(57)【要約】光トラップアレイを制御し、粒子アレイを形成する方法および装置。この方法および装置は、光トラップアレイの動的制御を、その結果として粒子アレイの制御を可能にするためのレーザおよび時間変化する回折光学要素を提供し、また、複数の光トラップを用いて単一の対象物を操作する能力を提供する。
2004517742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
小粒子のアレイを制御可能に充填する方法であって、
小粒子源を設けるステップと、
レーザビームの分布を制御するステップであって、選択されたレーザビームパターンを供給して、アレイの特定の場所に光トラップを形成するようにする、制御するステップと、
前記レーザビームの分布を時間経過とともに変えるステップであって、前記光トラップの場所に、時間変化する前記小粒子のアレイを形成する、変えるステップとを含む方法。
【請求項２】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、前記レーザビームに回折光学要素を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記回折光学要素はコンピュータによって供給される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、前記レーザビームに、時間変化するホログラム制御信号を適用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、共役物体面で前記レーザビームの一部を遮断するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザビームを遮断する前記ステップは、ナイフエッジを前記レーザビームに挿入することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
粒子源を設ける前記ステップは、圧力差を加えることによって、前記光トラップのうちの露出された光トラップを通って前記粒子を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
永久的に前記アレイを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
永久的に前記アレイを形成する前記ステップは、（ａ）前記アレイを基板上に転写すること、（ｂ）前記アレイのまわりで懸濁されている流体をゲル化することのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザビームは、動的に再構成されて、時間変化する前記小粒子のアレイについての光学的要件に応じて前記アレイを変える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学的要件に対する前記アレイの応答は、（ａ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの位置の変化、（ｂ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの強度および形状、（ｃ）新たな光トラップの導入、および（ｄ）前記光トラップのうちの存在する１つの除去、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１２】
光トラップのアレイを制御可能に操作する方法であって、
レーザビームを供給するステップと、
前記レーザビームの分布を制御するステップであって、選択されたレーザビームを供給して、特定の場所に光トラップを形成するようにする、制御するステップと、
前記レーザビームの分布を時間経過とともに変えるステップであって、時間変化する前記光トラップのパターンを形成する、変えるステップとを含む方法。
【請求項１３】
前記レーザビームは、動的に再構成されて、光学的要件に応じて前記光トラップを変える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記トラップのアレイは検査のために生体媒質を操作する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
