(57)【要約】  光ピンセットシステムに用いられるビーム操作部であって、当該ビーム操作部は少なくとも1つの光学素子を有し、かつ当該光ピンセットシステムからの信号に応じてレーザービームに作用するため、制御可能なように変形できる。当該ビーム操作部は、当該光ピンセットシステムの焦点距離を変化させ、かつ前記レーザービームを偏向させるのに用いられて良い。
2009521712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの光学素子を有する、光ピンセットシステムに用いられるビーム操作部であって、前記光ピンセットシステムからの信号に応じてレーザービームに作用するため、制御可能なように変形できるビーム操作部。
【請求項２】
第1媒質、第2媒質、前記第1媒質と前記第2媒質との間の界面、及び界面制御手段を含むチャンバをさらに有するビーム操作部であって、前記第1媒質と前記第2媒質のうちのいずれか1つは前記光学素子として機能する、請求項1に記載のビーム操作部。
【請求項３】
前記界面は、1つ以上の端部セグメントによって境界が定められていて、かつ
前記界面制御手段は、前記端部セグメントに個別に作用するように備えられている、
請求項2に記載のビーム操作部。
【請求項４】
エレクトロウエッティングレンズを有するビーム操作部であって、前記界面制御手段は前記端部セグメントの各々へそれぞれ電圧を供給するように備えられた電極を有する、請求項3に記載のビーム操作部。
【請求項５】
前記光学素子が、光軸を与え、かつ該光軸に対して対称的に変形可能で、かつ
前記界面制御手段が、時間変化しながら前記端部セグメントに対称に作用するように備えられている、
請求項3又は4のいずれか1項に記載のビーム操作部。
【請求項６】
前記界面制御手段は、周期的な時間パターンで前記界面に作用するように備えられている、請求項5に記載のビーム操作部。
【請求項７】
請求項1から6のいずれか1項に記載のビーム操作部を有する光ピンセットシステム。
【請求項８】
制御可能なように変形することができる光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザービームを操作する方法であって、
前記レーザービームを操作するための設定信号を受け取る手順、
前記光学素子の少なくとも1つの駆動信号を計算する手順であって、前記計算は前記駆動信号に対して前記設定点を機能マッピングすることによって行われる手順、及び
前記光ピンセットシステムからの前記信号によって前記光学素子を駆動させる手順、
を有する方法。
【請求項９】
前記設定点は、前記レーザービームの焦点スポットの局所位置を定義し、
前記機能には、
前記制御可能なように変形できる光学素子の変形を定義する少なくとも1つのパラメータに対する駆動信号のマッピング、
前記光学素子の少なくとも1つの光学特性に対する前記変形のマッピング、及び
前記レーザービームの少なくとも1つのパラメータに対する前記光学特性のマッピング、
が含まれる、
請求項8に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ピンセットシステム及び該光ピンセットシステムの操作方法に関する。特に本発明は、光ピンセットシステムに含まれる変形可能な光学素子を有するビーム操作部に関する。
【０００２】
光ピンセットの用途はたとえば、生物学、物理学、ナノ加工、及び小型機械の光学アクチュエータに見いだされる。
【背景技術】
【０００３】
光ピンセットの原理は、放射線圧力の利用に基づく。強く集光されたレーザービームは、nmからμm範囲の大きさの（誘電体材料からなる）粒子を捕獲及び保持することができる。この技術は、原子、分子（大きなものも）、及び小さな誘電体球のような粒子の研究及び操作を可能にする。光ピンセットの基本的特性は、粒子が光強度分布によって捕らえられることである。光は粒子に作用させる。作用させる力の方向は、光の強度が最大に到達する地点へ向かう勾配強度分布の方向である。その結果、たとえば粒子を光ビームの焦点内で捕らえることができる。焦点位置が変化することで、空間内での粒子位置も変化する。レンズを変位させる又はミラーを傾けるのにモーター又は圧電アクチュエータを用いた機械的手段が知られている。これらの機械的手段の問題点は、複雑なこと、及び壊れやすい機械的可動部分を必要とすることである。さらに追加自由度の各々は通常、専用のアクチュエータを必要とし、場合によってはレンズ又はミラーのような追加の光学素子をも必要する。従って3の並進自由度及び1の回転自由度を有する典型的光ピンセットは、複雑でかなり高価なものとなる。
【特許文献１】国際公開第2004/051323号パンフレット
【特許文献２】欧州特許出願第04102437号明細書
【非特許文献１】アシキン(A.Ashkin)とジージック(JM.Dziedzic)、サイエンス誌、1987年、pp.1517-1520
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、光ピンセット内にレーザービームを操作する機械的手段の代替物を供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一の態様によると、光ピンセットシステム内で用いられるビーム操作部が供される。当該ビーム操作部は、少なくとも1つの光学素子を有し、かつ光ピンセットシステムからの信号に応答してビームに作用するため、制御可能なように変形する。
