(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トラップ光に基づいて集光光学系を介して生成された集光光束を媒質中の微粒子に照射することにより、前記微粒子を光により捕捉し操作する微粒子操作装置において、
前記トラップ光とは波長の実質的に異なる観察光に基づいて前記集光光学系を介して前記微粒子を観察するための観察系を備え、
前記集光光学系における前記トラップ光を基準とした前記観察光の軸上色収差Δは、前記微粒子のサイズをφとするとき、
−１０≦Δ／φ≦−０．１２
を満たすことを特徴とする微粒子操作装置。
【請求項２】
前記トラップ光に基づいて前記集光光学系を介して生成される集光光束の集光位置を前記集光光学系の光軸に沿って移動させるための移動手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の微粒子操作装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光による微粒子操作装置に関し、特に光の照射により媒質中の微粒子を捕捉し操作する操作装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光による微粒子操作装置は、一般に光ピンセットや光トラップと呼ばれ、光源に主としてレーザを用いることから、レーザトラッピングやレーザツイーザなどとも呼ばれている。この種の操作装置では、光源からのレーザ光を集光光学系により円錐状に集光し、この集光光束を媒質中の微粒子に照射することにより、微粒子に発生する光の放射圧を利用して微粒子を捕捉・保持したり移動させたりする。光による微粒子操作装置は、生体細胞や微生物などを非接触で且つ非破壊で捕捉し操作する装置として様々な分野で利用されている。
【０００３】
なお、微粒子操作装置には、媒質中の微粒子を捕捉し操作する際に微粒子の様子を観察するための観察系が設けられている。観察系では、捕捉および操作のために微粒子に照射するトラップ光とは波長の異なる観察光で微粒子を照明する。そして、照明された微粒子からの光に基づいて、トラップ光の集光に用いる集光光学系と同じ集光光学系を介して、微粒子の像を形成する。集光光学系を介して形成された微粒子の像は、ＣＣＤカメラ等の撮像手段や接眼レンズを介して観察される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような構成を有する従来の微粒子操作装置では、トラップ光の波長と観察光の波長とが実質的に異なる場合が多い。この場合、集光光学系の軸上色収差に起因して、トラップ光の平行光束が集光光学系に入射したときに生成される集光光束の集光位置と、観察系において対物レンズとして機能する集光光学系に対する合焦位置とが、集光光学系の光軸方向に沿って一致しないことになる。
【０００５】
ここで、集光光学系による集光光束の集光位置は、光により捕捉される微粒子の位置とほぼ一致している。その結果、従来の微粒子操作装置では、光により捕捉された微粒子の位置が観察系における合焦位置から光軸方向に位置ずれし、デフォーカス（ピントずれ）し且つコントラストの低下した微粒子像しか観察することができない。特に、微粒子の位置と合焦位置との位置ずれ量がさらに大きい場合には、微粒子を全く観察することができない可能性もある。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたものであり、微粒子を捕捉する力を安定的に強く保ちつつ、コントラストの高い良好な微粒子像を観察することのできる微粒子操作装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、トラップ光に基づいて集光光学系を介して生成された集光光束を媒質中の微粒子に照射することにより、前記微粒子を光により捕捉し操作する微粒子操作装置において、
前記トラップ光とは波長の実質的に異なる観察光に基づいて前記集光光学系を介して前記微粒子を観察するための観察系を備え、
前記集光光学系における前記トラップ光を基準とした前記観察光の軸上色収差Δは、前記微粒子のサイズをφとするとき、
−１０≦Δ／φ≦−０．１２
を満たすことを特徴とする微粒子操作装置を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい態様によれば、前記トラップ光に基づいて前記集光光学系を介して生成される集光光束の集光位置を前記集光光学系の光軸に沿って移動させるための移動手段をさらに備えている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明では、集光光学系におけるトラップ光を基準とした観察光の軸上色収差Δが、所定の負の値を有するように設定されている。この場合、トラップ光の平行光束が集光光学系に入射したときに生成される集光光束の集光位置が、観察系において対物レンズとして機能する集光光学系に対する合焦位置よりも、集光光学系の光軸に沿って所定距離（すなわち軸上色収差Δ）だけ集光光学系から離れた位置になる。なお、集光光束の作用により捕捉される微粒子の位置は、集光光束の集光位置とほぼ一致する。