操作する前記ステップは、対象物の形状を調整することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光学的要件は画像解析を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記光学的要件に対する前記アレイの応答は、（ａ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの位置の変化、（ｂ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの強度および形状、（ｃ）新たな光トラップの導入、および（ｄ）前記光トラップのうちの存在する１つの除去、のうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、回折光学要素を作動状態／非作動状態にすることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、前記レーザビームに空間光変調器を適用することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、共役面で前記レーザビームを非作動状態にすることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、前記レーザビームに対して時間変化するホログラム制御信号を適用することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、共役物体面で前記レーザビームの一部を遮断するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザビームを遮断する前記ステップは、ナイフエッジを前記レーザビームに挿入することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの粒子を供給するステップであって、前記光トラップの少なくとも１つを通って前記粒子を流す、供給するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２５】
コンピュータソフトウェアを実行するステップであって、複数の時間および空間位置にわたって、少なくとも１つの対象物の操作を含む製造プロセスを実施する、実行するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２６】
光トラップのアレイを制御可能に操作する装置であって、
レーザビーム源と、
前記レーザビームの分布を制御する手段であって、選択されたレーザビームパターンを供給して、特定の場所に光トラップを形成するようにする、制御する手段と、
前記レーザビームの分布を時間経過とともに変える手段であって、時間変化する前記光トラップのパターンを形成する、変える手段とを備える装置。
【請求項２７】
前記レーザビームは、動的に再構成されて、光学的な要件に応じて前記光トラップを変えるようにする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記光学的要件は、検査のために生体媒質を操作するための指示を提供する命令シーケンス源を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
操作する前記手段は、空間光変調器を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３０】
前記光学的要件は、実行可能なコンピュータ解析プログラムによるコンピュータ画像検査を含む、請求項２７に記載の装置。
【請求項３１】
前記光学的要件に対する前記アレイの応答は、（ａ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの位置の変化、（ｂ）前記光トラップのうちの少なくとも１つの強度および形状、（ｃ）新たな光トラップの導入、および（ｄ）前記光トラップのうちの存在する１つの除去のうちの少なくとも１つの機能性を果たす実行可能なコンピュータプログラムを含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項３２】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、回折光学要素を作動状態／非作動状態にするデバイスを含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項３３】
前記レーザビームの分布を変える前記ステップは、共役物体面で前記レーザビームの一部を遮断するナイフエッジを含む、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、国立科学財団（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）によって与えられた契約第ＤＭＲ−９３２０２７８号に基づいて、授与番号第ＤＭＲ−９４００３７９号の下の国立科学財団のＭＲＳＥＣプログラムを通して、また、教育省からのＧＡＡＮＮ研究助成を通して、米国政府の支援によってなされた。米国政府はまた、契約ＮＳＦＤＭＲ−９７８０３１およびＮＳＦＤＭＲ−９８０５９５に基づく資金助成に従って、本発明に対する一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は、概して、光トラップを制御する方法および装置を対象とする。より詳細には、本発明は、光トラップアレイを動的に制御するための、また光トラップアレイを粒子で制御可能に充填するための方法および装置を対象とする。こうした方法および装置によって、光トラップの場所、各光トラップの強度およびサイズの動的変更が可能になり、また研究目的および製造目的で光トラップを使用するための制御された適用およびフィードバックが可能になる。
