JP2002219700A - 微小物体のマニピュレーション方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気的に集光点を操作し、微小物体を移動さ
せることができる微小物体のマニピュレーション方法と
その装置を提供する。 【解決手段】 複数個のレーザ光を発する面発光レーザ
からなる光源（ＶＣＳＥＬアレイ）１と、この光源１か
らのレーザ光をステージ２上の試料１７に集光するマイ
クロレンズアレイ１８、レンズ１２Ａ、レンズ１２Ｂ、
レンズ１３Ａ、ダイクロイックミラー１５、対物レンズ
１６からなる光学系とを備え、前記光源１の各発光素子
を空間的・時間的に強度変調を行い、微小物体を捕捉・
移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロメーター
オーダー以下の微小物体のマニピュレーション方法とそ
の装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来，このような分野の参考文献として
は以下に開示されるものがあった。 〔１〕Ａ．Ａｓｈｋｉｎ，Ｊ．Ｍ．Ｄｚｉｅｄｚｉｃ，
Ｊ．Ｅ．Ｂｊｏｒｋｈｏｌｍ，ａｎｄ Ｓｔｅｖｅｎ
Ｃｈｕ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇ
ｌｅ−ｂｅａｍ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｐ
ｔｉｃａｌ ｔｒａｐ ｆｏｒ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．
１１，ｐｐ．２８８−２９０，１９８６． 〔２〕Ａ．Ａｓｈｋｉｎ ａｎｄ Ｊ．Ｍ．Ｄｚｉｅｄ
ｚｉｃ．Ｏｐｔｉｃａｌｔｒａｐｐｉｎｇ ａｎｄ ｍ
ａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｕｓｅｓ ａｎ
ｄ ｂａｃｔｅｒｉａ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２３
５，ｐｐ．１５１７−１５２０，１９８７． 〔３〕Ａ．Ａｓｈｋｉｎ，Ｊ．Ｍ．Ｄｚｉｅｄｚｉｃ，
ａｎｄ Ｔ．Ｙａｍａｎｅ．Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ
ｐｉｎｇ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎｏｆ ｓ
ｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌｓ ｕｓｉｎｇ ｉｎｆｒａｒｅ
ｄ ｌａｓｅｒｂｅａｍｓ．Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３
３０，ｐｐ．７６９−７７１，１９８７． 〔４〕Ｓ．Ｃ．Ｋｕｏ ａｎｄ Ｍ．Ｐ．Ｓｈｅｅｔ
ｚ．Ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｋｉｎｅｓｉｎ
ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｗｉｔｈ
ｏｐｔｉｃａｌ ｔｗｅｅｚｅｒｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，
Ｖｏｌ．２６０，ｐｐ．２３２−２３４，１９９３． 〔５〕Ｙ．Ａｒａｉ，Ｒ．Ｙａｓｕｄａ，Ｋ．Ａｋａｓ
ｈｉ，Ｙ．Ｈａｒａｄａ，Ｈ．Ｍｉｙａｔａ，Ｋ．Ｋｉ
ｎｏｓｉｔａ Ｊｒ．，ａｎｄ Ｈ．Ｉｔｏｈ．Ｔｙｉ
ｎｇ ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｋｎｏｔ ｗｉｔｈ
ｏｐｔｉｃａｌｔｗｅｅｚｅｒｓ．Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏ
ｌ．３９９，ｐｐ．４４６−４４８，１９９９． 〔６〕Ｚ．−Ｐ．Ｌｕｏ，Ｙ．−Ｌ．Ｓｕｎ，ａｎｄ
Ｋ．Ｎ．Ａｎ．Ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｉｎ ｍｉ
ｃｒｏｍｏｔｏｒ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，
Ｖｏｌ．７６，ｐｐ１７７９−１７８１，２０００． 〔７〕Ａ．Ｅ．Ｃｈｉｏｕ，Ｗ．Ｗａｎｇ，Ｇ．Ｊ．Ｓ
ｏｎｅｋ，Ｊ．Ｈｏｎｇ，ａｎｄ Ｍ．Ｗ．Ｂｅｒｎ
ｓ．Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ
ｔｗｅｅｚｅｒｓ．Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍ．，Ｖｏｌ．１
３３，ｐｐ．７−１０，１９９７． 〔８〕Ｍ．Ｍ．Ｂｕｒｎｓ，Ｊ．−Ｍ．Ｆｏｕｒｎｉｅ
ｒ，ａｎｄ Ｊ．Ａ．Ｇｏｌｏｖｃｈｅｎｋｏ．Ｏｐｔ
ｉｃａｌ ｍａｔｔｅｒ：Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉ
ｏｎ ａｎｄ ｂｉｎｄｉｎｇ ｉｎ ｉｎｔｅｎｓｅ
ｏｐｔｉｃａｌｆｉｅｌｄｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏ
ｌ．２４９，ｐｐ．７４９−７５４，１９９０．

