(57)【要約】【課題】レーザ光を使用して極めて小さな物体を捕捉して操作し、これらの物体に付与された微小な力を横方向及び縦方向の両方に測定するための装置及び方法を提供する。【解決手段】捕捉粒子に対する横方向及び縦方向の力の両方を測定するための光トラップ及び方法。レーザ光源は、粒子を捕捉するために逆伝播方式でトラップ領域に集束される第１及び第２の光ビームを発生する。検出器は、トラップ領域を出る光ビームのパワー偏向の変化とトラップ領域を出る光ビームのパワー集中の変化とを測定する。プロセッサは、光ビームのパワー偏向の測定された変化に基づいて粒子に対する横方向の力を計算し、光ビームのパワー集中の測定された変化に基づいて粒子に対する縦方向の力を計算する。第２の光ビームが第１の光ビームの捕捉粒子からの反射によって発生する単一ビーム光トラップ及び方法も開示する。【選択図】図３
2007508947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を捕捉するための光トラップ装置であって、
第１及び第２の光ビームを発生させるための少なくとも１つのレーザ光源と、
粒子をトラップ領域に捕捉するために逆伝播方式で前記第１及び第２の光ビームを該トラップ領域に集束させるための第１及び第２のレンズと、
前記トラップ領域を出る前記第１の光ビームのパワー偏向とパワー集中の変化を測定するための第１の検出器と、
前記トラップ領域を出る前記第２の光ビームのパワー偏向とパワー集中の変化を測定するための第２の検出器と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記第１の検出器は、第１のパワー偏向検出器と第１のパワー集中検出器を含み、
前記第２の検出器は、第２のパワー偏向検出器と第２のパワー集中検出器を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー偏向の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する横方向の力を計算し、該第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の前記測定した変化に基づいて該粒子に対する縦方向の力を計算するためのプロセッサ、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離及びｃを光の速度とした時の比１／ｃＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、Ψをパワー応答度、ＲDを前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方の正方形区域の半値幅、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離、及びｃを光の速度とした時の比ＲD／ｃΨＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項６】
前記第１の検出器は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ1及びΔＹ1だけ変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記第２の検出器は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ2及びΔＹ2だけ変化する第３及び第４の信号を生成し、
前記プロセッサは、
Ｆx＝ΔＸ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＸ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第１の成分Ｆxを計算し、
Ｆy＝ΔＹ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＹ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第２の成分Ｆyを計算する、
ことによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算し、
Ψ1は、前記第１の検出器のパワー応答度、ＲD1は、該第１の検出器の正方形区域の半値幅であり、
Ψ2は、前記第２の検出器のパワー応答度、ＲD2は、該第２の検出器の正方形区域の半値幅であり、
ＲL1は、前記第１のレンズの焦点距離であり、
ＲL2は、前記第２のレンズの焦点距離であり、
ｃは、光の速度である、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって該粒子に対する前記縦方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項８】
前記第１の検出器は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答してΔＺ1だけ変化する第１の信号を生成し、
前記第２の検出器は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答してΔＺ2だけ変化する第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びΨ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度とした時のＦz＝（ｎ／ｃ）（ΔＺ1−ΔＺ2）／Ψ’に従って該粒子に対する前記縦方向の力Ｆzを計算する、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項９】
前記第１及び第２のパワー集中検出器の各々は、
フォトダイオード検出器と、
減衰器の中心からの距離の関数として光の伝達率Ｔが増加又は減少する円形伝達プロフィールを有する減衰器と、
を含む、
ことを特徴とする請求項２に記載の光トラップ装置。
【請求項１０】
前記減衰器の前記伝達率Ｔは、Ｔ＝ｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）に従って該減衰器の前記中心からの距離ｒの関数として減少することを特徴とする請求項９に記載の光トラップ装置。
【請求項１１】
前記第１のレンズを移動して、該第１のレンズの焦点域を前記トラップ領域に位置合わせするためのステージ、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項１２】
前記第１及び第２のレンズに前記第１及び第２の光ビームを送出するための光ファイバと、
前記光ファイバの送出端部に力を及ぼしてそのピボット回転を引き起こすための少なくとも１つのアクチュエータと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項１３】
前記光ファイバの各々に対して、
第１のチューブが、前記少なくとも１つのアクチュエータが前記光ファイバの送出端部をピボット回転させるために該第１のチューブに対して前記力を及ぼすように、該送出端部を取り囲んでいる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の光トラップ装置。
【請求項１４】
前記光ファイバの各々に対して、
前記第１のチューブが前記少なくとも１つのアクチュエータによって移動される時に、該第１のチューブが前記光ファイバの送出端部をピボット回転させるように、第２のチューブが、該送出端部を取り囲み、かつ該第１のチューブによって取り囲まれている、
ことを特徴とする請求項１３に記載の光トラップ装置。
【請求項１５】
前記第１及び第２のレンズと前記第１及び第２の検出器とが上に取り付けられたレールと、
前記レールに取り付けられて前記粒子を収容し、前記トラップ領域の中に延びている流体チャンバと、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項１６】
前記レールと前記第１及び第２のレンズと前記第１及び第２の検出器と前記流体チャンバとを収容するハウジングと、
前記ハウジングの内部を所定の温度に維持するための加熱装置と、
を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の光トラップ装置。
【請求項１７】
前記流体チャンバは、前記第１及び第２のレンズと同じ高さ又はそれよりも下に取り付けられていることを特徴とする請求項１５に記載の光トラップ装置。
【請求項１８】
前記第１及び第２の検出器の各々は、受光素子の２次元アレイを含むことを特徴とする請求項１に記載の光トラップ装置。
【請求項１９】
前記第１の検出器は、前記トラップ領域に入る前記粒子と前記第１の光ビームの前記測定したパワー集中の変化とに応答してＺ1emptyからＺ1fullまで変化する第１の信号を生成し、
前記第２の検出器は、前記トラップ領域に入る前記粒子と前記第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化とに応答してＺ2emptyからＺ2fullまで変化する第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、前記トラップ領域内の前記第２の光ビームの焦点に対して該トラップ領域内の前記第１の光ビームの焦点を移動させるために誤差信号｛（Ｚ1＋Ｚ2）full−（Ｚ1＋Ｚ2）empty｝を発生させる、
ことを特徴とする請求項３に記載の光トラップ装置。
【請求項２０】
前記誤差信号に応答して、前記第１のレンズ又は該第１のレンズに前記第１のビームを送出する光ファイバ端部を移動するためのステージ、
を更に含むことを特徴とする請求項１９に記載の光トラップ装置。
【請求項２１】
粒子を捕捉する方法であって、
第１及び第２の光ビームを発生させる段階と、
粒子をトラップ領域に捕捉するために逆伝播方式で前記第１及び第２の光ビームを該トラップ領域に集束させる段階と、
前記トラップ領域を出る前記第１及び第２の光ビームのパワー偏向の変化を測定する段階と、
