DE112016004958T5

DE112016004958T5 - Optische Pinzettenvorrichtung

Info

Publication number: DE112016004958T5
Application number: DE112016004958.7T
Authority: DE
Inventors: Kota Nanri; Toshiyuki Saito; Kensuke Suzuki
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2015-10-28
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-07-12
Also published as: CN108349075A; JP6606975B2; US10403412B2; US20180322976A1; JP2017083644A; WO2017073470A1; CN108349075B

Abstract

Eine optische Pinzettenvorrichtung bestimmt auf Grundlage eines Abstandes zwischen dem Partikel, der durch den mit einer Linse fokussierten Laserstrahl eingefangen wird, und einem Brennpunkt der Linse die Einfangkraftdaten, die eine Einfangkraft für einen Partikel anzeigen. Die optische Pinzettenvorrichtung bestimmt eine Differenz zwischen einem theoretischen Wert der Einfangkraft, der gemäß einer linearen Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem eingefangenen Partikel und dem Brennpunkt der Linse und der Einfangkraft für den Partikel geschätzt wird, und der Einfangkraft, die durch die Einfangkraftdaten angezeigt wird. Die optische Pinzettenvorrichtung steuert eine Laserleistung der Lichtquelle auf der Grundlage der Einfangkraftdifferenz.

Description

Technisches Gebiet
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine optische Pinzettenvorrichtung.
Stand der Technik
Es ist die optische Pinzettentechnologie bekannt, die eine Technologie zum Einfangen von beispielsweise einem Partikel ist, der circa 1 µm bemisst, sowie zu dessen Bewegung ist (beispielsweise bezugnehmend auf Patentdokument 1). Gemäß der optischen Pinzettentechnologie wird ein Laserstrahl mit einer Linse fokussiert und ein Partikel, der in die Nähe von einem Brennpunkt gebracht wird, wird durch den darauf wirkenden optischen Druck eingefangen. Die optische Pinzettentechnologie ermöglicht es, einen Partikel weiter einzufangen, indem eine Brechungsindexdifferenz zwischen dem Partikel und dem umgebenden Medium vorgesehen ist und indem die Gesamtkraft des optischen Drucks, die auf den Partikel wirkt, auf den Brennpunkt gerichtet wird.
Um einen Partikel unter Verwendung der oben beschriebenen optischen Pinzettentechnologie einzufangen, ist es notwendig, dass der Partikel eine Durchlässigkeit hat ( den Laserstrahl durchzulassen) und dass der Brechungsindex (n2) des Partikels größer als der Brechungsindex (n1) des umgebenden Mediums ist (n2 > n1).
Stand-der-Technik-Dokument(e)
Patentdokument( e)
Patentdokument 1: JP-A-2006-235319
Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Gemäß der optischen Pinzettentechnologie kann ein Partikel relativ zu einer ihn umgebenden Flüssigkeit bewegt werden, sodass er einem Brennpunkt des Laserstrahls folgt, indem eine relative Bewegung zwischen dem Brennpunkt, das heißt, dem Brennpunkt einer Linse zur Fokussierung des Laserstrahls, und einer Probe, die den Partikel umfasst, erzeugt wird. Eine Partikeleinfangkraft stammt aus dem optischen Druck des Laserstrahls und es ist bekannt, dass die Einfangkraft und der Abstand zwischen dem Partikel und dem Brennpunkt der Linse (Brennpunkt) eine lineare Beziehung haben.
Es ist auch bekannt, dass hingegen, wie oben erwähnt, die Einfangkraft und der Abstand zwischen einem Partikel und einem Brennpunkt eine lineare Beziehung in einem Fall haben, bei dem der eingefangene Partikel gemäß der optischen Pinzettentechnologie in einem Bereich bewegt wird, der von der Oberfläche eines Objektes entfernt ist, das in einer Probe vorliegt, wobei die Beziehung zwischen der Einfangkraft und dem Abstand in einem Fall nichtlinear wird, bei dem ein Partikel in einem Bereich bewegt wird, der nahe der Oberfläche des Objektes ist. Zu den Gründen für dieses Phänomen zählen die statische Elektrizität und die Ausbildung einer Stehwelle aufgrund der Reflexion des Laserstrahls. Wenn es vorgesehen ist, dass ein eingefangener Partikel bewegt wird, ist somit das Verhalten des Partikels, der nahe der Oberfläche des Objektes ist, nicht nur verschieden von dem in anderen Bereichen, sondern auch nicht vorhersagbar.
Es gibt beispielsweise Fälle, bei denen eine Flächenkraft, die ein Objekt oder eine Flächenform umfasst, unter Verwendung der optischen Pinzettentechnologie gemessen wird. In diesen Fällen ist es notwendig, einen Partikel einzufangen und in einem Bereich zu bewegen, der nahe der Oberfläche des Objektes ist. Allerdings ist die Beziehung zwischen der Partikeleinfangkraft und dem Abstand in einem Bereich, der nahe der Oberfläche des Objektes ist, wie oben erwähnt, nichtlinear. Als Folge kann es sein, dass sich der Partikel auf eine nicht erwünschte Weise verhält und entweicht, selbst wenn eine optische Pinzettenvorrichtung gemäß einer linearen Bedingung auf dieselbe Weise gesteuert wird, wie in dem Fall, bei dem ein Bereich von der Oberfläche entfernt ist.
