａ）に示すように１／４円の形状になっている。
【００１８】
そして、この平行光束を集光光学系５で集光させると、各光束は光軸に対して大きな角度をもって焦点に集まり、図３（ｂ）に示すように約１０μｍ程度のレーザスポットが形成され、その焦点で粒子を捕捉する。
このとき、光束と光軸のなす角度の内側には粒子に照射されるレーザ光は存在しないので、粒子の表面の反射により当該粒子を光軸に沿って光照射方向に押す力が小さくなり、結果として光軸に沿って光照射方向と反対方向に捕捉する力が増し、粒子を重力に抗して持ち上げたり、空間中の任意の位置に保持することができる。
【００１９】
また、プリズム３を配列するときに、図４（ａ）に示すように、プリズム３の光軸が集光光学系５の光軸に対して傾いても、各光束は光軸に対して平行に維持されるので光が散乱することはなく、例えば光軸の傾きが２度の場合、集光レンズ４の焦点にはやはり図３（ｂ）に示したのと同様に約１０μｍのレーザスポットが形成されるので、粒子２を確実に捕捉することができる。
【００２０】
さらに、図４（ｂ）に示すように、プリズム３の光軸が集光レンズ４の光軸に対してずれていても、集光レンズ４に入射される各平行光のエネルギー強度が異なるだけで、光が散乱することは一切なく、例えば光軸のずれが  ０．１ｍｍの場合、集光レンズ４の焦点にはやはり図３（ｂ）に示したのと同様に約１０μｍのレーザスポットが形成されるので、この場合も粒子２を確実に捕捉することができる。
【００２１】
なお、実施例では両端に正四角錐の斜面を形成したプリズムを使用した場合について説明したが、両端に山形の二対の平面を形成したプリズムや、角錐形状の傾斜面が形成されたプリズムを使用しても同様の作用効果が得られる。
ただし、角錐状に形成したプリズム３を使用する場合、平面の数が多くなるとそれだけ加工が面倒になるので、片端側を八面程度に加工するのが好ましい。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、プリズムの入射側及び出射側の面をすべて平面で構成することができるので、容易に且つ精度良く加工することができ、したがって、プリズムの単価が低下し、ひいては装置全体の製造コストを軽減することができ、また、入射側と出射側の対となる面が平行面で形成されているので、光軸が傾いたりずれたりしても光が散乱することなく焦点に集光されるので、確実に粒子を捕捉することができるという大変優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザトラッピング装置の例を示す概略説明図
【図２】それに使用するプリズムの例を示す斜視図
【図３】光束及びレーザスポットを示す説明図。
【図４】光軸が傾いた状態及びずれた状態を示す概略説明図
【図５】従来装置を示す概略説明図
【図６】従来装置の焦点におけるレーザスポットを示す説明図
【符号の説明】
１・・・レーザトラッピング装置
２・・・粒子
３・・・プリズム
５・・・集光光学系
６Ａ，７Ａ・・・入射側及び出射側の対となる平面
６Ｂ，７Ｂ・・・入射側及び出射側の対となる平面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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