(57)【要約】  光ピンセットシステムにおいて使用するビーム操作部材は、前記光ピンセットシステムから来る信号に応答してレーザビームに作用するために制御可能に変形可能である少なくとも１つの光学素子を有する。前記ビーム操作部材は、前記光ピンセットシステムの焦点距離を変更するのに使用されることができ、前記レーザビームを偏向するのにも使用されることができる。
2009540350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ピンセットシステムにおいて使用するビーム操作部材において、前記光ピンセットシステムから来る信号に応答してレーザビームに作用するために制御可能に変形可能である少なくとも１つの光学素子を有するビーム操作部材。
【請求項２】
前記ビーム操作部材が、第１の媒質、第２の媒質、前記第１の媒質と前記第２の媒質との間の界面、及び界面制御手段を更に有し、前記第１の媒質及び前記第２の媒質の一方が、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材。
【請求項３】
前記界面が、１以上の縁セグメントにより区切られ、前記界面制御手段が、前記縁セグメントに個別に作用するように構成される、請求項２に記載のビーム操作部材。
【請求項４】
前記ビーム操作部材が、エレクトロウェッティングレンズを有し、前記界面制御手段が、前記縁セグメントの各々に個別の電圧を供給するように構成された電極を有する、請求項３に記載のビーム操作部材。
【請求項５】
前記光学素子が、光軸を示し、前記光軸に対して非対称に変形可能であり、前記界面制御手段が、時間的に変化するように前記縁セグメントに非対称に作用するように構成される、請求項３又は４のいずれか一項に記載のビーム操作部材。
【請求項６】
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構成される、請求項５に記載のビーム操作部材。
【請求項７】
光ピンセットシステムにおいて使用するビーム操作部材において、制御可能な屈折率を持つ材料を有する少なくとも１つの光学素子を有するビーム操作部材。
【請求項８】
前記材料が液晶材料である、請求項７に記載のビーム操作部材。
【請求項９】
前記液晶材料が複屈折であり、前記光学素子が電極を有する、請求項８に記載のビーム操作部材。
【請求項１０】
前記光学素子が、液晶材料の層及び対応する電極の２つのセグメントを有し、前記セグメントが、互いに垂直に積み重ねられる、請求項９に記載のビーム操作部材。
【請求項１１】
前記電極が、時間的に変化するように及び／又は周期的に制御可能である、請求項１０に記載のビーム操作部材。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のビーム操作部材を有する光ピンセットシステム。
【請求項１３】
制御可能に変形可能な光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザビームを操作する方法において、
前記レーザビームの操作に対する設定信号を受信するステップと、
前記設定信号を駆動信号にマッピングする関数を用いて前記光学素子に対する少なくとも１つの駆動信号を計算するステップと、
前記光学ピンセットシステムから来る前記信号で前記光学素子を駆動するステップと、
を有する方法。
【請求項１４】
前記設定信号が、前記レーザビームの焦点スポットの局在を規定し、
前記関数が、
前記制御可能に変形可能な光学素子の変形を規定する少なくとも１つのパラメータに対する前記駆動信号のマッピングと、
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と、
前記レーザ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と、
を含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
制御可能な屈折率を持つ材料を有する光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザビームを操作する方法において、
前記レーザビームの操作に対する設定信号を受信するステップと、
前記設定信号を駆動信号にマッピングする関数を用いて前記光学素子に対する少なくとも１つの駆動信号を計算するステップと、
前記光ピンセットシステムから来る前記信号で前記光学素子を駆動するステップと、
を有する方法。
【請求項１６】
前記設定信号が、前記レーザビームの焦点スポットの局在を規定し、
前記関数が、
前記材料の屈折率の値を規定する少なくとも１つのパラメータに対する前記駆動信号のマッピングと、
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屈折率のマッピングと、
前記レーザ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と、
を含む、
請求項１５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このようなシステムを動作する方法に関する。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持つビーム操作部材を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
光ピンセットの応用は、例えば生物学、物理学、ナノファブリケーションにおいて、及び小型マシンに対する光学アクチュエータとして見つけられる。
【０００３】
光ピンセットの原理は、放射圧の力の利用に基づく。強力に集束されたレーザビームは、ｎｍからμｍの範囲のサイズの（誘電材料の）粒子を捕らえ、保持することができる。この技術は、原子、分子（大きいものでさえ）及び小さな誘電性球のような粒子を調査及び操作することを可能にする。光ピンセットの基本的性質は、粒子が光強度分布内にトラップされることである。光は、強度が最大に到達する点に向かう傾斜強度分布内の粒子に力を及ぼす。結果として、例えば粒子は、光ビームの焦点にトラップされることができる。前記焦点の位置を変更することは、空間内の前記粒子の位置をも変更する。レンズを移動する又は鏡を傾けるモータ又は圧電アクチュエータの使用する機械的手段が既知である。これらの機械的手段の欠点は、複雑であり、擦り切れる影響を受ける機械的可動部を必要とすることである。更に、各追加の自由度は、通常は、専用のアクチュエータを必要とし、おそらくレンズ又は鏡のような追加の光学素子をも必要とする。したがって、３つの並進自由度及び１つの回転自由度を持つ模範的光ピンセットシステムは、複雑かつかなり高価になる。
