(57)【要約】【課題】複数の点を対象としてリアルタイム制御を可能とした光ピンセット装置を提供する。【解決手段】空間光変調器に位相パターンを表示させてトラップ面に複数の集光点を形成する光ピンセット装置であって、この空間光変調器の変調面を複数の領域に分割し、各領域に独立して集光点に対応するパターンを形成することで複数の集光点の位置を調整する。【選択図】　図２
2004138906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間光変調器によって光源から出射された光を所定の面上の所望の位置に位置する複数の点に集光し、その光放射圧を利用して微少物質の捕捉・移動を行う光ピンセット装置において、
前記空間光変調器の変調面を集光する点のそれぞれに対応する複数の領域に空間分割して各領域にグレーティングパターンを形成することで集光点の位置を調整する光ピンセット装置。
【請求項２】
前記空間光変調器の変調面の領域分割に際して領域の面積を調整して集光される光強度を調整する請求項１記載の光ピンセット装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の放射圧を利用して微少物質を捕捉ないし移動を行う光ピンセット装置に関し、特に空間光変調器を用いて集光面上の複数の位置に光を集光する光ピンセット装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の放射圧を利用して細胞や染色体、ナノマシン等の微細な対象物を非接触で捕捉して移動等を行う光ピンセット装置が知られている。例えば、特許文献１には、ホログラムや回折格子などの光学回折素子を用いて複数の出力ビームを形成することで複数の光学トラップを形成するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特表２００２−５０２０４３号公報（第１０〜１２頁、第３図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように複数の光学トラップを予め設定された位置に形成する場合には、所定の回折格子を用いれば足りる。しかし、複数の対象物を独立に捕捉して移動させるような場合には、それぞれの光学トラップの位置をリアルタイムに変更する必要がある。それには、光学回折素子の回折特性をリアルタイムに変更しなければならない。
【０００５】
回折特性を変更する方法としては、空間光変調器を用い、計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　Ｈｏｌｏｇｒａｍ）を表示させる方法がある。しかし、リアルタイムでＣＧＨの計算を行うことは、多大な計算機資源を必要とし、現実的ではない。そこで、所望の出力が得られるパターンを予め用意しておく手法が考えられるが、多点を制御しようとすると、用意すべきパターンの数が膨大になり、その取り扱いも煩雑なものとなる。
【０００６】
そこで、本発明は複数の点を対象としてリアルタイム制御を可能とした光ピンセット装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光ピンセット装置は、空間光変調器によって光源から出射された光を所定の面上の所望の位置に位置する複数の点に集光し、その光放射圧を利用して微少物質の捕捉・移動を行う光ピンセット装置において、この空間光変調器の変調面を集光する点のそれぞれに対応する複数の領域に空間分割して各領域にグレーティングパターンを形成することで集光点の位置を調整するものである。
【０００８】
このように空間光変調器の変調面を複数の領域に分割し、それぞれにグレーティングパターンを形成して集光点の位置調整を行うことで、それぞれの点を独立して制御することができるとともに、パターンの組み合わせで多点制御を行うことができるため、計算によりパターンを作成する場合でも予め必要なパターンを格納しておく場合のいずれにおいても計算機資源やメモリ等が少なくて済み、その変更を高速で行うことができるのでリアルタイムでの制御が可能となる。
【０００９】