【００１０】
したがって、本発明では、集光光束の作用により捕捉される微粒子の位置（ひいては集光光束の集光位置）を合焦位置にほぼ合致させてコントラストの高い良好な微粒子像を観察するために、集光光束の集光位置を光軸に沿って集光光学系側へ移動させる。この場合、集光光束の集光位置の集光光学系側への移動により、集光光束にはプラスの球面収差が付与される。その結果、後述するように、プラスの球面収差が付与された集光光束の作用により微粒子を捕捉する力を安定的に強く保つことができるとともに、集光光束の集光位置（すなわち集光光束の作用により捕捉される微粒子の位置）が合焦位置にほぼ合致するのでコントラストの高い良好な微粒子像を観察することができる。
【００１１】
以下、集光光束にプラスの球面収差を付与することにより微粒子を捕捉する力を安定的に強く保つことができる点について説明する。本発明者は、媒質中の微粒子に照射する光束の条件を種々に変化させ、それぞれの場合における光軸方向の捕捉力（トラップ力）について計算したところ、媒質中の微粒子に照射する集光光束に対して意図的にプラスの球面収差を付与すると、光軸方向の捕捉力が強化されることを見出した。そして、この知見に基づいて鋭意検討を重ねた結果、プラスの球面収差を有する集光光束を媒質中の微粒子に照射すると、光軸方向の捕捉力の大きさが強化されるばかりでなく、その捕捉力が光軸方向に及ぶ範囲も拡大し、更に微粒子が媒質の深い位置、すなわち集光光学系から遠い位置にあり、集光光束が媒質中を通過する距離がある程度長い場合においても十分に強い捕捉力が得られることが確認された。
【００１２】
なお、本発明では、集光光学系におけるトラップ光を基準とした観察光の軸上色収差Δが、微粒子のサイズ（たとえば直径）をφとするとき、次の条件式（１）を満足することが好ましい。
−１０≦Δ／φ≦−０．１２    （１）
【００１３】
条件式（１）の下限値を下回ると、軸上色収差Δの絶対値が大きくなりすぎて、集光光束の集光位置を合焦位置にほぼ合致させた状態において球面収差が大きく発生し、微粒子の捕捉力が小さくなるので好ましくない。一方、条件式（１）の上限値を上回ると、軸上色収差Δの絶対値が小さくなりすぎて、集光光束にプラスの球面収差を十分に付与することができないため、微粒子の捕捉力を安定的に強く保つことができなくなるので好ましくない。なお、本発明の効果をさらに良好に発揮するには、条件式（１）の下限値を−５とし、上限値を−０．２５とすることがさらに好ましい。
【００１４】
本発明の実施形態を、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる微粒子操作装置の構成を概略的に示す図である。また、図２は、本実施形態にかかる微粒子操作装置の原理を説明する図である。本実施形態の微粒子操作装置は、図１に示すように、いわゆるトラップ光（ピンセット光）を供給するための光源１を備えている。光源１として、たとえば赤外レーザ光を供給するレーザ光源を用いることができる。
【００１５】
光源１から供給された光は、たとえば光ファイバのようなライトガイド２に入射し、その内部を伝播した後に射出端から射出される。ライトガイド２の射出端からの発散光は、コレクタレンズ３を介してほぼ平行光束となり、ダイクロイックミラー４に入射する。ここで、コレクタレンズ３は、駆動部５の作用により、光軸ＡＸに沿って移動可能に構成されている。また、ダイクロイックミラー４は、光源１からの光を波長選択的に反射する特性を有する。
【００１６】
したがって、光源１からのトラップ光は、ダイクロイックミラー４で反射された後、球面収差が良好に補正された集光光学系６に入射する。集光光学系６として、たとえば透過型光学顕微鏡用の対物レンズを用いることができる。集光光学系６を介して集光されたトラップ光は、その後側焦点位置の近傍に集光し、その集光位置の近傍に位置決めされた媒質Ｂ中の微粒子Ｓを照射する。微粒子Ｓを含む媒質Ｂは、たとえばシャーレやスライドグラスなどのホルダ（不図示）によって保持されている。
【００１７】
また、本実施形態の微粒子操作装置は、いわゆる観察光を供給するための光源１１を備えている。観察用光源１１として、たとえば可視光を供給するハロゲンランプなどを用いることができる。観察用光源１１からの観察光（照明光）は、照明光学系１２を介して、媒質Ｂ中の微粒子Ｓを照明する。照明された微粒子Ｓからの光は、対物レンズとしての集光光学系６を介してほぼ平行光束となり、ダイクロイックミラー４に入射する。ここで、ダイクロイックミラー４は、観察用光源１１からの光を波長選択的に透過させる特性を有する。
【００１８】
したがって、観察用光源１１からの観察光で照明された微粒子Ｓからの光は、ダイクロイックミラー４を透過した後、第２対物レンズ１３を介して、所定の像面１４に微粒子Ｓの像を形成する。像面１４に形成された微粒子Ｓの像は、たとえば像面１４に対して位置決めされたＣＣＤカメラ等の撮像手段１５や接眼レンズ１６を介して、肉眼１７により観察される。こうして、観察用光源１１、照明光学系１２、集光光学系６、第２対物レンズ１３、撮像手段１５、および／または接眼レンズ１６は、観察用光源１１からの観察光に基づいて微粒子Ｓを観察するための観察系を構成している。