Es ist daher ein Ziel eines Aspektes der Erfindung, eine optische Pinzettenvorrichtung vorzusehen, die dauerhaft einen Partikel einfangen und bewegen kann, selbst in einem Fall, bei dem der eingefangene Partikel in einem Bereich bewegt wird, der nahe der Oberfläche eines Objektes ist.
Mittel zur Lösung der Erfindung
Eine optische Pinzettenvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung weist auf: eine Lichtquelle, die einen Laserstrahl emittiert; eine Linse, die den aus der Lichtquelle emittierten Laserstrahl fokussiert; eine Antriebseinheit, die einen Partikel, der durch den mit der Linse fokussierten Laserstrahl eingefangen ist, und ein in der Nähe des Partikels befindliches Objekt relativ zueinander bewegt; einen Detektor, der ein Detektionssignal zur Bestimmung eines Abstandes zwischen dem eingefangenen Partikel und einem Brennpunkt der Linse ausgibt; einer Einfangkraftberechnungseinheit, die die Einfangkraftdaten bestimmt, die eine Einfangkraft für den Partikel auf Grundlage des Abstandes anzeigen, der aus dem Detektionssignal bestimmt wird; eine Differenzberechnungseinheit, die eine Differenz zwischen einem theoretischen Wert der Einfangkraft, der gemäß einer linearen Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem eingefangenen Partikel und dem Brennpunkt der Linse und der Einfangkraft für den Partikel geschätzt wird, und der Einfangkraft bestimmt, die durch die Einfangkraftdaten angezeigt wird; und eine Ausgangsleistungssteuereinheit, die eine Laserleistung der Lichtquelle auf Grundlage der Einfangkraftdifferenz steuert.
Während die Beziehung zwischen der Einfangkraft für den eingefangenen Partikel und der Abstand zwischen dem Partikel und dem Brennpunkt der Linse in einem Bereich linear ist, der von der Oberfläche des Objektes entfernt ist, ist sie nichtlinear und unvorhersagbar in einem Bereich, der nahe der Oberfläche des Objektes ist. Im Gegensatz dazu kann in der obigen optischen Pinzettenvorrichtung selbst in dem Fall, bei dem der eingefangene Partikel in einem Bereich bewegt wird, der nahe der Oberfläche des Objektes ist, durch Steuerung der Laserleistung der Lichtquelle die Einfangkraft für den Partikel so kompensiert werden, dass ihre Beziehung zum Abstand zwischen dem Partikel und dem Brennpunkt der Linse nahe zu einer linearen Beziehung kommt. Dies ermöglicht es, dauerhaft den Partikel einzufangen und zu bewegen.
Die Differenzberechnungseinheit kann die Differenz in einen Stromwerteingang für die Lichtquelle umwandeln, der mit einer Leistung des Laserstrahls in Zusammenhang steht, der von der Lichtquelle emittiert wird, und die Ausgangsleistungssteuereinheit kann eine Feedback-Steuerung zur Erhöhung oder zur Verringerung des Stromwertes durchführen. Diese Konfiguration erleichtert das Einfangen einer erwünschten Einfangkraft durch die Anpassung der Laserstrahlleistung der Lichtquelle und ermöglicht es dadurch, einen Partikel noch dauerhafter einzufangen und zu bewegen.
Vorteil der Erfindung
Der Aspekt der Erfindung ermöglicht es, dauerhaft einen Partikel einzufangen und zu bewegen und verhindert dadurch, dass er entweicht, selbst in einem Fall, bei dem der eingefangene Partikel in einem Bereich bewegt wird, der nahe der Oberfläche eines Objektes ist.
Figurenliste

1 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der Gesamtkonfiguration einer optischen Pinzettenvorrichtung.
2 ist ein Bilddiagramm zur Beschreibung der Funktion eines Detektors.
3 ist ein erklärendes Diagramm, das einen einzufangenden Partikel, Linsen, etc. zeigt.
4(A) und 4(B) sind erklärende Diagramme, die die Beziehungen zwischen der Partikeleinfangkraft und dem Partikel-Brennpunkt-Abstand zeigen.
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Stromeingang einer Lichtquelle und der Laserstrahlleistung der Lichtquelle zeigt.

Ausführungsform der Erfindung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein erklärendes Diagramm zur Beschreibung der Gesamtkonfiguration einer optischen Pinzettenvorrichtung 1. Die optische Pinzettenvorrichtung 1 weist eine Lichtquelle 10 für einen Laserstrahl auf, Lichtleitmittel (21-27), eine erste Linse 28, eine Beleuchtungslichtquelle 30, eine zweite Linse 31, einen Spiegel (dritter Spiegel) 33, einen Detektor 40, eine Vorrichtungsbasis 45, eine Stufe 46, ein Antriebsmittel 48, ein Bildmittel 50 und ein Steuermittel 60.
Wie später beschrieben, ist die optische Pinzettenvorrichtung 1 derart konfiguriert, dass die Stufe 46 durch das Antriebsmittel 48 mit Bezug auf die Vorrichtungsbasis 45 bewegt werden kann, das auf einer Arbeitsfläche fixiert ist. Außerdem sind andere Mittel, das heißt, die Lichtquelle 10, die Linsen 28 und 31, der Detektor 40, das Bildmittel 50, etc. auf der Vorrichtungsbasis 45 fixiert und werden mit Bezug auf die Vorrichtungsbasis 45 nicht bewegt.
