DE112014004964T5

DE112014004964T5 - Teilchensteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112014004964T5
Application number: DE112014004964.6T
Authority: DE
Inventors: Taro Ando; Tomoko Otsu; Hiroyasu Itoh; Haruyoshi Toyoda; Yoshiyuki Ohtake; Yuu Takiguchi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-08-04
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: WO2015064295A1; US9965867B2; CN105683804A; DE112014004964B4; CN105683804B; US20160247291A1; JP2015085300A; JP6306856B2

Abstract

Eine Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 ist eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium in einer Probe 90 und beinhaltet eine Lichtquelle 10, eine Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel, eine Objektivlinse 30, eine Abbildungseinheit 60, eine Analyseeinheit 70 und eine Bewegungseinheit 80. Die Analyseeinheit 70 erfasst erste Bewegungsinformationen von dem Mikroobjekt basierend auf den von der Abbildungseinheit 60 ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 auf eine erste Position, erfasst zweite Bewegungsinformationen des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit 60 ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels auf eine zweite Position, und evaluiert einen Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium.
Stand der Technik
Bekannt ist eine Technik zum optischen Erfassen eines Mikroobjekts durch Bestrahlen des Mikroobjekts in einem Medium mit einem fokussierten optischen Wirbel (siehe Patentliteratur 1 und Nichtpatentliteratur 1). Der optische Wirbel weist eine Phasensingularität auf einer Ausbreitungsachse auf, hat eine Lichtintensität von null auf der Ausbreitungsachse und eine ringförmige Lichtintensitätsverteilung, bei der die Lichtintensität in einem bestimmten Abstand zu der Ausbreitungsachse auf einem Maximum ist.
Abgesehen davon, dass der optische Wirbel die ringförmige Lichtintensitätsverteilung aufweist, ist er auch noch dahingehend unverwechselbar, dass er einen Bahndrehimpuls besitzt. Wenn das Mikroobjekt in dem Medium mit dem in optischen Wirbel bestrahlt wird, der den Bahndrehimpuls aufweist, erhält das Mikroobjekt den Drehimpuls von dem optischen Wirbel und dreht sich um die Ausbreitungsachse entlang einer Umlaufbahn, welche die große Lichtintensität aufweist. Das heißt, der optische Wirbel kann das Mikroobjekt in dem Medium optisch erfassen und die Bewegung des Mikroobjekts steuern.
Liste der Anführungen
Patentliteratur

Patentliteratur 1: Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung Nr. 2008-216641

Nichtpatentliteratur

Nichtpatentliteratur 1: Jennifer E. Curtis und David G. Grier, „Structure of Optical Vortices”, Phys. Rev. Lett. 90, S. 133901-1–133901-4 (2003)
Nichtpatentliteratur 2: Leach, J., Mushfique, H., Keen, S., Di Leonardo, R., Ruocco, G., Cooper, J. M., und Padgett, M. J., „Comparison of Faxen's correction for a microsphere translating or rotating near a surface”, Phys. Rev. E 79, S. 026301-1–026301-4 (2009)
Nichtpatentliteratur 3: Peterman, E. J. G., Gittes, F., und Schmidt, C. F., „Laser-Induced Heating in Optical Traps”, Biophys. J. 84, S. 1308–1316 (2003)

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Aufgabe
Bei der herkömmlichen Technik ist es nicht möglich, zu evaluieren, ob das Mikroobjekt in dem Medium mit dem optischen Wirbel akkurat optisch erfasst wurde oder nicht.
Die vorliegende Erfindung zielt auf die Lösung des oben genannten Problems ab, und ein Ziel besteht darin, eine Mikroobjekt-Steuervorrichtung bereitzustellen, die dazu in der Lage ist, einen Zustand einer optischen Erfassung eines Mikroobjekts mit einem optischen Wirbel zu evaluieren.