【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、光ピンセットにおけるレーザビームの操作用の機械的手段に対する代案を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によると、光ピンセットシステムにおいて使用するビーム操作部材が提供され、前記ビーム操作部材は、前記光ピンセットシステムから来る信号に応答してビームに作用するために制御可能に変形可能である少なくとも１つの光学素子を有する。
【０００６】
本発明のこの態様の前記ビーム操作部材は、光ピンセットシステムにおけるビーム制御を提供する。これは、実質的に光ピンセットシステムにおいて現在使用されている機械的ビーム操作手段の機能を担う能力を持つ。同時に、本発明のビーム操作部材は、機械的手段の上述の欠点の影響を受けにくい。これは、例えば機械的公差のような、異なる構成により１以上の欠点を免れることさえありうる。前記ビームは、例えば光ピンセットシステムにおいて粒子又はバクテリア等をトラップするのに使用されるレーザビームである。前記光学素子の変形可能性により、ビーム操作は、以前の構成よりフレキシブルであることができる。これは、前記ビームの経路内の光学素子の数を減少する機会をも提供する。これまで別個の光学素子をそれぞれ必要としていた複数の機能が、集約されることができる。
【０００７】
ビーム操作は、前記ビーム操作部材を通過する場合に前記ビームの性質の１以上が変更されることができる前記ビームに対する作用として理解されるべきである。特に、いくつか例を挙げるとビーム方向、収束性、断面の形状のような、前記ビームの幾何学的性質は、前記ビーム操作部材により変更されるべき対象である。
【０００８】
前記光学素子は、前記ビームに直接的に作用する構成要素を表す。これは、屈折性光学素子又は反射性光学素子であることができる。前記光学素子は、回折効果をも示しうる。前記光学素子は、前記光学素子の内部空間材料分布が変更されることができるように変形可能である。屈折又は反射のような光学効果は、典型的には、伝搬媒質が、急に又は次第にのいずれかで変化する場所において生じる。したがって、前記光学素子の材料分布を変更することは、前記光学素子の光学性質を変更する。使用される光学素子の利点は、材料分布が制御可能であることである。前記ビーム操作部材及び含まれる光学素子を適切な信号で駆動することにより、前記光学素子は、変形され、これは、前記ビーム操作部材の光学性質を変更する。換言すると、前記ビーム操作部材は、光学性質に対する前記駆動信号のマッピングを実現する。前記ビーム操作部材に対する駆動信号は、前記光ピンセットシステムから来る。したがって、前記光ピンセットシステムは、前記ビーム操作動作に対する制御を提供される。これに関連して、前記駆動信号を生成する外見的には独立なコントローラが、前記光ピンセットシステムの一部であると理解されるべきであることにも注意すべきである。理由は、例えば粒子の位置を制御することが、光ピンセットシステムの基本的な機能であることである。
【０００９】
本発明の他の態様によると、前記ビーム操作部材は、第１の媒質、第２の媒質、前記第１の媒質と前記第２の媒質との間の界面、及び界面制御手段を含むチェンバを更に有し、前記第１の媒質及び前記第２の媒質の一方は、前記光学素子として機能する。
【００１０】
前記チェンバは、典型的には、一定の体積を持つ。また、前記第１の媒質の体積及び前記第２の媒質の体積も、典型的には一定である。前記第１及び第２の媒質は、例えば異なる光学性質を持つ２つの不混和流体である。両方の流体がほぼ同じ密度を持つ場合、重力は、前記ビーム操作部材の動作に実質的な影響力を持たない。界面が前記２つの媒質間に存在し、その形状は、前記２つの媒質の各々の表面張力、湿潤性又は毛管効果のような複数の因子に依存する。前記界面が、界面制御手段を用いて作用されることができ、結果として例えば前記界面の修正された形状、位置又は配向を生じることは、有利である。
【００１１】
本発明の他の態様によると、前記界面は、１以上の縁セグメントにより区切られ、前記界面制御手段は、前記縁素子に独立して作用するように構成される。
【００１２】
前記界面が単一の縁セグメントにより区切られる場合、前記界面は、全ての側から一様に作用される。単一の縁セグメントを持つこのような構成に対する一例は、円形界面又は楕円形界面である。単一の縁のみが存在する場合、後者の重心に対する前記光学素子の実質的に対称な変形が予測されることができる。複数の縁セグメントの各々が前記界面制御手段により個別に制御可能である、より一般的な場合、前記界面のよりフレキシブルな構成が得られることができる。特に、前記界面の非対称な形状も可能である。対称性の概念は、（例えば停止時の前記光学素子の光軸に対する）回転対称性、又は前記界面形状に依存する鏡面対称性のいずれかに言及することができる。縁セグメントを個別に制御する能力は、前記光学素子の停止状態光軸に垂直な面における追加の自由度を与える。
【００１３】
本発明の他の態様によると、前記ビーム操作部材は、エレクトロウェッティングレンズを有し、前記界面制御手段は、前記縁セグメントの各々に個別の電圧を供給するように構成された電極を有する。
【００１４】
エレクトロウェッティングレンズは、導電性流体及び非導電性流体が、電界にさらされる場合に異なって反応するという事実を利用する。特に、前記チェンバの壁と接触している表面は、前記チェンバ壁表面の修正された湿潤性のため、印加された電界に反応する傾向にある。必要とされる電界は、前記界面制御手段の一部である前記電極により生成される。前記１以上の縁セグメントに対応する前記１以上の電極の他に、接地電極が、共通の電気的接地として提供される。この接地電極は、前記縁セグメント電極の各々に対して同じ距離を持つことができる。これは、前記導電性流体と接触していることさえありうる。複数の電極の各々が異なる電位を持つ場合に、結果として生じる電界は、前記電極間の遷移を示す。典型的には、異なる縁セグメント間の滑らかな遷移が望ましい。これは、前記電極を小さく保ち、２つの近隣の電極間に電気的抵抗パスを設けることにより達成されることができる。このパスの抵抗に依存して、電流は、電極から電極に流れ、これは、前記パスに沿って電圧降下を引き起こす。特別な界面形状を得るために滑らかな遷移が望まれない場合、前記電極は、漏れ電流及びスパークオーバを避けるように間に小さな絶縁のみを持って実質的に隣接した一方から他方へ配置される。
【００１５】
本出願の他の態様によると、前記光学素子は、光軸を示し、前記光軸に対して非対称に変形可能であり、前記界面制御手段は、時間的に変化するように前記縁セグメントに非対称に作用するように構成される。
【００１６】