Die Lichtquelle 10 des Laserstrahls, welche eine Laservorrichtung zur Emittierung von einem Laserstrahl (Laserstrahl) L ist, emittiert den Laserstrahl L, der eine erste Wellenlänge gemäß einem Steuersignal hat, das von dem Steuermittel 60 erhalten wird. Ein Partikel, der durch ein Halteelement 47 (z. B. vorbereiteter Objektträger) gehalten wird und auf der Stufe 46 montiert ist, wird durch ein optisches Pinzettenverfahren unter Verwendung des Laserstrahls L eingefangen (optisch eingefangen).
Die Lichtleitmittel (21-27) dienen dazu, den Laserstrahl L, der von der Lichtquelle 10 emittiert wird, zur ersten Linse 28 zu leiten. Die Lichtleitmittel (21-27) werden der Reihenfolge nach unten beschrieben.
Ein erster Reflexionsspiegel 21 reflektiert den Laserstrahl L, der aus der Lichtquelle 10 kommt, sodass er auf einen ersten Durchlass 22 einfällt. Der erste Durchlass 22 verengt den Durchmesser des einfallenden Laserstrahls L und gibt das sich ergebende Licht in Richtung einer ersten Kollimatorlinse 23 aus. Die erste Kollimatorlinse 23 vergrößert den Durchmesser des Laserstrahls L und gibt das sich ergebende Licht zu einer zweiten Kollimatorlinse 24 aus. Die zweite Kollimatorlinse 24 wandelt den im Durchmesser vergrößerten Laserstrahl L in paralleles Licht um und gibt ihn an einen zweiten Durchlass 25 aus. Der zweite Durchlass 25 verengt den Durchmesser des parallelen Laserstrahls L und gibt das sich ergebende Licht zu einem ersten Spiegel 26 aus. Der erste Spiegel 26 reflektiert den einfallenden Laserstrahl L in Richtung eines zweiten Spiegels 27. Der zweite Spiegel 27 reflektiert den einfallenden Laserstrahl L zur ersten Linse 28.
Die erste Linse 28 fokussiert den Laserstrahl L, der vom zweiten Spiegel 27 kommt, auf einen Brennpunkt, der im Halteelement 47 eingestellt wird. Ein Partikel, der in die Nähe des Brennpunktes (den Brennpunkt der Linse 28) gebracht wird, kann durch den durch die Linse 28 fokussierten Laserstrahl L eingefangen werden. Der fokussierte Laserstrahl L fällt auf die zweite Linse 31 ein, nachdem er den Partikel passiert hat. Der Laserstrahl L, der auf die zweite Linse 31 einfällt, nachdem er den Partikel passiert hat, wird in Richtung des dritten Spiegels 33 ausgegeben, wird vom dritten Spiegel 33 reflektiert und fällt auf den Detektor 40 ein. Die Spiegel 33 und 26 übertragen das Beleuchtungslicht S, das von der Beleuchtungslichtquelle 33 kommt.
Die Beleuchtungslichtquelle 30, die beispielsweise eine LED-Beleuchtungsvorrichtung ist, emittiert das Beleuchtungslicht S, das gemäß einem Steuersignal, das von dem Steuermittel 60 erhalten wird, eine zweite Wellenlänge hat. Das Beleuchtungslicht S dient als ein Beleuchtungslicht für das Bildmittel 50 zur Beobachtung eines Zustandes eines Partikels, der auf dem Halteelement 47 festgehalten wird. Das Beleuchtungslicht S passiert den dritten Spiegel 33, wird durch die zweite Linse 32 fokussiert, passiert danach die erste Linse 28, wird vom zweiten Spiegel 27 reflektiert, passiert den ersten Spiegel 26 und erreicht das Bildmittel 50.
Das Halteelement 47 zum Halten eines Partikels wird auf der Stufe 46 montiert. Ein Fluid W und ein einzufangender Partikel C, der im Fluid W enthalten ist, werden durch das Halteelement 47 gehalten (siehe 3). Ein Objekt B, das nicht durch den Laserstrahl L eingefangen wird, wird ebenfalls durch das Halteelement 47 gehalten. Das Objekt B und der eingefangene Partikel C bewegen sich relativ zueinander. Das Fluid W kann Partikel (nicht gezeigt) enthalten, die nicht eingefangen werden. In der Ausführungsform ist das Fluid W eine Flüssigkeit. Der Brechungsindex (n1) des Fluids W ist geringer als der Brechungsindex (n2) des Partikels C (n1 < n2).
Die Stufe 46 wird gestützt, um in der Vorne-Hinten-Richtung, der Links-Rechts-Richtung und der Oben-Unten-Richtung beweglich zu sein, und das Antriebsmittel 48 bewegt die Stufe 46 in der Vorne-Hinten-Richtung, der Links-Rechts-Richtung und der Oben-Unten-Richtung. In 1 sind die X-Achsenrichtung, die Y-Achsenrichtung und die Z-Achsenrichtung jeweils als die Vorne-Hinten-Richtung, die Links-Rechts-Richtung und die Oben-Unten-Richtung definiert. Das Antriebsmittel 48 bewegt die Stufe 46 in X-Achsenrichtung und/oder Y-Achsenrichtung und/oder Z-Achsenrichtung gemäß einem Steuersignal, das von dem Steuermittel 60 erhalten wird, und bewegt dadurch das Halteelement 47 in dieselbe Richtung. Das Antriebsmittel 48 besteht aus Aktuatoren, die beispielsweise ein piezoelektrisches Element verwenden. In der Ausführungsform wird eine Beschreibung von einem Fall gemacht, bei dem die Stufe 46 in X-Achsenrichtung in der XY-Ebene bewegt wird.