【０００３】
流動媒体に浸漬された誘電体小粒子の一部を操作するために、単一光ビームからの光勾配力を用いて光ピンセットを作製することが知られている。この時、流動媒体の屈折率は粒子の屈折率より小さい。光ピンセット技法はまた、反射性があり、吸収性があり、低誘電率の粒子の操作を可能にするように一般化されてきた。
【０００４】
したがって、現行の従来システムは、単一光ビームを用いて単一光トラップを生成することによって、単一粒子を操作できる。こうしたシステムによって複数の粒子を操作するために、複数の光ビームを使用しなければならない。従来の光ピンセット法を用いて拡張した複数ビームトラップを生成することが難しいために、電子デバイス、光デバイスおよび光電子デバイス、化学的分析および生物学的分析で使用する化学センサアレイ、およびホログラムマトリクスおよびコンピュータ記憶マトリクスを含む、ナノコンポジット材料の作製および操作などの可能性のある多くの商業用途で、複数ビームトラップを使用することが妨げられている。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、複数の光トラップを生じさせる、改良された方法およびシステムを提供することである。
【０００６】
本発明の一目的は、光トラップアレイおよび小粒子アレイを制御する新規な方法および装置を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、光トラップの動的制御のための改良された方法およびシステムを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、光トラップアレイおよび／または粒子アレイを順次に形成する新規な方法および装置を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、光トラップのサイズ、形状および強度の動的制御を行う改良された方法および装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、光トラップ構成の動的制御のためにホログラムパターンをコンピュータで生成する新規な方法および装置を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、光トラップアレイの動的制御のために、空間光変調器をレーザビームに適用する、改良された方法および装置を提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、時間変化する特定の光トラップアレイの形成のために、レーザビームを選択的に通過させる機械的デバイスを使用する、新規な方法および装置を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、光トラップ内に増大した粒子を流し、光トラッピングのために異なる粒子を選択的に出力する、改良された方法および装置を提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、制御された光トラップアレイを用いて生体物質を検査し、操作する、新たな方法および装置を提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、ある構成の光ビームを形成し、複数の光トラップを生じさせるために、回折光学系とともに単一光ビームを使用する、新規な方法および装置を提供することである。
【００１６】
本発明の他の目的は、複数の粒子または他の光学媒体を制御するために、光勾配フィールドを生成するホログラムを使用する、新規な方法および装置を提供することである。
【００１７】
本発明の他の目的は、種々の商業用途のために複数の光トラップを生じさせる、改良された方法およびシステムを提供することであり、その用途は、たとえば、光回路製造、ナノコンポジット材料の適用などにおける小粒子の操作、電子部品、光電子デバイス、化学的および生物学的センサアレイの作製、ホログラムデータ記憶マトリクスの組み立て、組み合わせ化学（ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａｌ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）応用の容易化、コロイドの自己組織化の促進および生体媒質の操作に関連する。
【００１８】