前記光軸に対して非対称に変形可能である前記光学素子の利点は、このように、前記ビームが断面形状を変更されることができることである。前記ビームが集束される場合、前記光学素子の非対称な変形も、結果として非対称な焦点スポットを生じる。前記縁セグメントに対する前記界面制御手段の時間的に変化する作用と組み合わせて、前記非対称な焦点スポットは、前記ビーム軸の周りで回転させられることができる。前記ビームの前記焦点スポットにおいてトラップされた粒子は、前記ビーム軸の周りで回転する前記非対称な焦点スポットのため、トルクを受ける。したがって、利点は、粒子が前記レーザビームにより回転させられることができることである。このため、前記縁セグメント電極は、円形パターンで作動されることができる。この効果は、アナモルフィックレンズ（２つの主軸方向に沿って異なるレンズ曲率）のような特別なレンズが例えば電気モータを用いて光軸の周りで回転されなければならないので、全て機械的なビーム操作手段を用いて達成するのは難しい。前記光学素子の光軸は、前記光学素子が停止しており、すなわち前記電極のいずれも電界を印加していない状況に対して定義される。実際に、前記光学素子の実際の光軸は、可変でありうる。更に、前記光学素子の光軸は、前記ビームの伝搬方向が前記光学素子により変更されることを示す、屈曲を示すことができる。
【００１７】
本発明の他の態様によると、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構成される。
【００１８】
周期的な時間パターンを提供する利点は、前記レーザビームの非対称な焦点スポットを回転することにより前記粒子にトルクを加えることと組み合わせて、前記トルクが、永久的な形で供給されることができることである。これは、様々な応用分野におけるポンプ、バルブ及び遠心分離機のような小型の回転マシンを動作するのに利用されることができる。周期的な時間パターンは、前記レーザビームの焦点スポットの振動運動をも可能にする。複数のサイトを含むラウンドトリップにおいて、粒子、バクテリア等のようなサンプルを取ることも可能である。各サイトにおいて、前記サンプルは、例えば特定の物質に対する前記サンプルの反応を試験する特定の試験を受ける。ナノニュートン及びマイクロニュートンの範囲で力を測定する光ピンセットシステムの能力は、前記サンプルと所定の物質との間の引力を測定するのに使用されることができる。本発明のビーム操作部材は、サンプルキャリア上の第１の場所においてサンプルを捕捉し、前記サンプルを複数の試験サイトに輸送し、最終的に落とし場所に輸送するのに使用されることができる。この後に、前記焦点スポットは、前記第１の場所に戻る。前記サンプルをつかみ、放すことは、前記レーザビームをオフ及びオンに短く切り替えることにより達成されることができる。前記サンプルキャリアの下に前記焦点を移動する、前記サンプルを前記サンプルキャリア上で停止にさせるような他の代案が想定されてもよい。
【００１９】
本発明の他の実施例によると、光ピンセットシステムにおいて使用するビーム操作部材は、制御可能な屈折率を持つ材料を有する少なくとも１つの光学素子を有する。
【００２０】
このようにして、前記ビーム操作部材の光学性質は、前記光学素子内に含まれる材料の屈折率を変更することにより修正されることができる。光学素子の複数の光学性質が、前記光学素子を実質的に形成する材料の屈折率に依存し、これらの光学性質は、前記屈折率を調整又は変更することにより影響を与えられることができる。前記光学性質は、例えばレンズの焦点距離、又はプリズムの偏向の角度等でありうる。高い切り替え速度が可能であるように前記材料の屈折率を変更するのに可動部は必要ではない。制御可能に変形可能な光学素子を持つビーム操作部材に対して記載された性質及び利点のほとんどは、制御可能な屈折率を持つ材料を特徴とするビーム操作部材に対しても有効である。
【００２１】
本発明の関連した実施例によると、前記材料は、液晶材料である。液晶は、電界の存在又は不在時に光学性質を変更する液晶分子を含む。所望の光学性質を持つレンズを形成するために、前記液晶分子は、特定の配向に向けられる必要がある。この配向を誘導する周知の材料は、ポリイミドである。国際出願文献ＷＯ２００４／０５９３５０及びＷＯ２００５／０７６０６９は、液晶を有する構成要素及び可能な応用を記載している。したがって、前記光学素子又はその一部を形成するレンズは、対応する透明電極及び配向層を備えた凹面を持つ２つの透明基板を有しうる。前記凹面は、屈折率の負の異方性を持つ液晶分子で満たされるセル体積を規定する。前記液晶は、したがって、以下の条件、すなわち、ｎeが異常光線の屈折率であり、ｎoxがＸ方向に偏光された常光線の屈折率であり、ｎozがＺ方向に偏光された常光線の屈折率であるとして、ｎe＜ｎox、ｎe＜ｎozを満たす楕円形屈折率を持つ。ほとんどの液晶に対して、屈折率は、同様に以下の条件、すなわち、ｎoが常光線の偏光独立屈折率であるとして、ｎox＝ｎoz＝ｎoを実際に満たす。配向フィルムは、前記液晶分子が対応する前記配向フィルムと平行に配向されるように構成されることができる。しかしながら、ＡＣ又はＤＣ電圧が前記２つの電極間に与えられる場合、前記液晶分子の配向は、９０°傾けられることができ、前記レンズに衝突する光に対する有効屈折率ｎeffは、この場合、以下の式、すなわち、ｎeff＝(ｎe＋ｎo)／２によって低下される。この屈折率の減少により、前記光学素子の屈折力は、減少し、これにより前記レンズは焦点距離を増大する。更に、可変レジスタを使用して前記電圧を制御することにより、前記焦点距離は、連続的に変化されることができる。事実上、前記レンズは、可変焦点距離を示す。
【００２２】
本発明の関連した実施例によると、前記液晶材料は、複屈折であり、前記光学素子は電極を有する。複屈折は、光のビームの２つの偏光成分に対する異なる屈折率の存在を示す。複屈折材料は、異常屈折率（ｎe）及び常屈折率（ｎo）を持ち、前記屈折率間の差はΔｎ＝ｎe−ｎoである。換言すると、複屈折レンズは、前記光の偏光方向により各々選択可能な２つの焦点を持つ点で、標準的なレンズからこれ自体を区別する。ＬＣレンズの連続切り替え原理は、電界により誘導される前記液晶分子の再配向による液晶媒体の屈折率の変調に基づく。複屈折は、偏光感知（polarization sensitive）レンズ（ＰＳレンズ）において利用されることができる。ＰＳレンズは、同じ又は異なる波長が異なる偏光で前記レンズに入射することを保証することにより単一又は異なる波長に対して異なる焦点を提供するのに使用されることができる。
【００２３】
他の実施例によると、前記光学素子は、液晶材料の層及び対応する電極の２つのセグメントを有する。前記２つのセグメントは、互いに垂直に積み重ねられる。このようにして、前記ビーム操作部材は、偏光方向に対して感知しないようにされる。これは、特に、垂直に積み重ねられたダイレクタ（directors）を使用することにより達成されることができる。この状況において、光のすべての偏光成分が、この後に、前記液晶と等方媒体との間の屈折率の差により影響を受けるので、偏光されない光が使用されることができる。