【０００６】
本発明のこの態様に係るビーム操作部は、光ピンセットシステム内でのビーム制御を供する。当該ビーム操作部は、光ピンセットシステム内で現在用いられている実質的に機械的なビーム操作手段の機能を担うことができる。同時に本発明のビーム操作部は、機械的手段に係る上述の問題点による影響を受けにくい。当該ビーム操作部はさらに、たとえば機械的許容度のような構成が異なるため、1つ以上の問題の影響も受けずに済む。ビームはたとえば、粒子、バクテリアなどを捕らえるのに光ピンセット内で用いられて良い。光学素子が変形可能であるため、ビーム操作は、これまでの機器よりもより柔軟性を有することができる。当該ビーム操作部はまた、ビーム光路中での光学素子の数を減らす機会をも供する。これまではそれぞれ別個の光学素子を必要としていた複数の機能が集約可能となる。
【０００７】
ビーム操作とは、ビームがビーム操作部を通過したときにそのビーム特性の1つ以上が変化するような、そのビームへの作用であると解される。具体的にはビームの幾何学的特性は、ビーム操作部による影響を受けやすい。ビームの幾何学的特性とは、2,3の例を挙げるとすると、たとえばビーム方向、ビームの集光、ビームの断面形状などである。
【０００８】
光学素子は、ビームに直接作用する部品を表す。光学素子は、屈折性光学素子又は反射性光学素子であって良い。光学素子はまた回折効果をも表しても良い。光学素子は、該光学素子の内部空間での材料分布が変化できるように変形することができる。たとえば屈折又は反射のような光学効果は、典型的には伝播媒質が、急峻又は徐々に変化する位置で生じる。よって光学素子の材料分布の変化は、その光学素子の光学的振る舞いを変化させる。用いられる光学素子の利点は、その光学素子の材料分布が制御可能なことである。適当な信号によって当該ビーム操作部及び含まれる光学素子を駆動させることによって、その光学素子は、変形することによって、当該ビーム操作部の光学的振る舞いを変化させる。換言すれば、当該ビーム操作部は、当該ビーム操作部の光学的振る舞いに対する（複数の）駆動信号のマッピングを実現する。当該ビーム操作部の駆動信号は、光ピンセットシステムを起源とする。よってその光ピンセットシステムには、ビーム操作作用の制御が供される。本明細書において、駆動信号を発生させる見かけ上独立した制御装置は、光ピンセットシステムの一部であると解されるべきであることに留意して欲しい。その理由は、たとえば粒子の位置を制御することは光ピンセットシステムの基本的機能だからである。
【０００９】
本発明の他の態様によると、当該ビーム操作部は、第1媒質、第2媒質、第1媒質と第2媒質との間の界面、及び界面制御手段を含むチャンバをさらに有する。ここで第1媒質と第2媒質のうちのいずれか1つは前記光学素子として機能する。
【００１０】
チャンバは典型的には一定の容積を有する。また第1媒質及び第2媒質の体積は典型的には一定である。第1媒質と第2媒質はたとえば、それぞれ異なる光学特性を有する2種類の非混和流体である。両流体がほぼ同一の密度を有する場合、比重は当該ビーム操作部の動作には実質的に影響しない。2つの媒質間には界面が存在する。その界面形状は、たとえば表面張力、濡れ性、又は2つの媒質の各々の毛管作用のような複数の因子に依存する。界面が界面制御手段によって影響を受ける結果、界面の形状、位置又は配向が修正されるのは有利である。
【００１１】
本発明の他の態様によると、界面は、1つ以上の端部セグメントによって境界が定められていて、かつ界面制御手段は、前記端部セグメントに個別に作用するように備えられている。
【００１２】
界面の境界が1つの端部セグメントによって定められる場合では、その界面は、全ての面から均一に作用を受ける。1つの端部セグメントを有する係る構成の例は、環状の界面又は楕円形状の界面である。1つの端部しか存在しない場合、その質量中心に対して光学素子が実質的に対称な変形をすることが予想される。複数の端部セグメントのより一般的な場合では、端部セグメントの各々は界面制御手段によって個別的に制御可能で、その界面をより柔軟性のある構成にすることができる。具体的には、界面を非対称な形状にすることも可能である。対称性の概念は、界面形状に依存して、（たとえば設置時での光学素子の光軸に対する）回転対称又は鏡面対象のいずれかを指して良い。端部セグメントを個別的に制御する能力は、光学素子の設置状態での光軸に垂直な面内に新たな自由度を与える。
【００１３】
本発明の他の態様によると、当該ビーム操作部はエレクトロウエッティングレンズを有し、かつ界面制御手段は各端部セグメントへそれぞれ電圧を供給するように備えられた電極を有する。
【００１４】
エレクトロウエッティングレンズは、導電性流体及び非導電性流体が電場に曝露されるとき、両者がそれぞれ異なる反応を示すという事実を利用する。特にチャンバの壁と接触する面は、印加電圧と反応する傾向にある。その理由は、チャンバ壁面の濡れ性が修正されるためである。必要な電場は、界面制御手段の一部である電極によって作られる。1つ以上の端部セグメントに対応する1つ以上の電極に加えて、接地電極が、共通の電気接地として供される。各端部セグメント電極へのこの接地電極の距離はそれぞれ等しい。この接地電極は導電性流体と接触しても良い。それぞれが異なる電位を有する複数の電極の場合、結果として発生する電場は、電極間の遷移を与える。典型的には異なる端部セグメント間での滑らかな遷移が望ましい。これは、電極を小さなままに保ち、かつ2つの隣接する電極間に電気抵抗を有する経路を供することによって実現されて良い。この経路の抵抗に依存して、電流が一の電極から他の電極へ流れる。電流が流れることで、その経路に沿って電圧降下が生じる。特殊な界面形状を得るために滑らかな界面が望ましくない場合には、一の電極は他の電極は、リーク電流及び放電を防ぐため間に小さな絶縁体が存在した状態で、実質的に隣接するように設けられる。