〔９〕Ｈ．Ｈｅ，Ｍ．Ｅ．Ｊ．Ｆｒｉｅｓｅ，Ｎ．Ｒ．
Ｈｅｃｋｅｎｂｅｒｇ，ａｎｄ Ｈ．Ｒｕｂｉｎｓｚｔ
ｅｉｎ−Ｄｕｎｌｏｐ．Ｄｉｒｅｃｔ ｏｂｓｅｒｖａ
ｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｏｆ ａｎｇｕｌ
ａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｔｏ ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｌａｓｅｒ ｂ
ｅａｍ ｗｉｔｈ ａ ｐｈａｓｅ ｓｉｎｇｕｌａｒ
ｉｔｙ．Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７
５，ｐｐ．８２６−８２９，１９９５． 〔１０〕Ｍ．Ｅ．Ｊ．Ｆｒｉｅｓｅ，Ｔ．Ａ．Ｎｉｅｍ
ｉｎｅｎ，Ｎ．Ｒ．Ｈｅｃｋｅｎｂｅｒｇ，ａｎｄ
Ｈ．Ｒｕｂｉｎｓｚｔｅｉｎ−Ｄｕｎｌｏｐ．Ｏｐｔｉ
ｃａｌ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｉｎｎｉｎ
ｇ ｏｆ ｌａｓｅｒ−ｔｒａｐｐｅｄ ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏ
ｌ．３９４，ｐｐ．３４８−３５０，１９９８． 〔１１〕Ｓｔｅｖｅｎ Ｍ．Ｂｌｏｃｋ．Ｍａｋｉｎｇ
ｌｉｇｈｔ ｗｏｒｋｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｔ
ｗｅｅｚｅｒｓ．Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．３６０，ｐ
ｐ．４９３−４９５，１９９２． システムには高い機能性だけでなく、構成の簡単化や微
小化を要求されることが多い。またゲノム解析に代表さ
れるように、莫大な情報を効率的に処理する手法が求め
られている。これらの要求に対し、微細加工技術の発達
に伴い、新規な機能を実現する微小システムへの期待が
高まっている。例えば、化学分野では、マクロな器具を
用いて行ってきたあらゆる化学反応過程を一枚のチップ
上で実現し、システム化を目指す研究の流れがある。こ
の概念はＬａｂ−Ｏｎ−Ｃｈｉｐと呼ばれ、究極的な微
小システムとして期待されている。その対象は分子の構
造解析や機能解析、化学反応メカニズムの解明や各種セ
ンサシステムなど多岐にわたる。

【０００３】このような微小システムでは、より小さな
領域での複雑な制御や、より高精度な制御が必要とな
り、広範囲に適用できる技術の確立が望まれている。マ
イクロメーターオーダー以下の微小物体を巧妙に操るた
めの方法として、光と微小物体の相互作用により生じる
光圧を利用した光トラップ（光ピンセット）技術があ
る。１９８６年にＡｓｈｋｉｎ〔文献１〕らは、単一の
強く集光されたレーザービームを用いて数１０ｎｍから
数１０μｍの粒子を三次元的に捕捉できることを最初に
示した。光トラップ技術は非接触に微小物体の操作が可
能であり、生体内物質の操作〔文献２，文献３〕，分子
間の相互作用により生じる微小な力の計測〔文献４〕、
フィラメント分子の形状制御〔文献５〕、微小マイクロ
モーター〔文献６〕などあらゆる分野への応用が提案さ
れ、成果を上げてきた。また、二拘束の干渉を利用した
物体の捕捉と移動〔文献７〕、多光束干渉を利用した粒
子の整列〔文献８〕、トラップ用ビームの波面変調によ
る粒子の回転制御〔文献９〕、偏光による複屈折物体の
回転制御〔文献１０〕など多くの派生的な技術も提案さ
れ、その有用性は疑う余地のないものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
を実現するためのシステムは、機能を特化したものが多
く、汎用性に乏しい。また、一般的なシステム構成で
は、捕捉した物体の移動にビームまたはステージの機械
的な走査が必要で、システム動作の安定性に問題があ
る。

