CN108349075B - 光学镊子装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明，一种光学镊子装置，基于在通过利用透镜使激光束聚焦而捕获到的微粒与所述透镜的焦点之间的距离来确定指示针对所述微粒的捕获力的捕获力数据。此外，该光学镊子确定捕获力理论值与由捕获力数据指示的捕获力之间的差，捕获力理论值是根据捕获到的微粒与透镜的焦点之间的距离以及针对所述微粒的所述捕获力之间的线性关系而估计的。此外，该光学镊子基于捕获力的差来控制光源的激光功率。

Description

光学镊子装置

技术领域

本发明的方面涉及一种光学镊子装置。

背景技术

光学镊子技术是已知的一种用于捕获例如大约为1μm精度的微粒并且此外移动该微粒的技术(例如，参考专利文献1)。根据光学镊子技术，利用透镜使激光束聚焦，并且通过作用于其的光学压力来捕获接近聚焦点的微粒。光学镊子技术可以通过提供在微粒与存在于微粒周围的事物之间的折射率差，并且将作用于微粒的光学压力的总力引导至聚焦点来继续捕获微粒。

为了通过利用上述光学镊子技术来捕获微粒，微粒必须具有光透过性(投射激光束)，并且微粒的折射率(n2)大于存在于微粒周围的事物的折射率(n1)(n2>n1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP-A-2006-235319

发明内容

本发明要解决的问题

根据光学镊子技术，通过在聚焦点——即，用于使激光束聚焦的透镜的焦点——与包括微粒的样本之间引起相对移动，微粒可以相对于微粒周围的液体移动以跟随激光束的聚焦点。微粒捕获力来源于激光束的光学压力，并且已知捕获力和微粒与透镜的焦点(聚焦点)之间的距离具有线性关系。

还已知，鉴于如上面提到的，在远离存在于样本中的物体的表面的区域中移动根据光学镊子技术捕获到的微粒的情况下，捕获力和微粒与焦点之间的距离具有线性关系，而在接近物体的表面的区域中移动微粒的情况下，在捕获力与距离之间的关系变为非线性的。该现象的原因是静电和由于激光束的反射而形成驻波。因此，当想要移动捕获到的微粒时，微粒在靠近物体的表面的表现不仅与其他区域不同，而且是不可预测的。

例如，存在通过利用光学镊子技术来测量涉及物体的表面力或者表面形状的情况。在这些情况下，有必要捕获微粒并且在接近物体的表面的区域中移动微粒。然而，如上面提到的，在接近物体的表面的区域中，微粒捕获力与距离之间的关系是非线性的。因此，即使按照与在远离表面的区域的情况下相同的方式根据线性条件来控制光学镊子装置，微粒也可能按照不希望的方式表现并且未被捕获。

因此，本发明的方面的目的是提供一种即使在接近物体的表面的区域中移动捕获到的微粒的情况下，也能够稳定地捕获和移动微粒的光学镊子装置。

用于解决本发明的装置

根据本发明的方面的光学镊子装置包括：光源，该光源发射激光束；透镜，该透镜使从光源发射的激光束聚焦；驱动单元，该驱动单元使通过利用透镜使激光束聚焦而捕获到的微粒和位于该微粒附近的物体相对于彼此移动；检测器，该检测器输出用于确定捕获到的微粒与透镜的焦点之间的距离的检测信号；捕获力计算单元，该捕获力计算单元基于根据检测信号确定的距离来确定指示微粒的捕获力的捕获力数据；差计算单元，该差计算单元确定捕获力理论值与由捕获力数据指示的捕获力之间的差，所述捕获力理论值是根据捕获到的微粒与透镜的焦点之间的距离以及针对微粒的捕获力之间的线性关系而估计的；以及输出控制单元，该输出控制单元基于捕获力的差来控制光源的激光束输出。