Technische Lösung
Eine Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium, und die Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle zum Ausgeben von Licht; eine Erzeugungseinheit für optische Wirbel zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts, Erzeugen und Ausgeben eines optischen Wirbels; eine Objektivlinse zum optischen Erfassen des Mikroobjekts durch Fokussieren des optischen Wirbels, der von der Erzeugungseinheit für optische Wirbel ausgegeben wird, und durch Bestrahlen des Mikroobjekts in dem Medium mit dem fokussierten optischen Wirbel; eine Abbildungseinheit zum Aufnehmen eines Bildes des Mikroobjekts durch die Objektivlinse und zum Ausgeben der Bilddaten; eine Analyseeinheit zum Analysieren der Bewegung des Mikroobjekts auf der Basis der von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten; und eine Bewegungseinheit zum Bewegen einer Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse in einer Richtung der optischen Achse der Objektivlinse.
Ferner erfasst in der Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Analyseeinheit erste Bewegungsinformationen von dem Mikroobjekt basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine erste Position durch die Bewegungseinheit, erfasst zweite Bewegungsinformationen des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine zweite Position, die sich von der ersten Position bezüglich der Richtung der optischen Achse unterscheidet, durch die Bewegungseinheit, und evaluiert einen Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Mit der Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel zu evaluieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Konfiguration einer Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1.
2 zeigt ein Beispiel einer Intensitätsverteilung eines optischen Wirbels.
3 zeigt eine optische Erfassung eines Mikroobjekts 91 mit dem optischen Wirbel.
4 zeigt die optische Erfassung des Mikroobjekts 91 mit dem optischen Wirbel.
5 zeigt ein Beispiel der von einer Abbildungseinheit 60 ausgegebenen Bilddaten, in welchen das Mikroobjekt 91 abgebildet ist, durch Einrichten einer Fokusposition des optischen Wirbels auf eine bestimmte Position in einem Beispiel.
6 zeigt eine Beziehung zwischen einer Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels und eines Drehungsradius des Mikroobjekts in dem Beispiel.
7 zeigt in (a)–(c) die Beziehung zwischen der Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels und des Drehungsradius des Mikroobjekts in dem Beispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass in der Beschreibung dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen ohne überflüssige Beschreibung gekennzeichnet sind.
1 zeigt eine Konfiguration einer Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1. Die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die die Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium in einer Probe 90 steuert und eine Lichtquelle 10 beinhaltet, eine Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel, Linsen 30 bis 33, eine Blendenöffnung 34, einen dichroitischen Spiegel 40, eine Beleuchtungseinheit 50, eine Abbildungseinheit 60, eine Analyseeinheit 70 und eine Bewegungseinheit 80.
Das Medium in der Probe 90 ist eine Flüssigkeit oder ein Gas. Eine Form des Mikroobjekts in dem Medium (ein winziges, zu steuerndes Zielobjekt) kann beliebig gewählt sein und beispielsweise die Form einer Kugel, eines Würfels, eines runden Konus oder dergleichen aufweisen. Auch das Material des Mikroobjekts kann beliebig gewählt werden und beispielsweise ein Kügelchen aus Polystyrol, Glas, Kristall oder dergleichen sein. Das Mikroobjekt weist eine Größe und ein Gewicht auf einem Niveau auf, auf dem das Mikroobjekt optisch von einem optischen Wirbel in dem Medium erfasst werden kann.
Die Lichtquelle 10 gibt Licht aus. Als Lichtquelle 10 wird vorzugsweise zum Beispiel eine Laserlichtquelle gewählt. Das von der Lichtquelle 10 ausgegebene Licht weist vorzugsweise eine solche Wellenlänge auf, dass die Wärmeabsorption durch das Medium in der Probe 90 gering ist.
Die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel erhält das von der Lichtquelle 10 ausgegebene Licht und erzeugt den optischen Wirbel und gibt diesen aus. Bei dem optischen Wirbel, der von der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel erzeugt wird, handelt es sich um einen Lichtstrahl mit einer spiralförmigen Wellenfront, wie zum Beispiel einen Laguerre-Gauß-Strahl oder einen Bessel-Strahl. Als Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel ist beispielsweise ein diffraktives optisches Element, ein räumlicher Lichtmodulator oder dergleichen geeignet.