【０００５】従って、従来型のシステムでは、操作の自
由度や制御の精度、あるいはシステムの簡単化や縮小化
において問題があった。

【０００６】本発明は、上記状況に鑑みて、電気的に集
光点を操作し、微小物体を移動させることができる微小
物体のマニピュレーション方法とその装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕微小物体のマニピュレーション方法において、複
数個のレーザ光を発する面発光レーザを光源とし、その
各発光素子を空間的・時間的に強度変調を行い、微小物
体を捕捉・移動させることを特徴とする。

【０００８】〔２〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
パターンを空間的に変調し、微小物体を操作することを
特徴とする。

【０００９】〔３〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
発光パターンを時間的に変調し、微小物体を操作するこ
とを特徴とする。

【００１０】〔４〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
任意のビームパターン形成により、汎用性の高い微小物
体を操作することを特徴とする。

【００１１】〔５〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
時間的なパターンを変化させることにより、汎用性の高
い微小物体を操作することを特徴とする。

【００１２】〔６〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
発光パターンにより、微小物体の任意配列が可能なこと
を特徴とする。

【００１３】〔７〕上記〔１〕記載の微小物体のマニピ
ュレーション方法において、前記面発光レーザの光源の
発光パターンにより、複数の微小物体の同時操作が可能
なことを特徴とする。

【００１４】〔８〕微小物体のマニピュレーション装置
において、複数個のレーザ光を発する面発光レーザから
なる光源と、この光源のドライバ回路と、このドライバ
回路の制御を行う制御装置とを備え、前記光源の各発光
素子を空間的・時間的に強度変調を行い、微小物体を捕
捉・移動させることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。

【００１６】（１）光トラップの原理 光トラップは、光と微小物体との相互作用を利用して、
ミクロンオーダーの微小物体を捕捉し、操作する技術で
ある。その原理は定性的に以下のように説明される。光
が微小物体に入射した時、屈折や反射などの現象が生じ
る。光を光子の集合と考えた場合には、これらの現象は
光子が微小物体との衝突により、運動量を変化させたと
考えることができる。このとき、運動量保存則から、光
子と微小物体の持つ運動量の合計は衝突の前後で保存さ
れる。

【００１７】従って、微小物体にも、光子の運動用変化
を相殺するだけの運動量変化が生じる。このことは、光
が微小物体に力を与えたと考えることができ、これを光
圧と呼んでいる。微小物体に光が入射した場合には、全
ての光子により生じる光圧を合計した力を受ける。

【００１８】例えば、図１のように、レーザー光Ｃを開
口数の大きなレンズＤで集光し、微小物体Ｅに照射する
場合を考える。Ａ点、Ｂ点へ入射する光子は屈折などに
より、微小物体ＥにそれぞれＦ_A 、Ｆ_B の力を与える。
全ての光子を考えると最終的に微小物体Ｅが受ける合力
は、鉛直上向きに生じる。この力が重力による鉛直下向
きの力と釣り合う位置に微小物体は捕捉される。

【００１９】次に、水平方向に生じる力について考え
る。微小物体Ｅに照射するビームが非対称の場合、ある
いは微小物体Ｅがビームの中心からずれた場合には、微
小物体Ｅが受ける力は非対称になる（図１で｜Ｆ_A ｜＜
｜Ｆ_B ｜）。この時、合力ベクトルは、強度の強い方向
に水平方向の成分を生じ、微小物体Ｅはその方向に移動
する。例えばガウスビームを用いて微小物体Ｅを捕捉す
る場合には、微小物体Ｅ中心がビーム中心からはずれる
と微小物体Ｅにはビーム中心に向かう力が生じる。ま
た、微小物体Ｅを捕捉した状態でビーム位置を移動させ
れば、微小物体Ｅがそれに追従し、移動するため、微小
物体Ｅの位置を遠隔操作することが可能となる。生体細
胞や微生物、高分子化合物、金属など多くの微小物体を
対象にした光トラップが報告されている。