在远离物体的表面的区域中，被捕获的微粒的捕获力和微粒与透镜的焦点之间的距离之间的关系是线性的，而在接近物体的表面的区域中该关系是非线性的和不可预测的。相反，在上述光学镊子装置中，即使在接近物体的表面的区域中移动被捕获的微粒，通过控制光源的激光束输出，也可以补偿针对微粒的捕获力，从而使得其和微粒与透镜的焦点之间的距离的关系接近线性关系。这使得可以稳定地捕获和移动微粒。

差计算单元可以将差转换为输入至光源的电流值，该电流值与从光源发射的激光束的功率相关，并且输出控制单元可以执行用于增加或者减少电流值的反馈控制。该配置通过调整光源的激光束的功率来促进对期望的捕获力的获取，从而使得可以更稳定地捕获和移动微粒。

本发明的优点

本发明的方面使得即使在接近物体的表面的区域中移动捕获到的微粒的情况下，也可以稳定地捕获和移动微粒，从而防止微粒的未捕获。

附图说明

图1是用于描述光学镊子装置的整体配置的说明图。

图2是用于描述检测器的功能的图像图。

图3是示出了要捕获的微粒、透镜等的说明图。

图4(A)和图4(B)是示出了微粒捕获力与微粒-焦点距离之间的关系的说明图。

图5是示出了在光源的输入电流与光源的激光束的功率之间的关系的曲线图。

具体实施方式

下文将基于附图描述本发明的实施例。

图1是用于描述光学镊子装置1的整体配置的说明图。光学镊子装置1包括激光束光源10、导光装置(21至27)、第一透镜28、照明光源30、第二透镜31、反射镜(第三反射镜)33、检测器40、装置基座45、台架46、驱动装置48、成像装置50、和控制装置60。

如稍后描述的，按照以下方式来配置光学镊子装置1：驱动装置48可以相对于固定至工作平台的装置基座45移动台架46。并且，其他装置——即，光源10、透镜28和31、检测器40、成像装置50等——固定至装置基座45，并且不相对于装置基座45移动。

作为用于发射激光束L的激光束装置的激光束光源10根据从控制装置60接收到的控制信号发射具有第一波长的激光束L。通过使用激光束L通过光学镊子技术来捕获(光学捕获、optical trap)由安装在台架46上的保持构件(例如，准备好的载玻片)47保持的微粒。

导光装置(21至27)用于将从光源10发射的激光束L导向第一透镜28。下面将按顺序描述导光装置(21至27)。

第一反射镜21反射来自光源10的激光束L，从而使得其入射到第一孔口22上。第一孔口22缩小入射激光束L的直径并且将产生的光输出到第一准直透镜23。该第一准直透镜23扩大激光束L的直径并且朝向第二准直透镜24输出产生的光。该第二准直透镜24将直径扩大的激光束L转换为平行光并且将其输出至第二孔口25。该第二孔口25缩小平行激光束L的直径并且朝向第一反射镜26输出产生的光。该第一反射镜26朝向第二反射镜27反射入射激光束L。第二反射镜27朝向第一透镜28反射入射激光束L。

第一透镜28使来自第二反射镜27的激光束L聚焦在保持构件47中设置的焦点处。可以由通过透镜28聚焦的激光束L来捕获使其接近聚焦点(透镜28的焦点)的微粒。聚焦的激光束L在通过微粒之后入射到第二透镜31上。在通过微粒之后入射到第二透镜31上的激光束L被朝向第三反射镜33输出，由第三反射镜33反射，并且入射到检测器40上。反射镜33和26透射来自照明光源30的照明光S。

照明光源30——其是例如LED照明装置——根据从控制装置60接收到的控制信号来发射具有第二波长的照明光S。该照明光S用作成像单元50的照明光以观察由保持构件47保持的微粒的状态。照明光S通过第三反射镜33，由第二透镜31聚焦，此后通过第一透镜28，由第二反射镜27反射，通过第一反射镜26，并到达成像装置50。

用于保持微粒的保持构件47安装在台架46上。保持构件47保持流体W和包含在流体W中的要捕获的微粒子C(见图3)。保持构件47还保持将不被激光束L捕获的物体B。该物体B和捕获到的微粒C相对于彼此移动。流体W可以包含将不被捕获的粒子(未示出)。在本实施例中，流体W是液体。流体W的折射率(n1)小于微粒C的折射率(n2)(n1<n2)。