【００１９】
ここで、図２を参照すると、集光光学系６に入射したトラップ光のほぼ平行光束Ｌ１は、集光光学系６を介して、その光軸ＡＸ上の点Ｐに集光する。こうして、集光光学系６を介して生成された集光光束（たとえば円錐状または円錐筒状の集光光束）Ｌ１１が、集光点Ｐの近傍に存在する微粒子Ｓに照射される。なお、図２では、本実施形態にかかる微粒子操作装置の原理の理解を助けるために、微粒子Ｓを実際よりも非常に大きく表示している。微粒子Ｓに照射された集光光束Ｌ１１は、微粒子Ｓの表面で反射されたり、微粒子Ｓの内部で屈折したりして、その進行方向が変化する。その結果、集光光束Ｌ１１の運動量が変化し、その運動量の変化に応じた放射圧が発生し、図２中において太い実線の矢印で示すような力Ｆが微粒子Ｓに作用する。
【００２０】
ここで、微粒子Ｓが周囲の媒質（図２では不図示）Ｂの屈折率よりも大きい屈折率を有し且つ光吸収のない球形状の微粒子である場合には、集光光束Ｌ１１の運動量変化の解析から、放射圧は光強度の高い方に作用し、力Ｆとして微粒子Ｓを集光点Ｐに向かって引き寄せるような捕捉力が作用することが知られている。したがって、本実施形態の微粒子操作装置では、この捕捉力Ｆを利用して、微粒子Ｓを捕捉し操作する。また、媒質Ｂ中の微粒子Ｓを捕捉し操作する際に、観察系を用いて微粒子Ｓの様子を観察する。
【００２１】
図３は、本実施形態の微粒子操作装置における集光光学系の軸上色収差を説明する図である。図３において、光源１からのトラップ光が平行光束として集光光学系６に入射すると、集光光学系６を介して集光された光Ｌ１１は光軸ＡＸ上の点Ｐ１に集光する。一方、観察用光源１１からの観察光は実際には図中下側から集光光学系６に入射するが、仮に観察光が平行光束として図中上側から集光光学系６に入射すると、集光光学系６を介して集光された光Ｌ２２は光軸ＡＸ上の点Ｐ２に集光する。ここで、集光点Ｐ２は、観察系において対物レンズとして機能する集光光学系６に対する合焦位置に他ならない。
【００２２】
本実施形態では、図３に示すように、トラップ光の集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１が、観察光の集光光束Ｌ２２の集光点Ｐ２すなわち集光光学系６に対する合焦位置Ｐ２よりも、光軸ＡＸに沿って所定距離Δだけ集光光学系６から離れた位置になるように設定されている。換言すると、集光光学系６は、トラップ光を基準とした観察光の軸上色収差Δが所定の負の値を有するように、さらに具体的には前述の条件式（１）を満足するように設定されている。なお、トラップ光の集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１は、上述したように、集光光束Ｌ１１の作用により捕捉される微粒子Ｓの位置にほぼ一致する。
【００２３】
そして、本実施形態では、トラップ光の集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１の位置が、集光光学系６の光軸ＡＸに沿って移動可能に構成されている。具体的には、図１においてライトガイド２の射出端とコレクタレンズ３の前側焦点位置とが一致している標準状態から、駆動部５の作用によりコレクタレンズ３を光軸ＡＸに沿ってダイクロイックミラー４側へ移動させることにより、コレクタレンズ３を介してやや収束する光束が生成され、ひいては集光光学系６に収束光束が入射する。その結果、集光光束Ｌ１１にはプラスの球面収差が付与されるとともに、その集光点Ｐ１の位置は光軸ＡＸに沿って集光光学系６へ近づく向きに移動する。
【００２４】
一方、標準状態から駆動部５の作用によりコレクタレンズ３を光軸ＡＸに沿ってライトガイド２側へ移動させることにより、コレクタレンズ３を介してやや発散する光束が生成され、ひいては集光光学系６に発散光束が入射する。その結果、集光光束Ｌ１１にはマイナスの球面収差が付与されるとともに、その集光点Ｐ１の位置は光軸ＡＸに沿って集光光学系６から離れる向きに移動する。いずれの場合も、集光点Ｐ１の光軸ＡＸに沿った移動量は、コレクタレンズ３の光軸ＡＸに沿った移動量に依存する。
【００２５】
本実施形態では、集光光学系６におけるトラップ光を基準とした観察光の軸上色収差Δが所定の負の値を有するように設定されているので、ライトガイド２の射出端とコレクタレンズ３の前側焦点位置とが一致している標準状態では、集光光束Ｌ１１の作用によりその集光点Ｐ１の近傍で捕捉される微粒子Ｓの位置が、集光光学系６に対する合焦位置Ｐ２から実質的に位置ずれしている。その結果、この標準状態では、光により捕捉された微粒子Ｓの位置が合焦位置から位置ずれし、デフォーカス（ピントずれ）し且つコントラストの低下した微粒子像しか観察することができない。
【００２６】