【００１５】
本発明の他の態様によると、光学素子は光軸を与え、かつその光軸に対して非対称的に変形することができ、界面制御手段は時間変化しながら端部セグメントに非対称的に作用するように備えられている。
【００１６】
光軸に対して非対称に変形可能な光学素子の利点は、このように変形することで、ビームの断面形状を変化させることができることである。ビームが集光される場合には、光学素子が非対称に変形する結果、焦点スポットも非対称となる。端部セグメントへの時間変化する界面制御手段の作用が加わることで、非対称な焦点スポットは、ビーム光軸の周りを回転することができる。そのビームの焦点スポットに捕らえられた粒子は、そのビーム光軸の周りを回転する非対称な焦点スポットのために回転モーメントを受ける。従って利点は、粒子をレーザービームによって回転させることができることである。このため、端部セグメント電極は、環状パターンで作動されて良い。この効果は、全てが機械的であるビーム操作手段によって実現することは困難である。その理由は、たとえばアナモルフィックレンズ（2つの主軸に沿ったレンズの曲率がそれぞれ異なる）のような特殊レンズは、たとえば電気モーターによって光軸の周りを回転しなければならないからである。光学素子の光軸は、その光学素子が設置状態にある、つまり電極に電場が印加されていない状態で定義される。特に光学素子の実際の光軸は可変であって良い。さらに光学素子の光軸は曲がることがある。これは、ビームの伝播方向が光学素子によって変化していることを示唆している。
【００１７】
本発明の他の態様によると、界面制御手段は、周期的な時間パターンで界面に作用するように備えられている。
【００１８】
周期的な時間パターンを供することの利点は、レーザービームの非対称な焦点スポットを回転させることによって粒子に回転モーメントを与えることに加えて、その回転モーメントを永続的に供給することが可能なことである。このことは、小型化された回転機器の動作に利用されて良い。様々な用途における小型化された回転機器とはたとえば、ポンプ、バルブ、遠心分離装置等である。周期的な時間パターンにより、レーザービームの焦点スポットを振動させることも可能となる。また複数の位置を含む往復経路上でたとえば粒子やバクテリア等の試料を捕らえることも可能である。各位置では、試料は特定の検査を受ける。特定の検査とはたとえば特定物質との試料の反応の検査である。ナノニュートン又はマイクロニュートン範囲で力を測定する光ピンセットシステムは、試料と所与の物質との間での引力の測定に用いられて良い。本発明のビーム操作部は、試料キャリア上の第1位置で試料を取り上げ、その試料を複数の検査位置へ送り、最終的に回収位置(drop  off  location)へ送るのに用いられて良い。その後焦点スポットは第1位置に戻る。試料の取得及び解放は、レーザービームのスイッチを短期間でオンとオフに切り換えることによって実現可能である。たとえば試料キャリアの真下に焦点スポットを変位させることで、試料キャリア上に試料を存在させるような他の手法も考えられ得る。
【００１９】
本発明の一の態様によると、光ピンセットシステムは上述のビーム操作部を有する。
【００２０】
光ピンセットシステムは、機械的素子を必要とすることなく、当該ビーム操作部が、レーザービームの方向及び焦点距離を変化させることができるという利点を享受する。当該ビーム操作部は、光ピンセットシステムに必要な基本ビーム制御機能の全てを実行することができる。これらの基本機能の中には、焦点距離の調節及びxy平面での焦点スポットの移動がある。ここでxy平面は、光ピンセットシステムの対象物の光軸に対して実質的に垂直である。とはいえ特定の機能は依然として機械的素子によっても実行可能である。さらにそれぞれが特別な機能を担う本発明によるビーム操作部を2つ以上用いることも考えられ得る。考えられ得る機能の区別は、第1のビーム操作部は焦点距離を調節し、第2のビーム操作部はxy平面での偏向を担い、かつ第3のビーム操作部は、焦点スポットを非対称にして、その後そのスポットを回転させる機能を担うことが考えられ得る。提案された光ピンセットシステムの他の利点は、当該ビーム操作部が、既知の機械システムよりも壊れにくいことである。
【００２１】
本発明の一の態様によると、制御可能なように変形することができる光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザービームを操作する方法は、
-前記レーザービームを操作するための設定信号を受け取る手順、
-前記光学素子の少なくとも1つの駆動信号を計算する手順であって、その計算は前記駆動信号に対して前記設定点を機能マッピングすることによって行われる手順、及び
-前記光ピンセットシステムからの前記信号によって前記光学素子を駆動させる手順、
を有する。
【００２２】