支撑台架46以可在前后方向、左右方向、和上下方向上移动台架46，并且驱动装置48在前后方向、左右方向、和上下方向上移动台架46。在图1中，分别将X轴方向、Y轴方向、和Z轴方向限定为前后方向、左右方向、和上下方向。驱动装置48根据从控制装置60接收到的控制信号来在X轴方向、Y轴方向、和Z轴方向中的至少一个方向上移动台架46，从而在相同的方向上移动保持构件47。例如，驱动装置48由使用压电元件的致动器构成。在本实施例中，将描述在XY平面中沿X轴方向移动台架46的情况。

如上所述，在图1中示出的光学镊子装置1中，驱动装置48不移动聚焦点(透镜28的焦点)。因此，驱动装置48不移动已经接近聚焦点(焦点)并且被捕获的微粒C。另一方面，由驱动装置48移动保持构件47与台架46。因此，在已经接近聚焦点并且被捕获的微粒C周围的流体W(见图3)和物体B(以及包含在流体W中并且未被捕获的粒子)相对于微粒C被移动。下面将描述微粒C在接近存在于保持构件47中的物体B的表面的区域中，与表面平行地相对移动的情况(见图3)。

与图1中示出的实施例不同，固定台架46并且移动聚焦点(透镜28)的配置是可能的。

检测器40是用于检测激光束L相对于参考位置的入射位置的位置检测器；在本实施例中，检测器40是象限位置检测器。图2是用于描述检测器40的功能的图像图。检测器40具有通过将平坦的表面划分为多个(四个)部分而获得的光电检测单元A1、A2、A3、和A4。图3是示出了要捕获的微粒C、透镜28等的说明图。在包括透镜28的焦点Q的XY平面中的坐标(见图3)与光电检测单元A1、A2、A3、和A4的XY平面坐标(见图2)相关，并且透镜28的焦点Q的位置与位于光电检测单元A1、A2、A3、和A4的中心处的参考位置N对应。光电检测单元A1、A2、A3、和A4中的每一个输出与激光束L的接收位置J对应的检测信号(电压信号)。

由于如上面提到的，相对于透镜28沿X轴方向移动包括被捕获的微粒C的保持构件47(见图3)，因此，沿X轴方向(沿与保持构件47的移动方向相反的方向)移动微粒C以跟随透镜28的焦点Q。

因此，在从光源10发射并且通过被捕获的微粒C之后到达光电检测单元A1、A2、A3、和A4的激光束L在沿X轴方向与透镜28的焦点Q的位置对应的参考位置N偏离距离d0的位置处被检测到(见图2)。由于检测器40是象限位置检测器，因此，按照电压(电压信号)(V)的形式输出距离d0。

距离d0(V)与由激光束L捕获的微粒C的中心位置与透镜28的焦点Q之间的距离d(m)相关(见图3)；相继输出距离d0(V)。即，从检测器40相继输出要用于确定被捕获的微粒C与镜头28的焦点Q之间的距离d的检测信号(电压信号)(V)。

这些检测信号被输入至控制装置(计算机；稍后描述)60并且由设置在控制装置60中的距离计算单元61(见图1)处理，由此相继确定被捕获的微粒C与透镜28的焦点Q之间的距离d。这些距离d是XY平面中的值。距离d还发生变化，因为距离d0根据台架46的移动速度而变化。

在图1中示出的成像装置50——其例如是CCD相机或者CMOS相机——对包括聚焦点及其附近的区域成像。成像装置50将通过成像产生的图像数据输出至控制装置60。

控制装置60——其例如是配备有处理器和存储器的计算机——如上面描述的那样输出控制信号并且接受从成像装置50提供的图像数据。控制装置60配备有距离计算单元61、捕获力计算单元62、差计算单元63、和输出控制单元64，作为由存储在计算机的存储器中的处理器的运行计算机程序实施的功能单元。

