(57)【要約】  マイクロ流体又は流体システムの中で光傾斜力を用いて、流体で運ばれた異種のサンプルから特定の微小物体を選択する方法及び装置が紹介される。サンプルは、大きさが数ナノメータから少なくとも数十マイクロメータの範囲にわたり、流体の媒体の中に分散され、また寸法、形状、光学特性、電荷、及び他の物理的な特性に基づいて分類することができる。選択工程は、流れる流体によって駆動される光学輝度フィールドを通る受動輸送を含むため、競合技術に対して幾つかの利点を提供する。これらの利点には、バッチモードの動作ではなく連続動作、連続で動的な調整能力、高範囲のサンプルに対する動作、小型、及び低価格であることが含まれる。
2008529063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体で運ばれた粒子の微小物体を光学式分別により選択するための装置であって、
少なくとも１つのチャネルが流体で運ばれた粒子を含む少なくとも第１及び第２の層状の流体の流れを提供する少なくとも２つのチャネルと、
光トラップの少なくとも２つのアレイを前記少なくとも２つのチャネルの接合部の領域上に投影するホログラフィック光ピンセットシステムと、
を備えて、
前記２つの光トラップのアレイが、前記流体で運ばれた粒子の特性に基づいて前記流体で運ばれた粒子を分別するために、前記流体で運ばれた粒子をそれぞれ選択的に偏向するように配置される、装置。
【請求項２】
前記ホログラフィック光ピンセットシステムが、
光ビームを発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源からの光ビームを受け取り、前記２つの光トラップのアレイを発生するためのコンピュータ設計による回折光学素子と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ホログラフィック光ピンセットのシステムが、
第１の光ビームを発生する第１のレーザ光源及び第２の光ビームを発生する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から前記第１のビームを、前記第２のレーザ光源から前記第２のビームを受け取って前記２つの光トラップのアレイを発生するように設計されたコンピュータ設計による回折光学素子と、
を備え、
前記第１のビーム及び前記第２のビームが異なる波長を有して、前記２つの光トラップのアレイが２つの異なる波長から発生される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ホログラフィック光ピンセットシステムが、
第１の光ビームを発生する第１のレーザ光源及び第２の光ビームを発生する第２のレーザ光源と、
前記第１のレーザ光源から前記第１のビームを受け取るように設計された第１のコンピュータ設計による回折光学素子と、
前記第２のレーザ光源から前記第２のビームを受け取るように設計された第２のコンピュータ設計による回折光学素子と、
を備え、
前記第１のビーム及び前記第２のビームが異なる波長を有して、前記２つの光トラップのアレイが２つの異なる光の波長から発生される、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記２つのチャネルの接合部において、第１の層状の流体の流れの中の流体で運ばれた粒子の第１のサブセットが、前記２つの光トラップのアレイの１つによって前記第２の層状の流体の流れに向かって偏向され、かつ前記流体で運ばれた粒子の第１のサブセットのサブセットが前記光トラップの別のアレイによって第１の層状の流体の流れに偏向され戻される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
分別するために流体で運ばれた粒子の１つの特徴が粒子の寸法であり、前記２つのチャネルの接合部において、前記第１の層状の流体の流れの中の前記流体で運ばれた粒子の寸法ベースのサブセットが、前記２つの光トラップのアレイの１つによって前記第２の層状の流体の流れに向かって偏向され、また前記流体で運ばれた粒子のサブセットの寸法ベースのサブセットが前記光トラップの別のアレイによって第１の層状の流体の流れに偏向され戻される、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の層状の流体の流れが前記流体で運ばれた粒子を含み、また前記第２の層状の流体の流れがバッファ流体を含み、かつ前記２つのチャネルの接合部において、前記第１の層状の流体の流れの中の前記流体で運ばれた粒子のサブセットが、前記２つの光トラップのアレイの１つによって前記第２の層状の流体の流れに向かって偏向され、また前記流体で運ばれた粒子のサブセットのサブセットが前記光トラップの別のアレイによって前記第１の層状の流体の流れに向かって偏向され戻されて、前記第２の層状の流体の流れが前記流体で運ばれた粒子のサブセットの分別されたサブセットを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
光学式分別によって微小物体を選択するための装置であって、
少なくとも１つの入力ストリームが流体で運ばれた粒子を含む、Ｎ個の層状の入力ストリームを提供するためのＮ個のチャネルと、
前記Ｎ個の層状の入力ストリームの中の前記流体で運ばれた粒子をＭ個の層状出力ストリームに分別するためにチャネルの接合部の領域上に光トラップのアレイを投影するホログラフィック光ピンセットシステムと、
を備える装置。
【請求項９】
前記ホログラフィック光ピンセットシステムが、流体で運ばれた粒子の分別を動的に制御するために回折光学素子を備える、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記Ｎ個の層状の入力ストリームの中の前記流体で運ばれた粒子を前記Ｍ個の層状出力ストリームに選択的に分別するために、前記光学アレイが前記接合部にわたって別個に変化する、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記Ｎ個の層状の入力ストリームの中の前記流体で運ばれた粒子を前記Ｍ個の層状出力ストリームに選択的に分別するために、前記光学アレイが前記接合部にわたって連続的に変化する、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
前記光学アレイが、少なくとも２つの層状の入力ストリーム（Ｎ＝２）の中の前記流体で運ばれた粒子を１つの層状の出力ストリーム（Ｍ＝１）に組み合わせるように設計される、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
前記Ｎ個の層状の入力ストリームが、微生物の薬物分子に対する応答に基づいて分類される薬物分子及び微生物を含む、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記Ｎ個の層状の入力ストリームが、寸法に基づいて分類される化学的に反応しやすい物体を含む、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１５】
前記Ｎ個の層状の入力ストリームが、光学特性に基づいて分類される化学的に反応しやすい物体を含む、ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１６】
光学式分別により微小物体を選択するための方法であって、
少なくとも１つのチャネルが流体で運ばれた粒子を含むそれぞれ第１及び第２の層状の流体の流れを提供する少なくとも２つのチャネルを設けるステップと、
光トラップの少なくとも２つのアレイを前記少なくとも２つのチャネルの接合部の領域上にホログラフィック光ピンセットシステムを用いて投影するステップと、
を含み、
前記２つの光トラップのアレイが、前記流体で運ばれた粒子の特性に基づいて前記流体で運ばれた粒子を分別するために、前記流体で運ばれた粒子をそれぞれ選択的に偏向する、方法。
【請求項１７】
粒子を操作するための装置であって、
変調された位相プロフィールを有するレーザビームと、
前記レーザビームから作られ前記レーザビームに関連したバイアス力を有する複数の光トラップを備える光トラップのアレイと、
を備える装置。
【請求項１８】
前記粒子が非コンパクトな物体を含む、ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記複数の光トラップの個々の光トラップが選択的に弱められた方向を有する、ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記個々の光トラップの弱められた方向が互いに整列される、ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記個々の光トラップの弱められた方向が前記バイアス力とさらに整列される、ことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
帯電溶質を特徴付ける方法であって、
電極間のギャップを形成するために第１の電極と第２の電極との間隔を動作可能なように空けるステップと、
前記第１の電極及び前記第２の電極と通信する電位計を設けるステップと、
前記電極間のギャップに配置された光トラップのアレイを投影するステップと、
前記帯電溶質が前記光学アレイにより駆動されるときに横方向の電圧を測定するステップと、を含む方法。
【請求項２３】
複数の帯電粒子に外部のバイアス力を加えるステップと、
前記バイアス力に対して複数の角度で前記アレイを方向付けるステップと、
前記複数の角度のそれぞれで前記横方向の電圧を測定するステップと、をさらに含み、
前記横方向の電圧の各測定が、測定が行われるアレイの対応する角度に関連付けられる、
ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
最大の横方向電圧、最小の横方向電圧、及び対応するアレイの角度を測定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記最大の横方向電圧、前記最小の横方向電圧、及び前記それぞれの対応するアレイの角度から、帯電粒子の電荷の大きさを計算するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
ホログラフィック光ピンセット用の回折光学素子の位相を最適化する方法であって、
投影フィールドに関連付けられた離散的な位相画素のアレイを選択するステップと、
前記離散的な位相画素のアレイから、回折光学素子の知られた位相値を有する少なくとも１つの画素を選択するステップと、
少なくとも１つの画素において前記回折光学素子の位相を知られた位相から提案された位相に変更するステップと、
位相値の提案された変化に関連付けられた投影フィールドの振幅の変化を計算するステップと、
を含み、
前記提案された位相変化が全体的な振幅エラーを減らす場合は、前記提案された位相を使用すると共にそれを知られた位相として容認し、そして前記変更するステップ及び前記計算するステップを繰り返し、
前記提案された振幅が全体的な振幅エラーを少なくとも所定の量だけ減らさない場合は、前記提案された位相を無視し、
前記知られた位相が、均一性が改良された光トラップのアレイを提供する最適な値を有する、方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの画素が複数の画素を含む、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記離散的な位相画素のアレイが、光トラップの望ましいアレイを形成するために理想的なホログラムを求める、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