提案された方法の利点は、制御可能なように変形することができる光学素子の制御が可能となることである。係る制御は、開ループ（つまりフィードバックのない回路）又は閉ループ（つまりフィードバックのある回路）中に供されて良い。大抵の場合設定信号は、使用者が実現させたいレーザービームのパラメータ（たとえばレーザービームの方向、レーザービームの焦点距離、レーザービームの対称性/非対称性）に対応する。変形可能な光学素子は、設定信号を対応する効果に変換するのに用いられる部品の1つである。そのようなものとして、光学素子は、出力効果に対して入力信号をマッピングする所与の伝達関数を有する。この例では、設定信号（又は設定信号から得られる信号）は、変形可能な光学素子の入力の役割を果たす。光学素子の入力はまた、光学素子の駆動信号と見ることもできる。光学素子の出力効果は、その光学素子を通過するレーザービームへの作用と見ることができる。入力と出力との関係は通常、伝達関数によって表される。この伝達関数はたとえば、入力に対する出力の依存性を定義する。ある特定の出力が望ましい場合、対応する入力を発見するため、入力について伝達関数が解かれて良い。計算した入力は、光学素子の駆動信号に用いられる。変形可能な光学素子は壊れにくいので、伝達関数は、光学素子の寿命にわたりほぼ一定である。さらに変形可能な光学素子では一般的に、機械的光学素子と比較して、許容度が改善される。伝達関数での許容度の取り扱い及びその解は難しいので、変形可能な光学素子の伝達関数は、機械的に制御される光学素子又は装置の伝達関数よりも、複雑でなくなり、かつ容易となりうる。
【００２３】
本発明の他の態様では、設定点は、レーザービームの焦点スポットの局所位置を定義する。機能には、制御可能なように変形できる光学素子の変形を定義する少なくとも1つのパラメータに対する駆動信号のマッピング、前記光学素子の少なくとも1つの光学特性に対する変形のマッピング、及び前記レーザービームの少なくとも1つのパラメータに対する光学特性のマッピングが含まれる。
【００２４】
光学素子は、多数のサブシステムを含むシステムでモデル化されて良い。第1サブシステムは、如何にして駆動信号が光学素子に影響を及ぼすのかを記述する。このサブシステムの振る舞いは駆動信号の種類及び利用される物理的効果に依存する。たとえば駆動信号は入力電圧であって良く、及びサブシステムの出力はエレクトロウエッティング原理に基づくレンズ内のメニスカスの曲率半径であって良い。第2サブシステムは、光学素子の変形と光学特性との関係を記述する。光学素子の光学特性の例は、レンズの焦点距離である。第3サブシステムは、光学素子の光学特性とレーザービームの少なくとも1つのパラメータとの関係を記述する。レーザービームパラメータの例にはたとえば、ビーム広がり角及びビーム伝播方向がある。
【００２５】
光ピンセットシステムは、当該ビーム操作集合体の一部として制御可能なように変形できる光学素子を用いるという利点を享受する。同じ結果は、従来の機械的に変形又は配向する素子でも期待できる。これら従来の機械的部品の問題点は回避される。さらに変形可能な光学素子は、ビーム操作についてより大きな柔軟性を与える。
【００２６】
本発明のこれら及び他の態様は、以降で説明する実施例を参照することで明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図は縮尺通りに描かれていない。また各異なる図中の同一参照番号は対応する素子を指すものとする。
【００２８】
図1は、従来技術による光ピンセットシステムのブロック図を示している。光ピンセットは、光誘起圧力で粒子を操作するのに用いられる。基礎となる原理はたとえば、非特許文献1に記載されている。粒径が使用する光の波長よりも長いか短いのかによって、電気双極子近似又は光線光学アプローチが、光と粒子との相互作用の解析に用いられる。光が物体によって散乱されるときには、光の伝播方向に沿って物体を押そうとする散乱力が存在する。これは、その物体に作用する散乱力と呼ばれる。それに加えて、所謂勾配力もその物体に作用する。この勾配力は2つの主要な効果を有する。第1の効果は、ビーム中心での光強度はビーム外側での光強度よりも高い場合に、物体がビームの中心に向かって押されることである。第2の効果は、ビームが強く集光されるときに生じる。これにより焦点に向かって強い光強度の勾配が生じる。光は、光強度が最大に到達する地点に向かう勾配強度分布に従って、粒子に力を及ぼす。その結果物体は光ビームの焦点に捕らえられる。光ピンセットシステムでは、焦点は3次元的に色々な場所に動くことができる。3次元とはつまり、レーザービームの伝播方向とその該伝播方向に垂直な2方向である。
【００２９】
この目的のため、既知の光ピンセットシステムは、以下の部品を有する。光ピンセットシステム100は、レーザービーム光路104及び観察用光路106を与える。レーザー光源110はレーザービームを発生させる。そのレーザービームはシャッター112を通過し、そのシャッター112は、そのレーザービームのオンとオフを簡便に切り換える。ビームエキスパンダ114は明確なビーム径を供する。図示された光ピンセットシステムでは、明るい偏光レーザーの可変アテネータは、回転可能な半波長板116及び固定プリズム偏光器118を有する。ビーム方向操作装置は、2つの可動ミラー122及び124で構成される。2つのミラーは同一の垂直柱にマウントされている。ミラー122及びレーザー光源へ戻る光路は実際には垂直軸についてミラー124に対して垂直であることに留意して欲しい。簡便のため、ここでは同一面内で描かれている。
【００３０】