【００２０】（２）本発明のＶＣＳＥＬアレイを用いた
光トラップ技術 本発明は、ＶＣＳＥＬアレイを光源とした光トラップ技
術に関する。ＶＣＳＥＬアレイは、各素子の強度を独立
に制御することができるため、任意のスポットパターン
を生成することが可能である。また、そのパターンを高
速変調できる。従って、自由度の高い微小物体操作が期
待でき、精密な操作が可能となる。汎用的なシステムを
構築できる、などの特徴点を有する。 （ａ）光源としてアレイ光源を用いる点 （ｂ）アレイ光源のパターンを空間的に変調し、微小物
体操作を実行する点 （ｃ）アレイ光源の発光パターンを時間的に変調し、微
小物体操作を実行する点 （ｄ）任意のビームパターン形成により、汎用性の高い
微小物体操作を実行できる点 （ｅ）時間的なパターンを変化させることにより、汎用
性の高い微小物体操作を実行できる点 （ｆ）アレイ光源の発光パターンにより、微小物体の任
意配列が可能な点 （ｇ）ノンメカニカルに微小物体移送が可能な点 （ｈ）複数の微小物体の同時操作が可能な点 （３）実施例 図２は本発明の実施例を示す微小物体のマニピュレーシ
ョンシステムの構成図、図３はその微小物体のマニピュ
レーションシステムのＶＣＳＥＬトライバの回路構成
図、図４はその微小物体のマニピュレーションシステム
の光学系の構成図である。

【００２１】図２において、１はＶＣＳＥＬアレイであ
り、８×８アレイ，波長８５４ｎｍ，２５０μｍピッチ
からなる。２はステージであり、位置分解能が１μｍ
（駿河精機株式会社：Ｄ８０ステッピングモーターで制
御）、３はステージコントローラ、４はマイクロコンピ
ュータ、５はＤ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバー
タ、６はＶＣＳＥＬドライバ回路であり、このＶＣＳＥ
Ｌドライバ回路６は、図３に示すような回路構成となっ
ている。すなわち、７は増幅器（ＴＬ０７４）、８はＦ
ＥＴ（２ＳＫ３０ＡＴＭ）、９はＴｒ（２ＳＣ１８１
５）、１０は抵抗（Ｒ：１００Ω）である。

【００２２】また、光学系１１は、図４に示すように、
ＶＣＳＥＬアレイ１、マイクロレンズアレイ１８、レン
ズ（焦点距離ｆ＝８０ｍｍ）１２Ａ，１２Ｂからなる４
ｆ結像光学系１２、ＶＣＳＥＬ中間結像面１３、レンズ
（焦点距離ｆ＝２００ｍｍ）１３Ａ，１３Ｂ、ＣＣＤ１
４、ダイクロイックミラー１５、対物レンズ１６〔水浸
長作動距離対物レンズ（オリンパス社製：ＬＵＭＰｌａ
ｎＦＩ６０×Ｗ／ＩＲ〕を有し、１７は試料（直径６μ
ｍおよび１０μｍのポリスチレン球で、水に分散）であ
る。

【００２３】図４に示すように、ＶＣＳＥＬから出射す
るビームは約１５度の発散角を持つため、ＶＣＳＥＬア
レイ１の直後に焦点距離７２０μｍのマイクロレンズア
レイ１８を配置して光量効率の低下を抑制する。集光用
のレンズには水浸長作動距離対物レンズ１６（ＯＬＹＭ
ＰＵＳ：ＬＵＭＰｌａｎ ＦＩ６０×Ｗ／ＩＲ，ＮＡ＝
０．９０）を用いる。本光学系では、マイクロレンズア
レイ像が試料１７面上に縮小結像する。縮小倍率は約１
／６７倍である。また、試料面の様子は観察用光学系を
介してＣＣＤ１４により取り込む。 （４）システム構成 本システムで用いるＶＣＳＥＬアレイ１（波長８５４ｎ
ｍ、最大出力３ｍＷ以上、開口径１５μｍφ、２５０μ
ｍピッチ、素子数８×８個）の発光強度特性を図５に示
す。最大値に達するまでは発光強度は電流量に比例して
増加し、それ以上の電流値では発光強度が減少する。Ｖ
ＣＳＥＬの最大発光強度は８．３９ｍＷである。また、
試料面におけるＶＣＳＥＬ１素子あたりの光強度は約
０．８ｍＷである。