Der räumliche Lichtmodulator weist eine Vielzahl von Pixeln auf, die zweidimensional angeordnet sind und ist dazu in der Lage, eine Amplitude und eine Phase des Lichts in den einzelnen Pixeln zu modulieren und auszugeben. Durch den Einsatz eines solchen räumlichen Lichtmodulators als die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel kann der optische Wirbel mühelos mit verschiedenen Formen erzeugt werden, ohne ein optisches System ändern zu müssen, so dass verschiedene Evaluationen zum Zustand einer optischen Erfassung des Mikroobjekts vorgenommen werden können. Der als die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel verwendete räumliche Lichtmodulator kann vom Transmissionstyp oder vom Reflexionstyp sein, und im Falle des Zweiteren kann der räumliche Lichtmodulator auch ein LCOS-SLM (Liquid Crystal an Silicon – Spatial Light Modulator) sein. In 1 ist der räumliche Lichtmodulator vom Reflexionstyp als die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel dargestellt. Es sei angemerkt, dass in 1 das Licht schräg in die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel eintritt, das Licht jedoch auch in einem nahezu vertikalen Winkel in die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel eintreten kann.
Die Linse 31, die Blendenöffnung 34, die Linse 32, der dichroitische Spiegel 40 und die Objektivlinse 30 leiten den optischen Wirbel, der von der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel ausgegeben wurde, zu dem Mikroobjekt in dem Medium in der Probe 90. Die Linse 31 und die Linse 32 sind so angeordnet, dass sich eine Modulationsebene der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel und eine Pupillenebene der Objektivlinse 30 in einem wechselweise korrespondierenden Positionsverhältnis befinden, wodurch eine Amplitudenverteilung und eine Phasenverteilung des von der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel ausgegebenen optischen Wirbels nahe der Pupillenebene der Objektivlinse 30 zu einem Bild geformt werden.
Der dichroitische Spiegel 40 reflektiert den von der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel ausgegebenen optischen Wirbel. Die Objektivlinse 30 erfasst optisch das Mikroobjekt durch Fokussieren des von der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel ausgegebenen optischen Wirbels in der Probe 90 und durch Bestrahlen des Mikroobjekts in dem Medium mit dem fokussierten optischen Wirbel. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, eine Drehungsform (Kreis, Ellipse) des Mikroobjekts durch Anordnen einer λ/4-Platte oder einer λ/2-Platte in einem optischen Weg des optischen Wirbels vor dem Eintritt in die Objektivlinse 30 zu steuern.
Die Beleuchtungseinheit 50, die auf der gegenüberliegenden Seite der Objektivlinse 30 angeordnet ist, so dass sich die Probe 90 dazwischen befindet, gibt Beleuchtungslicht auf die Probe 90 aus. Das von der Beleuchtungseinheit 50 ausgegebene Licht weist vorzugsweise eine andere Wellenlänge als die Wellenlänge des Lichts auf, das von der Lichtquelle 10 ausgegeben wird. Als die Beleuchtungseinheit 50 kann beispielsweise eine Weißlichtquelle, eine Quecksilberlampe, eine Laserlichtquelle oder dergleichen verwendet werden.
Die Abbildungseinheit 60 nimmt ein Bild des Mikroobjekts in der Probe 90, die von der Beleuchtungseinheit 50 beleuchtet wird, durch die Objektivlinse 30, den dichroitischen Spiegel 40 und die Linse 33 auf und gibt die Bilddaten aus. Als Abbildungseinheit 60 kann beispielsweise eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera oder dergleichen verwendet werden. Der dichroitische Spiegel überträgt das Licht von der Probe, die von der Beleuchtungseinheit 50 beleuchtet wird.
Die Analyseeinheit 70 analysiert die Bewegung des Mikroobjekts in der Probe 90 basierend auf den von der Abbildungseinheit 60 ausgegebenen Bilddaten. Als Analyseeinheit 70 kann beispielsweise ein PC oder dergleichen verwendet werden.
Die Bewegungseinheit 80 bewegt eine Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 in einer Richtung der optischen Achse der Objektivlinse 30. Die Bewegungseinheit 80 kann die Objektivlinse 30 oder die Probe 90 bewegen. Die Bewegungseinheit 80 kann auch die Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 durch Präsentieren eines Fresnel-Linsenmusters in dem räumlichen Lichtmodulator als die Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel bewegen. Darüber hinaus kann die Bewegungseinheit 80 die Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 in einer Richtung lotrecht zu einer optischen Achse der Objektivlinse 30 bewegen. Insbesondere beinhaltet die Bewegungseinheit 80 vorzugsweise zum Beispiel ein piezoelektrisches Element, das dazu in der Lage ist, eine Feineinstellung einer Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels vorzunehmen.