レーザービームの光路をさらに進むと、レーザースポットの方向を操作して焦点合わせを行うのに用いられる単純な1:1望遠装置が、固定レンズ128及び可動レンズ126を有する。これら2つの同一な平凸レンズ126及び128は、両レンズの焦点距離の合計長さだけ離れて設けられる。それにより可動レンズ126へ入射する平行光は、固定レンズ128から射出される同一ビーム径の平行光を生成する。可動レンズ126は、xyz並進台又はマイクロマニピュレータ上にマウントされる。このレンズが3方向全てに動くことで、レーザー焦点スポットも同じように3次元的にほぼ対応して動く。軸方向（z方向）に焦点スポットを移動させるには、レンズ126はレンズ128へ向かって押される。これにより、レーザービームは、第2レンズ128から離れる際にわずかに広がる。これにより焦点スポットは物体から遠ざかり、かつ試料内のより深い位置へ押し進められる。同様にレンズ126がレンズ128から離れるように引っ張られることで、望遠鏡を飛び出してレンズ128へ向かうレーザービームは多少広がる。その結果焦点は物体に向かって動く。光軸に垂直なxy平面内でレンズ126が動くことにより、レンズ128から離れる光が偏向される。これは基本的にはビームの回転である。レンズ128が物体の瞳の後方で結像されるとき、このような回転が、物体の瞳に対する共役面内で生じる。その結果レーザースポットが並進する。このようなことは、レンズ128が物体の瞳の後方に距離fだけ離れた位置にあるために実現される。ここでfはレンズ126及び128の焦点距離である。
【００３１】
2色性ミラーは、適当なレーザー波長を反射する。適当な波長とは通常〜1100nm又は〜850nmである。2色性ミラー132は650nm未満の可視光を透過する。2色性ミラー132はレーザービームを顕微鏡の対物レンズ142へ導光する。可視光は2色性ミラーを透過することができるので、状況は、標準的な顕微鏡部品を用いることにより観察光路106を介して観察することができる。さらに安全対策として、赤外遮蔽フィルタ134が、2色性ミラー132と観察者との間に供される。
【００３２】
標準的な顕微鏡の対物レンズ142は、かなりの程度のレーザービームの集光を実現する。対物レンズは典型的には高NAであって、40×〜100×の倍率及び1.25〜1.40のNAを有し、かつ油又は水の浸積レンズ用に設計されている。顕微鏡の対物レンズは、後方焦点レンズ144及び前方焦点レンズ148を有する。対物レンズは、収差補正手段を含んでも良い。ただし簡明を期すため、収差補正手段は図示されていない。
【００３３】
捕らえられる物体は試料キャリア152上に設けられる。
【００３４】
物体がレーザービーム光軸の周りで回転する場合、光ピンセットシステム100は、たとえばアナモルフィックレンズ、及びモーター又は所望回転速度でアナモルフィックレンズを回転させる手段のような、他の手段を必要とする。アナモルフィックレンズは非対称な焦点スポットを生成する。レンズを回転させることで、焦点スポットひいては物体も回転する。代替手法は、特殊回折格子、所謂螺旋位相プロファイルを用いることである。特殊回折格子は、TEM00（レーザービームにとっての波の伝播の基本モード）レーザービームを螺旋モードに変換する。しかしこの方法は、回転速度を容易に変更することができないという問題点を有する。
【００３５】
図2は、本発明の一の実施例による光ピンセットシステムを図示している。このシステムは、レーザービームの焦点スポットを制御するのに望遠装置を必要としない点で図1の光ピンセットシステムとは異なる。この機能は、この実施例では顕微鏡の対物レンズ142内に設けられているビーム操作部246によって担われる。より詳細にはビーム操作部は、顕微鏡の対物レンズの後方焦点レンズ144と前方焦点レンズ148の間に設けられている。異なる実施例では、当該ビーム操作部は、顕微鏡の対物レンズ142の前方に設けられて良い。当該ビーム操作部246は、エレクトロウエッティング効果を利用した可変焦点レンズであって良い。この場合、可変焦点レンズは、互いに異なる屈折率を有する2つの非混和性流体を含む。当該ビーム操作部に与えられた命令に応答してレンズの光学的振る舞いが変化できるように、2流体間のメニスカスは変化して良い。図1に図示された既知の光ピンセットシステムでは、望遠部分はかなりの大きさの空間を必要とする。上述したように、既知の問題点を有する機械的アクチュエータは、図1に図示された可動レンズ126を制御するために必要とされていた。
【００３６】
図3は、エレクトロウエッティングレンズ300の軸平面での断面を図示している。エレクトロウエッティングレンズ300は設置状態が図示されている。図示された状態では、エレクトロウエッティングレンズは、実質的に円筒形状を有する。エレクトロウエッティングレンズは格納容器を有する。その格納容器は、格納容器底部302、格納容器の蓋304、及び格納容易器壁306を有する。その格納容器は、透明材料で作られることが好ましいが、必ずしも透明である必要はない。
【００３７】