距离计算单元61基于从检测器40接收到的检测信号(电压信号)，通过计算来确定被捕获的微粒C与透镜28的焦点Q之间的距离d(见图3)。在下面的描述中，将被捕获的微粒C与透镜28的焦点Q之间的距离d称为“微粒-焦点距离d”。由检测器40和距离计算单元61进行的对距离d的计算可以由在光学镊子技术中照惯例采用的装置执行。下面将描述用于计算距离d的示例处理。如上所述，检测器40相继检测距离d0(V)。距离计算单元61将每个检测到的距离d0(V)校正(转换)为微粒-焦点距离d(m)。即，距离计算单元61根据等式d0＝-R×d来从在每个时间点检测到的距离d0(V)确定距离d(m)。

该等式中的符号R是通过另一处理预先确定的值。按照以下方式来确定R的值。例如，使固定至保持构件47的微粒以恒定的速度穿过(通过)激光束(焦点)。此时，微粒不被激光束捕获。通过使用供应给驱动装置48的压电元件的电压V来执行该恒定速度操纵。因此，检测与相应电压V对应的距离d0(V)(非线性关系)并且通过使用等式V＝h×d来进行校正。通过检测器40的特性来获知该等式中的系数h。可以通过提取距离d0(V)与确定的距离d(m)之间的关系的线性部分来确定等式d0＝-R×d中的系数R。

捕获力计算单元62基于已经由距离计算单元61从通过检测器40的检测信号确定的微粒-焦点距离d来确定指示针对微粒C的捕获力的捕获力数据。稍后将描述用于确定捕获力数据的处理。

图4(A)和图4(B)是示出了针对微粒C的捕获力Tx与微粒-焦点距离d之间的关系的说明图。在图4(A)和图4(B)中，纵轴表示针对微粒C的捕获力Tx，并且横轴表示微粒-焦点距离d。图4(A)示出了被捕获的微粒C在远离物体B的表面的区域中移动的情况，并且图4(B)示出了被捕获的微粒C在接近物体B的表面的区域中移动的情况。如在图4(A)的曲线图中示出的，在微粒C在远离物体B的表面的区域中移动的情况下，距离d和捕获力Tx具有线性关系(比例关系)。相反，如在图4(B)的曲线图中示出的，在微粒C在物体B的表面附近的区域中移动的情况下，距离d和捕获力Tx在距离d较短的范围内具有线性关系，但是在距离d大于特定值的范围内具有非线性(不规则)关系。

通常，如同弹簧力，捕获力Tx遵循由等式Tx＝k×d+f给出的线性关系(见图4(A))。在该等式中，k是常数(光学捕获的弹簧常数)，并且f是外力。

因此，捕获力计算单元62根据等式Tx＝k×d+f，基于由距离计算单元61确定的微粒-焦点距离d来确定捕获力数据。即，一旦确定了常数k，就可以通过检测距离d(d0)来相继确定捕获力Tx。

下面将描述确定常数k的方式的示例。使由激光束捕获到的微粒以恒定速度移动，并且在该状态下，由距离计算单元61通过上述方法确定距离d(m)。由于存在距离d(m)恒定的部分(即，除了加速部分和减速部分之外的部分)，因此可以确定常数k(如果该距离d(m)被重写为d’(m)，那么因为捕获力Tx由于恒定速度移动而等于0，所以从上述等式获得等式k＝f/d’)。使用该常数k，根据等式Tx＝k×d+f来确定捕获力数据。

随后，差计算单元63确定在根据微粒-焦点距离d与针对微粒C的捕获力Tx之间保持的(在远离物体B的表面的区域中获得的)线性关系估计的捕获力理论值Txi与由捕获力计算单元62确定的捕获力数据指示的捕获力Txa之间的差(Txi-Txa)。根据等式Tx＝k×d+f来确定捕获力理论值Txi。在图4(B)中示出的双点划线是表示在图4(A)中示出的线性关系的直线(Tx＝k×d+f)，并且差计算单元63将在图4(B)中示出的值△T确定为差(Txi-Txa)。