ホログラフィック光トラップを発生する装置であって、
光が第１の回折光学素子によって動作される第１のレーザビームと、
前記第１の回折光学素子によって動作された光を第１のダイクロイックミラーに中継し、第２のレーザビームの光を対物レンズに向けて反射する第１のレンズの組と、
光が第２の回折光学素子によって動作される第２のレーザビームと、
を備え、
前記第１のレンズが、前記第２のレーザビームの光を前記対物レンズに向けて反射させるために、前記第２の回折光学素子によって動作された光を第２のダイクロイックミラーに中継するように配置され、
前記第１のダイクロイックミラーが前記第２のレーザからの光を透過し、かつ前記第１のレーザからの光を反射する、装置。
【請求項３０】
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームが１つのレーザによって発生される、ことを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
ホログラフィック光トラップを発生する装置であって、
第１の回折光学素子と光学的に通信する第１のレーザと、
第２の回折光学素子と光学的に通信する第２のレーザと、
前記第１の回折光学素子及び前記第２の回折光学素子と光学的に通信して、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザのレーザビームを第１のレンズに向けて方向付けるビームスプリッタと、
第３のレンズを介して前記第１のレーザ及び前記第２のレーザと光学的に通信し、かつ収束素子と光学的に通信するように適合されたミラーと、
を備え、
前記ミラーが前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの光を反射するように設計される、装置。
【請求項３２】
前記第１のミラーが前記第１のレーザからの光を反射する、ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
第１のビームスプリッタと第２のビームスプリッタとをさらに備えて、前記第１のレーザビームが前記第１のビームスプリッタを通過し、かつ前記第２のレーザビームが前記第２のビームスプリッタにより反射される、ことを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記ホログラフィック光ピンセットのシステムが、少なくとも２つの光トラップのアレイを前記少なくとも２つのチャネルの接合部の領域上に同時に投影する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
微小物体を選択するシステムであって、
少なくとも一方の層状の流れが粒子を有する第１の層状の流れ及び第２の層状の流れと、
前記第１の層状の流れと前記第２の層状の流れとの間の接合部と、
第１の波長を有する第１の光ビームを発生するための第１のレーザ光源と、
前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２の光ビームを発生するための第２のレーザ光源と、
前記接合部で、前記第１の光ビームと前記第２の光ビームとから、それぞれ少なくとも第１の光トラップ及び第２の光トラップを同時に形成するための光ビーム方向付け機構と、
を備え、
前記２つの光トラップがそれぞれ、粒子の特性に基づいて、粒子を選択的に偏向する、システム。
【請求項３６】
少なくとも１つの光ビームを発生し、そして前記少なくとも１つの光ビームを回折光学素子を通過させることによって、異なる色のホログラフィック光トラップを発生する方法であって、前記回折光学素子を通過する光ビームの中の一方の色を他方の色から分離するステップと、前記分離された色のそれぞれからホログラフィック光トラップを生成するステップと、を含む方法。
【請求項３７】
前記光ビームが複数のレーザビームを含む、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記一方の色及び前記他方の色が、前記回折光学素子から各色に適用される異なる位相変調を含むことができる、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記一方の色及び前記他方の色が、種々のパターンのホログラフィック光トラップの中に形成される、ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記一方の色を他方の色から分離するステップが、光ビームが光学素子を通過するステップを含む、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
前記光学素子が反射形素子及び透過形素子で構成されるグループから選択される、ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記光学素子がダイクロイックミラー、部分銀めっきミラー及び偏光選択式ビームスプリッタで構成されるグループから選択される、ことを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記ホログラフィック光トラップの各別個の色を用いてカラー画像を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４４】
前記光ビームが波長選択式レーザビーム光源によって作られる、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４５】
前記レーザビーム光源が単一のレーザビームを提供する、ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記回折光学素子が透過形及び反射形の光学素子の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項３６に記載の方法。
【請求項４７】
レーザビーム光源及び回折光学素子を備える装置を用いて異なる色の複数の光トラップを作る装置であって、レーザビームの中の一方の色を他方の色から分離する光学システムと、第２の色から空間的に分離された１つの色の光トラップを投影する光学素子とを備える、装置。
【請求項４８】
前記光学システムが反射形素子及び透過形素子の少なくとも１つを備える、ことを特徴とする請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記回折光学素子が、前記一方の色に対して第１の位相変調を、かつ前記他方の色に対して第２の位相変調を加えるようにプログラムされる、ことを特徴とする請求項４７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
明細書、図面、特許請求の範囲及び要約書を含む２００５年１月２１日に提出された米国特許優先出願第１１／０４０，６６５号は、参照することによって全体として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、交付番号ＤＢＩ−０２３３９７１のもとで国立科学財団によって支援され、また交付番号ＤＭＲ−０３０４９０６からの別の支援も受けた。
【０００３】
［発明の分野］
本発明は、変調された光ピンセットに関する。より詳細には、本発明は様々な状況のもとで変調された光ピンセットを使用することに関する。
【背景技術】
【０００４】
１０年前に光ピンセットが導入されて以来、それは高分子及び生物学のシステムの物理的な研究に対して必須のツールになってきている。単一のレーザビームを焦点にぴったりと集光することにより形成された光ピンセットは、光傾斜力（optical gradient force）を利用してマイクロメータ寸法の対象物を操作する。光ピンセットにより、科学者はコロイド、ポリマー及び薄膜の相互作用を特徴付ける小さい力を調査したり、少数のコロイド粒子をメゾスコピックな構造体に組み立てることができる。従来の作品は、１つ又は２つの光ピンセットしか必要としなかった。これらの技術をより大きくかつ複雑なシステムに拡張するには、より大きくかつ複雑な光トラップのアレイが必要とされる。
【０００５】
複数の同時光トラップを作る関連技術には、汎用の位相差法、干渉光ピンセット、及び光学格子が含まれる。後者の２つの方式には、サンプルの体積の中で複数のビームが干渉することが含まれ、一方前者は、ホログラフィック光トラッピングの変形と考えられる。干渉計技術はホログラフィック技術よりも広い範囲を含むことができるが、作ることができる輝度パターンの種類の中で相当制限される。特に、干渉光ピンセット及び光学格子は周期的な構造体に制限される。
【０００６】
強い収束レンズを用いて収束された１つのレーザビームは、光ピンセットとして広く知られた一種の光トラップを形成する。一般に、そのようなビームは、下記の式の波動関数として説明することができる。
【数１】
2008529063.tif 000003
ここで、Ａ（ｒ）は振幅のプロフィールであり、φ（ｒ）は光軸を横切る平面内の位置ｒにおける位相である。
【０００７】
従来の光ピンセットは、標準的なレーザによって提供されるＴＥＭ00レーザビームから作られる。そのようなビームの波面は平面であり、均一な位相プロフィール φ（ｒ）＝φ０によって説明することができる。顕微鏡の対物レンズなどの適切な収束素子を用いてビームを回折限界の焦点に収束することにより、ビームを光ピンセットに変換する。レンズの焦点面における光ピンセットの位置は、ビームがレンズの入射瞳孔に入る角度によって決定される。さらに、ビームが入射瞳孔に入るときに発散する場合は、ビームは焦点に到達して焦点面の下流に光ピンセットを形成する。あるいはまた、ビームが収束する場合は、焦点面の上流にトラップを形成する。
【０００８】
同時にレンズの入射瞳孔を通過する複数の光ビームは、それぞれが入射瞳孔における入射角度及びコリメーションの程度によって決定される位置に複数の光ピンセットを生じる。これらのビームは、入射瞳孔を通過するときに干渉パターンを形成する。この干渉パターンの振幅と位相の波形は、下流のトラッピングパターンを特徴付ける。入射瞳孔において１つの入射ビームに同じ変調を加えると、同じパターンのトラップを生じるが、多数の無関係な入射ビームを作ったり方向付ける必要はない。そのような波面の修正は、ホログラムとして一般的に周知の一種の回折光学素子（ＤＯＥ）によって行うことができる。一般に、光トラップの特定のパターンをコード化するホログラムすなわちＤＯＥは、コンピュータ生成のホログラフィー（ＣＧＨ）として周知の処置を用いて、コンピュータによって計算することができる。ＣＧＨを用いて複数の光トラップの任意の構成を作ることにより、物理科学及び生物科学及び工業の中で種々のアプリケーションを用いて、ホログラフィック光ピンセット（ＨＯＴ）として周知の新しい種類の光学顕微操作用ツールが構成される。
【０００９】
ホログラフィック光ピンセットの有効性は、トラップを形成するＤＯＥの品質によって決定され、それは今度は、それらの計算に使用される数値アルゴリズムの性能を反映する。以前の研究は、入力フィールドの単純な線形の重ね合わせによって又は伝統的なGerchberg-Saxton及びAdaptive-Additiveアルゴリズムに関する変形物を用いて計算されたホログラムを利用した。それらは全体的にに有効であるが、これらのアルゴリズムは、相対輝度が設計値とは相当異なるトラップを生成したり、また一般的に望ましくない「ゴースト」トラップを発生する。これらの問題は、特に光トラップの多機能のアレイを投影するために、同じホログラムがモード変換器として使用される場合に、複雑な三次元のトラッピングパターンに対して深刻な問題になる可能性がある。