Wie oben beschrieben, wird in der optischen Pinzettenvorrichtung 1, die in 1 gezeigt ist, der Brennpunkt (Brennpunkt der Linse 28) nicht durch das Antriebsmittel 48 bewegt. Als Folge wird ein Partikel C, der in die Nähe des Brennpunktes (Brennpunktes) gekommen ist und eingefangen wurde, nicht durch das Antriebsmittel 48 bewegt. Andererseits wird die Stufe 46 zusammen mit dem Halteelement 37 durch das Antriebsmittel 48 bewegt. Somit werden ein Fluid W um den Partikel C herum, der in die Nähe des Brennpunktes gekommen ist und eingefangen wurde (siehe 3), und das Objekt B (und die Partikel, die im Fluid W enthalten sind und nicht eingefangen sind) relativ zum Partikel C bewegt. Die folgende Beschreibung wird für den Fall gemacht, bei dem der Partikel C in einem Bereich, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist, das im Halteelement 47 vorliegt (siehe 3), eine Relativbewegung parallel zur Oberfläche ausführt.
Anders als bei der Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist eine Konfiguration möglich, bei der die Stufe 46 fixiert ist und der Brennpunkt (Linse 28) bewegt wird.
Der Detektor 40 ist ein Positionsdetektor zur Detektion einer Einfallposition des Laserstrahls L mit Bezug auf eine Referenzposition; in der Ausführungsform ist der Detektor 40 ein Quadranten-Positions-Detektor. 2 ist ein Bilddiagramm zur Beschreibung der Funktion des Detektors 40. Der Detektor 40 hat Fotodetektionseinheiten A1, A2, A3 und A4, die durch die Unterteilung einer ebenen Fläche in mehrere (vier) Abschnitte erhalten werden. 3 ist ein erklärendes Diagramm, das den einzufangenden Partikel C, die Linse 28, etc. zeigt. Koordinaten in der XY-Ebene, inklusive dem Brennpunkt der Linse 28 (siehe 3), stehen mit den Koordinaten der XY-Ebene der Fotodetektionseinheiten A1, A2, A3 und A4 (siehe 2) in Zusammenhang und die Position des Brennpunktes Q der Linse 28 entspricht einer Referenzposition N, die sich im Mittelpunkt der Fotodetektionseinheiten A1, A2, A3 und A4 befindet. Jede Fotodetektionseinheit A1, A2, A3 und A4 gibt ein Detektionssignal (Spannungssignal) aus, das einer Empfangsposition J des Laserstrahls L entspricht.
Da das Halteelement 47, das den eingefangenen Partikel C aufweist, mit Bezug auf die Linse 28 in X-Achsenrichtung (siehe 3) bewegt wird, wird der Partikel C in X-Achsenrichtung bewegt (in die Richtung, die entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung des Halteelementes 47 ist), um dem Brennpunkt Q der Linse 28 zu folgen.
Somit wird der Laserstrahl L, der die Fotodetektionseinheiten A1, A2, A3 und A4 erreicht, nachdem er aus der Lichtquelle 10 emittiert wurde und den eingefangenen Partikel C passiert hat, an einer Position detektiert, die in Y-Achsenrichtung um einen Abstand d0 von der Referenzposition N (siehe 2) abweicht, die der Position des Brennpunktes Q der Linse 28 entspricht. Da der Detektor 40 ein Quadranten-Positions-Detektor ist, wird der Abstand d0 in Form einer Spannung (Spannungssignal) (V) ausgegeben.
Der Abstand d0 (V) steht mit dem Abstand d (m) (siehe 3) zwischen der Mittelpunktposition des durch den Laserstrahl L eingefangenen Partikels C und dem Brennpunkt Q der Linse 28 in Korrelation; die Abstände d0 (V) werden einer nach dem anderen ausgegeben. Das heißt, dass die Detektionssignale (Spannungssignale) (V), die für die Bestimmung von Abständen d zwischen dem eingefangenen Partikel C und dem Brennpunkt Q der Linse 28 verwendet werden, einer nach dem anderen aus dem Detektor 40 ausgegeben werden.
Diese Detektionssignale werden an das Steuermittel 60 (Computer; später beschrieben) gegeben und durch eine Abstandsberechnungseinheit 61 (siehe 1), die in dem Steuermittel 60 vorgesehen ist, verarbeitet, wobei die Abstände d zwischen dem eingefangenen Partikel C und dem Brennpunkt Q der Linse 28 einer nach dem anderen bestimmt werden. Diese Abstände d sind Werte in der XY-Ebene. Der Abstand d verändert sich außerdem, da sich der Abstand d0 in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit der Stufe 46 verändert.
Das Bildmittel 50, das in 1 gezeigt ist, welches beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera ist, bildet einen Bereich ab, der den Brennpunkt und dessen Umgebung einschließt. Das Bildmittel 50 gibt Bilddaten, die durch die Bildgebung erzeugt werden, an das Steuermittel 60 aus.