本発明の他の目的は、商業用途のために、時間的および空間的に変わる構成の光勾配フィールドを作製する改良された方法およびシステムを提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、選択可能で時間変化する、かつ／または、特定空間の光トラップのアレイを作製して、誘電体を操作するために、１つ以上の回折光学要素とともに１つ以上のレーザビームを使用する、新規な方法およびシステムを提供することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、単一入射レーザビーム、回折光学要素、および凹レンズおよび／または凸レンズを使用して、静的なまたは動的な光トラップを形成する、改良された方法およびシステムを提供することである。
【００２１】
本発明の他の目的は、ユーザが直接観察できる光トラップアレイを作製する、新規な方法およびシステムを提供することである。
【００２２】
本発明の他の目的は、種々の商業用途のために、光トラップのアレイの走査を可能にするビーム走査システムによって、レーザビーム入射を回折光学要素に使用する、改良された方法およびシステムを提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、レーザビーム、回折光学要素、および発散または集束光学系を用いて、光トラップ構成を作製して、対物レンズの焦点面に対して選択された場所にトラップ構成を形成する、新規な方法および装置を提供することである。
【００２４】
本発明の他の目的は、レーザビームおよび斜めに位置する回折光学要素を用いて、任意の未回折ビームをろ過して、光トラップ配置構成を作製するときに回折光ビームのみを有効利用するようにする、改良された方法および装置を提供することである。
【００２５】
本発明の他の目的は、回折光学要素にレーザビーム入射を使用して、対物レンズの焦点面の外に少なくとも２次元配置構成の光トラップを生成する、新規な方法および装置を提供することである。
【００２６】
本発明の他の目的は、複数の望遠鏡レンズとともに光ビームおよび回折光学系を使用して、光トラップアレイを走査する、改良された方法およびシステムを提供することである。
【００２７】
本発明の他の目的は、回折光学要素および光学系に対して単一光ビームを使用して、光トラップのアレイを生じさせて、光トラップアレイを制御可能に走査するようにして、小振幅の発振変位を加えて、光トラップの感応を動的に増すようにする、新規な方法およびシステムを提供することである。
【００２８】
本発明の他の目的は、回折光学要素として、時間依存するアドレス可能な位相シフト媒体（液晶位相シフトアレイなど）を用いて、独立して操縦される複数の光トラップを生成する、新規な方法を提供することである。
【００２９】
本発明の他の目的は、極微粒子の分離のために、時間依存する光勾配フィールドを生成する、新規な方法を提供することである。
【００３０】
本発明の他の目的は、たんぱく質の結晶化を含む複数の生物学的対象物を操作する、新規な方法を提供することである。
【００３１】
本発明の他の目的、特徴および利点は、同じ要素が全体を通じて同じ番号を有している、以下に示す添付図面と一緒に考えられる、本発明の好ましい実施形態の以下の説明から容易に明らかになるであろう。
【００３２】
好適な実施形態の説明
本発明の改良点を最も良く理解するために、図１および図２がいくつかの従来技術の方法およびシステムを示す。これらシステムがまず概観され、次に、本発明が図３〜７Ａおよび７Ｂの好ましい実施形態の例によって説明されるであろう。図１の従来技術の光ピンセットシステム１０において、媒体１６内で分散した誘電性小粒子１４を制御可能に操作する光勾配力は、単一光ビーム１２の使用から生ずる。媒体１６の屈折率ｎｍは小粒子１４の屈折率より小さい。光勾配力の性質は良く知られており、また、反射性があり、吸収性があり、低誘電定数の粒子の操作を可能にするように原理が一般化されていることが良く理解されている。これらの技法のいずれもが、以下で述べる本発明の文脈において実施されることができ、光ピンセット、光トラップおよび光勾配力といった用語の使用によって以下で包含されるであろう。
【００３３】
光ピンセットシステム１０は、粒子を操作するのに要する光トラッピング作用を行うのに必要とされる、必要な力を加えることができる光ビーム１２（レーザビームなど）を使用することによって適用される。光ピンセット１０の従来の形態の目的は、１つ以上の成形された光ビームを収束光学要素（対物レンズ２０など）の後部開口２４の中心に投影することである。図１で述べられるように、光ビーム１２は、幅「ｗ」を有し、光軸２２に対して入射角度Φを有する。光ビーム１２は、対物レンズ２０の後部開口２４に入射し、前部開口２６から出力されて、イメージングされる体積３２の焦点面３０の焦点２８に実質的に収束し、焦点２８が光トラップ３３と一致する。一般的に、どの合焦光学系も、光ピンセットシステム１０用の基礎を形成することができる。
【００３４】