【００２４】
他の実施例において、前記電極は、個別に制御可能である。特に、例えば前記液晶材料の周囲に配置された複数の電極を有する実施例において、前記液晶材料の異なる領域に対する異なる屈折率が達成されることができる。これは、非対称レンズを得るために利用されることができる。非対称レンズに対する応用は、制御可能に変形可能な光学素子の場合に対して上に記載されている。
【００２５】
他の実施例において、前記電極は、時間的に変化するように及び／又は周期的に制御可能である。これは、前記光ピンセットシステムによりトラップされた粒子を移動するのに使用されることができる。他の応用は、前記粒子の回転を引き起こすために前記粒子にトルクを及ぼすことである。再び、時間的に変化するように制御可能な電極の他の応用及び特徴も、制御可能に変形可能な光学素子を有するビーム操作部材に関連して上に記載されている。
【００２６】
前記制御可能に変形可能な光学素子を有するビーム操作部材及び前記制御可能な屈折率を持つ光学素子を有するビーム操作部材は、機械的アクチュエータを必要としないという共通点を持つ。これらは、したがって、一般に、光線の制御可能な再方向づけに対する手段を持つビーム操作部材と見なされることができる。屈折素子の特別な場合において、これらは、一般に、制御可能な屈折力を持つ光学素子を有するビーム操作部材と共通に見なされることもできる。
【００２７】
本発明の一態様によると、光ピンセットシステムは、上述のビーム操作部材を有する。
【００２８】
前記光ピンセットシステムは、機械的素子に対する必要性なしに前記レーザビームの方向及び焦点距離を変更する前記ビーム操作部材の能力から益を得る。前記ビーム操作部材は、光ピンセットシステムにおいて必要とされるすべての基本的なビーム制御機能を実行することができる。これらの基本的機能の中にあるのは、焦点距離を調整し、前記光ピンセットシステムの対物レンズの光学軸に実質的に垂直な面であるｘ−ｙ面において焦点を移動することである。それでもなお、特定の機能は、以前として機械的素子により実行されてもよい。更に、特定の機能を各々担う、本発明による２以上のビーム操作部材を使用することが考えられてもよい。機能のありうる分離は、１つのビーム操作部材が焦点距離調整を提供し、第２のビーム操作部材がｘ−ｙ面における偏向を担い、第３のビーム操作部材が、焦点を非対称にし、時間的に回転する機能を担うことでありうる。提案された光ピンセットシステムの他の利点は、前記ビーム操作部材が、既知の機械的システムより擦り切れることに対して影響を受けにくいことである。
【００２９】
本発明の一態様によると、制御可能に変形可能な光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザビームを操作する方法は、
前記レーザビームの操作に対する設定信号を受信するステップと、
前記設定信号を駆動信号にマッピングする関数を用いて前記光学素子に対する少なくとも１つの駆動信号を計算するステップと、
前記光ピンセットシステムから来る前記信号で前記光学素子を駆動するステップと、
を有する。
【００３０】
この提案された方法の利点は、前記制御可能に変形可能な光学素子を制御することを可能にすることである。このような制御は、開ループ（すなわちフィードバック無し）又は閉ループ（すなわちフィードバックあり）で提供されうる。ほとんどの場合、設定信号は、ユーザが実現したいと願う前記レーザビームのパラメータ（例えば前記レーザビームの方向、前記レーザビームの焦点距離、前記レーザビームの対称／非対称）に対応する。前記変形可能な光学素子は、前記設定信号を対応する効果に変換するのに使用される構成要素の１つである。このようにして、前記光学素子は、入力信号を出力効果にマッピングする所定の遷移関数を持つ。この例において、前記設定信号（又は前記設定信号から得られた信号）は、前記変形可能な光学素子に対する入力として働く。前記光学素子に対する入力は、前記光学素子の駆動信号とも見なされることができる。前記光学素子の出力効果は、前記光学素子を通過するレーザビームに対する作用と見なされることができる。入力と出力との関係は、しばしば、遷移関数を用いて記述される。この遷移関数は、例えば、前記入力に対する前記出力の依存性を規定する。特定の出力が望ましい場合、前記遷移関数は、対応する入力を見つけるために前記入力について解かれることができる。前記計算された入力は、この場合、前記光学素子に対する駆動信号として使用される。前記変形可能な光学素子が、ほとんど擦り切れることを前提としないので、前記遷移関数は、前記光学素子の寿命にわたり実質的に一定のままである。更に、前記変形可能な光学素子は、典型的には、機械的対応物と比べて改良された公差を示す。公差は、遷移関数及びその解において処理するのが難しいので、前記変形可能な光学素子の前記遷移関数は、機械的に制御される光学素子又は構成のものより複雑でなく、解くのが容易でありうる。
【００３１】
本発明の他の態様において、前記設定は、前記レーザビームの焦点の局在を規定する。前記関数は、前記制御可能に変形可能な光学素子の変形を規定する少なくとも１つのパラメータに対する前記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を有する。
【００３２】
前記光学素子は、複数のサブシステムを有するシステムとしてモデル化されてもよい。第１のサブシステムは、前記駆動信号がどのように前記光学素子の変形に影響を与えるかを記述する。このサブシステムの性質は、前記駆動信号タイプ及び利用される物理的効果に依存する。例えば、前記駆動信号は、入力電圧であることができ、前記サブシステムの出力は、エレクトロウェッティング原理に基づくレンズのメニスカスの曲率半径でありうる。第２のサブシステムは、前記変形と前記光学素子の光学特性との間の関係を記述する。前記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のサブシステムは、前記光学素子の光学特性と前記レーザビームの少なくとも１つのパラメータとの間の関係を記述する。レーザビームパラメータの例は、例えばビーム拡散の角度又は伝搬方向である。
【００３３】
本発明の他の態様において、制御可能な屈折率を持つ材料を有する光学素子を有する光ピンセットシステムのレーザビームを操作する方法は、
前記レーザビームの操作に対する設定信号を受信するステップと、
前記設定信号を駆動信号にマッピングする関数を用いて前記光学素子に対する少なくとも１つの駆動信号を計算するステップと、
前記光ピンセットシステムから来る前記信号で前記光学素子を駆動するステップと、
を有する。
【００３４】