【００２４】試料には、直径６μｍと１０μｍのポリス
チレン球（Ｐｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｉｎｃ．：Ｐｏ
ｌｙｂｅａｄ Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ Ｍｉｃｒｏｓ
ｐｈｅｒｅｓ）を混合して用いた。ポリスチレン球の屈
折率は１．６０、密度は１．０５ｇ／ｍｌである。図６
に示すように、プレパラート２１は、スライドガラス
（１穴ホールスライド）２２とカバーガラス２３を用い
て作製し、その上方からＶＣＳＥＬのビーム２４を照射
して実験を行った。

【００２５】（５）実験結果 （５−１）ＶＣＳＥＬ１素子での捕捉と移動 通常、ＶＣＳＥＬの最大発光強度は１０ｍＷ以下であ
る。これは従来の光トラップ用の光源として用いられて
きた他の光源の強度と比較して小さく、ＶＣＳＥＬ１素
子では微小物体を捕捉できない可能性が懸念される。単
独のＶＣＳＥＬで微小物体を捕捉できることを確認する
ため、ＶＣＳＥＬアレイ１上の１素子のみを発光させ、
微小物体の１個を捕捉し、その移動を試みた。その様子
を図７に示す。つまり、図７（ａ）は０秒後、図７
（ｂ）は６．７秒後、図７（ｃ）は１３．３秒後、図７
（ｄ）は２０秒後、図７（ｅ）は２６．７秒後、図７
（ｆ）は３３．３秒後を示しており、ＶＣＳＥＬの集光
点に１つの微小物体が捕捉され、それが他の微小物体に
対して相対的に右側に移動していく様子が見てとれる。
本実験から、単独のＶＣＳＥＬで微小物体の捕捉が可能
なことが確認できた。ＶＣＳＥＬ１素子で、マイクロメ
ーターオーダーの微小物体を捕捉できるトラップ力が得
られることは、本発明の応用・展開を考える上で非常に
有意義な結果である。

【００２６】（５−２）微小物体の一括捕捉と移動 光源であるＶＣＳＥＬアレイ１のそれぞれの素子の強度
は独立に変調することができる。従って、ＶＣＳＥＬの
アレイ数の範囲内であれば任意のスポットアレイパター
ンの生成が可能である。前項目の実験から、ＶＣＳＥＬ
１素子で一つの微小物体を捕捉できることが確認された
ことから、ＶＣＳＥＬアレイの発光パターンに対応して
複数の微小物体を同時に捕捉することが可能であると考
えられる。実験では、ＶＣＳＥＬアレイ１上の２素子を
同時に発光させ、それぞれで微小物体をひとつずつ捕捉
・移動させることを試みた。本実験で行った微小物体の
捕捉の様子を図８に示す。つまり、図８（ａ）は０秒
後、図８（ｂ）は６．７秒後、図８（ｃ）は１３．３秒
後、図８（ｄ）は２０秒後、図８（ｅ）は２６．７秒後
を示しており、それぞれのビームで捕捉された微小物体
のみが他の微小物体に対して相対的に上方に移動してい
ることが分かる。捕捉されていない微小物体の相対的な
位置関係に若干のずれが見られるのは、各微小物体のブ
ラウン運動によるものである。今回の実験ではＶＣＳＥ
Ｌアレイ１上の２素子のみを用いたが、同様の手法で、
より多くの微小物体の捕捉へ容易に拡張できる。この場
合、ＶＣＳＥＬアレイ１の任意の発光パターンに従って
微小物体を配列するなど、従来手法では得られない新規
な機能を得ることも可能となる。

【００２７】（５−３）ノンメカニカルな微小物体の移
動 ＶＣＳＥＬは発光強度を高速に変調することができる。
このことは、対象となる微小物体の状態に応じてパター
ンを変化させ、それを操作できることを示している。こ
こではＶＣＳＥＬアレイ１上の２素子を用い、これらの
発光と消光を交互に行うことにより微小物体をノンメカ
ニカルに移動させることを試みた。実験結果を図９に示
す。実線の矢印が発光しているＶＣＳＥＬ、点線の矢印
が消光しているＶＣＳＥＬの位置に対応している。向か
って右側のＶＣＳＥＬの位置に捕捉されていた粒子〔図
９（ａ）〕が、発光ＶＣＳＥＬを変更により左側のＶＣ
ＳＥＬ位置〔図９（ｃ）〕に移動し、再度右側のＶＣＳ
ＥＬ位置〔図９（ｅ）〕に戻る様子が分かる。この間、
ＶＣＳＥＬの発光・消光以外の操作は行っておらず、本
発明によりノンメカニカルな微小物体移動が可能である
ことが確認された。使用するＶＣＳＥＬアレイの素子数
を増やせばより広範囲で自由に微小物体移動が可能とな
る。