そこで、本実施形態では、集光光束Ｌ１１の作用により捕捉される微粒子Ｓの位置（ひいては集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１の位置）を集光光学系６に対する合焦位置Ｐ２にほぼ合致させてコントラストの高い良好な微粒子像を観察するために、駆動部５の作用によりコレクタレンズ３を光軸ＡＸに沿ってダイクロイックミラー４側へ移動させることにより、集光光束Ｌ１１の集光位置Ｐ１を光軸ＡＸに沿って集光光学系６側へ移動させる。この場合、上述したように、集光光束Ｌ１１の集光位置Ｐ１の集光光学系６側への移動により、集光光束Ｌ１１にはプラスの球面収差が付与される。
【００２７】
なお、集光光束Ｌ１１にプラスの球面収差が付与された状態とは、図４に示すように、比較的小さな入射高を有する光線Ｌ３１の方が比較的大きな入射高を有する光線Ｌ３２よりも集光光学系６に近い位置で光軸ＡＸと交わる状態である。その結果、プラスの球面収差が付与された集光光束Ｌ１１の作用により微粒子を捕捉する力を安定的に強く保つことができるとともに、集光光束Ｌ１１の集光位置Ｐ１（ひいては集光光束Ｌ１１の作用により捕捉される微粒子Ｓの位置）が合焦位置にほぼ合致するのでコントラストの高い良好な微粒子像を観察することができる。
【００２８】
なお、上述の実施形態では、コレクタレンズ３を光軸ＡＸに沿って移動させることにより、集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１を光軸ＡＸに沿って移動させている。しかしながら、集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１を光軸ＡＸに沿って移動させる構成は、これに限定されることなく、本発明の範囲内において様々な変形例が可能である。たとえば、ライトガイド２の射出端を光軸ＡＸに沿って移動させることにより、あるいはライトガイド２の射出端およびコレクタレンズ３の双方を光軸ＡＸに沿って移動させることにより、集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１を光軸ＡＸに沿って移動させることもできる。
【００２９】
また、ライトガイド２の射出端とコレクタレンズ３との間の光路中に、特性の異なる複数の平行平面板または回折光学素子から選択された平行平面板または回折光学素子を設定することにより、集光光束Ｌ１１の集光点Ｐ１を光軸ＡＸに沿って移動させることもできる。この場合、たとえば光軸ＡＸに平行な軸線廻りに回転するターレット（回転板）に複数の平行平面板または回折光学素子を円周に沿って配置し、ターレットを回転させることにより所望の平行平面板または回折光学素子を光路中に設定する。もちろん、ターレット方式に限定されることなく、たとえば周知のスライド方式などを利用することもできる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、集光光学系におけるトラップ光を基準とした観察光の軸上色収差Δが所定の負の値を有するように設定されているので、トラップ光の平行光束が集光光学系に入射したときに生成される集光光束の集光位置が集光光学系に対する合焦位置よりも光軸に沿って所定距離だけ集光光学系から離れた位置になる。
【００３１】
したがって、集光光束の作用により捕捉される微粒子の位置（ひいては集光光束の集光位置）を合焦位置にほぼ合致させてコントラストの高い良好な微粒子像を観察するために、集光光束の集光位置を光軸に沿って集光光学系側へ移動させると、集光光束にはプラスの球面収差が付与される。その結果、本発明では、プラスの球面収差が付与された集光光束の作用により微粒子を捕捉する力を安定的に強く保つことができるとともに、集光光束の集光位置（すなわち集光光束の作用により捕捉される微粒子の位置）が合焦位置にほぼ合致するのでコントラストの高い良好な微粒子像を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる微粒子操作装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】本実施形態にかかる微粒子操作装置の原理を説明する図である。
【図３】本実施形態の微粒子操作装置における集光光学系の軸上色収差を説明する図である。
【図４】トラップ光の集光光束にプラスの球面収差が付与された状態を示す図である。
【符号の説明】
１  光源
２  ライトガイド（光ファイバ）
３  コレクタレンズ
４  ダイクロイックミラー
５  駆動部
６  集光光学系（対物レンズ）
１１  観察用光源
１２  照明光学系
１３  第２対物レンズ
１４  像面
１５  撮像手段（ＣＣＤカメラ）
１６  接眼レンズ
ＡＸ  光軸
Ｂ  媒質
Ｓ  微粒子
Ｐ  集光点
Ｆ  捕捉力
【図１】
0004962749.tif 000002
【図２】
0004962749.tif 000003
【図３】
0004962749.tif 000004
【図４】
0004962749.tif 000005