2 zeigt ein Beispiel einer Intensitätsverteilung des optischen Wirbels. In 2 ist die Lichtintensität in Abstufungen dargestellt, wobei die Lichtintensität größer ist, wenn sie weißer ist. Wie in 2 dargestellt, weist der optische Wirbel eine ringförmige Lichtintensitätsverteilung auf, bei der die Lichtintensität in einem bestimmten Abstand zu einer Ausbreitungsachse auf einem Maximum ist.
3 und 4 zeigen die optische Erfassung des Mikroobjekts 91 mit dem optischen Wirbel. 3 ist eine Ansicht in einer Richtung lotrecht zu der Ausbreitungsachse des optischen Wirbels L. 4 ist eine Ansicht in einer Ausbreitungsachsenrichtung des optischen Wirbels L, wobei eine Schraffur in einem ringförmigen Bereich anzeigt, dass die Lichtintensität des optischen Wirbels L groß ist. Durch Bestrahlen der Probe 90 mit dem optischen Wirbel L auf fokussierte Weise ist der optische Wirbel L dazu in der Lage, das Mikroobjekt 91 in dem Medium 92 in der Probe 90 optisch zu erfassen sowie das Mikroobjekt 91 zur Drehung um die Ausbreitungsachse zu veranlassen. Die Drehbewegung des Mikroobjekts 91 ist eine kreisförmige Bewegung oder eine elliptische Bewegung.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts 91 durch den optischen Wirbel wie folgt evaluiert. Die Bewegungseinheit 80 setzt eine Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 auf eine erste Position. In einem Zustand, in dem die Fokusposition auf die erste Position eingestellt ist, bildet die Abbildungseinheit 60 das Mikroobjekt 91 ab, das optisch mit dem optischen Wirbel erfasst ist, und gibt die Bilddaten aus, und die Analyseeinheit 70 erfasst erste Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 basierend auf den Bilddaten.
Ferner setzt die Bewegungseinheit 80 die Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse 30 auf eine zweite Position, die sich von der ersten Position bezüglich der Richtung der optischen Achse unterscheidet. In einem Zustand, in dem die Fokusposition auf die zweite Position eingestellt ist, bildet die Abbildungseinheit 60 das Mikroobjekt 91 ab, das optisch mit dem optischen Wirbel erfasst ist, und gibt die Bilddaten aus, und die Analyseeinheit 70 erfasst zweite Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 basierend auf den Bilddaten. Anschließend evaluiert die Analyseeinheit 70 den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts 91 mit dem optischen Wirbel durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen.
Vorzugsweise handelt es sich bei den ersten Bewegungsinformationen und den zweiten Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 um mindestens eines aus einer Geschwindigkeit, einer Winkelgeschwindigkeit, einer Beschleunigung, eines Drehungsradius, und eine physikalische Größe, die aus diesen Werten berechnet wird, des Mikroobjekts 91. Insbesondere evaluiert die Analyseeinheit 70 beispielsweise durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen, ob ein Unterschied zwischen den ersten Bewegungsinformationen und den zweiten Bewegungsinformationen ein vorgegebener Wert oder weniger ist. Im Falle des Drehungsradius evaluiert die Analyseeinheit 70 beispielsweise den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts 91 in Abhängigkeit davon, ob ein Unterschied des Drehungsradius zwischen den ersten Bewegungsinformationen und den zweiten Bewegungsinformationen einem Bereich von ±5% liegt.
Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben. In der Erzeugungseinheit 20 für optische Wirbel gemäß diesem Beispiel wird der räumliche Lichtmodulator verwendet und ein anzuzeigendes Hologramm wird mithilfe eines Kirk-Jones-Verfahrens entworfen. Die Entwurfparameter werden auf einen azimutalen Index von 3, einen radialen Index von 0 und einen Strahlengrößenradius von 1,42 mm festgelegt. Die Strahlengröße ist vorzugsweise so, dass ein Radius des erzeugten optischen Wirbels auf der Pupillenebene 20% oder mehr relativ zu einem Radius der Pupillenebene beträgt. Ferner wird in der Probe 90 gemäß diesem Beispiel ein Polystyrolkügelchen mit einem Durchmesser von 0,75 μm als Mikroobjekt 91 verwendet, und als das Medium 92 wird reines Wasser verwendet. Ein Distanzring wird zwischen zwei Glasplatten angeordnet und das Mikroobjekt und das Medium werden in einen auf diese Weise gebildeten Raum eingebracht. Anschließend wird das in dem Medium (reines Wasser) treibende Mikroobjekt (Polystyrolkügelchen) optisch mit dem optischen Wirbel erfasst, der beispielsweise mit einer Vergrößerung von 100 (NA von 1,30) durch die Objektivlinse 30 fokussiert wird.
Die Fokusposition des optischen Wirbels wird durch die Bewegungseinheit 80 auf die erste Position eingestellt, das mit dem optischen Wirbel optisch erfasste Mikroobjekt 91 wird von der Abbildungseinheit 60 abgebildet und die Bilddaten davon werden ausgegeben, und basierend auf den Bilddaten werden die ersten Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 von der Analyseeinheit 70 erfasst. Des Weiteren wird die Fokusposition des optischen Wirbels durch die Bewegungseinheit 80 auf die zweite Position eingestellt, die sich von der ersten Position unterscheidet, das mit dem optischen Wirbel optisch erfasste Mikroobjekt 91 wird von der Abbildungseinheit 60 abgebildet und die Bilddaten davon werden ausgegeben, und basierend auf den Bilddaten werden die zweiten Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 von der Analyseeinheit 70 erfasst.
5 zeigt ein Beispiel der von der Abbildungseinheit 60 ausgegebenen Bilddaten, in welchen das Mikroobjekt 91 abgebildet ist, durch Einrichten der Fokusposition des optischen Wirbels auf eine bestimmte Position gemäß dem Beispiel. Wie in 5 dargestellt, ist zu erkennen, dass sich das Mikroobjekt 91 bewegt und eine Drehbewegung mit einem Zeitablauf (0 → t₁ → t₂ → ... t_n-1 → t_n) durchführt.
6 zeigt eine Beziehung zwischen der Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels und des Drehungsradius des Mikroobjekts in dem Beispiel. (a) bis (c) in 7 zeigen die Beziehung zwischen der Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels und des Drehungsradius des Mikroobjekts in dem Beispiel. Wie in 7 dargestellt, ist ein Distanzring 95 zwischen zwei Glasplatten 93 und 94 angeordnet und das Mikroobjekt 91 und das Medium 92 werden in einen auf diese Weise gebildeten Raum eingebracht.
Wenn das Mikroobjekt 91 optisch mit dem optischen Wirbel erfasst ist, ist eine Änderung eines Drehungsradius r des Mikroobjekts 91 selbst dann klein, wenn eine Fokusposition des optischen Wirbels in Richtung der optischen Achse verschoben wird ((b) in 6 und (b) in 7). Wenn dagegen das Mikroobjekt 91 nahe der Glasplatte 93 oder 94 positioniert ist oder mit der Platte in Kontakt steht ((a) und (c) in 7), ist die Änderung des Drehungsradius r des Mikroobjekts 91 groß ((a) und (c) in 6). Die Änderung des Drehungsradius r des Mikroobjekts 91 ist auch dann groß, wenn die Erfassung des Mikroteilchens 91 mit dem optischen Wirbel nicht gelingt.
Auf diese Weise fokussiert die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 den optischen Wirbel auf jeder von einer Vielzahl von Positionen in einem optischen Achsenverfahren der Objektivlinse 30, um Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 zu erfassen, und durch Vergleichen der Bewegungsinformationen des Mikroobjekts 91 auf den einzelnen Positionen ist es möglich, den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel zu evaluieren. Da die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 ferner dazu in der Lage ist, den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts 91 mit dem optischen Wirbel zu evaluieren, ist die Vorrichtung auch dazu in der Lage, die Manipulation des Mikroobjekts 91 sicher durchzuführen, das optisch mit dem optischen Wirbel erfasst wurde, und darüber hinaus kann die Vorrichtung auch als Antriebsquelle für eine Mikromaschine, eine Viskositätsmessung und dergleichen eingesetzt werden.