エレクトロウエッティングレンズはまた、底部電極312及び壁電極316を有する。底部電極312は、外側縁を有する輪として形成される。底部電極312は、格納容器の底部302と格納容器の壁306の間に設けられている。さらに底部電極312は、格納容器底部302と格納容器306の間の適当な通路によって、格納容易器の外部から内部へ延びている。底部電極312の右側には接続端子が図示されている。その接続端子を介して、その底部電極312に電圧が印加される。壁電極316は、格納容器302に隣接する部分を除き、格納容器壁306を取り囲んでいる。ここで壁電極316は、対応する上端部で輪によって接続される2つの同心円柱として表される。それにもかかわらず電極全体にわたって十分に均一な電圧分布が速く変化する電圧についても実現可能である場合には、たとえば外側の円柱が設けられて良い。底部電極312用の接続端子は、壁電極316の右側に表されている。
【００３８】
絶縁体322は、壁電極316の内側円柱によって画定される開口部内に設けられている。さらに、格納容器内部であって空洞の上部及び側部を覆う疎水性コーティング324が供されている。ただし疎水性コーティング324は空洞の底部は覆わない。
【００３９】
格納容器、電極、絶縁体、及び疎水性コーティングによって形成される空洞は、2種類の非混和性流体によって満たされる。第1流体332は導電性であり、たとえば食塩水であって良い。第2流体334は絶縁性であり、たとえばある種の油であって良い。水ベースの第1流体は典型的には、約1.33の屈折率を有する。他方第2流体の屈折率は、適当な油を用いることによって、1.6程度に選ばれて良い。屈折率差が大きくなればなるほど、形成されるエレクトロウエッティングレンズはより効率的になる。両流体の密度を一致させることにより、エレクトロウエッティングレンズは衝撃や振動に対して安定するようになる。エレクトロウエッティングレンズはまた、用いられる幾何学的配置に影響されない。第1流体が主として水で構成されているので、空洞の内側上部及び側壁の疎水性コーティング324は、第1流体をはじくことで、その第1流体に作用する。その結果第1流体は、疎水性コーティング324との接触面積を最小にしようとする。このような振る舞いの結果、2流体間の界面が弯曲する。その界面はまたメニスカスとも呼ばれ、球面レンズとして機能する。油334が水溶液332よりも大きな屈折率を有するので、レンズを上から下へ通過する発散光線から分かるように、エレクトロウエッティングレンズの光学効果は発散レンズに相当する。
【００４０】
図4は、図3と同一のエレクトロウエッティングレンズを図示している。図4では、0ではない電圧が底部電極312と壁電極316の接続端子に印加されている。このような電圧印加の下で、電荷は壁電極に蓄積する一方で、反対符号の電荷が、導電性流体中の固体/液体界面付近に誘起される。印加電圧に関係する電荷量は、2流体間のメニスカスに作用する新たな力を生じさせる。液体の量は同じであるため、この新たな力によって、2流体間での界面の曲率半径が変化する。界面は第2流体334に対して凸面を形成するので、エレクトロウエッティングレンズは、平凸レンズのように振る舞う。収束レンズは収束レンズであり、エレクトロウエッティングレンズを通過する光線への収束レンズの効果は図4に示されている。
【００４１】
図5は、図3及び図4と同様のエレクトロウエッティングレンズを図示している。図3及び図4のエレクトロウエッティングレンズと、図5のエレクトロウエッティングレンズとの差異は、図5に図示されたエレクトロウエッティングレンズ500は、十分に回転対称ではない電極配置を有している点である。実際壁電極は、2つの独立した電極516及び電極517を有する。従ってそれぞれ異なる電圧が、エレクトロウエッティングレンズの2つの対向面に印加可能である。この結果界面は、疎水性コーティング324によって、各側面でそれぞれ異なる高さに引っ張り上げられる。つまりこのような効果によって、界面は、エレクトロウエッティングレンズの光軸に垂直な面に対して傾く。メニスカスが平坦である限り、エレクトロウエッティングレンズはプリズムとして振る舞う。このため、電極516と電極517に印加される平均電圧は、0[V]と、図4に図示されたエレクトロウエッティングレンズに印加された電圧の間のある値でなければならない。メニスカスの傾きは、図3のような発散的振る舞い又は図4に図示された収束的振る舞いと併用されて良い。図5では、メニスカスを左側に傾けて、かつそのメニスカスを第2流体334に対して凸面形状としているのが図示されている。この結果、エレクトロウエッティングレンズは、そのレンズの下であってわずかに左側に焦点スポットを与える。
【００４２】
図5では、2つの壁電極516及び517が図示されている。明らかに、エレクトロウエッティングレンズを通過する光を光軸とは異なる方向に導光する自由度が大きくなるように、如何なる数の電極セグメントが選ばれても良い。より完全な説明については、特許文献1を参照のこと。
【００４３】
図6は、エレクトロウエッティングレンズ500が備えられた顕微鏡の対物レンズ142の、その軸を含む面での断面を図示している。既知の方法では、顕微鏡の対物レンズは、前方レンズ604、メニスカスレンズ606、及びたとえば後方焦点長レンズ608（後方焦点レンズとも呼ばれる）を有する。メニスカスレンズの語は、エレクトロウエッティングレンズ500のメニスカスとは混同しないようにしなければならない。顕微鏡の対物レンズは筐体を有する。その筐体は、レンズを保持し、かつ側部からの入射光及び埃に対する保護を供する役割を果たす。顕微鏡の対物レンズは、単純化して表されていると解されるべきである。たとえば収差や色度を補正する手段のような他の部品が供されて良い。さらに顕微鏡の対物レンズは縮尺通りに描かれていない。エレクトロウエッティングレンズ500は、メニスカスレンズ606と後方焦点長レンズ608の間に設けられる。この配置では、エレクトロウエッティングレンズ500は、光ピンセットシステムのレーザービームの簡便な集光及び導光を実現できる。対物レンズの前方レンズ604は、光ピンセットシステムに必要な集光出力の大部分を供する。エレクトロウエッティングレンズの焦点長を変化させることにより、組み合わせられた系の焦点距離を変化させることができる。この結果、焦点スポットは上下に移動する。