Das Steuermittel 60, die beispielsweise ein Computer ist, der mit einem Prozessor und einem Speicher ausgestattet ist, gibt Steuersignale aus, wie oben beschrieben, und erhält Bilddaten, die aus dem Bildgebungsmittel 50 zugeführt werden. Das Steuermittel 60 wird mit der Abstandsberechnungseinheit 61, einer Einfangkraftberechnungseinheit 62, einer Abstandsberechnungseinheit 63 und einer Ausgangsleistungssteuereinheit 64 als Funktionseinheiten ausgestattet, die durch die auf dem Prozessor laufenden Computerprogramme implementiert werden, die im Speicher des Computers abgespeichert sind.
Die Abstandsberechnungseinheit 61 bestimmt durch Berechnung auf Grundlage eines Detektionssignals (Spannungssignals), das von dem Detektor 40 erhalten wird, einen Abstand d (siehe 3) zwischen dem eingefangenen Partikel C1 und dem Brennpunkt Q der Linse 28. In der folgenden Beschreibung wird der Abstand d zwischen dem eingefangenen Partikel C und dem Brennpunkt Q der Linse 28 als ein „Partikel-Brennpunkt-Abstand d“ bezeichnet. Die Berechnung eines Abstandes d durch den Detektor 40 und die Abstandsberechnungseinheit 61 kann durch Vorrichtungen durchgeführt werden, die herkömmlicherweise in der optischen Pinzettentechnologie verwendet werden. Beispielhafte Prozesse zur Berechnung eines Abstandes d werden nachstehend beschrieben. Wie oben beschrieben, werden die Abstände d0 (V) einer nach dem anderen durch den Detektor 40 detektiert. Die Abstandsberechnungseinheit 61 korrigiert (wandelt um) jeden detektierten Abstand d0 (V) in einen Partikel-Brennpunkt-Abstand d (m). Das heißt, dass die Abstandsberechnungseinheit 61 einen Abstand d (m) aus einem Abstand d0 (V) bestimmt, der an jedem Zeitpunkt gemäß einer Gleichung d0 = -R × d detektiert wird.
Das Symbol R in dieser Gleichung ist ein Wert, der im Voraus durch einen anderen Prozessteil bestimmt wird. Der Wert von R wird in der folgenden Weise bestimmt. Beispielsweise wird ein Partikel, der auf dem Halteelement 47 fixiert ist, dazu veranlasst, den Laserstrahl (Brennpunkt) bei einer konstanten Geschwindigkeit durchzulassen (passieren zu lassen). Zu diesem Zeitpunkt wird der Partikel nicht durch den Laserstrahl eingefangen. Diese konstante Geschwindigkeitsmanipulation wird unter Verwendung von Spannungen V durchgeführt, die dem piezoelektrischen Element der Antriebsvorrichtung 48 zugeführt werden. Somit werden die Abstände d0 (V), die den jeweiligen Spannungen V entsprechen, detektiert (nichtlineare Beziehung) und unter Verwendung einer Gleichung V = h × d korrigiert. Der Koeffizient h in dieser Gleichung ist aus den Merkmalen des Detektors 40 bekannt. Der Koeffizient R in der Gleichung d0 = -R × d kann durch Herausnehmen eines linearen Abschnittes einer Beziehung zwischen den Abständen d0 (V) und den bestimmten Abständen d (m) bestimmt werden.
Die Einfangkraftberechnungseinheit 62 bestimmt die Einfangkraftdaten, die die Einfangkräfte für den Partikel C anzeigen, auf Grundlage der Partikel-Brennpunkt-Abstände D, die durch die Abstandsberechnungseinheit 61 aus den Detektionssignalen des Detektors 40 bestimmt wurden. Der Prozess zur Bestimmung der Einfangkraftdaten wird später beschrieben.
4(A) und 4(B) sind erklärende Diagramme, die die Beziehungen zwischen der Einfangkraft Tx für den Partikel C und den Partikel-Brennpunkt-Abstand d zeigen. In den Graphen in 4(A) und 4(B) repräsentiert die senkrechte Achse die Einfangkraft Tx für den Partikel C und die horizontale Achse repräsentiert den Partikel-Brennpunkt-Abstand d. 4(A) zeigt einen Fall, bei dem sich der eingefangene Partikel C in einem Bereich bewegt, der von der Oberfläche des Objektes B entfernt ist, und 4(B) zeigt einen Fall, bei dem sich der eingefangene Partikel C in einem Bereich bewegt, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist. Wie es im Graphen von 4(A) gezeigt ist, haben in dem Fall, bei dem sich der Partikel C in einem Bereich bewegt, der von der Oberfläche des Objektes B entfernt ist, der Abstand d und die Einfangkraft Tx eine lineare Beziehung zueinander (proportionale Beziehung). Im Gegensatz dazu haben, wie es im Graph von 4(B) gezeigt ist, der Abstand d und die Einfangkraft Tx in dem Fall, bei dem sich der Partikel C in einem Umfang in der Nähe der Oberfläche des Objektes B bewegt, eine lineare Beziehung in einem Bereich, in dem der Abstand d kurz ist aber haben eine nichtlineare (irreguläre) Beziehung in einem Umfang, in dem der Abstand d größer als ein bestimmter Wert ist.
Grundsätzlich folgt die Einfangkraft Tx, wie die Federkraft, einer linearen Beziehung (siehe 4(A)), die durch eine Gleichung Tx = k × d + f gegeben ist. In dieser Gleichung ist k eine Konstante (eine Federkonstante des optischen Einfangens) und f ist die externe Kraft.