前記トラップ領域を出る前記第１及び第２の光ビームのパワー集中の変化を測定する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー偏向の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する横方向の力を計算する段階と、
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する縦方向の力を計算する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１及び第２の光ビームの前記集束段階は、第１及び第２のレンズを使用して行われ、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離及びｃを光の速度とした時の比１／ｃＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１及び第２の光ビームの前記集束段階は、第１及び第２のレンズを使用して行われ、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、Ψをパワー応答度、ＲDを前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方の正方形区域の半値幅、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離、及びｃを光の速度とした時の比ＲD／ｃΨＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１及び第２の光ビームの前記集束段階は、第１及び第２のレンズを使用して行われ、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ1及びΔＹ1だけ変化する第１及び第２の信号を生成する第１の検出器を使用して行われ、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ2及びΔＹ2だけ変化する第３及び第４の信号を生成する第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、
Ｆx＝ΔＸ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＸ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第１の成分Ｆxを計算する段階と、
Ｆy＝ΔＹ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＹ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第２の成分Ｆyを計算する段階と、
を含み、
Ψ1は、前記第１の検出器のパワー応答度、ＲD1は、該第１の検出器の正方形区域の半値幅であり、
Ψ2は、前記第２の検出器のパワー応答度、ＲD2は、該第２の検出器の正方形区域の半値幅であり、
ＲL1は、前記第１のレンズの焦点距離であり、
ＲL2は、前記第２のレンズの焦点距離であり、
ｃは、光の速度である、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記パワー集中の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記縦方向の力の前記計算は、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記パワー集中の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記縦方向の力の前記計算は、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号間の差に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の変化の前記測定段階は、第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記第１及び第２の光ビームの伝達率が該第１又は第２の光ビームの中心からの距離の関数として増加又は減少する方法で、該第１及び第２の光ビームを前記第１及び第２の光検出器に到着する前に減衰させる段階、
を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１及び第２の光ビームの前記伝達率は、ｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）に従って該第１又は第２の光ビームの前記中心からの距離ｒの関数として減少することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１及び第２の光ビームの前記集束段階は、第１及び第２のレンズを使用して行われ、
前記第１及び第２の光ビームは、第１及び第２の光ファイバを通じて前記第１及び第２のレンズに送出され、
前記第１及び第２の光ファイバの送出端部に力を及ぼし、かつそのピボット回転を引き起こす段階、
を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記トラップ領域に入る前記粒子と前記第１の光ビームの前記測定したパワー集中の変化とに応答してＺ1emptyからＺ1fullまで変化する第１の信号を生成する段階と、
前記トラップ領域に入る前記粒子と前記第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化とに応答してＺ2emptyからＺ2fullまで変化する第２の信号を生成する段階と、
前記トラップ領域内の前記第２の光ビームの焦点に対して該トラップ領域内の前記第１の光ビームの焦点を移動させるために誤差信号｛（Ｚ1＋Ｚ2）full−（Ｚ1＋Ｚ2）empty｝を発生させる段階と、
を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記誤差信号に応答して、前記第１のレンズ又は該第１のレンズに前記第１のビームを送出する光ファイバ端部を移動する段階、
を更に含むことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
粒子を捕捉するための光トラップ装置であって、
第１の光ビームを発生させるためのレーザ光源と、
粒子をトラップ領域に捕捉するために前記第１の光ビームを該トラップ領域に集束させるための第１のレンズと、
前記トラップ領域を通って伝達された前記第１の光ビームを収集するための第２のレンズと、
を含み、
前記粒子は、前記第１の光ビームの一部分を反射して前記第１のレンズによって収集される第２の光ビームを作り出し、
前記トラップ領域を出る前記第１の光ビームのパワー偏向とパワー集中の変化を測定するための第１の検出器と、
前記トラップ領域を出る前記第２の光ビームのパワー偏向とパワー集中の変化を測定するための第２の検出器と、
を更に含むことを特徴とする装置。
【請求項３４】
前記第１の検出器は、第１のパワー偏向検出器と第１のパワー集中検出器を含み、
前記第２の検出器は、第２のパワー偏向検出器と第２のパワー集中検出器を含む、
ことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項３５】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー偏向の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する横方向の力を計算し、該第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の前記測定した変化に基づいて該粒子に対する縦方向の力を計算するためのプロセッサ、
を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項３６】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離及びｃを光の速度とした時の比１／ｃＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３５に記載の光トラップ装置。
【請求項３７】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、Ψをパワー応答度、ＲDを前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方の正方形区域の半値幅、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離、及びｃを光の速度とした時の比ＲD／ｃΨＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３５に記載の光トラップ装置。
【請求項３８】
前記第１の検出器は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ1及びΔＹ1だけ変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記第２の検出器は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ2及びΔＹ2だけ変化する第３及び第４の信号を生成し、
前記プロセッサは、
Ｆx＝ΔＸ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＸ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第１の成分Ｆxを計算し、
Ｆy＝ΔＹ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＹ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第２の成分Ｆyを計算する、
ことによって前記粒子に対する前記横方向の力を計算し、
Ψ1は、前記第１の検出器のパワー応答度、ＲD1は、該第１の検出器の正方形区域の半値幅であり、
Ψ2は、前記第２の検出器のパワー応答度、ＲD2は、該第２の検出器の正方形区域の半値幅であり、