捕获力计算单元62将针对位于物体B的表面附近的微粒C(见图3)进行确定的捕获力Txa由等式Txa＝k×d+f-β给出。该等式中的参数β受静电和由于激光束的反射而形成驻波等的影响，并且是可变的。如通过上面的描述了解的，由差计算单元63确定差(Txi–Txa)＝△T意味着确定β(＝△T；受上述因素影响)。如稍后描述的，在根据本实施例的光学镊子装置1中，执行反馈控制，在该反馈控制中，基于△T(β)随着时间流逝而重复由输出控制单元64进行的激光功率控制。

即使被捕获的微粒C(见图3)在接近物体B的表面的区域中移动，如果距离d较短(见图4(B))，则微粒-焦点距离d与针对微粒c的捕获力Tx之间也保持线性关系，并且上面提到的差ΔT等于0。例如，当被捕获的微粒C的相对移动速度较低时，距离d较短。相反，当被捕获的微粒C的相对移动速度较快时，距离d较长。

差计算单元63可以按照上述方式——即，根据表示在远离物体B的表面的区域中应该保持的线性关系的等式——来确定差ΔT(＝Txi-Txa)。可替代地，在微粒C在物体B的表面附近的区域中移动的情况下，差计算单元63可以根据通过推算出在距离d较短的范围内保持的线性关系(在图4(B)中由符号k指示)而获得的等式来确定差ΔT(＝Txi-Txa)。在图4(A)和图4(B)中示出的直线具有相同的常数k。可以基于实验值或者计算值来确定在图4(A)和图4(B)中示出的关系(数据)。

输出控制单元64根据由差计算单元63确定的捕获力Tx差ΔT(＝Txi-Txa)来控制光源10的激光功率。即，即使在图4(B)的情况下，为了获得整个范围内的微粒-焦点距离d与微粒捕获力Tx之间的线性关系(见图4(A))，输出控制单元64控制光源10的激光功率以补偿所确定的捕获力Tx差ΔT(＝Txi-Txa)。更具体地，在本实施例中，由于捕获力Tx差(Txi-Txa)是正值，并且因此捕获力不足以确保线性关系，所以输出控制单元64执行增加光源10的激光功率以增加捕获力——即，补偿差ΔT(＝Txi-Txa)——的控制。如果差ΔT(＝Txi-Txa)具有负值，则输出控制单元64执行减少激光功率的控制。

在本实施例中采用的光源10使用半导体激光束器，并且如在图5中示出的，半导体激光束器的输入电流I和从光源10发射的激光束L的功率P具有比例关系。此外，激光束L的功率P和微粒捕获力T具有如由以下等式(1)指示的比例关系。在等式(1)中，α是归因于微粒的折射率和透射率、在微粒周围的液体(溶剂)的折射率、以及激光束L的束腰的系数。

[公式1]

T∝＝αP...(1)

由于电流I与功率P之间的线性关系(参见图5)以及功率P与捕获力T之间的比例关系(等式(1))，电流I和捕获力T也具有比例关系。因此，表示该对应关系的信息被存储在输出控制单元64的内部存储器中，并且输出控制单元64基于该信息来确定与由差计算单元63确定捕获力差ΔT(＝Txi-Txa)相对应的电流△I，产生用于增加(或减小)电流值△I的信号，并根据该信号来控制光源10的功率。

光学镊子器件1执行反馈控制，在该反馈控制中，随着时间流逝而重复已经在上面描述了的检测器40检测距离d0(见图2)，距离计算单元61基于距离d0获取微粒-焦点距离d(见图3)，捕获力计算单元62基于距离d获取捕获力数据，基于捕获力数据获取捕获力差ΔT(＝Txi-Txa)，以及由输出控制单元64基于差ΔT(＝Txi-Txa)进行的激光功率控制。利用该措施，即使在微粒C在物体B的表面附近的区域中移动的情况下，也可以使在微粒-焦点距离d与捕获力T之间的关系接近比例关系。这使得可以通过确保适用于微粒-焦点距离d的捕获力T来防止微粒C的未捕获。