【００１０】
ホログラフィック光トラッピングに対して使用されるホログラムは、一般に入射ビームの位相に関してのみ動作し、その振幅に対しては動作しない。キノフォーム（kinoform）としても周知のこうした位相専用ホログラムは、ビームから光を必ずそらす必要がある振幅変調ホログラムよりも遙かに効率的である。それらはまた、入射瞳孔で任意の重ね合わせを作る必要がある十分複雑なホログラムよりも実行するのが極めて容易である。実際に、一連のキノフォームをコンピュータアドレス指定の空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて投影して、動的なホログラフィック光ピンセットを作ることができる。
【００１１】
一般的なトラッピングパターンは、光ピンセットが自身の動作を輝度の傾斜に依存し、局所的な位相変動には依存しないため、振幅変調の中でコード化された情報が損失しても、キノフォームを用いてなおも実現することができる。しかしながら、望ましい輝度パターンを焦点の体積の中でコード化する入射面内の位相シフトのパターンを見つけることがやはり必要である。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、トラップの剛性が方向で変化するようにされる光ピンセットの変形例に関する。特に、変更されたトラップの輝度は、選択された方向により高範囲に広がるため、これらの方向ではその剛性が減らされるか、又はこれらの方向に沿った非対称の物体の心合わせが容易にされる。このように変更されたトラップを使用して、選択された方向に沿って物体が移動するのを容易にしたり、コンパクトでない物体を方向付けたり回転させる。選択された方向に沿って物体の移動を容易にする機能には、光学式分別を行うための用途があり、この用途では、物体の光トラップとの異なる相互作用が分類のベースとして使用される。コンパクトでない物体を方向付けたり回転させる機能は、マイクロメータ規模の物体を組み立てるのに使用される。
【００１３】
前に報告された光トラップ内の物体を方向付けるための方法には、Gauss-Hermite法から光ピンセットを作り出すこと、長方形の開口を用いてそれらの振幅プロフィールを変更すること、線形及び楕円形の偏光の偏光角を回転すること、対称な螺旋パターンを作るために平面波を用いて Laguerre-Gaussianモードを干渉すること、一般に円形の光学渦巻を変調すること及びごく接近して複数の従来の光ピンセットを投影することが含まれる。
【００１４】
本発明は、前例のないトラップ形成の精度及び光学的効率を実現するために、最近取り入れられた測定学を利用する直接検索及びシミュレートされたアニーリングに基づいたＨＯＴ ＣＧＨ計算用の新しい種類のアルゴリズムにも関係する。
【００１５】
本発明は、ホログラフィック光トラッピングによって実行されることが好ましいが、汎用の位相差法（generalized phase contrast method）、干渉光ピンセット、及び光学格子などの他の関連技術を用いて実行することもできる。
【００１６】
本発明の１つの実施形態は、それぞれ少なくとも第１及び第２の層状の流体の流れを提供する少なくとも２つのチャネルを含む光学式分別により微小物体を選択するための装置である。２つの流体の流れの少なくとも１つは、流体で運ばれた粒子を含む。ホログラフィック光ピンセット・システムは、光トラップの少なくとも２つの光学アレイを少なくとも２つのチャネルの接合部の領域上に投影する。この光トラップの２つのアレイは、流体で運ばれた粒子の特性に基づいて流体で運ばれた粒子を分別するために、それぞれ選択的に流体で運ばれた粒子を偏向する。
【００１７】
本発明の他の実施形態は、Ｎ個の層状の入力ストリームを提供するためのＮ個のチャネルを含む光学式分別により微小物体を選択する装置である。このＮ個の層状の入力ストリームの少なくとも１つは、流体で運ばれた粒子を含む。ホログラフィック光ピンセット・システムは、Ｎ個の層状の入力ストリームの中の流体で運ばれた粒子をＭ個の層状出力ストリームに分別するためにチャネルの接合部の領域上に光学アレイを投影する。ここで、Ｎは必ずしもＭに等しいとは限らない。
【００１８】
本発明は、２つの光の波長を用いてホログラフィック光トラップ（ＨＯＴ）を作ることを含むアプリケーションを使用して、２つの別個の入力レーザを用いてホログラフィック光トラップを作るための方法にも関係する。これらの方法は、３つ以上の入力レーザを含むように拡張することができる。
【００１９】
さらに、本発明は溶質の電荷状態（charge state）、寸法、寸法の多分散性（size polydispersity）、及び流れの方向に傾斜した光トラップのアレイを通って溶剤を流すことによって駆動されるときの他の特性の幾つかの態様を特徴付ける方法を説明している。
【００２０】
本発明のこれらの及び他の目的、利点、及び特徴は、その動作の構成及び方法も一緒に、添付した図面を考慮すれば、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図面では、下記に示した幾つかの図面の全体を通じて、同様の素子には同じ番号を付けてある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
光トラップは、小さな物体を捕捉及び移動させるために光ビームによって加えられる一種の力のことを言う。一般に、これらの力は２つの部類、（１）物体をビームの軸に押し下げる放射圧、及び（２）光傾斜力、に入る。物体は、光によって照射されると電磁双極子モーメントを作り出すため、光傾斜力が発生する。光の中の輝度傾斜が、これらの双極子モーメントに力を加え、その符号は物体の相対誘電率と周囲の媒体とに依存する。周囲よりも誘電率が高い粒子（高誘導性粒子）は一般に、傾斜力によってより明るい領域に向かって引かれるが、一方誘電率が低い粒子は暗い領域に押しやられる。
【００２２】
光傾斜力は、光ピンセットとして周知の単一ビームの光トラップに必要な基本的な力を提供する。光ピンセットは、顕微鏡の対物レンズなどの開口数の高いレンズによって回折限界の焦点に収束される１つの光ビームを含む。誘電率が高い物体は、光が最も強い焦点に向かって引かれる。同時に、それらの物体は下流に駆動する放射圧力によって押し返される。傾斜力が優勢な場合は、粒子を焦点の近くで安定に捕捉することができる。
【００２３】
換言すると、収束された光ビームは、誘電率が高い粒子に対して三次元の電位エネルギーの井戸を、光によって追い返された粒子に対しては電位エネルギーの障壁を提供する。放射圧力によって追い返された後者の種類の粒子は、誘電率が小さい粒子及び収束された光を強く吸収又は反射する粒子を含む。これらの影響の全ては、光の波長が粒子の共振の近くである場合は増大及び変更を行うことができる。
【００２４】
１つの焦点に収束された１つの光ビームは、１つの光ピンセットを作り出し、その結果１つの局所的なポテンシャル井戸を作る。ホログラフィック光ピンセット技術は、１つの光ビーム及び１つの収束要素から、同時に複数の独立した光ピンセットを作り出す。その結果、ホログラフィック光ピンセットは、電位エネルギーの井戸又は障壁の任意の望ましい三次元の配列を作ることができる。
【００２５】
複数のホログラフィック光トラップを作るには、１つの光ピンセットを作るために使用されるのと同じ基本的な光学原理が利用される。特に、無限に補正された対物レンズなどの収束素子の光軸と同軸の平行にされた光ビームは、収束素子の焦点面の中央に収束されて、結果的にトラップが形成される。斜めに収束素子の入射瞳孔に入る平行ビームは焦点面内の焦点に至るが、入射角に依存する量だけ光軸からずれた、また傾斜の方向に依存する方向の点に入る。従って、入射角が変化すると、収束素子の焦点面内に生じたトラップの位置が変化するため、トラップを二次元で平行移動することができる。ビームの平行度を変化すると、トラップは光軸に沿って三次元に移動する。入射瞳孔を通過する僅かに発散したビームは焦点面の下流の焦点に到着し、一方僅かに収束したビームは上流の焦点に達する。焦点の軸方向の変位は、平行度に依存する。従って、ビームが収束素子の入射瞳孔を通過するときにビームの入射角と平行度の両方を制御することにより、結果として生ずる三次元の光ピンセットの位置を制御し、１つの入射ビームは結果として１つのトラップを生じる。
【００２６】
全ての光ビームが種々の角度でまた種々の平行度で収束素子の入射瞳孔を通過する幾つかの光ビームは、収束素子の焦点の体積の中の様々な位置に複数の光トラップを形成する。全てのビームが同じ波長を有する場合は、それらのビームは同じ光源から得ることができる。このため、同時に複数のトラップを作るには、全てのビームが特定の方向に伝搬し、それぞれが自分自身の特定の平行度を有し、また全てが収束素子の入射瞳孔を通過するような複数のビームを作る方法が必要である。ホログラフィック光トラッピングは、米国特許第６，０５５，１０６号、６，４１６，１９０号、６，６２４，９４０号、６，６２６，５４６号、及び６，６３９，２０８号の中で説明されているように、極めて一般的な方法でこの問題を解決する。これらの全ての特許は、参照することによって本願に組み込まれる。
【００２７】
入射瞳孔の面を通過する複数の平行な光ビームは、光の振幅及び位相の空間的変動から成る干渉パターンを形成する。同じ変動で転写された１つの光ビームは、複数のビームと同じ方法で伝搬する−これがホログラフィーの原理である。１つのビームを望ましいファンアウトのビームに変換するために必要な特定の変調を転写する装置は、関連するホログラムを投影すると言われる。より詳細に述べると、回折ビームスプリッタ、ホログラフィック・ビームスプリッタ、又はキノフォームとして一般に周知の装置は、ホログラフィック光トラップを作るために使用できる回折光学素子（ＤＯＥ）の実施例を構成する。
【００２８】
適切なホログラムを収束素子の入射瞳孔の中に又は入射瞳孔と共役する面内に入れることにより、１つの入射光ビームが、全てのビームが収束素子の入射瞳孔を通過するような多数のビームに変換される。各ビームは、指定された入射角及び指定された平行度を有することができる。結果として、それぞれのビームは、焦点の体積の中に独立したトラップを形成する。
【００２９】
トラップの結果として生ずるパターンは、ホログラムによって規定される。ホログラムは、今度は、多くの方法で実現することができる。ホログラムは、トラップの特定のパターンを作るために、コンピュータによって設計されることが最も好ましい。
【００３０】
この設計過程は、入射ビームの振幅プロフィールなどの要素を考慮に入れる必要がある。光ビームの振幅を変調することには一般に、吸収又は反射のいずれかによってビームからエネルギーを得ることが含まれる。以前の事例では、吸収された光は吸収体を加熱する傾向があり、トラップを作るために使用できる電力の量を制限していた。いずれの場合でも、転用された光は、１つの光ビームが複数のトラップを作るために使用できる効率を減少させてしまう。これらの複数のトラップのそれぞれは、望まれるように動作するには一定の輝度を必要とする。多くの場合、光トラップの望ましいパターンは、入射ビームの振幅プロフィールではなく位相プロフィールのみを変調することによって作ることができる。光トラッピングはトラッピング光の輝度に依存し、このため位相ではなく振幅に依存するため、この柔軟性を利用できる。その結果、収束レンズの入射面において位相変調の極めて多くの異なるパターンが、所定の振幅プロフィールに対して出力面の中で同じ輝度分布を生ずる。このため、位相変調を選択して、ビームからエネルギーを転用せずに望ましいトラップのパターンを作ることができる。結果として生ずる位相専用のＤＯＥは、ガラスなどの透明な媒体の厚さを変化させること、ミラーの表面のリリーフ、又は光が通過する液晶の層などの媒体の屈折率を制御することによって実現することができる。