この提案された方法の利点は、制御可能な屈折率を持つ材料を有する前記光学素子を制御することを可能にすることである。このような制御は、開ループ（すなわちフィードバック無し）又は閉ループ（すなわちフィードバックあり）において提供されることができる。ほとんどの場合、設定信号は、ユーザが実現したいと願う前記レーザビームのパラメータ（例えば前記レーザビームの方向、前記レーザビームの焦点距離、前記レーザビームの対称／非対称）に対応する。前記光学素子は、前記設定信号を対応する効果に変換するのに使用される構成要素の１つである。このようにして、前記光学素子は、入力信号を出力効果にマッピングする所定の遷移関数を持つ。この例において、前記設定信号（又は前記設定信号から得られた信号）は、前記光学素子に対する入力として働く。前記光学素子に対する入力は、前記光学素子の駆動信号とも見なされることができる。前記光学素子の出力効果は、前記光学素子を通過するレーザビームに対する作用とみなされることができる。入力と出力との間の関係は、しばしば遷移関数を用いて記述される。この遷移関数は、例えば、前記入力に対する前記出力の依存性を規定する。特定の出力が望ましい場合、前記遷移関数は、対応する入力を見つけるために前記入力について解かれることができる。前記計算された入力は、この場合、前記光学素子に対する前記駆動信号として使用される。前記光学素子がほとんど擦り切れることを前提としないので、前記遷移関数は、前記光学素子の寿命にわたり実質的に一定のままである。更に、前記光学素子は、典型的には、機械的な対応物と比較して改良された耐性を示す。耐性は、遷移関数及びその解において処理するのが難しいので、前記変形可能な光学素子の前記遷移関数は、機械的に制御される光学素子又は構成のものより複雑でなく、解くのが容易でありうる。
【００３５】
本発明の他の態様において、前記設定は、前記レーザビームの焦点の局在を規定し、前記関数は、前記材料の屈折率の値を規定する少なくとも１つのパラメータに対する前記信号のマッピング、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屈折率のマッピング、及び前記レーザ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を含む。
【００３６】
前記光学素子は、複数のサブシステムを有するシステムとしてモデル化されてもよい。第１のサブシステムは、前記駆動信号がどのように前記光学素子内の前記材料の屈折率に影響を与えるかを記述する。このサブシステムの性質は、駆動信号のタイプ及び利用される物理的効果に依存する。例えば、前記駆動信号は、入力電圧であってもよく、前記サブシステムの出力は、前記光学素子内の前記材料の屈折率でありうる。第２のサブシステムは、前記屈折率と前記光学素子の光学特性との間の関係を記述する。前記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のサブシステムは、前記光学素子の光学特性と前記レーザビームの少なくとも１つのパラメータとの間の関係を記述する。
【００３７】
レーザビームパラメータの例は、例えば、ビーム拡散の角度又は伝搬方向である。
【００３８】
光ピンセットシステムは、ビーム操作アセンブリの一部として制御可能に変形可能な光学素子を使用することから益を得る。従来の機械的に移動又は配向された素子と同じ結果が期待されることができる。これらの従来の機械的な構成要素の欠点が避けられる。更に、前記変形可能な光学素子は、ビーム操作に対してより大きなフレキシビリティを提供する。
【００３９】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【００４０】
図は、正しい縮尺比で描かれておらず、異なる図の同一の参照番号は、対応する要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
図１は、従来技術の光ピンセットシステムをブロック図として示す。光ピンセットは、光誘導圧力で粒子を操作するのに使用される。基本原理は、例えば、A. Ashkin及びJM Dziedzicによる"Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria", Science 1987; 2335:1517-20に記載されている。前記粒子の直径が、使用される光の波長より小さいか又は大きいかに依存して、電気双極子近似又は光線光学アプローチが、粒子と光の相互作用を解析するのに使用される。光が対象により散乱される場合、光伝搬の方向に沿って対象を押す傾向にある散乱力が存在する。これは、前記対象に作用する散乱力と称される。加えて、いわゆる傾斜力が、同様に前記対象に作用する。この傾斜力は、２つの主な効果を持つ。第１の効果は、前記対象が、光強度が前記レーザビームの外側の領域より高い前記ビームの中心に向かって引かれることである。他の効果は、前記ビームが強力に集束される場合に生じる。これは、焦点に向かう強い光強度傾斜を生じる。この光は、強度が最大に達する点に向かう傾斜強度分布内の粒子に力を及ぼす。結果として、前記対象は、光学ビームの焦点にトラップされる。光ピンセットシステムにおいて、前記焦点は、３次元において、すなわち前記レーザビームの伝搬方向に沿って及び前記伝搬方向に垂直な２つの方向において動きまわされることができる。
【００４２】
このために、既知の光ピンセットシステムは、以下の構成要素を有する。光ピンセットシステム１００は、レーザビームパス１０４及び観測光パスを示す。レーザ源１１０は、レーザビームをオン及びオフに都合よく切り替えるシャッタ１１２を通過するレーザビームを生成する。ビーム拡大器１１４は、規定されたビーム直径を与える。描かれた光ピンセットシステムにおいて、明るい及び偏光されたレーザ光に対する可変減衰器は、回転可能な２分の１波長板１１６及び固定プリズム偏光器１１８を有する。ビームステアラ（beam steerer）は、２つの可動鏡１２２及び１２４からなり、両方とも同じ垂直ポストに取り付けられる。鏡１２２及び前記レーザ源に戻る光パスが、実際に垂直軸について鏡１２４に垂直であることに注意する。便宜上、これはここでは同じ面内に描かれている。
【００４３】