ＲL1は、前記第１のレンズの焦点距離であり、
ＲL2は、前記第２のレンズの焦点距離であり、
ｃは、光の速度である、
ことを特徴とする請求項３５に記載の光トラップ装置。
【請求項３９】
前記第１及び第２の検出器は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算することによって該粒子に対する前記縦方向の力を計算する、
ことを特徴とする請求項３５に記載の光トラップ装置。
【請求項４０】
前記第１の検出器は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答してΔＺ1だけ変化する第１の信号を生成し、
前記第２の検出器は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答してΔＺ2だけ変化する第２の信号を生成し、
前記プロセッサは、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びΨ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度とした時のＦz＝（ｎ／ｃ）（ΔＺ1−ΔＺ2）／Ψ’に従って該粒子に対する前記縦方向の力Ｆzを計算する、
ことを特徴とする請求項３５に記載の光トラップ装置。
【請求項４１】
前記第１及び第２のパワー集中検出器の各々は、
フォトダイオード検出器と、
減衰器の中心からの距離の関数として光の伝達率Ｔが増加又は減少する円形伝達プロフィールを有する減衰器と、
を含む、
ことを特徴とする請求項３４に記載の光トラップ装置。
【請求項４２】
前記減衰器の前記伝達率Ｔは、Ｔ＝ｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）に従って該減衰器の前記中心からの距離ｒの関数として減少することを特徴とする請求項４１に記載の光トラップ装置。
【請求項４３】
前記第１のレンズを移動して、該第１のレンズの焦点域を前記トラップ領域に位置合わせするためのステージ、
を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項４４】
前記第１のレンズに前記第１の光ビームを送出するための光ファイバと、
前記光ファイバの送出端部に力を及ぼしてそのピボット回転を引き起こすための少なくとも１つのアクチュエータと、
を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項４５】
前記光ファイバの送出端部をピボット回転させるために前記少なくとも１つのアクチュエータによって前記力が及ぼされるように該送出端部を取り囲んだ第１のチューブ、
を更に含むことを特徴とする請求項４４に記載の光トラップ装置。
【請求項４６】
前記第１のチューブが前記少なくとも１つのアクチュエータによって移動される時に該第１のチューブが前記光ファイバの送出端部をピボット回転させるように、該送出端部を取り囲み、かつ該第１のチューブによって取り囲まれた第２のチューブ、
を更に含むことを特徴とする請求項４５に記載の光トラップ装置。
【請求項４７】
前記第１及び第２のレンズと前記第１及び第２の検出器とが上に取り付けられたレールと、
前記レールに取り付けられて前記粒子を収容し、前記トラップ領域の中に延びている流体チャンバと、
を更に含むことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項４８】
前記レールと前記第１及び第２のレンズと前記第１及び第２の検出器と前記流体チャンバとを収容するハウジングと、
前記ハウジングの内部を所定の温度に維持するための加熱装置と、
を更に含むことを特徴とする請求項４７に記載の光トラップ装置。
【請求項４９】
前記流体チャンバは、前記第１及び第２のレンズと同じ高さ又はそれよりも下に取り付けられていることを特徴とする請求項４７に記載の光トラップ装置。
【請求項５０】
前記第１及び第２の検出器の各々は、受光素子の２次元アレイを含むことを特徴とする請求項３３に記載の光トラップ装置。
【請求項５１】
粒子を捕捉する方法であって、
第１の光ビームを発生させる段階と、
粒子をトラップ領域に捕捉するために前記第１の光ビームを該トラップ領域に集束させる段階と、
を含み、
前記粒子は、前記第１の光ビームの一部分を反射して第２の光ビームを作り出し、
前記トラップ領域を出る前記第１及び第２の光ビームのパワー偏向の変化を測定する段階と、
前記トラップ領域を出る前記第１及び第２の光ビームのパワー集中の変化を測定する段階と、
を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項５２】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー偏向の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する横方向の力を計算する段階と、
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の前記測定した変化に基づいて前記粒子に対する縦方向の力を計算する段階と、
を更に含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の光ビームの前記集束段階は、第１のレンズによって行われ、それによって該集束された第１の光ビームは、第２のレンズによって収集され、かつ前記第２の光ビームは、該第１のレンズによって収集されることになり、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離及びｃを光の速度とした時の比１／ｃＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記第１の光ビームの前記集束段階は、第１のレンズによって行われ、それによって該集束された第１の光ビームは、第２のレンズによって収集され、かつ前記第２の光ビームは、該第１のレンズによって収集されることになり、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、Ψをパワー応答度、ＲDを前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方の正方形区域の半値幅、ＲLを前記第１及び第２のレンズの少なくとも一方の焦点距離、及びｃを光の速度とした時の比ＲD／ｃΨＲLを前記第１及び第２の信号の前記変化に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１の光ビームの前記集束段階は、第１のレンズによって行われ、それによって該集束された第１の光ビームは、第２のレンズによって収集され、かつ前記第２の光ビームは、該第１のレンズによって収集されることになり、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第１の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ1及びΔＹ1だけ変化する第１及び第２の信号を生成する第１の検出器を使用して行われ、
前記パワー偏向の変化の前記測定段階は、前記第２の光ビームの前記測定したパワー偏向の変化の直交するｘ及びｙ成分に応答してそれぞれΔＸ2及びΔＹ2だけ変化する第３及び第４の信号を生成する第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記横方向の力の前記計算は、
Ｆx＝ΔＸ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＸ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第１の成分Ｆxを計算する段階と、
Ｆy＝ΔＹ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＹ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1に従って前記横方向の力の第２の成分Ｆyを計算する段階と、
を含み、
Ψ1は、前記第１の検出器のパワー応答度、ＲD1は、該第１の検出器の正方形区域の半値幅であり、
Ψ2は、前記第２の検出器のパワー応答度、ＲD2は、該第２の検出器の正方形区域の半値幅であり、
ＲL1は、前記第１のレンズの焦点距離であり、
ＲL2は、前記第２のレンズの焦点距離であり、
ｃは、光の速度である、
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５６】
前記パワー集中の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記縦方向の力の前記計算は、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５７】
前記パワー集中の変化の前記測定段階は、前記第１及び第２の光ビームの前記測定したパワー集中の変化に応答して変化する第１及び第２の信号を生成する第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記粒子に対する前記縦方向の力の前記計算は、Ψ’を前記第１及び第２の検出器の少なくとも一方のパワー応答度、ｎを前記粒子の周りのバッファ流体の屈折率、及びｃを光の速度とした時のｎ／ｃΨ’を前記第１及び第２の信号間の差に乗算する段階を含む、
ことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５８】
前記第１及び第２の光ビームの前記パワー集中の変化の前記測定段階は、第１及び第２の検出器を使用して行われ、
前記第１及び第２の光ビームの伝達率が該第１又は第２の光ビームの中心からの距離の関数として増加又は減少する方法で、該第１及び第２の光ビームを前記第１及び第２の検出器に到着する前に減衰させる段階、
を更に含むことを特徴とする請求項５２に記載の方法。
【請求項５９】
前記第１及び第２の光ビームの前記伝達率は、ｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）に従って該第１又は第２の光ビームの前記中心からの距離ｒの関数として減少することを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１の光ビームの前記集束段階は、レンズを使用して行われ、