空間光変調器の変調面の領域分割に際して領域の面積を調整して集光される光強度を調整することが好ましい。例えば、細かいグレーティングパターンでは、集光される光強度が弱くなることからこのようなパターンを形成すべき領域には広い面積を割り当て、比較的粗いグレーティングパターンが形成される領域には狭い面積を割り当てればそれぞれの集光点の光強度を同一にすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明に係る光ピンセット装置１の概略構成図である。この装置１は入射光であるレーザ光等のコヒーレント光を用いて光学トラップ面１４に集光する光学トラップを形成するものであって、トラップ形成手段として、光学回折手段である空間光変調器（ＳＬＭ）１１を含み、回折された光をリレーレンズ系１２、対物レンズ１３により光学トラップ面１４に集光させる構成を採る。ここで、リレーレンズ系１２のレンズは、ＳＬＭ１１位置と対物レンズ１３位置が共役面となるようその構成が設計されている。ＳＬＭ１１は、位相変調形の例えば画素数が５１２×５１２の透過型ＳＬＭが用いられる。制御装置１０は、ＳＬＭ１１を制御して表示されるグレーティングパターン（ＣＧＨ）の切替を行う。
【００１１】
図２は、本発明における分割位相グレーティングパターンを説明する図であり、図３は、対応する出力パターン、つまり光学トラップ面１４における集光パターンを示す図である。ここで、グレーティングパターンは、各画素における０〜２πの位相変調量を０〜２５５の輝度値に換算して示している。図２（ａ）、図３（ａ）は４点出力の場合であり、図２（ｂ）、図３（ｂ）は１６点出力の場合を示している。いずれの場合も、出力点に応じた数に位相パターン面を分割している。図４、図５は比較として従来の手法により８×８の集光点を等間隔で形成する場合のグレーティングパターンとその出力パターンを示している。
【００１２】
本発明では分割された各領域のグレーティングパターンは、他の領域のグレーティングパターンから完全に独立しており、それらの影響を受けない。このため、例えば、光学トラップ面１４における制御座標が１００×１００であるとすると、各出力点座標に対応した位相テーブル（１００×１００組）を用意しておき、これらを任意に組み合わせることで、全体の位相パターンを作成することができる。さらに、出力点が増えた場合でも出力点座標の範囲が同じであれば同じ位相テーブルを用いればよく、多点の制御が容易になる。また、各領域のグレーティングは図２に示されるように単純なものであるため、計算時間も短くてすむので、リアルタイム制御が可能となる。これに対して、従来の手法では、５１２×５１２すべての領域で計算を行うため、計算時間が非常に長くかかり、リアルタイム性がない。すべての出力パターンに対応する位相パターンを予め計算しておくテーブル方式を採用するとしても、出力面の各点を独立とみなすことができないため、膨大な数のテーブルを用意する必要がある。例えば、４点出力させる場合でも、用意しなければならないテーブルの数は１００×１００の４乗、すなわち、１０１６に達し、出力点が増えるとその数は膨大になって実用的とはいえない。
【００１３】
次に、具体的な制御方法を説明する。ここでは、出力面座標１００×１００で４点を出力する場合を例に説明する。以下の制御は制御装置１０によって行われる。
【００１４】
まず、出力点数に応じて位相パターンエリアを分割する。ここでは、簡略化のため、等分割することとし、各エリアの画素数は２５６×２５６とする。
【００１５】
次に、分割した画素数で出力面座標に対応する位相テーブルを作成する。位相テーブルの数は１００×１００個で、座標（０，０）から座標（９９，９９）の各座標に出力する場合の位相グレーティングを作成する。この計算に要する時間は数分以内である。
【００１６】
続いて、実際に出力したい４点の座標に対応する先に作成した位相テーブル（２５６×２５６画素）をそれぞれ読み出し、これを貼り合わせて５１２×５１２画素の位相パターンを作成する。作成した位相パターンをＳＬＭ１１にホログラム表示させることで、光学トラップ面１４の所望の出力座標位置に４点を集光させて光学トラップを形成することができる。
【００１７】
集光点を移動させるような場合には、予め位相テーブルを作成しておいて、これをメモリ等に格納しておき、移動位置に応じて位相テーブルを読み出し、これを貼り合わせて位相パターンを形成することで対応することができる。貼り合わせ自体の計算にはほとんど時間がかからないため、リアルタイムの処理が可能となる。
【００１８】
ところで、通常レーザ光源は、中心が明るく、周辺にいくにつれて光量が弱くなるガウシアン分布の強度分布を有している。そのため、ＳＬＭ１１に形成される位相パターンのうち、中心部分の領域によって形成される集光点の光強度は強く、周辺部分の領域によって形成される集光点の光強度は弱くなる。通常、光ピンセット装置では、光学トラップ面１４における光強度をなるべく一定にすることが望まれることから、図６に示されるように、ＳＬＭ１１の周辺部にいくにつれて、領域面積を広くとることで光学トラップ面１４における各点の強度を補正することが好ましい。この図では、中央の３×３個の領域Ａの各面積を１とした場合、それに隣接する４つの１×３個の領域Ｂの各面積は１．４に４隅の領域Ｃの各面積は２に設定されている。この面積比は、ＳＬＭ１１に入射される光量分布に合わせて決定することが好ましい。