光ビーム１２が平行レーザビームであり、光軸２２と一致する軸を有する場合、光ビーム１２は、対物レンズ２０の後部開口２４に入り、対物レンズの焦点面３０の中心点ｃで、イメージング体積３２内に焦点が合うようにされる。光ビーム１２の軸が光軸２２に対して角度Φだけずれているとき、ビーム軸３１および光軸２２は、後部開口１２の中心点Ｂで一致する。この変位によって、光トラップが、対物レンズ２０の角度倍率によって決まる量だけ視野を横切って平行移動することを可能にする。２つの変数、光ビーム１２の変化する収束性および角度変位Φを使用して、イメージング体積３２内の選択された位置に光トラップを形成することができる。複数の光ビーム１２が、種々の角度Φで、種々のコリメーションの程度で後部開口２４に加えられたとすると、複数の数の光トラップ３３を種々の場所に配置することができる。
【００３５】
３次元で光トラッピングを行うために、トラップされるべき粒子上に生成される光勾配力は、光散乱および光吸収から生ずる他の放射圧を超えなければならない。一般的に、このことによって、光ビーム１２の波面が後部開口２４で適当な形状を有することが必要になる。たとえば、Ｇａｕｓｓｉａｎ型ＴＥＭ００入射レーザビームについて、ビーム直径ｗは、後部開口２４の直径とほぼ一致すべきである。より一般的なビーム分布（ガウス・ラゲールなど）について、同様の条件を公式化することができる。
【００３６】
図２の別の従来技術のシステムにおいて、光ピンセットシステム１０は、対物レンズ２０の視野を横切って光トラップ３３を平行移動させることができる。望遠鏡３４は、レンズＬ１およびＬ２から構成され、レンズＬ１およびＬ２は、図１の従来技術のシステムの中心点Ｂと光学的に共役な点Ａを生じさせる。図２のシステムにおいて、点Ａを通過する光ビーム１２はまた点Ｂを通過し、したがって、光ピンセットシステム１０として動作する基本要件を満たす。望遠鏡３４の伝達特性を最適にするために、図２に示すようにレンズＬ１およびＬ２を置くことによってコリメーションの程度が保たれる。さらに、望遠鏡３４の拡大率は、光ビーム１２の角度変位および対物レンズ２０の後部開口２４の面での幅ｗを最適にするように選択することができる。上述したように、一般的に、いくつかの光ビーム１２を使用して、いくつかの関連する光トラップを形成することができる。こうした複数のビーム１２は、複数の独立したビームから、または従来の反射光学要素および／または屈折光学要素から生成することができる。
【００３７】
図３に示す本発明の好ましい一実施形態において、任意の光トラップのアレイを形成することができる。回折光学要素４０は、対物レンズ２０の後部開口２４と共役な面４２にほぼ配設される。簡潔にするために、回折された単一の出力ビーム４４のみが示されているが、複数のこうしたビーム４４が回折光学要素４０によって生成することができることに留意されたい。回折光学要素４０上に入射する入力光ビーム１２は、回折光学要素４０の性質に固有のあるパターンの出力ビーム４４に分割され、その出力ビームのそれぞれは点Ａから発する。したがって、出力ビーム４４はまた、上述した下流の光学要素の結果として点Ｂを通過する。
【００３８】
図３の回折光学要素４０は、入力光ビーム１２に対して垂直であるように示されているが、他の多くの配置構成が可能である。たとえば、図４において、光ビーム１２は光軸２２に対して斜めの角度βで到達し、回折光学要素４０に対して垂直ではない。この実施形態において、点Ａから発する回折ビーム４４は、イメージング体積３２（図１で最も良く見える）の焦点面５２に光トラップ５０を形成するであろう。光ピンセットシステム１０のこの配置構成において、入力光ビーム１２の回折されていない部分５４を、光ピンセットシステム１０から除去することができる。したがって、この構成によって、背景光を処理するのをより少なくすることを可能にし、光トラップを形成する効率および効果が改善される。
【００３９】
回折光学要素４０は、コンピュータが生成したホログラムを含むことができ、ホログラムは、入力光ビーム１２を事前に選択された所望のパターンに分割する。こうしたホログラムを図３および図４の光学要素の残りの部分と組み合わせることによって、任意のアレイの生成が可能になり、任意のアレイにおいて、回折光学要素４０を使用して、各回折ビームの波面を独立に成形することができる。したがって、光トラップ５０は、対物レンズ２０の焦点面５２ばかりでなく焦点面５２の外にも配設されて、光トラップの５０の３次元配置構成を形成することができる。
【００４０】
図３および図４の光ピンセットシステム１０において、対物レンズ２０（フレゾネルレンズなどの他の同様な機能的に等価な光学デバイス）などの合焦光学要素もまた含んで、回折ビーム４４を収束させて、光トラップ５０が形成される。さらに、望遠鏡３４または他の等価な伝達光学系は、上述した後部開口２４の中心点Ｂと共役な点Ａを生成する。回折光学要素４０は、点Ａを含む平面に設置される。
【００４１】
本発明の別の形態において、望遠鏡３４を使用せずに、任意の光トラップのアレイ５０を生成することができる。こうした実施形態において、回折光学要素４０を点Ｂを含む平面内に直に設置することができる。
【００４２】