前記第１の光ビームは、光ファイバを通じて前記レンズに送出され、
前記光ファイバの送出端部に力を及ぼし、かつそのピボット回転を引き起こす段階、
を更に含むことを特徴とする請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年９月１９日出願の米国特許仮出願第６０／５０４，０６７号の恩典を請求する。
政府の補助
本発明は、ＮＩＨによって与えられた助成（契約）番号ＧＭ−３２５４３、及びＮＳＦによって与えられた助成番号ＭＢＣ−９１１８４８２及びＤＢＩ−９７３２１４０の下で政府の支援によって行われたものである。政府は、本発明に対してある一定の権利を有する。
本発明は、光学的粒子捕捉に関し、より詳細には、レーザ光を使用して極めて小さな物体を捕捉して操作し、これらの物体に付与された微小な力を横方向及び縦方向の両方に測定するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微粒子を光学的に捕捉するための装置は、「光トラップ」又は「光ピンセット」として公知である。この技術は、微小物体によってその物体を捕捉し、浮揚させ、移動させるために屈折させられた１つ又はそれよりも多くのレーザビームによって作り出された力に依存する。顕微鏡の対物レンズを通して非常に小さな点（焦点域）までレーザビームの焦点を合わせることにより、ガラス、プラスチック、又は油滴のような屈折率が高い粒子は、ビームの強力な領域に引き付けられ、ビームの焦点域に永久に捕捉することができる。捕捉された物体に対してピコニュートン以下の精度で微小な力を測定することができるために、生物学者は、光トラップにかなりの興味を持っている。走査力顕微鏡のような従来技術ではそのように小さな力にはアクセスできなかったので、光トラップは、生物学において主要な研究ツールとなっている。
【０００３】
そのような力を測定するための１つの（好ましい）方法は、粒子と相互作用した後で光を捕捉して解析する段階と、粒子との相互作用による光の運動量フラックスの変化を計算する段階とを含む。単一ビームトラップは、効率的に捕捉するためにかなり周辺の光線を必要とするが、高い開口数（ＮＡ）のレンズでさえも粒子と相互作用した時にこれらの光線全てを受け入れることができずに光軸から遠く離れて偏向することを考えれば、光トラップを出る全ての光を捕捉するのは困難になる可能性がある。そのような場合には、光トラップを出る全ての光を捕捉して解析するのは困難であるとすることができる。従って、この問題に対処するために、二重ビーム光トラップが開発されている。従来の逆伝播ビーム光トラップは、粒子を捕捉し、それらの粒子に付与された極めて小さな横方向の力を測定するために使用されている。例えば、「光運動量フラックスの変化を測定する光ピンセットシステム」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．、第７３巻、第６号、２００２年６月を参照されたい。二重ビームトラップはまた、屈折率の高い粒子を捕捉するのに単一ビームトラップよりも優れている。
【０００４】
従来の運動量感知光トラップ、及び特に二重ビーム逆伝播光トラップの１つの欠点は、それらが粒子に対する横方向の力（ｘ及びｙ方向）だけを検出及び測定することである。従来の光トラップは、粒子に対する軸線方向の力（ｚ方向）を検出及び測定しない。更に、逆伝播光トラップは、アラインメント、すなわち、２つのビームの焦点を共通の点で一緒にするのが困難になる可能性がある。
外力の３つの成分の全てを測定し、かつアラインメントが容易な光トラップシステム（及び方法）に対する必要性が存在する。
【０００５】
【特許文献１】米国特許仮出願第６０／５０４，０６７号
【非特許文献１】「光運動量フラックスの変化を測定する光ピンセットシステム」、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．、第７３巻、第６号、２００２年６月
【非特許文献２】「Ｈａｍａｍａｔｓｕ（半導体部門）プロフィールセンサＳ９１３２予備データシート」、２００４年１月
【非特許文献３】Ｍａｓｓａｒｉ他「高速度デジタル「ＣＭＯＳ  ２Ｄ」光学位置感応検出器」、欧州半導体回路会議（ＥＳＳＣＩＲＣ）、２００２年
【発明の開示】
【０００６】
光トラップ（ＯＴ）内の捕捉粒子に作用することができるあらゆる外力の３つのベクトル成分を全て取得することが望ましい。横方向光力センサを装着した逆伝播ビームＯＴに対する改善として、本発明は、捕捉粒子に対して作用する軸線方向力成分の同時（横方向成分との）測定を可能にする「軸線方向光力センサ」を含む。本発明は、捕捉レーザ光をそれが粒子を通過してトラップの周辺から離れた後で収集して解析する。軸線方向の力は、軸線方向の光運動量フラックスの変化から計算され、これは、対物集光レンズの後焦点面における出射光強度の空間分布の観測された変化から計算される。この目的のために、後焦点面は、「円形」伝達プロフィールを有する特別な光減衰器上に再画像化される。パターン化された減衰器を通過する光は、プレーナフォトダイオードに当たり、それは、そこで軸線方向の光運動量フラックスに比例する電流信号を生成する。粒子による運動量フラックスのどのような変化も粒子に対する光力に等しく、従って、測定される外部軸線方向力に等しい。装置は、測定された一定の値、すなわち、光の速度、対物焦点長、及びプレーナフォトダイオードのパワー感度から較正される。較正は、粒子の形状、レーザのパワー、トラップ焦点の鋭さによって影響されず、又は粒子の屈折率にも影響されない。
【０００７】
本発明は、第１及び第２の光ビームを発生させるための少なくとも１つのレーザ光源と、トラップ領域に粒子を捕捉するために第１及び第２の光ビームを逆伝播方式でトラップ領域に集束させるための第１及び第２のレンズと、トラップ領域を出る第１の光ビームのパワー偏向及びパワー集中の変化を測定するための第１の検出器と、トラップ領域を出る第２の光ビームのパワー偏向及びパワー集中の変化を測定するための第２の検出器とを含む、粒子を捕捉するための光トラップである。
【０００８】
本発明の別の態様では、粒子を捕捉する方法は、第１及び第２の光ビームを発生させる段階と、トラップ領域に粒子を捕捉するために第１及び第２の光ビームを逆伝播方式でトラップ領域に集束させる段階と、トラップ領域を出る第１及び第２の光ビームのパワー偏向の変化を測定する段階と、トラップ領域を出る第１及び第２の光ビームのパワー集中の変化を測定する段階とを含む。
本発明の更に別の態様では、粒子を捕捉するための光トラップ装置は、第１の光ビームを発生させるためのレーザ光源と、トラップ領域に粒子を捕捉するために第１の光ビームをトラップ領域に集束させるための第１のレンズと、トラップ領域を透過した第１の光ビームを集束させるための第２のレンズとを含み、粒子は、第１の光線ビームの一部分を反射して、第１のレンズによって集束される第２の光ビームを生成し、装置は、更に、トラップ領域を出る第１の光ビームのパワー偏向及びパワー集中の変化を測定するための第１の検出器と、トラップ領域を出る第２の光ビームのパワー偏向及びパワー集中の変化を測定するための第２の検出器とを含む。
【０００９】
本発明の更にもう１つの態様では、粒子を捕捉する方法は、第１の光ビームを発生させる段階と、トラップ領域に粒子を捕捉するために第１の光ビームをトラップ領域に集束させる段階とを含み、粒子は、第１の光ビームの一部分を反射して第２の光ビームを生成し、本方法は、更に、トラップ領域を出る第１及び第２の光ビームのパワー偏向の変化を測定する段階と、トラップ領域を出る第１及び第２の光ビームのパワー集中の変化を測定する段階とを含む。
本発明の他の目的及び特徴は、明細書、特許請求の範囲、及び添付図面を考察することによって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、光が物体と相互作用する時の光の運動量の変化を検出することにより、捕捉された物体に対する光力を測定する方法及びシステムである。
光線は、光子の方向性のある流れと考えることができ、これは、それと共に運動量フラックスｄＰ／ｄｔ＝ｎＷ／ｃを運び、ここで、Ｗは光線によって運ばれるパワー（ワット）、ｃは光の速度、ｎは周囲のバッファの屈折率である。一対の対物レンズ２と、レンズの焦点域によって形成されたトラップ領域内でこのレンズ間に保持された粒子４とを包含する光トラップでは、特定の光線〔ｉ〕は、図１に示すように、トラップの光軸に対する角度θi、φiを通して粒子４と相互作用することによって偏向させることができる。その光線により捕捉された粒子によって知覚される反力は、次の式で与えられる。
Ｆi＝ｄＰi／ｄｔ＝（ｎＷi／ｃ）〔ｉｓｉｎθiｃｏｓφi＋ｊｓｉｎθiｓｉｎφi＋ｋ（１−ｃｏｓφi）〕      （１）
【００１１】
多くの光線が近くを通過する捕捉粒子に対する力を計算するために、トラップの近くに入射する及び出射する全ての光線のパワーを解析し、偏向されていない光線が出る時にそのフラックスの寄与を相殺するような符号慣例を使用して、式１に基づいてそれらを合計することで十分である。実験的には、そのような分析は、捕捉レンズの反対側の別のレンズを使用して出射光線を収集することによって行うことができる。その集光レンズがコマのない対物レンズ（捕捉レンズと同様）の場合、及び捕捉焦点が集光レンズの焦点でもあるように配置されている場合は、Ａｂｂｅの正弦条件の特定バージョンが、集光レンズに当たる光線に対して成り立つ。この規則に基づいて、焦点から来て光軸に対して角度θi傾いている光線は、下の式によって与えられる光軸からの半径方向距離ｒで光軸に平行な後部主平面から発せられることになる。
ｒi＝ｎｓｉｎθiＲL      （２）
ここで、ＲLは、集光レンズの焦点距離である。式（１）と（２）をｘ−ｙ座標（ｘ＝ｒｃｏｓφ及びｙ＝ｒｓｉｎφ）において組み合わせて全ての光線を合計すると、レンズに入射及び出射する光の空間強度分布Ｗ（ｘ，ｙ）enter及びＷ（ｘ，ｙ）exitを用いた粒子に対する力の式が与えられる。
Ｆx＝（１／ＲLｃ）（〔ΣＷiｘi〕enter−〔ΣＷiｘi〕exit）      （３ａ）