【００３１】
コンピュータ設計による位相専用のＤＯＥは、関連する光学特性を慎重に変化させてコード化するホログラムをそれに応じて更新できるようにする装置又は媒体を用いて実現できる。トラップを形成するＤＯＥをそのように動的に実現することを使用して、ビームのパターンをリアルタイムで更新して、結果として生ずるトラッピングパターンを変化させることができる。これにより、従来のホログラフィック光トラップが動的なホログラフィック光トラップに変換される。
【００３２】
ホログラフィック光ピンセットは、ポテンシャル井戸又は障壁の任意の望ましいパターンを透明な媒体に投影することができる。この能力を小さいレイノルズ数（Reynolds number）で流れる流体の特性と組み合わせて、流体で運ばれた物体を分類する方法を作ることができる。この光による分類は、光学式分別と呼ばれる。基本的な光学式分別技術はホログラフィック光トラッピングに基づいており、公開された米国特許出願第２００３／００４７６７６号の中で開示されている。この特許出願は、参照することによって本願に組み込まれる。
【００３３】
小さいレイノルズ数で流れる流体は滑らかな層流になるため、混合は起こらない。そのような流れは、流体が通過するチャネルの寸法を減らすことによって、流速を小さくすることによって、又は幾つかの方式の組合せによって実現することができる。マイクロ流体工学（microfluidics）の分野は、この原理に基づいている。２つの層状の流れが２つのチャネル間の接合部で一緒になることを検討する。結果として生ずる流れがなおも十分小さいレイノルズ数を保つ場合、２つの流れは混合できないが、例え２つが同じ流体から成る場合でも、別個に並んで流れる。最終的に、２つの混和性の流れは相互拡散により混合するが、これには相当の時間を必要とする。これが起こる前に、２つの流れを再度別個のチャネルの中に分離することができる。２つの流れを一緒にし、それらがある期間一緒に流れることができるようにし、次にそれらを再度分離するチャネルの組は、Ｈ接合として周知である。
【００３４】
Ｈ接合は、流体で運ばれた物体を分類するのに有用である。流れの１つに沿って運ばれた物体は一般に、その流れの中に留まり、まだその流れの中で接合の他の側に出てくる。しかしながら、物体が拡散する又はそうでなく２つの流れの間の境界面を横切って進む場合は、その物体はＨ接合の出力部で他の流れの中に収集される。一方は異種のサンプルを含み、他方は空のバッファ流体を含む、Ｈ接合に入る２つの流れを検討する。Ｈ接合の境界面を横切るどのような物体もバッファによって運ばれ、また収集される。混合体の中の幾つかの物体が他よりも一層拡散し易い場合は、これらのより拡散性の物体が境界面を優先的に横切り、他よりもより高い効率で収集される。同様に、初期の流れは拡散性が少ない微小物体の中で現在のＨ接合に対して相対的に質を高められる。
【００３５】
この方式は、少なくとも３つの欠点がある。高分子のサンプルは比較的ゆっくりと拡散するため、効果的に分離するには相当な境界面の領域があるＨ接合を必要とする。さらに、最も拡散性の高い微小物体は、バッファ及びサンプルの流れの全体を通して広がるに過ぎない。これは、Ｈ接合を通る１つの経路に対する最終的な分離の効率を制限することになる。最後に、物体の拡散係数は自身の寸法のみに直線的に依存する傾向があるため、Ｈ接合における分別は、互いに僅かに異なるに過ぎないような微小物体を分離するために必要な分解能を提供する見込みはない。光学式分別は、これらの欠陥を克服すると同時に、一連の他の利点も加える。
【００３６】
流体で運ばれた物体が光トラップのアレイに出会うと、トラップはポテンシャル・エネルギーの井戸として動作することができる。最大のトラッピング力が最大駆動力に匹敵する場合、物体はトラップと強く相互に作用するが、トラップの中でローカライズされることにはならない。これらの環境では、流れる粒子の軌道を、粒子がアレイの中の次のトラップが影響する領域に入る１つのトラップと出会うことによって、十分に偏向することができる。アレイの中のトラップが均等の間隔で並んでいる場合、そしてアレイが駆動力と整列していない場合は、粒子の軌道を駆動力の方向から系統的に偏向することができる。次に、粒子はアレイを通る対称方向に釣り合った方向を選択するが、駆動力とは整列されない。そのような軌道は、アレイの中にロックされたと言われる。
【００３７】
種々の物体が各様に光トラップの同じパターンと相互作用するため、所定の物体がトラップのアレイの中で直面するポテンシャル・エネルギーの特徴はその特性に依存する。その結果、光トラップの同じアレイを通る同じ力によって駆動される種々の特性を有する様々な物体は、同じ軌道を流れる必要はない。特に、ある種の物体は、別の種類の物体が回避できる同じ条件のアレイに固定することができる。このため、固定されるクラスは、アレイによって系統的に偏向されるが、他のクラスは偏向されない。
【００３８】
トラップのアレイがマイクロ流体Ｈ接合の中でサンプルの流れを横切って配置されるような状態では、アレイに固定されるこれらの物体を、２つの流れの間の界面を横切って偏向して、バッファに収集することができる。アレイを回避する物体は、サンプル・ストリームによって保持される。
【００３９】
少なくとも、変調されたポテンシャル・エネルギーの特性は、Ｈ接合の界面を横切って流体で運ばれた物体の移送を調整する機構を提供し、またこれにより、そうしないと利用できない最適化の程度を提供する。さらに、固定された状態と自由な状態との間の相違は、物体の寸法に指数関数的な感度で依存するため、この相違は拡散のみによる感度を質的に凌ぐことになる。その上、光学式分別はトラップの小さいアレイの範囲を超えて実現できるため、長いＨ接合を必要としない。
【００４０】
どの微小物体が光ピンセットのアレイによって偏向されるかは、トラップ間の分離、アレイの対称性、トラップの輝度、傾斜角及び使用する光の波長によって決定される。これらの全ての特性を動的に変化させて、特定の微小物体の選択を最適化することができる。このため、これらも、拡散のみによる分離に対する利点である。それに加えて、光トラッピングは、５ナノメータの小さい物体や数百マイクロメータもの大きな物体に対して実証されている。従って、光学式分別は、この全寸法の範囲にわたって有用である。さらに、同じ物理的装置を、全範囲にわたって使用できる。このことは、他の全ての周知の部類技術に対する著しい利点である。最後に、ロックイン基準を満足する全ての物体が界面を横切って偏向されるように、アレイを設計することができる。従って、ほぼ完全な部類を、サンプル・ストリームに架かり、またバッファ・ストリームの中に僅かに広がる流れに関して傾いたトラップの１つの線を用いて実現することができる。
【００４１】
下記の説明は寸法による分別に集中するが、同じ原理は他の特性に基づいた部類にも同様に適用できる。特定のアレイによって選択された微小物体は、一定の寸法以上の全ての物体を含む。多くの用途では、特定の寸法範囲のみが要求される。又は、逆に、例えば二峰性分布を作るために、サンプルから特定の寸法範囲を取り除くことが必要なことがある。このことは、一段式の光学式分別システムを通るツー・パスで実現できる。一方では大きすぎる微小物体を取り除き、他方では望ましい微小物体を摘み取る。しかしながら、これら２つの段階は、図４に示すように、１つのＨ接合に投影された適切に設計された１つのトラップのアレイを用いることによって結合することができる。これは多段の又は多機能の光学式分別と呼ばれる。この方式の幾つかの変形例は、複数の微小物体を同時に選択するための基本的な方法として以下に説明される。
【００４２】
図４は、種類Ｐ１、Ｐ２及びＰ３の粒子がサンプル・ストリーム１０５によってＨ接合１００に搬送される基本的な方法の第１の変形例を示す。流れが光トラップ１１０Ａの第１のマニホールドを通過するとき、特定の寸法以上の全ての粒子、例えばＰ１及びＰ２は、バッファ・ストリーム１２０の中に押し流される。バッファ・ストリーム１２０がここで、幾つかの第１の微小物体、例えばＰ１をサンプル・ストリームに向かって偏向するように設計された第２のトラップのアレイ１１０Ｂに出会うと、バッファ・ストリーム内の残りの微小物体には特に指定された寸法範囲のＰ２のみが含まれることになる。この第２のトラップのアレイは、最初のアレイを作った同じＤＯＥを用いて投影することができるため、同じレーザを使うことができる。より一般的に言うと、第２のアレイは、収束素子の入射瞳孔と共役の第２のＤＯＥ、すなわち２つの異なる光の波長から２つの別個のトラッピングパターンを作るように特に設計された１つのＤＯＥを用いて作ることができる。
【００４３】
正味効果は、２つの別個の光トラップのアレイ１１０Ａ及び１１０Ｂが同じＨ接合１００に投影されて、第１のトラップのアレイが望ましい微小物体と別の望ましくない微小物体との両方を界面を横切って押し流し、また第２のトラップのアレイが望ましくない微小物体を最初のサンプル・ストリームに戻すように押し流すことである。この結果、Ｈ接合を出るバッファ・ストリーム１２０は選択された微小物体Ｐ２のみを含み、サンプル・ストリームは他の全て、すなわちＰ１及びＰ３を含む。
【００４４】
図５に示すように、Ｈ接合４００は概括すると、１つの干渉領域４２０の中に一緒になり、次にＭ個の出力ストリーム４３０に分離する数Ｎの層状の入力ストリーム４１０を含む。一般に、ＮはＭに等しくなくても良い。このため、複数ストリームの干渉領域４２０に広がり、そして複数アレイの形式を取る光トラップの１つのパターンは、入力ストリームのいずれかの中に分布していた初期のサンプルの微小物体を任意の出力ストリームの中に移送することができる。この場合の光学輝度のパターンは、流れの中の物体を望ましい出ていく流れに輸送する切換えヤードと考えることができる。トラップを形成するＤＯＥを更新することによってトラップのパターンを変化することができるため、どの微小物体も出力ストリームを動的に変更して最適化することができる方法を見つけることができる。
【００４５】
本発明の１つの実施例は、図６に示すように、１つの入力サンプル５１０が数個の別個の微小物体５２０に分散されるクロマトグラフィー５００の変形例である。これらのそれぞれの別個の微小物体は、別々に収集することができる。この実施例は、アレイが出力ストリームの間の界面を横切るときにアレイの幾何学的分布が不連続又は連続的に変化する１つのピンセットのアレイ５３０を用いて、最も簡単に実現することができる。
【００４６】
別の実施例は、２つ以上の入力ストリームの要素を混合して、単一の完全に混合された出力ストリームを作ることである。これは、図７に例示されている。入力ストリーム６１０からの種類Ｐ１、Ｐ２、及びＰ３の粒子は、光トラップのアレイが投影されている干渉領域６２０で混合されて、単一の出力ストリーム６３０から出てくる。そのような混合方法は、強度から混合されないマイクロ流体のシステムでは困難である。逆に、光学式分別を動作させることにより、マイクロ流体のシステム内でサンプルを動的及び選択的に混合するシステムが提供される。
【００４７】