Da die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 dazu in der Lage ist, die Drehung des Mikroteilchens 91 auf einer beliebigen Position bei der Viskositätsmessung fortzusetzen, kann die Viskosität des Mediums 92 mühelos ohne Einführung eines beweglichen Abschnitts gemessen werden. In Nichtpatentliteratur 2 wird berichtet, dass sich ein Reibungswiderstandswert des Mediums entsprechend einer Distanz zwischen einer Grenzfläche (beispielsweise Deckglas) und dem Mikroobjekt ändert. Die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 ist dazu in der Lage, den Reibungswiderstand entsprechend der Distanz zu der Grenzfläche durch ein einfaches Verfahren zu schätzen. Ferner wird in Nichtpatentliteratur 3 berichtet, dass durch die optische Erfassung Wärme entsteht. Die Mikroobjekt-Steuervorrichtung 1 ist dazu in der Lage, eine Temperatur anhand des Reibungswiderstandwerts zu schätzen.
Die Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel und Konfigurationsbeispiel beschränkt, sondern es sind verschiedene Modifikationen möglich.
Die Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist eine Vorrichtung, die die Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium steuert, und die Vorrichtung beinhaltet eine Lichtquelle, die Licht ausgibt; eine Erzeugungseinheit für optische Wirbel, die das von der Lichtquelle ausgegebene Licht eingibt und die den optischen Wirbel erzeugt und ausgibt; und eine Objektivlinse, die das Mikroobjekt durch Fokussieren des optischen Wirbels, der von der Erzeugungseinheit für optische Wirbel ausgegeben wird, und durch Bestrahlen des Mikroobjekts in dem Medium mit dem fokussierten optischen Wirbel optisch erfasst; eine Abbildungseinheit, die das Mikroobjekt durch die Objektivlinse abbildet und Bilddaten ausgibt; eine Analyseeinheit, die die Bewegung des Mikroobjekts auf der Basis der von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten analysiert; und eine Bewegungseinheit, die die Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse in der Richtung der optischen Achse der Objektivlinse bezüglich einer Probe, die das Medium und das Mikroobjekt enthält, bewegt.
Ferner erfasst in der Mikroobjekt-Steuervorrichtung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die Analyseeinheit erste Bewegungsinformationen von dem Mikroobjekt basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine erste Position durch die Bewegungseinheit; erfasst zweite Bewegungsinformationen des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten, in welchen das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt abgebildet ist, durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine zweite Position, die sich von der ersten Position bezüglich der Richtung der optischen Achse unterscheidet, durch die Bewegungseinheit, und evaluiert einen Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen.
In der Mikroobjekt-Steuervorrichtung mit der oben beschriebenen Konfiguration ist die Erzeugungseinheit für optische Wirbel vorzugsweise ein räumlicher Lichtmodulator, der die Vielzahl von Pixeln in zweidimensionaler Anordnung aufweist, eine Amplitude und eine Phase des Lichts in den einzelnen Pixeln moduliert und das Licht ausgibt. Außerdem kann als die Erzeugungseinheit für optische Wirbel auch ein anderes optisches Element als der räumliche Lichtmodulator oder dergleichen verwendet werden.
Ferner analysiert die Analyseeinheit vorzugsweise eine kreisförmige Bewegung oder eine elliptische Bewegung des Mikroobjekts basierend auf den Bilddaten, die von der Abbildungseinheit ausgegeben werden.
Darüber hinaus erfasst die Analyseeinheit als die ersten Bewegungsinformationen und die zweiten Bewegungsinformationen vorzugsweise jeweils mindestens eines aus der Geschwindigkeit, der Winkelgeschwindigkeit, der Beschleunigung, des Drehungsradius und der aus diesen Werten berechneten physikalischen Größe des Mikroobjekts. Somit kann der Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel auf geeignete Weise evaluiert werden.
Darüber hinaus evaluiert die Analyseeinheit vorzugsweise durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen, ob ein Unterschied zwischen den ersten Bewegungsinformationen und den zweiten Bewegungsinformationen ein vorgegebener Wert oder weniger ist. Daneben kann auch einen anderes Verfahren als das oben beschriebene Verfahren zum Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen verwendet werden.