Ｆy＝（１／ＲLｃ）（〔ΣＷiｙi〕enter−〔ΣＷiｙi〕exit）      （３ｂ）
Ｆz＝（ｎ／ｃ）｛〔ΣＷiｓｑｒｔ（１−（ｒi／ｎＲL）2）〕enter−〔ΣＷiｓｑｒｔ（１−（ｒi／ｎＲL）2）〕exit｝      （３ｃ）
【００１２】
光強度の距離重み付け合計ΣＷiｘi及びΣＷiｙiは、「パワー偏向」と呼ばれる。空間強度分布のこれらのモーメントは、集光レンズから出る光をパワー偏向検出器としても公知である位置感応型光検出器（ＰＳＤ）上に投射することによって測定することができる。そのような検出器は、４つではなく１つの連続ダイオード（すなわち、パワー偏向センサ／検出器）６を構成するので、象限検出器とは異なる。それらは、図２に示すように、２つのプレートレジスタの間に挟まれたプレーナＰＩＮ接合フォトダイオードと考えることができる。光線が検出器６上の特定の点に当たると、それは、２つのプレーナレジスタをその点に電気接続する逆方向バイアスがかかっているダイオード層に正孔と電子を解放する。各軸（ｘ、ｙ）に対して、光線が当たるところから各電極までの距離次第で、２つの電極８の間のレジスタ層の対向する端部で派生電流（光線パワーＷiに比例する）が分割される。ＰＳＤに当たる全ての光線からの電流は、このように端部からの距離によって重み付けされて線形的に合計される。図２に示すような演算増幅器回路１０は、４つの電流信号を取り（２つは上部ＰＳＤ層の中に、２つは底部から）、それらをｘ及びｙ距離で平均した強度に関して別々の信号に変換する。このように、パワー偏向は、光ビームを形成する全ての光線のパワーと軸外距離の尺度である。全体の光ビームのパワーが均一に増加し、及び／又は全体の光ビームが位置を正の方向にシフトすると、光ビームのパワー偏向は増加し、またその逆も可能である。
【００１３】
ＰＳＤ増幅器（図２）からの信号は、次の式で与えられる。
Ｘ＝ΨΣＷiｘi／ＲD      （４ａ）
Ｙ＝ΨΣＷiｙi／ＲD      （４ｂ）
ここで、Ψは、ＰＳＤフォトダイオードのパワー応答度、ＲDは、正方形ＰＳＤ検出器領域の半値幅、ｘi及びｙiは、光線位置のｘ及びｙ成分、Ｗiは、それらの光線の各々のパワーである。
横方向の力のｘ及びｙ成分は、式３と４を組み合わせることによって与えられる。
Ｆx＝ΔＸＲD／ｃΨＲL      （５ａ）
Ｆy＝ΔＹＲD／ｃΨＲL      （５ｂ）
ここで、ΔＸ及びΔＹは、粒子に加えられた力のＸ及びＹ成分によって誘起されたパワー偏向検出器からの信号の変化を表している。
【００１４】
ＰＳＤ検出器からの信号は、入力光運動量が最初はヌルであるという条件で、捕捉粒子に対するｘ及びｙの力の成分として直接使用することができる。換言すれば、ＰＳＤは、トラップに物体がない状態でＸ及びＹの出力がゼロになるようにして予め配置される。対称入力ビームの場合、これによって検出器を光軸上に置くことになる。非対称入力ビームの場合、検出器をヌルにすることは、入射する光のフラックスがそのフレーム内でゼロの横方向（ｘ、ｙ）運動量を有するようにゼロ角度の基準をシフトする。粒子が捕捉されると、出力分布だけが変化して入力分布は変化しない。その場合でも、捕捉粒子に外力Ｆx及びＦyが加えられるまで、出力分布は、対称（ヌル出力）のままである。
【００１５】
光力センサに関する問題は、力を計算するために全ての出射光を収集する必要があることから派生している。単一ビーム光トラップは、強力な半径方向（ｘ、ｙ）捕捉力を加えることができるが、軸線方向（ｚ）の力はかなり弱い。ビームに高い収束性があって、高ＮＡ対物レンズからの完全な周辺光線の集合を含まない限り、粒子は、粒子に対する反射又は光散乱力のためにトラップの後部（出口）側に逃げる場合がある。すなわち、出射光を全て回収するために、そのような高ＮＡトラップは、高ＮＡ集光レンズを要求する。しかし、粒子に外力が作用すると、トラップからの出力光線は、入力光線よりも更に軸外に偏向されることになる。粒子の変位がより大きい場合、最も高いＮＡ対物レンズを使用できてもそれらの出射周辺光線を収集できない。従って、以下に詳細に説明するように、単一ビーム光トラップではなく二重ビーム光トラップを使用した本発明の光運動量法を利用するのが望ましい（必ずしも必要ではないが）。
【００１６】
しかし、対向するレンズを通して共通の焦点（すなわち、共通の焦点域）に収束する逆伝播レーザビームを使用することにより、より低いＮＡの光学装置で粒子を捕捉することが可能である。従って、反射又は散乱光の力が均衡して軸線方向の逃げ道が閉鎖される。そのような器具である二重逆伝播ビーム光トラップが実施されるようになっており、図３に概略示されている。別のダイオードレーザ装置１２からの垂直に偏向された光ビーム（例えば、「ＳＤＬ  ５４３１」レーザからの２００ｍＷでの８３５ｎｍ光）が、偏向ビームスプリッタ１８、１／４位相差板１６、及び対物レンズ２（例えば、「Ｎｉｋｏｎ  ６０Ｘ  ｐｌａｎ−Ａｐｏ−ｗａｔｅｒ  ＮＡ  １．２」）を通って送られ、そのために光ビームは、粒子４に出会うと円偏向される。出射光ビームは、反対側の対物レンズ２によって収集され、反対側の１／４位相差板１６のところで水平に偏向されて偏向ビームスプリッタ１８によって下向きに偏向され、非偏向ビームスプリッタ２０によって一組のビームに分割される（好ましくは等分に）。第１の組のビームは、パワー偏向検出器２２（ビームの横方向の運動量を測定する）に向けられ、第２の組のビームは、パワー集中検出器２４（ビームの縦方向の運動量を測定する）に向けられる。粒子は、好ましくは、ヒートシールされたパラフィンストリップによって分離された２つのカバースリップで形成された流体チャンバ１４の中に収容される。
【００１７】
高ＮＡ対物レンズ２には、高角度の光線を集束／収集する能力があるが、それらに入るレーザビームは、直径が小さく保たれて後部開口を充填不足にする。従って、狭い円錐からの捕捉光線（低ＮＡビーム）とこれらの光線の最も周辺にあるものとは、それらの光線が粒子４に対する外力の付与によって最初の低傾斜角の組の外側に偏向されていても、反対側のレンズ２によって収集することができる。この器具では、２つのビームからの横方向の力は一緒に加わり、従って、パワー偏向検出器２２からの信号は、捕捉粒子に対する横方向の力のｘ及びｙ成分を与えるために合計されるべきである。
Ｆx＝（ΔＸ1＋ΔＸ2）ＲD／ｃΨＲL      （６ａ）
Ｆy＝（ΔＹ1＋ΔＹ2）ＲD／ｃΨＲL      （６ｂ）
ここで、ΔＸ1とΔＸ2は、粒子に加えられた力のＸ成分によって誘発された第１及び第２の検出器からの信号の変化をそれぞれ表し、ΔＹ1とΔＹ2は、粒子に加えられた力のＹ成分によって誘発された第１及び第２の検出器からの信号の変化をそれぞれ表している。
【００１８】
光軸Ｆzに沿った縦方向の力を得るために、異なる種類の検出器、すなわち、入射ビームのパワー集中を測定するものが利用される。パワー集中は、ビーム内のパワーの断面分布の尺度である。光ビームのパワーがビームの中心に向けてより集中すると、そのパワー集中はより大きくなる。反対に、ビームパワー分布がビームの中心から離れて更に広がると、そのパワー集中はより小さくなる。すなわち、例えば、パワー集中検出器は、ビーム内のパワー分布がビームの中心に向けて更に集中されるようになる時に増加又は減少する信号を生成し、その逆も可能である。パワー集中検出器の一例は、距離の重み（感度）が、式３ｃに基づいて例えばｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）で光軸から減衰するものである。そのような応答は、図４に示すように、プレーナフォトダイオード３０の上に置かれた円形伝達プロフィールの減衰器２８を有するパワー集中検出器２４によって得られる。円形伝達プロフィールＴは、ｓｑｒｔ（１−（ｒ／ｎＲL）2）であり、ｒは、ここでは減衰器の中心からの半径方向の距離である。ピクセルとして数値的に生成された１つのこのようなプロフィールは、図４に示されている。
【００１９】
減衰器２８がそのパターン半径がｎＲLになるように構成されると、パターン中心から距離ｒi落下する強度Ｗiの光線iに対する検出器応答は、次の式で表される。
Ｚ＝Ψ’ΣＷiｓｑｒｔ（１−（ｒi／ｎＲL）2）      （７）
ここで、Ψ’は、プレーナフォトダイオードの応答度である。式（３ｃ）と（７）を組み合わせることにより、力信号Ｆzは、２つの対向する軸線方向パワー集中光検出器信号からの信号間の差に比例する（既知の係数により）。すなわち、
Ｆz＝（ｎ／ｃ）（ΔＺ1−ΔＺ2）／Ψ’      （８）
ここで、ΔＺ1とΔＺ2は、捕捉粒子に対する縦方向の力に起因する２つのパワー集中検出器からの信号の変化を表している。
【００２０】
実際には、レーザパワーと軸線方向検出器の感度の差を補償するために、いずれかの粒子がトラップに入射する前に任意のオフセットの追加により、差信号（ΔＺ1−ΔＺ2）が好ましくはヌルにされる。検出器２２／２４からの信号は、好ましくはプロセッサ１４に送られ、このプロセッサは、上述の式を利用して粒子の力と変位を計算する。プロセッサ１４は、独立型の装置、又は適切なソフトウエアを実行するパーソナルコンピュータにすることができる。
【００２１】
上述の横方向の光力センサの利点は、実験条件に伴って変化しないＲLとｃのような一定の係数だけに依存して較正することである。力は、遠距離場で測定された光の線形運動量の保存から得られる。従って、力の測定は、粒子の形状及びサイズ及び屈折率のような捕捉／ビームの詳細とは無関係になる。残念なことに、上述の軸線方向力のセンサの場合、その較正は、粒子を取り囲む流体バッファの屈折率に伴って変化する。例えば、流体チャンバの内側の水に１モルのＮａＣｌを加えると、その屈折率が１．３３４から１．３４３まで変化する。そのような−１％の補正は、水に適する特定の半径（式７）を用いて円形プロフィール減衰器が構成されることを除き、式８の値に単に適用することができる。ｒ／ｎＲL＜０．５の典型的な光線の場合、残留するｚ方向の力の誤差は、非常に小さく、すなわち、１／４パーセントよりも小さいことになる。
【００２２】