説明されたスイッチングの組み合わされた性質から生じた別の実施例には、薬物検査用の実施形態が含まれる。この実施形態では、微生物は薬物候補の流れを通って移送され、応答に従って個別に選択される。この方式の利点は、早い段階の検査を、個々の微生物に関する影響を評価することによって極めて小さいサンプルに対して進めることができることである。
【００４８】
他の可能な実施例には、例えば一定の寸法又は特定の光学特性を有する生成物を保持するために、ストリームの中で進行中の反応の沈降生成物を選択することが含まれる。次に、これらの生成物は、他段階の反応を促進するため、一例を挙げるとコア−シェルのナノ粒子を製造するために、別の流れに移送することができる。この工程は連続的に続けることができるため、それはこのような製品を大量に製造するための基礎を提供することができる。湿式化学法に対する本願の利点は、化学反応速度に関係なく製品を最適化する一般的な能力である。
【００４９】
本発明は、ψ（ｒ）に対する多数の有用な特性をもたらす特定の種類の修正も含む。特に、これは、下記のような変調された位相プロフィールの種類を含む。
【数２】
2008529063.tif 000004
ここで、θは光軸の回りの方位角、ｍはｍ倍の正弦波変調に対応する指数、またαmは関連する変調の深さである。位相角θmは、基準方向に関係する全パターンを回転するために使用できる。より一般的なプロフィールは、下記のようにフーリエの定理を用いて構築することができる。
【数３】
2008529063.tif 000005
【００５０】
式（２）及び（３）は、制御されたｍ倍の収差を入射ビームに取り入れている。収差は選択された方向に沿って焦点をぼかす傾向があるため、これらの方向に沿って輝度分布を拡大し、またこれらの方向に沿った輝度の勾配を減少させる。この効果は、図１に示されている。輝度分布の拡大は、広がった物体を方向付けるために有用である。輝度勾配の減少は、これらの方向に沿った光傾斜力のトラッピングを選択的に弱める。
【００５１】
広がった物体を方向付ける場合、式（３）から位相構造が選択されて、方向付けるべき物体の外形を適合させる。一旦投影されると、このパターンは広がった物体を要望どおりに方向付ける傾向がある。
【００５２】
光学式分別の用途に関しては、個々の光トラップを望ましい方向に選択的に弱めることができる。これらの方向はトラップのアレイの格子方向、すなわちアレイを通る物体を駆動する力の方向又は他の方向と位置合わせされる。変調の輪郭及び深さを選択して、特にこうした漏洩が工程の選択性を向上できる場合は、アレイを通って選択された物体の移送を最適化することができる。
【００５３】
式（２）及び（３）によって説明された特徴を他のモード形成及びトラップ生成の位相関数と組み合わせて、他の種類の変調された光トラップを創出し、それらを選択的に三次元の中に配置することができる。本発明は光の螺旋モードを発生する概念から輝度プロフィールを変調する概念を分離して、螺旋モードの特性に依存しないアプリケーションを円滑にする。
【００５４】
ホログラフィック光トラップのこれら及び他のアプリケーションを実行するには、必要な位相パターンを計算するための正確で効率的な方法を必要とする。スカラー回折理論によれば、焦点距離ｆのレンズの焦点面内の（複素数）フィールド
【数４】
2008529063.tif 000006
は、フラウンホーファー変換によって下記のようにその入射面におけるフィールド
【数５】
2008529063.tif 000007
に関連付けられる。
【数６】
2008529063.tif 000008
ここで、
【数７】
2008529063.tif 000009
及び
【数８】
2008529063.tif 000010
は、それぞれ入射瞳孔の位置Ｆにおけるフィールドの実数値の振幅及び位相であり、ｋ＝２π／λは、波長λの光の波数である。
【００５５】
【数９】
2008529063.tif 000011
が光トラップのアレイにエネルギーを供給するために使用される平行レーザの振幅プロフィールである場合、
【数１０】
2008529063.tif 000012
はパターンをコード化するキノフォーム（kinoform）である。ＳＬＭで投影されたものを含む最も実用的なＤＯＥは、離散的な位相ピクセルのアレイ
【数１１】
2008529063.tif 000013
を含み、それぞれのアレイはＰ個の可能な個別の位相シフト
【数１２】
2008529063.tif 000014
のいずれかを賦課することができる。このため、そのようなＮピクセルのＤＯＥのために焦点面内のフィールドは、下記のようになる。
【数１３】
2008529063.tif 000015
ここで、入射面から出力面への光の伝搬を説明する伝達行列は、下記のようになる。
【数１４】
2008529063.tif 000016
より一般的なホログラムとは異なり、ホログラフィック光トラッピングシステムの出力面における望ましいフィールドは、下記のように
【数１５】
2008529063.tif 000017
に配置されたＭ個の離散的な輝点から構成する。
【数１６】
2008529063.tif 000018
及び、
【数１７】
2008529063.tif 000019
ここで、αmは、
【数１８】
2008529063.tif 000020
によって正規化されたｍ番目のトラップの相対振幅であり、ζmはその（任意の）位相である。ここで、
【数１９】
2008529063.tif 000021
は、焦点面内の収束された光ビームの振幅プロフィールを表し、二次元のディラックのデルタ関数（Dirac delta function）としてヒューリスティックに（heuristically）処理される。設計の課題は、位相シフトζmの組みに対して式（５）、（６）及び（７）を解いて、所定のｕj及び
【数２０】
2008529063.tif 000022
の正確な位置
【数２１】
2008529063.tif 000023
において望ましい振幅αmを生じることである。
【００５６】
Gerchberg-Saxtonのアルゴリズム及び、Adaptive-Additiveアルゴリズムなどのその一般化したアルゴリズムにより、出力面で計算された振幅が設計振幅に収束するように、また入射面でバック投影された振幅ｕjをレーザの実際の振幅プロフィールで置き換えるように各ステップで注意しながら、式（５）及び（６）によって説明された順変換またその逆の変換の両方が繰り返し解かれる。各サイクルで計算された入力及び出力振幅を適切に更新することにより、ＤＯＥの位相φjは、幾つかの変形例に対して可能な単調な収束で、理想的なキノフォームへの概算値に収束できる。入力及び出力面を互いにマッピングする順変換及び逆変換は一般に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって実行される。その結果、出力位置
【数２２】
2008529063.tif 000024
も、ナイキスト空間周波数を単位にして明確に量子化される。出力フィールドは、意図したトラップの位置だけではなく、それらの間の空間においても計算される。このことは、反復アルゴリズムは望ましい位置に回折された入射光の一部を最大にするだけではなく、他の場所で迷光の輝度を最小にするため有用である。
【００５７】
ＦＦＴベースの反復アルゴリズムは、三次元の光ピンセットのアレイ又はより一般的な種類のトラップの混合体を計算することに対して欠点がある。これを理解するために、どのようにビームスプリッティング式ＤＯＥを波面整形能力を含むように一般化することができるかに注意する。
【００５８】
入射開口部において発散又は収束するビームは焦点に達して、それぞれ焦点面の下流又は上流にトラップを形成する。入射面におけるその波面は、下記のような放射線状の位相プロフィールによって特徴付けられる。
【数２３】
2008529063.tif 000025
ここで、ｚは、レンズの焦点面に対して光軸に沿った焦点の変位である。この位相プロフィールを使用して、例え入射ビームが伝達行列を適切に増大することによって平行にされても、焦点面に対して光トラップを移動することができる。
【数２４】
2008529063.tif 000026
ここで、変位カーネルは下記のようになり、
【数２５】
2008529063.tif 000027
式（５）のカーネルとして結果を使用する。
【００５９】
同様に、従来のＴＥＭビームを、下記のような位相プロフィールを加えることによって螺旋モードに変換することができる。
【数２６】
2008529063.tif 000028
ここで、θは光軸の回りのアジマス角であり、ｌは位相チャージ（topological charge）として知られたの整数の巻数である。そのような螺旋状のビームは、トルク及び力を加えることができる光学渦巻として知られているリング状の光トラップに収束する。位相−変換カーネル
【数２７】
2008529063.tif 000029
は、変位−誘導カーネル
【数２８】
2008529063.tif 000030
と同じ方法で伝達行列から構成することができる。式（２）に基づいて変調されたピンセットを構築するために、別のカーネルを同じ方法で組み込むことができる。
【００６０】
それぞれが単一ビームの光トラッピングに関するアプリケーションを有する、種々の比較可能な位相ベースのモードの変換が説明されてきた。全ての変換は、適切な変換カーネルを用いて伝達行列を増大することによって実行することができる。さらに、種々の変換動作をホログラフィック・トラッピング・パターンの中で各ビームに別個に適用して、結果として様々な種類の光トラップの一般的な三次元構成を生じることができる。
【００６１】
多機能な三次元の光トラッピングパターンをコード化する位相パターンφjを計算することは、従来の光ピンセットの二次元のアレイに対して、式（５）を解くために使用されたアルゴリズムのわずかなエラボレーションしか必要としない。第１の要求事項は、φjによってｍ番目のトラップの焦点に投影された実際の輝度を測定することである。関連した回折が発生したビームが些細でない波面を有している場合は、焦点に輝点を作る必要はない。これに反して、φjが変換カーネル
【数２９】
2008529063.tif 000031
によって説明された位相変調を通して、ｍ番目のトラップに対して必要な種類のビームを作ると仮定する場合は、逆作用素、式（５）の
【数３０】
2008529063.tif 000032
を適用して焦点を復元する。
【００６２】
この原理は最初、三次元のトラップのアレイを作るために適用された。この場合、別個の変換カーネルが、各反復改善サイクルの中の中間ステップとして、各望ましい光ピンセットを焦点面に戻して投影するために使用される。この方法でトラップの各面に投影された光を計算するには、全体の面に対して別個のフーリエ変換を必要とする。その計算の複雑性に加えて、この方式は、各焦点面を通って伝搬する焦点外のビームを明らかにする必要があり、そうしないと、この光を明らかにできないことによる不正確を被ることになる。
【００６３】
著しく効果的な方式は、下記のように各意図されたトラップ位置のフィールドのみを計算し、
【数３１】
2008529063.tif 000033
そして、結果として生じた振幅αm＝｜Ｅm｜を設計値と比較する必要がある。ＦＦＴベースの方式とは異なり、このトラップ当たりのアルゴリズム（per-trap algorithm）は、トラップ間領域内のフィールドを直接最適化することはしない。逆に、面間の伝搬を明らかにする必要はない。αmの値が設計値と一致する場合、ゴーストトラップを作る光は残されない。
【００６４】