光ピンセットシステム１０において、固定した、または時間依存する回折光要素４０のどちらでも使用することができる。動的すなわち時間依存版の場合、こうした特徴を利用するシステムの一部となる、時間変化する光トラップ５０のアレイを生成することができる。さらに、こうした動的光学要素４０を使用して、粒子およびマトリクス媒体を互いに対して能動的に動かすことができる。たとえば、回折光学要素４０は、コンピュータで生成されたホログラムパターンが刻印される変化を受けた液晶位相アレイであってもよい。
【００４３】
図５に示す別の実施形態において、システムは、光ピンセットトラップ５０の連続した平行移動を行うように作製することができる。ジンバルに搭載したミラー６０は、その回転中心を点Ａに置いた状態で設置される。光ビーム１２は、ミラー６０の表面に入射し、点Ａを通過する軸を有し、後部開口２４に投影されるであろう。ミラー６０の傾斜によって、ミラー６０に対する光ビーム１２の入射角度の変化が生じ、この特徴を使用して、生ずる光トラップ５０を平行移動することができる。第２望遠鏡６２はレンズＬ３およびＬ４から形成され、レンズＬ３およびＬ４は点Ａと共役な点Ａ’を生成する。ここで、点Ａ’に設置された回折光学要素４０は、あるパターンの回折ビーム６４を生成し、回折ビームのそれぞれは、点Ａを通過して、光ピンセットシステム１０のアレイにおいてピンセットトラップ５０の１つを形成する。
【００４４】
図５の実施形態の動作において、ミラー６０は、全ピンセットアレイを１つのユニットとして平行移動させる。この方法は、光ピンセットアレイを固定基板と正確に整列させて、小振幅の高周波発振変位によって光トラップ５０を動的に強化するのに役立ち、同様に、全体的な平行移動能力を要する任意の用途に役立つ。
【００４５】
光トラップ５０のアレイもまた、サンプルステージ（図示せず）を移動することによるか、または望遠鏡３４を調整することによってサンプルステージに対して垂直に平行移動されることができる。さらに、光ピンセットアレイもまた、サンプルステージを移動させることによってサンプルに対して横に平行移動することができる。この特徴は、対物レンズの視野の範囲を越えた大きな移動に特に役立つであろう。
【００４６】
図６に示す本発明の別の形態において、光学系は、光ピンセット１０によってトラップされた粒子の画像の観察が可能とするように配置される。二色性ビームスプリッタ７０または他の等価な光ビームスプリッタは、光ピンセットシステム１０の光学列（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｉｎ）と対物レンズ２０の間に挿入される。図示される実施形態において、ビームスプリッタ７０は、光ピンセットアレイの形成に使用される光の波長を選択的に反射して、他の波長を透過させる。したがって、光トラップ５０を形成するのに使用される光ビーム１２は、高い効率で後部開口２４に伝達されるが、画像を形成するのに使用される光ビーム６６はイメージング光学系（図示せず）へと通過することができる。
【００４７】
本発明の用途の説明は図７Ａおよび図７Ｂに示される。回折光学要素４０は、単一光ビーム１２と相互作用して、４×４の平行ビームのアレイを生成するようにデザインされる。５３２ｎｍで動作する、１００ｍＷ周波数２重ダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザは、光ビーム１２のためのＧａｕｓｓｉａｎ型ＴＥＭ００を供給する。図７Ａにおいて、視野は、アレイの１６個の主光ピンセット１０にトラップされた１６個のシリカ二酸化ケイ素（ｓｉｌｉｃａ）球によって後方散乱されたレーザ光によって部分的に照明される。１μｍ直径の球が水に分散されて、顕微鏡ガラススライドと１７０μｍ厚のガラスカバースリットの間のサンプル体積内に設置される。ピンセットアレイは、カバースリップを通して上方に投影され、カバースリップの上方８μｍであって、上部顕微鏡スライドの下方２０μｍを超えるところにある平面上に位置する。二酸化ケイ素球は、１６個の光ピンセット１０のそれぞれにおいて３次元的に安定してトラップされる。
【００４８】
図７Ｂには、光ピンセット１０（トラップ）が消えた後だが、球がトラップ場所から拡散するのに十分な時間が経つ前の、１／３０秒間の光学的に編成された球の配置構成を示す。
【００４９】
適応型ピンセットモード
本発明の他の形態において、上述した基本光トラップの実施形態は、種々の有用な方法で使用することができる。さらに、他の実施形態は、これらの方法を適用して、光トラップの動作および使用を高めるように構成することができる装置およびシステムを含む。特に、光トラップは制御され、変更されることができ、これらの特徴を使用する種々の実施形態が以下で説明される。
【００５０】