室温又は湿度，及び多くの光学部品に対するその影響の変化のために、二重逆伝播ビームを使用する光トラップは、逆伝播ビームの焦点（焦点域）を一致させて保持するために一定のアラインメントを要求する。そのようなアラインメントは、１つの捕捉焦点を移動して他の上に置くことを含む。焦点を移動させるためには、ビーム角度を対物レンズの後部に入る方向に向けるか、又は全体の対物レンズを移動させなければならない。図５は、後者の種類のソリューションを示し、対物レンズ２の１つが圧電駆動ｘ−ｙ−ｚステージ３２と共に動くことができて焦点と部分的に重なるように、図４の光トラップが修正される。他の修正は、第２の偏向ビームスプリッタ３４とリレーレンズ３６の追加を含む。粒子が捕捉された場合、これは、２つの逆伝播ビームの焦点がトラップを維持するために十分近くなり、粒子に対する外力が粒子を壊して自由にするには不十分であることを意味する。しかし、焦点のアラインメントが僅かにずれると、捕捉ビームは、粒子との共通の相互作用を通じて互いに力を作用させ合うことになる（運動量を交換する）。
【００２３】
捕捉粒子に対する外部の横方向の力が両方の出射ビームを同じ方向に偏向させると同時に、焦点の横方向のアラインメントずれが、出射ビームを反対方向に偏向させる。この場合、アラインメント誤差を補正する情報（対物レンズを移動させることによる）を差動力信号から引き出すことができる。ＦxがＰＳＤ信号ΔＸ1＋ΔＸ2の合計に比例するのに対して、ｘ軸のアラインメント誤差は、それらの差、すなわち、ΔＸ1−ΔＸ2に比例する。横方向のアラインメントを制御するために、計器のコンピュータは、比例積分微分（ＰＩＤ）フィードバックアルゴリズムを使用してパワー偏向検出器２２の横方向の力センサからの読みに基づいて圧電ステージを移動させる。ここで、ｘ軸の誤差信号は、ΔＸ1−ΔＸ2であり、ｙ軸の誤差信号は、ΔＹ1−ΔＹ2である。
【００２４】
焦点はまた、光軸に沿ってもアラインメントがずれる場合があり、換言すれば、ｚ軸に沿って互いに届かないか又は互いを超えることがある。前者の場合（届かない）、２つのビームは、捕捉粒子と共通の相互作用を通じて互いに前方に引き合って両者の前方への運動量を増加させる。従って、両方のビームは、光軸に関してより小さくなり（より集中され）、パターン化された減衰器（軸線方向の力センサ）を通してそれらの伝達を増大させる。後者の場合（互いを越して焦点が形成される）、ビームは、互いに減速してその出射角度が広げられ、パターン化された減衰器を通して伝達を低減する。軸線方向のアラインメント誤差信号は、トラップ内に粒子がある現在の軸線方向センサ出力（Ｚ1＋Ｚ2）fullと、トラップが空であった時の以前の測定値（Ｚ1＋Ｚ2）emptyのそれとの比較から引き出すことができる。しかし、「空」の測定値は、現在のものではなく、レーザパワーが経時的に変わる時に変える必要があるであろう。従って、ΔＺ信号は、パワー偏向検出器の「合計」出力（図２参照）によって測定された時のそれらのそれぞれのレーザパワーによって正規化するのが最善である。次に、改善されたｚ軸誤差信号は次のようになる。
ｚ−ｅｒｒｏｒ＝（Ｚ1／Ｓｕｍ1＋Ｚ2／Ｓｕｍ2）full−（Ｚ1／Ｓｕｍ1＋Ｚ2／Ｓｕｍ2）empty      （９）
この軸線方向誤差は、コンピュータのＰＩＤアルゴリズムによって処理されて対物ＸＹＺステージ３２のｚ軸圧電にフィードバックされる。代替的に、レーザビームをレンズ２に送出するために光ファイバが使用された場合、光ファイバの送出端部とレンズ２の間の距離は、２つのビームの焦点を整合させるために誤差信号に基づいて調節することができる。そのようなシステムは、焦点の軸線方向アラインメントにおける温度ドリフトを補正する。
【００２５】
本発明の逆伝播ビームレーザ光トラップは、対物レンズの後焦点面に配置された（又は、それを基準にした）専用の光度測定センサを利用して、そこでの光の強度の空間分布の変化と捕捉粒子に対する何らかの作用によって生じた変化とを測定する。ビームトラップは、ミクロンサイズの屈折粒子を操作すると同時に、捕捉光の運動量の変化を通して粒子に対する外力を測定する。本発明のビームトラップは、３つの直交軸における全ての粒子のピコニュートン外力を測定することができる。
【００２６】
例えば、図３に示すように、分子４０は、粒子４とピペット４２の間に取り付けることができ、その機械的特性を調べることができる。ピペット４２は、分子に対して機械的な応力を作用させるために移動させることができるので、分子に作用した力は、光トラップによって測定することができる。本発明を用いて、捕捉粒子に対する、及び従ってそこに付着した分子に対する３つの力の成分（Ｆx、Ｆy、Ｆz）全てを測定することができる。横方向及び軸線方向測定値の両方に対する較正は、焦点の鮮明度、粒子のサイズ／形状／屈折率、又はレーザパワーの変化に影響されず、両方とも横方向の誤差又は縦方向の誤差のいずれかに対する二重捕捉ビーム焦点のアラインメントのために使用することができる。横方向力センサの較正は、バッファ液体の屈折率の変化に影響されないのに対して、縦方向センサの較正は僅かに影響される。
【００２７】
図６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ、及び８は、光トラップのアラインメントのための代替的な実施形態を示している。対物レンズ２の１つを移動させることによってビームの１つを移動させる代わりに、ピボット点のまわりに光ファイバを曲げるアクチュエータアセンブリ４４を使用して、ビームは、光ビームをそれが対物レンズ２に届く前に移動させることによってトラップ内で（又は、他のあらゆる用途において）横方向に動かされる。より詳細には、図６Ａに示すように、レーザダイオード１２の光出力は、アクチュエータ（例えば、圧電素子）を用いて動かされて（駆動されて）高周波数応答（＞２ｋＨｚ）を達成するほぼ剛性の部分を有する低質量の光ファイバ４６の中に結合される。光ファイバ４６の送出端部６２は、無限遠補正された顕微鏡対物レンズ２の後部に入る平行化された光線を生成するように、収斂レンズ４８から１焦点距離（Ｆ）だけ離れて位置決めされる。光ファイバ４６は、アクチュエータが動く時に光ファイバがその点の周りでピボット回転するように（曲げ距離ＢＬで）、プレート、ブロック、又は他の剛性部材５２によってピボット点Ｘ（レンズから遠く離れている）に保持される。
【００２８】
ピボット点Ｘは、レンズの後部焦点の光軸に垂直な平面である対物レンズの後焦点面（ＢＦＰ）の中心の点に対する共役焦点（コリメータレンズ４８を通る）である。このようにして光ファイバをピボット回転させると、実際に光ファイバの送出端部６２をレンズ２及び４８の中心から離して傾斜させる。しかし、この動きにより対物レンズ２に入る光の角度が変わり（従って、トラップ焦点を横方向に向け）、一方でビームは、対物レンズ２のＢＦＰにおいて静止を保つ（すなわち、ビームは、レンズ２のＢＦＰの周りで回転する）。すなわち、光ファイバがその機械的ピボット点Ｘの周りでピボット回転する時に、光ビームは、光ピボット点Ｐ（ＢＦＰでの）の周りでピボット回転する。この構成の利点は、光トラップ内のブラウン運動を打ち消す一定位置フィードバックに対して要求されるように、それが、レンズ２の遠く離れた側でビームを平行移動する際のより高速の応答時間を提供することである。
【００２９】
光トラップに対する較正安定性は、粒子サイズ、屈折率、又は捕捉位置の変化とは無関係に、光運動量フラックスの正確な測定から導き出される。リレーレンズ３６が使用されて特に較正が捕捉位置の影響を受けないようにされる。レンズ２の右側と検出器の表面との間の図１の光線が平行であってかつ軸上にあるという条件で、数式３（ａ−ｃ）の表現は正確である。しかし、実際には、レンズから出てくる光線が完全に平行か又は中心にあることはほとんどない。実際に、図６Ａに示すように向きが変えられたトラップの場合、レンズに入射及び出射する光線は、故意に軸を外されている。レンズ２から検出器２２／２４まで輝度パターン（強度分布）を移す問題は、パターンが距離と共に軸から更に外れるか又は平行化誤差に依存してより大きく／より小さく成長するので、レンズ及び検出器間の大きな距離によって悪化するであろう。そのような影響を排除するための検出器を置く理想的な場所は、レンズ２の「後焦点面（ＢＦＰ）」である。その場所では、光軸に対する捕捉位置の変化は、角度分布の式１を検出器上の空間分布（式３）にするのに影響を及ぼさないことになる。残念なことに、ＢＦＰは、一般的に、典型的な顕微鏡対物レンズ内部のどこかに位置している。検出器２２／２４をそのようなレンズ内部に実質的に配置するために、リレーレンズ３６を使用して検出器の表面上にＢＦＰを投射する。換言すれば、検出器２２／２４の検出器面は、別のリレーレンズ３６を通して対物レンズ２のＢＦＰに対する共役焦点面に配置される。
【００３０】
捕捉移動にヌル感度を付与する共役平面構成の特定の例が図６Ｂに示されている。ここでは、ファイバのピボット点ＸがＢＦＰ1（第１の左側の対物レンズ２の後焦点面）に対して共役である。ファイバ端部からの光ビームは、ＢＦＰ1で平行移動しないが、むしろファイバがピボット回転する時にＢＦＰ1の光軸の周りでピボット回転する。一方、光トラップでの（対物レンズ焦点での）光ビームは、捕捉粒子を操作するために対物焦点面内で平行移動する。二つの対物レンズ２は、それらの対物焦点面ＯＦＰ’が一致するように置かれる。従って、ＢＦＰ2（第２の右側の対物レンズ２の後焦点面）は、ＢＦＰ1と共役になり、ピボット点Ｘとも共役になる。このように、光のビームは、ＢＦＰ2で平行移動しないが、その代わりに、そこで光軸の周りでピボット回転する。この例では、焦点距離Ａのリレーレンズ３６は、ＢＦＰ2と検出器２２／２４のうちの一方の表面との間の中間に配置される。距離２Ａ（焦点距離Ａの２倍）が、リレーレンズ３６の両側に残される（ＢＦＰ2とリレーレンズ３６の間、及びリレーレンズ３６と検出器２２／２４の間）。従って、ＢＦＰ2は、倍率１で検出器表面上に画像化される。検出器表面は、ＢＦＰ2と共役になり、従ってＢＦＰ1と、従ってピボット点Ｘと共役になる。光ビームは、光ファイバがピボット回転して光トラップが移動する時に検出器表面で平行移動しない。検出器２２／２４が光ビームの光軸上の中心に置かれた状態で、力信号は、光ビームを偏向させるものがトラップ内になければ、トラップ移動に関係なくヌルのままである。実際には、光ビームは、検出器２２及び検出器２４の両方の表面がピボット点Ｘと共役になるように分割される（図５に示すように）。
【００３１】