【００４４】
エレクトロウエッティングレンズがその焦点距離及び偏向方向を変化させることで、観察者の視野も変化することに留意して欲しい。最先端の光ピンセットシステムに慣れた使用者は、この動作モードに慣れるのに多少時間を要するかもしれない。しかし焦点スポットは常に観察者の視野の中心となることは評価されるべきである。観察者の位置確認としては、図1及び図2の試料キャリア152は、グリッド及び対応する印を表す。
【００４５】
代替手法では、エレクトロウエッティングレンズは、レーザービーム光路104と垂直な顕微鏡光路106（図2）が分離する地点に設けられて良い。よってエレクトロウエッティングレンズは、レーザービーム光路104中に設けられる。
【００４６】
さらに2つ以上のエレクトロウエッティングレンズを供することも可能である。一のエレクトロウエッティングレンズは光ピンセットシステムの焦点距離を調節するのに用いられ、他方1つ以上の他のエレクトロウエッティングレンズはビームを偏向させる。
【００４７】
図7は、下からわずかに斜め方向に見た顕微鏡の対物レンズ142の前方レンズ604の概略図である。また図7には、複数の幾何学形状に係る変数が図示されている。ほぼ上から下の方向へ進行するレーザービーム762は前方レンズ604を横切る。図7は、レーザービームが前方レンズの下側表面内に中心をとる特殊な場合を図示している。一般的には、絞り値の設定によっては、レーザービームは、前述した面に対して中心をとる必要はない。図7では、前方レンズ604へ入射する前に、レーザービーム762は、たとえばエレクトロウエッティングレンズによって偏向された。従ってレーザービーム762は、前方レンズの光軸に平行な方向では、前方レンズ604の上側半球に衝突しない。座標系が定義され、その原点は前方レンズ604の下側平面の中心に設けられた。座標系のz軸は、レーザービームの伝播方向つまり図7の下方向に、前方レンズ604の光軸に沿って延在している。座標系のxy平面は前記の前方レンズ604の下側平面によって画定される。ただx軸しか図示されていない。明確に所望のビーム偏向を制御できるようにするため、光ピンセットシステムを用いる前に、顕微鏡の対物レンズの光軸の周りでの角度位置を校正するのは有利であると考えられる。
【００４８】
レーザービーム762はレーザービーム軸706を与える。前方レンズの光軸とレーザービームの光軸がなす角はΘ（大文字のシータ）で表される。レーザービーム762は焦点スポット764へ集光される。焦点スポットのz軸は、光ピンセットシステムfrの焦点距離によって与えられる。入射光の方向が変化する場合、レンズの焦点スポットは、光軸に垂直な面内で変位する。
【００４９】
図8は、図7の方向VIIIに前方レンズ604を上から見た図を示している。座標系のx軸とy軸が示されている。内側の円は、前方レンズ604の下側平面でのレーザービーム762の外形を表している。x軸に対して角度Φ（大文字のファイ）をなすレーザービームの光軸766が図示されている。
【００５０】
焦点スポットのx座標及びy座標を計算によって決定する方法の1つは、レーザービームの光軸766と焦点面との交差点を計算する方法である。z座標はすでに焦点距離frとして知られているので、x座標とy座標のみを決定すればよい。通常の条件下では、x座標、y座標、及びz座標は事前に選択され、かつ焦点スポットをこの位置に導くのは、光ピンセットシステムの問題である。従ってfr、Φ（ファイ）及びΘ（シータ）がそれぞれの対応する値に到達するため、逆計算が実行されなければならない。これらの値から適当な電極信号が計算されて良い。1つ以上の参照テーブルを用いることも1つの選択肢である。
【００５１】
図9は、上から見たエレクトロウエッティングレンズの概略図である。簡明を期すため、疎水性コーティング324と6つの電極316a-316fのみが図示されている。参照番号902はたとえば、第1流体332と第2流体334の間のメニスカスの等高線を表す。参照番号902はたとえば、現在のメニスカスの形状のz軸の最高位置とz軸の最低位置との間であるz軸上の中間の位置を画定する等高線であっても良い。図から明らかなように、等高線902は楕円形状を有する。これは、メニスカスが楕円の2つの主軸に沿ってそれぞれ異なる曲率半径を与えることを意味する。楕円が引き延ばされると、曲率半径は相対的に大きくなり、逆もまた真である。特殊なパターンで電極316a-316fを駆動させることによって、自然に楕円を回転させることが可能である。図9は、第2のつまり高屈折率流体334に対して平凸レンズとなっている瞬間を表している。そのときには、電極316c及び316fは、他の電極316a、316b、316d及び316eと比較して、小さな電圧で駆動する。実際界面波がメニスカスに沿って生成される。その結果、焦点スポットは非対称となり、やがて回転する。上記の効果を見る別法は、エレクトロウエッティングレンズをアナモルフィックレンズと見なすことである。光ピンセットシステムによって保持される粒子を回転可能にする非対称性を生成するため、アナモルフィックレンズはすでに、たとえばエレクトロウエッティングレンズによって生じるコマ収差のような収差効果を十分利用できる。