更に前記レーザビームのパスを下ると、レーザスポットを操縦及び同焦点化（parfocalize）するのに使用される単純な１：１望遠鏡構成は、固定レンズ１２８及び可動レンズ１２６を有する。これら２つの同質の平凸レンズ１２６及び１２８は、可動レンズ１２６に入る平行光が同じビーム直径の固定レンズ１２８から現れる平行光を生成するように、焦点距離の和だけ離れて配置される。可動レンズ１２６は、ｘ−ｙ−ｚ変換段又はマイクロマニピュレータに取り付けられる。３方向全てにおけるこのレンズの運動は、近似的に、同じ３次元におけるレーザ焦点スポットの対応する運動を生成する。軸方向（ｚ方向）における前記焦点スポットの運動に対し、レンズ１２６は、レンズ１２８に向けて押される。これは、前記レーザビームを、第２のレンズ１２８を離れる場合にわずかに発散させる。これは、前記焦点スポットを前記対象から離れるように標本のより深くに押される。同様に、レンズ１２６は、レンズ１２８から引き離されるので、レンズ１２８の左に前記望遠鏡を離れるレーザビームは、やや収束になり、前記焦点を前記対象に向けて移動する。光軸に垂直なｘ−ｙ面におけるレンズ１２６の運動は、レンズ１２８を離れる光において偏向を生成し、これは基本的に前記ビームの回転である。レンズ１２８が、対物レンズ瞳（objective pupil）の裏に撮像される場合、この回転は、前記対物レンズ瞳と共役な面において生じ、結果として前記レーザスポットの並進移動を生じる。レンズ１２８は、前記対物レンズ瞳の距離２ｆだけ後ろの場所によってこれを達成し、ここでｆはレンズ１２６及び１２８の焦点距離である。
【００４４】
ダイクロイックミラー１３２は、適切なレーザ波長、通常は〜１１００ｍｍ又は〜８５０ｎｍを反射する。ダイクロイックミラー１３２は、６５０ｎｍ以下の可視光を透過する。これは、レーザビームを顕微鏡対物レンズ１４２に向ける。可視光は前記ダイクロイックミラーを透過するので、シーンは、標準的な顕微鏡構成要素を使用して観測パス１０６を介して観測されることができる。追加の安全対策として、赤外遮断フィルタ１３４が、ダイクロイックミラー１３２と観測者との間に設けられる。
【００４５】
標準的な顕微鏡対物レンズ１４２は、前記レーザビームを集束する大部分を達成する。前記対物レンズは、典型的には、４０ｘないし１００ｘの拡大率を持つ高ＮＡ対物レンズ、１．２５ないし１．４０のＮＡであり、油浸又は水浸に対して設計される。前記顕微鏡対物レンズは、後方焦点レンズ（rear focal lens）１４４及び前レンズ１４８を有する。前記対物レンズは、単純性のために描かれていない収差補正手段を含んでもよい。
【００４６】
トラップされるべき対象は、サンプルキャリア１５２上に配置される。
【００４７】
前記対象が前記レーザビーム軸の周りで回転させられるべきである場合、光ピンセットシステム１００は、アナモルフィックレンズ及びモータ又は同等物のような、所望の回転速度において前記アナモルフィックレンズを回転させる手段を更に必要とする。前記アナモルフィックレンズは、非対称焦点スポットを生成する。前記レンズを回転することは、前記焦点スポット、したがって前記対象をも回転する。代案は、ＴＥＭ00レーザビーム（レーザビームに対する波伝搬の基本モード）をヘリカルモードに変換する特別な回折格子、いわゆるヘリカル位相プロファイルを使用することである。しかしながら、この方法は、回転速度が容易に偏光されることができないという欠点を持つ。
【００４８】
図２は、本発明の一実施例による光ピンセットシステムを示す。このシステムは、望遠鏡構成が前記レーザビームの焦点スポットを制御するために使用されない点で図１の光ピンセットシステムとは異なる。この機能は、ここで、本実施例においては顕微鏡対物レンズ１４２内に配置されるビーム操作部材２４６により担われる。より具体的には、ビーム操作部材は、前記顕微鏡対物レンズの後方焦点レンズ１４４と前レンズ１４８との間に配置される。異なる実施例において、前記ビーム操作部材は、顕微鏡対物レンズ１４２の前に配置されてもよい。ビーム操作部材２４６は、エレクトロウェッティング効果を利用する可変焦点レンズであることができる。この場合、これは、異なる屈折率を持つ２つの不混和流体を含む。前記２つの流体の間のメニスカスは、前記レンズの光学性質を変化させることが、前記ビーム操作部材に与えられたコマンドに応答して得られることができるように変更されることができる。他のオプションは、図１１及び１２に描かれるような制御可能な屈折率を持つ材料を有する光学素子を使用することである。この材料は、液晶材料であることができ、更に複屈折であってもよい。図１に描かれたような既知の光ピンセットシステムにおいて、望遠鏡部分は、大量の空間を必要とした。前述のように、既知の欠点を持つ機械的アクチュエータが、図１に示される可動レンズ１２６を制御するために必要とされた。
【００４９】
図３は、エレクトロウェッティングレンズ３００の軸平面における断面を示す。エレクトロウェッティングレンズ３００は、停止状態において示される。描かれた形式において、これは、実質的に円筒形を持つ。前記エレクトロウェッティングレンズは、容器底部３０２、容器蓋３０４、及び容器壁３０６を持つ密封された容器を有する。前記容器は、好ましくは、透明材料からなる。しかしながら、前記容器壁は、必ずしも透明ではない。
【００５０】
前記エレクトロウェッティングレンズは、底部電極３１２及び壁電極３１６をも有する。底部電極３１２は、外側リムを持つリングとして形成される。これは、容器底部３０２と容器壁３０６との間の遷移部に配置される。更に、底部電極３１２は、容器底部３０２と底部壁３０６との間の適切な通路を用いて前記容器の外側から内側に延在する。底部電極３０２の右には、電圧が前記底部電極に印加される接続端子が描かれる。壁電極３１６は、容器底部３０２に隣接した部分を除き容器壁３０６を囲む。ここで、壁電極３１６は、それぞれの上端においてリングにより接続される２つの同心円筒として表わされる。それにもかかわらず、例えば、前記電極全体にわたる満足な均等な電圧分布が速く変化する電圧に対してさえ達成されることができる場合、前記外側円筒は、省かれることができる。接続端子は、底部電極３１２に対する前記接続端子の近くの壁電極３１６の右側に表わされる。
【００５１】
絶縁体３２２は、壁電極３１６の内側円筒により規定される開口内に配置される。更に、疎水性コーティング３２４が、上にある前記容器の内側及び空洞の側面を覆うように設けられるが、底部には無い。
【００５２】
前記容器、前記電極、前記絶縁体及び前記疎水性コーティングにより形成される空洞は、２つの不混和流体で満たされる。第１の流体３２２は、導電性であり、例えば塩水であることができる。第２の流体は、絶縁性であり、例えばある種の油であることができる。水性の第１の流体は、典型的には、約１．３３の屈折率を持ち、前記第２の流体の屈折率は、適切な油を使用することにより１．６の高さに選択されることができる。屈折率の差が大きいほど、結果として生じるエレクトロウェッティングが効率的になる。両方の流体の密度を一致させることにより、前記レンズは、衝撃及び信号に対して安定になる。これは、使用される向きにも独立になる。前記第１の流体は、主に水からなるので、前記空洞の内側上部及び側壁の疎水性コーティング３２４は、前記第１の流体に反発することにより作用する。結果として、前記第１の流体は、疎水性コーティング３２４を持つ接触表面を最小化する傾向にある。この性質は、前記２つの流体間の湾曲した界面を生じる。前記界面は、メニスカスとも称され、球面レンズとして機能する。油３３４は、水溶液３３２より高い屈折率を持つので、前記エレクトロウェッティングの光学的効果は、上から下に前記レンズを通過する発散光線からわかるように発散レンズと比較されることができる。