図７Ａ及び７Ｂは、本発明のアクチュエータアセンブリ４４を示している。光ファイバ４６は、クランプ締めされるか又はその他の方法でプレート又はブロック５２によって固定された薄い金属チューブ５０内にその送出端部を配置することによってピボット回転される。光ファイバ４６は、好ましくは、それがチューブ端部５４と共に動くようにその遠位端でチューブ５０に固定化される。光ファイバは、チューブ端部５４から外側に光を放出する（好ましくは、チューブ端部とファイバ遠位端は、隣接するか又は場合によっては一致する）。チューブ５０とそこにある光ファイバ４６のプレート／ブロック５２から延びる部分は、光ファイバのほぼ剛性の部分を一緒に形成し、プレート／ブロック５２は、この剛性部分をピボット回転させるための支持部材の役目をする。チューブ５０（及び、そこにある光ファイバ４６）に力を及ぼして偏向させる圧電スタックアクチュエータ５６（「ＮＥＣ  Ｃｏｒｐ．」製「ＡＥ０２０３Ｄ０８」など）に電気信号が供給される。２つのこのようなアクチュエータ５６は、好ましくは、チューブ５０の硬質球形拡大部５８（ボールピボット）に作用し、直交する撓み偏向を与えることによってレーザ捕捉ビーム焦点の向きを対物焦点面の両方の横方向に変えるように直角に配置される。ボールピボット５８をピボット点Ｘの近くにかつチューブの遠位端から遠くに配置すると、チューブ端部５４の動きが増幅される。従って、短い距離を動く圧電スタックは、光ファイバの送出端部に長い距離を移動させることができる。ｚ軸の調節は、ステージ又は第３の圧電アクチュエータを通じて圧電アクチュエータアセンブリ４４全体を移動させる（レンズ２と共に）ことによって実施することができる。
【００３２】
図８は、本発明のアクチュエータアセンブリ４４の代替的な実施形態を示している。コリメータレンズ４８の焦点距離とＢＦＰまでの距離によっては、ピボット点Ｘを光ファイバ４６の送出端部６２にかなり近づける必要があるであろう（例えば、＜１ｃｍ）。従って、大きなサイズのアクチュエータ５６及び球形拡大部５８を考慮すると、アクチュエータアセンブリ４４は、図８に示すように構成することができ、光ファイバ４６は、その出力端部６２のより近くでピボット回転する（すなわち、ピボット点Ｘは、ファイバの送出端部に近い）。この構成により、アクチュエータ５６は、外側チューブ６０（チューブ５０を同心円状に取り囲む）を押し／引きして曲げる。外側チューブ６０は、好ましくは、その遠位端に配置された小さな正方形の孔を有する電気形成金属スクリーンであるピボットスクリーン６４を含む。ガラス光ファイバ４６は、チューブ５０から延びてこれらの孔の１つを通過し、その孔の正方形コーナに静止している。そのすぐ近くで、光ファイバ４６は、移動しないチューブ５０内にクランプ締めされるか又はその他の方法で固定される。外側チューブ６０が、アクチュエータの圧力によって曲がる（すなわち、ピボット点Ｙの周りでピボット回転する）ことができ、同時に内側チューブ５０が真っ直ぐに保たれるように、チューブ５０／６０間には十分なクリアランスがある。従って、この実施形態では、ファイバのほぼ剛性の部分の支持部材として役に立つのは内側チューブ５０であり、光ファイバのほぼ剛性の部分は、内側チューブ５０から出て延びる光ファイバ４６の部分である。光ファイバのこの部分は、一般的にピボット回転する時に重力の重さを受けても曲がらないように、十分な補強（別のチューブ又はプラスチックの鞘）か又はその固有の剛性に対して十分に短い長さのいずれかによってほぼ剛性である。外側チューブ６０は、支持部材５２に固定されてピボット点Ｙの周りでピボット回転し、これは、ピボットスクリーン６４の移動によって光ファイバが偏向される時に光ファイバ４６のほぼ剛性の部分をピボット点Ｘの周りでピボット回転させる。この構成には、通常のアクチュエータ移動にわたる２つのレベルの距離増幅があり、１つのレベルでは、外側チューブ６０の遠位端がアクチュエータ５６よりも遠くに移動し、別のレベルでは、光ファイバ４６の出力端６２がピボットスクリーン６４よりも遠くに移動する（外側チューブ６０の端部で）。
【００３３】
図９は、床の振動、音響騒音、及び室温変動に妨害されないより正確な力／距離の測定を可能にする本発明の実施形態を示している。光学テーブル上の大きな器具は、人間が歩く床上に据えられている場合には、振動から隔離するのが特に困難である。そのようなテーブル上のエア・レッグ支持体は、低周波数（５Ｈｚ未満）の床振動を伝達して場合によっては増幅する可能性がある。大きな金属テーブルはまた、室温が変化する時に大きな寸法変化を受ける。幅１ｍの鋼鉄製テーブルは、室温が１℃上昇する毎に１０，０００ナノメートル以上膨張する可能性がある。光トラップ器具のサイズを小さくすることにより、全ての光学要素を温度制御された金属遮蔽物内に収容することが実際的になる（温度に起因する寸法変化を防ぎ、粉塵を遮断し、可聴室内ノイズを遮蔽するために）。同様に、器具を弾性コード又はバネによって天井から吊り下げ、従って、光学テーブルに比べて低周波数カットオフまで（＜１Ｈｚ）それを建物／床の振動からより良く隔離することが可能になる。
【００３４】
すなわち、上述の逆伝播ビームレーザ光トラップは、次の５つの変更を行って小型化することができる。（１）全てのレンズ及びプリズム構成要素をレーザビーム直径と矛盾しない最小サイズに縮小する。（２）全ての自由空間光路を最小長さに縮小する。（３）光学ブレッドボードテーブルを特注機械加工した光学レールと交換する。（４）レーザ調整用光学部品内の多くの部品（すなわち、コリメータレンズ付き加熱／冷却ダイオードレーザマウント、ファラデーアイソレータ、アナモフィックプリズム、非点収差補正レンズ、空間フィルタ入力レンズ、ピンホールフィルタ、及び空間フィルタ出力レンズ）を単一の小さな構成要素、すなわち、単一モード光ファイバに結合された「バタフライマウント」温度制御ダイオードレーザと交換する。（５）最後に、組み立てられた光学構成要素を付属加熱器（サーモスタット制御されてハウジング温度を一定に保つ）付きのアルミニウムハウジングに封入する。２つの付加的な改善は、流体が漏れた時に塩分バッファが光学部品から離れて下向きに滴下するように光学構成要素と同じ高さ又はその下に対物レンズ及び流体チャンバを配置すること、及びレーザ捕捉焦点の独立した平行移動のための上述の対物焦点面圧電駆動光ビームトランスレータを使用することを含むことができる。
【００３５】
上述の小型化と矛盾しないように、図９の光トラップは、１つ又はそれよりも多くの温度自動調節加熱器７２で温度が制御されたハウジング７０（好ましくはアルミニウム製）を含む。光学構成要素は、対物レンズ２、プリズム／レンズアセンブリ７６（ビームスプリッタ１８、１／４位相差板１６、その他を含む）、圧電アクチュエータアセンブリ４４、検出器２２／２４、及び流体チャンバ２６と同じ高さ又は場合によってはそれよりも上方に装着されたレーザダイオード１２と共に光学レール７４に装着される。対物レンズの光学チェーンを通して粒子の画像を捕捉するために、ＣＣＤカメラ７８と可視光源８０を含めることができる。取付リング８４とコード８６（例えば、振動減衰弾性又はバンジー形コード）を使用してハウジング７０を吊り下げる。
【００３６】
上述した図３−５、及び９に示すように、縦方向運動量測定は、逆伝播ビームを有する光トラップを使用してより都合良く測定されるが、ここで以下に説明するように、単一ビームを有する光トラップを使用してそのような測定を行うことが可能であることに注意すべきである。
捕捉粒子に対する外力は、トラップに入る光に対するトラップから出る光の運動量の変化として表される。従って、有効な力の測定を行うために、トラップに入る光の強度分布と出るものとの両方を知ることは重要である。横方向力の場合、この作業は、パワー偏向検出器２２を偏向されていないビームの中心の位置に移動させることによって簡略化される。この調節は、作動しているがトラップに粒子がないレーザ１２を使用して行われる。より詳細には、パワー偏向検出器２２は、トラップを出射する光だけを測定して入射光を測定しないので、式３で要求される積分の半分だけしか実行しない。この問題は、トラップ内に粒子がない時に出力ビームが検出器の中心にあって差信号がなくなるように、検出器を光軸上に整合させることによって解決される。トラップに入射する光は、この基準系内では横方向運動量を持っておらず、粒子が導入された後でさえも考慮に入れる必要がない。出射光だけが粒子との相互作用によって影響される。
【００３７】
しかし、レーザがオンでトラップ内に粒子がない時にその出力をヌルにするための図３に示すようなパワー集中検出器を移動する方法はない。軸線方向力の場合、適正なＺ軸の力を与えるために、式３（Ｃ）も「差が取られる」べきである。各パワー集中検出器に対する信号は、トラップ内に粒子がない状態で信号値Ｚinitialを測定し、次にトラップ内に物体がある状態で信号値Ｚfinalを測定すること、及び差ΔＺ＝Ｚfinal−Ｚinitialを取ることの２つのステップで実行すべきである。このΔＺ＝０の場合、この特定のＰＳＤによって検出された光のビームに外力は作用していない。従って、式（７）は、次のように修正することができる。
Ｚ＝Ψ’｛〔ΣＷiｓｑｒｔ（１−（ｒi／ｎＲL）2〕final−〔ΣＷiｓｑｒｔ（１−（ｒi／ｎＲL）2）〕initial｝      （１０）
かつ、単一ビームトラップに対する式８の補正した形は、単に以下のようになるであろう。
ＦZ＝（ｎ／ｃ）（ΔＺ）／Ψ’      （１１）
残念なことに、これ以上の考察は、単一ビームトラップにおける（又は、レーザパワーが異なる二重ビームに対する）力の測定を複雑にする。プラスチック又はシリカビーズのようなほとんどの捕捉粒子は、反射防止被覆されていない。従って、それらの誘電体／水界面で小さなフレネル反射が生じる。捕捉ビームのこの反射は、捕捉粒子に対して圧力を作り出してそれをトラップ内で前方に移動させる（レーザ光源から離れる方向に）。何らかの平衡位置において、前方への力は、屈折力によって均衡する。ここで、伝達された光線の前方運動量は、反射光から跳ね返る運動量と均衡するのにちょうど十分なだけ光軸近くで光線を集中させることによって増大する。粒子を単一ビームトラップ内に入れると、それがトラップ内で僅かに前方に沈降し、粒子に対する外力がなくてもＺfinalがＺinitialよりも増大することになる。