Ferner weist die Bewegungseinheit vorzugsweise das piezoelektrische Element auf, das die Fokusposition des optischen Wirbels verschiebt. In diesem Fall kann eine Feineinstellung der Bewegungsgröße der Fokusposition des optischen Wirbels durch das piezoelektrische Element vorgenommen werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist als die Mikroobjekt-Steuervorrichtung einsetzbar, die dazu in der Lage ist, den Zustand der optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel zu evaluieren.
Bezugszeichenliste

1 – Mikroobjekt-Steuervorrichtung, 10 – Lichtquelle, 20 – Erzeugungseinheit für optische Wirbel, 30 bis 33 – Linse, 40 – dichroitischer Spiegel, 50 – Beleuchtungseinheit, 60 – Abbildungseinheit, 70 – Analyseeinheit, 80 – Bewegungseinheit, 90 – Probe, 91 – Mikroobjekt, 92 – Medium, 93, 94 – Glasplatte, 95 – Distanzer.

Claims

Mikroobjekt-Steuervorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Mikroobjekts in einem Medium, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Lichtquelle zum Ausgeben von Licht; eine Erzeugungseinheit für optische Wirbel zum Eingeben des von der Lichtquelle ausgegebenen Lichts, Erzeugen und Ausgeben eines optischen Wirbels; eine Objektivlinse zum optischen Erfassen des Mikroobjekts durch Fokussieren des von der Erzeugungseinheit für optische Wirbel ausgegebenen optischen Wirbels und durch Bestrahlen des Mikroobjekts in dem Medium mit dem fokussierten optischen Wirbel; eine Abbildungseinheit zum Aufnehmen eines Bildes des Mikroobjekts durch die Objektivlinse und zum Ausgeben der Bilddaten; eine Analyseeinheit zum Analysieren der Bewegung des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten; und eine Bewegungseinheit zum Bewegen einer Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse in einer Richtung der optischen Achse der Objektivlinse, wobei die Analyseeinheit erste Bewegungsinformationen des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten erfasst, wobei das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine erste Position durch die Bewegungseinheit abgebildet wird, zweite Bewegungsinformationen des Mikroobjekts basierend auf den von der Abbildungseinheit ausgegebenen Bilddaten erfasst, wobei das optisch mit dem optischen Wirbel erfasste Mikroobjekt durch Einstellen der Fokusposition des optischen Wirbels durch die Objektivlinse auf eine zweite Position, die sich von der ersten Position bezüglich der Richtung der optischen Achse unterscheidet, durch die Bewegungseinheit abgebildet wird, und einen Zustand einer optischen Erfassung des Mikroobjekts mit dem optischen Wirbel durch Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen evaluiert.
Mikroobjekt-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erzeugungseinheit für optische Wirbel ein räumlicher Lichtmodulator ist, der eine Vielzahl von Pixeln in zweidimensionaler Anordnung aufweist, eine Amplitude und eine Phase des Lichts in den einzelnen Pixeln moduliert und das Licht ausgibt.
Mikroobjekt-Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Analyseeinheit eine kreisförmige Bewegung oder eine elliptische Bewegung des Mikroobjekts basierend auf den Bilddaten analysiert, die von der Abbildungseinheit ausgegeben werden.
Mikroobjekt-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Analyseeinheit jeweils als die ersten Bewegungsinformationen und die zweiten Bewegungsinformationen mindestens eines aus einer Geschwindigkeit, einer Winkelgeschwindigkeit, einer Beschleunigung, eines Drehungsradius und einer daraus berechneten physikalischen Größe des Mikroobjekts erfasst.
Mikroobjekt-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Analyseeinheit beim Vergleichen der ersten Bewegungsinformationen und der zweiten Bewegungsinformationen analysiert und evaluiert, ob ein Unterschied zwischen den ersten Bewegungsinformationen und den zweiten Bewegungsinformationen ein vorgegebener Wert oder weniger ist.
Mikroobjekt-Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Bewegungseinheit ein piezoelektrisches Element aufweist, das die Fokusposition des optischen Wirbels verschiebt.