Somit bestimmt die Einfangkraftberechnungseinheit 62 die Einfangkraftdaten auf der Grundlage der Partikel-Brennpunkt-Abstände d, die durch die Abstandsberechnungseinheit 61 gemäß der Gleichung Tx = k × d + f bestimmt werden. Das heißt, dass, sobald die Konstante k bestimmt ist, die Einfangkräfte Tx eine nach der anderen durch die Detektion der Abstände d (d0) bestimmt werden können.
Ein Beispiel, wie die Konstante k bestimmt wird, wird unten beschrieben. Ein durch einen Laserstrahl eingefangener Partikel wird dazu veranlasst, sich bei einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen, und in diesem Zustand wird ein Abstand d (m) durch die Abstandsberechnungseinheit 61 durch das oben beschriebene Verfahren bestimmt. Da ein Abschnitt existiert, in dem der Abstand d (m) konstant ist (das heißt, ein Abschnitt, der anders als ein Beschleunigungsabschnitt und ein Bremsabschnitt ist), kann die Konstante k bestimmt werden (wenn der Abstand d (m) als d‘ (m) umgeschrieben wird, da die Einfangkräfte Tx gleich 0 sind, da eine konstante Geschwindigkeitsbewegung vorliegt, wird eine Gleichung k = f/d‘ aus der obigen Gleichung erhalten). Die Einfangkraftdaten werden gemäß der Gleichung Tx = k × d + f unter Verwendung dieser Konstante k bestimmt.
Danach bestimmt die Differenzberechnungseinheit 63 eine Differenz (Txi - Txa) zwischen einem theoretischen Wert der Einfangkraft Txi, der gemäß einer linearen Beziehung geschätzt wird, die zwischen dem Partikel-Brennpunkt-Abstand d und der Einfangkraft Tx für den Partikel C (erhalten in einem Bereich, der von der Fläche des Objekts B entfernt ist) gilt, und einer Einfangkraft Txa, die durch die Einfangkraftdaten angezeigt wird, die durch die Einfangkraftberechnungseinheit 62 bestimmt werden. Der theoretische Wert der Einfangkraft Txi wird gemäß der Gleichung Tx =k × d + f bestimmt. Die Zwei-Punkt-Strich-Linie, die in 4(B) gezeigt ist, ist eine gerade Linie (Tx =k × d + f), die die lineare Beziehung darstellt, die in 4(A) gezeigt ist, und die Abstandsberechnungseinheit 63 bestimmt einen Wert ΔT, der in 4(B) als ein Abstand (Txi - Txa) gezeigt ist.
Eine Einfangkraft Txa, die die Einfangkraftberechnungseinheit 62 für den Partikel C bestimmen soll, der sich in der Nähe der Oberfläche des Objektes B befindet (siehe 3), ist durch eine Gleichung Txa = k × d + f - β gegeben. Der Parameter β in dieser Gleichung wird unter anderem durch die statische Elektrizität und die Ausbildung einer Stehwelle aufgrund der Reflexion des Laserstrahls beeinflusst und ist eine Variable. Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, bedeutet die Bestimmung einer Differenz (Txi - Txa) = ΔT durch die Differenzberechnungseinheit 63 die Bestimmung von β (= ΔT; der durch die obigen Faktoren beeinflusst wird). Wie später beschrieben, wird in der optischen Pinzettenvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform eine Feedback-Steuerung durchgeführt, bei der die Laserleistungsteuerung auf der Grundlage von ΔT (β) durch die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 im Zeitverlauf wiederholt wird.
Selbst wenn sich der eingefangene Partikel C (siehe 3) in einem Bereich bewegt, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist, gilt eine lineare Beziehung zwischen dem Partikel-Brennpunkt-Abstand d und der Einfangkraft Tx für den Partikel C und die oben beschriebene Differenz ΔT ist gleich 0, wenn der Abstand d kurz ist (siehe 4(B)). Der Abstand d ist beispielsweise kurz, wenn die relative Bewegungsgeschwindigkeit des eingefangenen Partikels C gering ist. Im Gegensatz dazu ist der Abstand d lang, wenn die relative Bewegungsgeschwindigkeit des eingefangenen Partikels C hoch ist.
Die Differenzberechnungseinheit 63 kann eine Differenz ΔT (= Txi - Txa) auf die oben beschriebene Weise bestimmen, das heißt, gemäß der Gleichung, die die lineare Beziehung repräsentiert, die in einem Bereich gelten sollte, der von der Oberfläche des Objektes B entfernt ist. Alternativ dazu kann die Differenzberechnungseinheit 63 eine Differenz ΔT (= Txi - Txa) gemäß einer Gleichung bestimmen, die durch die Extrapolation der linearen Beziehung erhalten wird, die in einem Bereich gilt, in dem der Abstand d kurz ist (angezeigt durch das Symbol k in 4(B)), in einem Fall, bei dem sich der Partikel C in einem Bereich in der Nähe der Oberfläche des Objektes B bewegt. Die durchgezogenen Linien, die in 4(A) und 4(B) gezeigt sind, haben dieselbe Konstante k. Die Beziehungen (Daten), die in 4(A) und 4(B) gezeigt sind, können auf Grundlage der experimentellen Werte oder der Berechnungswerte bestimmt werden.