【００３８】
検出器信号のこの誤ったＺ方向力成分を処理するいくつかの可能な技術が存在する。それは、第１に、粒子がトラップの中心に残留するように、パワーが等しい２つの逆伝播ビームを備えた二重ビーム光トラップを使用することであり、第２に、Ｚinitialは捕捉粒子から判断されるが、その粒子に対する外力がゼロであることが既知である場合に差の測定を行うことである。次に、外力を加えてＺfinalを測定する。このような技術は、実際に使用するのが不便である場合がある。第３に、単一ビームを使用するが図３に示されているのと同様の方法で２つのパワー偏向検出器２２と２つのパワー集中検出器２４とを使用することがある（すなわち、基本的に、この図の構成からレーザ装置１２の１つを省略する）。この第３の技術をここでより詳細に説明する。
【００３９】
図３の検出器２２／２４は、反対側のレーザから伝達した光を測定する。しかし、１／４位相差板１６の構成を使用して、近い側の対物レンズ２によって粒子から反射したあらゆる光を集めて近い側の検出器２２／２４に再度向けることができる。従って、反射光は、力を計算するための運動量フラックスとして正しく計数される。従って、レーザの１つを図３の構成から省略することにより、一組の検出器２２／２４を使用して伝達光が測定され、他の組の検出器２２／２４を使用して反射光が測定される。そのような構成でＺ方向力を測定するために、トラップに粒子がない伝達及び反射光の両方に対するＺinitial信号が最初に得られる。次に、任意の外力を受ける粒子が捕捉され、次の式により伝達及び反射光の両方に対するＺfinal信号が測定される。
Ｚtransmitted＝Ｚtransmitted-final−Ｚtransmitted-initial    （１２ａ）
Ｚreflected＝Ｚreflected-final−Ｚreflected-initial          （１２ｂ）
従って、力の信号Ｆzは、次の式で表される。
ＦZ＝（ｎ／ｃ）（ΔＺtransmitted−ΔＺreflected）／Ψ’      （１３）
これは、式８による二重ビーム光トラップのものと物理的に同じ測定である。
【００４０】
各組の検出器２２／２４は、光ビームの横方向と縦方向の運動量の両方を測定する単一の検出器に組み合わせることができることに注意すべきである。より詳細には、パワー偏向検出器２２、パワー集中検出器２４、及びビームスプリッタ２０は、図１０に示すように単一の検出器９０で置換することができる。検出器９０は、適切な電子読み出しインタフェースを備えた受光素子（ピクセル）の二次元アレイを含む。ピクセル強度は、コンピュータ又は制御回路に読み取ることができ、そこで、力は、光軸からの距離によって個々のピクセル強度に重み付けすることにより数値的に計算され、式３に基づいてそれらが結合される。代替的に、ピクセル強度を局所的に処理することができ（検出器チップ上で）、ピクセル強度分布のモーメントが抽出される。検出器９０の使用において、Ｗiは、特定ピクセルでの光の強度であり、距離ｘiは、そのピクセルのｘ座標に対応し（中心＝０に対して）、距離ｙiは、そのｙ座標であり、その半径は、ｒi＝ｓｑｒｔ（ｘi2＋ｙi2）によって与えられると考えられる。ＣＣＤテレビジョンカメラ及びフレーム取込み器は、特に、トラップ内のブラウン運動を打ち消すために周波数応答（露出、読み出し、及び計算時間を含む）が５０００Ｈｚを超える場合に、そのようなデータの収集には十分であろう。新しく開発された高速度カメラ及びフレーム取込み器は、現在入手可能である（「ＥＰＩＸ、Ｉｎｃ」、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅｐｉｘｃｏｒｐ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｉｘｃｉ＿ｃｌ３ｓｄ．ｈｔｍを参照されたい）。次に、信号プロセッサ１００は、２つのそのようなカメラ／フレーム取込み器の組合せからデジタルデータを受け取るであろう。ピクセルアレイ検出器における低価格と高速度の両方が約束された新しい部類のデジタルＰＳＤ（「プロフィールセンサ」とも呼ばれる）が入手可能である。これらの検出器は、コンピュータに送る必要があるシリアルデータの量を低減するためにピクセルアレイと同じチップ上でピクセルデータを事前処理し、すなわち、フレーム取込み器−プロセッサ機能が「内蔵」されている（例えば、「Ｈａｍａｍａｔｓｕ（半導体部門）プロフィールセンサＳ９１３２予備データシート」、２００４年１月、及び、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｔｃ．ｉｔ／ｓｏｉ＿ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ｐｕｂ／４３．ｐｄｆでオンライン上で入手可能なＭａｓｓａｒｉ他「高速度デジタル「ＣＭＯＳ  ２Ｄ」光学位置感応検出器」、欧州半導体回路会議（ＥＳＳＣＩＲＣ）、２００２年を参照されたい）。
【００４１】
本発明は、本明細書で上述して示した実施形態に制約されず、特許請求の範囲の範囲に含まれるいずれかの及び全ての変形を包含することは理解されるものとする。例えば、本発明で使用される場合、コリメータレンズ又は平行化するレンズは、単に、発散する又は収束する光ビームをより平行にするものであり、必ずしも得られる光ビームを完全に平行にするものではない。従って、本発明で使用される場合、平行化されたビームとは、コリメータレンズを通過する前のものよりも発散性／収束性が少ないビームである。単一のレンズは、複数のレンズを含むことができると考えられ、その逆も可能である。単一のレーザ装置は、図３に示す２つの光源の代わりに、逆伝播光ビームの組を生成することができると考えられる（例えば、ビームスプリッタを使用して）。アクチュエータ５６は、好ましくは圧電素子であるが、それらは、光ファイバを動かすか又はそれに力を加えるためのあらゆる従来型の機械装置とすることができると考えられる。ピボット点Ｘと光ファイバ出力端部６２との間の光ファイバ４６のほぼ剛性の部分は、必ずしも真っ直ぐである必要はないが、光ファイバがピボット回転する時に光ファイバに対するビームの出射角度を維持するほど十分に剛性であるべきである。スクリーン６４は、棚、小穴、くびれた端部で置換することができ、又は単純に全て省略することができると考えられる（仮に外側チューブ６０の端部が、光ファイバの剛体部分を十分に制御すれば）。上述の方程式と単一又は図３の二重ビーム装置に対して、集光レンズの焦点距離ＲLが等しくないか、又はパワー偏向検出器２２のパワー応答度Ψが等しくないか、又はパワー集中検出器２２のパワー応答度Ψ’が等しくないか、又はパワー偏向検出器２２の正方形区域ＲDの半値幅が等しくない場合には、上述の方程式を相応に拡張することができることを当業者は認めるであろう。例えば、式６ａ（Ｆx＝（ΔＸ1＋ΔＸ2）ＲD／ｃΨＲL）は、Ｆx＝ΔＸ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＸ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1の簡略式であり、式６ｂ（Ｆy＝（ΔＹ1＋ΔＹ2）ＲD／ｃΨＲL）は、Ｆy＝ΔＹ1ＲD1／ｃΨ1ＲL2＋ΔＹ2ＲD2／ｃΨ2ＲL1の簡略式であり、第１及び第２のレンズ２、第１及び第２のパワー偏向検出器２０、及び第１及び第２のパワー集中検出器２４のあらゆる等しくない特性に適応させるものである。異なる焦点距離の対物レンズに対して、パターン化された減衰器２８も同様に異なる必要があるであろう。ピボット点Ｘと光ファイバ出力端部６２との間の光ファイバ４６の部分は、真っ直ぐである必要はないが、光ファイバからのビームの出射角度を維持するために剛性であるべきである。最後に、上述の検出器が、それらをビーム上の中心を置くことによってヌルにされない場合には、ヌル化は、中心にないビームが原因で存在している信号の部分を信号から減算する（すなわち、トラップに粒子がない光ビームを使用して、又は粒子に力が加えられていないトラップ内の粒子から信号を測定する）ことによって実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】光トラップに捕捉粒子を示す図である。
【図２】パワー偏向検出器と光トラップから出る光を分析するための回路とを示す概略図である。
【図３】本発明の逆伝播ビーム光トラップを示す図である。
【図４】本発明のパワー集中検出器を示す図である。
【図５】本発明の光トラップを整合させるための第１の技術を示す図である。
【図６Ａ】光トラップにレーザビームを送出する光ファイバを偏向させることによる本発明の光トラップを整合させるための第２の技術を示す図である。
【図６Ｂ】光ファイバのピボット点に接合して検出器表面を配置する方法を示す図である。
【図７Ａ】光トラップ内でレーザビームを整合させるために圧電アクチュエータを使用する偏向光ファイバビームアラインメント技術の側面図である。
【図７Ｂ】光トラップ内でレーザビームを整合させるために圧電アクチュエータを使用する偏向光ファイバビームアラインメント技術の端面図である。
【図８】偏向光ファイバビームアラインメント技術の代替的な実施形態の側面図である。
【図９】本発明の逆伝播ビーム光トラップの小型化及び封入バージョンの側面図である。
【図１０】力測定光トラップ器具におけるピクセルアレイ検出器とデジタル信号プロセッサの使用を示す図である。
【図１】
2007508947.tif 000003
【図２】
2007508947.tif 000004
【図３】
2007508947.tif 000005
【図４】
2007508947.tif 000006
【図５】
2007508947.tif 000007
【図６Ａ】
2007508947.tif 000008
【図６Ｂ】
2007508947.tif 000009
【図７Ａ】
2007508947.tif 000010
【図７Ｂ】
2007508947.tif 000011
【図８】
2007508947.tif 000012
【図９】
2007508947.tif 000013
【図１０】
2007508947.tif 000014
【国際調査報告】
2007508947.tif 000015