【００１９】
また、本発明においては、グレーティングによる回折現象を利用して集光点を形成している。ここで、グレーティングの粗い領域では回折効率が高いため、集光点の光強度は強くなるが、グレーティングの細かい領域では回折効率が低くなるため、集光点の光強度は低くなる。
【００２０】
この要因による、トラップ面での点強度のばらつきを抑えるために、各領域の面積を予め異ならせておき、グレーティングの細かいパターンに広い領域を割り当てるようにしてもよい。図７はそうした領域分割の一例を示している。図の左側にある３×４の領域Ｄに対して、右側の１×４の領域Ｅはそれぞれ１．４倍の面積を有している。光学トラップ面１４において、集光点が中心から遠ざかるにつれてこれを形成するのに必要なグレーティングは細かくなり、回折効率が低くなる。そこで、そのようなパターンに領域Ｅのような広い領域を割り当てることによって出力面での光強度を補正する。ここでは、予め領域ごとの面積を固定する例を説明したが、グレーティングの細かさに応じてその都度面積を変動させてもよい。
【００２１】
さらに、前述した入射光の光強度分布に対する補正と組み合わせてもよい。この場合、グレーティングの細かなパターンを中央部分に配置し、グレーティングの粗いパターンを周辺に配置すれば、グレーティングの粗密による光強度の変動と入射功の強度分布による光強度の変動とを相殺させることができるので、面積の変動量を小さくすることができる。
【００２２】
以上の場合は、集光点の光強度を一定に維持する制御を説明したが、逆に集光点の面積を積極的に変えることで集光点の光強度を制御することもまた可能である。光ピンセット装置においては、ターゲットを単に捕捉する場合のほか、ターゲットを保持したまま移動させる使用法があるが、後者のほうが、前者よりも強い光強度を必要とする。また、複数の種類の異なるターゲットが存在する場合、ターゲットごとに捕捉に必要な光強度は異なってくる。そこで、強い光強度を必要とするトラップを形成する位相パターンに広い面積を割り当て、弱い光強度で足りるトラップを形成する位相パターンには狭い面積を割り当てることで出力面における光強度を調整することができる。
【００２３】
このように領域の面積変動を伴う場合には、１つあるいはいくつかの基本的な画素サイズにおける位相パターンの組み合わせを計算しておき、各分割領域をその画素サイズの相似形あるいは基本的な画素サイズを貼り合わせた形状とすれば、面積変更に応じた位相パターンの計算が簡単なもので済み、リアルタイム性を損なうことがない。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＳＬＭの変調面を複数の領域に分割し、それぞれにグレーティングパターンを形成して集光点の位置調整を行うことで、それぞれの点を独立して制御することができる。また、パターンの組み合わせで多点制御を行うことができるため、計算によりパターンを作成する場合でも予め必要なパターンを格納しておく場合のいずれにおいても計算機資源やメモリ等が少なくて済み、その変更を高速で行うことができるのでリアルタイムでの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光ピンセット装置の好適な実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の装置における分割位相グレーティングパターンの例示である。
【図３】図２のグレーティングパターンによる出力パターンを示す図である。
【図４】従来のグレーティングパターンの例示である。
【図５】図４のグレーティングパターンによる出力パターンを示す図である。
【図６】図１の装置における分割パターンの例示である。
【図７】図１の装置における分割パターンの別の例示である。
【符号の説明】
１…光ピンセット装置、１０…制御装置、１１…空間光変調器（ＳＬＭ）、１２…リレーレンズ系、１３…対物レンズ、１４…光学トラップ面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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