ＤＯＥの位相φjを調整することによって入力及び出力の振幅を繰り返し改良するには、Ｍ個のトラップのそれぞれに対して１つの投影を行って、順変換カーネル
【数３２】
2008529063.tif 000034
を用いて各更新された値Ｅmからバック変換する必要がある。対照的に、ＦＦＴベースの方式は、各面内の各波面の種類に対して１つのＦＦＴを含み、複数の波面の種類が所定の面内で組み合わされる場合は収束しない。式（８）及び（１３）の中の唯一の調整可能なパラメータは、投影されたトラップの相対位相ζmである。これらのＭ−１個の実数値のパラメータは、振幅プロフィールｕjが入力レーザのものと一致するという制約を受けて、離散値の位相シフトφjの選択を最適にするように調整する必要がある。この問題は、少数のトラップに対してまた非常に複雑な異種のトラッピングパターンに対して低く指定される可能性があることである。そのような場合の結果は、投影された振幅が理想値と異なる、光学的に非効率なホログラムになる可能性がある。
【００６５】
式（１３）は、離散的なＨＯＴパターンに対するＤＯＥの機能を計算するための別の方式を提案している。演算子
【数３３】
2008529063.tif 000035
は、どのようにｍ番目のトラップのモード内の光が、ＤＯＥ上の位置
【数３４】
2008529063.tif 000036
からレンズの焦点面内のトラップの投影された位置
【数３５】
2008529063.tif 000037
に伝搬するかを説明している。その点のＤＯＥの位相φjを変化させると、
【数３６】
2008529063.tif 000038
においてフィールドを構成する光の重ね合わせが影響される。各トラップは、それ自身の伝搬方程式によるこの変化によって影響される。この変化が全体的な改善をもたらす場合は、この変化を維持したいと思う気持ちになり、他のそのような改善を探し求める。そうでなくて、結果があまり良くない場合は、φjはその元の値に復元されて、他の改善に対する調査が継続される。これはシミュレートされたアニーリング及び遺伝子アルゴリズムの広範囲にわたるカテゴリーを含む直接検索アルゴリズムの基礎である。これらの関連したアルゴリズムは、候補の変更を容認及び拒否する方式、並びにそのような候補を作り出す方法が異なる。本願では、これらのアルゴリズムを特にＨＯＴ ＣＧＨ計算に適用する方法を説明する。
【００６６】
その最も基本的な形態では、直接検索には、試用の位相パターンから無作為に画素を選択すること、その値をＰ−１の代替物のいずれかに変更すること、及び投影されたフィールドの効果を計算することが含まれる。この動作は、画素を全体にわたって加算することではなく１つの変更された位相画素に基づいて、Ｍ個のトラップ位置の変化のみを計算することによって効果的に実行することができる。次に、更新された試用の振幅は自身の設計値と比較されて、全体的な振幅のエラーが減少される場合は、提案された変化が受け入れられる。この工程は、提案された変化に対する許容率十分に小さくなるまで繰り返される。
【００６７】
φjに対して尾良く効果的に直接検索する秘訣は、投影エラーを効果的に定量化する関数を選択することである。標準的なコスト関数
【数３７】
2008529063.tif 000039
は、ｍ番目のトラップの投影された輝度Ｉのその設計値
【数３８】
2008529063.tif 000040
からの平均２乗偏差を評価して、全体的な回折効率εを仮定する。それはεに対する正確な評価を必要とし、投影されたトラップの輝度における均一性は重要視しない。Meister 及び Winfieldによって提案された下記の代案、
【数３９】
2008529063.tif 000041
は、両方の短所を回避している。ここで、
【数４０】
2008529063.tif 000042
はトラップにおける平均輝度であり、
【数４１】
2008529063.tif 000043
は、設計輝度に対する一様収束からの偏差値を測定する。下記
【数４２】
2008529063.tif 000044
を選択することによりエラー全体が最小にされ、また非理想的な回折効率が説明される。重み関数ｆは、全体的な回折効率及び一様収束に付随した相対的な重要度を設定する。
【００６８】
最適な位相分布に対して最も簡単な直接検索を行う場合は、Ｃを減少させるどのような候補の変更も容認され、またそうでないものは全て拒絶される。変化する画素を無作為に選択することにより、たまたま高く相関された最適とは言えない構成によってトラップされたものを検索する機会が減少される。実際的な収束に必要な試用の一般的な数は、ＮＰすなわち位相画素の数と可能な位相値の数との積に比例して変化する。実際に、この大ざっぱな推定は、ＰとＮとが比較的小さい場合は正確である。しかしながら、より大きな値については、収束は多くの場合Ｎ個の試用内で、かなり複雑なトラッピングパターンに対してさえも遙かに急速に得られる。
【００６９】
図２は、ＨＯＴ ＤＯＥを計算するための、直接検索アルゴリズムの一般的な応用例を示す。このＨＯＴ用ＤＯＥは、焦点面に対して３つの面内に配列された、位相チャージｌ＝８の１２個の光学渦巻を含む５１個のトラップから構成する。４８０ｘ４８０画素の位相パターンが、初期のフィールドの無作為の重ね合わせから練り上げられた。このフィールドでは、振幅の変動は全く無視された。図２の結果は、アレイを通る１つの経路を用いて得られた。下側の３つの画像の中に示された結果として生じたトラップは、均一のように見える。この効果は、光学渦巻の輝度を従来の光ピンセットの輝度の１５倍に設定することによって達成された。これにより、この単一のホログラムが、三次元の位置、波面のトポロジー、及び全てのトラップの輝度に対して独立制御することを実証する。
【００７０】
これらの現象をより定量的に実証するために、標準的なフィギュア・オブ・メリットが技術的に知られた利点によって増大される。特に、ＤＯＥの理論的な回折効率は、一般に下記のように定義され、
【数４３】
2008529063.tif 000045
そして、その２乗平均平方根（ＲＭＳ）エラーは下記のようになる。
【数４４】
2008529063.tif 000046
結果として生じたパターンの均一性からの逸脱は、下記のように有効に測定される。
【数４５】
2008529063.tif 000047
これらの性能の測定値は、許容された単一画素の変化の数の関数として図３にプロットされる。全ＤＯＥを通る１つの通過後の変化に対する全体的な許容率は、１６％以上であった。
【００７１】
図３は、直接検索アルゴリズムが全体的な回折効率の小さい割合よりも相当改良された均一性を選ぶことを実証している。二次元の位相ホログラムは、任意の二次元の輝度分布をコード化するために十分正確な情報を含んでいる。しかしながら、三次元又はマルチモードのパターンは、レンズの焦点面内に規定されるために振幅と位相の両方を必要とする。そのような場合は、二次元の位相ホログラムは、良くても望ましいトラップの分布に対して近似値を提供することができるだけである。
【００７２】
直接検索の最も直接的なエラボレーションは、シミュレートされたアニーリング・アルゴリズムの分野である。直接検索と同様に、シミュレートされたアニーリングは、無作為に選択された画素に対して無作為の変更を繰り返し企てる。また直接検索と同様に、候補の変更は、コスト関数を減少させる場合は受け入れられる。シミュレートされたアニーリングは、下記のようなコストが△Ｃ増加すると指数関数的に低下する確率Ｐで、コスト関数を増加させるような幾つかの変化を許容することによって、全体的に最適な解決策から離れてトラップされないようにする。
【数４６】
2008529063.tif 000048
この場合、Ｃ0は、モンテカルロ・シミュレーションの中で使用される標準的なメトロポリス・アルゴリズムの中の温度の役割を演じる特徴的なコスト（characteristic cost）である。Ｃ0を増加させると、結果として高価な変化に対する許容率が増加される。これには、任意の極小値から位相パターンを移行して、全体的に最適な解決策を発見できるようにする利点がある。しかしながら、許容率が増加することにより、その解決策に収束するために必要な時間も増加され、このため計算するための計算コストも増加される。
【００７３】
網羅的な検索と効率的な検索との間のトレードオフは、適切なＣ0の値を選択することによって最適化することができる。残念なことに、最適な選択は各応用例に対して異なる可能性がある。探求を推進し、次に収束を早める小さい値に減少する大きな値でＣ0を始めることにより、便利な妥協が提供される。
【００７４】
１つずつではなく同時に複数の画素を変更することによって、効率的な検索を実行できる。異なるパターンの複数画素の変化は、異なる種類のトラップを形成する位相ホログラムを最適にするために特に効果的であり、そのようなパターンを識別及び改良するために使用される方式は一般に、遺伝的アルゴリズムとして周知である。
【００７５】
これらのより洗練された方式の全ては、ＨＯＴの用途に対して高い効率、高い精度のＤＯＥを設計する用途を有する。実際的に関心のある多くの場合では、最も簡単なことが最も早く、また以前に報告されたアルゴリズムに対して相当な利点を提供する。
【００７６】
図９は、２色ホログラフィック光トラップ（２Ｃ−ＨＯＴ）の第１の実施形態を示す。図９では、対物レンズ２００を使用して、レーザ２１０及び２４０からの光を、サンプルに投影されることを意図された光トラップの中に収束させる。レーザ２１０から出射するレーザビーム２１５の第１の経路については、このビームの波面は、レンズ２２５及び２３０によって対物レンズ２００の入射面に投影される前に、回折光学素子（ＤＯＥ）によって変調される。レンズ２２５及び２３０は、変調されたビーム２１５を収束素子２００に移送する任意の中継光学トレーンであることを理解されたい。収束素子２００への経路上で、ビーム２１５は素子２３５の反射によって方向が変えられる。この素子２３５は、ダイクロイックミラー、部分銀めっきミラー、偏光選択式ビームスプリッタなどのいずれかである。この用途の目的に対して、この素子又は任意の等価の素子は、ダイクロイックミラーと考えられる。素子２３５は、波長、偏光、又は何らかの他の特性の関数として、レーザビーム２１５を反射し他の光を透過するように設計されている。
【００７７】
ＨＯＴ形成用レーザビーム２１５を反射し、そして他の光を透過する素子２３５の能力により、システムは処理されるサンプルの画像を形成する能力が与えられ、結像光は従来の結像トレーンに向かって素子２３５を通過することができる。それは、２Ｃ−ＨＯＴを実行する方法も提供する。
【００７８】
図８に示したシナリオでは、第２のレーザ２４０が、ＤＯＥ ２５０によって動作される第２のレーザビーム２４５を投射する。この変調されたビーム２４５は、レンズ２５５及び２６０によって対物レンズ２００に中継されて、ホログラフィック光トラップを形成する。この第２のビーム２４５は、ダイクロイックミラー２６５によって対物レンズ２００の入力開口部の中に反射される。この素子は、レーザ２４０からのレーザ光２４５を反射するように設計され、他の光を選択的に透過する。ダイクロイックミラー２３５は対照的に、この光を透過するように設計されるため、光は対物レンズ２００に到達して、トラップに収束される。
【００７９】
強調すべきことは、ビーム２１５及び２４５は別個のレーザで発生される必要はなく、その代わり、図示はしてないが、分割され他の素子によって動作される単一のレーザビームによって作ることができることである。また、ＤＯＥは透過して動作するように示されている。それらは、光学トレーンに対して変更が必要な場合は、反射形ＤＯＥで同等に置き換えることができる。ＤＯＥは、ホログラフィック光トラップを作るために多少なりとも必要な入射ビームの位相、振幅、及び偏光を変調することができ、コンピュータがアドレス指定する空間光変調器を備えることができる。