【００２８】（６）微小物体に生じる力の概算 微小物体が光との相互作用により受ける力は、液体中の
微小物体の移動速度から算出することができる。この方
法により、これまでの実験で微小物体が受けた力を求め
た結果を表１に示す。

【００２９】

【表１】

【００３０】また、ＶＣＳＥＬの強度を実験値と同じ
０．８ｍＷと設定し、微小物体が受ける力の最大値を計
算した結果を表１の右端に示す。常に最大のトラップ力
を利用しているとは限らないため、実験ではシミュレー
ション結果の１／３から１／４倍のトラップ力しか得ら
れていないが、システムの改良などにより計算値に近づ
くものと思われる。

【００３１】（７）計算機シミュレーションによるトラ
ップ力の計算例 複数のＶＣＳＥＬ素子を一つの微小物体に照射すれば、
その強度分布を容易に変調できるため、単なる捕捉以外
の操作が期待できる。ここでは、複数のＶＣＳＥＬ素子
を用いた場合の光トラップにより生じる力の計算結果を
示す。

【００３２】ＶＣＳＥＬアレイを用いる場合、トラップ
するビームのパターンはスポットアレイと考えることが
できる。ここでは図１０に示すように、２×２のＶＣＳ
ＥＬアレイで一つの微小物体を捕捉する場合を想定し、
そのトラップ力を計算する。図１０のｄ_ogは、ＶＣＳＥ
Ｌの各素子によるスポットの、原点からの距離を表す。
また、各スポットはガウスビームであるとした。水平方
向のトラップ力のｄ_og依存性を図１１に示す。正の値が
原点方向への力、負の値がその反対向きの力を示す。ま
た、図中のｚは光軸方向の焦点位置からのずれ量であ
る。ｄ_ogが大きくなるにつれて力を与える領域が広くな
るが、その値は小さくなることが分かる。また、ｄ_ogが
大きいときには、負の力が生じている。これは４つのＶ
ＣＳＥＬのうちのある１素子の方向に力が働き、そこに
捕捉されることを示している。以上の結果は、トラップ
力がＶＣＳＥＬアレイの配置に敏感に影響を受けること
を示すものである。従って、ＶＣＳＥＬの発光分布を制
御することにより、微小物体に与える力を変化させるこ
とができる。

【００３３】（８）展開可能な応用 実験は、システムのプロトタイプを用いて行ったもので
あり、ＶＣＳＥＬの強度やステージの移動の制御を手動
で行った。このため、ＶＣＳＥＬアレイ中の発光素子や
ステージの移動精度などが制限され、ＶＣＳＥＬアレイ
光トラップの機能を最大限に発揮しているとはいえな
い。しかし、システムの改良により、これまでに示した
もの以上の多くの機能の実現が期待できる。ここでは本
発明の新しい非接触微小物体操作法としての展開可能な
応用について述べる。

【００３４】（８−１）多数の微小物体の一括捕捉と移
動 実験では２微小物体の一括捕捉を行ったが、原理的には
ＶＣＳＥＬアレイの素子数分の微小物体を一括捕捉する
ことが可能である。また、捕捉した微小物体を閉じた囲
い状に配置すれば、その内部に直接捕捉していない微小
物体を閉じ込め、それらを大量に一括して移動させるこ
ともできる。さらにこれらの方法を組み合わせれば、多
数の微小物体を同時に大きく移動させた後、個々に対し
て精密な制御を行うといった有効な利用法が同一のシス
テム構成で可能となる。