光トラップの種々の新たな使用および用途は、時間変化する構造および光トラップ構成の動的変更から生じる。本発明の一形態において、光トラップのアレイは、図８で示す方法で有利に操作できる。光学系１００において、回折光学要素１０２は、平行レーザビーム１０４をいくつか（２以上）のレーザビーム１０６および１０８に分割する。いくつかのレーザビーム１０６および１０８のそれぞれは、物体面１１８内のいくつかの個別の光トラップに伝達される。レンズ１１４および１１６によって形成される望遠鏡などの、従来の光学配置構成の働きによって、これらのいくつかのレーザビーム１０６、１０８のそれぞれが対物レンズ１１２の後部開口１１０に伝達される。対物レンズ１１２は、これらいくつかのビーム１０６、１０８を物体面１１８内の個別の光トラップ１３２に合焦させる。本発明の好ましい形態において、いくつかのレーザビーム１０６、１０８の経路内へと移動できるようにナイフエッジ１２０が配設され、それによって、いくつかのレーザビーム１０６、１０８のうちの任意の選択されたビーム（複数可）を選択的に遮断して、光トラップ１３２の一部の形成を選択的に妨げることができる。こうした方法および構造は、適切にデザインされたナイフエッジすなわち開口ナイフエッジ構造およびこうした同様な構造を使用することによって、任意所望の光トラップ１３２のアレイの作製を可能にする。
【００５１】
こうした光トラップ制御方法の使用の説明は図９に示され、図９において、光トラップ１３２は回折光学要素１２２のホログラムの形態で形成される。図８の可動ナイフエッジ１２０は、光トラップ１３２の１ライン１２４以外の全てを遮断することができる。系統的にナイフエッジ１２０を移動させることによって、ライン１２４のそれぞれが生じ、これによって、光トラップ１３２を粒子１２６で系統的に満たすことが可能になる。この方法によって、光トラップ１３２を種々の異なるタイプの粒子１２６で満たし、また粒子１２６が光トラップ１３２のアレイの外側の部分を優先的に充填する傾向にあるという通常の問題をなくす。こうした優先的な充填は、そのため、内部の光トラップ１３２の充填を妨害することがある。この制御された光トラップ１３２の形成はまた、光トラップ配置構成の精密な形成および変更を可能にする。
【００５２】
光トラップ１３２のアレイの充填に対して詳細な制御を行うのに加えて、光トラップ１３２の充填を加速するためにデバイスを設けることができる。たとえば、図８において、（１）選択された粒子１２６（図１０参照）を出力し、（２）圧力差の下で（電気泳動または電気浸透によって）粒子１２６を適用し、（３）温度勾配を適用し、（４）漁獲網（ｆｉｓｈｉｎｇ  ｎｅｔ）のような方法で、粒子１２６を含む懸濁液を通して全光トラップを平行移動させる、デバイスを示す機能ブロック１２８が示される。たとえば、粒子１３４は、約１０−４μｍ−３の粒子濃度で、かつ約１００μｍ／秒の適度の流量で始めて、光トラップ１３２内に充填されて、ライン１２４の１つの行またはアレイパターンを約１分で充填され得ることが、実験によって確認されている。十分に生成された粒子１２６のアレイは、このアレイを基板上に転写することによって、または粒子１２６を懸濁する流体をゲル化することによって、恒久的にされることができる。こうした手法により、また、非常に多様な異なる粒子アレイおよび結合された粒子１２６のアレイを作製されることができる。光トラップ１３２の上述した特性および機能を用いて、粒子１２６のそれぞれはまた、さらに、実用的な使用または研究目的のために、調べられ、イメージングされ、操作されることができる。
【００５３】
本発明の他の形態において、光トラップ１３２は、特定の光学的要件に応じて動的に変えることができる。１つ以上の光トラップ１３２を使用して、種々の光トラップ場所で粒子を変更し、除去し、または付加する、すなわち、単一の対象物について種々の操作を可能にするような、所望の指示情報を有するコンピュータプログラムの使用によって、光学的要件が達成されることができる。さらに、植物細胞または動物細胞などの任意の対象物を動的に操作するために、１つ以上の光トラップ１３２が移動され、その特性を変える（たとえば、トラップの形状または強度を変える）ことができる。このことは、扱いにくい構造を操作する時、または対象物の複雑な操作を行う必要がある時に特に有利である可能性がある。これまで、こうした対象物は、強制的な単一の力によるトラップによって操作され、そのトラップは、対象物に損傷を生ずるか、または所望の機能を行うのにしばしば必要とされる自由度を与えなかった。
【００５４】
さらに、他の処理において、粒子１２６を大きさで動的に分類することができる。図１０に示す方法で、粒子１２６のアレイをイメージングすることもできる。顕微鏡１３８は粒子１２６をイメージングし、パーソナルコンピュータ１４０は粒子１２６を識別し、（図８の回折光学要素１４４について）位相のみのホログラム１４２を計算することができる。前記粒子をトラップするために、コンピュータ制御された空間光変調器１４３はまた、位相変調のパターンをレーザビーム１４４に適用することによって、コンピュータデザインされたホログラム１４２を実施することができる。こうした適用はまた、種々の目的のいずれに対しても動的に変えることができる。改良されたレーザビーム１４８（図８のいくつかのレーザビーム１０６、１０８も参照されたい）は、顕微鏡１３８によって合焦させられて、光トラップ１３２のアレイ（ピンセットとしても知られる）が生成され、光トラップは、粒子１２６をトラップして画像スクリーン１５０上に表示する。次に、粒子１２６のそれぞれは、粒子１２６を分類するために、個別に操作されて、所望の構造が組み立てられるか、または、そうでなければ、関心のある対象物を操作し、検査しまたはその形状を変えることができる。