【００８０】
図９は、図８の設計の変形例を示している。図９では、レーザ３１０が第１のビーム３１５を提供する。この第１のビーム３１５は、第１及び第２のレンズ３２５及び３３０によって収束素子３００に中継されて光トラップを形成する前に、第１のＤＯＥ ３２０によって動作される。第１のダイクロイックミラー３２０は、このトラッピング光を収束素子に向かって反射し、他の光を必要に応じて透過するように設計されている。第１のビーム３１５は、ビームスプリッタ３６０を通過する。このビームスプリッタは、例えばダイクロイックミラー、偏光選択式ビームスプリッタ、又は部分銀めっきミラーとすることもできる。
【００８１】
ビームスプリッタ３６０は、第２のレーザ３４０によって作られた第２のビーム３４５を反射するように設計されている。この第２のビーム３４５は第２のＤＯＥ ３５０によって動作されて、第２のホログラフィック光トラップの組を形成する。変調された光は、第１のレンズ３２５及び第３のレンズ３５５、ビームスプリッタ３６０、及び第２のダイクロイックミラー３５０の組合せによって、収束素子３００に収束するように中継される。前述の方法とは異なり、この第２のダイクロイックミラー３５０は、レーザ３４０からの光３４５を反射するように設計されている。
【００８２】
第１及び第２のビーム３１５及び３４５は、ビームスプリッタ３６０の下流で同じ光軸に沿って進行する。
【００８３】
図１０は、本発明のさらに別の変形例を示す。この場合、第１及び第２のレーザ４１０及び４４０からの第１及び第２のビーム４１５及び４４５は、第１及び第２のレンズ４２５及び４３０により中継され、そしてダイクロイックミラー４２５で反射された後で、素子４００を収束させることによりトラップに収束される。２つのビームは、図示のように、第１及び第２のＤＯＥ ４２０及び４５０によって別個に動作される。第１のビーム４１５は第１のＤＯＥ ４２０によって一旦変調されると、ビームスプリッタ４６０を通過するのに対して、第２のビーム４４５は、第２のＤＯＥ ４５０によって処理された後でビームスプリッタ４６０によって反射される。図９のシステムのように、ダイクロイックミラー４２５は第１及び第２のビーム４１５及び４４５の両方を反射し、他の光を透過するように設計されている。
【００８４】
図１１は、本発明のさらに別の実施形態による光学トレーンを示す。この実施形態では、第１及び第２のレーザ５１０及び５４０によって生成された第１及び第２のレーザビーム５１５及び５４５は、ビームスプリッタ５６０によって同じ光軸上に方向付けられ、また同じＤＯＥによって処理される。次に、２つの変調されたビームは、ダイクロイックミラー５２５によって反射された後で、第１及び第２のレンズ５２５及び５３０によって収束素子５００に中継される。第１及び第２のビーム５１５及び５４５の波長が異なる場合は、この２色のＤＯＥにより異なる位相変調をそれぞれに転写して、結果として投影される２つの明確なトラップのパターンを生じることができる。このＤＯＥは、２つの別個のビームに適応するように特に計算する必要があり、このため前の方法で説明された単波長のＤＯＥと比較する場合、さらに別の設計検討を行う必要がある。
【００８５】
幾つかの応用例では、目視検査による分別のチューニングは望ましくないか、又は実際的ではない。そのような場合は、（光学的な測定ではなく）電気的な測定に基づいた別の特徴付けの方法が好ましい。図１２は、光動電電位差測定（optoelectrokinetic potentiometry）の代表的な実施形態を概略的に示している。サンプル１６１０は、水などの溶剤に分散されるコロイド粒子、マクロイオン（macroion）、又は生化学的なセルなどの荷電物体から構成する。このサンプル１６１０は、速度νでチャネル１６４０に沿って、また２つの電極１６２０間のギャップを通って流れる。電極が流れ方向を横切って配列される場合は、このギャップ間には電位は発生しない、また電極を横切って接続された電位計１６５０は電圧を記録しない。これは、この測定に関してはゼロ状態である。
【００８６】
光トラップのアレイ１６３０を電極間のギャップに投影することによって、測定が実行される。これらの光トラップ１６３０は、例えばホログラフィック光ピンセット技術、汎用の位相差法、又は干渉により発生された光学格子を用いて作ることができる。流体で運ばれた物体は、光学輝度の分布との相互作用に基づいて、構造化されたポテンシャル・エネルギーの特性に直面する。自身の光学特性に応じて、それらの物体は最も明るい領域に引き付けられるか又はそれに反発される。下記の考察は、どちらの場合にも適用する。
【００８７】
流れる流体による粘性抵抗力がトラップの最大トラッピング力を超える場合は、粒子は光トラップのアレイを横切ることができる。それにもかかわらず、それらの軌道は、これらのポテンシャル井戸に遭遇することにより影響される。トラップのアレイ１６３０が駆動力と整列する場合、粒子は単に井戸から井戸に線に沿ってホップし、それらの軌道はいくらか遅くされる。これに反して、アレイが流れの方向に対して傾斜される場合は、粒子をポテンシャル・エネルギーの特性によって対称に選択された方向にロックすることができ、このため駆動力の方向から偏向することができる。これは、前述したように、光学式分別の原理である。
【００８８】
この偏向による１つの影響は、電極間のギャップを横切るように方向付けられた荷電粒子の速度の成分を作ることである。この光学的に誘発された横方向の速度ν⊥は、大きさが横方向の流速、粒子の電荷、及び粒子の流体力学特性に依存する測定可能な動電ポテンシャルにつながる。ν⊥と測定された電圧との間の関係は、粒子とそれらの溶剤の特性に依存する。電圧の符号は、粒子の電荷の符号及びν⊥の符号によって決まる。横方向の速度の大きさと方向は、今度は、粒子の光学輝度のパターンとの相互作用の詳細及びパターンの幾何学的配置に依存する。このことは、この装置で測定された横方向の電圧は粒子とそれらの支持電解質との両方の高範囲の特性に対して感受性が高いことを意味する。
【００８９】
図１３は、コロイド状のシリカ球体に対して得られた代表的な実験データを示している。このプロットは、ホログラフィック光ピンセットの１０ｘ１０のアレイの方位角度Θの関数として、水に分散された直径が１．５μｍのシリカ球体の流速νに対する横方向の速度ν⊥を示している。粒子の速度の横方向の成分は、粒子が［１，０］格子方向にロックされたままなので、アレイの方位がΘ＝０（整列した状態）から増加するにつれて増加する。粒子がトラップのアレイを通るこの釣り合った経路から一旦ロック解除されると、偏向角度は減少し、そして実際に軌道が対角線の［１，１］方向にロックされると符号を変化する。図１２の装置１６００で測定された横方向の電圧は、符号が反転することも含めて、この傾向をたどる。
【００９０】
方位の範囲にわたって得られたこの情報を考えると、測定された横方向のポテンシャルの記号は、流れる粒子の電荷の記号を示している。最大及び最小の横方向電圧の角度及び大きさを使用して、粒子の電荷の大きさを測定することができる。レーザの電力及びアレイの格子定数に対する依存性を使用して、粒子の流体力学的半径及び寸法の多分散性を測定することができる。
【００９１】
方位を固定して１回測定するだけで、移送された粒子の電荷の符号に関する情報を提供できる。方位、レーザの電力、流速、トラップの形状、又はこれらの任意の組合せの関数としての高速な一連の測定を使用して、特性のスペクトルに関する極めて詳細な情報を取り出すことができる。このため、この方式は、他の任意の単一測定技術よりも広い範囲の特性に関するより多くの情報を提供する。測定は容易に自動化され、そしてプロセス制御及び品質保証の用途において有用なものとすることができる。測定は当然のことながら連続的な流れで、また離散的なバッチで動作するため、製造工程の中に組み込むことができる。
【００９２】
移送する場合に動力学的にロックされた状態を動電学的に評価することを利用して、流れているサンプルを直接画像化したり、又は下流の微小物体をサンプリングすることなく、帯電した種の光学式分別を最適にすることができる。その結果として、本発明は自動化された光学式分別に対して相当な利点も提供する。
幾つかの実施形態が本願で示されかつ説明されてきたが、本発明に対する変更及び修正は本発明の広い態様から逸脱することなく行うことができることを理解されたい。本発明の種々の特徴は、下記の特許請求の範囲の中で定義される。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】変調された光ピンセットを示す図である。この図で左のパネルは、焦点から距離ｚ＝５λにおいて上部が平坦なプロフィールのビームから作られた従来の光ピンセットの変調されない輝度プロフィールを示す。ここで、λは光の波長である。また右のパネルは、
【数４７】
2008529063.tif 000049
、ｍ＝５、αm＝１及びθm＝０に基づいて正弦波状に変調されたビームを通した等価の断面を示す。
【図２】直接検索アルゴリズムを用いて計算され、単一位相専用のＤＯＥで作られた、三次元の多機能ホログラフィック光トラップのアレイを示す図である。この図で、上部ＤＯＥの位相パターンは、２πラジアンの位相シフトに対応する白色領域と、０に対応する黒色領域とを含み、光トラップのアレイに投影された底部は、１００ｘ、ＮＡ１．４の対物レンズの焦点面からｚ＝−１０μｍ、０μｍ及び＋１０μｍの位置に示され、トラップは面内で１．２μｍだけ間隔が空けられ、そして中間面内の１２個のトラップはｌ＝８の光学渦巻を含む。
【図３】容認された単一ピクセル変化の数の関数として、図２のホログラムを計算したアルゴリズムに対する測定値の性能を示すプロットである。
【図４】１つの干渉領域に一緒に入る複数の層状の入力ストリームを有し、次に複数の出力ストリームに分離するＨ接合を示す図である。
【図５】１つの入力サンプルが数個の別個の微小物体に分散される本発明の実施形態を示す図である。
【図６】２つ以上の入力ストリームの混合要素が１つの完全に混合された出力ストリームを作る本発明の実施形態を示す図である。
【図７】２つ以上の入力ストリームが混合されて、１つの完全に混合された出力ストリームを作る説明図である。
【図８】本発明の１つの実施形態に基づいて、２色のホログラフィック光トラップを作る１つの方法を示す図である。
【図９】本発明の１つの実施形態に基づいて、２色のホログラフィック光トラップを作る第２の方法を示す図である。
【図１０】本発明の１つの実施形態に基づいて、２色のホログラフィック光トラップを作る第３の方法を示す図である。
【図１１】本発明の１つの実施形態に基づいて、２色のホログラフィック光トラップを作る第４の方法を示す図である。
【図１２】光電子運動形電位差測定の実際的な実施形態の概略図である。
【図１３】ホログラフィック光ピンセットの１０ｘ１０のアレイのオリエンテーション角度Θの関数として、水中に分散された直径１．５μｍのシリカ球体の流速νに対する横方向の速度ν⊥を示すプロットである。この図では、示された２つのデータセットは流速ｕの異なる値に対して得られた。
【図１】
2008529063.tif 000050
【図２】
2008529063.tif 000051
【図３】
2008529063.tif 000052
【図４】
2008529063.tif 000053
【図５】
2008529063.tif 000054
【図６】
2008529063.tif 000055