Die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 steuert die Laserleistung der Lichtquelle 10 gemäß der Einfangkraftdifferenz ΔT (= Txi - Txa), die durch die Abstandsberechnungseinheit 63 bestimmt wird. Das heißt, um eine lineare Beziehung zwischen dem Partikelfokussierungsabstand d und der Partikeleinfangkraft Tx im gesamten Bereich (siehe 4(A)) selbst in dem Fall von 4(B) zu erhalten, steuert die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 die Laserleistung der Lichtquelle 10, um die bestimmte Einfangkraftdifferenz ΔT (= Txi - Txa) zu kompensieren. Genauer gesagt führt die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 in dieser Ausführungsform eine Steuerung zur Erhöhung der Laserleistung der Lichtquelle 10 durch, um die Einfangkraft zu erhöhen, das heißt, um die Differenz ΔT (= Txi - Txa) zu kompensieren, da die Einfangkraftdifferenz (= Txi - Txa) ein positiver Wert ist und daher die Einfangkraft nicht ausreicht, um die lineare Beziehung zu garantieren. Wenn die Differenz ΔT (= Txi - Txa) einen negativen Wert annimmt, führt die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 eine Steuerung zur Verringerung der Laserleistung durch.
Die Lichtquelle 10, die in dieser Ausführungsform verwendet wird, verwendet einen Halbleiterlaser und, wie er in 5 gezeigt ist, dabei haben die Stromeingang I des Halbleiterlasers und die Leistung (Energie) P des Laserstrahls L, der von der Lichtquelle 10 emittiert wird, haben eine proportionale Beziehung zueinander. Des Weiteren haben die Leistung P des Laserstrahls L und die Partikeleinfangkraft T eine proportionale Beziehung zueinander, wie es durch die folgende Gleichung (1) angezeigt ist. In Gleichung (1) ist α ein Koeffizient, der dem Brechungsindex und der Transmission eines Partikels, dem Brechungsindex der umgebenden Flüssigkeit (Lösungsmittel) und der Strahleinschnürung des Laserstrahls L zugeordnet wird.
[Formel 1] $T \propto = α P$
Aufgrund der linearen Beziehung zwischen der Strom I und der Leistung P (siehe 5) und der proportionalen Beziehung zwischen der Leistung P und der Einfangkraft T (Gleichung 1) haben auch die Strom I und die Einfangkraft T eine proportionale Beziehung zueinander. Somit wird die Information, die diese entsprechende Beziehung repräsentiert, in einem internen Speicher der Ausgangsleistungssteuereinheit 64 gespeichert und die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 bestimmt auf der Grundlage dieser Information einen Stromwert ΔI, der der Einfangkraftdifferenz ΔT (= Txi - Txa) entspricht, die durch die Differenzberechnungseinheit 63 bestimmt wurde, erzeugt ein Signal zur Erhöhung (oder Verringerung) des Stromwertes ΔI und steuert die Leistung der Lichtquelle 10 gemäß diesem Signal.
Die optische Pinzettenvorrichtung 1 führt eine Feedback-Steuerung durch, bei der die Detektion eines Abstandes d0 (siehe 2) durch den Detektor 40, das Einfangen eines Partikel-Brennpunkt-Abstandes d (siehe 3) auf der Grundlage des Abstandes d0 durch die Abstandsberechnungseinheit 61, das Einfangen der Einfangkraftdaten auf der Grundlage des Abstandes d durch die Einfangkraftberechnungseinheit 62, das Einfangen einer Einfangkraftdifferenz ΔT (= Txi - Txa) auf der Grundlage der Einfangkraftdaten und eine Laserleistungssteuerung auf der Grundlage der Differenz ΔT (= Txi - Txa) durch die Ausgangsleistungssteuereinheit 64, welche oben beschrieben wurde, im Zeitverstreichen wiederholt werden. Durch diese Maßnahme kann, selbst in einem Fall, bei dem sich der Partikel C in einem Bereich in der Nähe der Oberfläche des Objektes B bewegt, die Beziehung zwischen dem Partikel-Brennpunkt-Abstand d und der Einfangkraft T an eine proportionale Beziehung angenähert werden. Dies ermöglicht es, zu verhindern, dass der Partikel C entweicht, indem die Einfangkräfte T sichergestellt werden, die für die Partikel-Brennpunkt-Abstände d geeignet sind.
Auch wenn die optische Pinzettenvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform, wie oben beschrieben, konfiguriert ist, können beispielsweise die Lichtleitmittel (21-27), die in 1 gezeigt sind, eine andere Konfiguration haben. Das heißt, dass die optische Pinzettenvorrichtung 1 mit der Lichtquelle 10 zur Emittierung von einem Laserstrahl L, der Linse 28 zur Fokussierung des Laserstrahls L, der von der Lichtquelle 10 emittiert wird, mit der Antriebsvorrichtung 48 zur relativen Bewegung der Linse 28 zur Stufe 46, die auf dem Halteelement 47 montiert ist, das auch den einzufangenden Partikel C aufweist, mit dem Detektor 40 zur Leistung eines Detektionssignals zur Bestimmung eines Abstandes d zwischen dem eingefangenen Partikel C und dem Brennpunkt Q der Linse 28 und mit dem Steuermittel 60 (Computer) zur Durchführung verschiedener Prozessarten ausgestattet ist.
Das Halteelement 47 ist, zusätzlich zu der Flüssigkeit W, mit dem Objekt B versehen, dessen Beziehung zu dem einzufangenden Partikel untersucht werden muss (siehe 3). Somit kann das Antriebsmittel 48 den Partikel C, der durch den durch die Linse 28 fokussierten Laserstrahl L eingefangen ist, und das Objekt B, das sich in der Nähe des Partikels C befindet, relativ zueinander bewegen. Genauer gesagt wird der Partikel C in der Ausführungsform in einem Bereich, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist, parallel zu dessen Oberfläche bewegt.