【００５５】
本発明の好ましい実施形態が示され、説明されたが、本発明から逸脱することなく、冒頭で提示した特許請求項で述べられる、より広い態様で、種々の変形および変更がなされることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
単一光ピンセットのための従来技術の方法およびシステムを示す図である。
【図２】
単一で、操縦可能な光ピンセットのための従来技術の方法およびシステムを示す図である。
【図３】
回折光学要素を用いた方法およびシステムを示す図である。
【図４】
入力光ビームに対して傾斜した光学要素を用いた別の方法およびシステムを示す図である。
【図５】
回折光学要素を用いた、連続して平行移動可能な光ピンセット（トラップ）アレイを示す図である。
【図６】
光ピンセットアレイを用いて粒子を操作し、一方でまた、光トラップアレイを観察するために画像を形成するための、方法およびシステムを示す図である。
【図７Ａ】
図６の光学系を用いる、４×４の光ピンセット（トラップ）のアレイの画像を示す図である。
【図７Ｂ】
トラッピング照明が消えた直後だが、球が拡散する前の、図７Ａの光ピンセットによって水に留め置かれた１μｍ直径の二酸化ケイ素球の画像を示す図である。
【図８】
可動ナイフエッジ機構を含むホログラム光トラップシステムを示す図である。
【図９Ａ】
ガラス−水の界面上に形成された、１０×１０の光トラップのアレイを示す図である。
【図９Ｂ】
ガラスの約２μｍ上方に焦点を有するトラップを示す図であり、光トラップの５番目の行が粒子の流れにさらされている。
【図９Ｃ】
光トラップの８番目の行が充填されている状態の、図９Ｂと比較するための粒子の充填を示す図である。
【図９Ｄ】
完全に充填された光トラップのパターンを示す図である。
【図１０】
顕微鏡イメージングを有する光トラップ制御システムを示す図である。
【図１】
2004517742.tif 000003
【図２】
2004517742.tif 000004
【図３】
2004517742.tif 000005
【図４】
2004517742.tif 000006
【図５】
2004517742.tif 000007
【図６】
2004517742.tif 000008
【図７Ａ】
2004517742.tif 000009
【図７Ｂ】
2004517742.tif 000010
【図８】
2004517742.tif 000011
【図９Ａ】
2004517742.tif 000012
【図９Ｂ】
2004517742.tif 000013
【図９Ｃ】
2004517742.tif 000014
【図９Ｄ】
2004517742.tif 000015
【図１０】
2004517742.tif 000016
【国際公開パンフレット】
2004517742.tif 000017
2004517742.tif 000018
2004517742.tif 000019
2004517742.tif 000020
2004517742.tif 000021
2004517742.tif 000022
2004517742.tif 000023
2004517742.tif 000024
2004517742.tif 000025
2004517742.tif 000026
2004517742.tif 000027
2004517742.tif 000028
2004517742.tif 000029
2004517742.tif 000030
2004517742.tif 000031
2004517742.tif 000032
2004517742.tif 000033
2004517742.tif 000034
2004517742.tif 000035
2004517742.tif 000036
2004517742.tif 000037
2004517742.tif 000038
2004517742.tif 000039
2004517742.tif 000040
2004517742.tif 000041
2004517742.tif 000042
2004517742.tif 000043
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004517742.tif 000044
2004517742.tif 000045
【国際調査報告】
2004517742.tif 000046
2004517742.tif 000047
2004517742.tif 000048