【００３５】（８−２）ノンメカニカルな微小物体の移
動 システムの安定化や精密な制御への要求に対し、ノンメ
カニカルな微小物体移動は非常に有効な手法である。Ｖ
ＣＳＥＬアレイ上の２素子を用いた場合のノンメカニカ
ルな微小物体移動については既に実験により示したが、
ＶＣＳＥＬアレイの素子全体に容易に拡張することが可
能であり、ＶＣＳＥＬアレイの範囲内で自由に微小物体
を移動させることができる。さらに、トラップ用のビー
ムのデフォーカス、あるいは、位相光学素子を用いたビ
ーム分割などにより、さらに広い範囲内で自由な移動が
できる可能性を有する。

【００３６】（８−３）微小物体位置の精密な制御 一つの微小物体をＶＣＳＥＬアレイ上の複数の素子で捕
捉する場合には、それぞれのビームから受ける光圧の均
衡がとれる位置に微小物体は静止する。このことから、
各ＶＣＳＥＬの強度を適当に制御すれば、微小物体位置
をＶＣＳＥＬアレイの間隔よりもはるかに高い精度で制
御することが可能となる。この機能も当然ノンメカニカ
ルに達成できる。

【００３７】（８−４）微小物体の運動誘起とその制御 ＶＣＳＥＬアレイの空間的な強度分布の制御に加え、時
間的にも変調を制御すれば、微小物体の運動を誘起し、
制御することができる。例えば、回転、振動、加速等が
考えられる。光圧を用いた回転の方法として、ビームに
らせん上の位相分布を与える方法

〔９〕や、微小物体の
複屈折性を利用する方法〔１０〕などが提案されてい
る。しかし、前者は回転速度などパラメータが固定され
るし、後者は対象となる微小物体に複屈折性が要求され
るという問題点がある。これに対し、本手法を用いれ
ば、あらゆる微小物体を対象とし、かつ運動のパラメー
タを設定、変更することが可能である。また、微小物体
加速により、微小物体を遠く離れた位置へ引き渡した
り、完全に外部に放り出すこともできる。本手法はマイ
クロマシンなどの微小な装置の機械的な操作への適用が
考えられる。

【００３８】（８−５）様々な形状の微小物体の制御 これまでに提案された光トラップの応用では、球形に近
い微小物体を捕捉の対象とすることが多かった。これ
は、球形以外の微小物体を捕捉する場合、単一光源によ
る光トラップでは微小物体自体の回転を制御するのが困
難であるし、移動も容易ではなく特定方向に限定される
ことが考えられる。これに対し、ＶＣＳＥＬアレイ光ト
ラップでは、円柱微小物体をはじめとして、様々な形状
の微小物体の回転やその自由な移動が可能となる。

【００３９】以上挙げたすべての機能に共通するのは、
これを単一光源の光トラップ技術を用いて行うことは不
可能、あるいは、システムへの新たなデバイスの導入や
機械的な走査などが要求されることである。ＶＣＳＥＬ
アレイ光トラップは同一のシステム構成で、これらすべ
ての機能を実現できる可能性を有しており、汎用性、応
用性に優れた技術であると言える。

【００４０】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００４１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果を奏することができる。

【００４２】（１）ＶＣＳＥＬアレイは、各素子の強度
を独立に制御することができるため、任意のスポットパ
ターンを生成することが可能である。また、そのパター
ンを高速変調できる。従って、ＶＣＳＥＬアレイを光源
とした光トラップ技術により、自由度の高い微小物体操
作が期待でき、精密な操作が可能となる。

【００４３】（２）ＶＣＳＥＬアレイの素子数分の微小
物体を一括捕捉することが可能である。

【００４４】（３）ＶＣＳＥＬアレイの範囲内で自由に
微小物体を移動させることができる。さらに、トラップ
用のビームのデフォーカス、あるいは、位相光学素子を
用いたビーム分割などにより、さらに広い範囲内で自由
な移動ができる。

【００４５】（４）ＶＣＳＥＬの強度を適当に制御する
ことにより、微小物体位置をＶＣＳＥＬアレイの間隔よ
りもはるかに高い精度で制御することが可能となる。

【００４６】（５）あらゆる微小物体を対象とし、かつ
運動のパラメータを設定、変更することが可能である。
また、微小物体の加速により、微小物体を遠く離れた位
置へ引き渡したり、完全に外部に放り出すこともでき
る。したがって、マイクロマシンなどの微小な装置の機
械的な操作への適用が可能である。