虽然如上面描述的那样配置根据本实施例的光学镊子装置1，但是例如，在图1中示出的导光装置(21至27)可以具有另一配置。即，光学镊子装置1配备有用于发射激光束L的光源10、用于使从光源10发射的激光束L聚焦的透镜28、用于将透镜28和安装有包括被捕获的微粒C的保持构件47的台架46相对于彼此移动的驱动单元48、用于输出用于确定被捕获的微粒C与透镜28的焦点Q之间的距离d的检测信号的检测器40、以及用于执行各种处理的控制装置60(计算机)。

除了液体W之外，保持构件47还设置有其与要捕获的微粒C的关系有待检查的物体B(见图3)。因此，驱动装置48可以将通过透镜28使激光束L聚焦而捕获到的微粒C和位于微粒C附近的物体B相对于彼此移动。具体地，在本实施方式中，在接近物体B的表面，与物体B的表面平行的区域中移动微粒C。

在针对被捕获的微粒C的捕获力T与微粒-焦点距离d之间的关系在远离物体B的表面的区域中是线性的，而该关系在接近物体B的表面的区域中是非线性的和不可预测的。相反，在具有上述配置的光学镊子装置1中，即使在接近物体B的表面的区域中移动被捕获的微粒C的情况下，通过控制光源10的激光功率，也可以补偿针对微粒C的捕获力T，从而使得其与微粒-焦点距离d的关系接近线性关系。这使得可以稳定地捕获和移动微粒C。即，即使在接近物体B的表面的区域中捕获和移动微粒C的情况下，也可以防止微粒C的未捕获。

此外，在本实施例中，差计算单元63将捕获力差ΔT(＝Txi-Txa)转换为光源10的与从光源10发射的激光束L的功率相关(比例关系)的输入电流值I，并且输出控制单元64执行用于增加或者减少电流I的反馈控制。该配置通过调整光源10的激光束L的功率来促进对期望的捕获力T的获取，从而使得可以更稳定地捕获和移动微粒C。

上面公开的实施例是说明性的，并且在每一点上都不是限制性的。即，根据本发明的光学镊子装置不限于图示的实施例中的光学镊子装置，并且可以是在本发明范围内的任何其他实施例中的光学镊子装置。

通过使用光学镊子装置1来捕获微粒并且相对于物体移动微粒，可以测量物体的表面形状，测量涉及物体的表面力，或者对物体执行微处理。此外，可以通过确定针对微粒的捕获力来检测在物体B周围的液体W的粘度等。

本申请基于2015年10月28日提交的日本专利申请第2015-211815号，其公开内容通过引用的方式并入本文。

对附图标记的描述

1：光学镊子装置

10：激光束的光源

28：透镜

40：检测器

48：驱动装置

62：捕获力计算单元

63：差计算单元

64：输出控制单元

L：激光束

Q：焦点

d：距离

C：微粒

B：物体

Claims (2)

1.一种光学镊子装置，包括：

光源，所述光源发射激光束；

透镜，所述透镜使从所述光源发射的所述激光束聚焦；

驱动单元，所述驱动单元使通过利用所述透镜使所述激光束聚焦而捕获到的微粒和位于所述微粒附近的物体相对于彼此移动；

检测器，所述检测器输出用于确定捕获到的所述微粒与所述透镜的焦点之间的距离的检测信号；

捕获力计算单元，所述捕获力计算单元基于根据所述检测信号确定的所述距离来确定指示所述微粒的捕获力的捕获力数据；

差计算单元，所述差计算单元确定捕获力理论值与由所述捕获力数据指示的捕获力之间的差，所述捕获力理论值是根据捕获到的所述微粒与所述透镜的焦点之间的距离与所述微粒的捕获力之间的线性关系而估计的；以及

输出控制单元，所述输出控制单元基于所述捕获力的差来控制所述光源的激光功率。

2.根据权利要求1所述的光学镊子装置，

其中，所述差计算单元将所述差转换为输入至所述光源的电流值，所述电流值与从所述光源发射的激光束的功率相关，以及

其中，所述输出控制单元执行用于增加或者减少所述电流值的反馈控制。

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