【００５３】
図４は、今回は底部電極３１２及び壁電極３１６の接続端子に印加されるゼロとは異なる電圧を持つ、図３に描かれたのと同じエレクトロウェッティングレンズを示す。この電圧の印加の下で、電荷が前記壁電極において蓄積し、反対の電荷が、固体／液体界面の近くの導電性流体において誘導される。前記印加電圧に関連した電荷の量は、結果として、前記２つの流体間の前記メニスカスに作用する追加の力を生じる。液体の量は同じままであるので、この追加の力は、前記２つの流体間の界面の曲率半径の変化を生じる。前記界面はここで第２の流体３３４に対して凸上に成形されるので、前記エレクトロウェッティングレンズは、平凸レンズのように機能する。収束レンズは収束レンズであり、前記エレクトロウェッティングレンズを通過する光線に対する効果は、図４に表わされる。
【００５４】
図５は、図３及び４と同様のエレクトロウェッティングレンズを示す。違いは、図５のエレクトロウェッティングレンズ５００が、完全に回転対称ではない電極配置を持つ点である。実際に、壁電極は、ここで２つの別個の電極５１６及び５１７を有する。したがって、異なる電圧が、前記エレクトロウェッティングレンズの２つの対向する側に印加されることができる。これは、前記界面が、前記側の各々において疎水性コーティング３２４に対して異なる高さまで引き上げられる結果となる。これは、前記界面を前記エレクトロウェッティングレンズの光軸に垂直な面に対して傾けさせる。前記メニスカスが平らである限り、前記エレクトロウェッティングレンズはプリズムのように機能する。このために、電極５１６及び５１７に印加される平均電圧は、０ボルトと図４に示されるエレクトロウェッティングレンズに印加される電圧との間のどこかであるべきである。前記メニスカスの傾斜は、図３の発散性質又は図４の収束性質と組み合わされることができる。図５において、前記メニスカスを左に傾けることと前記メニスカスを第２の流体３３４に対して凸上に成形することとの組み合わせが示される。これは、前記エレクトロウェッティングレンズが、前記レンズの下及びわずかに左に位置する焦点スポットを示す結果となる。
【００５５】
図５において、２つの壁電極セグメント５１６及び５１７が示される。明らかに、いかなる数の電極セグメントが、前記エレクトロウェッティングレンズを通過する光を光軸と異なる方向に向ける際により高い自由度に対して選択されることもできる。より完全な記載に対して、国際特許出願刊行物ＷＯ２００４／０５１３２３が参照される。
【００５６】
図６は、エレクトロウェッティングレンズ５００を備えた顕微鏡対物レンズ１４２を通る軸平面における断面を示す。既知の形で、顕微鏡対物レンズは、前レンズ６０４、メニスカスレンズ６０６、及び例えば後方焦点距離レンズ６０８（後方焦点レンズとも称される）を有する。用語メニスカスレンズは、エレクトロウェッティングレンズ５００のメニスカスと混同されるべきでない。前記顕微鏡対物レンズは、前記レンズを保持し、ほこりと同様に側面からの入射光に対する保護を提供するように機能するハウジング６０２をも有する。顕微鏡対物レンズ１４２は、単純化された表現として理解されるべきである。収差及び彩度補正手段のような、追加の構成要素が設けられてもよい。更に、顕微鏡対物レンズ１４２は正しい縮尺比で描かれていない。エレクトロウェッティングレンズ５００は、メニスカスレンズ６０６と後方焦点距離レンズ６０８との間に配置される。この場所において、エレクトロウェッティングレンズ５００は、便利な態様で前記光ピンセットシステムのレーザビームの収束及び方向づけを実行することができる。前記対物レンズの前レンズ６０４は、光ピンセットシステムに必要とされる収束力の大部分を提供する。前記エレクトロウェッティングレンズの焦点距離を変更することにより、結合されたシステムの焦点距離が変更されることができる。これは、前記焦点スポットが上下に移動される結果となる。
【００５７】
前記エレクトロウェッティングレンズが焦点距離及び偏向方向を変更すると、観測者に対する視野も変更されることに注意すべきである。最新型の光ピンセットシステムに詳しいユーザは、この動作モードに習熟するのにいくらかの時間を必要としうる。しかしながら、前記焦点が常に前記観測者の視野の中心にあることは理解されるべきである。前記観測者に対する向きとして、図１及び２からのサンプルキャリア１５２は、グリッド及び対応するマークを示すことができる。
【００５８】
代替例において、エレクトロウェッティングレンズは、レーザビームパス１０４及び通常の顕微鏡光パス１０６（図２）が分離される点に配置されることができる。前記エレクトロウェッティングレンズは、この場合、レーザビームパス１０４に配置される。
【００５９】
更に、２以上のエレクトロウェッティングレンズを設けることも可能である。前記エレクトロウェッティングレンズの１つは、この場合、前記光ピンセットシステムの焦点距離を調整するのに使用され、１以上の他のエレクトロウェッティングレンズは、ビーム偏向を提供する。
【００６０】
図７は、顕微鏡対物レンズ１４２の前レンズ６０４のわずかに下からの斜視図の概略図であり、前記光ピンセットシステムの幾つかの幾何変数を示す。前レンズ６０４は、実質的に上から下の方向におけるレーザビーム７６２により横切られる。図７は、前記レーザビームが前記前レンズの下側表面の面を中心とする特別な場合を示す。一般に、Ｆストップの設定に依存して、前記レーザビームは、前述の表面に対して中心にされる必要はない。図７において、前レンズ６０４に入る前に、レーザビーム７６２は、例えば、エレクトロウェッティングレンズを用いて偏向された。したがって、レーザビーム７６２は、前記前レンズの光軸に平行な方向において前レンズ６０４の上半球に当たらない。座標系は、原点が前レンズ６０４の下側平面の中心に配置されるように規定される。前記座標系のｚ軸は、前記レーザビームの伝搬方向、すなわち図７の下向きに前レンズ６０４の光軸に沿って延在する。前記座標系のｘ−ｙ面は、前レンズ６０４の前記下側平面により規定される。ｘ軸のみが示される。規定されたやり方で所望のビーム偏向を制御することができるために、前記光ピンセットシステムを使用する前に光軸の周りの前記顕微鏡対物レンズの角度位置を較正することは有利であることができる。
【００６１】
レーザビーム７６２は、レーザビーム軸７６６を示す。前記前レンズの光軸と前記レーザビーム軸との間の角度は、Θ（大文字のシータ）により示される。レーザビーム７６２は、焦点スポット７６４に集束される。前記焦点スポットのｚ座標は、前記光ピンセットシステムの結果として生じる焦点距離ｆrにより与えられる。レンズの焦点スポットは、入射光の方向が変化する場合に、前記光軸に垂直な面内で変位する。