【００４７】（６）ＶＣＳＥＬアレイ光トラップでは、
円柱微小物体をはじめとして、様々な形状の微小物体の
回転やその自由な移動が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光トラップの原理を示す図であ
る。

【図２】本発明の実施例を示す微小物体のマニピュレー
ションシステムの構成図である。

【図３】本発明の実施例を示す微小物体のマニピュレー
ションシステムのＶＣＳＥＬドライバの回路構成図であ
る。

【図４】本発明の実施例を示す微小物体のマニピュレー
ションシステムの光学系の構成図である。

【図５】本発明のシステムで用いるＶＣＳＥＬアレイ
（波長８５４ｎｍ、最大出力３ｍＷ以上、開口径１５μ
ｍφ、２５０μｍピッチ、素子数８×８個）の発光強度
特性を示す図である。

【図６】本発明の試料としてのプレパラートを示す図で
ある。

【図７】本発明のシステムによるＶＣＳＥＬアレイ１上
の１素子のみを発光させ、微小物体の捕捉と移動の様子
を示す図である。

【図８】本発明のシステムによるＶＣＳＥＬアレイ１上
の２素子を同時に発光させ、それぞれで微小物体をひと
つずつ捕捉・移動させる様子を示す図である。

【図９】本発明のシステムによるＶＣＳＥＬアレイ１上
の２素子を用い、これらの発光と消光を交互に行うこと
により微小物体をノンメカニカルに移動させる様子を示
す図である。

【図１０】本発明のシステムによる２×２のＶＣＳＥＬ
アレイで一つの微小物体を捕捉する場合を想定し、その
トラップ力を示す図である。

【図１１】本発明のシステムによる水平方向のトラップ
力のｄ_og依存性を示す図である。

【符号の説明】

１ ＶＣＳＥＬアレイ ２ ステージ ３ ステージコントローラ ４ マイクロコンピュータ ５ Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータ ６ ＶＣＳＥＬドライバ回路 ７ 増幅器 ８ ＦＥＴ ９ Ｔｒ １０ 抵抗 １１ 光学系 １２ ４ｆ結像光学系 １２Ａ，１２Ｂ レンズ（焦点距離ｆ＝８０ｍｍ） １３ ＶＣＳＥＬ中間結像面 １３Ａ，１３Ｂ レンズ（焦点距離ｆ＝２００ｍｍ） １４ ＣＣＤ １５ ダイクロイックミラー １６ 対物レンズ １７ 試料（直径６μｍおよび１０μｍのポリスチレ
ン球で、水に分散） １８ マイクロレンズアレイ ２１ プレパラート ２２ スライドガラス（１穴ホールスライド） ２３ カバーガラス ２４ ＶＣＳＥＬのビーム

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数個のレーザ光を発する面発光レーザ
   を光源とし、その各発光素子を空間的・時間的に強度変
   調を行い、微小物体を捕捉・移動させることを特徴とす
   る微小物体のマニピュレーション方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源のパター
   ンを空間的に変調し、微小物体を操作することを特徴と
   する微小物体のマニピュレーション方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源の発光パ
   ターンを時間的に変調し、微小物体を操作することを特
   徴とする微小物体のマニピュレーション方法。
4. 【請求項４】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源の任意の
   ビームパターン形成により、汎用性の高い微小物体を操
   作することを特徴とする微小物体のマニピュレーション
   方法。
5. 【請求項５】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源の時間的
   なパターンを変化させることにより、汎用性の高い微小
   物体を操作することを特徴とする微小物体のマニピュレ
   ーション方法。
6. 【請求項６】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源の発光パ
   ターンにより、微小物体の任意配列が可能なことを特徴
   とする微小物体のマニピュレーション方法。
7. 【請求項７】 請求項１記載の微小物体のマニピュレー
   ション方法において、前記面発光レーザの光源の発光パ
   ターンにより、複数の微小物体の同時操作が可能なこと
   を特徴とする微小物体のマニピュレーション方法。
8. 【請求項８】（ａ）複数個のレーザ光を発する面発光レ
   ーザからなる光源と、（ｂ）該光源のドライバ回路と、
   （ｃ）該ドライバ回路の制御を行う制御装置とを備え、
   （ｄ）前記光源の各発光素子を空間的・時間的に強度変
   調を行い、微小物体を捕捉・移動させることを特徴とす
   る微小物体のマニピュレーション装置。