Während die Beziehung zwischen der Einfangkraft T für den eingefangenen Partikel C und dem Partikel-Brennpunkt-Abstand d in einem Bereich linear ist, der von der Oberfläche des Objektes B entfernt ist, ist sie nichtlinear und unvorhersagbar in einem Bereich, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist. Im Gegensatz dazu kann in der optischen Pinzettenvorrichtung 1 mit der oben beschriebenen Konfiguration die Einfangkraft T für den Partikel C so kompensiert werden, dass dessen Beziehung zu dem Partikel-Brennpunkt-Abstand d durch die Steuerung der Laserleistung der Lichtquelle 10 an eine lineare Beziehung angenähert wird, selbst in dem Fall, bei dem der eingefangene Partikel C in einem Bereich bewegt wird, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist. Dies ermöglicht es, den Partikel C dauerhaft einzufangen und zu bewegen. Das heißt, dass, selbst in dem Fall, bei dem der Partikel C in einem Bereich eingefangen und bewegt wird, der nahe der Oberfläche des Objektes B ist, verhindert werden kann, dass der Partikel C entweicht.
Des Weiteren wandelt die Differenzberechnungseinheit 63 eine Einfangkraftdifferenz ΔT (= Txi - Txa) in einen Stromeingangswert I der Lichtquelle 10 um, der mit einer Leistung des Laserstrahls L in Zusammenhang steht, der aus der Lichtquelle 10 (proportionale Beziehung) emittiert wird, und die Ausgangsleistungssteuereinheit 64 führt eine Feedback-Steuerung für die Erhöhung oder die Verringerung der Strom I durch. Diese Konfiguration ermöglicht das Einfangen einer erwünschten Einfangkraft T, indem die Laserstrahlleistung der Lichtquelle 10 angepasst wird und dadurch ermöglicht wird, den Partikel C noch dauerhafter einzufangen und zu bewegen.
Die oben offenbarte Ausführungsform ist beispielhaft und nicht in jedem Punkt einschränkend. Das heißt, dass die optische Pinzettenvorrichtung 1 gemäß der Erfindung nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt ist, und innerhalb des Kerns der Erfindung auch eine andere Ausführungsform annehmen kann.
Indem ein Partikel unter Verwendung der optischen Pinzettenvorrichtung 1 eingefangen und relativ zu einem Objekt bewegt wird, wird es möglich, eine Oberflächenform des Objektes zu messen oder eine Oberflächenkraft inklusive dem Objekt zu messen oder einen Mikroprozess auf dem Objekt durchzuführen. Des Weiteren kann die Viskosität oder dergleichen der Flüssigkeit W um das Objekt B herum durch die Bestimmung einer Einfangkraft für einen Partikel detektiert werden.
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der JP 2015-211815 , die am 28. Oktober 2015 eingereicht wurde, wobei die Offenbarung hierin zur Gänze aufgenommen wurde.
Bezugszeichenliste

1:: optische Pinzettenvorrichtung
10:: Lichtquelle
28:: Linse
40:: Detektor
48:: Antriebsvorrichtung
62:: Einfangkraftberechnungseinheit
63:: Differenzberechnungseinheit
64:: Ausgangsleistungssteuereinheit
L:: Laserstrahl
Q:: Brennpunkt
d:: Abstand
C:: Partikel
B:: Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006235319 A [0004]
JP 2015211815 [0053]

Claims

Optische Pinzettenvorrichtung mit: einer Lichtquelle, die einen Laserstrahl emittiert; einer Linse, die den aus der Lichtquelle emittierten Laserstrahl fokussiert; einer Antriebseinheit, die einen Partikel, der durch die Fokussierung des Laserstrahls mit der Linse eingefangen ist, und ein Objekt, das sich in der Nähe des Partikels befindet, relativ zueinander bewegt bewegt; einem Detektor, der ein Detektionssignal zur Bestimmung eines Abstandes zwischen dem eingefangenen Partikel und einem Brennpunkt der Linse ausgibt; einer Einfangkraftberechnungseinheit, die Einfangkraftdaten, die eine Einfangkraft für den Partikel anzeigen, auf der Grundlage des Abstandes, der aus dem Detektionssignal bestimmt ist, bestimmt; einer Differenzberechnungseinheit, die eine Differenz zwischen einem theoretischen Wert der Einfangkraft, der gemäß einer linearen Beziehung zwischen dem Abstand zwischen dem eingefangenen Partikel und dem Brennpunkt der Linse und der Einfangkraft für den Partikel geschätzt wird, und der Einfangkraft bestimmt, die durch die Einfangkraftdaten angezeigt wird; und einer Ausgangsleistungssteuereinheit, die eine Laserleistung der Lichtquelle auf der Grundlage Einfangkraftdifferenz steuert.
Optische Pinzettenvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Differenzberechnungseinheit die Differenz in einen Stromwerteingang für die Lichtquelle umwandelt, der mit einer Leistung des Laserstrahls, der von der Lichtquelle emittiert wird, korreliert, und wobei die Ausgangsleistungssteuereinheit eine Feedback-Steuerung zur Erhöhung oder zur Verringerung des Stromwertes durchführt.