【００６２】
図８は、図７の方向VIIIにおける前レンズ６０４の上からの図を示す。座標系のｘ軸及びｙ軸が示される。内側の円は、前レンズ６０４の前記下側平面におけるレーザビーム７６２の輪郭を表す。レーザビーム軸７６６が、ｘ軸に対する角度Φ（大文字のファイ）の下に示される。
【００６３】
前記焦点スポットのｘ座標及びｙ座標を計算的に決定する方法の１つは、レーザビーム軸７６６と焦点面との交点を計算することである。ｚ座標は、結果として生じる焦点距離ｆrとして既知であるので、ｘ座標及びｙ座標のみが決定される必要がある。通常の環境下で、ｘ、ｙ及びｚ座標は、事前に選択され、前記焦点スポットをこの位置に向けるのは、前記光ピンセットシステム次第である。したがって、逆計算が、ｆr、Φ（ファイ）及びΘ（シータ）に対する対応する値に達するために実行されなければならない。適切な電極信号は、この場合、これらの値から計算されることができる。１以上のルックアップテーブルの使用もオプションである。
【００６４】
図９は、上から見たエレクトロウェッティングレンズの概略的表現である。単純性のために、疎水性コーティング３２４及び６つの電極３１６ａ−３１６ｆが示される。参照番号９０２は、例えば第１の流体３３２と第２の流体３３４との間のメニスカスの輪郭線を表す。これは、例えば、現在のメニスカス形状の最高ｚ位置と最低ｚ位置との間の中央ｚ位置を規定する輪郭線でありうる。見られることができるように、輪郭線９０２は、楕円の形状を持つ。これは、前記メニスカスが、前記楕円の２つの主軸に沿って異なる曲率半径を示すことを意味する。前記楕円が細長い場合、前記曲率半径は比較的高く、逆も同様である。電極３１６ａ−３１６ｆを特別なパターンで駆動することにより、時間に対して前記楕円を回転することが可能である。図９は、電極３１６ｃ及び３１６ｆが、他の電極３１６ａ、３１６ｂ、３１６ｄ及び３１６ｅと比べて小さな電圧で駆動される、第２の高屈折流体３３４に対して目下平面凸レンズである瞬間を表す。実際に、界面波が、前記メニスカスに沿って作成される。これに対する結果として、前記焦点スポットは、非対称になり、時間的に回転する。これを見る他の方法は、前記エレクトロウェ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。前記光ピンセットシステムにより保持される粒子を回転することができる非対称性を生成するために、前記エレクトロウェッティングレンズにより生成されるコマ収差のような収差効果を利用することが既に十分でありうる。
【００６５】
図１０は、図９における６つの電極３１６ａ−３１６ｆに対する信号展開を表す。前記メニスカスの対称的な構成が望ましい場合、電圧ＶａないしＶｆが対になってグループ化される。同じ対に属する２つの電圧、例えばＶａ及びＶｄは、前記メニスカスの対称的な構成に対して同じ値を持つ。図１０において、前記電圧は、周期Ｔを持つ正弦関数として表わされる。これは必要ではなく、したがって、前記電圧が他の関数に従ってもよい。前記電圧は平均値Ｖｍを持つ。この平均値は、特定の曲率及び同様に特定の焦点距離を提供するのに必要とされる所望の直流電圧成分を規定する。上述のように、既にコマ収差のような収差は、所要の非対称性を提供するのに十分である。したがって、弱い交流電圧成分も既に所望の効果を提供することができる。
【００６６】
図１１は、第１の動作状態における液晶レンズ１１００の概略表現を示す。今日では、液晶に基づく複屈折構造を製造することが可能である。この方法によって製造される構成要素の例は、ＷＯ２００４／０５９３５０に記載される複屈折レンズである。前記レンズは、等方性形状１１３２及び異方性形状１１３４を有する。等方性形状１１３２は、屈折率ｎiを示す。この動作状態における前記異方性形状の屈折率はｎ0であり、一般に前記等方性形状の屈折率より高い。したがって、レンズ機能が生成される。図１１は、両方の屈折率が等しく、ｎ0＝ｎiである特別な場合を示す。複屈折レンズは、２つの焦点を持ち、これらの焦点の各々が光の偏光方向により選択可能である点で標準的なレンズから前記複屈折レンズ自体を区別する。Ｓ偏光光Ｓは、前記等方性形状の屈折率ｎiにマッチされる屈折率ｎ0を観測する。
【００６７】
図１２は、第２の動作状態における前記液晶レンズを示す。この場合、ｐ偏光光ｐは、前記レンズに当たり、異方性形状１１３４は、ｎ0より高い屈折率ｎeを示し、ｎe＞ｎ0である。レンズ１１００の切り替え原理は連続的である。これは、電界により誘導された液晶分子の再配向による異方性形状１１３４の液晶媒体の屈折率の変調に基づく。
【００６８】
これらのレンズは、偏光方向に対して影響を受けにくくされることもできる。このために、他の切り替え可能な液晶層を含む第２のセグメントが使用されることができる。この第２の切り替え可能な液晶層は、垂直に積み重ねられたダイレクタを有する。この状況において、光のすべての偏光成分が、この後に前記液晶と前記等方性媒体との間の屈折率の差により影響を受けるので、非偏光光が使用されることができる。
【００６９】
ここに記載されたシステムの１つはエレクトロウェッティングに基づくが、同じ原理がマグネットウェッティングに基づくシステム、したがって２つの流体を含み、一方が強磁性流体であり、前記メニスカスの形状が磁場により変更されるシステムに対しても適用される。詳細な議論は、欧州特許出願番号ＥＰ０４１０２４３７において見つけられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【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】本発明の一実施例による光ピンセットシステムの概略図である。
【図３】停止状態における光学素子の縦断面である。
【図４】対称な励起状態における図３の光学素子を示す。
【図５】非対称な励起状態における図３の光学素子を示す。
【図６】図３ないし５の光学素子を備えた顕微鏡対物レンズの縦断面である。
【図７】光ピンセットシステムにおいて使用される顕微鏡対物レンズの前レンズの概略的な斜視図である。
【図８】図７の矢印VIIIによる顕微鏡前レンズの概略的な上面図である。
【図９】上からのビーム操作部材の模範的な電極配置を示す。
【図１０】図９に描かれた電極の時間に対する電極電圧の表示である。
【図１１】第１の状態における液晶レンズの概略的表現である。
【図１２】第２の状態における液晶レンズの概略的表現である。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
2009540350.tif 000015
2009540350.tif 000016
2009540350.tif 000017
2009540350.tif 000018
2009540350.tif 000019