【００５２】
図10は、図9の6つの電極316a-316fの信号の進行を表している。メニスカスが非対称性に配置されていることが望ましい場合には、電圧Va〜Vfは対でグループ化される。たとえばVaとVdのような同一対に属する2種類の電圧は、メニスカスが対称的な配置を撮る場合には同一の値を有する。図10では、電圧は周期Tを有する正弦関数で表されている。電圧は他の関数に従っても良いので、電圧は正弦関数である必要はない。電圧は中間値Vmを有する。この中間値は、ある特定の弯曲、つまりはある特定の焦点距離を供するのに必要な所望の直流電圧成分を定義する。上述のように、たとえばコマ収差のような収差は必要な非対称性を供するのにすでに十分利用可能である。従って弱い交流電圧成分もすでに所望の効果を供することができる。
【００５３】
たとえ本明細書に記載されたシステムがエレクトロウエッティングレンズに基づいているとしても、同じ原理はマグネトウエッティングに基づくシステムにも適用される。マグネトウエッティングに基づくシステムとは2種類の流体を含むシステムであって、そのうちの一は強磁性流体で、かつメニスカスの形状は磁場によって変化するシステムである。詳細な議論は特許文献2で見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】従来技術による光ピンセットシステムの概略図である。
【図２】本発明による光ピンセットシステムの概略図である。
【図３】設置状態にある光学素子の縦断面図である。
【図４】対称的に励起された状態にある図3の光学素子の縦断面図である。
【図５】非対称的に励起された状態にある図3の光学素子の縦断面図である。
【図６】図3-5の光学素子が備えられた顕微鏡対物レンズの縦断面図である。
【図７】光ピンセットシステムに用いられる顕微鏡対物レンズの前方レンズの概略的斜視図である。
【図８】図7の矢印VIIIに従ってときの顕微鏡の前非得レンズの概略的上面図である。
【図９】上から見たビーム操作部の典型的な電極配置を図示している。
【図１０】図9に図示された電極にかかる電圧の時間変化を図示している。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年6月24日(2008.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を捕らえることのできる焦点スポットの生成に寄与する少なくとも1つの光学素子であって、当該光学素子の光軸に対して非対称的に変形可能な界面を与える光学素子、及び
前記の界面の変形を制御する界面制御手段、
を有するビーム操作部、並びに
前記のビーム操作部の界面制御手段を駆動し、かつ前記焦点スポットの回転を引き起こすように備えられた制御装置、
を有する光ピンセットシステム。
【請求項２】
前記ビーム操作部が、第1媒質、第2媒質、及び前記第1媒質と前記第2媒質との間の界面を含むチャンバをさらに有し、
前記第1媒質と前記第2媒質のうちのいずれか1つは前記光学素子として機能する、
請求項1に記載の光ピンセットシステム。
【請求項３】
前記界面は、1つ以上の端部セグメントによって境界が定められていて、かつ
前記界面制御手段は、前記端部セグメントに個別に作用するように備えられている、
請求項2に記載の光ピンセットシステム。
【請求項４】
前記光学素子がエレクトロウエッティングレンズを有し、かつ
前記界面制御手段は前記端部セグメントの各々へそれぞれ電圧を供給するように備えられた電極を有する、
請求項3に記載の光ピンセットシステム。
【請求項５】
前記制御装置は前記界面制御手段を駆動させるように備えられ、かつ
それにより前記界面制御手段が、時間変化しながら前記端部セグメントに非対称的に作用する、
請求項1に記載の光ピンセットシステム。
【請求項６】
前記制御装置は前記界面制御手段を駆動させるように備えられ、かつ
それにより前記界面制御手段が、周期的な時間パターンで前記界面に作用するように備えられている、
請求項5に記載の光ピンセットシステム。
【請求項７】
光ピンセットシステムによって試料を操作する方法であって、
少なくとも1つの光学素子を有するビーム操作部を供する手順であって、前記光学素子はビームが通過する界面を与え、該界面は当該光学素子の光軸に対して非対称的に変形可能である、手順、及び
前記の界面の変形を制御するように備えられた界面制御手段を駆動することによって前記ビームのスポットを回転させる手順、
を有する方法。
【請求項８】
前記光学素子が、第1及び第2媒質を有するエレクトロウエッティングレンズで、かつ
前記界面が、前記第1媒質と第2媒質の間の界面に相当する、
請求項7に記載の方法。
【請求項９】
前記界面は、1つ以上の端部セグメントによって境界が定められていて、かつ
前記のスポットを回転させる手順は、時間変化しながら前記端部セグメントに非対称的に作用するように前記界面制御手段を駆動させる手順を有する、
請求項8に記載の方法。
【請求項１０】
前記のスポットを回転させる手順は、周期的な時間パターンで前記界面に作用するように前記界面制御手段を駆動させる手順を有する、
請求項8に記載の方法。
【国際調査報告】
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