【図７】
2008529063.tif 000056
【図８】
2008529063.tif 000057
【図９】
2008529063.tif 000058
【図１０】
2008529063.tif 000059
【図１１】
2008529063.tif 000060
【図１２】
2008529063.tif 000061
【図１３】
2008529063.tif 000062
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月26日(2007.9.26)
【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】
少なくとも１つのチャネルが流体で運ばれた粒子を含む、少なくとも第１及び第２の入力流体の流れを提供する少なくとも２つのチャネルを有し、光学式分別により流体で運ばれた粒子の微小物体を選択する装置であって、光トラップの少なくとも２つのアレイを前記少なくとも２つのチャネルの接合部の領域上に投影するためのホログラフィック光ピンセットのシステムを備え、前記２つの光トラップのアレイがそれぞれ、前記流体で運ばれた粒子のパラメータに基づいて前記流体で運ばれた粒子を分別するために前記流体で運ばれた粒子を選択的に偏向するように配置される、装置。
【請求項２】
前記ホログラフィック光ピンセットのシステムが、
光ビームを発生するためのレーザ光源と、前記レーザ光源からの光ビームを受け取り、そして光トラップの２つのアレイを発生するためのコンピュータ設計による回折光学素子とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ホログラフィック光ピンセットのシステムが、第１の光ビームを発生する第１のレーザ光源と第２の光ビームを発生する第２のレーザ光源とを備え、前記第１のビーム及び前記第２のビームが異なる波長を有して、前記２つの光トラップのアレイが２つの異なる光の波長から発生される、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
流体で運ばれた粒子を含む第１の流体の流れ及びバッファ流体を含む第２の流体の流れを有する流体をさらに備えて、前記２つのチャネルの接合部において、第１の層状の流体の流れの中の流体で運ばれた粒子のサブセットが、前記２つの光トラップのアレイの１つによって前記第２の流体の流れに向かって偏向され、かつ前記流体で運ばれた粒子のサブセットのサブセットが前記光トラップの別のアレイによって前記第１の流体の流れに偏向され戻されて、前記第２の流体の流れが前記流体で運ばれた粒子のサブセットの分別されたサブセットを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記ホログラフィック光ピンセットのシステムが、前記流体で運ばれた粒子の分別を動的に制御するようにプログラムされた回折光学素子を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光トラップのアレイの少なくとも１つが、前記少なくとも２つのチャネルの接合部にわたって離散的に変化して、前記第１及び第２の入力流体の流れの中の流体で運ばれた粒子を出力ストリームに選択的に分別する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記入力流体の流れが、微生物の薬剤分子に対する応答のグループから選択された応答に基づいて分類される物体、寸法に応答して分類される化学的に反応しやすい物体及び光学特性に応答して分類される化学的に反応しやすい物体を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
変調された位相プロフィール及び前記光トラップのアレイを有する前記レーザの光ビームが、前記変調された位相プロフィールから得られたバイアス力を有する複数の光トラップを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記光トラップの中の個々の光トラップが選択的に弱められた方向を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記光トラップの中の個々の光トラップの選択的に弱められた方向が互いに整列される、ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記個々の光トラップの選択的に弱められた方向が前記バイアス力とさらに整列される、ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
帯電溶質を特徴付ける方法であって、
電極間のギャップを形成するために第１の電極と第２の電極との間隔を動作的に空けるステップと、
前記第１の電極及び前記第２の電極と通信する電位計を設けるステップと、
前記電極間のギャップに配置された光トラップのアレイを投影するステップと、
前記帯電溶質が前記光学アレイにより駆動されるときに横方向の電圧を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
複数の帯電粒子に外部のバイアス力を加えるステップと、
前記バイアス力に対して複数の角度で前記アレイを方向付けるステップと、
前記複数の角度のそれぞれで前記横方向の電圧を測定するステップと、をさらに含み、
前記横方向の電圧の各測定が、測定が行われるアレイの対応する角度に関連付けられる、
ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
最大の横方向電圧、最小の横方向電圧、及び対応するアレイの角度を測定するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記最大の横方向電圧、前記最小の横方向電圧、及び前記それぞれの対応するアレイの角度から、帯電粒子の電荷の大きさを計算するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
ホログラフィック光ピンセット用の回折光学素子の位相を最適化する方法であって、
投影フィールドに関連付けられた離散的な位相画素のアレイを選択するステップと、
前記離散的な位相画素のアレイから、回折光学素子の知られた位相値を有する少なくとも１つの画素を選択するステップと、
少なくとも１つの画素において前記回折光学素子の位相を知られた位相から提案された位相に変更するステップと、
位相値の提案された変化に関連付けられた投影フィールドの振幅の変化を計算するステップと、
を含み、
前記提案された位相変化が全体的な振幅エラーを減らす場合は、前記提案された位相を使用すると共にそれを知られた位相として容認し、そして前記変更するステップ及び前記計算するステップを繰り返し、
前記提案された振幅が全体的な振幅エラーを少なくとも所定の量だけ減らさない場合は、前記提案された位相を無視し、
前記知られた位相が、均一性が改良された光トラップのアレイを提供する最適な値を有する、方法。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの画素が複数の画素を含む、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記離散的な位相画素のアレイが、光トラップの望ましいアレイを形成するために理想的なホログラムを求める、ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
ホログラフィック光トラップを発生する装置であって、
光が第１の回折光学素子によって動作される第１のレーザビームと、
前記第１の回折光学素子によって動作された光を第１のダイクロイックミラーに中継し、第２のレーザビームの光を対物レンズに向けて反射する第１のレンズの組と、
光が第２の回折光学素子によって動作される第２のレーザビームと、
を備え、
前記第１のレンズが、前記第２のレーザビームを前記対物レンズに向けて反射させるために、前記第２の回折光学素子によって動作された光を第２のダイクロイックミラーに中継するように配置され、
前記第１のダイクロイックミラーが前記第２のレーザからの光を透過し、かつ前記第１のレーザからの光を反射する、装置。
【請求項２０】
前記第１のレーザビーム及び前記第２のレーザビームが１つのレーザによって発生される、ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
ビームスプリッタが前記第１の回折素子及び前記第２の回折素子と光学的に通信して、前記第１及び第２のレーザビームを第１のレンズに方向付け、かつミラーが収束素子と光学的に通信する第３のレンズを介して、前記第１のレーザ及び前記第２のレーザと光学的に通信し、そして前記ミラーが前記第１のレーザ及び前記第２のレーザの光を反射する、ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの光ビームを発生し、そして前記少なくとも１つの光ビームを回折光学素子を通過させることによって、異なる色のホログラフィック光トラップを発生する方法であって、前記回折光学素子を通過する光ビームの中の一方の色を他方の色から分離するステップと、前記分離された色のそれぞれからホログラフィック光トラップを生成するステップと、を含む方法。
【請求項２３】
前記光ビームが複数のレーザビームを含む、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記一方の色及び前記他方の色が、前記回折光学素子から各色に適用される異なる位相変調を含むことができる、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記一方の色及び前記他方の色が、種々のパターンのホログラフィック光トラップの中に形成される、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記一方の色を他方の色から分離するステップが、光ビームが光学素子を通過するステップを含む、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
前記光学素子が反射形素子及び透過形素子で構成されるグループから選択される、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記光学素子がダイクロイックミラー、部分銀めっきミラー及び偏光選択式ビームスプリッタで構成されるグループから選択される、ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記ホログラフィック光トラップの各別個の色を用いてカラー画像を形成するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３０】
前記光ビームが波長選択式レーザビーム光源によって作られる、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項３１】
前記レーザビーム光源が単一のレーザビームを提供する、ことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記回折光学素子が透過形及び反射形の光学素子の少なくとも１つを含む、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【国際調査報告】
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